¿Sin batería? Probemos de todos modos. El papel de un emulador de baterías en las pruebas de vehículos eléctricos

Utilizar baterías reales requiere procesos que requieren mucho tiempo, como cargar, descargar y dejar reposar la batería para llevarla a un estado de carga (SOC) apropiado para las pruebas. Cuando se usa la emulación de baterías, toda esta preparación se reduce considerablemente porque el emulador de baterías proporciona de inmediato las características realistas de la batería que se necesitan, lo que ayuda a los ingenieros a enfocarse en las pruebas en lugar de en los matices del comportamiento de la batería.

​Figura 1: Los resultados de los clientes mostraron una reducción del 70% en el tiempo total de las pruebas reemplazando las baterías reales con un emulador de baterías NHR.

Para demostrar este punto, NH Research (NHR) compiló datos de un escenario del mundo real ejecutando nueve pruebas con una batería real y los comparó con los resultados de las mismas pruebas utilizando el emulador de baterías de NHR. El emulador de baterías mostró una reducción del 70% en el tiempo de las pruebas (ver Figura 1), proveniente principalmente de los tiempos de inactividad.

Las baterías son dispositivos de alto voltaje y alta energía que presentan un alto riesgo en caso de fallas, por lo que todas las pruebas relacionadas tienen como objetivo garantizar no solo el funcionamiento adecuado sino también las fallas segura. Los riesgos como la exposición a gases peligrosos, corrosivos, incendios o explosiones han llevado a las compañías de vehículos eléctricos a crear políticas de seguridad que establecen cómo y cuándo se pueden realizar las pruebas con baterías reales, generalmente restringiendo el tiempo de las pruebas a las horas de trabajo. Utilizar un emulador de baterías no presenta estos riesgos, proporciona una forma de adelantarse a las pruebas sin estas preocupaciones y limitaciones.

Aprenda más sobre las consideraciones de seguridad para pruebas de baterías de vehículos eléctricos

A medida que se gasta una batería, su comportamiento cambia inevitablemente debido a los ciclos de carga/descarga o simplemente debido al envejecimiento. Además, las baterías requieren una gestión ambiental importante, como los sistemas de refrigeración y los cambios de temperatura, para funcionar correctamente. Debido a esto, la potencia de salida de las baterías reales carece de la repetibilidad necesaria para realizar pruebas exhaustivas de otros componentes. Para cumplir con estos requisitos de ser realistas pero repetibles, los emuladores de baterías modelan baterías reales como una fuente de voltaje bidireccional junto con una resistencia en serie (ver Figura 2). De esta manera, se puede simular cualquier batería en cualquier SOC, proporcionando resultados repetibles y precisos.

^{​Figura 2: Modelo equivalente de una batería}

​Los emuladores de baterías deben diseñarse para generar una salida que realmente represente cualquier SOC de una batería siguiendo ese modelo equivalente. Con este "modo de emulación de baterías", el emulador ajusta automáticamente el voltaje en las terminales (V_batt) midiendo la corriente que fluye allí y usándola para calcular el voltaje necesario (V_ocv) para mantener constantemente, como lo haría una batería, la salida deseada en la terminal, independientemente del flujo de corriente.

Debe considerar lo siguiente al elegir un emulador de baterías.

Adaptabilidad

​Para modelar cualquier batería y adaptarse a las necesidades de las pruebas, los valores de voltaje y resistencia y los comportamientos del modelo de batería equivalente deben ser programables. Por ejemplo, además de establecer el voltaje deseado, la capacidad de cambiarlo a velocidades lentas puede emular el cambio de voltaje esperado cuando una batería se carga o descarga. La Figura 3 muestra este efecto de la resistencia en serie programable cuando se somete a múltiples pulsos de descarga. Debido a que el cambio de voltaje es proporcional a la corriente con un modelo de resistencia en serie programable, los ingenieros pueden probar un dispositivo como si estuviera conectado a una batería nueva (baja resistencia) o vieja (mayor resistencia). Este enfoque permite realizar pruebas más rápidas, consistentes y seguras.

^{​Figura 3: Simulación de batería VE usando el modelo de resistencia en serie}

​Baja capacitancia

Aparte de la capacidad de programación de la resistencia, un emulador de baterías debe tener una capacidad de salida baja para emular con precisión los efectos de la resistencia cuando cambia la corriente. Esta es una diferenciación clave de las fuentes de alimentación bidireccionales que suelen tener una capacidad de salida alta para reducir el ruido. ​

La Figura 4 muestra una comparación de una batería real y una emulada. Las características de la batería emulada coinciden exactamente con las características de la batería real, en parte debido a la baja capacitancia de salida.

