CN107831449A - 模拟极寒环境动力锂离子电池电气特性测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟极寒环境动力锂离子电池电气特性测试装置，包括：带有流场模拟机构、温度控制器、传感机构的超低温实验柜和与之相连的电池测试平台、数据采集模块、上位机以及恒温实验箱，其中：上位机与电池测试平台相连以输出控制指令，通过电池测试平台与待测电池相连以控制电池的充放电状态并模拟动力锂离子电池的实际工况，用于数据采集数据采集模块与设置于超低温实验柜内的软包三元镍钴锰酸锂离子电池上的传感机构相连并采集电池性能数据，并通过电池测试平台的通信接口与上位机通信。本发明采用阶梯式降温方法与最大放电深度测试、可用容量测试、HPPC测试、开路电压测试等测试手段得到电池在极寒环境下电池电气特性的变化规律。

Description

模拟极寒环境动力锂离子电池电气特性测试装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种电池测试领域的技术，具体是一种模拟-40℃至-65℃极寒环境下软包三元镍钴锰酸锂离子电池电气特性测试装置及方法。

背景技术

随着新能源的兴起与锂离子电池技术的发展，动力锂离子电池在各个领域得到了广泛的应用。由于锂离子电池的温度特性，极寒环境对动力锂离子电池的电气特性有显著影响，而电池电气特性是优化电池管理系统能量管理策略的基础。低温下电池充放电性能的衰减导致传统的电池特性测试方法不再适用，目前国内外对低于-40℃的极寒环境下锂离子电池电气特性的研究较少，缺少能够模拟极寒环境的电池特性测试装置以及系统的、有效的测试方法。此外，三元镍钴锰酸锂离子电池在低于-40℃的极寒环境下的相关测试从未进行。

发明内容

本发明提出一种模拟极寒环境动力锂离子电池电气特性测试装置及方法，能够模拟-40℃至-65℃的极寒环境温度，并能够系统、有效地测试锂离子电池在50℃至-65℃温度范围内的电气特性，以获得电池电气特性参数随温度的变化情况。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种模拟极寒环境动力锂离子电池电气特性测试装置，包括：带有流场模拟机构、温度控制器、传感机构的超低温实验柜和与之相连的电池测试平台、数据采集模块、上位机以及恒温实验箱，其中：上位机与电池测试平台相连以输出控制指令，通过电池测试平台与待测电池相连以控制电池的充放电状态并模拟动力锂离子电池的实际工况，用于数据采集数据采集模块与设置于超低温实验柜内的软包三元镍钴锰酸锂离子电池上的传感机构相连并采集电池性能数据，并通过电池测试平台的通信接口与上位机通信。

所述的超低温实验柜上设有测试孔通道，通道内设有隔热与绝缘材料，传感机构的导线通过通道连接至超低温实验柜外部的数据采集模块。

所述的超低温实验柜包括：设有制冷压缩机的实验腔室，该制冷压缩机的功率为400W；温度控制器可调温度范围为25℃至-65℃，控制精度为±0.2℃，分辨率为0.1℃。

所述的实验腔室外部设有保温层，实验腔室设有35mm直径的测试孔以供电池测试平台的测试线、流场模拟机构的控制线以及传感机构接入。

所述的保温层优选为10cm闭式发泡保温棉，其外部覆盖有绝缘橡胶，有良好的柔韧性能、防潮性能与隔热保温性能。

所述的传感机构包括：温度传感器和电压传感器。

所述的温度传感器包括：若干热敏电阻、超低温实验柜控制器专属温度传感器，其中：热敏电阻的探针设置于超低温实验柜内部以及待测软包三元锂离子电池单体表面并与超低温实验柜外部的数据采集模块相连，数据采集模块的温度通道将来自热敏电阻两端的电压模拟信号转成数字信号并借助电池测试平台的通信接口向上位机输送柜内环境温度与电池表面温度数据。超低温实验柜的控制器专属温度传感器的信号直接传送至柜内控制器，用于控制柜内环境温度。

所述的电压传感器包括：若干电压传感器采集接头，其中：电压传感器采集接头的采样端分别与电池单体的正负极相连，而电压采集接头的输出端与数据采集模块相连，数据采集模块的电压通道将电压传感器接头获得单体电池电压模拟信号转换成数字信号并借助电池测试平台的通新接口向上位机输送电池电压数据。

