模拟控制器优化高效率锂离子电池制造

来源:ADI 作者:Wenshuai Liao 和 Lui2017年02月27日 14:09
[导读] 节能和环保在我们的日常生活中扮演着重要的角色;而随着价格亲民的混合动力汽车和电动汽车的发布,人们的这些意识进一步得到了提高。这两项技术均使用大量充电电池,其中高品质、高功率的锂离子电池单元代表了目前为止最佳的解决方案。

节能和环保在我们的日常生活中扮演着重要的角色;而随着价格亲民的混合动力汽车和电动汽车的发布,人们的这些意识进一步得到了提高。这两项技术均使用大量充电电池,其中高品质、高功率的锂离子电池单元代表了目前为止最佳的解决方案。这些电池广泛用于笔记本电脑、手机、数码相机、摄像机和其他便携式设备中,但生产效率并未成为一个主要问题,因为这些电池的容量较低,通常为每单元或每组低于5 安时(Ah)。一个典型的电池组由不到一打的电池单元组成,因此匹配也不是什么重要问题。

实现节能的一种方法是在非高峰时段储存电能,补充高峰时候的 用电需求。用于车辆或电能存储的电池具有高得多的容量,通常 为几百Ah。这是通过大量小型电池单元或一些高容量电池来实现 的。例如,某种型号的电动汽车采用大约6800 个18650 锂离子电 池单元,重达450 kg。由于这个原因,电池生产需要制造速度更 快、效率更高以及控制更精确以满足市场的价格需求。

锂离子电池制造概述

图1 显示锂离子电池制造过程。下线调理步骤中的电池化成和测试不仅对电池寿命和品质产生极大影响,还是电池生产工艺瓶颈。

图1. 锂离子电池制造过程

就目前的技术来说,必须在电池单元级完成化成,这可能需耗时数小时甚至数天,具体取决于电池化学特性。在化成时通常采用0.1 C(C 是电池容量)电流,因此一次完整的充放电循环将需要 20 小时。化成可占到电池总成本的20%至30%。

电气测试通常使用1 C 充电电流和0.5 C 放电电流,这样每次循环依然需要一小时的电池充电时间和两小时放电时间,且一个典型的测试序列包括多个充放电周期。

化成和电气测试具有严格的精度规格,电流和电压控制在±0.05%以内。作为比较,为便携式设备(比如手机和笔记本电脑)的电池充电时,精度可能仅为±0.5%(电压)和±10%(电流)。图2 显示典型的锂离子充放电曲线。

图2. 典型锂离子电池充放电曲线

线性或开关化成及测试系统

选择制造方法时,需考虑到的最重要因素是功效、系统精度和成本。当然,其他因素——比如小尺寸和易于维护——也十分重要。

为满足电池制造中的高精度要求,系统设计人员原来会采用线性电压调节器;这样做可以轻松满足精度要求,但效率较低。用在低容量电池生产可能是一个较好的选择,但某些制造商依然可以 采用开关技术来凸显他们的优势。最终决策将是效率、通道成本和电流之间的取舍。原则上讲,开关技术能够以相同的单通道成本为容量超过3 Ah 电池单元提供更高的效率。表1 显示各类电池单元的功率容量和最终用途。

表1. 线性和开关系统对比

为了以更低的成本更快地生产电池,系统在化成和测试阶段使用 了成百上千的通道,其测试仪拓扑取决于系统的总能源容量。测试仪中的大电流会导致温度大幅上升,增加随时间推移而维持高测量精度和可重复性的难度。

在放电阶段,保存的电能必须要有地方能够输出。一个解决方法是把电池放电到阻性负载,将电能转化为热能而浪费。一个更好的解决方案是循环使用这些电能,通过精密控制电路将电流从放 电电池单元馈入另一组充电电池单元中。这项技术可以显著提高测试仪效率。

一般而言,通过每个电池单元的直流总线和双向PWM 转换器,可实现电能平衡。直流总线电压与特定系统有关,电压值可以是12 V、24 V 甚至高达350 V。对于同样的电量而言,由于存在导 通电阻,较低的电压总线具有较高的电流和较高的损耗。较高的电压会产生安全性方面的额外担忧,并且需要使用成本高昂的电源和隔离电子器件。

图3 显示可实现电能循环的典型开关拓扑。各电池单元之间(红色路径)或各电池单元之间的直流链路总线(绿色路径)可实现电能的循环利用,也可将其返回电网(紫色路径)。这些灵活的 高效率设计可降低生产成本,并获得90%以上的效率。

图3. 利用电源循环功能切换系统

虽然这项技术具有很多好处,但也存在一些技术难题。电压和电流控制环路速度必须足够高,并且必须能随时间和温度的变化保持高精度。使用空气冷却或水冷却会有所帮助,但采用低漂移电 路更为重要。该系统包括开关电源,因此必须以合理的成本抑制电源纹波。另外最大程度缩短系统校准时间也很重要,因为系统关断进行校准时不会产生收益。

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