设计适用于各种尺寸、电压和泡沫系数的单个电池测试仪

1.前言

这篇技术文章描述了数字控制回路电池测试" target="_blank">电池测试仪的优势，并提供了灵活且经济高效的电池测试仪设计示例。

锂离子电池用于小型电子设备以及电动汽车和电网等大规模应用，当然，电池具有多种尺寸、电压和外形。然而，由于种类繁多，电池制造商必须为每种电池类型购买、维护和管理测试解决方案。所涉及的资本投资也很大，直接占电池最终成本的 20%。

这种情况需要一种具有成本效益的多量程测试解决方案，涵盖各种电池电压、容量和物理尺寸。

2.数字控制回路的好处

电池测试仪的主要功能是控制和监测电池的充放电。图1是开关式电池测试仪的功能框图。控制单元可以安装在模拟或数字中。在模拟实现中，脉宽调制 (PWM) 控制器控制流经高低压电源的输出电压或电流。保护电路内置于 PWM 控制器中。恒流 (CC) 和恒压 (CV) 反馈回路驱动 PWM 控制器的参考输入，以精确控制输出电流和电压。连接到反馈控制器的 16 位数模转换器 (DAC) 设置输出电流和电压。最后，一个精密的 16 位模数转换器 (ADC) 监控电池电压和电流。

图1 ：电池测试仪框图

在数字实现中，微控制器 (MCU) 执行图 1 中红色方块内的所有功能。一个 C2000 ™实时控制微控制器用于产生 16 位 PWM，其比较器用于实现保护算法。该微控制器使用 ADC 的输出数据来实现电流和电压控制器。由于控制器在数字域中，因此该架构不需要精密的 16 位 DAC。12位片上ADC可实现小于±0.05%的控制精度，足以满足成本优化的电池测试系统。但是，反馈需要外部 16 位精度才能获得大于 ± 0.01% 的控制精度。数字解决方案可以轻松实现灵活性，同时保持高精度。性能和成本之间的差异仅取决于您使用外部 16 位 ADC 还是内部 12 位 ADC 进行反馈。通过在本实施中有效地使用微型计算机，可以将 BOM 减少 30% 或更多。

2.多个电压、容量、尺寸配合参考设计

今天的测试设备是为特定的电池类型而设计的。大电池需要大量电流，因此并联多个通道的电池测试仪。但是，如果电池制造商想要制造具有低电流要求的小型电池，通常会使用针对低电流水平进行了优化的测试仪。在此期间，将不会使用大电流电池测试仪。拥有可用于测试小型和大型电池的测试仪可以消除必须准备每个测试仪的浪费，并降低整体电池制造成本。数字控制回路为小型和大型电池测试提供了软件灵活性，但模拟解决方案需要更改硬件。

随着电池技术的进步，电池制造商需要新的功能和测试方法。控制回路的软件实现使测试设备制造商可以轻松添加测试功能。

多量程电池测试仪设计

 成本优化的电池测试系统数控参考设计使用多个独立控制的并行连接的低电流电池测试仪通道，以实现不同级别的高电流电池测试仪。如图 2 所示，此参考设计配置为通过简单的软件更改实现多相操作。多相配置使用单独的恒流回路，每相并联。将一个恒压回路放入所有恒流回路中，可确保恒压模式下的电流平衡。这允许在同一测试环境中使用多个输出电流范围。

图2 ：多相反馈控制器

图 3 是此参考设计的框图。“ TMS320F280049 ”微控制器最多可控制八个独立通道。该微型计算机为同步降压功率级生成高分辨率 16 位 PWM，并执行电流和电压控制回路的子程序。测量放大器“ INA821 ”检测电流，运算放大器“ TLV07  ”检测电压。电流和电压信号在ADS131M08 外部 ADC和 C2000 片上 ADC 上都转换为数字数据。反馈具有 16 位 ADC，用于控制精度大于 ± 0.01%。在成本优化的系统中，通过从反馈中省略ADS131M08并改用 12 位片上 ADC，可以实现小于 ± 0.05% 的控制精度。

实施多反馈控制器可实现从恒定电流到恒定电压的平滑过渡。此时，内部回路始终处于恒流模式。当检测到恒压模式状态时，恒压回路输出连接到恒流回路。

图3 ：数字控制回路电池测试仪

3. 总结

数字架构可实现精密、大电流、高速和高灵活性，从而减少对电池测试设备的资本投资。我们可以测试各种电流，而无需花钱购买针对各个电流水平量身定制的多种架构，从而在测试低电流应用的同时消除浪费的高电流设备。

借助 TI 的数字控制参考设计，我们可以设计低电流电磁测试设备 以降低整体系统成本，同时让我们能够灵活地测试各种电流，而不会牺牲精度。