在可充電電池上運行的現代產品應用通常具有內置傳感器和電池管理系統 (BMS) 電路。BMS 監控可充電電池系統的電壓、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）。監測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 監控電池組以將工作溫度保持在最佳范圍內。太熱的電池會退化或發生故障。太冷的電池會因較慢的內部電化學反應而表現遲緩，從而降低其能力。

本文重點介紹了與溫度相關的常見電池問題，并向您展示測試儀器如何幫助構建更好的電池供電應用。

監測電池溫度的常見問題

熱不平衡、電池組熱點以及低性能和容量是監測電池溫度時需要注意的領域。

使用引起的熱不平衡

大規模應用通常使用帶有串聯和并聯連接模塊的電池組。戰略性地放置在電池組上的熱傳感器可檢測溫度變化。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。隨著時間的推移，不均勻性的變化會加速，一些電池會過度充電或過度放電，從而導致電池不成比例地過熱。

使用 BMS 來平衡充滿電時電池之間的電壓和充電狀態 (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路電壓非常接近的電池批次來構建電池組，從而最大限度地減少 SOC 變化。

產品應用設計也會造成熱失衡。例如，電池組的冷卻系統對于某些外部環境不夠有效。

電池組熱點

監控電池溫度可幫助您檢測熱點。根據電池應用的重要性，有時在一個電池組中戰略性地放置幾個傳感器就足夠了。然而，在需要關鍵性能的應用中，溫度傳感器放置在每個電池組模塊上。

熱點往往發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度應力的影響并逐漸退化。因此，它們在運行過程中會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會刺穿或變形電池的內部結構，例如電極或聚合物隔板。如果發生這種情況并且沒有發生干預，電池單元損壞可能會退化并可能導致熱失控。可能導致火災和爆炸。因此，檢測熱點、定位故障小區并快速更換非常重要。

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

監測電池溫度也可以是一個主動的閉環過程，以保持電池組在最佳充電和放電溫度范圍內運行。

由于電化學反應較慢，寒冷的溫度會導致電池性能下降。因此，電池使用容量將顯著下降，電池甚至可能停止工作。

更大的擔憂是當電池系統在高于制造商規格的溫度下運行時。電池壽命會下降，較弱的電池可能會與好的電池有更多的偏差。因此，熱不平衡和熱點開始出現。

監測電池溫度的基本獨立測試設備

許多商業化的電池管理系統可用于各種應用，從物聯網設備到高壓汽車應用。基本功能包括過流保護、過壓保護、過充電保護、過溫保護、欠壓保護、電池平衡、SOC 和健康狀態。

但是，有很多充分的理由購買獨立的測試設備來監控應用中的電池溫度。

獨立的測試驗證系統

擁有獨立的測試驗證系統，例如模塊化數據采集 (DAQ) 系統，有助于驗證您的 BMS 是否正常運行。它還有助于驗證應用程序的整體集成系統。獨立的 DAQ 系統可以執行以下操作：

使用多種類型的溫度傳感器進行更準確的測量，例如熱電偶、熱敏電阻和電阻溫度檢測器 (RTD)。使用熱敏電阻或 RTD，您可以實現 ≤1 °C 的溫度精度。

測量溫度范圍從 -150 °C 到 1,820 °

在您的應用程序中測量比 BMS 實施更多的點。您確認您的 BMS 沒有遺漏任何關鍵位置。

以更短的間隔進行測量，而不會占用您的 BMS 和應用程序的硬件資源。這可以幫助您找到適合 BMS 監控系統的最佳間隔設置。

任務關鍵型應用的外部冗余

擁有獨立測試系統的另一個關鍵原因是為關鍵任務應用程序提供冗余。監測和控制重要器官功能的醫療設備在操作期間無法承受計劃外的電源中斷。另一個例子是為 IT、電信和醫療設備等基本建筑功能提供動力的大型儲能系統。

獨立的 DAQ 系統可以執行以下操作：

它可以提供獨立的警報和緊急二次關閉，以防止電池系統熔毀或火災。

如果主系統發生故障或失去通信，它可以提供備用監控系統。

在大型項目中擴展的多功能性和靈活性

DAQ 系統是監控溫度的獨立測試設備的最佳選擇，因為它用途廣泛。許多現代 DAQ 系統具有內置的高分辨率 6.5 位萬用表儀器。它們還配備了各種固態、電樞和簧片開關多路復用器模塊，用于監控 100 多個溫度點通道。另外，由于DAQ內置數字萬用表，可以測量除溫度以外的其他信號，如AC/DC電壓電流、電阻、電容等。

