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

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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。