创建高性价比的多功能锂离子电池测试解决方案

作者：Taras Dudar, Bryan Bloodworth

随着锂离子电池在无人机、电动汽车(EV)和太阳能储能等领域的应用日益增多，电池制造商也在利用现代技术和化学成分来推动电池测试和制造能力的极限。 

图1：为现代电动汽车提供动力的电池

如今，每一块电池无论大小，性能和寿命都是在制造过程中决定的，测试设备都是针对特定电池设计的。然而，由于锂离子电池市场涵盖了所有的形状和容量，因此很难创建一种单个、集成的测试仪，可以处理不同的容量、电流和物理形状，并具有所需的准确度和精度。

鉴于对锂离子电池的需求越来越多样化，因此我们迫切需要高性能、灵活的测试解决方案，从而最大限度地权衡利弊并实现成本效益。

锂离子电池复杂多样

如今，锂离子电池具有多种尺寸、电压和应用范围，而这项技术刚投入市场时并未实现。锂离子电池最初设计用于相对较小的设备，如笔记本电脑、手机和其他便携式电子设备等。现在，它们的外形尺寸大了很多，如电动汽车和太阳能电池存储。这意味着更大的串并联电池组具有更高的电压和更大的容量，物理体积也更大。例如，一些电动汽车的电池组可以配置多达100个串联和超过50个并联配置。

堆叠电池并不是什么新事物，普通笔记本电脑中的典型可充电锂离子电池组由多个电池串联，但由于电池组体积更大，测试变得更加复杂，可能会影响整体性能。为了使整个电池组的性能达到最佳水平，每块电池必须与其相邻电池几乎相同。电池会相互影响，因此如果某一系列中的一块电池容量较低，电池组中的其他电池都将低于最佳状态，因为它们的容量会被电池监测和再平衡系统降级，以匹配性能最低的电池。正所谓一颗老鼠屎坏了一锅粥。

充放电循环进一步说明了单块电池如何降低整个电池组的性能。电池组中容量最低的电池将以最快的速度降低其充电状态，导致电压水平不安全，导致整个电池组无法再放电。等到电池组充电时，容量最低的电池会先充满电，其余的电池不会进一步充电。在电动汽车中，这会导致有效的整体可用电池组容量减少，从而降低车辆的续航里程。此外，低容量电池的退化也会加速，因为在安全保护措施起效前，它就在充电和放电结束时达到了过高的电压。

无论是何种终端设备，电池组中的电池以串联和并联方式堆叠得越多，问题就越严重。显而易见的解决方案是确保每块电池的制造完全相同，并将相同的电池组合在同一个电池组中。但是，由于电池阻抗和容量固有的制造工艺差异化，测试变得至关重要——不仅要排除有缺陷的部件，而且要分清哪些电池相同，要放在哪些电池组中。除此之外，电池在制作过程中的充放电曲线对其特性有很大的影响，并且是不断变化的。

为什么现代锂离子电池带来了新的测试挑战？

电池测试并非什么新事物，但自从其问世以来，锂离子电池给测试设备的精度、生产量和电路板密度带来了新的压力。

锂离子电池十分独特，因为它们具有极为密集的储能容量，如果充电和放电不当，可能会引起火灾和爆炸。在制造和测试过程中，这种储能技术要求非常高的精度，而许多新兴应用进一步加剧了这一要求。就形状、尺寸、容量和化学成分而言，锂离子电池的种类更为广泛，反之其也会影响测试设备，因为它们需要确保准确遵循正确的充放电曲线，从而达到最大的存储容量、可靠性和质量。

由于并没有一种尺寸适合所有的电池，因此为不同的锂离子电池选择合适的测试设备和不同的制造商会增加测试成本。此外，不断的产业创新意味着不断变化的充放电曲线进一步优化，使电池测试仪成为新电池技术的重要发展工具。不管锂离子电池的化学和机械性质如何，在其制造过程中有无数种充放电方法，这使得电池制造商向电池测试仪施加压力，要求它们具备独特的测试功能。

