Najnowocześniejsza aparatura kontrolno-pomiarowa w pełni wykorzystuje możliwości akumulatorów

fot. Farnell

Akumulatory stały się częścią codziennego życia. Napędzają ogromny wzrost na rynku mobilnym i w telekomunikacji. Stały się też fundamentalnym elementem zielonej rewolucji. Pojazdy elektryczne i domowe magazyny energii to tylko niektóre z przykładów użycia akumulatorów do przechowywania energii wygenerowanej z użyciem czystych, zielonych źródeł. Dzięki akumulatorom, energia ta staje się dostępna kiedy tylko wystąpi na nią zapotrzebowanie. Uzależnienie od energii gromadzonej w akumulatorach jest także dowodem na wagę aparatury kontrolno-pomiarowej, dzięki której możemy mieć pewność, że systemy magazynowania mocy pracują z maksymalną możliwą wydajnością.

„Wyposażanie systemów w akumulatory oraz żywotność tych urządzeń to obecnie dwa bardzo ważne tematy” – mówi Philipp Weigell, Director of Product Management for Power Products, Meters, Sources and Audio Analysers w firmie Rohde & Schwarz.

Podczas projektowania, zespoły inżynierów muszą zrozumieć i upewnić się, że zarówno obwody ładujące, jak i pobierające moc z akumulatorów, pracują w pełni optymalnie, biorąc pod uwagę konkretny rodzaj akumulatora lub baterii. Niezwykle ważna jest też wydajność takiego systemu. Wysokiej jakości testy na etapie produkcji są niezbędne by mieć pewność, że tylko pełnowartościowe akumulatory trafiają do finalnych produktów. Komponenty o gorszych parametrach, z którymi wiąże się ryzyko przedwczesnych usterek, muszą zostać zidentyfikowane wcześniej i przekazane do przebudowy. Natomiast w terenie, już po wdrożeniu, menedżerowie np. flot pojazdów elektrycznych muszą mieć możliwość sprawdzenia, czy któreś z akumulatorów nie pracują poniżej parametrów nominalnych, lub nie wykazują innych problemów. Dzięki temu realne będzie zaplanowanie odpowiedniej wymiany wadliwego elementu, zanim nastąpi poważna awaria.

W obecnych czasach coraz popularniejsze staje się wykorzystanie danych zebranych podczas testów prowadzonych na produkcji i w trakcie prac konserwacyjnych by następnie uwzględnić je podczas projektowania. Dostęp do długotrwale zbieranych danych operacyjnych pokaże w jaki sposób system pracuje pod różnym obciążeniem. Pozwoli to pozyskać ważne informacje, które następnie umożliwią zespołom inżynierów optymalizację projektów przyszłych systemów oraz dostosowanie wbudowanego oprogramowania celem usprawnienia sprzętu już dotąd wdrożonego i aktualnie działającego.

Testowanie akumulatorów wymaga szybkości, dokładności i odpowiednich funkcji

Niezależnie czy mowa o fazie projektowania, produkcji, czy o serwisowaniu, szybkość i dokładność to jedne z najważniejszych aspektów określających jakość sprzętu do testowania. Natomiast najważniejszymi parametrami akumulatorów i baterii są napięcie i rezystancja wewnętrzna. Tradycyjnie, rezystancję tę mierzy się poprzez podłączanie do akumulatora obciążenia. Jednakże firmy zajmujące się testowaniem opracowały szereg wyrafinowanych metod, które poprawiają dokładność oraz procedury pomiarów, zarówno laboratoryjnych, jak i wykonywanych w terenie. Dzięki nim możliwe jest lepsze radzenie sobie z różnorodnymi rodzajami ogniw, stosowanymi w bateriach i akumulatorach.

Te starania doprowadziły do powstania takich projektów jak tester BT3554 marki Hioki – aparatury, która została zaprojektowana specjalnie po to by umożliwić konserwację akumulatorów kwasowo-ołowiowych, często wykorzystywanych w systemach zasilania bezprzerwowego, czyli tzw. UPS-ach oraz w podobnych aplikacjach. BT3553 został zaprojektowany tak by wykonywać kompletną diagnostykę stanu akumulatorów kwasowo-ołowiowych, nawet jeśli są aktualnie podłączone do urządzenia, w którym normalnie pracują. Oznacza to, że nie trzeba ich odłączać od pracy, a więc konserwacja UPS-ów staje się znacznie łatwiejsza, a czas przestojów zostaje zredukowany.

