电池测试标准中对引入导线阻抗的考虑

郭佩,祁麟,王黎雯,刘二猛

(1.中国电子技术标准化研究院；2.中国合格评定国家认可中心)

从便携式电子产品到电动工具、电动自行车、平衡车、无人机乃至新能源汽车，锂离子电池供电的产品广泛应用于社会各个角度。低质的产品和不当的设计、使用，都可能导致锂离子电池出现起火爆炸等安全事故。目前国内外在锂离子电池的各个不同应用领域，已经或者正在制定各自的安全标准。电池安全标准通常规定了产品在正常使用和合理可预见的误用或者故障条件下电池需要满足的测试要求，并给出对应的测试方法。

对于锂离子电池，其测试标准中的项目通常可以分为性能测试、模拟运输测试、安全特性测试等。其中，除了模拟运输和滥用的环境类测试，电池的电性能和电安全测试大多是需要对锂离子电池以指定的电流进行充电或者放电至电池达到指定的电压。实验室通常会使用通用的直流电源、电子负载，或者专用的各种规格电池充放电设备进行这些测试，测试的机理大同小异。

电池测试标准只是规定了测试所处的环境条件，测试设备的电压、电流的精度，并未对选用检测设备进行其他的限制。实验室可以在符合计量要求的通用电源负载或者专用的充放电设备中进行选择。但是使用专用测试设备进行电池充放电测试，和使用通用的直流电源和电子负载等设备进行测试，在操作要求上是存在差异的，而操作差异造成的影响是不容忽视的。

1 通用测试设备

直流电源和电子负载因为灵活方便，且通用性较强，通常电子电气类实验室都会配置。在进行电池过充过放测试时，很多实验室的工程师会选用此类设备完成测试。

直流电源是维持电路中形成稳定电流的装置，可以直接给电池进行充电，通过两根导线直接从直流电源的正负极连接至电池的正负极，通过设定直流电源的电压和电流，来实现为电池进行恒流或者恒压充电。

电子负载则是通过两根导线直接为电池进行放电的设备，通过设定放电电流，并监控电池的负载电压，实现电池的恒流放电过程。

一般测试时，使用普通电源和负载进行恒流充电或者放电，直到电池达到指定的电压。这里的电压是电池的负载电压而非开路电压。测试操作时，要达到的电压在电源或者电子负载进行设置。通常直流电源和电子负载会使用两个导线分别连接到电池的正负极，在回路存在电流时，电池负载电压与设备内电压之间会存在电压差，这个电压差是导线及连接阻抗所分到的电压。电池进行恒压充电时，电流逐渐减小，这个压差也随之减小，从而使电池逐渐接近满充状态。

2 专用充放电设备

电池充放电柜(也称充放电仪)可以进行电池恒流恒压充电、恒流放电并实时监控、记录测试数据。电池充放电柜通常集成了直流电源和电子负载的功能，并且将批量通道统一管理，能够对电池充放电的参数进行采集和记录，对于电池检测和企业生产都带来极大的便利。

与直流电源和电子负载不同的是，电池充放电柜每个通道至少会通过两根引线连接电池正负极进行充放电，这是载流导线，通常是根据设备电流规格使用不同横截面积的铜线。此外，再使用两根引线连接电池正负极来监控电池的带载电压和充放电电流。这是电压采集引线，仅采集电池端的实际电压，从而为自动调整电源和负载提供准确的依据。

图1 电池充放电测试设备接口

电池充放电仪的这种特殊接线方式，通常称之为四端法。相比于传统电源负载的两根导线连接方式，多出来的接线，在连接操作上就可能有很多种形式了。

3 测试接线方式

3.1 两端法的连接

使用两端法接线方式的设备进行电池测试时，测试设备通常仅有输入输出2个端口。两个端口到电池电极之间的连接，需要引入导线。

通常测试设备内部通过回采是端口端的电压，来调节设备内部的直流电源或者负载模块，使得输入输出端口的电压达到设备的设定值。设备输入输出使用通用的接线端子，通常不自配导线。

两端法的测试设备，引入的导线由各个实验室的工程师在实际操作中选用，可能引入导线的阻抗存在较大差异。这个阻抗，理所当然会在回路存在电流时，有一定的分压，对测试中的电压值造成影响。

3.2 四端法的连接

电池专用的充放电设备普遍使用四端法连接方式。设备回采的是电池端的电压，依据此电压设置直流电源或者负载模块。这种设备设置的目标电压即为采样点，也就是电池两极间的电压。如此操作，便可以准确地将外部导线阻抗的影响消除。但是，四端法的连接也有需要注意的事项，否则四端法的优势难以完全发挥出来。

图2 四端法连接中的电流线与采集线

上图的两种做法，对于电池测试仍然存在差别。通常电池测试设备的夹具，与测试电池的正负极之间，应连接可靠。但是连接时依然会存在一定的接触阻抗。接触阻抗在某些大电流的回路中，也会有不可忽视的分压效应。如果设备的数据采样线连接在接口夹具上，则采集的夹具端的电压，与电池正负极之间的电压之间仍有电压差，且与回路电流呈现一定的线性关系。

