純電動(dòng)客車雙電池組系統(tǒng)及其控制策略的設(shè)計(jì)

丁傳記

DingChuanji

（Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd,Hefei 230051,China）

純電動(dòng)客車雙電池組系統(tǒng)及其控制策略的設(shè)計(jì)

丁傳記

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

分析雙電池組的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)車型的雙電池組的特征參數(shù)與電池布置，設(shè)計(jì)雙電池組系統(tǒng)的切換控制電路及切換控制策略，有效實(shí)現(xiàn)雙電池組系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。

純電動(dòng)客車；雙電池組；控制策略；切換電路

新能源汽車作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，代表汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，發(fā)展新能源汽車，對(duì)我國(guó)改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、減少空氣污染、推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)和交通運(yùn)輸行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有積極意義[1-3]。作為電動(dòng)汽車的主要總成部件，電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)乎電動(dòng)汽車是否有較好的發(fā)展前景[4-5]。本文設(shè)計(jì)了一種雙電池組的動(dòng)力電池系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了兩組電池的切換裝置，確保整車的可靠運(yùn)行，同時(shí)也能有效延長(zhǎng)電池的使用壽命。

1 雙電池組系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)

在一輛電動(dòng)車上設(shè)計(jì)兩套動(dòng)力電池組，每套電池組都可以單獨(dú)給電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與其它高壓電器部件供給電能，任何一套電池組出現(xiàn)可能影響安全問(wèn)題的故障時(shí)，整車仍然可以切換到另一組電池上繼續(xù)行駛。當(dāng)一組電池電量耗盡，但仍然不能滿足客戶的行駛里程的需求時(shí)，由切換系統(tǒng)完成兩組電池間的切換，使用另外一組電池繼續(xù)行駛。

目前電池組中單體電池由于制造和使用條件的不同，其特性存在一定的差異[6]，因此電池在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的充/放電循環(huán)后，電池的每個(gè)模塊的電壓差在不斷變大，電池電壓的離散性越來(lái)越大[7]，如果不對(duì)電池進(jìn)行保養(yǎng)，則不能充分利用電池的容量[8]。如果一組電池在拆下來(lái)進(jìn)行維修保養(yǎng)的時(shí)段內(nèi)，車輛仍然可以采用另一組電池繼續(xù)行駛，僅僅在保養(yǎng)期間損失一些續(xù)駛里程，這樣既可以充分地保證車輛運(yùn)營(yíng)商的利益，客戶也不需要再購(gòu)買另一組電池進(jìn)行更換。

不足的是，整車需要增加一套電池系統(tǒng)和一套切換系統(tǒng)。如果切換系統(tǒng)產(chǎn)生故障，則不能在兩組電池間進(jìn)行正常切換，對(duì)整車的可靠性產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。這就對(duì)切換系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換控制柜提出了較高的要求，切換接觸器是其中的主要部分。本設(shè)計(jì)采用帶有磁吹滅弧功能與反向二極管的大容量接觸器，在轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)控制策略使切換時(shí)車輛處于停車狀態(tài)，減少轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的電弧，確保切換接觸器的可靠性，可以保證整車的正常運(yùn)營(yíng)。

另外，整車帶有兩組電池，在行車時(shí)只有一組電池參與工作，另一組電池的重量加在整車上，整車的電耗會(huì)有相應(yīng)增加。但通過(guò)整車與部件的輕量化設(shè)計(jì)、新材料的應(yīng)用后，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，增加的副電池系統(tǒng)使電耗僅增加約為5%。本設(shè)計(jì)方案中，客戶如果只采用一組電池，又采用輕量化技術(shù)，電耗相比兩套電池組要減少電耗約8%，按200 km的續(xù)駛里程來(lái)計(jì)算，在16 km左右，但副電池本身在扣除因重量增加而導(dǎo)致的里程損失后，也可為整車增加續(xù)駛里程60 km以上。另外，直充式的充電方法，充電服務(wù)費(fèi)較低，客戶并不敏感，但副電池系統(tǒng)卻可以大大增加整車的續(xù)駛里程，滿足了客戶每天的續(xù)駛里程需求。本文增加的副電池系統(tǒng)和切換系統(tǒng)，增加成本在25～30萬(wàn)元左右，本設(shè)計(jì)主要目的是解決公交公司客戶的里程需求。

