制造和生产中电池测试的三种解决方案

储能系统测试是当今的热门话题。通常被称为“电池测试”，它的范围从小型便携式电池到电动汽车 （EV） 中使用的较大电池，再到用于所谓“固定应用”中高能量供应的备用系统。根据这些系统的具体环境和制造周期阶段，泰克吉时利为市场提供测试解决方案，例如那些旨在满足系统集成商为 EV OEM 设计自动化测试系统 （ATE） 的迫切需求的解决方案。随着技术的进步，我们继续在各种测试用例和生产质量要求方面积累经验。

安全、性能和系统管理

“电池测试”的范围非常广泛，从便携式设备中可能最小的电池的表征到在 1，000 V 或更高电压下运行的大型车辆电池。电池系统对于电动汽车至关重要。如今，锂离子电池由于其高能量和功率密度而成为电动汽车中最常用的类型之一。根据市场环境，“电池”有不同的命名法。例如，在汽车中，根据车辆中的集成状态，如果您指的是电池制造、模块或电池组制造，作为被测设备的 EV 电池和相关的测试程序可能会有所不同。

电池通常是单个电化学装置，单个存储单元的最大电压范围通常不超过 5 V。该模块由几个连接的单元和一些其他电子设备组成，以控制整个系统。模块以某种方式打包，因此测试通常将整个事物作为单个元素。一个包是一个更大的元素，由几个模块组成，再次通过一些布线连接，并在板上安装更复杂的控制和通信电子设备，以与其他处理单元进行通信，就像在车辆的情况下一样。

如前所述，测试单元与测试模块或测试包不同，并且测试设置在制造价值链的每个阶段都可能有所不同。测试最终会因所使用的测试方法而异，如阻抗测量的情况。

泰克吉时利为测试系统设计人员提供解决方案，涵盖电气测试，专注于复杂 ATE 中需要潜在电压、电流和电阻测量的任何地方，用于电池制造（例如电池、模块和电池组组装线）的系统集成测试和最终应用集成（例如，汽车电池管理系统 ［BMS］ 和电池组集成）。

测试通常涉及三个主要领域：安全测试，对于由多个串联/并联拓扑排列的电池组合构建的系统至关重要，以提供更高的功率密度；电芯/模组/电池组的性能测试，与充放电循环次数、运行时间、温度密切相关；和管理测试，当性能优化和 EOL 测试验证是关键时。

示例1：电池组制造中的母线焊缝阻抗安全测试工作站

组成电池模块的多个电芯并联或串联以达到所需的电压输出。所有电池都用激光焊接到汇流条上，汇流条是一种与地面隔离的长导体，负责承载高电流以分配电池的电力。VSH-母线焊缝阻抗测试表征焊缝的阻抗。焊缝中的小电阻会产生足够的热量，使电池退化并导致早期故障或不安全的操作条件。通过在测试电池运行之前测量电阻，可以快速从生产线上移除有缺陷的模块。

电池中母线的通用表示

测量焊缝的阻抗包括在焊缝上产生电流并测量电压以计算电阻。在测量焊接阻抗时，测试执行速度和测量精度是两个最重要的考虑因素。这可以使用源测量单元 （SMU） 来完成，例如 Keithley 2460 或 2461 型以及 3706A 型系统开关和万用表或 DAQ6510 型数据采集和记录万用表系统。

甲 自动化系统的用于在电池生产阻抗测试示意性示例

2460 和 2461 型 SMU 能够为需要高电流的电池系统提供高达 7 A 的电流。焊缝的阻抗可以小到几毫欧。因此，使用足够灵敏的仪表来测量非常小的电压非常重要。3706A 型具有 7.5 位数字万用表 （DMM），可测量 100 mV 范围内的数十纳伏。由于电池组在一个母线上可能有近 80 个焊点，我们支持带有用于多通道插件模块的可配置插槽的主机，无需重新布线。为了速度和效率，关闭每个通道进行测量的过程显然是自动化的。

示例2：电池性能测试中的内阻测量和开路电压

电池在充电和放电过程中的性能及其效率可以通过几种不同的方式进行评估，并查看多个指标。电池内阻表征就是其中之一，它基本上是指准确表征其在几种充放电电流速率、荷电状态、温度和其他老化指标下的变化。

