(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コントロールユニット（７）と、バッテリセル電圧をバッテリ制御装置（１）のセルモジュール（３）の端子（１０ｄ）においてシミュレートするための少なくとも１つのエミュレーションチャネル（８）とを有するバッテリエミュレーション装置（５）であって、前記シミュレートは、前記コントロールユニット（７）により、電気的に絶縁されたインタフェース（１４）を介して設定された目標値にしたがって行われ、
前記エミュレーションチャネル（８）は、電圧源（１５）と、増幅器ユニット（１３）と、前記エミュレーションチャネル（８）を接続するための複数の接続線路（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と、複数の測定線路（９ａ、９ｂ）と、エラー状態をシミュレートするための手段（１２）とを有するバッテリエミュレーション装置であって、
前記複数の測定線路（９ａ、９ｂ）のそれぞれに１つの制御可能なスイッチ（１２ｃ、１２ｄ）が設けられており、
前記エミュレーションチャネル（８）は、前記エミュレーションチャネル（８）を基準電位に接続するための第１の接続線路（１１ａ）と、前記エミュレーションチャネル（８）を前記バッテリ制御装置（１）のセルモジュール（３）の端子（１０ｄ）と接続するための第２の接続線路（１１ｂ）と、前記エミュレーションチャネル（８）を、後置接続されたエミュレーションチャネル（８''）に接続するための第３の接続線路（１１ｃ）とを有し、
前記第１の接続線路（１１ａ）は前記増幅器ユニット（１３）の入力端（１９ａ）と接続されており、前記第２および前記第３の接続線路（１１ｂ、１１ｃ）は前記増幅器ユニット（１３）の出力端（１９ｂ）と接続されている、
バッテリエミュレーション装置。
【請求項２】
前記エミュレーションチャネル（８）は、前記バッテリ制御装置（１）のセルモジュール（３）の別の端子（１０ｄ’）における基準電位を求めるための第１の測定線路（９ａ）と、前記バッテリ制御装置（１）のセルモジュール（３）の端子（１０ｄ）におけるエミュレーションチャネルの出力電圧を求めるための第２の測定線路（９ｂ）とを有し、
前記第１および第２の測定線路（９ａ、９ｂ）は、測定値を前記増幅器ユニット（１３）に引き渡すために、前記増幅器ユニット（１３）の入力端（１９ｃ、１９ｄ）と接続されている、請求項１に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項３】
前記エミュレーションチャネル（８）の前記第１の接続線路（１１ａ）および前記第２の接続線路（１１ｂ）におけるエラー状態をシミュレートするための手段（１２）として、第１および第２の制御可能なスイッチ（１２ａ、１２ｂ）が設けられており、
前記第１の制御可能なスイッチ（１２ａ）が、２つのバッテリセル間のセル接続のケーブル断線をシミュレートするために前記第１の接続線路（１１ａ）に設けられており、および／または前記第２の制御可能なスイッチ（１２ｂ）が、制御装置とバッテリセルとの間の接続におけるケーブル断線をシミュレートするために前記第２の接続線路（１１ｂ）に設けられている、請求項２に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項４】
前記複数の測定線路（９ａ、９ｂ）のそれぞれに１つ設けられた制御可能なスイッチ（１２ｃ、１２ｄ）は、
前記第１の測定線路（９ａ）に設けられた第３の制御可能なスイッチ（１２ｃ）と、
前記第２の測定線路（９ｂ）に設けられた第４の制御可能なスイッチ（１２ｄ）と
を含んでいる、ことを特徴とする請求項３に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項５】
前記第３の制御可能なスイッチ（１２ｃ）は、第１の回路状態で、前記第１の測定線路（９ａ）を閉じ、第２の回路状態で、前記増幅器ユニット（１３）の入力端（１９ｃ）を、前記増幅器ユニット（１３）への前記第１の接続線路（１１ａ）の入力端（１９ａ）と接続し、一方、前記第４の制御可能なスイッチ（１２ｄ）は、前記第１の回路状態で、前記第２の測定線路（９ｂ）を閉じ、前記第２の回路状態で、前記増幅器ユニット（１３）の入力端（１９ｄ）を、前記増幅器ユニット（１３）の出力端（１９ｂ）と接続することを特徴とする、請求項４に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項６】
前記第１の接続線路（１１ａ）にある前記第１の制御可能なスイッチ（１２ａ）が開放されると同時に前記第３の制御可能なスイッチ（１２ｃ）が前記第２の回路状態に切り換えられる、又は、前記第２の接続線路（１１ｂ）にある前記第２の制御可能なスイッチ（１２ｂ）が開放されると同時に前記第４の制御可能なスイッチ（１２ｄ）が前記第２の回路状態に切り換えられることを特徴とする、請求項５に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項７】
前記電圧源（１５）は制御可能な電圧源として、基準電圧源およびデジタル／アナログ変換器によって構成されている、ことを特徴とする請求項４から６までのいずれか一項に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項８】
前記バッテリエミュレーション装置は、複数のエミュレーションチャネル（８、８’、８''）を有しているエミュレーションユニット（６）をさらに備え、
前記コントロールユニット（７）と前記エミュレーションユニット（６）とは、データバス接続（２１）を介して接続されている、ことを特徴とする請求項４から７までのいずれか一項に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項９】
