ADI公司提供基于單個(gè)硅芯片AD8452的全面電池化成控制系統(tǒng)解決方案。憑借精確的化成工藝性能，可以?xún)?yōu)化每個(gè)電池單元的化成時(shí)間。高效的能量回收功能可為大規(guī)模電池制造節(jié)省大量能源。

介紹

鋰離子（Li-Ion）制造是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，如圖1所示。前三個(gè)階段準(zhǔn)備基本材料（電極、電解質(zhì)、隔膜等）并將它們組裝成電池形式。最后階段將激活電池并使電池能夠執(zhí)行其電氣功能。激活過(guò)程稱(chēng)為電池化成。分級(jí)過(guò)程可確保電池單元的一致性。小于5 A的低存儲(chǔ)容量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。對(duì)他們來(lái)說(shuō)，對(duì)制造效率的擔(dān)憂(yōu)已經(jīng)讓位于制造成本。同時(shí)，車(chē)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(guò)數(shù)千個(gè)小型電池或一些高容量電池實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于這種類(lèi)型的應(yīng)用，電池單元的一致性更為重要，因此分級(jí)過(guò)程（以提高電池的一致性）至關(guān)重要。同時(shí)，作為制造過(guò)程中電池化成成本的一部分，功率效率變得尤為重要。具有諷刺意味的是，這些環(huán)保車(chē)輛使用以浪費(fèi)大量能源的方式制造的電池。

圖1.鋰離子電池制造工藝。

使用包含精密模擬前端和降壓-升壓PWM控制器的單個(gè)硅芯片，可以進(jìn)行質(zhì)量更好，更高效的電池化成/分級(jí)過(guò)程。該解決方案提供優(yōu)于 0.02% 的精度和高于 90% 的電源效率。此外，在電池化成和分級(jí)過(guò)程中，放電的能量可以在其他電池的過(guò)程中回收利用。在許多現(xiàn)有系統(tǒng)中，它們的電池被放電到阻性負(fù)載中。一些客戶(hù)將這種能量用于建筑供暖或簡(jiǎn)單地將熱空氣排放到外部。雖然將電池放電到阻性負(fù)載是最簡(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。這種架構(gòu)可以節(jié)省超過(guò)40%的能源。

總之，基于AD8452的單芯片解決方案為電池化成/分級(jí)過(guò)程提供了以下特性：

降低電池成本

能源回收

高功率效率

測(cè)試精度高

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。電池化成和生產(chǎn)線末端調(diào)節(jié)步驟的測(cè)試是工藝瓶頸，對(duì)電池壽命、質(zhì)量和成本的影響最大。

電池化成是在電池單元上執(zhí)行初始充電/放電操作的過(guò)程。在此階段，將在電極上形成特殊的電化學(xué)固體電解質(zhì)界面（SEI），主要是在陽(yáng)極上。該層對(duì)許多不同的因素都很敏感，并在其使用壽命期間對(duì)電池性能產(chǎn)生重大影響。電池形成可能需要很多天，具體取決于電池化學(xué)成分。在化成過(guò)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(zhǎng)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。電池化成/分級(jí)和其他電氣測(cè)試可以具有嚴(yán)格的精度規(guī)格，在指定溫度范圍內(nèi)將電流和電壓控制在優(yōu)于±0.02%。分級(jí)過(guò)程將使電池的電化學(xué)性能穩(wěn)定下來(lái)。根據(jù)此階段記錄的數(shù)據(jù)，具有相似電化學(xué)行為的電池將被分組為模塊和/或包裝。通過(guò)這種方式，可以最大限度地提高電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的一致性。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)電池電源系統(tǒng)的性能具有不可忽視的影響。

汽車(chē)電池制造面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是電源效率。充電期間還必須保持高效率，如果可能，應(yīng)在放電過(guò)程中回收能量。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，由于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的增加，這種制造如今越來(lái)越普遍。

所提供的單硅解決方案在一個(gè)封裝中集成了精密模擬前端和降壓-升壓PWM控制器，以應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。內(nèi)部薄膜匹配電阻有助于確保準(zhǔn)確可靠的電流信號(hào)檢測(cè)。精心設(shè)計(jì)的模擬控制環(huán)路與PWM控制電路配合使用，可實(shí)現(xiàn)最佳質(zhì)量的充電/放電操作。由此產(chǎn)生的高性能減輕了系統(tǒng)的定期校準(zhǔn)和維護(hù)工作，具有很高的功率轉(zhuǎn)換和回收效率。兩者都有助于控制從材料到制造和維護(hù)的整個(gè)過(guò)程的成本。

