純電動(dòng)城市客車電池組的連接方式與自燃火災(zāi)

車兆華

（海航神鹿新能源控股有限公司，天津 300051）

1 背景分析

2010年1月7日凌晨，烏魯木齊市一輛新型電池電容混合型電動(dòng)客車在車庫(kù)中突然起火，并造成臨近的其它5輛同類型電動(dòng)車受到不同程度損傷。2011年7月18日，上海的825路，一輛城市客運(yùn)純電動(dòng)車在行駛途中發(fā)生自燃。調(diào)查結(jié)果顯示，火災(zāi)原因都是由于電池自燃引起的[1-2]。

筆者經(jīng)過研究，以專業(yè)的角度從電池組電路的連接方式進(jìn)行分析，找出了電動(dòng)車電池起火的真正原因，這樣可以有針對(duì)性地對(duì)火災(zāi)事故進(jìn)行防范。

純電動(dòng)城市客車為了達(dá)到較高的續(xù)駛里程，所用的動(dòng)力電池組的容量都選得比較大，有的達(dá)到了580 V、500 Ah；而目前所用的磷酸鐵鋰單體電池最成熟的是18650和26650圓柱形電池，其容量分別為3.2 V、2000 mAh和3.2 V、3000 mAh。要想達(dá)到580 V、500 Ah的總?cè)萘浚捅仨氂么罅康膯误w電池進(jìn)行串并聯(lián)才行。以26650磷酸鐵鋰單體電池為例，要組成一個(gè)規(guī)格為576 V、492 Ah的電池組，必須由164個(gè)單體電池并聯(lián)才能達(dá)到492 Ah的容量；必須由180個(gè)單體電池串聯(lián)才能達(dá)到576 V的電壓。因此,用29520個(gè)26650的單體電池進(jìn)行串并聯(lián)才能組成容量為576 V、492 Ah的電池組，如此量大的串并聯(lián)雙節(jié)中很容易出現(xiàn)問題，而且只要出現(xiàn)一點(diǎn)問題，就會(huì)引起整個(gè)電池包產(chǎn)生嚴(yán)重、甚至致命的事故。

2 電池組的連接方式及特性

怎樣把29520個(gè)26650單體電池組合成576 V、492 Ah的電池包呢？實(shí)際的運(yùn)作是由電池廠將一部分電池組成電池組提供給整車廠，再由整車廠將這些電池組安裝到汽車上，并用電源線連接成整車所需規(guī)格的電池包。

為了敘述方便，對(duì)各種電池組作了定義。一級(jí)電池組：由多個(gè)單體電池組成的電池組；二級(jí)電池組：由多個(gè)一級(jí)電池組組成的電池組；三級(jí)電池組：由多個(gè)二級(jí)電池組組成的電池組；電池包：由多個(gè)一級(jí)電池組、二級(jí)電池組或三級(jí)電池組組成的對(duì)外進(jìn)行供電的最終電池組[3-4]。

電池組的連接方式從原理上講，有三種方案可供選擇：

1）先串后并式。把180個(gè)單體電池串聯(lián)組成一級(jí)電池組，其容量為576 V、3000 mAh，再把164個(gè)一級(jí)電池組并聯(lián)組成576 V、492 Ah的電池包。

2）先并后串式。把164個(gè)單體電池并聯(lián)組成一級(jí)電池組，其容量為3.2 V、492 Ah，再把180個(gè)一級(jí)電池組串聯(lián)組成576 V、492 Ah的電池包。

3）串并聯(lián)混接式。這種有多種連接方式：并串串并、串并并串、并串并串、串并串并等。下面介紹并串串并、串并并串兩種連接方式。

①并串串并。把41個(gè)單體電池并聯(lián)成一級(jí)電池組，其容量為3.2 V、123 Ah，再把30個(gè)一級(jí)電池組串聯(lián)組成96 V、123 Ah的二級(jí)電池組；再把6個(gè)二級(jí)電池組串聯(lián)組成576 V、123 Ah的三級(jí)電池組。最后把4個(gè)三級(jí)電池組并聯(lián)組成576 V、492 Ah的電池包。

