簡介

 

如圖1所示，鋰離子(Li-Ion)製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）
，bingjiangtamenzuzhuangchengdianchi。zuihouyigejieduanjihuodianchi，shidianchinenggouzhixingdianqigongneng。zhegejihuoguochengchengzhiweidianchihuacheng。zhezhongfenjiguochengkeyiquebaodianchideyizhixing。dicunchurongliang（低於5 A）鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)被(bei)廣(guang)泛(fan)用(yong)於(yu)各(ge)種(zhong)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)
，例(li)如(ru)筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦(nao)和(he)手(shou)機(ji)。對(dui)這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)而(er)言(yan)，生(sheng)產(chan)成(cheng)本(ben)問(wen)題(ti)比(bi)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)。同(tong)時(shi)，汽(qi)車(che)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)總(zong)容(rong)量(liang)則(ze)要(yao)高(gao)得(de)多(duo)，一(yi)般(ban)都(dou)是(shi)幾(ji)百(bai)安(an)培(pei)
，這(zhe)是(shi)通(tong)過(guo)上(shang)千(qian)個(ge)小(xiao)型(xing)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)或(huo)幾(ji)個(ge)高(gao)容(rong)量(liang)電(dian)池(chi)來(lai)實(shi)現(xian)的(de)。對(dui)於(yu)這(zhe)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)應(ying)用(yong)，電(dian)池(chi)的(de)一(yi)致(zhi)性(xing)更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)
，因(yin)此(ci)分(fen)級(ji)過(guo)程(cheng)（提高電池的一致性）zhiguanzhongyao。yucitongshi，zuoweidianchizhizaoguochengzhonghuachengchengbendeyibufen，gonglvxiaolvbiandeyouweizhongyao。ruguozhexiehuanbaoqicheshiyongdedianchiqueshiyilangfeidaliangnengyuandefangshishengchanchulaide，najiangshijidadefengci。

 

目前可以使用集成精密模擬前端和降壓-升壓PWM控製器的單矽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於0.02%，功效比高於90%。ciwai
，zaidianchihuachenghefenjiqijian，shifangdenengliangkeyibeiqitadianchizhizaoliuchengxunhuanliyong。henduoxianyouxitonghuijiangdianchifangdianzhizuxingfuzai。youxiekehujiangcinengliangyongzuolouyugongnuanhuozhijiebarekongqipaichuzhishiwai。jinguanjiangdianchifangdianzhizuxingfuzaishizuijiandandedianchifangdianfangshi
，danshidangdaliangdianchixuyaojinglichongfangdianxunhuanshi，chengbenjiuhuikuaisuzengjia。womensuotiyidexitongjuyougaodantongdaoxiaolv，danqizhenzhengdejiazhizaiyu，zhezhongxitongzhixuzengjiashaoliangfuzaxing，jikeshouhuidianchifangdianshishifangdenengliang。zhezhongjiagoukeyijieshengchaoguo40%的能量。

 

簡言之
，基於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

 

鋰離子電池製造概述

 

圖1顯示鋰離子電池製造過程。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麵層(SEI)。這(zhe)個(ge)界(jie)麵(mian)層(ceng)對(dui)許(xu)多(duo)不(bu)同(tong)的(de)因(yin)素(su)都(dou)很(hen)敏(min)感(gan)，在(zai)電(dian)池(chi)的(de)整(zheng)個(ge)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)期(qi)間(jian)對(dui)電(dian)池(chi)的(de)性(xing)能(neng)有(you)很(hen)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。根(gen)據(ju)電(dian)池(chi)的(de)化(hua)學(xue)性(xing)質(zhi)，電(dian)池(chi)化(hua)成(cheng)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)許(xu)多(duo)天(tian)。在(zai)化(hua)成(cheng)時(shi)使(shi)用(yong)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.鋰離子電池製造過程。

 

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，電流和電壓控製在額定溫度範圍的±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huo電dian池chi組zu。通tong過guo這zhe種zhong方fang式shi，最zui大da限xian度du使shi電dian動dong汽qi車che動dong力li係xi統tong達da到dao一yi致zhi。測ce量liang和he控kong製zhi精jing度du將jiang決jue定ding數shu據ju記ji錄lu的de質zhi量liang，因yin此ci對dui整zheng個ge電dian池chi電dian力li係xi統tong的de性xing能neng有you著zhe不bu可ke忽hu視shi的de影ying響xiang。

