學(xué)習(xí)筆記， 鋰電池充放電測試儀概說
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-19 10:03
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充放電測試儀，是動力鋰電池最常用的測試設(shè)備。新電池需要做配組，進行一致性篩選；電池包設(shè)計定型過程中，多個環(huán)節(jié)的測試需要進行充放電；考察電池包性能，進行工況測試需要充放電測試儀的輔助；舊電池，充放電測試健康狀況；一些認證、抽查和應(yīng)甲方要求進行的測試，都需要進行充放電。
1 鋰電池主要參數(shù)
充放電測試設(shè)備，需要能夠在充放電過程中，實時監(jiān)測電池單體、模塊和電池包的相關(guān)參數(shù)，這些參數(shù)包括如下內(nèi)容。
容量，電池從滿電狀態(tài)放電至放電截止條件，總共放出來的電量，單位Ah。容量受到放電電流、環(huán)境溫度等的影響比較大，因此，提起容量，必得說什么溫度和什么放電電流下的容量。
荷電狀態(tài)（SOC），電池當(dāng)前電量與總體可用容量的比值，用百分數(shù)表示。
放電深度（DOD），電池從滿電開始截止到當(dāng)前，已經(jīng)放出的電量與總體可用容量的比值，也用百分號表示，與SOC的關(guān)系是DOD=1-SOC；
開路電壓（VOC），斷開外部電路測量得到的電池兩極間電壓，數(shù)值上等于電池的電動勢；
工作電壓，接通外部回路以后，測量電池兩極之間的電壓，數(shù)值上等于電池電勢減去電池內(nèi)阻占壓（以放電過程為例）；
充電截止電壓，電池管理系統(tǒng)設(shè)置的充電過程能夠達到的最高電壓，到達這個電壓以后，電池管理系統(tǒng)要求充電過程結(jié)束。充電截止電壓一般略低于電池允許的最高開路電壓；
放電截止電壓，放電過程允許的電池的最低電壓，當(dāng)放電過程觸及這個數(shù)值超過一定延時時間，電池管理系統(tǒng)要求斷開放電回路。
內(nèi)阻，電池自身電化學(xué)反應(yīng)的固有特性，以回路阻抗的形式表現(xiàn)在充放電過程中。主要由兩部分構(gòu)成，歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。在充放電曲線上，電流加載瞬間，電池端電壓的瞬間跌落是歐姆內(nèi)阻帶來的影響；充電截止，電流消失到端電壓平穩(wěn)一段時間內(nèi)電壓的回升則是極化電阻的影響力的體現(xiàn)。
2 一般充放電測試儀的功能有哪些？
1）具有恒流恒壓充放電功能，可以實現(xiàn)自動壽命循環(huán)，自動進行標(biāo)準(zhǔn)工況或者人為設(shè)定工況的測試；循環(huán)測試，可是實現(xiàn)循環(huán)的嵌套；
2）具有記錄實時電流、電壓、溫度、荷電量等相關(guān)測試數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)的功能；
3）可以設(shè)置不同充放電終止條件，總電壓、單體電壓、電池荷電狀態(tài)等；
4）安全監(jiān)控功能，處理對過流、過壓、過溫、欠壓、欠流、短路、掉電保護、等故障狀況；
5）根據(jù)測試記錄，繪制時間-電壓、時間-電流、時間-階段容量、時間-充電累計容量、時間-放電累計容量、時間-總?cè)萘?、時間-功率、時間-電阻、時間-能量、時間-單體電池電壓、循環(huán)次數(shù)-指定階段容量(循環(huán)容量衰減曲線)等曲線；
6）屏幕顯示，上位機顯示，聲光報警，屏幕輸入、選擇，上位機輸入、選擇等人機互動功能.
