电池测试设备中电压和电流测量方法

一路上

介绍

电池测试设备用于在发货给客户之前验证电池组的功能和性能。本应用简介概述了电池测试仪执行的三个主要功能测试，同时展示了如何达到所需的调节误差水平。

图1. 传统电池测试设备框图

电池的形成和分级

电池单元或电池组组装后，每个单元必须经过至少一个完全受控的充电或放电循环来初始化设备，并将其转换为功能性电力存储设备。电池供应商也使用此过程对电池单元进行分级，即根据目标规格将细胞分成不同性能组的过程。如需更深入地了解电池初始化电路，请查看我们的双向电池初始化系统电源板参考设计。

循环和功能测试

循环和功能测试是指通过重复的充电和放电序列循环电池单元或电池组。这验证了电池的特性寿命和可靠性参数，以确保它们在定义的公差的指定范围内。

功能测试

功能测试验证电池组在发货给客户之前是否正常运行。这可确保每个电池单元和电池组正常工作。

电池测试设备中的放大器使用

在典型系统中，降压转换器用作电池充电的电源，升压转换器用于电池放电。传统的运算放大器 (Op Amps) 和仪表放大器 (INA) 都用于反馈环路，以控制充电和放电电压和电流。

为了给电池充电，降压转换器被启用，而第一级电压运算放大器和电流检测 INA 用于测量电池电压和电池单元或电池组的充电电流。无论电流流经检测电阻的方向如何，电流检测运算放大器和检测电阻之间的开关 s 都表明电流检测运算放大器的输入为正。这些调理信号分别用作电压环路或电流环路的第二级误差运算放大器的输入。

每个误差运算放大器的增益输出用作第三级缓冲器运算放大器的输入。缓冲运算放大器的输出馈入降压转换器的反馈引脚，以控制输出电压或电流。根据输出电流要求，升降压功能可以通过多种方式实现；

对于更高的电流要求，可以使用集成充电控制器和外部 FET。然而，对于成本敏感型系统中常见的较低电流要求，该功能可以分立实现，如图 2 所示。设计工程师可以通过调整误差运算放大器的正输入引脚上的 VV_ref 和 VI_ref 来调整降压转换器的目标输出电压和电流为最佳值。

在典型的电池充电应用中，电流环路误差运算放大器的输出电压开始为高电平，使降压转换器进入恒流输出。

在下一阶段，电压环路误差运算放大器的输出电压变高，使降压转换器进入恒压输出。 当电池放电时，升压转换器启用。 运算放大器控制电池放电电流和电压，其工作方式与电池充电时相同。 升压转换器将电池电压升压至 VDC，通常为 12 V。

图2. 电池测试设备典型放大器配置

系统和放大器要求

典型系统要求：

• 调节电流误差ERRIout = 0.1%
• 调节电压误差ERRVout = 0.5%
  

为实现上述要求，需要像 TLV07 那样具有低失调电压 (VOS)、低 VOS 温度漂移和高 CMRR 的运算放大器。

运算放大器与功率级形成一个闭环，误差运算放大器反相输入端的电压将非常接近参考电压 VV_ref 和 VI_ref，从而最大限度地减少来自大环路增益的误差。

由于主要误差来自电压和电流检测放大器，因此选择高精度放大器非常重要。

例如，如果所需的稳压输出电流目标 ISET 为 10A，电流检测电阻 RSENSE 为 20mΩ，则放大器的输入误差为：

如果所需的稳压输出电压设置为 VSET 4.2 V，则放大器的输入误差将为：

假设温度从 25°C 上升到 85°C 并且电池电压为 4 V，我们可以通过我们的低失调和低失调漂移运算放大器 TLV07 轻松计算实际误差。

使用上面的计算数字，很明显类似于 TLV07 的精密运算放大器是满足系统输出电流和电压误差要求的理想运算放大器。

对于我们的下一个示例，我们使用集成了所有反馈电阻器的 INA。提供 VOS_max = 150 μV 和 dVOS/dTmax = 0.5 μV/°C，非常适合在具有简化设计的系统中执行电流分流放大器功能。

如果系统需要更高的性能规格，电流和电压误差可以分别更改为 0.05% 和 0.1%。在这种情况下，可以使用精密 INA，例如零漂移 INA188。假设与上述示例的条件相同，温升为 60°C，VBAT 为 4 V，INA188 的实际误差为：VI_ERR_RTI= 67 μV 和 VV_ERR_RTI< = 4.2 mV

各级放大器参考电路

查看图 3 中所示的电压和电流检测参考电路，I+ 和 I- 贡献是由电流检测电阻器产生的。 B+ 和 B- 分量来自电池的正极和负极。由于实际电池电压可能高于 5 V，典型的运算放大器电源为 12 V。TLV07、INA188 和 INA125 均具有 36 V 最大值 (±18 V) 电源电压，满足系统要求。

由于电池电流在充电和放电循环期间可能接近于零，因此在第一级电流检测运算放大器中实施了双极电源，以避免电流检测信号被削波。 III 型补偿应用于误差运算放大器的每一级，分别使用 R12、C3、C4 和 R6、C1、C2。 为确保环路稳定性，应根据实际电源设计微调这些值。

图3. 高端应用中采用TLV07和INA188的电压和电流检测电路

结论

电压和电流感应是电池测试设备系统中最重要的两个测量。 此外，该应用最重要的参数特性是具有低电压偏移和漂移的精密运算放大器或 INA。 这些参数对于确保高性能传感同时最大限度地减少第一阶段对系统错误的影响至关重要。

表 1. 用于电池测试设备的三种运算放大器