基于分區域分模式分時充放電邏輯的動力電池設計

寧 磊，梁 乾

Ning Lei，Liang Qian

（漢中職業技術學院 汽車與機電工程學院，陜西 漢中 724200）

0 引 言

動力電池作為電動汽車關鍵部件，其性能優劣直接影響續駛里程。電池充電問題制約著電動汽車發展，快充充電方式的最大優點是充電速度快，較短時間內達到電池容量80%，但快充電流和電壓較高，短時間內對電池造成較大沖擊，使電池發熱甚至使活性物質脫落，影響電池的使用壽命[1]。慢充充電根據電池特性設計充電曲線，對電池進行深度充電，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，行業內提出采用換電模式為電動汽車補電。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電。換電時間與燃油車加油時間相當，提高了充電的便利性，降低了充電難度。換電模式的優點是補電速度快，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一電池結構和參數的難度很大，不利于行業創新，對技術水平要求較高，設備成本也較高，電池安全性保障仍是難題[1，4]。

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

1 動力電池的結構設計

結合動力電池快充和慢充的優點對其進行分區域分模式分時充電，電池結構設計如圖1 所示。分區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。分區域模式可以實現當某個電池模塊出現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置為兩種：（1）QCBM 前端與快充充電口相接進行快充，QCBM 后端與SCBM1、SCBM2 相接，由QCBM 對SCBM1、SCBM2 進行慢充充電；（2）QCBM、SCBM1 和SCBM2 均與車載充電機相連，由圖1 可知，慢充充電設備通過車載充電機對慢充充電電池模塊進行慢充。分時是指不同動力電池模塊的充電時間不同，根據需要按一定順序進行充電。

圖1 分區域分模式分時充放電電池結構

2 動力電池的控制邏輯

2.1 分區域分時慢充

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

圖2 分區域分時慢充控制邏輯

當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）發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發出開始充電指令[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 分區域分時快充

當車輛行駛中出現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行快速充電，以便較短時間內完成充電。

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

圖3 充電前的分區域分時快充控制邏輯

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

圖4 QCBM 充電過程的分區域分時快充控制邏輯

車輛行駛時QCBM 開始向SCBM1 進行慢充充電，SCBM2 繼續放電為驅動電機提供電量。當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，此過程中分區域分時快充控制邏輯如圖5 所示。

圖5 QCBM 向SCBM1 充電的分區域分時快充控制邏輯

BMS 接收到QCBM 和SCBM2 荷電狀態信息后，立刻向VCU 發送充電請求，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 進行快速充電。車輛行駛時QCBM 開始向SCBM2 進行慢充充電，SCBM1 繼續放電為驅動電機提供電量，此過程中分區域分時快充控制邏輯如圖6 所示。依次循環，停車時只對QCBM 進行快充，車輛運行時只對SCBM1 和SCBM2 進行慢充。車輛行駛的整個過程中，分區域充放電結構將充電模塊和放電模塊相分離，避免電池過熱帶來安全風險，提高充電安全性。

圖6 QCBM 向SCBM2 充電的分區域分時快充控制邏輯

3 關鍵問題

分區域分模式分時充放電模式需要解決的關鍵問題是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3 個電池模塊的電池容量相同，且總電池容量為akWh，理論續駛里程為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駛里程均為b/3 km，SCBM1 和SCBM2 慢充時長均為t/3。這樣設置能夠保證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）在放電結束之前QCBM已經完成給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

當電動車行駛速度不超過b/t時，能夠實現3個電池模塊充放電的完美銜接，理論最高車速受理論續駛里程和慢充總時長影響，進行電池組設計時可以對照實現。

3.2 QCBM 的使用壽命

QCBM 在整個電池模組中是唯一進行快充的模塊，雖然分區域充電已經大幅度降低快充對壽命的影響，但保持QCBM 狀態良好仍是進一步提高電池使用壽命的關鍵?？梢赃x擇性能優越的電池作為QCBM，并定期對其進行維護保養，保養頻率要高于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 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，本文結合快慢充的優點提出分區域分模式分時充放電模式，改進效果如下。

（1）節省充電時長。所建立的模式只對QCBM 進行快充，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，但當時間不充足時可以采用先快充后慢充、分區域放電方式，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 進行快充，SCBM1 和SCBM2 均采用慢充，對于QCBM 可以選擇性能優越的電池，并定期進行保養，一定程度上延長整個電池的使用壽命。

（3）降低使用成本。當某個電池模塊出現問題時，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，基于分區域分模式分時充放電邏輯設計的動力電池相比現有充電方式有了很大改進，為動力電池的設計提供了經驗參考。