電池管理系統(tǒng)跨接采樣對(duì)Pack性能的影響分析

閔敏 別進(jìn)浩 曾德文 丁茂家 占強(qiáng)

摘 要：通過(guò)室溫充放電容量及低soc脈沖放電測(cè)試分析電池管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“BMS”）跨接采樣對(duì)Pack性能的影響，發(fā)現(xiàn)BMS有跨接采樣（Yes Cross sampling）（以下簡(jiǎn)稱“YCS”）和無(wú)跨接采樣（No Cross sampling）（以下簡(jiǎn)稱“NCS”）對(duì)Pack室溫放電容量基本無(wú)影響;低soc（2%soc，5%soc，10%soc）脈沖放電試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：YCS放電末端壓差較NCS大，通過(guò)增加跨接銅排截面積，可有效減小脈沖放電末端壓差，提升Pack性能為結(jié)構(gòu)布置提供參考。

關(guān)鍵詞：Pack;電池管理系統(tǒng)（BMS）;跨接采樣;壓差

中圖分類號(hào)：U467.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）21-14-04

Abstract： Analysis of the impact of BMS cross-sampling on pack performance， through the room temperature charge/ discharge capacity and low soc pulse discharge test， it was found that BMS has Yes Cross sampling （hereinafter referred to as “YCS”） ?and no cross-sampling （hereinafter referred to as “NCS”） has basically no effect on the room temperature discharge capacity of the pack; low soc （2%soc，5%soc，10%soc） pulse discharge test found that the voltage difference at the YCS discharge terminal is greater than NCS. Increasing the cross-sectional area of the cross-bar copper row can effectively decrease the voltage difference at the end of the pulse discharge， and improve the performance of the pack to provide reference for structural layout.

Keywords： Pack; Battery management system （BMS）; Cross-sampling; Voltage difference

CLC NO.： U467.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-14-04

引言

近年來(lái)，隨著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程要求的不斷增加，Pack能量密度也不斷提升，在電池能量密度未獲得質(zhì)的飛躍前，Pack能量密度僅通過(guò)堆疊更多電芯或模組來(lái)提高，電池管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“BMS”）作為電池安全需要、延長(zhǎng)電池使用壽命、提高電池組有效儲(chǔ)能及估算電池剩余能量方面顯得尤為重要[1-2]，BMS通過(guò)采樣芯片監(jiān)控單體電池電壓、溫度，絕緣電阻等，一個(gè)BMS含有多個(gè)采樣芯片，由于前期電路布局及成本等諸多原因，導(dǎo)致一個(gè)采樣芯片可能出現(xiàn)跨接采樣（Yes Cross sampling）（以下簡(jiǎn)稱“YCS”），即在電芯與電芯間有長(zhǎng)銅排連接（同一采樣芯片中），以模組1P4S，3個(gè)模組一個(gè)采樣芯片為例（如圖1所示）。M1，M2，M3電壓及溫度采集為一個(gè)采樣芯片，在M1與M2之間采用短I型銅排連接;M2與M3之間采用長(zhǎng)折彎銅排連接，出現(xiàn)的YCS對(duì)電壓采樣有何影響呢？

在Pack充電過(guò)程中，BMS采集的YCS電芯電壓會(huì)更快達(dá)到截止電壓（如圖2所示），單體電芯電動(dòng)勢(shì)（電壓）U1=U2=U3，電阻R上所分得電壓：V′=IR，BMS采集電壓如下式：

V2是U2加電阻分壓，V2最先達(dá)到充電截止電壓;同理放電過(guò)程，V2是U2減電阻分壓，V2也最先達(dá)到放電截止電壓。同理歐姆定律，電流I一定，阻值越大其分壓也越大。

