引言：在全球向可持續(xù)能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，可充電電池作為關(guān)鍵技術(shù)支撐，其性能直接影響能源效率、維護(hù)成本和系統(tǒng)可靠性。無(wú)論是電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，還是可再生能源的穩(wěn)定存儲(chǔ)，都離不開(kāi)對(duì)電池健康狀態(tài)（State of Health, SoH）的精準(zhǔn)評(píng)估。然而，傳統(tǒng)電池測(cè)試面臨數(shù)據(jù)采集效率低、系統(tǒng)通用性差等挑戰(zhàn)，亟需一種集安全性、自動(dòng)化與多功能性于一體的測(cè)試解決方案。本文將為您介紹西班牙塞維利亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新型電池測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)自動(dòng)化充放電循環(huán)和高效數(shù)據(jù)采集，為電池性能分析提供了強(qiáng)大工具，推動(dòng)電池技術(shù)研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用的深度融合。

1、研究背景：電池技術(shù)發(fā)展與測(cè)試需求升級(jí)

隨著化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型加速，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在全球能源格局中的地位愈發(fā)重要。鋰離子電池憑借高能量密度、低自放電率等優(yōu)勢(shì)，成為可再生能源利用和電動(dòng)汽車領(lǐng)域的核心技術(shù)。然而，電池性能會(huì)因活性物質(zhì)流失、鋰元素?fù)p耗等因素逐漸退化，導(dǎo)致容量衰減和壽命縮短。因此，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電池的健康狀態(tài)（SoH）—— 即當(dāng)前容量與初始容量的百分比 —— 成為優(yōu)化電池管理策略的關(guān)鍵。

傳統(tǒng) SoH 估算方法包括直接測(cè)量、庫(kù)侖計(jì)數(shù)、內(nèi)阻監(jiān)測(cè)等，但這些方法或依賴實(shí)驗(yàn)室特定條件，或存在實(shí)時(shí)性差、噪聲敏感等問(wèn)題。例如，庫(kù)侖計(jì)數(shù)需要完整的充放電循環(huán)，且易受積分誤差影響；電化學(xué)阻抗譜（EIS）雖精度高，但需要專業(yè)設(shè)備和穩(wěn)定環(huán)境。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法被用于建模復(fù)雜非線性關(guān)系，但這類方法依賴大規(guī)模標(biāo)注數(shù)據(jù)，且缺乏物理可解釋性。

在此背景下，開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠模擬真實(shí)工況、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集的測(cè)試平臺(tái)，成為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵。它不僅能為 SoH 估算提供多場(chǎng)景數(shù)據(jù)支持，還能通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓、電流、溫度等參數(shù)，提前預(yù)警過(guò)壓、欠壓等安全隱患，延長(zhǎng)電池使用壽命。

圖1.主要SoH（健康狀態(tài)）估算技術(shù)的分類。

2、核心技術(shù)：自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)的硬件與軟件架構(gòu)

2.1、硬件設(shè)計(jì)：模塊化集成與精準(zhǔn)控制

該測(cè)試平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，核心組件包括：

電源與負(fù)載設(shè)備：配備 Sorensen DLM20-30 電源（最大 20V/30A）和 B&K Precision 8614 電子負(fù)載，支持恒流 - 恒壓（CC-CV）充放電模式，可模擬不同工況下的電流電壓變化。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：通過(guò) National Instruments USB-6281 I/O 設(shè)備連接 K 型熱電偶，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度，精度達(dá) ±0.5°C；電壓電流數(shù)據(jù)由電源和負(fù)載內(nèi)置傳感器直接采集，確保高分辨率（16 位 ADC）。

安全防護(hù)模塊：內(nèi)置硬件中斷系統(tǒng)，當(dāng)電池電壓超過(guò) 4.2V 或溫度高于 45°C 時(shí)自動(dòng)停機(jī)，配合 21.5×15×17cm 防火箱，保障測(cè)試過(guò)程安全。

