低成本、高精度的電池測試設備數字控制方案

電池測試設備，是鋰離子電池生產(chǎn)線(xiàn)后處理系統的重要環(huán)節，對于鋰離子電池的質(zhì)量至關(guān)重要。電池測試設備的核心功能是對鋰離子電池進(jìn)行高精度的恒流或恒壓充放電，傳統的控制方法以使用分立器件搭建的模擬控制方案為主。相比于傳統的模擬控制方案，采用TI的C2000?為核心實(shí)現的數字控制方案，由于其低成本、高精度、更靈活、保密性較好等優(yōu)點(diǎn)，將成為未來(lái)電池測試設備主流的發(fā)展方向。本文中，將詳細介紹如何通過(guò)TI的C2000?數字控制方案，有效降低系統成本，并保證極高的電流、電壓控制精度。

1   低成本

采用TI的C2000數字控制方案的典型結構如圖 1所示：電流/電壓放大器對電池充放電的電流/電壓進(jìn)行采樣，通過(guò)模數轉換器ADC將模擬信號轉化為數字信號并送入C2000?中，C2000根據恒流或恒壓指令與采樣信號進(jìn)行環(huán)路計算，輸出一定占空比的PWM從而調節M(mǎn)OSFET的開(kāi)關(guān)，最終使得buck/boost變換器按照指令通過(guò)恒流或恒壓的方式對鋰電池進(jìn)行充放電。

圖1

相比于模擬方案，由于電壓、電流指令和環(huán)路控制都在C2000中產(chǎn)生和完成，省去了高分辨率的數模轉換器DAC和誤差放大器，有效地降低了系統成本。

TMS320F280049是具有100MHz主頻、256KB 閃存的 C2000? 32 位 MCU，通過(guò)高分辨率的16bit PWM，最多可以控制8個(gè)獨立通道的同步buck/boost變換器。采用TMS320F280049的數字控制方案，比傳統的模擬控制方案可以節省30%以上的BOM成本。

此外，由于鋰離子電池在3C產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)、儲能等諸多領(lǐng)域都有廣泛應用，各類(lèi)鋰離子電池的電流往往差別很大。這導致了電池測試設備若采用模擬控制，往往需要根據電流大小選取不同的硬件方案，增加了研發(fā)周期與設備成本。如果采用C2000的數字控制方案，則可以在不改變硬件的前提下，在小電流或大電流模式間自由切換：在小電流時(shí)，8各通道可以分別獨立運行；在大電流時(shí)，則將多個(gè)通道并聯(lián)運行，以輸出更大的電流。

圖2

如圖2所示，在多通道并聯(lián)運行時(shí)，每個(gè)通道都將采用同一個(gè)恒壓環(huán)路，恒流環(huán)路則各自獨立，只需將輸出并聯(lián)后就可以實(shí)現更大的輸出電流范圍。因此，相比于模擬控制，采用C2000的數字控制方案，可以在不改變硬件的條件下適應更廣泛的測試場(chǎng)景，大大減少了設備成本。

2   高精度

通過(guò)校準，電池測試設備往往可以除去大部分初始系統誤差。剩余難以被校準的誤差來(lái)源主要包括：電流檢測電阻的溫漂，電流、電壓檢測放大器的失調與增益溫漂、輸入共模電壓變化帶來(lái)的失調，ADC的非線(xiàn)性度，基準電壓源的溫漂。在本文中，按照±5°C的溫度變化范圍計算誤差值。

電流檢測電阻：

電流檢測電阻的溫漂是總系統誤差的重要來(lái)源，對于CC控制，需要一個(gè)幾毫歐并且低溫度系數的高精度電流檢測電阻。本文采用高精密、電流感應金屬條 SMD 功率電阻器，檢測電阻的阻值為5m?，溫漂值為10 ppm。那么，由于電流檢測電阻的溫漂造成的誤差為50ppm。

電流檢測放大器：

為了減小大電流造成的溫升和功率損耗，電流檢測電阻的阻值一般較小，因此電流檢測放大器的輸入差分信號一般不超過(guò)幾十毫伏，往往選擇儀表放大器進(jìn)行信號調理。儀表放大器的誤差主要來(lái)源于以下兩個(gè)方面：環(huán)境溫度改變時(shí)，失調電壓和增益的漂移；電池電壓改變時(shí)，由于輸入共模電壓變化造成的失調電壓。因此，在選擇儀表放大器時(shí)，應該主要關(guān)注失調電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數。表1為T(mén)I主推的幾款應用于電池測試設備的儀表放大器的關(guān)鍵參數：

表1

INA821作為一款高精密、低漂移的儀表放大器，失調電壓漂移最大值為0.4 μV/°C，那么±5°C溫度偏移將會(huì )產(chǎn)生2 μV失調電壓，即40ppm滿(mǎn)量程誤差；增益漂移為5 ppm/°C，那么±5°C溫度偏移會(huì )產(chǎn)生25ppm誤差；共模電壓抑制比為140dB，那么輸入共模電壓范圍在0~5V變化時(shí)，將產(chǎn)生0.5μV失調電壓。在10A充電電流下，滿(mǎn)量程采樣電阻的電壓信號為50mV，即輸入共模電壓變化帶來(lái)10ppm滿(mǎn)量程誤差。

電壓檢測放大器：

電壓檢測放大器的誤差來(lái)源同樣主要來(lái)源于失調電壓和增益的漂移，以及輸入共模電壓變化造成的失調電壓。因此，在選擇儀表放大器時(shí)，同樣應該主要關(guān)注失調電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數。

TLV07是一款成本敏感型、低噪聲、軌到軌輸出、精密運算放大器，失調電壓漂移的典型值為0.9 μV/°C，那么±5°C溫度偏移將會(huì )產(chǎn)生4.5μV失調電壓，即1ppm滿(mǎn)量程誤差；增益漂移主要受輸入電阻與反饋電阻的漂移誤差的影響，在這里取5 ppm/°C，那么±5°C溫度偏移會(huì )產(chǎn)生25ppm誤差。共模電壓抑制比最小值為104dB，那么輸入共模電壓范圍在0~5V變化時(shí)，將產(chǎn)生31.5μV失調電壓，即6ppm滿(mǎn)量程誤差。

模數轉換器及基準電壓源：

模數轉換器ADC的誤差主要是由于非線(xiàn)性度和基準電壓源的漂移造成的。ADS131M08是24位、32kSPS 、8通道同步采樣的Δ-Σ高精度ADC，由于A(yíng)DS131M08是差分輸入，可以有效減小由于各通道間串擾引起的誤差。從數據表中可以查到，ADS131M08的非線(xiàn)性度INL僅為7.5ppm滿(mǎn)量程誤差。如果采用內部基準電壓源，溫漂最大值為20 ppm/°C，那么±5°C溫度偏移會(huì )產(chǎn)生100ppm誤差。如果采用外部基準電壓源REF2025，溫漂最大值僅為8 ppm/°C，那么±5°C溫度偏移誤差將會(huì )降至40ppm。

誤差匯總：

根據以上分析，將各誤差來(lái)源造成的誤差值匯總，即可計算得到在恒流、恒壓控制時(shí)，電池測試設備的系統總誤差如表2所示?？梢钥吹?，采用C2000的數字控制方案，電流和電壓誤差范圍都在萬(wàn)二以?xún)?，達到了極高的控制精度。

表2

綜上所述，在電池測試設備中采用TI的C2000數字控制方案，在降低系統成本的同時(shí)，可以保證極高的電流、電壓控制精度，非常適合在各類(lèi)電池測試方案中的應用。