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這些高性能充放電方案在電池測試設(shè)備中的應(yīng)用

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1138次  |  2020年03月30日  

電池測試設(shè)備是電池制造行業(yè)的必需設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。隨著電動汽車、便攜式消費(fèi)電子等應(yīng)用對鋰電池的需求不斷增加,鋰電池測試設(shè)備的需求也一路上行。


電池測試設(shè)備用于在向客戶發(fā)貨之前驗證電池的功能和性能。在組裝電池單元或電池組之后,每個單元必須至少經(jīng)歷一個完全受控的充電或放電循環(huán),以初始化該設(shè)備并將其轉(zhuǎn)換為正常工作的儲電設(shè)備。電池測試設(shè)備的主要功能是對電池容量、效率、倍率、高溫性能、低溫性能、存儲性能及內(nèi)阻等指標(biāo)進(jìn)行測試,對于電池測試設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計最重要的三個指標(biāo)是充放電精度,成本和轉(zhuǎn)換效率。


對于電池測試設(shè)備的核心功能電池充放電,市面上流行的主要有兩種解決方案:使用DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字方案和使用分立器件搭建的模擬方案。無論是DSP方案還是分立方案都有各自的缺點(diǎn),DSP方案的軟件開發(fā)難度大,分立方案硬件開發(fā)難度大,導(dǎo)致兩種方案設(shè)計周期都比較長,總體開發(fā)成本比較高。


為了幫助電池測試設(shè)備廠商縮短研發(fā)時間,能將產(chǎn)品快速投入市場,TI近期推出兩套高性能,高集成度,低成本的電池充放電解決方案,分別針對中大功率(10A~200A)應(yīng)用和小功率(3A~6A)應(yīng)用。


首先是針對中大功率應(yīng)用,TI的參考設(shè)計為TIDA-01041x系列。TIDA-01041x系列針對不同電流需求提供3套方案,分別為TIDA-01040(0~50A),TIDA-01041(0~100A),TIDA-01042(0~200A),所有方案都保證=0.02%的全量程充放電電流精度和=0.01%的充放電電壓精度。


如下圖所示,TIDA-01041x整個系統(tǒng)主要由四部分組成:核心器件LM5170(藍(lán)色區(qū)域)負(fù)責(zé)功率升降壓部分,主要功能包括多相位處理,方向切換,峰值電流控制,防電流倒灌等;INA188儀表放大器負(fù)責(zé)高邊恒流檢測;LM6142負(fù)責(zé)電壓放大檢測;ADS131A04(24-bit高精度ADC)和DAC80004(16-bit高精度DAC)負(fù)責(zé)電流電壓的實(shí)時讀取和實(shí)時設(shè)置,可以通過TI提供的上位機(jī)圖形界面讀取信息及進(jìn)行操作。


LM5170是TI的明星產(chǎn)品,同時也是整個系統(tǒng)的核心。LM5170內(nèi)部集成雙路5AMOSFET半橋驅(qū)動器可以提供高達(dá)100A的持續(xù)輸出電流。同時單顆LM5170可以支持雙相交錯控制,進(jìn)而可以有效降低電感感值,電容容值和輸入輸出電壓紋波。對于要求高于100A的應(yīng)用,LM5170支持多片錯相并聯(lián)來提供更大電流能力,下圖展示了幾種多片錯相并聯(lián)的方案。


此外,相對于DSP方案,LM5170由于同時支持峰值電流檢測和平均電流檢測,響應(yīng)速度和建立時間要快很多。下圖波形是基于TIDA-01041(100A)評估板的-100A到+100A電流跳變測試(該波形為其中一個相位-25A~+25A,4個相位電流總和為-100A~+100A)。藍(lán)色信號為方向控制DIR引腳,紅色為LM5170的給定電流參考信號ISETA,黃色為輸出電壓Vout,綠色為Iout電流。從下圖我們可以看到,-100A到+100A電流跳變條件下LM5170的響應(yīng)時間僅僅為400s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DSP方案在同樣測試條件下的響應(yīng)時間(通常高于5ms)。


TI針對于小功率(=6A)電池檢測應(yīng)用推出了高精度低成本方案PMP15043。該方案主要有3個部分構(gòu)成,TPS61178升壓DC/DC負(fù)責(zé)放電部分,TPS54821降壓DC/DC負(fù)責(zé)充電部分,電流檢測由INA188儀表放大器實(shí)現(xiàn),電壓檢測則可由低成本運(yùn)放TLV07來實(shí)現(xiàn)。


目前,市面上小功率(=6A)電池充放電方案目前大多是由分立元器件搭建,但是隨著市場對產(chǎn)品的精度,可靠性的要求越來越高,分立方案越來越滿足不了市場的需求。TI針對于小功率電池檢測設(shè)備推出了高精度低成本方案PMP15043,很好的解決了這些問題。


如下圖所示,PMP15043方案主要有幾個部分構(gòu)成:TPS61178升壓DC/DC負(fù)責(zé)放電部分,TPS54821降壓DC/DC負(fù)責(zé)充電部分,電流檢測由INA188儀表放大器實(shí)現(xiàn),電壓檢測則可由低成本運(yùn)放TLV07來實(shí)現(xiàn)。其中TPS61178和TPS54821內(nèi)部集成了功率MOSFET及驅(qū)動電路,極大的簡化了功率部分的設(shè)計,可以有效的減少客戶在分立方案上的調(diào)試時間。TPS61178和TPS54821都是市面上非常通用的Boost和Buck芯片,整體方案在成本上也相當(dāng)有競爭力。


PMP15043不但BOM成本有競爭力,性能也同樣優(yōu)秀。下圖為PMP15043的充放電電流精度曲線,可以看出,在全電流范圍內(nèi)都可以保證精度在萬分之二以內(nèi),非常適合那些對成本和性能都要求非常苛刻的電池檢測應(yīng)用。


綜上所述,無論是對于中大功率應(yīng)用場景(=10A)還是對于小功率應(yīng)用場景(6A),TI都可以提供相應(yīng)的最高性價比的方案。通過下面的鏈接可以查看詳細(xì)的設(shè)計文檔和測試報告。


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