[原創]全新鋰電池性能及安全性測試方案

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注電池問題。的確，巨大的移動數碼和通信設備的需求、電動工具的快速發展，電動汽車和節能環保對大容量電池的需求，使整個電池行業欣欣向榮。但鋰電池的容量越大，危險就越大。如何通過嚴格可靠的測試，控制並保證鋰電池的安全運行並提升其工作壽命，不僅是從事鋰電池開發和生產的工程師面對的挑戰，也同樣是對產品設計工程師在選用電池和設計產品用電特性時，需要充分考慮的問題。

圖1 鋰離子電池的工作原理圖

鋰電池的控制和監測是通過電池的保護和控制電路（BMS）來實現的。在實際BMS的研發和測試時，需要模擬可控的電芯來仿真電池的不同工作狀態，評估BMS的保護和控制性能。然而，目前常規的手段難以仿真其真實的工作狀態並進行精確測試，也無法實現電池保護響應時間的精確測試。安捷倫科技新的先進電源系統（APS）和直流電源分析儀，同時具備電源、負載、電壓電流數位化儀，大功率任意波形發生器等等眾多功能。基於這些新產品開發出的測試方案，可便捷地完成電池仿真、內阻測試，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。

電池應用需求

使用電池供電的設備及產品有很多，比如、手機、平板電腦、筆記本、數位相機等等，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能環保概念的提出，大功率、大容量的電池應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、大容量的電池應用成為電池應用的主要領域之一。

UPS不間斷電源也是大容量、大功率電池的一個主要領域。

另外，綠色能源，比如光伏發電、風力發電，也在催生著更大功率電池的應用，主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提供大功率的供電。所以，就需要在太陽能充分的時候把轉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，風力發電也是一樣。在這樣的情況下，大功率電池就顯得非常重要。

鋰電池特性及充放電管理

電池主要由電芯、控制保護電路、外殼引線等組成。主流的電芯由以下企業提供，包括三洋、松下、索尼、比克等。

PTC是positive temperature coefficient的縮寫。正溫度係數電阻，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生，即過流保護作用。

NTC是negative temperature coefficient的縮寫。負溫度係數電阻，在環境溫度升高時，其阻值降低，使用電設備或充電設備及時反應、控制內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後嵌入到石墨材料晶格中，同時剩餘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。由於LixCx非常活躍，可以和水發生反應。故電解質選用可溶於有機溶劑的鋰鹽。但使得鋰電池相比鎳鉻、鎳氫電池的內阻要大很多。

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作用下向負極移動，依次進入石墨或焦炭C組成的負極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，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。如果充電速度不變的話，一樣可能在負極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的後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。可以想像：充電的速度越快越危險；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電池的正常使用，甚至發生燃燒、爆炸等造成嚴重的後果。根據鋰電池的特性，一般將鋰離子電池電壓劃分為以下幾個區域，不同的電芯製造商雖有區別，但區別不大。高壓危險區：保護線路過充保護電壓(4.275V~4.35V)；高壓警戒區：鋰離子電池充電限制電壓4.20V；正常使用區鋰離子電池放電終止電壓(2.75V~3.00V)；低壓警戒區：保護線路過放保護電壓(2.3V~2.5V)；低壓危險區。

鋰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T2打開，T1關閉。充電電流迴路為：P+>>B+>>B->>D2>>T1>>P-。正常放電時，P+，P-端接用電設備，如手機。T1打開，T2關閉。放電迴路為： B+>>P+>>P->>D1>>T2>>B-。

隨著充電的進行，電池電量及電壓不斷上升，如果不及時控制就可能進入高壓警戒區，甚至危險區。保護電路就需要準確的監測電池的電壓，當進入警戒區時及時打開充電迴路開關T1，切斷充電迴路。反之，隨著放電的進行，電池電量及電壓不斷下降，如果不及時控制就可能進入低壓警戒區和危險區。保護電路就需要準確的監測電池的電壓，當進入警戒區時及時打開充電迴路開關T2，切斷放電迴路。

圖2 鋰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、溫

度有關，不同製造商略有不同

充電電壓都不能超過4.275，考慮到

製造誤差和溫度漂移，一般充電電壓

設定不超過4.2V

充電終止後不能接受涓流充電

電壓到達4.2V後充電必須在幾個小

時內完成，不能任意延長

違背上述原則都將產生「枝晶效應」，長期反覆地違背這些規則，將會對電池的壽命產生極大的影響，甚至有安全問題，據不完全統計，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

