電動汽車統一電池可期!不循常:換電後,車與電池“商談”電壓…

——《細說“通用換電方案”系列》之四


車:“老兄,我要288V檔的電壓,你有嗎?”

電池:“我有一個280.8V的電壓,要嗎?”

車:“280.8V在288V檔範圍內,確認,就要這個。”

電池:“OK!已切上。”

將來,電動汽車在換電站換上電池後,可能與電池之間需要“商談”一下,來上這樣一段“對話”。當然,實際上它們採用的通信語言與人類不同,並會在通信協議中設定好。

大家知道,電動汽車和動力電池都含有多種技術參數和技術要求。不同於現在車與電池在設計時完全互配好的常規做法,實施“通用換電”後,“快換型通用動力電池”並不是一成不變的,不同批次的個體因採用的電芯類型變化、設計變更等原因,技術參數會有差異,而“快換型通用動力電池”面對的電動汽車也是多種多樣,並且不斷有新車型加入進來,因此車與電池之間的通信交流內容會增加很多。如果“快換型通用動力電池”的電壓是可選的,其中還會有一段與電壓選擇相關的“對話”。

與上一篇文章介紹的解決方案二:“電池採用獨立液態溫控迴路”在通用換電方案啟動時具有重要性不同(將來如果新的進入商用的電池類型溫度適應性好,有不需要液態溫控的可能,其重要性就會下降),今天將介紹的解決方案四:“電池通過內部變動可切換出不同的額定電壓”是一個次要方案,沒有這個解決方案,通用換電方案也可以啟動,但有些美中不足。長期來說,用好了這個方案,電動汽車在選用“快換型通用動力電池”的情況下都仍有選擇電壓的靈活性。電壓切換方案的基本原理並不複雜,大部分人都能看明白。

說明:《細說“通用換電方案”系列》中會有多篇文章採用附圖配合說明,圖號是統一編排的,前文中已出現過的附圖,再用到時仍用原來的圖號(前兩篇文章中已出現過的圖:圖一~圖二十四)。

電池為什麼要做成電壓可選?

“通用換電方案”的特色在於:“與車方便,與己方便”。

“快換型通用動力電池”設計處處為車著想是“與車方便”,比如:可讓車佈局安裝電池方便且不需特別改造;換電方便還速度快(目標是小型車換電直接時間1分鐘內);電池性能好適用性強,方便小車(各種乘用車等)大車(大型客車、貨車)都可選用。總方案中設定了大小不同的5個型號電池即是為了保證在各種車型上佈局容易和快速換電,不然只做一、兩款小型的標準電池就可(電池是簡單了,但小型車即需安裝好幾塊電池,增加了換電時間,車的結構可能還需特殊改造)。“與己方便”則是指電池因符合各種車的需求會帶來大量應用,方便了推廣普及。當然,最後會因通用換電方便了用戶,而方便了新能源汽車的發展(其中最主要的是純電動汽車)。

電池除了在結構上要方便車上佈局和快速換電,還需在其它方面給車以方便,比如電壓的選擇。車的電壓平臺與電池電壓相關聯並且決定了其它相關零部件電壓參數的選擇,我們就以電池的額定電壓來指稱車的電壓平臺。電壓平臺的確定是對電壓與電流平衡的結果(電壓與電流的乘積是功率,相同功率下電壓越高電流越小,電壓越低電流越大),電壓過高或電流過大都會帶來技術難度的提高和成本的增加,體現在不同的元器件上。相關的,現在還有個趨勢:隨技術的發展,適當提高電壓平臺減小電流有利於整車成本的下降和電控效率的提升。不過,電壓和電流這兩個參數的確定,在合理範圍內都有較大的選擇餘地而不會造成重大影響。

確定“快換型通用動力電池”的額定電壓有兩步工作要做:

第一步是為每個電池型號確定一個基本的額定電壓。我們在“通用換電方案”的總方案(參見《要“電動汽車時代”真的到來?只需5款“快換型通用動力電池”》一文)中,為初步設定的5個型號“快換型通用動力電池”都設定了一個基本的額定電壓:A型和B型電池為192V,C型和D型電池為384V,E型電池為96V(未最終確定,可調整)。當然,上述額定電壓都是標稱,實際每個型號電池個體的額定電壓可能會因內部電池類型不同而不同(見以後對解決方案五的展開介紹),因此各電池型號的額定電壓實際上是一個電壓範圍。

