寧 磊，梁 乾

Ning Lei，Liang Qian

（漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)電工程學(xué)院，陜西 漢中 724200）

0 引 言

動力電池作為電動汽車關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣直接影響續(xù)駛里程。電池充電問題制約著電動汽車發(fā)展，快充充電方式的最大優(yōu)點是充電速度快，較短時間內(nèi)達(dá)到電池容量80%，但快充電流和電壓較高，短時間內(nèi)對電池造成較大沖擊，使電池發(fā)熱甚至使活性物質(zhì)脫落，影響電池的使用壽命[1]。慢充充電根據(jù)電池特性設(shè)計充電曲線，對電池進(jìn)行深度充電，提升其充放電效率，延長使用壽命，但充電時間較長，充電不方便[2-3]。

為了解決電動汽車充電時間長和充電難問題，行業(yè)內(nèi)提出采用換電模式為電動汽車補(bǔ)電。通過整體更換電池包、分箱更換電池包或移動更換電池包等方式快速為電動汽車補(bǔ)電。換電時間與燃油車加油時間相當(dāng)，提高了充電的便利性，降低了充電難度。換電模式的優(yōu)點是補(bǔ)電速度快，動力電池組采用慢充提前充滿，有利于延長電池使用壽命；換電模式的缺點是跨品牌統(tǒng)一電池結(jié)構(gòu)和參數(shù)的難度很大，不利于行業(yè)創(chuàng)新，對技術(shù)水平要求較高，設(shè)備成本也較高，電池安全性保障仍是難題[1，4]。

不論哪種電量補(bǔ)給方式，最終目標(biāo)是達(dá)到充電時間短、充電方便、充電安全和保證電池壽命的目標(biāo)。為此，本文提出分區(qū)域分模式分時充放電邏輯的動力電池設(shè)計方案。

1 動力電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合動力電池快充和慢充的優(yōu)點對其進(jìn)行分區(qū)域分模式分時充電，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。分區(qū)域是指將動力電池包分成3 個模塊：QCBM（Quickly Charging Battery Module，快充充電電池模塊）、SCBM（Slowly Charging Battery Module，慢充充電電池模塊）1、2。分區(qū)域模式可以實現(xiàn)當(dāng)某個電池模塊出現(xiàn)問題時直接更換此模塊，不需要更換整個電池模組，大幅降低使用成本。分模式是指將充電線路設(shè)置為兩種：（1）QCBM 前端與快充充電口相接進(jìn)行快充，QCBM 后端與SCBM1、SCBM2 相接，由QCBM 對SCBM1、SCBM2 進(jìn)行慢充充電；（2）QCBM、SCBM1 和SCBM2 均與車載充電機(jī)相連，由圖1 可知，慢充充電設(shè)備通過車載充電機(jī)對慢充充電電池模塊進(jìn)行慢充。分時是指不同動力電池模塊的充電時間不同，根據(jù)需要按一定順序進(jìn)行充電。

圖1 分區(qū)域分模式分時充放電電池結(jié)構(gòu)

2 動力電池的控制邏輯

2.1 分區(qū)域分時慢充

在慢充充電條件（具有慢充充電設(shè)備和充足的充電時間）滿足時，QCBM、SCBM1 和SCBM2均采用慢充。分區(qū)域分時慢充控制邏輯如圖2 所示。

圖2 分區(qū)域分時慢充控制邏輯

當(dāng)充電插頭插入交流充電口時喚醒 VCU（Vehicle Control Unit，整車控制器），VCU 向BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）發(fā)出反饋充電需求指令，BMS 接收指令后分析QCBM、SCBM1 和SCBM2 中傳感器的電池狀態(tài)信息，之后確定各個模塊是否需要充電，BMS 將充電需求反饋給VCU，VCU 接收信息后給車載充電機(jī)發(fā)出開始充電指令[5]。充電時，按照QCBM、SCBM1 和SCBM2 順序順次充電；放電時，依然按照QCBM、SCBM1 和SCBM2 順序順次放電。

2.2 分區(qū)域分時快充

當(dāng)車輛行駛中出現(xiàn)充電需求但沒有充足的慢充時間時，需要在快充充電樁上進(jìn)行快速充電，以便較短時間內(nèi)完成充電。

所設(shè)計的電池模組放電順序為 QCBM、SCBM1 和SCBM2。當(dāng)QCBM 和SCBM1 電量消耗殆盡時，BMS 收到QCBM 和SCBM1 荷電狀態(tài)信息，BMS 立刻向VCU 發(fā)送充電請求，VCU 接到請求后通過CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線將充電請求顯示在儀表盤上，提示駕駛員充電，此過程中分區(qū)域分時快充控制邏輯如圖3 所示。

圖3 充電前的分區(qū)域分時快充控制邏輯

當(dāng)充電插頭插入充電樁快充充電口時，喚醒VCU 向BMS 發(fā)出給QCBM 電池模塊進(jìn)行快充充電的指令，當(dāng)QCBM 充電完成即結(jié)束此次快充充電，此過程中分區(qū)域分時快充控制邏輯如圖4 所示。