交流內阻

充電容量

放電容量

充、放電循環壽命

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時間

-過充保護撤銷恢復及響應時間

-放電過放保護電壓精度及響應時間

-過放保護撤銷恢復及響應時間

-充電過流保護及響應時間

-放電過電流保護及響應時間

-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案之一是N6705B直流分析儀，方案在單臺儀器中整合多種測試儀器的功能，為研發工程師大幅度提高工作效率。表1為安捷倫科技產品技術參數。

表1 安捷倫科技產品技術參數

N6705B直流分析儀主要特性：

1~4路高性能電源/負載

數字電壓表和電流表

帶功率輸出的任意波形發生器

示波器

數據採集

所有的測量和功能都能通過前面板實

現

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軟體進行電壓、電流隨時間變化，並直接顯示容量值。軟體支持最大999小時長時間記錄，且可進行任意區域放大、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，不對電池電壓產生任何影響。

圖4 N6705B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

電池的內阻是指電池在工作時，電流流過電池內部所受到的阻力，它包括歐姆內阻和極化內阻，極化內阻又包括電化學極化內阻和濃差極化內阻。交流內阻測試方法為：利用電池等效於一個有源電阻的特點，給電池一個1000Hz，幅度50mA的交變電流，對其電壓採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1000Hz的50mA的交變電流。N6705B/N6700B內置高精度高帶寬的電壓、電流採集儀，即可實現電池內阻的精確測量。除了電池內阻，電池的開路電壓也可以同時測試。可支持4個通道同時運行，完成4個電池交流內阻的並行測試。

電池保護電路板測試也具有眾多挑戰，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。通常都需要多臺電源、電子負載、示波器、程控開關等組合完成，測試系統連接框圖如圖6所示。對測試設備的精度要求極高，如過充電壓保護測試，需要模擬電芯的電壓精度到達幾mV。因此，在4V電壓時，1mV相當於0.025%。同樣，保護電路板的空耗電流也僅有幾μA，通常需要用萬用表測試。保護電路板的電阻也只有幾mΩ或幾十mΩ，對測試設備也提出很高的要求

圖6 測試系統連接框圖

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時間、過充保護撤銷恢復及響應時間、放電過放保護電壓精度及響應時間、過放保護撤銷恢復及響應時間、充電過流保護及響應時間、放電過電流保護及響應時間、待機空耗電流、保護電路的電阻。

使用N6705B的任意波發生器功能，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時間、保護撤銷電池電壓及響應時間。

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時間，保護撤銷電池電壓及響應時間。

設置通道2的最大電流為6A，並使用N6705B的示波器功能，記錄電流波形，即可測試出過流保護響應時間。

設置通道1的最大電流為4A，並使用N6705B的示波器功能，記錄電流波形，即可測試出過流保護響應時間。

短路測試需要電源提供極大的峰值電流，N6700平臺高功率模塊提供最大50A電流，短路響應時間非常短，通常都在百微秒級別。

N678x SMU或安裝2μA選件的N6762 模塊都具有nA級別電流測試能力，可以輕鬆實現保護電路板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，並計算紋波抑制比。

圖8 兩通道電源+負載實現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，可以作為電

子負載使用

100kHz任意波形帶寬，可以生成所

需要的任意波形電壓、電流波形、脈

衝、噪聲等信號

200kHz採樣率，作為電子負載，直

接觀察輸入電壓、電流波形

低電壓狀態下工作正常，無導通電壓

要求

APS是市場上功能較為強大的直流電源設備，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據記錄功能

電壓電流短時間波形採集功能

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/保護功能，靈活的功率配置

N69xx與N79xx APS電源主要性能對比如表2所示。N6900A主要針對高性能的供電應用，N7900A除了高性能供電之外，提供高性能的測量。

表2 N69xx與N79xx APS電源主要性能

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，實現電流的全量程吸收，所有控制由電源端實現，不需要額外的編程控制接口。2kW電源可以連接兩個功率擴散器，實現電源與電子負載功率匹配。還可以實現電源與電子負載功能的無縫銜接，與真實電池性能一致，充放電可自由轉換。一體化的電源與電子負載集成方案，可以對正負電流進行直接測量，可以累積計算衝電量和放電量。使用APS模擬蓄電池進行PCU測試，測量評估PCU硬體對電池充電/放電管理性能。當前，大部分客戶採用的電源是以負載和開關切換的方式模擬電池，無法實現充放電無縫切換。APS電流源可以實現雙象限工作，提供更加真實的模擬電池充放電特性。

