专利名称：能实时进行的电池单元仿真的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对电池单元(Batteriezelle)进行仿真以测试控制装置的方法以及用于对包括多个电池单元的电池单元连接结构(Zellenverbund)的电池进行仿真的系统。
背景技术：
例如汽车领域中用于早期测试和验证控制装置的可操作性的通常一种技术是硬件在环(HLL :Hardware-in-the-Loop)。在这种情况下,实际的控制装置在与实时仿真的部件相互作用的情况下被测试以确定其距离满足特定要求还差 多远。由致动器、传感器和汽车中的过程构成的待测试控制装置的环境被实时仿真，并且控制装置的特性(Verhalten)在这个仿真环境中被考察。HIL仿真允许在早期开发阶段中测试控制装置并且例如在传感器故障的情况下检验其特性。如果现在应借助于HIL仿真来测试混合动力汽车(Hybridfahrzeug)中的控制装置，则需要仿真作为系统部件的电池。在混合动力车辆中，使用由多个单电池单元(Einzelzelle)构成的电池。尤其地，还通过HIL仿真测试用于电池控制的控制装置，所谓的电池管理系统(BMS)。BMS具有以下任务监视电池单元连接结构中的电池单元并且由此确保电池单元连接结构的安全、可靠且尽可能长的运行。为了通过HIL仿真测试BMS，必须对电池单元连接结构的特性进行仿真。因此，需要用于对各个电池单元进行仿真的模型以及对于大的电池单元连接结构进行仿真的模型。与传统的例如用于汽车电器网络仿真的电池模型相比，用于电池管理系统的模型必须将电池的特性模拟为多个单电池单元的联接。其中，单电池单元模型描述电池单元电压和充电状态，并且可能还描述电池单元的温度特性。不同电池单元技术(如锂离子、Ni-MH(镍氢)或铅)的典型电池单元特性可以被考虑。包括在充电和放电情况下的区别，以及在负荷突变时的动态特性和例如由起泡效应(Gasungseffekt)导致的损耗电流。于是，电池的模型通常由多个单电池单元模型构成。其中，各个电池单元参数和状态(如内电阻或初始荷电状态)必须保持能分别调节，并且所产生的电池单元电压必须可以也分别供BMS使用，例如通过电池单元电压仿真器，如其在申请号为102010043761. I的德国专利申请中所描述的那样。同样要考虑然后由BMS调节的用于对电池单元电荷均衡的电流。在混合汽车、电动汽车或者还有BMS的HIL应用的情况下，特别感兴趣的是电池的电气端子特性(Klemmenverhalten)。为了模拟电池单元的电气端子特性，经常选择附件(Ansatz)来通过等效电气电路图描述端子特性。这构成了电池单元中电化学过程的复杂性与例如为了确保电池单元模型的实时性所必需的简化之间的很好的妥协。借助于等效电气电路图模拟电池单元的另一优点是可以在以电路仿真器进行仿真时为所考察的结构扩展其他部件(如变流器)。用于汽车仿真模型的单电池单元模型如其例如被申请人排除的那样由电池单元电压模型和充电状态模型构成。电池单元电压模型使得能够对各个物理效应(如内电阻、扩散和双层电容)进行参数化。充电状态模型考虑单电池单元的充电和放电电流以及损耗电流，损耗电流在Ni-MH电池充电时例如由于起泡效应而产生。从这样的单电池单元模型出发，可以通过联接n个电电池单元模型来实现n个电池单元的电池单元连接结构。在大量单电池单元的情况下，模型当然不再能很好地管理，并且从一定数量的单电池单元开始就不再能实时地实现。这意味着甚至利用专门用于HIL仿真的硬件也不再能够满足对运行时间的要求。因此可能不在反映实际情况的条件下执行例如也必须检查控制装置的反应时间的控制装置测试。只仿真一个单电池单元及通过与电池单元数量n相乘来使输出参量扩大的可能性对于BMS测试是不可行的，因为在该情形下不再能表现单电池单元的参数变化(Parameterstreuung)和不同充电状态。
发明内容
