走向新世紀(jì)的電池測試新技術(shù)與新儀器
2019-11-03 09:57:32
供稿：網(wǎng)友
中國科技研究交流中心理事 信息產(chǎn)業(yè)部794廠高級工程師 于凌宇 摘要：該文扼要分析了電池測試的技術(shù)復(fù)雜性，簡介了功能測試、脈動(dòng)負(fù)載和間斷使用時(shí)的測試、基于庫侖定律和焦耳定律的測試等主要測試方法，并探討了電子負(fù)載、電池仿真器及智能快速測試儀等測試工具的工作原理與技術(shù)性能。
關(guān)鍵詞：電池測試 測試方法 測試儀器
有一種稍為夸張的說法，認(rèn)為電池是新世紀(jì)電子業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。對于公眾來說，諸如蜂窩電話、無線電通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備、多媒體播放設(shè)備、測試儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備等手持式和便攜式產(chǎn)品，堪稱電子設(shè)備的典型例子，而電池則一直靜悄悄地、幾乎是無形地為這些微小的電子裝置提供動(dòng)力，讓這些裝置像奇跡一般進(jìn)行工作。
雖然最近幾年人們對電池重要性的認(rèn)識已經(jīng)大有提高，電池的化學(xué)配方和生產(chǎn)工藝也大大地改進(jìn)了，奇怪的是用于對消費(fèi)性再充電電池進(jìn)行評估和質(zhì)量檢測的基本測試部件仍然未有多大改進(jìn)。當(dāng)然，也有一些采用SMBus（系統(tǒng)管理總線）技術(shù)的"智能"電池，以及一些新型的測量測試工具，能夠較有效地測試和評估電池和充電器的特性，減少了麻煩。
在未到時(shí)候更換電池的情況下，用戶通常不會(huì)著急考慮電池問題。遺憾的是，往往在始料不及的重要時(shí)刻或者看來最不恰當(dāng)?shù)膱龊暇推鼡Q可充電電池或二次電池。當(dāng)然，也有一些再充電電池從來就不用更換，因?yàn)橛蛇@些電池供電的設(shè)備已經(jīng)先走一步報(bào)廢了。
蜂窩電話業(yè)界認(rèn)為，電話典型的使用壽命約為18個(gè)月。這個(gè)期限與常用的典型蜂窩電話電池組使用壽命相符。這種使用壽命長短相類似的現(xiàn)象并非是巧合。平衡電池壽命和產(chǎn)品壽命，可能要花費(fèi)電話設(shè)計(jì)人員及充電器、電池組和單個(gè)電池的設(shè)計(jì)人員很大的精力。
一、電池測試復(fù)雜費(fèi)時(shí)
開發(fā)新電池化學(xué)配方和電池制造工藝固然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但還有幾項(xiàng)較為乏味而又特別耗費(fèi)時(shí)間的麻煩事對消費(fèi)類電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)來說也同樣重要。這包括視應(yīng)用場合而選用正確的化學(xué)配方；為充電器和電池組詳細(xì)規(guī)定規(guī)格；對銷售樣品進(jìn)行評估和質(zhì)量檢驗(yàn)。
當(dāng)然，假如您僅僅想要確認(rèn)使用過的電池是否能再使用，或者新的電池是否適合發(fā)貨，就不用進(jìn)行很廣泛的測試。在這種情況下，只需快速、直接、安全和相對精確的測試就可以了。誠然，對于一些剛剛生產(chǎn)出來的電池，特別是鎳鎘和鎳金屬氫化物的電池，首先就要慢慢地對電池進(jìn)行充電至滿為止，才能進(jìn)行有效的快速測試。有時(shí)候甚至還要求對電池進(jìn)行幾次充電放電，再讓電池"休息"幾個(gè)小時(shí)，方能取得有效的測試結(jié)果。
當(dāng)您想收集精確的信息時(shí)，如果對電池快速充、放電，便會(huì)引致數(shù)據(jù)嚴(yán)重錯(cuò)誤。操之過急，反而容易損壞所測試的電池，甚至帶來嚴(yán)重的后果。也曾發(fā)生失火的事，當(dāng)然這是極少數(shù)。此外，從技術(shù)上雖說不會(huì)引起爆炸，但也很難說。鋰是目前常用的電池材料，涉及到鋰的失火可能特別難于處理。
