标签: 电池测试

在电源产品的测试中， 电子负载是必不可少的设备。 多数的电源产品为恒压类产品， 例如电池、电源适配器等。 对这些产品的测试， 为了测试这些产品在实际使用是的工作参数， 需要利用电子负载的恒流（ CC ）或是恒阻（ CR ）工作模式。 也就是说， 在测试过程中通过改变被测电源的工作电流， 来验证电源输出工作电压的稳定性、效率、瞬态特性及其它特性。     为了提高测试精度， 就必须考虑电子负载的这两种工作模式对被测电源产品的影响。 有观点认为测试电压源时，恒流和恒阻负载可以互换。该观点在一定程度上正确，但有些条件下可能会有问题，因为这两种负载的工作模式对被测电源的性能存在明显不同的影响。   首先，我们探讨静态时的工作性能。 我们以此为例， 分别对一个零输出电阻的理想电压源，例如稳压电源， 以及电池这样的非理想电压源进行测试。在电池中， 由于存在内阻， 因此通常被视为非理性的电压源。 在图 1 所示中， 两个电源拥有相同的开路电压。电源输出特征上方是两条负载线：恒流负载线和恒阻负载线。如图所示，理想电压源的电压曲线（ Ideal Voltage Source ） , 当负载的牵引电流发生变化时，或是外接电阻发生变化时， 电压输出将保持稳定。 但是， 对于电池这样的非理想电压源， 由于内阻的存在， 随着牵引电流的增大， 或者外部电阻的下降，内阻消耗的电压上升，导致输出电压（端电压） 的下降。 如图中的Non-Ideal Voltage Source 曲线。   图 1 ：理想 / 非理想电压源的恒流和恒阻负载特性   恒流负载经常用于电源产品的静态测试， 使被测电源在指定电流输出时，精确测量到的工作电源电压。 恒流负载此时模块的被测电源的工作环境，而设置的时候， 也无需考虑被测电源输出电压高低，或者是否符合标准。电池等非理想电压源较为复杂，通常需要测量指定恒流和恒阻负载条件下的技术指标，以表征在实际应用环境中的负载特征。 鉴于电池输出电压（端电压）与负载相关，在实际的测试过程中， 需要分别表征它在恒流或恒阻工作模式下的工作特性。      现在，我们讨论动态性能。恒流负载对电源启动、瞬态性能和稳定性的影响高于恒阻负载。在电源启动时，起初始输出电压为零，而恒阻负载启动时的电流需求为零。 但是，恒流负载则需要全电流， 它可能导致有些电源无法正常启动。由于电流需求取决于电压，恒阻负载具有阻尼效果，电流需求可以随瞬态电压的升高或降低而增加或减少，因此对被测电源瞬态响应和稳定性的影响较小。恒流负载则不具有类似效果，它会降低电源的瞬态响应和稳定性。在实际工作中，使用恒流或恒阻负载取决于被测电源技术指标规定的测试条件。 对于电池这样的非理想电源，其性能也会受到动态因素影响， 这主意由于电池本身的内阻和复杂的放电特性决定的，这也是我们常说的电池输出响应模型。 这个电池模型， 决定了电池的输出端电压会随着电流变化而变化。               因此，在先进的电子负载中，通常都具备恒压、恒流和恒阻工作模式。在测量电源产品的过程中，不同的工作模式都会直接影响被测电源的特性。选用正确的负载工作模式，可以帮我们实现相对精确和完整的测试。    

在众多测量工作中， 需要对电压和电流进行精确测量 ，并 根据测量结果来计算器件功率及其它电气参数，例如功率效率测试和电池功耗分析等。这些测量往往需要总误差达到甚至低于 0.1% 的测量精度。但实际过程中，总测量精度会受限于测量过程中的若干个因素的制约，包括分流器、引线、测量环境、以及数字万用表本身。 数字万用表可对电流进行非常精确的测量 ，例如安捷伦 34461A 6 位半数字万用表，在测量最大 10A 的电流时，误差约为 0.06% （ 24 小时校准）。 但是当电流超过 10A 时 ， 许多数字万用表内置电流表的量程可能就不够用了。这时人们可能会采用卡钳式电流探头测量电流。这个方法的使用方便，但精度有限，大约 0.5% - 1% ， 而且短时间内就会产生漂移，必须经常进行手动归零。因此 ， 要测量几十至上百安培的电流 ， 工程师通常使用分流电阻，构建定制解决方案，利用欧姆定律，通过分流电阻值和测量的压降，计算出电流值。