论文部分内容阅读
摘 要：本文叙述了目前锂离子电池及电池检测技术发展概况，并简要介绍了几种锂离子电池检测系统的技术理论，及锂离子检测技术的日后发展方向。
关键词：锂离子电池；电池结构设计；锂离子电池检测系统
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）23-0240-01
1 前 言
锂离子电池由于其高能量密度、高功率密度以及长使用寿命的特点，已成为便携式电子产品领域中不可或缺的技术组成部分，在其他诸如化学领域中也扮演着重要的角色。而作为动力电源时，锂离子电池往往串联成组使用，因此对锂离子动力电池组的性能进行检测和评价，并提出优化改进建议便具有非常重要的意义。
2 检测系统设计
2.1 电源系统设计
（1）整流电路。目前国内外电池充放电控制电源有两种电源。一个是线性恒流源，另一个是恒流源。1个线性恒流源。线性调整电路采用电压调整方法。在电网电压通过变压器之后，二极管的单向导电性被用于将交流电转换为直流电。在AbinInstrumentsofAmerica生产的BT2000系列中，有一个线性恒流源。2开关恒流源。开关恒流源采用PWM（脉宽调制）调节方式。工作原理是调节能量而不是电压或电流。因此，在电池放电期间，能量可以从低压侧传输到高压侧。它具有结构简单，易于实现有源逆变器的特点。因此，它是最活跃的应用和研究类型，也是应用最广泛的多开关PWM整流电路。
（2）通道电路。通道电路负责调整整流后产生的直流电，以确保充电和放电过程中的电流精度。根据不同的恒流源，采用不同的调节控制策略。1个线性调整电路。线性调整电路分别使用积分和比例控制来控制前一路径和反馈路径。比例链路的输入是采样电阻两端的電压。输出与给定电压进行比较，然后进入积分步骤。调整MOSFET的栅极电压以控制其输出。在一定的电流下，为了保证每个FET不出现过高的温度并保证稳定性和准确性，一些系统的低电平通道电路将并联连接多对MOSFET。这可以保持系统的准确性，但同时还存在较低机器尺寸较大的缺点。2PWM调节电路。PWM调节电路在原有的线性调节电路的基础上增加了PWM调节器和滤波器连接。通过比例积分作用得到控制信号P，调整PWM开关器件的三角载波，使得输出端可以获得等幅，不等宽的脉冲。系统通过PI调节器控制PWM器件的输出，达到调节MOSFET输出的目的。滤波器部分可以消除部分脉冲干扰，从而确保系统的精确性。
2.2 检测回路设计
（1）电压、电流检测回路。
①单体电池检测回路。单体电池检测电路设计比较简单。在检测方法中，当电流I较小时，电线的局部压力可以忽略不计，因此可采用双端测量方法；当电流较大时，导线电阻电压降的影响不容忽视，一般采用四端等效电路。单节电池电流测量方法类似于测量电池电路与采样电阻串联，测量该电阻的电压，然后通过欧姆定律转换为电流值。
②组电池电压、电流检测回路。锂离子电池通常作为电源串联使用。电池组的性能测试和均衡管理一直是动力电池研究的热门话题。传统的电池组检测通常根据电池组的电压和电流来判断测试电池组的性能。尽管这种检测方法可以反映电池组的整体特性，但缺乏电池单元的数据。在电路设计中，德国Digatron公司生产的UBT设计了一个并联（DLP）和串联（DLS）双检测回路，这对于没有均衡充电保护模块的电池组充电是必要的，并且可以检测组电压。
