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ADI ADBT1002颠覆性的电池化成测试解决方案

BFT设备指的是电池化成、分容设备。BFT设备中的核心部分是负责电池充电、放电的双向DC-DC变换器以及外围电压、电流采样、监控电路。一台BFT设备一般配备几十至几百个双向DC-DC充放电通道。设备所配备的双向DC-DC变换器模块的性能和成本,决定了整台BFT设备的性能和成本。

 

传统BFT设备所使用的双向DC-DC变换器模块方案分为两类:

一类是基于分立器件的方案,另一类是基于DSP的数字方案。分立器件方案一般应用于中小功率场景,数字方案应用于大功率场景。

 

ADI 公司推出了最新一代数字化四通道双向DC-DC控制器,将应用于BFT行业的双向DC-DC方案进行了单芯片系统级的集成,集成了电压电流采样的模拟前端和辅助ADC,采用数字内核,可以实现多通道交错并联操作,通道间数字均流等操作。整个方案有专用的GUI软件直接对寄存器进行操作,进行参数配置,避免了复杂的DSP算法和程序开发,极大的简化了系统的软硬件开发。

 

传统方案分析

传统生产设备类型的BFT设备的设计目标

  1. 尽可能低的硬件成本
  2. 达标的电压电流控制精度
  3. 尽量高的转换效率
  4. 尽可能宽的设备通用性

传统硬件BFT方案大致结构

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方案概述

整个方案可以分为双向DC-DC功率变换回路,Mos Driver, PWM控制器,误差放大器,电压、电流采样/缓冲放大器,多通道ADC,多通道DAC,MCU。

方案分析

优点:

此类型方案属于分立器件方案,器件选型、采购都比较灵活,可以针对不同的设备功率、精度要求选择对应器件,对应一定范围输出电压、电流、通道数的设备,有利于成本控制。

 

缺点:

  1. 器件太多,研发、调试、测试、系统校准需要花费很多工时
  2. 对于大功率、高电流应用场景,固有缺陷继续存在,成本优势消失
  3. 实现通道交错并联、通道之间均流功能需要额外的电路,并且比较复杂

传统数字内核BFT设备

简介

传统数字内核BFT设备使用DSP或者具备DSP功能的处理器做功率变换回路的主控制器,PID环路采用软件或者硬件模式,采用数字PWM控制开关管,外围电压、电流采样,缓冲放大器使用的运放和硬件方案没有太大区别。

 

优点:

  • 数字方案的好处是控制比较灵活,可以实现比较复杂的功能,比如交错并联工作,多通道并联均流,电压前馈等等。数字方案调试也比较方便
  • 传统数字方案一般应用于高电压、大电流的BTF设备,原因是硬件方案实现某些功能,变得极其复杂或者无法实现

缺点:

  1. 系统开发难度相当大。需要有高水平的电源类DSP工程师,薪资水平非常高,并且人也难招
  2. 开发周期长,一个平台性项目,从立项到完成,一般需要一年以上
  3. DSP的运算速度、精度和成本成正比,精度越高,速度越快,成本越高。假如使用低成本的DSP,运算速度上不去,那么系统开关频率和控制精度都要打折扣,系统工作频率低,功率器件成本会明显上升。假如选用高性能DSP,DSP本身的成本就已经很高,再加上高昂的开发成本,那么系统综合成本较高,一般只能应用于大功率设备

总结

虽然传统方案在各自的应用领域中,有自己的优点,但是传统方案不管是硬件方案还是软件方案,都具备相应的无法克服的固有缺点,并且这些缺点无法通过工程师的努力工作去避免。

 

那么,有没有既具备分立器件方案的成本优势,又具备数字方案的多功能灵活性的方案呢?

 

之前没有,现在它来了:

 

ADI-ADBT1002

4-Channel AFE, Digital Controller, and PWM for Batter Formation and Testing

为电池化成设备设计,包含四通道模拟前端,四通道数字PWM发生器,数字GPIO口,中断接口,8通道12位辅助ADC,其中四路ADC带有电流源输出功能,方便实现温度监控。

内部框图

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优势和特点

  • 精确测量电压和电流
  • 4 个 PWM 控制通道,最高 14 位(有效)分辨率
    • 可选的同步和非同步整流器操作
    • 可编程死区时间补偿
    • 可编程开关频率,范围为 62.5 kHz 至 500 kHz,分为 2 级功率
  • 多相运行
    • 芯片间数字均流
    • 芯片间频率同步
  • 数字控制回路
    • 可编程 PID 滤波器
    • 快速直流总线电压前馈
  • 每个通道的综合频谱分析
  • SPI 端口控制和状态接口
    • 主机在可编程状态更改时中断
  • 恒定电流和恒定电压工作模式
    • 15 位设定点分辨率
    • 输入和输出浪涌电流保护
  • 外部 NTC 热敏电阻温度检测
    • 内部裸片温度测量
  • 用户校准输入电压和电流
  • 工作温度范围为 0°C 至 85°C

产品详情

ADBT1002 是一款功能灵活、丰富的数字控制器,适用于大容量电池测试、化成制造和精密电池测试仪器仪表应用。ADBT1002 经过优化,以减少组件数量,并获得最大的灵活性和最短的设计时间。功能包括差分远程电压检测、电流检测、脉宽调制 (PWM) 生成、频率同步、过压保护 (OVP) 和均流。可编程保护功能包括过流保护 (OCP)、OVP 限制和外部过热保护 (OTP)。

 

参数可以通过串行外设接口 (SPI) 进行编程,从而提供对集成环路滤波器、PWM 信号时序和软启动时序的广泛编程。SPI 提供对许多监视和系统测试功能的访问。通过内置的校验和和可编程保护电路,提高了可靠性。

 

提供了全面的图形用户界面 (GUI),用于简单的系统和通道配置以及安全功能的编程。ADBT1002 采用 100 引脚 LQFP_EP 封装。

应用:

  • 电池化成和测试
  • 具有回收功能的高效电池测试系统
  • 电池调节(充电和放电)系统

内部框图

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总结

ADI ADBT1002方案实现了高性能BFT方案的单芯片系统集成,并且单芯片支持四通道功率回路控制,集成了高精度电压、电流采样运放,采用数字内核,数字PID, 14位分辨率数字PWM,支持多通道(单芯片多通道和多芯片多通道)并联均流,多通道交错并联,8路辅助ADC,四路支持电流源输出,方便实现温度监控。这些特点和功能集成到一起,极大简化了BFT充放电通道设备的硬件设计,数字内核配置有专用的GUI软件可以直接设置寄存器,直接避免了复杂的DSP代码和算法开发,对于高功率应用,极大降低了高功率数字系统的门槛和开发难度。集成的高精度模拟前端,可以保证系统精度和温漂。

 

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参考资料

更多信息: