創(chuàng)建高性價(jià)比的多功能鋰離子電池測(cè)試解決方案

隨著鋰離子電池在無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車(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。  

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。

圖1：為現(xiàn)代電動(dòng)汽車提供動(dòng)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(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)先充滿電，其余的電池不會(huì)進(jìn)一步充電。在電動(dòng)汽車中，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(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)程中的充放電曲線對(duì)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(cè)試儀解決方案

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，從而達(dá)到最大的存儲(chǔ)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(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常快速切換的能力。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，許多工廠并不只生產(chǎn)一種電池，它們可能會(huì)為一個(gè)客戶生產(chǎn)一整套大型電池，同時(shí)滿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，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(shí)準(zhǔn)備各種測(cè)試設(shè)備，來(lái)滿足生產(chǎn)與檢驗(yàn)各種類型的電池。由于工廠在不同時(shí)間生產(chǎn)的電池類型不同，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(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。目前還沒有解決所有種類鋰離子電池測(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)汽車的大型電池組，是可以有一個(gè)高性價(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。

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足了當(dāng)今的需求，而且預(yù)測(cè)了未來(lái)汽車電池的增長(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)汽車和太陽(yáng)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(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。