​電池單元品質測試：讓測試成為競爭優勢

不了解電池生產流程，就很難討論電池單元測試。電池單元生產流程必須經過許多步驟，涉及不同技術和領域，例如化學化合物混合、機械組裝、材料層壓、焊接等等。其中每個步驟都會大幅影響電池成品的品質。總而言之，生產流程可以概分為以下幾大領域：製造電極、組裝電池單元、調節階段以及組裝電池組。

製造電極

所謂製造電極，就是指以原物料製造電池的基本元件。這個流程首先要混合漿料，接著將漿料塗在金屬箔片上，再切割鍍膜箔片，以利後續作業。這些鍍膜箔片會成為陽極和陰極，也就是電池的正負極。

漿料由活性物質、溶劑與黏合劑混合而成，在電極中用於儲存電荷。漿料配方取決於電池的化學性質與電極類型 (陽極或陰極)。混合漿料決定電池單元的效能等級。以精準的塗佈過程將漿料塗佈在金屬薄片上。接著必須等塗層乾燥，讓溶劑蒸發，箔片上只剩活性物質。箔片尺寸影響電池的架構與規格。 

塗佈與乾燥過程中，必須監控多項變數。漿料的黏稠度、塗佈速度及箔片張力都會影響塗層厚度與均勻度。乾燥過程中必須嚴格控制溫度和濕度。乾燥的箔片要經過壓延成形 (Calendaring) 這道程序，在過程中以滾筒壓平。壓延成形能提升一致性、減少電極的整體厚度，也能消除瑕疵。接下來要將電極片預切割成易於整理的形狀，便於組裝電池單元。 

組裝電池單元

電池單元組裝作業必須在嚴格控制的環境中進行，避免濕氣、灰塵粒子、熱膨脹以及材料收縮等因素造成電極劣化。電極經過切割、堆疊、封裝和密封等程序之後，即可組裝成電池單元。

1. 在切割過程中，會依據電池的最終規格 (如圓柱形、袋形和方形)，將電極切割成適當的形狀。 
2. 陽極電極和陰極電極之間是疊在一起的，中間以隔離膜隔開。這個流程會依據電池單元架構採用不同的技術。無論何種情況，層與層之間的對齊程度均十分重要，一定要能確實避免陽極和陰極彼此接觸，否則會造成短路。 
3. 具導電性質的金屬薄片稱為「極耳」，以焊接方式固定於陽極和陰極。極耳的作用是連接電極與外部電路。 
4. 接下來就要依據電池的規格，以預製成形的封裝材料組裝電池單元。 
5. 組裝好的電池單元裡會充填電解液，其作用是充放電時輔助鋰離子在陽極和陰極之間移動。充填過程必須做到絕對精準。一旦出錯或污染，就有可能導致電池效能劣化，甚至會出現安全疑慮。 
6. 電池單元充填好電解液之後要靜置一段時間，這個步驟稱為浸潤 (Soaking)。浸潤過程可以讓電解液充分浸透電極材料，確實避免電池單元內出現氣泡。 
7. 接下來要密封電池單元，避免電解液漏液，同時也避免空氣和濕氣進入。 
    

化成階段

到了這個階段，電池單元的外觀已經成形，但還沒有活化。要活化電池單元，讓電池單元能夠儲電和放電，就要經過「化成」(Forming) 這道程序。 

在化成期間，電池單元會不斷循環充放電。充電時，電解液會與電極材料起反應，且鋰離子會從陰極移動到陽極，形成固態電解質相間薄膜 (Solid Electrolyte Interphase, SEI) 層。SEI 層會防止電解液分解，同時讓鋰離子能夠通過。每次化成週期之後，電池單元會進入去除有害氣體的流程，這種氣體是電池單元內部起化學反應所產生的。接下來一直到進入下一次的化成流程之前，電池單元就會在控制環境中老化並穩定。 

不同電池單元製造商所採行的流程和週期有相當大的差異，而且他們會運用不同的技術重複這些流程和週期。整個階段之於電池單元的正常運作與使用壽命都相當重要。棘手之處在於這個階段耗時數天；若是在過去，甚至得等到整個流程結束才會知道 SEI 層是否正常。 

