4.4.1 锂离子电池充放电特性实验
1.实验目的
（1）学习锂电池基本性能指标测试方法。
（2）学习锂电池充放电测试设备的使用，掌握充放电操作方法。
锂电池充放电实验视频
（3）分析锂电池的充放电工作过程，深入理解性能指标含义。
2.实验内容
（1）锂电池静态容量测试。
（2）基于HPPC方法的锂电池内阻测试。
3.实验设备及软件
本实验所需的设备包括锂电池、电子负载、交流转直流电源（以下简称“直流源”）、充电器、上位机、电子负载上位机软件及充放电数据记录软件，如表4-4所示。
表4-4 本实验所选用设备及软件
本实验示例中，锂电池选用航模常用的聚合物锂电池，如图4-12（a）所示，其主要参数如表4-5所示。考虑到实验时间和经济成本，在充电实验中选用了容量为1000 mAh的3片电芯串联成包的锂电池。该电池的正极材料为工程应用最广泛、技术最成熟的钴酸锂，其标称容量单片电芯最低放电电压为3.0 V，则电池包容量测定最低放电电压为9.0 V。
本实验示例中选用iCharger 308DUO锂电池充电器，如图4-12（b）所示，其主要参数指标如表4-5所示。其输入电压范围为直流10～30 V，因此通常配置一个交流转直流（AC／DC）电源为其供电（本示例选用天空创新SkyRC eFuel 1200 W／50 A直流稳压电源）。该充电器的主要特点是支持双通道同步和异步充放电，且支持串口通信，能够使用LogView上位机软件实时读取两个通道的数据并记录，这对后续的锂电池充放电性能分析尤其重要。
图4-12 实验选用锂电池和充电器
（a）ACE 1000 mAh聚合物锂电池；（b）iCharger 380DUO锂电池充电器
表4-5 实验示例中选用的锂电池和充电器的主要参数
4.实验过程
1）设备连接
锂电池充放电特性实验连接如图4-13所示，考虑到实验前通常无法确定锂电池的初始电量，因此需要先将待测锂电池充满电，再放电。
（1）充电实验连接过程。首先，确保直流源未上电状态，与充电器连接，并采用USB线连接充电器与上位机。在充电器设置好之后，将锂电池接入充电器。注意：先接入锂电池的主放电接口（如XT60接头），再接入电压反馈接口（即平衡头）。
（2）放电实验连接过程。先连接电子负载和上位机，待上电启动后，再接入锂电池。
图4-13 锂电池充放电特性实验连接
（a）充电实验连接图；（b）放电实验连接图
2）锂电池充电操作
关于充电器的操作说明详见《iCharger 308DUO使用说明书》，此处仅给出本实验示例的相关操作。
具体实施如下：
（1）充电设备上电启动。直流源上电启动，并调节输出电压旋钮，将输出电压调节到锂电池充电器允许的输入电压范围之内，本示例中调节到30 V即可。然后，将锂电池充电器上电，并等待初始化完成，即可进行充电器设置。
（2）输入电源类型设置。上电开机后，系统会在首界面延时5 s之后进入初始界面，延时期间，按【TAB／SYS】键可进入“电源切换”界面，如图4-14所示，选择“DC Power Supply”，即直流电源。如果此步没来得及选择，也可在“SYSTEM MENU”→“Charger Setup”→“Power Supply”下进行设置，具体步骤参见使用说明书。
图4-14 选择电源类型并完成初始化
（a）选择输入电源的类型；（b）充电器初始化完成后的界面
（3）充电电源类型选择。在初始界面下按【STOP／START-x】键，弹出“BATTERY MEMORY SELECTION”对话框，如图4-15所示，选择“LiPo”，即聚合物锂电池。
图4-15 选择聚合物锂电池类型LiPo
（4）设置充电参数。将黑影聚焦到“LiPo”位置处，按旋钮，进入充电器程序设置界面，如图4-16（a）所示。确保黑影聚焦到“Charge”，然后按【TAB／SYS】按钮退出聚焦。旋转旋钮，移动红色光标框到“Current”，然后按旋钮，使黑影聚焦在红框中，再逆时针旋转旋钮，将充电电流调节到1 C倍率，本示例为1 A。设置完成后，按旋钮，退出黑影聚焦，如图4-16（b）所示。
图4-16 充电参数设置
（a）设置界面；（b）设置完成
（5）接入锂电池。将锂电池的主接口接入充电器的CH-1通道，并将锂电池平衡头接入CH-1通道的平衡板，对应锂电池的串联片数。
（6）开始充电。移动红框光标至“Start”，按旋钮，弹出对话框提示是否开始充电，如图4-17所示。通过旋钮选择“Yes”并按旋钮，即可开始充电，此时的界面信息如图4-18所示。
