具有能量回收功能的高效电池组/测试系统

锂离子电池广泛用于便携式设备（例如笔记本电脑和手机）中，但是由于它们的存储容量不足5安培小时（Ah），因此对制造效率的关注已使制造成本退居二线。同时，用于车辆的电池具有更高的总容量，通常为数百安培。这可以通过数千个小型电池或几个大容量电池来实现。在这种情况下，功率效率以及制造过程中的测试成本现在变得尤为重要。具有讽刺意味的是，这些环保车辆使用浪费大量能量的方式制造的电池。

锂离子电池制造概述

图1显示了锂离子电池制造过程的概述。生产线末端调节步骤的形成和测试是工艺瓶颈，对电池寿命，质量和成本影响最大。

 

 

 

图1.锂离子电池制造过程。

根据电池的化学成分，形成过程可能会花费许多小时。在形成过程中使用0.1 C（C为电池容量）电流是非常典型的，整个充电和放电周期最多需要20个小时，占电池总成本的20％到30％。

电气测试可以使用1 C的电流充电和0.5 C的放电电流，但是每个循环仍需要大约3个小时。典型的测试序列需要几个周期。

地层和电气测试具有严格的精度规格，在指定的温度范围内，电流和电压控制在±0.05％以上。相反，在便携式设备中为电池充电时，电压精度为±0.5％，电流精度为±10％。

车辆电池制造的两个主要挑战是成本和功率效率。从材料到制造和维护的整个过程应控制成本。充电期间还必须保持高效率，如果可能的话，应在放电期间回收能量。

形成和测试系统拓扑

设计工程师经常使用线性稳压器来轻松满足便携式设备中电池形成和测试的精度要求，同时降低效率。在大型电池上，这种方法带来了热量管理方面的挑战，并且由于温度漂移而导致效率降低。

电动/混合动力汽车中使用的大量电池必须全部匹配，因此对精度的要求更高，这使得开关拓扑成为非常有吸引力的选择。表1显示了在功率容量和最终功能方面不同电池类别的比较。

表1.线性系统和开关系统的比较

电池容量	小	介质	大
容量（Ah）	<5	10至15	30至> 100
应用领域	便携式设备，例如手机，便携式摄像机等	笔记本电脑	EV，EV，踏板车
每个系统的通道数	~512	~768	16至64
技术要求	降低温度和时间上的漂移	在温度和时间范围内具有更高的精度	在温度和时间上精度最高；当前共享
系统拓扑	线性或切换；切换趋势		交换; 效率更高；能源回收优先

图2显示了采用ADI的新型集成芯片组AD8450和ADP1972构建的单通道系统。两个独立的电路板使系统可以轻松配置不同的功率级。

 

 

 

图2.围绕AD8450和ADP1972构建的单通道系统。

AD8450可测量和调节环路中的电压和电流信号。ADP1972是一款PWM发生器，可配置为降压或升压模式工作。模拟控制器和PWM发生器之间的接口由低阻抗模拟信号组成，这些信号不会因抖动而引起数字环路问题。CC的输出（恒定电流）和CV（恒定电压）的循环确定ADP1972的占空比，它通过驱动MOSFET功率级ADuM7223。当模式从充电变为放电时，用于测量电池电流的AD8450内部仪表放大器的极性相反。CC和CV放大器内部的开关选择正确的补偿网络，ADP1972将其PWM输出更改为升压模式。整个功能通过单个引脚和标准数字逻辑控制。

在该实施方案中，高分辨率ADC AD7173-8监视系统，但它不是控制环路的一部分。扫描速率与控制环路性能无关，因此单个ADC可以测量多通道系统中大量通道上的电流和电压。DAC也是如此，因此低成本的DAC（例如AD5689R）可以控制多个通道。此外，单个处理器只需要设置CV和CC设置点，操作模式和内务处理功能，因此它可以与多个通道接口，而不会成为控制回路性能的瓶颈。

