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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Simulieren von Fehlerzuständen beim Testen von Batteriesteuergeräten.
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Hochvoltbatterien für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge bestehen häufig aus in Reihe geschalteten Einzelzellen. Die Zellen werden auf Basis von z. B. Nickel-Metallhydrid (Ni-MH), Blei oder Lithium-Ionen (Li-Ionen) gefertigt. Bei Li-Ionen-Zellen liegt beispielsweise die nominale Spannung bei ca. 3,6 V, die Ladeschlussspannung bei 4,2 V. Durch Reihenschaltung werden Spannungen über 600 V aufgebaut. Die Reihenschaltung von Einzelzellen führt dazu, dass eine ausgefallene oder geschwächte Zelle den gesamten Batterie-Stapel beeinflusst. Zur Überwachung solcher Hochspannungs- und damit sicherheitskritischer Batterien werden in Hybrid- und Elektrofahrzeugen Batteriesteuergeräte eingesetzt, welche die einzelnen Zellen gegen Überladung, Tiefenentladung und thermische Überlastung schützen sollen, auch um ihre Lebensdauer zu verlängern. Dazu wird angestrebt, stets alle Zellen auf den gleichen Ladezustand anzugleichen. Zusätzlich muss das Batteriesteuergerät aus den zur Verfügung stehenden Parametern die verbleibende Reichweite abschätzen und den berechneten Wert dem übergeordneten Hybridsteuergerät zur Verfügung stellen. Die Kommunikation erfolgt üblicherweise über den Fahrzeug-CAN-Bus.
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Ein Batteriesteuergerät gliedert sich in das eigentliche Batteriemanagementsystem (BMS) und die Zellmodule (ZM). Beide sind über einen isolierten CAN-Bus untereinander verbunden. Ein ZM ist jeweils einem Zellstapel – eine Untermenge aller Batterieeinzelzellen – zugeordnet und sowohl für die Messung der Zellspannungen als auch für die gezielte Entladung einzelner Zellen zuständig. Dazu gibt es im ZM für jede Zelle einen Schalter (Transistor), der im eingeschalteten Zustand die Zelle über einen Widerstand belastet.
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Das Steuergerät belastet immer die Zellen durch Aktivierung des zugehörigen Schalters, die in ihrer Spannung höher liegen als die übrigen Zellen. Dieser Mechanismus des Zellenladungsausgleichs führt dazu, dass sämtliche Zellen der Batterie auf demselben Ladungsniveau gehalten werden. Unterschiede im Verhalten der Zellen werden so nivelliert.
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Um das korrekte Funktionieren von Steuergeräten im Allgemeinen zu gewährleisten, werden auf unterschiedlichen Entwicklungsstufen verschiedene Arten von Tests durchgeführt. Liegen Hardware und Software für ein Steuergerät schon vor, so werden üblicherweise sogenannte Hardware-in-the-Loop(HIL)-Tests durchgeführt, bei denen dem zu testenden Steuergerät das Vorhandensein der Regelstrecke sowie eventuell weiterer Umgebungskomponenten oder anderer Steuergeräte vorgetäuscht – simuliert – werden. Die Regelstrecke ist beispielsweise im Falle eines Motorsteuergeräts der Motor oder im hier betrachteten Fall eines Batteriesteuergeräts die Batterie. Umgebungskomponenten können z. B. weitere Steuergeräte sein, mit denen das zu testende Steuergerät über einen Bus verbunden ist und mit denen es über Nachrichten kommuniziert. Solche Steuergeräte werden oft durch eine sogenannte Restbussimulation simuliert, bei der nur die von dem zu testenden Steuergerät erwarteten Nachrichten auf einem Bus nachgebildet werden.
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Generell kann die HIL-Simulation auf unterschiedlichen Ebenen erfolgen:
- • Auf Signalebene werden nur die digitalen Signale in einem Simulationsmodell auf einer geeigneten Recheneinheit, z. B. einem Echtzeit-fähigen Prozessor, berechnet und an die Recheneinheit des Steuergeräts übermittelt. Dazu ist der Zugang zu einer entsprechenden Signalschnittstelle erforderlich. Oft, insbesondere beim Test von Steuergeräten für Elektromotoren, muss dazu das zu testende Steuergerät geöffnet werden. Solche Tests sind relativ einfach auszuführen, sobald die Signalstelle freigelegt ist. Es ist jedoch nicht möglich, durch sie die Funktionsfähigkeit der Leistungselektronik zu verifizieren.
- • Auf der sogenannten „Leistungsebene” werden entsprechend eines Simulationsmodells echte Ströme und/oder Spannungen erzeugt, die direkt über die Leistungselektronik des Steuergerätes an dieses übertragen werden. Bei der Erzeugung dieser Spannungen und Ströme spricht man auch von Emulation. Auf dieser Testebene wird nicht nur der Regelalgorithmus des Steuergerätes, sondern auch dessen Leistungselektronik getestet. Dadurch, dass die Regelstrecke nur simuliert wird, ist sie leicht austauschbar und die Tests können flexibel an unterschiedliche Situationen angepasst werden.
- • Bei der Simulation auf mechanischer Ebene wird die komplette Einheit aus Steuergerät und physikalisch vorhandener Regelstrecke auf einem mechanischen Prüfstand mit beispielsweise einem Elektromotor oder einer Drosselklappe getestet. Diese Tests sind sehr aufwändig, recht unflexibel und teilweise auch sicherheitskritisch, ermöglichen es jedoch, reale Lastbedingungen zu testen.
