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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein modulares System zum Simulieren des Verhaltens einer elektrischen Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung eines derartigen Systems.
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HINTERGRUND
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Das Testen zum Zweck der Validierung des Verhaltens von relativ großen und komplexen elektrischen Systemen kann eine Herausforderung sein. Zum Beispiel wird ein Batteriestapel mit vielen Zellen verwendet, um die elektrische Hochspannungsenergie zu speichern, die benötigt wird, um bestimmte Fahrzeuge in einem rein elektrischen Modus oder einem Modus mit elektrischer Unterstützung zu betreiben. Bei einigen Konstruktionen mit wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batteriestapeln kann der Batteriestapel mehrere Dutzend einzelner Batteriezellen enthalten. Während aller Phasen der Fahrzeugentwicklung durchlaufen auch zugehörige Hochspannungskomponenten wie etwa ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter-Modul und ein Hilfsleistungsmodul rigorose Prüfstandsversuche. Derartige Tests werden typischerweise direkt an einer großen Kalibrierungseinheit in einer Laborumgebung durchgeführt.
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DAI, H. [et al.]: A Hardware-in-the-Loop System for Development of Automotive Battery Management System, in: Measuring Technology and Mechatronics Automation in Electrical Engineering, Lecture Notes in Electrical Engineering 135, Springer Science+Business Media, LLC, 2012, S. 27-36. DOI: 10.1007/978-1-4614-2185-6_4, Veröffentlichungsdatum: 01.01.2012 offenbart ein Hardware in the Loop-System zur Verifizierung der Funktionen eines Batterieverwaltungssystems einschließlich einer Zellenspannungs- und Temperaturüberwachung, einer Batteriespannungs- und -strommessung, einer Ladezustandsschätzung, einer Leistungsrelais- und Lüftersteuerung etc. Weiterer Stand der Technik ist aus WANG, Q. [et al.]: Hardware-In-Loop Test Platform for Electric Vehicle Cell Battery Management System, in: Applied Mechanics and Materials, Vols. 29-32, 2010, S. 2398-2403, DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.29-32.2398 und
CN 1 02 183 984 A bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes System und Verfahren zum Simulieren der Arbeitsweise einer elektrischen Vorrichtung bereitzustellen.
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Zur Lösung der Aufgabe sind ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgesehen. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Es wird hier ein System offenbart, das eine komplexe elektrische Vorrichtung wie etwa den vorstehend erwähnten Batteriestapel mit vielen Zellen simuliert. Das System ermöglicht das Testen und die Duplizierung von Fehlermodi der elektrischen Vorrichtung. Durch die Verwendung des vorliegenden Ansatzes wird eine Kalibrierungseinheit in der Form eines Batteriestapels mit vielen Zellen nicht benötigt. Dies verringert platz- und komponentenbezogene Kosten, während andere Probleme minimiert werden, die mit der Arbeit mit Hochspannungsgeräten in einer Laborumgebung verbunden sind. Folglich stellt das hier offenbarte System eine originalgetreue elektronische Kopie der elektrischen Vorrichtung bereit, deren Verhalten getestet wird.
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Innerhalb des Systems kann eine Anwenderschnittstelle zu einer Trägermaschine verwendet werden, um das Einrichten von Testanforderungen zu ermöglichen, welche einen Sollzustand jeder von mehreren modularen Zellen simulieren. Zum Beispiel kann das System für jede modulare Zelle einen vorbestimmten Spannungspegel, eine Schaltungsunterbrechung, einen Kurzschluss oder eine Standard/Lastschaltung simulieren. Außerdem kann das System die verschiedenen modularen Zellen anweisen, ihre jeweiligen Spannungs- oder Strompegel zu lesen und zurück an die Trägermaschine zu berichten. Die in dem System verwendeten modularen Zellen können leicht aktualisiert werden, indem einfach der von der Trägermaschine ausgeführte Steuerungscode modifiziert wird, ein Schritt, der wiederum die Firmware eines dedizierten Mikroprozessors aktualisiert, der in jeder der modularen Zellen verwendet wird.
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Insbesondere wird hier ein System zum Simulieren der Arbeitsweise einer elektrischen Vorrichtung offenbart. Das System umfasst eine Trägermaschine und mindestens eine gedruckte Leiterplattenanordnung (PCBA, PCBA von printed circuit board assembly) mit einem Stromanschluss, der mit einem Eingangsnetzteil elektrisch verbunden werden kann. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Gehäuse mehrere Fächer definieren, von denen jedes eine PCBA in einer entfernbaren Ablage enthält. Jede PCBA enthält ein Kommunikationsmodul, mehrere Leistungsschaltmodule (PSMs), welche die Eingangsleistung von dem Eingangsnetzteil in eine kalibrierte Gleichspannung umwandeln, und die vorstehend erwähnten modularen Zellen. Jede modulare Zelle ist mit einem jeweiligen der modularen PSMs verbunden, um eine magnetische Isolierung der Zellen von allen anderen Zellen sicherzustellen. Der Mikrocontroller jeder Zelle ist durch das Kommunikationsmodul einzeln adressierbar.
