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

發(fā)布時(shí)間:2020-12-10 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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(chē)、電網(wǎng)等較大的應(yīng)用,其可輕松滿(mǎn)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(gòu)買(mǎi)和維護(hù)每種電池類(lèi)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?xún)r(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(kāi)關(guān)式電池測(cè)試儀的原理框圖??稍谀M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。
 
 
如何設(shè)計(jì)一款適用于各類(lèi)電池尺寸、電壓和外形的電池測(cè)試儀
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(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法。MCU通過(guò)ADC反饋的數(shù)據(jù)來(lái)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(wú)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(lèi)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(zhuān)門(mén)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(lèi)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(lái)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(mǎn)足不同等級(jí)的高電流電池測(cè)試儀的需求。通過(guò)簡(jiǎn)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。
 
如何設(shè)計(jì)一款適用于各類(lèi)電池尺寸、電壓和外形的電池測(cè)試儀
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(guò)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。
 
如何設(shè)計(jì)一款適用于各類(lèi)電池尺寸、電壓和外形的電池測(cè)試儀
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(wú)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。
 
借助TI的數(shù)字控制參考設(shè)計(jì),可通過(guò)投資低電流電池測(cè)試設(shè)備來(lái)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(cè)試多個(gè)電流范圍的能力和靈活性。
 
 
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