②串并并串。把30個(gè)單體電池串聯(lián)起來(lái)成一級(jí)電池組，其容量為96 V、3 Ah，再把41個(gè)一級(jí)電池組并聯(lián)組成了96 V、123 Ah的二級(jí)電池組，再把4個(gè)二級(jí)電池組并聯(lián)成96 V、492 Ah的三級(jí)電池組。最后把6組三級(jí)電池組串聯(lián)起來(lái)組成576 V、492 Ah的總電池組。

不同連接方式下的電池包的內(nèi)阻輸出特性（每個(gè)單體電池的內(nèi)阻為30 mΩ）：

1）先串后并式。內(nèi)阻R=30×180÷164=32.93 mΩ。

2）先并后串式。內(nèi)阻R=30÷164×180=32.93 mΩ。

3）串并聯(lián)混接式的電池包內(nèi)阻計(jì)算結(jié)果也是32.93 mΩ。

因此，計(jì)算結(jié)果顯示，各種不同連接方式的電池包的輸出特性，在參數(shù)理論上是一樣的[5-6]。

3 單體電池?fù)p壞對(duì)電池包性能的影響

下面就不同連接方式，單體電池?fù)p壞對(duì)電池包輸出特性的影響進(jìn)行計(jì)算分析。單體電池?fù)p壞最極端的兩種形式是電池內(nèi)部斷路或短路。

3.1 先串后并式

1）假設(shè)第一組一級(jí)電池組中有一個(gè)電池單元發(fā)生內(nèi)部斷路，此時(shí)第一組一級(jí)電池組呈開路狀態(tài)，不參加工作，其輸出電壓為0，內(nèi)阻為∞，電池包由其余163個(gè)一級(jí)電池組并聯(lián)供電，電池包電壓U=576 V;內(nèi)阻R=30×180÷163=33.13 mΩ，內(nèi)阻增加了0.6%；容量為3000 mAh×163=489 Ah，減少了0.6%。這種情況下電池包還是可以正常工作的，只不過容量略有減少，內(nèi)阻略有增加。

2）假設(shè)第一組一級(jí)電池組中有一個(gè)電池單元發(fā)生內(nèi)部短路，此時(shí)第一組一級(jí)電池組將由180個(gè)電池串聯(lián)變成179個(gè)電池串聯(lián)，輸出電壓降為572.8 V，內(nèi)阻為30×179=5370 mΩ。此一級(jí)電池組與其他163個(gè)一級(jí)電池組并聯(lián)后因?yàn)殡妷翰煌瑢⒃斐善渌姵亟M對(duì)其進(jìn)行充電，第一組一級(jí)電池組電壓將逐漸升高，直到第一組一級(jí)電池組與其他電池組電壓相等時(shí)才停止充電，此時(shí)總電壓將略有下降（估算值為575.98 V），總內(nèi)阻為5400÷163=33.13 mΩ 與 5370 mΩ 并聯(lián)值為 32.93 mΩ，內(nèi)阻基本不變。

充電電流從開始短路時(shí)的起始充電電流（最大值）逐漸下降至0，起始充電電流為（576-572.8）V÷（30 mΩ×179+30 mΩ×180÷163）=3.2 V÷（5370+33.13）mΩ=0.59 A。

以上兩種情況對(duì)電池組的輸出特性基本沒有影響，由于電池本身的性能存在誤差，這種故障甚至在儀表上都發(fā)現(xiàn)不了。但如果有多個(gè)電池單元出現(xiàn)故障，影響就大了[7]。

3.2 先并后串式

1）假設(shè)第一組一級(jí)電池組中有一個(gè)電池單元發(fā)生內(nèi)部斷路，此時(shí)第一組一級(jí)電池組由164個(gè)電池并聯(lián)變成163個(gè)電池并聯(lián)，此時(shí)一級(jí)電池組電壓仍為3.2 V，內(nèi)阻變?yōu)?0 mΩ÷163=0.184 mΩ，與其他一級(jí)電池組串聯(lián)后總內(nèi)阻為30÷164×179+0.184=32.93 mΩ，內(nèi)阻基本不變，總電壓576 V不變。第一組一級(jí)電池組容量減為489 Ah,電池包容量只得按第一組一級(jí)電池組計(jì)。

