了解儲(chǔ)能系統(tǒng)測(cè)試方案

儲(chǔ)能系統(tǒng)測(cè)試是當(dāng)今的熱門(mén)話(huà)題。它通常被稱(chēng)為“電池測(cè)試”，范圍從小型便攜式電池到電動(dòng)汽車(chē) (EV) 中使用的大型電池，再到所謂“固定應(yīng)用”中用于高能量供應(yīng)的備用系統(tǒng)電池。根據(jù)這些系統(tǒng)的具體環(huán)境和制造周期階段，泰克吉時(shí)利為市場(chǎng)提供測(cè)試解決方案，例如旨在滿(mǎn)足系統(tǒng)集成商為電動(dòng)汽車(chē) OEM 設(shè)計(jì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) (ATE) 的迫切需求的解決方案。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們?cè)诟鞣N測(cè)試案例和生產(chǎn)質(zhì)量要求方面的經(jīng)驗(yàn)不斷增長(zhǎng)。

安全、性能和系統(tǒng)管理

“電池測(cè)試”的范圍非常廣泛，從便攜式設(shè)備中最小電池的特性分析到以 1,000 V 甚至更高電壓運(yùn)行的大型車(chē)輛電池。電池系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)交通至關(guān)重要。如今，鋰離子電池因其高能量和功率密度而成為電動(dòng)汽車(chē)中最常用的電池類(lèi)型之一。根據(jù)市場(chǎng)環(huán)境，“電池”有不同的命名法。例如，在汽車(chē)領(lǐng)域，根據(jù)車(chē)輛的集成狀態(tài)，作為被測(cè)設(shè)備的電動(dòng)汽車(chē)電池和相關(guān)測(cè)試程序可能會(huì)因電池制造、模塊或電池組制造而有所不同。

電池通常是單個(gè)電化學(xué)裝置，單個(gè)存儲(chǔ)單元的電壓通常不超過(guò) 5 V。模塊由多個(gè)相連的電池和一些用于控制整個(gè)系統(tǒng)的電子設(shè)備組成。模塊以某種方式封裝，因此測(cè)試通常將整個(gè)模塊作為單個(gè)元素進(jìn)行。電池組是由多個(gè)模塊組成的較大元素，同樣通過(guò)一些線(xiàn)路連接，并配備更復(fù)雜的控制和通信電子設(shè)備，以便與其他處理單元(例如車(chē)輛)進(jìn)行通信。

如上所述，測(cè)試電池不同于測(cè)試模塊或測(cè)試電池組，并且測(cè)試設(shè)置在制造價(jià)值鏈的每個(gè)階段都可能有所不同。最終，測(cè)試可能會(huì)因所采用的測(cè)試方法不同而有所不同，例如阻抗測(cè)量的情況。

泰克吉時(shí)利為測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供涵蓋電氣測(cè)試的解決方案，專(zhuān)注于在電池制造(例如電池、模塊和電池組裝配線(xiàn))和最終應(yīng)用集成(例如汽車(chē)電池管理系統(tǒng) [BMS] 和電池組集成)中的系統(tǒng)集成測(cè)試中需要測(cè)量復(fù)雜 ATE 中潛在電壓、電流和電阻的地方。

測(cè)試通常涉及三個(gè)主要領(lǐng)域：安全測(cè)試，這對(duì)于由多個(gè)以串聯(lián)/并聯(lián)拓?fù)渑帕械碾姵亟M合而成的系統(tǒng)至關(guān)重要，以提供更高的功率密度;電池單元/模塊/組的性能測(cè)試，與充電/放電循環(huán)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間和溫度密切相關(guān);以及管理測(cè)試，此時(shí)性能優(yōu)化和 EOL 測(cè)試驗(yàn)證是關(guān)鍵。

