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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen
betreffen Steuerungsverfahren und Vorrichtungen zur Batterieaufladung,
und insbesondere Steuerungsverfahren und Vorrichtungen zur Batterieaufladung,
die einen temperaturbasierten Prozess zum Aussetzen einer Aufladung
umfassen.
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HINTERGRUND
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Ein
Hochspannungsbatteriestapel (z. B. zur Verwendung in einem Elektrofahrzeug)
ist ein Verbrauchsgut, das eine nutzbare Energiekapazität
aufweist, die im Lauf der Zeit in Ansprechen auf Umgebungsbedingungen
und den Hochspannungs-Ladezustand (SOC) der Batterie aufgebraucht
wird. Der SOC stellt die Menge an nutzbarer Energie in einem Hochspannungsbatteriestapel
dar und wird typischerweise durch einen Bereich von 0% bis 100%
dargestellt. Wenn der Batteriestapel für längere
Zeitspannen bei hohen SOC-Werten und hohen Temperaturen bleibt,
wird die Verschlechterungsrate der Kapazität eines Hochspannungsbatteriestapels
erhöht.
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Ein
herkömmliches Steckdosenelektrofahrzeug (z. B. ein vollständiges
Elektro- oder ein Hybridelektrofahrzeug) verwendet ein fahrzeugeigenes
oder fahrzeugfremdes Batterieladegerät, um den Batteriestapel des
Fahrzeugs von einer Wechselstromnetzsteckdose (AC-Steckdose) aufzuladen.
Wenn das Fahrzeug nicht angetrieben wird (z. B. wenn das Fahrzeug über Nacht
zu Hause geparkt ist), kann der Bediener des Fahrzeugs das Fahrzeug über
das Batterieladegerät mit einer Steckdose verbinden. Das
Batterieladegerät wird Energie vom Energieversorger verbrauchen,
um den Batteriestapel wieder aufzuladen. Der Wiederaufladeprozess
endet, sobald der Batteriestapel vom Batterieladegerät
genügend Energie empfangen hat, um den SOC des Batteriestapels
auf ein Maximalniveau anzuheben.
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Beim
Verwenden herkömmlicher Wiederaufladeverfahren können
an den Batteriestapel gelieferte Ströme erheblich sein
(z. B. 10 bis 30 Ampere oder höher). Diese Ströme
können bewirken, dass die Temperatur des Batteriestapels
sehr hoch wird. Außerdem kann das Fahrzeug Umgebungsbedingungen
ausgesetzt sein, die dazu führen können, dass
der Batteriestapel eine hohe Standtemperatur aufweist. Je länger
der Batteriestapel bei hohen Temperaturen und hohen SOC-Werten bleibt,
desto mehr wird die Lebensdauer des Batteriestapels verkürzt.
Sobald die Energiespeicherkapazität des Batteriestapels
zu niedrig wird, muss der Batteriestapel ausgetauscht werden. Austauschbatteriestapel
sind relativ kostspielige Komponenten und folglich kann ihr gelegentlicher
Austausch die Betriebskosten des Besitzens und Betreibens eines
Elektrofahrzeugs deutlich erhöhen.
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Um
die Betriebskosten zu verringern, die mit dem Besitz und dem Betreiben
von Elektrofahrzeugen verbunden sind (und damit die Anreize für
Verbraucher zum Kaufen und Verwenden von Steckdosenelektrofahrzeugen
zu erhöhen), ist es wünschenswert, Verfahren und
Vorrichtungen zum Wiederaufladen von Batteriestapeln bereitzustellen,
die zu längeren Lebensdauern der Batteriestapel im Vergleich
zu den Lebensdauern von Batteriestapeln, die unter Verwendung herkömmlicher
Wiederaufladeverfahren und Vorrichtungen wiederaufgeladen werden,
führen können. Andere wünschenswerte
Merkmale und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden genauen
Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem vorstehenden
technischen Gebiet und Hintergrund.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Aufladen einer
Batterie eines elektrischen Systems. Das elektrische System umfasst
die Batterie, ein Batterieladegerät und einen Controller,
und das Verfahren umfasst die Schritte, dass eine Temperatur der
Batterie ermittelt wird, ein Spannungseinstellpunkt für
das Batterieladegerät auf der Grundlage der Temperatur
ermittelt wird und das Batterieladegerät gesteuert wird,
um eine Ausgangsleistung zu erzeugen, die zu einem Erhöhen
einer Ausgangsspannung der Batterie zu dem Spannungseinstellpunkt
hin führt.
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Eine
andere Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Aufladen
einer Batterie eines elektrischen Systems, welches die Schritte
umfasst, dass ein Aufladeprozess zum Aufladen der Batterie eingeleitet
wird und eine Temperatur der Batterie ermittelt wird. Wenn die Temperatur
der Batterie einen ersten Temperaturwert überschreitet,
umfasst das Verfahren, dass der Batterieaufladeprozess temporär
ausgesetzt wird, bevor ein Aufladebeendigungskriterium erfüllt
ist. Das Ermitteln der Temperatur der Batterie wird wiederholt und
wenn die Temperatur der Batterie kleiner als ein zweiter Temperaturwert
ist, wird der Batterieaufladeprozess wieder aufgenommen.
