DE102010031884A1

DE102010031884A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems

Info

Publication number: DE102010031884A1
Application number: DE102010031884A
Authority: DE
Inventors: Michael Kleinfeld
Original assignee: AUMOSOFT GmbH
Current assignee: AUMOSOFT GmbH
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: DE102010031884B4

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Testung eines Batterie-Management-Systems und eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, bei dem das Batterie-Management-System unter den Grenzzustände einer realen Batterie getestet werden kann und das kostengünstig ist.
Erreicht wird dies dadurch, dass die Spannungsquelle einer Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie simuliert wird.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden für die Entwicklung, die Erprobung und die Testung von Batterie-Management-Systemen insbesondere in der Automobilindustrie eingesetzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Testung eines Batterie-Management-Systems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine dazugehörige Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden für die Entwicklung, die Erprobung und die Testung von Batterie-Management-Systemen insbesondere in der Automobilindustrie eingesetzt.
In der Automobilindustrie gewinnen elektrische Antriebe, insbesondere in Elektro- oder Hybridautos zunehmend an Bedeutung. Diese elektrischen Antriebe bestehen im Wesentlichen aus einer Batterie, einem Umrichter, einem Elektromotor und einer Getriebeeinheit, wobei die Batterie von einem Batterie-Management-System überwacht wird. Vor dem Einbau in Elektro- oder Hybridautos müssen neben dem elektrischen Antrieb auch das Batterie-Management-System erprobt werden, wofür es zwei prinzipielle Vorgehensweisen gibt.
In der ersten Vorgehensweise wird das Batterie-Management-System an einer realen Batterie angeschlossen und erprobt. In der zweiten Vorgehensweise wird die Funktionssoftware des Batterie-Management-Systemes an einem Simulationsmodell der realen Batterie angeschlossen.
Die erste Vorgehensweise ist sehr realitätsnah und liefert deshalb Ergebnisse mit einer sehr guten Übereinstimmung mit der zu realisierenden Anwendung. Dafür ist sie jedoch sehr zeitaufwändig und teuer.
Dagegen ist die zweite Vorgehensweise billiger. Allerdings hängt die Qualität der Ergebnisse sehr von der Qualität der Simulationsmodelle ab. Zudem werden Nebeneffekte, die die spätere Anwendung entscheidend stören könnten, in vielen Fällen nicht entdeckt.
Die Entwicklung von elektrischen Antrieben steht unter dem Druck immer komplexerer Zusammenhänge bei gleichzeitig immer kürzeren Entwicklungszeiten. Gleichsam wachsen die Anforderungen an den Umfang der Erprobungen.
Dazu werden in der Praxis automatisierte Test- und Prüfstände für die Testfallgenerierung, die Prüfstandkonfiguration, die Testdurchführung und für die Testauswertung eingesetzt. Weitere Anforderungen bestehen in der Wiederverwendbarkeit und der Austauschbarkeit von Testfällen. Ebenfalls wird eine weitestgehende Unabhängigkeit der Testfälle für unterschiedliche Anwendungsvarianten gefordert. Dadurch findet eine Verlagerung des Anteils der Entwicklungsleistung von den Steuergeräten hin zu deren Testsystemen statt. Die Wirtschaftlichkeit erfordert „Testhäuser” mit einer 24 h bis 7 d Auslastung. Diese Anforderungen führten dazu, dass eine standardisierte Schnittstelle in der Automobilindustrie für Testsysteme beschlossen worden ist.
Dazu zählt der HIL (engl.: Hardware-in-the-loop) Standard, der einen Mittelweg zu den eingangs genannten Vorgehensweisen ist. Das ist ein wichtiges Verfahren, das weiter an Bedeutung gewinnen wird, weil damit ein Industriestandart für den Einsatz von HIL-Testsystemen in der Automobilindustrie existiert. Bei HIL-Testsystemen wird mindestens eine reale Komponente an einem Simulator angeschlossen.
