采用模块化方法打造高精度、大电流电池测试设备

最近几年，随着电动汽车的发展，对锂离子 (Li-ion) 电池的需求迅速增长，而且这种需求似乎不会很快放缓。

电动汽车和电网基础设施等蓬勃发展的行业正在引领锂离子电池的使用。随着需求的增加，对高精度和高电流能力的电池测试和化成设备的需求也在增加。

在电池组装过程之后，每个锂离子电池都要经过逐 渐充电，在此期间，它会形成固体电解质膜 (SEI) 层，这对于锂离子电池的长期功能至关重要。如果 此过程控制不当，电池可能会损耗多达 50% 的容 量。因此，测试设备必须能够精确控制 SEI 层的厚 度，这可以将容量损耗降低到 5% 以下。

许多应用使用由多节电池以串联和并联配置连接而 成的电池组，以实现更高的输出电压和更大的能量 容量。专为电池组设计的测试电池增加了其自身的 复杂性，因为电池组中的所有电池不仅在尺寸和容 量上需要完全相同，而且在阻抗和使用寿命等参数 上也要完全相同。考虑到电池阻抗和容量的内在过 程变化，测试变得至关重要，这不仅是要排除有缺陷的电池，而且还要挑选出相同的电池以组成电池 组。与所有大批量生产的东西一样，总有一小部分 电池会被证明存在缺陷。 锂离子电池的潜在爆炸特性及其能量存储密度在测 试环境中进行充放电时需要较高的操作安全性。因 此，电池测试仪必须包括针对各种系统故障的保护 措施，进而提高整体设备的稳健性和可靠性。

每个电池的性能和寿命都是在化成过程中确定的，电池测试和化成设备是为特定应用而设计的。低电流设备使用带有集成开关场效应晶体管 (FET) 的转换器进行充电和放电。中等电流设备使用带有外部开关 FET 的单相控制器。大电流设备使用多相控制器，并且随着电流容量的增加，相数（以及组件的尺寸和成本）也会增加。

TI的方案结合使用 50-A 和 100-A 电池测试设计来创建能够达到 200-A 最大充电和放电水平的模块化版本。此参考设计使我们能够使用模块化级别的设计来满足不同级别的大电流电池测试仪需求。模块化设计创造了使用多个并联连接的低电流电池测试仪通道的选项，用于高电流应用，从而实现更大的灵活性并有助于节省成本。

该参考设计提供了模块化电池测试解决方案，使用户能够使用一种设计在不同的电流水平下灵活地进行电池测试。该设计利用了 TIDA-01041 参考设计，通过提供两个可独立工作或并联的 100A 电池测试仪，将最大电流输出从 100A 提高至 200A。该设计说明了此解决方案的设计原理、器件选择和优化。

特性

（1）模块化设计，可实现最大 200A 的充放电电流

（2）高精度校准控制，可实现 0.02% 的满量程电流控制精度和 0.02% 的电压控制精度

（3）具有 8V 至 16V 的输入电压（总线）和 0V 至 4.2V（最高 5V）的输出负载（电池）

（4）多达四个 LM5170-Q1 多相双向降压/升压集成控制器和驱动器，用于充放电

模块化电池测试仪参考设计使用两个用于多相高精度0.5到100A电池形成的电池测试仪器 ，每个最大可提供 100 A，或四个适用于高电流应用的电池测试仪板，每个板的最大电流为 50 A，并联可实现最大 200 A 的电流，同时保持高精度。图 1 显示了具有两个并联 100-A 板的模块化电池测试仪参考设计的灵活性。此配置中的电路板可提供高达 200 A 的最大电流，而不会牺牲精度。

图 1：两块 100-A 板并联的板图

电池化成电池测试仪参考设计中的两块板并联使用时，电流和电压控制精度保持在 0.02% 或更低。电路板保持高精度水平，同时还将电流增加到 200 A。图 2 显示了在整个 200 A 范围内保持的电流控制精度水平。

图 2：恒流降压精度

校准系统时，单独校准每块板很重要。每块板都有自己的控制回路，因此系统将通过分别处理每个控制回路来最大限度地提高其准确性。图 3 显示了系统中使用的每块板的校准误差。由于我们可以单独或并行使用每个板，因此我们必须对系统使用单独的校准。

图 3：用于恒流校准的两块板配置

适用于 50 A、100 A 和 200 A 应用的模块化电池测试仪展示了高精度、高电流和灵活性，这是电池测试设备的关键考虑因素。通过这种设计，我们可以投资购买更低电流的电池测试设备，并能够并行使用这些设备，而不是针对不同的电流水平投资于不同的架构。我们现在可以将测试设备用于一系列电流，而不是将大电流设备用于小电流应用，而将小电流设备用于大电流应用，从而实现更大的灵活性并帮助节省成本。