示例1：電池包制造中的母線(xiàn)焊縫阻抗安全測(cè)試工作站

組成電池模塊的多個(gè)電池并聯(lián)或串聯(lián)連接，以實(shí)現(xiàn)所需的電壓輸出。所有電池都通過(guò)激光焊接到母線(xiàn)上，母線(xiàn)是一種與地面隔離的長(zhǎng)導(dǎo)體，負(fù)責(zé)承載大電流以分配電池的電力。VSH 母線(xiàn)焊接阻抗測(cè)試表征了焊縫的阻抗。焊縫中的小電阻會(huì)產(chǎn)生足夠的熱量，從而降低電池的性能并導(dǎo)致早期故障或不安全的操作條件。通過(guò)在測(cè)試電池操作之前測(cè)量電阻，可以快速?gòu)木€(xiàn)路中移除有缺陷的模塊。

測(cè)量焊縫的阻抗涉及在焊縫上引入電流并測(cè)量電壓以計(jì)算電阻。測(cè)試執(zhí)行速度和測(cè)量精度是測(cè)量焊縫阻抗時(shí)最重要的兩個(gè)考慮因素。這可以使用源測(cè)量單元 (SMU)(如 Keithley 型號(hào) 2460 或 2461)以及型號(hào) 3706A 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)和萬(wàn)用表或型號(hào) DAQ6510 數(shù)據(jù)采集和記錄萬(wàn)用表系統(tǒng)來(lái)完成。

2460 和 2461 型 SMU 能夠?yàn)樾枰箅娏鞯碾姵叵到y(tǒng)提供高達(dá) 7 A 的電流。焊點(diǎn)的阻抗可以小到幾毫歐姆。因此，使用足夠靈敏的儀表來(lái)測(cè)量非常小的電壓非常重要。3706A 型具有 7.5 位數(shù)字萬(wàn)用表 (DMM)，可以測(cè)量 100 mV 范圍內(nèi)的幾十納伏。由于電池組在一條母線(xiàn)上可能有近 80 個(gè)焊點(diǎn)，因此我們支持帶有可配置插槽的主機(jī)，用于多通道插入式模塊，從而無(wú)需重新布線(xiàn)。為了提高速度和效率，關(guān)閉每個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程顯然是自動(dòng)化的。

示例2：電池性能測(cè)試中的內(nèi)阻測(cè)量和開(kāi)路電壓

電池在充電和放電過(guò)程中的性能及其效率可以通過(guò)幾種不同的方式和幾個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估。電池內(nèi)阻特性就是其中之一，它基本上意味著準(zhǔn)確表征其在幾種充電/放電電流速率、充電狀態(tài)、溫度和其他老化指標(biāo)下的變化。

開(kāi)路電壓 (OCV) 是在足夠的休息時(shí)間(有時(shí)稱(chēng)為“松弛”)后在電池端子處測(cè)得的電壓，它是鋰離子電池單元的關(guān)鍵測(cè)量值。

OCV 也主要根據(jù)電池充電狀態(tài)而變化，較小程度上根據(jù)溫度而變化，它不僅可用于評(píng)估/評(píng)估電池規(guī)格和狀況，還可用于創(chuàng)建電池等效模型來(lái)設(shè)計(jì) BMS。

電池內(nèi)阻指的是連接負(fù)載時(shí)電池端子之間的電壓降與空載電壓相比的變化，可以從 OCV 測(cè)量中得出。

OCV 通常不只是一種測(cè)量，而是一組測(cè)量。事實(shí)上，我們稱(chēng)之為“電池的 OCV 特性”，并且我們追蹤了從充電狀態(tài)與 OCV 平面的曲線(xiàn)得出的詳盡分析。

要追蹤該曲線(xiàn)，您需要將電池置于特定的充電狀態(tài)，通常是使用智能源/負(fù)載以脈沖方式充電或放電電流，等待一段時(shí)間，然后測(cè)量電極處的開(kāi)路電位。

像 2460 或 2461 這樣的 Keithley SMU(具有 10-A 脈沖能力和數(shù)字化儀)是執(zhí)行此測(cè)試的完美解決方案。事實(shí)上，它可以以受控方式提供或吸收電池電流，同時(shí)使用帶接觸檢查的四線(xiàn)(開(kāi)爾文)連接測(cè)量電池電流和電壓。所有這些都可以通過(guò)編程的嵌入式微處理器輕松實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和控制。

OCV 電壓測(cè)量的精度是選擇儀器的決定性因素。在某些情況下，典型的 6 ? 位測(cè)量分辨率、熱穩(wěn)定性，但大多數(shù)情況下，SMU 的精度可能被認(rèn)為不夠。

