DE102009057918A1 - Motor vehicle, particularly electric motor operated motor vehicle or hybrid motor vehicle, comprises energy storage unit for electricity, where energy storage has multiple parallelly switched battery modules - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug insbesondere mit Elektroantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges.The invention relates to a motor vehicle, in particular with electric drive and a method for operating a motor vehicle.
Es sind sowohl rein elektromotorisch betriebene Kraftfahrzeuge als auch Hybrid-Kraftfahrzeuge bekannt, welche verbrennungsmotorisch und alternativ oder ergänzend auch elektromotorisch angetrieben werden können.There are known both purely electric motor-powered vehicles and hybrid vehicles, which can be driven by internal combustion engine and alternatively or additionally also by electric motor.
Insbesondere bei den rein elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen ist in der Regel eine Ladeschnittstelle zum Laden der elektrischen Energiespeicher von einer externen Quelle vorgesehen.In particular, in the purely electric motor driven vehicles usually a charging interface for charging the electrical energy storage is provided by an external source.
Als elektrischer Energiespeicher ist bei Kraftfahrzeugen beispielsweise ein Nickelmetallhydrid-Batteriepaket vorgesehen. Ein elektrischer Energiespeicher für Kraftfahrzeuge umfasst häufig eine Vielzahl von parallel geschalteten Batteriemodulen (oder Akkumodulen), die wiederum aus einer Vielzahl von Batteriezellen (oder Akkuzellen) bestehen können.As an electric energy storage, for example, a nickel metal hydride battery pack is provided in motor vehicles. An electrical energy storage device for motor vehicles often includes a plurality of battery modules (or accumulator modules) connected in parallel, which in turn may consist of a plurality of battery cells (or battery cells).
Als Folge von Leistungsunterschieden von Batteriemodul zu Batteriemodul, die sich beispielsweise aus internen Impedanzen, Verunreinigungen, verschiedenen Dichten des elektrolytischen Materials, dem Alter oder dem Gradienten der Umgebungstemperatur über das Batteriepaket ergeben können, kann sich allmählich eine Abweichung in der zu einer gegebenen Zeit in jedem Batteriemodul gespeicherten Energiemenge entwickeln. Die Energiemenge eines Energiespeichers oder eines Batteriemoduls kann beispielsweise bestimmt sein durch einen so genannten Ladezustand (state of charge SOC).As a result of battery module-to-battery module performance differences, such as internal impedances, contaminants, various densities of the electrolytic material, age, or ambient temperature gradient across the battery pack, there may be a gradual departure in each of them at a given time Battery module stored energy amount develop. The amount of energy of an energy store or of a battery module can be determined, for example, by a so-called state of charge (SOC).
Im Rahmen des Ladevorganges des Energiespeichers wird der Ladezustand des Energiespeichers in der Regel als ”VOLL” angenommen, wenn der Ladezustand (state of charge SOC) des stärksten Batteriemoduls eine vorgegebene obere Grenze erreicht. Das Laden des Energiespeichers wird dann in der Regel gestoppt. ”VOLL” bedeutet dabei nicht, dass der Ladezustand 100% beträgt, sondern lediglich, dass bei diesem Zustand das Laden gestoppt wird. Im Rahmen des Entladevorganges des Energiespeichers wird der Ladezustand des Energiespeichers in der Regel als ”LEER” angenommen, wenn der Ladezustand (state of charge SOC) des schwächsten Batteriemoduls eine vorgegebene untere Grenze erreicht. Das Entladen des Energiespeichers wird dann in der Regel gestoppt. ”LEER” bedeutet nicht, dass der Ladezustand 0% beträgt, sondern lediglich, dass bei diesem Zustand das Entladen gestoppt wird.As part of the charging process of the energy storage of the state of charge of the energy storage device is usually assumed to be "FULL" when the state of charge (state of charge SOC) of the strongest battery module reaches a predetermined upper limit. The charging of the energy storage is then usually stopped. "FULL" does not mean that the charge state is 100%, but only that charging is stopped in this state. As part of the discharge process of the energy storage of the state of charge of the energy storage device is usually assumed as "EMPTY" when the state of charge (state of charge SOC) of the weakest battery module reaches a predetermined lower limit. Discharging the energy storage is then usually stopped. "EMPTY" does not mean that the charge state is 0%, but only that unloading is stopped in this state.
