動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)最核心的部件，也是全球汽車(chē)制造商和電池制造商之間的合作與競爭越來(lái)越激烈的關(guān)鍵，能否掌握動(dòng)力電池供應鏈安全以及從動(dòng)力電池制造端實(shí)現更強的成本和性能競爭優(yōu)勢，在越來(lái)越多新勢力入局的電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)市場(chǎng)競爭日趨激烈的當下十分重要。

 

 

一致性仍是電池制造關(guān)鍵掣肘，化成分容技術(shù)引領(lǐng)革新

 

過(guò)去的幾十年里，動(dòng)力及儲能用鋰離子電池在大規模商業(yè)化方面已經(jīng)取得了空前的進(jìn)步， 電池制造商和供應鏈廠(chǎng)商意識到，要想在這一新興行業(yè)分得一杯羹，擴大電池的生產(chǎn)規模和提高生產(chǎn)效率是關(guān)鍵，同時(shí)必須將電池的性能質(zhì)量放在首位。“電池制造過(guò)程中的化成分容是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，涉及多次充電和放電以激活電池的化學(xué)性質(zhì)，對于確保動(dòng)力電池組的一致性、安全性和較長(cháng)周期壽命的高質(zhì)量來(lái)說(shuō)尤為關(guān)鍵。”ADI市場(chǎng)經(jīng)理祝臻在近日的一次公開(kāi)采訪(fǎng)中提到。

 

ADI市場(chǎng)經(jīng)理祝臻接受采訪(fǎng)

 

化成指鋰電池組裝完畢后通過(guò)給電池一定的電流，使得鋰電池正負極活性物質(zhì)被激發(fā)，最后使電池具有放電能力的電化學(xué)過(guò)程。影響化成的因素有化成電流、SOC、老化時(shí)間及溫度等，還需考慮電池材料體系和產(chǎn)能要求。因此，化成不僅是簡(jiǎn)單的充放電過(guò)程，而是綜合衡量不同參數對電池性能的影響，需要采用儀器設備進(jìn)行大量精準的數據測試并研究驗證。

 

分容則是對化成完的電池進(jìn)行充放電，不同類(lèi)型電池的充放電電流略有差異，以便統計電池的容量、充電恒流比、放電平臺電壓、內阻等進(jìn)行區分，篩選出指標相同的單體以便分檔配組，只有性能很接近的才能組成電池組。另一方面，單體電池的一致性差也可能會(huì )導致電池組安全性降低。例如動(dòng)力電池組為滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的能量需求，往往需要數十支到數千支電池組成，受到系統復雜性的影響，電池組的行為有其獨特性，并不是單體電池做簡(jiǎn)單的加減法就能夠獲得電池組的性能。

 

鋰離子電池制造的流程

 

因此，為提高電池的循環(huán)壽命、穩定性、自放電性、安全性等電化學(xué)性能，必須嚴格控制電池的一致性并精確評定電池等級，對化成分容檢測設備的電流電壓測量精度有很高的要求，也有助于電池制造商和測試設備提供商擴大電池生產(chǎn)規模并提高效率，在電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)抓住產(chǎn)銷(xiāo)爆發(fā)的關(guān)鍵機遇。

 

如何兼顧成本與靈活性？傳統解決方案面臨新的挑戰

 

限于傳感器采集精度，同時(shí)為降低電池成本，制造商需要統籌兼顧，利用供應商的系統級專(zhuān)業(yè)知識來(lái)減少整體電池測試電路面積大小，同時(shí)增加通道的數量，而且必須保持測試測量的精確性、可靠性和速度，即使在惡劣的工廠(chǎng)條件下，也要實(shí)現±0.05%以上的精度。

 

據祝臻介紹，傳統電池化成分容設備所使用的雙向DC-DC變換器模塊方案分為兩類(lèi)，即基于分立器件的方案與數字方案，分立器件方案一般應用于中小功率場(chǎng)景，數字方案則可以同時(shí)適應大中小不同功率場(chǎng)景。

 

基于分立器件的方案在器件選型、采購上都比較靈活，需要考量每個(gè)器件的精度要求選擇對應器件，對應一定范圍輸出電壓、電流、通道數的設備。但其缺點(diǎn)包涵器件太多，研發(fā)、調試、測試、系統校準需要花費很多工時(shí)，實(shí)現通道交錯并聯(lián)、通道之間均流功能需要額外的電路，并且具有比較復雜等顯著(zhù)的缺點(diǎn)，使得其單體電芯容量日益攀升的趨勢下綜合成本劣勢越發(fā)顯著(zhù)。

 