硬件架構(gòu)通過(guò)以太網(wǎng)和 USB 接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)，路由器動(dòng)態(tài)分配 IP 地址，支持多設(shè)備同步控制，最大可擴(kuò)展至串聯(lián) 20V、并聯(lián) 30A 的電池組測(cè)試，兼顧單體電池與電池包的兼容性。

圖2. CC-CV充電過(guò)程：電壓和電流作為時(shí)間的函數(shù)。

2.2、軟件系統(tǒng)：智能化控制與數(shù)據(jù)管理

軟件層面采用 LabVIEW 開(kāi)發(fā)的 SDAYC 系統(tǒng)，具備兩大工作模式：

手動(dòng)模式：支持用戶實(shí)時(shí)調(diào)整充電電壓、電流和放電參數(shù)，適合調(diào)試階段的靈活操作。

自動(dòng)模式：預(yù)設(shè)充放電截止條件（如充電電流低于 0.5A、放電電壓降至 2.5V），自動(dòng)執(zhí)行 “充電 - 靜置 - 放電” 循環(huán)，每個(gè)循環(huán)間隔 20 分鐘靜置冷卻，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

系統(tǒng)功能亮點(diǎn)包括：

實(shí)時(shí)監(jiān)控：界面實(shí)時(shí)顯示電壓、電流、溫度曲線，支持?jǐn)?shù)據(jù)秒級(jí)采樣與存儲(chǔ)，生成獨(dú)立的充電 / 放電文本文件（如 “Charge1.txt”“Discharge1.txt”）。

安全機(jī)制：除硬件中斷外，軟件實(shí)時(shí)校驗(yàn)參數(shù)閾值，避免過(guò)充過(guò)放，同時(shí)記錄異常事件日志。

數(shù)據(jù)后處理：配套 Python 工具自動(dòng)整合多循環(huán)數(shù)據(jù)，生成 SoH 趨勢(shì)圖、電壓 - 容量曲線等可視化圖表，支持 MATLAB 進(jìn)一步分析。

圖3. 恒流法放電過(guò)程：電壓和電流隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：多場(chǎng)景測(cè)試與性能分析

研究團(tuán)隊(duì)以標(biāo)稱容量 6Ah 的 LiFePO?電池為對(duì)象，開(kāi)展了多輪充放電實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證平臺(tái)的可靠性與數(shù)據(jù)價(jià)值。

圖4. 可充電電池測(cè)試系統(tǒng)的示意圖。

3.1、健康狀態(tài)（SoH）評(píng)估

通過(guò) 100 次充放電循環(huán)（49-149 周期）數(shù)據(jù)，采用庫(kù)侖積分法計(jì)算

結(jié)果顯示，電池 SoH 在 100 次循環(huán)后下降約 3.5%，與文獻(xiàn) [39] 提出的容量衰減模型高度吻合。平臺(tái)無(wú)需復(fù)雜數(shù)據(jù)預(yù)處理，直接利用儀器原始數(shù)據(jù)即可復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)的高可信度。

圖5. 設(shè)計(jì)的測(cè)試臺(tái)照片。 被測(cè)電池放置在一個(gè)尺寸為21.5 × 15 × 17厘米的防火箱中。

3.2、荷電狀態(tài)（SoC）與開(kāi)路電壓（Voc）關(guān)聯(lián)分析

通過(guò)改進(jìn)的靜置測(cè)試，在放電過(guò)程中每 30 分鐘暫停 10 分鐘，記錄 Voc 數(shù)據(jù)。利用庫(kù)侖計(jì)數(shù)法建立 Voc-SoC 曲線（如圖 12 所示），發(fā)現(xiàn)靜置后的電壓穩(wěn)定值與 SoC 呈強(qiáng)線性相關(guān)，為后續(xù) SoC 估算模型提供了關(guān)鍵校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。該實(shí)驗(yàn)證明平臺(tái)能夠捕捉電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)細(xì)節(jié)，支持深層次電化學(xué)特性分析。

