基于分区域分模式分时充放电逻辑的动力电池设计

2023-07-03宁磊，梁乾

北京汽车 2023年3期

宁磊，梁乾

Ning Lei，Liang Qian

（汉中职业技术学院汽车与机电工程学院，陕西汉中 724200）

0 引言

动力电池作为电动汽车关键部件，其性能优劣直接影响续驶里程。电池充电问题制约着电动汽车发展，快充充电方式的最大优点是充电速度快，较短时间内达到电池容量80%，但快充电流和电压较高，短时间内对电池造成较大冲击，使电池发热甚至使活性物质脱落，影响电池的使用寿命[1]。慢充充电根据电池特性设计充电曲线，对电池进行深度充电，提升其充放电效率，延长使用寿命，但充电时间较长，充电不方便[2-3]。

为了解决电动汽车充电时间长和充电难问题，行业内提出采用换电模式为电动汽车补电。通过整体更换电池包、分箱更换电池包或移动更换电池包等方式快速为电动汽车补电。换电时间与燃油车加油时间相当，提高了充电的便利性，降低了充电难度。换电模式的优点是补电速度快，动力电池组采用慢充提前充满，有利于延长电池使用寿命；换电模式的缺点是跨品牌统一电池结构和参数的难度很大，不利于行业创新，对技术水平要求较高，设备成本也较高，电池安全性保障仍是难题[1，4]。

不论哪种电量补给方式，最终目标是达到充电时间短、充电方便、充电安全和保证电池寿命的目标。为此，本文提出分区域分模式分时充放电逻辑的动力电池设计方案。

1 动力电池的结构设计

结合动力电池快充和慢充的优点对其进行分区域分模式分时充电，电池结构设计如图1 所示。分区域是指将动力电池包分成3 个模块：QCBM（Quickly Charging Battery Module，快充充电电池模块）、SCBM（Slowly Charging Battery Module，慢充充电电池模块）1、2。分区域模式可以实现当某个电池模块出现问题时直接更换此模块，不需要更换整个电池模组，大幅降低使用成本。分模式是指将充电线路设置为两种：（1）QCBM 前端与快充充电口相接进行快充，QCBM 后端与SCBM1、SCBM2 相接，由QCBM 对SCBM1、SCBM2 进行慢充充电；（2）QCBM、SCBM1 和SCBM2 均与车载充电机相连，由图1 可知，慢充充电设备通过车载充电机对慢充充电电池模块进行慢充。分时是指不同动力电池模块的充电时间不同，根据需要按一定顺序进行充电。

图1 分区域分模式分时充放电电池结构

2 动力电池的控制逻辑

2.1 分区域分时慢充

在慢充充电条件（具有慢充充电设备和充足的充电时间）满足时，QCBM、SCBM1 和SCBM2均采用慢充。分区域分时慢充控制逻辑如图2 所示。

图2 分区域分时慢充控制逻辑

当充电插头插入交流充电口时唤醒 VCU（Vehicle Control Unit，整车控制器），VCU 向BMS（Battery Management System，电池管理系统）发出反馈充电需求指令，BMS 接收指令后分析QCBM、SCBM1 和SCBM2 中传感器的电池状态信息，之后确定各个模块是否需要充电，BMS 将充电需求反馈给VCU，VCU 接收信息后给车载充电机发出开始充电指令[5]。充电时，按照QCBM、SCBM1 和SCBM2 顺序顺次充电；放电时，依然按照QCBM、SCBM1 和SCBM2 顺序顺次放电。

2.2 分区域分时快充

当车辆行驶中出现充电需求但没有充足的慢充时间时，需要在快充充电桩上进行快速充电，以便较短时间内完成充电。

所设计的电池模组放电顺序为 QCBM、SCBM1 和SCBM2。当QCBM 和SCBM1 电量消耗殆尽时，BMS 收到QCBM 和SCBM1 荷电状态信息，BMS 立刻向VCU 发送充电请求，VCU 接到请求后通过CAN（Controller Area Network，控制器局域网）总线将充电请求显示在仪表盘上，提示驾驶员充电，此过程中分区域分时快充控制逻辑如图3 所示。

图3 充电前的分区域分时快充控制逻辑

当充电插头插入充电桩快充充电口时，唤醒VCU 向BMS 发出给QCBM 电池模块进行快充充电的指令，当QCBM 充电完成即结束此次快充充电，此过程中分区域分时快充控制逻辑如图4 所示。

图4 QCBM 充电过程的分区域分时快充控制逻辑

车辆行驶时QCBM 开始向SCBM1 进行慢充充电，SCBM2 继续放电为驱动电机提供电量。当SCBM2 电量消耗殆尽时，QCBM 完成对SCBM1慢充充电，QCBM 电量消耗殆尽，SCBM1 电量充足，此过程中分区域分时快充控制逻辑如图5 所示。

图5 QCBM 向SCBM1 充电的分区域分时快充控制逻辑

BMS 接收到QCBM 和SCBM2 荷电状态信息后，立刻向VCU 发送充电请求，VCU 接到请求后通过CAN 总线将充电请求显示在仪表盘上，提示驾驶员充电。

在充电桩上再次完成对QCBM 进行快速充电。车辆行驶时QCBM 开始向SCBM2 进行慢充充电，SCBM1 继续放电为驱动电机提供电量，此过程中分区域分时快充控制逻辑如图6 所示。依次循环，停车时只对QCBM 进行快充，车辆运行时只对SCBM1 和SCBM2 进行慢充。车辆行驶的整个过程中，分区域充放电结构将充电模块和放电模块相分离，避免电池过热带来安全风险，提高充电安全性。

图6 QCBM 向SCBM2 充电的分区域分时快充控制逻辑

3 关键问题

分区域分模式分时充放电模式需要解决的关键问题是3 个电池模块充放电的衔接和QCBM 的使用寿命。

3.1 3 个电池模块充放电的衔接

为了解决QCBM、SCBM1 和SCBM2 这3 个电池模块充放电的衔接问题，假设3 个电池模块的电池容量相同，且总电池容量为akWh，理论续驶里程为bkm，3 个充电模块的慢充总时长为th，则QCBM、SCBM1 和SCBM2 的电池容量均为a/3 kWh，每个电池模块的理论续驶里程均为b/3 km，SCBM1 和SCBM2 慢充时长均为t/3。这样设置能够保证QCBM 恰好给SCBM1 或SCBM2充满电（忽略充电损耗），同时在相同车速v和工况下SCBM1 和SCBM2 的慢充时长相等。为了保证SCBM2（或SCBM1）在放电结束之前QCBM已经完成给SCBM1（或SCBM2）充电，要求SCBM2（或SCBM1）理论放电时间不少于QCBM给SCBM1（或SCBM2）充电时间，即

由式（1）得

当电动车行驶速度不超过b/t时，能够实现3个电池模块充放电的完美衔接，理论最高车速受理论续驶里程和慢充总时长影响，进行电池组设计时可以对照实现。

3.2 QCBM 的使用寿命

QCBM 在整个电池模组中是唯一进行快充的模块，虽然分区域充电已经大幅度降低快充对寿命的影响，但保持QCBM 状态良好仍是进一步提高电池使用寿命的关键。可以选择性能优越的电池作为QCBM，并定期对其进行维护保养，保养频率要高于SCBM1 和SCBM2，通过延长QCBM使用寿命降低整个动力电池的使用成本。