精密模拟控制器优化高效率锂离子电池制造

12 V、24 V 甚至高达350 V。对于同样的电量而言，由于存在导 通电阻，较低的电压总线具有较高的电流和较高的损耗。较高的电压会产生安全性方面的额外担忧，并且需要使用成本高昂的电源和隔离电子器件。

图3 显示可实现电能循环的典型开关拓扑。各电池单元之间（红色路径）或各电池单元之间的直流链路总线（绿色路径）可实现电能的循环利用，也可将其返回电网（紫色路径）。这些灵活的 高效率设计可降低生产成本，并获得90%以上的效率。

图3. 利用电源循环功能切换系统

虽然这项技术具有很多好处，但也存在一些技术难题。电压和电流控制环路速度必须足够高，并且必须能随时间和温度的变化保持高精度。使用空气冷却或水冷却会有所帮助，但采用低漂移电 路更为重要。该系统包括开关电源，因此必须以合理的成本抑制电源纹波。另外最大程度缩短系统校准时间也很重要，因为系统关断进行校准时不会产生收益。

控制环路设计：模拟或数字
每个系统都提供一个电压控制环路，还有一个电流控制环路，如图4 所示。对于汽车中使用的电池单元，汽车加速时需要快速斜升电流，因此测试时必须对其进行仿真。快速变化速率和宽动态范围让电流控制环路的设计变得十分棘手。

图4. 电池制造系统中的控制环路

一个系统需要四个不同的控制环路，这些环路可在模拟域或数字域中实现：恒流(CC)充电、CC 放电、恒压(CV)充电和CV 放电。需干净地切换CC 和CV 模式，无毛刺或尖峰。

图5 显示数字控制环路的框图。微控制器或DSP 连续采样电压和电流；数字算法决定PWM 功率级的占空比。这种灵活的方式允许进行现场升级和错误修复，但有一些缺点。ADC 采样速率必须 超过环路带宽的两倍，大部分系统采样速率为环路带宽的10 倍。这意味着，双极性输入ADC 必须工作在100 kSPS，才能采用单个转换器和分流电阻涵盖充电和放电模式。某些设计人员在速度和精度更高的系统中采用16 位、250 kSPS ADC。作为控制环路的一部分，ADC 精度决定了系统的整体精度，因此选择高速、低 延迟、低失真的ADC 很重要，比如6 通道、16 、250 kSPS AD7656。

图5. 数字控制环路

在多通道系统中，每个通道一般要求使用一个微控制器和一组专用ADC。微控制器处理数据采集、数字控制环路、PWM 生成、控制和通信功能，因此它必须具有非常高的处理能力。此外，由 于处理器必须处理多个并行任务，PWM 信号中的抖动可能会引起问题，尤其是PWM 占空比较低时。作为控制环路的一部分，微处理器会影响环路带宽。

图6 中的电池测试系统采用模拟控制环路。两个DAC 通道控制CC 和CV 设定点。 AD8450/AD8451 用于电池测试与化成系统的精密模拟前端和控制器可测量电池电压和电流，并与设定点进行比较。CC 和CV 环路决定MOSFET 功率级的占空比模式从充 电变为放电后，测量电池电流的仪表放大器的极性转，以保证 其输出为正，同时在CC 和CV 放大器内部切换可选择正确的补偿网络。整个功能通过单引脚利用标准数字逻辑控制。

图6. 模拟控制环路

在此方案中，ADC 监测系统，但它不属于控制环路的一部分。扫描速率与控制环路性能无关，因此在多通道系统中，单个ADC 可测量大量通道上的电流和电压。对于DAC 而言同样如此，因此针对多个通道可采用低成本DAC。此外，单个处理器只需控制CV和CC 设定点、工作模式和管理功能，因此它能与多通道实现接口。处理器不决定控制环路性能，因此并不要求高性能。

ADP1972 PWM 发生器使用单引脚控制降压或升压工作模式。模 拟控制器和PWM 发生器之间的接口由不受抖动影响的低阻抗模拟信号构成；而抖动会使数字环路产生问题。表2 显示模拟环路相比数字环路如何提供更高的性能和更低的成本。

表2. 模拟和数字控制环路比较