İmalat Ve Üretimde Pil Testi İçin Üç Çözüm Örneği
(Andrea Vinci, Teknik Pazarlama Müdürü, Tektronix)
Enerji Depolama Sistemi testi bugün bir “trend konusu”; genellikle “pil testi” olarak anılan bu test, küçük taşınabilir formatlı pillerden elektrikli araçlarda kullanılan daha büyük pillere, “sabit uygulamalar” olarak adlandırılan yüksek enerji beslemesi için yedek sistemlerde kullanılanlara kadar uzanır. Bu sistemlerin spesifik bağlamına ve üretim döngüsü aşaması ile bağlantılı olarak, Tektronix Keithley firmaları olarak, Otomotiv EV OEM'leri için Otomatik Test Sistemleri (ATE'ler) tasarlayan sistem entegratörlerinin acil ihtiyaçlarına hizmet etmeyi amaçlayanlar gibi test çözümleri ile pazara hizmet veriyoruz.Teknoloji ilerledikçe çeşitli test durumları ve üretim kalitesi gereksinimleri konusundaki deneyimimizi artırmaya devam ediyoruz.
Güvenlik, performans ve sistem yönetimi
"Pil testi" ile bahsi geçen, taşınabilir cihazlardaki mümkün olan en küçük hücrenin karakterizasyonundan 1000V veya daha yüksekte çalışan büyük araç akülerine kadar gerçekten geniş bir alanı kapsamaktadır. Batarya Sistemi, elektrikli cihazlar için oldukça büyük önem taşımaktadır. Günümüzde lityum iyon piller, yüksek enerji ve güç yoğunlukları sayesinde elektrikli araçlarda en yaygın kullanılan piller arasında yer almaktadır, bu teknolojiye sahip olarak uzun kullanım ömrüne imkan sağlanmaktadır. Pazarda "bataryalar" için farklı terminoloji ve adlandırmalar kullanılmaktadır: örneğin otomotiv sektöründe, araçtaki entegrasyon durumuna, DUT( test edilen cihaz) olarak EV bataryası ve test prosedürlerine bağlı olarak, hücre imalatına, modüllere veya paket imalatına göre farklılık gösterebilir. Hücreler genellikle tekil elektrokimyasal cihazlardır, bireysel depolama birimi olarak maksimum 5V'tan daha fazla değildir. Modül, bağlı birkaç hücreden ve tüm sistemi kontrol etmek için diğer bazı elektroniklerden oluşur. Bir modül bir şekilde paketlenir, bu nedenle testler genellikle her şeyi tek bir öğe olarak içerir. Bir paket, birkaç modülden oluşan, yine birkaç kabloyla bağlanan ve araçlarda olduğu şekilde diğer işlem üniteleriyle iletişim kurmak için daha karmaşık kontrol ve haberleşme elektroniği bulunan daha büyük bir öğedir. Söylendiği gibi, test hücreleri, test modülleri veya test paketleri ile aynı değildir ve test kurulumu, üretim zincirinin her aşamasında değişebilir. Testler, örneğin empedans ölçümünde olduğu gibi, kullanılan test metodolojisine göre de farklılık gösterebilir. Tektronix Keithley olarak, hem pil üretiminde (örn. hücreler, modüller ve paket montaj hatları) sistem entegrasyon testi için karmaşık ATE'lerde potansiyel (gerilim), akım ve direnç ölçümü gereken her yere odaklanarak, elektrik testlerini kapsayan test sistemi tasarımcıları ve son uygulama entegrasyonları (örn. Otomotiv Akü Yönetim Sistemi – BMS ve akü paketi entegrasyonu) için çözümler sunuyoruz.
Testler genellikle üç ana alanda gerçekleştirilir: Daha yüksek bir güç yoğunluğu sağlamak için seri/paralel topolojide düzenlenmiş birkaç hücrenin bir kombinasyonu olarak inşa edilmiş bir sistem için kritik olan güvenlik testi; Pil hücresinin/modülün/paketin performans testi, pil hücresinin/modülün/paketin performans testi, performans optimizasyonu ve EOL test doğrulaması önemli bir anahtar olduğunda, şarj/deşarj döngülerinin sayısı, çalışma süresi ve sıcaklık ve yönetim testi.
