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动力电池检测系统介绍

动力电池检测系统介绍

锂离子动力电池为代表的动力电池已成为当今发展的热点,相比传统的化石能源, 动力电池的可重复利用,高能量密度,可再生,对环境污染低。是未来清洁能源的理 想形式。随着动力电池组应用的逐步普及,我们需要对动力电池组的性能作出客观的
评价。
本文以锂离子动力电池组为例,在分析其原理、特性以及具体应用所面临相关问 题的基础上,设计并实现了一套高效节能的动力电池组循环测试系统。本系统使用UPS 作为能量的中转,在分级测量与控制系统的基础上,利用基于脉宽调制相移技术的可 控逆变器实现了动力电池组充放电回路的电力循环,通过循环测量,该测试系统能够 在节能的情况下,完成对动力电池组六个基本指标测量。
动力电池使用工况比较特殊,其应用还有一些关键问题需要解决,比如充电过 程中避免由于电池个体差异而带来充电不均勻的情况,以及如何科学的评估动力电 池电荷状态等等,虽然对电池的认识在逐步深入,但是面对新兴的动力电池组,在 电池性能影响状态,电池状态估算等方便还是需要进一步研究。
一般的电池检测系统是对于单体电池而言的,电池电压和电流的被测范围都不 大,动力电池组是由很多个电池单体构成,相应的测试也必须以电池组为单位进行。 动力电池组的科学评价需要全面综合的数据,现有的电池检测设备不能完成全部参 数的测量,并提供完整的原始数据以供后期分析,动力电池组的参数测量用传统方 式测量周期长,而且效率不高。除此之外,测试的充放电过程中由于电池单体的差 异存在,极易因为过充电和过放电而损坏电池。
因此,有必要设计专门的动力电池检测系统,全面系统的精确测量动力电池组 的相关参数,科学评价其性能,为其设计提供依据。同时开放原始数据,为更科学 合理的确定电池管理方式延长其使用寿命提供科学依据。
通过记录动力电池组在多次高效科学的充放电期间的各种参数变化,并计算之。 对电池组的质量进行评价。
一个完整的动力电池组检测系统包括动力电池组,充放电管理控制器,测量数 据采集系统,以及数据处理系统。本文描述的动力电池组测试系统通过设计电池参 数采集模块,工作在充放电平台上由上位机监控处理下,完成对电池组性能的测试。
本论文关于该测试系统的研究主要包括如下几个部分:
1,    完成对锂电池各种特性的收集,了解与研究。
2,       比较动力电池组各种参数的不同测量方案的优劣。
3,    设计动力电池组质量测试系统的框架。
4,    系统的软件硬件实现。
目前所有的主流电池中,锂离子电池是性能最优秀的。在它的体积不大的前提 下,其相比传统的镍氢电池,能量密度可以做到三倍,已经可以达到140—200Wh/kg, (镍氢电池只有50—60Wh/kg)。除此之外,锂离子电池的单体工作电压都能够达到
2.  2V-3. 7V,相当于普通1.2V镍氢电池单体工作电压的三倍,这无形中便减少了为 了达到一定工作电压而串联的电池单体的个数,从而大大降低了由于电池单体性能 差异而造成的电池组工作故障发生的概率,这个特点非常适用于工作要求稳定的工 业场合。再次,锂离子电池不像镍氢电池具有记忆效应,电池的容量比较稳定,使 用寿命较原来的传统电池提高了很多,不仅如此,其优秀的产品能够达到1500次反 复充放电的使用寿命。对于自放电率,锂离子电池也具有优良的性能,其拥有非常 低的自放电率,电能能很好的保存起来,不工作时,锂电池内部的化学组分非常稳 定。最后,由于金属锂并不是重金属元素,所以不会发生相应的重金属污染,符合 绿色环保的要求。
早期的锂离子电池由于负极材料为金属锂,锂沉积与锂枝晶的情况在充电过程 中尤为明显,直接对电极产生腐蚀,从而使电池的使用寿命大大受影响,严重的时 候,短路和爆炸的可能性很大。
后来锂离子电池改进了结构,在电池的正负极之间通过加入拥有晶状活性结构 的材料来容纳锂离子,使之能够在正负极之间运动,从而产生电流。
对锂离子电池进行充电时,由金属锂的氧化物构成的正极产生锂离子,锂离子 在电场作用下运动到负极,负极由碳构成,但是负极的碳做成了带有微孔的层状结 构,锂离子到达负极后,会进驻到负极的微孔层状结构中,电量越高,充电越完全, 意味着进驻负极微孔的锂离子越多,反之则少。和刚才的过程相反,锂离子电池放 电时,电池负极结构中镶嵌的锂离子迅速向电池正极回流,回到正极的锂离子数量 的多少代表了电池放电的电量多少。

锂电池的发展历史
锂电池最初的发展就是由于I960—1970年的化石燃料危机,由于在所有金属中 锂比重很小,摩尔数为6.94g/mol,密度为0.53g/cw3、电极电势为一3.04V (相对
标准氢电极),因此,锂电池体系凭借在目前电池体系中最高的能量密度,直接为电 池设计师所青睐。
大致可以用为两个阶段描述锂电池的发展:锂一次电池(锂原电池)、锂二次电 池(可充电锂电池),其中,锂二次电池的发展又分为金属锂二次电池、锂离子电池 与聚合物锂电池三个阶段。

锂一次电池从1958年开始,美国科学家Harris提出将有机电解质用于金属锂 原电池,然后大致历经了 Li/CuCl、Li/(CF)n、Li/Mn02三个体系的时代。但是,这 些电池均是不能够充电的,只是单次性能比之前的传统电池优秀。
锂二次电池技术让电池可以循环充放电。1972年,“嵌入化合物”成为了锂二次 电池诞生的至关重要的因素,“嵌入”的关键在于外来的微粒能够在不改变薄片状宿 主晶格结构的情况下进行可逆的插入过程,这个插入过程便称为电化学嵌入,相应 的供锂离子嵌入的电极便叫做可逆电极。锂离子电池的两个电极全部由嵌入化合物 充当,再后来,先进的聚合物锂电池采用一些由纯离子导体构成的固态化合物作为 电池的电解质,替代了电解液,使电池的性能又一次提升。

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