2024年10月30-31日，NE时代主办深圳科晶协办的“2024第四届xEV电池技术论坛暨第二届固态电池技术产业大会”，在上海嘉定召开。
会上，来自于泰克科技半导体资深行业专家叶昊生，分享了主题《从电芯到模块，从电芯片到整机——泰克测试方案》。
叶昊生主要是从电学角度，来做电芯以及电池测试的剖析。
电芯电流、电压、内阻测试范围全覆盖
首先，叶昊生给大家介绍了下Keithley。这家企业是泰克旗下的公司，有几十年的历史，跟泰克差不多，大概七八十年的历史，它服务了非常多的像诺贝尔获得者这样的科学家们。Keithley有几个核心的竞争力。
对电池来说的，无外乎电压、电流、电阻三个电学常量。其他的所有的东西都是通过三个电学常量来进行推广得到的。
大家在平常的生活，或者工作中可能见到的电流最小可能是在毫安级别，像比如手机的待机等等这些在毫安级别。那实际上在有一些材料的测试里面，它可能会到纳安级别去。
那还有一些，像最近非常火的幽灵粒子、中微子，这种像比如说秦山某某核电站，一些非常微小粒子捕获所用的就是泰克的设备。Keithley测到的最小电流是可以到多少呢？
可以到aA级别，就是毫安（mA）、微安（μA）、纳安（nA）、皮安（pA）。
电压方面，Keithley最小的电压分辨率是可以做到pV级别去。
Keithley的电阻最大的电阻可以做到10 pΩ，就是K、M、G、T、P。
那最小的电阻可以做到多少呢？可以做到1nΩ。
在绝缘的时候会用得到小电阻，在做一些连接线的时候会用得到。不论你是涉及到的电压、电流、电阻，Keithley都能够完美的覆盖。
从电芯到模块，到pack，整个这样一个过程，前边的所有跟pack是没有任何关系。
从第二行开始注液完毕之后到化成这一块，很多时候会需要充放电机。充放电机的话，Keithley也有。同时，很多有一些充放电机会涉及到一些国产的，做了自己开发的电源。但是这种电源的话，因为本身它不具有自我校准的功能，所以他会配备一个六个半的万用表，然后来对它进行一个自我校准。
化成完毕之后，要去对它分容。分容最关键一点是进行OCV的检测，对它整体来进行判断。
当电芯全部做完分容老化，最后到全检、OCV检测、IR检测、内阻检测，所有这些都是需要去做的
。同时在所有的包装入库完毕之后，再进行一个模组或者说pack的封装的时候，再来第一件事，要去吹离子风，然后去来进行静电的消除，最后再来进行配组筛选。
这些的话都离不开OCV、DCR或者说ACR的检测。
所有这些基本上泰克都有，Keithley都有。
再往里面来看一下，作为OCV检测来说，很多的环节在电芯的很多的生产环节里面，都需要对它进行开路电压的检测。而开路电压的检测的精准检测，采用的是自己PFC上面的采样芯片去做。还有一部分的厂家，会选用像Keithley的这种六位半、七位半的这种万用表，来进行非常精准的这种电压的监测。
因为在做这种测试的时候，可以在很多的厂房里面看到，在做电芯的这样生产的时候，周围电磁环境非常复杂，里面涉及到大功率的电源，涉及到大功率的负载，同时还有很多的一些像电机这种运动装置。而这些运动装置最终会产生非常复杂的EMI的干扰。
而EMI的干扰在很多的场景下进行电芯测试的时候，因为国内很多企业在做自动化设备开发的时候，它的走线非常不规范。它的high线和low线是并排走，那这个时候的话，就相当于是两个非常大的电容，或者说两个非常大的开放天线，它会耦合所有的EMI的信号，最终就会导致OCV检测时，毫伏级别甚至是微伏级别的偏差抖动会非常巨大。
甚至是一旦有过载行为，就会产生损害的脉冲，会导致电压出现突变。那这种突变就有可能会导致电芯测试产生偏差值，它的δv的值就会偏大，超出容线范围，会把它判断为NG，有可能这个东西只是因为旁边的干扰，在做的时候会有很多的一些像比如说滤波，还有一些外部滤波，这种Keithley都会有。
Keithley帮很多的电池厂家都做了这种设计。Keithley设计有两种设备，一个是六位半，一个是七位半，简单来说就是测更精准。
比如说在做分容的时候，或者说K值计算的时候，如果多一位的有效显示位，那就意味着可以节约更多的时间。同时的话我的K值的计算将会更准确。
