Mit der zunehmenden Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien in Drohnen, Elektrofahrzeugen (EV) und Solarenergiespeichern nutzen Batteriehersteller auch moderne Technologien und chemische Zusammensetzungen, um die Grenzen der Batterietest- und Fertigungskapazitäten zu erweitern.

Heutzutage werden Leistung und Lebensdauer jeder Batterie, unabhängig von der Größe, im Herstellungsprozess bestimmt und die Testausrüstung für eine bestimmte Batterie ausgelegt. Da der Markt für Lithium-Ionen-Batterien jedoch alle Formen und Kapazitäten abdeckt, ist es schwierig, einen einzigen integrierten Tester zu entwickeln, der unterschiedliche Kapazitäten, Ströme und physikalische Formen mit der erforderlichen Genauigkeit und Präzision verarbeiten kann.

Angesichts der zunehmend diversifizierten Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien benötigen wir dringend leistungsstarke und flexible Testlösungen, um den Trade-Off zwischen Vor- und Nachteilen zu maximieren und Wirtschaftlichkeit zu erreichen.

Lithium-Ionen-Batterien sind komplex und vielfältig

Heutzutage haben Lithium-Ionen-Batterien eine Vielzahl von Größen, Spannungen und Anwendungsbereichen, aber diese Technologie wurde bei ihrer Markteinführung nicht realisiert. Lithium-Ionen-Akkus wurden ursprünglich für relativ kleine Geräte wie Notebooks, Mobiltelefone und andere tragbare elektronische Geräte entwickelt. Jetzt sind ihre Dimensionen viel größer, etwa bei Elektroautos und Solarbatteriespeichern. Dies bedeutet, dass ein größerer seriell-paralleler Akkupack eine höhere Spannung und eine größere Kapazität hat und auch das physikalische Volumen ist größer. Beispielsweise können die Batteriepacks einiger Elektrofahrzeuge mit bis zu 100 in Reihe und mehr als 50 parallel konfiguriert werden.

Gestapelte Batterien sind nichts Neues. Ein typischer wiederaufladbarer Lithium-Ionen-Akku in einem gewöhnlichen Notebook-Computer besteht aus mehreren in Reihe geschalteten Akkus, aber aufgrund des größeren Volumens des Akkus wird der Test komplizierter und kann die Gesamtleistung beeinträchtigen. Damit die Leistung des gesamten Akkupacks das Optimum erreicht, muss jeder Akku nahezu identisch mit seinem Nachbarakku sein. Batterien beeinflussen sich gegenseitig. Wenn also eine Batterie in einer Reihe eine geringe Kapazität hat, befinden sich die anderen Batterien im Batteriepaket unter dem optimalen Zustand, da ihre Kapazität durch das Batterieüberwachungs- und -ausgleichssystem verringert wird, um die niedrigste Leistung zu erreichen Batterie. Wie das Sprichwort sagt, verdirbt ein Rattenkot einen Topf Brei.

Der Lade-Entlade-Zyklus veranschaulicht ferner, wie eine einzelne Batterie die Leistung des gesamten Batteriepakets reduzieren kann. Der Akku mit der niedrigsten Kapazität im Akkupack reduziert seinen Ladezustand mit der schnellsten Geschwindigkeit, was zu einem unsicheren Spannungsniveau führt und dazu führt, dass der gesamte Akkupack nicht mehr entladen wird. Wenn der Akku geladen ist, wird der Akku mit der niedrigsten Kapazität zuerst vollständig geladen und die restlichen Akkus werden nicht weiter geladen. Bei Elektrofahrzeugen führt dies zu einer Reduzierung der effektiv verfügbaren Gesamtkapazität des Batteriepakets und damit zu einer Verringerung der Reichweite des Fahrzeugs. Darüber hinaus beschleunigt sich der Abbau von Batterien mit geringer Kapazität, da diese am Ende des Ladens und Entladens eine zu hohe Spannung erreichen, bevor die Sicherheitsschutzmaßnahmen wirksam werden.

Unabhängig vom Endgerät ist das Problem umso gravierender, je mehr Batterien im Batteriepack in Reihe und parallel gestapelt sind. Die naheliegende Lösung besteht darin, sicherzustellen, dass jede Batterie genau gleich hergestellt wird und die gleichen Batterien im gleichen Batteriepack kombiniert werden. Aufgrund der herstellungsbedingten Differenzierung von Batterieimpedanz und -kapazität ist das Testen jedoch kritisch geworden – nicht nur um defekte Teile auszuschließen, sondern auch um zu unterscheiden, welche Batterien gleich sind und welche Batteriepacks eingesetzt werden müssen Entladekurve der Batterie während des Produktionsprozesses hat großen Einfluss auf deren Eigenschaften und ändert sich ständig.

