实 验 技 术 与 管 理 第38卷 第5期 2021年5月
Experimental Technology and Management Vol.38 No.5 May 2021
收稿日期: 2020-10-28
基金项目: 国家自然科学基金项目（51977131）；2019教育部产学合作协同育人项目（201902149008）
作者简介: 周龙（1987—），男，江西安福，硕士，实验师，研究方向为车用动力电池测试技术， 。
引文格式: 周龙，郑岳久，来鑫，等. 软包电池施压与测试实验教学平台开发[J]. 实验技术与管理, 2021, 38(5): 125-128.
Cite this article: ZHOU L, ZHENG Y J, LAI X, et al. Development of experimental teaching platform for pouch cells pressure and test[J]. Experimental Technology and Management, 2021, 38(5): 125-128. (in Chine)
ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
DOI: 10.ki.sjg.2021.05.025
软包电池施压与测试实验教学平台开发
周 龙，郑岳久，来 鑫，刘建国，苏金环
（上海理工大学 机械学院，上海 200093）
摘 要：动力电池是新能源汽车动力系统的核心部件，锂离子电池则是当前应用最广泛的车用动力电池，具有能量密度高、寿命长、自放电率低、环保等优点。软包电池容量较同等尺寸规格的钢壳或铝壳电池高5%~15%，且重量更轻，为了研究软包电池外表面恒压下的性能变化，根据软包电池特点，开发了一套软包锂电池外表面施压装置与测试实验教学平台。该实验平台包括施压装置、恒温箱、测试台和数据分析软件等部分，可有效解决软包电池主动定量压力状态下的性能测试难题，对研究电池性能具有积极意义，同时该实验平台可为高校开展电池测试类实验教学提供硬件支撑。
关键词：锂离子软包电池；施压装置；测试系统；实验教学平台
中图分类号：N33；U469.72；G642 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2021)05-0125-04
Development of experimental teaching platform for
pouch cells pressure and test
ZHOU Long, ZHENG Yuejiu, LAI Xin, LIU Jianguo, SU Jinhuan
mojito是什么(College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)
代言人英语Abstract: Power battery is the core component of new energy vehicle power system. Lithium-ion battery is the most widely ud vehicle power battery at prent, which has the advantages of high energy density, long rvice life, low lf-discharge rate and environmental protection. The capacity of the pouch battery is 5%~15% higher than that of the steel shell or aluminum shell battery of the same size, and its weight is lighter. In order to study the performance change of the outer surface of the pouch battery under constant pressure, a t of pressure device and test experimental teaching platform for the outer surface of the pouch lithium battery are developed according to the characteristics of such battery. The experimental platform includes pressure device, incubator, test bench and data analysis software, which can effectively solve the problem of battery performance test under active quantitative pressure and has positive significance for the rearch of battery performance. At the same time, the experimental platform can provide hardware support for the experimental teaching of battery testing in colleges and universities.
Key words: lithium-ion pouch cells; pressure device; test system; experimental teaching platform
全球经济蓬勃发展，对能源的需求愈来愈大，推广使用新能源已成为各国共识[1]。锂离子电池作为目前应用最广泛的动力电池，其性能、寿命、成本、安全性等对电动汽车的发展具有非常重大的影响[2-4]。传统的软包锂离子电池表面施压手段主要通过拉/压试验机，软包锂离子电池充放电循环过程中，外表面压
力会不断变化，表面会出现形变，难以保证电池表面恒定压力状态[5-7]。因此，有必要开发出一套软包电池外表面恒压实验装置和测试系统，以便开展外表面压力对软包锂离子电池性能的测试实验，研究外表面压力状态下电池的各项性能，推动动力电池技术的进步，从而助力电动汽车的发展[8-10]。
