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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeugbatteriestapel
und insbesondere Fahrzeugbatteriestapel mit einer Anzahl einzelner
Batteriezellen, wie sie bei verschiedenen Typen von Elektrofahrzeugen
anzutreffen sind.
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HINTERGRUND
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Fahrzeugbatteriestapel
können
verwendet werden, um gewisse Fahrzeuge vollständig oder teilweise mit Leistung
zu versorgen, wie etwa Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV),
hybride Elektrofahrzeuge (HEV), Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV), usw. Der Fahrzeugbatteriestapel
kann aus einer Anzahl einzelner Zellen bestehen, wobei die Anzahl
beispielsweise von einigen zehn bis einigen hundert Zellen reichen
kann. Bei Fahrzeugbatteriestapeln mit einer großen Anzahl von Zellen kann
es Unterschiede von einer Zelle zur nächsten geben. Diese Unterschiede
können
den Ladezustand (SOC), die Spannung, den Strom und/oder andere Eigenschaften
der Zelle betreffen und können
von einer großen
Menge verschiedener Faktoren verursacht sein.
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Zum
Beispiel können
Unterschiede beim SOC zu einem Überladen
und/oder einem ungenügenden
Laden von einigen Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel führen. Es
wird der Fall betrachtet, bei dem ein Batteriestapel eine Zelle
enthält,
die einen um 20% höheren
SOC-Wert als die durchschnittliche Zelle im Batteriestapel aufweist.
Wenn alle Batteriezellen dem gleichen Ladezyklus ausgesetzt sind
und alle gemäß dem durchschnittlichen SOC-Wert
aufgeladen werden, dann wird die Ausreißerzelle mit der 20% höheren Ladung
wahrscheinlich überladen
werden. Bei einigen Batterietypen, wie etwa Lithium-Ionen-Batterien
kann es einen bevorzugten Aufladebereich geben (z. B. 30–70% SOC), bei
denen ein Überladen
die Zellen beschädigen
und sich wiederum auf die Gesamtleistung des Fahrzeugbatteriestapels
auswirken kann. Eine ähnliche
Situation kann bei ungenügend
aufgeladenen Zellen und einem Entladezyklus auftreten. Das Austauschen
einer beschädigten
oder ausgefallenen Zelle kann kostspielig sein und kann möglicherweise
das Problem nicht lösen,
da sich die Eigenschaften der neuen Zelle von denjenigen der verwendeten
oder gealterten Zellen unterscheiden können; folglich kann das Problem
mit der Überladung
und/oder ungenügenden
Aufladung immer noch weiter bestehen. Ein Austauschen des gesamten
Fahrzeugbatteriestapels ist wahrscheinlich kostspielig und unerwünscht.
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Ein
Ansatz zum Ansprechen von Unterschieden zwischen den Batteriezellen
verwendet einen Prozess, der ”Zellenausgleich” oder ”Zellenangleichung” genannt
wird, wobei der Prozess versucht, das Ladeniveau an den verschiedenen
Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel auszugleichen oder anzugleichen.
Zu diesem Zweck muss der Zellenausgleichsprozess die Eigenschaften
jeder Batteriezelle genau bewerten; ein Prozess, der durch Phänomene,
wie etwa den Doppelschichteffekt, den Ohmschen Widerstand, die Diffusion
und die Hysterese erschwert werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird ein Verfahren zur Verwendung mit einem Fahrzeugbatteriestapel,
der eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, bereitgestellt. Das
Verfahren bestimmt einen Ladezustand für den Fahrzeugbatteriestapel
(SOCPack); es bestimmt mindestens eine Anschlussspannung (VPack) und/oder (VCell);
und es verwendet den Ladezustand (SOCPack)
und die mindestens eine Anschlussspannung (VPack)
und/oder (VCell), um einen durchschnittlichen
vorübergehenden
Spannungseffekt für
die Vielzahl von Batteriezellen zu bestimmen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
wird ein Verfahren zur Verwendung mit einem Fahrzeugbatteriestapel,
der eine Vielzahl von Batteriezellen aufweist, bereitgestellt. Das
Verfahren bestimmt einen ersten Fahrzeugbatterieparameter, wenn
das Fahrzeug ”eingeschaltet” ist; es
bestimmt einen zweiten Fahrzeugbatterieparameter, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet
ist; es verwendet den ersten und zweiten Fahrzeugbatterieparameter,
um ein virtuelles Zellenmodell zu entwickeln; und es verwendet das
virtuelle Zellenmodell, um einen Ladezustand (SOCCell) für jede der
Vielzahl von Batteriezellen zu schätzen.
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KURZBESCHREBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte
beispielhafte Ausführungsformen
werden hier nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und
in denen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm eines beispielhaften Batterieladesystems
ist, das beispielsweise mit einem Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeug
(PHEV) verwendet werden kann;
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2 eine
graphische Darstellung für
eine beispielhafte Lithium-Ionen-Batteriezelle ist, die eine Beziehung
zwischen dem Ladezustand (SOC) und einer Leerlaufspannung (OCV)
zeigt; und
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3 ein
Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens ist, das mit dem beispielhaften
System in 1 und/oder der beispielhaften
Lithium-Ionen-Batteriezelle in 2 verwendet
werden kann.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
Bezug auf 1 ist eine allgemeine schematische
Ansicht eines beispielhaften Batterieladesystems 10 zur
Verwendung mit einem Fahrzeugbatteriestapel gezeigt, der eine Anzahl
einzelner Batteriezellen aufweist. Gemäß einer. Ausführungsform
bewertet das nachstehend beschriebene Verfahren einzelne Batteriezellen
in einem Fahrzeugbatteriestapel, um genaue Schätzwerte hinsichtlich ihrer Ladung,
Spannung und/oder anderer Eigenschaften zu erhalten, sodass ein
Zellenausgleichsprozess ausgeführt
werden kann. Diese Zellenbewertungen oder Schätzwerte können ziemlich bald, nachdem das
Fahrzeug ausgeschaltet wurde, und auf eine Weise durchgeführt werden,
die eine minimale Menge fahrzeugeigener Ressourcen verwendet. Obwohl die
folgende Beschreibung im Kontext eines Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeugs
(PHEV) bereitgestellt ist, ist festzustellen, dass dies nur eine
Möglichkeit
ist und dass das beispielhafte Verfahren mit einem beliebigen Fahrzeugtyp
verwendet werden kann, der einen Batteriestapel mit einer Anzahl
einzelner Batteriezellen aufweist. Dies umfasst zum Beispiel auch hybride
Elektrofahrzeuge ohne Steckdose und Batterieelektrofahrzeuge (BEV).
Gemäß dieser
speziellen Ausführungsform
enthält
das Batterieladesystem 10 ein Batterieladegerät 14,
eine Fahrzeugbatterieeinheit 16 und ein Ladesteuerungsmodul 18.
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Das
Batterieladegerät 14 ist
mit der Fahrzeugbatterieeinheit 16 elektrisch gekoppelt
und lädt den
Fahrzeugbatteriestapel in Übereinstimmung
mit Ladesteuerungssignalen auf, die von dem Batterieladesteuerungsmodul 18 bereitgestellt
werden. Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
ist das Batterieladegerät 14 ein
programmierbares Ladegerät,
das im Fahrzeug montiert ist, und enthält einen Transformator 32,
einen Gleichrichter 34, ein Schaltnetzteil 36,
ein Filternetzwerk 38, eine Kühlungseinheit 40,
einen oder mehrere Sensoren 42, eine Steuerungseinheit 44 und/oder
beliebige weitere geeignete Komponenten, die in der Technik bekannt
sind.
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In
Abhängigkeit
von der speziellen Anordnung transformiert der Transformator 32 die
Eingangsspannung von einer (nicht gezeigten) externen Leistungsquelle
auf eine andere und in einigen Fällen programmierbare
Ausgangsspannung hoch und/oder nieder. Der Gleichrichter 34 führt eine
Gleichrichtung des AC-Signals in ein DC-Signal durch und enthält eine
Halbwellen-, Vollwellen- oder eine andere Art einer bekannten Gleichrichtungsanordnung.
