掌握电池测试：你需要知道的一切

随着人们对电动汽车(随着电动汽车（EV）需求的增长，整个电池市场也在飞速发展。

由于资源有限，且每家制造商都想分一杯羹，因此对于电池开发商来说，更聪明地工作至关重要。

电池测试可确保电池供电设备的可靠性和安全性。无论是汽车, 医疗设备还是智能手机了解电池的状态对于预防故障和优化性能至关重要。

测试在加速生产和保持合理制造成本方面发挥着重要作用。

电池类型

电池种类繁多，各有优缺点。不同行业根据应用的具体要求进行选择。一般来说，制造商在为特定应用选择合适的电池类型时，会考虑成本、能量密度、循环寿命和对环境的影响。

不同类型的电池包括：

锂离子（Li-ion）

锂离子电池使用锂离子化学材料，以能量密度高、重量轻、结构紧凑而著称。由于能量密度高、循环寿命长、自放电率低以及设计相对轻巧，锂离子电池在汽车、消费类设备和便携式医疗仪器中越来越受欢迎。在现代汽车中，它们既可用作推进动力，也可用作辅助动力。由于循环寿命长，它们非常适合频繁充放电的设备，可靠性极高。另一方面，锂离子电池的制造成本较高，过度充电可能会损坏电池，从而可能导致安全问题。由于锂离子电池的化学性质，其处置和回收需要谨慎管理。

铅酸电池

铅酸电池使用二氧化铅正极、海绵铅负极和硫酸电解质。它们的生产成本相对较低，因此在汽车和工业应用中很受欢迎。它们还用于大型医疗设备，例如医院的不间断电源 (UPS) 或备用电源系统，但它们很重且能量密度低，因此不太适合便携式应用。它们可以处理深度放电并提供可靠的电源，但在性能下降之前，充电和放电循环次数有限。

这些电池是内燃机（ICE）汽车中最广泛使用的传统电池。它们价格低廉，可提供启动发动机所需的曲柄动力。吸附式玻璃垫 (AGM) 电池是铅酸蓄电池的一种变体，其性能有所提高，尤其适用于起停系统和电力负荷较高的车辆。

镍镉（NiCd）电池

镍镉电池使用镍氧化物-氢氧化物正极、镉负极和氢氧化钾电解质。镉有毒，因此镍镉电池存在环境问题，需要进行适当的回收。它们以耐用性和耐极端温度而闻名。它们可以提供高电流输出，使其适用于电动工具和其他高要求应用，并且可以承受多次充电和放电循环。众所周知，镍镉电池存在记忆效应，如果在充电前未完全放电，则会降低容量，并且能量密度较低。

镍氢 (NiMH) 电池：

镍氢电池用于注重成本效益和环保的医疗设备。这些电池的毒性比镍镉电池小，因此更环保。它们的能量密度相对较高，成本效益高，自放电率相对较低，因此适合某些不经常使用的便携式医疗设备和装置。镍氢电池已在混合动力汽车中使用多年。

碱性电池

碱性电池的保质期很长，因此非常适合用于需要长期存放的设备。它们通常被用在家里许多被遗忘的抽屉里，因为它们通常用于遥控器、手电筒、玩具等。尽管如此，它们也经常用于一次性或一次性医疗设备，如助听器，因为它们经济实惠且随时可用。

锌碳电池：

锌碳电池是最便宜的选择，用于非常基本的消费电子产品，如低成本玩具、钟表和小玩意儿。它们的使用寿命较短，通常不可充电。

锂聚合物 (LiPo) 电池：

LiPo 电池是锂离子电池的一种变体，以其形状和尺寸的灵活性而闻名。它们用于轻薄的设备，例如无人机、遥控玩具和一些较小的笔记本电脑。当制造商需要定制形状的电池以适应特定设备设计时，通常会选择 LiPo 电池。

定制电池组：

另外，医疗设备制造商或电子产品制造商定制电池以满足特定电压、容量和尺寸要求的情况并不少见。定制电池组可以包括各种电池化学成分，例如锂离子、锂聚合物或镍氢电池，可根据设备需求量身定制。

固态电池：

尽管固态电池仍处于开发阶段，且不像之前的电池那样常用，但由于其具有更高的能量密度、更长的使用寿命和更高的安全性，固态电池在汽车行业中越来越受到关注。它们正在被研究和开发用于电动汽车。

