测试电池管理系统IC
日期：2025-05-19
BMS IC在从电动汽车到移动电动工具的应用中起着至关重要的作用
作者：Advantest产品经理David Butkiewicus
电池是运行便携式电子产品、电动工具、储能系统、电动自行车和电动滑板车以及电动汽车和公共汽车的无处不在的动力装置。为了获得最佳性能，此类产品中的电池组需要复杂的电池管理系统（BMS）IC来优化性能并最大限度地延长电池寿命。BMS和相关电路有四个主要任务：
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图1：各种BMS功能块可以使用括号中列出的仪器进行测试
BMS IC测试要求
反过来，BMS IC需要进行广泛的测试，以确保它们能够准确监测电池的健康状态。随着单个BMS IC处理越来越多的电池，所需的测试变得越来越严格。如今，典型的应用涉及多达18个电池，但20到24个电池堆正变得越来越普遍。此外，28个电池堆开始出现，其中32个电池堆即将出现。有效的测试需要仪器能够强制和测量高达150 V的电压，每个电池监测输入的精度小于100µV。
具体的测试功能包括电池仿真，可以在不使用真实电池的情况下测试BMS IC。电池仿真需要强制每个模拟电池的输入电压稳定，仪器必须根据模拟电池的充电状态建立电压条件。电池监测能力需要测试BMS IC的模数转换器（ADC）以及ADC微调。测试必须确保BMS能够准确监测电流并读取电池组温度传感器。最后，测试仪必须通过在高共模电压下执行RDS-ON测量来测试BMS IC的电池平衡能力。
测试配置变体
对于单元仿真，测试人员可以采用几种单元仿真变体之一，每种变体都有成本和性能的权衡。电阻器梯形变体（图2a）提供稳定的电压和低噪声，并且价格低廉。然而，它受到必须校准的漏电流的影响，电阻值会随着电阻的加热而变化。此外，如果ADC拉大电流，并且该变体消耗了相当大的负载板空间，则该变体将出现精度问题。
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图2：电阻阶梯（a）、单端（b）和浮动（c）变体可以提供BMS单元模拟
单端变体（图2b）简化了负载板设计，一些单端仪器可以支持差分电压测量。然而，在更高的电压水平下，仪器精度可能会降低，与电阻阶梯变体相比，单端方法需要大量资源。最后，浮动变体（图2c）采用地面源作为浮动仪器所在的基座，使浮动仪器能够在较低的范围内以更高的精度运行。这种变体在每个通道提供稳定和精确的电压，并最大限度地降低温度敏感性。然而，它也是资源密集型的，因此需要高效的多路复用来降低测试成本。V93000支持所有三种变体，包括混合解决方案，以满足DUT的个性化要求，并最好地匹配可用的系统配置。
BMS精度
BMS精度是对测试有影响的关键考虑因素。为了安全起见，电池最好在90%的充电和10%的放电水平之间循环。为了最大限度地延长电池寿命，通常使用80%和20%的相应值。对于典型的锂离子化学物质，电压（DV）从90%到10%容量的变化约为500 mV，而从80%到20%的DV仅为约100 mV。如果BMS在80%/20%特性下的精度在5%（约5 mV）以内，则可用电池容量将限制在75%/25%。
为了恢复可用的设备容量，BMS将达到1-mV的设备精度规格，根据10:1规则，测试它所需的ATE需要100-µV的精度。与地面仪器相比，浮动仪器在进行精度为100-µV的测试方面具有显著优势，因为地面仪器在高电压水平下无法提供足够的分辨率。
BMS IC测试仪器
Advantest为其V93000自动测试设备（ATE）平台提供了多种仪器，以方便BMS IC的测试，包括Pin Scale 5000数字卡、AVI64模拟和电源卡以及FVI16浮动电压/电流（VI）源。在图1中，每个仪器在其可以测试的功能块中以蓝色列出。
