精测仪器：基于直流电源分析仪，以软件仿真，优化电池供电续航能力

“如今，电机产品越来越多，比如无人机、电动汽车、机器人等，都会用到相应的电机。我们在使用的时候可能不会发现有什么问题，但是我们在后端对其使用特性做一些相关的测试，就会发现很多问题。同时，如果电机采用电池供电，那么怎么改善续航能力就成为我们需要重点解决的问题。”在6月17日由Aspencore主办的2022电机驱动与控制论坛上，精测仪器公司高级应用工程师陈珍柱以“BLDC的测试和电池供电续航的优化”为主题，分享了基于是德科技直流电源分析仪，以及利用软件仿真支持供电测试与电池供电优化的相关的测试测量方案。

精测仪器公司高级应用工程师陈珍柱

陈珍柱表示，“从惠普公司到经重组成为安捷伦科技，再到分拆上市并取名是德科技，是德科技与惠普和安捷伦一脉相承，拥有世界一流的测量平台、软件和一致性测量技术，拥有业界最顶尖最全的测试测量方案。而精测仪器是是德科技在华南、华东地区的代理商，将重点推介直流电源分析仪以及相应的测量测试方案。”

很多电机需要用电池供电，其中大部分电池供电是直流供电，但是也有少部分使用交流供电。不管是直流还是交流，都需要对它的续航或者供电测试做相应的优化。而是德科技可以提供从直流电源分析仪到APS、从微瓦到百千瓦的准确评估功耗的手段和解决方案。陈珍柱表示，“N6705C直流电机分析仪，可以分析小功率直流电机供电的情况，比如智能手机、智能手表； N7900直流电机分析仪则可进行相对更大功率的直流电机供电的测量测试，比如小型无人机、无人送货车；而RP7900直流电机分析仪则可满足大功率直流电机供电的测量测试，比如新能源汽车、大型无人机等。”

陈珍柱特别介绍了N6705C直流电机分析仪。该分析仪主要特性主要体现在：一是1-4路的电源和负载，最多可以接到4路电源负载，还可以根据测试要求选择相应的模块；二是内置大功率任意波形发生器，可以模拟电机在各种比较复杂的供电情况；三是内置电压、电流示波器；四是配置长时间数据记录的功能，可以便于做长时间电机工作状态功耗分析，包括从待机功耗一直到正常工作大功率工作状况；五是内置电池内阻仿真、电量计；六是配备功能强大的分析软件和拖拽式测试序列软件。

“这些相关测试功能，比如任意波形的功能、长时间数据记录功能、示波器功能、电池仿真功能，都可以通过BV9200这个测试软件完成。” 陈珍柱表示，BV9200还有Test Flow功能，当我们需要自己搭建类似自动化测试系统的时候，这款软件可以对Test Flow设备进行自动化软件配置。这个功能最大的优势在于不需要设计一些复杂的代码，只需要对测试过程比较熟悉，就可以通过这个软件完成自动化系统的搭建。因为这个操作是通过拖拽式的操作，即我们需要什么测量功能，就可以把这个功能拖到测试框，按照测试顺序一步一步操作，把很繁杂、很冗长的指令代码调试环节等全部省略掉，只要对测试过程比较熟悉，就可以通过这款软件达成自动化控制测试。”

对于更高端的BV9200B软件，陈珍柱作了重点介绍。这款先进电源控制软件可以同时控制4台N6705 /N7900 /RP7900直流电机分析仪，具有scope (短时间波形分析)、 data logger (长时间波形分析)、 ARB (64KSa波形编辑) 和 CCDF (统计分析)4种操作模式。其中，示波器模式支持200KSa/s、18比特的精确捕获电压和电流瞬态变化；Data Logger记录仪模式，支持200kSa/s 采样，最高28bit分辨率，长达1000小时连续数据直接保存到PC。同时，BV9200B软件可实现64K复杂波形编辑，支持API函数调用，用户可进行软件二次开发，相关控制指令等都是免费开放。

陈珍柱也介绍了电机惯性下/刹车情况下的特征。他表示，“当电机刹车和惯性的情况下，电机会突然停止，相当于电机在这一瞬间可能会转换成一个电能。如果电源不具备吸收功能，反过来的电流会导致前端设备有损坏。”