但是这种方法会引入许多误差，必须花费大量精力使用外部手段验证测试结果，但即使这样，也很难确定最终的精度。因此，大电流和动态电流的精确测量，是非常具有挑战性的。 缺陷原因： 市场上常见的高精度电阻分流器的标称技术指标可以达到 0.5% ，甚至有些可低至 0.1% 的误差 。但即便只有 0.1% 误差的分流器，在未考虑其它可能引入的误差之前，就会让我们难以实现 0.1% 总测量误差的目标 。更为严重的是，由于分流器的阻值会随着温度发生变化，而我们无法调整它的绝对电阻值来校准它，而必须进行更多的表征。同时，必须用高精度的万用表来测量电压和电阻的变化。普通的数字万用表由于分辨率的限制，不能直接用于精确表征毫欧级的分流器。 那么，如何来精确表征一个分流器呢？ 一种方法是将其与预先表征过的分流器串联 ， 使用程控电源为该串联电路施加电流。使用串联电路中已知特性的分流器来测量电流，再测量需要表征的分流器上的电压，便可计算出这个分流器的电阻。在表征过程中，您必须等待分流器达到热平衡，以获取这个分流器受温度影响而发生的变化值。在一个电流值完成表征后，随即需要按一定的步进提高电流值，再重复这个过程，直到最大的预期电流值，以表征分流器逐渐增加的自热效应。这个过程极其耗时耗力。 有一点必须考虑的是，鉴于分流器的电阻值仅为毫欧级 ， 所以电路引线中的电阻也不容忽视。在使用 10 毫欧分流器时，即使引线额外增加仅仅 10 微欧电阻，也会导致误差增加 0.1% 。 为了预防引线电阻值加到被表征的分流器电阻值上， 从而影响测量结果，应该使用 4 线 Kevin 连接方法。 图 1 ：利用 Kelvin 4 线 连接的分流电阻器 温度变化引入的误差： 当温度变化时，所有电阻器的值都会发生或多或少的漂移（图 2 ）。这种效应被 量化 为电阻温度系数（ TCR ），单位通常为 ppm/ ℃（见公式 1 ）。普通铜线的 TCR 大约为 4000 ppm/ ℃。精密型分流器使用特殊合金进行补偿，将 TCR 降低到最低水平，可以实现 10ppm 或更出色的性能。然而， TCR 绝不会减小到 0 ，所以您必须计算其效应，特别是在电阻器功耗达到数瓦的时候，以确保环境温度变化或自热导致的温度上升不会损害测量精度。对于 25ppm 电阻器，温度每上升 40 ℃，误差将增加 0.1% 。此外，由于电阻随温度而改变，在电流发生变化之后，分流器两端电压的显示值需要很长的时间才能稳定下来，直到分流器达到热平衡。热稳定时间取决于分流器材料的形状、质量和热导率。对于物理尺寸较大的器件，它们可能长达几分钟。由于等待分流器温度稳定需要时间，这将会严重影响测试速度。 公式1： 图 2 ：分流电阻的热漂移 数字电压表引入的误差： 虽然高性能数字电压表能够测量微伏级电压，但是在低信号电平时，数字电压表自身的偏置误差是决定分流器系统总体精度的最重要原因。数字电压表的测量误差包括了读数误差和偏置误差。偏置误差是有仪表本身决定的，与选用的量程和温度有关，而与被测量的信号无关，这个值通常在微伏级。因此，这就决定了数字电压表在测量分流器的低电压信号时，存在一个不可小视的误差下限。 热电动势引入的误差： 当电路由两种不同金属构成，而且在不同端存在温度差时，就会发生热电效应，即 Seebeck 电压。 Seebeck 电压的大小取决于接触的金属种类及温度差，通常为 uW / ℃的量级。 热电偶就是利用 Seebeck 热电效应来测量温度。但在使用分流器的电流测量中， Seebeck 热电效应会是常见的偏置误差源。要最大限度减小热电效应，必须谨慎选择材料，保持系统的等温状态。因此，您应尽量让分流器测量电路远离可能导致温度变化的热源，例如散热风扇排出的气流，并尽可能降低分流器自身的功耗。连接器的电镀触头、继电器到分流器合金的铜线连接（图 3 ），都可能构成意外的热电偶接点，其温度相关的偏置电压对测量结果会产生不利影响。例如：对于 3.33uV/ ℃的材料，一旦温度变化 3 ℃ ， 就会产生 10uV 的 Seebeck 偏置电压，可能导致 10 mV 的 信号测量产生 0.1% 误差。 图 3 ：自热导致分流器温度上升 选择分流器： 要进行精确的电流测量，首先应使用高品质的电阻。