具有故障仿真的电池仿真系统技术方案

一种电池模拟设备(5)，具有控制单元(7)和用于根据由控制单元(7)经电隔离的接口(14)预给定的额定值在电池控制装置(3)的端子(10d)上模拟电池单元电压的至少一个模拟通道(8)，其中模拟通道(8)具有电压源(15)、放大器单元(13)、用于连接模拟通道(8)的连接线路(11a，11b，11c)、及测量线路(9a，9b)和用于对故障状态、尤其是对电缆断裂进行仿真的装置(12)。

【技术实现步骤摘要】
具有故障仿真的电池模拟设备及方法
本专利技术涉及一种用于在测试电池控制装置时对故障状态进行仿真的电池模拟设备和方法。
混合动力汽车或电动汽车的高压电池往往由串联连接的单电池单元(Einzelzelle)构成。这些电池单元基于例如镍金属氢化物(Ni-MH)、铅、锂离子而生产。对于锂离子电池单元，例如标称电压为大约3.6V，充电终止电压为4.2V。通过串联连接产生超过600V的电压。单电池单元的串联连接导致：发生故障的或弱的电池单元会影响整个电池组。为了监测这样的高电压的且因此对安全至关重要的电池，在混合动力汽车和电动汽车中使用电池控制装置，该电池控制装置应当保护各个电池单元以防止过量充电、过放电和热过载，还以便延长其寿命。为此力求将所有电池单元均衡到相同充电状态。此外，电池控制装置必须根据所提供的参数评估剩余的作用范围，并且将所计算的值提供给上级混合控制装置。通常经由汽车CAN总线进行通信。电池控制装置分为实际的电池管理系统(BMS)和电池单元模块(ZM)。这两者经由一个单独的CAN总线相互连接。各个ZM分别被分配给一个电池单元组(电池的所有单电池单元的一个子集)，并且既负责测量电池单元电压也负责对各个电池单元有针对性的放电。为此，在ZM中对于每个电池单元存在一个开关(晶体管)，该开关在闭合状态下通过一个电阻对该电池单元加载。控制装置通过激活相应的开关总是对电压高于其他电池单元的那些电池单元加载。这种电池单元充电平衡机制导致电池的所有电池单元保持在相同的充电水平。电池单元特性的不同因此被平衡。为了一般地确保控制装置的正确运行，在不同开发阶段执行不同类型的测试。如果控制装置的硬件和软件已经存在，则通常执行所谓的硬件在环(HIL)测试，其中为待测试的控制单元模拟-仿真调节对象以及可能的其他环境部件或其他控制装置的存在。调节对象例如在发动机控制的情况下是发动机，或者在这里所关注的电池控制的情况下是电池。环境部件例如可以是经由总线与待测试的控制装置连接并且经由消息与其进行通信的其他控制装置。这样的控制装置经常通过所谓的剩余总线仿真(Restbussimulation)来仿真，其中在总线上只模拟待测试的控制装置所期待的消息。一般来说，HIL仿真在不同层面上进行：·在信号层面上，只有数字信号在合适的计算单元(例如支持实时功能的处理器)上在仿真模型中被计算并被传输到控制装置的计算单元。为此需要对相应信号接口的存取。经常，尤其是在测试电动机的控制装置的情况下，为此必须打开待测试的控制装置。这样的测试能相对简单地执行，只要信号点(Signalstelle)是暴露出的。但是不可能通过其验证功率电子元件(Leistungselektronik)的功能作用。·在所谓的“功率层面”上，根据仿真模型生成真实的电流和/或电压，该真实的电流和/或电流直接经由控制装置的功率电子元件被传输到控制装置。这些电压和电流的生成也被称为模拟。在该测试层面上，不仅控制装置的调节算法、而且其功率电子元件也被测试。通过只对调节对象仿真，其能容易地更换，并且测试可以灵活地适配于不同情形。·对于机械层面的仿真，由控制装置和物理存在的调节对象构成的完整单元在例如具有电动机或节气门的机械试验台上被测试。该测试非常昂贵、非常不灵活、并且有时甚至还是安全关键的，但是其使得能够测试实际的负载条件。硬件在环(HIL)测试的另一重要组成部分是故障仿真，以便测试在故障情形下控制装置的反应。为了对电缆断裂或类似故障进行仿真，通常可使用用于HIL系统的附加插件板，所谓的故障引入单元(FIU)。其包括具有能远程并自动控制的开关的开关电路，该开关用于对电缆断裂、短路和/或所有连接控制装置端子的互换连接进行仿真。不仅对于传感器、而且对于执行器也存在FIU板卡，其对于执行器还可以与负载板卡(Lastkarte)组合。在下面仅仅还关注电池控制装置的测试。如果其中只需要检查BMS的调节策略，则只测试BMS就足够了。ZM在这种情况下在信号层面被仿真。但是，为了在功率层面测试整个电池控制装置，所有ZM或至少一个ZM必须被集成到HIL系统中。作为调节对象，不仅需要支持实时功能的电池仿真模型，而且需要电池单元电压模拟器，以输出模拟的端电压。电池仿真模型可以例如在市场上获得，如能从http://www.dspace.de/shared/data/bkm/ElectricalDrive_en/blaetterkatalog/中获得。电池单元电压模拟器也可以在市场上获得，如能从以下链接获得：www.scienlab.de/hosts/275/files/28765/404.pdf。上述用于测试电池控制装置的电池仿真模型模拟由多个单电池单元联接构成的电池的行为。