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一种新的电动汽车生态链系统技术

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一种新的电动汽车生态链系统技术

作者:
来源:
日期:
2020/07/25 09:00
浏览量

WalterWuPh.D.苏州达思灵新能源科技有限公司


 

1、概述

 

电动汽车的核心部件是动力电池箱,无论是电动汽车换电运营模式、二手电池箱更换维修需求、还是退役电池箱的循环及梯次利用,都在呼唤电池箱的标准化。然而考虑动力电池的一致性要求,标准化的电池箱是不能进行串联使用而必须并联使用,要允许新、旧电池标准箱动态并联使用,甚至允许不同材料的标准电池箱动态并联使用。

苏州达思灵的三个核心发明专利为上述要求搭建了系统技术平台,提供了完整的生态链系统技术基础。这三个发明专利基本内容包括:

 

1、标准电池箱技术及其管理方法,ZL201811571280.6(PCT/CN2019/100778)

 

2、增程式多电池标准箱动态并联集成与控制技术,ZL201710779935.8(PCT/CN2017/101685)

 

3、集装箱储能式离网可移动快充系统技术,ZL201910660868.7

 

这三个发明专利首先从构建电池标准箱技术入手,进一步深入构建了基于增程器动态平衡各电池箱能力从而允许电池标准箱动态并联使用的车载智能系统技术,最后拓展这一生态链,使用退役电池标准箱来构建建设成本低、建设周期短、调配灵活、可柔性管理的集装箱储能式离网可移动快充系统技术。展望基于这一生态链系统技术平台的新能源汽车市场的前景:

 

1)不同的电池厂大批量生产电池标准箱。
这些标准箱中电池性能的不同(如能量密度、安全性、寿命的不同等)表现在售价的差别,但是电压平台、外部电气接口、通讯接口与机械接口均是标准的(可以有3~5个尺寸不同电池标准箱),使用统一的电池管理方法。

 

2)不同车厂、或同一车厂开发不同型号或性能的电动车,可以选择不同数量的电池箱(如2~3只)集成到一辆增程式电动车上,整车的性能与成本与所选电池标准箱中的电池材料性能(容量、寿命、充放电能力等)直接相关。

 

3)电动汽车的维修可以用新的或二手电池标准箱更换故障电池标准箱。

 

4)换电站可以存储各种尺寸的电池标准箱,为需要快速更换电池的电动车(不限型号和车厂)更换上已经充满电的电池标准箱。

 

5)采用退役电池标准箱搭建的集装箱储能式可移动快充站(建造成本低、布局灵活、充电方便)可以使得市区内快充网点布局密度更高(集装箱占地小,不需要外部环境支持),快充方便。

 

6)集装箱储能式可移动快充站的电能可以在夜间到市外郊区统一充电,采用谷电减低储能成本,白天可动态布置和调配到需要的快充网点。

 

新能源汽车的发展与国家能源安全战略和环境保护战略直接相关,这一大势不可逆转。然而纯电动汽车有着成本焦虑、里程焦虑、充电焦虑、低温焦虑等瓶颈,呼唤增程式电动汽车技术路线的快速发展。如今,基于增程器动态平衡能力的动力电池箱标准化系统技术平台的出现,完善了整个新能源汽车生态链,将使得新能源汽车的发展将跟上一层楼。

 

2、标准电池箱技术

 

电池标准箱是指一系列通用型号(尺寸和形状)和相同接口(机械、电气、通讯)的电池箱系列。其中通用的型号可以是由3~5个标准型号组成,比如#1,#2,#3,#4,#5等型号,分别代表约定的尺寸和形状,使得电动汽车整车设计时可以根据所选相应的电池箱标准型号和数量直接规划空间安装方式。

 


图1:双电池箱整车布置案例

 

由于增程式电动车所需要的电池容量一般为同级纯电动车特殊定制电池箱容量的30%左右,而每只电池标准箱的容量一般在纯电动车特殊定制电池箱的10~15%,因此选用2~3只电池标准箱在整车上安装(集中安装或分布安装)是很容易实现的。对于同一个型号的电池标准箱,由于是由不同厂家生产或采用不同特性的电池材料,其实际容量、充放电特性、寿命等是有差别的。

