Other Parts Discussed in Post: INA821, INA188, INA826, INA129, INA128, INA828, ADS131M08
Stanley Ho
隨著鋰電池行業(yè)的興起，電池測試設(shè)備的市場也變得龐大，其主要應(yīng)用于3C電池與動力電池的化成分容。3C電池的串?dāng)?shù)少，實際使用對每串電池要求的一致性不高，而動力電池由于串?dāng)?shù)高達數(shù)百串，并且使用環(huán)境相對極端，為保證較長的使用壽命，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，目前按照市場要求，保持0.02%的要求是電池測試設(shè)備生產(chǎn)商面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)，為了爭取更高的市場份額，對精度以及效率，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，以及電池測試單元。本文主要剖析實現(xiàn)電池化成分容技術(shù)要點緊密相關(guān)的電池測試單元的信號鏈部分。
信號鏈
由于電池測試設(shè)備要求輸出電壓電流精度較高，特別是動力電池測試系統(tǒng)，這就需要我們弄清每一級信號調(diào)理環(huán)節(jié)。典型框圖如圖1所示，由于第一級信號放大倍數(shù)在50~100范圍，分流電阻壓降較小，微伏級別的電壓變化都會造成萬分位的誤差。
圖1 電壓環(huán)與電流環(huán)
第一級信號放大
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)用場景如表一所示：
表1：典型應(yīng)用環(huán)境
溫升 | 50℃ |
輸出電壓 | 0~60A |
供電電壓 | 36V |
分流電阻 | 1mΩ |
電流檢測采用儀表放大器INA821：溫漂0.4 μV/°C
可以得知最大電流時，分流電阻壓降60mV，溫漂帶來的INA821輸出漂移為0.4*50=20 μV，此時誤差為0.0333%，實際電路板的溫升低于50℃，因此INA821在實際使用中也絕對占據(jù)較好的優(yōu)勢。同時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
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
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可以被校準(zhǔn)的誤差，當(dāng)共模電壓不變時，這的確可以被軟件校準(zhǔn)抵消掉，而由于實際的分容電池電壓是從0V增長到滿電4.2V，此時共模電壓隨著充放電時間而變化，那么共模誤差將會成為不可校準(zhǔn)的誤差了，此時需要選用CMRR較高的器件。在增益100倍時，根據(jù)式（1）（2）給出幾種不同器件CMRR帶來的誤差：
型號 | 誤差電壓 |
INA826, INA129, INA128 | 420μV |
INA821, INA828, INA188 | 42μV |
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現(xiàn)多段擬合的方法盡量降低校準(zhǔn)時的非線性誤差，但是由于批量生產(chǎn)時的一致性問題，這需要很大的工作量通過批量的數(shù)據(jù)校驗，找出具有普適性的溫漂多段校準(zhǔn)折線，但是如果因為一致性的問題也容易導(dǎo)致出現(xiàn)過擬合誤差。
第二級補償器的設(shè)計
補償器中運算放大器這一級的增益10倍以內(nèi)，補償器的輸出電壓在1V以上，通常運放的噪聲以及溫漂都在微伏級別，造成的誤差也只是十萬分位的差值。由于電池測試設(shè)備所需要的輸出動態(tài)響應(yīng)不高，因此補償器參數(shù)的設(shè)計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
小電流電池測試設(shè)備只需要一兩片ADC與DAC可以解決整機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的方案可以實現(xiàn)主控板ADC或DAC與測試通道1:128或者1:256的用量。
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試設(shè)備中，讀取系統(tǒng)中所有通道的電壓電流值的時間可以為秒的量級，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：
| ADS1118 | ADS1120 | ADS1220 |
bit數(shù) | 16 | 16 | 24 |
INL (Max ) (+/-LSB ) | 1 | 1.3 | 100 |
通道 | 4 | 4 | 4 |
采樣率(Max ) (kSPS ) | 0.86 | 2 | 2 |
接口 | SPI | SPI | SPI |
架構(gòu) | Delta-Sigma | Delta-Sigma | Delta-Sigma |
輸入類型 | Differential | Differential | Differential |
Single-Ended | Single-Ended | Single-Ended |
而大電流電池檢測設(shè)備中，目前市面上新出廠的設(shè)備可達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，同時保證了從儀表放大器到ADC檢測所有信號鏈中的參考均為地。采樣速率低于100kHz時，delta-sigma的ADC較為常見使用：建議采用ADS131M08
| ADS131M08 |
bit位 | 24 |
每通道最高采樣率 | 32KSPS |
差分輸入電壓范圍 | ±1.2V/Gain |
零偏電壓漂移 | 0.3 μV/°C |
內(nèi)置基準(zhǔn)電壓溫漂 | 7.5ppm/°C |
參考文獻：
電池測試設(shè)備-參考設(shè)計及 產(chǎn)品
簡化電池測試設(shè)備中的電壓和電流測量