2）假設(shè)第一組一級(jí)電池組中有一個(gè)電池單元發(fā)生內(nèi)部短路，此時(shí)第一組一級(jí)電池組都呈短路狀態(tài)，其輸出電壓為0，內(nèi)阻為0。與其他一級(jí)電池組串聯(lián)后總電壓為3.2×179=572.8 V，電壓減少了0.56%；內(nèi)阻為30÷164×179=32.74 mΩ，內(nèi)阻減少了0.58%。

以上兩種情況對(duì)電池組的輸出特性影響很小，但同樣如有多個(gè)電池單元發(fā)生故障，則影響就大了。

3.3 串并聯(lián)混接式

當(dāng)單體電池發(fā)生故障后的計(jì)算比較復(fù)雜，但其計(jì)算結(jié)果表示：一個(gè)單體電池發(fā)生故障后，對(duì)整個(gè)電池組輸出特性的影響仍較小，電池組還可以正常工作。但多個(gè)電池單元發(fā)生故障，影響同樣變大。

3.4 單體電池?fù)p壞對(duì)電池組本身造成的影響

電池組中，某一個(gè)單體電池的損壞對(duì)整個(gè)電池包輸出特性的影響很小，電池包照樣可正常工作，但這個(gè)單體電池的損壞對(duì)電池組本身的影響對(duì)于某些連接方式卻非常嚴(yán)重。

1）先串后并式。單體電池內(nèi)部斷路時(shí)，這個(gè)電池所在的一級(jí)電池組呈開路狀態(tài)，這個(gè)一級(jí)電池組不工作，對(duì)電池組沒有影響。單體電池內(nèi)部短路時(shí)，這個(gè)電池所在的一級(jí)電池組電壓降低，其余電池組對(duì)這個(gè)一級(jí)電池組進(jìn)行充電，最大充電電流為0.59 A，電壓平衡后就不再充電，對(duì)電池組也不會(huì)造成影響。

2）先并后串式。單體電池內(nèi)部斷路時(shí)，這個(gè)電池所在的一級(jí)電池組少一個(gè)電池參與工作，對(duì)電池組本身沒有影響。單體電池內(nèi)部短路時(shí)，這個(gè)電池電壓為0，內(nèi)阻為0，這個(gè)電池所在的一級(jí)電池組的其余電池就會(huì)對(duì)這個(gè)損壞的電池進(jìn)行放電，其理論最大放電電流為3.2 V÷（30 mΩ÷163）=17387 A，這么強(qiáng)大的電流瞬間流過這個(gè)損壞的電池勢(shì)必造成電池熔化起火，從而造成火災(zāi)事故。

3）串并聯(lián)混接式。如果一級(jí)電池組是先串后并，其單體電池發(fā)生故障后，對(duì)電池組也不會(huì)造成什么影響。如果一級(jí)電池組是先并后串，當(dāng)單體電池內(nèi)部斷路時(shí)，對(duì)電池組本身沒有影響。但當(dāng)單體電池內(nèi)部短路時(shí)，這個(gè)一級(jí)電池組的其他電池就會(huì)對(duì)這個(gè)損壞的電池進(jìn)行放電，理論上最大放電電流為3.2 V÷（30 mΩ÷40）=4267 A，這么大的電流也足以使這個(gè)損壞的電池熔化起火。如有多個(gè)電池單元發(fā)生故障，分析情況同上。

