蓄能器模拟器和用于模拟蓄能器的方法与流程

本发明涉及一种蓄能器模拟器，其具有用于模拟电蓄能器的蓄能器模型，所述电蓄能器包括一定数量的电池单元和至少一个真实的基准电池单元，所述基准电池单元经由电池单元测试器连接于所述蓄能器模拟器，以及本发明涉及一种用于模拟蓄能器的方法。

背景技术：

在用于混合动力车辆或电动车辆的电蓄能器、尤其是牵引电池或电池组的研发中，对蓄能器真实特性进行模仿的蓄能器模拟器发挥着重要作用。这样的蓄能器是非常昂贵的，因此有利的是，对蓄能器进行模拟并且借助模拟实施研发工作或测试。蓄能器模拟器在此包括蓄能器模型，所述蓄能器模型根据功率要求(例如所期望的电流)来设定在此将在真实电池中设定的输出电压。根据蓄能器模型的复杂性，可考虑不同的作用变量，例如负载、温度、充电状态(SOC-State of Charge)、电池化学等。这样的蓄能器模拟器例如从AT 510 998A2中得知。

对于每个蓄能器而言，能够根据所需要的精度来给出不同的蓄能器模型。此外还存在不同的电池类型，例如锂离子电池或LiFePO4(磷酸铁锂)电池，所述电池同样需要不同的蓄能器模型。此外，蓄能器能够在电池单元层面、模块层面(由一定数量的电池单元构成的单元)或组层面(由多个模块构成的单元)上建模。并且尤其也能够将每个蓄能器模型不同地参数化。因此，在实践中，用于形成蓄能器模型和将蓄能器参数化的耗费是非常高的。除此以外，蓄能器模型通常不在电池的整个工作范围上提供质量同样好的输出变量。因此，在某些情况下也必要的是，对蓄能器模型在模拟之前或者甚至在模拟期间重新校准或改变，以便将其匹配于特定的工作范围。在校准时，通常调整蓄能器模型的模型参数。但是，应何时重新校准或改变蓄能器模型的时间点事先难以确定，因为蓄能器模型的质量也还受其它作用变量(例如SoC、温度)的影响。

在JP 2013-047715 A中描述了一种蓄能器模拟器，其中，使用真实的基准电池单元或者真实的基准电池单元组，以便检测真实电池单元的电压特性。然后将单独的电池单元的电压特性外推到真实电池的一定数量的电池单元，以便确定整个电池的电压特性。所述电池电压由电压源产生并且接通到电负载上。因此能够根据各个单独的真实的基准电池单元模拟整个电池。但是所模拟的电池因此始终由相同的电池单元构成，但是这在实际中通常不是这种情况。不能以该方式模拟不同的电池单元状态，这会限制模拟可行性。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是，对蓄能器而言，一方面提高蓄能器模拟的精度，并且另一方面借助蓄能器模型排除上述问题，并且在此尽管如此仍在模拟蓄能器的可行性方面保持灵活。

根据本发明，所述目的如下实现：根据蓄能器的配置将对蓄能器的负载电流要求换算成真实的基准电池单元的电池单元测试器-负载电流，并且用电池单元负载电流对真实的基准电池单元加载，并且在此测量基准电池单元的电池单元电压，并且根据蓄能器的配置将基准电池单元的电池单元电压换算成第一蓄能器电压，由蓄能器模型和负载电流要求计算第二蓄能器电压，并且将第一蓄能器电压与第二蓄能器电压进行比较，并且当第一蓄能器电压以预设的公差范围偏离于第二蓄能器电压时，调整蓄能器模型。这能够实现，根据需要调整蓄能器模型并且因此在蓄能器的整个工作范围上确保足够的精度。因为在此能够利用多种不同的蓄能器模型，因此所述方法保持足够灵活，以便能够实施多种不同的蓄能器模拟。此外因此确保，调整蓄能器模型的时间点是正确的，即每当在模型和现实之间的误差过大时就调整。因此也能够对蓄能器模拟的精度起到直接影响。尤其是，蓄能器模型能够借助于一定数量的基准电池单元例如以不同的SoC和/或温度状态也在测试运行之前和测试运行期间校准或重新调节，或者甚至才被确定。

当由基准电池单元的测量值重新算出蓄能器模型的模型参数时，能够非常简单地调整蓄能器模型。因为在蓄能器模拟期间总归在基准电池单元处检测测量值，所以所述测量值能够有利地用于调整。

