Simulação de Bateria com as Fontes de alimentação NGM200 e NGU201 Rohde & Schwarz

Esta nota de aplicação é sobre como criar seu próprio modelo de bateria com os modelos de Fonte de Alimentação CC Rohde & Schwarz NGM200 e NGU201, utilizando os opcionais de simulação de bateria NGM-K106 e NGU-K106.

O objetivo principal é descarregar gradualmente uma bateria ou uma bateria recarregável utilizando a função QuickArb das fontes. A descarga da bateria pode então ser registrada usando a função de data logging FastLog. Os dados gravados são armazenados em um arquivo .CSV. Este arquivo pode então ser adaptado para ser usado como um modelo de bateria no modo de simulação de bateria do NGM200/NGU201. Para isso, a Rohde & Schwarz fornece uma ferramenta para desenvolvedores, a fim de facilitar o seu trabalho. Esta ferramenta calcula todos os dados necessários para um modelo de bateria.

Os capítulos a seguir descrevem o procedimento desde a construção de um arquivo ARB até o trabalho com a ferramenta.

2. Características da Bateria

A maneira mais simples é considerar uma bateria que alimenta um circuito eletrônico como uma fonte básica de tensão ideal.

As baterias são fontes de energia bastante dinâmicas e a tensão de uma bateria dificilmente é constante, pois a mesma varia dependendo do estado de carga, carregamento, temperatura, idade da bateria e muito mais. Pense em uma bateria de carro em um dia frio de inverno, o que pode dificultar a partida do carro, enquanto em um dia quente de verão isso normalmente não seria um problema.

A razão para isso, é que a própria bateria funciona através de reações químicas que são influenciadas por vários fatores. A geometria da célula, a superfície dos eletrodos, a temperatura dos reagentes, a taxa de difusão dentro do eletrólito e muitos outros, todos afetam a velocidade de reação da bateria. Quase nenhum valor permanece constante na bateria enquanto a mesma está descarregando ou quando a temperatura externa varia. Devido a esse comportamento dinâmico, a simulação de uma bateria requer um bom modelo.

Com os modelos de fontes de alimentação Rohde & Schwarz NGM200/NGU201, você poderá simular o comportamento de uma bateria sob diferentes condições e requisitos. Como resultado, no início do ciclo de P&D, essencialmente uma bateria real pode ser usada.

A seleção de baterias ou baterias recarregáveis durante o desenvolvimento de vários produtos é muitas vezes um desafio. No entanto, com os requisitos essenciais, as características desses elementos podem ser comparadas ou selecionadas com os requisitos da bateria. Raramente um sistema de bateria cumprirá todos os requisitos. Consequentemente, o processo de seleção geralmente envolve compromissos entre as diferentes propriedades da bateria. Os modelos de fonte de alimentação NGM200 ou NGU201 da Rohde & Schwarz, podem facilitar o desenvolvimento de um produto alimentado por bateria, selecionando a bateria certa.

No entanto, o primeiro passo é entender todos os parâmetros importantes e aplicá-los aos respectivos requisitos e aplicações do produto. Alguns desses parâmetros são descritos a seguir. Na Seção 4 “Testando o modelo de bateria“, é explicado como simular ou replicar esses parâmetros com o R&S®NGM200/NGU201.

2.1 Tensão em Circuito Aberto

A tensão da célula varia com a composição química selecionada. Dependendo da aplicação, escolher a bateria certa com a tensão certa da célula pode afetar a eficiência e a complexidade da potência em dispositivos de circuitos eletrônicos. As baterias são marcadas com uma tensão nominal – no entanto, a tensão de circuito aberto de uma bateria totalmente carregada pode ser 5 a 7% maior.

2.2 Estado de carga

O estado de carga (SoC – State of Charge) é definido como o nível de carga de uma bateria em relação à sua capacidade percentual. Se a bateria está totalmente carregada, o SoC é 100%.

2.3 Temperatura

A temperatura de carga e descarga das células de armazenamento de energia é muito importante, pois os dispositivos em teste (DUTs – Device Under Test) são frequentemente usados em condições adversas. Em altas temperaturas, por exemplo, a taxa de autodescarga aumenta significativamente. Em baixas temperaturas, a resistência interna aumenta. Pilhas de zinco-carbono e alcalinas não são normalmente usadas para operação abaixo de 0°C. As células de lítio podem operar até -40°C, mas com desempenho significativamente reduzido.

