Con la creciente aplicación de baterías de iones de litio en drones, vehículos eléctricos (EV) y almacenamiento de energía solar, los fabricantes de baterías también están utilizando tecnología moderna y composición química para superar los límites de las capacidades de prueba y fabricación de baterías.

Hoy en día, el rendimiento y la vida útil de cada batería, independientemente de su tamaño, se determinan en el proceso de fabricación, y el equipo de prueba está diseñado para una batería específica. Sin embargo, debido a que el mercado de baterías de iones de litio cubre todas las formas y capacidades, es difícil crear un probador único e integrado que pueda manejar diferentes capacidades, corrientes y formas físicas con la exactitud y precisión requeridas.

En vista de la demanda cada vez más diversificada de baterías de iones de litio, necesitamos con urgencia soluciones de prueba flexibles y de alto rendimiento para maximizar el equilibrio entre los pros y los contras y lograr la rentabilidad.

Las baterías de iones de litio son complejas y diversas

Hoy en día, las baterías de iones de litio tienen una variedad de tamaños, voltajes y rangos de aplicación, pero esta tecnología no se realizó cuando se lanzó al mercado por primera vez. Las baterías de iones de litio se diseñaron originalmente para dispositivos relativamente pequeños, como computadoras portátiles, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos portátiles. Ahora, sus dimensiones son mucho mayores, como los coches eléctricos y el almacenamiento de baterías solares. Esto significa que un paquete de baterías en serie-paralelo más grande tiene un voltaje más alto y una capacidad más grande, y el volumen físico también es mayor. Por ejemplo, los paquetes de baterías de algunos vehículos eléctricos se pueden configurar con hasta 100 en serie y más de 50 en paralelo.

Las baterías apiladas no son nada nuevo. Un paquete de baterías de iones de litio recargable típico en una computadora portátil ordinaria consta de varias baterías en serie, pero debido al mayor volumen del paquete de baterías, la prueba se vuelve más complicada y puede afectar el rendimiento general. Para que el rendimiento de todo el paquete de baterías alcance el nivel óptimo, cada batería debe ser casi idéntica a la batería vecina. Las baterías se afectarán entre sí, por lo que si una batería de una serie tiene poca capacidad, las otras baterías del paquete de baterías estarán por debajo del estado óptimo, porque su capacidad será degradada por el sistema de monitoreo y reequilibrio de la batería para igualar el rendimiento más bajo. Batería. Como dice el refrán, una caca de rata estropea una olla de avena.

El ciclo de carga-descarga ilustra además cómo una sola batería puede reducir el rendimiento de todo el paquete de baterías. La batería con la capacidad más baja en el paquete de baterías reducirá su estado de carga a la velocidad más rápida, lo que resultará en un nivel de voltaje inseguro y hará que todo el paquete de baterías ya no se descargue. Cuando la batería está cargada, la batería con la capacidad más baja se cargará primero por completo y las baterías restantes no se cargarán más. En los vehículos eléctricos, esto dará lugar a una reducción de la capacidad total efectiva disponible de la batería, lo que reducirá la autonomía del vehículo. Además, la degradación de las baterías de baja capacidad se acelerará porque alcanza un voltaje excesivamente alto al final de la carga y descarga antes de que entren en vigor las medidas de protección de seguridad.

Independientemente del dispositivo terminal, cuantas más baterías en el paquete de baterías estén apiladas en serie y en paralelo, más grave será el problema. La solución obvia es asegurarse de que cada batería sea exactamente igual y combinar las mismas baterías en el mismo paquete de baterías. Sin embargo, debido a la diferenciación inherente del proceso de fabricación de la impedancia y la capacidad de la batería, las pruebas se han vuelto críticas, no solo para excluir piezas defectuosas, sino también para distinguir qué baterías son iguales y qué paquetes de baterías colocar. Además, la carga y La curva de descarga de la batería durante el proceso de producción tiene una gran influencia en sus características y cambia constantemente.

¿Por qué las baterías de iones de litio modernas presentan nuevos desafíos de prueba?

Las pruebas de baterías no son nada nuevo, pero desde su aparición, las baterías de iones de litio han ejercido una nueva presión sobre la precisión, el rendimiento y la densidad de la placa de circuito de los equipos de prueba.

Las baterías de iones de litio son únicas porque tienen una capacidad de almacenamiento de energía extremadamente densa. Si se cargan y descargan incorrectamente, pueden provocar incendios y explosiones. En el proceso de fabricación y prueba, esta tecnología de almacenamiento de energía requiere una precisión muy alta, y muchas aplicaciones emergentes exacerban aún más este requisito. En términos de forma, tamaño, capacidad y composición química, los tipos de baterías de iones de litio son más extensos. Por el contrario, también afectarán al equipo de prueba, porque deben asegurarse de que se sigan con precisión las curvas de carga y descarga correctas para lograr la máxima capacidad de almacenamiento y confiabilidad. Y calidad.

Dado que no existe un tamaño adecuado para todas las baterías, la elección del equipo de prueba adecuado y de diferentes fabricantes para diferentes baterías de iones de litio aumentará el costo de la prueba. Además, la innovación industrial continua significa que la curva de carga-descarga en constante cambio se optimiza aún más, lo que convierte al comprobador de baterías en una importante herramienta de desarrollo para la nueva tecnología de baterías. Independientemente de las propiedades químicas y mecánicas de las baterías de iones de litio, existen innumerables métodos de carga y descarga en su proceso de fabricación, lo que hace que los fabricantes de baterías ejerzan presión sobre los probadores de baterías para exigirles que tengan funciones de prueba únicas.

