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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Vorrichtungen werden für
die Entwicklung, die Erprobung und die Testung von Batterie-Management-Systemen
insbesondere in der Automobilindustrie eingesetzt.
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In
der Automobilindustrie gewinnen elektrische Antriebe, insbesondere
in Elektro- oder Hybridautos zunehmend an Bedeutung. Diese elektrischen Antriebe
bestehen im Wesentlichen aus einer Batterie, einem Umrichter, einem
Elektromotor und einer Getriebeeinheit, wobei die Batterie von einem
Batterie-Management-System überwacht
wird. Vor dem Einbau in Elektro- oder Hybridautos müssen neben dem
elektrischen Antrieb auch das Batterie-Management-System erprobt
werden, wofür
es zwei prinzipielle Vorgehensweisen gibt.
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In
der ersten Vorgehensweise wird das Batterie-Management-System an
einer realen Batterie angeschlossen und erprobt. In der zweiten
Vorgehensweise wird die Funktionssoftware des Batterie-Management-Systemes
an einem Simulationsmodell der realen Batterie angeschlossen.
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Die
erste Vorgehensweise ist sehr realitätsnah und liefert deshalb Ergebnisse
mit einer sehr guten Übereinstimmung
mit der zu realisierenden Anwendung. Dafür ist sie jedoch sehr zeitaufwändig und teuer.
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Dagegen
ist die zweite Vorgehensweise billiger. Allerdings hängt die
Qualität
der Ergebnisse sehr von der Qualität der Simulationsmodelle ab.
Zudem werden Nebeneffekte, die die spätere Anwendung entscheidend
stören
könnten,
in vielen Fällen
nicht entdeckt.
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Die
Entwicklung von elektrischen Antrieben steht unter dem Druck immer
komplexerer Zusammenhänge
bei gleichzeitig immer kürzeren
Entwicklungszeiten. Gleichsam wachsen die Anforderungen an den Umfang
der Erprobungen.
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Dazu
werden in der Praxis automatisierte Test- und Prüfstände für die Testfallgenerierung,
die Prüfstandkonfiguration,
die Testdurchführung
und für die
Testauswertung eingesetzt. Weitere Anforderungen bestehen in der
Wiederverwendbarkeit und der Austauschbarkeit von Testfällen. Ebenfalls
wird eine weitestgehende Unabhängigkeit
der Testfälle
für unterschiedliche
Anwendungsvarianten gefordert. Dadurch findet eine Verlagerung des
Anteils der Entwicklungsleistung von den Steuergeräten hin
zu deren Testsystemen statt. Die Wirtschaftlichkeit erfordert „Testhäuser” mit einer
24 h bis 7 d Auslastung. Diese Anforderungen führten dazu, dass eine standardisierte
Schnittstelle in der Automobilindustrie für Testsysteme beschlossen worden
ist.
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Dazu
zählt der
HIL (engl.: Hardware-in-the-loop) Standard, der einen Mittelweg
zu den eingangs genannten Vorgehensweisen ist. Das ist ein wichtiges
Verfahren, das weiter an Bedeutung gewinnen wird, weil damit ein
Industriestandart für den
Einsatz von HIL-Testsystemen
in der Automobilindustrie existiert. Bei HIL-Testsystemen wird mindestens
eine reale Komponente an einem Simulator angeschlossen.
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Bezogen
auf die erste Vorgehensweise sind die realen Komponenten das Batterie-Management-System
und die Batterie. Ein Simulator dient der Simulation des kompletten
elektrischen Antriebs einschließlich
dem Elektromotor und der Getriebeeinheit. Die Schnittstelle zwischen
den realen Komponenten und dem Simulator ist hierbei einerseits zwischen
dem Batterie-Management-System und dem Simulator und andererseits
zwischen der Batterie und dem Simulator.
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Von
Nachteil an dieser Lösung
ist aber, dass die Verwendung einer Batterie zu teuer ist. Außerdem können mit
der realen Batterie keine Grenzfälle, wie
z. B. der Defekt mehrere Batteriezellen nicht getestet werden, ohne
die Batterie zu beschädigen.
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Bezogen
auf die zweite Vorgehensweise wird die Funktionssoftware des Batterie-Management-Systems
nicht auf dem realen Steuergerät
getestet, sondern auf einer für
die Simulationsumgebung geeigneten Hardware, wie z. B. einem PC.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur
Testung eines Batterie-Management-Systems zu entwickeln, bei der
das Batterie-Management-System unter den Grenzzuständen einer
realen Batterie getestet werden kann und das kostengünstig ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckdienliche
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 10.
