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充放电测试仪，是动力锂电池最常用的测试设备。新电池需要做配组，进行一致性筛选；电池包设计定型过程中，多个环节的测试需要进行充放电；考察电池包性能，进行工况测试需要充放电测试仪的辅助；旧电池，充放电测试健康状况；一些认证、抽查和应甲方要求进行的测试，都需要进行充放电。 1 锂电池主要参数 充放电测试设备，需要能够在充放电过程中，实时监测电池单体、模块和电池包的相关参数，这些参数包括如下内容。 容量，电池从满电状态放电至放电截止条件，总共放出来的电量，单位Ah。容量受到放电电流、环境温度等的影响比较大，因此，提起容量，必得说什么温度和什么放电电流下的容量。 荷电状态（SOC），电池当前电量与总体可用容量的比值，用百分数表示。 放电深度（DOD），电池从满电开始截止到当前，已经放出的电量与总体可用容量的比值，也用百分号表示，与SOC的关系是DOD=1-SOC； 开路电压（VOC），断开外部电路测量得到的电池两极间电压，数值上等于电池的电动势； 工作电压，接通外部回路以后，测量电池两极之间的电压，数值上等于电池电势减去电池内阻占压（以放电过程为例）； 充电截止电压，电池管理系统设置的充电过程能够达到的最高电压，到达这个电压以后，电池管理系统要求充电过程结束。充电截止电压一般略低于电池允许的最高开路电压； 放电截止电压，放电过程允许的电池的最低电压，当放电过程触及这个数值超过一定延时时间，电池管理系统要求断开放电回路。 内阻，电池自身电化学反应的固有特性，以回路阻抗的形式表现在充放电过程中。主要由两部分构成，欧姆内阻和极化内阻。在充放电曲线上，电流加载瞬间，电池端电压的瞬间跌落是欧姆内阻带来的影响；充电截止，电流消失到端电压平稳一段时间内电压的回升则是极化电阻的影响力的体现。 2 一般充放电测试仪的功能有哪些？ 1）具有恒流恒压充放电功能，可以实现自动寿命循环，自动进行标准工况或者人为设定工况的测试；循环测试，可是实现循环的嵌套； 2）具有记录实时电流、电压、温度、荷电量等相关测试数据和故障数据的功能； 3）可以设置不同充放电终止条件，总电压、单体电压、电池荷电状态等； 4）安全监控功能，处理对过流、过压、过温、欠压、欠流、短路、掉电保护、等故障状况； 5）根据测试记录，绘制时间-电压、时间-电流、时间-阶段容量、时间-充电累计容量、时间-放电累计容量、时间-总容量、时间-功率、时间-电阻、时间-能量、时间-单体电池电压、循环次数-指定阶段容量(循环容量衰减曲线)等曲线； 6）屏幕显示，上位机显示，声光报警，屏幕输入、选择，上位机输入、选择等人机互动功能. 3 充放电测试仪基本工作原理 3.1 充电工作过程 充放电测试仪可以实现多种形式的充电过程，恒压充电，恒流充电，先恒流再恒压充电，正向脉冲充电，正负脉冲充电等等。可以根据电池性能的需要，完成不同形式的充电过程。 恒压充电，充放电设备调节至恒压源模式，由于设置的充电电压一定是在电池满电电压附近的一个值，电流在充电之初数值最大。随着电池端电压的升高，充电机与电池之间的压差越来越小，充电电流也逐渐减小。当充电电流减小到一定数值以后，充电结束。恒压充电，在初始阶段充电电流比较大，对电芯的寿命不利。 恒流充电，充放电设备调节至恒流模式，电流在整个充电过程中保持不变，电池端电压随着时间的推移逐渐升高，直到触及充电截止电压，充电过程结束。恒流充电，如果电流设置比较小，会耗费较长的充电时间；如果电流比较大，使得电池的极化现象比较显著，在撤掉充电回路以后，电池电压会有较大的下跌。 