ドローン、電気自動車（EV）、太陽エネルギー貯蔵へのリチウムイオン電池の適用が増えるにつれ、電池メーカーは最新の技術と化学組成を使用して、電池のテストと製造能力の限界を押し広げています。

現在、各バッテリーの性能と寿命は、サイズに関係なく、製造プロセスで決定され、テスト機器は特定のバッテリー用に設計されています。 ただし、リチウムイオン電池市場はすべての形状と容量をカバーしているため、さまざまな容量、電流、物理的形状を必要な精度と精度で処理できる単一の統合テスターを作成することは困難です。

リチウムイオン電池の需要がますます多様化する中、長所と短所のトレードオフを最大化し、費用対効果を実現するために、高性能で柔軟なテストソリューションが緊急に必要とされています。

リチウムイオン電池は複雑で多様です

現在、リチウムイオン電池はさまざまなサイズ、電圧、用途範囲を持っていますが、この技術は最初に市場に出されたときには実現されていませんでした。 リチウムイオン電池は、もともとノートブックコンピュータ、携帯電話、その他のポータブル電子機器などの比較的小型の機器向けに設計されました。 現在、電気自動車や太陽電池ストレージなど、それらの寸法ははるかに大きくなっています。 これは、直並列バッテリーパックが大きいほど、電圧と容量が大きくなり、物理的な体積も大きくなることを意味します。 たとえば、一部の電気自動車のバッテリーパックは、最大100個の直列および50個を超える並列で構成できます。

積み重ねられたバッテリーは新しいものではありません。 通常のノートブックコンピュータの典型的な充電式リチウムイオン電池パックは、直列の複数の電池で構成されていますが、電池パックの容量が大きいため、テストがより複雑になり、全体的なパフォーマンスに影響を与える可能性があります。 バッテリーパック全体のパフォーマンスを最適なレベルにするには、各バッテリーが隣接するバッテリーとほぼ同じである必要があります。 バッテリーは相互に影響を与えるため、直列のバッテリーの容量が少ない場合、バッテリー監視およびリバランスシステムによって容量が低下して最低のパフォーマンスに一致するため、バッテリーパック内の他のバッテリーは最適な状態を下回ります。バッテリー。 言われているように、ネズミの糞はお粥の鍋を台無しにします。

充放電サイクルは、単一のバッテリーがバッテリーパック全体のパフォーマンスをどのように低下​​させるかをさらに示しています。 バッテリーパックの容量が最も少ないバッテリーは、最速で充電状態を低下させ、安全でない電圧レベルをもたらし、バッテリーパック全体が放電しなくなります。 バッテリーパックを充電すると、容量が最も少ないバッテリーが最初に完全に充電され、残りのバッテリーはそれ以上充電されません。 電気自動車では、これにより、利用可能なバッテリーパックの有効な全体容量が減少し、それによって車両の航続距離が短くなります。 また、低容量のバッテリーは、安全保護対策が実施される前の充電および放電の終了時に過度に高い電圧に達するため、劣化が加速します。

端末デバイスに関係なく、バッテリーパック内のバッテリーが直列および並列に積み重ねられるほど、問題は深刻になります。 明らかな解決策は、各バッテリーが完全に同じになるようにし、同じバッテリーを同じバッテリーパックにまとめることです。 ただし、バッテリーのインピーダンスと容量の固有の製造プロセスの違いにより、テストは重要になりました。欠陥のある部品を除外するだけでなく、どのバッテリーが同じで、どのバッテリーパックを入れるかを区別することも重要です。製造工程中の電池の放電曲線は、電池の特性に大きな影響を与え、絶えず変化しています。

なぜ現代のリチウムイオン電池は新しいテストの課題をもたらすのですか？

バッテリーテストは目新しいものではありませんが、リチウムイオンバッテリーの登場以来、テスト機器の精度、スループット、回路基板密度に新たな圧力がかかっています。

リチウムイオン電池は、非常に高密度のエネルギー貯蔵容量を備えているという点で独特です。 充電や放電が不適切な場合、火災や爆発の原因となることがあります。 製造およびテストプロセスでは、このエネルギー貯蔵技術は非常に高い精度を必要とし、多くの新しいアプリケーションがこの要件をさらに悪化させます。 形状、サイズ、容量、化学組成の点で、リチウムイオン電池の種類はより広範囲です。 逆に、最大のストレージ容量と信頼性を実現するには、正しい充電曲線と放電曲線に正確に従う必要があるため、テスト機器にも影響します。 そして品質。

すべてのバッテリーに適したサイズはXNUMXつではないため、リチウムイオンバッテリーごとに適切なテスト機器とメーカーを選択すると、テストコストが増加します。 さらに、継続的な産業革新は、絶えず変化する充放電曲線がさらに最適化されることを意味し、バッテリーテスターを新しいバッテリー技術の重要な開発ツールにします。 リチウムイオン電池の化学的および機械的特性に関係なく、製造プロセスには無数の充電および放電方法があり、電池メーカーは電池テスターに​​独自の試験機能を要求するよう圧力をかけています。