通常，進(jìn)行全面的電池測試是很乏味的一回事。此外，測試條件改變，也會(huì)令測試結(jié)果出現(xiàn)很大的變化。現(xiàn)場檢查如果得出的數(shù)據(jù)看來不一致，研究人員就必須解釋為何不一致，或者重做他們剛才已經(jīng)花了很多時(shí)間做過的測試程序。直至幾年前，由于電池業(yè)的質(zhì)量控制還相當(dāng)不完善，引出了相關(guān)的問題：研究人員無法重復(fù)做出不同生產(chǎn)批量的同種標(biāo)稱電池的測試結(jié)果。甚至現(xiàn)在，研究人員往往遇到類似的現(xiàn)象，盡管原因各有不同。電池制造商努力不懈地改進(jìn)其產(chǎn)品，但很少有制造廠商宣布他們考慮的是測試?yán)谐绦虻母倪M(jìn)。這些改進(jìn)也往往會(huì)影響到測試數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性。
二、功能測試仍是常用手段
對手持式和便攜式設(shè)備所用充電電池進(jìn)行的評估和質(zhì)量測試，大多數(shù)都涉及功能測試。例如，將電池在各種條件下重復(fù)充電放電，以模擬這些電池所面臨的現(xiàn)場條件。測試時(shí)除了考慮環(huán)境的變化之外，還必須考慮到充電器、電池和耗電設(shè)備的先、后取樣都各有不同。
這個(gè)做法可能聽起來有些笨拙，而且是老生常談，但對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品所用的電池來說，還沒有其他的辦法證明是更合適的。業(yè)內(nèi)還沒有可靠的數(shù)學(xué)模式來精確描述電池、充電器和負(fù)載在各種不同條件下所表現(xiàn)的特性。另外，即使有了合適的數(shù)學(xué)模式，還要花很長的時(shí)間來建立設(shè)計(jì)人員、市場銷售人員和質(zhì)量保證人員對這些模式的信心。
在一些特殊場合下，例如發(fā)射通信衛(wèi)星之前的測試，倒是有種種不同的方法證明是切實(shí)可行的。在這類應(yīng)用項(xiàng)目中，通常用電池仿真器來代替實(shí)際的電池作為待測航天器的功率源。電池仿真器利用計(jì)算機(jī)來運(yùn)行電池的數(shù)學(xué)模型，并控制可編程的電源和電子負(fù)載，盡管電池制造商未能提供很合適的商品電池性能模型，但終究為航天器價(jià)值不菲而且出類拔萃的供電電池提供了性能模型。因此，在預(yù)演測試期間便可以從價(jià)值百萬美元的電池系統(tǒng)的仿真電池取得電源，而無須耗用昂貴的電池本身。采用電池仿真器，還可以避免在航天器校驗(yàn)期間使用真正電池所帶來的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。衛(wèi)星供電系統(tǒng)往往包含有太陽能電池板蓄電系統(tǒng)，但其面積太大，很難在測試地點(diǎn)真正接受日照。
三、脈動(dòng)負(fù)載和間斷使用時(shí)的測試方法
即使沒有出現(xiàn)嶄新的測試概念，平凡場合用電池的測試，也并非一成不變的。專用的自動(dòng)化測試設(shè)備和軟件已獲廣泛接納，測試工作日趨簡化，且比幾年前更為簡易、不費(fèi)力和精確。另外，現(xiàn)在一些由電池驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，其特性已提高到可以有限度地加速其周期壽命的測試。
例如，當(dāng)一個(gè)用戶正在對話時(shí)，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）通常使用的時(shí)分多址（TDMA）蜂窩電話中的電池必須提供約576μs持續(xù)周期而占空度為12.5%的負(fù)載電流脈沖。該脈沖電流一般為脈沖之間電流的10倍左右。當(dāng)增加電池釋放的電流時(shí)，內(nèi)部損耗便增加，降低了電池供向外部負(fù)載的能量。因此，增加瞬時(shí)負(fù)載電流并不是加速測試的有效辦法。然而，只要能保持恒定的瞬時(shí)負(fù)載電流，就能有效實(shí)現(xiàn)雙倍占空度的測試。另一種有效的測試方法，就是假設(shè)電話每個(gè)小時(shí)內(nèi)使用30分鐘，盡管每個(gè)小時(shí)工作5分鐘已足以精確地代表實(shí)際使用。將較高脈沖占空度與較高使用時(shí)數(shù)相結(jié)合，從而以12倍因子縮短耗盡電池充電電荷所要花的時(shí)間。當(dāng)然，這些技術(shù)僅僅應(yīng)用于那些為較低占空度的脈動(dòng)負(fù)載供電的電池，通常只是間斷使用，或兩種情況兼有。
