精密模擬控制器優(yōu)化高效率鋰離子電池制造
發(fā)布時間:2020-03-04 來源:Wenshuai Liao 和 Luis Orozco 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】節(jié)能和環(huán)保在我們的日常生活中扮演著重要的角色;而隨著價格親民的混合動力汽車和電動汽車的發(fā)布,人們的這些意識進一步得到了提高。這兩項技術(shù)均使用大量充電電池,其中高品質(zhì)、高功率的鋰離子電池單元代表了目前為止最佳的解決方案。這些電池廣泛用于筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機、攝像機和其他便攜式設(shè)備中,但生產(chǎn)效率并未成為一個主要問題,因為這些電池的容量較低,通常為每單元或每組低于5 安時(Ah)。一個典型的電池組由不到一打的電池單元組成,因此匹配也不是什么重要問題。
實現(xiàn)節(jié)能的一種方法是在非高峰時段儲存電能,補充高峰時候的 用電需求。用于車輛或電能存儲的電池具有高得多的容量,通常 為幾百Ah。這是通過大量小型電池單元或一些高容量電池來實現(xiàn) 的。例如,某種型號的電動汽車采用大約6800 個18650 鋰離子電 池單元,重達450 kg。由于這個原因,電池生產(chǎn)需要制造速度更 快、效率更高以及控制更精確以滿足市場的價格需求。
鋰離子電池制造概述
圖1 顯示鋰離子電池制造過程。下線調(diào)理步驟中的電池化成和測試不僅對電池壽命和品質(zhì)產(chǎn)生極大影響,還是電池生產(chǎn)工藝瓶頸。
圖1. 鋰離子電池制造過程
就目前的技術(shù)來說,必須在電池單元級完成化成,這可能需耗時數(shù)小時甚至數(shù)天,具體取決于電池化學(xué)特性。在化成時通常采用0.1 C(C 是電池容量)電流,因此一次完整的充放電循環(huán)將需要 20 小時?;煽烧嫉诫姵乜偝杀镜?0%至30%。
電氣測試通常使用1 C 充電電流和0.5 C 放電電流,這樣每次循環(huán)依然需要一小時的電池充電時間和兩小時放電時間,且一個典型的測試序列包括多個充放電周期。
化成和電氣測試具有嚴(yán)格的精度規(guī)格,電流和電壓控制在±0.05%以內(nèi)。作為比較,為便攜式設(shè)備(比如手機和筆記本電腦)的電池充電時,精度可能僅為±0.5%(電壓)和±10%(電流)。圖2 顯示典型的鋰離子充放電曲線。
圖2. 典型鋰離子電池充放電曲線
線性或開關(guān)化成及測試系統(tǒng)
選擇制造方法時,需考慮到的最重要因素是功效、系統(tǒng)精度和成本。當(dāng)然,其他因素——比如小尺寸和易于維護——也十分重要。
為滿足電池制造中的高精度要求,系統(tǒng)設(shè)計人員原來會采用線性電壓調(diào)節(jié)器;這樣做可以輕松滿足精度要求,但效率較低。用在低容量電池生產(chǎn)可能是一個較好的選擇,但某些制造商依然可以 采用開關(guān)技術(shù)來凸顯他們的優(yōu)勢。最終決策將是效率、通道成本和電流之間的取舍。原則上講,開關(guān)技術(shù)能夠以相同的單通道成本為容量超過3 Ah 電池單元提供更高的效率。表1 顯示各類電池單元的功率容量和最終用途。
表1. 線性和開關(guān)系統(tǒng)對比
