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客車在車庫中突然起火，并造成臨近的其它5輛同類型電動車受到不同程度損傷。2011年7月18日，上海的825路，一輛城市客運純電動車在行駛途中發(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行分析，找出了電動車電池起火的真正原因，這樣可以有針對性地對火災(zāi)事故進行防范。

純電動城市客車為了達到較高的續(xù)駛里程，所用的動力電池組的容量都選得比較大，有的達到了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。要想達到580 V、500 Ah的總?cè)萘浚捅仨氂么罅康膯误w電池進行串并聯(lián)才行。以26650磷酸鐵鋰單體電池為例，要組成一個規(guī)格為576 V、492 Ah的電池組，必須由164個單體電池并聯(lián)才能達到492 Ah的容量；必須由180個單體電池串聯(lián)才能達到576 V的電壓。因此,用29520個26650的單體電池進行串并聯(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)一點問題，就會引起整個電池包產(chǎn)生嚴重、甚至致命的事故。

2 電池組的連接方式及特性

怎樣把29520個26650單體電池組合成576 V、492 Ah的電池包呢？實際的運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，對各種電池組作了定義。一級電池組：由多個單體電池組成的電池組；二級電池組：由多個一級電池組組成的電池組；三級電池組：由多個二級電池組組成的電池組；電池包：由多個一級電池組、二級電池組或三級電池組組成的對外進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個單體電池串聯(lián)組成一級電池組，其容量為576 V、3000 mAh，再把164個一級電池組并聯(lián)組成576 V、492 Ah的電池包。

2）先并后串式。把164個單體電池并聯(lián)組成一級電池組，其容量為3.2 V、492 Ah，再把180個一級電池組串聯(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個單體電池并聯(lián)成一級電池組，其容量為3.2 V、123 Ah，再把30個一級電池組串聯(lián)組成96 V、123 Ah的二級電池組；再把6個二級電池組串聯(lián)組成576 V、123 Ah的三級電池組。最后把4個三級電池組并聯(lián)組成576 V、492 Ah的電池包。

②串并并串。把30個單體電池串聯(lián)起來成一級電池組，其容量為96 V、3 Ah，再把41個一級電池組并聯(lián)組成了96 V、123 Ah的二級電池組，再把4個二級電池組并聯(lián)成96 V、492 Ah的三級電池組。最后把6組三級電池組串聯(lián)起來組成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)阻計算結(jié)果也是32.93 mΩ。

因此，計算結(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 單體電池損壞對電池包性能的影響

下面就不同連接方式，單體電池損壞對電池包輸出特性的影響進行計算分析。單體電池損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)第一組一級電池組中有一個電池單元發(fā)生內(nèi)部斷路，此時第一組一級電池組呈開路狀態(tài)，不參加工作，其輸出電壓為0，內(nèi)阻為∞，電池包由其余163個一級電池組并聯(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)第一組一級電池組中有一個電池單元發(fā)生內(nèi)部短路，此時第一組一級電池組將由180個電池串聯(lián)變成179個電池串聯(lián)，輸出電壓降為572.8 V，內(nèi)阻為30×179=5370 mΩ。此一級電池組與其他163個一級電池組并聯(lián)后因為電壓不同，將造成其他電池組對其進行充電，第一組一級電池組電壓將逐漸升高，直到第一組一級電池組與其他電池組電壓相等時才停止充電，此時總電壓將略有下降（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)第一組一級電池組中有一個電池單元發(fā)生內(nèi)部斷路，此時第一組一級電池組由164個電池并聯(lián)變成163個電池并聯(lián)，此時一級電池組電壓仍為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。第一組一級電池組容量減為489 Ah,電池包容量只得按第一組一級電池組計。

2）假設(shè)第一組一級電池組中有一個電池單元發(fā)生內(nèi)部短路，此時第一組一級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%。

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

3.3 串并聯(lián)混接式

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

3.4 單體電池損壞對電池組本身造成的影響

電池組中，某一個單體電池的損壞對整個電池包輸出特性的影響很小，電池包照樣可正常工作，但這個單體電池的損壞對電池組本身的影響對于某些連接方式卻非常嚴重。

1）先串后并式。單體電池內(nèi)部斷路時，這個電池所在的一級電池組呈開路狀態(tài)，這個一級電池組不工作，對電池組沒有影響。單體電池內(nèi)部短路時，這個電池所在的一級電池組電壓降低，其余電池組對這個一級電池組進行充電，最大充電電流為0.59 A，電壓平衡后就不再充電，對電池組也不會造成影響。

