1.前言

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

鋰離子電池用于小型電子設(shè)備以及電動汽車和電網(wǎng)等大規(guī)模應(yīng)用，當然，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買、維護和管理測試解決方案。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

電池測試儀的主要功能是控制和監(jiān)測電池的充放電。圖1是開關(guān)式電池測試儀的功能框圖。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 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?：電池測試儀框圖

在數(shù)字實現(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 C2000??實時控制微控制器用于產(chǎn)生 16 位 PWM，其比較器用于實現(xiàn)保護算法。該微控制器使用 ADC 的輸出數(shù)據(jù)來實現(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可實現(xiàn)小于±0.05%的控制精度，足以滿足成本優(yōu)化的電池測試系統(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現(xiàn)靈活性，同時保持高精度。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 進行反饋。通過在本實施中有效地使用微型計算機，可以將 BOM 減少 30% 或更多。

2.多個電壓、容量、尺寸配合參考設(shè)計

今天的測試設(shè)備是為特定的電池類型而設(shè)計的。大電池需要大量電流，因此并聯(lián)多個通道的電池測試儀。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，通常會使用針對低電流水平進行了優(yōu)化的測試儀。在此期間，將不會使用大電流電池測試儀。擁有可用于測試小型和大型電池的測試儀可以消除必須準備每個測試儀的浪費，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)的進步，電池制造商需要新的功能和測試方法?？刂苹芈返能浖崿F(xiàn)使測試設(shè)備制造商可以輕松添加測試功能。

多量程電池測試儀設(shè)計

?成本優(yōu)化的電池測試系統(tǒng)數(shù)控參考設(shè)計使用多個獨立控制的并行連接的低電流電池測試儀通道，以實現(xiàn)不同級別的高電流電池測試儀。如圖 2 所示，此參考設(shè)計配置為通過簡單的軟件更改實現(xiàn)多相操作。多相配置使用單獨的恒流回路，每相并聯(lián)。將一個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。這允許在同一測試環(huán)境中使用多個輸出電流范圍。

圖2?：多相反饋控制器

圖 3 是此參考設(shè)計的框圖?！?TMS320F280049?”微控制器最多可控制八個獨立通道。該微型計算機為同步降壓功率級生成高分辨率 16 位 PWM，并執(zhí)行電流和電壓控制回路的子程序。測量放大器“ INA821?”檢測電流，運算放大器“ TLV07??”檢測電壓。電流和電壓信號在ADS131M08?外部 ADC和 C2000 片上 ADC 上都轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(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，通過從反饋中省略ADS131M08并改用 12 位片上 ADC，可以實現(xiàn)小于 ± 0.05% 的控制精度。

實施多反饋控制器可實現(xiàn)從恒定電流到恒定電壓的平滑過渡。此時，內(nèi)部回路始終處于恒流模式。當檢測到恒壓模式狀態(tài)時，恒壓回路輸出連接到恒流回路。

圖3?：數(shù)字控制回路電池測試儀

3.?總結(jié)

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

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