Aliviar la complejidad de las pruebas automatizadas: pruebas de rendimiento de la batería de vehículos eléctricos con la fuente de alimentación PXB

Para registrar datos de medición y controlar equipos de prueba, ejecutar software como LabVIEW o PyVISA/Python para pruebas automatizadas puede requerir configuraciones voluminosas y costosas. Sin embargo, la complejidad de estas configuraciones puede aumentar drásticamente con las pruebas de baterías de vehículos eléctricos. Las pruebas de validación de automóviles pueden ser una tarea grande y costosa con cicladores de baterías, dispositivos de medición/registro, grandes cámaras ambientales y sistemas de enfriamiento. Esta infraestructura es necesaria para garantizar que los equipos automotrices puedan funcionar nominalmente a pesar de muchas posibles tensiones ambientales, mecánicas y eléctricas durante la vida útil de un vehículo.

Las pruebas de rendimiento de la batería de vehículos eléctricos difieren de las pruebas de batería tradicionales con perfiles de carga CC y CV. Estas pruebas tienen en cuenta, por ejemplo, el impacto de los armónicos de los convertidores de potencia en el sistema de propulsión del vehículo eléctrico y, en última instancia, en la carga y descarga de la batería. Las características de respuesta transitoria de las baterías también deben tenerse en cuenta durante estas pruebas y requieren perfiles dinámicos más reales para cargar la batería. Durante esta prueba, es útil tener una fuente de alimentación que pueda secuenciar y generar fácilmente estas formas de onda sin demasiada complejidad de software. La fuente de alimentación Kikusui PXB puede realizar fácilmente una secuenciación y generar una forma de onda de prueba con solo hacer clic en un botón con su servidor web incorporado. Un registrador de datos interno puede registrar todas las mediciones para que el usuario pueda analizar el rendimiento de la batería. Este artículo describe varias pruebas de ciclos de batería y cómo incluso las pruebas complejas se pueden realizar fácilmente con la fuente de alimentación PXB.

Las baterías de iones de litio (Li-ion) suelen ser la batería de elección para los vehículos eléctricos y estas baterías sufrirán envejecimiento tanto natural como cíclico. Nuevamente, el calendario depende principalmente de la temperatura y el estado de carga (SoC) de la batería. El SoC es el nivel de carga de la batería con respecto a sí misma y normalmente se expresa como un porcentaje. Otros mecanismos de envejecimiento ocurren debido a la operación de carga y conducción, esta última requiere un perfil de carga dinámico.

Las pruebas de ciclo de batería requieren cargar la batería repetidamente hasta que alcance su potencial de almacenamiento de energía y descargarla. Estas pruebas de confiabilidad son costosas y consumen mucha energía, ya que pueden requerir meses de ciclos continuos. Toda la energía descargada a menudo se disipa a través de un banco de carga resistivo enfriado por convección (líquido o aire forzado). Varios parámetros como SoC, temperatura, capacidad y profundidad de descarga (DoD) se miden después de cada ciclo o en diferentes puntos predeterminados durante cada prueba. Los métodos de carga pueden variar entre uno de varios métodos: corriente constante (CC), voltaje constante (CV), potencia constante (CP) y el método de carga híbrido CC-CV. Aquí se puede ver una idea de las diversas pruebas realizadas en diferentes tecnologías de iones de litio y sus conjuntos de datos disponibles públicamente. El método híbrido CC-CV de uso frecuente se puede observar enFigura 1 . La batería se carga con una corriente constante (Ich) que permite que la batería alcance un nivel de voltaje preestablecido (Uch). Luego, Uch se mantiene constante mientras la corriente de carga disminuye gradualmente. Luego, el proceso de carga se detiene cuando la corriente de carga está por debajo de un nivel de corte (Iend) que normalmente es inferior al 3% de la corriente nominal [1].

Las fuentes de alimentación Kikusui PXB pueden realizar cargas CC, CV, CP y CC-CV para analizar el comportamiento en estado estable y el rendimiento de vida útil de diferentes topologías de baterías. Cabe señalar que pueden ocurrir sobreimpulsos dependiendo de la relación entre la impedancia de la carga y los ajustes de voltaje divididos por los ajustes de corriente (V/I=R) de la fuente de alimentación. Los excesos se pueden evitar configurando la prioridad del modo CC cuando las baterías están conectadas. La velocidad de respuesta requerida de la fuente de alimentación se puede optimizar según las condiciones de prueba y las especificaciones de carga (Figura 2).

El suministro bidireccional también ofrece capacidades regenerativas in situ, proporcionando tanto una fuente como un sumidero para las pruebas de ciclos de baterías. Cuando se regenera energía a la unidad desde la batería bajo prueba, la energía de carga se convierte en energía reutilizable y se regenera a la LÍNEA DE CA, lo que potencialmente suministra racks vecinos y equipos de prueba cercanos en lugar de desperdiciar el exceso de energía con bancos de carga.

