電池堆和電池管理系統(tǒng)(BMS)已經(jīng)在我們周圍廣泛使用，從電動工具、機器人吸塵器和無人機到電子摩托車和電子自行車等微移動應用。不間斷電源(UPS)和可再生能源存儲等不太值得注意的項目需要大量的電池單元。需要對每個電池堆進行監(jiān)控，以確保其能被安全地充電和放電，并能夠測量電池的整體健康狀況?？沙潆婋姵卮嬖谝恍┨魬?zhàn)，需要測試到非常精確的電壓水平。此外，電池是在一個堆棧中進行測試的，需要在高共模電壓下進行精確測量。未來的趨勢是在電池堆中增加更多的電池，作為一種驅(qū)動更高電壓系統(tǒng)的方式。
電池管理系統(tǒng)如何工作的
BMS設(shè)備通常由多個單元測量引腳(12至24或更多通道)組成，它們輸入前端模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC)。這個ADC測量電池單元的電壓，允許精確測量單個電池單元。每個單元有一對額外的單元平衡銷，它們也有ADC輸入。這些引腳的目的是為了幫助平衡堆棧中各單元之間的電壓。其余的引腳是電源引腳、模擬和數(shù)字控制線。電池中的每一堆電池都需要一個BMS，所以在某些情況下，一輛電動汽車可能有6到12個或更多的BMS設(shè)備，而不包括用于冗余的設(shè)備。這些設(shè)備通常由每個單元模塊的下軌和上軌道供電，因此每個BMS設(shè)備漂浮在其下方的BMS或單元模塊上。這意味著所有這些設(shè)備都需要數(shù)字隔離的、菊花鏈的通信，并輸出到主控制器，通常是微控制器單元(MCU)。
電動汽車將推動BMS的進步
未來電池系統(tǒng)的最大市場，本文的主要重點是汽車應用。這些汽車包括(見圖1)全電池電動汽車(BEV，400伏及以上)，以及帶有啟動/停止技術(shù)的內(nèi)燃機(ICE)(通常是48伏系統(tǒng)，以及輕度混合動力(48V電池驅(qū)動)和混合動力電動汽車。2022年，新車銷量不到5%，但許多汽車制造商預計到2030年，電動汽車的銷量將上升到50%。有鑒于此，電動汽車技術(shù)是許多半導體制造商增長最快的市場之一。
推動電動汽車的采用需要一些關(guān)鍵的可交付成果，首先是需要更高質(zhì)量的BMS，這影響了駕駛里程。有了更精確的電池管理系統(tǒng)，消費者可以從相同的電池組獲得更多的范圍。例如，如果BMS可以以1%或更高的精度感知，電池可以充電更接近其最大存儲水平。把它想象成保護帶——有5%的誤差幅度，電池應該只使用其容量的15-85%之間。如果BMS更準確，那么就不需要保護電池中的可用充電了。所以從5%的誤差到1%的誤差允許多使用8%的存儲費用，轉(zhuǎn)換為每次充電更多的英里。
其次，在安全性和可靠性方面，精確的充電狀態(tài)(SOC)可以在保持電池安全性(避免災難性故障)的同時提高距離投影精度的電池利用率。更大的電池利用率和效率也允許更小，更低重量的電池組，降低車輛成本。
有一些趨勢驅(qū)動了電動汽車電池的變化。第一個，如上所述，是更好的準確性，這直接意味著在充電和更溫和的電池老化之間有更多的里程。更好的“燃油表”精度也能提高駕駛員的安全性和信心。
第二個大趨勢是電池堆正在到更高的電壓，在堆棧中需要更多的電池，這推動了每個BMS設(shè)備對更多前端ADC和電池平衡引腳的需求。今天的主流電池運行電壓約為400伏，一些性能電動汽車已經(jīng)使用了800伏的系統(tǒng)。展望未來，這些水平預計將在短短幾年內(nèi)達到1000+伏特，從而加快充電速度，幫助電動汽車的充電時間更接近內(nèi)燃機的充電時間。這些能力為半導體供應商創(chuàng)造了一個競爭優(yōu)勢，他們現(xiàn)在可以為電池組增加價值。然而，更高的整體電壓意味著電動汽車需要裝上更多的電池。目前，制造商將電池組裝成模塊，然后將這些模塊組裝成電池組。這種模塊化產(chǎn)生了對更多互連的需求，這提高了電池組的成本和重量。電池對組架構(gòu)是一種新穎的方法，將電池直接放在電池組中，避免了模塊載體模型。轉(zhuǎn)移到單元到包架構(gòu)意味著制造商可以將相同數(shù)量的單元安裝到更小更輕的組件中，也可以在現(xiàn)有區(qū)域添加更多的單元。這可能導致堆棧中有更多的單元，這意味著在BMS設(shè)備上有更多的前端ADC通道。
