电池测试设备 --- 信号链篇

只看该作者 · 2020-10-13 08:14

Stanley Ho
随着锂电池行业的兴起，电池测试设备的市场也变得庞大，其主要应用于3C电池与动力电池的化成分容。3C电池的串数少，实际使用对每串电池要求的一致性不高，而动力电池由于串数高达数百串，并且使用环境相对极端，为保证较长的使用寿命，相比3C电池在一致性上要求高的多，因此电池在分容中要求的电流精度较高，目前按照市场要求，保持0.02%的要求是电池测试设备生产商面临的设计挑战，为了争取更高的市场份额，对精度以及效率，功率密度等其他性能的追求也从未停歇。需要知道的是在电池设备中，主要分为三大部分，分别为双向AC-DC电能变换，数据处理单元，以及电池测试单元。本文主要剖析实现电池化成分容技术要点紧密相关的电池测试单元的信号链部分。
信号链由于电池测试设备要求输出电压电流精度较高，特别是动力电池测试系统，这就需要我们弄清每一级信号调理环节。典型框图如图1所示，由于第一级信号放大倍数在50~100范围，分流电阻压降较小，微伏级别的电压变化都会造成万分位的误差。

图1 电压环与电流环

第一级信号放大输入偏置电压造成的的直流误差在设备最后校准工序中可以消除掉，但是根据温度，输入输出条件而变化的误差却很难通过线性校准消除掉，第一级主要影响因素有：
1. 放大器的Input voltage offset drift
一般根据设备的温升值，选取合适的取值范围，通常应用场景如表一所示：
表1：典型应用环境

温升	50℃
输出电压	0~60A
供电电压	36V
分流电阻	1mΩ

电流检测采用仪表放大器INA821：温漂0.4 µV/°C
可以得知最大电流时，分流电阻压降60mV，温漂带来的INA821输出漂移为0.4*50=20 µV，此时误差为0.0333%，实际电路板的温升低于50℃，因此INA821在实际使用中也绝对占据较好的优势。同时也可以选型零温漂器件如INA188。

2. 放大器的共模抑制比CMRR
在高精度的电池测试设备中通常使用具有良好噪声环境高可靠性的高侧电流检测方法，由于共模电压较高，需要使用共模抑制比较高的放大器。首先，共模抑制比可以表示为

Ad为共模增益，Acm为差模增益，共模抑制比带来的误差可以表示为

Vin_cm输入共模电压，Vin_d为输入差模电压，共模误差似乎是一个可以被校准的误差，当共模电压不变时，这的确可以被软件校准抵消掉，而由于实际的分容电池电压是从0V增长到满电4.2V，此时共模电压随着充放电时间而变化，那么共模误差将会成为不可校准的误差了，此时需要选用CMRR较高的器件。在增益100倍时，根据式（1）（2）给出几种不同器件CMRR带来的误差：

型号	误差电压
INA826, INA129, INA128	420µV
INA821, INA828, INA188	42µV

3. 其他因素
其他无源器件的选择上如分流器等，也有采用温度补偿的方法可以降低温漂带来的误差，这里不做赘述。
当然也有存在一些厂家通过实现多段拟合的方法尽量降低校准时的非线性误差，但是由于批量生产时的一致性问题，这需要很大的工作量通过批量的数据校验，找出具有普适性的温漂多段校准折线，但是如果因为一致性的问题也容易导致出现过拟合误差。
第二级补偿器的设计补偿器中运算放大器这一级的增益10倍以内，补偿器的输出电压在1V以上，通常运放的噪声以及温漂都在微伏级别，造成的误差也只是十万分位的差值。由于电池测试设备所需要的输出动态响应不高，因此补偿器参数的设计只需要保证良好的稳态特性即—充足的相位裕度，较大补偿器的直流增益。
电流指令给定与数据采集小电流电池测试设备只需要一两片ADC与DAC可以解决整机的电流指令的传输与信息的采集，采用如图2所示的结构，多MUX的方案可以实现主控板ADC或DAC与测试通道1:128或者1:256的用量。

图2 MUX & ADC采样电路

由于前面提到系统软件校准技术，因此误差主要来源于ADC非线性误差INL，温漂，以及
考虑在小电流电池测试设备中，读取系统中所有通道的电压电流值的时间可以为秒的量级，因此需求的采样率不需要很快，但是为了满足千分之一的电流精度，需要bit位12bit以上的成本敏感型ADC，如：

	ADS1118	ADS1120	ADS1220
bit数	16	16	24
INL (Max ) (+/-LSB )	1	1.3	100
通道	4	4	4
采样率(Max ) (kSPS )	0.86	2	2
接口	SPI	SPI	SPI
架构	Delta-Sigma	Delta-Sigma	Delta-Sigma
输入类型	Differential	Differential	Differential
输入类型	Single-Ended	Single-Ended	Single-Ended

而大电流电池检测设备中，目前市面上新出厂的设备可达0.02%，那么需要ADC精度较高，且每通道采样率大于1kHz，提高系统的电压电流值刷新率，允许双极性差分输入的ADC提供更宽的电流变化范围，同时保证了从仪表放大器到ADC检测所有信号链中的参考均为地。采样速率低于100kHz时，delta-sigma的ADC较为常见使用：建议采用ADS131M08

	ADS131M08
bit位	24
每通道最高采样率	32KSPS
差分输入电压范围	±1.2V/Gain
零偏电压漂移	0.3 µV/°C
内置基准电压温漂	7.5ppm/°C