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全新鋰離子電池性能及安全性測試方法

鉅大LARGE  |  點擊量：1563次  |  2020年07月03日  

我們的電池安全、耐用、可靠嗎？從手機電池安全事件到波音787電池事件，人們前所未有地在關(guān)注電池問題。的確，巨大的移動數(shù)碼和通信設(shè)備的需求、電動工具的快速發(fā)展，電動汽車和節(jié)能環(huán)保對大容量電池的需求，使整個電池行業(yè)欣欣向榮。但鋰離子電池的容量越大，危險就越大。如何通過嚴格可靠的測試，控制并保證鋰離子電池的安全運行并提升其工作壽命，不僅是從事鋰離子電池開發(fā)和生產(chǎn)的工程師面對的挑戰(zhàn)，也同樣是對產(chǎn)品設(shè)計工程師在選用電池和設(shè)計產(chǎn)品用電特性時，要充分考慮的問題。


圖1鋰離子電池的工作原理圖


鋰離子電池的控制和監(jiān)測是通過電池的保護和控制電路（BMS）來實現(xiàn)的。在實際BMS的研發(fā)和測試時，要模擬可控的電芯來仿真電池的不同工作狀態(tài)，評估BMS的保護和控制性能。然而，目前常規(guī)的手段難以仿真其真實的工作狀態(tài)并進行精確測試，也無法實現(xiàn)電池保護響應(yīng)時間的精確測試。安捷倫科技新的先進電源系統(tǒng)（ApS）和直流電源分析儀，同時具備電源、負載、電壓電流數(shù)字化儀，大功率任意波形發(fā)生器等等眾多功能?；谶@些新產(chǎn)品開發(fā)出的測試方法，可便捷地完成電池仿真、內(nèi)阻測試，還有充放電容量，比如過充、過放、過流、短路等全面性能的評估。


電池應(yīng)用需求


使用電池供電的設(shè)備及產(chǎn)品有很多，比如、手機、平板電腦、筆記本、數(shù)碼相機等等，這些都是使用可充電的電池進行供電，這也是目前可充電電池領(lǐng)域最大的市場之一，這些電池的容量和體積都比較小。


隨著全球綠色能源和節(jié)能環(huán)保概念的提出，大功率、大容量的電池應(yīng)用也逐漸地變得越來越多，包括電動汽車、電動自行車等，所以，大功率、大容量的電池應(yīng)用成為電池應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。


UpS不間斷電源也是大容量、大功率電池的一個重要領(lǐng)域。


另外，綠色能源，比如光伏發(fā)電、風力發(fā)電，也在催生著更大功率電池的應(yīng)用，重要是因為無論風力還是太陽能都不是全天候的能源，比如，太陽能在白天光照強的時候能輸出比較大功率，但是在晚上沒有直接的光照卻不能供應(yīng)大功率的供電。所以，就要在太陽能充分的時候把轉(zhuǎn)化過來的電能進行儲存，而在光照不充分的晚上把它釋放出來，風力發(fā)電也是相同。在這樣的情況下，大功率電池就顯得非常重要。


鋰離子電池特性及充放電管理


電池重要由電芯、控制保護電路、外殼引線等組成。主流的電芯由以下公司供應(yīng)，包括三洋、松下、索尼、比克等。


pTC是positivetemperaturecoefficient的縮寫。正溫度系數(shù)電阻，溫度越高，阻值越大，可以防止電池高溫放電和不安全的大電流的發(fā)生，即過流保護用途。


NTC是negativetemperaturecoefficient的縮寫。負溫度系數(shù)電阻，在環(huán)境溫度升高時，其阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備及時反應(yīng)、控制內(nèi)部中斷而停止充放電。


