Pas de batterie ? Testons quand même. Le rôle d’un émulateur de batterie lors des tests de véhicules électriques

L’utilisation de batteries réelles nécessite des processus chronophages tels que la charge, la décharge et le repos de la batterie pour qu’elle atteigne un état de charge (SOC) approprié au test. Lors de l’émulation de batterie, toute cette préparation est considérablement réduite car l’émulateur de batterie fournit immédiatement les caractéristiques de batterie réalistes nécessaires. Les ingénieurs peuvent ainsi se concentrer sur les tests plutôt que sur le comportement de la batterie.

​Figure 1 : Les résultats des clients ont montré une réduction de 70 % de la durée totale des tests en remplaçant les batteries réelles par un émulateur de batterie NHR.

Pour illustrer ce point, NH Research (NHR) a compilé les données d’un scénario réel exécutant neuf tests avec une batterie réelle et les a comparées aux résultats des mêmes tests à l’aide de l’émulateur de batterie NHR. L’émulateur de batterie a permis de réduire de 70 % la durée des tests (voir figure 1), principalement en raison des temps d’inactivité et de repos.

Les batteries sont des dispositifs à haute tension et à haute énergie qui présentent des risques élevés en cas de défaillance. Tous les tests connexes visent donc à garantir non seulement le bon fonctionnement, mais aussi la sécurité en cas de défaillance. Les risques tels que l’exposition à des gaz dangereux, à des produits corrosifs, à des incendies ou à des explosions ont conduit les entreprises de véhicules électriques à élaborer des politiques de sécurité qui indiquent comment et quand les tests avec des batteries réelles peuvent être effectués, limitant généralement la durée des tests aux heures de travail. L’utilisation d’un émulateur de batterie ne présente pas ces risques et permet donc de progresser dans les tests sans ces préoccupations et limitations.

En savoir plus sur les considérations relatives à la sécurité pour les tests de batteries de véhicules électriques

Au fur et à mesure qu’une batterie s’use, son comportement change inévitablement en raison des cycles de charge/décharge ou simplement du vieillissement. De plus, les batteries nécessitent une gestion environnementale importante, comme les systèmes de refroidissement et les changements de température, pour fonctionner correctement. Pour cette raison, la puissance de sortie des batteries réelles n’a pas la répétabilité nécessaire pour effectuer des tests approfondis sur d’autres composants. Pour répondre à ces conditions de réalisme et de répétabilité, les émulateurs de batterie modélisent des batteries réelles comme une source de tension bidirectionnelle avec une résistance en série (voir figure 2). Ainsi, il est possible de simuler n’importe quelle batterie à n’importe quel SOC, ce qui permet d’obtenir des résultats reproductibles et précis.

^{Figure 2 : Modèle équivalent d’une batterie}

​Les émulateurs de batterie doivent être conçus pour générer une sortie qui représente vraiment n’importe quel SOC d’une batterie en suivant ce modèle équivalent. Grâce à ce « mode d’émulation de batterie », l’émulateur ajuste automatiquement la tension aux bornes (V_batt) en mesurant le courant qui y circule et en l’utilisant pour calculer la tension nécessaire (V_ocv) pour maintenir constamment, comme le ferait une batterie, la sortie souhaitée à la borne, quel que soit le flux de courant.

Lors du choix d’un émulateur de batterie, vous devez tenir compte des éléments suivants.

Adaptabilité

​Pour modéliser n’importe quelle batterie et s’adapter aux besoins de test, les valeurs de tension et de résistance et les comportements du modèle de batterie équivalent doivent être programmables. Par exemple, outre le réglage de la tension souhaitée, la possibilité de la faire osciller à des vitesses lentes peut émuler le changement de tension attendu lors de la charge ou de la décharge d’une batterie. La figure 3 illustre l’effet d’une résistance série programmable lorsqu’elle est soumise à de multiples impulsions de décharge. Étant donné que le changement de tension est proportionnel au courant avec un modèle de résistance série programmable, les ingénieurs peuvent tester un périphérique comme s’il était connecté à une nouvelle (faible résistance) ou à une ancienne (résistance plus élevée) batterie. Cette approche permet des tests plus rapides, cohérents et sûrs.

^{Figure 3 : Simulation d’une batterie de VE à l’aide d’un modèle de résistance série}

​Faible capacité

Outre la programmabilité de la résistance, un émulateur de batterie doit avoir une faible capacité de sortie pour émuler avec précision les effets de la résistance lorsque le courant change. Il s’agit d’une différenciation clé par rapport aux alimentations bidirectionnelles qui ont généralement une capacité de sortie élevée pour réduire le bruit.

La figure 4 montre une comparaison entre une batterie réelle et une batterie émulée. Les caractéristiques de la batterie émulée correspondent exactement à celles de la batterie réelle, en partie à cause de la faible capacité de sortie.

