安捷倫PE7900蓄電池仿真系統方案

系統概述

安捷倫蓄電池仿真系統是基于安捷倫APS高性能電源為基礎開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用蓄電池測試和仿真系統。為客戶(hù)提供全面的蓄電池性能測試，電池數據分析，電池模型提取和電池特性仿真功能。系統既可以用于驗證蓄電池各項指標，完成全面的電池性能測試，也可以用于電池特性仿真，模擬真實(shí)電池對電池控制單元的性能進(jìn)行測試。有效的避免了使用真實(shí)電池可能造成的安全問(wèn)題，并大幅度提高了測試速度和效率。

安捷倫蓄電池仿真器系統主要包括三部分的功能：

蓄電池充放電測試和數據記錄

根據蓄電池的充電、放電要求對蓄電池進(jìn)行充放電測試，同時(shí)采集整個(gè)過(guò)程中蓄電池的端電壓，電流，內阻，電量等信息。記錄完整充電或放電周期的數據，驗證電池容量，充、放電時(shí)間等信息。記錄下來(lái)的圖形和原始數據可以保存下來(lái)，為后續的電池模型建立提供數據。

圖1：鋰離子電池充電、放電全過(guò)程數據記錄(包含電壓，電流，電量，內阻曲線(xiàn))

為蓄電池建立數據模型

根據采集到的真實(shí)電池充電或放電數據(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之前記錄的一條完整的充電或放電曲線(xiàn)數據，自動(dòng)建立電池模型，并保存起來(lái)。同時(shí)，用戶(hù)也可以單獨對數據模型進(jìn)行編輯修改，或者自己建立全新的電池模型數據，用來(lái)表征不同種類(lèi)，不同型號的蓄電池。

圖2：根據實(shí)測電池數據建立的蓄電池模型

蓄電池仿真功能

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

在靜態(tài)模式下，蓄電池仿真器的開(kāi)路電壓值始終保持在設置的初始位置，電池電量與電池開(kāi)路電壓保持不變，用戶(hù)可以隨時(shí)改變電池開(kāi)路電壓設置值，用于測試待測件(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(kāi)路電壓,電池電量和電流曲線(xiàn)

動(dòng)態(tài)模式下，蓄電池仿真器的開(kāi)路電壓和電量隨充、放電過(guò)程而變化。系統通過(guò)查表方式，根據當前負載情況和電量情況，設置輸出電壓，同時(shí)記錄充、放電電流，電池端電壓，電池開(kāi)路電壓和電池電量等信息。修改電池容量的一個(gè)好處是，可以根據測試要求，加快或放慢充、放電速度，為測試提供靈活性。而可變的電池內阻可以仿真不同導線(xiàn)長(cháng)度，不同夾具對電池輸出端電壓的影響。

安捷倫PE7900蓄電池仿真系統的特性和優(yōu)勢：

系統體積小，配置靈活，重復利用率高：

PE7900系統基于安捷倫高性能電源系統APS組成，可以根據用戶(hù)的需要，通過(guò)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，以及1KW功率耗散器。用戶(hù)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的重復利用率。

圖4：1000W和2000W的APS直流電源外觀(guān)

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

充放電自由切換，真正達到蓄電池工作效果：

與傳統的蓄電池仿真器結構不同，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載搭建。在PE7900系統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(wú)縫切換。與傳統的通過(guò)電源與電子負載組合搭建電池仿真器方案不同，PE7900系統不會(huì )出現輸出死區，供電中斷，或電壓電流跳變和沖擊等現象。充、放電切換過(guò)程中，系統電壓過(guò)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)現雙象限電源的工作模式。當外部設備輸出電壓高于電源設定電壓時(shí)，電源呈現負電流狀態(tài)，功率流入耗散器中變?yōu)闊崃亢纳?。當外部電壓低于電源設定電壓時(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，外部設備與電源輸出端(紅/黑色部分接線(xiàn)端)直接連接。當電源工作在負電流狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入電源的功率將通過(guò)單獨的功率線(xiàn)(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(wú)縫量程切換功能，電流測量精度遠高于同類(lèi)產(chǎn)品

安捷倫獨有的無(wú)縫量程切換功能使電源對電流的測量精度大幅度提升，APS電源可以根據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)行測量，使動(dòng)態(tài)電流的測量能力大幅度加強。例如，2000W功率的APS電源的小電流測量精度達到百微安級別。量程切換不會(huì )造成時(shí)間損耗和數據丟失，電壓電流采樣率可以始終維持在最高200KHz的速度連續采樣記錄。

電量和功率的測量

系統內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據。APS系列電源可以連續以200KHz的速度采集輸出電流值，并在時(shí)間軸上對該電流值進(jìn)行積分，連續獲取充電、放電電量，電量計算精度高達0.1%。因此在充放電測試中，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)顯示電池現存電量和已經(jīng)消耗的電量。由于電流測試精度和采樣速率都遠遠高于其他同類(lèi)電源產(chǎn)品，使得電量測試精度達到前所未有的高度。

