小型鋰離子電池檢測技術研究

湯秀華，關為國，黃廣軼，金 茜，薛天龍

（1.黑龍江省計量檢定測試院，黑龍江 哈爾濱 150036；2.黑龍江牡丹江市計量檢測中心，黑龍江 牡丹江 157000）

1 引 言

小型鋰離子電池（以下簡稱鋰電池）檢測技術是針對目前市場常見的手機鋰離子充電電池的檢測而研究設計的[1]，依據(jù)該技術開發(fā)的鋰離子電池測試儀，采用先進的自動控制理論，以高性能單片機為核心制作而成，操作簡單、直觀，使用方便。該技術符合GB/T 18287《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》（以下簡稱國標）中對鋰離子電池測試的有關要求[2]，可以以0.2C5A或1C5A（C5為電池額定容量值）兩種制式進行充、放電測試，同時可以進行過充保護、短路保護、過放保護和內(nèi)阻測試。為簡便、迅速、有效判斷電池優(yōu)劣提供了技術保障，是計量、質(zhì)檢等部門進行電池檢測的首選儀器，也可以為生產(chǎn)、維修部門提供準確的檢測數(shù)據(jù)。充電電流小于5 A的其他化學電池的檢測也可參照該方法進行。

2 基本原理

國家標準除對鋰電池的使用環(huán)境、外觀要求、絕緣要求、技術指標等提出要求外[3-7]，對充電特性和放電特性的技術指標提出了特殊規(guī)定，充電采用限壓恒流方式，按0.2C5A或1C5A兩種制式進行，當電池端電壓達到充電限制電壓（對標稱電壓為（3.6×n）V的鋰電池充電時，電池端電壓不大于（4.2×n）V，n 為電池節(jié)數(shù)）時，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于0.01C5A電流值，最長充電時間不大于8h，停止充電。放電采用0.2C5A或1C5A兩種制式進行，以0.2C5A電流放電到終止電壓時，放電時間應不低于5h。以1C5A電流放電到終止電壓時，放電時間應不低于51min。

對上述指標進行檢測的測試原理框圖如圖1所示。程控恒壓恒流源對被檢電池按標準規(guī)定充電，通過特定負載對被測電池放電，整個測試過程通過A/D監(jiān)測實現(xiàn)自動測試。

圖1 電池測試儀原理框圖

具體測試電路如圖2所示。整個測試過程由單片機控制自動完成[8-9]，開始測試時，由微處理器控制程控電壓電流源對被檢電池進行恒流充電，由A/D轉換系統(tǒng)對充電過程進行監(jiān)控和監(jiān)測，將測試結果隨時反饋給控制系統(tǒng)，當充電數(shù)據(jù)滿足充電限制條件時，停止充電。隨后，微處理器控制放電系統(tǒng)進行放電，A/D轉換系統(tǒng)隨時監(jiān)控放電參數(shù)，當達到放電限制條件時，控制系統(tǒng)控制放電系統(tǒng)停止對電池放電，存儲測試數(shù)據(jù)，顯示并打印測試記錄，完成電池參數(shù)的測試。整個測試過程可以通過串口由上位機控制完成。

圖2 電池測試原理電路

圖3 測試儀原理框圖

3 鋰電池測試儀的設計原理

對被測電池加特定負載，由采樣電路對被測電池的電流、電壓進行采樣，計算電池內(nèi)阻，按照實驗經(jīng)驗，不同電池的內(nèi)阻有所差別，內(nèi)阻大于一定值的（約15 μΩ）鋰電池，性能較差，內(nèi)阻測量適用于現(xiàn)場檢測時對電池性能的快速初步判定。內(nèi)阻測量后開始給電池按恒流方式（按1C5A）自動充電，當充至電池端電壓為限制電壓時，充電方式自動改為恒壓充電，電流表指示逐漸減小，當電流表指示降到0.01C5A時，充電結束。

按上述規(guī)定充電并放置半小時后進行放電檢測，放電采用1C5A制式進行，以1C5A電流放電到終止電壓（其值為n×2.75 V）時，放電時間應不低于51min。完成上述過程即實現(xiàn)對電池性能的檢測。電池測試儀設計作原理框圖如圖3所示。