前記第１から第４の制御可能なスイッチ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）は、前記コントロールユニット（７）により、前記データバス接続（２１）と、前記エミュレーションユニット（６）のエミュレーションチャネル（８、８’、８''）の前記電気的に絶縁されたインタフェース（１４）とを介して制御される、ことを特徴とする請求項８に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項１０】
前記第１から第４の制御可能なスイッチ（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）はリレーによって構成されている、ことを特徴とする請求項９に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項１１】
前記エミュレーションユニット（６、６’、６''）は、複数のエミュレーションチャネル（８、８’、８''）を有し、差し込みカードの上に実装されている、ことを特徴とする請求項８から１０までのいずれか一項に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項１２】
前記エミュレーションユニット（６、６’、６''）の端子はそれぞれ、差し込みカードの端部に設けられている、ことを特徴とする請求項８から１１までのいずれか一項に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項１３】
前記コントロールユニット（７）は別個の差し込みカード上に実装されており、該別個の差し込みカードは複数の差し込みカードと接続可能である、ことを特徴とする請求項１から１２までのいずれか一項に記載のバッテリエミュレーション装置。
【請求項１４】
コントロールユニット（７）と、バッテリセル電圧をバッテリ制御装置（１）のセルモジュール（３）の端子（１０ｄ）においてシミュレートするための少なくとも１つのエミュレーションチャネル（８）とを有するバッテリエミュレーション装置（５）を用いてバッテリ制御装置（１）を検査するための方法であって、前記シミュレートは、前記コントロールユニット（７）により電気的に絶縁されたインタフェース（１４）を介して設定された目標値にしたがって行われ、
前記エミュレーションチャネル（８）は、電圧源（１５）と、増幅器ユニット（１３）と、前記エミュレーションチャネル（８）を接続するための複数の接続線路（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と、複数の測定線路（９ａ、９ｂ）とを有し、
エラー状態を、前記コントロールユニット（７）を介してシミュレートするために、前記エミュレーションチャネル（８）の複数の接続線路（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に設けられたスイッチ手段（１２ａ、１２ｂ）が制御され、
前記複数の接続線路（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）は、前記エミュレーションチャネル（８）を基準電位に接続するための第１の接続線路（１１ａ）と、前記エミュレーションチャネル（８）を前記バッテリ制御装置（１）のセルモジュール（３）の端子（１０ｄ）と接続するための第２の接続線路（１１ｂ）と、前記エミュレーションチャネル（８）を、後置接続されたエミュレーションチャネル（８''）に接続するための第３の接続線路（１１ｃ）とを含み、
前記第１の接続線路（１１ａ）は前記増幅器ユニット（１３）の入力端（１９ａ）と接続されており、前記第２および前記第３の接続線路（１１ｂ、１１ｃ）は前記増幅器ユニット（１３）の出力端（１９ｂ）と接続されており、
前記複数の測定線路（９ａ、９ｂ）のそれぞれに１つの制御可能なスイッチ（１２ｃ、１２ｄ）が組み込まれている、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリ制御装置をテストする際にエラー状態をシミュレートするための装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車両または電気車両用の高電圧バッテリは、直列に接続された個別セルからなることがしばしばである。セルはたとえば、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）、鉛、またはリチウムイオン（Ｌｉイオン）をベースに作製される。リチウムイオン電池では、公称電圧はたとえば約３．６Ｖであり、充電端子電圧は４．２Ｖである。直列接続によって６００Ｖ以上の電圧が形成される。個別セルの直列接続のため、故障したセルまたは弱ったセルがバッテリ積層体全体に影響する。このような高電圧、および安全性に問題のあるバッテリを監視するために、ハイブリッド車両および電気車両にはバッテリ制御装置が使用される。このバッテリ制御装置は、個々のセルを過充電、過放電、および熱的過負荷から保護し、それらの寿命を延長する。そのために、すべてのセルが常に同じ充電状態になるよう努められる。付加的にバッテリ制御装置は、得られるパラメータから残りの走行距離を推定し、計算された値を上位のハイブリッド制御装置に提供する。通信は通例、車両ＣＡＮバスを介して行われる。
【０００３】
バッテリ制御装置は、本来のバッテリ管理システム（ＢＭＳ）とセルモジュール（ＺＭ）に分かれている。両者は絶縁されたＣＡＮバスを介して互いに接続されている。ＺＭはそれぞれ１つのセル積層体（すべてのバッテリ個別セルの部分集合）に配設されており、セル電圧の測定と、個々のセルの所期の放電を行う。そのためにＺＭ内には各セルごとに１つのスイッチ（トランジスタ）があり、スイッチはオン状態で抵抗を介してセルを負荷する。
