电子测量
0 引言
锂离子蓄电池是二十世纪九十年代初发展起来的一种新型高能电池，具有比能量大、工作电压高、循环寿命长、自放电小、免维护等特点[1]。目前，航空机载领域装备的直流化学电源主要作为应急电源使用，类型主要有：镉镍蓄电池组、锌银蓄电池组、铅酸蓄电池组，与此相比，锂离子蓄电池组的体积比能量和质量比能量更高，可以降低机载直流化学电源的重量，增加飞行器的额外载荷能力，因此高性能的航空用锂离子蓄电池组正成为机载直流化学电源的技术发展趋势。 到目前为止，航空机载能够实用的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂及镍钴锰酸锂三元材料等，而负极材料基本上都采用碳。目前工程应用范围最广、应用技术最成熟的正极材料是钴酸锂材料。国外在航空航天领域开始应用的是镍酸锂正极材料和钴酸锂正极材料两种，其中法国SAFT公司使用镍酸锂材料、日本使用钴酸锂材料。镍酸锂材料具有比能量高、储存性能优异等特点，但其安全性最差。与钴酸锂材料电池相比，磷酸铁锂电池和锰酸锂电池的安全性有所提高，成本降低，但磷酸铁锂电池的比能量低、低温性能差，锰酸锂电池的高温使用寿命较差，镍钴锰酸锂三元材料是最近发展的新材料，航空机载工程化应用时间较短。
航空用锂离子蓄电池组通常具备容量大、电压高等特性，一般情况下采用多只大容量动力锂离子电池串联 增压，其供电特性等性能与大容量动力锂离子电池直接相关。大容量动力锂离子电池的制造工艺主要有两种：①采用叠片或卷绕工艺直接制造大容量锂离子电芯；②通过小容量锂离子电芯并联增容制造。不管是哪种工艺，均需要通过集流体汇流后进行输出。 基于小容量锂离子电芯并联增容的大容量动力锂离子电池，刘新军等[2]研究了极耳分布、引出方式等对内部并联单元电流分布的影响；周显茂等[3]研究了单体的容量、放电平台、初始电压、自放电率等参数对并联电池性能的影响。
本文基于小容量锂离子电芯并联增容的航空用大容量动力锂离子电池，采用内阻测量法及恒流放电法研究了锂离子电芯并联后的内阻、功率供电特性变化，并开展了过充电、过放电、针刺、加温及短路安全性测试。
1 样品准备及实验
小容量锂离子电芯采用四川长虹电源有限责任公司批量生产的4Ah软包装动力锂离子电芯，正极材料为镍钴锰酸锂三元材料，负极为人造石墨。用3554 Battery Hitester 型内阻测试仪（日本产）分别测试每只锂离子电芯的内阻，挑选15只锂离子电芯编号，用BTS6010c8型电池测试系统（宁波产）在常温下分别进行1C～3C恒流放电容量测试。充电制度：以0.2C恒流充电至4.2V，转恒压（4.2V）充电至电流小于0.05C停止。
采用力学、导电、导热等综合性能较好的铝合金材料作为小容量锂离子电芯并联的集流体汇流，并作为航空用大容量锂离子电池的供电极端，按照锂离子电芯到集流体正、负极输出极端的距离之和相等的原则将15只锂离子电芯并联成60Ah锂离子电池，在并联过程中用内阻测试仪测试集流体正、负极输出极端的内阻。并联锂离子电芯的集流体装入外壳、盖组成的腔体内，腔体内的空隙部分采用有机填充材料填充。填充前、后分别用BTS6010c8型电池测试系统（宁波产）和Ti32/TiR32型红外热成像仪（美国产）在常温下进行1C～3C恒流放电容量及温度测试。
按上述相同方法制备航空用大容量锂离子电池样品，抽取样品分别进行过充电、过放电、针刺、加温及短路安全性测试。过充电是将锂离子电池用60A恒流充电至4.5V，立刻用60A恒流放电至3.0V，如此进行10个充放电循环。过放电是将锂离子电池充满电后用60A恒流放电至0V，再继续用60A恒流强行通电2h。针刺是将锂离子电池充满电后用3mm钢针以10mm/S～40mm/S的速度沿径向强力刺穿。加温是将锂离子电池充满电后放入环境试验箱中以5℃/ min速度升温至90℃并恒温2h，再继续升温至130℃并恒温30min。短路是将锂离子电池充满电后用2mΩ导线直接
孙虎1，尹超华1，呙晓兵2，蒋阳强2，王康2
（1.中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001；2.四川长虹电源有限责任公司，四川绵阳，621000）摘要：基于小容量锂离子电芯并联增容的航空用大容量动力锂离子电池，采用内阻测量法及恒
