电池测试设备 --- 信号链篇

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随着锂电池行业的兴起，电池测试设备的市场也变得庞大，其主要应用于3C电池与动力电池的化成分容。3C电池的串数少，实际使用对每串电池要求的一致性不高，而动力电池由于串数高达数百串，并且使用环境相对极端，为保证较长的使用寿命，相比3C电池在一致性上要求高的多，因此电池在分容中要求的电流精度较高，目前按照市场要求，保持0.02%的要求是电池测试设备生产商面临的设计挑战，为了争取更高的市场份额，对精度以及效率，功率密度等其他性能的追求也从未停歇。需要知道的是在电池设备中，主要分为三大部分，分别为双向AC-DC电能变换，数据处理单元，以及电池测试单元。本文主要剖析实现电池化成分容技术要点紧密相关的电池测试单元的信号链部分。

信号链
由于电池测试设备要求输出电压电流精度较高，特别是动力电池测试系统，这就需要我们弄清每一级信号调理环节。典型框图如图1所示，由于第一级信号放大倍数在50~100范围，分流电阻压降较小，微伏级别的电压变化都会造成万分位的误差。

图1 电压环与电流环

第一级信号放大
输入偏置电压造成的的直流误差在设备最后校准工序中可以消除掉，但是根据温度，输入输出条件而变化的误差却很难通过线性校准消除掉，第一级主要影响因素有：

1. 放大器的Input voltage offset drift

一般根据设备的温升值，选取合适的取值范围，通常应用场景如表一所示：

表1：典型应用环境

电流检测采用仪表放大器INA821：温漂0.4 µV/°C

可以得知最大电流时，分流电阻压降60mV，温漂带来的INA821输出漂移为0.4*50=20 µV，此时误差为0.0333%，实际电路板的温升低于50℃，因此INA821在实际使用中也绝对占据较好的优势。同时也可以选型零温漂器件如INA188。

2. 放大器的共模抑制比CMRR

在高精度的电池测试设备中通常使用具有良好噪声环境高可靠性的高侧电流检测方法，由于共模电压较高，需要使用共模抑制比较高的放大器。首先，共模抑制比可以表示为

Ad为共模增益，Acm为差模增益，共模抑制比带来的误差可以表示为

Vin_cm输入共模电压，Vin_d为输入差模电压，共模误差似乎是一个可以被校准的误差，当共模电压不变时，这的确可以被软件校准抵消掉，而由于实际的分容电池电压是从0V增长到满电4.2V，此时共模电压随着充放电时间而变化，那么共模误差将会成为不可校准的误差了，此时需要选用CMRR较高的器件。在增益100倍时，根据式（1）（2）给出几种不同器件CMRR带来的误差：

3. 其他因素

其他无源器件的选择上如分流器等，也有采用温度补偿的方法可以降低温漂带来的误差，这里不做赘述。

当然也有存在一些厂家通过实现多段拟合的方法尽量降低校准时的非线性误差，但是由于批量生产时的一致性问题，这需要很大的工作量通过批量的数据校验，找出具有普适性的温漂多段校准折线，但是如果因为一致性的问题也容易导致出现过拟合误差。