DE102009058263A1

DE102009058263A1 - System und Verfahren zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE102009058263A1
Application number: DE102009058263A
Authority: DE
Inventors: Paul A. Fenton Bauerle; Vernon L. Farmington Newhouse; Jeffrey T. Brighton Wolak
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: US8054039B2; US20100156355A1; DE102009058263B4

Abstract

Ein Batterieaufladesystem und -verfahren zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs mit Leistung von einer externen Leistungsquelle, etwa einer Standard-AC-Wandanschlussdose mit 110 Volt oder 220 Volt. Das Verfahren erfasst verschiedene interne und externe Bedingungen und verwendet diese Informationen, um das Steckdosen-Elektrofahrzeug auf optimale Weise aufzuladen, welche die Aufladezeit verringert und dennoch eine Beschädigung von Komponenten des Aufladesystems vermeidet. Bei einer Ausführungsform umfasst das Batterieaufladesystem eine externe Leistungsquelle, ein Batterieladegerät mit Sensoren zum Überwachen der externen Leistungsquelle und des Ladegeräts, eine Batterieeinheit mit Sensoren zum Überwachen der Batterie, ein Batterieaufladesteuerungsmodul zum Verarbeiten der Informationen und eine Benutzerschnittstelle, die benutzerspezifizierte kundenspezifische Aufladebeschränkungen ermöglicht. Alle diese Komponenten mit Ausnahme der externen Leistungsquelle können an dem Fahrzeug angeordnet sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Aufladen von Batterien, und insbesondere ein System und ein Verfahren, das Aufladebedingungen überwacht und/oder steuert, sodass eine Fahrzeugbatterie auf optimale Weise aufgeladen wird.
HINTERGRUND
Es kann sein, dass ein Steckdosen-Elektrofahrzeug während eines Fahrzeugbetriebs zwischendurch Elektrizität benötigt, um einen wiederaufladbaren Batteriestapel aufzuladen. Bei den meisten Anwendungen empfängt ein Batterieladegerät Leistung von einer Leistungsquelle, etwa einer Anschlussdose mit 110 Volt AC, und führt dann eine Gleichrichtung der Leistung durch und/oder formt diese in eine Form und ein Niveau um, das zum Aufladen des Batteriestapels geeignet ist, der sich in dem Fahrzeug befindet. Die Aufladebedingungen in dem System, wie etwa die Temperatur des Batterieladegeräts, die Ladungsmenge in der Batterie usw. können den Aufladeprozess beeinflussen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren umfasst allge mein die Schritte, dass: (a) mindestens eine Bedingung erfasst wird, die eine externe Leistungsquelle, ein an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnetes Batterieladegerät oder eine an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnete Batterieeinheit betrifft; (b) ein Aufladesteuerungssignal auf der Grundlage der erfassten Bedingung ermittelt wird; und (c) die Batterieeinheit mit dem Batterieladegerät aufgeladen wird, wobei das Batterieladegerät in Übereinstimmung mit dem Aufladesteuerungssignal betrieben wird und das Aufladesteuerungssignal in Ansprechen auf Veränderungen bei der erfassten Bedingung periodisch nachgestellt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Das Verfahren umfasst allgemein die Schritte, dass: (a) eine oder mehrere Bedingungen erfasst werden, welche eine externe Leistungsquelle, ein Batterieladegerät und eine Batterieeinheit betreffen; (b) jede der erfassten Bedingungen mit einer speziellen Batterieaufladebeschränkung bewertet wird; (c) jede der Bewertungen überprüft wird und die restriktivste Beschränkung identifiziert wird, wobei die restriktivste Beschränkung diejenige ist, die den geringsten Strombetrag von dem Batterieladegerät anfordert; und (d) das Batterieladegerät so betrieben wird, dass es die restriktivste Beschränkung nicht verletzt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein System zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs bereitgestellt. Das System umfasst allgemein: ein Batterieladegerät, das an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnet ist und einen Eingang, der mit einer externen Leistungsquelle gekoppelt ist, einen Ausgang, der mit einer Batterieeinheit gekoppelt ist, und einen oder mehrere Sensoren aufweist, um Bedingungen der externen Leistungsquelle und/oder Bedingungen des Batterieladegeräts zu überwachen; eine Batterieeinheit, die an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug ange ordnet ist und einen mit dem Batterieladegerät gekoppelten Eingang und einen oder mehrere Sensoren zum Überwachen von Batteriebedingungen aufweist; und ein Batterieaufladesteuerungsmodul, das an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnet ist und sowohl mit dem Batterieladegerät als auch der Batterieeinheit gekoppelt ist. Das Batterieaufladesteuerungsmodul empfängt Lesewerte von dem bzw. den Batterieladegerätsensor(en) und dem bzw. den Batteriesensor(en) und verwendet diese Lesewerte, um die Ausgangsleistung zu steuern, welche das Batterieladegerät an die Batterieeinheit liefert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden hier nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente beschreiben, und bei denen:
1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie, etwa derjenigen, die in einem Steckdosen-Elektrofahrzeug anzutreffen ist, ist; und
2 ein Flussdiagramm ist, das ein beispielhaftes Verfahren zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie veranschaulicht und mit dem in 1 gezeigten System verwendet werden kann.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf 1 ist ein beispielhaftes Batterieaufladesystem 10 für ein Steckdosen-Elektrofahrzeug gezeigt, das verschiedene Bedingungen in dem System erfasst und die erfassten Bedingungen verwendet, um die Fahrzeugbatterie auf optimale Weise aufzuladen. Das Batterieaufladesystem 10 versucht, die Fahrzeugbatterie so schnell wie möglich aufzuladen, dies jedoch auf eine Weise durchzuführen, die eine Beschädigung der Komponenten des Aufladesystems vermeidet; derartige Komponenten können beispielsweise die Leistungskopplung umfassen, die ein Benutzer wählt, um das Fahrzeug mit einer externen Leistungsquelle zu verbinden. Obwohl die folgende Beschreibung im Kontext eines speziellen Batterieaufladesystems bereitgestellt wird, ist festzustellen, dass dieses System rein beispielhaft ist und dass auch andere Systeme verwendet werden können. Zum Beispiel können das nachstehend beschriebene Batterieaufladesystem und -verfahren mit einem beliebigen Elektrofahrzeugtyp verwendet werden, was ein Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeug (PHEV) oder ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) oder ein beliebiges anderes Fahrzeug umfasst, bei dem eine Fahrzeugbatterie mit einer externen Leistungsquelle aufgeladen wird. Gemäß dieser speziellen Ausführungsform umfasst das Batterieaufladesystem 10 eine externe Leistungsquelle 12, ein Batterieladegerät 14, eine Batterieeinheit 16, ein Batterieaufladesteuerungsmodul 18 und eine Benutzerschnittstelle 20. Alle diese Komponenten mit der Ausnahme der externen Leistungsquelle 12 können an dem Fahrzeug angeordnet und fest montiert sein.
Die externe Leistungsquelle 12 versorgt das Batterieaufladesystem 10 über eine Leistungskopplung 30 mit elektrischer Leistung und kann einer aus einer Anzahl verschiedener auf dem Gebiet bekannter Leistungsver sorgungstypen sein. Zum Beispiel kann die externe Leistungsquelle 12 eine Standard-AC-Leistungsanschlussdose sein, die Elektrizität mit 110 V oder 220 V bei 60 Hz bereitstellt, oder sie kann ein tragbarer Generator sein, etwa der Art, die mit Erdgas, Propan, Benzin, Diesel oder dergleichen läuft. Bei einer Ausführungsform ist die externe Leistungsquelle 12 eine erneuerbare Leistungsquelle, etwa ein Fernaufladestation, die mit Energie von Solarzellen, Windturbinen, hydroelektrischen Mitteln, Biomasse usw. betrieben wird. Die externe Leistungsquelle 12 kann mit einem Batterieladegerät 14 auf eine einer Vielzahl verschiedener Weisen verbunden sein, welche konduktive Verbindungen, induktive Verbindungen sowie andere in der Technik bekannte Verbindungen umfassen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Leistungskopplung 30 eine spezielle Fahrzeugleistungskopplung (wie etwa diejenigen, die in den Spezifikationen SAE J-1772 und J-1773 beschrieben sind), und umfasst ein erstes Ende zum Stecken in eine Standard-AC-Wandanschlussdose und ein zweites Ende zum Stecken in das Fahrzeug. Dies ermöglicht es einem Anwender, das Fahrzeug an eine übliche AC-Wandanschlussdose, wie sie etwa in den meisten Garagen anzutreffen sind, anzustecken und davon zu trennen. Fachleute werden feststellen, dass das System und das Verfahren, die hier beschrieben sind, nicht auf irgendeine spezielle externe Leistungsquelle beschränkt sind, da eine Anzahl verschiedener Leistungsquellenarten verwendet werden kann.
