【導(dǎo)讀】隨著鋰離子電池在無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)(EV)和太陽(yáng)能儲(chǔ)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(lái)推動(dòng)電池測(cè)試和制造能力的極限。
圖1：為現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的電池
如今，每一塊電池?zé)o論大小，性能和壽命都是在制造過(guò)程中決定的，測(cè)試設(shè)備都是針對(duì)特定電池設(shè)計(jì)的。然而，由于鋰離子電池市場(chǎng)涵蓋了所有的形狀和容量，因此很難創(chuàng)建一種單個(gè)、集成的測(cè)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(duì)鋰離子電池的需求越來(lái)越多樣化，因此我們迫切需要高性能、靈活的測(cè)試解決方案，從而最大限度地權(quán)衡利弊并實(shí)現(xiàn)成本效益。
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(xiàng)技術(shù)剛投入市場(chǎng)時(shí)并未實(shí)現(xiàn)。鋰離子電池最初設(shè)計(jì)用于相對(duì)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(dòng)汽車(chē)和太陽(yáng)能電池存儲(chǔ)。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(dòng)汽車(chē)的電池組可以配置多達(dá)100個(gè)串聯(lián)和超過(guò)50個(gè)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(gè)電池串聯(lián)，但由于電池組體積更大，測(cè)試變得更加復(fù)雜，可能會(huì)影響整體性能。為了使整個(gè)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(huì)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?yàn)樗鼈兊娜萘繒?huì)被電池監(jiān)測(cè)和再平衡系統(tǒng)降級(jí)，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(shuō)明了單塊電池如何降低整個(gè)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(gè)電池組無(wú)法再放電。等到電池組充電時(shí)，容量最低的電池會(huì)先充滿(mǎn)電，其余的電池不會(huì)進(jìn)一步充電。在電動(dòng)汽車(chē)中，這會(huì)導(dǎo)致有效的整體可用電池組容量減少，從而降低車(chē)輛的續(xù)航里程。此外，低容量電池的退化也會(huì)加速，因?yàn)樵诎踩Ｗo(hù)措施起效前，它就在充電和放電結(jié)束時(shí)達(dá)到了過(guò)高的電壓。
無(wú)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(wèn)題就越嚴(yán)重。顯而易見(jiàn)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(gè)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(cè)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(guò)程中的充放電曲線(xiàn)對(duì)其特性有很大的影響，并且是不斷變化的。
為什么現(xiàn)代鋰離子電池帶來(lái)了新的測(cè)試挑戰(zhàn)？
電池測(cè)試并非什么新事物，但自從其問(wèn)世以來(lái)，鋰離子電池給測(cè)試設(shè)備的精度、生產(chǎn)量和電路板密度帶來(lái)了新的壓力。
鋰離子電池十分獨(dú)特，因?yàn)樗鼈兙哂袠O為密集的儲(chǔ)能容量，如果充電和放電不當(dāng)，可能會(huì)引起火災(zāi)和爆炸。在制造和測(cè)試過(guò)程中，這種儲(chǔ)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(lèi)更為廣泛，反之其也會(huì)影響測(cè)試設(shè)備，因?yàn)樗鼈冃枰_保準(zhǔn)確遵循正確的充放電曲線(xiàn)，從而達(dá)到最大的存儲(chǔ)容量、可靠性和質(zhì)量。
由于并沒(méi)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(cè)試設(shè)備和不同的制造商會(huì)增加測(cè)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(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化，使電池測(cè)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(guò)程中有無(wú)數(shù)種充放電方法，這使得電池制造商向電池測(cè)試儀施加壓力，要求它們具備獨(dú)特的測(cè)試功能。
精度顯然是一項(xiàng)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?，還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?yàn)樾枰罅可a(chǎn)具有一致特性和質(zhì)量的鋰離子電池所驅(qū)動(dòng)，電池制造商還希望將測(cè)試過(guò)程和設(shè)備用作為創(chuàng)新工具，使其在市場(chǎng)上創(chuàng)造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，例如修改充電算法以提高容量。
