鉅大LARGE | 點擊量：678次 | 2021年08月08日
創(chuàng)建高性價比的多功能鋰離子電池探測處理辦法
隨著鋰離子電池在無人機、電動汽車(EV)和太陽能儲能等范疇的使用日益增多，電池制造商也在利用現(xiàn)代技術(shù)和化學(xué)成分來推動電池探測和制造能力的極限。
圖1：為現(xiàn)代電動汽車供應(yīng)動力的電池
如今，每一塊電池?zé)o論大小，性能和壽命都是在制造過程中決定的，探測設(shè)備都是針對特定電池設(shè)計的。然而，由于鋰離子電池市場涵蓋了所有的形狀和容量，因此很難創(chuàng)建一種單個、集成的探測儀，可以解決不同的容量、電流和物理形狀，并具有所需的準(zhǔn)確度和精度。
鑒于對鋰離子電池的需求越來越多樣化，因此我們急切要高性能、靈活的探測處理辦法，從而最大限度地權(quán)衡利弊并實現(xiàn)成本效益。
鋰離子電池復(fù)雜多樣
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
如今，鋰離子電池具有多種尺寸、電壓和使用范圍，而這項技術(shù)剛投入市場時并未實現(xiàn)。鋰離子電池最初設(shè)計用于相對較小的設(shè)備，如筆記本電腦、手機和其他便攜式電子設(shè)備等。今朝，它們的外形尺寸大了很多，如電動汽車和太陽能電池存儲。這意味著更大的串并聯(lián)電池包具有更高的電壓和更大的容量，物理體積也更大。例如，一些電動汽車的電池包可以配置多達(dá)100個串聯(lián)和超過50個并聯(lián)配置。
堆疊電池并不有什么新事物，一般筆記本電腦中的典型可充電鋰離子電池包由多個電池串聯(lián)，但由于電池包體積更大，探測變得更加復(fù)雜，可能會影響整體性能。為了使整個電池包的性能達(dá)到最佳水平，每塊電池非得與其相鄰電池幾乎相同。電池會相互影響，因此倘若某一系列中的一塊電池容量較低，電池包中的其他電池都將低于最佳狀態(tài)，因為它們的容量會被電池監(jiān)測和再平衡系統(tǒng)降級，以匹配性能最低的電池。正所謂一顆老鼠屎壞了一鍋粥。
充放電循環(huán)進(jìn)一步說明了單塊電池要怎么樣降低整個電池包的性能。電池包中容量最低的電池將以最快的速度降低其充電狀態(tài)，導(dǎo)致電壓水平不安全，導(dǎo)致整個電池包無法再放電。等到電池包充電時，容量最低的電池會先洋溢電，其余的電池不會進(jìn)一步充電。在電動汽車中，這會導(dǎo)致有效的整體可用電池包容量減少，從而降低車輛的續(xù)航里程。此外，低容量電池的退化也會加速，因為在安全保護(hù)措施起效前，它就在充電和放電結(jié)束時達(dá)到了過高的電壓。
無論是何種終端設(shè)備，電池包中的電池以串聯(lián)和并聯(lián)方式堆疊得越多，問題就越嚴(yán)重。顯而易見的處理辦法是確保每塊電池的制造完全相同，并將相同的電池包合在同一個電池包中。但是，由于電池阻抗和容量固有的制造工藝差異化，探測變得至關(guān)緊要——不僅要排除有缺陷的部件，而且要分清什么電池相同，要放在什么電池包中。除此之外，電池在制作過程中的充放電曲線對其特性有很大的影響，并且是不斷變化的。
為甚么現(xiàn)代鋰離子電池帶來了新的探測挑戰(zhàn)？
電池探測并非什么新事物，但自從其問世以來，鋰離子電池給探測設(shè)備的精度、加工量和電路板密度帶來了新的壓力。
鋰離子電池十分神奇，因為它們具有極為密集的儲能容量，倘若充電和放電不當(dāng)，可能會引起火災(zāi)和爆炸。在制造和探測過程中，這種儲能技術(shù)要求非常高的精度，而許多新興使用進(jìn)一步加劇了這一要求。就形狀、尺寸、容量和化學(xué)成分而言，鋰離子電池的種類更為廣泛，反之其也會影響探測設(shè)備，因為它們要確保準(zhǔn)確遵循正確的充放電曲線，從而達(dá)到最大的存儲容量、可靠性和質(zhì)量。
由于并沒有一種尺寸適合所有的電池，因此為不同的鋰離子電池選擇適宜的探測設(shè)備和不同的制造商會新增探測成本。此外，不斷的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新意味著不斷變化的充放電曲線進(jìn)一步優(yōu)化，使電池探測儀成為新電池技術(shù)的緊要發(fā)展工具。不管鋰離子電池的化學(xué)和機械性質(zhì)要怎么樣，在其制造過程中有無數(shù)種充放電辦法，這使得電池制造商向電池探測儀施加壓力，要求它們具備神奇的探測功能。
