锂电池性能及安全性测试方案

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。但锂电池的容量越大，危险就越大。如何通过严格可靠的测试，控制并保证锂电池的安全运行并提升其工作寿命，不仅是从事锂电池开发和生产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，需要充分考虑的问题。

图1 锂离子电池的工作原理图

锂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的研发和测试时，需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实的工作状态并进行精确测试，也无法实现电池保护响应时间的精确测试。安捷伦科技新的先进电源系统（APS）和直流电源分析仪，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测试方案，可便捷地完成电池仿真、内阻测试，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。

电池应用需求

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领域最大的市场之一，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、大容量的电池应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、大容量的电池应用成为电池应用的主要领域之一。

UPS不间断电源也是大容量、大功率电池的一个主要领域。

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应用，主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，但是在晚上没有直接的光照却不能提供大功率的供电。所以，就需要在太阳能充分的时候把转化过来的电能进行储存，而在光照不充分的晚上把它释放出来，风力发电也是一样。在这样的情况下，大功率电池就显得非常重要。

锂电池特性及充放电管理

电池主要由电芯、控制保护电路、外壳引线等组成。主流的电芯由以下企业提供，包括三洋、松下、索尼、比克等。

PTC是positive temperature coefficient的缩写。正温度系数电阻，温度越高，阻值越大，可以防止电池高温放电和不安全的大电流的发生，即过流保护作用。

NTC是negative temperature coefficient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作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在那儿形成LiC化合物。如果充电速度过快，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聚集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。持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。随着负极的充满程度越高，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。如果充电速度不变的话，一样可能在负极表面形成局部的Li+堆积。因此，在充电的后半段必须逐步缩小充电电流。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电池尤为重要。

锂离子电池的电压过高或者过低都会影响锂电池的正常使用，甚至发生燃烧、爆炸等造成严重的后果。根据锂电池的特性，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区别，但区别不大。高压危险区：保护线路过充保护电压(4.275V~4.35V)；高压警戒区：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)；低压警戒区：保护线路过放保护电压(2.3V~2.5V)；低压危险区。

锂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关闭。充电电流回路为：P+>>B+>>B->>D2>>T1>>P-。正常放电时，P+，P-端接用电设备，如手机。T1打开，T2关闭。放电回路为： B+>>P+>>P->>D1>>T2>>B-。

随着充电的进行，电池电量及电压不断上升，如果不及时控制就可能进入高压警戒区，甚至危险区。保护电路就需要准确的监测电池的电压，当进入警戒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，如果不及时控制就可能进入低压警戒区和危险区。保护电路就需要准确的监测电池的电压，当进入警戒区时及时打开充电回路开关T2，切断放电回路。

图2 锂电池的控制保护电路

锂离子电池充电的几个基本原则：

电流必须

-瞬时值<5C，平均值<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后充电必须在几个小

时内完成，不能任意延长

违背上述原则都将产生“枝晶效应”，长期反复地违背这些规则，将会对电池的寿命产生极大的影响，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。

电芯和成品电池的测试要求：

开路电压

交流内阻

充电容量

放电容量

充、放电循环寿命

电池保护电路的测试要求：

保护功能及性能验证

-充电过充保护电压精度及响应时间

-过充保护撤销恢复及响应时间

-放电过放保护电压精度及响应时间

-过放保护撤销恢复及响应时间

-充电过流保护及响应时间

-放电过电流保护及响应时间

-短路保护测试

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直流分析仪

安捷伦科技的解决方案之一是N6705B直流分析仪，方案在单台仪器中整合多种测试仪器的功能，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。 [p]

表1 安捷伦科技产品技术参数

N6705B直流分析仪主要特性：

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/成品电池容量测试，即用作电源或负载直接给电池充、放电、测试容量，如图3所示。PC安装14585A软件进行电压、电流随时间变化，并直接显示容量值。软件支持最大999小时长时间记录，且可进行任意区域放大、缩小和分析功能。

图3 用作电源或负载

第二种用N6705B进行电芯/成品电池容量测试，即用真实的充电器、手机给电池充电，作为电压、电流表测试充电容量，如图4所示。手机充电与直接用电源充电的充电模型完全不同，最真实的反映电池容量。与任何其他方式不同，N6705B的电流表做到0V压降，不对电池电压产生任何影响。

图4 N6705B作为电压、电流表测试充电容量

第三种用N6705B进行电芯/成品电池容量测试，即用真实手机对电池放电，作为电压、电流表测试放电容量，如图5所示。

图5 作为电压、电流表测试放电容量

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。交流内阻测试方法为：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处理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测试。可支持4个通道同时运行，完成4个电池交流内阻的并行测试。

电池保护电路板测试也具有众多挑战，保护电路测试项目众多，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。通常都需要多台电源、电子负载、示波器、程控开关等组合完成，测试系统连接框图如图6所示。对测试设备的精度要求极高，如过充电压保护测试，需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，通常需要用万用表测试。保护电路板的电阻也只有几mΩ或几十mΩ，对测试设备也提出很高的要求