2.4 Resistência interna (ESR)

Durante o ciclo de descarga, a resistência interna permanece relativamente constante, aumentando acentuadamente ao final da descarga. Como resultado, a resistência interna contribui fortemente para o aquecimento durante o carregamento ou descarregamento e, assim, converte a perda de energia. A fonte de alimentação Rohde & Schwarz NGM200/NGU201 pode simular totalmente a resistência interna variável, dependendo do estado da carga.

A figura 1 a seguir ilustra um exemplo de bateria. Se o SoC cair, a tensão de circuito aberto também diminui, mas a resistência interna aumenta.

2.5 Durabilidade

A durabilidade de uma bateria é o período de operação entre o momento da entrega e o momento em que a bateria cai abaixo dos valores predefinidos devido ao envelhecimento. No entanto, a durabilidade de uma bateria depende de vários fatores como tipo de bateria, estado de carga da bateria, temperatura ambiente, número de ciclos e profundidade de descarga. A taxa de autodescarga aumenta com a temperatura.

As especificações da maioria dos fabricantes são fornecidas à temperatura ambiente, portanto, os desenvolvedores são aconselhados a verificar as propriedades da bateria. A vida útil de uma bateria também pode ser calculada para os efeitos ambientais específicos ou simulados e testados com uma simulação de bateria.

3 Modelo de bateria

Este capítulo trata da criação de seu próprio modelo de bateria. Assim, é descrito passo a passo como proceder. A Rohde & Schwarz também fornece uma ferramenta que auxilia o desenvolvedor na criação do modelo. Para simular ou construir um modelo de bateria nas fontes de alimentação NGM200 ou NGU201, a opção NGM-K106 e NGU-K106 é necessária. Você pode encontrar as informações de pedido no capítulo 6.

3.1 Editor de Modelo de Bateria

Para definir um modelo de bateria específico, os dados da bateria podem ser inseridos convenientemente usando a bateria embutida no editor de modelos. O editor de modelo de bateria permite criar e editar modelos de bateria com comportamento personalizado. No editor, a tensão de circuito aberto (Voc) e a resistência interna (ESR) podem ser definidas para diferentes estados de carga (SoC) da bateria [1] [2]. Conjuntos de dados para os tipos de bateria usados com frequência, como Chumbo, Li-Ion, NiCd e NiMH já estão disponíveis como conjuntos de dados pré-configurados. Estes podem ser facilmente modificados e assim adaptados aos requisitos de uma aplicação específica. Conjuntos de dados de bateria adicionais podem ser carregados de um pendrive e armazenados no disco rígido da unidade da fonte de alimentação Rohde & Schwarz NGM200/NGU201. As etapas a seguir descrevem o procedimento para carregar um conjunto de dados para simulação de bateria para o NGM200/NGU201.

O editor de modelo de bateria pode ser acessado no menu do dispositivo. Depois de ativar o modo de edição, você pode selecionar se deseja criar um novo modelo de bateria ou carregar um arquivo salvo. O R&S®NGM200/NGU201 carrega o arquivo de modelo de bateria selecionado no editor de modelo de bateria.

3.2 Construindo um modelo de bateria

Três etapas são necessárias para criar um modelo de bateria. Primeiro, a bateria deve ser descarregada. Então dados precisam ser registrados e por último utiliza-se a ferramenta que calcula o modelo de bateria.

3.2.1 Construindo o Arquivo Arbitrário

Para realizar a modelagem da sua respectiva bateria, você deve realizar um teste de descarga. Uma bateria deve ser descarregada em etapas para poder determinar a resistência interna e a tensão de circuito aberto variável versus o estado de carga. Para obter a mais alta precisão, a funcionalidade QuickArb integrada pode ser usada para gerar o perfil de descarga necessário com o temporizador interno. Depois de abrir o Editor Arb no dispositivo, pode ser ajustado com o ciclo seguinte. Um ciclo de 10 segundos com corrente de descarga de 0,5 A por cinco segundos seguido de corrente de descarga de 1 mA por 5 segundos. Isso garante que a tensão de circuito aberto possa ser determinada durante a descarga. A figura a seguir mostra o arquivo arbitrário usado para a caracterização de uma bateria Li-Ion que foi usada para ilustração nesta nota de aplicação:

A corrente de descarga deve ser modificada de acordo com o próprio caso de uso. Observe que a média da corrente de descarga ao longo do ciclo é apenas metade do valor inserido. Abra o menu do canal e selecione o canal conectado à bateria. Agora a configuração da função arbitrária deve ser selecionada e a seguinte janela aparece:

Para carregar o arquivo gerado no Rohde & Schwarz NGM200/NGU201, o arquivo deve ser salvo em um cartão de memória USB. O cartão de memória USB pode então ser conectado à porta USB do NGM/NGU. Agora o arquivo pode ser selecionado via “Load From File”. Assim que o botão “Enabled” é pressionado, a função é ativada no respectivo canal e o símbolo arbitrário aparece na tela. Depois de fazer as configurações, você pode salvá-las e conectar a célula selecionada ao canal da sua escolha. O uso de uma configuração de sensor remoto a quatro fios aumentará a precisão de seus resultados.

