DE102015204301A1

DE102015204301A1 - Testaufbau und Emulationseinheit für einen Zellmanagementcontroller eines Batteriemoduls zur Verwendung in einem Testaufbau zum Testen eines Batteriemanagementcontrollers

Info

Publication number: DE102015204301A1
Application number: DE102015204301.0A
Authority: DE
Inventors: Carsten-Stephen Kulkwitz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2016-09-15

Abstract

Es werden ein Testaufbau und eine Emulationseinheit (1) für einen Zellmanagementcontroller (CMC) eines Batteriemoduls (26) zur Verwendung in einem Testaufbau (100) zum Testen eines Batteriemanagementcontrollers (3) vorgeschlagen. Die Emulationseinheit (1) umfasst:
– eine Auswerteeinheit (4),
– einen Signaleingang (5),
– einen nicht-flüchtigen Speicher (6),
– einen Signalausgang (7), wobei
– die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist,
– über den Signaleingang (5) erhaltene Datenfolgen zu interpretieren,
– zu den Datenfolgen korrespondierende Einträge im nicht-flüchtigen Speicher (6) abzulegen, und
– anhand der Einträge sowie anhand im nicht-flüchtigen Speicher (6) abgelegter Anweisungen erstellte Signale über den Signalausgang (7) an den Batteriemanagementcontroller (3) auszugeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Testaufbau sowie eine Emulationseinheit für einen Zellmanagementcontroller eines Batteriemoduls. Die Emulationseinheit ist dazu vorgesehen, den Aufwand und das Gefahrenpotential beim Testen unterschiedlicher Batteriemanagementcontroller möglichst gering zu halten. Überdies wird ein Testaufbau vorgeschlagen, mittels dessen ein Batteriemanagementcontroller unter Verwendung mindestens einer Emulationseinheit getestet werden kann.
Die Elektrifizierung des Personenindividualverkehrs schreitet derzeit rasch voran. Einer der verfolgten Ansätze besteht darin, Hochvoltbordnetze (im Bereich 400 V und höher) mittels elektrochemischer Speichermodule im Fahrzeug zu versorgen. Die vergleichsweise geringe Zellenspannung einer einzelnen elektrochemischen Zelle erfordert eine aufwendige Überwachung und Steuerung einer Vielzahl in Reihe geschalteter Speicherzellen. Um die elektrochemischen Speicher und ihre Entwicklung möglichst wirtschaftlich zu gestalten, wird eine zunehmende Modularisierung der elektrochemischen Speicher (auch „Hochvoltbatteriesysteme“) vorgenommen, mittels welcher die unterschiedlichen Anforderungen innerhalb der Vielfalt gefertigter Fahrzeugmodelle und -konzepte elektrifiziert werden. Bislang gibt es wenige globale Hersteller von Hochleistungsbatteriezellen, welche beispielsweise zu einem Batteriemodul zusammengefasst werden. Dieses Batteriemodul besteht aus einem vorgegebenen Gehäuse, dem Package, den Batteriezellen und einer Elektronik, die als Überwachungs- und Sensoreinrichtung konzipiert ist. Diese Elektronik wird nachfolgend als Zellmanagementcontroller (CMC) bezeichnet. Das Batteriemodul muss als Setzteil bei der Batterieentwicklung implementiert werden. Er stellt somit eine Vorgabe dar, welche durch neue Entwicklungsvorhaben bedingt ist. Die übergeordnete Einheit „Hochvoltbatterie“ besteht aus mehreren elektronischen Steuergeräten. Beispiele sind der BMC (Batteriemanagementcontroller), die BJB (Batteriejunctionbox, auch „Schützschaltsteuergerät“) und ein bzw. gegebenenfalls mehrere CMCs. Aufgrund der verteilten Anordnung der Steuergeräte innerhalb des Hochvoltbatterieverbundes wird eine Vernetzung für den Austausch von Betriebsinformationen erforderlich, damit eine sinnvolle Funktion der Batterie erzielt wird. Diese Vernetzung macht die Definition von Schnittstellen und wiederum Kommunikation erforderlich. Sie wird in der Kraftfahrzeugtechnik üblicherweise durch die CAN-Bus-Systeme sichergestellt. „CAN“ steht für Controller Area Network. Denkbar ist, im Batteriesystem einen CAN-Bus für die Belange der Hochvoltbatterie einzusetzen, welcher auch als „Batterie-CAN (BCAN)“ bezeichnet wird. Für ein Hochvoltbatteriesystem eines Traktionssystems eines Fortbewegungsmittels sind neben dem BCAN noch der Antriebs-CAN (ACAN) und der Hybrid-CAN (HCAN) relevant. Im Gegensatz zum BCAN, der nur innerhalb des Batteriesystems verwendet wird, bilden der ACAN und HCAN die wesentlichen Schnittstellen der Hochvoltbatterie zum Antriebsstrang des Fahrzeugs.
Der BMC übernimmt neben den Steuerungsfunktionen des Batteriesystems auch die sicherheitsrelevanten Überwachungsfunktionen gemäß ASIL C ISO 26262. Die Überwachungsfunktionen sind Bestandteile der Software, die im Programmspeicher des BMC implementiert sind. Der Funktionsumfang eines BMCs ist so groß, dass einzelne Softwareanteile mitunter von unterschiedlichen Anbietern erstellt werden. Neben den äußeren physikalischen und extern logischen Schnittstellen entsteht aufgrund der unterschiedlichen Urheber der Software eine Vielzahl steuergeräte-interner Schnittstellen. Die zunehmende Aufteilung der Entwicklungsverantwortlichkeiten für ein solches BMC-Steuergerät erschwert die Validierung der Funktionen innerhalb der Software zwischen den beteiligten Organisationseinheiten. Konzeptionsfehler werden häufig erst sehr spät bei der Fahrzeuginbetriebnahme erkannt und führen zu zusätzlichen Korrekturaufwänden, oft mit dem Erfordernis einer erneuten Erprobung. Diese Arbeiten erhöhen außerordentlich die Entwicklungskosten und gefährden die Einhaltung zugesagter Terminziele. Ferner ergeben sich während der Entwicklungsarbeit mitunter zusätzliche Funktionserfordernisse, die erst im Laufe des Entwicklungsprozesses erkannt und implementiert werden müssen. Dieser Anspruch erfordert eine neue Entwicklungsstrategie in Verbindung mit einer neuen Entwicklungs- und Testinfrastruktur.