La precisión es, obviamente, una habilidad necesaria. No solo significa la capacidad de mantener una alta precisión de control de corriente a un nivel muy bajo, sino que también incluye la capacidad de cambiar muy rápidamente entre los modos de carga y descarga y entre diferentes niveles de corriente. Estos requisitos no solo están impulsados ​​por la necesidad de producir en masa baterías de iones de litio con características y calidad consistentes. Los fabricantes de baterías también esperan utilizar procedimientos y equipos de prueba como herramientas innovadoras para crear una ventaja competitiva en el mercado, como modificar la carga. Algoritmo para aumentar la capacidad.

Aunque se requiere una variedad de pruebas para diferentes tipos de baterías, los probadores actuales están optimizados para tamaños de batería específicos. Por ejemplo, si está probando una batería grande, necesita una corriente mayor, lo que se traduce en una inductancia más grande y cables más gruesos y otras características. Entonces, hay muchos aspectos involucrados al crear un probador que pueda manejar altas corrientes. Sin embargo, muchas fábricas no solo producen un tipo de batería. Pueden producir un juego completo de baterías grandes para un cliente mientras cumplen con todos los requisitos de prueba para estas baterías, o pueden producir un juego de baterías más pequeñas con una corriente menor para un cliente de teléfonos inteligentes. .

Esta es la razón del aumento del costo de las pruebas: el probador de batería está optimizado para la corriente. Los probadores que pueden manejar corrientes más altas suelen ser más grandes y más costosos porque no solo requieren obleas de silicio más grandes, sino también componentes magnéticos y cableado para cumplir con las reglas de electromigración y minimizar las caídas de voltaje parásitas en el sistema. La fábrica necesita preparar una variedad de equipos de prueba en cualquier momento para cumplir con la producción e inspección de varios tipos de baterías. Debido a los diferentes tipos de baterías producidas por la fábrica en diferentes momentos, algunos probadores pueden ser incompatibles con estas baterías específicas y pueden quedar sin usar, lo que aumenta aún más el costo porque el probador es una gran inversión.

Ya sea para fábricas comunes y emergentes para la producción en masa de baterías de iones de litio ordinarias, o fabricantes de baterías que desean utilizar el proceso de prueba para innovar y crear nuevos productos de batería, necesitan usar equipos de prueba flexibles para adaptarse a una gama más amplia de baterías. Capacidad y tamaño físico, lo que reduce la inversión de capital y mejora el retorno de la inversión de los equipos de prueba.

Cuando se intenta optimizar adecuadamente una única solución de prueba de integración, existen muchos requisitos en conflicto. No existe una panacea para todos los tipos de soluciones de prueba de baterías de iones de litio, pero Texas Instruments (TI) ha propuesto un diseño de referencia que minimiza el compromiso entre rentabilidad y precisión.

Solución de prueba de alta precisión, adecuada para aplicaciones de alta corriente

Siempre existirán requisitos de escenario de prueba de batería únicos y, en consecuencia, necesita una solución igualmente única. Sin embargo, para muchos tipos de baterías de litio, ya sea una pequeña batería de teléfono inteligente o una batería grande para un vehículo eléctrico, puede haber un equipo de prueba rentable.

Para lograr la precisión de control de corriente de carga y descarga a gran escala requerida por muchas baterías de iones de litio en el mercado, el diseño de referencia del probador de batería modular de Texas Instruments para aplicaciones de 50 A, 100 A y 200 A utiliza 50-A Y la combinación del diseño de prueba de batería de 100 A para crear una versión modular que puede alcanzar el nivel máximo de carga y descarga de 200-A. El diagrama de bloques de esta solución se muestra en la Figura 2.

Por ejemplo, TI adopta un circuito de control de corriente constante y voltaje constante para el diseño de referencia del comprobador de batería para aplicaciones de alta corriente, que admite una tasa de carga y descarga de hasta 50A. Este diseño de referencia utiliza el controlador de corriente bidireccional multifásico LM5170-Q1 y el amplificador de instrumentación INA188 para regular con precisión la corriente que entra o sale de la batería. INA188 implementa y monitorea el bucle de control de corriente constante, y dado que la corriente puede fluir en cualquier dirección, el multiplexor SN74LV4053A puede ajustar la entrada del INA188 en consecuencia.

Esta solución particular crea una plataforma modificable para aplicaciones que requieren mayor corriente o multifase al combinar varias tecnologías de TI clave, lo que demuestra la viabilidad de construir una solución de prueba rentable. Esta solución flexible y con visión de futuro no solo satisface las necesidades actuales, sino que también predice la tendencia de crecimiento futuro de las baterías para automóviles, que pronto aumentará la demanda de capacidad actual del comprobador para superar los 50A.

Maximización de la inversión en equipos de prueba de baterías de iones de litio

El diseño de referencia del comprobador de baterías modular de Texas Instruments resuelve los problemas de alta precisión, alta corriente y flexibilidad de los equipos de prueba de baterías de iones de litio. Este diseño de referencia cubre una variedad de formas, tamaños y capacidades de batería disponibles, y puede hacer frente a aplicaciones emergentes, como paquetes de baterías grandes en vehículos eléctricos y plantas de energía solar, y baterías de tamaño pequeño que se encuentran comúnmente en productos electrónicos de consumo como teléfonos inteligentes. .

El diseño de referencia para las pruebas de baterías de iones de litio le permite invertir en equipos de prueba de baterías de menor corriente y usarlos en paralelo, eliminando la necesidad de inversiones costosas en múltiples arquitecturas con diferentes niveles de corriente. La capacidad de utilizar equipos de prueba en una variedad de rangos de corriente puede optimizar la inversión en equipos de prueba de baterías en la mayor medida posible, reducir el costo total y brindar flexibilidad para adaptarse a las necesidades cambiantes de las pruebas de baterías de iones de litio.
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