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Die Trägermaschine überträgt selektiv eine Zellenzustandsmeldung über das Kommunikationsmodul an eine oder mehrere der modularen Zellen, beispielsweise als eine Controllerbereichsnetzmeldung (CAN-Meldung) unter Verwendung des CAN-Protokolls, wobei jede der Zellenzustandsmeldungen mindestens eine Zellenadresse und einen gewünschten Simulationszustand enthält. Das Kommunikationsmodul empfängt die Zellenzustandsmeldungen und setzt sie in einen entsprechenden Satz von seriellen Meldungen um, und überträgt die seriellen Meldungen an die Mikroprozessoren der jeweiligen Zellen. Die Zellen wiederum antworten auf die seriellen Meldungen, indem sie ihren internen Zustand auf den in der seriellen Meldung befohlenen gewünschten Zustand einstellen und indem sie über das Kommunikationsmodul eine Zellenstatusmeldung zurück an die Trägermaschine übertragen. Die Zellenstatusmeldung kann einen Spannungspegel und/oder einen Strompegel der jeweiligen Zellen berichten.
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Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der besten Arten, um die Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Systems zum Simulieren des Verhaltens einer elektrischen Vorrichtung.
- 2 ist eine schematische Seitenansichtsdarstellung einer Ablage, die in einem Gehäuse des in 1 gezeigten Systems verwendet werden kann.
- 3 ist eine schematische Draufsichtsdarstellung einer gedruckten Leiterplattenanordnung (PCBA), die als Teil der in 2 gezeigten beispielhaften Ablage verwendet werden kann.
- 3A ist ein schematisches Flussdiagramm, das eine beispielhafte Kommunikationssequenz beschreibt, die innerhalb der PCBA auftritt, die in 3 gezeigt ist.
- 4 ist ein schematischer Schaltplan, der eine mögliche Ausführungsform einer modularen Zelle beschreibt, die im System von 1 verwendet werden kann.
- 5 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Simulieren des Verhaltens einer elektrischen Vorrichtung unter Verwendung des in 1 gezeigten Systems beschreibt.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den mehreren Figuren entsprechen, ist in 1 ein System 10 schematisch gezeigt. Das System 10 kann als Hauptkomponenten eine Gehäuseanordnung 12 und eine Trägermaschine 14 enthalten. Das System 10 simuliert als Ganzes die Arbeitsweise und Funktionalität einer elektrischen Vorrichtung, z.B. wie vorstehend erwähnt eines Batteriestapels mit vielen Zellen eines Fahrzeugs. Indem eine originalgetreue elektronische Kopie der modellierten elektrischen Vorrichtung bereitgestellt wird, kann das System 10 verwendet werden, um das elektrische Verhalten der Vorrichtung genau nachzuahmen, z.B. indem das Verhalten jeder von mehreren verschiedenen Batteriezellen nachgeahmt wird.
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Die Gehäuseanordnung 12 wird von einem externen Wechselstrom-Netzteil (AC-Netzteil) 40, beispielsweise einer herkömmlichen Wandsteckdose mit 110 VAC, mit Energie versorgt. Folglich wird Leistung von der Wechselstromleitung (Pfeil 11) direkt an die Gehäuseanordnung 12 geliefert. Ein (nicht gezeigter) Schalter kann verwendet werden, um das Gehäuse 12 nach Bedarf selektiv zum Testen ein- und auszuschalten.
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Ein Kommunikationsbus 31, etwa ein Controllerbereichsnetzwerkbus (CAN-Bus) kann verwendet werden, um die Gehäuseanordnung 12 mit der Trägermaschine 14 zu verbinden. Der Kommunikationsbus 31 kann ein beliebiges Kommunikationsprotokoll verwenden, das mit dem Onbord-Diagnose-Fahrzeugdiagnosestandard (OBD-II) oder alternativ mit dem europäischen Onbord-Diagnosestandard (EOBD) vollständig kompatibel ist.
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Innerhalb der Gehäuseanordnung 12 definiert ein Gehäuse 12 aus Aluminium oder einem anderen geeigneten Material mehrere Fächer 15, d.h. längliche Öffnungen oder Schächte. Jedes Fach 15 enthält eine jeweilige Ablage 16. Jede Ablage 16 wiederum bildet eine Schublade, die aus einem jeweiligen Fach 15 wie durch Pfeil 17 angezeigt herausgezogen werden kann. Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist das System 10 als intelligenter Zellenbatteriestapelsimulator (ICBPS) ausgestaltet, d.h. ein System, das speziell konfiguriert ist, um das Verhalten eines Batteriestapels mit 96 Zellen zu emulieren. Ein derartiger Batteriestapel kann verwendet werden, um Leistung mit relativ hoher Spannung zu speichern, in Abhängigkeit von der Konstruktion beispielsweise etwa 60 VDC bis etwa 360 VDC oder mehr, als eine bereitstehende Leistungsquelle, die geeignet ist, um einen elektrischen Antriebsmotor in einem Fahrzeug mit Energie zu versorgen. Jedoch können andere elektrische Systeme mit vielen Zellen leicht in Betracht gezogen werden, z.B. ein Batteriestapel mit mehr oder weniger als 96 Zellen oder eine beliebige andere elektrische Vorrichtung, die wie hier offenbart modelliert sein kann.
