广东国光电子有限公司 夏 斌

锂电池具有储存能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已成为电动汽车和储能电源的主要动力电源之一。电池组通常由多个单体电芯串联组成，由于锂电池的生产工艺造成每个单体电芯的特征有所差异，使用时需要一套管理系统来对电池组的性能和安全进行监控管理。在电池管理系统中所进行的电池均衡、SOC计算、过压保护等都需要对每节单体电池的电压进行0.5级以上精度的测量，即假如单体电池的电压为3V时，电压测量的误差应该小于15mv。目前，对于电池组中单体电池电压的测量一般采用单一式测量方案，虽然这种方案成本较低，但在普通单一式测量方案中，大电流的情况下，连接单体电池的导线的线电阻及各串接部位的接触电阻会使测量得到的电压产生较大误差，从而达不到0.5级以上的测量精度，令整个电池管理系统的准确性及可靠性下降，最终导致整个电池组的使用效率的下降及电能的浪费。

本文设计一种更加可靠和准确的电路，原理框图如图1。此种测量方法类似于四线法，通过两个ADC构成测量装置同时进行测量，从而消除测量误差。测量装置A的第一根电压采集线接在第一节单体电池的正极，第二根线接在第二节单体电池的正极，第三根线接在第二节单体电池的负极。测量装置B的第一根电压采集线接在第一节单体电池的正极，第二根线接在第一节单体电池的负极，第三根线接在第三节单体电池的正极，第四根线接在第三节单体电池的负极。R为电池串联连接线的线电阻及接触电阻之和。测量装置B的1脚和2脚测量电芯B1的电压U12。测量装置A的a脚和b脚测量电芯B1电压与R的压降之和U ab。奇数编号的电芯电压由测量装置B测得，不因电阻R的压降而影响电芯测试精度。同样错位接线，偶数编号的电芯电压由测量装置A测得。R的压降可由Uab与U12之差求得。

此种方法的优点如下：

(1)增加一个测量装置，虽然成本有所提高，但由于引入了冗余，当其中一个测量装置发生故障，另一个测量装置依然可以保持测量的功能，使得整个系统的可靠性大大增加。

(2)由于可以得到串联连接线上各处电阻的分压大小，电池管理系统可以根据这些数据分析出线路各处的连接情况、接触点的氧化情况。

(3)准确得出电池组中各单体电芯电压。

(4)由于两个测量装置的某些测量值之间存在必然关系，可以据此来进行自检，反映测量装置正常与否，比如在静态极小电流的情况下比较两块芯片各端测得的电压，同一端电压差距较大时可判断为异常。

1.系统设计

1.1 电路主要功能

电压高精度测量电路由四个主要部分组成，结构框图如图2所示。电源模块部分负责整个控制系统的供电，由电池组正负两极获取电能输入。电压测量模块负责电池组内电芯电压的测量采集和模数转换，由上文所述的测量装置A和B组成，MCU控制模块负责电压数据的处理及分析，并控制周边模块工作或休眠。通讯模块可将有用的数据上传给电池管理系统BMS，实现多个电压测量系统的级联和电池组模块串联以提高整体电压。

1.2 电压测量模块的设计

测量装置B的电路如图3所示，此设计以8节单体电芯串联为一个电池组模块，电路在保证其需要的性能和精度外，还需要重点考虑实际操作的鲁棒性及安全性。电路主要由ADC芯片LTC6803-3构成，由上文可知，除了接线方式是奇偶错位接法以外，测量装置A和测量装置B的电路是相同的，不重复列出。P1为连接单体电芯电极的接线端子，并给ADC芯片J1供电工作。R1、C1构成简单低通滤波器，将滤波后的模拟电压信号送至J1的各个采样引脚。D1为6.2V稳压二极管，结合限流电阻R1、R2防止反接电极损坏芯片J1，同时还防止接线错乱超过芯片J1局部耐压极限值。U1采用CM1223-04SO ESD保护阵列对通信接口进行保护，而且U1是低容抗器件，输入容抗小于1.5pF，适用于1MHz高速SPI通信，既保证了系统的速度需求又保证了系统的可靠性。对于电池组负极B-，CELL1-和GND_1引脚组成kelvin连接法，从而消除供电端GND_1产生的压降对测量端CELL1-的影响。

图1 原理框图

图2 电压高精度测量电路结构框图

1.3 具体实施方式

1.3.1 高精度测量实现依据

图3 测量装置B的电路

图4 上位机软件将实际测量数据显示的结果

如图1及图3所示，被测量的电池组分别用小于等于13根电压采集线与测量装置A和B连接。芯片J1是包含一个12bit的集线式ADC，对12路模拟信号轮番采样，确保每路电压采样的一致性。采样电压的分辨率为1.5mV，测试精度小于等于10mV，假如不考虑其他因素的影响，这个精度是可以满足电池管理的要求。如果再通过MCU软件进行校准补偿偏差，可使测量精度在5mV以内，完全符合相关国标对锂电池组电压监控精度的要求，如图4为上位机软件将实际测量数据显示的结果。

1.3.2 实施方法

如图1测量装置A与测量装置B的电压采集线除第一根接在电池组的正极之外，其余采集线都按测量装置A直接连接偶数电芯两极，测量装置B直接连接奇数电芯两极。测量出所有连线端的电压，利用测量数据进行处理如下：

U12=UB1…(1)；Uab=UB1+UR1…(2)；U23=UR1+UR2+UB2…(3)；Ubc=UB2…(4)；

U34=UB3…(5)

由(2)-(1)得出R1的分压；把(1)和(2)得到的数据代入(3)得R2的分压；依此类推，可得出B1～B8所有单体电池的电压及R1～R7所有电阻上的分压。另外，存在以下必然关系：

Uab>U12；UbcU34；……；Ufg

可以根据这些关系进行自检，保证测量系统的数据的正确性。

通过这种方法得出所有单体电池电压，并避免了电阻上分压的影响，特别是快速充电或者大电流放电时，线电阻R产生的压降尤其明显，为电池管理系统BMS的均衡、SOC计算、保护、异常报警等功能提供可靠、有效的数据支持。

2.总结

本文设计的串联锂电池电压测量方法具有精度高、性能可靠、功能实用等特点，在国光电器集团下属广东国光电子有限公司实际应用效果良好，特别是适合电动汽车、通讯基站等高要求、高可靠性应用需求的环境。这种方法的缺点是电路和接线较为复杂，成本也略微增加。

[1]漆逢吉.通信电源[M].北京:北京邮电大学出版社,2012.

[2]乔国艳.电动汽车电源管理系统研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[3]黄文华,韩晓东.电动汽车SOC估计算法与电池管理系统的研究[J].汽车工程,2007(3):23-24.

[4]何莉萍,钟志华.基于DSP的电动汽车电源管理系统的设计[J].湖南大学学报,2009(5):56-57.

[5]杨光,李广勇,孟祥志等.CC430F5137单片机的动力电池管理系统设计[J].电池,2011(8):78-81.