Zum Erproben der Umfänge werden mitunter Batteriesystemprüfstände verwendet, welche die wesentlichen Produkteigenschaften und physikalischen Betriebspunkte testen. Andererseits werden sog. „Hardware in the loop“(HIL)-Tests, die teilweise automatisiert sind, zur Überprüfung des normalen und sicherheitsrelevanten Steuergeräteverhaltens verwendet. Die HIL-Prüfstände sollen beweisen, dass normale und sicherheitsrelevante Steuergerätefunktionen erwartungs- und anforderungsgemäß arbeiten, wobei auch solche Betriebssituationen getestet werden, welche nicht mit realen elektrochemischen Zellen erreicht werden können, ohne dabei eine Zerstörung des Prüfobjektes zu riskieren. HIL-Prüfstände ermöglichen den Betrieb der vollständigen Elektronikbestandteile im Verbund. Dabei werden die CMCs in der projektspezifizierten Anzahl gemeinsam mit dem BMC und der BJB auf ein Brettboard montiert und mit einer Ansteuerelektronik angeschlossen, die den Prüflingen das Vorhandensein einer realen Betriebsumgebung simulieren. Ergänzend enthält ein PC eine Steuersoftware für den HIL, damit der Testingenieur den HIL mit Informationen versorgen kann, die ihn in die Lage versetzen, die zu erprobende Elektronik arbeitspunktgemäß anzusteuern. Darüber hinaus ermöglicht diese Einrichtung die Herstellung von Fehlerzuständen, die im Batteriesystem nicht schädigungsfrei möglich wären. Die HIL-Prüfstände werden von unterschiedlichen Anbietern projektspezifisch angefertigt. Diese Spezialisierung führt zu einem vergleichsweise hohen Anschaffungspreis für die Ausrüstung.
US 8,791,710 B2 offenbart ein Batteriesimulationssystem mit Fehlerfallsimulation, bei welchem ein in einem Computer gespeichertes Batteriesimulationsmodell verwendet wird, und über Schalter mehrere Batteriezellen elektrisch verknüpft. Über weitere Schalter können beispielsweise Fehler auf den Leitungen zwischen einer Steuereinheit und den Batteriezellen simuliert werden.
US 2013/0346052 A1 offenbart ein modulares System zum Simulieren der Performance einer Batterie mit vielen Zellen, welches Leistungsschaltungsmodule, enthaltend Halbleiterschalter, verwendet, um über eine Pulsweitenmodulation eine Wechselspannung in eine kalibrierte Gleichspannung umzuwandeln und diese auszugeben.
Die im Stand der Technik bekannten Ansätze verwenden entweder reale elektrochemische Speicherzellen oder Schaltwandler zur Erzeugung einer entsprechenden (Hochvolt-)Gleichspannungsausgabe. Entsprechend müssen Vorsichtsmaßnahmen getroffen und Isolationsaufwände in Kauf genommen werden, um die entsprechenden Testszenarien durchlaufen zu können. Überdies sind die auf dem Markt angebotenen Systeme schwerfällig und aufwendig an neue Projekterfordernisse anzupassen. Ergeben sich beispielsweise andere Anordnungen oder Anzahlen von Batteriemodulen für einen zu testenden Energiespeicher bzw. einen mit diesem Energiespeicher zu testenden BMC, hat eine umfangreiche Umrüstung des Testaufbaues stattzufinden, bevor der Testbetrieb fortgesetzt werden kann. Jeder erkannte Mangel bzw. jede erforderliche technische Änderung der Schnittstellen muss nachträglich und im Einzelfall individuell spezifiziert und beauftragt werden. Des Weiteren kommen Automatisierungsansätze nur zögerlich zustande und werden aufgrund der komplizierten Systeme häufig von den Änderungen der Anforderungen überholt. Zusammengefasst sind die bekannten Systeme teuer, wartungsintensiv sowie schwerfällig zu bedienen und anzupassen. Die Gefahr, Fehler zu übersehen, ist außerordentlich hoch und wirkt sich damit direkt auf die wahrgenommene Qualität des Testergebnisses aus.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu lindern bzw. vollständig auszuräumen.