以上分析可知，同一采樣芯片的電芯間YCS的存在，會(huì)導(dǎo)致充電更快達(dá)到充電截止電壓，放電更快達(dá)到放電截止電壓，這種情況對(duì)電池Pack性能（如放電容量、放電功率等）影響有多大？本文作者通過(guò)研究不同長(zhǎng)度銅排分壓對(duì)同一采樣芯片YCS的影響、室溫充放電容量評(píng)估YCS對(duì)Pack充放電容量的影響;室溫脈沖功率評(píng)估對(duì)Pack末端壓差的影響;基于以上影響通過(guò)增加銅排截面積方案來(lái)驗(yàn)證對(duì)YCS的補(bǔ)償，為Pack開(kāi)發(fā)提供合理的布置方案建議。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)采用 1P4S異側(cè)非對(duì)稱出極模組排布組成的Pack，3個(gè)模組一個(gè)BMS采樣芯片，如圖3布置，1、2號(hào)模組間用長(zhǎng)度145mm，截面積（Cross section area）54mm2（“以下簡(jiǎn)稱CSA54”）的 I型銅排連接;2、3號(hào)模組間用長(zhǎng)度310mm，CSA54的折彎長(zhǎng)銅排連接。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)試條件：室溫（25±2℃）。

測(cè)試設(shè)備：Digatron電池測(cè)試系統(tǒng)，8846A六位半精密數(shù)字多用表，液冷高低溫測(cè)試機(jī)。

銅排分壓測(cè)試：在Pack內(nèi)選取不同長(zhǎng)度銅排布置電壓采集點(diǎn)，再進(jìn)行大電流15s脈沖放電，測(cè)量在脈沖放電過(guò)程中不同長(zhǎng)度銅排的分壓。

室溫放電容量測(cè)試：按快充map充電至截止電壓4140 mv;然后以1/3C倍率放電至截止電壓2800mv，計(jì)算室溫充放電容量。

功率驗(yàn)證測(cè)試：以恒流充電至截止電壓4140mv，然后用1/3C額定容量放電3*（100-n）/100h，調(diào)整至n%SOC（n=2，5，10），再分別以150A，300A，400A放電15s;測(cè)試充放電截止電壓及末端壓差。

壓差補(bǔ)償測(cè)試：采用不同截面積（Cross section area）（“以下簡(jiǎn)稱CSA”）跨接銅排驗(yàn)證對(duì)YCS壓差的補(bǔ)償，最大單體電壓為Vmax，最小單體電壓為Vmin銅排截面積表示方式如CSA54，即截面積為54mm2，同理CSA72截面積為72mm2，CSA108截面積為108mm2。

2 YCS對(duì)電池Pack的性能影響

2.1 不同長(zhǎng)度銅排分壓

將圖3中4，5號(hào)模組間連接銅排換成長(zhǎng)531mm，CSA54的折彎銅排，然后分別選取長(zhǎng)度為145mm，310mm和531mm的銅排兩端，與電芯連接位置布置電壓采樣線，再以500A電流放電15s，其分壓見(jiàn)表1：

從表1可知，銅排越短，分壓越小，這也完全符合歐姆定律;且隨著銅排長(zhǎng)度和電流的變化，分壓也等比例變化;如電流降為200A，310mm長(zhǎng)度銅排分壓約20mv，145mm分壓約9.4mv，這說(shuō)明在BMS同一采樣芯片中電芯間連接銅排越短越好。

2.2 對(duì)室溫充放電容量的影響

2.2.1 充電容量曲線

在大倍率充電階段，YCS Vmax上升比NCS快，YCS-V- diff壓差也較NCS大，隨著充電倍率的減小，YCS Vmax上升速率及V-diff壓差也逐漸減小，充電末端兩者基本一致。YCS充電容量為163.74Ah，NCS 161.45Ah，兩者相差2.29Ah，初步分析原因?yàn)槌潆姇r(shí)YCS所用動(dòng)力線纜較NCS更長(zhǎng)，線阻大導(dǎo)致YCS充電容量較NCS小，如扣除線阻消耗，實(shí)際充電容量YCS與NCS基本一致，分析原因?yàn)樵摮潆妋ap隨電壓升高充電倍率是逐漸減小的，到達(dá)充電末端時(shí)充電倍率僅0.05C，如此小的倍率充電YCS基本沒(méi)有分壓，與NCS充電容量基本一致。由此可見(jiàn)YCS對(duì)充電容量基本無(wú)影響。

