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ADI:精细模仿控制器优化高效率锂离子电池制作

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 节能和环保在我们的日常生活中扮演着重要的角色;

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

节能和环保在咱们的日常日子中扮演着重要的人物;而跟着价格亲民的混合动力轿车和电动轿车的发布,人们的这些认识进一步得到了进步。这两项技能均运用许多充电电池,其间高质量、高功率的锂离子电池单元代表了现在为止最佳的处理计划。这些电池广泛用于笔记本电脑、手机、数码相机、摄像机和其他便携式设备中,但出产功率并未成为一个首要问题,由于这些电池的容量较低,一般为每单元或每组低于5 安时(Ah)。一个典型的电池组由不到一打的电池单元组成,因而匹配也不是什么重要问题。

完结节能的一种办法是在非顶峰时段贮存电能,弥补顶峰时分的 用电需求。用于车辆或电能存储的电池具有高得多的容量,一般 为几百Ah。这是经过许多小型电池单元或一些高容量电池来完结 的。例如,某种类型的电动轿车选用大约6800 个18650 锂离子电 池单元,重达450 kg。由于这个原因,电池出产需求制作速度更 快、功率更高以及操控更准确以满意商场的价格需求。

锂离子电池制作概述

图1 显现锂离子电池制作进程。下线调度进程中的电池化成和测验不仅对电池寿数和质量发作极大影响,仍是电池出产工艺瓶颈。

Figure 1
图1. 锂离子电池制作进程

就现在的技能来说,有必要在电池单元级完结化成,这或许需耗时数小时乃至数天,详细取决于电池化学特性。在化成时一般选用0.1 C(C 是电池容量)电流,因而一次完好的充放电循环将需求 20 小时。化成可占到电池总本钱的20%至30%。

电气测验一般运用1 C 充电电流和0.5 C 放电电流,这样每次循环仍然需求一小时的电池充电时刻和两小时放电时刻,且一个典型的测验序列包含多个充放电周期。

化成和电气测验具有严厉的精度规范,电流和电压操控在±0.05%以内。作为比较,为便携式设备(比方手机和笔记本电脑)的电池充电时,精度或许仅为±0.5%(电压)和±10%(电流)。图2 显现典型的锂离子充放电曲线。

Figure 2
图2. 典型锂离子电池充放电曲线

线性或开关化成及测验体系

挑选制作办法时,需考虑到的最重要要素是成效、体系精度和本钱。当然,其他要素——比方小尺度和易于保护——也十分重要。

为满意电池制作中的高精度要求,体系规划人员本来会选用线性电压调节器;这样做能够轻松满意精度要求,但功率较低。用在低容量电池出产或许是一个较好的挑选,但某些制作商仍然能够 选用开关技能来凸显他们的优势。终究决议计划将是功率、通道本钱和电流之间的取舍。原则上讲,开关技能能够以相同的单通道本钱为容量超越3 Ah 电池单元供给更高的功率。表1 显现各类电池单元的功率容量和终究用处。

表1. 线性和开关体系比照

电池尺度  
容量(Ah) 10 至1530 至100
运用手机、数码相机、摄像机 HEV、EV、滑板车
通道数~512~76816 to 64
技能要求较低温度和时刻漂移随温度和时刻改动的精度 较高随温度和时刻改动的精度最高
均流功用
测验仪拓扑线性
功率较低
线性或开关
开关是趋势
开关;功率较高
动力循环运用

为了以更低的本钱更快地出产电池,体系在化成和测验阶段运用 了成百上千的通道,其测验仪拓扑取决于体系的总动力容量。测验仪中的大电流会导致温度大幅上升,添加随时刻推移而坚持高丈量精度和可重复性的难度。

在放电阶段,保存的电能有必要要有当地能够输出。一个处理办法是把电池放电到阻性负载,将电能转化为热能而糟蹋。一个更好的处理计划是循环运用这些电能,经过精细操控电路将电流从放 电电池单元馈入另一组充电电池单元中。这项技能能够明显进步测验仪功率。