因此，本发明的任务在于提供一种减小现有技术缺点的方法。该任务通过根据独立权利要求I的方法以及通过根据权利要求12的用于仿真包括多个单电池单元的电池单元连接结构的电池的系统来实现。根据本发明提供了一种方法，用于通过计算单元上的总模型来实时地仿真包括多个单电池单元的电池单元连接结构的电池，其中计算单元经由电池单元电压仿真器与控制装置系统连接。借助于总模型在计算单元上计算单电池单元的端子电压，并且借助于电池单元电压仿真器为控制装置测试系统提供所计算的单电池单元的端子电压。总模型包括第一模型(也称为参考模型)，其中借助于第一模型以对于电池单元连接结构典型的电池单元参数对作为参考电池单元的第一单电池单元建模。将电池单元连接结构的总输入电流作为输入参量馈送给第一模型，并且借助于第一模型计算参考电池单元的端子电压。此外，总模型还包括第二模型(也称为差别模型(Differenzenmodell))，其中借助于第二模型计算至少一个其他单电池单元的端子电压相对于参考电池单元的端子电压的偏差。该其他单电池单元的端子电压根据参考电池单元的端子电压和该其他单电池单元的端子电压的偏差来计算。整个电池以及单电池单元的端子电压以及/或者电池和单电池单元的充电状态以及/或者电池温度根据电池的充电和放电电流(即总电流)来计算。在本发明的一有利实施方式中，借助于第二模型计算每个其他单电池单元的端子电压相对于参考电池单元的端子电压的偏差。根据参考电池单元的端子电压和所计算的偏差可以计算每个其他单电池单元各自的端子电压。根据本发明的方法的一个优点是借助于根据本发明的方法计算参考电池单元和其他单电池单元的所有相关参量的计算所需的计算开销与借助于n个单电池单元模型计算上述参量相比显著地降低了。因此使得能够实现对单电池单元的数量显著更高的电池的实时仿真。还优化了存储器消耗。有利地，向差别模型提供参考电池单元的至少一个参量或参数，如电池单元温度、欧姆电阻Rinnm或者荷电状态。至少一个其他单电池单元的至少一个参量(如起始荷电状态、额定容量CN_(即在额定条件下在新的电池单元上能确定的电荷)以及电阻、温度和/或端子电流的偏差)被预给定给差别模型。根据预给定的参量计算端子电压偏差。在这里，参量一般性地指 代单电池单元或电池单元连接结构的特性，例如单电池单元的荷电状态。尤其是指所计算的或要计算的参量，即仿真参量或变量。在这里，参数或电池单元参数同样表示参量，尤其是预给定的例如表征单电池单元的物理特性或物理状态的物理参量。此外通过以下方式减少计算时间不为每个单电池单元分别仿真参量(例如电池单元温度)，而是根据参考电池单元的仿真和每个单电池单元相对于参考电池单元的预给定的温度偏差来确定。由此节省计算时间。需要减少计算时间，以便能够实时地仿真或确保模型及时地对待测试的控制装置的信号进行响应并且借助于电池单元电压仿真器向控制装置模拟逼真的反应。特别有利的是以向量(例如nXl向量)的形式为差别模型预给定输入参量，其中n是所观察的其他电池单元的数量。由此，差别模型的复杂性变得不依赖于要考虑的电池单元的数量。因此，对于n个其他单电池单元只需要一个第二模型。所考虑的其他单电池单元的数量由预给定的向量的宽度来表现。存在各种可能来将差别模型分为子模型。在一有利实施方式中，差别模型包括两个子模型。在第一子模型中考虑导致与参考电池单元相比不同的电动势(EMK)的偏差，而在第二子模型中观察导致过电压区别的偏差。EMK在这里是指在静止状态一个电化学的电池单元中两个电极之间的电压差。过电压是指端子电压与EMK之间的差，其例如在充电或放电时出现。过电压落在电池单元的欧姆电阻上或者在电池单元的等效电路图的所有无源(passiv)元件处。随着模型描述从电池层面过渡到电池单元层面，对参数化的要求也提高。有利地，绑定(anbinden)用户友好的输入界面。根据本发明的用于借助于总模型对包括多个单电池单元的电池单元连接结构的电池进行仿真的系统包括计算单元和与计算单元相连的电池单元电压仿真器，其中计算单元被设置为执行总模型以计算单电池单元的端子电压，并且电池单元电压仿真器被构造为与控制装置系统连接并且向该控制装置测试系统提供所计算的单电池单元的端子电压。根据本发明，总模型包括第一模型和第二模型。第一模型被设置为以典型的电池单元参数对作为参考电池单元的第一单电池单元建模、获得电池单元连接结构的总输入电流作为输入参量并且计算参考电池单元的端子电压。第二模型被设置为计算至少一个其他单电池单元的端子电压相对于参考电池单元的端子电压的偏差以及由该偏差和参考电池单元的端子电压计算该其他单电池单元的端子电压。
以下结合示意性的附图借助于实施例介绍根据本发明的用于对电池单元仿真以测试控制装置的系统和方法。其中功能相同的电路部件具有相同的附图标记。在附图中图I示出了一个电化学的电池单元的等效电气电路图，图2示出了锂离子电池单元的示意性的EMK-SOC关系，
