純電動(dòng)汽車并聯(lián)式電池模組分析*

薛冰 劉博良

（燕京理工學(xué)院）

隨著環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，對(duì)于清潔能源的研究迫在眉睫。電池模組作為純電動(dòng)汽車的主流電源，在不同溫度下，電池的充放電狀態(tài)是不同的；隨著電路的運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)部能量也是實(shí)時(shí)變化的。這時(shí)就需要一個(gè)可以兼容各種工況，對(duì)各種狀態(tài)下電路變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的協(xié)調(diào)。現(xiàn)行工藝生產(chǎn)的電池普遍存在性能不一致性，將電池串聯(lián)會(huì)在內(nèi)阻和電流上產(chǎn)生誤差，個(gè)別電池的老化和故障也會(huì)影響整個(gè)電池模組。通過(guò)建立動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)每一個(gè)單體電池，才便于誤差的控制[1]。文章通過(guò)分析現(xiàn)階段并聯(lián)式電池模組的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀，對(duì)并聯(lián)式電池模組進(jìn)行了總結(jié)分析。

1 并聯(lián)式電池模組

1.1 傳統(tǒng)并聯(lián)式電池模組

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

1）當(dāng)串聯(lián)電池包有1個(gè)不工作時(shí)，整個(gè)電池內(nèi)部相當(dāng)于斷路，整個(gè)電池組都會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)引發(fā)交通事故。串聯(lián)電路不適合用在非常重要可靠的工作回路中，在汽車動(dòng)力電池中使用串聯(lián)回路很大程度上會(huì)加大研發(fā)量，這也是文章著重提出要改進(jìn)這一情況的原因。改進(jìn)方法是徹底摒棄在電池模組中使用串聯(lián)形式以增大電池容量，控制電壓。

2）當(dāng)電池包內(nèi)有1個(gè)單體電池不工作時(shí)，整個(gè)電池包的參數(shù)都會(huì)發(fā)生改變，對(duì)汽車的性能會(huì)有非常大的影響。電池是電動(dòng)汽車最昂貴的一部分，由于電池包都是封閉狀態(tài)，這時(shí)就需要層層拆解，然后逐一檢查，從而對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)或者修理，這樣會(huì)加大工作量和工作難度。

3）電源電壓受外界環(huán)境和電池老化問(wèn)題的影響會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)電池處于特殊環(huán)境，如超低溫環(huán)境和高溫環(huán)境，其內(nèi)阻和電壓會(huì)產(chǎn)生變化，使工況變得不穩(wěn)定。工況變化會(huì)使電壓的控制變得困難復(fù)雜。

1.2 并聯(lián)式電池模組的電池均衡

同并聯(lián)式電池模組的電池均衡控制一樣，傳統(tǒng)燃油汽車空燃比的控制也會(huì)受到很多外界干擾因素影響，比如不同地區(qū)的含氧量、氣缸溫度、油氣混合程度和汽油質(zhì)量等。在某一恒定的工況下，汽車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，空燃比的控制方式會(huì)隨外界環(huán)境變化主動(dòng)發(fā)生改變。在電動(dòng)汽車中，電池管理系統(tǒng)（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(huì)隨著使用年限的增長(zhǎng)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(duì)單個(gè)小電池進(jìn)行管理和檢測(cè)，所以文章不對(duì)BMS做詳細(xì)介紹，只針對(duì)電池外部的并聯(lián)結(jié)構(gòu)做設(shè)計(jì)。

當(dāng)電池電量在20%～90%時(shí)，電池的充放電使用壽命可以達(dá)到最大值。也就是說(shuō)BMS的合理運(yùn)用不僅可以起到監(jiān)管控制單體電池的作用，還可以起到延長(zhǎng)單體電池壽命的作用。當(dāng)電路電壓異常時(shí)，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(tài)。

1.3 反饋數(shù)據(jù)的必要性

在燃油汽車中，修正因數(shù)是一個(gè)非常重要的因數(shù)。實(shí)際工作過(guò)程中，汽車會(huì)遇到各種不同的路況和外界變量。一臺(tái)汽車的好壞就在于是否能在各種情況下做出充分的反應(yīng)，使其工況變?yōu)樽罴压r。通常一個(gè)因數(shù)的修正需要很多傳感器同時(shí)工作，確定外界的真實(shí)情況，加以修正。純電動(dòng)車傳感器反饋信號(hào)影響示意圖，如圖1所示。在電動(dòng)汽車這個(gè)移動(dòng)智能化空間中，更加能體現(xiàn)出這些因數(shù)的修正依靠于很多外界變化因數(shù)的收集反饋。

圖1 純電動(dòng)車傳感器反饋信號(hào)影響示意圖

外界因素會(huì)改變?cè)胁考枰碾妷骸㈦娏鳌囟群蜐穸鹊纫驍?shù)。這些因數(shù)的改變會(huì)導(dǎo)致工作部件無(wú)法充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能，BMS同樣無(wú)法避免。這就需要強(qiáng)大的調(diào)節(jié)控制器，不會(huì)隨外界因素變化而產(chǎn)生變化或者變化極小可以忽略不計(jì)。當(dāng)然，這也是處于研究中的一個(gè)問(wèn)題。

反饋信號(hào)在新能源電池模組上就相當(dāng)于汽車上的空燃比修正參數(shù)，需要傳感器來(lái)收集，并通過(guò)ECU進(jìn)行處理，傳達(dá)給BMS等執(zhí)行器進(jìn)行修正。

2 電容式并聯(lián)電池模組設(shè)計(jì)