組裝電池組

電池組組裝包括將獨立的電池單元組裝成整個電池組的流程。必須先將電池單元分類好，將模組組裝並連接起來，裝妥電池管理系統 (BMS)，最後才能放入電池殼中。BMS 是監控電池組效能的重要元件。BMS 會追蹤電壓、電流、溫度和充電狀態等參數，同時也能依據需要調整，以利維持最佳效能與安全性。

^{圖 1：電池模組}

1. 電池單元的分類依據是電量和內部電阻。電池組內應使用效能特性相似的電池單元，才能達到最佳效能與使用壽命。倘若電池單元差異過大，可能會在充放電時造成失衡，久而久之就會導致電池組效能劣化。
2. 電池單元排列形成模組，並採串聯電路和並聯電路組合連接，達到理想的電壓與電量。連接多個模組的方式可以是打線接合 (Wire Bonding)，也可以是將導電片或導電線焊在電池單元或模組的端子上。其結構取決於使用該電池組之裝置或車輛有何需求。 
3. 模組與 BMS 都在電池殼中。電池殼能發揮保護作用，避免元件損壞，有助於管理熱能，而且能發揮電氣絕緣功能。

驗證工程師會運用多種測試檢驗電池單元品質與效能等各個層面。每項測試的目標及優缺點各不相同。如欲進一步了解這些測試，請參閱​​預先充電：電動車生產過程中的電池單元品質測試。

視用途和架構而定，一個電動車電池組可能包含數百或數千顆電池單元。McKinsey 估算資料指出，全球電池生產商產能僅達到 2030 年目標所需產能的 10%。開發及生產品質更好的電池，是協助汽車業維持正常運作並因應其預測需求的重要關鍵。 

^{圖 2：電池組}

大多數人都認為品質測試與安全性與效能息息相關，這一點確實無庸置疑，但就擴大生產規模、因應客戶要求、遵守監管規定以及留意淨利等各個層面而言，電池單元品質也是相當關鍵的要素。

及早檢測出瑕疵

電池單元生產作業中的每一個步驟都很重要，整個過程可能得經歷數個星期才會結束。頂尖製造商絕對不能只在最後階段進行測試。整個製程當中都要進行測試，才能盡早發現瑕疵並找出原因。

盡早檢測出瑕疵有助於提高原物料使用效率、降低重做機率、提升電池效能，最終目標則是提升產能。

舉例來說，製造電極的時間點會在生產流程的早期階段。在這個階段中，有可能會出現多種瑕疵，例如乾燥過程速度太快導致塗層出現裂痕、塗層沒有均勻包覆電極、電極箔片起皺且碎裂等等。這個階段的檢驗流程非常重要，有助於在投入昂貴的原物料卻製造出容易故障或不合標準的產品之前，及早檢測出瑕疵。

後續生產流程中可能會發生隔離膜與電極不對齊的問題，組裝電池單元期間可能會出現樹枝狀結晶 (Dendrite) 和連接錯誤，又或化成期間可能會出現 SEI 層不平整等問題。這類瑕疵全都有可能導致效能劣化、加速老化或造成內部短路，進而引發熱故障。 

要及早檢測出瑕疵，首先要將測試時程往前移 (Shift Left)。產品設計結合測試作業不但能提高速度和品質，也能帶來其他好處。Gartner 的研究指出，若組織在新產品開發 (NPD) 早期階段就高度重視產品品質，能夠達到的投資報酬率會比其他不具備這類觀念的組織高出 20%。 

數位工程與虛擬確效這類工具能發揮相當大的助益。原型製作與實驗設計必須經過嚴苛的測試，設計工程師才能夠據以評估設計缺陷、製造可行性以及改善空間。不斷改版的做法能讓產品和技術更臻完美，確保效能和穩定性都能達到最高水準。 

整合超自動化

在電池實驗室中進行大規模測試是一回事，而擴大運用於大量生產環境又是截然不同的挑戰。由於產量迅速成長、測試時間冗長，加上產線非常佔空間，相較於生產方面固有的挑戰，實體電池單元測試作業只會越來越複雜。 