Örnek 1: Akü Paketleri İmalatında Bara Kaynak Empedansı Güvenlik Testi İş İstasyonu
Bir pil modülünü oluşturan çoklu hücreler, istenen voltaj çıkışını elde etmek için paralel veya seri olarak bağlanır. Tüm hücreler, topraktan izole edilmiş ve pilden gelen gücün dağıtımı için yüksek akım dağıtımından sorumlu uzun bir iletken olan bir baraya lazerle kaynaklanır.VSH-Bara kaynak empedansı testi, kaynağın empedansını karakterize eder. Kaynaktaki küçük dirençler, pilleri bozacak kadar ısı üretebilir ve erken arızalara veya güvenli olmayan çalışma koşullarına yol açabilir. Akü çalışmasını test etmeden önce direnci ölçerek, arızalı modüller şebekeden hızla çıkarılabilir.
Şekil 1: Akülerdeki baraların genel bir temsili
Kaynağın empedansının ölçülmesi, kaynak boyunca bir akım sağlanmasını ve direnci hesaplamak için voltajın ölçülmesini içerir. Test yürütme hızı ve ölçüm doğruluğu, kaynak empedansını ölçerken en önemli iki husustur. Bu ölçümler 2460 veya 2461 gibi Keithley Kaynak Ölçüm Birimleri (SMU'lar), Model 3706A Sistem Anahtarı ve Multimetre veya Model DAQ6510 Veri Toplama ve Günlük Multimetre Sistemi kullanılarak yapılabilir.
Şekil 2: Pil üretiminde empedans testi için otomatik bir sistemin şematik bir örneği
Model 2460 ve 2461 SMU'lar, yüksek akım gerektiren akü sistemleri için 7A'ya kadar kaynak sağlama yeteneğine sahiptir. Kaynağın empedansı birkaç miliohm kadar küçük olabilir, bu nedenle çok küçük voltajları ölçmek için yeterince hassas bir sayaç kullanmak önemlidir. 3706A modeli, 7,5 basamaklı bir dijital multimetre (DMM) özelliğine sahip ve 100mV aralığında 10s nanovolt ölçebilir. Bir pil paketi bir bara üzerinde 80'e yakın kaynağa sahip olabileceğinden, yeniden kablolama ihtiyacını ortadan kaldıran çok kanallı geçmeli modüller için yapılandırılabilir yuvalara sahip ana çerçeveleri destekliyoruz. Ölçmek için her kanalı kapatma süreci, hız ve verimlilik için açıkça otomatikleştirilmiştir.
