郭佩,祁麟,王黎雯,劉二猛

(1.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院；2.中國(guó)合格評(píng)定國(guó)家認(rèn)可中心)

從便攜式電子產(chǎn)品到電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)、平衡車(chē)、無(wú)人機(jī)乃至新能源汽車(chē)，鋰離子電池供電的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于社會(huì)各個(gè)角度。低質(zhì)的產(chǎn)品和不當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、使用，都可能導(dǎo)致鋰離子電池出現(xiàn)起火爆炸等安全事故。目前國(guó)內(nèi)外在鋰離子電池的各個(gè)不同應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)或者正在制定各自的安全標(biāo)準(zhǔn)。電池安全標(biāo)準(zhǔn)通常規(guī)定了產(chǎn)品在正常使用和合理可預(yù)見(jiàn)的誤用或者故障條件下電池需要滿足的測(cè)試要求，并給出對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法。

對(duì)于鋰離子電池，其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的項(xiàng)目通?？梢苑譃樾阅軠y(cè)試、模擬運(yùn)輸測(cè)試、安全特性測(cè)試等。其中，除了模擬運(yùn)輸和濫用的環(huán)境類測(cè)試，電池的電性能和電安全測(cè)試大多是需要對(duì)鋰離子電池以指定的電流進(jìn)行充電或者放電至電池達(dá)到指定的電壓。實(shí)驗(yàn)室通常會(huì)使用通用的直流電源、電子負(fù)載，或者專用的各種規(guī)格電池充放電設(shè)備進(jìn)行這些測(cè)試，測(cè)試的機(jī)理大同小異。

電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)只是規(guī)定了測(cè)試所處的環(huán)境條件，測(cè)試設(shè)備的電壓、電流的精度，并未對(duì)選用檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行其他的限制。實(shí)驗(yàn)室可以在符合計(jì)量要求的通用電源負(fù)載或者專用的充放電設(shè)備中進(jìn)行選擇。但是使用專用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行電池充放電測(cè)試，和使用通用的直流電源和電子負(fù)載等設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，在操作要求上是存在差異的，而操作差異造成的影響是不容忽視的。

1 通用測(cè)試設(shè)備

直流電源和電子負(fù)載因?yàn)殪`活方便，且通用性較強(qiáng)，通常電子電氣類實(shí)驗(yàn)室都會(huì)配置。在進(jìn)行電池過(guò)充過(guò)放測(cè)試時(shí)，很多實(shí)驗(yàn)室的工程師會(huì)選用此類設(shè)備完成測(cè)試。

直流電源是維持電路中形成穩(wěn)定電流的裝置，可以直接給電池進(jìn)行充電，通過(guò)兩根導(dǎo)線直接從直流電源的正負(fù)極連接至電池的正負(fù)極，通過(guò)設(shè)定直流電源的電壓和電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)為電池進(jìn)行恒流或者恒壓充電。

電子負(fù)載則是通過(guò)兩根導(dǎo)線直接為電池進(jìn)行放電的設(shè)備，通過(guò)設(shè)定放電電流，并監(jiān)控電池的負(fù)載電壓，實(shí)現(xiàn)電池的恒流放電過(guò)程。

一般測(cè)試時(shí)，使用普通電源和負(fù)載進(jìn)行恒流充電或者放電，直到電池達(dá)到指定的電壓。這里的電壓是電池的負(fù)載電壓而非開(kāi)路電壓。測(cè)試操作時(shí)，要達(dá)到的電壓在電源或者電子負(fù)載進(jìn)行設(shè)置。通常直流電源和電子負(fù)載會(huì)使用兩個(gè)導(dǎo)線分別連接到電池的正負(fù)極，在回路存在電流時(shí)，電池負(fù)載電壓與設(shè)備內(nèi)電壓之間會(huì)存在電壓差，這個(gè)電壓差是導(dǎo)線及連接阻抗所分到的電壓。電池進(jìn)行恒壓充電時(shí)，電流逐漸減小，這個(gè)壓差也隨之減小，從而使電池逐漸接近滿充狀態(tài)。

2 專用充放電設(shè)備

電池充放電柜(也稱充放電儀)可以進(jìn)行電池恒流恒壓充電、恒流放電并實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。電池充放電柜通常集成了直流電源和電子負(fù)載的功能，并且將批量通道統(tǒng)一管理，能夠?qū)﹄姵爻浞烹姷膮?shù)進(jìn)行采集和記錄，對(duì)于電池檢測(cè)和企業(yè)生產(chǎn)都帶來(lái)極大的便利。