一般来说,经过每个电池单元的直流总线和双向PWM 转换器,可完结电能平衡。直流总线电压与特定体系有关,电压值能够是12 V、24 V 乃至高达350 V。关于相同的电量而言,由于存在导 通电阻,较低的电压总线具有较高的电流和较高的损耗。较高的电压会发作安全性方面的额定忧虑,而且需求运用本钱昂扬的电源和阻隔电子器材。

图3 显现可完结电能循环的典型开关拓扑。各电池单元之间(赤色途径)或各电池单元之间的直流链路总线(绿色途径)可完结电能的循环运用,也可将其回来电网(紫色途径)。这些灵敏的 高功率规划可下降出产本钱,并取得90%以上的功率。

Figure 3
图3. 运用电源循环功用切换体系

尽管这项技能具有许多优点,但也存在一些技能难题。电压和电流操控环路速度有必要足够高,而且有必要能随时刻和温度的改动坚持高精度。运用空气冷却或水冷却会有所协助,但选用低漂移电 路更为重要。该体系包含开关电源,因而有必要以合理的本钱按捺电源纹波。别的最大程度缩短体系校按时刻也很重要,由于体系关断进行校按时不会发作收益。

操控环路规划:模仿或数字

每个体系都供给一个电压操控环路,还有一个电流操控环路,如图4 所示。关于轿车中运用的电池单元,轿车加快时需求快速斜升电流,因而测验时有必要对其进行仿真。快速改动速率和宽动态规模让电流操控环路的规划变得十分扎手。

Figure 4
图4. 电池制作体系中的操控环路

一个体系需求四个不同的操控环路,这些环路可在模仿域或数字域中完结:恒流(CC)充电、CC 放电、恒压(CV)充电和CV 放电。需洁净地切换CC 和CV 形式,无毛刺或尖峰。

图5 显现数字操控环路的框图。微操控器或DSP 接连采样电压和电流;数字算法决议PWM 功率级的占空比。这种灵敏的方法答应进行现场晋级和过错修正,但有一些缺陷。ADC 采样速率有必要 超越环路带宽的两倍,大部分体系采样速率为环路带宽的10 倍。这意味着,双极性输入ADC 有必要作业在100 kSPS,才干选用单个转换器和分流电阻包含充电和放电形式。某些规划人员在速度和精度更高的体系中选用16 位、250 kSPS ADC。作为操控环路的一部分,ADC 精度决议了体系的全体精度,因而挑选高速、低 推迟、低失真的ADC 很重要,比方6 通道、16 、250 kSPSAD7656.

Figure 5
图5. 数字操控环路

在多通道体系中,每个通道一般要求运用一个微操控器和一组专用ADC。微操控器处理数据收集、数字操控环路、PWM 生成、操控和通讯功用,因而它有必要具有十分高的处理才能。此外,由 于处理器有必要处理多个并行使命,PWM 信号中的颤动或许会引起问题,尤其是PWM 占空比较低时。作为操控环路的一部分,微处理器会影响环路带宽。

图6 中的电池测验体系选用模仿操控环路。两个DAC 通道操控CC 和CV 设定点。AD8450/AD8451 用于电池测验与化成体系的精细模仿前端和操控器可丈量电池电压和电流,并与设定点进行比较。CC 和CV 环路决议MOSFET 功率级的占空比形式从充 电变为放电后,丈量电池电流的外表放大器的极性转,以确保 其输出为正,一起在CC 和CV 放大器内部切换可挑选正确的补偿网络。整个功用经过单引脚运用规范数字逻辑操控。

Figure 6
图6. 模仿操控环路

在此计划中,ADC 监测体系,但它不属于操控环路的一部分。扫描速率与操控环路功用无关,因而在多通道体系中,单个ADC 可丈量许多通道上的电流和电压。关于DAC 而言相同如此,因而针对多个通道可选用低本钱DAC。此外,单个处理器只需操控CV和CC 设定点、作业形式和办理功用,因而它能与多通道完结接口。处理器不决议操控环路功用,因而并不要求高功用。

