Con la crescente applicazione delle batterie agli ioni di litio nei droni, nei veicoli elettrici (EV) e nell’accumulo di energia solare, i produttori di batterie utilizzano anche la tecnologia moderna e la composizione chimica per spingere i limiti dei test e delle capacità produttive delle batterie.

Al giorno d’oggi, le prestazioni e la durata di ciascuna batteria, indipendentemente dalle dimensioni, sono determinate nel processo di produzione e l’apparecchiatura di prova è progettata per una batteria specifica. Tuttavia, poiché il mercato delle batterie agli ioni di litio copre tutte le forme e capacità, è difficile creare un singolo tester integrato in grado di gestire capacità, correnti e forme fisiche diverse con l’accuratezza e la precisione richieste.

In considerazione della domanda sempre più diversificata di batterie agli ioni di litio, abbiamo urgente bisogno di soluzioni di test flessibili e ad alte prestazioni per massimizzare il compromesso tra i pro ei contro e raggiungere l’efficacia in termini di costi.

Le batterie agli ioni di litio sono complesse e diverse

Al giorno d’oggi, le batterie agli ioni di litio hanno una varietà di dimensioni, tensioni e campi di applicazione, ma questa tecnologia non è stata realizzata quando è stata immessa per la prima volta sul mercato. Le batterie agli ioni di litio sono state originariamente progettate per dispositivi relativamente piccoli, come computer portatili, telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici portatili. Ora, le loro dimensioni sono molto più grandi, come le auto elettriche e l’accumulo di batterie solari. Ciò significa che un pacco batteria serie-parallelo più grande ha una tensione e una capacità maggiori, e anche il volume fisico è maggiore. Ad esempio, i pacchi batteria di alcuni veicoli elettrici possono essere configurati con un massimo di 100 in serie e più di 50 in parallelo.

Le batterie impilate non sono una novità. Un tipico pacco batteria ricaricabile agli ioni di litio in un normale computer notebook è costituito da più batterie in serie, ma a causa del volume maggiore del pacco batteria, il test diventa più complicato e può influire sulle prestazioni complessive. Affinché le prestazioni dell’intero pacco batteria raggiungano il livello ottimale, ogni batteria deve essere quasi identica alla batteria vicina. Le batterie si influenzeranno a vicenda, quindi se una batteria di una serie ha una capacità bassa, le altre batterie nel pacco batteria saranno al di sotto dello stato ottimale, perché la loro capacità sarà degradata dal sistema di monitoraggio e ribilanciamento della batteria per corrispondere alle prestazioni più basse Batteria. Come si suol dire, una cacca di topo rovina una pentola di porridge.

Il ciclo di carica-scarica illustra ulteriormente come una singola batteria può ridurre le prestazioni dell’intero pacco batteria. La batteria con la capacità più bassa nel pacco batteria ridurrà il suo stato di carica alla massima velocità, determinando un livello di tensione non sicuro e facendo sì che l’intero pacco batteria non si scarichi più. Quando la batteria è carica, la batteria con la capacità più bassa verrà caricata completamente per prima e le batterie rimanenti non verranno caricate ulteriormente. Nei veicoli elettrici, ciò si tradurrà in una riduzione dell’effettiva capacità complessiva disponibile del pacco batteria, riducendo così l’autonomia di crociera del veicolo. Inoltre, il degrado delle batterie a bassa capacità accelererà perché raggiunge una tensione eccessivamente alta al termine della carica e della scarica prima che le misure di protezione di sicurezza entrino in vigore.

Indipendentemente dal dispositivo terminale, più batterie nel pacco batterie sono impilate in serie e in parallelo, più grave è il problema. La soluzione più ovvia è garantire che ogni batteria sia esattamente uguale e combinare le stesse batterie nello stesso pacco batteria. Tuttavia, a causa della differenziazione intrinseca del processo di produzione dell’impedenza e della capacità della batteria, i test sono diventati fondamentali, non solo per escludere le parti difettose, ma anche per distinguere quali batterie sono uguali e quali pacchi batteria inserire. Inoltre, la carica e La curva di scarica della batteria durante il processo produttivo ha una grande influenza sulle sue caratteristiche ed è in continua evoluzione.

