地铁车辆锂离子电池组

一、概述根据地铁车辆的设计情况，地铁车辆由6节车箱组成，车头和车尾各带2节车箱。车上负载共2*9.5Kw,供电电池组分成2组，分别放在车头和车尾下方。按照使用要求，在上述功率条件下工作45分钟。确保电池在上述负载情况下还能达到工作45分钟以上。并且能保证所有电池不过放，还能提供下一次启动所需要的能量。根据上述要求，下面是为设计出适合地铁车辆用锂离子电池的具体方案。二、地铁车辆用锂离子电池组设计1.电池组的串数及容量选择负载的供电电压范围为77~133V，磷酸铁锂单只标称电压为3.2V，电压范围2.5~3.8V；所以，串联只数为77/2.5=30.8,而133/3.8=35，考虑到负载1C放电的放电曲线（见下图），容量均集中在2.8~3.2之间，所以如果选33串以上，当电压降到2.8*33=92.4V时电池就没太多电量，从而容量快放完时电压太高。如果选择31串，标称电压为31*3.2=99.2V较低。所以取32串比较适合。这样电压范围为80~121.6V，能在77V~133V范围内。图2磷酸铁锂离子电池放电曲线图如果车头及车尾的2组不进行并联，而是独立供电的方案，要满足单组能供平均负2载9.5KW工作45分钟以上来进行如下的一些推算。1、负载功率为9.5Kw，但在列车运行过程中电池电压为平均电压3.0V*32=96V；2、负载电流值为9.5Kw/96V=99A；2.电池组单体电池规格1）型号尺寸：磷酸铁锂电池长101mm*宽32mm*高192mm；2）电压：标称电压3.2V，电压范围2.5V~3.8V；3）单体容量：40Ah；4）额定工作电流：120A；5）额定充电电流：20A；6）认证：通过UL1642。3．模块设计及摆放32串电池组可分成4个串联的8串电池模块，8串单体串联作为一个模块，模块电压及容量为25.6V/40Ah。其模块尺寸见下图4。图4模块外观图电池模块组合摆放设计对于供电方案采用110V/120Ah的电池摆放见下图5，分成2个箱体，每个箱体分成2排，每排3个电池模块，2排的3个模块串连，共12个模块。最左边和最右边的空间3用做隔离二极管,PTC,电池组管理电路和组合走线放置空间。图53并电池排列图电池组尺寸大小约为：282*456*260mm(L*W*H)*4，2个电池箱体的内腔尺寸344*530*213mm(L*W*H)*2，所以箱体的内腔尺寸可以满足上述方案的电池组尺寸，电池的重量约为140Kg。4.地铁车辆用磷酸铁锂电池主要指标：(1)单体电芯尺寸：192*101*32（±1mm）；(2)单体电芯电压容量：3.2V/40Ah；(3)电池组标称电压/容量：110V/120Ah；(4)电池组重量：≦210Kg；(5)电池组体积：282*456*260mm(L*W*H)*4（不含箱体）；(6)电池组内阻：≦100mΩ；(7)电池组最大工作电流：200A；(8)电池组最高充电电压：≦120V；(9)电池组最大充电电流：80A；管理电路及集成组合走线空间电池组最正电池组最负极隔离二极管和PTC隔离二极管和PTC4(10)电池组正常工作环境：温度-20℃～55℃，最大相对湿度95%RH以下；(11)20℃放电容量：≥120Ah；(12)55℃放电容量：≥120Ah；(13)-20℃放电容量：≥100Ah三、地铁车辆电池组电气方案介绍1.总体构成该方案采用32串3并电池组（16串3并分置于两个箱体内再串联）组合而成，分置于两个箱体内。根据电池排列结构方式，每个箱体内分别为16串3并模块。通过导电体将两个箱体串联起来，实现32串电池组合。电池组具有电池异常保护功能。（1）16串电池组中将8串的电池组成一个25.6V/40Ah电池模块，整个16串电池组为51.2V/40Ah；（2）16串3并模块由3个51.2V/40Ah单电池组并联组合成1个电池组，使单个箱体电池组达到51.2V/120Ah。（3）将2个电池箱体电池组51.2V/120Ah串联组成1个大电池组，额定电池组电压和容量为102.4V/120Ah.（4）电池组最低电压2.5V*32=80V，最高电压3.8V*32=121.6V；2.电池模块内部构成（1）8个40Ah的磷酸铁锂电芯一字排开，通过铜排串联起来；（2）每个电池模块电芯顶部放置电芯均衡电路，均衡原理见图6；5图6均衡电路原理图（3）电池模块的盒子内分别放置信号采集板和二次保护板，原理图如图7。a)信号采集板是用来对每节电芯电压进行采集，然后进行比较，当任意一节电芯电压大于3.8V输出一个过压控制信号，当任意一节电压小于2.5V输出一个欠压控制信号，然后通过CAN2.0通信传递到BMS主控板上去进行电池组过充过放保护。b)二次保护板是用硬件检测IC对每节电芯电压进行采集，当信号采集板出现异常时，还能对电池组进行正常过充过放保护。二次保护板当任意一节电芯电压大于3.9V输出一个过压控制信号，当任意一节电压小于2.3V输出一个欠压控制信号。c)二次保护板通过光电隔离输出可靠信号，将模块之间各通信板上的光电隔离信号并联，去控制主控板上的功率执行部分。注：其中信号采集板和二次保护板的所有信号线均使用双线并联来增加可靠性。6图7模块内部原理连接图3.电池模块之间的连接(1)模块与模块之间串联时，是直接通过电缆线串联起来；(2)16串电池组是采用隔离并联充放电方式，隔离方式采用二极管隔离方式，充电端采用PTC＋二极管方式，可实现电池组之间的组间电压平衡,还可实现电池组之间的组间独立互不影响。(3)图中的信号线采集各模块过充、过放等信号。在箱体的连接方面需要额外提供8根信号线，实现对电池组回路的整体控制。信号线通过BMS主控板进行信号汇总，分别控制电池组的充电回路及放电回路，从而实现对电池组的保护。(4)电池组的负极是由放电控制端及充电控制端采用二极管隔离方式实现分别控制的，从而实现在充电、放电异常状态下对电池组的保护功能。电池组的模块之间连接原理见图8。7图8模块间连接图4.BMS主控板BMS主控板包括主控驱动板及功率执行部分的元件，整个系统原理图见图9。（1）主控驱动板是将采集板与主控驱动板之间相互通讯，驱动板对信号接收后，进行实时的对执行元器进行驱动，如果过压信号过来后，则过压保护的继电器线圈得电。当欠压信号过来后，则欠压保护的继电器线圈得电。（2）功率执行部分的元件包括过压保护继电器、欠压保护继电器及二个防反隔离二极管。8图9总原理框图5.其它保护功能（可根据客户要求进行增加）★a．可实时查看电池的工作状态，包括单体电池电压、报警信息；★b．可实时显示电池电压、电池总电流、电池组温度并进行温度保护功能；★c．完善的告警处理机制，在任何界面下告警信息都能以弹出式进行告警显示，可以进入告警信息查询界面进行详细查询告警原因；★d．整个电池系统对外提供RS485接口，实现与外接上位机通讯。