解读常见的与温度相关的电池问题，并演示测试仪器如何帮助构建更好的电池驱动应用
 

作者：Bernard Ang和Brian Whitaker，Keysight Technologies 

 

大规模应用通常使用带有串联和并联连接的模块的电池组。战略性地放置在电池组上的热传感器检测温度变化。大的电池组热不平衡通常始于电池单元的不均匀性，影响其充电和放电电压。随着时间的推移，不均匀性变化加速，一些电池过充电或过放电，导致电池过热。使用电池管理系统（BMS）来均衡充满电时电池之间的电压和充电状态（SOC）的电池平衡可以最小化热不平衡。电池制造商还可以选择具有非常接近开路电压的电池组来构建电池组，从而将SOC变化降至最低。产品应用设计也可能导致热不平衡。例如，电池组的冷却系统对于某些外部环境不够有效。

 

图1：Keysight 34980A数据采集开关/测量单元（SMU）

 

电池组热点
 

监测电池温度有助于检测热点。根据电池应用的关键程度，有时在电池组上战略性地放置几个传感器就足够了。然而，在需要关键性能的应用中，温度传感器放置在每个电池组模块上。

 

热点往往发生在电池组中的弱电池单元上。弱电池单元易受过度应力影响并逐渐退化。因此，它们在运行期间比正常的好电池更热，因为它们难以跟上好电池的性能。热点还可以警告您电池单元或模块的潜在损坏。对电池组的物理冲击可刺穿或变形电池单元的内部结构，例如电极或聚合物隔板。如果发生这种情况，并且没有进行干预，电池单元损坏可能会恶化，并可能导致热失控。可能导致火灾和爆炸。热点的其他原因包括端子连接不良、散热部件缺陷和外部电缆短路。

图2：随时间变化的内部电池故障机制

 

监测电池温度也可以是主动闭环过程，以保持电池组在最佳充电和放电温度范围内工作。由于电化学反应较慢，寒冷的温度会导致电池性能下降。因此，电池使用容量将显著下降，电池甚至可能停止工作。更大的问题是当电池系统在高于制造商规范的温度下运行时。电池寿命将下降，较弱的电池可能与良好的电池偏离更多。因此，热不平衡和热点开始出现。

 

独立测试设备

 

许多商业化的电池管理系统可用于各种应用。基本功能包括过电流保护、过压保护、过充电保护、超温保护、欠压保护、电池平衡、SOC和健康状态。然而，有许多很好的理由获得独立的测试设备来监测电池温度。

图3：使用Keysight BV9210B/11B PathWave BenchVue高级电池测试和仿真软件创建的电池配置文件

 

拥有独立的测试验证系统，如模块化数据采集（DAQ）系统，有助于验证BMS是否正常运行。它还有助于验证应用的整体集成系统。独立的DAQ系统可以：

• 使用多种类型的温度传感器，如热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器（RTD），更精确地测量。热敏电阻或RTD可实现以下温度精度：≤ 0.1°C。

• 测量温度范围为-150°C至1820°C。

• 在应用中测量比BMS实施更多的点，验证BMS没有遗漏任何关键位置。

• 在短得多的时间间隔内进行测量，而不会对BMS和应用的硬件资源造成负担，以找到BMS监控系统的最佳时间间隔设置。

 

拥有独立测试系统的另一个关键原因是为关键任务应用提供冗余。它可以提供独立的报警和紧急二次开关，以防止电池系统熔毁或火灾，或者如果主系统发生故障或失去通信，它还可以提供备用监控系统。

DAQ系统是监测温度的最佳选择，因为它具有高度的通用性。许多现代DAQ系统都内置了高分辨率6.5位万用表。它们还配有各种固态、电枢和簧片开关多路复用器模块，用于监控100多个温度点通道。此外，由于DAQ具有内置数字万用表，它可以测量温度以外的其他信号，如交流/直流电压和电流、电阻和电容。DAQ系统也是模块化的，允许扩展温度监测通道。

 

图4：1000mAh锂离子电池，3V截止电压-温度变化

 

构建更好的电池驱动应用
 

一旦您了解了电池故障的来源，您就可以使用电池仿真软件来预测电池容量的下降。然后，您可以通过物理横截面分析电池故障的根本原因。然而，电气测量提供的信号有助于在故障发生之前预测故障。失效的一个来源是阳极电极上的锂镀层或枝晶生长。这种增长通常是通过多次循环对电池进行过充电而发生的，导致阳极上的锂沉积。随着时间的推移，这可能导致两个电池电极之间的电短路。很难监测这种电短路，因为它发生得很快——以电压降的毫秒为单位。另一个原因是电极的劣化，显示出由于充电和放电循环疲劳以及电解质的重复化学反应而产生的氧化物堆积或微裂纹。导致电气短路的内部电池分离器故障是另一个故障源。分离器故障可能来自电池的物理冲击或刺穿或暴露于非常高的温度。制造过程中的材料缺陷也可能导致故障。

 

老化和电池容量下降不是需要立即干预的严重故障。然而，这些因素与电池应用用户有关。开路电压测量本身不是电池容量的良好指标。老化电池的内阻随着时间的推移而增加，但您无法进行快速电阻测量并立即得出容量退化的结论。温度、SOC和放电速率影响电池内部电阻。

 

由于电化学反应和电池暴露于诸如温度和机械应力等物理变量，电池故障是复杂的。充电方法是另一个因素。因此，没有一种单电池测试仪器能够为电池故障提供明确的诊断解决方案。然而，测试设备解决方案可满足所有需求，具体取决于应用、电力使用要求、容量和生产周期（研发、合规性测试或生产）。

 

电池仿真以验证电池性能
 

电池仿真软件可以预测电池容量随时间的下降。此外，电池仿真软件可以预测温度对电池寿命的影响。在模拟电池之前，必须对其进行分析，以了解其随着时间的推移放电时可以存储和供应的能量量。开路电压和内部电阻随着蓄电池放电而变化。因此，至关重要的是绘制出这些曲线，以便电池曲线准确反映电池的真实性能。图3是一个典型图的示例。工程师可以通过使用电池建模软件或从电池供应商接收配置文件来获得电池配置文件。建模软件创建的配置文件反映了特定设备的电流消耗，比电池供应商的通用配置文件更准确。电池配置文件是软件模拟电池的基础。考虑温度对电池寿命的影响至关重要。图4显示了温度如何影响电池的容量曲线。在不同温度值下生成的曲线能够更好地预测温度对电池寿命的影响。 

 

图5：使用BV9210B/11B软件的电池循环测试

 

一旦开发了电池配置文件，电池仿真软件可用于循环电池，以确定容量损失和电池寿命缩短。在充电和放电的寿命期间，电池性能会显著下降。电池测试和仿真软件为实现这一点提供了一个简单的解决方案。软件必须支持任意波形生成和数据记录。此外，为电池创建不同的充电和放电波形的能力也是有价值的。可以组合多个不同的充电和放电序列以模拟复杂的循环曲线。然后，他们可以确认电池的性能如何随时间下降。例如，仿真软件解决方案使工程师能够进行多达1000次循环操作，以确定电池在顺序测试条件下的老化效应和可靠性（见图5）。

 

Keysight的BV9210B/11B PathWave BenchVue高级电池测试和仿真软件，以及N6705C DC功率分析仪和N6781A或N6785A SMU模块，可以执行电池分析、电池仿真、电流消耗分析和电池循环测试。

 

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