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(shù)碼和通信設備的需求、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。要怎么樣通過嚴格可靠的探測，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)和加工的工程師面對的挑戰(zhàn)，也同樣是對產(chǎn)品設計工程師在選用電池和設計產(chǎn)品用電特性時，要充足考慮的問題。
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)和探測時，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切的工作狀態(tài)并進行精確探測，也無法實現(xiàn)電池保護應和時間的精確探測。安捷倫科技新的先進電源系統(tǒng)（ApS）和直流電源分解儀，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。基于這些新產(chǎn)品開發(fā)出的探測辦法，可便捷地完成電池仿真、內(nèi)阻探測，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。
電池使用需求
使用電池供電的設備及產(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范疇最大的市場之一，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、大容量的電池使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、大容量的電池使用成為電池使用的緊要范疇之一。
UpS不間斷電源也是大容量、大功率電池的一個緊要范疇。
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使用，緊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，但是在晚上沒有筆直的光照卻不能供應大功率的供電。所以，就要在太陽能充足的時候把轉化過來的電能進行儲存，而在光照不充足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緊要。
鋰離子電池特性及充放電管理
電池緊要由電芯、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，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，可以戒備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，使用電設備或充電設備及時反應、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非常活躍，可以和水發(fā)生反應。故電解質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。倘若充電速度過快，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集中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。繼續(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。隨著負極的洋溢程度越高，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。倘若充電速度不變的話，相同可能在負極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段非得逐步縮小充電電流。枝晶的長大會刺破正負級之間的隔膜，形成短路。可以想象：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離子電池尤為緊要。
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。依據(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)；高壓警惕區(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)；低壓警惕區(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T2打開，T1封閉。充電電流回路為：p+b+b-D2T1p-。正常放電時，p+，p-端接用電設備，如手機。T1打開，T2封閉。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，倘若不及時控制就可能進入高壓警惕區(qū)，甚至危險區(qū)。保護電路就要準確的監(jiān)測電池的電壓，當進入警惕區(qū)時及時打開充電回路開關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，倘若不及時控制就可能進入低壓警惕區(qū)和危險區(qū)。保護電路就要準確的監(jiān)測電池的電壓，當進入警惕區(qū)時及時打開充電回路開關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：
?電流非得
-瞬時值5C，均勻值1.2C
-以上值和電極表面積、電解質、溫
度有關，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后充電非得在幾個小
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”，長期反復地違背這些規(guī)矩，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。
電芯和成品電池的探測要求：
?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
電池保護電路的探測要求：
?保護功能及性能驗證
-充電過充保護電壓精度及應和時間
-過充保護撤銷恢復及應和時間
-放電過放保護電壓精度及應和時間
-過放保護撤銷恢復及應和時間
-充電過流保護及應和時間
-放電過電流保護及應和時間
-短路保護探測
?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直流分解儀
安捷倫科技的處理辦法之一是N6705b直流分解儀，辦法在單臺儀器中整合多種探測儀器的功能，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)品技術參數(shù)。表1安捷倫科技產(chǎn)品技術參數(shù)
N6705b直流分解儀緊要特性：
?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/成品電池容量探測，即用作電源或負載筆直給電池充、放電、探測容量，如圖3所示。pC安裝14585A軟件進行電壓、電流隨時間變化，并筆直顯示容量值。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、縮小和分解功能。
圖3用作電源或負載
第二種用N6705b進行電芯/成品電池容量探測，即用真切的充電器、手機給電池充電，作為電壓、電流表探測充電容量，如圖4所示。手機充電與筆直用電源充電的充電模型完全不同，最真切的反映電池容量。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、電流表探測充電容量
第三種用N6705b進行電芯/成品電池容量探測，即用真切手機對電池放電，作為電壓、電流表探測放電容量，如圖5所示。
圖5作為電壓、電流表探測放電容量
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)阻探測辦法為：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解決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探測。可支持4個通道同時運行，完成4個電池交流內(nèi)阻的并行探測。
電池保護電路板探測也具有眾多挑戰(zhàn)，保護電路探測項目眾多，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、程控開關等組合完成，探測系統(tǒng)連接框圖如圖6所示。對探測設備的精度要求極高，如過充電壓保護探測，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，通常要用萬用表探測。保護電路板的電阻也惟有幾mΩ或幾十mΩ，對探測設備也提出很高的要求
圖6探測系統(tǒng)連接框圖
僅需一臺N67xx電源即可完成電池保護電路板探測，項目有：充電過充保護電壓精度及應和時間、過充保護撤銷恢復及應和時間、放電過放保護電壓精度及應和時間、過放保護撤銷恢復及應和時間、充電過流保護及應和時間、放電過電流保護及應和時間、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，測試電流變化，使用示波器功能同時記錄電壓電流變化，可探測充電過壓保護電壓及應和時間、保護撤銷電池電壓及應和時間。
通道1模擬電池電壓的下降和上升序列，測試電流變化，使用示波器功能同時記錄電壓電流變化，即可探測放電欠壓保護電壓及應和時間，保護撤銷電池電壓及應和時間。
設置通道2的最大電流為6A，并使用N6705b的示波器功能，記錄電流波形，即可探測出過流保護應和時間。
設置通道1的最大電流為4A，并使用N6705b的示波器功能，記錄電流波形，即可探測出過流保護應和時間。
短路探測要電源供應極大的峰值電流，N6700平臺高功率模塊供應最大50A電流，短路應和時間非常短，通常都在百微秒級別。
N678xSMU或安裝2μA選件的N6762模塊都具有nA級別電流探測能力，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一體化探測如圖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一體化探測圖
探測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(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電源緊要性能比較如表2所示。N6900A緊要針對高性能的供電使用，N7900A除了高性能供電之外，供應高性能的測量。
表2N69xx與N79xxApS電源緊要性能
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。功率耗散其單元筆直與電源連接，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，與真切電池性能一致，充放電可自由轉換。一體化的電源與電子負載集成辦法，可以對正負電流進行筆直測量，可以累積計算沖電量和放電量。使用ApS模擬蓄電池進行pCU探測，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愛換的方式模擬電池，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，供應更加真切的模擬電池充放電特性。
問答選編
問：相比傳統(tǒng)的鋰電保護探測辦法，創(chuàng)新在于哪里？
答：常規(guī)的電池保護探測，非得配合直流電源、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。今朝這個辦法通過內(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探測精度，可以極大的簡化探測系統(tǒng)的復雜度，探測效率和探測重復性等。
問：探測的性價比要怎么樣？汽車電池能測嗎？
答：N6705緊要是小功率電池探測，聚集在手機電池和其他移動通信產(chǎn)品電池的充電。這緊要是受電源模塊輸出功率的限制。倘若要對大功率電池進行探測，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探測。
問：在探測設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繼續(xù)時間。另外也可以作為電源，出現(xiàn)不同供電波形，例如直流供電上重疊交流干擾，或者瞬間掉電，探測被供電設備有關電源干擾的抵抗能力。
問：請問鋰離子電池的安全度要怎么樣？
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，可以供應應和速度非常快的過壓，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，戒備出現(xiàn)損壞的情況。
問：N6705可以作為一臺示波器使用嗎？
答：N6705緊要用于探測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，不能筆直測量外部的信號。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：要怎么樣判斷保護板是不是已損壞？
答：判斷保護電路是不是已經(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，探測是不是有保護及保護時間應和是不是正常。
問：有關手機電池的待機時間很短，充電寶易爆等問題，有沒有一些新的辦法和產(chǎn)品來處理問題？
答：是的，今朝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。要怎么樣戒備各種災難出現(xiàn)，緊要有幾個方面：第一，加廠家要保證產(chǎn)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：安捷倫科技的電池緊要用在什么設備上呢？
答：安捷倫科技本身不加工電池，緊要供應探測測量設備，針對電池探測，緊要包括直流電源、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探測和評估。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，進行設備在模擬電池條件下各種性能的探測。
問：ApS電源在配合N7909A之后是要怎么樣處理今朝的車載電源系統(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。倘若連接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：電源分解儀或ApS電源集成示波器或數(shù)據(jù)記錄儀，具有非常高的辨別率和精度。相比示波器的8bits或12bits，可以供應18bits甚至28bits的探測動態(tài)。
問：ApS兩象限工作針對電池探測的優(yōu)點有什么？
答：ApS電源針對電池探測，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探測，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)境下特性的變化緊要取決于電芯的化學成分。就探測辦法而言，低溫性能探測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：大功率電池的探測相比較較危險，ApS電源都供應了什么保護功能確保探測過程的安全？
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，戒備電池通過電源端漏電。另外供應的過壓保護，過流保護的應和時間都是50μs，可以在較短時間內(nèi)切斷電源輸出，保護電池。我們還供應看門狗功能，監(jiān)測電源與上位機的通信是不是中斷。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)，查找故障原由。
問：請問N6705能否用來評估干電池的使用情況？
答：有兩種方法，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)分解使用。第二是可以使用真切干電池供電，并將電源串聯(lián)在電池環(huán)路中，作為電流表記錄真切電流值，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，測到的電流與真切電流非常接近。
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，要保護控制電流戒備出現(xiàn)這種情況。
問：請問要怎么樣通過探測評價電池的優(yōu)劣呢？
答：有關電池的好壞，最緊要的兩個指標應當是：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：要怎么樣測試串聯(lián)電池每節(jié)電池的容量？
答：串聯(lián)的電池包，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，然后通過測試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緊要，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電源都帶有什么測量功能？
答：ApS電源除了常規(guī)的電壓電流探測外，還可以進行電量的探測，筆直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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