鋰電池性能及安全性測試方案

我們的電池安全、耐用、可靠嗎？從手機(jī)電池安全事件到波音787電池事件，人們前所未有地在關(guān)注電池問題。的確，巨大的移動(dòng)數(shù)碼和通信設(shè)備的需求、電動(dòng)工具的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車和節(jié)能環(huán)保對大容量電池的需求，使整個(gè)電池行業(yè)欣欣向榮。但鋰電池的容量越大，危險(xiǎn)就越大。如何通過嚴(yán)格可靠的測試，控制并保證鋰電池的安全運(yùn)行并提升其工作壽命，不僅是從事鋰電池開發(fā)和生產(chǎn)的工程師面對的挑戰(zhàn)，也同樣是對產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師在選用電池和設(shè)計(jì)產(chǎn)品用電特性時(shí)，需要充分考慮的問題。

圖1 鋰離子電池的工作原理圖

鋰電池的控制和監(jiān)測是通過電池的保護(hù)和控制電路（BMS）來實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際BMS的研發(fā)和測試時(shí)，需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(hù)和控制性能。然而，目前常規(guī)的手段難以仿真其真實(shí)的工作狀態(tài)并進(jìn)行精確測試，也無法實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)響應(yīng)時(shí)間的精確測試。安捷倫科技新的先進(jìn)電源系統(tǒng)（APS）和直流電源分析儀，同時(shí)具備電源、負(fù)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?；谶@些新產(chǎn)品開發(fā)出的測試方案，可便捷地完成電池仿真、內(nèi)阻測試，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。

電池應(yīng)用需求

使用電池供電的設(shè)備及產(chǎn)品有很多，比如、手機(jī)、平板電腦、筆記本、數(shù)碼相機(jī)等等，這些都是使用可充電的電池進(jìn)行供電，這也是目前可充電電池領(lǐng)域最大的市場之一，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、大容量的電池應(yīng)用也逐漸地變得越來越多，包括電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等，所以，大功率、大容量的電池應(yīng)用成為電池應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。

UPS不間斷電源也是大容量、大功率電池的一個(gè)主要領(lǐng)域。

另外，綠色能源，比如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電，也在催生著更大功率電池的應(yīng)用，主要是因?yàn)闊o論風(fēng)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(qiáng)的時(shí)候能輸出比較大功率，但是在晚上沒有直接的光照卻不能提供大功率的供電。所以，就需要在太陽能充分的時(shí)候把轉(zhuǎn)化過來的電能進(jìn)行儲存，而在光照不充分的晚上把它釋放出來，風(fēng)力發(fā)電也是一樣。在這樣的情況下，大功率電池就顯得非常重要。

鋰電池特性及充放電管理

電池主要由電芯、控制保護(hù)電路、外殼引線等組成。主流的電芯由以下企業(yè)提供，包括三洋、松下、索尼、比克等。

PTC是positive temperature coefficient的縮寫。正溫度系數(shù)電阻，溫度越高，阻值越大，可以防止電池高溫放電和不安全的大電流的發(fā)生，即過流保護(hù)作用。

NTC是negative temperature coefficient的縮寫。負(fù)溫度系數(shù)電阻，在環(huán)境溫度升高時(shí)，其阻值降低，使用電設(shè)備或充電設(shè)備及時(shí)反應(yīng)、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(shí)，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(fù)極表面后嵌入到石墨材料晶格中，同時(shí)剩余電子從外電路到達(dá)負(fù)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?；钴S，可以和水發(fā)生反應(yīng)。故電解質(zhì)選用可溶于有機(jī)溶劑的鋰鹽。但使得鋰電池相比鎳鉻、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(jìn)入電解液，在充電器附加的外電場作用下向負(fù)極移動(dòng)，依次進(jìn)入石墨或焦炭C組成的負(fù)極，在那兒形成LiC化合物。如果充電速度過快，會使得Li+來不及進(jìn)入負(fù)極柵格，在負(fù)極附近的電解液中就會聚集Li+，這些靠近碳C負(fù)極的Li+很可能從負(fù)極俘獲一個(gè)電子成為金屬Li。持續(xù)的金屬鋰生成會在負(fù)極附近堆積、長大成樹枝狀的晶體，俗稱枝晶。隨著負(fù)極的充滿程度越高，LiC晶格留下的空格越少，從正極移動(dòng)過來的Li+找到空格的機(jī)會就困難，時(shí)間就越長。如果充電速度不變的話，一樣可能在負(fù)極表面形成局部的Li+堆積。因此，在充電的后半段必須逐步縮小充電電流。枝晶的長大會刺破正負(fù)級之間的隔膜，形成短路?？梢韵胂螅撼潆姷乃俣仍娇煸轿ｋU(xiǎn)；充電終止的電壓越高也就越危險(xiǎn)；充電的時(shí)間越長也越危險(xiǎn)。因此，充電控制和管理對鋰電池尤為重要。