基本額定電壓的設定考慮了適用車型的大小與適合採用電壓平臺的一般性對應關係:小一些的車電壓平臺低一些,大一些的車電壓平臺高一些,適用電池的額定電壓設定與此對應。例如:主要適用於A00級和A0級轎車及相近尺寸其它乘用車的B型電池,額定電壓設為192V;主要適用於B級以上轎車及相近尺寸其它乘用車的D型電池,額定電壓設為384V。更大的車,一般會用2個或多個電池串聯成電池包,而其電壓平臺一般也更高。而主要用於在車上多個串聯組合成電池包的E型電池設定的額定電壓更低(已考慮了各種組合情況)。

第一步工作留下了一些不足之處:①.現在電壓平臺有向上的趨勢,比如有些乘用車的新車型已嘗試從400V左右的平臺向800V左右的平臺發展,雖然其最主要的原因是為了適應超級充電樁充電,與我們的目標不同(實行通用換電後,對快速充電,特別是用超級充電樁充電的需求就下來了,沒必要以此為目標了),但提高電壓也有降低電流從而減少損耗提升能耗效率等優勢,當提高電壓的難度和成本下降後,電壓平臺向上提升是有意義的,如果電池電壓完全固定了,會形成制約。②.一些大型車上採用多塊電池串聯組成電池包,可能要求電壓平臺過高,造成設計難度和成本的上升,或者只能以減少電池安裝數量縮減續航里程為代價。③.隨著電池技術發展,能量密度提升,以後一個小型號的“快換型通用動力電池”,儲存容量可能與現在一個大型號的電池相當,比如:原來應選用D型電池的車型,將來可能只需選用B型電池就可以了,但B型電池額定電壓低,不符合要求,最好能提升。

用第二步工作來彌補前一步工作的不足。第二步工作的第一種方法也很簡單:各型號電池可以有幾種電壓。先看一下電池主型號的定義(上述電池的5個型號實是指5個主型號):電池的主要安裝尺寸相同可安裝於同一種電池艙或車上其它用於連接安裝電池的部件中的為同一主型號。也就是說主型號只定了安裝、連接相關的結構和尺寸,其它是有變化餘地的,電壓當然也可不同。同一主型號下可以有細分型號,比如:B型電池除基本額定電壓192V外,我們可以增加288V、384V兩檔電壓,體現在不同的細分型號上。這樣對應的各種車型在選擇電壓平臺時,就無明顯的制約了。

相對於現在電壓平臺的五花八門(現在有很多相近車型的電壓平臺相差不大,卻又各不相同),上面兩步工作之後,各車型在確定電壓平臺時不再隨心所欲,但基本都可採用較為合適的電壓平臺。而電動汽車常用的電壓平臺會減少很多。電壓平臺減少是有好處的,至少對電機、電控方面的相關供應商是大利好,配件的型號會減少而批量會上升。

但第二步工作的第一種方法也有不利之處:各電池有多種電壓的細分型號後,相當於電池實際型號增多了,各換電站配備備用電池的數量需要增加(換電設備不需要增加)。但通用換電推行後,規模會相當大,雖然備用電池增加的比例不需要很大,但總體運行成本的增量還是相當可觀的。

因此,我們設想了第二種方法來替代第一種方法:“電池通過內部變動可切換出不同的額定電壓”。如果同一個電池能夠切換出不同的電壓,且代價不太大,就不需要為了多檔電壓而增加備用電池的配備數量,既滿足不同需求,又不需要增加很多運行成本,實現得好可兩全其美——這就是我們要把電池做成電壓可選(切換)的原因。同時,我們發現動力電池內部是可以做些文章來實現這一目標的。

電池電壓可選方案

一.第一類方案:電壓變換,現在不適合實施

第一類方案是在電池內部裝入DC/DC變換器,見圖二十五。圖二十五(b)中,內部電池通過DC/DC變換器對外輸出,輸出電壓與內部電池不同。如果仍需要內部電池直接輸出(形成其中一個電壓檔),需加一個切換電路,切換成圖二十五(a)中狀態時,DC/DC變換器的輸入、輸出端都處於斷開狀態,但內部電池與外電路接通,直接對外輸出。可以通過控制開關(開關可以是繼電器或接觸器的觸點,也可用其它辦法實現)切換輸出通路,從而變換整體電池的輸出電壓。DC/DC變換器還可以是可調式的,設置有幾檔電壓,這樣可選的輸出電壓就會有多檔,形成多檔額定電壓。DC/DC變換器還可做成可逆式的,裝到車上後,車載充電器或外接充電樁可通過DC/DC變換器對內部電池進行充電。

