摘 要

在现在的社会中，电能无处不在。随着科技的进步，我们的生产力向电能领域提出了更高的要求，同时也有越来越多新的技术应用于市场当中。在这其中，对于蓄电池性能提升的需求正在不断加强。几乎各行各业都对蓄电池都有着不同程度的需求和各种各样不同的要求，但是基本上各行各业对于电池总体性能上的不满足是一致的。锂离子电池是目前市场上性能最好的蓄电池。但是在某些领域的应用上，表现出的性能在现阶段并不能满足目前市场上的需要。这就要我们继续研究锂离子电池技术，以满足市场需求。锂离子电池技术的发展和性能的提升是必要的也是未来发展的趋势。如果我们想要继续提升锂离子电池的性能，那么进行大量的实验是必不可少的。而锂离子电池模拟及测试系统则在实验、研究过程中发挥着极为重要的作用。通过一个锂离子单电池模拟及测试系统可以极为高效的帮助我们收集锂离子电池在充放电中的电流值、电压值、功率值等重要数据。帮助我们更好地了解锂离子电池在不同温度、不同湿度、不同充放电电流、不同充放电电压等条件下的性能，对锂离子电池性能的提升，技术的发展有着极为重要的帮助。

本文对锂离子电池的特性做了研究，使用可编程电源模拟锂离子电池。并且在可编程直流电源N8330E的基础上，利用ITS5300电池测试系统平台，进行基于可编程直流电源的锂离子单电池的模拟及测试实验。观察模拟电池——可编程直流电源，在充放电测试中的电压值、电流值等各项数据，同可编程电源的设定值相对比。并利用LabVIEW软件设计了模拟仿真程序，在完成符合设计的仿真后对内容进行拓展，将直流电源换为交直流可编程电源进行模拟。要求检测模块能检测相应波形的电流，并对另一波形检测结果清零。观察系统稳定性。

关键词：可编程直流电源； 锂离子电池； 模拟及检测系统

Abstract

In today's society, electricity is everywhere. With the advancement of technology, our productivity has put forward higher requirements in the field of electric energy, and more and more new technologies are being applied to the market. Among them, the demand for battery performance improvement is increasing. Almost all industries have different levels of demand for batteries and a variety of different requirements, but basically all industries are consistent with the overall performance of the battery. Lithium-ion batteries are currently the best performing batteries on the market. However, in some fields of application, the performance shown at this stage does not meet the needs of the current market. This requires us to continue to study lithium-ion battery technology to meet market demand. The development of lithium-ion battery technology and the improvement of performance are necessary and future development trends. If we want to continue to improve the performance of lithium-ion batteries, then a lot of experimentation is essential. The lithium-ion battery simulation and test system plays an extremely important role in the experiment and research process. Through a lithium-ion battery cell simulation and test system, we can help us collect important data such as current value, voltage value and power value of lithium-ion battery during charge and discharge. Help us better understand the performance of lithium-ion batteries under different temperatures, different humidity, different charge and discharge currents, different charge and discharge voltages, etc. It is extremely important to improve the performance of lithium-ion batteries and the development of technology.

This paper studies the characteristics of lithium-ion batteries and uses a programmable power supply to simulate a lithium-ion battery. Based on the programmable DC power supply N8330E, the ITS5300 battery test system platform is used to simulate and test the lithium-ion battery based on the programmable DC power supply. Observe the analog battery - programmable DC power supply, the voltage value, current value and other data in the charge and discharge test, compared with the set value of the programmable power supply. The simulation program was designed by using LabVIEW software. After completing the simulation of the design, the content was expanded, and the DC power was changed to AC/DC programmable power supply for simulation. The detection module is required to detect the current of the corresponding waveform and clear the result of the other waveform detection. Observe the stability of the system.