Das Batterieladegerät 14 ist sowohl mit der externen Leistungsquelle 12 als auch der Batterieeinheit 16 verbunden und verwendet die Leistung von der externen Leistungsquelle zum Aufladen der Batterieeinheit gemäß den Aufladesteuerungssignalen von dem Batterieaufladesteuerungsmodul 18. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist das Batterieladegerät 14 ein programmierbares Ladegerät, das in dem Fahrzeug montiert ist, und umfasst einen Transformator 32, einen Gleichrichter 34, ein Schaltnetzteil 36, ein Filternetzwerk 38, eine Kühlungseinheit 40, einen oder mehrere Sensoren 42, eine Steuerungseinheit 44 und beliebige weitere in der Technik bekannte geeignete Komponenten.
In Abhängigkeit von der speziellen Anordnung transformiert der Transformator 32 die Eingangsspannung von der externen Leistungsquelle 12 auf eine andere und in einigen Fällen programmierbare Ausgangsspannung hoch und/oder nieder. Der Gleichrichter 34 richtet das AC-Signal in ein DC-Signal um und umfasst eine Halbwellengleichrichtungsanordnung, eine Vollwellengleichrichtungsanordnung oder eine andere bekannte Art von Gleichrichtungsanordnung. Das Schaltnetzteil 36 nimmt das gleichgerichtete Signal auf und schaltet gemäß einer Ausführungsform einen Leistungstransistor oder einen anderen Schalter gemäß einem variablen Tastverhältnis, dessen Mittelwert der Sollausgangsspannung entspricht, schnell zwischen Sättigung (”ein”) und Absperren (”aus”) hin- und her. Auf diese Weise ist das Schaltnetzteil 36 in der Lage, die Menge an Strom und damit an Leistung zu steuern, die von dem Batterieladegerät 14 an die Batterieeinheit 16 geliefert wird. Das Filternetzwerk 38, das optional ist, kann eine beliebige Kombination elektrischer Komponenten umfassen, die zum Filtern, zum Verarbeiten oder zum Aufbereiten des Ausgangssignals verwendet werden können, bevor es an die Batterieeinheit 16 geliefert wird.
Die Kühlungseinheit 40, die auch eine optionale Komponente ist, kann eine beliebige Kombination von Ventilatoren, Wassermänteln, Kühlkörpern oder beliebigen anderen geeigneten Kühlungsmitteln verwenden, um die Temperatur des Batterieladegeräts 14 beim Aufladen zu verringern. Obwohl es hier nicht gezeigt ist, kann das Batterieladegerät 14 mehrere Leistungsausgänge aufweisen, die beispielsweise einen mit der Batterieeinheit 16 verbundenen Hochspannungsausgang (Verbindung 50) und einen (nicht gezeigten) Ausgang mit niedrigerer Spannung, der mit einer 12-Volt-Batterie verbunden ist, umfassen.
Die Batterieladegerätsensoren 42 können eine beliebige Kombination von Hardware- und/oder Softwarekomponenten umfassen, die zum Überwachen von Batterieladegerätbedingungen, etwa einer Ladegerättemperatur, einer Ladegeräteingangsspannung (typischerweise ein AC-Signal), einer Ladegerätausgangsspannung (typischerweise ein DC-Signal), einem Ladegerätstrom, usw., in der Lage sind. In Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform können diese Sensoren in das Batterieladegerät 14 eingebaut sein, sie können externe Sensoren sein, die außerhalb des Batterieladegeräts angeordnet sind, oder sie können in Übereinstimmung mit einer anderen bekannten Anordnung bereitgestellt sein. Der Ladegerättemperatursensor kann die Temperatur einer oder mehrerer Komponenten innerhalb des Batterieladegeräts 14 erfassen, welche die Temperatur der ineffizientesten Komponente umfasst; das heißt der Komponente des Batterieladegeräts, welche die meiste Wärme zeigt. Die Batterieladegerätsensoren 42 können mit der Steuerungseinheit 44 direkt gekoppelt sein oder sie können mit einer beliebigen Anzahl anderer Einrichtungen, Komponenten, Module usw. gekoppelt sein, welche einige umfassen, die außerhalb des Batterieladegeräts 14 angeordnet sind, wie etwa das Batterieaufladesteuerungsmodul 18.
Die Steuerungseinheit 44 kann eine beliebige Vielfalt von elektronischen Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (I/O-Einrichtungen) und anderen bekannten Komponenten umfassen und kann verschiedene Steuerungs- und/oder Kommunikationsfunktionen ausführen. Zum Beispiel kann die Steuerungseinheit 44 Sensorsignale von den verschiedenen Batterieladegerätsensoren 42 empfangen, die Sensorsignale in eine geeignete Sensorbotschaft packen und die Sensorbotschaft über eine Verbindung 52, etwa einen CAN-Bus, einen Systemmanagementbus (SMBus), eine proprietäre Kommunikationskopplung, oder ein beliebiges anderes Kommunikationsmittel, das Fachleuten bekannt ist, an das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 senden. Bei einer anderen Funktion kann die Steuerungseinheit 44 Aufladesteuerungssignale oder andere Anweisungen von dem Batterieaufladesteuerungsmodul 18 oder irgendeiner anderen Einrichtung empfangen, die Anweisungen interpretieren und die Anweisungen ausführen, indem sie Einrichtungen innerhalb des Batterieladegeräts 14 entsprechend steuert. Wenn das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 beispielsweise ein Aufladesteuerungssignal an das Batterieaufladegerät 14 sendet, dann kann die Steuerungseinheit 44 das Aufladesteuerungssignal verwenden, um das pulsbreitenmodulierte Tastverhältnis (PWM-Tastverhältnis) des Schaltnetzteils 36 zu manipulieren. Dies wiederum bewirkt, dass das Schaltnetzteil 36 die Strommenge und letztlich die Leistungsmenge verändert, die von dem Batterieladegerät 14 an die Batterieeinheit 16 geliefert wird. Dies sind selbstverständlich nur einige der möglichen Anordnungen und Funktionen der Steuerungseinheit 44, und andere sind sicherlich möglich.
Die Batterieeinheit 16 versorgt das Steckdosen-Elektrofahrzeug mit elektrischer Leistung und kann in Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform die primäre Leistungsquelle des Fahrzeugs sein oder sie kann in Verbindung mit einer weiteren Leistungsquelle zu Leistungsergänzungszwecken verwendet werden, um zwei Beispiele aufzuführen. Viele verschiedene Batterietypen und Anordnungen können verwendet werden, welche die beispielhafte umfassen, die hier schematisch gezeigt ist, welche einen Batteriestapel 60, einen oder mehrere Batteriesensoren 62 und eine Steuerungseinheit 64 umfasst. Der Batteriestapel 60 kann eine Sammlung identischer oder einzelner Batteriezellen umfassen, die in Reihe, parallel, oder mit einer Kombination von beiden verbunden sind, um eine Soll spannung, einen Sollstromwert, eine Sollkapazität, eine Sollleistungsdichte und/oder andere Leistungseigenschaften zu liefern. Allgemein ist es gewünscht, hohe Leistungs- und Energiedichten zu liefern, was zur Entwicklung und Verwendung vieler Batteriearten geführt hat, welche chemische, nicht chemische und andere umfassen. Einige Beispiele von chemischen Batterien, die verwendet werden können, umfassen Bleisäure, fortschrittliche Bleisäure (engl. advanced lead acid), Nickelmetallhydrid (NiMH), Nickelkadmium (NiCd), Lithiumionen, Zink-Brom, Lithiumpolymer, Natriumnickeichlor (NaNiCl), Zink-Sauerstoff, Vandium-Redox und andere. Andere chemische Batterietypen umfassen Aluminium-Sauerstoff, Eisen-Sauerstoff, Lithiumionensulfid, Nickeleisen, Nickelzink, Silberzink, Natriumschwefel, Zinkchlor, Zinkmangan und mehr. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Batterieeinheit 16 eine große Anzahl an Lithiumionenzellen, von denen jede zwischen 2 V–4 V zeigt, wenn sie aufgeladen ist, und die in einer seriellen und/oder parallelen Konfiguration mit ihren benachbarten Zellen verbunden ist. Fachleute werden feststellen, dass das System und das Verfahren, die hier beschrieben sind, nicht auf irgendeine spezielle Art von Batterie oder Batterieanordnung beschränkt sind, da eine Anzahl unterschiedlicher Batteriearten eingesetzt werden kann.