鋰離子電池的工作原理如圖1所示。充電時，鋰離子從正極層狀物的晶格脫出，通過電解液遷移到層狀物負極表面后嵌入到石墨材料晶格中，同時剩余電子從外電路到達負極。放電則相反，鋰離子從石墨晶格中脫出，回到正極氧化物的晶格中。由于LixCx非?；钴S，可以和水發(fā)生反應(yīng)。故電解質(zhì)選用可溶于有機溶劑的鋰鹽。但使得鋰離子電池相比鎳鉻、鎳氫電池的內(nèi)阻要大很多。


在充電的過程中，Li+從正極LiCoO2中脫出，進入電解液，在充電器附加的外電場用途下向負極移動，依次進入石墨或焦炭C組成的負極，在那兒形成LiC化合物。假如充電速度過快，會使得Li+來不及進入負極柵格，在負極附近的電解液中就會聚集Li+，這些靠近碳C負極的Li+很可能從負極俘獲一個電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會在負極附近堆積、長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。隨著負極的充滿程度越高，LiC晶格留下的空格越少，從正極移動過來的Li+找到空格的機會就困難，時間就越長。假如充電速度不變的話，相同可能在負極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段必須逐步縮小充電電流。枝晶的長大會刺破正負級之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂螅撼潆姷乃俣仍娇煸轿ｋU；充電終止的電壓越高也就越危險；充電的時間越長也越危險。因此，充電控制和管理對鋰離子電池尤為重要。


鋰離子電池的電壓過高或者過低都會影響鋰離子電池的正常使用，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等造成嚴重的后果。根據(jù)鋰離子電池的特性，一般將鋰離子電池電壓劃分為以下幾個區(qū)域，不同的電芯制造商雖有差別，但差別不大。高壓危險區(qū)：保護線路過充保護電壓(4.275V~4.35V)；高壓警戒區(qū)：鋰離子電池充電限制電壓4.20V；正常使用區(qū)鋰離子電池放電終止電壓(2.75V~3.00V)；低壓警戒區(qū)：保護線路過放保護電壓(2.3V~2.5V)；低壓危險區(qū)。


鋰離子電池的控制保護電路如圖2所示。正常充電時，p+，p-端接充電器。MOS開關(guān)T2打開，T1關(guān)閉。充電電流回路為：p+B+B-D2T1p-。正常放電時，p+，p-端接用電設(shè)備，如手機。T1打開，T2關(guān)閉。放電回路為：B+p+p-D1T2B-。


隨著充電的進行，電池電量及電壓不斷上升，假如不及時控制就可能進入高壓警戒區(qū)，甚至危險區(qū)。保護電路就要準確的監(jiān)測電池的電壓，當進入警戒區(qū)時及時打開充電回路開關(guān)T1，切斷充電回路。反之，隨著放電的進行，電池電量及電壓不斷下降，假如不及時控制就可能進入低壓警戒區(qū)和危險區(qū)。保護電路就要準確的監(jiān)測電池的電壓，當進入警戒區(qū)時及時打開充電回路開關(guān)T2，切斷放電回路。


圖2鋰離子電池的控制保護電路


鋰離子電池充電的幾個基本原則：


•電流必須


-瞬時值5C，平均值1.2C


-以上值和電極表面積、電解質(zhì)、溫


度有關(guān)，不同制造商略有不同


•充電電壓都不能超過4.275，考慮到


制造誤差和溫度漂移，一般充電電壓


設(shè)定不超過4.2V


•充電終止后不能接受涓流充電


•電壓到達4.2V后充電必須在幾個小


時內(nèi)完成，不能任意延長


違背上述原則都將出現(xiàn)“枝晶效應(yīng)”，長期反復(fù)地違背這些規(guī)則，將會對電池的壽命出現(xiàn)極大的影響，甚至有安全問題，據(jù)不完全統(tǒng)計，美國每年有70起手機鋰離子電池的爆炸事故。


