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這些高性能充放電方法在電池測試設備中的應用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年07月27日  

電池探測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、便攜式消費電子等使用對鋰離子電池的需求不斷新增,鋰離子電池探測設備的需求也一路上行。


電池探測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包之后,每個單元非得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。電池探測設備的重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探測,關于電池探測設備的系統設計最緊要的三個指標是充放電精度,成本和轉換效率。


關于電池探測設備的核心功能電池充放電,市面上流行的重要有兩種處理方法:使用DSP實現的數字方法和使用分立器件搭建的模擬方法。無論是DSP方法還是分立方法都有各自的缺點,DSP方法的軟件開發難度大,分立方法硬件開發難度大,導致兩種方法設計周期都比較長,總體開發成本比較高。


為了幫助電池探測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處理方法,分別針對中大功率(10A~200A)使用和小功率(3A~6A)使用。


首先是針對中大功率使用,TI的參考設計為TIDA-01041x系列。TIDA-01041x系列針對不同電流需求供應3套方法,分別為TIDA-01040(0~50A),TIDA-01041(0~100A),TIDA-01042(0~200A),所有方法都保證=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整個系統重要由四部分組成:核心器件LM5170(藍色區域)負責功率升降壓部分,重要功能包括多相位解決,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測試;LM6142負責電壓放大測試;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供應的上位機圖形界面讀取信息及進行操作。


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5AMOSFET半橋驅動器可以供應高達100A的繼續輸出電流。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。關于要求高于100A的使用,LM5170支持多片錯相并聯來供應更大電流能力,下圖展示了幾種多片錯相并聯的方法。


此外,相關于DSP方法,LM5170由于同時支持峰值電流測試和均勻電流測試,應和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電流跳變探測(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的應和時間僅僅為400s,遠遠低于DSP方法在同樣探測條件下的應和時間(通常高于5ms)。


TI針關于小功率(=6A)電池測試使用推出了高精度低成本方法PMP15043。該方法重要有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,電流測試由INA188儀表放大器實現,電壓測試則可由低成本運放TLV07來實現。


目前,市面上小功率(=6A)電池充放電方法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,分立方法越來越滿足不了市場的需求。TI針關于小功率電池測試設備推出了高精度低成本方法PMP15043,很好的處理了這些問題。


如下圖所示,PMP15043方法重要有幾個部分構成:TPS61178升壓DC/DC負責放電部分,TPS54821降壓DC/DC負責充電部分,電流測試由INA188儀表放大器實現,電壓測試則可由低成本運放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法上的調試時間。TPS61178和TPS54821都是市面上非常通用的boost和buck芯片,整體方法在成本上也相當有競爭力。


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常苛刻的電池測試使用。


綜上所述,無論是關于中大功率使用場景(=10A)還是關于小功率使用場景(6A),TI都可以供應相應的最高性價比的方法。通過下面的鏈接可以查看具體的設計文檔和探測報告。


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