如何設(shè)計(jì)一款適用于各類電池尺寸、電壓和外形的電池測(cè)試儀

鋰離子電池既可應(yīng)用于小型電子器件，也可應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電網(wǎng)等較大的應(yīng)用，其可輕松滿足各種尺寸、電壓和外形的要求。但這種應(yīng)用廣度意味著電池制造商不得不購買和維護(hù)每種電池類型的測(cè)試方案，從而造成巨大的相關(guān)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(cè)試解決方案。本文介紹了數(shù)字控制回路電池測(cè)試儀的優(yōu)勢(shì)，并提供了一個(gè)靈活且具備較高性價(jià)比的電池測(cè)試設(shè)計(jì)示例。

數(shù)字控制回路的優(yōu)勢(shì)

電池測(cè)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(guān)式電池測(cè)試儀的原理框圖?？稍?a href="http://www.ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬或數(shù)字模式下實(shí)現(xiàn)控制部分。在模擬實(shí)現(xiàn)中，脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器可調(diào)節(jié)流經(jīng)高壓和低壓電源的輸出電壓或電流。保護(hù)電路集成在PWM控制器中。恒定電流和恒定電壓反饋回路驅(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。最后由一個(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中紅色框內(nèi)的所有功能。借助C2000?實(shí)時(shí)控制MCU，可生成16位PWM并使用其比較器來實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法。MCU通過ADC反饋的數(shù)據(jù)來調(diào)整電流和電壓控制器。由于控制器位于數(shù)字域，因此該體系結(jié)構(gòu)無需精密的16位DAC。一個(gè)12位片上ADC可實(shí)現(xiàn)低于±0.05％的控制精度，足以用于成本優(yōu)化型電池試驗(yàn)系統(tǒng)。但是，如果想實(shí)現(xiàn)±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(shù)字解決方案可輕松實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(nèi)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(shè)計(jì)。

當(dāng)前的測(cè)試設(shè)備是針對(duì)特定電池類型所設(shè)計(jì)的。較大的電池需要較高的電流，因此電池測(cè)試儀具有多個(gè)并聯(lián)連接的通道。但如果電池制造商在生產(chǎn)電流要求較低的小型電池，他們則通常會(huì)使用專門針對(duì)較低電流等級(jí)進(jìn)行優(yōu)化的測(cè)試儀，而將高電流電池測(cè)試儀處于閑置狀態(tài)。使用能夠同時(shí)測(cè)試小型和大型電池的測(cè)試儀則可減少此類設(shè)備冗余，并幫助降低電池生產(chǎn)的總體成本。數(shù)字控制回路增加了用軟件來測(cè)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(shù)的發(fā)展進(jìn)步，電池生產(chǎn)商要求有新的功能和測(cè)試方法。在軟件中使用控制回路可使測(cè)試設(shè)備制造商更容易提供其他的測(cè)試功能。

設(shè)計(jì)多量程電池測(cè)試儀

適用于成本優(yōu)化型電池測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)字控制參考設(shè)計(jì)使用并聯(lián)連接的多個(gè)獨(dú)立控制、低電流電池測(cè)試儀通道，以滿足不同等級(jí)的高電流電池測(cè)試儀的需求。通過簡易的軟件更改，即可將參考設(shè)計(jì)配置為多相操作，如圖2所示。在多相配置中，每個(gè)相使用并聯(lián)連接的獨(dú)立恒流回路。在恒壓模式下，將一個(gè)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(cè)試環(huán)境可提供多個(gè)輸出電流范圍。

圖2：多相配置中的反饋控制器

參考設(shè)計(jì)的框圖如圖3所示。TMS320F280049 MCU最多可控制8個(gè)獨(dú)立通道。它可為同步降壓功率級(jí)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(yīng)電流，TLV07運(yùn)算放大器感應(yīng)電壓。外部ADS131M08的ADC和C2000片上ADC均將電流和電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。根據(jù)反饋的16bit ADC信號(hào)可獲得優(yōu)于±0.01％的控制精度。對(duì)于成本優(yōu)化的系統(tǒng)，可根據(jù)反饋移除ADS131M08，使用片上12位ADC可實(shí)現(xiàn)低于±0.05％的控制精度。

實(shí)現(xiàn)多反饋控制器可實(shí)現(xiàn)從恒流到恒壓的平穩(wěn)過渡，其中內(nèi)部回路始終處于恒流模式。檢測(cè)到恒壓模式條件時(shí)，恒壓回路輸出會(huì)連接到恒流回路。

圖3：數(shù)字控制回路電池測(cè)試儀

結(jié)論

數(shù)字架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高精度、高電流、高速度和靈活性，無需在電池測(cè)試設(shè)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(jié)構(gòu)的測(cè)試儀，這樣，在測(cè)試低電流應(yīng)用時(shí)，高電流設(shè)備便不再閑置。

審核編輯：郭婷