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Die in 1 gezeigte beispielhafte Trägermaschine 14 kann als Digitalcomputer ausgestaltet sein, der einen Prozessor 20, einen konkreten nicht vorübergehenden Speicher 22 und eine Anwenderschnittstelle 24 aufweist. Der Speicher 22 kann als Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), Flash-Speicher, CD-ROM und dergleichen ausgeführt sein. Die Trägermaschine 14 kann außerdem genügend Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Hochgeschwindigkeits-Taktgeber, Analog/Digital- und Digital/Analog-Schaltungen (A/D- und D/A-Schaltungen), beliebige benötigte Eingabe/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen (I/O) und geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen enthalten.
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Ein beliebiger von einem Computer ausführbarer Code, der in der Trägermaschine 14 vorhanden ist oder für diese zugänglich ist, welcher einen beliebigen Code umfasst, der ein Verfahren 100 verkörpert, wie es nachstehend mit Bezug auf 5 beschrieben ist, kann im Speicher 22 gespeichert sein und von dem Prozessor 20 ausgeführt werden, um die benötigte Simulationsfunktionalität wie hier offenbart bereitzustellen. Die Ausführung des Codes, der das Verfahren 100 verkörpert, führt zur Übertragung von Zellenzustandsmeldungen (Pfeil 60) von der Trägermaschine 14 an die Ablagen 16 der Gehäuseanordnung 12 sowie zur Übertragung von Zellenstatusmeldungen (Pfeil 160) von den Ablagen 16 zurück zur Trägermaschine 14, wie nachstehend im Detail beschrieben wird.
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Mit Bezug auf 2 ist eine beispielhafte Ablage 16 in Seitenansicht dargestellt. Mehrere derartige Ablagen 16 können im System 10 von 1 verwendet werden, wobei jede Ablage 16 identisch konfiguriert ist. Die Ablage 16 kann eine perforierte Stirnplatte 21 und eine Bodenplatte 23 enthalten, wobei die Stirnplatte 21 und die Bodenplatte 23 wie gezeigt orthogonal angeordnet sind. Durch die Stirnplatte 21 definierte Öffnungen 25 ermöglichen, dass Luft (Pfeile 27) an einer gedruckten Leiterplattenanordnung (PCBA) 50 der Ablage 16 zirkuliert. Obwohl es in 2 nicht gezeigt ist, kann im Gehäuse 13 von 1 ein Ventilator verwendet werden, um die Luft (Pfeile 27) zu der PCBA 50 hin zu saugen, um die verschiedenen Schaltungskomponenten zu kühlen, die zum Ausbilden der PCBA 50 verwendet werden. Andere Kühlkonstruktionen können verwendet werden, ohne den beabsichtigten erfinderischen Umfang zu verlassen.
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Innerhalb jeder Ablage 16 sind mehrere Leistungsschaltmodule (PSMs) 32 und eine gleiche Anzahl intelligenter modularer Zellen 34 an eine Schaltungsgrundplatte 30 montiert. Jede der modularen Zellen 34 ist mit einem jeweiligen der PSMs 32 elektrisch verbunden, so dass jedes PSM 32 wie ein dediziertes/individuelles Schaltnetzteil für eine entsprechende modulare Zelle 34 wirkt. Dies trägt zur Sicherstellung der magnetischen Isolierung jeder modularen Zelle 34 von allen anderen modularen Zellen 34, die in der PCBA 50 verwendet werden, bei. Bei einer alternativen Ausführungsform können die PSMs 32 in den modularen Zellen 34 enthalten sein, z.B. als integrierter Netzteil-Chip. Zur Konsistenz mit der Darstellung wird jedes der PSM 32 nachstehend als getrennt von den modularen Zellen 34 beschrieben.
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Zudem weist jede der in 2 gezeigten modularen Zellen 34 innerhalb ihrer jeweiligen Ablage 16 eine eindeutige Adresse auf. In jeder modularen Zelle 34 ist ein Mikrocontroller 36 enthalten, um zu ermöglichen, dass während einer Testsimulation jede modulare Zelle 34 einzeln adressiert wird, wie nachstehend mit Bezug auf 3 und 3A im Detail erläutert wird. Die modularen Zellen 34 enthalten einen Halbleiterschalter 65 (siehe 3), der verwendet wird, um eine Pulsbreitenmodulation (PWM) an eine Eingangsspannung anzulegen, die von einem jeweiligen PSM 32 für diese modulare Zelle 34 geliefert wird. Eine Ausführungsform der modularen Zelle 34 wird nachstehend mit Bezug auf 4 beschrieben.
