WO2018158146A1 - Vorrichtung zur simulation einer modularen gleichspannungsquelle - Google Patents

Vorrichtung zur simulation einer modularen gleichspannungsquelle Download PDF

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WO2018158146A1
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Steffen Rothe
Rondehl Slater
Jens Leickert
Brigitte Schwuchow
Vanessa VOGGESER
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a device for simulating niodularen
  • DC power sources which are a plurality of series-connected
  • Partial voltage sources include.
  • Modular DC power sources are used for power supply in various different applications.
  • batteries having a plurality of memory lines da / u are used to store electric power for the operation of an electric drive machine of a vehicle.
  • Fuel cell stacks with a plurality of fuel cells can da / u be used, electrical energy for the operation of an electric
  • a solar device having a series circuit of a plurality of solar modules may be used to generate electric power.
  • Such systems are referred to in this document as modular DC voltage sources having a series connection of partial voltage sources.
  • a modular DC voltage source is typically one
  • Monitoring unit e.g., voltage monitoring electronics
  • a simulation device for simulating a DC voltage source in particular for simulating an electrochemical DC voltage source, is described.
  • the Gieichwoodsetti includes a variety of Teiinomies provoken.
  • an electrical energy storage typically includes a plurality of battery cells as
  • Energy storage in particular a Hochvoit Mission for a vehicle, may include a plurality of memory modules connected in series.
  • a Hochvoit immediately for a vehicle may include a plurality of memory modules connected in series.
  • Fuel cell stack a variety of fuel cells as
  • the simulation device comprises at least one simulation module.
  • the Si.mulationsm.odul can be used to one or more simulation modules.
  • the simulation module comprises a module voltage series which is set up at two outer measuring points of the simulation module To provide module voltage.
  • the module voltage can correspond to the voltage which is provided by the DC voltage source module, for example as a nominal value.
  • the module voltage source may be configured to provide a regulated module voltage (eg, by means of a voltage regulator, such as a low-drop voltage regulator (I .DO)).
  • the mode voltage source may include a voltage converter configured to generate the module voltage based on a supply voltage (eg, a 230V or a 130V mains voltage).
  • the module voltage source can be a relatively low
  • the simulation mode further comprises a voltage divider configured to divide the module voltage into N-1 intermediate potentials at N-1 intermediate points, where N> 1. Typically, N> 3, 5, 7 or 10 for a
  • the voltage divider may comprise a series connection of N resistors, wherein the series connection of N resistors is arranged parallel to the mode voltage source. An intermediate point of the
  • Voltage divider can then correspond to a contact point between two directly adjacent resistors of the N resistors.
  • the N-1 intermediate points can correspond to the N-1 contact points between the respectively directly adjacent resistors.
  • the partial voltages are in a voltage range between 3V and 5V (for example for the simulation of battery cells, such as lithium-ion cells) or between 0.5V and 6V (for example for simulation of solar cells and / or
  • N By using a module voltage source in combination with N-1 operational amplifiers, N can be efficiently and reliably performed
  • the N sub-voltages may be provided to a DC voltage source monitoring unit to determine the behavior of the sub-voltage queues of a real one
  • a positive input of an operational amplifier can (possibly directly) be coupled to an intermediate point. Furthermore, an output of the operational amplifier
  • Operational amplifier (possibly directly) to be coupled to an internal measuring point.
  • the output of the operational amplifier (possibly directly) may be coupled to a negative input of the operational amplifier.
  • This arrangement can be used for the N-1 operational amplifier of a simulation module. It is thus possible to provide stable partial potentials at the N-1 internal measuring points in an efficient manner. In particular, so can the
  • the N-1 operational amplifiers can be supplied with electrical energy by the module voltage source so that an efficient simulation module can be provided.
  • the voltage divider may be arranged to at least partially change the N-1 intermediate potentials. In particular, a division of the
  • Module voltage can be changed to the N-1 intermediate potentials. This can e.g. by using one or more resistors with customizable ones
  • Resistance values can be achieved.
  • at least one of the N-1 intermediate potentials at least one of the partial voltages can be changed.
  • the simulation device may comprise at least two simulation modules connected in series.
  • DC voltage sources with several modules can be simulated.
  • Two (directly) adjacent simulation modules can be coupled to each other at a common external measuring point. This is made possible in particular by the fact that the potentials at the outer measuring points are not provided via an operational amplifier, but directly from the respective module voltage source.