此外，在一些测试中，由于需要将电池放置在高低温等其他测试设备环境中，可能会需要对电池测试设备的原有接线进行延长。对于两端法，延长接线即意味着增加回路阻抗，测试结果影响更大；而对于四端法接线的专用设备，恰当的操作方式接线能够避免延长线阻抗的影响。如下图右侧所示，将四端法的信号采集线同时延长，直至被测电池或电池组的输出端口，即可将接触阻抗和增加的延长导线阻抗带来的电压影响抵消。而如果采用了图3左侧所示的延长线连接方式，就会跟两端法一样存在延长线阻抗的影响。

此外，即便使用四端法可以消除线路阻抗和接触阻抗的电压影响，回路中存在较大的接触阻抗和导线阻抗，在电流的焦耳效应下，还是会产生热量。因而，在进行电池测试时，接入导线的横截面积是否满足安全载流要求，接线夹具的连接是否可靠，也需要进行合理的考虑。在回路电流较大的测试进行时，回路周围和夹具连接处，应注意过热起火的防护，需要有良好的散热条件和远离可燃物。

4 接线对测试结果的影响分析

上文分析提到，使用二端法接线方式的通用电子测试设备，进行电池测试时会存在引入阻抗带来的影响。下文我们来分析，这个引入阻抗是对哪些类型的电池测试项目存在影响，具体影响了哪些数据或结果，是定性的影响，还是定量的影响。

4.1 放电容量相关的测试

电池性能测试中，不仅需要测试高温、低温、常温容量，还可能需要测试荷电保持能力、长期存储性能、容量恢复能力、循环寿命能力等等。这些项目都会对电池进行充放电并记录特定条件下的电池放电容量。正常情况下实验室优先使用专用充放电柜进行放电容量测试。高低温容量测试通常涉及到延长测试设备接线到温箱，个别实验室在通道规格、数量不足时也会采用两端法的电源、负载等设备来进行充放电。这些情况下，都将引入一定外部阻抗。

对于电池容量测试，先考虑充电过程：将电池的正负极两端电压设为Vcell，引入导线的阻抗(含导线电阻及接触阻抗)为R，设备的输出电压设为Vout，回路电流设为I。

则有简单欧姆定律计算式：

Vout-Vcell=R×I；

计算式的意思是，恒流充电时，两者电压差取决于外部导线的阻抗，以及回路电流的大小。

假设实验室常用的用于便携式电子产品电池短路用的导线阻抗是(80±20)mΩ，回路电流为3A，计算可知，恒流充电时充电设备输出端的电压与电池正负极电压差值可超过200mv。此时，电池电压低于充电限制电压200mv就提前进入了恒压充电阶段，充电时间会显著增加。

一些快充型电池，其恒压充电的截止电流可能设置为0.05CA或者更高。对于3000mAh手机电池其充电截止电压即是150mA，若接线时引入80mΩ导线，则充电至截止条件时，电池正负极间电压比设置的目标电压低12mV,也就是说，电池会没有充满。

对于放电，公式修改为，

Vcell-Vout=R×I；

即实际电池放电停止时的电压比设备设置的电池放电截止电压要高，高出电压为外部导线的阻抗和回路电流的乘积。换言之，电池放电并未完全。假设以接线时引入80mΩ导线为例，某动力型电池芯恒流放电电流为8A，设置的放电截止电压为3.0V，则实际电池芯两端电压为3.64V时即停止了放电行为，放电远未完成。

综合充电及放电行为，若用此类设备或者接线方式进行电池放电容量相关的测试项目，则样品充放电表现将可能存在较大差异，测试的容量结果将可能显著低于产品实际的放电容量。

4.2 保护电路的评估

很多电池标准中，需要测试验证电池组的保护电路是否设计合理。在电压方面，需要评估保护电路实际的过压保护、欠压保护限值是否符合受保护的电池芯的上下限安全工作范围。

由于外部引入导线阻抗的影响，使用两端法接线的电源和负载对电池组进行充放电，以验证保护电路的保护限值时，外部引入导线的压差将使得通过电源和负载读取的电压数据存在偏差。

例如GB 31241-2014的第10.4节，约定放电时，“最低电压都不应低于n倍的电池放电截止电压(n×Udo)或电池组的放电截止电压中的较小者。”实验室在进行测试时，使用两端法接线的电子负载进行放电且读取电池组欠压放电保护时的最低电压值。若测试回路电流为4A，引入导线阻抗50mΩ，则错误的负载电压读数将比电池组端电压低约0.2V。若某电池制造商规定的安全下限电压是2.5V，电池组保护电路设计为在2.6V附近启动欠压保护是合理的。但是该测试将导致读取的最低电压低于2.5V，按照上述标准的要求，将会判定为不符合。

