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基本 BMS 測試系統(tǒng)
"NI PXI 平臺搭配 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，可迅速設(shè)計(jì)并建立 BMS 測試平臺，其彈性足以測試多組消費(fèi)性產(chǎn)品，其精確度更可符合 BMS 測試需求。"
- Grant Gothing, Bloomy Controls
挑戰(zhàn)：
設(shè)計(jì)并開發(fā)彈性、高成本效益的生產(chǎn)測試系統(tǒng)，用于電池平衡 (Battery balancing) 與管理電路板的多項(xiàng)設(shè)計(jì)，包含模擬鋰電池的封裝 (最多 12 組電池)、執(zhí)行高精確度的電壓與電流量測，并透過序列/Controller Area Network (CAN) 以溝通受測單位。
解決方案：
以 NI PXI 平臺與 NI LabVIEW 開發(fā)環(huán)境為架構(gòu)，建立模塊化儀控功能的通用測試系統(tǒng)。包含 6 組 NI PXI-4110 電源供應(yīng)器以模擬電池包，并可達(dá)到多重產(chǎn)品測試所需的彈性與精確度。
作者：
Grant Gothing - Bloomy Controls
油電混合車產(chǎn)業(yè)快速成長，亦代表生產(chǎn)測試與量測將擁有更多新機(jī)會(huì)。這些機(jī)會(huì)將需要生產(chǎn)層級的測試系統(tǒng)，并必須縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，并達(dá)到較高精確度與穩(wěn)定度。其中將包含鋰電池封裝的電池管理系統(tǒng) (Battery management system，BMS) 的生產(chǎn)測試，用于充電式油電混合車 (PHEV) 中。
BMS 將控制電池封裝與控制系統(tǒng)的監(jiān)測作業(yè)、控制作業(yè)，與電路安全性；可精確監(jiān)控電池充電量；平衡電池之間的電壓，以維持穩(wěn)定的封裝電壓；并避免串聯(lián)的 12 組電池封裝發(fā)生過電壓與過電流，以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。此外，BMS 可監(jiān)控系統(tǒng)溫度；進(jìn)入休眠模式節(jié)省系統(tǒng)電路，以降低電流牽引 (Current draw)；并可銜接外部控制器，提供系統(tǒng)的相關(guān)響應(yīng)。因?yàn)橛卸嗫铍姵毓芾頇C(jī)板 (包含獨(dú)立封裝的平衡與監(jiān)控機(jī)板，還有系統(tǒng)控制機(jī)板)，我們將說明所有類型的 BMS。
BMS 的功能與需求
由于 BMS 掌控 PHEV 電池的效能、安全性，與使用壽命，因此各組機(jī)板必須確實(shí)符合相關(guān)規(guī)格。電池電壓必須達(dá)到毫伏 (Millivolt) 的監(jiān)控精確度，安全瑕疵不能超出容錯(cuò)范圍，且 BMS 必須從各個(gè)電池牽引電流，以平衡整個(gè)封裝的電壓。這些程序的功能測試，將需要精確、彈性，且耐用的測試系統(tǒng)，以仿真電池封裝、達(dá)到系統(tǒng)電壓、量測電池與系統(tǒng)的電壓/電流，并能溝通 UUT。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
我們以 Bloomy Comtrols 公司的 PXI 通用測試系統(tǒng)開始，建構(gòu)彈性且高精確度的基本平臺，并內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)的 Mass interconnect 功能，透過可互換的設(shè)備，測試 BMS 電路卡的多款模型。我們的系統(tǒng)可集中約 6 組 NI PXI-4110 - 3 輸出的可程序化直流電源供應(yīng)器，可模擬最多 12 組鋰電池封裝。
我們亦使用高精確度的 NI PXI-4071 多功能數(shù)字電表 (DMM)，以量測毫伏單位的電壓；并新增 NI PXI-6221 - M 系列 DAQ 模塊，達(dá)到模擬輸出、TTL 數(shù)字 I/O，與較高速的模擬輸入量測作業(yè)。我們所建置的 NI PXI-6514 工業(yè)級數(shù)位 I/O 模塊，可讀取切換器并驅(qū)動(dòng)設(shè)備的繼電器。除了 PXI 硬件之外，我們亦使用固定式電源供應(yīng)器，還有可程序化的高電壓/電流供應(yīng)器，以滿足測試所需的額外系統(tǒng)功率。
