锂电池测试及智能系统的应用

朱宏声 来 磊 石雷兵/上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着低碳经济概念的提出，近年来陆续投入使用或研制开发出一些高性能、无污染的绿色环保电池。如目前已经大量使用的锂动力蓄电池,正在研制开发的锂或锂离子塑料蓄电池、燃料电池、电化学储能超级电容器以及太阳能电池等都属于新型绿色环保电池的范畴。锂电池是一类以金属锂或含锂物质做负极的化学电源的总称，具有电池电压高、能量密度高、工作温度范围宽、存储寿命长等优点。我国是锂电池生产大国，每年锂电池及其相关产品的出口量非常大。2010年，我国二次电池的市场份额估计达到世界总量的 50%以上。与此相对应，锂电池测试有很大的市场需求。

1 锂电池测试的需求及相应的标准

锂电池在生产、生活中的应用越来越广泛，市场对锂电池的性能检测也提出了更多的要求，综合来看，当前对锂电池有测试需求的主要有三个领域。

1.1 交通运输对锂电池的检测

由于锂电池的能量密度高，遇到短路、碰撞等极端条件容易引发燃烧甚至爆炸，威胁到交通运输安全，尤其是在航空运输领域。自2005年以来，至少有9起飞机发生的火灾事故同锂电池有关。美国政府因此对旅客携带锂电池上机设限，美国交通运输部已经禁止客机大量运输锂电池，而且对锂电池上机也提出更多、更加严格的限制。在国内，锂电池的空运也必须按照联合国《关于危险货物运输的建议书 试验和标准手册》中的相关条款进行安全检测。

当前，常用的国际和国内有关锂电池检测的标准有：

·UN 38.3 -2010 《UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, Manual of Tests and Criteria, Section 38.3》（《联合国关于危险品运输的建议，手册及试验标准，第38.3节》）

·ICAO Doc9284-AN/905 《Technical Instructions on the safe transport of dangerous goods by air》（《危险物品安全航空运输技术细则》）

·GB 19521.11-2005《锂电池组危险货物危险特性检验安全规范》

1.2 生产生活对锂电池的检测

目前，人们已经离不开的手机、数码相机和笔记本电脑都在使用小型大容量锂电池，而且锂电池的市场需求和应用范围还在不断扩大。锂电池正面临着前所未有的安全挑战，如果锂电池的质量安全问题得不到足够重视，将有可能导致严重的后果，对锂电池产品的检测已成为保证产品质量的一个重要环节。图1是因使用劣质锂电池过热使笔记本电脑起火燃烧。

图1 锂电池质量导致的笔记本电脑起火燃烧

常见的锂电池测试和认证标准有：

·UL1642-2007 Lithium batteries（锂电芯权威安全标准）

·UL2054-2006 Household and commercial batteries（锂电池权威安全标准）

·GB/T 18287-2000 《General specification of lithium-ion battery for cellular phone》（《蜂窝电话用锂离子电池总规范》）

·IEEE1625：2008 《IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Multi-Cell Mobile Computing Devices》 （《移动计算机用可充电电池标准》）

1.3 新能源的发展对锂电池的检测

近年来，以燃料电池、锂离子超级电容器、铁锂电池聚合物电池为代表的新能源技术不断完善和发展，随着国家对新能源技术投入的加大，以及本身技术成熟和生产成本降低等因素，作为传统能源的替代，新能源展示了十分良好市场前景。在可以预见的未来，锂电池将会大量应用于混合动力车甚至纯电动车上，与此同时，对这些产品的检测技术还暂时落后于市场的发展。以铁锂电池聚合物电池为例，若锂电池内部密封失效，或以金属连接电池两极，电池便会因短路而产生高热[3]。有些低价或仿冒的锂电池没有短路保护装置，危险性偏高。图2是因锂电池短路导致的电动汽车起火燃烧。

此类锂电池的测试标准有：

·GB/Z 18333.1-2001《电动道路车辆用锂离子蓄电池》

·QC/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》

图2 动力锂电池故障导致汽车烧毁

·QB/T 2502-2000《锂离子蓄电池总规范》

2 锂电池测试项目及智能系统的应用

2.1 锂电池的测试项目

锂电池常见的测试项目有：低温性能试验、高温试验、冲击测试试验、撞击试验、振动试验、高温贮存性能试验、短路试验、过充电试验、强制放电试验、海拔高度试验等。此外，一些认证和安全检测中还有放电性能试验、循环寿命试验、针刺试验、跌落试验、挤压试验等特殊项目。

2.2 智能系统在锂电池测试中的应用

当前锂电池测试具有测试参数多、温度测试点多、安全性要求高、自动化程度低的特点。总之，当前国内锂电池检测的技术能力参差不齐，检测设备的安全性比较差。以锂电池运输检测（如空运UN38.3测试）为例，由于检测方法中对检测设备没有严格的要求，因此一些检测机构用比较简单的设备也能完成测试。但是随着锂电池容量越来越大，电动汽车用锂离子蓄电池、车用超级电容器等产品陆续投放市场，现有检测设备能力不足、安全性不够的问题也会逐渐暴露出来。究其原因，是人们对锂电池检测的重要性认识不够，设备研发投入不足，而检测设备生产厂商本身能力有限，采用的技术也相对落后和保守。