  • the structure of a simulation module described in this document enables efficient series connection of simulation modules.
  • a test arrangement for testing a monitoring unit for a DC voltage source, in particular for a DC electrochemical source is described.
  • the test arrangement includes the monitoring unit that is set up
  • the monitoring unit is thus set up to detect a plurality of measurement voltages with respect to a corresponding plurality of partial voltage sources.
  • the test arrangement further comprises a simulation device described in this document for providing a plurality of partial voltages.
  • the test arrangement comprises lines which are set up to provide the monitoring unit with the multiplicity of partial voltages (as measuring voltages). It thus becomes a reliable and efficient test of a
  • FIG. 1 shows an exemplary test arrangement for testing the monitoring unit of a modular DC voltage source
  • FIG. 2 shows a simulation module for a DC voltage distribution module
  • FIG. 3 shows a simulation device for a DC voltage source with a plurality of DC voltage source modules connected in series.
  • FIG. 1 shows a test arrangement 100 with a monitoring unit 101 and a simulation apparatus 110 for a DC voltage source.
  • the monitoring unit 101 is connected via measuring lines 102 with different measuring points within the DC voltage source to be monitored and / or controlled.
  • the test leads 102 for example, the output voltage of the individual
  • Partial voltage sources of Gleichtensquelie be detected in order to monitor the state of the individual partial voltage sources can.
  • the simulation device 110 can measure points for the individual
  • the simulation device 110 can be set up to provide simulated partial voltages for individual partial voltage sources at the measuring points.
  • FIG. 2 shows an exemplary simulation module 200 for a
  • the DC voltage source simulation device 110 may include one or more such simulation modules 200.
  • the simulation module 200 comprises a module voltage source 201, which is set up to provide a (regulated) module or overall voltage 211.
  • the module voltage 211 may correspond to the nominal voltage of a DC voltage source module to be simulated.
  • the simulation module 200 comprises a voltage divider 202, which is set up to divide the module voltage 211 into a plurality of (unregulated) intermediate voltages.
  • the voltage divider 202 comprises a series connection of electrical resistors 203, wherein an (unregulated) intermediate potential is respectively provided at the contact points or intermediate points 206 between two resistors 203.
  • the module voltage 211 can be divided into Nl equal (unregulated) intermediate potentials.
  • the simulation module 200 further comprises one or more feedback operational amplifiers 204 (in particular N-1 operational amplifiers 204) in order to provide (regulated) partial voltages 2 12 between the measurement points 205, 207 based on the (unregulated) intermediate potentials at the intermediate points 206.
  • feedback operational amplifiers 204 in particular N-1 operational amplifiers 204 in order to provide (regulated) partial voltages 2 12 between the measurement points 205, 207 based on the (unregulated) intermediate potentials at the intermediate points 206.
  • Measuring point 205 are performed, wherein the output of an operational amplifier 204 is fed back to a (negative) input of the operational amplifier 204.
  • 207 N (regulated) partial voltages 2 1 2 can be provided at the measuring points 205, which are substantially independent of the current flowing at the individual measuring points 205, 207.
  • the simulation module 200 shown in FIG. 2 can thus be used by using N-1 operational amplifiers 204 between pairs of
  • adjacent measuring points 205.207 of the N + l measuring points 205, 207 N partial voltages 2 12 are provided.
  • the pairs of adjacent measuring points 205, 207 each have a relatively niedri e
  • the outer measuring points 207 of the simulation module 200 (between which the Moduiong 211 is applied) have the output impedance of
  • Module voltage source 201 au so that even without use of
  • feedback control amplifiers 204 for the outer measuring points 207 at the outer measuring points 207 stable (regulated) partial voltages 2 1 2 (Ui and U 4 in Fig. 2) can be provided.
  • N-1 operational amplifiers 204 to adjust the potentials at the N-1 inner measurement points 205 of the simulation module 200 in combination with the use of a ModulHarsqueile 201 for
  • Gieichwoodsquille simulation device 110 which comprises a plurality of cascaded DC voltage source modules (for example, a series connection of battery modules, each battery module comprises a plurality of memory cells). This is illustrated in FIG. 3.
