【第一電動(dòng)網(wǎng)】（專欄作者 朱玉龍）這篇文章主要介紹新能源大巴的電池和BMS的結(jié)構(gòu)與乘用車的區(qū)別，這里是從一個(gè)乘用車工程師的角度來看的。 本文主要分三個(gè)部分，新能源大巴行業(yè)、新能源電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新能源大巴的BMS系統(tǒng)，拋磚引玉歡迎各位拍磚。

第一部分 新能源大巴行業(yè)

其實(shí)數(shù)數(shù)全球的商用車(大巴+卡車)，大致的方向還是沿著就有的習(xí)慣做HEV，國內(nèi)總體而言，是以純電動(dòng)+PHEV為主的。這里的主要原因，還是歐美日在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱方面的積累，如果按照國內(nèi)的純電動(dòng)大巴模式，配置300kwh以上的，很大的價(jià)值都給電池給占去了。

·商用巴士：New Flyer、Thomas、Navistar/IC、Volvo、Hino、Smith、GM、Daimler、TOYOTA和MitsubishiFuso。

·卡車 Smith、Volvo、Navistar、Daimler、TOYOTA、Hino、ISUZU、Iveco、PACCAR、Azure Dynamics、Daihatsu、Nissan和Mitsubishi Fuso。

圖1和圖2的數(shù)據(jù)制圖，是參考了《Key Factors of the Power Battery Development in 2013：E-Motorcycle & EV》一文里面的數(shù)據(jù)。

圖1 美國和日本新能源大巴的情況

圖2 除中國外新能源商用車電池供給情況

與之相比，國內(nèi)的情況是根據(jù)補(bǔ)貼來的，有了較大的單位的每度電補(bǔ)貼以后，做純電動(dòng)這種形式就變得更有利了。所以總體來說，對于商用車的以每度電補(bǔ)貼，完全扭轉(zhuǎn)了整個(gè)技術(shù)路線，直接把國內(nèi)所有做大巴的企業(yè)將HEV砍掉(這事就是發(fā)生在2013和2014的時(shí)候，現(xiàn)在已經(jīng)回不過去了)，轉(zhuǎn)到BEV和配置較高的電池的PHEV的形式上來了。

圖 3 2014年中國商用車銷售情況

更有趣的是，通過配置電池，將電動(dòng)里程零耗油的部分換算進(jìn)去，就可以把整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率的差異打掉，所以對比國外的技術(shù)水平，我們的PHEV一下子把老師傅給超過去了。這個(gè)有點(diǎn)類似文字游戲，是通過加多了錢(國家補(bǔ)貼和地方補(bǔ)貼)配置多的電池的代價(jià)換來的。從運(yùn)營公司的角度來看，用電還是省錢，所以出現(xiàn)某地一天充五次插電式大巴的故事發(fā)生了。

圖4 商用車的油耗水平

第二部分 新能源大巴電池系統(tǒng)架構(gòu)

我們這里使用A123&萬向的例子來看這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)，我們來對比兩個(gè)案子美國的Navistar和上汽萬向的純電動(dòng)大巴，他們都是拿著A123的模組來，按照A123的基本成組模式。

1) 上汽和萬向合資純電動(dòng)大巴

圖5包括模組成組，電池包布置還有系統(tǒng)框圖，其中模組(含BMU)這一級，基本是電池廠出來各個(gè)產(chǎn)品(大車、小車)都能用了。整個(gè)從單體=》模組=》電池包，然后在車頂和車位來配置兩大塊。

圖5 上汽萬向純電動(dòng)大巴

2) Navistar的HEV電池包

歐洲和美國也用了不少A123的電池系統(tǒng)(基礎(chǔ)是20Ah的電芯)，整個(gè)結(jié)構(gòu)是非常類似的。如圖6所示，采取單體串聯(lián)=》模組并聯(lián)=》再串聯(lián)的電池構(gòu)成的模式來獲取大的容量。