要在整個電池生產環境中整合更多測試作業，自動化絕對有其必要性。這是最簡單、最穩定的方法，可以確保嚴謹控制，盡可能避免測試結果出現異常，還能提高瑕疵檢測的準度和速度。保持這樣的一致性，在遵守稽核與監管規定方面也是相當重要的。 

在 AI、ML、機器人流程自動化 (RPA) 與其他數位工具等高等技術的加持之下，超自動化作業 (Hyper-automation) 讓這些優勢發展出更高的境界。超自動化作業著重於整合離散的系統、工具和資料來源，在整個工作流程中進行流暢的自動化作業。倘若您想要擴大生產規模、管理成本以及提升品質，您所採用的測試策略必定少不了超自動化。 

善用資料

整個電池單元生產線集結了數千個測試與量測節點。統一的測試資料能讓工程師深入了解電池系統、品質與效能。只要將生產資料回饋應用於檢驗與產品設計，就能充分發揮資料的價值，進而提升產品品質與製程。 

科技發展日新月異，我們也要加快腳步，進一步瞭解如何運用先進的量測技術和演算法可靠地檢測出瑕疵。AI 和 ML 有助於檢測出人類現階段知識水準仍理解不來的異常問題。只要運用智慧分析結果找出趨勢，製造商就能進一步瞭解電池單元內部運作機制，不但能避免出現瑕疵，也能提升電池效能。

電動車、電池製造商與 OEM 都不斷承受著壓力，必須在不犧牲精確度、可重複性和可追溯性的前提下加快生產速度。在業界競相達成目標的同時，NI 也運用在測試、量測、資料擷取、訊號處理與模組化硬體等領域深根數十年的經驗，設計出新一代的電池測試解決方案，以利因應新的挑戰。 

^{圖 3：電池單元確效實驗室}

這些解決方案的設計理念是要符合未來需求、依照客戶需求而擴充，以及要創造價值。這些解決方案有相當多的介面和軟體，能輕鬆擷取、標準化、管理與分析測試資料，NI 也因此而能夠因應組織內部的各種需求。 

NI 解決方案引領電池單元測試系統技術的發展方向。這些整合式軟硬體解決方案經過最佳化處理，適用於建構自動化測試系統與進階分析，而且所需空間更小。善用這種方法就能在整個產線進行完整的測試，不需受制於時間和空間。模組化的 PXI 平台能簡化工作流程並發揮最大的彈性。

硬體

NI 電動車電池單元與模組生產測試系統的基礎是 PXI 平台。 這是一個模組化系統，能將所有儀器和功能整合在一套中央運算系統中，而 PXI 模組則適用於各式各樣的 I/O 與儀器。這套系統能發揮如此大的彈性，因此，您可以很輕鬆地使用單一機箱進行高密度的量測作業 (ACIR、OCV、HPCD、漏電、EIS 等等)。PXI 平台也支援混合同步輸入和多工輸入，讓生產商能得到最大的彈性，在成本與產量之間找到最完美的平衡點。 

PXI 體積輕巧、效能優異，能支援使用者在不犧牲寶貴生產空間的前提下擴大測試範圍。使用者可以流暢無礙地連接並搭配運用各式各樣的儀器。模組化設計也能簡化校準與維護作業 (如更換儀器)。封閉式解決方案非常挑廠商，這樣的平台系統則有天壤之別。此外，相較於介面和整合功能都十分複雜的客製化系統，不論是就成本或時間而言，採用這樣的平台系統都更加游刃有餘。此外，NI 的儀器是軟體定義儀器，因此不需更換硬體就能輕鬆變更參數及修改不斷改變的需求，例如 ACIR 與 EIS 測試的測試頻率和電流。

• 電源量測單元 (SMU) 提供精準且可重複的量測與電流源極，適用於 ACIR、EIS 與焊接完整性測試。SMU 經過最佳化處理，能運用自動化測試系統與平行測試功能加快測試執行速度。 
• 多功能數位電錶 (DMM) 專為自動化測試與量測而打造，能針對 OCV 與焊接完整性測試執行快速且精確的電壓量測。NI 的 DMM 擷取高解析度量測資料的速度，比傳統 DMM 快 36 倍，因此能提高產能與彈性。
• NI 的多工器適用於需要將量測儀或訊號產生儀連接至受測裝置 (UUT) 上多個測試點的用途，所需空間更小，卻能發揮最大的測試範圍。這些高速裝置使用 PXI 平台固有的時序與同步化功能與其他儀器通訊。
• 還能另外增加示波器和各類輸入/輸出介面，打造出使用多核處理器且具低潛時通訊特性的混合訊號測試系統。 