Die vorstehend identifizierte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Emulationseinheit für einen Zellmanagementcontroller (CMC) eines Batteriemoduls zur Verwendung in einem Testaufbau eines Batteriemanagementcontrollers (BMC) gelöst. Wie eingangs beschrieben, ist ein Zellmanagementcontroller für die Funktionsüberwachung und Durchführung etwaig erforderlicher Vorgänge zum Ausgleich der Zellspannungen, sog. Balancing innerhalb eines Moduls elektrochemischer Speicherzellen verantwortlich. Der CMC sitzt hierbei in räumlicher Nähe zu dem ihm zugeordneten Speicherzellenmodul innerhalb der Batterie. Die Emulationseinheit ist vorgesehen, zumindest solche Vorgänge eines realen CMCs durchzuführen, welche zum Testen der ordnungsgemäßen Funktion eines BMCs erforderlich sind. Lediglich beispielhaft seien eine Temperaturmessung innerhalb des Batteriemoduls und die Kommunikation des Temperaturwertes an den BMC genannt. Die Emulationseinheit weist eine Auswerteeinheit auf, welche beispielsweise einen Mikrocontroller, einen Nanocontroller oder einen anderen programmierbaren Prozessor umfassen kann. Diese Auswerteeinheit kann einen derart autarken Betrieb der Emulationseinheit ermöglichen, dass bereits nach einem Anlegen einer Versorgungsspannung die Anschlüsse der Emulationseinheit das Verhalten eines Batteriemoduls (von den HV-Spannungen abgesehen) an den Tag legen. Weiter sind ein Signaleingang, ein Signalausgang und ein nichtflüchtiger Speicher vorgesehen, mittels welcher die Emulationseinheit eingerichtet ist, aus der Umgebung empfangene Datenfolgen (z.B. Nachrichten, insbesondere Bus-Nachrichten, Bit-Folgen und andere digitale Signale) zu interpretieren. Die Datenfolgen können von der Auswerteeinheit zur Vornahme korrespondierender Einträge im nichtflüchtigen Speicher ausgewertet werden. Anhand der Einträge sowie anhand im nichtflüchtigen Speicher abgelegter Anweisungen kann die Auswerteeinheit Signale erstellen und über den Signalausgang an den BMC ausgeben. Auf diese Weise emuliert die Auswerteeinheit in Verbindung mit Parametern und den Anweisungen das informationstechnische Verhalten des CMCs eines Batteriemoduls gemäß dem Stand der Technik, ohne dass ein Steuerrechner (PC) zwingend erforderlich ist, um einen Testbetrieb zu starten. Insbesondere sind kostspielige und mitunter gefährliche elektrochemische Zellen nicht mehr erforderlich, um einen Batteriemanagementcontroller bezüglich unterschiedlicher Situationen zu testen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt kann der Signaleingang eine Busschnittstelle umfassen. Wie eingangs ausgeführt, werden CAN-Busse zur Kommunikation in Fortbewegungsmitteln häufig eingesetzt und mitunter auch zur Kommunikation innerhalb von Traktionsbatterien verwendet. Die Bus-Schnittstelle kann insbesondere eingerichtet sein, Verhaltensänderungen der Emulationseinheit vorzugeben, um neue Testszenarien anzustoßen. Auch eine Alarmleitung kann zur elektrischen Verbindung mit dem Batteriemanagementcontroller vorgesehen sein, wie diese auch in realen Topologien elektrochemischer Traktionsbatterien und deren Peripherie üblich sind. Insbesondere kann zur Kommunikation mit dem BMC eine elektrische Leitung vorgesehen sein, welche einen Spannungsteiler aufweist, um die zulässigen Eingangsspannungen der Emulationseinheit nicht durch die mitunter höheren Ausgangsspannungen der Ausgangssignale des BMCs zu überschreiten. Insbesondere kann ein Spannungswandlungsverhältnis 5:12 realisiert werden, wobei vom BMC ausgegebene 12V-Signale auf ein 5V-Niveau herabgesetzt werden und von der Emulationseinheit ausgegebene 5V-Signale verstärkt werden, um die Nennspannung (üblicherweise 12V) der vom BMC erwarteten Eingangssignale zu erreichen. Insofern kann der Spannungsteiler auch als aktives Bauteil ausgestaltet sein und einen Gleichspannungswandler, insbesondere einen Hochsetzsteller umfassen.
Die weitgehend selbstständig das CMC-Verhalten emulierende erfindungsgemäße Emulationseinheiten können erkennbar flexibel in nahezu beliebiger Konstellation zusammengeschaltet werden, um unterschiedlichste Batterieformen abzubilden und für die jeweilige Batterieform entwickelte BMCs zu testen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Testaufbau für einen Batteriemanagementcontroller (BMC) vorgeschlagen, welcher mindestens eine Emulationseinheit gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt und einen Steuerrechner (z.B. einen PC o.ä.) aufweist. Der Steuerrechner ist eingerichtet, den Signaleingang der Emulationseinheit mit Datenfolgen zu versorgen, welche vorgesehen sind, Änderungen an Parametern und/oder Anweisungen zur Erstellung und modifizierter, an den BMC zu sendender Signale vorzunehmen. Mit anderen Worten kann der Steuerrechner ein innerhalb der Emulationseinheit gespeichertes Modell für ein elektrisches Verhalten eines mit einem CMC ausgestatteten Batteriemoduls verändern. Lediglich im Bedarfsfall ist der Steuerrechner hochzufahren und zur Änderung der Parameter und/oder Anweisungen zu aktivieren, während die Emulationseinheit(en) ansonsten autark das informationstechnische Verhalten der Batterie abbilden und den Test des BMCs unterstützen kann bzw. können.
Der Steuerrechner kann hierzu einen Signalausgang aufweisen, welcher eine Antriebs-CAN-Schnittstelle (ACAN-SK) und/oder eine Batterie-CAN-Schnittstelle (BCAN-SK) und/oder eine Hybrid-CAN-Schnittstelle (HCAN-SK) und/oder eine Schnittstelle zu einer zentralen Auswerteeinheit des Testaufbaues aufweist. Hierbei steht „SK“ für Steuerkanal. Die zentrale Auswerteeinheit kann als außerhalb der Batteriemodule angeordnete Logik verstanden werden, mittels welcher übergeordnete Bestandteile eines Traktionsbatteriesystems gegenüber dem BMC emuliert werden. Auf die zentrale Auswerteeinheit (auch BMCI-SK) wird nachfolgend noch genauer eingegangen. Über die vorgenannten Schnittstellen kann der Steuerrechner umfangreiche Konfigurationen am Testaufbau vornehmen und eine Vielzahl unterschiedlicher Testszenarien einleiten.
