鋰電池性能實驗平臺設計與實現

劉奕彤

摘要：隨著鋰電池性能提升，應用范圍逐步擴大。鋰電池性能決定基于鋰電池應用產品的性能。為了更好的對鋰電池性能進行測試，本文設計了一種鋰電池性能實驗平臺。針對鋰電池電機系統，采用電壓與轉速傳感器對鋰電池充電、放電過程進行監測，通過串并聯相結合的采集系統，利用程控開關隔離電池系統，對電池充放電電流、內阻進行檢測。此系統可以在無人監管前提下自動工作，成倍提高實驗效率，自動采集系統排出人為因素干擾使得實驗結果更為精確。

關鍵詞：鋰電池；實驗平臺；自動測量

鋰電池[1]作為新能源汽車儲能環節，其性能與充放電規律直接決定新能源汽車的續航里程和動力性。除了應用在新能源汽車領域，還廣泛應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。鋰電池屬于化學儲能，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、安全性、比能量、比功率方面有明顯的優勢。因此，對鋰電池性能的研究逐漸成為熱點。

鋰電池的性能主要是包括內阻、容量、充放電規律等。此外，鋰電池與負載如電機、電阻等構成的系統后，鋰電池與負載的匹配、充放電參數等也是鋰電池重要的應用參數。這些參數反映鋰電池自身的性能，同時決定鋰電池應用系統的性能，更好的更準確的對鋰電池的性能進行實驗研究，是設計、研發基于鋰電池應用產品的關鍵。

本文以鋰電池性能為研究對象，建立鋰電池性能實驗平臺，以電機為負載，測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、內阻是單體鋰電池的主要性能指標[2]。在鋰電池組中，電池的均衡性指標決定電池組的性能。

充放電倍率又稱C率，是指鋰電池充放電電流大小。放電時C越大，瞬時放電電流越大，驅動能力越強，輸出電能越少。充電時C越大，充電越快，充如入電池的電能越少。

循環次數，是充電電池的重要指標，決定電池的壽命，單體鋰電池的充電次數理論為15000次左右，理論壽命為是15年。鋰電池組受個別單體電池性能及壽命的影響，存在水桶效應，循環次數理論值為10000次，壽命10年。充放電次數決定基于鋰電池應用產品的壽命，根據標準的充放電規律，如1C放電，0.3C充電，每次電池從5%充放到95%，照此循環，充放電500次后，電池的容量為最初容量的80%。充放電次數與電池的負載變化密切相關，在實際產品應用中，則與使用情況息息相關。

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

2鋰電池性能實驗系統

鋰電池性能實驗系統[3]由充放電系統、負載系統、阻尼系統及數據采集系統構成。充放電系統負責鋰電池的充電及放電，負載系統分為電機或電阻類負載兩類，此處以電機系統為主，阻尼系統為電機提供反拖效應、加載扭矩，采集系統負載電池性能基本參數如電池內阻。采用電池組，其性能實驗系統還包括電池充放電均衡系統。系統組成如圖1所示。

其中，電源為220V交流電。電壓開關主要作用是在充滿電后，切斷外電源，因此，電壓開關時刻監測電池（組）的電壓值，電壓開關的斷電門限電壓可以設定。變壓器將交流電轉變為直流電，為電池充電。串聯采集模塊串接在整體電路中監測充電電流及電壓，如果需要可以外接電腦。均衡板是電池組的前置控制單元，對電池組內部各電池進行有效的控制，確保電池的一致性，同時保證電池組整體效能。電池組是實驗系統所要監測的主要對象。電機及負載是耗能元件，確保電池組有效放電。電機采用直流電機，電機的基本參數應與電池組從電壓、功率、容量等方面進行匹配，電機功率不易過大，避免對電池本體造成傷害，同時電機功率過小，放電時間長，影響實驗效率。電機避免空轉，應帶有有效的負載，即對外輸出功率。負載可以是定功率系統，如風機、水泵等，也可以是可控阻尼系統，如磁制張力器。為了更精確的測量電池（組）的內阻、容量等參數，采用并聯采集模塊監測電池參數，該模塊與電池組并聯，模塊與電池組的連接端與沖放電回路之間設置程控開關（繼電器），當并聯采集模塊工作時，切斷均衡板及電機與電池之間的聯系，減少系統對測量的影響；當電池進行充放電操作時，斷開并聯采集模塊，減少其對系統的影響。

綜上，鋰電池性能實驗系統對鋰電池（組）實施有效的充放電控制，通過串聯、并聯采集模塊對電池（組）進行精確的監測。

3鋰電池性能實驗

針對小功率脫纜用電器（鋰電池電機系統），實驗研究其電池（組）應用、使用性能，選用磷酸鐵鋰電池組成電池組（含4個單體電池），電池單體電壓為3.23.4V，配置四路均衡板，選擇12V直流電機，采用固定功率值負載即電機輸出端帶配重塊，串聯采集模塊選擇庫侖計，并聯采集模塊為鋰電池內阻測試儀構成系統。對電池充放電時間、充電電流、放電電流、電池組內阻進行檢測。實驗數據如下表所示。

從以上結果分析，鋰電池性能實驗系統可以精確的測量鋰電池充放電參數及內阻。然而，由于電機功率及負載小，存在鋰電池放電時間過長的問題，嚴重影響了實驗效率。因此考慮在鋰電池性能實驗系統中，應考慮添加自動控制系統替代人工操作充電、放電、檢測過程。

4鋰電池性能實驗系統改進

串聯系統實時監控電池的充放電狀態，而并聯系統需要人為干預。針對以上問題，考慮在無人值守的前提下，使實驗系統自動運行，即自動進行電池充放電進程及數據采集，需要添加額外監控設備。目前針對充電環節，電壓開關可以起到自動斷開外接電源終止充電的作用。放電結束環節，采用轉速傳感器監測電機是否旋轉，當確定電機不旋轉時，輸出放電結束信號。并聯采集模塊與電池的連接段采用程控開關。添加自動充放電控制環節，作為無人情況下的控制模塊。改進實驗系統組成圖如圖2所示。

通過改進鋰電池性能實驗系統，實現二十四小時不間斷實驗，延遲了實驗時間，同時數據自動記錄，避免了人為干擾，提高了實驗效率與精度。

5小結

本文以鋰電池性能為研究對象，針對小功率、電池電機系統建立性能測試平臺，采用串聯測試與并聯測試相結合的方式對鋰電池的內阻、充放電電流、充放電時間等基本參數進行測量。優化實驗系統，采用轉速傳感器監測放電環節，利用自動測量控制系統提高實驗效率（三倍左右）。為鋰電池性能多次循環測試提供了一定參考。

參考文獻：

[1]陳偉榮，黃銳森，陳隆，羅一鳴.電動汽車電池技術發展綜述[J].電源學報，2017，53（3）：118.

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

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