TI高性能充放電方案在電池測(cè)試設(shè)備中的應(yīng)用

電池測(cè)試設(shè)備是電池制造行業(yè)的必需設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。隨著電動(dòng)汽車(chē)、便攜式消費(fèi)電子等應(yīng)用對(duì)鋰電池的需求不斷增加，鋰電池測(cè)試設(shè)備的需求也一路上行。

電池測(cè)試設(shè)備用于在向客戶(hù)發(fā)貨之前驗(yàn)證電池的功能和性能。在組裝電池單元或電池組之后，每個(gè)單元必須至少經(jīng)歷 一個(gè)完全受控的充電或放電循環(huán)，以初始化該設(shè)備并將 其轉(zhuǎn)換為正常工作的儲(chǔ)電設(shè)備。電池測(cè)試設(shè)備的主要功能是對(duì)電池容量、效率、倍率、高溫性能、低溫性能、存儲(chǔ)性能及內(nèi)阻等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于電池測(cè)試設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的三個(gè)指標(biāo)是充放電精度，成本和轉(zhuǎn)換效率。

對(duì)于電池測(cè)試設(shè)備的核心功能電池充放電，市面上流行的主要有兩種解決方案：使用DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字方案和使用分立器件搭建的模擬方案。無(wú)論是DSP方案還是分立方案都有各自的缺點(diǎn)，DSP方案的軟件開(kāi)發(fā)難度大，分立方案硬件開(kāi)發(fā)難度大，導(dǎo)致兩種方案設(shè)計(jì)周期都比較長(zhǎng)，總體開(kāi)發(fā)成本比較高。

為了幫助電池測(cè)試設(shè)備廠商縮短研發(fā)時(shí)間，能將產(chǎn)品快速投入市場(chǎng)，TI近期推出兩套高性能，高集成度，低成本的電池充放電解決方案，分別針對(duì)中大功率(10A～200A)應(yīng)用和小功率(3A～6A)應(yīng)用。

首先是針對(duì)中大功率應(yīng)用，TI的參考設(shè)計(jì)為 TIDA-01041x 系列。TIDA-01041x系列針對(duì)不同電流需求提供3套方案，分別為T(mén)IDA-01040(0~50A), TIDA-01041(0~100A), TIDA-01042(0~200A), 所有方案都保證<=0.02%的全量程充放電電流精度和<=0.01%的充放電電壓精度。

如下圖所示，TIDA-01041x 整個(gè)系統(tǒng)主要由四部分組成：核心器件LM5170 (藍(lán)色區(qū)域)負(fù)責(zé)功率升降壓部分，主要功能包括多相位處理，方向切換，峰值電流控制，防電流倒灌等；INA188儀表放大器負(fù)責(zé)高邊恒流檢測(cè)；LM6142負(fù)責(zé)電壓放大檢測(cè)；ADS131A04 (24-bit高精度ADC) 和DAC80004 (16-bit高精度DAC) 負(fù)責(zé)電流電壓的實(shí)時(shí)讀取和實(shí)時(shí)設(shè)置，可以通過(guò)TI提供的上位機(jī)圖形界面讀取信息及進(jìn)行操作。

LM5170是TI的明星產(chǎn)品，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)的核心。LM5170內(nèi)部集成雙路5A MOSFET半橋驅(qū)動(dòng)器可以提供高達(dá)100A的持續(xù)輸出電流。同時(shí)單顆LM5170可以支持雙相交錯(cuò)控制，進(jìn)而可以有效降低電感感值，電容容值和輸入輸出電壓紋波。對(duì)于要求高于100A的應(yīng)用，LM5170支持多片錯(cuò)相并聯(lián)來(lái)提供更大電流能力，下圖展示了幾種多片錯(cuò)相并聯(lián)的方案。

此外，相對(duì)于DSP方案，LM5170由于同時(shí)支持峰值電流檢測(cè)和平均電流檢測(cè)，響應(yīng)速度和建立時(shí)間要快很多。下圖波形是基于TIDA-01041(100A)評(píng)估板的-100A到+100A電流跳變測(cè)試（該波形為其中一個(gè)相位 -25A ~ +25A， 4個(gè)相位電流總和為-100A ~ +100A)。藍(lán)色信號(hào)為方向控制DIR引腳，紅色為L(zhǎng)M5170的給定電流參考信號(hào)ISETA，黃色為輸出電壓Vout，綠色為Iout電流。從下圖我們可以看到，-100A到+100A 電流跳變條件下LM5170的響應(yīng)時(shí)間僅僅為400μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DSP方案在同樣測(cè)試條件下的響應(yīng)時(shí)間（通常高于5ms）。

TI針對(duì)于小功率(<=6A) 電池檢測(cè)應(yīng)用推出了高精度低成本方案PMP15043。該方案主要有3個(gè)部分構(gòu)成，TPS61178升壓DC/DC負(fù)責(zé)放電部分， TPS54821降壓DC/DC負(fù)責(zé)充電部分，電流檢測(cè)由INA188儀表放大器實(shí)現(xiàn)，電壓檢測(cè)則可由低成本運(yùn)放TLV07來(lái)實(shí)現(xiàn)。

目前，市面上小功率 (<=6A) 電池充放電方案目前大多是由分立元器件搭建，但是隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的精度，可靠性的要求越來(lái)越高，分立方案越來(lái)越滿(mǎn)足不了市場(chǎng)的需求。TI針對(duì)于小功率電池檢測(cè)設(shè)備推出了高精度低成本方案PMP15043，很好的解決了這些問(wèn)題。

如下圖所示，PMP15043方案主要有幾個(gè)部分構(gòu)成：TPS61178升壓DC/DC負(fù)責(zé)放電部分，TPS54821降壓DC/DC負(fù)責(zé)充電部分，電流檢測(cè)由INA188儀表放大器實(shí)現(xiàn)，電壓檢測(cè)則可由低成本運(yùn)放TLV07來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中TPS61178和TPS54821內(nèi)部集成了功率MOSFET及驅(qū)動(dòng)電路，極大的簡(jiǎn)化了功率部分的設(shè)計(jì)，可以有效的減少客戶(hù)在分立方案上的調(diào)試時(shí)間。TPS61178和TPS54821都是市面上非常通用的Boost和Buck芯片，整體方案在成本上也相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力。

PMP15043不但BOM成本有競(jìng)爭(zhēng)力，性能也同樣優(yōu)秀。下圖為 PMP15043的充放電電流精度曲線，可以看出，在全電流范圍內(nèi)都可以保證精度在萬(wàn)分之二以?xún)?nèi)，非常適合那些對(duì)成本和性能都要求非常苛刻的電池檢測(cè)應(yīng)用。

綜上所述，無(wú)論是對(duì)于中大功率應(yīng)用場(chǎng)景(>=10A)還是對(duì)于小功率應(yīng)用場(chǎng)景(<6A)，TI都可以提供相應(yīng)的最高性?xún)r(jià)比的方案。通過(guò)下面的鏈接可以查看詳細(xì)的設(shè)計(jì)文檔和測(cè)試報(bào)告。

審核編輯：郭婷