Das Schaltnetzteil 36 empfängt das gleichgerichtete Signal
und schaltet bei einer Ausführungsform
einen Leistungstransistor oder einen anderen Schalter auf schnelle
Weise in Übereinstimmung
mit einem variablen Tastverhältnis,
dessen Mittelwert der gewünschten
Ausgangsspannung entspricht, zwischen Sättigung (”eingeschaltet”) und Sperren
(”ausgeschaltet”) um. Auf
diese Weise ist das Schaltnetzteil 36 in der Lage, den
Betrag an Strom und damit Leistung zu steuern, der von dem Batterieladegerät 14 an die
Fahrzeugbatterieeinheit 16 geliefert wird. Das Filternetzwerk 38,
das optional ist, kann eine beliebige Kombination elektrischer Komponenten
enthalten, die verwendet werden können, um das Ausgangssignal
zu filtern, zu verarbeiten und/oder aufzubereiten, bevor es an die
Batterieeinheit 16 geliefert wird. Die Kühlungseinheit 40,
die auch eine optionale Komponente ist, kann eine beliebige Kombination
aus Lüftern,
Wassermänteln,
Kühlkörpern und/oder
beliebigen anderen geeigneten Kühlungsmitteln
verwenden, um die Temperatur des Batterieladegeräts 14 während eines
Ladezyklus zu verringern. Obwohl es hier nicht gezeigt ist, kann
das Batterieladegerät 14 mehrere
Leistungsausgänge
aufweisen, die einen Hochspannungsausgang, der mit der Fahrzeugbatterieeinheit 16 verbunden
ist (Verbindung 50) und einen (nicht gezeigten) Ausgang
mit niedrigerer Spannung umfassen, der beispielsweise mit einer
12 Volt-Batterie oder mit einigen Fahrzeugzubehöreinrichtungen mit Niederspannung
verbunden ist.
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Die
Batterieladegerätsensoren 42 können eine
beliebige Kombination von Hardware- und/oder Softwarekomponenten
enthalten, die zum Überwachen
von Batterieladegerätbedingungen
in der Lage sind, wie etwa einer Ladegerättemperatur, einer Ladegeräteingangsspannung
(typischerweise ein AC-Signal), einer Ladegerätausgangsspannung (typischerweise
ein DC-Signal),
eines Ladestroms usw. 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. 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 das Batterieladesteuerungsmodul 18.
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Die
Steuerungseinheit 44 kann eine beliebige Ausprägung elektronischer
Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (I/O-Einrichtungen)
und/oder anderer bekannter Komponenten enthalten und kann vielfältige steuerungs-
und/oder kommunikationsbezogene Funktionen ausführen. Zum Beispiel kann die Steuerungseinheit 44 Sensorsignale
von den verschiedenen Batterieladegerätsensoren 42 empfangen,
die Sensorsignale in eine geeignete Sensorbotschaft verpacken, 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 Batterieladesteuerungsmodul 18 senden.
In einer anderen Funktion kann die Steuerungseinheit 44 Ladesteuerungssignale
oder andere Anweisungen vom Batterieladesteuerungsmodul 18 oder
einer anderen Einrichtung empfangen, die Anweisungen interpretieren
und die Anweisungen ausführen,
indem es Einrichtungen im Batterieladegerät 14 entsprechend
steuert. Wenn das Batterieladesteuerungsmodul 18 beispielsweise
ein Ladesteuerungssignal an das Batterieladegerät 14 sendet, dann
kann die Steuerungseinheit 44 das Ladesteuerungssignal
verwenden, um das pulsbreitenmodulierte (PWM) Tastverhältnis des.
Schaltnetzteils 36 zu manipulieren. Dies bewirkt wiederum,
dass das Schaltnetzteil 36 den Strombetrag und letztlich
den Leistungsbetrag verändert,
der von dem Batterieladegerät 14 an
die Fahrzeugbatterieeinheit 16 geliefert wird. Dies sind selbstverständlich nur
einige der möglichen
Anordnungen und Funktionen der Steuerungseinheit 44 und
selbstverständlich
sind auch andere möglich.
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Die
Fahrzeugbatterieeinheit 16 versorgt das Fahrzeug mit elektrischer
Leistung zum Antrieb und kann in Abhängigkeit von der speziellen
Ausführungsform
die primäre
Fahrzeugleistungsquelle sein oder kann in Verbindung mit einer anderen
Leistungsquelle zu Leistungsergänzungszwecken
verwendet werden, um zwei Beispiele anzuführen. Viele verschiedene Batterietypen
und Anordnungen können
verwendet werden, welche die beispielhafte, schematisch hier gezeigte
enthalten, die einen Fahrzeugbatteriestapel 60, einen oder
mehrere Batteriesensoren 62 und eine Steuerungseinheit 64 enthält.
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Der
Fahrzeugbatteriestapel 60 enthält eine Ansammlung einzelner
Batteriezellen 70, die in einer beliebigen Anzahl verschiedener
Konfigurationen angeordnet oder verbunden sein können, um eine gewünschte Spannung,
einen gewünschten
Strom, eine gewünschte
Kapazität,
eine gewünschte
Leistungsdichte und/oder andere Leistungseigenschaften aufzuweisen.
Diese Konfigurationen umfassen beispielsweise, dass die verschiedenen
Batteriezellen 70 in Reihe, parallel oder sowohl in Reihe
als auch parallel verbunden sind, wie Fachleuten bekannt ist. Es
ist allgemein wünschenswert,
hohe Leistungs- und Energiedichten bereitzustellen, was zur Entwicklung
und Verwendung vieler Batterietypen geführt hat, welche chemische,
nicht chemische und andere umfassen. Einige Beispiele geeigneter
Batterietypen, die im Fahrzeugbatteriestapel 60 verwendet werden
können,
umfassen alle Typen von Lithium-Ionen (z. B. Lithium-Eisenphosphat,
Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt, Lithiumeisensulfid und Lithiumpolymer,
usw.), Bleisäure,
moderne Bleisäure,
Nickelmetallhydrid (NiMH), Nickelcadmium (NiCd), Zinkbrom, Natriumnickelchlorid
(NaNiCl), Zink-Luft, Vanadium-Redox und andere. Gemäß einer
Ausführungsform
enthält
die Fahrzeugbatterieeinheit 16 eine große Anzahl von Lithium-Ionen-Zellen
(z. B. 25–200
Zellen), von denen jede zwischen 2 und 5 Volt aufweist, wenn sie
geladen ist, und in einer Reihen- und/oder parallelen Konfiguration
mit ihren benachbarten Zellen verbunden ist. Fachleute werden feststellen,
dass das hier beschriebene Verfahren nicht auf irgendeinen speziellen
Batterietyp oder irgendeine spezielle Batterieanordnung begrenzt
ist, da eine Anzahl verschiedener Batterietypen verwendet werden
kann.
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Unterschiedliche
Batterietypen weisen typischerweise verschiedene funktionale und
andere Eigenschaften auf. Zum Beispiel können verschiedene Batterietypen
gemäß ihrem
Effekt bei Überladung,
ihrem Effekt bei ungenügender
Ladung, ihrem Temperatureffekt, ihrem Memoryeffekt oder ihrer Selbstentladerate,
ihrem Innenwiderstand usw. variieren. Zum Beispiel können Bleisäure- und
NiMH-Batteriezellen einem gewissen Maß an Überladung oder ungenügender Ladung
oftmals standhalten, ohne eine permanente Beschädigung zu erhalten, während Lithium-Ionen-Batterien
für derartige
Dinge anfälliger sind.