其中，电池单元模型描绘电池单元的电池单元电压和充电状态。可以考虑不同电池单元技术(如锂离子，Ni-MH或铅)的典型的电池单元行为。其中包括充电和放电中的差异以及负荷跳变时的动态特性和例如由于起泡效应(Gasungseffekte)导致的漏泄电流。通常，电池仿真模型还提供一个或多个温度值，该温度值对控制装置而被模仿，例如也通过电池单元电压模拟器的硬件单元来实现。电池的模型于是由各个电池单元模型组成。其中支持电池单元的串联连接以达到所要求的电压水平，也支持并联连接以及由此产生的电流。其中，各个电池单元参数和状态(如内电阻或初始充电状态)保持为能分别调节，并且所得到的电池单元电压也可以逐个地提供给电池控制装置。同样还考虑然后由电池控制装置为了电池单元充电平衡而调节的电流。其中参数化可以通过图形用户接口而被操控。这样的图形用户接口的一个例子是在http://www.dspace.de/shared/data/bkm/catalog2010/blaetterkatalog/中提及的ProgrammModelDesk。电池单元电压模拟器通常由各个可控电压源构成，其额定电压值由电池模型预给定。电池单元电压模拟器的构造经常模块化地通过连接多个模拟单元而实现，这些模拟单元分别包括一组各自具有一个可控电压源的电池单元模拟通道。模拟单元的能量供应经由电源单元实现，该电源单元的电压借助于直流/直流变换器为每个电池单元模拟通道分配，以模拟单电池单元。通道相互之间电隔离，并且既可以串联连接也可以并联连接。目前，在串联连接的情况下可以达到大约1000V的总电压。并联连接使得能够产生更高的电流。单个模拟通道除了具有几伏的电压供应之外还具有用于根据预给定的额定值调节电池单元电压的放大器单元。单个模拟通道相对更宽的电压范围就允许对有缺陷的电池单元的模拟。例如利用0V的输出来模拟短路的电池单元。而比标称电压高的电压模拟在充电过程中电池单元的提高的内电阻。为了真实地模仿电池，必须快速地调平额定值跳变(Sollwertsprünge)。对此的要求目前是少于500μs。电压源的所要求的快速调节大多通过一个控制单元、即一个快速计算单元实现。为此例如设置可以提供多个模拟单元的通道的FPGA。经由(例如通过光电耦合器)与到这些通道的电隔离的接口的总线连接来数字地传输额定电压值到放大器单元。控制单元与上级计算单元交换数据，在该上级计算单元上执行电池仿真模型，根据该电池仿真模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.11.11 DE 102010043761.11.一种电池模拟设备(5)，具有：控制单元(7)，和至少一个模拟通道(8)，用于根据由所述控制单元(7)经由电隔离的接口(14)预给定的额定值在电池控制装置(1)的端子(10d)上模拟电池单元电压，其中，所述模拟通道(8)具有电压源(15)、放大器单元(13)、用于连接所述模拟通道(8)的连接线路(11a，11b，11c)、以及测量线路(9a，9b)和用于对故障状态进行仿真的装置(12)，其中，所述模拟通道(8)具有用于将所述模拟通道(8)与基准电势相连的第一连接线路(11a)、用于将所述模拟通道(8)与所述电池控制装置(1)的端子(10d)连接的第二连接线路(11b)以及用于将所述模拟通道(8)与下游连接的模拟通道(8'')相连的第三连接线路(11c)，并且第一连接线路(11a)与所述放大器单元(13)的输入端(19a)毗连，第二连接线路(11b)和第三连接线路(11c)与所述放大器单元(13)的输出端(19b)毗连。2.根据权利要求1所述的电池模拟设备(5)，其特征在于，所述故障状态是电缆断裂。3.根据权利要求1或2所述的电池模拟设备(5)，其特征在于，所述模拟通道(8)具有用于在所述电池控制装置(1)的所述端子(10d)上检测所述模拟通道的输出电压的第二测量线路(9b)和用于在所述电池控制装置(1)的另一端子(10d')上检测基准电势的第一测量线路(9a)，其中这些测量线路(9a，9b)与所述放大器单元(13)的输入端(19c，19d)毗连以便将测量值传输到所述放大器单元(13)。4.根据权利要求1或2所述的电池模拟设备(5)，其特征在于，作为用于对故障状态进行仿真的装置(12)，在所述模拟通道(8)的第一连接线路(11a)和第二连接线路(11b)中设置可控开关(12a，12b)，其中第一连接线路(11a)中的第一可控开关(12a)用于对两个电池单元之间的电池单元连接器的电缆断裂进行仿真，和/或第二连接线路(11b)中的第二可控开关(12b)用于对电池控制装置和电池单元之间的连接中的电缆断裂进行仿真。5.根据权利要求4所述的电池模拟设备，其特征在于，在第一测量线路(9a)中设置第三可控开关(12c)和/或在第二测量线路(9b)中设置第四可控开关(12d)。6.根据权利要求1或2所述的电池模拟设备，其特征在于，所述电压源(15)是具有基准电压源和数模转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·布拉克，J·德里森，
申请(专利权)人：帝斯贝思数字信号处理和控制工程有限公司，
类型：发明
国别省市：