当蓄能器模型作为电子模型存在时，调整能够非常简单地通过下述方式进行：将基准电池单元的测量值、例如空转电压根据蓄能器的配置外推到蓄能器模型的模型参数。在此，能够有利地通过下述方式进行：测量基准电池单元的空转电压并且根据蓄能器的配置外推到蓄能器的作为模型参数的空转电压，将电池单元测试器-负载电流根据蓄能器的配置外推到蓄能器，并且借助蓄能器电压由关系式计算出作为模型参数的蓄能器的内电阻。

当蓄能器模型作为数学模型存在时，能够简单地调整所述蓄能器模型，其方式为：由数学优化计算出蓄能器模型的新的模型参数。这样的数学模型和优化方法是充分已知的并且可简单地实现。

调整的另一有利的方式如下得出：加载另一蓄能器模型。因此能够针对蓄能器的不同的工作范围使用不同的蓄能器模型，所述蓄能器模型最佳地反映相应的范围。在此也能够提出，预先确定所述范围并且将不同的蓄能器模型预先指派给所述范围，这简化了调整。

同样地能够有利地规定，将第一蓄能器电压与第二蓄能器电压进行比较，并且据此当达到蓄能器的预设的工作点时实施蓄能器模型的调整。因此能够附加地强制检查蓄能器模型的精度，并且在模型和现实之间的偏离过大之前，调整蓄能器模型，这能够提高蓄能器模拟的精度。

附图说明

下面参考附图1至4详细阐述本发明，所述附图示例性地、示意地并且非限制性地示出本发明的有利的设计方案。在此示出：

图1示出测试台装置与根据本发明的蓄能器模拟的示意图；

图2示出蓄能器的典型配置的示意图；

图3示出待测件的一个实例，所述待测件被蓄能器模拟器供应以电功率；以及

图4示出简单的电蓄能器模型。

具体实施方式

在图1中示出用于(例如电动或混合动力车辆的)电传动系(作为待测件2)的测试台装置11，其中，借助于蓄能器模拟器1模拟用于给待测件2供电的真实电蓄能器20。这样的测试台装置11例如在研发电蓄能器或电传动系时使用。

如在图2中示意地示出的电蓄能器20例如可以是电池、燃料电池、超级电容器或类似物。电池单元22是电蓄能器20的最小的电单元。模块21由一定数量的电池单元22构成，并且蓄能器20可以具有一定数量的模块21和/或电池单元22。电池单元22和模块21在此能够任意地串联和/或并联地相互连接。电蓄能器20的配置在此也通常以xSyP的类型给出，其中，x是串联的电池单元21的数量，并且y是并联的模块21的数量。因此，标识100S2P表示由两个并联的模块21构成的蓄能器，所述模块又分别由一百个串联连接的电池单元22构成。

在图3中示例地示出电传动系作为待测件2，其具有电动马达M，所述电动马达由变流器3供给并且所述电动马达驱动负载4。作为负载4也考虑调节的加荷机(例如呈电动马达的形式，所谓的测力计)，以便能够预设不同的负载状态。显然也可设想任意其它的配置作为待测件2。待测件2在真实运行中预设在蓄能器20(在此例如为电池)上的负载电流要求或与此等同地预设功率要求，例如通过用于传动系的预设的待仿型的驾驶模式，其引起负载电流IB，所述负载电流引起蓄能器电压UB。真实蓄能器20的该特性应通过蓄能器模拟器1借助于蓄能器模型10尽可能精确地模仿。

为了模拟电蓄能器20，在根据图1的实施例中，在蓄能器模拟器1中实现蓄能器模型10，所述蓄能器模型以已知的方式从负载电流IB中确定蓄能器的电压UB_Mod，所述电压施加到蓄能器1的输出端上。这样的蓄能器模型10是充分已知的并且包括一定数量的参数，所述参数描述蓄能器的特性。如在图4中示出的用于电池的简单的电蓄能器模型10包括：用于空转电压的电压源UOCB的串联连接；由并联连接的电阻R1B和电容C1B构成的RC回路；和另一电阻R0B。在最简单的情况下，蓄能器模型10也能够仅由电压源UOCB和电阻R0B的串联连接构成。同样可设想的是，在蓄能器模型10中也还包含(例如由并联连接的电阻R2B和电容C2B构成的)另外的RC回路。这样的电蓄能器模型10是充分已知的，因此在此不进一步探讨。显然，也可设想复杂的蓄能器模型10。在校准蓄能器模型10时，模型参数(在此例如电压UOCB、电阻R0B、R1B和电容C1B)设有具体的值。通常以特征曲线的形式，在所述特征曲线中根据蓄能器的状态变量、例如温度T和SoC(充电状态)确定模型参数、例如UOC＝f(T,SoC)，R0＝f(T,SoC)。同样地，用于充电和放电的模型参数能够以不同的值来存储，以便描绘蓄能器的不同的充电和放电特性。校准在此可通过在蓄能器20的电池单元22或蓄能器20的模块21处的相应的测量进行。蓄能器模型10也可具有用于各个电池单元22或模块21的子模型，以便能够描绘在蓄能器20中的不同的电池单元状态。