  • FIG. 3 shows how two simulation modules 200 can be coupled to one another at an outer measuring point 207, 307 by one another
  • FIG. 2 shows a simulation module 200 with series-connected voltage generators having a relatively lower level
  • a voltage generator can be a
  • Differential amplifier 204 include that as a voltage follower or
  • Impedance converter is operated. On the input side, a target voltage for the differential amplifier 204 (i.e., the intermediate potential) is turned on
  • the supplying module voltage source 201 typically does not need due to the low output impedance
  • FIG. 3 illustrates a scaling of the simulation module 200 from FIG. 2. Scaling takes place by series connection of the individual module voltage sources 201 of the individual simulation modules 200. As already explained above, the module voltage 211 of FIG. 3
  • Simulation module 200 not only to provide a common ground Potentials and used to power the operational amplifier 205.
  • the last voltage level to be generated is provided by the module voltage source 201 itself at one or both outer measuring points 207 (without using an operational amplifier 204).
  • the resulting simulation module 200 can thereby be effectively connected in series, ie, scaled.
  • the voltage divider 202 may be arranged to be the individual from the
  • Module voltage 211 generated intermediate potentials to change.
  • the resistance values of the individual resistors 203 are changed at least partially relative to each other.
  • different states of individual sub-voltage sources e.g., memory cells or
  • Fuel cells are simulated.
  • the simulation device 110 described in this document can reduce the development effort and, in particular, the testing of a monitoring unit 101 for a DC voltage source. In this case, the development and / or the tests on the simulation device 110 instead of a battery, a fuel cell stack or a
  • the simulation device 110 can be connected without voltage when required, which in electrochemical

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Abstract

Es wird eine Simulationsvorrichtung (110) zur Simulation einer Gleichspannungsquelle mit einer Vielzahl von Teilspannungsquellen beschrieben. Die Simulationsvorrichtung (110) umfasst zumindest ein Simulationsmodul (200), mit einer Modulspannungsquelle (201), die eingerichtet ist, an zwei äußeren Messpunkten (207) des Simulationsmoduls (200) eine Modulspannung (211) bereitzustellen. Außerdem umfasst das Simulationsmodul (200) einen Spannungsteiler (202), der eingerichtet ist, die Modulspannung (211) in N-1 Zwischenpotentiale an N-1 Zwischenpunkten (206) zu unterteilen, mit N>1. Das Simulationsmodul (200) umfasst weiter N-1 Operationsverstärker (204), die eingerichtet sind, die N-1 Zwischenpotentiale in N-1 Teilpotentiale an N-1 inneren Messpunkten (205) des Simulationsmoduls (200) zu überführen. Dabei werden die N-1 inneren Messpunkte (205) durch die zwei äußeren Messpunkte (207) umschlossen, um zwischen N Paaren von benachbarten Messpunkten (205, 207) der N+1 Messpunkte (205, 207) N Teilspannungen (212) zur Simulation von N Teilspannungsquellen bereitzustellen.

Description

Vorrichtung zur Simulation einer niodularen Gleichspannungsquelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation von niodularen
Gleichspannungsquellen, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten
Teilspannungsquellen umfassen.
Modulare Gleichspannungsquellen werden für die Energieversorgung in diversen unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise werden Batterien mit einer Vielzahl von Speicherzeilen da/u verwendet, elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Fahrzeugs zu speichern.
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen können da/u verwendet werden, elektrische Energie für den Betrieb einer elektrischen
Ant iebsmasehine eines Fahrzeugs zu generieren. Des Weiteren kann eine Solarvorrichtung mit einer Reihenschaltung aus einer Vielzahl von Solarmodulen da/u verwendet werden, elektrische Energie zu erzeugen. Derartige Systeme werden in diesem Dokument als modulare Gleichspannungsquellen mit einer Reihenschaltung von Teilspannungsquellen bezeichnet.
Eine modulare Gleichspannungsquelle um l as st typischerweise eine
Überwachungseinheit (z.B. Spannungsüberwachungselektronik), mit der der
Betrieb der einzelnen Teilspannungsquellen überwacht und/oder gesteuert werden kann. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Vorrichtung zur Simulation einer (nodularen Gieichspannungsquelie
bereitzustellen, mit der insbesondere die Überwachungseinheit einer modularen Gieichspannungsquelie in effizienter, sicherer und zuverlässiger Weise getestet werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass /u sät/ Ii che Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeidung oder einer Nachanmeidung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird eine Simulationsvorrichtung zur Simulation einer Gleichspannungsquelle, insbesondere zur Simulation einer elektrochemischen Gleichspannungsqueile, beschrieben. Die Gieichspannungsquelle umfasst dabei eine Vielzahl von Teiispannungsquellen. Beispielsweise umfasst ein elektrischer Energiespeicher typischerweise eine Vielzahl von Batteriezellen als
Teilspannungsquellen, wobei jeweils N Batteriezeilen in Speichermodule zusammengefasst werden können (z.B. N=8), und wobei ein elektrischer
Energiespeicher, insbesondere ein Hochvoitspeicher für ein Fahrzeug, mehrere in Reihe geschaltete Speichermodule umfassen kann. Alternativ kann ein
Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen als
Teiispannungsquellen aufweisen.