為了以更低的成本更快地生產(chǎn)電池,系統(tǒng)在化成和測試階段使用 了成百上千的通道,其測試儀拓?fù)淙Q于系統(tǒng)的總能源容量。測試儀中的大電流會導(dǎo)致溫度大幅上升,增加隨時間推移而維持高測量精度和可重復(fù)性的難度。
在放電階段,保存的電能必須要有地方能夠輸出。一個解決方法是把電池放電到阻性負(fù)載,將電能轉(zhuǎn)化為熱能而浪費。一個更好的解決方案是循環(huán)使用這些電能,通過精密控制電路將電流從放 電電池單元饋入另一組充電電池單元中。這項技術(shù)可以顯著提高測試儀效率。
一般而言,通過每個電池單元的直流總線和雙向PWM 轉(zhuǎn)換器,可實現(xiàn)電能平衡。直流總線電壓與特定系統(tǒng)有關(guān),電壓值可以是12 V、24 V 甚至高達350 V。對于同樣的電量而言,由于存在導(dǎo) 通電阻,較低的電壓總線具有較高的電流和較高的損耗。較高的電壓會產(chǎn)生安全性方面的額外擔(dān)憂,并且需要使用成本高昂的電源和隔離電子器件。
圖3 顯示可實現(xiàn)電能循環(huán)的典型開關(guān)拓?fù)?。各電池單元之間(紅色路徑)或各電池單元之間的直流鏈路總線(綠色路徑)可實現(xiàn)電能的循環(huán)利用,也可將其返回電網(wǎng)(紫色路徑)。這些靈活的 高效率設(shè)計可降低生產(chǎn)成本,并獲得90%以上的效率。
圖3. 利用電源循環(huán)功能切換系統(tǒng)
雖然這項技術(shù)具有很多好處,但也存在一些技術(shù)難題。電壓和電流控制環(huán)路速度必須足夠高,并且必須能隨時間和溫度的變化保持高精度。使用空氣冷卻或水冷卻會有所幫助,但采用低漂移電 路更為重要。該系統(tǒng)包括開關(guān)電源,因此必須以合理的成本抑制電源紋波。另外最大程度縮短系統(tǒng)校準(zhǔn)時間也很重要,因為系統(tǒng)關(guān)斷進行校準(zhǔn)時不會產(chǎn)生收益。
控制環(huán)路設(shè)計:模擬或數(shù)字
每個系統(tǒng)都提供一個電壓控制環(huán)路,還有一個電流控制環(huán)路,如圖4 所示。對于汽車中使用的電池單元,汽車加速時需要快速斜升電流,因此測試時必須對其進行仿真。快速變化速率和寬動態(tài)范圍讓電流控制環(huán)路的設(shè)計變得十分棘手。
圖4. 電池制造系統(tǒng)中的控制環(huán)路
一個系統(tǒng)需要四個不同的控制環(huán)路,這些環(huán)路可在模擬域或數(shù)字域中實現(xiàn):恒流(CC)充電、CC 放電、恒壓(CV)充電和CV 放電。需干凈地切換CC 和CV 模式,無毛刺或尖峰。
圖5 顯示數(shù)字控制環(huán)路的框圖。微控制器或DSP 連續(xù)采樣電壓和電流;數(shù)字算法決定PWM 功率級的占空比。這種靈活的方式允許進行現(xiàn)場升級和錯誤修復(fù),但有一些缺點。ADC 采樣速率必須 超過環(huán)路帶寬的兩倍,大部分系統(tǒng)采樣速率為環(huán)路帶寬的10 倍。這意味著,雙極性輸入ADC 必須工作在100 kSPS,才能采用單個轉(zhuǎn)換器和分流電阻涵蓋充電和放電模式。某些設(shè)計人員在速度和精度更高的系統(tǒng)中采用16 位、250 kSPS ADC。作為控制環(huán)路的一部分,ADC 精度決定了系統(tǒng)的整體精度,因此選擇高速、低 延遲、低失真的ADC 很重要,比如6 通道、16 、250 kSPSAD7656.
