Enfoques para pruebas de cargadores

Los cargadores siempre encendidos generalmente proporcionan una salida fija. Por ejemplo, un cargador lento de plomo-ácido proporciona solo una pequeña salida de corriente constante (CC). Este tipo de cargador se puede verificar utilizando una carga eléctrica con voltaje constante (CV) o resistencia constante (CR).

En casos excepcionales, este tipo de cargador puede proporcionar CC o CV durante el perfil de carga. En este caso, la carga electrónica aún se puede usar con una carga de resistencia constante (CR). Las cargas de NI ofrecen CC, CV y CR, lo que permite la máxima flexibilidad para evaluar cargadores siempre activos. 

Es posible que el cargador de batería no proporcione un voltaje o corriente de salida hasta que primero detecte el voltaje de la batería, se cierre un bloqueo externo o ambos. El cargador incluso puede usar estas condiciones de detección de batería para determinar cómo comenzar a cargar la batería de manera segura. Por ejemplo, el perfil de carga puede esperar hasta que la temperatura alcance un nivel aceptable o contener pasos de precarga adicionales para recuperar baterías muy descargadas. 

En estos casos, el dispositivo de prueba puede contener una pequeña fuente de alimentación o relés necesarios para "activar" el cargador. Las cargas enfriadas por aire proporcionan E/S digitales que permiten que la carga administre dispositivos de prueba adicionales. 

NI proporciona conexiones que permiten usar una señal de encendido para un cargador o una fuente de alimentación pequeña, o usted puede controlar un relé/interruptor para conectar la fuente de alimentación al cargador para iniciarlo y luego desconectarlo.

^{Figura 1: Ejemplos de conexiones de señal de encendido}

Los cargadores pueden "probar" la batería durante la carga reduciendo o incluso extrayendo energía de la batería. Algunos tipos de baterías requieren estas "pruebas" para que la carga se acepte correctamente, para reducir la presión interna o para reabsorber productos químicos dentro de la batería. Alternativamente, algunos cargadores realizan estas "pruebas" para cargar la batería de manera segura, para determinar el estado de la batería o para la auto-calibración del cargador. La forma en que el cargador "prueba" la batería y lo que el cargador espera ver en una batería normal determina el enfoque utilizado en la validación.

^{Figura 2: Combinar una fuente y una carga con una PC de control}

Combinar una carga de NI con una fuente de alimentación junto con una aplicación de control en una PC es una solución rentable para cargadores de baja potencia (<6 kW), especialmente cuando el cargador no requiere una respuesta rápida de la batería simulada. En este caso, la PC ajusta la fuente de alimentación y la carga para simular el aumento del voltaje de la batería a medida que se carga.

En este escenario, usted puede programar la PC para controlar la fuente de alimentación y la carga para emular cómo se comporta realmente una batería cada vez que el cargador realiza una "prueba" de la batería. En este caso, la PC mide continuamente el voltaje y la corriente que suministra el cargador y ajusta la fuente de alimentación y la carga para emular la respuesta de la batería. Este proceso se repite a lo largo de todo el perfil de carga simulado.

^{Figura 3: Relación entre el voltaje de la batería y la corriente de carga}

Se puede implementar un enfoque más directo al comprender primero por qué una batería cambia su voltaje debido a los cambios en la corriente de carga. El voltaje visto en las terminales de una batería disminuye ligeramente a medida que un cargador reduce o incluso invierte la corriente de carga. De manera similar, el voltaje en las terminales de una batería aumenta ligeramente a medida que el cargador suministra corriente adicional. Ambos efectos son causados por la resistencia interna de la química de la batería y las conexiones de los cables.

Los cicladores/emuladores de batería de NI de media y alta potencia proporcionan un modo de batería. Este modo le permite programar la resistencia en serie (RS) y un voltaje de circuito abierto sin carga (VOCV). Cuando se programa, el sistema ajusta automáticamente el voltaje de la terminal de salida en función de la dirección y el nivel de corriente que fluye hacia o desde el cargador.

El ajuste se maneja en el hardware, mejorando la velocidad de la simulación, eliminando la complejidad de la integración y permitiendo que la PC se enfoque en la prueba. Además, el cargador mantiene el control del voltaje y la corriente de la terminal incluso cuando cambia entre CC, CP o CV.

^{Figura 4: Modelo de batería equivalente}

^{Figura 5: Fórmula para el modelo de batería}

Un cargador cambia su salida para cumplir adecuadamente con los requisitos del fabricante. Muchos cargadores hoy en día se comunican con la batería, la compañía de servicios públicos o ambos. Las estaciones de carga pueden habilitar la potencia al estabilizar la frecuencia, reducir los picos de demanda máxima o proporcionar respaldo temporal.

El cargador que se comunica con el sistema de administración de baterías (BMS) ajusta su salida en función de la información de datos de la batería devuelta. Este enfoque se encuentra en cargadores de todos los tamaños, incluyendo portátiles, cargadores para vehículos y sistemas de transferencia de energía inalámbrica.

^{Figura 6: Ejemplo de un sistema de carga rápida para vehículos eléctricos}

La estación de pruebas necesita emular la batería y proporcionar una interfaz de comunicación como I2C, SMBUSS o CAN para comunicarse con el cargador bajo prueba.