Die Simulationsvorrichtung umfasst zumindest ein Simulationsmodul. Das Si.mulationsm.odul kann dazu verwendet werden, ein oder mehrere
Gleiehspanniingsquellen- odule mit N Teiispannungsquellen zu simulieren (z.B. ein Speichermodul eines elektrischen Energiespeichers mit N Batteriezellen). Ggf. können auch mehrere Simulationsmodule (die z.B. in Reihe zueinander angeordnet sind) verwendet werden, um ein Gieichspannungsquellen-Modul zu simulieren. Das Simulationsmodui umfasst eine Modulspannungsqueiie, die eingerichtet ist, an zwei äußeren Messpunkten des Simulationsmoduls eine Modulspannung bereitzustellen. Dabei kann die Modulspannung der Spannung entsprechen, die durch das Gleichspannungsquellen-Modui z.B. als Nennwert bereitgestellt wird. Die Modulspannungsquelle kann eingerichtet sein, eine geregelte Modulspannung bereitzustellen (z.B. mitteis eines Spannungsreglers, etwa eines Low Drop Spannungsreglers ( I .DO) ). Des Weiteren kann die Moduispannungsquelie einen Spannungswandler umfassen, der eingerichtet ist, die Modulspannung auf Basis einer Versorgungsspannung (z.B. einer 230V oder einer 130V Netzspannung) zu generieren. Die Modulspannungsquelle kann dabei eine relativ niedrige
Ausgangsimpedanz aufweisen, so dass die Modulspannung bis zu einer vordefinierten Stromstärke substantiell unabhängig von dem durch die
Modulspannungsquelle bereitgestellten Strom ist. Das Simulationsmodiii umfasst ferner einen Spannungsteiler, der eingerichtet ist, die Modulspannung in N-l Zwischenpotentiale an N- l Zwischenpunkten zu unterteilen, mit N> l . Typischerweise ist N>3, 5, 7 oder 10 für ein
Simulationsmodul. Der Spannungsteiler kann eine Reihenschaltung von N Widerständen umfassen, wobei die Reihenschaltung von N Widerständen parallel zu der Moduispannungsquelie angeordnet ist. Ein Zwischenpunkt des
Spannungsteilers kann dann einem Kontaktpunkt zwischen zwei direkt benachbarten Widerständen der N Widerstände entsprechen. Insbesondere können die N- l Zwischenpunkte den N-l Kontaktpunkten zwischen den jeweils direkt benachbarten Widerständen entsprechen. Durch einen Spannungsteiler kann die Modulspannung aufgeteilt werden, um Teilspannungen für N zu simulierende Teilspannungsqueilen bereitzustellen.
Zur Bereitsteilung der Teilspannungen für die N zu simulierenden
Teilspannungsqueilen umfasst das Simulationsmodul N-l Operationsverstärker bzw. Differenzverstärker, die eingerichtet sind, die N-l Zwischenpotentiale in entsprechende N- l Tei lpotentiale an N- l inneren Messpunkten des Simulationsmoduls zu überführen. Die N- 1 inneren Messpunkte werden dabei durch die zwei äußeren Messpunkte umschlossen, so dass das Simulationsmodul insgesamt N+1 Messpunkte umfasst. Zwischen N Paaren von (direkt)
benachbarten Messpunkten der N+1 Messpunkte können dann N Teilspannungen zur Simulation von N Teilspannungsqueilen bereitgestellt werden. Dabei entspricht die Summe der N Teilspannungen typischerweise der Modulspannung. Beispielhaft liegen die Teilspannungen in einem Spannungsbereich zwischen 3V und 5V (z.B. zur Simulation von Batteriezellen, etwa Lithium-Ionen Zellen) bzw. zwischen 0,5V und 6V (z.B. zu Simulation von Solarzellen und/oder
elektrochemischen Zellen).
