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使用精密测量电源进行内阻测试和电容量测试

使用精密测量电源进行内阻测试和电容量测试

背景介绍
  精密测量电源在提供稳定供电之余,还可以进行高精度的电压电流测量,因此可以用于完成多种相关参数的测试。以吉时利PMS 2280S精密测量电源为例,它可以在供电过程中对电压、电流数据进行高速连续采集,通过网络接口进行连续的数据回传。因此,使用者可以根据需要,对采集到的数据进行复杂处理,得到最终所需要的结果。这些处理可以包括乘、除运算得到功率或电阻信息,或者在时间轴进行积分,得到电量信息,甚至根据记录下来的充放电斜率,计算超级电容的电容量。
  使用2280S 测量产品功率或内阻
  工作状态下的产品内阻或直流功耗经常是客户关心的一项指标,以LED客户为例,其二极管导通、截至特性是衡量LED性能的重要指标。另外,LED的寿命和可靠性与LED的节点温度有密切的关系,而节点由于封装原因,其温度很难通过直接测量的手段获取。为表征LED的发热性能,通常使用热阻作为参数描述这一特性。而热阻的计算公式,也与电压,电流测量有直接的关系。
  同样,继电器生产厂商也会测量继电器在导通状态下的内阻阻值,更小的内阻意味着更低的功率损耗和更长的工作寿命。在这些测试中,高精度的电压电流测试,以及稳定的直流供电都是工作条件下内阻测试的先决条件。
  传统LED客户的内阻测试要求使用性能良好的电流源进行供电,并配合以高精度AD板卡或万用表采集电压。两台设备的连接相对复杂,总成本较高。PMS 2280S电源可以工作在恒流模式(CC mode),成为性能良好的电流源,同时,其内置6.5位数字万用表,在电压,电流测试时具备独特的优势,其电流测量精度可以达到微安级,分辨率高达10纳安,电压测量精度为毫伏级,分辨率为0.1mV。回读电压、电流读数后,经过R = V/I的计算,就可以得到内阻数据。打开LXI网页界面上的Data logging功能,还可以对电压,电流数据进行长时间连续采集,有利于监测工作条件下的内阻随时间的变化。
  另外一个在内阻测量时经常遇到的问题,是线电阻的影响。通常导通电阻阻值较小,使用V/I直接计算电阻时,电源的测量结果会把连接线上的线电阻计入在内,造成测量误差。对PMS 2280S电源,我们在电源后面板提供了四线连接方式。通过四线连接的供电方式,可以把电源回读的电压和电流值定位在待测件的输入端,而不是电源的输出端,这样可以完全消除线电阻的影响,测量到的内阻阻值更加精确,连接如下图所示。


  图1 2280S 四线远端连接


  另外电源内置的Auto Zero(自归零)功能可以在每次电压或电流测量前,进行一次快速的自校准。测量由于内部热偏置或者残余电量累计造成的偏差,并在下一次测量中自动消除,进一步提高测量精度。
  PMS2280S只能输出正相电源,当测试中需要为待测件施加反向电压时,我们可以使用外接的开关电路切换正负极实现反向电压。PMS 2280S输出正负端均与地隔离,因此正负极反向连接就可以实现输出负电压的功能。外界MOSFET或继电器开关的通断可以由PMS2280S后面板的数字IO接口控制,通过指令设置高低电平即可控制开关的通断操作。开关的供电可由后面板的USB接口提供(如供电电流小于2mA,亦可使用数字IO口提供供电)。
  使用2280S 测量锂离子电池的电量
  随着电子产品功能的增强,电池容量也在不断增加,如何能准确了解电池容量成为电池测试的一项重要任务。电池电量的描述通常使用安时或瓦特时作为单位,表示从电池放空到充满的过程中进入电池的总电量。计算电池充电或放电电量,需要对电池的充放电电流或功率进行积分计算,其计算公式如下所示:
  电池总容量 ,其中t为充电(放电)时间,I为充电(放电)电流
  电池总容量 , 其中I是采样电流值, ?t是采样间隔
  当使用测试仪表进行电量测试时,由于电流的采样点是离散的,我们将计算公式转化为:
  这里要求测量仪表能精确记录充电或放电电流,并保证较高的连续采样率,同时可以将整个充放电过程的全部数据完整记录下来,才能确保计算结果足够准确。
  PMS 2280S的数据记录功能可以提供最高3000次每秒的电压或电流采样率。并可以通过LAN接口将数据连续回传到电脑端。用户可以长时间对数据进行记录,并将所有数据导出到Excel表格中进行后续分析。下图是2280S为锂离子电池充电的电压电流曲线图,电池电压从11.8V充到12.6V,电流以2A开始充电,下降至20mA以下时充电结束。


