如何選擇合適的設備測試和監控電池溫度？
2022-05-24
作者
Bernard Ang，Keysight Technologies
在當今的電子應用中，電池為幾乎所有的可攜式電子裝置供電，因此在電池系統的整個產品生命週期中，監控電池溫度是必要的…
在當今的電子應用中，電池為幾乎所有的可攜式電子裝置供電。電池還可用於大型場所的應急備用電源系統。此外，電動車使用大型級聯電池組來滿足全功能所需功率。
電池組需要所需的功率密度(W/kg)，才能分配足夠的電流，來實現電動車的速度性能。另外，它們還需要所需的能量比(Wh/kg)，以實現更長的執行時間或行程。
為什麼監測電池溫度如此重要？
如今，大多數可充電電池都使用鋰離子電池，工作溫度範圍在15~35℃之間，在此範圍內，電池組能夠釋放其全部性能和容量。如果電池在低於15℃的環境溫度下工作，則電池內的電化學反應可能會減緩，從而導致電池性能變差和容量降低。
如果電池或電池組在高於35℃的環境溫度下工作，電池性能可能會隨著時間的推移而加速退化。因此，可能會出現電池壽命縮短、熱梯度導致的不均勻老化、更大的安全風險，以及更高的壽命週期成本。在極熱的溫度下，電池會發生故障，導致洩漏、冒煙、起火，甚至爆炸。
圖1的功率圖顯示了鋰離子電池單元、模組或電池組在整個溫度範圍內的功率限制。15~35℃之間的範圍是電池實現全部性能的最佳工作溫度範圍。該溫度範圍也是電池運作最有效、最可靠和最安全的溫度範圍。
圖1：功率圖顯示了電池或電池組在溫度範圍內的功率限制。
(來源：Kandler Smith，NREL milestone report)
何時應使用資料擷取(DAQ)系統監測電池溫度
DAQ系統是測量單個或多個物體溫度的最通用儀器之一。DAQ系統監控產品電池系統中多點的溫度，通常，最初單獨測試功能設計塊，然後在產品設計和開發階段測試整合設計子模組。實驗室電池組和系統的測試，在初期產品設計週期中進行，使用幾種常見的研發實驗室儀器即可。
DAQ系統可用於：
- 監控產品電池系統中多個點的溫度；
- 使用直流電源為電池系統充電；
- 使用直流電子負載為電池系統放電。
圖2顯示了使用DAQ系統的常見實驗室設置。如果擁有可以提供和吸收電流的雙向直流電源，那麼就可以用一個雙向直流電源替換單獨的直流電源和直流電子負載。
圖2：使用DAQ、直流電源和直流電子負載進行產品電池系統測試的實驗室測試設置。
(來源：Keysight Technologies)
圖3所示為一個基於PC的DAQ軟體的示例，該軟體對DAQ硬體進行補充以提高效率。使用這種DAQ軟體應用程式，可以快速設置和執行測試，並更快地獲得結果。一些PC資料應用軟體，允許以圖形方式建構自動化測試，並顯著縮短測試開發時間。該軟體基本上支援圖形直觀的儀器設置、測量順序，並與多個儀器互動，以協助創建完整的自動測試。
圖3：Keysight PathWave BenchVue PC DAQ軟體圖形介面。
(來源：Keysight Technologies)
圖3中的示例顯示了一個基於PC的DAQ軟體，它允許：
- 透過改變充電源和放電電子負載來測試裝置中的電池管理系統，同時監控電池系統的溫度和行為；
- 執行多個溫度點測量，以評估電池間的溫度差異；
- 設置警報觸發器，監控溫度、電壓或電流是否超出限制範圍。
何時使用專門的電池測試系統來監測電池溫度
在台式測試儀器上執行快速解決方案，可以很好地協助快速排除故障並驗證電池系統設計。但是，當需要執行全面可靠的電池測試，以滿足標準合規性和一致性測試時，應使用專用的中央控制電池測試軟體附帶的專用電池測試系統。
如果要對電池系統進行可靠而精確的測試，無論它們是電池組、模組還是在電池組，都需要一個專用且支援良好的專用電池測試系統。一個好的電池測試系統可以運作客製的性能、功能、老化和環境測試。
圖4所示為一個專用電池測試系統的示例，該系統可以從單個獨立解決方案擴展到完全整合的測試系統和隨時可用的測試實驗室。
如圖4所示，電池組測試系統可擴展至1,000V、±2,400A和±360kW。對保護測試硬體投資而言，可擴展性是非常重要的一個因素。電池測試系統還必須靈活，適用於各種儲能應用，如汽車運輸到工業和其他大型現場用例。
圖4：Keysight Scienlab SL100XA系列電池測試系統。
(來源：Keysight Technologies)
一個好的電池測試系統，可為待測裝置(DUT)提供整合測試環境，例如溫度和氣候室、DUT的調節，以及標準化的接觸系統，以便與DUT輕鬆整合。還有一點很重要，就是要有內建的安全機制，以避免潛在的危險情況。
對於控制單個或多個電池單元、模組和電池組的完全整合電池測試系統來說，中央電池測試系統軟體也必不可少。一個好的基於網路的中央電池測試系統軟體將能夠：
- 控制和監控測試環境中的所有元件；
- 使用預定義的標準測試來客製測試程式；
- 執行測試測量，有資料記錄，並有時間戳記，以便進行同步分析；
- 提供測量資料的功率視覺化。
最後，中央電池測試系統軟體應支援驗證測試是否符合所有合規測試。例如，國際標準組織(ISO)、德國標準化協會(DIN EN)和汽車工程師協會(SAE)。
結論
在電池系統的整個產品生命週期中，監控電池溫度是必要的。在產品生命週期的早期階段，工程師可以使用DAQ等台式儀器，結合電流源和吸收式直流電源，快速排除故障並驗證其電池系統設計。在產品生命週期的表徵和鑒定階段，一個專門的電池測試解決方案，將有助於確保獲得一個全面、可靠、可擴展的測試解決方案。
(參考原文：Select the right equipment to test and monitor battery temperatures，by Bernard Ang)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年5月號