Die Batteriesensoren 62 können eine beliebige Kombination von Hardware- und/oder Softwarekomponenten umfassen, die zum Überwachen von Batteriebedingungen, wie etwa einer Batterietemperatur, einer Batteriespannung, einem Batteriestrom, einem Batterieladezustand (SOC), einem Batteriegesundheitszustand (SOH), usw. in der Lage sind. Diese Sensoren können in die Batterieeinheit 16 eingebaut sein (z. B. eine intelligente oder „smarte” Batterie), sie können externe Sensoren sein, die außerhalb der Batterieeinheit angeordnet sind, oder sie können in Übereinstimmung mit irgendeiner anderen bekannten Anordnung bereitgestellt sein. Die Batterietemperatursensoren können die Batterietemperatur auf der Grundlage von Zelle zu Zelle, als die mittlere oder gemeinsame Temperatur eines Zellenblocks oder einer Region der Batterieeinheit, als die mittlere oder gemeinsame Temperatur der gesamten Batterieeinheit oder in Übereinstimmung mit irgendeinem anderen Temperaturermittlungsverfahren, das in der Technik bekannt ist, überwachen und ermitteln. Das Messen der Batterietemperatur auf der Grundlage einzelner Zellen kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise die mittleren Zellen andere Temperaturen als die Rand- oder Grenzzellen des Batteriestapels 60 zeigen. Das gleiche Prinzip des Ermittelns der Batterietemperatur auf der Basis von Zelle zu Zelle, gemeinsam oder auf einer anderen Basis trifft auch für die Batteriespannung, den Batteriestrom, den Batterie-SOC, den Batterie-SOH usw. zu. Eine Ausgabe von den Batteriesensoren 62 kann an die Steuerungseinheit 64, das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 oder irgendeine andere geeignete Einrichtung geliefert werden.
Die Steuerungseinheit 64 kann eine beliebige Vielfalt von elektronischen Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (I/O-Einrichtungen) und anderen bekannten Komponenten umfassen und kann verschiedene Steuerungs- und/oder Kommunikationsfunktionen ausführen. Zum Beispiel kann die Steuerungseinheit 64 Sensorsignale von den verschiedenen Batteriesensoren 62 empfangen, die Sensorsignale in eine geeignete Sensorbotschaft packen und die Sensorbotschaft an das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 über eine Verbindung 54 senden, wie etwa einen CAN-Bus, einen Systemmanagementbus (SMBus), eine proprietäre Kommunikationskopplung oder ein beliebiges anderes Kommunikationsmittel, das Fachleuten bekannt ist. Es ist möglich, dass die Steuerungseinheit 64 Batteriesensorlesewerte sammelt und diese in einem lokalen Speicher speichert, sodass eine umfassende Sensorbotschaft zu einem späteren Zeitpunkt an das Batterieaufladege rätsteuerungsmodul 18 geliefert werden kann, oder die Sensorlesewerte können an das Modul 18 oder ein beliebiges anderes Ziel weitergeleitet werden, sobald sie bei der Steuerungseinheit 64 eintreffen, um einige Möglichkeiten aufzuführen. Bei einer anderen Funktion kann die Steuerungseinheit 64 sachdienliche Batterieeigenschaften und Hintergrundinformationen bezüglich der Zellenchemie der Batterie, der Zellenkapazität, oberer und unterer Batteriespannungsgrenzen, Batteriestromgrenzen, Batterietemperaturgrenzen, Temperaturprofile, einer Batterieimpedanz, der Anzahl oder des Verlaufs von Auflade/Entladeereignissen usw. speichern.
Das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 überwacht eine oder mehrere Bedingungen hinsichtlich der externen Leistungsversorgung 12, des Batterieladegeräts 14 und/oder der Batterieeinheit 16 und verwendet die erfassten Bedingungen, um den Aufladeprozess auf optimale Weise zu steuern. In Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform kann das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 ein alleinstehendes elektronisches Fahrzeugmodul sein, es kann in einem anderen elektronischen Fahrzeugmodul (wie etwa einem Antriebsstrangsteuerungsmodul) eingebaut oder umfasst sein, oder es kann Teil eines größeren Netzwerks oder Systems sein (etwa eines Batteriemanagementsystems (BMS), eines Fahrzeugenergiemanagementsystems, usw.), um ein paar Möglichkeiten zu erwähnen. Das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 kann auch Teil eines Systems, welches einen gewünschten Betriebsmodus (z. B. Beschleunigen, Bremsen, Leerlauf, Anhalten, usw.) ermittelt, sein oder damit interagieren, und kann elektrische Leistungsmanagementaktionen entsprechend implementieren. Das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 kann eine Anzahl von Funktionen ausführen, welche das Batterieaufladesystem 10 betreffen; diese können beispielsweise einen Zellenschutz, eine Aufladesteuerung, ein Anforde rungsmanagement, eine Ermittlung von SOC und SOH, einen Zellenausgleich, ein Protokollieren des Verlaufs, Kommunikationen usw. umfassen.
Das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 kann eine beliebige Vielzahl von elektronischen Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (I/O-Einrichtungen) und anderen bekannten Komponenten umfassen und kann vielfältige Steuerungs- und/oder Kommunikationsfunktionen ausführen. Das Batterieaufladesteuerungsmodul kann über ein geeignetes Fahrzeugkommunikationsnetzwerk mit anderen Fahrzeugeinrichtungen und Modulen elektronisch verbunden sein und kann mit diesen bei Bedarf interagieren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 eine elektronische Verarbeitungseinrichtung, die Anweisungen für Software, Firmware, Programme, Algorithmen, Skripten usw. ausführt, die in Speichereinrichtungen des Moduls 18 gespeichert sind und die Batterieaufladeprozesse und Verfahren, die hier beschrieben sind, lenken. Das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 kann zum Beispiel auch Nachschlagetabellen (z. B. Leistungsreaktionskurven, die ein Entlade/Aufladeverhalten einer Zelle als eine Funktion der Temperatur usw. darstellen), verschiedene Sensorlesewerte (z. B. Sensorlesewerte hinsichtlich von Batterieladegerätbedingungen, Batteriebedingungen usw.) und vorbestimmte Werte, die von einem oder mehreren Algorithmen verwendet werden (z. B. vorbestimmte Bedingungswerte, Bedingungskalibrierungswerte usw.), speichern oder mitführen. Dies sind selbstverständlich nur einige der möglichen Funktionen und Fähigkeiten des Batterieaufladesteuerungsmoduls 18, da auch andere Ausführungsformen verwendet werden können.
Die Benutzerschnittstelle 20 ist eine optionale Komponente, die gemäß der hier gezeigten Ausführungsform Batterieaufladeinformation an einen Benutzer übermittelt, Aufladebegrenzungen und benutzerspezifizierte Bedin gungen von einem Benutzer empfängt und eine beliebige andere Kommunikation zwischen dem Batterieaufladesystem 10 und einem Benutzer ermöglicht. Zum Beispiel kann die Benutzerschnittstelle 20 den aktuellen Ladestatus der Batterieeinheit 16 dem Fahrer in einer numerischen, graphischen oder einer anderen elektronischen Darstellungsart anzeigen. Bei einem anderen Beispiel ermöglicht die Benutzerschnittstelle 20 einem Benutzer auch, benutzerspezifizierte Bedingungskalibrierungswerte oder eine andere Eingabe in das Batterieaufladesystem 10 einzugeben. Zur Veranschaulichung kann der Benutzer dann, wenn er beabsichtigt, das Batterieaufladesystem 10 mit Elektrizität von einer speziellen AC-Wandanschlussdose zu versorgen, aber weiß, dass am gleichen Schaltkreis bereits eine Anzahl weiterer Lasten existiert, eine Stromgrenze eingeben – beispielsweise 10 Ampere. Dieser benutzerspezifizierte Parameter kann dann die AC-Stromentnahme aus der externen Leistungsquelle 12 auf nicht mehr als 10 Ampere begrenzen, selbst wenn optimale Aufladebedingungen etwas anderes zuließen. Bei einem weiteren Beispiel, bei dem das Batterieaufladesystem 10 von einer Fernaufladestation mit begrenzter Leistung mit Leistung versorgt werden soll – zum Beispiel einer sonnengetriebenen Fernaufladestation – kann der Benutzer beispielsweise eine Leistungsgrenze von 400 Watt eingeben. Benutzerdefinierte Grenzen für Strom, Spannung, Leistung oder einen beliebigen weiteren Aufladeparameter können über die Benutzerschnittstelle 20 eingegeben werden. Die Benutzerschnittstelle 20 kann Teil des Batterieaufladesteuerungsmoduls 18 sein oder es kann eine unabhängige Schnittstelle sein. In Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform kann die Benutzerschnittstelle 20 an dem Armaturenbrett montiert sein (z. B. mit einem Fahrerinformationscenter (DIC)) oder sonst wo, oder sie kann einfach eine elektronische Verbindung oder einen Anschluss zur Verbindung mit einem Laptop oder einer anderen Rechnereinrichtung umfassen. Auf diese Weise kann ein Benutzer benutzerspezifizierte Parameter und Aufladebefehle über eine drahtge bundene oder drahtlose Verbindung an das Batterieaufladesystem 10 liefern.
