电池管理系统热插拔测试和序列设计详叙

　　目前，锂离子（Li-ion）电池技术被应用于各种便携式系统，包括真空吸尘器、锄草设备、手持式电动工具、电动自行车和能量存储系统。与其他化学电池相比，锂离子电池体积更小，重量更轻，电池寿命更长，但需要监控和保护以确保使用安全。
　　电池管理系统（BMS）的主要任务是保护电池组，而电池组监视器是协助保护BMS设备的关键。它监控每个电池组的电压，以及整个电池组的电压、温度和电流。监控这些参数使BMS控制器能够为整个电池组及其各电池单元提供安全的运行窗口。
　　BMS设备运行包含很多方面内容，但本文将主要讨论热插拔排序以及如何实现电池连接序列，而这些序列决定了BMS设备的热插拔性能。大多数工程师都熟悉热插拔这个术语，但是在处理BMS设备和开发热插拔测试排列时，由于存在大量BMS连接，工程师需要时刻牢记其功效。单个电池组监视器可以连接多达15个以上的热插拔。

　　热插拔测试运行条件
　　检测BMS设备热插拔稳健性需要几个“活跃”的单元连接，如图1所示。由于电池单元没有断电开关，所以连接会具备有源拉/灌电压。鉴于拥有多个有线BMS到电池组间的连接，BMS设备必须具备强大的热插拔性能。它必须能够应对在生产或应用环境中执行的任何连接顺序。每次连接新电池组时，BMS控制器都会面对热插拔的情况。
　　
　　图1 热插拔测试需要可编程的切换以对每个单元连接进行控制/定时
　　热插拔期间的主要问题之一是BMS设备的各种电路区块在主电轨连通前就开始通电，这可能会导致电路运行异常。电池组监视器（如ISL94203或ISL94202）可通过在热插拔期间控制关键电路节点阻抗来解决这个问题。

　　热插拔测试的目标
　　在热插拔过程中可能会出现许多设备异常的情况，因此在热插拔测试过程中完成故障检测目标非常重要。
　　损坏的POR——异常状态-机器启动：此问题在于BMS控制设备需要在所有连接完成之前启动，这虽然不会造成毁灭性结果，但它可能导致生产过程中的ATE故障。过早的POR可能导致启动失败。因此，新的热插拔测试方法要能够在电池组连接过程中检测过早的POR或设备激活。
　　内部逻辑故障——数字状态异常：当数字逻辑电平具有亚稳态时会发生这种情况，亚稳态是逻辑电平介于有效电压阈值之间的水平状态。结果是数字状态寄存器报告异常字位组合。因此，测试装置必须在热插拔测试期间支持设备通信（I2C，SPI），如表1所示。异常数字状态可能会导致ATE故障，需要重新启动设备。
　　
　　表1 热插拔测试通过I2C或SPI通信总线记录BMS设备的内部寄存器
　　模拟偏置故障——电压读数不准：这是内部模拟参考或偏置电平未达到合适水平的情况。异常偏差可能导致内部和测量模拟值的持久性偏差。这些偏差可能导致永久性错误，需要重新进行完整的供电循环才能清除。图2显示了热插拔序列完成后模拟多路复用器（MUX）测量的数据。
　　
　　图2 模拟电压测量可实现MUX性能的变化检测

　　制定热插拔连接序列
　　BMS热插拔稳定性需要解决随机功率序列的问题。这些序列定义了从单元测量节点到有源单元电压的连接顺序。这些序列定义本身就可以成为一项研究项目，以往在热插拔测试方面的经验表明这可能需要数千个连接序列。图3展示了热插拔测试的交换连接序列。在开发新的连接序列时，本文提供了一些不同的思路，这些都是多年测试开发积累的成果。
　　
　　图3 包含交换连接序列的热插拔测试