基于非接触IC卡电池托盘的电池综合特性自动测试分选系统

张焕文，王德浩

(广东省电子技术研究所,广州 510630)

虽然锂离子电池电源产品在我国乃至世界范围内得到了越来越广泛的推广，锂离子电池技术也越来越成熟，但是国内外由于电池性能原因引起电池鼓壳、电池爆炸等危险事件也越来越多，直接导致国家对电池安全性能要求越来越严格，市场需求对锂离子电池的出厂性能以及电池综合性能的一致性要求越来越高。

目前锂离子电池的应用包括单电池电源应用和多电池串联并联电源应用两种。手机、MP3、小灵通、数码相机、PDA等数码产品一般采用单电池电源供电，电池PACK厂在锂离子电池电芯上配好充电电路和充放电接口就可以出厂使用。笔记本、数码摄像机、电动工具、电动单车、电瓶车等产品一般采用多个锂离子电池串联、并联组合成动力电池组电源应用。动力电池组一般采用多串锂离子电池配以多串保护板，最终组成动力电池组。在动力电池组电源中，虽然有保护系统[2]对多个串联电池进行动态管理，但仍然需要保证电池组中的每个电池性能一致性非常高，否则很容易在充放电过程中出现电池鼓壳、电池爆炸等危险。这就要求在锂离子电池厂家在电池出厂时，不但要保证每一个电池的出厂性能，而且要保证同一批电池综合特性的一致性。

1 锂离子电池厂家生产管理现状

保证锂离子电池出厂性能一致性主要体现在电压、容量、内阻、自放电率等综合特性参数的一致性[3]。在目前的大部分电池生产厂家中，一般采用常规的锂离子电池测试设备进行容量测量和容量分选，采用内阻测试仪进行内阻测量和内阻分选，采用自放电率检测仪进行电压测量分选以及自放电率测量分选。由于每在一台设备上测量，都需要把每一个电池装到电池夹具上(简称“上夹”)和从夹具上取下(简称“下夹”)，上夹和下夹的过程需要浪费大量的时间。

在测量电池容量时，首先工人把一批需要测量的电池装到常规的锂离子电池测试设备的测试夹具上(如下图1所示)，设备自动测量和记录每个电池的容量参数，测量结束后通过设备上的指示灯对电池进行分选指示。

在测量电池内阻时，工人把每一个电池通过常规的内阻测试仪的测试夹具进行测试，并用人工记录的方式进行记录，最后也通过人工的方式进行判断和分选。

在测量电池电压和自放电率时，首先工人把一批需要测量的电池上夹到常规的自放电率检测仪上进行电压测量，再搁置一段时间后进行第二次电压测量，通过两次电压测量的变化来计算电池的自放电率，最后通过指示灯的方式对电池进行分选。

但是这种分选方法有很多的不足之处，主要有以下几点：

(1)在所有参数的测试过程中，需要对锂离子电池进行多次的上夹和下夹，非常费时费力。对于追求最大利润的生产厂家来说，这实际上是不划算的；

(2)在多次的上夹和下夹过程中，工人稍不小心就有可能导致电池接触不良，直接导致最终测试数据出错，这种错误一般是不容易被发现的。对于追求管理可控的生产厂家来说，这不是一种最好的管理方式；

(3)用人工的方式对锂离子电池进行分选，既费时费力，又容易由于人为因素导致出错，也不是厂家追求的质量目标。

图1 常规锂离子电池测试夹具

鉴于以上原因，迫切需要一种更加快速、可靠、可控的方法来对锂离子电池的各种综合特性参数进行有效的测量、分选和管理，从而有效提高锂离子电池的出厂性能和保证同批电池综合性能良好的一致性。

2 系统实现

2.1 概述

采用电池托盘的方式对锂离子电池的测试过程进行全程管理，每个电池都固定放置于一个特殊的电池托盘里，在电池的所有综合特性参数的测试过程中电池不需要任何人工的移动，也不需要每个电池独立上夹和下夹。电池托盘通过Mifare非接触IC卡进行编号，IC卡编号采用IC卡读写器进行识别，测量电压、容量、内阻、自放电率时电池托盘采用自动针床进行自动上夹测试，电池分选时采用电磁线圈原理把电池从托盘里分选出来。

