如何設(shè)計一款適用于各類電池尺寸 電壓和外形的電池測試儀

鋰離子電池既可應(yīng)用于小型電子器件，也可應(yīng)用于電動汽車、電網(wǎng)等較大的應(yīng)用，其可輕松滿足各種尺寸、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買和維護每種電池類型的測試方案，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、多量程的電池測試解決方案。本文介紹了數(shù)字控制回路電池測試儀的優(yōu)勢，并提供了一個靈活且具備較高性價比的電池測試設(shè)計示例。

數(shù)字控制回路的優(yōu)勢

電池測試儀的主要功能是控制和監(jiān)控電池的充放電情況。圖1所示為開關(guān)式電池測試儀的原理框圖。可在模擬或數(shù)字模式下實現(xiàn)控制部分。在模擬實現(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中紅色框內(nèi)的所有功能。借助C2000?實時控制MCU，可生成16位PWM并使用其比較器來實現(xiàn)保護算法。MCU通過ADC反饋的數(shù)據(jù)來調(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)無需精密的16位DAC。一個12位片上ADC可實現(xiàn)低于±0.05％的控制精度，足以用于成本優(yōu)化型電池試驗系統(tǒng)。但是，如果想實現(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。

使用我們設(shè)計的一種具備靈活性的測試器來測量各種電壓、容量和尺寸的電池。

當(dāng)前的測試設(shè)備是針對特定電池類型所設(shè)計的。較大的電池需要較高的電流，因此電池測試儀具有多個并聯(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，他們則通常會使用專門針對較低電流等級進行優(yōu)化的測試儀，而將高電流電池測試儀處于閑置狀態(tài)。使用能夠同時測試小型和大型電池的測試儀則可減少此類設(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測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)展進步，電池生產(chǎn)商要求有新的功能和測試方法。在軟件中使用控制回路可使測試設(shè)備制造商更容易提供其他的測試功能。

設(shè)計多量程電池測試儀

適用于成本優(yōu)化型電池測試系統(tǒng)的數(shù)字控制參考設(shè)計使用并聯(lián)連接的多個獨立控制、低電流電池測試儀通道，以滿足不同等級的高電流電池測試儀的需求。通過簡易的軟件更改，即可將參考設(shè)計配置為多相操作，如圖2所示。在多相配置中，每個相使用并聯(lián)連接的獨立恒流回路。在恒壓模式下，將一個恒壓環(huán)路連接到所有的恒流環(huán)路以確保電流均衡。因此，相同的測試環(huán)境可提供多個輸出電流范圍。

圖2：多相配置中的反饋控制器

參考設(shè)計的框圖如圖3所示。TMS320F280049 MCU最多可控制8個獨立通道。它可為同步降壓功率級生成高分辨率的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轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。根據(jù)反饋的16bit ADC信號可獲得優(yōu)于±0.01％的控制精度。對于成本優(yōu)化的系統(tǒng)，可根據(jù)反饋移除ADS131M08，使用片上12位ADC可實現(xiàn)低于±0.05％的控制精度。

實現(xiàn)多反饋控制器可實現(xiàn)從恒流到恒壓的平穩(wěn)過渡，其中內(nèi)部回路始終處于恒流模式。檢測到恒壓模式條件時，恒壓回路輸出會連接到恒流回路。

結(jié)論

數(shù)字架構(gòu)可實現(xiàn)高精度、高電流、高速度和靈活性，無需在電池測試設(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)的測試儀，這樣，在測試低電流應(yīng)用時，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，可通過投資低電流電池測試設(shè)備來節(jié)省總體系統(tǒng)成本，從而在不影響精度的情況下提升測試多個電流范圍的能力和靈活性。

審核編輯：金巧