电压检测电路对锂电池组的影响

引    言

　　在锂离子电池组的管理系统中，需要对电池组中单体电池的电压进行检测。现在应用较多的是直接采样法，不仅方法复杂，在实际应用中对电池组的一致性也有影响。影响因素比较多，然而电路的影响不能忽略。本文作者通过一种实用的电压检测电路，分析电路对电池组性能的影响，利用电池模型分析了该影响产生的原因，提出了减小影响的方法。

　　实验

　　测量难点

　　电池组中电压测量系统的难点在于：如何检测出串联电池组中每只单体电池的电压，而这些电压要相对于共同的参考地，这样才便于电压信号的采样。锂离子电池的安全电压一般在2.7～4.2V，所以对于参考电压为5V的A/D转换来说，单体电池电压正好在这范围内。如果参考地不是系统地，那么第n只电池的电压将是前n只电池的电压之和，这已经超出了A/D转换的参考电压范围，所以通过电压测量系统转换成相对于同一个参考地至关重要。

　　实验设计

　　实验中采用了10只相同锂离子电池，额定容量为3Ah ，电池组采用串联结构，通过对电池组进行循环实验，来考查动态过程中对锂离子电池组的影响。在进行电池组实验之前，先对单体电池进行3次循环，使容量稳定。电池组的充放电制度为：0.50C 恒流充电到42V，再用42V恒压充电至电流减小到0.05C 为止；电池组0.50C恒流放电到30V。在实验过程中，对单体电池的保护为：过充电保护4.35V，过放电保护2.50V。

　　本文作者设计了一种用于电池组的实用电压测量电路，如图1所示，它是由运放组成的减法电路，每只电池电压Vn′对应于一个减法电路。Vn+为第n只电池正极相对于大地的电压，Vn-为第n只电池负极相对于大地的电压。

 

　　因为10只锂离子电池组的最高电压约为42V，对于运放来说，已经超过了最高电压，所以在减法电路中采用了电压衰减，然后进行放大的方法。因为放大部分采用的都是相同的放大倍数，所以可以放到模拟开关后，这样整个检测电路只需要一个放大电路，可以节省成本。

　　结果与讨论

　　电池组循环寿命实验

　　在实际使用过程中，为了保证10倍电压衰减的精度，电阻R采用33kΩ (1%精度) 。因为高精度的大电阻需要专门订做，而且贵。在实验中电池组的性能出现了明显的衰退，如图2所示。在前52次循环(0.5C充放电) 中，电池组中，单体电池的放电截止电压出现了很大的差异，随着循环的进行，按次序“排队”的现象比较明显，而且在第30次循环左右，电池组还没有放电到30V时，第1只电池的电压就已经处于过放电保护状态，从而导致了电池组的放电终止，电池组容量突然减少。为了验证是检测线上的漏电流所导致的，52次循环后，把电池组中的第1只和第10只电池进行交换后，继续进行循环实验，结果发现：第10只电池的放电终止电压稍有下降，而第1只的放电终止电压有了很大的提高；由于原来的第1只电池不再处于过放电保护状态，而使第2只电池处于过放电保护状态。以上实验说明：在电压检测电路中有一定的漏电流存在，对此进行了测量，结果如表1。

 

　　实验分析

　　根据设计电路得出：

 

　　式(3) 中：In为第n根检测线上的漏电流。当电阻R固定后，Vn+和Vn-越大，In越大，所以越是靠近电池组正极的检测线的漏电流越大。

　　在充电过程中，回路中的充电电流经过每一根检测线，都要被电压检测电路分出去一部分电流，越接近电池组负极的电池，被分流的就越多，这样在充电过程中，越靠近电池组正极的电池充电电流就越大。放电过程中也是同样，越靠近电池组正极的电池放电电流越小。在整个循环中，靠近电池组正极的电池，充入的电量多，放出的电量少；而靠近电池组负极的电池充入的电量少，而放出的电量多，这就是造成电池组的不一致性的原因。随着循环的进行，不一致性加剧，即使电池的初始状态一致，因累加效应的存在，使电池组在循环的过程中因漏电流而出现不一致，尽管漏电流比较小，但是多根检测线以及长时间的累加，就会影响电池组的一致性。

　　改进后的实验