纯电动城市客车电池组的连接方式与自燃火灾

车兆华

（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，乌鲁木齐市一辆新型电池电容混合型电动客车在车库中突然起火，并造成临近的其它5辆同类型电动车受到不同程度损伤。2011年7月18日，上海的825路，一辆城市客运纯电动车在行驶途中发生自燃。调查结果显示，火灾原因都是由于电池自燃引起的[1-2]。

笔者经过研究，以专业的角度从电池组电路的连接方式进行分析，找出了电动车电池起火的真正原因，这样可以有针对性地对火灾事故进行防范。

纯电动城市客车为了达到较高的续驶里程，所用的动力电池组的容量都选得比较大，有的达到了580 V、500 Ah；而目前所用的磷酸铁锂单体电池最成熟的是18650和26650圆柱形电池，其容量分别为3.2 V、2000 mAh和3.2 V、3000 mAh。要想达到580 V、500 Ah的总容量，就必须用大量的单体电池进行串并联才行。以26650磷酸铁锂单体电池为例，要组成一个规格为576 V、492 Ah的电池组，必须由164个单体电池并联才能达到492 Ah的容量；必须由180个单体电池串联才能达到576 V的电压。因此,用29520个26650的单体电池进行串并联才能组成容量为576 V、492 Ah的电池组，如此量大的串并联双节中很容易出现问题，而且只要出现一点问题，就会引起整个电池包产生严重、甚至致命的事故。

2 电池组的连接方式及特性

怎样把29520个26650单体电池组合成576 V、492 Ah的电池包呢？实际的运作是由电池厂将一部分电池组成电池组提供给整车厂，再由整车厂将这些电池组安装到汽车上，并用电源线连接成整车所需规格的电池包。

为了叙述方便，对各种电池组作了定义。一级电池组：由多个单体电池组成的电池组；二级电池组：由多个一级电池组组成的电池组；三级电池组：由多个二级电池组组成的电池组；电池包：由多个一级电池组、二级电池组或三级电池组组成的对外进行供电的最终电池组[3-4]。

电池组的连接方式从原理上讲，有三种方案可供选择：

1）先串后并式。把180个单体电池串联组成一级电池组，其容量为576 V、3000 mAh，再把164个一级电池组并联组成576 V、492 Ah的电池包。

2）先并后串式。把164个单体电池并联组成一级电池组，其容量为3.2 V、492 Ah，再把180个一级电池组串联组成576 V、492 Ah的电池包。

3）串并联混接式。这种有多种连接方式：并串串并、串并并串、并串并串、串并串并等。下面介绍并串串并、串并并串两种连接方式。

①并串串并。把41个单体电池并联成一级电池组，其容量为3.2 V、123 Ah，再把30个一级电池组串联组成96 V、123 Ah的二级电池组；再把6个二级电池组串联组成576 V、123 Ah的三级电池组。最后把4个三级电池组并联组成576 V、492 Ah的电池包。

②串并并串。把30个单体电池串联起来成一级电池组，其容量为96 V、3 Ah，再把41个一级电池组并联组成了96 V、123 Ah的二级电池组，再把4个二级电池组并联成96 V、492 Ah的三级电池组。最后把6组三级电池组串联起来组成576 V、492 Ah的总电池组。

不同连接方式下的电池包的内阻输出特性（每个单体电池的内阻为30 mΩ）：

1）先串后并式。内阻R=30×180÷164=32.93 mΩ。

2）先并后串式。内阻R=30÷164×180=32.93 mΩ。

3）串并联混接式的电池包内阻计算结果也是32.93 mΩ。

因此，计算结果显示，各种不同连接方式的电池包的输出特性，在参数理论上是一样的[5-6]。

3 单体电池损坏对电池包性能的影响

下面就不同连接方式，单体电池损坏对电池包输出特性的影响进行计算分析。单体电池损坏最极端的两种形式是电池内部断路或短路。

3.1 先串后并式

1）假设第一组一级电池组中有一个电池单元发生内部断路，此时第一组一级电池组呈开路状态，不参加工作，其输出电压为0，内阻为∞，电池包由其余163个一级电池组并联供电，电池包电压U=576 V;内阻R=30×180÷163=33.13 mΩ，内阻增加了0.6%；容量为3000 mAh×163=489 Ah，减少了0.6%。这种情况下电池包还是可以正常工作的，只不过容量略有减少，内阻略有增加。

2）假设第一组一级电池组中有一个电池单元发生内部短路，此时第一组一级电池组将由180个电池串联变成179个电池串联，输出电压降为572.8 V，内阻为30×179=5370 mΩ。此一级电池组与其他163个一级电池组并联后因为电压不同，将造成其他电池组对其进行充电，第一组一级电池组电压将逐渐升高，直到第一组一级电池组与其他电池组电压相等时才停止充电，此时总电压将略有下降（估算值为575.98 V），总内阻为5400÷163=33.13 mΩ 与 5370 mΩ 并联值为 32.93 mΩ，内阻基本不变。

