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走向新世纪的电池测试新技术与新仪器
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摘要：该文扼要分析了电池测试的技术复杂性，简介了功能测试、脉动负载和间断使用时的测试、基于库仑定律和焦耳定律的测试等主要测试方法，并探讨了电子负载、电池仿真器及智能快速测试仪等测试工具的工作原理与技术性能。
关键词：电池测试 测试方法 测试仪器
有一种稍为夸张的说法，认为电池是新世纪电子业发展的动力。对于公众来说，诸如蜂窝电话、无线电通讯设备、计算机、外围设备、多媒体播放设备、测试仪器仪表、医疗设备等手持式和便携式产品，堪称电子设备的典型例子，而电池则一直静悄悄地、几乎是无形地为这些微小的电子装置提供动力，让这些装置像奇迹一般进行工作。
虽然最近几年人们对电池重要性的认识已经大有提高，电池的化学配方和生产工艺也大大地改进了，奇怪的是用于对消费性再充电电池进行评估和质量检测的基本测试部件仍然未有多大改进。当然，也有一些采用SMBus（系统管理总线）技术的"智能"电池，以及一些新型的测量测试工具，能够较有效地测试和评估电池和充电器的特性，减少了麻烦。
在未到时候更换电池的情况下，用户通常不会着急考虑电池问题。遗憾的是，往往在始料不及的重要时刻或者看来最不恰当的场合就偏要更换可充电电池或二次电池。当然，也有一些再充电电池从来就不用更换，因为由这些电池供电的设备已经先走一步报废了。
蜂窝电话业界认为，电话典型的使用寿命约为18个月。这个期限与常用的典型蜂窝电话电池组使用寿命相符。这种使用寿命长短相类似的现象并非是巧合。平衡电池寿命和产品寿命，可能要花费电话设计人员及充电器、电池组和单个电池的设计人员很大的精力。
一、电池测试复杂费时
开发新电池化学配方和电池制造工艺固然是一项挑战，但还有几项较为乏味而又特别耗费时间的麻烦事对消费类电子产品的设计来说也同样重要。这包括视应用场合而选用正确的化学配方；为充电器和电池组详细规定规格；对销售样品进行评估和质量检验。
当然，假如您仅仅想要确认使用过的电池是否能再使用，或者新的电池是否适合发货，就不用进行很广泛的测试。在这种情况下，只需快速、直接、安全和相对精确的测试就可以了。诚然，对于一些刚刚生产出来的电池，特别是镍镉和镍金属氢化物的电池，首先就要慢慢地对电池进行充电至满为止，才能进行有效的快速测试。有时候甚至还要求对电池进行几次充电放电，再让电池"休息"几个小时，方能取得有效的测试结果。
当您想收集精确的信息时，如果对电池快速充、放电，便会引致数据严重错误。操之过急，反而容易损坏所测试的电池，甚至带来严重的后果。也曾发生失火的事，当然这是极少数。此外，从技术上虽说不会引起爆炸，但也很难说。锂是目前常用的电池材料，涉及到锂的失火可能特别难于处理。
通常，进行全面的电池测试是很乏味的一回事。此外，测试条件改变，也会令测试结果出现很大的变化。现场检查如果得出的数据看来不一致，研究人员就必须解释为何不一致，或者重做他们刚才已经花了很多时间做过的测试程序。
直至几年前，由于电池业的质量控制还相当不完善，引出了相关的问题：研究人员无法重复做出不同生产批量的同种标称电池的测试结果。甚至现在，研究人员往往遇到类似的现象，尽管原因各有不同。电池制造商努力不懈地改进其产品，但很少有制造厂商宣布他们考虑的是测试例行程序的改进。这些改进也往往会影响到测试数据的重现性。
二、功能测试仍是常用手段
对手持式和便携式设备所用充电电池进行的评估和质量测试，大多数都涉及功能测试。例如，将电池在各种条件下重复充电放电，以模拟这些电池所面临的现场条件。测试时除了考虑环境的变化之外，还必须考虑到充电器、电池和耗电设备的先、后取样都各有不同。
这个做法可能听起来有些笨拙，而且是老生常谈，但对于消费类电子产品所用的电池来说，还没有其他的办法证明是更合适的。业内还没有可靠的数学模式来精确描述电池、充电器和负载在各种不同条件下所表现的特性。另外，即使有了合适的数学模式，还要花很长的时间来建立设计人员、市场销售人员和质量保证人员对这些模式的信心。