Durch die Verwendung einer Modulspannungsquelle in Kombination mit N- 1 Operationsverstärkern können in effizienter und zuverlässiger Weise N
Teilspannungen zur Simulation der N Teilspannungsquellen eines
Gleichspannungsquellen-Moduis bereitgestellt werden. Die N Teilspannungen können einer Überwachungseinheit für die Gleichspannungsqueile bereitgestellt werden, um das Verhalten der Teilspannungsqueilen einer realen
Gleichspannungsqueile zu simulieren. Ein positiver Eingang eines Operationsverstärkers kann (ggf. direkt) mit einem Zwischenpunkt gekoppelt sein. Des Weiteren kann ein Ausgang des
Operationsverstärkers (ggf. direkt) mit einem inneren Messpunkt gekoppelt sein. Außerdem kann der Ausgang des Operationsverstärkers (ggf. direkt) mit einem negativen Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt sein. Diese Anordnung kann für die N- 1 Operationsverstärker eines Simulationsmoduls verwendet werden. Es können somit in effizienter Weise stabile Teilpotentiale an den N- l inneren Messpunkten bereitgestellt werden. Insbesondere kann so die
Ausgangsimpedanz zwischen den N Paaren von (direkt) benachbarten
Messpunkten reduziert werden, um stabile Teilspannungen zur Simulation der Teilspannungsqueilen bereitzustellen. Die N- 1 Operationsverstärker können durch die Modulspannungsquelle m it elektrischer Energie versorgt werden, so dass ein effizientes Simulationsmodul bereitgestellt werden kann. Der Spannungsteiler kann eingerichtet sein, die N-1 Zwischenpotentiale zumindest teilweise zu verändern. Insbesondere kann eine Aufteilung der
Modulspannung auf die N-1 Zwischenpotentiale verändert werden. Dies kann z.B. durch Verwendung von ein oder mehreren Widerständen mit anpassbaren
Widerstandswerten erreicht werden. Durch die Veränderung zumindest eines der N-1 Zwischenpotentiale kann zumindest eine der Teilspannungen verändert werden. So können in flexibler Weise unterschiedliche Zustände (z.B.
unterschiedliche Ladezustände) von unterschiedlichen Teilspannungsquelien (z.B. von unterschiedlichen Batteriezellen) simuliert werden. Die Simulationsvorrichtung kann mindestens zwei Simulationsmodule umfassen, die in Reihe geschaltet sind. So können Gleichspannungsquellen mit mehreren Modulen simuliert werden. Zwei (direkt) benachbarte Simulationsmodule können dabei an einem gemeinsamen äußeren Messpunkt miteinander gekoppelt sein. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Potentiale an den äußeren Messpunkten nicht über einen Operationsverstärker, sondern direkt aus der jeweiligen Modulspannungsqueile bereitgestellt werden. Es wird somit durch den in diesem Dokument beschriebenen Aufbau eines Simulationsmoduls eine effiziente Reihenschaltung von Simulationsmodulen ermöglicht. Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Testanordnung zum Testen einer Überwachungseinheit für eine Gleichspannungsquelle, insbesondere für eine elektrochemische Gleichspannungsqueile, beschrieben. Die Testanordnung umfasst die Überwachungseinheit, die eingerichtet ist, eine
Gleichspannungsqueile auf Basis einer Vielzahl von Mess-Spannungen für eine entsprechende Vielzahl von Teilspannungsquellen der Gleichspannungsqueile zu überwachen und/oder zu steuern. Die Überwachungseinheit ist somit eingerichtet, eine Vielzahl von Mess-Spannung bezüglich einer entsprechenden Vielzahl von Teilspannungsquellen zu erfassen.