所述的流场模拟机构包括：设置于超低温实验柜内的多个独立风扇以及与之相连的设置于超低温柜外的控制电路。

所述的恒温实验箱包括：制冷系统与加热系统，配备观察窗，该恒温试验箱的温度控制范围为0℃至90℃，控制精度为±0.2℃，分辨率为0.1℃。

本发明涉及上述装置的电池特性测试方法，包括以下步骤：

步骤1)搭建模拟极寒环境下电池电气特性测试装置：将软包三元锂离子电池单体极耳和电池测试系统的电极连接好后，用热熔胶将极耳处封住，防止由于降温过程中的结露、结霜而引起短路的现象；将设置在超低温柜内的电池测试系统与传感机构的测试线、流场模拟系统的控制线用保温与绝缘材料包裹，防止低温造成导线外部的丁晴橡胶脆裂；用毫欧表测量导线电阻；每次特性测试前将电池充满，电池充电前需在设定为常温25℃的恒温实验箱中静置2h以上，当电池表面温度达到25℃时进行充电，以保证每次充电过程中充入的电荷总量相同。

步骤2)在恒温实验箱中进行阶梯式降温，并在50℃至0℃下对待测软包三元锂离子电池进行电气特性测试，获得电池50℃至0℃下的充放电性能，以作为低温以及极寒环境下电池电气特性变化的对比依据。

所述的电气特性测试具体是指：最大放电深度测试、可用容量测试、混合脉冲功率测试(HPPC)、开路电压测试。

步骤3)当电池从未在低于-40℃的极寒环境温度下进行过放电测试时，将超低温实验柜内部环境温度控制在-40℃至-65℃内并进行待测电池的放电安全性测试。若待测电池已经通过极寒环境下的放电安全性测试则不再进行步骤3。

所述的放电安全性测试具体是指：测试的初始环境温度为-40℃，每隔5℃设置一个测试温度点，逐级降温至-65℃。将待测电池在每个测试温度点静置2h后进行一次最大放电深度测试，再将电池表面温度恢复至25℃并静止2h，观察电池表面是否有异常。然后采取恒流恒压(CCCV)方式将电池充满，测试电池以0.5C倍率放电时的可用容量并与安全性测试前标定的可用容量比较。通过观察电池表面是否出现鼓包并对比0.5C倍率下可用容量是否有衰减，判断电池在极寒环境下放电的安全性。若电池不存在鼓包，并且容量也未出现衰减，则认为电池在低温下可以安全使用。

步骤4)对超低温实验柜进行阶梯式降温，并在不同实验温度(0℃至-65℃)下对待测软包三元锂离子电池进行电气特性测试，获得电池在0℃至-65℃温度范围内的低温放电特性。

每次电池电气特性测试前电池需在设定为实验温度的超低温实验柜内静置2h以上。

所述的在各个温度阶梯下对待测软包三元锂离子电池进行电气特性测试，具体包括：

1)将电池充满后放入恒温箱或超低温实验柜静置2h后，进行放电倍率测试与最大放电深度测试。

2)将电池充满后放入恒温箱或超低温实验柜静置2h后，进行HPPC(混合动力脉冲功率特性)测试。

3)将电池充满后放入恒温箱或超低温实验柜静置2h后，进行开路电压测试。

4)每次测试完成后，恢复常温25℃静置2h，并检测电池外观是否有异常现象。

技术效果

与现有实验设备只能测试空气流动缓慢或基本不流动的静态低温环境下电池电气特性相比，本发明可以模拟极地无人机飞行时其周围的空气流场，考虑实际情况中对流换热对电池表面散热的影响；本发明能够在极寒环境下对三元镍钴锰酸锂离子电池的特性进行测试，可以为极地探索无人机等极地科考设备的动力电池系统设计人员提供实验方法参考。

附图说明

图1为本发明的电池特性测试装置示意图；

图中：1上位机、2电池测试平台、3数据采集模块、4超低温实验柜、5超低温实验柜温度控制器、6超低温实验柜控制器专属温度传感器、7热敏电阻温度传感器、8流场模拟风扇、9测试孔通道、10隔热与绝缘材料、11软包三元镍钴锰酸锂离子电池、12电池支架、13电池极耳。

具体实施方式

如图1所示，本实施例测试对象为10Ah软包三元镍钴锰酸锂离子电池；测试温度为50℃至-65℃；测试压力为0.1Mpa。本实施例测试装置包括：上位机1、电池测试平台2、数据采集模块3、超低温实验柜4、超低温实验柜温度控制器5、超低温实验柜控制器专属温度传感器6、热敏电阻温度传感器7、流场模拟风扇8、测试孔通道9、隔热与绝缘材料10、软包三元镍钴锰酸锂离子电池11、电池支架12和电池极耳13；其中：电池测试平台2的测试线、与数据采集模块3的温度传感器以及电压传感器通过包覆隔热与绝缘材料10的测试孔通道9进入超低温实验柜4内。测试电池极耳13通过测试线与电池测试平台2相连。热敏电阻7布置在超低温柜内表面与电池表面，数据采集模块3通过连接电池测试平台2与上位机1实现通信。

