劉奕彤

摘要：隨著鋰電池性能提升，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。鋰電池性能決定基于鋰電池應(yīng)用產(chǎn)品的性能。為了更好的對(duì)鋰電池性能進(jìn)行測(cè)試，本文設(shè)計(jì)了一種鋰電池性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。針對(duì)鋰電池電機(jī)系統(tǒng)，采用電壓與轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)鋰電池充電、放電過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過串并聯(lián)相結(jié)合的采集系統(tǒng)，利用程控開關(guān)隔離電池系統(tǒng)，對(duì)電池充放電電流、內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)。此系統(tǒng)可以在無人監(jiān)管前提下自動(dòng)工作，成倍提高實(shí)驗(yàn)效率，自動(dòng)采集系統(tǒng)排出人為因素干擾使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為精確。

關(guān)鍵詞：鋰電池；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；自動(dòng)測(cè)量

鋰電池[1]作為新能源汽車儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，其性能與充放電規(guī)律直接決定新能源汽車的續(xù)航里程和動(dòng)力性。除了應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用在手持脫纜工具中，鋰電池的性能及壽命影響工具的性能及壽命。鋰電池屬于化學(xué)儲(chǔ)能，與鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鉻電池等相比，在電池壽命、充電技術(shù)、安全性、比能量、比功率方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)鋰電池性能的研究逐漸成為熱點(diǎn)。

鋰電池的性能主要是包括內(nèi)阻、容量、充放電規(guī)律等。此外，鋰電池與負(fù)載如電機(jī)、電阻等構(gòu)成的系統(tǒng)后，鋰電池與負(fù)載的匹配、充放電參數(shù)等也是鋰電池重要的應(yīng)用參數(shù)。這些參數(shù)反映鋰電池自身的性能，同時(shí)決定鋰電池應(yīng)用系統(tǒng)的性能，更好的更準(zhǔn)確的對(duì)鋰電池的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，是設(shè)計(jì)、研發(fā)基于鋰電池應(yīng)用產(chǎn)品的關(guān)鍵。

本文以鋰電池性能為研究對(duì)象，建立鋰電池性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以電機(jī)為負(fù)載，測(cè)試鋰電池充放電性能。

1鋰電池性能

充放電倍率、充放電次數(shù)、內(nèi)阻是單體鋰電池的主要性能指標(biāo)[2]。在鋰電池組中，電池的均衡性指標(biāo)決定電池組的性能。

充放電倍率又稱C率，是指鋰電池充放電電流大小。放電時(shí)C越大，瞬時(shí)放電電流越大，驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)，輸出電能越少。充電時(shí)C越大，充電越快，充如入電池的電能越少。

循環(huán)次數(shù)，是充電電池的重要指標(biāo)，決定電池的壽命，單體鋰電池的充電次數(shù)理論為15000次左右，理論壽命為是15年。鋰電池組受個(gè)別單體電池性能及壽命的影響，存在水桶效應(yīng)，循環(huán)次數(shù)理論值為10000次，壽命10年。充放電次數(shù)決定基于鋰電池應(yīng)用產(chǎn)品的壽命，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的充放電規(guī)律，如1C放電，0.3C充電，每次電池從5%充放到95%，照此循環(huán)，充放電500次后，電池的容量為最初容量的80%。充放電次數(shù)與電池的負(fù)載變化密切相關(guān)，在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中，則與使用情況息息相關(guān)。

內(nèi)阻，電池內(nèi)部的電阻。是指在電池工作時(shí)，電流流過電池內(nèi)部所需要的電阻。鋰電池在放電時(shí)，所有能力不能完全轉(zhuǎn)化為電能，電化學(xué)反映存在能力損失，既為其內(nèi)阻。內(nèi)阻與負(fù)載直接相關(guān)，受溫度影響大，隨著電池的使用，充放電次數(shù)的增加，內(nèi)阻逐漸增大。內(nèi)阻與沖放電倍率有關(guān)，內(nèi)阻越小，C率越大。特斯拉汽車所用的松下18650單體電池內(nèi)阻約為50mΩ。

2鋰電池性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

鋰電池性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3]由充放電系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。充放電系統(tǒng)負(fù)責(zé)鋰電池的充電及放電，負(fù)載系統(tǒng)分為電機(jī)或電阻類負(fù)載兩類，此處以電機(jī)系統(tǒng)為主，阻尼系統(tǒng)為電機(jī)提供反拖效應(yīng)、加載扭矩，采集系統(tǒng)負(fù)載電池性能基本參數(shù)如電池內(nèi)阻。采用電池組，其性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還包括電池充放電均衡系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

