使用電池溫度監(jiān)控構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用

在可充電電池上運(yùn)行的現(xiàn)代產(chǎn)品應(yīng)用通常具有內(nèi)置傳感器和電池管理系統(tǒng) (BMS) 電路。BMS 監(jiān)控可充電電池系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，無(wú)論是單個(gè)電池、模塊（一組電池）還是電池組（一組模塊）。監(jiān)測(cè)從電池流出的電壓和電流通常不足以確定電池的健康狀況。

監(jiān)測(cè)電池溫度可以警告您潛在的缺陷并快速隔離故障位置。BMS 監(jiān)控電池組以將工作溫度保持在最佳范圍內(nèi)。太熱的電池會(huì)退化或發(fā)生故障。太冷的電池會(huì)因較慢的內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)而表現(xiàn)遲緩，從而降低其能力。

本文重點(diǎn)介紹了與溫度相關(guān)的常見(jiàn)電池問(wèn)題，并向您展示測(cè)試儀器如何幫助構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用。

監(jiān)測(cè)電池溫度的常見(jiàn)問(wèn)題

熱不平衡、電池組熱點(diǎn)以及低性能和容量是監(jiān)測(cè)電池溫度時(shí)需要注意的領(lǐng)域。

使用引起的熱不平衡

大規(guī)模應(yīng)用通常使用帶有串聯(lián)和并聯(lián)連接模塊的電池組。戰(zhàn)略性地放置在電池組上的熱傳感器可檢測(cè)溫度變化。較大的電池組熱失衡通常始于電池單元的不均勻性影響其充電和放電電壓。隨著時(shí)間的推移，不均勻性的變化會(huì)加速，一些電池會(huì)過(guò)度充電或過(guò)度放電，從而導(dǎo)致電池不成比例地過(guò)熱。

使用 BMS 來(lái)平衡充滿(mǎn)電時(shí)電池之間的電壓和充電狀態(tài) (SOC) 的電池平衡可以最大限度地減少熱不平衡。電池制造商還可以選擇開(kāi)路電壓非常接近的電池批次來(lái)構(gòu)建電池組，從而最大限度地減少 SOC 變化。

產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計(jì)也會(huì)造成熱失衡。例如，電池組的冷卻系統(tǒng)對(duì)于某些外部環(huán)境不夠有效。

電池組熱點(diǎn)

監(jiān)控電池溫度可幫助您檢測(cè)熱點(diǎn)。根據(jù)電池應(yīng)用的重要性，有時(shí)在一個(gè)電池組中戰(zhàn)略性地放置幾個(gè)傳感器就足夠了。然而，在需要關(guān)鍵性能的應(yīng)用中，溫度傳感器放置在每個(gè)電池組模塊上。

熱點(diǎn)往往發(fā)生在電池組中較弱的電池單元上。薄弱的電池單元容易受到過(guò)度應(yīng)力的影響并逐漸退化。因此，它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中會(huì)比正常的好電池更熱，因?yàn)樗鼈冸y以跟上好電池的性能。

熱點(diǎn)還可以警告您電池或模塊的潛在損壞。對(duì)電池組的物理沖擊會(huì)刺穿或變形電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如電極或聚合物隔板。如果發(fā)生這種情況并且沒(méi)有發(fā)生干預(yù)，電池單元損壞可能會(huì)退化并可能導(dǎo)致熱失控?？赡軐?dǎo)致火災(zāi)和爆炸。因此，檢測(cè)熱點(diǎn)、定位故障小區(qū)并快速更換非常重要。

熱點(diǎn)的其他原因包括端子連接不良、散熱組件缺陷和外部電纜短路。

電池性能和使用容量低

監(jiān)測(cè)電池溫度也可以是一個(gè)主動(dòng)的閉環(huán)過(guò)程，以保持電池組在最佳充電和放電溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

