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電池量測

点击次数:292     发布时间:2020-11-06

隨著行動電子產品日益普遍,產品研發時選用的電池效能與特性也成為重要的考量,電池有許多種不同的材質類型,他們的放電曲線與阻抗也都有不小的差異。有些電池的特性較適合用在高電流放電的應用,有些則適合用在"待機"的應用。不恰當的應用將會對電池或連接的電子設備造成嚴重損壞,甚至造成危險。

 

許多工程師會認為電池是零阻抗或是無限大的電容,然而這並不正確。大多數的電池是非完美的裝置,他們與其他電子元件一樣有著電感性與電容性的要素,此外電池的內部阻抗通常也與頻率相關聯。

 

結合使用任意波形產生器、網路阻抗分析儀與固態電流注入器等設備,我們能夠簡單做出幾項電池特性的量測。

 

測試步驟

· 擷取出趨近放電曲線的多項式 

· 掃描20顆電池,單一電池或溫度。(使用數位電錶掃描卡)

· 在頻率從1Hz - 40MHz下,測量電池的阻抗

· 測量電池動態時域響應

· 使用任意波形產生器,製出放電曲線

· 轉換示波器量測的波形至任意波形產生器

 

使用設備

· Picotest M3500A 位半電錶/資料擷取元件 

· Omicron Lab Bode 100 向量/網路/阻抗分析儀

· Picotest J2111A 固態電流注入器

· Keysight DSO60104A 高速數位示波器

· Picotest G5100A 任意波形產生器

 

 

 

 

 

 

 

1 – 使用9.6V 700mAh Ni-Cd3.7V 110mAh Li-Po作電池測試

 

在範例中,我們使用兩顆常用的電池來作電池量測,一顆為9.6V 700mAh Ni-Cd電池,另一顆為3.7V 110mAh Li-Po電池 

 

放電曲線

 

M3500A 六位半數位電錶除了能做穩定精確的電氣量測外,還能搭配1020通道的掃描卡使用,讓電錶成為量測資料的擷取元件,M3500A也能夠直接在Excel中操作,設定取樣率及記錄時間,量測資料筆數只受到Excel的限制,適合用來做大量測試資料的統計。

 

 

 

 

 

 

2 – PT Link能在Excel中直接操作M3500A的功能

 

 

 

 
  

 

放電曲線的擬合

 

M3500A PT Link軟體也能夠自動產生記錄資料繪圖。

 

 

 

 

 

 

3 – 3.7V 110mAh Li-Po 電池 (E flite)的電壓 vs放電時間(分鐘)

 

Excel中,能夠使用trend line功能來取得量測資料的擬合曲線(curve fit)上圖的放電曲線以每30秒一次的電壓採樣率,測試約200分鐘。在Excel中,能夠自動得出擬合曲線的多項式與迴歸常數,並附加至圖表中,其他所有Excel圖表格式工具也都能夠使用。藉由觀察放電曲線,可對不同的應用挑選適合的電池材質。

 

電池動態時域量測

 

由於電流注入器可作為負載,使用Picotest G5100A任意波形產生器或Omicron Lab Bode 100 網路/阻抗分析儀作調變,讓我們能夠在時域(暫態量測)或頻域中,測量電池的阻抗,由於電流注入器有著DC 40MHz 的頻寬,比一般電子負載更快,能夠描繪出高頻下產生的寄生效應。

 

使用Picotest G5100A 控制電流波形,讓電池的電流脈衝約20mA,再用Keysight DSO60104A 1GHz 數位示波器(DSO)觀察電池電壓的變化,由於電流注入器有著20 ns的上升時間,相較於100 ns的上升時間更顯得注入器速度的重要。

 

 

 

 

 

 

4 – 3.7V 110mAh Li-Po電池(E Flite) 20mA 電流脈波 20 nSec vs 100 nSec 

 

 

 


 

5 - 低速量測,二次寄生效應沒顯現出來(然而他們仍會造成我們電路損壞)

 

 
  

 

6 – 9.6V 700mAh Ni-Cd 上下緣20ns 40mA的步階暫態響應顯示出比 Li-Po電池較高的阻值。

 

電池阻抗

 

電流注入器內部包含一個可選用的25mA偏移電流,能夠直接與網路阻抗分析儀連接,電流注入器提供的50 Ohm 電流監測訊號,使用同軸電纜與分析儀的電流訊號端口CH1連接,同時使用分析儀的CH2測量電池電壓,其相除結果(Gain)就是電池阻抗。根據電池與電流注入器的連接方式與電池阻抗,建議使用差動式探棒來免除電纜線對量測結果的影響。

 

 


 

7 – 3.7V 110mAh Li-Po 電池 (E Flite)25mA工作電流的阻抗

 

 

 

 

 

 

 

 

8 – 9.6V 700mAh Ni-Cd 25mA 工作電流的阻抗,注意到不論Ni-Cd電池尺寸大上許多,他的阻抗卻相對高不少。

 

從這些量測中,即使在遠低於諧振頻率的低頻時,我們能看到阻抗與頻率相關。我們也能夠觀察到電池的電感性與電容性。只有深入了解這些電池的特性,並在不同的應用設計中帶入考量,才能避免不必要的錯誤發生。

 

後,任意波形產生器能夠用來模擬負載的放電曲線或是阻抗,Picotest WavePatt 軟體用來產生以下的負載曲線。Picotest G5100A 也能夠匯入一些示波器存為AWG檔案的測量波形,然後使用這些負載曲線來控制電流注入器。

 

 

 

 

 

 

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結論

 

結合固態電流注入器、任意波形產生器、與網路/阻抗分析儀,讓我們能夠測量電池的寄生要素,以及可能造成的潛在傷害,這在使用較低設備中並無法觀察到。

 

我們成功的測量並擬合電池放電曲線,也測量到動態時域與頻域的阻抗,這些寄生要素能夠結合到模擬模型中,切確的反映出電池特性的潛在影響。選擇適當特性的電池,對產品的穩定及效率有很大的幫助。

 

後我們也示範了結合任意波形產生器與 固態電流注入器來模擬特定負載的表現,藉此能更真實呈現出電池在不同負載的適用性

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