高功效比電池化成

作者：Seraph Hu???ADI公司營銷工程師

摘要

ADI公司提供基于單硅芯片的電池化成控制系統(tǒng)綜合解決方案?AD8452。憑借準(zhǔn)確的化成工藝性能，可優(yōu)化每個(gè)電池的化成時(shí)間。高效的能量回收特性能夠明顯節(jié)省大規(guī)模電池制造的能耗。

簡介

如圖1所示，鋰離子(Li-Ion)制造是一個(gè)很漫長的過程。前三個(gè)階段準(zhǔn)備必要的材料（電極、電解質(zhì)、分離器等），并將它們組裝成電池。最后一個(gè)階段激活電池，使電池能夠執(zhí)行電氣功能。這個(gè)激活過程稱之為電池化成。這種分級(jí)過程可以確保電池的一致性。低存儲(chǔ)容量（低于5 A）鋰離子電池被廣泛用于各種便攜式設(shè)備，例如筆記本電腦和手機(jī)。對(duì)這些電池而言，生產(chǎn)成本問題比生產(chǎn)效率更為重要。同時(shí)，汽車蓄電池的總?cè)萘縿t要高得多，一般都是幾百安培，這是通過上千個(gè)小型電池單元或幾個(gè)高容量電池來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于這種類型的應(yīng)用，電池的一致性更為重要，因此分級(jí)過程（提高電池的一致性）至關(guān)重要。與此同時(shí)，作為電池制造過程中化成成本的一部分，功率效率變得尤為重要。如果這些環(huán)保汽車使用的電池卻是以浪費(fèi)大量能源的方式生產(chǎn)出來的，那將是極大的諷刺。

目前可以使用集成精密模擬前端和降壓-升壓PWM控制器的單硅芯片來實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量、更高效的電池化成/分級(jí)過程。此解決方案的精度優(yōu)于0.02%，功效比高于90%。此外，在電池化成和分級(jí)期間，釋放的能量可以被其他電池制造流程循環(huán)利用。很多現(xiàn)有系統(tǒng)會(huì)將電池放電至阻性負(fù)載。有些客戶將此能量用作樓宇供暖或直接把熱空氣排出至室外。盡管將電池放電至阻性負(fù)載是最簡單的電池放電方式，但是當(dāng)大量電池需要經(jīng)歷充放電循環(huán)時(shí)，成本就會(huì)快速增加。我們所提議的系統(tǒng)具有高單通道效率，但其真正的價(jià)值在于，這種系統(tǒng)只需增加少量復(fù)雜性，即可收回電池放電時(shí)釋放的能量。這種架構(gòu)可以節(jié)省超過40%的能量。

簡言之，基于AD8452的單芯片解決方案使電池化成/分級(jí)過程具備以下特性：

• 降低電池成本
• 能量回收利用
• 高功效比
• 高測(cè)試精度

鋰離子電池制造概述

圖1顯示鋰離子電池制造過程。下線調(diào)理步驟中的電池化成和測(cè)試不僅是工藝瓶頸，還會(huì)對(duì)電池壽命、品質(zhì)和成本產(chǎn)生極大影響。

電池化成是對(duì)電池進(jìn)行初始充放電操作的過程。在這個(gè)階段，將在電極上，主要是在陽極上形成特殊的電化學(xué)固體電解質(zhì)界面層(SEI)。這個(gè)界面層對(duì)許多不同的因素都很敏感，在電池的整個(gè)使用壽命期間對(duì)電池的性能有很大的影響。根據(jù)電池的化學(xué)性質(zhì)，電池化成可能需要許多天。在化成時(shí)使用0.1 C（C表示電池容量）電流是很典型的做法，需花費(fèi)20小時(shí)完成完整的充放電周期，占總電池成本的20%至30%

圖1.鋰離子電池制造過程。

電氣測(cè)試可使用1 C電流充電、0.5 C電流放電，但每個(gè)周期依然需要花大約三小時(shí)。典型的測(cè)試序列要求執(zhí)行多個(gè)周期。電池化成/分級(jí)和其他電氣測(cè)試具有嚴(yán)格的精度規(guī)格，電流和電壓控制在額定溫度范圍的±0.02%以內(nèi)。分級(jí)過程會(huì)使電池的電化學(xué)性能穩(wěn)定下來。根據(jù)這一階段記錄的數(shù)據(jù)，具有相似電化學(xué)行為的電池將被分到一個(gè)模塊和/或電池組。通過這種方式，最大限度使電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到一致。測(cè)量和控制精度將決定數(shù)據(jù)記錄的質(zhì)量，因此對(duì)整個(gè)電池電力系統(tǒng)的性能有著不可忽視的影響。