Aufgrund dieser Annahmen ist die Ladekapazität (Unterschied zwischen VOLL und LEER) des Energiespeichers dann besonders klein, wenn der Unterschied zwischen dem Ladezustand des stärksten Batteriemoduls und dem Ladezustand des schwächsten Batteriemoduls besonders groß ist. Umgekehrt ist die Ladekapazität des Energiespeichers dann besonders groß, wenn der Unterschied zwischen dem Ladezustand des stärksten Batteriemoduls und dem Ladezustand des schwächsten Batteriemoduls besonders klein ist.Based on these assumptions, the charge capacity (difference between FULL and EMPTY) of the energy store is particularly small when the difference between the state of charge of the strongest battery module and the state of charge of the weakest battery module is particularly large. Conversely, the charge capacity of the energy store is particularly large when the difference between the state of charge of the strongest battery module and the state of charge of the weakest battery module is particularly small.
Es ist also ein Ziel, den Unterschied zwischen den Ladezuständen der Batteriemodule eines Energiespeichers möglichst klein zu halten oder von Zeit zu Zeit wieder zu reduzieren.It is therefore an aim to keep the difference between the states of charge of the battery modules of an energy storage as small as possible or to reduce from time to time again.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Kraftfahrzeug samt Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved motor vehicle including method for its operation.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.This object is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes Kraftahrzeug umfasst einen Energiespeicher für elektrische Energie, wie beispielsweise einen NiMH-Akkumulator, wobei der Energiespeicher eine Vielzahl von parallel geschalteten Batteriemodulen (Akkumulatormodule) umfasst. Zudem ist eine Ladezustands-Ermittlungseinrichtung zum Ermitteln eines Ladezustandes (SOC, state of charge) des Energiespeichers vorgesehen. Durch eine Steuereinrichtung wird ein Entladevorgang des Energiespeichers derart gesteuert, dass der Energiespeicher zunächst mit einem ersten Entladestrom, insbesondere einer ersten Entladestromstärke, entladen wird bis zu einem vorgegebenen Ladezustand, und dann der Energiespeicher mit einem zweiten Entladestrom, insbesondere einer zweiten Entladestromstärke, entladen wird, der kleiner ist als der erste Entladestrom.An inventive motor vehicle comprises an energy store for electrical energy, such as a NiMH accumulator, wherein the energy storage comprises a plurality of battery modules connected in parallel (accumulator modules). In addition, a state of charge detection device for determining a state of charge (SOC) of the energy storage device is provided. By means of a control device, a discharge process of the energy store is controlled such that the energy store is first discharged with a first discharge current, in particular a first discharge current, up to a predefined state of charge, and then the energy store is discharged with a second discharge current, in particular a second discharge current, which is smaller than the first discharge current.
Die Entladeströme können dabei variabel sein. Vorzugsweise wird der erste Entladestrom, insbesondere die erste Entladestromstärke, über die Zeit ausgehend von einem Anfangswert bis hin zum Anfangswert des zweiten Entladestromes, insbesondere der zweiten Entladestromstärke, kleiner. Alternativ oder ergänzend dazu ist vorzugsweise der Durchschnitt der ersten Entladestromstärke größer als der Durchschnitt der zweiten Entladestromstärke.The discharge currents can be variable. The first discharge current, in particular the first discharge current intensity, preferably becomes smaller over time, starting from an initial value up to the initial value of the second discharge current, in particular the second discharge current intensity. Alternatively or additionally, preferably the average of the first discharge current is greater than the average of the second discharge current.