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Ein weiterer wesentlicher Bestandteil von HIL-Tests sind Fehlersimulationen, um die Reaktion des Steuergeräts bei Fehlersituationen zu testen. Um Kabelbrüche oder ähnliche Fehler zu simulieren, sind üblicherweise zusätzliche Einsteckkarten für HIL-Systeme erhältlich, sogenannte failure insertion units (FIUs). Sie umfassen Schaltkreise mit fern- und automatisiert steuerbaren Schaltern zur Simulation von Kabelbrüchen, Kurzschlüssen und/oder vertauschten Anschlüssen für alle Steuergerätanschlüsse. FIU-Karten gibt es sowohl für Sensoren als auch Aktoren, wobei sie für Aktoren zusätzlich mit Lastkarten kombiniert werden.
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Im Folgenden sollen nur noch Tests für Batteriesteuergeräte betrachtet werden. Ist dabei lediglich die Regelstrategie des BMS zu überprüfen, so genügt es, das BMS alleine zu testen. Die ZM werden in diesem Fall auf Signalebene simuliert. Für den Test des gesamten Batteriesteuergeräts auf der Leistungsebene müssen jedoch alle oder mindestens ein ZM in das HIL-System integriert werden. Als Regelstrecke sind sowohl ein echtzeitfähiges Batteriesimulationsmodell als auch ein Zellspannungsemulator zur Ausgabe der analogen Klemmenspannung erforderlich.
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Batteriesimulationsmodelle sind beispielsweise im Handel erhältlich, wie http://www.dspace.de/shared/data/bkm/ElectricalDrive en/blaetterkatalog/ zu entnehmen ist. Auch Zellspannungsemulatoren sind im Handel erhältlich, wie diesem Link zu entnehmen ist:
www.scienlab.de/hosts/275/files/28765/404.pdf.
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Die erwähnten Batteriesimulationsmodelle zum Testen von Batteriesteuergeräten bilden das Verhalten der Batterie als Zusammenschaltung mehrerer Einzelzellen nach. Das Zellenmodell bildet dabei Zellenspannung und Ladungszustand einer Batteriezelle ab. Typisches Zellenverhalten unterschiedlicher Zelltechnologien wie Li-Ionen, Ni-MH oder Blei können berücksichtigt werden. Dazu gehören Unterschiede beim Laden und Entladen sowie das dynamische Verhalten bei Belastungssprüngen und Verlustströme zum Beispiel durch Gasungseffekte. Üblicherweise liefert das Batteriesimulationsmodell auch einen oder mehrere Temperaturwerte, die dem Steuergerät vorgetäuscht werden, beispielsweise auch über die Hardwareeinheit der Zellspannungsemulatoren. Das Modell der Batterie setzt sich dann aus einzelnen Zellenmodellen zusammen. Es unterstützt dabei die Reihenschaltung von Zellen zum Erreichen des erforderlichen Spannungsniveaus ebenso wie eine Parallelschaltung und die daraus resultierenden Ströme. Einzelne Zellenparameter und -zustände wie Innenwiderstand oder initialer Ladungszustand bleiben dabei individuell einstellbar und die resultierenden Zellenspannungen können dem Batteriesteuergerät auch einzeln zur Verfügung gestellt werden. Die dann vom Batteriesteuergerät eingestellten Ströme für den Zellenladungsausgleich werden ebenfalls berücksichtigt. Die Parametrierung kann dabei über graphische Benutzerschnittstellen gehandhabt werden. Ein Beispiel für eine solche graphische Benutzerschnittstelle ist das Programm ModelDesk, das in http://www.dspace.de/shared/data/bkm/catalog2010/blaetterkatalog/ erwähnt wird.
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Zellspannungsemulatoren sind üblicherweise aus einzelnen steuerbaren Spannungsquellen aufgebaut, deren Sollspannungswerte aus dem Batteriemodell vorgegeben werden. Oft erfolgt der Aufbau eines Zellspannungsemulators modular durch Verbindung mehrerer Emulationseinheiten, die jeweils eine Gruppe von Zellenemulationskanälen mit je einer steuerbaren Spannungsquelle umfassen. Die Energieversorgung einer Emulationseinheit erfolgt über ein Netzteil, dessen Spannung mittels DC/DC-Wandlern zur Emulation einer einzelnen Batteriezelle pro Zellenemulationskanal verteilt wird. Die Kanäle sind gegeneinander galvanisch isoliert und können sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden. Derzeit werden bei Reihenschaltung Gesamtspannungen von nahezu 1000 V erreicht. Die Parallelschaltung ermöglicht es, höhere Ströme zu erzeugen.
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Ein einzelner Emulationskanal umfasst, neben der Spannungsversorgung von einigen Volt, eine Verstärkereinheit zur Regelung der Zellenspannung gemäß dem vorgegebenen Sollwert. Ein relativ weiter Spannungsbereich für einen einzelnen Emulationskanal erlaubt die Emulation schadhafter Zellen. Mit der Ausgabe von 0 V kann zum Beispiel eine kurzgeschlossene Zelle emuliert werden. Eine höhere als die nominale Spannung emuliert hingegen einen erhöhten Innenwiderstand der Zelle beim Ladevorgang. Um eine Batterie realistisch nachzubilden, müssen Sollwertsprünge schnell ausgeregelt werden. Die Vorgaben hierfür liegen derzeit bei weniger als 500 μs.
