叫板锂离子电池，钠离子电池有无可比拟的优势-电路图讲解-电子技术方案

首先，我们来说一下为什么要开发钠离子电池。我国的电池主要应用在三大产业，即电动汽车、储能和消费电子。围绕这三个方向，尤其近几年电动汽车和储能领域发展迅速，主打是锂离子电池。动力电池在2015年增长了80%左右，而在2016年已经突破了30GWh，随之而来的就是锂电池的废弃和循环问题凸显，而且锂的资源也有限。与此同时，储能也是目前发展很快的产业，尤其微电网方面会有大量的储能需求，到2020年，预计储能可以比2015年增长3倍。这么大量的电池需求，如果全用锂离子电池的话，存在两个问题：一个是锂的资源问题，一个是锂的循环利用问题。所以在锂电池之后，我们还有新的选择。这就涉及到用什么样的电池体系，用什么样的材料。基于这种考虑，我们能不能找出储量更丰富，材料更便宜的体系呢，最后我们选择了钠离子电池。

 

对于钠离子电池我们关注的焦点，一个是成本要低，正极材料要去锂脱钴，不用锂离子，也不用成本较高的钴原料；第二是在电动车和储能方面都要求电池寿命要长；第三是安全性要好；最后是能量密度要比较合适。

 

钠离子电池和锂离子电池的反应机理相近，正极材料除了磷酸盐或氟化磷酸盐以外，还可以用镍锰层状过渡金属氧化物。在负极材料方面可选择碳类、合金和化合物。在三大类负极材料中，我们还是选择最便宜的碳材料。我们对于负极碳材料又进行了软碳、硬碳和石墨烯三个分类的研究。

 

我们最近的一些研究成果，其中一个是采用层状结构Na0.67Ni0.33-xMxMn0.67O2作正极材料。经过实验研究和比较，在制备正极原材料的使用上，我们认为使用醋酸盐或草酸盐更好。根据文献报道，正极材料如果只用镍锰氧化物，它的循环性能和充电到高电位时的稳定性较差。所以有文献报道可以用镁掺杂，替代镍位，这样的话期待它的容量可以更高，这种方法对于获得高能量密度的钠离子电池是很有帮助的。除了镁以外，其他掺杂的元素可不可以呢？我们选择与替代元素离子半径相近的元素做掺杂，比如替代镍位，我们选了锆（Zr）离子和铜（Cu）离子进行掺杂。材料掺杂后与掺杂前电化学性能和循环性能都有提高，Zr掺杂和Cu掺杂相比，Cu掺杂的循环稳定性更好。

 

负极方面，由于软碳材料处理的方法比较多，我们尝试了用磷掺杂软碳。掺杂磷后放电容量可以提高30%以上，循环特性好。为什么掺磷后材料性能提高呢？这是由于掺磷后可以增加钠吸附的活性点。在传统的嵌入反应之外，还多了一些钠离子吸附的活性点位。另外，在硬碳方面，我们选用了椰壳、杏壳等生物质材料，通过处理，最终获得硬碳材料。通过拉曼分析可以发现，这些材料是短层有序、长层无序的结构，微晶的层间距较大，适合钠离子嵌入。通过循环实验可以看到，经过200次循环，容量基本没有衰降，循环稳定性很好。由此可见，这些生物质材料是很好的廉价的钠离子电池负极材料。再有，对于石墨烯负极我们也做了研究。石墨烯材料最大的问题是密度比较低，将来能不能做成高体积比能量的电池还是问题。所以可以考虑将石墨烯和其他负极材料如硬碳、软碳，以及化合物类或合金类材料进行复合。

 

 

我们做了1.5Ah和0.5Ah两种软包全电池，正极材料采用前面提到的镍锰氧化物，负极采用生物质的硬碳材料，经300次循环后容量衰降为15%。由此可见，钠离子电池用廉价材料是可以制备的，而且电性能良好。

 

 

小结，钠离子电池正极材料，我们对镍锰氧化物进行了掺杂，来提高它的电性能。负极材料里边我们研究了硬碳、软碳和石墨烯三种材料。对软碳进行磷的掺杂，可以提高容量；硬碳材料循环稳定性较好；石墨烯容量较高，但首效较低。最后，我们期待基于廉价材料制备的钠离子电池在能量密度上接近或超过磷酸铁锂电池，在电动车和储能方面得到应用。

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近年来，科技进步引领微控制器 (MCU) 的使用快速增长，并广泛应用于洗衣机、空调及其他家电。而现代电机控制算法，则可以让这些产品从中受益，实现高效安静运行。MCU 还能应用于物联网应用的机对机通信以及整机控制中。总的来说，制造商能够生产更高效、运行噪音更小的电器，并且在提高性能安全的同时保持高性价比。

开发现代电器时，需要同时控制多个电机对工程师来说会是一大挑战。工程师不仅要处理更高的复杂性，还必须确保任何情况下的安全运行，包括设备故障时的安全。

如图 1 的空调系统所示，需要控制多个电机，包括一个压缩机、数个室内单元风扇及数个室外单元风扇。所有电机必须高效、低噪音地运行，能够准确地侦测过流、过热、机械损坏等问题，以确保故障时也能安全运行。

 

