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2019年上半年，在整體汽車市場(chǎng)走勢(shì)低迷的情況下，從公安部交管局公布的最新數(shù)據(jù)來看，我國新能源汽車保有量達(dá)344萬輛，與去年同期相比漲幅達(dá)72.85%，成為全球汽車市場(chǎng)難得的希望。作為新能源汽車決勝的關(guān)鍵因素，高歌猛進(jìn)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(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。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(huì)進(jìn)入采礦業(yè)；大眾汽車決定斥資10億歐元與歐洲動(dòng)力電池初創(chuàng)公司合作自建電池工廠；寧德時(shí)代和豐田在新能源汽車（NEV）動(dòng)力電池的穩(wěn)定供給和發(fā)展進(jìn)化領(lǐng)域建立全面合作伙伴關(guān)系……
毫無疑問，掌握動(dòng)力電池供應(yīng)鏈安全以及從動(dòng)力電池制造端實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的成本和性能競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，在新能源汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天非常重要。“消費(fèi)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(dòng)力電池廠商共同努力的目標(biāo)。” ADI鋰電池測(cè)試方案市場(chǎng)經(jīng)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(dòng)力電池制造的一個(gè)關(guān)鍵工序高度相關(guān)——分容化成。”分容化成是電池制造后期進(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試環(huán)節(jié)，作為高性能模擬技術(shù)的主要提供商，ADI公司對(duì)如何從制造環(huán)節(jié)提高動(dòng)力電池性能并降低成本的見解或許可以作為產(chǎn)業(yè)參考。
從關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(shù)的發(fā)展短期內(nèi)要大規(guī)模應(yīng)用并取代純電動(dòng)汽車很難，而新的電池技術(shù)(鋰空鋰硫等)尚處于基礎(chǔ)研發(fā)階段，鋰離子電池因?yàn)橹亓枯p、能量密度高、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，將在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)被列為新能源汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域的不二之選。
通常而言，鋰離子電池制造程序非常復(fù)雜，包括電極生產(chǎn)、堆疊結(jié)構(gòu)和單元裝配，然后要執(zhí)行電氣測(cè)試，以便評(píng)定電池容量和性能以及在工作中的額定值。據(jù)胡碩秋透露，分容化成是鋰離子電池制造過程中的關(guān)鍵，二者都是通過對(duì)電池進(jìn)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(chǔ)存和釋放電能的能力，后者是把具有相似特性的電池進(jìn)行分選，提高成品電池的一致性，保障車用動(dòng)力電池包的高性能。這是一個(gè)相當(dāng)耗時(shí)的過程，涉及多次充放電以激活電池的化學(xué)性質(zhì)。但此過程又非常有必要，對(duì)確保成品電池的可靠性和質(zhì)量至關(guān)重要。
鋰離子電池制造過程
據(jù)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(chǎn)量從而降低電池生產(chǎn)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(lǐng)域保證安全的前提下減少分容化成所需的時(shí)間，從更多維度以更大密度搜集與監(jiān)控鋰電池的參數(shù)變化，讓充放電過程變得更加高效省電、減小設(shè)備占地面積以及減少電纜的使用與發(fā)熱，最終實(shí)現(xiàn)降低成本并提高能效。此外，為了提高電池的循環(huán)壽命、穩(wěn)定性、自放電性、安全性等電化學(xué)性能，必須嚴(yán)格控制鋰電池的一致性或精確評(píng)定電池等級(jí)，所以對(duì)化成和分容設(shè)備的電流電壓測(cè)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(cè)試系統(tǒng)級(jí)專業(yè)知識(shí)的供應(yīng)商緊密合作，不僅僅是能夠獲得更復(fù)雜的組件和構(gòu)建模塊，還能獲得更容易采用的系統(tǒng)架構(gòu)的參考設(shè)計(jì)，使上市時(shí)間比從零開始開發(fā)化成和測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間快三至四倍，同時(shí)也保障了電池化成和測(cè)試測(cè)量的精確性、可靠性。
對(duì)于電池測(cè)試供應(yīng)商而言，要滿足高效、精確的電池分容化成測(cè)試也絕非易事。在模擬前端，驅(qū)動(dòng)電池充電電路的電源需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。從更深層次分析，電池的化成和測(cè)試需要密切監(jiān)測(cè)電池循環(huán)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(shù)不多能滿足電池制造商電池化成精確測(cè)試需求的專業(yè)級(jí)供應(yīng)商之一。