2.1 電容式并聯(lián)電池模組

由單體電池組成，單體電池全部通過(guò)電容器并聯(lián)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(lián)電池模組[4]。

傳統(tǒng)并聯(lián)式電池模組是由單體電池并聯(lián)組成電池包后串聯(lián)組成的。這種電池模組工作時(shí)，所有單體電池一起工作，所有電池包一起工作。當(dāng)單體電池或者電池包發(fā)生故障時(shí)就會(huì)對(duì)其他電路元件產(chǎn)生影響，這樣會(huì)降低汽車的整體性能，縮短電池組的使用壽命。

電容式并聯(lián)電池模組將所有單體電池通過(guò)電容并聯(lián)起來(lái)，這樣電池包串聯(lián)所產(chǎn)生的負(fù)面影響就可以得到消除。電池包串聯(lián)可以將小電池包的電壓直接相加，從而得到一個(gè)大的電壓，針對(duì)這一點(diǎn)，電容式并聯(lián)電池模組添加了一個(gè)電容器，使得所有的單體電池產(chǎn)生的電壓可以組合成一個(gè)整體的電壓。同時(shí)電容式并聯(lián)電池模組還具備一些新的優(yōu)點(diǎn)：1）電壓可調(diào)；2）單體電池工作可選；3）輸出電壓更加穩(wěn)定；4）單體電池故障便于維修；5）充電放電對(duì)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(shù)，取1；

S——極板間的正對(duì)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(shuō)可以通過(guò)改變極板間的正對(duì)面積和極板間距來(lái)改變單體電池放電量的大小。

將n個(gè)電池并聯(lián)起來(lái)產(chǎn)生的總電容等于每個(gè)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(shì)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(lián)形式下將每個(gè)單體電池的電壓如串聯(lián)一樣集合到一起，達(dá)到預(yù)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(zhǎng)。

該電池模組可以有效解決傳統(tǒng)并聯(lián)式電池模組電池包串聯(lián)時(shí)，1個(gè)電池包發(fā)生問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路不穩(wěn)定的問(wèn)題。

2.2 電容式并聯(lián)電池模組的控制方式

電容式并聯(lián)電池模組可以通過(guò)控制2個(gè)極板的正對(duì)面積、距離和選擇電池工作來(lái)實(shí)現(xiàn)很多傳統(tǒng)電池模組難以實(shí)現(xiàn)的控制。

2.2.1 控制2個(gè)極板的正對(duì)面積

2個(gè)極板間的正對(duì)面積有2個(gè)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(gè)極板的正對(duì)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(dāng)某個(gè)極板的相對(duì)面積為0時(shí)，則該極板和電容之間沒(méi)有建立起聯(lián)系，該極板不工作[6]。

在蓄電池控制系統(tǒng)中，如果檢測(cè)到某一單體電池發(fā)生故障或者電量為0時(shí)，可以通過(guò)執(zhí)行器改變極板間正對(duì)面積S，使某一單體電池停止工作。當(dāng)需求大電量或者小電量時(shí)，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)極板正對(duì)面積S，改變輸出電壓，達(dá)到電源電量可調(diào)可控的目的。

2.2.2 控制2個(gè)極板的間距

2個(gè)極板的間距也是一個(gè)非常重要的因數(shù)。在式（4）中，控制某一單體電池極板間距的大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一單體電池放電量大小的控制。當(dāng)單體電池壽命減小時(shí)，內(nèi)阻增大，電壓減小，通過(guò)調(diào)整極板間距可以控制其電量輸出達(dá)到正常水平。其在汽油機(jī)中相當(dāng)于一個(gè)修正量或者控制量。

2.2.3 選擇工作單體電池

傳統(tǒng)并聯(lián)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(huì)持續(xù)上升。而在電容式電池模組中，可以選擇讓某個(gè)單體電池工作一定時(shí)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(lián)電池模組可以使電池的充放電更加智能化，達(dá)到通過(guò)ECU精確控制每一個(gè)單體電池充放電的功效。

2.3 電容式并聯(lián)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(duì)面積以及單個(gè)極板和大極板間的距離，從而調(diào)節(jié)電壓大小，控制某個(gè)單體電池的工作狀態(tài)；電源控制器檢測(cè)每一個(gè)單體電池的狀態(tài)，并反饋給ECU；ECU根據(jù)電池狀態(tài)和外界環(huán)境需求，計(jì)算后將信號(hào)傳達(dá)給極板控制器，從而達(dá)到不斷修正，改變電池向外釋放電壓的大小或者充電狀態(tài)的目的。

圖2 純電動(dòng)汽車電容式并聯(lián)電池模組極板控制示意圖

電容式并聯(lián)電池模組的優(yōu)點(diǎn)有：1）解決了傳統(tǒng)電池包并聯(lián)的“木桶短板”問(wèn)題；2）解決了電源老化及外界環(huán)境變化所引起的電壓不穩(wěn)定問(wèn)題；3）通過(guò)電池輪流工作，解決了電池長(zhǎng)時(shí)間工作升溫導(dǎo)致電池壽命減少的問(wèn)題；4）通過(guò)具有電池監(jiān)測(cè)反饋?zhàn)饔玫碾娫纯刂破鳎瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)每一個(gè)單體電池的監(jiān)控把關(guān)，能夠更加精確合理地利用能量。

3 結(jié)論

電容式并聯(lián)電池模組最獨(dú)特的地方就在于對(duì)單體電池的控制。在本研究中，電容器作用之前需要一個(gè)逆變器將電池的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡賹⒔涣麟娫陔娙萜髯饔弥笞優(yōu)橹绷麟姟Ｓ捎谀孀兤鞯牟煌淇刂频碾娏繐p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。