安捷倫PE7900蓄電池仿真系統(tǒng)方案

系統(tǒng)概述

安捷倫蓄電池仿真系統(tǒng)是基于安捷倫APS高性能電源為基礎(chǔ)開發(fā)的專用蓄電池測(cè)試和仿真系統(tǒng)。為客戶提供全面的蓄電池性能測(cè)試，電池?cái)?shù)據(jù)分析，電池模型提取和電池特性仿真功能。系統(tǒng)既可以用于驗(yàn)證蓄電池各項(xiàng)指標(biāo)，完成全面的電池性能測(cè)試，也可以用于電池特性仿真，模擬真實(shí)電池對(duì)電池控制單元的性能進(jìn)行測(cè)試。有效的避免了使用真實(shí)電池可能造成的安全問題，并大幅度提高了測(cè)試速度和效率。

安捷倫蓄電池仿真器系統(tǒng)主要包括三部分的功能：

蓄電池充放電測(cè)試和數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)蓄電池的充電、放電要求對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電測(cè)試，同時(shí)采集整個(gè)過程中蓄電池的端電壓，電流，內(nèi)阻，電量等信息。記錄完整充電或放電周期的數(shù)據(jù)，驗(yàn)證電池容量，充、放電時(shí)間等信息。記錄下來的圖形和原始數(shù)據(jù)可以保存下來，為后續(xù)的電池模型建立提供數(shù)據(jù)。

圖1：鋰離子電池充電、放電全過程數(shù)據(jù)記錄(包含電壓，電流，電量，內(nèi)阻曲線)

為蓄電池建立數(shù)據(jù)模型

根據(jù)采集到的真實(shí)電池充電或放電數(shù)據(jù)(包含一個(gè)完整的充電或放電周期)，可以為蓄電池建立電池模型，模型中包括電量與電池內(nèi)阻關(guān)系，電量與電池端電壓關(guān)系，以及充電、放電電流與電池端電壓關(guān)系。PE7900的配套軟件可以根據(jù)之前記錄的一條完整的充電或放電曲線數(shù)據(jù)，自動(dòng)建立電池模型，并保存起來。同時(shí)，用戶也可以單獨(dú)對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行編輯修改，或者自己建立全新的電池模型數(shù)據(jù)，用來表征不同種類，不同型號(hào)的蓄電池。

圖2：根據(jù)實(shí)測(cè)電池?cái)?shù)據(jù)建立的蓄電池模型

蓄電池仿真功能

根據(jù)之前建立的蓄電池模型，用戶可以使用PE7900系統(tǒng)代替真實(shí)蓄電池，進(jìn)行測(cè)試。軟件分為靜態(tài)仿真模式和動(dòng)態(tài)仿真模式。在仿真開始前，先選擇事先建立好的蓄電池模型，可以任意設(shè)定蓄電池的起始開路電壓Voc，蓄電池內(nèi)阻R和蓄電池電容量C，模擬蓄電池在不同狀態(tài)，不同連接，以及不同負(fù)載條件下的工作情況。

在靜態(tài)模式下，蓄電池仿真器的開路電壓值始終保持在設(shè)置的初始位置，電池電量與電池開路電壓保持不變，用戶可以隨時(shí)改變電池開路電壓設(shè)置值，用于測(cè)試待測(cè)件(電池管理器)與不同荷電條件下的電池連接之后的工作狀況。

圖3：左右兩圖分別為蓄電池模擬器在放電情況下和充電情況下的電池端電壓, 開路電壓,電池電量和電流曲線

動(dòng)態(tài)模式下，蓄電池仿真器的開路電壓和電量隨充、放電過程而變化。系統(tǒng)通過查表方式，根據(jù)當(dāng)前負(fù)載情況和電量情況，設(shè)置輸出電壓，同時(shí)記錄充、放電電流，電池端電壓，電池開路電壓和電池電量等信息。修改電池容量的一個(gè)好處是，可以根據(jù)測(cè)試要求，加快或放慢充、放電速度，為測(cè)試提供靈活性。而可變的電池內(nèi)阻可以仿真不同導(dǎo)線長(zhǎng)度，不同夾具對(duì)電池輸出端電壓的影響。

安捷倫PE7900蓄電池仿真系統(tǒng)的特性和優(yōu)勢(shì)：

系統(tǒng)體積小，配置靈活，重復(fù)利用率高：

PE7900系統(tǒng)基于安捷倫高性能電源系統(tǒng)APS組成，可以根據(jù)用戶的需要，通過添加或去除電源，改變電池仿真器的輸入和輸出功率，最大充、放電電流。APS系列電源包含1KW或2KW電源主機(jī)，以及1KW功率耗散器。用戶可以自行選擇組合，用以仿真不同功率，不同電流范圍的蓄電池。其功率覆蓋范圍從幾十瓦到幾十千瓦，可以大幅度提高系統(tǒng)的重復(fù)利用率。