本实施例模拟极寒环境对三元镍钴锰酸锂离子电池展开的电气特性测试包括以下步骤：

步骤1.模拟极寒环境：

1.1)基于极寒环境定义的温度范围，考虑极地科考设备工作时的实际环境温度，选定-40℃至-65℃作为模拟极寒环境温度的上限与下限。为了系统地获得实验对象三元镍钴锰酸锂离子电池电气特性随温度的变化情况，测试温度范围定为50℃至-65℃。

1.2)采用阶梯式降温方式，每隔5℃设立一个测试温度点，以获得全面的电池特性测试数据。

1.3)针对动力电池具体的应用场所，在不同的温度下独立控制风扇的转速，以模拟真实情况下的对流换热过程。

步骤2.充电过程：

2.1)每次特性测试结束后，将电池放置在设定为25℃的恒温实验箱中存放2h，观察电池是否变形、其表面是否破损或鼓包、其极耳处是否有短路的烧痕。

2.2)在确定电池无明显损坏现象后，方可进行充电流程。采用CCCV方式充电，充电后再放入模拟极寒环境的超低温实验柜中静置2h，使电池表面以及内部温度均与环境温度相同。

步骤3.极寒环境放电安全性测试：

3.1)当待测电池从未在-40℃至-65℃极寒环境下进行过放电安全性测试时，执行步骤3。

3.2)极寒环境下放电安全性测试前，在25℃下测量并标定电池以0.5C倍率恒流放电时的可用容量，作为判断极寒环境下放电是否会造成电池容量衰减的对照依据。

3.3)从-40℃开始，采用阶梯式降温，每隔5℃对电池进行一次最大放电深度测试，测试前将电池放入测试温度下的超低温实验柜中静置2h，测试完成后将电池放入25℃的恒温箱中2h，观察电池表面是否有变形、破损或鼓包等现象。若电池无明显损坏征兆，则按步骤2过程充电。

3.4)充电完成后在常温25℃下测试电池以0.5C倍率放电时的可用容量并与安全性测试前标定的可用容量比较，若电池0.5C倍率下的可用容量并未衰减并且电池表面无变形、破损与鼓包等异常现象则认为通过安全性测试，即可在极寒环境下展开进一步电气特性测试。否则，判定极寒环境下放电对该电池造成损坏，测试终止。