【０００４】
制御装置は、電圧が他のセルよりも高いセルを、所属のスイッチの作動によって常に負荷する。セル放電調整のこの機構により、バッテリのすべてのセルが同じ充電レベルに維持される。セル特性の差は、このようにして平均化される。
【０００５】
制御装置の正常機能を保証するために、様々な開発ステップで種々のテストが実施される。制御装置用のハードウエアとソフトウエアがすでに存在していれば、通例はいわゆるハードウエアインザループ（ＨＩＬ）テストが実施される。このテストでは、テストすべき制御装置に対して、制御区間ならびに場合によってはさらなる環境要素または他の制御装置が存在していることを見せかける（シミュレートする）。制御区間は、たとえば機関制御装置の場合は機関であり、ここで考察するバッテリ制御装置の場合はバッテリである。環境要素は、たとえば別の制御装置とすることができ、テストすべき制御装置はこの制御装置とバスを介して接続され、メッセージを交換する。このような制御装置は、しばしばいわゆるレストバスシミュレーションによってシミュレートされる。このシミュレーションでは、被検制御装置によって待ち受けられるメッセージだけがバス上でシミュレートされる。
【０００６】
一般的にＨＩＬシミュレーションは種々のレベルで行うことができる。
【０００７】
・信号レベルでは、適切な計算ユニット、たとえばリアルタイム能力のあるプロセッサ上のシミュレーションモデルでデジタル信号だけが計算され、制御装置の計算ユニットに伝送される。このためには、対応する信号インタフェースへのアクセスが必要である。とりわけ電気モータ用の制御装置をテストする場合には、そのためにテストすべき制御装置を開放しなければならないことがしばしばである。このようなテストは、信号個所がイネーブルされるとすぐに、比較的簡単に実施される。しかしこれによって、電力電子回路の機能能力を検証することはできない。
【０００８】
・いわゆる「電力レベル」では、シミュレーションモデルに対応して真の電流および／または電圧が形成され、制御装置の電力電子回路を介して制御装置に直接伝達される。この電圧と電流を形成することを、エミュレーションと呼ぶ。このテストレベルでは、制御装置の制御アルゴリズムだけでなく、その電力電子回路もテストされる。制御区間だけがシミュレートされるので、この制御区間は容易に交換可能であり、種々の状況にテストをフレキシブルに適合することができる。
【０００９】
・機械レベルのシミュレーションでは、制御装置の完全なユニットと物理的に存在する制御区間が、たとえば電気モータまたはスロットルバルブを備える機械的検査台の上でテストされる。このテストは非常に面倒であり、フレキシビリティがなく、部分的には安全性にシビアであるが、真の負荷条件をテストすることができる。
【００１０】
ＨＩＬテストのさらなる重要な構成部分は、エラー状況で制御装置の反応をテストするためのエラーシミュレーションである。ケーブル断線等のエラーをシミュレートするために、通例は、ＨＩＬシステム用の付加的な挿入カード、いわゆる故障挿入ユニット（ＦＩＵ）が入手可能である。このユニットは、遠隔自動操作可能なスイッチを備えるスイッチ回路を有しており、ケーブル断線、短絡および／またはすべての制御装置端子に対する誤接続をシミュレートする。ＦＩＵカードは、センサ用もアクチュエータ用もあり、アクチュエータのためには負荷カードと組み合わされる。
【００１１】
以下ではバッテリ制御装置のテストについてだけ考察する。ここでＢＭＳの制御ストラテジーだけを検査すべきであるなら、ＢＭＳだけをテストすれば十分である。ＺＭはこの場合、信号レベルでシミュレートされる。しかしバッテリ制御装置全体を電力レベルでテストするためには、すべてのまたは少なくとも１つのＺＭをＨＩＬシステムに組み込まなければならない。制御区間としては、リアルタイム能力のあるバッテリシミュレーションモデルと、アナログ端子電圧を出力するためのセル電圧エミュレータが必要である。バッテリシミュレーションモデルは市販されており、たとえばhttp:／／www.dspace.de／shared／data／bkm／ElectricalDrive en／blaetterkatalog／から入手可能である。バッテリ電圧エミュレータも市販されており、www.scienlab.de／hosts／275／files／28765／404.pdfを参照されたい。
【００１２】
バッテリ制御装置をテストするための前記バッテリシミュレーションモデルは、バッテリの特性を複数の個別セルの統合回路としてシミュレートする。ここでセルモデルは、１つのバッテリセルのセル電圧と充電状態をシミュレートする。Ｌｉ−イオン、Ｎｉ−ＭＨまたは鉛電池のような種々異なるセル技術の典型的なセル特性を考慮することができる。これには、充電時と放電時の差、ならびにたとえばガス効果による負荷変化と損失電流のダイナミック特性も入る。通常、バッテリシミュレーションモデルは、制御装置を見誤らせる１つまたは複数の温度値を、たとえばセル電圧エミュレータのハードウエアユニットを介して送出する。この場合のバッテリモデルは、個々のセルモデルから統合される。ここでは所要の電圧レベルを達成するためのセルの直列回路と、並列回路、およびそれらから生じる電流がサポートされる。ここで個々のセルパラメータおよびセル状態、たとえば内部状態または初期充電状態は個別に調整可能であり、生じるセル電圧をバッテリ制御装置は個別に使用することができる。セル充電調整のためにバッテリ制御装置によって調整された電流も同様に考慮される。ここではグラフィカルユーザインタフェースを介してパラメータ化が処理される。このようなグラフィカルユーザインタフェースに対する例は、http:／／www.dspace.de／shared／data／bkm／catalog2010／blaetterkataloa／のプログラムModelDeskで述べられている。
