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;而隨著價格親民的混合動力汽車和電動汽車的發(fā)布，人們的這些意識進一步得到了提高。這兩項技術均使用大量充電電池，其中高品質、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、數(shù)碼相機、攝像機和其他便攜式設備中，但生產效率并未成為一個主要問題，因為這些電池的容量較低，通常為每單元或每組低于5安時(Ah)。一個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。

　　實現(xiàn)節(jié)能的一種方法是在非高峰時段儲存電能，補充高峰時候的用電需求。用于車輛或電能存儲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現(xiàn)的。例如，某種型號的電動汽車采用大約6800 個18650鋰離子電池單元，重達450 kg。由于這個原因，電池生產需要制造速度更 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。下線調理步驟中的電池化成和測試不僅對電池壽命和品質產生極大影響，還是電池生產工藝瓶頸。

　　圖1. 鋰離子電池制造過程

　　就目前的技術來說，必須在電池單元級完成化成，這可能需耗時數(shù)小時甚至數(shù)天，具體取決于電池化學特性。在化成時通常采用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?；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)依然需要一小時的電池充電時間和兩小時放電時間，且一個典型的測試序列包括多個充放電周期。

　　化成和電氣測試具有嚴格的精度規(guī)格，電流和電壓控制在±0.05%以內。作為比較，為便攜式設備(比如手機和筆記本電腦)的電池充電時，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

　　線性或開關化成及測試系統(tǒng)

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

　　為滿足電池制造中的高精度要求，系統(tǒng)設計人員原來會采用線性電壓調節(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可能是一個較好的選擇，但某些制造商依然可以 采用開關技術來凸顯他們的優(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，開關技術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. 線性和開關系統(tǒng)對比

　　為了以更低的成本更快地生產電池，系統(tǒng)在化成和測試階段使用了成百上千的通道，其測試儀拓撲取決于系統(tǒng)的總能源容量。測試儀中的大電流會導致溫度大幅上升，增加隨時間推移而維持高測量精度和可重復性的難度。

　　在放電階段，保存的電能必須要有地方能夠輸出。一個解決方法是把電池放電到阻性負載，將電能轉化為熱能而浪費。一個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。這項技術可以顯著提高測試儀效率。

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

　　圖3 顯示可實現(xiàn)電能循環(huán)的典型開關拓撲。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 高效率設計可降低生產成本，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)

　　雖然這項技術具有很多好處，但也存在一些技術難題。電壓和電流控制環(huán)路速度必須足夠高，并且必須能隨時間和溫度的變化保持高精度。使用空氣冷卻或水冷卻會有所幫助，但采用低漂移電 路更為重要。該系統(tǒng)包括開關電源，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)校準時間也很重要，因為系統(tǒng)關斷進行校準時不會產生收益。

　　控制環(huán)路設計：模擬或數(shù)字

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

　　圖4. 電池制造系統(tǒng)中的控制環(huán)路

　　一個系統(tǒng)需要四個不同的控制環(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行現(xiàn)場升級和錯誤修復，但有一些缺點。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，才能采用單個轉換器和分流電阻涵蓋充電和放電模式。某些設計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