ADP1972 PWM 发作器运用单引脚操控降压或升压作业形式。模 拟操控器和PWM 发作器之间的接口由不受颤动影响的低阻抗模仿信号构成;而颤动会使数字环路发作问题。表2 显现模仿环路比较数字环路怎么供给更高的功用和更低的本钱。

表2. 模仿和数字操控环路比较

数字处理计划模仿处理计划模仿优势
环路带宽随放大器、ADC、微处理器而变 20 kHz,250 kSPS ADC取决于放大器;
1.5 MHz(AD845x,G = 26)
更快地操控
精度0.05%或更差;
详细取决于ADC 和算法
0.04%或更佳;
详细取决于AD845x depends on AD845x
更高精度
开关频率详细取决于算法和微处理器速度;有低频颤动高达300 kHz;详细取决于ADP1972
洁净的PWM 输出
本钱较低的电源处理计划
能效在资源和降压/升压开关频率之间权衡取舍90%+;芯片组无限制更高的功率
功率电子器材大尺度、高本钱元器材 小尺度、低本钱元器材尺度更小、本钱更低
转换器共用 无;高本钱,专用器材
双极性输入ADC
有;多通道,低电压
单极性ADC
本钱更低
全体处理计划高本钱ADC 和功率电子器材许多软件投入低本钱ADC 和功率电子器材无需软件硬件、校准和运作本钱更低;功用更高

特定温度规模内的体系精度

校准可除掉大部分初始体系差错。余下的差错包含:放大器CMRR、DAC(用于操控电流和电压设定点)非线性和温度漂移形成的差错。制作商指定的温度规模各有不同,但最常见的是25°C ±10°C,本文即以此为例。

本规划中运用的电池,彻底放电后电压为2.7 V,彻底充电后电压为4.2 V;运用5 mΩ分流电阻的满量程电流为12 A;用于。AD8450的电流检测放大器的增益为66;用来丈量电池电压差动放大器 增益为0.8。

总体系差错中,电流检测电阻漂移占了适当一部分。Vishay 大金属电阻;器材类型:Y14880R00500B9R,最大温度系数为15ppm/°C,可削减漂移。AD5689 双通道、16 位nanoDAC+模 转换器,最大INL 额定值为2 LSB,可下降非线性度。ADR45404.096 V 基准电压源,最大温度系数额定值为4 ppm/°C,是在电流和电压设定点之间进行取舍后的抱负挑选。经电流检测放大器以66 倍衰减后,DAC INL 会使满量程差错添加约32 ppm,基准电 压源引进的增益差错为40 ppm。

电流检测放大器在增益为66 时的CMRR 最小值为116 dB。假如体系针对2.7 V 电池进行校准,则4.2 V 电池将发作40 ppm 满量程差错。此外,CMRR 改动为0.01 μV/V/°C,或许0.1μV/V(10°C 温度规模)。电流检测放大器的失调电压漂移最大值为0.6 μV/°C,因而10°C 温度偏移将发作6 μV 失调,或许100 ppm 满量程差错。

最终,电流检测放大器的增益漂移最大值为3 ppm/°C,而总漂移为30 ppm(10°C 规模内)。检测电阻漂移为15ppm/°C,因而一共添加150 ppm 增益漂移(10°C 规模内)。表3 总结了这些差错 源,它们发作的总满量程差错缺乏0.04%。该差错很大一部分来源于分流电阻,因而必要时能够选用漂移值较低的分流电阻,以改进体系精度。

表3. 10ºC 规模内的电流丈量差错

差错源 差错 单位
AD5689R INL31ppm FS
AD8450 CMRR40ppm FS
AD8450 失调漂移100ppm FS
AD8450 CMRR漂移3ppm FS
总失调差错174ppm FS
ADR4540A 漂移40ppm 读数
AD8450 增益漂移30ppm 读数
分流电阻漂移150ppm 读数
总增益漂移220ppm 读数
总差错0.039% FS

类似地,关于电压输入而言,2 LSB DAC INL 适当于折合到5.12 V满量程输入的31 ppm 差错。若电池电压在2.7 V 和4.2 V 规模内改动,那么差动放大器的78.1 dB CMRR 将发作187 μV 失调差错,或许36.5 ppm 满量程差错。来自CMRR 漂移的额定差错远低于1ppm,能够疏忽。