Como se indicó anteriormente, las pruebas de estrés de la batería pueden variar entre perfiles CC-CV más simples y perfiles más dinámicos para, por ejemplo, simular el impacto de los armónicos del tren motriz sobre la corriente CC en la batería de tracción [2]. También se sabe que el frenado regenerativo provoca períodos de recarga de una alta tasa de corriente, lo que puede acelerar el envejecimiento de la batería o incluso dañar la batería de iones de litio. Esto podría requerir perfiles dinámicos para probar mejor el rendimiento de la batería [3].

Los ciclos de conducción sintéticos, o un perfil de velocidad-tiempo del vehículo, ofrecen una prueba de esfuerzo más dinámica y pueden usarse para validar varios modelos de batería (por ejemplo, modelo de respuesta transitoria de primer orden, modelo con SoC fijo, etc.) para, en última instancia, acumular datos sobre Duración de la batería de los vehículos eléctricos y optimización de la vida útil de la batería de tracción. Estas pruebas cíclicas simulan condiciones del mundo real donde se utiliza la culminación de las pruebas de rendimiento durante un período de tiempo más corto para estimar las tasas de falla. Las pruebas también se utilizan para probar los límites de la batería en condiciones más duras, como choque térmico, temperaturas bajo cero, así como vibraciones severas y choque mecánico. No es raro utilizar múltiples ciclos de prueba para una batería en particular para garantizar que pueda cumplir con diversos requisitos de rendimiento. Estas pruebas utilizarán secuencias largas y detalladas que ajustan la corriente, el voltaje y la potencia dinámicamente a lo largo del tiempo. Un ejemplo de esto se puede ver enfigura 3 . Los datos del Programa Federal de Conducción Urbana (FUDS), por ejemplo, son un patrón estándar de ciclo de prueba que prueba las baterías de vehículos eléctricos en condiciones similares a conducir en una ciudad ocupada con episodios irregulares de aceleración y frenado regenerativo. Perfiles como estos pueden consistir en cientos de miles de puntos de datos en espacios muy cortos del orden de milisegundos.

De manera similar a las pruebas de ciclo de batería CC-CV más tradicionales, estas configuraciones requerirán una fuente de CC (fuente de alimentación de CC programable) y una carga de CC (carga electrónica o banco de carga resistiva). Sin embargo, la fuente de CC debe poder realizar estos complejos ciclos de conducción, una tarea que no todas las fuentes de alimentación pueden realizar. El PXB tiene la ventaja de poder realizar estas pruebas y al mismo tiempo incluye una capacidad regenerativa que permite a los fabricantes reducir su energía con este equipo de prueba. Básicamente, el PXB puede actuar como fuente y carga para estas pruebas específicas.

El PXB permite que operaciones preestablecidas como estas se ejecuten continuamente. Se puede crear un total de 30 programas y vincularlos para hasta 10.000 pasos con todos los programas combinados. Además, si hay ventanas de voltaje repetitivas a lo largo del tiempo, se pueden buclear programas específicos (Figura 4 ). Todos estos programas se pueden almacenar en la memoria del PXB y cualquier dato también se puede exportar a una unidad flash USB desde el panel frontal.

Las formas de onda complejas como estas se cargan fácilmente al PXB a través de su servidor web integrado con un archivo CSV que contiene los pasos que el usuario desea ejecutar. El usuario simplemente selecciona la secuencia requerida y la ejecuta para realizar su prueba (Figura 5).

Para mayor flexibilidad, el servidor web incorporado permite el monitoreo de prueba remoto al proporcionar la misma información de la pantalla frontal, como información de estado y actividad para cada suministro de PXB (p. ej., corriente establecida, voltaje establecido, potencia, velocidad de respuesta, CA alimentación de línea, mediciones, configuración de salida, memoria, configuración del sistema, etc.). La utilidad de la característica de secuencia no se limita a la prueba/validación de la batería. Esto también puede ser útil para probar el cumplimiento de unidades de suministro de energía para automóviles, como inversores y convertidores, y otros componentes automotrices según LV123, LV124 o LV148.

El PXB no solo puede automatizar y monitorear de forma remota una prueba compleja de rendimiento de la batería, sino que mientras se ejecuta la prueba, el PXB puede registrar datos a través de un registrador de datos integrado (Figura 6).

Una grabación se configura fácilmente en el PXB y se puede descargar más tarde para su análisis. Se pueden obtener mediciones internas como tiempo, voltaje, corriente y potencia del registrador de datos para extrapolar información como capacidad de la batería, SoC, etc., sin gastos adicionales ni necesidad de agregar más equipos a la configuración. Esto también elimina la necesidad de un costoso software de banco de pruebas o la complejidad de una programación personalizada. Los datos se registran en formato CSV para su posterior análisis.

La serie PXB puede automatizar pruebas complejas de rendimiento de la batería cargando fácilmente perfiles de carga dinámica, como ciclos de conducción sintéticos. Esto se logra simplemente cargando un CSV en su servidor integrado y ejecutándolo. La prueba se puede monitorear fácilmente de forma remota para garantizar que todo funcione sin problemas. Todos los datos internos del PXB también se pueden registrar a través del registrador de datos integrado del PXB, que permite almacenar y visualizar fácilmente los datos de tiempo, voltaje, corriente y potencia en un momento posterior para cualquier análisis requerido.