| 隨著鋰離子電池在無人機、電動汽車（EV）和智慧電網等領域的應用日益增多，電池製造商也在試著利用現代科技和化學技術來挑戰電池測試和製造能力的極限。
如今，每一塊電池無論大小、性能和壽命都是在製造過程中決定的，而測試設備都是針對特定電池設計的。然而，由於鋰離子電池市場涵蓋了所有的形狀和容量，因此很難製造出一種單個、整合的測試器，來處理不同的容量、電流和實體形狀，同時具有所需的準確度和精密度。 鑒於對鋰離子電池的需求越來越多樣化，我們迫切需要高性能、靈活的測試解決方案，從而最大限度地權衡利弊並實現成本效益。 鋰離子電池複雜多樣 如今，鋰離子電池具有多種尺寸、電壓和應用範圍，而這項技術剛投入市場時並未實現。鋰離子電池最初設計用於相對較小的設備，如筆記型電腦、手機和其他可攜式電子裝置。現在，它們的外形尺寸大了很多應用於各種大型設備，如電動汽車和太陽能電池儲存。這意味著更大的串並聯電池組擁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 100 個串聯和超過 50 個並聯配置。 堆疊電池並不是什麼新事物，普通筆記型電腦中的典型可充電鋰離子電池組由多個電池串聯，但由於電池組體積更大，測試變得更加複雜，可能會影響整體性能。為了使整個電池組的性能達到最佳水準，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於最佳狀態，因為它們的容量會被電池監測和再平衡系統降級，以匹配性能最低的電池。正所謂一顆老鼠屎壞了一鍋粥。 透過充放電迴圈進一步說明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，導致電壓水準不安全，使得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，其餘的電池就不會進一步充電。在電動汽車中，這會導致有效的整體可用電池組容量減少，從而降低車輛的續航里程。此外，低容量電池的退化也會加速，因為在安全保護措施起效前，它就在充電和放電結束時達到了過高的電壓。 無論是何種終端設備，電池組中的電池以串聯和並聯方式堆疊得越多，問題就越嚴重。顯而易見的解決方案是確保每塊電池的製造完全相同，並將相同的電池組合在同一個電池組中。但是，由於電池阻抗和容量固有的製造工藝差異程度不同，使得測試變得至關重要——不僅要排除有缺陷的元件，而且要分清楚哪些電池相同，要放在哪些電池組中。除此之外，電池在製作過程中的充放電曲線對其特性有很大的影響，並且是不斷變化的。 為什麼現代鋰離子電池帶來了新的測試挑戰？ 電池測試並非什麼新事物，但自從鋰離子電池問世以來，給測試設備的準確度、生產量和電路板密度帶來了新的壓力。 鋰離子電池十分獨特，因為它們具有極為密集的儲能容量，如果充電和放電不當，可能會引起火災和爆炸。在製造和測試過程中，這種儲能技術要求非常高的準確度，而許多新興應用進一步加劇了這一要求。就形狀、尺寸、容量和化學成分而言，鋰離子電池的種類更為廣泛，反之其也會影響測試設備，因為它們需要確保準確遵循正確的充放電曲線，從而達到最大的儲存容量、可靠性和品質。 由於並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備和不同的製造商會增加測試成本。此外，不斷的產業創新意味著不斷變化的充放電曲線進一步優化，使電池測試器成為新電池技術的重要發展工具。不管鋰離子電池的化學和機械性質如何，在其製造過程中有無數種充放電方法，這使得電池製造商向電池測試器施加壓力，要求它們具備獨特的測試功能。 準確度顯然是一項必備能力，它不僅僅意味著能夠將大電流控制準確度保持在非常低的水準，還包括在充電和放電模式之間以及在不同電流水準之間非常快速切換的能力。這些要求的產生不僅僅是因為需要大量生產具有一致特性和品質的鋰離子電池所驅動，電池製造商還希望將測試過程和設備用作為創新工具，使其在市場上創造競爭優勢，例如修改充電演算法以提高容量。 儘管對不同類型的電池需要進行各式各樣的測試，但如今的測試器針對特定的電池尺寸進行了優化。例如，如果測試的是大型電池，那麼就需要較大的電流，這會轉化為更大的電感和更粗的電線以及其他特性。