換電模式一直處于下風(fēng)，電池管理系統(tǒng)也許能幫上大忙
發(fā)布時(shí)間：
2016-03-07
新能源汽車電能補(bǔ)給方式上，充電模式與換電模式之爭(zhēng)由來(lái)已久，換電模式一直處于下風(fēng)的主要技術(shù)原因就是電池標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題。以內(nèi)燃機(jī)車為參照，充電模式就是加油，換電模式就是用一個(gè)裝滿油(電)的油箱(電池)來(lái)?yè)Q掉一個(gè)空油桶(沒(méi)電的電池)，換電模式的提出是為了解決電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)、電池續(xù)航能力的問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)是希望以一種高效率的物理變化來(lái)取代低效率的電化學(xué)變化。但是，因?yàn)殡姵夭幌裼屯澳菢又皇且粋€(gè)容器那么簡(jiǎn)單，如果單單只是電池，不管方形還是圓形的電芯，都可以組裝成成系列的標(biāo)準(zhǔn)電池模組(若干電芯并聯(lián)成一串電池，若干串電池串接成一個(gè)電池模組)，換電就不存在技術(shù)障礙。恰恰相反，電池是需要和電池管理系統(tǒng)(BMS)協(xié)同工作的，兩者的關(guān)系密不可分。
BMS是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)的BMS產(chǎn)品大部分是集中式的，也有小部分高端的做成分布式的。那么，是不是只要BMS是標(biāo)準(zhǔn)的，電池模組做成系列標(biāo)準(zhǔn)的，換電就沒(méi)有技術(shù)問(wèn)題了呢？我們一個(gè)一個(gè)分析。
要說(shuō)明的是，以下分析首先是單純從BMS與電池連接的技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度考量，不涉及車型設(shè)計(jì)、電池組空間等其他因素，目標(biāo)是保證同材料的電池組可以互換，換電只完成電池的更換、新電池組與BMS的連接動(dòng)作。(BMS與車一體，不可拆換。)已知條件是假設(shè)電池模組是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列的，比如說(shuō)三元鋰200AH的電池模組系列分別有4串、8串、12串。
先看集中式管理系統(tǒng)。這是將所有采集單體電壓和溫度的單元全部集中在一塊BMS板上，BMS與電池組之間只有線纜連接。其優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，成本較低，由于采集在同一塊板上，之間的通信也簡(jiǎn)化了。缺點(diǎn)是單體采樣的線束比較長(zhǎng)，導(dǎo)致采樣導(dǎo)線的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，長(zhǎng)線和短線在均衡的時(shí)候?qū)е骂~外的電壓壓降；整個(gè)包的線束數(shù)量很多，排布也比較麻煩一些，整塊BMS所能支持的最高的通道也是有限的。
從連線示意圖可以看出，集中式BMS需要滿足一定條件才可以做到換電。這就是電池組設(shè)計(jì)時(shí)最好采用同樣的電池模組，比如說(shuō)電池組24串的，用2個(gè)12串或是3個(gè)8串的模組。因?yàn)槿绻當(dāng)?shù)不同，就涉及到模組在電池組中的順序問(wèn)題。這是因?yàn)榧惺降腂MS都是采用國(guó)外半導(dǎo)體公司的采樣IC，一是通道規(guī)劃受限于IC的固有設(shè)計(jì)，二是在車一端的BMS與電池連接的線束都是有地址定義的，必須一一對(duì)應(yīng)。比如說(shuō)電池組設(shè)計(jì)是20串，用一個(gè)8串和一個(gè)12串的模組，8串為低端12串為高端，如果兩個(gè)模組放錯(cuò)位置，連成12串低端8串高端，這個(gè)是要出問(wèn)題的。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)車上放置電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)解決，即每個(gè)模組有不同的空間限制，高串?dāng)?shù)的放不進(jìn)低串?dāng)?shù)的，就可以保證不會(huì)放錯(cuò)。