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Eine
weitere Ausführungsform umfasst ein elektrisches System,
das ein Hochspannungs-Energiespeichersystem (HV-Energiespeichersystem),
ein Batterieladegerät und einen Controller umfasst. Das
HV-Energiespeichersystem weist einen Batteriestapel auf, der zum
Speichern von elektrischer Energie ausgelegt ist. Das Batterieladegerät
ist ausgelegt, um eine Ausgangsspannung in Ansprechen auf ein Steuerungssignal
zu erzeugen, das einen Spannungseinstellpunkt für die Ausgangsspannung
anzeigt. Der Controller ist zur Steuerung eines Batterieaufladeprozesses
ausgelegt, indem er eine Temperatur des Batteriestapels ermittelt,
einen Spannungseinstellpunkt für das Batterieladegerät
auf der Grundlage der Temperatur ermittelt und das Steuerungssignal
an das Batterieladegerät liefert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen
des erfinderischen Gegenstands werden hier nachstehend in Verbindung
mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen
gleiche Elemente bezeichnen und
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1 eine
schematische Darstellung eines Steckdosenelektrofahrzeugs gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform ist, das ein Hochspannungs-Energiespeichersystem
umfasst;
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2 ein
Flussdiagramm eines Batterieaufladungssteuerungsverfahrens gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform ist, das einen temperaturbasierten
Prozess zum Aussetzen einer Aufladung umfasst; und
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3 eine
graphische Darstellung ist, die eine Beziehung zwischen einem zulässigen
Batteriestapel-Ladezustand und einer Temperatur gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Die
folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist
nicht dazu gedacht, den Umfang oder die Anwendung und Verwendungsmöglichkeiten
des erfinderischen Gegenstands einzuschränken. Darüber
hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder
implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem vorstehenden technischen
Gebiet, dem Hintergrund, der Zusammenfassung oder der folgenden
genauen Beschreibung dargestellt ist. In der folgenden Beschreibung
beziehen sich gleiche Bezugszeichen in jeder Figur auf gleiche Elemente.
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Ausführungsformen
umfassen Steuerungsverfahren und Vorrichtungen zur Batterieaufladung.
Insbesondere umfassen Ausführungsformen Steuerungsverfahren
und Vorrichtungen zur Batterieaufladung, die einen temperaturbasierten
Prozess zum Aussetzen einer Aufladung umfassen. Wie nachstehend
genauer beschrieben wird, können Ausführungsformen
in ein Elektrofahrzeug und insbesondere in ein Elektrofahrzeug vom
Steckdosentyp integriert sein. Bei der Verwendung hierin umfasst
der Ausdruck ”Elektrofahrzeug” sowohl vollständige
Elektrokraftfahrzeuge (z. B. rein elektrisch) als auch Hybridelektrokraftfahrzeuge.
Gemäß verschiedener Ausführungsformen
bezeichnet der Begriff ”Steckdose” bei der Verwendung
mit einem Fahrzeug ein Fahrzeug, das mindestens eine Gleichspannungsenergiequelle
(DC-Energiequelle) (z. B. einen oder mehrere Hochspannungsbatteriestapel)
und eine Hardwareschnittstelle aufweist, die zur Verbindung mit
einer Wechselstromnetzsteckdose (AC-Steckdose) ausgelegt ist, um
die DC-Energiequelle unter Verwendung von Leistung aufzuladen, die
von einem elektrischen Energieversorger geliefert wird. Obwohl sich
die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen auf deren
Einbau in ein Steckdosenelektrofahrzeug beziehen können,
ist zu verstehen, dass derartige Bezüge nicht dazu gedacht
sind, den Umfang der Ausführungsformen nur auf den Einbau
in Steckdosenelektrofahrzeugen einzuschränken. Stattdessen
ist zu verstehen, dass Ausführungsformen auch in andere
Fahrzeugtypen (z. B. Flugzeuge, Schiffe, Lokomotiven) oder in elektrische
Systeme eingebaut werden können, die nicht mit Elektrofahrzeugen
verbunden sind.
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Die
folgende Beschreibung bezieht sich auf Systemkomponenten, Elemente,
Knoten oder Merkmale, die miteinander ”gekoppelt” sind.
Bei der Verwendung hierin bedeutet der Begriff ”gekoppelt”,
sofern es nicht ausdrücklich anderweitig angegeben ist,
dass eine Komponente/ein Element/ein Knoten/ein Merkmal mit einer weiteren
bzw. einem weiteren Komponente/Element/Knoten/Merkmal direkt oder
indirekt verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert),
und zwar nicht unbedingt mechanisch. Obwohl die nachstehend beschriebenen
Figuren verschiedene beispielhafte Anordnungen von Komponenten/Elementen/Knoten/Merkmalen
darstellen können, können daher zusätzliche
dazwischen kommende Komponenten, Elemente, Knoten, Merkmale oder
Einrichtungen in anderen Ausführungsformen des dargestellten
Gegenstands vorhanden sein.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Steckdosenelektrofahrzeugs 100 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform, das ein Hochspannungs-Energiespeichersystem
(HV-Energiespeichersystem) 102 umfasst. Das Fahrzeug 100 kann
ein beliebiger einer Anzahl verschiedener Typen von Kraftfahrzeugen
sein, wie z. B. eine Limousine, ein Kombi, ein Lieferwagen oder
ein Sportnutzfahrzeug, und es kann ein Zweiradantrieb (d. h. Heckantrieb
oder Frontantrieb), ein Vierradantrieb oder ein Allradantrieb sein.
Das Fahrzeug 100 kann auch einen beliebigen oder eine Kombination
einer Anzahl verschiedener Typen von Maschinen und/oder Antriebssystemen
enthalten, wie z. B. eine mit Benzin oder Diesel gespeiste Brennkraftmaschine,
die Maschine eines ”Fahrzeugs mit flexiblem Kraftstoff” (d.
h., die eine Mischung aus Benzin und Alkohol verwendet), eine mit
einem gasförmigen Gemisch gespeiste Maschine (z. B. Wasserstoff
und Erdgas), eine hybride Brennkraft/Elektromotor-Maschine und einen
Elektromotor.
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Zusätzlich
zu dem HV-Energiespeichersystem 102 umfasst das Fahrzeug 100 ein
Batterieladegerät 104, einen Satz von HV-Schützen 106,
eine AC-Leistungsschnittstelle 108 und einen Controller 110.
Bei Ausführungsformen, in denen das Fahrzeug 100 ein
Hybridelektrofahrzeug ist, kann das Fahrzeug 100 auch eine Maschine
(z. B. eine Brennkraftmaschine, nicht veranschaulicht) umfassen.
Das Fahrzeug 100 kann auch zahlreiche weitere Komponenten
und Systeme umfassen, welche der Kürze halber in 1 nicht
veranschaulicht oder hier im Detail beschrieben sind.