3.2.2 Pré-condicionamento

Para executar a ferramenta de modelagem de bateria, algumas etapas devem ser executadas. Um ambiente Python precisa ser instalado. O software de código aberto Spyder IDE¹ da Anaconda é recomendado. Aqui você não precisa fazer nenhuma configuração e as etapas a seguir não precisam ser seguidas, mas se você tiver apenas um Python IDLE, as etapas a seguir devem ser seguidas. Para executar a ferramenta corretamente, as seguintes bibliotecas devem ser instaladas:

• matplotlib
• scipy
• python-csv

Para instalar as bibliotecas, o seguinte comando deve ser digitado no prompt de comando (cmd) para cada biblioteca.

• C:\User\> py -m pip install yourlibrary

Depois que todas as bibliotecas estiverem instaladas, você poderá prosseguir com a próxima etapa.

3.2.3 Gravando os Dados

Depois que o arquivo arb é criado e configurado, a descarga da bateria é registrada com a função logging integrada.

Ative o registro de dados e selecione um intervalo (recíproco de amostra/s). Os dados podem ser armazenados internamente ou em uma memória USB. Inicie o canal desejado para começar a descarregar a bateria. Uma faixa de corrente automática deve ser usada para a medição.

Para evitar que uma mensagem de erro ocorra, o arquivo de log deve conter dados suficientes. Como orientação, 15k linhas devem ser usadas. Dependendo do modelo, este valor pode divergir.

Para empregar os dados do arquivo de log como modelo de bateria, é necessário algum esforço de computação. A Rohde & Schwarz fornece uma ferramenta em Python (é necessário Python 3.7) que calcula o estado de carga (SoC), a resistência interna e os parâmetros de tensão do arquivo de registro de descarga e gera um arquivo .CSV com o modelo de bateria correspondente. As etapas a seguir descrevem como usar essa ferramenta.

Primeiro, salve a ferramenta, bem como os dados do arquivo de log em seu computador. Após o pré-condicionamento, a ferramenta Python pode ser iniciada. Uma janela do Explorer é aberta, na qual o arquivo .log relevante precisa ser selecionado. Outra janela do Explorer é aberta, onde o local do arquivo .CSV pode ser selecionado. Recomenda-se salvar o arquivo diretamente em um dispositivo de memória USB, para poder carregar o arquivo na fonte de alimentação posteriormente. Agora o programa é iniciado e um gráfico é exibido, que mostra os dados específicos da bateria em diagramas. A figura a seguir mostra o gráfico de um arquivo de amostra.

Finalmente, você obtém um arquivo .CSV, que contém os valores da resistência interna, o estado de carga e a tensão da bateria.

4 Testando o modelo da bateria

Depois de medir e registrar os dados reais de sua bateria, você pode abri-la na simulação de bateria do R&S®NGM200/NGU201. Com a interface USB integrada, os dados armazenados podem ser facilmente carregados de um armazenamento USB. Na janela de diálogo você pode ativar o modo Editor. Agora você pode selecionar a bateria arquivo de modelo em seu armazenamento USB. A Rohde & Schwarz NGM200/NGU201 carrega o arquivo selecionado na simulação de bateria. Os parâmetros carregados do arquivo são reproduzidos pela simulação da bateria. Agora você pode definir o SoC, com o qual você deseja iniciar a simulação e a capacidade de sua bateria.

5. Conclusão

As baterias são fontes de energia dinâmicas cujo comportamento em muitos casos se desvia de uma fonte de tensão ideal. Um modelo com uma resistência interna dinâmica, que muda dependendo do estado de carga, é usado pela Fonte de Alimentação Rohde & Schwarz NGM200/NGU201 para simular baterias. Usando um método de etapa de carga, é possível derivar os parâmetros necessários para criar um arquivo de modelo de bateria para o R&S®NGM200/NGU201. Com um pouco de esforço no Excel qualquer modelo de bateria pode ser simulado. Enquanto o modelo da bateria em si é simplificado e a compreensão é necessária para garantir o uso adequado, o efeito resultante é que somos capazes de emular, por exemplo, uma célula Ni-MH com muita precisão. Requer relativamente pouco esforço para construir o modelo de bateria. Assim, o desenvolvedor fica dispensado de determinados trabalhos.