創(chuàng)建高性價比的多功能鋰離子電池測試解決方案

隨著鋰離子電池在無人機(jī)、電動汽車(EV)和太陽能儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，電池制造商也在利用現(xiàn)代技術(shù)和化學(xué)成分來推動電池測試和制造能力的極限。  

如今，每一塊電池?zé)o論大小，性能和壽命都是在制造過程中決定的，測試設(shè)備都是針對特定電池設(shè)計的。然而，由于鋰離子電池市場涵蓋了所有的形狀和容量，因此很難創(chuàng)建一種單個、集成的測試儀，可以處理不同的容量、電流和物理形狀，并具有所需的準(zhǔn)確度和精度。

鑒于對鋰離子電池的需求越來越多樣化，因此我們迫切需要高性能、靈活的測試解決方案，從而最大限度地權(quán)衡利弊并實現(xiàn)成本效益。

圖1：為現(xiàn)代電動汽車提供動力的電池

鋰離子電池復(fù)雜多樣

如今，鋰離子電池具有多種尺寸、電壓和應(yīng)用范圍，而這項技術(shù)剛投入市場時并未實現(xiàn)。鋰離子電池最初設(shè)計用于相對較小的設(shè)備，如筆記本電腦、手機(jī)和其他便攜式電子設(shè)備等?，F(xiàn)在，它們的外形尺寸大了很多，如電動汽車和太陽能電池存儲。這意味著更大的串并聯(lián)電池組具有更高的電壓和更大的容量，物理體積也更大。例如，一些電動汽車的電池組可以配置多達(dá)100個串聯(lián)和超過50個并聯(lián)配置。

堆疊電池并不是什么新事物，普通筆記本電腦中的典型可充電鋰離子電池組由多個電池串聯(lián)，但由于電池組體積更大，測試變得更加復(fù)雜，可能會影響整體性能。為了使整個電池組的性能達(dá)到最佳水平，每塊電池必須與其相鄰電池幾乎相同。電池會相互影響，因此如果某一系列中的一塊電池容量較低，電池組中的其他電池都將低于最佳狀態(tài)，因為它們的容量會被電池監(jiān)測和再平衡系統(tǒng)降級，以匹配性能最低的電池。正所謂一顆老鼠屎壞了一鍋粥。

充放電循環(huán)進(jìn)一步說明了單塊電池如何降低整個電池組的性能。電池組中容量最低的電池將以最快的速度降低其充電狀態(tài)，導(dǎo)致電壓水平不安全，導(dǎo)致整個電池組無法再放電。等到電池組充電時，容量最低的電池會先充滿電，其余的電池不會進(jìn)一步充電。在電動汽車中，這會導(dǎo)致有效的整體可用電池組容量減少，從而降低車輛的續(xù)航里程。此外，低容量電池的退化也會加速，因為在安全保護(hù)措施起效前，它就在充電和放電結(jié)束時達(dá)到了過高的電壓。

無論是何種終端設(shè)備，電池組中的電池以串聯(lián)和并聯(lián)方式堆疊得越多，問題就越嚴(yán)重。顯而易見的解決方案是確保每塊電池的制造完全相同，并將相同的電池組合在同一個電池組中。但是，由于電池阻抗和容量固有的制造工藝差異化，測試變得至關(guān)重要 — 不僅要排除有缺陷的部件，而且要分清哪些電池相同，要放在哪些電池組中。除此之外，電池在制作過程中的充放電曲線對其特性有很大的影響，并且是不斷變化的。

圖2：德州儀器電池測試儀解決方案

為什么現(xiàn)代鋰離子電池帶來了新的測試挑戰(zhàn)？

電池測試并非什么新事物，但自從其問世以來，鋰離子電池給測試設(shè)備的精度、生產(chǎn)量和電路板密度帶來了新的壓力。

鋰離子電池十分獨(dú)特，因為它們具有極為密集的儲能容量，如果充電和放電不當(dāng)，可能會引起火災(zāi)和爆炸。在制造和測試過程中，這種儲能技術(shù)要求非常高的精度，而許多新興應(yīng)用進(jìn)一步加劇了這一要求。就形狀、尺寸、容量和化學(xué)成分而言，鋰離子電池的種類更為廣泛，反之其也會影響測試設(shè)備，因為它們需要確保準(zhǔn)確遵循正確的充放電曲線，從而達(dá)到最大的存儲容量、可靠性和質(zhì)量。

由于并沒有一種尺寸適合所有的電池，因此為不同的鋰離子電池選擇合適的測試設(shè)備和不同的制造商會增加測試成本。此外，不斷的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新意味著不斷變化的充放電曲線進(jìn)一步優(yōu)化，使電池測試儀成為新電池技術(shù)的重要發(fā)展工具。不管鋰離子電池的化學(xué)和機(jī)械性質(zhì)如何，在其制造過程中有無數(shù)種充放電方法，這使得電池制造商向電池測試儀施加壓力，要求它們具備獨(dú)特的測試功能。

