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电池综合性能测试方案

菜鸟
2020-02-12 11:44:07    评分

一、什么是源测量单元(SMU)?

在使用SMU数字源表(英文名称:Source Measure Unit,简称SMU),首先了解什么是源表测量单元,下图所示SMU源表即全面整合多台仪器如图1.1,源测量单元仪器可以在测量电流时同时提供或接收电压,在测量电压时提供或接收电流。

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SMU源表仪器组成1.1

源测量单元 (SMU) 可精确地发起电压或电流以及同时测量电压和/或电流。 它兼具以下仪器的有用功能:数字万用表 (DMM)、电源、实际电流源、电子负载、脉冲发生器。

在紧凑型外形中的一台紧闭同步仪器集成上述所有仪器。 即使具有多种功能,SMU 的精度并未受到影响。 事实上,由于测量仪器具有通用性和高精度性能,SMU 比五台仪器的任几台仪器组合起来都有用。

用最简单的术语来说,源测量单元仪器将精密电源(PPS)的功能与高性能数字万用表(DMM)。例如,SMU仪器可以在测量电流的同时提供或吸收电压,在测量电压的同时提供或吸收电流。它们可用作独立的恒定电压或恒定电流源,独立的电压表,电流表和欧姆表,以及精密电子负载。它们的高性能架构还允许将它们用作自动电流-电压或I-V表征系统。

SMU仪器在测试和测量应用中的真正优势在于它们能够同时发出和测量信号。什么时候与使用单独的仪器来处理每个功能相比,SMU的同时运行可缩短测试时间,简化连接,提高准确性,简化编程并降低拥有成本。它们的紧密集成使他们可以保护被测设备免于因意外过载,热失控和其他危险而损坏。这也使SMU仪器成为表征和测试半导体以及其他非线性器件和材料的理想选择。

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简化SMU源表示意图1.2

组装单独的电源,数字万用表和活动负载使用户的协调,布线和控制负担达到100%,而SMU则大大简化了设置和操作。如图SMU2450源表1.3

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Keithley SMU2450数字源表1.3

二、电池测试方案背景

了解SMU数字源表,我们介绍泰克 TSP-2000-BAT 电池测试方案,随着智能可穿戴设备、物联网产业的兴起,以及新能源技术的普及,作为储能单元的电池越来越受到人们的重视,可重复充电的电池已经成为生活中不可缺少的基本需求。为了增加电池容量,提升电池寿命,科学家和工程师进行了多种尝试,为电池性能提升进行着不懈的努力。虽然材料科学一路发展,但锂离子电池性能的提升仍无法与芯片能力相媲美,电池的能量密度提升相对缓慢。为了验证不同材料电池在性能上的细微变化,电池研发和测试机构需要有更精密的测试手段,对其进行准确严格的评估。而对电池使用者来说,如何快速准确的评估不同厂家电池的性能,也是非常重要的测试需求。

TSP-2000-BAT 电池综合性能测试方案使用吉时利源表进行电池性能测试。源表的优点在于精密的四项限输出能力如下图1.4:以及非常高的电压电流回读精度。

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四象限图示例1.4

相比传统方案使用电源、电子负载分别进行电池的充放电,另外还需要使用额外的电压电流表进行测试,源表只需要一台设备就可以完成电池所有的直流参数测量。配合泰克方案合作伙伴提供的交流内阻测试设备,可以一次性解决用户在电池测试中遇到的多种问题,包括高精度电池容量计算,充放电曲线的绘制,电池循环充特性和老化特性测试,电池交流内阻特性等等。     简化电池测试流程,提高测试精度,降低测试成本。 

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TSP-2000-BAT 软件测试界面1.5

三、电池测试方案特点

1、锂离子电池的充放电测试和数据记录:

了解电池的充放电特性,记录充放电电流电压变化曲线是电池测试的基本要求。使用吉时利源表配合软件 TSP-2000-BAT 软件可以大幅度降低电池充放电测试的系统复杂度,一台仪器就可以完成充放电操作,并高精度记录充放电过程中的电压和电流数据,同时用图形方式进行显示 如下图1.6所示。

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黄色为电压变化曲线,绿色为电流曲线,蓝色为电量曲线,图1.6

2. 高精度的电池容量测试:

由于电池技术的发展,每次技术革新带来的能量密度和容量的提升。电极,电解质和隔膜材料的优化都会带来电池性能的微弱变化,这就需要测 试手段能够高精度的表征电池容量的提升。在传统测试中,很难对电池容量进行精确计算,因为需要对充电或放电过程进行积分操作,同时还需要对电流进行高精度的连续采集,计算过程相对复杂。

2450 源表的电流测试精度最高可以达到 50pA,在100mA 量程下的测量精度为 6uA SMU 可以提供极高的电流测试精度,在 Ah 和 mAh 计算中,需要对充电、放电电流进行连续快速采集,并在时间轴进行积分求得电量。更高的直流精度和更快的采样速率可以提高电量计算的精准度。

吉时利源表还支持两线 、四线供电功能,使用四线供电可以有效消除导线和连接夹具电阻,对电池充放电产生的影响。

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SMU数字源表2450, 如图1.7四线供电连接可以消除线电阻影响,更精确的测量电池两端的实际输出电压。

3. 循环充放电功能和库伦效率计算:

由于电池的充、放电时间较长,电池性能测试需要花费的时间通常在几个小时。如果要进行不同倍率的循环充放电测试,或者老化测试,则需要花费更长的时间,可能长达几天甚至几周时间。因此,自动化测试手段成为必要条件,通常需要将测试数据自动读入电脑中进行后续分析,避免重复的人工劳动。

近 年 来 很 多 相 关 领 域 的 科 学 家 开 始 用 库 伦 效 率(Coulounbic Efficiency) 预 测 电 池 寿 命。 其 中, 库伦效率 (CE) = 放电电量 (Qdis) / 充电电量 (Qch) X100%。在单次充放电过程中,充放电电量变化极小,为了达到精确的库伦效率的测量,需要将电压和电流的测试精度提高到 0.01% 附近。吉时利源表超高的电压和电流测试精度,正好可以满足这一要求。如图1.8。

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充放电电量柱状图和库伦效率曲线,如图1.8

4. 电池交流内阻测试功能:

由于电池自身带有电压,所以不能使用传统的欧姆定律测试电池内阻。行业内定义电池内阻一般采用交流测试方法,测试电池在1KHz 交流频率下的内阻阻值。由于内部化学材料的影响,电池在不同电量条件下的内阻阻值也不相同。为了了解电池在充放电过程中的内阻变化,可以使用泰克方案合作伙伴提供的 LCR 表进行电池交流内阻
测试。为防止充放电电流流入 LCR 表,在测试过程中,还需要使用特殊设计的隔直夹具,连接电池与 LCR 表进行测试,如图1.9

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LCR 表进行测试 示意图1.9

电池与 LCR 表的连接需要通过专用隔直家具,以避免对LCR 表的损伤

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锂离子电池充电过程中电流、电压、电量和内阻的关系曲线 图示2.0

5. 计算和数据处理功能:

在充放电过程中,有多组数据被实时记录下来,包括时间,电压,电流,电量,内阻等。在数据处理中,可以选择任意充放电周期中的任意几组数据进行显示。测量结束后,自动将测试数据保存保存为 CSV 文件以便后续分析。测量数据也可以重新导入软件,查看数据的图形显示。四、系统配置方案

2450/2460/2461 吉时利高精度源表

第三方软件 / 硬件:

TSP-2000-BAT

电池综合测试软件

ECA200

高精度 LCR 表

CT8001

隔直测试夹具

CT8902

高频测试线

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关键词: 电池 测试方案 吉时利 源表 充放电    

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