Tải điện tử Prodigit Series 3310G và các tính năng mới

Serie tải 3310G có thể sử dụng với thân máy 3300G, gồm thân máy đơn 3302G, thân máy đôi 3305G và thân máy 4 kênh 3300G. Ngoài ra, model 3317/3319G là tải điện tử vận hành độc lập.

Để đạt hiệu suất vượt trội như serie 3310F, tải điện tử serie 3310G được trang bị chế độ Turbo. Với chế độ này, thiết bị có thể hỗ trợ mức dòng và công suất cao gấp 2 lần định mức trong ngắn hạn so với tải serie 3310F.

Chế độ Turbo rất hữu ích trong việc thử nghiệm khả năng bảo vệ của các thiết bị công suất như nguồn điện, hệ thống quản lý pin và các thiết bị bảo vệ như cầu chì/thiết bị đóng cắt hoặc cầu chì tự phục hồi PTC. Ngoài ra, tải 3310G có thể thử nghiệm và xác định mức dòng ngắt và thời gian phản hồi trong điều kiện bất thường.
Trong khi thử nghiệm, dòng có thể được đẩy lên gấp đôi, giúp cải thiện việc thử nghiệm hụt dòng của tải điện tử. 
Các chức năng thử nghiệm tích hợp trong chế độ Turbo gồm có: thử nghiệm ngắn mạch, bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá công suất, thử nghiệm hệ thống quản lý pin và thử nghiệm thiết bị đóng ngắt.
Bên cạnh chế độ Turbo, thiết bị tải mới cũng hỗ trợ mô phỏng nhiệt điện trở (NTC - điện trở hệ số nhiệt âm), đây là tùy chọn trên serie 3310F/G thân máy 3302F/G. Các chức năng tải này hỗ trợ đa dạng các thử nghiệm xả pin. Đặc biệt hữu ích khi có thêm chế độ CC+CV và CP+CV, chức năng thử nghiệm dung lượng xả và chu kỳ xả của pin. Tất cả các tính năng mới này đều được miêu tả chi tiết bên dưới:

1. Thử nghiệm chức năng bảo vệ quá tải nguồn

Chức năng này áp dụng cho các nguồn AC/DC, DC/DC, bộ biến tần DC/AC, bộ chuyển đổi nguồn và các cục sạc. Những bộ nguồn này không chỉ được thiết kế nhằm cấp điện áp hoặc dòng ổn định, mà chúng còn phải bảo vệ tải trong điều kiện bất thường để đảm bảo an toàn. Các bộ nguồn phải có khả năng ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt hoặc nhiệt cao (dòng điện tiêu thụ lớn), nếu không sẽ dẫn đến tình trạng cháy nổ và các sự cố nguy hiểm khác.

Các trạng thái bất thường gồm có: ngắn mạch, quá dòng, quá công suất. Ở định mức thường, các trạng thái này chiếm từ 125% tới 150%, thậm chí cao hơn trong vài tình huống. Vì vậy, để mô phỏng các trạng thái này, cả dòng lẫn công suất cực đại khi thử nghiệm phải cao gấp đôi so với định mức thường. Có nhiều cách để mô phỏng chúng. Một trong số đó là sử dụng tải to gấp đôi so với cần thiết (nhưng chi phí tốn kém hơn) để thử nghiệm. Giải pháp khả quan hơn là sử dụng serie tải 3310G có khả năng cho công suất và dòng cao gấp 4 lần định mức so với các model thường.

Khi thử nghiệm, chức năng nào của nguồn được thử nghiệm thì chức năng đó phải có sự phản hồi tương ứng, nhưng các trạng thái bất thường lại chỉ diễn ra trong thời gian tương đối ngắn. Nên để thử nghiệm nguồn trong điều kiện như vậy, serie tải 3310G với chế độ Turbo của Prodigit có thể đẩy dòng và công suất của tải lên gấp đôi định mức trong thời gian ngắn (2 giây). Ví dụ, tải 3311G 60V/60A/300W ở chế độ Turbo có thể đẩy dòng tải lên tới 120A hoặc 600W trong 2 giây. Khi sử dụng chế độ Turbo trong môi trường sản xuất hàng loạt để kiểm định chất lượng sản phẩm, serie tải điện tử 3310G thể hiện khả năng kiểm định chất lượng vượt trội so với tải DC truyền thống. Thêm vào đó, tải 3310G còn được tích hợp mạch đo lường cho phép đo giá trị dòng ngắt thực và thời gian phản hồi bảo vệ trong điều kiện ngắn mạch hoặc thử nghiệm quá tải.