Der Testaufbau kann weiter einen steuerbaren Widerstand aufweisen, welcher eingerichtet ist, von dem zu testenden BMC im Rahmen einer Routine zum Überprüfen eines Kühlmittelkreislaufventils erfasst zu werden. Alternativ kann über den steuerbaren Widerstand auch ein Kühlmitteltemperatursensor emuliert werden, welcher von dem BMC im Rahmen einer entsprechenden Routine vermessen wird. Mit anderen Worten kann der Testaufbau beispielsweise über die zentrale Auswerteeinheit einen Widerstandswert eines Kühlmittelkreislaufventils / eines Kühlmitteltemperatursensors für den BMC emulieren, um so einen Alterungsprozess im Zeitraffer nachzubilden.
Weiter kann der Testaufbau die vorgenannte zentrale Auswerteeinheit umfassen, welche eingerichtet ist, Steuerbefehle vom Steuerrechner zu empfangen und im Ansprechen auf den Empfang der Steuerbefehle eine Anzeigeeinheit mit einem modifizierten Inhalt zu versehen. Die Anzeigeeinheit kann beispielsweise Kapitel eines Testablaufes veranschaulichen, Messwerte ausgeben oder den Anwender auffordern, neue Anweisungen zu geben oder bestimmte Fehlermeldungen zu überprüfen. Alternativ oder zusätzlich kann die zentrale Auswerteeinheit, welche auch als „system on chip (SOC)“ ausgeführt sein kann, eine Signalerzeugungseinheit anweisen, um einen zur Überwachung einer Kühlmittelpumpe vorgesehenen Anschluss des BMCs mit einem „Lebend“-Signal zu versorgen. Das Lebend-Signal wird von BMCs üblicherweise erwartet, sofern die Kühlmittelpumpe ordnungsgemäß funktioniert. Beispielsweise kann die Signalerzeugungseinheit veranlasst werden, in vordefinierten Zeitabständen ein Gleichspannungssignal einer vordefinierten Mindestlänge auszugeben, um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Kühlmittelpumpe zu emulieren. Auch kann die zentrale Auswerteeinheit eingerichtet sein, eine serielle programmierbare Schnittstelle (SPI) anzuweisen, einen durch den Steuerrechner definierten Widerstandswert einzustellen, welchen der BMC im Rahmen einer Routine zur Überprüfung einer Kühlmitteltemperatur erfasst. Auf diese Weise wird auch ein Temperatursensor für die Kühlmitteltemperatur durch den erfindungsgemäßen Testaufbau emuliert. Alternativ oder zusätzlich kann ein Crash-Signalgenerator von der zentralen Auswerteeinheit angewiesen werden, ein Crash-Signal zu erzeugen, welches dem Batteriemanagementcontroller über elektrische Leitungen zugeführt wird. Auf diese Weise kann das informationstechnische Verhalten des BMCs im Falle eines schweren Unfalls überprüft werden, ohne dass ein tatsächlicher Crash-Signalgenerator (z.B. manuell) einer entsprechenden Beschleunigung unterworfen werden muss.
Weiter kann der Testaufbau ein Netzgerät zur Versorgung der Emulationseinheit(en) und/oder des Testaufbaues und/oder des BMCs und/oder der zentralen Auswerteeinheit mit einer elektrischen Spannung (z.B. im Bereich zwischen 12V und 14,8V umfassen. Das Netzgerät ermöglicht eine zeitlich uneingeschränkte Testbetriebsdauer und insbesondere bei zeitgleicher Versorgung sämtlicher vorgenannter Bestandteile des Testaufbaues erhöhten Wirkungsgrad und verringerten Platz- und Inbetriebnahmeaufwand.
Weiter bevorzugt kann der Testaufbau eine Emulationseinheit für einen Batterieanschlusskasten (englisch „Battery Junction Box“, BJB) umfassen. Diese BJB-Emulationseinheit umfasst ebenfalls eine Auswerteeinheit, welche als Mikrocontroller oder andere programmierbare Auswerteeinheit ausgestaltet sein kann. Über einen Signaleingang und einen Signalausgang kann die BJB-Emulationseinheit mit ihrer Umgebung innerhalb des Testaufbaues kommunizieren. Beispielsweise ist die Auswerteeinheit eingerichtet, im Ansprechen auf eine über den Signaleingang erhaltene Datenfolge (z.B. eine Nachricht, Bit-Folgen, insbesondere Bus-Nachrichten und/oder digitale Signale, bevorzugt keine Analog-Signale) einen Schaltzustand für ein Schütz an den BMC zu senden. Die BJB kann auf diese Weise eine vervollständigte Testumgebung für den BMC ermöglichen.
Weitere Emulationseinheiten können (z.B. als SOC) vorgesehen sein, Rest-Bus-Signale für den Antriebs-Can (ACAN) und den Hybrid-Can (HCAN) zu erzeugen.
Eine weitere Emulationseinheit (z.B. ebenfalls als SOC ausgestaltet) kann für die Erzeugung elektrischer Signale zuständig sein, welche die Relais steuert und die Bordnetz-Signale des BMCs auswertet, um sie an die Anzeigeeinheit zu senden. Mit den Relais können galvanisch zu trennende Signale erzeugt werden, wie Klemme 15, Klemme 30, Klemme 30sw, Service-Disconnect, Pilotlinie und CAN-Abschlusswiderstände.
