電動(dòng)汽車領(lǐng)域的測(cè)試需求日益增長(zhǎng)
12
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無(wú)論是在陸地、海洋、還是在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于電動(dòng)汽車的測(cè)試解決方案來(lái)說(shuō)，既要能夠進(jìn)行電池超聲波或激光焊點(diǎn)測(cè)試，還要能對(duì)所有相關(guān)模塊和系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如電池管理系統(tǒng)（BMS）、車載充電器（OBC）、逆變器以及電機(jī)本身。
2023年，電動(dòng)汽車的銷量接近1400萬(wàn)輛，其中 95%的銷量集中在中國(guó)、歐洲和美國(guó)。雖然全球銷量在不斷增長(zhǎng)，但仍主要集中在以下市場(chǎng)：新電動(dòng)汽車注冊(cè)量的約60%在中國(guó)，25%在歐洲，10%在美國(guó)。2024年第一季度，電動(dòng)汽車銷售繼續(xù)保持強(qiáng)勁勢(shì)頭，與 2023 年同期相比增長(zhǎng)了約25%，達(dá)到300多萬(wàn)輛。然而，在日本和印度這樣汽車市場(chǎng)成熟的國(guó)家，銷量仍然有限。
電動(dòng)化交通工具不僅僅局限于電動(dòng)汽車
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動(dòng)摩托車的速度更快、尺寸更小巧、加速顯著提升和電機(jī)重量有效減輕，其市場(chǎng)日益旺盛。再加上環(huán)保方面的要求和政府的大力支持，尤其在發(fā)達(dá)國(guó)家，電動(dòng)摩托車市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速。
該行業(yè)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力之一是采用更大容量的電池。目前，電池類型主要有三種：鋰離子電池、鉛酸電池和鎳氫電池。鋰離子電池因其性能高、輸出功率大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)仍在市場(chǎng)上處于領(lǐng)先地位，但其他材料的電池也即將推出。
由于材料研發(fā)的不斷進(jìn)步，電池的整體設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)，從而提高了續(xù)航能力、使用壽命、可回收性和可持續(xù)性。
電動(dòng)汽車與電池：聯(lián)系密切
許多電動(dòng)汽車（EV）車主認(rèn)為汽車中的“電池組”是一個(gè)整體，但實(shí)際上它是由無(wú)數(shù)個(gè)獨(dú)立的電池單元組成。
電池單元是最基本的構(gòu)件。每個(gè)電池都能儲(chǔ)存化學(xué)能，形狀有圓柱形、袋狀或棱柱形。電芯以及電池的化學(xué)成分多種多樣，其中最常見(jiàn)的是鋰離子電池。每個(gè)電池可輸出一到六伏特的電壓。
電池通過(guò)集流板連接起來(lái)，形成電池模塊。一個(gè)模塊由多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)組成，形成一個(gè)單元，產(chǎn)生所需的電壓與能量。
然后將這些模塊組合到一起，形成完整的電池組。電池組還包括電池管理系統(tǒng)（BMS）等其他組件，負(fù)責(zé)監(jiān)控和熱管理。BMS通過(guò)跟蹤關(guān)鍵參數(shù)如電壓、電流和溫度來(lái)保護(hù)電池，這一安全系統(tǒng)的特點(diǎn)是在超過(guò)特定安全閾值時(shí)關(guān)閉電池。在BMS的監(jiān)控下，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可斷開(kāi)主電池與車輛高壓總線的連接，確保車載組件之間的通信。
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）可管理電池的熱能和溫度，根據(jù)需求對(duì)電池進(jìn)行加熱或冷卻。熱界面材料(TIM)用于電池組件之間的粘合，使溫度均勻，同時(shí)協(xié)助BTMS進(jìn)行熱管理。
電池生產(chǎn)
電池組的生產(chǎn)始于單個(gè)電池的制造。將每個(gè)電池的組件組裝起來(lái)，在陽(yáng)極和陰極之間放置隔板，然后浸入電解質(zhì)溶液中。該組件被封裝在一個(gè)堅(jiān)固的外殼中。在制成模塊之前，每個(gè)電池都要經(jīng)過(guò)特定的測(cè)試，以確保沒(méi)有電解液泄漏（電解液泄漏可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸），也沒(méi)有水氣滲入。電池必須在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)正常工作并提供所需的功率，以保證電池性能。
然后，電池被組合成模塊，模塊串聯(lián)或并聯(lián)排列在一個(gè)堅(jiān)固的最終外殼（即電池組）中，以保護(hù)它們免受沖擊、振動(dòng)和其他環(huán)境因素的影響。電池組組裝完成后，還要進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試和調(diào)整，包括功率輸出檢查和確保所有電氣連接正常。
無(wú)論電池安裝在什么設(shè)備上，這些測(cè)試都能保證電池的穩(wěn)定性和安全性。了解其工作條件是防止故障和優(yōu)化性能的關(guān)鍵。通過(guò)避免浪費(fèi)和返工，測(cè)試在簡(jiǎn)化生產(chǎn)、控制流程和管理成本方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。
