模塊化電池組：像搭積木一樣組裝電池

在法蘭克福車展上，卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KarlsruheInstitute of Technology，下稱KIT）通過(guò)一輛電動(dòng)公交車展示了一種新的模塊化電池技術(shù)概念，這項(xiàng)技術(shù)可以提高電動(dòng)公交車上電池能量的利用效率。用于展示的電動(dòng)公交車是研究項(xiàng)目Competence E的研究成果，由德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部出資提供。

展示中的核心裝置是一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由一臺(tái)大扭矩電動(dòng)機(jī)、高壓電路、電池管理系統(tǒng)和模塊化鋰電池系統(tǒng)組成。在展示過(guò)程中，這輛用于路試的電動(dòng)公交車提供了幾種不同的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

模塊化電池系統(tǒng)

模塊化電池系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)最為重要的組成部分，也是這項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)。模塊化電池系統(tǒng)由電池單元構(gòu)成的平板電池組件組成，能根據(jù)人們的需求被組合成不同尺寸和性能。電池模塊化技術(shù)，或者更確切一點(diǎn)，平板電池組件可以根據(jù)需要而擁有不同的電池容量、電壓以及尺寸。每個(gè)平板電池組件的電池單元數(shù)量和長(zhǎng)度都可以不同。

這種靈活定制的優(yōu)勢(shì)在于只要最后的總輸出電壓不超過(guò)60伏（14個(gè)電池單元）就可以自行維護(hù)，而超過(guò)60伏特的組件就必須由經(jīng)過(guò)專門培訓(xùn)的人來(lái)維護(hù)了。另外，由于組件中的電池單元數(shù)量可控，在內(nèi)部空間不大的設(shè)備中，就可以使用小尺寸的平板電池組件。

只要平板電池組件的尺寸相同，就可以繼續(xù)集成為電池組。得益于適應(yīng)性連接技術(shù)，在一個(gè)電池組里，平板電池組件的連接方式可以是串聯(lián)、并聯(lián)，也可以串并聯(lián)混合。如果要建造大型的分散式電池系統(tǒng)，如固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以把多個(gè)這樣的電池組連接起來(lái)。

由于電池單元里導(dǎo)體的易接入性，自動(dòng)聯(lián)合處理技術(shù)得以應(yīng)用，也能采用插入式和線夾式兩種方式進(jìn)行充電，這兩種充電模式是目前的主流模式。冷卻液流過(guò)與導(dǎo)體相鄰的冷卻管道，為通電導(dǎo)體進(jìn)行降溫。通電導(dǎo)體和冷卻管道被安裝在電池組的內(nèi)部，與電池組外殼有一定距離，遠(yuǎn)離電池組可能受到撞擊的區(qū)域，以保證在遭受撞擊時(shí)，電池組內(nèi)的電池單元可以吸收大部分碰撞能量，從而最大限度降低對(duì)通電導(dǎo)體和冷卻管道的損害，避免發(fā)生安全事故。

電池組還能通過(guò)電池單元外表面覆蓋的一層加熱墊對(duì)電池單元進(jìn)行加熱。當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，電池單元將無(wú)法進(jìn)行充電，這時(shí)加熱墊就派上用場(chǎng)了。在電池的充放電過(guò)程中，電池單元的體積會(huì)發(fā)生變化，因此在電池組內(nèi)安裝有均質(zhì)的可壓縮泡沫層對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償性尺寸調(diào)節(jié)，從而保證電池組的安全。泡沫層填充在兩個(gè)組件相鄰的電池單元之間，能夠增加摩擦力，防止電池單元滑動(dòng)，減小導(dǎo)體上的機(jī)械應(yīng)力，平均分配平板電池組件間的應(yīng)力。

通過(guò)調(diào)整平板電池組件的大小和數(shù)量，模塊化電池組能適應(yīng)各種車型不同尺寸的安裝空間。用在展出電動(dòng)公交車上的電池管理系統(tǒng)和傳動(dòng)控制系統(tǒng)則能夠根據(jù)所裝電池組和其他配件的性能限制調(diào)整公交車的行駛狀態(tài)。

電動(dòng)公交車展示實(shí)物

該電動(dòng)公交車由一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩通過(guò)差速器傳遞到后車輪，由此推動(dòng)汽車前進(jìn)。在模塊化電池組輸出的直流電壓為650V的條件下，這套傳動(dòng)系統(tǒng)的最大輸出功率能達(dá)到160千瓦，可以讓電動(dòng)公交車在平坦的道路上以最大每小時(shí)107公里的速度行駛。

低轉(zhuǎn)速時(shí)即能產(chǎn)生的連續(xù)大扭矩輸出，能讓總重9噸的電動(dòng)公交車以最高每小時(shí)25公里的速度爬15%斜度的斜坡。雖然研究人員設(shè)計(jì)的最終版本的模塊化電池組輸出直流電壓能達(dá)到750V，但在第一階段，模塊化電池組的輸出直流電壓被設(shè)定為450V，限制了電池組的工作電流，從而影響了同步電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率。

為了驅(qū)動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)，模塊化電池組的恒定電流經(jīng)過(guò)一個(gè)逆變器轉(zhuǎn)化為三相交變電流。除了為動(dòng)力系統(tǒng)供電，模塊化電池組還能通過(guò)配電裝置與一些高壓輔助設(shè)備連接，再利用一個(gè)高壓-低壓的直流電壓轉(zhuǎn)換器，將高壓直流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電，為電動(dòng)公交車上的剎車裝備、冷卻泵、風(fēng)扇和控制設(shè)備等提供電力。

汽車的車輛控制系統(tǒng)能與其他控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（如電池管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)），并且能將駕駛員的操作（油門和剎車踏板的位置變化）轉(zhuǎn)變成對(duì)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的扭矩需求。扭矩需求的大小由電池組的性能決定。

KIT希望能夠通過(guò)這次展示驗(yàn)證模塊化電池組的創(chuàng)新潛力，并通過(guò)在模擬操作環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)對(duì)模塊化電池組與電動(dòng)公交車上的其他組件之間相互作用進(jìn)行分析研究。

Competence E

Competence E項(xiàng)目涵蓋了從制造電池的材料到電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的所有相關(guān)研究?jī)?nèi)容。隨著公開的電池電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)技術(shù)平臺(tái)和固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)被相繼開發(fā)，項(xiàng)目的研究重心轉(zhuǎn)移到了模塊化電池組的工業(yè)化應(yīng)用和生產(chǎn)工藝方法上。

預(yù)計(jì)到2018年，得益于上下游產(chǎn)業(yè)鏈的整合，能量密度為250瓦時(shí)/千克的電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本預(yù)計(jì)約為2100元/千瓦時(shí)。