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電池測試設備 --- 信號鏈篇

發(fā)布時間:2020-10-01 來源:Stanley Ho 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著鋰電池行業(yè)的興起,電池測試設備的市場也變得龐大,其主要應用于3C電池與動力電池的化成分容。3C電池的串數(shù)少,實際使用對每串電池要求的一致性不高,而動力電池由于串數(shù)高達數(shù)百串,并且使用環(huán)境相對極端,為保證較長的使用壽命,相比3C電池在一致性上要求高的多,因此電池在分容中要求的電流精度較高,目前按照市場要求,保持0.02%的要求是電池測試設備生產(chǎn)商面臨的設計挑戰(zhàn),為了爭取更高的市場份額,對精度以及效率,功率密度等其他性能的追求也從未停歇。需要知道的是在電池設備中,主要分為三大部分,分別為雙向AC-DC電能變換,數(shù)據(jù)處理單元,以及電池測試單元。本文主要剖析實現(xiàn)電池化成分容技術要點緊密相關的電池測試單元的信號鏈部分。 
 
信號鏈
 
由于電池測試設備要求輸出電壓電流精度較高,特別是動力電池測試系統(tǒng),這就需要我們弄清每一級信號調(diào)理環(huán)節(jié)。典型框圖如圖1所示,由于第一級信號放大倍數(shù)在50~100范圍,分流電阻壓降較小,微伏級別的電壓變化都會造成萬分位的誤差。
 
 
電池測試設備 --- 信號鏈篇
圖1 電壓環(huán)與電流環(huán)
 
第一級信號放大
 
輸入偏置電壓造成的的直流誤差在設備最后校準工序中可以消除掉,但是根據(jù)溫度,輸入輸出條件而變化的誤差卻很難通過線性校準消除掉,第一級主要影響因素有:
 
1. 放大器的Input voltage offset drift
 
一般根據(jù)設備的溫升值,選取合適的取值范圍,通常應用場景如表一所示:
 
表1:典型應用環(huán)境
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電流檢測采用儀表放大器INA821:溫漂0.4 µV/°C
 
可以得知最大電流時,分流電阻壓降60mV,溫漂帶來的INA821輸出漂移為0.4*50=20 µV,此時誤差為0.0333%,實際電路板的溫升低于50℃,因此INA821在實際使用中也絕對占據(jù)較好的優(yōu)勢。同時也可以選型零溫漂器件如INA188。
 
2. 放大器的共模抑制比CMRR
 
在高精度的電池測試設備中通常使用具有良好噪聲環(huán)境高可靠性的高側(cè)電流檢測方法,由于共模電壓較高,需要使用共模抑制比較高的放大器。首先,共模抑制比可以表示為
 
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Ad為共模增益,Acm為差模增益,共模抑制比帶來的誤差可以表示為
 
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Vin_cm輸入共模電壓,Vin_d為輸入差模電壓,共模誤差似乎是一個可以被校準的誤差,當共模電壓不變時,這的確可以被軟件校準抵消掉,而由于實際的分容電池電壓是從0V增長到滿電4.2V,此時共模電壓隨著充放電時間而變化,那么共模誤差將會成為不可校準的誤差了,此時需要選用CMRR較高的器件。在增益100倍時,根據(jù)式(1)(2)給出幾種不同器件CMRR帶來的誤差:
 
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3. 其他因素
 
其他無源器件的選擇上如分流器等,也有采用溫度補償?shù)姆椒梢越档蜏仄瘞淼恼`差,這里不做贅述。
 
當然也有存在一些廠家通過實現(xiàn)多段擬合的方法盡量降低校準時的非線性誤差,但是由于批量生產(chǎn)時的一致性問題,這需要很大的工作量通過批量的數(shù)據(jù)校驗,找出具有普適性的溫漂多段校準折線,但是如果因為一致性的問題也容易導致出現(xiàn)過擬合誤差。
 
第二級補償器的設計
 
補償器中運算放大器這一級的增益10倍以內(nèi),補償器的輸出電壓在1V以上,通常運放的噪聲以及溫漂都在微伏級別,造成的誤差也只是十萬分位的差值。由于電池測試設備所需要的輸出動態(tài)響應不高,因此補償器參數(shù)的設計只需要保證良好的穩(wěn)態(tài)特性即—充足的相位裕度,較大補償器的直流增益。
 
電流指令給定與數(shù)據(jù)采集
 
小電流電池測試設備只需要一兩片ADC與DAC可以解決整機的電流指令的傳輸與信息的采集,采用如圖2所示的結(jié)構(gòu),多MUX的方案可以實現(xiàn)主控板ADC或DAC與測試通道1:128或者1:256的用量。
 
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圖2 MUX & ADC采樣電路
 
由于前面提到系統(tǒng)軟件校準技術,因此誤差主要來源于ADC非線性誤差INL,溫漂,以及
 
考慮在小電流電池測試設備中,讀取系統(tǒng)中所有通道的電壓電流值的時間可以為秒的量級,因此需求的采樣率不需要很快,但是為了滿足千分之一的電流精度,需要bit位12bit以上的成本敏感型ADC,如:
 
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而大電流電池檢測設備中,目前市面上新出廠的設備可達0.02%,那么需要ADC精度較高,且每通道采樣率大于1kHz,提高系統(tǒng)的電壓電流值刷新率,允許雙極性差分輸入的ADC提供更寬的電流變化范圍,同時保證了從儀表放大器到ADC檢測所有信號鏈中的參考均為地。采樣速率低于100kHz時,delta-sigma的ADC較為常見使用:建議采用ADS131M08
 
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參考文獻:
 
1.電池測試設備-參考設計及 產(chǎn)品
 
2.簡化電池測試設備中的電壓和電流測量
 
 
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