【導(dǎo)讀】近年來，我國電動汽車行業(yè)快速發(fā)展，保有量持續(xù)增長，滲透率也逐步提升。工信部公布的最新數(shù)據(jù)顯示，中國的電動智能汽車在全球范圍內(nèi)已形成一定的先發(fā)優(yōu)勢，新能源汽車產(chǎn)銷量連續(xù)六年位居全球第一。而“碳達(dá)峰”、“碳中和”雙碳目標(biāo)的發(fā)布，則為中國電動汽車行業(yè)開啟了新一輪的“黃金時代”。
動力電池作為電動汽車最核心的部件，也是全球汽車制造商和電池制造商之間的合作與競爭越來越激烈的關(guān)鍵，能否掌握動力電池供應(yīng)鏈安全以及從動力電池制造端實現(xiàn)更強的成本和性能競爭優(yōu)勢，在越來越多新勢力入局的電動汽車行業(yè)市場競爭日趨激烈的當(dāng)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
過去的幾十年里，動力及儲能用鋰離子電池在大規(guī)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(yīng)鏈廠商意識到，要想在這一新興行業(yè)分得一杯羹，擴大電池的生產(chǎn)規(guī)模和提高生產(chǎn)效率是關(guān)鍵，同時必須將電池的性能質(zhì)量放在首位。“電池制造過程中的化成分容是一個耗時的過程，涉及多次充電和放電以激活電池的化學(xué)性質(zhì)，對于確保動力電池組的一致性、安全性和較長周期壽命的高質(zhì)量來說尤為關(guān)鍵。”ADI市場經(jīng)理祝臻在近日的一次公開采訪中提到。
ADI市場經(jīng)理祝臻接受采訪
化成指鋰電池組裝完畢后通過給電池一定的電流，使得鋰電池正負(fù)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)過程。影響化成的因素有化成電流、SOC、老化時間及溫度等，還需考慮電池材料體系和產(chǎn)能要求。因此，化成不僅是簡單的充放電過程，而是綜合衡量不同參數(shù)對電池性能的影響，需要采用儀器設(shè)備進(jìn)行大量精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)測試并研究驗證。
分容則是對化成完的電池進(jìn)行充放電，不同類型電池的充放電電流略有差異，以便統(tǒng)計電池的容量、充電恒流比、放電平臺電壓、內(nèi)阻等進(jìn)行區(qū)分，篩選出指標(biāo)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導(dǎo)致電池組安全性降低。例如動力電池組為滿足電動汽車的能量需求，往往需要數(shù)十支到數(shù)千支電池組成，受到系統(tǒng)復(fù)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(wěn)定性、自放電性、安全性等電化學(xué)性能，必須嚴(yán)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(shè)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(shè)備提供商擴大電池生產(chǎn)規(guī)模并提高效率，在電動汽車市場抓住產(chǎn)銷爆發(fā)的關(guān)鍵機遇。
如何兼顧成本與靈活性？傳統(tǒng)解決方案面臨新的挑戰(zhàn)
限于傳感器采集精度，同時為降低電池成本，制造商需要統(tǒng)籌兼顧，利用供應(yīng)商的系統(tǒng)級專業(yè)知識來減少整體電池測試電路面積大小，同時增加通道的數(shù)量，而且必須保持測試測量的精確性、可靠性和速度，即使在惡劣的工廠條件下，也要實現(xiàn)±0.05%以上的精度。
據(jù)祝臻介紹，傳統(tǒng)電池化成分容設(shè)備所使用的雙向DC-DC變換器模塊方案分為兩類，即基于分立器件的方案與數(shù)字方案，分立器件方案一般應(yīng)用于中小功率場景，數(shù)字方案則可以同時適應(yīng)大中小不同功率場景。
基于分立器件的方案在器件選型、采購上都比較靈活，需要考量每個器件的精度要求選擇對應(yīng)器件，對應(yīng)一定范圍輸出電壓、電流、通道數(shù)的設(shè)備。但其缺點包涵器件太多，研發(fā)、調(diào)試、測試、系統(tǒng)校準(zhǔn)需要花費很多工時，實現(xiàn)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(fù)雜等顯著的缺點，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。