精度顯然是一項必備能力，它不僅僅意味著能夠?qū)⒋箅娏骺刂凭缺３衷诜浅５偷乃?，還包括在充電和放電模式之間以及在不同電流水平之間非?？焖偾袚Q的能力。這些要求的出現(xiàn)不僅僅是因為要大量加工具有一致特性和質(zhì)量的鋰離子電池所驅(qū)動，電池制造商還希望將探測過程和設(shè)備用作為創(chuàng)新工具，使其在市場上創(chuàng)造競爭優(yōu)點，例如修改充電算法以提高容量。
盡管對不同類型的電池要進(jìn)行各種各樣的探測，但如今的探測儀針對特定的電池尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。例如，倘若探測的是大型電池，那么就要較大的電流，這會轉(zhuǎn)化為更大的電感和更粗的電線以及其他特性。所以在創(chuàng)建一個能夠解決高電流的探測儀時會涉及許多方面。然而，許多廠并不只加工一種電池，它們可能會為一個客戶加工一整套大型電池，同時滿足這些電池所需的所有探測要求，也可能為一個智能手機客戶加工一套更小電流的小型電池。
這就是探測成本上升的原由——電池探測儀針對電流進(jìn)行了優(yōu)化。能夠解決更高電流的探測儀通常更大、更昂貴，因為它們不僅要更大的硅片，還要磁性元件和布線，以滿足電遷移規(guī)矩并且最大限度地降低系統(tǒng)中的寄生壓降。廠要隨時準(zhǔn)備各種探測設(shè)備，來滿足加工與檢驗各種類型的電池。由于廠在不同時間加工的電池類型不同，一些探測儀可能與這些特定電池不兼容，并且可能閑置，這進(jìn)一步新增了成本，因為探測儀是一項大型投資。
無論是針對當(dāng)今常見的和新興的用于批量加工一般鋰離子電池的廠，還是希望利用探測過程創(chuàng)新和創(chuàng)造新電池產(chǎn)品的電池制造商，都要使用靈活的探測設(shè)備，以適應(yīng)更廣泛的電池容量和物理尺寸，從而降低資金投入，并提探測設(shè)備投資回報率。
在試圖適當(dāng)優(yōu)化單個集成探測處理辦法時，存在許多沖突的需求。目前還沒有處理所有種類鋰離子電池探測辦法的靈丹妙藥，但德州儀器（TI）已經(jīng)提出了一種參考設(shè)計，將成本效益和精度之間的權(quán)衡降到了最低。
高精度探測處理辦法，適用于大電流使用
神奇的電池探測場景需求總是會存在，而它對應(yīng)地也要一個同樣神奇的處理辦法。不過有關(guān)很多類型的鋰離子電池來講，無論是小型智能手機電池還是電動汽車的大型電池包，是可以有一個高性價比的探測設(shè)備的。
為了達(dá)到市場上許多鋰離子電池所需的精確、滿量程充放電電流控制精度，德州儀器的用于50-A、100-A和200-A使用的模塊化電池探測儀參考設(shè)計使用50-A和100-A電池探測設(shè)計的組合，來創(chuàng)建一個能夠達(dá)到200-A最大充放電水平的模塊化版本。此處理辦法的框圖如圖2所示。
圖2：德州儀器電池探測儀處理辦法
例如，TI針對用于高電流使用的電池探測儀參考設(shè)計采用恒流恒壓控制環(huán)路，支持高達(dá)50A的充放電速率。此參考設(shè)計利用LM5170-Q1多相雙向電流控制器和INA188儀表放大器精確調(diào)節(jié)流入或流出電池的電流。INA188實現(xiàn)并監(jiān)控恒流控制回路，而且由于電流可能往任一方向流動，SN74LV4053A多路復(fù)用器可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)INA188的輸入。
此特定辦法通過將幾個關(guān)鍵的TI技術(shù)結(jié)合在一起，為要更高電流或多相的使用創(chuàng)建了一個可修改的平臺，展示了構(gòu)建一個具有成本效益的探測處理辦法的可行性。這一靈活、具有前瞻性的處理辦法不僅滿足了當(dāng)今的需求，而且預(yù)測了將來汽車電池的上升趨勢，這將很快新增對探測儀電流能力超過50A的需求。
鋰離子電池探測設(shè)備投資最大化
德州儀器的模塊化電池探測儀參考設(shè)計處理了鋰離子電池探測設(shè)備的高精度、大電流和靈活性問題。此參考設(shè)計涵蓋了各種可用的電池形狀、尺寸和容量，能夠應(yīng)對新興使用，如電動汽車和太陽能發(fā)電廠的大型電池包以及智能手機等消費電子產(chǎn)品中常見的小尺寸電池。
鋰離子電池探測的參考設(shè)計使您能夠投資較低電流的電池探測設(shè)備并能夠并聯(lián)使用，從而不要在不同電流水平的多個架構(gòu)中進(jìn)行昂貴的投資。能夠在各種電流范圍內(nèi)使用探測設(shè)備，可以最大程度地優(yōu)化對電池探測設(shè)備的投資，降低總成本，并為適應(yīng)不斷變化的鋰離子電池探測需求供應(yīng)靈活性。
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