动力电池的测试和仿真技术

安捷伦动力电池的测试和仿真方案Power&EnergyDivision*内容安排典型的电池供电设备及电池的特性安捷伦APS先进电源系统方案简介基于APS的电池性能测试方案基于APS的电池仿真方案Page3*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17亿部2013年全球数码相机出货量预计1亿台Page4*电动交通工具Page5*UPS不间断电源*绿色能源-光伏、风能*电动工具*锂电池的组成及定义电池主要由电芯，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。PTC是Positivetemperaturecoefficient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Negativetemperaturecoefficient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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。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。锂电池的负极枝晶效应由前所述，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=====================锂电池的电压区域划分*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-D2T1P-。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-D1T2B-。*锂电池的控制保护电路异常控制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。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，虚线代表电压变化锂离子电池充电的几个基本原则*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*内容安排典型的电池供电设备及电池的特性安捷伦APS先进电源系统方案简介基于APS的电池性能测试方案基于APS的电池仿真方案Page18*前所未有的高性能电源产品（APS）APS，先进电源系统AdvancedPowerSystem电源和负载功能大功率任意波形发生器电压、电流示波器电压、电流数据记录仪内置电池内阻仿真内置电量计Page19*APS电源的双象限工作模式——通过外接功率耗散器，实现电源与电子负载功能的无缝衔接功率耗散其单元直接与APS电源连接，实现电流的全量程吸收所有控制由电源端实现，不需要额外的编程控制接口2KW电源可以连接两个功率扩散器，实现电源与电子负载功率匹配实现电源与电子负载功能的无缝衔接，与真实电池性能一致，充放电可自由转换一体化的电源与电子负载集成方案，可以对正负电流进行直接测量，可以累积计算冲电量和放电量N7909A1000W功率耗散器+VQuadrantI+A-AQuadrantII直流电源电子负载10%100%Page20*14585APC端分析软件*内容安排典型的电池供电设备及电池的特性安捷伦APS先进电源系统方案简介基于APS的电池性能测试方案基于APS的电池仿真方案Page22*APS双象限具有电池充放电一致的特性充电放电•具备+/-电流能力，使用同一台设备，在同一种连接方式下，可以对电池进行充电或放电测试•内置电量测试能力，可以直接获得累积的电量(AHr)数据，测试和验证电池容量。•可以长时间记录充放电整个过程中的电量/电压/电流数据•具备电池内阻计算能力，可以用于计算电池交流内阻•输出端具备继电器开关，可以完全断开与蓄电池的连接充放电交替测试不再困难?*电池循环充、放电的容量测试*电池电压-容量分布测试*电芯/成品电池的交流内阻电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力，它包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。交流内阻测试方法为:利用电池等效于一个有源电阻的特点,给电池一个1000HZ的交变电流,对其电压采样整流滤波等一系列处理从而精确地测量其阻值。APS具有任意波形功能，可以实现1000Hz的交变电流；APS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。*电池内阻-容量分布测试*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%.*使用APS电源进行电池的安全性能测试两台APS搭建的电池管理电路测试，电芯端（B+，B-）或电池端（P+,P-)均可实现电源或电子负载功能，无需额外的开关切换，极大的简化测试系统复杂度，提高测试的稳定性和效率；APS内置200KHz（5us）的电压、电流示波器，可直接测试过压，过流，短路等保护的响应时间；APS内置电压、电流任意波形功能，可快速、精确扫描过压、欠压保护工作点；APS具有高达18比特的编程和测试分辨率，具有极高的测试精度。*充电过压保护电压及响应时间，保护撤销电池电压及响应时间使用APS的任意波发生器功能，模拟电池电压的上升和下降序列，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)：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)。*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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)：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)。*电池充电过流保护电压及响应时间设置最大电流为6A，并使用APS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.*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，APS平台可以提供高达200A的电流。•短路响应时间非常短，通常都在百微秒级别，如左图测试的470us，电流为-26A，APS支持5us电流采样速率。*大功率：5kW,10kW,15kW系列，一个14个型号。通过主从模式的并联，未来可以拓展到60-100kW全部型号是自动量程电源单台最高电压1500V,最大电流510A0.1%的电压编程和测量精度；0.2%的电流编程和测量精度3U高端，全机架宽度GPIB，USB，LXICore）编程接口完备的过压、过流和过温保护最新的N8900系列5–15kW5kW10kW15kW80V170A340A510A200V70A140A210A500V30A60A90A750V20A40A60A1000V30A1500V30A新上市*内容安排典型的电池供电设备及电池的特性安捷伦APS先进电源系统方案简介基于APS的电池性能测试方案基于APS的电池仿真方案Page35*电池使用APS模拟电池测试电动车的BMSBMS电池管理系统用电负载ECU/TCUABS/安全气囊雨刷器车灯自动门锁总线系统娱乐系统充电装置仿真充电器APS充当动态直流电源仿真负载APS充当动态的电子负载仿真电池APS充当连续的电源与负载为何需要蓄电池模拟器Page361.为什么需要蓄电池模拟器？•为测试BMS或其他电源控制单元•为测试整个系统在不同供电条件下的工作情况2.仿真蓄电池的基本要求？•静态仿真•具备输出和吸收电流能力，充、放电功能可自由切换•具有电量计统计功能•模拟电池在静态工作点上的工作状况•体现电池内阻对电池端电压影响•良好的瞬态响应•丰富的电池种类•动态仿真•模拟充放电整个过程中电池端电压的变化•快速的电池端电压更新速率•充放电曲线加速测试•模拟蓄电池受环境因素影响，可以根据压力，温度等传感器数据修正电池容量，建立闭环仿真充电放电*蓄电池等效模型和蓄电池供电特性蓄电池模型可以等效为理想恒压源Vc与内阻ESR串联•充电时，电流流入电池，Vbat（电池端电压）Vc(电池开路电压)•放电时，电流流出电池，Vbat（电池端电压）Vc（电池开路电压）当负载电流变化时，电池端电压会随之产生波动实际效果：当负载电流变化时，电池端电压会随之产生波动*APS电池内阻仿真功能测试BMS在蓄电池不同荷电