純電動(dòng)客車雙電池系統(tǒng)及其控制策略設(shè)計(jì)

姚子欣， 方 沂

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通學(xué)院， 天津 300222)

電池容量直接關(guān)系到汽車的續(xù)航里程[1]，若要增加容量則一般要在電池標(biāo)準(zhǔn)箱內(nèi)增加并聯(lián)數(shù)，這種方式勢(shì)必要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)箱體進(jìn)行擴(kuò)容。一般標(biāo)準(zhǔn)箱由整車企業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，電池企業(yè)不能隨意更改，只能按既定的標(biāo)準(zhǔn)箱規(guī)格設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)，這就會(huì)導(dǎo)致兩者的矛盾。此外，在開發(fā)過程中需要對(duì)高壓插件、MSD、繼電器、高壓線束等重新設(shè)計(jì)選型，這會(huì)造成成本增加、技術(shù)難度增大等問題。

為解決上述問題，本文以某公司電動(dòng)客車的202 Ah電池系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)為例，在不改變電池標(biāo)準(zhǔn)箱的情況下外部再并聯(lián)一套相同的電池組，容量增至404 Ah;充電采用單充電樁雙充電槍并行充電模式同時(shí)對(duì)雙電池組進(jìn)行充電，充電時(shí)間基本不變；當(dāng)某一電池組出現(xiàn)故障無法運(yùn)行時(shí)，另一電池組可繼續(xù)保證車輛的正常行駛。

1 雙電池系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1為雙電池系統(tǒng)電氣原理圖，整套電池系統(tǒng)分為兩大部分：雙電池組和高壓箱。本設(shè)計(jì)在原有電池系統(tǒng)基礎(chǔ)上再增加一套獨(dú)立的電池系統(tǒng)。兩套電池系統(tǒng)并聯(lián)至高壓箱，在相同運(yùn)行條件下，雙系統(tǒng)下各子系統(tǒng)放電電流大小為單組電池系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)電流的一半。由于電池容量受放電電流大小的影響[2]，電池容量間接得到提高。高壓箱主要在電池組充放電中起到通斷、控制或保護(hù)作用，并與整車控制器(VCU)進(jìn)行通訊[3]。

圖1 雙電池系統(tǒng)電氣原理

圖2為系統(tǒng)高壓箱內(nèi)部電氣原理圖。電池管理單元(BMU)接收傳感器信號(hào)并控制高壓箱內(nèi)繼電器通斷[4]。絕緣檢測(cè)儀檢測(cè)高壓箱內(nèi)是否絕緣漏電[5]。箱內(nèi)每組電池輸入支路各設(shè)置一個(gè)MSD(維修開關(guān))、支路繼電器和電流傳感器。主正繼電器和主負(fù)繼電器控制雙電池組正負(fù)回路通斷[6]。預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻組成預(yù)充回路，防止系統(tǒng)直接上電時(shí)電流擊毀繼電器[7]。在主正繼電器兩端各設(shè)有電壓采集，負(fù)責(zé)檢測(cè)電池端電壓與電機(jī)端電壓。加熱正繼電器控制兩電池組加熱回路。

圖2 系統(tǒng)高壓箱電氣原理圖

此外，高壓箱為支持雙槍充電設(shè)有2個(gè)充電接口。圖3為系統(tǒng)雙充電模式原理圖，采用的充電樁與傳統(tǒng)充電樁有所不同。該充電樁控制系統(tǒng)采用1路CAN總線對(duì)2個(gè)充電槍進(jìn)行控制。高壓箱的雙充電接口也由1路CAN線進(jìn)行控制。在充電過程中，充電槍并聯(lián)接至高壓箱充電接口后充電樁控制系統(tǒng)與電池管理系統(tǒng)通過CAN總線通信，對(duì)各充電槍和充電接口進(jìn)行連接確認(rèn)，確認(rèn)后方可進(jìn)入正常充電流程。若某一充電接口發(fā)生故障仍可采用單槍充電。

圖3 雙系統(tǒng)充電模式原理圖

2 雙電池系統(tǒng)控制策略研究

2.1 雙系統(tǒng)放電控制策略

1) 主繼電器閉合邏輯。在低壓供電上電后，BMS自檢完成，BMS無1級(jí)和2級(jí)故障報(bào)警時(shí)，BMS等待整車控制器(VCU)發(fā)送允許閉合主正繼電器指令，收到閉合指令后BMU閉合主正繼電器，閉合主正繼電器后繼電器狀態(tài)反饋閉合信號(hào)。

2) 主繼電器斷開邏輯。BMS接收到整車發(fā)送的請(qǐng)求下電指令，確認(rèn)無異常后斷開主正繼電器。電池系統(tǒng)發(fā)生1級(jí)報(bào)警時(shí)，BMS先發(fā)送斷開主正繼電器的請(qǐng)求，經(jīng)過整車控制器允許后方能斷開主正繼電器，若整車控制器無響應(yīng)，則在35 s后BMS斷開主正繼電器。

