锂电池性能安全性测试方案

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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
•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
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!
17亿部
2013年全球数码相机出货量预计
1 亿台
3ห้องสมุดไป่ตู้
电动交通工具
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UPS不间断电源
5
绿色能源-光伏、风能
6
电动工具
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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
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锂电池的组成及定义
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。
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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
用真实手机对电池放电,作为电压，电流表测试放电容量
我们可以得到:
电压 电流 功率 平均电流 = 233 mA 平均电压 = 3.82 V 放电容量 = 843 mA-h 放电能量 = 3.19 W-h 时间 = 3 hr 38 min 关机电压 = 3.44 V
结论：
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。
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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。
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。 24
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。
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N6705B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。
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N6705B进行电芯/成品电池容量测试 （2）
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锂电池的负极枝晶效应
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。
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
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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
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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
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
最真实的电池容量
测试连接框图 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。
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N6705B进行电芯/成品电池容量测试 （3）
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。
因此，充电控制和管理对锂电池尤为重要。
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锂电池的电压区域划分
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 =====================
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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->>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-。
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锂电池的控制保护电路异常控制
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)。
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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)：
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
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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
全新锂电池性能及安全性测试方案
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
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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
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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)。
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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.
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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. 30
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。