 

汽(qi)車(che)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)麵(mian)臨(lin)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)功(gong)效(xiao)比(bi)。效(xiao)率(lv)在(zai)充(chong)電(dian)時(shi)也(ye)必(bi)須(xu)保(bao)持(chi)在(zai)較(jiao)高(gao)水(shui)平(ping)

，並(bing)且(qie)如(ru)果(guo)可(ke)能(neng)的(de)話(hua)應(ying)當(dang)在(zai)放(fang)電(dian)時(shi)進(jin)行(xing)能(neng)源(yuan)的(de)再(zai)循(xun)環(huan)。這(zhe)不(bu)僅(jin)有(you)助(zhu)於(yu)遵(zun)守(shou)環(huan)保(bao)政(zheng)策(ce)
，還(hai)可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)大(da)規(gui)模(mo)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)的(de)成(cheng)本(ben)。隨(sui)著(zhe)如(ru)今(jin)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)的(de)興(xing)起(qi)，大(da)規(gui)模(mo)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)日(ri)益(yi)普(pu)及(ji)。

 

圖2.圍繞AD8452構建的單通道係統。

 

此單矽芯片解決方案將精密模擬前端和降壓-升壓PWM控製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。精心設計的模擬控製環路與PWM控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)相(xiang)互(hu)配(pei)合(he)
，以(yi)實(shi)現(xian)可(ke)能(neng)最(zui)優(you)化(hua)的(de)充(chong)放(fang)電(dian)操(cao)作(zuo)。由(you)此(ci)實(shi)現(xian)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)可(ke)以(yi)減(jian)輕(qing)係(xi)統(tong)定(ding)期(qi)校(xiao)準(zhun)和(he)維(wei)護(hu)的(de)工(gong)作(zuo)強(qiang)度(du)，獲(huo)得(de)高(gao)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)和(he)回(hui)收(shou)效(xiao)率(lv)。這(zhe)兩(liang)者(zhe)都(dou)有(you)助(zhu)於(yu)控(kong)製(zhi)從(cong)材(cai)料(liao)到(dao)製(zhi)造(zao)和(he)維(wei)護(hu)的(de)整(zheng)個(ge)過(guo)程(cheng)的(de)成(cheng)本(ben)。

 

電池化成和測試係統拓撲

 

設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)經(jing)常(chang)使(shi)用(yong)線(xian)性(xing)調(tiao)節(jie)器(qi)來(lai)輕(qing)鬆(song)滿(man)足(zu)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)中(zhong)電(dian)池(chi)化(hua)成(cheng)和(he)測(ce)試(shi)的(de)精(jing)度(du)要(yao)求(qiu)，但(dan)會(hui)犧(xi)牲(sheng)效(xiao)率(lv)。對(dui)於(yu)大(da)型(xing)電(dian)池(chi)而(er)言(yan)，這(zhe)種(zhong)做(zuo)法(fa)會(hui)導(dao)致(zhi)熱(re)管(guan)理(li)難(nan)題(ti)
，並(bing)且(qie)效(xiao)率(lv)會(hui)隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)漂(piao)移(yi)而(er)下(xia)降(jiang)。

 

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.線性和開關係統對比

 

圖2顯示的是采用ADI最新的集成式矽芯片AD8452構建的單通道係統。這個單芯片解決方案使係統能夠輕鬆配置不同的功率級。AD8452的模擬前端測量並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。模擬控製器和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，並通過ADuM7223驅動MOSFET功率級。模式從充電變為放電後，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，並且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製。在此方案中
，AD7173-8 高分辨率ADC用於監測係統，但它不屬於控製環路的一部分。掃描速率與控製環路性能無關
，因此在多通道係統中，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 ）來控製多個通道。此外
，單個處理器隻需設置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