Bezogen auf die erste Vorgehensweise sind die realen Komponenten das Batterie-Management-System und die Batterie. Ein Simulator dient der Simulation des kompletten elektrischen Antriebs einschließlich dem Elektromotor und der Getriebeeinheit. Die Schnittstelle zwischen den realen Komponenten und dem Simulator ist hierbei einerseits zwischen dem Batterie-Management-System und dem Simulator und andererseits zwischen der Batterie und dem Simulator.
Von Nachteil an dieser Lösung ist aber, dass die Verwendung einer Batterie zu teuer ist. Außerdem können mit der realen Batterie keine Grenzfälle, wie z. B. der Defekt mehrere Batteriezellen nicht getestet werden, ohne die Batterie zu beschädigen.
Bezogen auf die zweite Vorgehensweise wird die Funktionssoftware des Batterie-Management-Systems nicht auf dem realen Steuergerät getestet, sondern auf einer für die Simulationsumgebung geeigneten Hardware, wie z. B. einem PC.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Testung eines Batterie-Management-Systems und eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, bei dem das Batterie-Management-System unter den Grenzzuständen einer realen Batterie getestet werden kann und das kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsseitig durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 3 gelöst. Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 sowie 4 bis 10.
Das neue Verfahren zur Testung eines Batterie-Management-Systems, sowie die dazugehörige Vorrichtung beseitigen die genannten Nachteile des Standes der Technik.
Vorteilhaft bei der Anwendung des neuen Verfahrens zur Testung eines Batterie-Management-Systems ist es, dass ein Batterie-Management-System mit einer Spannungsquelle getestet wird, die die Spannungsquelle einer Batterie, insbesondere Hochvoltbatterie simuliert, weil dadurch das Batterie-Management-System in den Grenzfällen der Zustände einer Spannungsquelle, bei denen z. B. eine reale Batterie zerstört werden würde, getestet werden kann.
Von Vorteil ist es dann, wenn zum Simulieren der Spannungsquelle entweder eine elektrische Spannung und ein elektrischer Strom einer realen Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie bereitgestellt wird oder eine elektrische Spannung einer realen Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie bereitgestellt wird und die Messwerte des Stromes einer realen Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie über die Simulation eines Stromsensor bereitgestellt werden.
Vorteilhaft bei der Anwendung der neuen Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems, bestehend aus mindestens einer Spannungsquelle, an welcher ein zu testendes Batterie-Management-Systems anschließbar ist, ist es, dass die Spannungsquelle ein HV-Batteriesimulator ist, weil dadurch nur die Spannung an das Batterie-Management-Systems geliefert wird und der Strom simuliert wird.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Batteriesimulator mehrere Funktionsschnittstellen und elektrische Schnittstellen aufweist, wobei die Funktionsschnittstellen in einer Sollwertschnittstelle zusammengefasst und die elektrischen Schnittstellen an das zu testendes Batterie-Management-Systems angeschlossen sind. Dadurch werden mit dem Batteriesimulator auch alle für eine reale Batterie relevanten Betriebsgrößen wie z. B. die Temperatur der Batterie simuliert.
Das neue Verfahren zur Testung eines Batterie-Management-Systems sowie die dazugehörige Vorrichtung sollen anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen:
