【TI FAE 分享】TI能量回馈型锂电池化成分容测试设备方案介绍

【TI FAE 分享】TI能量回馈型锂电池化成分容测试设备方案介绍

  • 进士7232分

             随着手机,智能无线设备和电动汽车的快速发展,锂电池的市场需求越来越广,锂电池的生产制造效率也越来越高。同时,由于节能减排的需要,锂电池的化成,分容的充电,放电,也大量采用能量回馈的形式,将锂电池的放电能量,回馈回电网或对其它电池充电,实现节能环保。

            为了更准确的获得锂电池的容量,对锂电池的充放电的电流电压测量的误差要求也显著提高,许多客户需要达到万分之五到万分之一的误差精度,这样,对整个测量控制电路中的放大器,ADC, DAC的误差要求也相应提高。

            一般来说,一个完整的能量回馈型的锂电池化成分容测试设备,分为3级结构。如下图:

                 

    第一级为220、380V AC到400-500V DC的双向变换器,第二级为400V DC到12V DC的双向变换器,第三级位12V DC到5V DC的双向变换器,直接对电池进行充放电。具体的功率取决于电池充放电大小和电池的数量。采用TI的C2000 TMS320F280XX,就很容易的实现第一级和第二级的功能,并且,可以把第一级和第二级合并,直接实现220V AC到12V DC的模式,进一步降低陈本。

                           

              对于第三极12V DC到5VDC的双向变换器,通常采用模拟环路控制方案,稍后我们也会介绍一种C2000的数字方案介绍。

               

           上图是TI的模拟环路控制方案参考设计,也是目前大多数客户采用的一种性价比比较高的分立器件方案。TL594实现PWM控制,LM5106为半桥MOSFET驱动。LM5060为电池防反接控制。高精度电流电压采集和环路调节,主要是INA225OPA180实现。INA225是TI的专用电流检测放大器,集成了外部的增益电阻,提供固定的增益输出,在简化电路的同时提供非常好的温飘特性;并且,INA225是自动的实现双向电流检测,无需额外控制信号,使用非常方便。OPA180为自稳零,低温飘运放,做PID调节和CV, CC控制。外部ADC ADS1248是24位D-S ADC, 用于采集充放电的电压电流,不参与环路控制。一个ADS1248可以同时测量4路电池充放电的电流电压,如果加外部开关切换,可以测量更多,实现更好的性价比。DAC80004是16位DAC,用来设定充放电的电压电流,其零点误差小于2mV,可以实现更低的充电电流门限设置。

         这个参考设计的关键是温飘的控制,选用低温飘特性的放大器,电阻尤其重要,TI 的INA225, INA240都是非常好的低温飘电流检测专用放大器,增益误差的温飘小于2.5ppm。并且,采样电阻的温飘也直接决定了系统的温飘性能,20ppm的采样电阻已经非常好了,在采样电流时,电阻是一个功率热源,会显著造成周围PCB的温升,更恶化了温度的影响,所以,采样电阻的PCB布板非常重要。

          TI的这个参考设计—PMP40182的资料和测试数据已经放到网上了,有需要可以到TI的官网下载。

         随着TI的C2000 DSP的普及,越来越多的工程师也尝试采用C2000来实现12V 到5V,10A的双向电池充放电控制,从而实现整个链路,从220V AC到5V DC的全数字双向转换。

    如下为C2000的12V到5VDC 双向DC-DC的示意图。采用TI的最新的TMS320F2837X,CC, CV环路控制均由C2000软件实现,F2837X的高精度PWM(HRPWM)可以实现高精度(>16位)的DAC+PWM的功能,无需外部DAC; F2837X内部还集成了多路16位ADC,同样无需外部ADC,只需要外部电流检测和放大。采用F2837X的设计,可以大大简化电路设计,提供更高的可靠性和温飘特性。单个F2837X可能价格比较高,但一个F2837X可以支持多路电池的充放电,这样平均到每个通道上成本就非常低。

        总的来说,TI可以为现代化的电池化成分容测试设备提供端到端的全套解决方案,协助客户解决研发过程中的相关技术问题,将产品以最快的速度推向市场。

  • 进士2935分

    还有更多信息吗?