，而不會成為控製環路性能的瓶頸。配置為4 V電池和20 A最大電流的係統可實現高於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的轉換是無毛刺的並且時間在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(gen)據(ju)具(ju)體(ti)配(pei)置(zhi)，這(zhe)個(ge)數(shu)值(zhi)可(ke)以(yi)更(geng)小(xiao)。用(yong)戶(hu)需(xu)要(yao)做(zuo)出(chu)一(yi)些(xie)權(quan)衡(heng)，例(li)如(ru)
，在(zai)斜(xie)坡(po)時(shi)間(jian)和(he)低(di)電(dian)流(liu)性(xing)能(neng)之(zhi)間(jian)權(quan)衡(heng)，以(yi)決(jue)定(ding)所(suo)需(xu)的(de)斜(xie)坡(po)速(su)度(du)。這(zhe)些(xie)規(gui)格(ge)對(dui)於(yu)汽(qi)車(che)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)和(he)測(ce)試(shi)而(er)言(yan)是(shi)十(shi)分(fen)理(li)想(xiang)的(de)。圖(tu)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.係統功效比測試結果。

 

降低電池成本

 

jiangdidianchichengbendenandianzaiyutashejizhenggezhizaoguocheng。benwenmiaoshudexitongkejiangdidianchihuachengheceshixitongchengben
，erwuxuxishengxingneng。genggaodejingdukeyijianshaoxiaozhunzhouqishijianhecishu，jinyibuzengjiazhengchangyunxingshijian。lingwai
，genggaodekaiguanpinlvjianhualeshejibingshiyongxiaotijidedianziyuanjian，suoyinengjinyibujiangdixitongchengben。zhegefanganhaikeyibatongdaobinglianshiyongyishuchugengdadedianliu，qiecaozuofeichangjianbian。suoyoukongzhicaozuojunkezaimoniyuzhongwancheng，wuxukaifafuzadesuanfa，yinergaifangfahaikezuidachengdujiangdiruanjiankaifachengben。zuihou

，nenglianghuishougongneng，jiashangchaogaodexitongxiaolv
，youliyudafujiangdichixuyunyingchengben。

 

能量回收利用

 

與電池放電至阻性負載的架構相比
，基於AD8452構建的係統可以控製電池電壓和電流
，同時，把這些能量“推”huigonggongzongxianzhong，zheyang，qitadianchizujiukeyizaichongdianxunhuanzhongshiyongzhexiedianneng。meigedianchitongdaodoukenengchuyuchongdianmoshi，congzhiliuzongxianxishounengliang，huozhechuyufangdianzhuangtai，jiangnengliangtuihuizhiliuzongxian。zuijiandandexitongbaokuoyigedanxiangAC/DC電源，該電源隻能把電流從交流市電拉進直流總線，如圖4中的係統所示。這意味著，係統必須保持精確平衡
，確保來自AC/DC電源的淨電流始終為正。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係統。

 

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，然後設為放電模式，把電流推回電網。這就要求複雜性更高的AC-DC轉換器，但在係統配置方麵具有更大的靈活性，並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係統。

 

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%，則係統必須向每個電池提供大約53.3 Wh的能量。在放電模式下，係統將減少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
，那麼大致需要107 Wh來對兩個電池充電。然而
，如果一個係統能以90%的效率回收能量，那麼第一個電池的43.2 Wh現已能夠為第二個電池充電。如前所述，係統充電效率為90%，因此它將再次需要53.3 Wh，但其中43.2 Wh來自放電電池，因此我們隻需提供其餘10.1 Wh，即所需總能量為63.4 Wh.能量節省了40%。在(zai)實(shi)際(ji)生(sheng)產(chan)環(huan)境(jing)中(zhong)
，不(bu)同(tong)的(de)卷(juan)盤(pan)在(zai)整(zheng)個(ge)生(sheng)產(chan)過(guo)程(cheng)中(zhong)放(fang)置(zhi)著(zhe)上(shang)百(bai)個(ge)電(dian)池(chi)，因(yin)此(ci)將(jiang)每(mei)個(ge)卷(juan)盤(pan)設(she)為(wei)一(yi)組(zu)充(chong)電(dian)或(huo)放(fang)電(dian)模(mo)式(shi)不(bu)會(hui)增(zeng)加(jia)總(zong)生(sheng)產(chan)時(shi)間(jian)。

 

結論

 

開關電源可為現代可充電電池的製造提供高性能、高性價比解決方案。AD8452可以簡化係統設計
，係統精度優於0.02%，能效比高於90%
，並且支持能量回收功能，與那些浪費放電電能，而不重複用於為其他電池充電的係統相比，可以節省超過40%以上的能源，有助於解決可充電電池製造瓶頸問題，並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。

 

 

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