Außerdem
kann es Zellenleistungsunterschiede in einem Batteriestapel mit
vielen Zellen geben, obwohl der Batteriestapel aus gleichartigen
Zellen aufgebaut ist, die gleichzeitig hergestellt wurden, usw. Eine
Erklärung
für derartige
Unterschiede ist die Wärme,
der eine spezielle Batteriezelle ausgesetzt ist; Wärmeeinwirkung
kann die Leistung einer Batteriezelle beeinflussen. Wenn der Fahrzeugbatteriestapel 60 geladen
oder entladen wird, ist es aus diesen und anderen Gründen möglich, dass
sich einige der Batteriezellen 70 mit schnelleren Raten
laden oder entladen als andere und dadurch einen abweichenden Betrag
an Ladung erwerben. Dieses Phänomen
kann durch einige Batteriezustandsschätzeinrichtungen (BSE) verschärft werden,
die nur die Stapelspannung und den Stapelstrom verwenden, um Entscheidungen
hinsichtlich eines Ladens oder Entladens des Batteriestapels zu
treffen, statt dass sie den Batteriestapel auf der Basis von Zelle
zu Zelle bewerten. Daraus ergibt sich der Bedarf für Zellenausgleichs-
oder -angleichstechniken, die darauf abzielen, die verschiedenen
Batteriezellen in einen einheitlicheren oder ausgeglicheneren Zustand
zu bringen. Dies kann die Lebensdauer und Speicherkapazität der Batterie
verbessern, die Kraftstoffsparsamkeit des Fahrzeugs erhöhen sowie
Batteriegarantieprobleme potentiell verringern.
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Batteriesensoren 62 können eine
beliebige Kombination von Hardware- und/oder Softwarekomponenten enthalten,
die zum Überwachen
von Batteriebedingungen wie etwa einer Temperatur, einer Spannung,
eines Stroms, eines Ladezustands (SOC), eines Gesundheitszustands
(SOH), usw. in der Lage sind. Diese Sensoren können in die Fahrzeugbatterieeinheit 16 eingebaut
sein (z. B. eine intelligente oder Smartbatterie), sie können externe Sensoren
sein, die außerhalb
der Fahrzeugbatterieeinheit angeordnet sind, oder sie können gemäß einer
anderen bekannten Anordnung bereitgestellt sein. Die Batteriesensoren 62 können die
Temperatur, die Spannung, den Strom, den Ladezustand (SOC), den
Gesundheitszustand (SOH), usw. für
einzelne Zellen, für
eine Ansammlung oder einen Block von Zellen in der Fahrzeugbatterieeinheit 60 (d.
h. eine Untermenge der gesamten Ansammlung von Zellen), für den gesamten
Fahrzeugbatteriestapel oder gemäß einem
anderen in der Technik bekannten Verfahren überwachen oder anderweitig
bestimmen. Das Messen von Batterieparametern auf der Basis einzelner
Zellen (z. B. VCell, TCell)
kann vorteilhaft sein, beispielsweise wenn die mittleren Zellen
anderen Temperaturen als die Rand- oder Grenzzellen des Batteriestapels 60 ausgesetzt
sind. Die Batteriesensoren 62 können einen beliebigen Typ einer
geeigneten Technik oder eines geeigneten Verfahrens zum Messen,
Schätzen,
Bewerten, usw., der in der Technik bekannt ist, verwenden.
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Die
Steuerungseinheit 64 kann eine beliebige Ausprägung elektronischer
Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (I/O-Einrichtungen)
und anderer bekannter Komponenten enthalten und kann verschiedene
steuerungs- und/oder kommunikationsbezogene Funktionen ausführen. Zum
Beispiel kann die Steuerungseinheit 64 Sensorsignale von
den verschiedenen Batteriesensoren 62 empfangen, die Sensorsignale
in eine geeignete Sensorbotschaft verpacken und die Sensorbotschaft
an das Batterieladesteuerungsmodul 18 über eine Verbindung 54 senden,
wie etwa einen CAN-Bus, einen Systemmanagementbus (SMBus), eine
proprietäre
Kommunikationskopplung oder ein anderes Kommunikationsmittel, das
Fachleuten bekannt ist. Es ist möglich, dass
die Steuerungseinheit 64 Batteriesensorlesewerte sammelt
und sie in einem lokalen Speicher speichert, sodass zu einem späteren Zeitpunkt
eine umfassende Sensorbotschaft an das Batterieladegerätsteuerungsmodul 18 geliefert
werden kann, oder die Sensorlesewerte können an das Modul 18 oder an
ein anderes Ziel weitergeleitet werden, sobald sie bei der Steuerungseinheit 64 eintreffen,
um ein paar Möglichkeiten
anzuführen.
Bei einer anderen Funktion kann die Steuerungseinheit 64 sachbezogene Batterieparameter
und Hintergrundinformationen hinsichtlich der Chemie der Batteriezellen,
der Zellenkapazität,
oberer und unterer Batteriespannungsgrenzen, Batteriestromgrenzen,
Batterietemperaturgrenzen, von Temperaturprofilen, der Batterieimpedanz, der
Anzahl oder des Verlaufs von Lade/Entlade-Ereignissen, von Nachschlagetabellen
von SOC über OCV,
usw. speichern.
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Das
Batterieladesteuerungsmodul 18 überwacht eine oder mehrere
Bedingungen, die das Batterieladegerät 14 und/oder die
Batterieeinheit 16 betreffen, und verwendet die erfassten
Bedingungen, um einen Lade- und/oder
Entladeprozess auf optimale Weise zu steuern. In Abhängigkeit
von der speziellen Ausführungsform
kann das Batterieladesteuerungsmodul 18 ein eigenständiges elektronisches Fahrzeugmodul
sein, es kann in ein anderes elektronisches Fahrzeugmodul eingebaut
oder darin umfasst sein (etwa ein Antriebsstrangsteuerungsmodul oder
ein Hybridsteuerungsmodul), oder es kann Teil eines größeren Netzwerks
oder Systems sein (wie etwa eines Batterieverwaltungssystems (BMS),
eines Fahrzeugenergieverwaltungssystems, usw.), um ein paar Möglichkeiten
zu nennen. Das Batterieladesteuerungsmodul 18 kann auch
Teil eines Systems sein oder mit einem System interagieren, das
einen gewünschten
hybriden Betriebsmodus bestimmt (z. B. Beschleunigen, Bremsen, Leerlauf,
Anhalten usw.) und kann elektrische Leistungsverwaltungsaktionen
entsprechend implementieren. Das Batterieladesteuerungsmodul 18 kann
eine Anzahl verschiedener Funktionen ausführen. Diese können beispielsweise
umfassen, dass Sensorlesewerte und andere Informationen vom Batterieladegerät 14 und/oder
der Fahrzeugbatterieeinheit 16 empfangen werden, dass die
verschiedenen Schritte des nachstehend beschriebenen beispielhaften
Verfahrens ausgeführt werden,
und dass Steuerungssignale an das Batterieladegerät und/oder
die Fahrzeugbatterieeinheit geliefert werden, um Zellenausgleichsfunktionen
auszuführen,
wie nachstehend beschrieben ist.
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Das
Batterieladesteuerungsmodul 18 kann eine beliebige Ausprägung elektronischer
Verarbeitungseinrichtungen, Speichereinrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen
(I/O-Einrichtungen) und anderer bekannter Komponenten enthalten
und kann verschiedene steuerungs- und/oder kommunikationsbezogene
Funktionen ausführen.
