純電動汽車并聯式電池模組分析*

薛冰 劉博良

（燕京理工學院）

隨著環境問題的日益嚴峻，對于清潔能源的研究迫在眉睫。電池模組作為純電動汽車的主流電源，在不同溫度下，電池的充放電狀態是不同的；隨著電路的運轉，內部能量也是實時變化的。這時就需要一個可以兼容各種工況，對各種狀態下電路變化進行實時監控的元件，實現對能量的協調。現行工藝生產的電池普遍存在性能不一致性，將電池串聯會在內阻和電流上產生誤差，個別電池的老化和故障也會影響整個電池模組。通過建立動力電池檢測系統檢測每一個單體電池，才便于誤差的控制[1]。文章通過分析現階段并聯式電池模組的開發現狀，對并聯式電池模組進行了總結分析。

1 并聯式電池模組

1.1 傳統并聯式電池模組

傳統并聯式電池模組是由單體電池并聯后組成的電池包加以串聯而成的電池模組，這種電池模組存在三大弊端[2]。

1）當串聯電池包有1個不工作時，整個電池內部相當于斷路，整個電池組都會停止運轉，嚴重時則會引發交通事故。串聯電路不適合用在非常重要可靠的工作回路中，在汽車動力電池中使用串聯回路很大程度上會加大研發量，這也是文章著重提出要改進這一情況的原因。改進方法是徹底摒棄在電池模組中使用串聯形式以增大電池容量，控制電壓。

2）當電池包內有1個單體電池不工作時，整個電池包的參數都會發生改變，對汽車的性能會有非常大的影響。電池是電動汽車最昂貴的一部分，由于電池包都是封閉狀態，這時就需要層層拆解，然后逐一檢查，從而對電池進行維護或者修理，這樣會加大工作量和工作難度。

3）電源電壓受外界環境和電池老化問題的影響會發生改變。當電池處于特殊環境，如超低溫環境和高溫環境，其內阻和電壓會產生變化，使工況變得不穩定。工況變化會使電壓的控制變得困難復雜。

1.2 并聯式電池模組的電池均衡

同并聯式電池模組的電池均衡控制一樣，傳統燃油汽車空燃比的控制也會受到很多外界干擾因素影響，比如不同地區的含氧量、氣缸溫度、油氣混合程度和汽油質量等。在某一恒定的工況下，汽車長時間運行，空燃比的控制方式會隨外界環境變化主動發生改變。在電動汽車中，電池管理系統（BMS）為了修正外界干擾因素的影響，都是以能量消耗為前提的。汽車的磨損會隨著使用年限的增長而增加，為了平衡掉這一部分磨損引起的誤差，所消耗的能量也是與日俱增。不難看出，這和零件磨損的浴盆型曲線是大不相同的[3]。

BMS可以有效地對單個小電池進行管理和檢測，所以文章不對BMS做詳細介紹，只針對電池外部的并聯結構做設計。

當電池電量在20%～90%時，電池的充放電使用壽命可以達到最大值。也就是說BMS的合理運用不僅可以起到監管控制單體電池的作用，還可以起到延長單體電池壽命的作用。當電路電壓異常時，又可以起到平衡電壓的作用，從而保證其他元件的正常工作狀態。

1.3 反饋數據的必要性

在燃油汽車中，修正因數是一個非常重要的因數。實際工作過程中，汽車會遇到各種不同的路況和外界變量。一臺汽車的好壞就在于是否能在各種情況下做出充分的反應，使其工況變為最佳工況。通常一個因數的修正需要很多傳感器同時工作，確定外界的真實情況，加以修正。純電動車傳感器反饋信號影響示意圖，如圖1所示。在電動汽車這個移動智能化空間中，更加能體現出這些因數的修正依靠于很多外界變化因數的收集反饋。

圖1 純電動車傳感器反饋信號影響示意圖

外界因素會改變原有部件所需要的電壓、電流、溫度和濕度等因數。這些因數的改變會導致工作部件無法充分發揮其應有的功能，BMS同樣無法避免。這就需要強大的調節控制器，不會隨外界因素變化而產生變化或者變化極小可以忽略不計。當然，這也是處于研究中的一個問題。

反饋信號在新能源電池模組上就相當于汽車上的空燃比修正參數，需要傳感器來收集，并通過ECU進行處理，傳達給BMS等執行器進行修正。

2 電容式并聯電池模組設計

2.1 電容式并聯電池模組

由單體電池組成，單體電池全部通過電容器并聯連接，充電和放電由BMS控制并且由電容板與外界相連的電池模組，稱為電容式并聯電池模組[4]。

傳統并聯式電池模組是由單體電池并聯組成電池包后串聯組成的。這種電池模組工作時，所有單體電池一起工作，所有電池包一起工作。當單體電池或者電池包發生故障時就會對其他電路元件產生影響，這樣會降低汽車的整體性能，縮短電池組的使用壽命。