電芯和成品電池的測試要求：


•開路電壓


•交流內(nèi)阻


•充電容量


•放電容量


•充、放電循環(huán)壽命


電池保護電路的測試要求：


•保護功能及性能驗證


-充電過充保護電壓精度及響應(yīng)時間


-過充保護撤銷恢復(fù)及響應(yīng)時間


-放電過放保護電壓精度及響應(yīng)時間


-過放保護撤銷恢復(fù)及響應(yīng)時間


-充電過流保護及響應(yīng)時間


-放電過電流保護及響應(yīng)時間


-短路保護測試


•保護電路對電池性能的影響


-待機空耗電流


-保護電路的電阻


N6705B直流分析儀


安捷倫科技的解決方法之一是N6705B直流分析儀，方法在單臺儀器中整合多種測試儀器的功能，為研發(fā)工程師大幅度提高工作效率。表1為安捷倫科技產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)。表1安捷倫科技產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)


N6705B直流分析儀重要特性：


•1~4路高性能電源/負載


•數(shù)字電壓表和電流表


•帶功率輸出的任意波形發(fā)生器


•示波器


•數(shù)據(jù)采集


•所有的測量和功能都能通過前面板實


現(xiàn)


第一種用N6705B進行電芯/成品電池容量測試，即用作電源或負載直接給電池充、放電、測試容量，如圖3所示。pC安裝14585A軟件進行電壓、電流隨時間變化，并直接顯示容量值。軟件支持最大999小時長時間記錄，且可進行任意區(qū)域放大、縮小和分析功能。


圖3用作電源或負載


第二種用N6705B進行電芯/成品電池容量測試，即用真實的充電器、手機給電池充電，作為電壓、電流表測試充電容量，如圖4所示。手機充電與直接用電源充電的充電模型完全不同，最真實的反映電池容量。與任何其他方式不同，N6705B的電流表做到0V壓降，不對電池電壓出現(xiàn)任何影響。



圖4N6705B作為電壓、電流表測試充電容量


第三種用N6705B進行電芯/成品電池容量測試，即用真實手機對電池放電，作為電壓、電流表測試放電容量，如圖5所示。


圖5作為電壓、電流表測試放電容量


電池的內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力，它包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電化學極化內(nèi)阻和濃差極化內(nèi)阻。交流內(nèi)阻測試方法為：利用電池等效于一個有源電阻的特點，給電池一個1000Hz，幅度50mA的交變電流，對其電壓采樣整流濾波等一系列處理從而精確地測量其阻值。


N6705B/N6700B具有任意波形功能，可以實現(xiàn)1000Hz的50mA的交變電流。N6705B/N6700B內(nèi)置高精度高帶寬的電壓、電流采集儀，即可實現(xiàn)電池內(nèi)阻的精確測量。除了電池內(nèi)阻，電池的開路電壓也可以同時測試?？芍С?個通道同時運行，完成4個電池交流內(nèi)阻的并行測試。


電池保護電路板測試也具有眾多挑戰(zhàn)，保護電路測試項目眾多，而且無論B+、B-端，還是p+、p-端都具有“雙向性”，即輸出電流和吸收電流。通常都要多臺電源、電子負載、示波器、程控開關(guān)等組合完成，測試系統(tǒng)連接框圖如圖6所示。對測試設(shè)備的精度要求極高，如過充電壓保護測試，要模擬電芯的電壓精度到達幾mV。因此，在4V電壓時，1mV相當于0.025%。同樣，保護電路板的空耗電流也僅有幾μA，通常要用萬用表測試。保護電路板的電阻也只有幾mΩ或幾十mΩ，對測試設(shè)備也提出很高的要求


圖6測試系統(tǒng)連接框圖


僅需一臺N67xx電源即可完成電池保護電路板測試，項目有：充電過充保護電壓精度及響應(yīng)時間、過充保護撤銷恢復(fù)及響應(yīng)時間、放電過放保護電壓精度及響應(yīng)時間、過放保護撤銷恢復(fù)及響應(yīng)時間、充電過流保護及響應(yīng)時間、放電過電流保護及響應(yīng)時間、待機空耗電流、保護電路的電阻。