圖4 QCBM 充電過程的分區(qū)域分時快充控制邏輯

車輛行駛時QCBM 開始向SCBM1 進(jìn)行慢充充電，SCBM2 繼續(xù)放電為驅(qū)動電機(jī)提供電量。當(dāng)SCBM2 電量消耗殆盡時，QCBM 完成對SCBM1慢充充電，QCBM 電量消耗殆盡，SCBM1 電量充足，此過程中分區(qū)域分時快充控制邏輯如圖5 所示。

圖5 QCBM 向SCBM1 充電的分區(qū)域分時快充控制邏輯

BMS 接收到QCBM 和SCBM2 荷電狀態(tài)信息后，立刻向VCU 發(fā)送充電請求，VCU 接到請求后通過CAN 總線將充電請求顯示在儀表盤上，提示駕駛員充電。

在充電樁上再次完成對QCBM 進(jìn)行快速充電。車輛行駛時QCBM 開始向SCBM2 進(jìn)行慢充充電，SCBM1 繼續(xù)放電為驅(qū)動電機(jī)提供電量，此過程中分區(qū)域分時快充控制邏輯如圖6 所示。依次循環(huán)，停車時只對QCBM 進(jìn)行快充，車輛運(yùn)行時只對SCBM1 和SCBM2 進(jìn)行慢充。車輛行駛的整個過程中，分區(qū)域充放電結(jié)構(gòu)將充電模塊和放電模塊相分離，避免電池過熱帶來安全風(fēng)險，提高充電安全性。

圖6 QCBM 向SCBM2 充電的分區(qū)域分時快充控制邏輯

3 關(guān)鍵問題

分區(qū)域分模式分時充放電模式需要解決的關(guān)鍵問題是3 個電池模塊充放電的銜接和QCBM 的使用壽命。

3.1 3 個電池模塊充放電的銜接

為了解決QCBM、SCBM1 和SCBM2 這3 個電池模塊充放電的銜接問題，假設(shè)3 個電池模塊的電池容量相同，且總電池容量為akWh，理論續(xù)駛里程為bkm，3 個充電模塊的慢充總時長為th，則QCBM、SCBM1 和SCBM2 的電池容量均為a/3 kWh，每個電池模塊的理論續(xù)駛里程均為b/3 km，SCBM1 和SCBM2 慢充時長均為t/3。這樣設(shè)置能夠保證QCBM 恰好給SCBM1 或SCBM2充滿電（忽略充電損耗），同時在相同車速v和工況下SCBM1 和SCBM2 的慢充時長相等。為了保證SCBM2（或SCBM1）在放電結(jié)束之前QCBM已經(jīng)完成給SCBM1（或SCBM2）充電，要求SCBM2（或SCBM1）理論放電時間不少于QCBM給SCBM1（或SCBM2）充電時間，即

由式（1）得

當(dāng)電動車行駛速度不超過b/t時，能夠?qū)崿F(xiàn)3個電池模塊充放電的完美銜接，理論最高車速受理論續(xù)駛里程和慢充總時長影響，進(jìn)行電池組設(shè)計時可以對照實現(xiàn)。

3.2 QCBM 的使用壽命

QCBM 在整個電池模組中是唯一進(jìn)行快充的模塊，雖然分區(qū)域充電已經(jīng)大幅度降低快充對壽命的影響，但保持QCBM 狀態(tài)良好仍是進(jìn)一步提高電池使用壽命的關(guān)鍵?？梢赃x擇性能優(yōu)越的電池作為QCBM，并定期對其進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保養(yǎng)頻率要高于SCBM1 和SCBM2，通過延長QCBM使用壽命降低整個動力電池的使用成本。

4 結(jié) 論

為了克服動力電池快慢充的弊端以及換電模式的不利影響，本文結(jié)合快慢充的優(yōu)點提出分區(qū)域分模式分時充放電模式，改進(jìn)效果如下。

（1）節(jié)省充電時長。所建立的模式只對QCBM 進(jìn)行快充，且QCBM 占整個動力電池模塊三分之一，在車輛行駛過程中通過QCBM 給SCBM1（或SCBM2）充電，節(jié)省了停車充電時間，可大幅降低整個充電時長。

（2）降低充電難度。時間充足時仍然可以采用慢充充電，但當(dāng)時間不充足時可以采用先快充后慢充、分區(qū)域放電方式，降低電池充電難度。

（1）提高充電安全性。充電模塊和放電模塊相分離，避免電池過熱帶來的安全性問題。

（2）延長電池使用壽命。所建立的模式只對QCBM 進(jìn)行快充，SCBM1 和SCBM2 均采用慢充，對于QCBM 可以選擇性能優(yōu)越的電池，并定期進(jìn)行保養(yǎng)，一定程度上延長整個電池的使用壽命。

（3）降低使用成本。當(dāng)某個電池模塊出現(xiàn)問題時，可直接更換此模塊，不需要更換整個電池模組，大幅降低使用成本。

綜上所述，基于分區(qū)域分模式分時充放電邏輯設(shè)計的動力電池相比現(xiàn)有充電方式有了很大改進(jìn)，為動力電池的設(shè)計提供了經(jīng)驗參考。