  • 进士7232分

    请问您说的更多信息具体指?

    chunqi zeng

    还有更多信息吗?

  • 进士2935分

       帖子只是个介绍还是打算推广TI的能量回馈方案? 如何获得现有的评估板跟方案,我们更关注成品的柜子的设计成本,跟实用性。实用性就如同楼主主张的“节能”,已经被大家认可。 

       对电池厂商来说,深圳的智能电池老化柜子几乎被瑞能、新威、星云给包了,其中福建星云的各种测试柜子价格贵的离谱,对大公司来说,资金雄厚,买的起。对于小公司、民营企业,短时间买不起,又非常想做高端点的电池,所以想自己或者委托外界专业公司开发实用的柜子。而且又这些想法的人,都是在大的锂电公司干过,比如:德赛,欣旺达、德尔能,飞毛腿(我说的只是做动力pack的公司,不包括动力电芯销售前列的公司哦)... 这些人深知大品牌的测试柜性能是好,稳定。但是如果条件允许,都觉得能低成本的开发属于自己工厂使用的柜子。

        我做过没有数据调查,大公司职员各守其职,安分工作。工程师几乎不去自主开发产品,都是业务员了解到市场需求的,才返回公司评估。有需要测试设备时候,直接申请购买,绝对不可能去思考为公司的重新即使有想法的,也被压制住了;小公司不一样,明智有远见的老板会更敏感市场跟公司的能力,需求。支持员工,员工思维就活跃些,跟老板沟通畅通。所以以鄙人愚见:当前TI方案的推广,很适合开发能力强一些的民营企业。

         楼主既然提出能量回馈的方案,我想应该公布些更多更详细的信息,具体的链接、参考图,或者如何直接获得TI的FAE技术支持。这样对有想法的人,才好去开发,也有利于TI销售的推广。 要知道,这个论坛的人,多数是在提问,急于解决手里的项目(否则老板每天追问,压力大啊!哪有心思去关注这些),只有像我这样的,不忙的人(我是因为TI主推的电池管理芯片几乎都用过了),才去关注下一步如何为量设备产做准备,优化。

         本人描述的是当前锂电行业非常现实的一方面状况,TI的原厂、一级代理商询盘的时候,都只是从客户采购信息了解,预估到老芯片大概的年用量。新芯片用量却始终得不到肯定的回答。因为TI本身是个世界最大的半导体公司,下属部分的各行各业的销售跟工程师的视野远于最底层的中国制造业人员,虽然是作为供应商支持,但是平台高于我们这些人员,因此看不到最底层,最深入的电池制造的真正需求跟问题,这个“地位”差异,导致主张推广芯片的人员无从下手,电池公司的人员知道芯片的好处,却不知道如何真正让客户了解其优势,推荐给自己客户。

         (很讽刺的一个现象:我的一级代理给了我很多TI电池管理芯片,我制做电池后,感觉非常棒的保护跟监控,向国内客户推时,他们都觉得成本太高了,又有啥用?总之对他们来说,设备有电工作就行,这个就是国内的市场,我不是搞调研的人,但是业内人,没人敢说这个观点不对。而且往往是那些美国,英国,西班牙,等欧洲客户,他们会直接指定让我在电池上实用哪颗芯片,不是做电池的客户,就懂得如何去运用方案,使用成品。而那个方案恰巧是他们国家做出来的,中国只是代工成品了)  这个扯远了!