PS5000可以处理BMS IC数字测试。它支持通信链路和扫描测试，速度高达5Gb/s，每张卡有256个通道，并具有深度矢量存储器。该基于协议的板具有每引脚参数测量单元（PMU），支持SPI、JTAG、I2C和其他数字I/O接口，以测试BMS IC与主机微控制器单元（MCU）的通信。除了测试BMS IC的数字I/O信号外，PS5000还可以测试BMS集成电路的充电和放电控制信号，并执行过电压保护。
64通道AVI64模块采用Advantest的通用模拟引脚架构，扩展了V93000平台的功能，包括电源和模拟信号的测试。AVI64包括每引脚任意波形发生器（AWG）和数字化器、每引脚高压时间测量单元（TMU）和每引脚高压数字I/O。此外，AVI64还提供浮动大电流和差分电压测量以及集成模拟开关矩阵，并能够在每个引脚同时精确测量电压和电流参数。它可用于BMS IC电池监测和平衡测试，可用于图2所示的所有三种变体。此外，它还可用于BMS IC电流和温度传感测试。
最后，用于测试BMS IC的FVI16浮动电源VI源的每个通道可以提供250 W的高脉冲功率和高达40 W的直流电，以测试最新一代设备，同时进行稳定和可重复的测量。FVI16采用数字反馈回路设计，与使用传统模拟反馈的系统相比，可提高源和测量精度。16个通道采用四象限操作，可实现高效的并行测试。对于高压BMS测试，可以实现高达200V的电池堆电压，满足当今和可预见的未来BMS设备的要求。与AVI64一样，FVI16也可用于电池监测和平衡测试，如图2c所示，它可以与浮动电池模拟变体中的AVI64配合使用。
未来BMS创新
BMS技术正在不断发展，以提供更高水平的性能和效率。一项新兴创新是无线BMS（wBMS），它有望在典型电动汽车的35至90公斤线束总重量中减少约3公斤的线束重量（图3）。线束不仅增加了重量，还增加了成本和复杂性，占用了宝贵的空间，线束和连接器是常见的故障点，可能会危及可靠性和安全性。
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图3：有线BMS（左）面临来自wBMS（右）的竞争，wBMS节省了空间和重量，并消除了潜在的故障点
与有线BMS相比，wBMS估计可以节省90%的接线重量和15%的电池组总体积。主要供应商已经提供wBMS实施方案。V93000平台在执行无线测试方面有着悠久的成功历史，完全适合执行wBMS IC所需的RF和功率/模拟测试。
另一项新兴的BMS创新是电化学阻抗谱（EIS），它改进了简单的电压和温度测量，以确定健康状态、充电状态、剩余续航里程和其他电池参数。EIS涉及在电池两端施加从小于1Hz到约10kHz的小交流电压，并测量由此产生的交流电流响应，以得出与频率相关的电池阻抗。阻抗反过来又指示了电池的内部过程，包括离子迁移、电荷转移和扩散。市场上已有的EIS设备包括低带宽环路（低于200 Hz）、高带宽环路、精密模数转换器（ADC）和可编程开关矩阵，所有这些都可以使用V93000 ATE系统轻松测试。
结论
在电动汽车和移动工具的推动下，BMS IC的市场正在迅速扩大，BMS IC能够实现电池充电和保护、电池平衡和充电状态估计。可扩展和灵活的ATE与BMS的进步保持同步，仪器可用于解决更高的电压和更高的精度，并且随着wBMS技术的进步，它为应对RF测试挑战做好了充分准备。虽然本文主要关注电动汽车BMS的应用，但BMS技术在从便携式电子设备到电动工具的应用中也发挥着同样重要的作用。Advantest的平台适用于所有BMS设备（包括具有射频功能的设备）的当前和未来的测试要求。
www.advantest.com