Warum bringen moderne Lithium-Ionen-Batterien neue Testherausforderungen mit sich?

Batterietests sind nichts Neues, aber seit ihrer Einführung haben Lithium-Ionen-Batterien einen neuen Druck auf die Genauigkeit, den Durchsatz und die Leiterplattendichte von Testgeräten ausgeübt.

Lithium-Ionen-Batterien sind einzigartig, weil sie eine extrem dichte Energiespeicherkapazität haben. Wenn sie unsachgemäß geladen und entladen werden, können sie Brände und Explosionen verursachen. Im Herstellungs- und Testprozess erfordert diese Energiespeichertechnologie eine sehr hohe Genauigkeit, und viele neue Anwendungen verschlimmern diese Anforderung weiter. Hinsichtlich Form, Größe, Kapazität und chemischer Zusammensetzung sind die Typen von Lithium-Ionen-Batterien umfangreicher. Im Gegenteil, sie wirken sich auch auf die Testgeräte aus, denn sie müssen sicherstellen, dass die korrekten Lade- und Entladekurven genau eingehalten werden, um die maximale Speicherkapazität und Zuverlässigkeit zu erreichen. Und Qualität.

Da es keine für alle Batterien geeignete Größe gibt, erhöht die Auswahl geeigneter Testgeräte und verschiedener Hersteller für unterschiedliche Lithium-Ionen-Batterien die Testkosten. Darüber hinaus wird durch kontinuierliche industrielle Innovation die sich ständig ändernde Lade-Entlade-Kurve weiter optimiert, was den Batterietester zu einem wichtigen Entwicklungswerkzeug für neue Batterietechnologien macht. Unabhängig von den chemischen und mechanischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien gibt es unzählige Lade- und Entlademethoden im Herstellungsprozess, wodurch die Batteriehersteller Druck auf Batterietester ausüben, von ihnen einzigartige Testfunktionen zu verlangen.

Genauigkeit ist offensichtlich eine notwendige Fähigkeit. Dies bedeutet nicht nur die Möglichkeit, die hohe Stromregelgenauigkeit auf einem sehr niedrigen Niveau zu halten, sondern beinhaltet auch die Möglichkeit, sehr schnell zwischen Lade- und Entlademodi und zwischen verschiedenen Stromniveaus umzuschalten. Diese Anforderungen werden nicht nur durch die Notwendigkeit getrieben, Lithium-Ionen-Batterien mit gleichbleibenden Eigenschaften und Qualität in Serie zu produzieren. Batteriehersteller hoffen auch, Testverfahren und -geräte als innovative Werkzeuge zu nutzen, um sich einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt zu verschaffen, beispielsweise durch die Modifizierung des Ladevorgangs. Algorithmus zur Kapazitätserhöhung.

Obwohl für verschiedene Batterietypen eine Vielzahl von Tests erforderlich sind, sind die heutigen Tester für bestimmte Batteriegrößen optimiert. Wenn Sie beispielsweise eine große Batterie testen, benötigen Sie einen größeren Strom, was zu einer größeren Induktivität und dickeren Drähten und anderen Eigenschaften führt. Bei der Entwicklung eines Testers, der mit hohen Strömen umgehen kann, sind also viele Aspekte zu berücksichtigen. Viele Fabriken produzieren jedoch nicht nur einen Batterietyp. Sie können einen kompletten Satz großer Batterien für einen Kunden herstellen und dabei alle Testanforderungen für diese Batterien erfüllen, oder sie können einen Satz kleinerer Batterien mit einem geringeren Strom für einen Smartphone-Kunden herstellen. .

Dies ist der Grund für die steigenden Testkosten – der Batterietester ist auf Strom optimiert. Tester, die höhere Ströme verarbeiten können, sind normalerweise größer und teurer, da sie nicht nur größere Siliziumwafer benötigen, sondern auch magnetische Komponenten und Verdrahtung, um die Elektromigrationsregeln zu erfüllen und parasitäre Spannungsabfälle im System zu minimieren. Die Fabrik muss jederzeit eine Vielzahl von Testgeräten vorbereiten, um die Produktion und Inspektion verschiedener Batterietypen zu erfüllen. Aufgrund der unterschiedlichen Batterietypen, die von der Fabrik zu unterschiedlichen Zeiten hergestellt werden, können einige Tester mit diesen speziellen Batterien nicht kompatibel sein und können ungenutzt bleiben, was die Kosten weiter erhöht, da der Tester eine große Investition darstellt.

