使用精密測量電源進(jìn)行內(nèi)阻測試和電容量測試 - 全文

　　背景介紹

　　精密測量電源在提供穩(wěn)定供電之余，還可以進(jìn)行高精度的電壓電流測量，因此可以用于完成多種相關(guān)參數(shù)的測試。以吉時利PMS 2280S精密測量電源為例，它可以在供電過程中對電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行高速連續(xù)采集，通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)回傳。因此，使用者可以根據(jù)需要，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理，得到最終所需要的結(jié)果。這些處理可以包括乘、除運算得到功率或電阻信息，或者在時間軸進(jìn)行積分，得到電量信息，甚至根據(jù)記錄下來的充放電斜率，計算超級電容的電容量。

　　使用2280S 測量產(chǎn)品功率或內(nèi)阻

　　工作狀態(tài)下的產(chǎn)品內(nèi)阻或直流功耗經(jīng)常是客戶關(guān)心的一項指標(biāo)，以LED客戶為例，其二極管導(dǎo)通、截至特性是衡量LED性能的重要指標(biāo)。另外，LED的壽命和可靠性與LED的節(jié)點溫度有密切的關(guān)系，而節(jié)點由于封裝原因，其溫度很難通過直接測量的手段獲取。為表征LED的發(fā)熱性能，通常使用熱阻作為參數(shù)描述這一特性。而熱阻的計算公式，也與電壓，電流測量有直接的關(guān)系。

　　同樣，繼電器生產(chǎn)廠商也會測量繼電器在導(dǎo)通狀態(tài)下的內(nèi)阻阻值，更小的內(nèi)阻意味著更低的功率損耗和更長的工作壽命。在這些測試中，高精度的電壓電流測試，以及穩(wěn)定的直流供電都是工作條件下內(nèi)阻測試的先決條件。

　　傳統(tǒng)LED客戶的內(nèi)阻測試要求使用性能良好的電流源進(jìn)行供電，并配合以高精度AD板卡或萬用表采集電壓。兩臺設(shè)備的連接相對復(fù)雜，總成本較高。PMS 2280S電源可以工作在恒流模式（CC mode），成為性能良好的電流源，同時，其內(nèi)置6.5位數(shù)字萬用表，在電壓，電流測試時具備獨特的優(yōu)勢，其電流測量精度可以達(dá)到微安級，分辨率高達(dá)10納安，電壓測量精度為毫伏級，分辨率為0.1mV。回讀電壓、電流讀數(shù)后，經(jīng)過R = V/I的計算，就可以得到內(nèi)阻數(shù)據(jù)。打開LXI網(wǎng)頁界面上的Data logging功能，還可以對電壓，電流數(shù)據(jù)進(jìn)行長時間連續(xù)采集，有利于監(jiān)測工作條件下的內(nèi)阻隨時間的變化。

　　另外一個在內(nèi)阻測量時經(jīng)常遇到的問題，是線電阻的影響。通常導(dǎo)通電阻阻值較小，使用V/I直接計算電阻時，電源的測量結(jié)果會把連接線上的線電阻計入在內(nèi)，造成測量誤差。對PMS 2280S電源，我們在電源后面板提供了四線連接方式。通過四線連接的供電方式，可以把電源回讀的電壓和電流值定位在待測件的輸入端，而不是電源的輸出端，這樣可以完全消除線電阻的影響，測量到的內(nèi)阻阻值更加精確，連接如下圖所示。

　　圖1 2280S 四線遠(yuǎn)端連接

　　另外電源內(nèi)置的Auto Zero（自歸零）功能可以在每次電壓或電流測量前，進(jìn)行一次快速的自校準(zhǔn)。測量由于內(nèi)部熱偏置或者殘余電量累計造成的偏差，并在下一次測量中自動消除，進(jìn)一步提高測量精度。

　　PMS2280S只能輸出正相電源，當(dāng)測試中需要為待測件施加反向電壓時，我們可以使用外接的開關(guān)電路切換正負(fù)極實現(xiàn)反向電壓。PMS 2280S輸出正負(fù)端均與地隔離，因此正負(fù)極反向連接就可以實現(xiàn)輸出負(fù)電壓的功能。外界MOSFET或繼電器開關(guān)的通斷可以由PMS2280S后面板的數(shù)字IO接口控制，通過指令設(shè)置高低電平即可控制開關(guān)的通斷操作。開關(guān)的供電可由后面板的USB接口提供（如供電電流小于2mA，亦可使用數(shù)字IO口提供供電）。

　　使用2280S 測量鋰離子電池的電量

　　隨著電子產(chǎn)品功能的增強，電池容量也在不斷增加，如何能準(zhǔn)確了解電池容量成為電池測試的一項重要任務(wù)。電池電量的描述通常使用安時或瓦特時作為單位，表示從電池放空到充滿的過程中進(jìn)入電池的總電量。計算電池充電或放電電量，需要對電池的充放電電流或功率進(jìn)行積分計算，其計算公式如下所示：

　　電池總?cè)萘?img alt="使用精密測量電源進(jìn)行內(nèi)阻測試和電容量測試" src="/uploads/allimg/150123/1697825-150123164AC29.jpg" style="width: 85px; height: 32px;" /> ，其中t為充電（放電）時間，I為充電（放電）電流

　　電池總?cè)萘?img alt="使用精密測量電源進(jìn)行內(nèi)阻測試和電容量測試" src="/uploads/allimg/150123/1697825-150123164G1917.jpg" style="width: 104px; height: 34px;" /> ，　其中I是采樣電流值， ?t是采樣間隔