【００１３】
セル電圧エミュレータは通例、個別に制御可能な電圧源から構成されており、それらのセル電圧値はバッテリモデルから設定される。セル電圧エミュレータの構造はモジュール形であり、複数のエミュレーションユニットの接続によって行われることがしばしばである。このエミュレーションユニットは、それぞれ制御可能な電圧源を備える一群のセルエミュレーションチャネルを含む。エミュレーションユニットのエネルギー供給は電源部を介して行われ、電源部の電圧がＤＣ／ＤＣ変換器によって、セルエミュレーションチャネルごとに個々のバッテリセルをエミュレートするために分配される。チャネルは互いに電気絶縁されており、直列にも並列にも接続することができる。現在のところ直列回路の総電圧は、ほぼ１０００Ｖに達する。並列回路によって、大きな電流を形成することができる。個々のエミュレーションチャネルは、数Ｖの電圧供給部の他に、セル電圧を所定の目標値にしたがって制御するための増幅器ユニットを有する。個々のエミュレーションチャネルに対する電圧範囲が比較的広いことにより、欠陥のあるセルのエミュレートできる。０Ｖを出力することにより、たとえばセルの短絡をエミュレートすることができる。公称電圧より高い電圧は、充電過程時のセルの高められた内部抵抗をエミュレートする。バッテリをリアルにシミュレートするためには、目標電圧変化を高速に行わなければならない。そのための設定は現在のところ、５００μｓ以下である。
【００１４】
電圧源を高速に制御することは、通例、コントロールユニット、すなわち高速な計算ユニットによって行われる。このためにたとえばＦＰＧＡが設けられており、複数のエミュレーションユニットのチャネルをコントロールすることができる。目標電圧値を個々のエミュレーションチャネルの増幅器ユニットに（デジタルで）伝送することは、チャネルに導電絶縁されたインタフェースを備えるバス接続を介して、たとえばフォトカップラによって行われる。コントロールユニットはデータ交換のため上位の計算ユニットと接続されており、この計算ユニットでバッテリシミュレーションモデルが実施される。このバッテリシミュレーションモデルにしたがって、バッテリエミュレーションのために目標電圧値が設定される。真のバッテリと同じように、エミュレートされたセル電圧もエミュレーションの際には直列に接続される。
【００１５】
制御装置、すなわちＺＭでの電圧測定は、バッテリセルが非常に単純な放電特性を有しているため高精度で行われる。この理由から、セル電圧のエミュレーションの際にも高精度が要求される。２ｍＶ以上の偏差は許容されないことが多い。セル充電調整機能は、エミュレートされた数百ｍＡの電圧源を負荷する。電圧の精度は負荷の際にも維持されなければならず、したがってエミュレータから制御装置への線路上での電圧降下を補償しなければならない。そのために各セルエミュレーションチャネルには測定線路が設けられており、この測定線路は増幅器ユニットのために、ＺＭの入力端での正確に電圧値を取り出す。さらに各セルエミュレーションチャネル内で調整電流が検出され、コントロールユニットに通知され、充電状態の正しいシミュレーションのために考慮される。セルまたはチャネルを直列接続した場合には、前置接続された電圧源の電位によって決められる基準電位の電圧値が、前置接続された電圧源を基準にして制御装置により検出される電圧値と一致しているか否かが、別の測定線路によって検査される。
【００１６】
しかし従来技術で開示されたバッテリシミュレーションシステムには、断線等のエラーをシミュレートすることができないという欠点がある。なぜならＨＩＬシミュレーションの際に通常使用されるエラーシミュレーションカード（ＦＩＵカード）を、電圧が高く、バッテリエミュレーションシステムに付加的な測定線路が必要であるため使用できないからである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の課題は、従来技術の欠点を十分に低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この課題は請求項１および１２の特徴によって解決される。有利な実施形態は従属請求項の対象である。
【００１９】
本発明によれば、コントロールユニットと、バッテリセル電圧をバッテリ制御装置の端子においてシミュレートするための少なくとも１つのエミュレーションチャネルを有するバッテリエミュレーション装置が提供され、ここでバッテリセル電圧のシミュレーションは、コントロールユニットにより導電絶縁されたインタフェースを介して設定された目標値にしたがって行われる。エミュレーションチャネルは、出力電圧を制御するための増幅器ユニットと、エミュレーションチャネルをとりわけ基準電位と接続するための接続線路と、バッテリ制御装置の端子と、後置接続されたエミュレーションチャネルと、測定線路とを有する。ここでは、制御装置の別の端子で基準電位を検出する測定線路と、制御装置の端子でエミュレーションチャネルの出力電圧を検出するための測定線路が設けられており、測定線路は測定値を増幅器ユニットに引き渡すために用いられ、増幅器ユニットは出力電圧を、設定された目標値にしたがって制御するために使用される。本発明によれば、エミュレーションチャネルは、エラー状態、とりわけケーブル断線をシミュレートするための手段を有する。
【００２０】
