全新锂离子电池性能及安全性探测办法

我们的电池安全、耐用、可靠吗？从手机电池安全事件到波音787电池事件，人们前所未有地在关注电池问题。的确，巨大的移动数码和通信设备的需求、电动工具的快速发展，电动汽车和节能环保对大容量电池的需求，使整个电池行业欣欣向荣。但锂离子电池的容量越大，危险就越大。要怎么样通过严格可靠的探测，控制并保证锂离子电池的安全运行并提升其工作寿命，不仅是从事锂离子电池开发和加工的工程师面对的挑战，也同样是对产品设计工程师在选用电池和设计产品用电特性时，要充足考虑的问题。
图1锂离子电池的工作原理图
锂离子电池的控制和监测是通过电池的保护和控制电路（bMS）来实现的。在实际bMS的研发和探测时，要模拟可控的电芯来仿真电池的不同工作状态，评估bMS的保护和控制性能。然而，目前常规的手段难以仿真其真切的工作状态并进行精确探测，也无法实现电池保护应和时间的精确探测。安捷伦科技新的先进电源系统（ApS）和直流电源分解仪，同时具备电源、负载、电压电流数字化仪，大功率任意波形发生器等等众多功能。基于这些新产品开发出的探测办法，可便捷地完成电池仿真、内阻探测，还有充放电容量，比如过充、过放、过流、短路等全面性能的评估。
电池使用需求
使用电池供电的设备及产品有很多，比如、手机、平板电脑、笔记本、数码相机等等，这些都是使用可充电的电池进行供电，这也是目前可充电电池范畴最大的市场之一，这些电池的容量和体积都比较小。
随着全球绿色能源和节能环保概念的提出，大功率、大容量的电池使用也逐渐地变得越来越多，包括电动汽车、电动自行车等，所以，大功率、大容量的电池使用成为电池使用的紧要范畴之一。
UpS不间断电源也是大容量、大功率电池的一个紧要范畴。
另外，绿色能源，比如光伏发电、风力发电，也在催生着更大功率电池的使用，紧要是因为无论风力还是太阳能都不是全天候的能源，比如，太阳能在白天光照强的时候能输出比较大功率，但是在晚上没有笔直的光照却不能供应大功率的供电。所以，就要在太阳能充足的时候把转化过来的电能进行储存，而在光照不充足的晚上把它释放出来，风力发电也是相同。在这样的情况下，大功率电池就显得非常紧要。
锂离子电池特性及充放电管理
电池紧要由电芯、控制保护电路、外壳引线等组成。主流的电芯由以下公司供应，包括三洋、松下、索尼、比克等。
pTC是positivetemperaturecoefficient的缩写。正温度系数电阻，温度越高，阻值越大，可以戒备电池高温放电和不安全的大电流的发生，即过流保护用途。
NTC是negativetemperaturecoefficient的缩写。负温度系数电阻，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充电设备及时反应、控制内部中断而停止充放电。
锂离子电池的工作原理如图1所示。充电时，锂离子从正极层状物的晶格脱出，通过电解液迁移到层状物负极表面后嵌入到石墨材料晶格中，同时剩余电子从外电路到达负极。放电则相反，锂离子从石墨晶格中脱出，回到正极氧化物的晶格中。由于LixCx非常活跃，可以和水发生反应。故电解质选用可溶于有机溶剂的锂盐。但使得锂离子电池相比镍铬、镍氢电池的内阻要大很多。
在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外电场用途下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在那儿形成LiC化合物。倘若充电速度过快，会使得Li+来不及进入负极栅格，在负极附近的电解液中就会集中Li+，这些靠近碳C负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为金属Li。继续的金属锂生成会在负极附近堆积、长大成树枝状的晶体，俗称枝晶。随着负极的洋溢程度越高，LiC晶格留下的空格越少，从正极移动过来的Li+找到空格的机会就困难，时间就越长。倘若充电速度不变的话，相同可能在负极表面形成局部的Li+堆积。因此，在充电的后半段非得逐步缩小充电电流。枝晶的长大会刺破正负级之间的隔膜，形成短路。可以想象：充电的速度越快越危险；充电终止的电压越高也就越危险；充电的时间越长也越危险。因此，充电控制和管理对锂离子电池尤为紧要。
锂离子电池的电压过高或者过低都会影响锂离子电池的正常使用，甚至发生燃烧、爆炸等造成严重的后果。依据锂离子电池的特性，一般将锂离子电池电压划分为以下几个区域，不同的电芯制造商虽有差别，但差别不大。高压危险区：保护线路过充保护电压(4.275V~4.35V)；高压警惕区：锂离子电池充电限制电压4.20V；正常使用区锂离子电池放电终止电压(2.75V~3.00V)；低压警惕区：保护线路过放保护电压(2.3V~2.5V)；低压危险区。
锂离子电池的控制保护电路如图2所示。正常充电时，p+，p-端接充电器。MOS开关T2打开，T1封闭。充电电流回路为：p+b+b-D2T1p-。正常放电时，p+，p-端接用电设备，如手机。T1打开，T2封闭。放电回路为：b+p+p-D1T2b-。
随着充电的进行，电池电量及电压不断上升，倘若不及时控制就可能进入高压警惕区，甚至危险区。保护电路就要准确的监测电池的电压，当进入警惕区时及时打开充电回路开关T1，切断充电回路。反之，随着放电的进行，电池电量及电压不断下降，倘若不及时控制就可能进入低压警惕区和危险区。保护电路就要准确的监测电池的电压，当进入警惕区时及时打开充电回路开关T2，切断放电回路。
图2锂离子电池的控制保护电路
锂离子电池充电的几个基本原则：
•电流非得
-瞬时值5C，均匀值1.2C
-以上值和电极表面积、电解质、温
度有关，不同制造商略有不同
•充电电压都不能超过4.275，考虑到
制造误差和温度漂移，一般充电电压
设定不超过4.2V
•充电终止后不能接受涓流充电
•电压到达4.2V后充电非得在几个小
时内完成，不能任意延长
违背上述原则都将出现“枝晶效应”，长期反复地违背这些规矩，将会对电池的寿命出现极大的影响，甚至有安全问题，据不完全统计，美国每年有70起手机锂离子电池的爆炸事故。
电芯和成品电池的探测要求：
•开路电压
•交流内阻
•充电容量
•放电容量
•充、放电循环寿命
电池保护电路的探测要求：
•保护功能及性能验证
-充电过充保护电压精度及应和时间
-过充保护撤销恢复及应和时间
-放电过放保护电压精度及应和时间
-过放保护撤销恢复及应和时间
-充电过流保护及应和时间
-放电过电流保护及应和时间
-短路保护探测
•保护电路对电池性能的影响
-待机空耗电流
-保护电路的电阻
N6705b直流分解仪
安捷伦科技的处理办法之一是N6705b直流分解仪，办法在单台仪器中整合多种探测仪器的功能，为研发工程师大幅度提高工作效率。表1为安捷伦科技产品技术参数。表1安捷伦科技产品技术参数
N6705b直流分解仪紧要特性：
•1~4路高性能电源/负载
•数字电压表和电流表
•带功率输出的任意波形发生器
•示波器
•数据采集
•所有的测量和功能都能通过前面板实
现
第一种用N6705b进行电芯/成品电池容量探测，即用作电源或负载笔直给电池充、放电、探测容量，如图3所示。pC安装14585A软件进行电压、电流随时间变化，并笔直显示容量值。软件支持最大999小时长时间记录，且可进行任意区域放大、缩小和分解功能。
图3用作电源或负载
第二种用N6705b进行电芯/成品电池容量探测，即用真切的充电器、手机给电池充电，作为电压、电流表探测充电容量，如图4所示。手机充电与笔直用电源充电的充电模型完全不同，最真切的反映电池容量。与任何其他方式不同，N6705b的电流表做到0V压降，不对电池电压出现任何影响。
