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從動力電池分容化成的高精度測試入手,突破新能源汽車的成本和里程焦慮

52RD.com 2019年9月6日 我愛研發網            參與:4人 我來說兩句
  2019年上半年,在整體汽車市場走勢低迷的情況下,從公安部交管局公布的最新數據來看,我國新能源汽車保有量達344萬輛,與去年同期相比漲幅達72.85%,成為全球汽車市場難得的希望。作為新能源汽車決勝的關鍵因素,高歌猛進下電池渠道和資源的整合成為全球主要新能源汽車制造產業鏈企業關注的焦點。不久前,特斯拉CEO馬斯克表示為了獲得足夠的電池,公司可能會進入采礦業;大眾汽車決定斥資10億歐元與歐洲動力電池初創公司合作自建電池工廠;寧德時代和豐田在新能源汽車(NEV)動力電池的穩定供給和發展進化領域建立全面合作伙伴關系……
  
  毫無疑問,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,在新能源汽車市場競爭日趨激烈的今天非常重要。“消費者的新能源汽車購買決策主要決定于安全、成本和里程三大要素,這也是整車廠和動力電池廠商共同努力的目標。” ADI鋰電池測試方案市場經理胡碩秋在近日的一次采訪中指出,“而其中成本和里程都與動力電池制造的一個關鍵工序高度相關——分容化成。”分容化成是電池制造后期進行的一項關鍵測試環節,作為高性能模擬技術的主要提供商,ADI公司對如何從制造環節提高動力電池性能并降低成本的見解或許可以作為產業參考。
  
  從關鍵環節緩解鋰離子電池制造的成本與里程焦慮
  
  目前新能源汽車制造商普遍處于電池“焦慮”的困境中,由于燃料電池技術的發展短期內要大規模應用并取代純電動汽車很難,而新的電池技術(鋰空鋰硫等)尚處于基礎研發階段,鋰離子電池因為重量輕、能量密度高、綠色環保等特點,將在相當長的一段時間內被列為新能源汽車動力電池領域的不二之選。
  
  通常而言,鋰離子電池制造程序非常復雜,包括電極生產、堆疊結構和單元裝配,然后要執行電氣測試,以便評定電池容量和性能以及在工作中的額定值。據胡碩秋透露,分容化成是鋰離子電池制造過程中的關鍵,二者都是通過對電池進行精密控制的充放電過程,前者起到“激活”的作用,使得電池開始具有儲存和釋放電能的能力,后者是把具有相似特性的電池進行分選,提高成品電池的一致性,保障車用動力電池包的高性能。這是一個相當耗時的過程,涉及多次充放電以激活電池的化學性質。但此過程又非常有必要,對確保成品電池的可靠性和質量至關重要。
鋰離子電池制造過程
    
  據胡碩秋介紹,鋰離子電池分容化成占到了制造過程總成本的三分之一以上,因此分容化成一度成為阻礙電池制造商提高產量從而降低電池生產總成本的瓶頸之一。鋰離子電池制造商們迫切期待能夠在這一領域保證安全的前提下減少分容化成所需的時間,從更多維度以更大密度搜集與監控鋰電池的參數變化,讓充放電過程變得更加高效省電、減小設備占地面積以及減少電纜的使用與發熱,最終實現降低成本并提高能效。此外,為了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,必須嚴格控制鋰電池的一致性或精確評定電池等級,所以對化成和分容設備的電流電壓測量精度有很高的要求。因此,在綜合考量成本等因素后,電池制造商們更傾向于與擁有化成測試系統級專業知識的供應商緊密合作,不僅僅是能夠獲得更復雜的組件和構建模塊,還能獲得更容易采用的系統架構的參考設計,使上市時間比從零開始開發化成和測試系統的時間快三至四倍,同時也保障了電池化成和測試測量的精確性、可靠性。
  
  對于電池測試供應商而言,要滿足高效、精確的電池分容化成測試也絕非易事。在模擬前端,驅動電池充電電路的電源需要進行嚴格控制。從更深層次分析,電池的化成和測試需要密切監測電池循環期間使用的電流和電壓分布,以防止充電過度和充電不足。ADI則是為數不多能滿足電池制造商電池化成精確測試需求的專業級供應商之一。
  
