一種雙鋰電池組供電的混合動力汽車電池組設計

方瑩+++陳軍峰++吳智正

摘 要： 這里提出一種適用于混合動力汽車的雙鋰電池組供電方法。該混合動力汽車電池組由兩個鋰電池組組成，交替供電和充電。大量鋰電池單體的串并聯會因單體之間一致性差而降低電池組壽命和可靠性。這種設計不僅可以消除電池并聯中因一致性差引起的不均衡電流，還能進一步提高電池組的可靠性。

關鍵詞： 混合動力汽車； 鋰電池組； 雙電池組供電； 優化成組

中圖分類號： TN958?34； TM912.8 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0155?03

0 引 言

電動汽車對環境友好，能量利用率高，在如今環境污染嚴重、石油資源有限的情況下，成為未來汽車產業的發展趨勢[1]。世界各主要國家，包括美國、日本、德國、法國等，都投入了很大的力量進行電動汽車研發?；旌蟿恿ζ囀窃趥鹘y驅動系統的基礎上引進了電力驅動系統，與純電動汽車相比，它有較長的行駛里程；與傳統的內燃機汽車相比，它改善了燃油的經濟性[2]。

目前，混合動力汽車已經全面進入產業化階段，許多大公司推出了多款混合動力量產車型，其中豐田第三代Prius，節油效果可以達到50%以上，百公里油耗下降到4.7升。截至2014年9月底，混合動力車的全球累計銷量已經突破700萬輛，達到705萬輛[3]。

然而，電池技術一直是電動汽車發展的瓶頸。在現有電池技術下，鋰電池較鉛酸電池、鎳氫電池等而言具有能量密度高、工作電壓高、無記憶效應、循環壽命長、無污染、質量輕、自放電小等優點，成為動力電池的研究重點。但是，電動汽車的電壓要求在100 V以上，需要數十個電池單體串聯，并且為滿足汽車續航所需電池容量，需要在串聯基礎上并聯進行擴容。由于電池的生產工藝限制，鋰電池單體之間存在容量、電壓、內阻等的不一致，即使在同一批電池中也存在差異，并且隨著使用時間和循環次數的增加，電池容量衰退和老化過程的不同還會加劇電池的不一致性。電池單體間的不一致性，會導致電池組整體性能下降，縮減電池組壽命。

串聯電池組性能取決于電池組性能最差的那個電池單體，并且在充放電過程中，由于電池單體間的容量不一致可能造成個別單體電池的過充或過放。

在并聯電池組中，電池單體不一致性會出現電流不均衡，并聯支路電流同時受到本條支路參數和其他支路參數影響[4]。

由此可見，電池組的串并聯方式，不僅影響宏觀上的電量和電壓，在微觀上也會影響單體的壽命。通過研究合理的鋰電池成組方式，輔以具有均衡模塊的電池管理系統（Battery Management System，BMS），可以有效提高電動汽車電池組壽命，優化電池性能。

1 傳統電池組成組方式

1.1 先串聯后并聯成組方式

電動汽車用動力電池組要求提供高電壓，這就意味著需要大量電池單體串聯，如三菱汽車“i?MiEV”的電池組由88個電池單元串聯配置。傳統大型動力電池組成組方式是先串聯幾十或上百個單體成為一個模塊以達到預期電壓要求，然后并聯3～4個模塊，達到電池組的容量要求，其連接方式如圖1所示。

這種電池組成組方式容易實現，方便管理，但存在可靠性不高的缺點，容易發生危險。一旦某節單體電池出現故障，整個電池組性能會急劇下降變得不可使用，如果汽車在行駛過程中遇到此情況而未經恰當處理，很可能會出現爆炸等安全事故。

1.2 先并聯后串聯成組方式

先并聯后串聯成組方式如圖2所示。

這種成組方式可靠性大大提高，因而有比較多的應用，比如北京奧運會純電動大巴采用104個模塊串聯，每個模塊由4個單體電池并聯的成組方式；松下公司2009年的“CEATEC JAPAN”上公開的電池模塊串聯配置了7個由20個電池單元并聯而成的子模塊[5]；在Tesla Roadster的電池組中每69節并聯為1組（brick），再將9組串聯為1層（sheet），最后串聯堆疊11層構成[6]。

該成組方式可以在單體電池故障的情況下繼續行駛，但一旦出現故障對剩余電池的性能有較大影響，需要及時維修和更換。但現有電池組一般固化為車身一部分，與車體無法分離，難以拆卸。

2 一種雙鋰電池組供電方式

2.1 雙鋰電池組工作原理

提出一種雙鋰電池組供電方式，結構如圖3所示。電池組分A，B兩組，根據混合動力汽車對電壓的需求，將一定的電池單體串聯后封裝成電池組A和B。電池組通過單刀雙擲開關SPDT2、電壓檢測器與電動機相連。供電時，單片機控制SPDT2與電池組A連通，則A組供電，B組掛起。同時，電壓檢測器將輸入電壓U與最低參考電壓U0相比：若高于U0，則輸出電壓等于輸入電壓；若低于U0，則反饋信號觸發SPDT2切換到電池組B，此時B組供電，A組掛起，并依此方式循環自動切換供電電池組[7]。單片機通過控制單刀雙擲開關SPDT1使充電機對非供電電池組進行充電，只有當兩個電池組都低于U0時，充電機才對供電電池組進行充電。單片機控制SPDT3分時采集電池組A，B的電壓，檢測電池狀態。

