Эмуляция аккумуляторных батарей с помощью источника питания

Безопасность измерений

Аккумуляторные батареи (АКБ), и особенно новые Li-ion, обладают большой энергоемкостью. В нормальных условиях эксплуатации (температура, скорость заряда/разряда) аккумуляторы совершенно безопасны. Но в ходе испытаний могут возникать нештатные условия. На этапе разработки тестируемое устройство (ТУ) может работать не так, как нужно, что приведет к перезаряду или глубокому разряду АКБ. Что еще хуже, ТУ может выйти из строя или перейти в нештатный режим, в котором оно будет потреблять от АКБ чрезмерный ток, создавая риск возгорания, взрыва и утечки опасных химических веществ. Таким образом, использование АКБ во время испытаний сопряжено с риском и может создать угрозу для жизни и здоровья.

Эмуляторы АКБ значительно безопасней: они оснащены электронными схемами защиты (от перенапряжения и сверхтоков), которые отключают питание при возникновении аварийного режима.

Лучшая воспроизводимость

Частые циклы заряда/разряда АКБ могут порождать недостоверные результаты испытаний и сокращать срок ее службы. При подготовке АКБ к испытаниям вручную сложно гарантировать точный уровень заряда. Обычно это делается путем полного разряда аккумулятора и последующего его заряда до нужного уровня. Такие дополнительные циклы заряда/разряда АКБ ускоряют ее старение. По мере увеличения числа циклов заряда/разряда поведение аккумулятора меняется, поэтому со временем уже не будет никакой уверенности в том, что стареющий аккумулятор достиг нужного уровня заряда. Это может привести к получению неточных результатов измерений.

Эмулятор АКБ обеспечивает получение более согласованных и воспроизводимых результатов по сравнению с реальным аккумулятором, устраняя погрешность, связанную с его старением и определением степени заряда.

Применение источника питания для эмуляции аккумулятора

В качестве программируемого аккумулятора можно использовать обычный источник питания (ИП), но он имеет особенности, которые делают его непригодным для эмуляции. Во-первых, ИП обладает постоянным и очень малым внутренним сопротивлением, во-вторых, он никогда не «садится», а в-третьих, всегда является источником энергии, тогда как аккумулятор может быть как источником (в процессе разряда), так и потребителем (в процессе заряда).

АКБ можно представить в виде двухквадрантного ИП с последовательным резистором, как показано на рис. 1. Выходное напряжение источника и сопротивление резистора программируются так, чтобы имитировать уровень заряда и старение аккумулятора.

Рис. 1. Аккумуляторная батарея моделируется двухквадрантным ИП с программируемым внутренним сопротивлением

Непосредственно устанавливая выходное напряжение и внутреннее сопротивление, эмулятор АКБ может мгновенно представить любой нужный уровень заряда, исключая процесс заряда или разряда аккумулятора для достижения нужного уровня заряда перед тестированием. Условия измерений, которые могут быть опасными для АКБ, могут безопасно и воспроизводимо имитироваться ИП, включая короткие замыкания или чрезмерные токи, перенапряжения, перезаряд или глубокий разряд.

Вероятно, самой сложной частью эмуляции АКБ является воспроизведение зависимости напряжения от уровня заряда. Это соотношение является базовой моделью аккумулятора и сильно зависит от химического состава электролита, материала электродов и конструкции. Многофункциональный эмулятор может загружать модели АКБ (например, можно передать в эмулятор команду, чтобы он действовал как аккумулятор типа 18650 производителя Xyz). Другим вариантом настройки эмулятора АКБ может быть загрузка зависимости выходного напряжения от уровня заряда
(в процентах) в табличной форме. Система управления эмулятором контролирует процесс заряда и разряда (в кулонах), регулирует уровень заряда и устанавливает соответствующее напряжение на выходе в зависимости от постоянно меняющегося уровня заряда.

Однако даже без такого сложного модельно-ориентированного управления эмулятор АКБ может работать вполне приемлемо для нужд тестирования. Поскольку напряжение на аккумуляторе меняется достаточно медленно, перепрограммированием выходного напряжения вполне может заниматься компьютерная программа. Напряжение можно поднимать или снижать с очень малой скоростью, имитируя его рост во время заряда или падение во время разряда.

Рис. 2. ИП компании Keysight, способные эмулировать АКБ:
а) мощностью до 1000 Вт;
б) мощностью до 2000 Вт

* * *

Применение эмулятора АКБ позволяет быстрее выполнить измерения, повышает безопасность работы и обеспечивает более согласованные результаты по сравнению с реальным аккумулятором. Компания Keysight Technologies выпускает различные ИП, способные работать в двух квадрантах и изменять внутреннее сопротивление. Так, например, в серию систем питания ASP входят 24 модели ИП постоянного тока, которые могут эмулировать АКБ напряжением до 160 В и током до 200 А (рис. 2). В случае когда разработчикам для тестирования требуются маломощные аккумуляторы, можно использовать анализатор ИП постоянного тока Keysight N6705B (рис. 3), установив в него модули источников/измерителей серии N6780, которые могут эмулировать АКБ с напряжением до 20 В и током до 8 А.

Рис. 3. Анализатор ИП постоянного тока Keysight N6705B для эмуляции маломощных АКБ