電池測(cè)試系統(tǒng)（BTS）的方案介紹

1、前言

電池測(cè)試系統(tǒng)（BTS）提供高電壓和電流的控制精度進(jìn)行充電和放電的電池。它主要用于電池生產(chǎn)過(guò)程中的制造。電池測(cè)試設(shè)備也可用于研發(fā)部門(mén)研究電池性能。

BTS 的一種典型應(yīng)用是對(duì)單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電和放電?？紤]到電纜中的壓降，執(zhí)行此操作所需的電壓為 0V 至 5V。電池充電時(shí)，電源總線電壓一般為12V，以獲得良好的電壓轉(zhuǎn)換效率。

當(dāng)電池能量釋放回電源總線時(shí)，總線電壓增加到 14V。因此 BTS 需要一個(gè)雙向轉(zhuǎn)換器，支持 12V 至 14V 輸入電壓和 0V 至 5V 輸出電壓。轉(zhuǎn)換器在為電池充電時(shí)以降壓模式運(yùn)行，在電池放電時(shí)以升壓模式運(yùn)行。

2.方案介紹

LM5170-Q1 雙向電流控制器非常適合此應(yīng)用。該器件調(diào)節(jié)在 DIR 引腳指定的方向上在高壓 (HV) 和低壓 (LV) 端口之間流動(dòng)的平均電流。

圖 1 是 LM5170-Q1 的簡(jiǎn)化原理圖。兩相交錯(cuò)拓?fù)淇商峁└哌_(dá) 100A 的充電或放電電流。其集成的 5A 驅(qū)動(dòng)器有助于優(yōu)化電壓轉(zhuǎn)換效率，這意味著系統(tǒng)的低功耗和良好的熱性能。LM5170-Q1 的二極管仿真功能可防止電流與 DIR 引腳選擇的方向相反。此功能有助于防止電池在瞬態(tài)期間過(guò)度充電或放電。

圖 1：LM5170-Q1 簡(jiǎn)化原理圖

BTS 的一項(xiàng)關(guān)鍵要求是電流精度，應(yīng)優(yōu)于滿(mǎn)量程的 0.05%。由于 LM5170-Q1 集成電流放大器無(wú)法滿(mǎn)足此要求，因此需要外部電流檢測(cè)電阻和放大器來(lái)提高電流精度。

為了證明 LM5170-Q1 在實(shí)現(xiàn)此電流精度方面的可行性，TI 發(fā)布了用于電池檢測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)， 以針對(duì)以高電流精度對(duì)單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電或放電的應(yīng)用。

圖 2 是參考設(shè)計(jì)的框圖。鋰離子通過(guò)一個(gè) 1mΩ 電阻連接到 LM5170EVM 的 LV 端口。HV 端口連接到 12V-14V 總線。使用 INA188 的 1mΩ 電阻器的壓降檢測(cè)通過(guò)電池的電流。INA188 的輸出饋入 OP07C 運(yùn)算放大器，后者使用 INA188 輸出與參考電壓之間的差值生成積分信號(hào)。參考電壓由本參考設(shè)計(jì)中未包含的微控制器提供。

OP07C 的輸出連接到 LM5170-Q1 的 ISETA 引腳，它調(diào)節(jié)流經(jīng) 1mΩ 電阻的電流到電流基準(zhǔn)。電池電壓也可根據(jù)電壓參考進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)節(jié)。當(dāng)電池電壓沒(méi)有達(dá)到電壓參考值時(shí)，電池電流被控制在電流參考值。當(dāng)電池確實(shí)達(dá)到參考電壓時(shí)，電壓回路會(huì)覆蓋電流回路，電池電流增加到零。對(duì)電池充電或放電的電流方向由邏輯信號(hào)控制（在圖 2 中表示為“方向”）。該邏輯信號(hào)連接到 LM5170-Q1 的 DIR 引腳。它還通過(guò)模擬多路復(fù)用器控制 INA188 輸入信號(hào)方向。 

圖 2：用于電池測(cè)試系統(tǒng)的 50A、0.05% 電流精度電源參考設(shè)計(jì)框圖

圖 3 顯示了將電池從 1A 充電到 50A 時(shí)的電流精度。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示電流精度遠(yuǎn)優(yōu)于0.05%，證明了LM5170-Q1在BTS應(yīng)用中的能力。

圖 3：電池充電電流精度

表 1 顯示了不同參考電壓條件下的輸出電壓，與 0.05V-5V 參考電壓的電壓差距小于 0.5mV，這也適用于 BTS 應(yīng)用。

表 1：電壓控制精度

LM5170-Q1 非常適合需要在兩個(gè)電源之間進(jìn)行能量交換的應(yīng)用。其高驅(qū)動(dòng)電流、二極管仿真和逐周期峰值電流限制功能大大提高了電壓轉(zhuǎn)換效率，并在穩(wěn)定和瞬態(tài)期間提供了良好的保護(hù)。