這個方案看起來變換電壓很容易實現,但有幾個問題:①.DC/DC變換器要佔用不少空間; ②.通過DC/DC變換器輸出有效率損失;③.會增加較多成本。基於這幾個問題,這個方案現在並不適合實施。如果將來技術發展後,DC/DC變換器的體積、成本大大下降,並達到很高的效率,存在實施的可能性(這種情況下,也可各檔電壓都通過DC/DC變換器輸出,不設切換線路)。

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二.第二類方案:電壓切換,做得穩定就用

先說明一下:第二類方案中的第一種方案“倍壓切換”較為簡單,是推行的重點。其它方案相對複雜,實施的可能性小,一般讀者如果瞭解的興趣不大,不須細看。

現在電動汽車動力電池的電壓一般達到幾百伏,但內部單個電芯的電壓大多在4V以下,因此動力電池包都是採用很多電芯串並聯組合而成,一般先由電芯組合成模組,再由多個模組組合成電池包。現在為了提高空間利用率也出現了無模組電池包。

辦法來了:在設計電池時,可以將電池內部設計成幾個等同電池組,每個等同電池組都由電芯串並聯組合而成,各個等同電池組具有基本相同的組成,儲存容量、電壓等電性能基本相同,或雖組合方式上有所不同,但各主要電性能仍然相同。這些等同電池組之間的組合關係可以通過切換電路而變化,從而達成整體電池可切換出不同輸出電壓的目的。看示意圖會比較容易明白。下面從最簡單的,也是目前看最容易實施的方案入手:

(一).倍壓切換:易實施,當前的優選方案

見示意圖二十六,不管是有模組設計,還是無模組設計,把動力電池內的所有電芯歸為兩個等同電池組:等同電池組1、等同電池組2、兩個等同電池組的額定電壓都是X。

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當動力電池內電路切到圖二十六(a)的狀態時,等同電池組1與等同電池組2處於並聯關係,動力電池的輸出電壓是1X。將動力電池內電路切換到圖二十六(b)的狀態,等同電池組1與等同電池組2串聯,動力電池的輸出電壓為2X。這個動力電池的就有了兩檔額定電壓:1X/2X。

之前,我們為A型和B型電池設定了一個基本電額定電壓:192V,為了能提供一個高的額定電壓,可以按這個方案,做成電壓可切換,形成兩檔額定電壓:192V /384V。

同樣,採用這個方案,我們也可為C型和D型電池設計出兩檔額定電壓:384V/768V。

E型電池同樣也可設計出兩檔額定電壓:48V /96V,當某些大型車上E型串聯電池數量過多時,選擇48V低電壓,串聯組合成的電池包電壓不至於太高,比如12個E型電池串聯,如果選擇96V檔,電池包電壓1152V,目前技術條件下,還不適合,選用48V檔,電池包電壓為576V,較為合適。

可以將動力電池的初始狀態設定在一個電壓檔上(比如在低壓檔上),需要時切換電壓(一般在外部電路不接通的狀態下切換)。也可以將動力電池內部切換到圖二十六(c)的狀態,在這個狀態下,內部電路是不通的,動力電池不輸出電壓,將這個狀態設成電池的初始狀態,當電池換電到車上後,再選擇電壓檔。

雖然會帶來一系列問題,但這個簡單方案實施的難度不會太大。會帶來什麼問題呢?首先多了一個等同電池組之間的均衡問題,兩個等同電池組在前一輛車上使用時是串聯關係,換電到另一輛車上使用時,可能要變成並聯關係,兩個組之間必須有較高的均衡性,如果出現較大壓差,並聯時會出現大電流的環流而損傷電池。因此對電芯的的一致性要求很高,如果無法避免不均衡,就要用其它方法控制環流。

電池管理系統(BMS)需要跟進。要在兩檔不同電壓下收集數據、分析狀態、保護電池,並且數據要整合,電池管理肯定要對應變化,複雜程度提高。

(二).雙倍壓(倍壓與四倍壓)切換:驗證後再定

倍壓切換還不能完全滿足需求,比如較大的D級轎車可安裝兩塊C型電池,輕型客車可以安裝2~3塊C型電池,一般採用串聯組成電池包比較簡便,但車型設計時不打算上到768V或更高的電壓平臺,如何應對?

