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        電池量測

        點擊次數:548     發布時間:2020-11-06

        隨著行動電子產品日益普遍,產品研發時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用,有些則適合用在"待機"的應用。不恰當的應用將會對電池或連接的電子設備造成嚴重損壞,甚至造成危險。

         

        許多工程師會認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,此外電池的內部阻抗通常也與頻率相關聯。

         

        結合使用任意波形產生器、網路阻抗分析儀與固態電流注入器等設備,我們能夠簡單做出幾項電池特性的量測。

         

        測試步驟

        · 擷取出趨近放電曲線的多項式 

        · 掃描20顆電池,單一電池或溫度。(使用數位電錶掃描卡)

        · 在頻率從1Hz - 40MHz下,測量電池的阻抗

        · 測量電池動態時域響應

        · 使用任意波形產生器,製出放電曲線

        · 轉換示波器量測的波形至任意波形產生器

         

        使用設備

        · Picotest M3500A 位半電錶/資料擷取元件 

        · Omicron Lab Bode 100 向量/網路/阻抗分析儀

        · Picotest J2111A 固態電流注入器

        · Keysight DSO60104A 高速數位示波器

        · Picotest G5100A 任意波形產生器

         

         

         

         

         

         

         

        1 – 使用9.6V 700mAh Ni-Cd3.7V 110mAh Li-Po作電池測試

         

        在範例中,我們使用兩顆常用的電池來作電池量測,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 六位半數位電錶除了能做穩定精確的電氣量測外,還能搭配1020通道的掃描卡使用,讓電錶成為量測資料的擷取元件,M3500A也能夠直接在Excel中操作,設定取樣率及記錄時間,量測資料筆數只受到Excel的限制,適合用來做大量測試資料的統計。

         

         

         

         

         

         

        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軟體也能夠自動產生記錄資料繪圖。

         

         

         

         

         

         

        3 – 3.7V 110mAh Li-Po 電池 (E flite)的電壓 vs放電時間(分鐘)

         

        Excel中,能夠使用trend line功能來取得量測資料的擬合曲線(curve fit)。上圖的放電曲線以每30秒一次的電壓採樣率,測試約200分鐘。在Excel中,能夠自動得出擬合曲線的多項式與迴歸常數,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,可對不同的應用挑選適合的電池材質。

         

        電池動態時域量測

         

        由於電流注入器可作為負載,使用Picotest G5100A任意波形產生器或Omicron Lab Bode 100 網路/阻抗分析儀作調變,讓我們能夠在時域(暫態量測)或頻域中,測量電池的阻抗,由於電流注入器有著DC 40MHz 的頻寬,比一般電子負載更快,能夠描繪出高頻下產生的寄生效應。

         

        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的上升時間,相較於100 ns的上升時間更顯得注入器速度的重要。

         

         

         

         

         

         

        4 – 3.7V 110mAh Li-Po電池(E Flite) 20mA 電流脈波 20 nSec vs 100 nSec 

         

         

         


         

        5 - 低速量測,二次寄生效應沒顯現出來(然而他們仍會造成我們電路損壞)

         

         
          

         

        6 – 9.6V 700mAh Ni-Cd 上下緣20ns 40mA的步階暫態響應顯示出比 Li-Po電池較高的阻值。

         

        電池阻抗

         

        電流注入器內部包含一個可選用的25mA偏移電流,能夠直接與網路阻抗分析儀連接,電流注入器提供的50 Ohm 電流監測訊號,使用同軸電纜與分析儀的電流訊號端口CH1連接,同時使用分析儀的CH2測量電池電壓,其相除結果(Gain)就是電池阻抗。根據電池與電流注入器的連接方式與電池阻抗,建議使用差動式探棒來免除電纜線對量測結果的影響。

         

         


         

        7 – 3.7V 110mAh Li-Po 電池 (E Flite)25mA工作電流的阻抗

         

         

         

         

         

         

         

         

        8 – 9.6V 700mAh Ni-Cd 25mA 工作電流的阻抗,注意到不論Ni-Cd電池尺寸大上許多,他的阻抗卻相對高不少。

         

        從這些量測中,即使在遠低於諧振頻率的低頻時,我們能看到阻抗與頻率相關。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,並在不同的應用設計中帶入考量,才能避免不必要的錯誤發生。

         

        後,任意波形產生器能夠用來模擬負載的放電曲線或是阻抗,Picotest WavePatt 軟體用來產生以下的負載曲線。Picotest G5100A 也能夠匯入一些示波器存為AWG檔案的測量波形,然後使用這些負載曲線來控制電流注入器。

         

         

         

         

         

         

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        結論

         

        結合固態電流注入器、任意波形產生器、與網路/阻抗分析儀,讓我們能夠測量電池的寄生要素,以及可能造成的潛在傷害,這在使用較低設備中並無法觀察到。

         

        我們成功的測量並擬合電池放電曲線,也測量到動態時域與頻域的阻抗,這些寄生要素能夠結合到模擬模型中,切確的反映出電池特性的潛在影響。選擇適當特性的電池,對產品的穩定及效率有很大的幫助。

         

        後我們也示範了結合任意波形產生器與 固態電流注入器來模擬特定負載的表現,藉此能更真實呈現出電池在不同負載的適用性

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