电池组件

所有电池都由 4 个关键要素组成：

1.电池单元：

电池系统的基本组成部分，通常为圆柱形、袋状或棱柱形，内含电化学核心。

与其他形式的电池相比，袋装电池的能量密度更高，但由于没有保护性金属外壳，其耐用性可能较差。

电池单元外形尺寸是指电池的物理形状和尺寸。

不同的外形尺寸专为不同的应用而设计，具有不同的特点。

以下是一些常见的电池单元外形及其区别：

圆柱形电池 - 圆柱形电池是最常见、最广泛使用的电池外形。它们有各种尺寸，最常见的是 AA、AAA 和 18650。圆柱形电池具有良好的能量密度，可承受高放电率。它们常用于消费类电子产品、手电筒和一些便携式设备。
棱镜电池 - 棱镜电池具有扁平的矩形形状，因此适用于节省空间的设计。由于其外形轻薄，因此通常用于智能手机、平板电脑和笔记本电脑。棱柱电池的能量密度通常低于圆柱电池，但在某些应用中更为方便。
袋式电池 - 袋式电池没有坚硬的金属外壳，因此轻薄灵活。它们通常用于对空间和重量有严格要求的应用中，例如电动汽车（EV）和无人机。

2.电池模块：单个电池的组合，通常采用串联和并联配置，并配有热管理系统。

3.电池组：完全组装和封闭的单元，由多个模块组成，专为特定应用而设计。

4. 电池管理单元 (BMU)：监控、管理和确保整个电池组安全的电子控制系统。

每个组件都必须进行单独和组装测试。

各行业电池发展趋势

汽车

值得注意的是，汽车行业电池类型的选择取决于具体的车辆类型和应用。传统的内燃机汽车通常使用铅酸电池来满足启动、照明和点火（SLI）的需要，而电动汽车和混合动力汽车则依靠锂离子和镍氢等更先进的电池技术来实现其推进系统。随着技术的不断发展，电动汽车越来越倾向于使用锂离子电池和固态电池，这主要是出于对更高能量密度、更长行驶里程和更小环境影响的需求。

消费电子

消费类设备，包括智能手机、笔记本电脑、平板电脑、数码相机和许多其他便携式电子产品，由于其成本效益和便利性，通常都依赖于可充电电池。其他考虑因素包括能量密度、外形尺寸、成本和设备的特定要求。锂离子电池能量密度高、循环寿命长，是大多数便携式电子产品的首选。不过，根据设备的预期用途、尺寸限制和预算考虑，选择也会有所不同。

医疗设备

在医疗应用中，电池类型的选择取决于能量密度、循环寿命、安全性和设备的预期用途等因素。安全和监管标准，包括是否符合医疗设备指令，在确定特定医疗应用的适当电池技术方面起着至关重要的作用。此外，尺寸、重量和易维护性等因素也会影响特定医疗设备最佳电池类型的选择。

电池测试

在设计和设置测试过程时，需要考虑很多因素。测试过程时电池制造的测试过程时，需要考虑很多因素。考虑到需要运行的高功率广告和高电压应用，安全必须始终是重中之重。一些常见的电池测试案例包括：

电压测试

电压测试是电池制造中的一个基本步骤，以确保所生产电池的质量、性能和安全性，它涵盖了电池制造的很多领域。

测量电池的开路电压 (OCV) 非常重要，它是指无负载或无电流流动时的电压。开路电压是一个重要参数，因为它可以显示电池的充电状态。它有助于确保电池在制造过程中已正确充电。重要的是要验证电池组中各个电池的电压水平是否一致。这可确保它们对电池组的整体性能做出同等贡献。

在多节电池组中，电压测试检查电池单元是否平衡。它能确保所有电池都没有过充或欠充，否则会导致容量降低、过热和电池寿命缩短等问题。如果某个电池单元的电压明显低于或高于其他电池单元，则可能表明该电池单元存在缺陷，应在进一步组装前予以更换。电压测试还包括测量电池在特定负载下的电压。这项测试有助于评估电池在运行期间保持稳定电压的能力，这对电池在预期应用中的可靠性能至关重要。检查电池电压是否在规定的容差范围内也很重要。这一范围通常由电池的设计和制造商的规格书规定。偏离该范围可能表明存在质量问题或缺陷。

电压测试还可以验证过充电保护或过放电保护等安全功能是否正常工作。这些功能可防止电池超过安全电压水平。在某些情况下，电压测试可能包括对电池进行电压应力测试，以模拟实际条件。这对汽车和工业电池尤为重要，因为它们可能会经历不同的负载和环境条件。