　　當(dāng)使用測試儀表進(jìn)行電量測試時，由于電流的采樣點是離散的，我們將計算公式轉(zhuǎn)化為：

　　這里要求測量儀表能精確記錄充電或放電電流，并保證較高的連續(xù)采樣率，同時可以將整個充放電過程的全部數(shù)據(jù)完整記錄下來，才能確保計算結(jié)果足夠準(zhǔn)確。

　　PMS 2280S的數(shù)據(jù)記錄功能可以提供最高3000次每秒的電壓或電流采樣率。并可以通過LAN接口將數(shù)據(jù)連續(xù)回傳到電腦端。用戶可以長時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格中進(jìn)行后續(xù)分析。下圖是2280S為鋰離子電池充電的電壓電流曲線圖，電池電壓從11.8V充到12.6V，電流以2A開始充電，下降至20mA以下時充電結(jié)束。

　　圖2 2280S 電池充電曲線

　　當(dāng)進(jìn)行安時計算時，只需將電池與電源相連接，設(shè)置好充電的截至電壓（Vset），以及充電電流（Iset），此時電源將自動開始為電池充。初始階段采用恒流充電（CC 模式），當(dāng)電壓上升到充電截至電壓時，將自動轉(zhuǎn)入恒壓充電（CV 模式），直到電流減小到接近0為止。

　　除了對電池進(jìn)行充電測試外，PMS 2280S還可以為電池進(jìn)行放電測試。放電時由于電壓電流均不可控，電源將以最大能力吸收電流（約為-450mA），并對放電過程中的電壓和電流值進(jìn)行連續(xù)記錄。

　　充放電過程中的電壓電流數(shù)據(jù)都可以通過電腦端進(jìn)行連續(xù)記錄，用戶不需要編寫任何軟件。在電腦端的網(wǎng)頁瀏覽器上輸出電源的IP地址，選擇屏幕左下角的Data logging功能后，使用儀表內(nèi)置的網(wǎng)頁界面就可以完成全部數(shù)據(jù)的記錄。電池的充電或放電總量也會以毫安時的形式自動顯示出來，如下圖所示：

　　圖3 2280S data logging界面

　　使用2280S 測量超級電容的電容量

　　超級電容在新能源行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用。由于其具有高功率密度，壽命長內(nèi)阻小，可快速充電等優(yōu)點，被認(rèn)為可以取代電池作為下一代儲能器件。大功率超級電容已經(jīng)被廣泛使用在電動汽車，光伏發(fā)電，風(fēng)電等行業(yè)，作為能量存儲或緩沖，超級電容未來的發(fā)展前景非常廣闊。

　　圖4 超級電容

　　對于超級電容的使用者，在長期使用過程中，希望通過測量電容量，了解電容的老化情況，以確保系統(tǒng)性能，在老化嚴(yán)重前及時更換器件。

　　準(zhǔn)確測量電容量是一個相對復(fù)雜的操作，需要對兼容進(jìn)行充電或放電，并根據(jù)充放電斜率進(jìn)行計算。這需要使用者使用電源，電阻負(fù)載，數(shù)字萬用表，以及其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行測量。使用的測試公式是：C = I * （?T / ?V）。

　　2280S的優(yōu)勢在于，使用一臺設(shè)備，可以完成其中的絕大多數(shù)工作。2280S作為電源，除了輸出功率之外，還具備一定的功率吸收功能，可以最高吸收400mA的電流，持續(xù)幫助電容放電，并記錄放電時的電壓電流數(shù)據(jù)。因此，常規(guī)容量的電容完全可以通過2280S的充放電操作，進(jìn)行電容量測試。

　　我們以一塊16.2V，58F的超級電容為例，使用2280S為其進(jìn)行充放電測試。測試過程包括將電容從8.1V充電到16.2V，再放電恢復(fù)到8.1V的初始狀態(tài)，計算并驗證充電和放電過程下的的電容容量。整個過程中打開LXI網(wǎng)頁界面，并執(zhí)行data logging功能，實時采集電源輸出電壓和電流數(shù)據(jù)，并將最后的結(jié)果粘帖到Excel表格中。

　　在Excel表格中根據(jù)電壓電流數(shù)據(jù)繪圖，可以得到下面的充放電過程圖形。圖中的左側(cè)方框中記錄了超級電容的充電過程（T1至T2），電源輸出電流3.2A為電容恒流充電，電容電壓逐漸升高直到達(dá)到16.2V為止。電容充滿后進(jìn)入放電流程（T3至T4），約以400mA放電，直到電流下降為8.1V結(jié)束。根據(jù)公式：

　　C = I * （?T / ?V）

　　可知充電過程的電容量C1 = 3.2 * （T2-T1） / （V2-V1）；其中T1是起始充電時間，T2是電壓充滿的時刻，V2是最高點電壓，對應(yīng)時間點T2；V1是充電起始電壓，對應(yīng)時間點T1。

　　放電過程的電容量C2 = 0.45 * （T4-T3） / （V3-V4）；其中T3是起始放電時間，T4是放電結(jié)束時間，V3是起始放電電壓，V4是終止放電電壓。

　　通過斜率可以計算出超級電容的容量值，在這個實驗中，我們計算得到的電容容量值在充電過程中是61.3F，放電過程中是60.7F，與標(biāo)稱值基本一致。

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