关于电动汽车用动力蓄电池电性能要求的测试方法

与其他种类电池相比，锂离子电池具有绿色环保，电压高，储存和循环寿命长，荷电保持能力强，不会产生记忆效应等优点，已被广泛用于电力系统、微网、舰船、航天航空、轨道交通等诸多工业领域。锂离子电池作为重要的储能元件，其性能和安全性指标直接关系到设备的可靠性及经济效益。因此需要一套锂离子电池自动测试系统，实现锂离子电池的准确测试和评估。

锂离子电池介绍

如何设计锂离子电池自动测试系统

一、锂离子电池介绍

1、锂离子电池工作原理

锂离子电池一般使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。锂离子电池在充放电时内部发生复杂的化学反应，其中内阻和荷电状态（SOC）可直接反应电池的健康程度。

充电：

放电：

充电电池总反应：

图 1 锂离子电池工作原理

2、锂离子电池测试指南

为了锂离子电池更有效的使用，提高电池的安全可靠性，需要对锂离子电池高精度快速测试。国内外测试标准为锂离子电池测试提供了支持。

国外常用锂离子测试标准：

IEC 62660 电动道路车辆用锂离子动力蓄电池单体

ISO 12405 电驱动车辆—锂离子动力电池包及系统测试规程

SAE J2929 电动和混合动力电池系统安全标准

UL 2580 电动汽车用电池

国内常用锂离子测试标准：

QC/T 743 电动汽车用锂离子动力蓄电池

GB/T 31467 电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统

GB/T 31485 电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法

GB/T 31486 电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法

IEC62660 系列、QC/T743、GB/T31486 和 GB/T31485 是针对电池单体和模块级别的测试，UL2580、SAEJ2929、ISO12405 和 GB/T31467 系列适用于电池组和电池系统的测试。所有的测试项可分为电性能测试和安全可靠性测试。

二、锂离子电池自动测试系统设计

1、系统特点

测试系统特点：

PXI 总线结构，模块化设计，可方便进行硬件配置和扩展；

开放的软件，图形化设计语言，方便用户进行自定义和二次开发；

高精度源，最高精度达 100ppm；

多核处理器并行处理，支持 RT 实时操作系统，实现高速采集和运算。

2、系统功能

该系统可用于锂离子电池电性能测试和安全性测试，应具有以下功能：

实现锂离子电池的恒流充放电；

实现锂离子电池的电压、电流的实时记录和显示；

按照不同测试标准实现锂离子电池的连续自动化测试，并自动生成测试报告；

自定义测试序列，实现手动测试；

根据需求，灵活的设置测试形式。

3、系统整体设计

被测试系统由上位机 LabVIEW 设定充放电电压电流、电子负载的放电模式及选择测试模式等，实现对电池的充放电。通过 NI 控制器给转换板发送控制信号，通过转换板上的继电开关的关断与闭合来实现充放电电路的切换。

测试系统包括被测件锂离子电池、NIPXIe-8133 控制器、功率接口（北京博电自主开发的 PI 系列模块化功率接口）、电子负载、充 放电信号转换板。

图 2.1 系统整体框架

4、测试系统软件设计

整个测试程序分为软件登录、参数设置、测试界面、计算器四个模块。

（1） 软件登录：需要用户名和密码才能进入用户界面

（2） 参数设置：为测试提供基本参数设置，并且实现与电子负载的网络通信。

（3） 测试界面：根据客户需求，选择自动测试和手动测试。

（4） 计算器：根据保存的关键点数据，选择计算项目可得结果。

软件测试流程如下图：

图 2.2 软件测试流程

三、系统测试平台介绍

本文采用的是北京博电新力电气股份有限公司（PONOVO）的模块化功率接口、NI 公司的 PXIe1084、电子负载。其中博电的功率平台提供了高精度的电流源，可以采集三通道电压、电流，最高可实现 100ppm 的精度，放大输出三通道电压电流；博电 PL 系列可编程直流电子负载，实现电池恒流稳定放电；NI 公司的 PXIe8840 控制器，多核处理器并行操作，和 PXIe4322 模拟输出卡和 PXIe6368 采集卡，控制电压电流的输出和采集。以上设备为精准的参数测试提供硬件支持。

PXI 控制器，10 核并行最小步长 10us

图 3.1 测试系统平台

采用 NI 的设备，PXI 总线架构，模块化设计，能方便进行硬件的配置和扩充，采用多核处理器并行处理，RT 实时操作系统实现高速和高精度的采集与运算。

NI 控制器设备

四、实验与结果

1、锂离子电池充放电测试

根据国内外锂离子电池测试标准要求，选取磷酸铁锂、三元锂、铅酸电池等电池在不同电流下进行充放电测试，安时（Ah）积分法和开路电压（Uocv）法分别计算电池的 SOC 值，神经网络算法估算 SOC 误差。

分析整理数据，为锂离子电池性能评估提供可靠依据，为电池建模估算 SOC 误差提供数据。

安时积分法 SOC 估算

磷酸铁锂，三元锂，铅酸电池 SOC 曲线

神经网络估算 SOC 误差

2、锂离子电池失效测试

对锂离子电池误用或滥用（比如过充电、过放电、短路、挤压、针刺、高温等）则会发生热失控，造成电池发热、起火或爆炸。

以过充电为例，针对过充电对电池单体进行测试，电池电压不断变大，温度不断升高，电池内部高电压造成电解液分解，电池内部产生大量气体，电池鼓胀，继续充电，在高温高压下大量气体从内部喷出，形成烟雾，随后被击穿导通。

分析热失控形成的原因与机理，对研究影响锂离子电池安全性能因素和安全防护措施具有重要意义。

锂离子电池失效过程

热失控现象：

五、总结

锂离子电池是目前各行业研究的热点，本文介绍了如何通过博电公司的功率接口、电子负载配合 NI 控制器及采集卡，实现锂离子电池自动测试系统。

本系统可完成全自动和手动测试，高速和高精度的数据采集，能够准确测量电池单体性能参数，分析测试数据，以对电池的性能做出评测，更好的掌握电池在实际工作中的真实性能状态。

进一步优化电池的使用，提高其使用率。为电池以后安全高效的使用提供了充足的理论依据和数据支持
责任编辑:pj