閔敏 別進浩 曾德文 丁茂家 占強

摘 要：通過室溫充放電容量及低soc脈沖放電測試分析電池管理系統(tǒng)（以下簡稱“BMS”）跨接采樣對Pack性能的影響，發(fā)現(xiàn)BMS有跨接采樣（Yes Cross sampling）（以下簡稱“YCS”）和無跨接采樣（No Cross sampling）（以下簡稱“NCS”）對Pack室溫放電容量基本無影響;低soc（2%soc，5%soc，10%soc）脈沖放電試驗發(fā)現(xiàn)：YCS放電末端壓差較NCS大，通過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：U467.3 ?文獻標(biāo)志碼：A ?文章編號：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，隨著電動汽車?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能量密度僅通過堆疊更多電芯或模組來提高，電池管理系統(tǒng)（以下簡稱“BMS”）作為電池安全需要、延長電池使用壽命、提高電池組有效儲能及估算電池剩余能量方面顯得尤為重要[1-2]，BMS通過采樣芯片監(jiān)控單體電池電壓、溫度，絕緣電阻等，一個BMS含有多個采樣芯片，由于前期電路布局及成本等諸多原因，導(dǎo)致一個采樣芯片可能出現(xiàn)跨接采樣（Yes Cross sampling）（以下簡稱“YCS”），即在電芯與電芯間有長銅排連接（同一采樣芯片中），以模組1P4S，3個模組一個采樣芯片為例（如圖1所示）。M1，M2，M3電壓及溫度采集為一個采樣芯片，在M1與M2之間采用短I型銅排連接;M2與M3之間采用長折彎銅排連接，出現(xiàn)的YCS對電壓采樣有何影響呢？

在Pack充電過程中，BMS采集的YCS電芯電壓會更快達到截止電壓（如圖2所示），單體電芯電動勢（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最先達到充電截止電壓;同理放電過程，V2是U2減電阻分壓，V2也最先達到放電截止電壓。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，會導(dǎo)致充電更快達到充電截止電壓，放電更快達到放電截止電壓，這種情況對電池Pack性能（如放電容量、放電功率等）影響有多大？本文作者通過研究不同長度銅排分壓對同一采樣芯片YCS的影響、室溫充放電容量評估YCS對Pack充放電容量的影響;室溫脈沖功率評估對Pack末端壓差的影響;基于以上影響通過增加銅排截面積方案來驗證對YCS的補償，為Pack開發(fā)提供合理的布置方案建議。

1 試驗

1.1 樣品準(zhǔn)備

實驗采用 1P4S異側(cè)非對稱出極模組排布組成的Pack，3個模組一個BMS采樣芯片，如圖3布置，1、2號模組間用長度145mm，截面積（Cross section area）54mm2（“以下簡稱CSA54”）的 I型銅排連接;2、3號模組間用長度310mm，CSA54的折彎長銅排連接。

1.2 實驗方法

測試條件：室溫（25±2℃）。

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

銅排分壓測試：在Pack內(nèi)選取不同長度銅排布置電壓采集點，再進行大電流15s脈沖放電，測量在脈沖放電過程中不同長度銅排的分壓。

室溫放電容量測試：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，計算室溫充放電容量。

功率驗證測試：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;測試充放電截止電壓及末端壓差。

壓差補償測試：采用不同截面積（Cross section area）（“以下簡稱CSA”）跨接銅排驗證對YCS壓差的補償，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對電池Pack的性能影響

2.1 不同長度銅排分壓

將圖3中4，5號模組間連接銅排換成長531mm，CSA54的折彎銅排，然后分別選取長度為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;且隨著銅排長度和電流的變化，分壓也等比例變化;如電流降為200A，310mm長度銅排分壓約20mv，145mm分壓約9.4mv，這說明在BMS同一采樣芯片中電芯間連接銅排越短越好。

2.2 對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，初步分析原因為充電時YCS所用動力線纜較NCS更長，線阻大導(dǎo)致YCS充電容量較NCS小，如扣除線阻消耗，實際充電容量YCS與NCS基本一致，分析原因為該充電map隨電壓升高充電倍率是逐漸減小的，到達充電末端時充電倍率僅0.05C，如此小的倍率充電YCS基本沒有分壓，與NCS充電容量基本一致。由此可見YCS對充電容量基本無影響。

2.2.2 放電容量曲線

放電過程中，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YCS和NCS采用的通道均為NCS充電通道，線長一致，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，但對放電容量基本無影響。

2.3 對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計算出YCS中2，3號模組間銅排分壓15mv，還差70mv為放電末端電芯壓差的貢獻。

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計算出YCS中2，3號模組間銅排分壓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計算出YCS中2，3號模組間銅排分壓40mv，即為銅排分壓所致。

3 不同CSA對YCS的壓差補償分析

將銅排截面積由CSA54依次增加為CSA72，CSA90，CSA108，分別對比2%soc，5%soc，10%soc三個功率點對壓差的補償作用，詳見表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，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，原因為該soc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大于銅排分壓。

通過以上分析，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，通過增加CSA可有效改善壓差問題。

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度及放電電流的增加而增加。

（2）BMS有跨接采樣（YCS）對Pack充放電容量基本無影響。

（3）BMS有跨接采樣（YCS）對低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，通過增加CSA可有效改善壓差問題。

參考文獻

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