專利名稱：能實時進行的電池單元仿真的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對電池單元(Batteriezelle)進行仿真以測試控制裝置的方法以及用于對包括多個電池單元的電池單元連接結(jié)構(gòu)(Zellenverbund)的電池進行仿真的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
例如汽車領(lǐng)域中用于早期測試和驗證控制裝置的可操作性的通常一種技術(shù)是硬件在環(huán)(HLL :Hardware-in-the-Loop)。在這種情況下,實際的控制裝置在與實時仿真的部件相互作用的情況下被測試以確定其距離滿足特定要求還差 多遠。由致動器、傳感器和汽車中的過程構(gòu)成的待測試控制裝置的環(huán)境被實時仿真，并且控制裝置的特性(Verhalten)在這個仿真環(huán)境中被考察。HIL仿真允許在早期開發(fā)階段中測試控制裝置并且例如在傳感器故障的情況下檢驗其特性。如果現(xiàn)在應(yīng)借助于HIL仿真來測試混合動力汽車(Hybridfahrzeug)中的控制裝置，則需要仿真作為系統(tǒng)部件的電池。在混合動力車輛中，使用由多個單電池單元(Einzelzelle)構(gòu)成的電池。尤其地，還通過HIL仿真測試用于電池控制的控制裝置，所謂的電池管理系統(tǒng)(BMS)。BMS具有以下任務(wù)監(jiān)視電池單元連接結(jié)構(gòu)中的電池單元并且由此確保電池單元連接結(jié)構(gòu)的安全、可靠且盡可能長的運行。為了通過HIL仿真測試BMS，必須對電池單元連接結(jié)構(gòu)的特性進行仿真。因此，需要用于對各個電池單元進行仿真的模型以及對于大的電池單元連接結(jié)構(gòu)進行仿真的模型。與傳統(tǒng)的例如用于汽車電器網(wǎng)絡(luò)仿真的電池模型相比，用于電池管理系統(tǒng)的模型必須將電池的特性模擬為多個單電池單元的聯(lián)接。其中，單電池單元模型描述電池單元電壓和充電狀態(tài)，并且可能還描述電池單元的溫度特性。不同電池單元技術(shù)(如鋰離子、Ni-MH(鎳氫)或鉛)的典型電池單元特性可以被考慮。包括在充電和放電情況下的區(qū)別，以及在負荷突變時的動態(tài)特性和例如由起泡效應(yīng)(Gasungseffekt)導(dǎo)致的損耗電流。于是，電池的模型通常由多個單電池單元模型構(gòu)成。其中，各個電池單元參數(shù)和狀態(tài)(如內(nèi)電阻或初始荷電狀態(tài))必須保持能分別調(diào)節(jié)，并且所產(chǎn)生的電池單元電壓必須可以也分別供BMS使用，例如通過電池單元電壓仿真器，如其在申請?zhí)枮?02010043761. I的德國專利申請中所描述的那樣。同樣要考慮然后由BMS調(diào)節(jié)的用于對電池單元電荷均衡的電流。在混合汽車、電動汽車或者還有BMS的HIL應(yīng)用的情況下，特別感興趣的是電池的電氣端子特性(Klemmenverhalten)。為了模擬電池單元的電氣端子特性，經(jīng)常選擇附件(Ansatz)來通過等效電氣電路圖描述端子特性。這構(gòu)成了電池單元中電化學(xué)過程的復(fù)雜性與例如為了確保電池單元模型的實時性所必需的簡化之間的很好的妥協(xié)。借助于等效電氣電路圖模擬電池單元的另一優(yōu)點是可以在以電路仿真器進行仿真時為所考察的結(jié)構(gòu)擴展其他部件(如變流器)。用于汽車仿真模型的單電池單元模型如其例如被申請人排除的那樣由電池單元電壓模型和充電狀態(tài)模型構(gòu)成。電池單元電壓模型使得能夠?qū)Ω鱾€物理效應(yīng)(如內(nèi)電阻、擴散和雙層電容)進行參數(shù)化。充電狀態(tài)模型考慮單電池單元的充電和放電電流以及損耗電流，損耗電流在Ni-MH電池充電時例如由于起泡效應(yīng)而產(chǎn)生。從這樣的單電池單元模型出發(fā)，可以通過聯(lián)接n個電電池單元模型來實現(xiàn)n個電池單元的電池單元連接結(jié)構(gòu)。