非四線制鋰電池組實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)校正方法研究

王順利，李建超，尚麗平，李占鋒，舒思琦

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院/特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng)621010；2.綿陽(yáng)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，綿陽(yáng)621000；3.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽(yáng)621010）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．74中圖分類號(hào)：TM 474文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

非四線制鋰電池組實(shí)時(shí)電壓檢測(cè)校正方法研究

王順利1，李建超2，尚麗平1，李占鋒3，舒思琦1

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院/特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng)621010；2.綿陽(yáng)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，綿陽(yáng)621000；3.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽(yáng)621010）

針對(duì)鋰電池LIB（Lithium-ion pack）組非四線制狀態(tài)下的線壓降補(bǔ)償問(wèn)題，提出了一種鋰電池組充放電過(guò)程中電壓實(shí)時(shí)采樣校正新方法。該方法通過(guò)分析鋰電池組充放電過(guò)程中線壓降機(jī)制，研究各單體處于不同充放電組合狀態(tài)時(shí)對(duì)采樣的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組電壓信號(hào)實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鋰電池組工作狀態(tài)下電壓采樣過(guò)程中，該方法能夠有效解決非四線制鋰電池組電壓采樣問(wèn)題，采樣電壓與鋰電池組單體實(shí)際電壓差異在5 mV以內(nèi)。所提出的非四線制線壓降補(bǔ)償方法能夠有效解決鋰電池組實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采樣問(wèn)題，能夠準(zhǔn)確表征鋰電池組實(shí)際工作狀態(tài)。

鋰電池組；四線制；線壓降；補(bǔ)償；監(jiān)測(cè)

Project Supported by Mianyang Science and Technology Project（15G-03-3）；Sichuan Science and Technology Support Program（2014GZ0078）；Photoelectric Detection Technology and Application Project（12zd1105）

引言

鋰電池組在工作過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，其中最重要的就是各單體電壓CV和電池組端電壓TV。鑒于鋰電池組工作過(guò)程中的安全考慮，這些參量需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)BMS （battery management system）中也普遍考慮了此問(wèn)題。然而，基于成本及接線復(fù)雜程度考慮，現(xiàn)有的大多數(shù)連線方式電壓采樣與功率線復(fù)用，接線采用非四線制接法。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的問(wèn)題就是采樣電壓信號(hào)包含了一段復(fù)用回路的電壓降，并未真實(shí)表征電池的實(shí)際電壓。

針對(duì)該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作者從縮短復(fù)用回路［1-3］、電壓做差補(bǔ)償［4-6］、四線制接線［7］等不同角度［8-10］展開(kāi)研究并取得一定進(jìn)展，有效推動(dòng)了鋰電池組的安全保障。但是，針對(duì)現(xiàn)有大量非四線制鋰電池組不同充放電倍率下的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，仍無(wú)明確有效解決方案，嚴(yán)重影響現(xiàn)有鋰電池組應(yīng)用過(guò)程中的安全性。

本文針對(duì)非四線制鋰電池組電壓實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)問(wèn)題展開(kāi)研究，對(duì)鋰電池組電壓檢測(cè)與校正方法進(jìn)行探索，基于遞推分析思想進(jìn)行了線阻估計(jì)和補(bǔ)償方法研究，以期解決電壓狀態(tài)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)問(wèn)題，為鋰電池組安全管理提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，提出的鋰電池組電壓補(bǔ)償方法有效解決了鋰電池組電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問(wèn)題，為鋰電池組安全可靠工作提供保障。

1　理論分析

1.1線壓降產(chǎn)生原因分析

鋰電池組采用串聯(lián)方式以提高端電壓以及供電能力，包含N只單體的鋰電池組串聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，Cell_1～Cell_N為單體編號(hào)，U1～Un依次為對(duì)應(yīng)編號(hào)各單體的實(shí)際電壓；P1至Pn為鋰電池組各單體充放電回路和測(cè)量點(diǎn)公共端；Det_1至Det_N表示測(cè)量接口編號(hào)，Det_x表征Px點(diǎn)的電壓測(cè)量；Vx表示單體x的電壓，Vx+和Vx-分別表征單體Cell_x的正負(fù)端測(cè)量點(diǎn)電勢(shì)，各測(cè)量點(diǎn)依次電勢(shì)為V1+，V1-和V2+公共端，V2-和V3+公共端，......；Charger_1～Charger_N表示充電器電源編號(hào)；Load表示消耗鋰電池組能量的外接負(fù)載；r1～rn為各單體。