  图2 2280S 电池充电曲线


  当进行安时计算时,只需将电池与电源相连接,设置好充电的截至电压(Vset),以及充电电流(Iset),此时电源将自动开始为电池充。初始阶段采用恒流充电(CC 模式),当电压上升到充电截至电压时,将自动转入恒压充电(CV 模式),直到电流减小到接近0为止。
  除了对电池进行充电测试外,PMS 2280S还可以为电池进行放电测试。放电时由于电压电流均不可控,电源将以最大能力吸收电流(约为-450mA),并对放电过程中的电压和电流值进行连续记录。
  充放电过程中的电压电流数据都可以通过电脑端进行连续记录,用户不需要编写任何软件。在电脑端的网页浏览器上输出电源的IP地址,选择屏幕左下角的Data logging功能后,使用仪表内置的网页界面就可以完成全部数据的记录。电池的充电或放电总量也会以毫安时的形式自动显示出来,如下图所示:


  图3 2280S data logging界面



  使用2280S 测量超级电容的电容量
  超级电容在新能源行业有着非常广泛的应用。由于其具有高功率密度,寿命长内阻小,可快速充电等优点,被认为可以取代电池作为下一代储能器件。大功率超级电容已经被广泛使用在电动汽车,光伏发电,风电等行业,作为能量存储或缓冲,超级电容未来的发展前景非常广阔。


  图4 超级电容


  对于超级电容的使用者,在长期使用过程中,希望通过测量电容量,了解电容的老化情况,以确保系统性能,在老化严重前及时更换器件。
  准确测量电容量是一个相对复杂的操作,需要对兼容进行充电或放电,并根据充放电斜率进行计算。这需要使用者使用电源,电阻负载,数字万用表,以及其他数据采集设备进行测量。使用的测试公式是:C = I * (?T / ?V)。
  2280S的优势在于,使用一台设备,可以完成其中的绝大多数工作。2280S作为电源,除了输出功率之外,还具备一定的功率吸收功能,可以最高吸收400mA的电流,持续帮助电容放电,并记录放电时的电压电流数据。因此,常规容量的电容完全可以通过2280S的充放电操作,进行电容量测试。
  我们以一块16.2V,58F的超级电容为例,使用2280S为其进行充放电测试。测试过程包括将电容从8.1V充电到16.2V,再放电恢复到8.1V的初始状态,计算并验证充电和放电过程下的的电容容量。整个过程中打开LXI网页界面,并执行data logging功能,实时采集电源输出电压和电流数据,并将最后的结果粘帖到Excel表格中。
  在Excel表格中根据电压电流数据绘图,可以得到下面的充放电过程图形。图中的左侧方框中记录了超级电容的充电过程(T1至T2),电源输出电流3.2A为电容恒流充电,电容电压逐渐升高直到达到16.2V为止。电容充满后进入放电流程(T3至T4),约以400mA放电,直到电流下降为8.1V结束。根据公式:
  C = I * (?T / ?V)
  可知充电过程的电容量C1 = 3.2 * (T2-T1($0.3939)) / (V2-V1);其中T1是起始充电时间,T2是电压充满的时刻,V2是最高点电压,对应时间点T2;V1是充电起始电压,对应时间点T1。
  放电过程的电容量C2 = 0.45 * (T4-T3) / (V3-V4);其中T3是起始放电时间,T4是放电结束时间,V3是起始放电电压,V4是终止放电电压。
  通过斜率可以计算出超级电容的容量值,在这个实验中,我们计算得到的电容容量值在充电过程中是61.3F,放电过程中是60.7F,与标称值基本一致。

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