使用电池温度监测来构建更好的电池供电应用

使用可充电电池的现代产品应用通常具有内置传感器和电池管理系统 (BMS) 电路。BMS 可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)。监控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 监测电池组以将工作温度保持在最佳范围内。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较慢而性能迟缓，从而降低其性能。

本文重点介绍与温度相关的常见电池问题，并向您展示测试仪器如何帮助构建更好的电池供电应用程序。

电池温度监测中常见的问题

监测电池温度时需要注意热不平衡、电池组热点以及性能和容量低下等问题。

使用过程中产生的热不平衡

大规模应用通常使用串联和并联连接的电池组。电池组各处策略性放置的热传感器可检测温度变化。大型电池组热失衡通常始于电池单元的不均匀性影响其充电和放电电压。随着时间的推移，不均匀性变化会加速，一些电池单元会过度充电或过度放电，导致电池过热。

电池平衡使用 BMS 在充满电时平衡电池之间的电压和充电状态 (SOC)，可以最大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，从而最大限度地减少 SOC 变化。

产品应用设计也会造成热失衡，例如电池组的冷却系统对于某些外部环境不够有效。

电池组热点

监测电池温度有助于检测热点。根据电池应用的重要性，有时在电池组中战略性地放置几个传感器就足够了。然而，在需要关键性能的应用中，每个电池组模块上都会放置一个温度传感器。

热点往往发生在电池组中的弱电池单元上。弱电池单元容易受到过度应力并逐渐退化。因此，它们在运行过程中会比正常的好电池单元更热，因为它们很难跟上好电池单元的性能。

热点还可以警告您电池单元或模块可能损坏。电池组受到的物理冲击可能会刺穿或变形电池单元的内部结构，例如电极或聚合物隔板。如果发生这种情况且未采取任何干预措施，电池单元损坏可能会恶化并可能导致热失控。可能会导致火灾和爆炸。因此，检测热点、找到故障单元并快速更换它们非常重要。

造成热点的其他原因包括端子连接不良、散热组件缺陷以及外部电缆短路。

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，以保持电池组在最佳充电和放电温度范围内运行。

寒冷天气会导致电池性能下降，因为电化学反应速度会变慢。因此，电池使用容量会大幅下降，甚至可能停止运行。

更大的问题是电池系统在高于制造商规格的温度下运行。电池寿命会缩短，较弱的电池可能与好电池的偏差更大。因此，热不平衡和热点开始出现。

监测电池温度必不可少的独立测试设备

许多商业化的电池管理系统适用于各种应用，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、过充保护、过热保护、欠压保护、电池平衡、SOC 和健康状态。

但是，在您的应用中，有很多充分的理由来购买独立的测试设备来监测电池温度。

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。独立的 DAQ 系统可以执行以下操作：

· 使用多种类型的温度传感器(如热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器 (RTD))进行更精确的测量。使用热敏电阻或 RTD，您可以实现 ≤1 °C 的温度精度。

· 测量温度范围为 -150 °C 至 1,820 °

· 测量应用中比 BMS 实施更多的点。您可以验证 BMS 是否遗漏了任何关键位置。

· 以更短的间隔进行测量，而不会占用 BMS 和应用程序的硬件资源。这可以帮助您找到 BMS 监控系统的最佳间隔设置。

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任务关键型应用提供冗余。监测和控制重要器官功能的医疗设备在运行期间不能承受意外断电。另一个例子是为 IT、电信和医疗设备等重要建筑功能供电的大型储能系统。

独立的 DAQ 系统可以执行以下操作：

· 它可以提供独立的警报和紧急二次关闭，以防止电池系统熔化或火灾。

· 如果主系统出现故障或失去通信，它可以提供备用监控和控制系统。

多功能性和灵活性，适合在大型项目中扩展

DAQ 系统是监测温度的独立测试设备的最佳选择，因为它用途广泛。许多现代 DAQ 系统都内置了高分辨率、6.5 位万用表。它们还配备了各种固态、电枢和簧片开关多路复用器模块，可监测 100 多个通道的温度点。此外，由于 DAQ 内置了数字万用表，因此除了温度之外，它还可以测量其他信号，例如交流/直流电压和电流、电阻和电容。

DAQ 系统是模块化的，允许扩展温度监测通道。DAQ 系统允许您在项目增长时添加模块以进行相应扩展。因此，您不必投资新系统，从而节省宝贵的开发时间。

测试设备帮助构建更好的电池供电应用

一旦了解了电池故障的原因，您就可以使用电池模拟软件来预测电池容量的下降。

电池故障机制和问题

您可以通过物理剖析电池故障来分析其根本原因。但是，电气测量可以提供一些迹象，帮助在故障发生之前预测故障。

故障原因之一是阳极电极上的锂沉积或枝晶生长。这种生长通常发生在电池多次过度充电后，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之间发生电气短路。这种电气短路很难监控，因为它发生得很快——电压下降仅需几毫秒。

另一个原因是电极退化，由于充电和放电循环疲劳以及电解质的重复化学反应而出现氧化物堆积或微裂纹。

电池内部隔膜故障导致电气短路是另一个故障源。隔膜故障可能是由于电池受到物理撞击或刺穿，或暴露在极高温度下。制造过程中的材料缺陷也可能导致故障。

电池老化和容量下降并不是需要立即干预的严重故障。然而，这些因素对电池应用用户来说令人担忧。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，但您无法通过快照电阻测量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。

电池故障非常复杂，因为电池会经历电化学反应，并且会受到温度和机械应力等物理变量的影响。充电方式也是另一个因素。因此，没有一种电池测试仪器能够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)，测试设备解决方案可以满足您的需求。

让我们探索测试设备工具，以帮助您更好地证实电池寿命及其温度的影响。

电池仿真以验证电池性能，包括温度的影响

您可以使用电池模拟软件来更好地了解和预测电池容量随时间下降的情况。此外，电池模拟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。您需要了解电池在一段时间内放电时可以存储和提供的能量。开路电压和内阻会随着电池放电而变化。

因此，绘制这些图表至关重要，这样电池配置文件才能准确反映电池的实际性能。工程师可以使用电池建模软件或从电池供应商处获取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当前消耗，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。

开发电池配置文件后，您可以使用电池仿真软件对电池进行循环测试，以确定容量损失和电池寿命缩短。电池性能在充电和放电过程中会显著下降。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种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时间而下降。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，以确定序列测试条件下电池的老化效应和可靠性。

Keysight BV9210B / 11B PathWave BenchVue 高级电池测试和仿真软件，搭配 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和温度是必不可少的。它可以帮助您检测潜在问题，例如热不平衡、热点和环境温度变化，这些问题可能会影响电池系统的整体性能，即使您已经拥有 BMS。

这款独立电池测试系统可用作测试验证系统和外部冗余安全系统。它可扩展以满足您所有的电池测试系统需求。此外，这款独立系统还有助于排除电池故障和问题。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，帮助构建更好的电池供电应用程序。