Com a crescente aplicação de baterias de íon-lítio em drones, veículos elétricos (EV) e armazenamento de energia solar, os fabricantes de baterias também estão usando tecnologia moderna e composição química para empurrar os limites dos testes de bateria e capacidades de fabricação.

Hoje em dia, o desempenho e a vida útil de cada bateria, independente do tamanho, são determinados no processo de fabricação, e o equipamento de teste é projetado para uma bateria específica. No entanto, como o mercado de baterias de íons de lítio cobre todos os formatos e capacidades, é difícil criar um único testador integrado que possa lidar com diferentes capacidades, correntes e formatos físicos com a exatidão e precisão exigidas.

Em vista da demanda cada vez mais diversificada por baterias de íon-lítio, precisamos urgentemente de soluções de teste flexíveis e de alto desempenho para maximizar o equilíbrio entre os prós e contras e obter uma boa relação custo-benefício.

As baterias de íon-lítio são complexas e diversificadas

Hoje em dia, as baterias de íon-lítio têm uma variedade de tamanhos, tensões e faixas de aplicação, mas essa tecnologia não foi implementada quando foi colocada no mercado pela primeira vez. As baterias de íon-lítio foram originalmente projetadas para dispositivos relativamente pequenos, como notebooks, telefones celulares e outros dispositivos eletrônicos portáteis. Agora, suas dimensões são muito maiores, como carros elétricos e armazenamento de bateria solar. Isso significa que uma bateria em série paralela maior tem uma voltagem mais alta e uma capacidade maior, e o volume físico também é maior. Por exemplo, as baterias de alguns veículos elétricos podem ser configuradas com até 100 em série e mais de 50 em paralelo.

Baterias empilhadas não são novidade. Uma bateria recarregável de íon de lítio típica em um notebook comum consiste em várias baterias em série, mas devido ao grande volume da bateria, o teste se torna mais complicado e pode afetar o desempenho geral. Para que o desempenho de toda a bateria atinja o nível ideal, cada bateria deve ser quase idêntica à bateria vizinha. As baterias afetarão umas às outras, portanto, se uma bateria em série tiver baixa capacidade, as outras baterias no pacote de bateria ficarão abaixo do estado ideal, porque sua capacidade será degradada pelo sistema de monitoramento e reequilíbrio da bateria para corresponder ao desempenho mais baixo Bateria. Como diz o ditado, cocô de rato estraga uma panela de mingau.

O ciclo de carga e descarga ilustra ainda mais como uma única bateria pode reduzir o desempenho de toda a bateria. A bateria com a capacidade mais baixa do pacote de bateria reduzirá seu estado de carga na velocidade mais rápida, resultando em um nível de tensão inseguro e fazendo com que todo o pacote de bateria não seja mais descarregado. Quando a bateria estiver carregada, a bateria com a capacidade mais baixa será totalmente carregada primeiro e as baterias restantes não serão carregadas mais. Em veículos elétricos, isso resultará em uma redução na capacidade geral efetiva da bateria disponível, reduzindo assim o alcance de cruzeiro do veículo. Além disso, a degradação das baterias de baixa capacidade será acelerada porque atinge uma tensão excessivamente alta no final da carga e descarga, antes que as medidas de proteção de segurança entrem em vigor.

Independentemente do dispositivo terminal, quanto mais baterias no pacote de baterias forem empilhadas em série e paralelas, mais sério será o problema. A solução óbvia é garantir que cada bateria seja feita exatamente da mesma forma e combinar as mesmas baterias no mesmo pacote de bateria. No entanto, devido à diferenciação do processo de fabricação inerente de impedância e capacidade da bateria, o teste tornou-se crítico, não apenas para excluir peças defeituosas, mas também para distinguir quais baterias são iguais e quais conjuntos de baterias devem ser colocados. Além disso, o carregamento e A curva de descarga da bateria durante o processo de produção tem grande influência em suas características e está em constante mudança.

Por que as baterias de íon de lítio modernas trazem novos desafios de teste?

O teste de bateria não é nenhuma novidade, mas desde seu advento, as baterias de íon de lítio colocaram uma nova pressão sobre a precisão, o rendimento e a densidade da placa de circuito do equipamento de teste.

As baterias de íon-lítio são únicas porque têm uma capacidade de armazenamento de energia extremamente densa. Se forem carregados e descarregados incorretamente, podem causar incêndios e explosões. No processo de fabricação e teste, essa tecnologia de armazenamento de energia requer uma precisão muito alta e muitas aplicações emergentes exacerbam ainda mais esse requisito. Em termos de forma, tamanho, capacidade e composição química, os tipos de baterias de íon-lítio são mais extensos. Ao contrário, eles também afetarão o equipamento de teste, porque eles precisam garantir que as curvas corretas de carga e descarga sejam seguidas com precisão para atingir a capacidade máxima de armazenamento e confiabilidade. E qualidade.

Como não existe um tamanho adequado para todas as baterias, a escolha de equipamentos de teste adequados e diferentes fabricantes para diferentes baterias de íon-lítio aumentará o custo do teste. Além disso, a inovação industrial contínua significa que a curva de carga-descarga em constante mudança é otimizada ainda mais, tornando o testador de bateria uma ferramenta de desenvolvimento importante para a nova tecnologia de bateria. Independentemente das propriedades químicas e mecânicas das baterias de íon de lítio, existem inúmeros métodos de carga e descarga em seu processo de fabricação, o que faz com que os fabricantes de baterias pressionem os testadores de bateria para exigir que tenham funções de teste exclusivas.