圖6 Navistar的HEV大巴

總體來說，純電大巴的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，大體根據(jù)結(jié)構(gòu)工程師來布置，分成4～8個(gè)包；HEV+PHEV的包呢，分的數(shù)量少一些都包在一起。區(qū)別的地方在于，如比亞迪和CATL(這兩家)采取的是較大的單體，先串聯(lián)然后總的進(jìn)行并聯(lián)配置，如比亞迪的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。三組電池包并聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓直流540V，組內(nèi)電池模組串聯(lián)，每組電池包21個(gè)模組，每個(gè)模組內(nèi)含有8個(gè)單體電池(標(biāo)準(zhǔn)電壓3.3V)，模組的電壓為26.67V。在K9的布置中，采取前橋承載1個(gè)電池包，后橋左右各承載一個(gè)電池包，整車高壓線束通過左風(fēng)道、車內(nèi)電子路牌和右側(cè)尾部立柱的模式，由于采取這種模式，比亞迪需要在每個(gè)電池包內(nèi)進(jìn)行配電管理，考慮主正、主負(fù)和預(yù)充繼電器，每個(gè)電池包內(nèi)需要一個(gè)BMS主控進(jìn)行獨(dú)立核算。

圖7 比亞迪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CATL的純電動(dòng)巴士通用電池箱230/320KWH，電芯：200Ah LFP(多層卷繞方形鋁殼)，模組為2P3S 或 3P2S，電池箱(鋁壓鑄)為2P18S 或 3P12S(6個(gè)模組)，電箱參數(shù): 57.6V/23kWh 或 38.4V/23kWh；其中230kWh電池系統(tǒng)由10個(gè)2P18S電池箱串聯(lián)，320kWh電池系統(tǒng)由14個(gè)3P12S電池箱串聯(lián)。

圖8 CATL的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖9，是以前在分析五洲龍和沃特瑪電池時(shí)候畫的，算是比較典型的系統(tǒng)架構(gòu)圖，這里拿來作為完全串聯(lián)的一種架構(gòu)模式。

圖9 沃特瑪五洲龍的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所有大的新能源大巴這里的幾個(gè)問題其實(shí)是普遍存在的：

1)單體確實(shí)比較大，采用LFP還是必由之路，否則200Ah的電芯，內(nèi)層發(fā)熱散熱問題較大

2)電池包分別布置在多個(gè)區(qū)域，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境條件(溫度、振動(dòng))，整個(gè)電池組內(nèi)的溫差，按照實(shí)際的情況在10度以上

3)單個(gè)包，配置BMU或者繼電器之后，本身的安全性需要獨(dú)立設(shè)計(jì)核算，內(nèi)部加繼電器的，BMU的控制權(quán)限需要提升，整個(gè)分布式控制系統(tǒng)的低壓控制線和通信線所受的回路比較大

4)電池模組的堆疊，機(jī)械應(yīng)力上差異也比較大，把模組堆在模組上，其實(shí)不是好好的主意

第三部分 新能源大巴的BMS

新能源大巴幾乎都是采用，分布式管理系統(tǒng)(電池管理系統(tǒng)+多個(gè)溫度電壓測量單元方式)將電池模組的功能獨(dú)立分離，整個(gè)系統(tǒng)形成了單體電壓和溫度測量均衡單元、電池管理控制器、繼電器控制器和整車控制器，三層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形式。這里主要考慮的問題還是基于模塊化的考慮，生產(chǎn)和組裝分離，在裝車的時(shí)候進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。

如果單從BMS的角度來看，大巴車的BMS系統(tǒng)與乘用車的主要有以下的差異：

1) 由于大巴車輛的電源系統(tǒng)是基于24V系統(tǒng)，所以對于BMS來說里面需要考慮的供電問題。

a. 電源系統(tǒng)的特別是抑制這塊需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，由于BMS的電源部分需要用個(gè)Buck電路來替代LDO，如圖10所示，24V系統(tǒng)的考量還是需要在電源上做更多處理，否則脈沖抑制不住會燒毀器件。