與直流電源和電子負(fù)載不同的是，電池充放電柜每個(gè)通道至少會(huì)通過(guò)兩根引線連接電池正負(fù)極進(jìn)行充放電，這是載流導(dǎo)線，通常是根據(jù)設(shè)備電流規(guī)格使用不同橫截面積的銅線。此外，再使用兩根引線連接電池正負(fù)極來(lái)監(jiān)控電池的帶載電壓和充放電電流。這是電壓采集引線，僅采集電池端的實(shí)際電壓，從而為自動(dòng)調(diào)整電源和負(fù)載提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

圖1 電池充放電測(cè)試設(shè)備接口

電池充放電儀的這種特殊接線方式，通常稱之為四端法。相比于傳統(tǒng)電源負(fù)載的兩根導(dǎo)線連接方式，多出來(lái)的接線，在連接操作上就可能有很多種形式了。

3 測(cè)試接線方式

3.1 兩端法的連接

使用兩端法接線方式的設(shè)備進(jìn)行電池測(cè)試時(shí)，測(cè)試設(shè)備通常僅有輸入輸出2個(gè)端口。兩個(gè)端口到電池電極之間的連接，需要引入導(dǎo)線。

通常測(cè)試設(shè)備內(nèi)部通過(guò)回采是端口端的電壓，來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)備內(nèi)部的直流電源或者負(fù)載模塊，使得輸入輸出端口的電壓達(dá)到設(shè)備的設(shè)定值。設(shè)備輸入輸出使用通用的接線端子，通常不自配導(dǎo)線。

兩端法的測(cè)試設(shè)備，引入的導(dǎo)線由各個(gè)實(shí)驗(yàn)室的工程師在實(shí)際操作中選用，可能引入導(dǎo)線的阻抗存在較大差異。這個(gè)阻抗，理所當(dāng)然會(huì)在回路存在電流時(shí)，有一定的分壓，對(duì)測(cè)試中的電壓值造成影響。

3.2 四端法的連接

電池專用的充放電設(shè)備普遍使用四端法連接方式。設(shè)備回采的是電池端的電壓，依據(jù)此電壓設(shè)置直流電源或者負(fù)載模塊。這種設(shè)備設(shè)置的目標(biāo)電壓即為采樣點(diǎn)，也就是電池兩極間的電壓。如此操作，便可以準(zhǔn)確地將外部導(dǎo)線阻抗的影響消除。但是，四端法的連接也有需要注意的事項(xiàng)，否則四端法的優(yōu)勢(shì)難以完全發(fā)揮出來(lái)。

圖2 四端法連接中的電流線與采集線

上圖的兩種做法，對(duì)于電池測(cè)試仍然存在差別。通常電池測(cè)試設(shè)備的夾具，與測(cè)試電池的正負(fù)極之間，應(yīng)連接可靠。但是連接時(shí)依然會(huì)存在一定的接觸阻抗。接觸阻抗在某些大電流的回路中，也會(huì)有不可忽視的分壓效應(yīng)。如果設(shè)備的數(shù)據(jù)采樣線連接在接口夾具上，則采集的夾具端的電壓，與電池正負(fù)極之間的電壓之間仍有電壓差，且與回路電流呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。

此外，在一些測(cè)試中，由于需要將電池放置在高低溫等其他測(cè)試設(shè)備環(huán)境中，可能會(huì)需要對(duì)電池測(cè)試設(shè)備的原有接線進(jìn)行延長(zhǎng)。對(duì)于兩端法，延長(zhǎng)接線即意味著增加回路阻抗，測(cè)試結(jié)果影響更大；而對(duì)于四端法接線的專用設(shè)備，恰當(dāng)?shù)牟僮鞣绞浇泳€能夠避免延長(zhǎng)線阻抗的影響。如下圖右側(cè)所示，將四端法的信號(hào)采集線同時(shí)延長(zhǎng)，直至被測(cè)電池或電池組的輸出端口，即可將接觸阻抗和增加的延長(zhǎng)導(dǎo)線阻抗帶來(lái)的電壓影響抵消。而如果采用了圖3左側(cè)所示的延長(zhǎng)線連接方式，就會(huì)跟兩端法一樣存在延長(zhǎng)線阻抗的影響。