作者：Advantest产品经理David Butkiewicus
电池是运行便携式电子产品、电动工具、储能系统、电动自行车和电动滑板车以及电动汽车和公共汽车的无处不在的动力装置。为了获得最佳性能，此类产品中的电池组需要复杂的电池管理系统（BMS）IC来优化性能并最大限度地延长电池寿命。BMS和相关电路有四个主要任务：
- 它控制充电，无论是从120-VAC车载充电器还是800-VDC快速充电站。
- 它执行燃料计量和电池监测，根据电压、温度和充放电循环次数指示电池的充电状态。
- 它处理电池平衡，考虑电池堆内电池之间的变化，以优化容量和寿命。被动平衡（100mA）现在很常见，主动平衡（1-10A）即将出现。
- 它提供电池保护，在过压和欠压条件、过电流故障和过温条件下采取纠正措施。
图1：各种BMS功能块可以使用括号中列出的仪器进行测试
BMS IC测试要求
反过来，BMS IC需要进行广泛的测试，以确保它们能够准确监测电池的健康状态。随着单个BMS IC处理越来越多的电池，所需的测试变得越来越严格。如今，典型的应用涉及多达18个电池，但20到24个电池堆正变得越来越普遍。此外，28个电池堆开始出现，其中32个电池堆即将出现。有效的测试需要仪器能够强制和测量高达150 V的电压，每个电池监测输入的精度小于100µV。
具体的测试功能包括电池仿真，可以在不使用真实电池的情况下测试BMS IC。电池仿真需要强制每个模拟电池的输入电压稳定，仪器必须根据模拟电池的充电状态建立电压条件。电池监测能力需要测试BMS IC的模数转换器（ADC）以及ADC微调。测试必须确保BMS能够准确监测电流并读取电池组温度传感器。最后，测试仪必须通过在高共模电压下执行RDS-ON测量来测试BMS IC的电池平衡能力。
测试配置变体
对于单元仿真，测试人员可以采用几种单元仿真变体之一，每种变体都有成本和性能的权衡。电阻器梯形变体（图2a）提供稳定的电压和低噪声，并且价格低廉。然而，它受到必须校准的漏电流的影响，电阻值会随着电阻的加热而变化。此外，如果ADC拉大电流，并且该变体消耗了相当大的负载板空间，则该变体将出现精度问题。
图2：电阻阶梯（a）、单端（b）和浮动（c）变体可以提供BMS单元模拟
单端变体（图2b）简化了负载板设计，一些单端仪器可以支持差分电压测量。然而，在更高的电压水平下，仪器精度可能会降低，与电阻阶梯变体相比，单端方法需要大量资源。最后，浮动变体（图2c）采用地面源作为浮动仪器所在的基座，使浮动仪器能够在较低的范围内以更高的精度运行。这种变体在每个通道提供稳定和精确的电压，并最大限度地降低温度敏感性。然而，它也是资源密集型的，因此需要高效的多路复用来降低测试成本。V93000支持所有三种变体，包括混合解决方案，以满足DUT的个性化要求，并最好地匹配可用的系统配置。
BMS精度
BMS精度是对测试有影响的关键考虑因素。为了安全起见，电池最好在90%的充电和10%的放电水平之间循环。为了最大限度地延长电池寿命，通常使用80%和20%的相应值。对于典型的锂离子化学物质，电压（DV）从90%到10%容量的变化约为500 mV，而从80%到20%的DV仅为约100 mV。如果BMS在80%/20%特性下的精度在5%（约5 mV）以内，则可用电池容量将限制在75%/25%。
为了恢复可用的设备容量，BMS将达到1-mV的设备精度规格，根据10:1规则，测试它所需的ATE需要100-µV的精度。与地面仪器相比，浮动仪器在进行精度为100-µV的测试方面具有显著优势，因为地面仪器在高电压水平下无法提供足够的分辨率。
BMS IC测试仪器
Advantest为其V93000自动测试设备（ATE）平台提供了多种仪器，以方便BMS IC的测试，包括Pin Scale 5000数字卡、AVI64模拟和电源卡以及FVI16浮动电压/电流（VI）源。在图1中，每个仪器在其可以测试的功能块中以蓝色列出。
