锂电池生产所用串联电源充放电设备

锂电池生产所用串联电源充放电设备

周煜昕

浙江杭可科技股份有限公司 浙江杭州    311215

摘   要:本文是锂电池生产所用串联电源充放电设备进行的研究，通过对设备特点的分析,得出串联电源充放电设备逐渐提高市场占有率的原因。其次和传统的并电源充放电设备做对比，主要从技术特点、实现难度、能耗等方面来分析串联电源充放电设备的优点和不足。

关键词：锂电池；新能源；串联电源；充放电设备；节能减排

技术背景

  锂离子电池具有高能量、体积小、重量轻、比能量高、安全性好、设计灵活等多种优点，被广泛用于新能源汽车、移动数目类产品中。

锂离子电池的生产过程中，化成工序是非常关键的工序之一。化成就是对刚制造出来的软包装锂离子电池进行第一次小电流充电在化成过程中，电池将形成SEI膜。而这个SEI膜将影响了电池成品的内阻、容量、最大放电电流等多项参数。并且SEI膜的形成是一种不可逆的状态，即只在首次充电状态中产生，一旦稳定成型之后几乎无法再次发生更改。根据串联恒流的定律，可以保证串联回路中，所有电芯的电流一致性好，这样生成的SEI膜性质也会相近，可以提高产出电芯的性能一致性。

因此近几年，串联充放电设备也开始逐渐提高市场占有率。

技术资料

锂电池生产用充放电设备，主要在21世纪初期逐步发展成型。行业初期，主要采用的是并列电源，对电芯进行充放电。这样单个电芯回路之间相互独立，不存在干扰，即使某个电芯生产中发生NG，也不会影响设备上其它电池的生产，只会停止该NG电芯的生产，保证了生产效率。因此并联电源箱是市场主流，广受锂电池生产厂家的青睐，譬如LG化学、三星、CATL等国内外知名厂商。

无论我们所使用的电动汽车、储能基站、还是等等其它大型的电动设备。都是许许多多个独立的电芯，去组成一个模组、或者一个PACK包等等，以一个大单元形式去进行正常的运作。而这就对单元中的电芯一致性要求很高，因为往往这种单元具有木桶效应。

比方说，将100个150AH的电芯去组成一个电池包，在一年使用后应该能保证145AH的容量。如果该电池包中，存在1个电芯的品质略差，在使用一年后容量略小于其它电芯10%，只有135AH。如果还是按照140AH的标准去进行充放电，很有可能导致这个不良电芯过充电，造成内短、燃烧等等事故；亦或者造成过放电，严重缩短电芯包的使用寿命。因此组成电芯包的电池的一致性是十分重要的。

在这种电芯一致性的需求下，产生了诸多新的设备、新的工艺要求，串联电源充放电设备也逐渐兴起。

串联电源箱，基于串联回路电流完全一致，从而可以确保设备上同一批次上的电芯所通过电流也是一致。这样对于同一批生产出来的电芯，可以确保在化成和分容的工序上是可以做到完全一致的充放电条件，从而提升下线电芯的一致性。这可以很好的提升电芯模组和PACK包性能，大大降低过充、过放的风险。

串联电源箱也经历了多批次的更新换代。最初的串联电源，是由正极出发，电芯首尾相连形成回路，最终回归电源负端。若其中一个电芯损坏、或者NG会导致整条回路的中断，影响生产效率;反之若电芯发生了问题如：短路、过充等等情况下，主电源无法知悉单个电芯的状况，无法及时关闭主电源，容易造成严重事故。

经过一系列发展， 如今的串联充放电设备，主要是由主电源和旁路组件两个部分组成。

旁路组件会在每个电芯都单独配置一个旁路模块，每个模块由单片机控制，会采集和监测每一个电芯的充放电过程实时数据，包括电池的电流、电压、温度等等数据，并实时向主电源部分进行通讯。若单个电芯完成充放电、或者发生异常被NG了，该旁路模块就会从电芯回路，切换至与该电芯并联的另一条回路，将该电芯从充放电回路中“断开”,同时新切入的回路依然能保证主回路得完整性，保证其它电芯依然可以进行生产。

另一边主电源部分是由DSP处理器进行控制，功能更为强大，可以收集每个旁路模块提供的实时数据，进行分析和处理；同时又监测整个回路的状况，如回路电压、电流、阻抗等。若发生异常如:电芯内短导致过流、电芯壳体短路、电流波动等，处理器可以及时关闭主电源，以避免发生更大的事故和灾害。

主电源和旁路组件两套处理器，相互通讯，又相互独立，即使其中有一套处理器发生故障、导致失效，另一套系统仍能正常运行，起到系统保护的作用。大大增加了系统的可靠性，降低了事故发生的可能性。

技术对比

相比于市场主流的并联电源充放电设备， 串联电源充放电设备有着优势、也有着不足。我们可以从以下几个方面进行对比和评估：

市场成熟度及设备规格：    

并联电源充放电已经广泛应用于锂电池批量制造近20年，其规格和技术已经非常成熟。市场上从2~6安小电流的设备，到几百安的大电流充放电设备，有多种档次的设备可供选择，电池制造厂家选择的余地大，供应商群体也多。

串联电源充放电设备在近几年逐步完善，开始进入市场，主要存在于大电流的动力电池及大型电池制造产线。因为串联回路电压较高，造成信号干扰更为强烈，因此在研发难度上，串联电源充放电设备存在一定的技术壁垒。这就造成了可以串联电源充放电设备的制造商相对较少，整体设备平台也多集中于大电流40-150安范围内。

设备参数精度：

     串联型电源由于自身属性决定了电流的一致性。这对于电芯制造方面有着极为重要的意义，可以提升电芯的一致性。

分别采用串联和并联方式实现同等精度时，由于并联型的共模电压低，发热源相对分散，EMI干扰比较小等诸多原因，并联型的电源相对比较容易实现，且实现的成本比较低。

设备能耗及回馈电网质量：

相比于并联电源充放电设备，串联电源充放电设备具备更高的充放电效率。可以减少电芯生产厂家后期的能耗投入，同时也更符合现代节能减排的理念。

主要因素有2点：第1点是因为串联电路的导线短，整体充放电回路阻抗小，总的导线损耗有所减少。第2点是因为串联充放电设备的开关整流电压变比较小，以及开关频率工作在更为合适的范围。

对于回馈电网的电能功率因数和THD，两种设备基本一致。

设备安全性：

并联充放电设备在充放电回路是属于低压充放电，所以并联型具有更好的安全性。

然而大部分的串联电源已经超过超出人体安全电压40V输出范围。串联设备电芯旁路单元，设备电芯夹具这块，都需要特殊设计；不仅是防范人身事故，同样也要避免有异物掉落导致电池壳体和设备机壳短路发生事故。

相比于成熟的并联电源充放电设备，串联电源充放电设备还有很长的路要走，也具备很大的发展空间。串联电源设备中，回路具备电流的完全一致性，这个特性对于锂电池充放电生产中化成工序及其重要，可以增加生产电芯的一致性。同时，在节约能耗方面也有着巨大的优势，可以减少电池生产厂商生产中的能耗成本投入，也符合现代节能减排的理念。但在安全性、设备规格多样性方面还需要有进一步的提高，以适应更多的生产环境和市场需求。

参考文献

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