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Mit Bezug auf 3 enthält die PCBA 50 einen Stromanschlussblock 29, der die Wechselstromleitungsleistung 11 mit einem Haupt-PSM 132 verbindet. Das Haupt-PSM 132 wirkt wie ein individuelles Schaltnetzteil für ein Kommunikationsmodul 38, ist aber ansonsten identisch wie die verschiedenen PSMs 32 ausgestaltet, die auf dem Rest der PCBA 50 verwendet werden. Das Kommunikationsmodul 38 empfängt Zellenzustandsmeldungen (Pfeil 60) und überträgt Zellenstatusmeldungen (Pfeil 160) über den Kommunikationsbus 31, wie nachstehend mit Bezug auf 3A erläutert wird.
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Jedes PSM 32, 132 verwendet einen Halbleiterschalter 64 oder mehrere derartige Schalter, um die PWM zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsgleichspannung für die modularen Zellen 34 anzulegen, beispielsweise unter Verwendung von Bipolartransistoren (BJTs), Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) usw. Die geregelte Ausgangsspannung kann mit einem beliebigen benötigten Pegel geliefert werden, der für die speziellen Halbleitervorrichtungen geeignet ist, die zum Ausbilden des Halbleiterschalters 64 verwendet werden, z.B. 5 VDC oder 6 VDC, und mit einem Ausgangsstrom von bis zu 1 A. Die modularen Zellen 34 verwenden einen weiteren Halbleiterschalter 65, um die angeforderte Spannung während der Simulation bereitzustellen. Ein Beispiel des Halbleiterschalters 65 wird nachstehend mit Bezug auf 4 offengelegt.
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Wie in der Technik gut verstanden wird, beschreibt das PWM-Tastverhältnis den zeitlichen Anteil, bei dem Leistung für eine gegebene Komponente eingeschaltet ist, d.h. ein Tastverhältnis von 0 % entspricht vollständig ausgeschaltet und 100 % entspricht vollständig eingeschaltet. Daher sind jedes PSM 32, 132 und jede modulare Zelle 34 ausgestaltet, um mit einem angeforderten Tastverhältnis zu arbeiten, um die angeforderte Ausgabespannung zu erzeugen, wobei die PSMs 32 diese Ausgangsspannung an eine entsprechende modulare Zelle 34 liefern, das PSM 132 die Ausgangsspannung an das Kommunikationsmodul 38 liefert und sich die modularen Zellen 34 selbst auf die gewünschte Ausgangsspannung einstellen, um einen speziellen Zellenzustand zu simulieren.
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Jedes PSM 32, 132 hat daher zwei Hauptfunktionen: das Bereitstellen von zwei Spannungspegeln, z.B. einer geregelten Spannung mit 5 VDC oder 6 VDC und einer ungeregelten höheren Spannung, sowie das Bereitstellen einer magnetischen Isolierung der modularen Zellen 34 voneinander. Das heißt, dass jede modulare Zelle 34 über ihr eigenes dediziertes PSM 32 verfügt, so dass keine andere Zelle 34 in allen Ausführungsformen ein PSM 32 gemeinsam nutzt, unabhängig davon, ob das PSM 32 eine separate Platine oder ein integrierter Mikrochip ist, der sich innerhalb der modularen Zelle 34 befindet.
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Eine Eingabe/Ausgabe-Karte (I/O-Karte) 35 kann verwendet werden, um die PCBA 50 über den Kommunikationsbus 31 mit der in 1 gezeigten Trägermaschine 14 zu verbinden. Folglich wird Wechselstromleitungsleistung 11 über den Stromanschlussblock 29 an die PCBA 50 geliefert, während eine Kommunikation zwischen der PCBA 50 und der Trägermaschine 14 über die I/O-Karte 35 hergestellt wird.
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Bei einer speziellen Ausführungsform ist die Anordnung der modularen Zellen (C) 34 und der PSMs (P) 32 von 3 hinsichtlich der Länge (X) und Breite (Y) der PCBA 50 symmetrisch. Bei einer Ausführungsform beispielsweise, bei der eine gegebene Ablage 16 (siehe 1 und 2) eine PCBA 50 mit genau 16 modularen Zellen 34 enthält, kann eine erste Reihe 18 aus acht Zellen/PSM-Paaren parallel zu einer identischen zweiten Reihe 19 aus acht Zellen/PSM-Paaren angeordnet sein. Bei der gleichen Ausführungsform kann das Kommunikationsmodul 38 eine Länge (L2) aufweisen, die das Doppelte der Länge (L1) einer gegebenen modularen Zelle 34 ist. Die I/O-Karte 35 kann die gleiche Länge wie jede der modularen Zellen 34 aufweisen, so dass die Anordnung der PCBA 50 mit Bezug auf die Oberfläche der Schaltungsgrundplatte 30 perfekt symmetrisch ist. Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die modularen Zellen 34 sowie das Kommunikationsmodul 38 und die PSMs 32, 132 alle modular, was ermöglicht, dass diese Komponenten leicht ausgetauscht werden können, indem einfach (nicht gezeigte) Stiftkontakte an der Unterseite der Komponenten von dazu passenden Sockeln oder Headern in der Schaltungsgrundplatte 30 getrennt werden.