Die Testanordnung umfasst weiter eine in diesem Dokument beschriebene Simulationsvorrichtung zur Bereitstellung einer Vielzahl von Teilspannungen. Außerdem umfasst die Testanordnung Leitungen, die eingerichtet sind, der Überwachungseinheit die Vielzahl von Teilspannungen (als Mess-Spannungen) bereitzustellen. Es wird somit ein zuverlässiger und effizienter Test einer
Überwachungseinheit ermöglicht.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur 1 eine beispielhafte Testanordnung zum Testen der Überwachungseinheit einer modularen Gleichspannungsquelle;
Figur 2 ein Simulationsmodul für ein Gleichspannungsqueilen-Modul; und Figur 3 eine Simulationsvorrichtung für eine Gleichspannungsquelle mit mehreren in Reihe geschalteten Gleichspannungsquellen-Modulen.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der
Simulation einer Gleichspannungsquelle, insbesondere um in effizienter und präziser Weise die Überwachungseinheit einer Gleichspannungsquelle testen zu können. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 1 eine Testanordnung 100 mit einer Überwachungseinheit 101 und einer Simulations Vorrichtung 110 für eine Gleichspannungsquelle. Im Betrieb ist die Überwachungseinheit 101 über Messleitungen 102 mit unterschiedlichen Messpunkten innerhalb der zu überwachenden und/oder zu steuernden Gleichspannungsquelle verbunden. Über die Messleitungen 102 kann z.B. die Ausgangsspannung der einzelnen
Teilspannungsquellen der Gleichspannungsquelie erfasst werden, um den Zustand der einzelnen Teilspannungsquellen überwachen zu können.
Die Simulationsvorrichtung 110 kann Messpunkte für die einzelnen
Messleitungen 102 aufweisen. Des Weiteren kann die Simulationsvomchtung 110 eingerichtet sein, simulierte Teiispannungen für einzelne Teilspannungsquellen an den Messpunkten bereitzustellen.
Fig. 2 zeigt ein beispielhaftes Simulationsmodul 200 für ein
Gieichspannungsquellen-Modul mit einer Vielzahl von Teilspannungsquellen. Die Simulationsvorrichtung 110 für eine Gleichspannungsquelle kann ein oder mehrere solcher Simulationsmoduie 200 aufweisen. Das Simulationsmodul 200 umfasst eine Modulspannungsquelle 201, die eingerichtet ist, eine (geregelte) Modul- bzw. Gesamtspannung 211 bereitzustellen. Die Modulspannung 211 kann dabei der Nennspannung eines zu simulierenden Gleichspannungsquellen-Moduls entsprechen.
Des Weiteren umfasst das Simulationsmodul 200 einen Spannungsteiler 202, der eingerichtet ist, die Modulspannung 211 in eine Mehrzahl von (ungeregelten) Zwischenspannungen aufzuteilen. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel umfasst der Spannungsteiler 202 eine Reihenschaltung von elektrischen Widerständen 203, wobei an den Kontaktpunkten bzw. Zwischenpunkten 206 zwischen zwei Widerständen 203 jeweils ein (ungeregeltes) Zwischenpotential bereitgestellt wird. Bei Verwendung von gleichen Widerstandswerten für die N Widerstände 203 des Spannungsteilers 202 kann die Modulspannung 211 in N-l gleiche (ungeregelte) Zwischenpotentiaie unterteilt werden. Das Simulationsmodul 200 umfasst weiter ein oder mehrere rückgekoppelte Operationsverstärker 204 (insbesondere N- 1 Operationsverstärker 204), um basierend auf den (ungeregelten) Zwischenpotentialen an den Zwischenpunkten 206 (geregelte) Teilspannungen 2 12 zwischen den Messpunkten 205, 207 bereitzustellen. Insbesondere kann jeder Kontaktpunkt 206 zwischen zwei Widerständen 203 über einen Operationsverstärker 204 auf einen inneren
Messpunkt 205 geführt werden, wobei der Ausgang eines Operationsverstärkers 204 auf einen (negativen) Eingang des Operationsverstärkers 204 rückgeführt wird. So können an den Messpunkten 205. 207 N (geregelte) Teilspannungen 2 1 2 bereitgestellt werden, die substantiell unabhängig von dem Strom sind, der an den einzelnen Messpunkten 205, 207 fließt.
Durch das in Fig. 2 dargestellte Simulationsmodul 200 können somit durch Verwendung von N- 1 Operationsverstärkern 204 zwischen Paaren von
benachbarten Messpunkten 205.207 der N+l Messpunkte 205, 207 insgesamt N Teilspannungen 2 12 bereitgestellt werden. Dabei weisen die Paare von benachbarten Messpunkten 205, 207 jeweils eine relativ niedri e
Λ usgangs i m pedan auf, so dass für unterschiedliche Stromstärken stabile Teilspannungen 2 12 bereitgestellt werden können.
