提供电池BMS保护板之保护功能测试

3310F 电子负载及6020 ATE 提供 BMS 电池管理系统测试验证解决方案(Battery Management system)

手持式装置(笔电、平版及手机)已经越来越普遍，前述装置内部均包含可充电的锂电池，另外车辆装置如电动自行车、电动机车及电动汽车也都搭载容量不同的可充电电池，由于电池是能源动力的来源，除了供应装置所需的电力外，还需处理异常状况，避免产生起火燃烧，甚至爆炸的发生，所以几乎所有二次充电电池都会搭配电池管理系统(BMS)来确保安全。
具体来说，电池管理系统(BMS)是一块电路板，它与二次充电电池相连接BMS电路板内能监控电池电压、充电电流、放电电流、温度及控制连接充电及放电开关，它必须在异常状况或有危险状态下，将电池与充电器或与装置断开，避免起火燃烧或爆炸得情形产生，所谓的异常状况是指：

a. 过电流，包括充电电流与放电电流两种模式
b. 充电时过高电压
c. 放电时，过度放电时的过低电压(Under-Voltage)
d. 过高温度
e. 过低温度

BMS为确保电池能够工作于安全工作区域内，所以具有一内部开关(通常是MOSFET 半导体固态开关) ，当电池工作于安全区域外时，此一内部开关会断路(OPEN)来确保电池安全。
在电池搭配BMS电路板前，必须先单独测试验证BMS电路，针对各种异常状况能够按照设计来运作，这样才能确保安全无虑，最后将电池单元与BMS组合为成品后，再做最终成品的测试验证达到零暇疵的品质要求。

PRODIGIT针对BMS测试认证有完整的测试解决方案有2种，分别是在电子负载3310F系列内部增加BMS测试功能以及6020 ATE的自动测试系统，本文仅针对电子负载内部增加BMS测试功能部份加以说明，在3310F系列负载选购增加BMS测试功能后，包括电池充电、放电及温度等条件都能精确模拟，并能够快速测试BMS动作的实际参数，如过充或过放电流及动作时间等模拟，另外可模拟过高过低温度，来验证充电或放电是否降低等，关于BMS的温度测试部份请参考”电池充电器温度测试解决方案”一文

以下逐一说明博计3310F系列BMS Option的功能与操作，提供BMS电路板测试验证的解决方案。

1. BMS 的短路，过充电流，过放电流保护原理

BMS电路保护原理如下图，是透过关闭MOSFET(回路电流=0A)来达到保护电池功能。
在BMS内，MOSFET开关是双向的，在正常状态下二个开关都是ON的；由于2个MOSEFT开关有Rds ON电阻，电流流过会产生压降，电池BMS就靠此特性用来侦测充电与放电电流之用，下图所示MOSFET开关状态是过放电电流状态，IC第3脚控制MOSFET为ON，此时放电开关为OFF（由IC第1脚控制）。
当BMS侦测到短路，过放电流或电池过低电压时，会将放电开关OFF来保护电池安全。
当BMS侦测到过充电流或电池过高电压时，会将充电开关OFF来保护电池安全。

当电池被意外短路或过流时，IC第2脚的电压(MOSFET的导通电阻的分压) 大于过流检出电压时，IC第1脚放电端输出低电平，放电MOSFET断开，停止放电。

图1 　BMS的内部架构

2. 短路保护(SHORT)测试方法：电源(PS)& LOAD连接如图2，LOAD测试程序如图3。

在短路保护测试模式下，电子负载会拉载到该机型的最大电流值（例如3311F为60A）同时启动计时器来计算实际流过BMS的时间(注:此时间系指超过所设定阀值电流Ith到BMS动作MOSEFT开关OFF，即低于所设定阀值电流Ith之间的时间，除此之外电子负载会测量实际的最大短路电流值，图4为4000 mAh 行动电源使用3311F BMS测试的示波器电流波形（左图）及电子负载上电表显示短路最大实际电流与短路保护反应时间（右图）。

用电源供应器模拟电池用电子负载模拟电子装置的电流

图2

SHORT Protection Test Procedure

图3　3311F的BMS短路电流测试程序图

图4　4000mAh Power Bank 实际短路测试波形

3. 过充电流保护(OCCP)测试方法：测试方式分为单脉冲及连续Step 脉冲，单脉冲可用于快速测试时使用适合生产线的大量快速测试之用，连续Step 脉冲则可用于扫描实际过电流保护点，适合研发等需要精确的动作点电源(PS) & LOAD连接及测试程序如图5。

3.1 单脉冲的过电流保护测试模式下，电子负载会拉载到所设定的电流值，(例如3311F为0~60A之间的电流值)，此时电子负载会测量实际的最大过电流保护值与过电流的动作反应时间值，图6为3311F单脉冲电流的BMS过充电流测试程序图，图7为实际测试结果，左图为BMS过充电流保护时的示波器电流波形图，右图为3311F BMS的实际测试过充电流值与保护反应时间。

3.2 连续STEP脉冲的过电流保护测试模式，与单脉冲模式类似，连续STEP脉冲模式除起始的电流设定外，增加了每个STEP的时间，每个STEP增加的电流及最终STEP的电流值，图8为3311F单脉冲电流的BMS过充电流测试程序图，图9为实际测试结果，左图为BMS过充电流保护时的示波器电流波形图，右图为3311F BMS的实际测试过充电流值与保护反应时间。
连续STEP脉冲模式下，电子负载所测量的最大过电流保护值与过电流的动作反应时间值是在每个STEP下的测量结果，举例来说，若设定ISTART 为1.000A OCT TSTEP为500ms，OCP ISTEP为0.1A，OCP ISTOP为5.000A，则测量过程为电子负载先拉载1.000A并测试电池BMS在500ms是否动作，若是测量出动作电流值与动作反应时间，若电池BMS在1.000A下并未动作，则电子负载就依ISTEP设定拉载增加为1.100A，并测试在500ms是否动作，若是则测量出在1.100A下的动作电流值与动作时间，若电池BMS在1.100A下并未动作，则依上面方式在增加拉载电流到1.200A，直到在电池BMS测试的最终测试电流值5.000A为止。