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Die erforderliche schnelle Regelung der Spannungsquellen erfolgt meist über eine Kontrolleinheit, d. h. eine schnelle Recheneinheit. Dazu kann beispielsweise ein FPGA vorgesehen sein, der die Kanäle mehrerer Emulationseinheiten kontrollieren kann. Die (digitale) Übertragung der Sollspannungswerte an die Verstärkereinheiten der einzelnen Emulationskanäle erfolgt über eine Busverbindung mit galvanisch isolierter Schnittstelle zu den Kanälen, z. B. durch Optokoppler. Die Kontrolleinheit steht im Datenaustausch mit einer übergeordneten Recheneinheit, auf der das Batteriesimulationsmodell ausgeführt wird, nach welchem die Sollspannungswerte für die Batterieemulation vorgegeben werden. Wie in der realen Batterie werden auch die emulierten Zellspannungen bei der Emulation in Reihe geschaltet.
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Die Spannungsmessung im Steuergerät, d. h. in den ZM, erfolgt mit hoher Genauigkeit, da die Batteriezellen oft eine sehr flache Entladekennlinie haben. Aus diesem Grund ist eine hohe Genauigkeit bei der Emulation der Zellspannungen gefordert. Oft sind Abweichungen von mehr als 2 mV nicht tolerierbar. Die Zellenladungsausgleichsfunktion belastet die emulierte Spannungsquelle mit mehreren hundert mA. Die Genauigkeit der Spannung muss bei Belastung erhalten bleiben, ein Spannungsabfall auf den Leitungen von der Emulation zum Steuergerät muss deshalb kompensiert werden. Dazu ist jeder Zellenemulationskanal mit einer Messleitung versehen, die für die Verstärkereinheit den genauen Spannungswert am Eingang des ZM abgreift. Außerdem wird in jedem Zellenemulationskanal der Ausgleichsstrom erfasst, an die Kontrolleinheit übergeben und für die korrekte Simulation des Ladezustands berücksichtigt. Mittels einer weiteren Messleitung wird überprüft, ob der Spannungswert des Bezugspotentials, das bei der Reihenschaltung der Zellen bzw. Kanäle durch das Potential der vorgeschalteten Spannungsquelle gegeben ist, auch mit dem Spannungswert übereinstimmt, den das Steuergerät bezüglich der vorgeschalteten Spannungsquelle erfasst.
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Die im Stand der Technik offenbarten Batteriesimulationssysteme haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht die Möglichkeit der Simulation von Fehlern wie Kabelbrüchen etc. aufweisen, da die gewöhnlichen bei HIL-Simulationen verwendeten Fehlersimulationskarten (FIU-Karten) aufgrund der hohen Spannungen und der zusätzlichen Messleitung bei Batterieemulationssystemen nicht verwendet werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend zu verringern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst. Günstige Ausgestaltungsformen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Batterieemulationsvorrichtung mit einer Kontrolleinheit und mindestens einem Emulationskanal zur Nachbildung einer Batteriezellenspannung an einem Anschluss eines Batteriesteuergerätes gemäß einem von der Kontrolleinheit über eine galvanisch isolierte Schnittstelle vorgegebenen Sollwert bereitgestellt. Der Emulationskanal weist eine Spannungsquelle mit einer Verstärkereinheit zur Regelung der Ausgangsspannung, Verbindungsleitungen zur Verbindung des Emulationskanals, insbesondere mit einem Bezugspotential, einem Anschluss des Batteriesteuergerätes und mit einem nachgeschalteten Emulationskanal, und Messleitungen auf. Wobei die Messleitungen zum Erfassen des Bezugspotentials an einem weiteren Anschluss des Steuergerätes und der Ausgangsspannung des Emulationskanals an dem Anschluss des Steuergerätes vorgehalten sind und wobei die Messleitungen zur Übergabe der Messwerte an die Verstärkereinheit dienen, welche sie zur Regelung der Ausgangsspannung gemäß dem vorgegebenen Sollwert verwendet. Erfindungsgemäß weist der Emulationskanal Mittel zur Simulation von Fehlerzuständen, insbesondere Kabelbrüchen, auf.
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Bevorzugt ist eine erste Verbindungsleitung mit einem Eingangsanschluss zur Verbindung der steuerbaren Spannungsquelle mit einem Bezugspotential, insbesondere einem Ausgangsanschluss eines vorgeschalteten Emulationskanals, eine zweite Verbindungsleitung mit einem Abgriffsanschluss zur Verbindung der Ausgangsspannung der steuerbaren Spannungsquelle mit einem entsprechenden Anschluss eines Batteriesteuergerätes und eine dritte Verbindungsleitung mit einem Ausgangsanschluss zur Verbindung der Ausgangsspannung der steuerbaren Spannungsquelle mit einer Last, insbesondere mit einem Eingangsanschluss eines nachgeschalteten Emulationskanals, vorgesehen.
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Weiterhin ist bevorzugt eine erste Messleitung zum Erfassen des Wertes des Bezugspotentials, wie er an einem ersten Anschluss des Steuergerätes vorliegt, und eine zweite Messleitung zum Erfassen des Wertes der Ausgangsspannung, wie er an einem zweiten Anschluss des Steuergerätes vorliegt, vorgesehen.
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Als Mittel zur Simulation von Fehlerzuständen sind hier zunächst beliebige geeignete Schaltmittel – wie Relais, MOSFETs, IGBTs, Bipolare Transistoren oder auch hochspannungsfeste Schalter – zu verstehen, im Folgenden auch als Schalter bezeichnet.