由于電化學(xué)反應(yīng)較慢，寒冷的溫度會(huì)導(dǎo)致電池性能下降。因此，電池使用容量將顯著下降，電池甚至可能停止工作。

更大的擔(dān)憂(yōu)是當(dāng)電池系統(tǒng)在高于制造商規(guī)格的溫度下運(yùn)行時(shí)。電池壽命會(huì)下降，較弱的電池可能會(huì)與好的電池有更多的偏差。因此，熱不平衡和熱點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)。

監(jiān)測(cè)電池溫度的基本獨(dú)立測(cè)試設(shè)備

許多商業(yè)化的電池管理系統(tǒng)可用于各種應(yīng)用，從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到高壓汽車(chē)應(yīng)用?；竟δ馨ㄟ^(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)充電保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、欠壓保護(hù)、電池平衡、SOC 和健康狀態(tài)。

但是，有很多充分的理由購(gòu)買(mǎi)獨(dú)立的測(cè)試設(shè)備來(lái)監(jiān)控應(yīng)用中的電池溫度。

獨(dú)立的測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)

擁有獨(dú)立的測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)，例如模塊化數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)，有助于驗(yàn)證您的 BMS 是否正常運(yùn)行。它還有助于驗(yàn)證應(yīng)用程序的整體集成系統(tǒng)。獨(dú)立的 DAQ 系統(tǒng)可以執(zhí)行以下操作：

使用多種類(lèi)型的溫度傳感器進(jìn)行更準(zhǔn)確的測(cè)量，例如熱電偶、熱敏電阻和電阻溫度檢測(cè)器 (RTD)。使用熱敏電阻或 RTD，您可以實(shí)現(xiàn) ≤1 °C 的溫度精度。

測(cè)量溫度范圍從 -150 °C 到 1,820 °

在您的應(yīng)用程序中測(cè)量比 BMS 實(shí)施更多的點(diǎn)。您確認(rèn)您的 BMS 沒(méi)有遺漏任何關(guān)鍵位置。

以更短的間隔進(jìn)行測(cè)量，而不會(huì)占用您的 BMS 和應(yīng)用程序的硬件資源。這可以幫助您找到適合 BMS 監(jiān)控系統(tǒng)的最佳間隔設(shè)置。

任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用的外部冗余

擁有獨(dú)立測(cè)試系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵原因是為關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序提供冗余。監(jiān)測(cè)和控制重要器官功能的醫(yī)療設(shè)備在操作期間無(wú)法承受計(jì)劃外的電源中斷。另一個(gè)例子是為 IT、電信和醫(yī)療設(shè)備等基本建筑功能提供動(dòng)力的大型儲(chǔ)能系統(tǒng)。

獨(dú)立的 DAQ 系統(tǒng)可以執(zhí)行以下操作：

它可以提供獨(dú)立的警報(bào)和緊急二次關(guān)閉，以防止電池系統(tǒng)熔毀或火災(zāi)。

如果主系統(tǒng)發(fā)生故障或失去通信，它可以提供備用監(jiān)控系統(tǒng)。

在大型項(xiàng)目中擴(kuò)展的多功能性和靈活性

DAQ 系統(tǒng)是監(jiān)控溫度的獨(dú)立測(cè)試設(shè)備的最佳選擇，因?yàn)樗猛緩V泛。許多現(xiàn)代 DAQ 系統(tǒng)具有內(nèi)置的高分辨率 6.5 位萬(wàn)用表儀器。它們還配備了各種固態(tài)、電樞和簧片開(kāi)關(guān)多路復(fù)用器模塊，用于監(jiān)控 100 多個(gè)溫度點(diǎn)通道。另外，由于DAQ內(nèi)置數(shù)字萬(wàn)用表，可以測(cè)量除溫度以外的其他信號(hào)，如AC/DC電壓電流、電阻、電容等。

DAQ 系統(tǒng)是模塊化的，如圖 1 所示，允許擴(kuò)展用于溫度監(jiān)測(cè)的通道。DAQ 系統(tǒng)允許您添加模塊以在項(xiàng)目增長(zhǎng)時(shí)相應(yīng)擴(kuò)展。因此，您不必投資新系統(tǒng)，節(jié)省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