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Die
neue Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems beseitigt
die genannten Nachteile des Standes der Technik.
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Vorteilhaft
bei der Anwendung der neuen Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems,
bestehend aus mindestens einer Spannungsquelle, an welcher ein zu
testendes Batterie-Management-Systems anschließbar ist, ist es, dass die
Spannungsquelle ein HV-Batteriesimulator ist, weil dadurch nur die
Spannung an das Batterie-Management-Systems
geliefert wird und der Strom simuliert wird.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn der Batteriesimulator mehrere Funktionsschnittstellen
und elektrische Schnittstellen aufweist, wobei die Funktionsschnittstellen
in einer Sollwertschnittstelle zusammengefasst und die elektrischen
Schnittstellen an das zu testendes Batterie-Management-Systems angeschlossen
sind. Dadurch werden mit dem Batteriesimulator auch alle für eine reale
Batterie relevanten Betriebsgrößen wie
z. B. die Temperatur der Batterie simuliert.
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Die
neue Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems soll
anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Dazu
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung der Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems
in einem Ausführungsbeispiel,
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2:
Schematische Darstellung der Hardwareschnittstellen der Vorrichtung
zur Testung eines Batterie-Management-Systems und
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3:
Schematische Darstellung der Funktionsblöcke der Vorrichtung zur Testung
eines Batterie-Management-Systems.
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Gemäß der 1 bis 2 ist
die neue Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems ein Batteriesimulator 1,
der einerseits mit einem zu testendes Batterie-Management-System 2 und
andererseits mit einer Sollwertschnittstelle 3 für eine automatisierte
Testablaufsteuerung elektrisch verbunden ist.
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Der
Batteriesimulator 1 besitzt ein Gehäuse 4 mit einer Sollwertschnittstelle 3 und
elektrischen Schnittstellen 6, wobei die elektrischen Schnittstellen 6 mit
dem zu testenden Batterie-Management-System 2 verbunden
sind. Dabei umfasst die Sollwertschnittstelle 3 mehrere
Funktionsschnittstellen 5. Diese sind ein Temperatursollwerteingang 7 und
ein Spannungssollwerteingang 8. Dabei ist die Sollwertschnittstelle 3 als
CAN-Schnittstelle ausgeführt.
Die elektrischen Schnittstellen 6 sind 112 Spannungsausgänge 9 und
mindestens ein Temperatursensorausgang 10, wobei jeder
Temperatursensorausgang 10 an einer I2C-Bus-Schnittestelle
ausgeführt
ist.
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In
dem Gehäuse 4 sind
sieben 4AE16GGAA-Karte 11 integriert, wobei jede 4AE16GGAA-Karte 11 einerseits über einen
Datenbus 12 mit dem Spannungssollwerteingang 8 und
andererseits mit 16 Spannungsausgängen 9 elektrisch verbunden
ist. Dabei ist der Spannungswert jedes Spannungsausganges 9 zwischen
1 und 5 Volt einstellbar, woraus 16 elektrisch in Reihe geschaltete Spannungsausgänge 9 eine
Gesamtspannung zwischen 16 und 80 Volt pro 4AE16GGAA-Karte 11 ergeben.
Dabei wird der einstellende Signalwert über den Datenbus 12 und
den Spannungssollwerteingang 8 von der Sollwertschnittstelle 3 erhalten.
Jeder Spannungsausgang 9 simuliert dabei jeweils eine reale
Batteriezelle.
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Mit
den sieben 4AE16GGAA-Karten 11 mit je 16 Spannungsausgängen 9 können somit
112 reale Batteriezellen simuliert werden.
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Auf
jeder 4AE16GGAA-Karte 11 ist mindestens ein elektrischer
DA-Wandler 13 integriert, der eingangsseitig mit der Sollwertschnittstelle 3 und ausgangsseitig
mit den elektrischen Schnittstellen 6 verbunden ist. Dabei
wandelt der DA-Wandler 13 den über die Sollwertschnittstelle 3 kommenden
Signalwert um und gibt diesen Signalwert über die elektrischen Schnittstellen 6 an
das Batterie-Management-System 2 ab.
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In
Funktion der neuen Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems
wird der Batteriesimulator 1 mit dem Batterie-Management-System 2 gemäß der 1 elektrisch
verbunden.