Key words: programmable power supply; lithium-ion battery; simulation and test system

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2电池检测系统研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3本文主要研究内容 3

第2章 锂离子电池原理及特性分析 4

2.1二次电池的分类 4

2.1.1钴酸锂电池 4

2.1.2锰酸锂电池 4

2.1.3三元材料电池 4

2.1.4磷酸铁锂电池 4

2.2锂离子电池工作原理 5

2.3 锂离子电池基本特性 5

2.3.1锂电池放电特性 6

2.3.2锂电池充电特性 6

2.3.3锂电池循环特性 7

2.4 本章小结 8

第3章 基于可编程电源的电池模拟测试及实验 9

3.2可编程电源 11

3.4 ITS5300和N8330E的设置与实验 13

3.5 实验结果与分析 15

第4章 基于LabVIEW的电池模拟测试系统设计与实现 18

4.1 LabVIEW介绍 18

4.2 LabVIEW程序框图 19

4.3 LabVIEW模拟内容拓展 22

4.4 LabVIEW模拟 31

4.4.1直流电源检测 31

4.4.2交流电源检测 31

4.5 本章小结 32

第5章 结论 33

参考文献 34

致 谢 35

第1章 绪论

1.1研究背景与意义

近年来,随着科技的飞速发展,我们的生产力越来越高,生活越来越方便,生活质量也越来越好。但在我们的生活越来越美好的同时,我们的生产活动也给地球,给我们的生存环境带来了巨大的影响:温室效应,酸雨,全球变暖,臭氧层破坏,海平面上升等各种问题威胁着人类的生存环境,威胁着人类的可持续发展。除此之外,化石能源的快速消耗使得人类面临着能源枯竭的危险。在这样的情况下,找寻各种绿色、环保、可持续的能源来代替会造成污染、不可再生的化石能源已经成为了国际研究的重点之一^[1]。

在人类进入电气时代后，电能作为当前最佳的化石能源的代替品，已经在多个领域得到了极大的应用，并且还在不断地向别的邻域渗透、发展、壮大。电能的积蓄、保存作为电能使用中的重要一环，正受到人们越来越多的关注。从1799年伏特制作出电池的鼻祖——“伏特电堆”，到19世纪中期干电池鼻祖的出现，到 19世纪九十年代由赫勒森制造的第一个干电池的问世，再到现如今生活中随处可见的蓄电池。电池已经逐渐发展成为了人类生活中必不可少的一部分。其中，锂离子蓄电池以其优良的性能，已经成为人类生产活动中首选的一款电池。

但是历史是向前的，科技是进步的。随着人们的生活质量要求越来越高，不少种类的电池已经被渐渐淘汰，锂电池也不能完全满足人们的需求。锂离子电池技术的发展、突破，锂离子电池性能的加强、提升也成为了当今市场追求的目标。目前市场对蓄电池提出的要求有：

