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如何實(shí)現(xiàn)高精度滿量程充電/放電電流控制,以及高效鋰離子電池化成測(cè)試?

發(fā)布時(shí)間:2018-09-20 責(zé)任編輯:xueqi

【導(dǎo)讀】隨著電動(dòng)汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品和電網(wǎng)系統(tǒng)的日益普及,人們對(duì)鋰離子(Li-ion)電池的需求正以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。隨著消費(fèi)者需求的增長(zhǎng),對(duì)高精度電池化成測(cè)試能力的需求也在增長(zhǎng)。
 
電池化成測(cè)試需要多個(gè)充電和放電周期; 為了最大限度延長(zhǎng)電池壽命并擴(kuò)大存儲(chǔ)容量,此過(guò)程中必須實(shí)現(xiàn)高精度控制。在每個(gè)周期中,電池的電流和電壓必須得到精確控制,許多制造商要求滿量程控制精度超過(guò)0.05%。然而,隨著對(duì)電池電流要求的增加,保持如此高的精確度變得越來(lái)越困難。
 
TI適用于高電流應(yīng)用的電池測(cè)試儀參考設(shè)計(jì)利用恒定電流(CC)和恒定電壓(CV)校準(zhǔn)環(huán)路實(shí)現(xiàn)0.01%滿量程充電和放電電流控制精度。它支持高達(dá)50A的充電和放電速率,并針對(duì)需要更高電流或多相的應(yīng)用提供可修改的平臺(tái)。例如,目前的汽車電池規(guī)格正在急劇增長(zhǎng),甚至可能需要超過(guò)50A的電流。
 
如圖1所示,參考設(shè)計(jì)采用LM5170-Q1,可調(diào)節(jié)流入或流出電池的電流。INA188實(shí)現(xiàn)并監(jiān)控CC控制環(huán)路,由于電流可向任一方向流動(dòng),SN74LV4053A多路復(fù)用器可對(duì)INA188輸入作相應(yīng)調(diào)整。將檢測(cè)到的電流與DAC80004數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生的精密基準(zhǔn)進(jìn)行比較,并將這兩個(gè)信號(hào)饋入由TLV07實(shí)現(xiàn)的誤差放大器(EA)。EA的輸出反饋到LM5170的ISETA模擬電流編程引腳,該引腳將流經(jīng)電流檢測(cè)電阻的電流調(diào)節(jié)為電流參考信號(hào)。
 
圖 1:電池測(cè)試儀參考設(shè)計(jì)方框圖
 
CV控制回路以類似的原理工作。ADS131A04模數(shù)轉(zhuǎn)換器(24位、128kSPS、4-Ch同時(shí)采樣Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)監(jiān)控電池電壓和電流,并由DAC80004為CV控制回路設(shè)置高精度電壓基準(zhǔn)。ADC監(jiān)控電池的電壓和電流,并提供簡(jiǎn)單的圖形用戶界面(GUI)以便查看電池的狀態(tài)。DAC還提供GUI以設(shè)置不同應(yīng)用的參考信號(hào)。
 
許多因素都會(huì)影響系統(tǒng)精度,包括溫度漂移、電壓漂移和偏移電壓。電池測(cè)試儀參考設(shè)計(jì)使用三點(diǎn)校準(zhǔn)來(lái)計(jì)算不同的影響來(lái)源或任何錯(cuò)誤。圖2顯示了在寬電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的滿量程精度。該系統(tǒng)在電池充電時(shí)以降壓模式運(yùn)行,放電時(shí)以升壓模式運(yùn)行。
 
圖 2:電流控制精度
 
通電后,由于電池電壓低,CV控制回路向電池輸出高電壓。該輸出信號(hào)導(dǎo)致CC環(huán)路優(yōu)先控制系統(tǒng)。隨著電池電壓的升高,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到參考電壓電平時(shí),系統(tǒng)逐漸由CC控制轉(zhuǎn)換到CV控制。
 
圖3顯示了在降壓模式下工作時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)的電壓控制精度。
 
圖 3:降壓模式下的電壓控制精度
 
圖4顯示了在不同電流條件下,具有相同電壓設(shè)置的轉(zhuǎn)換曲線。在不同的條件下,圖4中的轉(zhuǎn)換點(diǎn)是不同的,因?yàn)楣β蕚鬏斅窂缴系碾妷航禃?huì)隨著電流設(shè)置的增加而增加。圖5顯示了在不同電壓條件下,具有相同電流設(shè)置的轉(zhuǎn)換曲線。這兩條曲線顯示了從CC到CV的平滑過(guò)渡,表明控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
 
圖 4:具有不同電流的CC / CV轉(zhuǎn)換
 
圖 5:具有不同電壓的CC / CV轉(zhuǎn)換
 
該參考設(shè)計(jì)展示了如何利用CC和CV校準(zhǔn)環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)0.01%滿量程充放電電流控制精度,而且支持高達(dá)50A的充放電速率。有關(guān)更多詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱參考設(shè)計(jì)的工具文件夾。
 
相關(guān)產(chǎn)品:
 
適用于高電流應(yīng)用的電池測(cè)試儀參考設(shè)計(jì)
 
德州儀器TIDA-01040
 
 
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作者:德州儀器Sean Zhou
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