Pin lithium đã và đang được sử dụng rộng rãi trong đa dạng các thiết bị điện tử và phương tiện di chuyển. Để có thể bảo vệ pin khỏi bắt lửa, phát nổ hoặc rơi vào trạng thái nguy hiểm, khối pin phải được kết hợp với hệ thống quản lý pin. Hệ thống có chức năng đảm bảo điện áp sạc pin lithium không vượt ngưỡng an toàn (chức năng bảo vệ quá áp hay OVP) trong chu kỳ sạc. Hệ thống đồng thời cũng sẽ thử nghiệm dòng xả để đảm bảo pin không bị ngắn mạch hoặc xả quá định mức. (chức năng bảo vệ quá dòng hay OCP). Cuối cùng, nhiệt độ của khối pin và của cell pin đều được giám sát để thử nghiệm chức năng bảo vệ quá nhiệt hoặc nhiệt quá thấp (OTP/UTP). 

Các tải điện tử serie 3310F đời trước cũng được phát triển với chức năng thử nghiệm BMS 2015, nhưng chúng mới chỉ là chức năng tùy chọn trên thân máy 3302F. Giờ đây, tải điện tử serie 3310G đã được tích hợp thêm chức năng thử nghiệm hệ thống quản lý pin BMS chuẩn. Thêm vào đó, tùy thuộc vào model của tải 3310G mà dòng điện trong chế độ Turbo có thể lớn gấp đôi định mức để phục vụ thử nghiệm chức năng bảo vệ ngắn mạch và quá dòng.

Chức năng thử nghiệm BMS dành cho pin lithium trên serie máy 3310G gồm có: thử nghiệm ngắn mạch, thử nghiệm chức năng bảo vệ quá dòng; giúp thử nghiệm chính xác, nhanh chóng và dễ dàng. Đối với chức năng bảo vệ ngắn mạch BMS, trong bài thử nghiệm bảo vệ quá dòng, dòng có thể lên tới gấp 4 lần định mức nên cần can thiệp tức thì (cỡ vài uS). Với tải 3311G cho dòng tải lên tới 120A, trong quá trình dòng điện được đẩy lên ngưỡng của dòng ngắn mạch định mức trên BMS, tải có thể kiểm định chất lượng của chức năng bảo vệ ngắn mạch trên BMS (hoạt động tốt hay không). 

Ngoài ra, trong chức năng bảo vệ ngắn mạch trên hệ thống quản lý pin, tải điện tử serie 3310G còn có thể đo giá trị dòng và thời gian vận hành thực tế. Đó là giá trị dòng và thời gian vận hành thực tế khi MOSFET trên mạch ở chế độ không dẫn

Đối với chức năng bảo vệ quá dòng trên BMS, giá trị sẽ nằm giữa dòng vận hành thông thường và dòng ở chế độ bảo vệ ngắn mạch. Giá trị này thường sẽ cao hơn so với dòng bảo vệ quá tải 125% và đòi hỏi thời gian phản hồi bảo vệ nhanh (khoảng vài trăm ms) 

Chế độ bảo vệ quá dòng BMS (quá dòng cả khi sạc lẫn xả) trên serie Tải 3310G thử nghiệm khả năng chịu tải của mạch BMS, sau đó xác nhận liệu chế độ bảo vệ có kích hoạt hay không. Nếu không thì tiếp tục tăng dòng tải lên (Istep) rồi tiếp tục thử nghiệm khả năng phản hồi dòng bảo vệ quá tải trên mạch BM. Quá trình thử nghiệm chỉ kết thúc khi chức năng này được kích hoạt. Người dùng có thể quét chức năng này trên BMS bằng cách tăng dần dòng tải để lấy giá trị dòng ngưỡng và thời gian kích hoạt chức năng.

Nguyên lý của mạch bảo vệ pin BMS được mô tả như bên dưới. Mục đích của mạch là bảo vệ pin bằng cách ngắt MOSFET (loop current = 0A).

Trên mạch BMS, MOSFET có 2 chế độ. Ở trạng thái thường, 2 MOSFET đều dẫn. Do cả hai MOSFET đều có điện trở Rds dương nên dòng chạy qua FET sẽ gây ra sụt áp. Hệ thống quản lý BMS sẽ dựa vào tính năng này để phát hiện dòng sạc/xả.

Trạng thái của chế độ MOSFET mô tả ở hình dưới là trong trường hợp xả dòng quá sâu. Khi đó, chân số 3 trên IC điều khiển MOSFET sẽ ON, công tắc xả lúc này sẽ OFF (được kiểm soát bởi chân số 1 trên IC).