步骤4.最大放电深度测试：

4.1)待电池在当前测试温度下静置2h后，方可开始测试。

4.2)从100％SOC开始最大放电深度测试，具体为：

①以2C倍率恒流放电，当电池端电压达到截止电压3.0V时进入步骤②。

②以1.5C倍率恒流放电，当电池端电压达到截止电压3.0V时进入步骤③。

③以1C倍率恒流放电，当电池端电压达到截止电压3.0V时进入步骤④。

④以0.5C倍率恒流放电，当电池端电压达到截止电压3.0V时进入步骤⑤。

⑤以0.2C倍率恒流放电，当电池端电压达到截止电压3.0V时进入步骤⑥。

⑥以0.1C倍率恒流放电，当电池电压达到截止电压3.0V时进入步骤⑦。

⑦以0.05C倍率恒流放电，当电池电压达到截止电压3.0V时进入步骤⑧。

⑧以0.02C倍率恒流放电，当电池电压达到截止电压3.0V时结束当前测试温度下最大放电深度测试，进行步骤2的充电过程。

步骤5.可用容量测试：

5.1)待电池在当前测试温度下静置2h后，方可开始测试。

5.2)从100％SOC开始，以2C倍率恒流放电至截止电压3.0V，进行步骤2的充电过程。

5.3)从100％SOC开始，以1C倍率恒流放电至截止电压3.0V，进行步骤2的充电过程。

5.4)从100％SOC开始，以0.5C倍率恒流放电至截止电压3.0V，结束当前测试温度下不同放电倍率时的可用容量测试，进行步骤2的充电过程。

步骤6.HPPC测试：

6.1)待电池在当前测试温度下静置2h后，方可开始测试。

6.2)为保证安全性以及延长电池的使用寿命，当测试温度低于0℃时删除现有HPPC测试中每个SOC点处的10s脉冲充电过程。

6.3)当测试温度高于0℃时，从100％SOC开始，2C放电10s、静置40s再以1C放电至90％SOC点，静置2h后进行以下测试：

①2C放电10s，静置40s。

②1.5C充电10s，静置10s。

③1C放电至下一个SOC点，静置2h。

④重复步骤②至③共9次，记录每个采样时刻的电压、电流值。

6.4)当测试温度低于0℃时，从100％SOC开始，1C放电10s、静置40s再以0.5C放电至90％SOC点，静置2h后进行以下测试：

①1C放电10s，静置40s。

②0.5C放电至下一个SOC点，静置2h。

③重复步骤①至②共9次，记录每个采样时刻的电压、电流值。

6.5)当测试温度低于-25℃时，从100％SOC开始，0.2C放电10s、静置40s再以0.1C放电至90％SOC点，静置2h后进行以下测试：

①0.2C放电10s，静置40s。

②0.1C放电至下一个SOC点，静置2h。

③重复步骤①至②共9次，记录每个采样时刻的电压、电流值。

6.6)每个测试温度下HPPC测试完成后进行步骤2的充电过程。

步骤7.开路电压测试：

在现有的开路电压测试方法上，提出了新的测试流程，如下：

7.1)当温度高于-20℃时，从100％SOC开始，每隔5％SOC进行以下测试：

①0.5C放电6min，静置2h。

②记录静置结束后的电池端电压并计为该SOC点处的开路电压。

③重复步骤①至②共19次。

7.2)当温度低于-20℃高于-45℃时，从100％SOC开始，每隔5％SOC进行以下测试：

①0.5C放电6min，静置2h。

②记录静置结束后的电池端电压并计为该SOC点处的开路电压。

③重复步骤①至②，直至达到截止电压3.0V时静置2h，记录静置结束后电池端电压并计为该SOC点处的开路电压，进入④。

④0.1C放电30min，静置2h。

⑤记录静置结束后的电池端电压并计为该SOC点处的开路电压。

⑥重复步骤④至⑤，直至达到截止电压3.0V时静置2h，记录静置结束后电池端电压并计为该SOC点处的开路电压，结束该测试温度下开路电压测试。

7.3)当温度低于-45°时，从100％SOC开始，每隔5％SOC进行以下测试：

①0.1C放电30min，静置2h。

②记录静置结束后的电池端电压并计为该SOC点处的开路电压。

③重复步骤①至②，直至达到截止电压3.0V时静置2h，记录静置结束后电池端电压并计为该SOC点处的开路电压，进入④。

④0.05C放电1h，静置2h。

⑤记录静置结束后的电池端电压并计为该SOC点处的开路电压。

⑥重复步骤④至⑤，直至达到截止电压3.0V时静置2h，记录静置结束后电池端电压并计为该SOC点处的开路电压，进入⑦。

⑦0.02C放电2.5h，静置2h。

⑧记录静置结束后的电池端电压并计为该SOC点处的开路电压。

⑨重复步骤⑦至⑧，直至达到截止电压3.0V时静置2h，记录静置结束后电池端电压并计为该SOC点处的开路电压，结束该测试温度下开路电压测试。

7.4)每个测试温度下开路电压测试完成后进行步骤2的充电过程。

本发明测试装置中的超低温实验柜能够模拟低于-40℃的极寒环境，其配备的流畅模拟风扇能够以超过3m/s的风速对电池进行强制对流换热，其配备的传感机构能够配合数据采集模块在极寒环境温度下完成数据采集。本发明的整套测试装置能在50℃至-65℃的大跨度环境温度范围内对待测电池展开全面、系统的电气特性测试。

与现有技术相比，本方法提出了新的极寒环境下放电安全性测试方法，用于判断在低于-40℃的极寒环境温度下放电是否会对电池造成不可逆损坏；其次，本发明测试方法中提出了一种新的最大放电深度测试方法；最后，针对低温与极寒环境下电池特性变化趋势，本发明测试方法中提出了改进的HPPC与开路电压测试方法。利用本发明的测试方法能够有效地获得电池的电气特性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (11)

1.一种模拟极寒环境动力锂离子电池电气特性测试装置，其特征在于，包括：带有流场模拟机构、温度控制器、传感机构的超低温实验柜和与之相连的电池测试平台、数据采集模块、上位机以及恒温实验箱，其中：上位机与电池测试平台相连以输出控制指令，通过电池测试平台与待测电池相连以控制电池的充放电状态并模拟动力锂离子电池的实际工况，用于数据采集数据采集模块与设置于超低温实验柜内的软包三元镍钴锰酸锂离子电池上的传感机构相连并采集电池性能数据，并通过电池测试平台的通信接口与上位机通信。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的超低温实验柜上设有测试孔通道，通道内设有隔热与绝缘材料，传感机构的导线通过通道连接至超低温实验柜外部的数据采集模块。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的超低温实验柜包括：设有制冷压缩机的实验腔室，该制冷压缩机的功率为400W；温度控制器可调温度范围为25℃至-65℃，控制精度为±0.2℃，分辨率为0.1℃。