有兩個應對思路:

一個是做兩種C型電池,一種有兩檔額定電壓:384V/768V,另一種有兩檔額定電壓:192V/384V,上述車型在換電時只選擇具有192V/384V兩檔電壓的C型電池,然後電壓檔切到192V。兩個C型電池串聯的電池包384V,3個C型電池串聯的電池包576V,不需要把電壓平臺提得很高。

另一個思路是:增加額定電壓檔。下面排出一個三個電壓檔的動力電池內部線路,見圖二十七。

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這種動力電池,內部設四個等同電池組,如果等同電池組的電壓為X,可以切換出三檔額定電壓:1X/2X/4X。在這個圖中,圖(b)和圖(c)兩種情況下輸出電壓都是2X,設定採用一種即可。

C型和D型電池可採用這個方案設計出三檔額定電壓:192V/384V/768V,高、中、低兼顧。

與倍壓切換方案相似,這種方案下,除上圖中四種狀態外,也可設定另一種狀態:內部線路不連通或不完全連通,整體電池無電壓輸出,並可把這種狀態設為電池的初始狀態。還有,這種方案也可變化成與後面圖二十八中方案相近的結構(可只取左邊四個等同電池組),這種線路結構下,2X輸出只有一種狀態。

動力電池實現雙倍壓切換,電池管理會比倍壓設計複雜很多,需要充分驗證後,可靠性、穩定性達到較滿意的程度才可採用。

(三).幾種複雜切換方式:先看看

採用倍壓切換或雙倍壓切換,車型在選擇電池和車的電壓平臺時已無大的障礙,總體上打破了制約,但仍會有些不足。比如:主要用於小型車的B型電池,採用倍壓切換形成兩檔額定電壓:192V /384V,兩檔電壓差距大,有些車型希望採用兩檔之間的電壓,就無法實現了,如果有一檔中間檔288V則比較理想。

電壓切換方案還有很多做法,可以讓動力電池有更多的額定電壓選擇,下面試做了兩個方案,分別見圖二十八和圖二十九:

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圖二十八的切換方案,動力電池內部設六個等同電池組,內含10個切換點,可實現額定電壓1X/2X/3X/6X切換。

A型、B型用此方案可實現:96V/192V/288V/576V四檔電壓(等同電池組電壓X:96V)或48V/96V/144V/288V四檔電壓(等同電池組電壓X:48V)切換。

C型、D型用此方案可實現:192V/384V/576V/1152V四檔電壓(等同電池組電壓X:192V)或96V/192V/288V/576V四檔電壓(等同電池組電壓X:96V)切換。

E型電池按此方案,可實現48V/96V/144V/288V四檔電壓(等同電池組電壓X:48V。如果288V電壓暫無需求,可取其中的48V/96V/144V)或96V/192V/288V/576V四檔電壓(等同電池組電壓X:96V。可只取其中需要使用的電壓檔)切換。

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圖二十九的電壓切換方案,動力電池內部設十二個等同電池組,內含14個切換點,可實現額定電壓2X/3X/4X/6X切換。相比圖二十八的方案,3X與6X之間多了一個4X,捨去了1X輸出(如要保留1X輸出,還需增加切換點)。

在這種電壓切換方案下,電壓檔排列更加緊密。比如各型號電池可有如下電壓檔排列:

A型、B型電池:96V/144V/192V/288V四檔(等同電池組電壓X:48V),或192V/288V/384V/576V四檔(等同電池組電壓X:96V)。

C型、D型電池:192V/288V/384V/576V四檔(等同電池組電壓X:96V),或384V/576V/768V/1152V四檔(等同電池組電壓X:192V)。

E型電池:96V/144V/192V/288V四檔(等同電池組電壓X:48V)。

前面提到的B型電池要在192V/384V兩檔之間增加288V檔,可用此方案,實現192V/288V/384V/576V四檔電壓切換方案(如果576V電壓無需求,可只用192V/288V/384V三檔)。如果不需要保留384V檔電壓,則可用96V/144V/192V/288V四檔電壓切換方案,其中96V/144V兩檔,在大型車多個電池串聯組合中可以組合出較低的電壓平臺。