在某些测试项目中，还经常有以推荐充电电流、2倍的充电限制电压对电池组进行过充的试验，要求记录电池组启动过压保护时的电压值。同理，使用引入了导线阻抗的电源进行该项测试时，如果仅依赖电源设备的读数值，测得的过压保护动作电压将大于实际电压。这时必须以示波器等辅助设备才能测试到真实的电池保护动作启动电压。

综上，引入导线对于评估电池保护电路的电压保护限制存在影响，不能控制好回路阻抗问题，对于保护电路的评价将不够准确。

4.3 安全特性的考核

外部引入阻抗除了影响性能测试的保护板功能判定，对于电池安全特性的测试项目也可能存在较大影响。

以国内外锂离子电池的安全标准中必不可少的过充电测试为例。这个项目基本测试要求是，使用直流电源对电池进行恒流充电，通常会在设备设置充电限制电压，达到设置电压转恒压充电。如GB 31241-2014标准中6.3条规定，用3CA及制造商推荐充电电流的3倍中较大值恒流充电至至少4.6V。

假设回路电流为6A(2000mAh电池3CA)，若使用阻抗是80mΩ的导线测试，则电池正负极充电至4.12V即结束了恒流阶段开始进行恒压充电；若使用阻抗是40mΩ的导线测试，则恒流充电充电阶段电池的正负极电压可以达到4.36V；若能将引入导线的引线阻抗影响消除，理论上电池恒流充电可至4.6V。看似都是过压充电，这三种情形对于电池安全的考核要求，差别非常悬殊。

图4 某型号电池的过充电试验曲线

上图为某型号电池依据GB 31241标准进行过充电试验各参数曲线。从温度曲线可以看出，恒流充电测试阶段，电池温度急剧上升，当达到设置的最高充电电压，电池进入恒压充电状态，温度则开始下降。电池长时间大电流充电，发热迅速，可能发生热失控行为，标准也是考核此情况下电池的安全性。

根据上文设备的分析，如果使用电池充放电设备的四端接法，不存在外部阻抗影响。而如果使用电源进行此项测试，则外部阻抗的引入，会导致电池过充电测试中较早地进入恒压充电状态，电池发热情况较使用专用充放电设备会缓和，热失控不易发生，测试更容易通过，即将不符合标准要求的产品误判为合格品。

对于相同的测试项目和样品，如果引入接线操作以及使用的设备存在差异，试验中可能出现截然相反的安全测试结论。使用两端法设备测试，而不限制引入导线阻抗，测试结果与使用专用的电池充放电仪可能存在较大差异，甚至避免不同试验人员对相同试验条款测试差异。但也有很多标准对这方面还没有规定，导致测试环节会出现很大的漏洞，对电池安全、性能也并没有有效评估。所以在两端法测试时，必须严格控制引入阻抗的限值。

5 结束语

对于电池测试，不同的充放电设备及接线方式在容量类测试、保护电路评估和电池安全特性测试等项目中，都可能会产生迥异的测试现象，从而影响对产品性能和安全特性的评估。电池充放电测试，尤其是电流较大的充放电测试，应尽量选择使用四端法接线的专用充放电设备，以减小引入阻抗的影响。且应用四端法时应注意操作接线方式，电压采集线应尽量靠近电池的正负极。实验室如使用两端法接线的直流电源、电子负载等通用设备测试，应对引入阻抗进行控制，以减小引入阻抗对于测试结果的影响。电池测试实验室应培训工程师了解引入阻抗的影响，如有可能，实验室应配置可以进行四端法接线的电源和负载。

制定电池标准中的测试方法时也应考虑限制引入导线的阻抗，或者对测试设备的接线方式进行限制，以保障标准项目中测试的可复现性。目前国内少数电池测试标准如GB 31241-2014《便携式电子产品用锂离子电池和电池组 安全要求》，就提出了引入导线阻抗的上限，即，“引入导线测试或连接产生的总电阻应小于20mΩ”。但是大量电池测试标准并未对此进行说明，将增加测试实验室对于同一样品同样测试项目出现不一样测试结果的可能性。建议其他电池标准在制修订中也增加类似要求，以加强标准测试结果的可复现性。

[1] GB 31241-2014 便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求[S]．

[2] GB 21966-2008 锂原电池和蓄电池在运输中的安全要求[S].

[3] GB/T 18287-2013 移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范[S]．

[4] GB/T 28164-2011 含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组 便携式密封蓄电池和蓄电池组的安全性要求[S]．

[5] GJB 4477-2002 锂离子蓄电池组通用规范[S]．

[6] GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法[S]．

[7] QB/T 2947.3-2008 电动自行车用蓄电池及充电器 第3部分：锂离子蓄电池及充电器[S].

[8] QC/T 743-2006电动汽车用锂离子蓄电池[S]．