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Werden
nun über
den Temperatursollwerteingang 7 und den Spannungssollwerteingang 8 der Sollwertschnittstelle 3 entsprechende
elektrische Signale angelegt, so werden diese elektrischen Signale auf
den 4AE16GGAA-Karten 11 verarbeitet. Dadurch werden an
den elektrischen Schnittstellen 6 entsprechende elektrische
Signale erzeugt, welche das Verhalten einer realen Batterie unter
den gegebenen elektrischen Signalen an der Sollwertschnittstelle 3 widerspiegeln.
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3 ist
eine Blockeinteilung der neuen Vorrichtung aus funktionaler Sicht.
Der Batteriesimulator 1 ist in einen HV-Batteriesimulator-Spannung 14,
einen Sensorsimulator-Strom 15,
einen Spannungsquellen HV-Batteriezellen 16 und einen Sensorsimulator-HV-Batterie 17 unterteilt.
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Die
von dem Batteriesimulator 1 abgegebenen Spannungen werden
mit der Funktion Spannungsquellen HV-Batteriezellen 16 realisiert.
Die in einer realen Hochvoltbatterie (HV-Batterie) integrierten
Sensoren werden durch die Funktion Sensorsimulator-HV-Batterie 17 bereitgestellt.
Diese beiden Funktionen Spannungsquellen HV-Batterie zellen 16 und
Sensorsimulator-HV-Batterie 17 werden funktionell in HV-Batteriesimulator-Spannung 14 zusammengefasst.
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Die
Funktion Sensorsimulator-Strom 15 dient der alternativen
Vorgabe eines Stromsensorsignales einer realen HV-Batterie.
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Denkbar
ist es, die Stromsignale der Spannungsausgänge 9 extern oder
intern derart zu verstärken,
dass diese den Stromsignalen einer realen Batterie, insbesondere
einer realen Hochvoltbatterie entsprechen.
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Denkbar
ist es auch, den Spannungswert jedes Spannungsausganges 9 anstatt
zwischen 1 bis 5 Volt, auch zwischen 0 bis 5 Volt oder zwischen
0 bis 12 Volt oder zwischen 0.5 bis 4.5 Volt einstellbar zu gestalten.
Dabei ist es insbesondere denkbar die galvanisch entkoppelten Spannungsausgänge 9 elektrisch
in Reihe miteinander zu verbinden und die resultierenden Teilspannungen
und/oder die Gesamtspannung abzugreifen.
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Denkbar
ist es, mindestens einen Stromsensorsollwerteingang als weitere
Funktionsschnittstelle 5 sowie mindestens einen Stromsensorausgang
als weitere elektrische Schnittstelle 6 am Gehäuse 4 anzuordnen,
wobei jeder Stromsensorsollwerteingang wiederum als CAN-Schnittstelle
und jeder Stromsensorausgang aber als eine SPI-Schnittestelle ausgeführt ist.
In dem Gehäuse 4 ist
dann jeder Stromsensorausgang über
den Datenbus 12 mit jeweils einem Stromsensorsollwerteingang
elektrisch verbunden, so dass der Signalwert der Sollwertschnittstelle 3 über den
Stromsensorsollwerteingang, den Datenbus 12 und den Stromsensorausgang
an das Batterie-Management-System 2 übertragen werden kann.
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Auch
ist es denkbar, die Stromsensorausgänge als Analogausgänge auszuführen und
auch noch weitere Analogausgänge
für Temperatursensoren,
Wetness-Sensoren, Hummidity-Sensoren und/oder
Cooling Fluid-Sensoren anzuordnen.
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Denkbar
ist es auch, über
zusätzliche
digitale und/oder analoge Ein-/Ausgänge dem Batterie-Management-System 2 Statussignale
bereitzustellen oder von diesem einzulesen, wie „Chip Select” oder „Over Current
Detection”.
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Denkbar
ist es auch, mindestens eine 4AE16GGAA-Karten 11 durch
eine 4AE16AA-Karte zu
ersetzen.
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Auch
ist es denkbar, die simulierten Batteriezellspannungen nicht veränderbar
zu gestalten und/oder die Spannungsausgänge 9 nicht elektrisch in
Reihe miteinander zu verbinden, so dass jeder Spannungsausgang 9 jeweils
eine reale Batteriezelle simuliert und damit 112 Spannungsausgänge 9 mit
z. B. jeweils 1 bis 5 V zur Verfügung
stehen.
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Ebenso
ist es denkbar, den Batteriesimulator 1 für die Simulation
von Sensorcluster für
z. B. Strom, Spannung und Eigentemperatur mit einem SPI-Bus auszustatten
und/oder Temperatursensoren, Hummidity-Sensoren, Cooling Fluid-Sensoren,
Wetness-Sensoren zu simulieren, sowie digitale Ein-/und Ausgänge für Statussignale
von den und/oder für
die simulierten Sensoren bereitzustellen.