Perché le moderne batterie agli ioni di litio pongono nuove sfide ai test?

Il test delle batterie non è una novità, ma dal suo avvento, le batterie agli ioni di litio hanno esercitato una nuova pressione sull’accuratezza, sulla produttività e sulla densità dei circuiti stampati delle apparecchiature di test.

Le batterie agli ioni di litio sono uniche perché hanno una capacità di accumulo di energia estremamente densa. Se vengono caricati e scaricati in modo improprio, possono causare incendi ed esplosioni. Nel processo di produzione e test, questa tecnologia di accumulo di energia richiede un’accuratezza molto elevata e molte applicazioni emergenti esasperano ulteriormente questo requisito. In termini di forma, dimensioni, capacità e composizione chimica, i tipi di batterie agli ioni di litio sono più estesi. Al contrario, influenzeranno anche le apparecchiature di prova, perché devono garantire che le curve di carica e scarica corrette siano seguite accuratamente per ottenere la massima capacità di stoccaggio e affidabilità. E qualità.

Poiché non esiste una dimensione adatta a tutte le batterie, la scelta di apparecchiature di test adatte e produttori diversi per diverse batterie agli ioni di litio aumenterà il costo del test. Inoltre, la continua innovazione industriale significa che la curva di carica-scarica in continua evoluzione viene ulteriormente ottimizzata, rendendo il tester della batteria un importante strumento di sviluppo per la nuova tecnologia delle batterie. Indipendentemente dalle proprietà chimiche e meccaniche delle batterie agli ioni di litio, ci sono innumerevoli metodi di carica e scarica nel loro processo di produzione, il che fa sì che i produttori di batterie facciano pressione sui tester per richiedere loro di avere funzioni di test uniche.

La precisione è ovviamente una capacità necessaria. Non significa solo la capacità di mantenere un’elevata precisione di controllo della corrente a un livello molto basso, ma include anche la capacità di passare molto rapidamente tra le modalità di carica e scarica e tra diversi livelli di corrente. Questi requisiti non sono solo dettati dalla necessità di produrre in serie batterie agli ioni di litio con caratteristiche e qualità costanti. I produttori di batterie sperano anche di utilizzare procedure e apparecchiature di prova come strumenti innovativi per creare un vantaggio competitivo sul mercato, come la modifica della ricarica. Algoritmo per aumentare la capacità.

Sebbene sia necessaria una varietà di test per diversi tipi di batterie, i tester odierni sono ottimizzati per batterie di dimensioni specifiche. Ad esempio, se stai testando una batteria di grandi dimensioni, hai bisogno di una corrente maggiore, che si traduce in un’induttanza maggiore, fili più spessi e altre caratteristiche. Quindi ci sono molti aspetti coinvolti nella creazione di un tester in grado di gestire correnti elevate. Tuttavia, molte fabbriche non producono solo un tipo di batteria. Possono produrre un set completo di batterie di grandi dimensioni per un cliente soddisfacendo tutti i requisiti di test per queste batterie, oppure possono produrre un set di batterie più piccole con una corrente inferiore per un cliente di smartphone. .

Questo è il motivo dell’aumento dei costi di test: il tester della batteria è ottimizzato per la corrente. I tester in grado di gestire correnti più elevate sono generalmente più grandi e più costosi perché non richiedono solo wafer di silicio più grandi, ma anche componenti magnetici e cablaggi per soddisfare le regole di elettromigrazione e ridurre al minimo le cadute di tensione parassite nel sistema. La fabbrica deve preparare in qualsiasi momento una varietà di apparecchiature di prova per soddisfare la produzione e l’ispezione di vari tipi di batterie. A causa dei diversi tipi di batterie prodotte dalla fabbrica in momenti diversi, alcuni tester potrebbero essere incompatibili con queste batterie specifiche e potrebbero essere lasciati inutilizzati, il che aumenta ulteriormente il costo perché il tester è un grande investimento.