Während eines beispielhaften Aufladebetriebs liefert die externe Leistungsquelle 12 ein AC-Hochspannungssignal (z. B. 110 Volt, 220 Volt, usw.) an das Batterieladegerät 14. Der Gleichrichter 34, welcher einen Vollweggleichrichter oder eine Brücke umfassen kann, führt eine Gleichrichtung des AC-Hochspannungssignals in ein gleichgerichtetes Hochspannungssignal durch. Das gleichgerichtete Hochspannungssignal wird dann an den Transformator 32 geliefert, der die Eingangsspannung hochtransformiert, um ein konstantes DC-Hochspannungssignal zu liefern. Das DC-Hochspannungssignal wird gefiltert und über das Schaltnetzteil 36 mit der Batterieeinheit 16 verbunden, welches eine Pulsbreitenmodulation (PWM) oder eine beliebige andere Technik verwenden kann, um die Leistung zu variieren, die an die Batterieeinheit geliefert wird. Beispielsweise wird angenommen, dass eine AC-Eingabe mit 110 Volt gleichgerichtet wird und auf eine relativ konstante Ausgabe von 500 Volt DC hochtransformiert wird. Das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 kann die von dem Battereladegerät 14 an die Batterieeinheit 16 gelieferte Ausgangsleistung steuern, indem es ein Aufladesteuerungssignal bereitstellt, um die Strommenge zu manipulieren, die bei dieser erhöhten und konstanten Spannung geliefert wird. Eine Art zum Manipulieren oder Steuern des Stroms besteht darin, das Tastverhältnis eines PWM-Signals zu verstellen, das an das Schaltnetzteil 36 gesandt wird, obwohl gewiss auch andere Techniken verwendet werden können. Es ist festzustellen, dass das Batterieaufladesystem 10 nicht auf das vorstehende Beispiel begrenzt ist, bei dem die Spannung relativ konstant gehalten wird und der Strom eingestellt wird; es ist auch möglich, die Spannung oder irgendeinen anderen Aspekt der Ausgangsleistung, die von dem Batterieladegerät 14 bereitgestellt wird, zu steuern.
In 2 ist ein beispielhaftes Verfahren 100 zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs, wie etwa eines PHEV, gezeigt, wobei das Verfahren verschiedene Lesewerte, Bedingungen, Informationen, Vergleiche, Berechnungen usw. zum Aufladen des Fahrzeugs in optimaler Weise verwenden kann. Ein optimaler Aufladeprozess, der ein Aufladen der Batterieeinheit 16 in der kürzestmöglichen Zeit umfassen kann, kann durch externe Bedingungen (z. B. der von der externen Leistungsquelle 12 verfügbaren Leistung) oder interne Bedingungen (z. B. den Leistungserzeugungsfähigkeiten des Batterieladegeräts 14, den Leistungsaufnahmekapazitäten der Batterieeinheit 16 usw.) beeinflusst werden. Folglich kann das beispielhafte Verfahren 100 diese und andere Faktoren in der Art eines Regelkreises überwachen, um die Batterieeinheit 16 schnell aufzuladen, ein Beschädigen von Teilen des Batterieaufladesystems 10 zu vermeiden und ein Überlasten des Schaltkreises zu vermeiden, mit dem die externe Leistungsquelle 12 verbunden ist. Wenn sich Bedingungen mit Bezug auf die externe Leistungsquelle, das Batterieladegerät und/oder die Batterieeinheit verändern, kann sich daher auch das Aufladesteuerungssignal verändern, welches periodisch gemäß einer oder mehrerer Regelkreistechniken nachgestellt wird, um das Steckdosen-Elektrofahrzeug optimal aufzuladen. ”Periodisch” erfordert nicht unbedingt, dass das Aufladesteuerungssignal in Übereinstimmung mit einem speziellen Zeitintervall modifiziert werden muss, sondern umfasst stattdessen das weite Konzept einer kontinuierlichen Überwachung und Durchführung von Änderungen an dem Aufladesteuerungssignal in Ansprechen auf erfasste Bedingungen.
Mit Schritt 102 beginnend, erfasst das Verfahren eine oder mehrere Bedingungen mit Bezug auf die externe Leistungsquelle 12, das Batterieladegerät 14, die Batterieeinheit 16 und/oder beliebige andere externe oder interne Bedingungen, welche den Aufladeprozess betreffen. Bei einer bei spielhaften Ausführungsform erfassen Batterieladegerätsensoren 42 die Ladegerättemperatur, die Ladegeräteingangsspannung, die Ladegerätausgangsspannung und/oder den Ladegerätstrom; und Batterieeinheitssensoren 62 erfassen die Batterietemperatur, die Batteriespannung, den Batteriestrom, den Batterie-SOC und/oder den Batterie-SOH. Selbstverständlich können auch andere Kombinationen von Sensorlesewerten und Bedingungen gesammelt werden. Jeder Sensorlesewert kann einen einzelnen abgetasteten Lesewert, eine Anzahl von Lesewerten, die über die Zeit gemittelt oder gefiltert sind, oder Lesewerte darstellen, die in Übereinstimmung mit irgendeiner anderen Signalverarbeitungs- oder Filtertechnik, die in der Technik bekannt ist, verarbeitet sind. Sobald die Sensorlesewerte beschafft sind, können sie an das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 zur weiteren Verarbeitung geliefert werden. Es ist möglich, dass diese Sensorlesewerte an das Batterieaufladesteuerungsmodul 18 in Ansprechen auf eine Anfrage oder Anforderung von dem Modul geliefert werden, oder sie können beispielsweise auf einer periodischen Basis ohne Anforderung geliefert werden. Es ist festzustellen, dass einige der Batterieladegerätbedingungen tatsächlich einige Aspekte der externen Leistungsquelle 12 betreffen können, obwohl sie von den Batterieladegerätsensoren 42 erfasst und bereitgestellt werden. Zum Beispiel ist die Ladegeräteingangsspannung nicht nur für die Spannung repräsentativ, die am Eingang des Ladegeräts wahrgenommen wird, sondern auch für die unbelastete Spannung an der externen Leistungsquelle 12, und der Ladegeräteingangsstrom ist sowohl für den Strom repräsentativ, der in das Batterieladegerät 14 eintritt, als auch für den Leitungsstrom, der von der externen Leistungsquelle geliefert wird.
Als Nächstes vergleicht oder bewertet das Verfahren jede der erfassten Bedingungen mit einem speziellen vorbestimmten Grenzwert und verwendet die Ausgabe dieses Vergleichs, um ein entsprechendes Aufladesteue rungssignal zu erzeugen, das diese spezielle Beschränkung darstellt. Die verschiedenen Aufladesteuerungssignale werden zusammen bewertet und die restriktivste Beschränkung wird verwendet, um das tatsächliche Aufladesteuerungssignal zu erzeugen, das von dem Aufladesteuerungsmodul 18 an das Batterieladegerät 14 gesandt wird und den Aufladeprozess steuert. Auf diese Weise kann das Batterieladegerät 14 dazu gebracht werden, die Batterieeinheit 16 zu schnell oder aggressiv wie möglich aufzuladen, ist aber dennoch durch die restriktivste der verschiedenen Aufladebedingungen begrenzt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform steuert jedes der Aufladesteuerungssignale, die in Schritten 110–180 erzeugt werden, die Strommenge, die von dem Batterieladegerät 14 an die Batterieeinheit 16 geliefert wird, sodass Schritt 200 einen Vergleich von „Äpfeln mit Äpfeln” durchführen kann und das restriktivste wählen kann (z. B. dasjenige mit dem niedrigsten Tastverhältnis). Somit ist das bei Schritt 200 gewählte Aufladesteuerungssignal allgemein repräsentativ für die restriktivste der verschiedenen Bedingungen und Beschränkungen, die bewertet wurden. Die Schritte 110–180 können gleichzeitig, sequentiell oder gemäß einer beliebigen anderen geeigneten Überwachungsanordnung ausgeführt werden, da das vorliegende Verfahren nicht auf die hier beschriebene beispielhafte Sequenz beschränkt ist.