使用N6705B的任意波發(fā)生器功能，通道1模擬電池電壓的上升和下降序列，檢測電流變化，使用示波器功能同時記錄電壓電流變化，可測試充電過壓保護電壓及響應(yīng)時間、保護撤銷電池電壓及響應(yīng)時間。


通道1模擬電池電壓的下降和上升序列，檢測電流變化，使用示波器功能同時記錄電壓電流變化，即可測試放電欠壓保護電壓及響應(yīng)時間，保護撤銷電池電壓及響應(yīng)時間。


設(shè)置通道2的最大電流為6A，并使用N6705B的示波器功能，記錄電流波形，即可測試出過流保護響應(yīng)時間。


設(shè)置通道1的最大電流為4A，并使用N6705B的示波器功能，記錄電流波形，即可測試出過流保護響應(yīng)時間。


短路測試要電源供應(yīng)極大的峰值電流，N6700平臺高功率模塊供應(yīng)最大50A電流，短路響應(yīng)時間非常短，通常都在百微秒級別。


N678xSMU或安裝2μA選件的N6762模塊都具有nA級別電流測試能力，可以輕松實現(xiàn)保護電路板μA級別電流的測量。


充電寶工作原理框圖如圖7所示。


圖7充電寶工作原理框圖



兩通道電源+負載實現(xiàn)DC/DC一體化測試如圖8所示。在源端注入特定幅度頻率的紋波噪聲，同時在輸出端測量紋波的幅度值，并計算紋波抑制比。



圖8兩通道電源+負載實現(xiàn)DC/DC一體化測試圖


測試DC/DC電源的各項指標：


•完整的兩象限工作狀態(tài)，可以作為電


子負載使用


•100kHz任意波形帶寬，可以生成所


要的任意波形電壓、電流波形、脈


沖、噪聲等信號


•200kHz采樣率，作為電子負載，直


接觀察輸入電壓、電流波形


•低電壓狀態(tài)下工作正常，無導(dǎo)通電壓


要求


ApS是市場上功能較為強大的直流電源設(shè)備，具有眾多特性：


•體積小，速度快，輸出/測量精度高


•低輸出噪聲，以80V電壓型號為例，紋波噪聲峰峰值13mV，有效值1.5mV。


•兩象限工作能力，可作為電源或電子


負載使用


•無縫量程切換功能，同時測量mA到


幾十A電流


•電壓電流的長時間數(shù)據(jù)記錄功能


•電壓電流短時間波形采集功能


•電壓電流的輸出波形編輯功能


•電壓電流波形的捕捉和回放


•多種觸發(fā)/保護功能，靈活的功率配置


N69xx與N79xxApS電源重要性能比較如表2所示。N6900A重要針對高性能的供電應(yīng)用，N7900A除了高性能供電之外，供應(yīng)高性能的測量。


表2N69xx與N79xxApS電源重要性能


ApS電源的雙象限工作模式是通過外接功率耗散器，實現(xiàn)電源與電子負載功能的無縫銜接。功率耗散其單元直接與電源連接，實現(xiàn)電流的全量程吸收，所有控制由電源端實現(xiàn)，不要額外的編程控制接口。2kW電源可以連接兩個功率擴散器，實現(xiàn)電源與電子負載功率匹配。還可以實現(xiàn)電源與電子負載功能的無縫銜接，與真實電池性能一致，充放電可自由轉(zhuǎn)換。一體化的電源與電子負載集成方法，可以對正負電流進行直接測量，可以累積計算沖電量和放電量。使用ApS模擬蓄電池進行pCU測試，測量評估pCU硬件對電池充電/放電管理性能。當前，大部分客戶采用的電源是以負載和開關(guān)切換的方式模擬電池，無法實現(xiàn)充放電無縫切換。ApS電流源可以實現(xiàn)雙象限工作，供應(yīng)更加真實的模擬電池充放電特性。