Die äußeren Messpunkte 207 des Simulationsmoduls 200 (zwischen denen die Moduispannung 211 anliegt) weisen die Ausgangsimpedanz der
Modulspannungsquelle 201 au , so dass auch ohne Verwendung von
rückgekoppelten Operationsverstärkern 204 für die äußeren Messpunkte 207 an den äußeren Messpunkten 207 stabile (geregelte) Teilspannungen 2 1 2 (Ui und U4 in Fig. 2) bereitgestellt werden können.
Die Verwendung von N- 1 Operationsverstärkern 204 zur Einstellung der Potentiale an den N- 1 inneren Messpunkten 205 des Simulationsmoduls 200 in Kombination mit der Verwendung einer Modulspannungsqueile 201 zur
Bereitstellung einer Modulspannung 2 1 I /wischen den 2 äußeren Messpunkten 207, die die N- 1 inneren Messpunkte 205 umschließen, ermöglicht eine effiziente askadierung b/w. Skalierung von Simulationsmodulen 200, um eine
Simulationsvorrichtung 110 für eine Gieichspannungsqueile bereitzustellen, die eine Mehrzahl von kaskadierten Gleichspannungsquellen-Modulen umfasst (z.B. eine Reihenschaltung von Batteriemoduien, wobei jedes Batteriemodul eine Vielzahl von Speicherzellen umfasst). Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht.
Insbesondere zeigt Fig. 3 wie zwei Simulationsmodule 200 an einem äußeren Messpunkt 207, 307 miteinander gekoppelt werden können, um eine
Reihenschaltung von Gleichspannungsquellen-Modulen simulieren zu können.
Es wird somit eine skalierbare Schaltung zur Simulation von in Reihe geschalteter Gleichspannungsquellen, wie elektrischen Batterien, Brennstoffzeilenstapeln oder Solarmodulen, beschrieben. Fig. 2 zeigt dabei ein Simulationsmodul 200 mit in Reihe geschalteter Spannungsgeneratoren mit relativ niedriger
Ausgangsimpedanz. Ein Spannungsgenerator kann dabei einen
Differenzverstärker 204 umfassen, der als Spannungsfolger bzw.
Impedanzwandler betrieben wird. Eingangs seitig wird eine Zielspannung für den Differenzverstärker 204 (d.h. das Zwischenpotential) durch einen
Spannungsteiler 202 eingestellt. Die versorgende Modulspannungsquelle 201 benötigt aufgrund der niedrigen Ausgangsimpedanz typischerweise keine
Anpassung durch eine eigene Spannungsfolgerschaitung und bietet selbst eine definierte Teilspannung innerhalb der Reihenschaltung. Die Versorgung der N- l Differenz- bzw. Operationsverstärker 204 erfolgt direkt durch die Modulspannung 211.
Fig. 3 veranschaulicht eine Skalierung des Simulationsmoduls 200 aus Fig. 2. Die Skalierung erfolgt durch Reihenschaltung der einzelnen Modulspannungsquellen 201 der einzelnen Simulationsmodule 200. Wie bereits oben dargelegt, wird die Modulspannung 211 eines
Simulationsmoduls 200 nicht nur zur Bereitstellung eines gemeinsamen Grund- Potentials und zur Versorgung der Operationsverstärker 205 verwendet. Darüber hinaus wi d durch die Modulspannungsquelle 201 selbst die letzte zu erzeugende Spannungsebene an einem bzw. an beiden äußeren Messpunkt(en) 207 bereitgestellt (ohne Verwendung eines Operationsverstärkers 204). Das so entstandene Simulationsmodul 200 kann dadurch in effektiver Weise in Reihe geschalten, d.h. skaliert, werden.