Schritt 110 bewertet eine Differenzspannungsbeschränkung und erzeugt ein entsprechendes erstes Aufladesteuerungssignal. Die Differenzspannung in dem Batterieaufladesystem 10 stellt allgemein die Spannungsdifferenz der externen Leistungsquelle 12 zwischen einem unbelasteten Zustand (d. h. wenn wenig oder kein Strom von dem System 10 entnommen wird) und einem belasteten Zustand dar. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform misst der Schritt 110 die Ladegeräteingangsspannung, wenn kein Strom durch die Leistungskopplung 30 fließt (die unbelastete Spannung) und er misst die Ladegeräteingangsspannung, wenn ein Strom dort hindurch fließt (die belastete Spannung), wobei zu diesem Zeitpunkt sowohl die Ladegerätseingangsspannung als auch der Ladegerätseingangsstrom gemessen werden. Fachleute werden feststellen, dass die unbelastete Ladegerätseingangsspannung und die Spannung der externen Leistungsquelle allgemein gleich sind, da in der Leistungskopplung 30 keine Leistungsverluste vorhanden sind. Die Differenzspannung kann dann als die Differenz zwischen den Lesewerten der unbelasteten und der belasteten Spannung berechnet werden. Sobald die Differenzspannung ermittelt ist, kann Schritt 110 diese Beschränkung mit Proportional-Integral-Derivativ-Techniken (PID-Techniken) oder anderen Regelkreistechniken verwenden, um ein erstes Aufladesteuerungssignal zu ermitteln. Ein derartiger Prozess wird in dem folgenden Beispiel veranschaulicht, jedoch können andere Nicht-PID-Techniken ebenfalls verwendet werden.
Es wird angenommen, dass Schritt 110 eine Differenzspannung von 2,5 Volt berechnet und eine vorbestimmte Differenzspannung oder ein vorbestimmter Einstellpunkt von bis zu 4,0 Volt von dem System zugelassen wird (diese vorbestimmte Grenze kann beispielsweise im Speicher des Batterieaufladesteuerungsmoduls 18 gespeichert sein). Die 2,5 Volt sind eine berechnete Schätzung, da ein gewisser Teil der gemessenen Differenzspannung von anderen Faktoren als dem Batterieaufladesystem 10 verursacht sein kann, wie etwa anderen Einrichtungen, die Strom aus der Schaltung entnehmen, wenn die unbelastete Spannung ermittelt wird, usw. Es wird ein Fehler ermittelt, indem die berechnete Differenzspannung von dem Einstellpunkt subtrahiert wird; in diesem Fall: 4,0 V – 2,5 V = 1,5 V. Der Fehler von 1,5 V wird dann mit einem Differenzspannungskalibrierungswert oder einer Verstärkung multipliziert, um ein Produkt zu erhalten, das verwendet werden kann, um das erste Aufladesteuerungssignal zu erzeugen, das die Beschränkungen bei der Differenzspannung darstellt. Fachleute werden eine Anzahl unterschiedlicher Weisen und Techniken kennen, die mit den vorstehenden Schritten verwendet werden können, welche die folgenden umfassen: ein Verwenden absoluter Einstellpunkte (z. B. 4,0 Volt); ein Verwenden prozentualer Einstellpunkte (z. B. einen Spannungsabfall von 10%); ein Verwenden benutzerspezifizierter Einstellpunkte, die modifiziert werden können; ein Verwenden empirisch getesteter Verstärkungen, die vorhersagbare Auswirkungen auf die Bedingung haben, die gerade bewertet wird (z. B. wird erwartet, dass für jedes Ampere an zusätzlichem Batterieladegerätstrom die Differenzspannung um 0,5 Volt zunimmt); ein Verwenden von Verstärkungen, die aus optimalen Aufladekurven oder anderen Funktionen abgeleitet sind, im Gegensatz zu einem einzigen Verstärkungswert (z. B. eine Verstärkung, die in Übereinstimmung mit einer komplexen Beziehung ermittelt wird, welche die Differenzspannung mit dem Batterieladegerätausgangsstrom in Beziehung setzt); ein Verwenden von Verstärkungen, die aus einer endlichen Anzahl von Zustanden gewählt sind (wenn zum Beispiel die Differenzspannung kleiner als ein gewisser Betrag ist, dann fordert das Aufladesteuerungssignal einen ersten Betrag an Batterieladegerätstrom an, und wenn die Differenzspannung größer als ein gewisser Betrag ist, dann fordert das Aufladesteuerungssignal einen zweiten Betrag an Batterieladegerätstrom an); und ein Zulassen negativer Fehlerwerte, um Augenblicke des Überschwingens zu behandeln (z. B. wenn die erfasste Differenzspannung 4,5 Volt beträgt, erzeugt dies einen Fehlerwert von 4,0 V – 4,5 V = –0,5 V), um ein paar Beispiele aufzuzählen. Sobald bei Schritt 110 das erste Aufladesteuerungssignal ermittelt ist, wird es an eine Zustandsmaschine, ein neuronales Netzwerk oder irgendeine andere logische Verarbeitungseinheit zur nachfolgenden Verarbeitung bei Schritt 200 geliefert, wie noch erläutert wird.
Es ist festzustellen, dass das Regelkreissystem, das vorstehend beschrieben ist, nur eine mögliche Technik und ein mögliches Verfahren ist, die bzw. das verwendet werden kann, um eine Differenzspannungsbeschränkung zu bewerten und ein entsprechendes erstes Aufladesteuerungssignal zu erzeugen, da auch andere Ausführungsformen verwendet werden können, die sowohl geschlossene Regelkreise als auch offene Regelkreise verwenden. Da ähnliche Prozesse und Techniken auch verwendet werden können, um die vielfältigen Beschränkungen in den Schritten 120–180 zu bewerten, wurden doppelte Erörterungen von Regelkreisprozessen für jede dieser Beschränkungen weggelassen. Es ist festzustellen, dass die vorstehende Erörterung eines Regelkreises ebenfalls auf einen oder mehrere der folgenden Schritte zutreffen kann.
Schritt 120 bewertet eine Stromentnahmebeschränkung und erzeugt ein entsprechendes zweites Aufladesteuerungssignal. Die Stromentnahmebeschränkung betrifft den maximalen Strombetrag, den das Batterieaufladesystem 10 aus der externen Leistungsquelle entnehmen darf, und sie kann eine vorbestimmte Grenze sein oder benutzerspezifiziert sein. Es gibt eine Anzahl von Gründen, warum das Verfahren 100 die Stromentnahme durch das Batterieaufladesystem 10 überwachen und begrenzen will, und einer davon ist das Vermeiden des Auslösens eines Überlastschalters der externen Leistungsquelle 12. Es wird das Beispiel betrachtet, bei dem eine maximale Stromentnahmegrenze von 15 Ampere (Einstellpunkt) zulässig ist und der Batterieladegeräteingangsstrom bei 10 Ampere gemessen wird. Gemäß einer Ausführungsform berechnet der Schritt 120 einen Fehler von 5 Ampere, multipliziert den Fehler von 5 Ampere mit einem Kalibrierungs- oder Verstärkungswert und verwendet das Produkt, um ein zweites Aufladesteuerungssignal abzuleiten. Je größer der Fehler bei der Stromentnahme ist (d. h. je weiter die tatsächliche Stromentnahme von ihrer Obergrenze entfernt ist), desto aggressiver kann das zweite Aufladesteuerungs signal versuchen, die Ausgangsleistung des Batterieladegeräts 14 zu erhöhen.
Schritt 130 bewertet eine Leistungsverlustbeschränkung und erzeugt ein entsprechendes drittes Aufladesteuerungssignal. Die Leistungsverlustbeschränkung betrifft den maximalen Leistungsverlustbetrag, der bei der Leistungskopplung 30 zulässig ist. Diese Bewertung kann in Fällen nützlich sein, bei denen eine Leistungsanschlussdose verrostet ist, sich eine Leistungskopplung verschlechtert hat, oder in Fällen, bei denen ein Benutzer eine nicht geeignete elektrische Verbindung wählt, wie zum Beispiel ein Verlängerungskabel mit dünnem Draht. Allgemein kann der Leistungsverlust in der Leistungskopplung 30 geschätzt werden, indem die Differenzspannung mit dem Batterieladegeräteingangsstrom multipliziert wird. Es wird das vorstehende Beispiel betrachtet, bei dem die Differenzspannung 2,5 Volt beträgt, der Batterieladegeräteingangsstrom oder Leitungsstrom 10 Ampere beträgt und der maximal zulässige Leistungsverlustbetrag oder Einstellpunkt 40 Watt beträgt. Der berechnete Leistungsverlust beträgt 25 Watt, jedoch kann es sein, dass nicht die gesamte Differenzspannung und damit der gesamte Leistungsverlust auf Verluste in der Leistungskopplung 30 zurückzuführen ist, wie vorstehend erläutert ist. Zur konservativen Schätzung des Leistungsverlusts in der Leistungskopplung 30 kann Schritt 130 annehmen, dass der gesamte berechnete Leistungsverlust von Verlusten in der Leistungskopplung herrührt. Der berechnete Leistungsverlust von 25 Watt kann von dem Einstellpunkt von 40 Watt subtrahiert werden, um einen Fehlerwert von 15 Watt zu erhalten, welcher wiederum mit einem Verstärkungsfaktor multipliziert werden kann, um das dritte Aufladesteuerungssignal zu erzeugen. Sobald das dritte Aufladesteuerungssignal ermittelt ist, kann es an Schritt 200 geliefert werden, wie vorstehend erwähnt ist.