^{​Figura 4: Batería real (izquierda) versus el emulador de baterías de NHR (derecha)}

​Escalabilidad a través de software

Además de la baja capacitancia y programabilidad del emulador de baterías, los ingenieros de pruebas de vehículos eléctricos esperan que los emuladores de batería tengan las siguientes características:

• ​Terminales bidireccionales y aisladas que manejan los efectos EMF de forma segura
• ​Modularidad para aumentar potencia y satisfacer las necesidades de las pruebas a medida que evolucionan
• ​Tiempos de respuesta rápidos para emular las condiciones del mundo real y reducir el tiempo de las pruebas

​Las pruebas de trenes de potencia de los vehículos eléctricos requieren conectividad abierta y software de pruebas flexible para administrar varias estaciones de pruebas, agregar canales de medidas y comunicación o integrarse con otros equipos de pruebas. Como parte del portafolio de NI, los emuladores de baterías de NHR se integran a la perfección con el software de pruebas de NI, incluyendo VeriStand y TestStand , así como con herramientas de administración de datos/activos como el software SystemLink™. Los ingenieros de pruebas de vehículos eléctricos se benefician de capacidades como registro de datos sin pérdidas, reportes automatizados, flujos de trabajo integrados y análisis del ciclo de vida, que dan como resultado un menor costo total de las pruebas, un menor tiempo de comercialización y un mayor rendimiento del producto.

Elegir entre fuentes de alimentación bidireccionales y emuladores de batería para simulación de baterías

Al decidir entre una fuente de alimentación bidireccional y un emulador de batería para la simulación de baterías, existen consideraciones importantes. Seleccionar el equipo incorrecto puede retrasar los proyectos, aumentar los riesgos de seguridad y obstaculizar la productividad. El uso de una fuente de alimentación DC bidireccional para la simulación de baterías puede tener muchas limitaciones en la funcionalidad porque está diseñada como una fuente de alimentación tradicional, no para simular una batería.

Los emuladores de baterías más avanzados, como el ciclador y emulador de paquetes de baterías DC de voltaje medio y alto, permiten la simulación en el mundo real de las características de la batería al modelar la resistencia en serie de los paquetes de baterías (RINT). El modelo RINT proporciona una simulación de la resistencia química interna de la batería, junto con resistencias adicionales del paquete creadas por conexiones internas, contactores y componentes de seguridad. El modelo RINT se puede implementar con una verdadera fuente bidireccional y una resistencia en serie programable.

Al igual que en una batería real, los emuladores de batería de NI ajustan el voltaje de salida dependiendo de la dirección y la amplitud del flujo de corriente. Este ajuste automático del voltaje de salida simula mejor las características del paquete de baterías del mundo real, especialmente cuando se compara con los sistemas comunes de simulación de fuente/carga y bus de DC.

Los emuladores de batería de NI ofrecen los siguientes beneficios sobre las fuentes de alimentación bidireccionales tradicionales:

• Resistencia en serie—Una característica clave de la simulación de baterías es tener una resistencia en serie programable e integrada con baja capacitancia. Los emuladores de batería de NI tienen una resistencia en serie programable que está integrada en el hardware en comparación con solo el software para garantizar pruebas precisas de las condiciones del mundo real. Al igual que en una batería real, los emuladores de batería de NI ajustan el voltaje de salida dependiendo de la dirección y la amplitud del flujo de corriente.
• Baja capacitancia de salida—Los emuladores de batería con baja capacitancia de salida proporcionan una simulación precisa de los efectos de la resistencia en serie, lo que permite que el voltaje de salida se ajuste proporcionalmente a los cambios en la corriente. En comparación, muchas fuentes de alimentación regenerativas tienen una alta capacitancia de salida para reducir la salida de ruido, pero esto anula la funcionalidad de resistencia en serie y puede resultar en una simulación de batería inexacta, además de velocidades de respuesta más lentas. Los emuladores de batería de NI están diseñados con baja capacitancia de salida para un cambio rápido de los puntos de ajuste para emular con precisión las condiciones del mundo real.
• Seguridad—Las fuentes de alimentación generalmente requieren complementos para contactores de seguridad y no tienen características de seguridad adicionales como interbloqueos, paradas de emergencia, etc. Agregar estos componentes requiere mucho tiempo y complica significativamente la configuración de la prueba, lo que agrega demoras y costos de mano de obra adicionales. Los emuladores de batería de NI tienen todas estas características, así como múltiples capas de seguridad integradas.
• Establecer precisión—Las fuentes de alimentación generalmente solo especifican la regulación de carga/línea (cuánto puede cambiar una salida bajo varias condiciones de línea/carga) pero no tienen en cuenta la precisión establecida o la salida solicitada. NI documenta claramente la precisión del control empírico para todas las condiciones, incluyendo carga/línea y error de su valor solicitado.
• Precisión de las medidas—Las fuentes de alimentación son productos de uso general y las medidas específicas de la batería, como Ahr o kWhr, a menudo se dejan al software del usuario para que las rastree y determine. Los emuladores de batería de NI realizan medidas de prueba de batería de precisión directamente en el hardware, lo que hace que la programación sea más simple y efectiva.
• Establecer métodos y control—Las fuentes de alimentación implican un desarrollo significativo del programa de software antes de que puedan comenzar las pruebas. Los emuladores de baterías de NI tienen modos de operación diseñados para soportar la emulación de baterías, y nuestras soluciones de software proporcionan opciones de control listas para usar para eliminar el tiempo y el esfuerzo de integración. 

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