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Bevorzugt sind in der ersten und in der zweiten Verbindungsleitung des Emulationskanals der erfindungsgemäßen Batterieemulationsvorrichtung Schalter zur Simulation von Fehlerzuständen vorgesehen, insbesondere ein erster Schalter zur Simulation eines Kabelbruchs des Zellverbinders zwischen zwei Batteriezellen sowie ein zweiter Schalter zur Simulation eines Kabelbruchs in der Verbindung zwischen Steuergerät und Batteriezelle, wobei die Schalter durch die Kontrolleinheit über die galvanisch isolierte Schnittstelle steuerbar sind.
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Eine weitere vorteilhafte Verwendung des zweiten Schalters besteht darin, dass zur Inbetriebnahme das Steuergerät von der Batteriesimulationsvorrichtung sicher getrennt wird.
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Bevorzugt liegen die erste Verbindungsleitung und die erste und die zweite Messleitung an den Eingängen der Verstärkereinheit an, die zweite und die dritte Verbindungsleitung liegen bevorzugt an dem Ausgang der Verstärkereinheit an.
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Mit Messleitung werden hier hochohmige oder hochohmig angekoppelte Leitungen bezeichnet, die in der Regel nur dazu verwendet werden, eine Messung durchzuführen, bevorzugt eine Spannungsmessung, wobei jedoch keine größeren Ströme über diese Leitungen fließen. Im Gegensatz dazu ist mit Verbindungsleitung eine stromführende Verbindung gemeint.
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Um bei geöffneter Verbindungsleitung eine Übersteuerung des Versträrkers zu verhindern, bzw. um mögliche Störsignale, die über die Messleitungen an dem Verstärker des Emulationskanals eingehen könnten, zu unterdrücken, sind in einer äußerst bevorzugten Ausführungsform auch in den Messleitungen steuerbare Schalter eingebaut. Es ist vorgesehen, dass ein dritter Schalter, der in einem ersten Schaltungszustand die erste Messleitung schließt, in einem zweiten Schaltungszustand den Eingang der ersten Messleitung in die Verstärkereinheit mit dem Eingang der ersten Verbindungsleitung in die Verstärkereinheit verbindet, sodass der über die erste Messleitung eingehende Wert derselbe ist wie der Wert, der als Bezugspotential von der Verstärkereinheit erfasst wird, und dass ein vierter Schalter, der in einem ersten Schaltungszustand die zweite Messleitung schließt, in einem zweiten Schaltungszustand den Eingang der zweiten Messleitung in die Verstärkereinheit mit dem Ausgang der Verstärkereinheit verbindet, sodass der über die zweite Messleitung eingehende Wert derselbe ist wie der Wert der Ausgangsspannung der Verstärkereinheit.
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Es ist daher vorgesehen, dass in einem Verfahren zur Fehlersimulation mit der erfindungsgemäßen Batterieemulationsvorrichtung immer dann, wenn ein Schalter in einer Verbindungsleitung zur Simulation eines Kabelbruchs geöffnet wird, gleichzeitig der Schalter in der entsprechenden Messleitung von einem ersten Schaltungszustand in einen zweiten Schaltungszustand umgeschaltet wird, sodass der Messwert von der Messleitung nicht an dem Anschluss des Steuergerätes, sondern an der entsprechenden Verbindungsleitung vor dem simulierten Kabelbruch abgegriffen wird. Es wird also der Eingang der ersten Messleitung in die Verstärkereinheit mit dem Eingang der ersten Verbindungsleitung in die Verstärkereinheit verbunden, bzw. der Eingang der zweiten Messleitung in die Verstärkereinheit mit dem Ausgang der zweiten Verbindungsleitung aus der Verstärkereinheit verbunden. D. h. der dritte Schalter in der ersten Messleitung wird gleichzeitig mit dem ersten Schalter zur Simulation eines Kabelbruchs des Zellverbinders geschaltet und/oder der vierte Schalter in der zweiten Messleitung wird gleichzeitig mit dem zweiten Schalter zur Simulation eines Kabelbruchs in der Verbindung zwischen Steuergerät und Batteriezelle geschaltet.
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Vorzugsweise sind die Schalter durch Relais ausgebildet. Ein Vorteil der Relais-Schalter zwischen Batterieemulationsvorrichtung und Steuergerät ist es, dass außerdem ein sicherer Ausschaltmechanismus für die Trennung von Steuergerät und Simulationsvorrichtung gegeben ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn parallel zur Schalterstellung des zweiten Schaltzustands des dritten und des vierten Schalters noch jeweils ein Kondensator oder ein Widerstand oder eine Kombination aus Widerstand und Kondensator geschaltet wird, um Überschwingungen beim Umschalten zu dämpfen. Das Vorschalten eines Widerstands verhindert eine Übersteuerung bei ausgeschalteter Messleitung.
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Die galvanisch isolierte Datenverbindung zwischen Emulationskanal und Kontrolleinheit kann beispielsweise mittels Optokopplern und einer an diese anschließende Flachbandkabelverbindung realisiert sein. Die Datenverbindung ist bevorzugt eine Busverbindung und die Kontrolleinheit in einem FPGA implementiert.
