具有能量回收功能的高效電池組/測(cè)試系統(tǒng)

設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常使用線性穩(wěn)壓器來(lái)輕松滿足便攜式設(shè)備中電池形成和測(cè)試的精度要求，同時(shí)降低效率。在大型電池上，這種方法帶來(lái)了熱量管理方面的挑戰(zhàn)，并且由于溫度漂移而導(dǎo)致效率降低。

電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車中使用的大量電池必須全部匹配，因此對(duì)精度的要求更高，這使得開(kāi)關(guān)拓?fù)涑蔀榉浅Ｓ形Φ倪x擇。表1顯示了在功率容量和最終功能方面不同電池類別的比較。

圖2顯示了采用ADI的新型集成芯片組AD8450和ADP1972構(gòu)建的單通道系統(tǒng)。兩個(gè)獨(dú)立的電路板使系統(tǒng)可以輕松配置不同的功率級(jí)。

?

?

?

AD8450可測(cè)量和調(diào)節(jié)環(huán)路中的電壓和電流信號(hào)。ADP1972是一款PWM發(fā)生器，可配置為降壓或升壓模式工作。模擬控制器和PWM發(fā)生器之間的接口由低阻抗模擬信號(hào)組成，這些信號(hào)不會(huì)因抖動(dòng)而引起數(shù)字環(huán)路問(wèn)題。CC的輸出（恒定電流）和CV（恒定電壓）的循環(huán)確定ADP1972的占空比，它通過(guò)驅(qū)動(dòng)MOSFET功率級(jí)ADuM7223。當(dāng)模式從充電變?yōu)榉烹姇r(shí)，用于測(cè)量電池電流的AD8450內(nèi)部儀表放大器的極性相反。CC和CV放大器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)選擇正確的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，ADP1972將其PWM輸出更改為升壓模式。整個(gè)功能通過(guò)單個(gè)引腳和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯控制。

在該實(shí)施方案中，高分辨率ADCAD7173-8監(jiān)視系統(tǒng)，但它不是控制環(huán)路的一部分。掃描速率與控制環(huán)路性能無(wú)關(guān)，因此單個(gè)ADC可以測(cè)量多通道系統(tǒng)中大量通道上的電流和電壓。DAC也是如此，因此低成本的DAC（例如AD5689R）可以控制多個(gè)通道。此外，單個(gè)處理器只需要設(shè)置CV和CC設(shè)置點(diǎn)，操作模式和內(nèi)務(wù)處理功能，因此它可以與多個(gè)通道接口，而不會(huì)成為控制回路性能的瓶頸。

配置有4 V電池和20 A最大電流的系統(tǒng)在25°C±10°C的電流回路中為90 ppm，在電壓回路中為51 ppm時(shí)，效率高于90％，并且典型精度超過(guò)25％。CC到CV的過(guò)渡無(wú)毛刺，發(fā)生時(shí)間為500 ms。從1 A到20 A的電流斜升需要小于150 mS。這些規(guī)格非常適合汽車電池的制造和測(cè)試。

圖3以10 A和20 A的CC放電模式下的效率為例。完整的測(cè)試結(jié)果可直接從ADI獲得。

?

?

?

降低電池成本

降低電池成本的挑戰(zhàn)需要解決整個(gè)制造過(guò)程。此處描述的系統(tǒng)可在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)低成本的電池成型和測(cè)試系統(tǒng)。改進(jìn)的精度允許更短和更少的校準(zhǔn)周期，從而導(dǎo)致更長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間。此外，較高的開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和更小的功率電子元件也有助于降低系統(tǒng)成本。通道也可以組合起來(lái)以最小的努力輸出更高的電流。通過(guò)在模擬域中執(zhí)行所有控制，這種方法還可以最大程度地降低軟件開(kāi)發(fā)成本，而無(wú)需復(fù)雜的算法。最后，能源回收再加上高系統(tǒng)效率，大大降低了持續(xù)的運(yùn)營(yíng)成本。

能源回收

許多現(xiàn)有系統(tǒng)將其電池放電至電阻負(fù)載。一些客戶將這種能量用于建筑熱量，或者只是將熱空氣排放到室外。盡管這是最簡(jiǎn)單的電池放電方法，但是當(dāng)必須對(duì)大量電池進(jìn)行充電/放電循環(huán)時(shí)，成本會(huì)迅速增加。我們提出的系統(tǒng)具有很高的單通道效率，但其真正價(jià)值在于能夠以最小的額外復(fù)雜性回收放電電池的能量。

圍繞AD8450和ADP1972構(gòu)建的系統(tǒng)無(wú)需將電池放電到電阻負(fù)載中，而是可以控制電池電壓和電流，同時(shí)將這種能量推回公用總線，在該總線上其他電池組可以將其用于充電循環(huán)。

每個(gè)電池通道可以處于充電模式，從直流母線汲取能量，也可以處于放電模式，將能量推回直流母線。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)包括一個(gè)單向AC / DC電源，該電源只能從交流電源向DC總線提供電流，例如圖4中的系統(tǒng)。這意味著必須仔細(xì)平衡系統(tǒng)，以確保來(lái)自交流電的凈電流/ dc電源始終為正。將比充電通道消耗的能量更多的能量推入直流母線，將導(dǎo)致母線電壓升高，從而可能損壞某些組件。

?

?

?

雙向交流/直流轉(zhuǎn)換器通過(guò)將能量推回到交流電網(wǎng)中來(lái)解決這一挑戰(zhàn)，如圖5所示。在這種情況下，可以首先將所有通道設(shè)置為充電模式，然后設(shè)置為放電模式，將電流返回至交流模式。網(wǎng)格。這需要更復(fù)雜的AC / DC轉(zhuǎn)換器，但是為系統(tǒng)配置提供了額外的靈活性，并且無(wú)需仔細(xì)平衡充電和放電電流以確保來(lái)自電源的凈正電流。

?

?

?

具有能源回收效率

為了進(jìn)一步說(shuō)明能量回收的好處，請(qǐng)考慮使用一組3.2 V，15 Ah的電池。這些電池可以存儲(chǔ)大約48 W-hr。要給充滿電的電池充電（假設(shè)充電效率為90％），系統(tǒng)必須為每個(gè)電池提供大約53.3 W-hr的能量。在放電模式下，系統(tǒng)將節(jié)省48 W-hr，要么將能量轉(zhuǎn)換為電阻器中的熱量，要么將其循環(huán)回總線。如果沒(méi)有回收利用，則為兩個(gè)電池充電大約需要107 W-hr。但是，如果一個(gè)系統(tǒng)（例如上面顯示的示例）可以以90％的效率回收能量，則第一個(gè)電池的43.2 W-hr可用于給第二個(gè)電池充電。如前所述，系統(tǒng)可以以90％的效率充電，因此再次需要53.3 W-hr，但是43.2 W-hr來(lái)自放電電池，因此我們只能提供額外的10.1 W-hr，總共需要63.4 W-hr的能量。這樣可以節(jié)省40％以上的能源。在實(shí)際的制造環(huán)境中，數(shù)百個(gè)電池在制造過(guò)程中會(huì)放置在不同的托盤中，因此，通過(guò)將每個(gè)托盤設(shè)置為一組處于充電或放電模式，這不會(huì)增加總制造時(shí)間。