精密模擬控制器助力解決可充電電池制造瓶頸問題

　　節(jié)能和環(huán)保在我們的日常生活中扮演著重要的角色;而隨著價(jià)格親民的混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車的發(fā)布，人們的這些意識進(jìn)一步得到了提高。這兩項(xiàng)技術(shù)均使用大量充電電池，其中高品質(zhì)、高功率的鋰離子電池單元代表了目前為止最佳的解決方案。這些電池廣泛用于筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和其他便攜式設(shè)備中，但生產(chǎn)效率并未成為一個(gè)主要問題，因?yàn)檫@些電池的容量較低，通常為每單元或每組低于5安時(shí)(Ah)。一個(gè)典型的電池組由不到一打的電池單元組成，因此匹配也不是什么重要問題。

　　實(shí)現(xiàn)節(jié)能的一種方法是在非高峰時(shí)段儲(chǔ)存電能，補(bǔ)充高峰時(shí)候的用電需求。用于車輛或電能存儲(chǔ)的電池具有高得多的容量，通常為幾百Ah。這是通過大量小型電池單元或一些高容量電池來實(shí)現(xiàn)的。例如，某種型號的電動(dòng)汽車采用大約6800 個(gè)18650鋰離子電池單元，重達(dá)450 kg。由于這個(gè)原因，電池生產(chǎn)需要制造速度更 快、效率更高以及控制更精確以滿足市場的價(jià)格需求。

　　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(diào)理步驟中的電池化成和測試不僅對電池壽命和品質(zhì)產(chǎn)生極大影響，還是電池生產(chǎn)工藝瓶頸。

　　圖1. 鋰離子電池制造過程

　　就目前的技術(shù)來說，必須在電池單元級完成化成，這可能需耗時(shí)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，具體取決于電池化學(xué)特性。在化成時(shí)通常采用0.1 C(C是電池容量)電流，因此一次完整的充放電循環(huán)將需要20小時(shí)?；煽烧嫉诫姵乜偝杀镜?0%至30%。

　　電氣測試通常使用1 C充電電流和0.5 C放電電流，這樣每次循環(huán)依然需要一小時(shí)的電池充電時(shí)間和兩小時(shí)放電時(shí)間，且一個(gè)典型的測試序列包括多個(gè)充放電周期。

　　化成和電氣測試具有嚴(yán)格的精度規(guī)格，電流和電壓控制在±0.05%以內(nèi)。作為比較，為便攜式設(shè)備(比如手機(jī)和筆記本電腦)的電池充電時(shí)，精度可能僅為±0.5%(電壓)和±10%(電流)。圖2 顯示典型的鋰離子充放電曲線。

　　圖2. 典型鋰離子電池充放電曲線

　　線性或開關(guān)化成及測試系統(tǒng)

　　選擇制造方法時(shí)，需考慮到的最重要因素是功效、系統(tǒng)精度和成本。當(dāng)然，其他因素--比如小尺寸和易于維護(hù)—也十分重要。

　　為滿足電池制造中的高精度要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員原來會(huì)采用線性電壓調(diào)節(jié)器;這樣做可以輕松滿足精度要求，但效率較低。用在低容量電池生產(chǎn)可能是一個(gè)較好的選擇，但某些制造商依然可以 采用開關(guān)技術(shù)來凸顯他們的優(yōu)勢。最終決策將是效率、通道成本和電流之間的取舍。原則上講，開關(guān)技術(shù)能夠以相同的單通道成本為容量超過3 Ah 電池單元提供更高的效率。表1 顯示各類電池單元的功率容量和最終用途。

　　表1. 線性和開關(guān)系統(tǒng)對比

　　為了以更低的成本更快地生產(chǎn)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。測試儀中的大電流會(huì)導(dǎo)致溫度大幅上升，增加隨時(shí)間推移而維持高測量精度和可重復(fù)性的難度。

