使用電池溫度監(jiān)測來構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用

使用可充電電池的現(xiàn)代產(chǎn)品應(yīng)用通常具有內(nèi)置傳感器和電池管理系統(tǒng) (BMS) 電路。BMS 可監(jiān)控可充電電池系統(tǒng)的電壓、電流和溫度，無論是單個(gè)電池、模塊(一組電池)還是電池組(一組模塊)。監(jiān)控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)測電池組以將工作溫度保持在最佳范圍內(nèi)。太熱的電池會(huì)退化或發(fā)生故障。太冷的電池會(huì)因內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)較慢而性能遲緩，從而降低其性能。

本文重點(diǎn)介紹常見的與溫度相關(guān)的電池問題，并向您展示測試儀器如何幫助構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用程序。

電池溫度監(jiān)測中常見的問題

監(jiān)測電池溫度時(shí)需要注意熱不平衡、電池組熱點(diǎn)以及性能和容量低下等問題。

使用過程中產(chǎn)生的熱不平衡

大規(guī)模應(yīng)用通常使用串聯(lián)和并聯(lián)連接的電池組。電池組各處策略性放置的熱傳感器可檢測溫度變化。大型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(shí)間的推移，不均勻性變化會(huì)加速，一些電池單元會(huì)過度充電或過度放電，導(dǎo)致電池過熱。

電池平衡使用 BMS 在充滿電時(shí)平衡電池之間的電壓和充電狀態(tài) (SOC)，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組來構(gòu)建電池組，從而最大限度地減少 SOC 變化。

產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計(jì)也會(huì)造成熱失衡，例如電池組的冷卻系統(tǒng)對于某些外部環(huán)境不夠有效。

電池組熱點(diǎn)

監(jiān)測電池溫度有助于檢測熱點(diǎn)。根據(jù)電池應(yīng)用的重要性，有時(shí)在電池組中戰(zhàn)略性地放置幾個(gè)傳感器就足夠了。然而，在需要關(guān)鍵性能的應(yīng)用中，每個(gè)電池組模塊上都會(huì)放置一個(gè)溫度傳感器。

熱點(diǎn)往往發(fā)生在電池組中的弱電池單元上。弱電池單元容易受到過度應(yīng)力并逐漸退化。因此，它們在運(yùn)行過程中會(huì)比正常的好電池單元更熱，因?yàn)樗鼈兒茈y跟上好電池單元的性能。

熱點(diǎn)還可以警告您電池單元或模塊可能損壞。電池組受到的物理沖擊可能會(huì)刺穿或變形電池單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如電極或聚合物隔板。如果發(fā)生這種情況且未采取任何干預(yù)措施，電池單元損壞可能會(huì)惡化并可能導(dǎo)致熱失控?？赡軙?huì)導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸。因此，檢測熱點(diǎn)、找到故障單元并快速更換它們非常重要。

造成熱點(diǎn)的其他原因包括端子連接不良、散熱組件缺陷以及外部電纜短路。

電池性能和使用容量低

監(jiān)測電池溫度也可以是一個(gè)主動(dòng)的閉環(huán)過程，以保持電池組在最佳充電和放電溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

寒冷天氣會(huì)導(dǎo)致電池性能下降，因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)速度會(huì)變慢。因此，電池使用容量會(huì)大幅下降，甚至可能停止運(yùn)行。

更大的問題是電池系統(tǒng)在高于制造商規(guī)格的溫度下運(yùn)行。電池壽命會(huì)縮短，較弱的電池可能與好電池的偏差更大。因此，熱不平衡和熱點(diǎn)開始出現(xiàn)。

監(jiān)測電池溫度必不可少的獨(dú)立測試設(shè)備

許多商業(yè)化的電池管理系統(tǒng)適用于各種應(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，在您的應(yīng)用中，有很多充分的理由來購買獨(dú)立的測試設(shè)備來監(jiān)測電池溫度。

獨(dú)立測試驗(yàn)證系統(tǒng)

擁有獨(dú)立的測試驗(yàn)證系統(tǒng)(例如模塊化數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng))有助于驗(yàn)證您的 BMS 是否正常運(yùn)行。它還有助于驗(yàn)證應(yīng)用程序的整體集成系統(tǒng)。獨(dú)立的 DAQ 系統(tǒng)可以執(zhí)行以下操作：

· 使用多種類型的溫度傳感器(如熱電偶、熱敏電阻和電阻溫度檢測器 (RTD))進(jìn)行更精確的測量。使用熱敏電阻或 RTD，您可以實(shí)現(xiàn) ≤1 °C 的溫度精度。

· 測量溫度范圍為 -150 °C 至 1,820 °

· 測量應(yīng)用中比 BMS 實(shí)施更多的點(diǎn)。您可以驗(yàn)證 BMS 是否遺漏了任何關(guān)鍵位置。

· 以更短的間隔進(jìn)行測量，而不會(huì)占用 BMS 和應(yīng)用程序的硬件資源。這可以幫助您找到 BMS 監(jiān)控系統(tǒng)的最佳間隔設(shè)置。

關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用程序的外部冗余

擁有獨(dú)立測試系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵原因是為任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用提供冗余。監(jiān)測和控制重要器官功能的醫(yī)療設(shè)備在運(yùn)行期間不能承受意外斷電。另一個(gè)例子是為 IT、電信和醫(yī)療設(shè)備等重要建筑功能供電的大型儲能系統(tǒng)。

