小型鋰離子電池檢測技術(shù)研究

湯秀華，關(guān)為國，黃廣軼，金 茜，薛天龍

（1.黑龍江省計量檢定測試院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.黑龍江牡丹江市計量檢測中心，黑龍江 牡丹江 157000）

1 引 言

小型鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）檢測技術(shù)是針對目前市場常見的手機鋰離子充電電池的檢測而研究設(shè)計的[1]，依據(jù)該技術(shù)開發(fā)的鋰離子電池測試儀，采用先進的自動控制理論，以高性能單片機為核心制作而成，操作簡單、直觀，使用方便。該技術(shù)符合GB/T 18287《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》（以下簡稱國標(biāo)）中對鋰離子電池測試的有關(guān)要求[2]，可以以0.2C5A或1C5A（C5為電池額定容量值）兩種制式進行充、放電測試，同時可以進行過充保護、短路保護、過放保護和內(nèi)阻測試。為簡便、迅速、有效判斷電池優(yōu)劣提供了技術(shù)保障，是計量、質(zhì)檢等部門進行電池檢測的首選儀器，也可以為生產(chǎn)、維修部門提供準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)。充電電流小于5 A的其他化學(xué)電池的檢測也可參照該方法進行。

2 基本原理

國家標(biāo)準(zhǔn)除對鋰電池的使用環(huán)境、外觀要求、絕緣要求、技術(shù)指標(biāo)等提出要求外[3-7]，對充電特性和放電特性的技術(shù)指標(biāo)提出了特殊規(guī)定，充電采用限壓恒流方式，按0.2C5A或1C5A兩種制式進行，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓（對標(biāo)稱電壓為（3.6×n）V的鋰電池充電時，電池端電壓不大于（4.2×n）V，n 為電池節(jié)數(shù)）時，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于0.01C5A電流值，最長充電時間不大于8h，停止充電。放電采用0.2C5A或1C5A兩種制式進行，以0.2C5A電流放電到終止電壓時，放電時間應(yīng)不低于5h。以1C5A電流放電到終止電壓時，放電時間應(yīng)不低于51min。

對上述指標(biāo)進行檢測的測試原理框圖如圖1所示。程控恒壓恒流源對被檢電池按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定充電，通過特定負(fù)載對被測電池放電，整個測試過程通過A/D監(jiān)測實現(xiàn)自動測試。

圖1 電池測試儀原理框圖

具體測試電路如圖2所示。整個測試過程由單片機控制自動完成[8-9]，開始測試時，由微處理器控制程控電壓電流源對被檢電池進行恒流充電，由A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)對充電過程進行監(jiān)控和監(jiān)測，將測試結(jié)果隨時反饋給控制系統(tǒng)，當(dāng)充電數(shù)據(jù)滿足充電限制條件時，停止充電。隨后，微處理器控制放電系統(tǒng)進行放電，A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)隨時監(jiān)控放電參數(shù)，當(dāng)達(dá)到放電限制條件時，控制系統(tǒng)控制放電系統(tǒng)停止對電池放電，存儲測試數(shù)據(jù)，顯示并打印測試記錄，完成電池參數(shù)的測試。整個測試過程可以通過串口由上位機控制完成。

圖2 電池測試原理電路

圖3 測試儀原理框圖

3 鋰電池測試儀的設(shè)計原理

對被測電池加特定負(fù)載，由采樣電路對被測電池的電流、電壓進行采樣，計算電池內(nèi)阻，按照實驗經(jīng)驗，不同電池的內(nèi)阻有所差別，內(nèi)阻大于一定值的（約15 μΩ）鋰電池，性能較差，內(nèi)阻測量適用于現(xiàn)場檢測時對電池性能的快速初步判定。內(nèi)阻測量后開始給電池按恒流方式（按1C5A）自動充電，當(dāng)充至電池端電壓為限制電壓時，充電方式自動改為恒壓充電，電流表指示逐漸減小，當(dāng)電流表指示降到0.01C5A時，充電結(jié)束。

按上述規(guī)定充電并放置半小時后進行放電檢測，放電采用1C5A制式進行，以1C5A電流放電到終止電壓（其值為n×2.75 V）時，放電時間應(yīng)不低于51min。完成上述過程即實現(xiàn)對電池性能的檢測。電池測試儀設(shè)計作原理框圖如圖3所示。

