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電子元件

高功效比電池化成

  2020年02月18日  

摘要
       ADI公司提供基于單硅芯片的電池化成控制系統綜合解決方案 AD8452。憑借準確的化成工藝性能,可優化每個電池的化成時間。高效的能量回收特性能夠明顯節省大規模電池制造的能耗。

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,生產成本問題比生產效率更為重要。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。如果這些環保汽車使用的電池卻是以浪費大量能源的方式生產出來的,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利用。很多現有系統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歷充放電循環時,成本就會快速增加。我們所提議的系統具有高單通道效率,但其真正的價值在于,這種系統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格,電流和電壓控制在額定溫度范圍的±0.02%以內。分級過程會使電池的電化學性能穩定下來。根據這一階段記錄的數據,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達到一致。測量和控制精度將決定數據記錄的質量,因此對整個電池電力系統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。這不僅有助于遵守環保政策,還可以節省大規模電池制造的成本。隨著如今電動汽車應用的興起,大規模電池制造日益普及。
 
圖2.圍繞AD8452構建的單通道系統。
        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。內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路與PWM控制電路相互配合,以實現可能最優化的充放電操作。由此實現的高性能可以減輕系統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拓撲
        設計工程師經常使用線性調節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。這個單芯片解決方案使系統能夠輕松配置不同的功率級。AD8452的模擬前端測量并調理環路中的電壓和電流信號。它還具有一個內置PWM發生器,可配置為降壓或升壓模式。模擬控制器和PWM發生器之間的接口由不受抖動影響的低阻抗模擬信號構成;而抖動會使數字環路產生問題。恒流(CC)和恒壓(CV)環路的輸出決定了PWM發生器的占空比,并通過ADuM7223驅動MOSFET功率級。模式從充電變為放電后,測量電池電流的AD8452內部儀表放大器的極性反轉。在CC和CV放大器內部切換可選擇正確的補償網絡,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字邏輯控制。在此方案中,AD7173-8 高分辨率ADC用于監測系統,但它不屬于控制環路的一部分。掃描速率與控制環路性能無關,因此在多通道系統中,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接口,而不會成為控制環路性能的瓶頸。配置為4 V電池和20 A最大電流的系統可實現高于90%的效率以及超過25°C±10°C時的90 ppm典型精度(電流環路)和51 ppm典型精度(電壓環路)。CC至CV的轉換是無毛刺的并且時間在500 μs以內。從1 A至20 A的電流斜坡需要的時間不到150 mS。根據具體配置,這個數值可以更小。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。本文描述的系統可降低電池化成和測試系統成本,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,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成本。這個方案還可以把通道并聯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,無需開發復雜的算法,因而該方法還可最大程度降低軟件開發成本。最后,能量回收功能,加上超高的系統效率,有利于大幅降低持續運營成本。

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,將能量推回直流總線。最簡單的系統包括一個單向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中的系統所示。這意味著,系統必須保持精確平衡,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。
        雙向AC-DC轉換器通過將電能推回交流電網解決了上述難題,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。這就要求復雜性更高的AC-DC轉換器,但在系統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。

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,如果一個系統能以90%的效率回收能量,那么第一個電池的43.2 Wh現已能夠為第二個電池充電。如前所述,系統充電效率為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.能量節省了40%。在實際生產環境中,不同的卷盤在整個生產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時間。

結論
        開關電源可為現代可充電電池的制造提供高性能、高性價比解決方案。AD8452可以簡化系統設計,系統精度優于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相比,可以節省超過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過程開始就環保友好。

標簽:單硅芯片 AD8452 電池化成控制系統我要反饋
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