Schritt 140 bewertet eine Leistungsentnahmebeschränkung und erzeugt ein entsprechendes viertes Aufladesteuerungssignal. Die Leistungsentnahmebeschränkung betrifft den maximalen Leistungsbetrag, der aus der externen Leistungsquelle 12 entnommen werden darf, und kann als die nicht belastete Ladegeräteingangsspannung multipliziert mit dem Ladegeräteingangsstrom berechnet werden. Wie bei der Stromentnahmegrenze kann die Leistungsentnahmegrenze oder der Leistungsentnahmeeinstellpunkt von einem Benutzer über die Benutzerschnittstelle 20 angegeben und verändert werden. Es wird das Beispiel betrachtet, bei dem eine Leistungsentnahme von 1100 Watt gemessen wird (110 Volt·10 Ampere), eine maximale Standardleistungsentnahme von 1650 Watt zulässig ist, und der Benutzer eine benutzerspezifizierte Maximalleistungsentnahmegrenze von 1500 Watt bereitstellt. Gemäß einer Ausführungsform wählt Schritt 140 zuerst die restriktivere der zwei Maximalleistungsentnahmegrenzen – in diesem Fall die vom Benutzer angegebenen 1500 Watt –, vergleicht den gemessenen Betrag von 1100 Watt mit der 1500 Watt-Grenze, um einen Fehler von 400 Watt zu erhalten, und multipliziert den Fehler mit einer Kalibrierung oder einem Verstärkungswert, um das vierte Aufladesteuerungssignal abzuleiten oder anderweitig zu ermitteln.
Schritt 150 bewertet eine Minimalspannungsbeschränkung und erzeugt ein entsprechendes fünftes Aufladesteuerungssignal. Es ist möglich, dass die externe Leistungsquelle 12 Spannungsschwankungen erfährt, welche sogenannte Spannungsabfallsituationen umfassen, bei denen die Versorgungsspannung unter ein gewöhnliches und normales Niveau abfällt. Es wird das Beispiel betrachtet, bei dem ein unbelastetes Spannungsniveau von 110 Volt erfasst wird und ein minimales Spannungsniveau von 106 Volt als Standardeinstellpunkt gespeichert ist. Der berechnete Fehler beträgt 4 Volt und kann mit einem Kalibrierungs- oder Verstärkungswert multipliziert werden, um das fünfte Aufladesteuerungssignal zu ermitteln.
Wenn sich die unbelastete Spannung dem minimalen Spannungsniveau von 106 Volt nähert, dann kann das fünfte Aufladesteuerungssignal modifiziert werden, um weniger Ausgangsleistung von dem Batterieladegerät 14 anzufordern. Wenn die unbelastete Spannung tatsächlich unter das Minimalspannungsniveau von 106 Volt abfällt, dann kann das fünfte Aufladesteuerungssignal anfordern, dass das Batterieladegerät 14 die Batterieeinheit 16 nicht mit Leistung versorgt, bis diese Niederspannungs- oder Spannungsabfallbedingung abklingt.
Schritt 160 bewertet eine Batterieladegerättemperaturbeschränkung und erzeugt ein entsprechendes sechstes Aufladesteuerungssignal. Der Leistungsbetrag, den das Batterieladegerät 14 an die Batterieeinheit 16 liefern kann, kann durch die Temperatur des Ladegeräts beeinflusst oder begrenzt werden. Wenn beispielsweise die Innentemperatur des Batterieladegeräts 14 einen oberen Schwellenwert überschreitet, können verschiedene Komponenten des Batterieladegeräts beschädigt oder zerstört werden (daher die Verwendung der Kühlungseinheit 40). Darüber hinaus können der tatsächliche Aufladewirkungsgrad oder die Fähigkeit des Batterieladegeräts zum Erzeugen eines konstanten Hochspannungssignals und zum Steuern des Ausgangsleistungsbetrags, der an die Batterieeinheit gesandt wird, zu einem gewissen Grad temperaturabhängig sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform vergleicht Schritt 160 die Ladegerättemperaturlesewerte von den Sensoren 42 mit einer vorbestimmten Grenze oder einem Einstellpunkt, um einen Fehlerwert zu erhalten, und multipliziert den Fehlerwert mit einem Kalibrierungs- oder Verstärkungswert, um das sechste Aufladesteuerungssignal zu ermitteln. Bei Schritt 160 oder einem beliebigen der anderen Schritte für diesen Gegenstand ist es möglich, eine Kalibrierungs- oder Verstärkungsfunktion zu verwenden (im Gegensatz zu einem einzigen Verstärkungswert), die den Batterieladegerätwirkungsgrad in Beziehung zu der Batterieladegerättemperatur setzt.
Schritt 170 bewertet eine Batterietemperaturbeschränkung und erzeugt ein entsprechendes siebtes Aufladesteuerungssignal. Die Temperatur der Batterieeinheit 16 kann unabhängig davon, ob sie die Temperatur des gesamten Batteriestapels 60, einer Region oder eines Abschnitts des Batteriestapels, die Temperatur einer einzelnen Zelle, usw. ist, die Fähigkeit oder die Effizienz der Batterieeinheit zum Aufnehmen einer Ladung beeinflussen. Bei einer Ausführungsform vergleicht Schritt 170 eine erfasste Batterietemperatur mit einem oder mehreren vorbestimmten Batterietemperaturgrenzwerten oder Einstellpunkten (es kann untere und/oder obere Temperaturgrenzwerte geben). Ein Fehlerwert wird erhalten und mit einem Kompensations- oder Verstärkungswert multipliziert, wie vorstehend erläutert ist. Das Produkt dieser Berechnung kann verwendet werden, um das siebte Aufladesteuerungssignal zu erzeugen. Im Fall, dass sowohl untere als auch obere Temperaturbeschränkungen in Betracht gezogen werden, kann Schritt 170 zwei separate Aufladesteuerungssignale erzeugen; eines für den oberen Grenzwert und eines für den unteren Grenzwert. In Abhängigkeit von der speziellen Anwendung kann jedes dieser Aufladesteuerungssignale eine Verringerung bei der Batterieladegerätausgangsleistung anfordern, wenn sich die Temperatur der Batterie entweder dem oberen oder dem unteren Grenzwert nähert.
Schritt 180 bewertet Batterieladungsbeschränkungen und erzeugt ein entsprechendes achtes Aufladesteuerungssignal. Die Batterieladebeschränkungen, die bei diesem Schritt betrachtet und bewertet werden, können beliebige Bedingungen umfassen, welche die Ladung oder den Aufladestatus der Batterie betreffen. Zum Beispiel kann Schritt 180 einen Batteriespannungslesewert, einen Batteriestromlesewert, einen Batterie-SOC-Lesewert, einen Batterie-SOH-Lesewert oder irgendeinen anderen Batterieleistungslesewert mit einem vorbestimmten Grenzwert oder Ein stellpunkt vergleichen, um einen Fehlerwert zu erhalten. Der Fehlerwert kann dann mit einem Kompensations- oder Verstärkungswert wie vorstehend erläutert multipliziert werden, um das achte Aufladesteuerungssignal abzuleiten. Es ist festzustellen, dass dieser Schritt nicht auf das Erzeugen eines einzigen Aufladesteuerungssignals begrenzt ist, da separate Signale für jede der vorstehend aufgezählten Beschränkungen erzeugt werden können. Zum Beispiel kann ein Aufladesteuerungssignal für eine Batteriespannungsbeschränkung erzeugt werden, ein separates Aufladesteuerungssignal kann für eine Batteriestrombeschränkung erzeugt werden und ein weiteres Aufladesteuerungssignal kann für eine SOC-Beschränkung erzeugt werden. Eines oder mehrere dieser Aufladesteuerungssignale, etwa diejenigen, welche die SOC- und SOH-Beschränkungen betreffen, können Abschaltungen enthalten, wenn die SOC- oder eine andere Bedingung einen gewissen Betrag überschreitet.