在大量單電池單元的情況下，模型當然不再能很好地管理，并且從一定數(shù)量的單電池單元開始就不再能實時地實現(xiàn)。這意味著甚至利用專門用于HIL仿真的硬件也不再能夠滿足對運行時間的要求。因此可能不在反映實際情況的條件下執(zhí)行例如也必須檢查控制裝置的反應(yīng)時間的控制裝置測試。只仿真一個單電池單元及通過與電池單元數(shù)量n相乘來使輸出參量擴大的可能性對于BMS測試是不可行的，因為在該情形下不再能表現(xiàn)單電池單元的參數(shù)變化(Parameterstreuung)和不同充電狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種減小現(xiàn)有技術(shù)缺點的方法。該任務(wù)通過根據(jù)獨立權(quán)利要求I的方法以及通過根據(jù)權(quán)利要求12的用于仿真包括多個單電池單元的電池單元連接結(jié)構(gòu)的電池的系統(tǒng)來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明提供了一種方法，用于通過計算單元上的總模型來實時地仿真包括多個單電池單元的電池單元連接結(jié)構(gòu)的電池，其中計算單元經(jīng)由電池單元電壓仿真器與控制裝置系統(tǒng)連接。借助于總模型在計算單元上計算單電池單元的端子電壓，并且借助于電池單元電壓仿真器為控制裝置測試系統(tǒng)提供所計算的單電池單元的端子電壓?？偰Ｐ桶ǖ谝荒Ｐ?也稱為參考模型)，其中借助于第一模型以對于電池單元連接結(jié)構(gòu)典型的電池單元參數(shù)對作為參考電池單元的第一單電池單元建模。將電池單元連接結(jié)構(gòu)的總輸入電流作為輸入?yún)⒘筐佀徒o第一模型，并且借助于第一模型計算參考電池單元的端子電壓。此外，總模型還包括第二模型(也稱為差別模型(Differenzenmodell))，其中借助于第二模型計算至少一個其他單電池單元的端子電壓相對于參考電池單元的端子電壓的偏差。該其他單電池單元的端子電壓根據(jù)參考電池單元的端子電壓和該其他單電池單元的端子電壓的偏差來計算。整個電池以及單電池單元的端子電壓以及/或者電池和單電池單元的充電狀態(tài)以及/或者電池溫度根據(jù)電池的充電和放電電流(即總電流)來計算。在本發(fā)明的一有利實施方式中，借助于第二模型計算每個其他單電池單元的端子電壓相對于參考電池單元的端子電壓的偏差。根據(jù)參考電池單元的端子電壓和所計算的偏差可以計算每個其他單電池單元各自的端子電壓。根據(jù)本發(fā)明的方法的一個優(yōu)點是借助于根據(jù)本發(fā)明的方法計算參考電池單元和其他單電池單元的所有相關(guān)參量的計算所需的計算開銷與借助于n個單電池單元模型計算上述參量相比顯著地降低了。因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)對單電池單元的數(shù)量顯著更高的電池的實時仿真。還優(yōu)化了存儲器消耗。有利地，向差別模型提供參考電池單元的至少一個參量或參數(shù)，如電池單元溫度、歐姆電阻Rinnm或者荷電狀態(tài)。至少一個其他單電池單元的至少一個參量(如起始荷電狀態(tài)、額定容量CN_(即在額定條件下在新的電池單元上能確定的電荷)以及電阻、溫度和/或端子電流的偏差)被預(yù)給定給差別模型。根據(jù)預(yù)給定的參量計算端子電壓偏差。在這里，參量一般性地指 代單電池單元或電池單元連接結(jié)構(gòu)的特性，例如單電池單元的荷電狀態(tài)。尤其是指所計算的或要計算的參量，即仿真參量或變量。在這里，參數(shù)或電池單元參數(shù)同樣表示參量，尤其是預(yù)給定的例如表征單電池單元的物理特性或物理狀態(tài)的物理參量。此外通過以下方式減少計算時間不為每個單電池單元分別仿真參量(例如電池單元溫度)，而是根據(jù)參考電池單元的仿真和每個單電池單元相對于參考電池單元的預(yù)給定的溫度偏差來確定。由此節(jié)省計算時間。需要減少計算時間，以便能夠?qū)崟r地仿真或確保模型及時地對待測試的控制裝置的信號進行響應(yīng)并且借助于電池單元電壓仿真器向控制裝置模擬逼真的反應(yīng)。