新技術方案研究
摘要：動力型鋰電池因其具有的很多優點，已在迅速的發展與應用，由于其為新興的二次可存儲能源產業，還不夠成熟，還存在著一些有待優化的技術問題。本文真對目前動力鋰電池化成分檢設備，在生產過程中的電能源浪費問題，展開技術研究，企以得到應有的產品化驗證。
關鍵詞：動力鋰電池；全軟開關電源技術；能量回饋。
動力型鋰電池，因具有高能量密度、高穩定放電質量、長壽命、低污染、無記憶效應等優點，已被公認為取代傳統鉛酸、鎳鎘、鎳氫等二次能源的可存儲器件，已被廣泛應用于電動汽車、電力能源、高速動車、航海航天等主流技術領域。
隨著全球范圍能源危機加劇，可持續發展綠色新能源概念的產業化，從本質上目前發展已十分迅猛，時，有盡除概念化勢頭。作為動力型鋰電產業，中國已邁向前沿，成為了制造大國，也贏得大型鋰電向中國之贊譽。的確，這，讓民族工業憂患意識很深的國人感覺到了幾許欣悅。有聞贊譽需靜思，反觀國內動力鋰電產業現狀，鋰電池成組應用仍存在著一致性較差問題，在制約著其商品化推廣。材料、工藝、綜合性技術還不夠成熟，還有問題有待改善，尤其是會直接影響到動力鋰電池品質的制造業裝備技術。還在以熱耗功為代價生產。
目前，就動力型鋰電池在生產中的電熱耗能問題，雖已有相關科研、大學、企業等相關單位曾對此進行了技術革新，也出現了不同形式的鋰電池能量回饋技術方案和樣機，但從其應用的技術架構分析及實際應用的效果看，還不夠理想，總因大多釆用了高頻硬開關電源、線性恒流源、電子負載等技術以多級聯復合形式，將直接導致了系統的EMC干擾大、子模塊多、系統復雜、制造成本高、電能量損耗仍不盡人意等諸多問題存在，基本上還都停留于技術概念或實驗室現狀。于此，本文提出了自適應直流回饋鋰電池化成分檢方案，因其應用的技術架構的不同而所具特征，應可很好的解決上屬諸問題，且可使整個系統更簡約、更具時代化特點。
2.1 鋰電池的電活化生產過程
動力鋰電池的生產，必須要經過充電與放電的電活化過程，一般是在完成鋰電池的結構性安裝工序后，根據電池的容量按一定電壓、電流比率，進行多次的充放電過程，以實現鋰電池的電活化以及容量特性的檢驗。其中，尤其是大于100A.H以上的動力型鋰電池的生產，也應如比，也要遵循這多次往復的充放電活化過程。如此大容量的電池, 充飽了放，放完了充，如不加以得當的節能技術處理，均會以熱耗功的放電方式，白白地浪費掉地球有限這電資源，且由這熱效應使得整個生產環境惡劣之極。
2.2 能量回饋技術資源配置現狀列舉
2.2.1 大功率AC/DC高頻開關電源整流模塊: 用以完成交流市電220Vac/300Vdc母線的電源整流模塊類裝置，作為300Vdc/DC5Vdc高頻開關電源充電模塊的供電電源。具本單元系統管理及上位機通訊功能；
2.2.2 大功率DC/DC高頻開關電源充電模塊: 是用來完成交流市電300Vdc/DC5Vdc的電源整流模塊類裝置，作為低壓線性恒流源的供電電源。具本單元系統管理及上位機通訊功能；
2.2.3 能量回饋大功率DC/DC模塊：其為大功率電氣隔離式高頻開關電源DC/DC升壓模塊類裝置，最終將動力鋰電池能量回饋到300Vdc公共直流母線上，作為5Vdc高頻開關電源充電模塊的供電電源，用以完成動力鋰電池能量回饋之用。升壓比≈10倍(2V-3.6Vdc/300Vdc)。具本單元系統管理及上位機通訊功能；
其配置鏈為：動力鋰電池T低壓線性恒流源T能量回饋大功率DC/DC模塊T公共直流母線。
