锂电池性能及安全性测试

全新锂电池性能及安全性测试方案2内容安排典型的电池供电设备及应用锂电池的特性及充放电的管理安捷伦电源分析仪及先进电源系统全面评估电池及电池管理性能3消费电子产品统计数据表明，2013年，全球PC出货量接近2.03亿台2013年，预计平板电脑出货量为：2.93亿台预计2017年，智能手机出货量将达到了17亿部2013年全球数码相机出货量预计1亿台4电动交通工具5UPS不间断电源6绿色能源-光伏、风能7电动工具8内容安排典型的电池供电设备及应用电池的特性及充放电的管理安捷伦电源分析仪及先进电源系统全面评估电池及电池管理性能9锂电池的组成及定义电池主要由电芯，控制保护电路，外壳引线等组成。主流的电芯都是日韩企业提供，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。10锂离子电池的工作原理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。但这个使得锂电池相比镍铬、镍氢电池的内阻要大很多。11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。锂电池的负极枝晶效应12由前所述，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的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(4.275~4.35V)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(2.75~3.00V)低压警戒区---------------保护线路过放保护电压(2.3~2.5V)低压危险区=====================锂电池的电压区域划分13锂电池的控制保护电路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-D2T1P-。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-D1T2B-。14锂电池的控制保护电路异常控制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。15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左图就是一个典型的充电示意，实线代表电流变化，虚线代表电压变化锂离子电池充电的几个基本原则16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17电池保护电路的测试要求保护功能及性能验证1.充电过充保护电压精度及响应时间2.过充保护撤销恢复及响应时间3.放电过放保护电压精度及响应时间4.过放保护撤销恢复及响应时间5.充电过流保护及响应时间6.放电过电流保护及响应时间7.短路保护测试保护电路对电池性能的影响1.待机空耗电流2.保护电路的电阻18内容安排典型的电池供电设备及应用电池的特性及充放电的管理安捷伦电源分析仪及高级电源系统全面评估电池及电池管理性能19安捷伦独特的解决方案——N6705B直流分析仪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短时间内快速详细的掌握在各种情况下DUT的工作情况而不需要写一行代码!•1至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20安捷伦N6705模块化设计——具有双象限能力模块模块型号电压输出电流最大吸收电流吸收功率功率N6753A20V50A15A12.5W300WN6754A60V20A6A12.5W300WN6755A20V50A15A12.5W500WN6756A60V17A6A12.5W500WN6763A20V50A15A12.5W300WN6764A60V20A6A12.5W300WN6765A20V50A15A12.5W500WN6766A60V17A6A12.5W500WN678xA20V3A3A20W20W21N6705B进行电芯/成品电池容量测试（1）用作电源或负载直接给电池充、放电，测试容量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。22N6705B进行电芯/成品电池容量测试（2）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测试连接框图最真实的电池容量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。23N6705B进行电芯/成品电池容量测试（3）用真实手机对电池放电,作为电压，电流表测试放电容量电压电流功率我们可以得到:平均电流=233mA平均电压=3.82V放电容量=843mA-h放电能量=3.19W-h时间=3hr38min关机电压=3.44V结论：放电量(843mA-h)小于电池指标(1000mA-h)关机电压高于预期(期望3V)24电芯/成品电池的交流内阻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。25电池保护电路板测试的挑战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右图所示。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个mV。因此，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个uA，通常需要用万用表测试。保护电路板的电阻也只有几个或几十毫欧，对测试设备也提出很高的要求。26安捷伦单台N67xx电源实现电池保护电路板测试仅需一台N67xx电源即可完成电池保护电路板测试项目：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1至4通道支持电流输出和吸收电压，电流任意波形输出支持电压，电流快速采样27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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，即可测试(结果如图)：电池过充电保护的电压值（4.30V）；电池过充电保护的响应时间（1.15S）；电池过充电保护撤销的电压值(4.10V)；电池过充电保护撤销的响应时间(17mS)。28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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(结果如图)：电池放电欠压保护的电压值（2.95V）；电池过充电保护的响应时间（22mS）；电池过充电保护撤销的电压值(无)；电池过充电保护撤销的响应时间(无)。29电池充电过流保护电压及响应时间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，测试结果如图：该电池保护电路板6A时充电过流保护启动正常；过流保护响应时间为10.8mS.30电池放电过流保护电压及响应时间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，测试结果如图：该电池保护电路板4A时放电过流保护启动正常；过流保护响应时间为1.56mS.31电池短路保护电流及响应时间•短路测试需要电源提供极大的峰值电流，N6700平台高功率模块以提供最大50A电流；•短路响应时间非常短，通常都在百微秒级别，如左图测试的380us，N6700高功率模块也支持10us电流采样速率。32电池保护电路板待机消耗电流N678xSMU或安装2uA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uA级别电流的测量：4.2V电压时的保护电路板的电流为4.36uA;3.2V电压时的保护电路板的电流为4.16uA.33充电宝工作原理框图34SolarArrayBusVoltageShuntSwitchBDR5V24V12VSatellitePayloadandsub-systemDC-DC二次电源在电池电路中大量使用PowerDistributionUnitPowerConditioningUnit(PCU)蓄电池BCRBCR：BatteryChargeRegulatorBDR：BatteryDischargeRegulator35输入5V输出3.3V通道1工作在5V输出，恒压模式通道2工作在恒流电子负载模式测量输入输出纹波抑制比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，并计算纹波抑制比两通道电源+负载实现DC-DC一体化测试36+20V+1A+3A-3A+6V+6V-1A双通