当前测试

电流测试对于验证电池是否能可靠地提供预期用途所需的功率和能量，同时保持安全和性能标准至关重要。电流测试有助于确定电池的容量，即电池存储和提供能量的能力。通过以指定的电流速率对电池放电，测试可以测量电池达到特定电压截止点所需的时间。然后根据放电时间和电流计算出电池容量，提供有关电池可储存和提供多少能量的信息。

电流测试评估电池在不同速率下的供电能力。通过采用不同的放电率，制造商可以评估电池在不同负载条件下的性能。这对于电池必须提供高功率的应用（如电动汽车或电动工具）至关重要。它还能测量电池在不同放电电流下的电压响应。它可以检查电池电压在提供电流时的变化情况，确保电压保持在预期应用可接受的范围内。

有些电池，尤其是汽车应用中的电池，需要在启动车辆或急加速等高压力情况下处理峰值电流需求。电流测试可验证电池是否有能力提供这些峰值电流，而不会出现电压下降或过热等问题。与电压测试一样，在多节电池组中，电流测试也是为了验证电池组中的单节电池对整体电流输出做出了同等贡献。电流分配失衡会导致某些电池过载，从而缩短电池寿命。

验证电池是否包含过流保护机制以及它们是否正常工作也很重要。这些机制有助于防止在电流过大（如短路）的情况下损坏电池和相关设备。此外，还必须测试电池在承受变化负载或负载突然变化时保持稳定输出电流的能力，并且必须监测电池内部的温度变化。温度过度升高可能表明效率低下或存在安全问题。

容量测试

容量测试测量电池在特定条件下能够存储并随后释放的实际能量。它主要涉及放电测试。在此测试期间，电池以受控电流速率（通常称为 C 速率）放电。放电过程持续到电池电压达到指定的截止电压。在整个放电测试过程中，会持续测量从电池流出的电流和达到截止电压所需的时间。电流与时间的乘积可提供以安培小时 (Ah) 或瓦特小时 (Wh) 为单位的放电容量，具体取决于预期用途。将测量的容量与电池的额定或标称容量进行比较，以确保其符合制造商的规格。任何与标称容量的显着偏差都可能表示存在质量问题或潜在缺陷。

阻抗测试

阻抗测试评估电池的内部电阻。阻抗过高会导致效率降低和寿命缩短。测试包括向电池施加交流信号，同时测量电压和电流响应。需要测量的参数包括：

直流电阻 (R_dc)：它测量电池内部的直流（DC）电阻，这主要是由电解液、电极和其他内部组件的电阻造成的。较高的直流电阻可能表示电极退化或电池老化等问题。

交流阻抗谱：通过改变交流信号的频率，制造商可以获得详细的阻抗谱，揭示电池内部结构的信息，包括电阻和电容。这种方法可以识别不同频率下的特定阻抗成分。

安全评估：阻抗测试对于评估电池的安全性至关重要，尤其是在热失控（如锂离子电池）可能导致安全隐患的应用中。高内阻或不规则阻抗模式可能预示着潜在的安全风险。

比较测试：制造商可以利用阻抗测试来比较不同的电池设计、材料和制造工艺，以优化性能和安全性。

阻抗测试结果可提供电池健康状况（SoH）、充电状况（SoC）和整体质量等宝贵信息。

循环测试

循环测试也称为充放电循环或循环寿命测试，通过模拟充电和放电循环来评估电池的长期性能和耐用性。在循环测试过程中，电池要接受预定的充电和放电循环模式。这种模式会根据预期应用和制造商的规格而有所不同。循环测试期间要监测几个参数，包括电压、电流、温度、容量和内阻。

循环测试的主要目的是确定电池的循环寿命，即在保持规定性能和容量水平的情况下，电池可以承受的充放电循环次数。电池的循环寿命可能因其化学成分、设计和每次循环放电的深度而有很大不同。这可以揭示电池故障的方式和时间。故障可能包括容量降低、内阻增加或热失控等安全问题。了解故障是改进电池设计并在制造过程中尽早发现潜在问题的最有效方法。这些数据还有助于制定保修条款，并向客户保证电池的长期可靠性。

组件级测试

了解电池单元、模块、电池组和 BMU 测试的细微差别对于确保产品质量、性能和安全至关重要。自动测试设备、环境试验箱和先进的数据采集系统是这一过程中不可或缺的部分，可提供满足电池制造行业严格质量标准所需的精度和可重复性。