1能量密度更高，能够为目标提供更长时间的供电。

2输出功率更大，目前小功输出的电池已经较为成熟普遍且应用广泛，但是大功率输出的电池，如电动汽车蓄电池则还需进一步的发展提高。

3工作温度范围更广，能够在比较常见的温度条件下正常工作，提供电能。

4充放电循环寿命更长，能够更多次的充电放电，有更高的使用寿命，能使用更长的时间。

5记忆效应更小，使电池因长时间使用和多次充放电而造成的性能下降减弱。

6自放电率更小，使其不会因为长时间搁置而损失大部分储存的电量^[1]。

锂离子电池以其电池本身的的优异性能：电压高、重量轻、高储能密度、长循环寿命、自放电率小、无记忆效应和绿色环保等成为许多系统、许多产品的能源首选。现目前，锂离子电池在人类的生产生活中的应用极为广泛，在能源、航天、电动汽车、数码3C产品、应急供电等许多邻域中都有着他们的身影。但不同的领域对于锂离子电池又有着不同的要求。这里以电动汽车领域为例：电动汽车启动时产生的瞬间电压电流变化较为复杂，要求蓄电池的最大输出功率够大，输出功率范围可调且变化较为平滑，对电动汽车蓄电池的性能有着较高的要求。各行各业不同的需求驱使着我们对电动车蓄电池进行更深入的了解和研究。在锂离子电池的研发生产过程中，电池模拟及检测是极为关键的一环。不仅如此，由于目前锂电池市场竞争越来越激烈 ，厂家对自身锂电池产量和产品质量的要求也越来越高。其中，产品的质量是极其重要的一项竞争因素，电池质量的检测也因此被各大厂家所重视。更加先进，更加精确，更加方便快捷的电池检测技术不仅能加速我们对电池的研究发展，还能使企业减少损失，增加收入。

随着人们环保意识的加强，会造成大量污染的一次电池逐渐不再满足人们的要求，更加绿色环保的二次电池的使用正在快速扩大。2009年，全球二次电池占全球电池总量的76.4%，2015年已经达到82.6%^[1]。而现在，随着数码3C，电动工具，电动车的不断发展，电池市场将会变得越来越大。这是机遇，但也是挑战。性能越强的锂离子电池越具有竞争力，越能占据更多是的市场，因此，锂离子电池技术的发展是市场竞争的要求，是各厂家发展的方向。容量越来越大、体积越来越小、重量越来越轻、安全性越来越高、循环寿命越来越长、充放电越来越稳定、充电时间越来越短和造成的污染越来越少成为了锂电池的发展方向，而电池检测系统也因锂电池的发展而愈加重要。

1.2电池检测系统研究现状

1.2.1国外研究现状

世界上第一个由计算机控制的锂电池检测系统出现于20世纪80年代，它的出现极大地促进了锂电池检测技术的发展。20世纪90年代，随着锂电池应用范围的进一步扩大，电池检测技术发展迅速。到了21世纪初，锂电池被广泛应用到3C数码产品、电动交通工具、航空航天等领域，出现了数字化检测、化成分容、电池及动力电池组检测、电池保护板检测等检测技术。21世纪10年代电动汽车技术飞速发展，电动汽车的大量使用也使得锂电池检测行业出现了许多新的技术，如工况模拟系统、能量回馈系统和大功率检测系统、BMS检测等新一代产品，锂电池检测行业发展呈现出自动化、系统化、智能化、标准化的发展趋势^[2]。

现目前，国外已经有了许多比较成熟的电池测试平台系统。比如美国MACCOR公司的产品Series4000，美国Bitrode（必测）公司推出的产品BITRODE FTF电池包测试系统，德国迪卡龙公司生产制造的Digatron IBT系列电池测试设备，美国Arbin公司推出的电池测试系统BT-2X43，美国艾德克斯公司的产品ITS5300等^[2]。

这些电池测试系统都有着精度高、速度快、自动化程度高、可编程、多通道等特点。并且他们的可选通道数都较多且可选，基本每种系统的每个通道都可以同时运行不同的测试程序，测试不同的测试对象，或者可以将每个通道并联运行。功能多，自动化程度高，操作简单方便。

1.2.2国内研究现状

国内于20世纪80年代出现了能桥式充放电系统生产企业。20世纪90年代时，国内市场上出现了许多国内外知名企业，如迪卡龙，必测等。在这一段时间里锂电池主要以单体电池为主，所以锂电池检测技术也主要针对单体电池的挤压、冲撞、针刺、充放电测试和保护板测试等。到了21世纪初，国内锂电池市场的需求增长飞速，成立了如星云电子，台湾承德等企业。相比于20世纪90年代，此时的锂电池应用中，电池组的应用比例不断提高，相应的针对电池组的检测技术也随之飞速发展，锂电池监测系统得到大量应用。国内也有电池测试系统的生产商。比如深圳新威尔的电池测试系统，武汉蓝电的CT2001系列的电池检测系统等^[3]。

