新技术方案研究
摘要：动力型锂电池因其具有的很多优点，已在迅速的发展与应用，由于其为新兴的二次可存储能源产业，还不够成熟，还存在着一些有待优化的技术问题。本文真对目前动力锂电池化成分检设备，在生产过程中的电能源浪费问题，展开技术研究，企以得到应有的产品化验证。
关键词：动力锂电池；全软开关电源技术；能量回馈。
动力型锂电池，因具有高能量密度、高稳定放电质量、长寿命、低污染、无记忆效应等优点，已被公认为取代传统铅酸、镍镉、镍氢等二次能源的可存储器件，已被广泛应用于电动汽车、电力能源、高速动车、航海航天等主流技术领域。
随着全球范围能源危机加剧，可持续发展绿色新能源概念的产业化，从本质上目前发展已十分迅猛，时，有尽除概念化势头。作为动力型锂电产业，中国已迈向前沿，成为了制造大国，也赢得大型锂电向中国之赞誉。的确，这，让民族工业忧患意识很深的国人感觉到了几许欣悦。有闻赞誉需静思，反观国内动力锂电产业现状，锂电池成组应用仍存在着一致性较差问题，在制约着其商品化推广。材料、工艺、综合性技术还不够成熟，还有问题有待改善，尤其是会直接影响到动力锂电池品质的制造业装备技术。还在以热耗功为代价生产。
目前，就动力型锂电池在生产中的电热耗能问题，虽已有相关科研、大学、企业等相关单位曾对此进行了技术革新，也出现了不同形式的锂电池能量回馈技术方案和样机，但从其应用的技术架构分析及实际应用的效果看，还不够理想，总因大多釆用了高频硬开关电源、线性恒流源、电子负载等技术以多级联复合形式，将直接导致了系统的EMC干扰大、子模块多、系统复杂、制造成本高、电能量损耗仍不尽人意等诸多问题存在，基本上还都停留于技术概念或实验室现状。于此，本文提出了自适应直流回馈锂电池化成分检方案，因其应用的技术架构的不同而所具特征，应可很好的解决上属诸问题，且可使整个系统更简约、更具时代化特点。
2.1 锂电池的电活化生产过程
动力锂电池的生产，必须要经过充电与放电的电活化过程，一般是在完成锂电池的结构性安装工序后，根据电池的容量按一定电压、电流比率，进行多次的充放电过程，以实现锂电池的电活化以及容量特性的检验。其中，尤其是大于100A.H以上的动力型锂电池的生产，也应如比，也要遵循这多次往复的充放电活化过程。如此大容量的电池, 充饱了放，放完了充，如不加以得当的节能技术处理，均会以热耗功的放电方式，白白地浪费掉地球有限这电资源，且由这热效应使得整个生产环境恶劣之极。
2.2 能量回馈技术资源配置现状列举
2.2.1 大功率AC/DC高频开关电源整流模块: 用以完成交流市电220Vac/300Vdc母线的电源整流模块类装置，作为300Vdc/DC5Vdc高频开关电源充电模块的供电电源。具本单元系统管理及上位机通讯功能；
2.2.2 大功率DC/DC高频开关电源充电模块: 是用来完成交流市电300Vdc/DC5Vdc的电源整流模块类装置，作为低压线性恒流源的供电电源。具本单元系统管理及上位机通讯功能；
2.2.3 能量回馈大功率DC/DC模块：其为大功率电气隔离式高频开关电源DC/DC升压模块类装置，最终将动力锂电池能量回馈到300Vdc公共直流母线上，作为5Vdc高频开关电源充电模块的供电电源，用以完成动力锂电池能量回馈之用。升压比≈10倍(2V-3.6Vdc/300Vdc)。具本单元系统管理及上位机通讯功能；
其配置链为：动力锂电池Þ低压线性恒流源Þ能量回馈大功率DC/DC模块Þ公共直流母线。
2.2.4 大功率低压线性恒流源：是具有高精度电流调谐特性的一种功能性恒流装置。由于目前低压大功率高频硬开关电源受行业技术所限，其直流的输出稳压、稳流精度、噪声与不具零点电压、电流调整特性等诸多问题的存在，而致使不能直接用于锂电池的化成充电电源, 需接入线性恒流源，以满足动力锂电池0.1级的高精度化成充电要求。具本单元系统管理及上位机通讯功能。
2.2.5 大功率电子负载：是具有高精度电流电压调谐特性的一种功能性电子直流负载装置。用以作为锂电池在分检放电时，代替纯电阻进行对电池能量以发热的方有序的对电池放电，以达到锂电池分检目的。具单元系统管理及上位机通讯功能。已具有直流能量回馈技术的系统，其不装备，被能量回馈大功率DC/DC模块所取代，以省略其放电功耗以实现节能目的，但按与电池的大功率低压线性恒流源仍在。
2.2.6 动力锂电池电量釆集模块：用来完成对电池的电压、电流的高速高精度采集并上传至中央控制系统，以实现对锂电池有序化成、分检管理；
2.2.7 中央控制系统：实现化成分检系统所有功能性单元模块的智能化管理，实时监控电池及系统状态，记录动力锂电池化成状态曲线及回馈节能电量，构建人机对话介面与以太网通讯，实现工厂归一化产生品质管理。
