Một thiết bị IoT chạy được 14 tháng hay 8 tháng là khác biệt giữa sản phẩm bán được và sản phẩm bị trả về. Nhưng khi đo tuổi thọ pin trong phòng thử, hầu hết các nhóm kỹ thuật vẫn cắm một viên pin thật vào bo mạch rồi chờ. Cách đó có ba vấn đề: viên pin không bao giờ ở đúng trạng thái nạp cũ khi bạn muốn đo lại, mỗi phép thử tiêu tốn hàng chục giờ, và bản thân viên pin già đi trong lúc bạn đang đo. Kết quả là số liệu không lặp lại được — thứ tệ nhất có thể xảy ra với một phép đo.
Giả lập pin IoT giải quyết đúng ba vấn đề đó bằng cách thay viên pin bằng một nguồn hai góc phần tư — thiết bị mà tài liệu tiếng Anh gọi là battery emulator — được lập trình để cư xử như viên pin: cùng điện áp hở mạch, cùng trở kháng trong, cùng cách sụt áp khi thiết bị rút dòng đỉnh. Bài này nói về phía nguồn — cách dựng mô hình pin và phát lại nó. Phía còn lại của bài toán, tức là đo cho chính xác dòng mà thiết bị tiêu thụ, đã được bàn riêng trong bài đo dòng IoT cho thiết bị dùng pin.
Vì sao pin thật là biến số tồi trong phòng thử
Một viên pin lithium không phải nguồn áp lý tưởng. Điện áp đầu cực của nó là hàm của trạng thái nạp, dòng tức thời, nhiệt độ và cả lịch sử sử dụng trước đó. Khi bạn thay đổi firmware rồi đo lại tuổi thọ, bạn không so sánh hai phiên bản firmware — bạn so sánh hai phiên bản firmware trên hai trạng thái pin khác nhau. Sai số do pin trôi có thể lớn hơn chính hiệu ứng bạn định đo.
Thêm vào đó, phần lớn lỗi tuổi thọ pin nằm ở vùng cuối dải xả, khi điện áp đã tụt gần ngưỡng cắt và trở kháng trong đã tăng. Muốn đến vùng đó bằng pin thật, bạn phải xả hết viên pin — mỗi lần vài giờ đến vài ngày. Với nguồn giả lập, bạn nhảy tới trạng thái nạp 5% trong vài giây và lặp lại bao nhiêu lần tùy ý. Keysight mô tả đúng lợi ích này trên trang sản phẩm: emulate bất kỳ trạng thái nạp nào để “giảm thời gian thử, tăng an toàn và tăng tính lặp lại”.
Mô hình pin: đường OCV–SOC và trở kháng trong
Mô hình pin tối thiểu dùng được trong đo kiểm gồm hai thành phần. Thứ nhất là đường điện áp hở mạch theo trạng thái nạp (OCV–SOC): với mỗi mức phần trăm dung lượng còn lại, viên pin ở trạng thái nghỉ có một điện áp xác định. Đường này phi tuyến và phụ thuộc mạnh vào hóa học của pin — LiFePO₄ có đoạn phẳng dài, Li-ion NMC dốc đều hơn.
Thứ hai là trở kháng pin, thường được rút gọn thành một điện trở nối tiếp. Khi thiết bị phát một burst vô tuyến và rút dòng đỉnh, điện áp tại đầu cực sụt bằng tích của dòng đỉnh với trở kháng đó. Nếu mức sụt kéo điện áp xuống dưới ngưỡng brown-out của vi điều khiển, thiết bị khởi động lại — và đây là chế độ hỏng phổ biến nhất mà phép thử bằng nguồn DC lý tưởng không bao giờ tái hiện được. Nguồn phòng lab thông thường có trở kháng ra gần bằng không; nó che mất chính lỗi bạn cần tìm.
Trở kháng trong không phải hằng số: nó tăng khi trạng thái nạp giảm và tăng theo tuổi của viên pin. Một mô hình dùng được phải mô tả trở kháng như một hàm của SOC, chứ không phải một con số duy nhất.
