CN205898880U - 一种并联电池支路电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及动力电池的检测系统，尤其是一种并联电池支路电流检测装置，包括与CPU连接的电流检测单元和通讯单元；电流检测单元检测并联的各电池支路电流；通讯单元连接CPU和上位机；所述电流检测单元包括电流检测模块和两个汇流片；所述汇流片分别与各电池支路的正负极并联，汇流片为宽铜排，并设有连接电池和充放电设备动力线的孔；所述电流检测模块串联在电池支路和汇流片之间，电流检测模块的信号输出端与CPU连接。该装置极低连接阻抗的并联方法保护原有并联电池组特性，精度高、测量快，对总的并联电池组的快速动态电流工况的支路电流采集效果好，不仅适用单体并联，还可以直接测量多串联支路的支路电流。

Description

一种并联电池支路电流检测装置

技术领域

本实用新型涉及锂电池的检测装置，尤其是一种并联电池支路电流检测装置。

背景技术

单体电池的不一致性可通过欧姆内阻、极化、容量、倍率特性等性能参数来评价，但是并联电池组性能参数却很难找到与单体电池间的对应关系。并联电池组电流不平衡受多方面因素影响，包括电池容量、开路电压(open circuit voltage, OCV)、内阻、初始SOC、极化等，各因素耦合作用，使并联问题便得极其复杂。并联中各单体电池间互相制约，电流不一致的主要原因就是电池支路并联，因此，并联支路电流参数的检测对于储能领域而言至关重要。

对于先串联后并联的连接方式，通常在串联支路装配分流器用以测量支路电流，当单体电池直接并联成组时，为降低连接内阻，通常以点焊的方式固定各个并联电池的极耳，导致电池管理系统(Battery Management System, BMS)无法获得实际运行条件的并联各单体的电流。极少人员会对于并联电池内部的支路电流进行检测，目前基本没有相应的检测装置用于实际检测。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种精度高、快速测量各支路电流的一种并联电池支路电流检测装置，具体技术方案为：

一种并联电池支路电流检测装置，包括与CPU连接的电流检测单元和通讯单元，电流检测单元检测并联的各电池支路电流；通讯单元连接CPU和上位机；所述电流检测单元包括电流检测模块和两个汇流片；所述汇流片分别与各电池支路的正负极并联，汇流片为宽铜排，并设有连接电池和充放电设备动力线的孔；所述电流检测模块串联在电池支路和汇流片之间，电流检测模块的信号输出端与CPU连接。

所述电流检测模块包括电流检测芯片和电流采集装置；所述电流检测芯片分别连接CPU和电流采集装置的信号输出端；电流采集装置串联在电池支路和汇流片之间。

所述电流采集装置为并联选择电路装置；所述并联选择电路装置包括并联的分流器检测电路和霍尔检测电路；所述分流器检测电路包括串联的分流器与分流器开关；所述霍尔检测电路包括串联的霍尔开关与霍尔检测导线，还包括霍尔传感器，所述霍尔检测导线穿过霍尔传感器的中心；所述分流器和霍尔传感器均与电流检测芯片连接。

所述电流检测芯片为CS5460芯片。

所述分流器为300A/75mV分流器。

所述霍尔传感器为输出电流型的XHCHS-100AD。

并联电池支路电流检测装置能测量各并联支路电流和并联各单体的极耳电压。每个单体电池均串联了300A/75mV的分流器用于检测支路电流，其它规格分流器也可以使用，仅内阻存在差异。串联的分流器由于增加了各支路电阻，会影响到支路电流，但是分流器的电阻为0.25mΩ，考虑到单体电池的内阻一般大于1mΩ，当单体电流差异小于15A时，电压差异小于3mV，认为单体电流的误差已经减小至允许范围内。

在采用分流器的支路电流采集方案中，当电流差异过大时，会造成并联电池的电压差异过大，与实际使用不符，所以还选用霍尔电流传感器，由于霍尔元件不需要串入并联电池回路中，消除了分流器电阻造成的影响。

但传感器本身具有零漂及温漂，这给支路电流以及充电电容量的安时积分的计量造成误差。例如，某厂家霍尔传感器XHCHS-100AD，电流测试范围为-100A~+100A，测量精度可达5‰，供电电源+24V，选用输出电流型，降低了部分电磁干扰，输出为4~20mA。

