【導讀】用過(guò)MOS管的小伙伴都知道，其內部有一個(gè)寄生二極管，有的也叫做體二極管。PMOS管做開(kāi)關(guān)用，S極作電源輸入，D極作輸出，當Vsg大于閾值電壓，MOS管導通，一般MOS管的導通內阻都很小，毫歐級別，過(guò)幾安培的電流，壓降也才毫伏級別，此時(shí)體二極管是截至狀態(tài)的。
使用可充電電池運行的現代產(chǎn)品應用程序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(wú)論是單個(gè)電池、模塊（一組電池）還是電池組（一組模塊）。監測電池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范圍內。太熱的電池會(huì )退化或發(fā)生故障。太冷的電池會(huì )因內部電化學(xué)反應變慢而運行緩慢，從而降低其性能。
本白皮書(shū)重點(diǎn)介紹了常見(jiàn)的與溫度相關(guān)的電池問(wèn)題，并向您展示了測試儀器如何幫助構建更好的電池供電應用。
監測電池溫度時(shí)發(fā)現的常見(jiàn)問(wèn)題
熱不平衡、電池組熱點(diǎn)以及低性能和容量是監測電池溫度時(shí)需要注意的領(lǐng)域。
使用引起的熱失衡
大規模應用通常使用帶有串聯(lián)和并聯(lián)連接的模塊的電池組。戰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(zhù)時(shí)間的推移，不均勻性變化會(huì )加速，一些電池會(huì )過(guò)度充電或過(guò)度放電，從而導致電池不成比例地過(guò)熱。
電池平衡使用 BMS 來(lái)均衡充滿(mǎn)電時(shí)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(kāi)路電壓非常接近的電池組來(lái)構建電池組，從而限度地減少 SOC 變化。
產(chǎn)品應用設計也會(huì )導致熱失衡。例如，電池組的冷卻系統對于某些外部環(huán)境來(lái)說(shuō)不夠有效。
電池組熱點(diǎn)
監控電池溫度可幫助您檢測熱點(diǎn)。根據電池應用的重要性，有時(shí)戰略性地跨電池組放置幾個(gè)傳感器就足夠了。然而，在需要關(guān)鍵性能的應用中，溫度傳感器放置在每個(gè)電池組模塊上。
熱點(diǎn)往往發(fā)生在電池組中的弱電池上。弱電池容易受到過(guò)壓并逐漸退化。因此，它們在運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(diǎn)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(huì )刺穿電池單元的內部結構或使其變形，例如電極或聚合物隔膜。如果發(fā)生這種情況并且沒(méi)有進(jìn)行干預，則電池損壞可能會(huì )降低并可能導致熱失控?？赡軙?huì )導致火災和爆炸。因此，檢測熱點(diǎn)、定位故障電池并快速更換它們非常重要。
熱點(diǎn)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(gè)主動(dòng)的閉環(huán)過(guò)程，以保持電池組在充電和放電溫度范圍內運行。
由于電化學(xué)反應較慢，寒冷的溫度會(huì )導致電池性能低下。因此，電池的使用容量會(huì )大幅下降，甚至會(huì )停止工作。
更大的擔憂(yōu)是當電池系統在高于制造商規格的溫度下運行時(shí)。電池壽命會(huì )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(diǎn)開(kāi)始出現。
監測電池溫度的基本獨立測試設備
許多商業(yè)化的電池管理系統可用于各種應用，從物聯(lián)網(wǎng)設備到高壓汽車(chē)應用?；竟δ馨ㄟ^(guò)流保護、過(guò)壓保護、過(guò)充電保護、過(guò)熱保護、欠壓保護、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(mǎi)獨立的測試設備來(lái)監控應用中的電池溫度。
獨立測試驗證系統
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。一個(gè)獨立的數據采集系統可以做以下事情：
使用熱電偶、熱敏電阻和電阻溫度檢測器 (RTD) 等多種類(lèi)型的溫度傳感器進(jìn)行更準確的測量。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 °
在您的應用程序中測量比 BMS 實(shí)施更多的點(diǎn)。您驗證您的 BMS 沒(méi)有遺漏任何關(guān)鍵位置。
以更短的時(shí)間間隔進(jìn)行測量，而不會(huì )對您的 BMS 和應用程序的硬件資源造成負擔。這有助于您找到 BMS 監控系統的間隔設置。
關(guān)鍵任務(wù)應用程序的外部冗余
擁有獨立測試系統的另一個(gè)關(guān)鍵原因是為關(guān)鍵任務(wù)應用程序提供冗余。監測和控制重要器官功能的醫療設備無(wú)法承受操作期間的計劃外電源中斷。另一個(gè)例子是為 IT、電信和醫療設備等基本建筑功能供電的大型儲能系統。
一個(gè)獨立的數據采集系統可以做以下事情：
它可以提供獨立的報警和緊急二次關(guān)閉，以防止電池系統熔毀或起火。
如果主系統發(fā)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選擇，因為它具有高度通用性。許多現代 DAQ 系統都內置高分辨率 6.5 位萬(wàn)用表儀器。它們還配備各種固態(tài)、電樞和簧片開(kāi)關(guān)多路復用器模塊，以監控 100 多個(gè)通道的溫度點(diǎn)。此外，由于DAQ內置了數字萬(wàn)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(cháng)時(shí)相應地擴展。因此，您不必投資新系統，從而節省寶貴的開(kāi)發(fā)時(shí)間。
