​电芯质量测试：让测试成为竞争优势

如果对电池生产过程一知半解，则难以全面讨论电芯测试。电芯生产包含多个步骤，涉及不同技术和领域，例如化合物混合、机械组装、材料层压和焊接等。每一步都会对最终的电池质量产生深远的影响。简而言之，生产过程分为几个宏观领域：电极制造、电芯组装、调节阶段和电池组组装。

电极制造

电极制造是指使用原材料制作电池的基本组件。该过程从混合浆料开始，将浆料涂布在金属箔上，然后切割涂层箔以进一步加工。这些涂层箔可用作阳极和阴极，即电池的电极。

电极中用于存储电荷的浆料由活性物质、溶剂和粘合剂的混合物构成。浆料的配方取决于电池的化学成分和电极类型（阳极或阴极）。浆料混合物为电芯的性能奠定了基础。通过精确的涂层工艺将浆料涂布在金属箔上。干燥涂层，使溶剂蒸发，仅在箔片上保留活性物质。箔片的尺寸会影响电芯的结构和外形尺寸。 

在涂布和干燥过程中需监测和控制多个变量。浆料粘度、涂布速度和箔片张力都会影响涂层的厚度和均匀性。干燥过程必须严格控制温度和湿度。压延工艺通过使用辊对干燥箔片进行压延拉伸。压延可改善箔片均匀性、减少整体电极厚度并消除缺陷。然后将电极板预切割成易于操作的形状，以进行电芯组装。 

电芯组装

电芯组装应在严格控制的环境中进行，以避免电极因潮湿、灰尘颗粒、材料热膨胀和压缩而退化。电极经过切割、堆叠、包装和密封后组装在电芯中。

1. 根据最终的电芯外形尺寸（如圆柱形、袋形、棱柱形等）切割电极。 
2. 通过隔膜堆叠电极阳极和阴极。此过程使用的技术因电芯结构而异。在所有情况下，层与层的对齐对于确保阳极和阴极之间没有接触至关重要，因为两极一旦接触就会导致短路。 
3. 将名为极耳的薄导电金属条焊接至阳极和阴极。这些极耳会将电极连接至外部电路。 
4. 电芯采用预成型包装材料进行组装，具体取决于电芯的外形尺寸。 
5. 向叠层电芯内注入电解液，可促进充电和放电过程中锂离子在阳极和阴极之间的移动。注液过程要求绝对的精确度。误差或污染都可能会降低电池性能，甚至带来安全风险。 
6. 注液后，应将电池静置一段时间，称为浸泡。浸泡过程可使电解液完全浸透电极材料，并确保电芯中没有气泡。 
7. 密封电芯以防止电解液泄漏，并避免空气和湿气进入。 
    

调节阶段

在此阶段中，电芯外观已经与电池接近，但并未激活。通过化成过程激活电芯，使其能够存储和释放电能。 

在化成过程中，电芯会经历充电和放电循环。在充电过程中，电解液与电极材料发生反应，锂离子从阴极移动至阳极，形成SEI（固体电解质相界面）层。SEI层可防止电解液分解，同时仍允许锂离子通过。在每个化成循环完成后，都需清除电芯内部因化学反应产生的有害气体。电芯在受控环境中老化并稳定，然后再进行下一个化成过程。 

每个电池制造商采用的流程和周期都大不相同，并以不同的技术重复进行。整个阶段对于电芯的正常运行和使用寿命至关重要。其中的挑战在于该过程会耗费数天时间；通常在此过程完成前，无法确认SEI层的质量。 

电池包组装

电池包组装是将单个电芯组装成完整电池包的过程。务必分类电芯、组装和互连模组，并安装电池管理系统(Battery Management System, BMS)，然后才能放置在最终外壳中。BMS是监测和控制电池包性能的关键组件。BMS可跟踪电压、电流、温度和充电状态等参数。还可根据需要对电池进行调整，以保持最佳性能和安全性。

^{图1：电池模组}

1. 根据容量和内阻对电芯进行分类。为实现最佳性能和使用寿命，电池包中的电芯应具有相似的性能特征。电芯变化太大可能导致充电和放电不平衡，从而使电池包的性能随着时间的推移而降低。
2. 电芯通过物理排列组成模组，并以串联和并联的组合方式连接，以实现所需的电压和容量。通过在电芯或模组的接线端进行导线粘接、导电条焊接或使用导线连接来获得多个模组。具体结构取决于使用电池包的设备或车辆的要求。 
3. 将模组和BMS放置在箱或外壳中。外壳可保护组件免受物理损坏，有助于管理热量并提供电气绝缘。

验证工程师使用多种测试来验证电芯质量和性能的各个方面。每个测试的目标、优点和缺点各不相同。有关这些测试的详细信息，请参阅​抢占先机：EV生产中的电芯质量测试。

根据应用和架构的不同，电动汽车的电池包可包含数百乃至数千个电芯。麦肯锡预计目前全球电池生产商的产能仅能达到2030年目标所需产能的10%。优质电池的可用性和量产对于帮助汽车行业保持发展节奏并满足其预期需求至关重要。 

