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應(yīng)用分享 | 高性能模塊化電池模擬器在AFE芯片測試中的應(yīng)用
2024-09-06
AFE（Analog Front End，模擬前端）芯片是一種用于模擬信號采集和處理的集成電路，可對輸入信號進行放大、濾波、采樣、量化等處理，以便后端MCU進行分析。目前，AFE芯片已廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能、醫(yī)療等多個行業(yè)。
以典型的BMS AFE芯片為例，主要包括采集模塊、均衡開關(guān)、通信模塊等。其中，采集模塊包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器、參考基準和多路開關(guān)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器實時測量電池單體電壓、溫度等參數(shù)。均衡開關(guān)負責(zé)電芯的均衡控制，通信模塊負責(zé)AFE與MCU之間的數(shù)據(jù)交互，一般采用SPI、I2C等通信方式。
圖1. 典型BMS AFE芯片功能框圖
電動汽車、儲能等行業(yè)的高速發(fā)展帶動了AFE芯片市場的需求增長。根據(jù)恒州誠思YH Research發(fā)布的模擬前端(AFE)市場報告，2022年全球模擬前端(AFE)市場銷售額為8.77億美元，預(yù)計2029年將達到25.4億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）高達16.26%。
圖2. 2019年-2029年全球AFE芯片市場規(guī)模
AFE芯片是汽車BMS、儲能BMS等產(chǎn)品的核心部件，其性能好壞直接決定了BMS運行的準確性、可靠性。因此，AFE芯片測試也成為了芯片廠家的關(guān)注重點，其測試需求具有多功能、多通道高速同步、高精度三大特點。
由圖1結(jié)合市面主流AFE芯片產(chǎn)品可知，AFE芯片通常具有如下功能：
1）單體電芯電壓采集；
2）電芯溫度采集；
3）電芯均衡；
4）狀態(tài)估算：SOC、SOH等；
5）異常報警與保護：保護過充、過放、過溫、采集線斷路等。
因此，對于AFE芯片測試設(shè)備，需要具備單體電壓模擬、溫度模擬、均衡、狀態(tài)模擬、故障模擬等多種功能，并盡量降低占用空間。
儲能5MWh、電動汽車800V時代，更多電池串?dāng)?shù)已成必然趨勢。目前大儲/工商儲電池串?dāng)?shù)最高可達416S，800V平臺電動汽車可達192S，多通道數(shù)據(jù)的高速同步采集、上傳，也成為了AFE芯片廠家的宣傳點之一，目前市面主流AFE芯片電池電壓測量的同步時間≤1ms。
因此，對于AFE芯片測試設(shè)備，其單體電壓輸出同步性、通信指令響應(yīng)及時性，也是芯片廠家的關(guān)注重點。
AFE芯片的單體電壓采集精度直接決定決定了狀態(tài)估算、均衡、保護等功能的準確性。因此芯片的采集精度越來越高。由表1可知，全球主流車規(guī)級AFE芯片測量精度最高可達0.5mV，休眠功耗一般為μA級。
表1. 全球部分頭部企業(yè)AFE芯片參數(shù)
高性能多通道電池模擬器
針對以上測試需求，NGI推出N9000系列模塊化高性能電池模擬器，具有模塊化、高速同步控制、高精度三大特點，可完美匹配AFE芯片測試需求：
4U空間集成36×單體電芯模擬+36×故障模擬+36×溫度模擬，相同通道數(shù)所占用空間為傳統(tǒng)方案的45%；
指令響應(yīng)≤1ms；200+通道同步性≤200μs，匹配主流AFE芯片同步采集測試需求；
精度可達0.1mV，匹配AFE高精度發(fā)展趨勢。
目前，NGI高性能電池模擬器已廣泛應(yīng)用于NXP等全球頭部AFE芯片企業(yè)。
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