電池量測-化工仪器网-手机版

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上

使用設備

· Picotest M3500A 六位半電錶／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

圖1 – 使用9.6V 700mAh Ni-Cd與3.7V 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10或20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。

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軟體也能夠自動產生記錄資料繪圖。

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

在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 到 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。

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，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)

圖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。