图1: 空调系统配有多个电机，包括一个压缩机、数个室内单元电机及数个室外单元电机

优化功能
图2所示为现代电机控制中常用于永磁同步电动机 (PMSM) 的向量控制和磁场定向控制 (FOC) 算法。左边的浅蓝色模块表示软件内执行的功能，包括坐标变换（Clarke、Park 及其逆变量）和 PID（比例、积分、微分）控制器等。

“内部硬件”由专用的微控制器外设组成，这让软件模块能够有效地执行。其中模拟数字转换器(ADC) 用于测量与脉冲宽度调制 (PWM) 同步的电机绕组的电流，并馈送回控制算法。控制算法的输出必须传达至逆变器中的功率开关器。逆变器则使用 PWM 控制技术来驱动电机，包括用于应对功率晶体管有限开关速度的死区时间插入。

 

图2: 用于交流空调电机控制的逆变器算法，分为软件、内部及外部硬件三大模块

内部硬件中的多功能计时器 (MFT) 不但可以为每一个输出信号 (u、v、w) 及其互补信号 (u-、v-、w-) 产生基本 PWM 脉冲，包括死区时间。这些信号是用于驱动输出桥的高低侧开关。在这个示例中，采用内部正交位置和分辨率计数器(QPRC) 外设以获取转子位置信息。磁场定向控制（FOC） 算法执行所需的转子信息可通过工业环境中 PMSM 电机上安装的光学或磁性编码器获取，如伺服驱动器。在家用电器或其他应用中，该模块通常使用“无传感”控制方法实行。无传感控制通过电机数学模型计算转子距离已测量电机电流的位置，而不是测量转子的位置。

当一个微控制器控制多个电机时，进行高效、实时的密集计算需要一个复杂的软件架构。而这种软件架构开发难度高、调试耗时大、并且难以测试电机性能是否达到要求的质量和安全水平。多功能计时器和转速表此类集成外设可以通过减少 MCU 的计算量来简化多电机控制。此外，可利用软件库协助外设进一步简化设计，并缩短上市时间。

使用多个 多功能计时器 可以实现微控制器向多个电机输出信号。例如，赛普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 集成了 3 个 多功能计时器，令多达 18 个 PWM 通道（例如，9 对互补信号）能够控制三相电机。每个多功能计时器单元包含 3 个通道的自由运行计时器、6 个输出比较单元、4 个输入捕获单元、数个 ADC触发器单元以及 1 个波形发生器 (WFG) 。另外，多功能计时器 支持紧急停机和噪音消除器。

仅需几个步骤，多功能计时器就可以产生一个 PWM 波形。自由运行计时器可以为 PWM 信号提供时间基准，并确定 PWN 的分辨率和频率。输出比较单元 (OCU) 能为每个输出相位确定占空比信号 RT1、3、5（注意：图3 显示的示例配置仅使用 3 个输出比较单元。）信号发生器发出相应的互补信号 RTO0-RTO5，包括从 RT 信号自动插入死区时间，现在可以控制 FET 此类功率管或 IGBT 功率管。信号发生器也可以处理此类问题，如故障引起的过流。PWM 则可以立即关机。这不需要软件参与，也不要启动故障安全运行。

波形发生器的噪音消除器可以侦测有效的过流事件，也就是说，不会触发短暂的尖峰噪声。就过流事件而言，波形发生器将 MCU 输出管脚从 RTO0-RTO5 切换回他们的正常通用输入\输出 (GPIO) 功能。这让初始化时相应寄存器的预编程能够定义故障安全状态（例如，高输出、低输出或高阻）。除了硬件 PWM 关机，还会允许中断，以在应用层面上进一步处理故障问题。

 

图3: 运用多功能计时器产生 PWM 波形

QPRC 在使用正交编码器的电机控制系统中起着重要的作用。它有三个输入通道 - AIN、BIN 和 ZIN，用于输入两个正交信号和一个可选的零指数信号。通过这些信号，QPRC 可以侦测转子位置和转动方向。另外有一个分辨率计数器会在每次转动后增速或减速。这样，转子转动多次后也能计算出转子的绝对位置。这对线性驱动器、变速箱和其他定位应用都非常有用。

多电机设计
图4显示基于赛普拉斯 S6E2H 高性能 FM4 系列 MCU 设计的现代空调系统 - 系统框图。室外单元包含一个压缩机和一个风扇，均利用上述的磁场定向控制（FOC）算法以实现效能最大化。另外，测量室外温度等各种数据的感应器和 MCU 相连接。室外和室内单元的连接也可以使用简单的串行协议，例如 UART 或者 SPI。

室内单元需要控制一个或多个风扇/吹风机，也可以运用磁场定向控制算法，保证运行高效而安静。另有几个感应器用于测量室温、湿度及其他参数。除了连接室外单元，室内单元还要与空调整合到建筑物管理系统 (BEMS)，统筹供热通风与空气调节（Heating, Ventilation, Air Conditioning，HVAC)。此过程通过 CAN 接口可完成。

多电机工业和家庭应用的控制系统
室内和室外单元都提供需要的性能和效能。赛普拉斯 S6E2H FM4 微控制器是此类应用的理想选择，将高性能电机控制、CAN 等通讯接口以及充足的用于额外监测和控制功能的资源集成为一体的低成本解决方案。

 

图4: 现代空调系统的多电机控制系统框图

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