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电池 及充电装置的测试和验证

电池 及充电装置的测试和验证. 内容安排. 电池及充电管理介绍 典型的电池供电设备及应用 电池的特性及充放电的管理 安捷伦电池及充电装置的测试方案 电源 在电池及电池管理 测试上的应用 示波器实现开关电源的测试 电磁 预兼容的 测试 安捷伦电源测试 明星测试 仪表. 消费电子产品. 统计数据表明， 2013 年，全球 PC 出货量接近 2.03 亿 台 2013 年，预计平板电脑出货量为： 2.93 亿 台. 预计 2017 年，智能手机 出货量将达到了 17 亿 部. 2013 年全球数码相机出货量预计 1 亿 台. 电动交通工具.

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电池 及充电装置的测试和验证

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  1. 电池及充电装置的测试和验证

  2. 内容安排 • 电池及充电管理介绍 • 典型的电池供电设备及应用 • 电池的特性及充放电的管理 • 安捷伦电池及充电装置的测试方案 • 电源 在电池及电池管理 测试上的应用 • 示波器实现开关电源的测试 • 电磁预兼容的测试 • 安捷伦电源测试 明星测试仪表

  3. 消费电子产品 统计数据表明，2013年，全球PC出货量接近 2.03亿台 2013年，预计平板电脑出货量为： 2.93亿台 预计2017年，智能手机 出货量将达到了 17亿部 2013年全球数码相机出货量预计1亿台

  4. 电动交通工具

  5. UPS不间断电源

  6. 绿色能源-光伏、风能

  7. 电动工具

  8. 内容安排 • 电池及充电管理介绍 • 典型的电池供电设备及应用 • 电池的特性及充放电的管理 • 安捷伦电池及充电装置的测试方案 • 电源 在电池及电池管理 测试上的应用 • 示波器实现开关电源的测试 • 电磁预兼容的测试 • 安捷伦电源测试 明星测试仪表

  9. 锂电池的组成及定义 • PTC是Positive temperature coefficient的缩写。正温度系数电阻，温度越高，阻值越大，可以防止电池高温放电和不安全的大电流的发生，即过流保护作用。 • NTC是Negative temperature coefficient的缩写。负温度系数电阻，在环境温度升高时，其阻值降低，使用电设备或充电设备及时反应、控制内部中断而停止充放电。 • 电池主要由 电芯，控制保护电路，外壳引线等组成。主流的电芯都是日韩企业提供，包括 三洋、松下、索尼、比克等。

  10. 锂离子电池的工作原理 • 充电时，锂离子从正极层状物的晶格脱出，通过电解液迁移到层状物负极表面后嵌入到石墨材料晶格中，同时剩余电子从外电路到达负极。 • 放电则相反，锂离子从石墨晶格中脱出，回到正极氧化物的晶格中。 • 由于LixCx非常活跃，可以和水发生反应。故电解质选用可溶于有机溶剂的锂盐。但这个使得锂电池相比镍铬、镍氢电池的内阻要大很多。

  11. 锂电池的负极枝晶效应 • 在充电的过程中，Li+从正极LiCoO2中脱出，进入电解液，在充电器附加的外电场作用下向负极移动，依次进入石墨或焦炭C组成的负极，在那儿形成LiC化合物。 • 如果充电速度过快，会使得Li+来不及进入负极栅格，在负极附近的电解液中就会聚集Li+，这些靠近碳C负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为金属Li。持续的金属锂生成会在负极附近堆积、长大成树枝状的晶体，俗称枝晶。 • 随着负极的充满程度越高，LiC晶格留下的空格越少，从正极移动过来的Li+找到空格的机会就困难，时间就越长。如果充电速度不变的话，一样可能在负极表面形成局部的Li+堆积。因此，在充电的后半段必须逐步缩小充电电流。 • 枝晶的长大会刺破正负级之间的隔膜，形成短路。可以想象： • 充电的速度越快越危险； • 充电终止的电压越高也就越危险 • 充电的时间越长也越危险。 • 因此，充电控制和管理对锂电池尤为重要。

