Testování systému správy baterií pomocí napájecích zdrojů

Od doby, co se lithium-iontová baterie stala levným a masově vyráběným výrobkem, je nyní většina zařízení napájena těmito bateriemi a pouze stacionární zařízení jsou zatím stále připojena napájecím kabelem. Dobíjecí baterie se již staly standardem.

Monočlánkové baterie postačují k provozu malých zařízení, jako jsou zubní kartáčky, telefony aj. Pro zařízení s vyššími požadavky na výkon se baterie skládají z více článků. Tyto skupiny článků je potřeba aktivně řídit. O tuto funkci se starají systémy správy baterií (BMS – Battery Management Systems) řídící nabíjení a vybíjení.

Mezi úkoly BMS patří:

• vyhodnocení stavu nabití (SoC – State of Charge) jednotlivých článků,
•  vyhodnocení celkového SoC, známé jako měření dobití,
• monitorování stavu baterie (SoH – State of Health) jednotlivých článků,
• maximalizace životnosti baterie optimálním nabíjením jednotlivých článků,
• včasné odhalení a zabránění nebezpečným situacím, jako je přehřátí, nebo dokonce vzplanutí článků.

Při uspořádání článků v sériovém zapojení je nabíjecí a vybíjecí proud pro všechny články stejný. Nicméně při velkém počtu cyklů nabíjení a vybíjení mohou malé rozdíly ve výrobě a stárnutí vést k tomu, že články budou mít různé SoC, což sníží využitelnou kapacitu a životnost baterie. To je důvod, proč BMS monitoruje napětí jednotlivých článků a vyvažuje SoC v článcích.

Rozlišuje se mezi pasivním a aktivním vyvažováním. Během procesu nabíjení používá pasivní vyvažování zátěžové odpory k odvádění kapacity z článků s nejvyšším SoC, dokud nemají stejnou kapacitu jako ostatní články. Aktivní vyvažování může také fungovat v průběhu vybíjení článků a pomocí přepínacích regulátorů je přesouváno nabíjení z nejvíce nabitých článků do nejméně nabitých článků.

Na obr. 1 je znázorněno blokové schéma systému pro správu baterie. Vzhledem k tomu, že systémy pro správu baterií hrají zásadní roli v bezpečnosti a životnosti baterií, jejich vývoj vyžaduje zvláštní pozornost. Je důležité otestovat chování ve všech provozních a chybových stavech, které lze očekávat. Pro jejich spolehlivost musí být možné co nejpřesněji simulovat chování jednotlivých článků baterie. K tomu účelu je používáno regulovatelných napájecích zdrojů s integrovanou funkcí měření napětí a proudu.

Chování článku je primárně charakterizováno napětím naprázdno a vnitřní impedancí jako funkce SoC. Na základě změřeného proudu je napětí nastaveno jako jeho funkce. U nízkých až středních výkonů je možné tuto funkci simulovat napájecími zdroji pomocí integrované funkce simulace baterie. U velmi vysokých výkonů simuluje skutečné nabíjecí a vybíjecí proudy software a do napájecích zdrojů proudí pouze vyrovnávací proudy.

Jedním ze základních požadavků na napájecí zdroje pro tuto aplikaci je dvoukvadrantový provoz, kdy napájecí zdroj musí dodávat energii pro simulaci vybití baterie, ale musí být také schopen přijímat energii, tedy simulovat režim nabíjení. Dalším požadavkem je nastavení výstupního napětí jako funkce SoC simulované baterie a aktuálního proudu. Tato funkce vyžaduje měření proudu napájecím zdrojem. Pro realistickou simulaci vnitřní impedance buňky musí být možné měřit proud a nastavovat napětí s dostatečně krátkou latencí.

Napájecí zdroje nabízející potřebné vlastnosti jsou například R&S®NGL200 a R&S®NGM200. Kromě dvoukvadrantového provozu a rychlých změn parametrů poskytují také velmi přesnou funkci měření proudu a napětí. Díky tomu jsou ideální pro testování systémů správy baterií. Jednotlivé kanály jsou izolovány od ochranného vodiče a jsou navrženy pro relativní napětí až 250 V, což je dostačující pro sériový obvod cca 50 lithium-iontových článků. Ve dvoukanálové verzi (R&S®NGL200 a R&S®NGM200) umožňují napájecí zdroje prostorově úsporné řešení i pro simulaci velkého počtu článků (obr. 2).

R&S®NGM200 poskytuje oproti R&S®NGL200 vyšší přesnost měření napětí a proudu přepínáním měřicího rozsahu, dále přesnější simulaci vnitřní impedance, a navíc umožňuje přímou simulaci článků baterie. U běžných bateriových systémů jsou sekvence napětí článku a vnitřní impedance v podobě funkce SoC definovány již ve výrobě, kdežto u R&S®NGM200 je možné tyto parametry definovat pomocí textových souborů. Navíc umožňuje zaznamenávat naměřené napěťové a proudové sekvence pro podrobnou analýzu rychlostí až 500 000 měření za sekundu.