利用独立电池测试系统测试电池的安全性

使用可充电电池的现代产品应用通常具有内置传感器和电池管理系统 (BMS) 电路。BMS 可监控可充电电池系统的电压、电流和温度，无论是单个电池、模块（一组电池）还是电池组（一组模块）。一般而言，监控电池的电压和电流通常不足以确定电池的健康状况。

监测电池温度可以警告您潜在的缺陷并快速判断故障位置。BMS 监测电池组以将工作温度保持在最佳范围内。太热的电池会发生故障。但是太冷的电池也会由于内部电化学反应较慢而性能下降，从而降低其性能。

本白皮书重点介绍了常见的与温度相关的电池问题，并向您展示测试仪器如何帮助您构建更好的电池供电应用程序。

监测电池温度的常见挑战

热不平衡、电池组热点、低性能和电量是监控电池温度时需要关注的领域。

当使用导致热不平衡时

大规模应用通常使用电池组，其中模块以串联和并联方式连接。电池组中策略性放置的热传感器可检测温度变化。大型电池组热失衡通常始于电池单元的不均匀性影响其充放电电压。随着时间的推移，不均匀性变化会加速，一些电池单元会过度充电或过度放电，导致电池过热。

您可以使用 BMS 来平衡电池，在充满电时均衡电池之间的电压和充电状态 (SOC)，从而最大限度地减少热不平衡。电池制造商还可以选择开路电压非常接近的电池组来构建电池组，并最大限度地减少 SOC 变化。

产品设计也会造成热失衡，例如电池组的冷却系统对于某些外部恶劣环境不够有效。

电池组热点

监测电池温度有助于检测热点。根据电池应用的重要性，有时只需在电池组中战略性地放置几个传感器就足够了。然而，在电动汽车等需要关键性能的应用中，您可以在每个电池组模块上放置一个温度传感器。

热点往往出现在电池组中的弱电池单元上。弱电池单元容易受到过度应力并逐渐退化。因此，它们在运行过程中会比正常的好电池单元更热，因为它们很难跟上好电池单元的性能。

热点还可以警告您电池单元或模块可能损坏。电池组受到的物理冲击可能会刺穿或变形电池单元的内部结构，例如电极或聚合物隔板。如果发生这种情况且未采取任何干预措施，电池单元损坏可能会恶化并可能导致热失控。这可能会导致火灾和爆炸，因此检测热点、找到故障电池并快速更换它们非常重要。

造成热点的其他原因包括端子连接不良、散热组件缺陷以及外部电缆短路。

电池性能和使用容量低

监测电池温度是一个主动的闭环过程，以确保电池组在最佳充电和放电温度范围内运行。

寒冷天气会导致电池性能下降，因为电化学反应速度会变慢。 因此，电池使用容量会大幅下降，甚至可能停止运行。

更大的问题是电池系统在高于制造商规格的温度下运行。电池寿命会缩短，性能较弱的电池可能与性能良好的电池有较大偏差。此时，热不平衡和热点开始出现。

独立测试设备监测电池温度

许多商用电池管理系统适用于各种应用，从物联网 (IoT) 设备到高压汽车应用。基本功能包括过流保护、过压保护、过充保护、过热保护、欠压保护、电池平衡、SOC 和SOH。

但是，在您的应用中，有很多充分的理由来购买独立的测试设备来监测电池温度。

独立测试验证系统的好处

拥有独立的测试验证系统（例如模块化数据采集 (DAQ) 系统）有助于验证您的 BMS 是否正常运行。它还有助于验证应用程序的整体集成系统。独立的 DAQ 系统可以执行以下操作：

使用多种类型的温度传感器（如热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器 (RTD)）进行更精确的测量。使用热敏电阻或 RTD，可以实现 ≤ 0.1 °C 的温度精度。

测量温度范围为 -150 °C 至 1820 °C。这让您可以同时监控内部电池系统和外部环境温度。

在您的应用程序中测量比 BMS 实施更多的点，以验证您的 BMS 没有错过任何关键位置。

以更短的间隔进行测量，不会对 BMS 和应用程序的硬件资源造成负担。更短的间隔可帮助您找到 BMS 监控系统的最佳间隔设置。

为关键任务应用程序获得外部冗余

拥有独立测试系统的一个关键原因是为关键任务应用提供冗余。例如，监测和控制重要器官功能的医疗设备在操作过程中不能承受意外断电。另一个例子是为 IT、电信和医疗设备等重要建筑功能供电的大型储能系统。

独立的 DAQ 系统可以执行以下操作：

• 提供独立的警报和紧急二次关闭，以防止电池系统熔化或火灾。
• 如果主系统发生故障或失去通信，则提供备用监控和控制系统。
• 高度通用的 DAQ 系统是独立测试设备监测温度的最佳选择。此外，它足够灵活，可以适应大型项目。

许多现代 DAQ 系统都内置了高分辨率、6.5 位万用表仪器。它们还配备了各种固态、电枢和簧片开关多路复用器模块，以监控超过 100 个通道的温度点。此外，由于 DAQ 具有内置数字万用表 (DMM)，因此它可以测量除温度之外的其他信号，例如交流/直流电压和电流、电阻和电容。