Örnek 2: Hücre performans testinde Dahili Direnç Ölçümü ve Açık Devre Voltajı
Bir pilin performansı ve şarj ve deşarj sürecindeki verimliliği birkaç farklı şekilde ve çeşitli göstergelere bakılarak değerlendirilebilir. Pilin dahili direnç karakterizasyonu bunlardan biridir ve temelde çeşitli şarj/deşarj akım oranları, Şarj Durumu (SoC), sıcaklık ve diğer yaşlanma göstergeleri altında değişikliklerin doğru bir şekilde karakterize edilmesi anlamına gelir. Açık Devre Voltajı (veya OCV), yeterli dinlenme süresinden sonra (bazen gevşeme olarak adlandırılır) pilin terminallerinde ölçülen voltajdır ve Li-Ion pil hücreleri için önemli bir ölçümdür. OCV ayrıca çoğunlukla pil şarj durumuna (SOC) göre ve daha az ölçüde sıcaklığa göre değişir ve pil eşdeğeri bir model oluşturmak için kullanılabilir, bu nedenle bir Pil Yönetim Sistemi (BMS) tasarlamak, yalnızca pil özelliklerini ve durumunu ölçmek / değerlendirmekle kalmaz. Aküdeki dahili direnç, bir yük bağlandığında akü terminallerindeki voltaj düşüşünü yüksüz voltaja kıyasla hesaplar ve OCV ölçümlerinden türetilebilir. OCV genellikle sadece bir "ölçüm" değil, bir dizi ölçümdür. Aslında buna “pilin OCV karakterizasyonu” diyoruz ve OCV düzlemine karşı bir Şarj Durumu (SoC) üzerindeki bir eğriden elde edilen kapsamlı bir analizi izliyoruz. Bu eğriyi izleyebilmek için, pili akıllı kaynak/yük kullanarak darbeli bir şekilde akımını şarj ederek veya boşaltarak belirli bir şarj kademesine getirmeniz, ardından biraz oturma süresinde ("gevşeme" olarak adlandırılır) bekletmeniz ve akabinde elektrotlardaki açık devre potansiyelini ölçmeniz gerekir. 2460 veya 2461 gibi bir Keithley SMU (10A darbe kapasitesi ve digitizers (sayısallaştırıcılar)) ile bu testleri gerçekleştirmek mükemmel bir çözümdür. Aslında kontak kontrollü 4 telli (Kelvin) bir bağlantı ile hücre akımını ve gerilimini ölçerken kontrollü bir şekilde hücre akımını kaynaklayabilir ya da batırabilirsiniz. Tüm bunlar, programlanmış gömülü bir mikroişlemci tarafından kolaylıkla otomatize edilir ve kontrol edilir. OCV'deki gerilim ölçümünün doğruluğu, cihazın seçimi için ayırt edici bir faktördür. Bazı durumlarda, 6 ½ dijitli ölçüm çözünürlüğü, termal kararlılık ve çoğunlukla bir SMU'nun doğruluğu yeterli gelmeyebilir. Bu nedenle, bazı test aşamaları Li-Ion pil hücresi testinde standart hale gelen özel bir dijital multimetre olan Keithley DMM7510 ile gerçekleştirilir. Düşük gürültülü 32 bit A-D dönüştürücü, 7 ½ dijit çözünürlük ve metroloji derecesi doğruluğu sağlar.
Şekil 3: Tektronix Keithley DMM7510, küçük voltaj düşüşlerinin veya küçük kaçak akımların tespit edilmesinin gerektiği durumlara mükemmel şekilde uyan yüksek doğruluk özelliklerine sahip referans 7 ½ dijit multimetredir.
Örnek 3: BMS testi ve çarpışma anahtarı tespiti için özel bir vaka
Bir Akü Yönetim Sistemi (veya BMS), hücre izleme, hücre dengeleme, şarj ve deşarj kontrolü, güvenlik kontrolü ve dış ünitelerle iletişim gibi kritik akü fonksiyonlarını kontrol etmekten sorumlu özel bir unsurdur. Birçok ATE tasarımcısı, BMS ve pil arasındaki etkileşimi kontrol etmek için gerekli tüm test birimlerini kompakt ve güvenilir bir platforma sığdırabilmek için çalışıyor. Doğrulama için kullanılan ATE, bir sistem olarak birlikte çalışmak üzere birleştirilmiş, birden çok satıcıdan gelen öğeleri barındıran, tipik modüler elementlerden oluşmaktadır. Sistemin aküden ve BMS'den gelen birden fazla giriş sinyalini izlemesi ve kaydetmesi gerekir. Algılama üniteleri ve I/O – iletişim aşaması gerçekten kritiktir ve uygun tarama için uygulanmalıdır. Bazı durumlarda, sistemi oluşturmak için ayrı enstrümanların seçimi kısmen test yönetimi yazılım ortamı tarafından yönlendirilir, ancak genel olarak sistem entegratörleri, OEM'lerin gereksinimlerine uygun, değiştirilebilir ve birkaç otomatik doğrulama test sistemine paralel olan hızlı işlemleri tercih ederler. Gerçek akü sistemi etkileşiminden önce BMS'yi doğrulamak için akü paketi gerilimini simüle etmeniz gerekebilir. Bu da hassas bir 1000V (veya daha fazla) gerilim kaynağını veya yüzlerce ayrı hücre geriliminin simülasyonunu kontrol etmek anlamına gelir. Çevresel stres odası, sıcaklık ve test atmosferi kontrolü için dahil edilecek başka bir anahtar alt öğedir. SMU perspektifinden bakıldığında, Keithley model 2470 ile 1kV test kapasitesi aşımını destekler. Örneğin DAQ6510 gibi özel veri kaydediciler ve veri toplama anahtar kartları portföyünün yanı sıra, şimdi bir DC hızlı şarj sırasında düşük enerji çarpışmasına karşı BMS tepkisi için özel test kurulumu tasarımı için seçilen gerilim ve akım darbeleri ihtiyacına odaklanacağız. Düşük hızda çarpışmadan etkilenen bir otoparkta DC şarj cihazına takılı bir araç durumunu ele alalım.