先恒流后恒压，恒流充电和恒压充电的优点，先设置一个比较大的电流恒流充电，目的是提高充电效率；当电量达到一定值时，转换成恒压充电，充电电流则逐步减小。目的是给电池充入较多的电量。 脉冲充电，一段时间的较大电流充电，用一段零电流时间隔断，间隔的这段时间，可以起到电池部分的去极化作用，减少充电过程中的电能损失，并且可以充入较多的电量。 脉冲充电可以有多种形式，变电流脉冲充电，变电压脉冲充电，以及正负脉冲充电等。以变电流脉冲充电为例，以充电电流为调节对象，电流在等长时间内维持不变，并在这段时间以后中断一小段时间，随后再出现一段连续恒定电流充电，如此循环。大的趋势上，电流遵循逐渐减小的规律。变电压脉冲充电与变电流脉冲充电类似，只是调节的对象换成电压，充电过程中电流按规律递减，而电压是按规律递增。正负脉冲充电，则把间隔的零电流时间替换成负向电流，据说，这么做是为了更好的去极化。 3.2 放电工作过程 充放电测试仪对于电池放电性能的测试，主要针对寿命测试、工况模拟测试、容量测试、一致性筛选以及其他电池参数测试和安全测试等不同场景。不同的测试目的，决定了放电过程中电流、电压的变化规律。可以在上位机输入电流电压要求，测试仪会根据控制系统要求，调节电源按需输出。 3.3 充放电测试仪工作原理 充放电测试仪的具体实现形式根据功能要求的不同而多种多样，但基本都包含下面几个部分：显示器或者上位机，控制器（包含通讯功能），可编程电源模块，电子负载，各种传感器以及其他辅助组件。 上位机，输入试验人员的测试意图，显示测试结果数据及根据结果绘制的曲线图形。 控制器，根据上位机传来的指令，分配电源模块、通讯模块、信号采集模块等的具体任务，接受各部分上传的数据，并对数据进行处理，典型的处理比如计算电池充放电量SOC； 可编程电源模块，一般是一组AC-DC电源装置，按照充放电输入数据的要求，调节输出的电流、电压、功率； 电子负载，放电测试中，需要通过电子负载将电池中放出的电能消耗掉； 传感器，一般包括温度传感器、电压传感器、电流传感器，充放电测试仪的传感器精度，必须高于电池包内选用的传感器精度，否则无法当做校核电池管理系统水平的设备使用。 下面是一个典型的充电回路拓扑图。 对于充放电测试仪，放电回路比较简单，电池作为电源，电子负载做负载构成一个简单回路。具体采用怎样的电流电压曲线放电，都在电子负载的程序设置中决定。 4 充放电测试仪的精度和校准方法 测量结果的准确性一般用设备精度来体现，精度又被称为分辨率。分辨率是指仪表能显示的最小数字（零除外）与最大数字的百分比。例如，一般3 1/2位数字万用表可显示的最小数字为1，最大数字可为1999 ，故分辨率等于 1/1999≈0.05％。 一般的校准方法，使用精度高于被校准设备的万用表、标准电源和标准电阻进行检测，对比设备输出值和仪表检测值，误差在宣称精度范围内即为合格。 充放电测试仪电压校准，采用由多功能标准源作为电压源输出，万用表以下图中所示方式测量电压值。 电压校准方法 小电流校准方法 大电流校准方法 充放电测试仪的电流精度，区分大电流和小电流两种情况。小电流测试设备，采用直接测量系统端电压的方式；对于大电流测试系统，则采用测量接入回路中的标准电阻端电压的方式进校准。 欢迎交流，欢迎指正。 参考文献 1 陈超，锂离子动力电池测试系统的设计与应用； 2 姜志鹏，基于LabVIEW的锂离子电池自动测试系统； 3 陶勇，CFCS_1型锂离子电池充放电测试装置的研制； 4 蔡姝，电池充放电测试仪校准方法的探讨； 5 李婷，多通道锂离子电池快速充_放电系统研究。 |
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