好ましくは、第１の接続線路には、基準電位、とりわけ前置接続されたエミュレーションチャネルの出力端子を備える制御可能な電圧源に接続するための入力端子が設けられており、第２の接続線路には、バッテリ制御装置の対応する端子を備える制御可能な電圧源の出力電圧に接続するための取り出し端子が設けられており、第３接続線路には、負荷、とりわけ後置接続されたエミュレーションチャネルの入力端子を備える制御可能な電圧源の出力電圧に接続するための出力端子が設けられている。
【００２１】
さらに好ましくは、制御装置の第１の端子に存在する基準電位の値を検出するための第１の測定線路と、制御装置の第２の端子に存在する出力電圧の値を検出するための第２の測定線路が設けられている。
【００２２】
エラー状態をシミュレートするための手段として、ここでは任意の適切なスイッチング手段、たとえばリレー、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタ、または耐電性の高いスイッチが考えられ、以下ではスイッチとも称する。
【００２３】
好ましくは本発明のバッテリエミュレーション装置のエミュレーションチャネルの第１と第２の接続線路には、エラー状態をシミュレートするためのスイッチが設けられており、とりわけ、２つのバッテリセル間のセル接続の断線をシミュレートするための第１のスイッチと、制御装置とバッテリセル間の接続のケーブル断線をシミュレートするため第２のスイッチが設けられている。
【００２４】
第２のスイッチの別の有利な使用では、運転開始のために制御装置がバッテリセル間装置から確実に分離される。
【００２５】
好ましくは第１の接続線路と、第１および第２の測定線路は、増幅器ユニットの入力端に接続されており、第２と第３の接続線路は好ましくは増幅器ユニットの出力端に接続されている。
【００２６】
ここで測定線路は、高抵抗の線路、または高抵抗に接続された線路であり、通例は、測定、好ましくは電圧測定を実施するためにだけ使用され、大きな電流がこの線路を介して流れることはない。これとは反対に接続線路とは、電流を流す接続である。
【００２７】
接続線路が開放された際に増幅器の過励振を阻止するために、または測定線路を介してエミュレーションチャネルの増幅器に入り込む障害信号を抑圧するために、非常に好ましい実施形態では、測定線路にも制御可能なスイッチが組み込まれている。好ましくは第３のスイッチが設けられており、この第３のスイッチは、第１の回路状態で第１の測定線路を閉鎖し、第２の回路状態で増幅器ユニットへの第１の測定線路の入力端を増幅器ユニットへの第１の接続線路の入力端と接続する。これにより、第１の測定線路を介して得られる値が、増幅器ユニットの基準電位として検出される値と同じになる。さらに第４のスイッチが設けられており、この第４のスイッチは第１の回路状態第２の測定線路を閉鎖し、第２の回路状態で増幅器ユニットへの第２の測定線路の入力端を増幅器ユニットの出力端と接続する。これにより、第２の測定線路を介して得られる値が、増幅器ユニットの出力電圧の値と同じ値になる。
【００２８】
したがって、本発明のバッテリエミュレーション装置によりエラーをシミュレートするための方法では、ケーブル断線をシミュレートするための接続線路にあるスイッチが開放されるとき、対応する測定線路にあるスイッチが第１の回路状態から第２の回路状態に同時に切り換えられる。これにより測定線路の測定値は、制御装置の端子からではなく、シミュレートされるケーブル断線より前方の対応する接続線路から取り出される。したがって増幅器ユニットへの第１の測定線路の入力端が、増幅器ユニットへの第１の接続線路の入力端と接続され、増幅器ユニットへの第２の測定線路の入力端が、増幅器ユニットからの第２の接続線路の出力端と接続される。すなわち、第１の測定線路にある第３のスイッチは、セル接続のケーブル断線をシミュレートするための第１のスイッチと同時に切り換えられ、および／または第２の測定線路にある第４のスイッチは、制御装置とバッテリセルとの間の接続のケーブル断線をシミュレートするための第２のスイッチと同時に切り換えられる。
【００２９】
好ましくはスイッチはリレーによって構成されている。バッテリエミュレーション装置と制御装置の間にリレースイッチを設けることの利点は、制御装置とシミュレーション装置との分離のための確実な遮断機構が得られることである。第３および第４のスイッチの第２の回路状態のスイッチ位置に平行に、さらにそれぞれ１つのコンデンサまたは抵抗または抵抗とコンデンサの組合せが接続されると有利であり、これにより切り換え時の過励振が減衰される。抵抗を前置接続することにより、測定線路が遮断されているときの過励振が阻止される。
【００３０】
エミュレーションチャネルとコントロールユニットとの間の導電絶縁されたデータ接続は、たとえばフォトカップラおよびこれに接続されたフラットケーブル接続によって実現することができる。データ接続は好ましくは、ＦＰＧＡにあるバス接続およびコントロールユニットにより実現される。
【００３１】
コントロールユニットはさらに上位の計算ユニットと接続されており、この計算ユニット上でバッテリシミュレーションモデルが実施される。上位の計算ユニットは、たとえば１つのプロセッサ、複数のプロセッサ、またはプロセッサとＦＰＧＡを有する。コントロールユニットは、セル電圧に対する目標値を、計算ユニット上で実施されるバッテリシミュレーションモデルから受け取る。
【００３２】
好ましくは複数のエミュレーションチャネルが１つの差し込みカード上で１つのエミュレーションユニットにまとめられている。
【００３３】
エミュレーションユニットの電圧供給は、本発明によれば電源電圧を介して行われ、エミュレーションチャネルの給電はＤＣ／ＤＣコンバータによって行われる。好ましくは電源部の２４Ｖが、＋１０Ｖから−１０Ｖの電圧に変換される。電源電圧は一定である。セル電圧をエミュレートするための増幅器ユニットの出力電圧は、バッテリシミュレーションモデルから設定にしたがってコントロールユニットによって調節される。