Der vorgegebene Ladezustand liegt beispielsweise bei 5% des Maximal-Ladezustandes des Energiespeichers. Der Ladezustand des Energiespeichers ist beispielsweise bestimmt durch den Durchschnitt der Ladezustände (bezogen auf den Maximal-Ladezustand des Batteriemoduls) der Batteriemodule. Die zweite Entladestromstärke ist vorzugsweise kleiner als 3 A oder kleiner als 1 A, um eine effektive Equilibrierung zu erreichen, ohne einzelne Batteriemodule zu tief zu entladen, was zu einem Schaden des betroffenen Batteriemoduls führen könnte.The predefined state of charge is, for example, 5% of the maximum state of charge of the energy store. The state of charge of the energy store is determined, for example, by the average of the states of charge (based on the maximum state of charge of the battery module) of the battery modules. The second discharge current is preferably less than 3 amps or less than 1 amperes to achieve effective equilibration without over-discharging individual battery modules, which could result in damage to the affected battery module.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass die Batteriemodule des Energiespeichers bei einem niedrigen Ladezustand equilibriert, d. h. im Wesentlichen auf einen einheitlichen Ladezustand gebracht, werden. Dadurch wird eine unerwünschte Hitzeentwicklung, die bei einer Equilibrierung der Batteriemodule bei einem hohen Ladezustand in der Regel eintritt, vermieden.By the invention it is achieved that the battery modules of the energy storage equilibrates at a low state of charge, d. H. essentially be brought to a uniform state of charge. As a result, an undesirable heat development, which usually occurs when the battery modules are equilibrated at a high state of charge, is avoided.
Die Entladung mit dem zweiten Entladestrom wird vorzugsweise nach einer vorgegebenen Zeitspanne beendet. Ein Bezug auf die Zeit erweist sich in dieser Entladephase als ein sinnvolleres Abbruchkriterium als ein Bezug auf den ermittelten Ladezustand, da sich dieser in dieser Entladephase nur relativ wenig ändert.The discharge with the second discharge current is preferably terminated after a predetermined period of time. A reference to the time proves to be a more meaningful termination criterion in this discharge phase than a reference to the determined state of charge, since this changes only relatively little in this discharge phase.
Es ist eine Weiterbildung der Erfindung, dass mittelbar oder unmittelbar nach der Entladung mit dem zweiten Entladestrom eine Ladung des Energiespeichers mit einem Ladestrom, insbesondere einer Ladestromstärke, erfolgt. Der Ladestrom, insbesondere die Ladestromstärke, wird dabei vorzugsweise über die Zeit ausgehend von einem Anfangswert größer. Den Ladevorgang mit einem niedrigen Ladestrom zu beginnen, hat den Vorteil, dass die Batteriemodule einheitlich geladen werden.It is a development of the invention that indirectly or immediately after the discharge with the second discharge current, a charge of the energy storage with a charging current, in particular a charging current, takes place. The charging current, in particular the charging current, is preferably greater over time, starting from an initial value. Starting the charging process with a low charging current has the advantage that the battery modules are charged uniformly.
