低成本、高精度的電池測試設(shè)備數(shù)字控制方案
發(fā)布時間:2020-12-14 來源:Jared Liu 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電池測試設(shè)備,是鋰離子電池生產(chǎn)線后處理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),對于鋰離子電池的質(zhì)量至關(guān)重要。電池測試設(shè)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(tǒng)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(tǒng)的模擬控制方案,采用TI的C2000™為核心實(shí)現(xiàn)的數(shù)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),將成為未來電池測試設(shè)備主流的發(fā)展方向。本文中,將詳細(xì)介紹如何通過TI的C2000數(shù)字控制方案,有效降低系統(tǒng)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(shù)字控制方案的典型結(jié)構(gòu)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,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并送入C2000中,C2000根據(jù)恒流或恒壓指令與采樣信號進(jìn)行環(huán)路計(jì)算,輸出一定占空比的PWM從而調(diào)節(jié)MOSFET的開關(guān),最終使得buck/boost變換器按照指令通過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(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC和誤差放大器,有效地降低了系統(tǒng)成本。TMS320F280049是具有100MHz主頻、256KB 閃存的 C2000™ 32 位 MCU,通過高分辨率的16bit PWM,最多可以控制8個獨(dú)立通道的同步buck/boost變換器。采用TMS320F280049的數(shù)字控制方案,比傳統(tǒng)的模擬控制方案可以節(jié)省30%以上的BOM成本。
此外,由于鋰離子電池在3C產(chǎn)品、電動汽車、儲能等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用,各類鋰離子電池的電流往往差別很大。這導(dǎo)致了電池測試設(shè)備若采用模擬控制,往往需要根據(jù)電流大小選取不同的硬件方案,增加了研發(fā)周期與設(shè)備成本。如果采用C2000的數(shù)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,8各通道可以分別獨(dú)立運(yùn)行;在大電流時,則將多個通道并聯(lián)運(yùn)行,以輸出更大的電流。
圖2
如圖2所示,在多通道并聯(lián)運(yùn)行時,每個通道都將采用同一個恒壓環(huán)路,恒流環(huán)路則各自獨(dú)立,只需將輸出并聯(lián)后就可以實(shí)現(xiàn)更大的輸出電流范圍。因此,相比于模擬控制,采用C2000的數(shù)字控制方案,可以在不改變硬件的條件下適應(yīng)更廣泛的測試場景,大大減少了設(shè)備成本。
2 高精度
通過校準(zhǔn),電池測試設(shè)備往往可以除去大部分初始系統(tǒng)誤差。剩余難以被校準(zhǔn)的誤差來源主要包括:電流檢測電阻的溫漂,電流、電壓檢測放大器的失調(diào)與增益溫漂、輸入共模電壓變化帶來的失調(diào),ADC的非線性度,基準(zhǔn)電壓源的溫漂。在本文中,按照±5°C的溫度變化范圍計(jì)算誤差值。
電流檢測電阻:
電流檢測電阻的溫漂是總系統(tǒng)誤差的重要來源,對于CC控制,需要一個幾毫歐并且低溫度系數(shù)的高精度電流檢測電阻。本文采用高精密、電流感應(yīng)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幾十毫伏,往往選擇儀表放大器進(jìn)行信號調(diào)理。儀表放大器的誤差主要來源于以下兩個方面:環(huán)境溫度改變時,失調(diào)電壓和增益的漂移;電池電壓改變時,由于輸入共模電壓變化造成的失調(diào)電壓。因此,在選擇儀表放大器時,應(yīng)該主要關(guān)注失調(diào)電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數(shù)。表1為TI主推的幾款應(yīng)用于電池測試設(shè)備的儀表放大器的關(guān)鍵參數(shù):
表1
INA821作為一款高精密、低漂移的儀表放大器,失調(diào)電壓漂移最大值為0.4 µV/°C,那么±5°C溫度偏移將會產(chǎn)生2 µV失調(diào)電壓,即40ppm滿量程誤差;增益漂移為5 ppm/°C,那么±5°C溫度偏移會產(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,將產(chǎn)生0.5µV失調(diào)電壓。在10A充電電流下,滿量程采樣電阻的電壓信號為50mV,即輸入共模電壓變化帶來10ppm滿量程誤差。
電壓檢測放大器:
電壓檢測放大器的誤差來源同樣主要來源于失調(diào)電壓和增益的漂移,以及輸入共模電壓變化造成的失調(diào)電壓。因此,在選擇儀表放大器時,同樣應(yīng)該主要關(guān)注失調(diào)電壓漂移、增益漂移、CMRR等參數(shù)。
TLV07是一款成本敏感型、低噪聲、軌到軌輸出、精密運(yùn)算放大器,失調(diào)電壓漂移的典型值為0.9 µV/°C,那么±5°C溫度偏移將會產(chǎn)生4.5µV失調(diào)電壓,即1ppm滿量程誤差;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,將產(chǎn)生31.5µV失調(diào)電壓,即6ppm滿量程誤差。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器及基準(zhǔn)電壓源:
模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的誤差主要是由于非線性度和基準(zhǔn)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ADS131M08是差分輸入,可以有效減小由于各通道間串?dāng)_引起的誤差。從數(shù)據(jù)表中可以查到,ADS131M08的非線性度INL僅為7.5ppm滿量程誤差。如果采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源,溫漂最大值為20 ppm/°C,那么±5°C溫度偏移會產(chǎn)生100ppm誤差。如果采用外部基準(zhǔn)電壓源REF2025,溫漂最大值僅為8 ppm/°C,那么±5°C溫度偏移誤差將會降至40ppm。
誤差匯總:
根據(jù)以上分析,將各誤差來源造成的誤差值匯總,即可計(jì)算得到在恒流、恒壓控制時,電池測試設(shè)備的系統(tǒng)總誤差如表2所示??梢钥吹?,采用C2000的數(shù)字控制方案,電流和電壓誤差范圍都在萬二以內(nèi),達(dá)到了極高的控制精度。
表2
綜上所述,在電池測試設(shè)備中采用TI的C2000數(shù)字控制方案,在降低系統(tǒng)成本的同時,可以保證極高的電流、電壓控制精度,非常適合在各類電池測試方案中的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
電池測試設(shè)備-參考設(shè)計(jì)及 產(chǎn)品
TIDA-010086 Digital control reference design for cost-optimized battery test systems
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