梁 奇,王顺利,屈 维
(西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010)
锂电池具有能量密度高、性能较为稳定、循环寿命好、无毒无污染等优点,应用前景广阔。随着锂离子电池技术的发展,加上能源、环保等问题的日益突出,锂离子电池越来越多地应用于动力、储能等新能源领域[1]。在这些应用中,需要把大量的锂电池串联起来以达到所需的电压,而电池本身存在不一致性,使每节锂电池电压、电流、电阻、容量等存在差异。为了保证电池组的正常工作,需要对锂离子电池进行安全管理[2]。锂电池组中电池全电压、单体电池电压、电池温度、总电流的实时监控是安全管理的重要基础。随着操作环境、老化等因素的影响,电池间的不一致性将愈趋明显,电池效率、寿命将变差,再加上过充或过放等情况,严重时可能导致起火燃烧等安全问题。锂电池只要一次过充电或一次过放电,就可能会造成电池的永久性损坏,因此单体电压、总电压、充放电电流的实时检测[3,4]与保护至关重要。
由于电池材料和生产工艺等各方面的原因,锂电池安全事故仍频繁发生。2014年10月3日下午,江苏省常州市锂霸电池有限公司突发火灾,火灾过火面积在300 m2左右。2014年8月23日,深圳龙华颖博工业区内电池厂连烧四小时,着火面积大约400 m2。2013年10月21日惠州泰格威电池厂爆炸,损失2 000万元。特斯拉Model S 2013年10月至今发生锂电池相关的5次起火等安全事故,锂电池的安全问题已经引起了广大研究人员的关注[5-14]。
本文针对锂电池组的安全性问题,从锂电池全电压检测角度出发,采用高共模电压差分放大器INA117AM以及超低噪声精密仪器放大器OPA27AJ相结合,INA117AM能有效抑制零漂,消除共模信号,结合OPA27AJ比例缩放,从而实现对锂电池组的电压实时检测。实验表明,该方法能够精确测量微弱差分电压,误差小、精度高、操作简单、使用方便,能够有效保证锂电池组应用中的可靠性。
在电池数量较多的电池组中,沿着电池串联方向将产生很高的共模电压。共模电压是作用在差分放大器两个输入端的相同信号电压,是无用信号,共模信号过大会影响差摸信号的测量,更可能使仪器仪表受到损害。共模电压的存在使得电池全电压的检测面临巨大的挑战,必须从很大的共模电压中精确测量微弱差分电压。INA117精密单位增益差分放大器有很高的共模输入电压范围,是一个单一组成的单片集成电路精密运算放大器和集成薄膜电阻网络,可以精确测量存在于共模信号中的微小差动电压,测量范围为±200 V。在许多应用程序中,INA117可以代替隔离放大器,能消除孤立的输入侧电源及其相关脉动、噪声和静态电流。非线性INA117\x92s 0.001%和200 k Hz带宽优于传统的隔离放大器。差分放大器电路图如图1所示。
图1 差分放大器电路图
由图可知,根据虚短虚断的概念,有
计算化简可得
锂电池组充放电过程中对电压、电流以及温度相当敏感,各单体电池存在的不一致性也对充放电要求很高,一旦出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路,就会使锂电池温度升高,严重破坏电池性能,导致电池寿命大大缩短,因此,监视电池的电压、电流和温度的精确性显得尤为重要。本文针对锂电池组全电压的实时检测保护,采用超低噪声精密运算放大器OPA27AJ作补偿,用作内部补偿电压的单位增益。OPA27AJ内部补偿单位增益稳定,且偏移电压是雷射微调的,对于大多数应用程序来说不并需要进一步削减。输入偏移无效时补偿电压漂移不会退化,其他电位计值从1 mΩ到1 kΩ均可以被使用,但是VOS漂移将额外退化0.1μV/℃到0.2μV/℃。调零使用大型系统补偿的抵消削减调整,将降低漂移性能大约3.3μV/℃/毫伏的偏移量。对于削减非常小的偏移量,可以采用高分辨率电路。OPA27AJ使差分放大器能够更好地测量出微弱的差分电压,提高测量精度,减小测量误差。
通过建立含有电压源、电阻和电容的电路来模拟电池的工作状态,便于简单直观地对锂电池组的应用过程进行研究。在本文锂电池组电压检测研究中,以5个电池单体串联为例,全电压检测的整体结构框图如图2所示,差分放大电路抑制共模信号,消除纹波、噪声和静电电流的影响,同时增加电压放大增益,有效放大差模信号,提高测量精确度。
图2 锂电池组全电压检测整体结构框图
检测电路经过差分放大电路的仿真模型如图3所示,电路中电容起稳压和消除噪声的作用,为运放提供稳定的直流工作电压。
图3 锂电池组全电压检测原理图
示波器A通道检测显示未经处理的电压信号,B通道检测显示经过差分放大过后的电压信号,示波器波形如图4所示。变换不同的电压源得到不同的输出波形,图4(a)、(b)、(c)分别表示电压源为三角波、正弦交流波和半三角波的波形图。
针对锂电池组全电压检测,综合对比各种采样方法效果,最终使用INA117低功耗零漂移仪表放大器,结合OPA27实时比例缩放,实现全电压实时检测。由于受充放电过程影响较大,直接采样具有0.4 V的随机误差,因此,信号采样后的滤波显得尤为必要,根据王顺利等人研究的滑动平均方法[14],经过滑动平均处理后的随机误差降为0.03 V,具有十分明显的滤波处理效果。经过滑动平均方法进行有效低通滤波处理,实现全电压信号实时检测,检测结果如图5所示。
图4 电压检测波形图
由图4分析可知,经过高共模差分放大器INA117AM和精密运算放大器OPA27AJ后,全电压无用信号得到抑制,有用信号得到有效放大,示波器显示更加精确,对锂电池组实时检测保护提供实时依据,避免电池组因电压过高或过低影响使用寿命,预防安全事故发生。
由图5全电压采样平滑处理前后数据对比分析可知,优化效果明显,相对误差明显减小,该处理过程能够起到较好的滤波效果。
实验结果表明,利用高共模差分放大器INA117AM和精密运算放大器OPA27AJ构建仿真电路,能够有效抑制共模信号,精确测量微弱差分电压,达到对锂电池组全电压实时检测保护的目的。该方法与直接采样数据相比,提高了实时检测精确度,避免了实验仪器的不必要损害,同时保障了实验安全,对锂电池组全电压实时检测保护具有重大意义。
图5 全电压实验检测结果
本文提出了一种高共模差分放大器INA117AM和精密运算放大器OPA27AJ的锂电池组全电压的实时检测方法。该方法利用差分放大器抑制共模信号,放大差模信号的特点,兼顾消除纹波、噪声以及静电电流的影响,与OPA27AJ协同作用,实时精确测量锂电池组全电压,并且电压采样之后采用滑动平均方法,滤除高频噪声影响,通过噪声信号抑制和有用信号累积,对电压采样起到较好滤波平滑效果。由于锂电池具有质量轻、体积小、工作电压高、质量比能量高、体积比能量高、自放电率低、应用温度范围宽、循环寿命长、无记忆效应、绿色环保等优点,锂离子电池的应用领域将越来越广泛。该方法的提出对锂电池组的安全应用提供了保障,有效保证了其在应用中的可靠性,消除安全隐患,推动锂电池技术不断发展,促进能源有效利用。
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