3 充放電測試儀基本工作原理
3.1 充電工作過程
充放電測試儀可以實現(xiàn)多種形式的充電過程，恒壓充電，恒流充電，先恒流再恒壓充電，正向脈沖充電，正負脈沖充電等等?？梢愿鶕?jù)電池性能的需要，完成不同形式的充電過程。
恒壓充電，充放電設(shè)備調(diào)節(jié)至恒壓源模式，由于設(shè)置的充電電壓一定是在電池滿電電壓附近的一個值，電流在充電之初數(shù)值最大。隨著電池端電壓的升高，充電機與電池之間的壓差越來越小，充電電流也逐漸減小。當(dāng)充電電流減小到一定數(shù)值以后，充電結(jié)束。恒壓充電，在初始階段充電電流比較大，對電芯的壽命不利。
恒流充電，充放電設(shè)備調(diào)節(jié)至恒流模式，電流在整個充電過程中保持不變，電池端電壓隨著時間的推移逐漸升高，直到觸及充電截止電壓，充電過程結(jié)束。恒流充電，如果電流設(shè)置比較小，會耗費較長的充電時間；如果電流比較大，使得電池的極化現(xiàn)象比較顯著，在撤掉充電回路以后，電池電壓會有較大的下跌。
先恒流后恒壓，恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點，先設(shè)置一個比較大的電流恒流充電，目的是提高充電效率；當(dāng)電量達到一定值時，轉(zhuǎn)換成恒壓充電，充電電流則逐步減小。目的是給電池充入較多的電量。
脈沖充電，一段時間的較大電流充電，用一段零電流時間隔斷，間隔的這段時間，可以起到電池部分的去極化作用，減少充電過程中的電能損失，并且可以充入較多的電量。
脈沖充電可以有多種形式，變電流脈沖充電，變電壓脈沖充電，以及正負脈沖充電等。以變電流脈沖充電為例，以充電電流為調(diào)節(jié)對象，電流在等長時間內(nèi)維持不變，并在這段時間以后中斷一小段時間，隨后再出現(xiàn)一段連續(xù)恒定電流充電，如此循環(huán)。大的趨勢上，電流遵循逐漸減小的規(guī)律。變電壓脈沖充電與變電流脈沖充電類似，只是調(diào)節(jié)的對象換成電壓，充電過程中電流按規(guī)律遞減，而電壓是按規(guī)律遞增。正負脈沖充電，則把間隔的零電流時間替換成負向電流，據(jù)說，這么做是為了更好的去極化。
3.2 放電工作過程
充放電測試儀對于電池放電性能的測試，主要針對壽命測試、工況模擬測試、容量測試、一致性篩選以及其他電池參數(shù)測試和安全測試等不同場景。不同的測試目的，決定了放電過程中電流、電壓的變化規(guī)律?？梢栽谏衔粰C輸入電流電壓要求，測試儀會根據(jù)控制系統(tǒng)要求，調(diào)節(jié)電源按需輸出。
3.3 充放電測試儀工作原理
充放電測試儀的具體實現(xiàn)形式根據(jù)功能要求的不同而多種多樣，但基本都包含下面幾個部分：顯示器或者上位機，控制器（包含通訊功能），可編程電源模塊，電子負載，各種傳感器以及其他輔助組件。
上位機，輸入試驗人員的測試意圖，顯示測試結(jié)果數(shù)據(jù)及根據(jù)結(jié)果繪制的曲線圖形。
控制器，根據(jù)上位機傳來的指令，分配電源模塊、通訊模塊、信號采集模塊等的具體任務(wù)，接受各部分上傳的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理，典型的處理比如計算電池充放電量SOC；
可編程電源模塊，一般是一組AC-DC電源裝置，按照充放電輸入數(shù)據(jù)的要求，調(diào)節(jié)輸出的電流、電壓、功率；
電子負載，放電測試中，需要通過電子負載將電池中放出的電能消耗掉；
傳感器，一般包括溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器，充放電測試儀的傳感器精度，必須高于電池包內(nèi)選用的傳感器精度，否則無法當(dāng)做校核電池管理系統(tǒng)水平的設(shè)備使用。
下面是一個典型的充電回路拓撲圖。
對于充放電測試儀，放電回路比較簡單，電池作為電源，電子負載做負載構(gòu)成一個簡單回路。具體采用怎樣的電流電壓曲線放電，都在電子負載的程序設(shè)置中決定。
4 充放電測試儀的精度和校準(zhǔn)方法
測量結(jié)果的準(zhǔn)確性一般用設(shè)備精度來體現(xiàn)，精度又被稱為分辨率。分辨率是指儀表能顯示的最小數(shù)字（零除外）與最大數(shù)字的百分比。例如，一般3 1/2位數(shù)字萬用表可顯示的最小數(shù)字為1，最大數(shù)字可為1999 ，故分辨率等于 1/1999≈0.05％。
一般的校準(zhǔn)方法，使用精度高于被校準(zhǔn)設(shè)備的萬用表、標(biāo)準(zhǔn)電源和標(biāo)準(zhǔn)電阻進行檢測，對比設(shè)備輸出值和儀表檢測值，誤差在宣稱精度范圍內(nèi)即為合格。
充放電測試儀電壓校準(zhǔn)，采用由多功能標(biāo)準(zhǔn)源作為電壓源輸出，萬用表以下圖中所示方式測量電壓值。
充放電測試儀的電流精度，區(qū)分大電流和小電流兩種情況。小電流測試設(shè)備，采用直接測量系統(tǒng)端電壓的方式；對于大電流測試系統(tǒng)，則采用測量接入回路中的標(biāo)準(zhǔn)電阻端電壓的方式進校準(zhǔn)。