2.2.2 放電容量曲線

放電過(guò)程中，YCS和NCS放電Vmin曲線基本一致，僅放電末端YCS的Vmax比NCS高，導(dǎo)致YCS放電末端壓差較NCS大，而放電容量YCS和NCS分別為160.68Ah、160.72Ah。（注：放電時(shí)YCS和NCS采用的通道均為NCS充電通道，線長(zhǎng)一致，線阻一致）。由于放電末端YCS和NCS的Vmin基本一致，雖YCS壓差較NCS大，但對(duì)放電容量基本無(wú)影響。

2.3 對(duì)室溫放電功率的影響

2.3.1 2%soc，150A放電15s

YCS-CSA54放電末端Vmin為3000mv，Vmax為3095mv，壓差Diff-V95mv; NCS-CSA54放電末端Vmin為3085mv，Vmax為3157mv，壓差Diff-V72mv，YCS的放電末端Vmin比NCS低85mv。根據(jù)表1計(jì)算出YCS中2，3號(hào)模組間銅排分壓15mv，還差70mv為放電末端電芯壓差的貢獻(xiàn)。

2.3.2 5%soc，300A放電15s

YCS-CSA54放電末端Vmin為2861mv，Vmax為2982mv，壓差121mv;NCS-CSA54放電末端Vmin為2927mv，Vmax為3049mv，壓差122mv。根據(jù)表1計(jì)算出YCS中2，3號(hào)模組間銅排分壓30mv，但在該電流下放電末端截止電壓已接近2800mv，電芯間壓差的貢獻(xiàn)明顯大于銅排分壓，使得YCS和NCS末端壓差基本一致。

2.3.3 10%soc，400A放電15s

YCS-CSA54放電末端Vmin為2994mv，Vmax為3137mv，壓差143mv，NCS-CSA54放電末端Vmin為3007mv，Vmax為3110mv，壓差103mv。根據(jù)表1計(jì)算出YCS中2，3號(hào)模組間銅排分壓40mv，即為銅排分壓所致。

3 不同CSA對(duì)YCS的壓差補(bǔ)償分析

將銅排截面積由CSA54依次增加為CSA72，CSA90，CSA108，分別對(duì)比2%soc，5%soc，10%soc三個(gè)功率點(diǎn)對(duì)壓差的補(bǔ)償作用，詳見(jiàn)表2：

從表2可以得出，隨著銅排截面積的增加，2%soc，10%soc的15s功率放電末端壓差是呈減小的趨勢(shì)，且CSA108的15s放電末端壓差均小于CSA54;而5%soc的15s放電末端壓差隨著銅排截面積增加是基本不變的，原因?yàn)樵搒oc放電截止電壓已接近電芯末端電壓2800mv，電芯本身末端壓差遠(yuǎn)大于銅排分壓。

通過(guò)以上分析，脈沖放電末端壓差與放電截止電壓有關(guān)，如放電末端電壓接近電芯截止電壓，增加CSA也不能減小壓差，而大于電芯截止電壓，通過(guò)增加CSA可有效改善壓差問(wèn)題。

從產(chǎn)品成本及性能角度考慮，可將跨接銅排截面積調(diào)整為CSA90。

4 結(jié)論

（1）跨接銅排分壓隨銅排長(zhǎng)度及放電電流的增加而增加。

（2）BMS有跨接采樣（YCS）對(duì)Pack充放電容量基本無(wú)影響。

（3）BMS有跨接采樣（YCS）對(duì)低soc脈沖放電末端壓差有一定影響，不同soc下脈沖放電電流的差異，是導(dǎo)致放電末端截止電壓及壓差不一致的主要原因。

（4）脈沖放電末端壓差與放電截止電壓有關(guān)，如放電末端電壓接近電芯截止電壓，增加CSA也不能減小壓差，而大于電芯截止電壓，通過(guò)增加CSA可有效改善壓差問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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