【００３４】
好ましくはエミュレーションチャネルは、好ましくは増幅器ユニットに組み込まれた電流測定ユニットを有し、これは制御装置によって制御される調整電流を検出する。電流測定によって求められた値は、導電絶縁されたデータ接続を介してコントロールユニットに通知され、このコントロールユニットからこの測定値は、バッテリシミュレーションモデルを備える上位の計算ユニットにさらに通知される。
【００３５】
エラーシミュレーションの制御は、本発明によれば同様に、コントロールユニットを備えるエミュレーションチャネルの導電絶縁されたデータ接続を介して、バッテリシミュレーションモデルからの設定にしたがって、または好ましくはグラフィカルユーザインタフェースを介したユーザによる、テストフロートとパラメータ化のための調整にしたがって行われる。
【００３６】
好ましい実施形態では、エミュレーションユニットは差し込みカード上に実現されており、複数の、好ましくは４つのエミュレーションチャネルを有する。個々のエミュレーションチャネルは、好ましくは互いに導電絶縁されている。エミュレーションユニット６内における個々のエミュレーションチャネル８、８’間の導電絶縁は、エミュレーションユニット６と環境、すなわちエミュレーションユニットとその周囲との絶縁ほど高く設定する必要はない。前者の場合、好ましくは１０Ｖ以上の絶縁で十分であり、後者の場合は、１ｋＶまでの電圧に対して絶縁を設定するのが好ましい。
【００３７】
本発明によれば、エミュレーションチャネルは、エミュレーションユニットの出力電流を高めるために、すなわち比較的大きなセル電流をエミュレートするために直列にも並列にも接続することができる。個々のチャネルは、たとえば１つの温度センサをシミュレートするためにも使用することができる。
【００３８】
コントロールユニットは有利には、別個の差し込みカード上に実現されており、コントロール計算ユニット、たとえばＦＰＧＡ、およびエミュレーションユニットまたはエミュレーションチャネルとバス接続を介してデータ交換するためのバスドライバを有する。データ交換は、好ましくはフラットケーブルを介して行われる。これによりコントロールユニットを簡単に多数のエミュレーションユニットと接続することができる。このバス接続を介して、バッテリセルをエミュレートするためのデータおよび命令、ならびにエラーシミュレーションのためのデータおよび命令が伝送される。データバスのためのインタフェースは各エミュレーションチャネルで導電絶縁されているから、エラーシミュレートのためにスイッチは導電絶縁されて制御される。
【００３９】
好ましくはエミュレーションユニット差し込みカードには必要な端子が、差し込みカードを構成群担体に挿入したとき、この端子に容易に接近することができるように取り付けられている。非常に好ましくは端子は、容易に接近できる差し込みカードの端部に、たとえば構成群担体のハウジングに直接固定されていない差し込みカードの端部に設けられている。必要な端子は、たとえば制御装置とのバッテリエミュレーション接続のためのシールドされたＳｕｂ−Ｄプラグおよびエネルギー供給（好ましくは２４Ｖ）のための端子である。この配置構成により、差し込みカードがたとえば１９"／３ＨＵ構成群担体に差し込まれるとき、端子の簡単な取扱いが可能になる。
【００４０】
本発明のバッテリエミュレーション装置およびエラー状態をシミュレートするための方法を、以下実施例に基づき図面と関連して説明する。ここで機能の同じ回路部材には同じ参照符合が付してある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】バッテリに接続されたバッテリ制御装置の概略図。
【図２】バッテリ制御装置のセルモジュールと接続されたバッテリエミュレーション装置の概略図。
【図３】エミュレーションチャネルの概略図。
【図４】本発明のエミュレーション回路を備えるエミュレーションチャネルの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１は、バッテリに接続されたバッテリ制御装置１を非常に簡略化して示す回路図であり、この制御装置１は従来技術ではたとえば電気自動車に存在する。バッテリ制御装置１は、ＢＭＳ制御装置２と複数のＺＭ制御装置３からなり、ＺＭとＢＭＳは絶縁されたＣＡＮバスを介して互いに接続されている。ＺＭ３はそれぞれセル積層体、すなわちすべてのバッテリ個別セルの部分集合（図１には図示されていない）に割り当てられている。ＺＭ３は、個々のバッテリセルまたはバッテリセル積層体の電圧を監視する。
【００４３】
図２は、従来技術によるバッテリエミュレーション装置５を概略的に示す。バッテリエミュレーション装置５は上位の計算ユニット４、およびバッテリ制御装置１のセルモジュール（ＺＭ）３と接続されており、計算ユニット４上ではバッテリシミュレーションモデル（図示せず）が実施可能である。
【００４４】
バッテリエミュレーション装置５は、コントロールユニット７と、エミュレーションチャネル８、８’、８''を備える複数のエミュレーションユニット６、６''とを有する。エミュレーションチャネルは、接続線路１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ａ''と測定線路９ａ、９ａ’、９ｂ、９ｂ’を有する。エミュレーションチャネルは、バッテリ制御装置１と、正確に言えばＺＭ３の入力端１０ｄ、１０ｄ’と接続されている。
【００４５】
