CN107921875B - 电池仿真器和用于调节电池仿真器的方法 - Google Patents

电池仿真器和用于调节电池仿真器的方法 Download PDF

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Abstract

为了在电池仿真器中即便在快速的负载变化的情况下也以较小的损失实现足够稳定的输出电压而可规定，借助包含电池仿真器(1)的模型的基于模型的调节来调节电池仿真器(1)，其中，将电导线(4)的导线电感(LL)和支撑电容器(CS)包含到电池仿真器(1)的模型中。

Description

电池仿真器和用于调节电池仿真器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于调节电池仿真器的方法，该电池仿真器包括带有滤波器电容的输出滤波器和分开的支撑电容器，其中电池仿真器的滤波器电容经由电导线与支撑电容器连接，并且为了调节而采用包括电池仿真器的模型在内的基于模型的调节。此外，本发明涉及一种电池仿真器，该电池仿真器包括供电电压装置，该供电电压装置具有带有直流电压中间电路的输入侧整流器、与该整流器连接的直流电压变压器、以及在直流电压变压器的输出处带有滤波器电容的输出滤波器，该电池仿真器还包括支撑电容器，该支撑电容器与供电电压装置在地点方面分开布置，其中滤波器电容经由电导线与支撑电容器连接，并且该电池仿真器还包括用于基于模型来调节该电池仿真器的仿真器调节单元，在该仿真器调节单元中实现电池仿真器的模型，以及本发明涉及将该电池仿真器应用于对电试验件进行试验的应用。
背景技术
在开发混合传动系或者混合车辆时，在各种开发阶段需要将混合传动系或混合车辆或其部件的测试件放在试验台上。但特别是在早期开发阶段中，动力电池(牵引电池)通常还不可用。但在后续开发阶段中也经常期望在没有动力电池的情况下实施测试，因为动力电池需要费力的操纵。例如，为了测试必须对动力电池进行调整，这可包括调温、调节充电状态(即充电状态SoC)或者老化状态(即，健康状态SoH)。除此以外，用真实的物理动力电池几乎无法复制测试。由此，对于这种测试来说经常采用所谓的电池仿真器，这些电池仿真器模拟动力电池。电池仿真器通常是功率电子转换器，该转换器在输出处提供期望的直流电压，该直流电压连接到电负载、例如混合传动系。根据当前的电负载，在逆变器的输出处产生一定的负载电流。但在实际的混合传动系中，负载电流会迅速变化。除此以外，混合传动系的驱动逆变器由该电池仿真器来供电，这会导致对电池仿真器的高频反作用。这些情况会导致电池仿真器工作时的稳定性问题。
由WO 2013/174967 A1已知这样的电池仿真器，在该电池仿真器中采用基于模型的、在此为模型预测的调节，其中将驱动系统的负载模型包含到受控系统的模型中。通过集成该负载模型，可以稳定调节，并且可以实现良好的操纵特性。
由JP 3402117 B2已知一种太阳能逆变器，该太阳能逆变器将来自太阳能模块的直流电转化成交流电。该太阳能逆变器以常见的方式由状态调节器借助增强因数和调节误差的集成来调节。增强因数由逆变器的状态空间模型来确定，其中，也将导线电感包含到该状态空间模型中。由此，JP 3402117 B2不示出基于模型的调节，而是状态空间模型仅仅以常规的方式用于调节器设计。
同样已知的是，用大的(在需要时也可接通的)支撑电容器来支持电池仿真器的输出。为了衰减电池仿真器和所连接的负载之间的导线的寄生导线电感与支撑电容器之间产生的谐振，经常还在与负载的导线串联地或者与支撑电容器并联地采用衰减电阻。由于取决于应用的所需功率通常为几百千瓦，因而电池仿真器对应为较大，并且大多不会直接设置在负载旁边，而是间隔开几米。在此，在实验台上10到50米的间距完全是常见的。由此产生的寄生的导线电感与电池仿真器的支撑电容器和电负载(驱动逆变器)的输入电容器一起构成谐振电路，该谐振电路可以既由电池仿真器的调节、又由负载来激励。由此，电池仿真器的电压调节会变得不稳定，并且可能需要中断试验台上的试验过程。在最糟糕的情况下，由此甚至会损坏作为试验件在试验台上进行测试的电负载。这可以通过采用更大的支撑电容器来改善。支撑电容器越大，输出电压变得越稳定，但是由于所需的较大再充电电流同时还有输出电压的最大可能的变化率，因而输出电压也变得越小。但对于在快速负载变化时如实地模拟电池阻抗来说又需要快速的电压变化。因此，较大的支撑电容器是不利的。如在JP 3402117 B2中所描述的，在逆变器中可以当然不使用输出侧的支撑电容器CS。