圖5. 數(shù)字控制環(huán)路
在多通道系統(tǒng)中,每個通道一般要求使用一個微控制器和一組專用ADC。微控制器處理數(shù)據(jù)采集、數(shù)字控制環(huán)路、PWM 生成、控制和通信功能,因此它必須具有非常高的處理能力。此外,由 于處理器必須處理多個并行任務(wù),PWM 信號中的抖動可能會引起問題,尤其是PWM 占空比較低時。作為控制環(huán)路的一部分,微處理器會影響環(huán)路帶寬。
圖6 中的電池測試系統(tǒng)采用模擬控制環(huán)路。兩個DAC 通道控制CC 和CV 設(shè)定點。AD8450/AD8451 用于電池測試與化成系統(tǒng)的精密模擬前端和控制器可測量電池電壓和電流,并與設(shè)定點進行比較。CC 和CV 環(huán)路決定MOSFET 功率級的占空比模式從充 電變?yōu)榉烹姾?,測量電池電流的儀表放大器的極性轉(zhuǎn),以保證 其輸出為正,同時在CC 和CV 放大器內(nèi)部切換可選擇正確的補償網(wǎng)絡(luò)。整個功能通過單引腳利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯控制。
圖6. 模擬控制環(huán)路
在此方案中,ADC 監(jiān)測系統(tǒng),但它不屬于控制環(huán)路的一部分。掃描速率與控制環(huán)路性能無關(guān),因此在多通道系統(tǒng)中,單個ADC 可測量大量通道上的電流和電壓。對于DAC 而言同樣如此,因此針對多個通道可采用低成本DAC。此外,單個處理器只需控制CV和CC 設(shè)定點、工作模式和管理功能,因此它能與多通道實現(xiàn)接口。處理器不決定控制環(huán)路性能,因此并不要求高性能。
ADP1972 PWM 發(fā)生器使用單引腳控制降壓或升壓工作模式。模 擬控制器和PWM 發(fā)生器之間的接口由不受抖動影響的低阻抗模擬信號構(gòu)成;而抖動會使數(shù)字環(huán)路產(chǎn)生問題。表2 顯示模擬環(huán)路相比數(shù)字環(huán)路如何提供更高的性能和更低的成本。
表2. 模擬和數(shù)字控制環(huán)路比較
特定溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)精度
校準(zhǔn)可除去大部分初始系統(tǒng)誤差。余下的誤差包括:放大器CMRR、DAC(用于控制電流和電壓設(shè)定點)非線性和溫度漂移造成的誤差。制造商指定的溫度范圍各有不同,但最常見的是25°C ±10°C,本文即以此為例。
本設(shè)計中使用的電池,完全放電后電壓為2.7 V,完全充電后電壓為4.2 V;使用5 mΩ分流電阻的滿量程電流為12 A;用于。AD8450的電流檢測放大器的增益為66;用來測量電池電壓差動放大器 增益為0.8。
總系統(tǒng)誤差中,電流檢測電阻漂移占了相當(dāng)一部分。Vishay 大金屬電阻;器件型號:Y14880R00500B9R,最大溫度系數(shù)為15ppm/°C,可減少漂移。AD5689 雙通道、16 位nanoDAC+™模 轉(zhuǎn)換器,最大INL 額定值為2 LSB,可降低非線性度。ADR45404.096 V 基準(zhǔn)電壓源,最大溫度系數(shù)額定值為4 ppm/°C,是在電流和電壓設(shè)定點之間進行取舍后的理想選擇。經(jīng)電流檢測放大器以66 倍衰減后,DAC INL 會使?jié)M量程誤差增加約32 ppm,基準(zhǔn)電 壓源引入的增益誤差為40 ppm。
電流檢測放大器在增益為66 時的CMRR 最小值為116 dB。如果系統(tǒng)針對2.7 V 電池進行校準(zhǔn),則4.2 V 電池將產(chǎn)生40 ppm 滿量程誤差。此外,CMRR 變化為0.01 μV/V/°C,或者0.1μV/V(10°C 溫度范圍)。電流檢測放大器的失調(diào)電壓漂移最大值為0.6 μV/°C,因而10°C 溫度偏移將產(chǎn)生6 μV 失調(diào),或者100 ppm 滿量程誤差。
最后,電流檢測放大器的增益漂移最大值為3 ppm/°C,而總漂移為30 ppm(10°C 范圍內(nèi))。檢測電阻漂移為15ppm/°C,因此總共增加150 ppm 增益漂移(10°C 范圍內(nèi))。表3 總結(jié)了這些誤差 源,它們產(chǎn)生的總滿量程誤差不足0.04%。該誤差很大一部分來源于分流電阻,因此必要時可以采用漂移值較低的分流電阻,以改善系統(tǒng)精度。
表3. 10ºC 范圍內(nèi)的電流測量誤差
