具有能量回收功能的節(jié)能電池化成/測試系統(tǒng)

作者：Luis Orozco and Wenshuai Liao

鋰離子電池廣泛用于筆記本電腦和手機等便攜式設備，但由于其存儲容量低于5安培小時（Ah），對制造效率的擔憂已退居制造成本的次要地位。同時，車輛中使用的電池具有更高的總容量，通常為數(shù)百安培。這是通過數(shù)千個小型電池或一些高容量電池實現(xiàn)的。在這種情況下，功率效率與制造過程中的測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。生產線末端調節(jié)步驟的化成和測試是工藝瓶頸，對電池壽命、質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，具體取決于電池化學成分。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20小時，占電池總成本的20%至30%。

電氣測試可以使用 1 C 的電流進行充電，0.5 C 的電流進行放電，但每個周期仍然需要大約三個小時。典型的測試序列需要多個周期。

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

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

化成和測試系統(tǒng)拓撲

設計工程師經常使用線性穩(wěn)壓器來輕松滿足便攜式設備中使用的電池化成和測試的精度要求，同時犧牲效率。在較大的電池上，這種方法會導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/混合動力汽車中使用的大量電池都必須很好地匹配，對精度提出了更嚴格的要求，使開關拓撲成為一個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構建的單通道系統(tǒng)。兩個獨立的電路板使系統(tǒng)能夠輕松配置不同的功率級。

圖2.圍繞AD8450和ADP1972構建的單通道系統(tǒng)。

AD8450測量和調理環(huán)路中的電壓和電流信號。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組成，這些信號不會受到抖動的影響，從而導致數(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驅動MOSFET功率級。當模式從充電變?yōu)榉烹姇r，AD8450內部測量電池電流的儀表放大器的極性反轉。CC和CV放大器內部的開關選擇正確的補償網絡，ADP1972將其PWM輸出更改為升壓模式。整個功能通過單個引腳和標準數(shù)字邏輯進行控制。

在此實現(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，因此單個ADC可以測量多通道系統(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可以控制多個通道。此外，單個處理器只需要設置CV和CC設定點、工作模式和內務管理功能，因此它可以與多個通道接口，而不會成為控制環(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 范圍內可實現(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 的轉換無毛刺，并在 500 毫秒內發(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。完整的測試結果可直接從ADI獲得。

圖3.經測試的系統(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現(xiàn)低成本的電池化成和測試系統(tǒng)。更高的精度允許更短和更少的校準周期，從而延長正常運行時間。此外，由于開關頻率較高，設計更簡單，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，從而消除了對復雜算法的需求。最后，能源回收與高系統(tǒng)效率相結合，大大降低了持續(xù)運營成本。

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。雖然這是最簡單的電池放電方法，但當必須對大量電池進行充電/放電循環(huán)時，成本會迅速增加。我們提出的系統(tǒng)具有很高的單通道效率，但其真正的價值在于它能夠以最小的額外復雜性從放電電池中回收能量。

圍繞AD8450和ADP1972構建的系統(tǒng)無需將電池放電至阻性負載，而是可以控制電池電壓和電流，同時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。最簡單的系統(tǒng)包括一個單向交流/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導致母線電壓增加，可能會損壞某些組件。

圖4.具有電池間能量回收的電池測試系統(tǒng)。

如圖5所示，雙向AC/DC轉換器通過將能量推回交流電網來解決這一挑戰(zhàn)。在這種情況下，可以先將所有通道設置為充電模式，然后設置為放電模式，將電流返回到電網。這需要更復雜的AC/DC轉換器，但為系統(tǒng)配置提供了額外的靈活性，并且無需仔細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試系統(tǒng)。

具有能源回收效率

為了進一步說明能量回收的好處，請考慮一組 3.2 V、15 Ah 電池。這些電池可以存儲大約 48 瓦時。要為完全耗盡的電池充電，假設充電效率為 90%，系統(tǒng)必須為每個電池提供大約 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，則為兩個電池充電大約需要 107 W-hr。但是，如果一個系統(tǒng)（如上所示的示例）可以以 90% 的效率回收能量，則第一個電池的 43.2 W-hr 現(xiàn)在可用于為第二個電池充電。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。在實際制造環(huán)境中，數(shù)百個電池在制造過程中被放置在不同的托盤中，因此這不會通過將每個托盤設置為一組處于充電或放電模式來增加總制造時間。

結論

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

審核編輯：郭婷