2.2 系统组成和系统原理

本管理系统由n台针床式锂离子电池综合测试仪、一台托盘式锂离子电池分选仪、n个电池托盘、一套上位机软件组成(如下图2所示)。

图2 电池综合特性自动测试分选系统

测量电池综合特性参数时，电池按固定位置装入电池托盘内部，把电池托盘插入针床式锂离子电池综合测试仪的针床上，综合测试仪上的针床自动上夹，并自动读取IC卡编号，开始测量托盘中每个锂离子电池的电压、容量、内阻等参数，并通过网络传输和保存到上位机，当测量电池自放电率时，再把放置电池的托盘卸下并保存搁置5～7天，搁置完后再把装满电池的托盘重新插入到电池测试仪上进行电压测试，最终上位机软件通过两次电压的测量结果，计算出每个电池的电压自放电率结果。

上位机软件得到托盘中每个电池的电压、容量、内阻、自放电率等综合特性参数后，再把装满电池的托盘放置到托盘式锂离子电池分选仪上进行自动分选。上位机软件可设置电压、容量、内阻、自放电率等各种不同参数的分选范围和条件，分选条件设置完成后，发送分选指令到电池分选仪，电池分选仪根据上位机软件的指令，通过顶针把符合分选要求的对应电池从电池托盘中向上顶起，工人可很方便地把顶起的电池收集起来，完成了电池的整个分选过程(如下图3所示)。

2.3 锂离子电池综合测试仪

针床式测试夹具采用阵列式探针同时上夹和同时下夹的控制方式，采用电磁阀控制气缸作为上下移动的控制动力。当电池托盘插入后，气缸控制针床，通过针床上的测试探针把电池托盘上的电池夹紧，达到上夹的目的(如下图4所示)。

图3 锂离子电池综合特性参数范围分选流程图

图4 针床式测试夹具

电池托盘上有若干个台阶式开口，用于放置电池，并用IC卡进行托盘编号，保证在多个电池托盘混合后，机器也能辨认出不同的托盘(如下图5所示)。

图5 电池托盘

当电池托盘上夹到针床后，锂离子电池综合测试仪自动通过内部的电压测试电路模块、容量测试电路模块、内阻测试电路模块来对锂离子电池进行各种综合特性参数的测试，最后把测试数据传输到上位机软件(如下图6所示)。

图6 锂离子电池综合测试仪

2.4 电池分选仪

托盘式锂离子电池分选仪的面板上有若干个顶针，顶针和电池托盘的开口呈一样顺序的排列。电池托盘放置于顶针上面，每一根顶针正好顶住托盘上对应电池的底部，当顶针向上顶时，对应的电池就从电池托盘里上移，完成一个电池的分选动作。顶针的动作是由上位机软件发送指令进行控制，上位机软件根据对电池托盘中各种综合特性参数的测量结果，来发送对应的指令，把对应的顶针向上顶，最终完成整个托盘电池的分选动作。

电池顶针是一种绝缘的塑料，安装在金属杆的上面，金属杆的动作是通过电磁线圈来控制。电磁线圈断电和通电引起金属杆和电池顶针的下降和上顶(如下图7所示)。

图7 电池分选仪阵列顶针

3 结束语

本系统实现对锂离子电池电压、容量、内阻、自放电率等综合特性参数的自动测试和自动分选，有效减少了电池厂家工人在电池生产时的上夹和下夹的时间，同时也可最大限度减少分选过程中由于人为因素引起的数据错误和分选错误，既保证了分选结果的准确性，又能保证电池厂家对分选过程的有效控制。采用本系统对锂离子电池综合特性进行自动测试和自动分选管理，可有效提高电池厂家的电池出厂性能和真正达到电池出厂性能良好的一致性。

[1] 付江成,胡松利,王勇,等.电池自放电率检测分选系统的研究[J].现代电子技术,2006(16)：158-163.

[2] 杜祺漳梁柱扬.基于“飞电容”技术的动力锂离子电池组保护系统[J].电子工程师,2007(8):54-56.

[3] 郭丰.锂离子电池管理技术研究[J].电子工业专用设备.