ACIR 測(cè)試
為確保電池組的質(zhì)量，所有電池都必須通過(guò)嚴(yán)格的內(nèi)阻測(cè)量。用內(nèi)阻值不同的電池芯制作電池組，會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)的電流不均勻和溫度變化，這種情況極其危險(xiǎn)，必須避免。
測(cè)量?jī)?nèi)阻值IR的方法有兩種：使用直流(DC)或交流(AC)，具體如下：
- DCIR（直流內(nèi)阻）
- ACIR（交流內(nèi)阻，通常頻率為1kHz，電流為100mA）
根據(jù)電動(dòng)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Seica 已開(kāi)發(fā)出測(cè)試單個(gè)電池的專用平臺(tái)。通過(guò)Mini 80和Mini 200系統(tǒng)，Seica 為ACIR測(cè)試提供了手動(dòng)和自動(dòng)兩種解決方案。Mini 80可直接集成到自動(dòng)化產(chǎn)線中，而Mini 200則用于對(duì)裝運(yùn)箱中的單個(gè)電池單元進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試。
電池測(cè)試
電池單元之間的電氣連接對(duì)電池的性能和安全至關(guān)重要，因此連接測(cè)試（楔形（超聲波）或激光焊點(diǎn)測(cè)試）是生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵部分。需要檢查的一個(gè)關(guān)鍵因素是連接電阻：需要在毫歐或微歐范圍內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量，以確保連接安全。連接缺失或故障會(huì)影響電池的效率，久而久之還會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重故障，包括起火風(fēng)險(xiǎn)。
雖然自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)看起來(lái)更簡(jiǎn)單，但它無(wú)法檢測(cè)電池之間的連接問(wèn)題（焊點(diǎn)測(cè)試）。AOI主要是通過(guò)捕捉焊點(diǎn)的圖像，并使用算法來(lái)判斷其質(zhì)量。然而，這是一種較為主觀的方法，無(wú)法保證電阻參數(shù)，這對(duì)電池組的穩(wěn)定性和安全性來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。在運(yùn)輸?shù)缺O(jiān)管非常嚴(yán)格的行業(yè)中，電池質(zhì)量是非常關(guān)鍵的因素，因此物理/接觸測(cè)試仍然是確保安全的首選方法。
為滿足大批量生產(chǎn)的需求，最有效的方法是使用電子飛針。最先進(jìn)的飛針可同時(shí)對(duì)超過(guò) 16個(gè)電池進(jìn)行極其精確的并行開(kāi)爾文測(cè)試，速度可達(dá)每分鐘2,000多個(gè)電池。這些系統(tǒng)能夠非常精確地測(cè)量楔形焊接電阻，檢測(cè)值低至10μO(píng)hm，分辨率為0.5μO(píng)hm。這種精度確保了一致性和穩(wěn)定性，以及每個(gè)連接的完全可追溯性。
飛針系統(tǒng)的靈活性強(qiáng)，能夠處理各種類型的電池，但飛針設(shè)備必須足夠大，以滿足最大尺寸的電池。高生產(chǎn)效率并不總是必要的；在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室或維修中心，較低生產(chǎn)效率的系統(tǒng)足矣，而精度始終是優(yōu)先考慮的因素。
為滿足日益增長(zhǎng)的電池組連接的測(cè)試需求，Seica 研發(fā)了一系列新型飛針系統(tǒng)： Pilot BT、Pilot BTV 和 Pilot H4BT。
Pilot BT 系統(tǒng)可從電池組的頂側(cè)同時(shí)對(duì)超過(guò)32個(gè)電池芯進(jìn)行精確的并行開(kāi)爾文測(cè)試，全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)速度可達(dá)每分鐘近4,800個(gè)電池芯。該系統(tǒng)具有較大的測(cè)試區(qū)域（1200*1200毫米），并采用博世系統(tǒng)操控電池。
對(duì)于需要從多面同時(shí)進(jìn)入的復(fù)雜電池組，Seica推出了Pilot BTV（立式電池測(cè)試儀），可自動(dòng)從三面進(jìn)入。這對(duì) “雙 ”電池組特別有用，因?yàn)樗鼈儍蓚?cè)都需要進(jìn)行焊點(diǎn)測(cè)試，還需要在頂側(cè)接入BMS。
對(duì)于產(chǎn)品種類較多、產(chǎn)量中等的原型實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)線，Seica研發(fā)了Pilot H4 BT。該系統(tǒng)有四個(gè)獨(dú)立軸，可同時(shí)快速并行測(cè)試兩個(gè)焊點(diǎn)，測(cè)試區(qū)域?yàn)?00*540毫米，測(cè)試速度超過(guò)每分鐘600次。
電池管理系統(tǒng)
電池管理系統(tǒng)（BMS）是一個(gè)關(guān)鍵組成部分，對(duì)電池的性能、穩(wěn)定性和使用壽命至關(guān)重要。為確保每個(gè)BMS符合其規(guī)格要求，必須進(jìn)行完整的功能測(cè)試，包括模擬BMS的實(shí)際運(yùn)行情況。
