鋰電池測試及智能系統(tǒng)的應用

朱宏聲 來 磊 石雷兵/上海市計量測試技術研究院

0 引言

隨著低碳經(jīng)濟概念的提出，近年來陸續(xù)投入使用或研制開發(fā)出一些高性能、無污染的綠色環(huán)保電池。如目前已經(jīng)大量使用的鋰動力蓄電池,正在研制開發(fā)的鋰或鋰離子塑料蓄電池、燃料電池、電化學儲能超級電容器以及太陽能電池等都屬于新型綠色環(huán)保電池的范疇。鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質做負極的化學電源的總稱，具有電池電壓高、能量密度高、工作溫度范圍寬、存儲壽命長等優(yōu)點。我國是鋰電池生產(chǎn)大國，每年鋰電池及其相關產(chǎn)品的出口量非常大。2010年，我國二次電池的市場份額估計達到世界總量的 50%以上。與此相對應，鋰電池測試有很大的市場需求。

1 鋰電池測試的需求及相應的標準

鋰電池在生產(chǎn)、生活中的應用越來越廣泛，市場對鋰電池的性能檢測也提出了更多的要求，綜合來看，當前對鋰電池有測試需求的主要有三個領域。

1.1 交通運輸對鋰電池的檢測

由于鋰電池的能量密度高，遇到短路、碰撞等極端條件容易引發(fā)燃燒甚至爆炸，威脅到交通運輸安全，尤其是在航空運輸領域。自2005年以來，至少有9起飛機發(fā)生的火災事故同鋰電池有關。美國政府因此對旅客攜帶鋰電池上機設限，美國交通運輸部已經(jīng)禁止客機大量運輸鋰電池，而且對鋰電池上機也提出更多、更加嚴格的限制。在國內，鋰電池的空運也必須按照聯(lián)合國《關于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書 試驗和標準手冊》中的相關條款進行安全檢測。

當前，常用的國際和國內有關鋰電池檢測的標準有：

·UN 38.3 -2010 《UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, Manual of Tests and Criteria, Section 38.3》（《聯(lián)合國關于危險品運輸?shù)慕ㄗh，手冊及試驗標準，第38.3節(jié)》）

·ICAO Doc9284-AN/905 《Technical Instructions on the safe transport of dangerous goods by air》（《危險物品安全航空運輸技術細則》）

·GB 19521.11-2005《鋰電池組危險貨物危險特性檢驗安全規(guī)范》

1.2 生產(chǎn)生活對鋰電池的檢測

目前，人們已經(jīng)離不開的手機、數(shù)碼相機和筆記本電腦都在使用小型大容量鋰電池，而且鋰電池的市場需求和應用范圍還在不斷擴大。鋰電池正面臨著前所未有的安全挑戰(zhàn)，如果鋰電池的質量安全問題得不到足夠重視，將有可能導致嚴重的后果，對鋰電池產(chǎn)品的檢測已成為保證產(chǎn)品質量的一個重要環(huán)節(jié)。圖1是因使用劣質鋰電池過熱使筆記本電腦起火燃燒。

圖1 鋰電池質量導致的筆記本電腦起火燃燒

常見的鋰電池測試和認證標準有：

·UL1642-2007 Lithium batteries（鋰電芯權威安全標準）

·UL2054-2006 Household and commercial batteries（鋰電池權威安全標準）

·GB/T 18287-2000 《General specification of lithium-ion battery for cellular phone》（《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》）

·IEEE1625：2008 《IEEE Standard for Rechargeable Batteries for Multi-Cell Mobile Computing Devices》 （《移動計算機用可充電電池標準》）

1.3 新能源的發(fā)展對鋰電池的檢測

近年來，以燃料電池、鋰離子超級電容器、鐵鋰電池聚合物電池為代表的新能源技術不斷完善和發(fā)展，隨著國家對新能源技術投入的加大，以及本身技術成熟和生產(chǎn)成本降低等因素，作為傳統(tǒng)能源的替代，新能源展示了十分良好市場前景。在可以預見的未來，鋰電池將會大量應用于混合動力車甚至純電動車上，與此同時，對這些產(chǎn)品的檢測技術還暫時落后于市場的發(fā)展。以鐵鋰電池聚合物電池為例，若鋰電池內部密封失效，或以金屬連接電池兩極，電池便會因短路而產(chǎn)生高熱[3]。有些低價或仿冒的鋰電池沒有短路保護裝置，危險性偏高。圖2是因鋰電池短路導致的電動汽車起火燃燒。