DAQ 系統是模塊化的，如圖 1 所示，允許擴展用于溫度監測的通道。DAQ 系統允許您添加模塊以在項目增長時相應擴展。因此，您不必投資新系統，節省寶貴的開發時間。

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圖 1. Keysight 34980A 數據采集開關/測量單元 (SMU)。（來源：是德科技）

幫助構建更好的電池供電應用的測試設備

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預測電池容量的下降。

電池故障機制和問題

您可以通過物理橫截面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生之前預測故障（圖 2）。

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圖 2. 隨著時間的推移，內部電池故障機制。（來源：是德科技）

故障來源之一來自陽極電極上的鋰電鍍或枝晶生長。 [1] 這種增長通常發生在通過多次循環對電池過度充電，導致鋰沉積在陽極上。隨著時間的推移，這可能會導致兩個電池電極之間發生電氣短路。很難監測這種電氣短路，因為它發生得很快——電壓降的毫秒級。

另一個來源是電極退化，顯示氧化物堆積或因充放電循環疲勞和電解質的重復化學反應而產生微裂紋。 [2]

導致電氣短路[3] 的內部電池隔膜故障是另一個故障來源。隔膜故障可能來自電池的物理沖擊或刺穿或暴露在非常高的溫度下。制造過程中的材料缺陷也可能導致故障。

老化和電池容量下降并不是需要立即干預的嚴重故障。然而，這些因素與電池應用用戶有關。開路電壓測量本身并不是電池容量的良好指標。老化電池的內阻會隨著時間的推移而增加，但您無法進行快照電阻測量并立即做出容量下降的結論。溫度、SOC 和放電率會影響電池內部電阻。

由于電化學反應和電池暴露于溫度和機械應力等物理變量，電池故障很復雜。充電方式是另一個因素。因此，沒有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。

然而，測試設備解決方案可以滿足您的需求，具體取決于您的應用、電源使用要求、容量和生產周期（研發、合規性測試或生產）。

讓我們探索測試設備工具，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測電池容量隨時間的下降。此外，電池仿真軟件可以預測溫度對電池壽命的影響。

在模擬電池之前，您必須首先對其進行分析。您需要了解隨著時間的推移電池放電時電池可以存儲和提供的能量。開路電壓和內阻隨電池放電而變化。

因此，將這些映射出來以使電池配置文件準確反映電池的實際性能至關重要。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商處接收配置文件來獲取電池配置文件。建模軟件創建的配置文件反映了特定設備的電流消耗，并且比電池供應商的通用配置文件更準確。電池配置文件是軟件模擬電池的基礎。

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圖 3. 使用 Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 高級電池測試和仿真軟件創建的電池配置文件。（來源：是德科技）

考慮溫度對電池壽命的影響至關重要。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測溫度對電池壽命的影響。

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

開發電池配置文件后，您可以使用電池仿真軟件循環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生命周期中，電池性能會顯著下降。這就是為什么模擬電池循環至關重要的原因。電池測試和仿真軟件提供了一個簡單的解決方案來實現這一點。該軟件必須支持任意波形生成和數據記錄。此外，為電池創建不同的充電和放電波形的能力也很有價值。

工程師可以結合多個不同的充電和放電序列來模擬復雜的循環曲線。然后，他們可以確認電池的性能如何隨著時間的推移而下降。例如，仿真軟件解決方案使工程師能夠進行多達 1,000 次循環操作，以確定電池在序列測試條件下的老化效應和可靠性（見圖 5）。

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圖 5. 使用 BV9210B / 11B 軟件進行電池循環測試。（來源：是德科技）

Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 高級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，可以執行電池分析、電池仿真、電流消耗分析和電池循環測試。

概括

擁有一個獨立的測試系統來監測電池的健康和溫度是必不可少的。即使您已經擁有 BMS，它也可以幫助您檢測可能影響電池系統整體性能的潛在問題，例如熱不平衡、熱點和環境溫度變化。

這種獨立的電池測試系統可以作為測試驗證系統和外部冗余安全系統。它可以擴展以滿足您所有的電池測試系統需求。此外，這個獨立的系統有助于解決電池故障和問題。通過一些額外的設置和電池軟件應用程序，您可以將其用作電池仿真器，以幫助構建更好的電池供電應用程序。

參考

“看看你的電池內部：觀察樹突的生長。” 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。“層狀氧化物鋰離子電池正極材料的基本降解機制：方法、見解和新方法。” 材料科學與工程：B 192（2015），3-25。doi:10.1016/j.mseb.2014.11.014。

張曉偉、Elham Sahraei 和王凱。“鋰離子電池隔膜、機械完整性和導致軟硬內部短路的故障機制。” 科學報告 6，沒有。1（2016 年）。

審核編輯 黃昊宇