一種串聯(lián)鋰電池電壓高精度測(cè)量方法研究與設(shè)計(jì)

廣東國(guó)光電子有限公司 夏 斌

鋰電池具有儲(chǔ)存能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電源的主要?jiǎng)恿﹄娫粗弧ｋ姵亟M通常由多個(gè)單體電芯串聯(lián)組成，由于鋰電池的生產(chǎn)工藝造成每個(gè)單體電芯的特征有所差異，使用時(shí)需要一套管理系統(tǒng)來(lái)對(duì)電池組的性能和安全進(jìn)行監(jiān)控管理。在電池管理系統(tǒng)中所進(jìn)行的電池均衡、SOC計(jì)算、過(guò)壓保護(hù)等都需要對(duì)每節(jié)單體電池的電壓進(jìn)行0.5級(jí)以上精度的測(cè)量，即假如單體電池的電壓為3V時(shí)，電壓測(cè)量的誤差應(yīng)該小于15mv。目前，對(duì)于電池組中單體電池電壓的測(cè)量一般采用單一式測(cè)量方案，雖然這種方案成本較低，但在普通單一式測(cè)量方案中，大電流的情況下，連接單體電池的導(dǎo)線的線電阻及各串接部位的接觸電阻會(huì)使測(cè)量得到的電壓產(chǎn)生較大誤差，從而達(dá)不到0.5級(jí)以上的測(cè)量精度，令整個(gè)電池管理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可靠性下降，最終導(dǎo)致整個(gè)電池組的使用效率的下降及電能的浪費(fèi)。

本文設(shè)計(jì)一種更加可靠和準(zhǔn)確的電路，原理框圖如圖1。此種測(cè)量方法類似于四線法，通過(guò)兩個(gè)ADC構(gòu)成測(cè)量裝置同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，從而消除測(cè)量誤差。測(cè)量裝置A的第一根電壓采集線接在第一節(jié)單體電池的正極，第二根線接在第二節(jié)單體電池的正極，第三根線接在第二節(jié)單體電池的負(fù)極。測(cè)量裝置B的第一根電壓采集線接在第一節(jié)單體電池的正極，第二根線接在第一節(jié)單體電池的負(fù)極，第三根線接在第三節(jié)單體電池的正極，第四根線接在第三節(jié)單體電池的負(fù)極。R為電池串聯(lián)連接線的線電阻及接觸電阻之和。測(cè)量裝置B的1腳和2腳測(cè)量電芯B1的電壓U12。測(cè)量裝置A的a腳和b腳測(cè)量電芯B1電壓與R的壓降之和U ab。奇數(shù)編號(hào)的電芯電壓由測(cè)量裝置B測(cè)得，不因電阻R的壓降而影響電芯測(cè)試精度。同樣錯(cuò)位接線，偶數(shù)編號(hào)的電芯電壓由測(cè)量裝置A測(cè)得。R的壓降可由Uab與U12之差求得。

此種方法的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)增加一個(gè)測(cè)量裝置，雖然成本有所提高，但由于引入了冗余，當(dāng)其中一個(gè)測(cè)量裝置發(fā)生故障，另一個(gè)測(cè)量裝置依然可以保持測(cè)量的功能，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大增加。

(2)由于可以得到串聯(lián)連接線上各處電阻的分壓大小，電池管理系統(tǒng)可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析出線路各處的連接情況、接觸點(diǎn)的氧化情況。

(3)準(zhǔn)確得出電池組中各單體電芯電壓。

(4)由于兩個(gè)測(cè)量裝置的某些測(cè)量值之間存在必然關(guān)系，可以據(jù)此來(lái)進(jìn)行自檢，反映測(cè)量裝置正常與否，比如在靜態(tài)極小電流的情況下比較兩塊芯片各端測(cè)得的電壓，同一端電壓差距較大時(shí)可判斷為異常。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電路主要功能

電壓高精度測(cè)量電路由四個(gè)主要部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。電源模塊部分負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的供電，由電池組正負(fù)兩極獲取電能輸入。電壓測(cè)量模塊負(fù)責(zé)電池組內(nèi)電芯電壓的測(cè)量采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，由上文所述的測(cè)量裝置A和B組成，MCU控制模塊負(fù)責(zé)電壓數(shù)據(jù)的處理及分析，并控制周邊模塊工作或休眠。通訊模塊可將有用的數(shù)據(jù)上傳給電池管理系統(tǒng)BMS，實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓測(cè)量系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)和電池組模塊串聯(lián)以提高整體電壓。