上面的那个就是七位半的，它稳定的位数和下面这个稳定位数明显要多差一位，好处就是在做化成分容的时候，可以节约更多的时间，用更少的时间来进行化成分容。
另外，就是现在很多的一些厂家开始在电芯的测试里面普及DCIR。原来可能用像比如说EK，或者说更高频率的这种ACI的测试。但是ACI的测试的话可能不是那么接近于电池的真实工况。所以越来越多的科学家研究发现，DCI或者Keithley的这个原表，就可以帮助大家来进行这种DCIR的检测，定性的检测在实验室里面完成。当然检测，很多时候实验室里面会用到非常高精准的设备。
产线上可能是用充放电的方法来实现。再往下看的话，就是很多时候像有很多做激光器的企业，在焊Busbar的时候，或者急流排的时候，通常情况下要把很多电芯要并联、串联等焊接很多时候会有一些问题存在。
传统方法可能通过视觉的方法去检测。那现在可以有新的方法去做。当然这个方法并不是泰克提出来的，是当时特斯拉他们当时提出来，Keithley跟他们一起去合作做的。
首先，Keithley会利用非常大的电流。这个电流的话是纯粹的电流源，而不是用普通的电压源处于恒流模式来完成。因为这种电压源处于恒流模式，它会受负载的影响非常巨大。所以在这地方，Keithley采用的是主动电流源来做。
主动电流源会提供一个非常大的电流去做。那传统方法很多人会说，那这个电阻是不是用一个普通的万用表就可以了？大家可以看一下，普通的这种万用表，在做测试的时候，它的本身输出电流是非常微弱的。每一个量程下它的电流都是固定死的，没有办法去做自定义的这种修改，所以很多时候不适合产线上面去做这种Busbar的检测。
Keithley
现在做的方法就是，左边的话是产生一个标准的电流，产生一个恒流。比如说1A、2A、3A、5A、6A、7A、10A都可以。右边用一个高精度的万用表，比如说七位半的表来检测它的压降。在这地方就用到了卡尔文接线方法的变形，那为什么要用这种方法去做呢？主要的原因就是电流源它的输出电流随意可控，每一个的输出电流的精度是可预期的，而不会像电压源，会受负载的波动影响，会导致电流稳定度受影响。而电压表很高的精度来完成多Busbar的检测。
这个就是一个标准的连线方式图。其中会用到开关去切换不同的开关，利用高速的switch，然后它可以兼容非常高的这种共模电压。因为在做这种电芯检测的时候，如果在pack里面，它的共模电压会非常的大。因为它是串起来的。所以我在cell1和cell 2、cell 3一直到cell 26，它的本身差异的共模电压会比较大。那这个板子是可以支持这种高共模电压。这样就可以保证进行高共模电压的切换。因为输出电流的偏差非常小，大家可以看到完全输出的时候，它的正负偏差范围只有8mA。电压的测量的话，只有±0.9uV。
这样就可以保证在做测试时，无论是正向偏差还是反向偏差，都可以做到1.6个百分比。最终就能够保证测试的Busbar里面的焊接电阻一致性可以很精准的掌握。因为一旦Busbar里面电阻偏大了，那么这一块的发热量可能就会变得更大。
除了说刚才说到的OCV检测Busbar检测以外，在pack里面，通常在UL测试里面还会有一个Y电容的检测。Y电容检测的话是不准确的。因为这种方法，放在独立的这种分离器件测试是可以的。但是一旦把它放到电路里面去测，它会受周边电路的影响，最终导致的结果不准。
还有一种方法就就是利用到示波器的这种方法去做。示波器的方法主要目的就是为了通过检测它的Y电容的放电过程，然后利用内部的反推算法去算整体的Busbar电容。用这种方法可以准确的知道Y电容在真实状况下的放电速度到底是如何？
最终通过算法把它的速度数据还原出来，也是在很多的企业里面都有在使用的。
还有就是充电放电。在今年的时候，泰克刚刚收购了一家公司叫EA。泰克叫TEK，T就是泰克，E就是EA，K就是Keithley。EA是欧洲的一家德国的一家做电源的企业。它主要的应对的客户群体就是所有的欧洲汽车企业，以及欧洲汽车企业在中国国内的企业。
EA刚刚推出的一款产品叫BT20000系列。这个BT20000系列，BT两个字是battery test，就是电池测试系统。每通道它有两种型号，一种是单通道，一种双通道信号。单通道解决大电流的问题，例如去测一些像比如说模组大电流，就可以用这种单通道来解决。另一些，