針對(duì)合肥市城市客車運(yùn)營(yíng)狀況，通過(guò)對(duì)合肥市的公交線路進(jìn)行運(yùn)營(yíng)里程分析后發(fā)現(xiàn)，合肥市60%以上的線路每天的運(yùn)營(yíng)里程不超過(guò)200 km，且每天運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)12 h，平均時(shí)速在15～18 km/h之間。在合肥炎熱的夏天，開空調(diào)工況下，對(duì)合肥市繁忙的1路城市客車進(jìn)行電耗實(shí)車測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)平均每公里電耗達(dá)到了1.25 kW·h/km?？紤]到電池一致性問(wèn)題，充電時(shí)SOC不能達(dá)到100%，僅能達(dá)到90%，放電時(shí)SOC應(yīng)在10%左右，因此電池可用容量?jī)H為80%，電池裝車電量應(yīng)在312 kW·h以上，方能滿足合肥運(yùn)營(yíng)工況續(xù)駛里程的需求。確定電池容量為585 Ah，電池電壓538 V，電池系統(tǒng)采用主電池組與副電池組的方式。主電池組為390 Ah/538 V，副電池組為195 Ah/538 V。

電池采用“6+3”的布置方式，前橋后2箱③、④及車尾部4箱共6箱為第一組主電池系統(tǒng)，中門處3箱（一）、（二）、（三）為第二組副電池系統(tǒng)。在這種布置情況下，任一組電池在卸車保養(yǎng)時(shí)，前后軸的軸荷分配也能較為合理，能保證整車制動(dòng)性能，也能保證轉(zhuǎn)向的輕便性[9]。第一組主電池系統(tǒng)內(nèi)部高壓線束相比緊湊布置略有增長(zhǎng)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)有不利影響。電池布置如圖1所示。

2 切換電路及控制策略的設(shè)計(jì)

2.1 切換電路設(shè)計(jì)

在正常行駛時(shí)，高壓總正電源接觸器閉合，高壓系統(tǒng)總電源接通[10]，滿足切換條件下，需要首先切斷高壓總正電源接觸器，這由整車控制器進(jìn)行輸出控制，然后實(shí)施兩組電池的切換，由安裝在正極端的切換接觸器實(shí)施切換動(dòng)作。該切換接觸器位于轉(zhuǎn)換控制柜內(nèi)，由整車控制器實(shí)施切換控制，電池總負(fù)極并聯(lián)連接，不做控制。當(dāng)整車控制器收到位于儀表臺(tái)上手動(dòng)切換開關(guān)的信號(hào)時(shí)，整車控制器立即執(zhí)行駕駛員切換指令，進(jìn)行強(qiáng)制切換；未收到信號(hào)時(shí)，按照2.2所設(shè)計(jì)的控制策略執(zhí)行自動(dòng)切換程序。手動(dòng)與自動(dòng)切換電路如圖2所示。

2.2 控制策略的設(shè)計(jì)

切換動(dòng)作分為放電過(guò)程中的切換動(dòng)作和充電過(guò)程中的切換動(dòng)作。下面分別對(duì)兩種工作狀態(tài)下的切換進(jìn)行分別設(shè)計(jì)。

