电池管理系统跨接采样对Pack性能的影响分析

闵敏 别进浩 曾德文 丁茂家 占强

摘 要：通过室温充放电容量及低soc脉冲放电测试分析电池管理系统（以下简称“BMS”）跨接采样对Pack性能的影响，发现BMS有跨接采样（Yes Cross sampling）（以下简称“YCS”）和无跨接采样（No Cross sampling）（以下簡称“NCS”）对Pack室温放电容量基本无影响;低soc（2%soc，5%soc，10%soc）脉冲放电试验发现：YCS放电末端压差较NCS大，通过增加跨接铜排截面积，可有效减小脉冲放电末端压差，提升Pack性能为结构布置提供参考。

关键词：Pack;电池管理系统（BMS）;跨接采样;压差

中图分类号：U467.3  文献标志码：A  文章编号：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

近年来，随着电动汽车续航里程要求的不断增加，Pack能量密度也不断提升，在电池能量密度未获得质的飞跃前，Pack能量密度仅通过堆叠更多电芯或模组来提高，电池管理系统（以下简称“BMS”）作为电池安全需要、延长电池使用寿命、提高电池组有效储能及估算电池剩余能量方面显得尤为重要[1-2]，BMS通过采样芯片监控单体电池电压、温度，绝缘电阻等，一个BMS含有多个采样芯片，由于前期电路布局及成本等诸多原因，导致一个采样芯片可能出现跨接采样（Yes Cross sampling）（以下简称“YCS”），即在电芯与电芯间有长铜排连接（同一采样芯片中），以模组1P4S，3个模组一个采样芯片为例（如图1所示）。M1，M2，M3电压及温度采集为一个采样芯片，在M1与M2之间采用短I型铜排连接;M2与M3之间采用长折弯铜排连接，出现的YCS对电压采样有何影响呢？

在Pack充电过程中，BMS采集的YCS电芯电压会更快达到截止电压（如图2所示），单体电芯电动势（电压）U1=U2=U3，电阻R上所分得电压：V′=IR，BMS采集电压如下式：

V2是U2加电阻分压，V2最先达到充电截止电压;同理放电过程，V2是U2减电阻分压，V2也最先达到放电截止电压。同理欧姆定律，电流I一定，阻值越大其分压也越大。

以上分析可知，同一采样芯片的电芯间YCS的存在，会导致充电更快达到充电截止电压，放电更快达到放电截止电压，这种情况对电池Pack性能（如放电容量、放电功率等）影响有多大？本文作者通过研究不同长度铜排分压对同一采样芯片YCS的影响、室温充放电容量评估YCS对Pack充放电容量的影响;室温脉冲功率评估对Pack末端压差的影响;基于以上影响通过增加铜排截面积方案来验证对YCS的补偿，为Pack开发提供合理的布置方案建议。

1 试验

1.1 样品准备

实验采用 1P4S异侧非对称出极模组排布组成的Pack，3个模组一个BMS采样芯片，如图3布置，1、2号模组间用长度145mm，截面积（Cross section area）54mm2（“以下简称CSA54”）的 I型铜排连接;2、3号模组间用长度310mm，CSA54的折弯长铜排连接。

1.2 实验方法

测试条件：室温（25±2℃）。

测试设备：Digatron电池测试系统，8846A六位半精密数字多用表，液冷高低温测试机。

铜排分压测试：在Pack内选取不同长度铜排布置电压采集点，再进行大电流15s脉冲放电，测量在脉冲放电过程中不同长度铜排的分压。

室温放电容量测试：按快充map充电至截止电压4140 mv;然后以1/3C倍率放电至截止电压2800mv，计算室温充放电容量。

功率验证测试：以恒流充电至截止电压4140mv，然后用1/3C额定容量放电3*（100-n）/100h，调整至n%SOC（n=2，5，10），再分别以150A，300A，400A放电15s;测试充放电截止电压及末端压差。

压差补偿测试：采用不同截面积（Cross section area）（“以下简称CSA”）跨接铜排验证对YCS压差的补偿，最大单体电压为Vmax，最小单体电压为Vmin铜排截面积表示方式如CSA54，即截面积为54mm2，同理CSA72截面积为72mm2，CSA108截面积为108mm2。

2 YCS对电池Pack的性能影响

2.1 不同长度铜排分压

将图3中4，5号模组间连接铜排换成长531mm，CSA54的折弯铜排，然后分别选取长度为145mm，310mm和531mm的铜排两端，与电芯连接位置布置电压采样线，再以500A电流放电15s，其分压见表1：

从表1可知，铜排越短，分压越小，这也完全符合欧姆定律;且随着铜排长度和电流的变化，分压也等比例变化;如电流降为200A，310mm长度铜排分压约20mv，145mm分压约9.4mv，这说明在BMS同一采样芯片中电芯间连接铜排越短越好。

