Simulare una batteria con un alimentatore

Fig. 2

Nel nostro mondo mobile, sempre più dispositivi stanno "tagliando la corda" e scappando con le sole batterie. Grazie all'aumento della potenza e delle tecniche avanzate di gestione dell'alimentazione anche i dispositivi più assetati di energia vengono offerti nelle versioni a batteria. Dai piccoli dispositivi di accumulo di energia agli onnipresenti smartphone fino agli strumenti/apparecchi di uso domestico o per veicoli esclusivamente elettrici, le batterie abbondano in tutte le forme e dimensioni. Gli ingegneri che si occupano di R&D, nella fase di sviluppo di questi dispositivi, non possono realmente contare sulle batterie per i loro test. Se così facessero, come potrebbero testare la progettazione di un dispositivo alimentato a batteria a vari stati di carica della batteria stessa? Fare ciò richiederebbe una serie di batterie a portata di mano con tutti i pre-set dei vari stati di carica. Una volta utilizzata per la prova, ogni batteria specificatamente caricata dovrebbe essere ripristinata a quello stesso stato di carica in preparazione del suo prossimo impiego. Questo è possibile, ma difficilmente praticabile. In maniera molto più semplice e pratica, il test può essere fatto utilizzando una sola batteria, ma questo richiede al progettista di preparare la batteria al corretto stato di carica per ogni test. La batteria deve essere caricata o scaricata per arrivare alla carica corretta per il test richiesto. Questa procedura di preparazione della batteria è dispendiosa in termini di tempo. Questo significativo tempo di preparazione della batteria può essere evitato utilizzando una batteria elettronica programmabile, nota anche come un emulatore di batteria. L'emulatore della batteria riduce il tempo di configurazione per la prova; crea un ambiente di test più sicuro e fornisce risultati più ripetibili rispetto all'utilizzo vero e proprio di una batteria reale durante la prova.


Test più sicuri
Le batterie, in particolare quelle più recenti agli ioni di litio, immagazzinano elevate quantità di energia. In condizioni operative normali (temperatura, curve di carica e scarica), le batterie sono sicure da usare; tuttavia nel corso della prova possono verificarsi condizioni impreviste. Un Dut in fase di progettazione potrebbe non funzionare correttamente e causare sovraccarico o sovrascarica della batteria. Peggio ancora, il dispositivo in prova potrebbe guastarsi o andare in uno stato non previsto, che potrebbe assorbire eccessiva corrente dalla batteria generando un rischio di incendio, esplosione e fuoriuscita di sostanze chimiche. Questo significa che utilizzare le batterie durante le fasi di test comporta rischi che possono trasformarsi in veri e propri pericoli per la sicurezza. Al contrario, un emulatore di batteria è molto più sicuro di una vera batteria. Gli emulatori di batterie contengono circuiti di protezione elettronici, ad esempio da sovratensione e sovracorrente, che possono interrompere un test in cui qualcosa è andato storto. Evitando di utilizzare una batteria in fase di test, malfunzionamenti del Dut non portranno essere imputati a rischi correlati alle batterie.

Migliore ripetibilità
Batterie continuamente sottoposte a cicli di carica-scarica possono causare risultati incoerenti e la durata della batteria viene ridotta. Inoltre è difficile garantire l’esatto stato di carica quando lo si prepara manualmente. Normalmente, questo potrebbe essere fatto scaricando completamente la batteria, quindi ricaricandola al livello di carica desiderato. Ciò si traduce in cicli supplementari per la batteria e ne accelera l'invecchiamento. Il comportamento della batteria cambia con l'invecchiamento, così nel tempo un ingegnere che si occupa di R&D non può essere sicuro di raggiungere il desiderato stato di carica della batteria rapidamente invecchiata. Ciò potrebbe portare a risultati non accurati nei test eseguiti. Un emulatore di batteria darà risultati più coerenti e ripetibili rispetto all'utilizzo vero e proprio della batteria nelle fasi di test, eliminando l'incertezza associata all'invecchiamento e alla determinazione dello stato effettivo di carica della batteria.

Utilizzare un alimentatore per simulare una batteria
Un alimentatore può essere usato come batteria programmabile ma un tipico alimentatore ha tre caratteristiche che lo rendono diverso da una batteria e quindi non idoneo per l'emulazione. Innanzitutto, un alimentatore tende ad avere un’impedenza di uscita molto bassa e costante; in secondo luogo l'alimentazione non si esaurisce; infine un alimentatore è una fonte di energia mentre una batteria può essere sia sorgente di alimentazione (quando si scarica) e assorbire potenza (in fase di carica). Quindi un alimentatore fondamentalmente non è come una batteria ma... le batterie possono essere modellate come un generatore di tensione a 2 quadranti con una resistenza in serie. Sia la tensione di uscita che la resistenza sono riprogrammati per simulare gli effetti di stato di carica della batteria e l'invecchiamento. Impostando direttamente la tensione e la resistenza interna, l'emulatore della batteria può istantaneamente rappresentare qualsiasi stato di carica desiderato, eliminando la necessità di caricare-scaricare la batteria prima dei test. Inoltre le condizioni che sarebbero pericolose per una batteria possono essere simulate e ripetute più volte in modo sicuro, compresi corto circuiti, sovracorrente, sovratensione, sovraccarico e sovrascarico in condizioni di prova. Forse la parte più complessa dell'emulazione di una batteria è simulare come la tensione cambia con lo stato di carica. Questa relazione è un modello base di una batteria ed è altamente dipendente dalla chimica e dal design della batteria. Un sofisticato emulatore di batteria potrebbe avere la possibilità di accettare un modello di batteria (esempio: invio di istruzioni all'emulatore di agire come il modello di batteria 1234A del produttore Xyz). In alternativa, l'emulatore può accettare una tabella di valori di stato di carica (in percentuale) a una certa tensione di uscita. Il sistema di controllo dell’emulatore di batteria monitorerà inoltre la quantità di carica che fluisce dentro o fuori l'emulatore (ad esempio il conteggio dei coulomb) regolando il livello di carica e poi fornendo l’appropriata nuova tensione di uscita in base all'aggiornamento dinamico dello stato di carica. Tuttavia, anche senza questo sofisticato controllo basato su modelli, un emulatore di batteria può comunque funzionare correttamente. Poiché la variazione di tensione è generalmente lenta, un'applicazione basata su Pc può semplicemente riprogrammare la tensione di uscita al valore desiderato. La tensione programmata può essere elevata o ridotta molto lentamente, emulando l'aumento di tensione quando una batteria è in carica o lentamente ridurre la tensione per emulare la diminuzione di tensione quando una batteria si scarica.

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