正確さは明らかに必要な能力です。 これは、高い電流制御精度を非常に低いレベルに維持する機能を意味するだけでなく、充電モードと放電モードの間、および異なる電流レベルの間で非常に迅速に切り替える機能も含みます。 これらの要件は、一貫した特性と品質を備えたリチウムイオン電池を大量生産する必要性によって引き起こされるだけではありません。 バッテリーメーカーはまた、充電の変更など、市場で競争上の優位性を生み出すための革新的なツールとして、テスト手順と機器を使用することを望んでいます。 容量を増やすためのアルゴリズム。

さまざまな種類のバッテリーにはさまざまなテストが必要ですが、今日のテスターは特定のバッテリーサイズに最適化されています。 たとえば、大きなバッテリーをテストする場合は、より大きな電流が必要になります。これは、より大きなインダクタンスとより太いワイヤーおよびその他の特性につながります。 したがって、大電流を処理できるテスターを作成する際には、多くの側面が関係します。 しかし、多くの工場ではXNUMX種類のバッテリーしか製造していません。 これらのバッテリーのすべてのテスト要件を満たしながら、顧客向けに大型バッテリーの完全なセットを製造する場合もあれば、スマートフォンの顧客向けに電流の少ない小型バッテリーのセットを製造する場合もあります。 。

これがテストのコストが上昇する理由です。バッテリーテスターは電流に合わせて最適化されています。 より大きな電流を処理できるテスターは、通常、より大きなシリコンウェーハだけでなく、エレクトロマイグレーションのルールを満たし、システムの寄生電圧降下を最小限に抑えるための磁気コンポーネントと配線も必要とするため、より大きく、より高価になります。 工場では、さまざまな種類のバッテリーの製造と検査に対応するために、いつでもさまざまなテスト機器を準備する必要があります。 工場で製造される電池の種類が異なるため、一部のテスターはこれらの特定の電池と互換性がなく、未使用のままになる可能性があります。これは、テスターが多額の投資であるため、さらにコストが高くなります。

通常のリチウムイオン電池の大量生産のための一般的および新興の工場であろうと、新しい電池製品を革新および作成するためにテストプロセスを使用したい電池メーカーであろうと、彼らはより広い範囲に適応するために柔軟な試験装置を使用する必要があります。電池。 容量と物理的サイズにより、設備投資が削減され、テスト機器の投資収益率が向上します。

単一の統合テストソリューションを適切に最適化しようとすると、多くの矛盾する要件があります。 すべてのタイプのリチウムイオン電池テストソリューションに万能薬はありませんが、Texas Instruments（TI）は、費用対効果と精度の間のトレードオフを最小限に抑えるリファレンスデザインを提案しました。

大電流アプリケーションに適した高精度テストソリューション

独自のバッテリーテストシナリオの要件は常に存在し、それに応じて同様に独自のソリューションが必要です。 ただし、小型のスマートフォンバッテリーであれ、電気自動車用の大型バッテリーパックであれ、多くの種類のリチウムバッテリーには、費用対効果の高いテスト機器が存在する可能性があります。

市場に出回っている多くのリチウムイオン電池に必要な正確で本格的な充電および放電電流制御の精度を達成するために、Texas Instrumentsの50-A、100-A、および200-Aアプリケーション用のモジュラーバッテリテスターリファレンスデザインは、 50-Aそして100-Aバッテリーテスト設計の組み合わせにより、200-Aの最大充電および放電レベルに達することができるモジュラーバージョンを作成します。 このソリューションのブロック図を図2に示します。

たとえば、TIは、最大50Aの充電および放電レートをサポートする、高電流アプリケーションのバッテリテスターリファレンスデザインに定電流および定電圧制御ループを採用しています。 このリファレンスデザインでは、LM5170-Q1多相双方向電流コントローラーとINA188計装アンプを使用して、バッテリーに流入または流出する電流を正確に調整します。 INA188は、定電流制御ループを実装および監視します。電流はどちらの方向にも流れる可能性があるため、SN74LV4053Aマルチプレクサはそれに応じてINA188の入力を調整できます。

この特定のソリューションは、いくつかの主要なTIテクノロジーを組み合わせることにより、より高い電流または多相を必要とするアプリケーション向けの変更可能なプラットフォームを作成し、費用効果の高いテストソリューションを構築する可能性を示します。 この柔軟で前向きなソリューションは、今日のニーズを満たすだけでなく、自動車用バッテリーの将来の成長傾向を予測します。これにより、テスターの現在の能力に対する需要がまもなく50Aを超えるようになります。

リチウムイオン電池試験装置への投資の最大化

テキサスインスツルメンツのモジュラーバッテリーテスターリファレンスデザインは、リチウムイオンバッテリーテスト機器の高精度、大電流、柔軟性の問題を解決します。 このリファレンスデザインは、利用可能なさまざまなバッテリーの形状、サイズ、および容量をカバーし、電気自動車や太陽光発電所の大型バッテリーパック、スマートフォンなどの家電製品に一般的に見られる小型バッテリーなどの新しいアプリケーションに対応できます。 。

リチウムイオン電池テストのリファレンスデザインにより、低電流の電池テスト機器に投資して並行して使用できるため、電流レベルが異なる複数のアーキテクチャに高額な投資を行う必要がなくなります。 さまざまな電流範囲でテスト機器を使用できるため、バッテリーテスト機器への投資を最大限に最適化し、総コストを削減し、リチウムイオンバッテリーテストの変化するニーズに柔軟に対応できます。
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