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    基于LabVIEW的锂离子电池自动测试系统

    产品简介:

    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...

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    详细介绍

            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。

     

    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:

    锂离子电池充电

    放电:

    锂离子电池放电

    充电电池总反应:

    锂离子电池反应

     

    锂离子电池工作原理

    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?榧侗鸬牟馐,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,?榛杓,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?榛β式涌冢、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?。

    (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?榛β式涌、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系列可编程直流电源,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,?榛杓,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。

     

    图3.2 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。

     

    图4.1.安时积分法SOC估算

     

    图4.2 磷酸铁锂,三元锂,铅酸电池SOC曲线

     

    图4.3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。

     

    图4.4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。

    注:本文来自博电的马媛媛

     

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