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Mit Bezug auf 3A veranschaulicht ein beispielhaftes Logikflussdiagramm 55 den grundlegenden Kommunikationsfluss, der zwischen der Trägermaschine 14 von 1 und bestimmten Komponenten der in 3 gezeigten PCBA 50 stattfindet. Wenn eine Sollzellenzustandsmeldung (Pfeil 60) von der Trägermaschine 14 über den Kommunikationsbus 31 an die PCBA 50 übertragen wird, kann die Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60) in der Form einer CAN-Meldung vorliegen. Folglich kann das gut bekannte CAN-Protokoll verwendet werden, um eine Kommunikation zu steuern, die zwischen der Trägermaschine 14 und jeder der Ablagen 16 (siehe 1) stattfindet.
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Die CAN-Meldung, welche die Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60) für eine gegebene modulare Zelle 34 von 3 verkörpert, kann in dem Format [Ablage #, Zelle #, Aktion] vorliegen, wobei „Ablage #“ die spezielle Ablage 16 im Gehäuse 13 von 1 bezeichnet, welche diese Meldung (Pfeil 60) empfangen soll, „Zelle #“ die spezielle Zelle 34 innerhalb dieser Ablage 16 bezeichnet und „Aktion“ den Zustand oder die Aktion definiert, welche von dieser speziellen Zelle 34 angefordert wird. Zum Beispiel kann die angeforderte Aktion ein Lesewert der Spannung oder des Stroms der modularen Zelle 34, die Simulation einer Schaltungsunterbrechungs- oder Kurzschluss-Bedingung sein, ein Standardspannungszustand, ein anderer Spannungszustand als der Standardzustand, usw. sein.
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Nachdem die Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60) von der I/O-Karte 35 empfangen wurde, wird die Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60) an das Kommunikationsmodul 38 weitergeleitet. Das Kommunikationsmodul 38 reagiert darauf, indem es die Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60) in eine serielle Meldung (Pfeil 26), beispielsweise eine RS-232-Meldung, umformt, welche an die modulare Zelle 34 übermittelt wird, die in der Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60) angegeben ist. Auf diese Weise wird jede der modularen Zellen 34 sequentiell und individuell adressiert.
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Danach antwortet die modulare Zelle 34 über eine Antwortmeldung (Pfeil 70), welche auch eine serielle Meldung ist, auf das Kommunikationsmodul 38. Die Antwortmeldung (Pfeil 70) liefert einen Status dieser speziellen modularen Zelle 34, z.B. einen Lesewert ihres Spannungs- und/oder Strompegels nach dem Ausführen des angeforderten Zustands, der über die Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60) an diese modulare Zelle 34 übermittelt wurde. Das Kommunikationsmodul 38 setzt die Antwortmeldung (Pfeil 70) danach in die Zellenstatusmeldung 160 um, welche über die I/O-Karte 35 wie die originale Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60) als eine CAN-Meldung zurück an die Trägermaschine 14 übertragen werden kann.
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Der vorliegende Ansatz stellt eine Übersicht für einen Ansatz zum Simulieren des Verhaltens einer elektrischen Vorrichtung bereit. Das beispielhafte Verfahren 100 von 5 beschreibt eine Ausführungsform, in welcher das System 10 von 1 ausgestaltet ist, um das Verhalten eines Batteriestapels mit 96 Zellen für ein Elektrofahrzeug, ein Hybridelektrofahrzeug oder ein Elektrofahrzeug mit vergrößerter Reichweite zu emulieren. Der Fachmann wird feststellen, dass das vorliegende Verfahren 100 zur Verwendung bei Simulationen von anderen elektrischen Vorrichtungen angepasst werden kann, ohne den beabsichtigten erfinderischen Umfang zu verlassen. Alle Schritte im Verfahren 100 werden nachstehend mit Bezug auf die Struktur erläutert, die vorstehend mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben ist.
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Die Zelle 34 der vorstehenden 2, 3 und 3A kann als eine gedruckte Leiterplattenanordnung ausgeführt sein, wobei ein beispielhafter Schaltplan 80 dafür in 4 gezeigt ist. Der Fachmann wird die verschiedenen Schaltungssymbole verstehen, die im Schaltplan 80 verwendet sind, d.h. R (Widerstand), C (Kondensator), D (Diode), T (Transistor) usw. Andere Schaltungskomponenten sind mit zugeordneten Bezugsnummern beschrieben, um die Klarheit der Darstellung zu erhöhen. Werte für die verschiedenen Schaltungskomponenten können mit dem Entwurf und der benötigten Funktionalität variieren, wie nachstehend beschrieben wird. Die hier beschriebenen Bereiche dienen folglich zur Veranschaulichung des speziellen Beispiels, das in 4 gezeigt ist, und sollen keine Beschränkung darstellen.
