浅析纯电动客车双电池组系统及其控制方法的策划

　　新能源汽车作为战略性新兴产业，代表汽车产业的发展方向，发展新能源汽车，对我国改善能源消费结构、减少空气污染、推动汽车产业和交通运输行业转型升级具有积极意义。作为电动汽车的主要总成部件，电池系统的设计关乎电动汽车是否有较好的发展前景。本文设计了一种双电池组的动力电池系统，设计了两组电池的切换装置，确保整车的可靠运行，同时也能有效延长电池的使用寿命。
　　1 双电池组系统的特点及设计
　　在一辆电动车上设计两套动力电池组，每套电池组都可以单独给电驱动系统与其它高压电器部件供给电能，任何一套电池组出现可能影响安全问题的故障时，整车仍然可以切换到另一组电池上继续行驶。当一组电池电量耗尽，但仍然不能满足客户的行驶里程的需求时，由切换系统完成两组电池间的切换，使用另外一组电池继续行驶。
　　目前电池组中单体电池由于制造和使用条件的不同，其特性存在一定的差异[6]，因此电池在经过一段时间的充/ 放电循环后，电池的每个模块的电压差在不断变大，电池电压的离散性越来越大，如果不对电池进行保养，则不能充分利用电池的容量。如果一组电池在拆下来进行维修保养的时段内，车辆仍然可以采用另一组电池继续行驶，仅仅在保养期间损失一些续驶里程，这样既可以充分地保证车辆运营商的利益，客户也不需要再购买另一组电池进行更换。
　　不足的是，整车需要增加一套电池系统和一套切换系统。如果切换系统产生故障，则不能在两组电池间进行正常切换，对整车的可靠性产生一定的负面影响。这就对切换系统中的转换控制柜提出了较高的要求，切换接触器是其中的主要部分。本设计采用带有磁吹灭弧功能与反向二极管的大容量接触器，在转换时，通过控制策略使切换时车辆处于停车状态，减少转换时产生的电弧，确保切换接触器的可靠性，可以保证整车的正常运营。
　　另外，整车带有两组电池，在行车时只有一组电池参与工作，另一组电池的重量加在整车上，整车的电耗会有相应增加。但通过整车与部件的轻量化设计、新材料的应用后，经过检测，增加的副电池系统使电耗仅增加约为5%。本设计方案中，客户如果只采用一组电池，又采用轻量化技术，电耗相比两套电池组要减少电耗约8%，按200 km 的续驶里程来计算，在16 km 左右，但副电池本身在扣除因重量增加而导致的里程损失后，也可为整车增加续驶里程60 km 以上。另外，直充式的充电方法，充电服务费较低，客户并不敏感，但副电池系统却可以大大增加整车的续驶里程，满足了客户每天的续驶里程需求。本文增加的副电池系统和切换系统，增加成本在25~30 万元左右，本设计主要目的是解决公交公司客户的里程需求。
　　针对合肥市城市客车运营状况，通过对合肥市的公交线路进行运营里程分析后发现，合肥市60%以上的线路每天的运营里程不超过200 km，且每天运行时间不超过12 h，平均时速在15~18 km/h 之间。在合肥炎热的夏天，开空调工况下，对合肥市繁忙的1 路城市客车进行电耗实车测试后，发现平均每公里电耗达到了1.25 kWh/km。考虑到电池一致性问题，充电时SOC 不能达到100%，仅能达到90%，放电时SOC 应在10%左右，因此电池可用容量仅为80%，电池装车电量应在312 kWh 以上，方能满足合肥运营工况续驶里程的需求。确定电池容量为585 Ah，电池电压538 V，电池系统采用主电池组与副电池组的方式。主电池组为390Ah/538 V，副电池组为195 Ah/538 V。
　　电池采用6+3的布置方式，前桥后2 箱③、④及车尾部4 箱共6 箱为第一组主电池系统，中门处3 箱(一)、(二)、(三)为第二组副电池系统。在这种布置情况下，任一组电池在卸车保养时，前后轴的轴荷分配也能较为合理，能保证整车制动性能，也能保证转向的轻便性。第一组主电池系统内部高压线束相比紧凑布置略有增长，不会对系统有不利影响。
　　电池布置如图1 所示。
　　2 切换电路及控制策略的设计
　　2.1 切换电路设计
　　在正常行驶时，高压总正电源接触器闭合，高压系统总电源接通，满足切换条件下，需要首先切断高压总正电源接触器，这由整车控制器进行输出控制，然后实施两组电池的切换，由安装在正极端的切换接触器实施切换动作。该切换接触器位于转换控制柜内，由整车控制器实施切换控制，电池总负极并联连接，不做控制。当整车控制器收到位于仪表台上手动切换开关的信号时，整车控制器立即执行驾驶员切换指令，进行强制切换;未收到信号时，按照2.2 所设计的控制策略执行自动切换程序。手动与自动切换电路如图2 所示。
　　2.2 控制策略的设计
　　切换动作分为放电过程中的切换动作和充电过程中的切换动作。下面分别对两种工作状态下的切换进行分别设计。
　　1)放电过程中，双电池组系统切换接触器为常闭状态，第一组电池为高压配电柜供电，系统采用第一组电池系统供电。根据电池本身使用情况，当达到电量较低或电池温度较高的切换条件时，由电池管理系统BMS主模块通过CAN 发送电池组放电切换请求状态标志位，整车控制器接收此状态标志位，并通过仪表声光提示驾驶员，请求切换电池组，同时判断车速与驻车状态，当整车控制器检测车辆车速为0 且处于驻车状态后，通过图中的高压总正继电器来控制，以断开所有高压负载电器，再控制转换控制柜中的切换接触器，切换到第二组电池，确保状态正常后，再通过高压总正继电器来接通高压负载电器，同时在组合仪表上提示驾驶员切换完成，可以正常行驶。切换条件主要由电池本身的电量特性确定，对于磷酸铁锂电池，当模块电压低于2.8 V、总电压低于460 V 时，电量已经仅有10%，基于保护电池不能过放，必须进行切换。在电池温度大于60 时，电池电解液易分解，造成危险，或在其它故障时，此时也必须进行切换，可由整车控制器控制进行自动切换，或在仪表台设置手动切换开关，如图2 所示，由驾驶员完成强制使用第一组或第二组电池，放电切换工作流程图，如图3 所示。
　　2)充电过程中，系统默认当前充电的电池组为第一组电池。第一组电池充满时，由BMS 主模块通过CAN发送电池组充电切换请求状态标志位，充电机接收到切换请求时，停止充电，同时发送指令给整车控制器，准备下一次重新起动。整车控制器接收充电机的切换指令时，断开充电接触器，通过图中的控制来断开高压总正，再控制双电系统切换接触器，切换到第二组电池。当电池BMS 系统检测电池全部正常后，接通充电接触器，与充电机连接，按照标准GB/T 27930-2015 通讯协议握手进入智能充电程序，本文不做详细阐述。充电切换工作流程图，如图4 所示。
　　3 结束语
　　本文设计了一套双电池系统，在合肥市的10 m 纯电动客车上已经成功批量应用，达到预期设计要求，实际效果较好，提高了整车运行的出勤率，即使在电池维护期间也可正常行驶，体现了客户为本、运营效益最大化的设计理念。