TI能量回馈型锂电池化成分容测试设备方案介绍

sick

   随着手机，智能无线设备和电动汽车的快速发展，锂电池的市场需求越来越广，锂电池的生产制造效率也越来越高。同时，由于节能减排的需要，锂电池的化成，分容的充电，放电，也大量采用能量回馈的形式，将锂电池的放电能量，回馈回电网或对其它电池充电，实现节能环保。

        为了更准确的获得锂电池的容量，对锂电池的充放电的电流电压测量的误差要求也显著提高，许多客户需要达到万分之五到万分之一的误差精度，这样，对整个测量控制电路中的放大器，ADC, DAC的误差要求也相应提高。

        一般来说，一个完整的能量回馈型的锂电池化成分容测试设备，分为3级结构。如下图：

            

第一级为220、380V AC到400-500V DC的双向变换器，第二级为400V DC到12V DC的双向变换器，第三级位12V DC到5V DC的双向变换器，直接对电池进行充放电。具体的功率取决于电池充放电大小和电池的数量。采用TI的C2000 TMS320F280XX，就很容易的实现第一级和第二级的功能，并且，可以把第一级和第二级合并，直接实现220V AC到12V DC的模式，进一步降低陈本。

                       

          对于第三极12V DC到5VDC的双向变换器，通常采用模拟环路控制方案，稍后我们也会介绍一种C2000的数字方案介绍。

           

       上图是TI的模拟环路控制方案参考设计，也是目前大多数客户采用的一种性价比比较高的分立器件方案。TL594实现PWM控制，LM5106为半桥MOSFET驱动。LM5060为电池防反接控制。高精度电流电压采集和环路调节，主要是INA225和OPA180实现。INA225是TI的专用电流检测放大器，集成了外部的增益电阻，提供固定的增益输出，在简化电路的同时提供非常好的温飘特性；并且，INA225是自动的实现双向电流检测，无需额外控制信号，使用非常方便。OPA180为自稳零，低温飘运放，做PID调节和CV, CC控制。外部ADC ADS1248是24位D-S ADC， 用于采集充放电的电压电流，不参与环路控制。一个ADS1248可以同时测量4路电池充放电的电流电压，如果加外部开关切换，可以测量更多，实现更好的性价比。DAC80004是16位DAC，用来设定充放电的电压电流，其零点误差小于2mV，可以实现更低的充电电流门限设置。

     这个参考设计的关键是温飘的控制，选用低温飘特性的放大器，电阻尤其重要，TI 的INA225, INA240都是非常好的低温飘电流检测专用放大器，增益误差的温飘小于2.5ppm。并且，采样电阻的温飘也直接决定了系统的温飘性能，20ppm的采样电阻已经非常好了，在采样电流时，电阻是一个功率热源，会显著造成周围PCB的温升，更恶化了温度的影响，所以，采样电阻的PCB布板非常重要。

      TI的这个参考设计—PMP40182的资料和测试数据已经放到网上了，有需要可以到TI的官网下载。

     随着TI的C2000 DSP的普及，越来越多的工程师也尝试采用C2000来实现12V 到5V,10A的双向电池充放电控制，从而实现整个链路，从220V AC到5V DC的全数字双向转换。

如下为C2000的12V到5VDC 双向DC-DC的示意图。采用TI的最新的TMS320F2837X，CC, CV环路控制均由C2000软件实现，F2837X的高精度PWM(HRPWM)可以实现高精度（>16位）的DAC+PWM的功能，无需外部DAC; F2837X内部还集成了多路16位ADC，同样无需外部ADC，只需要外部电流检测和放大。采用F2837X的设计，可以大大简化电路设计，提供更高的可靠性和温飘特性。单个F2837X可能价格比较高，但一个F2837X可以支持多路电池的充放电，这样平均到每个通道上成本就非常低。

    总的来说，TI可以为现代化的电池化成分容测试设备提供端到端的全套解决方案，协助客户解决研发过程中的相关技术问题，将产品以最快的速度推向市场。