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Indem die Header bzw. Sockel 82, 182 und 282 (J1, J2 bzw. J3) mit (nicht gezeigten) passenden Headern der Grundplatte 30 (siehe 2 und 3) verbunden werden, wird der Mikrocontroller 36 in Verbindung mit anderen Komponenten der PCBA 50 von 3 gestellt. Der Mikrocontroller 36, der die Gesamtfunktionalität einer gegebenen modularen Zelle 34 steuert, kann bei einer speziellen Ausführungsform als eine PIC16F690-Vorrichtung ausgeführt sein, oder als eine beliebige andere Mikrocontroller-Vorrichtung, die über die Trägermaschine 14 und das Kommunikationsmodul 38 von 1 und 2 individuell adressiert werden kann. Verschiedene Kontakte des Mikrocontrollers 36 können nach Bedarf Signale empfangen und ausgeben, welche Eingänge wie etwa ein Taktsignal von einem Resonator 85 und serielle Meldungen vom Kommunikationsmodul 38 von 1 umfassen. Die seriellen Meldungen (Pfeil 26 von 3A) vom Kommunikationsmodul 38 können über den Header 82 (J1) an den Mikrocontroller 36 übertragen werden. Der Header 282 (J3) ermöglicht eine serielle Programmierung in der Schaltung, so dass der Mikrocontroller 36 nach Bedarf von der Trägermaschine 14 mit Hilfe von Firmwareaktualisierungen leicht aktualisiert werden kann.
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Der Header 182 (J2) gibt selektiv ein Spannungstreibersignal (Pfeil 71) an einen Optokoppler 88 aus. Eine Photodiode 73 des Optokopplers 88 wird in Ansprechen auf das Treibersignal (Pfeil 71) erregt, wodurch der Optokoppler 88 eingeschaltet wird. Ein Ausgangssignal (Pfeil 75) vom Optokoppler 88 wird vom Mikrocontroller 36 empfangen, um die Simulationsfunktion der modularen Zelle 34 einzuleiten. Folglich stellt die Verwendung des Optokopplers 88 sicher, dass die modulare Zelle 34 vom Hauptcontroller, d.h. von der Trägermaschine 14 von 1, optisch isoliert bleibt.
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Der Halbleiterschalter 65, der vorstehend kurz beschrieben wurde, ist eine weitere Hauptkomponente der Schaltung 80 von 4. Die spezielle Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, verwendet einen p-Kanal-MOSFET 86 des Typs, der in der Technik bekannt ist, obwohl auch andere Halbleitervorrichtungen wie etwa IGBTs oder BJTs mit kleineren Schaltungsveränderungen, die der Fachmann versteht, verwendet werden können. Speziell wird mit dem p-Kanal-MOSFET 86 im Vergleich mit anderen Halbleitervorrichtungen, wie etwa einem BJT, ein Spannungsabfall minimiert, was bei bestimmten Anwendungen Leistungsvorteile bereitstellen kann.
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Funktional antwortet der Mikrocontroller 36 auf eine empfangene serielle Meldung, indem er ein PWM-Signal (Pfeil 77) erzeugt, das durch eine zweipolige RC-Schaltung 87 gleichgerichtet wird. Ein gleichgerichtetes Ausgangssignal (Pfeil 187) von der RC-Schaltung wird dann über eine Pufferschaltung 89 gepuffert, um Signalrauschen zu verringern, und wird dann als ein gepuffertes PWM-Signal (Pfeil 99) in einen Komparator 83 des Halbleiterschalters 65 eingespeist. Der Komparator 83 vergleicht die Ausgangsspannung (Pfeil 91) von einer Mess-Operationsverstärkerschaltung 90 und den Ausgang der Pufferschaltung 89, wobei die Operationsverstärkerschaltung 90 den tatsächlichen Spannungsausgang für die modulare Zelle 34 liest, einen Wert, der aufgrund von resistiven Verlusten, die innerhalb oder außerhalb der modularen Zelle 34 von 3 auftreten, niedriger als erwartet sein kann.
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Wenn der Komparator 83 des Halbleiterschalters 65, der in 4 gezeigt ist, eine Ausgangsspannung (Pfeil 91) von der Mess-Operationsverstärkerschaltung 90 wahrnimmt, die niedriger als das gepufferte PWM-Signal ist, kann der Komparator 83 eine Spannungserhöhung anfordern, indem er den MOSFET 86 einschaltet, oder indem er bei anderen Ausführungsformen eine andere Halbleitervorrichtung einschaltet. Auf ähnliche Weise kann der Komparator 83 eine Verringerung der Spannung anfordern, indem er den MOSFET 86 ausschaltet.
