淺談儲(chǔ)能系統(tǒng)測試“電池測試”

儲(chǔ)能系統(tǒng)測試是當(dāng)今的熱門話題。通常被稱為“電池測試”，它的范圍從小型便攜式電池到電動(dòng)汽車 （EV） 中使用的較大電池，再到所謂的“固定應(yīng)用”中用于高能量供應(yīng)的備用系統(tǒng)中的電池。根據(jù)這些系統(tǒng)的具體環(huán)境和制造周期階段，泰克吉時(shí)利為市場提供測試解決方案，例如那些旨在滿足為 EV OEM 設(shè)計(jì)自動(dòng)化測試系統(tǒng) （ATE） 的系統(tǒng)集成商的緊迫需求的解決方案。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們將繼續(xù)在各種測試用例和生產(chǎn)質(zhì)量要求方面積累經(jīng)驗(yàn)。

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)備中最小可能電池的表征到在 1，000 V 甚至更高電壓下運(yùn)行的大型車輛電池。電池系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車至關(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)汽車中最常用的類型之一?！半姵亍庇胁煌拿?，具體取決于市場環(huán)境。例如，在汽車中，根據(jù)車輛的集成狀態(tài)，如果您提到電池制造、模塊或電池組制造，作為被測設(shè)備的 EV 電池和相關(guān)測試程序可能會(huì)有所不同。

電池通常是單個(gè)電化學(xué)裝置，單個(gè)存儲(chǔ)單元的范圍通常不超過最大 5 V。該模塊由幾個(gè)連接的單元和一些其他電子設(shè)備組成，以控制整個(gè)系統(tǒng)。模塊以某種方式打包，因此測試通常將整個(gè)事物作為單個(gè)元素進(jìn)行。一個(gè)包是由幾個(gè)模塊組成的更大的元件，再次通過一些布線連接，并在板上具有更復(fù)雜的控制和通信電子設(shè)備，以與其他處理單元通信，例如車輛。

如前所述，測試單元與測試模塊或測試包不同，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。測試最終會(huì)因所使用的測試方法而不同，例如阻抗測量。

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，專注于在復(fù)雜的 ATE 中需要潛在電壓、電流和電阻測量的任何地方，以便在電池制造（例如，電池、模塊和電池組組裝線）中進(jìn)行系統(tǒng)集成測試和最終應(yīng)用集成（例如，汽車電池管理系統(tǒng) ［BMS］ 和電池組集成）。

測試通常涉及三個(gè)主要領(lǐng)域： 安全測試，對(duì)于由以串聯(lián)/并聯(lián)拓?fù)渑帕械亩鄠€(gè)電池組合構(gòu)建的系統(tǒng)至關(guān)重要，以提供更高的功率密度；電芯/模組/pack的性能測試，與充放電循環(huán)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、溫度等密切相關(guān)；和管理測試，當(dāng)性能優(yōu)化和 EOL 測試驗(yàn)證是關(guān)鍵時(shí)。

示例 1：電池組制造中的母線焊接阻抗安全測試工作站

組成一個(gè)電池模塊的多個(gè)電芯并聯(lián)或串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)所需的電壓輸出。所有電池都被激光焊接到母線上，母線是一種與地面隔離的長導(dǎo)體，負(fù)責(zé)承載高電流以分配來自電池的電力。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)生足夠的熱量來降解電池并導(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，可以快速從生產(chǎn)線上移除有缺陷的模塊。

電池中母線的通用表示

測量焊縫的阻抗包括在焊縫上提供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接阻抗時(shí)最重要的兩個(gè)考慮因素。這可以使用源測量單元 （SMU） 來完成，例如 Keithley 2460 或 2461 型以及 3706A 型系統(tǒng)開關(guān)和萬用表或 DAQ6510 型數(shù)據(jù)采集和記錄萬用表系統(tǒng)。

電池生產(chǎn)中阻抗測試自動(dòng)化系統(tǒng)的示意圖示例

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。焊接的阻抗可以小到幾毫歐。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），可測量 100-mV 范圍內(nèi)的數(shù)十納伏。由于一個(gè)電池組的一根母線上可能有近 80 個(gè)焊縫，因此我們支持帶有可配置多通道插件模塊插槽的主機(jī)，無需重新布線。關(guān)閉每個(gè)通道進(jìn)行測量的過程顯然是自動(dòng)化的，以提高速度和效率。

示例 2：電池性能測試中的內(nèi)阻測量和開路電壓

電池的性能及其在充電和放電過程中的效率可以通過幾種不同的方式進(jìn)行評(píng)估，并查看幾個(gè)指標(biāo)。電池內(nèi)阻表征就是其中之一，它基本上意味著準(zhǔn)確地表征其在幾種充電/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”）后在電池端子處測量的電壓，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，而在較小程度上根據(jù)溫度而變化，它可用于創(chuàng)建電池等效模型來設(shè)計(jì) BMS，而不僅僅是評(píng)估/評(píng)估電池規(guī)格和狀況。