Darüber hinaus kann ein Pegelwandler die Auswertung von Signalen zur Ansteuerung einer Kühlmittelpumpe und/oder eines Kühlmittelsteuerungsventils vornehmen. Die Auswerteeinheiten der Emulationseinheiten können eigene Firmware (Betriebssystem und Anwendungsprogramm für Embedded-Systems) im nichtflüchtigen Speicher (ROM) enthalten. Jede der Auswerteeinheiten der Emulationseinheiten hat seine eigene, nicht-synchron zu den Taktungen der anderen Auswerteeinheiten laufende Prozessortaktung. Die jeweilige erfindungsgemäße Emulationseinheit für den CMC sowie die Emulationseinheit für die BJB sind über den gemeinsamen BCAN informationstechnisch miteinander verbunden. Die Rest-Bus-Simulation für den ACAN und den HCAN verfügt jeweils über einen separaten CAN-Anschluss.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
1 ein schematischer Schaltplan eines auf realen Bauteilen basierenden Testsystems für einen BMC; und
2 ein schematischer Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäß ausgestalteten Testaufbaus für einen BMC.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bordnetz eines Fortbewegungsmittels 10, in welchem die Komponenten zum Betrieb eines elektrochemischen Energiespeichers dargestellt sind. Eine Battery Junction Box BJB vermittelt die über Stromschienen 28 aus den Batteriemodulen 26 erhaltene Hochvolttraktionsspannung über ein Schütz 24 an das Fahrzeugenergiebordnetz (Anschlüsse HV+, HV–). Die Stromschienen 28 verbinden die Batteriemodule 26, umfassend jeweils 12 (nicht im Einzelnen dargestellte) elektrochemische Speicherzellen, einen Temperatursensor 27 und einen jeweiligen Zellmanagementcontroller (CMC 1 bis CMC 8). Die Batteriemodule 26 werden über einen Kühlkreislauf 2 mittels einer Kühlflüssigkeit temperiert, welche über eine Kühlmittelpumpe 25 gefördert wird. Die Kühlmittelpumpe 25 wird über die Klemmen KL30, KL31 mit elektrischer Energie versorgt und über einen elektrischen Anschluss 16 des BMCs 3 gesteuert. Ein Kühlmittelschaltventil 30 ist vorgesehen, einen Bypass zwischen dem Kühlmitteleinlass 31 und dem Kühlmittelauslass 32 zu öffnen bzw. zu schließen. Ein Temperatursensor 29 ist eingerichtet, dem BMC 3 die Kühlmitteltemperatur am Kühlmitteleinlass 31 zu melden. Ein Temperatursensor 29 ist eingerichtet, dem BMC 3 die Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelauslass 32 zu melden. Sofern abnormale Zustände in der dargestellten elektrischen Anordnung auftreten, kann das BMC 3 über eine Alarmleitung 8, welche in Ringform sämtliche Batteriemodule 26 bzw. deren CMCs (CMC 1 bis CMC 8) miteinander verbindet, Maßnahmen ergreifen oder Anweisungen an die CMCs (CMC 1 bis CMC 8) zu deren Behebung ausgeben. Der BMC 3 und die BJB sind über eine Leitung 34 zur Relais(Schütz)-Notabschaltung informationstechnisch miteinander verbunden. Wird dem BMC 3 über eine Crash-Leitung 33 aus der Fahrzeuginfrastruktur eine Kollision mit vordefinierter Stärke gemeldet, kann die BJB veranlasst werden, das Schütz 24, welches auch mehrere Schütze umfassen kann, zu öffnen, um die Insassen vor gegebenenfalls gefährlichen Hochspannungen zu schützen. Die CMCs CMC 1 bis CMC 8, der BMC 3 sowie die BJB sind über einen Battery-CAN (BCAN) informationstechnisch miteinander verbunden. Die Versorgung der Zellmanagementcontroller CMC 1 bis CMC 8 wird über ein 12V-Klemme 30sw-Signal bewerkstelligt, welches der BMC 3 ausgibt. Sofern mit dem dargestellten Aufbau eine veränderte Batterie-Spezifikation getestet werden soll, muss die Anzahl der Batteriemodule 26 ebenfalls angepasst werden. Hierzu sind sämtliche Schraubverbindungen (nicht dargestellt) zwischen den zu entnehmenden Batteriemodulen 26 und den Stromschienen 28 zu lösen, die leeren Plätze zu überbrücken und gegebenenfalls zur Sicherstellung der Arbeitssicherheit elektrisch aufwendig zu isolieren. Auch die elektrischen Anschlüsse für die Alarmleitung 8, den BCAN und die Energieversorgung über die 12V-Klemme 30sw-Leitung sind entsprechend zu ändern. Gegebenenfalls müssen sogar Maßnahmen zur Anpassung des Kühlmittelkreislaufs 2 eingeleitet werden. Aufgrund der Tatsache, dass hierbei nicht lediglich Informationsleitungen neu zu konfigurieren sind, kann die Entnahme eines Batteriemoduls 26 eine Vielzahl von Steck-/Schraub- oder gar Schweiß-Verbindungen erfordern.