移动电源容量测试研究

移动电源容量测试研究　杨璐　，安旭东　，韩傲雪。，王　阳２，郝　晌２　（工业和信息化部电信研究院泰尔终端实验室，北京１０００８３）　摘要：通过对移动电源产品结构的分析，阐述了移动电源产品容量测试的要点。设计了大量整机及内部电池容量测试实　验。通过实验数据对移动电源产品容量测试的准确性及规范性展开研究。重点分析了移动电源内部电池容量测试中夹　具误差对测试结果的重要影响；整机容量测试中放电终止电压的限定以及容量效率、能量效率的设计研究。　关键词：移动电源；电池；容量；夹具；容量效率；能量效率　中图分类号．ＴＭ　９１　１　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００２—０８７　Ｘ（２０１　５）０５—０９７１—０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｂａｎｋ　ＹＡＮＧ　Ｌｕ　，ＡＮ　Ｘｕ－ｄｏｎｇ　，ＨＡＮ　Ａｏ・ｘｕｅ　，ＷＡＮＧ　Ｙａｎｇ２，ＨＡＯ　Ｘｕ２　（Ｃｈｉｎａ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆＭｌｌＴ（ＣＴＴＬ—Ｔｅｒｍｉｎａｌｓ），Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｂａｎｋ　ｗｅｒｅ　ｓｔａｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｔｅｓｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｉｎｔｅｍａＩ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｂａｎｋ　ｗｅｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ．Ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｅｓｔ　ｅｒｒｏｒｓ　ｆｒＯｍ　ｔｅｘｔ　ｆｉｘｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｗａｓ　ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ；ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｃｕｔ－ｏｆｆ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｔｅｓｔｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ　ｂａｎｋ；ｂａｔｔｅｗ；ｃａｐａｃｉｔｙ：ｔｅｓｔ　ｆｉｘｔｕｒｅ；ｃａｐａｃｉｔｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　１移动电源产品特点及容量测试要点　移动电源产品的主要特点是使用大容量电池作为电量储　备工具。充满电的移动电源可以作为后备电源对便携式电子　产品进行充电，以提高这些产品的持续工作能力。目前市场上　绝大多数移动电源使用ＵＳＢ规范充电。　该类产品的发展速度很快，而因为各方面的原因，相应标　准的制订工作明显滞后，导致该类产品至今没有统一的标准　对其进行规范。移动电源的使用性能中被广泛诟病的是容量　问题。不少使用者在购买使用后，都集中反映移动电源标称容　量和销售宣传有很大反差。其也成为移动电源在实际使用中　准确性以及整机容量计算及测试的规范性。　图１　移动电源内部结构图　２移动电源内部电池容量测试及研究　为模拟不同厂家或实验室对于移动电源内部电池容量测　试的差异，测试选取了同样的锂电池，分别在相同的实验环境　下，采取同样的测试方法，用不同的测试仪表进行连续测试。　社会各界关注的焦点。针对移动电源容量测试及研究具有重　要意义。　移动电源主要由电池部分、电路部分及外壳部分组成。内　部一般使用锂离子电池。