流放电法研究了锂离子电芯并联后的内阻、功率供电特性变化，并开展了过充电、过放电、针刺、加温及短路安全性测试。结果表明：应合理设计并联小容量锂离子的电芯规格及个数，使并联后大容量锂离子电池汇流部分电阻占比基本保持不变。并联未影响锂离子电芯倍率放电容量。与锂离子电芯放电电压平均值相比，大容量锂离子电池在功率输出初期供电电压略低，而在后期反而比平均电压值略高。航空用大容量锂离子电池安全性满足使用要求。关键词：航空；锂离子电池；大容量；内阻；温升；安全性
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66 | 电子制作 2018年5月
表１ 实验用锂离子电芯的基本性能参数
锂离子电芯编号容量/Ah 内阻/ mΩ锂离子电芯编号容量/Ah 内阻/ mΩ
1#4�2163�809#
4�222
3�21
2#
4�202
3�59
10#4�197
3�843#
4�196
3�84
11#
4�202
3�28
4#
4�206
3�34
12#
4�205
3�34
5#
4�223
3�36
13#
4�182
3�52
6#
4�168
4�00
14#
4�195
3�20
7#
4�184
3�25
15#
4�175
3�27
8#
4�196
3�30
图1 锂离子电芯并联增容原理
基于小容量锂离子电芯并联增容原理，大容量锂离子电池的内阻由小容量锂离子电芯、汇流体的电阻及
小容量锂离子电芯与汇流体之间的接触电阻组成，本文将汇流体电阻及接触电阻统称为汇流部分电阻，分析了大容量锂离子电池并联过程汇流部分电阻的比例，如图2所示。在并联初期，电池汇流部分电阻占比基本保持不变。
图2 并联过程内阻变化
■2.2 大容量锂离子电池的倍率放电特性
表2为锂离子电芯和容量测试结果，图3为锂离子电
池的1C ～3C 恒流倍率放电曲线。结果表明，15只锂离子电芯并联后的大容量锂离子电池，其1C、2C、3C 放电容量分别为电芯计算总容量的99.79%、99.34%、98.98%，说明小容量锂离子电芯并联后并未影响其容量发挥。锂离子电池1C 放电中点电压是3.746V，3.6V 以上容量占总容量的88.55%；2C 放电中点电压是3.684V，3.6V 以上容量占总容量的78.26%；3C 放电中点电压是3.632V，3.6V 以上
容量占总容量的61.10%；表明小容量锂离子电芯并联后的
大容量锂离子电池具备优异的功率输出能力。
表2 容量测试结果
锂离子电芯
锂离子电池计算总容量/Ah
1C容量/Ah 2C容量/Ah 3C容量/Ah 62�96962�839
62�555
62�330
为进一步探讨并联对功率输出能力的影响，选取放电
平台电压最低的3#锂离子电芯和15只锂离子电芯放电平
均电压值作为特征参数，对比了小容量锂离子电芯和大容量锂离子电池的3C 放电过程，如图4所示。由图所知，在整个3C 放电期间，15只锂离子电芯电压平均值都比3#锂离子电芯的电压高，这表明并联后的不同锂离子电芯之间具有
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协同效应。在功率放电输出的初期阶段，大容量锂离子电池的供电电压比3#锂离子电芯和锂离子电芯放
电平均电压值都低，这是由大容量锂离子电池的汇流体电阻影响所致。与15只锂离子电芯放电电压平均值相比，当放电深度为5%时，大容量锂离子电池的供电电压低约35mV；当放电深度达到65%左右时，大容量锂离子电池的供电电压与锂离子电芯
平均值相当；其后大容量锂离子电池的供电电压反而比锂离子电芯放电平均电压值高，这可能是由于大容量锂离子电池放电过程的发热量更多、温升更高，锂离子在电芯内部的传输阻力减小所致。
图
3 锂离子电池的倍率放电特性曲线
图4 并联前后的3C 放电曲线
■2.3 大容量锂离子电池的安全性测试
图5是大容量锂离子电池的安全性测试情况。在过放