Egal, ob es sich um gängige und aufstrebende Fabriken für die Massenproduktion gewöhnlicher Lithium-Ionen-Batterien handelt oder um Batteriehersteller, die den Testprozess zur Innovation und Entwicklung neuer Batterieprodukte nutzen möchten, sie müssen flexible Testgeräte verwenden, um sich an eine breitere Palette von Batterien. Kapazität und physische Größe, wodurch die Kapitalinvestition reduziert und die Investitionsrendite von Testgeräten verbessert wird.

Beim Versuch, eine einzelne Integrationstestlösung richtig zu optimieren, gibt es viele widersprüchliche Anforderungen. Es gibt kein Allheilmittel für alle Arten von Testlösungen für Lithium-Ionen-Batterien, aber Texas Instruments (TI) hat ein Referenzdesign vorgeschlagen, das den Kompromiss zwischen Kosteneffizienz und Genauigkeit minimiert.

Hochpräzise Testlösung, geeignet für Hochstromanwendungen

Es wird immer einzigartige Anforderungen an Batterietestszenarien geben, und es braucht dementsprechend eine ebenso einzigartige Lösung. Für viele Arten von Lithiumbatterien, sei es ein kleiner Smartphone-Akku oder ein großer Akku für ein Elektrofahrzeug, kann es jedoch eine kostengünstige Testausrüstung geben.

Um die präzise, ​​vollständige Lade- und Entladestromsteuerungsgenauigkeit zu erreichen, die von vielen Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt gefordert wird, verwendet das modulare Batterietester-Referenzdesign von Texas Instruments für 50-A-, 100-A- und 200-A-Anwendungen 50-A Und die Kombination aus 100-A-Batterietestdesign zu einer modularen Version, die den maximalen Lade- und Entladepegel von 200-A erreichen kann. Das Blockschaltbild dieser Lösung ist in Abbildung 2 dargestellt.

Beispielsweise verwendet TI einen Konstantstrom- und Konstantspannungsregelkreis für das Referenzdesign des Batterietesters für Hochstromanwendungen, der eine Lade- und Entladerate von bis zu 50 A unterstützt. Dieses Referenzdesign verwendet den mehrphasigen bidirektionalen Stromregler LM5170-Q1 und den Instrumentenverstärker INA188, um den Stromfluss in oder aus der Batterie präzise zu regulieren. INA188 implementiert und überwacht den Konstantstromregelkreis, und da der Strom in beide Richtungen fließen kann, kann der Multiplexer SN74LV4053A den Eingang des INA188 entsprechend anpassen.

Diese spezielle Lösung schafft eine modifizierbare Plattform für Anwendungen, die höhere Ströme oder Mehrphasen erfordern, indem sie mehrere Schlüsseltechnologien von TI kombiniert und die Machbarkeit des Aufbaus einer kosteneffektiven Testlösung demonstriert. Diese flexible und zukunftsweisende Lösung erfüllt nicht nur die heutigen Anforderungen, sondern sagt auch den zukünftigen Wachstumstrend von Autobatterien voraus, der die Nachfrage nach der aktuellen Kapazität des Testers bald auf über 50 A erhöhen wird.

Investitionsmaximierung für Lithium-Ionen-Batterieprüfgeräte

Das modulare Batterietester-Referenzdesign von Texas Instruments löst die Hochpräzisions-, Hochstrom- und Flexibilitätsprobleme von Lithium-Ionen-Batterietestgeräten. Dieses Referenzdesign deckt eine Vielzahl verfügbarer Batterieformen, -größen und -kapazitäten ab und ist für neue Anwendungen geeignet, z .

Das Referenzdesign für das Testen von Lithium-Ionen-Batterien ermöglicht es Ihnen, in Batterieprüfgeräte mit niedrigerem Strom zu investieren und diese parallel zu verwenden, wodurch teure Investitionen in mehrere Architekturen mit unterschiedlichen Stromstärken entfallen. Die Möglichkeit, Testgeräte in einer Vielzahl von Strombereichen einzusetzen, kann die Investition in Batterietestgeräte weitestgehend optimieren, die Gesamtkosten senken und Flexibilität bieten, um sich an die sich ändernden Anforderungen beim Testen von Lithium-Ionen-Batterien anzupassen.
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