鋰電池組全電壓檢測方法研究

梁 奇，王順利，屈 維

（西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010）

0 引 言

鋰電池具有能量密度高、性能較為穩定、循環壽命好、無毒無污染等優點，應用前景廣闊。隨著鋰離子電池技術的發展，加上能源、環保等問題的日益突出，鋰離子電池越來越多地應用于動力、儲能等新能源領域［1］。在這些應用中，需要把大量的鋰電池串聯起來以達到所需的電壓，而電池本身存在不一致性，使每節鋰電池電壓、電流、電阻、容量等存在差異。為了保證電池組的正常工作，需要對鋰離子電池進行安全管理［2］。鋰電池組中電池全電壓、單體電池電壓、電池溫度、總電流的實時監控是安全管理的重要基礎。隨著操作環境、老化等因素的影響，電池間的不一致性將愈趨明顯，電池效率、壽命將變差，再加上過充或過放等情況，嚴重時可能導致起火燃燒等安全問題。鋰電池只要一次過充電或一次過放電，就可能會造成電池的永久性損壞，因此單體電壓、總電壓、充放電電流的實時檢測［3，4］與保護至關重要。

由于電池材料和生產工藝等各方面的原因，鋰電池安全事故仍頻繁發生。2014年10月3日下午，江蘇省常州市鋰霸電池有限公司突發火災，火災過火面積在300 m2左右。2014年8月23日，深圳龍華穎博工業區內電池廠連燒四小時，著火面積大約400 m2。2013年10月21日惠州泰格威電池廠爆炸，損失2 000萬元。特斯拉Model S 2013年10月至今發生鋰電池相關的5次起火等安全事故，鋰電池的安全問題已經引起了廣大研究人員的關注［5-14］。

本文針對鋰電池組的安全性問題，從鋰電池全電壓檢測角度出發，采用高共模電壓差分放大器INA117AM以及超低噪聲精密儀器放大器OPA27AJ相結合，INA117AM能有效抑制零漂，消除共模信號，結合OPA27AJ比例縮放，從而實現對鋰電池組的電壓實時檢測。實驗表明，該方法能夠精確測量微弱差分電壓，誤差小、精度高、操作簡單、使用方便，能夠有效保證鋰電池組應用中的可靠性。

1 理論分析

1.1 硬件選擇

在電池數量較多的電池組中，沿著電池串聯方向將產生很高的共模電壓。共模電壓是作用在差分放大器兩個輸入端的相同信號電壓，是無用信號，共模信號過大會影響差摸信號的測量，更可能使儀器儀表受到損害。共模電壓的存在使得電池全電壓的檢測面臨巨大的挑戰，必須從很大的共模電壓中精確測量微弱差分電壓。INA117精密單位增益差分放大器有很高的共模輸入電壓范圍，是一個單一組成的單片集成電路精密運算放大器和集成薄膜電阻網絡，可以精確測量存在于共模信號中的微小差動電壓，測量范圍為±200 V。在許多應用程序中，INA117可以代替隔離放大器，能消除孤立的輸入側電源及其相關脈動、噪聲和靜態電流。非線性INA117＼x92s 0.001%和200 k Hz帶寬優于傳統的隔離放大器。差分放大器電路圖如圖1所示。

圖1 差分放大器電路圖

由圖可知，根據虛短虛斷的概念，有

計算化簡可得

鋰電池組充放電過程中對電壓、電流以及溫度相當敏感，各單體電池存在的不一致性也對充放電要求很高，一旦出現過充電、過放電、放電電流過大或電路短路，就會使鋰電池溫度升高，嚴重破壞電池性能，導致電池壽命大大縮短，因此，監視電池的電壓、電流和溫度的精確性顯得尤為重要。本文針對鋰電池組全電壓的實時檢測保護，采用超低噪聲精密運算放大器OPA27AJ作補償，用作內部補償電壓的單位增益。OPA27AJ內部補償單位增益穩定，且偏移電壓是雷射微調的，對于大多數應用程序來說不并需要進一步削減。輸入偏移無效時補償電壓漂移不會退化，其他電位計值從1 mΩ到1 kΩ均可以被使用，但是VOS漂移將額外退化0.1μV／℃到0.2μV／℃。調零使用大型系統補償的抵消削減調整，將降低漂移性能大約3.3μV／℃／毫伏的偏移量。對于削減非常小的偏移量，可以采用高分辨率電路。OPA27AJ使差分放大器能夠更好地測量出微弱的差分電壓，提高測量精度，減小測量誤差。

