基本 BMS 測試系統

NI PXI 平臺搭配 LabVIEW 開發環境，可迅速設計并建立 BMS 測試平臺，其彈性足以測試多組消費性產品，其精確度更可符合 BMS 測試需求。

- Grant Gothing, Bloomy Controls

挑戰：

設計并開發彈性、高成本效益的生產測試系統，用于電池平衡 (Battery balancing) 與管理電路板的多項設計，包含模擬鋰電池的封裝 (最多 12 組電池)、執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 開發環境為架構，建立模塊化儀控功能的通用測試系統。包含 6 組 NI PXI-4110 電源供應器以模擬電池包，并可達到多重產品測試所需的彈性與精確度。

油電混合車產業快速成長，亦代表生產測試與量測將擁有更多新機會。這些機會將需要生產層級的測試系統，并必須縮短設計時間，并達到較高精確度與穩定度。其中將包含鋰電池封裝的電池管理系統 (Battery management system，BMS) 的生產測試，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的監測作業、控制作業，與電路安全性；可精確監控電池充電量；平衡電池之間的電壓，以維持穩定的封裝電壓；并避免串聯的 12 組電池封裝發生過電壓與過電流，以保護整個系統。此外，BMS 可監控系統溫度；進入休眠模式節省系統電路，以降低電流牽引 (Current draw)；并可銜接外部控制器，提供系統的相關響應。因為有多款電池管理機板 (包含獨立封裝的平衡與監控機板，還有系統控制機板)，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，因此各組機板必須確實符合相關規格。電池電壓必須達到毫伏 (Millivolt) 的監控精確度，安全瑕疵不能超出容錯范圍，且 BMS 必須從各個電池牽引電流，以平衡整個封裝的電壓。這些程序的功能測試，將需要精確、彈性，且耐用的測試系統，以仿真電池封裝、達到系統電壓、量測電池與系統的電壓/電流，并能溝通 UUT。

系統硬件設計

我們以 Bloomy Comtrols 公司的 PXI 通用測試系統開始，建構彈性且高精確度的基本平臺，并內含標準的 Mass interconnect 功能，透過可互換的設備，測試 BMS 電路卡的多款模型。我們的系統可集中約 6 組 NI PXI-4110 - 3 輸出的可程序化直流電源供應器，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，達到模擬輸出、TTL 數字 I/O，與較高速的模擬輸入量測作業。我們所建置的 NI PXI-6514 工業級數位 I/O 模塊，可讀取切換器并驅動設備的繼電器。除了 PXI 硬件之外，我們亦使用固定式電源供應器，還有可程序化的高電壓/電流供應器，以滿足測試所需的額外系統功率。

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 組標準的 19 薊架，即容納了所有硬件。此測試系統即可達到 BMS 機板所需的量測與供電需求。

我們亦使用標準的治具接收器 (Fixture receiver)，透過單一硬件即可測試數款不同的 BMS 設計。各種治具類型均以電子方式提供密鑰，確保進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，以大幅降低系統成本與前置時間。在建立了基礎系統之后，即可迅速設計并建立新的治具，還有相關的測試軟件。

PXI-4110 為架構的電池模擬

為了模擬 12 組鋰電池封裝，我們共串聯 6 組 PXI-4110電源供應器的隔離式 ±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，電源供應器可為獨立的電池電壓提供 2 ~ 4 V，整體封裝電壓可達最高 48 V。接著軟件將根據 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 電源供應器的 16 位回讀 (Readback) 分辨率，可減少外接分流器 (Shunt) 或霍爾效應 (Hall effect) 電流。整體來說，由于 PXI-4110 的低漣波 (Low ripple)、高速反應、高分辨率，與簡單易用性，實為此應用的絕佳選擇。

系統軟件設計

我們使用 LabVIEW 撰寫測試軟件，并以組態檔案納入所有測試參數，讓客戶不需更改軟件，亦可更新、放寬，或提升測試規格。此外，我們亦于另外 1 個組態檔案中儲存所有的 DAQ 信道與作業，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境所設計，因此不需進行太多的人力操作，僅需測試工程師開啟治具的安全蓋、掃瞄 UUT 的序號條形碼，再關閉治具安全蓋，即可于標準作業期間開始測試。當完成測試時，將隨即顯示測試結果、測試數據記錄為檔案，并為工程師顯示失敗的測試作業。

還有，我們讓所有軟件均具備除錯與診斷模式，讓工程師能手動控制系統。測試工程師可用除錯模式執行較小型的子集，降低失敗的風險。診斷控制畫面，則可存取系統相關的所有重點到相對應的設備。如此可讓工程師手動讀取系統電壓與電流、控制電源供應器，驅動繼電器，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，且簡單易用的系統所必備。共 6 組 PXI-4110 可程序化直流電源供應器，可模擬鋰電池的封裝。為了因應未來需求，我們已設定了 3 組基本系統與 9 組治具，其中包含 7 組專屬治具模型。我們并提供 2 組基本系統予合約包商，其中 1 家包商目前已于中國境內開工。

由于我們具備 BMS 測試的專業技術，更讓我們僅冒極低的風險與極短的前置時間，即可迅速開發新的測試系統。而透過模塊化儀器與可互換的組件，基本系統更可整合多款 BMS 模型進行測試。此方法可降低成本并縮短設計時間，為研發原型的高成本效益解決方案。NI PXI 平臺搭配 LabVIEW 開發環境，可迅速設計并建立 BMS 測試平臺，其彈性足以測試多組消費性產品，其精確度更可符合 BMS 測試需求。