圖4：1000W和2000W的APS直流電源外觀

APS系統(tǒng)電源體積小，集成度高，在4U(17.6厘米)的機(jī)柜高度內(nèi)可以集成2000W電源功率輸出，以及2000W負(fù)載吸收能力。以80V，25A，2000W的APS系列電源為例，在一組1.6米(32U)高度的系統(tǒng)機(jī)柜中，最多可以集成充、放電功率高達(dá)16KW的蓄電池仿真系統(tǒng)，其充電、放電電流范圍可以達(dá)到+/-200A。

充放電自由切換，真正達(dá)到蓄電池工作效果：

與傳統(tǒng)的蓄電池仿真器結(jié)構(gòu)不同，安捷倫新一代蓄電池仿真器不再使用分立的電源和電子負(fù)載搭建。在PE7900系統(tǒng)中使用最新的雙象限電源，可以在充電、放電狀態(tài)間進(jìn)行無縫切換。與傳統(tǒng)的通過電源與電子負(fù)載組合搭建電池仿真器方案不同，PE7900系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)輸出死區(qū)，供電中斷，或電壓電流跳變和沖擊等現(xiàn)象。充、放電切換過程中，系統(tǒng)電壓過渡平順，完美貼合真實(shí)蓄電池的工作效果。

其原理是APS系列電源配合功率耗散器附件，可以真正實(shí)現(xiàn)雙象限電源的工作模式。當(dāng)外部設(shè)備輸出電壓高于電源設(shè)定電壓時(shí)，電源呈現(xiàn)負(fù)電流狀態(tài)，功率流入耗散器中變?yōu)闊崃亢纳ⅰ．?dāng)外部電壓低于電源設(shè)定電壓時(shí)，電源輸出正電流，向外輸出功率。

圖5：APS電源(下方)與功率耗散器(上方)的連接方式，外部設(shè)備與電源輸出端(紅/黑色部分接線端)直接連接。當(dāng)電源工作在負(fù)電流狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入電源的功率將通過單獨(dú)的功率線(紅黑色)傳入耗散器中，并形成熱量發(fā)散到環(huán)境中

創(chuàng)新的無縫量程切換功能，電流測(cè)量精度遠(yuǎn)高于同類產(chǎn)品

安捷倫獨(dú)有的無縫量程切換功能使電源對(duì)電流的測(cè)量精度大幅度提升，APS電源可以根據(jù)輸出或者吸收電流的大小，實(shí)時(shí)切換量程，選擇精度最高的量程進(jìn)行測(cè)量，使動(dòng)態(tài)電流的測(cè)量能力大幅度加強(qiáng)。例如，2000W功率的APS電源的小電流測(cè)量精度達(dá)到百微安級(jí)別。量程切換不會(huì)造成時(shí)間損耗和數(shù)據(jù)丟失，電壓電流采樣率可以始終維持在最高200KHz的速度連續(xù)采樣記錄。

電量和功率的測(cè)量

系統(tǒng)內(nèi)置電流和功率積分功能，可以隨時(shí)讀取充電或放電的電量數(shù)據(jù)。APS系列電源可以連續(xù)以200KHz的速度采集輸出電流值，并在時(shí)間軸上對(duì)該電流值進(jìn)行積分，連續(xù)獲取充電、放電電量，電量計(jì)算精度高達(dá)0.1%。因此在充放電測(cè)試中，可以隨時(shí)讀取電量值以了解電池的充放電情況。在蓄電池仿真模式下，則可以隨時(shí)顯示電池現(xiàn)存電量和已經(jīng)消耗的電量。由于電流測(cè)試精度和采樣速率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他同類電源產(chǎn)品，使得電量測(cè)試精度達(dá)到前所未有的高度。

電源在輸出端帶有兩個(gè)同步AD轉(zhuǎn)換器，可以同時(shí)采集電壓和電流值，因此也可以實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示輸入、輸出功率。同理，也可以對(duì)功率進(jìn)行積分計(jì)算瓦特時(shí)。由于采集精度和采樣速率都達(dá)到系統(tǒng)電源的最高水平，因此電量和功的計(jì)算數(shù)據(jù)也同樣可信，為電池容量驗(yàn)證提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

電池內(nèi)阻的測(cè)量和仿真功能

在使用PE7900系統(tǒng)對(duì)真實(shí)電池進(jìn)行充、放電測(cè)試過程中，可以選擇使用脈沖電流法間隔測(cè)量電池內(nèi)阻，得到蓄電池內(nèi)阻隨電池容量變化曲線。在建立電池模型時(shí)，可以將電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)納入電池模型中，建立電池內(nèi)阻與電量的相對(duì)關(guān)系。

同樣，在蓄池仿真功能中，可以通過設(shè)置蓄電池內(nèi)阻，模擬出在不同沖電、放電電流下，電池端電壓由于內(nèi)阻影響而產(chǎn)生的波動(dòng)。電池模型中的電池內(nèi)阻可以是固定值(在整個(gè)充放電過程中內(nèi)阻保持不變)，或者內(nèi)阻隨電池電量而變化，也可以為電池內(nèi)阻曲線增加偏置，模擬由于連接線和夾具產(chǎn)生的固定電阻偏置。這將更加真實(shí)的體現(xiàn)出蓄電池在使用過程中的實(shí)際效果。在靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真中，都可以設(shè)置電池內(nèi)阻。在為蓄電池仿真器設(shè)置內(nèi)阻R后，安捷倫APS電源內(nèi)置的電池內(nèi)阻仿真功能，可以使蓄電池仿真器輸出端電壓Vterm與電池開路電壓Voc之間的關(guān)系自動(dòng)滿足Vterm = Voc - I * R，其中電池充電時(shí)I為負(fù)值，放電時(shí)I為正值。