而傳統(tǒng)數(shù)字內(nèi)核化成分容設(shè)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(shù)字PWM控制開關(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有太大區(qū)別。其優(yōu)勢是控制比較靈活，數(shù)字方案調(diào)試也比較方便，可以實現(xiàn)比較復(fù)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。然而其軟件開發(fā)難度大、成本高、周期長，后期維護(hù)成本偏高。
由此可見，傳統(tǒng)方案在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中有自己的優(yōu)點，但也有相應(yīng)的無法克服的固有缺點。“這便是ADI將模擬前端、功率控制和監(jiān)控電路集成在單個IC 中的原因，測試組件合并為一個完整的解決方案，既具備分立器件方案的成本優(yōu)勢，又具備數(shù)字方案的多功能靈活性。” 祝臻表示。
控制從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字，ADI新一代化成分容測試方案解讀
ADI 最新一代數(shù)字化四通道雙向DC-DC控制器ADBT1000/1/2系列，將應(yīng)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(tǒng)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(shù)字內(nèi)核，可以實現(xiàn)多通道交錯并聯(lián)操作，通道間數(shù)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(gòu)，其設(shè)計理念同樣非常先進(jìn)，已得到了客戶大量使用和廣泛認(rèn)可。然而，針對不同的電池測試參數(shù)，傳統(tǒng)的模擬環(huán)路只能去通過修改或調(diào)整線路板上的電容或電阻網(wǎng)絡(luò)去改進(jìn)數(shù)值，不僅對電路設(shè)計提出了很高的要求，在不同產(chǎn)品調(diào)試中也會非常不方便。電池化成行業(yè)需求相對統(tǒng)一，如能通過寄存器配置的方式實現(xiàn)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(shè)備開始逐步由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制演進(jìn)的原因之一。
“ADBT1000/1/2系列芯片基于數(shù)字環(huán)路控制設(shè)計，包含四通道模擬前端、四通道數(shù)字PWM發(fā)生器、數(shù)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，方便實現(xiàn)溫度監(jiān)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個數(shù)據(jù)采集通道，客戶能夠多路自由組合，既可以通過兩通道并聯(lián)輸出更大的電流，也可以把4個通道同時并聯(lián)，單芯片實現(xiàn)了高達(dá)240A的大電流充放電甚至更高，符合于現(xiàn)階段電池容量持續(xù)提升的大趨勢。內(nèi)置狀態(tài)機實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)的模式將帶來更快的環(huán)路相應(yīng)能力，同時免除了軟件控制帶來的程序跑飛的風(fēng)險。”
ADBT1000系列芯片的諸多特點和功能集成到一起，簡化了電池化成分容充放電通道設(shè)備的硬件設(shè)計，數(shù)字內(nèi)核配置有專用的GUI軟件可以直接設(shè)置寄存器，直接避免了復(fù)雜的DSP代碼和算法開發(fā)與后期維護(hù)的成本，對于高功率應(yīng)用，極大優(yōu)化了設(shè)計門檻和開發(fā)難度。集成的高精度模擬前端，可以保證系統(tǒng)精度和溫漂，也極大減少了客戶開發(fā)電池化成分容測試系統(tǒng)的時間。
隨著動力電池市場的爆炸式增長，對大容量電池需求也隨之增加。“ADI持續(xù)研發(fā)了許多新產(chǎn)品、參考設(shè)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，以狀態(tài)機方式實現(xiàn)數(shù)字化環(huán)路控制替代模擬控制，提高了工廠對于電池化成分容的測試能力，擴大了測試規(guī)模，增加了電池化成設(shè)備的穩(wěn)定性，使制造商能夠更高效地生產(chǎn)安全強勁的動力電池組。”祝臻強調(diào)道。
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