Bataryalar milyarlarca tüketici cihazında ve endüstriyel ekipmanda kullanılmasına rağmen basit cihazlar değildir. Cihazların rahatlığını ve güvenilirliğini büyük ölçüde etkilerler ve mühendisler için çözülmemiş birçok zorluk sunmaya devam ederler.
Kısa ve uzun vadede batarya özelliklerini anlamak, cihaz testlerinin kritik bir parçasıdır. Ancak karmaşık davranışları, kapsamlı testleri zor ve zahmetli bir faaliyet haline getirmektedir.
Neyse ki batarya emülasyonu, mühendislerin bataryaların davranışlarını fiziksel olarak test etmekten çok daha hızlı bir şekilde güvenilir bir şekilde simüle etmelerini ve yeniden üretmelerini sağlar. Bu makalede, batarya emülasyonunun ne olduğunu öğrenin.
Batarya emülasyonu nedir?
Şekil 1. Batarya emülasyonunun kapsamı
Batarya emülasyonu, test için gerçek bataryaların durumlarını ve davranışlarını gerçekçi bir şekilde yeniden üretmek için donanım ve yazılımın kullanılmasını içerir:
- Düşük voltajlı tüketici veya nesnelerin interneti (IoT) cihazlarından yüksek voltajlı elektrikli araç batarya bankalarına kadar çeşitli bataryaların test edilen cihazlara (DUT'ler) güç sağladığı senaryoların tedarik edilmesi
- Akünün duvar şarj cihazlarından, güneş panellerinden veya rejeneratif frenlemeden güç tüketmek için bir yük LiFePO4 olarak hareket ettiği batma senaryoları
Pil emülatörleri ne yapabilir?
Şekil 2. PathWave BenchVue batarya emülasyon yazılımı
Batarya emülatörleri, batarya durumlarını ve davranışlarını doğru bir şekilde yakalamalarını ve taklit etmelerini sağlayan ince taneli programlanabilirlik ile birlikte programlanabilir güç kaynakları ve elektronik yüklerin bir kombinasyonudur.
Keysight E36731A, yetenekli bir batarya emülatörüne iyi bir örnektir. Ya 200 watt'a (W) kadar güç sağlayabilir ya da 250 W güç tüketebilir. Yardımcı yazılımı olan PathWave BenchVue gelişmiş batarya test ve emülasyon yazılımı, bu özellikler üzerinde ince taneli kontrol sağlar. Yazılım ayrıca emülatörün gerçek bataryaların davranışlarını doğru bir şekilde yakalamak ve gerçekçi batarya modelleri oluşturmak için bir batarya profilleyicisi olarak çalışmasını sağlar. Son olarak, yazılım yakalanan davranışların emülasyonunu sağlar.
Laboratuvarda pil emülasyonu
Bu bölümde, batarya içeren herhangi bir sistemi test etmek için emülasyonun neden bu kadar önemli olduğunu araştırıyoruz.
Gerçek bataryalarla test yapmanın yaygın sorunları nelerdir?
Gerçek bataryalar kullanarak testler yapmak şunlar olabilir:
Zaman alıcı: Gerçek aküleri kullanarak şarj, deşarj ve çevrim testleri yapmak, tüketici aküleri için saatlerden elektrikli araç akü paketleri için günlere kadar sürebilir.
Sonuçları güvenilir bir şekilde yeniden üretmek zordur: Bir diğer sorun da testlerin ve sonuçların güvenilir bir şekilde tekrarlanabilirliğidir. Örneğin, test sonuçlarını karşılaştırırken akü parametrelerinin ve şarj seviyelerinin aynı olması gerekir ki bu da gerçek akülerde son derece zordur.
Uç durumlar ve anormal senaryolar için zor: Gerçek akülerle anormal senaryolar ve uç durumlar oluşturmak zahmetli olabilir.
Tehlikeli: Akülerin, özellikle de lityum-polimer ve lityum-iyon akülerin stres testine tabi tutulması patlamalara, kısa devrelere, elektrik yangınlarına ve can ve mal güvenliğine yönelik diğer tehlikelere yol açabilir. Yüksek voltajlı elektrikli araç aküleri gibi bazı akü sistemleri, herhangi bir stres testi olmadan bile doğası gereği tehlikelidir.
Akü emülasyonu bu sorunları hafifletir.
Gerçek pillerle test yapmak yerine pil emülatörleri kullanmanın avantajları nelerdir?
Gerçek bataryalar yerine batarya emülasyonu kullanmanın avantajları şunlardır:
- Kurulumu daha kolay: Gerçek bir aküye iki veya daha fazla ayrı cihaz takmaya kıyasla hepsi bir arada bir emülatör ile testleri kurmak daha kolay ve hızlıdır.