Khi phát hiện sự cố ngắn mạch, xả quá sâu hoặc điện áp pin quá thấp, hệ thống quản lý sẽ tự ngắt xả để bảo vệ pin.

Khi phát hiện sự cố sạc quá dòng hoặc điện áp quá cao, hệ thống quản lý pin BMS sẽ tự ngắt sạc để bảo vệ pin.

Trong chế độ thử nghiệm bảo vệ ngắn mạch, tải điện tử sẽ cấp dòng cực đại cho phép (chẳng hạn, model 3311G sẽ có dòng cực đại là 60A, trong chế độ Turbo sẽ lên tới 120A). Đồng thời, tải sẽ tính toán thời gian vận hành thực của hệ thống quản lý BMS (Chú ý: đây là thời gian từ khi hoàn tất cài đặt dòng ngưỡng Ith và thiết bị tải tiến hành thử nghiệm tới khi MOSFET trên hệ thống quản lý pin BMS chuyển sang trạng thái không dẫn (OFF), thời gian này sẽ ngắn hơn thời gian cài đặt dòng ngưỡng Ith).

Đồng thời, tải điện tử sẽ đo giá trị dòng ngắn mạch cực đại thực tế, hình 2.4 mô tả thao tác dùng tải điện tử 3311G thử nghiệm tín hiệu dòng dạng sóng của khối pin di động 4000mah (hình trái) và dùng đồng hồ đo công suất tải điện tử để hiển thị giá trị dòng ngắn mạch cực đại và thời gian phản ứng thực tế (hình phải). 

2.3 Cách thức thử nghiệm chức năng bảo vệ sạc quá dòng OCCP:
Cách thức thử nghiệm được chia ra thành 2 dạng là Single pulse (xung đơn) và Continuous step pulse (xung bước liên tục). Xung đơn thích hợp để thử nghiệm nhanh, ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất cần thử nghiệm hàng loạt. Xung bước liên tục ứng dụng để quét điểm bảo vệ quá dòng thực tế, thích hợp cho nghiên cứu và phát triển đòi hỏi độ chính xác cao. Sơ đồ kết nối nguồn và tải điện tử (mô phỏng pin), cùng với cách thử nghiệm được mô tả như ở hình 2.5.

2.2.1 Trong chế độ thử nhiệm chức năng bảo vệ quá dòng xung đơn, dòng của tải điện tử sẽ được phát theo giá trị đã được cài đặt (VD: ở tải 3311G thì giá trị dòng sẽ trong khoảng 0-60A, trong chế độ Turbo là 120A), khi đó, tải điện tử sẽ đo giá trị bảo vệ quá dòng cực đại và thời gian phản hồi thực tế. Hình 2. mô tả sơ đồ thử nghiệm chức năng bảo vệ sạc quá dòng xung đơn trên BMS. Hình 2.7 là kết quả thử nghiệm thực tế, hình trái mô tả tín hiệu dòng dạng sóng trong chế độ bảo vệ sạc quá dòng trên mạch bảo vệ pin BMS. Hình phải mô tả giá trị sạc quá dòng và thời gian bảo vệ thực tế đo được trên tải 3311G.

2.2.2 Chế độ thử nghiệm chức năng bảo vệ quá dòng xung bước liên tục cũng tương tự với chế độ bảo vệ quá dòng xung đơn. Ở bước cài đặt ban đầu, trong chế độ xung bước liên tục sẽ tăng thời lượng, dòng của mỗi Bước và giá trị dòng ở Bước cuối. Hình 2.8 mô tả sơ đồ thử nghiệm sạc quá dòng xung đơn trên BMS. Hình 2.9 là kết quả thử nghiệm thực tế, hình trái mô tả tín hiệu dòng dao động khi ở chế độ bảo vệ sạc quá dòng trên BMS. Hình phải mô tả giá trị sạc quá dòng và thời gian bảo vệ thực tế thử nghiệm trên tải 3311G.