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Die Kontrolleinheit steht wiederum mit einer übergeordneten Recheneinheit in Verbindung, auf der ein Batteriesimulationsmodell ausführbar ist. Die übergeordnete Recheneinheit umfasst beispielsweise einen Prozessor, mehrere Prozessoren oder einen Prozessor und einen FPGA. Die Kontrolleinheit erhält die Sollwerte für die Zellspannungen aus dem Batteriesimulationsmodell, das auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
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Bevorzugt sind mehrere Emulationskanäle auf einer Steckkarte zu einer Emulationseinheit zusammengefasst.
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Die Spannungsversorgung der Emulationseinheit ist erfindungsgemäß über eine Netzspannung gegeben, wobei die Versorgung der Emulationskanäle mittels DC/DC-Wandlern erfolgt. Bevorzugt werden 24 V des Netzteils in Spannungen zwischen +10 V und –10 V gewandelt.
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Die Netzspannung ist konstant. Die Ausgangsspannung der Verstärkereinheit zur Emulation der Zellspannung wird durch die Kontrolleinheit nach Vorgaben aus dem Batteriesimulationsmodell eingestellt.
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Vorteilhafterweise umfasst ein Emulationskanal eine bevorzugt in die Verstärkereinheit integrierte Strommesseinheit zur Erfassung des von dem Steuergerät gesteuerten Ausgleichsstroms. Die durch die Strommessung ermittelten Werte werden über die galvanisch isolierte Datenverbindung an die Kontrolleinheit übermittelt, von wo aus diese Messwerte an die übergeordnete Recheneinheit mit dem Batteriesimulationsmodell weitergeleitet werden.
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Die Steuerung der Fehlersimulationsschalter erfolgt erfindungsgemäß ebenfalls über die galvanisch isolierte Datenbusverbindung des Emulationskanals mit der Kontrolleinheit nach Vorgaben aus dem Batteriesimulationsmodell oder eines Benutzers über eine – vorzugsweise graphische – Benutzerschnittstelle zur Einstellung von Testabläufen und zur Parametrierung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Emulationseinheit auf einer Steckkarte implementiert und umfasst mehrere Emulationskanäle, bevorzugt vier. Die einzelnen Emulationskanäle sind bevorzugt gegeneinander galvanisch isoliert. Die galvanische Isolierung zwischen den einzelnen Emulationskanälen 8, 8' innerhalb einer Emulationseinheit 6 muss nicht so hoch ausgelegt sein, wie die Isolation zwischen der Emulationseinheit 6 und der Umgebung, d. h. zwischen der Emulationseinheit und der weiteren Umgebung. Im erstgenannten Fall genügt eine Isolation von bevorzugt mehr als 10 V, im letzteren Fall ist die Isolation bevorzugt für Spannungen bis zu 1 kV ausgelegt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Emulationskanäle sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden können, um den Ausgangsstrom einer Emulationseinheit zu erhöhen, d. h. einen höheren Zellenstrom zu emulieren. Ein einzelner Kanal kann beispielsweise auch dazu verwendet werden, einen Temperatursensor zu simulieren.
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Die Kontrolleinheit ist vorteilhafterweise auf einer separaten Steckkarte implementiert und umfasst die Kontrollrecheneinheit, z. B. einen FPGA, und einen Bustreiber für den Datenaustausch mit den Emulationseinheiten bzw. Emulationskanälen über eine Busverbindung. Diese kann bevorzugt über Flachbandkabel hergestellt werden. Dies ermöglicht, die Kontrolleinheit in einfacher Weise mit vielen Emulationseinheiten zu verbinden. Über diese Busverbindung werden sowohl die Daten und Befehle für die Emulation der Batteriezellen als auch für die Fehlersimulation übertragen. Da die Schnittstelle für den Datenbus an jedem Emulationskanal galvanisch isoliert ist, ist eine galvanisch isolierte Ansteuerung der Schalter zur Fehlersimulation gewährleistet.
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Bevorzugt sind an einer Emulationseinheits-Steckkarte die erforderlichen Anschlüsse derart angebracht, dass die Anschlüsse leicht zugänglich sind, wenn die Steckkarte in einen Baugruppenträger eingefügt ist. Äußerst bevorzugt sind die Anschlüsse an einem leicht zugänglichen Ende einer Steckkarte vorgesehen, z. B. an dem Ende der Steckkarte, das nicht unmittelbar an dem Gehäuse des Baugruppenträgers befestigt ist. Die erforderlichen Anschlüsse umfassen beispielsweise einen abgeschirmten Sub-D-Stecker für die Verbindung der Batterieemulation mit dem Steuergerät und einen Anschluss für die Energieversorgung (bevorzugt 24 V). Diese Anordnung ermöglicht eine einfache Handhabung der Anschlüsse, wenn die Steckkarten z. B. in einem 19''/3HU Baugruppenträger eingesteckt werden.
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Die erfindungsgemäße Batterieemulationsvorrichtung und das Verfahren zur Simulation von Fehlerzuständen sollen nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert werden. Hierbei sind funktionsgleiche Schaltungsteile mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen,
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1 ein an eine Batterie angeschlossenes Batteriesteuergerät,
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2 eine schematische Darstellung einer Batterieemulationsvorrichtung in Verbindung mit einem Zellmodul eines Batteriesteuergerätes,
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3 einen Emulationskanal,
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4 einen Emulationskanal mit erfindungsgemäßer Emulationsschaltung.