バッテリシミュレーションモデルでは、各セルごとにバッテリセルのセル電圧と充電状態が計算される。ここでは種々のセル技術、たとえばＬｉ−イオン、Ｎｉ−ＭＨまたは鉛電池の典型的なセル特性が考慮される。好ましくは計算は構造の同じセルについて行われ、１つの基準セルと、この基準セルと他のセルとの差電圧が考慮される。計算されたセル電圧は、目標値としてコントロールユニット７に、銅線ケーブルまたは光ケーブル２０を介して伝送される。好ましくはデジタルデータインタフェース、たとえばＬＶＤＳインタフェースが使用される。計算ユニット４とコントロールユニット７とのこのような接続により、シミュレーション計算機を保護するための導電絶縁されたデータ伝送が保証される。
【００４６】
コントロールユニット７はさらにエミュレーションユニット６、６’と、好ましくはデータバス接続２１を介して接続されている。データバス接続２１は、コントロールロジックユニット、たとえばＦＰＧＡと、データバス接続２１のためのバスドライバとを含む。所定の目標値に基づいてコントロールユニット７は、セル電圧をエミュレートするエミュレーションチャネル８、８’、８''を制御し、さらにシミュレーション関連データ、たとえばエミュレーションユニット６、６’で求められる電流値またはシミュレートされた温度値を計算ユニット４に引き渡す。
【００４７】
エミュレーションチャネル８、８’、８''は、それぞれ１つの制御可能な電圧源１５と増幅器ユニット１３（図３と４に図示されている）を含む。エミュレーションチャネル８、８’、８''はこれに接続されたＺＭ３のために、個々のバッテリセルのセル電圧をシミュレートする。エミュレーションチャネルは互いに導電絶縁されているが、真のバッテリのセルのように直列に接続することができる。比較的大きな電流が必要な場合、エミュレーションチャネルを並列に接続することができ、これにより複数のエミュレーションチャネル８、８’、８''が１つの電圧セルをエミュレートし、または別の電流をシミュレートする。図２は、ＺＭ３またはバッテリ制御装置１全体をテストするためのエミュレーションチャネル８、８’、８''の直列回路を示す。この接続は、接続線路１１を介して行われる。
【００４８】
エミュレーションチャネル８には第１の接続線路１１ａが設けられており、この接続線路は、エミュレーションチャネル８を基準電位、とりわけ前置接続されたエミュレーションチャネル８’の出力電圧と接続するための入力端子１０ａを備える。さらに、エミュレーションチャネル８の出力電圧をバッテリ制御装置３の端子１０ｄと接続するための取り出し端子１０ｂを備える第２の接続線路１１ｂと、エミュレーションチャネル８の出力電圧を後置接続されたエミュレーションチャネル８''の入力端子１０ａ''と接続するための出力端子１０ｃを備える第３の接続線路１１ｃが設けられている。エミュレーションチャネル８がバッテリシミュレーションの最後のエミュレーションチャネルであれば、端子１０ｃは不要である。すなわち接続線路１１ｃはオープンのままである。
【００４９】
当業者には自明のように、接続線路１１ｂと１１ｃは部分的に同じ接続線路であっても良く、あるは接続線路１１ｂまたは１１ｃは、エミュレーションチャネルの間にある接続線路１１ｃまたは１１ｂの任意の点で分岐することができる。同様に明らかなように、図２では対称性の理由から、端子１０ａはエミュレーションチャネル８’から見れば端子１０ｃ’と、または端子１０ｃはエミュレーションチャネル８''から見れば端子１０ａ''と称すべきである。
【００５０】
実際にはこれらの端子は、端子の各可能な形式により構成することができ、複数の端子、たとえば端子１０ｃと端子１０ａ''が存在することができる。あるいは１つの端子を、接続線路にある導電絶縁されたスイッチによって実現することができ、たとえば接続線路１１ｃと１１ａ''をこの種のスイッチにより接続または分離することができる。
【００５１】
端子１０ｂと１０ｄとの間の接続は、長いケーブル２２によって行うことができる。バッテリ制御装置の検査のためには、制御装置３の端子１０ｄ、１０ｄ’に印加される電圧値を正確に知ることが非常に重要であるから、エミュレーションチャネル８、８’、８''はさらに２つの測定線路０ａ、９ａ’、９ａ''、９ｂ、９ｂ’、９ｂ''を有する。たとえばエミュレーションチャネル８の第１の測定線路９ａは、基準電位、とりわけ制御装置３の端子１０ｄ’に存在するのと同じエミュレーションチャネル８’の出力電圧の値を検出するために用いられる。第２の測定線路９ｂは、制御装置３の端子１０ｄ’に印加されるエミュレーションチャネル８の出力電圧を検出する。
有利には測定線路９ａは、制御装置３の端子１０ｄ’に存在し、エミュレーションチャネル８''の対応する測定線路９ｂにも存在する基準電位の値を取り出すことができる。
【００５２】
図３は、エミュレーションチャネル８の本発明による構造を概略的に示す。エミュレーションチャネル８は、エミュレーションチャネル８にエネルギー供給するための、基準アース１７を備える電圧源２６と、制御可能な電圧源１５と、増幅器ユニット１３とを有する。制御可能な電圧源１５は、基準電圧源とデジタル／アナログ変換器を含み、デジタル／アナログ変換器は、コントロールユニット７へのバス接続インタフェース１４を介して制御される。高電圧から保護するために、バス接続インタフェース１４の前方には絶縁バリア２３がある。制御可能な電圧源１５は、増幅器ユニット１３、すなわち電力増幅器と接続されている。エミュレーションチャネル８からコントロールユニット７への情報伝送のために、エミュレーションチャネル８にもアナログ／デジタル／アナログ変換器２５が設けられており、このアナログ／デジタル変換器２５は測定された電流値を、同様に導電絶縁してコントロールユニット７にさらに出力し、このコントロールユニット７から計算ユニット４上のシミュレーションモデルに通知される。コントロールユニット７は、データバス接続２１を介して多数のエミュレーションチャネルと通信することができる。
【００５３】
