換電模式一直處于下風，電池管理系統也許能幫上大忙
發布時間：
2016-03-07
新能源汽車電能補給方式上，充電模式與換電模式之爭由來已久，換電模式一直處于下風的主要技術原因就是電池標準化的問題。以內燃機車為參照，充電模式就是加油，換電模式就是用一個裝滿油(電)的油箱(電池)來換掉一個空油桶(沒電的電池)，換電模式的提出是為了解決電動汽車充電時間長、電池續航能力的問題，其實質是希望以一種高效率的物理變化來取代低效率的電化學變化。但是，因為電池不像油桶那樣只是一個容器那么簡單，如果單單只是電池，不管方形還是圓形的電芯，都可以組裝成成系列的標準電池模組(若干電芯并聯成一串電池，若干串電池串接成一個電池模組)，換電就不存在技術障礙。恰恰相反，電池是需要和電池管理系統(BMS)協同工作的，兩者的關系密不可分。
BMS是電動汽車的核心技術之一，國內的BMS產品大部分是集中式的，也有小部分高端的做成分布式的。那么，是不是只要BMS是標準的，電池模組做成系列標準的，換電就沒有技術問題了呢？我們一個一個分析。
要說明的是，以下分析首先是單純從BMS與電池連接的技術實現角度考量，不涉及車型設計、電池組空間等其他因素，目標是保證同材料的電池組可以互換，換電只完成電池的更換、新電池組與BMS的連接動作。(BMS與車一體，不可拆換。)已知條件是假設電池模組是一個標準系列的，比如說三元鋰200AH的電池模組系列分別有4串、8串、12串。
先看集中式管理系統。這是將所有采集單體電壓和溫度的單元全部集中在一塊BMS板上，BMS與電池組之間只有線纜連接。其優點是相對而言比較簡單，成本較低，由于采集在同一塊板上，之間的通信也簡化了。缺點是單體采樣的線束比較長，導致采樣導線的設計較為復雜，長線和短線在均衡的時候導致額外的電壓壓降；整個包的線束數量很多，排布也比較麻煩一些，整塊BMS所能支持的最高的通道也是有限的。
從連線示意圖可以看出，集中式BMS需要滿足一定條件才可以做到換電。這就是電池組設計時最好采用同樣的電池模組，比如說電池組24串的，用2個12串或是3個8串的模組。因為如果串數不同，就涉及到模組在電池組中的順序問題。這是因為集中式的BMS都是采用國外半導體公司的采樣IC，一是通道規劃受限于IC的固有設計，二是在車一端的BMS與電池連接的線束都是有地址定義的，必須一一對應。比如說電池組設計是20串，用一個8串和一個12串的模組，8串為低端12串為高端，如果兩個模組放錯位置，連成12串低端8串高端，這個是要出問題的。這個問題可以通過車上放置電池組的結構設計來解決，即每個模組有不同的空間限制，高串數的放不進低串數的，就可以保證不會放錯。
再看分布式的BMS：這種BMS是將電池模組的功能獨立分離，整個系統分成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器)，CSC安裝在電池單體上，負責本串電池信息采集和傳遞。典型的應用如德系的I3、I8、E-Golf和日系的IMIEV、Outlander和Model S。優點是可以將模組裝配過程簡化，采樣線束固定起來相對容易，線束距離均勻。看上去，這種BMS可以適用于不同串數的電池模組，CSC是和電池模組一體的，不管串數多少，反正最后信息都是通過總線輸入到BMU中。 每次換電，BMU也是不需要動的。這樣看起來，用在換電模式下是正合適的。但是，這里有個技術細節不容忽略，那就是CSC是需要設置地址的，以便和單串電池保持一一對應的關系，不然BMU是不知道信息是哪串電池的。在換電模式下，準備換上的電池模組里的CSC是需要按照它在新組成的電池組中的位置設置相應地址的，這就意味著裝有CSC的系列標準電池模組實際上是不標準的，是無法通用的，而設置地址這個工作如果放到換電這個環節實現顯然是有巨大風險的。
通過以上分析，我們了解到要想真正實現換電，不同廠家不同型號車輛的同種材料鋰電池都能互換，而不是只能換一家整車企業的，是需要以下條件的：
1. 電池模組要統一成一個標準系列。
2. 電池模組的單串電池地址問題需要解決。
最后，我們看下一種最新的積木式架構BMS：
和分布式的看起來類似，這種系統由單體模塊(UM)、總線和控制器三部分構成。模塊為4端口，安裝在每串電池上，2個輸入端與電池正負極連接，2個輸出端連接在總線上。總線是2線制，每套總線可以連接一定數量的模塊。所有的模塊都并聯在總線上，數據和均衡的能量都通過總線與每串電池傳遞。因為象搭積木一樣，多個系統可以通過CAN總線連接構建成更大規模(百串級別)的電池組能量管理系統，積木式架構由此得名。
這種架構能夠實現換電模式的關鍵在于模塊，這種技術的模塊是標準模塊，不需要任何地址設置，其地址是完全自適應的。這樣，高度標準化通用化的電池模組得以實現，無需任何設置。
對比三種架構的BMS，集中式和積木式的都可以完成換電，積木式的BMS實際是分體的，模塊需要和電池模組安裝在一起，看似裝配工序多，但因為是標準模塊，不需要考慮地址問題，所以與集中式BMS相比，實際上是減輕了裝配工作量，降低了安裝風險。
其次，從運營角度來看換電模式，每個電池模組的信息，包括生產廠家、出廠日期、類型、工作時間，累計放電量、深度充放電次數、SOH等都是運營商需要知道的。那么，這個信息最好是能與電池模組物理上在一體。這樣，對運營商來說，換下來的電池模組哪個需要替換，應該替換哪些單體，哪個需要維護，采取什么方式維護，才會做到心中有數、對癥下藥。這是第一步，第二步就是如果BMS做成足夠智能的，每次換電后電池模組先向BMS匯報，BMS就可以分辨出不同材料類型的電池，比如說是鐵鋰的，還是三元鋰的，再根據這些數據給出相應管理策略，這樣或許就可以做到不同種類的電池互換。
來源：第一電動網
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