充电电流从开始短路时的起始充电电流（最大值）逐渐下降至0，起始充电电流为（576-572.8）V÷（30 mΩ×179+30 mΩ×180÷163）=3.2 V÷（5370+33.13）mΩ=0.59 A。

以上两种情况对电池组的输出特性基本没有影响，由于电池本身的性能存在误差，这种故障甚至在仪表上都发现不了。但如果有多个电池单元出现故障，影响就大了[7]。

3.2 先并后串式

1）假设第一组一级电池组中有一个电池单元发生内部断路，此时第一组一级电池组由164个电池并联变成163个电池并联，此时一级电池组电压仍为3.2 V，内阻变为30 mΩ÷163=0.184 mΩ，与其他一级电池组串联后总内阻为30÷164×179+0.184=32.93 mΩ，内阻基本不变，总电压576 V不变。第一组一级电池组容量减为489 Ah,电池包容量只得按第一组一级电池组计。

2）假设第一组一级电池组中有一个电池单元发生内部短路，此时第一组一级电池组都呈短路状态，其输出电压为0，内阻为0。与其他一级电池组串联后总电压为3.2×179=572.8 V，电压减少了0.56%；内阻为30÷164×179=32.74 mΩ，内阻减少了0.58%。

以上两种情况对电池组的输出特性影响很小，但同样如有多个电池单元发生故障，则影响就大了。

3.3 串并联混接式

当单体电池发生故障后的计算比较复杂，但其计算结果表示：一个单体电池发生故障后，对整个电池组输出特性的影响仍较小，电池组还可以正常工作。但多个电池单元发生故障，影响同样变大。

3.4 单体电池损坏对电池组本身造成的影响

电池组中，某一个单体电池的损坏对整个电池包输出特性的影响很小，电池包照样可正常工作，但这个单体电池的损坏对电池组本身的影响对于某些连接方式却非常严重。

1）先串后并式。单体电池内部断路时，这个电池所在的一级电池组呈开路状态，这个一级电池组不工作，对电池组没有影响。单体电池内部短路时，这个电池所在的一级电池组电压降低，其余电池组对这个一级电池组进行充电，最大充电电流为0.59 A，电压平衡后就不再充电，对电池组也不会造成影响。

2）先并后串式。单体电池内部断路时，这个电池所在的一级电池组少一个电池参与工作，对电池组本身没有影响。单体电池内部短路时，这个电池电压为0，内阻为0，这个电池所在的一级电池组的其余电池就会对这个损坏的电池进行放电，其理论最大放电电流为3.2 V÷（30 mΩ÷163）=17387 A，这么强大的电流瞬间流过这个损坏的电池势必造成电池熔化起火，从而造成火灾事故。

3）串并联混接式。如果一级电池组是先串后并，其单体电池发生故障后，对电池组也不会造成什么影响。如果一级电池组是先并后串，当单体电池内部断路时，对电池组本身没有影响。但当单体电池内部短路时，这个一级电池组的其他电池就会对这个损坏的电池进行放电，理论上最大放电电流为3.2 V÷（30 mΩ÷40）=4267 A，这么大的电流也足以使这个损坏的电池熔化起火。如有多个电池单元发生故障，分析情况同上。

4 纯电动城市客车自燃火灾事故分析

2010年1月7日凌晨，乌鲁木齐市纯电动城市客车自燃起火，根据乌鲁木齐市消防支队的火灾事故调查报告分析其电池电路连接方式为先并后串式。调查报告中部分内容如下：公司生产的磷酸铁锂电池，电动车的技术配置要求为动力电池容量≥500 Ah，动力调查寿命＞2000次，百公里耗电量不超过120 kW·h，日充电量不大于5 h，可行驶200 km。车辆参数：车辆外形尺寸12.00 m×2.55 m×3.30 m，座位数34个，最大乘员66人，整车最大总质量18000 kg，最高车速80 km/h，电池组工作电流300 A，额定电压600 VDC，每辆车装有11只电池组箱，共计176块锂电池，分布在车厢两侧下部，每组电池箱和箱内电池均为串联布设；车辆工作原理是将580 V直流电逆变成380 V交流电带动驱动电机起动车辆行驶[8]。

可见其中176块电池是串联连接的，而每块电池中的单体电池是通过并联连接的。要达到500 Ah的容量，就必须要有166个单体电池并联才能达到。

另据报导，某公司的电池供应商是某某公司，而从网上收集到的资料显示，某某公司生产的500 Ah模块肯定是由很多个单体电池并联而成的。

2011年7月18日，发生自燃的上海825路城市客车的电池也是由某某公司生产的，其电池结构与乌鲁木齐市的纯电动城市客车所用的相同。

因单体电池的一致性很难控制，单体电池的性能（电压、内阻）不可能完全一样。当多个单体电池并联连接后，因电池组内部不可能增加均衡器，电流就不会平均分配，单体电池的充放电电流就有差别；随着使用时间的增加，电池要发生衰减，而每个单体电池的衰减程度不一样，这样就造成了单体电池间的更加不平衡，单体电池的充放电电流的差别有可能增大。当某个单体电池的充放电电流过大时，会造成其温升过高，从而使这个单体电池发生损坏。

