仝瑞軍，張志國(guó)，張泱淵

（深圳市科列技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518052）

國(guó)務(wù)院正式發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》[1]。規(guī)劃指出，以純電驅(qū)動(dòng)為新能源汽車發(fā)展和汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向。為此應(yīng)該總結(jié)前期純電動(dòng)城市客車的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)遇到的問題進(jìn)行分析，確定以后促進(jìn)純電動(dòng)汽車商業(yè)化技術(shù)的突破點(diǎn)。本文重點(diǎn)論述鋰電池PACK及管理系統(tǒng)。

1 純電動(dòng)城市客車發(fā)展現(xiàn)狀

從總體的節(jié)能減排角度，純電動(dòng)城市客車并不優(yōu)于傳統(tǒng)客車，但從城市具體角度來講，效果是顯而易見的，這也是為什么要促進(jìn)城市電動(dòng)公共交通發(fā)展的重要原因。至于發(fā)電環(huán)節(jié)帶來的污染可以通過綠色能源發(fā)電等多個(gè)方面來解決[2]。純電動(dòng)城市客車從北京2008奧運(yùn)會(huì)、到上海2010世博會(huì)、再到深圳2011大運(yùn)會(huì)，單次投入運(yùn)行的數(shù)量逐漸增加，運(yùn)營(yíng)效果逐漸變好，這些都是技術(shù)和實(shí)踐進(jìn)步的結(jié)果，但我們也要重視一些深層次的問題。

1）北京奧運(yùn)會(huì)純電動(dòng)城市客車電池壽命衰減快，續(xù)航里程短：“2008年這批純電動(dòng)城市客車剛開始投入使用時(shí)，充一次電能夠跑兩圈多，但現(xiàn)在只能跑一圈，每跑一圈就得回北土城換一次電池”[3]。

2）合肥純電動(dòng)鋰電池?zé)o法保證8年的城市客車使用壽命：“我不是想當(dāng)反對(duì)派，但還是想說點(diǎn)真話。這么貴的電池，一點(diǎn)不像廠家保證的那樣（8年），兩年都用不了。這不是白白扔國(guó)家的錢嘛……”[4]。

3）青島純電動(dòng)換電過程停車時(shí)間過長(zhǎng)，降低運(yùn)營(yíng)效率：在薛家島實(shí)地調(diào)查時(shí)，記者通過統(tǒng)計(jì)10輛客車的充換電時(shí)間，發(fā)現(xiàn)城市客車充換電時(shí)間在15 min左右。但據(jù)城市客車駕駛員反映，因?yàn)檐囕v過多需要排隊(duì)，實(shí)際更換一次電池的時(shí)間在30 min左右，“更換時(shí)間長(zhǎng)，影響運(yùn)營(yíng)效率”[5]。

4）臨沂純電動(dòng)更換電池頻度高，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)：“我們用的電池壽命根本達(dá)不到兩年，兩年后就涉及更換電池的問題，更換一組電池需要60萬左右，這樣一筆數(shù)字對(duì)我們公司來講，的確很困難，我們真養(yǎng)不起”[6]。

以上這些都是純電動(dòng)城市客車真實(shí)運(yùn)營(yíng)的反饋，給我們的總體感覺是純電動(dòng)客車的批量運(yùn)行還需要更多的技術(shù)突破。下面從理論方面進(jìn)行分析[7]，選擇合適的電池PACK方式和管理方式解決電池的續(xù)駛里程和使用壽命問題。

2 純電動(dòng)城市客車鋰電池PACK方式

在純電動(dòng)城市客車上，考慮到功率基本上都在300 kW左右，以常用的540VDC電壓為例，電池容量需要600 Ah，采用200 Ah單體電池需要3并；如果采用圓柱形電池（一般在5 Ah左右），則需要120并。除了眾所周知的電芯技術(shù)進(jìn)步之外，如何通過電芯的有效PACK和管理提高電池組的續(xù)航里程和使用壽命？下面是兩種PACK方案的對(duì)比分析。

1）先并后串的PACK方式。根據(jù)整車需要電池組的容量和電壓，電芯先進(jìn)行并聯(lián)，再進(jìn)行串聯(lián)。電芯并聯(lián)后由于內(nèi)阻（包括PACK過程中導(dǎo)體內(nèi)阻）的差異、散熱不均等因素都會(huì)影響并聯(lián)后電池循環(huán)壽命。對(duì)圓柱形電芯并聯(lián)，單個(gè)電池失效后自動(dòng)退出。除了容量略有降低外，不影響并聯(lián)后的使用（圖1左），但對(duì)并聯(lián)工藝要求比較嚴(yán)格，這種電芯PACK后的散熱效果較好，因此，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較高；而對(duì)方形電芯，單體容量較大，避免了外部的并聯(lián)，PACK工藝簡(jiǎn)單（圖1右），但一旦失效后，整組電池就不能使用，這種電池由于單體容量過大，自身發(fā)熱不均，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較低?？傮w來說，各有利弊，但都是從自身特性出發(fā)來解決電芯并聯(lián)帶來的問題。并聯(lián)中的某個(gè)單位電池短路時(shí)，將造成該并聯(lián)電路中的電流非常大，容易引發(fā)電池燃燒或爆炸的危險(xiǎn)。當(dāng)然這種危險(xiǎn)已通過加熔絲的保護(hù)技術(shù)避免了。