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1 zeigt ein stark vereinfachtes Schaltbild eines an eine Batterie angeschlossenen Batteriesteuergerätes 1, wie es im Stand der Technik beispielsweise in einem Elektrofahrzeug vorliegt. Das Batteriesteuergerät 1 besteht aus einem BMS-Steuergerät 2 und mehreren ZM-Steuergeräten 3, wobei die ZM und das BMS über einen isolierten CAN-Bus untereinander verbunden sind. Ein ZM 3 ist jeweils einem Zellstapel, d. h. einer Untermenge aller Batterieeinzelzellen, zugeordnet (in 1 nicht dargestellt). Die ZM 3 überwachen u. a. die Spannungen der einzelnen Batteriezellen, bzw. der Batteriezellenstapel.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Batterieemulationsvorrichtung 5 nach dem Stand der Technik, die in Verbindung mit einer übergeordneten Recheneinheit 4, auf der ein Batteriesimulationsmodel (nicht dargestellt) ausführbar ist, und mit einem Zellmodul (ZM) 3 eines Batteriesteuergerätes 1 steht.
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Die Batterieemulationsvorrichtung 5 umfasst eine Kontrolleinheit 7, mehrere Emulationseinheiten 6, 6' mit Emulationskanälen 8, 8', 8'', welche Verbindungsleitungen 11a, 11b, 11c, 11a'' und Messleitungen 9a, 9a', 9b, 9b' aufweisen. Die Emulationskanäle sind mit den Eingängen 10d, 10d' des Batteriesteuergerätes 1, genauer eines ZM 3 eines Batteriesteuergerätes 1, verbunden.
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In dem Batteriesimulationsmodell werden für jede Zelle die Zellenspannung und der Ladungszustand einer Batteriezelle berechnet, wobei typisches Zellenverhalten unterschiedlicher Zelltechnologien wie Li-Ionen, Ni-MH oder Blei berücksichtigt werden können. Vorzugsweise geschieht die Berechnung für baugleiche Zellen, indem nur eine Referenzzelle und die Differenzspannungen der anderen Zellen in Bezug auf diese Referenzzelle in Betracht gezogen werden. Die berechneten Zellspannungen werden als Sollwerte an die Kontrolleinheit 7 übertragen, entweder über Kupfer- oder über Opto-Kabel 20. Bevorzugt wird eine digitale Datenschnittstelle verwendet, z. B. eine LVDS-Schnittstelle. Eine solche Verbindung zwischen Recheneinheit 4 und Kontrolleinheit 7 gewährleistet eine galvanisch isolierte Datenübertragung zum Schutz des Simulationsrechners.
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Die Kontrolleinheit 7 ist wiederum mit den Emulationseinheiten 6, 6' verbunden, bevorzugt über eine Datenbusverbindung 21. Sie umfasst eine Kontroll-Logikeinheit, z. B. einen FPGA, und einen Bustreiber für die Datenbusverbindung 21. Anhand der vorgegebenen Sollwerte steuert die Kontrolleinheit 7 die Emulationskanäle 8, 8', 8'' mit welchen die Zellspannungen emuliert werden, übergibt aber auch simulationsrelevante Daten an die Recheneinheit 4, z. B. Stromwerte, die in den Emulationseinheiten 6, 6' erfasst werden, oder simulierte Temperaturwerte.
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Die Emulationskanäle 8, 8', 8'' umfassen je eine steuerbare Spannungsquelle 15 und eine Verstärkereinheit 13 (in 3 und 4 abgebildet). Die Emulationskanäle 8, 8', 8'' bilden für das an sie angeschlossene ZM 3 die Zellspannungen einzelner Batteriezellen nach. Sie sind gegeneinander galvanisch isoliert, können jedoch wie die Zellen einer realen Batterie in Reihe geschaltet werden. Falls ein höherer Stromfluss erforderlich ist, können sie auch parallel geschaltet werden, sodass mehrere Emulationskanäle 8, 8', 8'' eine Spannungszelle emulieren oder einen anderen Strom nachbilden. 2 zeigt die Reihenschaltung der Emulationskanäle 8, 8', 8'' zum Testen des ZM 3, bzw. des gesamten Batteriesteuergerätes 1. Die Verschaltung erfolgt über die Verbindungsleitungen 11.
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An einem Emulationskanal 8 ist eine erste Verbindungsleitung 11a vorgesehen mit einem Eingangsanschluss 10a zur Verbindung des Emulationskanals 8 mit einem Bezugspotential, insbesondere mit der Ausgangsspannung eines vorgeschalteten Emulationskanals 8'. Weiterhin sind vorgesehen eine zweite Verbindungsleitung 11b mit einem Abgriffsanschluss 10b zur Verbindung der Ausgangsspannung des Emulationskanals 8 mit dem Anschluss 10d des Batteriesteuergerätes 3 und eine dritte Verbindungsleitung 11c mit einem Ausgangsanschluss 10c zur Verbindung der Ausgangsspannung des Emulationskanals 8, insbesondere mit einem Eingangsanschluss 10a'' eines nachgeschalteten Emulationskanals 8''. Wäre Emulationskanal 8 der letzte Emulationskanal einer Batteriesimulation, so würde der Anschluss 10c nicht benötigt, d. h. die Verbindungsleitung 11c bliebe offen.