圖6： 脈沖電流條件下(綠色為蓄電池仿真器放電電流曲線)，PE7900系統(tǒng)輸出電壓會(huì)隨電流產(chǎn)生波動(dòng)(紅色曲線)，該波動(dòng)的幅度值由設(shè)置的內(nèi)阻R和放電電流I值決定，實(shí)際效果與真實(shí)蓄電池一致

優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)特性：

瞬態(tài)響應(yīng)是指當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生階躍變化時(shí)，電源輸出端瞬間出現(xiàn)的電壓上沖或跌落現(xiàn)象。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室電源，蓄電池的瞬態(tài)響應(yīng)幾乎為零，這是由于蓄電池內(nèi)阻較小，輸出電壓幾乎全部加載在被供電設(shè)備端，因此真實(shí)電池的輸出電壓受電流影響要小得多。

PE7900系統(tǒng)中使用的安捷倫高性能電源系統(tǒng)APS，其瞬態(tài)響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室電源，以80V，25A，2000W電源為例，當(dāng)負(fù)載從0突然跳變到輸出能力的50%時(shí)(0A~12.5A)，瞬態(tài)響應(yīng)的恢復(fù)時(shí)間在100uS以內(nèi)。其指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他品牌電源毫秒級(jí)的恢復(fù)時(shí)間。出色的瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)使PE7900系統(tǒng)的輸出電壓更加平穩(wěn)，電壓過沖與跌落現(xiàn)象被大幅度減弱。這除了可以更加真實(shí)的仿真蓄電池的實(shí)際輸出效果，也可以更加有效的保護(hù)被供電設(shè)備，減小瞬態(tài)響應(yīng)造成的電壓沖擊。

圖7：2000W APS電源在負(fù)載產(chǎn)生6.25～12.5A電源跳變時(shí)，電源輸出電壓的變化。可以看到在50μs的時(shí)間內(nèi)，輸出電壓就恢復(fù)到正常值

完備的保護(hù)功能：

為保護(hù)用戶的待測(cè)件免受損害，PE7900系統(tǒng)除了提供高響應(yīng)速度的過壓(欠壓)保護(hù)，過流保護(hù)以及過溫保護(hù)功能外，還提供用戶自定義保護(hù)功能，可以根據(jù)用戶設(shè)定的條件進(jìn)行比較(如電壓、電流、功率、電量范圍，電源工作狀態(tài)等)，滿足條件時(shí)立即開啟保護(hù)，終止電源輸出，并斷開與被測(cè)設(shè)備的連接。

系統(tǒng)內(nèi)每臺(tái)電源都配備輸出端斷路繼電器，可以隨時(shí)將蓄電池仿真器與被測(cè)設(shè)備從物理上完全隔離，防止系統(tǒng)輸出端對(duì)被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生影響。系統(tǒng)中多臺(tái)電源之間可以實(shí)現(xiàn)1對(duì)多的保護(hù)觸發(fā)。當(dāng)其中任何一臺(tái)電源出現(xiàn)異常情況時(shí)，可以觸發(fā)系統(tǒng)中所有電源切斷輸出并斷開輸出端繼電器。另外電源還內(nèi)設(shè)有補(bǔ)償端(+/-Sense端)斷路檢測(cè)功能，可以防止由于Sense線接觸不良或斷開導(dǎo)致的輸出電壓漂移的情況。

系統(tǒng)內(nèi)部還設(shè)有黑盒子記錄器供能，可以24小時(shí)不間斷記錄蓄電池仿真器的工作狀態(tài)，輸出情況和保護(hù)情況，以及所有前面板操作和接收到的外部控制指令。一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，這些數(shù)據(jù)可以隨時(shí)調(diào)出，用以進(jìn)行故障分析和排查。

開放的對(duì)外編程接口：

PE7900蓄電池仿真器提供GPIB,USB和LAN接口用于上位機(jī)編程連接。提供完整的SCPI指令庫(kù)和IVI-COM驅(qū)動(dòng)程序用于系統(tǒng)功能控制。

PE7900蓄電池仿真器作為完整的系統(tǒng)方案，除了可以通過軟件前面板進(jìn)行蓄電池仿真器的操作以外，還提供用戶可定義的對(duì)外編程接口，方便您將PE7900系統(tǒng)集成到上層測(cè)試系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)PE7900系統(tǒng)進(jìn)行控制和操作。整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分和硬件的系統(tǒng)集成工作全部在國(guó)內(nèi)完成，可以根據(jù)客戶需要，隨時(shí)修改系統(tǒng)配置，控制指令接口，滿足不同用戶的不同測(cè)試需求。

蓄電池仿真器PE7900系統(tǒng)指標(biāo)：