安全、性能和系統(tǒng)管理

　　“電池測試”的范圍非常廣泛，從便攜式設(shè)備中最小電池的特性分析到以 1,000 V 甚至更高電壓運(yùn)行的大型車輛電池。電池系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)交通至關(guān)重要。如今，鋰離子電池因其高能量和功率密度而成為電動(dòng)汽車中最常用的電池類型之一。根據(jù)市場環(huán)境，“電池”有不同的命名法。例如，在汽車領(lǐng)域，根據(jù)車輛的集成狀態(tài)，作為被測設(shè)備的電動(dòng)汽車電池和相關(guān)測試程序可能會(huì)因電池制造、模塊或電池組制造而有所不同。

　　電池通常是單個(gè)電化學(xué)裝置，單個(gè)存儲(chǔ)單元的電壓通常不超過 5 V。模塊由多個(gè)相連的電池和一些用于控制整個(gè)系統(tǒng)的電子設(shè)備組成。模塊以某種方式封裝，因此測試通常將整個(gè)模塊作為單個(gè)元素進(jìn)行。電池組是由多個(gè)模塊組成的較大元素，同樣通過一些線路連接，并配備更復(fù)雜的控制和通信電子設(shè)備，以便與其他處理單元(例如車輛)進(jìn)行通信。

　　如上所述，測試電池不同于測試模塊或測試電池組，并且測試設(shè)置在制造價(jià)值鏈的每個(gè)階段都可能有所不同。最終，測試可能會(huì)因所采用的測試方法不同而有所不同，例如阻抗測量的情況。

　　泰克吉時(shí)利為測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供涵蓋電氣測試的解決方案，專注于在電池制造(例如電池、模塊和電池組裝配線)和最終應(yīng)用集成(例如汽車電池管理系統(tǒng) [BMS] 和電池組集成)中的系統(tǒng)集成測試中需要測量復(fù)雜 ATE 中潛在電壓、電流和電阻的地方。

　　測試通常涉及三個(gè)主要領(lǐng)域：安全測試，這對(duì)于由多個(gè)以串聯(lián)/并聯(lián)拓?fù)渑帕械碾姵亟M合而成的系統(tǒng)至關(guān)重要，以提供更高的功率密度;電池單元/模塊/組的性能測試，與充電/放電循環(huán)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間和溫度密切相關(guān);以及管理測試，此時(shí)性能優(yōu)化和 EOL 測試驗(yàn)證是關(guān)鍵。

　　示例1：電池包制造中的母線焊縫阻抗安全測試工作站

　　組成電池模塊的多個(gè)電池并聯(lián)或串聯(lián)連接，以實(shí)現(xiàn)所需的電壓輸出。所有電池都通過激光焊接到母線上，母線是一種與地面隔離的長導(dǎo)體，負(fù)責(zé)承載大電流以分配電池的電力。VSH 母線焊接阻抗測試表征了焊縫的阻抗。焊縫中的小電阻會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量，從而降低電池的性能并導(dǎo)致早期故障或不安全的操作條件。通過在測試電池操作之前測量電阻，可以快速從線路中移除有缺陷的模塊。

　　測量焊縫的阻抗涉及在焊縫上引入電流并測量電壓以計(jì)算電阻。測試執(zhí)行速度和測量精度是測量焊縫阻抗時(shí)最重要的兩個(gè)考慮因素。這可以使用源測量單元 (SMU)(如 Keithley 型號(hào) 2460 或 2461)以及型號(hào) 3706A 系統(tǒng)開關(guān)和萬用表或型號(hào) DAQ6510 數(shù)據(jù)采集和記錄萬用表系統(tǒng)來完成。

　　2460 和 2461 型 SMU 能夠?yàn)樾枰箅娏鞯碾姵叵到y(tǒng)提供高達(dá) 7 A 的電流。焊點(diǎn)的阻抗可以小到幾毫歐姆。因此，使用足夠靈敏的儀表來測量非常小的電壓非常重要。3706A 型具有 7.5 位數(shù)字萬用表 (DMM)，可以測量 100 mV 范圍內(nèi)的幾十納伏。由于電池組在一條母線上可能有近 80 個(gè)焊點(diǎn)，因此我們支持帶有可配置插槽的主機(jī)，用于多通道插入式模塊，從而無需重新布線。為了提高速度和效率，關(guān)閉每個(gè)通道進(jìn)行測量的過程顯然是自動(dòng)化的。

　　示例2：電池性能測試中的內(nèi)阻測量和開路電壓

　　電池在充電和放電過程中的性能及其效率可以通過幾種不同的方式和幾個(gè)指標(biāo)來評(píng)估。電池內(nèi)阻特性就是其中之一，它基本上意味著準(zhǔn)確表征其在幾種充電/放電電流速率、充電狀態(tài)、溫度和其他老化指標(biāo)下的變化。

　　開路電壓 (OCV) 是在足夠的休息時(shí)間(有時(shí)稱為“松弛”)后在電池端子處測得的電壓，它是鋰離子電池單元的關(guān)鍵測量值。

　　OCV 也主要根據(jù)電池充電狀態(tài)而變化，較小程度上根據(jù)溫度而變化，它不僅可用于評(píng)估/評(píng)估電池規(guī)格和狀況，還可用于創(chuàng)建電池等效模型來設(shè)計(jì) BMS。