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Andere Schaltungskomponenten, die in der modularen Zelle 34 verwendet werden, welche wie in 4 gezeigt ausgeführt ist, können eine Schutzschaltung 95 mit Elementen wie etwa einer Zenerdiode 96 (D3), z.B. einen SB240E-Schottky-Barrierengleichrichter, der vor einem plötzlichen Anstieg des elektrischen Stroms in einem System schützt, das mehrere in Reihe verbundene modulare Zellen 34 aufweist, und ein Kondensator/Widerstands-Paar 97 (C8, Rx) umfassen, das dazu beiträgt, den Betrieb der modularen Zelle 34 zu stabilisieren. Außerdem können ein Strommonitor 84 und ein Puffer 98 in Verbindung mit anderen Schaltungselementen verwendet werden, um die gewünschte Reaktion der modularen Zelle 34 in dem System 10 von 1 bereitzustellen.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform, welche die in 4 gezeigte Schaltung verwendet, können die folgenden Werte mit einer geregelten Spannung von 6 VDC für den Mikrocontroller 36 verwendet werden. R1 kann 4,7 kΩ betragen, während die Widerstände R2 und R3 10 kΩ betragen können. Die Widerstände R4 - R6 und R10 können kalibrierte Werte aufweisen und können daher als variable Widerstände ausgeführt sein, um die gewünschten Verstärkungen in der Schaltung bereitzustellen, die im Schaltplan 80 gezeigt ist. R7 und R8 können jeweils Widerstände mit 2,2 kΩ sein. Zudem kann R13 390 Ω sein, R 16 kann 0,1 kΩ sein und R17 und R18 können jeweils 4,02 kΩ sein.
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Bei den Kondensatoren können C1 und C2 jeweils 0,33 µF sein, während die Kondensatoren C3 und C10 10 µF sein können. Die Kondensatoren C4 - C7 und C9 können kleinere Vorrichtungen sein, z.B. jeweils 0,1 µF. Die Kapazität des Kondensators C8 ist ein Kalibrierungswert. Jedoch solle der gewählte Wert relativ zu den anderen in 4 gezeigten Kondensatoren sehr hoch sein, um die gewünschte Funktionalität der Schutzschaltung 95 bereitzustellen. Der Resonator 85 (Y1) kann mit etwa 20 MHz schwingen, während der Transistor 101, der neben dem Widerstand R7 gezeigt ist, bei der gleichen Ausführungsform als ein MMBT3906-Transistor vom pnp-Typ mit kleiner Signaloberflächenmontage ausgestaltet sein kann. Jeder der in 4 gezeigten Operationsverstärker kann als eine MCP6004-Vorrichtung ausgeführt sein, d.h. als Vierfach-Universal-Operationsverstärker, der Eingang und Ausgang von Schiene zu Schiene in einem Bereich von 1,8 bis 6 V bietet, wie in der Technik gut bekannt ist. Wiederum können die tatsächlichen Werte, die für jedes der Schaltungselemente bereitgestellt sind, die in der physikalischen Ausführungsform der modularen Zelle 34 verwendet werden, mit dem Entwurf variieren und daher sind die vorstehenden Werte nur veranschaulichend.
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Mit Bezug auf 5 und beginnend mit Schritt 102 setzt das PSM 132 von 2 Wechselstromleitungsleistung 11 in eine kalibrierte Gleichspannung, z.B. 6 VDC um, nachdem die Trägermaschine 14 mit der Gehäuseanordnung 12 verbunden wurde und die Leitungsleistung 11 mit dem Gehäuse 13 verbunden wurde, was alles in 1 gezeigt ist. Die Umsetzung kann mit Hilfe von PWM bewerkstelligt werden, wie in der Technik gut verstanden wird. Ein Strom von weniger als etwa 1 A kann von jedem PSM 32, 132 an die spezielle Komponente geliefert werden, die von diesem speziellen PSM 32, 132 mit Energie versorgt wird, z.B. das Kom-munikationsmodul 38 oder eine beliebige der modularen Zellen 34, die in 3 gezeigt sind.
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Bei Schritt 104 kann ein Anwender der Trägermaschine 14 von 1 eine gewünschte Simulationssequenz oder einen Zellenzustand wählen. Schritt 104 kann umfassen, dass eine geeignete Softwareanwendung gestartet wird, etwa Vehicle Spy Professional, das von Intrepid Control Systems, Inc. aus Madison Heights MI vertrieben wird. Unter Verwendung eines derartigen Werkzeugs und/oder durch Programmieren einer ähnlichen Anwendung beispielsweise mit C++ kann ein Anwender die speziellen modularen Zellen 34 jeder der verschiedenen PCBAs 50 wählen, einen Simulationszustand für die gewählten modularen Zellen 34 wählen, und die Zellenzustandsmeldung (Pfeil 60 von 3 und 3A) an das Kommunikationsmodul 38 übertragen.