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Testaufbau 100, in welchem Emulationseinheiten 1 für Zellmanagementcontroller CMC jeweiliger Batteriemodule (in 1 Bezugszeichen 26) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um das Verhalten der Batteriemodule 26 zu emulieren. Die Emulationseinheiten 1 weisen hierzu Signalein- und -ausgänge 5, 7 und einen jeweiligen, autark und unsynchronisiert getakteten Mikrocontroller 4 als Auswerteeinheit auf. In einem nichtflüchtigen Speicher in Form eines Flash-Speichers 6 sind Parameter und Anweisungen enthalten, mittels welcher die Emulationseinheiten 1 bereits im Ansprechen auf eine elektrische Energieversorgung das informationstechnische Verhalten eines Batteriemoduls 26 emulieren können. Hierzu können die Emulationseinheiten 1 über einen Batterie-CAN (BCAN-SK), über eine Alarmringleitung 8 und über eine weitere elektrische Leitung 35 mit dem BMC 3 kommunizieren. Eine Emulationseinheit 36 emuliert die Rest-Bus-Signale für den Antriebs-CAN (ACAN). Eine Emulationseinheit 37 emuliert die Rest-Bus-Signale für den Hybrid-CAN (HCAN). Eine Emulationseinheit 21 emuliert die Funktionen einer BJB und weist hierzu eine Auswerteeinheit 4 und Signalein- bzw. -ausgänge 22, 23 auf, welche als Bus-Teilnehmer an dem BCAN angeschlossen sind. Die Emulationseinheit 21 benötigt keinen Schütz, wie er in der BJB nach 1 enthalten ist, da Hochvoltsignale im dargestellten Aufbau nicht zu schalten sind. Jedoch kann die Emulationseinheit 21 im Ansprechen auf das Empfangen eines Befehls zum Schalten eines (nicht vorhandenen) Schützes eine Nachricht ausgeben, gemäß welcher der angeforderte Schaltvorgang erfolgreich ausgeführt worden ist. Diese Nachricht kann beispielsweise über LEDs, insbesondere in Verbindung mit Kleinsignal-Relais, ausgegeben werden. Die Tatsache, dass tatsächlich kein Schütz geschaltet worden ist, bleibt der Umgebung der Emulationseinheit 21 somit vorenthalten. Eine zentrale Auswerteeinheit 14 ist über eine Bus-Verbindung BMCI-SK an einen Auswerterechner 12 angeschlossen, dessen Kommunikationseinheit 13 Bus-Teilnehmer für sämtliche Busse des Testaufbaues aufweist. Eine (nicht dargestellte) informationstechnische Verbindung „x-x“ verbindet die zentrale Auswerteeinheit 14 mit einer Signalerzeugungseinheit 17 zur Ausgabe eines periodischen Signals, welches der BMC 3 von einer ordnungsgemäß funktionierenden Kühlmittelpumpe (Bezugszeichen 25 in 1) erwartet. Über eine Leitung mit einem Spannungsteiler 11 kann der BMC 3 Steuerbefehle für den Betrieb der Kühlmittelpumpe an die zentrale Auswerteeinheit 14 senden. Eine ebenfalls über einen Spannungsteiler 11 vermittelte Informationsleitung zwischen der Signalerzeugungseinheit 17 und der zentralen Auswerteeinheit 14 ermöglicht eine Emulation der Kühlmittelpumpe. Ein weiterer Spannungsteiler 11 vermittelt Befehle des BMCs 3 an die zentrale Auswerteeinheit 14 zur Schütz-Notabschaltung. Eine serielle programmierbare Schnittstelle 18 innerhalb der zentralen Auswerteeinheit 14 ist eingerichtet, wahlfreie Werte für verstellbare Widerstände vorzugeben, mittels welcher die BMC 3 Kühlmitteltemperaturen am Einlass bzw. am Auslass (in 1 Bezugszeichen 31, 32) angeordneter Kühlmitteltemperatursensoren (in 1 Bezugszeichen 29) ermittelt. Eine zehnadrige Leitung verbindet die zentrale Auswerteeinheit 14 mit einer alphanumerischen Anzeige 15 als Anzeigeeinheit, auf welcher Zustände und Anweisungen an den Tester/Anwender des dargestellten Testaufbaues 100 ausgegeben werden können. Ein ohmscher Widerstand Rventil emuliert das elektrische Verhalten eines Ventils zur Beeinflussung des Kühlmittelflusses im (in 1 dargestellten) Kühlkreislauf 2. Schließlich ist ein Crash-Signal-Generator 19 informationstechnisch mit der zentralen Auswerteeinheit 14 verbunden, um im Ansprechen auf eine Anwendereingabe einen Fahrzeug-Crash zu simulieren. Der Crash-Signal-Generator 19 kann im Ansprechen auf ein vordefiniertes Datenpaket oder einen vordefinierten Stromimpuls (bzgl. Länge und Stromstärke durch den Anwender konfigurierbar) diejenigen Spannungen ausgeben, welche beim Aufbau entsprechend 1 erst im Ansprechen auf eine vordefinierte Beschleunigung eines Crash-Sensors (s. Leitung 33 in 1) erzeugt würden. Schalter S1, S2 zwischen einem Netzgerät 20 zur elektrischen Energieversorgung des dargestellten Testaufbaues 100 und dem BMC 3 bzw. zwischen dem Netzgerät 20 und der Emulationseinheit 36 für den ACAN können ebenfalls über die zentrale Auswerteeinheit 14 angesteuert werden, um die elektrische Energieversorgung zum Beenden des Testbetriebs zu unterbrechen oder einen Fehlerfall zu simulieren.
Der dargestellte Testaufbau 100 verzichtet ersichtlich vollständig auf tatsächliche Hochvoltspannungen und zumindest anteilig auf durch diese erforderliche Peripherie (z.B. Kühlmittelkreislauf und Isolationen). Sämtliche elektrische Anschlüsse der Emulationseinheiten 1 dienen lediglich der Informationsübertragung bzw. der Spannungsversorgung im Niedervoltbereich. Entsprechend können sämtliche Anschlüsse über eine gemeinsame Steckverbindung (nicht dargestellt) erfolgen. Ein (ebenfalls nicht dargestelltes) Steckplatzraster ermöglicht eine kurzfristige Änderung der dargestellten Konfiguration des Testaufbaues 100, so dass unterschiedliche BMCs 3 innerhalb kürzerer Zeit mit vordefinierten Testszenarien geprüft werden können.
