【導讀】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。憑借準確的化成工藝性能，可優(yōu)化每個電池的化成時間。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)制造是一個很漫長的過程。前三個階段準備必要的材料（電極、電解質、分離器等），并將它們組裝成電池。最后一個階段激活電池，使電池能夠執(zhí)行電氣功能。這個激活過程稱之為電池化成。這種分級過程可以確保電池的一致性。低存儲容量（低于5 A）鋰離子電池被廣泛用于各種便攜式設備，例如筆記本電腦和手機。對這些電池而言，生產(chǎn)成本問題比生產(chǎn)效率更為重要。同時，汽車蓄電池的總容量則要高得多，一般都是幾百安培，這是通過上千個小型電池單元或幾個高容量電池來實現(xiàn)的。對于這種類型的應用，電池的一致性更為重要，因此分級過程（提高電池的一致性）至關重要。與此同時，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現(xiàn)更高質量、更高效的電池化成/分級過程。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)會將電池放電至阻性負載。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載是最簡單的電池放電方式，但是當大量電池需要經(jīng)歷充放電循環(huán)時，成本就會快速增加。我們所提議的系統(tǒng)具有高單通道效率，但其真正的價值在于，這種系統(tǒng)只需增加少量復雜性，即可收回電池放電時釋放的能量。這種架構可以節(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試不僅是工藝瓶頸，還會對電池壽命、品質和成本產(chǎn)生極大影響。
電池化成是對電池進行初始充放電操作的過程。在這個階段，將在電極上，主要是在陽極上形成特殊的電化學固體電解質界面層(SEI)。這個界面層對許多不同的因素都很敏感，在電池的整個使用壽命期間對電池的性能有很大的影響。根據(jù)電池的化學性質，電池化成可能需要許多天。在化成時使用0.1 C（C表示電池容量）電流是很典型的做法，需花費20小時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。
電氣測試可使用1 C電流充電、0.5 C電流放電，但每個周期依然需要花大約三小時。典型的測試序列要求執(zhí)行多個周期。電池化成/分級和其他電氣測試具有嚴格的精度規(guī)格，電流和電壓控制在額定溫度范圍的±0.02%以內(nèi)。分級過程會使電池的電化學性能穩(wěn)定下來。根據(jù)這一階段記錄的數(shù)據(jù)，具有相似電化學行為的電池將被分到一個模塊和/或電池組。通過這種方式，最大限度使電動汽車動力系統(tǒng)達到一致。測量和控制精度將決定數(shù)據(jù)記錄的質量，因此對整個電池電力系統(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挑戰(zhàn)是功效比。效率在充電時也必須保持在較高水平，并且如果可能的話應當在放電時進行能源的再循環(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。隨著如今電動汽車應用的興起，大規(guī)模電池制造日益普及。
圖2.圍繞AD8452構建的單通道系統(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確可靠的電流信號傳感。精心設計的模擬控制環(huán)路與PWM控制電路相互配合，以實現(xiàn)可能最優(yōu)化的充放電操作。由此實現(xiàn)的高性能可以減輕系統(tǒng)定期校準和維護的工作強度，獲得高功率轉換和回收效率。這兩者都有助于控制從材料到制造和維護的整個過程的成本。
電池化成和測試系統(tǒng)拓撲
設計工程師經(jīng)常使用線性調(diào)節(jié)器來輕松滿足便攜式設備中電池化成和測試的精度要求，但會犧牲效率。對于大型電池而言，這種做法會導致熱管理難題，并且效率會隨著溫度漂移而下降。
混合動力汽車中使用的大量電池都必須完美匹配，這便提出了更為嚴格的精度要求，使得開關拓撲成為極具吸引力的選擇。表1顯示各類電池單元的功率容量和最終功能對比。
表1.線性和開關系統(tǒng)對比
圖2顯示的是采用ADI最新的集成式硅芯片AD8452構建的單通道系統(tǒng)。這個單芯片解決方案使系統(tǒng)能夠輕松配置不同的功率級。AD8452的模擬前端測量并調(diào)理環(huán)路中的電壓和電流信號。它還具有一個內(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影響的低阻抗模擬信號構成；而抖動會使數(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驅動MOSFET功率級。模式從充電變?yōu)榉烹姾?，測量電池電流的AD8452內(nèi)部儀表放大器的極性反轉。在CC和CV放大器內(nèi)部切換可選擇正確的補償網(wǎng)絡，并且AD8452將其PWM輸出改為升壓模式。整個功能通過單引腳利用標準數(shù)字邏輯控制。在此方案中，AD7173-8 高分辨率ADC用于監(jiān)測系統(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，因此在多通道系統(tǒng)中，單個ADC可測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 ）來控制多個通道。此外，單個處理器只需設置CV和CC設定點、工作模式和管理功能，因此它能與很多通道實現(xiàn)接口，而不會成為控制環(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)可實現(xiàn)高于90%的效率以及超過25°C±10°C時的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的轉換是無毛刺的并且時間在500 µs以內(nèi)。從1 A至20 A的電流斜坡需要的時間不到150 mS。根據(jù)具體配置，這個數(shù)值可以更小。用戶需要做出一些權衡，例如，在斜坡時間和低電流性能之間權衡，以決定所需的斜坡速度。這些規(guī)格對于汽車電池制造和測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直接提供完整的測試結果。
圖3.系統(tǒng)功效比測試結果。
降低電池成本
降低電池成本的難點在于它涉及整個制造過程。本文描述的系統(tǒng)可降低電池化成和測試系統(tǒng)成本，而無需犧牲性能。更高的精度可以減少校準周期時間和次數(shù)，進一步增加正常運行時間。另外，更高的開關頻率簡化了設計并使用小體積的電子元件，所以能進一步降低系統(tǒng)成本。這個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)運營成本。
能量回收利用
與電池放電至阻性負載的架構相比，基于AD8452構建的系統(tǒng)可以控制電池電壓和電流，同時，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)包括一個單向AC/DC電源，該電源只能把電流從交流市電拉進直流總線，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。如果推進直流總線的電能超過充電通道消耗的電流，結果會導致總線電壓增加，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試系統(tǒng)。
雙向AC-DC轉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為充電模式，然后設為放電模式，把電流推回電網(wǎng)。這就要求復雜性更高的AC-DC轉換器，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試系統(tǒng)。
支持能量回收的效率
為了進一步展示能量回收的好處，請考慮包含兩個3.2 V、15 A電池的電池組。這些電池可以儲存大約48wh的電量。若要對一個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來對兩個電池充電。然而，如果一個系統(tǒng)能以90%的效率回收能量，那么第一個電池的43.2 Wh現(xiàn)已能夠為第二個電池充電。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%。在實際生產(chǎn)環(huán)境中，不同的卷盤在整個生產(chǎn)過程中放置著上百個電池，因此將每個卷盤設為一組充電或放電模式不會增加總生產(chǎn)時間。
結論
開關電源可為現(xiàn)代可充電電池的制造提供高性能、高性價比解決方案。AD8452可以簡化系統(tǒng)設計，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，與那些浪費放電電能，而不重復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，并且讓混合動力汽車和電動汽車從生產(chǎn)過程開始就環(huán)保友好。
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