特別有利的是以向量(例如nXl向量)的形式為差別模型預(yù)給定輸入?yún)⒘?，其中n是所觀察的其他電池單元的數(shù)量。由此，差別模型的復(fù)雜性變得不依賴于要考慮的電池單元的數(shù)量。因此，對于n個其他單電池單元只需要一個第二模型。所考慮的其他單電池單元的數(shù)量由預(yù)給定的向量的寬度來表現(xiàn)。存在各種可能來將差別模型分為子模型。在一有利實施方式中，差別模型包括兩個子模型。在第一子模型中考慮導(dǎo)致與參考電池單元相比不同的電動勢(EMK)的偏差，而在第二子模型中觀察導(dǎo)致過電壓區(qū)別的偏差。EMK在這里是指在靜止狀態(tài)一個電化學(xué)的電池單元中兩個電極之間的電壓差。過電壓是指端子電壓與EMK之間的差，其例如在充電或放電時出現(xiàn)。過電壓落在電池單元的歐姆電阻上或者在電池單元的等效電路圖的所有無源(passiv)元件處。隨著模型描述從電池層面過渡到電池單元層面，對參數(shù)化的要求也提高。有利地，綁定(anbinden)用戶友好的輸入界面。根據(jù)本發(fā)明的用于借助于總模型對包括多個單電池單元的電池單元連接結(jié)構(gòu)的電池進行仿真的系統(tǒng)包括計算單元和與計算單元相連的電池單元電壓仿真器，其中計算單元被設(shè)置為執(zhí)行總模型以計算單電池單元的端子電壓，并且電池單元電壓仿真器被構(gòu)造為與控制裝置系統(tǒng)連接并且向該控制裝置測試系統(tǒng)提供所計算的單電池單元的端子電壓。根據(jù)本發(fā)明，總模型包括第一模型和第二模型。第一模型被設(shè)置為以典型的電池單元參數(shù)對作為參考電池單元的第一單電池單元建模、獲得電池單元連接結(jié)構(gòu)的總輸入電流作為輸入?yún)⒘坎⑶矣嬎銋⒖茧姵貑卧亩俗与妷骸５诙Ｐ捅辉O(shè)置為計算至少一個其他單電池單元的端子電壓相對于參考電池單元的端子電壓的偏差以及由該偏差和參考電池單元的端子電壓計算該其他單電池單元的端子電壓。


以下結(jié)合示意性的附圖借助于實施例介紹根據(jù)本發(fā)明的用于對電池單元仿真以測試控制裝置的系統(tǒng)和方法。其中功能相同的電路部件具有相同的附圖標記。在附圖中圖I示出了一個電化學(xué)的電池單元的等效電氣電路圖，圖2示出了鋰離子電池單元的示意性的EMK-SOC關(guān)系，
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一種總模型的結(jié)構(gòu)，圖4示出了具有第一子模型和第二子模型的差別模型的結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式圖I示出了一個電化學(xué)的電池單元的等效電路圖，如其在現(xiàn)有技術(shù)中用作為用于單個電池單元模型的基礎(chǔ)那樣。借助于該等效電路圖 計算電池單元的端子電壓。表明根據(jù)本發(fā)明的方法不依賴于所選擇的參數(shù)化，對于所選擇的參數(shù)化存在各種執(zhí)行可能性。原則上還可以使用基于另一等效電路的其他建模模型。圖I示出了端子電壓Uki和端子電流iKI的能在電池單元的端子上測量的參量，其中在這里還要指出，正的端子電流對應(yīng)于電池單元充電，負的端子電流對應(yīng)于電池單元放電。此外，等效電路圖還包括具有被稱為EMK的電壓的電壓源。由其描述電池單元的電動勢(EMK)。圖I中等效電路圖的另一重要方面是用于描述電池單元中過電壓的無源元件的網(wǎng)絡(luò)。在充電的情況下，比電池單元的兩個電極之間的電壓高的電壓落在電池單元的端子上，在放電的情況下，端子電壓又低于這兩個電極之間的電壓。端子電壓的這個分量通過無源元件的網(wǎng)絡(luò)來模擬。圖I中所示的具有電流iv的電流源模擬在電化學(xué)的電池單元中出現(xiàn)的損耗電流。電極的電勢由相應(yīng)電極的標準氧化還原電勢(Standard-Redox-Potential)和根據(jù)能斯脫(Nernst)方程取決于還原劑和氧化劑的活性并因此取決于其濃度的分量。