而傳統數字內核化成分容設備使用DSP或者具備DSP功能的處理器做功率變換回路的主控制器，PID環(huán)路采用軟件或者硬件模式，采用數字PWM控制開(kāi)關(guān)管，外圍電壓、電流采樣，緩沖放大器使用的運放和硬件方案沒(méi)有太大區別。其優(yōu)勢是控制比較靈活，數字方案調試也比較方便，可以實(shí)現比較復雜的功能，比如交錯并聯(lián)工作，多通道并聯(lián)均流，電壓前饋等等。然而其軟件開(kāi)發(fā)難度大、成本高、周期長(cháng)，后期維護成本偏高。

 

由此可見(jiàn)，傳統方案在各自的應用領(lǐng)域中有自己的優(yōu)點(diǎn)，但也有相應的無(wú)法克服的固有缺點(diǎn)。“這便是ADI將模擬前端、功率控制和監控電路集成在單個(gè)IC 中的原因，測試組件合并為一個(gè)完整的解決方案，既具備分立器件方案的成本優(yōu)勢，又具備數字方案的多功能靈活性。” 祝臻表示。

 

控制從模擬轉向數字，ADI新一代化成分容測試方案解讀

 

ADI 最新一代數字化四通道雙向DC-DC控制器ADBT1000/1/2系列，將應用于電池化成分容行業(yè)的雙向DC-DC方案進(jìn)行了單芯片系統級的集成，集成了電壓電流采樣的模擬前端和輔助ADC，采用數字內核，可以實(shí)現多通道交錯并聯(lián)操作，通道間數字均流等操作。

 

 

值得一提的是，ADI化成分容的上一代產(chǎn)品AD8452基于模擬控制回路的架構，其設計理念同樣非常先進(jìn)，已得到了客戶(hù)大量使用和廣泛認可。然而，針對不同的電池測試參數，傳統的模擬環(huán)路只能去通過(guò)修改或調整線(xiàn)路板上的電容或電阻網(wǎng)絡(luò )去改進(jìn)數值，不僅對電路設計提出了很高的要求，在不同產(chǎn)品調試中也會(huì )非常不方便。電池化成行業(yè)需求相對統一，如能通過(guò)寄存器配置的方式實(shí)現各種功能，將大大提高了測試效率，這也是電池化成分容測試設備開(kāi)始逐步由模擬控制轉向數字控制演進(jìn)的原因之一。

 

“ADBT1000/1/2系列芯片基于數字環(huán)路控制設計，包含四通道模擬前端、四通道數字PWM發(fā)生器、數字GPIO口、中斷接口、8通道12位輔助ADC，其中四路ADC帶有電流源輸出功能，方便實(shí)現溫度監控。”祝臻指出，“相較AD8452的單通道方案，ADBT1000系列芯片擁有的最多4個(gè)數據采集通道，客戶(hù)能夠多路自由組合，既可以通過(guò)兩通道并聯(lián)輸出更大的電流，也可以把4個(gè)通道同時(shí)并聯(lián)，單芯片實(shí)現了高達240A的大電流充放電甚至更高，符合于現階段電池容量持續提升的大趨勢。內置狀態(tài)機實(shí)現PID調節的模式將帶來(lái)更快的環(huán)路相應能力，同時(shí)免除了軟件控制帶來(lái)的程序跑飛的風(fēng)險。”

 

 

ADBT1000系列芯片的諸多特點(diǎn)和功能集成到一起，簡(jiǎn)化了電池化成分容充放電通道設備的硬件設計，數字內核配置有專(zhuān)用的GUI軟件可以直接設置寄存器，直接避免了復雜的DSP代碼和算法開(kāi)發(fā)與后期維護的成本，對于高功率應用，極大優(yōu)化了設計門(mén)檻和開(kāi)發(fā)難度。集成的高精度模擬前端，可以保證系統精度和溫漂，也極大減少了客戶(hù)開(kāi)發(fā)電池化成分容測試系統的時(shí)間。

 

隨著(zhù)動(dòng)力電池市場(chǎng)的爆炸式增長(cháng)，對大容量電池需求也隨之增加。“ADI持續研發(fā)了許多新產(chǎn)品、參考設計和集成解決方案，新一代ADBT1000系列測試芯片便在提供高精度的同時(shí)，以狀態(tài)機方式實(shí)現數字化環(huán)路控制替代模擬控制，提高了工廠(chǎng)對于電池化成分容的測試能力，擴大了測試規模，增加了電池化成設備的穩定性，使制造商能夠更高效地生產(chǎn)安全強勁的動(dòng)力電池組。”祝臻強調道。

 

 

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