基于PXI平台与LabVIEW开发环境实现BMS测试平台的设计

“NI PXI 平台搭配 LabVIEW 开发环境，可迅速设计并建立BMS测试平台，其弹性足以测试多组消费性产品，其精确度更可符合 BMS 测试需求。”

挑战：

设计并开发弹性、高成本效益的生产测试系统，用于电池平衡 （Battery balancing） 与管理电路板的多项设计，包含模拟锂电池的封装 （最多 12 组电池）、执行高精确度的电压与电流量测，并透过序列/Controller Area Network （CAN） 以沟通受测单位。

解决方案：

以 NI PXI 平台与 NI LabVIEW 开发环境为架构，建立模块化仪控功能的通用测试系统。包含 6 组 NI PXI-4110 电源供应器以模拟电池包，并可达到多重产品测试所需的弹性与精确度。

作者：

Grant Gothing - Bloomy Controls

油电混合车产业快速成长，亦代表生产测试与量测将拥有更多新机会。这些机会将需要生产层级的测试系统，并必须缩短设计时间，并达到较高精确度与稳定度。其中将包含锂电池封装的电池管理系统 （Battery management system，BMS） 的生产测试，用于充电式油电混合车 （PHEV） 中。

BMS 将控制电池封装与控制系统的监测作业、控制作业，与电路安全性；可精确监控电池充电量；平衡电池之间的电压，以维持稳定的封装电压；并避免串联的 12 组电池封装发生过电压与过电流，以保护整个系统。此外，BMS 可监控系统温度；进入休眠模式节省系统电路，以降低电流牵引 （Current draw）；并可衔接外部控制器，提供系统的相关响应。因为有多款电池管理机板 （包含独立封装的平衡与监控机板，还有系统控制机板），我们将说明所有类型的 BMS。

BMS 的功能与需求

由于 BMS 掌控 PHEV 电池的效能、安全性，与使用寿命，因此各组机板必须确实符合相关规格。电池电压必须达到毫伏 （Millivolt） 的监控精确度，安全瑕疵不能超出容错范围，且 BMS 必须从各个电池牵引电流，以平衡整个封装的电压。这些程序的功能测试，将需要精确、弹性，且耐用的测试系统，以仿真电池封装、达到系统电压、量测电池与系统的电压/电流，并能沟通 UUT。

系统硬件设计

我们以 Bloomy Comtrols 公司的 PXI 通用测试系统开始，建构弹性且高精确度的基本平台，并内含标准的 Mass interconnect 功能，透过可互换的设备，测试 BMS 电路卡的多款模型。我们的系统可集中约 6 组 NI PXI-4110 - 3 输出的可程序化直流电源供应器，可模拟最多 12 组锂电池封装。

我们亦使用高精确度的 NI PXI-4071 多功能数字电表 （DMM），以量测毫伏单位的电压；并新增 NI PXI-6221 - M 系列 DAQ 模块，达到模拟输出、TTL 数字 I/O，与较高速的模拟输入量测作业。我们所建置的 NI PXI-6514 工业级数位 I/O 模块，可读取切换器并驱动设备的继电器。除了 PXI 硬件之外，我们亦使用固定式电源供应器，还有可程序化的高电压/电流供应器，以满足测试所需的额外系统功率。

最后透过 USB 的链接功能，提升特定 UUT 与外围硬件的通讯弹性。而且仅需 1 组标准的 19 吋机架，即容纳了所有硬件。此测试系统即可达到 BMS 机板所需的量测与供电需求。

我们亦使用标准的治具接收器 （Fixture receiver），透过单一硬件即可测试数款不同的 BMS 设计。各种治具类型均以电子方式提供密钥，确保进行正确的测试程序代码。透过可互换的治具，即可于 UUT 之间共享重要的仪控硬件，以大幅降低系统成本与前置时间。在建立了基础系统之后，即可迅速设计并建立新的治具，还有相关的测试软件。

PXI-4110 为架构的电池模拟

为了模拟 12 组锂电池封装，我们共串联 6 组 PXI-4110电源供应器的隔离式 ±20 V 接脚，各组接脚可模拟 1 组电池封装。在测试电池电压时，电源供应器可为独立的电池电压提供 2 ~ 4 V，整体封装电压可达最高 48 V。接着软件将根据 UUT 的电压轮询至各组电池。我们再比较这些电压值与 DMM 所测得的电压值，以了解 UUT 的精确度。针对各组电池的平衡电流测试，我们使用 PXI-4110 电源供应器的 16 位回读 （Readback） 分辨率，可减少外接分流器 （Shunt） 或霍尔效应 （Hall effect） 电流。整体来说，由于 PXI-4110 的低涟波 （Low ripple）、高速反应、高分辨率，与简单易用性，实为此应用的绝佳选择。

系统软件设计

我们使用 LabVIEW 撰写测试软件，并以组态档案纳入所有测试参数，让客户不需更改软件，亦可更新、放宽，或提升测试规格。此外，我们亦于另外 1 个组态档案中储存所有的 DAQ 信道与作业，不致影响背景软件亦可变更硬件或接线。同样的，由于用户接口是专为制造环境所设计，因此不需进行太多的人力操作，仅需测试工程师开启治具的安全盖、扫瞄 UUT 的序号条形码，再关闭治具安全盖，即可于标准作业期间开始测试。当完成测试时，将随即显示测试结果、测试数据记录为档案，并为工程师显示失败的测试作业。

还有，我们让所有软件均具备除错与诊断模式，让工程师能手动控制系统。测试工程师可用除错模式执行较小型的子集，降低失败的风险。诊断控制画面，则可存取系统相关的所有重点到相对应的设备。如此可让工程师手动读取系统电压与电流、控制电源供应器，驱动继电器，并沟通 UUT。

精确且弹性的测试解决方案

在 Bloomy Controls 公司 BMD 功能测试系统中，所使用的 NI 模块化仪器与 LabVIEW 软件，均为精确、弹性，且简单易用的系统所必备。共 6 组 PXI-4110 可程序化直流电源供应器，可模拟锂电池的封装。为了因应未来需求，我们已设定了 3 组基本系统与 9 组治具，其中包含 7 组专属治具模型。我们并提供 2 组基本系统予合约包商，其中 1 家包商目前已于中国境内开工。

由于我们具备 BMS 测试的专业技术，更让我们仅冒极低的风险与极短的前置时间，即可迅速开发新的测试系统。而透过模块化仪器与可互换的组件，基本系统更可整合多款 BMS 模型进行测试。此方法可降低成本并缩短设计时间，为研发原型的高成本效益解决方案。NI PXI 平台搭配 LabVIEW 开发环境，可迅速设计并建立 BMS 测试平台，其弹性足以测试多组消费性产品，其精确度更可符合 BMS 测试需求。