电池管理系统研究

电池管理系统研究

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(YesCrosssampling)(以下简称“YCS”)和无跨接采样(NoCrosssampling)(以下简称“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

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(YesCrosssampling)(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:(1)(2)(3)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(Crosssectionarea)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4140mv;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(Crosssectionarea)(“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。

2YCS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对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,YCSVmax上升比NCS快,YCS-V-diff压差也较NCS大,随着充电倍率的减小,YCSVmax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,NCS161.45Ah,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。2.3.12%soc,150A放电15sYCS-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。2.3.25%soc,300A放电15sYCS-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。2.3.310%soc,400A放电15sYCS-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。

作者:闵敏 别进浩 曾德文 丁茂家 占强 单位:威马汽车科技集团