如何從制造環(huán)節(jié)提高動力電池性能并降低成本？

2019年上半年，在整體汽車市場走勢低迷的情況下，從公安部交管局公布的最新數(shù)據(jù)來看，我國新能源汽車保有量達(dá)344萬輛，與去年同期相比漲幅達(dá)72.85%，成為全球汽車市場難得的希望。作為新能源汽車決勝的關(guān)鍵因素，高歌猛進(jìn)下電池渠道和資源的整合成為全球主要新能源汽車制造產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。不久前，特斯拉CEO馬斯克表示為了獲得足夠的電池，公司可能會進(jìn)入采礦業(yè)；大眾汽車決定斥資10億歐元與歐洲動力電池初創(chuàng)公司合作自建電池工廠；寧德時(shí)代和豐田在新能源汽車（NEV）動力電池的穩(wěn)定供給和發(fā)展進(jìn)化領(lǐng)域建立全面合作伙伴關(guān)系……

毫無疑問，掌握動力電池供應(yīng)鏈安全以及從動力電池制造端實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的成本和性能競爭優(yōu)勢，在新能源汽車市場競爭日趨激烈的今天非常重要?！跋M(fèi)者的新能源汽車購買決策主要決定于安全、成本和里程三大要素，這也是整車廠和動力電池廠商共同努力的目標(biāo)?！?ADI鋰電池測試方案市場經(jīng)理胡碩秋在近日的一次采訪中指出，“而其中成本和里程都與動力電池制造的一個(gè)關(guān)鍵工序高度相關(guān)——分容化成?！狈秩莼墒请姵刂圃旌笃谶M(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵測試環(huán)節(jié)，作為高性能模擬技術(shù)的主要提供商，ADI公司對如何從制造環(huán)節(jié)提高動力電池性能并降低成本的見解或許可以作為產(chǎn)業(yè)參考。

從關(guān)鍵環(huán)節(jié)緩解鋰離子電池制造的成本與里程焦慮

目前新能源汽車制造商普遍處于電池“焦慮”的困境中，由于燃料電池技術(shù)的發(fā)展短期內(nèi)要大規(guī)模應(yīng)用并取代純電動汽車很難，而新的電池技術(shù)（鋰空鋰硫等）尚處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，鋰離子電池因?yàn)橹亓枯p、能量密度高、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，將在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)被列為新能源汽車動力電池領(lǐng)域的不二之選。

通常而言，鋰離子電池制造程序非常復(fù)雜，包括電極生產(chǎn)、堆疊結(jié)構(gòu)和單元裝配，然后要執(zhí)行電氣測試，以便評定電池容量和性能以及在工作中的額定值。據(jù)胡碩秋透露，分容化成是鋰離子電池制造過程中的關(guān)鍵，二者都是通過對電池進(jìn)行精密控制的充放電過程，前者起到“激活”的作用，使得電池開始具有儲存和釋放電能的能力，后者是把具有相似特性的電池進(jìn)行分選，提高成品電池的一致性，保障車用動力電池包的高性能。這是一個(gè)相當(dāng)耗時(shí)的過程，涉及多次充放電以激活電池的化學(xué)性質(zhì)。但此過程又非常有必要，對確保成品電池的可靠性和質(zhì)量至關(guān)重要。

據(jù)胡碩秋介紹，鋰離子電池分容化成占到了制造過程總成本的三分之一以上，因此分容化成一度成為阻礙電池制造商提高產(chǎn)量從而降低電池生產(chǎn)總成本的瓶頸之一。鋰離子電池制造商們迫切期待能夠在這一領(lǐng)域保證安全的前提下減少分容化成所需的時(shí)間，從更多維度以更大密度搜集與監(jiān)控鋰電池的參數(shù)變化，讓充放電過程變得更加高效省電、減小設(shè)備占地面積以及減少電纜的使用與發(fā)熱，最終實(shí)現(xiàn)降低成本并提高能效。此外，為了提高電池的循環(huán)壽命、穩(wěn)定性、自放電性、安全性等電化學(xué)性能，必須嚴(yán)格控制鋰電池的一致性或精確評定電池等級，所以對化成和分容設(shè)備的電流電壓測量精度有很高的要求。因此，在綜合考量成本等因素后，電池制造商們更傾向于與擁有化成測試系統(tǒng)級專業(yè)知識的供應(yīng)商緊密合作，不僅僅是能夠獲得更復(fù)雜的組件和構(gòu)建模塊，還能獲得更容易采用的系統(tǒng)架構(gòu)的參考設(shè)計(jì)，使上市時(shí)間比從零開始開發(fā)化成和測試系統(tǒng)的時(shí)間快三至四倍，同時(shí)也保障了電池化成和測試測量的精確性、可靠性。

對于電池測試供應(yīng)商而言，要滿足高效、精確的電池分容化成測試也絕非易事。在模擬前端，驅(qū)動電池充電電路的電源需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。從更深層次分析，電池的化成和測試需要密切監(jiān)測電池循環(huán)期間使用的電流和電壓分布，以防止充電過度和充電不足。ADI則是為數(shù)不多能滿足電池制造商電池化成精確測試需求的專業(yè)級供應(yīng)商之一。