图 1 中显示的 DAQ 系统是模块化的，允许扩展用于温度监控的通道。系统允许您在项目扩展时添加模块以进行相应扩展。这意味着您不必投资新系统，并且可以节省宝贵的开发时间。

图 1：Keysight 34980A 数据采集开关/测量单元 (SMU)

测试设备帮助构建更好的电池供电应用

一旦了解了电池故障的原因，您就可以使用电池模拟软件来预测电池容量的下降。

电池故障机制和问题

您可以通过物理剖析电池故障来分析其根本原因。但是，电气测量可以提供一些迹象，帮助在故障发生之前预测到它们。

故障原因之一是阳极电极上的锂沉积或枝晶生长。这种生长通常是由于电池在多次循环中过度充电，导致锂沉积在阳极上。随着时间的推移，这可能会导致两个电池电极之间发生短路。这种短路很难监控，因为它发生得很快——在电压下降后的几毫秒内。

另一个故障源是电极退化。在这种情况下，电极会因充电和放电循环疲劳以及电解质的重复化学反应而出现氧化物堆积或微裂纹。

电池内部隔膜故障也可能导致电气短路。隔膜故障可能是由于电池受到物理撞击或刺穿或暴露在极高温度下造成的。此外，制造过程中的材料缺陷也可能导致故障。

电池老化和容量下降并不是需要立即干预的严重故障。然而，这些因素令电池应用用户感到担忧。开路电压测量本身并不是电池容量的良好指标。老化电池的内阻会随着时间的推移而增加，但您无法通过电阻测量快照来立即得出容量下降的结论。温度、SOC和放电率会影响电池内阻。图 2 显示了电池单元中可能随时间推移发生的几种关键电池故障机制。

图 2：随时间推移的内部电池故障机制

电池故障很复杂，因为电池会经历电化学反应，并暴露于温度和机械应力等物理变量。电池充电方法是另一个因素。例如，如果电池经常进行快速充电，其温度会比正常充电高得多，并且会随着时间的推移而更快地退化。

没有任何一种电池测试仪器能够为电池故障提供明确的诊断解决方案。但是，根据您的应用、用电量要求、容量和生产周期（研发、合规性测试或生产），有多种测试设备解决方案可满足您的需求。请参阅“了解更多”部分，获取可满足您的诊断需求的测试设备链接。

现在我们将探索测试设备工具，以帮助您更好地证实电池寿命及其温度的影响。

电池仿真以验证电池性能，包括温度的影响

您可以使用电池模拟软件来更好地了解和预测电池容量随时间下降的情况。此外，电池模拟软件可以预测温度对电池寿命的影响。

在模拟电池之前，您必须先对其进行分析。您需要了解电池在一段时间内放电时可以存储和提供的能量。开路电压和内阻会随着电池放电而变化。

因此，绘制这些图表至关重要，这样电池配置文件才能准确反映电池的实际性能。图 3 是一个典型图表的示例。工程师可以使用电池建模软件或从电池供应商处获取配置文件来获取电池配置文件。建模软件会创建一个配置文件，反映特定设备的当前消耗；它比电池供应商的通用配置文件更准确。电池配置文件是软件模拟电池的基础。

考虑温度对电池寿命的影响至关重要。图 4 显示了温度如何影响电池的容量曲线。生成不同温度值的曲线图可以让您更好地预测温度对电池寿命的影响。

图 3：使用 Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 高级电池测试和仿真软件创建的电池配置文件

图 4：1,000 mAh 锂离子电池，3 V 截止电压 - 温度变化

开发电池配置文件后，您可以使用电池仿真软件对电池进行循环，以确定容量损失和电池寿命缩短。电池性能在充电和放电过程中会显著下降，这就是为什么模拟电池循环至关重要的原因。电池测试和仿真软件提供了一种简单的解决方案来实现这一点。重要的是，软件支持任意波形生成 (AWG) 和数据记录。此外，能够为电池创建各种充电和放电波形也很有价值。

工程师可以组合多个不同的充电和放电序列来模拟复杂的循环曲线。然后他们可以确认电池的性能如何随时间而下降。例如，仿真软件解决方案使工程师能够进行多达 1,000 次循环操作，以确定序列测试条件下电池的老化效应和可靠性（见图 5）。

图 5：使用 Keysight BV9210B / 11B 软件的电池循环测试结果

Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 先进电池测试和仿真软件，搭配 N6705C 直流电源分析仪和 N6781A 或 N6785A 源测量单元 (SMU) 模块，可以执行电池分析、电池仿真、电流消耗分析和电池循环测试。

摘要和资源

拥有一个独立的测试系统来监控电池健康和温度是必不可少的。独立测试系统使您能够检测潜在问题，例如热不平衡、热点和环境温度变化，即使您已经拥有 BMS，这些问题也可能影响电池系统的整体性能。

独立电池测试系统可用作测试验证系统和外部冗余安全系统；它可扩展以满足您所有的电池测试系统需求。此外，该系统还有助于排除电池故障。通过一些额外的设置和电池软件应用程序，您可以将该系统用作电池模拟器，以帮助构建更好的电池供电应用程序。