4 純電動(dòng)城市客車自燃火災(zāi)事故分析

2010年1月7日凌晨，烏魯木齊市純電動(dòng)城市客車自燃起火，根據(jù)烏魯木齊市消防支隊(duì)的火災(zāi)事故調(diào)查報(bào)告分析其電池電路連接方式為先并后串式。調(diào)查報(bào)告中部分內(nèi)容如下：公司生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池，電動(dòng)車的技術(shù)配置要求為動(dòng)力電池容量≥500 Ah，動(dòng)力調(diào)查壽命＞2000次，百公里耗電量不超過120 kW·h，日充電量不大于5 h，可行駛200 km。車輛參數(shù)：車輛外形尺寸12.00 m×2.55 m×3.30 m，座位數(shù)34個(gè)，最大乘員66人，整車最大總質(zhì)量18000 kg，最高車速80 km/h，電池組工作電流300 A，額定電壓600 VDC，每輛車裝有11只電池組箱，共計(jì)176塊鋰電池，分布在車廂兩側(cè)下部，每組電池箱和箱內(nèi)電池均為串聯(lián)布設(shè)；車輛工作原理是將580 V直流電逆變成380 V交流電帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)起動(dòng)車輛行駛[8]。

可見其中176塊電池是串聯(lián)連接的，而每塊電池中的單體電池是通過并聯(lián)連接的。要達(dá)到500 Ah的容量，就必須要有166個(gè)單體電池并聯(lián)才能達(dá)到。

另?yè)?jù)報(bào)導(dǎo)，某公司的電池供應(yīng)商是某某公司，而從網(wǎng)上收集到的資料顯示，某某公司生產(chǎn)的500 Ah模塊肯定是由很多個(gè)單體電池并聯(lián)而成的。

2011年7月18日，發(fā)生自燃的上海825路城市客車的電池也是由某某公司生產(chǎn)的，其電池結(jié)構(gòu)與烏魯木齊市的純電動(dòng)城市客車所用的相同。

因單體電池的一致性很難控制，單體電池的性能（電壓、內(nèi)阻）不可能完全一樣。當(dāng)多個(gè)單體電池并聯(lián)連接后，因電池組內(nèi)部不可能增加均衡器，電流就不會(huì)平均分配，單體電池的充放電電流就有差別；隨著使用時(shí)間的增加，電池要發(fā)生衰減，而每個(gè)單體電池的衰減程度不一樣，這樣就造成了單體電池間的更加不平衡，單體電池的充放電電流的差別有可能增大。當(dāng)某個(gè)單體電池的充放電電流過大時(shí)，會(huì)造成其溫升過高，從而使這個(gè)單體電池發(fā)生損壞。

當(dāng)因各種原因（發(fā)熱、變形等）造成單體電池內(nèi)部短路時(shí)，這塊電池組中的其余電池就會(huì)向這個(gè)內(nèi)部短路的電池進(jìn)行放電，而放電電流理論上可達(dá)上萬(wàn)A，從而造成電池組瞬間自燃起火。

上述兩起電動(dòng)車電池自燃起火的根本原因，可能是由于電池組采用先并后串式的連接方式而有電池單元發(fā)生故障造成的[9]。

在正常情況下，不同連接方式的電池包的輸出特性一樣，但廠家要采用先并后串式的連接方式主要有三個(gè)原因。

1）電壓安全問題。因整車要求的電池包電壓高、容量大，其重量達(dá)2 t多，體積也很大，不可能由電池廠提供整體電池組，但是要把29520個(gè)單體電池提供給汽車廠，由汽車廠自己組裝成576 V、492 Ah的電池組也是不現(xiàn)實(shí)的。一般情況下，由電池廠提供電池組，再由汽車廠在組裝整車時(shí)，將這些電池組安裝固定到車上，再用電源線將這些電池組連接成整車所需的電池包規(guī)格。而電池廠在組裝電池組時(shí)，考慮到國(guó)家規(guī)定的安全電壓等級(jí)（最高為42 V）及電池組在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中的安全電壓要求，做成低電壓的電池組是理所當(dāng)然的了，因而形成了先并后串式的連接方式。

2）電池組分裝的時(shí)候用先并后串式的連接方式工藝比較簡(jiǎn)單，所用零部件較少。

3）因電池組是安裝在汽車的不同地方，如采用先并后串式的連接方式，只需用一根電源線串起來(lái)就可以，接線比較簡(jiǎn)單；如果采用先串后并式的連接方式，要用很多根電源線進(jìn)行并接，接線十分復(fù)雜，而串并聯(lián)混接式的接線也很復(fù)雜。

