1、鋰離子電池工作原理

鋰離子電池一般使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。鋰離子電池在充放電時(shí)內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，其中內(nèi)阻和荷電狀態(tài)(SOC)可直接反應(yīng)電池的健康程度。

充電：

放電：

充電電池總反應(yīng)：

圖1 鋰離子電池工作原理

2、鋰離子電池測(cè)試指南

為了鋰離子電池更有效的使用，提高電池的安全可靠性，需要對(duì)鋰離子電池高精度快速測(cè)試。國(guó)內(nèi)外測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為鋰離子電池測(cè)試提供了支持。

國(guó)外常用鋰離子測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：

•   IEC 62660 電動(dòng)道路車輛用鋰離子動(dòng)力蓄電池單體

•   ISO 12405 電驅(qū)動(dòng)車輛—鋰離子動(dòng)力電池包及系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程

•   SAE J2929 電動(dòng)和混合動(dòng)力電池系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)

•   UL 2580   電動(dòng)汽車用電池

   

國(guó)內(nèi)常用鋰離子測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：

•  QC/T 743 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池

•  GB/T 31467 電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)

• GB/T 31485 電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法

•  GB/T 31486 電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法

   

IEC62660系列、QC/T743、GB/T31486和GB/T31485是針對(duì)電池單體和模塊級(jí)別的測(cè)試，UL2580、SAEJ2929、ISO12405和GB/T31467系列適用于電池組和電池系統(tǒng)的測(cè)試。所有的測(cè)試項(xiàng)可分為電性能測(cè)試和安全可靠性測(cè)試。

測(cè)試系統(tǒng)特點(diǎn)：

• PXI總線結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，可方便進(jìn)行硬件配置和擴(kuò)展；

• 開放的軟件，圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，方便用戶進(jìn)行自定義和二次開發(fā)；

• 高精度源，最高精度達(dá)100ppm；

• 多核處理器并行處理，支持RT實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速采集和運(yùn)算。

   

2、系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)可用于鋰離子電池電性能測(cè)試和安全性測(cè)試，應(yīng)具有以下功能：

•   實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的恒流充放電；

•   實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的電壓、電流的實(shí)時(shí)記錄和顯示；

•   按照不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的連續(xù)自動(dòng)化測(cè)試，并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告；

•   自定義測(cè)試序列，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)測(cè)試；

•   根據(jù)需求，靈活的設(shè)置測(cè)試形式。

   

3、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

被測(cè)試系統(tǒng)由上位機(jī)LabVIEW設(shè)定充放電電壓電流、電子負(fù)載的放電模式及選擇測(cè)試模式等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電。通過(guò)NI控制器給轉(zhuǎn)換板發(fā)送控制信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)換板上的繼電開關(guān)的關(guān)斷與閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電電路的切換。

測(cè)試系統(tǒng)包括被測(cè)件鋰離子電池、NIPXIe-8133控制器、功率接口（北京博電自主開發(fā)的PI系列模塊化功率接口）、電子負(fù)載、充放電信號(hào)轉(zhuǎn)換板。

圖2.1 系統(tǒng)整體框架

4、測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試程序分為軟件登錄、參數(shù)設(shè)置、測(cè)試界面、計(jì)算器四個(gè)模塊。

（1）   軟件登錄：需要用戶名和密碼才能進(jìn)入用戶界面

（2）   參數(shù)設(shè)置：為測(cè)試提供基本參數(shù)設(shè)置，并且實(shí)現(xiàn)與電子負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)通信。

（3）   測(cè)試界面：根據(jù)客戶需求，選擇自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試。

（4）   計(jì)算器：根據(jù)保存的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，選擇計(jì)算項(xiàng)目可得結(jié)果。

軟件測(cè)試流程如下圖：

圖2.2 軟件測(cè)試流程

        本文采用的是北京博電新力電氣股份有限公司（PONOVO）的模塊化功率接口、NI公司的PXIe1084、電子負(fù)載。其中博電的功率平臺(tái)提供了高精度的電流源，可以采集三通道電壓、電流，最高可實(shí)現(xiàn)100ppm的精度，放大輸出三通道電壓電流；博電PL系列可編程直流電源，實(shí)現(xiàn)電池恒流穩(wěn)定放電；NI公司的PXIe8840控制器，多核處理器并行操作，和PXIe4322模擬輸出卡和PXIe6368采集卡，控制電壓電流的輸出和采集。以上設(shè)備為精準(zhǔn)的參數(shù)測(cè)試提供硬件支持。

PXI控制器，10核并行最小步長(zhǎng)10us

  圖3.1測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)

采用NI的設(shè)備，PXI總線架構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，能方便進(jìn)行硬件的配置和擴(kuò)充，采用多核處理器并行處理，RT實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速和高精度的采集與運(yùn)算。

圖3.2 NI控制器設(shè)備

1、鋰離子電池充放電測(cè)試

        根據(jù)國(guó)內(nèi)外鋰離子電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，選取磷酸鐵鋰、三元鋰、鉛酸電池等電池在不同電流下進(jìn)行充放電測(cè)試，安時(shí)(Ah)積分法和開路電壓(Uocv)法分別計(jì)算電池的SOC值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法估算SOC誤差。

分析整理數(shù)據(jù)，為鋰離子電池性能評(píng)估提供可靠依據(jù)，為電池建模估算SOC誤差提供數(shù)據(jù)。

圖4.1.安時(shí)積分法SOC估算

圖4.2 磷酸鐵鋰，三元鋰，鉛酸電池SOC曲線

圖4.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算SOC誤差

2、鋰離子電池失效測(cè)試

         對(duì)鋰離子電池誤用或?yàn)E用（比如過(guò)充電、過(guò)放電、短路、擠壓、針刺、高溫等）則會(huì)發(fā)生熱失控，造成電池發(fā)熱、起火或爆炸。

        以過(guò)充電為例，針對(duì)過(guò)充電對(duì)電池單體進(jìn)行測(cè)試，電池電壓不斷變大，溫度不斷升高，電池內(nèi)部高電壓造成電解液分解，電池內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體，電池鼓脹，繼續(xù)充電，在高溫高壓下大量氣體從內(nèi)部噴出，形成煙霧，隨后被擊穿導(dǎo)通。

        分析熱失控形成的原因與機(jī)理，對(duì)研究影響鋰離子電池安全性能因素和安全防護(hù)措施具有重要意義。

圖4.4鋰離子電池失效過(guò)程
 

熱失控現(xiàn)象：

        鋰離子電池是目前各行業(yè)研究的熱點(diǎn)，本文介紹了如何通過(guò)博電公司的功率接口、電子負(fù)載配合NI控制器及采集卡，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。本系統(tǒng)可完成全自動(dòng)和手動(dòng)測(cè)試，高速和高精度的數(shù)據(jù)采集，能夠準(zhǔn)確測(cè)量電池單體性能參數(shù)，分析測(cè)試數(shù)據(jù)，以對(duì)電池的性能做出評(píng)測(cè)，更好的掌握電池在實(shí)際工作中的真實(shí)性能狀態(tài)。進(jìn)一步優(yōu)化電池的使用，提高其使用率。為電池以后安全高效的使用提供了充足的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

注：本文來(lái)自博電的馬媛媛