2.2.3 Trong chế độ xung bước liên tục, giá trị bảo vệ quá dòng và giá trị phản hồi trước điều kiện quá dòng cực đại đo qua tải điện tử đều là kết quả đo của mỗi STEP. VD, nếu cài ISTART là 1.000A, OCT TSTEP là 500ms, OCT ISTEP là 0.1A, OCP ISTOP là 5.000A, thì quá trình đo bắt đầu khi tải điện tử phát dòng 1.000A và thử nghiệm liệu hệ thống BMS có phản hồi ở mức 500ms không. Nếu có, tải sẽ đo giá trị dòng tác động và thời gian tác động. Nếu không có phản ứng gì dưới mức 1.000A, tải điện tử sẽ tăng lên mức 1.100A theo như cài đặt ISTEP, và thử nghiệm liệu hệ thống BMS có phản hồi ở mức 500ms hay không. Nếu có, tải sẽ đo giá trị điện áp vận hành và thời gian tác động ở mức 1.100A. Nếu hệ thống BMS vẫn không phản hồi ở mức này, dòng tải sẽ được tăng tiếp lên 1.200A cho đến khi đạt giá trị dòng cuối cùng là 5.000A.

2.2.4 Chế độ xung bước liên tục: ứng dụng để quét điểm bảo vệ quá dòng thực tế khi đang kiểm tra bảo vệ sạc quá dòng OCCP.

Để thử nghiệm chức năng bảo vệ quá dòng của BMS, tải 3310G sẽ phát dòng (Istart) nhằm đáp ứng mục địch thử nghiệm. Nếu không có phản hồi, thiết bị tải sẽ tăng dòng tải lên (Istep) và thử nghiệm phản hồi OCP của hệ thống BMS. Quá trình thử nghiệm chỉ kết thúc khi chức năng bảo vệ được kích hoạt. Việc thử nghiệm chức năng OCP trên hệ thống BMS có thể xác định mức dòng ngắt và thời gian phản hồi OCP.

3. Thử nghiệm các thiết bị đóng ngắt

Các thiết bị đóng ngắt phổ biến là cầu chì, thiết bị đóng cắt (Breakers) và cầu chì tự phục hồi PTC. Đây là các thiết bị có tác dụng ngắt tải trong trường hợp dòng tải thực vượt quá định mức để tránh quá nhiệt hoặc thậm chí là cháy nổ,… Chính vì vậy, thiết bị đóng ngắt là tuyến bảo vệ cuối cùng để đảm bảo an toàn khi dòng tải trở nên bất ổn. Trong các tình huống như vậy, thiết bị đóng ngắt phải lập tức ngắt mạch. Tùy theo loại thiết bị mà cơ chế bảo vệ lẫn giá thành cũng sẽ khác nhau. VD: cầu chì chỉ dùng được một lần, còn thiết bị đóng cắt và cầu chì tự phục hồi PTC thì có thể tái sử dụng được.

Dòng định mức của các thiết bị đóng ngắt có mối liên hệ với thời gian phản hồi bảo vệ của chúng. Dòng chạy qua thiết bị đóng ngắt càng lớn thì thời gian phản hồi sẽ càng nhanh. Điều đó thể hiện cơ chế hoạt động của thiết bị đóng ngắt có liên hệ với tổng mức năng lượng đi qua thiết bị đó.

Tải điện tử serie 3310G ra đời nhằm thử nghiệm các thiết bị đóng ngắt. Chế độ Turbo của tải điện tử cho phép thử nghiệm thiết bị đóng ngắt với dòng và công suất cao gấp đôi định mức trong khoảng thời gian ngắn, cho phép thử nghiệm và kiểm định chất lượng của thiết bị đóng ngắt với dòng và công suất định mức cao gấp đôi thông số định mức của thiết bị đóng ngắt.

Thiết bị đóng ngắt được thử nghiệm để xem có ngắt mạch (tác động) khi dòng quá lớn không. Để làm được điều này, dòng thử nghiệm phải lớn hơn thông số ngắt (tác động) của thiết bị đóng ngắt. Sau khi cầu chì bị cháy hoặc thiết bị đóng ngắt tác động, tải 3310G sẽ xác định liệu dòng ngắt có thấp hơn giá trị dòng ngưỡng Ith được cài đặt trước đó hay không. Sau đó màn hình sẽ hiển thị chu kỳ lặp và thời gian ngắt theo ms.
Đối với thử nghiệm tác động/không tác động, thiết bị đóng ngắt không được hỏng, nên dòng thử nghiệm phải thấp hơn dòng ngưỡng của thiết bị đóng ngắt. Tải điện tử 3310G sẽ kiểm định để chắc chắn là thiết bị đóng ngắt không hỏng ở mức dòng thường sau khi đã lặp lại chu kỳ thử nhiều lần. Màn hình khi đó hiển thị số chu kỳ đã kiểm tra.