^{图2：电池包}

多数人认为质量测试与安全和性能密不可分，这无疑至关重要，但电芯质量对于扩大生产规模、响应客户需求以及在满足监管要求的同时关注盈亏也同样重要。

及早发现缺陷

电芯生产过程中的每个步骤都至关重要，而且十分耗时，可能需要数周时间。顶级生产商必须避免仅在生产线最后进行测试。必须在整个制造过程中纳入测试，以便及早发现缺陷，并且更精准地找到缺陷。

及早发现缺陷可以提高原材料使用效率、减少返工、改进电池性能，并最终提高产量。

例如，电极制造是生产过程的起点。在此过程中可能会引入多种缺陷，如干燥过快导致涂层破裂、涂层未均匀覆盖电极、电极箔片出现褶皱和裂纹等。在此阶段，强大的检测流程对于发现缺陷至关重要，可避免将昂贵的原材料投入存在潜在缺陷或不合格的产品中。

后续生产过程中可能会出现隔膜和电极对齐不佳、电芯组装过程中出现枝晶和连接错误，或者在化成过程中产生不均匀SEI层。所有这些缺陷都可能导致电芯性能下降、加速老化或内部短路，从而引发热事件。 

及早发现缺陷，从测试左移开始。将测试融入产品设计不仅能提高速度、改进质量，还能带来额外好处。高德纳公司(Gartner)研究表明，在新产品开发(New Product Development, NPD)阶段早期，高度关注产品质量的组织所获得的回报比不关注的组织高出20%。 

数字化工程和虚拟验证等工具为质量管理提供了强大推动力。设计工程师通过对原型和实验设计进行严格的测试，可评估设计缺陷、可制造性和改进机会。迭代方法可优化产品和技术，确保其最佳性能和可靠性。 

采用超级自动化

在电池实验室进行广泛的测试并非难事，但将其扩展至大批量生产环境中则是一项新挑战。与传统的生产挑战相比，快速增长的产量、较长的测试时间以及生产线的实际占地面积使电芯测试具有独特的复杂性。 

如需在整个电池生产环境中集成更多测试，自动化是绝对必要的。这是最简洁、可靠的方法，可确保严格控制、降低测试结果中的噪声，并在提高行驶速度的同时改进缺陷检测。这种一致性对于满足审计和监管要求也至关重要。 

超级自动化通过人工智能、机器学习、机器人流程自动化(Robotic Process Automation, RPA)和其他数字工具等先进技术，将这些优势提升到了全新水平。通过强调集成不同系统、工具和数据源，以实现整个工作流程的无缝自动化。当您希望扩大生产规模、管理成本和提高质量时，超级自动化一定在您的测试策略中占有一席之地。 

利用数据

整个电芯生产线会收集数千个测试和测量节点。测试数据统一有助于工程师更好地了解电池的系统、质量和性能。通过将生产数据反馈给验证方和产品设计方，可最大限度地提高数据的价值，从而改进产品并优化制造流程。 

随着技术的迅猛发展，行业对如何使用先进测量和算法可靠地检测缺陷的理解也在不断加深。人工智能和机器学习可帮助检测当前人类理解但仍无法确定的异常情况。生产商通过智能分析识别趋势，可更好地了解电芯内部状况，避免引入缺陷并提高电池性能。

电动汽车制造商、电池制造商和OEM一直面临着加速生产需求，但同时又不能牺牲精确度、可重复性和可追溯性的压力。在业界竞相实现这一目标之时，NI充分利用在测试、测量、数据采集、信号调理和模块化硬件方面的数十年经验，设计出可应对新挑战的新一代电池测试解决方案。 

^{图3：电芯验证实验室}

这些解决方案旨在面向未来、可按客户需求进行扩展，并推动价值增长。NI提供了种类繁多的接口和软件，以轻松捕获、标准化、管理和分析测试数据，从而满足整个组织的广泛需求。 

NI解决方案处于电芯测试系统技术的最前沿。这些经过优化的集成式硬件和软件解决方案可用于构建自动化测试系统和高级分析，同时减少实际占用空间。这种方法不受时间或空间限制，可在整个生产线上进行全面测试。模块化PXI平台可简化工作流程并最大程度提高灵活性。

硬件

NI EV电芯和模组生产测试系统基于PXI平台。 模块化系统将所有仪器和功能整合到一个集中的计算系统中，同时PXI模块涵盖了各种专业I/O和仪器。您可凭借这种灵活性，在单个机箱中实现高密度测量（ACIR、OCV、HPCD、泄漏和EIS等）。PXI平台还支持同时和多路混合输入，为生产商提供最大程度的灵活性，以平衡成本和产量。 