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Die
AC-Leistungsschnittstelle 108 steht in funktionaler Kommunikation
mit dem Batterieladegerät 104 und/oder ist damit
elektrisch gekoppelt. Die AC-Leistungsschnittstelle 108 ist
eine Hardwareschnittstelle, die zur Kopplung mit einem elektrischen
Energieversorger oder einer anderen externen Leistungsquelle ausgelegt ist,
um AC-Leistung von dem elektrischen Energieversorger oder der anderen
externen Leistungsquelle zu empfangen. Bei einer Ausführungsform
umfasst die AC-Leistungsschnittstelle 108 eine Anschlussbox,
die zur Aufnahme eines elektrischen Steckers ausgelegt ist, der
mit einer AC-Netzsteckdose oder einer anderen Schnittstelle mit
einer externen Leistungsquelle (z. B. einer elektrischen Steckdose
einer Ladestation im Haushalt) elektrisch gekoppelt oder damit verbunden
sein kann. Die AC-Leistungsschnittstelle 108 kann eine AC-Leistungsschnittstelle
mit zwei Leitern, eine AC-Leistungsschnittstelle mit drei Leitern,
eine einphasige Anschlussbox, eine zweiphasige Anschlussbox, eine
dreiphasige Anschlussbox, einen einphasigen Stecker, einen zweiphasigen
Stecker und/oder einen dreiphasigen Stecker umfassen. Wenn die AC-Leistungsschnittstelle 108 mit
einer externen AC-Leistungsquelle elektrisch gekoppelt ist, kann
die AC-Leistungsschnittstelle 108 die AC-Leistung an das
Batterieladegerät 104 liefern, welches mit der
AC-Leistungsschnittstelle 108 elektrisch gekoppelt ist.
Zudem kann die AC-Leistungsschnittstelle 108 gemäß einer
Ausführungsform ein Statussignal 138 an den Controller 110 liefern,
welches anzeigt, ob die AC-Leistungsschnittstelle 108 mit
einer externen AC-Leistungsquelle elektrisch gekoppelt ist oder
nicht.
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Das
Batterieladegerät 104 kann beispielsweise ein
(nicht veranschaulichtes) Gleichrichter/Wechselrichter-System umfassen,
das zur Funktion als AC/DC-Wandler ausgelegt ist. Wenn das Batterieladegerät 104 zur
Funktion als AC/DC-Wandler gesteuert wird, ist es zur Umsetzung
von AC-Leistung, die direkt von der AC-Leistungsschnittstelle 108 empfangen
wird (oder indirekt von einem oder mehreren nicht veranschaulichten
AC-Elektromotoren empfangen wird, die mit der AC-Leistungsschnittstelle 108 verbunden
sind), in DC-Leistung ausgelegt. Die DC-Leistung kann vom Batterieladegerät 104 über
positive und negative Ausgangsanschlüsse 126 des
Ladegeräts bereitgestellt werden. Gemäß verschiedenen
Ausführungsformen kann das Batterieladegerät 104 eine
Konstantstromaufladung oder eine Impulsaufladung (z. B. Bereitstellen
einer Sequenz von DC-Impulsen) bereitstellen. Wie später
genauer beschrieben wird, kann das Batterieladegerät 104 die
Ladegerätausgangsleistung an den Anschlüssen 126 mit
einem Niveau erzeugen, das durch ein Ladegerätsteuerungssignal 136 von
dem Controller 110 spezifiziert oder angezeigt wird. Obwohl
das Batterieladegerät 104 in 1 so
dargestellt ist, dass es mit einer AC-Leistungsschnittstelle 108 gekoppelt
ist, kann das Batterieladegerät 104 gemäß einer
alternativen Ausführungsform ein Batterieladegerät
eines isolierten Typs sein, das zusätzlich zu oder anstelle
der AC-Leistungsschnittstelle 108 ein (nicht veranschaulichtes)
Mittel zur induktiven Kopplung mit der AC-Leistungsquelle umfasst.
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Die
HV-Schütze 106 sind zwischen das Batterieladegerät 104 und
das HV-Energiespeichersystem 102 gekoppelt. Zwischen den
HV-Schützen 106, dem Batterieladegerät 104 und
dem HV-Energiespeichersystem 102 können ein oder
mehrere Busse und/oder andere Übertragungsmedien oder Schaltungen
(nicht veranschaulicht) enthalten sein. Die HV-Schütze 106 umfassen
einen Satz von Relais, welche auf der Grundlage von Schützsteuerungssignalen 130,
die vom Controller 110 bereitgestellt werden, selektiv
geöffnet und geschlossen werden können. Wenn die
HV-Schütze 106 geschlossen sind, können
sie elektrische Leistung zwischen dem Batterieladegerät 104 und
dem HV-Energiespeichersystem 102 übertragen. Insbesondere
wird erzwungen, dass eine Ausgangsspannung des Ladegeräts über
den positiven und negativen Ausgangsanschlüssen 126 des
Ladegeräts im Wesentlichen die gleiche Spannung wie die
Spannung am HV-Batteriestapel 120 ist, sobald die HV-Schütze 106 geschlossen
sind, da das Batterieladegerät 104 und der HV-Batteriestapel 120 miteinander
gekoppelt sind. Wenn es gewünscht ist, dem HV-Batteriestapel 120 zusätzliche
Ladung zu liefern, wird das Batterieladegerät 104 so
gesteuert, dass es Leistung über seine Anschlüsse 126 ausgibt
(z. B. ”Aufladestrom”, und diese zusätzliche
Ausgangsleistung bewirkt, dass die Spannung des HV-Batteriestapels 120 ansteigt.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist das HV-Energiespeichersystem 102 zum
Empfangen von elektrischer Energie von Energie liefernden Komponenten
(z. B. dem Batterieladegerät 104), zum Speichern
der Energie und zum Liefern der Energie bei Hochspannung an andere
Systemkomponenten (nicht veranschaulicht) ausgelegt. Bei der Verwendung
hierin bezeichnen die Ausdrücke ”Hochspannung” und ”HV” eine
DC-Spannung, die von einem Energiespeichersystem (z. B. dem HV-Energiespeichersystem 102)
bereitgestellt wird, wobei die DC-Spannung eine Spannung über
etwa 60 Volt ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform umfasst das HV-Energiespeichersystem 102 einen
oder mehrere HV-Batteriestapel 120, einen oder mehrere
Temperatursensoren 122 und einen Spannungssensor 124.
