锂电池性能实验平台设计与实现

刘奕彤

摘要：随着锂电池性能提升，应用范围逐步扩大。锂电池性能决定基于锂电池应用产品的性能。为了更好的对锂电池性能进行测试，本文设计了一种锂电池性能实验平台。针对锂电池电机系统，采用电压与转速传感器对锂电池充电、放电过程进行监测，通过串并联相结合的采集系统，利用程控开关隔离电池系统，对电池充放电电流、内阻进行检测。此系统可以在无人监管前提下自动工作，成倍提高实验效率，自动采集系统排出人为因素干扰使得实验结果更为精确。

关键词：锂电池；实验平台；自动测量

锂电池[1]作为新能源汽车储能环节，其性能与充放电规律直接决定新能源汽车的续航里程和动力性。除了应用在新能源汽车领域，还广泛应用在手持脱缆工具中，锂电池的性能及寿命影响工具的性能及寿命。锂电池属于化学储能，与铅酸电池、镍氢电池、镍铬电池等相比，在电池寿命、充电技术、安全性、比能量、比功率方面有明显的优势。因此，对锂电池性能的研究逐渐成为热点。

锂电池的性能主要是包括内阻、容量、充放电规律等。此外，锂电池与负载如电机、电阻等构成的系统后，锂电池与负载的匹配、充放电参数等也是锂电池重要的应用参数。这些参数反映锂电池自身的性能，同时决定锂电池应用系统的性能，更好的更准确的对锂电池的性能进行实验研究，是设计、研发基于锂电池应用产品的关键。

本文以锂电池性能为研究对象，建立锂电池性能实验平台，以电机为负载，测试锂电池充放电性能。

1锂电池性能

充放电倍率、充放电次数、内阻是单体锂电池的主要性能指标[2]。在锂电池组中，电池的均衡性指标决定电池组的性能。

充放电倍率又称C率，是指锂电池充放电电流大小。放电时C越大，瞬时放电电流越大，驱动能力越强，输出电能越少。充电时C越大，充电越快，充如入电池的电能越少。

循环次数，是充电电池的重要指标，决定电池的寿命，单体锂电池的充电次数理论为15000次左右，理论寿命为是15年。锂电池组受个别单体电池性能及寿命的影响，存在水桶效应，循环次数理论值为10000次，寿命10年。充放电次数决定基于锂电池应用产品的寿命，根据标准的充放电规律，如1C放电，0.3C充电，每次电池从5%充放到95%，照此循环，充放电500次后，电池的容量为最初容量的80%。充放电次数与电池的负载变化密切相关，在实际产品应用中，则与使用情况息息相关。

内阻，电池内部的电阻。是指在电池工作时，电流流过电池内部所需要的电阻。锂电池在放电时，所有能力不能完全转化为电能，电化学反映存在能力损失，既为其内阻。内阻与负载直接相关，受温度影响大，随着电池的使用，充放电次数的增加，内阻逐渐增大。内阻与冲放电倍率有关，内阻越小，C率越大。特斯拉汽车所用的松下18650单体电池内阻约为50mΩ。

2锂电池性能实验系统

锂电池性能实验系统[3]由充放电系统、负载系统、阻尼系统及数据采集系统构成。充放电系统负责锂电池的充电及放电，负载系统分为电机或电阻类负载两类，此处以电机系统为主，阻尼系统为电机提供反拖效应、加载扭矩，采集系统负载电池性能基本参数如电池内阻。采用电池组，其性能实验系统还包括电池充放电均衡系统。系统组成如图1所示。

其中，电源为220V交流电。电压开关主要作用是在充满电后，切断外电源，因此，电压开关时刻监测电池（组）的电压值，电压开关的断电门限电压可以设定。变压器将交流电转变为直流电，为电池充电。串联采集模块串接在整体电路中监测充电电流及电压，如果需要可以外接电脑。均衡板是电池组的前置控制单元，对电池组内部各电池进行有效的控制，确保电池的一致性，同时保证电池组整体效能。电池组是实验系统所要监测的主要对象。电机及负载是耗能元件，确保电池组有效放电。电机采用直流电机，电机的基本参数应与电池组从电压、功率、容量等方面进行匹配，电机功率不易过大，避免对电池本体造成伤害，同时电机功率过小，放电时间长，影响实验效率。电机避免空转，应带有有效的负载，即对外输出功率。负载可以是定功率系统，如风机、水泵等，也可以是可控阻尼系统，如磁制张力器。为了更精确的测量电池（组）的内阻、容量等参数，采用并联采集模块监测电池参数，该模块与电池组并联，模块与电池组的连接端与冲放电回路之间设置程控开关（继电器），当并联采集模块工作时，切断均衡板及电机与电池之间的联系，减少系统对测量的影响；当电池进行充放电操作时，断开并联采集模块，减少其对系统的影响。

综上，锂电池性能实验系统对锂电池（组）实施有效的充放电控制，通过串联、并联采集模块对电池（组）进行精确的监测。

3锂电池性能实验

针对小功率脱缆用电器（锂电池电机系统），实验研究其电池（组）应用、使用性能，选用磷酸铁锂电池组成电池组（含4个单体电池），电池单体电压为3.23.4V，配置四路均衡板，选择12V直流电机，采用固定功率值负载即电机输出端带配重块，串联采集模块选择库仑计，并联采集模块为锂电池内阻测试仪构成系統。对电池充放电时间、充电电流、放电电流、电池组内阻进行检测。实验数据如下表所示。

从以上结果分析，锂电池性能实验系统可以精确的测量锂电池充放电参数及内阻。然而，由于电机功率及负载小，存在锂电池放电时间过长的问题，严重影响了实验效率。因此考虑在锂电池性能实验系统中，应考虑添加自动控制系统替代人工操作充电、放电、检测过程。

4锂电池性能实验系统改进

串联系统实时监控电池的充放电状态，而并联系统需要人为干预。针对以上问题，考虑在无人值守的前提下，使实验系统自动运行，即自动进行电池充放电进程及数据采集，需要添加额外监控设备。目前针对充电环节，电压开关可以起到自动断开外接电源终止充电的作用。放电结束环节，采用转速传感器监测电机是否旋转，当确定电机不旋转时，输出放电结束信号。并联采集模块与电池的连接段采用程控开关。添加自动充放电控制环节，作为无人情况下的控制模块。改进实验系统组成图如图2所示。

通过改进锂电池性能实验系统，实现二十四小时不间断实验，延迟了实验时间，同时数据自动记录，避免了人为干扰，提高了实验效率与精度。

5小结

本文以锂电池性能为研究对象，针对小功率、电池电机系统建立性能测试平台，采用串联测试与并联测试相结合的方式对锂电池的内阻、充放电电流、充放电时间等基本参数进行测量。优化实验系统，采用转速传感器监测放电环节，利用自动测量控制系统提高实验效率（三倍左右）。为锂电池性能多次循环测试提供了一定参考。

参考文献：

[1]陈伟荣，黄锐森，陈隆，罗一鸣.电动汽车电池技术发展综述[J].电源学报，2017，53（3）：118.

[2]夏正鹏，王兴兴，倪红军，原银男，廖萍.电动汽车电池管理系统研究进展[J].电源技术，2014，36（7）：10521054.

[3]田鹏，宋康，廖俊必，李忠秦.磷酸铁锂电池性能测试与优化使用研究[J].电子测量技术，2014，4（5）：3438.