電池化成和測(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(lái)輕松滿(mǎn)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(chē)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(kāi)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(lèi)別在功率容量和終端功能方面的比較。

圖2所示為采用ADI公司新型集成硅芯片AD8452構(gòu)建的單通道系統(tǒng)。這種單芯片解決方案允許系統(tǒng)輕松配置不同的功率級(jí)。AD8452的模擬前端部分測(cè)量和調(diào)理環(huán)路中的電壓和電流信號(hào)。它還具有一個(gè)內(nèi)置的PWM發(fā)生器，可配置為降壓或升壓模式操作。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(wèn)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，PWM發(fā)生器通過(guò)ADuM7223驅(qū)動(dòng)MOSFET功率級(jí)。當(dāng)模式從充電變?yōu)榉烹姇r(shí)，AD8452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(kāi)關(guān)選擇正確的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，AD8452將其PWM輸出更改為升壓模式。整個(gè)功能通過(guò)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(wú)關(guān)，因此單個(gè)ADC可以測(cè)量多通道系統(tǒng)中許多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 轉(zhuǎn)換無(wú)毛刺，在 500 μs 內(nèi)發(fā)生。從1 A到20 A的電流斜坡需要不到150 ms。根據(jù)配置，此數(shù)字可能會(huì)快得多。例如，用戶(hù)需要在斜坡時(shí)間和低電流性能之間進(jìn)行一些權(quán)衡，以確定他們希望斜坡的速度。這些規(guī)格是車(chē)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2.圍繞AD8452構(gòu)建的單通道系統(tǒng)。

圖3.系統(tǒng)電源效率測(cè)試結(jié)果。

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(guò)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)。精度的提高允許更短和更少的校準(zhǔn)周期，從而延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間。此外，由于開(kāi)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(guò)在模擬域中執(zhí)行所有控制來(lái)最大限度地降低軟件開(kāi)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)的運(yùn)營(yíng)成本。

能源回收

與將電池放電至阻性負(fù)載的架構(gòu)相比，圍繞AD8452構(gòu)建的系統(tǒng)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)單向交流到直流電源，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(lái)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(guò)將能量推回交流電網(wǎng)來(lái)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(wú)需仔細(xì)平衡充電和放電電流以確保來(lái)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(shuō)明能量回收的好處，請(qǐng)考慮一組兩個(gè)3.2 V、15 A電池。這些電池可以存儲(chǔ)大約 48 Wh。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 Wh 的能量。在放電模式下，系統(tǒng)將通過(guò)在電阻器中將能量轉(zhuǎn)換為熱量或?qū)⑵浠厥栈乜偩€來(lái)消除 48 Wh。如果沒(méi)有回收，則為兩個(gè)電池充電大約需要 107 Wh。但是，如果系統(tǒng)能夠以90%的效率回收能量，那么第一個(gè)電池的43.2 Wh現(xiàn)在可以為第二個(gè)電池充電。如前所述，系統(tǒng)可以以 90% 的效率充電，因此它再次需要 53.3 Wh，但 43.2 Wh 來(lái)自放電電池，因此我們只能提供額外的 10.1 Wh，總所需能量為 63.4 Wh。這樣可以節(jié)省超過(guò) 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(guò)程中被放置在不同的托盤(pán)中，因此這不會(huì)通過(guò)將每個(gè)托盤(pán)設(shè)置為一組處于充電或放電模式來(lái)增加總制造時(shí)間。

結(jié)論

開(kāi)關(guān)電源為現(xiàn)代可充電電池制造提供了高性能、高性?xún)r(jià)比的解決方案。AD8452簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)精度優(yōu)于0.02%，功率效率高于90%，能量回收能力優(yōu)于40%，與浪費(fèi)放電能量而不是重復(fù)使用它們?yōu)槠渌姵爻潆姷南到y(tǒng)相比，可節(jié)省40%以上的能源。它有助于解決可充電電池制造瓶頸問(wèn)題，并使混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)從制造過(guò)程開(kāi)始環(huán)保。

審核編輯：郭婷