图4N6705b作为电压、电流表探测充电容量
第三种用N6705b进行电芯/成品电池容量探测，即用真切手机对电池放电，作为电压、电流表探测放电容量，如图5所示。
图5作为电压、电流表探测放电容量
电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力，它包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。交流内阻探测办法为：利用电池等效于一个有源电阻的特点，给电池一个1000Hz，幅度50mA的交变电流，对其电压采样整流滤波等一系列解决从而精确地测量其阻值。
N6705b/N6700b具有任意波形功能，可以实现1000Hz的50mA的交变电流。N6705b/N6700b内置高精度高带宽的电压、电流采集仪，即可实现电池内阻的精确测量。除了电池内阻，电池的开路电压也可以同时探测。可支持4个通道同时运行，完成4个电池交流内阻的并行探测。
电池保护电路板探测也具有众多挑战，保护电路探测项目众多，而且无论b+、b-端，还是p+、p-端都具有“双向性”，即输出电流和吸收电流。通常都要多台电源、电子负载、示波器、程控开关等组合完成，探测系统连接框图如图6所示。对探测设备的精度要求极高，如过充电压保护探测，要模拟电芯的电压精度到达几mV。因此，在4V电压时，1mV相当于0.025%。同样，保护电路板的空耗电流也仅有几μA，通常要用万用表探测。保护电路板的电阻也惟有几mΩ或几十mΩ，对探测设备也提出很高的要求
图6探测系统连接框图
仅需一台N67xx电源即可完成电池保护电路板探测，项目有：充电过充保护电压精度及应和时间、过充保护撤销恢复及应和时间、放电过放保护电压精度及应和时间、过放保护撤销恢复及应和时间、充电过流保护及应和时间、放电过电流保护及应和时间、待机空耗电流、保护电路的电阻。
使用N6705b的任意波发生器功能，通道1模拟电池电压的上升和下降序列，测试电流变化，使用示波器功能同时记录电压电流变化，可探测充电过压保护电压及应和时间、保护撤销电池电压及应和时间。
通道1模拟电池电压的下降和上升序列，测试电流变化，使用示波器功能同时记录电压电流变化，即可探测放电欠压保护电压及应和时间，保护撤销电池电压及应和时间。
设置通道2的最大电流为6A，并使用N6705b的示波器功能，记录电流波形，即可探测出过流保护应和时间。
设置通道1的最大电流为4A，并使用N6705b的示波器功能，记录电流波形，即可探测出过流保护应和时间。
短路探测要电源供应极大的峰值电流，N6700平台高功率模块供应最大50A电流，短路应和时间非常短，通常都在百微秒级别。
N678xSMU或安装2μA选件的N6762模块都具有nA级别电流探测能力，可以轻松实现保护电路板μA级别电流的测量。
充电宝工作原理框图如图7所示。
图7充电宝工作原理框图
两通道电源+负载实现DC/DC一体化探测如图8所示。在源端注入特定幅度频率的纹波噪声，同时在输出端测量纹波的幅度值，并计算纹波抑制比。
图8两通道电源+负载实现DC/DC一体化探测图
探测DC/DC电源的各项指标：
•完整的两象限工作状态，可以作为电
子负载使用
•100kHz任意波形带宽，可以生成所
要的任意波形电压、电流波形、脉
冲、噪声等信号
•200kHz采样率，作为电子负载，直
接观察输入电压、电流波形
•低电压状态下工作正常，无导通电压
要求
ApS是市场上功能较为强大的直流电源设备，具有众多特性：
•体积小，速度快，输出/测量精度高
•低输出噪声，以80V电压型号为例，纹波噪声峰峰值13mV，有效值1.5mV。
•两象限工作能力，可作为电源或电子
负载使用