（2）温度检测。锂离子电池在充电和放电时有严格的温度要求。当温度超过60°C时，会有爆炸的危险，温度的变化通常与电池的性能密切相关。常见的检测工具包括：热电偶，热敏电阻和数字温度传感器。热电偶是最常用的温度检测元件之一。它具有测量范围大，结构简单，使用方便的特点。对于工作温度低于60℃的锂离子电池，使用温度范围过大的热电偶不能准确监测电池充电和放电过程的变化。NTC热敏电阻的灵敏度约为热电偶的10倍，结构简单，电阻率小。它适用于动态测量，但NTC热敏电阻具有严重的热电非线性。因此，补偿或线性化非线性误差是扩大测量范围和提高测量精度的首要问题。天津大学刘正光和梅建强在校正函数中采用线性插值进行线性化。根据非线性曲线分割的准确度要求，用多段折线近似曲线分割，确定输入温度，测得温度T热敏电阻的电阻值在哪个截面上，然后根据该线性插值线的斜率，确定测量的温度。
（3）内阻检测。内阻不是一个固定的常数，电池处于不同的电量状态时，它的内阻值不一样。一般情况下放电态的内阻是不稳定的，而充电态内阻相对比较稳定，测量这个数值具有实际的比较意义。虽然没有统一来描述电池内阻的模型，但普遍认可的关于电池的阻抗的模型及简化模型如图1～2所示。
交流检测几乎可以适用于所以种类的电池，因而被广泛使用。根据电池阻抗的模型，从数学上分析电池的交流阻抗（R2）：
R2=f（R1，R2，XC）=R1+
其中：XC=是电容的容抗。通过选择3个频率点来测试电池的交 流阻抗值，计算得出R1，R2的值，从而得出电池的内阻R1+R2。显然，这样需要处理器具有较快的计算速度才能满足内阻测量设备的测量速度要求，而且更重要的是这种方法的测量结果的准确性取决于电池阻抗模型的准确性。由于目前无法准确地对电池内阻建模，因此上述方法只存在理论上的可行性。
3 结束语
综上所述，随着锂离子电池行业的年平均增速不断增长，电池检测系统，电池生产设备等技术也得到了稳步的提升，同时对电池的安全性及电池检测设备也提出了更高的要求，对于锂离子电池检测设备的研究还应朝着自动化、智能化、高可靠性发展。
参考文献
[1]谢潇怡，王 莉，何向明，张明轩，李建军.锂离子动力电池安全性问题影响因素，2017（01）：43～51.
[2]肖 昕，李吉力，邹 忠.锂离子动力电池检测系统研究，2016（08）：174～179.
收稿日期：2018-7-13
关键词：锂离子电池；电池结构设计；锂离子电池检测系统
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）23-0240-01
1 前 言
锂离子电池由于其高能量密度、高功率密度以及长使用寿命的特点，已成为便携式电子产品领域中不可或缺的技术组成部分，在其他诸如化学领域中也扮演着重要的角色。而作为动力电源时，锂离子电池往往串联成组使用，因此对锂离子动力电池组的性能进行检测和评价，并提出优化改进建议便具有非常重要的意义。
2 检测系统设计
2.1 电源系统设计
（1）整流电路。目前国内外电池充放电控制电源有两种电源。一个是线性恒流源，另一个是恒流源。1个线性恒流源。线性调整电路采用电压调整方法。在电网电压通过变压器之后，二极管的单向导电性被用于将交流电转换为直流电。在AbinInstrumentsofAmerica生产的BT2000系列中，有一个线性恒流源。2开关恒流源。开关恒流源采用PWM（脉宽调制）调节方式。工作原理是调节能量而不是电压或电流。因此，在电池放电期间，能量可以从低压侧传输到高压侧。它具有结构简单，易于实现有源逆变器的特点。因此，它是最活跃的应用和研究类型，也是应用最广泛的多开关PWM整流电路。
（2）通道电路。通道电路负责调整整流后产生的直流电，以确保充电和放电过程中的电流精度。根据不同的恒流源，采用不同的调节控制策略。1个线性调整电路。线性调整电路分别使用积分和比例控制来控制前一路径和反馈路径。比例链路的输入是采样电阻两端的電压。输出与给定电压进行比较，然后进入积分步骤。调整MOSFET的栅极电压以控制其输出。在一定的电流下，为了保证每个FET不出现过高的温度并保证稳定性和准确性，一些系统的低电平通道电路将并联连接多对MOSFET。这可以保持系统的准确性，但同时还存在较低机器尺寸较大的缺点。2PWM调节电路。PWM调节电路在原有的线性调节电路的基础上增加了PWM调节器和滤波器连接。通过比例积分作用得到控制信号P，调整PWM开关器件的三角载波，使得输出端可以获得等幅，不等宽的脉冲。系统通过PI调节器控制PWM器件的输出，达到调节MOSFET输出的目的。滤波器部分可以消除部分脉冲干扰，从而确保系统的精确性。