2.3 充电化成方案类別
2.3.1 方案之一：釆用大功率AC/DC高频开关电源整流模块，将交流市电220Vac转换为5Vdc值，作为大功率低压线性恒流源的能量源，给动力锂电池电充电，以构成充电化成过程；
2.3.2 方案之二：
2.3.3 釆用大功率AC/DC高频开关电源整流模块，将交流市电220Vac转换为300Vdc值，将其设为直流充电母线，作为300Vdc/DC5Vdc高频开关电源充电模块的供电电源。其配置链为220Vac/300Vdc整流模块Þ直流充电母线ÞDC/DC5Vdc整流模块Þ大功率低压线性恒流源Þ动力锂电池，以构成充电化成过程。
2.4 放电分检直流回馈方案类別
2.4.1 直流回馈过程之一：
用线性恒流源串入高频DC/DC电气隔离式升压电源，直接将单只动力锂电池以低压大电流方式升压至300V充电用公共母线上，以实现分检及能量回收目的。2-3.6V升至300V，十倍的升压比，目前开关电源技术很难实现十倍升压比的电气隔离式大功率高效转换，且系统复杂。如此方案的实现性不利于产品化，不易釆用。
其配置链为动力锂电池Þ大功率低压线性恒流源Þ2-3.6Vdc/300Vdc整流模块Þ直流充电母线；
2.4.2 直流回馈过程之二：
仍用线性恒流源串入高频两级DC/DC升压电源，直接将单只动力锂电池以低压大电流方式升压至300V充电用公共母线上，以实现分检及能量回收目的。又是2-3.6V升至300V，十倍的升压比，即使是两级升压法，也很难实现高效率的转换，且让系统变得更加复杂化。综观此案的可实现性与其存在的诸多综合不利产品化因素，得不偿失，亦不易釆用。
其配置链为动力锂电池Þ大功率低压线性恒流源Þ2-3.6Vdc/300Vdc两级直流升压电源Þ充电母线；
2.4.3 直流回馈过程之三:
充放电均用多路线性恒流源，以串接的方式来优化高频DC/DC电源的转换比例，以提高转换效率之节能目的，但线性恒流源还等同于电池的数量同在，其恒流源功耗、成本依然。只是DC/DC升压电源实现了节能，系统还不够节能及简约化目的，仍有不利产品化综合因素存在，同样不易釆用。
其配置链为2、4、8-48路动力锂电池分别一对一接入大功率低压线性恒流源后，对恒流源一对一串联Þ4-176Vdc/300Vdc直流升压电源Þ充电母线；
2.4.4 交流回馈过程:
用线性恒流源串入高频DC/DC电气隔离式升压电源，直接将单只动力锂电池以低压大电流方式升压至300V，在其300V上按入DC/AC给交流市电，以实现交流回馈目的。其除了回馈方式的不同外，其它环节类同，但功耗及成本要比以上直流回馈方式高。且使得EMC效应更加恶化，其方案更不易釆用。
其配置链为动力锂电池Þ大功率低压线性恒流源ÞnVdc/300Vdc升压电源Þ300V母线ÞDC/ACÞ交流市电。
2.5 系统中主要大功耗模块能耗分析
2.5.1 化成充电电流过程：
以3.6V200A磷酸铁锂动力电池为例,充电过程一搬分为其三个阶段，主要充电功率在第三阶段，电能耗亦如此。
Ø 第一阶段, 从0.125V0.05C（10A）— 0.8V；
Ø 第二阶段, 从0.8V0.1C（20A）— 2.5V；
Ø 第三阶段, 从2.5V0.3C（60A）— 3.6V。
注：由于各生产厂所用的锂电池材料及制造工艺的不同, 也造成了化成充电方式的不尽相同, 这里也只有先以容量充电比率，进行对充电过程进行基本的技术分析。
2.5.2 大功率线性恒流源耗散功率估算：以3.6V200A磷酸铁锂动力电池为例。
注：因主要充电功率在第三阶段，其阶段的容量要占全电池容量的95%以上，为简化细节，以此阶段为例作估算分析。充电率用0.3C为例，即，电流0.3C*3.4H≈200A。为简化充电电压细节曲线，用取平均值估算(2.5V—3.6V)3.05V；
Ø 电池充电有用功率:3.05V*60A*3.4H=622W；
Ø 恒流源输入功率:5V*60A*3.4H=1020W；
Ø 恒流源输出功率: 3.05V*60A*3.4H=622W；
Ø 恒流源电耗散功率:=1020W-622W=398W。
2.5.3 AC/DC5V高频硬开关电源电功耗估算：
经调查，目前用到此类项目的220Vac/5Vdc电源模块，多为产品素质较好的台湾明纬SE-1500-5，其为无功率因数校正技术的高频硬开关电源模块，以下以它为例。
Ø 电源模块输出的实际功率=线性恒流源输入功率=1020W；
Ø 电源模块转换效率=(Typ.)η0.81；