由圖1可知，鋰電池組在非四線制情況下電壓容易采漂（采樣不準(zhǔn)確）的根本原因在于，在其不同組合充放電過(guò)程中，存在一段功率線和采樣線復(fù)用導(dǎo)線（P1＞Cell_1＞P2，P2＞Cell_2＞P3，…），功率和采樣復(fù)用線均從兩相鄰單體連接導(dǎo)線或銅排中間引出，形成公共接線端PX。在不同組合情況下，這段導(dǎo)線承受不同的線壓降，導(dǎo)致電壓采樣存在不準(zhǔn)確的情況。

1.2充電過(guò)程線壓降分析

根據(jù)圖1所示鋰電池組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，各單體電壓和總電壓在充電過(guò)程中的采樣電壓和電池兩端實(shí)際電壓分析過(guò)程如下。

對(duì)于單體1，單體兩端實(shí)際電壓U1和采樣電壓V1的關(guān)系為

式中：U1為單體1兩端實(shí)際電壓；V1為單體1端口測(cè)量采樣電壓，由兩端電壓采樣做差獲得，V1=V1+-V1-；I（1）為單體1所對(duì)應(yīng)的充電電源Charger1的充電電流；I（1）r1為V1+端公共端線路電阻產(chǎn)生的電壓降；［I（1）-I（2）］r2為V1-端公共端線路電阻產(chǎn)生的電壓降。

對(duì)于單體2，單體兩端實(shí)際電壓U2和端口測(cè)量采樣電壓V2之間的關(guān)系為

式中：U2為單體2兩端實(shí)際電壓；V2為單體2端口測(cè)量采樣電壓，由兩端電壓采樣做差獲得，V2=V2+-V2-；I（2）為單體2所對(duì)應(yīng)的充電電源Charger2的充電電流；［I（2）-I（1）］r2為V2+端公共端線路電阻產(chǎn)生的電壓降；I（3）為單體3所對(duì)應(yīng)的充電電源Charger3的充電電流；［I（2）-I（3）］r3為V1-端公共端線路電阻產(chǎn)生的電壓降。

后續(xù)第N-1只單體任意一只單體x的實(shí)際電壓與測(cè)量點(diǎn)電壓之間的關(guān)系為

圖1　鋰電池組串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of lithium batteries in series

最后1只單體N的實(shí)際電壓與測(cè)量點(diǎn)電壓之間的關(guān)系為

根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，同一鋰電池組內(nèi)部各單體公共端電阻差異低于5%（測(cè)試方法見(jiàn)第1.4節(jié)），如7ICP系列非四線制鋰電池組各單體采樣和功率回路復(fù)用公共端線路阻抗為0.315±0.007 Ω。因此，考慮線路電壓補(bǔ)償計(jì)算方便性，忽略各單體公共端線路電阻間差異性，統(tǒng)一取值為

因此，可以構(gòu)建適應(yīng)任意1只單體的電壓關(guān)系模型，即任意1只單體x的實(shí)際電壓與測(cè)量點(diǎn)電壓之間的關(guān)系為

式中，x∈［1，N］是任意1只單體編號(hào)，N是鋰電池組單體總數(shù)；r是公共端線路內(nèi)阻；針對(duì)第1只單體和最后1只單體的適應(yīng)性問(wèn)題，特別給出I（0）=0和I （N+1）=0的特殊定義規(guī)范。

1.3放電過(guò)程線壓降分析

由圖1可知，在放電過(guò)程中，由于鋰電池組處于串放工作狀態(tài)中，此時(shí)除去單體1和單體N的所有單體電壓采樣公共端線路中均無(wú)功率性電流。因此，其中任意一只單體x的實(shí)際電壓和公共端電壓關(guān)系為

