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）通過一輛電動公交車展示了一種新的模塊化電池技術(shù)概念，這項技術(shù)可以提高電動公交車上電池能量的利用效率。用于展示的電動公交車是研究項目Competence E的研究成果，由德國聯(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)動機(jī)構(gòu)，由一臺大扭矩電動機(jī)、高壓電路、電池管理系統(tǒng)和模塊化鋰電池系統(tǒng)組成。在展示過程中，這輛用于路試的電動公交車提供了幾種不同的電動驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案。

模塊化電池系統(tǒng)

模塊化電池系統(tǒng)是驅(qū)動機(jī)構(gòu)最為重要的組成部分，也是這項技術(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，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。每個平板電池組件的電池單元數(shù)量和長度都可以不同。

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60伏（14個電池單元）就可以自行維護(hù)，而超過60伏特的組件就必須由經(jīng)過專門培訓(xùn)的人來維護(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)，如固定式儲能系統(tǒng)，可以把多個這樣的電池組連接起來。

由于電池單元里導(dǎo)體的易接入性，自動聯(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，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(dāng)溫度低于5℃時，電池單元將無法進(jìn)行充電，這時加熱墊就派上用場了。在電池的充放電過程中，電池單元的體積會發(fā)生變化，因此在電池組內(nèi)安裝有均質(zhì)的可壓縮泡沫層對此進(jìn)行補償性尺寸調(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，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。用在展出電動公交車上的電池管理系統(tǒng)和傳動控制系統(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)。

電動公交車展示實物

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

低轉(zhuǎn)速時即能產(chǎn)生的連續(xù)大扭矩輸出，能讓總重9噸的電動公交車以最高每小時25公里的速度爬15%斜度的斜坡。雖然研究人員設(shè)計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機(jī)的最大輸出功率。

為了驅(qū)動同步電動機(jī)，模塊化電池組的恒定電流經(jīng)過一個逆變器轉(zhuǎn)化為三相交變電流。除了為動力系統(tǒng)供電，模塊化電池組還能通過配電裝置與一些高壓輔助設(shè)備連接，再利用一個高壓-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)變成對電動驅(qū)動裝置的扭矩需求。扭矩需求的大小由電池組的性能決定。

KIT希望能夠通過這次展示驗證模塊化電池組的創(chuàng)新潛力，并通過在模擬操作環(huán)境下的實驗對模塊化電池組與電動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項目涵蓋了從制造電池的材料到電動驅(qū)動裝置的所有相關(guān)研究內(nèi)容。隨著公開的電池電動車驅(qū)動技術(shù)平臺和固定式儲能系統(tǒng)被相繼開發(fā)，項目的研究重心轉(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/千克的電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本預(yù)計約為2100元/千瓦時。