ATE測試挑戰(zhàn)
電池管理系統(tǒng)的這些趨勢給自動化測試設(shè)備(ATE)公司帶來了新的挑戰(zhàn)。第一個挑戰(zhàn)是圍繞著提高BMS的準確性。當測量電池的放電曲線時，大部分可用區(qū)域恰好沿著一個非常緊密的曲線下降。全鋰離子電荷狀態(tài)(SOC)100-0%范圍為~4.3V(充滿電)至2.2V(放電)。觀察鋰離子的全范圍，這似乎是一個容易的任務來測量變化(~2.1V電壓范圍或21 mV/1%的SOC變化)。
一個典型的鋰離子放電使用范圍為全電池范圍的80-20%或90-10%。在80-20%的區(qū)域，SOC電壓在3.75-3.65V時相當平坦(總~為100mV或1.7 mV/1%的SOC變化)。這就解釋了為什么BMS的供應商會在5V范圍內(nèi)研究100uV或50uV的測量精度。
這種低于100uV水平的精度水平直接轉(zhuǎn)化為ATE刺激通道驅(qū)動到一個BMS設(shè)備的每個細胞的ADC的強迫精度。雖然這在低電壓電源上應該很容易實現(xiàn)，但在某些測試情況下，它必須在5-6V范圍內(nèi)保持這種精度。同樣重要的是，提供一個非常低的噪聲和非常低的漂移刺激，以便有一個固定的已知電壓偏置ADC輸入。
第二個挑戰(zhàn)是，BMS設(shè)備可以由16到24個或更多的電池組成，這些電池必須偏向于共模電壓，以模擬一堆電池電池。在某些情況下，這可以超過120伏的一些上部細胞針。這推動了對來自ATE的密集高精度、低噪聲浮動電壓/電流源(VIs)的要求。由于這些設(shè)備的測試特性，通常需要將高精度測量系統(tǒng)復用到所有單元引腳和相應的放電引腳。如果ATE系統(tǒng)沒有足夠的內(nèi)部矩陣，這可能需要在設(shè)備接口板(DIB)上有大量的繼電器，從而導致在DIB上需要非常大的應用程序空間。在大多數(shù)情況下，半導體制造商希望同時測試盡可能多的設(shè)備，以降低測試成本。對于BMS設(shè)備，這也很重要，因為bev預計在不久的將來需要非常高的體積。理想的ATE系統(tǒng)應該包括所有系統(tǒng)內(nèi)的矩陣和多路復用，以允許最大的站點計數(shù)。
另一個挑戰(zhàn)是將每個BMS設(shè)備輸出到MCU的菊花鏈通信。所有的BMS設(shè)備都將把數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。由于這條總線是在電池單元模塊或電池組內(nèi)，它可能是一個非常嘈雜的環(huán)境。這也發(fā)生在堆疊電壓下，這需要一個隔離的接口。這種隔離通信通常以異步運行，需要足夠的數(shù)字儀器能力來處理獨特的模式生成。在這種情況下，ATE需要的一些關(guān)鍵特性是格式和周期的動態(tài)切換，以及數(shù)字儀器讀取異步數(shù)據(jù)的能力。
電池和BMS設(shè)備正在不斷發(fā)展，以適應汽車市場的需求。這些改進將推動對新的測試方法的需求。從1000+電壓系統(tǒng)到新的電池化學裝置，在短時間內(nèi)將會有許多挑戰(zhàn)。電動汽車的爆炸性增長將需要新的測試能力和較短的生產(chǎn)坡道，要求ATE供應商超過BMS的要求，并在高現(xiàn)場數(shù)量上提供具有成本效益的解決方案。
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