如何從源頭掌控電動(dòng)汽車(chē)鋰電池的精準與安全

在鋰電池生產(chǎn)環(huán)節中，評定電池容量和性能是其中一個(gè)非常重要的環(huán)節。從主要用于手機、攝像機、混合動(dòng)力汽車(chē)中的低容量(《 10A)，到用于電腦、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)的中容量(10A-30A)，再到用于電動(dòng)汽車(chē)(30A-120A)的高容量鋰離子電池，無(wú)一例外，都需要進(jìn)行測試才能出廠(chǎng)使用。

根據ADI公司亞太區精密儀器業(yè)務(wù)部系統應用工程師李強的介紹，目前業(yè)界最常見(jiàn)的做法是對小容量電池采用線(xiàn)性測試設備進(jìn)行測試，盡管效率低下，精準度也不高，但還是可以接受的。但如果把這種測試設備也同樣用于高容量電池測試，那就會(huì )在充電階段消耗大量功率，導致效率低下，而且會(huì )給設備硬件設計帶來(lái)相當嚴重的熱問(wèn)題。

為此，ADI在專(zhuān)為低、中、高三種容量鋰電池分容化成設備制定的AD8450/1精密模擬前端與控制器以及ADP1972降壓/升壓PWM控制器中，摒棄了以往將電池能量放電至阻性負載的線(xiàn)性架構，轉而通過(guò)使用PWM控制器提供電流，并將其引導回電網(wǎng)或對其他電池充電，實(shí)現了高效環(huán)保的目的。

測試數據顯示，充電模式下，在當電壓為3.5V時(shí)，20A的效率值為88%，10A的效率值為90%;而在放電模式下，在當電壓為3V時(shí)，20A的效率值為89%，10A的效率值為92%。除了效率，鋰電池企業(yè)更關(guān)心的是成本和可靠性。李強說(shuō)，市場(chǎng)上鋰電池測試方案也有分立器件組合方案，可能會(huì )用到十個(gè)以上的器件。而ADI這套解決方案只用到了AD8450/1和ADP1972兩顆芯片，高度集成，設計尺寸大大減小。并且通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率提高到 300KHz、在多個(gè)通道間共享成本更低的高精度DAC和ADC、在通道間加入相移同步可減少輸入濾波等做法，降低了總系統成本。同時(shí)，ADI還為用戶(hù)提供設計工具和全部參考設計，最大程度降低開(kāi)發(fā)成本和設計難度，縮短開(kāi)發(fā)周期。

ADI解決方案系統結構框圖

如何實(shí)現多個(gè)通道間共享DAC和ADC?

上圖包含兩種功能：一是對電池充電，二是對電池放電，這由AD8450/1和ADP1972的模式信號決定。每個(gè)功能有兩種模式：恒流(CC)模式和恒壓(CV)模式。兩個(gè)DAC通道控制CC和CV設定點(diǎn)。CC設定點(diǎn)決定充電和放電兩個(gè)功能的CC模式下環(huán)路中有多少電流。CV設定點(diǎn)決定環(huán)路從CC進(jìn)入 CV時(shí)的電池電位，同樣適用于充電和放電兩個(gè)功能。

精密模擬前端和控制器AD8450/1利用內部差動(dòng)放大器PGDA測量電池電壓，并利用內部?jì)x表放大器PGIA和外部分流電阻(RS)測量電池上的電流。然后，它通過(guò)內部誤差放大器和外部補償網(wǎng)絡(luò )(用于確定環(huán)路功能是CC還是CV)，將該電流和電壓與DAC設定點(diǎn)相比較。在該模塊之后，誤差放大器的輸出進(jìn)入PWM控制器ADP1972，以確定MOSFET功率級的占空比。最后是構成完整環(huán)路的電感和電容。本部分的說(shuō)明針對充電和放電兩個(gè)功能，因為ADP1972是降壓和升壓PWM控制器。

本方案中，ADC獲得環(huán)路電壓和電流的讀數，但它不是控制環(huán)路的一部分。掃描速率與控制環(huán)路的性能無(wú)關(guān)，因此一個(gè)ADC就能測量多通道系統中大量通道的電流和電壓。DAC也是如此，因而可以使用低成本DAC來(lái)設置多個(gè)通道。此外，單個(gè)處理器只需控制CV和CC設定點(diǎn)、工作模式及管理功能，因而它可以與許多通道接口。

ADI AD8450/1和ADP1972演示版框圖