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電池量測(cè)
隨著行動(dòng)電子產(chǎn)品日益普遍，產(chǎn)品研發(fā)時(shí)選用的電池效能與特性也成為重要的考量，電池有許多種不同的材質(zhì)類型，他們的放電曲線與阻抗也都有不小的差異。有些電池的特性較適合用在高電流放電的應(yīng)用，有些則適合用在＂待機(jī)＂的應(yīng)用。不恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用將會(huì)對(duì)電池或連接的電子設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，甚至造成危險(xiǎn)。
許多工程師會(huì)認(rèn)為電池是零阻抗或是無限大的電容，然而這並不正確。大多數(shù)的電池是非完美的裝置，他們與其他電子元件一樣有著電感性與電容性的要素，此外電池的內(nèi)部阻抗通常也與頻率相關(guān)聯(lián)。
結(jié)合使用任意波形產(chǎn)生器、網(wǎng)路阻抗分析儀與固態(tài)電流注入器等設(shè)備，我們能夠簡(jiǎn)單做出幾項(xiàng)電池特性的量測(cè)。
測(cè)試步驟
· 擷取出趨近放電曲線的多項(xiàng)式
· 掃描20顆電池，單一電池或溫度。(使用數(shù)位電錶掃描卡)
· 在頻率從1Hz - 40MHz下，測(cè)量電池的阻抗
· 測(cè)量電池動(dòng)態(tài)時(shí)域響應(yīng)
· 使用任意波形產(chǎn)生器，製出放電曲線
· 轉(zhuǎn)換示波器量測(cè)的波形至任意波形產(chǎn)生器上
使用設(shè)備
· Picotest M3500A 六位半電錶／資料擷取元件
· Omicron Lab Bode 100 向量/網(wǎng)路/阻抗分析儀
· Picotest J2111A 固態(tài)電流注入器
· Keysight DSO60104A 高速數(shù)位示波器
· Picotest G5100A 任意波形產(chǎn)生器
圖1 – 使用9.6V 700mAh Ni-Cd與3.7V 110mAh Li-Po作電池測(cè)試
在範(fàn)例中，我們使用兩顆常用的電池來作電池量測(cè)，一顆為9.6V 700mAh Ni-Cd電池，另一顆為3.7V 110mAh Li-Po電池。
放電曲線
M3500A 六位半數(shù)位電錶除了能做穩(wěn)定精確的電氣量測(cè)外，還能搭配10或20通道的掃描卡使用，讓電錶成為量測(cè)資料的擷取元件，M3500A也能夠直接在Excel中操作，設(shè)定取樣率及記錄時(shí)間，量測(cè)資料筆數(shù)只受到Excel的限制，適合用來做大量測(cè)試資料的統(tǒng)計(jì)。
圖2 – PT Link能在Excel中直接操作M3500A的功能
放電曲線的擬合
M3500A PT Link軟體也能夠自動(dòng)產(chǎn)生記錄資料繪圖。
圖3 – 3.7V 110mAh Li-Po 電池 (E flite)的電壓 vs放電時(shí)間(分鐘)
在Excel中，能夠使用trend line功能來取得量測(cè)資料的擬合曲線(curve fit)。上圖的放電曲線以每30秒一次的電壓採(cǎi)樣率，測(cè)試約200分鐘。在Excel中，能夠自動(dòng)得出擬合曲線的多項(xiàng)式與迴歸常數(shù)，並附加至圖表中，其他所有Excel圖表格式工具也都能夠使用。藉由觀察放電曲線，可對(duì)不同的應(yīng)用挑選適合的電池材質(zhì)。
電池動(dòng)態(tài)時(shí)域量測(cè)
由於電流注入器可作為負(fù)載，使用Picotest G5100A任意波形產(chǎn)生器或Omicron Lab Bode 100 網(wǎng)路/阻抗分析儀作調(diào)變，讓我們能夠在時(shí)域(暫態(tài)量測(cè))或頻域中，測(cè)量電池的阻抗，由於電流注入器有著DC 到 40MHz 的頻寬，比一般電子負(fù)載更快，能夠描繪出高頻下產(chǎn)生的寄生效應(yīng)。
使用Picotest G5100A 控制電流波形，讓電池的電流脈衝約20mA，再用Keysight DSO60104A 1GHz 數(shù)位示波器(DSO)觀察電池電壓的變化，由於電流注入器有著20 ns的上升時(shí)間，相較於100 ns的上升時(shí)間更顯得注入器速度的重要。
圖4 – 3.7V 110mAh Li-Po電池(E Flite) 20mA 電流脈波 20 nSec vs 100 nSec
圖5 - 低速量測(cè)，二次寄生效應(yīng)沒顯現(xiàn)出來(然而他們?nèi)詴?huì)造成我們電路損壞)
圖6 – 9.6V 700mAh Ni-Cd 上下緣20ns 40mA的步階暫態(tài)響應(yīng)顯示出比 Li-Po電池較高的阻值。
電池阻抗
電流注入器內(nèi)部包含一個(gè)可選用的25mA偏移電流，能夠直接與網(wǎng)路阻抗分析儀連接，電流注入器提供的50 Ohm 電流監(jiān)測(cè)訊號(hào)，使用同軸電纜與分析儀的電流訊號(hào)端口CH1連接，同時(shí)使用分析儀的CH2測(cè)量電池電壓，其相除結(jié)果(Gain)就是電池阻抗。根據(jù)電池與電流注入器的連接方式與電池阻抗，建議使用差動(dòng)式探棒來免除電纜線對(duì)量測(cè)結(jié)果的影響。
圖7 – 3.7V 110mAh Li-Po 電池 (E Flite)在25mA工作電流的阻抗
圖8 – 9.6V 700mAh Ni-Cd 在25mA 工作電流的阻抗，注意到不論Ni-Cd電池尺寸大上許多，他的阻抗卻相對(duì)高不少。
從這些量測(cè)中，即使在遠(yuǎn)低於諧振頻率的低頻時(shí)，我們能看到阻抗與頻率相關(guān)。我們也能夠觀察到電池的電感性與電容性。只有深入了解這些電池的特性，並在不同的應(yīng)用設(shè)計(jì)中帶入考量，才能避免不必要的錯(cuò)誤發(fā)生。
後，任意波形產(chǎn)生器能夠用來模擬負(fù)載的放電曲線或是阻抗，Picotest WavePatt 軟體用來產(chǎn)生以下的負(fù)載曲線。Picotest G5100A 也能夠匯入一些示波器存為AWG檔案的測(cè)量波形，然後使用這些負(fù)載曲線來控制電流注入器。
圖9
圖10
結(jié)論
結(jié)合固態(tài)電流注入器、任意波形產(chǎn)生器、與網(wǎng)路/阻抗分析儀，讓我們能夠測(cè)量電池的寄生要素，以及可能造成的潛在傷害，這在使用較低設(shè)備中並無法觀察到。
我們成功的測(cè)量並擬合電池放電曲線，也測(cè)量到動(dòng)態(tài)時(shí)域與頻域的阻抗，這些寄生要素能夠結(jié)合到模擬模型中，切確的反映出電池特性的潛在影響。選擇適當(dāng)特性的電池，對(duì)產(chǎn)品的穩(wěn)定及效率有很大的幫助。
後我們也示範(fàn)了結(jié)合任意波形產(chǎn)生器與 固態(tài)電流注入器來模擬特定負(fù)載的表現(xiàn)，藉此能更真實(shí)呈現(xiàn)出電池在不同負(fù)載的適用性