开路电压 （OCV） 是在足够的休息时间（有时称为“松弛”）后在电池端子处测得的电压，它是锂离子电池的关键测量值。

OCV 也主要根据电池充电状态而变化，在较小程度上根据温度变化，它可用于创建电池等效模型来设计 BMS，不仅可以评估/评估电池规格和状况。

与空载电压相比，连接负载时电池两端的电压降是电池中的内阻，可以从 OCV 测量中得出。

OCV 通常不仅仅是一个测量值，而是一组测量值。事实上，我们称其为“电池的 OCV 特性”，我们追踪了从充电状态与 OCV 平面上的曲线得出的详尽分析。

要追踪这条曲线，您需要使电池达到特定的充电状态，通常是通过使用智能电源/负载以脉冲方式对电流进行充电或放电，等待一些稳定时间，然后测量开路电位电极。

像 2460 或 2461（具有 10-A 脉冲能力和数字化仪）这样的 Keithley SMU 是执行此测试的完美解决方案。事实上，它可以以受控方式提供或吸收电池电流，同时使用四线 （Kelvin） 连接和接触检查测量电池电流和电压。所有这些都可以通过编程的嵌入式微处理器轻松实现自动化和控制。

OCV 中电压测量的精度是选择仪器的一个判别因素。在某些情况下，典型的 6 ½ 位测量分辨率、热稳定性，但主要是 SMU 的精度，可以被认为是不够的。

出于这个原因，一些测试设置涉及一个特殊的 DMM，即 Keithley DMM7510，它成为锂离子电池单元测试的标准。其低噪声 32 位 A/D 转换器可实现 7 ½ 位分辨率和计量级精度。

示例 3：BMS 测试和碰撞开关检测的特殊情况

BMS 是负责执行关键电池功能的特定元件，例如电池监控、电池平衡、充电和放电控制、安全控制以及与外部单元的通信。几位 ATE 设计人员致力于将所有需要的测试单元挤入一个紧凑可靠的平台，以控制 BMS 和电池之间的交互。

这些用于验证的 ATE 通常是模块化元素，来自多个供应商的项目组合在一起作为一个系统一起运行。系统需要跟踪和记录来自电池和 BMS 的多个输入信号。传感单元和 I/O 通信阶段确实很关键，必须实施以进行适当的筛选。在某些情况下，组成系统的单个仪器的选择部分由测试管理软件环境驱动，但一般来说，系统集成商更喜欢根据 OEM 的要求设计定制解决方案，这些解决方案独立于特定环境，授予可与多个自动验证测试系统并行快速执行。

要在实际电池系统交互之前验证 BMS，您可能需要模拟电池组电压。这意味着要控制精确的 1，000 V（或更高）电压源，甚至可以模拟数百个单独的电池电压。环境压力室是另一个关键的子元素，包括温度和测试气氛控制。从 SMU 的角度来看，Keithley 对 2470 型的支持能够超过 1-kV 的测试能力。

例如，除了数据记录器和采集开关卡（如 DAQ6510）的特定产品组合外，我们现在将重点关注为测试设置的特定设计选择的电压和电流脉冲发生器的需求，用于 BMS 对直流快速期间低能量碰撞的反应收费。

让我们考虑在停车场中插入直流充电器的车辆发生低速碰撞的情况。BMS 将如何反应？您如何排除隔离等关键故障？给BMS的碰撞信号可以是电压脉冲，也可以是电流脉冲，视实际情况而定。不管是哪种类型，都要求信号足够清晰稳定以抵抗干扰。我们还提供带有 AFG 的解决方案，以模拟 CAN 总线消息通信中的错误帧，以重现潜在的故障情况并测试系统的稳健性。

结论

锂离子电池的电气测量是一个非常广泛的话题，根据制造阶段或应用集成中的测试阶段，需要通过智能自动化测试设备来实现不同组的不同要求的测量。泰克历来是主要供应商，提供示波器和探测解决方案来测试电机驱动逆变器加载时的电池行为，但泰克和吉时利产品组合支持电池制造领域，特别是在高精度电阻、隔离或电压和电流测量时必须在跨多个传感入口点收集数据时实施。特别是，像 2470 SMU 这样的特殊源测量单元能够在准确测量电流的同时提供超过 1 kV 的电压，

审核编辑：郭婷