2.2 充電控制策略

參照GB/T 27930-2015通訊協(xié)議[8]，對(duì)原電池系統(tǒng)的充電流程進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的雙充電模式流程和故障判斷流程分別如圖4和圖5所示。

圖4 雙電池系統(tǒng)雙充電流程圖

圖5 雙電池系統(tǒng)充電故障判斷流程圖

1) 插槍判斷。當(dāng)充電槍(單槍或雙槍)接入，鑰匙開關(guān)處于Off擋，充電槍與充電機(jī)相互發(fā)送辨識(shí)報(bào)文，參數(shù)配置成功。

2) 進(jìn)入充電。判斷插槍成功后，充電樁和BMS各自閉合繼電器后進(jìn)行充電。

3) 判斷充電狀態(tài)。當(dāng)BMS判斷電量充滿時(shí)發(fā)送報(bào)文，充電樁接收?qǐng)?bào)文后發(fā)送確認(rèn)終止報(bào)文。

4) 充電結(jié)束。充電樁先斷開繼電器，BMS后斷開繼電器，解鎖，充電結(jié)束。

5) 故障判斷。在充電過程中若BMS檢測(cè)到電池組間壓差|V1-V2|>3.36 V或溫差|T1-T2|>10 ℃時(shí)，則判斷發(fā)生故障，向整車報(bào)故，終止充電。

2.3 雙系統(tǒng)運(yùn)行故障控制策略

整車運(yùn)行，鑰匙擋處于ON擋：當(dāng)兩組電池均發(fā)生故障，BMS根據(jù)故障等級(jí)進(jìn)行判斷并報(bào)故，若為3級(jí)故障，BMS報(bào)故，VCU只記錄故障，整車?yán)^續(xù)運(yùn)行；若為2級(jí)故障，BMS發(fā)送請(qǐng)求降功指令，VCU應(yīng)答，整車降功率運(yùn)行；若為1級(jí)故障，BMS請(qǐng)求下電，VCU記錄故障并發(fā)送強(qiáng)制下電指令，整車強(qiáng)制停車下電。

盡管在雙電池組配組時(shí)保證組內(nèi)和組間電池配組的一致性[9]，但不能避免因運(yùn)行過程中電池組間以電壓為表征的容量衰減不一致，這就需要電壓低即容量小的系統(tǒng)降低放電電流、電壓高即容量大的系統(tǒng)提高放電電流，以保證兩個(gè)系統(tǒng)的容量盡可能保持一致[10]?？紤]到組間差異的情況，必須對(duì)組間電壓差、溫差和電流差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖6為組間故障判斷流程圖，以保證差值在允許范圍內(nèi)，若電壓、溫差差值過大，則BMS向整車(VCU)報(bào)警，請(qǐng)求降功運(yùn)行。

圖6 系統(tǒng)組間電池故障流程圖

當(dāng)某一組電池發(fā)生故障，判斷流程如圖7所示，BMS根據(jù)故障等級(jí)進(jìn)行判斷并報(bào)故，若為3級(jí)故障，VCU只記錄故障，整車?yán)^續(xù)運(yùn)行；若為2級(jí)故障， BMS發(fā)送請(qǐng)求降功指令，VCU應(yīng)答，整車降功率運(yùn)行；若為1級(jí)故障，BMS請(qǐng)求切換工作模式，VCU應(yīng)答并發(fā)送切換指令，整車停車下電，VCU斷開故障電池組繼電器，整車重新上電進(jìn)入單系統(tǒng)運(yùn)行模式。當(dāng)組間存在不一致時(shí)會(huì)出現(xiàn)內(nèi)環(huán)流的情況，即電壓值高的電池組會(huì)向電壓低的電池組進(jìn)行充電，即表現(xiàn)為電壓值低的系統(tǒng)放電電流會(huì)降低、電壓值高的系統(tǒng)放電電流會(huì)提高[11]。這會(huì)減小電池組間的電壓差異值，如果要完全消除電壓差值就必須從電池制造工藝和單體電壓均衡等角度進(jìn)行改進(jìn)[12]。

圖7 系統(tǒng)單組電池故障流程圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的雙電池系統(tǒng)以常規(guī)的單系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，采用外并電池組的方式來增加系統(tǒng)容量。在充電模式上可采用雙充接口同時(shí)充電的工作方式，由此可大大縮短充電時(shí)間。在故障判斷方面，雙電池系統(tǒng)除判斷各單系統(tǒng)是否正常外還需對(duì)組間壓差和溫差進(jìn)行判斷，防止組間放電電流差異性過大導(dǎo)致的多余的電量消耗以及組間容量衰退不一致。雙電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路較為成熟，改進(jìn)成本較低，可廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)城市客車。