基于非接觸IC卡電池托盤的電池綜合特性自動(dòng)測試分選系統(tǒng)

張煥文，王德浩

(廣東省電子技術(shù)研究所,廣州 510630)

雖然鋰離子電池電源產(chǎn)品在我國乃至世界范圍內(nèi)得到了越來越廣泛的推廣，鋰離子電池技術(shù)也越來越成熟，但是國內(nèi)外由于電池性能原因引起電池鼓殼、電池爆炸等危險(xiǎn)事件也越來越多，直接導(dǎo)致國家對電池安全性能要求越來越嚴(yán)格，市場需求對鋰離子電池的出廠性能以及電池綜合性能的一致性要求越來越高。

目前鋰離子電池的應(yīng)用包括單電池電源應(yīng)用和多電池串聯(lián)并聯(lián)電源應(yīng)用兩種。手機(jī)、MP3、小靈通、數(shù)碼相機(jī)、PDA等數(shù)碼產(chǎn)品一般采用單電池電源供電，電池PACK廠在鋰離子電池電芯上配好充電電路和充放電接口就可以出廠使用。筆記本、數(shù)碼攝像機(jī)、電動(dòng)工具、電動(dòng)單車、電瓶車等產(chǎn)品一般采用多個(gè)鋰離子電池串聯(lián)、并聯(lián)組合成動(dòng)力電池組電源應(yīng)用。動(dòng)力電池組一般采用多串鋰離子電池配以多串保護(hù)板，最終組成動(dòng)力電池組。在動(dòng)力電池組電源中，雖然有保護(hù)系統(tǒng)[2]對多個(gè)串聯(lián)電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，但仍然需要保證電池組中的每個(gè)電池性能一致性非常高，否則很容易在充放電過程中出現(xiàn)電池鼓殼、電池爆炸等危險(xiǎn)。這就要求在鋰離子電池廠家在電池出廠時(shí)，不但要保證每一個(gè)電池的出廠性能，而且要保證同一批電池綜合特性的一致性。

1 鋰離子電池廠家生產(chǎn)管理現(xiàn)狀

保證鋰離子電池出廠性能一致性主要體現(xiàn)在電壓、容量、內(nèi)阻、自放電率等綜合特性參數(shù)的一致性[3]。在目前的大部分電池生產(chǎn)廠家中，一般采用常規(guī)的鋰離子電池測試設(shè)備進(jìn)行容量測量和容量分選，采用內(nèi)阻測試儀進(jìn)行內(nèi)阻測量和內(nèi)阻分選，采用自放電率檢測儀進(jìn)行電壓測量分選以及自放電率測量分選。由于每在一臺(tái)設(shè)備上測量，都需要把每一個(gè)電池裝到電池夾具上(簡稱“上夾”)和從夾具上取下(簡稱“下夾”)，上夾和下夾的過程需要浪費(fèi)大量的時(shí)間。

在測量電池容量時(shí)，首先工人把一批需要測量的電池裝到常規(guī)的鋰離子電池測試設(shè)備的測試夾具上(如下圖1所示)，設(shè)備自動(dòng)測量和記錄每個(gè)電池的容量參數(shù)，測量結(jié)束后通過設(shè)備上的指示燈對電池進(jìn)行分選指示。

在測量電池內(nèi)阻時(shí)，工人把每一個(gè)電池通過常規(guī)的內(nèi)阻測試儀的測試夾具進(jìn)行測試，并用人工記錄的方式進(jìn)行記錄，最后也通過人工的方式進(jìn)行判斷和分選。

在測量電池電壓和自放電率時(shí)，首先工人把一批需要測量的電池上夾到常規(guī)的自放電率檢測儀上進(jìn)行電壓測量，再擱置一段時(shí)間后進(jìn)行第二次電壓測量，通過兩次電壓測量的變化來計(jì)算電池的自放電率，最后通過指示燈的方式對電池進(jìn)行分選。

但是這種分選方法有很多的不足之處，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)在所有參數(shù)的測試過程中，需要對鋰離子電池進(jìn)行多次的上夾和下夾，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力。對于追求最大利潤的生產(chǎn)廠家來說，這實(shí)際上是不劃算的；

(2)在多次的上夾和下夾過程中，工人稍不小心就有可能導(dǎo)致電池接觸不良，直接導(dǎo)致最終測試數(shù)據(jù)出錯(cuò)，這種錯(cuò)誤一般是不容易被發(fā)現(xiàn)的。對于追求管理可控的生產(chǎn)廠家來說，這不是一種最好的管理方式；

(3)用人工的方式對鋰離子電池進(jìn)行分選，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又容易由于人為因素導(dǎo)致出錯(cuò)，也不是廠家追求的質(zhì)量目標(biāo)。

圖1 常規(guī)鋰離子電池測試夾具

鑒于以上原因，迫切需要一種更加快速、可靠、可控的方法來對鋰離子電池的各種綜合特性參數(shù)進(jìn)行有效的測量、分選和管理，從而有效提高鋰離子電池的出廠性能和保證同批電池綜合性能良好的一致性。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 概述

采用電池托盤的方式對鋰離子電池的測試過程進(jìn)行全程管理，每個(gè)電池都固定放置于一個(gè)特殊的電池托盤里，在電池的所有綜合特性參數(shù)的測試過程中電池不需要任何人工的移動(dòng)，也不需要每個(gè)電池獨(dú)立上夾和下夾。電池托盤通過Mifare非接觸IC卡進(jìn)行編號，IC卡編號采用IC卡讀寫器進(jìn)行識別，測量電壓、容量、內(nèi)阻、自放電率時(shí)電池托盤采用自動(dòng)針床進(jìn)行自動(dòng)上夾測試，電池分選時(shí)采用電磁線圈原理把電池從托盤里分選出來。