BMS nasıl tepki verecek?
İzolasyonda olduğu gibi kritik hatalar nasıl hariç tutulur?
BMS'ye giden çarpışma sinyali, mevcut duruma bağlı olarak bir gerilim darbesi veya bir akım darbesi olabilir. Türü her ne olursa olsun, sinyalin gürültüye direnecek kadar net ve kararlı olması gereklidir. Ayrıca, olası arıza durumlarını yeniden oluşturmak ve buna karşı sistem sağlamlığını test etmek için CAN bus mesajları iletişimlerindeki hata çerçevelerini simüle etmek için AFG'lerimizle çözümler sunuyoruz.
Şekil 4: Tektronix AFG31000 serisi, belirli potansiyel arıza koşullarını çoğaltmak için gerçek dünya veri yolu sinyallerini, özelleştirilmiş bozulmalarla çoğaltmak üzere programlanabilir.
Sonuç
Lityum İyon Pillerin Elektriksel Ölçümleri çok geniş bir konudur ve üretim aşamasına veya uygulama entegrasyonundaki test aşamasına bağlı olarak, akıllı otomatik test ekipmanı tarafından farklı gereksinimlere sahip farklı ölçüm setlerinin uygulanması gerekir. Tektronix, tarihsel olarak, motor sürücü invertörü tarafından yüklendiğinde pil davranışını test etmek için osiloskoplar ve sondalama çözümleriyle önemli bir tedarikçidir, ancak Tektronix ve Keithley portföyü, özellikle son derece hassas direnç, izolasyon veya voltaj ve akım ölçümlerinin yapılması gerektiğinde pil üretimi alanını çoklu algılama giriş noktası üzerinden veri toplarken desteklemektedir. Özellikle doğru akımı ölçerken, 1kV üzerinde kaynak sağlayabilen 2470 SMU veya pil döngüsü için yüksek akım darbeli batmayı kapsayan 2461 gibi özel kaynak ölçüm birimleri ve ayrıca OCV ve deşarj akımı karakterizasyonu için DMM7510 gibi endüstri referansı dijital multimetreler özel olarak test otomasyon çözümlerine sorunsuz bir şekilde entegre etmek için tasarlanmıştır.
Yazar hakkında
Andrea, Tektronix'te Keithley Instruments Portföyünden sorumlu Teknik Pazarlama Müdürü’dür. Elektronik Mühendisliği Yüksek Lisans derecesini 2000 yılında Padova Üniversitesi'nde I.V.I. T&M için standart konusunda tamamladı. Tektronix'e 2011 yılında önce Saha Uygulamaları Mühendisi, ardından İtalya'da Satış Hesap Yöneticisi ve daha sonra EMEA bölgesinde İş Geliştirici olarak yeni Yarı İletkenler ve Güç Dönüştürme uygulamalarına odaklanarak katıldı. Oynamayı sevdiği çılgın Golden Retriever’ı ile İtalya’da, Venedik yakınlarında yaşıyor.