鋰電池測(cè)試及智能系統(tǒng)的應(yīng)用

朱宏聲 來(lái) 磊 石雷兵/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著低碳經(jīng)濟(jì)概念的提出，近年來(lái)陸續(xù)投入使用或研制開(kāi)發(fā)出一些高性能、無(wú)污染的綠色環(huán)保電池。如目前已經(jīng)大量使用的鋰動(dòng)力蓄電池,正在研制開(kāi)發(fā)的鋰或鋰離子塑料蓄電池、燃料電池、電化學(xué)儲(chǔ)能超級(jí)電容器以及太陽(yáng)能電池等都屬于新型綠色環(huán)保電池的范疇。鋰電池是一類(lèi)以金屬鋰或含鋰物質(zhì)做負(fù)極的化學(xué)電源的總稱，具有電池電壓高、能量密度高、工作溫度范圍寬、存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)是鋰電池生產(chǎn)大國(guó)，每年鋰電池及其相關(guān)產(chǎn)品的出口量非常大。2010年，我國(guó)二次電池的市場(chǎng)份額估計(jì)達(dá)到世界總量的 50%以上。與此相對(duì)應(yīng)，鋰電池測(cè)試有很大的市場(chǎng)需求。

1 鋰電池測(cè)試的需求及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)

鋰電池在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)對(duì)鋰電池的性能檢測(cè)也提出了更多的要求，綜合來(lái)看，當(dāng)前對(duì)鋰電池有測(cè)試需求的主要有三個(gè)領(lǐng)域。

1.1 交通運(yùn)輸對(duì)鋰電池的檢測(cè)

由于鋰電池的能量密度高，遇到短路、碰撞等極端條件容易引發(fā)燃燒甚至爆炸，威脅到交通運(yùn)輸安全，尤其是在航空運(yùn)輸領(lǐng)域。自2005年以來(lái)，至少有9起飛機(jī)發(fā)生的火災(zāi)事故同鋰電池有關(guān)。美國(guó)政府因此對(duì)旅客攜帶鋰電池上機(jī)設(shè)限，美國(guó)交通運(yùn)輸部已經(jīng)禁止客機(jī)大量運(yùn)輸鋰電池，而且對(duì)鋰電池上機(jī)也提出更多、更加嚴(yán)格的限制。在國(guó)內(nèi)，鋰電池的空運(yùn)也必須按照聯(lián)合國(guó)《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書(shū) 試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》中的相關(guān)條款進(jìn)行安全檢測(cè)。

當(dāng)前，常用的國(guó)際和國(guó)內(nèi)有關(guān)鋰電池檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)有：

·UN 38.3 -2010 《UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, Manual of Tests and Criteria, Section 38.3》（《聯(lián)合國(guó)關(guān)于危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)慕ㄗh，手冊(cè)及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，第38.3節(jié)》）

·ICAO Doc9284-AN/905 《Technical Instructions on the safe transport of dangerous goods by air》（《危險(xiǎn)物品安全航空運(yùn)輸技術(shù)細(xì)則》）

·GB 19521.11-2005《鋰電池組危險(xiǎn)貨物危險(xiǎn)特性檢驗(yàn)安全規(guī)范》

1.2 生產(chǎn)生活對(duì)鋰電池的檢測(cè)

目前，人們已經(jīng)離不開(kāi)的手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦都在使用小型大容量鋰電池，而且鋰電池的市場(chǎng)需求和應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。鋰電池正面臨著前所未有的安全挑戰(zhàn)，如果鋰電池的質(zhì)量安全問(wèn)題得不到足夠重視，將有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，對(duì)鋰電池產(chǎn)品的檢測(cè)已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。圖1是因使用劣質(zhì)鋰電池過(guò)熱使筆記本電腦起火燃燒。

圖1 鋰電池質(zhì)量導(dǎo)致的筆記本電腦起火燃燒

常見(jiàn)的鋰電池測(cè)試和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)有：

·UL1642-2007 Lithium batteries（鋰電芯權(quán)威安全標(biāo)準(zhǔn)）

·UL2054-2006 Household and commercial batteries（鋰電池權(quán)威安全標(biāo)準(zhǔn)）

·GB/T 18287-2000 《General specification of lithium-ion battery for cellular phone》（《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》）

·IEEE1625：2008 《IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Multi-Cell Mobile Computing Devices》 （《移動(dòng)計(jì)算機(jī)用可充電電池標(biāo)準(zhǔn)》）

1.3 新能源的發(fā)展對(duì)鋰電池的檢測(cè)