Das HV-Energiespeichersystem 102 kann auch einen oder mehrere
Kühlungsventilatoren (nicht veranschaulicht) umfassen,
die selektiv aktiviert werden können, um zu einem Absenken
der Temperatur der Batteriestapel 120 während
einer Wiederaufladeoperation (oder zu anderen Zeitpunkten) beizutragen.
Die Batteriestapel 120, die Temperatursensoren 122 und
der Spannungssensor 124 sind nachstehend im Singular bezeichnet,
obwohl es so zu verstehen ist, dass das HV-Energiespeichersystem 102 mehrere
jeder dieser Komponenten umfassen kann.
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Der
Batteriestapel 120, der hier einfach als ”Batterie” bezeichnet
sein kann, umfasst einen Satz aus einer oder mehreren Batterien,
einzelnen Batteriezellen, Superkondensatoren und dergleichen, die
in Reihe, parallel oder in einer Mischung aus beiden konfiguriert
sein können. Verbindungen (nicht veranschaulicht) stellen
eine elektrische Leitfähigkeit zwischen den Batterien und/oder
Batteriezellen bereit. Gemäß einer Ausführungsform
ist der Batteriestapel 120 ein Hochspannungsbatteriestapel,
der zur Erzeugung einer maximalen Ausgangsspannung an seinen Anschlüssen
in einem Bereich von etwa 300 Volt bis etwa 350 Volt ausgelegt ist.
Bei anderen Ausführungsformen kann der Batteriestapel 120 eine
maximale Ausgangsspannung in einem Bereich von etwa 60 Volt bis
etwa 300 Volt erzeugen. Bei noch weiteren Ausführungsformen
kann der Batteriestapel 120 ausgelegt sein, um eine maximale
Ausgangsspannung zu erzeugen, die höher oder niedriger
als die vorstehend angegebenen Bereiche ist.
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Der
Temperatursensor 122 ist physikalisch sehr nahe bei dem
Batteriestapel 120 angeordnet und ist zur Erzeugung von
Temperatursignalen 132 ausgelegt, die eine erfasste Temperatur
des Batteriestapels 120 anzeigen. Der Spannungssensor 124 ist über
die Anschlüsse des Batteriestapels 120 elektrisch
gekoppelt und ist zur Erzeugung von Batteriespannungssignalen 134 ausgelegt,
die über den Anschlüssen erfasste Spannungen anzeigen.
Die Temperatursignale 132 und die Batteriespannungssignale 134 werden
an den Controller 110 geliefert, der die angezeigten Temperaturen
und Spannungen verwenden kann, um den Aufladeprozess zu steuern,
wie nachstehend genauer beschrieben wird.
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Der
Controller 110 steht gemäß einer Ausführungsform
in funktionaler Kommunikation mit dem Batterieladegerät 104,
den HV-Schützen 106, dem Temperatursensor 132,
dem Spannungssensor 134 und der AC-Leistungsschnittstelle 108.
Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, kann der Controller 110 verschiedene Sensoren
und Kraftfahrzeugsteuerungsmodule oder elektronische Steuerungseinheiten
(ECUs) (z. B. ein Wechselrichtersteuerungsmodul und einen Fahrzeugcontroller),
mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher (oder ein anderes
computerlesbares Medium) umfassen, der darin gespeicherte Daten
und Anweisungen zum Ausführen der Prozesse und Verfahren
wie nachstehend beschrieben umfasst.
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Wie
vorstehend erwähnt, wird das Niveau der Ladegerätausgangsleistung
(und damit der Aufladestrom), die vom Batterieladegerät 104 geliefert
wird, durch Ladegerätsteuerungssignale 136 gesteuert,
die vom Controller 110 erzeugt werden. Wie in Verbindung
mit 2 genauer beschrieben wird, ist der Controller 110 zur
Erzeugung der Ladegerätsteuerungssignale 136 auf
der Grundlage des Status des Batteriestapels 120 (z. B.
der Batteriestapelspannung, der Temperatur und/oder der Aufladezeit)
ausgelegt. Gemäß einer Ausführungsform
ist der Controller 110 zum Empfang von Temperatursignalen 132 und
Spannungssignalen 134 ausgelegt, welche Temperaturen bzw.
Spannungen des Batteriestapels 120 anzeigen. Auf der Grundlage
der Temperatur- und Spannungssignale 132, 134 kann
der Controller 110 eine gewünschte Ladegerätausgangsleistung
(oder einen Aufladestrom) ermitteln, und der Controller 110 kann
die Steuerungssignale 136 erzeugen, um zu bewirken, dass
das Batterieladegerät 104 die gewünschte
Ladegerätausgangsleistung erzeugt, wie nachstehend genauer
beschrieben wird. Das Aufladen kann beendet werden, wenn der Controller 110 ermittelt,
dass eine Kombination aus der Batteriestapelspannung, der Temperatur
und/oder der Aufladezeit anzeigt, dass der Batteriestapel 120 vollständig
aufgeladen ist (z. B. weist der Batteriestapel 120 einen
gewünschten maximalen Ladezustand (SOC) auf).
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2 ist
ein Flussdiagramm eines Batterieaufladesteuerungsverfahrens, das
gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
einen temperaturbasierten Prozess zum Aussetzen einer Aufladung
umfasst. Ausführungsformen des in 2 dargestellten
Verfahrens können von einem Controller eines Elektrofahrzeugs
(z. B. dem Controller 110 von 1) ausgeführt
werden, der Anweisungen zum Ausführen der Prozesse und
Verfahren wie hier beschrieben holen und ausführen kann.
Bei alternativen Ausführungsformen kann das Verfahren von
einem Controller eines anderen Vorrichtungstyps, der eine wiederaufladbare
Energiequelle umfasst, ausgeführt werden.
