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如何从源头掌控电动汽车锂电池的安全与精准

时间:2016-08-25 作者:邵乐峰 阅读:
在锂电池生产环节中,评定电池容量和性能是其中一个非常重要的环节
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在锂电池生产环节中,评定电池容量和性能是其中一个非常重要的环节。从主要用于手机、摄像机、混合动力汽车中的低容量(< 10A),到用于电脑、电动摩托车、电动汽车的中容量(10A-30A),再到用于电动汽车(30A-120A)的高容量锂电池,无一例外,都需要进行测试才能出厂使用。

根据ADI公司亚太区精密仪器业务部系统应用工程师李强的介绍,目前业界最常见的做法是对小容量电池采用线性测试设备进行测试,尽管效率低下,精准度也不高,但还是可以接受的。但如果把这种测试设备也同样用于高容量电池测试,那就会在充电阶段消耗大量功率,导致效率低下,而且会给设备硬件设计带来相当严重的热问题。

为此,ADI在专为低、中、高三种容量锂电池分容化成设备制定的AD8450/1精密模拟前端与控制器以及ADP1972降压/升压PWM控制器中,摒弃了以往将电池能量放电至阻性负载的线性架构,转而通过使用PWM控制器提供电流,并将其引导回电网或对其他电池充电,实现了高效环保的目的。

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测试数据显示,充电模式下,在当电压为3.5V时,20A的效率值为88%,10A的效率值为90%;而在放电模式下,在当电压为3V时,20A的效率值为89%,10A的效率值为92%。

除了效率,锂电池生产厂商更关心的是成本和可靠性。李强说,市场上锂电池测试方案也有分立器件组合方案,可能会用到十个以上的器件。而ADI这套解决方案只用到了AD8450/1和ADP1972两颗芯片,高度集成,设计尺寸大大减小。并且通过将开关频率提高到300KHz、在多个通道间共享成本更低的高精度DAC和ADC、在通道间加入相移同步可减少输入滤波等做法,降低了总系统成本。同时,ADI还为用户提供设计工具和全部参考设计,最大程度降低开发成本和设计难度,缩短开发周期。
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ADI解决方案系统结构框图

如何实现多个通道间共享DAC和ADC?

上图包含两种功能:一是对电池充电,二是对电池放电,这由AD8450/1和ADP1972的模式信号决定。每个功能有两种模式:恒流(CC)模式和恒压(CV)模式。两个DAC通道控制CC和CV设定点。CC设定点决定充电和放电两个功能的CC模式下环路中有多少电流。CV设定点决定环路从CC进入CV时的电池电位,同样适用于充电和放电两个功能。

精密模拟前端和控制器AD8450/1利用内部差动放大器PGDA测量电池电压,并利用内部仪表放大器PGIA和外部分流电阻(RS)测量电池上的电流。然后,它通过内部误差放大器和外部补偿网络(用于确定环路功能是CC还是CV),将该电流和电压与DAC设定点相比较。在该模块之后,误差放大器的输出进入PWM控制器ADP1972,以确定MOSFET功率级的占空比。最后是构成完整环路的电感和电容。本部分的说明针对充电和放电两个功能,因为ADP1972是降压和升压PWM控制器。

本方案中,ADC获得环路电压和电流的读数,但它不是控制环路的一部分。扫描速率与控制环路的性能无关,因此一个ADC就能测量多通道系统中大量通道的电流和电压。DAC也是如此,因而可以使用低成本DAC来设置多个通道。此外,单个处理器只需控制CV和CC设定点、工作模式及管理功能,因而它可以与许多通道接口。
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ADI AD8450/1和ADP1972演示版框图

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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