再看分布式的BMS：這種BMS是將電池模組的功能獨(dú)立分離，整個(gè)系統(tǒng)分成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器)，CSC安裝在電池單體上，負(fù)責(zé)本串電池信息采集和傳遞。典型的應(yīng)用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。優(yōu)點(diǎn)是可以將模組裝配過(guò)程簡(jiǎn)化，采樣線束固定起來(lái)相對(duì)容易，線束距離均勻?？瓷先?，這種BMS可以適用于不同串?dāng)?shù)的電池模組，CSC是和電池模組一體的，不管串?dāng)?shù)多少，反正最后信息都是通過(guò)總線輸入到BMU中。 每次換電，BMU也是不需要?jiǎng)拥?。這樣看起來(lái)，用在換電模式下是正合適的。但是，這里有個(gè)技術(shù)細(xì)節(jié)不容忽略，那就是CSC是需要設(shè)置地址的，以便和單串電池保持一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，不然BMU是不知道信息是哪串電池的。在換電模式下，準(zhǔn)備換上的電池模組里的CSC是需要按照它在新組成的電池組中的位置設(shè)置相應(yīng)地址的，這就意味著裝有CSC的系列標(biāo)準(zhǔn)電池模組實(shí)際上是不標(biāo)準(zhǔn)的，是無(wú)法通用的，而設(shè)置地址這個(gè)工作如果放到換電這個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)顯然是有巨大風(fēng)險(xiǎn)的。
通過(guò)以上分析，我們了解到要想真正實(shí)現(xiàn)換電，不同廠家不同型號(hào)車輛的同種材料鋰電池都能互換，而不是只能換一家整車企業(yè)的，是需要以下條件的：
1. 電池模組要統(tǒng)一成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列。
2. 電池模組的單串電池地址問(wèn)題需要解決。
最后，我們看下一種最新的積木式架構(gòu)BMS：
和分布式的看起來(lái)類似，這種系統(tǒng)由單體模塊(UM)、總線和控制器三部分構(gòu)成。模塊為4端口，安裝在每串電池上，2個(gè)輸入端與電池正負(fù)極連接，2個(gè)輸出端連接在總線上?？偩€是2線制，每套總線可以連接一定數(shù)量的模塊。所有的模塊都并聯(lián)在總線上，數(shù)據(jù)和均衡的能量都通過(guò)總線與每串電池傳遞。因?yàn)橄蟠罘e木一樣，多個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)CAN總線連接構(gòu)建成更大規(guī)模(百串級(jí)別)的電池組能量管理系統(tǒng)，積木式架構(gòu)由此得名。
這種架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)換電模式的關(guān)鍵在于模塊，這種技術(shù)的模塊是標(biāo)準(zhǔn)模塊，不需要任何地址設(shè)置，其地址是完全自適應(yīng)的。這樣，高度標(biāo)準(zhǔn)化通用化的電池模組得以實(shí)現(xiàn)，無(wú)需任何設(shè)置。
對(duì)比三種架構(gòu)的BMS，集中式和積木式的都可以完成換電，積木式的BMS實(shí)際是分體的，模塊需要和電池模組安裝在一起，看似裝配工序多，但因?yàn)槭菢?biāo)準(zhǔn)模塊，不需要考慮地址問(wèn)題，所以與集中式BMS相比，實(shí)際上是減輕了裝配工作量，降低了安裝風(fēng)險(xiǎn)。
其次，從運(yùn)營(yíng)角度來(lái)看換電模式，每個(gè)電池模組的信息，包括生產(chǎn)廠家、出廠日期、類型、工作時(shí)間，累計(jì)放電量、深度充放電次數(shù)、SOH等都是運(yùn)營(yíng)商需要知道的。那么，這個(gè)信息最好是能與電池模組物理上在一體。這樣，對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，換下來(lái)的電池模組哪個(gè)需要替換，應(yīng)該替換哪些單體，哪個(gè)需要維護(hù)，采取什么方式維護(hù)，才會(huì)做到心中有數(shù)、對(duì)癥下藥。這是第一步，第二步就是如果BMS做成足夠智能的，每次換電后電池模組先向BMS匯報(bào)，BMS就可以分辨出不同材料類型的電池，比如說(shuō)是鐵鋰的，還是三元鋰的，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)給出相應(yīng)管理策略，這樣或許就可以做到不同種類的電池互換。
來(lái)源：第一電動(dòng)網(wǎng)
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