电压检测电路对锂离子电池组的影响

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

为了减小漏电流，试验中采取增大输入阻抗，即把电阻R变为200kΩ(1%精度) ，因为大阻值电阻的精度偏差比较大，实验结果表明：漏电流明显减小。将修改后的电压检测电路，按照上述的电池组实验制度做循环实验。实验结果与图2相比，电压检测电路对电池组中单体电池的放电终止电压的影响已经小了很多，但是电池组中单体电池的放电终止电压还是会出现按次序“排队”的现象。

结 论

电路设计中，应该尽量减小因电路导致的电池组不一致，减小电压检测电路漏电流的方法有：①增加检测电路的输入阻抗，解决电阻对的匹配问题，比较适合于串数比较少和容量比较大的电池组；②在检测回路中加入控制开关，减少漏电流的影响，但是这样增加了电路的复杂性和成本，适合于串数比较多的电池组；③在电池组合的过程中，可使靠近电池组负极的电池的容量，稍大于靠近电池组正极的电池的容量，这样有利于减小因电压检测电路所引起的电池组不一致。