RIGOL技術(shù)站 | 三分鐘玩轉(zhuǎn)電池放電測試

電能是我們生活中使用最為方便的能源，我們無時(shí)不刻不在使用著電能。時(shí)至今日，我們已經(jīng)能夠隨時(shí)隨地獲得電能，這些便捷離不開可充電的鋰離子電池。 鋰電池經(jīng)過多年的技術(shù)革新，綜合性能不斷提升，已經(jīng)應(yīng)用在了非常多的領(lǐng)域，但正因?yàn)槿绱耍瑢﹄姵氐倪M(jìn)行全面的測試非常有必要，因?yàn)殇囯姵卦诠ぷ鳟惓r(shí)可能出現(xiàn)起火爆炸的事故，導(dǎo)致人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。在電池的各項(xiàng)測試中，電池放電測試是其中重要的一環(huán)。電池的放電測試對電池循環(huán)壽命，放電性能評估有很大的幫助。

電池放電測試過程中不僅僅需要關(guān)注電池的電學(xué)參數(shù)，電池的溫度也是非常重要的一點(diǎn)，因?yàn)闇囟仁侵苯佑绊戜囯x子電池的安全性和可靠性的因素之一。除了安全方面，溫度也會對鋰離子電池的有效容量和放電性能產(chǎn)生很大的影響。在寒冷的冬天電動(dòng)汽車的性能大幅下降很大程度上和電池在低溫環(huán)境中的性能下降有關(guān)。

此外，在實(shí)際的使用中，電池往往會遵循電池廠家指定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充電，充電過程相對更平穩(wěn)，更可控，然而放電過程卻是隨著負(fù)載的不同會有很大的差異，放電過程一旦產(chǎn)生大量的熱量聚集，超過電池允許的工作溫度，就會影響其安全性和可靠性。

可見對電池在不同溫度環(huán)境下的放電性能測試和放電過程中的溫度變化檢測是一個(gè)產(chǎn)品開發(fā)中不可忽視的重要步驟，本文我們就來介紹一下如何使用通用測試測量設(shè)備對電池進(jìn)行放電測試并進(jìn)行參數(shù)監(jiān)測。

常見的鋰離子電池的典型放電曲線如下：
 

電池放電曲線示意圖

通常，這個(gè)曲線是由電池生產(chǎn)廠家在指定的測試條件下的一個(gè)參考曲線，而對于客戶實(shí)際的多樣化的應(yīng)用需求，需要有針對性設(shè)計(jì)測試條件。

一般來說，電池的性能受電池溫度、電池內(nèi)阻、充放電循環(huán)次數(shù)、放電電流、放電方式等多種因素影響，而對于存儲了一段時(shí)間的電池，存放時(shí)間、存放的溫度等也會影響到電池在使用時(shí)的性能。因此，測試電池放電特性是一個(gè)需要較長時(shí)間、重復(fù)性的工作。
關(guān)鍵因素
 

在電池放電測試中需要關(guān)注如下幾個(gè)問題：

電池的端口電壓

在電池放電測試中，需要時(shí)刻關(guān)注電池的端口電壓。一方面，計(jì)算電池可釋放出來的能量需要根據(jù)電池的實(shí)時(shí)端口電壓進(jìn)行計(jì)算，以得到實(shí)際放電過程中的準(zhǔn)確的功率參數(shù)；另一方面，由于鋰電池在過度放電時(shí)會因?yàn)殡姵貎?nèi)部物質(zhì)或結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化而導(dǎo)致電池?fù)p壞或性能下降，為了避免這種情況發(fā)生，電子負(fù)載的電池測試模式需要設(shè)定放電終止的閾值電壓，一旦達(dá)到終止放電的電壓條件，電子負(fù)載能自動(dòng)停止測試而無需人時(shí)刻監(jiān)視電池電壓，以避免電池的過度放電。

電池到電子負(fù)載之間導(dǎo)線的電阻

電池到電子負(fù)載之間的導(dǎo)線必然存在一定的電阻，當(dāng)被測設(shè)備輸出大電流時(shí)，負(fù)載引線上的壓降將變得不可忽略，這將使電子負(fù)載在建立負(fù)載電流之后的端口電壓低于電池實(shí)際的端口電壓，顯然，這與連接線纜的引線等效電阻有直接的關(guān)系。為了確保電子負(fù)載可以準(zhǔn)確測量被測設(shè)備的輸出電壓，電子負(fù)載需要提供獨(dú)立于堵在端子的額外遠(yuǎn)端Sense端子，當(dāng)電子負(fù)載處于Sense 工作模式時(shí)，Sense 功能被啟用，接線方式如下圖所示。