Das erläuterte Equilibrieren des Energiespeichers bei niedrigem Ladezustand ist besonders vorteilhaft bei stehendem Kraftfahrzeug, beispielsweise im Rahmen eines Werkstattaufenthaltes. Folgende Weiterbildungen gehen daher insbesondere von einem Equilibrieren bei stehendem Kraftfahrzeug aus.The explained equilibration of the energy store at a low state of charge is particularly advantageous when the motor vehicle is stationary, for example as part of a workshop visit. The following developments are therefore based in particular on an equilibration when the motor vehicle is stationary.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht dabei vor, dass der Energiespeicher einen Elektroantrieb speist, wobei die Steuereinrichtung derart mit dem Elektroantrieb, dem Energiespeicher und der Ladezustands-Ermittlungseinrichtung gekoppelt ist, dass der Entladestrom zum Antreiben des, insbesondere in den Leerlauf geschalteten, Elektroantriebes eingesetzt wird oder einsetzbar ist. Dadurch wird ohne zusätzlichen Hardwareaufwand ein effizientes und kontrolliertes Entladen des Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges ermöglicht. Die elektrische Energie des Energiespeichers wird mit Hilfe des Elektroantriebes gezielt und kontrolliert vernichtet und über den Elektroantrieb, insbesondere dessen Drehzahl, der Entladestrom geregelt. Die Steuereinrichtung kann dabei beispielsweise ein Hybridsteuergerät, Teil eines Hybridsteuergerätes oder ein mit einem Hybridsteuergerät gekoppeltes Steuergerät sein.A further development of the invention provides that the energy store feeds an electric drive, wherein the control device is coupled to the electric drive, the energy storage and the state of charge detection device, that the discharge is used to drive the, in particular in the idle switched, electric drive or can be used. As a result, an efficient and controlled unloading of the energy storage of an electric vehicle is made possible without additional hardware expenditure. The electrical energy of the energy storage is targeted and controlled destroyed using the electric drive and regulated by the electric drive, in particular its speed, the discharge. The control device can be, for example, a hybrid control unit, part of a hybrid control unit or a control unit coupled to a hybrid control unit.
Vorzugsweise ist zudem ein Verbrennungsmotor vorgesehen, der derart mit dem Elektroantrieb gekoppelt ist, dass der durch den Entladestrom angetriebene Elektroantrieb zum Antreiben des, insbesondere in den Leerlauf geschalteten, Verbrennungsmotors eingesetzt wird oder einsetzbar ist. Durch die Kopplung des Elektroantriebes mit dem Verbrennungsmotor wird erreicht, dass die elektrische Energie des Energiespeichers noch effektiver vernichtet wird, indem auch noch der Verbrennungsmotor im Leerlauf angetrieben wird. Der Entladestrom kann dabei auch über den Verbrennungsmotor, insbesondere dessen Drehzahl, geregelt werden.In addition, an internal combustion engine is preferably provided which is coupled to the electric drive in such a way that the electric drive driven by the discharge current is used or can be used to drive the internal combustion engine, which is in particular switched to idling. By coupling the electric drive with the internal combustion engine is achieved that the electrical energy of the energy storage is destroyed even more effectively by even the internal combustion engine is driven at idle. The discharge current can also be controlled via the internal combustion engine, in particular its speed.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass ein Hochspannungsbordnetz, beispielsweise ein 400 Volt Bordnetz, und ein mit dem Hochspannungsbordnetz über einen Spannungswandler gekoppeltes Niederspannungsbordnetz, beispielsweise ein 12 Volt Bordnetz, vorgesehen ist, wobei der Energiespeicher Bestandteil des Hochspannungsbordnetzes ist. Vorzugsweise ist dabei ein zweiter Energiespeicher vorgesehen, der Bestandteil des Niederspannungsbordnetzes ist. Vorteilhafterweise wird dabei zumindest der anfängliche Ladestrom dem zweiten Energiespeicher entnommen. Das Niederspannungsbordnetz ist vorzugsweise mit einer Schnittstelle zu einer externen Quelle für elektrische Energie ausgestattet, um den zweiten Energiespeicher oder das Niederspannungsbordnetz durch die externe Quelle mit elektrischer Energie zu speisen. A particularly preferred embodiment provides that a high-voltage on-board electrical system, for example a 400 volt electrical system, and a low-voltage vehicle electrical system, for example a 12 volt vehicle electrical system, coupled to the high-voltage on-board electrical system via a voltage converter is provided, the energy storage device being part of the high-voltage on-board electrical system. Preferably, a second energy storage is provided, which is part of the low-voltage electrical system. Advantageously, at least the initial charging current is taken from the second energy store. The low voltage electrical system is preferably equipped with an interface to an external source of electrical energy to power the second energy storage or the low voltage electrical system through the external source.