電壓檢測(cè)電路對(duì)鋰離子電池組的影響

引 言

在鋰離子電池組的管理系統(tǒng)中，需要對(duì)電池組中單體電池的電壓進(jìn)行檢測(cè)?，F(xiàn)在應(yīng)用較多的是直接采樣法，不僅方法復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電池組的一致性也有影響。影響因素比較多，然而電路的影響不能忽略。本文作者通過一種實(shí)用的電壓檢測(cè)電路，分析電路對(duì)電池組性能的影響，利用電池模型分析了該影響產(chǎn)生的原因，提出了減小影響的方法。

實(shí)驗(yàn)

測(cè)量難點(diǎn)

電池組中電壓測(cè)量系統(tǒng)的難點(diǎn)在于：如何檢測(cè)出串聯(lián)電池組中每只單體電池的電壓，而這些電壓要相對(duì)于共同的參考地，這樣才便于電壓信號(hào)的采樣。鋰離子電池的安全電壓一般在2.7～4.2V，所以對(duì)于參考電壓為5V的A/D轉(zhuǎn)換來說，單體電池電壓正好在這范圍內(nèi)。如果參考地不是系統(tǒng)地，那么第n只電池的電壓將是前n只電池的電壓之和，這已經(jīng)超出了A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓范圍，所以通過電壓測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成相對(duì)于同一個(gè)參考地至關(guān)重要。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中采用了10只相同鋰離子電池，額定容量為3Ah ，電池組采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)電池組進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，來考查動(dòng)態(tài)過程中對(duì)鋰離子電池組的影響。在進(jìn)行電池組實(shí)驗(yàn)之前，先對(duì)單體電池進(jìn)行3次循環(huán)，使容量穩(wěn)定。電池組的充放電制度為：0.50C 恒流充電到42V，再用42V恒壓充電至電流減小到0.05C 為止；電池組0.50C恒流放電到30V。在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)單體電池的保護(hù)為：過充電保護(hù)4.35V，過放電保護(hù)2.50V。

本文作者設(shè)計(jì)了一種用于電池組的實(shí)用電壓測(cè)量電路，如圖1所示，它是由運(yùn)放組成的減法電路，每只電池電壓Vn′對(duì)應(yīng)于一個(gè)減法電路。Vn+為第n只電池正極相對(duì)于大地的電壓，Vn-為第n只電池負(fù)極相對(duì)于大地的電壓。

因?yàn)?0只鋰離子電池組的最高電壓約為42V，對(duì)于運(yùn)放來說，已經(jīng)超過了最高電壓，所以在減法電路中采用了電壓衰減，然后進(jìn)行放大的方法。因?yàn)榉糯蟛糠植捎玫亩际窍嗤姆糯蟊稊?shù)，所以可以放到模擬開關(guān)后，這樣整個(gè)檢測(cè)電路只需要一個(gè)放大電路，可以節(jié)省成本。

結(jié)果與討論

電池組循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際使用過程中，為了保證10倍電壓衰減的精度，電阻R采用33kΩ (1%精度) 。因?yàn)楦呔鹊拇箅娮栊枰獙ｉT訂做，而且貴。在實(shí)驗(yàn)中電池組的性能出現(xiàn)了明顯的衰退，如圖2所示。在前52次循環(huán)(0.5C充放電) 中，電池組中，單體電池的放電截止電壓出現(xiàn)了很大的差異，隨著循環(huán)的進(jìn)行，按次序“排隊(duì)”的現(xiàn)象比較明顯，而且在第30次循環(huán)左右，電池組還沒有放電到30V時(shí)，第1只電池的電壓就已經(jīng)處于過放電保護(hù)狀態(tài)，從而導(dǎo)致了電池組的放電終止，電池組容量突然減少。為了驗(yàn)證是檢測(cè)線上的漏電流所導(dǎo)致的，52次循環(huán)后，把電池組中的第1只和第10只電池進(jìn)行交換后，繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：第10只電池的放電終止電壓稍有下降，而第1只的放電終止電壓有了很大的提高；由于原來的第1只電池不再處于過放電保護(hù)狀態(tài)，而使第2只電池處于過放電保護(hù)狀態(tài)。以上實(shí)驗(yàn)說明：在電壓檢測(cè)電路中有一定的漏電流存在，對(duì)此進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如表1。

實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)電路得出：

式(3) 中：In為第n根檢測(cè)線上的漏電流。當(dāng)電阻R固定后，Vn+和Vn-越大，In越大，所以越是靠近電池組正極的檢測(cè)線的漏電流越大。

在充電過程中，回路中的充電電流經(jīng)過每一根檢測(cè)線，都要被電壓檢測(cè)電路分出去一部分電流，越接近電池組負(fù)極的電池，被分流的就越多，這樣在充電過程中，越靠近電池組正極的電池充電電流就越大。放電過程中也是同樣，越靠近電池組正極的電池放電電流越小。在整個(gè)循環(huán)中，靠近電池組正極的電池，充入的電量多，放出的電量少；而靠近電池組負(fù)極的電池充入的電量少，而放出的電量多，這就是造成電池組的不一致性的原因。隨著循環(huán)的進(jìn)行，不一致性加劇，即使電池的初始狀態(tài)一致，因累加效應(yīng)的存在，使電池組在循環(huán)的過程中因漏電流而出現(xiàn)不一致，盡管漏電流比較小，但是多根檢測(cè)線以及長(zhǎng)時(shí)間的累加，就會(huì)影響電池組的一致性。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)

為了減小漏電流，試驗(yàn)中采取增大輸入阻抗，即把電阻R變?yōu)?00kΩ(1%精度) ，因?yàn)榇笞柚惦娮璧木绕畋容^大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：漏電流明顯減小。將修改后的電壓檢測(cè)電路，按照上述的電池組實(shí)驗(yàn)制度做循環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖2相比，電壓檢測(cè)電路對(duì)電池組中單體電池的放電終止電壓的影響已經(jīng)小了很多，但是電池組中單體電池的放電終止電壓還是會(huì)出現(xiàn)按次序“排隊(duì)”的現(xiàn)象。

結(jié) 論

電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量減小因電路導(dǎo)致的電池組不一致，減小電壓檢測(cè)電路漏電流的方法有：①增加檢測(cè)電路的輸入阻抗，解決電阻對(duì)的匹配問題，比較適合于串?dāng)?shù)比較少和容量比較大的電池組；②在檢測(cè)回路中加入控制開關(guān)，減少漏電流的影響，但是這樣增加了電路的復(fù)雜性和成本，適合于串?dāng)?shù)比較多的電池組；③在電池組合的過程中，可使靠近電池組負(fù)極的電池的容量，稍大于靠近電池組正極的電池的容量，這樣有利于減小因電壓檢測(cè)電路所引起的電池組不一致。