汽車電池制造面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是功效比。效率在充電時(shí)也必須保持在較高水平，并且如果可能的話應(yīng)當(dāng)在放電時(shí)進(jìn)行能源的再循環(huán)。這不僅有助于遵守環(huán)保政策，還可以節(jié)省大規(guī)模電池制造的成本。隨著如今電動(dòng)汽車應(yīng)用的興起，大規(guī)模電池制造日益普及。

圖2.圍繞AD8452構(gòu)建的單通道系統(tǒng)。

此單硅芯片解決方案將精密模擬前端和降壓-升壓PWM控制器集成在一個(gè)封裝中，以解決上述挑戰(zhàn)。內(nèi)部薄膜匹配電阻幫助確保準(zhǔn)確可靠的電流信號(hào)傳感。精心設(shè)計(jì)的模擬控制環(huán)路與PWM控制電路相互配合，以實(shí)現(xiàn)可能最優(yōu)化的充放電操作。由此實(shí)現(xiàn)的高性能可以減輕系統(tǒng)定期校準(zhǔn)和維護(hù)的工作強(qiáng)度，獲得高功率轉(zhuǎn)換和回收效率。這兩者都有助于控制從材料到制造和維護(hù)的整個(gè)過程的成本。

電池化成和測(cè)試系統(tǒng)拓?fù)?/span>

設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常使用線性調(diào)節(jié)器來輕松滿足便攜式設(shè)備中電池化成和測(cè)試的精度要求，但會(huì)犧牲效率。對(duì)于大型電池而言，這種做法會(huì)導(dǎo)致熱管理難題，并且效率會(huì)隨著溫度漂移而下降。

混合動(dòng)力汽車中使用的大量電池都必須完美匹配，這便提出了更為嚴(yán)格的精度要求，使得開關(guān)拓?fù)涑蔀闃O具吸引力的選擇。表1顯示各類電池單元的功率容量和最終功能對(duì)比。

表1.線性和開關(guān)系統(tǒng)對(duì)比

圖2顯示的是采用ADI最新的集成式硅芯片AD8452構(gòu)建的單通道系統(tǒng)。這個(gè)單芯片解決方案使系統(tǒng)能夠輕松配置不同的功率級(jí)。AD8452的模擬前端測(cè)量并調(diào)理環(huán)路中的電壓和電流信號(hào)。它還具有一個(gè)內(nèi)置PWM發(fā)生器，可配置為降壓或升壓模式。模擬控制器和PWM發(fā)生器之間的接口由不受抖動(dòng)影響的低阻抗模擬信號(hào)構(gòu)成；而抖動(dòng)會(huì)使數(shù)字環(huán)路產(chǎn)生問題。恒流(CC)和恒壓(CV)環(huán)路的輸出決定了PWM發(fā)生器的占空比，并通過ADuM7223驅(qū)動(dòng)MOSFET功率級(jí)。模式從充電變?yōu)榉烹姾?，測(cè)量電池電流的AD8452內(nèi)部儀表放大器的極性反轉(zhuǎn)。在CC和CV放大器內(nèi)部切換可選擇正確的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，并且AD8452將其PWM輸出改為升壓模式。整個(gè)功能通過單引腳利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯控制。在此方案中，AD7173-8?高分辨率ADC用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但它不屬于控制環(huán)路的一部分。掃描速率與控制環(huán)路性能無關(guān)，因此在多通道系統(tǒng)中，單個(gè)ADC可測(cè)量大量通道上的電流和電壓。DAC也是如此，因而可以使用低成本DAC（比如AD5689R?）來控制多個(gè)通道。此外，單個(gè)處理器只需設(shè)置CV和CC設(shè)定點(diǎn)、工作模式和管理功能，因此它能與很多通道實(shí)現(xiàn)接口，而不會(huì)成為控制環(huán)路性能的瓶頸。配置為4 V電池和20 A最大電流的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高于90%的效率以及超過25°C±10°C時(shí)的90 ppm典型精度（電流環(huán)路）和51 ppm典型精度（電壓環(huán)路）。CC至CV的轉(zhuǎn)換是無毛刺的并且時(shí)間在500 μs以內(nèi)。從1 A至20 A的電流斜坡需要的時(shí)間不到150 mS。根據(jù)具體配置，這個(gè)數(shù)值可以更小。用戶需要做出一些權(quán)衡，例如，在斜坡時(shí)間和低電流性能之間權(quán)衡，以決定所需的斜坡速度。這些規(guī)格對(duì)于汽車電池制造和測(cè)試而言是十分理想的。圖3顯示了CC放電模式下的效率，以10 A和20 A為例。ADI直接提供完整的測(cè)試結(jié)果。