圖4 恒流恒壓源及微控制具體實施電路

設(shè)計鋰電池測試儀的關(guān)鍵技術(shù)是如何設(shè)計程控電流源、電壓源，實現(xiàn)對充、放電過程的智能控制。按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對鋰電池應(yīng)采用恒流恒壓充電方式，放電采用恒流方式，所以設(shè)計鋰電池測試儀基礎(chǔ)是要設(shè)計程控恒流恒壓源，設(shè)計雙路電流電壓測量及采樣電路，用電流電壓采樣值反饋控制充、放電裝置，從而實現(xiàn)對鋰電池的智能檢測。通過對測試參數(shù)的設(shè)定，該儀器可方便的測試鋰電池的過充、過放和短路保護性能。此外，為適應(yīng)對電池性能的快速檢測，在儀器中設(shè)計了電池內(nèi)阻檢測，所測內(nèi)阻為電池電芯內(nèi)阻與外圍材料及保護電路電阻之和，僅為快速判斷電池性能提供參考，不能作為判斷電池合格與否的依據(jù)。恒流恒壓源及微控制具體實施電路如圖4所示，采用AT89C51單片機實現(xiàn)自動控制和串行通信，采用AT89C51單片機雙路A/D功能實現(xiàn)數(shù)字電壓和電流測量，采用低漂移運算放大器和大功率管實現(xiàn)電壓源和電流源控制和轉(zhuǎn)換。

該方案實現(xiàn)的鋰電池測試儀采用232接口與計算機連接，組成自動檢測系統(tǒng)，大大地提高了檢測效率，特別適用于現(xiàn)場檢測使用。

4 主要技術(shù)參數(shù)

鋰電池測試儀的主要技術(shù)參數(shù)有：

（1）電壓設(shè)置及測量范圍為2～20V，誤差為0.5%；電流設(shè)置及測量范圍為100mA～5A，誤差為0.5%。

（2）時間設(shè)置及測量范圍為1～480 min，準(zhǔn)確度為 5×10-5。

（3）被測電池要求。標(biāo)稱電壓不大于5V；初始電壓不低于2 V；標(biāo)稱容量不大于5 Ah（1C5A制式時）；不大于10Ah（0.2C5A制式時）。

（4）驗證。用8508A數(shù)字多用表作標(biāo)準(zhǔn)表，對該測試儀各項主要指標(biāo)進行實驗驗證，數(shù)據(jù)見表1～表4。

表1 充電電壓的測試（單位：V）

表2 充電電流的測試（單位：mA）

表3 放電電壓的測試（單位：V）

表4 放電電流的測試（單位：mA）

（5）通過理論分析和實驗驗證，采用該方法實現(xiàn)的鋰電池測試儀電流測試相對不確定度為uA=0.1%[10]；電壓測試相對不確定度為uV=0.08%。上述兩項遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.5%的要求，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定系統(tǒng)軟件流程見圖5。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)束語

該文介紹了測試鋰離子電池的基本原理、鋰離子電池測試儀的設(shè)計原理、系統(tǒng)軟件的設(shè)計流程以及得到的基本測試指標(biāo)。鋰離子電池測試儀實現(xiàn)了如何設(shè)計程控電流源、電壓源，實現(xiàn)對充、放電過程的智能控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)，使得電流、電壓測試的相對不確定度滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。小型鋰離子電池檢測技術(shù)研究的成果－鋰離子電池測試儀，為鋰離子電池的物理參數(shù)測量提供了量值溯源和參考量值，為公共安全提供技術(shù)與檢測標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

[1] SJ/T 11194－1998，移動通信手持機電池（金屬氫化物鎳電池）行業(yè)規(guī)范[S].

[2]GB/T 18287-2000，蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[3] 牛黎明.鋰電池在線充放電管理電路的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28（4）：11-13.

[4]龍麗妮，潘 盈.手持產(chǎn)品中的鋰電池智能管理電路設(shè)計[J].中國水運，2008，8（9）：126－128.

[5] 李秋生，王月忠.基于VB6的PC機與多臺單片機通信在鋰電池檢測化成設(shè)備中應(yīng)用[J].微計算機信息（測控儀表自動化），2003（10）：46-47.

[6]李 凱，張 斌.一種新型智能動力鋰電池組能源管理模塊[J].微計算機信息，2006（25）：55.

[7] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航天大學(xué)出版社，2005.

[8] 張毅剛.計算機自動控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[9] 張毅剛.單片機原理與應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[10]JJF 1059-1999，測量不確定度評定與表示[S].北京：中國計量出版社，1999.