林甲深 王飛鴻 楊雅雯

摘? 要：0.2It放電容量是移動(dòng)電話用鋰離子電池的一項(xiàng)重要測(cè)試，按照GB/T 18287-2013 《移動(dòng)電源用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)移動(dòng)電話用鋰離子電池進(jìn)行0.2ItA放電容量進(jìn)行測(cè)試，然后分別建立A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算模型和B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算模型，其中模型B綜合考慮了電壓測(cè)量、電流測(cè)量、時(shí)間測(cè)量誤差對(duì)不確定的影響，最后對(duì)兩種模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較。

關(guān)鍵詞：測(cè)量不確定度? 鋰離子電池? 0.2It放電容量? A類不確定度? B類不確定度

中圖分類號(hào)：TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）01（a）-0052-05

Abstract：0.2It Discharge capacity is an important test of lithium-ion batteries for mobile phones. 0.2It Discharge capacity of lithium-ion batteries for mobile phones is tested by GB/T 18287-2013， and then the calculation models of Type A standard uncertainty and Type B standard uncertainty are established respectively. The Type B standard uncertainty considers the influence of voltage measurement， current measurement and time measurement error on uncertainty. The calculation results of the two models are analyzed and compared.

Key Words： Measurement uncertainty; Lithium ion battery; 0.2IT discharge capacity; Type A uncertainty; Type B uncertainty

移動(dòng)電話用鋰離子電池是移動(dòng)電話的核心組成部分，鋰離子蓄電池的放電容量對(duì)移動(dòng)電話的續(xù)航起著至關(guān)重要的作用。目前，鋰離子電池，在放電容量檢查中，出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)臨界值的情況時(shí)有發(fā)生，ISO/IEC 17025：2017《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力的通用要求》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，處于標(biāo)準(zhǔn)判定的臨界值可能判定被檢產(chǎn)品不合格時(shí)，應(yīng)該給出分析結(jié)果的不確定度[1]，因此，移動(dòng)電話用鋰離子電池放電容量不確定度的計(jì)算顯得尤為重要。本文以移動(dòng)電源用鋰離子電池為樣品，按照GB/T 18287-2013《移動(dòng)電源用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣品進(jìn)行額定容量測(cè)試過程產(chǎn)生的不確定度進(jìn)行計(jì)算分析。

1? 測(cè)試方法

1.1 樣品信息

移動(dòng)電源用鋰離子電池，標(biāo)稱電壓為3.8V，額定容量為10000mAh，充電限制電壓4.2V，放電終止電壓3.0V，標(biāo)準(zhǔn)放電電流2000mA，標(biāo)準(zhǔn)充電電流2000mA，充電截止電流100mA，充放電溫度范圍為0～45℃。

1.2 測(cè)試設(shè)備

本次試驗(yàn)使用的設(shè)備是Chroma充放電測(cè)試系統(tǒng)和高低溫試驗(yàn)箱。

充放電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備型號(hào)：17011。

電壓量程：0～5V。

電流量程：0～20A，具有兩檔位自動(dòng)切換功能。

電壓測(cè)量誤差：±（0.02%rdg.+0.02%F.S.）。

電流測(cè)量（0～3A）誤差：±（0.02%rdg.+0.02%rng.）。

電流測(cè)量（3～20A）誤差：±（0.03%rdg.+0.03%rng.）。

高低溫試驗(yàn)箱型號(hào)：Hitachi ET-46MTHP。

其中：rdg.是指電壓或電流的采樣值;F.S.是指電壓的滿量程數(shù)值;rng.是指電流的檔位（3A或20A）。

1.3 測(cè)試方法

標(biāo)準(zhǔn)充電方法[2]：電池應(yīng)在23℃±2℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行如下測(cè)試，電池充電之前首先以標(biāo)準(zhǔn)放電電流2000mA恒流放電至放電終止電壓3.0V，然后再以標(biāo)準(zhǔn)充電電流2000mA恒流充電至充電限制電壓4.2V，之后改恒壓4.2V充電，直到充電電流小于100mA，最長充電時(shí)間不大于8h。

標(biāo)準(zhǔn)放電方法：在23℃±2℃的環(huán)境溫度下，以標(biāo)準(zhǔn)放電電流2000mA恒流放電至放電終止電壓3.0V。

測(cè)試流程：電池按照標(biāo)準(zhǔn)充電方法進(jìn)行充電，停止充電后，擱置0.5～1h，在23℃±2℃的環(huán)境溫度下按標(biāo)準(zhǔn)放電方法進(jìn)行放電。

2? 不確定度的計(jì)算

移動(dòng)電源用鋰離子電池額定容量計(jì)算公式[3]：C=f（I，T）=I5×T

其中：C為鋰離子電池的額定容量，I5=C5Ah/5h，為5h率放電電流，T為放電持續(xù)時(shí)間。

2.1 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

考慮到移動(dòng)電源用鋰離子電池的循環(huán)壽命長，可以忽略相鄰幾次循環(huán)測(cè)試對(duì)電池容量衰減的影響，認(rèn)為鋰離子電池的容量測(cè)試具有重復(fù)性，此時(shí)，可以通過重復(fù)測(cè)試來計(jì)算評(píng)定鋰離子電池放電容量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。根據(jù)測(cè)量方法的不同，A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算有以下兩種方式。