Profiling rồi mới emulation: hai bước không thể đảo
Không thể giả lập một viên pin mà bạn chưa đo. Quy trình của Keysight tách rõ hai bước, và thứ tự là bắt buộc.
Bước một — profiling. Máy nạp và xả viên pin thật theo hồ sơ dòng của chính thiết bị sẽ dùng nó, đồng thời ghi lại điện áp đầu cực. Điểm mấu chốt nằm ở chỗ Keysight gọi là “tạo hồ sơ pin bằng dòng tiêu thụ mô phỏng của thiết bị”: nếu bạn profiling bằng dòng xả không đổi trong khi thiết bị thật rút dòng dạng xung, mô hình thu được sẽ sai ở đúng vùng bạn quan tâm. Kết quả bước này là một mô hình pin riêng cho cặp pin–thiết bị đó.
Bước hai — emulation. Máy chuyển sang chế độ nguồn và phát lại mô hình. Lúc này thiết bị thật được cấp điện bởi một viên pin ảo mà bạn đặt được trạng thái nạp tức thì, giữ nguyên qua nhiều lần chạy, và đọc được dòng tiêu thụ thời gian thực trong khi chạy.
Phần mềm đảm nhiệm hai bước này là PathWave BenchVue Advanced Battery Test and Emulation — mã BV9211B cho một máy và BV9210B cho bốn máy theo tờ thông số 2023; trang sản phẩm hiện hành của Keysight niêm yết dòng phần mềm này dưới mã PW9253A. Phần cứng không tự chạy được quy trình profiling nếu thiếu lớp phần mềm này, nên khi lập dự toán cần tính cả hai.
Kịch bản xả: từ hồ sơ dòng tới chu kỳ hoá già
Có ba loại kịch bản xả cần phân biệt, vì chúng trả lời ba câu hỏi khác nhau.
Xả theo hồ sơ ứng dụng tái hiện đúng chuỗi trạng thái của thiết bị: ngủ sâu vài phút, thức dậy đo cảm biến, phát một gói LoRa hoặc NB-IoT rồi ngủ lại. Đây là phép thử trả lời “thiết bị chạy được bao lâu”, và nó chỉ đúng khi tỉ lệ thời gian giữa các trạng thái khớp với vận hành thật.
Xả theo tốc độ chuẩn hoá phục vụ so sánh và nghiệm thu. IEC 61960 quy định dòng nạp và xả dùng trong phép thử được quy chiếu theo dung lượng danh định C₅ (Ah) và biểu diễn dưới dạng bội số của It A, trong đó It A = C₅ Ah / 1 h. Cách biểu diễn này khiến kết quả của hai phòng thử khác nhau so sánh được với nhau, điều mà dòng xả tính bằng mA không làm được.
Chu kỳ hoá già lặp nạp–xả nhiều lần để đo suy giảm dung lượng. Theo tờ thông số E36731A, phần mềm chạy được một nghìn chu kỳ để xác định ảnh hưởng của hóa già lên độ tin cậy của pin. Cũng trong họ tiêu chuẩn IEC 61960, phép thử lưu giữ đặt viên pin ở 50% SOC trong 90 ngày ở (20 ± 5) °C và yêu cầu dung lượng sau khi nạp lại không nhỏ hơn 85% dung lượng danh định — một chỉ tiêu chỉ kiểm được nếu thiết bị của bạn giữ được trạng thái nạp chính xác trong thời gian dài.
Chọn thiết bị giả lập pin IoT
Câu hỏi quyết định đầu tiên là: bạn cần giả lập pin, đo dòng ở độ phân giải cao, hay tiêu thụ công suất lớn? Ba nhu cầu đó ứng với ba nhóm phần cứng khác nhau.