　　電池內(nèi)阻指的是連接負(fù)載時(shí)電池端子之間的電壓降與空載電壓相比的變化，可以從 OCV 測量中得出。

　　OCV 通常不只是一種測量，而是一組測量。事實(shí)上，我們稱之為“電池的 OCV 特性”，并且我們追蹤了從充電狀態(tài)與 OCV 平面的曲線得出的詳盡分析。

　　要追蹤該曲線，您需要將電池置于特定的充電狀態(tài)，通常是使用智能源/負(fù)載以脈沖方式充電或放電電流，等待一段時(shí)間，然后測量電極處的開路電位。

　　像 2460 或 2461 這樣的 Keithley SMU(具有 10-A 脈沖能力和數(shù)字化儀)是執(zhí)行此測試的完美解決方案。事實(shí)上，它可以以受控方式提供或吸收電池電流，同時(shí)使用帶接觸檢查的四線(開爾文)連接測量電池電流和電壓。所有這些都可以通過編程的嵌入式微處理器輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和控制。

　　OCV 電壓測量的精度是選擇儀器的決定性因素。在某些情況下，典型的 6 ? 位測量分辨率、熱穩(wěn)定性，但大多數(shù)情況下，SMU 的精度可能被認(rèn)為不夠。

　　因此，一些測試設(shè)置需要使用特殊的數(shù)字萬用表 Keithley DMM7510，該萬用表已成為鋰離子電池單元測試的標(biāo)準(zhǔn)。其低噪聲 32 位 A/D 轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn) 7 ? 位分辨率和計(jì)量級(jí)精度。

　　示例 3：BMS 測試和碰撞開關(guān)檢測的特殊情況

　　BMS 是負(fù)責(zé)執(zhí)行關(guān)鍵電池功能(如電池監(jiān)控、電池平衡、充電和放電控制、安全控制以及與外部單元通信)的特定元件。一些 ATE 設(shè)計(jì)師致力于將所有必要的測試單元塞入緊湊而可靠的平臺(tái)中，以控制 BMS 和電池之間的交互。

　　這些用于驗(yàn)證的 ATE 通常是模塊化元素，由來自多個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品組合而成，作為一個(gè)系統(tǒng)共同運(yùn)行。該系統(tǒng)需要跟蹤和記錄來自電池和 BMS 的多個(gè)輸入信號(hào)。傳感單元和 I/O 通信階段確實(shí)至關(guān)重要，必須實(shí)施才能進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮Y選。在某些情況下，組成系統(tǒng)的單個(gè)儀器的選擇部分由測試管理軟件環(huán)境驅(qū)動(dòng)，但一般來說，系統(tǒng)集成商更喜歡根據(jù) OEM 的要求設(shè)計(jì)定制解決方案，這些解決方案獨(dú)立于特定環(huán)境，允許多個(gè)自動(dòng)驗(yàn)證測試系統(tǒng)并行可互換且快速執(zhí)行。

　　為了在實(shí)際電池系統(tǒng)交互之前驗(yàn)證 BMS，您可能需要模擬電池組電壓。這意味著要控制精確的 1,000 V(或更高)電壓源，甚至模擬數(shù)百個(gè)單個(gè)電池電壓。環(huán)境壓力室是另一個(gè)關(guān)鍵子元素，用于溫度和測試環(huán)境控制。從 SMU 的角度來看，Keithley 支持的 2470 型號(hào)能夠超過 1 kV 的測試能力。

　　除了特定的數(shù)據(jù)記錄器和采集交換卡(例如 DAQ6510)之外，我們現(xiàn)在將重點(diǎn)關(guān)注為 BMS 對(duì)直流快速充電期間低能量碰撞的反應(yīng)的特定測試設(shè)置設(shè)計(jì)而選擇的電壓和電流脈沖器的需求。

　　讓我們考慮一下這種情況：一輛插入停車場直流充電器的汽車遭遇低速碰撞。BMS 將如何反應(yīng)?如何排除隔離等關(guān)鍵故障?根據(jù)實(shí)際情況，BMS 的碰撞信號(hào)可能是電壓脈沖或電流脈沖。無論類型如何，信號(hào)都必須清晰且足夠穩(wěn)定以抵抗干擾。我們還提供帶有 AFG 的解決方案，以模擬 CAN 總線消息通信中的錯(cuò)誤幀，以重現(xiàn)潛在的故障情況并測試系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

　　結(jié)論

　　鋰離子電池的電氣測量是一個(gè)非常廣泛的主題，根據(jù)制造階段或應(yīng)用集成中的測試階段，需要使用智能自動(dòng)測試設(shè)備實(shí)施具有不同要求的不同測量集。泰克歷來是示波器和探測解決方案的主要供應(yīng)商，用于測試電池在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器加載時(shí)的行為，但泰克和吉時(shí)利產(chǎn)品組合支持電池制造領(lǐng)域，特別是在必須實(shí)施高精度電阻、隔離或電壓和電流測量，同時(shí)在多個(gè)傳感入口點(diǎn)收集數(shù)據(jù)時(shí)。特別是，像 2470 SMU 這樣的特殊源測量單元能夠提供超過 1 kV 的電壓，同時(shí)準(zhǔn)確測量電流，