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    基于LabVIEW的鋰離子電池自動測試系統

    產品簡介:

    與其他種類電池相比,鋰離子電池具有綠色環保,電壓高,儲存和循環壽命長,荷電保持能力強,不會產生記憶效應等優點,已被廣泛用于電力系統、微網、艦船、航天航空、軌道交通等諸多工業領域。鋰離子電池作為重要的儲能元件,其性能和安全性指標直接關系到設備的可靠...

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    詳細介紹

            與其他種類電池相比,鋰離子電池具有綠色環保,電壓高,儲存和循環壽命長,荷電保持能力強,不會產生記憶效應等優點,已被廣泛用于電力系統、微網、艦船、航天航空、軌道交通等諸多工業領域。鋰離子電池作為重要的儲能元件,其性能和安全性指標直接關系到設備的可靠性及經濟效益。因此需要一套鋰離子電池自動測試系統,實現鋰離子電池的準確測試和評估。

     

    一、鋰離子電池介紹

     

    1、鋰離子電池工作原理

    鋰離子電池一般使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。鋰離子電池在充放電時內部發生復雜的化學反應,其中內阻和荷電狀態(SOC)可直接反應電池的健康程度。

     

    充電:

    鋰離子電池充電

    放電:

    鋰離子電池放電

    充電電池總反應:

    鋰離子電池反應

     

    鋰離子電池工作原理

    圖1 鋰離子電池工作原理

     

    2、鋰離子電池測試指南

    為了鋰離子電池更有效的使用,提高電池的安全可靠性,需要對鋰離子電池高精度快速測試。國內外測試標準為鋰離子電池測試提供了支持。

     

    國外常用鋰離子測試標準:

    •   IEC 62660 電動道路車輛用鋰離子動力蓄電池單體

    •   ISO 12405 電驅動車輛—鋰離子動力電池包及系統測試規程

    •   SAE J2929 電動和混合動力電池系統安全標準

    •   UL 2580   電動汽車用電池

       

    國內常用鋰離子測試標準:

    •  QC/T 743 電動汽車用鋰離子動力蓄電池

    •  GB/T 31467 電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統

    • GB/T 31485 電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法

    •  GB/T 31486 電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法

       

    IEC62660系列、QC/T743、GB/T31486和GB/T31485是針對電池單體和模塊級別的測試,UL2580、SAEJ2929、ISO12405和GB/T31467系列適用于電池組和電池系統的測試。所有的測試項可分為電性能測試和安全可靠性測試。

     

    二、鋰離子電池自動測試系統設計

     

    1、系統特點

    測試系統特點:

    • PXI總線結構,模塊化設計,可方便進行硬件配置和擴展;

    • 開放的軟件,圖形化設計語言,方便用戶進行自定義和二次開發;

    • 高精度源,最高精度達100ppm;

    • 多核處理器并行處理,支持RT實時操作系統,實現高速采集和運算。

       

    2、系統功能

    該系統可用于鋰離子電池電性能測試和安全性測試,應具有以下功能:

    •   實現鋰離子電池的恒流充放電;

    •   實現鋰離子電池的電壓、電流的實時記錄和顯示;

    •   按照不同測試標準實現鋰離子電池的連續自動化測試,并自動生成測試報告;

    •   自定義測試序列,實現手動測試;

    •   根據需求,靈活的設置測試形式。

       

    3、系統整體設計

    被測試系統由上位機LabVIEW設定充放電電壓電流、電子負載的放電模式及選擇測試模式等,實現對電池的充放電。通過NI控制器給轉換板發送控制信號,通過轉換板上的繼電開關的關斷與閉合來實現充放電電路的切換。

     

    測試系統包括被測件鋰離子電池、NIPXIe-8133控制器、功率接口(北京博電自主開發的PI系列模塊化功率接口)、電子負載、充放電信號轉換板。

    圖2.1 系統整體框架

     

    4、測試系統軟件設計

    整個測試程序分為軟件登錄、參數設置、測試界面、計算器四個模塊。

    (1)   軟件登錄:需要用戶名和密碼才能進入用戶界面

    (2)   參數設置:為測試提供基本參數設置,并且實現與電子負載的網絡通信。

    (3)   測試界面:根據客戶需求,選擇自動測試和手動測試。

    (4)   計算器:根據保存的關鍵點數據,選擇計算項目可得結果。

     

    軟件測試流程如下圖:

    圖2.2 軟件測試流程

     

    三、系統測試平臺介紹

     

            本文采用的是北京博電新力電氣股份有限公司(PONOVO)的模塊化功率接口、NI公司的PXIe1084、電子負載。其中博電的功率平臺提供了高精度的電流源,可以采集三通道電壓、電流,最高可實現100ppm的精度,放大輸出三通道電壓電流;博電PL系列可編程直流電源,實現電池恒流穩定放電;NI公司的PXIe8840控制器,多核處理器并行操作,和PXIe4322模擬輸出卡和PXIe6368采集卡,控制電壓電流的輸出和采集。以上設備為精準的參數測試提供硬件支持。

     

    PXI控制器,10核并行最小步長10us

      圖3.1測試系統平臺

     

    采用NI的設備,PXI總線架構,模塊化設計,能方便進行硬件的配置和擴充,采用多核處理器并行處理,RT實時操作系統實現高速和高精度的采集與運算。

     

    圖3.2 NI控制器設備

     

    四、實驗與結果

     

    1、鋰離子電池充放電測試

            根據國內外鋰離子電池測試標準要求,選取磷酸鐵鋰、三元鋰、鉛酸電池等電池在不同電流下進行充放電測試,安時(Ah)積分法和開路電壓(Uocv)法分別計算電池的SOC值,神經網絡算法估算SOC誤差。

    分析整理數據,為鋰離子電池性能評估提供可靠依據,為電池建模估算SOC誤差提供數據。

     

    圖4.1.安時積分法SOC估算

     

    圖4.2 磷酸鐵鋰,三元鋰,鉛酸電池SOC曲線

     

    圖4.3神經網絡估算SOC誤差

     

    2、鋰離子電池失效測試

             對鋰離子電池誤用或濫用(比如過充電、過放電、短路、擠壓、針刺、高溫等)則會發生熱失控,造成電池發熱、起火或爆炸。

            以過充電為例,針對過充電對電池單體進行測試,電池電壓不斷變大,溫度不斷升高,電池內部高電壓造成電解液分解,電池內部產生大量氣體,電池鼓脹,繼續充電,在高溫高壓下大量氣體從內部噴出,形成煙霧,隨后被擊穿導通。

            分析熱失控形成的原因與機理,對研究影響鋰離子電池安全性能因素和安全防護措施具有重要意義。

     

    圖4.4鋰離子電池失效過程
     

     

    熱失控現象:

     

     

    五、總結

     

            鋰離子電池是目前各行業研究的熱點,本文介紹了如何通過博電公司的功率接口、電子負載配合NI控制器及采集卡,實現鋰離子電池自動測試系統。本系統可完成全自動和手動測試,高速和高精度的數據采集,能夠準確測量電池單體性能參數,分析測試數據,以對電池的性能做出評測,更好的掌握電池在實際工作中的真實性能狀態。進一步優化電池的使用,提高其使用率。為電池以后安全高效的使用提供了充足的理論依據和數據支持。

    注:本文來自博電的馬媛媛

     

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