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Wie
nachstehend genauer beschrieben wird, kann ein Batterieaufladeprozess
nach dem Einleiten fortfahren, bis ein Aufladungsbeendigungskriterium
erfüllt ist (z. B. wie bei Block 210 ermittelt
wird, der später beschrieben wird). Zum Beispiel kann ein
Aufladungsbeendigungskriterium sein, dass der Batteriestapel einen maximalen
SOC erreicht hat. Der maximale SOC kann ein SOC von 100% oder ein
anderer Prozentsatz sein, der kleiner als ein SOC von 100% ist (z.
B. ein SOC von 95%). Als weiteres Beispiel kann ein Aufladungsbeendigungskriterium
sein, dass die Batteriespannung (d. h. über ihren Hochspannungs-
und Niederspannungsanschlüssen) bei einer maximalen Batteriespannung
liegt (z. B. 350 Volt oder eine andere Spannung). Gemäß einer
Ausführungsform kann der Batterieaufladungsprozess einmal
oder mehrmals temporär ausgesetzt werden, bevor das Aufladungsbeendigungskriterium
erfüllt ist, wobei eine Ermittlung zum Aussetzen des Aufladeprozesses
auf der Grundlage einer Temperatur der Batterie durchgeführt
wird. Der Batterieaufladeprozess, der den temperaturbasierten Prozess
zum Aussetzen einer Aufladung umfasst, wird nachstehend genauer
beschrieben.
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Das
Verfahren kann bei Block 202 beginnen, wenn ein Batterieaufladeprozess
eingeleitet wurde. Gemäß einer Ausführungsform
kann der Batterieaufladeprozess eingeleitet werden, wenn der Controller
eine Anzeige empfängt, dass das System zum Empfang von
AC-Leistung von einer externen Quelle konfiguriert wurde. Zum Beispiel
kann der Controller ein Statussignal (z. B. das Statussignal 138 von
der AC-Leistungsschnittstelle 108) empfangen, das anzeigt,
dass die AC-Leistungsschnittstelle mit einer externen AC-Leistungsquelle elektrisch
gekoppelt wurde. Bei anderen Ausführungsformen kann der
Controller eine andere Anzeige empfangen, dass das System zum Empfang
von AC-Leistung konfiguriert wurde.
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Bei
Block 204 wird die gegenwärtige Spannung über
den Anschlüssen des Batteriestapels ermittelt. Gemäß einer
Ausführungsform kann dies umfassen, dass der Controller
Spannungssignale (z. B. die Spannungssignale 134 von 1)
von einem Spannungssensor (z. B. dem Spannungssensor 124 von 1)
empfängt und einen Batteriestapelspannungswert aus den
Spannungssignalen ermittelt.
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Bei
Block 206 wird die Temperatur des Batteriestapels ermittelt.
Gemäß einer Ausführungsform kann dies
umfassen, dass der Controller Temperatursignale (z. B. die Temperatursignale 132 von 1)
von einem oder mehreren Temperatursensoren (z. B. den Temperatursensoren 122 von 1)
empfängt und einen Batteriestapeltemperaturwert aus den
Temperatursignalen ermittelt. Wenn ein einziges Temperatursignal
verwendet wird, um einen einzigen Temperaturmesswert an den Controller
zu übermitteln, kann ermittelt werden, dass die Batteriestapeltemperatur
gleich dem Temperaturmesswert ist. Wenn mehrere Temperatursignale
verwendet werden und/oder mehrere Temperaturmesswerte an den Controller übermittelt
werden, kann der Controller die Batteriestapeltemperatur auf der
Grundlage eines mathematischen Kriteriums berechnen (z. B. einen
Mittelwert mehrerer Messwerte, den höchsten Messwert oder
ein anderes Kriterium).
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Bei
Block
208 kann der Controller den aktuellen SOC des Batteriestapels
ermitteln (z. B. des Batteriestapels
120 von
1).
Die Anschlussspannung des Batteriestapels kann relativ konstant
bleiben, bis der Batteriestapel fast vollständig entladen
ist. Folglich kann es sein, dass die Anschlussspannung keine genaue
Anzeige des aktuellen SOC des Batteriestapels ist. Gemäß einer
Ausführungsform kann der Controller den aktuellen SOC des
Batteriestapels unter anderem auf der Grundlage der Batteriespannung
(z. B. wie sie bei Block
204 ermittelt wurde) berechnen.
Zum Beispiel kann der aktuelle SOC des Batteriestapels gemäß verschiedenen
Ausführungsformen unter Verwendung von Verfahren berechnet
werden, die im
US-Patent mit
der Nummer 6,639,385 mit dem Titel ”State of Charge
Method and Apparatus”, unter Verwendung einer Nachschlagetabelle
oder unter Verwendung anderer Verfahren berechnet werden.
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Bei
Block 210 kann der Controller ermitteln, ob ein Aufladungsbeendigungskriterium
erfüllt wurde oder nicht. Ein Aufladungsbeendigungskriterium
kann ein oder mehrere Kriterien umfassen, die aus einer Gruppe von
Kriterien gewählt sind, die nur als Beispiel, aber nicht
als Einschränkung umfasst, dass ein aktueller SOC einen
maximalen SOC-Schwellenwert erreicht oder überschreitet,
und dass eine Batteriestapelspannung einen maximalen Batteriestapelspannungsschwellenwert
erreicht oder überschreitet.
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Wenn
das Aufladungsbeendigungskriterium beispielsweise auf den SOC des
Batteriestapels bezogen ist, kann ein maximaler SOC-Schwellenwert
im System als ein SOC-Wert in einem Bereich von etwa 85% SOC bis
etwa 100% SOC definiert sein, obwohl ein SOC-Schwellenwert ebenso
einen Wert aufweisen kann, der kleiner als der vorstehend vorgegebene
Bereich ist. Wenn bei Block 210 ermittelt wird, dass der
aktuelle SOC des Batteriestapels über dem maximalen SOC-Schwellenwert
liegt, endet das Verfahren. Andernfalls fährt das Verfahren
bei Block 212 fort, der nachstehend genauer beschrieben
wird.
