使用電池溫度監(jiān)控構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用

    使用可充電電池運(yùn)行的現(xiàn)代產(chǎn)品應(yīng)用程序通常具有內(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，無論是單個電池、模塊（一組電池）還是電池組（一組模塊）。監(jiān)測電池的電壓和電流通常不足以確定電池的健康狀況。
    監(jiān)測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范圍內(nèi)。太熱的電池會退化或發(fā)生故障。太冷的電池會因內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)變慢而運(yùn)行緩慢，從而降低其性能。
    本白皮書重點介紹了常見的與溫度相關(guān)的電池問題，并向您展示了測試儀器如何幫助構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用。
    監(jiān)測電池溫度時發(fā)現(xiàn)的常見問題
    熱不平衡、電池組熱點以及低性能和容量是監(jiān)測電池溫度時需要注意的領(lǐng)域。
    使用引起的熱失衡
    大規(guī)模應(yīng)用通常使用帶有串聯(lián)和并聯(lián)連接的模塊的電池組。戰(zhàn)略性地放置在電池組中的熱傳感器可檢測溫度變化。大型電池組熱失衡通常始于影響其充電和放電電壓的電池單元的不均勻性。隨著時間的推移，不均勻性變化會加速，一些電池會過度充電或過度放電，從而導(dǎo)致電池不成比例地過熱。
    電池平衡使用 BMS 來均衡充滿電時電池之間的電壓和充電狀態(tài) (SOC)，可以限度地減少熱不平衡。電池制造商還可以選擇開路電壓非常接近的電池組來構(gòu)建電池組，從而限度地減少 SOC 變化。
    產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計也會導(dǎo)致熱失衡。例如，電池組的冷卻系統(tǒng)對于某些外部環(huán)境來說不夠有效。
    電池組熱點
    監(jiān)控電池溫度可幫助您檢測熱點。根據(jù)電池應(yīng)用的重要性，有時戰(zhàn)略性地跨電池組放置幾個傳感器就足夠了。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電池組模塊上。
    熱點往往發(fā)生在電池組中的弱電池上。弱電池容易受到過壓并逐漸退化。因此，它們在運(yùn)行期間比正常的好電池更熱，因為它們難以跟上好電池的性能。
    熱點還可以警告您電池或模塊的潛在損壞。對電池組的物理沖擊可能會刺穿電池單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或使其變形，例如電極或聚合物隔膜。如果發(fā)生這種情況并且沒有進(jìn)行干預(yù)，則電池?fù)p壞可能會降低并可能導(dǎo)致熱失控。可能會導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸。因此，檢測熱點、定位故障電池并快速更換它們非常重要。
    熱點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)測電池溫度也可以是一個主動的閉環(huán)過程，以保持電池組在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，寒冷的溫度會導(dǎo)致電池性能低下。因此，電池的使用容量會大幅下降，甚至?xí)Ｖ构ぷ鳌?br>    更大的擔(dān)憂是當(dāng)電池系統(tǒng)在高于制造商規(guī)格的溫度下運(yùn)行時。電池壽命會降低，較弱的電池可能與優(yōu)質(zhì)電池的偏差更大。因此，熱失衡和熱點開始出現(xiàn)。
    監(jiān)測電池溫度的基本獨立測試設(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)備到高壓汽車應(yīng)用。基本功能包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過充電保護(hù)、過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、電池平衡、SOC 和健康狀態(tài)。
    但是，有很多充分的理由需要購買獨立的測試設(shè)備來監(jiān)控應(yīng)用中的電池溫度。
    獨立測試驗證系統(tǒng)
    擁有獨立的測試驗證系統(tǒng)，例如模塊化數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)，有助于驗證您的 BMS 是否正常運(yùn)行。它還有助于驗證應(yīng)用程序的整體集成系統(tǒng)。一個獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以做以下事情：
    使用熱電偶、熱敏電阻和電阻溫度檢測器 (RTD) 等多種類型的溫度傳感器進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量。使用熱敏電阻或 RTD，您可以獲得 ≤ 1 °C 的溫度精度。
    測量溫度范圍從 -150 °C 到 1,820 °
    在您的應(yīng)用程序中測量比 BMS 實施更多的點。您驗證您的 BMS 沒有遺漏任何關(guān)鍵位置。
    以更短的時間間隔進(jìn)行測量，而不會對您的 BMS 和應(yīng)用程序的硬件資源造成負(fù)擔(dān)。這有助于您找到 BMS 監(jiān)控系統(tǒng)的間隔設(shè)置。
    關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序的外部冗余
    擁有獨立測試系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵原因是為關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序提供冗余。監(jiān)測和控制重要器官功能的醫(yī)療設(shè)備無法承受操作期間的計劃外電源中斷。另一個例子是為 IT、電信和醫(yī)療設(shè)備等基本建筑功能供電的大型儲能系統(tǒng)。
    一個獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以做以下事情：
    它可以提供獨立的報警和緊急二次關(guān)閉，以防止電池系統(tǒng)熔毀或起火。
    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)控溫度的獨立測試設(shè)備的選擇，因為它具有高度通用性。許多現(xiàn)代 DAQ 系統(tǒng)都內(nèi)置高分辨率 6.5 位萬用表儀器。它們還配備各種固態(tài)、電樞和簧片開關(guān)多路復(fù)用器模塊，以監(jiān)控 100 多個通道的溫度點。此外，由于DAQ內(nèi)置了數(shù)字萬用表，因此可以測量除溫度以外的其他信號，如AC/DC電壓和電流、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)測的通道。DAQ 系統(tǒng)允許您添加模塊以在項目增長時相應(yīng)地擴(kuò)展。因此，您不必投資新系統(tǒng)，從而節(jié)省寶貴的開發(fā)時間。
    有助于構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用的測試設(shè)備
    了解電池故障的根源后，您可以使用電池仿真軟件來預(yù)測電池容量的下降。
    電池故障機(jī)制和問題

