摘要
ADI公司供给依据单硅芯片的电池化成操控体系归纳处理计划 AD8452。凭仗准确的化成工艺功用，可优化每个电池的化成时刻。高效的能量收回特功用够显着节约大规模电池制作的能耗。
简介
如图1所示，锂离子(Li-Ion)制作是一个很绵长的进程。前三个阶段预备必要的资料（电极、电解质、分离器等），并将它们组装成电池。终究一个阶段激活电池，使电池能够履行电气功用。这个激活进程称之为电池化成。这种分级进程能够保证电池的共同性。低存储容量（低于5 A）锂离子电池被广泛用于各种便携式设备，例如笔记本电脑和手机。对这些电池而言，出产本钱问题比出产功率更为重要。一起，轿车蓄电池的总容量则要高得多，一般都是几百安培，这是通过上千个小型电池单元或几个高容量电池来完结的。关于这种类型的运用，电池的共同性更为重要，因而分级进程（进步电池的共同性）至关重要。与此一起，作为电池制作进程中化本钱钱的一部分，功率功率变得尤为重要。假如这些环保轿车运用的电池却是以糟蹋许多动力的办法出产出来的，那将是极大的挖苦。
现在能够运用集成精细模仿前端和降压-升压PWM操控器的单硅芯片来完结更高质量、更高效的电池化成/分级进程。此处理计划的精度优于0.02%，成效比高于90%。此外，在电池化成和分级期间，开释的能量能够被其他电池制作流程循环运用。许多现有体系会将电池放电至阻性负载。有些客户将此能量用作楼宇供暖或直接把热空气排出至室外。虽然将电池放电至阻性负载是最简略的电池放电办法，可是当许多电池需求阅历充放电循环时，本钱就会快速添加。咱们所提议的体系具有高单通道功率，但其真实的价值在于，这种体系只需添加少数杂乱性，即可收回电池放电时开释的能量。这种架构能够节约超越40%的能量。
简言之，依据AD8452的单芯片处理计划使电池化成/分级进程具有以下特性：
u 下降电池本钱
u 能量收回运用
u 高成效比
u 高测验精度
锂离子电池制作概述
图1显现锂离子电池制作进程。下线调度进程中的电池化成和测验不仅是工艺瓶颈，还会对电池寿数、质量和本钱发生极大影响。
电池化成是对电池进行初始充放电操作的进程。在这个阶段，将在电极上，主要是在阳极上构成特别的电化学固体电解质界面层(SEI)。这个界面层对许多不同的要素都很灵敏，在电池的整个运用寿数期间对电池的功用有很大的影响。依据电池的化学性质，电池化成或许需求许多天。在化成时运用0.1 C（C表明电池容量）电流是很典型的做法，需花费20小时完结完好的充放电周期，占总电池本钱的20%至30%。
图1.锂离子电池制作进程。
电气测验可运用1 C电流充电、0.5 C电流放电，但每个周期仍然需求花大约三小时。典型的测验序列要求履行多个周期。电池化成/分级和其他电气测验具有严厉的精度规范，电流和电压操控在额外温度规模的±0.02%以内。分级进程会使电池的电化学功用稳定下来。依据这一阶段记载的数据，具有类似电化学行为的电池将被分到一个模块和/或电池组。通过这种办法，最大极限使电动轿车动力体系到达共同。丈量和操控精度将决议数据记载的质量，因而对整个电池电力体系的功用有着不行忽视的影响。
轿车电池制作面对的另一个应战是成效比。功率在充电时也有必要坚持在较高水平，而且假如或许的话应当在放电时进行动力的再循环。这不仅有助于恪守环保方针，还能够节约大规模电池制作的本钱。跟着现在电动轿车运用的鼓起，大规模电池制作日益遍及。
图2.环绕AD8452构建的单通道体系。
此单硅芯片处理计划将精细模仿前端和降压-升压PWM操控器集成在一个封装中，以处理上述应战。内部薄膜匹配电阻协助保证准确牢靠的电流信号传感。精心规划的模仿操控环路与PWM操控电路相互配合，以完结或许最优化的充放电操作。由此完结的高功用能够减轻体系定时校准和保护的作业强度，取得高功率转化和收回功率。这两者都有助于操控从资料到制作和保护的整个进程的本钱。
电池化成和测验体系拓扑
规划工程师常常运用线性调节器来轻松满意便携式设备中电池化成和测验的精度要求，但会献身功率。关于大型电池而言，这种做法会导致热办理难题，而且功率会跟着温度漂移而下降。
混合动力轿车中运用的许多电池都有必要完美匹配，这便提出了更为严厉的精度要求，使得开关拓扑成为极具吸引力的挑选。表1显现各类电池单元的功率容量和终究功用比照。
表1.线性和开关体系比照
