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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