2.2 對室温充放电容量的影响

2.2.1 充电容量曲线

在大倍率充电阶段，YCS Vmax上升比NCS快，YCS-V- diff压差也较NCS大，随着充电倍率的减小，YCS Vmax上升速率及V-diff压差也逐渐减小，充电末端两者基本一致。YCS充电容量为163.74Ah，NCS 161.45Ah，两者相差2.29Ah，初步分析原因为充电时YCS所用动力线缆较NCS更长，线阻大导致YCS充电容量较NCS小，如扣除线阻消耗，实际充电容量YCS与NCS基本一致，分析原因为该充电map随电压升高充电倍率是逐渐减小的，到达充电末端时充电倍率仅0.05C，如此小的倍率充电YCS基本没有分压，与NCS充电容量基本一致。由此可见YCS对充电容量基本无影响。

2.2.2 放电容量曲线

放电过程中，YCS和NCS放电Vmin曲线基本一致，仅放电末端YCS的Vmax比NCS高，导致YCS放电末端压差较NCS大，而放电容量YCS和NCS分别为160.68Ah、160.72Ah。（注：放电时YCS和NCS采用的通道均为NCS充电通道，线长一致，线阻一致）。由于放电末端YCS和NCS的Vmin基本一致，虽YCS压差较NCS大，但对放电容量基本无影响。

2.3 对室温放电功率的影响

2.3.1 2%soc，150A放电15s

YCS-CSA54放电末端Vmin为3000mv，Vmax为3095mv，压差Diff-V95mv; NCS-CSA54放电末端Vmin为3085mv，Vmax为3157mv，压差Diff-V72mv，YCS的放电末端Vmin比NCS低85mv。根据表1计算出YCS中2，3号模组间铜排分压15mv，还差70mv为放电末端电芯压差的贡献。

2.3.2 5%soc，300A放电15s

YCS-CSA54放电末端Vmin为2861mv，Vmax为2982mv，压差121mv;NCS-CSA54放电末端Vmin为2927mv，Vmax为3049mv，压差122mv。根据表1计算出YCS中2，3号模组间铜排分压30mv，但在该电流下放电末端截止电压已接近2800mv，电芯间压差的贡献明显大于铜排分压，使得YCS和NCS末端压差基本一致。

2.3.3 10%soc，400A放电15s

YCS-CSA54放电末端Vmin为2994mv，Vmax为3137mv，压差143mv，NCS-CSA54放电末端Vmin为3007mv，Vmax为3110mv，压差103mv。根据表1计算出YCS中2，3号模组间铜排分压40mv，即为铜排分压所致。

3 不同CSA对YCS的压差补偿分析

将铜排截面积由CSA54依次增加为CSA72，CSA90，CSA108，分别对比2%soc，5%soc，10%soc三个功率点对压差的补偿作用，详见表2：

从表2可以得出，随着铜排截面积的增加，2%soc，10%soc的15s功率放电末端压差是呈减小的趋势，且CSA108的15s放电末端压差均小于CSA54;而5%soc的15s放电末端压差随着铜排截面积增加是基本不变的，原因为该soc放电截止电压已接近电芯末端电压2800mv，电芯本身末端压差远大于铜排分压。

通过以上分析，脉冲放电末端压差与放电截止电压有关，如放电末端电压接近电芯截止电压，增加CSA也不能减小压差，而大于电芯截止电压，通过增加CSA可有效改善压差问题。

从产品成本及性能角度考虑，可将跨接铜排截面积调整为CSA90。

4 结论

（1）跨接铜排分压随铜排长度及放电电流的增加而增加。

（2）BMS有跨接采样（YCS）对Pack充放电容量基本无影响。

（3）BMS有跨接采样（YCS）对低soc脉冲放电末端压差有一定影响，不同soc下脉冲放电电流的差异，是导致放电末端截止电压及压差不一致的主要原因。

（4）脉冲放电末端压差与放电截止电压有关，如放电末端电压接近电芯截止电压，增加CSA也不能减小压差，而大于电芯截止电压，通过增加CSA可有效改善压差问题。

参考文献

[1] 黄维海.锂离子电池管理系统设计[D].南开大学， 2011.

[2] 刘崇刚. 锂离子电池的安全特性分析[J].电池工业，2008：78-81.

[3] 肖岩，龚春忠，张洪雷.基于Simulink的动力锂离子电池建模研究[J].汽车实用技术，2018（22）：14-16.

[4] 叶帮彬.浅析新能源汽车动力电池研发方向[J].汽车实用技术， 2018，（20）：33-34.