图3示出了根据本发明的一种总模型的结构，图4示出了具有第一子模型和第二子模型的差别模型的结构。
具体实施例方式图I示出了一个电化学的电池单元的等效电路图，如其在现有技术中用作为用于单个电池单元模型的基础那样。借助于该等效电路图 计算电池单元的端子电压。表明根据本发明的方法不依赖于所选择的参数化，对于所选择的参数化存在各种执行可能性。原则上还可以使用基于另一等效电路的其他建模模型。图I示出了端子电压Uki和端子电流iKI的能在电池单元的端子上测量的参量，其中在这里还要指出，正的端子电流对应于电池单元充电，负的端子电流对应于电池单元放电。此外，等效电路图还包括具有被称为EMK的电压的电压源。由其描述电池单元的电动势(EMK)。图I中等效电路图的另一重要方面是用于描述电池单元中过电压的无源元件的网络。在充电的情况下，比电池单元的两个电极之间的电压高的电压落在电池单元的端子上，在放电的情况下，端子电压又低于这两个电极之间的电压。端子电压的这个分量通过无源元件的网络来模拟。图I中所示的具有电流iv的电流源模拟在电化学的电池单元中出现的损耗电流。电极的电势由相应电极的标准氧化还原电势(Standard-Redox-Potential)和根据能斯脱(Nernst)方程取决于还原剂和氧化剂的活性并因此取决于其浓度的分量。对于锂离子电池单元还出现以下效应根据所使用的电极材料，锂原子被掺杂(einlagern)到的点阵结构(Gitterstruktur)从掺杂一定量的锂开始变化,这同样导致电极电势的变化。根据电池单元的荷电状态，在这一个电极或另一电极中存在更大量的掺杂的锂。这个量的掺杂的锂于是对于电极的电势有影响，一方面通过点阵结构对锂量的依赖性，但是另一方面还通过直接取决于锂浓度的氧化的或还原的锂的活性。根据应描述哪个技术，这样的特定于材料的效应在电池模型中可以被接受。因此，电化学的电池单元的电极的电势并且因此还有电池单元的电势能取决于电池单元的荷电状态(SOC)。电池单元的荷电状态被称为SOC(State of Charge)，并且以百分比给出。SOC由电池单元的电荷相对于电池单元的额定容量而得到。完全充电的电池单元因此SOC为100%,完全放电的电池单元的SOC为0%。图2示出了具有单调上升曲线的EMK-SOC关系。因而，最大的EMK在SOC = 100%时实现。如果然后电池单元的荷电状态降低，则首先要发现EMK的略微更强烈的下降。然后发现以下一个范围，即在该范围中EMK仅仅略微改变，以便然后在电池单元的荷电状态低的情况下强烈地下降。根据所使用的电极材料，可以对于该曲线得到一定的变体，例如关于中间范围的清楚表明(AusprMguiig )的变体。这个依赖性借助于图I中的等效电气电路图通过受控的电压源EMK (SOC)来模拟。在现有技术中有时使用用于EMK对SOC的依赖性的公式关系，有时模拟关于受控电压源和存储在特性曲线族(Kennfeldern)中的数据的关系或者EMK-SOC关系的逼近计算(Approximation)。为了逼近计算EMK-SOC关系,使用各种方法。例如线性内插法、线性外插法或还有它们的混合形式。通过有效充电或放电电流的积分来确定电池单元的实际荷电状态。
权利要求
1.一种用于在计算单元上借助于总模型对电池进行实时仿真的方法，所述电池包括由多个单电池单元构成的电池单元连接结构，所述计算单元经由电池单元电压仿真器与控制装置系统连接，借助于所述总模型在所述计算单元上计算所述单电池单元的端子电压，并且借助于所述电池单元电压仿真器向控制装置测试系统提供所计算的所述单电池单元的端子电压， 其特征在于， 所述总模型包括第一模型，其中借助于所述第一模型以对于所述电池单元连接结构而言典型的电池单元参数来模拟作为参考电池单元的第一单电池单元，所述电池单元连接结构的总输入电流作为输入参量被馈送给所述第一模型，其中借助于所述第一模型计算所述参考电池单元的端子电压， 所述总模型包括第二模型，其中借助于所述第二模型计算至少一个其他单电池单元的端子电压相对于所述参考电池单元的端子电压的偏差，并且所述其他单电池单元的端子电压由所述参考电池单元的端子电压和所述其他单电池单元的端子电压偏差来计算。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，每个其他单电池单元的端子电压相对于所述参考电池单元的端子电压的偏差被计算。
