如何從源頭掌控電動(dòng)汽車鋰電池的精準(zhǔn)與安全

在鋰電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，評定電池容量和性能是其中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。從主要用于手機(jī)、攝像機(jī)、混合動(dòng)力汽車中的低容量(《 10A)，到用于電腦、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車的中容量(10A-30A)，再到用于電動(dòng)汽車(30A-120A)的高容量鋰離子電池，無一例外，都需要進(jìn)行測試才能出廠使用。

根據(jù)ADI公司亞太區(qū)精密儀器業(yè)務(wù)部系統(tǒng)應(yīng)用工程師李強(qiáng)的介紹，目前業(yè)界最常見的做法是對小容量電池采用線性測試設(shè)備進(jìn)行測試，盡管效率低下，精準(zhǔn)度也不高，但還是可以接受的。但如果把這種測試設(shè)備也同樣用于高容量電池測試，那就會在充電階段消耗大量功率，導(dǎo)致效率低下，而且會給設(shè)備硬件設(shè)計(jì)帶來相當(dāng)嚴(yán)重的熱問題。

為此，ADI在專為低、中、高三種容量鋰電池分容化成設(shè)備制定的AD8450/1精密模擬前端與控制器以及ADP1972降壓/升壓PWM控制器中，摒棄了以往將電池能量放電至阻性負(fù)載的線性架構(gòu)，轉(zhuǎn)而通過使用PWM控制器提供電流，并將其引導(dǎo)回電網(wǎng)或?qū)ζ渌姵爻潆?，?shí)現(xiàn)了高效環(huán)保的目的。

測試數(shù)據(jù)顯示，充電模式下，在當(dāng)電壓為3.5V時(shí)，20A的效率值為88%，10A的效率值為90%;而在放電模式下，在當(dāng)電壓為3V時(shí)，20A的效率值為89%，10A的效率值為92%。除了效率，鋰電池企業(yè)更關(guān)心的是成本和可靠性。李強(qiáng)說，市場上鋰電池測試方案也有分立器件組合方案，可能會用到十個(gè)以上的器件。而ADI這套解決方案只用到了AD8450/1和ADP1972兩顆芯片，高度集成，設(shè)計(jì)尺寸大大減小。并且通過將開關(guān)頻率提高到 300KHz、在多個(gè)通道間共享成本更低的高精度DAC和ADC、在通道間加入相移同步可減少輸入濾波等做法，降低了總系統(tǒng)成本。同時(shí)，ADI還為用戶提供設(shè)計(jì)工具和全部參考設(shè)計(jì)，最大程度降低開發(fā)成本和設(shè)計(jì)難度，縮短開發(fā)周期。

ADI解決方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道間共享DAC和ADC?

上圖包含兩種功能：一是對電池充電，二是對電池放電，這由AD8450/1和ADP1972的模式信號決定。每個(gè)功能有兩種模式：恒流(CC)模式和恒壓(CV)模式。兩個(gè)DAC通道控制CC和CV設(shè)定點(diǎn)。CC設(shè)定點(diǎn)決定充電和放電兩個(gè)功能的CC模式下環(huán)路中有多少電流。CV設(shè)定點(diǎn)決定環(huán)路從CC進(jìn)入 CV時(shí)的電池電位，同樣適用于充電和放電兩個(gè)功能。

精密模擬前端和控制器AD8450/1利用內(nèi)部差動(dòng)放大器PGDA測量電池電壓，并利用內(nèi)部儀表放大器PGIA和外部分流電阻(RS)測量電池上的電流。然后，它通過內(nèi)部誤差放大器和外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(用于確定環(huán)路功能是CC還是CV)，將該電流和電壓與DAC設(shè)定點(diǎn)相比較。在該模塊之后，誤差放大器的輸出進(jìn)入PWM控制器ADP1972，以確定MOSFET功率級的占空比。最后是構(gòu)成完整環(huán)路的電感和電容。本部分的說明針對充電和放電兩個(gè)功能，因?yàn)锳DP1972是降壓和升壓PWM控制器。

本方案中，ADC獲得環(huán)路電壓和電流的讀數(shù)，但它不是控制環(huán)路的一部分。掃描速率與控制環(huán)路的性能無關(guān)，因此一個(gè)ADC就能測量多通道系統(tǒng)中大量通道的電流和電壓。DAC也是如此，因而可以使用低成本DAC來設(shè)置多個(gè)通道。此外，單個(gè)處理器只需控制CV和CC設(shè)定點(diǎn)、工作模式及管理功能，因而它可以與許多通道接口。

ADI AD8450/1和ADP1972演示版框圖