Der dargestellte Testaufbau 100 kann beispielsweise in einem Schreibtischgehäuse mit den Abmaßen 290 mm Breite, 65 mm Höhe und 198 mm Tiefe untergebracht werden, in welchem 14 Mikrocontroller angeordnet sind. Acht von diesen Mikrocontrollern (SOC-System on Chip) emulieren die Signale der (realen) CMCs durch erfindungsgemäße Emulationseinheiten 1. Ein weiterer SOC erzeugt die Signale der BJB und zwei weitere Mikrocontroller erzeugen die Rest-Bus-Signale für den ACAN und HCAN. Der letzte Mikrocontroller ist für die Erzeugung der elektrischen Signale der Peripherie vorgesehen („zentrale Auswerteeinheit 14“ im Beispiel gemäß 2). Er steuert die acht Relais und wertet die Bordnetzsignale BMCs 3 aus, um sie an die Testeinrichtung oder eine Anzeige zu kommunizieren. Mit den Relais werden galvanisch zu trennende Signale erzeugt, wie z.B. die Klemme 15, Klemme 30, Klemme 30sw, Service-Disconnect, Pilotlinie und CAN-Abschlusswiderstände. Darüber hinaus ist über einen Pegelwandler die Auswertung des PWM-Signals der Kühlmittelansteuerung und des Kühlmittelsteuerungsventils vorhanden. Ebenso wird die Kurzschluss-Diagnose des PWM-Signals unterstützt. Alle Emulationseinheiten für CMCs sind mit dafür vorgehaltenen PINs als Daisy-Chain verschaltet und nehmen somit die elektrische Funktion der Alarmleitung wahr. Im Testaufbau 100 nach 2 kann die Emulation gleichzeitig von zwei verschiedenen Systemen gesteuert werden, was durch die beidseitigen Doppelpfeile in den an die Sendeempfangseinheit 13 angeschlossenen Leitungen veranschaulicht ist. Beispielsweise kann eine automatisierte Testablaufsteuerung oder ein direkteingreifendes PC-Front-End-Programm, mit dem Bus-Signale individuell beeinflusst werden können, umfassen. Jeder der dargestellten Busse BCAN, ACAN, HCAN kann drei fernsteuerbar abschaltfähige Abschlusswiderstände von 120 ☐ aufweise. Der zu testende BMC 3 kann über eine 25-polige-SUB-D-Print-Buchse mit dem Testaufbau verbunden werden. Die verstellbaren Widerstände R für die Emulation der NTCs zur Temperaturerfassung der Kühlmitteleinlass- und -auslass-Temperatur können als galvanisch getrennte Bauteile ausgeführt sein. Auf diese Weise stellt der Testaufbau 100 alle für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderlichen elektrischen Schnittstellen für den BMC 3 zur Verfügung.
Weitere Diagnosetester bzw. Entwicklungsunterstützungswerkzeuge können angeschlossen werden, ohne zusätzliche Signal-Logistik (z.B. Flachbandkabelpeitschen) beschaffen und anschließen zu müssen. Der wesentliche Vorteil gegenüber bekannten Systemen ist die automatisierte Aktualisierungsfähigkeit (Update-Fähigkeit) bezüglich der CAN-Datenbasen, die sich in regelmäßigen Abständen (ca. halbjährlich) ändern können. Diverse Dienstprogramme können es ermöglichen, in einfacher Weise und beispielsweise durch Assistenzprogramme geführt, den Testaufbau 100 zu warten. Dadurch kann der Anwender auch selbstständig innerhalb der verschiedenen Testaufbauten hin und her wechseln.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Emulationseinheiten für die CMCs besteht darin, dass diese zeitlich entkoppelt und in Echtzeit arbeiten, wodurch beim Starten des BMCs 3 keine Fehlerzustände auftreten, die in der Regel dann umständlich über Diagnosetesteinrichtungen aus Fehlerspeichern gelöscht werden müssen. Demgegenüber müssen bekannte Systeme über den Steuerrechner gestartet und in Betrieb genommen werden, ohne welchen sie nicht funktionieren. Die vorgeschlagene Lösung startet insbesondere bereits im Ansprechen auf das Herstellen der Versorgungsspannung. Die Emulationseinheiten 1 für die CMCs synchronisieren sich während des laufenden Betriebes mit den Vorgaben des Kontrollprogramms auf dem Steuerrechner 12. Nach dem Herstellen der Versorgungsspannung stehen auf diese Weise sofort die individuellen Einstellungen innerhalb weniger Millisekunden zur Verfügung, welche der Anwender während der letzten Kommunikationsverbindung mit dem Steuerrechner 12 hergestellt hatte. Weil jeder CAN-Knoten im Testaufbau 100 mit einem eigenen Mikrocontroller ausgerüstet sein kann, entstehen, wie im realen Batteriesystem, minimale zeitliche Versätze, welche die Fähigkeit der Toleranz-Akzeptanz des Prüflings (BMC 3) herausfordern. Diese Randbedingung entspricht derjenigen eines realen Batteriesystems. Derart stochastische Schwankungen im Timing können durch leistungsfähige zentrale Mikrocontroller oder Desktop-PCs bekannter Systeme kaum abgebildet werden. Die Sendeempfangseinheit 13 des Steuerrechners 12, über welchen die CAN-Kommunikation abgewickelt wird, kann als RS 232-Schnittstelle realisiert werden. Auch ein Zugriff über Ethernet ist möglich. Jeder Steuerkanal ist doppelt ausgeführt. Es kann synchron von zwei unterschiedlichen Programmen auf die SOCs zugegriffen werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Fehlerermittlung in der BMC 3 ohne physikalische (HV-)Batterie. Aufgrund der kompakten Bauform ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Testaufbaues so gut wie an jedem Arbeitsplatz eines jeden Entwicklers möglich, ohne räumliche Einschränkungen oder Wegzeiten in Kauf nehmen zu müssen.
Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und vorteilhaften Ausführungsformen anhand der in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erläuterten Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben worden sind, sind für den Fachmann Modifikationen und Kombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Emulationseinheit für einen CMC
2: Kühlmittelkreislauf
3: Batteriemangementcontroller (auch: BMC)
4: Auswerteeinheit
5: Signaleingang
6: Flash-Speicher
7: Signalausgang
8: Alarmleitung
9: Elektrische Leitung
10: Fahrzeug
11: Spannungsteiler
12: Steuerrechner
13: Sendeempfangseinheit
14: Zentrale Auswerteeinheit
15: alphanumerische Anzeige
16: Elektrischer Anschluss
17: Signalerzeugungseinheit
18: Serielle programmierbare Schnittstelle (SPI)
19: Crash-Signal-Generator
20: Netzgerät
21: Emulationseinheit für die BJB
22: Signaleingang
23: Signalausgang
24: Schütz
25: Kühlmittelpumpe
26: Batteriemodul
27: Temperatursensor
28: Stromschiene
29: Kühlmitteltemperatursensor
30: Kühlmittelventil
31: Kühlmitteleinlass
32: Kühlmittelauslass
33: Crash-Leitung
34: Relais (Schütz-Notabschaltung)
35: Zusätzliche elektrische Leitung
36: Emulationseinheit für ACAN
37: Emulationseinheit für HCAN
100: Testaufbau
ACAN: Antriebs-CAN
BCAN: Battery-CAN
BJB: Battery Junction Box
BMC: Batteriemangementcontroller
CMC: Zellmanagementcontroller
KL: Klemme
R: Elektrisch verstellbarer Widerstand
Rventil: Widerstand zur elektrischen Emulation des Kühlmittelventils
HV: Hochvolt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8791710 B2 [0005]
US 2013/0346052 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0003]

Claims

Emulationseinheit (1) für einen Zellmanagementcontroller (CMC) eines Batteriemoduls (26) zur Verwendung in einem Testaufbau (100) zum Testen eines Batteriemanagementcontrollers (3) umfassend – eine Auswerteeinheit (4), – einen Signaleingang (5), – einen nicht-flüchtigen Speicher (6), – einen Signalausgang (7), wobei – die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist, – über den Signaleingang (5) erhaltene Datenfolgen zu interpretieren, – zu den Datenfolgen korrespondierende Einträge im nicht-flüchtigen Speicher (6) abzulegen, und – anhand der Einträge sowie anhand im nicht-flüchtigen Speicher (6) abgelegter Anweisungen erstellte Signale über den Signalausgang (7) an den Batteriemanagementcontroller (3) auszugeben.
Emulationseinheit nach Anspruch 1, wobei der Signaleingang (5) – eine Busschnittstelle, insbesondere auch – eine Alarmleitung (8) zur elektrischen Verbindung mit dem Batteriemanagementcontroller (3) und/oder – eine elektrische Leitung (9) zur Verbindung mit dem Batteriemanagementcontroller (3) über einen Spannungsteiler (11), insbesondere mit einem Teilungsverhältnis von 5:12 aufweist.
Emulationseinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist, im Ansprechen auf eine angelegte Versorgungsspannung anhand im nicht-flüchtigen Speicher (6) abgelegter Anweisungen erstellte Signale an den Batteriemanagementcontroller (3) auszugeben.
Testaufbau für einen Batteriemanagementcontroller (3) umfassend – eine Emulationseinheit (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche und – einen Steuerrechner (12), welcher eingerichtet ist, den Signaleingang (5) der Emulationseinheit (1) mit Datenfolgen zu versorgen, welche vorgesehen sind, Änderungen an – Parametern und/oder – Anweisungen zur Erstellung modifizierter, an den Batteriemanagementcontroller (3) zu sendender Signale vorzunehmen.
Testaufbau nach Anspruch 4, wobei der Steuerrechner (12) einen Signalausgang (13) aufweist, welcher eine – Antriebs-CAN-Schnittstelle (ACAN-SK), und/oder – Batterie-CAN-Schnittstelle (BCAN-SK), und/oder – Hybrid-CAN-Schnittstelle (HCAN-SK) und/oder – Schnittstelle zu einer zentralen Auswerteeinheit (14) aufweist.
Testaufbau nach Anspruch 4 oder 5 weiter umfassend einen steuerbaren Widerstand (R, Rventil), welcher eingerichtet ist, von dem Batteriemanagementcontroller (3) im Rahmen einer Routine zum Überprüfen eines Kühlmittelkreislaufventils (30) und/oder eines Kühlmitteltemperatursensors (29) erfasst zu werden.
Testaufbau nach Anspruch 4, 5 oder 6 weiter umfassend – eine zentrale Auswerteeinheit (14), welche eingerichtet ist, Steuerbefehle vom Steuerrechner (12) zu empfangen und im Ansprechen auf den Empfang der Steuerbefehle – eine Anzeigeeinheit (15) mit einem modifizierten Inhalt zu versehen und/oder – eine Signalerzeugungseinheit (17) anzuweisen, einen zur Überwachung einer Kühlmittelpumpe (25) vorgesehenen Anschluss (16) des Batteriemanagementcontrollers (3) mit einem „Lebend“-Signal zu versorgen, und/oder – eine serielle programmierbare Schnittstelle (18) anzuweisen, einen durch den Steuerrechner (12) definierten Widerstandswert einzustellen, welcher eingerichtet ist, vom Batteriemanagementcontroller (3) im Rahmen einer Routine zur Überprüfung einer Kühlmitteltemperatur erfasst zu werden und/oder – einen Crash-Signalgenerator (19) anzuweisen, ein Crashsignal zu erzeugen, welches dem Batteriemanagementcontroller (3) zugeführt wird.
Testaufbau nach einem der Ansprüche 4 bis 7, weiter umfassend ein Netzgerät (20) zur Versorgung – der Emulationseinheit (1) und/oder – des Testaufbaus (100) und/oder – des Batteriemanagementcontrollers (3) und/oder – der zentralen Auswerteeinheit (14) mit elektrischer Spannung, insbesondere zwischen 10V und 32V, bevorzugt zwischen 12V und 14,8V.
Testaufbau nach einem der Ansprüche 4 bis 8, weiter umfassend eine Emulationseinheit (21) für einen Batterieanschlusskasten (BJB) umfassend – eine Auswerteeinheit (4), – einen Signaleingang (23), und – einen Signalausgang (22), wobei – die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist, im Ansprechen auf eine über den Signaleingang (23) erhaltene Datenfolge einen Schaltzustand für ein Schütz (24) an den Batteriemanagementcontroller (3) zu senden.
Testaufbau nach einem der Ansprüche 4 bis 9, weiter umfassend eine Vielzahl elektrischer Anschlüsse zur Herstellung reversibler elektrischer Verbindungen mit einer Vielzahl Emulationseinheiten (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.