精度显然是一项必备能力，它不仅仅意味着能够将大电流控制精度保持在非常低的水平，还包括在充电和放电模式之间以及在不同电流水平之间非常快速切换的能力。这些要求的产生不仅仅是因为需要大量生产具有一致特性和质量的锂离子电池所驱动，电池制造商还希望将测试过程和设备用作为创新工具，使其在市场上创造竞争优势，例如修改充电算法以提高容量。

尽管对不同类型的电池需要进行各种各样的测试，但如今的测试仪针对特定的电池尺寸进行了优化。例如，如果测试的是大型电池，那么就需要较大的电流，这会转化为更大的电感和更粗的电线以及其他特性。所以在创建一个能够处理高电流的测试仪时会涉及许多方面。然而，许多工厂并不只生产一种电池，它们可能会为一个客户生产一整套大型电池，同时满足这些电池所需的所有测试要求，也可能为一个智能手机客户生产一套更小电流的小型电池。

这就是测试成本上升的原因——电池测试仪针对电流进行了优化。能够处理更高电流的测试仪通常更大、更昂贵，因为它们不仅需要更大的硅片，还需要磁性元件和布线，以满足电迁移规则并且最大限度地降低系统中的寄生压降。工厂需要随时准备各种测试设备，来满足生产与检验各种类型的电池。由于工厂在不同时间生产的电池类型不同，一些测试仪可能与这些特定电池不兼容，并且可能闲置，这进一步增加了成本，因为测试仪是一项大型投资。

无论是针对当今常见的和新兴的用于批量生产普通锂离子电池的工厂，还是希望利用测试过程创新和创造新电池产品的电池制造商，都需要使用灵活的测试设备，以适应更广泛的电池容量和物理尺寸，从而降低资金投入，并提高测试设备投资回报率。

在试图适当优化单个集成测试解决方案时，存在许多冲突的需求。目前还没有解决所有种类锂离子电池测试方案的灵丹妙药，但德州仪器（TI）已经提出了一种参考设计，将成本效益和精度之间的权衡降到了最低。

高精度测试解决方案，适用于大电流应用

独特的电池测试场景需求总是会存在，而它对应地也需要一个同样独特的解决方案。不过对于很多类型的锂电池来讲，无论是小型智能手机电池还是电动汽车的大型电池组，是可以有一个高性价比的测试设备的。

为了达到市场上许多锂离子电池所需的精确、满量程充放电电流控制精度，德州仪器的用于50-A、100-A和200-A应用的模块化电池测试仪参考设计使用50-A和100-A电池测试设计的组合，来创建一个能够达到200-A最大充放电水平的模块化版本。此解决方案的框图如图2所示。

图2：德州仪器电池测试仪解决方案

例如，TI针对用于高电流应用的电池测试仪参考设计采用恒流恒压控制环路，支持高达50A的充放电速率。此参考设计利用LM5170-Q1多相双向电流控制器和INA188仪表放大器精确调节流入或流出电池的电流。INA188实现并监控恒流控制回路，而且由于电流可能往任一方向流动，SN74LV4053A多路复用器可以相应地调节INA188的输入。

此特定方案通过将几个关键的TI技术结合在一起，为需要更高电流或多相的应用创建了一个可修改的平台，展示了构建一个具有成本效益的测试解决方案的可行性。这一灵活、具有前瞻性的解决方案不仅满足了当今的需求，而且预测了未来汽车电池的增长趋势，这将很快增加对测试仪电流能力超过50A的需求。

锂离子电池测试设备投资最大化

德州仪器的模块化电池测试仪参考设计解决了锂离子电池测试设备的高精度、大电流和灵活性问题。此参考设计涵盖了各种可用的电池形状、尺寸和容量，能够应对新兴应用，如电动汽车和太阳能发电厂的大型电池组以及智能手机等消费电子产品中常见的小尺寸电池。

锂离子电池测试的参考设计使您能够投资较低电流的电池测试设备并能够并联使用，从而不需要在不同电流水平的多个架构中进行昂贵的投资。能够在各种电流范围内使用测试设备，可以最大程度地优化对电池测试设备的投资，降低总成本，并为适应不断变化的锂离子电池测试需求提供灵活性。