電容式并聯電池模組將所有單體電池通過電容并聯起來，這樣電池包串聯所產生的負面影響就可以得到消除。電池包串聯可以將小電池包的電壓直接相加，從而得到一個大的電壓，針對這一點，電容式并聯電池模組添加了一個電容器，使得所有的單體電池產生的電壓可以組合成一個整體的電壓。同時電容式并聯電池模組還具備一些新的優點：1）電壓可調；2）單體電池工作可選；3）輸出電壓更加穩定；4）單體電池故障便于維修；5）充電放電對象精確到單體電池[5]。

單體電池電容大小（C/F）為：

式中：ε——常數，取1；

S——極板間的正對面積，m2；

d——電容極板間的距離，m；

k——靜電力常量，k=9.0×109N·m2/C2。

S，d為變量，也就是說可以通過改變極板間的正對面積和極板間距來改變單體電池放電量的大小。

將n個電池并聯起來產生的總電容等于每個單體電池電容之和，并且它的耐壓值不變，總電容為（C總/F）：

電容器電勢能（E/J），如式（3）所示。

式中：U——電源電壓，V。

將式（2）代入式（3）中，得到：

由此可在并聯形式下將每個單體電池的電壓如串聯一樣集合到一起，達到預期目的。

從式（4）可以看出，E隨著S的增大而增大，隨著d的增大而減小，隨著U的增大而呈平方形式增長。

該電池模組可以有效解決傳統并聯式電池模組電池包串聯時，1個電池包發生問題會導致整個電路不穩定的問題。

2.2 電容式并聯電池模組的控制方式

電容式并聯電池模組可以通過控制2個極板的正對面積、距離和選擇電池工作來實現很多傳統電池模組難以實現的控制。

2.2.1 控制2個極板的正對面積

2個極板間的正對面積有2個功用：一是控制電壓大小，二是控制該單體電池是否工作。2個極板的正對面積越大，則單體電池放電量越大；反之則單體電池放電量越小。

在式（4）中，當某個極板的相對面積為0時，則該極板和電容之間沒有建立起聯系，該極板不工作[6]。

在蓄電池控制系統中，如果檢測到某一單體電池發生故障或者電量為0時，可以通過執行器改變極板間正對面積S，使某一單體電池停止工作。當需求大電量或者小電量時，也可以通過調節極板正對面積S，改變輸出電壓，達到電源電量可調可控的目的。

2.2.2 控制2個極板的間距

2個極板的間距也是一個非常重要的因數。在式（4）中，控制某一單體電池極板間距的大小，可以實現對某一單體電池放電量大小的控制。當單體電池壽命減小時，內阻增大，電壓減小，通過調整極板間距可以控制其電量輸出達到正常水平。其在汽油機中相當于一個修正量或者控制量。

2.2.3 選擇工作單體電池

傳統并聯式電池模組中所有單體電池都參與工作，這樣一直工作整體熱量就會持續上升。而在電容式電池模組中，可以選擇讓某個單體電池工作一定時間后先散熱，使單體電池電量保持在20%以上，讓其他電池工作，起到增加電池壽命的作用。

電容式并聯電池模組可以使電池的充放電更加智能化，達到通過ECU精確控制每一個單體電池充放電的功效。

2.3 電容式并聯電池模組極板控制概念圖總體解述

圖2示出ECU控制極板控制器。極板控制器控制極板相對面積以及單個極板和大極板間的距離，從而調節電壓大小，控制某個單體電池的工作狀態；電源控制器檢測每一個單體電池的狀態，并反饋給ECU；ECU根據電池狀態和外界環境需求，計算后將信號傳達給極板控制器，從而達到不斷修正，改變電池向外釋放電壓的大小或者充電狀態的目的。

圖2 純電動汽車電容式并聯電池模組極板控制示意圖

電容式并聯電池模組的優點有：1）解決了傳統電池包并聯的“木桶短板”問題；2）解決了電源老化及外界環境變化所引起的電壓不穩定問題；3）通過電池輪流工作，解決了電池長時間工作升溫導致電池壽命減少的問題；4）通過具有電池監測反饋作用的電源控制器，實現了對每一個單體電池的監控把關，能夠更加精確合理地利用能量。

3 結論

電容式并聯電池模組最獨特的地方就在于對單體電池的控制。在本研究中，電容器作用之前需要一個逆變器將電池的直流電轉變為交流電，再將交流電在電容器作用之后變為直流電。由于逆變器的不同，其控制的電量損耗也存在差別，因此選擇合適的逆變器可以提高電容式電池模組的性能，如何選取更加合適的逆變器是之后要研究的重要課題。