模塊化電池組：讓組裝電池像搭積木一樣

在法蘭克福車(chē)展上，卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KarlsruheInstituteofTechnology，下稱(chēng)KIT)通過(guò)一輛電動(dòng)公交車(chē)展示了一種新的模塊化電池技術(shù)概念，這項技術(shù)可以提高電動(dòng)公交車(chē)上電池能量的利用效率。用于展示的電動(dòng)公交車(chē)是研究項目CompetenceE的研究成果，由德國聯(lián)邦經(jīng)濟和技術(shù)部出資提供。

　　展示中的核心裝置是一套驅動(dòng)機構，由一臺大扭矩電動(dòng)機、高壓電路、電池管理系統和模塊化鋰電池系統組成。在展示過(guò)程中，這輛用于路試的電動(dòng)公交車(chē)提供了幾種不同的電動(dòng)驅動(dòng)機構的設計方案。

　　模塊化電池系統

　　模塊化電池系統是驅動(dòng)機構最為重要的組成部分，也是這項技術(shù)的基礎。模塊化電池系統由電池單元構成的平板電池組件組成，能根據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量和長(cháng)度都可以不同。

　　這種靈活定制的優(yōu)勢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，而超過(guò)60伏特的組件就必須由經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓的人來(lái)維護了。另外，由于組件中的電池單元數量可控，在內部空間不大的設備中，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，就可以繼續集成為電池組。得益于適應性連接技術(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，如固定式儲能系統，可以把多個(gè)這樣的電池組連接起來(lái)。

　　由于電池單元里導體的易接入性，自動(dòng)聯(lián)合處理技術(shù)得以應用，也能采用插入式和線(xiàn)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)與導體相鄰的冷卻管道，為通電導體進(jìn)行降溫。通電導體和冷卻管道被安裝在電池組的內部，與電池組外殼有一定距離，遠離電池組可能受到撞擊的區域，以保證在遭受撞擊時(shí)，電池組內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通電導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電池單元進(jìn)行加熱。當溫度低于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，因此在電池組內安裝有均質(zhì)的可壓縮泡沫層對此進(jìn)行補償性尺寸調節，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)，減小導體上的機械應力，平均分配平板電池組件間的應力。

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

　　電動(dòng)公交車(chē)展示實(shí)物

　　該電動(dòng)公交車(chē)由一臺同步電動(dòng)機驅動(dòng)，同步電動(dòng)機產(chǎn)生的扭矩通過(guò)差速器傳遞到后車(chē)輪，由此推動(dòng)汽車(chē)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)系統的最大輸出功率能達到160千瓦，可以讓電動(dòng)公交車(chē)在平坦的道路上以最大每小時(shí)107公里的速度行駛。

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

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

　　汽車(chē)的車(chē)輛控制系統能與其他控制系統進(jìn)行數據交換(如電池管理系統、電動(dòng)機控制系統)，并且能將駕駛員的操作(油門(mén)和剎車(chē)踏板的位置變化)轉變成對電動(dòng)驅動(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)驗對模塊化電池組與電動(dòng)公交車(chē)上的其他組件之間相互作用進(jìn)行分析研究。

　　CompetenceE

　　CompetenceE項目涵蓋了從制造電池的材料到電動(dòng)驅動(dòng)裝置的所有相關(guān)研究?jì)热?。隨著(zhù)公開(kāi)的電池電動(dòng)車(chē)驅動(dòng)技術(shù)平臺和固定式儲能系統被相繼開(kāi)發(fā)，項目的研究重心轉移到了模塊化電池組的工業(yè)化應用和生產(chǎn)工藝方法上。

　　預計到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)/千克的電池系統的生產(chǎn)成本預計約為2100元/千瓦時(shí)。