薛冰 劉博良

（燕京理工學(xué)院）

隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，對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影響整個(gè)電池模組。通過建立動(dòng)力電池檢測系統(tǒng)檢測每一個(gè)單體電池，才便于誤差的控制[1]。文章通過分析現(xiàn)階段并聯(lián)式電池模組的開發(fā)現(xiàn)狀，對并聯(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)電池組都會停止運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)則會引發(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)都會發(fā)生改變，對汽車的性能會有非常大的影響。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，從而對電池進(jìn)行維護(hù)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(huán)境和電池老化問題的影響會發(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)阻和電壓會產(chǎn)生變化，使工況變得不穩(wěn)定。工況變化會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，汽車長時(shí)間運(yùn)行，空燃比的控制方式會隨外界環(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(gè)小電池進(jìn)行管理和檢測，所以文章不對BMS做詳細(xì)介紹，只針對電池外部的并聯(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(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(shù)。這些因數(shù)的改變會導(dǎo)致工作部件無法充分發(fā)揮其應(yīng)有的功能，BMS同樣無法避免。這就需要強(qiáng)大的調(diào)節(jié)控制器，不會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)問題。

反饋信號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)，需要傳感器來收集，并通過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)就會對其他電路元件產(chǎn)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(lián)電池模組將所有單體電池通過電容并聯(lián)起來，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）充電放電對象精確到單體電池[5]。

單體電池電容大?。–/F）為：

式中：ε——常數(shù)，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(gè)電池并聯(lián)起來產(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。

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)生問題會導(dǎo)致整個(gè)電路不穩(wěn)定的問題。

2.2 電容式并聯(lián)電池模組的控制方式

電容式并聯(lián)電池模組可以通過控制2個(gè)極板的正對面積、距離和選擇電池工作來實(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)極板的正對面積

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

在蓄電池控制系統(tǒng)中，如果檢測到某一單體電池發(fā)生故障或者電量為0時(shí)，可以通過執(zhí)行器改變極板間正對面積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)，也可以通過調(diào)節(jié)極板正對面積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)定問題；3）通過電池輪流工作，解決了電池長時(shí)間工作升溫導(dǎo)致電池壽命減少的問題；4）通過具有電池監(jiān)測反饋?zhàn)饔玫碾娫纯刂破鳎瑢?shí)現(xiàn)了對每一個(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?。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。