盡管對(duì)不同類(lèi)型的電池需要進(jìn)行各種各樣的測(cè)試，但如今的測(cè)試儀針對(duì)特定的電池尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。例如，如果測(cè)試的是大型電池，那么就需要較大的電流，這會(huì)轉(zhuǎn)化為更大的電感和更粗的電線(xiàn)以及其他特性。所以在創(chuàng)建一個(gè)能夠處理高電流的測(cè)試儀時(shí)會(huì)涉及許多方面。然而，許多工廠(chǎng)并不只生產(chǎn)一種電池，它們可能會(huì)為一個(gè)客戶(hù)生產(chǎn)一整套大型電池，同時(shí)滿(mǎn)足這些電池所需的所有測(cè)試要求，也可能為一個(gè)智能手機(jī)客戶(hù)生產(chǎn)一套更小電流的小型電池。
這就是測(cè)試成本上升的原因——電池測(cè)試儀針對(duì)電流進(jìn)行了優(yōu)化。能夠處理更高電流的測(cè)試儀通常更大、更昂貴，因?yàn)樗鼈儾粌H需要更大的硅片，還需要磁性元件和布線(xiàn)，以滿(mǎn)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(chǎng)需要隨時(shí)準(zhǔn)備各種測(cè)試設(shè)備，來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)與檢驗(yàn)各種類(lèi)型的電池。由于工廠(chǎng)在不同時(shí)間生產(chǎn)的電池類(lèi)型不同，一些測(cè)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?yàn)闇y(cè)試儀是一項(xiàng)大型投資。
無(wú)論是針對(duì)當(dāng)今常見(jiàn)的和新興的用于批量生產(chǎn)普通鋰離子電池的工廠(chǎng)，還是希望利用測(cè)試過(guò)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(cè)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(cè)試設(shè)備投資回報(bào)率。
在試圖適當(dāng)優(yōu)化單個(gè)集成測(cè)試解決方案時(shí)，存在許多沖突的需求。目前還沒(méi)有解決所有種類(lèi)鋰離子電池測(cè)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(jì)，將成本效益和精度之間的權(quán)衡降到了最低。
高精度測(cè)試解決方案適用于大電流應(yīng)用
獨(dú)特的電池測(cè)試場(chǎng)景需求總是會(huì)存在，而它對(duì)應(yīng)地也需要一個(gè)同樣獨(dú)特的解決方案。不過(guò)對(duì)于很多類(lèi)型的鋰電池來(lái)講，無(wú)論是小型智能手機(jī)電池還是電動(dòng)汽車(chē)的大型電池組，是可以有一個(gè)高性?xún)r(jià)比的測(cè)試設(shè)備的。
為了達(dá)到市場(chǎng)上許多鋰離子電池所需的精確、滿(mǎn)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(cè)試儀參考設(shè)計(jì)使用50-A和100-A電池測(cè)試設(shè)計(jì)的組合，來(lái)創(chuàng)建一個(gè)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。
圖2：德州儀器電池測(cè)試儀解決方案
例如，TI針對(duì)用于高電流應(yīng)用的電池測(cè)試儀參考設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(dòng)，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(guò)將幾個(gè)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(gè)可修改的平臺(tái)，展示了構(gòu)建一個(gè)具有成本效益的測(cè)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(mǎn)足了當(dāng)今的需求，而且預(yù)測(cè)了未來(lái)汽車(chē)電池的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這將很快增加對(duì)測(cè)試儀電流能力超過(guò)50A的需求。
鋰離子電池測(cè)試設(shè)備投資最大化
德州儀器的模塊化電池測(cè)試儀參考設(shè)計(jì)解決了鋰離子電池測(cè)試設(shè)備的高精度、大電流和靈活性問(wèn)題。此參考設(shè)計(jì)涵蓋了各種可用的電池形狀、尺寸和容量，能夠應(yīng)對(duì)新興應(yīng)用，如電動(dòng)汽車(chē)和太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)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(jiàn)的小尺寸電池。
鋰離子電池測(cè)試的參考設(shè)計(jì)使您能夠投資較低電流的電池測(cè)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(gè)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(cè)試設(shè)備，可以最大程度地優(yōu)化對(duì)電池測(cè)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(cè)試需求提供靈活性。
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