  12. 锂电池的电压区域划分 • 由前所述，锂离子电池的电压过高或者过低都会影响锂电池的正常使用，甚至发生燃烧、爆炸等造成严重的后果。 • 根据锂电池的特性，一般将锂离子电池电压的划分为以下几个区域，不同的电芯制造商虽有区别，但区别不大。 • ===================== • 高压危险区 • ---------------保护线路过充保护电压(4.275~4.35V) • 高压警戒区 • ---------------锂离子电池充电限制电压4.20V • 正常使用区 • ---------------锂离子电池放电终止电压(2.75~3.00V) • 低压警戒区 • ---------------保护线路过放保护电压(2.3~2.5V) • 低压危险区 • =====================

  13. 锂电池的控制保护电路 • 正常充电时，P+,P-端接充电器。MOS开关T2打开，T1关闭。充电电流回路为：P+>>B+>>B->>D2>>T1>>P-。 • 正常放电时，P+,P-端接用电设备，如手机。T1打开，T2关闭。放电回路为： B+>>P+>>P->>D1>>T2>>B-。

  14. 锂电池的控制保护电路异常控制 • 随着充电的进行，电池电量及电压不断上升，如果不及时控制就可能进入高压警戒区，甚至危险区。 • 保护电路就需要准确的监测电池的电压，当进入警戒区时及时打开充电回路开关T1，切断充电回路。 • 反之，随着放电的进行，电池电量及电压不断下降，如果不及时控制就可能进入低压警戒区和危险区。 • 保护电路就需要准确的监测电池的电压，当进入警戒区时及时打开充电回路开关T2，切断放电回路。

  15. 锂离子电池充电的几个基本原则 • 电流必须 • 瞬时值<5C， 平均值<1.2C • 以上值和电极表面积、电解质、温度有关，不同制造商略有不同 • 充电电压都不能超过4.275，考虑到制造误差和温度漂移，一般充电电压设定不超过4.2V • 充电终止后不能接受涓流充电 • 电压到达4.2V后充电必须在几个小时内完成，不能任意延长。 • 违背上述原则都将产生“枝晶效应”，长期反复地违背这些规则，将会对电池的寿命产生极大的影响，甚至有安全问题 • 据不完全统计，美国每年有70起手机锂离子电池的爆炸事故 左图就是一个典型的充电示意，实线代表电流变化，虚线代表电压变化

  16. 电芯和成品电池的测试要求 • 开路电压 • 交流内阻 • 充电容量 • 放电容量 • 充、放电循环寿命

  17. 电池保护电路的测试要求 • 保护功能及性能验证 • 充电过充保护电压精度及响应时间 • 过充保护撤销恢复及响应时间 • 放电过放保护电压精度及响应时间 • 过放保护撤销恢复及响应时间 • 充电过流保护及响应时间 • 放电过电流保护及响应时间 • 短路保护测试 • 保护电路对电池性能的影响 • 待机空耗电流 • 保护电路的电阻

  18. 内容安排 • 电池及充电管理介绍 • 典型的电池供电设备及应用 • 电池的特性及充放电的管理 • 安捷伦电池及充电装置的测试方案 • 电源 在电池及电池管理 测试上的应用 • 示波器实现开关电源的测试 • 电磁预兼容的测试 • 安捷伦电源测试 明星测试仪表

  19. 安捷伦独特的解决方案——N6705B 直流分析仪 单台仪器中整合多种测试仪器的功能， 为研发工程师大幅度提高工作效率 • 1 至 4 路高性能电源/负载 • 数字电压表和电流表 • 带功率输出的任意波形发生器 • 示波器 • 数据采集 • 所有的测量和功能都能通过前面板实现 短时间内快速详细的掌握在各种情况下DUT的工作情况 而不需要写一行代码!