图4-17 确认充电开始
图4-18 充电过程界面显示信息
（7）查看电池状态信息。程序运行时，按【STATUS】键可以切换多页面信息显示，各页面显示内容如图4-19所示。
图4-19 电池状态信息查询
（a）单体电压页面；（b）内阻页面；（c）信息页面
（8）上位机设置LogView软件连接。在上位机运行LogView软件，通过“File”→“Language”→“English”选择软件语言为英语。然后，在“Device”菜单中，单击“Choose device and port”（即选择设备和接口），在设备列表中选择“Junsi iCharger 308 DUO”，并选择正确的通信端口，如图4-20所示。
（9）实时显示并记录充电过程信息。如图4-21所示，按图中编号顺序，选择对应通道Channel1和需要显示的和保存的状态信息，然后点击启动按钮“Start recording”，即可启动数据记录，同时绘制实时曲线并显示。
（10）实时数据表显示并保存。如图4-22所示，按照编号顺序，先选择列表模式切换到数据记录表显示界面，等待充电完成后，再单击“Stop recording”按钮停止记录，并通过“Save As”按钮将数据文件保存到指定位置，也可以通过“File”→“Import table”→“Table as CSV”保存为.csv格式文件，以便外部读取。
图4-20 选择正确设备和通信端口
图4-21 数据记录并绘制实时曲线
图4-22 数据列表显示
3）锂电池放电操作
（1）放电设备上电启动。电子负载和上位机上电启动，在上位机中打开监控软件Load Monitor，观察状态栏的RX灯和TX灯。若均闪烁，则通信成功；否则，需检查串口连接和波特率设置。
（2）电池模式设置。如图4-23所示，从菜单栏中选择“电池”，进入电池测试设置界面，然后设置充电停止条件，本示例中的设置参数如表4-6所示。
图4-23 电子负载监控软件设置示意图
表4-6 电池参数与放电测试条件设置
（3）启动放电。将锂电池接入电子负载，确认锂电池电压为满电电压（本例为25.2 V）后，单击图4-23中的“开始”按钮，即开始放电，并从实时放电曲线中看到当前的电压状态。
（4）保存数据。当电压降到设定截止电压后，电子负载自动停止加载。单击“报表”按钮，将实验过程的数据导出为Excel文件，该文件的保存位置为Load Monitor软件的安装目录下的battery文件夹。
（5）停止实验。断开锂电池与电子负载，关闭电子负载电源开关，关闭上位机软件及上位机，静置锂电池15 min后，测量锂电池开路电压，并记录。
4）HPPC锂电池内阻测试
标准HPPC测试方法如图4-24所示。取充满电的待测锂电池，先进行一次完整放电和充电过程。静置1 h后，进行脉冲式恒定电流加载，并消耗10％的电量。静置1 h后，重复上一步的脉冲加载，总共进行10次脉冲加载，以将锂电池全部电量放完。
图4-24 标准HPPC测试方法示意
具体实施如下：
（1）待测锂电池准备。将充满电的待测锂电池以1 C倍率放电。静置1 h后，再以1 C倍率充满电，然后静置1 h。
（2）放电脉冲剖面设置。在电子负载上位机软件选择“自动测试”选项卡，将“工作模式”选择“CC”（即恒流加载模式），将“测量项”选择“V”（即电压）。然后，第1步，设置1 C倍率电流，本示例为1 A，放电时间设置为1／10 h，即360 s；第2步，设置放电流为0 A，延时为3600 s；将这两个步骤重复10次，如图4-25所示。
（3）按程序加载并导出报表。单击“运行”按钮，即可执行HPPC加载剖面，此时观察锂电池电压变化情况，为保护锂电池，当锂电池工作电压降到3.2 V以下时，则停止加载，后续测试剖面不再进行。然后，单击“报表操作”按钮，即可导出数据报表。
（4）停止实验。测试完成或停止加载后，将电子负载设置为“Off”状态，然后断开锂电池与电子负载，最后关闭电子负载电源开关。
图4-25 设置HPPC加载剖面
5.讨论与思考
（1）根据实验数据分析锂电池的实测容量与标称容量的差异。
（2）根据HPPC测试方法，如何计算锂电池的内部电阻？
（3）分析锂电池放电过程在不同容量下的内阻是否相同。
（4）总结根据锂电池的充放电伏安特性和容量特性过程曲线，讨论其可分为几个阶段，每个阶段有何特点。
（5）讨论不同放电倍率下的放电特性曲线特点。
（6）如何在线估计锂电池电量状态？