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數字化革新突破動力電池大規模制造化成分容瓶頸,迎接電動汽車 “黃金時代”到來

2025China.cn   2021年07月05日

  近年來,我國電動汽車行業快速發展,保有量持續增長,滲透率也逐步提升。工信部公布的最新數據顯示,中國的電動智能汽車在全球范圍內已形成一定的先發優勢,新能源汽車產銷量連續六年位居全球第一。而“碳達峰”、“碳中和”雙碳目標的發布,則為中國電動汽車行業開啟了新一輪的“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鍵,能否掌握動力電池供應鏈安全以及從動力電池制造端實現更強的成本和性能競爭優勢,在越來越多新勢力入局的電動汽車行業市場競爭日趨激烈的當下十分重要。

一致性仍是電池制造關鍵掣肘,化成分容技術引領革新

  過去的幾十年里,動力及儲能用鋰離子電池在大規模商業化方面已經取得了空前的進步, 電池制造商和供應鏈廠商意識到,要想在這一新興行業分得一杯羹,擴大電池的生產規模和提高生產效率是關鍵,同時必須將電池的性能質量放在首位。“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性質,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量來說尤為關鍵。”ADI市場經理祝臻在近日的一次公開采訪中提到。

ADI市場經理祝臻接受采訪

  化成指鋰電池組裝完畢后通過給電池一定的電流,使得鋰電池正負極活性物質被激發,最后使電池具有放電能力的電化學過程。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對電池性能的影響,需要采用儀器設備進行大量精準的數據測試并研究驗證。

  分容則是對化成完的電池進行充放電,不同類型電池的充放電電流略有差異,以便統計電池的容量、充電恒流比、放電平臺電壓、內阻等進行區分,篩選出指標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,往往需要數十支到數千支電池組成,受到系統復雜性的影響,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,為提高電池的循環壽命、穩定性、自放電性、安全性等電化學性能,必須嚴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備提供商擴大電池生產規模并提高效率,在電動汽車市場抓住產銷爆發的關鍵機遇。

如何兼顧成本與靈活性?傳統解決方案面臨新的挑戰

  限于傳感器采集精度,同時為降低電池成本,制造商需要統籌兼顧,利用供應商的系統級專業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±0.05%以上的精度。

  據祝臻介紹,傳統電池化成分容設備所使用的雙向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字方案,分立器件方案一般應用于中小功率場景,數字方案則可以同時適應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器件,對應一定范圍輸出電壓、電流、通道數的設備。但其缺點包涵器件太多,研發、調試、測試、系統校準需要花費很多工時,實現通道交錯并聯、通道之間均流功能需要額外的電路,并且具有比較復雜等顯著的缺點,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顯著。

  而傳統數字內核化成分容設備使用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環路采用軟件或者硬件模式,采用數字PWM控制開關管,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別。其優勢是控制比較靈活,數字方案調試也比較方便,可以實現比較復雜的功能,比如交錯并聯工作,多通道并聯均流,電壓前饋等等。然而其軟件開發難度大、成本高、周期長,后期維護成本偏高。

  由此可見,傳統方案在各自的應用領域中有自己的優點,但也有相應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勢,又具備數字方案的多功能靈活性。” 祝臻表示。

控制從模擬轉向數字,ADI新一代化成分容測試方案解讀

  ADI 最新一代數字化四通道雙向DC-DC控制器ADBT1000/1/2系列,將應用于電池化成分容行業的雙向DC-DC方案進行了單芯片系統級的集成,集成了電壓電流采樣的模擬前端和輔助ADC,采用數字內核,可以實現多通道交錯并聯操作,通道間數字均流等操作。

  值得一提的是,ADI化成分容的上一代產品AD8452基于模擬控制回路的架構,其設計理念同樣非常先進,已得到了客戶大量使用和廣泛認可。然而,針對不同的電池測試參數,傳統的模擬環路只能去通過修改或調整線路板上的電容或電阻網絡去改進數值,不僅對電路設計提出了很高的要求,在不同產品調試中也會非常不方便。電池化成行業需求相對統一,如能通過寄存器配置的方式實現各種功能,將大大提高了測試效率,這也是電池化成分容測試設備開始逐步由模擬控制轉向數字控制演進的原因之一。

  “ADBT1000/1/2系列芯片基于數字環路控制設計,包含四通道模擬前端、四通道數字PWM發生器、數字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,方便實現溫度監控。”祝臻指出,“相較AD8452的單通道方案,ADBT1000系列芯片擁有的最多4個數據采集通道,客戶能夠多路自由組合,既可以通過兩通道并聯輸出更大的電流,也可以把4個通道同時并聯,單芯片實現了高達240A的大電流充放電甚至更高,符合于現階段電池容量持續提升的大趨勢。內置狀態機實現PID調節的模式將帶來更快的環路相應能力,同時免除了軟件控制帶來的程序跑飛的風險。”

  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備的硬件設計,數字內核配置有專用的GUI軟件可以直接設置寄存器,直接避免了復雜的DSP代碼和算法開發與后期維護的成本,對于高功率應用,極大優化了設計門檻和開發難度。集成的高精度模擬前端,可以保證系統精度和溫漂,也極大減少了客戶開發電池化成分容測試系統的時間。

  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持續研發了許多新產品、參考設計和集成解決方案,新一代ADBT1000系列測試芯片便在提供高精度的同時,以狀態機方式實現數字化環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,擴大了測試規模,增加了電池化成設備的穩定性,使制造商能夠更高效地生產安全強勁的動力電池組。”祝臻強調道。

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世強
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