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这些高性能充放电方案在电池测试设备中的应用

发布时间:2020-01-11 责任编辑:wenwei

【导读】电池测试设备是电池制造行业的必需设备和基础设施。随着电动汽车、便携式消费电子等应用对锂电池的需求不断增加,锂电池测试设备的需求也一路上行。
 
电池测试设备用于在向客户发货之前验证电池的功能和性能。在组装电池单元或电池组之后,每个单元必须至少经历 一个完全受控的充电或放电循环,以初始化该设备并将 其转换为正常工作的储电设备。电池测试设备的主要功能是对电池容量、效率、倍率、高温性能、低温性能、存储性能及内阻等指标进行测试,对于电池测试设备的系统设计最重要的三个指标是充放电精度,成本和转换效率。
 
对于电池测试设备的核心功能电池充放电,市面上流行的主要有两种解决方案:使用DSP实现的数字方案和使用分立器件搭建的模拟方案。无论是DSP方案还是分立方案都有各自的缺点,DSP方案的软件开发难度大,分立方案硬件开发难度大,导致两种方案设计周期都比较长,总体开发成本比较高。
 
为了帮助电池测试设备厂商缩短研发时间,能将产品快速投入市场,TI近期推出两套高性能,高集成度,低成本的电池充放电解决方案,分别针对中大功率(10A~200A)应用和小功率(3A~6A)应用。
 
首先是针对中大功率应用,TI的参考设计为 TIDA-01041x 系列。TIDA-01041x系列针对不同电流需求提供3套方案,分别为TIDA-01040(0~50A), TIDA-01041(0~100A), TIDA-01042(0~200A), 所有方案都保证<=0.02%的全量程充放电电流精度和<=0.01%的充放电电压精度。
 
如下图所示,TIDA-01041x 整个系统主要由四部分组成:核心器件LM5170 (蓝色区域)负责功率升降压部分,主要功能包括多相位处理,方向切换,峰值电流控制,防电流倒灌等;INA188仪表放大器负责高边恒流检测;LM6142负责电压放大检测;ADS131A04 (24-bit高精度ADC) 和DAC80004 (16-bit高精度DAC) 负责电流电压的实时读取和实时设置,可以通过TI提供的上位机图形界面读取信息及进行操作。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037472
 
LM5170是TI的明星产品,同时也是整个系统的核心。LM5170内部集成双路5A MOSFET半桥驱动器可以提供高达100A的持续输出电流。同时单颗LM5170可以支持双相交错控制,进而可以有效降低电感感值,电容容值和输入输出电压纹波。对于要求高于100A的应用,LM5170支持多片错相并联来提供更大电流能力,下图展示了几种多片错相并联的方案。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037472
 
此外,相对于DSP方案,LM5170由于同时支持峰值电流检测和平均电流检测,响应速度和建立时间要快很多。下图波形是基于TIDA-01041(100A)评估板的-100A到+100A电流跳变测试(该波形为其中一个相位 -25A ~ +25A, 4个相位电流总和为-100A ~ +100A)。蓝色信号为方向控制DIR引脚,红色为LM5170的给定电流参考信号ISETA,黄色为输出电压Vout,绿色为Iout电流。从下图我们可以看到,-100A到+100A 电流跳变条件下LM5170的响应时间仅仅为400µs,远远低于DSP方案在同样测试条件下的响应时间(通常高于5ms)。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037472
 
TI针对于小功率(<=6A) 电池检测应用推出了高精度低成本方案PMP15043。该方案主要有3个部分构成,TPS61178升压DC/DC负责放电部分, TPS54821降压DC/DC负责充电部分,电流检测由INA188仪表放大器实现,电压检测则可由低成本运放TLV07来实现。
 
目前,市面上小功率 (<=6A) 电池充放电方案目前大多是由分立元器件搭建,但是随着市场对产品的精度,可靠性的要求越来越高,分立方案越来越满足不了市场的需求。TI针对于小功率电池检测设备推出了高精度低成本方案PMP15043,很好的解决了这些问题。
 
如下图所示,PMP15043方案主要有几个部分构成:TPS61178升压DC/DC负责放电部分,TPS54821降压DC/DC负责充电部分,电流检测由INA188仪表放大器实现,电压检测则可由低成本运放TLV07来实现。其中TPS61178和TPS54821内部集成了功率MOSFET及驱动电路,极大的简化了功率部分的设计,可以有效的减少客户在分立方案上的调试时间。TPS61178和TPS54821都是市面上非常通用的Boost和Buck芯片,整体方案在成本上也相当有竞争力。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037472
 
PMP15043不但BOM成本有竞争力,性能也同样优秀。下图为 PMP15043的充放电电流精度曲线,可以看出,在全电流范围内都可以保证精度在万分之二以内,非常适合那些对成本和性能都要求非常苛刻的电池检测应用。
 
http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037472
 
综上所述,无论是对于中大功率应用场景(>=10A)还是对于小功率应用场景(<6A),TI都可以提供相应的最高性价比的方案。通过下面的链接可以查看详细的设计文档和测试报告。
 
 
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