一种新型纯电动城市客车锂电池组的PACK及管理_仝瑞军

of the battery PACK management system.
Key wor ds: pure electric bus; battery PACK series and parallel analysis; battery management system
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
3.2 锂电池组并联运行控制策略 先串后并的 PACK 方式，涉及到几组电池并联运行
的问题，合理的投入和退出机制就成了管理系统重要的 控制策略。下面简单介绍在一个完整的充放电过程中， 管理系统起到的重要作用。
充电过程如图 4 所示，使用主动均衡技术和先串后 并的分组方式可以有效增加整组电池的充电容量 10% 以上。
摘 要：简述目前纯电动客车运行的问题，通过电池 PACK 的串并分析，提出先串后并的 PACK 方式，并
对电池 PACK 管理系统提出建议。
关键词：纯电动客车；电池 PACK 的串并分析；电池管理系统
中图分类号：U469.72
文献标志码：B
文章编号：1006- 3331（2013）06- 0035- 03
Abstr act：The authors simply introduce the operation problems of the pure electric buses through battery PACK
series and parallel analysis, they put forward the PACK way of the first series and then parallel, and the suggestions
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
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，
DOI:10.15917/j.cnki.1006-3331.2013.06.014
第6期 第6期
客车技术与研究 BUS & COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH
No.6 2013
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一种新型纯电动城市客车锂电池组的 P ACK 及管理
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）
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、
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
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]。
汽车发展和汽车工业转型的主要战略取向。为此应该总
3）青岛纯电动换电过程停车时间过长，降低运营
结前期纯电动城市客车的运行实践经验，对遇到的问题 效率：在薛家岛实地调查时，记者通过统计 10 辆客车的
进行分析，确定以后促进纯电动汽车商业化技术的突破 充换电时间，发现城市客车充换电时间在 15 min 左右。
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。
图 1 先并后串的 PACK 示意图
2）先串后并的 PACK 方式。根据整组电池的容量，
放电过程如图 5 所示，使用主动均衡技术和先串后 并的分组方式可以有效增加整组电池的放电容量 10% 以上。
在整个充放电过程中，主动均衡和控制策略组合保 证了整组电池的续驶里程和循环使用寿命，也降低了整 车停车故障概率。
第6期
仝瑞军，张志国，张泱渊：一种新型纯电动城市客车锂电池组的 PACK 及管理
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
图 2 先串后并的 PACK 示意图
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。
用寿命：“我不是想当反对派，但还是想说点真话。这么 要 600 Ah，采用 200 Ah 单体电池需要 3 并；如果采用圆
作者简介：仝瑞军（1972-），男，硕士研究生；研究方向：锂电池管理系统和充电机在内的锂电池系统成套解决方案。
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客车技术与研究
2013 年 12 月
柱形电池（一般在 5 Ah 左右），则需要 120 并。除了众所
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]，
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
参考文献： [1]国务院.节能与新能源汽车产业发展规划（2012- 2020 年）[EB- OL].