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Denkbar
ist es auch, die Funktionsschnittstellen 5 nicht zu nutzen
und die entsprechenden Signalwerte durch statische Werten oder Parameter
zu programmieren. Z. B. können
diese statischen Werte oder Parameter in ein EEPROM eingebrannt
werden, so dass ein Testablauf immer mit denselben Ausgangswerten
bzw. derselben Folge von Ausgangswerten abläuft.
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Auch
ist es denkbar, dass die Sollwertschnittstelle 3 und/oder
zusammen mit dem Batteriesimulator 1 als ein HIL-Simulator
verwendet wird. Ebenso kann die Ausführung der Sollwertschnittstelle 3 als CAN-Schnittstelle
durch jede andere geeignete Schnittstelle, insbesondere Ethernet,
USB oder WLAN ersetzt werden.
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Außerdem können die
elektrischen Schnittstellen 6, die zur Simulation der Sensoren
als SPI-, I2C- und Analogschnittstellen
ausgeführt
sind durch jede andere geeignete Schnittstelle, die die simulierten
Sensoren verwenden, ersetzt werden.
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In
einer ersten Anwendung der Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems werden als
SIMUBAT-1
eingesetzt:
- – 7 × Einschubkarten 4AE16GGAA
je 16 galvanisch getrennte Analogausgänge, je 4 nicht galvanisch
getrennte Analogeingänge,
externe Versorgungsspannungen von –5 V, GND, +5 V, –12 V GND
+12 V, je 4 Dipschalter für
OnBoard-Einstellungen,
- – insgesamt
112 × galvanisch
getrennte Analogausgänge
von 1 ... 5 V für
die Simulation bis 112 Batteriezellen HV-Batterie,
- – insgesamt
14 × I2C-Bus für
die Simulation bis 112 Temperatursensoren,
- – insgesamt
28 × nicht
galvanisch getrennte Analogeingänge
für Spannungsmessungen
von 0 ... 15 V und
- – insgesamt
7 × CAN-Bus
für Vorgabe
Analogspannungen HV-Batterie Zellen, Vorgabe Temperaturesswerte,
Ausgabe Analogeingänge
in Auflösung
von 10 Bit, Can-Schnittstellen
Abschlusswiderstand 1 kΩ.
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In
einer zweiten Anwendung der Vorrichtung zur Testung eines Batterie-Management-Systems werden als
SIMUBAT-2
eingesetzt:
- – 3 × Einschubkarten 4AE16AA je
16 nicht galvanisch getrennte Analogausgänge, je 4 nicht galvanisch
getrennte Analogeingänge,
22 Digitaleingänge/-ausgänge bestückbar als
0/5 V, 0.5/4.5 V oder 0/12 V zu 50 mA, externe Versorgungsspannungen
von –5
V, GND, +5 V, –12
V GND +12 V, je 4 Dipschalter für
OnBoard-Einstellungen,
- – 6 × SPI-Bus
für die
Simulation Stromsensoren mit 3 Chip-Select Eingängen für je einen SPI-Bus-Slave und
- – insgesamt
3 × CAN-Bus
für Vorgabe
Temperaturmesswerte, Vorgabe Strommesswerte, Vorgabe Feuchtigkeit,
Ausgabe der Analogeingänge
in Auflösung
von 10 Bit, Can-Schnittstellen
Abschlusswiderstand 1 kΩ,
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Dabei
werden die zu simulierenden Sensorausgangswerte über CAN2 vorgegeben und an
den entsprechenden sensorkonformen Schnittstellen an das Batterie-Management-System 2 ausgegeben.
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- 1
- Batteriesimulator
- 2
- Batterie-Management-System
- 3
- Sollwertschnittstelle
- 4
- Gehäuse
- 5
- Funktionsschnittstelle
- 6
- elektrische
Schnittstelle
- 7
- Temperatursollwerteingang
- 8
- Spannungssollwerteingang
- 9
- Spannungsausgang
- 10
- Temperatursensorausgang
- 11
- 4AE16GGAA-Karte
- 12
- Datenbus
- 13
- elektrischer
DA-Wandler
- 14
- HV-Batteriesimulator-Spannung
- 15
- Sensorsimulator-Strom
- 16
- Spannungsquellen
HV-Batteriezellen
- 17
- Sensorsimulator-HV-Batterie