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電池測(cè)試設(shè)備 --- 信號(hào)鏈篇

發(fā)布時(shí)間:2020-10-01 來源:Stanley Ho 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著鋰電池行業(yè)的興起,電池測(cè)試設(shè)備的市場(chǎng)也變得龐大,其主要應(yīng)用于3C電池與動(dòng)力電池的化成分容。3C電池的串?dāng)?shù)少,實(shí)際使用對(duì)每串電池要求的一致性不高,而動(dòng)力電池由于串?dāng)?shù)高達(dá)數(shù)百串,并且使用環(huán)境相對(duì)極端,為保證較長(zhǎng)的使用壽命,相比3C電池在一致性上要求高的多,因此電池在分容中要求的電流精度較高,目前按照市場(chǎng)要求,保持0.02%的要求是電池測(cè)試設(shè)備生產(chǎn)商面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),為了爭(zhēng)取更高的市場(chǎng)份額,對(duì)精度以及效率,功率密度等其他性能的追求也從未停歇。需要知道的是在電池設(shè)備中,主要分為三大部分,分別為雙向AC-DC電能變換,數(shù)據(jù)處理單元,以及電池測(cè)試單元。本文主要剖析實(shí)現(xiàn)電池化成分容技術(shù)要點(diǎn)緊密相關(guān)的電池測(cè)試單元的信號(hào)鏈部分。 
 
信號(hào)鏈
 
由于電池測(cè)試設(shè)備要求輸出電壓電流精度較高,特別是動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng),這就需要我們弄清每一級(jí)信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)。典型框圖如圖1所示,由于第一級(jí)信號(hào)放大倍數(shù)在50~100范圍,分流電阻壓降較小,微伏級(jí)別的電壓變化都會(huì)造成萬分位的誤差。
 
 
電池測(cè)試設(shè)備 --- 信號(hào)鏈篇
圖1 電壓環(huán)與電流環(huán)
 
第一級(jí)信號(hào)放大
 
輸入偏置電壓造成的的直流誤差在設(shè)備最后校準(zhǔn)工序中可以消除掉,但是根據(jù)溫度,輸入輸出條件而變化的誤差卻很難通過線性校準(zhǔn)消除掉,第一級(jí)主要影響因素有:
 
1. 放大器的Input voltage offset drift
 
一般根據(jù)設(shè)備的溫升值,選取合適的取值范圍,通常應(yīng)用場(chǎng)景如表一所示:
 
表1:典型應(yīng)用環(huán)境
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電流檢測(cè)采用儀表放大器INA821:溫漂0.4 µV/°C
 
可以得知最大電流時(shí),分流電阻壓降60mV,溫漂帶來的INA821輸出漂移為0.4*50=20 µV,此時(shí)誤差為0.0333%,實(shí)際電路板的溫升低于50℃,因此INA821在實(shí)際使用中也絕對(duì)占據(jù)較好的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)也可以選型零溫漂器件如INA188。
 
2. 放大器的共模抑制比CMRR
 
在高精度的電池測(cè)試設(shè)備中通常使用具有良好噪聲環(huán)境高可靠性的高側(cè)電流檢測(cè)方法,由于共模電壓較高,需要使用共模抑制比較高的放大器。首先,共模抑制比可以表示為
 
電池測(cè)試設(shè)備 --- 信號(hào)鏈篇
 
Ad為共模增益,Acm為差模增益,共模抑制比帶來的誤差可以表示為
 
電池測(cè)試設(shè)備 --- 信號(hào)鏈篇
 
Vin_cm輸入共模電壓,Vin_d為輸入差模電壓,共模誤差似乎是一個(gè)可以被校準(zhǔn)的誤差,當(dāng)共模電壓不變時(shí),這的確可以被軟件校準(zhǔn)抵消掉,而由于實(shí)際的分容電池電壓是從0V增長(zhǎng)到滿電4.2V,此時(shí)共模電壓隨著充放電時(shí)間而變化,那么共模誤差將會(huì)成為不可校準(zhǔn)的誤差了,此時(shí)需要選用CMRR較高的器件。在增益100倍時(shí),根據(jù)式(1)(2)給出幾種不同器件CMRR帶來的誤差:
 
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3. 其他因素
 
其他無源器件的選擇上如分流器等,也有采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒梢越档蜏仄瘞淼恼`差,這里不做贅述。
 
當(dāng)然也有存在一些廠家通過實(shí)現(xiàn)多段擬合的方法盡量降低校準(zhǔn)時(shí)的非線性誤差,但是由于批量生產(chǎn)時(shí)的一致性問題,這需要很大的工作量通過批量的數(shù)據(jù)校驗(yàn),找出具有普適性的溫漂多段校準(zhǔn)折線,但是如果因?yàn)橐恢滦缘膯栴}也容易導(dǎo)致出現(xiàn)過擬合誤差。
 
第二級(jí)補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)
 
補(bǔ)償器中運(yùn)算放大器這一級(jí)的增益10倍以內(nèi),補(bǔ)償器的輸出電壓在1V以上,通常運(yùn)放的噪聲以及溫漂都在微伏級(jí)別,造成的誤差也只是十萬分位的差值。由于電池測(cè)試設(shè)備所需要的輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)不高,因此補(bǔ)償器參數(shù)的設(shè)計(jì)只需要保證良好的穩(wěn)態(tài)特性即—充足的相位裕度,較大補(bǔ)償器的直流增益。
 
電流指令給定與數(shù)據(jù)采集
 
小電流電池測(cè)試設(shè)備只需要一兩片ADC與DAC可以解決整機(jī)的電流指令的傳輸與信息的采集,采用如圖2所示的結(jié)構(gòu),多MUX的方案可以實(shí)現(xiàn)主控板ADC或DAC與測(cè)試通道1:128或者1:256的用量。
 
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圖2 MUX & ADC采樣電路
 
由于前面提到系統(tǒng)軟件校準(zhǔn)技術(shù),因此誤差主要來源于ADC非線性誤差I(lǐng)NL,溫漂,以及
 
考慮在小電流電池測(cè)試設(shè)備中,讀取系統(tǒng)中所有通道的電壓電流值的時(shí)間可以為秒的量級(jí),因此需求的采樣率不需要很快,但是為了滿足千分之一的電流精度,需要bit位12bit以上的成本敏感型ADC,如:
 
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而大電流電池檢測(cè)設(shè)備中,目前市面上新出廠的設(shè)備可達(dá)0.02%,那么需要ADC精度較高,且每通道采樣率大于1kHz,提高系統(tǒng)的電壓電流值刷新率,允許雙極性差分輸入的ADC提供更寬的電流變化范圍,同時(shí)保證了從儀表放大器到ADC檢測(cè)所有信號(hào)鏈中的參考均為地。采樣速率低于100kHz時(shí),delta-sigma的ADC較為常見使用:建議采用ADS131M08
 
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參考文獻(xiàn):
 
1.電池測(cè)試設(shè)備-參考設(shè)計(jì)及 產(chǎn)品
 
2.簡(jiǎn)化電池測(cè)試設(shè)備中的電壓和電流測(cè)量
 
 
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