在一些特殊场合下，例如发射通信卫星之前的测试，倒是有种种不同的方法证明是切实可行的。在这类应用项目中，通常用电池仿真器来代替实际的电池作为待测航天器的功率源。电池仿真器利用计算机来运行电池的数学模型，并控制可编程的电源和电子负载，尽管电池制造商未能提供很合适的商品电池性能模型，但终究为航天器价值不菲而且出类拔萃的供电电池提供了性能模型。因此，在预演测试期间便可以从价值百万美元的电池系统的仿真电池取得电源，而无须耗用昂贵的电池本身。采用电池仿真器，还可以避免在航天器校验期间使用真正电池所带来的一个现实问题。卫星供电系统往往包含有太阳能电池板蓄电系统，但其面积太大，很难在测试地点真正接受日照。
三、脉动负载和间断使用时的测试方法
即使没有出现崭新的测试概念，平凡场合用电池的测试，也并非一成不变的。专用的自动化测试设备和软件已获广泛接纳，测试工作日趋简化，且比几年前更为简易、不费力和精确。另外，现在一些由电池驱动的负载，其特性已提高到可以有限度地加速其周期寿命的测试。
例如，当一个用户正在对话时，全球移动通信系统（GSM）通常使用的时分多址（TDMA）蜂窝电话中的电池必须提供约576μs持续周期而占空度为12.5%的负载电流脉冲。该脉冲电流一般为脉冲之间电流的10倍左右。当增加电池释放的电流时，内部损耗便增加，降低了电池供向外部负载的能量。因此，增加瞬时负载电流并不是加速测试的有效办法。然而，只要能保持恒定的瞬时负载电流，就能有效实现双倍占空度的测试。另一种有效的测试方法，就是假设电话每个小时内使用30分钟，尽管每个小时工作5分钟已足以精确地代表实际使用。将较高脉冲占空度与较高使用时数相结合，从而以12倍因子缩短耗尽电池充电电荷所要花的时间。当然，这些技术仅仅应用于那些为较低占空度的脉动负载供电的电池，通常只是间断使用，或两种情况兼有。
测量终端电压，是确定电池充电情况的常用方法。但该技术在建立耗尽电荷需时多少方面会引起混乱。有一件事，即当终端电压降低至设定的运作极限值以下时，如果即时撤去负载但继续监测电压，就会发现电压升高有一个台阶，接着大多数就逐渐恢复。这个电压台阶不代表电荷恢复。它的产生只是因为当电池输出电流降到零时电池的内部电阻压降IR变为零。另外，逐渐恢复与此毫不相干，当重新加载时，它便会很快地逆转。只有当再充电时，电池的电荷才得以恢复。
四、依据库仑定律的测试方法
还有一些新的方法，例如SMBus智能电池所采用的办法，就是在电池组内装置一个非易失存储器，储存电流流入和流出电池的时间的积分比值记录，以确定充电的状态。用这种方法监视充电，假如不考虑电池内部的自身放电和构成完全充电的充电电平不发生改变（例如随温度变化）的话，本来应该是很理想的。不过，当考虑到电池的性能时，就可能会怀疑这一方法的精确程度。
如果忽略自身放电不计，则下列关系应可成立：
∫iIN.dt =∫iOUT.dt,
式中iIN.是充电电流，iOUT.是负载电流。
一个电池放电时，通常不能放出比上次向电池充电更多的能量，而且放电往往较少。这样说是基于一个假设，即在电池充电之前其电荷完全耗尽，并且在充电之后，您并没有采取措施令电池"恢复活力"，也没有改变完全充电的标准或电荷完全耗尽的标准。（假如在完全放电期间电池放出的能量多于输入的能量，那也许上次充电之前电池本来就没有像现在这样充分放电。或者，在完成充电之后，电池的温度升高了，因此在意想之外又增加了能量。）如果温度没有改变，现在电池的放电状态又和上次充电前的状态一样，那么充电所增加的能量和放电所放出的能量之差，就是充、放电之间的内部损耗（可以用I2R表示）。
几乎所有可再充电和不可再充电电池，都能以曲线显示出自己的放电特性。这些曲线视每种电池的尺寸、结构和生产商的不同而各异，通常可为供应恒定电流的电池绘制出终端电压对时间的关系曲线。（有时，曲线显示的是电池驱动恒定电阻时的电压对时间的关系。因为在放电时终端电压下降，施加在恒定电阻上的电流也有所下降。）这些曲线采用加载下的终端电压作为完全放电的标准，因此可以表明，输出电流对时间的积分随输出电流的增加而下降。假如存在这种下降，则说明电流流入和流出的积分值不能代表电池的充电状态。
五、基于焦耳定律的测试方法