  ADI 創新為電池化成和測試設備制造商帶來可度量的結果
  
  “精打細算”的電池測試系統級解決方案
  
  胡碩秋提到,目前鋰離子電子生產過程中化成與測試的方案有兩種,一種為線性方案,另一種為PWM(脈寬調制)。線性方案的功率消耗會比較大,且需要更好的散熱設備。目前市面上的解決方案也根據電池容量的大小進行了區分,小容量的仍然會采用線性方案,效率低但設備成本低。而到了6A以上時,功率消耗會增多,采用PWM方式就顯得更為合適。ADI電池分容化成充放電集成芯片AD8452包含了ADI模擬技術的結晶,能夠提高鋰離子電池化成與分容的系統精度和效率。與傳統技術相比,通過集成高精度的前端放大器和高頻率的PWM控制器,AD8452能夠在相同空間內多提供50%的通道,從而擴充容量并提高電池產量。每片AD8452既可以單獨控制最多30A的充放電流,也可以多片并聯,來控制更大的輸出電流。此外,AD8452所采用的開關技術可在放電時回收電池的能量,精度顯著高于傳統開關解決方案,更高的精度也意味著電池包內可以放更多的電芯,有助于延長電動汽車等應用的電池壽命。
  
  與此同時,AD8452還兼具出色的檢測和監控功能,能夠有效防止可能導致電池故障的過度充電和充電不足行為,從而提高制造過程的安全性。該器件具有配套的系統仿真演示板,能夠為測試設備制造商降低研發工程成本并縮短上市時間,也允許制造商設計具有更多功能和更可靠測試過程的系統。
  
  為了以更低的成本更快地生產電池并更準確的獲得鋰電池的容量,電池系統在化成和測試階段使用了成百上千的通道,其測試儀拓撲取決于系統的總能源容量,對鋰電池的充放電的電流電壓測量的誤差要求也顯著提高。而充放電過程中的電流電壓控制精度很大程度上決定了對于鋰電池一致性控制的可靠性,需要高性能儀表放大器和相關的并聯電阻來測量電池充放電電流,即使在惡劣的工廠條件下,也要實現±0.05%以上的精度,同時用于監測整個熱工作范圍內電壓的差動放大器也需適用于此精度水平。“許多客戶需要電壓測試達到萬分之五到萬分之一的誤差精度,這樣對整個測量控制電路中的放大器、ADC/DAC的誤差要求也相應提高。”胡碩秋強調道。
  
  事實上,要將上述功能組件合并為一個完整精確的解決方案,并盡可能地提高性能和減少系統占用空間,是一個巨大的挑戰,也是ADI將模擬前端、功率控制和監控電路集成在單個IC AD8452中的原因之一。胡碩秋指出:“ADI擁有領先的儀表放大器技術,通過把高性能儀表放大器或差分放大器與增益設置電阻網絡一起集成到芯片中,AD8452可通過控制環路設計、減少校準時間、減少紋波、均流控制等智能控制功能,提供高水準的電流電壓測量精度,減少校準周期時間和次數,進一步增加正常運行時間。”另外,更高的開關頻率帶來了設計的簡化和電子組件體積的縮小,也減少了所需器件數量和充放電電路板布板面,節省可高達50%的物料清單(BoM)。所有控制操作均可在模擬域中完成,無需開發復雜的算法,因而該方法還可有效降低軟件開發成本。與此同時,ADI擁有的電流檢測放大器標定和校準技術,同步從多個維度來面改善鋰電池一致性控制能力的水準,也為環保技術的普及做出貢獻。
  
  本文總結
  
  正如ADI公司系統解決方案事業部總經理趙軼苗在上半年的一場行業峰會上指出:“中國制造業在新興產業跟進上速度非常快,與世界先進水平差距不大,比如鋰電產業的蓬勃發展就帶動了鋰電池生產測試的需求,目前中國廠商在鋰電測試上走在了前列。”電池技術是新能源汽車的重要驅動力,如何改善電池的測量精度和使用壽命,增加電池的續航能力、降低成本,保證使用安全是全行業都面臨的挑戰。“在這些領域,ADI正在積極開展研究,并且已經取得一系列前沿性研究成果。對于與ADI在AD8452上達成戰略性合作意向的客戶,ADI愿意一起就鋰電池分容化成的未來展開探討與合作。”胡碩秋表示。52RD.com  微博關注:http://weibo.com/52rd  微信關注:admin_52RD
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