图2显现的是选用ADI最新的集成式硅芯片AD8452构建的单通道体系。这个单芯片处理计划使体系能够轻松装备不同的功率级。AD8452的模仿前端丈量并调度环路中的电压和电流信号。它还具有一个内置PWM发生器，可装备为降压或升压形式。模仿操控器和PWM发生器之间的接口由不受颤动影响的低阻抗模仿信号构成；而颤动会使数字环路发生问题。恒流(CC)和恒压(CV)环路的输出决议了PWM发生器的占空比，并通过ADuM7223驱动MOSFET功率级。形式从充电变为放电后，丈量电池电流的AD8452内部外表放大器的极性回转。在CC和CV放大器内部切换可挑选正确的补偿网络，而且AD8452将其PWM输出改为升压形式。整个功用通过单引脚运用规范数字逻辑操控。在此计划中，AD7173-8 高分辨率ADC用于监测体系，但它不属于操控环路的一部分。扫描速率与操控环路功用无关，因而在多通道体系中，单个ADC可丈量许多通道上的电流和电压。DAC也是如此，因而能够运用低本钱DAC（比方AD5689R ）来操控多个通道。此外，单个处理器只需设置CV和CC设定点、作业形式和办理功用，因而它能与许多通道完结接口，而不会成为操控环路功用的瓶颈。装备为4 V电池和20 A最大电流的体系可完结高于90%的功率以及超越25°C±10°C时的90 ppm典型精度（电流环路）和51 ppm典型精度（电压环路）。CC至CV的转化是无毛刺的而且时刻在500 µs以内。从1 A至20 A的电流斜坡需求的时刻不到150 mS。依据详细装备，这个数值能够更小。用户需求做出一些权衡，例如，在斜坡时刻和低电流功用之间权衡，以决议所需的斜坡速度。这些规范关于轿车电池制作和测验而言是十分抱负的。图3显现了CC放电形式下的功率，以10 A和20 A为例。ADI直接供给完好的测验成果。
图3.体系成效比测验成果。
下降电池本钱
下降电池本钱的难点在于它触及整个制作进程。本文描绘的体系可下降电池化成和测验体系本钱，而无需献身功用。更高的精度能够削减校准周期时刻和次数，进一步添加正常运转时刻。别的，更高的开关频率简化了规划并运用小体积的电子元件，所以能进一步下降体系本钱。这个计划还能够把通道并联运用以输出更大的电流，且操作十分简洁。一切操控操作均可在模仿域中完结，无需开发杂乱的算法，因而该办法还可最大程度下降软件开发本钱。终究，能量收回功用，加上超高的体系功率，有利于大幅下降继续运营本钱。
能量收回运用
与电池放电至阻性负载的架构比较，依据AD8452构建的体系能够操控电池电压和电流，一起，把这些能量“推”回公共总线中，这样，其他电池组就能够在充电循环中运用这些电能。每个电池通道都或许处于充电形式，从直流总线吸收能量，或许处于放电状况，将能量推回直流总线。最简略的体系包括一个单向AC/DC电源，该电源只能把电流从沟通市电拉进直流总线，如图4中的体系所示。这意味着，体系有必要坚持准确平衡，保证来自AC/DC电源的净电流一直为正。假如推动直流总线的电能超越充电通道耗费的电流，成果会导致总线电压添加，有或许损坏部分组件。
图4.带电池芯间能量收回功用的电池测验体系。
双向AC-DC转化器通过将电能推回沟通电网处理了上述难题，如图5所示。在这种情况下，能够先将一切通道设为充电形式，然后设为放电形式，把电流推回电网。这就要求杂乱性更高的AC-DC转化器，但在体系装备方面具有更大的灵活性，而且不需求准确平衡充电电流和放电电流，即可保证来自电源的电流为正。
图5.带沟通市电能量收回功用的电池测验体系。
支撑能量收回的功率
为了进一步展现能量收回的优点，请考虑包括两个3.2 V、15 A电池的电池组。这些电池能够贮存大约48wh的电量。若要对一个电量彻底耗尽的电池充电，假定充电功率为90%，则体系有必要向每个电池供给大约53.3 Wh的能量。在放电形式下，体系将削减48 Wh来掩盖电阻中转化为热量的电能，或许将其收回至总线。假如不通过收回，那么大致需求107 Wh来对两个电池充电。但是，假如一个体系能以90%的功率收回能量，那么第一个电池的43.2 Wh现已能够为第二个电池充电。如前所述，体系充电功率为90%，因而它将再次需求53.3 Wh，但其间43.2 Wh来自放电电池，因而咱们只需供给其他10.1 Wh，即所需总能量为63.4 Wh.能量节约了40%。在实践出产环境中，不同的卷盘在整个出产进程中放置着上百个电池，因而将每个卷盘设为一组充电或放电形式不会添加总出产时刻。
定论
开关电源可为现代可充电电池的制作供给高功用、高性价比处理计划。AD8452能够简化体系规划，体系精度优于0.02%，能效比高于90%，而且支撑能量收回功用，与那些糟蹋放电电能，而不重复用于为其他电池充电的体系比较，能够节约超越40%以上的动力，有助于处理可充电电池制作瓶颈问题，而且让混合动力轿车和电动轿车从出产进程开端就环保友爱。
作者简介
Seraph Hu结业于伯明翰城市大学，取得电子工程学士学位，后在伦敦帝国理工学院取得集成电路规划硕士学位。他于2011年参加ADI，成为一名专心于准确DAC的运用工程师。Seraph曾担任我国技能事务开发工程师，之后从事该区域的仪器外表事务营销作业。他现在对电池测验范畴十分感爱好，但他也有爱好探究未来的手机测验运用。
