如何实现高精度充放电控制？

本文作者：德州仪器Sean Zhou

随着电动汽车、个人电子产品和电网系统的日益普及，人们对锂离子(Li-ion)电池的需求正以指数级增长。随着消费者需求的增长，对高精度电池化成测试能力的需求也在增长。

电池化成测试需要多个充电和放电周期; 为了最大限度延长电池寿命并扩大存储容量，此过程中必须实现高精度控制。在每个周期中，电池的电流和电压必须得到精确控制，许多制造商要求满量程控制精度超过0.05%。然而，随着对电池电流要求的增加，保持如此高的精确度变得越来越困难。

TI适用于高电流应用的电池测试仪参考设计利用恒定电流(CC)和恒定电压(CV)校准环路实现0.01%满量程充电和放电电流控制精度。它支持高达50A的充电和放电速率，并针对需要更高电流或多相的应用提供可修改的平台。例如，目前的汽车电池规格正在急剧增长，甚至可能需要超过50A的电流。

如图1所示，参考设计采用LM5170-Q1，可调节流入或流出电池的电流。INA188实现并监控CC控制环路，由于电流可向任一方向流动，SN74LV4053A多路复用器可对INA188输入作相应调整。将检测到的电流与DAC80004数模转换器(DAC)产生的精密基准进行比较，并将这两个信号馈入由TLV07实现的误差放大器(EA)。EA的输出反馈到LM5170的ISETA模拟电流编程引脚，该引脚将流经电流检测电阻的电流调节为电流参考信号。

图 1：电池测试仪参考设计方框图

CV控制回路以类似的原理工作。ADS131A04模数转换器(24位、128kSPS、4-Ch同时采样Δ-Σ模数转换器(ADC)监控电池电压和电流，并由DAC80004为CV控制回路设置高精度电压基准。ADC监控电池的电压和电流，并提供简单的图形用户界面(GUI)以便查看电池的状态。DAC还提供GUI以设置不同应用的参考信号。

许多因素都会影响系统精度，包括温度漂移、电压漂移和偏移电压。电池测试仪参考设计使用三点校准来计算不同的影响来源或任何错误。图2显示了在宽电流范围内实现的满量程精度。该系统在电池充电时以降压模式运行，放电时以升压模式运行。

图 2：电流控制精度

通电后，由于电池电压低，CV控制回路向电池输出高电压。该输出信号导致CC环路优先控制系统。随着电池电压的升高，当系统达到参考电压电平时，系统逐渐由CC控制转换到CV控制。

图3显示了在降压模式下工作时校准系统的电压控制精度。

图 3：降压模式下的电压控制精度

图4显示了在不同电流条件下，具有相同电压设置的转换曲线。在不同的条件下，图4中的转换点是不同的，因为功率传输路径上的电压降会随着电流设置的增加而增加。图5显示了在不同电压条件下，具有相同电流设置的转换曲线。这两条曲线显示了从CC到CV的平滑过渡，表明控制系统是稳定的。

图 4：具有不同电流的CC / CV转换

图 5：具有不同电压的CC / CV转换

该参考设计展示了如何利用CC和CV校准环路来实现0.01%满量程充放电电流控制精度，而且支持高达50A的充放电速率。有关更多详细信息，请参阅参考设计的工具文件夹。

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