Bild 1: Die Zwei-Quadranten-Stromversorgung mit programmierbarem Innenwiderstand simuliert einen Akku im Bereich >100 A.

100 A.“ width=“220″ /> Bild 1: Die Zwei-Quadranten-Stromversorgung mit programmierbarem Innenwiderstand simuliert einen Akku im Bereich >100 A.Keysight

In der modernen mobilen Welt arbeiten immer mehr Geräte mit Akkus unabhängig vom Stromnetz. Dank der Verbesserung von Leistungsdichte und Energiemanagement lassen sich heute selbst Geräte mit erhöhtem Strombedarf so realisieren. Ob Kleingerät mit Energiegewinnung, das allgegenwärtige Smartphone, elektrische Haushalts- und Heimwerkergeräte oder Elektrofahrzeuge: Akkus kommen in allen Größen und Formen vor.

Um die Funktion akkubetriebener Geräte in verschiedenen Ladezuständen reproduzierbar nachzuweisen, können sich Entwickler bei ihren alltäglichen Messungen nicht auf Akkus als Teststromversorgung stützen. Hierfür wäre eine ganze Reihe Testakkus in verschiedenen Ladungszuständen erforderlich. Wurde ein Testakku für eine Messung eingesetzt, muss er anschließend neu konditioniert werden, damit gleiche Ausgangsbedingungen für weitere Messungen gegeben sind. Dieses Verfahren ist zeitaufwendig, benötigt eine umfangreiche Testperipherie und erreicht eine schlechte Reproduzierbarkeit.

Der Einsatz eines programmierbaren Akkus, bekannt unter dem Begriff Akku- oder Batteriesimulator, verringert im Vergleich zu einem echten Akku die Rüstzeiten, reduziert Gefahren im Testumfeld und liefert bedeutend besser reproduzierbare Messwerte.

Eckdaten

Bei Funktionstests akkubetriebener Geräte bietet ein Batteriesimulator viele Vorteile: Er verringert den Aufwand an Testperipherie, reduziert Rüstzeiten sowie Gefahren im Testumfeld und liefert bedeutend besser reproduzierbare Messwerte als reale Akkus. Hierfür können Stromversorgungen von Keysight Technologies im Zwei-Quadranten-Betrieb und mit programmierbarem Innenwiderstand auch unter Verwendung von Batteriemodellen zum Einsatz kommen.

Sichereres Testen

Speziell Li-Ionen-Akkus neueren Datums enthalten eine recht große Energiemenge. Unter normalen Betriebsbedingungen (Temperatur, Lade- und Entladestrom) lassen sich solche Akkus sicher betreiben.

Im Testeinsatz können aber auch unerwartete Bedingungen auftreten. Funktioniert eine Schaltung in der Entwicklungsphase noch nicht wie gewünscht, könnte sie den Akku überladen oder tiefentladen. Schlimmer noch könnte eine Schaltung versagen oder in einen unerwarteten Betriebszustand geraten. Übermäßiger Stromfluss könnte den Akku überhitzen, entzünden und zur Explosion bringen oder zum Auslaufen von Chemikalien führen. So gesehen stellt der Einsatz eines echten Akkus in der Testphase ein erhebliches Sicherheitsproblem dar.

Ein Akkusimulator ist gegenüber einem echten Akku erheblich sicherer und führt bei Fehlfunktionen des Testobjekts nicht zu Gefahrensituationen. Akkusimulatoren enthalten elektronische Schutzschaltungen, etwa gegen Überspannung und Überstrom, die die Stromquelle vom Testobjekt trennen können, wenn der Test außer Kontrolle gerät.

Bessere Reproduzierbarkeit

Jeder Ladezyklus verändert die Eigenschaften eines Akkus und geht zulasten seiner Lebensdauer. Es ist schwierig, den Ladezustand manuell exakt und wiederholbar zu konditionieren.

Hierbei wird der Akku zunächst vollständig entladen und dann wieder bis auf einen definierten Ladungszustand (SOC, State of Charge) aufgeladen. Erfolgt dieser Vorgang sehr häufig, kommen schnell viele Ladezyklen zusammen, die den Akku rasch altern lassen. Diese Methode macht es im Endeffekt unmöglich, den genauen physikalischen Zustand eines gealterten Akkus zu bestimmen. Entsprechend unsicher sind die Messergebnisse bei Verwendung eines solchen Akkus.