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

電池內阻的測量和仿真功能

在使用PE7900系統對真實(shí)電池進(jìn)行充、放電測試過(guò)程中，可以選擇使用脈沖電流法間隔測量電池內阻，得到蓄電池內阻隨電池容量變化曲線(xiàn)。在建立電池模型時(shí)，可以將電池內阻數據納入電池模型中，建立電池內阻與電量的相對關(guān)系。

同樣，在蓄池仿真功能中，可以通過(guò)設置蓄電池內阻，模擬出在不同沖電、放電電流下，電池端電壓由于內阻影響而產(chǎn)生的波動(dòng)。電池模型中的電池內阻可以是固定值(在整個(gè)充放電過(guò)程中內阻保持不變)，或者內阻隨電池電量而變化，也可以為電池內阻曲線(xiàn)增加偏置，模擬由于連接線(xiàn)和夾具產(chǎn)生的固定電阻偏置。這將更加真實(shí)的體現出蓄電池在使用過(guò)程中的實(shí)際效果。在靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真中，都可以設置電池內阻。在為蓄電池仿真器設置內阻R后，安捷倫APS電源內置的電池內阻仿真功能，可以使蓄電池仿真器輸出端電壓Vterm與電池開(kāi)路電壓Voc之間的關(guān)系自動(dòng)滿(mǎn)足Vterm = Voc - I * R，其中電池充電時(shí)I為負值，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(xiàn))，PE7900系統輸出電壓會(huì )隨電流產(chǎn)生波動(dòng)(紅色曲線(xiàn))，該波動(dòng)的幅度值由設置的內阻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)響應特性：

瞬態(tài)響應是指當負載產(chǎn)生階躍變化時(shí)，電源輸出端瞬間出現的電壓上沖或跌落現象。相對于傳統的實(shí)驗室電源，蓄電池的瞬態(tài)響應幾乎為零，這是由于蓄電池內阻較小，輸出電壓幾乎全部加載在被供電設備端，因此真實(shí)電池的輸出電壓受電流影響要小得多。

PE7900系統中使用的安捷倫高性能電源系統APS，其瞬態(tài)響應速度遠遠高于傳統實(shí)驗室電源，以80V，25A，2000W電源為例，當負載從0突然跳變到輸出能力的50%時(shí)(0A~12.5A)，瞬態(tài)響應的恢復時(shí)間在100uS以?xún)?。其指標遠遠優(yōu)于其他品牌電源毫秒級的恢復時(shí)間。出色的瞬態(tài)響應指標使PE7900系統的輸出電壓更加平穩，電壓過(guò)沖與跌落現象被大幅度減弱。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被供電設備，減小瞬態(tài)響應造成的電壓沖擊。

圖7：2000W APS電源在負載產(chǎn)生6.25～12.5A電源跳變時(shí)，電源輸出電壓的變化?？梢钥吹皆?0μs的時(shí)間內，輸出電壓就恢復到正常值

完備的保護功能：

為保護用戶(hù)的待測件免受損害，PE7900系統除了提供高響應速度的過(guò)壓(欠壓)保護，過(guò)流保護以及過(guò)溫保護功能外，還提供用戶(hù)自定義保護功能，可以根據用戶(hù)設定的條件進(jìn)行比較(如電壓、電流、功率、電量范圍，電源工作狀態(tài)等)，滿(mǎn)足條件時(shí)立即開(kāi)啟保護，終止電源輸出，并斷開(kāi)與被測設備的連接。

系統內每臺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設備從物理上完全隔離，防止系統輸出端對被測設備產(chǎn)生影響。系統中多臺電源之間可以實(shí)現1對多的保護觸發(fā)。當其中任何一臺電源出現異常情況時(shí)，可以觸發(fā)系統中所有電源切斷輸出并斷開(kāi)輸出端繼電器。另外電源還內設有補償端(+/-Sense端)斷路檢測功能，可以防止由于Sense線(xiàn)接觸不良或斷開(kāi)導致的輸出電壓漂移的情況。

系統內部還設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。一旦供電系統出現異常情況，這些數據可以隨時(shí)調出，用以進(jìn)行故障分析和排查。

開(kāi)放的對外編程接口：

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

PE7900蓄電池仿真器作為完整的系統方案，除了可以通過(guò)軟件前面板進(jìn)行蓄電池仿真器的操作以外，還提供用戶(hù)可定義的對外編程接口，方便您將PE7900系統集成到上層測試系統中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )對PE7900系統進(jìn)行控制和操作。整個(gè)系統的軟件部分和硬件的系統集成工作全部在國內完成，可以根據客戶(hù)需要，隨時(shí)修改系統配置，控制指令接口，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的不同測試需求。

蓄電池仿真器PE7900系統指標：