電池測試標準中對引入導線阻抗的考慮

郭佩,祁麟,王黎雯,劉二猛

(1.中國電子技術標準化研究院；2.中國合格評定國家認可中心)

從便攜式電子產品到電動工具、電動自行車、平衡車、無人機乃至新能源汽車，鋰離子電池供電的產品廣泛應用于社會各個角度。低質的產品和不當的設計、使用，都可能導致鋰離子電池出現起火爆炸等安全事故。目前國內外在鋰離子電池的各個不同應用領域，已經或者正在制定各自的安全標準。電池安全標準通常規定了產品在正常使用和合理可預見的誤用或者故障條件下電池需要滿足的測試要求，并給出對應的測試方法。

對于鋰離子電池，其測試標準中的項目通常可以分為性能測試、模擬運輸測試、安全特性測試等。其中，除了模擬運輸和濫用的環境類測試，電池的電性能和電安全測試大多是需要對鋰離子電池以指定的電流進行充電或者放電至電池達到指定的電壓。實驗室通常會使用通用的直流電源、電子負載，或者專用的各種規格電池充放電設備進行這些測試，測試的機理大同小異。

電池測試標準只是規定了測試所處的環境條件，測試設備的電壓、電流的精度，并未對選用檢測設備進行其他的限制。實驗室可以在符合計量要求的通用電源負載或者專用的充放電設備中進行選擇。但是使用專用測試設備進行電池充放電測試，和使用通用的直流電源和電子負載等設備進行測試，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 通用測試設備

直流電源和電子負載因為靈活方便，且通用性較強，通常電子電氣類實驗室都會配置。在進行電池過充過放測試時，很多實驗室的工程師會選用此類設備完成測試。

直流電源是維持電路中形成穩定電流的裝置，可以直接給電池進行充電，通過兩根導線直接從直流電源的正負極連接至電池的正負極，通過設定直流電源的電壓和電流，來實現為電池進行恒流或者恒壓充電。

電子負載則是通過兩根導線直接為電池進行放電的設備，通過設定放電電流，并監控電池的負載電壓，實現電池的恒流放電過程。

一般測試時，使用普通電源和負載進行恒流充電或者放電，直到電池達到指定的電壓。這里的電壓是電池的負載電壓而非開路電壓。測試操作時，要達到的電壓在電源或者電子負載進行設置。通常直流電源和電子負載會使用兩個導線分別連接到電池的正負極，在回路存在電流時，電池負載電壓與設備內電壓之間會存在電壓差，這個電壓差是導線及連接阻抗所分到的電壓。電池進行恒壓充電時，電流逐漸減小，這個壓差也隨之減小，從而使電池逐漸接近滿充狀態。

2 專用充放電設備

電池充放電柜(也稱充放電儀)可以進行電池恒流恒壓充電、恒流放電并實時監控、記錄測試數據。電池充放電柜通常集成了直流電源和電子負載的功能，并且將批量通道統一管理，能夠對電池充放電的參數進行采集和記錄，對于電池檢測和企業生產都帶來極大的便利。

與直流電源和電子負載不同的是，電池充放電柜每個通道至少會通過兩根引線連接電池正負極進行充放電，這是載流導線，通常是根據設備電流規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極來監控電池的帶載電壓和充放電電流。這是電壓采集引線，僅采集電池端的實際電壓，從而為自動調整電源和負載提供準確的依據。

圖1 電池充放電測試設備接口

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

3 測試接線方式

3.1 兩端法的連接

使用兩端法接線方式的設備進行電池測試時，測試設備通常僅有輸入輸出2個端口。兩個端口到電池電極之間的連接，需要引入導線。

通常測試設備內部通過回采是端口端的電壓，來調節設備內部的直流電源或者負載模塊，使得輸入輸出端口的電壓達到設備的設定值。設備輸入輸出使用通用的接線端子，通常不自配導線。

兩端法的測試設備，引入的導線由各個實驗室的工程師在實際操作中選用，可能引入導線的阻抗存在較大差異。這個阻抗，理所當然會在回路存在電流時，有一定的分壓，對測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備普遍使用四端法連接方式。設備回采的是電池端的電壓，依據此電壓設置直流電源或者負載模塊。這種設備設置的目標電壓即為采樣點，也就是電池兩極間的電壓。如此操作，便可以準確地將外部導線阻抗的影響消除。但是，四端法的連接也有需要注意的事項，否則四端法的優勢難以完全發揮出來。

