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安捷伦PE7900蓄电池仿真系统方案简介
作者:安捷伦电源与能源工厂 孙川
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电池/开关电源展厅
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系统概述

安捷伦蓄电池仿真系统是基于安捷伦APS高性能电源为基础开发的专用蓄电池测试和仿真系统。为客户提供全面的蓄电池性能测试,电池数据分析,电池模型提取和电池特性仿真功能。系统既可以用于验证蓄电池各项指标,完成全面的电池性能测试,也可以用于电池特性仿真,模拟真实电池对电池控制单元的性能进行测试。有效的避免了使用真实电池可能造成的安全问题,并大幅度提高了测试速度和效率。

安捷伦蓄电池仿真器系统主要包括三部分的功能:

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蓄电池充放电测试和数据记录

根据蓄电池的充电、放电要求对蓄电池进行充放电测试,同时采集整个过程中蓄电池的端电压,电流,内阻,电量等信息。记录完整充电或放电周期的数据,验证电池容量,充、放电时间等信息。记录下来的图形和原始数据可以保存下来,为后续的电池模型建立提供数据。

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图1:锂离子电池充电、放电全过程数据记录(包含电压,电流,电量,内阻曲线)

为蓄电池建立数据模型

根据采集到的真实电池充电或放电数据(包含一个完整的充电或放电周期),可以为蓄电池建立电池模型,模型中包括电量与电池内阻关系,电量与电池端电压关系,以及充电、放电电流与电池端电压关系。PE7900的配套软件可以根据之前记录的一条完整的充电或放电曲线数据,自动建立电池模型,并保存起来。同时,用户也可以单独对数据模型进行编辑修改,或者自己建立全新的电池模型数据,用来表征不同种类,不同型号的蓄电池。

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图2:根据实测电池数据建立的蓄电池模型

蓄电池仿真功能

根据之前建立的蓄电池模型,用户可以使用PE7900系统代替真实蓄电池,进行测试。软件分为静态仿真模式和动态仿真模式。在仿真开始前,先选择事先建立好的蓄电池模型,可以任意设定蓄电池的起始开路电压Voc,蓄电池内阻R和蓄电池电容量C,模拟蓄电池在不同状态,不同连接,以及不同负载条件下的工作情况。

在静态模式下,蓄电池仿真器的开路电压值始终保持在设置的初始位置,电池电量与电池开路电压保持不变,用户可以随时改变电池开路电压设置值,用于测试待测件(电池管理器)与不同荷电条件下的电池连接之后的工作状况。

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图3:左右两图分别为蓄电池模拟器在放电情况下和充电情况下的电池端电压,
开路电压,电池电量和电流曲线

动态模式下,蓄电池仿真器的开路电压和电量随充、放电过程而变化。系统通过查表方式,根据当前负载情况和电量情况,设置输出电压,同时记录充、放电电流,电池端电压,电池开路电压和电池电量等信息。修改电池容量的一个好处是,可以根据测试要求,加快或放慢充、放电速度,为测试提供灵活性。而可变的电池内阻可以仿真不同导线长度,不同夹具对电池输出端电压的影响。

安捷伦PE7900蓄电池仿真系统的特性和优势:

系统体积小,配置灵活,重复利用率高:

PE7900系统基于安捷伦高性能电源系统APS组成,可以根据用户的需要,通过添加或去除电源,改变电池仿真器的输入和输出功率,最大充、放电电流。APS系列电源包含1KW或2KW电源主机,以及1KW功率耗散器。用户可以自行选择组合,用以仿真不同功率,不同电流范围的蓄电池。其功率覆盖范围从几十瓦到几十千瓦,可以大幅度提高系统的重复利用率。

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图4:1000W和2000W的APS直流电源外观

APS系统电源体积小,集成度高,在4U(17.6厘米)的机柜高度内可以集成2000W电源功率输出,以及2000W负载吸收能力。以80V,25A,2000W的APS系列电源为例,在一组1.6米(32U)高度的系统机柜中,最多可以集成充、放电功率高达16KW的蓄电池仿真系统,其充电、放电电流范围可以达到+/-200A。

充放电自由切换,真正达到蓄电池工作效果:

与传统的蓄电池仿真器结构不同,安捷伦新一代蓄电池仿真器不再使用分立的电源和电子负载搭建。在PE7900系统中使用最新的双象限电源,可以在充电、放电状态间进行无缝切换。与传统的通过电源与电子负载组合搭建电池仿真器方案不同,PE7900系统不会出现输出死区,供电中断,或电压电流跳变和冲击等现象。充、放电切换过程中,系统电压过渡平顺,完美贴合真实蓄电池的工作效果。

其原理是APS系列电源配合功率耗散器附件,可以真正实现双象限电源的工作模式。当外部设备输出电压高于电源设定电压时,电源呈现负电流状态,功率流入耗散器中变为热量耗散。当外部电压低于电源设定电压时,电源输出正电流,向外输出功率。

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图5:APS电源(下方)与功率耗散器(上方)的连接方式,外部设备与电源输出端(红/黑色部分接线端)直接连接。
当电源工作在负电流状态时,进入电源的功率将通过单独的功率线(红黑色)传入耗散器中,并形成热量发散到环境中

创新的无缝量程切换功能,电流测量精度远高于同类产品

安捷伦独有的无缝量程切换功能使电源对电流的测量精度大幅度提升,APS电源可以根据输出或者吸收电流的大小,实时切换量程,选择精度最高的量程进行测量,使动态电流的测量能力大幅度加强。例如,2000W功率的APS电源的小电流测量精度达到百微安级别。量程切换不会造成时间损耗和数据丢失,电压电流采样率可以始终维持在最高200KHz的速度连续采样记录。