2.2.4 大功率低壓線性恒流源：是具有高精度電流調諧特性的一種功能性恒流裝置。由于目前低壓大功率高頻硬開關電源受行業技術所限，其直流的輸出穩壓、穩流精度、噪聲與不具零點電壓、電流調整特性等諸多問題的存在，而致使不能直接用于鋰電池的化成充電電源, 需接入線性恒流源，以滿足動力鋰電池0.1級的高精度化成充電要求。具本單元系統管理及上位機通訊功能。
2.2.5 大功率電子負載：是具有高精度電流電壓調諧特性的一種功能性電子直流負載裝置。用以作為鋰電池在分檢放電時，代替純電阻進行對電池能量以發熱的方有序的對電池放電，以達到鋰電池分檢目的。具單元系統管理及上位機通訊功能。已具有直流能量回饋技術的系統，其不裝備，被能量回饋大功率DC/DC模塊所取代，以省略其放電功耗以實現節能目的，但按與電池的大功率低壓線性恒流源仍在。
2.2.6 動力鋰電池電量釆集模塊：用來完成對電池的電壓、電流的高速高精度采集并上傳至中央控制系統，以實現對鋰電池有序化成、分檢管理；
2.2.7 中央控制系統：實現化成分檢系統所有功能性單元模塊的智能化管理，實時監控電池及系統狀態，記錄動力鋰電池化成狀態曲線及回饋節能電量，構建人機對話介面與以太網通訊，實現工廠歸一化產生品質管理。
2.3 充電化成方案類別
2.3.1 方案之一：釆用大功率AC/DC高頻開關電源整流模塊，將交流市電220Vac轉換為5Vdc值，作為大功率低壓線性恒流源的能量源，給動力鋰電池電充電，以構成充電化成過程；
2.3.2 方案之二：
2.3.3 釆用大功率AC/DC高頻開關電源整流模塊，將交流市電220Vac轉換為300Vdc值，將其設為直流充電母線，作為300Vdc/DC5Vdc高頻開關電源充電模塊的供電電源。其配置鏈為220Vac/300Vdc整流模塊T直流充電母線TDC/DC5Vdc整流模塊T大功率低壓線性恒流源T動力鋰電池，以構成充電化成過程。
2.4 放電分檢直流回饋方案類別
2.4.1 直流回饋過程之一：
用線性恒流源串入高頻DC/DC電氣隔離式升壓電源，直接將單只動力鋰電池以低壓大電流方式升壓至300V充電用公共母線上，以實現分檢及能量回收目的。2-3.6V升至300V，十倍的升壓比，目前開關電源技術很難實現十倍升壓比的電氣隔離式大功率高效轉換，且系統復雜。如此方案的實現性不利于產品化，不易釆用。
其配置鏈為動力鋰電池T大功率低壓線性恒流源T2-3.6Vdc/300Vdc整流模塊T直流充電母線；
2.4.2 直流回饋過程之二：
仍用線性恒流源串入高頻兩級DC/DC升壓電源，直接將單只動力鋰電池以低壓大電流方式升壓至300V充電用公共母線上，以實現分檢及能量回收目的。又是2-3.6V升至300V，十倍的升壓比，即使是兩級升壓法，也很難實現高效率的轉換，且讓系統變得更加復雜化。綜觀此案的可實現性與其存在的諸多綜合不利產品化因素，得不償失，亦不易釆用。
其配置鏈為動力鋰電池T大功率低壓線性恒流源T2-3.6Vdc/300Vdc兩級直流升壓電源T充電母線；
2.4.3 直流回饋過程之三:
充放電均用多路線性恒流源，以串接的方式來優化高頻DC/DC電源的轉換比例，以提高轉換效率之節能目的，但線性恒流源還等同于電池的數量同在，其恒流源功耗、成本依然。只是DC/DC升壓電源實現了節能，系統還不夠節能及簡約化目的，仍有不利產品化綜合因素存在，同樣不易釆用。