1.2 電壓測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)

測(cè)量裝置B的電路如圖3所示，此設(shè)計(jì)以8節(jié)單體電芯串聯(lián)為一個(gè)電池組模塊，電路在保證其需要的性能和精度外，還需要重點(diǎn)考慮實(shí)際操作的魯棒性及安全性。電路主要由ADC芯片LTC6803-3構(gòu)成，由上文可知，除了接線方式是奇偶錯(cuò)位接法以外，測(cè)量裝置A和測(cè)量裝置B的電路是相同的，不重復(fù)列出。P1為連接單體電芯電極的接線端子，并給ADC芯片J1供電工作。R1、C1構(gòu)成簡(jiǎn)單低通濾波器，將濾波后的模擬電壓信號(hào)送至J1的各個(gè)采樣引腳。D1為6.2V穩(wěn)壓二極管，結(jié)合限流電阻R1、R2防止反接電極損壞芯片J1，同時(shí)還防止接線錯(cuò)亂超過(guò)芯片J1局部耐壓極限值。U1采用CM1223-04SO ESD保護(hù)陣列對(duì)通信接口進(jìn)行保護(hù)，而且U1是低容抗器件，輸入容抗小于1.5pF，適用于1MHz高速SPI通信，既保證了系統(tǒng)的速度需求又保證了系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于電池組負(fù)極B-，CELL1-和GND_1引腳組成kelvin連接法，從而消除供電端GND_1產(chǎn)生的壓降對(duì)測(cè)量端CELL1-的影響。

圖1 原理框圖

圖2 電壓高精度測(cè)量電路結(jié)構(gòu)框圖

1.3 具體實(shí)施方式

1.3.1 高精度測(cè)量實(shí)現(xiàn)依據(jù)

圖3 測(cè)量裝置B的電路

圖4 上位機(jī)軟件將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果

如圖1及圖3所示，被測(cè)量的電池組分別用小于等于13根電壓采集線與測(cè)量裝置A和B連接。芯片J1是包含一個(gè)12bit的集線式ADC，對(duì)12路模擬信號(hào)輪番采樣，確保每路電壓采樣的一致性。采樣電壓的分辨率為1.5mV，測(cè)試精度小于等于10mV，假如不考慮其他因素的影響，這個(gè)精度是可以滿足電池管理的要求。如果再通過(guò)MCU軟件進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償偏差，可使測(cè)量精度在5mV以內(nèi)，完全符合相關(guān)國(guó)標(biāo)對(duì)鋰電池組電壓監(jiān)控精度的要求，如圖4為上位機(jī)軟件將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果。

1.3.2 實(shí)施方法

如圖1測(cè)量裝置A與測(cè)量裝置B的電壓采集線除第一根接在電池組的正極之外，其余采集線都按測(cè)量裝置A直接連接偶數(shù)電芯兩極，測(cè)量裝置B直接連接奇數(shù)電芯兩極。測(cè)量出所有連線端的電壓，利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理如下：

U12=UB1…(1)；Uab=UB1+UR1…(2)；U23=UR1+UR2+UB2…(3)；Ubc=UB2…(4)；

U34=UB3…(5)

由(2)-(1)得出R1的分壓；把(1)和(2)得到的數(shù)據(jù)代入(3)得R2的分壓；依此類推，可得出B1～B8所有單體電池的電壓及R1～R7所有電阻上的分壓。另外，存在以下必然關(guān)系：

Uab>U12；UbcU34；……；Ufg

可以根據(jù)這些關(guān)系進(jìn)行自檢，保證測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的正確性。

通過(guò)這種方法得出所有單體電池電壓，并避免了電阻上分壓的影響，特別是快速充電或者大電流放電時(shí)，線電阻R產(chǎn)生的壓降尤其明顯，為電池管理系統(tǒng)BMS的均衡、SOC計(jì)算、保護(hù)、異常報(bào)警等功能提供可靠、有效的數(shù)據(jù)支持。

2.總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的串聯(lián)鋰電池電壓測(cè)量方法具有精度高、性能可靠、功能實(shí)用等特點(diǎn)，在國(guó)光電器集團(tuán)下屬?gòu)V東國(guó)光電子有限公司實(shí)際應(yīng)用效果良好，特別是適合電動(dòng)汽車、通訊基站等高要求、高可靠性應(yīng)用需求的環(huán)境。這種方法的缺點(diǎn)是電路和接線較為復(fù)雜，成本也略微增加。

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