Das Batterieladesteuerungsmodul kann über ein geeignetes Fahrzeugkommunikationsnetzwerk
mit anderen Fahrzeugeinrichtungen und Modulen elektronisch verbunden sein
und kann bei Bedarf mit diesen interagieren. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
enthält
das Batterieladesteuerungsmodul 18 eine elektronische Verarbeitungseinrichtung,
die Anweisungen für
Software, Firmware, Programme, Algorithmen, Skripten usw. ausführt, die
in Speichereinrichtungen des Moduls 18 gespeichert sind
und den Batterieladeprozess und die hier beschriebenen Verfahren
lenken. Das Batterieladesteuerungsmodul 18 kann zum Beispiel
auch Nachschlagetabellen (z. B. Nachschlagetabellen von Ladezustand
(SOC) über
Leerlaufspannung (OCV) usw.), verschiedene Sensorlesewerte vom Batterieladegerät 14 und/oder
der Fahrzeugbatterieeinheit 16 und vorbestimmte Werte,
die von einem oder mehreren Algorithmen verwendet werden (z. B.
obere und untere Ladeschwellenwerte usw.) speichern oder mitführen. Im
Fall von Nachschlagetabellen, die den Ladezustand (SOC) mit der
Leerlaufspannung (OCV) korrelieren, können verschiedene Nachschlagetabellen
für verschiedene
Temperaturen oder Temperaturbereiche bereitgestellt sein. Selbstverständlich sind
dies nur einige der möglichen Funktionen
und Fähigkeiten
des Batterieladesteuerungsmoduls 18, da auch andere Ausführungsformen
verwendet werden können.
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Während einer
beispielhaften Zellenausgleichsoperation gleicht das Batterieladesteuerungsmodul 18 die
verschiedenen Batteriezellen 70 im Fahrzeugbatteriestapel 60 derart
aus, dass sie alle einen relativ einheitlichen Ladezustand (SOC)
aufweisen. Dies kann ausgeführt
werden, bevor der tatsächliche
Ladeprozess beginnt, während
des Ladeprozesses oder zu irgendeinem anderen Zeitpunkt. Bei einer
Ausführungsform
empfängt
das Batterieladesteuerungsmodul 18 Sensorlesewerte vom
Batterieladegerät 14 und/oder
der Fahrzeugbatterieeinheit 16, verwendet diese Informationen
zum Schätzen des
SOC jeder Zelle und zum Identifizieren überladener Batteriezellen und
sendet dann ein Zellenausgleichssteuerungssignal an das Batterieladegerät 14 und/oder
die Fahrzeugbatterieeinheit 16. Das Zellenausgleichssteuerungssignal
kann den SOC von ungenügend
geladenen Zellen erhöhen
und/oder den SOC von überladenen
Zellen verringern. Es ist festzustellen, dass der Begriff ”überladen” eine Batteriezelle
bezeichnen kann, die einen SOC von mehr als 100% aufweist (unabhängig von
der durchschnittlichen Zellenladung in der Batterie) oder eine Zelle
bezeichnen kann, die eine größere Ladung
als die durchschnittliche Zellenladung in der Batterie aufweist
(unabhängig
von ihrem absoluten oder tatsächlichen
SOC-Wert), um ein paar Möglichkeiten
anzuführen.
Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
verringert das Zellenausgleichssteuerungssignal die Ladung an überladenen
Zellen, indem einfach ein Widerstand verwendet wird, um überschüssige Energie
in der Form von Wärme
abzuleiten; der Widerstand kann Teil einer Schalterschaltung sein,
die zu Selbstentladungszwecken mit jeder Zelle gekoppelt ist. Es
können
auch andere Techniken verwendet werden, die umfassen, dass Energie
von den überladenen
Zellen an andere weniger geladene Zellen umgeleitet wird. Dies kann
im Batterieladegerät 14,
in der Fahrzeugbatterieeinheit 16, im Batterieladesteuerungsmodul 18 oder
einer anderen Einrichtung für eine
Zeitspanne stattfinden, die durch das Zellenausgleichssteuerungssignal
festgelegt wird. Es können auch
Verfahren und Techniken zum Ausgleichen oder Angleichen der Batterieladung
verwendet werden.
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Während eines
beispielhaften Ladeprozesses liefert eine externe Leistungsquelle
(nicht gezeigt) ein AC-Hochspannungssignal (z. B. 110 Volt, 220
Volt, usw.) an das Batterieladegerät 14. Der Gleichrichter 34,
der einen Vollwellengleichrichter oder eine Brücke enthalten 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 bereitzustellen.
Das DC-Hochspannungssignal wird gefiltert und über das Schaltnetzteil 36,
welches eine Pulsbreitenmodulation (PWM) oder eine andere Technik
verwenden kann, um die an die Batterieeinheit gelieferte Leistung
zu variieren, mit der Batterieeinheit 16 verbunden. Beispielsweise
wird angenommen, dass ein AC-Eingang mit 110 Volt gleichgerichtet
und auf eine relativ konstante DC-Ausgabe mit 500 Volt hochtransformiert
wird. Das Batterieladesteuerungsmodul 18 kann die Ausgangsleistung
steuern, die von dem Batterieladegerät 14 an die Batterieeinheit 16 geliefert
wird, indem es ein Ladesteuerungssignal bereitstellt, um den Strombetrag
zu manipulieren, der bei dieser erhöhten und konstanten Spannung
bereitgestellt wird. Ein Weg zum Manipulieren oder Steuern des Stroms
ist das Einstellen des Tastverhältnisses eines
PWM-Signals, das an das Schaltnetzteil 36 gesandt wird,
obwohl sicher auch andere Techniken verwendet werden können. Es
ist festzustellen, dass das Batterieladesystem 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 einen anderen Aspekt der Ausgangsleistung, die
vom Batterieladegerät 14 geliefert
wird, zu steuern.
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Fachleute
werden feststellen, dass von den Batteriesensoren 62 gemessene
Spannungen gewisse transiente Spannungseffekte enthalten können, welche
eine Folge der transienten Natur der Elektrochemie der Batterie
sind. Bei der Verwendung hierin bezeichnet der Ausdruck ”transienter
Spannungseffekt” in
weitem und allgemeinem Sinn alle Typen von transienten Spannungen
im Fahrzeugbatteriestapel 60; diese können beispielsweise Spannungen
in Verbindung mit der Batteriediffusion, der Hysterese, dem Doppelschichteffekt,
dem Ohmschen Widerstand in der Batterie usw. enthalten. Einige transiente
Spannungen sind mit Verzögerungen
bei der chemischen Reaktion verbunden, die mit einem entsprechenden elektrischen
Auslöseimpuls
oder einer entsprechenden Anforderung nicht Schritt halten können. Bei
den meisten Lithium-Ionen-Batterien ist die Batteriediffusion ein
nicht vernachlässigbarer
Faktor und ein dynamischer Langzeitprozess, der weiterhin auftritt, nachdem
das Fahrzeug ausgeschaltet wurde. Einige Zellenausgleichssysteme
berücksichtigen
die Batteriediffusion dadurch, dass sie ihre Effekte einfach ignorieren
oder mehrere Stunden lang warten, bevor Anschlussspannungsmessungen
vorgenommen werden, wobei zu diesem Zeitpunkt der größte Teil der
Diffusionsspannung abgeklungen ist. Jedoch ist ein Warten für mehrere
Stunden vor dem Zellenausgleichen – und damit Laden – nicht
immer eine praktische Lösung.
Eine Hysteresespannung, die zum Abklingen sogar noch länger als
die Diffusionsspannung brauchen kann – manchmal Tage – existiert
bei einer Anzahl von Batterietypen, die Lithium-Ionen-Batterien
umfassen. Wie die Diffusionsspannung kann die Hysteresespannung
ein nicht vernachlässigbarer
Faktor sein, wenn Anschlussspannungsmessungen vorgenommen werden.
Andererseits wurde bei einigen Lithium-Ionen-Batterien beobachtet, dass die Doppelschichtspannung
in einer relativ kurzen Zeitspanne (z. B. 30 Sekunden) abklingt, nachdem
das Fahrzeug ausgeschaltet wurde. Daher wartet das nachstehend beschriebene
beispielhafte Verfahren eine relativ kurze Ausschaltzeitspanne lang
(z. B. 10 Sekunden–15
Minuten), bevor verschiedene Messwerte und Lesewerte aufgenommen werden,
die bei den Zellenbewertungs- und Ausgleichsprozessen verwendet
werden. Auf diese Weise wird angenommen, dass Spannungen, die mit dem
Doppelschichteffekt und dem Ohmschen Widerstandswert verbunden sind,
vernachlässigbar
sind und ignoriert werden, während
der Rest der transienten Spannungen (z. B. Diffusions- und Hysteresespannungen)
als nicht vernachlässigbar
und für
jede Batteriezelle 70 gleich angenommen werden.
