鋰離子電池廣泛用于便攜式設備（例如筆記本電腦和手機）中，但是由于它們的存儲容量不足5安培小時（Ah），因此對制造效率的關注已使制造成本退居二線。同時，用于車輛的電池具有更高的總容量，通常為數百安培。這可以通過數千個小型電池或幾個大容量電池來實現。在這種情況下，功率效率以及制造過程中的測試成本現在變得尤為重要。具有諷刺意味的是，這些環保車輛使用浪費大量能量的方式制造的電池。

鋰離子電池制造概述

圖1顯示了鋰離子電池制造過程的概述。生產線末端調節步驟的形成和測試是工藝瓶頸，對電池壽命，質量和成本影響最大。

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根據電池的化學成分，形成過程可能會花費許多小時。在形成過程中使用0.1 C（C為電池容量）電流是非常典型的，整個充電和放電周期最多需要20個小時，占電池總成本的20％到30％。

電氣測試可以使用1 C的電流充電和0.5 C的放電電流，但是每個循環仍需要大約3個小時。典型的測試序列需要幾個周期。

地層和電氣測試具有嚴格的精度規格，在指定的溫度范圍內，電流和電壓控制在±0.05％以上。相反，在便攜式設備中為電池充電時，電壓精度為±0.5％，電流精度為±10％。

車輛電池制造的兩個主要挑戰是成本和功率效率。從材料到制造和維護的整個過程應控制成本。充電期間還必須保持高效率，如果可能的話，應在放電期間回收能量。

形成和測試系統拓撲

設計工程師經常使用線性穩壓器來輕松滿足便攜式設備中電池形成和測試的精度要求，同時降低效率。在大型電池上，這種方法帶來了熱量管理方面的挑戰，并且由于溫度漂移而導致效率降低。

電動/混合動力汽車中使用的大量電池必須全部匹配，因此對精度的要求更高，這使得開關拓撲成為非常有吸引力的選擇。表1顯示了在功率容量和最終功能方面不同電池類別的比較。

圖2顯示了采用ADI的新型集成芯片組AD8450和ADP1972構建的單通道系統。兩個獨立的電路板使系統可以輕松配置不同的功率級。

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AD8450可測量和調節環路中的電壓和電流信號。ADP1972是一款PWM發生器，可配置為降壓或升壓模式工作。模擬控制器和PWM發生器之間的接口由低阻抗模擬信號組成，這些信號不會因抖動而引起數字環路問題。CC的輸出（恒定電流）和CV（恒定電壓）的循環確定ADP1972的占空比，它通過驅動MOSFET功率級ADuM7223。當模式從充電變為放電時，用于測量電池電流的AD8450內部儀表放大器的極性相反。CC和CV放大器內部的開關選擇正確的補償網絡，ADP1972將其PWM輸出更改為升壓模式。整個功能通過單個引腳和標準數字邏輯控制。

在該實施方案中，高分辨率ADCAD7173-8監視系統，但它不是控制環路的一部分。掃描速率與控制環路性能無關，因此單個ADC可以測量多通道系統中大量通道上的電流和電壓。DAC也是如此，因此低成本的DAC（例如AD5689R）可以控制多個通道。此外，單個處理器只需要設置CV和CC設置點，操作模式和內務處理功能，因此它可以與多個通道接口，而不會成為控制回路性能的瓶頸。

配置有4 V電池和20 A最大電流的系統在25°C±10°C的電流回路中為90 ppm，在電壓回路中為51 ppm時，效率高于90％，并且典型精度超過25％。CC到CV的過渡無毛刺，發生時間為500 ms。從1 A到20 A的電流斜升需要小于150 mS。這些規格非常適合汽車電池的制造和測試。

圖3以10 A和20 A的CC放電模式下的效率為例。完整的測試結果可直接從ADI獲得。

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降低電池成本

降低電池成本的挑戰需要解決整個制造過程。此處描述的系統可在不犧牲性能的情況下實現低成本的電池成型和測試系統。改進的精度允許更短和更少的校準周期，從而導致更長的正常運行時間。此外，較高的開關頻率導致更簡單的設計和更小的功率電子元件也有助于降低系統成本。通道也可以組合起來以最小的努力輸出更高的電流。通過在模擬域中執行所有控制，這種方法還可以最大程度地降低軟件開發成本，而無需復雜的算法。最后，能源回收再加上高系統效率，大大降低了持續的運營成本。

能源回收

許多現有系統將其電池放電至電阻負載。一些客戶將這種能量用于建筑熱量，或者只是將熱空氣排放到室外。盡管這是最簡單的電池放電方法，但是當必須對大量電池進行充電/放電循環時，成本會迅速增加。我們提出的系統具有很高的單通道效率，但其真正價值在于能夠以最小的額外復雜性回收放電電池的能量。

圍繞AD8450和ADP1972構建的系統無需將電池放電到電阻負載中，而是可以控制電池電壓和電流，同時將這種能量推回公用總線，在該總線上其他電池組可以將其用于充電循環。

每個電池通道可以處于充電模式，從直流母線汲取能量，也可以處于放電模式，將能量推回直流母線。最簡單的系統包括一個單向AC / DC電源，該電源只能從交流電源向DC總線提供電流，例如圖4中的系統。這意味著必須仔細平衡系統，以確保來自交流電的凈電流/ dc電源始終為正。將比充電通道消耗的能量更多的能量推入直流母線，將導致母線電壓升高，從而可能損壞某些組件。

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雙向交流/直流轉換器通過將能量推回到交流電網中來解決這一挑戰，如圖5所示。在這種情況下，可以首先將所有通道設置為充電模式，然后設置為放電模式，將電流返回至交流模式。網格。這需要更復雜的AC / DC轉換器，但是為系統配置提供了額外的靈活性，并且無需仔細平衡充電和放電電流以確保來自電源的凈正電流。

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具有能源回收效率

為了進一步說明能量回收的好處，請考慮使用一組3.2 V，15 Ah的電池。這些電池可以存儲大約48 W-hr。要給充滿電的電池充電（假設充電效率為90％），系統必須為每個電池提供大約53.3 W-hr的能量。在放電模式下，系統將節省48 W-hr，要么將能量轉換為電阻器中的熱量，要么將其循環回總線。如果沒有回收利用，則為兩個電池充電大約需要107 W-hr。但是，如果一個系統（例如上面顯示的示例）可以以90％的效率回收能量，則第一個電池的43.2 W-hr可用于給第二個電池充電。如前所述，系統可以以90％的效率充電，因此再次需要53.3 W-hr，但是43.2 W-hr來自放電電池，因此我們只能提供額外的10.1 W-hr，總共需要63.4 W-hr的能量。這樣可以節省40％以上的能源。在實際的制造環境中，數百個電池在制造過程中會放置在不同的托盤中，因此，通過將每個托盤設置為一組處于充電或放電模式，這不會增加總制造時間。