有助于構建更好的電池供電應用的測試設備
了解電池故障的根源后，您可以使用電池仿真軟件來(lái)預測電池容量的下降。
電池故障機制和問(wèn)題
您可以通過(guò)對電池進(jìn)行物理剖切來(lái)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)生之前預測故障（圖 2）。
圖 2. 隨時(shí)間變化的內部電池故障機制。（：是德科技）
故障的一個(gè)是陽(yáng)極電極上的鋰電鍍或枝晶生長(cháng)。 [1] 這種增長(cháng)通常是由于多次循環(huán)對電池過(guò)度充電而導致的，導致鋰沉積在陽(yáng)極上。隨著(zhù)時(shí)間的推移，這可能會(huì )導致兩個(gè)電池電極短路。很難監控這種電氣短路，因為它發(fā)生得很快——以毫秒為單位的電壓降。
另一個(gè)是電極的退化，表現為充放電循環(huán)疲勞和電解質(zhì)的重復化學(xué)反應導致氧化物堆積或微裂紋。 [2]
導致電氣短路[3] 的內部電池隔膜故障是另一個(gè)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(huì )導致隔膜失效。制造過(guò)程中的材料缺陷也可能導致故障。
老化和電池容量下降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(hù)有關(guān)。開(kāi)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(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而增加，但您無(wú)法通過(guò)快照測量電阻并立即得出容量下降的結論。溫度、SOC 和放電率會(huì )影響電池內阻。
由于電化學(xué)反應和電池暴露于溫度和機械應力等物理變量，電池故障非常復雜。充電方式是另一個(gè)因素。因此，沒(méi)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，根據您的應用、電源使用要求、容量和生產(chǎn)周期（研發(fā)、合規性測試或生產(chǎn)），可以使用測試設備解決方案來(lái)滿(mǎn)足您的需求。
讓我們探索測試設備工具，以幫助您更好地證實(shí)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(shí)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，您必須先對其進(jìn)行分析。您需要了解電池隨時(shí)間放電時(shí)可以存儲和供應的能量。開(kāi)路電壓和內阻隨電池放電而變化。
因此，將這些映射出來(lái)至關(guān)重要，這樣電池配置文件才能準確反映電池的實(shí)際性能。圖 3 是一個(gè)典型圖的示例。工程師可以通過(guò)使用電池建模軟件或從電池供應商處接收配置文件來(lái)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備的電流消耗，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。
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(xiàn)。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。
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(kāi)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(gè)生命周期內，電池性能會(huì )顯著(zhù)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(gè)簡(jiǎn)單的解決方案來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。該軟件必須支持任意波形生成和數據記錄。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(jià)值。
工程師可以組合多個(gè)不同的充電和放電序列來(lái)模擬復雜的循環(huán)曲線(xiàn)。然后他們可以確認電池的性能如何隨著(zhù)時(shí)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 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和可靠性（見(jiàn)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)獨立的測試系統來(lái)監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整體性能的潛在問(wèn)題，例如熱不平衡、熱點(diǎn)和環(huán)境溫度變化，即使您已經(jīng)擁有 BMS 也是如此。
這個(gè)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(mǎn)足您對電池測試系統的所有需求。此外，這個(gè)獨立的系統有助于解決電池故障和問(wèn)題。通過(guò)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模擬器，以幫助構建更好的電池供電應用程序。
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