用仪器测量锂电池自放电说明

一路上

锂电池和电池组性能测试对于从事设计或制造工作的工程师来说是一项极为重要的任务，但也是一大挑战。尤其是评测电池自放电时更是如此。自放电较大的锂电池发生故障的可能性更高，工程师必须把它们筛选出来并查明问题原因。不过，这项任务通常非常耗时和枯燥。

什么是电池自放电？

电池自放电指的是电池在未连接任何负载的情况下缓慢损失电荷的现象。一定量的自放电是电池中发生化学反应的自然结果。锂电池每个月通常会损失大约 0.5 到 1% 的电荷。

用专业仪器测量自放电可以显著缩短测量和表征锂电池自放电性能所需要的时间。这些锂电池自放电测量解决方案通过直接测量电池的自放电电流来确定其自放电性能。

• 直接测量自放电电流，1-2 小时便可完成，无需再耗费数天或数周的时间来监测电池的开路电压。
• 在制造过程中，快速区分自放电性能的高低只需几分钟，提高生产效率。
• 在电池设计和评测过程中，快速测量和分析自放电电流。缩短设计周期，加快产品上市速度。
  

探寻锂离子电池自放电特性的新方式

• 表征自放电电流只需几分钟或几小时， 而不是几个星期或几个月
• 更快得出评测结果，更快实现设计迭代
• 软件具有控制、图形生成、记录和数据存储等功能
• 无需将电池储存几个星期甚至几个月
  

评测自放电时所面临的挑战

锂离子电池设计师想要快速测量其电池设计的自放电特性，但往往面临重重困难。而锂离子电池用户在为自己的电子设备和电池组设计选择电池时，也需要解决评测电池自放电特性的难题。

这个难题不在于测量有多么复杂，而在于它测量起来非常耗时。现在的测量方式通常是测量电池的开路电压（OCV）随时间的变化，通过它来检查自放电使荷电状态（SoC） 发生了多大变化。由于大多数锂离子电池在放电时开路电压变化都很小，因此要看到电池荷电状态（SoC）的变化需要很长时间。根据电池的具体情况，这个过程可能需要花费几周甚至几个月。

什么是自放电电流？

大多数锂离子电池即使没有进行任何连接也会不断放电。储存的能量渐渐损失，导致电池可用容量比预期的低。当多节电池组装成电池组时，电池自放电速率的差异会导致电池组内部的电池不平衡。典型的电池管理系统会将所有电池放电至最低电池的电平，使得电池的有效使用时间缩短。
锂离子电池中的自放电特性通常可以使用以下模型表示：

尽管在每块电池上所耗费的测量时间并不长，但是要完成一系列此类测量所需的时间将会十分可观，并将对您的设计周期产生巨大影响。即使您不是将所有时间都花在电池评测上，从开始到完成自放电评测，整个过程仍将耗费几周或几个月。这会对您的产品上市时间产生巨大影响 — 无论您是负责开发新电池的设计师，还是负责评测设备设计中所用电池的电池评测员。

当您评测电池设计时，需要先给电池充电，等待电荷完成再分配，随后方可开始执行自放电评测过程。首先测量开路电压，而后将电池储存起来等待 OCV 发生变化。由于温度会影响电池电压，所以您可能必须将电池储存于恒温环境中。随后，您可以开始着手完成其他设计或任务。

当您再回头看这些电池时，总是需要一段时间重新熟悉原来的评测进度。它的效率肯定不如您不用等待就能看到自放电特性时那么高。

而对于大容量电池而言，这个问题更为突出。大容量电池是目前带动市场增长的一大主力。由于大容量电池需要采取一定的安全措施，所以其测试设置和储存问题更为复杂。

这一挑战带来的实际影响

如果在您的电池设计或评测过程中，自放电表征是一项不可避免的任务，那么为完成这项任务花费多长时间，基本上就相当于电池设计或设备设计的上市时间会推迟多长时间，而这可能达到几周之久。如果您因设计迭代而需要进行多次测试，那么推迟的时间还要根据测试次数倍增。如果因为这种推迟而未能在竞争对手之前将设计推向市场，您将会错失宝贵的商机。