PS5000可以处理BMS IC数字测试。它支持通信链路和扫描测试，速度高达5Gb/s，每张卡有256个通道，并具有深度矢量存储器。该基于协议的板具有每引脚参数测量单元（PMU），支持SPI、JTAG、I2C和其他数字I/O接口，以测试BMS IC与主机微控制器单元（MCU）的通信。除了测试BMS IC的数字I/O信号外，PS5000还可以测试BMS集成电路的充电和放电控制信号，并执行过电压保护。
64通道AVI64模块采用Advantest的通用模拟引脚架构，扩展了V93000平台的功能，包括电源和模拟信号的测试。AVI64包括每引脚任意波形发生器（AWG）和数字化器、每引脚高压时间测量单元（TMU）和每引脚高压数字I/O。此外，AVI64还提供浮动大电流和差分电压测量以及集成模拟开关矩阵，并能够在每个引脚同时精确测量电压和电流参数。它可用于BMS IC电池监测和平衡测试，可用于图2所示的所有三种变体。此外，它还可用于BMS IC电流和温度传感测试。
最后，用于测试BMS IC的FVI16浮动电源VI源的每个通道可以提供250 W的高脉冲功率和高达40 W的直流电，以测试最新一代设备，同时进行稳定和可重复的测量。FVI16采用数字反馈回路设计，与使用传统模拟反馈的系统相比，可提高源和测量精度。16个通道采用四象限操作，可实现高效的并行测试。对于高压BMS测试，可以实现高达200V的电池堆电压，满足当今和可预见的未来BMS设备的要求。与AVI64一样，FVI16也可用于电池监测和平衡测试，如图2c所示，它可以与浮动电池模拟变体中的AVI64配合使用。
未来BMS创新
BMS技术正在不断发展，以提供更高水平的性能和效率。一项新兴创新是无线BMS（wBMS），它有望在典型电动汽车的35至90公斤线束总重量中减少约3公斤的线束重量（图3）。线束不仅增加了重量，还增加了成本和复杂性，占用了宝贵的空间，线束和连接器是常见的故障点，可能会危及可靠性和安全性。
图3：有线BMS（左）面临来自wBMS（右）的竞争，wBMS节省了空间和重量，并消除了潜在的故障点
与有线BMS相比，wBMS估计可以节省90%的接线重量和15%的电池组总体积。主要供应商已经提供wBMS实施方案。V93000平台在执行无线测试方面有着悠久的成功历史，完全适合执行wBMS IC所需的RF和功率/模拟测试。
另一项新兴的BMS创新是电化学阻抗谱（EIS），它改进了简单的电压和温度测量，以确定健康状态、充电状态、剩余续航里程和其他电池参数。EIS涉及在电池两端施加从小于1Hz到约10kHz的小交流电压，并测量由此产生的交流电流响应，以得出与频率相关的电池阻抗。阻抗反过来又指示了电池的内部过程，包括离子迁移、电荷转移和扩散。市场上已有的EIS设备包括低带宽环路（低于200 Hz）、高带宽环路、精密模数转换器（ADC）和可编程开关矩阵，所有这些都可以使用V93000 ATE系统轻松测试。
结论
在电动汽车和移动工具的推动下，BMS IC的市场正在迅速扩大，BMS IC能够实现电池充电和保护、电池平衡和充电状态估计。可扩展和灵活的ATE与BMS的进步保持同步，仪器可用于解决更高的电压和更高的精度，并且随着wBMS技术的进步，它为应对RF测试挑战做好了充分准备。虽然本文主要关注电动汽车BMS的应用，但BMS技术在从便携式电子设备到电动工具的应用中也发挥着同样重要的作用。Advantest的平台适用于所有BMS设备（包括具有射频功能的设备）的当前和未来的测试要求。
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