ADI公司提供基于單個硅芯片AD8452的全面電池化成控制系統解決方案。憑借精確的化成工藝性能，可以優化每個電池單元的化成時間。高效的能量回收功能可為大規模電池制造節省大量能源。

介紹

鋰離子（Li-Ion）制造是一個漫長的過程，如圖1所示。前三個階段準備基本材料（電極、電解質、隔膜等）并將它們組裝成電池形式。最后階段將激活電池并使電池能夠執行其電氣功能。激活過程稱為電池化成。分級過程可確保電池單元的一致性。小于5 A的低存儲容量鋰離子電池廣泛用于筆記本電腦和手機等便攜式設備。對他們來說，對制造效率的擔憂已經讓位于制造成本。同時，車輛中使用的電池具有更高的總容量，通常為數百安培。這是通過數千個小型電池或一些高容量電池實現的。對于這種類型的應用，電池單元的一致性更為重要，因此分級過程（以提高電池的一致性）至關重要。同時，作為制造過程中電池化成成本的一部分，功率效率變得尤為重要。具有諷刺意味的是，這些環保車輛使用以浪費大量能源的方式制造的電池。

圖1.鋰離子電池制造工藝。

使用包含精密模擬前端和降壓-升壓PWM控制器的單個硅芯片，可以進行質量更好，更高效的電池化成/分級過程。該解決方案提供優于 0.02% 的精度和高于 90% 的電源效率。此外，在電池化成和分級過程中，放電的能量可以在其他電池的過程中回收利用。在許多現有系統中，它們的電池被放電到阻性負載中。一些客戶將這種能量用于建筑供暖或簡單地將熱空氣排放到外部。雖然將電池放電到阻性負載是最簡單的電池放電方法，但當必須對大量電池進行充電/放電循環時，成本會迅速增加。我們提出的系統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。這種架構可以節省超過40%的能源。

總之，基于AD8452的單芯片解決方案為電池化成/分級過程提供了以下特性：

降低電池成本

能源回收

高功率效率

測試精度高

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。電池化成和生產線末端調節步驟的測試是工藝瓶頸，對電池壽命、質量和成本的影響最大。

電池化成是在電池單元上執行初始充電/放電操作的過程。在此階段，將在電極上形成特殊的電化學固體電解質界面（SEI），主要是在陽極上。該層對許多不同的因素都很敏感，并在其使用壽命期間對電池性能產生重大影響。電池形成可能需要很多天，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。電池化成/分級和其他電氣測試可以具有嚴格的精度規格，在指定溫度范圍內將電流和電壓控制在優于±0.02%。分級過程將使電池的電化學性能穩定下來。根據此階段記錄的數據，具有相似電化學行為的電池將被分組為模塊和/或包裝。通過這種方式，可以最大限度地提高電動汽車動力系統的一致性。測量和控制精度將決定數據記錄的質量，因此對整個電池電源系統的性能具有不可忽視的影響。

汽車電池制造面臨的另一個挑戰是電源效率。充電期間還必須保持高效率，如果可能，應在放電過程中回收能量。這不僅有助于遵守環保政策，還可以節省大規模電池制造的成本，由于電動汽車應用的增加，這種制造如今越來越普遍。

所提供的單硅解決方案在一個封裝中集成了精密模擬前端和降壓-升壓PWM控制器，以應對上述挑戰。內部薄膜匹配電阻有助于確保準確可靠的電流信號檢測。精心設計的模擬控制環路與PWM控制電路配合使用，可實現最佳質量的充電/放電操作。由此產生的高性能減輕了系統的定期校準和維護工作，具有很高的功率轉換和回收效率。兩者都有助于控制從材料到制造和維護的整個過程的成本。

電池化成和測試系統拓撲

設計工程師經常使用線性穩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，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公司新型集成硅芯片AD8452構建的單通道系統。這種單芯片解決方案允許系統輕松配置不同的功率級。AD8452的模擬前端部分測量和調理環路中的電壓和電流信號。它還具有一個內置的PWM發生器，可配置為降壓或升壓模式操作。模擬控制器和PWM發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，從而導致數字環路出現問題。恒流（CC）和恒壓（CV）環路的輸出決定了PWM發生器的占空比，PWM發生器通過ADuM7223驅動MOSFET功率級。當模式從充電變為放電時，AD8452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，AD8452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字邏輯進行控制。在此實現中，AD7173-8高分辨率ADC監控系統，但它不是控制環路的一部分。掃描速率與控制環路性能無關，因此單個ADC可以測量多通道系統中許多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，而不會成為控制環路性能的瓶頸。配置有 4 V 電池和 20 A 最大電流的系統在 25°C ±10°C 范圍內可實現優于 90% 的效率，典型精度為 90 ppm，電壓環路為 51 ppm。CC 到 CV 轉換無毛刺，在 500 μs 內發生。從1 A到20 A的電流斜坡需要不到150 ms。根據配置，此數字可能會快得多。例如，用戶需要在斜坡時間和低電流性能之間進行一些權衡，以確定他們希望斜坡的速度。這些規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2.圍繞AD8452構建的單通道系統。

圖3.系統電源效率測試結果。

降低電池成本

降低電池成本的挑戰需要解決整個制造過程。這里描述的系統可以在不犧牲性能的情況下實現低成本的電池化成和測試系統。精度的提高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行所有控制來最大限度地降低軟件開發成本，從而消除了對復雜算法的需求。最后，能源回收與高系統效率相結合，大大降低了持續的運營成本。

能源回收

與將電池放電至阻性負載的架構相比，圍繞AD8452構建的系統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。最簡單的系統包括一個單向交流到直流電源，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，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。

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。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。

具有能源回收效率

為了進一步說明能量回收的好處，請考慮一組兩個3.2 V、15 A電池。這些電池可以存儲大約 48 Wh。要為完全耗盡的電池充電，假設充電效率為 90%，系統必須為每個電池提供大約 53.3 Wh 的能量。在放電模式下，系統將通過在電阻器中將能量轉換為熱量或將其回收回總線來消除 48 Wh。如果沒有回收，則為兩個電池充電大約需要 107 Wh。但是，如果系統能夠以90%的效率回收能量，那么第一個電池的43.2 Wh現在可以為第二個電池充電。如前所述，系統可以以 90% 的效率充電，因此它再次需要 53.3 Wh，但 43.2 Wh 來自放電電池，因此我們只能提供額外的 10.1 Wh，總所需能量為 63.4 Wh。這樣可以節省超過 40% 的能源。在實際制造環境中，數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

開關電源為現代可充電電池制造提供了高性能、高性價比的解決方案。AD8452簡化了系統設計，系統精度優于0.02%，功率效率高于90%，能量回收能力優于40%，與浪費放電能量而不是重復使用它們為其他電池充電的系統相比，可節省40%以上的能源。它有助于解決可充電電池制造瓶頸問題，并使混合動力和電動汽車從制造過程開始環保。

審核編輯：郭婷