因此，一些測(cè)試設(shè)置需要使用特殊的數(shù)字萬(wàn)用表 Keithley DMM7510，該萬(wàn)用表已成為鋰離子電池單元測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。其低噪聲 32 位 A/D 轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn) 7 ? 位分辨率和計(jì)量級(jí)精度。

示例 3：BMS 測(cè)試和碰撞開(kāi)關(guān)檢測(cè)的特殊情況

BMS 是負(fù)責(zé)執(zhí)行關(guān)鍵電池功能(如電池監(jiān)控、電池平衡、充電和放電控制、安全控制以及與外部單元通信)的特定元件。一些 ATE 設(shè)計(jì)師致力于將所有必要的測(cè)試單元塞入緊湊而可靠的平臺(tái)中，以控制 BMS 和電池之間的交互。

這些用于驗(yàn)證的 ATE 通常是模塊化元素，由來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品組合而成，作為一個(gè)系統(tǒng)共同運(yùn)行。該系統(tǒng)需要跟蹤和記錄來(lái)自電池和 BMS 的多個(gè)輸入信號(hào)。傳感單元和 I/O 通信階段確實(shí)至關(guān)重要，必須實(shí)施才能進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮Y選。在某些情況下，組成系統(tǒng)的單個(gè)儀器的選擇部分由測(cè)試管理軟件環(huán)境驅(qū)動(dòng)，但一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)集成商更喜歡根據(jù) OEM 的要求設(shè)計(jì)定制解決方案，這些解決方案獨(dú)立于特定環(huán)境，允許多個(gè)自動(dòng)驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)并行可互換且快速執(zhí)行。

為了在實(shí)際電池系統(tǒng)交互之前驗(yàn)證 BMS，您可能需要模擬電池組電壓。這意味著要控制精確的 1,000 V(或更高)電壓源，甚至模擬數(shù)百個(gè)單個(gè)電池電壓。環(huán)境壓力室是另一個(gè)關(guān)鍵子元素，用于溫度和測(cè)試環(huán)境控制。從 SMU 的角度來(lái)看，Keithley 支持的 2470 型號(hào)能夠超過(guò) 1 kV 的測(cè)試能力。

除了特定的數(shù)據(jù)記錄器和采集交換卡(例如 DAQ6510)之外，我們現(xiàn)在將重點(diǎn)關(guān)注為 BMS 對(duì)直流快速充電期間低能量碰撞的反應(yīng)的特定測(cè)試設(shè)置設(shè)計(jì)而選擇的電壓和電流脈沖器的需求。

讓我們考慮一下這種情況：一輛插入停車(chē)場(chǎng)直流充電器的汽車(chē)遭遇低速碰撞。BMS 將如何反應(yīng)?如何排除隔離等關(guān)鍵故障?根據(jù)實(shí)際情況，BMS 的碰撞信號(hào)可能是電壓脈沖或電流脈沖。無(wú)論類(lèi)型如何，信號(hào)都必須清晰且足夠穩(wěn)定以抵抗干擾。我們還提供帶有 AFG 的解決方案，以模擬 CAN 總線(xiàn)消息通信中的錯(cuò)誤幀，以重現(xiàn)潛在的故障情況并測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

結(jié)論

鋰離子電池的電氣測(cè)量是一個(gè)非常廣泛的主題，根據(jù)制造階段或應(yīng)用集成中的測(cè)試階段，需要使用智能自動(dòng)測(cè)試設(shè)備實(shí)施具有不同要求的不同測(cè)量集。泰克歷來(lái)是示波器和探測(cè)解決方案的主要供應(yīng)商，用于測(cè)試電池在電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器加載時(shí)的行為，但泰克和吉時(shí)利產(chǎn)品組合支持電池制造領(lǐng)域，特別是在必須實(shí)施高精度電阻、隔離或電壓和電流測(cè)量，同時(shí)在多個(gè)傳感入口點(diǎn)收集數(shù)據(jù)時(shí)。特別是，像 2470 SMU 這樣的特殊源測(cè)量單元能夠提供超過(guò) 1 kV 的電壓，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量電流，