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可更换模块化电池对电动车稳定性利大于弊

德国研究机构Fraunhofer的研究人员针对电动车(EV)开发出一款可更换的电池组,据称能够在整个产品生命周期实现较传统电池更显著的成本效益。相较于现有电池,这种新设计中的电单池是可更换的,不过它显然需要完全不同的电池监测系统。

目前,电动车(EV)和油电混合电动车(HEV)的车用电池基本上是以一整个电池组的方式进行设计、开发与销售,而一个车用电池组中通常包含好几百颗单电池 (cell)。这些单电池之间采用串联的方式连接,而这可能导致一个麻烦的问题:整个电池再怎么强大也强不过其弱点——如果其中一个单电池故障,整个电池 组就毁了,必须整组更换。其基本原则是让所有的单电池都一模一样,而且能够储存相同的电量,同样地,电池监测系统也适用于整个系统。

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然而,实际的情况却有所不同:因为每个单电池的实际容量可能因为制造容差而全然不同。尽管电池制造商透过彻底地筛选与搭配,试图避免发生这种效应。然而,在此过程中,有许多单电池会被挑出来。其结果是:整个电池会变得更加昂贵。另一个问题是就算电池组中只有一个单电池损坏,也会影响到整部车子可能都不能动。 在此情况下,就必须换掉整个电池。

Fraunhofer生产技术与自动化研究所(Fraunhofer IPA)的研究人员于是设计出一种替代途径,可望解决这种不理想的情况。他们开发出一种模块化的电池系统,其中的每个单电池都可被单独更换。然而,每个单 电池都必须搭配一个自有的电池监测系统(BMS)——一款用于测量温度与充电程度等有关参数微控制器。

因此,每个单电池都能清楚掌握各自的情况。透过电池之间存在的既有高电流连接,单电池能经由电力线通讯交换数据。这些微控制器也能与外部装置(如电池系统控制器)进行通讯,并根据来自单电池的资料计算剩余的电量。

当汽车采用目前的车用电池时,可能发生其中一个单电池故障时导致汽车整个停摆的情况,但Fraunhofer的设计却能让汽车在此情况下继续行驶。这是因为其中一个故障的空电池只是停止作用,而且被另行隔离了,但电流将会被导向停用的单电池周围。

Fraunhofer IPA研究小组经理Kai Pfeiffer表示,“根据单电池的质量不同,可以增加不同范围的行驶续航力。在一个电池组的整个生命周期,这种效果将会变得更加重要。如果你试着让老旧的电池组中停用几个单电池,很可能就会发现车子竟然还能延长多达10%的续航力。”

由于单电池的容量较低,其实几乎不影响汽车的续航力,但制造商不必预先筛选单电池,因而得以显著节省成本。此外,单电池的容量还会随时间演进而彼此相互适应。其原因在于:采用这种新的电池组后,储存较少容量的单电池会先被停用。

单电池的性能越强大,使用时间就越长,但也更快老化,其容量也会持续降低。再者,当单电池发生故障时,就不必再把车子送进厂维修了。因为电池是由数百个单电 池组成,只是其一个单电池故障再也无关紧要了。而如果车主仍决定要维修这个电池,也只需简单的更换单独的单电池即可,不必换掉整个电池。

研究人员已经成功地打造出一款电池组原型。下一步,他们将进一步缩小连接至单电池的电路。目标在于实现成本不到1欧元的监测系统。

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责任编辑:于博洋