此外，无源的衰减电阻会导致显著的损耗，并且还限制了在较小电压和较大电流时的反馈能力。因此，衰减电阻也是不期望的。
发明内容
因此，本发明的任务在于避免前述问题，并且即便在快速的负载变化时也能以较小的损失来实现特别是具有足够稳定的输出电压的电池仿真器。
通过将电导线的导线电感和支撑电容器包含到电池仿真器的模型中来解决该任务。这种在地点方面分开的支撑电容器可支持电池仿真器直接在试验件处的输出电压。为了改善电池仿真器的调节品质，现在将导线电感和支撑电容器包含到电池仿真器的模型中，由此在调节的足够稳定性的情况下可以实现大的调节带宽和快速的负载变化。同时，由此附加的衰减电阻是多余的，因为调节本身就能够足够快地衰减谐振。
当附加地将由电池仿真器供电的电试验件的负载模型包含到电池仿真器的模型中时，还可以进一步改善调节品质。由此，还可以更好地考虑所调节的系统的总体动态性。
在此，出于简化目的有利的是，将试验件的输入电容或者恒定功率负载用作负载模型，其中，该恒定功率负载在电池仿真器的工作点附近被线性化。
附图说明
在下文中将参照图1至3更详细地阐述本发明，这些附图示例地、示意地并且非限制地示出本发明有利的各种设计。在此示出：
图1示出根据现有技术的电池仿真器，
图2示出根据本发明的带有电试验件的电池仿真器，以及
图3示出电池仿真器的模型结构的框图。
具体实施方式
根据本发明的电池仿真器1由输入侧的整流器2构成，该整流器2经由具有中间电路电压V0和中间电路电容C0的直流电压中间电路9与直流电压变压器3相连接。电池仿真器1由交流电网AC来供电。在直流电压变压器3的输出侧处布置有输出滤波器6，该输出滤波器6由与输出导线串联的滤波器电感LF和并联的滤波器电容CF构成。直流电压变压器3能以已知的方式也实施成多相的，其中在此情况下对于每个相设有滤波器电感LF。直流电压变压器3例如实施成同步转换器，该同步转换器具有带有半导体开关的一定数目的半桥(每个相一个半桥)。这种电池仿真器1例如由WO 2013/174967 A1的图2已知。
在输出侧，与施加了输出电压UA的输出端子并联地且与滤波器电容CF并联地还设有支撑电容器CS。
在电池仿真器1中还设有仿真器控制单元5，该仿真器控制单元5控制直流电压变压器3或直流电压变压器3的开关，以产生期望的输出电压UA理论，该输出电压UA理论由上一级的控制单元所要求。通常，实现脉宽调制PWM，以控制直流电压变压器3的半导体开关，如长久以来已知的并且如图1中所示的那样。脉宽调制PWM也可以直接实现在仿真器控制单元5中。仿真器控制单元5从调节的理论值(在此为输出电压UA理论)产生用于直流电压变压器3或脉宽调制(PWM)的调节量s。
作为根据本发明的第一措施，电池仿真器1的支撑电容器CS从硬件上并且在地点方面与电池仿真器1的其余组件分开布置。支撑电容器CS例如布置在单独的接线盒7中，如图2中所示。结果是分布式电池仿真器1，该分布式电池仿真器1带有电压供电装置8和包括支撑电容器CS在内的在地点方面分开的接线盒7。然后，包括支撑电容器CS的接线盒7经由导线4与输出滤波器6连接。在电压供电装置8中布置有整流器2、直流电压中间电路、直流电压变压器3和输出滤波器6。这使得不论电池仿真器1的结构尺寸如何，支撑电容器CS仍能与电压供电装置8在地点方面分开地布置在电负载附近。在此，导线4可以变得非常长，如图2中由虚线所示，并且还可以达到10到50米的长度。由此，尽管可实现电池仿真器1的施加在支撑电容器CS处的输出电压UA的稳定性，但分布式电池仿真器1的动态性调节起来更复杂和更困难，因为所产生的导线电感LL与滤波器电容CF以及支撑电容器CS一起构成附加的谐振电路。除了在滤波器电感LF和滤波器电容CF之间的谐振之外，该谐振电路会导致进一步谐振。电池仿真器1的调节器不应激励谐振或者必须在由试验件10激励时适当地衰减谐振。
为了能够调节这种分布式电池仿真器1以实现高动态性(输出电压UA的高变化率)，设有基于电池仿真器1的模型的基于模型的调节。为此，在基于模型的调节中、例如在模型预测的调节中，在仿真器控制单元5中将电池仿真器1的模型用于调节电池仿真器1。“基于模型的调节”在此是指采用模型或模型输出来计算用于下一采样步骤k的电池仿真器1的调节量sk。电池仿真器1的模型在此还包括支撑电容器CS和存在于电压供电装置8与支撑电容器CS之间的导线4的导线电感LL，如图2中所示。
在根据本发明的应用中，导线电感LL是占主导的并且是足够的。但应注意到，在电池仿真器1的模型中还可附加地考虑导线4的电容层和/或引线层和/或电阻层。
