隨著(zhù)鋰離子電池在無(wú)人機、電動(dòng)汽車(chē)(EV)和太陽(yáng)能儲能等領(lǐng)域的應用日益增多，電池制造商也在利用現代技術(shù)和化學(xué)成分來(lái)推動(dòng)電池測試和制造能力的極限。

圖1：為現代電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的電池

　　如今，每一塊電池無(wú)論大小，性能和壽命都是在制造過(guò)程中決定的，測試設備都是針對特定電池設計的。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，并具有所需的準確度和精度。

　　鑒于對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、靈活的測試解決方案，從而最大限度地權衡利弊并實(shí)現成本效益。

　　鋰離子電池復雜多樣

　　如今，鋰離子電池具有多種尺寸、電壓和應用范圍，而這項技術(shù)剛投入市場(chǎng)時(shí)并未實(shí)現。鋰離子電池最初設計用于相對較小的設備，如筆記本電腦、手機和其他便攜式電子設備等�，F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。這意味著(zhù)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，測試變得更加復雜，可能會(huì )影響整體性能。為了使整個(gè)電池組的性能達到最佳水平，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)，因為它們的容量會(huì )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。

　　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)，導致電壓水平不安全，導致整個(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 )導致有效的整體可用電池組容量減少，從而降低車(chē)輛的續航里程。此外，低容量電池的退化也會(huì )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(shí)達到了過(guò)高的電壓。

　　無(wú)論是何種終端設備，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)對其特性有很大的影響，并且是不斷變化的。

　　為什么現代鋰離子電池帶來(lái)了新的測試挑戰？

　　電池測試并非什么新事物，但自從其問(wèn)世以來(lái)，鋰離子電池給測試設備的精度、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(huì )引起火災和爆炸。在制造和測試過(guò)程中，這種儲能技術(shù)要求非常高的精度，而許多新興應用進(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 )影響測試設備，因為它們需要確保準確遵循正確的充放電曲線(xiàn)，從而達到最大的存儲容量、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試設備和不同的制造商會(huì )增加測試成本。此外，不斷的產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新意味著(zhù)不斷變化的充放電曲線(xiàn)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)和機械性質(zhì)如何，在其制造過(guò)程中有無(wú)數種充放電方法，這使得電池制造商向電池測試儀施加壓力，要求它們具備獨特的測試功能。

　　精度顯然是一項必備能力，它不僅僅意味著(zhù)能夠將大電流控制精度保持在非常低的水平，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動(dòng)，電池制造商還希望將測試過(guò)程和設備用作為創(chuàng )新工具，使其在市場(chǎng)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(lèi)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(huì )轉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試要求，也可能為一個(gè)智能手機客戶(hù)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(xiàn)，以滿(mǎn)足電遷移規則并且最大限度地降低系統中的寄生壓降。工廠(chǎng)需要隨時(shí)準備各種測試設備，來(lái)滿(mǎn)足生產(chǎn)與檢驗各種類(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(wú)論是針對當今常見(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試設備，以適應更廣泛的電池容量和物理尺寸，從而降低資金投入，并提高測試設備投資回報率。

　　在試圖適當優(yōu)化單個(gè)集成測試解決方案時(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)提出了一種參考設計，將成本效益和精度之間的權衡降到了最低。

　　高精度測試解決方案，適用于大電流應用

　　獨特的電池測試場(chǎng)景需求總是會(huì )存在，而它對應地也需要一個(gè)同樣獨特的解決方案。不過(guò)對于很多類(lèi)型的鋰電池來(lái)講，無(wú)論是小型智能手機電池還是電動(dòng)汽車(chē)的大型電池組，是可以有一個(gè)高性?xún)r(jià)比的測試設備的。

　　為了達到市場(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應用的模塊化電池測試儀參考設計使用50-A和100-A電池測試設計的組合，來(lái)創(chuàng )建一個(gè)能夠達到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：德州儀器電池測試儀解決方案

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

　　此特定方案通過(guò)將幾個(gè)關(guān)鍵的TI技術(shù)結合在一起，為需要更高電流或多相的應用創(chuàng )建了一個(gè)可修改的平臺，展示了構建一個(gè)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(mǎn)足了當今的需求，而且預測了未來(lái)汽車(chē)電池的增長(cháng)趨勢，這將很快增加對測試儀電流能力超過(guò)50A的需求。

　　鋰離子電池測試設備投資最大化

　　德州儀器的模塊化電池測試儀參考設計解決了鋰離子電池測試設備的高精度、大電流和靈活性問(wèn)題。此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(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等消費電子產(chǎn)品中常見(jiàn)的小尺寸電池。

　　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)架構中進(jìn)行昂貴的投資。能夠在各種電流范圍內使用測試設備，可以最大程度地優(yōu)化對電池測試設備的投資，降低總成本，并為適應不斷變化的鋰離子電池測試需求提供靈活性。