相比于国外，国内的电池检测设备少部分引进于国外，大部分国产设备都比较落后，存在检测精度不高、检测稳定性较低、系统稳定性差、能耗大、自动化程度底、智能化程度低等问题^[4]。并且目前国内生产研发的电池检测系统大多数都是应用于生产制造环节的锂电池检测系统，很少有针对锂电池研发而开发的各种锂电池分析仪器^[5]。

目前，国内的锂电企业，低端产能过剩，高端产能不足^[4]。要想提高国际竞争力，这就要求国内生产厂家所生产的锂电池质量越来越高，性能越来越好。而质量的提升则意味着在研发中的持续性的高投入，来保证材料的改进和技术的革新。 这也意味着国内对电池检测技术的高投入和国内电池检测技术的快速发展。

1.3本文主要研究内容

本文对锂离子电池特性做了一定研究，使用可编程电源模拟锂离子单电池，并在ITS5300电池测试系统平台上使用可编程电源N8330E代替锂离子单电池进行模拟放电的实验。

利用LabVIEW平台设计了两套模拟测试程序。一套为可编程直流电源的模拟检测系统。另一套在满足本文所需内容的基础上将可编程直流电源拓展为可编程交直流双波形电源的模拟测试系统。

第2章 锂离子电池原理及特性分析

2.1二次电池的分类

锂离子电池可以按照正极材料、电池外形、外壳材质、使用温度、使用领域、负极材料、电解质状态等不同方面来进行分类。

本文只讨论正极使用材料来对锂电池进行分类的方法。

使用不同的正极材料会导致电池的性能不同，按照正极使用材料的不同，锂离子电池可以分为多种类型，目前市面上应用最广泛的几类锂离子电池为钴酸锂电池、锰酸锂电池、锰酸铁锂电池和三元材料锂电池。

2.1.1钴酸锂电池

钴酸锂电池所用正极材料为氧化钴锂。它的应用极为广泛，振实密度高，比能量高，电压平台稳定，加工性能优异，产品一致性好。但是原料昂贵，对环境有污染，安全性较差，循环寿命一般，材料稳定性不太好。

2.1.2锰酸锂电池

锰酸锂电池所用正极材料为氧化锰锂。相比于氧化钴锂，氧化锰锂更具价格优势，目前锰酸锂电池有三维隧道结构和层状结构。采用隧道结构时，锂离子可以可逆地从尖晶石晶格中脱嵌，不会引起结构的塌陷，因此具有优异的倍率性能和稳定性。对环境友好，但是能量密度低，高温性能大，循环性能不够理想。采用层状结构时，其结构稳定性不如隧道结构。

2.1.3三元材料电池

三元材料锂电池正极材料为镍钴锰酸锂，其中镍钴锰三种元素的比例不同也会导致电池性能的不同。三元材料锂电池刚刚问世时，它的性能较差，不能满足市场应用的要求，但是自2014年来，三元材料锂电池各方面不断改进，循环次数提高，电压平台较高，能量密度较高，振实密度高，但是任然存在着安全性差，耐高温性差，寿命差，大功率放电差，含有毒元素等问题

2.1.4磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池正极材料为磷酸铁锂，是目前电动车市场上使用最广的蓄电池。有着高额定电流、长循环寿命和良好的热稳定性。也因此具有更高的安全性。长时间高压下的全部充电条件耐受性更强，应力更小。

2.2锂离子电池工作原理

锂离子电池的负极一般为石墨或者锂离子嵌入化合物。充电时，锂化合物正极材料中的锂离子通过隔膜移动到负极材料层间，形成充电电流。放电时，负极材料层间的锂离子通过隔膜移动到锂化合物正极材料中，形成充电电流。这种靠锂离子在正负极之间进行转移而形成充放电电流的独特原理，被人们称为“摇椅式电池”。锂离子电池工作原理如下图2.1所示：

图2.1 锂离子电池工作原理

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