检测电流时通过并联选择电路装置选择分流器检测电流或霍尔传感器检测电流。

在实际的充放电实验中，由于较窄的连接片上的压降较大，会导致并联单体的连接阻抗压降不均进而引起单体电池间电压差异较大。由于较大电流通过，使得窄的并联汇流连接片在不同电流支路呈现明显的电压差，造成并联电池系统运行特性的改变。本实用新型提供的汇流片不仅可以连接单体电池，还可以连接多串联电池构成的电池组，并且串联电池数量越多，分流器的支路电流采集方案的优越性更强。这是因为串联电池数量的增加，同时增大的该支路电池的总阻抗，使得分流器的0.25mΩ阻抗显得微不足道。

本实用新型可以高精度快速测量并联电池组的支路电流值，适用于多串联支路电池储能系统的参数检测，有效地弥补了现有电池电流检测装置电流通道数单一的缺点，并联支路间极低连接阻抗设计更加有效地保证了并联电池系统的运行稳定。

本实用新型中首次提出分流器或霍尔传感器采集支路电流的并联电池组参数测量方案。极低连接阻抗的并联方法对于保护原有并联电池组特性十分关键。高精度快速测量集中于一体，对总的并联电池组的快速动态电流工况的支路电流采集效果好。不仅适用单体并联，还可以直接测量多串联支路的支路电流。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是汇流片结构示意图；

图3是并联电池支路电流检测装置的连接示意图；

图4是并联选择电路装置的示意图；

图5是两并联充电过程中不平衡电流情况；

图6是两并联放电过程中不平衡电流情况；

图7是简化的电池支路电流分配模型。

具体实施方式

现结合附图说明本实用新型的具体实施方式。

如图1-图4所示，一种并联电池支路电流检测装置，包括与CPU连接的电流检测单元和通讯单元，电流检测单元检测并联的各电池支路3电流；通讯单元连接CPU和上位机；所述电流检测单元包括电流检测模块1和两个汇流片2；所述汇流片2分别与各电池支路3的正负极并联，汇流片2为宽铜排，并设有连接电池和充放电设备动力线的孔；所述电流检测模块1串联在电池支路3和汇流片2之间，电流检测模块1的信号输出端与CPU连接。

所述电流检测模块1包括电流检测芯片和电流采集装置；所述电流检测芯片分别连接CPU和电流采集装置的信号输出端；电流采集装置串联在电池支路3和汇流片2之间。

所述电流采集装置为并联选择电路装置；所述并联选择电路装置包括并联的分流器检测电路和霍尔检测电路；所述分流器检测电路包括串联的分流器6与分流器开关5；所述霍尔检测电路包括串联的霍尔开关7与霍尔检测导线9，还包括霍尔传感器8，所述霍尔检测导线9穿过霍尔传感器8的中心；所述分流器6和霍尔传感器8均与电流检测芯片连接。

所述电流检测芯片为CS5460芯片。

所述分流器为300A/75mV分流器。

所述霍尔传感器为输出电流型的XHCHS-100AD。

为能够直观了解并联电池不平衡电流的变化情况及产生原因的分析，本实用新型选用了两只ATL生产的60Ah磷酸铁锂老化电池并联进行测试，两只电池的容量分别为52.7Ah和50Ah，由于两只电池经历了不同衰退路径，所以参数差别较大。并联电池组放置于25℃的恒温箱中。电池组充放电倍率为0.5C，电压范围2.5-3.65V，恒压充电截止电流0.1C。

如图5所示，两只磷酸铁锂1号和2号电池充电过程中并联不平衡电流变化。不平衡电流的记录包括了恒流充电，恒压充电和静置三个过程。充电开始时，1号电池电流较大，2号电池较小，随充电过程的进行两块电池的电流差异先减小，之后又逐渐增大。产生这种现象的原因主要是并联电池组在上次放电后未经过完全静置，两块电池间的OCV存在差异，1号电池的放电完全，OCV较低，开始充电时电流较大；由于0%-10%SOC区间内磷酸铁锂电池OCV变化很快，在很短的充电时间内1号电池OCV上升到与2号电池持平，二者电流差异减小；但是由于两只电池的内阻和极化参数存在差异，1号电池内阻较小，两只电池进入电压平台区后内阻差异开始显现出来，不平衡电流差异继续增大；到达截止电压时，两只电池的电流恰好重合，说明此时1号电池已经接近充满，OCV上升加快，接受电流能力下降，如果在电流交叉点还未达到截止电压，1号电池OCV继续上升，电流会急速下降，造成的结果就是2号电池充电电流大幅度上升，超过2号电池正常的倍率承受范围，引起过流。恒压阶段两只电池电流下降，停止充电时，2号电流为10.7A，1号电池电流为1.3A，远远小于设定截止电流，此时1号电池已经处于过充状态。静置时期较大的环流说明充电停止时两块电池的OCV差异很大，2号电池还处于平台区，1号电池向2号电池放电。