與空載電壓相比，當(dāng)連接負(fù)載時(shí)，電池中的內(nèi)部電阻會(huì)導(dǎo)致電池端子上的電壓降，并且可以從 OCV 測量中得出。

OCV 通常不僅僅是一個(gè)測量值，而是一組測量值。事實(shí)上，我們將其稱為“電池的 OCV 表征”，并且我們追蹤了從充電狀態(tài)與 OCV 平面上的曲線得出的詳盡分析。

要跟蹤該曲線，您需要將電池置于特定的充電狀態(tài)，通常是使用智能電源/負(fù)載以脈沖方式對(duì)電流進(jìn)行充電或放電，等待一段時(shí)間的穩(wěn)定時(shí)間，然后在充電時(shí)測量開路電位。電極。

像 2460 或 2461（具有 10-A 脈沖能力和數(shù)字化儀）這樣的吉時(shí)利 SMU 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)通過接觸檢查的四線 （Kelvin） 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自動(dòng)化和控制。

OCV 中電壓測量的準(zhǔn)確性是選擇儀器的一個(gè)重要因素。在某些情況下，典型的 6 ? 位測量分辨率、熱穩(wěn)定性，但主要是 SMU 的準(zhǔn)確度都被認(rèn)為是不夠的。

出于這個(gè)原因，一些測試設(shè)置涉及一種特殊的 DMM，即 Keithley DMM7510，它已成為鋰離子電池測試的標(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。

泰克的 Keithley DMM7510 是一款參考型 7 ? 位萬用表，具有高精度規(guī)格，適用于必須檢測小電壓降或微小泄漏電流的情況。

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)鍵電池功能的特定元件，例如電池監(jiān)控、電池平衡、充電和放電控制、安全控制以及與外部單元的通信。幾位 ATE 設(shè)計(jì)人員致力于將所有需要的測試單元擠入一個(gè)緊湊且可靠的平臺(tái)，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，來自多個(gè)供應(yīng)商的項(xiàng)目組合在一起作為一個(gè)系統(tǒng)一起運(yùn)行。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)施以進(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，授予多個(gè)自動(dòng)化驗(yàn)證測試系統(tǒng)并行可互換且快速執(zhí)行。

要在實(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。這意味著要控制一個(gè)精確的 1，000 V（或更高）電壓源，甚至可以模擬數(shù)百個(gè)單獨(dú)的電池電壓。環(huán)境應(yīng)力室是另一個(gè)用于溫度和測試氣氛控制的關(guān)鍵子元素。從 SMU 的角度來看，吉時(shí)利 2470 型支持能夠超過 1kV 的測試能力。

例如，除了數(shù)據(jù)記錄器和采集開關(guān)卡（例如 DAQ6510）的特定產(chǎn)品組合之外，我們現(xiàn)在將重點(diǎn)關(guān)注為 BMS 對(duì)直流快速期間低能量碰撞反應(yīng)的特定測試設(shè)置設(shè)計(jì)選擇電壓和電流脈沖器的需求收費(fèi)。

讓我們考慮一下在停車場中插入直流充電器的車輛發(fā)生低速碰撞的情況。BMS 將如何反應(yīng)？如何排除隔離等關(guān)鍵故障？BMS的碰撞信號(hào)可以是電壓脈沖也可以是電流脈沖，視實(shí)際情況而定。無論哪種類型，都要求信號(hào)足夠清晰和穩(wěn)定，以抵抗干擾。我們還為我們的 AFG 提供解決方案，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。

泰克的 AFG31000 系列可以通過編程來復(fù)制具有定制減損的真實(shí)世界總線信號(hào)，從而復(fù)制特定的潛在故障條件

結(jié)論

鋰離子電池的電性測量是一個(gè)非常廣泛的話題，根據(jù)應(yīng)用集成中的制造階段或測試階段，需要通過智能自動(dòng)化測試設(shè)備來實(shí)現(xiàn)不同要求的不同組測量。泰克歷來是示波器和探測解決方案的主要供應(yīng)商，用于測試由電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器加載時(shí)的電池行為，但泰克和吉時(shí)利的產(chǎn)品組合支持電池制造空間，特別是在高精度電阻、隔離或電壓和電流測量時(shí)必須在跨多個(gè)傳感入口點(diǎn)收集數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)施。特別是像 2470 SMU 這樣的特殊源測量單元，能夠在準(zhǔn)確測量電流的同時(shí)提供超過 1 kV 的電壓