圖3.系統(tǒng)功效比測(cè)試結(jié)果。

降低電池成本

降低電池成本的難點(diǎn)在于它涉及整個(gè)制造過程。本文描述的系統(tǒng)可降低電池化成和測(cè)試系統(tǒng)成本，而無需犧牲性能。更高的精度可以減少校準(zhǔn)周期時(shí)間和次數(shù)，進(jìn)一步增加正常運(yùn)行時(shí)間。另外，更高的開關(guān)頻率簡化了設(shè)計(jì)并使用小體積的電子元件，所以能進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。這個(gè)方案還可以把通道并聯(lián)使用以輸出更大的電流，且操作非常簡便。所有控制操作均可在模擬域中完成，無需開發(fā)復(fù)雜的算法，因而該方法還可最大程度降低軟件開發(fā)成本。最后，能量回收功能，加上超高的系統(tǒng)效率，有利于大幅降低持續(xù)運(yùn)營成本。

能量回收利用

與電池放電至阻性負(fù)載的架構(gòu)相比，基于AD8452構(gòu)建的系統(tǒng)可以控制電池電壓和電流，同時(shí)，把這些能量“推”回公共總線中，這樣，其他電池組就可以在充電循環(huán)中使用這些電能。每個(gè)電池通道都可能處于充電模式，從直流總線吸收能量，或者處于放電狀態(tài)，將能量推回直流總線。最簡單的系統(tǒng)包括一個(gè)單向AC/DC電源，該電源只能把電流從交流市電拉進(jìn)直流總線，如圖4中的系統(tǒng)所示。這意味著，系統(tǒng)必須保持精確平衡，確保來自AC/DC電源的凈電流始終為正。如果推進(jìn)直流總線的電能超過充電通道消耗的電流，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致總線電壓增加，有可能損壞部分組件。

圖4.帶電池芯間能量回收功能的電池測(cè)試系統(tǒng)。

雙向AC-DC轉(zhuǎn)換器通過將電能推回交流電網(wǎng)解決了上述難題，如圖5所示。在這種情況下，可以先將所有通道設(shè)為充電模式，然后設(shè)為放電模式，把電流推回電網(wǎng)。這就要求復(fù)雜性更高的AC-DC轉(zhuǎn)換器，但在系統(tǒng)配置方面具有更大的靈活性，并且不需要精確平衡充電電流和放電電流，即可確保來自電源的電流為正。

圖5.帶交流市電能量回收功能的電池測(cè)試系統(tǒng)。

支持能量回收的效率

為了進(jìn)一步展示能量回收的好處，請(qǐng)考慮包含兩個(gè)3.2 V、15 A電池的電池組。這些電池可以儲(chǔ)存大約48wh的電量。若要對(duì)一個(gè)電量完全耗盡的電池充電，假定充電效率為90%，則系統(tǒng)必須向每個(gè)電池提供大約53.3 Wh的能量。在放電模式下，系統(tǒng)將減少48 Wh來覆蓋電阻中轉(zhuǎn)換為熱量的電能，或者將其回收至總線。如果不經(jīng)過回收，那么大致需要107 Wh來對(duì)兩個(gè)電池充電。然而，如果一個(gè)系統(tǒng)能以90%的效率回收能量，那么第一個(gè)電池的43.2 Wh現(xiàn)已能夠?yàn)榈诙€(gè)電池充電。如前所述，系統(tǒng)充電效率為90%，因此它將再次需要53.3 Wh，但其中43.2 Wh來自放電電池，因此我們只需提供其余10.1 Wh，即所需總能量為63.4 Wh.能量節(jié)省了40%。在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，不同的卷盤在整個(gè)生產(chǎn)過程中放置著上百個(gè)電池，因此將每個(gè)卷盤設(shè)為一組充電或放電模式不會(huì)增加總生產(chǎn)時(shí)間。

結(jié)論

開關(guān)電源可為現(xiàn)代可充電電池的制造提供高性能、高性價(jià)比解決方案。AD8452可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)精度優(yōu)于0.02%，能效比高于90%，并且支持能量回收功能，與那些浪費(fèi)放電電能，而不重復(fù)用于為其他電池充電的系統(tǒng)相比，可以節(jié)省超過40%以上的能源，有助于解決可充電電池制造瓶頸問題，并且讓混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車從生產(chǎn)過程開始就環(huán)保友好。

作者簡介

Seraph Hu畢業(yè)于伯明翰城市大學(xué)，獲得電子工程學(xué)士學(xué)位，后在倫敦帝國理工學(xué)院獲得集成電路設(shè)計(jì)碩士學(xué)位。他于2011年加入ADI，成為一名專注于精確DAC的應(yīng)用工程師。Seraph曾擔(dān)任中國技術(shù)業(yè)務(wù)開發(fā)工程師，之后從事該地區(qū)的儀器儀表業(yè)務(wù)營銷工作。他目前對(duì)電池測(cè)試領(lǐng)域非常感興趣，但他也有興趣探索未來的手機(jī)測(cè)試應(yīng)用。聯(lián)系方式：seraph.hu@analog.com。