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Für den Fachmann ist offensichtlich, dass die Verbindungsleitung 11b und 11c teilweise aus derselben Verbindungsleitung bestehen können, bzw. die Verbindungsleitung 11b an einem beliebigen Punkt von der Verbindungsleitung 11c zwischen den Emulationskanälen abzweigen kann bzw. umgekehrt. Ebenso offensichtlich ist, dass gemäß 2 aus Symmetriegründen der Anschluss 10a aus Sicht des Emulationskanals 8' als Anschluss 10c', bzw. der Anschluss 10c aus Sicht des Emulationskanals 8'' als Anschluss 10a'' zu bezeichnen ist.
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In der Praxis können diese Anschlüsse durch jede mögliche Art von Anschluss ausgebildet sein, so können auch mehrere Anschlüsse existieren, z. B. sowohl ein Anschluss 10c als auch ein Anschluss 10a'', oder ein Anschluss kann durch einen galvanisch isolierten Schalter in einer Verbindungsleitung realisiert sein, sodass beispielsweise die Verbindungsleitungen 11c und 11a'' durch einen derartigen Schalter verbunden oder getrennt werden können.
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Die Verbindung zwischen den Anschlüssen 10b und 10d kann über recht lange Kabel 22 erfolgen. Da es für die Überprüfung des Batteriesteuergerätes äußerst wichtig ist zu wissen, welcher Spannungswert exakt an den Anschlüssen 10d, 10d' des Steuergerätes 3 anliegt, weist jeder Emulationskanal 8, 8', 8'' weiterhin zwei Messleitungen 9a, 9a', 9a'', 9b, 9b', 9b'' auf. Beispielsweise dient eine erste Messleitung 9a des Emulationskanals 8 zum Erfassen des Wertes des Bezugspotentials, insbesondere der Ausgangsspannung des Emulationskanals 8', wie er an einem Anschluss 10d' des Steuergerätes 3 vorliegt. Eine zweite Messleitung 9b erfasst, welche Ausgangsspannung des Emulationskanals 8 an dem Anschluss 10d' des Steuergeräts 3 vorliegt.
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Vorteilhafterweise kann die Messleitung 9a den Wert des Bezugspotentials, wie er dem Steuergerät 3 an dem Anschluss 10d' vorliegt, auch an einer entsprechenden Messleitung 9b' des Emulationskanals 8'' abgreifen.
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3 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Aufbau eines Emulationskanals 8. Er umfasst eine Spannungsquelle 26 mit einer Referenzmasse 17 zur Energieversorgung des Emulationskanals 8, eine steuerbare Spannungsquelle 15 und eine Verstärkereinheit 13. Die steuerbare Spannungsquelle 15 enthält eine Referenzspannungsquelle und einen Digital-Analog-Wandler, welcher über eine Busverbindungsschnittstelle 14 zur Kontrolleinheit 7 angesteuert wird. Zum Schutz vor hohen Spannungen ist der Busverbindungsschnittstelle 14 eine Isolationsbarriere 23 vorgelagert. Die steuerbare Spannungsquelle 15 ist mit einer Verstärkereinheit 13, einem Leistungsverstärker, verbunden. Zur Informationsübertragung vom Emulationskanal 8 zu Kontrolleinheit 7 ist in dem Emulationskanal 8 auch ein Analog-Digital-Wandler 25 vorgesehen, der gemessene Stromwerte ebenfalls galvanisch isoliert an die Kontrolleinheit 7 weitergibt, von wo diese dem Simulationsmodell auf der Recheneinheit 4 übermittelt werden. Die Kontrolleinheit 7 kann über die Datenbusverbindung 21 mit einer Vielzahl von Emulationskanälen kommunizieren.
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Die Verstärkereinheit weist die Verbindungsleitungen 11a, 11b, 11c und die Messleitungen 9a, 9b auf. Sie wird ebenfalls von der Kontrolleinheit gesteuert und ist so eingestellt, dass sie die Spannungsausgabe auf die Leitung 11b bzw. 11c so regelt, dass zwischen den Messleitungen 9a, 9b eine Spannungsdifferenz gemäß dem Sollspannungswerte eingestellt ist.
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In der 3 ist der Verzweigungspunkt in den Leitungen 11b und 11c noch nichtdargestellt. Ebenfalls schematisch zusammengefasst dargestellt sind die Schalter 12 zur Fehlersimulation. Die Ansteuerung dieser Schalter erfolgt ebenfalls durch die Kontrolleinheit 7, d. h. über die Busverbindungsschnittstelle 14 und die Isolationsbarriere 23. Somit ist eine galvanisch isolierte Ansteuerung der Fehlersimulationsschalter 12 gewährleistet.
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In 4 ist die erfindungsgemäße Fehlersimulationsschaltung detaillierter dargestellt. Sie zeigt die Verstärkereinheit 13, deren Eingang 19a mit der Spannungsquelle 15, die auf die Referenzmasse 17 des Emulationskanals 8 bezogen ist, über die Verbindungsleitung 11a verbunden ist. Von dem Ausgang 19b der Verstärkereinheit 13, an dem die Ausgangsspannung des Emulationskanals 8 ausgegeben wird, geht eine Verbindungsleitung ab, von deren Knotenpunkt 16 die Verbindungsleitung 11b zum Abgriffsanschluss 10b führt und die Verbindungsleitung 11c zu einem Anschluss 10c, an den z. B. ein weiterer Emulationskanal 8'' angeschlossen werden kann. Weiterhin führt eine Messleitung 9a zu einem Eingang 19c der Verstärkereinheit und eine Messleitung 9b zu einem Eingang 19d der Verstärkereinheit. Die Anschlüsse 10e und 10f werden mit den Eingängen 10d' und 10d des ZM 3 verbunden, um dort die Spannungsmesswerte abzugreifen und der Verstärkereinheit 13 zuzuführen, welche die Spannung am Ausgang 19b der Verstärkereinheit 13 so regelt, dass die Differenzspannung der Messwerte als Ist-Spannung der Sollspannung aus dem Batteriesimulationsmodell entspricht.