 

同时,电池标准箱由于采用统一的电压平台(如510V),使得不同型号的标准箱也可以并联使用,使得整车集成更加灵活,见图1。

 

3、增程式多电池标准箱动态并联集成与控制技术

 

一套车载智能能量系统主要由三个部分构成,系统控制器、N个(N=2,3,4,…)电池标准箱动态并联组和一套增程器发电系统。其中增程器发电系统除了在需要时根据整车能量管理控制策略给电动汽车供电延长续驶里程外,在多个电池标准箱电压不均衡时(比如新旧电池箱之间、不同材料电池箱之间)通过系统控制器的自适应控制,为各电池标准箱均衡充电,确保电池标准箱之间的电压均衡,见图2。

 


图2:车载智能能量系统结构框图

 

在整车刚启动时,系统控制器如果发现各电池标准箱之间电压不一致,则会首先将最高电压的电池标准箱接入整车供电系统为驱动电机供电,同时启动增程器发电为其余电池标准箱充电,直至各电池箱电压与最高电压电池标准箱电压一致后再相继接入整车供电系统。在整车充电时,系统控制器如果发现各电池标准箱之间电压不一致,则会首先将最低电压的电池标准箱连接充电电路进行充电,系统控制器控制充电机的实际允许充电电流进行充电,直至与最高电压电池标准箱电压一致后再将其他电池标准箱相继接入充电电路,同时充电。

 

在车辆使用过程中,如果有一个电池标准箱出现故障,系统控制器会主动断开故障电池标准箱,允许其他电池标准箱继续工作,与增程器共同为整车供电。

 

4、集装箱储能式离网可移动快充系统技术

 

集装箱储能式离网可移动快充系统技术主要包括离网可移动集装箱快充单元,郊区集中储能与调度管理和可加盟式集装箱快充单元入站管理系统。其中,离网储能式可移动集装箱快充单元使用退役电池标准箱动态并联连接构成储能电池堆,内置多个快充器可为新能源汽车提供快速充电服务。郊区集中储能与调度管理系统利用电网谷电、清洁能源或可再生能源在夜间或充电空闲时间为离网可移动集装箱快充单元进行快速补电,并实时监控分布在市区内分布各处的集装箱快充单元的充电状态和电量状态,及时调度集装箱拖车进行更换;可加盟式集装箱快充单元入站管理系统允许注册会员个人提供的集装箱快充单元动态加入运营,见图3。

 


图3:装箱储能式离网可移动快充系统架构

 

建造离网储能式可移动充电集装箱的困难在于制造成本和投资回收周期。普通的储能式集装箱都是采用多个电池箱永久性串联或并联。出于电池芯一致性考虑,集装箱中的存储电能的容量只能一次性建成,之后不允许通过增加新的电池箱来增加容量,否则新加的电池箱健康状态与原来的不同,永久性串联或并联连接状态下在不使用时会产生电池箱之间的内部自循环。这样在早期建设储能式集装箱时如果配置容量较大而实际充电服务运营时很多电量用不完(卖不掉),就会导致建设成本过高,投资回收周期过长。早期建设时如果配置容量较小(建设成本低)的话而后期可能充电服务时不够用,但又不允许通过添加更多新电池箱进行容量扩展。

 

集装箱储能式离网可移动快充系统技术允许建设储能集装箱时采用退役的电池标准箱(电池箱成本低,建造成本负担小),由于允许各电池标准箱之间动力电路可以动态连接(电池箱之间的电压不平衡在充放电时进行主动动态平衡),不使用时各电池标准箱之间动力线是断开的。因此在储能式集装箱建设初期可安装较少的电池标准箱,随着需求的加大逐渐添加更多的电池标准箱来增加容量。维修时,也可以任意更换其他电池标准箱进行替换。

 

5、技术验证应用案例–双电池箱增程式电动车

 

苏州达思灵基于专利“增程式多电池标准箱动态并联集成与控制技术”采用双电池箱开发了增程式电动车进行了测试验证,见图4和表1。

 


图4:双电池包增程MPV

 


表1:双电池包增程MPV基本性能
 

 

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