一体化自适应直流回馈锂电池化成分检方案

自适应直流回馈动力锂电池化成分检设备

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。

1         前言

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，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         现被应用的实验室状态能量回馈技术

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类別列举

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，但接于电池的大功率低压线性恒流源仍不能省略。

2.2.6    动力锂电池电量釆集模块：用来完成对电池电压、电流的高速高精度采集的功能性模块类装置。用以实现对锂电池有序化成、分检管理；具有单元系统管理及上位机通讯功能。

2.2.7    系统管理中央微型计算机模块：用来完成对动力锂电池充电化成、放电分检、直流能量回馈等全系统智能化管理的系统性模块装置。本模块：用以完成对系统内所有功能性单元模块上报的数据进行运算与机能控制；实时监控电池运行情况；记录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      充电化成方案现状类別列举

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；

其配置链为220Vac/5Vdc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。

2.3.2    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    DC/DC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，目前的开关电源技术，很难实现十倍升压比的电气隔离式大功率高效能转换，如去实现，系统会及其复杂。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    DC/DC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至充电用公共母线上，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电能转换，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两级或多种拓扑形式的直流升压电源Þ充电母线；

2.4.3    DC/DC回馈过程之三:

充放电均用多路线性恒流源，以在输出端级联串接的方式来提高直流回馈DC/DC输入端电压，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。只不过是直流回馈DC/DC升压电源实现了节能而已，大的耗能模块仍然很多，系统仍不具节能及简约化目的，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；

以上均由人工来完成，出错率及安全性问题增大。

2.4.4    DC/AC交流回馈过程:

本方案的电池到直流母线放电升压类别，以上列举到的任何一种方式均会出现与釆纳，均会用到线性恒流源串入高频DC/DC电气隔离式升压电源，去实现单只锂电池以低压大电流升压至300Vdc方式。其方案: 在300Vdc直流母线上按入DC/AC逆变电源直接给交流市电放电，以实现交流回馈目的。其除了DC/AC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Þ3.6V或N+3.6Vdc/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    活化充电过程：以3.6V200A磷酸铁锂动力电池为例

Ø      第一阶段, 初始活化恒流定压充电(CCC+CVC)从0.125V0.05C（10A）—0.8V；

Ø      第二阶段, 初始活化恒流定压充电(CCC+CVC)从0.8V0.1C（20A）—2.5V；

Ø      第三阶段, 后期活化恒流定压充电(CCC+CVC)从2.5V0.3C（60A）—3.7V。

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, 这里只以常规性容量充电比率，进行对活化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：由电池的充电特性决定，其主要充、放电功率均在活化充电过程的第三阶段，其阶段的容量要占全电池容量的95%以上，为简化细节，只以此阶段为例作耗散功率估算分析，即，电流0.3C*3.4H≈200A。为简化充电电压细节曲线，取用平均值估算(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KW级220Vac/5Vdc高频开关电源模块，多为产品素质较好的台湾明纬SE-1500-5，因其模块为无功率因数校正技术，输入功率因数将会很低，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:为视在功率1.748-输出功率0.622=功耗为1.126kVA, 占电池充电功率的1.81倍；

Ø      有功功耗为: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， 但不排除因产品试验需要，为实现其功能为目的各种类型的自行开发品。如此的升压比率，实不易产品化目的。一个时期来，业内不乏有文字信息声称，化成回馈效率已高达70%、80%、以至于95%等号称，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。以笔者二十余年的职业认知及十年余做大功率高频电源的行业经验自信，除非那常温超导半导体、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、忽视了业内技术资源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，直接导致了以上技术目的只限于概念化或实验室状态而不能产品化；

2.6.2    技术因素:

主要因釆用了与动力锂电池同路数的高耗能、大电流、高升压比大功率DC/DC高频硬开关电源模块与高耗能、大电流的线性恒流源，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性技术，支持能量回馈所需的功能性模块资源进行了归纳、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的能耗进行了分析，应能证明其存在的诸多综合不利因素及关键问题所在之本质。综评上述概念性回馈技术，虽有创新点存在，但应用于实际生产中的产品不能，也不能满足当今新节能目的需求，而只能以概念性或实验室状态下存在用于学术层面。

3         自适应直流回馈技术方案

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，没有传统或概念中的大功率线性恒流源以及电子负载，无论是从单只到150只动力锂电池的化成充电，或是从单只到150只动力锂电池的放电分检直流回馈以实现节能，均是单级来完成；

其一，先以实现高电能转换效率为目的，准高压方式全系统理论有功功耗应＜10%，总回馈能效可高达90%；

其二，由于简化了很多系统单元模块, 且子单元模块均支持热插拔技术，从而使得系统更简洁、易控制、易生产、易维护。物料成本应节约50%于传统，制造成本应节约80%于传统；

其三，因釆用了高精、高效、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。化成车间可省去散热用的大型空调、风机，在空气对流的常温下即不会影响生产。

3.2      自适应直流回馈所具技术条件

锂电池在化成充电活化生产过程中，均是分段进行的，要有序的对第一阶段0.125V—0.8V、第二阶段0.8V—2.5V、第三阶段2.5V—3.6V充电活化处理。本系统也应如此：

其一,从单只的首次低压点0.125V到高压点3.6V，1只到150只，以遵循0.125V到540V这三个阶段的全过程，实现有序高精度充电；

其二,在分检放电生产过程中，从单只低压点(2.5V)-150只(375V) ，到单只高压点(3.6V) 到150只(540V) ，全过程有序的高精度分检放电，以实现直流回馈使能。

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，均由本系统以自适应方式完成化成、分检与直流回馈功能。

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低压贯性思维，采用全新的准高压技术架构，利用占据整个系统技术资源70%的、现在已有的、成熟的高精度高频全软开关电源技术优势，加以数字智能化控制与管理技术，将这一体化自适应直流回馈动力锂电池化成分检系统形以产品，成为现实，以解决当前动力锂电池化成分检高耗能及自动化成度低问题。

本方案，由于釆用了全新的准高压一体化技术路线，具有实现单批次锂电池的生产串数更多量化、检系统的构建更简易化、电网的谐波污染更纯净化、电能回收更高效化等目前它类方案所不具备优点。尤其是对于单体电池容量大于200A·H以上的电池制造, 应更具其独特优势。

4         主要技术架构和工作原理

4.1      设自适应能量回网方案方柜图

... ... ...