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Mit
Bezug nun auf 2 ist eine graphische Darstellung 200 für eine beispielhafte
Lithium-Ionen-Batteriezelle gezeigt, die eine Beziehung zwischen
dem Ladezustand (SOC) und der Leerlaufspannung (OCV) zeigt. Fachleute
werden feststellen, dass sich in der graphischen Darstellung 200 die OCV
(Y-Achse) bei einer Veränderung
des SOC (X-Achse) nicht stark verändert; d. h. die graphische Darstellung 200 weist
eine relativ flache Zuordnungskurve auf. Somit können kleine Änderungen
bei der OCV zu wesentlichen Änderungen
beim SOC führen. Die
Zuordnungskurven für
andere Batterietypen, wie etwa NiCd-Batterien, können wesentlich steiler oder anders
als die graphische Darstellung 200 sein. Es werden Punkte 208 und 210 betrachtet,
die (50% SOC, 3,306 V OCV) bzw. (60% SOC, 3,316 V OCV) entsprechen.
Gemäß der graphischen
Darstellung 200 führt
eine Änderung
von der gerade einmal 10–20
mV bei der OCV zu einer Schwankung von 10% beim SOC; größere Veränderungen
bei der OCV führen
zu noch größeren SOC-Variationen.
Daher können
Verfahren, die transiente Spannungseffekte nicht effektiv berücksichtigen,
einschließlich
relativ kleiner Effekte aufgrund von Diffusions- und Hysteresespannungen,
zu ungenauen OCV-Lesewerten und wesentlichen Fehlern bei der entsprechenden
SOC-Schätzung
führen.
Wenn diese ungenauen SOC-Schätzwerte
beim Zellenausgleichsprozess verwendet werden, dann können einige
Batteriezellen überladen
und/oder ungenügend
geladen werden, wie vorstehend erläutert wurde. Das nachstehend
beschriebene beispielhafte Verfahren verwendet einige Techniken,
um einen durchschnittlichen transienten Spannungseffekt für die Vielzahl von
Batteriezellen 70 zu schätzen oder anderweitig zu bestimmen,
was ihm wiederum ermöglicht,
den SOC auf einer Basis von Zelle zu Zelle genauer zu bestimmen.
Darüber
hinaus ist das beispielhafte Verfahren in der Lage, dies ohne Verwendung
wesentlicher Rechen- und/oder Speicherressourcen durchzuführen, sodass
es für
eine große
Anzahl von Batteriezellen mit Ressourcen ausgeführt werden kann, die sich ausschließlich im
Fahrzeug befinden.
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Mit
Bezug auf 3 ist ein beispielhaftes Verfahren 300 zur
Verwendung mit einem Fahrzeugbatteriestapel gezeigt, der eine Anzahl
einzelner Batteriezellen aufweist. Das Verfahren 300 kann
mit einem beliebigen Fahrzeug verwendet werden, das eine Batterie
enthält,
die eine Vielzahl einzelner Batteriezellen aufweist. Wie vorstehend
erläutert
wurde, können
einzelne Batteriezellen unterschiedliche Lade-, Entlade- und/oder
andere Eigenschaften aufweisen und dies kann verursachen, dass eine
Batteriezelle mehr Ladung als eine andere Batteriezelle aufnimmt.
Diese Ladungsungleichheit kann zu einem Ladungsungleichgewicht über den
Fahrzeugbatteriestapel führen
und kann schließlich
zu überladenen/ungenügend geladenen
Batteriezellen, möglicherweise
beschädigten
Batteriezellen oder dazu führen,
dass der Batteriestapel nicht vollständig im vollen SOC-Bereich arbeitet.
Folglich gleicht das beispielhafte Verfahren 300 die Ladung
an den verschiedenen Batteriezellen so aus, dass eine relativ einheitliche
Ladung über
den Fahrzeugbatteriestapel beibehalten wird. Obwohl die folgenden
beispielhaften Beschreibungen im Kontext eines PHEV mit einer Lithium-Ionen-Batterie
bereitgestellt sind, ist festzustellen, dass das vorliegende Verfahren
nicht auf diese spezifische Ausführungsform
begrenzt ist und mit anderen Anwendungen und anderen Batterietypen ebenfalls
verwendet werden kann.
-
Mit
Schritt 302 beginnend bestimmt das Verfahren, ob das Fahrzeug ”ausgeschaltet” ist. Im
Kontext dieses Schritts kann ”ausgeschaltet” viele
verschiedene Bedeutungen aufweisen, beinhaltet aber vorzugsweise,
dass die Batterie vom Fahrzeugsystem elektrisch isoliert ist (z.
B. durch die Verwendung elektrischer Schütze). Zum Beispiel kann Schritt 302 bestimmen,
ob ein ”Schlüssel-Aus”-Ereignis
aufgetreten ist, bei dem der Bediener einen Schlüssel oder eine andere Zündeinrichtung
gedreht oder anderweitig betätigt
hat, sodass der Verbrennungsmotor und/oder der Elektromotor des
Fahrzeugs ausgeschaltet werden. Bei einer derartigen Ausführungsform
kann das Batterieladesteuerungsmodul 18 ein Signal von
einem Zündungsmodul
oder einer bzw. einem anderen Komponente, Einrichtung, Modul usw. empfangen,
das anzeigt, dass eine Schlüssel-Aus-Situation aufgetreten
ist. Bei einer anderen Ausführungsform
kann Schritt 302 den Status der Batterieeinheit 16 bewerten,
um zu bestimmen, ob die Batterieeinheit Leistung an das Fahrzeug
liefert. Dies sind selbstverständlich
nur einige der möglichen Wege,
mit welchen Schritt 302 bestimmen kann, ob das Fahrzeug ”ausgeschaltet” ist, da
eine beliebige andere Technik, die auf dem Gebiet bekannt ist, ebenfalls
verwendet werden kann. Wenn das Fahrzeug nicht ”ausgeschaltet” ist, dann
springt das Verfahren zur fortgesetzten Überwachung zu Schritt 302 zurück; wenn das
Fahrzeug ”ausgeschaltet” ist, dann kann
das Verfahren mit Schritt 304 fortfahren.
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Gemäß einer
speziellen Ausführungsform führt das
Verfahren 300 einen oder mehrere der folgenden Schritte
aus, sobald das Fahrzeug eine relativ kurze Ausschalt-Zeitspanne
lang ”ausgeschaltet” war (z.
B. 30 Sekunden–15
Minuten). Ein einzigartiges Merkmal der Ausschalt-Zeitspanne besteht
darin, dass sie bei einigen Batterietypen wie etwa Lithium-Ionen-Batterien
lang genug ist, sodass Doppelschicht und Ohmsche Spannungen im Fahrzeugbatteriestapel
vernachlässigbar
werden (dies kann das virtuelle Batteriezellenmodell vereinfachen),
aber kurz genug ist, sodass das Verfahren nicht darauf warten muss,
dass Diffusions- und Hysteresespannungen vernachlässigbar
werden (wie erwähnt
wurde, können
Diffusions- und
Hysteresespannungen oft viele Stunden brauchen, um in ausreichender
Weise zu dissipieren). Indem das Verfahren 300 auf den
Ablauf der Ausschalt-Zeitspanne wartet, bevor Anschlussspannungsmesswerte
aufgenommen werden, ist es somit in der Lage, ein relativ einfaches
virtuelles Batteriezellenmodell zu entwickeln, wie nachstehend erläutert wird,
und kann dies relativ bald durchführen, nachdem das Fahrzeug
ausgeschaltet wurde. Ausschalt-Zeitspannen, die länger oder
kürzer
als die vorstehend bereitgestellte beispielhafte sind, können auch
verwendet werden.
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Als
Nächstes
bestimmt Schritt 304 einen Ladezustand für den Fahrzeugbatteriestapel 60 (SOCPack). Bei einer Ausführungsform liest oder holt
Schritt 304 den letzten SOC-Wert, der in einem fahrzeugeigenen
Speicher gespeichert wurde, bevor das Fahrzeug ausgeschaltet wurde.
Die genaue Bestimmung einer Leerlaufspannung (OCV) für den Batteriestapel 60 kann
schwierig sein, wenn das Fahrzeug betrieben wird (die OCV entspricht
allgemein einer Spannung unter Gleichgewichtsbedingungen, die bei
einer gewissen Temperatur gemessen wird, wenn keine Last an der Zelle
oder Batterie angelegt ist). Es ist jedoch möglich, einen SOC-Wert für den Batteriestapel 60 (SOCPack) relativ genau zu schätzen, während das Fahrzeug ”eingeschaltet” ist. Techniken
zum Schätzen
des SOC umfassen diejenigen, die auf Nachschlagetabellen, Rechenverfahren,
Modellbildung und/oder einem beliebigen anderen in der Technik bekannten
Verfahren beruhen. Daten zum Ausführen dieser Techniken können von
Quellen bereitgestellt sein, wie etwa dem Batteriestapelhersteller,
dem Fahrzeughersteller usw. Somit kann ein genauer SOC-Wert für den Batteriestapel 60 – z. B.
einer, der Fehler aufgrund transienter Effekte, wie etwa der Diffusionsspannung
(Vdiff) und der Hysteresespannung (Vhyst), allgemein berücksichtigt und entfernt hat – bestimmt
und im fahrzeugeigenen Speicher gespeichert werden, während das
Fahrzeug betrieben wird. Dies kann periodisch durchgeführt werden,
sodass der Ladezustandswert (SOCPack) kontinuierlich
aktualisiert wird. Obwohl eine ausführliche Beschreibung dessen,
wie ein Ladezustandswert (SOCPack) abzuleiten
ist, hier weggelassen wird, ist festzustellen, dass eine beliebige
Anzahl bekannter Techniken von Schritt 304 verwendet werden
kann. Zusätzlich
zu oder anstelle des Ladezustands (SOCPack)
können auch
andere zuvor gespeicherte Fahrzeugbatterieparameter von Schritt 304 geholt
oder anderweitig bestimmt werden.
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Schritt 306 bestimmt
eine Anschlussspannung für
den Fahrzeugbatteriestapel (VPack) und/oder die
Vielzahl von Batteriezellen (Vcell). Anders
ausgedrückt
kann Schritt 306 eine Anschlussspannung für den Gesamtbatteriestapel 60 (VPack) oder eine Anschlussspannung für jede der
Vielzahl einzelner Zellen (VCell) oder beide
bestimmen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden diese Parameter von
den Batteriesensoren 62 gemessen oder auf andere Weise
erfasst und diese Informationen werden an die Steuerungseinheit 64 und/oder
das Batterieladesteuerungsmodul 18 übermittelt. Zum Beispiel kann
Schritt 306 auf das Ablaufen der Ausschalt-Zeitspanne warten,
bevor Anschlussspannungsmesswerte aufgenommen werden, um sicherzustellen, dass
kein elektrischer Strom in die Batterieeinheit 16 fließt oder
diese verlässt
(wie vorstehend erwähnt wurde,
kann ein elektrischer Stromfluss zu Doppelschichtspannungen (Vdl) und Ohmschen Spannungen führen, die
die Genauigkeit des Anschlussspannungslesewerts beeinflussen). Sobald
die Ausschalt-Zeitspanne abgelaufen ist, kann Schritt 306 die
Anschlussspannung für
jede einzelne Zelle (VCell) und diejenige
des Gesamtbatteriestapels (VPack) messen – da elektrischer
Strom weder in die Batterieeinheit hinein noch aus dieser herausfließt, kann
angenommen werden, dass die Doppelschichtspannung und die ohmsche
Spannung Null sind. Es ist zu erkennen, dass die in diesem Schritt
aufgenommenen Spannungslesewerte immer noch Beiträge aufgrund einer
Diffusionsspannung (Vdiff) und einer Hysteresespannung
(Vhyst) enthalten können, da es Stunden oder sogar
Tage dauern kann, bis diese Spannungen nach dem Ausschalten des
Fahrzeugs vollständig dissipiert
sind. Im Gegensatz zu dem SOCPack-Wert, der
bei Schritt 304 gelesen wurde, welcher zu einem frühren Zeitpunkt
bestimmt wurde, als das Fahrzeug noch ”eingeschaltet” war, werden
die bei diesen Schritt gelesenen Anschlussspannungen vorzugsweise
bestimmt, nachdem das Fahrzeug ”ausgeschaltet” wurde
und nachdem die Ausschalt-Zeitspanne abgelaufen ist. Bei Schritt 306 können auch andere
Fahrzeugbatterieparameter zusätzlich
zu oder anstelle von (VCell) und (VPack) bestimmt werden; diese umfassen beispielsweise
einzelne Zellentemperaturen (TCell).
-
Die
Messwerte, Lesewerte, Parameter usw., die in einem beliebigen Schritt
des beispielhaften Verfahrens 300 einschließlich des
Schritt 306 gelesen werden, können einen einzelnen Wert,
eine Anzahl von Werten, die über
die Zeit gemittelt oder gefiltert sind und/oder Werte darstellen,
die gemäß irgendeiner
anderen Technik, die im Gebiet bekannt ist, beschafft wurden. Zum
Beispiel können
die bei Schritt 306 erhaltenen Lesewerte über eine Abtastzeitspanne
(z. B. 10 Sekunden–200
Sekunden) gelesen und dann gemittelt, gefiltert, usw. werden, um Messrauschen
zu verringern und um die Daten zu glätten. Einige beispielhafte
Techniken, die verwendet werden können, umfassen Tiefpassfilter,
einfache gleitende Mittelwerte (SMA), kumulierte gleitende Mittelwerte
(CMA), gewichtete gleitende Mittelwerte (WMA) und/oder exponentielle
gleitende Mittelwerte (EMA), um ein paar aufzuzählen. Sobald diese Messwerte,
Lesewerte, Parameter usw. erhalten wurden, können sie beispielsweise an
das Batterieladesteuerungsmodul 18 in Ansprechen auf eine
Anforderung von dem Modul bereitgestellt werden oder sie können ohne
Anforderung periodisch bereitgestellt werden.
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Als
Nächstes
werden die in den vorherigen Schritten gelesenen Fahrzeugbatterieparameter
verwendet, um bei Schritt 310 ein virtuelles Batteriezellenmodell
zu entwickeln. Man kann sich das virtuelle Batteriezellenmodell
als eine Referenzzelle vorstellen, die die durchschnittliche Batteriezelle
im Fahrzeugbatteriestapel 60 darstellt. Das virtuelle Zellenmodell
existiert im Fahrzeugbatteriestapel 60 nicht physikalisch;
es kann jedoch zu Berechnungszwecken und zur Durchführung von
Schätzungen
hinsichtlich anderer Zellen im Fahrzeugbatteriestapel nützlich sein.
