數字控制回路的優(yōu)勢與電池測試儀的設計

鋰離子電池既可應用于小型電子器件，也可應用于電動汽車、電網等較大的應用，其可輕松滿足各種尺寸、電壓和外形的要求。但這種應用廣度意味著電池制造商不得不購買和維護每種電池類型的測試方案，從而造成巨大的相關資金投入，直接占電池最終成本的20％。

顯然，需要一種可處理不同電壓、容量和外形尺寸且成本效益好、多量程的電池測試解決方案。本文介紹了數字控制回路電池測試儀的優(yōu)勢，并提供了一個靈活且具備較高性價比的電池測試設計示例。

數字控制回路的優(yōu)勢

電池測試儀的主要功能是控制和監(jiān)控電池的充放電情況。圖1所示為開關式電池測試儀的原理框圖。可在模擬或數字模式下實現控制部分。在模擬實現中，脈沖寬度調制（PWM）控制器可調節(jié)流經高壓和低壓電源的輸出電壓或電流。保護電路集成在PWM控制器中。恒定電流和恒定電壓反饋回路驅動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位數模轉換器（DAC）設置輸出電流和電壓。最后由一個精密的16位模數轉換器（ADC）監(jiān)控電池電壓和電流。

圖1：電池測試儀框圖

在數字實現中，微控制器（MCU）執(zhí)行圖1中紅色框內的所有功能。借助C2000?實時控制MCU，可生成16位PWM并使用其比較器來實現保護算法。MCU通過ADC反饋的數據來調整電流和電壓控制器。由于控制器位于數字域，因此該體系結構無需精密的16位DAC。一個12位片上ADC可實現低于±0.05％的控制精度，足以用于成本優(yōu)化型電池試驗系統(tǒng)。但是，如果想實現±0.01％的控制精度，那么該方案要求外部具有16bit的反饋精度，數字解決方案可輕松實現準確度和靈活性；性能和成本差異僅取決于您選擇在反饋中使用外部16位ADC還是內部12位ADC。在此方案中，MCU的高效使用可以節(jié)省30%以上的物料成本。

多種電壓、容量和尺寸，一種參考設計。

使用我們設計的一種具備靈活性的測試器來測量各種電壓、容量和尺寸的電池。

當前的測試設備是針對特定電池類型所設計的。較大的電池需要較高的電流，因此電池測試儀具有多個并聯(lián)連接的通道。但如果電池制造商在生產電流要求較低的小型電池，他們則通常會使用專門針對較低電流等級進行優(yōu)化的測試儀，而將高電流電池測試儀處于閑置狀態(tài)。使用能夠同時測試小型和大型電池的測試儀則可減少此類設備冗余，并幫助降低電池生產的總體成本。數字控制回路增加了用軟件來測試大型或小型電池的靈活性，而模擬解決方案則需要變更硬件。

隨著電池技術的發(fā)展進步，電池生產商要求有新的功能和測試方法。在軟件中使用控制回路可使測試設備制造商更容易提供其他的測試功能。

設計多量程電池測試儀

適用于成本優(yōu)化型電池測試系統(tǒng)的數字控制參考設計使用并聯(lián)連接的多個獨立控制、低電流電池測試儀通道，以滿足不同等級的高電流電池測試儀的需求。通過簡易的軟件更改，即可將參考設計配置為多相操作，如圖2所示。在多相配置中，每個相使用并聯(lián)連接的獨立恒流回路。在恒壓模式下，將一個恒壓環(huán)路連接到所有的恒流環(huán)路以確保電流均衡。因此，相同的測試環(huán)境可提供多個輸出電流范圍。

圖2：多相配置中的反饋控制器

參考設計的框圖如圖3所示。TMS320F280049 MCU最多可控制8個獨立通道。它可為同步降壓功率級生成高分辨率的16位PWM，并為電流和電壓控制回路執(zhí)行子程序。INA821儀表放大器感應電流，TLV07運算放大器感應電壓。 外部ADS131M08的ADC和C2000片上ADC均將電流和電壓信號轉換為數字信息。根據反饋的16bit ADC信號可獲得優(yōu)于±0.01％的控制精度。對于成本優(yōu)化的系統(tǒng)，可根據反饋移除ADS131M08，使用片上12位ADC可實現低于±0.05％的控制精度。

實現多反饋控制器可實現從恒流到恒壓的平穩(wěn)過渡，其中內部回路始終處于恒流模式。檢測到恒壓模式條件時，恒壓回路輸出會連接到恒流回路。

圖3：數字控制回路電池測試儀

結論

數字架構可實現高精度、高電流、高速度和靈活性，無需在電池測試設備上投入大量資金。您不再需要為不同的電流水平投資多種體系結構的測試儀，這樣，在測試低電流應用時，高電流設備便不再閑置。

借助TI的數字控制參考設計，可通過投資低電流電池測試設備來節(jié)省總體系統(tǒng)成本，從而在不影響精度的情況下提升測試多個電流范圍的能力和靈活性。
編輯：lyn