了解新兴电池管理系统的测试挑战

电池堆和电池管理系统(BMS)已经在我们周围广泛使用，从电动工具、机器人吸尘器和无人机到电子摩托车和电子自行车等微移动应用。不间断电源(UPS)和可再生能源存储等不太值得注意的项目需要大量的电池单元。需要对每个电池堆进行监控，以确保其能被安全地充电和放电，并能够测量电池的整体健康状况。可充电电池存在一些挑战，需要测试到非常精确的电压水平。此外，电池是在一个堆栈中进行测试的，需要在高共模电压下进行精确测量。未来的趋势是在电池堆中增加更多的电池，作为一种驱动更高电压系统的方式。

电池管理系统如何工作的

BMS设备通常由多个单元测量引脚(12至24或更多通道)组成，它们输入前端模数转换器或ADC)。这个ADC测量电池单元的电压，允许精确测量单个电池单元。每个单元有一对额外的单元平衡销，它们也有ADC输入。这些引脚的目的是为了帮助平衡堆栈中各单元之间的电压。其余的引脚是电源引脚、模拟和数字控制线。电池中的每一堆电池都需要一个BMS，所以在某些情况下，一辆电动汽车可能有6到12个或更多的BMS设备，而不包括用于冗余的设备。这些设备通常由每个单元模块的下轨和上轨道供电，因此每个BMS设备漂浮在其下方的BMS或单元模块上。这意味着所有这些设备都需要数字隔离的、菊花链的通信，并输出到主控制器，通常是微控制器单元(MCU)。

电动汽车将推动BMS的进步

未来电池系统的最大市场，本文的主要重点是汽车应用。这些汽车包括(见图1)全电池电动汽车(BEV，400伏及以上)，以及带有启动/停止技术的内燃机(ICE)(通常是48伏系统，以及轻度混合动力(48V电池驱动)和混合动力电动汽车。2022年，新车销量不到5%，但许多汽车制造商预计到2030年，电动汽车的销量将上升到50%。有鉴于此，电动汽车技术是许多半导体制造商增长最快的市场之一。

推动电动汽车的采用需要一些关键的可交付成果，首先是需要更高质量的BMS，这影响了驾驶里程。有了更精确的电池管理系统，消费者可以从相同的电池组获得更多的范围。例如，如果BMS可以以1%或更高的精度感知，电池可以充电更接近其最大存储水平。把它想象成保护带——有5%的误差幅度，电池应该只使用其容量的15-85%之间。如果BMS更准确，那么就不需要保护电池中的可用充电了。所以从5%的误差到1%的误差允许多使用8%的存储费用，转换为每次充电更多的英里。

其次，在安全性和可靠性方面，精确的充电状态(SOC)可以在保持电池安全性(避免灾难性故障)的同时提高距离投影精度的电池利用率。更大的电池利用率和效率也允许更小，更低重量的电池组，降低车辆成本。

有一些趋势驱动了电动汽车电池的变化。第一个，如上所述，是更好的准确性，这直接意味着在充电和更温和的电池老化之间有更多的里程。更好的“燃油表”精度也能提高驾驶员的安全性和信心。

第二个大趋势是电池堆正在到更高的电压，在堆栈中需要更多的电池，这推动了每个BMS设备对更多前端ADC和电池平衡引脚的需求。今天的主流电池运行电压约为400伏，一些性能电动汽车已经使用了800伏的系统。展望未来，这些水平预计将在短短几年内达到1000+伏特，从而加快充电速度，帮助电动汽车的充电时间更接近内燃机的充电时间。这些能力为半导体供应商创造了一个竞争优势，他们现在可以为电池组增加价值。然而，更高的整体电压意味着电动汽车需要装上更多的电池。目前，制造商将电池组装成模块，然后将这些模块组装成电池组。这种模块化产生了对更多互连的需求，这提高了电池组的成本和重量。电池对组架构是一种新颖的方法，将电池直接放在电池组中，避免了模块载体模型。转移到单元到包架构意味着制造商可以将相同数量的单元安装到更小更轻的组件中，也可以在现有区域添加更多的单元。这可能导致堆栈中有更多的单元，这意味着在BMS设备上有更多的前端ADC通道。

ATE测试挑战

电池管理系统的这些趋势给自动化测试设备(ATE)公司带来了新的挑战。第一个挑战是围绕着提高BMS的准确性。当测量电池的放电曲线时，大部分可用区域恰好沿着一个非常紧密的曲线下降。全锂离子电荷状态(SOC)100-0%范围为~4.3V(充满电)至2.2V(放电)。观察锂离子的全范围，这似乎是一个容易的任务来测量变化(~2.1V电压范围或21 mV/1%的SOC变化)。

一个典型的锂离子放电使用范围为全电池范围的80-20%或90-10%。在80-20%的区域，SOC电压在3.75-3.65V时相当平坦(总~为100mV或1.7 mV/1%的SOC变化)。这就解释了为什么BMS的供应商会在5V范围内研究100uV或50uV的测量精度。

这种低于100uV水平的精度水平直接转化为ATE刺激通道驱动到一个BMS设备的每个细胞的ADC的强迫精度。虽然这在低电压电源上应该很容易实现，但在某些测试情况下，它必须在5-6V范围内保持这种精度。同样重要的是，提供一个非常低的噪声和非常低的漂移刺激，以便有一个固定的已知电压偏置ADC输入。

第二个挑战是，BMS设备可以由16到24个或更多的电池组成，这些电池必须偏向于共模电压，以模拟一堆电池电池。在某些情况下，这可以超过120伏的一些上部细胞针。这推动了对来自ATE的密集高精度、低噪声浮动电压/电流源(VIs)的要求。由于这些设备的测试特性，通常需要将高精度测量系统复用到所有单元引脚和相应的放电引脚。如果ATE系统没有足够的内部矩阵，这可能需要在设备接口板(DIB)上有大量的继电器，从而导致在DIB上需要非常大的应用程序空间。在大多数情况下，半导体制造商希望同时测试尽可能多的设备，以降低测试成本。对于BMS设备，这也很重要，因为bev预计在不久的将来需要非常高的体积。理想的ATE系统应该包括所有系统内的矩阵和多路复用，以允许最大的站点计数。

另一个挑战是将每个BMS设备输出到MCU的菊花链通信。所有的BMS设备都将把数据发送到总线上。由于这条总线是在电池单元模块或电池组内，它可能是一个非常嘈杂的环境。这也发生在堆叠电压下，这需要一个隔离的接口。这种隔离通信通常以异步运行，需要足够的数字仪器能力来处理独特的模式生成。在这种情况下，ATE需要的一些关键特性是格式和周期的动态切换，以及数字仪器读取异步数据的能力。

电池和BMS设备正在不断发展，以适应汽车市场的需求。这些改进将推动对新的测试方法的需求。从1000+电压系统到新的电池化学装置，在短时间内将会有许多挑战。电动汽车的爆炸性增长将需要新的测试能力和较短的生产坡道，要求ATE供应商超过BMS的要求，并在高现场数量上提供具有成本效益的解决方案。