图6 测试系统连接框图

仅需一台N67xx电源即可完成电池保护电路板测试，项目有：充电过充保护电压精度及响应时间、过充保护撤销恢复及响应时间、放电过放保护电压精度及响应时间、过放保护撤销恢复及响应时间、充电过流保护及响应时间、放电过电流保护及响应时间、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，检测电流变化，使用示波器功能同时记录电压电流变化，可测试充电过压保护电压及响应时间、保护撤销电池电压及响应时间。

通道1模拟电池电压的下降和上升序列，检测电流变化，使用示波器功能同时记录电压电流变化，即可测试放电欠压保护电压及响应时间，保护撤销电池电压及响应时间。

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，即可测试出过流保护响应时间。

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，即可测试出过流保护响应时间。

短路测试需要电源提供极大的峰值电流，N6700平台高功率模块提供最大50A电流，短路响应时间非常短，通常都在百微秒级别。

N678x SMU或安装2μA选件的N6762 模块都具有nA级别电流测试能力，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一体化测试如图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。 [p]

图8 两通道电源+负载实现DC/DC一体化测试图

测试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

需要的任意波形电压、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N79xx APS电源主要性能对比如表2所示。N6900A主要针对高性能的供电应用，N7900A除了高性能供电之外，提供高性能的测量。

表2 N69xx与N79xx APS电源主要性能

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。功率耗散其单元直接与电源连接，实现电流的全量程吸收，所有控制由电源端实现，不需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，与真实电池性能一致，充放电可自由转换。一体化的电源与电子负载集成方案，可以对正负电流进行直接测量，可以累积计算冲电量和放电量。使用APS模拟蓄电池进行PCU测试，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切换的方式模拟电池，无法实现充放电无缝切换。APS电流源可以实现双象限工作，提供更加真实的模拟电池充放电特性。

问答选编

问：相比传统的锂电保护测试方案，创新在于哪里？

答：常规的电池保护测试，必须配合直流电源、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。现在这个方案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测试精度，可以极大的简化测试系统的复杂度，测试效率和测试重复性等。

问：测试的性价比如何？汽车电池能测吗？

答：N6705主要是小功率电池测试，集中在手机电池和其他移动通信产品电池的充电。这主要是受电源模块输出功率的限制。如果需要对大功率电池进行测试，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测试。

问：在测试设备终端启动时对电源输出的影响有哪些？

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持续时间。另外也可以作为电源，产生不同供电波形，例如直流供电上叠加交流干扰，或者瞬间掉电，测试被供电设备对于电源干扰的抵抗能力。

问：请问锂电池的安全度如何？

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，可以提供响应速度非常快的过压，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，避免出现损坏的情况。

问：N6705可以作为一台示波器使用吗？

答：N6705 主要用于测试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，不能直接测量外部的信号。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：如何判断保护板是否已损坏？

答：判断保护电路是否已经损坏就需要对电池进行充、放电保护的验证，如施加较大充电电流，测试是否有保护及保护时间响应是否正常。

问：对于手机电池的待机时间很短，充电宝易爆等问题，有没有一些新的方案和产品来解决问题？

答：是的，现在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。如何避免各种灾难出现，主要有几个方面：第一，生产厂家需要保证产品的质量，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：安捷伦科技的电池主要用在哪些设备上呢？

答：安捷伦科技本身不生产电池， 主要提供测试测量设备，针对电池测试，主要包括直流电源、电子负载、示波器、万用表、数据采集仪等用于电池的性能测试和评估。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测试。

问：APS电源在配合N7909A之后是如何解决现在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。如果连接N7909A功率耗散器后，当需要吸收的功率超过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：电源分析仪或APS电源集成示波器或数据记录仪，具有非常高的分辨率和精度。相比示波器的8bits或12bits，可以提供18bits甚至28bits的测试动态。

问：APS两象限工作针对电池测试的优势是什么？

答：APS电源针对电池测试，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测试，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：请问怎么测量锂电池的低温放电性能？

答：电池在低温环境下特性的变化主要取决于电芯的化学成分。就测试方法而言，低温性能测试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：大功率电池的测试相对比较危险，APS电源都提供了哪些保护功能确保测试过程的安全？

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，防止电池通过电源端漏电。另外提供的过压保护，过流保护的响应时间都是50μs，可以在较短时间内切断电源输出，保护电池。我们还提供看门狗功能，监测电源与上位机的通信是否中断。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，查找故障原因。

问：请问N6705能否用来评估干电池的使用情况？

答：有两种办法，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析使用。第二是可以使用真实干电池供电，并将电源串联在电池环路中，作为电流表记录真实电流值，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，测到的电流与真实电流非常接近。

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，需要保护控制电流避免出现这种情况。

问：请问如何通过测试评价电池的优劣呢？

答：对于电池的好坏，最重要的两个指标应该是：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：如何检测串联电池每节电池的容量？

答：串联的电池组，通常都要监测每个电池的电压或容量等参数。首先，需要预先知道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，然后通过检测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重要，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电源都带有哪些测量功能？

答：APS电源除了常规的电压电流测试外，还可以进行电量的测试，直接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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