増幅器ユニットは、接続線路１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、測定線路９ａ、９ｂを有する。増幅器ユニットも同様にコントロールユニットによって制御され、線路１１ｂまたは１１ｃへの電圧が、測定線路９ａ、９ｂ間の電圧差が目標電圧値に相当するよう制御される。
【００５４】
図３には、線路１１ｂと１１ｃの分岐点が図示されていない。エラーシミュレーションのためのスイッチ１２も同様にまとめて図示されている。このスイッチの制御も同様にコントロールユニット７により、バス接続インタフェース１４と絶縁バリア２３を介して行われる。これによりエラーシミュレーションスイッチ１２の導電絶縁された制御が保証される。
【００５５】
図４には本発明のエラーシミュレーション回路が詳細に図示されている。この図は増幅器ユニット１３を示し、その入力端子１９ａは電圧源と接続線路１１ａを介して接続されている。電圧源は、エミュレーションチャネル８の基準アース１７を基準電位にする。エミュレーションチャネル８の出力電圧が出力される増幅器ユニット１３の出力端１９ｂから伸びる接続線路のノード点１６には、取り出し端子１０ｂに至る接続線路１１ｂと、端子１０ｃに至る接続線路１１ｃが接続されている。端子１０ｃにはたとえば別のエミュレーションチャネル８''を接続することができる。さらに測定線路９ａが増幅器ユニットの入力端１９ｃに、測定線路９ｂが増幅器ユニットの入力端１９ｄに接続されている。端子１０ｅと１０ｆはＺＭ３の入力端１０ｄ’と１０ｄに接続されており、そこで電圧測定値が取り出され、増幅器ユニット１３に供給される。増幅器ユニット１３は出力端１９ｂの電圧を、測定値の差電圧を実際電圧として、バッテリシミュレーションモデルからの目標電圧に相当するように制御する。
【００５６】
線路１１ａと１１ｂは制御可能なスイッチ１２ａと１２ｂを有する。これらのスイッチにより、セル接続のケーブル断線がスイッチ１２ａの開放によって、または制御装置とバッテリとの間のケーブル断線がスイッチ１２ｂの開放によって、または両方のスイッチによってシミュレートされる。
【００５７】
スイッチ１２ａは、基準アース１７と端子１０ａとの間に設けられているスイッチ１２ｂは、増幅器ユニットの出力端１９ｂと端子１０ｂとの間に設けられているこのスイッチはノード点１６の前方または後方にあっても良い。後者の変形形態は、ノード点１６’と接続線路１１ｃ’によって示されている。この場合、スイッチ１２ｂの開放により、制御装置への接続線路１１ｂのケーブル断線だけでなく、後置接続されたエミュレーションチャネルへの接続１１ｃ’のケーブル断線もシミュレートされる。接続線路１１ｃがノード点１６の前方で分岐するなら、前記のケーブル断線を別個にシミュレートすることができるという利点がある。次のバッテリセルへのセル接続のケーブル断線は、後置接続されたエミュレーションチャネル８''が同じ構造の場合、スイッチ１２ａに対応して底に設けられたスイッチ１２ａ''の開放によってシミュレートすることができる。同様に実際的な実現では、ノード点１６が端子１０ｂの後方にあり、エミュレーションチャネル８が４つの端子だけを有するようにすることもできる。
【００５８】
スイッチ１２ａまたは１２ｂが開放しているときに、ＺＭとバッテリエミュレーション装置との間で電流が測定線路９ａまたは９ｂを介して流れるのを阻止するために、ケーブル断線をシミュレートする場合には対応する測定線路９ａまたは９ｂも遮断しなければならない。したがって測定線路９ａ、９ｂにも制御可能なスイッチ、すなわち第３のスイッチ１２ｃが測定線路９ａに、そして第４のスイッチ１２ｄが測定線路９ｂに設けられている。これらのスイッチ１２ｃ、１２ｄは、それぞれ対応するスイッチ１２ａまたは１２ｂと同時に接続線路で操作されなければならない。
【００５９】
しかし測定線路９ａ、９ｂだけが遮断されることになると、入力端１９ｃまたは１９ｄには電圧が印加されないことになる。これにより、増幅器ユニット１３にある演算増幅器が限界に達し、それにより復帰接続の際に非現実的な過励振が引き起こされてしまう。この問題を回避するため、スイッチ１２ｃ、１２ｄを測定線路９ａ、９ｂに配置し、制御装置３とバッテリエミュレーション装置５との間の測定線路９ａ、９ｂが分離される際に、増幅器ユニット１３と接続された測定線路９ａ、９ｂの部分が、同様に対応する接続線路１１ａ、１１ｂにも接続されるようにする。これにより増幅器ユニット１３の入力端１９ａまたは増幅器ユニット１３の出力端１９ｂが、増幅器ユニット１３の測定入力端１９ｃまたは増幅器ユニット１３の測定入力端１９ｄに接続される。
【００６０】
具体的にはこのことは、第３のスイッチ１２ｃの第１のスイッチ位置では、測定線路９ａが閉じられていることを意味する。第２のスイッチ位置に切り換えることにより、第１の測定線路９ａが遮断され、同時に第１の接続線路１１ａへの接続２７ａが閉じられる。これにより入力端１９ｃでの基準電位の測定のために、基準電位が制御可能な電圧源１５で直接取り出される。
【００６１】
同じように第４のスイッチ１２ｄの第１のスイッチ位置で、測定線路９ｂが閉じられ、スイッチ１２ｄの第２のスイッチ位置への切り換えることにより遮断される。このとき同時に、第２の接続線路１１ｂへの接続２７ｂが閉じられる。これにより入力端１９ｄには測定値として、増幅器ユニット１３の出力電圧に対応する値が印加される。
【００６２】
切換の際の過励振を減衰するために、コンデンサ１８ａ、１８ｂがスイッチ１２ｃ、１２ｄに対して並列に、接続線路９ａ、９ｂおよび対応する接続２７ａ、２７ｂに設けられている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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