電池測試系統(tǒng)（BTS）的方案介紹

1、前言

電池測試系統(tǒng)（BTS）提供高電壓和電流的控制精度進行充電和放電的電池。它主要用于電池生產(chǎn)過程中的制造。電池測試設備也可用于研發(fā)部門研究電池性能。

BTS 的一種典型應用是對單節(jié)鋰離子電池進行充電和放電?？紤]到電纜中的壓降，執(zhí)行此操作所需的電壓為 0V 至 5V。電池充電時，電源總線電壓一般為12V，以獲得良好的電壓轉(zhuǎn)換效率。

當電池能量釋放回電源總線時，總線電壓增加到 14V。因此 BTS 需要一個雙向轉(zhuǎn)換器，支持 12V 至 14V 輸入電壓和 0V 至 5V 輸出電壓。轉(zhuǎn)換器在為電池充電時以降壓模式運行，在電池放電時以升壓模式運行。

2.方案介紹

LM5170-Q1 雙向電流控制器非常適合此應用。該器件調(diào)節(jié)在 DIR 引腳指定的方向上在高壓 (HV) 和低壓 (LV) 端口之間流動的平均電流。

圖 1 是 LM5170-Q1 的簡化原理圖。兩相交錯拓撲可提供高達 100A 的充電或放電電流。其集成的 5A 驅(qū)動器有助于優(yōu)化電壓轉(zhuǎn)換效率，這意味著系統(tǒng)的低功耗和良好的熱性能。LM5170-Q1 的二極管仿真功能可防止電流與 DIR 引腳選擇的方向相反。此功能有助于防止電池在瞬態(tài)期間過度充電或放電。

圖 1：LM5170-Q1 簡化原理圖

BTS 的一項關鍵要求是電流精度，應優(yōu)于滿量程的 0.05%。由于 LM5170-Q1 集成電流放大器無法滿足此要求，因此需要外部電流檢測電阻和放大器來提高電流精度。

為了證明 LM5170-Q1 在實現(xiàn)此電流精度方面的可行性，TI 發(fā)布了用于電池檢測系統(tǒng)的相關設計， 以針對以高電流精度對單節(jié)鋰離子電池進行充電或放電的應用。

圖 2 是參考設計的框圖。鋰離子通過一個 1mΩ 電阻連接到 LM5170EVM 的 LV 端口。HV 端口連接到 12V-14V 總線。使用 INA188 的 1mΩ 電阻器的壓降檢測通過電池的電流。INA188 的輸出饋入 OP07C 運算放大器，后者使用 INA188 輸出與參考電壓之間的差值生成積分信號。參考電壓由本參考設計中未包含的微控制器提供。

OP07C 的輸出連接到 LM5170-Q1 的 ISETA 引腳，它調(diào)節(jié)流經(jīng) 1mΩ 電阻的電流到電流基準。電池電壓也可根據(jù)電壓參考進行檢測和調(diào)節(jié)。當電池電壓沒有達到電壓參考值時，電池電流被控制在電流參考值。當電池確實達到參考電壓時，電壓回路會覆蓋電流回路，電池電流增加到零。對電池充電或放電的電流方向由邏輯信號控制（在圖 2 中表示為“方向”）。該邏輯信號連接到 LM5170-Q1 的 DIR 引腳。它還通過模擬多路復用器控制 INA188 輸入信號方向。 

圖 2：用于電池測試系統(tǒng)的 50A、0.05% 電流精度電源參考設計框圖

圖 3 顯示了將電池從 1A 充電到 50A 時的電流精度。測試數(shù)據(jù)顯示電流精度遠優(yōu)于0.05%，證明了LM5170-Q1在BTS應用中的能力。

圖 3：電池充電電流精度

表 1 顯示了不同參考電壓條件下的輸出電壓，與 0.05V-5V 參考電壓的電壓差距小于 0.5mV，這也適用于 BTS 應用。

表 1：電壓控制精度

LM5170-Q1 非常適合需要在兩個電源之間進行能量交換的應用。其高驅(qū)動電流、二極管仿真和逐周期峰值電流限制功能大大提高了電壓轉(zhuǎn)換效率，并在穩(wěn)定和瞬態(tài)期間提供了良好的保護。