上述圖二十八和圖二十九中的電壓切換方案,帶來了更多的電壓檔選擇(這兩種方案下,也都可設定一種內部線路不連通或不完全連通,整體電池無電壓輸出的狀態,並可把這種狀態設為電池的初始狀態),但對應動力電池的管理會非常複雜,目前直接應用的可能性不大。但通過這些例子我們可看到一些可能性,留作將來可能應用的方案。同時也留下一個思路:如果確實需要,可以排出一些複雜的電壓檔切換方案(還可排出比上述方案更為複雜、電壓檔更多的方案)供應用,前提是解決好可靠性和穩定性的問題。

(四).各切換方案採用何種切換開關?

上面介紹了多種電壓切換方案,其中都要有切換開關來執行切換動作,一般來說會用繼電器(繼電器的觸點通斷形成開關動作)。也可以是接觸器、撥動開關、甚至是電纜接頭,不排除用軟開關(半導體元件及相關電路)進行切換。

這裡還有一個思路:上述複雜切換方案,如果在換電後快速切換並進入使用,在技術不成熟的情況下可能可靠性不夠或會引起其它問題,如在換電站事先切換(可藉助設備、儀器完成切換、調整、檢測等)好,再供需要的車使用,這種電池的切換動作可由電氣開關完成,也可用拆、接電纜接頭的辦法完成。這樣的話,相當於動力電池預設了可切換的電壓檔,但並不能在車上切換,某個型號電池出現不同電壓檔的供應量與車的需求不平衡時,可以在換電站或其它合適場合由專業人員打開電池的局部進行切換,將供應量過剩的電壓檔切換成供應量不足的電壓檔。

(五).電壓檔漂移

如果整個新能源汽車產業(主力是電動汽車),出現電壓平臺向一個方向發展的趨勢(現在來說是電壓平臺有提高的趨勢),各型號“快換型通用動力電池”,可藉助電壓切換方案實施電壓檔漂移,比如B型電池原來是用192V/384V兩檔切換,後來適用車型出現向更高電壓平臺發展趨勢,後續供應的電池將以384V/768V兩檔切換的為主,或供應192V/384V/768V三檔切換的電池,當後面192V電壓的需求逐步消失,就不再生產含192V檔電壓的電池。這樣在不影響需求的同時,自然就實現了電壓檔的漂移,或者說過渡。當然,如果出現了反方向的趨勢(電壓平臺過度向上提升後,發現並不合理,需要回歸時),電壓檔也可向下漂移。

“通用換電”下各車型選擇電壓平臺分析

由於上述第一類方案目前不適合實施,後面的分析只考慮第二類方案。

採用通用換電方案後,一種做法是各型號“快換型通用動力電池”的額定電壓都只設一個基本電壓,初步設定A型和B型電池為192V,C型和D型電池為384V,E型電池為96V(5個型號電池的外觀示意圖見下面再次附上的圖一)。但我們偏向於一開始就推出電壓檔可倍壓切換(選擇)的電池,電壓檔初步選定如下:

A型、B型電池:192V/384V兩檔;

C型、D型電池:384V/768V兩檔;

E型電池: 48V/96V兩檔。

更多電壓檔的方案我們保留應用的可能性。

下面對各車型選用電壓平臺的分析,都從只採用基本電壓入手,再分析採用倍壓切換方案後的應用,也會牽涉到更多電壓檔方案的應用。

讀者如果只對乘用車感興趣,可只看乘用車部分的介紹,不必看相對複雜的商用車相關內容。

一.乘用車

乘用車只用A型、B型、C型、D型四種底置型電池,尺寸從小到大,見圖一中的尺寸對比(具體尺寸在以前的文章中已列出)。

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仍從一款轎車入手,我們把之前相關的一些示意圖(圖二局部、圖三、圖五局部)拼接在一起,形成上圖。這輛車的長寬高為4980*1845*1525mm,軸距2820mm,屬於B級轎車中較大的車型或者是C級轎車。這輛車如果只安裝一塊電池的話,A、B、C、D四個型號都可選擇,按當前純電動汽車儘量要達到最大續航里程的需要,會安裝一塊D型電池(附圖中即是安裝了一塊D型電池)。如果D型電池只有一個基本的額定電壓384V,車型的電壓平臺基本也會以此為基準,或者簡稱為384V電壓平臺。如果D型電池的額定電壓有384V/768V兩檔可選,偏向更高電壓平臺的車型就可以選用電池的768V檔,並採用768V電壓平臺。

同樣,我們可分析所有乘用車電壓平臺選擇的情況,下面擴大到以承載式車架的各種轎車為例,仍選用四個尺寸的轎車,看各車型佈局底置型電池各種情況下如何選擇電壓平臺,為了看起來簡單些,取之前示意圖八中的一部分組合成下圖:

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①、②、③、④車的軸距分別是1765mm、2440 mm、2700 mm、2920 mm(其它尺寸可參見以前的文章)。如果都安裝單塊電池,分別可安裝A、B、C、D四個型號電池。①、②車車型較小,電池儲存容量小,車的功率也小,電壓平臺可以以A型、B型電池的基本額定電壓192V為基準;③、④車車型較大,電池儲存容量大,車的功率也大,電壓平臺可以以C型、D型電池的基本額定電壓384V為基準。

如果A型、B型電池的額定電壓有192V/384V兩檔可選,且①、②車型偏向採用更高電壓平臺,就可以選擇384V檔。如果C型、D型電池的額定電壓有384V/768V兩檔可選,且③、④車型偏向採用更高電壓平臺,就可以選擇768V檔。

圖中採用兩塊電池的情況,實際應用相對少些。兩塊電池不太適合直接並聯使用(由於通用換電中,各電池流通使用,同型號電池會處於不同狀態,不適合直接並聯)。一般有兩種使用方式:一種是串聯成一組使用(兩個電池串聯形成一個電池包);另一種是兩塊電池各自成組(兩個電池包),兩個電池可以切換使用或組合使用,這種應用是解決方案七的內容,以後再做展開介紹。

兩個電池串聯使用,一個用處是可以增加電壓,比如②車可用一塊B型電池,也可用兩塊A型電池串聯使用,如果A型、B型電池都只有一個基本額定電壓192V,兩塊A型串聯就可以採用更高電壓平臺(384V)。還有一個用處是可獲得更大的儲存容量,前述②車安裝兩塊A型電池的儲存容量比一塊B型電池大32%左右。圖中③車安裝兩塊不同的電池也能適當增加儲存容量,但必須採用解決方案七的方法。

與②、③車不同,④車採用兩塊電池不會增加儲存容量。但比④車更大的D級轎車,可以安裝兩塊C型電池,並會比安裝單塊D型電池儲存容量增加37%左右。D級轎車安裝兩塊C型電池的,C型電池可採用基本額定電壓384V,兩塊電池串聯後電池包的電壓為768V,D級轎車電壓平臺以768V為基準也較為合適。但如果仍要用384V電壓平臺,可採用解決方案七中的方法予以解決,如果不採用解決方案七中的方法,則要求C型電池具有192V的電壓檔,這有兩種做法:一種做法是C型電池也做成額定電壓192V/384V兩檔可選(放棄768V電壓檔),還有一種做法就是C型電池做成額定電壓192V/384V/768V三檔可選。選擇方案多了,需要有個取捨,初步分析如下:如果額定電壓三檔可選實現代價大,應用要求又不強烈的話,還是不宜實施;如果C型電池對768V電壓檔需求較明顯,也不宜採用192V/384V兩檔電壓方案,剩下的只能是去採用解決方案七中的方法,或者放棄384V電壓平臺,仍採用768V電壓平臺。

其它乘用車,包括SUV、MPV、越野車、微型客車等,情況都大同小異,分析我們就省略了。

從上面分析中,我們可以看出,如果底置型電池都只有一個基本的額定電壓,當前看,乘用車各車型選用“快換型通用動力電池”時並無大的障礙,只略顯侷限。如果採用倍壓兩檔可選方案,留出電壓平臺向上走的空間,有利於發展。更多電壓檔的方案則暫時還無大的需求。

二.商用車

商用車中底置型電池、側置型電池都會應用。應用示意圖參見圖十二和十三,兩個圖的局部再展示如下:

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為了節省文章的篇幅,我們跳過一般貨車、客車類型選用電壓平臺的分析說明(大家可以參考前面乘用車的分析自行設想,注意一點:大型商用車的電壓平臺一般會高於乘用車),只分析圖中兩種特別車型的電壓平臺選擇思路:大型客車、集裝箱卡車。這兩種特別車型都採用了兩組電池(屬於解決方案七的做法),按一般要求,一輛車只用一個電壓平臺,因此兩組電池的電壓應該相同或接近。