推薦的方法是使用電池模擬器，它能夠產(chǎn)生0至5伏之間的浮動(dòng)可編程電壓，模擬電池在正常、欠壓和過(guò)壓條件下的狀態(tài)。即使是微小的電壓變化（幾毫伏）也會(huì)對(duì)電池的充電狀態(tài)（SoC）產(chǎn)生重大影響，因此模擬器需要提供精確的電壓并準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際輸出值。
為測(cè)試BMS的溫度感應(yīng)功能，通常依賴于 NTC（負(fù)溫度系數(shù)）或 PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻，則需要一個(gè)能在不同范圍內(nèi)提供可變電阻的工具。此外，全面性能測(cè)試通常需要使用CAN和LIN汽車通信協(xié)議。
Seica 的Compact BMS 配備了專用工具和電池單元模擬器，可通過(guò)準(zhǔn)確模擬電池單元的運(yùn)行對(duì)BMS進(jìn)行全面的功能測(cè)試。
車載充電器和逆變器
車載充電器（OBC）是電動(dòng)汽車的另一個(gè)重要組件，負(fù)責(zé)在車輛靜止時(shí)為電池組充電。它將充電站的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為電池充電。由于OBC可承受高功率，因此測(cè)試系統(tǒng)必須能夠評(píng)估高壓和低壓運(yùn)行。
逆變器模塊的工作則完全相反，它將電池組的直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電，為電機(jī)供電。它還能通過(guò)調(diào)節(jié)電壓以控制電機(jī)的功率和扭矩，并在制動(dòng)時(shí)通過(guò)動(dòng)能回收系統(tǒng)回收能量。
為了徹底測(cè)試這些模塊，Seica在Compact MULTI平臺(tái)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了兩個(gè)專用系統(tǒng)。OBC模塊的測(cè)試是通過(guò)特定的測(cè)試程序和使用夾具將其連接到Compact Multi-OBC系統(tǒng)上。該系統(tǒng)可檢查模塊的高壓絕緣、執(zhí)行安全測(cè)試、產(chǎn)生大功率單/三相交流電壓、監(jiān)測(cè)和控制功率輸出以及模擬電池組。
它還能在滿功率情況下校準(zhǔn)內(nèi)部傳感器，執(zhí)行漏電測(cè)試，并驗(yàn)證連接器的完整性（例如檢查針腳是否彎曲）。該系統(tǒng)可輕松集成到工廠的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）。
對(duì)于逆變器模塊，Seica 推出了Compact Multi-Inverter。測(cè)試過(guò)程與OBC相似，但系統(tǒng)模擬的不是電池組，而是電機(jī)。Seica創(chuàng)新性地使用帶電感Y型連接的平衡三相負(fù)載，最大限度地減少功率損耗，同時(shí)能夠以最大電流進(jìn)行測(cè)試，從而顯著降低能耗。
電機(jī)
電機(jī)將逆變器中的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)汽車車輪，轉(zhuǎn)速可輕松超過(guò)20,000 RPM。測(cè)試電機(jī)各方面的性能需要專業(yè)知識(shí)和定制的測(cè)試系統(tǒng)。
測(cè)試包括使用電機(jī)軸上的扭矩傳感器來(lái)測(cè)量電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速下所能承受的力。為了模擬負(fù)載（車輛），需要使用第二臺(tái)電機(jī)，它可以充當(dāng)負(fù)載（制動(dòng)電機(jī)），也可以充當(dāng)模擬再生制動(dòng)的電機(jī)。在這種設(shè)置中，制動(dòng)電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，將產(chǎn)生的能量反饋到電網(wǎng)中以降低能耗。該測(cè)試還通過(guò)檢查能耗和探測(cè)振動(dòng)來(lái)評(píng)估電機(jī)的效能。
模擬再生制動(dòng)時(shí)，被測(cè)電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，將能量送回逆變器，為電池充電。
Seica推出了專門(mén)用于電機(jī)測(cè)試的 EMT EOL 系列。該系列有三種不同型號(hào)（250/600/3000），可處理各種電機(jī)。這些系統(tǒng)建立在Seica的 VIP 硬件和軟件平臺(tái)上，確保能夠無(wú)縫集成到產(chǎn)線、可追溯系統(tǒng)和工程MES中，支持工業(yè) 4.0 標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車的測(cè)試挑戰(zhàn)
本文強(qiáng)調(diào)研究和創(chuàng)新在應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)測(cè)試挑戰(zhàn)中的關(guān)鍵作用。
電動(dòng)汽車制造商普遍對(duì)能量密度、電池壽命和嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)有較高的需求。
實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)要求一致且可控的生產(chǎn)流程，并在各個(gè)階段進(jìn)行全面測(cè)試，以確保產(chǎn)品符合必要的功能和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。