問答選編


問：相比傳統(tǒng)的鋰電保護測試方法，創(chuàng)新在于哪里？


答：常規(guī)的電池保護測試，必須配合直流電源、電子負載、示波器、電流探頭、大電流開關(guān)、萬用表等很多類型設(shè)備完成?，F(xiàn)在這個方法通過內(nèi)置電源和負載，電壓、電流數(shù)值化儀，以及本身非常高的輸出精度和測試精度，可以極大的簡化測試系統(tǒng)的復(fù)雜度，測試效率和測試重復(fù)性等。


問：測試的性價比如何？汽車電池能測嗎？


答：N6705重要是小功率電池測試，集中在手機電池和其他移動通信產(chǎn)品電池的充電。這重要是受電源模塊輸出功率的限制。假如要對大功率電池進行測試，可以使用我們更大功率的電源產(chǎn)品，如N6700/N7900系列ApS電源，功率范圍在1000W~2000W，可以支持串并聯(lián)擴充輸出范圍，同樣具備兩象限工作能力，可以對電池進行充放電測試。


問：在測試設(shè)備終端啟動時對電源輸出的影響有什么？


答：這是N6705的一項功能，由于帶有示波器功能和觸發(fā)功能，可以測量待測件啟動時浪涌電流的幅度和持續(xù)時間。另外也可以作為電源，出現(xiàn)不同供電波形，例如直流供電上疊加交流干擾，或者瞬間掉電，測試被供電設(shè)備關(guān)于電源干擾的抵抗能力。


問：請問鋰離子電池的安全度如何？


答：想用這種電源進行電池或電芯仿真，若使用ApS進行電芯的仿真，模擬可以進行充電、放電無縫切換的電芯特性，實現(xiàn)電池保護控制電路的性能驗證。而且仿真電池或電芯時，可以供應(yīng)響應(yīng)速度非?？斓倪^壓，過流等保護，通常在μs級別，達到保護非常昂貴的電池供電器件的保護，防止出現(xiàn)損壞的情況。


問：N6705可以作為一臺示波器使用嗎？


答：N6705重要用于測試電源本身輸出的電壓、電流和功率值，也就是待測件從電源中獲取的電壓電流值。作為對外輸出功率的電源，不能直接測量外部的信號。但是的SMU電源模塊N6781A可以作為0壓降的電流表，串聯(lián)在其他供電回路中測量電流值。


問：如何判斷保護板是否已損壞？


答：判斷保護電路是否已經(jīng)損壞就要對電池進行充、放電保護的驗證，如施加較大充電電流，測試是否有保護及保護時間響應(yīng)是否正常。


問：關(guān)于手機電池的待機時間很短，充電寶易爆等問題，有沒有一些新的方法和產(chǎn)品來解決問題？


答：是的，現(xiàn)在的充電寶容量也越來越大，網(wǎng)上甚至有賣超過10000mA的產(chǎn)品，容量越大，危險也越大。如何防止各種災(zāi)難出現(xiàn)，重要有幾個方面：第一，生產(chǎn)廠家要保證產(chǎn)品的質(zhì)量，使用好的電芯，保護控制電路和封裝等；第二，用戶使用習慣要盡量遵循電池的特性，例如，不要長時間給電池充電，使用正規(guī)的充電器等。


問：安捷倫科技的電池重要用在什么設(shè)備上呢？


答：安捷倫科技本身不生產(chǎn)電池，重要供應(yīng)測試測量設(shè)備，針對電池測試，重要包括直流電源、電子負載、示波器、萬用表、數(shù)據(jù)采集儀等用于電池的性能測試和評估。當然，安捷倫科技新的雙象限電源，具有吸收和輸出電流的功能，可以用于模擬電池，進行設(shè)備在模擬電池條件下各種性能的測試。


問：ApS電源在配合N7909A之后是如何解決現(xiàn)在的車載電源系統(tǒng)普遍存在無法實現(xiàn)正負電流的無縫裝換這個問題的？


答：ApS電源本身不是簡單的電源與電子負載相加。電源與電子負載實現(xiàn)的正負電流切換，中間會存在短暫的跳變和不連貫現(xiàn)象。這款電源本身是一個雙象限電源，自身的功率吸收能力是輸出能力的10%，例如1000W的ApS電源，本身可以吸收100W的功率。假如連接N7909A功率耗散器后，當要吸收的功率超過10%，則將多余功率傳輸?shù)絅7909A上，實現(xiàn)兩象限之間的無縫連接。