此類鋰電池的測試標準有：

·GB/Z 18333.1-2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》

·QC/T 743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》

圖2 動力鋰電池故障導致汽車燒毀

·QB/T 2502-2000《鋰離子蓄電池總規(guī)范》

2 鋰電池測試項目及智能系統(tǒng)的應用

2.1 鋰電池的測試項目

鋰電池常見的測試項目有：低溫性能試驗、高溫試驗、沖擊測試試驗、撞擊試驗、振動試驗、高溫貯存性能試驗、短路試驗、過充電試驗、強制放電試驗、海拔高度試驗等。此外，一些認證和安全檢測中還有放電性能試驗、循環(huán)壽命試驗、針刺試驗、跌落試驗、擠壓試驗等特殊項目。

2.2 智能系統(tǒng)在鋰電池測試中的應用

當前鋰電池測試具有測試參數(shù)多、溫度測試點多、安全性要求高、自動化程度低的特點?？傊斍皣鴥蠕囯姵貦z測的技術能力參差不齊，檢測設備的安全性比較差。以鋰電池運輸檢測（如空運UN38.3測試）為例，由于檢測方法中對檢測設備沒有嚴格的要求，因此一些檢測機構用比較簡單的設備也能完成測試。但是隨著鋰電池容量越來越大，電動汽車用鋰離子蓄電池、車用超級電容器等產(chǎn)品陸續(xù)投放市場，現(xiàn)有檢測設備能力不足、安全性不夠的問題也會逐漸暴露出來。究其原因，是人們對鋰電池檢測的重要性認識不夠，設備研發(fā)投入不足，而檢測設備生產(chǎn)廠商本身能力有限，采用的技術也相對落后和保守。

在今后的鋰電池檢測過程中，將會越來越多地應用到智能系統(tǒng)。以溫度檢測為例，分析智能系統(tǒng)的工作原理。溫度——是鋰電池檢測過程中一個非常重要的參數(shù)，溫度過高會引起鋰電池性能下降、解體爆炸甚至起火燃燒。例如UN38.3鋰電池的高溫短路測試，技術規(guī)范要求短路過程中鋰電池的溫度不得超過170℃，傳統(tǒng)的測試方法是把一個溫度傳感器貼在電池表面，當電池體積較小時這樣做是可以的，但是隨著鋰電池體積和容量的增大，出現(xiàn)了一些新的問題。如圖3所示，大型鋰電池在放電時，由于工藝和環(huán)境等因素的影響，它的溫度分布并不是均勻的。圖3中深色的部分溫度相對較高，而淺色的部分溫度相對較低。傳統(tǒng)的測溫方法由于只使用一個測溫探頭，探頭的位置會引起測量結果的偏差，很可能導致錯誤的測試結果。很顯然，對于大型電池，傳統(tǒng)的測試方法是不適用的。

圖3 大型鋰電池放電時的熱像圖

圖4是智能系統(tǒng)的工作組成示意圖，該智能系統(tǒng)不但能完成鋰電池測試過程中電壓、電流、溫度、環(huán)境壓力、濕度等參數(shù)的采集工作，同時也配備了程控儀器作為鋰電池放電的電子負載。在計算機和軟件的控制下，智能系統(tǒng)能夠對整個鋰電池測試的過程進行遠程監(jiān)控，能夠發(fā)現(xiàn)測試過程中的異常情況，并及時通過開關矩陣模塊和其他輔助設備對鋰電池的測試進程進行必要的干預。在智能系統(tǒng)中，主要采用如下的技術。