用电子负载模拟电池充电电流用电源供应器(PS)模拟充电电源

图5　BMS充电时的等效模拟图

3.3 单脉冲：快速测试时使用

OCCP(Over Current Charge Protection)Test Procedure

图6 3311F的BMS过充电流测试程序图 (单脉冲)

图7 3311F的BMS过充电流测试结果 (单脉冲)

3.4 连续Step脉冲：扫描充电时实际过电流保护点时使用

OCCP(Over Current Charge Protection)Test Procedure

图8 3311F的BMS过充电流测试程序图 (连续STEP脉冲)

图9 3311F的BMS过充电流测试结果(连续STEP脉冲)

4. 过放电流保护(OCDP)测试方法：电源(PS)& LOAD连接及测试程序如图10所示。

模拟电池电源)PS(用电源供应器用电子负载模拟电子装置的电流

图10 BMS放电时的等效模拟图

4.1 单脉冲：快速测试时使用
OCDP(Over Current Discharge Protection) Test Procedure

图11为3311F 单脉冲电流的BMS过放电流测试程序图，图12为实际测试结果左图为BMS过放电保护时的示波器电流波形图，右图为3311F BMS的实际测试过充电流值与保护反应时间。

图11　3311F的过放电流测试程序图

图12 3311F的BMS过放电流测试结果(单脉冲)

4.2 连续Step脉冲 : 扫描放电时实际过电流保护点时使用

OCDP(Over Current Discharge Protection) Test Procedure

图13为3311F 连续脉冲电流的BMS过放电流测试程序图，图14为实际测试结果左图为BMS过放电流保护时的示波器电流波形图，右图为3311F BMS的实际测试过充电流值与反应时间。

图13 3311F的BMS过放电流测试程序图(连续STEP脉冲)

图14 3311F的BMS过放电流测试结果(连续STEP脉冲)

5. 前面已经将电池BMS的功能及实际动作反应做了详细的解说，电池BMS确实能够对电池异常电压电流温度等情况立即做出保护断路措施，避免产生危险的发生，由于电池BMS是安全性措施必须要做到100%全功能测试验证，安全才能确保，虽然测试验证电池BMS可用示波器测量出BMS动作时的电流值及动作反应时间，用示波器在研发阶段可以详细测试是无庸置疑，但在大量生产阶段，需要快速且完整测试就有产能产量的限制，博计针对这个困难，特别将电池BMS测试整合在电子负载内除了正常3310F系列的功能外再增加电池BMS测试所需的设定测试电流，电流动作值及动作反应计时器都整合在3311F BMS Option内，让大量快速测试验证电池BMS变成精确可靠又快速的好方法，以下针对3311F-BMSShort,OCCP,OCDP保护功能所提供的测试功能，操作说明如下：

5.1 Config 功能參數下設定 BMS“ON”，此時面板上的 OCP/Short 按鍵為 BMS 測試模式，OPP 為一般 OPP測試功能，當BMS 設定為“OFF”時，則為一般 OCP/OPP/Short 功能
5.2 SHORT 测试：BMS P+、P- 端发生短路之保护状态，需量测短路电流，保护时间，设定方法：
按Short key，可设定Short test time(0.010~10.000ms，预设1ms)，Ith(0.01~60A)，按Start key 开始测试Load 自动吃最大电流60A，测试时DISPLAY显示”SHORT TEST”，当Im (I measuring)

5.3 OCP(OCCP/OCDP)：测试BMS 发生过充电(OCCP)或过放电(OCDP)之保护状态，需量测过充电或过放电之电流，保护时间，OCCP/OCDP皆使用OCP测试，其差别在电源(PS)& LOAD 与BMS 连接方式不同，设定方法：按OCP key，可设定Istart ->Tstep(1~1000ms) ->Istep ->Istop ->Ith(0.01A~ Note：当测试方式为一个PULSE时，则仅需设定Istart与Tstep，再按Start key开始测试(Istep 预设为0)

5.4 3311F和BMS选项测试功能规格如表一，它包含了个别的SHORT测试及OCP测试，对于其他型号的BMS规格，请联系博计销售部门以了解详情

表1 3311F选购BMS的规格

5.5 前述测试说明中，当单独对BMS测试时需使用电源供应器做为电池模拟(放电测试)之用，若电池单元与BMS组合为成品后就不需要电源供应器，直接对成品测试就可以，博计的6020 ATE内有BMS单元或电池单元+BMS成品所需的直流电源供应器，BMS测试电子负载，充电/放电时的连接开关等都能在6020 ATE的测试程式下执行。

5.6 從前面詳細的測試結果來看，博計3311F含BMS功能的電子負載所測量的數據幾乎與示波器測試从前面详细的测试结果来看，博计3311F含BMS功能的电子负载所测量的数据几乎与示波器测试的读值相同，而且测试的条件参数可依需要逐一设定具备了弹性精确又快速方便的测试验证，另外6020 ATE支援所有的博计电子负载，将3311F BMS电子负载安装于6020 ATE上面就能够执行BMS的精确又快速的自动程式。
几乎所有系列的电子负载可以安装BMS选项，例如3310F系列、34000A系列、36000A系列电子负载，请联系博计的销售部门或在您区域的经销商。

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