獨(dú)立的 DAQ 系統(tǒng)可以執(zhí)行以下操作：

· 它可以提供獨(dú)立的警報(bào)和緊急二次關(guān)閉，以防止電池系統(tǒng)熔化或火災(zāi)。

· 如果主系統(tǒng)出現(xiàn)故障或失去通信，它可以提供備用監(jiān)控和控制系統(tǒng)。

多功能性和靈活性，適合在大型項(xiàng)目中擴(kuò)展

DAQ 系統(tǒng)是監(jiān)測溫度的獨(dú)立測試設(shè)備的最佳選擇，因?yàn)樗猛緩V泛。許多現(xiàn)代 DAQ 系統(tǒng)都內(nèi)置了高分辨率、6.5 位萬用表。它們還配備了各種固態(tài)、電樞和簧片開關(guān)多路復(fù)用器模塊，可監(jiān)測 100 多個(gè)通道的溫度點(diǎn)。此外，由于 DAQ 內(nèi)置了數(shù)字萬用表，因此除了溫度之外，它還可以測量其他信號，例如交流/直流電壓和電流、電阻和電容。

DAQ 系統(tǒng)是模塊化的，允許擴(kuò)展溫度監(jiān)測通道。DAQ 系統(tǒng)允許您在項(xiàng)目增長時(shí)添加模塊以進(jìn)行相應(yīng)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(shí)間。

測試設(shè)備幫助構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用

一旦了解了電池故障的原因，您就可以使用電池模擬軟件來預(yù)測電池容量的下降。

電池故障機(jī)制和問題

您可以通過物理剖析電池故障來分析其根本原因。但是，電氣測量可以提供一些跡象，幫助在故障發(fā)生之前預(yù)測故障。

故障原因之一是陽極電極上的鋰沉積或枝晶生長。這種生長通常發(fā)生在電池多次過度充電后，導(dǎo)致鋰沉積在陽極上。隨著時(shí)間的推移，這可能會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電池電極之間發(fā)生電氣短路。這種電氣短路很難監(jiān)控，因?yàn)樗l(fā)生得很快——電壓下降僅需幾毫秒。

另一個(gè)原因是電極退化，由于充電和放電循環(huán)疲勞以及電解質(zhì)的重復(fù)化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)氧化物堆積或微裂紋。

電池內(nèi)部隔膜故障導(dǎo)致電氣短路是另一個(gè)故障源。隔膜故障可能是由于電池受到物理撞擊或刺穿，或暴露在極高溫度下。制造過程中的材料缺陷也可能導(dǎo)致故障。

電池老化和容量下降并不是需要立即干預(yù)的嚴(yán)重故障。然而，這些因素對電池應(yīng)用用戶來說令人擔(dān)憂。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(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，但您無法通過快照電阻測量立即得出容量下降的結(jié)論。溫度、SOC和放電率會(huì)影響電池內(nèi)阻。

電池故障非常復(fù)雜，因?yàn)殡姵貢?huì)經(jīng)歷電化學(xué)反應(yīng)，并且會(huì)受到溫度和機(jī)械應(yīng)力等物理變量的影響。充電方式也是另一個(gè)因素。因此，沒有一種電池測試儀器能夠?yàn)殡姵毓收咸峁┟鞔_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))，測試設(shè)備解決方案可以滿足您的需求。

讓我們探索測試設(shè)備工具，以幫助您更好地證實(shí)電池壽命及其溫度的影響。

電池仿真以驗(yàn)證電池性能，包括溫度的影響

您可以使用電池模擬軟件來更好地了解和預(yù)測電池容量隨時(shí)間下降的情況。此外，電池模擬軟件可以預(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。您需要了解電池在一段時(shí)間內(nèi)放電時(shí)可以存儲和提供的能量。開路電壓和內(nèi)阻會(huì)隨著電池放電而變化。

因此，繪制這些圖表至關(guān)重要，這樣電池配置文件才能準(zhǔn)確反映電池的實(shí)際性能。工程師可以使用電池建模軟件或從電池供應(yīng)商處獲取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)備的當(dāng)前消耗，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)?？紤]溫度對電池壽命的影響至關(guān)重要。

開發(fā)電池配置文件后，您可以使用電池仿真軟件對電池進(jìn)行循環(huán)，以確定容量損失和電池壽命縮短。電池性能在充電和放電過程中會(huì)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種簡單的解決方案來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。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)建不同充電和放電波形的能力也很有價(jià)值。

工程師可以組合多個(gè)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)電池的性能如何隨時(shí)間而下降。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，以確定序列測試條件下電池的老化效應(yīng)和可靠性。

Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 高級電池測試和仿真軟件，與 N6705C 直流電源分析儀和 N6781A 或 N6785A SMU 模塊一起，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(gè)獨(dú)立的測試系統(tǒng)來監(jiān)控電池的健康和溫度是必不可少的。它可以幫助您檢測潛在問題，例如熱不平衡、熱點(diǎn)和環(huán)境溫度變化，這些問題可能會(huì)影響電池系統(tǒng)的整體性能，即使您已經(jīng)擁有 BMS。

這款獨(dú)立電池測試系統(tǒng)可用作測試驗(yàn)證系統(tǒng)和外部冗余安全系統(tǒng)。它可擴(kuò)展以滿足您所有的電池測試系統(tǒng)需求。此外，這款獨(dú)立系統(tǒng)還有助于排除電池故障和問題。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，幫助構(gòu)建更好的電池供電應(yīng)用程序。