“精打細(xì)算”的電池測試系統(tǒng)級解決方案

胡碩秋提到，目前鋰離子電子生產(chǎn)過程中化成與測試的方案有兩種，一種為線性方案，另一種為PWM（脈寬調(diào)制）。線性方案的功率消耗會比較大，且需要更好的散熱設(shè)備。目前市面上的解決方案也根據(jù)電池容量的大小進(jìn)行了區(qū)分，小容量的仍然會采用線性方案，效率低但設(shè)備成本低。而到了6A以上時(shí)，功率消耗會增多，采用PWM方式就顯得更為合適。ADI電池分容化成充放電集成芯片AD8452包含了ADI模擬技術(shù)的結(jié)晶，能夠提高鋰離子電池化成與分容的系統(tǒng)精度和效率。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，通過集成高精度的前端放大器和高頻率的PWM控制器，AD8452能夠在相同空間內(nèi)多提供50％的通道，從而擴(kuò)充容量并提高電池產(chǎn)量。每片AD8452既可以單獨(dú)控制最多30A的充放電流，也可以多片并聯(lián)，來控制更大的輸出電流。此外，AD8452所采用的開關(guān)技術(shù)可在放電時(shí)回收電池的能量，精度顯著高于傳統(tǒng)開關(guān)解決方案，更高的精度也意味著電池包內(nèi)可以放更多的電芯，有助于延長電動汽車等應(yīng)用的電池壽命。

與此同時(shí)，AD8452還兼具出色的檢測和監(jiān)控功能，能夠有效防止可能導(dǎo)致電池故障的過度充電和充電不足行為，從而提高制造過程的安全性。該器件具有配套的系統(tǒng)仿真演示板，能夠?yàn)闇y試設(shè)備制造商降低研發(fā)工程成本并縮短上市時(shí)間，也允許制造商設(shè)計(jì)具有更多功能和更可靠測試過程的系統(tǒng)。

為了以更低的成本更快地生產(chǎn)電池并更準(zhǔn)確的獲得鋰電池的容量，電池系統(tǒng)在化成和測試階段使用了成百上千的通道，其測試儀拓?fù)淙Q于系統(tǒng)的總能源容量，對鋰電池的充放電的電流電壓測量的誤差要求也顯著提高。而充放電過程中的電流電壓控制精度很大程度上決定了對于鋰電池一致性控制的可靠性，需要高性能儀表放大器和相關(guān)的并聯(lián)電阻來測量電池充放電電流，即使在惡劣的工廠條件下，也要實(shí)現(xiàn)±0.05%以上的精度，同時(shí)用于監(jiān)測整個(gè)熱工作范圍內(nèi)電壓的差動放大器也需適用于此精度水平。“許多客戶需要電壓測試達(dá)到萬分之五到萬分之一的誤差精度，這樣對整個(gè)測量控制電路中的放大器、ADC/DAC的誤差要求也相應(yīng)提高?！焙T秋強(qiáng)調(diào)道。

事實(shí)上，要將上述功能組件合并為一個(gè)完整精確的解決方案，并盡可能地提高性能和減少系統(tǒng)占用空間，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是ADI將模擬前端、功率控制和監(jiān)控電路集成在單個(gè)IC AD8452中的原因之一。胡碩秋指出：“ADI擁有領(lǐng)先的儀表放大器技術(shù)，通過把高性能儀表放大器或差分放大器與增益設(shè)置電阻網(wǎng)絡(luò)一起集成到芯片中，AD8452可通過控制環(huán)路設(shè)計(jì)、減少校準(zhǔn)時(shí)間、減少紋波、均流控制等智能控制功能，提供高水準(zhǔn)的電流電壓測量精度，減少校準(zhǔn)周期時(shí)間和次數(shù)，進(jìn)一步增加正常運(yùn)行時(shí)間?！绷硗?，更高的開關(guān)頻率帶來了設(shè)計(jì)的簡化和電子組件體積的縮小，也減少了所需器件數(shù)量和充放電電路板布板面，節(jié)省可高達(dá)50％的物料清單（BoM）。所有控制操作均可在模擬域中完成，無需開發(fā)復(fù)雜的算法，因而該方法還可有效降低軟件開發(fā)成本。與此同時(shí)，ADI擁有的電流檢測放大器標(biāo)定和校準(zhǔn)技術(shù)，同步從多個(gè)維度來面改善鋰電池一致性控制能力的水準(zhǔn)，也為環(huán)保技術(shù)的普及做出貢獻(xiàn)。

本文總結(jié)

正如ADI公司系統(tǒng)解決方案事業(yè)部總經(jīng)理趙軼苗在上半年的一場行業(yè)峰會上指出：“中國制造業(yè)在新興產(chǎn)業(yè)跟進(jìn)上速度非?？?，與世界先進(jìn)水平差距不大，比如鋰電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展就帶動了鋰電池生產(chǎn)測試的需求，目前中國廠商在鋰電測試上走在了前列?！彪姵丶夹g(shù)是新能源汽車的重要驅(qū)動力，如何改善電池的測量精度和使用壽命，增加電池的續(xù)航能力、降低成本，保證使用安全是全行業(yè)都面臨的挑戰(zhàn)?！霸谶@些領(lǐng)域，ADI正在積極開展研究，并且已經(jīng)取得一系列前沿性研究成果。對于與ADI在AD8452上達(dá)成戰(zhàn)略性合作意向的客戶，ADI愿意一起就鋰電池分容化成的未來展開探討與合作?！焙T秋表示。
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