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锂电池性能及安全性测试方案

发布日期:2022-05-25 06:46   来源:未知   阅读:

  我们的电池安全、耐用、可靠吗?从手机电池安全事件到波音787电池事件,人们前所未有地在关注电池问题。的确,巨大的移动数码和通信设备的需求、电动工具的快速发展,电动汽车和节能环保对大容量电池的需求,使整个电池行业欣欣向荣。但锂电池的容量越大,危险就越大。如何通过严格可靠的测试,控制并保证锂电池的安全运行并提升其工作寿命,不仅是从事锂电池开发和生产的工程师面对的挑战,也同样是对产品设计工程师在选用电池和设计产品用电特性时,需要充分考虑的问题。

  锂电池的控制和监测是通过电池的保护和控制电路(BMS)来实现的。在实际BMS的研发和测试时,需要模拟可控的电芯来仿真电池的不同工作状态,评估BMS的保护和控制性能。然而,目前常规的手段难以仿真其真实的工作状态并进行精确测试,也无法实现电池保护响应时间的精确测试。安捷伦科技新的先进电源系统(APS)和直流电源分析仪,同时具备电源、负载、电压电流数字化仪,大功率任意波形发生器等等众多功能。基于这些新产品开发出的测试方案,可便捷地完成电池仿真、内阻测试,还有充放电容量,比如过充、过放、过流、短路等全面性能的评估。

  使用电池供电的设备及产品有很多,比如、手机、平板电脑、笔记本、数码相机等等,这些都是使用可充电的电池进行供电,这也是目前可充电电池领域最大的市场之一,这些电池的容量和体积都比较小。

  随着全球绿色能源和节能环保概念的提出,大功率、大容量的电池应用也逐渐地变得越来越多,包括电动汽车、电动自行车等,所以,大功率、大容量的电池应用成为电池应用的主要领域之一。

  另外,绿色能源,比如光伏发电、风力发电,也在催生着更大功率电池的应用,主要是因为无论风力还是太阳能都不是全天候的能源,比如,太阳能在白天光照强的时候能输出比较大功率,但是在晚上没有直接的光照却不能提供大功率的供电。所以,就需要在太阳能充分的时候把转化过来的电能进行储存,而在光照不充分的晚上把它释放出来,风力发电也是一样。在这样的情况下,大功率电池就显得非常重要。

  电池主要由电芯、控制保护电路、外壳引线等组成。主流的电芯由以下企业提供,包括三洋、松下、索尼、比克等。

  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。

  锂离子电池的工作原理如图1所示。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V);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(2.75V~3.00V);低压警戒区:保护线V);低压危险区。

  锂电池的控制保护电路如图2所示。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-。

  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。

  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。

  安捷伦科技的解决方案之一是N6705B直流分析仪,方案在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。表1为安捷伦科技产品技术参数。