  20. N6705B进行电芯/成品电池容量测试 （1） • 用作电源或负载直接给电池充、放电，测试容量 • PC安装14585A软件进行电压、电流随时间变化，并直接显示容量值 • 软件支持最大999小时长时间记录，且可进行任意区域放大，缩小和分析功能。

  21. N6705B进行电芯/成品电池容量测试 （2） • 用真实的充电器、手机给电池充电,作为电压，电流表测试充电容量 最真实的电池容量 测试连接框图 • 手机充电与直接用电源充电的充电模型完全不同，最真实的反映电池容量。 • 与任何其他方式不同，N6705B的电流表做到0V压降，不对电池电压产生任何影响。

  22. 电压 电流 功率 N6705B进行电芯/成品电池容量测试 （3） • 用真实手机对电池放电,作为电压，电流表测试放电容量 • 我们可以得到: • 平均电流 = 233 mA • 平均电压 = 3.82 V • 放电容量 = 843 mA-h • 放电能量 = 3.19 W-h • 时间 = 3 hr 38 min • 关机电压 = 3.44 V • 结论： • 放电量 (843 mA-h) 小于电池指标(1000 mA-h) • 关机电压高于预期(期望3V)

  23. 电池保护电路板测试的挑战 • 保护电路测试项目众多，而且无论B+,B-端，还是P+,P-端都具有“双向性”，即输出电流和吸收电流。通常都需要多台电源，电子负载，示波器，程控开关等组合完成，测试系统连接框图如右图所示。 • 对测试设备的精度要求极高，如过充电压保护测试，需要模拟电芯的电压精度到达几个mV。因此，4V电压时，1mV相当于0.025%. • 同样，保护电路板的空耗电流也仅有几个uA，通常需要用万用表测试。 • 保护电路板的电阻也只有几个或几十毫欧，对测试设备也提出很高的要求。

  24. 安捷伦单台N67xx电源实现电池保护电路板测试 • 仅需一台N67xx电源即可完成电池保护电路板测试项目： • 充电过充保护电压精度及响应时间 • 过充保护撤销恢复及响应时间 • 放电过放保护电压精度及响应时间 • 过放保护撤销恢复及响应时间 • 充电过流保护及响应时间 • 放电过电流保护及响应时间 • 待机空耗电流 • 保护电路的电阻 • 1至4通道 • 支持电流输出和吸收 • 电压，电流任意波形输出 • 支持电压，电流快速采样

  25. 充电过压保护电压及响应时间，保护撤销电池电压及响应时间充电过压保护电压及响应时间，保护撤销电池电压及响应时间 • 使用N6705B的任意波发生器功能，通道1模拟电池电压的上升和下降序列，检测电流变化，使用示波器功能同时记录电压电流变化，即可测试(结果如图)： • 电池过充电保护的电压值（4.30V）； • 电池过充电保护的响应时间（1.15S）； • 电池过充电保护撤销的电压值(4.10V)； • 电池过充电保护撤销的响应时间(17mS)。

  26. 放电欠压保护电压及响应时间，保护撤销电池电压及响应时间放电欠压保护电压及响应时间，保护撤销电池电压及响应时间 • 通道1模拟电池电压的下降和上升序列，检测电流变化，使用示波器功能同时记录电压电流变化，即可测试(结果如图)： • 电池放电欠压保护的电压值（2.95V）； • 电池过充电保护的响应时间（22mS）； • 电池过充电保护撤销的电压值(无)； • 电池过充电保护撤销的响应时间(无)。

  27. 电池充电过流保护电压及响应时间 • 设置通道2的最大电流为6A，并使用N6705B的示波器功能，记录电流波形，即可测试出过流保护响应时间，测试结果如图： • 该电池保护电路板6A时充电过流保护启动正常； • 过流保护响应时间为10.8mS.

  28. 电池放电过流保护电压及响应时间 • 设置通道1的最大电流为4A，并使用N6705B的示波器功能，记录电流波形，即可测试出过流保护响应时间，测试结果如图： • 该电池保护电路板4A时放电过流保护启动正常； • 过流保护响应时间为1.56mS.