Der Spannungsteiler 202 kann eingerichtet sein, die einzelnen aus der
Modulspannung 211 erzeugten Zwischenpotentiale zu verändern. Zu diesem Zweck können z.B. die Widerstandswerte der einzelnen Widerstände 203 zumindest teilweise zueinander verändert werden. So können unterschiedliche Zustände von einzelnen Teilspanungsquellen (z.B. Speicherzellen oder
Brennstoffzellen) simuliert werden. Durch die in diesem Dokument beschriebene Simulationsvorrichtung 110 kann der Aufwand für die Entwicklung und insbesondere für das Testen einer Überwachungseinheit 101 für eine Gleichspannungsquelle reduziert werden. Dabei können die Entwicklung und/oder die Tests an der Simulationsvorrichtung 110 anstelle an einer Batterie, einem Brennstoffzeilenstapel oder einem
Solarmodul erfolgen. Die Simulationsvorrichtung 110 kann bei Bedarf spannungsfrei geschalten werden, was bei elektrochemischen
Gleichspannungsquellen nicht möglich ist, so dass eine sichere Handhabung ermöglicht wird. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Ansprüche
1) Simulationsvorrichtung (110) zur Simulation einer Gleichspannungsquelle, insbesondere einer elektrochemischen Gleichspannungsquelie, mit einer Vielzahl von Teilspannungsquelien; wobei die Simulationsvorrichtung (110) zumindest ein Simulationsmodul (200) umfasst, mit
- einer Modulspannungsquelle (201), die eingerichtet ist, an zwei
äußeren Messpunkten (207) des Simulationsmoduis (200) eine Modulspannung (211) bereitzustellen;
- einen Spannungsteiler (202), der eingerichtet ist, die Modulspannung
(211) in N-l Zwischenpotentiale an N-l Zwischenpunkten (206) zu unterteilen, mit N>1; und
- N-l Operationsverstärker (204), die eingerichtet sind, die N-l
Zwischenpotentiale in N-l Teilpotentiale an N-l inneren Messpunkten (205) des Simulationsmoduis (200) zu überführen; wobei die N-l inneren Messpunkte (205) durch die zwei äußeren Messpunkte (207) umschlossen werden, um zwischen N Paaren von benachbarten Messpunkten (205, 207) der N+l Messpunkte (205, 207) N Teilspannungen (212) zur Simulation von N Teilspannungsquellen bereitzustellen.
2) Simulationsvorrichtung (110) gemäß Anspruch 1, wobei
- ein positiver Eingang eines Operationsverstärkers (204) mit einem Zwischenpunkt (206) gekoppelt ist; und
- ein Ausgang des Operationsverstärkers (204) mit einem inneren
Messpunkt (205) gekoppelt ist.
3) Simuiationsvorrichtung (110) gemäß Anspruch 2, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers (204) mit einem negativen Eingang des
Operationsverstärkers (204) gekoppelt ist. Simulationsvorrichtung (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Spannungsteiler (202) eine Reihenschaltung von N Widerständen
(203) umfasst;
- die Reihenschaltung von N Widerständen (203) parallel zu der
Moduispannungsquelle (201) angeordnet ist; und
- ein Zwischenpunkt (206) einem Kontaktpunkt zwischen zwei direkt benachbarten Widerständen (203) der N Widerstände (203) entspricht.
Simulationsvorrichtung (110) gemäß einem der vorhergehenden Anspräche, wobei der Spannungsteiler (202) eingerichtet ist, die N- 1 Zwischenpotentiale zumindest teilweise zu verändern.
Simulationsvorrichtung (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die N-l Operationsverstärker (204) durch die Modulspannungsquelle (201) mit elektrischer Energie versorgt werden.
Simulationsvorrichtung (110) gemäß einem der vorhergehenden Anspräche, wobei N>3.
Simulationsvorrichtung (110) gemäß einem der vorhergehenden Anspräche, wobei
- die Summe der N Teilspannungen (212) der Modulspannung (211) entspricht; und/oder
- eine Teilspannung (212) in einem Spannungsbereich zwischen 0,5V und 6V liegt.
Simulationsvorrichtung (110) gemäß einem der vorhergehenden Anspräche, wobei
- die Simulations Vorrichtung (110) mindestens zwei Simulationsmodule (200) umfasst, die in Reihe geschaltet sind; und - zwei benachbarte Simulationsmodule (200) an einem gemeinsamen äußeren Messpunkt (207, 307) miteinander gekoppelt sind.
10) Testanordnung (100) zum Testen einer Überwachungseinheit (101) für eine Gleichspannungsquelle, insbesondere eine elektrochemische
Gleichspannungsquelle; wobei die Testanordnung (100) umfasst,
die Überwachungseinheit (101), die eingerichtet ist, eine
Gleichspannungsquelle auf Basis einer Vielzahl von Mess-Spannungen für eine entsprechende Vielzahl von Teilspannungsquellen der Gleichspannungsquelle zu überwachen und/oder zu steuern; eine Simulationsvorrichtung (110) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche zur Bereitstellung einer Vielzahl von Teilspannungen (212); und
- Leitungen (102), die eingerichtet sind, der Überwachungseinheit (101) die Vielzahl von Teilspannungen (212) bereitzustellen.
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