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      科普知識
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      測試設備

      這些高性能充放電方案在電池測試設備中的應用

      發布日期:2022-10-09 點擊率:60

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      【導讀】電池測試設備是電池制造行業的必需設備和基礎設施。隨著電動汽車、便攜式消費電子等應用對鋰電池的需求不斷增加,鋰電池測試設備的需求也一路上行。

       

      電池測試設備用于在向客戶發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歷 一個完全受控的充電或放電循環,以初始化該設備并將 其轉換為正常工作的儲電設備。電池測試設備的主要功能是對電池容量、效率、倍率、高溫性能、低溫性能、存儲性能及內阻等指標進行測試,對于電池測試設備的系統設計最重要的三個指標是充放電精度,成本和轉換效率。

       

      對于電池測試設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實現的數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,DSP方案的軟件開發難度大,分立方案硬件開發難度大,導致兩種方案設計周期都比較長,總體開發成本比較高。

       

      為了幫助電池測試設備廠商縮短研發時間,能將產品快速投入市場,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)應用和小功率(3A~6A)應用。

       

      首先是針對中大功率應用,TI的參考設計為 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 整個系統主要由四部分組成:核心器件LM5170 (藍色區域)負責功率升降壓部分,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儀表放大器負責高邊恒流檢測;LM6142負責電壓放大檢測;ADS131A04 (24-bit高精度ADC) 和DAC80004 (16-bit高精度DAC) 負責電流電壓的實時讀取和實時設置,可以通過TI提供的上位機圖形界面讀取信息及進行操作。

       

      http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037472

       

      LM5170是TI的明星產品,同時也是整個系統的核心。LM5170內部集成雙路5A MOSFET半橋驅動器可以提供高達100A的持續輸出電流。同時單顆LM5170可以支持雙相交錯控制,進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的應用,LM5170支持多片錯相并聯來提供更大電流能力,下圖展示了幾種多片錯相并聯的方案。

       

      http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037472

       

      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的響應時間僅僅為400μs,遠遠低于DSP方案在同樣測試條件下的響應時間(通常高于5ms)。

       

      http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037472

       

      TI針對于小功率(<=6A) 電池檢測應用推出了高精度低成本方案PMP15043。該方案主要有3個部分構成,TPS61178升壓DC/DC負責放電部分, TPS54821降壓DC/DC負責充電部分,電流檢測由INA188儀表放大器實現,電壓檢測則可由低成本運放TLV07來實現。

       

      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成:TPS61178升壓DC/DC負責放電部分,TPS54821降壓DC/DC負責充電部分,電流檢測由INA188儀表放大器實現,電壓檢測則可由低成本運放TLV07來實現。其中TPS61178和TPS54821內部集成了功率MOSFET及驅動電路,極大的簡化了功率部分的設計,可以有效的減少客戶在分立方案上的調試時間。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有競爭力。

       

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      PMP15043不但BOM成本有競爭力,性能也同樣優秀。下圖為 PMP15043的充放電電流精度曲線,可以看出,在全電流范圍內都可以保證精度在萬分之二以內,非常適合那些對成本和性能都要求非??量痰碾姵貦z測應用。

       

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

       

       

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