根据1&2号电池并联后充电的容量和电流情况，整个充电阶段1号电池比2号电池多充入4.7Ah，而且随着倍率的增大，这种差异会逐渐增大。数据还显示，1号电池并联后的充入容量大于单体容量，处于过充状态。所以，1号和2号两只电池并联，在恒流恒压的充电方式下会造成一只电池长期处于过充状态，另外一只电池工作于平台区，但是极易发生过流现象。

如图6所示，1号和2号电池恒流放电的不平衡电流。放电前几秒电流差异减小，仍然是由于充电终止SOC不一致，OCV存在差异造成。在平台区的放电过程中可以看到，由于1号电池内阻较小，1号电池的充放电电流都比较大。放电一个半小时后，1号和2号电池电流出现交叉点，此时1号电池放电能力下降，放电电流迅速下降，直到并联电池组外电压达到放电截止电压。此时，1号电池以很小的放电电流到截止电压，已经过放，而2号电池的电流由于1号电池电流急速下降而急速上升，达到平台区放电电流的两倍，在放电倍率较大时非常容易发生过流，对电池造成损伤。

根据1&2号电池并联后放电的容量和电流情况，1号电池放电54Ah，大于实际单体容量，2号电池放电48.6Ah。静置时期较大环流仍旧说明1号电池已经放电到低端，2号电池仍然处在平台区。恒流放电造成一只电池过放，一只电池过流。

综合锂电池的OCV-SOC曲线特性以及支路电池的参数条件进行等效分析，如图7所示，简化的并联等效电路模型，支路电池模型可简化表示为OCV以及内阻、极化构成的总阻抗R串联。

由简化等效模型和基尔霍夫定律，可得：

求解支路电流I₁和I₂：

本发明提供的一种并联电池支路电流检测装置的应用场景较多存在与实际的电池储能系统中，尤其是需要大容量电池先串联后并联的使用模式。集成于一体的检测方案，有利于高精度快速同步采集各个支路的电流信号。相比于其他检测平台而言，数据的同步性较好，对新能源发电领域的电池储能系统意义显著。

同时本发明提供的一种并联电池支路电流检测装置还适用于需要增程的电动汽车扩展电池包的应用方案，扩展的电池包通常包含电池电流检测装置，虽然可以单独检测该扩展增程电池包的电池状态，但是由于是与原有车载电池包并联使用，电流采集的同步性无法保证，将扩展增程电池包的电流采集信号接入本发明提供的一种并联电池支路电流检测装置，将有效提高原有电池包与增程扩展电池包的并联参数检测的实际效果。

Claims (6)

1.一种并联电池支路电流检测装置，其特征在于，包括与CPU连接的电流检测单元和通讯单元，电流检测单元检测并联的各电池支路电流；通讯单元连接CPU和上位机；所述电流检测单元包括电流检测模块和两个汇流片；所述汇流片分别与各电池支路的正负极并联，汇流片为宽铜排，并设有连接电池和充放电设备动力线的孔；所述电流检测模块串联在电池支路和汇流片之间，电流检测模块的信号输出端与CPU连接。

2.根据权利要求1所述的一种并联电池支路电流检测装置，其特征在于，所述电流检测模块包括电流检测芯片和电流采集装置；所述电流检测芯片分别连接CPU和电流采集装置的信号输出端；电流采集装置串联在电池支路和汇流片之间。

3.根据权利要求2所述的一种并联电池支路电流检测装置，其特征在于，所述电流采集装置为并联选择电路装置；所述并联选择电路装置包括并联的分流器检测电路和霍尔检测电路；所述分流器检测电路包括串联的分流器与分流器开关；所述霍尔检测电路包括串联的霍尔开关与霍尔检测导线，还包括霍尔传感器，所述霍尔检测导线穿过霍尔传感器的中心；所述分流器和霍尔传感器均与电流检测芯片连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种并联电池支路电流检测装置，其特征在于，所述电流检测芯片为CS5460芯片。

5.根据权利要求3所述的一种并联电池支路电流检测装置，其特征在于，所述分流器为300A/75mV分流器。

6.根据权利要求3所述的一种并联电池支路电流检测装置，其特征在于，所述霍尔传感器为输出电流型的XHCHS-100AD。