問：示波器和記錄儀的精度有多高？


答：電源分析儀或ApS電源集成示波器或數(shù)據(jù)記錄儀，具有非常高的分辨率和精度。相比示波器的8bits或12bits，可以供應(yīng)18bits甚至28bits的測試動態(tài)。


問：ApS兩象限工作針對電池測試的優(yōu)勢是什么？


答：ApS電源針對電池測試，具有的電源和負載二合一，電壓和電流示波器，電流源模式和任意波形功能，單臺儀表就可以完成電池的全指標測試，包括：充電過流保護；放電過流保護；電池交流內(nèi)阻；短路保護。


問：請問怎么測量鋰離子電池的低溫放電性能？


答：電池在低溫環(huán)境下特性的變化重要取決于電芯的化學成分。就測試方法而言，低溫性能測試和常溫沒有太大差別，不同點就是把電池放置在低溫環(huán)境下。


問：大功率電池的測試相比較較危險，ApS電源都供應(yīng)了什么保護功能確保測試過程的安全？


答：ApS電源輸出端帶有輸出繼電器，可以從物理上中斷電源與電池之間的連接，防止電池通過電源端漏電。另外供應(yīng)的過壓保護，過流保護的響應(yīng)時間都是50μs，可以在較短時間內(nèi)切斷電源輸出，保護電池。我們還供應(yīng)看門狗功能，監(jiān)測電源與上位機的通信是否中斷。另外還有電源自帶的黑盒子功能，可以記錄保存電源長時間工作時的狀態(tài)，在發(fā)生故障后，可以用來回溯數(shù)據(jù)，查找故障原因。


問：請問N6705能否用來評估干電池的使用情況？


答：有兩種辦法，第一是用N6705代替電池給您的遙控板供電。同時記錄下遙控板消耗的電流值，可以進行長時間的電流記錄，并將原始數(shù)據(jù)保存下來供后續(xù)分析使用。第二是可以使用真實干電池供電，并將電源串聯(lián)在電池環(huán)路中，作為電流表記錄真實電流值，好處是此時電源的輸出兩端的電壓降為0，相當于一個0內(nèi)阻的電流表，測到的電流與真實電流非常接近。


問：請問電池過放或者過充可以修復(fù)嗎？


答：電池過放或過充電通常都是對電芯的化學成分有較大影響，一般都不可恢復(fù)。因此，要保護控制電流防止出現(xiàn)這種情況。


問：請問如何通過測試評價電池的優(yōu)劣呢？


答：關(guān)于電池的好壞，最重要的兩個指標應(yīng)該是：電池的交流內(nèi)阻；電池的容量與電壓分布，最好電池的能量分布在中間區(qū)域。


問：如何檢測串聯(lián)電池每節(jié)電池的容量？


答：串聯(lián)的電池組，通常都要監(jiān)測每個電池的電壓或容量等參數(shù)。首先，要預(yù)先了解每個電池單元的電壓與容量分布特性，如每0.1V電壓差（4.2V~4.1V，4.1V~4.0V)范圍內(nèi)的容量，然后通過檢測當前電壓就可以了解其電量情況。


問：請問充電器對電池安全有影響大么？


答：充電器的性能的確對電池來說非常重要，如充電的電流輸出能力不足，就會影響電池的充電時間和速度，再如，充電器紋波電壓過大，會導(dǎo)致充電電流的波動等。


問：ApS電源都帶有什么測量功能？


答：ApS電源除了常規(guī)的電壓電流測試外，還可以進行電量的測試，直接對輸出電流進行時間軸積分，計算出安時或瓦特時指標，電流采集速率高達200k/s。


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