聊聊BMS測試的那些事兒

BMS是個功能特別復(fù)雜的電子設(shè)備。在其設(shè)計階段，需要對原型的功能進(jìn)行驗證；在生產(chǎn)階段，需要對產(chǎn)品的功能進(jìn)行測試；如果設(shè)備出現(xiàn)故障，需要進(jìn)行檢修。在這些階段都需要有對應(yīng)的測試設(shè)備來支持。
BMS的功能包括3個主要方面：1）對電池組的工作狀態(tài)的監(jiān)測與管理——單體和電池組的電壓監(jiān)測、電流監(jiān)測、溫度監(jiān)測、SOC估算，均衡控制等
2）對電池組異常狀態(tài)的管理——單體和電池組的過充、過放、過流、溫度超限、失衡等3）對電池組故障的管理——傳感器丟失、單體故障等
4）BMS的各項功能所涉及到包括數(shù)據(jù)采集、過程控制、數(shù)據(jù)通訊等多種技術(shù)，應(yīng)用ADC、DIO、PWM、CAN、繼電器等多種端口和設(shè)備，功能和算法都很復(fù)雜。
為了對這么復(fù)雜的功能進(jìn)行全面測試，很多情況下還要進(jìn)行性能測試和評估，目前主要的方法有2種：第一種方法：將被管理的電池組實物與BMS對接進(jìn)行測試

這種測試方法最直接，所有的測試參數(shù)都與實際情況一致，看似比較理想，但是實際應(yīng)用的時候存在比較多的問題：

1）測試時間長——電池組的充放都需要比較多的時間，要完成一次工作循環(huán)必須遵從實物的特性，等待的時間比較長，難以進(jìn)行批量測試

2）需要的輔助設(shè)備多——為了模擬各種環(huán)境狀態(tài)，需要大型恒溫箱等輔助設(shè)施

3）調(diào)整參數(shù)困難——如果用于BMS單項功能的驗證和調(diào)試，在開始試驗之前要通過充電放電來調(diào)整電池組的狀態(tài)

4）可控性差——單體的容量、內(nèi)阻等重要參數(shù)都受到實物的限定，沒有調(diào)整的空間。受制于電池組裝配工藝等多方面因素影響，也無法調(diào)整任意一個單體的SOC等運(yùn)行狀態(tài)。另外隨著循環(huán)次數(shù)增加，電池組自身的狀態(tài)也會發(fā)生變化

5）存在安全隱患——電池組是個儲存很大能量的裝置，這種測試方式對操作人員的人身安全存在威脅

6）能源消耗大——電池組的充電和放電需要大量能源

7）系統(tǒng)成本高——電池組自身價格比較高，尤其是大功率的電池組；相關(guān)的維護(hù)費用也很高。

8）實際狀態(tài)未知——這一點是最致命的。電池組中每個電池單體的電壓、溫度、均衡電流等參數(shù)的設(shè)定值是未知的，用戶只能獲取到測量值，無法比對。

所以這個方法只適用于驗證BMS在正常工作范圍內(nèi)的表現(xiàn)，而不適合應(yīng)用于BMS的開發(fā)調(diào)試和生產(chǎn)測試

第二種方法：基于仿真電池組的測試和驗證。

1）通過高精度的程控電池模擬器來仿真電池單體的電壓，并具有一定的電流輸出和吸收能力，仿真放電和充電過程

2）通過高精度的程控電阻來仿真各溫度傳感器

3）通過高精度的程控DAC來仿真電流傳感器

4）通過數(shù)字IO、DAC、CAN總線通訊模塊、程控電源等輔助設(shè)備實現(xiàn)其它功能端口的仿真以及與BMS的通訊。

這種方法基于成熟的計算機(jī)技術(shù)和測試儀器硬件平臺，能夠通過應(yīng)用軟件快速調(diào)整電池組的工作狀態(tài)，提高測試效率和安全性，擴(kuò)展性好。雖然一次投資比較高，但是長期綜合效益明顯。如果對多種BMS進(jìn)行測試，成本優(yōu)勢更加明顯。非常適合BMS開發(fā)，以及大批量的生產(chǎn)測試。