  29. 电池短路保护电流及响应时间 • 短路测试需要电源提供极大的峰值电流，N6700平台高功率模块以提供最大50A电流； • 短路响应时间非常短，通常都在百微秒级别，如左图测试的380us，N6700高功率模块也支持10us电流采样速率。

  30. 电池保护电路板待机消耗电流 • N678x SMU或安装2uA选件的N6762模块都具有nA级别电流测试能力，可以轻松实现保护电路板uA级别电流的测量： • 4.2V电压时的保护电路板的电流为4.36uA; • 3.2V 电压时的保护电路板的电流为4.16uA.

  31. DC-DC二次电源在电池电路中大量使用 Bus Voltage Power Conditioning Unit (PCU) Shunt Switch Power Distribution Unit Satellite Payload and sub-system 24V 12V Solar Array 5V 蓄电池 BCR BDR BCR：Battery Charge Regulator BDR：Battery Discharge Regulator

  32. 两通道电源+负载实现DC-DC一体化测试 测量输入输出纹波抑制比 通道2工作在恒流电子负载模式 通道1工作在5V输出，恒压模式 在源端注入特定幅度频率的纹波噪声，同时在输出端测量纹波的幅度值，并计算纹波抑制比 输出3.3V 输入5V

  33. Iin +Vin +Vout N6782A #1 3.3 Volt Regulator Iout N6782A #2 N6705B Mainframe 双通道同时作为精密电源及电子负载使用 测试您DC-DC电源的各项指标 • 完整的两象限工作状态，可以作为电子负载使用 • 100 kHz 任意波形带宽，可以生成所需要的任意波形电压、电流波形、脉冲、噪声等信号 • 200KHz 采样率，作为电子负载，直接观察输入电压、电流波形 • 低电压状态下工作正常，无导通电压要求 +20V 第二象限：完整的电子负载工作区 +1A -1A +6V +6V +3A -3A N6781/2A

  34. 源调整率测试要求输入端电压快速变化测试对输出电压幅度的影响源调整率测试要求输入端电压快速变化测试对输出电压幅度的影响 负载调整率测试要求输出电压快速响应测试及电压变化幅度测试。 需要负载的电流瞬态变化速度非常的快。 Iin +Vin +Vout N6782A #1 Vout 3.3 Volt Regulator Iout DC Load Regulation N6782A #2 Transient Voltage Drop N6705B Mainframe Iout time 使用 N678xA 源表模块进行DC-DC转换器测试 简化动态参数测试方法 • The N6782A SMU 非常适合进行电源芯片的测试 • The N6782A SMU 模块两象限输出能力和快速负载响应能力使其适合在DC-DC转换器测试中同时作为源和负载进行测试

  35. DC-DC开机参数测试

  36. DC-DC效率随输出状态变化曲线测试

  37. New 新一代大功率电源 (APS) • APS 是目前市场上功能最强大的直流电源设备 • 体积小，速度快，输出/测量精度高 • 低输出噪声，以80V电压型号为例，纹波噪声峰峰值13mV, 有效值1.5mV. • 两象限工作能力，可作为电源或电子负载使用 • 无缝量程切换功能，同时测量毫安到几十安培电流 • 电压电流的长时间数据记录功能 • 电压电流短时间波形采集功能 • 电压电流的输出波形编辑功能 • 电压电流波形的捕捉和回放 • 多种触发/保护功能，灵活的功率配置 1000 W in 1U 2000 W in 2U

  38. N69xx 与 N79xx APS电源主要性能对比 APS N6900 与 N7900 主要性能对比表格

  39. +V APS电源的双象限工作模式——通过外接功率耗散器，实现电源与电子负载功能的无缝衔接 电子负载 直流电源 QuadrantII Quadrant I • 功率耗散其单元直接与电源连接，实现电流的全量程吸收 • 所有控制由电源端实现，不需要额外的编程控制接口 • 2KW电源可以连接两个功率扩散器，实现电源与电子负载功率匹配 • 实现电源与电子负载功能的无缝衔接，与真实电池性能一致，充放电可自由转换 • 一体化的电源与电子负载集成方案，可以对正负电流进行直接测量，可以累积计算冲电量和放电量 -A +A 100% 10% N7909A1000 W in 1U Full Rack