軟體

NI 的統一軟體工具鏈能協助您定義、執行及監控測試作業。進階分析功能採用整個生產線通用的統一資料流程。NI 軟體具備現成可用的功能，而且很容易就能進行自訂。 

NI 提供完整的軟體產品組合，能協助您提高生產力並克服最艱鉅的挑戰。以下介紹幾款能簡化並管理電池單元品質測試流程、資料以及資產的 NI 軟體程式。

• SystemLink™ 軟體是結合資產管理與測試編排的中央基礎架構，並且採用集中式資料流程。快速的資料收集、分析與報表製作功能可以加速測試與量測資料的深入分析，協助您發掘機會、加快決策速度，並且將產能提到最高。
• TestStand 提供完整的測試流程與結果透明資訊，可以協助測試工程師開發、除錯及部署測試系統。TestStand 能自動處理並加速處理複雜的作業，例如平行測試、掃頻、迴圈以及同步處理。
• LabVIEW 是圖形化程式設計環境，能迅速開發自動化測試與量測系統。這項工具採用可設定的互動式顯示元件，有自訂分析功能，而且支援使用驅動程式與生產線中的其他儀器互通。LabVIEW 能縮短開發時間、減少停機時間，並且能夠提高程式碼重複使用率。 
• Switch Executive 提供互動式設定與自動路由功能，有助於輕鬆設計與管理多工器與切換器系統。這些功能可以降低每個系統的成本，而且不會影響測試機的產能。

NI 的軟體解決方案是為了提升開放性與創新能力而設計的。測試工程師可以配合業務需求靈活自訂。不論是建立自訂控制介面、利用開放原始碼資料庫或程式設計適當的協定與演算法，NI 都不會因為受到限制而拖慢生產線的速度。 

在許多情況下，競爭對手不會提供軟體客製功能。倘若競爭對手提供軟體客製功能，您就得將客製權限交給他們，由他們進行客製，如此一來，您的專用協定、創新時程以及履約交貨時間都容易出現風險。若採用 NI 軟體，測試工程師根本不需諮詢 NI 就能進行客製化。 

資料分析 

擴大測試範圍和加快測試速度，就像監控、管理以及分析資料的能力一樣重要。NI 硬體與軟體解決方案的整合與開發皆以能以同一種語言和諧運作為宗旨，因此，您可以運用資料創造出更大的價值，讓資料不再只是測試「通過」或「未通過」的指標。 

智慧型連線測試系統能支援生產商提升良率、盡可能避免品質問題。您可以將一顆電池單元的深入分析結果與整個廠房的所有分析結果結合起來。在電池的整個生命週期中持續進行測試，有助於了解測試結果是否突然變差，利於立即進行調查，並且能夠依據深入分析決定後續行動。

頂尖製造商都在收集整個製程的測試資料，並且運用 AI 和 ML 找出趨勢。這種建模方式已經成為各家製造商最佳化製程和配方、最終生產出更優質電池單元的秘訣。生產商都希望能運用這些專利模型將測試變成競爭優勢，而 NI 的解決方案則是推動超自動化作業的一大助力。

電動車和可再生能源技術的發展帶動了提高電池單元生產效率與電池單元生產成效的需求，但生產電池本就並非易事。唯有善用能改變一切的解決方案，才能提高電池產量並改善成本、品質以及效能。 

NI 的解決方案能因應並定義業界不斷變化的需求，進而滿足各方面的需求。這些進階量測系統能協助製造商了解電池單元內部運作機製，並且推動因應全球需求不可或缺的改良行動。 

NI 致力於站在測試系統技術的第一線，協助客戶達成目標並放膽設計。歡迎與我們合作，一起將測試扭轉成策略優勢，在這個競爭激烈且瞬息萬變的市場上旗開得勝。 

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