像比如要进行高密度的这种测试，就可以用单台里面的多通道的方法来实现。并且每一个通道的电流它是可以做到600安培，并在一起可做到1800安培。
其实国内很多企业都在做，EA跟其他人有什么区别呢？
首先，作为BT20000系列来说的话，它的单通道或者双通道的这个电池测试系统，它是具有能量回收功能的，也就是说当它作为负载放电时，它不是传统的方法把它消耗掉，他是回馈到电网里面，它的回馈效率可以做到96%。
因为我去过电池厂，在做充电放电的时候，那个车间里面热的受不了。然后为了消除它的温度的问题，还会去装空调。这就是这种多级的一个耗能，会导致整体的能耗的升高，会导致整个工厂的能耗的增大，从而提高成本。
BT20000系列，它可以做到能量回收，它的效率达到96%。
另一个就是风冷型或者水冷型。在车间，在做充电放电的时候，那个声音就跟服务器的那个电源的声音一样非常吵。那其中很大的一部分原因就是风扇在转。因为它要散热。而EA新款的BT20000系列，保持着EA电源一贯的特点，就是风扇的声音极低。一旦它利用了水冷型之后，因为它是密闭式的水冷型，灰尘等这些都不会影响到电源。大家如果用过某些电源的话，大家会发现一旦电源使用的时间一长，落灰之后，灰尘进入这个电源系统里面去就有可能会导致短路。
就像在做电芯检测里面，微杂质的检测，其中用到了一些静电剂测量微米级这种小杂质的检测一样的道理，这个一旦有灰尘进去，也可能会导致它出现问题。所以在自散热、水冷上面下了极大的功夫，从而保证整个电源无故障使用时间。在产线上工厂无故障使用时间会非常高，远超同类。
另外，就是整个的电功率密度相对来说是非常高的。
整个单机如果用机台的方法对它进行并联，单台的系统级的即可做到1.92兆瓦。
从而可以帮助实现大功率电池的充电放电的测试，比如充放电机，也可以用它来做测试。
电源在工厂里面，要对它进行全自动化的控制。我有去一些企业里面，大家在聊电源控制的时候会发现，一个命令下发下去，可能要等200毫秒、300毫秒，电源才能够真正响应。现在时间就是金钱。一旦整个的响应时间提高，那就意味着整个测试的cycle时间就会变得更短一些，节约时间就会变得更长，整体效率就会变得更高。
对EA的BT系列，其接口有传统的USB、以太网、以及model bus，可以进行工厂mode bus程控。它的响应时间可以做到1毫秒。此外，它可以做到极高的上电速度。比如BMS里面的断路测试，用这个东西就可以很简单的来完成。
此外，EA产品并联方式多种多样。比如作为单台来用，左边这个的话三通道的可以利用三个通道直接并联形成一台设备，可以输出10V、1800A满量程。当然也可以把它拆开独立使用、独立控制。如果你觉得单台的功率已经不够了，还可以形成两台配合在一起，可以组合成通道，通道的并列，就是两台可以形成两台的三通道，它的功率又会double一下。
当然，这个地方一样可以全部并联，上面的并联，下面的并联，再把它们一起并联，都没有问题。所以它的整个的并联方式是多种多样的，它的功率输出形式也是多种多样的。
除此以外，整个BT20000系列还具有非常多安全的保护措施。一是，它是有一个主动控制高压测的这样一个接触器，也就是说它可以自己去控制高压接触，高压的开关的开路的导通，同时的话它还有具有预充电的作用。预充电，主要就是为了防止瞬间充电的时候电流过大，出现浪涌电流，击穿设备，导致几个结果，例如电芯烧了、BMS给烧了。因此，产品会有主动预充电，用一个小电流去对它进行pre charge的功能。同时具有一个动态安全感测，会通过sensor的方法去实时监测整体电压值。
像这种大电流输出时，排线的压降是不可忽略的，所以一定需要增加一个传感器去检测被测物两端真实电压情况到底是如何？压降到底是多少？像比如说三点几伏的电芯，到这一块可能只有一点几伏了，并不能完全达到充电的效果。所以感测就是保证终端能够得到设定的这样一个电压值。
同时，它还具有零电流关断。在大电流的时候，去关断有可能会产生拉弧等等这种不确定性的安全影响。泰克产品里面主动具有了零电流关断的功能，保证整个的这个关断过程安全可控。