對BMS進(jìn)行測試的關(guān)鍵是對電池組進(jìn)行高精度的仿真。仿真的方法大致分為兩類：

1）開環(huán)仿真。

直接仿真電池組的運(yùn)行參數(shù)，預(yù)先設(shè)定所有數(shù)據(jù)和變化過程。這種方法主要用于快速檢測BMS的基本功能。對主控計算機(jī)的性能要求不高，軟件相對比較精簡，整體成本較低。特別適合在BMS的研發(fā)階段進(jìn)行功能驗證，以及對量產(chǎn)BMS進(jìn)行測試

2）閉環(huán)仿真。

設(shè)定部分參數(shù)及變化過程，其它參數(shù)則依據(jù)被測BMS的反饋而進(jìn)行自動調(diào)整。這種方法功能全面，可以用于對BMS的各種高級功能進(jìn)行測試。通常在這種類型的測試系統(tǒng)中會置入某種類型的電池數(shù)學(xué)模型，輸出特性則依據(jù)數(shù)學(xué)模型的實時運(yùn)算結(jié)果，對計算機(jī)性能要求很高，軟件開發(fā)的工作量大，成本高。但是如果模型建立的準(zhǔn)確，仿真結(jié)果會更加符合真實電池組的特性。適合在BMS研發(fā)階段進(jìn)行復(fù)雜功能的驗證。

1.

在開環(huán)測試中，主要的仿真參數(shù)如下：

第一類，直接仿真參數(shù)：

電池單體電壓——根據(jù)BMS管理的單體數(shù)量配置仿真電池單體的數(shù)量，每個仿真單體的輸出電壓可以通過程序設(shè)定。電壓的可調(diào)范圍會大于真實電池，例如我公司用于仿真鋰離子電池的設(shè)備，輸出電壓下限會低至0.5V甚至0V，上限可達(dá)5V，足以仿真嚴(yán)重的過充和過放。電壓的準(zhǔn)確度可以達(dá)到1mV

電池組總電壓——雖然總電壓可以由仿真單體串聯(lián)所得，但是如果對具備獨立的總電壓測量端口的BMS進(jìn)行測試，可以通過程控直流電源直接給出總電壓，以避免多個單體的累積誤差

電池組總電流——大部分BMS是通過外部的電流傳感器獲取總電流(例如霍爾傳感器)，在仿真測試中可以通過DAC來仿真電流傳感器的輸出。這樣做的好處是，第一可以通過軟件支持多種不同特性的傳感器，第二可以避免使用龐大、昂貴的大電流程控直流電源和電子負(fù)載

電池單體的溫度——通過高精度程控電阻來仿真各個溫度傳感器。以應(yīng)用比較多的NTC型傳感器為例，我公司生產(chǎn)的程控電阻模塊，其電阻范圍10歐~1M，仿真溫度范圍可達(dá)-100℃~300℃，分辨率可達(dá)0.1℃，遠(yuǎn)超過實際傳感器的能力，可以準(zhǔn)確仿真各種極端工況。避免了使用恒溫箱，可以分別設(shè)定各傳感器的溫度值，仿真溫度場，同時還可以仿真?zhèn)鞲衅鞫搪贰㈤_路等故障情況

其它IO端口——包括DIO、PWM、CAN總線通訊等端口

第二類，間接仿真參數(shù)：

均衡電流——均衡電流取決于仿真電池單體的輸出能力，實際數(shù)值由BMS決定。一般用于被動均衡測試的仿真單體最大可以輸出約300mA的電流。

電池內(nèi)阻——電池內(nèi)阻可以通過總電流和單體電壓的變化過程來體現(xiàn)

SOC——SOC可以通過單體電壓、內(nèi)阻等進(jìn)行設(shè)定，但是很多情況下開環(huán)測試中要仿真SOC，需要針對被測BMS的SOC算法來進(jìn)行針對性設(shè)計

出于性價比的考慮，為了檢測BMS的全功能，一般需要采取多通道、互相隔離的電池仿真器，可以覆蓋新能源電池的單體分布電壓及多節(jié)串聯(lián)電壓，而我公司生產(chǎn)的UI100系列核心模塊正是為了解決這一測試方案而研發(fā)的，結(jié)構(gòu)簡潔，功能全面，完美覆蓋BMS功能測試所需的各項技術(shù)指標(biāo)。

我公司生產(chǎn)的用于BMS測試的核心模塊技術(shù)參數(shù)如下表所示：