圖4 恒流恒壓源及微控制具體實施電路

設計鋰電池測試儀的關鍵技術是如何設計程控電流源、電壓源，實現(xiàn)對充、放電過程的智能控制。按照國家標準規(guī)定，對鋰電池應采用恒流恒壓充電方式，放電采用恒流方式，所以設計鋰電池測試儀基礎是要設計程控恒流恒壓源，設計雙路電流電壓測量及采樣電路，用電流電壓采樣值反饋控制充、放電裝置，從而實現(xiàn)對鋰電池的智能檢測。通過對測試參數(shù)的設定，該儀器可方便的測試鋰電池的過充、過放和短路保護性能。此外，為適應對電池性能的快速檢測，在儀器中設計了電池內(nèi)阻檢測，所測內(nèi)阻為電池電芯內(nèi)阻與外圍材料及保護電路電阻之和，僅為快速判斷電池性能提供參考，不能作為判斷電池合格與否的依據(jù)。恒流恒壓源及微控制具體實施電路如圖4所示，采用AT89C51單片機實現(xiàn)自動控制和串行通信，采用AT89C51單片機雙路A/D功能實現(xiàn)數(shù)字電壓和電流測量，采用低漂移運算放大器和大功率管實現(xiàn)電壓源和電流源控制和轉換。

該方案實現(xiàn)的鋰電池測試儀采用232接口與計算機連接，組成自動檢測系統(tǒng)，大大地提高了檢測效率，特別適用于現(xiàn)場檢測使用。

4 主要技術參數(shù)

鋰電池測試儀的主要技術參數(shù)有：

（1）電壓設置及測量范圍為2～20V，誤差為0.5%；電流設置及測量范圍為100mA～5A，誤差為0.5%。

（2）時間設置及測量范圍為1～480 min，準確度為 5×10-5。

（3）被測電池要求。標稱電壓不大于5V；初始電壓不低于2 V；標稱容量不大于5 Ah（1C5A制式時）；不大于10Ah（0.2C5A制式時）。

（4）驗證。用8508A數(shù)字多用表作標準表，對該測試儀各項主要指標進行實驗驗證，數(shù)據(jù)見表1～表4。

表1 充電電壓的測試（單位：V）

表2 充電電流的測試（單位：mA）

表3 放電電壓的測試（單位：V）

表4 放電電流的測試（單位：mA）

（5）通過理論分析和實驗驗證，采用該方法實現(xiàn)的鋰電池測試儀電流測試相對不確定度為uA=0.1%[10]；電壓測試相對不確定度為uV=0.08%。上述兩項遠小于國家標準規(guī)定的0.5%的要求，符合標準規(guī)定系統(tǒng)軟件流程見圖5。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結束語

該文介紹了測試鋰離子電池的基本原理、鋰離子電池測試儀的設計原理、系統(tǒng)軟件的設計流程以及得到的基本測試指標。鋰離子電池測試儀實現(xiàn)了如何設計程控電流源、電壓源，實現(xiàn)對充、放電過程的智能控制等一系列關鍵技術，使得電流、電壓測試的相對不確定度滿足國家標準規(guī)定。小型鋰離子電池檢測技術研究的成果－鋰離子電池測試儀，為鋰離子電池的物理參數(shù)測量提供了量值溯源和參考量值，為公共安全提供技術與檢測標準依據(jù)。

[1] SJ/T 11194－1998，移動通信手持機電池（金屬氫化物鎳電池）行業(yè)規(guī)范[S].

[2]GB/T 18287-2000，蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2000.

[3] 牛黎明.鋰電池在線充放電管理電路的設計[J].電子技術應用，2002，28（4）：11-13.

[4]龍麗妮，潘 盈.手持產(chǎn)品中的鋰電池智能管理電路設計[J].中國水運，2008，8（9）：126－128.

[5] 李秋生，王月忠.基于VB6的PC機與多臺單片機通信在鋰電池檢測化成設備中應用[J].微計算機信息（測控儀表自動化），2003（10）：46-47.

[6]李 凱，張 斌.一種新型智能動力鋰電池組能源管理模塊[J].微計算機信息，2006（25）：55.

[7] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：北京航天大學出版社，2005.

[8] 張毅剛.計算機自動控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006.

[9] 張毅剛.單片機原理與應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

[10]JJF 1059-1999，測量不確定度評定與表示[S].北京：中國計量出版社，1999.