La salida del cargador también puede cambiar debido a la utilización actual de la red eléctrica. Estos cargadores compatibles con la red pueden ajustar su salida, reduciendo, pausando o incluso retrasando la carga. Estos cargadores pueden comunicarse con una red inteligente utilizando protocolos basados en estándares como el perfil de energía inteligente (SEP).

^{Figura 7: Ejemplo de un sistema de carga administrado por servicios públicos para vehículos eléctricos}

Existen varias iniciativas para usar vehículos como energía de respaldo local o para ayudar a la compañía de servicios públicos durante los períodos de máxima demanda. En estos casos, el cargador se invierte y actúa como un generador distribuido que toma energía de la batería y complementa la red eléctrica para abordar la escasez de energía a corto plazo, los cambios de frecuencia u otros problemas de la red.

^{Figura 8: Ejemplo de un sistema de vehículo a la red donde el cargador del VE se invierte y actúa como un generador de energía distribuida.}

NI proporciona paquetes de software y controladores completamente documentados, lo que permite agregarlos a las configuraciones de prueba para cualquiera de estas aplicaciones. 

El estándar internacional para sistemas de carga conductiva de vehículos eléctricos (IEC 61851-1) ha definido cuatro modos de carga de vehículos eléctricos¹. Las soluciones de NI de pruebas de potencia DC y AC emulan las condiciones del mundo real y son críticas para las pruebas y validación de componentes y sistemas de vehículos eléctricos. La solución de prueba que usted elija variará de acuerdo al modo de carga.

^{Figura 9: De arriba a abajo, modo de carga del VE 1 a 4}

Carga AC

Modo 1: Carga AC muy lenta

El Modo 1 es una carga AC muy lenta, generalmente desde un tomacorriente AC residencial estándar con hasta 16 A. La carga es directa al cargador interno (OBC), sin comunicación.

Modo 2/Modo 3: Carga AC lenta a semi-rápida

El modo 2 es una carga AC lenta con un máximo de 32 A, mientras que el modo 3 es una carga AC semi-rápida de hasta 80 A. En estos modos, se suministra corriente alterna (AC) al cargador interno (OBC), que es el cargador de batería, utilizando el protocolo de equipo de suministro de vehículo eléctrico (EVSE). La carga varía de 6 kW a 22 kW en Modo 2 para carga residencial y 44 kW en Modo 3 para estaciones de carga públicas. Ambos modos controlan la carga con funciones de comunicación; en el modo 2, la señalización por cable proporciona el control, y en el modo 3 se utilizan tanto la señalización por cable como los protocolos de comunicación. Estos modos suelen tener un costo de infraestructura más bajo y una mayor disponibilidad, en comparación con el Modo 4. Sin embargo, el uso del OBC puede reducir la velocidad de carga máxima, a diferencia del Modo 4, que no usa un OBC.

^{Figura 10: Componentes de carga AC lenta a semi-rápida}

Para carga AC, NI ofrece el siguiente equipo:

• El sistema simulador de red regenerativa NHR-9410 simula la red eléctrica.
• El sistema de carga AC regenerativo NHR-9430 emula la carga AC.

^{Figura 11: Equipo de carga AC}

Carga DC

Modo 4: Carga rápida DC

El modo 4 es una carga rápida DC, generalmente desde un cargador público. En el modo 4, la alimentación DC carga directamente la batería. En este modo, dado que no hay OBC, la carga puede ser de muy alta potencia, desde 50 kW hasta incluso más de 300 kW. Esta carga rápida y de alta potencia requiere un mayor costo de infraestructura y una mayor complejidad, incluyendo la necesidad de protocolos de comunicación y señalización por cable.

^{Figura 12: Componentes de carga rápida DC}

Para carga DC, NI ofrece el siguiente equipo:

• El sistema simulador de red regenerativa NHR-9410 simula la red eléctrica.
• El ciclador y emulador de módulo de batería DC de voltaje medio NHR-9200 y el ciclador y emulador de paquete de baterías DC de alto voltaje NHR-9300 imitan la batería o el cargador rápido DC.

^{Figura 13: Equipo de carga DC}

Simulación y Emulación de red (cargador interno y vehicle-to-grid)

En las aplicaciones de carga de vehículos eléctricos, los ingenieros de pruebas confían en el uso de un emulador de batería para probar componentes como el OBC. Al simular que una batería real está conectada a dichos componentes, los ingenieros pueden realizar pruebas en un entorno más rápido, seguro y repetible. NI proporciona soluciones de pruebas de batería flexibles y modulares que puede usar para simular o emular los diferentes modos de carga de los vehículos eléctricos con capacidades transitorias rápidas, potencia regenerativa, relés de aislamiento de seguridad integrados, contactores y más.

^{Figura 14: Equipo de cargador interno} 

• El sistema simulador de red regenerativa NHR-9410 simula la red eléctrica.
• El ciclador y emulador de módulo de batería DC de voltaje medio NHR-9200 y el ciclador y emulador de paquete de baterías DC de alto voltaje NHR-9300 imitan la batería o el cargador rápido DC.

^{Figura 15: Equipo de carga del vehículo a la red (V2G)}

• El sistema simulador de red regenerativa NHR-9410 simula la red eléctrica.
  
• El sistema AC regenerativo NHR-9430 emula la carga AC.

^{1. SAE define estos modos de carga como niveles: Nivel 1 = Modo 1, Nivel 2 = Modos 2 y 3 y Nivel 3 = Modo 4}

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