類似地,對于電壓輸入而言,2 LSB DAC INL 相當(dāng)于折合到5.12 V滿量程輸入的31 ppm 誤差。若電池電壓在2.7 V 和4.2 V 范圍內(nèi)變化,那么差動放大器的78.1 dB CMRR 將產(chǎn)生187 μV 失調(diào)誤差,或者36.5 ppm 滿量程誤差。來自CMRR 漂移的額外誤差遠(yuǎn)低于1ppm,可以忽略。
差動放大器的失調(diào)漂移為5 μV/°C,或者10 ppm 滿量程誤差(10°C范圍內(nèi))。差動放大器的增益漂移為3 ppm/°C,或者30 ppm(10°C 范圍內(nèi))。基準(zhǔn)電壓漂移為40 ppm(10°C 范圍)。總電壓誤差最大值為0.015%,如表4 所總結(jié)。
表4. 10ºC 范圍內(nèi)的電壓測量誤差
實現(xiàn)高精度電流測量要比高精度電壓測量困難得多,因為信號電平更小而動態(tài)范圍更寬。分流電阻和儀表放大器失調(diào)漂移隨溫度 產(chǎn)生的誤差最大。
減少校準(zhǔn)時間
系統(tǒng)校準(zhǔn)時間可達每通道數(shù)分鐘,因此減少校準(zhǔn)時間便可降低制造成本。若每通道需3 分鐘,則96 通道系統(tǒng)便需要4.8 小時來執(zhí)行校準(zhǔn)。電壓和電流測量路徑有所不同,因為電流極性會發(fā)生改變,且失調(diào)和增益誤差在各種模式下均有所不同,因此需單獨校 準(zhǔn)。若沒有低漂移元件,就必須針對每一個模式進行溫度校準(zhǔn),導(dǎo)致校準(zhǔn)時間非常長。
當(dāng) AD845x在充電和放電模式之間切換時,內(nèi)部多路復(fù)用器將在到達儀表放大器和其他信號調(diào)理電路之前改變電流極性。因此, 儀表放大器將始終獲得相同的信號,無論處于充電還是放電模式,且增益誤差在兩種模式下均相同,如圖7 所示。多路復(fù)用器的電阻在充電和放電兩種模式下不同,但儀表放大器的高輸入阻抗使得此誤差可忽略不計。
從系統(tǒng)設(shè)計角度而言,兩種模式下具有相同的失調(diào)和增益誤差意味著單次校準(zhǔn)可消除充電和放電模式下的初始誤差,使校準(zhǔn)時間減半。此外,AD845x 具有極低漂移,對其進行單次室溫校準(zhǔn)即可, 無需在不同溫度下進行校準(zhǔn)??紤]到整個系統(tǒng)壽命期間所需的校準(zhǔn),節(jié)省的時間可轉(zhuǎn)化為成本的大幅下降。
減少紋波
從線性拓?fù)滢D(zhuǎn)換到開關(guān)拓?fù)浜?,系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的問題之一是電壓和電流信號中的紋波。每一個開關(guān)電源系統(tǒng)都會產(chǎn)生一些紋波,但在高效率、低成本要求的PC 和其他大用量電源管理應(yīng)用中穩(wěn)壓器模塊的推動,技術(shù)變革非常快。精心設(shè)計電路和PCB 布局, 可以減少紋波,使得開關(guān)電源可以為一個16 位ADC 供電而不會降低其性能,詳見AN-1141 應(yīng)用筆記用開關(guān)穩(wěn)壓器為雙電源精密 ADC 供電。此外,ADP1878同步降壓控制器數(shù)據(jù)手冊提供有關(guān)高功率應(yīng)用的更多信息。大部分開關(guān)電源使用單級LC 濾波器,但 若需要更佳的紋波和更高的系統(tǒng)精度,則雙級LC 濾波器將有所幫助。
均流控制
AD8450支持方便的純模擬均流,是結(jié)合多通道實現(xiàn)高容量電池化成和測試的快速、高性價比之選。例如,可以利用一個5 V、20 A單通道設(shè)計,三個相同的通道均流后可產(chǎn)生5 V、60 A 系統(tǒng)。采用AD8450 和一些無源器件即可實現(xiàn)均流總線和控制電路。與單通道設(shè)計相比,這是一種高性價比方式,因為可以使用低成本功率電子器件,無額外開發(fā)時間。詳情可參見AD8450 數(shù)據(jù)手冊。
圖7. AD845x 在充電和放電模式下具有相同的失調(diào)和斜率
結(jié)論
AD8450, AD8451, and ADP1972簡化系統(tǒng)設(shè)計,具有優(yōu)于0.05%的 系統(tǒng)精度和超過90%的能效,有助于解決可充電電池制造瓶頸問題,同時為環(huán)保技術(shù)的普及做出貢獻。開關(guān)電源可為現(xiàn)代可充電電池的制造提供高性能、高性價比解決方案。
參考電路
Wang, Jianqiang, 等人, ""高容量單體鋰離子電池充放電系統(tǒng)研究"." PEDS2009.
Wolter, M, 等人, " "鋰離子電池生產(chǎn)線中的下線測試與化成工藝"" 第9 屆系統(tǒng)、信號和設(shè)備國際多方會議,2012 IEEE。
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