一种新型纯电动城市客车锂电池组的P ACK及管理

2013-10-15仝瑞军张志国张泱渊

客车技术与研究 2013年6期

仝瑞军，张志国，张泱渊

（深圳市科列技术有限公司，广东深圳 518052）

国务院正式发布了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》[1]。规划指出，以纯电驱动为新能源汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向。为此应该总结前期纯电动城市客车的运行实践经验，对遇到的问题进行分析，确定以后促进纯电动汽车商业化技术的突破点。本文重点论述锂电池PACK及管理系统。

1 纯电动城市客车发展现状

从总体的节能减排角度，纯电动城市客车并不优于传统客车，但从城市具体角度来讲，效果是显而易见的，这也是为什么要促进城市电动公共交通发展的重要原因。至于发电环节带来的污染可以通过绿色能源发电等多个方面来解决[2]。纯电动城市客车从北京2008奥运会、到上海2010世博会、再到深圳2011大运会，单次投入运行的数量逐渐增加，运营效果逐渐变好，这些都是技术和实践进步的结果，但我们也要重视一些深层次的问题。

1）北京奥运会纯电动城市客车电池寿命衰减快，续航里程短：“2008年这批纯电动城市客车刚开始投入使用时，充一次电能够跑两圈多，但现在只能跑一圈，每跑一圈就得回北土城换一次电池”[3]。

2）合肥纯电动锂电池无法保证8年的城市客车使用寿命：“我不是想当反对派，但还是想说点真话。这么贵的电池，一点不像厂家保证的那样（8年），两年都用不了。这不是白白扔国家的钱嘛……”[4]。

3）青岛纯电动换电过程停车时间过长，降低运营效率：在薛家岛实地调查时，记者通过统计10辆客车的充换电时间，发现城市客车充换电时间在15 min左右。但据城市客车驾驶员反映，因为车辆过多需要排队，实际更换一次电池的时间在30 min左右，“更换时间长，影响运营效率”[5]。

4）临沂纯电动更换电池频度高，严重影响运营：“我们用的电池寿命根本达不到两年，两年后就涉及更换电池的问题，更换一组电池需要60万左右，这样一笔数字对我们公司来讲，的确很困难，我们真养不起”[6]。

以上这些都是纯电动城市客车真实运营的反馈，给我们的总体感觉是纯电动客车的批量运行还需要更多的技术突破。下面从理论方面进行分析[7]，选择合适的电池PACK方式和管理方式解决电池的续驶里程和使用寿命问题。

2 纯电动城市客车锂电池PACK方式

在纯电动城市客车上，考虑到功率基本上都在300 kW左右，以常用的540VDC电压为例，电池容量需要600 Ah，采用200 Ah单体电池需要3并；如果采用圆柱形电池（一般在5 Ah左右），则需要120并。除了众所周知的电芯技术进步之外，如何通过电芯的有效PACK和管理提高电池组的续航里程和使用寿命？下面是两种PACK方案的对比分析。

1）先并后串的PACK方式。根据整车需要电池组的容量和电压，电芯先进行并联，再进行串联。电芯并联后由于内阻（包括PACK过程中导体内阻）的差异、散热不均等因素都会影响并联后电池循环寿命。对圆柱形电芯并联，单个电池失效后自动退出。除了容量略有降低外，不影响并联后的使用（图1左），但对并联工艺要求比较严格，这种电芯PACK后的散热效果较好，因此，对环境的适应能力较高；而对方形电芯，单体容量较大，避免了外部的并联，PACK工艺简单（图1右），但一旦失效后，整组电池就不能使用，这种电池由于单体容量过大，自身发热不均，对环境的适应能力较低。总体来说，各有利弊，但都是从自身特性出发来解决电芯并联带来的问题。并联中的某个单位电池短路时，将造成该并联电路中的电流非常大，容易引发电池燃烧或爆炸的危险。当然这种危险已通过加熔丝的保护技术避免了。

2）先串后并的PACK方式。根据整组电池的容量，先进行串联，比如整组容量的1/3，最后再进行并联。这样做的目的就是降低大容量电池组故障概率。对圆柱形电芯（图2左），把一组电池分成三组容量较小的独立电池组，其中任何一组中个别电池故障不影响本组的使用，即使其中一组无法使用，也不影响整组的应用；同时也减少了PACK工艺的复杂性。而对方形电池（图2右），同样分成三组，其中一组如有故障，这个组就自动退出，避免了单串电池出问题后整组停止使用的危险。这种PACK方式对管理系统提出了较高的要求。很多情况下，整组电池的停止充电或停止放电往往是个别电池处于弱势造成。先串后并的PACK和管理方式，可以通过主动均衡对退出的电池小组进行自动修补后继续投入充放电过程，增加了整组电池的充电容量和放电容量，进而增加整车的续驶里程；一旦遇到个别电池损坏，也易于更换。同样当遇到电池组短路情况出现时，由于这种PACK方式的（电池）能量包变小了，造成的风险也会减少很多。

通过以上对比发现，先串（其中圆柱形电池单体容量很小，在串之前会做一定的并联，图2左）后并的PACK方式是纯电动城市客车最好的选择方式。再加上下面介绍的主动均衡和并联管理控制技术就可以充分发挥锂电的优秀特性。

3 锂电池组的管理技术

3.1 主动均衡技术

主动均衡是最有效的电池管理系统均衡技术[8-10]，其工作原理如图3所示。单个模组内的双向直流/直流转换器将异常电池的电荷传送出去或进来，并通过电池管理系统母线进行模组之间的传递。这种主动均衡电流可以做到5 A，甚至更高，效率高达90%以上。由于这种均衡技术可以做到全时全组均衡，是电池管理系统的一个重要发展方向。