Allgemein gesprochen ist die Anschlussspannung des virtuellen Batteriezellenmodells
(VCellVirtual) gleich ihrer hypothetischen
Leerlaufspannung (OCVCellVirtual) plus transienter
Spannungseffekte, wie etwa derjenigen, die mit einem Doppelschichteffekt
(Vdl), Ohmschen Effekten (VOhmic),
Diffusion (Vdiff) und Hysterese (Vhyst) verbunden sind: VCellVirtual = OCVCellVirtual + Vdl +
VOhmic + Vdiff +
Vhyst
(Gleichung
1)
-
Schritt 310 bestimmt
vorzugsweise den durchschnittlichen Effekt transienter Spannungen
für das
virtuelle Batteriezellenmodell oder anders ausgedrückt den
durchschnittlichen Effekt transienter Spannungen für die Vielzahl
von Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel. Dieser durchschnittliche
Effekt transienter Spannungen, der Informationen hinsichtlich der
geschätzten
Diffusions- und Hysteresespannungen (Vdiff),
(Vhyst) bereitstellt, kann später verwendet
werden, um die Leerlaufspannung (OCVCell) und
den Ladezustand (SOCCell) für jede der
Batteriezellen genau zu schätzen.
Mit diesen Informationen kann das beispielhafte Verfahren 300 die
Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel 60 neu ausgleichen und
ein Überladen
und Beschädigen
einzelner Zellen vermeiden. Es gibt eine Anzahl von Wegen, auf welche
Schritt 310 ausgeführt
werden kann, die die folgenden beispielhaften Ausführungsformen
enthalten, aber sicher nicht darauf beschränkt sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform
verwendet Schritt 310 zuerst den Ladezustandswert (SOCPack), der bei Schritt 304 gelesen
wurde, um eine Leerlaufspannung für den Fahrzeugbatteriestapel
(OCVPack) zu bestimmen. Fachleute werden
feststellen, dass Nachschlagetabellen, Berechnungsverfahren, modellbildende
und/oder andere Verfahren verwendet werden können, um SOC mit OCV zu korrelieren.
Da der Ladezustand (SOCPack) auf eine Weise
bestimmt wurde, die Diffusions- und Hysteresespannungseffekte größtenteils
kompensierte, sollte die resultierende Leerlaufspannung (OCVPack) ebenfalls größtenteils frei von derartigen
Effekten sein. Als zweites dividiert Schritt 310 die Leerlaufspannung
(OCVPack) durch die Anzahl der Batteriezellen
im Fahrzeugbatteriestapel 60, um eine durchschnittliche
Leerlaufspannung (OCVCellVirtual) für die Vielzahl
von Batteriezellen zu bestimmen. Da dieser Wert die durchschnittliche
Zelle im Fahrzeugbatteriestapel darstellt, ist er Teil des virtuellen
Batteriezellenmodells und wird nachfolgend als eine Referenz verwendet.
Drittens dividiert Schritt 310 die Anschlussspannung (VPack), die bei Schritt 306 bestimmt
wurde, durch die Anzahl der Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel 60, um
eine durchschnittliche Anschlussspannung (VCellVirtual)
für die
Vielzahl von Batteriezellen zu bestimmen. Da dieser Wert die durchschnittliche
Zelle im Fahrzeugbatteriestapel 60 darstellt, kann er Teil des
virtuellen Batteriezellenmodells sein. Schließlich subtrahiert Schritt 310 die
Leerlaufspannung (OCVCellVirtual) von der
Anschlussspannung (VCellVirtual), um den
durchschnittlichen Effekt transienter Spannungen für die Vielzahl
von Batteriezellen zu bestimmen; siehe Gleichung (1). In diesem
Fall wurde die Anschlussspannung (VPack)
bestimmt, nachdem das Fahrzeug ausgeschaltet worden war und nach
dem Ablauf der Ausschalt-Zeitspanne; daher wurde angenommen, dass
die Doppelschicht- (Vdl) und Ohmschen (VOhmic) Spannungen vernachlässigbar
sind und dass der durchschnittliche Effekt transienter Spannungen
größtenteils
auf der Diffusionsspannung (Vdiff) und der
Hysteresespannung (Vhyst) beruht. Bei der
vorhergehenden Ausführungsform
werden der Ladezustand (SOCPack) und die
Anschlussspannung (VPack) verwendet, um
den durchschnittlichen Effekt transienter Spannungen zu bestimmen.
-
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
verwendet Schritt 310 zuerst den Ladezustandswert (SOCPack), der bei Schritt 304 gelesen
wurde, um eine Leerlaufspannung für den Fahrzeugbatteriestapel (OCVPack) zu bestimmen. Dieser Schritt ist größtenteils
gleich demjenigen, der vorstehend in der vorherigen Ausführungsform
beschrieben wurde. Als zweites subtrahiert Schritt 310 die
Leerlaufspannung (OCVPack) von der Anschlussspannung
(VPack), die zuvor bei Schritt 306 bestimmt
wurde, um einen Gesamteffekt transienter Spannungen für den gesamten
Fahrzeugbatteriestapel 60 zu bestimmen. Der Gesamteffekt
transienter Spannungen stellt allgemein alle transienten Spannungen
dar, die vorhanden waren, als die Anschlussspannung (VPack)
gemessen wurde (siehe Gleichung 1) – welche in diesem Fall primär die Diffusions-
und Hysteresespannungen (Vdiff), (Vhyst) sind, da die Doppelschicht- und Ohmschen
Spannungen als vernachlässigbar angenommen
werden, wie bereits erläutert
wurde. Drittens wird der Gesamteffekt transienter Spannungen durch
die Anzahl der Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel 60 dividiert,
um den durchschnittlichen Effekt transienter Spannungen für die Vielzahl
von Batteriezellen zu bestimmen. Bei der vorhergehenden Ausführungsform
werden der Ladezustand (SOCPack) und die
Anschlussspannung (VPack) wieder verwendet,
um den durchschnittlichen Effekt transienter Spannungen zu bestimmen.
-
Gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
verwendet Schritt 310 zuerst den Ladezustandswert (SOCPack), der bei Schritt 304 gelesen wurde,
um eine Leerlaufspannung für
den Fahrzeugbatteriestapel (OCVPack) zu
bestimmen. Dieser Schritt ist größtenteils
gleich demjenigen, der zuvor bei den vorstehenden Ausführungsformen
beschrieben wurde. Zweitens wird die Leerlaufspannung (OCVPack) durch die Anzahl der Batteriezellen
im Fahrzeugbatteriestapel 60 dividiert, um die durchschnittliche
Leerlaufspannung für
die Vielzahl von Batteriezellen (OCVCellVirtual)
zu bestimmen. Dieser Wert kann Teil des virtuellen Batteriezellenmodells
sein. Drittens werden die bei Schritt 306 gelesenen verschiedenen Anschlussspannungen
(VCell) gemittelt, um eine mittlere oder
durchschnittliche Anschlussspannung (VCellVirtual)
für den
gesamten Fahrzeugbatteriestapel 60 zu bestimmen. Dieser
Wert kann auch Teil des virtuellen Batteriezellenmodells sein. Viertens
wird die durchschnittliche Leerlaufspannung (OCVCellVirtual)
von der durchschnittlichen Anschlussspannung (VCellVirtual) subtrahiert,
um einen durchschnittlichen Effekt transienter Spannungen für die Vielzahl
von Batteriezellen zu bestimmen. Bei der vorhergehenden Ausführungsform
werden der Ladezustand (SOCPack) und die
Anschlussspannungen (VCell) verwendet, um
den durchschnittlichen Effekt transienter Spannungen zu bestimmen;
dies unterscheidet sich ein wenig von den vorhergehenden Ausführungsformen,
bei denen (SOCPack) und (VPack)
verwendet werden.