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实验技术与管理
电池外表面施压与测试作为一种新型实验手段，涉及了机械设计、机械制造、测试技术、电池技术等多学科，因此，开发软包电池施压与测试实验平台对研究电池外表面受压状态的性能与寿命、研究电池管理系统控制算法具有积极意义[11-12]。同时凭借该实验平台可以开展机械工程专业大学生实验教学课程，开设交叉学科实验教学任务，培养学生解决复杂工程问题的能力。本文设计了一种可对软包
电池主动施压和测试的实验教学平台，结合电池性能测试系统等硬件，可开展复杂工程问题的教学活动和科研实验。
producer1 软包电池施压实验装置设计
现有研究成果发现压力在多个循环中会不断变化，在机械施压测试装置中加入柔性介质与弹性元件可缓冲电池表面压力的变化。结合现有机械施压装置的特点，进行装置设计，如图1所示为软包电池施压装置结构图。该装置可以模拟电池在电池组中所受压力情况，并可向电池施加外部压力。在电池上下两侧放置与电池尺寸相同大小的缓冲垫，以期获得均匀的压力分布。缓冲垫外放置两块铁板。同时为了便于拿取，增加了两个把手。采用M12长螺栓组装施压装置，并通过紧固螺母对电池施加压力。图中缓冲垫选取尼龙缓冲垫，在实际中也可选用橡胶、硅胶等弹性系数较高的缓冲垫进行实验。
tuesday的发音
图1软包电池施压装置结构图
2 软包电池施压测试原理
研究压力对软包锂离子电池性能的影响，除了保证外部压力均匀稳定外，还需要准确测量电池外表面所受压力。而螺母紧固力无法直接测量。这就需要将电池外表面所受的压力值转化为电流或电阻等易测量的量。结合实验室现有的电压表等仪器，拟在电池施压装置的盖板与尼龙缓冲垫之间放置RFP薄膜压力传感器，通过传感器阻值的变化表征电池外表面压力的变化，进而可通过测量RFP薄膜传感器的电阻值来调整电池外表面所受压力的大小。图2(b)所示为压力-阻值四阶多项式拟合图。拟合经验公式如式（1）。其中，R为阻值；F为压力值；常量a=2.3×10–7，b=2.8×10–4，c=0.13，d=26，e=2.1×103。软包电池表面的压力可通过经验公式直接计算得到。
R
=aF4+bF3+cF2+dF+e （1）
图2装置测试连接与四阶多项式拟合图
3 软包电池施压与测试实验平台
软包电池施压测试实验平台基于BTS-4000动力电池检测系统，并结合恒温箱对电池性能进行测试。如图3所示为软包电池施压与测试实验平台。包括恒温箱、电池测试分析软件、电池性能综合测试台、电压信号测试线和充放电流线等组成。温箱里面为预先设定好的软包电池施压装置和软包电池。
against图3软包电池施压与测试实验平台
周 龙，等：软包电池施压与测试实验教学平台开发 127
电池性能测试台可满足动力电池脉冲充放电测试、直流内阻测试、循环寿命测试、倍率充放电测试的要求。具有恒流源与恒压源采用双闭环结构、通道独立控制、掉电数据保护等特点。支持电池组单体电压和温度的测量、脉冲工步、恒功率充电、模拟工步、
暂停工步等多种工况。电池测试数据分析(BTSDA)软件可进行多种数据分析与处理，通过曲线-数据相关联的方式，将曲线和数据显示在同一界面，简洁直观。还支持转出为Excel 表格文件，方便用户使用MATLAB 软件处理数据。图4所示为BTSDA 分析软件界面布局。
图4 电池BTSDA 分析软件界面布局
4 实验结果
实验采用国内某公司生产的NCM 软包锂离子电池。表1对给出了该单体电池的基本参数。利用该实验平台可对电动汽车动力型软包电池容量特性、内阻特征和寿命等方面进行压力状态下的探索研究，同时也能借助于该实验平台开展实践类教学。该实验平台可设置多种关于软包电池的测试实验，例如可开展软包电池容量与压力关系的测试。
表1 电池的基本参数
项目
额定性能
长度 (227±1.0) mm 宽度 (161±1.5) mm 厚度 (7.45±0.16) mm 标称容量 26.0 Ah 充电截止电压 4.15 V 标称电压 3.65 V 放电截止电压
2.7 V(10~60 ℃)
电池重量 (561±15) g 最大持续充电电流 50.0 A (2 C ) 最大持续放电电流 155.0 A (6 C )
电池容量是确定电池性能的重要指标之一[13-14]。电池在标准状态下放出的电量为电池的容量，以Ah 为单位。电池容量可采用安时积分法来计算：
C I dt +∞
+=
⎰
（2）
其中，I +为放电电流。充放电规则、环境温度及电池的放电电流等几个因素将会影响电池容量[15]，因而所有实验均在25 ℃下进行。
根据电池的性能参数：电池的标准充放电电流为 1/3 C （8.67 A ），1/3倍率对电池容量影响最小，因此设置为8.67 A 的电流进行充放循环。其中恒流恒压的
充电方式在快要充电结束的时候，提供了一段电流缓冲时间，防止了大电流立即下降对电池造成的冲击，是延长电池寿命的一种措施。而每次充放电前要进行搁置是为了让电池内部达到平衡，减小实验误差。图5为容量测试所需的加载电流；图6为基于该实验平台得到的1 Mpa 压力作用下新电池放电容量前后对比，可
以发现新电池在施压状态下其容量没有发生变化。容量特性较稳定。此外，还可开展不同老化程度的软包电池施压状态的内阻变化、电池压力状态下寿命的影
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实验技术与管理
响等一系列的实验项目。
图5容量测试所需的加载电流
图6压力作用下新电池放电前后容量对比
5 结语
根据软包电池的特性，本文开发了一套软包电池施压与测试实验教学平台，详细介绍了实验平台的施压装置、施压方法，测试原理和数据分析软件等，并借助该平台进行了1 Mpa压力状态下电池容量测试对比实验。验证了施压与测试实验平台的可行性，该实验平台可满足各种类型软包动力锂离子电池压力状态下的性能测试，操作简单，数据分析可方便导出。该实验教学平台不但可以开展动力电池相关的科学研究，而且可以设置多学科交叉实验方案，方便高校教师开展创新实践教学，从而提高大学生解决复杂工程问题的能力，也为其他高校开展电池测试类实验项目提供了可参考的经验。
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