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Die Leitungen 11a und 11b weisen steuerbare Schalter 12a und 12b auf, mittels derer ein Kabelbruch im Zellverbinder – durch Öffnen des Schalters 12a – oder in der Verbindung zwischen Steuergerät und Batterie – durch Öffnen des Schalters 12b – oder beides simuliert werden kann.
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Der Schalter 12a ist zwischen der Referenzmasse 17 und dem Anschluss 10a vorgesehen. Der Schalter 12b ist zwischen dem Ausgang 19b der Verstärkereinheit und dem Anschluss 10b vorgesehen. Er kann vor oder hinter dem Knotenpunkt 16 liegen. Letztere Variante ist durch den Knotenpunkt 16' und die Verbindungslinie 11c' angedeutet. In diesem Fall würde durch das Öffnen des Schalters 12b nicht nur ein Kabelbruch in der Verbindungsleitung 11b zum Steuergerät, sondern auch in der Verbindung 11c' zu einem nachgeschalteten Emulationskanal simuliert. Zweigt die Verbindungslinie 11c vor dem Knotenpunkt 16 ab, so hat dies den Vorteil, dass die genannten Kabelbrüche separat simuliert werden können. Der Kabelbruch im Zellverbinder zu einer nächsten Batteriezelle kann bei gleichem Aufbau eines nachgeschalteten Emulationskanals 8'' durch Öffnen eines dort vorgesehenen Schalters 12a'' entsprechend dem Schalter 12a simuliert werden. Ebenfalls kann es in der praktischen Umsetzung vorgesehen sein, dass der Knotenpunkt 16 hinter dem Anschluss 10b liegt, sodass ein Emulationskanal 8 nur vier Anschlüsse aufweist.
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Um bei geöffnetem Schalter 12a oder 12b einen Stromfluss zwischen einem ZM und der Batterieemulationsvorrichtung über die Messleitungen 9a oder 9b zu verhindern, müssen bei der Fehlersimulation der Kabelbrüche auch die entsprechenden Messleitungen 9a oder 9b unterbrochen werden. Daher sind in den Messleitungen 9a, 9b ebenfalls steuerbare Schalter vorgesehen, nämlich ein dritter Schalter 12c in der Messleitung 9a und ein vierter Schalter 12d in der Messleitung 9b. Diese Schalter 12c bzw. 12d müssen jeweils gleichzeitig mit dem entsprechenden Schalter 12a bzw. 12b in der Verbindungsleitung betätigt werden.
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Würden die Messleitungen 9a, 9b jedoch lediglich unterbrochen, so läge an den Eingängen 19c bzw. 19d keine Spannung an, was dazu führen würde, dass der Operationsverstärker in der Verstärkereinheit 13 in die Begrenzung gehen und dadurch unrealistische Überschwinger beim Zurückschalten hervorrufen würde. Um dieses Problem zu beheben, sind die Schalter 12c, 12d in den Messlitungen 9a, 9b so angeordnet, dass beim Auftrennen einer Messleitung 9a, 9b zwischen dem Steuergerät 3 und der Batterieemulationsvorrichtung 5, der Teil der Messleitung 9a, 9b, der mit der Verstärkereinheit 13 verbunden ist, ebenfalls mit der entsprechenden Verbindungsleitung 11a, 11b verbunden wird, wodurch der Eingang 19a der Verstärkereinheit 13 bzw. der Ausgang 19b der Verstärkereinheit 13 mit dem Messeingang 19c der Verstärkereinheit 13 bzw. mit dem Messeingang 19d der Verstärkereinheit 13 verbunden wird.
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Konkret bedeutet dies: In einer ersten Schalterstellung des dritten Schalters 12c ist die Messleitung 9a geschlossen. Durch Umschalten in eine zweite Schalterstellung wird die erste Messleitung 9a unterbrochen und gleichzeitig eine Verbindung 27a zu der ersten Verbindungsleitung 11a geschlossen, sodass zur Messung des Bezugspotentials an dem Eingang 19c nun direkt das Bezugspotential an der steuerbaren Spannungsquelle 15 abgegriffen wird.
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Analog ist in einer ersten Schalterstellung des vierten Schalters 12d die Messleitung 9b geschlossen und wird durch Umschalten des Schalters 12d in eine zweite Schalterstellung unterbrochen, wobei gleichzeitig eine Verbindung 27b zu der zweiten Verbindungsleitung 11b geschlossen wird, sodass als Messwert an dem Eingang 19d nun ein Wert entsprechend der Ausgangsspannung der Verstärkereinheit 13 anliegt.
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Zum Dämpfen von Überschwingungen beim Umschalten sind Kondensatoren 18a, 18b zu den Schaltern 12c und 12d parallel zu den Verbindungsleitungen 9a bzw. 9b und den entsprechenden Verbindungen 27a bzw. 27b vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.dspace.de/shared/data/bkm/ElectricalDrive en/blaetterkatalog/ [0009]
- www.scienlab.de/hosts/275/files/28765/404.pdf [0009]
- http://www.dspace.de/shared/data/bkm/catalog2010/blaetterkatalog/ [0010]