Ein Akkusimulator hingegen eliminiert die Unsicherheit über Ladezustand und Alterung und führt daher im Vergleich zu Messungen mit einem echten Akku zu konsistenteren und besser reproduzierbaren Messergebnissen.

Bild 2: Das Advanced Power System (APS) von Keysight ist eine Familie von 24 Gleichstromversorgungen, die Akkus bis zu 160 V und 200 A bei 1000 W (oben) oder 2000 W (unten) simulieren können.

Bild 2: Das Advanced Power System (APS) von Keysight ist eine Familie von 24 Gleichstromversorgungen, die Akkus bis zu 160 V und 200 A bei 1000 W (oben) oder 2000 W (unten) simulieren können. Keysight

Stromversorgung simuliert Akkus

Ein gewöhnliches Labornetzteil eignet sich nicht für den Einsatz als Akkusimulator, da es mehrere Merkmale eines realen Akkus nicht nachbilden kann. Eine solche Stromversorgung hat folgende Eigenschaften:

  • Die Impedanz ist konstant niedrig; der Akku-Innenwiderstand variiert abhängig vom SOC.
  • Diese Stromversorgung liefert kontinuierlich Energie, ein Akku enthält nur eine bestimmte Ladungsmenge.
  • Sie ist nur eine Stromquelle, ein Akku kann sich auch als Stromsenke verhalten.

Bild 1 zeigt eine Zwei-Quadranten-Stromquelle, mit der sich die physikalischen Eigenschaften eines Akkus modellieren lassen. Sowohl die Ausgangsspannung als auch der Innenwiderstand können laufend variiert werden, um den SOC und die Alterung des Akkus zu simulieren.

Ohne aufwendige Konditionierung können Zellspannung und Innenwiderstand direkt eingestellt werden. Damit steht sofort ein bestimmter Ladungs- und Alterungszustand des simulierten Akkus für eine Messung zur Verfügung. In einem betriebssicheren Umfeld lassen sich Tests mit Akkus auch unter kritischen Bedingungen wie Überstrom und Kurzschluss, Überspannung, Überladung und Tiefentladung durchführen, die mit einem echten Akku gefährlich wären.

Das Akkumodell

Eine komplexe Größe in der Akkusimulation ist der vom Ladezustand abhängige Spannungsverlauf. Der Spannungsverlauf beim Entladen ist eine grundlegende Eigenschaft jedes Akkutyps und hängt stark von Material, Chemikalien und Aufbau des Akkus ab. Ein hochwertiger Akkusimulator erlaubt das Laden von Akkumodellen. Mit einer Parameterdatei kann ein herstellerspezifischer Akkutyp geladen werden, wodurch sich der Simulator nach außen wie der echte Akku verhält. Wahlweise kann der Akkusimulator eine Wertetabelle (Lookup Table) laden, die Ausgangsspannungwerte abhängig vom SOC enthält. Die Steuerelektronik des Akkusimulators erfasst, wieviel Ladung aus dem simulierten Akku heraus- und in ihn hineinfließt (zählt also die Coulombs), berechnet daraus den Ladezustand und stellt die Ausgangsspannung entsprechend der Wertetabelle ein.

Bild 3: Zur Simulation von Akkus geringer Leistung kann der DC-Leistungsanalysator Keysight N6705B mit den SMU-Modulen der Familie Keysight N6780 zusammengeschaltet werden. Diese Module können Akkus bis 20 V und bis 8 A simulieren.

Bild 3: Zur Simulation von Akkus geringer Leistung kann der DC-Leistungsanalysator Keysight N6705B mit den SMU-Modulen der Familie Keysight N6780 zusammengeschaltet werden. Diese Module können Akkus bis 20 V und bis 8 A simulieren. Keysight

Aber auch ohne eine modellbasierende Steuerung kann ein Akkusimulator ordentlich arbeiten. Da die Änderung der Ausgangsspannung im Allgemeinen langsam erfolgt, kann eine PC-basierende Anwendung ganz einfach die Ausgangsspannung auf den gewünschten Wert programmieren. Diese programmierte Spannung kann dann langsam ansteigen oder abfallen und so den Spannungsanstieg beim Ladevorgang und das langsame Absinken der Spannung beim Entladen simulieren.

Alles in allem liefert ein Akkusimulator schneller Messergebnisse, der Einsatz ist sicherer und die Testergebnisse sind genauer als bei Verwendung eines echten Akkus.