測量終端電壓，是確定電池充電情況的常用方法。但該技術(shù)在建立耗盡電荷需時(shí)多少方面會(huì)引起混亂。有一件事，即當(dāng)終端電壓降低至設(shè)定的運(yùn)作極限值以下時(shí)，如果即時(shí)撤去負(fù)載但繼續(xù)監(jiān)測電壓，就會(huì)發(fā)現(xiàn)電壓升高有一個(gè)臺階，接著大多數(shù)就逐漸恢復(fù)。這個(gè)電壓臺階不代表電荷恢復(fù)。它的產(chǎn)生只是因?yàn)楫?dāng)電池輸出電流降到零時(shí)電池的內(nèi)部電阻壓降IR變?yōu)榱?。另外，逐漸恢復(fù)與此毫不相干，當(dāng)重新加載時(shí)，它便會(huì)很快地逆轉(zhuǎn)。只有當(dāng)再充電時(shí)，電池的電荷才得以恢復(fù)。
四、依據(jù)庫侖定律的測試方法
還有一些新的方法，例如SMBus智能電池所采用的辦法，就是在電池組內(nèi)裝置一個(gè)非易失存儲(chǔ)器，儲(chǔ)存電流流入和流出電池的時(shí)間的積分比值記錄，以確定充電的狀態(tài)。用這種方法監(jiān)視充電，假如不考慮電池內(nèi)部的自身放電和構(gòu)成完全充電的充電電平不發(fā)生改變（例如隨溫度變化）的話，本來應(yīng)該是很理想的。不過，當(dāng)考慮到電池的性能時(shí)，就可能會(huì)懷疑這一方法的精確程度。
如果忽略自身放電不計(jì)，則下列關(guān)系應(yīng)可成立：
∫iIN.dt =∫iOUT.dt,
式中iIN.是充電電流，iOUT.是負(fù)載電流。
一個(gè)電池放電時(shí)，通常不能放出比上次向電池充電更多的能量，而且放電往往較少。這樣說是基于一個(gè)假設(shè)，即在電池充電之前其電荷完全耗盡，并且在充電之后，您并沒有采取措施令電池"恢復(fù)活力"，也沒有改變完全充電的標(biāo)準(zhǔn)或電荷完全耗盡的標(biāo)準(zhǔn)。（假如在完全放電期間電池放出的能量多于輸入的能量，那也許上次充電之前電池本來就沒有像現(xiàn)在這樣充分放電?；蛘撸谕瓿沙潆娭?，電池的溫度升高了，因此在意想之外又增加了能量。）如果溫度沒有改變，現(xiàn)在電池的放電狀態(tài)又和上次充電前的狀態(tài)一樣，那么充電所增加的能量和放電所放出的能量之差，就是充、放電之間的內(nèi)部損耗（可以用I2R表示）。
幾乎所有可再充電和不可再充電電池，都能以曲線顯示出自己的放電特性。這些曲線視每種電池的尺寸、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)商的不同而各異，通常可為供應(yīng)恒定電流的電池繪制出終端電壓對時(shí)間的關(guān)系曲線。（有時(shí)，曲線顯示的是電池驅(qū)動(dòng)恒定電阻時(shí)的電壓對時(shí)間的關(guān)系。因?yàn)樵诜烹姇r(shí)終端電壓下降，施加在恒定電阻上的電流也有所下降。）這些曲線采用加載下的終端電壓作為完全放電的標(biāo)準(zhǔn)，因此可以表明，輸出電流對時(shí)間的積分隨輸出電流的增加而下降。假如存在這種下降，則說明電流流入和流出的積分值不能代表電池的充電狀態(tài)。
五、基于焦耳定律的測試方法
例如，也許可以用一組曲線顯示：在t時(shí)間內(nèi)抽取恒定電流C可耗盡全部充電電荷。C以安培或毫安為單位表示，數(shù)值上應(yīng)等于電池的標(biāo)稱容量（以安培-小時(shí)或毫安-小時(shí)表示）。也許可以預(yù)料，以恒定輸出電流C測量耗盡時(shí)間后，如果對電池再充電，然后以恒定的輸出電流2C再次進(jìn)行測量，那末，完全耗盡的時(shí)間會(huì)降為t/2。但是總的看來，電池提供2C電流不可長達(dá)t/2。
從能量守恒的觀點(diǎn)來看，這種結(jié)論是完全對的。在放電時(shí)，輸出電流較大就會(huì)增加電池的損耗I2R。如果R保持不變，電流加倍，則功耗高達(dá)4倍。如果持續(xù)以2C放電t/2之久，則能量損失等于前一次測試的兩倍。另外，某些類型的電池在輸出電流加大時(shí)內(nèi)阻會(huì)增加，這就進(jìn)一步縮短放電時(shí)間。事實(shí)上，放電到恒定終端電壓的時(shí)間能自行調(diào)節(jié)，這樣，負(fù)載中的能量損耗量和電池中的能量損耗量之和，就會(huì)在一定程度上與放電電流無關(guān)。
問題是，盡管在高、低放電電流情況下∫iIN.dt相等，但∫iOUT.dt則不等。產(chǎn)生差異的原因，是基于終端電壓的完全放電標(biāo)準(zhǔn)在不同電流下會(huì)產(chǎn)生不同程度的放電。輸出電流小，電池的內(nèi)部電阻壓降IR就低。如果以相同的終端電壓在所有不同電流下終止放電，當(dāng)輸出電流較小時(shí)，電池的放電便更為徹底。盡管如此，在較高輸出電流下，想通過減低終端電壓（即所謂電荷充分耗盡）來補(bǔ)償較高的內(nèi)部電阻壓降IR，那是不切實(shí)際的。當(dāng)然，負(fù)載可能要求較高的電壓，但電池卻可能因?yàn)榻K端電壓較低而損壞，或者負(fù)載和電池兩者都損壞。