Es ist festzustellen, dass eine beliebige Kombination von Beschränkungen und Aufladesteuerungssignalen bewertet und erzeugt werden kann und dass das vorliegende Verfahren nicht auf die vorstehend bereitgestellte beispielhafte Kombination beschränkt ist. Darüber hinaus kann jede der Beschränkungen und jedes der Aufladesteuerungssignale, die vorstehend erörtert sind, benutzerspezifizierte Begrenzungen oder Einstellpunkte verwenden. Zum Beispiel kann ein Benutzer bei Schritt 120 die maximal zulässige Stromentnahme oder bei Schritt 140 die maximale zulässige Leistungsentnahme festlegen oder einstellen. Wenn ein Benutzer weiß, dass eine spezielle AC-Anschlussdose in der Garage Teil eines weit genutzten Schaltkreises ist, dann kann er ein Absenken der Stromentnahmegrenze von 15 Ampere auf 10 Ampere wünschen, um ein Auslösen des entsprechenden Schutzschalters zu vermeiden. Der Benutzer kann diese Information über die Benutzerschnittstelle 20 bereitstellen. Wenn umgekehrt eine AC-Anschlussdose in der Garage speziell mit ihrem eigenen dezidierten 20 Ampere Schaltkreis verdrahtet wurde, dann kann der Benutzer die maximal zulässige Leistungsentnahme beispielsweise auf 2200 Watt erhöhen. Eine derartige Erhöhung kann zu einer schnelleren Aufladung führen, sofern sie nicht in Kollision mit irgendeiner anderen der hier erörterten Beschränkungen gerät.
Sobald die verschiedenen Beschränkungen bewertet wurden und entsprechende Aufladesteuerungssignale erzeugt wurden, untersucht Schritt 200 die Signale und erzeugt ein Gesamtaufladesteuerungssignal, um es an das Batterieladegerät 14 zum Steuern des Aufladeprozesses zu senden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform untersucht Schritt 200 die verschiedenen in Schritt 110–180 gesandten Signale, wählt das Aufladesteuerungssignal, das die restriktivste Beschränkung darstellt (z. B. das Signal mit dem kleinsten Tastverhältnis oder das Signal, das auf andere Weise den geringsten Ausgangsleistungsbetrag von dem Batterieladegerät anfordert) und sendet das Gesamt- oder gewählte Aufladesteuerungssignal von dem Batterieaufladesteuerungsmodul 18 an das Batterieladegerät 14. Fachleute kennen eine Vielfalt von Werkzeugen und Techniken, die zur Ausführung von Schritt 200 verwendet werden können, welche die Verwendung einer Zustandsmaschine, eines neuronalen Netzwerks oder einer beliebigen weiteren logischen Verarbeitungseinheit oder eines Netzwerks umfassen. Es ist nicht notwendig, dass alle Aufladesteuerungssignale von Schritt 110–180, welche tatsächlich Aufladeanforderungssignale sind, in der Form eines PWM-Stromsteuerungssignals gesandt werden. Stattdessen können sie in vielfältigen Formen vorliegen und können bei Schritt 200 umgesetzt oder interpretiert werden, sie können Nicht-PWM-Stromsteuerungssignale sein oder sie können andere Aspekte als den Strom des Batterieladegerätleistungsausgangs steuern, um ein paar Möglichkeiten bereitzustellen.
Bei Schritt 202 wird das Batterieladegerät 14 gemäß dem Gesamtaufladesteuerungssignal, das zuvor gesandt wurde, betrieben. Wie bereits erwähnt kann das Gesamtbatterieaufladesteuerungssignal verwendet werden, um den Strombetrag, der von dem Batterieladegerät 14 an die Batterieeinheit 16 bereitgestellt wird, mit Hilfe von PWM oder irgendeiner weiteren Steuerungstechnik zu manipulieren. Auf diese Weise kann das Verfahren 100 das Steckdosenfahrzeug auf aggressive Weise aufladen, die darauf abzielt, die Aufladezeit zu verringern, dies jedoch auf eine Weise durchführen, die eine Anzahl paralleler Beschränkungen ins Gleichgewicht bringt, die von einer oder mehreren internen und/oder externen Bedingungen getrieben sind. Das Verfahren 100 kann dann wiederholt werden, bis Schritt 180 ein Ladezustands-Steuerungssignal (SOC-Steuerungssignal) sendet, das anzeigt, dass die Batterieeinheit 16 einen Aufladegrenzwert oder einen anderen Grenzwert erreicht hat.
Das hier beschriebene Aufladeverfahren kann bei Aufladebedingungen besonders nützlich sein, die nicht ideal sind; das heißt, wenn die von der externen Leistungsquelle 12 bereitgestellte Leistung instabil oder inkonsistent ist, wenn die Leistungskopplung 30 irgendeine Art von Betriebsproblemen erfährt oder wenn irgendeine andere Bedingung – entweder intern oder extern für das System – Herausforderungen für den Aufladeprozess darstellt. Darüber hinaus kann das Batterieaufladesystem 10 mit einer Vielzahl verschiedener Fahrzeuge verwendet werden und ist nicht auf irgendeine Fahrzeugmarke oder ein Modell begrenzt. Eine derartige Flexibilität kann die Kosten des Systems verringern, da kein neues Batterieladegerät für jedes Fahrzeug einzeln entwickelt werden muss; stattdessen können Ingenieure einfach die vielfältigen Einstellpunktwerte, Kalibrierungs- oder Verstärkungswerte, andere Softwareeinstellungen usw. verändern.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen verschiedenen Schritten und Techniken können auch eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale von dem beispielhaften Verfahren 100 eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Beschränkungen von Schritt 110–180 kann das Verfahren 100 eine Vielfalt verschiedener Störungsbedingungen beobachten, wobei das Verfahren, wenn irgendeine dieser Störungsbedingungen oder ”harten Grenzen” detektiert wird, den Aufladeprozess stoppt und den Benutzer, das Fahrzeug usw. über die Situation benachrichtigt. Ein Weg zur Durchführung einer derartigen Benachrichtigung besteht in der Verwendung eines Diagnosestörungscodes (DTC), der mit einer Störungsbedingung oder während des normalen Aufladeprozesses verwendet werden kann. Wenn zum Beispiel Schritt 130 einen hohen Leistungsverlust detektiert, der wahrscheinlich auf eine schlechte Leistungskopplung zurückzuführen ist, dann kann ein entsprechender DTC erzeugt werden, der Information über das Problem bereitstellt. Es ist auch möglich, dass das Verfahren 100 die unbelastete Spannung der externen Leistungsquelle 12 periodisch abtastet und irgendwelche Berechnungen, etwa die Differenzspannung, mit den neuen Lesewerten aktualisiert. Zum Beispiel kann das Verfahren 100 den Aufladeprozess sagen wir alle 10 Minuten anhalten und in etwa 100 ms warten, um einen neuen Lesewert der unbelasteten Spannung aufzunehmen. Es ist auch möglich, dass ein oder mehrere Schritte in dem Verfahren 100 einen Hysteresefaktor einsetzen, wenn sie ihre angeforderten Aufladesteuerungssignale ermitteln. Wenn das Batterieladegerät 14 auch verwendet wird, um andere Leistungsquellen zu versorgen, etwa Niederspannungsbatterien usw., dann kann das Verfahren 100 diese zusätzliche Leistungsentnahme berücksichtigen, wenn es die optimale Leistungsausgabe des Batterieladegeräts 14 ermittelt.
Es ist festzustellen, dass eine Vielfalt unterschiedlicher Batterieladegerättypen, Schemata und Aufladetechniken mit dem Verfahren 100 und/oder dem System 10 verwendet werden können, die umfassen: ein Aufladen mit konstanter Spannung, ein Aufladen mit semi-konstanter Spannung, ein Aufladen mit konstantem Strom, ein Aufladen mit semi-konstantem Strom, ein Aufladen mit konstantem Strom/konstanter Spannung, ein Aufladen mit abnehmendem Strom, ein gepulstes Aufladen, ein Stoßaufladen (d. h. ein Reflex- oder Negativimpulsaufladen), ein IUI-Aufladen, ein Erhaltungs- oder Pufferaufladen, ein Erhaltungsladen, ein zufälliges Aufladen, ein langsames Aufladen (z. B. 14–16 Stunden), ein Kurzaufladen (3–6 Stunden), ein Schnellladen (1 Stunde oder weniger), ein timergesteuertes Aufladen, ein intelligentes Aufladen, Schalterladegerättypen (z. B. Schaltregler), lineare Ladegerättypen (z. B. ein serieller Regler), Shunt-, Abwärts- und Induktivladegerättypen, usw. Zudem kann das Batterieladegerät 14 für spezielle Zellenchemien oder für eine universelle Anwendbarkeit auf Zellen entworfen sein und kann selbstprogrammierbar oder benutzerprogrammierbar sein, um ein paar Möglichkeiten zu erwähnen.