最后透過 USB 的鏈接功能，提升特定 UUT 與外圍硬件的通訊彈性。而且僅需 1 組標(biāo)準(zhǔn)的 19 吋機(jī)架，即容納了所有硬件。此測試系統(tǒng)即可達(dá)到 BMS 機(jī)板所需的量測與供電需求。
我們亦使用標(biāo)準(zhǔn)的治具接收器 (Fixture receiver)，透過單一硬件即可測試數(shù)款不同的 BMS 設(shè)計(jì)。各種治具類型均以電子方式提供密鑰，確保進(jìn)行正確的測試程序代碼。透過可互換的治具，即可于 UUT 之間共享重要的儀控硬件，以大幅降低系統(tǒng)成本與前置時(shí)間。在建立了基礎(chǔ)系統(tǒng)之后，即可迅速設(shè)計(jì)并建立新的治具，還有相關(guān)的測試軟件。
PXI-4110 為架構(gòu)的電池模擬
為了模擬 12 組鋰電池封裝，我們共串聯(lián) 6 組 PXI-4110電源供應(yīng)器的隔離式 ±20 V 接腳，各組接腳可模擬 1 組電池封裝。在測試電池電壓時(shí)，電源供應(yīng)器可為獨(dú)立的電池電壓提供 2 ~ 4 V，整體封裝電壓可達(dá)最高 48 V。接著軟件將根據(jù) UUT 的電壓輪詢至各組電池。我們再比較這些電壓值與 DMM 所測得的電壓值，以了解 UUT 的精確度。針對各組電池的平衡電流測試，我們使用 PXI-4110 電源供應(yīng)器的 16 位回讀 (Readback) 分辨率，可減少外接分流器 (Shunt) 或霍爾效應(yīng) (Hall effect) 電流。整體來說，由于 PXI-4110 的低漣波 (Low ripple)、高速反應(yīng)、高分辨率，與簡單易用性，實(shí)為此應(yīng)用的絕佳選擇。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
我們使用 LabVIEW 撰寫測試軟件，并以組態(tài)檔案納入所有測試參數(shù)，讓客戶不需更改軟件，亦可更新、放寬，或提升測試規(guī)格。此外，我們亦于另外 1 個(gè)組態(tài)檔案中儲(chǔ)存所有的 DAQ 信道與作業(yè)，不致影響背景軟件亦可變更硬件或接線。同樣的，由于用戶接口是專為制造環(huán)境所設(shè)計(jì)，因此不需進(jìn)行太多的人力操作，僅需測試工程師開啟治具的安全蓋、掃瞄 UUT 的序號條形碼，再關(guān)閉治具安全蓋，即可于標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)期間開始測試。當(dāng)完成測試時(shí)，將隨即顯示測試結(jié)果、測試數(shù)據(jù)記錄為檔案，并為工程師顯示失敗的測試作業(yè)。
還有，我們讓所有軟件均具備除錯(cuò)與診斷模式，讓工程師能手動(dòng)控制系統(tǒng)。測試工程師可用除錯(cuò)模式執(zhí)行較小型的子集，降低失敗的風(fēng)險(xiǎn)。診斷控制畫面，則可存取系統(tǒng)相關(guān)的所有重點(diǎn)到相對應(yīng)的設(shè)備。如此可讓工程師手動(dòng)讀取系統(tǒng)電壓與電流、控制電源供應(yīng)器，驅(qū)動(dòng)繼電器，并溝通 UUT。
精確且彈性的測試解決方案
在 Bloomy Controls 公司 BMD 功能測試系統(tǒng)中，所使用的 NI 模塊化儀器與 LabVIEW 軟件，均為精確、彈性，且簡單易用的系統(tǒng)所必備。共 6 組 PXI-4110 可程序化直流電源供應(yīng)器，可模擬鋰電池的封裝。為了因應(yīng)未來需求，我們已設(shè)定了 3 組基本系統(tǒng)與 9 組治具，其中包含 7 組專屬治具模型。我們并提供 2 組基本系統(tǒng)予合約包商，其中 1 家包商目前已于中國境內(nèi)開工。
由于我們具備 BMS 測試的專業(yè)技術(shù)，更讓我們僅冒極低的風(fēng)險(xiǎn)與極短的前置時(shí)間，即可迅速開發(fā)新的測試系統(tǒng)。而透過模塊化儀器與可互換的組件，基本系統(tǒng)更可整合多款 BMS 模型進(jìn)行測試。此方法可降低成本并縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，為研發(fā)原型的高成本效益解決方案。NI PXI 平臺搭配 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境，可迅速設(shè)計(jì)并建立 BMS 測試平臺，其彈性足以測試多組消費(fèi)性產(chǎn)品，其精確度更可符合 BMS 測試需求。
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