A precisão é obviamente uma habilidade necessária. Isso não significa apenas a capacidade de manter a precisão do controle de alta corrente em um nível muito baixo, mas também inclui a capacidade de alternar muito rapidamente entre os modos de carga e descarga e entre diferentes níveis de corrente. Esses requisitos não são motivados apenas pela necessidade de produção em massa de baterias de íon-lítio com características e qualidade consistentes. Os fabricantes de baterias também esperam usar procedimentos de teste e equipamentos como ferramentas inovadoras para criar uma vantagem competitiva no mercado, como modificação de carregamento. Algoritmo para aumentar a capacidade.

Embora uma variedade de testes sejam necessários para diferentes tipos de baterias, os testadores de hoje são otimizados para tamanhos específicos de bateria. Por exemplo, se você está testando uma bateria grande, você precisa de uma corrente maior, o que se traduz em maior indutância e fios mais grossos e outras características. Portanto, há muitos aspectos envolvidos na criação de um testador que pode lidar com altas correntes. No entanto, muitas fábricas não produzem apenas um tipo de bateria. Eles podem produzir um conjunto completo de baterias grandes para um cliente enquanto atendem a todos os requisitos de teste para essas baterias, ou podem produzir um conjunto de baterias menores com uma corrente menor para um cliente de smartphone. .

Esta é a razão para o custo crescente dos testes – o testador de bateria é otimizado para a corrente. Os testadores que podem lidar com correntes mais altas são geralmente maiores e mais caros porque eles não apenas requerem pastilhas de silício maiores, mas também componentes magnéticos e fiação para atender às regras de eletromigração e minimizar quedas de tensão parasitas no sistema. A fábrica precisa preparar uma variedade de equipamentos de teste a qualquer momento para atender à produção e inspeção de vários tipos de baterias. Devido aos diferentes tipos de baterias produzidas pela fábrica em momentos diferentes, alguns testadores podem ser incompatíveis com essas baterias específicas e podem não ser usados, o que aumenta ainda mais o custo porque o testador é um grande investimento.

Quer seja para fábricas comuns e emergentes para a produção em massa de baterias de íon de lítio comuns, ou fabricantes de baterias que desejam usar o processo de teste para inovar e criar novos produtos de bateria, eles precisam usar equipamentos de teste flexíveis para se adaptarem a uma gama mais ampla de baterias. Capacidade e tamanho físico, reduzindo assim o investimento de capital e melhorando o retorno sobre o investimento do equipamento de teste.

Ao tentar otimizar adequadamente uma única solução de teste de integração, existem muitos requisitos conflitantes. Não existe uma panacéia para todos os tipos de soluções de teste de bateria de íon-lítio, mas a Texas Instruments (TI) propôs um projeto de referência que minimiza a relação custo-benefício e precisão.

Solução de teste de alta precisão, adequada para aplicações de alta corrente

Sempre existirão requisitos de cenário de teste de bateria exclusivos, e é necessária uma solução igualmente exclusiva de acordo. No entanto, para muitos tipos de baterias de lítio, seja uma bateria pequena de smartphone ou uma bateria grande para um veículo elétrico, pode haver um equipamento de teste econômico.

A fim de alcançar a precisão de controle de corrente de carga e descarga precisa e em grande escala exigida por muitas baterias de íon-lítio no mercado, o projeto de referência do testador de bateria modular da Texas Instruments para aplicações de 50-A, 100-A e 200-A usa 50-A E a combinação do design de teste de bateria 100-A para criar uma versão modular que pode atingir o nível máximo de carga e descarga de 200-A. O diagrama de blocos desta solução é mostrado na Figura 2.

Por exemplo, a TI adota um loop de controle de tensão e corrente constante para o design de referência do testador de bateria para aplicações de alta corrente, que suporta carga e taxa de descarga de até 50A. Este projeto de referência usa o controlador de corrente bidirecional multifásico LM5170-Q1 e o amplificador de instrumentação INA188 para regular com precisão a corrente que entra ou sai da bateria. INA188 implementa e monitora o loop de controle de corrente constante e, uma vez que a corrente pode fluir em qualquer direção, o multiplexador SN74LV4053A pode ajustar a entrada do INA188 de acordo.

Esta solução particular cria uma plataforma modificável para aplicações que requerem corrente mais alta ou multifase, combinando várias tecnologias de TI chave, demonstrando a viabilidade de construir uma solução de teste econômica. Esta solução flexível e voltada para o futuro não apenas atende às necessidades atuais, mas também prevê a tendência de crescimento futuro das baterias automotivas, que em breve aumentará a demanda da capacidade atual do testador para exceder 50A.

Maximização do investimento em equipamentos de teste de bateria de íon-lítio

O design de referência do testador de bateria modular da Texas Instruments resolve os problemas de alta precisão, alta corrente e flexibilidade do equipamento de teste de bateria de íon-lítio. Este design de referência cobre uma variedade de formatos, tamanhos e capacidades de bateria disponíveis e pode lidar com aplicações emergentes, como baterias grandes em veículos elétricos e usinas de energia solar, e baterias de pequeno porte comumente encontradas em produtos eletrônicos de consumo, como telefones inteligentes .

O projeto de referência para teste de bateria de íon-lítio permite que você invista em equipamentos de teste de bateria de corrente mais baixa e os use em paralelo, eliminando a necessidade de investimentos caros em múltiplas arquiteturas com diferentes níveis de corrente. A capacidade de usar equipamentos de teste em uma variedade de faixas de corrente pode otimizar ao máximo o investimento em equipamentos de teste de bateria, reduzir o custo total e fornecer flexibilidade para se adaptar às necessidades de mudança de teste de bateria de íon-lítio.
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