本文作者：德州儀器Sean Zhou

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)、個(gè)人電子產(chǎn)品和電網(wǎng)系統的日益普及，人們對鋰離子（Li-ion）電池的需求正以指數級增長(cháng)。隨著(zhù)消費者需求的增長(cháng)，對高精度電池化成測試能力的需求也在增長(cháng)。

電池化成測試需要多個(gè)充電和放電周期; 為了最大限度延長(cháng)電池壽命并擴大存儲容量，此過(guò)程中必須實(shí)現高精度控制。在每個(gè)周期中，電池的電流和電壓必須得到精確控制，許多制造商要求滿(mǎn)量程控制精度超過(guò)0.05％。然而，隨著(zhù)對電池電流要求的增加，保持如此高的精確度變得越來(lái)越困難。

TI適用于高電流應用的電池測試儀參考設計利用恒定電流（CC）和恒定電壓（CV）校準環(huán)路實(shí)現0.01％滿(mǎn)量程充電和放電電流控制精度。它支持高達50A的充電和放電速率，并針對需要更高電流或多相的應用提供可修改的平臺。例如，目前的汽車(chē)電池規格正在急劇增長(cháng)，甚至可能需要超過(guò)50A的電流。

如圖1所示，參考設計采用LM5170-Q1，可調節流入或流出電池的電流。INA188實(shí)現并監控CC控制環(huán)路，由于電流可向任一方向流動(dòng)，SN74LV4053A多路復用器可對INA188輸入作相應調整。將檢測到的電流與DAC80004數模轉換器（DAC）產(chǎn)生的精密基準進(jìn)行比較，并將這兩個(gè)信號饋入由TLV07實(shí)現的誤差放大器（EA）。EA的輸出反饋到LM5170的ISETA模擬電流編程引腳，該引腳將流經(jīng)電流檢測電阻的電流調節為電流參考信號。

圖 1：電池測試儀參考設計方框圖

CV控制回路以類(lèi)似的原理工作。ADS131A04模數轉換器（24位、128kSPS、4-Ch同時(shí)采樣Δ-Σ模數轉換器（ADC）監控電池電壓和電流，并由DAC80004為CV控制回路設置高精度電壓基準。ADC監控電池的電壓和電流，并提供簡(jiǎn)單的圖形用戶(hù)界面（GUI）以便查看電池的狀態(tài)。DAC還提供GUI以設置不同應用的參考信號。

許多因素都會(huì )影響系統精度，包括溫度漂移、電壓漂移和偏移電壓。電池測試儀參考設計使用三點(diǎn)校準來(lái)計算不同的影響來(lái)源或任何錯誤。圖2顯示了在寬電流范圍內實(shí)現的滿(mǎn)量程精度。該系統在電池充電時(shí)以降壓模式運行，放電時(shí)以升壓模式運行。

圖 2：電流控制精度

通電后，由于電池電壓低，CV控制回路向電池輸出高電壓。該輸出信號導致CC環(huán)路優(yōu)先控制系統。隨著(zhù)電池電壓的升高，當系統達到參考電壓電平時(shí)，系統逐漸由CC控制轉換到CV控制。

圖3顯示了在降壓模式下工作時(shí)校準系統的電壓控制精度。

圖 3：降壓模式下的電壓控制精度

圖4顯示了在不同電流條件下，具有相同電壓設置的轉換曲線(xiàn)。在不同的條件下，圖4中的轉換點(diǎn)是不同的，因為功率傳輸路徑上的電壓降會(huì )隨著(zhù)電流設置的增加而增加。圖5顯示了在不同電壓條件下，具有相同電流設置的轉換曲線(xiàn)。這兩條曲線(xiàn)顯示了從CC到CV的平滑過(guò)渡，表明控制系統是穩定的。

圖 4：具有不同電流的CC / CV轉換

圖 5：具有不同電壓的CC / CV轉換

該參考設計展示了如何利用CC和CV校準環(huán)路來(lái)實(shí)現0.01％滿(mǎn)量程充放電電流控制精度，而且支持高達50A的充放電速率。