PXI结构紧凑，性能卓越，有助于用户在不牺牲宝贵生产空间的情况下扩大测试覆盖率。用户可无缝插入和编排各种仪器。模块化设计还简化了校准和维护活动，例如更换仪器。这种基于平台的系统与封闭式解决方案形成鲜明对比，后者会对供应商产生依赖。该系统还消除了具有复杂接口和集成的定制系统所带来的成本和时间限制。此外，由于NI仪器由软件定义，因此您无需更换硬件即可轻松更改参数并满足不断变化的要求，例如ACIR和EIS测试的测试频率和电流大小。

• 源测量单元(Source Measure Units, SMU)为ACIR、EIS和焊接完整性测试提供可重复且精确的测量和电流源。经过优化的SMU可通过自动化测试系统和并行测试功能加速测试执行。 
• 数字万用表(Digital Multimeters, DMM)专为自动化测试和测量而设计，可为OCV和焊接完整性测试提供快速、精确的电压测量。NI DMM获取高分辨率测量结果的速度是传统DMM的36倍，从而提高了吞吐量和灵活性。
• NI多路复用器非常适合需要将测量或信号生成仪器连接至被测设备上的各种测试点的应用，从而以更小的占用空间实现最大的覆盖范围。这些高速设备利用PXI平台固有的定时和同步功能与其他仪器进行通信。
• 您还可以添加示波器和各种输入和输出接口等其他仪器，以构建具有多核处理器和低延迟通信的混合信号测试系统。 

软件

NI统一的软件工具链可为定义、执行和监控测试提供帮助。高级分析功能由来自整个生产线的统一数据管道提供支持。NI软件具有强大的开箱即用功能，并且可轻松进行自定义。 

NI提供了全面的软件产品组合，可助您提高工作效率并应对更大挑战。以下是一些旨在简化和管理电芯质量测试流程、数据和设备的NI软件程序。

• SystemLink™软件与集中式数据管道相结合，为设备管理和测试编排提供中央基础架构。快速数据收集、分析和报告有助于深入了解测试和测量数据，从而发现机会、加速决策并最大限度地提高吞吐量。
• TestStand可帮助测试工程师开发、调试和部署测试系统，同时全面了解测试过程和结果。该软件可实现测试自动化并加速执行并行测试、扫描、循环和同步等复杂任务。
• LabVIEW是用于快速开发自动化测试和测量系统的图形化编程环境。具有可配置的交互式显示元素和自定义分析功能，并支持访问驱动程序，以便与生产线中的其他仪器连接。LabVIEW可缩短开发时间、减少停机时间并提高代码复用率。 
• Switch Executive提供交互式配置和自动布线功能，简化了多路复用器和开关系统的设计和管理。这些功能可降低每个系统的成本，同时不会影响测试仪的吞吐量。

NI软件解决方案旨在促进开放和创新。测试工程师可以自由进行自定义以满足业务需求。无论是创建自定义仪表板、利用开源数据库，还是编程专有协议和算法，NI都不会让您因为限制而减慢生产线速度。 

在许多情况下，竞争对手/产品无法实现软件自定义。如此一来，您必须依靠供应商才能实现自定义需求，这会使您面临专有协议、创新时间和客户交付风险。测试工程师无需咨询NI即可借助NI软件实现自定义。 

数据分析 

增加测试覆盖率和加快测试执行的价值取决于监控、管理和分析数据的能力。NI的硬件和软件解决方案经过集成和开发，可在统一语言环境中协调工作，因此您的数据可创造更多价值，超越其“通过”或“失败”的初始目标要求。 

智能互联测试系统使生产商能够提高良率并最大限度地减少质量问题。将来自一个电芯的见解与来自整个生产车间的见解相结合。在电池的整个生命周期中持续测试可监控测试结果是否突然恶化，从而可以立即进行调查，并推动深入研究以采取行动。

顶级制造商正在收集整个制造过程中的测试数据，并使用人工智能和机器学习来识别趋势。这种建模正成为每个制造商优化工艺和配方并最终生产更优质电芯的秘诀。因为生产商希望通过这些专有模型使测试成为其竞争优势，NI解决方案则是实现超级自动化的重要助力。

电动汽车和可再生能源技术的发展扩大了对更高效、有效电芯生产的需求，但电池生产本身并非易事。只有借助颠覆行业的解决方案，才能在提高电池产量的同时优化成本、质量和性能。 

NI不断努力满足这些需求，并提供解决方案以适应和定义行业不断变化的需求。这些先进的测量系统使制造商能够了解电芯的内部状况，并推动必要的改进，以满足全局需求。 

NI致力于走在测试系统技术的前沿，帮助客户实现目标与雄心勃勃的工程设计。让我们携手合作，在这个竞争激烈且快速发展的市场中将测试转化为战略优势。 

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