^{Figure 4 : Batterie réelle (à gauche) et émulateur de batterie de NHR (à droite)}

​Évolutivité via le logiciel

Outre la faible capacité et la programmabilité de l’émulateur de batterie, les ingénieurs de test de VE s’attendent à ce que les émulateurs de batterie présentent les caractéristiques suivantes :

• ​des terminaux bidirectionnels et isolés qui gèrent en toute sécurité les effets de la force contre-électromotrice
• ​une modularité permettant d’augmenter la puissance et de répondre aux besoins de test au fur et à mesure de leur évolution
• ​des temps de réponse rapides pour émuler des conditions réelles et accélérer les tests

​Le test global des groupes motopropulseurs de véhicules électriques nécessite une connectivité ouverte et un logiciel de test flexible pour gérer plusieurs stations de test, ajouter des voies de mesure et de communication ou s’intégrer à d’autres équipements de test. Faisant partie du portefeuille de NI, les émulateurs de batterie de NHR s’intègrent de manière transparente aux logiciels de test de NI, notamment VeriStand et TestStand , ainsi qu’aux outils de gestion des données/actifs tels que le logiciel SystemLink™. Les ingénieurs de test de véhicules électriques tirent parti de l’enregistrement des données sans perte, de la génération de rapports automatisés, des workflows intégrés et des capacités d’analyse du cycle de vie de NI. Cela permet de réduire le coût total des tests, d’accélérer la mise sur le marché ainsi que d’améliorer les performances des produits.

Choix entre des alimentations bidirectionnelles et des émulateurs de batterie pour la simulation de batterie

Lors du choix entre une alimentation bidirectionnelle et un émulateur de batterie pour la simulation de batterie, des considérations importantes sont à prendre en compte. La sélection d’un équipement non approprié peut retarder les projets, accroître les risques de sécurité et nuire à la productivité. L’utilisation d’une alimentation CC bidirectionnelle pour la simulation de batterie peut présenter de nombreuses limitations de fonctionnalité, car elle est conçue comme une alimentation traditionnelle et non un système de simulation de batterie.

Des émulateurs de batterie plus avancés, tels que le cycleur et l’émulateur de batterie CC moyenne et haute tension de NI, permettent une simulation des caractéristiques réelles de la batterie en modélisant la résistance série (RINT) des blocs batterie. Le modèle RINT fournit une simulation de la résistance chimique interne de la batterie, ainsi que des résistances de bloc batterie supplémentaires créées par les connexions internes, les contacteurs et les composants de sécurité. Le modèle RINT peut être mis en œuvre avec une source bidirectionnelle réelle et une résistance série programmable.

Comme dans une vraie batterie, les émulateurs de batterie NI ajustent la tension de sortie en fonction de la direction et de l’amplitude du débit du courant. Cet ajustement automatique de la tension de sortie améliore la simulation des caractéristiques réelles d’un bloc batterie, en particulier par rapport aux systèmes de bus CC et de simulation source/charge courants.

Les émulateurs de batterie NI offrent les avantages suivants par rapport aux alimentations bidirectionnelles traditionnelles :

• Résistance série : l’un des éléments clés de la simulation de batterie est le fait de disposer d’une résistance série programmable à faible capacité. Les émulateurs de batterie NI sont dotés d’une résistance série programmable intégrée au matériel plutôt que d’outils logiciels uniquement, afin de garantir des tests précis des conditions réelles. Comme dans une vraie batterie, les émulateurs de batterie NI ajustent la tension de sortie en fonction de la direction et de l’amplitude du débit du courant.
• Faible capacité de sortie : les émulateurs de batterie à faible capacité de sortie fournissent une simulation précise des effets de résistance série, permettant à la tension de sortie de s’ajuster de manière proportionnelle aux variations de courant. En comparaison, de nombreuses alimentations régénératrices présentent une capacité de sortie élevée afin de réduire le bruit en sortie, mais cela annule la fonctionnalité de résistance série et peut conduire à une simulation de batterie inexacte en plus de taux de réponse plus lents. Les émulateurs de batterie NI sont conçus avec une faible capacité de sortie pour prendre en charge des changements rapides de valeurs afin d’émuler avec précision les conditions réelles.
• Sécurité : les alimentations nécessitent généralement des compléments logiciels pour les contacteurs de sécurité et ne disposent pas de fonctionnalités de sécurité supplémentaires comme les verrouillages, les arrêts d’urgence, etc. L’ajout de ces composants prend du temps et complique considérablement la configuration de test, impliquant des retards et des coûts de main-d’œuvre supplémentaires. Les émulateurs de batterie NI disposent de toutes ces fonctionnalités ainsi que de plusieurs couches de sécurité intégrées.
• Exactitude définie : en général, les alimentations spécifient uniquement la régulation charge/ligne (dans quelle mesure une sortie peut varier dans différentes conditions de ligne/charge) mais ne tiennent pas compte de l’exactitude définie ou de la sortie demandée. NI documente clairement l’exactitude du contrôle empirique pour toutes les conditions, y compris la charge/ligne et l’erreur par rapport à la valeur demandée.
• Exactitude des mesures : les alimentations sont des produits à usage général et les mesures spécifiques aux batteries, comme l’Ahr ou le kWhr, sont souvent effectuées par le logiciel de l’utilisateur à des fins de suivi et de détermination. Les émulateurs de batterie NI relèvent des mesures précises de test de batterie directement dans le matériel, ce qui simplifie la programmation et la rend plus efficace.
• Configuration des méthodes et du contrôle : les alimentations impliquent un développement important de programmes logiciels avant de pouvoir commencer les tests. Les émulateurs de batterie NI disposent de modes de fonctionnement conçus pour prendre en charge l’émulation de batterie. Nos solutions logicielles fournissent des solutions de contrôle prêtes à l’emploi qui réduisent le temps et les efforts liés à l’intégration. 

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