在安全方面，还有防反接。在实验室里面，一些新毕业的大学生，在做电池测试的时候，有可能会把正反进行反接。泰克在电源里面已经加入安全防反，就算你反了也没关系，仪器会提示你，你现在的连接是反接的，不会烧坏仪器，不会损坏被测物。
此外，它本身自带了外部温度传感器。电池大电流充电放电的时候，它的温度一定会出现变化。传统方式，还得在旁边加一个万用表，然后加一个温度传感器。那现在的话，直接一台设备上面就可以自带。它本身的话可以提供一个18位DC的高速采集，从而进行电压、电流、温度的整个的这样一个数据的集成，方便做大数据模型的原始数据积累。
除了充电放电以外，它还可以内建电池仿真系统，可以自设它的内阻。还可以模拟出SOC，例如10%、20%、30%、50%的不同状态，去检测设备对于不同电池状态下的响应。这个设备是可以来充分模拟电池的不同特性。
它的全功率输出方面，相同功率的输出和相同功率的吸收，就既能输出又能吸收，也就是说它具有带载的这样功能，它是双向的圆。
很多测试BMS必须要用到的芯片。因为现在芯片国产化，那国内很多优秀的芯片厂家也开始在做。比如说一些驱动芯片。泰克有一整套的驱动芯片测试。像比如说时间相关性，现在做电池主动均衡的时候，需要去开路断路。那这时候就需要去判断不同的开关它的延迟时间。那示波器里面的软件，可以自动去帮你计算整个延迟时间。同时会帮你把脉冲的失真度全部算出来。还有像比如去控制芯片输出的这一端的信号完整性到底如何？
传统方法国内以前很多厂家用的传统方法都是右边的，国外的方法现在都开始采用这边的。为什么要用左边的这种方法呢？左边这种方法采用的是伪随机序列的方法，PRBS的伪随机序列。伪随机系列的好处是什么呢？就是它的码型非常的丰富，它模拟的信号的频率非常的丰富。通过这种非常丰富的频率的信号，就可以准确的知道这个信号经过被测试之后，到输出端，它对于不同频率的恶化效果到底如何？
可以通过这一张图，也是做接口类、驱动类的芯片，他们会越来越多关注信号完整性。因为做芯片以前做模拟芯片的，大家关注最多的就是电源完整性，但现在大家开始变了，都开始关注信号完整性了。像左边都是很老套的方法，都是通过一些非准确的测试方法去看，纯粹凭人肉眼的方法去看，这个准确性会极大的降低。
现在很多的一些芯片，在电池系统里面，pack里面用非常多的一些隔离的芯片。像英飞凌，像TI，像纳芯微等等这些。他们在做这种驱动芯片或者说模拟前端AFE的时候，很多时候它是隔离式的，它的隔离度的指标就显得尤为关键了。就算外部做的绝缘再好，如果芯片自己本身隔离度不够，一样是有问题的。
那怎么确定芯片的隔离度怎么样呢？那就一定要做CMTI的检测。而CMTI检测的话就需要用到CMTI的源，用到CMTI的专用探头，然后用到高带宽的示波器，去检测大电压高速变化的脉冲信号，进入到芯片之后，到输出端这一块最终的影响到底如何。可以通过这种方法能够完成。
这个就是电池的保护芯片，这是泰克某位合作伙伴在做的，其中就会用到泰克的原表来去模拟不同的电池工况，然后利用示波器来看看电池保护芯片，在不同工况的情况下，它正常的响应机制到底如何？电池仿真系统。
通过这个，就可以去验证BMS的一些AFE、电量计等等这些检测，具体的指标就不给大家看了，都是一些广告类的东西就不给大家看了。
还有就是现在越来越多的就是芯片失效性的问题。因为很多时候芯片是被封装起来的，陶瓷、塑料封装，肉眼是看不到里面内部结构的，所以泰克没有办法判断到底是哪个地方短路，哪个地方出现断路。所以需要通过专业的这种设备，像事项分析仪来进行实现。
中间这个这可能比我年纪还大的这样一款设备，当年是泰克跟索尼一起开发的。在我读大学的时候，这个用的非常多。现在很多国内的很多企业，优秀的企业都还在用这个设备。因为这个设备已经停产十多年了，已经买不到了。现在外面买到的基本上是二手、三手，甚至是34台拼一台，那后来为了解决这个问题，泰克就专门出了一款设备，用专门全新的3700来帮助大家做时效分析，详细就不给大家讲了。
第三代半导体非常火，400V系统转到800V系统。像800V系统里面，大家通常看到的就是碳化硅。碳化硅效果非常好，但是对于测试来说，挑战性非常多。不论是对上游的晶圆，还是对下游的供应链封装、应用等等，这些提出的挑战都是非常多的。