为了在试验台20上执行试验过程，电池仿真器1或电池仿真器1的接线盒7与电试验件10相连接。试验件10例如由向电动机M供电的驱动逆变器11构成。电动机M驱动任一负载12、例如负载机器或者带有负载机器的传动系。试验件10可以例如是车辆的混合传动系。在试验台20处还设有试验台计算机30，该计算机控制和监测试验过程的执行。试验台计算机30在此给出期望的输出电压UA理论和用于驱动逆变器11的理论值。在试验台20处当然存在测量装置，以获悉用于调节试验过程的执行的所需测量参数、例如混合传动系中的扭矩、转速、电流或电压。为了清楚起见未示出测量装置。
由此如图3中所示得到电池仿真器1的模型的框图，其中在此情况下电试验件10也与负载模型相连接。
从电气角度看，试验件10构成恒定功率负载CPL，如在WO 2013/174967 A1中所描述的那样。恒定功率负载CPL导致非线性状态方程，该非线性状态方程在工作点附近被线性化，同样也如在WO 2013/174967 A1中所描述的那样。在此，由恒定功率负载CPL接纳的电流和恒定功率负载CPL的供电电压UA之间的关系为
Figure GDA0002489549460000051
其中P为试验件10的功率需求。通过引入取决于工作点的微分等效电阻
Figure GDA0002489549460000061
状态方程可以在工作点附近以输出电压UA和负载电流iL的形式被线性化。呈恒定功率负载CPL形式的该负载模型同样可以包含到电池仿真器1的模型中，如在WO 2013/174967 A1中所描述的那样。在一种更简单的构造中，该负载模型可以简单地由试验件10的输入电容构成。该输入电容可以简单地进行测量或者是已知的。该负载模型也可以完全不包含到电池仿真器1的模型中。
借助如图3中所示的模型结构，下面的状态方程可以作为电池仿真器1的模型来生成，在该模型中将试验件10的输入电容CP用作负载模型，但该输入电容CP为了简化起见也可以省去。借助可以在工作时测得的状态向量xc＝[i1 v1 i2 uA]T得到如下状态空间模型:
Figure GDA0002489549460000062
其中
Figure GDA0002489549460000063
表示滤波器电感LF的寄生电阻，而
Figure GDA0002489549460000064
表示导线4的导线电阻，该电阻是已知的或者可以测得。调节量s由s＝d·u0获得，其中d为脉冲调制PWM的占空比。在多相直流电压变压器3的情况下，每一相的各个滤波器电感会综合到滤波器电感LF，并且各相的电流会添加到共同的节流电流il。如果不直接测得该状态向量xc，当然也可通过调节技术的观察者来估计状态向量xc的大小。
借助针对恒定功率负载CPL的所描述的负载模型，可以通过加入微分等效电阻rP来拓展该状态空间模型。
Figure GDA0002489549460000065
该状态方程对于电池仿真器1的特定工作点有效。因此，该模型在工作中必须匹配对应的工作点。在采用该负载模型时的优点在于：为此仅需要两个附加的参数，这些参数是容易确定的。
对于调节，时间连续的状态空间模型以已知的方式转化成时间离散的状态空间模型。采样A在图3中示出并且例如能以16kHz的频率来进行采样。
带有模型参数的电池仿真器1的模型可以预先生成，并且可被视为已知的。但负载模型可以根据所连接的电负载而改变，并且经常不是已知的。在此还可采取通过本身是已知的自动化标识方法来标识负载模型的模型参数。
对此，由电池仿真器1和试验件10构成的试验布置能用一激励频率以输出电压UA的预先给出的时间过程的形式被激励。当试验件10的输入电容CP小于支撑电容器CS的电容时，能用被夹住的试验件10来进行标识。当试验件10的输入电容CP等于或者大于支撑电容器CS的电容时，试验件10决定性地影响动态性，并且为了参数标识而必须被连接。但参数标识可以在没有负载并且在试验件10断开的情况下进行。以测量参数(根据模型结构)形式的试验布置的反应被测量并且被记录下来。随后，电池仿真器1的模型(输出滤波器8+导线4+包括支撑电容器CS的接线盒7+如有可能的试验件10)以同样的激励顺序被激励，并且模型输出被模拟以及同样被记录下来。所测得的测量参数/信号和被模拟的测量参数/信号之间的差异然后用作误差，以在优化中将该误差(例如作为误差平方之和、作为模型参数的函数)减到最小。可以例如在每次试验过程之前实施负载模型的这种标识，或者对于每个试验件10实施一次这种标识。