•无缝量程切换功能，同时测量mA到
几十A电流
•电压电流的长时间数据记录功能
•电压电流短时间波形采集功能
•电压电流的输出波形编辑功能
•电压电流波形的捕捉和回放
•多种触发/保护功能，灵活的功率配置
N69xx与N79xxApS电源紧要性能比较如表2所示。N6900A紧要针对高性能的供电使用，N7900A除了高性能供电之外，供应高性能的测量。
表2N69xx与N79xxApS电源紧要性能
ApS电源的双象限工作模式是通过外接功率耗散器，实现电源与电子负载功能的无缝衔接。功率耗散其单元笔直与电源连接，实现电流的全量程吸收，所有控制由电源端实现，不要额外的编程控制接口。2kW电源可以连接两个功率扩散器，实现电源与电子负载功率匹配。还可以实现电源与电子负载功能的无缝衔接，与真切电池性能一致，充放电可自由转换。一体化的电源与电子负载集成办法，可以对正负电流进行笔直测量，可以累积计算冲电量和放电量。使用ApS模拟蓄电池进行pCU探测，测量评估pCU硬件对电池充电/放电管理性能。当前，大部分客户采用的电源是以负载和开关爱换的方式模拟电池，无法实现充放电无缝切换。ApS电流源可以实现双象限工作，供应更加真切的模拟电池充放电特性。
问答选编
问：相比传统的锂电保护探测办法，创新在于哪里？
答：常规的电池保护探测，非得配合直流电源、电子负载、示波器、电流探头、大电流开关、万用表等很多类型设备完成。今朝这个办法通过内置电源和负载，电压、电流数值化仪，以及本身非常高的输出精度和探测精度，可以极大的简化探测系统的复杂度，探测效率和探测重复性等。
问：探测的性价比要怎么样？汽车电池能测吗？
答：N6705紧要是小功率电池探测，聚集在手机电池和其他移动通信产品电池的充电。这紧要是受电源模块输出功率的限制。倘若要对大功率电池进行探测，可以使用我们更大功率的电源产品，如N6700/N7900系列ApS电源，功率范围在1000W~2000W，可以支持串并联扩充输出范围，同样具备两象限工作能力，可以对电池进行充放电探测。
问：在探测设备终端启动时对电源输出的影响有什么？
答：这是N6705的一项功能，由于带有示波器功能和触发功能，可以测量待测件启动时浪涌电流的幅度和继续时间。另外也可以作为电源，出现不同供电波形，例如直流供电上重叠交流干扰，或者瞬间掉电，探测被供电设备有关电源干扰的抵抗能力。
问：请问锂离子电池的安全度要怎么样？
答：想用这种电源进行电池或电芯仿真，若使用ApS进行电芯的仿真，模拟可以进行充电、放电无缝切换的电芯特性，实现电池保护控制电路的性能验证。而且仿真电池或电芯时，可以供应应和速度非常快的过压，过流等保护，通常在μs级别，达到保护非常昂贵的电池供电器件的保护，戒备出现损坏的情况。
问：N6705可以作为一台示波器使用吗？
答：N6705紧要用于探测电源本身输出的电压、电流和功率值，也就是待测件从电源中获取的电压电流值。作为对外输出功率的电源，不能笔直测量外部的信号。但是的SMU电源模块N6781A可以作为0压降的电流表，串联在其他供电回路中测量电流值。
问：要怎么样判断保护板是不是已损坏？
答：判断保护电路是不是已经损坏就要对电池进行充、放电保护的验证，如施加较大充电电流，探测是不是有保护及保护时间应和是不是正常。
问：有关手机电池的待机时间很短，充电宝易爆等问题，有没有一些新的办法和产品来处理问题？
答：是的，今朝的充电宝容量也越来越大，网上甚至有卖超过10000mA的产品，容量越大，危险也越大。要怎么样戒备各种灾难出现，紧要有几个方面：第一，加厂家要保证产品的质量，使用好的电芯，保护控制电路和封装等；第二，用户使用习惯要尽量遵循电池的特性，例如，不要长时间给电池充电，使用正规的充电器等。
问：安捷伦科技的电池紧要用在什么设备上呢？