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圖 1. Keysight 34980A 數(shù)據(jù)采集開(kāi)關(guān)/測(cè)量單元 (SMU)。（來(lái)源：是德科技）

幫助構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用的測(cè)試設(shè)備

一旦了解了電池故障的根源，您就可以使用電池仿真軟件來(lái)預(yù)測(cè)電池容量的下降。

電池故障機(jī)制和問(wèn)題

您可以通過(guò)物理橫截面來(lái)分析電池故障的根本原因。然而，電氣測(cè)量提供的跡象可以幫助在故障發(fā)生之前預(yù)測(cè)故障（圖 2）。

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圖 2. 隨著時(shí)間的推移，內(nèi)部電池故障機(jī)制。（來(lái)源：是德科技）

故障來(lái)源之一來(lái)自陽(yáng)極電極上的鋰電鍍或枝晶生長(zhǎng)。 [1] 這種增長(zhǎng)通常發(fā)生在通過(guò)多次循環(huán)對(duì)電池過(guò)度充電，導(dǎo)致鋰沉積在陽(yáng)極上。隨著時(shí)間的推移，這可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電池電極之間發(fā)生電氣短路。很難監(jiān)測(cè)這種電氣短路，因?yàn)樗l(fā)生得很快——電壓降的毫秒級(jí)。

另一個(gè)來(lái)源是電極退化，顯示氧化物堆積或因充放電循環(huán)疲勞和電解質(zhì)的重復(fù)化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生微裂紋。 [2]

導(dǎo)致電氣短路[3] 的內(nèi)部電池隔膜故障是另一個(gè)故障來(lái)源。隔膜故障可能來(lái)自電池的物理沖擊或刺穿或暴露在非常高的溫度下。制造過(guò)程中的材料缺陷也可能導(dǎo)致故障。

老化和電池容量下降并不是需要立即干預(yù)的嚴(yán)重故障。然而，這些因素與電池應(yīng)用用戶(hù)有關(guān)。開(kāi)路電壓測(cè)量本身并不是電池容量的良好指標(biāo)。老化電池的內(nèi)阻會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，但您無(wú)法進(jìn)行快照電阻測(cè)量并立即做出容量下降的結(jié)論。溫度、SOC 和放電率會(huì)影響電池內(nèi)部電阻。

由于電化學(xué)反應(yīng)和電池暴露于溫度和機(jī)械應(yīng)力等物理變量，電池故障很復(fù)雜。充電方式是另一個(gè)因素。因此，沒(méi)有單一的電池測(cè)試儀器可以為電池故障提供明確的診斷解決方案。

然而，測(cè)試設(shè)備解決方案可以滿(mǎn)足您的需求，具體取決于您的應(yīng)用、電源使用要求、容量和生產(chǎn)周期（研發(fā)、合規(guī)性測(cè)試或生產(chǎn)）。

讓我們探索測(cè)試設(shè)備工具，以幫助您更好地證實(shí)電池壽命和溫度對(duì)其的影響。

電池仿真以驗(yàn)證電池性能，包括溫度的影響

您可以使用電池仿真軟件更好地了解和預(yù)測(cè)電池容量隨時(shí)間的下降。此外，電池仿真軟件可以預(yù)測(cè)溫度對(duì)電池壽命的影響。

在模擬電池之前，您必須首先對(duì)其進(jìn)行分析。您需要了解隨著時(shí)間的推移電池放電時(shí)電池可以存儲(chǔ)和提供的能量。開(kāi)路電壓和內(nèi)阻隨電池放電而變化。

