作者：Luis Orozco and Wenshuai Liao

鋰離子電池廣泛用于筆記本電腦和手機(jī)等便攜式設(shè)備，但由于其存儲(chǔ)容量低于5安培小時(shí)（Ah），對(duì)制造效率的擔(dān)憂已退居制造成本的次要地位。同時(shí)，車輛中使用的電池具有更高的總?cè)萘浚ǔ閿?shù)百安培。這是通過數(shù)千個(gè)小型電池或一些高容量電池實(shí)現(xiàn)的。在這種情況下，功率效率與制造過程中的測(cè)試成本一起變得尤為重要。具有諷刺意味的是，這些環(huán)保車輛使用以浪費(fèi)大量能源的方式制造的電池。

鋰離子電池制造概要

圖1顯示了鋰離子電池制造工藝的概述。生產(chǎn)線末端調(diào)節(jié)步驟的化成和測(cè)試是工藝瓶頸，對(duì)電池壽命、質(zhì)量和成本的影響最大。

圖1.鋰離子電池制造工藝。

化成可能需要數(shù)小時(shí)，具體取決于電池化學(xué)成分。在化成過程中使用0.1 C（C是電池容量）電流是非常典型的，完整的充電和放電周期需要長達(dá)20小時(shí)，占電池總成本的20%至30%。

電氣測(cè)試可以使用 1 C 的電流進(jìn)行充電，0.5 C 的電流進(jìn)行放電，但每個(gè)周期仍然需要大約三個(gè)小時(shí)。典型的測(cè)試序列需要多個(gè)周期。

化成和電氣測(cè)試具有嚴(yán)格的精度規(guī)范，在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，電流和電壓控制在優(yōu)于±0.05%。相比之下，在便攜式設(shè)備中為電池充電時(shí)，電壓精度為±0.5%，電流精度為±10%。

汽車電池制造面臨的兩個(gè)主要挑戰(zhàn)是成本和功率效率。應(yīng)從材料到制造和維護(hù)的全過程控制成本。充電過程中還必須保持高效率，如果可能，應(yīng)在放電過程中回收能量。

化成和測(cè)試系統(tǒng)拓?fù)?/p>

設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常使用線性穩(wěn)壓器來輕松滿足便攜式設(shè)備中使用的電池化成和測(cè)試的精度要求，同時(shí)犧牲效率。在較大的電池上，這種方法會(huì)導(dǎo)致熱管理方面的挑戰(zhàn)，并且由于溫度漂移而降低效率。

電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車中使用的大量電池都必須很好地匹配，對(duì)精度提出了更嚴(yán)格的要求，使開關(guān)拓?fù)涑蔀橐粋€(gè)非常有吸引力的選擇。表1顯示了不同電池類別在功率容量和終端功能方面的比較。

圖2所示為采用ADI公司新型集成芯片組AD8450和ADP1972構(gòu)建的單通道系統(tǒng)。兩個(gè)獨(dú)立的電路板使系統(tǒng)能夠輕松配置不同的功率級(jí)。

圖2.圍繞AD8450和ADP1972構(gòu)建的單通道系統(tǒng)。

AD8450測(cè)量和調(diào)理環(huán)路中的電壓和電流信號(hào)。ADP1972是一款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)生器之間的接口由低阻抗模擬信號(hào)組成，這些信號(hào)不會(huì)受到抖動(dòng)的影響，從而導(dǎo)致數(shù)字環(huán)路出現(xiàn)問題。CC（恒流）和CV（恒壓）環(huán)路的輸出決定了ADP1972的占空比，ADP1972通過ADuM7223驅(qū)動(dòng)MOSFET功率級(jí)。當(dāng)模式從充電變?yōu)榉烹姇r(shí)，AD8450內(nèi)部測(cè)量電池電流的儀表放大器的極性反轉(zhuǎn)。CC和CV放大器內(nèi)部的開關(guān)選擇正確的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，ADP1972將其PWM輸出更改為升壓模式。整個(gè)功能通過單個(gè)引腳和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯進(jìn)行控制。

在此實(shí)現(xiàn)中，AD7173-8高分辨率ADC監(jiān)控系統(tǒng)，但它不是控制環(huán)路的一部分。掃描速率與控制環(huán)路性能無關(guān)，因此單個(gè)ADC可以測(cè)量多通道系統(tǒng)中大量通道上的電流和電壓。DAC也是如此，因此AD5689R等低成本DAC可以控制多個(gè)通道。此外，單個(gè)處理器只需要設(shè)置CV和CC設(shè)定點(diǎn)、工作模式和內(nèi)務(wù)管理功能，因此它可以與多個(gè)通道接口，而不會(huì)成為控制環(huán)路性能的瓶頸。

配置有 4 V 電池和 20 A 最大電流的系統(tǒng)在 25°C ±10°C 范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 90% 的效率，典型精度為 90 ppm，電壓環(huán)路為 51 ppm。CC 到 CV 的轉(zhuǎn)換無毛刺，并在 500 毫秒內(nèi)發(fā)生。從1 A到20 A的電流斜坡需要不到150 ms。 這些規(guī)格是車輛電池制造和測(cè)試的理想選擇。