电安全性测试后大容量锂离子电池内部为短路状态，这是因为当锂离子电池完全放电后，电压较低时负极集流体铜会参
与反应，铜离子到达正极并形成铜枝晶[4]，锂离子电池电压达到0V 后继续强行通电时，大量的铜离子到达正极造成短路。在短路安全性测试开始时，大容量锂离子电池的瞬间电流达到1440A 左右并急剧下降，0.2s 后降至900A 左右，
此后随能量的消耗不断下降，在大约2min30s 时电压接近OV，此时大容量锂离子电池内部储存的能量完全释放。在过充电安全性测试过程中，当达到4.5V 时电池的过充电量
约33.4%，在随后放电结果表明电池的容量增加33%，表明过度脱嵌的锂离子在放电过程中基本能回到锂离子电池的正极材料中。针刺安全性试验相当于锂离子电池的内部极片短路，当钢针刺破锂离子电池
内部极片形成短路时，由于大容量锂离子电池内部储存的能量通过短路点快速释放，锂离子电池冒出剧烈的浓烟。加温安全性测试过程中，锂离子电池电压随搁置时间不断下降，整个试验过程未出现电压突变的现象。在每个安全性试验过程中，大容量锂离子电池都没有发生燃烧或爆炸现象，表明大容量锂离子电池具有较高
的安全性，满足航空机载的使用要求。
（a）过充电曲线
（b）过放电曲线
（c）针刺试验
（下转第37页）
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根据信号发生的方案设计要求，调试过程分三步：硬件调试、软件调试和软硬件联调。
5.2.1 硬件调试
主要完成电路板电气指标和工作条件测试，连接框图如
图
4所示。
图4 硬件调试框图5.2.2 软件调试
本系统的软件程序量很大，全部用C 语言来编写，用
KEIL 编译仿真环境来调试。修改语法上的差错和逻辑差错，通过JIAG 下载器下载到单片机进行单步和分功能调试，在无误的前提下，再进行全速执行调试。
5.2.3 软硬件联调
制作好实际电路并进行功能和性能指标测试，测试结果
与仿真结果进行比较。如果要产生任意信号波形，软件上则
要添加随机信号发生器处理模块。
6 总结
本设计不仅具备常用信号发生器最基本的功能和指标
外，还具有工作稳定、电路简单，节省成本、产生波形种类多，调试简单、智能化、便于携带，性价比高等特点，发挥了智能化仪器仪表的优势。
参考文献
＊ [1] 卢光跃，黄庆东等. 数字信号处理及应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.
＊ [2] 钱游，陈国发等.单片机实用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2017.＊ [3] 先锋工作室.单片机程序设计实例[M].北京：清华大学出版社,2003.
＊ [4] 张义和. Protel PCB 99设计与应用技巧[M].北京：科学出版社，2000.（d）加温试验
（e）短路试验曲线
图5 锂离子电池安全性测试
3 结论
基于小容量锂离子电芯并联增容的航空用大容量锂离子电池，研究结果表明：
（1）应合理设计并联小容量锂离子的电芯规格及个数，使并联后大容量锂离子电池汇流部分电阻占比基本保持不变。（2）小容量锂离子电芯并联后倍率放电容量未受影响。与锂离子电芯放电电压平均值相比，大容量锂离子电池在功率输出初期供电电压略低，而在后期反而比平均电压值略高。
（3）航空用大容量锂离子电池在安全性试验中都没有
发生燃烧或爆炸现象，满足用户使用要求。
参考文献
＊ [1] 吴宇平，戴晓兵，马军旗等.锂离子电池—应用与实践[M].北京：化学工业出版社，2004：7-9.
＊ [2] 刘新军，李利容，李庆武等. 锂离子电芯并联工艺研究[J]．电池, 2012, 42(4): 213-215.＊ [3] 周显
茂，张郑，袁昌杰. 锂离子电池并联研究[J].广州化工，2010, 38(3): 112-126.＊ [4] 邹玉峰，李杨，张娜.HEV 用锂离子动力电池的一种失效模
式分析[J]. 电源技术, 2013, 37(10): 1749-1754.（上接第67页）
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