细胞级测试

电池单元测试主要针对单个电池单元，然后再将其集成到更大的模块或电池组中。这种早期测试有助于识别有缺陷或质量不佳的电池单元。

细胞检测通常包括:

电压 - 在各种负载条件下测量。
容量 - 确定储能能力。
内部电阻 - 指示细胞的健康状况和性能。
循环寿命 - 估计电池可承受的充放电循环次数。

模块级测试

电池模块测试验证组装成模块的一组电池的性能和安全性。它包括热剖析、电特性分析和冲击测试等测试。

模块测试的主要考虑因素包括：

平衡 - 确保电池之间均匀充放电。
热管理 - 监测和控制模块内的温度。
安全机制 - 测试安全功能，如温度保险丝。

包装级测试

电池组测试评估的是整个电池系统的整体性能和安全性，通常需要在严格的条件下模拟实际使用情况。

在实验室进行分组测试的测试场景包括：

环境测试 - 评估在极端温度、湿度和海拔条件下的性能。
滥用测试 - 模拟物理损坏、过度充电和短路。
生命周期测试 - 评估运行条件下的长期耐用性和可靠性。

在生产中进行成套测试的测试方案包括

充放电或微循环
安全部件 - 例如联锁、关闭信号等...
绝缘电阻和辩证强度测试
热曲线
OCV 和 SoC

BMU 测试

BMU 在监控和管理电池组的健康和安全方面发挥着关键作用。对 BMU 进行测试可确保其准确性和可靠性。

以下功能测试和压力测试可确保电池管理单元按预期运行，准确监控和保护电池组，并保持整个电池系统的安全性和可靠性：

充电状态 (SOC) 和健康状态 (SOH) 估算 - 验证 BMU 是否能在各种运行条件下准确估算电池组的 SOC 和 SOH。
电池平衡 - 确保 BMU 能够主动平衡电池组内的电池单元，防止单个电池过度充电或放电。
电压监控 - 确认 BMU 能准确测量和监控电池组中每个电池单元的电压。
电流测量 - 检验 BMU 是否能准确测量电池组在充电和放电过程中流入和流出的电流。
温度监控 - 测试 BMU 监控和响应电池组内温度变化的能力，确保安全运行。
过充电和过放电保护 - 确保 BMU 启动保护机制，防止过充电或过放电，以免损坏电池单元。
绝缘电阻和辩证强度测试
故障检测和报告 - 测试 BMU 检测故障（如短路或高温条件）并报告这些问题以采取适当措施的能力。
通信接口 - 验证 BMU 是否能使用控制器局域网 (CAN) 等标准通信协议与车辆控制器或充电基础设施等外部系统进行通信。
电池认证 - 测试 BMU 验证电池单元真实性和完整性的能力，以防止假冒或不安全的替换。
压力测试：包括过充电、过放电、热应力、振动和冲击、EMI/EMC（电磁干扰电磁兼容性）、负载测试和环境测试。

最大化电池测试设备投资

智能测试设备投资有五大秘诀：自动化、模块化、可扩展性、灵活性和标准化。在电池开发和制造领域尤其如此。随着行业的发展，技术也在不断变化。投资能够适应产品的设备可以降低材料成本和操作员干预。您应该考虑：

自动化 - 消除主观性和多余的操作员干预，同时加快流程以获得高度准确的结果。
模块化——随着需求的变化，设备和编码也必须随之变化。在较小的可变模块内工作，就不会浪费时间重新发明轮子。
可扩展性--随着产品需求的增减，可扩展系统能够在客户需要时满足他们的需求。
灵活性--与模块化和可扩展性相辅相成的是测试设计的灵活性，它允许进行智能和具有成本效益的修改。
标准化 - 通过在公司各个地点和部门共享通用测试设备，每位员工都能使用同一种语言。从研发到维修，整个过程的结果都是一致的，培训或升级时间也大大缩短。

电池测试的最佳做法是利用业界建立的通用平台，如电池检查器. Batterie Inspektor™ 具有多种测试参数，可在制造的每个阶段确保电池、模块、BMU 和电池组等产品的最高质量。其智能、模块化和可扩展的设计，使您能够从单一来源构建最适合您的生产要求并与之共同成长的解决方案。它通过灵活的自动化、可持续的改造和智能数据管理提高产品性能。