先并后串式的連接方式雖然簡(jiǎn)單，但造成的事故隱患是在單體電池一旦發(fā)生故障造成內(nèi)部短路時(shí)，將造成電池組瞬間自燃起火。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)有多個(gè)廠家的一級(jí)電池組仍在使用先并后串的連接方式，相當(dāng)于給電動(dòng)車埋了一顆定時(shí)炸彈，說(shuō)不定哪天就會(huì)發(fā)生爆炸，應(yīng)該引起大家的足夠重視。

5 解決對(duì)策

1）電池組采用先串后并的連接方式。根據(jù)本文的分析可知，先并后串的連接方式是電池連接的大忌，它雖然在施工上是最簡(jiǎn)單的，但事故隱患是最大的。首選方案是采用先串后并的連接方式，它雖然在施工上要復(fù)雜得多，但它是最安全的連接方式。如果考慮到電池組在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中的安全要求而要做成安全電壓的話，宜采用串并聯(lián)混接式的連接方式，但在一級(jí)電池組內(nèi)，一定要做成先串后并式的連接方式，如圖1所示。這樣才能防止電池組自燃火災(zāi)事故的發(fā)生。圖1連接說(shuō)明，先把15個(gè)單體電池串聯(lián)連接成一個(gè)48 V、3 Ah的一級(jí)電池組，再把164個(gè)一級(jí)電池組并聯(lián)連接成48 V、492 Ah的二級(jí)電池組提供給汽車廠。在汽車廠只要把12組48 V、492 Ah的二級(jí)電池組串聯(lián)成476 V、492 Ah的總電池組，這樣既達(dá)到了安全的要求，又使接線簡(jiǎn)單、方便。使用先串后并的連接方式后，即使在使用過程中單體電池發(fā)生故障造成內(nèi)部短路時(shí)，也不會(huì)引起電池組自燃起火，完全可以避免上述火災(zāi)事故的發(fā)生。

2）采用大容量的動(dòng)力電池。采用大容量的電池進(jìn)行串聯(lián)連接。國(guó)內(nèi)有些廠家已經(jīng)試制出100 Ah、200 Ah、400 Ah的大容量磷酸鐵鋰單體電池，用大容量電池能完全消除因電池并聯(lián)造成的事故隱患。使用大容量動(dòng)力電池還有一個(gè)好處就是電池管理系統(tǒng)可以對(duì)每一個(gè)電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，原來(lái)使用的26650單體電池一輛車有29520個(gè)，最好的電池管理系統(tǒng)也不可能對(duì)接近3萬(wàn)個(gè)電池進(jìn)行逐一管理[10]。

[1]賈廣華，劉宏星.純電動(dòng)公交車自燃火災(zāi)事故調(diào)查[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2010，29（7）

[2]王麗歌.上海純電動(dòng)公交自燃電池瓶頸考驗(yàn)新能源車政策方向[N].第一財(cái)經(jīng)日?qǐng)?bào)，2011-07-20.

[3]桂長(zhǎng)清.蓄電池組的連接方式與可靠性[J].通信電源技術(shù)，2000，（1）

[4]王震坡，孫逢春.電動(dòng)汽車電池組連接方式研究[J].電池，2004，34（4）

[5]王震坡，孫逢春.電動(dòng)汽車電池組連接可靠性及不一致性研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù)，2002，（4）

[6]劉險(xiǎn)峰，鄒積巖，李立偉.大容量蓄電池組的連接方式[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2007，37（3）

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

[8]EBB沫一.電池燃燒事件的警示[EB/OL].全球電動(dòng)車網(wǎng)，2011-06-21.

[9]何芳，張愷惟.電動(dòng)車“自燃”：被忽視的電池準(zhǔn)入制度[N].21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道，2011-08-03.

[10]劉保杰，王艷，殷天明.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化，2010，32（1）