艾德克斯IT6412在鋰電池安全測(cè)試中的應(yīng)用

 引言

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(wèn)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(chē)和節(jié)能環(huán)保對(duì)大容量電池的需求，使整個(gè)電池行業(yè)欣欣向榮。但鋰電池充電時(shí)產(chǎn)生的枝晶會(huì)使電池短路，目前尚未徹底解決其安全問(wèn)題。如何通過(guò)嚴(yán)格可靠的測(cè)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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的工程師面對(duì)的挑戰(zhàn)，也同樣是對(duì)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(wèn)題。艾德克斯IT6412的鋰電池安全測(cè)試方案，可以從循環(huán)充放電、保護(hù)性能以及電池保護(hù)板性能等各個(gè)方面測(cè)試便攜式以及可穿戴設(shè)備的鋰電池，既安全又高效。

一、枝晶效應(yīng)

圖一、鋰電池工作的原理

鋰電池是通過(guò)鋰離子的傳遞來(lái)完成充放電的。如圖一所示，鋰離子電池由正極，負(fù)極，隔膜，電解質(zhì)組成?，F(xiàn)在鋰聚合物電池常使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質(zhì)，比傳統(tǒng)鋰離子電池更輕薄，能量密度更高，安全性更好。

鋰離子電池的充電和放電可以通過(guò)嵌入和脫嵌兩個(gè)過(guò)程來(lái)完成(如圖二所示)，在放電時(shí)，鋰離子從正極材料中移出至電解液，再像水進(jìn)入海綿一樣的進(jìn)入到負(fù)極材料，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為脫嵌。而在充電狀態(tài)下這個(gè)過(guò)程則相反，稱(chēng)之為入嵌。上圖中左為鋰電池的入嵌過(guò)程，右為脫嵌過(guò)程。

圖二、鋰離子電池的嵌入和脫嵌

所謂枝晶效應(yīng)，就是在充電過(guò)程中，鋰離子從正極脫嵌，穿越隔膜，跳進(jìn)電解液后，在充電器給予的外電場(chǎng)作用下向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，依次進(jìn)入石墨組成的負(fù)極，在負(fù)極表面形成碳鋰化合物。當(dāng)充電速度過(guò)快時(shí)，鋰離子還來(lái)不及鉆進(jìn)負(fù)極的小洞穴，就在負(fù)極附近的電解液中聚集起來(lái)，一些靠近碳負(fù)極的鋰離子就會(huì)與電子結(jié)合，從而變成金屬鋰。如此這般，時(shí)間一長(zhǎng)，金屬鋰就會(huì)在負(fù)極堆積起來(lái)、形成像樹(shù)枝一樣的晶體，大家習(xí)慣地稱(chēng)呼這種樹(shù)枝狀晶體為“枝晶”。

那么，出現(xiàn)枝晶的后果是，枝晶大到一定程度會(huì)刺穿正負(fù)極之間的隔膜，一旦刺穿，電池會(huì)立即短路，輕者電池報(bào)廢了事，重者發(fā)生爆炸。

二、IT6412的充放電安全測(cè)試保障電池壽命

鋰離子電池充電分為三個(gè)階段(如圖三所示)：一、預(yù)充電階段：小電流預(yù)充電;二、電流控制階段：達(dá)到最小充電電壓后，以額定電流恒流充電;三、電壓控制和充電結(jié)束階段：當(dāng)電池兩端電壓接近控制電壓時(shí)改為恒壓充電。通常當(dāng)充電電流降為1/10C(典型值80mA)時(shí)，認(rèn)為接近充滿，可以終止充電。

鋰離子電池充電要求保證終止電壓精度在1%之內(nèi)。鋰電池的放電測(cè)試則需要電池在不同的溫度下進(jìn)行電池放電試驗(yàn)，觀察電池變化，記錄電池的容量。小功率鋰電子尤其適合如圖三所示的線性充電，待充電電池的電壓往往在3V-4.2V之間，電流通常在0~2A之間，艾德克斯IT6412精度高，響應(yīng)速度快，尤其適合小功率鋰電池的充放電測(cè)試。