- Daha hızlı test: Sadece gerçek zamanlı ölçümleri destekleyen gerçek bataryaların aksine, batarya şarj ve deşarj davranışları daha yüksek hızlarda tekrarlanabilir.
- Titiz testler: Sanal yapıları nedeniyle emülatörler çok çeşitli uç durumları ve nadir senaryoları hızlı ve etkili bir şekilde test edebilir.
- Otomatik testler: Emülatörler, akü çalışma süresini ve yaşlanma etkilerini doğru bir şekilde tahmin etmek için akü çalışma ve döngü testlerinin otomasyonunu sağlar.
- Tekrarlanabilirlik: Batarya profilleri ve emülasyon sırasında yakalanan veriler, ekiplerin farklı konumlarda ve zaman içinde testleri güvenilir bir şekilde tekrarlamasını sağlar. Bu, denetim, düzenleme ve yasal uyumluluk için de yararlıdır.
- Güvenlik: Emülatörler, gerçek bataryaların tehlikelerinden hiçbiri olmadan zorlu batarya stres testleri için kullanılabilir. Kaçak senaryoları durumunda aşırı gerilim, aşırı akım ve aşırı ısınma koşullarına karşı yerleşik gerçek zamanlı izleme ve korumaya sahiptirler.
- Güvenlik ve çevre standartlarına uygunluk: Emülatörler, cihazların Underwriters Laboratories Sertifikasyonu ve Atık Elektrikli ve Elektronik Ekipman yönergeleri gibi standartları karşılayabilmesini sağlamaya yardımcı olabilir.
Akü emülatörleri ile güç kaynakları ve güç analizörleri gibi cihazlar arasındaki farklar nelerdir?
Bu cihazları benzersiz özelliklerine göre farklı kategoriler olarak ele alırsak, emülatörler iki temel açıdan öne çıkar:
Hem kaynak hem de yük olarak çalışabilirler: Batarya emülatörleri için kaynak ve alıcı olarak iki çeyrekli çalışma bir gerekliliktir. Bunun aksine, çoğu güç kaynağı ve güç analizörü yalnızca kaynak olarak işlev görür - ancak bazı satıcılar iki çeyreklik modeller de sunmaktadır.
Özel pil emülasyon yazılımı ile birlikte: Emülatörlerin bir diğer önemli farklılığı, uygun batarya emülasyonu için özel olarak geliştirilmiş yazılımlarıdır. Programlanabilir güç kaynakları ve analizörler muhtemelen akıllıca bir programlama ile pilleri taklit edebilir, ancak bu muhtemelen güvenilir ve tekrarlanabilir bir test iş akışından ziyade beceriksiz bir hack olacaktır.
Bir akü yükünü nasıl simüle edersiniz?
Emüle edilmiş bir bataryanın farklı koşullar altındaki davranışını kontrol etmek amacıyla batarya yükü ayarlamak için iki yaklaşım vardır:
- İkinci bir emülatör veya herhangi bir programlanabilir yük kullanın: Emülatörler yutak görevi görebildiğinden ve yutak davranışları programlanabildiğinden, ilk emülatör sanal bir batarya görevi görürken ikinci bir emülatör sanal bir yük olarak kullanılabilir.
- Gerçek cihazlar kullanın: Bir başka seçenek de üretimde ve müşteri kurulumlarında öykünülen bataryanın gerçek versiyonundan güç alan gerçek cihazları kurmaktır. Buna döngü içinde donanım (HIL) yaklaşımı denir ve sistem düzeyinde ve müşteri kabul testleri sırasında tercih edilir.
Pil emülasyonu nasıl kullanılır?
Bu bölümde, batarya emülatörlerini çalıştırmak için gerekli olan düşük seviyeli kavramlara ve anlayışa bakacağız.
Batarya emülatörleri hangi önemli şarj ve deşarj davranışlarını simüle etmelidir?
Batarya emülatörleri aşağıdaki şarj davranışlarının profilinin çıkarılmasını ve emülasyonunu desteklemelidir:
- Sabit akım (CC) modu: Yük olarak hareket eden emülatör, bir şarj döngüsünün ilk %90'ını simüle etmek için sabit bir akım çeker.
- Sabit voltaj (CV) modu: Batarya tam kapasiteye yaklaştığında emülatör CC moduna geçer.
Benzer şekilde, emülatörler bir güç kaynağı olarak hareket ederken aşağıdaki temel deşarj davranışlarının profilinin çıkarılmasını ve emülasyonunu desteklemelidir:
- bir cihaza sabit voltaj beslemesi
- bir cihaza sabit akım beslemesi
- sabit direnç modeli
- sabit güç modu
Batarya emülatörlerinin simüle ettiği temel parametreler nelerdir?
