如何设计一款适用于各类电池尺寸、电压和外形的电池测试仪

锂离子电池既可应用于小型电子器件，也可应用于电动汽车、电网等较大的应用，其可轻松满足各种尺寸、电压和外形的要求。但这种应用广度意味着电池制造商不得不购买和维护每种电池类型的测试方案，从而造成巨大的相关资金投入，直接占电池最终成本的20％。
 
显然，需要一种可处理不同电压、容量和外形尺寸且成本效益好、多量程的电池测试解决方案。本文介绍了数字控制回路电池测试仪的优势，并提供了一个灵活且具备较高性价比的电池测试设计示例。
 
数字控制回路的优势
 
电池测试仪的主要功能是控制和监控电池的充放电情况。图1所示为开关式电池测试仪的原理框图。可在模拟或数字模式下实现控制部分。在模拟实现中，脉冲宽度调制（PWM）控制器可调节流经高压和低压电源的输出电压或电流。保护电路集成在PWM控制器中。恒定电流和恒定电压反馈回路驱动PWM控制器的参考输入，以精确控制输出电流和电压。连接到反馈控制器的16位数模转换器（DAC）设置输出电流和电压。最后由一个精密的16位模数转换器（ADC）监控电池电压和电流。

图1：电池测试仪框图 

在数字实现中，微控制器（MCU）执行图1中红色框内的所有功能。借助C2000™实时控制MCU，可生成16位PWM并使用其比较器来实现保护算法。MCU通过ADC反馈的数据来调整电流和电压控制器。由于控制器位于数字域，因此该体系结构无需精密的16位DAC。一个12位片上ADC可实现低于±0.05％的控制精度，足以用于成本优化型电池试验系统。但是，如果想实现±0.01％的控制精度，那么该方案要求外部具有16bit的反馈精度，数字解决方案可轻松实现准确度和灵活性；性能和成本差异仅取决于您选择在反馈中使用外部16位ADC还是内部12位ADC。在此方案中，MCU的高效使用可以节省30%以上的物料成本。
 
多种电压、容量和尺寸，一种参考设计。
 
当前的测试设备是针对特定电池类型所设计的。较大的电池需要较高的电流，因此电池测试仪具有多个并联连接的通道。但如果电池制造商在生产电流要求较低的小型电池，他们则通常会使用专门针对较低电流等级进行优化的测试仪，而将高电流电池测试仪处于闲置状态。使用能够同时测试小型和大型电池的测试仪则可减少此类设备冗余，并帮助降低电池生产的总体成本。数字控制回路增加了用软件来测试大型或小型电池的灵活性，而模拟解决方案则需要变更硬件。
 
随着电池技术的发展进步，电池生产商要求有新的功能和测试方法。在软件中使用控制回路可使测试设备制造商更容易提供其他的测试功能。
 
设计多量程电池测试仪
 
适用于成本优化型电池测试系统的数字控制参考设计使用并联连接的多个独立控制、低电流电池测试仪通道，以满足不同等级的高电流电池测试仪的需求。通过简易的软件更改，即可将参考设计配置为多相操作，如图2所示。在多相配置中，每个相使用并联连接的独立恒流回路。在恒压模式下，将一个恒压环路连接到所有的恒流环路以确保电流均衡。因此，相同的测试环境可提供多个输出电流范围。

图2：多相配置中的反馈控制器

参考设计的框图如图3所示。TMS320F280049 MCU最多可控制8个独立通道。它可为同步降压功率级生成高分辨率的16位PWM，并为电流和电压控制回路执行子程序。INA821仪表放大器感应电流，TLV07运算放大器感应电压。 外部ADS131M08的ADC和C2000片上ADC均将电流和电压信号转换为数字信息。根据反馈的16bit ADC信号可获得优于±0.01％的控制精度。对于成本优化的系统，可根据反馈移除ADS131M08，使用片上12位ADC可实现低于±0.05％的控制精度。
 
实现多反馈控制器可实现从恒流到恒压的平稳过渡，其中内部回路始终处于恒流模式。检测到恒压模式条件时，恒压回路输出会连接到恒流回路。

图3：数字控制回路电池测试仪 

结论
 
数字架构可实现高精度、高电流、高速度和灵活性，无需在电池测试设备上投入大量资金。您不再需要为不同的电流水平投资多种体系结构的测试仪，这样，在测试低电流应用时，高电流设备便不再闲置。
 
借助TI的数字控制参考设计，可通过投资低电流电池测试设备来节省总体系统成本，从而在不影响精度的情况下提升测试多个电流范围的能力和灵活性。