電壓測試電路對鋰電池包的影響

在鋰電池包的管理系統中，需要對電池包中單體電池的電壓進行測試。今朝使用較多的是筆直采樣法，不僅辦法復雜，在實際使用中對電池包的一致性也有影響。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用的電壓測試電路，分解電路對電池包性能的影響，利用電池模型分解了該影響萌生的原由，提出了減小影響的辦法。試驗測量難點電池包中電壓測量系統的難點在于：要怎么樣測試出串聯電池包中每只單體電池的電壓，而這些電壓要相對于共同的參考地，這樣才便于電壓信號的采樣。鋰電池的安全電壓一般在2.7～4.2V，所以對于參考電壓為5V的A/D轉換來說，單體電池電壓正好在這范圍內。如果參考地不是系統地，那么第n只電池的電壓將是前n只電池的電壓之和，這已經超出了A/D轉換的參考電壓范圍，所以通過電壓測量系統轉換成相對于同一個參考地至關緊要。試驗設計試驗中采用了10只相同鋰電池，額定容量為3Ah，電池包采用串聯結構，通過對電池包進行循環試驗，來考查動態過程中對鋰電池包的影響。在進行電池包試驗之前，先對單體電池進行3次循環，使容量穩定。電池包的充放電制度為：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；電池包0.50C恒流放電到30V。在試驗過程中，對單體電池的保護為：過充電保護4.35V，過放電保護2.50V。本文作者設計了一種用于電池包的實用電壓測量電路，如圖1所示，它是由運放組成的減法電路，每只電池電壓Vn′對應于一個減法電路。Vn+為第n只電池正極相對于大地的電壓，Vn-為第n只電池負極相對于大地的電壓。

因為10只鋰電池包的最高電壓約為42V，對于運放來說，已經超過了最高電壓，所以在減法電路中采用了電壓衰減，然后進行放大的辦法。因為放大部分采用的都是相同的放大倍數，所以可以放到模擬開關后，這樣整個測試電路只需要一個放大電路，可以節省成本。結果與討論電池包循環壽命試驗在實際使用過程中，為了保證10倍電壓衰減的精度，電阻R采用33kΩ(1%精度)。因為高精度的大電阻需要專門訂做，而且貴。在試驗中電池包的性能出現了分明的衰退，如圖2所示。在前52次循環(0.5C充放電)中，電池包中，單體電池的放電截止電壓出現了很大的差異，隨著循環的進行，按次序“排隊”的現象比較分明，而且在第30次循環左右，電池包還沒有放電到30V時，第1只電池的電壓就已經處于過放電保護狀態，從而導致了電池包的放電終止，電池包容量猛然減少。為了驗證是測試線上的漏電流所導致的，52次循環后，把電池包中的第1只和第10只電池進行交換后，持續進行循環試驗，結果發現：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狀態，而使第2只電池處于過放電保護狀態。以上試驗說明：在電壓測試電路中有一定的漏電流存在，對此進行了測量，結果如表1。

試驗分解依據設計電路得出：式(3)中：In為第n根測試線上的漏電流。當電阻R固定后，Vn+和Vn-越大，In越大，所以越是靠近電池包正極的測試線的漏電流越大。在充電過程中，回路中的充電電流經過每一根測試線，都要被電壓測試電路分出去一部分電流，越接近電池包負極的電池，被分流的就越多，這樣在充電過程中，越靠近電池包正極的電池充電電流就越大。放電過程中也是同樣，越靠近電池包正極的電池放電電流越小。在整個循環中，靠近電池包正極的電池，充入的電量多，放出的電量少；而靠近電池包負極的電池充入的電量少，而放出的電量多，這就是造成電池包的不一致性的原由。隨著循環的進行，不一致性加劇，即使電池的初始狀態一致，因累加效應的存在，使電池包在循環的過程中因漏電流而出現不一致，盡管漏電流比較小，但是多根測試線以及長時間的累加，就會影響電池包的一致性。改進后的試驗為了減小漏電流，實驗中采取增大輸入阻抗，即把電阻R變為200kΩ(1%精度)，因為大阻值電阻的精度偏差比較大，試驗結果聲明：漏電流分明減小。將修改后的電壓測試電路，按照上述的電池包試驗制度做循環試驗。試驗結果與圖2相比，電壓測試電路對電池包中單體電池的放電終止電壓的影響已經小了很多，但是電池包中單體電池的放電終止電壓還是會出現按次序“排隊”的現象。結論電路設計中，應當盡量減小因電路導致的電池包不一致，減小電壓測試電路漏電流的辦法有：①增加測試電路的輸入阻抗，處理電阻對的匹配問題，比較適合于串數比較少和容量比較大的電池包；②在測試回路中加入控制開關，減少漏電流的影響，但是這樣增加了電路的復雜性和成本，適合于串數比較多的電池包；③在電池包合的過程中，可使靠近電池包負極的電池的容量，稍大于靠近電池包正極的電池的容量，這樣有利于減小因電壓測試電路所引起的電池包不一致。

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