(一).大型客車

圖十二中的圖(4)大型客車,安裝了三塊D型電池、8塊E型電池,如果D型電池串聯成組並選擇384V檔,E型電池串聯成組並選擇96V檔,兩組電池的電壓分別是1152V、768V,電壓完全不同。看以下幾個解決思路:

①.如果D型電池和E型電池都只有一個基本的額定電壓(分別是384V、96V),可考慮減少一塊D型電池,兩組電池的電壓就都為768V。

②.D型電池做成額定電壓192V/384V兩檔可選(放棄768V電壓檔),或者做成額定電壓192V/384V/768V三檔可選,用在這款大客車上時,選用192V檔,三塊D型電池串聯成組電壓576V;E型電池減少兩塊,仍採用基本額定電壓96V,6塊E型電池串聯成組電壓也是576V。這樣,兩組電池的電壓都為576V。

③.還存在一種可能性,可以保持圖中配置,但要同時滿足兩個條件:一個是E型電池做出48V/96V/144V/288V四檔或 96V/144V/192V/288V四檔,可選用144V檔電壓,8塊E型電池串聯成組電壓1152V,與三塊D型電池(電壓用384V)串聯電壓1152V相同;另一個是電動汽車電壓平臺向上發展,大客車已適合採用1152V電壓平臺,這種情況下可按圖中安裝的電池數量使用。

另外,有些中型客車也會同時安裝底置型電池和側置型的E型電池,也可用與上述相似的思路確定採用的電池數量並選用電壓檔,同時確定車型的電壓平臺。

(二).重型半掛牽引車、半掛車

圖十三中的圖(10)是集裝箱卡車,集裝箱卡車由半掛牽引車、半掛車、集裝箱組成。我們先以集裝箱卡車為例,後面會引出一個行業的配置分析。

半掛牽引車上可安裝E型電池的空間並不多。半掛車無動力裝置,不能獨立行駛,但半掛車上可安裝空間大多多於半掛牽引車。如果只有半掛牽引車上安裝E型電池,在拖帶半掛車的情況下,續航里程是比較短的,這個行業採用電動驅動的意願會很低。但是一旦能把半掛車上的空間也利用上,續航里程達到200~300公里不難,多的能達到400~500公里,將來應該會更長,這樣,雖然換電仍要比燃油車型加油頻率高,但結合運行成本,已有足夠動力去實現電動化(特別是可通用換電的情況下)。

半掛牽引車與半掛車個體之間不是固定關係,不可能把半掛牽引車與半掛車上的電池合成一個組(電池包),因此必須分組,要採用解決方案七的做法。

示意圖中半掛牽引車安裝了6塊E型電池,半掛車安裝了12塊E型電池。半掛牽引車上的6塊E型電池串聯形成一個獨立電池組(電池包),獨立行駛時由這個電池組供電。半掛車上的12塊E型電池車也可串聯形成一個獨立電池組(另一種方法是分成兩個獨立電池組,相當於半掛牽引車與半掛車結合使用時一共有三個電池組,但這樣電控會更加複雜化),半掛牽引車與半掛車連接後,兩組電池都可供電,一般也要求兩組電池電壓相當,這個例子中方法比較簡單:E型電池採用額定電壓48V/96V兩檔可選,半掛牽引車上的E型電池選用96V檔,半掛車上的E型電池選用48V檔,兩組電池額定電壓就都是576V,車的電壓平臺就可確定用576V。

下面分析整個半掛牽引車、半掛車行業:

半掛牽引車、半掛車有很多類型,有多個細分類型,我們暫且把它們都歸為一個行業。半掛車可安裝E型電池的空間是不同的,適合安裝4塊、6塊、8塊、10塊、12塊等都有,半掛牽引車上可安裝空間也有所不同。但不同數量電池會組合出不同的電壓來,如果電壓平臺多種多樣,半掛牽引車與半掛車個體之間的配合就成問題了,如果電池組電壓不同,半掛牽引車就無法利用半掛車上的電池供電,會大大縮減續航里程。

全行業應該統一電壓平臺!統一成一種(最好)或兩種。

我們換個角度來推導:先列出幾個可考慮的電壓平臺,反推幾種電壓檔配置方案下對應的電池數量:

電壓平臺576V:

E型電池兩檔電壓可選(48V/96V):12塊、6塊;

E型電池兩檔電壓可選(96V/192V):6塊、3塊;

E型電池三檔電壓可選(48V/96V/192V):12塊、6塊、3塊;

E型電池四檔電壓可選(48V/96V/144V/288V):12塊、6塊、4塊、2塊;

E型電池四檔電壓可選(96V/144V/192V/288V):6塊、4塊、3塊、2塊。

電壓平臺768V:

E型電池兩檔電壓可選(48V/96V):16塊、8塊;

E型電池兩檔電壓可選(96V/192V):8塊、4塊;

E型電池三檔電壓可選(48V/96V/192V):16塊、8塊、4塊;

E型電池四檔電壓可選(48V/96V/144V/288V):16塊、8塊、(5.33)、(2.67);

E型電池四檔電壓可選(96V/144V/192V/288V):8塊、(5.33)、4塊、(2.67)。

電壓平臺1152V:

E型電池兩檔電壓可選(48V/96V):24塊、12塊;

E型電池兩檔電壓可選(96V/192V):12塊、6塊;

E型電池三檔電壓可選(48V/96V/192V):24塊、12塊、6塊;

E型電池四檔電壓可選(48V/96V/144V/288V):24塊、12塊、8塊、4塊;

E型電池四檔電壓可選(96V/144V/192V/288V):12塊、8塊、6塊、4塊。

注:上面電池數量帶小數點的,實際上是電池在該電壓檔設定下的組合配合不了對應的電壓平臺。

從上面電壓檔配置方案和對應的電池數量中可優先出幾種配置:

電壓平臺576V,E型電池兩檔電壓可選(48V/96V):12塊、6塊。在這個電壓平臺和電壓檔方案下,半掛牽引車安裝6塊E型電池、半掛車視空間條件可安裝6塊或12塊E型電池。

電壓平臺768V,E型電池兩檔電壓可選(96V/192V):8塊、4塊。在這個電壓平臺和電壓檔方案下,半掛牽引車、半掛車各視空間條件可安裝8塊或4塊E型電池。

電壓平臺1152V,E型電池兩檔電壓可選(96V/192V):12塊、6塊。在這個電壓平臺和電壓檔方案下,半掛牽引車安裝6塊E型電池、半掛車視空間條件可安裝6塊或12塊E型電池。

電壓平臺1152V,E型電池四檔電壓可選(96V/144V/192V/288V):12塊、8塊、6塊、4塊。在這個電壓平臺和電壓檔方案下,半掛牽引車視空間條件可安裝4塊、6塊或8塊E型電池、半掛車視空間條件可安裝4塊、6塊、8塊或12塊E型電池。

上面幾種配置各有特點:前三種配置電池都採用簡單的兩檔電壓可選方案(倍壓切換),對應不同的電壓平臺,但適合組合的電池數量都只有兩種。最後一種配置最靈活,在同一電壓平臺下可組合出四種電池數量,因此不同安裝空間條件的半掛牽引車、半掛車,都能安裝較合適的電池數量並充分利用空間,但對電壓平臺(電壓高:1152V)和電池切換方案(需實現四檔電壓可選)的要求都高。應該在足夠調研的基礎上,於正式推行前選定配置方案。

各型號電池多電壓的組合方案(折衷方案)

上面在對“通用換電”下各車型選擇電壓平臺分析中,大客車和半掛牽引車、半掛車行業如果電壓平臺能在代價不太大的情況下,上升到1152V,並且E型電池可以採用四檔電壓可選方案,電池組合的靈活性會大很多。

但四檔電壓可選方案要做好難度還是比較大的,由此設想了一個折衷方案——把確定“快換型通用動力電池”額定電壓的第二步工作中的兩種方法結合起來,即:既增加不同電壓的細分型號,又採用簡單的電壓切換方案。比如做兩種可兩檔切換的E型電池:96V/192V、144V/288V。如果雙倍壓切換可靠,也可組合進來,比如:E型電池做兩種,一種做成 48V/96V/192V三檔切換,另一種做成144V/288V兩檔切換。上述組合下,備用電池增加相對較少,但電壓檔很豐富,非常靈活。

當然,如果A、B、C、D各型電池也確有同樣的需求,也可採用這種組合方案。


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