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch ein Verfahren zum Betreiben eines der beschriebenen Kraftfahrzeuge, bei dem der Energiespeicher zunächst mit einem ersten Entladestrom entladen wird, bei dem nach dem Erreichen eines vorgegebenen Ladezustandes des Energiespeichers der Energiespeicher mit einem zweiten Entladestrom entladen wird, und bei dem nach dem Ablauf einer vorgegebener Zeitspanne der Energiespeicher mit einem insbesondere zunehmenden Ladestrom geladen wird.In the context of the invention is also a method for operating one of the described motor vehicles, wherein the energy storage is first discharged with a first discharge, in which after reaching a predetermined state of charge of the energy storage of the energy storage is discharged with a second discharge current, and in the after the expiration of a predetermined period of time the energy storage is charged with a particular increasing charging current.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren näher erläutert:In the following, the invention is explained in more detail by means of examples with reference to the following figures:
In
Das Kraftfahrzeug verfügt über einen Hochspannungsenergiespeicher ES1, durch den ein Elektromotor EM mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Durch den Elektromotor EM kann ein Antriebsstrang AS des Kraftfahrzeuges angetrieben werden. Der Antriebsstrang AS des Kraftfahrzeuges kann zudem alternativ oder ergänzend durch einen Verbrennungsmotor VM angetrieben werden. Der Verbrennungsmotor kann auch durch einen Anlasser AL gestartet werden.The motor vehicle has a high-voltage energy storage ES1, by which an electric motor EM can be supplied with electrical energy. By the electric motor EM, a drive train AS of the motor vehicle can be driven. The drive train AS of the motor vehicle can also be driven alternatively or additionally by an internal combustion engine VM. The internal combustion engine can also be started by a starter AL.
Über einen Spannungswandler SW sind der Hochspannungsenergiespeicher ES1 und damit der Hochspannungsbordnetzteil mit einem Niederspannungsenergiespeicher ES2 und damit mit einem Niederspannungsbordnetzteil gekoppelt. Durch den Niederspannungsenergiespeicher ES2 wird beispielsweise der Anlasser AL mit Energie gespeist.Via a voltage transformer SW, the high-voltage energy storage ES1 and thus the high-voltage on-board power supply are coupled to a low-voltage energy storage ES2 and thus to a low-voltage on-board power supply. By the low-voltage energy storage ES2, for example, the starter AL is supplied with energy.
Der Niederspannungsenergiespeicher ES2 kann beispielsweise im Rahmen eines Werkstattaufenthaltes über eine entsprechende Schnittstelle SS mit Energie einer externen elektrischen Energiequelle EQ versorgt werden.The low-voltage energy storage ES2 can, for example, be supplied with energy from an external electrical energy source EQ via a corresponding interface SS within the scope of a workshop visit.
Durch ein entsprechend ausgestattetes und eingerichtetes Steuergerät STE, das beispielsweise ein Motorsteuergerät, ein Hybridsteuergerät, ein Verbrennungsmotorsteuergerät, ein Elektromotorsteuergerät und/oder eine Ermittlungseinrichtung EE zum Ermitteln des Ladezustandes (SOC) insbesondere des Hochspannungsenergiespeicher ES1 umfassen kann, wird das Laden, insbesondere der Ladestrom, und das Entladen, insbesondere der Entladestrom, insbesondere des Hochspannungsenergiespeicher ES1 gesteuert.By a suitably equipped and set up control unit STE, which may comprise, for example, an engine control unit, a hybrid control unit, an engine control unit, an electric motor control unit and / or a determination unit EE for determining the state of charge (SOC), in particular of the high-voltage energy storage ES1, the charging, in particular the charging current, and the discharge, in particular the discharge current, in particular the high voltage energy storage ES1 controlled.
Im Folgenden wird anhand von
Bei dem gezeigten Diagramm ist durch die Abszisse die Zeit t bestimmt und durch die Ordinate der Ladezustand SOC.In the diagram shown, the time t is determined by the abscissa and the state of charge SOC by the ordinate.