2.2 检测回路设计
（1）电压、电流检测回路。
①单体电池检测回路。单体电池检测电路设计比较简单。在检测方法中，当电流I较小时，电线的局部压力可以忽略不计，因此可采用双端测量方法；当电流较大时，导线电阻电压降的影响不容忽视，一般采用四端等效电路。单节电池电流测量方法类似于测量电池电路与采样电阻串联，测量该电阻的电压，然后通过欧姆定律转换为电流值。
②组电池电压、电流检测回路。锂离子电池通常作为电源串联使用。电池组的性能测试和均衡管理一直是动力电池研究的热门话题。传统的电池组检测通常根据电池组的电压和电流来判断测试电池组的性能。尽管这种检测方法可以反映电池组的整体特性，但缺乏电池单元的数据。在电路设计中，德国Digatron公司生产的UBT设计了一个并联（DLP）和串联（DLS）双检测回路，这对于没有均衡充电保护模块的电池组充电是必要的，并且可以检测组电压。
（2）温度检测。锂离子电池在充电和放电时有严格的温度要求。当温度超过60°C时，会有爆炸的危险，温度的变化通常与电池的性能密切相关。常见的检测工具包括：热电偶，热敏电阻和数字温度传感器。热电偶是最常用的温度检测元件之一。它具有测量范围大，结构简单，使用方便的特点。对于工作温度低于60℃的锂离子电池，使用温度范围过大的热电偶不能准确监测电池充电和放电过程的变化。NTC热敏电阻的灵敏度约为热电偶的10倍，结构简单，电阻率小。它适用于动态测量，但NTC热敏电阻具有严重的热电非线性。因此，补偿或线性化非线性误差是扩大测量范围和提高测量精度的首要问题。天津大学刘正光和梅建强在校正函数中采用线性插值进行线性化。根据非线性曲线分割的准确度要求，用多段折线近似曲线分割，确定输入温度，测得温度T热敏电阻的电阻值在哪个截面上，然后根据该线性插值线的斜率，确定测量的温度。
（3）内阻检测。内阻不是一个固定的常数，电池处于不同的电量状态时，它的内阻值不一样。一般情况下放电态的内阻是不稳定的，而充电态内阻相对比较稳定，测量这个数值具有实际的比较意义。虽然没有统一来描述电池内阻的模型，但普遍认可的关于电池的阻抗的模型及简化模型如图1～2所示。
交流检测几乎可以适用于所以种类的电池，因而被广泛使用。根据电池阻抗的模型，从数学上分析电池的交流阻抗（R2）：
R2=f（R1，R2，XC）=R1+
其中：XC=是电容的容抗。通过选择3个频率点来测试电池的交 流阻抗值，计算得出R1，R2的值，从而得出电池的内阻R1+R2。显然，这样需要处理器具有较快的计算速度才能满足内阻测量设备的测量速度要求，而且更重要的是这种方法的测量结果的准确性取决于电池阻抗模型的准确性。由于目前无法准确地对电池内阻建模，因此上述方法只存在理论上的可行性。
3 结束语
综上所述，随着锂离子电池行业的年平均增速不断增长，电池检测系统，电池生产设备等技术也得到了稳步的提升，同时对电池的安全性及电池检测设备也提出了更高的要求，对于锂离子电池检测设备的研究还应朝着自动化、智能化、高可靠性发展。
参考文献
[1]谢潇怡，王 莉，何向明，张明轩，李建军.锂离子动力电池安全性问题影响因素，2017（01）：43～51.
[2]肖 昕，李吉力，邹 忠.锂离子动力电池检测系统研究，2016（08）：174～179.
收稿日期：2018-7-13