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解析电动汽车电池组与电池的区别

每当我跟人讲我是设计电动汽车的电池组(battery pack)的时候,人们总会问我,电池组是什么?和电池有什么区别?汽车电池和手机电池有什么区别?

如果我们把电动汽车比作一个团队,这个团队的运行与前进需要各种不同背景和具有不同能力的人才,电池组就是这个团队中不可或缺的一人,而电池只是这个人的一个器官,也就是他的心脏。

电池组最终的目的就是为电池提供各种保护和辅助,使电池的寿命更长,能够应对各种极端天气和环境条件。

外壳与底座(Cover and Tray)

汽车电池和手机电池最大的区别就是汽车所经历的环境与手机非常不同。汽车在运行中会经历各种震动,以及来自外界环境的水,泥土,和沙石的侵入。因此,电池组的外壳和底座至关重要。

世面上存在的电动汽车电池组的底座一般使用铝合金或者不锈钢制造,而上层与汽车底盘结合的外壳则可能使用加入玻璃纤的复合材料制成。

电池组在测试中会经过三维的震动、以及相当于超过10年的风吹雨打(来自不同方向的尘土和水的喷洒),保证电池组内部完全没有任何外来物质的侵入,做到滴水不漏。

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值得注意的是,电池组与汽车其他组件有电线连接,而这些电线与电池组中间的连接部位也要做到滴水不漏。

温度管理系统(Thermal Management System)

用户也会期望他们的电动汽车在全年365天各种天气条件下都能够有出色的表现。汽车电池组直接影响汽车的加速度和续航距离,这与人们观察手机电池的表现大大不同。

温度管理系统保证了每一个单电池的温度都是全年恒定的。在极端炎热天气下大量使用电池,能够保证及时的散热,防止电池的寿命减弱或者膨胀爆炸。在极端寒冷的天气下大量使用电池,保证电池的内部足够温暖,不会影响性能与寿命。

电池的散热是用液体的冷却剂流经电池组的底部,再由导热性极佳的冷却板与单电池直接接触。或者是直接空气散热,也就是用内置的电风扇。

电池的加热保暖则是由加热器完成,加热器的电力来自于电池本身。所以冬天电动汽车的续航距离会稍微减少。

还有一个挑战来自极端环境下的充电。由于汽车在充电的时处于关闭状态,但是温度管理系统却需要在得知充电的时候自动启动,保持电池组的内部温度,这就是说,在整辆车都处于睡眠状态的时候,电池组仍然是醒着的。

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单电池的平衡(Cell Balancing)

电池组里有许多单电池,有串联的也有并联的。一辆电动车的续航距离直接取决于这其中表现最差的那个单电池,因此保持各个单电池中的电压和剩余的电量也至关重要。

电池组中有一个叫做VITM (voltage current temperature module)的装置,实时测量每一个单电池的电压电流和温度,保证并且通过一系列电阻和晶体管来调节对于一个单电池的使用量,同时给温度管理系统传达指令,调节冷却剂的流量和温度,给电池降温和升温。

功率电子装置(Power Electronics)

严格意义上讲,功率电子装置不属于电池组的一部分,不过有些电池组的生产商将其也归类于电池组。

功率电子装置包括充电器(charging module),再生制动(regenerative braking)中所用到的逆变器(inverter),以及辅助车厢内部能源使用的APM(accessory power module)。

充电器就是讲电网中的交流电转换成可以直接给电池使用的直流电。但是随着技术的革新,世面上也渐渐出现更多的直流充电站,直接将交流电到直流电的逆变在充电站内完成,减少了电池组内部这一成分的必要性。

然而,在再生制动中,来自于发电机的交流电仍然需要转成可以供电池使用的直流电,在汽车的行进中,来自电池的直流电也必须转成可以供电机使用的交流电,这其中就又会用到一个逆变器。

APM则是将大电池组的功率降低给一般的12V电池,供汽车内部的照明、收音机和CD播放器、仪表盘、空调等电力使用。由于是电池与电池中间的转换,则需要转换器,而非逆变器。

直流电的变压没有交流电的变压那么容易,交流电变压只需要一个变压器就可以,而直流电的电压转换则需要一个逆变器将高压直流电转换成高压交流电,一个变压器将高压交流电降低成低压交流电,和一个逆变器将低压交流电转换成高压直流电。

这个过程比较繁琐,所以工业上也会用到降压变换器(buck converter)或升压变换器,其构造为一个晶体管或者二极管,感应器,和电容器。

总结

电动汽车的未来取决于汽车电池的革新。新一代的电池需要更长的寿命,更高的能量密度,增加电动汽车的续航距离和持久的性能。单电池离不开电池组,就像心脏离不开身体,里面每一个器官都起到支撑和辅助作用。

我们花了很长一段时间将铅酸电池抛之脑后,开始使用镍电池,又花了很长一段时间才开始普及锂电池。锂电池的化学种类繁多,用途也很广。

在我们等待下一个新的电化学技术的到来之前,电池组内部的革新以及不断改进,将会决定短期内电动车的走势,使得电动车在不同环境的挑战下依然耐用持久。

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没有大风大浪的经历,却有一颗永不想随波逐流的内心。 人生像游戏,玩错了其实可以重来,只要不轻易放弃,但游戏要认真玩才有意思 曾混迹电子论坛,现重回IT界,希望能给大家带来更接地气的产品。

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