当因各种原因（发热、变形等）造成单体电池内部短路时，这块电池组中的其余电池就会向这个内部短路的电池进行放电，而放电电流理论上可达上万A，从而造成电池组瞬间自燃起火。

上述两起电动车电池自燃起火的根本原因，可能是由于电池组采用先并后串式的连接方式而有电池单元发生故障造成的[9]。

在正常情况下，不同连接方式的电池包的输出特性一样，但厂家要采用先并后串式的连接方式主要有三个原因。

1）电压安全问题。因整车要求的电池包电压高、容量大，其重量达2 t多，体积也很大，不可能由电池厂提供整体电池组，但是要把29520个单体电池提供给汽车厂，由汽车厂自己组装成576 V、492 Ah的电池组也是不现实的。一般情况下，由电池厂提供电池组，再由汽车厂在组装整车时，将这些电池组安装固定到车上，再用电源线将这些电池组连接成整车所需的电池包规格。而电池厂在组装电池组时，考虑到国家规定的安全电压等级（最高为42 V）及电池组在生产、储存、运输过程中的安全电压要求，做成低电压的电池组是理所当然的了，因而形成了先并后串式的连接方式。

2）电池组分装的时候用先并后串式的连接方式工艺比较简单，所用零部件较少。

3）因电池组是安装在汽车的不同地方，如采用先并后串式的连接方式，只需用一根电源线串起来就可以，接线比较简单；如果采用先串后并式的连接方式，要用很多根电源线进行并接，接线十分复杂，而串并联混接式的接线也很复杂。

先并后串式的连接方式虽然简单，但造成的事故隐患是在单体电池一旦发生故障造成内部短路时，将造成电池组瞬间自燃起火。据了解，国内有多个厂家的一级电池组仍在使用先并后串的连接方式，相当于给电动车埋了一颗定时炸弹，说不定哪天就会发生爆炸，应该引起大家的足够重视。

5 解决对策

1）电池组采用先串后并的连接方式。根据本文的分析可知，先并后串的连接方式是电池连接的大忌，它虽然在施工上是最简单的，但事故隐患是最大的。首选方案是采用先串后并的连接方式，它虽然在施工上要复杂得多，但它是最安全的连接方式。如果考虑到电池组在储存、运输过程中的安全要求而要做成安全电压的话，宜采用串并联混接式的连接方式，但在一级电池组内，一定要做成先串后并式的连接方式，如图1所示。这样才能防止电池组自燃火灾事故的发生。图1连接说明，先把15个单体电池串联连接成一个48 V、3 Ah的一级电池组，再把164个一级电池组并联连接成48 V、492 Ah的二级电池组提供给汽车厂。在汽车厂只要把12组48 V、492 Ah的二级电池组串联成476 V、492 Ah的总电池组，这样既达到了安全的要求，又使接线简单、方便。使用先串后并的连接方式后，即使在使用过程中单体电池发生故障造成内部短路时，也不会引起电池组自燃起火，完全可以避免上述火灾事故的发生。

2）采用大容量的动力电池。采用大容量的电池进行串联连接。国内有些厂家已经试制出100 Ah、200 Ah、400 Ah的大容量磷酸铁锂单体电池，用大容量电池能完全消除因电池并联造成的事故隐患。使用大容量动力电池还有一个好处就是电池管理系统可以对每一个电池进行监测管理，原来使用的26650单体电池一辆车有29520个，最好的电池管理系统也不可能对接近3万个电池进行逐一管理[10]。

[1]贾广华，刘宏星.纯电动公交车自燃火灾事故调查[J].消防科学与技术，2010，29（7）

[2]王丽歌.上海纯电动公交自燃电池瓶颈考验新能源车政策方向[N].第一财经日报，2011-07-20.

[3]桂长清.蓄电池组的连接方式与可靠性[J].通信电源技术，2000，（1）

[4]王震坡，孙逢春.电动汽车电池组连接方式研究[J].电池，2004，34（4）

[5]王震坡，孙逢春.电动汽车电池组连接可靠性及不一致性研究[J].车辆与动力技术，2002，（4）

[6]刘险峰，邹积岩，李立伟.大容量蓄电池组的连接方式[J].吉林大学学报：工学版，2007，37（3）

[7]张亮，郭秀红.纯电动大客车电池容量的匹配算法及Matlab仿真[J].公路与汽运，2011，（4）

[8]EBB沫一.电池燃烧事件的警示[EB/OL].全球电动车网，2011-06-21.

[9]何芳，张恺惟.电动车“自燃”：被忽视的电池准入制度[N].21世纪经济报道，2011-08-03.

[10]刘保杰，王艳，殷天明.电动汽车电池管理系统[J].电气自动化，2010，32（1）