此外，即便使用四端法可以消除線路阻抗和接觸阻抗的電壓影響，回路中存在較大的接觸阻抗和導(dǎo)線阻抗，在電流的焦耳效應(yīng)下，還是會(huì)產(chǎn)生熱量。因而，在進(jìn)行電池測(cè)試時(shí)，接入導(dǎo)線的橫截面積是否滿足安全載流要求，接線夾具的連接是否可靠，也需要進(jìn)行合理的考慮。在回路電流較大的測(cè)試進(jìn)行時(shí)，回路周?chē)蛫A具連接處，應(yīng)注意過(guò)熱起火的防護(hù)，需要有良好的散熱條件和遠(yuǎn)離可燃物。

4 接線對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響分析

上文分析提到，使用二端法接線方式的通用電子測(cè)試設(shè)備，進(jìn)行電池測(cè)試時(shí)會(huì)存在引入阻抗帶來(lái)的影響。下文我們來(lái)分析，這個(gè)引入阻抗是對(duì)哪些類型的電池測(cè)試項(xiàng)目存在影響，具體影響了哪些數(shù)據(jù)或結(jié)果，是定性的影響，還是定量的影響。

4.1 放電容量相關(guān)的測(cè)試

電池性能測(cè)試中，不僅需要測(cè)試高溫、低溫、常溫容量，還可能需要測(cè)試荷電保持能力、長(zhǎng)期存儲(chǔ)性能、容量恢復(fù)能力、循環(huán)壽命能力等等。這些項(xiàng)目都會(huì)對(duì)電池進(jìn)行充放電并記錄特定條件下的電池放電容量。正常情況下實(shí)驗(yàn)室優(yōu)先使用專用充放電柜進(jìn)行放電容量測(cè)試。高低溫容量測(cè)試通常涉及到延長(zhǎng)測(cè)試設(shè)備接線到溫箱，個(gè)別實(shí)驗(yàn)室在通道規(guī)格、數(shù)量不足時(shí)也會(huì)采用兩端法的電源、負(fù)載等設(shè)備來(lái)進(jìn)行充放電。這些情況下，都將引入一定外部阻抗。

對(duì)于電池容量測(cè)試，先考慮充電過(guò)程：將電池的正負(fù)極兩端電壓設(shè)為Vcell，引入導(dǎo)線的阻抗(含導(dǎo)線電阻及接觸阻抗)為R，設(shè)備的輸出電壓設(shè)為Vout，回路電流設(shè)為I。

則有簡(jiǎn)單歐姆定律計(jì)算式：

Vout-Vcell=R×I；

計(jì)算式的意思是，恒流充電時(shí)，兩者電壓差取決于外部導(dǎo)線的阻抗，以及回路電流的大小。

假設(shè)實(shí)驗(yàn)室常用的用于便攜式電子產(chǎn)品電池短路用的導(dǎo)線阻抗是(80±20)mΩ，回路電流為3A，計(jì)算可知，恒流充電時(shí)充電設(shè)備輸出端的電壓與電池正負(fù)極電壓差值可超過(guò)200mv。此時(shí)，電池電壓低于充電限制電壓200mv就提前進(jìn)入了恒壓充電階段，充電時(shí)間會(huì)顯著增加。

一些快充型電池，其恒壓充電的截止電流可能設(shè)置為0.05CA或者更高。對(duì)于3000mAh手機(jī)電池其充電截止電壓即是150mA，若接線時(shí)引入80mΩ導(dǎo)線，則充電至截止條件時(shí)，電池正負(fù)極間電壓比設(shè)置的目標(biāo)電壓低12mV,也就是說(shuō)，電池會(huì)沒(méi)有充滿。

對(duì)于放電，公式修改為，

Vcell-Vout=R×I；

即實(shí)際電池放電停止時(shí)的電壓比設(shè)備設(shè)置的電池放電截止電壓要高，高出電壓為外部導(dǎo)線的阻抗和回路電流的乘積。換言之，電池放電并未完全。假設(shè)以接線時(shí)引入80mΩ導(dǎo)線為例，某動(dòng)力型電池芯恒流放電電流為8A，設(shè)置的放電截止電壓為3.0V，則實(shí)際電池芯兩端電壓為3.64V時(shí)即停止了放電行為，放電遠(yuǎn)未完成。

綜合充電及放電行為，若用此類設(shè)備或者接線方式進(jìn)行電池放電容量相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目，則樣品充放電表現(xiàn)將可能存在較大差異，測(cè)試的容量結(jié)果將可能顯著低于產(chǎn)品實(shí)際的放電容量。