Şekil 3. Batarya gerilimleri ve iç direnç
Batarya emülatörleri aşağıdaki batarya parametrelerini simüle eder ve profilini çıkarır:
- Şarj durumu (SOC): SOC, bir akünün kapasitesine göre mevcut şarj seviyesidir. Okunan değer tipik olarak yüzde olarak raporlanır ve toplam depolama kapasitesine kıyasla aküde şu anda ne kadar enerji depolandığını gösterir. SOC'nin doğru bir şekilde ölçülmesi, akü performansını ve uzun ömürlülüğünü yönetmek için kritik öneme sahiptir.
- Akü voltajı: Bu, şarj olurken veya boşalırken akü terminalleri üzerindeki voltajdır.
- Açık devre voltajı (OCV): Bu, herhangi bir yüke bağlı olmadığında ve hiçbir akım akmadığında akü terminalleri üzerindeki voltajdır. OCV, SOC'nin tahmin edilmesine yardımcı olur.
- İç direnç: Bu, elektrolitinin, elektrotlarının ve kontaklarının malzemeleri ve yapısı nedeniyle bir akünün doğal direncidir.
- Bireysel akü hücresi gerilimleri: Emülatörler ayrıca çok hücreli konfigürasyonlarda tek tek hücrelerle ilgili olayları yeniden oluşturmak için akü hücresi simülatörleri olarak da işlev görür. Bunlar arasında hücre dengeleme, voltaj izleme, sıcaklık kontrolü ve arıza izolasyonu yer alır.
- Gerilim dönüş hızı: Bu, batarya emülatörünün çıkış voltajının bir komuta veya yük değişimine yanıt olarak değişebileceği hızdır. Tipik olarak saniye başına volt (V/s) olarak ölçülür. Yüksek bir voltaj dönüş hızı, elektrikli araçların hızlanması veya yüksek güçlü ekipmanların açılması sırasında görülen gerçek dünyadaki hızlı voltaj dalgalanmalarını taklit edebilir.
Batarya emülasyonu uygulamaları
Batarya emülasyonunun farklı uygulama ve sektörlerde nasıl kullanıldığına bakalım.
Batarya emülatörleri elektrikli araçların doğrulanmasına ve onaylanmasına nasıl yardımcı olur?
Şekil 4. Elektrikli araç batarya ekosistemi
Batarya emülatörleri, elektrikli araç (EV) ekosistemindeki sistemleri test etmek için araç üreticileri, batarya üreticileri, şarj istasyonu üreticileri ve diğerleri tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. Emülasyon aşağıdaki gibi görevlerde yardımcı olur:
- Batarya paketi şarjını taklit etme: Batarya emülasyonu, batarya paketinin şebekeden şarj edilmesinin veya rejeneratif frenlemenin gerçek zamanlı simülasyonunu sağlar.
- Şarj sistemleri arasında birlikte çalışabilirliğin sağlanması: Batarya emülasyonu, şarj cihazları, şarj istasyonları ve konektörler arasında birlikte çalışabilirliğin test edilmesini sağlar. Yerleşik şarj cihazları, bazıları alternatif akım (AC) belirtirken diğerleri doğru akım (DC) gerektiren farklı ülkelerin şarj standartlarını desteklemelidir.
- Hareket halindeki bir araçta akü deşarjı simülasyonu: Bir güç kaynağı olarak hareket eden akü emülasyonu, mühendislerin motoru çalıştıran DC-AC güç aktarım invertörüne ve çekiş motorlarına güç sağlayan düşük voltajlı DC-DC dönüştürücüye akü gücü beslemesini simüle etmelerini sağlar.
- Şarj durumunu tahmin etme ve test etme: Akü emülasyonu, gerçek bir akünün şarj durumunun (SOC) doğru hesaplanmasını kolaylaştırır.
- Pil ömrünü güvenilir bir şekilde tahmin etme: Pil emülasyonu, gerçekçi çalışma koşulları altında kalan pil ömrünün doğru bir şekilde tahmin edilmesini ve raporlanmasını sağlar.
- Titiz testler gerçekleştirme: Emülatörler, dayanıklılık ve güvenliği sağlamak için şarj cihazının, çok hücreli batarya paketlerinin, batarya yönetim sisteminin (BMS) ve diğer sistemlerin aşırı sıcaklıklar ve titreşimler de dahil olmak üzere zorlu çevresel koşullar altında titiz stres testlerine tabi tutulmasını sağlar. Batarya profili oluşturma, sıcaklığın batarya performansı üzerindeki etkilerini ölçmek için kullanılır ve bu koşulları farklı testler için yeniden oynatmak için emülasyon kullanılır.