（1）如果認(rèn)為鋰離子電池的額定容量可以直接測(cè)量，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來源為容量測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uA1。按測(cè)試方法要求，完成5次測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

（2）如果認(rèn)為鋰離子電池的額定容量是通過間接測(cè)量放電時(shí)間計(jì)算生成，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源有：由電池檢測(cè)設(shè)備電流示值引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uAI;由電池檢測(cè)設(shè)備時(shí)間示值引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uAT，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uAI，根據(jù)制造商規(guī)定，充放電機(jī)校準(zhǔn)后，在定電流2000（mA）輸出模式下，電流誤差限不超過±（0.02%rdg.+0.02%rng.），假設(shè)其服從均勻分布，估計(jì)其可靠性為10%，則半寬度aA1（I）為：

2.2 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

當(dāng)相鄰幾次循環(huán)測(cè)試對(duì)電池容量的影響不可忽略時(shí)，認(rèn)為鋰離子電池的放電容量試驗(yàn)的測(cè)試重復(fù)性較差，此時(shí)，不能通過A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算處理，需要采用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的方法來間接計(jì)算鋰離子電池的放電容量的不確定度[5]。

2.2.1 放電容量方差uc2計(jì)算公式[4-5]

移動(dòng)電源用鋰離子電池額定容量計(jì)算公式：C=f（I，T）=I5×T。

因?yàn)檩斎胱兞縄和T是相互獨(dú)立時(shí)，因此=0，此時(shí)方差公式如下[6]：

2.2.2 電流波動(dòng)誤差uI計(jì)算

根據(jù)制造商規(guī)定，充放電機(jī)校準(zhǔn)后，在定電流2000（mA）輸出模式下，電流誤差限不超過±（0.02%rdg.+0.02%rng.），假設(shè)其服從均勻分布，估計(jì)其可靠性為10%，則半寬度aI（I）為：

2.2.3 時(shí)間波動(dòng)誤差uT計(jì)算

時(shí)間波動(dòng)誤差uT由兩部分構(gòu)成，一部分是充放電測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)uT1，測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間測(cè)量模塊的測(cè)量誤差會(huì)影響時(shí)間波動(dòng)誤差的大小;另一部分是充放電測(cè)試系統(tǒng)的電壓測(cè)試模塊uT2，鋰離子電池在放電過程中，在線監(jiān)測(cè)電池兩端電壓，當(dāng)兩端電壓小等于截止電壓，放電過程結(jié)束，因此電壓測(cè)量模塊的測(cè)量誤差會(huì)影響蓄電池放電的截止時(shí)間，間接影響時(shí)間波動(dòng)誤差。

對(duì)于時(shí)間測(cè)量模塊的測(cè)量誤差，根據(jù)制造商規(guī)定，充放電測(cè)試系統(tǒng)時(shí)間誤差限不超過0.1%，假設(shè)其服從軍均勻分布，估計(jì)其可靠性為10%，則：

對(duì)于電壓測(cè)量模塊的測(cè)量誤差，通過放電數(shù)據(jù)見圖1，求出在放電電壓3V處的斜率k=?T（?V=0.2778）（h/V），充放電機(jī)校準(zhǔn)后，根據(jù)制造商規(guī)定，在截止電壓3V條件下，電壓誤差限不超過±（0.02%rdg.+0.02%F.S.），假設(shè)其服從均勻分布，估計(jì)其可靠性為10%，則電壓半寬度aV（I）為：

2.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.2.4 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算[7-8]

假設(shè)所有測(cè)量參數(shù)都服從正態(tài)分布，那么，測(cè)量不確定度的自由度：

查詢t分布表，自由度為72，置信水準(zhǔn)0.95，得kp為[9]：

3? 結(jié)論

本次對(duì)比是基于以下幾個(gè)條件下進(jìn)行的：（1）不考慮溫度測(cè)量對(duì)鋰離子放電容量的影響，認(rèn)為在23±2℃的環(huán)境中，溫度波動(dòng)對(duì)鋰離子的放電容量的影響非常小，可以忽略不計(jì);（2）認(rèn)為相同的充電條件下，鋰離子電池充入的容量是相同的，不會(huì)對(duì)后續(xù)的放電容量造成影響，即不考慮充電條件對(duì)容量測(cè)試結(jié)果的影響。

通過對(duì)兩種移動(dòng)電源用鋰離子蓄電池額定容量不確定度計(jì)算方法分析比較可以看出，由于鋰離子電池本身的特質(zhì)會(huì)隨著充放電次數(shù)的增加，容量會(huì)越來越少，因此，移動(dòng)電源用鋰離子電池的容量測(cè)試的重復(fù)性相對(duì)較差，如果是按A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算，計(jì)算出來的不確定度會(huì)偏大。而按B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算時(shí)，不需要重復(fù)測(cè)量，可以排除沖過測(cè)量過程中容量衰減對(duì)不確定度計(jì)算的影響，因此，計(jì)算出來的不確定度相比A類不確定度更為準(zhǔn)確。

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