艾德克斯IT6412在鋰離子電池安全探測中的使用

我們的電池安全、耐用、可靠嗎？從手機電池安全事件到波音787電池事件，人們前所未有地在關注電池問題。的確，巨大的移動數碼和通信設備的需求、電動工具的快速發展，電動車和節能環保對大容量電池的需求，使整個電池行業欣欣向榮。但鋰離子電池充電時萌生的枝晶會使電池短路，目前尚未徹底處理其安全問題。要怎么樣通過嚴格可靠的探測，控制并保證鋰離子電池的安全運行并提升其工作壽命，不僅是從事鋰離子電池開發和加工的工程師面對的挑戰，也同樣是對產品設計工程師在選用電池和設計產品用電特性時，需要充足考慮的問題。艾德克斯IT6412的鋰離子電池安全探測方案，可以從循環充放電、保護性能以及電池保護板性能等各個方面探測便攜式以及可穿戴設備的鋰離子電池，既安全又高效。

一、枝晶效應

圖一、鋰離子電池工作的原理

鋰離子電池是通過鋰離子的傳遞來完成充放電的。如圖一所示，鋰電池由正極，負極，隔膜，電解質組成。今朝鋰聚合物電池常使用高分子膠體取代常規液體電解質，比傳統鋰電池更輕薄，能量密度更高，安全性更好。

鋰電池的充電和放電可以通過嵌入和脫嵌兩個過程來完成（如圖二所示），在放電時，鋰離子從正極材料中移出至電解液，再像水進入海綿一樣的進入到負極材料，這個過程被稱為脫嵌。而在充電狀態下這個過程則相反，稱之為入嵌。上圖中左為鋰離子電池的入嵌過程，右為脫嵌過程。

圖二、鋰離子電池的嵌入和脫嵌

所謂枝晶效應，就是在充電過程中，鋰離子從正極脫嵌，穿越隔膜，跳進電解液后，在充電器給予的外電場作用下向負極運動，依次進入石墨組成的負極，在負極表面形成碳鋰化合物。當充電速度過快時，鋰離子還來不及鉆進負極的小洞穴，就在負極附近的電解液中集中起來，一些靠近碳負極的鋰離子就會與電子結合，從而變成金屬鋰。如此這般，時間一長，金屬鋰就會在負極堆積起來、形成像樹枝一樣的晶體，大家習慣地稱呼這種樹枝狀晶體為“枝晶”。

那么，出現枝晶的后果是，枝晶大到一定程度會刺穿正負極之間的隔膜，一旦刺穿，電池會立即短路，輕者電池報廢了事，重者發生爆炸。

二、IT6412的充放電安全探測保障電池壽命

鋰電池充電分為三個階段（如圖三所示）：一、預充電階段：小電流預充電；二、電流控制階段：達到最小充電電壓后，以額定電流恒流充電；三、電壓控制和充電結束階段：當電池兩端電壓接近控制電壓時改為恒壓充電。通常當充電電流降為1/10C(典型值80mA)時，認為接近洋溢，可以終止充電。

鋰電池充電要求保證終止電壓精度在1%之內。鋰離子電池的放電探測則需要電池在不同的溫度下進行電池放電實驗，觀察電池變化，記錄電池的容量。小功率鋰電子尤其適合如圖三所示的線性充電，待充電電池的電壓往往在3V-4.2V之間，電流通常在0~2A之間，艾德克斯IT6412精度高，應和速度快，尤其適合小功率鋰離子電池的充放電探測。

圖三:鋰離子電池充電曲線

艾德克斯IT6412是一款專為便攜式電池探測設計的雙極性電源，電流可實現正負極變化，具有神奇的電池充放電模式，可觀測電池的電壓、電流和電池已充電容量。不僅如此，IT6412還有示波功能，用戶可通過外部存儲設備，清晰、便捷的保存當前電池放電的曲線。

圖四、充電終止電壓與電池壽命的關系

如圖四所示，充電終止電壓越高，電池壽命越短。在4.2V附近，1%的電壓誤差會導致壽命變化1/3。

圖五、充電終止電壓對容量的影響

如圖五所示，鋰離子電池1%的終止電壓的變化，會使容量改變8%，因為過充電會使容量看起來更大，欠充電會使容量得不到充足的利用。因此，終止電壓的精度是一個非常緊要的參數。IT6412電壓介紹度1mV，并具有萬分之二的電壓精度，電池探測功能可以精確設置充電截止電壓、充電時間和充電容量，戒備過充對電池壽命的損壞。

圖六:IT6412實現電池充放電

單臺IT6412雙通道雙極性電源可同時實現輸出電流和吸收電流的功能，并且有高低兩個電壓量程，如圖六所示，電壓電流量測完全可以滿足小型鋰離子電池的充放電需求，并且一機多用，為電池研發和探測工程師大幅度提高工作效率，短時間內快速掌握在各種情況下鋰離子電池的工作情況。

三、探測鋰離子電池保護板

鋰離子電池保護板是對串聯鋰離子電池包的充放電保護，保護電池不過放、不過充、不過流，還有就是輸出短路保護。IT6412因其神奇的電流雙極性設計，另有可設置0~1Ω可變的輸出阻抗，因此可以模擬鋰離子電池用以探測鋰離子電池保護板性能。

鋰離子電池保護板對探測設備的精度要求極高，如過充電壓保護探測，需要模擬電芯的電壓精度到達幾個mV。保護電路板的空耗電流也僅有幾個uA。同樣，應和時間也是電池保護板探測的緊要指標。

依據國標GB/T18287-2000的探測要求，測量電池在過沖、過放和短路情況下保護電流的變化情況和應和時間。由于在過保護瞬間和短路應和瞬間時間非常短，通常都在百微秒級別，因此，對于探測的電源應和速度也是有著嚴格的需求。艾德克斯IT6412電源是一款高精度的線性電源，具有超快動態應和，50%-100%LOAD恢復到50mV時應和時間小于50us，如圖七所示。完全滿足鋰離子電池ms級別的應和探測要求。

圖七：IT6412動態應和時間曲線圖

四、總結

艾德克斯IT6412雙極性高速線性直流電源不僅可以探測電池，還可以模擬電池，超快的動態應和可以探測保護動作時間，同時具有快速的A/D采樣，并且電流顯示介紹度可達100nA，完全滿足微安級別的空耗電流探測要求。一臺儀器可實現多種用途，精簡探測設備，優化探測流程。

圖八：艾德克斯明星產品IT6412雙通道雙極性直流電源

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