鋰電池組全電壓檢測方法研究

梁 奇，王順利，屈 維

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010）

0 引 言

鋰電池具有能量密度高、性能較為穩(wěn)定、循環(huán)壽命好、無毒無污染等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，加上能源、環(huán)保等問題的日益突出，鋰離子電池越來越多地應(yīng)用于動(dòng)力、儲(chǔ)能等新能源領(lǐng)域［1］。在這些應(yīng)用中，需要把大量的鋰電池串聯(lián)起來以達(dá)到所需的電壓，而電池本身存在不一致性，使每節(jié)鋰電池電壓、電流、電阻、容量等存在差異。為了保證電池組的正常工作，需要對鋰離子電池進(jìn)行安全管理［2］。鋰電池組中電池全電壓、單體電池電壓、電池溫度、總電流的實(shí)時(shí)監(jiān)控是安全管理的重要基礎(chǔ)。隨著操作環(huán)境、老化等因素的影響，電池間的不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命將變差，再加上過充或過放等情況，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致起火燃燒等安全問題。鋰電池只要一次過充電或一次過放電，就可能會(huì)造成電池的永久性損壞，因此單體電壓、總電壓、充放電電流的實(shí)時(shí)檢測［3，4］與保護(hù)至關(guān)重要。

由于電池材料和生產(chǎn)工藝等各方面的原因，鋰電池安全事故仍頻繁發(fā)生。2014年10月3日下午，江蘇省常州市鋰霸電池有限公司突發(fā)火災(zāi)，火災(zāi)過火面積在300 m2左右。2014年8月23日，深圳龍華穎博工業(yè)區(qū)內(nèi)電池廠連燒四小時(shí)，著火面積大約400 m2。2013年10月21日惠州泰格威電池廠爆炸，損失2 000萬元。特斯拉Model S 2013年10月至今發(fā)生鋰電池相關(guān)的5次起火等安全事故，鋰電池的安全問題已經(jīng)引起了廣大研究人員的關(guān)注［5-14］。

本文針對鋰電池組的安全性問題，從鋰電池全電壓檢測角度出發(fā)，采用高共模電壓差分放大器INA117AM以及超低噪聲精密儀器放大器OPA27AJ相結(jié)合，INA117AM能有效抑制零漂，消除共模信號，結(jié)合OPA27AJ比例縮放，從而實(shí)現(xiàn)對鋰電池組的電壓實(shí)時(shí)檢測。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能夠精確測量微弱差分電壓，誤差小、精度高、操作簡單、使用方便，能夠有效保證鋰電池組應(yīng)用中的可靠性。

1 理論分析

1.1 硬件選擇

在電池?cái)?shù)量較多的電池組中，沿著電池串聯(lián)方向?qū)a(chǎn)生很高的共模電壓。共模電壓是作用在差分放大器兩個(gè)輸入端的相同信號電壓，是無用信號，共模信號過大會(huì)影響差摸信號的測量，更可能使儀器儀表受到損害。共模電壓的存在使得電池全電壓的檢測面臨巨大的挑戰(zhàn)，必須從很大的共模電壓中精確測量微弱差分電壓。INA117精密單位增益差分放大器有很高的共模輸入電壓范圍，是一個(gè)單一組成的單片集成電路精密運(yùn)算放大器和集成薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)，可以精確測量存在于共模信號中的微小差動(dòng)電壓，測量范圍為±200 V。在許多應(yīng)用程序中，INA117可以代替隔離放大器，能消除孤立的輸入側(cè)電源及其相關(guān)脈動(dòng)、噪聲和靜態(tài)電流。非線性INA117＼x92s 0.001%和200 k Hz帶寬優(yōu)于傳統(tǒng)的隔離放大器。差分放大器電路圖如圖1所示。

圖1 差分放大器電路圖

由圖可知，根據(jù)虛短虛斷的概念，有

計(jì)算化簡可得

鋰電池組充放電過程中對電壓、電流以及溫度相當(dāng)敏感，各單體電池存在的不一致性也對充放電要求很高，一旦出現(xiàn)過充電、過放電、放電電流過大或電路短路，就會(huì)使鋰電池溫度升高，嚴(yán)重破壞電池性能，導(dǎo)致電池壽命大大縮短，因此，監(jiān)視電池的電壓、電流和溫度的精確性顯得尤為重要。本文針對鋰電池組全電壓的實(shí)時(shí)檢測保護(hù)，采用超低噪聲精密運(yùn)算放大器OPA27AJ作補(bǔ)償，用作內(nèi)部補(bǔ)償電壓的單位增益。OPA27AJ內(nèi)部補(bǔ)償單位增益穩(wěn)定，且偏移電壓是雷射微調(diào)的，對于大多數(shù)應(yīng)用程序來說不并需要進(jìn)一步削減。輸入偏移無效時(shí)補(bǔ)償電壓漂移不會(huì)退化，其他電位計(jì)值從1 mΩ到1 kΩ均可以被使用，但是VOS漂移將額外退化0.1μV／℃到0.2μV／℃。調(diào)零使用大型系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)牡窒鳒p調(diào)整，將降低漂移性能大約3.3μV／℃／毫伏的偏移量。對于削減非常小的偏移量，可以采用高分辨率電路。OPA27AJ使差分放大器能夠更好地測量出微弱的差分電壓，提高測量精度，減小測量誤差。