精度顯然是一項必備能力，它不僅僅意味著能夠?qū)⒋箅娏骺刂凭缺３衷诜浅５偷乃剑€包括在充電和放電模式之間以及在不同電流水平之間非?？焖偾袚Q的能力。這些要求的產(chǎn)生不僅僅是因為需要大量生產(chǎn)具有一致特性和質(zhì)量的鋰離子電池所驅(qū)動，電池制造商還希望將測試過程和設(shè)備用作為創(chuàng)新工具，使其在市場上創(chuàng)造競爭優(yōu)勢，例如修改充電算法以提高容量。

盡管對不同類型的電池需要進(jìn)行各種各樣的測試，但如今的測試儀針對特定的電池尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。例如，如果測試的是大型電池，那么就需要較大的電流，這會轉(zhuǎn)化為更大的電感和更粗的電線以及其他特性。所以在創(chuàng)建一個能夠處理高電流的測試儀時會涉及許多方面。然而，許多工廠并不只生產(chǎn)一種電池，它們可能會為一個客戶生產(chǎn)一整套大型電池，同時滿足這些電池所需的所有測試要求，也可能為一個智能手機(jī)客戶生產(chǎn)一套更小電流的小型電池。

這就是測試成本上升的原因——電池測試儀針對電流進(jìn)行了優(yōu)化。能夠處理更高電流的測試儀通常更大、更昂貴，因為它們不僅需要更大的硅片，還需要磁性元件和布線，以滿足電遷移規(guī)則并且最大限度地降低系統(tǒng)中的寄生壓降。工廠需要隨時準(zhǔn)備各種測試設(shè)備，來滿足生產(chǎn)與檢驗各種類型的電池。由于工廠在不同時間生產(chǎn)的電池類型不同，一些測試儀可能與這些特定電池不兼容，并且可能閑置，這進(jìn)一步增加了成本，因為測試儀是一項大型投資。

無論是針對當(dāng)今常見的和新興的用于批量生產(chǎn)普通鋰離子電池的工廠，還是希望利用測試過程創(chuàng)新和創(chuàng)造新電池產(chǎn)品的電池制造商，都需要使用靈活的測試設(shè)備，以適應(yīng)更廣泛的電池容量和物理尺寸，從而降低資金投入，并提高測試設(shè)備投資回報率。

在試圖適當(dāng)優(yōu)化單個集成測試解決方案時，存在許多沖突的需求。目前還沒有解決所有種類鋰離子電池測試方案的靈丹妙藥，但德州儀器（TI）已經(jīng)提出了一種參考設(shè)計，將成本效益和精度之間的權(quán)衡降到了最低。

高精度測試解決方案，適用于大電流應(yīng)用

獨(dú)特的電池測試場景需求總是會存在，而它對應(yīng)地也需要一個同樣獨(dú)特的解決方案。不過對于很多類型的鋰電池來講，無論是小型智能手機(jī)電池還是電動汽車的大型電池組，是可以有一個高性價比的測試設(shè)備的。

為了達(dá)到市場上許多鋰離子電池所需的精確、滿量程充放電電流控制精度，德州儀器的 用于50-A、100-A和200-A應(yīng)用的模塊化電池測試儀參考設(shè)計 使用50-A和100-A電池測試設(shè)計的組合，來創(chuàng)建一個能夠達(dá)到200-A最大充放電水平的模塊化版本。此解決方案的框圖如圖2所示。

例如，TI針對 用于高電流應(yīng)用的電池測試儀參考設(shè)計 采用恒流恒壓控制環(huán)路，支持高達(dá)50A的充放電速率。此參考設(shè)計利用LM5170-Q1多相雙向電流控制器和INA188儀表放大器精確調(diào)節(jié)流入或流出電池的電流。INA188實現(xiàn)并監(jiān)控恒流控制回路，而且由于電流可能往任一方向流動，SN74LV4053A多路復(fù)用器可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)INA188的輸入。

此特定方案通過將幾個關(guān)鍵的TI技術(shù)結(jié)合在一起，為需要更高電流或多相的應(yīng)用創(chuàng)建了一個可修改的平臺，展示了構(gòu)建一個具有成本效益的測試解決方案的可行性。這一靈活、具有前瞻性的解決方案不僅滿足了當(dāng)今的需求，而且預(yù)測了未來汽車電池的增長趨勢，這將很快增加對測試儀電流能力超過50A的需求。

鋰離子電池測試設(shè)備投資最大化

德州儀器的模塊化電池測試儀參考設(shè)計解決了鋰離子電池測試設(shè)備的高精度、大電流和靈活性問題。此參考設(shè)計涵蓋了各種可用的電池形狀、尺寸和容量，能夠應(yīng)對新興應(yīng)用，如電動汽車和太陽能發(fā)電廠的大型電池組以及智能手機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中常見的小尺寸電池。

鋰離子電池測試的參考設(shè)計使您能夠投資較低電流的電池測試設(shè)備并能夠并聯(lián)使用，從而不需要在不同電流水平的多個架構(gòu)中進(jìn)行昂貴的投資。能夠在各種電流范圍內(nèi)使用測試設(shè)備，可以最大程度地優(yōu)化對電池測試設(shè)備的投資，降低總成本，并為適應(yīng)不斷變化的鋰離子電池測試需求提供靈活性。