4.2 保護(hù)電路的評(píng)估

很多電池標(biāo)準(zhǔn)中，需要測(cè)試驗(yàn)證電池組的保護(hù)電路是否設(shè)計(jì)合理。在電壓方面，需要評(píng)估保護(hù)電路實(shí)際的過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)限值是否符合受保護(hù)的電池芯的上下限安全工作范圍。

由于外部引入導(dǎo)線阻抗的影響，使用兩端法接線的電源和負(fù)載對(duì)電池組進(jìn)行充放電，以驗(yàn)證保護(hù)電路的保護(hù)限值時(shí)，外部引入導(dǎo)線的壓差將使得通過(guò)電源和負(fù)載讀取的電壓數(shù)據(jù)存在偏差。

例如GB 31241-2014的第10.4節(jié)，約定放電時(shí)，“最低電壓都不應(yīng)低于n倍的電池放電截止電壓(n×Udo)或電池組的放電截止電壓中的較小者。”實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使用兩端法接線的電子負(fù)載進(jìn)行放電且讀取電池組欠壓放電保護(hù)時(shí)的最低電壓值。若測(cè)試回路電流為4A，引入導(dǎo)線阻抗50mΩ，則錯(cuò)誤的負(fù)載電壓讀數(shù)將比電池組端電壓低約0.2V。若某電池制造商規(guī)定的安全下限電壓是2.5V，電池組保護(hù)電路設(shè)計(jì)為在2.6V附近啟動(dòng)欠壓保護(hù)是合理的。但是該測(cè)試將導(dǎo)致讀取的最低電壓低于2.5V，按照上述標(biāo)準(zhǔn)的要求，將會(huì)判定為不符合。

在某些測(cè)試項(xiàng)目中，還經(jīng)常有以推薦充電電流、2倍的充電限制電壓對(duì)電池組進(jìn)行過(guò)充的試驗(yàn)，要求記錄電池組啟動(dòng)過(guò)壓保護(hù)時(shí)的電壓值。同理，使用引入了導(dǎo)線阻抗的電源進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試時(shí)，如果僅依賴電源設(shè)備的讀數(shù)值，測(cè)得的過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作電壓將大于實(shí)際電壓。這時(shí)必須以示波器等輔助設(shè)備才能測(cè)試到真實(shí)的電池保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)電壓。

綜上，引入導(dǎo)線對(duì)于評(píng)估電池保護(hù)電路的電壓保護(hù)限制存在影響，不能控制好回路阻抗問(wèn)題，對(duì)于保護(hù)電路的評(píng)價(jià)將不夠準(zhǔn)確。

4.3 安全特性的考核

外部引入阻抗除了影響性能測(cè)試的保護(hù)板功能判定，對(duì)于電池安全特性的測(cè)試項(xiàng)目也可能存在較大影響。

以國(guó)內(nèi)外鋰離子電池的安全標(biāo)準(zhǔn)中必不可少的過(guò)充電測(cè)試為例。這個(gè)項(xiàng)目基本測(cè)試要求是，使用直流電源對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，通常會(huì)在設(shè)備設(shè)置充電限制電壓，達(dá)到設(shè)置電壓轉(zhuǎn)恒壓充電。如GB 31241-2014標(biāo)準(zhǔn)中6.3條規(guī)定，用3CA及制造商推薦充電電流的3倍中較大值恒流充電至至少4.6V。

假設(shè)回路電流為6A(2000mAh電池3CA)，若使用阻抗是80mΩ的導(dǎo)線測(cè)試，則電池正負(fù)極充電至4.12V即結(jié)束了恒流階段開(kāi)始進(jìn)行恒壓充電；若使用阻抗是40mΩ的導(dǎo)線測(cè)試，則恒流充電充電階段電池的正負(fù)極電壓可以達(dá)到4.36V；若能將引入導(dǎo)線的引線阻抗影響消除，理論上電池恒流充電可至4.6V。看似都是過(guò)壓充電，這三種情形對(duì)于電池安全的考核要求，差別非常懸殊。