圖2 四端法連接中的電流線與采集線

上圖的兩種做法，對于電池測試仍然存在差別。通常電池測試設備的夾具，與測試電池的正負極之間，應連接可靠。但是連接時依然會存在一定的接觸阻抗。接觸阻抗在某些大電流的回路中，也會有不可忽視的分壓效應。如果設備的數據采樣線連接在接口夾具上，則采集的夾具端的電壓，與電池正負極之間的電壓之間仍有電壓差，且與回路電流呈現一定的線性關系。

此外，在一些測試中，由于需要將電池放置在高低溫等其他測試設備環境中，可能會需要對電池測試設備的原有接線進行延長。對于兩端法，延長接線即意味著增加回路阻抗，測試結果影響更大；而對于四端法接線的專用設備，恰當的操作方式接線能夠避免延長線阻抗的影響。如下圖右側所示，將四端法的信號采集線同時延長，直至被測電池或電池組的輸出端口，即可將接觸阻抗和增加的延長導線阻抗帶來的電壓影響抵消。而如果采用了圖3左側所示的延長線連接方式，就會跟兩端法一樣存在延長線阻抗的影響。

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線阻抗，在電流的焦耳效應下，還是會產生熱量。因而，在進行電池測試時，接入導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，也需要進行合理的考慮。在回路電流較大的測試進行時，回路周圍和夾具連接處，應注意過熱起火的防護，需要有良好的散熱條件和遠離可燃物。

4 接線對測試結果的影響分析

上文分析提到，使用二端法接線方式的通用電子測試設備，進行電池測試時會存在引入阻抗帶來的影響。下文我們來分析，這個引入阻抗是對哪些類型的電池測試項目存在影響，具體影響了哪些數據或結果，是定性的影響，還是定量的影響。

4.1 放電容量相關的測試

電池性能測試中，不僅需要測試高溫、低溫、常溫容量，還可能需要測試荷電保持能力、長期存儲性能、容量恢復能力、循環壽命能力等等。這些項目都會對電池進行充放電并記錄特定條件下的電池放電容量。正常情況下實驗室優先使用專用充放電柜進行放電容量測試。高低溫容量測試通常涉及到延長測試設備接線到溫箱，個別實驗室在通道規格、數量不足時也會采用兩端法的電源、負載等設備來進行充放電。這些情況下，都將引入一定外部阻抗。

對于電池容量測試，先考慮充電過程：將電池的正負極兩端電壓設為Vcell，引入導線的阻抗(含導線電阻及接觸阻抗)為R，設備的輸出電壓設為Vout，回路電流設為I。

則有簡單歐姆定律計算式：

Vout-Vcell=R×I；

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

假設實驗室常用的用于便攜式電子產品電池短路用的導線阻抗是(80±20)mΩ，回路電流為3A，計算可知，恒流充電時充電設備輸出端的電壓與電池正負極電壓差值可超過200mv。此時，電池電壓低于充電限制電壓200mv就提前進入了恒壓充電階段，充電時間會顯著增加。

一些快充型電池，其恒壓充電的截止電流可能設置為0.05CA或者更高。對于3000mAh手機電池其充電截止電壓即是150mA，若接線時引入80mΩ導線，則充電至截止條件時，電池正負極間電壓比設置的目標電壓低12mV,也就是說，電池會沒有充滿。

對于放電，公式修改為，

Vcell-Vout=R×I；

即實際電池放電停止時的電壓比設備設置的電池放電截止電壓要高，高出電壓為外部導線的阻抗和回路電流的乘積。換言之，電池放電并未完全。假設以接線時引入80mΩ導線為例，某動力型電池芯恒流放電電流為8A，設置的放電截止電壓為3.0V，則實際電池芯兩端電壓為3.64V時即停止了放電行為，放電遠未完成。

綜合充電及放電行為，若用此類設備或者接線方式進行電池放電容量相關的測試項目，則樣品充放電表現將可能存在較大差異，測試的容量結果將可能顯著低于產品實際的放電容量。

4.2 保護電路的評估

很多電池標準中，需要測試驗證電池組的保護電路是否設計合理。在電壓方面，需要評估保護電路實際的過壓保護、欠壓保護限值是否符合受保護的電池芯的上下限安全工作范圍。

由于外部引入導線阻抗的影響，使用兩端法接線的電源和負載對電池組進行充放電，以驗證保護電路的保護限值時，外部引入導線的壓差將使得通過電源和負載讀取的電壓數據存在偏差。