圖6.展示了電池特性分析的監(jiān)控和控制環(huán)境。

3.3、安全性與通用性驗(yàn)證

平臺(tái)在 45°C 溫度閾值和 4.2V 電壓閾值下穩(wěn)定運(yùn)行，未出現(xiàn)過(guò)溫或過(guò)壓故障；同時(shí)成功測(cè)試了不同放電電流（1A 至 18A）和充電速率（0.5C 至 1C），驗(yàn)證了對(duì)寬工況范圍的適應(yīng)性。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式采用通用文本文件，并開(kāi)放訪問(wèn)存儲(chǔ)庫(kù)（https://idus.us.es/items/65cc2934-ee3e-4b85-89a6-15d7f4f9db29），便于跨平臺(tái)數(shù)據(jù)共享與協(xié)作研究。

圖7.所開(kāi)發(fā)軟件的流程圖。

4、應(yīng)用價(jià)值：從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)界的橋梁

4.1、科研領(lǐng)域：加速電池技術(shù)創(chuàng)新

平臺(tái)為研究人員提供了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)采集工具，支持不同充電策略（如 CC-CV、CL-CV）和老化機(jī)制的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。例如，通過(guò)分析微分電壓曲線（DVA）和增量容量曲線（ICA），可精準(zhǔn)定位鋰元素?fù)p耗或活性物質(zhì)脫落等退化模式，為電池材料優(yōu)化和壽命預(yù)測(cè)模型開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用：提升電池管理效率

在電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電站中，電池一致性管理至關(guān)重要。該平臺(tái)可對(duì)單體電池進(jìn)行批量測(cè)試，篩選性能匹配的電池組成模組，降低系統(tǒng)不均衡損耗；同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為電池管理系統(tǒng)（BMS）提供實(shí)時(shí)校準(zhǔn)參數(shù)，優(yōu)化充放電策略，延長(zhǎng)電池組壽命 20% 以上。

4.3、教育與科普：推動(dòng)技術(shù)普惠

平臺(tái)操作界面友好，支持教學(xué)演示與學(xué)生實(shí)踐，幫助培養(yǎng)電池工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人才。通過(guò)開(kāi)放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)，全球研究者可獲取真實(shí)工況下的電池?cái)?shù)據(jù)，加速行業(yè)共性問(wèn)題的解決，推動(dòng)技術(shù)普惠與生態(tài)共建。

5、未來(lái)展望：智能化與場(chǎng)景拓展

當(dāng)前平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化測(cè)試，但在以下方向仍有提升空間：

多物理場(chǎng)耦合測(cè)試：集成溫度梯度控制、振動(dòng)模擬等模塊，研究極端環(huán)境下的電池性能演變。

AI 驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)分析：結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)時(shí)識(shí)別異常放電模式，實(shí)現(xiàn)早期故障預(yù)警。

規(guī)?；瘻y(cè)試能力：開(kāi)發(fā)多通道并行測(cè)試硬件，支持同時(shí)測(cè)試數(shù)十個(gè)電池，滿足大規(guī)模生產(chǎn)質(zhì)檢需求。

隨著全球 “雙碳” 目標(biāo)的推進(jìn)，電池技術(shù)將迎來(lái)新一輪創(chuàng)新高潮。該自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)作為底層技術(shù)支撐，不僅為科研突破提供 “顯微鏡”，更為產(chǎn)業(yè)落地搭建 “橋梁”。我們期待更多基于該平臺(tái)的研究成果，推動(dòng)電池從 “能用” 走向 “好用”，助力構(gòu)建清潔、高效、安全的能源未來(lái)。

互動(dòng)話題：您認(rèn)為電池測(cè)試技術(shù)的突破將如何影響電動(dòng)汽車的普及？在日常使用中，您最關(guān)注電池的哪些性能指標(biāo)（續(xù)航、壽命、安全性）？歡迎在評(píng)論區(qū)分享您的觀點(diǎn)，一起探討電池技術(shù)的未來(lái)！

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