Ø 电源模块输入功率因数COSФ=0.56；
Ø 电源模块输入有功功率=1.214kw；
Ø 电源模块无功功率=0.534kvar；
Ø 电源模块视在功率1.748kVA；
Ø 概念性的充电化成过程形成的视在功率为1.748-输出功率0.622=功耗为1.126kVA, 占电池充电功率的1.81倍，有功功率1.214k-输出功率0.622kw=功耗为0.592kw，占电池充电功率的0.952倍之多。
2.5.4 隔离式高频电源电功耗：
目前，用到此类项目，KW级以上的2-3.6Vdc/300Vdc大功率隔离式高频电源升压模块，市场上还没见到， 但不乏业内因产品试验需要，有为实现其功能为目的自行开发品, 但如此的升压比率，实不易产品化目的。但不乏业内有文字信息声称，回馈效率高达70%、80%、以至于95%号称，因没见到任何实质上的证据，仅凭一低空文，不可釆信，亦不予支持。以本人二十余年的职业认知及十年余做大功率高频电源行业经验自信，除非常温超导半导体、磁性元件出现被普及化。
2.6 方案不具产品化节能目的因素
2.6.1 人为因素:
设计主导者惯性思维、技术视野狭窄、忽视了业内技术状况及电子元器件资源之局限性，将设计思路沉迷于这低压路线之怪圈，终究造成技术路线性失误，直接导致技术目的限于概念化或实验室状态而不能产品化；
2.6.2 技术因素:
与动力锂电池同路数的高升压比大功率DC/DC高频硬开关电源模块、大功率线性恒流源，使系统变得十分复杂以至于不易控制成度，尤其是因两个二次电能耗带来的热效应、EMC效应、低压大电流效应等技术问题，会让敏感的微电路系统崩溃；
2.7 本章结论
以上对较具创新的动力锂电池能量回馈概念，对其能量回馈功能所需功能性模块资源进行了归纳、能量回馈技术类別进行了列举、方案不具产品化节能目的因素以及系统中主要大功耗模块能耗进行了分析，证明了其存在的诸多综合不利因素本质。
其中，尤其是用两级串联方式进行单体电池的充电化成与分检方案不利因素尤为突出，使得系统上的EMC干扰、电能量损耗大、子模块多、控制复杂、制造成本高、不易产品化等诸多现实问题。虽有创新点存在，但应用于实际生产不能，也不能满足新节能需要，而只能以概念化或实验室状态存在用于学术。
3.1 方案特点
自适应直流回馈动力锂电池化成分检方案，旨在动力锂电池进行化成及分检过程中，完全由单级0.1%级高精度高频全软开关电源技术实现，没有传统中的大功率线性恒流源，无论是从单只到150只动力锂电池的化成或分检，或是从单只到150只动力锂电池的直流回馈去节能，均是单级来完成；
其一，先以实现高电能转换效率为目的；
其二，由于简化了很多系统单元模块,子单元模块且均具热插拔技术，从而使得系统更简洁、易控制、易生产、易维护；
其三，因釆用了高精效率高频全软开关电源技术，又是单级准高压方式，使得系统内无二次电能耗带来的热效应、高EMC效应、低压大电流效应等技术不利问题。
3.2 自适应直流回馈技术条件
锂电池在化成充电生产过程中，均是分段进行的：第一阶段，从0.125V—0.8V；第二阶段，从0.8V—2.5V；第三阶段，从2.5V—3.6V；在系统中，要完成从单只的首次低压点0.125V到高压点3.6V，1只-150只，0.125V到540V这三个阶段的全过程充电；在分检放电生产过程中，从单只电压低压点(2.5V)-150只(375V)、单只高压点(3.6V)-150只(540V) 实现分检放电全过程。化成、分检为一体化系统架构，电压精度满足0.1%级，支持从单只到150只之间数量的任意性化成分检需要，即每个生产批次可以是1只、10只、100只或是150只数量的任意值。
3.3 技术特点
自适应直流回馈动力锂电池化成分检方案，从0.125V到540V，如此大的电压变化范围想实现它，好像是不太可能的事情。而本文提到的一种自适应方案,打破了行业以往真对其设备技术架构的单只贯性思维，采用全新的准高压技术架构，利用现有高精度高频全软开关电源技术资源优势，加以数字智能化控制管理技术，实现一体化自适应直流回馈动力锂电池化成与分检系统，让系统工况高效、电气指标高精、系统架构简约、系统所占物料少量等设计方针。该系统，首先以解决传统设备中的热问题，再之以实现单批次锂电池的生产串数更多量化、锂电池化成分检系统的构建更简易化、电网的谐波污染更纯净化、电能回收更高效化。尤其是单体电流容量大于200A以上的电池制造, 更具其独特优势。
4.1 设自适应能量回网方案方柜图
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