１８６５０圆柱形锂离子电池和聚合物锂　离子电池是目前移动电源中使用最为广泛的。１８６５０电池工艺　成熟，稳定性好，由于尺寸固定，容量基本稳定在一定范围内。　２．１测试样品　测试共选取３块同一型号的同一批次方形锂电池，分别　记为ＸＩ，Ｘ２，Ｘ３。测试电池样品标称容量２　６００　ｍＡｈ，充电限制　电压４．３５　Ｖ，参考实验电流　为２　６００　ｍＡ，放电终止电压　２．７５Ｖ。　聚合物锂离子电池安全性高，能量密度大。图１为移动电源内　部结构图。　移动电源与普通电池组产品结构不同，影响容量的因素　很多。主要因素在于内部升降压电路及其它部件的能量消耗，　２。２测试方法　电池首先在２０℃的环境温度、小于等于７５％的环境湿度　下以０．２上Ａ进行放电至终止电压。之后以０．２上Ａ充电，当电池　电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流小于　内部使用电池的质量，以及电池串并联后一致性的原因导致　的效率下降。移动电源的容量测试要点在于内部电池测试的　收稿日期：２０１５—０１—１２　或等于Ｏ．Ｏ２　，最长充电时间不大于８　ｈ，停止充电。之后搁置　０．５　ｈ，分别在２０和一２０℃的环境温度下以０．２“恒流进行放　电至终止电压，记录电池在２０和一２０℃的放电曲线及放电容　作者简介：杨璐（１９８２一）．男．陕西省人．工程师．硕士．主要研究　方向为便携式电子产品用电池检测．移动电源产品的检测。　９７１　２０１　５．５　ＶＯＩ．３９　ＮＯ．５　量（参考标准ＧＢ／Ｔ１８２ｌ￣７－２０１３）。　２’　后的测试数据如表１所示，由电＇忸　凰　儿一　。一。　。桉　所述的方法分别对　２．２　耄　曲线如　一。　样品Ｘ３　喜１　常温做温臌　戥　　ｒ　＼Ｉ　２０　Ｉ仪衣　ｆ　ｚ．■　，．一＾ｈ　ｌ　，ｌ　查量　２　６２２．２　ｌ　！　笠ｒ一一　２　鱼　：０６８！一　Ｉ　５　．－２０　２　０８　：　ｌ一　２　６２０　ｌ　５５２　●　＼　２０　Ｉ　１　５６２　Ｉ　１　、＼　－　４．５　４・０　３．５　》　２０℃放电　３．ｏ　３．５　—０　３・——～：：：　电、　ｌ　｛篓篷　一　…——．＿————－　２・！　－＿　０　ｓ。。ｔ。　量／Ｏ０　２０。。　ｍ…”　一　赢１堂温低温放电曲线　：　：　ｒ．　阻具ｎ　～一增　右　加线　　滢嚣　　堇　＿　，　…一　…～　一　．ｒ一……　：　…　一…一一…ｊ一……一一了一　一Ｉ　ｏ０匕二……　Ｉ＿一一…　一一一　…一一｝　‘３　２００　３ＯＯＯ　ｌ　ｒｌ　：　ｉ———　。　一＿　…………’　８００　鬻篇　９７２　２０１５　５　ＶｏＩ．３９　Ｎｏ－５　量与标称容量的差距，设计以下实验进行研究。　３．２测试方法　控制测试环境温度为２０℃，湿度小于等于７５％，将移动　电源充满电后，通过输出接口接至充放电测试仪表，按制造商　给定的标称放电电流恒流放电，直至移动电源放电至放电终　３．１测试样品　测试共选取了１０款不同型号的移动电源，分别记为ｘｌ、　Ｘ２、Ｐ１、Ｐ２、Ｃ１、Ｓ１、Ｍ１、Ｉ１、Ｒ１和Ｙ１。其内部为单体电池或并　联电池结构，额定电压均为３．７　Ｖ。试样如表３所示。　止电压（无限制），记录放电时间及放电容量值。对于有多个输　试样　Ｘｌ　Ｘ２　Ｐｌ　Ｐ２　Ｃ１　Ｓ１　Ｍ１　标称　标称　标称放电　实际放电　放电　放电　放电　实际放电　容量效率　容量／ｍＡｈ　电压／ｖ　电流／Ａ　电流／Ａ　时间（ｈ：ｍ：ｓ）　容量／ｍＡｈ　能量／Ｗｈ　平均电压／Ｖ　计算／％　ｌ０４００　５　２００　８　ｌＯ０　２　７００　ｌ０４００　ｌ０　０００　５　２００　５．１　５．１　５．Ｏ　５．Ｏ　５．０　５．０　５．Ｏ　２．１　１．５　１．５　１．Ｏ　１．Ｏ　１．０　２．０　２．１　１．５　１．５　１．０　１．Ｏ　１．０　２．Ｏ　０１：１７：３９　０Ｏ：５５：１２　０３：０７：５９　０ｌ：２１：３８　０６：ｌ７：４５　０３：３７：２９　０１：２１：３４　２　７１５　１　３８０　４　６９９　ｌ　３６ｌ　６　２９５　５　４３７　２　７ｌ９　１２．９２７　６．６７８　２１．７２１　６．５３０　３０．７２６　２５．４５９　１２．８３６　４．