例如，也许可以用一组曲线显示：在t时间内抽取恒定电流C可耗尽全部充电电荷。C以安培或毫安为单位表示，数值上应等于电池的标称容量（以安培-小时或毫安-小时表示）。也许可以预料，以恒定输出电流C测量耗尽时间后，如果对电池再充电，然后以恒定的输出电流2C再次进行测量，那末，完全耗尽的时间会降为t/2。但是总的看来，电池提供2C电流不可长达t/2。
从能量守恒的观点来看，这种结论是完全对的。在放电时，输出电流较大就会增加电池的损耗I2R。如果R保持不变，电流加倍，则功耗高达4倍。如果持续以2C放电t/2之久，则能量损失等于前一次测试的两倍。另外，某些类型的电池在输出电流加大时内阻会增加，这就进一步缩短放电时间。事实上，放电到恒定终端电压的时间能自行调节，这样，负载中的能量损耗量和电池中的能量损耗量之和，就会在一定程度上与放电电流无关。
问题是，尽管在高、低放电电流情况下∫iIN.dt相等，但∫iOUT.dt则不等。产生差异的原因，是基于终端电压的完全放电标准在不同电流下会产生不同程度的放电。输出电流小，电池的内部电阻压降IR就低。如果以相同的终端电压在所有不同电流下终止放电，当输出电流较小时，电池的放电便更为彻底。尽管如此，在较高输出电流下，想通过减低终端电压（即所谓电荷充分耗尽）来补偿较高的内部电阻压降IR，那是不切实际的。当然，负载可能要求较高的电压，但电池却可能因为终端电压较低而损坏，或者负载和电池两者都损坏。
也许可以考虑采用即刻中止输出电流和测量电池开路终端电压的方法解决该问题。在许多情况下，在负载上加上容量相当大的电容器，就能为短时间测量提供负载电流。然而，这种办法要求在较低输出电流下负载仍然可在较低电源电压下持续地准确运行--这是负载无法接受的条件。另外，在电池释放电流相当大情况下，如果内部电阻压降IR过分地降低终端电压，就可能损坏电池。
六、电池测试新仪器功能不断改进
在消费类电子应用中，电子负载是测量再充电电池性能的最通行和最有用的工具。对新产品样机的设计进行验证测试时，以电池仿真器作为功率源，比采用真正的电池更为方便。假如您要使用大量的电池，即使不负责大批量生产测试业务或用户服务，也会迅速致力选用测试仪器，迅速测出电池的充电情况和电池的好坏。有些仪器也可用作充电器。
此外，有些单位制定了修复或再生电池的程序，以再生被用户抛弃的废电池。在许多情况下，这些再生电池仍能使用很长时间。
在这些仪器中，只有电子负载可列入通用类仪器。当然，没有一种电子负载是真正属于通用类的。这些仪器可以适用于很宽的电压范围、电流吸收能力和功率处理能力。在类似的方式中，不同的电池仿真器具有提供不同的电压和输出电流的能力。此外，仪器的性能也必须能够调整，以满足不同类型电池的要求，然而，这种调整往往是以加入一个个人软件模块的形式实现的。厂商提供使用普通电池的这类模块，有时还为用户提供设计工具，以便仿制厂商电池模块库中所没有的模块。
本文研究的目的不是报道任何电池模拟器的供应商，以自动学习由仪器仿真的电池的性能，尽管这样做也许能引起用户很大的兴趣。另一种类似的功能也许对电子负载的用户会有帮助。能自动学习电池供电设备性能的负载，可以减去设备供电电池实际性能测试（甚至生产测试）过程中的多项单调工作。
七、智能快速测试仪工作原理
然而，研究院目的是报道能学习电池性能的快速测试仪器。这一仪器由Cadex公司推出，是一种快速测试及修复系统，专供电池供电设备大型零售商、用户服务部门和大量更换电池的维护保养机构使用。
该系统采用的适配器，能与所支持的各类型电池的连接头相匹配，每个适配器都内置有一个存储器，以便储存支持电池的测试参数和测试限值。在适配器发货之前，Cadex便先在这些存储器内设置数据。然而，如果电池生产厂商改变了能影响测试数据或限值的过程，用户便有几种选择。用户可从Cadex网址下载更新的文件，或者从他们信任的另一个用户那儿取得最新信息。
另一种选择是调用测试仪器中的模糊逻辑编程例行程度。根据Cadex的说法，如果错叫一个适配器学习一些有缺陷电池的性能而更新了适配器中所储存的数据，也是不很要紧的，不会产生负面影响。当然，如果将适配器暴露在有相当多缺陷的电池面前，学习功能就会不起作用，必需重新编写程序。在这种情况下，可以将储存的数据重新设定至原厂的程序，或者从网上下载一组新的数据以替代原来的数据。
摘自《中国电源博览在线》