答：安捷伦科技本身不加工电池，紧要供应探测测量设备，针对电池探测，紧要包括直流电源、电子负载、示波器、万用表、数据采集仪等用于电池的性能探测和评估。当然，安捷伦科技新的双象限电源，具有吸收和输出电流的功能，可以用于模拟电池，进行设备在模拟电池条件下各种性能的探测。
问：ApS电源在配合N7909A之后是要怎么样处理今朝的车载电源系统普遍存在无法实现正负电流的无缝装换这个问题的？
答：ApS电源本身不是简单的电源与电子负载相加。电源与电子负载实现的正负电流切换，中间会存在短暂的跳变和不连贯现象。这款电源本身是一个双象限电源，自身的功率吸收能力是输出能力的10%，例如1000W的ApS电源，本身可以吸收100W的功率。倘若连接N7909A功率耗散器后，当要吸收的功率超过10%，则将多余功率传输到N7909A上，实现两象限之间的无缝连接。
问：示波器和记录仪的精度有多高？
答：电源分解仪或ApS电源集成示波器或数据记录仪，具有非常高的辨别率和精度。相比示波器的8bits或12bits，可以供应18bits甚至28bits的探测动态。
问：ApS两象限工作针对电池探测的优点有什么？
答：ApS电源针对电池探测，具有的电源和负载二合一，电压和电流示波器，电流源模式和任意波形功能，单台仪表就可以完成电池的全指标探测，包括：充电过流保护；放电过流保护；电池交流内阻；短路保护。
问：请问怎么测量锂离子电池的低温放电性能？
答：电池在低温环境下特性的变化紧要取决于电芯的化学成分。就探测办法而言，低温性能探测和常温没有太大差别，不同点就是把电池放置在低温环境下。
问：大功率电池的探测相比较较危险，ApS电源都供应了什么保护功能确保探测过程的安全？
答：ApS电源输出端带有输出继电器，可以从物理上中断电源与电池之间的连接，戒备电池通过电源端漏电。另外供应的过压保护，过流保护的应和时间都是50μs，可以在较短时间内切断电源输出，保护电池。我们还供应看门狗功能，监测电源与上位机的通信是不是中断。另外还有电源自带的黑盒子功能，可以记录保存电源长时间工作时的状态，在发生故障后，可以用来回溯数据，查找故障原由。
问：请问N6705能否用来评估干电池的使用情况？
答：有两种方法，第一是用N6705代替电池给您的遥控板供电。同时记录下遥控板消耗的电流值，可以进行长时间的电流记录，并将原始数据保存下来供后续分解使用。第二是可以使用真切干电池供电，并将电源串联在电池环路中，作为电流表记录真切电流值，好处是此时电源的输出两端的电压降为0，相当于一个0内阻的电流表，测到的电流与真切电流非常接近。
问：请问电池过放或者过充可以修复吗？
答：电池过放或过充电通常都是对电芯的化学成分有较大影响，一般都不可恢复。因此，要保护控制电流戒备出现这种情况。
问：请问要怎么样通过探测评价电池的优劣呢？
答：有关电池的好坏，最紧要的两个指标应当是：电池的交流内阻；电池的容量与电压分布，最好电池的能量分布在中间区域。
问：要怎么样测试串联电池每节电池的容量？
答：串联的电池包，通常都要监测每个电池的电压或容量等参数。首先，要预先了解每个电池单元的电压与容量分布特性，如每0.1V电压差（4.2V~4.1V，4.1V~4.0V)范围内的容量，然后通过测试当前电压就可以了解其电量情况。
问：请问充电器对电池安全有影响大么？
答：充电器的性能的确对电池来说非常紧要，如充电的电流输出能力不足，就会影响电池的充电时间和速度，再如，充电器纹波电压过大，会导致充电电流的波动等。
问：ApS电源都带有什么测量功能？
答：ApS电源除了常规的电压电流探测外，还可以进行电量的探测，笔直对输出电流进行时间轴积分，计算出安时或瓦特时指标，电流采集速率高达200k/s。
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