        本人没有在大的电池公司经历过风生水起的业绩,但是这些年,从功能手机到智能机,移动\启动电源,动力电池,大型BMS电池组,做的红火、富得流油最后倒闭、负债累累,公司土崩瓦解。见过无数的公司跟老板了,到现在为止,还有很多人知道风险大,义无反顾加入电池行业。说明,这行还是在发展,市场没有饱和。 之所以还有很多人加入,我猜测应该是这样:

    1,锂电池需求量增加(几乎任何设备都需要电池了)。

    2,客户不同需求增加,导致技术难题增加,对工程师要求越来越高(以前的电池组并没有多高的电子技术,所以对工程师要求不高,电子技术高的工程师也不愿加入,明显的待遇低问题。)

    3,电池开发到销售周期短,资金回流快。(行内人都知道,电池组的电子技术并不难,跟电脑,手机主板比起来,天壤之别。但是现在电池比电脑主板好卖,因为电脑主板市场饱和了,竞争激烈。

        我说的很多题外话,主要是给广大的TI 销售AEF 看的,让你们了解下,我们最底层电池开发的问题跟对电池行业市场状况的观点。以便下次再面谈时候,不只是单单跟我介绍芯片的功能,还要如何配合电芯的使用,考虑成本,适用的客户群。  说白了,就是能帮我们向终端客户去推广产品。才能间接的推广TI的产品,短时间做不到双方盈利,也要做到开出去的产品,能追踪到客户的体验,而不是“静静等候”。

  • 秀才945分

    Chunqi,

        非常感谢您使用TI的产品,并持续关注、支持TI。

        从你的帖子可以看出,你是一位有主见,有想法的中国电子、电池设计的老师傅。我相信在你和你的团队努力下,贵公司一定会成为业界的佼佼者。

        同时,TI也会提供好的产品和方案,协助你们一起成长。正如你所说,我们不仅是要让客户使用我们的产品,更要通过我们TI的资源优势,在相关的行业推广先进的技术,推动整个行业的发展和提升,为中国智造也尽我们的一份力。

        回到你的问题,针对电池测试设备,如我的帖子所说的,我们TI可以提供对应的方案,你可以搜索我们TI的网站 WWW.TI.COM,如下是相关链接:

     400V-12V 双向DC-DC变换器  http://www.ti.com/lit/ug/tiduai7/tiduai7.pdf

      230-V, 3.5-kW PFC With >98% Efficiency  http://www.ti.com/tool/TIDA-00779

    Two Phase Interleaved LLC Resonant Converter http://www.ti.com/tool/TIDM-1001

    12V-5V双向电池充放电转换: http://www.ti.com/lit/ug/tidud83/tidud83.pdf

    如果你对这些方案有兴趣,基于这些参考设计开发你们自己的产品,可以联系你们对应的TI正规代理商,他们可以协助你们开展后续工作。

    再次感谢你中肯的建议。

    TI Shenzhen

    Haroad

  • 秀才575分

    强!对整个行情太了解了!

  • 秀才221分

     你好,我最近有在测试你们的板子,测试过程中有几个疑问,看你能不能帮我解答一下,如下:

    1.TL594的c2引脚的上拉电阻选的过大,使得波形失真,后来改换了620R的电阻,才出现了想要的控制波形。不明白R68你们选75k的用意。

    2.前后级保护电路的MOS管栅极的TVS方向是不是错了,这样使下面的LM5060根本都起不到作用,MOS管是一直导通的没有受控。去掉这个TVS保护电路才起到作用。

    3.LM5106作为半桥驱动IC这里有些疑问,在调试BUCK电路给电池充电时,发现总会烧坏输入电路的一些东西,比如TVS或者电容,搞得我都有点不敢接电池了,但是在把dac控制信号给大一些,就是预先把占空比调的大一些,就可以正常充电的,后来我去掉了boost电路的开关管就是那个半桥的下管,然后又把LM5106的HS脚接地,才可以正常的给电池10A充电,但是我实际还是要把boost电路接起来的用的,要给电池放电的.