    您可以通過對電池進(jìn)行物理剖切來分析電池故障的根本原因。然而，電氣測量提供的跡象可以幫助在故障發(fā)生之前預(yù)測故障（圖 2）。

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    圖 2. 隨時間變化的內(nèi)部電池故障機(jī)制。（：是德科技）
    故障的一個是陽極電極上的鋰電鍍或枝晶生長。 [1] 這種增長通常是由于多次循環(huán)對電池過度充電而導(dǎo)致的，導(dǎo)致鋰沉積在陽極上。隨著時間的推移，這可能會導(dǎo)致兩個電池電極短路。很難監(jiān)控這種電氣短路，因為它發(fā)生得很快——以毫秒為單位的電壓降。
    另一個是電極的退化，表現(xiàn)為充放電循環(huán)疲勞和電解質(zhì)的重復(fù)化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致氧化物堆積或微裂紋。 [2]
    導(dǎo)致電氣短路[3] 的內(nèi)部電池隔膜故障是另一個故障源。電池的物理沖擊或刺穿或暴露在非常高的溫度下可能會導(dǎo)致隔膜失效。制造過程中的材料缺陷也可能導(dǎo)致故障。
    老化和電池容量下降不是需要立即干預(yù)的嚴(yán)重故障。然而，這些因素與電池應(yīng)用用戶有關(guān)。開路電壓測量本身并不是電池容量的良好指標(biāo)。老化電池的內(nèi)阻會隨著時間的推移而增加，但您無法通過快照測量電阻并立即得出容量下降的結(jié)論。溫度、SOC 和放電率會影響電池內(nèi)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，電池故障非常復(fù)雜。充電方式是另一個因素。因此，沒有任何單一的電池測試儀器可以為電池故障提供明確的診斷解決方案。
    但是，根據(jù)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)性測試或生產(chǎn)），可以使用測試設(shè)備解決方案來滿足您的需求。
    讓我們探索測試設(shè)備工具，以幫助您更好地證實電池壽命和溫度對其的影響。
    電池仿真以驗證電池性能，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)測電池容量隨時間的下降。此外，電池仿真軟件可以預(yù)測溫度對電池壽命的影響。
    在模擬電池之前，您必須先對其進(jìn)行分析。您需要了解電池隨時間放電時可以存儲和供應(yīng)的能量。開路電壓和內(nèi)阻隨電池放電而變化。
    因此，將這些映射出來至關(guān)重要，這樣電池配置文件才能準(zhǔn)確反映電池的實際性能。圖 3 是一個典型圖的示例。工程師可以通過使用電池建模軟件或從電池供應(yīng)商處接收配置文件來獲取電池配置文件。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，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)。
      圖 3. 使用 Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 電池測試和仿真軟件創(chuàng)建的電池配置文件。（：是德科技）
    考慮溫度對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)測溫度對電池壽命的影響。
      圖 4. 1,000 mAh 鋰離子電池，3 V 截止電壓 - 溫度變化。（：是德科技）
    開發(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情況。在充電和放電的整個生命周期內(nèi)，電池性能會顯著下降。這就是為什么模擬電池循環(huán)至關(guān)重要。電池測試和仿真軟件提供了一個簡單的解決方案來實現(xiàn)這一點。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值。
    工程師可以組合多個不同的充電和放電序列來模擬復(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間的推移而降低。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試條件下的老化效應(yīng)和可靠性（見圖 5）。
    Keysight 的 BV9210B / 11B PathWave BenchVue 電池測試和仿真軟件以及 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)測試。
    概括
    擁有一個獨立的測試系統(tǒng)來監(jiān)控電池的健康狀況和溫度是必不可少的。它可以幫助您檢測可能影響電池系統(tǒng)整體性能的潛在問題，例如熱不平衡、熱點和環(huán)境溫度變化，即使您已經(jīng)擁有 BMS 也是如此。
    這個獨立的電池測試系統(tǒng)可以作為測試驗證系統(tǒng)和外部冗余安全系統(tǒng)。它可以擴(kuò)展以滿足您對電池測試系統(tǒng)的所有需求。此外，這個獨立的系統(tǒng)有助于解決電池故障和問題。通過一些額外的設(shè)置和電池軟件應(yīng)用程序，您可以將其用作電池模擬器，以幫助構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用程序。