详情

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。

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。

圖9

圖10

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