评测锂离子电池自放电特性的更佳方式

为测量电池的自放电性能，您需要直接测量电池的自放电电流。能够测量此类电流的恒电势测量系统必须具备以下重要特征：
– 与电池相连的测量设备对电池荷电状态（SoC）的干扰必须尽可能最小。
– 测试仪器向电池提供的电压必须与电池电压相等。否则，电池将会充电或放电，同时产生电荷再分配电流和 RC 建立电流，这会掩盖您希望测量的自放电电流。
– 向电池提供的电压必须非常稳定，如果不稳定或存在噪声，就会产生电荷再分配电流，在自放电电流测量中显示为噪声。
– 测试设备必须能够准确测量 10 μA 以内的低电平自放电电流。

图 1. 自放电电池模型

自放电测量系统

自放电测量系统

全新BT2191A推出的自放电测量系统可快速测量自放电电流。这款恒电势测量系统具备快速、直接测量电流所需的全部特征：

• 对电池的干扰尽量小
• 供给电池的电压可快速与实际电池电压相匹配（±5 μV）。这样可以尽量避免出现新的充放电，从而尽量限制新产生的 RC 建立电流。
• 供给电池的电压非常稳定（±10 μVpk），以最大限度地降低自放电电流测量中持续存在的电荷再分配电流噪声。
• 准确测量低电平自放电电流，精度达到 ±（读数的 0.025% + 100 nA）。
  

自放电测量系统能够显著缩短测量电池自放电电流所需的时间。测试表明， 对于圆柱形的 18650 或 21700 电池等小容量电池，取决于电池特征，您可以在 30 分钟至 2 小时内快速确定稳定的自放电电流。而对于大容量软包电池（如 10-60 Ah），则一般需要 1-2 小时。

以往，通过观测电池 OCV 发生足够大的变化来确定电池质量，一般需要耗费几周或几个月的时间，相比之下，现在的测量系统是一个巨大的进步。它可以显著缩短测试周期，并加快产品上市。

自放电测量系统也可以测量电池温度。您可以借此了解电池电压和自放电电流将如何随温度而变化。由于电池的电压具有复杂的温度系数，因此监测电池温度可以让您了解温度对电池电压的影响。这样您就可以控制由温度变化引起的电池电压变化。控制此类电压变化，即可消除自放电电流测量时的一个重要误差源。您可以使用 BT2191A 标配的 T 型热电偶，或使用自己的传感器和接线。支持的传感器包括：T、J、K、E、N、R 型热电偶；5 k? 热敏电阻；Pt100 和 Pt1000 RTD。

自放电测量系统软件

• 测量并记录电池自放电电流、电池电压、电池温度。
• 配置系统中的仪器。
• 保存或记录测量数据。
• 调取事先存储的测量结果，用于显示与分析。
• 将数据记录导出至 Microsoft Excel（xlsx 文件）。
• 匹配功能可测量初始电池电压并调节所应用的电压以进行匹配，从而更快获取准确的自放电测量结果。
• 允许用户调节与电池串联的有效总电阻值（包括物理电阻）。这让用户能够自行选择总电阻值，以优化测量中的 RC 建立时间。电阻越低，稳定时间越短，但由于电压随温度波动，电流测量噪声将会增加。
  

图 2. 合格的 18650 电池的测试结果：在 ~ 1.5 小时后测得稳定的自放电电流为 9.08 μA。

图 3. 高放电 18650 电池的测试结果：在 ~ 1.5 小时后测得稳定的自放电电流为 150 μA。

图 4. 合格的 10 Ah 软包电池的测试结果：在 ~ 1.2 小时后测得稳定的自放电电流为 65 μA。

图 5. 高放电的 10 Ah 软包电池的测试结果：在 ~ 2.5 小时后测得稳定的自放电电流为 122 μA。

适用于在电池制造环境中测量自放电特性

自放电测量技术可以显著缩短区分自放电性能高低所需的时间。

自放电分析仪能够显著缩短在制造过程中区别电池自放电性能优劣所需的时间。能显著减少在制品数量、缩减运营资本并降低设施成本。