4. Tải điện dung và thử nghiệm độ bền lúc khởi động
Đầu vào của mạch điện tử công suất được gắn nhiều tụ điện có điện dung lớn, nên khi cắm nguồn sẽ sinh ra dòng khởi động tức thời. Serie tải điện tử 3310G được tích hợp chế độ thử nghiệm dòng đột biến với khả năng phát dòng tải tức thời cao gấp 200% định mức (VD: dòng liên tục của 3310 là 60A thì dòng xung cực đại có thể lên tới 120A), thời gian thử nghiệm lên tới 2000ms, có thể dùng để cấp nguồn hoặc cấp cho bộ sạc rồi nối ra mạch để khởi động. Dòng khởi động tức thời của tải mô phỏng được dùng để thử nghiệm liệu tín hiệu điện áp ra của tải điện dung có đáp ứng yêu cầu khi khởi động không, quan sát mô tả như bên dưới.

Khi nguồn hoặc bộ sạc đang được cắm điện, kết nối ra thiết bị điện sẽ tạo ra dòng tải đột biến. Tải điện tử 3311G có chức năng thử nghiệm dòng xung để hiển thị thiết bị điện khi bất chợt cắm nguồn, nhằm thử nghiệm xem điện áp ra của nguồn hoặc bộ sạc có ổn định hay không. Quan sát mô tả như ở bên dưới.

5. Thử nghiệm mô phỏng nhiệt điện trở NTC (tính năng này là tùy chọn)
Dựa theo các quy định an toàn đối với pin lithium và hiệu ứng của nhiệt độ môi trường, nên pin lithium lẫn bộ sạc đều phải có cơ chế bảo vệ nhiệt độ để hạn chế rủi ro trong điều kiện môi trường nhiệt thấp và cao.

Tải điện tử seri 3310G và thân máy 3302G hỗ trợ tùy chọn mô phỏng nhiệt điện trở NTC. Serie tải 3310G có thể cài đặt giá trị nhiệt điện trở NTC từ 1000 tới 500KΩ, tương ứng với nhiệt điện trở NTC 10KΩ thự tế trong dải nhiệt độ từ -46°C đến +179°C. Thay đổi giá trị trở NTC bằng cách ngừng chu kỳ sạc/xả hoặc giảm dòng sạc/xả xuống giúp thử nghiệm liệu hệ thống bảo vệ nhiệt độ của bộ sạc và pin có hoạt động hay không. Khi nhiệt độ trở về mức làm việc bình thường, tải sẽ thử nghiệm liệu cơ chế bảo vệ có hồi phục và quay về trạng thái ban đầu hay không. Chẳng hạn: hồi phục trạng thái sạc và xả thông thường. 

6. Chế độ tải hỗ trợ CC+CV và CP+CV
Tải điện tử 3310G không chỉ có chức năng CC, CR, CV, CP, tải động như trên seri 3310F, mà còn có chế độ mới là CC+CV và CP+CV.

Trong quá trình thử nghiệm xả pin phải đặc biệt chú ý để tránh xả quá sâu khiến, điện áp pin bị sụt quá thấp dẫn tới hỏng pin.
Khi sử dụng chế độ CC+CV hoặc CP+CV của tải 3310G, pin sẽ phản hồi theo chế độ CC hoặc CP cài đặt trên tải để xả. Khi điện áp xả thấp nhất cho phép (MADV - Minimum Allowable Discharge Voltage) của pin được cài là giá trị điện áp CV – đồng thời là điện áp thấp nhất trong thử nghiệm xả - chế độ CC+CV và CP+CV có thể đảm bảo pin không bị hư hại do xả quá sâu (xả quá sâu dẫn tới hỏng pin).

7. Chức năng thử nghiệm pin
Tải serie 3310G đồng thời hỗ trợ 5 chế độ thử nghiệm xả pin hoàn toàn mới, TYPE1 ~ TYPE5. Người dùng có thể chọn chế độ thử nghiệm pin phù hợp và kết quả thử nghiệm như dung lượng pin AH, giá trị điện áp xả, thời gian xả… sẽ được hiển thị trên màn hình.

Ngoài ra còn có chế độ thử nghiệm chu kỳ xung và chu kỳ thay đổi dòng cố định (loại 4 và loại 5 chỉ dùng cho thao tác từ xa). Các chế độ này dùng để mô phỏng pin trong thực tế sử dụng bằng cách sử dụng đa dạng dòng và chu kỳ tải, giúp người kiểm định và mô phỏng hiệu năng, tuổi thọ pin trong quá trình sử dụng thực tế. 


8. Thử nghiệm và mô phỏng dòng xả thực của pin
Máy phát tín hiệu dòng 9923 có thể kết nối với tải điện tử 3310G để mô phỏng tín hiệu dòng xả thực của pin.