Claims (7)

1.一种用于调节电池仿真器(1)的方法，所述电池仿真器包括输出滤波器(6)和分开的支撑电容器(CS)，所述输出滤波器包括滤波器电容(CF)，其中所述电池仿真器(1)的所述滤波器电容(CF)经由电导线(4)与所述支撑电容器(CS)连接，并且为了进行调节，采用具有所述电池仿真器(1)的模型的基于模型的调节，其特征在于，将所述电导线(4)的导线电感(LL)和所述支撑电容器(CS)包含到所述电池仿真器(1)的所述模型中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，附加地将由所述电池仿真器(1)供电的电试验件(10)的负载模型包含到所述电池仿真器(1)的所述模型中。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述电试验件(10)的输入电容(CP)用作负载模型。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将恒定功率负载(CPL)用作负载模型，其中所述恒定功率负载(CPL)在所述电池仿真器(1)的工作点附近被线性化。
5.一种电池仿真器，所述电池仿真器包括电压供电装置(8)，所述电压供电装置具有包括直流电压中间电路的输入侧整流器(2)、与所述整流器连接的直流电压变压器(3)和在所述直流电压变压器(3)的输出处包括滤波器电容(CF)的输出滤波器(6)，此外所述电池仿真器还包括支撑电容器(CS)，所述支撑电容器(CS)在地点方面与所述电压供电装置(8)分开布置，其中所述滤波器电容(CF)经由电导线(4)与所述支撑电容器(CS)连接，并且所述电池仿真器还包括用于基于模型来调节所述电池仿真器(1)的仿真器调节单元(5)，所述电池仿真器(1)的模型实现在所述仿真器-调节单元(5)内，其特征在于，所述电导线(4)的导线电感(LL)和所述支撑电容器(CS)被包含到所述电池仿真器(1)的所述模型中。
6.一种将根据权利要求5所述的电池仿真器用于对电试验件(10)进行试验的应用，其中所述电池仿真器(1)与所述电试验件(10)连接并且提供用于所述电试验件(10)的供电电压(UA)。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，附加地将所述电试验件(10)的负载模型包含到所述电池仿真器(1)的所述模型中。
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