特別地，對(duì)于單體1，其實(shí)際電壓和公共端電壓關(guān)系為

式中，I為放電電流。

對(duì)于單體N，其實(shí)際電壓和公共端電壓關(guān)系為

因此，在鋰電池組放電過(guò)程中，任意一只單體x的實(shí)際電壓和公共端電壓關(guān)系為

1.4公共線路阻抗計(jì)算方法分析

基于通用萬(wàn)用表和其他相關(guān)儀器無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量mΩ級(jí)阻抗考慮，公共線路阻抗其準(zhǔn)確值測(cè)試計(jì)算是通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算分析得到，測(cè)試計(jì)算過(guò)程如下。

以圖1所示前2節(jié)單體充電測(cè)試過(guò)程為例進(jìn)行描述，構(gòu)建兩串聯(lián)單體充電回路，并使用下述2種實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

實(shí)驗(yàn)1：使用程控線性電源Charger1對(duì)單體1以電流I進(jìn)行恒流充電，測(cè)量單體1電壓測(cè)量點(diǎn)得到電壓V1。

實(shí)驗(yàn)2：在單體1充電的同時(shí)，附加上Charger2對(duì)單體2以同樣電流I進(jìn)行恒流充電，測(cè)量單體1電壓測(cè)量點(diǎn)得到電壓V1′。此時(shí)，根據(jù)基爾霍夫電流定律，對(duì)于單體1和單體2公共線路而言，流經(jīng)其線路總電流為0 A。

對(duì)比分析2種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)可知，2種狀態(tài)下的電壓差壓降損耗在公共端的線路電阻r上，因此，其阻值為

通過(guò)以上方式，構(gòu)建充電回路組合，對(duì)各單體間復(fù)用線路阻抗進(jìn)行測(cè)定。

2　實(shí)驗(yàn)與分析

2.1復(fù)用線路電阻測(cè)定實(shí)驗(yàn)

目標(biāo)鋰電池組為飛機(jī)用7ICP系列動(dòng)力鋰電池組，由7只單體串聯(lián)構(gòu)成，用于核心儀器儀表的供能，典型參數(shù)為：外形尺寸225 mm×182 mm×26 mm，重量1.3 kg，額定容量3 Ah，標(biāo)稱電壓25.9 V，工作溫度范圍-15℃～70℃，工作電壓范圍20～28.7 V，最大工作電流15 A。針對(duì)該系列鋰電池組，實(shí)驗(yàn)使用中鷹銳儀6911型號(hào)程控線性電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用恒流限壓（0.6 A/4.5 V）工作模式進(jìn)行恒流充電實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　復(fù)用線阻測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Multiplex resistance measurement results

由圖2可以明顯看出，該系列鋰電池組中各單體間復(fù)用線路阻抗均為0.315 Ω左右，各單體間差異低于5%，因此可用此值進(jìn)行所有單體線路壓降補(bǔ)償。

2.2線路壓降補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

根據(jù)公式（6）對(duì)單體電壓采樣進(jìn)行充電過(guò)程線壓降補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)鋰電池組充電需求，采用0.6 A恒流充電方式進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，基于恒流充電過(guò)程中的電流波動(dòng)以及部分單體充停過(guò)程考慮，以單體充電電源實(shí)際電流值作為補(bǔ)償計(jì)算依據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在圖3中，3條不同類型曲線分別表示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別表示萬(wàn)用表測(cè)量單體兩端實(shí)際電壓值、測(cè)量點(diǎn)系統(tǒng)軟件直接讀取電壓值和補(bǔ)償后電壓值。由圖3可知，該類型鋰電池組在0.6 A左右恒流充電過(guò)程中，所有單體均未充停情況下，鋰電池組兩端單體（單體1和單體7）均有約190 mV的電壓降，其余單體約有5 mV左右的電壓降。根據(jù)所提出方法進(jìn)行線壓降補(bǔ)償后，采樣電壓與鋰電池組單體實(shí)際電壓差異在5 mV以內(nèi)，能夠有效解決其充電過(guò)程中的線路復(fù)用壓降補(bǔ)償問(wèn)題。

圖3　充電過(guò)程線壓降補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Charging cable drop compensation results

針對(duì)串聯(lián)放電過(guò)程，根據(jù)式（10）對(duì)單體電壓采樣進(jìn)行放電過(guò)程線壓降補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)鋰電池組充電需求，采用0.6 A恒流放電方式進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，以負(fù)載實(shí)際放電電流值作為補(bǔ)償計(jì)算依據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　放電過(guò)程線壓降補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Dicharging cable drop compensation results

