电池测试设备 (Battery Tester) --- 功率变换篇

Stanley Ho

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功率变换部分。

功率变换

电池测试单元的功率部分主要包括模拟控制器,半桥驱动,MOSFET,输入输出保护器。电能变换拓扑最常用的就是半桥整流的Buck/Boost变换电路,主要是因为电路结构简单,控制也不复杂,同时能满足目前市面上低至0.5A或者更小以及高至上百安培的输出电流的应用场合,不同的是在大电流应用场合,为了保证良好的散热性能并减小体积,多采用多相Buck/Boost并联的方式,无论单相还是两相甚至多相,不变的是控制方案。

TL594分立方案

目前比较成熟的方案是TL594的模拟分立方案,德州仪器在之前推出过TL594方案的TI Design,如图1所示,该方案成熟稳定,且有性价比优势。

图1 TI Design框图

 

半桥驱动器

当测试单元的输出电流在10A左右或以内时,驱动能力要求不大的条件下一般1A左右即可满足要求,使用较为常见的有LM5109BLM5106,表1。

当输出电流在几十上百安时,考虑MOSFET的快速切换所需要的驱动电流,UCC27282目前驱动电流2.5A source/3.5A sink电流,且HS能承受的负压较大,可靠性较高,因为其具有的interlock的功能,所以不会变换器半桥节点的di/dt的干扰而出现半桥直通的情况。

表1:驱动器

 

LM5106

LM5109B

UCC27282

Bus voltage (Max ) (V )

100

90

120

峰值电流SINK/SOURCE(A )

1.8/1.2

1

3.5/2.5

HS引脚最小负电压 (V )

-1

-1

-14

LM5060与LM5069实现功率接口的保护器

当电池充电时,系统如果没有电流防倒灌保护,被测试电池将放电,会产生不可靠的的系统启动动作,同时在系统过压过流欠压保护时,如果只有主电路MOSFET关闭,电池仍然有电流倒灌的路径,因此附加输入输出接口保护器尤为重要。LM5060LM5069适用于输入输出的接口的欠压,过压,浪涌电流等保护,参数如表2所示。

表2:负载开关参数表

 

LM5060

LM5069

最小输入电压(V )

5.5

9

最大输入电压 (V )

65

80

MOFET

外部

功能

可調節電流限制

浪湧電流限制

過流事件的斷路器功能

 

LM5170-Q1集成方案

当电流较大,需要使用多相交错并联,而一颗TL594只能控制一相功率变换电流,同时需要外部给定给TL594同步信号,多相并联增加了TL594分立元件方案复杂度。LM5170-Q1的方案内部含有两路控制环路,既可独立工作也可以交错并联,且集成过压过流欠压等保护,支持二极管仿真模式,同时也有防电流倒灌的保护电路。图2为两路并联的典型应用方案TI Design: TIDA-01041,输出电流最大100A,且具有0.02%的电流精度与0.1%的电压精度。

图2: TIDA-01041

LM5170-Q1方案的优势在于不仅为信号链的设计留出了可自由拓展的空间,且集成度较高,为功率变换MOSFET的散热提供了较大的空间。ti.com提供几种不同电流大小的参考设计TID-A01041,TIDA-01042

 

参考文献

PMP40182: 双向电池初始化系统电源板参考设计

TIDA-01041: 用于多相高精度 0.5 至 100A 电池化成的电池测试仪参考设计

TIDA-01042: 适用于 50A、100A 和 200A 应用的模块化电池测试仪参考设计

电池测试设备-参考设计及 产品