問答選編

問：相比傳統的鋰電保護測試方案，創新在於哪裡？

答：常規的電池保護測試，必須配合直流電源、電子負載、示波器、電流探頭、大電流開關、萬用表等很多類型設備完成。現在這個方案通過內置電源和負載，電壓、電流數值化儀，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的複雜度，測試效率和測試重複性等。

問：測試的性價比如何？汽車電池能測嗎？

答：N6705主要是小功率電池測試，集中在手機電池和其他移動通信產品電池的充電。這主要是受電源模塊輸出功率的限制。如果需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品，如N6700/N7900系列APS電源，功率範圍在1000W~2000W，可以支持串並聯擴充輸出範圍，同樣具備兩象限工作能力，可以對電池進行充放電測試。

問：在測試設備終端啟動時對電源輸出的影響有哪些？

答：這是N6705的一項功能，由於帶有示波器功能和觸發功能，可以測量待測件啟動時浪湧電流的幅度和持續時間。另外也可以作為電源，產生不同供電波形，例如直流供電上疊加交流幹擾，或者瞬間掉電，測試被供電設備對於電源幹擾的抵抗能力。

問：請問鋰電池的安全度如何？

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，可以提供響應速度非常快的過壓，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，避免出現損壞的情況。

問：N6705可以作為一臺示波器使用嗎？

答：N6705 主要用於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，串聯在其他供電迴路中測量電流值。

問：如何判斷保護板是否已損壞？

答：判斷保護電路是否已經損壞就需要對電池進行充、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是否正常。

問：對於手機電池的待機時間很短，充電寶易爆等問題，有沒有一些新的方案和產品來解決問題？

答：是的，現在的充電寶容量也越來越大，網上甚至有賣超過10000mA的產品，容量越大，危險也越大。如何避免各種災難出現，主要有幾個方面：第一，生產廠家需要保證產品的質量，使用好的電芯，保護控制電路和封裝等；第二，用戶使用習慣要儘量遵循電池的特性，例如，不要長時間給電池充電，使用正規的充電器等。

問：安捷倫科技的電池主要用在哪些設備上呢？

答：安捷倫科技本身不生產電池， 主要提供測試測量設備，針對電池測試，主要包括直流電源、電子負載、示波器、萬用表、數據採集儀等用於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，可以用於模擬電池，進行設備在模擬電池條件下各種性能的測試。

問：APS電源在配合N7909A之後是如何解決現在的車載電源系統普遍存在無法實現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的正負電流切換，中間會存在短暫的跳變和不連貫現象。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。如果連接N7909A功率耗散器後，當需要吸收的功率超過10%，則將多餘功率傳輸到N7909A上，實現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據記錄儀，具有非常高的解析度和精度。相比示波器的8bits或12bits，可以提供18bits甚至28bits的測試動態。

問：APS兩象限工作針對電池測試的優勢是什麼？

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；電池交流內阻；短路保護。

問：請問怎麼測量鋰電池的低溫放電性能？

答：電池在低溫環境下特性的變化主要取決於電芯的化學成分。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境下。

問：大功率電池的測試相對比較危險，APS電源都提供了哪些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。另外提供的過壓保護，過流保護的響應時間都是50μs，可以在較短時間內切斷電源輸出，保護電池。我們還提供看門狗功能，監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，在發生故障後，可以用來回溯數據，查找故障原因。

問：請問N6705能否用來評估乾電池的使用情況？

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，並將原始數據保存下來供後續分析使用。第二是可以使用真實幹電池供電，並將電源串聯在電池環路中，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，相當於一個0內阻的電流表，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。因此，需要保護控制電流避免出現這種情況。

問：請問如何通過測試評價電池的優劣呢？

答：對於電池的好壞，最重要的兩個指標應該是：電池的交流內阻；電池的容量與電壓分布，最好電池的能量分布在中間區域。

問：如何檢測串聯電池每節電池的容量？

答：串聯的電池組，通常都要監測每個電池的電壓或容量等參數。首先，需要預先知道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)範圍內的容量，然後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麼？

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，會導致充電電流的波動等。

問：APS電源都帶有哪些測量功能？

答：APS電源除了常規的電壓電流測試外，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，電流採集速率高達200k/s。

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