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die spezielle(n) Ausführungsformen) begrenzt, die hier offenbart ist bzw. sind, sondern ist stattdessen nur durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus betreffen die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen spezielle Ausführungsformen und dürfen nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition von Ausdrücken aufgefasst werden, die in den Ansprüchen verwendet werden, außer wenn ein Ausdruck oder ein Begriff explizit vorstehend definiert wurde. Fachleuten werden sich verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der oder den offenbarten Ausführungsform(en) offenbaren. Alle derartigen an deren Ausführungsformen, Veränderungen und Modifikationen sollen im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sein.
Die Ausdrücke ”zum Beispiel”, ”z. B.”, ”wie etwa” und ”wie” und die Verben ”umfassend”, ”aufweisend”, ”enthaltend” und ihre anderen Verbformen sollen, so wie sie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung einer oder mehrerer Komponenten oder anderer Gegenstände verwendet werden, jeweils als offen aufgefasst werden, was bedeutet, dass die Aufzählung nicht so aufgefasst werden soll, dass sie weitere, zusätzliche Komponenten oder Gegenstände ausschließt. Andere Ausdrücke sollen unter Verwendung ihrer breitesten vernünftigen Bedeutung aufgefasst werden, sofern sie nicht in einem Kontext verwendet werden, der eine andere Interpretation erfordert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- SAE J-1772 [0010]
- J-1773 [0010]

Claims

Verfahren zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs, das die Schritte umfasst, dass: (a) mindestens eine Bedingung erfasst wird, die eine externe Leistungsquelle, ein an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnetes Batterieladegerät oder eine an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnete Batterieeinheit betrifft; (b) ein Aufladesteuerungssignal auf der Grundlage der erfassten Bedingung ermittelt wird; und (c) die Batterieeinheit mit dem Batterieladegerät aufgeladen wird, wobei das Batterieladegerät in Übereinstimmung mit dem Aufladesteuerungssignal betrieben wird und das Aufladesteuerungssignal in Ansprechen auf Veränderungen bei der erfassten Bedingung periodisch nachgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner umfasst, dass mindestens eine Bedingung erfasst wird, welche die externe Leistungsquelle betrifft und aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus: einer Differenzspannung bei der externen Leistungsquelle, einer Stromentnahme aus der externen Leistungsquelle, einem Leistungsverlust in einer Leistungskopplung, einer Leistungsentnahme aus der externen Leistungsquelle oder einer Minimalspannung der externen Leistungsquelle.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner umfasst, dass mindestens eine Bedingung erfasst wird, die das Batterieladegerät betrifft und aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus: einer Ladegerättemperatur, einer Ladegerätspannung oder einem Ladegerätstrom.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner umfasst, dass mindestens eine Bedingung erfasst wird, welche die Batterieeinheit betrifft und aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus: einer Batterietemperatur, einer Batteriespannung, einem Batteriestrom, einem Batterieladezustand (SOC) oder einem Batteriegesundheitszustand (SOH).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) ferner umfasst, dass das Aufladesteuerungssignal ermittelt wird, indem eine Regelung verwendet wird, um: i) die erfasste Bedingung mit einem Einstellpunkt zu vergleichen, um einen Fehlerwert zu erhalten, ii) den Fehlerwert mit einem Verstärkungswert zu multiplizieren, um ein Produkt zu erhalten, und iii) das Produkt zu verwenden, um das Aufladesteuerungssignal zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei Schritt (b) (i) einen benutzerspezifizierten Einstellpunkt ermöglicht, um es dem Benutzer zu ermöglichen, eine oder mehrere Beschränkungen des Aufladeprozesses zu steuern, wobei vorzugsweise der benutzerspezifizierte Einstellpunkt den maximalen Strombetrag betrifft, der aus der externen Leistungsquelle entnommen werden kann, und/oder der benutzerspezifizierte Einstellpunkt den maximalen Leistungsbetrag betrifft, der aus der externen Leistungsquelle entnommen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei Schritt (b) (i) einen negativen Fehlerwert zulässt, um durch dass Verfahren ein Überschwingen anzusprechen, und/oder wobei das Schritt (b) eine Proportional-Integral-Derivativ-Regelung (PID-Regelung) verwendet, um das Aufladesteuerungssignal zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) ferner umfasst, dass das Batterieladegerät gemäß dem Aufladesteuerungssignal betrieben wird und das Aufladesteuerungssignal eine Pulsbreitenmodulation (PWM) verwendet, um den Strombetrag zu variieren, der von dem Batterieladegerät an die Batterieeinheit geliefert wird, das ferner den Schritt umfasst, dass: eine oder mehrere Störungsbedingungen bewertet werden und dann, wenn eine Störungsbedingung detektiert wird, der Aufladeprozess gestoppt wird, und/oder das ferner den Schritt umfasst, dass: ein Diagnosestörungscode (DTC) erzeugt wird, der Informationen hinsichtlich der erfassten Bedingung bereitstellt, und/oder das ferner den Schritt umfasst, dass: die unbelastete Spannung der externen Leistungsquelle periodisch abgetastet wird und die unbelastete Spannung verwendet wird, um mindestens eine Berechnung durchzuführen, die aus der Gruppe gewählt ist, die umfasst: eine Differenzspannung in der externen Leistungsquelle, einen Leistungsverlust in einer Leistungs kopplung, eine Leistungsentnahme aus der externen Leistungsquelle, oder eine Minimalspannung der externen Leistungsquelle, und/oder wobei Schritt (a) ferner umfasst, dass eine Vielzahl von Bedingungen erfasst wird, welche die externe Leistungsquelle, das Batterieladegerät oder die Batterieeinheit betreffen, Schritt (b) ferner umfasst, dass die Vielzahl erfasster Bedingungen bewertet wird, entsprechende Beschränkungen für jede der Vielzahl erfasster Bedingungen ermittelt werden und das Aufladesteuerungssignal auf der Grundlage der restriktivsten der Vielzahl von Beschränkungen ermittelt wird, und Schritt (c) ferner umfasst, dass das Batterieladegerät in Übereinstimmung mit dem Aufladesteuerungssignal betrieben wird, welches die restriktivste Beschränkung darstellt, und/oder wobei das Steckdosen-Elektrofahrzeug ein Steckdosen-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) ist und die externe Leistungsquelle eine Wechselstrom-Wandanschlussdose (AC-Wandanschlussdose) ist.
Verfahren zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs, das die Schritte umfasst, dass: (a) eine oder mehrere Bedingungen erfasst werden, die eine externe Leistungsquelle, ein Batterieladegerät und eine Batterieeinheit betreffen; (b) jede der erfassten Bedingungen mit einer speziellen Batterieaufladebeschränkung bewertet wird; (c) jede der Bewertungen überprüft wird und die restriktivste Beschränkung identifiziert wird, wobei die restriktivste Beschränkung diejenige ist, welche den geringsten Strombetrag aus dem Batterieladegerät anfordert; und (d) das Batterieladegerät so betrieben wird, dass es die restriktivste Beschränkung nicht verletzt.
System zum Aufladen eines Steckdosen-Elektrofahrzeugs, das umfasst: ein Batterieladegerät, das an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnet ist und einen Eingang, der mit einer externen Leistungsquelle gekoppelt ist, einen Ausgang, der mit einer Batterieeinheit gekoppelt ist und einen oder mehrere Sensoren aufweist, um Bedingungen der externen Leistungsquelle und/oder Bedingungen des Batterieladegeräts zu überwachen; eine Batterieeinheit, die an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnet ist und einen Eingang, der mit dem Batterieladegerät gekoppelt ist, und einen oder mehreren Sensoren aufweist, um Batteriebedingungen zu überwachen; und ein Batterieaufladesteuerungsmodul, das an dem Steckdosen-Elektrofahrzeug angeordnet ist und sowohl mit dem Batterieladegerät als auch der Batterieeinheit gekoppelt ist, wobei das Batterieaufladesteuerungsmodul Lesewerte von dem bzw. den Batterieladegerätsensor(en) und dem bzw. den Batteriesensor(en) empfängt und diese Lesewerte verwendet, um die Ausgangsleistung zu steuern, welche das Batterieladegerät an die Batterieeinheit liefert.