纯电动汽车并联式电池模组分析*

薛冰 刘博良

（燕京理工学院）

随着环境问题的日益严峻，对于清洁能源的研究迫在眉睫。电池模组作为纯电动汽车的主流电源，在不同温度下，电池的充放电状态是不同的；随着电路的运转，内部能量也是实时变化的。这时就需要一个可以兼容各种工况，对各种状态下电路变化进行实时监控的元件，实现对能量的协调。现行工艺生产的电池普遍存在性能不一致性，将电池串联会在内阻和电流上产生误差，个别电池的老化和故障也会影响整个电池模组。通过建立动力电池检测系统检测每一个单体电池，才便于误差的控制[1]。文章通过分析现阶段并联式电池模组的开发现状，对并联式电池模组进行了总结分析。

1 并联式电池模组

1.1 传统并联式电池模组

传统并联式电池模组是由单体电池并联后组成的电池包加以串联而成的电池模组，这种电池模组存在三大弊端[2]。

1）当串联电池包有1个不工作时，整个电池内部相当于断路，整个电池组都会停止运转，严重时则会引发交通事故。串联电路不适合用在非常重要可靠的工作回路中，在汽车动力电池中使用串联回路很大程度上会加大研发量，这也是文章着重提出要改进这一情况的原因。改进方法是彻底摒弃在电池模组中使用串联形式以增大电池容量，控制电压。

2）当电池包内有1个单体电池不工作时，整个电池包的参数都会发生改变，对汽车的性能会有非常大的影响。电池是电动汽车最昂贵的一部分，由于电池包都是封闭状态，这时就需要层层拆解，然后逐一检查，从而对电池进行维护或者修理，这样会加大工作量和工作难度。

3）电源电压受外界环境和电池老化问题的影响会发生改变。当电池处于特殊环境，如超低温环境和高温环境，其内阻和电压会产生变化，使工况变得不稳定。工况变化会使电压的控制变得困难复杂。

1.2 并联式电池模组的电池均衡

同并联式电池模组的电池均衡控制一样，传统燃油汽车空燃比的控制也会受到很多外界干扰因素影响，比如不同地区的含氧量、气缸温度、油气混合程度和汽油质量等。在某一恒定的工况下，汽车长时间运行，空燃比的控制方式会随外界环境变化主动发生改变。在电动汽车中，电池管理系统（BMS）为了修正外界干扰因素的影响，都是以能量消耗为前提的。汽车的磨损会随着使用年限的增长而增加，为了平衡掉这一部分磨损引起的误差，所消耗的能量也是与日俱增。不难看出，这和零件磨损的浴盆型曲线是大不相同的[3]。

BMS可以有效地对单个小电池进行管理和检测，所以文章不对BMS做详细介绍，只针对电池外部的并联结构做设计。

当电池电量在20%～90%时，电池的充放电使用寿命可以达到最大值。也就是说BMS的合理运用不仅可以起到监管控制单体电池的作用，还可以起到延长单体电池寿命的作用。当电路电压异常时，又可以起到平衡电压的作用，从而保证其他元件的正常工作状态。

1.3 反馈数据的必要性

在燃油汽车中，修正因数是一个非常重要的因数。实际工作过程中，汽车会遇到各种不同的路况和外界变量。一台汽车的好坏就在于是否能在各种情况下做出充分的反应，使其工况变为最佳工况。通常一个因数的修正需要很多传感器同时工作，确定外界的真实情况，加以修正。纯电动车传感器反馈信号影响示意图，如图1所示。在电动汽车这个移动智能化空间中，更加能体现出这些因数的修正依靠于很多外界变化因数的收集反馈。

图1 纯电动车传感器反馈信号影响示意图

外界因素会改变原有部件所需要的电压、电流、温度和湿度等因数。这些因数的改变会导致工作部件无法充分发挥其应有的功能，BMS同样无法避免。这就需要强大的调节控制器，不会随外界因素变化而产生变化或者变化极小可以忽略不计。当然，这也是处于研究中的一个问题。

反馈信号在新能源电池模组上就相当于汽车上的空燃比修正参数，需要传感器来收集，并通过ECU进行处理，传达给BMS等执行器进行修正。

2 电容式并联电池模组设计

2.1 电容式并联电池模组

由单体电池组成，单体电池全部通过电容器并联连接，充电和放电由BMS控制并且由电容板与外界相连的电池模组，称为电容式并联电池模组[4]。

传统并联式电池模组是由单体电池并联组成电池包后串联组成的。这种电池模组工作时，所有单体电池一起工作，所有电池包一起工作。当单体电池或者电池包发生故障时就会对其他电路元件产生影响，这样会降低汽车的整体性能，缩短电池组的使用寿命。