近年來(lái)，以燃料電池、鋰離子超級(jí)電容器、鐵鋰電池聚合物電池為代表的新能源技術(shù)不斷完善和發(fā)展，隨著國(guó)家對(duì)新能源技術(shù)投入的加大，以及本身技術(shù)成熟和生產(chǎn)成本降低等因素，作為傳統(tǒng)能源的替代，新能源展示了十分良好市場(chǎng)前景。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，鋰電池將會(huì)大量應(yīng)用于混合動(dòng)力車(chē)甚至純電動(dòng)車(chē)上，與此同時(shí)，對(duì)這些產(chǎn)品的檢測(cè)技術(shù)還暫時(shí)落后于市場(chǎng)的發(fā)展。以鐵鋰電池聚合物電池為例，若鋰電池內(nèi)部密封失效，或以金屬連接電池兩極，電池便會(huì)因短路而產(chǎn)生高熱[3]。有些低價(jià)或仿冒的鋰電池沒(méi)有短路保護(hù)裝置，危險(xiǎn)性偏高。圖2是因鋰電池短路導(dǎo)致的電動(dòng)汽車(chē)起火燃燒。

此類(lèi)鋰電池的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有：

·GB/Z 18333.1-2001《電動(dòng)道路車(chē)輛用鋰離子蓄電池》

·QC/T 743-2006《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子蓄電池》

圖2 動(dòng)力鋰電池故障導(dǎo)致汽車(chē)燒毀

·QB/T 2502-2000《鋰離子蓄電池總規(guī)范》

2 鋰電池測(cè)試項(xiàng)目及智能系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 鋰電池的測(cè)試項(xiàng)目

鋰電池常見(jiàn)的測(cè)試項(xiàng)目有：低溫性能試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、沖擊測(cè)試試驗(yàn)、撞擊試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、高溫貯存性能試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、過(guò)充電試驗(yàn)、強(qiáng)制放電試驗(yàn)、海拔高度試驗(yàn)等。此外，一些認(rèn)證和安全檢測(cè)中還有放電性能試驗(yàn)、循環(huán)壽命試驗(yàn)、針刺試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、擠壓試驗(yàn)等特殊項(xiàng)目。

2.2 智能系統(tǒng)在鋰電池測(cè)試中的應(yīng)用

當(dāng)前鋰電池測(cè)試具有測(cè)試參數(shù)多、溫度測(cè)試點(diǎn)多、安全性要求高、自動(dòng)化程度低的特點(diǎn)。總之，當(dāng)前國(guó)內(nèi)鋰電池檢測(cè)的技術(shù)能力參差不齊，檢測(cè)設(shè)備的安全性比較差。以鋰電池運(yùn)輸檢測(cè)（如空運(yùn)UN38.3測(cè)試）為例，由于檢測(cè)方法中對(duì)檢測(cè)設(shè)備沒(méi)有嚴(yán)格的要求，因此一些檢測(cè)機(jī)構(gòu)用比較簡(jiǎn)單的設(shè)備也能完成測(cè)試。但是隨著鋰電池容量越來(lái)越大，電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子蓄電池、車(chē)用超級(jí)電容器等產(chǎn)品陸續(xù)投放市場(chǎng)，現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備能力不足、安全性不夠的問(wèn)題也會(huì)逐漸暴露出來(lái)。究其原因，是人們對(duì)鋰電池檢測(cè)的重要性認(rèn)識(shí)不夠，設(shè)備研發(fā)投入不足，而檢測(cè)設(shè)備生產(chǎn)廠商本身能力有限，采用的技術(shù)也相對(duì)落后和保守。

在今后的鋰電池檢測(cè)過(guò)程中，將會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用到智能系統(tǒng)。以溫度檢測(cè)為例，分析智能系統(tǒng)的工作原理。溫度——是鋰電池檢測(cè)過(guò)程中一個(gè)非常重要的參數(shù)，溫度過(guò)高會(huì)引起鋰電池性能下降、解體爆炸甚至起火燃燒。例如UN38.3鋰電池的高溫短路測(cè)試，技術(shù)規(guī)范要求短路過(guò)程中鋰電池的溫度不得超過(guò)170℃，傳統(tǒng)的測(cè)試方法是把一個(gè)溫度傳感器貼在電池表面，當(dāng)電池體積較小時(shí)這樣做是可以的，但是隨著鋰電池體積和容量的增大，出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題。如圖3所示，大型鋰電池在放電時(shí)，由于工藝和環(huán)境等因素的影響，它的溫度分布并不是均勻的。圖3中深色的部分溫度相對(duì)較高，而淺色的部分溫度相對(duì)較低。傳統(tǒng)的測(cè)溫方法由于只使用一個(gè)測(cè)溫探頭，探頭的位置會(huì)引起測(cè)量結(jié)果的偏差，很可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。很顯然，對(duì)于大型電池，傳統(tǒng)的測(cè)試方法是不適用的。