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Als
ein weiteres Beispiel kann, wenn das Aufladungsbeendigungskriterium
auf die Spannung des Batteriestapels bezogen ist, ein maximaler
Batteriestapelspannungsschwellenwert im System als eine Spannung in
einem Bereich von etwa 85% bis etwa 100% der Spannungskapazität
des Batteriestapels definiert sein (z. B. 350 Volt), obwohl ein
Spannungsschwellenwert ebenso einen Wert aufweisen kann, der niedriger
als der vorstehend vorgegebene Bereich ist. Wenn bei Block 210 ermittelt
wird, dass die Batteriestapelspannung über dem maximalen
Batteriestapelspannungsschwellenwert liegt, endet das Verfahren.
Andernfalls fährt das Verfahren mit Block 212 fort.
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Wenn
das Aufladungsbeendigungskriterium nicht erfüllt wurde,
dann wird bei Block 212 ein temperaturabhängiger
Spannungseinstellpunkt (TDV-Einstellpunkt) ermittelt und die Ausgangsleistung
des Batterieladegeräts (z. B. des Batterieladegeräts 104 von 1)
wird eingestellt, wie später in Verbindung mit Block 216 genauer
beschrieben wird. Gemäß einer ersten Ausführungsform
wird der TDV-Einstellpunkt auf der Grundlage der Batteriestapeltemperatur
ermittelt. Unter Verwendung der Batteriestapeltemperatur kann der
TDV-Einstellpunkt entweder berechnet oder aus einer Tabelle (z.
B. der nachstehenden Tabelle 1) ermittelt werden, die in einem Speicher
gespeichert ist, der für den Controller zugänglich
ist. Zum Beispiel kann der Wert des TDV-Einstellpunkts auf der Grundlage
einer vordefinierten mathematischen Beziehung zwischen der Batteriestapeltemperatur
(z. B. wie sie bei Block 206 ermittelt wurde) und dem TDV-Einstellpunkt
ermittelt werden. Als Beispiel, aber nicht als Einschränkung,
kann eine mathematische Beziehung zwischen der Batteriestapeltemperatur
T und dem TDV-Einstellpunkt TDV definiert sein als: wenn
T ≤ TL, TDV(T) = TDVMAX;
wenn TL < T < TH,
TDV(T) = TDVMAX – mT; und
wenn T ≥ TH,
TDV(T) = TDVMIN, wobei m eine Umwandlungskonstante
ist, TL, ein niedriger Batteriestapeltemperaturschwellenwert
ist (z. B. 0 Grad C), TH ein hoher Batteriestapeltemperaturschwellenwert
ist (z. B. 50 Grad C), TDVMAX ein vordefinierter maximaler
TDV-Einstellpunkt ist (z. B. 350 Volt, die maximale Batteriestapelspannung
oder ein anderer Wert) und TDVMIN ein vordefinierter
minimaler TDV-Einstellpunkt ist (z. B. 250 Volt oder ein anderer
Wert (einschließlich von 0 Volt)). Obwohl die Gleichung,
die der Bedingung entspricht, wenn TL < T < TH ist,
eine lineare Gleichung ist und von TDVMAX abhängt,
kann diese Gleichung bei anderen Ausführungsformen stattdessen
eine exponentielle oder logarithmische Gleichung (oder ein anderer
Gleichungstyp) sein und/oder kann von einer anderen Konstante als
TDVMAX abhängen. Die vorstehenden
mathematischen Beziehungen sind zur Erläuterung bereitgestellt,
aber nicht zur Einschränkung.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform kann der TDV-Einstellpunkt ermittelt
werden, indem auf eine Temperatur/TDV-Einstellpunkt-Tabelle (z.
B. die nachstehende Tabelle 1) zugegriffen wird, welche eine Vielzahl
von Einträgen umfasst, und jeder Eintrag umfasst ein Paar
vordefinierter Temperatur/TDV-Einstellpunkt-Werte. Es kann ein Eintrag
gewählt werden, der der Batteriestapeltemperatur (z. B.
wie sie bei Block
206 ermittelt wurde) entspricht, und
der TDV-Einstellpunkt kann als der TDV-Einstellpunktwert für
diesen Eintrag ermittelt werden. Temperaturwerte innerhalb der Einträge
können in einen Bereich typischer Batteriestapeltemperaturen
fallen (z. B. –40 Grad Celsius (C) bis 60 Grad C), und
die TDV-Einstellpunktwerte in den Einträgen können
in einen Bereich fallen, der sich von einem niedrigen TDV-Einstellpunktwert
(z. B. TDV
MIN) bis zu einem hohen TDV-Einstellpunktwert
(z. B. TDV
MAX) erstreckt. Die nachstehende
Tabelle 1 ist ein Beispiel einer Temperatur/TDV-Einstellpunkt-Tabelle:
| Eintragsnummer | Temperaturbereich
(Grad C) | TDV-Einstellpunkt
(Volt) |
| 1 | < –40 | 350 |
| 2 | –40
bis –30 | 350 |
| 3 | –30
bis –20 | 350 |
| 4 | –20
bis –10 | 350 |
| 5 | –10
bis 0 | 350 |
| 6 | 0
bis 10 | 330 |
| 7 | 10
bis 20 | 310 |
| 8 | 20
bis 30 | 290 |
| 9 | 30
bis 40 | 270 |
| 10 | 40
bis 50 | 250 |
| 11 | 50
bis 60 | 250 |
| 12 | > 60 | 250 |
Tabelle
1 – Temperatur/TDV-Einstellpunkt-Tabelle
-
Es
versteht sich, dass andere Temperatur/TDV-Einstellpunkt-Tabellen
mehr oder weniger Einträge umfassen können, dass
der Bereich von Temperaturwerten höher und/oder niedriger
sein kann und/oder dass der Bereich von TDV-Einstellpunktwerten
höher und/oder niedriger sein kann als diejenigen, die
in der Beispieltabelle 1 enthalten sind.