在今后的锂电池检测过程中，将会越来越多地应用到智能系统。以温度检测为例，分析智能系统的工作原理。温度——是锂电池检测过程中一个非常重要的参数，温度过高会引起锂电池性能下降、解体爆炸甚至起火燃烧。例如UN38.3锂电池的高温短路测试，技术规范要求短路过程中锂电池的温度不得超过170℃，传统的测试方法是把一个温度传感器贴在电池表面，当电池体积较小时这样做是可以的，但是随着锂电池体积和容量的增大，出现了一些新的问题。如图3所示，大型锂电池在放电时，由于工艺和环境等因素的影响，它的温度分布并不是均匀的。图3中深色的部分温度相对较高，而浅色的部分温度相对较低。传统的测温方法由于只使用一个测温探头，探头的位置会引起测量结果的偏差，很可能导致错误的测试结果。很显然，对于大型电池，传统的测试方法是不适用的。

图3 大型锂电池放电时的热像图

图4是智能系统的工作组成示意图，该智能系统不但能完成锂电池测试过程中电压、电流、温度、环境压力、湿度等参数的采集工作，同时也配备了程控仪器作为锂电池放电的电子负载。在计算机和软件的控制下，智能系统能够对整个锂电池测试的过程进行远程监控，能够发现测试过程中的异常情况，并及时通过开关矩阵模块和其他辅助设备对锂电池的测试进程进行必要的干预。在智能系统中，主要采用如下的技术。

2.2.1 虚拟仪器技术

虚拟仪器的硬件是以数据采集模块为基础，通过软件计算得到测量结果，在一块数据采集模块上可以高度集成多路测量通道，很适合在测试参数比较多的锂电池检测中应用（如图4所示）。电脑通过网络对电子负载和数据采集设备进行控制，被测锂电池的电压、电流、温度、环境压力、湿度等参数通过各种传感器转换成电信号，这些参数经数据采集模块采集后，通过软件得到最终的检测结果。同样是温度测试，多个温度传感器可以同时安装在电池上，如果测试期间任何地方温度测量结果超出规定，系统会及时提醒操作者，或者自动结束测试过程，从而避免锂电池发生燃烧、爆炸而造成设备损坏或人身伤害。

图4 智能系统结构示意图

2.2.2 网络测控技术

现在市场上支持网络操作的仪器设备越来越多，而通过网络操作也可以很方便地实现远程监控。采用网络测控技术，在软件的支持下，不但能够实时掌控锂电池测试过程的各项参数，对于一些危险性较大的试验，也可以实现远程监测，整个测试过程中，操作人员可以远离测试现场，保证了人员安全。网络控制和数据传输功能的实现可以借助以下工具：

·基于LabVIEW的网络控制和数据传输

DataSocket是NI公司开发的一种网络传输技术，它以TCP/IP为基础，利用LabVIEW中集成的DataSocket工具，就可以通过网络完成数据传输。DataSocket使用户从复杂的底层TCP编程中解放出来，而更加专注于程序功能和操作性方面的完善。

LabVIEW中还提供了几种网络通信的方法，如通过Web发布程序面板、前面板远程连接等，都能实现对测试终端的远程访问和控制,用户可以根据具体情况灵活选择。在实际应用中各种测试模块在软件控制下工作正常，无线网络在测试现场的连接表现也比较稳定。

·基于Windows XP的远程桌面

远程桌面是Windows XP系统中提供的远程控制工具，支持Microsoft的远程桌面协议（Remote Desktop Protocol）。在现场测试系统中，用户利用客户端的鼠标和键盘通过网络对远端计算机进行控制，远端计算机在受控条件下，完成设备控制、数据采集和处理，并将数据或处理结果传递回客户端，利用远程桌面也可以完成数据传输和控制。

2.2.3 可扩展技术

智能系统可以根据需要在今后的工作中增加新的测试/控制模块。例如增加数据采集模块和相应的传感器，就可以完成环境压力和湿度的测试工作，这是两个今后燃料电池的测试中必不可少的参数；增加开关矩阵模块，就可以完成测试过程自动切换，驱动报警和保护装置等；增加仪器控制模块，就可以把更多的检测设备添加到系统中，提高检测工作的自动化程度等。

3 结束语

随着锂电池制造技术的不断进步，锂电池的体积越来越小的同时容量会越来越大，锂电池的应用领域也会更加宽广。只有不断改进锂电池的检测工艺，提高检测设备的性能和技术水平，才能满足未来交通运输、生产生活和能源科技对锂电池检测的需要。

[1]中国电池工业协会.中国电池行业"十一五"发展规划要点[C].北京，2007.

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

[3]杨乐平.LabVIEW高级程序设计 [ M].北京：清华大学出版社，2003.