對于鋰離子電池單元還出現(xiàn)以下效應(yīng)根據(jù)所使用的電極材料，鋰原子被摻雜(einlagern)到的點陣結(jié)構(gòu)(Gitterstruktur)從摻雜一定量的鋰開始變化,這同樣導(dǎo)致電極電勢的變化。根據(jù)電池單元的荷電狀態(tài)，在這一個電極或另一電極中存在更大量的摻雜的鋰。這個量的摻雜的鋰于是對于電極的電勢有影響，一方面通過點陣結(jié)構(gòu)對鋰量的依賴性，但是另一方面還通過直接取決于鋰濃度的氧化的或還原的鋰的活性。根據(jù)應(yīng)描述哪個技術(shù)，這樣的特定于材料的效應(yīng)在電池模型中可以被接受。因此，電化學(xué)的電池單元的電極的電勢并且因此還有電池單元的電勢能取決于電池單元的荷電狀態(tài)(SOC)。電池單元的荷電狀態(tài)被稱為SOC(State of Charge)，并且以百分比給出。SOC由電池單元的電荷相對于電池單元的額定容量而得到。完全充電的電池單元因此SOC為100%,完全放電的電池單元的SOC為0%。圖2示出了具有單調(diào)上升曲線的EMK-SOC關(guān)系。因而，最大的EMK在SOC = 100%時實現(xiàn)。如果然后電池單元的荷電狀態(tài)降低，則首先要發(fā)現(xiàn)EMK的略微更強烈的下降。然后發(fā)現(xiàn)以下一個范圍，即在該范圍中EMK僅僅略微改變，以便然后在電池單元的荷電狀態(tài)低的情況下強烈地下降。根據(jù)所使用的電極材料，可以對于該曲線得到一定的變體，例如關(guān)于中間范圍的清楚表明(AusprMguiig )的變體。這個依賴性借助于圖I中的等效電氣電路圖通過受控的電壓源EMK (SOC)來模擬。在現(xiàn)有技術(shù)中有時使用用于EMK對SOC的依賴性的公式關(guān)系，有時模擬關(guān)于受控電壓源和存儲在特性曲線族(Kennfeldern)中的數(shù)據(jù)的關(guān)系或者EMK-SOC關(guān)系的逼近計算(Approximation)。為了逼近計算EMK-SOC關(guān)系,使用各種方法。例如線性內(nèi)插法、線性外插法或還有它們的混合形式。通過有效充電或放電電流的積分來確定電池單元的實際荷電狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種用于在計算單元上借助于總模型對電池進行實時仿真的方法，所述電池包括由多個單電池單元構(gòu)成的電池單元連接結(jié)構(gòu)，所述計算單元經(jīng)由電池單元電壓仿真器與控制裝置系統(tǒng)連接，借助于所述總模型在所述計算單元上計算所述單電池單元的端子電壓，并且借助于所述電池單元電壓仿真器向控制裝置測試系統(tǒng)提供所計算的所述單電池單元的端子電壓， 其特征在于， 所述總模型包括第一模型，其中借助于所述第一模型以對于所述電池單元連接結(jié)構(gòu)而言典型的電池單元參數(shù)來模擬作為參考電池單元的第一單電池單元，所述電池單元連接結(jié)構(gòu)的總輸入電流作為輸入?yún)⒘勘火佀徒o所述第一模型，其中借助于所述第一模型計算所述參考電池單元的端子電壓， 所述總模型包括第二模型，其中借助于所述第二模型計算至少一個其他單電池單元的端子電壓相對于所述參考電池單元的端子電壓的偏差，并且所述其他單電池單元的端子電壓由所述參考電池單元的端子電壓和所述其他單電池單元的端子電壓偏差來計算。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，每個其他單電池單元的端子電壓相對于所述參考電池單元的端子電壓的偏差被計算。
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，為了計算一個其他單電池單元的端子電壓相對于所述參考電池單元的端子電壓的偏差，為所述第二模型預(yù)給定這個單電池單元在一個參量或一個電池單元參數(shù)方面相對于所述參考電池單元的至少一個偏差，尤其是在電阻、溫度或端子電流方面。