圖4 某型號(hào)電池的過(guò)充電試驗(yàn)曲線

上圖為某型號(hào)電池依據(jù)GB 31241標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)充電試驗(yàn)各參數(shù)曲線。從溫度曲線可以看出，恒流充電測(cè)試階段，電池溫度急劇上升，當(dāng)達(dá)到設(shè)置的最高充電電壓，電池進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，溫度則開(kāi)始下降。電池長(zhǎng)時(shí)間大電流充電，發(fā)熱迅速，可能發(fā)生熱失控行為，標(biāo)準(zhǔn)也是考核此情況下電池的安全性。

根據(jù)上文設(shè)備的分析，如果使用電池充放電設(shè)備的四端接法，不存在外部阻抗影響。而如果使用電源進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試，則外部阻抗的引入，會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)充電測(cè)試中較早地進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，電池發(fā)熱情況較使用專用充放電設(shè)備會(huì)緩和，熱失控不易發(fā)生，測(cè)試更容易通過(guò)，即將不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品誤判為合格品。

對(duì)于相同的測(cè)試項(xiàng)目和樣品，如果引入接線操作以及使用的設(shè)備存在差異，試驗(yàn)中可能出現(xiàn)截然相反的安全測(cè)試結(jié)論。使用兩端法設(shè)備測(cè)試，而不限制引入導(dǎo)線阻抗，測(cè)試結(jié)果與使用專用的電池充放電儀可能存在較大差異，甚至避免不同試驗(yàn)人員對(duì)相同試驗(yàn)條款測(cè)試差異。但也有很多標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這方面還沒(méi)有規(guī)定，導(dǎo)致測(cè)試環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)很大的漏洞，對(duì)電池安全、性能也并沒(méi)有有效評(píng)估。所以在兩端法測(cè)試時(shí)，必須嚴(yán)格控制引入阻抗的限值。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于電池測(cè)試，不同的充放電設(shè)備及接線方式在容量類測(cè)試、保護(hù)電路評(píng)估和電池安全特性測(cè)試等項(xiàng)目中，都可能會(huì)產(chǎn)生迥異的測(cè)試現(xiàn)象，從而影響對(duì)產(chǎn)品性能和安全特性的評(píng)估。電池充放電測(cè)試，尤其是電流較大的充放電測(cè)試，應(yīng)盡量選擇使用四端法接線的專用充放電設(shè)備，以減小引入阻抗的影響。且應(yīng)用四端法時(shí)應(yīng)注意操作接線方式，電壓采集線應(yīng)盡量靠近電池的正負(fù)極。實(shí)驗(yàn)室如使用兩端法接線的直流電源、電子負(fù)載等通用設(shè)備測(cè)試，應(yīng)對(duì)引入阻抗進(jìn)行控制，以減小引入阻抗對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響。電池測(cè)試實(shí)驗(yàn)室應(yīng)培訓(xùn)工程師了解引入阻抗的影響，如有可能，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配置可以進(jìn)行四端法接線的電源和負(fù)載。

制定電池標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法時(shí)也應(yīng)考慮限制引入導(dǎo)線的阻抗，或者對(duì)測(cè)試設(shè)備的接線方式進(jìn)行限制，以保障標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中測(cè)試的可復(fù)現(xiàn)性。目前國(guó)內(nèi)少數(shù)電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如GB 31241-2014《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組 安全要求》，就提出了引入導(dǎo)線阻抗的上限，即，“引入導(dǎo)線測(cè)試或連接產(chǎn)生的總電阻應(yīng)小于20mΩ”。但是大量電池測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明，將增加測(cè)試實(shí)驗(yàn)室對(duì)于同一樣品同樣測(cè)試項(xiàng)目出現(xiàn)不一樣測(cè)試結(jié)果的可能性。建議其他電池標(biāo)準(zhǔn)在制修訂中也增加類似要求，以加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果的可復(fù)現(xiàn)性。

[1] GB 31241-2014 便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組安全要求[S]．

[2] GB 21966-2008 鋰原電池和蓄電池在運(yùn)輸中的安全要求[S].

[3] GB/T 18287-2013 移動(dòng)電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范[S]．

[4] GB/T 28164-2011 含堿性或其它非酸性電解質(zhì)的蓄電池和蓄電池組 便攜式密封蓄電池和蓄電池組的安全性要求[S]．

[5] GJB 4477-2002 鋰離子蓄電池組通用規(guī)范[S]．

[6] GB/T 31485-2015電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法[S]．

[7] QB/T 2947.3-2008 電動(dòng)自行車(chē)用蓄電池及充電器 第3部分：鋰離子蓄電池及充電器[S].

[8] QC/T 743-2006電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子蓄電池[S]．