７６１　４．８３９　４．６２２　４．７９８　４Ｉ８８ｌ　４．６８３　４．７２１　２６．１　２６．５　５８．０　５０．４　６０．５　５４．４　５２－３　能量效率　计算／％　３３．６　３４．７　７２．５　６５．４　７９．８　６８．８　６６．７　Ｉｌ　Ｒ１　３　０００　２　２００　５．Ｏ　５．Ｏ　２．１　１．０　２．１　１．０　００：２５：３３　０ｌ：０６：０３　８９５　１　１０ｌ　４．２４９　４．７９９　４．７４７　４．３５９　２９．８　５０．０　３８．３　５９．０　Ｙ１　８　１００　５．０　１．５　１．５　０２：５４：５５　４　３７３　２０．４０４　４．６６６　５４．０　６８．１　出端口的移动电源，用标称放电电流为最小值的端口进行恒　流放电。　３．３测试结果　按３．２所述方法分别对各移动电源进行恒流放电，由充放　电测试仪表记录实际放电时间、放电容量、放电能量如表３所　不。　：。尊匡　一Ｆ圜＿了■　ｉｉｉ：：　Ｉ　；：　：：　｛　：Ｅ三二三二　为有效表征容量测试情况，设计了平均电压、容量效率、　能量效率等参数。其中实际放电平均电压通过公式（２）计算获　得，通过公式（３）、（４）计算即可得到容量效率和能量效率。根据　其中一款移动电源Ｙ１测试数据，绘制放电曲线图如图６所　示。　便携式电子产品，这种电压已经不能充电。由此，放电终止电　压应该有一个限度。以手机为例，通信行业标准　ＹＤ／Ｔ１５９１．２００９中就规定为手机充电的适配器，在输出额定电　流时，电压应在４．７５～５．２５　Ｖ。这个限值有很大的借鉴意义，因　平均电压＝放电能量＋（放电容量＋１　０００）　（２）　容量效率＝放电容量＋标称容量×１００％　（３）　为移动电源在为手机充电时，其至少应该满足手机充电适配　接下来通过表３中的１０组数据探究移动电源的容量效　能量效率＝放电能量＋（３．７×标称容量＋１　Ｏ００）ｘ　１００％（４）　３．４测试分析　移动电源在测试过程中实验环境、测试设备、测试电缆　率和能量效率问题。目前移动电源标称的容量通常都是内部　电池的容量，这实际上误导了使用者。有必要引入容量效率和　能量效率等类似指标来进一步表征移动电源的实际放电能　力。目前移动电源采用的锂离子电池标称电压一般在３．７　ｖ左　右，移动电源在实际使用中充电时需要采用降压控制电路给　内部锂离子电池充电，放电时需要通过升压控制电路才能输　线、测试夹具等都会对实验结果产生影响，特别是测试夹具。　和电池测试相似，夹具会引入电阻，且容易被忽视。以图５被　测样品Ｙ１的放电曲线为例，由于移动电源内部电池的能量是　一定的，夹具引入的电阻增大时，恒流放电的同时，放电电压　将被拉低，可能会出现如图６中横向虚线所示的情况，这样会　影响后端用电设备的实际使用。如果移动电源产品内部使用　优质的升压稳压电路，使得恒流放电时的放电电压固定在很　小的压降范围，那么根据能量守恒定律，放电容量必将减少，　如图６中纵向虚线所示。　出５　Ｖ给设备充电。根据能量守恒的原理，由于总能量（ｗｈ１不　变，将３．７　Ｖ的电压转化５　Ｖ后，即使移动电源能量零损耗，移　动电源的输出容量最多仅为标称容量的７４％，而此时的能量　转换效率是１００％。这是表３测试数据中容量效率整体低于能　通过设计计算公式（３）（４），对上述１　０款移动电源的容量测　图６被测样品Ｙ１的放电曲线体现出了移动电源产品的　放电特点。由于输出使用升压稳压电路，在恒流放电的同时，　放电电压仍能保持相对平稳。当然也有一些移动电源放电电　压会呈现一定斜率的下降，表３中Ｒ１的测试数据即是如此，　接口的标称电压是５．０　Ｖ，而实际放电平均电压低很多。由于　能量是一定的，放电电压低，测试中放电的容量必然会变大。　表３中Ｒ１的测试数据算得平均电压为４．３５９　Ｖ，对于某些　试数据进行了比较，结果转换效率很低，不同型号的移动电源　之间转换效率相差较大。表３中容量效率统计最低仅为　２６．１％，最高６０．５％，大部分分布在５０％，－６０％范围内。另一方　面，从能量效率的角度统计，最低仅为３３．６％，最高７９．８％，大　部分分布在６０％～８０％范围内。这些参数显而易见地表征了移　９７３　２０１　５．５　Ｖｏ１．３９　ＮＯ．５