在進行電池分析時,標準電源測試設備在很多時候會比專用電池測試設備更具靈活性。

設計電池供電的產品時,工程師需要保證電池在實際應用環境中的合適性;這類相關測試常採用專屬電池測試設備,但有時工程師會轉而採用標準的現成電源供應器對電池充電,並用標準的現成電子負載對電池放電。

這類在研發實驗室中常見的標準電源構成的測試方案,比專用電池測試設備更加靈活;這是因為你可以對標準電源和電子負載進行編程,使其能夠提供多種充放電配置,從而滿足特定的不同應用需求。

首先我們來看將標準電源用於鋰離子電池充、放電迴圈過程的充電階段典型步驟(圖1)。電源按照電池的規格設定充電電流大小,以恆定電流(CC)的運作方式開始充電。電池開始充電後,其內部電壓會升高;隨著充電過程持續,電池電壓逐漸達到其開路電壓。

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圖 1 鋰離子電池的典型充放電迴圈。



在那個時候,電源將達到其程式設定的電壓上限(可透過編程將上限值設為電池開路電壓),然後其將進入恆定電壓(CV)工作模式;進入CV模式後,電源對電池的輸出電流開始下降,對電池的電壓則保持恆定。

你會希望充電電流低於設定的截止值時終止充電;例如在對汽車電池等大型電池充電時,可設最大充電電流為20A,截止電流為50mA。達到截止電流值後,電池可視為已充滿,應停止充電,電池充放電迴圈進入下一階段,通常會靜置一段時間。

首先要考慮使用何種設備量測電池充電電流;由於我們討論的是大電流充電,使用電流計(ammeter)量測並不實際,因為最大電流值可能超過常見數位萬用表(DMM)的電流量程。因此假設你使用電源供應器內建的電流量測功能來量測充電電流;稍後再來談這個問題。

如上所述,要終止充電,需要量測電流值並將量測值與截止值進行對比;如果電流量測時有雜訊干擾,將很難確定何時終止充電。與最大充電電流相比,截止電流閾值很低,這意味著你需要在較大的動態範圍內量測電流;因此在較低電流環境下,雜訊是個大問題。

回想一下我們剛才提到的大型電池充電的例子,該電池的充電電流值為20A,截止電流值為50mA。如果充電電流為20A時雜訊為100mA,則雜訊會導致0.5%的量測誤差,這也許可以容忍,但是100mA的雜訊會導致50mA的截止電流難於量測,使得測試人員難以確定何時終止充電。

電流量測雜訊源的分析

來看看測試環境(圖2);這是一個很簡單的設置,電源與需要充電的電池相連。電池通常被建模為含有內部串聯電阻的理想電池,可使用專用電池測試設備或LCR表,透過交流電阻(ACR)量測獲得內部電阻值。

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圖2 充電電源對低內阻電池充電。



大型電池的內阻多為數十毫歐姆(milliohms),小型電池的內阻多為數百毫歐姆;而像鈕扣電池那樣更小的電池,內阻可能達到幾個歐姆。在這個案例中我們所討論的是大電流電池,因此以下繼續假設電池內阻為數十毫歐姆。

電池充電電源輸出端存在電壓雜訊,量程10V的電源輸出雜訊為10mV峰值很普遍。圖3描繪了電池和電源的簡單模型,標明了阻抗和雜訊源。頻率低於100Hz時,RPS_OUT趨近0Ω。電源的輸出電壓雜訊表現為與直流輸出串聯的交流電壓源;該交流電壓(即雜訊)又表現為通過電池內部較低阻值的串聯電阻的交流電流,根據歐姆定律:INOISE=VNOISE/(RPS_OUT+RCELL)。

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圖3 以這個更複雜的充電電源模型對低內阻電池進行充電。



電流量測結果中的雜訊並非量測雜訊;這種雜訊實際上是真正的電流雜訊,這是由電源輸出電壓雜訊轉換為電池內阻電流造成。因為電池內阻很低,使用低雜訊電源也會在電池中造成電流雜訊。

改善截止電流的方法

如上述分析,電源量測充電截止電流的雜訊來源於電源電壓輸出雜訊,最簡單的方法就是對量測結果求平均。透過幾秒甚至1分鐘的長積分時間電流量測,可以將交流分量過濾;藉由這種方法可以獲得穩定的直流電流值,然後再與截止閾值對比。

但如果電源本身不可設定電流量測積分時間怎麼辦?在這種情況下,你可以進行多次量測,將量測值輸入電腦求其平均值,並用平均值與截止電流對比。

另一種方法是將電感器與電池串聯(圖4)。電感在低頻下阻抗較低,高頻下阻抗較高。根據歐姆定律,得到INOISE=VNOISE/(ZPS_OUT+ZINDUCTOR+ZCELL),隨著頻率提高,ZINDUCTOR逐漸增大,成為分母中的最大值。因此隨著頻率升高,電流雜訊(INOISE)逐漸降低。

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圖4 電源對低內阻電池充電時,可添加電感器來降低雜訊。



因此,在高頻下,電感將成為雜訊的低通濾波器和衰減器。這種方法可以清除雜訊,使你可以更確定是否達到直流截止電流。理想情況下,電感濾波器的截止頻率可以做到10Hz左右,大幅降低近直流電流的感應雜訊電流。假設充電電流為20A,電池串聯電阻10mΩ,需要使用數百微亨利(microhenries)的電感。

需要注意的是,這個電感需要能承受20A的充電電流,因此不能採用小型表面黏著元件;可在環形鐵芯(toroidal core)上纏繞線圈製作合適的電感。