Nếu trọng tâm là toàn bộ quy trình profiling–emulation–cycling trên một máy để bàn, Keysight E36731A được thiết kế đúng cho việc này. Máy hoạt động hai góc phần tư: ở chức năng nguồn là 200 W, 0–30 V, 0–20 A với autoranging, datalogging, hàm LIST và điều khiển tốc độ đổi áp; ở chức năng tải điện tử là 250 W, 0–60 V, 0–40 A với đủ bốn chế độ CC, CV, CR, CP cùng hàm scope và datalogging. Dải điện trở không đổi trải từ 0,08–30 Ω ở thang thấp, 10 Ω–1,25 kΩ ở thang giữa tới 100 Ω–4 kΩ ở thang cao; dải công suất không đổi từ 0,02–5 W tới 1,5–250 W. Độ chính xác lập trình là 0,025% + 1,5 mV cho điện áp và 0,035% + 1,5 mA cho dòng, tính ở 23 °C ± 5 °C trong 12 tháng. Giao tiếp gồm LAN/LXI và USB, còn GPIB cần mô-đun EL34GPBU.
Nếu bài toán nghiêng về đo — cần thấy dòng ngủ vài trăm nanoampe và dòng phát vài ampe trong cùng một lần chụp, không bị gián đoạn khi chuyển thang — thì mô-đun nguồn-đo hai góc phần tư phù hợp hơn. Keysight N6781A ở mức 6 V / 3 A (20 W) với dải đo dòng liền mạch từ nA tới A là lựa chọn cho thiết bị công suất thấp; khi thiết bị rút dòng đỉnh lớn hơn, Keysight N6785A ở 8 V / 8 A (80 W) mở rộng biên dòng mà vẫn giữ khả năng nguồn-đo.
Nếu việc cần làm chỉ là hấp thụ công suất từ pin hoặc bộ sạc ở mức lớn — thử pack thay vì cell đơn — thì một tải điện tử chuyên dụng như Keysight EL34143A (350 W, tới 150 V, tới 60 A, đủ CC/CV/CR/CP) là giải pháp đúng giá hơn, đổi lại không có chức năng phát lại mô hình pin.
Năm lỗi thường gặp khi giả lập pin
Một: profiling bằng dòng không đổi rồi emulation cho thiết bị rút dòng xung — mô hình sẽ lạc quan ở vùng SOC thấp, nơi trở kháng trong lớn nhất.
Hai: bỏ qua điện trở dây và đầu nối. Vài chục milliohm trên đường cấp cộng thẳng vào trở kháng nguồn; phải dùng sense bốn dây tới đúng chân cấp nguồn của bo mạch.
Ba: coi trở kháng trong là hằng số. Với thiết bị hoạt động tới ngưỡng cắt, mô hình trở kháng theo SOC là bắt buộc.
Bốn: đặt tốc độ đổi áp nhanh hơn hóa học pin cho phép — không giới hạn slew là tạo ra một viên pin không tồn tại.
Năm: không kiểm soát nhiệt độ khi profiling. Một mô hình dựng ở 30 °C không mô tả đúng thiết bị lắp ngoài trời ở 5 °C.
Ở quy mô pack pin lớn thay vì cell đơn, kịch bản xả cần một chiếc tải công suất cao: xem tải điện tử DC tái sinh Keysight EL4900 — danh sách 200 bước với dwell riêng từng bước, cộng phép tính amp-giờ và watt-giờ tích hợp.
Kết luận
Giả lập pin không phải là mẹo tiết kiệm thời gian — nó là điều kiện để phép đo tuổi thọ pin trở nên lặp lại được. Khi viên pin trở thành một mô hình có thể đặt lại về đúng trạng thái cũ, việc so sánh hai phiên bản firmware mới thực sự đo được hiệu ứng của firmware. Điều kiện còn lại là bản thân thiết bị đo phải đáng tin: mọi con số về độ chính xác lập trình chỉ có ý nghĩa khi máy còn trong chu kỳ hiệu chuẩn hợp lệ.
Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình nguồn giả lập pin phù hợp với dải công suất thiết bị của bạn, hoặc đặt lịch hiệu chuẩn thiết bị đang dùng, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
