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这篇文章主要介绍新能源大巴的电池和BMS的结构与乘用车的区别。 主要有#xff0c;新能源大巴行业、新能源电池系统结构和新能源大巴的BMS系统。
第一部分 新能源大巴行业
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这篇文章主要介绍新能源大巴的电池和BMS的结构与乘用车的区别。 主要有新能源大巴行业、新能源电池系统结构和新能源大巴的BMS系统。
第一部分 新能源大巴行业
其实数数全球的商用车(大巴卡车)大致的方向还是沿着就有的习惯做HEV国内总体而言是以纯电动PHEV为主的。这里的主要原因还是欧美日在发动机和变速箱方面的积累如果按照国内的纯电动大巴模式配置300kwh以上的很大的价值都给电池给占去了。 ·商用巴士New Flyer、Thomas、Navistar/IC、Volvo、Hino、Smith、GM、Daimler、TOYOTA和MitsubishiFuso。 ·卡车 Smith、Volvo、Navistar、Daimler、TOYOTA、Hino、ISUZU、Iveco、PACCAR、Azure Dynamics、Daihatsu、Nissan和Mitsubishi Fuso。 图1和图2的数据制图是参考了《Key Factors of the Power Battery Development in 2013E-Motorcycle EV》一文里面的数据。
图1 美国和日本新能源大巴的情况
第二部分 新能源大巴电池系统架构
我们这里使用A123万向的例子来看这个系统架构我们来对比两个案子美国的Navistar和上汽万向的纯电动大巴他们都是拿着A123的模组来按照A123的基本成组模式。
上汽和万向合资纯电动大巴 图5包括模组成组电池包布置还有系统框图其中模组(含BMU)这一级基本是电池厂出来各个产品(大车、小车)都能用了。整个从单体》模组》电池包然后在车顶和车位来配置两大块。
图5 上汽万向纯电动大巴 2) Navistar的HEV电池包 欧洲和美国也用了不少A123的电池系统(基础是20Ah的电芯)整个结构是非常类似的。如图6所示采取单体串联》模组并联》再串联的电池构成的模式来获取大的容量。
图6 Navistar的HEV大巴 总体来说纯电大巴的电池系统结构大体根据结构工程师来布置分成48个包HEVPHEV的包呢分的数量少一些都包在一起。区别的地方在于如比亚迪和CATL(这两家)采取的是较大的单体先串联然后总的进行并联配置如比亚迪的系统设计。三组电池包并联标准输出电压直流540V组内电池模组串联每组电池包21个模组每个模组内含有8个单体电池(标准电压3.3V)模组的电压为26.67V。在K9的布置中采取前桥承载1个电池包后桥左右各承载一个电池包整车高压线束通过左风道、车内电子路牌和右侧尾部立柱的模式由于采取这种模式比亚迪需要在每个电池包内进行配电管理考虑主正、主负和预充继电器每个电池包内需要一个BMS主控进行独立核算。 图7 比亚迪系统的设计 CATL的纯电动巴士通用电池箱230/320KWH电芯200Ah LFP(多层卷绕方形铝壳)模组为2P3S 或 3P2S电池箱(铝压铸)为2P18S 或 3P12S(6个模组)电箱参数: 57.6V/23kWh 或 38.4V/23kWh其中230kWh电池系统由10个2P18S电池箱串联320kWh电池系统由14个3P12S电池箱串联。 图8 CATL的系统设计 图9是以前在分析五洲龙和沃特玛电池时候画的算是比较典型的系统架构图这里拿来作为完全串联的一种架构模式。
图9 沃特玛五洲龙的系统设计
所有大的新能源大巴这里的几个问题其实是普遍存在的 1)单体确实比较大采用LFP还是必由之路否则200Ah的电芯内层发热散热问题较大 2)电池包分别布置在多个区域导致区域内的各种环境条件(温度、振动)整个电池组内的温差按照实际的情况在10度以上 3)单个包配置BMU或者继电器之后本身的安全性需要独立设计核算内部加继电器的BMU的控制权限需要提升整个分布式控制系统的低压控制线和通信线所受的回路比较大 4)电池模组的堆叠机械应力上差异也比较大把模组堆在模组上其实不是好好的主意 第三部分 新能源大巴的BMS 新能源大巴几乎都是采用分布式管理系统(电池管理系统多个温度电压测量单元方式)将电池模组的功能独立分离整个系统形成了单体电压和温度测量均衡单元、电池管理控制器、继电器控制器和整车控制器三层两个网络的形式。这里主要考虑的问题还是基于模块化的考虑生产和组装分离在装车的时候进行网络配置。 如果单从BMS的角度来看大巴车的BMS系统与乘用车的主要有以下的差异
由于大巴车辆的电源系统是基于24V系统所以对于BMS来说里面需要考虑的供电问题。 a. 电源系统的特别是抑制这块需要单独设计由于BMS的电源部分需要用个Buck电路来替代LDO如图10所示24V系统的考量还是需要在电源上做更多处理否则脉冲抑制不住会烧毁器件。 b. 由于24V系统的原因配置DC-DC是必须的BMS的计算量偏大总线频率和电流量就大一些这里一般配置2路Buck拓扑的DC-DC给电源供电。 c.BMU的供电也是一个大问题了所以BMU的内部架构往往是只能将MCU、测量和备份芯片从模组取电否则需要在BMS里面构建一个24V配电盒的功能加些熔丝在里面了。 d. 由于大巴的24V电池容量高一些对于漏电流方面的管理需要弱化一些。
图10 BMS电源系统架构
图11 12V和24V电源抑制 2) CAN通信的脉冲抑制同上由于线束的布置问题CAN上面的串扰不是一点点大导致原有的设计需要更改。 a. BMS在这里一般有三路CAN电路分诊断CAN、与整车控制器通信CAN和BMU的CAN由于电池包的分散布置使得整个BMS和BMU之间CAN的环路太长耦合进来的东西会比较多 b. 由于某些部件比如电动压缩机、电机控制器本身控制板上的CAN线耦合了很多的东西使得BMS外部收到的干扰也很多所以实际沟通下来的情况就是通信电路和错误帧非常多
图12 乘用车CAN通信电路 3) 单体均衡由于电动大巴容量(1个就是200Ah还有2P和3P的)很大很多公司用了加大的被动均衡或者主动均衡电路这块区别也比较大所以看到有公司给大的均衡电阻配置独立的散热器的。所以未来如果发展的方向是大容量的电池像比亚迪这样提高母线的电压将压力从单体容量上转移给逆变器和电机就是IGBT上还是靠谱的 4) 由于大巴的电源波动某些公司甚至独立配了个12V备份电源独立给电池包内配置一个供电系统所以一般BMU和BMS之间只有CAN线和报警线之间的关系了这里补一个安全气囊的PWM报警输出口的电路我个人觉得其实BMU和BMS之间在未来需要有一个额外的通信备份接口用PWM定义确实比较合适在图里面把Collision改成单体过压和模组过压的报警就可以直接使用了
图13 PWM报警接口定义参考 这块内容主要还是根据和汽车电子俱乐部的相关工程师一起交流和总结的内容实际的情况比这个更复杂一些。由于大巴企业的BMS供应商普遍仅仅参考《QCT 897-2011 电动汽车用电池管理系统技术条件》这份行业标准来做产品整个BMS产品的水平就很值得商榷了。如果仔细对比整个细节的参数和样品验证的数量其实和GBT 28046-2011 道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验(15)之间都有很大的差距。
图14 QCT897-2011内技术要求