1）放電過(guò)程中，雙電池組系統(tǒng)切換接觸器為常閉狀態(tài)，第一組電池為高壓配電柜供電，系統(tǒng)采用第一組電池系統(tǒng)供電。根據(jù)電池本身使用情況，當(dāng)達(dá)到電量較低或電池溫度較高的切換條件時(shí)，由電池管理系統(tǒng)BMS主模塊通過(guò)CAN發(fā)送電池組放電切換請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志位，整車控制器接收此狀態(tài)標(biāo)志位，并通過(guò)儀表聲光提示駕駛員，請(qǐng)求切換電池組，同時(shí)判斷車速與駐車狀態(tài)，當(dāng)整車控制器檢測(cè)車輛車速為0且處于駐車狀態(tài)后，通過(guò)圖中的高壓總正繼電器來(lái)控制，以斷開所有高壓負(fù)載電器，再控制轉(zhuǎn)換控制柜中的切換接觸器，切換到第二組電池，確保狀態(tài)正常后，再通過(guò)高壓總正繼電器來(lái)接通高壓負(fù)載電器，同時(shí)在組合儀表上提示駕駛員切換完成，可以正常行駛。切換條件主要由電池本身的電量特性確定，對(duì)于磷酸鐵鋰電池，當(dāng)模塊電壓低于2.8 V、總電壓低于460 V時(shí)，電量已經(jīng)僅有10%，基于保護(hù)電池不能過(guò)放，必須進(jìn)行切換。在電池溫度大于60℃時(shí)，電池電解液易分解，造成危險(xiǎn)，或在其它故障時(shí)，此時(shí)也必須進(jìn)行切換，可由整車控制器控制進(jìn)行自動(dòng)切換，或在儀表臺(tái)設(shè)置手動(dòng)切換開關(guān)，如圖2所示，由駕駛員完成強(qiáng)制使用第一組或第二組電池，放電切換工作流程圖，如圖3所示。

2）充電過(guò)程中，系統(tǒng)默認(rèn)當(dāng)前充電的電池組為第一組電池。第一組電池充滿時(shí)，由BMS主模塊通過(guò)CAN發(fā)送電池組充電切換請(qǐng)求狀態(tài)標(biāo)志位，充電機(jī)接收到切換請(qǐng)求時(shí)，停止充電，同時(shí)發(fā)送指令給整車控制器，準(zhǔn)備下一次重新起動(dòng)。整車控制器接收充電機(jī)的切換指令時(shí)，斷開充電接觸器，通過(guò)圖中的控制來(lái)斷開高壓總正，再控制雙電系統(tǒng)切換接觸器，切換到第二組電池。當(dāng)電池BMS系統(tǒng)檢測(cè)電池全部正常后，接通充電接觸器，與充電機(jī)連接，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T27930-2015通訊協(xié)議握手進(jìn)入智能充電程序[11]，本文不做詳細(xì)闡述。充電切換工作流程圖，如圖4所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套雙電池系統(tǒng)，在合肥市的10 m純電動(dòng)客車上已經(jīng)成功批量應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，實(shí)際效果較好，提高了整車運(yùn)行的出勤率，即使在電池維護(hù)期間也可正常行駛，體現(xiàn)了客戶為本、運(yùn)營(yíng)效益最大化的設(shè)計(jì)理念。

[1]崔勝民.新能源汽車技術(shù)[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2014.

[2]莊繼德，莊蔚敏，葉福恒.低碳汽車技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3]胡驊，宋慧.電動(dòng)汽車[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4]李兵，丁傳記，孫全勝，等.預(yù)加熱對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力鋰電池性能影響的研究[J].客車技術(shù)與研究，2012，34（3）：25-27.

[5]袁巍.長(zhǎng)板為王，磷酸鐵鋰的關(guān)鍵是發(fā)揮極致性能[C].高工鋰電，2015，11.

[6]朱玉鳳.電池管理系統(tǒng)的均衡設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2015，37（2）：22-24.

[7]張巍.純電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[8]張亮，郭秀紅.純電動(dòng)大客車電池容量匹配算法及Matlab仿真[J].公路與汽運(yùn)，2011(4)：1-4.

[9]王望予.汽車設(shè)計(jì)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[10]吳成加.總線式電動(dòng)客車高壓配電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2015，37（2）：25-27.

[11]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議：GB/T 27930-2015[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015：12.

修改稿日期：2016-10-16

Design of Dual-battery Group System and Control Strategy for Pure Electric Buses

The advantages and disadvantages ofdual-batterygroup system are analyzed,the characteristic parameters and battery arrangement of dual-battery group of a type of E-bus is designed.The switching control circuit and control strategyofthe dural-batterygroup system is alsodesigned.Sothat the coordination ofthe dual-batterygroup systemis effectivelyrealized.

pure electric bus;dual-batterygroup system;control strategy;switchingcircuit

U469.72；U463.6

B

1006-3331（2017）02-0026-03

DingChuanji

（Anhui Ankai Automobile Co.,Ltd,Hefei 230051,China）

丁傳記（1979-），男，高級(jí)工程師；主要從事新能源客車動(dòng)力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)工作。