2）先并后串式。單體電池內(nèi)部斷路時，這個電池所在的一級電池組少一個電池參與工作，對電池組本身沒有影響。單體電池內(nèi)部短路時，這個電池電壓為0，內(nèi)阻為0，這個電池所在的一級電池組的其余電池就會對這個損壞的電池進行放電，其理論最大放電電流為3.2 V÷（30 mΩ÷163）=17387 A，這么強大的電流瞬間流過這個損壞的電池勢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。如果一級電池組是先串后并，其單體電池發(fā)生故障后，對電池組也不會造成什么影響。如果一級電池組是先并后串，當單體電池內(nèi)部斷路時，對電池組本身沒有影響。但當單體電池內(nèi)部短路時，這個一級電池組的其他電池就會對這個損壞的電池進行放電，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損壞的電池熔化起火。如有多個電池單元發(fā)生故障，分析情況同上。

4 純電動城市客車自燃火災(zāi)事故分析

2010年1月7日凌晨，烏魯木齊市純電動城市客車自燃起火，根據(jù)烏魯木齊市消防支隊的火災(zāi)事故調(diào)查報告分析其電池電路連接方式為先并后串式。調(diào)查報告中部分內(nèi)容如下：公司生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池，電動車的技術(shù)配置要求為動力電池容量≥500 Ah，動力調(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，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交流電帶動驅(qū)動電機起動車輛行駛[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。要達到500 Ah的容量，就必須要有166個單體電池并聯(lián)才能達到。

另據(jù)報導(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。當多個單體電池并聯(lián)連接后，因電池組內(nèi)部不可能增加均衡器，電流就不會平均分配，單體電池的充放電電流就有差別；隨著使用時間的增加，電池要發(fā)生衰減，而每個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。當某個單體電池的充放電電流過大時，會造成其溫升過高，從而使這個單體電池發(fā)生損壞。

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

上述兩起電動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，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，考慮到國家規(guī)定的安全電壓等級（最高為42 V）及電池組在生產(chǎn)、儲存、運輸過程中的安全電壓要求，做成低電壓的電池組是理所當然的了，因而形成了先并后串式的連接方式。

2）電池組分裝的時候用先并后串式的連接方式工藝比較簡單，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就可以，接線比較簡單；如果采用先串后并式的連接方式，要用很多根電源線進行并接，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，將造成電池組瞬間自燃起火。據(jù)了解，國內(nèi)有多個廠家的一級電池組仍在使用先并后串的連接方式，相當于給電動車埋了一顆定時炸彈，說不定哪天就會發(fā)生爆炸，應(yīng)該引起大家的足夠重視。

5 解決對策

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存、運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連接說明，先把15個單體電池串聯(lián)連接成一個48 V、3 Ah的一級電池組，再把164個一級電池組并聯(lián)連接成48 V、492 Ah的二級電池組提供給汽車廠。在汽車廠只要把12組48 V、492 Ah的二級電池組串聯(lián)成476 V、492 Ah的總電池組，這樣既達到了安全的要求，又使接線簡單、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，也不會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）采用大容量的動力電池。采用大容量的電池進行串聯(lián)連接。國內(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。使用大容量動力電池還有一個好處就是電池管理系統(tǒng)可以對每一個電池進行監(jiān)測管理，原來使用的26650單體電池一輛車有29520個，最好的電池管理系統(tǒng)也不可能對接近3萬個電池進行逐一管理[10]。

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

[2]王麗歌.上海純電動公交自燃電池瓶頸考驗新能源車政策方向[N].第一財經(jīng)日報，2011-07-20.

[3]桂長清.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.電動汽車電池組連接可靠性及不一致性研究[J].車輛與動力技術(shù)，2002，（4）

[6]劉險峰，鄒積巖，李立偉.大容量蓄電池組的連接方式[J].吉林大學學報：工學版，2007，37（3）

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

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

[9]何芳，張愷惟.電動車“自燃”：被忽視的電池準入制度[N].21世紀經(jīng)濟報道，2011-08-03.

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