  40. 使用APS配合功率耗散器模块进行蓄电池测试 • 具备+/-电流能力，使用同一台设备，在同一种连接方式下，可以对电池进行充电或放电测试 • 内置电量测试能力，可以直接获得累积的电量(AHr)数据，测试和验证电池容量。 • 可以长时间记录充放电整个过程中的电量/电压/电流数据 • 具备电池内阻计算能力，可以用于计算电池交流内阻 • 输出端具备继电器开关，可以完全断开与蓄电池的连接

  41. 使用APS模拟蓄电池进行PCU测试 负载仿真设备：详见 N3300A 电子负载 太阳能面板仿真设备： 详见E4360A SAS电源 Power Conditioning Unit (PCU) Power Distribution Unit (PDU) 直流母线输出 太阳能电池板输入 电池充放电控制单元 • 测量评估PCU硬件对电池充电/放电管理性能： • 当前，大部分客户采用的电源，负载和开关切换的方式模拟电池，无法实现充放电无缝切换。 • APS 电流源可以实现双象限工作，更加真实的模拟电池充放电特性。 APS Power Supply APS Power Dissipater

  42. 使用APS电源进行大功率双向DC-DC 电源的测试 所谓双向DC-DC转换电源是指DC-DC的两端可以相互输入/输出的电源转换模块，常见的如电池管理电路BMS，充电时，电流从充电端口流入到电芯；而放电时，电流从电芯流出到DUT。 • APS电源配合N7909A 功率消耗模块，具有双象限能力，无需额外的开关，就能完成双向DC-DC的各种测试。 • 两台APS搭建的双向DC-DC测试，无需额外的开关切换，提高测试的稳定性和吞吐率； • APS内置200KHz的数值化仪，可以测试开机和关机的时延，上升时间，开机浪涌电流等； • APS具有高达18比特的分辨率，和无法量程电流测量能力，具有极高的测试精度。 • 在APS之前，几乎所有的客户都是用电源，电子负载及开关的方式模拟，这种方式最大的问题是无法实现正负电流的无缝转换。 APS Power Supply APS Power Dissipater Test setup with the APS

  43. 最新的N8900系列 5 – 15 kW • 5, 10, and 15 kW Basic, Autoranging Power Supplies • Basic performance • Choose from 14 models • Up to 1500 V, up to 510A • LAN (LXI Core), USB, GPIB, and Analog standard • Master/slave up to 4 units for 60 kW total output power • High power density, only 3U (5.25” / 13.34 cm) tall

  44. 内容安排 • 电池及充电管理介绍 • 典型的电池供电设备及应用 • 电池的特性及充放电的管理 • 安捷伦电池及充电装置的测试方案 • 电源 在电池及电池管理 测试上的应用 • 示波器实现开关电源的测试 • 电磁预兼容的测试 • 安捷伦电源测试 明星测试仪表

  45. 输出端分析 输入端分析 开关器件分析 调制分析 电源测试和分析

  46. 基于安捷伦示波器及软件的开关电源测试方案 开关电源进行测量、分析并生成报告的自动测试软件 支持的示波器: U1881A: InfiniiVision 3000, 4000,7000 系列 U1882A: Infiniium 9000系列 测试项目: 输入分析, 开关器件分析, 输出分析, 冲击电流, 调制分析, 打开/关闭时间分析, 瞬态分析 测试模式:联机或离线 附件:U1880A 时延校正夹具 电源测量分析软件 USB, LAN or GPIB DSOX4000A DSOX3000A DSO9000A 主要特点: 基于Agilent示波器的简单,自动,可靠,快速的开关电源测试方法。

  47. U1882A/U1881A PC版电源测试软件

  48. 电源测试软件: 主要特点

  49. 典型的开关电源测量连接图 DSOX3000/4000/7000B/9000系列 通过USB和PC连接 高压差分探头 电流探头 开关电源被测件

  50. 测量当开关电源打开时瞬间的冲击电流。 当开关电源打开时，输入端的滤波电容相当于瞬间短路，会产生一个很快上升时间的冲击电流。 输入端分析 : 冲击电流测量

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