一车辆主要技术规格及电池关键设计

电子设计 2018-04-16 09:28 次阅读

我最近将私家车改造为一辆电动车 (EV),而作为一名工程师,我无论如何要搞定它。

图1显示的是我收到的电池;我只知道这些电池是从一辆改造后的保时捷944 EV上卸下来的,充/放电大约200次。电池卖家对于改造后的性能不太满意。他把改造不成功的原因主要归咎于没选好车辆的形状。由于没有足够的预算来进行全面改造,车辆的平衡性、操控性很差,并有安全隐患。因此,他打算从头来过,设计一款全新车辆。而他原来的电池也就不太适合他的新项目了,但是对于我来说足够用了,并且价钱只有新电池的三分之一。仅仅作为一名低用量用户,我没有接触过最佳的锂离子电池技术,如果选择了二手电池,那么我也不知道它们是否曾经用在同一电池组或环境中。我只能有多少钱就办多少事了。我不知道组成电池组的数个串联在一起电池是否是同时生产的!但是我能找到节省大笔开销的二手电池—机不可失,失不再来。

图1 – 二手160Ah LiFePO4电池

如你所见,到货时,这些电池属于不同的分组,其原因是它们遍布在车辆全身,只要有地方就行,机盖下方和后门都有。我不知道这些电池是何时购买的(一块儿买的还是分开买的),这些电池曾经在何种温度下工作,是否由电池管理系统 (BMS) 进行监视和/或管理,以及它们的充电方式。

正常情况下,由于来自电池生产线,为原厂设备制造商 (OEM) EV使用而生产的全新电池组由良好匹配的单电池构成,并且直接组装。这些单电池将始终是同时充电,一起使用,并且用同样的算法进行管理。大多数OEM应用还有一些类型热管理的功能,以确保电池组中的所有单电池在运行环境中保持同样的运行状态。

由于会导致单电池阻抗的变化,温度对单电池的性能会产生最大的影响。如果对所有单电池施加相等的负载,但是某些单电池处于不同温度中的话,它们将会受到电池材料额外膨胀和收缩的影响。这都会导致非常不同的老化特征。其结果是充电不匹配,其原因就是单电池的老化速度不同;很快就会出现容量不匹配。如果听之任之,电池组总容量会受到最低单电池电压的限制,从而导致车辆行驶里程的降低。

基本电池组设计原则:

  • 当第一个单电池充满电时,必须停止充电。

  • 当第一个单电池无电时,放电必须终止。

  • 弱蓄电池节比强蓄电池老化得更快。

  • 弱蓄程度最高的电池节将最终限制电池组的可用电量(最弱环节)。

  • 电池组中的系统温度梯度使运行在较高平均温度的电池节变弱。

  • 在不使用均衡的情况下,在每个充放电周期中,最弱蓄和最强蓄单电池之间的电压差将增加。最终,其中一个单电将始终接近最大电压,而另外一个单电池接近最低电压→从而阻碍了电池组的充放电能力。

由于这些电池再也不会像它们最初使用时那么相互匹配,而且由于我的安装方式将使它们处于不同的温度环境中,我必须做好单电池均衡。

锂离子电池主要出现两种不匹配;充电不匹配和容量不匹配(请见图2)。充电不匹配在容量相同的单电池所容纳的充电量逐渐差生差别时出现。容量不匹配出现在同时使用初始容量不同的电池节时。由于电池组通常由几乎在同一时间生产的单电池组装而成,这些单电池的制造工艺也相差无几,所以单电池通常情况下匹配良好,只有充电普匹配会比较常见。然而,如果电池组由来源不明的单电池组装而成,或者在制造工艺方面差别很大的话,也有可能出现容量不匹配。

主要有两种电池均衡:被动均衡和主动均衡。这里列出了基本功能和它们各自的优缺点:

被动均衡:

  • 实现简单(硬件和软件)

  • 廉价

  • 降低了充电不匹配

  • 小均衡电流(小于1A)

  • 发热-浪费电能!

主动均衡:

  • 效率更高

  • 增加可用容量

  • 减少充电和容量不匹配效应

  • 更快的电池组充电时间

  • 可在充电和放电过程中工作

  • 较大的均衡电流(大于1A),以快速均衡大电池

  • 更长的电池组使用寿命

  • 混用/匹配全新/旧模块

  • 可使用模块内的不匹配单电池(增加产量)

  • 看起来主动均衡才是正道!

我决定使用手边的最积极主动的TI BMS。为了确保我始终能够从电池组获得最大电量,所有单电池之间的电压差保持在毫伏以内。由TI EM1401EVM电路板管理的电池使用全部TI部件来提供5A主动电池均衡(我设计的工作方式)。

图3显示了基本架构。其中一个BMS电路板被安装在电池节旁边,管理每个模块或电池组。

下面是这一车辆的主要技术规格:

  • 51x160Ah Thundersky LiFePO4电池,以如下方式排列在车辆内的5个模块中:

  • 机盖下:一个12节模块和一个6节模块(请见图4)

  • 在车后底板下(替代了邮箱和备胎):3个模块,每个模块11个电池节(请见图5)

  • 大约170V满充电压:27kWh

  • 1000A水冷DC电机控制器

  • 大约150kW满功率:大约200hp,250ftlbs

  • 汽车净重2900lbs

  • 续航里程大约80英里

  • 仪表板改为安卓ODROID板,以及显示实时功率、电压、电流和每英里耗电量的7英寸触摸屏

  • 消耗的电量大约在每英里250Wh到每英里325Wh之间

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