1: Schematische Darstellung der Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems in einem Ausführungsbeispiel,
2: Schematische Darstellung der Hardwareschnittstellen der Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems und
3: Schematische Darstellung der Funktionsblöcke der Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems.
Gemäß der 1 bis 2 ist die neue Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems ein Batteriesimulator 1, der einerseits mit einem zu testendes Batterie-Management-System 2 und andererseits mit einer Sollwertschnittstelle 3 für eine automatisierte Testablaufsteuerung elektrisch verbunden ist.
Der Batteriesimulator 1 besitzt ein Gehäuse 4 mit einer Sollwertschnittstelle 3 und elektrischen Schnittstellen 6, wobei die elektrischen Schnittstellen 6 mit dem zu testenden Batterie-Management-System 2 verbunden sind. Dabei umfasst die Sollwertschnittstelle 3 mehrere Funktionsschnittstellen 5. Diese sind ein Temperatursollwerteingang 7 und ein Spannungssollwerteingang 8. Dabei ist die Sollwertschnittstelle 3 als CAN-Schnittstelle ausgeführt. Die elektrischen Schnittstellen 6 sind 112 Spannungsausgänge 9 und mindestens ein Temperatursensorausgang 10, wobei jeder Temperatursensorausgang 10 an einer I²C-Bus-Schnittestelle ausgeführt ist.
In dem Gehäuse 4 sind sieben 4AE16GGAA-Karte 11 integriert, wobei jede 4AE16GGAA-Karte 11 einerseits über einen Datenbus 12 mit dem Spannungssollwerteingang 8 und andererseits mit 16 Spannungsausgängen 9 elektrisch verbunden ist. Dabei ist der Spannungswert jedes Spannungsausganges 9 zwischen 1 und 5 Volt einstellbar, woraus 16 elektrisch in Reihe geschaltete Spannungsausgänge 9 eine Gesamtspannung zwischen 16 und 80 Volt pro 4AE16GGAA-Karte 11 ergeben. Dabei wird der einstellende Signalwert über den Datenbus 12 und den Spannungssollwerteingang 8 von der Sollwertschnittstelle 3 erhalten. Jeder Spannungsausgang 9 simuliert dabei jeweils eine reale Batteriezelle. Mit den sieben 4AE16GGAA-Karten 11 mit je 16 Spannungsausgängen 9 können somit 112 reale Batteriezellen simuliert werden.
Auf jeder 4AE16GGAA-Karte 11 ist mindestens ein elektrischer DA-Wandler 13 integriert, der eingangsseitig mit der Sollwertschnittstelle 3 und ausgangsseitig mit den elektrischen Schnittstellen 6 verbunden ist. Dabei wandelt der DA-Wandler 13 den über die Sollwertschnittstelle 3 kommenden Signalwert um und gibt diesen Signalwert über die elektrischen Schnittstellen 6 an das Batterie-Management-System 2 ab.
In Funktion der neuen Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems wird der Batteriesimulator 1 mit dem Batterie-Management-System 2 gemäß der 1 elektrisch verbunden.
Werden nun über den Temperatursollwerteingang 7 und den Spannungssollwerteingang 8 der Sollwertschnittstelle 3 entsprechende elektrische Signale angelegt, so werden diese elektrischen Signale auf den 4AE16GGAA-Karten 11 verarbeitet. Dadurch werden an den elektrischen Schnittstellen 6 entsprechende elektrische Signale erzeugt, welche das Verhalten einer realen Batterie unter den gegebenen elektrischen Signalen an der Sollwertschnittstelle 3 widerspiegeln.
3 ist eine Blockeinteilung der neuen Vorrichtung aus funktionaler Sicht. Der Batteriesimulator 1 ist in einen HV-Batteriesimulator-Spannung 14, einen Sensorsimulator-Strom 15, einen Spannungsquellen HV-Batteriezellen 16 und einen Sensorsimulator-HV-Batterie 17 unterteilt.
Die von dem Batteriesimulator 1 abgegebenen Spannungen werden mit der Funktion Spannungsquellen HV-Batteriezellen 16 realisiert. Die in einer realen Hochvoltbatterie (HV-Batterie) integrierten Sensoren werden durch die Funktion Sensorsimulator-HV-Batterie 17 bereitgestellt. Diese beiden Funktionen Spannungsquellen HV-Batteriezellen 16 und Sensorsimulator-HV-Batterie 17 werden funktionell in HV-Batteriesimulator-Spannung 14 zusammengefasst.
