与其他种类电池相比,锂离子电池具有绿色环保,电压高,储存和循环寿命长,荷电保持能力强,不会产生记忆效应等优点,已被广泛用于电力系统、微网、舰船、航天航空、轨道交通等诸多工业领域。锂离子电池作为重要的储能元件,其性能和安全性指标直接关系到设备的可靠性及经济效益。因此需要一套锂离子电池自动测试系统,实现锂离子电池的准确测试和评估。

 

锂离子电池介绍
如何设计锂离子电池自动测试系统

一、锂离子电池介绍

1、锂离子电池工作原理
锂离子电池一般使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。锂离子电池在充放电时内部发生复杂的化学反应,其中内阻和荷电状态(SOC)可直接反应电池的健康程度。

 

充电:

 

 

放电:

 

 

充电电池总反应:

 

 

图 1 锂离子电池工作原理

 

2、锂离子电池测试指南
为了锂离子电池更有效的使用,提高电池的安全可靠性,需要对锂离子电池高精度快速测试。国内外测试标准为锂离子电池测试提供了支持。

 

国外常用锂离子测试标准:
  IEC    62660 电动道路车辆用锂离子动力蓄电池单体


  ISO    12405 电驱动车辆—锂离子动力电池包及系统测试规程


  SAE    J2929 电动和混合动力电池系统安全标准


  UL    2580   电动汽车用电池

 

国内常用锂离子测试标准:
 QC/T    743 电动汽车用锂离子动力蓄电池


 GB/T    31467 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统


GB/T    31485 电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法


 GB/T    31486 电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法

 

IEC62660 系列、QC/T743、GB/T31486 和 GB/T31485 是针对电池单体和模块级别的测试,UL2580、SAEJ2929、ISO12405 和 GB/T31467 系列适用于电池组和电池系统的测试。所有的测试项可分为电性能测试和安全可靠性测试。

 

二、锂离子电池自动测试系统设计

1、系统特点
测试系统特点:


PXI 总线结构,模块化设计,可方便进行硬件配置和扩展;


开放的软件,图形化设计语言,方便用户进行自定义和二次开发;


高精度源,最高精度达 100ppm;


多核处理器并行处理,支持 RT 实时操作系统,实现高速采集和运算。

 

2、系统功能
该系统可用于锂离子电池电性能测试和安全性测试,应具有以下功能:
 

实现锂离子电池的恒流充放电;
 

实现锂离子电池的电压、电流的实时记录和显示;
 

按照不同测试标准实现锂离子电池的连续自动化测试,并自动生成测试报告;
 

自定义测试序列,实现手动测试;
 

根据需求,灵活的设置测试形式。

 

3、系统整体设计
被测试系统由上位机 LabVIEW 设定充放电电压电流、电子负载的放电模式及选择测试模式等,实现对电池的充放电。通过 NI 控制器给转换板发送控制信号,通过转换板上的继电开关的关断与闭合来实现充放电电路的切换。

 

测试系统包括被测件锂离子电池、NIPXIe-8133 控制器、功率接口(北京博电自主开发的 PI 系列模块化功率接口)、电子负载、充 \ 放电信号转换板。

 

图 2.1 系统整体框架

 

4、测试系统软件设计
整个测试程序分为软件登录、参数设置、测试界面、计算器四个模块。


(1)   软件登录:需要用户名和密码才能进入用户界面


(2)   参数设置:为测试提供基本参数设置,并且实现与电子负载的网络通信。


(3)   测试界面:根据客户需求,选择自动测试和手动测试。


(4)   计算器:根据保存的关键点数据,选择计算项目可得结果。

 

软件测试流程如下图:

 

图 2.2 软件测试流程

 

三、系统测试平台介绍

本文采用的是北京博电新力电气股份有限公司(PONOVO)的模块化功率接口、NI 公司的 PXIe1084、电子负载。其中博电的功率平台提供了高精度的电流源,可以采集三通道电压、电流,最高可实现 100ppm 的精度,放大输出三通道电压电流;博电 PL 系列可编程直流电子负载,实现电池恒流稳定放电;NI 公司的 PXIe8840 控制器,多核处理器并行操作,和 PXIe4322 模拟输出卡和 PXIe6368 采集卡,控制电压电流的输出和采集。以上设备为精准的参数测试提供硬件支持。

 

PXI 控制器,10 核并行最小步长 10us

 

图 3.1 测试系统平台

 

采用 NI 的设备,PXI 总线架构,模块化设计,能方便进行硬件的配置和扩充,采用多核处理器并行处理,RT 实时操作系统实现高速和高精度的采集与运算。

 

图 3.2 NI 控制器设备

 

四、实验与结果

1、锂离子电池充放电测试
根据国内外锂离子电池测试标准要求,选取磷酸铁锂、三元锂、铅酸电池等电池在不同电流下进行充放电测试,安时(Ah)积分法和开路电压(Uocv)法分别计算电池的 SOC 值,神经网络算法估算 SOC 误差。

 

分析整理数据,为锂离子电池性能评估提供可靠依据,为电池建模估算 SOC 误差提供数据。

 

图 4.1. 安时积分法 SOC 估算

 

图 4.2 磷酸铁锂,三元锂,铅酸电池 SOC 曲线

 

图 4.3 神经网络估算 SOC 误差

 

2、锂离子电池失效测试
对锂离子电池误用或滥用(比如过充电、过放电、短路、挤压、针刺、高温等)则会发生热失控,造成电池发热、起火或爆炸。

 

以过充电为例,针对过充电对电池单体进行测试,电池电压不断变大,温度不断升高,电池内部高电压造成电解液分解,电池内部产生大量气体,电池鼓胀,继续充电,在高温高压下大量气体从内部喷出,形成烟雾,随后被击穿导通。

 

分析热失控形成的原因与机理,对研究影响锂离子电池安全性能因素和安全防护措施具有重要意义。

 

图 4.4 锂离子电池失效过程

 

热失控现象:

 

 


五、总结

锂离子电池是目前各行业研究的热点,本文介绍了如何通过博电公司的功率接口、电子负载配合 NI 控制器及采集卡,实现锂离子电池自动测试系统。

 

本系统可完成全自动和手动测试,高速和高精度的数据采集,能够准确测量电池单体性能参数,分析测试数据,以对电池的性能做出评测,更好的掌握电池在实际工作中的真实性能状态。

 

进一步优化电池的使用,提高其使用率。为电池以后安全高效的使用提供了充足的理论依据和数据支持。