2.2.1 虛擬儀器技術

虛擬儀器的硬件是以數(shù)據(jù)采集模塊為基礎，通過軟件計算得到測量結果，在一塊數(shù)據(jù)采集模塊上可以高度集成多路測量通道，很適合在測試參數(shù)比較多的鋰電池檢測中應用（如圖4所示）。電腦通過網(wǎng)絡對電子負載和數(shù)據(jù)采集設備進行控制，被測鋰電池的電壓、電流、溫度、環(huán)境壓力、濕度等參數(shù)通過各種傳感器轉換成電信號，這些參數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集后，通過軟件得到最終的檢測結果。同樣是溫度測試，多個溫度傳感器可以同時安裝在電池上，如果測試期間任何地方溫度測量結果超出規(guī)定，系統(tǒng)會及時提醒操作者，或者自動結束測試過程，從而避免鋰電池發(fā)生燃燒、爆炸而造成設備損壞或人身傷害。

圖4 智能系統(tǒng)結構示意圖

2.2.2 網(wǎng)絡測控技術

現(xiàn)在市場上支持網(wǎng)絡操作的儀器設備越來越多，而通過網(wǎng)絡操作也可以很方便地實現(xiàn)遠程監(jiān)控。采用網(wǎng)絡測控技術，在軟件的支持下，不但能夠實時掌控鋰電池測試過程的各項參數(shù)，對于一些危險性較大的試驗，也可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測，整個測試過程中，操作人員可以遠離測試現(xiàn)場，保證了人員安全。網(wǎng)絡控制和數(shù)據(jù)傳輸功能的實現(xiàn)可以借助以下工具：

·基于LabVIEW的網(wǎng)絡控制和數(shù)據(jù)傳輸

DataSocket是NI公司開發(fā)的一種網(wǎng)絡傳輸技術，它以TCP/IP為基礎，利用LabVIEW中集成的DataSocket工具，就可以通過網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)傳輸。DataSocket使用戶從復雜的底層TCP編程中解放出來，而更加專注于程序功能和操作性方面的完善。

LabVIEW中還提供了幾種網(wǎng)絡通信的方法，如通過Web發(fā)布程序面板、前面板遠程連接等，都能實現(xiàn)對測試終端的遠程訪問和控制,用戶可以根據(jù)具體情況靈活選擇。在實際應用中各種測試模塊在軟件控制下工作正常，無線網(wǎng)絡在測試現(xiàn)場的連接表現(xiàn)也比較穩(wěn)定。

·基于Windows XP的遠程桌面

遠程桌面是Windows XP系統(tǒng)中提供的遠程控制工具，支持Microsoft的遠程桌面協(xié)議（Remote Desktop Protocol）。在現(xiàn)場測試系統(tǒng)中，用戶利用客戶端的鼠標和鍵盤通過網(wǎng)絡對遠端計算機進行控制，遠端計算機在受控條件下，完成設備控制、數(shù)據(jù)采集和處理，并將數(shù)據(jù)或處理結果傳遞回客戶端，利用遠程桌面也可以完成數(shù)據(jù)傳輸和控制。

2.2.3 可擴展技術

智能系統(tǒng)可以根據(jù)需要在今后的工作中增加新的測試/控制模塊。例如增加數(shù)據(jù)采集模塊和相應的傳感器，就可以完成環(huán)境壓力和濕度的測試工作，這是兩個今后燃料電池的測試中必不可少的參數(shù)；增加開關矩陣模塊，就可以完成測試過程自動切換，驅動報警和保護裝置等；增加儀器控制模塊，就可以把更多的檢測設備添加到系統(tǒng)中，提高檢測工作的自動化程度等。

3 結束語

隨著鋰電池制造技術的不斷進步，鋰電池的體積越來越小的同時容量會越來越大，鋰電池的應用領域也會更加寬廣。只有不斷改進鋰電池的檢測工藝，提高檢測設備的性能和技術水平，才能滿足未來交通運輸、生產(chǎn)生活和能源科技對鋰電池檢測的需要。

[1]中國電池工業(yè)協(xié)會.中國電池行業(yè)"十一五"發(fā)展規(guī)劃要點[C].北京，2007.

[2]Garrett P Beauregard.Report of investigation: hybrids plus plug in hybrid electric vehicle[C].ETEC， 2008.

[3]楊樂平.LabVIEW高級程序設計 [ M].北京：清華大學出版社，2003.