圖3 大型鋰電池放電時(shí)的熱像圖

圖4是智能系統(tǒng)的工作組成示意圖，該智能系統(tǒng)不但能完成鋰電池測(cè)試過(guò)程中電壓、電流、溫度、環(huán)境壓力、濕度等參數(shù)的采集工作，同時(shí)也配備了程控儀器作為鋰電池放電的電子負(fù)載。在計(jì)算機(jī)和軟件的控制下，智能系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)鋰電池測(cè)試的過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠發(fā)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程中的異常情況，并及時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣模塊和其他輔助設(shè)備對(duì)鋰電池的測(cè)試進(jìn)程進(jìn)行必要的干預(yù)。在智能系統(tǒng)中，主要采用如下的技術(shù)。

2.2.1 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器的硬件是以數(shù)據(jù)采集模塊為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果，在一塊數(shù)據(jù)采集模塊上可以高度集成多路測(cè)量通道，很適合在測(cè)試參數(shù)比較多的鋰電池檢測(cè)中應(yīng)用（如圖4所示）。電腦通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電子負(fù)載和數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行控制，被測(cè)鋰電池的電壓、電流、溫度、環(huán)境壓力、濕度等參數(shù)通過(guò)各種傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這些參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集后，通過(guò)軟件得到最終的檢測(cè)結(jié)果。同樣是溫度測(cè)試，多個(gè)溫度傳感器可以同時(shí)安裝在電池上，如果測(cè)試期間任何地方溫度測(cè)量結(jié)果超出規(guī)定，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)提醒操作者，或者自動(dòng)結(jié)束測(cè)試過(guò)程，從而避免鋰電池發(fā)生燃燒、爆炸而造成設(shè)備損壞或人身傷害。

圖4 智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)測(cè)控技術(shù)

現(xiàn)在市場(chǎng)上支持網(wǎng)絡(luò)操作的儀器設(shè)備越來(lái)越多，而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)操作也可以很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。采用網(wǎng)絡(luò)測(cè)控技術(shù)，在軟件的支持下，不但能夠?qū)崟r(shí)掌控鋰電池測(cè)試過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)于一些危險(xiǎn)性較大的試驗(yàn)，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，操作人員可以遠(yuǎn)離測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，保證了人員安全。網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)傳輸功能的實(shí)現(xiàn)可以借助以下工具：

·基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)控制和數(shù)據(jù)傳輸

DataSocket是NI公司開(kāi)發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，它以TCP/IP為基礎(chǔ)，利用LabVIEW中集成的DataSocket工具，就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)傳輸。DataSocket使用戶從復(fù)雜的底層TCP編程中解放出來(lái)，而更加專注于程序功能和操作性方面的完善。

LabVIEW中還提供了幾種網(wǎng)絡(luò)通信的方法，如通過(guò)Web發(fā)布程序面板、前面板遠(yuǎn)程連接等，都能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試終端的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制,用戶可以根據(jù)具體情況靈活選擇。在實(shí)際應(yīng)用中各種測(cè)試模塊在軟件控制下工作正常，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的連接表現(xiàn)也比較穩(wěn)定。

·基于Windows XP的遠(yuǎn)程桌面

遠(yuǎn)程桌面是Windows XP系統(tǒng)中提供的遠(yuǎn)程控制工具，支持Microsoft的遠(yuǎn)程桌面協(xié)議（Remote Desktop Protocol）。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)中，用戶利用客戶端的鼠標(biāo)和鍵盤(pán)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)在受控條件下，完成設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和處理，并將數(shù)據(jù)或處理結(jié)果傳遞回客戶端，利用遠(yuǎn)程桌面也可以完成數(shù)據(jù)傳輸和控制。

2.2.3 可擴(kuò)展技術(shù)

智能系統(tǒng)可以根據(jù)需要在今后的工作中增加新的測(cè)試/控制模塊。例如增加數(shù)據(jù)采集模塊和相應(yīng)的傳感器，就可以完成環(huán)境壓力和濕度的測(cè)試工作，這是兩個(gè)今后燃料電池的測(cè)試中必不可少的參數(shù)；增加開(kāi)關(guān)矩陣模塊，就可以完成測(cè)試過(guò)程自動(dòng)切換，驅(qū)動(dòng)報(bào)警和保護(hù)裝置等；增加儀器控制模塊，就可以把更多的檢測(cè)設(shè)備添加到系統(tǒng)中，提高檢測(cè)工作的自動(dòng)化程度等。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著鋰電池制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋰電池的體積越來(lái)越小的同時(shí)容量會(huì)越來(lái)越大，鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)更加寬廣。只有不斷改進(jìn)鋰電池的檢測(cè)工藝，提高檢測(cè)設(shè)備的性能和技術(shù)水平，才能滿足未來(lái)交通運(yùn)輸、生產(chǎn)生活和能源科技對(duì)鋰電池檢測(cè)的需要。

[1]中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì).中國(guó)電池行業(yè)"十一五"發(fā)展規(guī)劃要點(diǎn)[C].北京，2007.

[2]Garrett P Beauregard.Report of investigation: hybrids plus plug in hybrid electric vehicle[C].ETEC， 2008.

[3]楊樂(lè)平.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì) [ M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.