中国政府网，2012- 07- 10（. 2010- 07- 10）[2012- 11- 15]. http://www.nea.gov.cn/2012- 07/10/c_131705726.htm [2] 车兆华.对纯电动城市客车发展的一些思考[J].客车与技术 研究，2012，34（5）：45- 46. [3] 刘霞.部分奥运新能源车闲置 多种动力技术“角力”[N/OL]. 第一财经日报，2010- 07- 07（. 2012- 07 - 07）[2012- 11- 12]. http://business.sohu.com/20100707/n273340101.shtml [4] 舒慕虞.夜访合肥纯电停保场 揭开安凯纯电动公交真相[EB/ OL].方得网，2012- 08- 21（. 201- 08- 21）[2012- 11- 15]. http://www.find800.cn/news/diao/kediao/120821/22667_1.html [5] 孙俊杰. 青岛电动公交: 换电模式下 运输效率同样受影响
到上海 2010 世博会、再到深圳 2011 大运会，单次投入运 ห้องสมุดไป่ตู้的数量逐渐增加，运营效果逐渐变好，这些都是技术和
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
实践进步的结果，但我们也要重视一些深层次的问题。
池 PACK 方式和管理方式解决电池的续驶里程和使用
A New Type of Battery PACK and its Management for Pure Electric City Buses
Tong Ruijun, Zhang Zhiguo, Zhang Yangyuan
（Shenzhen Kclear Technology Co., Ltd, Shenzhen 518052, China）
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。
开关
开关
开关
图 3 双向主动均衡示意图
图 4 电池组并联充电过程
总控
总控
总控
总控
分控 1 分控 2 分控 3
分控 1 分控 2 分控 3
分控 1 分控 2 分控 3
分控 1 分控 2 分控 3
电池 1 电池 2 电池 3
单体过 低退出， 进入主 动均衡
修补
电池 1 电池 2
电池 3
电池 1 电池 2 电池 3 电池 1 电池 2 电池 3
放电（主动均衡开启）→第 1 组退出修补，其它继续放电→修补后继续放电→全部放完退出 图 5 电池组并联放电过程
4 结束语
总之，在目前锂电池技术发展阶段，纯电动城市客 车采用先串（或部分串）再并的 PACK 方式，并辅以主动 均衡和有效地并联控制策略[11- 12]，可以有效增加电池组 的续航里程和循环使用寿命，是目前纯电动城市客车运 行商业化的一种积极有效的技术方案。
1）北京奥运会纯电动城市客车电池寿命衰减快， 寿命问题。
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 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
2）合肥纯电动锂电池无法保证 8 年的城市客车使 300 kW 左右，以常用的 540VDC 电压为例，电池容量需
[EB/OL].方得网，2012- 09- 07（. 2012- 09- 07）[2012- 11- 19]. http://www.find800.cn/news/diao/kediao/120905/23089.Html [6] 佚名. 纯电动公交想说爱你不容易 献给那些想了解真相的 人们[J].交通世界，2010，（7） [7] Davide Andrea，Battery Management System，Artech House ， Sep 30，2010. [8] Jack Marcinkowski.采用主动平衡方法的电池管理系统可以 解决电动汽车锂电池的“行程里数”问题[EB/OL].[2012- 1120]. http://www.newmaker.com/art_43688.html [9] 科列.BMS 趋势：主动均衡技术引导行业标准[EB/OL].电动 汽车论坛，2012- 09- 03.[2012- 11- 22]. http://www.ddqcw.com/bbs/thread- 73496- 1- 1.html [10] 孙昌旭. 从 IC 视角看第 25 届世界电动车大会[DE/OL]. 2010- 11- 16.[2012- 11- 22]. http://www.docin.com/p- 479247123.html [11] 张维弋，时玮，姜久春，等. 动力锂离子电池串并联仿真技 术研究[J]. 电网技术，2012，（10） [12] 朱家良，陈秀丽.科列技术：BMS 新玩家[J].新产经，2012， 137（7）
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总控
总控
总控
总控
分控 1 分控 2 分控 3
分控 1 分控 2 分控 3
分控 1 分控 2 分控 3
分控 1 分控 2 分控 3
电池 1 电池 2 电池 3
单体过 充保护 进入主 动均衡 修补状
态
电池 1
电池 2
电池 3
电池 1 电池 2 电池 3
电池 1 电池 2 电池 3
充电（主动均衡开启）→第 1 组退出修补，其它继续充电→修补后继续充电→全部充满退出
点。本文重点论述锂电池 PACK 及管理系统。
但据城市客车驾驶员反映，因为车辆过多需要排队，实
1 纯电动城市客车发展现状
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]。
从总体的节能减排角度，纯电动城市客车并不优于
4）临沂纯电动更换电池频度高，严重影响运营：
传统客车，但从城市具体角度来讲，效果是显而易见的， “我们用的电池寿命根本达不到两年，两年后就涉及更