這種設計舍棄并聯擴容的方式，采用雙鋰電池組供電方式達到預計電池組容量。不僅可以減少因為不一致性產生的不平衡電流，而且串聯方式更方便電池管理。更重要的是，由于混合動力汽車的特殊性，在行駛過程中可以給電池組充電，使得雙鋰電池組同時充電和放電的設計可以進一步節省燃油，提高能量利用率。

2.2 一種高可靠性的雙鋰電池組供電方式

在前文提出的雙鋰電池組供電的基礎上，提出了一種改進方法，通過增加部分冗余電池來提高電池組的可靠性。如圖4所示，與前文不同的是，該設計中電池組A，B內部不再是單純的串聯，而是首先以n個電池單體串聯且封裝成最小替換單元，再將m個最小替換單元串聯成電池組，滿足混合動力汽車的電壓需求，同時冗余1個最小替換單元。在突發故障后可替換故障單元繼續工作，并且維修時只需將故障單元卸下替換即可。

根據一定的算法在每一次供電、充電切換時，從2m+1個最小替換單元中選出m個串聯成電池組A（供電組）；再選出m個串聯成電池組B（充電組），進行一次供電、充電，并保證所有電池單體使用頻次相同，冗余的最小替換單元內的電池也參與供電，降低因老化程度不同而導致的不一致性加劇。

下面通過例子進行具體說明。設定電池組供電電壓為355 V左右，電池單體電壓3.7 V，單體個數在200個以上，電池組結構如圖5所示。以48個電池單體串聯組成一個最小替換單元，2個最小替換單元串聯成一個電池組，供電電壓為355.2 V。同時冗余1個最小替換單元，即共有5個最小替換單元，240個電池單體。

將最小替換單元編成1～5號，正常供電時，按照表1調度使用。不難發現，4次切換后所有電池單體的使用頻次已經相同。

表1 最小替換單元調度方法

當出現故障單體時，立即切換兩組電池組狀態，并且屏蔽故障單體所在的最小替換單元，用剩余4個單元繼續供電。雖然電池組總體容量下降，但不影響汽車正常行駛，也不損害剩余電池性能，這點優于先并聯后串聯成組方式的電池組，使得電池組壽命及可靠性大大提高。此外，通過合理管理，可以進一步提高電池組的可靠性。首先，在供電電壓相同的情況下，根據電池組內最小替換單元數不同，可分為以下工作模式，其中模式1上文已具體說明，其他模式以此類推，如表2所示。

若進一步提高可靠性，可通過模式轉換的方式排除故障。比如，在模式1的情況下，出現了故障單元，可立即重新編組，轉換為模式2。由于模式2比模式1少了16個電池單體，可通過檢測將故障范圍縮小到16個單體之內，將這16個單體屏蔽，剩余224個單體以模式2繼續工作。

此時仍可提供有冗余的可靠供電。理論上來說，模式1具有5重可靠性保障，也就是可以逐次從模式1轉換到模式5，再加上最后模式5的冗余保障。但出于電路復雜情況的考慮，不可能實現這么多模式的轉換。但如果只實現一次模式轉換，則只需在特定的電池單體節點處設置特殊開關，在必要情況下進行模式轉換。該方法可保證在電池出現故障后短期內不進行電池維護。

3 結 語

本文介紹了傳統電動汽車動力電池組的成組方式，發現先串聯后并聯的成組方式可靠性不高，先并聯后串聯的成組方式雖可保證汽車運行，但存在不一致性加劇的情況。提出一種雙鋰電池組供電方式，用雙鋰電池組供電替代并聯，提高一致性，利用混合動力汽車在行駛中可充電的特性，進一步提高能量利用率。此外，提出一種高可靠性的雙鋰電池組供電方式，通過設置冗余的最小替換單元提高電池組可靠性以及可維護性。下一步將探討電池組內部及最小替換單元內的均衡管理問題，從而進一步改善電池組的一致性。

參考文獻

[1] 陳清泉，孫立清.電動汽車的現狀和發展趨勢[J].科技導報，2005，23（4）：24?28.

[2] 陳清泉.可持續道路交通的挑戰：電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車的技術路線和產業化路線[J].機械制造與自動化，2009，38（2）：1?4.

[3] 佚名.豐田公布近17年數據，混合動力車型全球累計銷量達705萬輛[EB/OL]. [2015?1?19].http：//www.d1ev.com/34909.html.

[4] 姜君.鋰離子電池串并聯成組優化研究[D].北京：北京交通大學，2013.

[5] 賈旭平.松下4 A·h 18650型鋰離子電池[J].電源技術，2010，34（9）：865?867.

[6] Tesla公司.電動汽車電池組防護結構：美國，US 8286743 [P].2012?10?16.

[7] 邱細亞，王仁波，滿在剛，等.基于MSP430F168的雙電池供電設計[J].電子元器件應用，2011，13（8）：24?27.