配置有4 V电池和20 A最大电流的系统在25°C±10°C的电流回路中为90 ppm，在电压回路中为51 ppm时，效率高于90％，并且典型精度超过25％。CC到CV的过渡无毛刺，发生时间为500 ms。从1 A到20 A的电流斜升需要小于150 mS。这些规格非常适合汽车电池的制造和测试。

图3以10 A和20 A的CC放电模式下的效率为例。完整的测试结果可直接从ADI获得。

 

 

 

图3.经过测试的系统电源效率。

降低电池成本

降低电池成本的挑战需要解决整个制造过程。此处描述的系统可在不牺牲性能的情况下实现低成本的电池成型和测试系统。改进的精度允许更短和更少的校准周期，从而导致更长的正常运行时间。此外，较高的开关频率导致更简单的设计和更小的功率电子元件也有助于降低系统成本。通道也可以组合起来以最小的努力输出更高的电流。通过在模拟域中执行所有控制，这种方法还可以最大程度地降低软件开发成本，而无需复杂的算法。最后，能源回收再加上高系统效率，大大降低了持续的运营成本。

能源回收

许多现有系统将其电池放电至电阻负载。一些客户将这种能量用于建筑热量，或者只是将热空气排放到室外。尽管这是最简单的电池放电方法，但是当必须对大量电池进行充电/放电循环时，成本会迅速增加。我们提出的系统具有很高的单通道效率，但其真正价值在于能够以最小的额外复杂性回收放电电池的能量。

围绕AD8450和ADP1972构建的系统无需将电池放电到电阻负载中，而是可以控制电池电压和电流，同时将这种能量推回公用总线，在该总线上其他电池组可以将其用于充电循环。

每个电池通道可以处于充电模式，从直流母线汲取能量，也可以处于放电模式，将能量推回直流母线。最简单的系统包括一个单向AC / DC电源，该电源只能从交流电源向DC总线提供电流，例如图4中的系统。这意味着必须仔细平衡系统，以确保来自交流电的净电流/ dc电源始终为正。将比充电通道消耗的能量更多的能量推入直流母线，将导致母线电压升高，从而可能损坏某些组件。

 

 

 

图4.具有电池间能量回收的电池测试系统。

双向交流/直流转换器通过将能量推回到交流电网中来解决这一挑战，如图5所示。在这种情况下，可以首先将所有通道设置为充电模式，然后设置为放电模式，将电流返回至交流模式。网格。这需要更复杂的AC / DC转换器，但是为系统配置提供了额外的灵活性，并且无需仔细平衡充电和放电电流以确保来自电源的净正电流。

 

 

 

图5.具有交流市电能量回收的电池测试系统。

具有能源回收效率

为了进一步说明能量回收的好处，请考虑使用一组3.2 V，15 Ah的电池。这些电池可以存储大约48 W-hr。要给充满电的电池充电（假设充电效率为90％），系统必须为每个电池提供大约53.3 W-hr的能量。在放电模式下，系统将节省48 W-hr，要么将能量转换为电阻器中的热量，要么将其循环回总线。如果没有回收利用，则为两个电池充电大约需要107 W-hr。但是，如果一个系统（例如上面显示的示例）可以以90％的效率回收能量，则第一个电池的43.2 W-hr可用于给第二个电池充电。如前所述，系统可以以90％的效率充电，因此再次需要53.3 W-hr，但是43.2 W-hr来自放电电池，因此我们只能提供额外的10.1 W-hr，总共需要63.4 W-hr的能量。这样可以节省40％以上的能源。在实际的制造环境中，数百个电池在制造过程中会放置在不同的托盘中，因此，通过将每个托盘设置为一组处于充电或放电模式，这不会增加总制造时间。

结论

开关电源为现代可充电电池制造提供了高性能，经济高效的解决方案。AD8450和ADP1972简化了系统设计，具有优于0.02％的系统精度，高于90％的电源效率和能量回收能力，有助于解决可充电电池制造的瓶颈问题。从制造过程开始，它使混合动力和电动汽车变得环保。