鋰離子電池的電壓過高或者過低都會影響鋰電池的正常使用，甚至發(fā)生燃燒、爆炸等造成嚴(yán)重的后果。根據(jù)鋰電池的特性，一般將鋰離子電池電壓劃分為以下幾個(gè)區(qū)域，不同的電芯制造商雖有區(qū)別，但區(qū)別不大。高壓危險(xiǎn)區(qū)：保護(hù)線路過充保護(hù)電壓(4.275V~4.35V)；高壓警戒區(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)；低壓警戒區(qū)：保護(hù)線路過放保護(hù)電壓(2.3V~2.5V)；低壓危險(xiǎn)區(qū)。

鋰電池的控制保護(hù)電路如圖2所示。正常充電時(shí)，P+，P-端接充電器。MOS開關(guān)T2打開，T1關(guān)閉。充電電流回路為：P+>>B+>>B->>D2>>T1>>P-。正常放電時(shí)，P+，P-端接用電設(shè)備，如手機(jī)。T1打開，T2關(guān)閉。放電回路為： B+>>P+>>P->>D1>>T2>>B-。

隨著充電的進(jìn)行，電池電量及電壓不斷上升，如果不及時(shí)控制就可能進(jìn)入高壓警戒區(qū)，甚至危險(xiǎn)區(qū)。保護(hù)電路就需要準(zhǔn)確的監(jiān)測電池的電壓，當(dāng)進(jìn)入警戒區(qū)時(shí)及時(shí)打開充電回路開關(guān)T1，切斷充電回路。反之，隨著放電的進(jìn)行，電池電量及電壓不斷下降，如果不及時(shí)控制就可能進(jìn)入低壓警戒區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)。保護(hù)電路就需要準(zhǔn)確的監(jiān)測電池的電壓，當(dāng)進(jìn)入警戒區(qū)時(shí)及時(shí)打開充電回路開關(guān)T2，切斷放電回路。

圖2 鋰電池的控制保護(hù)電路

鋰離子電池充電的幾個(gè)基本原則：

?電流必須

-瞬時(shí)值<5C，平均值<1.2C

-以上值和電極表面積、電解質(zhì)、溫

度有關(guān)，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(shè)定不超過4.2V

?充電終止后不能接受涓流充電

?電壓到達(dá)4.2V后充電必須在幾個(gè)小

時(shí)內(nèi)完成，不能任意延長

違背上述原則都將產(chǎn)生“枝晶效應(yīng)”，長期反復(fù)地違背這些規(guī)則，將會對電池的壽命產(chǎn)生極大的影響，甚至有安全問題，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國每年有70起手機(jī)鋰離子電池的爆炸事故。

電芯和成品電池的測試要求：

?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(hù)電路的測試要求：

?保護(hù)功能及性能驗(yàn)證

-充電過充保護(hù)電壓精度及響應(yīng)時(shí)間

-過充保護(hù)撤銷恢復(fù)及響應(yīng)時(shí)間

-放電過放保護(hù)電壓精度及響應(yīng)時(shí)間

-過放保護(hù)撤銷恢復(fù)及響應(yīng)時(shí)間

-充電過流保護(hù)及響應(yīng)時(shí)間

-放電過電流保護(hù)及響應(yīng)時(shí)間

-短路保護(hù)測試

?保護(hù)電路對電池性能的影響

-待機(jī)空耗電流

-保護(hù)電路的電阻

N6705B直流分析儀

安捷倫科技的解決方案之一是N6705B直流分析儀，方案在單臺儀器中整合多種測試儀器的功能，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(shù)參數(shù)。