其配置鏈為2、4、8-48路動力鋰電池分別一對一接入大功率低壓線性恒流源后，對恒流源一對一串聯T4-176Vdc/300Vdc直流升壓電源T充電母線；
2.4.4 交流回饋過程:
用線性恒流源串入高頻DC/DC電氣隔離式升壓電源，直接將單只動力鋰電池以低壓大電流方式升壓至300V，在其300V上按入DC/AC給交流市電，以實現交流回饋目的。其除了回饋方式的不同外，其它環節類同，但功耗及成本要比以上直流回饋方式高。且使得EMC效應更加惡化，其方案更不易釆用。
其配置鏈為動力鋰電池T大功率低壓線性恒流源TnVdc/300Vdc升壓電源T300V母線TDC/ACT交流市電。
2.5 系統中主要大功耗模塊能耗分析
2.5.1 化成充電電流過程：
以3.6V200A磷酸鐵鋰動力電池為例,充電過程一搬分為其三個階段，主要充電功率在第三階段，電能耗亦如此。
? 第一階段, 從0.125V0.05C（10A）— 0.8V；
? 第二階段, 從0.8V0.1C（20A）— 2.5V；
? 第三階段, 從2.5V0.3C（60A）— 3.6V。
注：由于各生產廠所用的鋰電池材料及制造工藝的不同, 也造成了化成充電方式的不盡相同, 這里也只有先以容量充電比率，進行對充電過程進行基本的技術分析。
2.5.2 大功率線性恒流源耗散功率估算：以3.6V200A磷酸鐵鋰動力電池為例。
注：因主要充電功率在第三階段，其階段的容量要占全電池容量的95%以上，為簡化細節，以此階段為例作估算分析。充電率用0.3C為例，即，電流0.3C*3.4H≈200A。為簡化充電電壓細節曲線，用取平均值估算(2.5V—3.6V)3.05V；
? 電池充電有用功率:3.05V*60A*3.4H=622W；
? 恒流源輸入功率:5V*60A*3.4H=1020W；
? 恒流源輸出功率: 3.05V*60A*3.4H=622W；
? 恒流源電耗散功率:=1020W-622W=398W。
2.5.3 AC/DC5V高頻硬開關電源電功耗估算：
經調查，目前用到此類項目的220Vac/5Vdc電源模塊，多為產品素質較好的臺灣明緯SE-1500-5，其為無功率因數校正技術的高頻硬開關電源模塊，以下以它為例。
? 電源模塊輸出的實際功率=線性恒流源輸入功率=1020W；
? 電源模塊轉換效率=(Typ.)η0.81；
? 電源模塊輸入功率因數COSФ=0.56；
? 電源模塊輸入有功功率=1.214kw；
? 電源模塊無功功率=0.534kvar；
? 電源模塊視在功率1.748kVA；
? 概念性的充電化成過程形成的視在功率為1.748-輸出功率0.622=功耗為1.126kVA, 占電池充電功率的1.81倍，有功功率1.214k-輸出功率0.622kw=功耗為0.592kw，占電池充電功率的0.952倍之多。
2.5.4 隔離式高頻電源電功耗：
目前，用到此類項目，KW級以上的2-3.6Vdc/300Vdc大功率隔離式高頻電源升壓模塊，市場上還沒見到， 但不乏業內因產品試驗需要，有為實現其功能為目的自行開發品, 但如此的升壓比率，實不易產品化目的。但不乏業內有文字信息聲稱，回饋效率高達70%、80%、以至于95%號稱，因沒見到任何實質上的證據，僅憑一低空文，不可釆信，亦不予支持。以本人二十余年的職業認知及十年余做大功率高頻電源行業經驗自信，除非常溫超導半導體、磁性元件出現被普及化。
2.6 方案不具產品化節能目的因素
2.6.1 人為因素:
設計主導者慣性思維、技術視野狹窄、忽視了業內技術狀況及電子元器件資源之局限性，將設計思路沉迷于這低壓路線之怪圈，終究造成技術路線性失誤，直接導致技術目的限于概念化或實驗室狀態而不能產品化；
2.6.2 技術因素:
與動力鋰電池同路數的高升壓比大功率DC/DC高頻硬開關電源模塊、大功率線性恒流源，使系統變得十分復雜以至于不易控制成度，尤其是因兩個二次電能耗帶來的熱效應、EMC效應、低壓大電流效應等技術問題，會讓敏感的微電路系統崩潰；
2.7 本章結論
以上對較具創新的動力鋰電池能量回饋概念，對其能量回饋功能所需功能性模塊資源進行了歸納、能量回饋技術類別進行了列舉、方案不具產品化節能目的因素以及系統中主要大功耗模塊能耗進行了分析，證明了其存在的諸多綜合不利因素本質。
其中，尤其是用兩級串聯方式進行單體電池的充電化成與分檢方案不利因素尤為突出，使得系統上的EMC干擾、電能量損耗大、子模塊多、控制復雜、制造成本高、不易產品化等諸多現實問題。雖有創新點存在，但應用于實際生產不能，也不能滿足新節能需要，而只能以概念化或實驗室狀態存在用于學術。
3.1 方案特點
自適應直流回饋動力鋰電池化成分檢方案，旨在動力鋰電池進行化成及分檢過程中，完全由單級0.1%級高精度高頻全軟開關電源技術實現，沒有傳統中的大功率線性恒流源，無論是從單只到150只動力鋰電池的化成或分檢，或是從單只到150只動力鋰電池的直流回饋去節能，均是單級來完成；
其一，先以實現高電能轉換效率為目的；
其二，由于簡化了很多系統單元模塊,子單元模塊且均具熱插拔技術，從而使得系統更簡潔、易控制、易生產、易維護；
其三，因釆用了高精效率高頻全軟開關電源技術，又是單級準高壓方式，使得系統內無二次電能耗帶來的熱效應、高EMC效應、低壓大電流效應等技術不利問題。
3.2 自適應直流回饋技術條件
鋰電池在化成充電生產過程中，均是分段進行的：第一階段，從0.125V—0.8V；第二階段，從0.8V—2.5V；第三階段，從2.5V—3.6V；在系統中，要完成從單只的首次低壓點0.125V到高壓點3.6V，1只-150只，0.125V到540V這三個階段的全過程充電；在分檢放電生產過程中，從單只電壓低壓點(2.5V)-150只(375V)、單只高壓點(3.6V)-150只(540V) 實現分檢放電全過程。化成、分檢為一體化系統架構，電壓精度滿足0.1%級，支持從單只到150只之間數量的任意性化成分檢需要，即每個生產批次可以是1只、10只、100只或是150只數量的任意值。
3.3 技術特點
自適應直流回饋動力鋰電池化成分檢方案，從0.125V到540V，如此大的電壓變化范圍想實現它，好像是不太可能的事情。而本文提到的一種自適應方案,打破了行業以往真對其設備技術架構的單只貫性思維，采用全新的準高壓技術架構，利用現有高精度高頻全軟開關電源技術資源優勢，加以數字智能化控制管理技術，實現一體化自適應直流回饋動力鋰電池化成與分檢系統，讓系統工況高效、電氣指標高精、系統架構簡約、系統所占物料少量等設計方針。該系統，首先以解決傳統設備中的熱問題，再之以實現單批次鋰電池的生產串數更多量化、鋰電池化成分檢系統的構建更簡易化、電網的諧波污染更純凈化、電能回收更高效化。尤其是單體電流容量大于200A以上的電池制造, 更具其獨特優勢。
4.1 設自適應能量回網方案方柜圖
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