使用电池温度监控构建更好的电池供电应用

    使用可充电电池运行的现代产品应用程序通常具有内置传感器和电池管理系统 (BMS) 电路。BMS 监控可充电电池系统的电压、电流和温度，无论是单个电池、模块（一组电池）还是电池组（一组模块）。监测电池的电压和电流通常不足以确定电池的健康状况。
    监测电池温度可以警告您潜在的缺陷并快速隔离故障位置。BMS 监控电池组以将工作温度保持在范围内。太热的电池会退化或发生故障。太冷的电池会因内部电化学反应变慢而运行缓慢，从而降低其性能。
    本白皮书重点介绍了常见的与温度相关的电池问题，并向您展示了测试仪器如何帮助构建更好的电池供电应用。
    监测电池温度时发现的常见问题
    热不平衡、电池组热点以及低性能和容量是监测电池温度时需要注意的领域。
    使用引起的热失衡
    大规模应用通常使用带有串联和并联连接的模块的电池组。战略性地放置在电池组中的热传感器可检测温度变化。大型电池组热失衡通常始于影响其充电和放电电压的电池单元的不均匀性。随着时间的推移，不均匀性变化会加速，一些电池会过度充电或过度放电，从而导致电池不成比例地过热。
    电池平衡使用 BMS 来均衡充满电时电池之间的电压和充电状态 (SOC)，可以限度地减少热不平衡。电池制造商还可以选择开路电压非常接近的电池组来构建电池组，从而限度地减少 SOC 变化。
    产品应用设计也会导致热失衡。例如，电池组的冷却系统对于某些外部环境来说不够有效。
    电池组热点
    监控电池温度可帮助您检测热点。根据电池应用的重要性，有时战略性地跨电池组放置几个传感器就足够了。然而，在需要关键性能的应用中，温度传感器放置在每个电池组模块上。
    热点往往发生在电池组中的弱电池上。弱电池容易受到过压并逐渐退化。因此，它们在运行期间比正常的好电池更热，因为它们难以跟上好电池的性能。
    热点还可以警告您电池或模块的潜在损坏。对电池组的物理冲击可能会刺穿电池单元的内部结构或使其变形，例如电极或聚合物隔膜。如果发生这种情况并且没有进行干预，则电池损坏可能会降低并可能导致热失控。可能会导致火灾和爆炸。因此，检测热点、定位故障电池并快速更换它们非常重要。
    热点的其他原因包括端子连接不良、散热组件缺陷和外部电缆短路。
    电池性能和使用容量低
    监测电池温度也可以是一个主动的闭环过程，以保持电池组在充电和放电温度范围内运行。
    由于电化学反应较慢，寒冷的温度会导致电池性能低下。因此，电池的使用容量会大幅下降，甚至会停止工作。
    更大的担忧是当电池系统在高于制造商规格的温度下运行时。电池寿命会降低，较弱的电池可能与优质电池的偏差更大。因此，热失衡和热点开始出现。
    监测电池温度的基本独立测试设备
    许多商业化的电池管理系统可用于各种应用，从物联网设备到高压汽车应用。基本功能包括过流保护、过压保护、过充电保护、过热保护、欠压保护、电池平衡、SOC 和健康状态。
    但是，有很多充分的理由需要购买独立的测试设备来监控应用中的电池温度。
    独立测试验证系统
    拥有独立的测试验证系统，例如模块化数据采集 (DAQ) 系统，有助于验证您的 BMS 是否正常运行。它还有助于验证应用程序的整体集成系统。一个独立的数据采集系统可以做以下事情：
    使用热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器 (RTD) 等多种类型的温度传感器进行更准确的测量。使用热敏电阻或 RTD，您可以获得 ≤ 1 °C 的温度精度。
    测量温度范围从 -150 °C 到 1,820 °
    在您的应用程序中测量比 BMS 实施更多的点。您验证您的 BMS 没有遗漏任何关键位置。
    以更短的时间间隔进行测量，而不会对您的 BMS 和应用程序的硬件资源造成负担。这有助于您找到 BMS 监控系统的间隔设置。
    关键任务应用程序的外部冗余
    拥有独立测试系统的另一个关键原因是为关键任务应用程序提供冗余。监测和控制重要器官功能的医疗设备无法承受操作期间的计划外电源中断。另一个例子是为 IT、电信和医疗设备等基本建筑功能供电的大型储能系统。
    一个独立的数据采集系统可以做以下事情：
    它可以提供独立的报警和紧急二次关闭，以防止电池系统熔毁或起火。
    如果主系统发生故障或失去通信，它可以提供备用监控系统。
    在大型项目中扩展的多功能性和灵活性
    DAQ 系统是监控温度的独立测试设备的选择，因为它具有高度通用性。许多现代 DAQ 系统都内置高分辨率 6.5 位万用表仪器。它们还配备各种固态、电枢和簧片开关多路复用器模块，以监控 100 多个通道的温度点。此外，由于DAQ内置了数字万用表，因此可以测量除温度以外的其他信号，如AC/DC电压和电流、电阻、电容等。
    DAQ 系统是模块化的，如图 1 所示，允许扩展用于温度监测的通道。DAQ 系统允许您添加模块以在项目增长时相应地扩展。因此，您不必投资新系统，从而节省宝贵的开发时间。
    有助于构建更好的电池供电应用的测试设备
    了解电池故障的根源后，您可以使用电池仿真软件来预测电池容量的下降。
    电池故障机制和问题