所以在創建一個能夠處理高電流的測試器時會涉及許多方面。然而，許多工廠並不只生產一種電池，它們可能會為一個客戶生產一整套大型電池，同時滿足這些電池所需的所有測試要求，也可能為一個智慧型手機客戶生產一套更小電流的小型電池。 這就是測試成本上升的原因——電池測試器針對電流進行了優化。能夠處理高電流的測試器通常會體積大且價錢昂貴，因為它們不僅需要更大的矽片(silicon)，還需要磁性元件(magnetics)和路由(routing)，以滿足電遷移規則(electro-migration rule)並且最大限度地降低系統中的寄生壓降(minimize parasitic IR drops in the system)。工廠需要隨時準備各種測試設備，來滿足生產與檢驗各種類型的電池。由於工廠在不同時間生產的電池類型不同，一些測試器可能與這些特定電池不相容，並且可能閒置，這進一步增加了成本，因為測試器是一項大型投資。 無論是針對目前常見或新興的用於批量生產普通鋰離子電池的工廠，還是希望在測試過程中利用較小的力氣去創造更高的力量來創新和製造新電池產品的電池製造商，都需要使用靈活的測試設備，以適應更廣泛的電池容量和物理尺寸，從而減少資金支出，並提高測試設備的投資回報率。 智慧型手機電池和EV電池，即使它們都是鋰離子電池，也存在很大差異，但是鑑於它們趨於普遍，因此您應該能夠同時使用兩者對電池進行必要的測試相同的設備，以及其他許多鋰離子電池類型。當然，不同的尺寸僅在機械設計自動測試設備時就產生了問題，該設備可以處理您給它的任何問題。 在試圖適當優化單個整合的測試解決方案時，仍存在許多衝突的需求。雖然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，但德州儀器已經提出了一種參考設計，在不影響準確度和精確度的前提下，可以最大程度地權衡取捨。 高準確度測試解決方案，適用於大電流應用 獨特的電池測試場景需求總會存在，而它對應地也需要一個同樣特別的解決方案。不過，無論是小型智慧型手機電池還是電動汽車的大型電池組，都可以使用具有成本效益的測試設備來應對各種鋰離子電池類型。 在眾多鋰離子電池需求市場上，為了滿足精確且全尺寸充放電電流控制準確度，針對50-A 、 100-A 和 200-A等應用，德州儀器模組化電池測試器參考設計特別組合了 50-A 和 100-A 電池測試設計，用來創建一個能夠達到 200-A 最大充放電水準的模組化版本。此解決方案的原理圖如圖 2 所示。
例如， TI 針對高電流應用的電池測試器參考設計，採用恒流(CC)恒壓(CV)控制環路以支援高達 50A 的充放電率。該參考設計利用多相雙向電流控制器 LM5170-Q1 來調節流入或流出電池的電流，而零漂移、36 V、軌對軌輸出(Rail-to-Rail-Out)儀表放大器 INA188 則調節流入或流出電池的電流。INA188 實現並監控恒流控制環路，由於電流可能往任一方向流動，因此 SN74LV4053A 多工器可以相應地調節 INA188 的輸入。 此特定方案透過將幾個關鍵的 TI 技術整合在一起，為需要更高電流或多階段應用，創建一個可修改的平台，展示建立一個具成本效益測試解決方案的可行性。這靈活、具有前瞻性的解決方案不僅滿足了當今的需求，而且預測了未來汽車電池的增長趨勢，將很快增加對測試器電流能力超過 50A 的需求。 鋰離子電池測試設備投資最大化 德州儀器用於50A 、 100A 和 200A 應用的模組化電池測試器解決了鋰離子電池測試設備的高精度，大電流和靈活性問題。該參考設計涵蓋了各種可用的電池形狀、尺寸和容量，能夠應對新興應用，如電動汽車和太陽能發電廠的大型電池組以及智慧型手機等消費電子產品中常見的小尺寸電池。 德州儀器鋰離子電池測試的參考設計使您能夠投資較低電流的電池測試設備且能夠並聯使用，從而不需要在不同電流水平的多種架構中進行昂貴的投資。能夠在各種電流範圍內使用測試設備，可以最大程度地優化對電池測試設備的投資，降低總體成本，並為適應不斷變化的鋰離子電池測試需求提供靈活性。 |
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