-
Fachleute
werden feststellen, dass eine beliebige Anzahl verschiedener Ausführungsformen und
Verfahren verwendet werden kann, um einen durchschnittlichen Effekt
transienter Spannungen für die
Vielzahl von Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel 60 zu
bestimmen, und dass die vorherigen Ausführungsformen nur einige der
Möglichkeiten
darstellen. Bei jeder der vorhergehenden Ausführungsform vergleicht Schritt 310 eine
bekannte Leerlaufspannung (OCVPack) und/oder
(OCVCell), die im Allgemeinen keine wesentlichen
Effekte transienter Spannungen aufweist bzw. aufweisen, mit einer
gemessenen Anschlussspannung (VPack) und/oder
(VCell), die im Allgemeinen Effekte transienter
Spannungen aufweist bzw. aufweisen. Durch Kenntnis des Unterschieds
zwischen diesen Werten ist Schritt 310 in der Lage, Informationen
hinsichtlich des durchschnittlichen Effekts transienter Spannungen,
der in jeder der einzelnen Zellen vorhanden ist, ausfindig zu machen. Jede
der vorstehend bereitstellen Ausführungsformen nimmt an, dass
die Diffusions- und Hysteresespannungen (Vdiff),
(Vhyst) über
alle Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel 60 hinweg
allgemein gleich sind. Diese Annahme wird zumindest durch die Tatsache
gestützt,
dass die Batteriezellen dem gleichen Fahrzyklus ausgesetzt sind.
-
Da
nun ein durchschnittlicher Effekt transienter Spannungen für die Ansammlung
von Batteriezellen bekannt ist, verwendet Schritt 314 das
virtuelle Zellenmodell, um die Leerlaufspannung (OCVCell) und/oder
den Ladezustand (SOCCell) für jede der
einzelnen Batteriezellen zu schätzen.
Wie bei Schritt 306 erläutert
wurde, wurde eine Anschlussspannung für jede der einzelnen Batteriezellen
bereits beschafft, sodass das Verfahren bereits im Besitz einer Anzahl
x von Vcell-Lesewerten ist, wobei ”x” die Anzahl
der Batteriezellen im Fahrzeugbatteriestapel 60 ist (z.
B. Vcell1, Vcell2,
Vcell3 ... Vcellx). Ähnlich wie
Gleichung (1) ist die Anschlussspannung jeder einzelnen Zelle (VCell) gleich ihrer Leerlaufspannung (OCVCell) plus Effekten transienter Spannungen,
die mit dem Doppelschichteffekt (Vdl), Ohmschen
Effekten (VOhmic), Diffusion (Vdiff)
und Hysterese (Vhyst) verbunden sind, zum
Beispiel: VCell1 =
OCVCell1 + Vdl +
VOhmic + Vdiff +
VhystVCell2 =
OCVCell2 + Vdl +
VOhmic + Vdiff +
VhystVCell3 =
OCVCell3 + Vdl +
VOhmic + Vdiff +
Vhyst... VCellx =
OCVCellx + Vdl +
VOhmic + Vdiff +
Vhyst
(Gleichung 2)
-
Schritt 314 kann
die Doppelschicht- (Vdl) und Ohmschen (VOhmic) Spannungen ignorieren, da die gemessenen
VCell-Lesewerte vorzugsweise nach einer
ausreichend langen Abschalt-Zeitspanne aufgenommen wurden. Da nun
die Anschlussspannung (VCell) und der durchschnittliche
Effekt transienter Spannungen für
jede der Batteriezellen bekannt sind, verwendet Schritt 314 Gleichung
2, um eine Leerlaufspannung (OCVCell) für jede Zelle
zu schätzen.
Mit der Leerlaufspannung (OCVCell) ist Schritt 314 in
der Lage, Nachschlagetabellen, Rechenverfahren, modellbildende und/oder
andere Verfahren zu verwenden, um OCV mit SOC zu korrelieren und
einen Ladezustand (SOCCell) zu schätzen, wie
bereits erläutert wurde.
Es ist möglich,
die Schritte 310 und 314 nur unter Verwendung
von fahrzeugeigenen Ressourcen auszuführen.
-
Schritt 320 verwendet
dann den Ladezustand (SOCCell) für jede der
Vielzahl von Batteriezellen, um den Fahrzeugbatteriestapel 60 neu
auszugleichen und um dazu beizutragen, dass verhindert wird, dass
einzelne Batteriezellen überladen
werden. Dies kann auf eine einer Vielzahl verschiedener Weisen bewerkstelligt
werden. Gemäß einer
Ausführungsform
verwendet Schritt 320 den Ladezustand (SOCCell)
für jede
der Vielzahl von Batteriezellen, um überladene Batteriezellen zu
identifizieren (d. h. Batteriezellen, die eine höhere Ladung als eine oder mehrere
andere Zellen aufweisen), schätzt
Entladeparameter, die zum Verringern der Ladung an diesen überladenen
Batteriezellen benötigt
werden, und entlädt
dann die überladenen
Batteriezellen gemäß den Entladeparametern.
Die Entladeparameter können eine
geschätzte
Entladezeit, eine geschätzte
Entladerate und/oder beliebige weitere Entladeparameter, von denen
bekannt ist, dass sie die Entladung, Ladungsentfernung usw. einer
Batteriezelle beeinflussen, umfassen. Eine Vielzahl von Techniken,
die ein passives Ausgleichen, ein aktives Ausgleichen, ein Kurzschließen von
Ladung usw. umfassen, können mit
Schritt 320 verwendet werden. Die Ergebnisse von Schritt 320 können in
Ladesteuerungssignale, Zellenausgleichssteuerungssignale sowie andere
Signale und Botschaften eingebaut werden, die vom Batterieladesteuerungsmodul 18 an
das Batterieladegerät 14 und/oder
die Fahrzeugbatterieeinheit 16 gesandt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
mit passivem Ausgleichen identifiziert Schritt 320 die
Batteriezellen mit der höchsten
Ladung im Fahrzeugbatteriestapel (z. B. kann dies auf deren Ladezustand
(SOCCell) beruhen) und entfernt überschüssige Energie
von diesen Zellen durch einen Umgehungswiderstand oder eine andere
Entladelast. Dieser Prozess kann fortgesetzt werden, bis das Ladungsniveau
der höher
aufgeladenen Batteriezellen auf ein Ladungsniveau einiger der schwächer aufgeladenen
Batteriezellen sinkt. Bei einer Ausführungsform mit aktivem Ausgleichen identifiziert
Schritt 320 die Batteriezellen mit der höchsten Ladung
und liefert deren Überschussladung
an eine oder mehrere Batteriezellen mit einer niedrigeren Ladung.
Schritt 320 kann bis zum Ablauf einer Entladezeit fortgesetzt
werden, oder bis eine gewünschte
Spannung oder ein gewünschter
Ladezustand erreicht ist, um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Fachleute
werden feststellen, dass diese nur einige der Techniken sind, die
zum Ausgleichen der Batteriezellen implementiert werden können, da
auch andere verwendet werden können.
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Es
ist zu verstehen, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition
der Erfindung, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter
beispielhafter Ausführungsformen
der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarte(n)
spezielle(n) Ausführungsform(en)
beschränkt, sondern
ist stattdessen allein durch die nachstehenden Ansprüche definiert.
Darüber
hinaus betreffen die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen
spezielle Ausführungsformen
und sollen nicht als Beschränkungen
des Umfangs der Erfindung oder der Definition von Ausdrücken, die
in den Ansprüchen
verwendet werden, aufgefasst werden, außer wenn ein Ausdruck oder
ein Satz vorstehend explizit definiert ist. Fachleute werden verschiedene andere
Ausführungsformen
und verschiedene Veränderungen
und Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen) erkennen. Zum
Beispiel kann ein Verfahren mit anderen Schritten, einschließlich derjenigen,
die weniger, mehr oder eine andere Kombination von Schritten aufweisen,
anstelle des beispielhaften Verfahrens 300 verwendet werden.
Es ist beabsichtigt, dass alle derartigen weiteren Ausführungsformen,
Veränderungen
und Modifikationen im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.
-
Die
Begriffe ”zum
Beispiel”, ”beispielsweise”, ”wie etwa” und ”wie” und die
Verben ”umfassend”, ”aufweisend”, ”enthaltend” und deren
andere 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 darf, dass sie andere, zusätzliche Komponenten oder Gegenstände ausschließt. Andere
Begriffe sollen in ihrer weitesten vernünftigen Bedeutung aufgefasst
werden, sofern sie nicht in einem Kontext verwendet werden, der
eine andere Interpretation erfordert.