对此，陈珍柱也介绍了直流电机上电测试中的三大难题：一是基于双向电流驱动和回灌特性，APS 双向电源需要无间隙的负载和源的转换，适应复杂的供电和负载特性，比如快速的电压和电流变化摆率、瞬态响应速度，以及抑制无缝正负电流转换对反向高压电动势与切换双向电源工作模式；二是模拟复杂的供电环境，高压、高频电压和电流注入，最符合实际工作场景的输入和输出；三是复杂的功耗测试和分析，等效于高端功率分析仪的测量精度，APS示波器精确电压/电流/功率测量，高动态变化的工作电流，比如无人机的功耗测试，以及电池续航能力的评估。

对于锂电池的特性，陈珍柱也作了相关介绍。“以1000mAHr电池为例，其实我们在使用的时候，只能使用中间一部分容量，也是正常使用区域，但里面也包含高压警戒区、低压警戒区。即高压警戒区就是如果电池充电充到这个位置，为了电池的安全，电池内部的保护电路会启动保护，没法继续往电池里充电。同样的放电，工作的时候电池放电低到一定程度，也不能再继续放电工作。电池容量是很多，但是真正容量用到的可能不是它的全部容量。”

他特别提到锂电池循环寿命和容量衰减的问题，“电池里充放电次数越多，会发现电池里的容量就会越来越小。现在的锂电池可以循环充电，但循环充电次数越多，电池本身能达到的容量越低，而电池本身寿命也受到影响。”同时，他也指出电池容量与温度/倍率关系，即放电容量跟倍率的关系，放电倍率值越大，相当于它的放电就会越快。

陈珍柱也简单介绍了锂电池里的重要参数：内阻、端电压、开路电压。“电池本身的容量，跟温度、内阻有很大关系。在不同的温度下，电池容量也会有影响的。这可以解释为什么有些手机或者其他的产品在北方比较寒冷的地方，续航都不太一样。这就是温度和电池方面的影响关系。”“电池端电压跟容量的关系主要体现在电池容量越高，端电压越高，相当于充满电了，放电容量越来越低，端电压就会越来越低。”

那么，基于锂电池的这些基本特性，我们对于需要使用电池的电机，应该怎么评估或者选择合适的电池呢？或者怎么根据电池的工作状态调整产品电机的相关工作状态呢？这就需要对锂电池的工作状态进行模拟。陈珍柱表示，直接拿锂电池模拟会遇到一系列的问题，比如电池的状态是没法调；电池电量的大小，没法界定；电池的内阻是多少，电池用了多少，循环了多少次，以及环境温度的变化对电池的影响，都没法评估。在一些极端情况下，如果直接用电池模拟可能会存在一些安全隐患，电池会发生爆炸，也不利于模拟工作的开展。因此，采用电池模拟器，不仅减少研发电池管理原型机的不确定性，而且可以缩短开发时间。

陈珍柱表示，电池模拟器适用于任意的规格的电池模型（电压，电量不限）、内置电池内阻仿真（符合电池端电压，开路电压、电量变化规律）、任意设置电池模拟的起始点（研发调试灵活）、模拟电池端电压与电量变化（随充、放电过程改变电压）、强大的保护，无任何电池安全隐患和风险。

他也指出，电池模拟器需要满足静态模拟和动态模拟。在静态模拟下，电池模拟器要具备输出和吸收电流能力，充、放电功能可自由切换，具有电量计统计功能，模拟电池在静态工作点上的工作状况，体现电池内阻对电池端电压影响，具有良好的瞬态响应，同时满足丰富的电池种类的模拟要求。而在动态模拟下，电池模拟器可以模拟充放电整个过程中电池端电压的变化，需要快速的电池端电压更新速率，进行充放电曲线加速测试，模拟蓄电池受环境因素影响，可以根据压力，温度等传感器数据修正电池容量，建立闭环仿真。

陈珍柱特别介绍，BV9210B 电池测试和电池模拟器软件适用于APS电源系列，其中BV9210B 可以同时控制4台仪表，可进行电池模型提取、电池充/放电测试、电池循环充/放电测试，且提供API接口，允许进行软件的二次开发，支持多种仪表，覆盖20W - 400KW 应用领域，比如N6705C/N6700C主机 及 N6781-86A SMU模块、N7900A 1KW/2KW APS先进电源系统、RP7900 5KW-20KW R-APS 回馈先进电源系统。