按照正確的方式連接Sense端子和被測設(shè)備的輸出端后，電子負(fù)載可以直接通過Sense端子檢測被測對象的實(shí)際電壓，從而自動(dòng)補(bǔ)償電子負(fù)載引線電阻引起的壓降，使得電子負(fù)載可以準(zhǔn)確地測量電池的端口電壓。

電池的溫度

在整個(gè)放電測試的過程中，電池的溫度也是需要監(jiān)測的信息之一。一方面，電池放電過程中，電池不可避免地會因?yàn)闅W姆內(nèi)阻產(chǎn)生熱量，也會有內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，尤其是在較大功率放電時(shí)，電池將會有明顯的溫升；另一方面，電池的溫度變化會對電池的性能產(chǎn)生顯著的影響，過高和過低的溫度都會嚴(yán)重影響電池的性能甚至影響電池的安全使用。此外，在電池壽命的后期，隨著電池性能下降，內(nèi)阻增加，同樣的放電條件下電池的溫度會上升更快，嚴(yán)重時(shí)可能超過電池的安全限制范圍，造成安全風(fēng)險(xiǎn)。 

對于整組的電池組來說，受限于散熱條件，位于電池組不同位置的電池單體的散熱能力會有顯著的差異。在放電過程中，即使電池單體的特性完全一致也會因?yàn)樯崮芰Φ牟町愒斐呻姵亟M內(nèi)的電池單體出現(xiàn)溫度不均衡，而這種溫度的不均衡將在反復(fù)的充放電中使得電池單體間的性能出現(xiàn)差異或造成差異不斷增加。

綜上所述，在放電過程中準(zhǔn)確地測量電池的電壓和溫度，才能更準(zhǔn)確地評估電池的放電特性。
環(huán)境搭建

電池放電測試連接示意圖

準(zhǔn)備一臺DL3000可編程電子負(fù)載，如DL3031A；

一個(gè)具有保護(hù)板的電池組，如選用多串組的電池組，最好選擇帶有均衡充電接口可檢測每節(jié)電池的電壓的電池組；

準(zhǔn)備一臺M300數(shù)據(jù)采集/開關(guān)系統(tǒng)，配備MC3065（DMM 模塊）和一張多路復(fù)用器模塊MC3132、接線盒M3TB32、熱電偶等，該模塊需要支持兩線制測試并可承受電池組的工作電壓；

使用將熱電偶測溫點(diǎn)貼至電池表面，并將熱電偶連接至多路復(fù)用器接線盒；

將電池組的正極和負(fù)極分別連接到DL3031A的正極和負(fù)極上，并正確的按照四線制方式連接Sense線纜；

電池組的電壓測量線路連接至M300數(shù)據(jù)采集/開關(guān)系統(tǒng)以檢測和記錄放電過程的電池組電壓變化。

操作步驟

01、啟用M300測量功能

在默認(rèn)列表中，點(diǎn)擊編輯列表，點(diǎn)擊新建，選擇電壓測試通道號505，點(diǎn)擊確定,選擇測試DCV,量程選擇自動(dòng)，點(diǎn)擊完成，完成電壓測試通道配置。

繼續(xù)點(diǎn)擊新建，建立溫度測試通道，選擇溫度測試通道521，選擇TEMP，類型選擇TC，接著選擇熱電偶型號，本次測試選擇的是K型熱電偶，型號選擇K，單位選擇℃點(diǎn)擊完成

點(diǎn)擊Monitor，進(jìn)入通道監(jiān)視界面，選擇多通道，添加通道505與521，觀察此時(shí)的電壓與溫度測量值

02、啟用DL3031電池測試功能

按 APP 鍵切換至 Battery 測試功能主界面，如圖所示，主界面上方顯示 “Battery”。

測量界面

設(shè)置電流值為2.2A。（為了安全，該設(shè)置必須與電池性能匹配，在安全的電流范圍內(nèi)）設(shè)置截止電壓為3V。（為了安全，該設(shè)置必須與電池性能匹配，在放電下限值之上，放電時(shí)間和電池容量可選）

按下ON/OFF，啟動(dòng)電子負(fù)載

按下負(fù)載上的綠色眼睛按鈕，即可打開電池放電曲線，設(shè)置合適的窗口時(shí)間，即可觀察對應(yīng)時(shí)間內(nèi)電池的電壓或電流變化曲線。

放電過程中的曲線