1.前言

這篇技術(shù)文章描述了數(shù)字控制回路電池測(cè)試" target="_blank">電池測(cè)試儀的優(yōu)勢(shì)，并提供了靈活且經(jīng)濟(jì)高效的電池測(cè)試儀設(shè)計(jì)示例。

鋰離子電池用于小型電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車和電網(wǎng)等大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)然，電池具有多種尺寸、電壓和外形。然而，由于種類繁多，電池制造商必須為每種電池類型購(gòu)買、維護(hù)和管理測(cè)試解決方案。所涉及的資本投資也很大，直接占電池最終成本的 20%。

這種情況需要一種具有成本效益的多量程測(cè)試解決方案，涵蓋各種電池電壓、容量和物理尺寸。

2.數(shù)字控制回路的好處

電池測(cè)試儀的主要功能是控制和監(jiān)測(cè)電池的充放電。圖1是開(kāi)關(guān)式電池測(cè)試儀的功能框圖。控制單元可以安裝在模擬或數(shù)字中。在模擬實(shí)現(xiàn)中，脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器控制流經(jīng)高低壓電源的輸出電壓或電流。保護(hù)電路內(nèi)置于 PWM 控制器中。恒流 (CC) 和恒壓 (CV) 反饋回路驅(qū)動(dòng) PWM 控制器的參考輸入，以精確控制輸出電流和電壓。連接到反饋控制器的 16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 設(shè)置輸出電流和電壓。最后，一個(gè)精密的 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 監(jiān)控電池電壓和電流。

圖1?：電池測(cè)試儀框圖

在數(shù)字實(shí)現(xiàn)中，微控制器 (MCU) 執(zhí)行圖 1 中紅色方塊內(nèi)的所有功能。一個(gè) C2000??實(shí)時(shí)控制微控制器用于產(chǎn)生 16 位 PWM，其比較器用于實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法。該微控制器使用 ADC 的輸出數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流和電壓控制器。由于控制器在數(shù)字域中，因此該架構(gòu)不需要精密的 16 位 DAC。12位片上ADC可實(shí)現(xiàn)小于±0.05%的控制精度，足以滿足成本優(yōu)化的電池測(cè)試系統(tǒng)。但是，反饋需要外部 16 位精度才能獲得大于 ± 0.01% 的控制精度。數(shù)字解決方案可以輕松實(shí)現(xiàn)靈活性，同時(shí)保持高精度。性能和成本之間的差異僅取決于您使用外部 16 位 ADC 還是內(nèi)部 12 位 ADC 進(jìn)行反饋。通過(guò)在本實(shí)施中有效地使用微型計(jì)算機(jī)，可以將 BOM 減少 30% 或更多。

2.多個(gè)電壓、容量、尺寸配合參考設(shè)計(jì)

今天的測(cè)試設(shè)備是為特定的電池類型而設(shè)計(jì)的。大電池需要大量電流，因此并聯(lián)多個(gè)通道的電池測(cè)試儀。但是，如果電池制造商想要制造具有低電流要求的小型電池，通常會(huì)使用針對(duì)低電流水平進(jìn)行了優(yōu)化的測(cè)試儀。在此期間，將不會(huì)使用大電流電池測(cè)試儀。擁有可用于測(cè)試小型和大型電池的測(cè)試儀可以消除必須準(zhǔn)備每個(gè)測(cè)試儀的浪費(fèi)，并降低整體電池制造成本。數(shù)字控制回路為小型和大型電池測(cè)試提供了軟件靈活性，但模擬解決方案需要更改硬件。

隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，電池制造商需要新的功能和測(cè)試方法。控制回路的軟件實(shí)現(xiàn)使測(cè)試設(shè)備制造商可以輕松添加測(cè)試功能。

多量程電池測(cè)試儀設(shè)計(jì)

?成本優(yōu)化的電池測(cè)試系統(tǒng)數(shù)控參考設(shè)計(jì)使用多個(gè)獨(dú)立控制的并行連接的低電流電池測(cè)試儀通道，以實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的高電流電池測(cè)試儀。如圖 2 所示，此參考設(shè)計(jì)配置為通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件更改實(shí)現(xiàn)多相操作。多相配置使用單獨(dú)的恒流回路，每相并聯(lián)。將一個(gè)恒壓回路放入所有恒流回路中，可確保恒壓模式下的電流平衡。這允許在同一測(cè)試環(huán)境中使用多個(gè)輸出電流范圍。

圖2?：多相反饋控制器

圖 3 是此參考設(shè)計(jì)的框圖?！?TMS320F280049?”微控制器最多可控制八個(gè)獨(dú)立通道。該微型計(jì)算機(jī)為同步降壓功率級(jí)生成高分辨率 16 位 PWM，并執(zhí)行電流和電壓控制回路的子程序。測(cè)量放大器“ INA821?”檢測(cè)電流，運(yùn)算放大器“ TLV07??”檢測(cè)電壓。電流和電壓信號(hào)在ADS131M08?外部 ADC和 C2000 片上 ADC 上都轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。反饋具有 16 位 ADC，用于控制精度大于 ± 0.01%。在成本優(yōu)化的系統(tǒng)中，通過(guò)從反饋中省略ADS131M08并改用 12 位片上 ADC，可以實(shí)現(xiàn)小于 ± 0.05% 的控制精度。

實(shí)施多反饋控制器可實(shí)現(xiàn)從恒定電流到恒定電壓的平滑過(guò)渡。此時(shí)，內(nèi)部回路始終處于恒流模式。當(dāng)檢測(cè)到恒壓模式狀態(tài)時(shí)，恒壓回路輸出連接到恒流回路。

圖3?：數(shù)字控制回路電池測(cè)試儀

3.?總結(jié)

數(shù)字架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)精密、大電流、高速和高靈活性，從而減少對(duì)電池測(cè)試設(shè)備的資本投資。我們可以測(cè)試各種電流，而無(wú)需花錢購(gòu)買針對(duì)各個(gè)電流水平量身定制的多種架構(gòu)，從而在測(cè)試低電流應(yīng)用的同時(shí)消除浪費(fèi)的高電流設(shè)備。

借助 TI 的數(shù)字控制參考設(shè)計(jì)，我們可以設(shè)計(jì)低電流電磁測(cè)試設(shè)備?以降低整體系統(tǒng)成本，同時(shí)讓我們能夠靈活地測(cè)試各種電流，而不會(huì)犧牲精度。