【導(dǎo)讀】近年來(lái)，我國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展，保有量持續(xù)增長(zhǎng)，滲透率也逐步提升。工信部公布的最新數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)的電動(dòng)智能汽車在全球范圍內(nèi)已形成一定的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，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(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)開(kāi)啟了新一輪的“黃金時(shí)代”。
動(dòng)力電池作為電動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的關(guān)鍵，能否掌握動(dòng)力電池供應(yīng)鏈安全以及從動(dòng)力電池制造端實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的成本和性能競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在越來(lái)越多新勢(shì)力入局的電動(dòng)汽車行業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)去的幾十年里，動(dòng)力及儲(chǔ)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(shí)到，要想在這一新興行業(yè)分得一杯羹，擴(kuò)大電池的生產(chǎn)規(guī)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(duì)于確保動(dòng)力電池組的一致性、安全性和較長(zhǎng)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)采訪中提到。
ADI市場(chǎng)經(jīng)理祝臻接受采訪
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(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(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(shù)對(duì)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(cè)試并研究驗(yàn)證。
分容則是對(duì)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(jì)電池的容量、充電恒流比、放電平臺(tái)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(huì)導(dǎo)致電池組安全性降低。例如動(dòng)力電池組為滿足電動(dòng)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(dú)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(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(píng)定電池等級(jí)，對(duì)化成分容檢測(cè)設(shè)備的電流電壓測(cè)量精度有很高的要求，也有助于電池制造商和測(cè)試設(shè)備提供商擴(kuò)大電池生產(chǎn)規(guī)模并提高效率，在電動(dòng)汽車市場(chǎng)抓住產(chǎn)銷爆發(fā)的關(guān)鍵機(jī)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(shí)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(jí)專業(yè)知識(shí)來(lái)減少整體電池測(cè)試電路面積大小，同時(shí)增加通道的數(shù)量，而且必須保持測(cè)試測(cè)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(shí)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(chǎng)景，數(shù)字方案則可以同時(shí)適應(yīng)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(gòu)上都比較靈活，需要考量每個(gè)器件的精度要求選擇對(duì)應(yīng)器件，對(duì)應(yīng)一定范圍輸出電壓、電流、通道數(shù)的設(shè)備。但其缺點(diǎn)包涵器件太多，研發(fā)、調(diào)試、測(cè)試、系統(tǒng)校準(zhǔn)需要花費(fèi)很多工時(shí)，實(shí)現(xiàn)通道交錯(cuò)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(diǎn)，使得其單體電芯容量日益攀升的趨勢(shì)下綜合成本劣勢(shì)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(kāi)關(guān)管，外圍電壓、電流采樣，緩沖放大器使用的運(yùn)放和硬件方案沒(méi)有太大區(qū)別。其優(yōu)勢(shì)是控制比較靈活，數(shù)字方案調(diào)試也比較方便，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能，比如交錯(cuò)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(zhǎng)，后期維護(hù)成本偏高。
由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)方案在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中有自己的優(yōu)點(diǎn)，但也有相應(yīng)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(jiān)控電路集成在單個(gè)IC 中的原因，測(cè)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(shì)，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(cè)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(jí)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(shí)現(xiàn)多通道交錯(cuò)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(jì)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(duì)不同的電池測(cè)試參數(shù)，傳統(tǒng)的模擬環(huán)路只能去通過(guò)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(duì)電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，在不同產(chǎn)品調(diào)試中也會(huì)非常不方便。電池化成行業(yè)需求相對(duì)統(tǒng)一，如能通過(guò)寄存器配置的方式實(shí)現(xiàn)各種功能，將大大提高了測(cè)試效率，這也是電池化成分容測(cè)試設(shè)備開(kāi)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(jì)，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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)采集通道，客戶能夠多路自由組合，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(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(shì)。內(nèi)置狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)的模式將帶來(lái)更快的環(huán)路相應(yīng)能力，同時(shí)免除了軟件控制帶來(lái)的程序跑飛的風(fēng)險(xiǎn)。”
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(shè)備的硬件設(shè)計(jì)，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(kāi)發(fā)與后期維護(hù)的成本，對(duì)于高功率應(yīng)用，極大優(yōu)化了設(shè)計(jì)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(tǒng)精度和溫漂，也極大減少了客戶開(kāi)發(fā)電池化成分容測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間。
隨著動(dòng)力電池市場(chǎng)的爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)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(jì)和集成解決方案，新一代ADBT1000系列測(cè)試芯片便在提供高精度的同時(shí)，以狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字化環(huán)路控制替代模擬控制，提高了工廠對(duì)于電池化成分容的測(cè)試能力，擴(kuò)大了測(cè)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(qiáng)勁的動(dòng)力電池組。”祝臻強(qiáng)調(diào)道。
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