也許可以考慮采用即刻中止輸出電流和測量電池開路終端電壓的方法解決該問題。在許多情況下，在負(fù)載上加上容量相當(dāng)大的電容器，就能為短時(shí)間測量提供負(fù)載電流。然而，這種辦法要求在較低輸出電流下負(fù)載仍然可在較低電源電壓下持續(xù)地準(zhǔn)確運(yùn)行--這是負(fù)載無法接受的條件。另外，在電池釋放電流相當(dāng)大情況下，如果內(nèi)部電阻壓降IR過分地降低終端電壓，就可能損壞電池。
六、電池測試新儀器功能不斷改進(jìn)
在消費(fèi)類電子應(yīng)用中，電子負(fù)載是測量再充電電池性能的最通行和最有用的工具。對新產(chǎn)品樣機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證測試時(shí)，以電池仿真器作為功率源，比采用真正的電池更為方便。假如您要使用大量的電池，即使不負(fù)責(zé)大批量生產(chǎn)測試業(yè)務(wù)或用戶服務(wù)，也會(huì)迅速致力選用測試儀器，迅速測出電池的充電情況和電池的好壞。有些儀器也可用作充電器。
此外，有些單位制定了修復(fù)或再生電池的程序，以再生被用戶拋棄的廢電池。在許多情況下，這些再生電池仍能使用很長時(shí)間。
在這些儀器中，只有電子負(fù)載可列入通用類儀器。當(dāng)然，沒有一種電子負(fù)載是真正屬于通用類的。這些儀器可以適用于很寬的電壓范圍、電流吸收能力和功率處理能力。在類似的方式中，不同的電池仿真器具有提供不同的電壓和輸出電流的能力。此外，儀器的性能也必須能夠調(diào)整，以滿足不同類型電池的要求，然而，這種調(diào)整往往是以加入一個(gè)個(gè)人軟件模塊的形式實(shí)現(xiàn)的。廠商提供使用普通電池的這類模塊，有時(shí)還為用戶提供設(shè)計(jì)工具，以便仿制廠商電池模塊庫中所沒有的模塊。
本文研究的目的不是報(bào)道任何電池模擬器的供應(yīng)商，以自動(dòng)學(xué)習(xí)由儀器仿真的電池的性能，盡管這樣做也許能引起用戶很大的興趣。另一種類似的功能也許對電子負(fù)載的用戶會(huì)有幫助。能自動(dòng)學(xué)習(xí)電池供電設(shè)備性能的負(fù)載，可以減去設(shè)備供電電池實(shí)際性能測試（甚至生產(chǎn)測試）過程中的多項(xiàng)單調(diào)工作。
七、智能快速測試儀工作原理
然而，研究院目的是報(bào)道能學(xué)習(xí)電池性能的快速測試儀器。這一儀器由Cadex公司推出，是一種快速測試及修復(fù)系統(tǒng)，專供電池供電設(shè)備大型零售商、用戶服務(wù)部門和大量更換電池的維護(hù)保養(yǎng)機(jī)構(gòu)使用。
該系統(tǒng)采用的適配器，能與所支持的各類型電池的連接頭相匹配，每個(gè)適配器都內(nèi)置有一個(gè)存儲(chǔ)器，以便儲(chǔ)存支持電池的測試參數(shù)和測試限值。在適配器發(fā)貨之前，Cadex便先在這些存儲(chǔ)器內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)。然而，如果電池生產(chǎn)廠商改變了能影響測試數(shù)據(jù)或限值的過程，用戶便有幾種選擇。用戶可從Cadex網(wǎng)址下載更新的文件，或者從他們信任的另一個(gè)用戶那兒取得最新信息。
另一種選擇是調(diào)用測試儀器中的模糊邏輯編程例行程度。根據(jù)Cadex的說法，如果錯(cuò)叫一個(gè)適配器學(xué)習(xí)一些有缺陷電池的性能而更新了適配器中所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，也是不很要緊的，不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)然，如果將適配器暴露在有相當(dāng)多缺陷的電池面前，學(xué)習(xí)功能就會(huì)不起作用，必需重新編寫程序。在這種情況下，可以將儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)重新設(shè)定至原廠的程序，或者從網(wǎng)上下載一組新的數(shù)據(jù)以替代原來的數(shù)據(jù)。
摘自《中國電源博覽在線》