b. 由于24V系統(tǒng)的原因，配置DC-DC是必須的，BMS的計(jì)算量偏大，總線頻率和電流量就大一些，這里一般配置2路Buck拓?fù)涞腄C-DC給電源供電。

c.BMU的供電也是一個(gè)大問題了，所以BMU的內(nèi)部架構(gòu)，往往是只能將MCU、測量和備份芯片從模組取電，否則需要在BMS里面構(gòu)建一個(gè)24V配電盒的功能，加些熔絲在里面了。

d. 由于大巴的24V電池容量高一些，對于漏電流方面的管理需要弱化一些。

圖10 BMS電源系統(tǒng)架構(gòu)

圖11 12V和24V電源抑制

2) CAN通信的脈沖抑制，同上由于線束的布置問題，CAN上面的串?dāng)_不是一點(diǎn)點(diǎn)大，導(dǎo)致原有的設(shè)計(jì)需要更改。

a. BMS在這里一般有三路CAN電路，分診斷CAN、與整車控制器通信CAN和BMU的CAN，由于電池包的分散布置，使得整個(gè)BMS和BMU之間CAN的環(huán)路太長，耦合進(jìn)來的東西會比較多

b. 由于某些部件，比如電動(dòng)壓縮機(jī)、電機(jī)控制器，本身控制板上的CAN線耦合了很多的東西，使得BMS外部收到的干擾也很多，所以實(shí)際溝通下來的情況，就是通信電路和錯(cuò)誤幀非常多

圖12 乘用車CAN通信電路

3) 單體均衡，由于電動(dòng)大巴容量(1個(gè)就是200Ah，還有2P和3P的)很大，很多公司用了加大的被動(dòng)均衡或者主動(dòng)均衡電路，這塊區(qū)別也比較大，所以看到有公司給大的均衡電阻配置獨(dú)立的散熱器的。所以未來如果發(fā)展的方向是大容量的電池，像比亞迪這樣提高母線的電壓，將壓力從單體容量上轉(zhuǎn)移給逆變器和電機(jī)，就是IGBT上還是靠譜的

4) 由于大巴的電源波動(dòng)，某些公司甚至獨(dú)立配了個(gè)12V備份電源獨(dú)立給電池包內(nèi)配置一個(gè)供電系統(tǒng)，所以一般BMU和BMS之間只有CAN線和報(bào)警線之間的關(guān)系了，這里補(bǔ)一個(gè)安全氣囊的PWM報(bào)警輸出口的電路，我個(gè)人覺得其實(shí)BMU和BMS之間在未來需要有一個(gè)額外的通信備份接口，用PWM定義確實(shí)比較合適，在圖里面把Collision改成單體過壓和模組過壓的報(bào)警就可以直接使用了

圖13 PWM報(bào)警接口定義參考

這塊內(nèi)容，主要還是根據(jù)和汽車電子俱樂部的相關(guān)工程師一起交流和總結(jié)的內(nèi)容，實(shí)際的情況比這個(gè)更復(fù)雜一些。由于大巴企業(yè)的BMS供應(yīng)商普遍僅僅參考《QCT 897-2011 電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》這份行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來做產(chǎn)品，整個(gè)BMS產(chǎn)品的水平就很值得商榷了。如果仔細(xì)對比整個(gè)細(xì)節(jié)的參數(shù)和樣品驗(yàn)證的數(shù)量，其實(shí)和GBT 28046-2011 道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)(1～5)之間都有很大的差距。

圖14 QCT897-2011內(nèi)技術(shù)要求

本文小結(jié)

我個(gè)人是覺得，未來純電大巴可能形成三個(gè)分布式BMS系統(tǒng)，獨(dú)立算三個(gè)堆的參數(shù)模式，匯總到VCU這塊可能更好一些。不過更有可能的是(2020年以后)，隨著補(bǔ)貼的退坡，整個(gè)商用車的購置從補(bǔ)貼模式向市場化模式轉(zhuǎn)變，大部分的系統(tǒng)還是回到插電式+超級電容，在沿線做快速補(bǔ)電的模式。

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