对于普通的电阻，由于引线电阻、较大 的 TCR 、以及 非理想的特性，最好不要使用它作为电流测量的分流器。此外，测量大、小电流的要求会相互矛盾，任何一个实际的测试系统可以测量的最大和最小电流值是有限的。 对于大电流，通过将分流器的功耗限制到适当水平，以此确定该分流器的电流测量上限。根据   ， 100A 电流通过 1 毫欧电阻将消耗 10W 功率，产生 100mV 的压降 。在 10W 功耗条件下， TCR 可能会导致分流器的电阻值发生非常大的变化，需要使用散热器，或更大体积的器件以限制温度的上升。 分流器上的瞬态压降可能也会限制分流器电流测量的实际上限。在被测件端， 实际输入电压等用电源输出电压将减去分流器和导线上的压降。常用的方法是把电源远端感应线跨过分流器，连接到被测件端。这样电源可以提供额外的补偿电压，以稳定被测件端的电压（图 4 ）。然而，如果出现电流的突然变化，分流器仍将导致瞬态电压偏置， ，之后电源才会稳定到新的工作点。分流器瞬态压降与电源固有的瞬态压降相叠加，有可能导致被测件重置或产生其它错误行为。 图 4 ：包括远端感应连接的电源 对于小电流的测量，根据 ，必须使用大分流电阻以使生成的足够高的偏置电压，降低测量误差，提供测量精度。如果测量的电流是变化的，有大电流和小电流，在使用单分流器系统的时候，就可能出现问题。一方面，需要分流器能适用于足够高的电流，需要克服功耗和瞬态响应因素的限制。另一方面，在小电流的测量时又要确保足够的精度，但这时， 数字电压表和 Seebeck 热 偏置电压造成的误差将是不可接受的。 您可能想再使用一个额外的分流器和旁路开关，为小电流测量生成较大的、更容易测量的电压信号。然而，将这个额外的分流器切换到电路中进行测量，需要进行大量编程工作，因为它必须与被测件活动导致的电流变化保持同步。在大分流器上，意外的高瞬态电流可能导致电源电压下降，造成被测件中断工作。假定理想的大电流旁通开关可以实现，那么突然增加或减少被测件电流路径中的阻抗，仍有可能导致电源系统的输出瞬变。 替代解决方案：对 于设计和准确验证分流系统的困难性 ，我们可以更多来 关注一下高性能电源通常内置的、卓越的计量级测量手段。 Keysight N7900A APS 电源系列可以测量高达 200A 的电流，而增益误差不超过 0.04% 。先进的设计不仅保证了电流和电压测量精度，它们还在极限环境条件下经过测试和标定。此外， N7900A 系列还采用了热模型，来实时估计分流元件的温度，并对温度导致的误差进行数字校正。与未进行任何补偿的系统相比，这个过程可改善精度，并极大缩短测试时间。 N7900A APS 系列内部还具有无缝切换的高电流和低电流量程 ， 可方便地对高动态电流进行测量 ， 无需使用外部分流器和相关的控制电路。从测量角度来看，量程变化不会对电源输出产生任何干扰，完全是没有间断和毛刺的。 在利用APS精确测量电流的时候，有两种方法： 第一种：利用APS给被测件供电，设定工作电源，直接读出被测件的动态和静态工作电流； 第二种：把APS串入电流回路，把APS的电压输出设为0V。 这样APS就成为了一个具备超大动态电流测量范围的电流表。    总之， 在使用分流器和数字万用表构成的系统中，要实现高精度电流测量 ， 其复杂程度远远超过根据欧姆定律粗略计算的过程。数不胜数的误差源会导致测量的绝对精度远远低于数字万用表的理论性能，同时温度的影响也使可重复性显著降低。考虑到这些误差，对结果进行验证需要投入大量时间、设备和专业技术。使用实验室电源内置的测量能力可以非常方便地进行数据传输，减少需要的测试仪器数量，通过清晰定义的精度技术指标为您提供可靠的测量结果。 关于APS的更多信息，可以访问：www.keysight.com.cn/find/aps， 或者观看优酷网上视频：http://v.youku.com/v_show/id_XNjEzOTQxMTAw.html?f=20013609