- Bataryanın diğer sistemler üzerindeki etkilerini analiz etme: Akü emülasyonu, mühendislerin farklı SOC'lerin, geçici voltaj düşüşlerinin ve güç dalgalanmalarının bilgi-eğlence sistemi, kontrolör alan ağı, aydınlatma sistemi ve klima gibi diğer araç sistemleri üzerindeki etkilerini incelemelerini sağlar.
- Güvenlik standartlarına uyulması: Yüksek voltajlı yerleşik bataryalar ve bunların yangın çıkarma tehlikeleri nedeniyle elektrikli araçlarda güvenlik çok önemlidir. Bir elektrikli araç, normal araçların genellikle düşük voltajlı ortamlarından farklı olarak yüksek voltajlı ve düşük voltajlı sistemlerin bir karışımını içerir. Bu nedenle, güvenlik özelliklerini sağlamak ve National Fire ProtectionAssociation 79 standardı gibi standartlara uymak için emülasyon çok önemlidir.
Batarya emülasyonu, nesnelerin interneti cihazları veya giyilebilir cihazlar için test sürecine nasıl entegre edilebilir?
Pil ömrü, IoT tabanlı altyapının maliyetini ve güvenilirliğini etkiler. Ayrıca tüketici IoT cihazları ve giyilebilir cihazlar için önemli bir satın alma konusudur. Bu nedenlerden dolayı IoT cihaz üreticileri, cihazlarının tipik çalışma koşulları altında pil ömrünü doğru bir şekilde tahmin etmelidir.
Pil emülatörleri, IoT cihazlarının çalışma süresini aşağıdaki gibi doğru bir şekilde tahmin etmeye ve uzatmaya yardımcı olur:
- Doğru akü profilleri oluşturun: Pil emülatörleri, şarj ve deşarj döngüleri uygulayarak doğru profiller oluşturabilir. Profil oluşturma, gerçek dünya performansı ve IoT cihazı çalışma süresi için kritik olan açık devre voltajı ve iç direnç gibi kritik faktörlerin karakterize edilmesini sağlar.
- Çeşitli çalışma koşullarını test edin: Pil emülasyonu, cihazları sabit güç veya sabit direnç gibi çeşitli çalışma koşulları altında test edebilir. Ek olarak, akım boşalması, deşarj akımı, kullanım şekilleri ve sıcaklık pil performansını etkiler.
- Şarj durumlarını taklit edin: Farklı şarj durumlarının emülasyonu, içgörü kazanmaya yardımcı olur, gerçek pil testine kıyasla test süresini azaltır ve güvenlik açısından kritik uygulamalarda güvenilirliği artırır.
- Akü döngüsü gerçekleştirin: Batarya kapasitesi ve performansı, birçok şarj ve deşarj döngüsü boyunca azalır. Bu nedenle, kapasite kaybını ve pil ömründeki azalmayı doğru bir şekilde belirlemek için pil döngüsünü taklit etmek kritik öneme sahiptir.
Yenilenebilir enerji sistemlerinde batarya emülasyonu nasıl kullanılır?
Batarya emülasyonu, yenilenebilir enerji sistemlerinin geliştirilmesine ve optimizasyonuna yardımcı olarak fotovoltaik paneller, batarya yönetim sistemleri ve invertörler gibi ekipmanların değişen koşullar altında hassas bir şekilde test edilmesini ve doğrulanmasını sağlar.
Enerji depolama üzerindeki çevresel etkilerin simülasyonunu kolaylaştırır, sistemlerin istikrarlı çıkışı sürdürmesini, dalgalanan yükleri yönetmesini ve değişken yenilenebilir kaynaklarla başa çıkmasını sağlar.
Tıbbi cihazlarda pil emülasyonu nasıl kullanılır?
Sağlık hizmetleri, piller için güvenlik açısından son derece kritik bir ortamdır. Sektör, kan basıncı monitörleri, işitme cihazları, kalp pilleri ve insülin pompaları gibi taşınabilir tıbbi cihazları desteklemek için yüksek kaliteli uzun süreli pillere büyük ölçüde güvenmektedir.
Akü emülasyonu, insan denekler üzerinde gerçekçi bir şekilde test edilemeyen uç durumların ve aşırı senaryoların test edilmesine yardımcı olur.
Pil emülasyonu ile cihaz çalışma sürelerini optimize edin.
Bu makalede, batarya simülasyonunun farklı yönlerini inceledik ve bataryalarla çalışan herhangi bir cihazın veya ekipmanın güvenilirliğini ve kullanım ömrünü artırmadaki kilit rolünü anladık.
Emülatör seçimi ve cihazlarınızda batarya emülasyonu gerçekleştirme konusunda uzman tavsiyesi almak için bizimle iletişime geçin.