此外，在测试台装置11中存在至少一个基准电池单元6，所述基准电池单元与电池单元测试器5连接。作为基准电池单元6，在此也理解为串联和/或并联连接的各个电池单元或模块的组。电池单元测试器5是本身充分已知的电路，所述电路连接到电池单元、模块或蓄能器上，并且为所连接的组件施加负载电流(充电、放电)，或者等同地施加功率要求(充电、放电)，并且在此作为对所施加的负载电流的响应而检测电池单元电压UZ。这样的电池单元测试器5例如从AT 511890A1中得出。电池单元测试器5也还能够检测基准电池单元6的其它参数，例如温度、SoC或SoH(健康状态)或者以已知的方式从其它测量变量中计算出。

所示出的具有电池单元检测器5和基准电池单元6的结构不必与蓄能器模拟器1固定地连接，而是也能够移动地并且也仅在需要时使用。

在此，基准电池单元6用于确定蓄能器模型10与真实的基准电池单元6之间的偏离。为此，首先将所检测到的电池单元电压UZ如下所述换算成蓄能器电压UB。蓄能器模型10例如模拟这样的电蓄能器20，所述电蓄能器是由具有20Ah和3.3VDC额定电流和额定电压的LiFePo4(磷酸铁锂)电池单元组成的100S2P型号的电蓄能器，即用于蓄能器20的40Ah和330VDC。如果在测试运行中，例如通过测试台自动化系统9预设80A的负载电流IB，例如以便加速电动马达M，那么在蓄能器模拟器1中所述要求从蓄能器配置(例如100S2P)中缩减到蓄能器20的单独的电单元(例如一个电池单元21或一个模块22或其组合)的电池单元测试器-负载电流IZ上，并且将连接在电池单元测试器5上的基准电池单元6用所述电池单元测试器-负载电流IZ加载。因此，80A的负载电流在蓄能器20所引用的配置中缩减到用于蓄能器20的电池单元22或模块21的电池单元测试器-负载电流IZ＝40A。基准电池单元6的配置(由电池单元和模块构成)在此对应于缩减到的电单元的配置。在最简单的情况下，缩减到蓄能器20的单独的电池单元22上，并且基准电池单元6是蓄能器20的单独的真实的电池单元22。代替负载电流IB也能够等同地预设功率P。呈电池单元电压UZ(例如3.15VDC)形式的基准电池单元6的响应由电池单元测试器5检测并且提供给蓄能器模拟器1。蓄能器模拟器1将所获得的电池单元电压UZ根据蓄能器配置(例如100S2P)换算成蓄能器电压UB(在此例如315VDC)。在这期间，也能够以已知的方式例如由电池单元测试器5或蓄能器模拟器1确定蓄能器20的其它参数(如SoC或SoH)。这当然也适用于对电蓄能器20(例如通过再生)充电的情况。在这种情况下，根据负载电流IB通过电池单元测试器5以电池单元测试器-负载电流IZ加载基准电池单元6。因此，真实的基准电池单元6是所述状态的镜像和真实的蓄能器20的响应。

当然也可设想的是，蓄能器模型10由不同的基准电池单元6或电池单元测试器5供给，如在图1中标明的那样，以便例如模拟具有故障的或不均衡的电池单元的蓄能器20。蓄能器模型10在此例如也可以由例如在图4中示出的多个(子)模型构成。

这样确定的蓄能器电压UB现在与由蓄能器模型10从相同的功率要求计算出的蓄能器电压UB_Mod比较。如果所计算出的蓄能器电压UB_Mod在预设的公差范围TB内位于所确定的蓄能器电压UB附近，即适用|UB_Mod-UB|＜TB，那么所计算出的蓄能器电压UB_Mod由蓄能器模拟器1产生并且连接在待测件2上。

如果所计算出的蓄能器电压UB_Mod位于公差范围之外，那么调整在蓄能器模拟器1中的蓄能器模型10，以便保持模拟的质量。所述调整例如如此进行，使得从基准电池单元6的当前测量值(例如电池单元电压UZ、温度等)中计算至少一个所需要的模型参数(例如空转电压UOCB、电阻R0B、R1B和电容C1B)，或者测量在基准电池单元6上的模型参数并且外推到蓄能器，以便将所计算出的蓄能器电压UB_Mod引入公差范围TB内。根据蓄能器模型10的类型在此可以不同地进行。