（接上篇） 一体化的供电 - 负载解决方案 如果将供电和吸收功能整合到单一仪器中，可以减少使用单独的直流电源和电子负载来配置功率供给和吸收解决方案的缺点。这些功能进行整合之后，可以在闭环控制下工作，在供给和吸收电流和功率之间提供完美、无瞬态的交叉。这无需经常消耗大量功率。直流精度和动态性能现在得到了提高而不是降低。使用单一测量系统测量所有电流，可以显著提高测量性能。主要挑战在于市场上缺少适合的仪器能够充分满足当前双向和再生能源系统和器件的测试需求，使工程师除了使用单独的直流电源和电子负载之外别无选择。 是德科技先进电源系统 （ APS ） N6900/N7900 直流电源具有综合供给和吸收特性 APS N6900A/N7900A 直流电源 （ 图 5 ） 是专为满足当前双向和再生能源系统和器件的测试需求而量身定制的。其主要特性包括： •         高能效 1U 高 1 KW 型号和 2U 高 2 KW 型号在最小的空间内提供大功率。 •         内置 10% 电流和功率吸收综合能力。使用选件 N7909A 功耗单元可轻松增加到高达 100 ％ 吸收。 •         可选择广泛的输出电压 ， 满足当前各种被测件和应用的需求。 •         电压和电流优先工作为供给和吸收测试提供了更大的灵活性 ， 不受被测件特性的限制。 •         双象限测量系统可用于精确的电压、电流、功率、电荷和能量测量。 •         APS N7900 动态直流电源先进的供给和测量能力可用于创建动态输出事件 ， 进行瞬态测量 ， 连续记录电压、电流和功率等。 •         具有可配置逻辑的先进触发信号路由可用于创建适用于特定应用的控制、触发和保护特性 ， 有助于轻松应对特别具有挑战性的测试问题。 独一无二的模块化体系结构支持对高达 10 kW 的综合供给 － 吸收系统进行轻松扩展 ， 用于测试更大功率的被测件。   APS 综合供给和吸收能力 ， 实现完美工作 当您使用单独的直流电源和电子负载时 ， 无法访问内置的功率吸收功能。而 APS 单元内置了 10% 功率吸收功能，并且只需添加一个或两个 1 kW N7909A 功耗单元（取决于 APS 单元的额定功率）便可轻松升级到高达 100 ％ 的综合吸收功能。如图 6 所示 ， 只需要在两个单元之间连接电力电缆和控制电缆 ， 即可提供真正综合的工作。从图 7 中可见，当在类似于图 2 和图 3 所示使用单独直流电源和电子负载时的条件下进行测试时，即使在高 10 倍的电压分辨率下， APS 和 N7909A 仍可提供完美无缺、稳定可靠的电压性能，同时在供给和吸收之间进行跳变。 APS 的先进测量性能 进行精确的电压、电流、功率、电荷和能量测量 ， 是测试双向和再生能源系统和器件必不可少的一部分。当使用单独的直流电源和电子负载作为基础构建供给－吸收测试解决方案时，这些测量非常复杂而且有很多问题。至少，必须对从直流电源和电子负载读回的单独电流进行管理和吸收。直流电源和电子负载很可能没有足够的能力进行累积电荷和能量测量，因此需要您添加外部记录测量能力，但这同时也增加了复杂性并带来其他问题。   APS 的综合双象限测量系统可以完全填补其综合供给和吸收能力的不足。进行精确的电压、电流、功率、电荷和能量测量对于 APS 来说轻而易举。例如，图 8 和图 9 显示了当使用 APS 和 N7909A 功耗单元对超级电容器进行充放电，同时捕获其电压、电流和能量时，所供给而后在超级电容器上恢复的电流、电压和能量。   因此， 电动汽车 、混合动力电动汽车 （ HEV ） 都依赖于大功率电池组、双向和再生能源系统和器件。许多这些双向能源系统和器件都是在 kW 级功率下工作。因此，要开发和生产这些系统和器件，必须能够供给和吸收 kW 级和更大功率，这对于测试工程师来说是一项非常艰巨的挑战。   最常用的方法是使用单独的直流电源和电子负载进行供给和吸收。然而，由于供给和吸收是独立的，实际上有可能产生许多问题并影响性能。只有将供给和吸收真正整合到单一系统中，它们才能提供完美无缺的最佳性能。   Keysight APS N6900/N7900 直流电源具有综合的供给和吸收能力 ， 专为满足当前双向和再生能源系统和器件的测试需求而量身定制。因此， APS N6900/N7900 直流电源能够克服所有挑战，创建大功率供给－吸收测试解决方案，提供唯有综合解决方案才具有的最佳性能，并且可以解放测试资源，使这些资源可用于应对其他必须克服的挑战！