安捷伦PE7900蓄电池仿真系统方案

作者：安捷伦电源与能源工厂 孙川

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：



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。


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。


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。


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。


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。


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