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Als Beispiel kann Schritt 104 umfassen, dass eine Zellenspannung zwischen 0 und 2,7 VDC oder eine beliebige andere Spannung bis hin zu dem geregelten Spannungsausgang des PSM 32, 132 gewählt wird. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann Schritt 104 umfassen, dass ein Spannungswert gewählt wird, der eine Schaltungsunterbrechung oder einen Kurzschluss simuliert. Andere modulare Zellen 34 können angewiesen werden, ihre Spannungspegel und/oder Strompegel in Ansprechen auf die befohlenen Zustände anderer modularer Zellen 34 zu lesen und zu berichten. Über die Anwenderschnittstelle 24 von 1 können verschiedene Programmierfenster angezeigt werden, um Schritt 104 zu ermöglichen, etwa indem ein Satz von herunterklappbaren Menüs mit Befehlen wie etwa „Ablage #“, „Zelle #“ und „Aktion“ wie vorstehend als Beispiel aufgeführt, programmiert werden, oder indem analoge Werte wie etwa der Strom- oder Spannungsbefehl für eine gegebene Zelle 34 in mA bzw. mV gewählt wird.
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Nachdem die Simulationszustandsmeldung (Pfeil 60 von 3 und 3A) von der Trägermaschine 14 von 1 übertragen worden ist, empfängt das Kommunikationsmodul 38 bei Schritt 106 diese Meldung und setzt sie in eine serielle Meldung um, z.B. RS-232 oder einen anderen kostengünstigen Standard. Nachdem die empfangene Meldung umgesetzt worden ist, geht das Verfahren 100 zu Schritt 108 weiter.
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Bei Schritt 108 überträgt das Kommunikationsmodul 38 die serielle Meldung 26 an den Mikrocontroller 36 einer gegebenen modularen Zelle 34. Zum Beispiel kann Schritt 106 die Übertragung einer seriellen Meldung 26 umfassen, welche eine spezielle modulare Zelle 34 anweist, ihre Spannung auf 2,0 VDC einzustellen.
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Nachdem die serielle Meldung 26 übertragen worden ist, geht das Verfahren 100 zu Schritt 110 weiter.
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Bei Schritt 110 stellt das Kommunikationsmodul 38 fest, ob alle modularen Zellen 34 in einer gegebenen Ablage 16 eine serielle Meldung 26 für die gegenwärtige Simulation empfangen haben. Wenn nicht, wiederholt das Verfahren 100 Schritt 106. Nachdem alle seriellen Meldungen 26 an die modularen Zellen 34 einer gegebenen Ablage 16 übertragen worden sind, geht das Verfahren 100 zu Schritt 112 weiter.
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Auf den Empfang der seriellen Meldung 26 hin antwortet eine modulare Zelle 34, welche die serielle Meldung 26 empfängt, bei Schritt 112, indem sie eine PWM auf der Spannung implementiert, die von dem entsprechenden PSM 32 eingegeben wird. Das heißt, die modulare Zelle 34 antwortet, indem sie das angeforderte PWM-Tastverhältnis ausführt, das von dem Mikrocontroller 36 für diese modulare Zelle 34 bestimmt wurde, um ihren angeforderten Zustand zu erreichen. Der Fachmann wird feststellen, dass verschiedene Halbleiterschaltansätze zum Ausführen der PWM existieren, z.B. die Verwendung von MOSFETs oder IGBTs. Bei einer Ausführungsform können die modularen Zellen 34 eine Auflösung von 10 Bit aufweisen und können daher eine beliebige angeforderte Spannung im Bereich von 0 VDC bis zu dem kalibrierten Spannungspegel des zugehörigen PSM 32 für diese modulare Zelle 34 ausgeben, z.B. 4,95 VDC, in Inkrementen von 4,95 mV, wenn das zugehörige PSM 32 eine geregelte Spannung mit 5 VDC ausgibt.
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Bei Schritt 114 kann jede modulare Zelle 34 dem Kommunikationsmodul 38 mit einer Antwortmeldung 70 (siehe 3A) antworten, indem sie beispielsweise den Spannungs- und/oder Strompegel dieser speziellen modularen Zelle 34 berichtet.
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Bei Schritt 116 setzt das Kommunikationsmodul 38 wie in 3A gezeigt, die empfangene Antwortmeldung 70 in eine Zellenstatusmeldung 160 um, wie in der gleichen Figur gezeigt ist. Schritt 116 kann umfassen, dass die Antwortmeldung 70 in eine CAN-Meldung umgeformt wird. Die Trägermaschine 14 kann dann die Antworten für alle modularen Zellen 34, die in der Gehäuseanordnung 12 von 1 verwendet werden, aufzeichnen und anschließend die Antwort des modellierten Systems auf die speziellen Fehler oder Zellenzustände bestimmen, welche in den Schritt 102 - 114 simuliert wurden.
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Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung im Umfang der beigefügten Ansprüche in die Praxis umzusetzen.