1.2 全電壓檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過建立含有電壓源、電阻和電容的電路來模擬電池的工作狀態(tài)，便于簡單直觀地對鋰電池組的應(yīng)用過程進(jìn)行研究。在本文鋰電池組電壓檢測研究中，以5個(gè)電池單體串聯(lián)為例，全電壓檢測的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，差分放大電路抑制共模信號，消除紋波、噪聲和靜電電流的影響，同時(shí)增加電壓放大增益，有效放大差模信號，提高測量精確度。

圖2 鋰電池組全電壓檢測整體結(jié)構(gòu)框圖

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 鋰電池組全電壓檢測仿真實(shí)驗(yàn)

檢測電路經(jīng)過差分放大電路的仿真模型如圖3所示，電路中電容起穩(wěn)壓和消除噪聲的作用，為運(yùn)放提供穩(wěn)定的直流工作電壓。

圖3 鋰電池組全電壓檢測原理圖

示波器A通道檢測顯示未經(jīng)處理的電壓信號，B通道檢測顯示經(jīng)過差分放大過后的電壓信號，示波器波形如圖4所示。變換不同的電壓源得到不同的輸出波形，圖4（a）、（b）、（c）分別表示電壓源為三角波、正弦交流波和半三角波的波形圖。

針對鋰電池組全電壓檢測，綜合對比各種采樣方法效果，最終使用INA117低功耗零漂移儀表放大器，結(jié)合OPA27實(shí)時(shí)比例縮放，實(shí)現(xiàn)全電壓實(shí)時(shí)檢測。由于受充放電過程影響較大，直接采樣具有0.4 V的隨機(jī)誤差，因此，信號采樣后的濾波顯得尤為必要，根據(jù)王順利等人研究的滑動(dòng)平均方法［14］，經(jīng)過滑動(dòng)平均處理后的隨機(jī)誤差降為0.03 V，具有十分明顯的濾波處理效果。經(jīng)過滑動(dòng)平均方法進(jìn)行有效低通濾波處理，實(shí)現(xiàn)全電壓信號實(shí)時(shí)檢測，檢測結(jié)果如圖5所示。

圖4 電壓檢測波形圖

2.2 結(jié)果分析

由圖4分析可知，經(jīng)過高共模差分放大器INA117AM和精密運(yùn)算放大器OPA27AJ后，全電壓無用信號得到抑制，有用信號得到有效放大，示波器顯示更加精確，對鋰電池組實(shí)時(shí)檢測保護(hù)提供實(shí)時(shí)依據(jù)，避免電池組因電壓過高或過低影響使用壽命，預(yù)防安全事故發(fā)生。

由圖5全電壓采樣平滑處理前后數(shù)據(jù)對比分析可知，優(yōu)化效果明顯，相對誤差明顯減小，該處理過程能夠起到較好的濾波效果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用高共模差分放大器INA117AM和精密運(yùn)算放大器OPA27AJ構(gòu)建仿真電路，能夠有效抑制共模信號，精確測量微弱差分電壓，達(dá)到對鋰電池組全電壓實(shí)時(shí)檢測保護(hù)的目的。該方法與直接采樣數(shù)據(jù)相比，提高了實(shí)時(shí)檢測精確度，避免了實(shí)驗(yàn)儀器的不必要損害，同時(shí)保障了實(shí)驗(yàn)安全，對鋰電池組全電壓實(shí)時(shí)檢測保護(hù)具有重大意義。

圖5 全電壓實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出了一種高共模差分放大器INA117AM和精密運(yùn)算放大器OPA27AJ的鋰電池組全電壓的實(shí)時(shí)檢測方法。該方法利用差分放大器抑制共模信號，放大差模信號的特點(diǎn)，兼顧消除紋波、噪聲以及靜電電流的影響，與OPA27AJ協(xié)同作用，實(shí)時(shí)精確測量鋰電池組全電壓，并且電壓采樣之后采用滑動(dòng)平均方法，濾除高頻噪聲影響，通過噪聲信號抑制和有用信號累積，對電壓采樣起到較好濾波平滑效果。由于鋰電池具有質(zhì)量輕、體積小、工作電壓高、質(zhì)量比能量高、體積比能量高、自放電率低、應(yīng)用溫度范圍寬、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V泛。該方法的提出對鋰電池組的安全應(yīng)用提供了保障，有效保證了其在應(yīng)用中的可靠性，消除安全隱患，推動(dòng)鋰電池技術(shù)不斷發(fā)展，促進(jìn)能源有效利用。

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