电量和功率的测量

系统内置电流和功率积分功能,可以随时读取充电或放电的电量数据。APS系列电源可以连续以200KHz的速度采集输出电流值,并在时间轴上对该电流值进行积分,连续获取充电、放电电量,电量计算精度高达0.1%。因此在充放电测试中,可以随时读取电量值以了解电池的充放电情况。在蓄电池仿真模式下,则可以随时显示电池现存电量和已经消耗的电量。由于电流测试精度和采样速率都远远高于其他同类电源产品,使得电量测试精度达到前所未有的高度。

电源在输出端带有两个同步AD转换器,可以同时采集电压和电流值,因此也可以实时计算和显示输入、输出功率。同理,也可以对功率进行积分计算瓦特时。由于采集精度和采样速率都达到系统电源的最高水平,因此电量和功的计算数据也同样可信,为电池容量验证提供了可靠的数据依据。

电池内阻的测量和仿真功能

在使用PE7900系统对真实电池进行充、放电测试过程中,可以选择使用脉冲电流法间隔测量电池内阻,得到蓄电池内阻随电池容量变化曲线。在建立电池模型时,可以将电池内阻数据纳入电池模型中,建立电池内阻与电量的相对关系。

同样,在蓄池仿真功能中,可以通过设置蓄电池内阻,模拟出在不同冲电、放电电流下,电池端电压由于内阻影响而产生的波动。电池模型中的电池内阻可以是固定值(在整个充放电过程中内阻保持不变),或者内阻随电池电量而变化,也可以为电池内阻曲线增加偏置,模拟由于连接线和夹具产生的固定电阻偏置。这将更加真实的体现出蓄电池在使用过程中的实际效果。在静态仿真和动态仿真中,都可以设置电池内阻。在为蓄电池仿真器设置内阻R后,安捷伦APS电源内置的电池内阻仿真功能,可以使蓄电池仿真器输出端电压Vterm与电池开路电压Voc之间的关系自动满足Vterm = Voc - I * R,其中电池充电时I为负值,放电时I为正值。

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图6: 脉冲电流条件下(绿色为蓄电池仿真器放电电流曲线),PE7900系统输出电压会随电流产生波动(红色曲线),
该波动的幅度值由设置的内阻R和放电电流I值决定,实际效果与真实蓄电池一致

优异的瞬态响应特性:

瞬态响应是指当负载产生阶跃变化时,电源输出端瞬间出现的电压上冲或跌落现象。相对于传统的实验室电源,蓄电池的瞬态响应几乎为零,这是由于蓄电池内阻较小,输出电压几乎全部加载在被供电设备端,因此真实电池的输出电压受电流影响要小得多。

PE7900系统中使用的安捷伦高性能电源系统APS,其瞬态响应速度远远高于传统实验室电源,以80V,25A,2000W电源为例,当负载从0突然跳变到输出能力的50%时(0A~12.5A),瞬态响应的恢复时间在100uS以内。其指标远远优于其他品牌电源毫秒级的恢复时间。出色的瞬态响应指标使PE7900系统的输出电压更加平稳,电压过冲与跌落现象被大幅度减弱。这除了可以更加真实的仿真蓄电池的实际输出效果,也可以更加有效的保护被供电设备,减小瞬态响应造成的电压冲击。

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图7:2000W APS电源在负载产生6.25~12.5A电源跳变时,电源输出电压的变化。
可以看到在50μs的时间内,输出电压就恢复到正常值

完备的保护功能:

为保护用户的待测件免受损害,PE7900系统除了提供高响应速度的过压(欠压)保护,过流保护以及过温保护功能外,还提供用户自定义保护功能,可以根据用户设定的条件进行比较(如电压、电流、功率、电量范围,电源工作状态等),满足条件时立即开启保护,终止电源输出,并断开与被测设备的连接。

系统内每台电源都配备输出端断路继电器,可以随时将蓄电池仿真器与被测设备从物理上完全隔离,防止系统输出端对被测设备产生影响。系统中多台电源之间可以实现1对多的保护触发。当其中任何一台电源出现异常情况时,可以触发系统中所有电源切断输出并断开输出端继电器。另外电源还内设有补偿端(+/-Sense端)断路检测功能,可以防止由于Sense线接触不良或断开导致的输出电压漂移的情况。

系统内部还设有黑盒子记录器供能,可以24小时不间断记录蓄电池仿真器的工作状态,输出情况和保护情况,以及所有前面板操作和接收到的外部控制指令。一旦供电系统出现异常情况,这些数据可以随时调出,用以进行故障分析和排查。

开放的对外编程接口:

PE7900蓄电池仿真器提供GPIB,USB和LAN接口用于上位机编程连接。提供完整的SCPI指令库和IVI-COM驱动程序用于系统功能控制。

PE7900蓄电池仿真器作为完整的系统方案,除了可以通过软件前面板进行蓄电池仿真器的操作以外,还提供用户可定义的对外编程接口,方便您将PE7900系统集成到上层测试系统中,通过网络对PE7900系统进行控制和操作。整个系统的软件部分和硬件的系统集成工作全部在国内完成,可以根据客户需要,随时修改系统配置,控制指令接口,满足不同用户的不同测试需求。

蓄电池仿真器PE7900系统指标:

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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/15/2014)
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