4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征是，所述的实验腔室外部设有保温层，实验腔室设有35mm直径的测试孔以供电池测试平台的测试线、流场模拟机构的控制线以及传感机构接入。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的保温层为10cm闭式发泡保温棉，其外部覆盖有绝缘橡胶，有良好的柔韧性能、防潮性能与隔热保温性能。

6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的传感机构包括：温度传感器和电压传感器，其中：

温度传感器包括：若干热敏电阻、超低温实验柜控制器专属温度传感器，其中：热敏电阻的探针设置于超低温实验柜内部以及待测软包三元锂离子电池单体表面并与超低温实验柜外部的数据采集模块相连，数据采集模块的温度通道将来自热敏电阻两端的电压模拟信号转成数字信号并借助电池测试平台的通信接口向上位机输送柜内环境温度与电池表面温度数据。超低温实验柜的控制器专属温度传感器的信号直接传送至柜内控制器，用于控制柜内环境温度；

电压传感器包括：若干电压传感器采集接头，其中：电压传感器采集接头的采样端分别与电池单体的正负极相连，而电压采集接头的输出端与数据采集模块相连，数据采集模块的电压通道将电压传感器接头获得单体电池电压模拟信号转换成数字信号并借助电池测试平台的通新接口向上位机输送电池电压数据。

7.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的流场模拟机构包括：设置于超低温实验柜内的多个独立风扇以及与之相连的设置于超低温柜外的控制电路。

8.根据权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的恒温实验箱包括：制冷系统与加热系统，配备观察窗，该恒温试验箱的温度控制范围为0℃至90℃，控制精度为±0.2℃，分辨率为0.1℃。

9.一种根据上述任一权利要求所述装置的电池特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)搭建模拟极寒环境下电池电气特性测试装置：将软包三元锂离子电池单体极耳和电池测试系统的电极连接好后，用热熔胶将极耳处封住，防止由于降温过程中的结露、结霜而引起短路的现象；将设置在超低温柜内的电池测试系统与传感机构的测试线、流场模拟系统的控制线用保温与绝缘材料包裹，防止低温造成导线外部的丁晴橡胶脆裂；用毫欧表测量导线电阻；每次特性测试前将电池充满，电池充电前需在设定为常温25℃的恒温实验箱中静置2h以上，当电池表面温度达到25℃时进行充电，以保证每次充电过程中充入的电荷总量相同；

步骤2)在恒温实验箱中进行阶梯式降温，并在50℃至0℃下对待测软包三元锂离子电池进行电气特性测试，获得电池50℃至0℃下的充放电性能，以作为低温以及极寒环境下电池电气特性变化的对比依据；

步骤3)当电池从未在低于-40℃的极寒环境温度下进行过放电测试时，将超低温实验柜内部环境温度控制在-40℃至-65℃内并进行待测电池的放电安全性测试；若待测电池已经通过极寒环境下的放电安全性测试则不再进行步骤3；

步骤4)对超低温实验柜进行阶梯式降温，并在0℃至-65℃中不同的实验温度下对待测软包三元锂离子电池进行电气特性测试，获得电池在0℃至-65℃温度范围内的低温放电特性。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的电气特性测试具体是指：最大放电深度测试、可用容量测试、混合脉冲功率测试、开路电压测试，具体包括：

1)将电池充满后放入恒温箱或超低温实验柜静置2h后，进行放电倍率测试与最大放电深度测试；

2)将电池充满后放入恒温箱或超低温实验柜静置2h后，进行HPPC测试；

3)将电池充满后放入恒温箱或超低温实验柜静置2h后，进行开路电压测试；

4)每次测试完成后，恢复常温25℃静置2h，并检测电池外观是否有异常现象。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的放电安全性测试具体是指：测试的初始环境温度为-40℃，每隔5℃设置一个测试温度点，逐级降温至-65℃；将待测电池在每个测试温度点静置2h后进行一次最大放电深度测试，再将电池表面温度恢复至25℃并静止2h，观察电池表面是否有异常；然后采取恒流恒压方式将电池充满，测试电池以0.5C倍率放电时的可用容量并与安全性测试前标定的可用容量比较；通过观察电池表面是否出现鼓包并对比0.5C倍率下可用容量是否有衰减，判断电池在极寒环境下放电的安全性；若电池不存在鼓包，并且容量也未出现衰减，则认为电池在低温下可以安全使用。