本文作者：德州儀器Sean Zhou
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)來計(jì)算不同的影響來源或任何錯(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。
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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
