如何设计一款适用于各种尺寸，电压和外形尺寸的电池测试仪

电子

锂离子电池既可用于小型电子设备，又可用于电动汽车和电网等更大的应用中，它们自然可以跨越各种尺寸，电压和形状因数。但是，这种广度意味着电池制造商必须购买和维护每种电池类型的测试解决方案，并且相关的资本投资变得巨大，直接占电池最终成本的20％。
显然需要一种经济高效的多范围测试解决方案，该解决方案可以处理更大范围的电池电压，容量和物理尺寸。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经济高效的电池测试设计的示例。有关电池测试设计挑战的概述，请阅读我们的白皮书“设计一种准确的多功能锂离子电池测试解决方案”。
数字控制回路的好处
电池测试仪的主要功能是控制和监视电池的充电和放电。图1显示了开关式电池测试仪的功能框图。可以将控制部分实现为模拟或数字形式。在模拟实现中，脉冲宽度调制（PWM）控制器可调节流过高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环路驱动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，一个精密的16位模数转换器（ADC）监视电池电压和电流。

1：电池测试仪框图

在数字实现中，微控制器（MCU）执行图1所示红色框内的所有功能。使用C2000™实时控制MCU，您可以生成16位PWM并使用其比较器来实现保护算法。MCU使用ADC输出数据来实现电流和电压控制器。由于控制器位于数字域，因此该架构不需要精密的16位DAC。一个12位片上ADC的控制精度低于±0.05％，足以用于成本优化的电池测试系统。但是，该实现要求反馈中具有外部16位精度，以实现优于±0.01％的控制精度。数字解决方案可轻松实现准确性的灵活性；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。在该实施方案中有效使用MCU可以使物料清单节省30％以上。

多种电压，容量和尺寸。一种参考设计。

使用我们灵活的单一设计来测试各种电池电压，容量和电池尺寸。

当今的测试设备是针对特定电池类型设计的。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。但是，如果电池制造商正在生产具有较低电流要求的较小电池，则他们通常会使用专门针对较低电流水平进行优化的测试仪，而大电流电池测试仪则保持闲置状态。使用能够同时测试较小和较大电池的测试仪可以减少这种冗余，并有助于降低电池生产的总体成本。数字控制回路提供了在软件中测试更大或更小的电池的灵活性，而模拟解决方案则需要更改硬件。
随着电池技术的改进，电池生产商对新功能和测试方法的要求越来越高。将控制回路包含在软件中可以使测试设备制造商更轻松地提供附加的测试功能。
设计多量程电池测试仪
成本优化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的低电流电池测试仪通道，以满足不同级别的高电流电池测试仪的需求。该参考设计通过简单的软件更改就可以配置为多相运行，如图2所示。在多相配置中，每个相都使用并联的独立恒流环路。将一个恒定电压环路嵌套到所有恒定电流环路可确保在恒定电压模式下实现电流平衡。因此，相同的测试环境可以提供多个输出电流范围。

图2：多相配置中的反馈控制器
图3是参考设计的框图。所述TMS320F280049 MCU可控制多达8个独立的信道。它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环路执行子例程。的INA821仪表放大器感测电流和TLV07运算放大器感测的电压。外部ADS131M08 ADC和C2000片上ADC均将电流和电压信号转换为数字数据。在反馈中使用16位ADC可以实现优于±0.01％的控制精度。对于成本优化的系统，您可以从反馈中消除ADS131M08，而使用片上12位ADC来实现低于±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，其中内部环路始终处于恒流模式。在检测到恒定电压模式条件时，恒定电压环路输出连接到恒定电流环路。

图3：数字控制回路电池测试仪
结论
数字架构可以解决高精度，高电流，高速度和灵活性的问题，而无需在电池测试设备上投入大量资金。现在，您可以测试一系列电流，而不必在多个架构上投资不同的电流水平，从而使您的高电流设备在测试低电流应用时不再保持空闲状态。
ti的数字控制参考设计使您能够通过购买低电流电池测试设备来节省总体系统成本，并提供了在不牺牲精度的情况下测试多个电流范围的能力和灵活性。