1.2 全電壓檢測系統設計

通過建立含有電壓源、電阻和電容的電路來模擬電池的工作狀態，便于簡單直觀地對鋰電池組的應用過程進行研究。在本文鋰電池組電壓檢測研究中，以5個電池單體串聯為例，全電壓檢測的整體結構框圖如圖2所示，差分放大電路抑制共模信號，消除紋波、噪聲和靜電電流的影響，同時增加電壓放大增益，有效放大差模信號，提高測量精確度。

圖2 鋰電池組全電壓檢測整體結構框圖

2 實驗與分析

2.1 鋰電池組全電壓檢測仿真實驗

檢測電路經過差分放大電路的仿真模型如圖3所示，電路中電容起穩壓和消除噪聲的作用，為運放提供穩定的直流工作電壓。

圖3 鋰電池組全電壓檢測原理圖

示波器A通道檢測顯示未經處理的電壓信號，B通道檢測顯示經過差分放大過后的電壓信號，示波器波形如圖4所示。變換不同的電壓源得到不同的輸出波形，圖4（a）、（b）、（c）分別表示電壓源為三角波、正弦交流波和半三角波的波形圖。

針對鋰電池組全電壓檢測，綜合對比各種采樣方法效果，最終使用INA117低功耗零漂移儀表放大器，結合OPA27實時比例縮放，實現全電壓實時檢測。由于受充放電過程影響較大，直接采樣具有0.4 V的隨機誤差，因此，信號采樣后的濾波顯得尤為必要，根據王順利等人研究的滑動平均方法［14］，經過滑動平均處理后的隨機誤差降為0.03 V，具有十分明顯的濾波處理效果。經過滑動平均方法進行有效低通濾波處理，實現全電壓信號實時檢測，檢測結果如圖5所示。

圖4 電壓檢測波形圖

2.2 結果分析

由圖4分析可知，經過高共模差分放大器INA117AM和精密運算放大器OPA27AJ后，全電壓無用信號得到抑制，有用信號得到有效放大，示波器顯示更加精確，對鋰電池組實時檢測保護提供實時依據，避免電池組因電壓過高或過低影響使用壽命，預防安全事故發生。

由圖5全電壓采樣平滑處理前后數據對比分析可知，優化效果明顯，相對誤差明顯減小，該處理過程能夠起到較好的濾波效果。

實驗結果表明，利用高共模差分放大器INA117AM和精密運算放大器OPA27AJ構建仿真電路，能夠有效抑制共模信號，精確測量微弱差分電壓，達到對鋰電池組全電壓實時檢測保護的目的。該方法與直接采樣數據相比，提高了實時檢測精確度，避免了實驗儀器的不必要損害，同時保障了實驗安全，對鋰電池組全電壓實時檢測保護具有重大意義。

圖5 全電壓實驗檢測結果

3 結束語

本文提出了一種高共模差分放大器INA117AM和精密運算放大器OPA27AJ的鋰電池組全電壓的實時檢測方法。該方法利用差分放大器抑制共模信號，放大差模信號的特點，兼顧消除紋波、噪聲以及靜電電流的影響，與OPA27AJ協同作用，實時精確測量鋰電池組全電壓，并且電壓采樣之后采用滑動平均方法，濾除高頻噪聲影響，通過噪聲信號抑制和有用信號累積，對電壓采樣起到較好濾波平滑效果。由于鋰電池具有質量輕、體積小、工作電壓高、質量比能量高、體積比能量高、自放電率低、應用溫度范圍寬、循環壽命長、無記憶效應、綠色環保等優點，鋰離子電池的應用領域將越來越廣泛。該方法的提出對鋰電池組的安全應用提供了保障，有效保證了其在應用中的可靠性，消除安全隱患，推動鋰電池技術不斷發展，促進能源有效利用。

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