-
Bei
der vorstehenden beispielhaften Ausführungsform wird der
TDV-Einstellpunkt primär auf der Grundlage der Batteriestapeltemperatur
ermittelt. Gemäß einer anderen Ausführungsform
wird zuerst ein zulässiger SOC auf der Grundlage der Batteriestapeltemperatur
ermittelt und ein TDV-Einstellpunkt kann auf der Grundlage des zulässigen
SOC ermittelt werden. Unter Verwendung der Batteriestapeltemperatur
kann der zulässige SOC entweder berechnet werden oder er
kann aus einer Tabelle (z. B. der nachstehenden Tabelle 2) ermittelt
werden, die in einem Speicher gespeichert ist, der für
den Controller zugänglich ist. Zum Beispiel kann der zulässige
SOC auf der Grundlage einer vordefinierten mathematischen Beziehung
zwischen der Batteriestapeltemperatur (z. B. wie sie bei Block 206 ermittelt
wurde) und dem zulässigen SOC ermittelt werden. Als Beispiel,
aber nicht als Einschränkung, kann eine mathematische Beziehung zwischen
der Batteriestapeltemperatur T und einem zulässigen SOC
SOCA definiert sein als: wenn
T ≤ TL, SOCA(T)
= SOCMAX;
wenn TL < T < TH,
SOCA(T) = (SOCMAX)e–nT; und
wenn
T ≥ TH, SOCA(T)
= SOCMIN, wobei n eine Umwandlungskonstante
ist, TL ein niedriger Batteriestapeltemperaturschwellenwert
ist (z. B. 0 Grad C), TH ein hoher Batteriestapeltemperaturschwellenwert
ist (z. B. 50 Grad C), SOCMAX ein vordefinierter maximaler
SOC ist (z. B. 95% oder ein anderer Wert (einschließlich
100%)) und SOCMIN ein vordefinierter minimaler
SOC ist (z. B. 50% oder ein anderer Wert). Obwohl die Gleichung,
die der Bedingung entspricht, wenn TL < T < TH ist,
eine abfallende Exponentialfunktion mit einer Anfangsgröße
von SOCMAX ist, kann diese Gleichung stattdessen
eine lineare Gleichung, eine logarithmische Gleichung (oder ein
anderer Gleichungstyp) sein und/oder sie kann bei anderen Ausführungsformen
eine andere Anfangsgröße als SOCMAX aufweisen.
Die vorstehenden mathematischen Beziehungen sind zur Erläuterung
und nicht zur Einschränkung bereitgestellt.
-
Gemäß einer
Ausführungsform kann der TDV-Einstellpunkt auf der Grundlage
des zulässigen SOC unter Verwendung einer Funktion berechnet
werden, die der Funktion ähnelt, die zur Berechnung des
aktuellen SOC verwendet wird (z. B. bei Block
208). Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann der TDV-Einstellpunkt durch
Zugriff auf eine SOC
A/TDV-Einstellpunkt-Tabelle
(z. B. die nachstehende Tabelle 2) ermittelt werden, die eine Vielzahl
von Einträgen umfasst und wobei jeder Eintrag ein Paar
vorbestimmter SOC
A/TDV-Einstellpunktwerte
umfasst. Es kann ein Eintrag gewählt werden, der dem zulässigen
SOC entspricht (z. B. wie er vorstehend ermittelt wurde), und der
TDV-Einstellpunkt kann als der TDV-Einstellpunktwert für
diesen Eintrag ermittelt werden. SOC
A-Werte
in den Einträgen können in einen Bereich fallen
(z. B. von SOC
MIN bis SOC
MAX),
und die TDV-Einstellpunktwerte in den Einträgen können
in einen Bereich fallen, der sich von einem niedrigen TDV-Einstellpunktwert
(z. B. TDV
MIN) bis zu einem hohen TDV-Einstellpunktwert
(z. B. TDV) erstreckt. Die nachstehende Tabelle 1 ist ein Beispiel
einer SOC
A/TDV-Einstellpunkt-Tabelle:
| Eintragsnummer | SOCA-Bereich (%) | TDV-Einstellpunkt
(Volt) |
| 1 | 95
bis 100 | 350 |
| 2 | 90
bis 95 | 350 |
| 3 | 85
bis 90 | 350 |
| 4 | 80
bis 85 | 350 |
| 5 | 75
bis 80 | 350 |
| 6 | 70
bis 75 | 330 |
| 7 | 65
bis 70 | 310 |
| 8 | 60
bis 65 | 290 |
| 9 | 55
bis 60 | 270 |
| 10 | 50
bis 55 | 250 |
| 11 | > 50 | 250 |
Tabelle
2 – SOC
A/TDV-Einstellpunkt-Tabelle
-
Es
versteht sich, dass andere SOCA/TDV-Einstellpunkt-Tabellen
mehr oder weniger Einträge umfassen können, dass
der Bereich von SOCA-Werten höher
und/oder niedriger sein kann und/oder dass der Bereich von TDV-Einstellpunktwerten
höher und/oder niedriger als diejenigen sein kann, die
in der Beispieltabelle 2 enthalten sind.
-
Zum
Beispiel ist 3 eine graphische Darstellung 300,
die eine abfallende exponentielle Beziehung zwischen der Batteriestapeltemperatur
und dem zulässigen SOC SOCA gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Eine Kurve 302 zeigt
eine abfallende exponentielle Beziehung zwischen den Batteriestapeltemperaturen
und den zulässigen SOCs an. Punkte 310 auf der
Kurve 302 können SOCA/TDV-Einstellpunktpaaren
entsprechen, die in einer SOCA/TDV-Einstellpunkt-Tabelle
(z. B. der vorstehenden Tabelle 2) gespeichert sein können,
wobei diese Punkte 310 in einen Bereich 312 zulässiger
SOCs und einen Bereich 314 von Temperaturen fallen. Gemäß einer
Ausführungsform sind die zulässigen SOCs bei relativ
niedrigen Batteriestapeltemperaturen (z. B. bei einer Temperatur 320)
relativ hoch (z. B. SOC 322). Im Gegensatz dazu sind die
zulässigen SOCs bei relativ hohen Batteriestapeltemperaturen
(z. B. bei Temperatur 324) relativ niedrig (z. B. SOC 326).