Che si tratti di fabbriche comuni ed emergenti per la produzione di massa di normali batterie agli ioni di litio o di produttori di batterie che desiderano utilizzare il processo di test per innovare e creare nuovi prodotti per batterie, devono utilizzare apparecchiature di test flessibili per adattarsi a una gamma più ampia di batterie. Capacità e dimensioni fisiche, riducendo così l’investimento di capitale e migliorando il ritorno sull’investimento delle apparecchiature di prova.

Quando si cerca di ottimizzare correttamente una singola soluzione di test di integrazione, ci sono molti requisiti in conflitto. Non esiste una panacea per tutti i tipi di soluzioni di test delle batterie agli ioni di litio, ma Texas Instruments (TI) ha proposto un progetto di riferimento che riduce al minimo il compromesso tra economicità e precisione.

Soluzione di test ad alta precisione, adatta per applicazioni ad alta corrente

Esisteranno sempre requisiti unici per lo scenario di test della batteria e di conseguenza è necessaria una soluzione altrettanto unica. Tuttavia, per molti tipi di batterie al litio, che si tratti di una piccola batteria per smartphone o di un grande pacco batteria per un veicolo elettrico, può esserci un’apparecchiatura di prova economica.

Al fine di ottenere la precisione di controllo della corrente di carica e scarica su vasta scala richiesta da molte batterie agli ioni di litio sul mercato, il progetto di riferimento del tester per batterie modulari di Texas Instruments per applicazioni da 50 A, 100 A e 200 A utilizza 50-A E la combinazione del design del test della batteria da 100-A per creare una versione modulare che può raggiungere il livello massimo di carica e scarica di 200-A. Lo schema a blocchi di questa soluzione è mostrato in Figura 2.

Ad esempio, TI adotta un circuito di controllo a corrente costante e tensione costante per il progetto di riferimento del tester della batteria per applicazioni ad alta corrente, che supporta velocità di carica e scarica fino a 50 A. Questo progetto di riferimento utilizza il controller di corrente bidirezionale multifase LM5170-Q1 e l’amplificatore per strumentazione INA188 per regolare con precisione la corrente che entra o esce dalla batteria. INA188 implementa e monitora l’anello di controllo della corrente costante e, poiché la corrente può fluire in entrambe le direzioni, il multiplexer SN74LV4053A può regolare di conseguenza l’ingresso dell’INA188.

Questa particolare soluzione crea una piattaforma modificabile per applicazioni che richiedono correnti più elevate o multifase combinando diverse tecnologie TI chiave, dimostrando la fattibilità della creazione di una soluzione di test economicamente vantaggiosa. Questa soluzione flessibile e lungimirante non solo soddisfa le esigenze odierne, ma prevede anche il futuro trend di crescita delle batterie per autoveicoli, che presto aumenterà la domanda per la capacità attuale del tester di superare i 50 A.

Massimizzazione dell’investimento nelle apparecchiature di prova delle batterie agli ioni di litio

Il progetto di riferimento del tester per batterie modulari di Texas Instruments risolve i problemi di alta precisione, alta corrente e flessibilità delle apparecchiature di test per batterie agli ioni di litio. Questo progetto di riferimento copre una varietà di forme, dimensioni e capacità di batterie disponibili e può far fronte ad applicazioni emergenti, come pacchi batteria di grandi dimensioni in veicoli elettrici e centrali solari e batterie di piccole dimensioni che si trovano comunemente nell’elettronica di consumo come gli smartphone .

Il progetto di riferimento per il test delle batterie agli ioni di litio consente di investire in apparecchiature di test delle batterie a corrente inferiore e di utilizzarle in parallelo, eliminando la necessità di costosi investimenti in più architetture con diversi livelli di corrente. La possibilità di utilizzare apparecchiature di test in una varietà di intervalli di corrente può ottimizzare al massimo l’investimento in apparecchiature di test delle batterie, ridurre il costo totale e fornire flessibilità per adattarsi alle mutevoli esigenze dei test delle batterie agli ioni di litio.
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