電池堆和電池管理系統(BMS)已經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。可充電電池存在一些挑戰，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，作為一種驅動更高電壓系統的方式。

　　電池管理系統如何工作的

　　BMS設備通常由多個單元測量引腳(12至24或更多通道)組成，它們輸入前端模數轉換器或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設備，而不包括用于冗余的設備。這些設備通常由每個單元模塊的下軌和上軌道供電，因此每個BMS設備漂浮在其下方的BMS或單元模塊上。這意味著所有這些設備都需要數字隔離的、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/停止技術的內燃機(ICE)(通常是48伏系統，以及輕度混合動力(48V電池驅動)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鍵的可交付成果，首先是需要更高質量的BMS，這影響了駕駛里程。有了更精確的電池管理系統，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(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使用了800伏的系統。展望未來，這些水平預計將在短短幾年內達到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燃機的充電時間。這些能力為半導體供應商創造了一個競爭優勢，他們現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。轉移到單元到包架構意味著制造商可以將相同數量的單元安裝到更小更輕的組件中，也可以在現有區域添加更多的單元。這可能導致堆棧中有更多的單元，這意味著在BMS設備上有更多的前端ADC通道。

　　ATE測試挑戰

　　電池管理系統的這些趨勢給自動化測試設備(ATE)公司帶來了新的挑戰。第一個挑戰是圍繞著提高BMS的準確性。當測量電池的放電曲線時，大部分可用區域恰好沿著一個非常緊密的曲線下降。全鋰離子電荷狀態(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化為ATE刺激通道驅動到一個BMS設備的每個細胞的ADC的強迫精度。雖然這在低電壓電源上應該很容易實現，但在某些測試情況下，它必須在5-6V范圍內保持這種精度。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。

　　第二個挑戰是，BMS設備可以由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。由于這些設備的測試特性，通常需要將高精度測量系統復用到所有單元引腳和相應的放電引腳。如果ATE系統沒有足夠的內部矩陣，這可能需要在設備接口板(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。在大多數情況下，半導體制造商希望同時測試盡可能多的設備，以降低測試成本。對于BMS設備，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系統應該包括所有系統內的矩陣和多路復用，以允許最大的站點計數。

　　另一個挑戰是將每個BMS設備輸出到MCU的菊花鏈通信。所有的BMS設備都將把數據發送到總線上。由于這條總線是在電池單元模塊或電池組內，它可能是一個非常嘈雜的環境。這也發生在堆疊電壓下，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需要的一些關鍵特性是格式和周期的動態切換，以及數字儀器讀取異步數據的能力。

　　電池和BMS設備正在不斷發展，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+電壓系統到新的電池化學裝置，在短時間內將會有許多挑戰。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坡道，要求ATE供應商超過BMS的要求，并在高現場數量上提供具有成本效益的解決方案。