例如GB 31241-2014的第10.4節，約定放電時，“最低電壓都不應低于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。”實驗室在進行測試時，使用兩端法接線的電子負載進行放電且讀取電池組欠壓放電保護時的最低電壓值。若測試回路電流為4A，引入導線阻抗50mΩ，則錯誤的負載電壓讀數將比電池組端電壓低約0.2V。若某電池制造商規定的安全下限電壓是2.5V，電池組保護電路設計為在2.6V附近啟動欠壓保護是合理的。但是該測試將導致讀取的最低電壓低于2.5V，按照上述標準的要求，將會判定為不符合。

在某些測試項目中，還經常有以推薦充電電流、2倍的充電限制電壓對電池組進行過充的試驗，要求記錄電池組啟動過壓保護時的電壓值。同理，使用引入了導線阻抗的電源進行該項測試時，如果僅依賴電源設備的讀數值，測得的過壓保護動作電壓將大于實際電壓。這時必須以示波器等輔助設備才能測試到真實的電池保護動作啟動電壓。

綜上，引入導線對于評估電池保護電路的電壓保護限制存在影響，不能控制好回路阻抗問題，對于保護電路的評價將不夠準確。

4.3 安全特性的考核

外部引入阻抗除了影響性能測試的保護板功能判定，對于電池安全特性的測試項目也可能存在較大影響。

以國內外鋰離子電池的安全標準中必不可少的過充電測試為例。這個項目基本測試要求是，使用直流電源對電池進行恒流充電，通常會在設備設置充電限制電壓，達到設置電壓轉恒壓充電。如GB 31241-2014標準中6.3條規定，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。

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

圖4 某型號電池的過充電試驗曲線

上圖為某型號電池依據GB 31241標準進行過充電試驗各參數曲線。從溫度曲線可以看出，恒流充電測試階段，電池溫度急劇上升，當達到設置的最高充電電壓，電池進入恒壓充電狀態，溫度則開始下降。電池長時間大電流充電，發熱迅速，可能發生熱失控行為，標準也是考核此情況下電池的安全性。

根據上文設備的分析，如果使用電池充放電設備的四端接法，不存在外部阻抗影響。而如果使用電源進行此項測試，則外部阻抗的引入，會導致電池過充電測試中較早地進入恒壓充電狀態，電池發熱情況較使用專用充放電設備會緩和，熱失控不易發生，測試更容易通過，即將不符合標準要求的產品誤判為合格品。

對于相同的測試項目和樣品，如果引入接線操作以及使用的設備存在差異，試驗中可能出現截然相反的安全測試結論。使用兩端法設備測試，而不限制引入導線阻抗，測試結果與使用專用的電池充放電儀可能存在較大差異，甚至避免不同試驗人員對相同試驗條款測試差異。但也有很多標準對這方面還沒有規定，導致測試環節會出現很大的漏洞，對電池安全、性能也并沒有有效評估。所以在兩端法測試時，必須嚴格控制引入阻抗的限值。

5 結束語

對于電池測試，不同的充放電設備及接線方式在容量類測試、保護電路評估和電池安全特性測試等項目中，都可能會產生迥異的測試現象，從而影響對產品性能和安全特性的評估。電池充放電測試，尤其是電流較大的充放電測試，應盡量選擇使用四端法接線的專用充放電設備，以減小引入阻抗的影響。且應用四端法時應注意操作接線方式，電壓采集線應盡量靠近電池的正負極。實驗室如使用兩端法接線的直流電源、電子負載等通用設備測試，應對引入阻抗進行控制，以減小引入阻抗對于測試結果的影響。電池測試實驗室應培訓工程師了解引入阻抗的影響，如有可能，實驗室應配置可以進行四端法接線的電源和負載。

制定電池標準中的測試方法時也應考慮限制引入導線的阻抗，或者對測試設備的接線方式進行限制，以保障標準項目中測試的可復現性。目前國內少數電池測試標準如GB 31241-2014《便攜式電子產品用鋰離子電池和電池組 安全要求》，就提出了引入導線阻抗的上限，即，“引入導線測試或連接產生的總電阻應小于20mΩ”。但是大量電池測試標準并未對此進行說明，將增加測試實驗室對于同一樣品同樣測試項目出現不一樣測試結果的可能性。建議其他電池標準在制修訂中也增加類似要求，以加強標準測試結果的可復現性。

[1] GB 31241-2014 便攜式電子產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輸中的安全要求[S].

[3] GB/T 18287-2013 移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范[S]．

[4] GB/T 28164-2011 含堿性或其它非酸性電解質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范[S]．

[6] GB/T 31485-2015電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法[S]．

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

[8] QC/T 743-2006電動汽車用鋰離子蓄電池[S]．