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，为了计算一个其他单电池单元的端子电压相对于所述参考电池单元的端子电压的偏差，为所述第二模型预给定这个单电池单元在一个参量或一个电池单元参数方面相对于所述参考电池单元的至少一个偏差，尤其是在电阻、温度或端子电流方面。
4.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，为了减少计算时间，由借助于所述第一模型为所述参考电池单元所计算的参量和另一单电池单元的相应参量相对于所述参考电池的预给定的偏差确定至少一个参量、尤其是电池单元温度，并且该参量不是对于每个单电池单元都被分别仿真。
5.如前述权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预给定输入参量，其中向量长度由所考虑的其他单电池单元的数量确定。
6.如前述权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计算其他单电池单元相对于所述参考电池单元的电动势偏差，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计算其他单电池单元的过电压相对于所述参考电池单元的过电压的偏差。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，为了提高仿真的准确性，为所述第二模型增加至少一个其他子模型，用于仿真关于至少一个其他单电池单元的另一参量。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，从所述第二模型中去除一个子模型，其中在通过所述总模型对电池仿真时，在被去除的子模型中通过仿真确定的参量通过所述参考电池单元的该参量的相应值和其他单电池单元的值的预给定的相应偏差来被考虑。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，至少一个参量以表格形式被存储或被逼近计算。
10.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为串联连接的所述电池的单电池单元的联接被仿真。
11.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，作为并联连接的所述电池的单电池单元的联接被仿真，方法是多个并联连接的其他单电池单元被模拟作为具有相应的较高电容的另一单电池单元。
12.一种用于借助于总模型对电池进行仿真的系统，所述电池包括由多个单电池单元构成的电池单元连接结构，所述系统包括计算单元和与所述计算单元连接的电池单元电压仿真器，所述计算单元被设置为执行所述总模型以计算所述单电池单元的端子电压，并且所述电池单元电压仿真器被构造为与控制装置系统连接并且向控制装置测试系统提供所计算的所述单电池单元的端子电压， 其特征在于， 所述总模型包括第一模型，所述第一模型被设置为以典型的电池单元参数来模拟作为参考电池单元的第一单电池单元、获得所述电池单元连接结构的总输入电流作为输入参量并且计算所述参考电池单元的端子电压， 所述总模型包括第二模型，所述第二模型被设置为计算至少一个其他单电池单元的端子电压相对于所述参考电池单元的端子电压的偏差并且由所述偏差和所述参考电池单元的端子电压计算所述其他单电池单元的端子电压。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，利用所述系统能够执行如权利要求I至11之一所述的方法。
全文摘要
一种用于实时仿真包括多个连接的单电池单元的电池以测试控制装置的方法，该电池为了仿真的目的通过总模型描述，该总模型包括第一模型和第二模型，第一模型模拟参考电池单元，利用第一模型能计算参考电池单元的端子电压，第二模型计算并提供每个其他电池单元的端子电压相对于参考电池单元的端子电压的偏差。
文档编号G05B17/02GK102707627SQ20111035633
公开日2012年10月3日 申请日期2011年11月11日 优先权日2010年12月10日
发明者C·沃尔布雷什特, H·豪皮特, T·斯科莱特 申请人:帝斯贝思数字信号处理和控制工程有限公司