由圖4可知，該類型鋰電池組在0.6 A左右恒流充電過(guò)程中，鋰電池組兩端單體（單體1和單體7）均有約190 mV的電壓降。原有非四線制接法中單體電壓采樣誤差為35 mV，根據(jù)所提出方法進(jìn)行線壓降補(bǔ)償后，鋰電池組中所有單體采樣電壓與鋰電池組單體實(shí)際電壓差異在5 mV以內(nèi)，很好地解決了原采樣精度不高的問(wèn)題。該方法能夠有效解決其充電過(guò)程中的線路復(fù)用壓降補(bǔ)償問(wèn)題，避免了單體間差異過(guò)大實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的警報(bào)誤判。

2.3結(jié)果分析

本文針對(duì)非四線制鋰電池組電壓采樣補(bǔ)償問(wèn)題，所提出的線壓降補(bǔ)償方法能夠有效實(shí)現(xiàn)復(fù)用線路的壓降補(bǔ)償。同時(shí)，基于高精度線路內(nèi)阻測(cè)定方法研究，提出了基于線性電源充電機(jī)制的線路內(nèi)阻有效測(cè)定方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的線壓降補(bǔ)償方法能夠使得原來(lái)190 mV左右的線壓降得到有效補(bǔ)償，使得充放電過(guò)程中單體電壓采樣與單體兩端實(shí)際電壓差異在5 mV以內(nèi)。

3　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種鋰電池組在非四線制狀態(tài)下充放電過(guò)程中線壓降補(bǔ)償方法。該方法通過(guò)線壓降機(jī)理分析、線阻計(jì)算方法研究以及線壓降補(bǔ)償方法研究，線壓降進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。通過(guò)該方法的應(yīng)用，電壓采樣與電池兩端實(shí)際電壓差異低于5 mV，保證了充放電過(guò)程中的電壓準(zhǔn)確采樣問(wèn)題，避免了誤報(bào)警等現(xiàn)象，提高了其能量利用率和安全性。該方法的提出對(duì)鋰電池組安全保障起到重要作用，為相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用提供補(bǔ)償方法技術(shù)參考。

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Non-four-wire Lithium Battery Pack Voltage Detecting Correction Method Study

WANG Shunli1，LI Jianchao2，SHANG Liping1，LI Zhanfeng3，SHU Siqi1
（1.School of Information Engineering & Robot Technology Used for Special Environment Key Laboratory of Sichuan Province，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Mianyang Product Quality Supervision & Inspection Institute，Mianyang 621010，China；3.School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

A novelvoltage real-time sampling correcting method is proposed for the real-time sampling of discharge and charge process of Lithium-ion battery（LIB）packs，which is aiming to solve the line voltage drop compensation problemof non-four-wire LIB packs. In this method，the midline drop mechanism of LIB charge and discharge process is analyzed and the impact of different combinations of charge and discharge status on the sampling is studied，which is aiming to achieve effectivevoltage signal real-time monitoring of LIB packs. Experimental results show that，in the work status voltage sampling process，this method can effectively solve the non-four-wire LIB pack voltage sampling problem. The difference between the actual voltage and the sampling voltage of LIB cells is within 5 mV. The proposednon-fourwire cable dropcompensationmethodcan effectively solve the accurate real-time sampling problem of LIB packs，which can characterize the actual working conditions accurately.

Lithium battery pack；four-wire；line voltage reduction；compensation；monitoring

王順利

2015-07-19

綿陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（15G-03-3）；四川省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014GZ0078）；光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用項(xiàng)目（12zd1105）

王順利（1985-），男，通信作者，碩士/博士生，講師，研究方向：電池狀態(tài)檢測(cè)與控制，E-mail：wangshunli@swust.edu.cn。

李建超（1983-），男，碩士，工程師，研究方向：電氣質(zhì)量檢測(cè)，E-mail：151868691 @qq.con。

尚麗平（1968-），女，博士后，教授，研究方向：檢測(cè)技術(shù)，E-mail：151868691@qq. com。

李占鋒（1966-），男，碩士，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，E-mail：lizhanfeng @swust.edu.cn。

舒思琦（1988-），男，本科，研究方向：自動(dòng)化，E-mail：shusiqi@jcjsz.com。