圖3顯示了CC放電模式下10 A和20 A下的效率。完整的測(cè)試結(jié)果可直接從ADI獲得。

圖3.經(jīng)測(cè)試的系統(tǒng)電源效率。

降低電池成本

降低電池成本的挑戰(zhàn)需要解決整個(gè)制造過程。這里描述的系統(tǒng)可以在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)低成本的電池化成和測(cè)試系統(tǒng)。更高的精度允許更短和更少的校準(zhǔn)周期，從而延長正常運(yùn)行時(shí)間。此外，由于開關(guān)頻率較高，設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，電力電子元件更小，也有助于降低系統(tǒng)成本。通道也可以組合在一起，以最小的努力輸出更高的電流。這種方法還可以通過在模擬域中執(zhí)行所有控制來最大限度地降低軟件開發(fā)成本，從而消除了對(duì)復(fù)雜算法的需求。最后，能源回收與高系統(tǒng)效率相結(jié)合，大大降低了持續(xù)運(yùn)營成本。

能源回收

許多現(xiàn)有系統(tǒng)將其電池放電到阻性負(fù)載中。一些客戶將這種能量用于建筑供暖，或者只是將熱空氣排放到室外。雖然這是最簡(jiǎn)單的電池放電方法，但當(dāng)必須對(duì)大量電池進(jìn)行充電/放電循環(huán)時(shí)，成本會(huì)迅速增加。我們提出的系統(tǒng)具有很高的單通道效率，但其真正的價(jià)值在于它能夠以最小的額外復(fù)雜性從放電電池中回收能量。

圍繞AD8450和ADP1972構(gòu)建的系統(tǒng)無需將電池放電至阻性負(fù)載，而是可以控制電池電壓和電流，同時(shí)將該能量推回公共總線，其他電池組可以在充電周期中使用。

每個(gè)電池通道可以處于充電模式，從直流母線汲取能量，也可以處于放電模式，將能量推回直流母線。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)包括一個(gè)單向交流/直流電源，它只能將電流從交流電源源入直流母線，如圖4所示。這意味著必須仔細(xì)平衡系統(tǒng)，以確保來自 AC/DC 電源的凈電流始終為正。將更多的能量推入直流母線，而不是充電通道消耗的能量會(huì)導(dǎo)致母線電壓增加，可能會(huì)損壞某些組件。

圖4.具有電池間能量回收的電池測(cè)試系統(tǒng)。

如圖5所示，雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器通過將能量推回交流電網(wǎng)來解決這一挑戰(zhàn)。在這種情況下，可以先將所有通道設(shè)置為充電模式，然后設(shè)置為放電模式，將電流返回到電網(wǎng)。這需要更復(fù)雜的AC/DC轉(zhuǎn)換器，但為系統(tǒng)配置提供了額外的靈活性，并且無需仔細(xì)平衡充電和放電電流以確保來自電源的凈正電流。

圖5.具有交流電源能量回收的電池測(cè)試系統(tǒng)。

具有能源回收效率

為了進(jìn)一步說明能量回收的好處，請(qǐng)考慮一組 3.2 V、15 Ah 電池。這些電池可以存儲(chǔ)大約 48 瓦時(shí)。要為完全耗盡的電池充電，假設(shè)充電效率為 90%，系統(tǒng)必須為每個(gè)電池提供大約 53.3 W-hr 的能量。在放電模式下，系統(tǒng)將消除 48 W-hr，要么將能量轉(zhuǎn)換為電阻器中的熱量，要么將其回收回總線。如果沒有回收，則為兩個(gè)電池充電大約需要 107 W-hr。但是，如果一個(gè)系統(tǒng)（如上所示的示例）可以以 90% 的效率回收能量，則第一個(gè)電池的 43.2 W-hr 現(xiàn)在可用于為第二個(gè)電池充電。如前所述，系統(tǒng)可以以 90% 的效率充電，因此再次需要 53.3 W-hr，但 43.2 W-hr 來自放電電池，因此我們只需要提供額外的 10.1 W-hr，總所需能量為 63.4 W-hr。這樣可以節(jié)省超過 40% 的能源。在實(shí)際制造環(huán)境中，數(shù)百個(gè)電池在制造過程中被放置在不同的托盤中，因此這不會(huì)通過將每個(gè)托盤設(shè)置為一組處于充電或放電模式來增加總制造時(shí)間。

結(jié)論

開關(guān)電源為現(xiàn)代可充電電池制造提供了高性能、高性價(jià)比的解決方案。AD8450和ADP1972簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)精度優(yōu)于0.02%，能效高于90%，能量回收能力強(qiáng)，有助于解決可充電電池制造瓶頸問題。它使混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車從制造過程開始環(huán)保。

審核編輯：郭婷