基于LXI总线的高效锂离子电池测试系统设计方案

手机锂电池测试主要针对经过封装后的电池保护电路进行功能检测，利用电源、电子负载、多路开关和数字万用表等仪器仿真各种充放电时的极限过压、过流情况，检测电池保护电路是否有效。从源头上杜绝质量不合格的电池产品流入市场。
锂离子电池的测试要求
为测试电池保护电路的各项保护功能是否有效，电池测试系统的主要测试步骤包括以下部分：
1） 常规开路电压测试
电池功能测试，需要对电池进行短时间充电，并测量开路电压，判断电池的基本充电功能是否有效。
2） 过流保护及恢复测试
用电子负载对手机电池进行大电流放电，并测试其保护电路的内部电流切断功能。当切断放电回路后，测试电池能否恢复正常工作。
3） 工作温度测试
通过万用表读取温度传感器上电阻值，测试电池工作温度。
4） 过充电及恢复测试
用电源对手机电池进行过压充电，测试电池保护电路能否切断充电回路。
5） 过放电及恢复测试
用电子负载对手机电池进行过放电，测试电池保护电路能否切断放电回路。
6） 交流内阻测试
通过交流内阻仪测试电池交流内阻。
锂离子电池测试系统
典型的锂离子电池测试系统应包括以下测试仪器：
● 多通道开关用于给待测件加载不同激励，并切换不同测试设备
● 高数字万用表，完成对电池的直流电压、电流和电阻测试
● 两路以上的多路电源，用于给待测件进行充电测试，以及给测试夹具供电
● 电子负载，用于给待测件进行放电测试
● 交流内阻测试仪，用于测量1kHz交流情况下锂电池的交流内阻
● 工控机及测试软件，用于控制设备完成测试
以锂电池测试中过流保护及恢复测试为例，我们描述一下具体的测试过程：
测试系统中的计算机，通过GPIB接口向各台仪器依次发出指令，控制测试流程。首先通过切换多路复用开关，将电子负载与待测件连接。设置电子负载工作在恒流模式，使待测件输出一个比较大的恒定电流（例如5A），接通20ms后，将数字万用表也通过多路复用开关与电池输出端接通，测试电池的输出电压。如果电池输出电压为0，说明电池保护电路启动，已经切断电池输出回路，此项目测试通过。如果测试结果不为零，此项目标定为测试失败。测试结束后，迅速打开开关，切断电子负载与电池之间的连接，因为长时间大电流放电可能对电池造成损坏。
基于以上的测试方案，2007年安捷伦推出新一代锂离子电池测试解决方案。新方案大量使用近几年内推出的LXI（LAN Extensions for Instrumentation）系统测试仪器，这些LXI仪器与传统产品相比，通过网线组建系统，简化了系统集成的难度，提高了测试速度，而且大幅度减低了系统体积和组建成本。系统中各台仪器通过网线或GPIB电缆与计算机连接，组建成为基于LXI平台的混合测试系统，整个系统高度仅14U。在一些手机电池生产厂商的实际应用中，客户告诉我们，与他们原有的测试系统配置相比，新的解决方案使系统体积缩小超过1/3，成本缩减1/4以上，而测试速度也有10%左右的提高。另外更小的机箱体积，更简洁的系统连接以及开关电源带来的更小的电源功耗，也带来了许多的额外好处。
在测试软件的开发上，LXI仪器同样支持各种主流软件开发环境，可以在VB， VC， C/C++， Labview等各种开发环境下编写测试程序，与传统的仪器控制方式完全相同。
在电池测试过程中，客户关心的问题除了保证电池质量，还包括如何提高电池产量，降低生产成本。另外，由于不同型号电池的电特性指标不同，测试系统在软件和硬件方面必须具有一定的灵活性，方便客户进行系统上的二次开发。，在面临生产线每天24小时连续开机的条件下，系统仪器的质量，维护成本，也是衡量电池测试系统解决方案的一个重要因素。
测试系统仪器的选择
电池测试系统中多路开关的选择：
在单片电池测试中，多路开关主要用来向电池连接不同的负载或电源进行反复的充放电测试，也可使用多路开关进行测量仪表的切换。在普通电池测试流程中，单片电池完成全部测试大约需要数十次开关切换步骤，生产线每天的生产量通常在8000片以上，一天内单个开关的开启闭合次数多可以达到15万次以上。所以良好的开关质量，以及快速的开关切换速率，是选择开关产品的关键所在。
安捷伦34980A中提供多种高品质开关插卡。这些开关提供了同种类产品中，快的开启闭合时间，以及长的开关寿命，并通过开关次数统计功能能及时每一个开关的工作状态，以便提前对即将失效的开关进行更换。另外，其内置数字万用表可以直接完成各种直流信号的高测量。能节省投资，提高系统集成度和测试速度。
电池测试系统中多路电源的选择
在电池测试中，加载在待测件上的电源将多于两路，除去为待测件的夹具供电，这些电源还用于为电池充电，并仿真各种过压、过充现象，并检测电池保护电路的响应情况。在进行此类测试时，电源的响应速度非常关键，通常对电池进行过充，时间不能超过1秒，否则可能引发电池燃烧爆炸，而为了保证测试速度，这个时间一般限制在几百毫秒。
N6700模块化直流电源，每台电源机箱在1U高度内可置入多达4个电源模块，组成相互独立的多路电源。另外，这些电源模块均内置电压电流测量功能，可以监测输出状态，无须切换到其他测量仪器。在自动测试系统中，模块化电源系统可以大幅度缩小多路电源体积，减低系统成本，成为当今搭建测试系统的电源。
电池测试系统中电子负载的选择
电子负载用于测试电池的放电情况，以及仿真电池在短路情况下，输出大电流时，内部保护电路能否及时切断电池输出。在电池测试环节中，大电流放电时间不能超过30ms，不然会引起意外的电池燃烧或爆炸，所以为保证测试安全，此类测试对电子负载的响应速度以及电流变化速度的要求非常高。
安捷伦提供多种电子负载产品，其中快速的电流变化速度，可以达到107A/S。内置16bit电压电流回读功能，可以实时测量工作状态下的电压电流值，而无须切换到其他设备。
交流内阻测试仪的选择
电池的内阻值直接与电池电芯质量和电池包装质量相关，如果测量到的电池内阻值高于预期值，将说明电池质量很可能有问题。由于锂离子电池经常伴随动态负载，工作中常伴随产生大量的电流脉冲，测量1kHz下的电池交流内阻已经成为电池内阻测量的行业标准。电池内阻越低，表明电池输出的电压值越稳定。因此测量1kHz下的电池内阻将可以非常有力的说明电池在动态负载体条件下，对自身输出电压的调节能力。安捷伦动态内阻测试仪4338B可以帮助解决交流内阻测试上的问题，提供高速准确的测量结果。
通过以上这些仪器，可以非常快速的组建起一个高效的电池测试系统。其中大部分仪器具有良好的扩展能力，比如34980A开关系统，可以通过插卡扩展更多的测量通道，N6700可以通过插入电源模块增加系统中电源的数目或提高电源输出功率等。这套系统还具有很好的扩充功能，经过非常简单的修改后，可以应用在其他大容量电池的测试中，如PDA，笔记本电脑以及数码摄像机等的电池测试。