在非常简单的电蓄能器模型10的情况下，所述电蓄能器模型具有空转电压UOCB的电压源和(蓄能器的内电阻的)电阻R0B的串联连接，例如能够如下进行。首先选择蓄能器的合适的基准电池单元6，所述基准电池单元最佳地对应于当前的工作点。如果蓄能器的当前的工作点在25°的温度T的情况下是20％SoC，那么优选考虑基准电池单元6，所述基准电池单元同样具有该工作点。如果这样的基准电池单元不存在，那么使用下述基准电池单元6，所述基准电池单元具有下一工作点。然后电池单元测试器5在所述基准电池单元6上测量基准电池单元6的空转电压UOC、意即未负载的基准电池单元6的输出电压，然后所述输出电压如上所述外推到蓄能器的空转电压UOCB。此后，电池单元测试器5将当前的电池单元测试器-负载电流IZ施加到基准电池单元6上并且测量呈基准电池单元6的输出电压UZ的形式的响应，所述响应再次外推到蓄能器的蓄能器电压UB。电池单元测试器-负载电流IZ同样外推到蓄能器(IZB)。然后能够由此由关系式计算出蓄能器的内电阻R0。然后蓄能器的蓄能器模型的这样确定的模型参数(在此为空转电压UOCB和内电阻R0B)在基础的特征曲线中在当前的工作点的位置处更新，在当前的工作点中，在该支撑位置(通过工作点给出)上的值通过新确定的值替代。如果对于当前的工作点不存在特征曲线中的相应的支撑位置，那么能够要么对于所述当前的工作点施加新的支撑位置，要么插入下一现有的支撑位置。

如果蓄能器模型10以数学模型的形式存在，例如以函数UB＝f(IB,T,SoC,…)、神经网络、本地模型网络(LMN)或多层感知器(MLP)的形式，然后能够由数学优化得知数学模型的新的模型参数(例如以模型的系数的形式)，其方式为：将在两个确定的蓄能器电压之间的误差最小化。

替选地，或者还有附加地，也能够例如根据当前的工作点加载另一蓄能器模型10，该当前的工作点例如通过SoC、SoH(健康状态)或温度给出。为此能够例如在蓄能器模拟器1中或者在测试台自动化系统9中存储不同的蓄能器模型10，然后从中选出最佳最适合的、意即关于在基准电池单元6上测量到的输出电压UZ方面具有最小误差的蓄能器模型。必要时也能够相应地校准新选择的蓄能器模型10。同样可设想的是，为不同的工作点范围预先预设不同的蓄能器模型10。

在此，所述调整优选始终如此进行，使得在从蓄能器模型中计算出的蓄能器电压UB_Mod和根据在基准电池单元6上的测量确定的蓄能器电压UB之间的误差至少位于预设的公差范围TB之内，但是优选被最小化。

但是，蓄能器10的精度的检查也能够在预设的工作点上进行，例如总是当SoC经过特定的点时，例如在SoC等于0、10、20、30、40、…、80、90、100时进行。为此，储备保留与相应的SoC值一样多的基准电池单元6，所述基准电池单元也根据模拟的蓄能器被调温。如果在测试运行期间经过预设的工作点之一(在此呈SoC值的形式)，那么对蓄能器模型10的精度的检查如上所述那样进行。在此也能够预设另一公差范围TB。如果精度位于公差范围TB之外，那么蓄能器模型10的调整又再如上所述那样进行。

蓄能器模型10的调整能够手动地进行或者优选自动地通过蓄能器模拟器1中的相应算法进行。根据蓄能器模型10的类型，例如电-化学的、电的或数学的模型，能够为此调整不同的模型参数。以这种方式能够将现有的蓄能器模型10简单地参数化或校准，或者以简单的方式例如在基准电池单元6老化时跟踪模型参数，而不必将所述基准电池单元直接映射在蓄能器模型10的结构中。因此也能够在蓄能器模拟器1中使用更简单的蓄能器模型10。

有利地，储备保存基准电池单元6的池7。例如各种不同类型或各种不同状态(SoC、SoH、温度)的基准电池单元。基准电池单元6当然也可以通过电池单元测试器5或通过外部的充电设备8来制备或预处理，例如在其中使基准电池单元6通过不同的负载周期预热。相比于借助基准电池单元6例如在人工气候室12中的外部调温，借助所述预热尤其能够模拟更逼真的温度分布。通过选择相应正确的基准电池单元6(类型、工作点)，能够以最简单的方式模拟期望的蓄能器。

蓄能器的与电池单元测试器5连接的电池单元6在此也能够设置在充分已知的人工气候室12中，以便附加地还能够模拟外部环境条件，例如环境温度、空气湿度等。