    您可以通过对电池进行物理剖切来分析电池故障的根本原因。然而，电气测量提供的迹象可以帮助在故障发生之前预测故障（图 2）。

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    图 2. 随时间变化的内部电池故障机制。（：是德科技）
    故障的一个是阳极电极上的锂电镀或枝晶生长。 [1] 这种增长通常是由于多次循环对电池过度充电而导致的，导致锂沉积在阳极上。随着时间的推移，这可能会导致两个电池电极短路。很难监控这种电气短路，因为它发生得很快——以毫秒为单位的电压降。
    另一个是电极的退化，表现为充放电循环疲劳和电解质的重复化学反应导致氧化物堆积或微裂纹。 [2]
    导致电气短路[3] 的内部电池隔膜故障是另一个故障源。电池的物理冲击或刺穿或暴露在非常高的温度下可能会导致隔膜失效。制造过程中的材料缺陷也可能导致故障。
    老化和电池容量下降不是需要立即干预的严重故障。然而，这些因素与电池应用用户有关。开路电压测量本身并不是电池容量的良好指标。老化电池的内阻会随着时间的推移而增加，但您无法通过快照测量电阻并立即得出容量下降的结论。温度、SOC 和放电率会影响电池内阻。
    由于电化学反应和电池暴露于温度和机械应力等物理变量，电池故障非常复杂。充电方式是另一个因素。因此，没有任何单一的电池测试仪器可以为电池故障提供明确的诊断解决方案。
    但是，根据您的应用、电源使用要求、容量和生产周期（研发、合规性测试或生产），可以使用测试设备解决方案来满足您的需求。
    让我们探索测试设备工具，以帮助您更好地证实电池寿命和温度对其的影响。
    电池仿真以验证电池性能，包括温度的影响
    您可以使用电池仿真软件更好地了解和预测电池容量随时间的下降。此外，电池仿真软件可以预测温度对电池寿命的影响。
    在模拟电池之前，您必须先对其进行分析。您需要了解电池随时间放电时可以存储和供应的能量。开路电压和内阻随电池放电而变化。
    因此，将这些映射出来至关重要，这样电池配置文件才能准确反映电池的实际性能。图 3 是一个典型图的示例。工程师可以通过使用电池建模软件或从电池供应商处接收配置文件来获取电池配置文件。建模软件创建的配置文件反映了特定设备的电流消耗，比电池供应商的通用配置文件更准确。电池配置文件是软件模拟电池的基础。
      图 3. 使用 Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 电池测试和仿真软件创建的电池配置文件。（：是德科技）
    考虑温度对电池寿命的影响至关重要。图 4 显示了温度如何影响电池的容量曲线。在不同温度值下生成的配置文件使您能够更好地预测温度对电池寿命的影响。
      图 4. 1,000 mAh 锂离子电池，3 V 截止电压 - 温度变化。（：是德科技）
    开发电池配置文件后，您可以使用电池仿真软件循环电池以确定容量损失和电池寿命缩短情况。在充电和放电的整个生命周期内，电池性能会显着下降。这就是为什么模拟电池循环至关重要。电池测试和仿真软件提供了一个简单的解决方案来实现这一点。该软件必须支持任意波形生成和数据记录。此外，为电池创建不同的充电和放电波形的能力也很有价值。
    工程师可以组合多个不同的充电和放电序列来模拟复杂的循环曲线。然后他们可以确认电池的性能如何随着时间的推移而降低。例如，仿真软件解决方案使工程师能够进行多达 1,000 次循环操作，以确定电池在序列测试条件下的老化效应和可靠性（见图 5）。
    Keysight 的 BV9210B / 11B PathWave BenchVue 电池测试和仿真软件以及 N6705C 直流电源分析仪和 N6781A 或 N6785A SMU 模块可以执行电池分析、电池仿真、电流消耗分析和电池循环测试。
    概括
    拥有一个独立的测试系统来监控电池的健康状况和温度是必不可少的。它可以帮助您检测可能影响电池系统整体性能的潜在问题，例如热不平衡、热点和环境温度变化，即使您已经拥有 BMS 也是如此。
    这个独立的电池测试系统可以作为测试验证系统和外部冗余安全系统。它可以扩展以满足您对电池测试系统的所有需求。此外，这个独立的系统有助于解决电池故障和问题。通过一些额外的设置和电池软件应用程序，您可以将其用作电池模拟器，以帮助构建更好的电池供电应用程序。