2.2 系統(tǒng)組成和系統(tǒng)原理

本管理系統(tǒng)由n臺(tái)針床式鋰離子電池綜合測試儀、一臺(tái)托盤式鋰離子電池分選儀、n個(gè)電池托盤、一套上位機(jī)軟件組成(如下圖2所示)。

圖2 電池綜合特性自動(dòng)測試分選系統(tǒng)

測量電池綜合特性參數(shù)時(shí)，電池按固定位置裝入電池托盤內(nèi)部，把電池托盤插入針床式鋰離子電池綜合測試儀的針床上，綜合測試儀上的針床自動(dòng)上夾，并自動(dòng)讀取IC卡編號，開始測量托盤中每個(gè)鋰離子電池的電壓、容量、內(nèi)阻等參數(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸和保存到上位機(jī)，當(dāng)測量電池自放電率時(shí)，再把放置電池的托盤卸下并保存擱置5～7天，擱置完后再把裝滿電池的托盤重新插入到電池測試儀上進(jìn)行電壓測試，最終上位機(jī)軟件通過兩次電壓的測量結(jié)果，計(jì)算出每個(gè)電池的電壓自放電率結(jié)果。

上位機(jī)軟件得到托盤中每個(gè)電池的電壓、容量、內(nèi)阻、自放電率等綜合特性參數(shù)后，再把裝滿電池的托盤放置到托盤式鋰離子電池分選儀上進(jìn)行自動(dòng)分選。上位機(jī)軟件可設(shè)置電壓、容量、內(nèi)阻、自放電率等各種不同參數(shù)的分選范圍和條件，分選條件設(shè)置完成后，發(fā)送分選指令到電池分選儀，電池分選儀根據(jù)上位機(jī)軟件的指令，通過頂針把符合分選要求的對應(yīng)電池從電池托盤中向上頂起，工人可很方便地把頂起的電池收集起來，完成了電池的整個(gè)分選過程(如下圖3所示)。

2.3 鋰離子電池綜合測試儀

針床式測試夾具采用陣列式探針同時(shí)上夾和同時(shí)下夾的控制方式，采用電磁閥控制氣缸作為上下移動(dòng)的控制動(dòng)力。當(dāng)電池托盤插入后，氣缸控制針床，通過針床上的測試探針把電池托盤上的電池夾緊，達(dá)到上夾的目的(如下圖4所示)。

圖3 鋰離子電池綜合特性參數(shù)范圍分選流程圖

圖4 針床式測試夾具

電池托盤上有若干個(gè)臺(tái)階式開口，用于放置電池，并用IC卡進(jìn)行托盤編號，保證在多個(gè)電池托盤混合后，機(jī)器也能辨認(rèn)出不同的托盤(如下圖5所示)。

圖5 電池托盤

當(dāng)電池托盤上夾到針床后，鋰離子電池綜合測試儀自動(dòng)通過內(nèi)部的電壓測試電路模塊、容量測試電路模塊、內(nèi)阻測試電路模塊來對鋰離子電池進(jìn)行各種綜合特性參數(shù)的測試，最后把測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件(如下圖6所示)。

圖6 鋰離子電池綜合測試儀

2.4 電池分選儀

托盤式鋰離子電池分選儀的面板上有若干個(gè)頂針，頂針和電池托盤的開口呈一樣順序的排列。電池托盤放置于頂針上面，每一根頂針正好頂住托盤上對應(yīng)電池的底部，當(dāng)頂針向上頂時(shí)，對應(yīng)的電池就從電池托盤里上移，完成一個(gè)電池的分選動(dòng)作。頂針的動(dòng)作是由上位機(jī)軟件發(fā)送指令進(jìn)行控制，上位機(jī)軟件根據(jù)對電池托盤中各種綜合特性參數(shù)的測量結(jié)果，來發(fā)送對應(yīng)的指令，把對應(yīng)的頂針向上頂，最終完成整個(gè)托盤電池的分選動(dòng)作。

電池頂針是一種絕緣的塑料，安裝在金屬桿的上面，金屬桿的動(dòng)作是通過電磁線圈來控制。電磁線圈斷電和通電引起金屬桿和電池頂針的下降和上頂(如下圖7所示)。

圖7 電池分選儀陣列頂針

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池電壓、容量、內(nèi)阻、自放電率等綜合特性參數(shù)的自動(dòng)測試和自動(dòng)分選，有效減少了電池廠家工人在電池生產(chǎn)時(shí)的上夾和下夾的時(shí)間，同時(shí)也可最大限度減少分選過程中由于人為因素引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和分選錯(cuò)誤，既保證了分選結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能保證電池廠家對分選過程的有效控制。采用本系統(tǒng)對鋰離子電池綜合特性進(jìn)行自動(dòng)測試和自動(dòng)分選管理，可有效提高電池廠家的電池出廠性能和真正達(dá)到電池出廠性能良好的一致性。

[1] 付江成,胡松利,王勇,等.電池自放電率檢測分選系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006(16)：158-163.

[2] 杜祺漳梁柱揚(yáng).基于“飛電容”技術(shù)的動(dòng)力鋰離子電池組保護(hù)系統(tǒng)[J].電子工程師,2007(8):54-56.

[3] 郭豐.鋰離子電池管理技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備.