其中，電源為220V交流電。電壓開關(guān)主要作用是在充滿電后，切斷外電源，因此，電壓開關(guān)時(shí)刻監(jiān)測(cè)電池（組）的電壓值，電壓開關(guān)的斷電門限電壓可以設(shè)定。變壓器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，為電池充電。串?lián)采集模塊串接在整體電路中監(jiān)測(cè)充電電流及電壓，如果需要可以外接電腦。均衡板是電池組的前置控制單元，對(duì)電池組內(nèi)部各電池進(jìn)行有效的控制，確保電池的一致性，同時(shí)保證電池組整體效能。電池組是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所要監(jiān)測(cè)的主要對(duì)象。電機(jī)及負(fù)載是耗能元件，確保電池組有效放電。電機(jī)采用直流電機(jī)，電機(jī)的基本參數(shù)應(yīng)與電池組從電壓、功率、容量等方面進(jìn)行匹配，電機(jī)功率不易過大，避免對(duì)電池本體造成傷害，同時(shí)電機(jī)功率過小，放電時(shí)間長(zhǎng)，影響實(shí)驗(yàn)效率。電機(jī)避免空轉(zhuǎn)，應(yīng)帶有有效的負(fù)載，即對(duì)外輸出功率。負(fù)載可以是定功率系統(tǒng)，如風(fēng)機(jī)、水泵等，也可以是可控阻尼系統(tǒng)，如磁制張力器。為了更精確的測(cè)量電池（組）的內(nèi)阻、容量等參數(shù)，采用并聯(lián)采集模塊監(jiān)測(cè)電池參數(shù)，該模塊與電池組并聯(lián)，模塊與電池組的連接端與沖放電回路之間設(shè)置程控開關(guān)（繼電器），當(dāng)并聯(lián)采集模塊工作時(shí)，切斷均衡板及電機(jī)與電池之間的聯(lián)系，減少系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的影響；當(dāng)電池進(jìn)行充放電操作時(shí)，斷開并聯(lián)采集模塊，減少其對(duì)系統(tǒng)的影響。

綜上，鋰電池性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鋰電池（組）實(shí)施有效的充放電控制，通過串聯(lián)、并聯(lián)采集模塊對(duì)電池（組）進(jìn)行精確的監(jiān)測(cè)。

3鋰電池性能實(shí)驗(yàn)

針對(duì)小功率脫纜用電器（鋰電池電機(jī)系統(tǒng)），實(shí)驗(yàn)研究其電池（組）應(yīng)用、使用性能，選用磷酸鐵鋰電池組成電池組（含4個(gè)單體電池），電池單體電壓為3.23.4V，配置四路均衡板，選擇12V直流電機(jī)，采用固定功率值負(fù)載即電機(jī)輸出端帶配重塊，串聯(lián)采集模塊選擇庫侖計(jì)，并聯(lián)采集模塊為鋰電池內(nèi)阻測(cè)試儀構(gòu)成系統(tǒng)。對(duì)電池充放電時(shí)間、充電電流、放電電流、電池組內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。

從以上結(jié)果分析，鋰電池性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以精確的測(cè)量鋰電池充放電參數(shù)及內(nèi)阻。然而，由于電機(jī)功率及負(fù)載小，存在鋰電池放電時(shí)間過長(zhǎng)的問題，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)效率。因此考慮在鋰電池性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，應(yīng)考慮添加自動(dòng)控制系統(tǒng)替代人工操作充電、放電、檢測(cè)過程。

4鋰電池性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)

串聯(lián)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的充放電狀態(tài)，而并聯(lián)系統(tǒng)需要人為干預(yù)。針對(duì)以上問題，考慮在無人值守的前提下，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，即自動(dòng)進(jìn)行電池充放電進(jìn)程及數(shù)據(jù)采集，需要添加額外監(jiān)控設(shè)備。目前針對(duì)充電環(huán)節(jié)，電壓開關(guān)可以起到自動(dòng)斷開外接電源終止充電的作用。放電結(jié)束環(huán)節(jié)，采用轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)是否旋轉(zhuǎn)，當(dāng)確定電機(jī)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出放電結(jié)束信號(hào)。并聯(lián)采集模塊與電池的連接段采用程控開關(guān)。添加自動(dòng)充放電控制環(huán)節(jié)，作為無人情況下的控制模塊。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成圖如圖2所示。

通過改進(jìn)鋰電池性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二十四小時(shí)不間斷實(shí)驗(yàn)，延遲了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，避免了人為干擾，提高了實(shí)驗(yàn)效率與精度。

5小結(jié)

本文以鋰電池性能為研究對(duì)象，針對(duì)小功率、電池電機(jī)系統(tǒng)建立性能測(cè)試平臺(tái)，采用串聯(lián)測(cè)試與并聯(lián)測(cè)試相結(jié)合的方式對(duì)鋰電池的內(nèi)阻、充放電電流、充放電時(shí)間等基本參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測(cè)放電環(huán)節(jié)，利用自動(dòng)測(cè)量控制系統(tǒng)提高實(shí)驗(yàn)效率（三倍左右）。為鋰電池性能多次循環(huán)測(cè)試提供了一定參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳偉榮，黃銳森，陳隆，羅一鳴.電動(dòng)汽車電池技術(shù)發(fā)展綜述[J].電源學(xué)報(bào)，2017，53（3）：118.

[2]夏正鵬，王興興，倪紅軍，原銀男，廖萍.電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2014，36（7）：10521054.

[3]田鵬，宋康，廖俊必，李忠秦.磷酸鐵鋰電池性能測(cè)試與優(yōu)化使用研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2014，4（5）：3438.