Folglich weisen die zulässigen SOCs bei einer Ausführungsform
Werte auf, die umgekehrt proportional zu den Batteriestapeltemperaturwerten
sind. Obwohl 3 eine abfallende exponentielle
Beziehung zwischen zulässigen SOCs und Batteriestapeltemperaturen
veranschaulicht, kann die Beziehung bei anderen Ausführungsformen
linear oder logarithmisch sein oder eine andere mathematische Beziehung
aufweisen.
-
Bei
den vorstehenden beispielhaften Ausführungsformen wird
der TDV-Einstellpunkt auf der Grundlage der Batteriestapeltemperatur
ermittelt oder der TDV-Einstellpunkt wird aus einem zulässigen
SOC berechnet. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform
wird zuerst eine zulässige Batteriestapelspannung auf der Grundlage
der Batteriestapeltemperatur ermittelt, und ein TDV-Einstellpunkt
wird auf der Grundlage der zulässigen Batteriestapelspannung
berechnet. Diese Ausführungsform wird hier nicht im Detail
erörtert.
-
Wieder
mit Bezug auf 2 wird bei Block 214 nach
dem Ermitteln des TDV-Einstellpunkts (im Block 212) ermittelt,
ob die Batterieausgangsspannung kleiner als der TDV-Einstellpunkt
ist. Wenn nicht, dann läuft das Verfahren wie in 2 gezeigt
erneut durch. Wenn dem so ist, dann steuert der Controller die Leistungsausgabe
des Batterieladegeräts (z. B. des Batterieladegeräts 104 von 1)
bei Block 216, um zu erzwingen, dass ein Strom in die Batterie
fließt (z. B. den Batteriestapel 120 von 1).
Zum Beispiel kann der Controller bewirken, dass das Batterieladegerät
seine Leistungsausgabe erhöht, um die Spannung an den Batterieanschlüssen
(z. B. den Anschlüssen 128 von 1)
zu dem TDV-Einstellpunkt hin erhöht. Gemäß einer
Ausführungsform liefert der Controller ein Ladegerätsteuerungssignal
(z. B. das Ladegerätsteuerungssignal 136 von 1)
an das Batterieladegerät und das Batterieladegerät
modifiziert seine Arbeitsweise, um zu versuchen, die befohlene Leistungsausgabe
an seinen Ausgangsanschlüssen (z. B. den Anschlüssen 126 von 1)
zu erzeugen. Das Verfahren läuft dann wie in 2 gezeigt
erneut durch, während der Aufladeprozess fortgesetzt wird.
-
Während
des Aufladeprozesses (z. B. während der Zeit, in der das
Batterieladegerät einen Stromfluss in die Batterie hinein
erzwingt) steigt die Ausgangsspannung der Batterie langsam an. Wenn
ermittelt wird (z. B. bei Block 214), dass die Batteriespannung
den TDV-Einstellpunkt erreicht hat, wird die Leistungsausgabe des
Batterieladegeräts so gesteuert, dass es keinen Strom mehr
an die Batterie liefert. Folglich wird der Aufladeprozess effektiv
ausgesetzt, sobald die Batteriespannung den TDV-Einstellpunkt erreicht
hat, obwohl der Aufladeprozess möglicherweise noch nicht
vollständig abgeschlossen ist. Dieses Aussetzen des Batterieaufladeprozesses
kann andauern, bis die Temperatur des Batteriestapels auf einen
Punkt gesunken ist, an dem ein anderer (z. B. höherer)
TDV-Einstell-Punkt ermittelt wird, wobei zu diesem Zeitpunkt die
Leistungsausgabe des Batterieladegeräts so gesteuert wird,
dass wieder ein Stromfluss in die Batterie hinein erzwungen wird
(z. B. bei einem nachfolgenden Durchlauf von Block 212).
-
Mit
anderen Worten kann der Batterieaufladeprozess fortfahren, bis eine
Schwellenwert-Batteriestapeltemperatur erreicht ist. Beim Erreichen
der Schwellenwert-Batteriestapeltemperatur kann der Batteriestapelaufladeprozess
möglicherweise ein oder mehrmals ausgesetzt werden, bevor
der Aufladeprozess abgeschlossen ist (z. B. bevor das Aufladungsbeendigungskriterium
erfüllt ist). Der Aufladeprozess darf nicht wieder aufgenommen
werden, bis die Batteriestapeltemperatur auf oder unter die Schwellenwertbatteriestapeltemperatur
(oder eine andere niedrigere Schwellenwerttemperatur) gesunken ist.
Folglich können während des gesamten Batterieaufladeprozesses
niedrigere Batteriestapeltemperaturen beibehalten werden, als sie unter
Verwendung herkömmlicher Aufladeverfahren und Vorrichtungen
beibehalten werden können. Implementierungen der verschiedenen
Ausführungsformen können zu einer längeren
Lebensdauer eines Batteriestapels im Vergleich mit Lebensdauern
von Batteriestapeln führen, die unter Verwendung herkömmlicher
Wiederaufladeverfahren und Vorrichtungen wiederaufgeladen werden.
-
Somit
wurden vorstehend verschiedene Ausführungsformen von Verfahren
und Vorrichtungen zum Aufladen einer Batterie beschrieben. Obwohl
verschiedene Ausführungsformen von Systemen und Verfahren in
der vorstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurden, ist festzustellen,
dass eine große Anzahl weiterer Variationen existiert.
Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele
sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder
die Ausgestaltung des erfinderischen Gegenstands in irgendeiner
Weise einzuschränken. Stattdessen wird die vorstehende
genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zur Implementierung
der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften
Ausführungsformen bereitstellen. Es versteht sich, dass
in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen
durchgeführt werden können, ohne den Umfang des
erfinderischen Gegenstands zu verlassen, wie er in den beigefügten
Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten
offen gelegt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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