Die Funktion Sensorsimulator-Strom 15 dient der alternativen Vorgabe eines Stromsensorsignales einer realen HV-Batterie.
Denkbar ist es, die Stromsignale der Spannungsausgänge 9 extern oder intern derart zu verstärken, dass diese den Stromsignalen einer realen Batterie, insbesondere einer realen Hochvoltbatterie entsprechen.
Denkbar ist es auch, den Spannungswert jedes Spannungsausganges 9 anstatt zwischen 1 bis 5 Volt, auch zwischen 0 bis 5 Volt oder zwischen 0 bis 12 Volt oder zwischen 0.5 bis 4.5 Volt einstellbar zu gestalten. Dabei ist es insbesondere denkbar die galvanisch entkoppelten Spannungsausgänge 9 elektrisch in Reihe miteinander zu verbinden und die resultierenden Teilspannungen und/oder die Gesamtspannung abzugreifen.
Denkbar ist es, mindestens einen Stromsensorsollwerteingang als weitere Funktionsschnittstellen 5 sowie mindestens einen Stromsensorausgang als weitere elektrische Schnittstelle 6 am Gehäuse 4 anzuordnen, wobei jeder Stromsensorsollwerteingang wiederum als CAN-Schnittstelle und jeder Stromsensorausgang aber als eine SPI-Schnittestelle ausgeführt ist. In dem Gehäuse 4 ist dann jeder Stromsensorausgang über den Datenbus 12 mit jeweils einem Stromsensorsollwerteingang elektrisch verbunden, so dass der Signalwert der Sollwertschnittstelle 3 über den Stromsensorsollwerteingang, den Datenbus 12 und den Stromsensorausgang an das Batterie-Management-System 2 übertragen werden kann.
Auch ist es denkbar, die Stromsensorausgänge als Analogausgänge auszuführen und auch noch weitere Analogausgänge für Temperatursensoren, Wetness-Sensoren, Hummidity-Sensoren und/oder Cooling Fluid-Sensoren anzuordnen.
Denkbar ist es auch, über zusätzliche digitale und/oder analoge Ein-/Ausgänge dem Batterie-Management-System 2 Statussignale bereitzustellen oder von diesem einzulesen, wie „Chip Select” oder „Quer Current Detection”.
Denkbar ist es auch, mindestens eine 4AE16GGAA-Karten 11 durch eine 4AE16AA-Karte zu ersetzen.
Auch ist es denkbar, die simulierten Batteriezellspannungen nicht veränderbar zu gestalten und/oder die Spannungsausgänge 9 nicht elektrisch in Reihe miteinander zu verbinden, so dass jeder Spannungsausgang 9 jeweils eine reale Batteriezelle simuliert und damit 112 Spannungsausgänge 9 mit z. B. jeweils 1 bis 5 V zur Verfügung stehen.
Ebenso ist es denkbar, den Batteriesimulator 1 für die Simulation von Sensorcluster für z. B. Strom, Spannung und Eigentemperatur mit einem SPI-Bus auszustatten und/oder Temperatursensoren, Hummidity-Sensoren, Cooling Fluid-Sensoren, Wetness-Sensoren zu simulieren, sowie digitale Ein-/und Ausgänge für Statussignale von den und/oder für die simulierten Sensoren bereitzustellen.
Denkbar ist es auch, die Funktionsschnittstellen 5 nicht zu nutzen und die entsprechenden Signalwerte durch statische Werte oder Parameter zu programmieren. Z. B. können diese statischen Werte oder Parameter in ein EEPROM eingebrannt werden, so dass ein Testablauf immer mit denselben Ausgangswerten bzw. derselben Folge von Ausgangswerten abläuft.
Auch ist es denkbar, dass die Sollwertschnittstelle 3 und/oder zusammen mit dem Batteriesimulator 1 als ein HIL-Simulator verwendet wird. Ebenso kann die Ausführung der Sollwertschnittstelle 3 als CAN-Schnittstelle durch jede andere geeignete Schnittstelle, insbesondere Ethernet, USB oder WLAN ersetzt werden.
Außerdem können die elektrischen Schnittstellen 6, die zur Simulation der Sensoren als SPI-, I²C- und Analogschnittstellen ausgeführt sind durch jede andere geeignete Schnittstelle, die die simulierten Sensoren verwenden, ersetzt werden.
In einer ersten Anwendung der Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems werden als
SIMUBAT-1 eingesetzt:

– 7 × Einschubkarten 4AE16GGAA je 16 galvanisch getrennte Analogausgänge, je 4 nicht galvanisch getrennte Analogeingänge, externe Versorgungsspannungen von –5 V, GND, +5 V, –12 V GND +12 V, je 4 Dipschalter für OnBoard-Einstellungen,
– insgesamt 112 × galvanisch getrennte Analogausgänge von 1.. 5 V für die Simulation bis 112 Batteriezellen HV-Batterie,
– insgesamt 14 × I²C-Bus für die Simulation bis 112 Temperatursensoren,
– insgesamt 28 × nicht galvanisch getrennte Analogeingänge für Spannungsmessungen von 0 .. 15 V und
– insgesamt 7 × CAN-Bus für Vorgabe Analogspannungen HV-Batterie Zellen, Vorgabe Temperaturesswerte, Ausgabe Analogeingänge in Auflösung von 10 Bit, Can-Schnittstellen Abschlusswiderstand 1 kΩ.

In einer zweiten Anwendung der Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems werden als
SIMUBAT-2 eingesetzt:

– 3 × Einschubkarten 4AE16AA je 16 nicht galvanisch getrennte Analogausgänge, je 4 nicht galvanisch getrennte Analogeingänge, 22 Digitaleingänge/-ausgänge bestückbar als 0/5 V, 0.5/4.5 V oder 0/12 V zu 50 mA, externe Versorgungsspannungen von –5 V, GND, +5 V, –12 V GND +12 V, je 4 Dipschalter für OnBoard-Einstellungen,
– 6 × SPI-Bus für die Simulation Stromsensoren mit 3 Chip-Select Eingängen für je einen SPI-Bus-Slave und
– insgesamt 3 × CAN-Bus für Vorgabe Temperaturmesswerte, Vorgabe Strommesswerte, Vorgabe Feuchtigkeit, Ausgabe der Analogeingänge in Auflösung von 10 Bit, Can-Schnittstellen Abschlusswiderstand 1 kΩ,

Dabei werden die zu simulierenden Sensorausgangswerte über CAN2 vorgegeben und an den entsprechenden sensorkonformen Schnittstellen an das Batterie-Management-System 2 ausgegeben.
Bezugszeichenliste

1: Batteriesimulator
2: Batterie-Management-System
3: Sollwertschnittstelle
4: Gehäuse
5: Funktionsschnittstellen
6: elektrische Schnittstelle
7: Temperatursollwerteingang
8: Spannungssollwerteingang
9: Spannungsausgang
10: Temperatursensorausgang
11: 4AE16GGAA-Karte
12: Datenbus
13: elektrischer DA-Wandler
14: HV-Batteriesimulator-Spannung
15: Sensorsimulator-Strom
16: Spannungsquellen HV-Batteriezellen
17: Sensorsimulator-HV-Batterie

Claims

Verfahren zur Testung eines Batterie-Management-Systems, bei dem ein Batterie-Management-System (2) mit einer Spannungsquelle getestet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle einer Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie simuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle simuliert wird indem: – eine elektrische Spannung und ein elektrischer Strom einer realen Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie bereitgestellt wird oder – eine elektrische Spannung einer realen Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie bereitgestellt wird und die Messwerte des Stromes einer realen Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie über die Simulation mindestens eines Stromsensors bereitgestellt werden.
Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems, bestehend aus mindestens einer Spannungsquelle, an welcher ein zu testendes Batterie-Management-System (2) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle ein Batteriesimulator (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriesimulator (1) mehrere Funktionsschnittstellen (5) und elektrische Schnittstellen (6) aufweist, wobei die Funktionsschnittstellen (5) in einer Sollwertschnittstelle (3) zusammengefasst und die elektrischen Schnittstellen (6) an das zu testende Batterie-Management-System (2) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriesimulator (1) mindestens einen Spannungsausgang (9), mindestens einen Temperatursensorausgang (10) und/oder mindestens einen Stromsensorausgang aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriesimulator (1) mindestens einen Temperatursollwerteingang (7), mindestens einen Spannungssollwerteingang (8) und mindestens Stromsensorsollwerteingang aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass: – jeder Temperatursensorausgang (10) eine I²C-Bus-Schnittestelle und jeder Stromsensorausgang eine SPI-Bus-Schnittstelle ist und/oder – jeder Temperatursollwerteingang (7), jeder Spannungssollwerteingang (8) und Stromsensorsollwerteingang jeweils eine CAN-Bus-Schnittstelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spannungsausgang (9) jeweils eine reale Batteriezelle simuliert, wobei bei mehreren Spannungsausgängen (9) diese Spannungsausgänge (9) galvanisch voneinander entkoppelt und elektrisch in Reihe miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsausgänge (9) durch eine 4AE16GGAA-Karte und/oder durch eine 4AE16AA-Karte realisiert sind.
Vorrichtung nach einem der Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriesimulator (1) mehrere Analogausgänge und mehrere Digitalausgänge aufweist, wobei die Analogausgänge mindestens ein weiterer Stromsensorausgang, Wetness Sensorausgang, Temperatursensorausgang, Hummidity-Sensorausgang und/oder Cooling Fluid Sensorausgang sind.