电容式并联电池模组将所有单体电池通过电容并联起来，这样电池包串联所产生的负面影响就可以得到消除。电池包串联可以将小电池包的电压直接相加，从而得到一个大的电压，针对这一点，电容式并联电池模组添加了一个电容器，使得所有的单体电池产生的电压可以组合成一个整体的电压。同时电容式并联电池模组还具备一些新的优点：1）电压可调；2）单体电池工作可选；3）输出电压更加稳定；4）单体电池故障便于维修；5）充电放电对象精确到单体电池[5]。

单体电池电容大小（C/F）为：

式中：ε——常数，取1；

S——极板间的正对面积，m2；

d——电容极板间的距离，m；

k——静电力常量，k=9.0×109N·m2/C2。

S，d为变量，也就是说可以通过改变极板间的正对面积和极板间距来改变单体电池放电量的大小。

将n个电池并联起来产生的总电容等于每个单体电池电容之和，并且它的耐压值不变，总电容为（C总/F）：

电容器电势能（E/J），如式（3）所示。

式中：U——电源电压，V。

将式（2）代入式（3）中，得到：

由此可在并联形式下将每个单体电池的电压如串联一样集合到一起，达到预期目的。

从式（4）可以看出，E随着S的增大而增大，随着d的增大而减小，随着U的增大而呈平方形式增长。

该电池模组可以有效解决传统并联式电池模组电池包串联时，1个电池包发生问题会导致整个电路不稳定的问题。

2.2 电容式并联电池模组的控制方式

电容式并联电池模组可以通过控制2个极板的正对面积、距离和选择电池工作来实现很多传统电池模组难以实现的控制。

2.2.1 控制2个极板的正对面积

2个极板间的正对面积有2个功用：一是控制电压大小，二是控制该单体电池是否工作。2个极板的正对面积越大，则单体电池放电量越大；反之则单体电池放电量越小。

在式（4）中，当某个极板的相对面积为0时，则该极板和电容之间没有建立起联系，该极板不工作[6]。

在蓄电池控制系统中，如果检测到某一单体电池发生故障或者电量为0时，可以通过执行器改变极板间正对面积S，使某一单体电池停止工作。当需求大电量或者小电量时，也可以通过调节极板正对面积S，改变输出电压，达到电源电量可调可控的目的。

2.2.2 控制2个极板的间距

2个极板的间距也是一个非常重要的因数。在式（4）中，控制某一单体电池极板间距的大小，可以实现对某一单体电池放电量大小的控制。当单体电池寿命减小时，内阻增大，电压减小，通过调整极板间距可以控制其电量输出达到正常水平。其在汽油机中相当于一个修正量或者控制量。

2.2.3 选择工作单体电池

传统并联式电池模组中所有单体电池都参与工作，这样一直工作整体热量就会持续上升。而在电容式电池模组中，可以选择让某个单体电池工作一定时间后先散热，使单体电池电量保持在20%以上，让其他电池工作，起到增加电池寿命的作用。

电容式并联电池模组可以使电池的充放电更加智能化，达到通过ECU精确控制每一个单体电池充放电的功效。

2.3 电容式并联电池模组极板控制概念图总体解述

图2示出ECU控制极板控制器。极板控制器控制极板相对面积以及单个极板和大极板间的距离，从而调节电压大小，控制某个单体电池的工作状态；电源控制器检测每一个单体电池的状态，并反馈给ECU；ECU根据电池状态和外界环境需求，计算后将信号传达给极板控制器，从而达到不断修正，改变电池向外释放电压的大小或者充电状态的目的。

图2 纯电动汽车电容式并联电池模组极板控制示意图

电容式并联电池模组的优点有：1）解决了传统电池包并联的“木桶短板”问题；2）解决了电源老化及外界环境变化所引起的电压不稳定问题；3）通过电池轮流工作，解决了电池长时间工作升温导致电池寿命减少的问题；4）通过具有电池监测反馈作用的电源控制器，实现了对每一个单体电池的监控把关，能够更加精确合理地利用能量。

3 结论

电容式并联电池模组最独特的地方就在于对单体电池的控制。在本研究中，电容器作用之前需要一个逆变器将电池的直流电转变为交流电，再将交流电在电容器作用之后变为直流电。由于逆变器的不同，其控制的电量损耗也存在差别，因此选择合适的逆变器可以提高电容式电池模组的性能，如何选取更加合适的逆变器是之后要研究的重要课题。