電能是我們生活中使用最為方便的能源,我們無(wú)時(shí)不刻不在使用著電能。時(shí)至今日,我們已經(jīng)能夠隨時(shí)隨地獲得電能,這些便捷離不開(kāi)可充電的鋰離子電池。 鋰電池經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)革新,綜合性能不斷提升,已經(jīng)應(yīng)用在了非常多的領(lǐng)域,但正因?yàn)槿绱?,?duì)電池的進(jìn)行全面的測(cè)試非常有必要,因?yàn)殇囯姵卦诠ぷ鳟惓r(shí)可能出現(xiàn)起火爆炸的事故,導(dǎo)致人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。在電池的各項(xiàng)測(cè)試中,電池放電測(cè)試是其中重要的一環(huán)。電池的放電測(cè)試對(duì)電池循環(huán)壽命,放電性能評(píng)估有很大的幫助。
電池放電測(cè)試過(guò)程中不僅僅需要關(guān)注電池的電學(xué)參數(shù),電池的溫度也是非常重要的一點(diǎn),因?yàn)闇囟仁侵苯佑绊戜囯x子電池的安全性和可靠性的因素之一。除了安全方面,溫度也會(huì)對(duì)鋰離子電池的有效容量和放電性能產(chǎn)生很大的影響。在寒冷的冬天電動(dòng)汽車(chē)的性能大幅下降很大程度上和電池在低溫環(huán)境中的性能下降有關(guān)。
此外,在實(shí)際的使用中,電池往往會(huì)遵循電池廠家指定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充電,充電過(guò)程相對(duì)更平穩(wěn),更可控,然而放電過(guò)程卻是隨著負(fù)載的不同會(huì)有很大的差異,放電過(guò)程一旦產(chǎn)生大量的熱量聚集,超過(guò)電池允許的工作溫度,就會(huì)影響其安全性和可靠性。
可見(jiàn)對(duì)電池在不同溫度環(huán)境下的放電性能測(cè)試和放電過(guò)程中的溫度變化檢測(cè)是一個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中不可忽視的重要步驟,本文我們就來(lái)介紹一下如何使用通用測(cè)試測(cè)量設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行放電測(cè)試并進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)。
常見(jiàn)的鋰離子電池的典型放電曲線如下:
電池放電曲線示意圖
通常,這個(gè)曲線是由電池生產(chǎn)廠家在指定的測(cè)試條件下的一個(gè)參考曲線,而對(duì)于客戶實(shí)際的多樣化的應(yīng)用需求,需要有針對(duì)性設(shè)計(jì)測(cè)試條件。
一般來(lái)說(shuō),電池的性能受電池溫度、電池內(nèi)阻、充放電循環(huán)次數(shù)、放電電流、放電方式等多種因素影響,而對(duì)于存儲(chǔ)了一段時(shí)間的電池,存放時(shí)間、存放的溫度等也會(huì)影響到電池在使用時(shí)的性能。因此,測(cè)試電池放電特性是一個(gè)需要較長(zhǎng)時(shí)間、重復(fù)性的工作。
關(guān)鍵因素
在電池放電測(cè)試中需要關(guān)注如下幾個(gè)問(wèn)題:
電池的端口電壓
在電池放電測(cè)試中,需要時(shí)刻關(guān)注電池的端口電壓。一方面,計(jì)算電池可釋放出來(lái)的能量需要根據(jù)電池的實(shí)時(shí)端口電壓進(jìn)行計(jì)算,以得到實(shí)際放電過(guò)程中的準(zhǔn)確的功率參數(shù);另一方面,由于鋰電池在過(guò)度放電時(shí)會(huì)因?yàn)殡姵貎?nèi)部物質(zhì)或結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化而導(dǎo)致電池?fù)p壞或性能下降,為了避免這種情況發(fā)生,電子負(fù)載的電池測(cè)試模式需要設(shè)定放電終止的閾值電壓,一旦達(dá)到終止放電的電壓條件,電子負(fù)載能自動(dòng)停止測(cè)試而無(wú)需人時(shí)刻監(jiān)視電池電壓,以避免電池的過(guò)度放電。
電池到電子負(fù)載之間導(dǎo)線的電阻
電池到電子負(fù)載之間的導(dǎo)線必然存在一定的電阻,當(dāng)被測(cè)設(shè)備輸出大電流時(shí),負(fù)載引線上的壓降將變得不可忽略,這將使電子負(fù)載在建立負(fù)載電流之后的端口電壓低于電池實(shí)際的端口電壓,顯然,這與連接線纜的引線等效電阻有直接的關(guān)系。為了確保電子負(fù)載可以準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)設(shè)備的輸出電壓,電子負(fù)載需要提供獨(dú)立于堵在端子的額外遠(yuǎn)端Sense端子,當(dāng)電子負(fù)載處于Sense 工作模式時(shí),Sense 功能被啟用,接線方式如下圖所示。