2）先串后并的PACK方式。根據(jù)整組電池的容量，先進(jìn)行串聯(lián)，比如整組容量的1/3，最后再進(jìn)行并聯(lián)。這樣做的目的就是降低大容量電池組故障概率。對(duì)圓柱形電芯（圖2左），把一組電池分成三組容量較小的獨(dú)立電池組，其中任何一組中個(gè)別電池故障不影響本組的使用，即使其中一組無法使用，也不影響整組的應(yīng)用；同時(shí)也減少了PACK工藝的復(fù)雜性。而對(duì)方形電池（圖2右），同樣分成三組，其中一組如有故障，這個(gè)組就自動(dòng)退出，避免了單串電池出問題后整組停止使用的危險(xiǎn)。這種PACK方式對(duì)管理系統(tǒng)提出了較高的要求。很多情況下，整組電池的停止充電或停止放電往往是個(gè)別電池處于弱勢(shì)造成。先串后并的PACK和管理方式，可以通過主動(dòng)均衡對(duì)退出的電池小組進(jìn)行自動(dòng)修補(bǔ)后繼續(xù)投入充放電過程，增加了整組電池的充電容量和放電容量，進(jìn)而增加整車的續(xù)駛里程；一旦遇到個(gè)別電池?fù)p壞，也易于更換。同樣當(dāng)遇到電池組短路情況出現(xiàn)時(shí)，由于這種PACK方式的（電池）能量包變小了，造成的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)減少很多。

通過以上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，先串（其中圓柱形電池單體容量很小，在串之前會(huì)做一定的并聯(lián)，圖2左）后并的PACK方式是純電動(dòng)城市客車最好的選擇方式。再加上下面介紹的主動(dòng)均衡和并聯(lián)管理控制技術(shù)就可以充分發(fā)揮鋰電的優(yōu)秀特性。

3 鋰電池組的管理技術(shù)

3.1 主動(dòng)均衡技術(shù)

主動(dòng)均衡是最有效的電池管理系統(tǒng)均衡技術(shù)[8-10]，其工作原理如圖3所示。單個(gè)模組內(nèi)的雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器將異常電池的電荷傳送出去或進(jìn)來，并通過電池管理系統(tǒng)母線進(jìn)行模組之間的傳遞。這種主動(dòng)均衡電流可以做到5 A，甚至更高，效率高達(dá)90%以上。由于這種均衡技術(shù)可以做到全時(shí)全組均衡，是電池管理系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

3.2 鋰電池組并聯(lián)運(yùn)行控制策略

先串后并的PACK方式，涉及到幾組電池并聯(lián)運(yùn)行的問題，合理的投入和退出機(jī)制就成了管理系統(tǒng)重要的控制策略。下面簡(jiǎn)單介紹在一個(gè)完整的充放電過程中，管理系統(tǒng)起到的重要作用。

充電過程如圖4所示，使用主動(dòng)均衡技術(shù)和先串后并的分組方式可以有效增加整組電池的充電容量10%以上。

放電過程如圖5所示，使用主動(dòng)均衡技術(shù)和先串后并的分組方式可以有效增加整組電池的放電容量10%以上。

在整個(gè)充放電過程中，主動(dòng)均衡和控制策略組合保證了整組電池的續(xù)駛里程和循環(huán)使用壽命，也降低了整車停車故障概率。

4 結(jié)束語

總之，在目前鋰電池技術(shù)發(fā)展階段，純電動(dòng)城市客車采用先串（或部分串）再并的PACK方式，并輔以主動(dòng)均衡和有效地并聯(lián)控制策略[11-12]，可以有效增加電池組的續(xù)航里程和循環(huán)使用壽命，是目前純電動(dòng)城市客車運(yùn)行商業(yè)化的一種積極有效的技術(shù)方案。

[1]國(guó)務(wù)院.節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）[EB-OL].中國(guó)政府網(wǎng)，2012-07-10（.2010-07-10）[2012-11-15].

[2]車兆華.對(duì)純電動(dòng)城市客車發(fā)展的一些思考[J].客車與技術(shù)研究，2012，34（5）：45-46.

[3]劉霞.部分奧運(yùn)新能源車閑置多種動(dòng)力技術(shù)“角力”[N/OL].第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)，2010-07-07（.2012-07-07）[2012-11-12].

[4]舒慕虞.夜訪合肥純電停保場(chǎng)揭開安凱純電動(dòng)公交真相[EB/OL].方得網(wǎng)，2012-08-21（.201-08-21）[2012-11-15].

[5]孫俊杰.青島電動(dòng)公交:換電模式下運(yùn)輸效率同樣受影響[EB/OL].方得網(wǎng)，2012-09-07（.2012-09-07）[2012-11-19].

[6]佚名.純電動(dòng)公交想說愛你不容易獻(xiàn)給那些想了解真相的人們[J].交通世界，2010，（7）

[7]Davide Andrea，Battery Management System，ArtechHouse ，Sep30，2010.

[8]Jack Marcinkowski.采用主動(dòng)平衡方法的電池管理系統(tǒng)可以解決電動(dòng)汽車鋰電池的“行程里數(shù)”問題[EB/OL].[2012-11-20].

[9]科列.BMS趨勢(shì)：主動(dòng)均衡技術(shù)引導(dǎo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].電動(dòng)汽車論壇，2012-09-03.[2012-11-22].

[10]孫昌旭.從IC視角看第25屆世界電動(dòng)車大會(huì)[DE/OL].2010-11-16.[2012-11-22].

[11]張維弋，時(shí)瑋，姜久春，等.動(dòng)力鋰離子電池串并聯(lián)仿真技術(shù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，（10）

[12]朱家良，陳秀麗.科列技術(shù)：BMS新玩家[J].新產(chǎn)經(jīng)，2012，137（7）