Rodzaj użytych ogniw oraz sam cel przeprowadzenia testu to czynniki bardzo silnie wpływające na konstrukcję systemu pomiarowego. Kai Scharrmann, inżynier i szef sprzedaży w Hioki Europe mówi, że jest całkiem łatwo określić stan akumulatora kwasowo-ołowiowego, korzystając tylko z prostego pomiaru napięcia, w powiązaniu z oszacowaniem rezystancji wewnętrznej. „Możesz bardzo szybko ocenić, czy akumulator wymaga wymiany czy nie. Taki pomiar zazwyczaj wykonuje się tylko dla jednej częstotliwości. Ale jeśli za pomocą pomiaru dla jednej częstotliwości chcesz określić stan akumulatora litowo-jonowego, nie będzie to łatwe zadanie.”

Przechodząc w stronę ogniw opartych o związki litu, struktura akumulatora odgrywa dużą rolę, jeśli chodzi o planowanie sposobów testowania, czy to na etapie konserwacji, czy produkcji, a nawet podczas prac badawczo-rozwojowych – mówi Kai Scharrmann. „Jedną z bardzo ważnych rzeczy jest pozyskanie precyzyjnych pomiarów na poziomie pojedynczych ogniw. Pomiar całego zestawu nie pokaże niczego wartościowego, gdyż jeśli są one połączone szeregowo, nie dowiemy się wtedy które z ogniw stanowi problem. W takim pakiecie niektóre ogniwa mogą być w pełni sprawne, a tylko jedno uszkodzone. W jaki sposób chcesz znaleźć jedno wadliwe, jeśli mierzysz tylko cały akumulator?”

W wielu przypadkach ogniwa w akumulatorach litowo-jonowych są połączone szeregowo. Kai Scharrmann dodaje: „Jeśli połączysz ogniwa w szereg, potrzebujesz systemu zarządzania akumulatorem lub obwodów zabezpieczających. W efekcie podczas pomiarów, mierzy się też wpływ tych podzespołów. A więc o ile poprawne przeprowadzenie pomiarów jest wciąż możliwe, to należy wziąć pod uwagę znacznie więcej aspektów, niż w przypadku tradycyjnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych.”

Aplikacje wymuszają zwiększanie wydajności

To w jaki sposób radzą sobie pojedyncze ogniwa staje się coraz ważniejsze za sprawą rosnącej różnorodności aplikacji. Jedną z takich dziedzin, w których potrzebne jest tak bardzo szczegółowe analizowanie sytuacji jest motoryzacja. Wydajność całego systemu elektrycznego determinuje bowiem zasięg pojazdu elektrycznego.

„Czasem ogniwa akumulatorów dobiera się by dobrze do siebie pasowały. Przykładowo, w sportach motorowych, a więc tam, gdzie uzyskanie maksimum wydajności z posiadanych zasobów jest kluczowe, inżynierowie podczas budowy pakietu ogniw dobierają takie ogniwa, które najlepiej do siebie pasują. Jest to w pełni ręczna robota. Każde z ogniw jest wtedy testowane dla różnych częstotliwości i na tej podstawie określa się, które będą ze sobą najlepiej pracować, a więc z których zbudować akumulator” - mówi Kai Scharrmann.

O ile sprzęt stosowany podczas produkcji i w trakcie prac konserwacyjnych musi mieć dużą przepustowość pomiarową, a podawane przez niego wyniki muszą być łatwe do zrozumienia, aparatura wykorzystywana w pracach badawczo-rozwojowych musi przede wszystkim spełnić wymogi odnośnie dużej dokładności – wyjaśnia Kai Scharrmann. „W rzeczywistości dokładność aparatury może zapewnić lub uniemożliwić zdobycie potrzebnego certyfikatu.” Kai Scharrmann powołuje się na wymogi Amerykańskiej agencji EPA, zajmującej się ochroną środowiska. Określa ona m.in. kryteria dotyczące sposobów określania zasięgu pojazdów elektrycznych. „Dobra aparatura kontrolno-pomiarowa może naprawdę pomóc zdobyć potrzebne certyfikaty” – dodaje.