Es wird davon ausgegangen, dass das Kraftfahrzeug beispielsweise in einer Werkstatt steht und der Niederspannungsenergiespeicher ES2 über die Ladeschnittstelle SS mit der externen Energiequelle EQ verbunden ist.It is assumed that the motor vehicle is in a workshop, for example, and the low-voltage energy storage ES2 is connected to the external energy source EQ via the charging interface SS.
Der Elektromotor EM (im Leerlaufzustand) und damit mittelbar auch der mit dem Elektromotor über den Antriebsstrang AS gekoppelte Verbrennungsmotor (im unbefeuerten Leerlauf-Zustand) werden durch den Entladestrom des Hochspannungsenergiespeichers ES1 angetrieben. Der Elektromotor EM dreht den Verbrennungsmotor VM im Leerlauf durch. Der Entladestrom wird durch das Steuergerät STE in Abhängigkeit vom Ladezustand SOC des Hochspannungsenergiespeichers ES1 eingestellt. Die Regelung des Entladestromes erfolgt beispielsweise auf der Basis der Drehzahl des Verbrennungsmotors. Der Entladestrom kann dabei beispielsweise als Sollgröße und die Solldrehzahl des Verbrennungsmotors als Regelgröße betrachtet werden.The electric motor EM (in the idling state) and thus indirectly also the engine coupled to the electric motor via the drive train AS (in the uncontrolled idling state) are driven by the discharge current of the high-voltage energy storage ES1. The electric motor EM turns the engine VM idling. The discharge current is set by the control unit STE as a function of the state of charge SOC of the high-voltage energy storage ES1. The regulation of the discharge current takes place, for example, on the basis of the rotational speed of the internal combustion engine. The discharge current can be considered, for example, as a target value and the target speed of the engine as a controlled variable.
Zunächst wird der Hochspannungsenergiespeicher ES1 in einer ersten Phase I mit einem zunächst großen und dann immer kleiner werdenden Entladestrom entladen bis ein vorgegebener Ladezustand SOCEQ (beispielsweise 5% des maximalen SOC) erreicht ist.First, the high-voltage energy storage ES1 is discharged in a first phase I with a first large and then ever smaller discharge current until a predetermined state of charge SOC EQ (for example, 5% of the maximum SOC) is reached.
Dann wird in einer zweiten Phase II der Entladestrom auf einen kleineren Wert von beispielsweise 0,5 Ampere eingestellt und der Hochspannungsenergiespeicher ES1 mit dieser vorgegebenen Stromstärkte eine vorgegebene Zeitdauer tEQ von beispielsweise fünf Minuten entladen. Dies führt zu einer Equilibrierung der Ladezustände der Batteriemodule des Hochspannungsenergiespeicher ES1.Then, in a second phase II, the discharge current is set to a smaller value of, for example, 0.5 amperes, and the high-voltage energy store ES1 is discharged with this predetermined current intensity for a predetermined time t EQ of, for example, five minutes. This leads to an equilibration of the charge states of the battery modules of the high-voltage energy storage ES1.
Anschließend wird der Hochspannungsenergiespeicher ES1 in einer dritten Phase III mit einem zunächst kleinen und dann immer größer werdenden Ladestrom geladen bis ein vorgegebener Ladezustand SOCMIN (beispielsweise 35% des maximalen SOC) erreicht ist. Der Ladestrom wird dabei über den Spannungswandler SW durch den Niederspannungsenergiespeicher ES2 und die externe Quelle EQ bereit gestellt. Nach einer Trennung des Kraftfahrzeuges von der Energiequelle EQ ist das Kraftfahrzeug dann wieder fahrbereit.Subsequently, the high-voltage energy storage ES1 is charged in a third phase III with a first small and then increasing charge current until a predetermined state of charge SOC MIN (for example, 35% of the maximum SOC) is reached. The charging current is provided via the voltage converter SW by the low-voltage energy storage ES2 and the external source EQ. After a separation of the motor vehicle from the power source EQ, the motor vehicle is then ready to drive again.
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