艾德克斯IT6412在鋰電池安全測試中的應(yīng)用

　　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)注電池問題。的確，巨大的移動數(shù)碼和通信設(shè)備的需求、電動工具的快速發(fā)展，電動汽車和節(jié)能環(huán)保對大容量電池的需求，使整個電池行業(yè)欣欣向榮。但鋰電池充電時產(chǎn)生的枝晶會使電池短路，目前尚未徹底解決其安全問題。如何通過嚴(yán)格可靠的測試，控制并保證鋰電池的安全運行并提升其工作壽命，不僅是從事鋰電池開發(fā)和生產(chǎn)的工程師面對的挑戰(zhàn)，也同樣是對產(chǎn)品設(shè)計工程師在選用電池和設(shè)計產(chǎn)品用電特性時，需要充分考慮的問題。艾德克斯IT6412的鋰電池安全測試方案，可以從循環(huán)充放電、保護(hù)性能以及電池保護(hù)板性能等各個方面測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

　　鋰電池是通過鋰離子的傳遞來完成充放電的。如圖一所示，鋰離子電池由正極，負(fù)極，隔膜，電解質(zhì)組成。現(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嵌入和脫嵌兩個過程來完成(如圖二所示)，在放電時，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，這個過程被稱為脫嵌。而在充電狀態(tài)下這個過程則相反，稱之為入嵌。上圖中左為鋰電池的入嵌過程，右為脫嵌過程。

　　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作用下向負(fù)極運動，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)充電速度過快時，鋰離子還來不及鉆進(jìn)負(fù)極的小洞穴，就在負(fù)極附近的電解液中聚集起來，一些靠近碳負(fù)極的鋰離子就會與電子結(jié)合，從而變成金屬鋰。如此這般，時間一長，金屬鋰就會在負(fù)極堆積起來、形成像樹枝一樣的晶體，大家習(xí)慣地稱呼這種樹枝狀晶體為“枝晶”。

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

　　二、IT6412的充放電安全測試保障電池壽命

　　鋰離子電池充電分為三個階段(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改為恒壓充電。通常當(dāng)充電電流降為1/10C(典型值80mA)時，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)。鋰電池的放電測試則需要電池在不同的溫度下進(jìn)行電池放電試驗，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試。

　　圖三:鋰電池充電曲線

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

　　圖四、充電終止電壓與電池壽命的關(guān)系

　　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%的電壓誤差會導(dǎo)致壽命變化1/3。

　　圖五、充電終止電壓對容量的影響

　　如圖五所示，鋰電池1%的終止電壓的變化，會使容量改變8%，因為過充電會使容量看起來更大，欠充電會使容量得不到充分的利用。因此，終止電壓的精度是一個非常重要的參數(shù)。IT6412電壓解析度1mV，并具有萬分之二的電壓精度，電池測試功能可以精確設(shè)置充電截止電壓、充電時間和充電容量，防止過充對電池壽命的損壞。

　　圖六: IT6412實現(xiàn)電池充放電

　　單臺IT6412雙通道雙極性電源可同時實現(xiàn)輸出電流和吸收電流的功能，并且有高低兩個電壓量程，如圖六所示，電壓電流量測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)和測試工程師大幅度提高工作效率，短時間內(nèi)快速掌握在各種情況下鋰電池的工作情況。

　　三、測試鋰電池保護(hù)板

　　鋰電池保護(hù)板是對串聯(lián)鋰電池組的充放電保護(hù)，保護(hù)電池不過放、不過充、不過流，還有就是輸出短路保護(hù)。IT6412因其獨特的電流雙極性設(shè)計，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試鋰電池保護(hù)板性能。

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

　　根據(jù)國標(biāo)GB/T18287-2000的測試要求，測量電池在過沖、過放和短路情況下保護(hù)電流的變化情況和響應(yīng)時間。由于在過保護(hù)瞬間和短路響應(yīng)瞬間時間非常短，通常都在百微秒級別，因此，對于測試的電源響應(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，具有超快動態(tài)響應(yīng)，50%-100% LOAD 恢復(fù)到50 mV時響應(yīng)時間小于50us，如圖七所示。完全滿足鋰電池ms級別的響應(yīng)測試要求。

　　圖七：IT6412 動態(tài)響應(yīng)時間曲線圖

　　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試電池，還可以模擬電池，超快的動態(tài)響應(yīng)可以測試保護(hù)動作時間，同時具有快速的A/D采樣，并且電流顯示解析度可達(dá)100nA，完全滿足微安級別的空耗電流測試要求。一臺儀器可實現(xiàn)多種用途， 精簡測試設(shè)備，優(yōu)化測試流程。

　　圖八：艾德克斯明星產(chǎn)品——IT6412雙通道雙極性直流電源