4.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，為了減少計算時間，由借助于所述第一模型為所述參考電池單元所計算的參量和另一單電池單元的相應(yīng)參量相對于所述參考電池的預(yù)給定的偏差確定至少一個參量、尤其是電池單元溫度，并且該參量不是對于每個單電池單元都被分別仿真。
5.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，以向量形式向所述第二模型預(yù)給定輸入?yún)⒘?，其中向量長度由所考慮的其他單電池單元的數(shù)量確定。
6.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于， 所述第二模型具有第一子模型，借助于所述第一子模型計算其他單電池單元相對于所述參考電池單元的電動勢偏差，和/或 所述第二模型具有第二子模型，借助于所述第二子模型計算其他單電池單元的過電壓相對于所述參考電池單元的過電壓的偏差。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，為了提高仿真的準確性，為所述第二模型增加至少一個其他子模型，用于仿真關(guān)于至少一個其他單電池單元的另一參量。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，從所述第二模型中去除一個子模型，其中在通過所述總模型對電池仿真時，在被去除的子模型中通過仿真確定的參量通過所述參考電池單元的該參量的相應(yīng)值和其他單電池單元的值的預(yù)給定的相應(yīng)偏差來被考慮。
9.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，至少一個參量以表格形式被存儲或被逼近計算。
10.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，作為串聯(lián)連接的所述電池的單電池單元的聯(lián)接被仿真。
11.如前述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，作為并聯(lián)連接的所述電池的單電池單元的聯(lián)接被仿真，方法是多個并聯(lián)連接的其他單電池單元被模擬作為具有相應(yīng)的較高電容的另一單電池單元。
12.一種用于借助于總模型對電池進行仿真的系統(tǒng)，所述電池包括由多個單電池單元構(gòu)成的電池單元連接結(jié)構(gòu)，所述系統(tǒng)包括計算單元和與所述計算單元連接的電池單元電壓仿真器，所述計算單元被設(shè)置為執(zhí)行所述總模型以計算所述單電池單元的端子電壓，并且所述電池單元電壓仿真器被構(gòu)造為與控制裝置系統(tǒng)連接并且向控制裝置測試系統(tǒng)提供所計算的所述單電池單元的端子電壓， 其特征在于， 所述總模型包括第一模型，所述第一模型被設(shè)置為以典型的電池單元參數(shù)來模擬作為參考電池單元的第一單電池單元、獲得所述電池單元連接結(jié)構(gòu)的總輸入電流作為輸入?yún)⒘坎⑶矣嬎闼鰠⒖茧姵貑卧亩俗与妷海? 所述總模型包括第二模型，所述第二模型被設(shè)置為計算至少一個其他單電池單元的端子電壓相對于所述參考電池單元的端子電壓的偏差并且由所述偏差和所述參考電池單元的端子電壓計算所述其他單電池單元的端子電壓。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，利用所述系統(tǒng)能夠執(zhí)行如權(quán)利要求I至11之一所述的方法。
全文摘要
一種用于實時仿真包括多個連接的單電池單元的電池以測試控制裝置的方法，該電池為了仿真的目的通過總模型描述，該總模型包括第一模型和第二模型，第一模型模擬參考電池單元，利用第一模型能計算參考電池單元的端子電壓，第二模型計算并提供每個其他電池單元的端子電壓相對于參考電池單元的端子電壓的偏差。
文檔編號G05B17/02GK102707627SQ20111035633
公開日2012年10月3日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者C·沃爾布雷什特, H·豪皮特, T·斯科萊特 申請人:帝斯貝思數(shù)字信號處理和控制工程有限公司