　　在放電階段，保存的電能必須要有地方能夠輸出。一個(gè)解決方法是把電池放電到阻性負(fù)載，將電能轉(zhuǎn)化為熱能而浪費(fèi)。一個(gè)更好的解決方案是循環(huán)使用這些電能，通過精密控制電路將電流從放 電電池單元饋入另一組充電電池單元中。這項(xiàng)技術(shù)可以顯著提高測試儀效率。

　　一般而言，通過每個(gè)電池單元的直流總線和雙向PWM轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)電能平衡。直流總線電壓與特定系統(tǒng)有關(guān)，電壓值可以是12 V、24 V 甚至高達(dá)350 V。對于同樣的電量而言，由于存在導(dǎo) 通電阻，較低的電壓總線具有較高的電流和較高的損耗。較高的電壓會(huì)產(chǎn)生安全性方面的額外擔(dān)憂，并且需要使用成本高昂的電源和隔離電子器件。

　　圖3 顯示可實(shí)現(xiàn)電能循環(huán)的典型開關(guān)拓?fù)?。各電池單元之間(紅色路徑)或各電池單元之間的直流鏈路總線(綠色路徑)可實(shí)現(xiàn)電能的循環(huán)利用，也可將其返回電網(wǎng)(紫色路徑)。這些靈活的 高效率設(shè)計(jì)可降低生產(chǎn)成本，并獲得90%以上的效率。

　　圖3. 利用電源循環(huán)功能切換系統(tǒng)

　　雖然這項(xiàng)技術(shù)具有很多好處，但也存在一些技術(shù)難題。電壓和電流控制環(huán)路速度必須足夠高，并且必須能隨時(shí)間和溫度的變化保持高精度。使用空氣冷卻或水冷卻會(huì)有所幫助，但采用低漂移電 路更為重要。該系統(tǒng)包括開關(guān)電源，因此必須以合理的成本抑制電源紋波。另外最大程度縮短系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)間也很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)關(guān)斷進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生收益。

　　控制環(huán)路設(shè)計(jì)：模擬或數(shù)字

　　每個(gè)系統(tǒng)都提供一個(gè)電壓控制環(huán)路，還有一個(gè)電流控制環(huán)路，如圖4所示。對于汽車中使用的電池單元，汽車加速時(shí)需要快速斜升電流，因此測試時(shí)必須對其進(jìn)行仿真?？焖僮兓俾屎蛯拕?dòng)態(tài)范圍讓電流控制環(huán)路的設(shè)計(jì)變得十分棘手。

　　圖4. 電池制造系統(tǒng)中的控制環(huán)路

　　一個(gè)系統(tǒng)需要四個(gè)不同的控制環(huán)路，這些環(huán)路可在模擬域或數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)：恒流(CC)充電、CC 放電、恒壓(CV)充電和CV放電。需干凈地切換CC 和CV 模式，無毛刺或尖峰。

　　圖5 顯示數(shù)字控制環(huán)路的框圖。微控制器或DSP連續(xù)采樣電壓和電流;數(shù)字算法決定PWM功率級的占空比。這種靈活的方式允許進(jìn)行現(xiàn)場升級和錯(cuò)誤修復(fù)，但有一些缺點(diǎn)。ADC采樣速率必須超過環(huán)路帶寬的兩倍，大部分系統(tǒng)采樣速率為環(huán)路帶寬的10倍。這意味著，雙極性輸入ADC必須工作在100 kSPS，才能采用單個(gè)轉(zhuǎn)換器和分流電阻涵蓋充電和放電模式。某些設(shè)計(jì)人員在速度和精度更高的系統(tǒng)中采用16位、250 kSPS ADC.作為控制環(huán)路的一部分，ADC精度決定了系統(tǒng)的整體精度，因此選擇高速、低延遲、低失真的ADC很重要，比如6通道、16 、250 kSPS AD7656。

　　圖5. 數(shù)字控制環(huán)路