ADI 創(chuàng)新為電池化成和測(cè)試設(shè)備制造商帶來可度量的結(jié)果
“精打細(xì)算”的電池測(cè)試系統(tǒng)級(jí)解決方案
胡碩秋提到，目前鋰離子電子生產(chǎn)過程中化成與測(cè)試的方案有兩種，一種為線性方案，另一種為PWM（脈寬調(diào)制）。線性方案的功率消耗會(huì)比較大，且需要更好的散熱設(shè)備。目前市面上的解決方案也根據(jù)電池容量的大小進(jìn)行了區(qū)分，小容量的仍然會(huì)采用線性方案，效率低但設(shè)備成本低。而到了6A以上時(shí)，功率消耗會(huì)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(shù)的結(jié)晶，能夠提高鋰離子電池化成與分容的系統(tǒng)精度和效率。與傳統(tǒng)技術(shù)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(nèi)多提供50％的通道，從而擴(kuò)充容量并提高電池產(chǎn)量。每片AD8452既可以單獨(dú)控制最多30A的充放電流，也可以多片并聯(lián)，來控制更大的輸出電流。此外，AD8452所采用的開關(guān)技術(shù)可在放電時(shí)回收電池的能量，精度顯著高于傳統(tǒng)開關(guān)解決方案，更高的精度也意味著電池包內(nèi)可以放更多的電芯，有助于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車等應(yīng)用的電池壽命。
與此同時(shí)，AD8452還兼具出色的檢測(cè)和監(jiān)控功能，能夠有效防止可能導(dǎo)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(tǒng)仿真演示板，能夠?yàn)闇y(cè)試設(shè)備制造商降低研發(fā)工程成本并縮短上市時(shí)間，也允許制造商設(shè)計(jì)具有更多功能和更可靠測(cè)試過程的系統(tǒng)。
為了以更低的成本更快地生產(chǎn)電池并更準(zhǔn)確的獲得鋰電池的容量，電池系統(tǒng)在化成和測(cè)試階段使用了成百上千的通道，其測(cè)試儀拓?fù)淙Q于系統(tǒng)的總能源容量，對(duì)鋰電池的充放電的電流電壓測(cè)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(duì)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(guān)的并聯(lián)電阻來測(cè)量電池充放電電流，即使在惡劣的工廠條件下，也要實(shí)現(xiàn)±0.05%以上的精度，同時(shí)用于監(jiān)測(cè)整個(gè)熱工作范圍內(nèi)電壓的差動(dòng)放大器也需適用于此精度水平。“許多客戶需要電壓測(cè)試達(dá)到萬分之五到萬分之一的誤差精度，這樣對(duì)整個(gè)測(cè)量控制電路中的放大器、ADC/DAC的誤差要求也相應(yīng)提高。”胡碩秋強(qiáng)調(diào)道。
事實(shí)上，要將上述功能組件合并為一個(gè)完整精確的解決方案，并盡可能地提高性能和減少系統(tǒng)占用空間，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，也是ADI將模擬前端、功率控制和監(jiān)控電路集成在單個(gè)IC AD8452中的原因之一。胡碩秋指出：“ADI擁有領(lǐng)先的儀表放大器技術(shù)，通過把高性能儀表放大器或差分放大器與增益設(shè)置電阻網(wǎng)絡(luò)一起集成到芯片中，AD8452可通過控制環(huán)路設(shè)計(jì)、減少校準(zhǔn)時(shí)間、減少紋波、均流控制等智能控制功能，提供高水準(zhǔn)的電流電壓測(cè)量精度，減少校準(zhǔn)周期時(shí)間和次數(shù)，進(jìn)一步增加正常運(yùn)行時(shí)間。”另外，更高的開關(guān)頻率帶來了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化和電子組件體積的縮小，也減少了所需器件數(shù)量和充放電電路板布板面，節(jié)省可高達(dá)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(fā)復(fù)雜的算法，因而該方法還可有效降低軟件開發(fā)成本。與此同時(shí)，ADI擁有的電流檢測(cè)放大器標(biāo)定和校準(zhǔn)技術(shù)，同步從多個(gè)維度來面改善鋰電池一致性控制能力的水準(zhǔn)，也為環(huán)保技術(shù)的普及做出貢獻(xiàn)。
本文總結(jié)
正如ADI公司系統(tǒng)解決方案事業(yè)部總經(jīng)理趙軼苗在上半年的一場(chǎng)行業(yè)峰會(huì)上指出：“中國制造業(yè)在新興產(chǎn)業(yè)跟進(jìn)上速度非常快，與世界先進(jìn)水平差距不大，比如鋰電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展就帶動(dòng)了鋰電池生產(chǎn)測(cè)試的需求，目前中國廠商在鋰電測(cè)試上走在了前列。”電池技術(shù)是新能源汽車的重要驅(qū)動(dòng)力，如何改善電池的測(cè)量精度和使用壽命，增加電池的續(xù)航能力、降低成本，保證使用安全是全行業(yè)都面臨的挑戰(zhàn)。“在這些領(lǐng)域，ADI正在積極開展研究，并且已經(jīng)取得一系列前沿性研究成果。對(duì)于與ADI在AD8452上達(dá)成戰(zhàn)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。
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