一種串聯鋰電池電壓高精度測量方法研究與設計

廣東國光電子有限公司 夏 斌

鋰電池具有儲存能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優點，已成為電動汽車和儲能電源的主要動力電源之一。電池組通常由多個單體電芯串聯組成，由于鋰電池的生產工藝造成每個單體電芯的特征有所差異，使用時需要一套管理系統來對電池組的性能和安全進行監控管理。在電池管理系統中所進行的電池均衡、SOC計算、過壓保護等都需要對每節單體電池的電壓進行0.5級以上精度的測量，即假如單體電池的電壓為3V時，電壓測量的誤差應該小于15mv。目前，對于電池組中單體電池電壓的測量一般采用單一式測量方案，雖然這種方案成本較低，但在普通單一式測量方案中，大電流的情況下，連接單體電池的導線的線電阻及各串接部位的接觸電阻會使測量得到的電壓產生較大誤差，從而達不到0.5級以上的測量精度，令整個電池管理系統的準確性及可靠性下降，最終導致整個電池組的使用效率的下降及電能的浪費。

本文設計一種更加可靠和準確的電路，原理框圖如圖1。此種測量方法類似于四線法，通過兩個ADC構成測量裝置同時進行測量，從而消除測量誤差。測量裝置A的第一根電壓采集線接在第一節單體電池的正極，第二根線接在第二節單體電池的正極，第三根線接在第二節單體電池的負極。測量裝置B的第一根電壓采集線接在第一節單體電池的正極，第二根線接在第一節單體電池的負極，第三根線接在第三節單體電池的正極，第四根線接在第三節單體電池的負極。R為電池串聯連接線的線電阻及接觸電阻之和。測量裝置B的1腳和2腳測量電芯B1的電壓U12。測量裝置A的a腳和b腳測量電芯B1電壓與R的壓降之和U ab。奇數編號的電芯電壓由測量裝置B測得，不因電阻R的壓降而影響電芯測試精度。同樣錯位接線，偶數編號的電芯電壓由測量裝置A測得。R的壓降可由Uab與U12之差求得。

此種方法的優點如下：

(1)增加一個測量裝置，雖然成本有所提高，但由于引入了冗余，當其中一個測量裝置發生故障，另一個測量裝置依然可以保持測量的功能，使得整個系統的可靠性大大增加。

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

(3)準確得出電池組中各單體電芯電壓。

(4)由于兩個測量裝置的某些測量值之間存在必然關系，可以據此來進行自檢，反映測量裝置正常與否，比如在靜態極小電流的情況下比較兩塊芯片各端測得的電壓，同一端電壓差距較大時可判斷為異常。

1.系統設計

1.1 電路主要功能

電壓高精度測量電路由四個主要部分組成，結構框圖如圖2所示。電源模塊部分負責整個控制系統的供電，由電池組正負兩極獲取電能輸入。電壓測量模塊負責電池組內電芯電壓的測量采集和模數轉換，由上文所述的測量裝置A和B組成，MCU控制模塊負責電壓數據的處理及分析，并控制周邊模塊工作或休眠。通訊模塊可將有用的數據上傳給電池管理系統BMS，實現多個電壓測量系統的級聯和電池組模塊串聯以提高整體電壓。

1.2 電壓測量模塊的設計

測量裝置B的電路如圖3所示，此設計以8節單體電芯串聯為一個電池組模塊，電路在保證其需要的性能和精度外，還需要重點考慮實際操作的魯棒性及安全性。電路主要由ADC芯片LTC6803-3構成，由上文可知，除了接線方式是奇偶錯位接法以外，測量裝置A和測量裝置B的電路是相同的，不重復列出。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構成簡單低通濾波器，將濾波后的模擬電壓信號送至J1的各個采樣引腳。D1為6.2V穩壓二極管，結合限流電阻R1、R2防止反接電極損壞芯片J1，同時還防止接線錯亂超過芯片J1局部耐壓極限值。U1采用CM1223-04SO ESD保護陣列對通信接口進行保護，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，既保證了系統的速度需求又保證了系統的可靠性。對于電池組負極B-，CELL1-和GND_1引腳組成kelvin連接法，從而消除供電端GND_1產生的壓降對測量端CELL1-的影響。

圖1 原理框圖

圖2 電壓高精度測量電路結構框圖

1.3 具體實施方式

1.3.1 高精度測量實現依據

圖3 測量裝置B的電路

圖4 上位機軟件將實際測量數據顯示的結果

如圖1及圖3所示，被測量的電池組分別用小于等于13根電壓采集線與測量裝置A和B連接。芯片J1是包含一個12bit的集線式ADC，對12路模擬信號輪番采樣，確保每路電壓采樣的一致性。采樣電壓的分辨率為1.5mV，測試精度小于等于10mV，假如不考慮其他因素的影響，這個精度是可以滿足電池管理的要求。如果再通過MCU軟件進行校準補償偏差，可使測量精度在5mV以內，完全符合相關國標對鋰電池組電壓監控精度的要求，如圖4為上位機軟件將實際測量數據顯示的結果。

1.3.2 實施方法

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

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)得到的數據代入(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，存在以下必然關系：

Uab>U12；UbcU34；……；Ufg

可以根據這些關系進行自檢，保證測量系統的數據的正確性。

通過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，線電阻R產生的壓降尤其明顯，為電池管理系統BMS的均衡、SOC計算、保護、異常報警等功能提供可靠、有效的數據支持。

2.總結

本文設計的串聯鋰電池電壓測量方法具有精度高、性能可靠、功能實用等特點，在國光電器集團下屬廣東國光電子有限公司實際應用效果良好，特別是適合電動汽車、通訊基站等高要求、高可靠性應用需求的環境。這種方法的缺點是電路和接線較為復雜，成本也略微增加。

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