差动放大器的失调漂移为5 μV/°C,或许10 ppm 满量程差错(10°C规模内)。差动放大器的增益漂移为3 ppm/°C,或许30 ppm(10°C 规模内)。基准电压漂移为40 ppm(10°C 规模)。总电压差错最大值为0.015%,如表4 所总结。

表4. 10ºC 规模内的电压丈量差错

差错源差错单位
AD5689R INL31ppm FS
AD8450 CMRR36ppm FS
AD8450 失调漂移10ppm FS
AD8450 CMRR 漂移可疏忽ppm FS
总失调差错77ppm FS
ADR4540A 漂移40ppm 读数
AD8450 增益漂移30ppm 读数
总增益漂移70ppm 读数
总差错0.015% FS

完结高精度电流丈量要比高精度电压丈量困难得多,由于信号电平更小而动态规模更宽。分流电阻和外表放大器失调漂移随温度 发作的差错最大。

削减校按时刻

体系校按时刻可达每通道数分钟,因而削减校按时刻便可下降制作本钱。若每通道需3 分钟,则96 通道体系便需求4.8 小时来履行校准。电压和电流丈量途径有所不同,由于电流极性会发作改动,且失谐和增益差错在各种形式下均有所不同,因而需独自校 准。若没有低漂移元件,就有必要针对每一个形式进行温度校准,导致校按时刻十分长。

当 AD845x在充电和放电形式之间切换时,内部多路复用器将在抵达外表放大器和其他信号调度电路之前改动电流极性。因而, 外表放大器将一直取得相同的信号,不管处于充电仍是放电形式,且增益差错在两种形式下均相同,如图7 所示。多路复用器的电阻在充电和放电两种形式下不同,但外表放大器的高输入阻抗使得此差错可疏忽不计。

从体系规划视点而言,两种形式下具有相同的失谐和增益差错意味着单次校准可消除充电和放电形式下的初始差错,使校按时刻折半。此外,AD845x 具有极低漂移,对其进行单次室温校准即可, 无需在不同温度下进行校准。考虑到整个体系寿数期间所需的校准,节约的时刻可转化为本钱的大幅下降。

削减纹波

从线性拓扑转换到开关拓扑后,体系规划人员面对的问题之一是电压和电流信号中的纹波。每一个开关电源体系都会发作一些纹波,但在高功率、低本钱要求的PC 和其他大用量电源办理运用中稳压器模块的推进,技能革新十分快。精心规划电路和PCB 布局, 能够削减纹波,使得开关电源能够为一个16 位ADC 供电而不会下降其功用,详见AN-1141 运用笔记用开关稳压器为双电源精细 ADC 供电。此外,ADP1878同步降压操控器数据手册供给有关高功率运用的更多信息。大部分开关电源运用单级LC 滤波器,但 若需求更佳的纹波和更高的体系精度,则双级LC 滤波器将有所协助。

均流操控

AD8450支撑便利的纯模仿均流,是结合多通道完结高容量电池化成和测验的快速、高性价比之选。例如,能够运用一个5 V、20 A单通道规划,三个相同的通道均流后可发作5 V、60 A 体系。选用AD8450 和一些无源器材即可完结均流总线和操控电路。与单通道规划比较,这是一种高性价比方法,由于能够运用低本钱功率电子器材,无额定开发时刻。概况可拜见AD8450 数据手册。

Figure 7
图7. AD845x 在充电和放电形式下具有相同的失谐和斜率

定论

AD8450, AD8451, and ADP1972简化体系规划,具有优于0.05%的 体系精度和超越90%的能效,有助于处理可充电电池制作瓶颈问题,一起为环保技能的遍及做出奉献。开关电源可为现代可充电电池的制作供给高功用、高性价比处理计划。

参阅电路

Wang, Jianqiang, 等人, “”高容量单体锂离子电池充放电体系研究”.” PEDS2009.

Wolter, M, 等人, ” “锂离子电池出产线中的下线测验与化成工艺”” 第9 届体系、信号和设备世界多方会议,2012 IEEE。

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