圖三:鋰電池充電曲線

艾德克斯IT6412是一款專(zhuān)為便攜式電池測(cè)試設(shè)計(jì)的雙極性電源，電流可實(shí)現(xiàn)正負(fù)極變化，具有獨(dú)特的電池充放電模式，可觀測(cè)電池的電壓、電流和電池已充電容量。不僅如此，IT6412還有示波功能，用戶(hù)可通過(guò)外部存儲(chǔ)設(shè)備，清晰、便捷的保存當(dāng)前電池放電的曲線。

如圖四所示，充電終止電壓越高，電池壽命越短。在4.2V附近，1%的電壓誤差會(huì)導(dǎo)致壽命變化1/3。

如圖五所示，鋰電池1%的終止電壓的變化，會(huì)使容量改變8%，因?yàn)檫^(guò)充電會(huì)使容量看起來(lái)更大，欠充電會(huì)使容量得不到充分的利用。 因此，終止電壓的精度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。IT6412電壓解析度1mV，并具有萬(wàn)分之二的電壓精度，電池測(cè)試功能可以精確設(shè)置充電截止電壓、充電時(shí)間和充電容量，防止過(guò)充對(duì)電池壽命的損壞。

單臺(tái)IT6412雙通道雙極性電源可同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電流和吸收電流的功能，并且有高低兩個(gè)電壓量程，如圖六所示，電壓電流量測(cè)完全可以滿足小型鋰電池的充放電需求，并且一機(jī)多用，為電池研發(fā)和測(cè)試工程師大幅度提高工作效率，短時(shí)間內(nèi)快速掌握在各種情況下鋰電池的工作情況。

三、測(cè)試鋰電池保護(hù)板

鋰電池保護(hù)板是對(duì)串聯(lián)鋰電池組的充放電保護(hù)，保護(hù)電池不過(guò)放、不過(guò)充、不過(guò)流，還有就是輸出短路保護(hù)。IT6412因其獨(dú)特的電流雙極性設(shè)計(jì)，另有可設(shè)置0~1Ω 可變的輸出阻抗，因此可以模擬鋰電池用以測(cè)試鋰電池保護(hù)板性能。

鋰電池保護(hù)板對(duì)測(cè)試設(shè)備的精度要求極高，如過(guò)充電壓保護(hù)測(cè)試，需要模擬電芯的電壓精度到達(dá)幾個(gè)mV。保護(hù)電路板的空耗電流也僅有幾個(gè)uA 。同樣，響應(yīng)時(shí)間也是電池保護(hù)板測(cè)試的重要指標(biāo)。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T18287-2000的測(cè)試要求，測(cè)量電池在過(guò)沖、過(guò)放和短路情況下保護(hù)電流的變化情況和響應(yīng)時(shí)間。由于在過(guò)保護(hù)瞬間和短路響應(yīng)瞬間時(shí)間非常短，通常都在百微秒級(jí)別，因此，對(duì)于測(cè)試的電源響應(yīng)速度也是有著嚴(yán)格的需求。艾德克斯IT6412電源是一款高精度的線性電源，具有超快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，50%-100% LOAD 恢復(fù)到50 mV時(shí)響應(yīng)時(shí)間小于50us，如圖七所示。完全滿足鋰電池ms級(jí)別的響應(yīng)測(cè)試要求。

圖七：IT6412 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間曲線圖

四、總結(jié)

艾德克斯IT6412雙極性高速線性直流電源不僅可以測(cè)試電池，還可以模擬電池，超快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以測(cè)試保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，同時(shí)具有快速的A/D采樣，并且電流顯示解析度可達(dá)100nA，完全滿足微安級(jí)別的空耗電流測(cè)試要求。一臺(tái)儀器可實(shí)現(xiàn)多種用途， 精簡(jiǎn)測(cè)試設(shè)備，優(yōu)化測(cè)試流程。