按照正確的方式連接Sense端子和被測(cè)設(shè)備的輸出端后,電子負(fù)載可以直接通過(guò)Sense端子檢測(cè)被測(cè)對(duì)象的實(shí)際電壓,從而自動(dòng)補(bǔ)償電子負(fù)載引線電阻引起的壓降,使得電子負(fù)載可以準(zhǔn)確地測(cè)量電池的端口電壓。
電池的溫度
在整個(gè)放電測(cè)試的過(guò)程中,電池的溫度也是需要監(jiān)測(cè)的信息之一。一方面,電池放電過(guò)程中,電池不可避免地會(huì)因?yàn)闅W姆內(nèi)阻產(chǎn)生熱量,也會(huì)有內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量,尤其是在較大功率放電時(shí),電池將會(huì)有明顯的溫升;另一方面,電池的溫度變化會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生顯著的影響,過(guò)高和過(guò)低的溫度都會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能甚至影響電池的安全使用。此外,在電池壽命的后期,隨著電池性能下降,內(nèi)阻增加,同樣的放電條件下電池的溫度會(huì)上升更快,嚴(yán)重時(shí)可能超過(guò)電池的安全限制范圍,造成安全風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于整組的電池組來(lái)說(shuō),受限于散熱條件,位于電池組不同位置的電池單體的散熱能力會(huì)有顯著的差異。在放電過(guò)程中,即使電池單體的特性完全一致也會(huì)因?yàn)樯崮芰Φ牟町愒斐呻姵亟M內(nèi)的電池單體出現(xiàn)溫度不均衡,而這種溫度的不均衡將在反復(fù)的充放電中使得電池單體間的性能出現(xiàn)差異或造成差異不斷增加。
綜上所述,在放電過(guò)程中準(zhǔn)確地測(cè)量電池的電壓和溫度,才能更準(zhǔn)確地評(píng)估電池的放電特性。
環(huán)境搭建
電池放電測(cè)試連接示意圖
準(zhǔn)備一臺(tái)DL3000可編程電子負(fù)載,如DL3031A;
一個(gè)具有保護(hù)板的電池組,如選用多串組的電池組,最好選擇帶有均衡充電接口可檢測(cè)每節(jié)電池的電壓的電池組;
準(zhǔn)備一臺(tái)M300數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)系統(tǒng),配備MC3065(DMM 模塊)和一張多路復(fù)用器模塊MC3132、接線盒M3TB32、熱電偶等,該模塊需要支持兩線制測(cè)試并可承受電池組的工作電壓;
使用將熱電偶測(cè)溫點(diǎn)貼至電池表面,并將熱電偶連接至多路復(fù)用器接線盒;
將電池組的正極和負(fù)極分別連接到DL3031A的正極和負(fù)極上,并正確的按照四線制方式連接Sense線纜;
電池組的電壓測(cè)量線路連接至M300數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)系統(tǒng)以檢測(cè)和記錄放電過(guò)程的電池組電壓變化。
操作步驟
01、啟用M300測(cè)量功能
在默認(rèn)列表中,點(diǎn)擊編輯列表,點(diǎn)擊新建,選擇電壓測(cè)試通道號(hào)505,點(diǎn)擊確定,選擇測(cè)試DCV,量程選擇自動(dòng),點(diǎn)擊完成,完成電壓測(cè)試通道配置。
繼續(xù)點(diǎn)擊新建,建立溫度測(cè)試通道,選擇溫度測(cè)試通道521,選擇TEMP,類(lèi)型選擇TC,接著選擇熱電偶型號(hào),本次測(cè)試選擇的是K型熱電偶,型號(hào)選擇K,單位選擇℃點(diǎn)擊完成
點(diǎn)擊Monitor,進(jìn)入通道監(jiān)視界面,選擇多通道,添加通道505與521,觀察此時(shí)的電壓與溫度測(cè)量值
02、啟用DL3031電池測(cè)試功能
按 APP 鍵切換至 Battery 測(cè)試功能主界面,如圖所示,主界面上方顯示 “Battery”。
測(cè)量界面
設(shè)置電流值為2.2A。(為了安全,該設(shè)置必須與電池性能匹配,在安全的電流范圍內(nèi))設(shè)置截止電壓為3V。(為了安全,該設(shè)置必須與電池性能匹配,在放電下限值之上,放電時(shí)間和電池容量可選)
按下ON/OFF,啟動(dòng)電子負(fù)載
按下負(fù)載上的綠色眼睛按鈕,即可打開(kāi)電池放電曲線,設(shè)置合適的窗口時(shí)間,即可觀察對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)電池的電壓或電流變化曲線。
放電過(guò)程中的曲線