Dokładność jest niezwykle ważna w przypadku tworzenia systemów, które mają najlepiej wykorzystać specyfikę akumulatorów litowo-jonowych. Wraz ze wzrostem sprawności, dokładność staje się coraz ważniejsza. Ma to znaczenie m.in. w przypadku zasilaczy, które powinny marnować jak najmniej mocy, dostarczając prąd i napięcie innym podzespołom. Niebagatelne znaczenie ma to także dla inwerterów, powszechnie używanych w większych systemach, np. do napędzania silników elektrycznych. Dziś uzyskuje się sprawność na poziomie 90 procent. Nawet niewielka poprawa tej wartości pozwala na dramatyczne zredukowanie ilości marnowanej energii. Przykładowo, sprawność wyższa o jeden procent przekłada się na o 10 procent mniejszą ilość marnowanej energii.

Kai Scharrmann mówi, że w ostatnim czasie wiele firm podejmuje znaczące starania by projektować inwertery pracujące z wyższymi częstotliwościami, co stało się możliwe dzięki pojawieniu się na rynku układów półprzewodnikowych, wykonanych z węgliku krzemu i z azotku galu. Częstotliwości taktowania tak szybko rosną w ostatnim czasie, że potrzebny jest naprawdę precyzyjny sprzęt pomiarowy, który pozwoli na zbadanie uzyskiwanych korzyści” – wyjaśnia. Kluczową rolę w wymogach co do testowania odgrywa też ekologia. „Akumulatory litowo-jonowe zawierają znaczne ilości kobaltu, który niestety nie jest najbardziej zieloną substancją na naszej planecie.” Projektowanie systemów, które mogłyby pracować z innymi akumulatorami, wykonanymi z innych materiałów, może znacząco pomóc w uzyskaniu lepszych wyników oceny ekologiczności tworzonego rozwiązania.

Aparatura pozwalająca zrozumieć pobór mocy

W energooszczędnych systemach wiele trybów uśpienia albo przetwarzania ze zwiększoną wydajnością może doprowadzić do znaczącej komplikacji analizy wydajności akumulatorów czy baterii. Staranne dobranie kondensatorów do takiego projektu pozwala wydłużyć czas pracy na akumulatorze, zmniejszając wartości maksymalnych prądów, jakie ogniwo będzie musiało dostarczać. Oprócz konwencjonalnych analizatorów mocy, w takich systemach coraz częściej wykorzystuje się zasilacze z funkcjami pomiarowymi (jednostki SMU - Source-Measurement Unit), które pozwalają na stworzenie charakterystyk pracy tych systemów.

„Zauważyliśmy, że jednostki SMU zaczynają być coraz powszechniej wykorzystywane do testowania akumulatorów” – mówi Bradley Odhner, Technical Marketing Manager w firmach Tektronix i Keithley Instruments. Dodaje, że z zalet tego typu sprzętu może skorzystać wiele startupów, tworzących projekty zgodne z ideami Internetu Rzeczy (IoT – Internet of Things). „Zasilacze z funkcjami pomiarowymi są świetne dla firm, które chcą mieć jeden wielofunkcyjny instrument, ale zarazem taki, który będzie nadawał się do realizacji bardzo złożonych zadań – szczególnie w kontekście miniaturyzacji. Ludzie chcą uzyskać tyle, ile się da za pomocą posiadanych funduszy wydawanych na sprzęt, by móc opracowywać najlepsze możliwe produkty.”

Philipp Weigell wyjaśnia: „Jednostka SMU pozwala na wykonywanie pomiarów z dużą precyzją, zachowując dokładność także przy bardzo małych prądach, jednocześnie będąc gotową do precyzyjnego mierzenia w każdej chwili dużych prądów. To wszystko sprawia, że naprawdę można zrozumieć w jaki sposób zużywana jest moc. Następnie zebrane wyniki można porównać z innymi zdarzeniami i uzyskać korelacje.” Philipp Weigell dodaje, że elastyczność wykonywania pomiarów czyni precyzyjne analizowanie poboru mocy łatwym. Pomaga też ocenić, w jaki sposób zmienia się obciążenie akumulatora w czasie, np. podczas przechodzenia urządzenia z funkcji czytania wiadomości do odtwarzania filmów video.

Począwszy od IoT, a kończąc na flotach pojazdów elektrycznych, akumulatory odgrywają kluczową rolę. Aby zmaksymalizować ich sprawność i wydłużyć czas pracy na baterii, trzeba dobrze zrozumieć jak te źródła mocy zachowują się w systemach, w których pracują, oraz w realnych wdrożeniach. Aparatura kontrolno-pomiarowa ma więc ogromne znaczenie dla całego cyklu życia produktów elektronicznych, a jej wiodący na świecie producenci podejmują wyzwanie, by dostarczyć to, czego oczekują klienci.