因此，將這些映射出來(lái)以使電池配置文件準(zhǔn)確反映電池的實(shí)際性能至關(guān)重要。圖 3 是一個(gè)典型圖的示例。工程師可以通過(guò)使用電池建模軟件或從電池供應(yīng)商處接收配置文件來(lái)獲取電池配置文件。建模軟件創(chuàng)建的配置文件反映了特定設(shè)備的電流消耗，并且比電池供應(yīng)商的通用配置文件更準(zhǔn)確。電池配置文件是軟件模擬電池的基礎(chǔ)。

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圖 3. 使用 Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 高級(jí)電池測(cè)試和仿真軟件創(chuàng)建的電池配置文件。（來(lái)源：是德科技）

考慮溫度對(duì)電池壽命的影響至關(guān)重要。圖 4 顯示了溫度如何影響電池的容量曲線。在不同溫度值下生成的配置文件使您能夠更好地預(yù)測(cè)溫度對(duì)電池壽命的影響。

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圖 4. 1,000 mAh 鋰離子電池，3 V 截止電壓 — 溫度變化。（來(lái)源：是德科技）

開(kāi)發(fā)電池配置文件后，您可以使用電池仿真軟件循環(huán)電池以確定容量損失和電池壽命縮短。在充電和放電的整個(gè)生命周期中，電池性能會(huì)顯著下降。這就是為什么模擬電池循環(huán)至關(guān)重要的原因。電池測(cè)試和仿真軟件提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。該軟件必須支持任意波形生成和數(shù)據(jù)記錄。此外，為電池創(chuàng)建不同的充電和放電波形的能力也很有價(jià)值。

工程師可以結(jié)合多個(gè)不同的充電和放電序列來(lái)模擬復(fù)雜的循環(huán)曲線。然后，他們可以確認(rèn)電池的性能如何隨著時(shí)間的推移而下降。例如，仿真軟件解決方案使工程師能夠進(jìn)行多達(dá) 1,000 次循環(huán)操作，以確定電池在序列測(cè)試條件下的老化效應(yīng)和可靠性（見(jiàn)圖 5）。

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圖 5. 使用 BV9210B / 11B 軟件進(jìn)行電池循環(huán)測(cè)試。（來(lái)源：是德科技）

Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 高級(jí)電池測(cè)試和仿真軟件，以及 N6705C 直流電源分析儀和 N6781A 或 N6785A SMU 模塊，可以執(zhí)行電池分析、電池仿真、電流消耗分析和電池循環(huán)測(cè)試。

概括

擁有一個(gè)獨(dú)立的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)電池的健康和溫度是必不可少的。即使您已經(jīng)擁有 BMS，它也可以幫助您檢測(cè)可能影響電池系統(tǒng)整體性能的潛在問(wèn)題，例如熱不平衡、熱點(diǎn)和環(huán)境溫度變化。

這種獨(dú)立的電池測(cè)試系統(tǒng)可以作為測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)和外部冗余安全系統(tǒng)。它可以擴(kuò)展以滿(mǎn)足您所有的電池測(cè)試系統(tǒng)需求。此外，這個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)有助于解決電池故障和問(wèn)題。通過(guò)一些額外的設(shè)置和電池軟件應(yīng)用程序，您可以將其用作電池仿真器，以幫助構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用程序。

參考

“看看你的電池內(nèi)部：觀察樹(shù)突的生長(zhǎng)?！?電池電源在線。最后修改于 2020 年 8 月 28 日。

Hausbrand, R., G. Cherkashinin, H. Ehrenberg, M. Gr?ting, K. Albe, C. Hess 和 W. Jaegermann?！皩訝钛趸镤囯x子電池正極材料的基本降解機(jī)制：方法、見(jiàn)解和新方法。” 材料科學(xué)與工程：B 192（2015），3-25。doi:10.1016/j.mseb.2014.11.014。

張曉偉、Elham Sahraei 和王凱?！颁囯x子電池隔膜、機(jī)械完整性和導(dǎo)致軟硬內(nèi)部短路的故障機(jī)制?！?科學(xué)報(bào)告 6，沒(méi)有。1（2016 年）。

審核編輯 黃昊宇