    还有一个问题就是boost电路输入时电池,那么输出的12v你们是接的什么负载,是接电阻吗还是逆变器,看过你们tidud83的那个测试数据。

  • 探花10538分

    Chander,

    C2引脚的上拉电阻就是要使得波形失真的,这样在buck工作状态下实现 低至 0.1V的输出电压 (占空比非常低)

    你那边的板子是哪里拿到的?有没有修改过? 你能帮忙看看现在TVS方向是怎么样的吗?

    有测试过buck 给电池充电、也测试boost给电池放电,是可以正常工作的。

    去掉半桥的下桥, 那boost就没法工作了。   

    buck 工作的话,开机的时候,需要设置VSET把BUCK输出电压设置得稍微超过一点你的电池电压,然后设置ISET 把 充电电流限制再0.3A以下,以控制MOS管导通时候的尖峰电流。

    你说烧坏TVS 和电容,是指 哪个TVS? 哪部分的电容?   

    测试数据上是拿电子负载做的测试。

  • 秀才221分

     那就对了,我烧东西的时候都是开机时的占空比很小的时候,没有设置超过电池电压。

     但是这样还需要预先设置VSET,是不是等于我接上电池就开始充电了,而不是我接上电池等我什么时候启动工步才开始充电的

  • 秀才221分

     还有,您可不可以讲一下,为什么要预先设一个VSET,为什么我不设置会烧坏一些器件,我的输入电容c8.保险丝,tvs(d10)都坏过。

  • 探花10538分

    Hi Chander,

    能否详细描述一下你的上电过程?和烧器件的时候各个引脚的状态,包括MD, IN_EN, OUT_EN, EN, VSET, ISET, 电池电压,输入电压?

    接上电池需要使能OUT-EN 输出开关,才会开始充电。OUT-EN 输出开关 和 EN 开关 都是可以你自己控制的,你只有同时使能了它们,才会开始充电。

    对于这个板子来说,对电池充电模式的  建议的上电过程是这样的:

    1. 连上 12V 供电电源 (板子上有输入开关,12V仅仅到达输入开关Q1 Q2之前)

    2. 连上需要被充电的电池 (板子上有反接保护,如果电池连反了,那么输出开关控制器U1会报错,输出开关也没法再开通)

    3. 将模式 MD 控制引脚拉低,使板子工作在BUCK 充电模式

    4. ADC采样电池电压,并设置VSET将输出电压设置为比电池电压稍高的电压

    5. 设置ISET,将输出电流限制在比较小的电流上,比如说0.3A,  (步骤4 和 步骤5 是为了尽量降低输出开关导通时的尖峰电流)

    6. 使能 IN_EN, EN 和 OUT_EN, 启动BUCK 转换

    7. 调节VSET 和 ISET 到你想要的电压、电流点上。

    请问你测试的时候有配套的底板配套一起测试吗?

    有的话会方便不少:http://www.ti.com/tool/PMP40280

  • 探花10538分

    C8 和D10烧坏应该是升压模式出现的。

    我们专门设计了D9, Q5, R85, R86 这部分电路去保护在boost 模式下的最高输出电压,以避免将C8,D10烧坏。

    请检查这部分电路是否工作正常?

  • 秀才221分

     你好

    我是测试过程中是没有底板pmp40280一起测试的,所以可能和我手动给一些信号没有给对才会烧器件的,我现在都不会烧器件了,可以稳定的测试了,就是buck还是boost的状态切换就是由ina225的REF引脚是2.048v还是gnd切换是吧

  • 秀才10分

    hi:

    你好,你这个400V怎么回馈电网啊,PFC吗,这个看起来成本很高,12V-5V双向电池充放电转换:这部分有代码参考吗。

  • 秀才945分

    你好,

        400V通过逆变(DC-AC)类似变频器的后级,输出到电网。

        可以发邮件给我。haroad-chen@ti.com,关于代码方面的。

    haroad