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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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Die Druckschrift
DE 699 17 036 T2 offenbart ein Verfahren zum Abschätzen des Ladezustands einer Batterie, bei dem eine Potentialdifferenz an der Batterie überwacht wird und eine Ladung der Batterie unter Verwendung einer Hysteresekorrektur abgeschätzt wird, welche die Batterieanschlussspannung als Funktion eines Schätzwerts einer Gleichgewichtsspannung für die Batterie korrigiert.
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In der Druckschrift
DE 103 20 901 B4 ist ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands von Fahrzeugbatterien offenbart, bei dem eine auf einer Integration von in die Batterie hinein und aus dieser heraus gehenden Ladungen beruhende Ladungszustandsmessung durch Ladungszustandsmessungen kompensiert wird, die auf gemessenen Leerlaufspannungen während und nach dem Fahrzeugbetrieb beruhen.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 050 022 A1 offenbart ein Verfahren zum Ermitteln des Ladezustands einer Batterie, bei dem Werte für Anschlussspannung und Anschlussstrom der Batterie abgetastet werden und daraus eine aktuelle Leerlaufspannung berechnet wird. Aus dieser wiederum kann ein aktueller Ladezustand berechnet werden.
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In der Druckschrift
DE 10 2007 057 981 A1 ist ein Verfahren zur Modellierung der Diffusionsspannung einer elektrochemischen Zelle eines Fahrzeugs offenbart, bei dem ein Startwert für die Diffusionsspannung aus der Leerlaufspannung beim Aus- und Einschalten des Fahrzeugs geschätzt wird, mithilfe einer Gleichung auf der Grundlage eines Diffusionsschaltkreismodells und einer vorherigen Diffusionsspannung eine neue Diffusionsspannung berechnet wird und daraus der Ladezustand abgeleitet wird.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 036 302 B4 offenbart ein Verfahren zum Schätzen eines Ladezustands einer Batterie, bei dem die Anschlussspannung und der Anschlussstrom der Batterie gemessen werden, daraus eine synthetische Eingangsgröße berechnet wird und mithilfe eines Batteriemodells und einer zeitlich veränderlichen Zustandsschätzfunktion die Leerlaufspannung und der Ladezustand der Batterie geschätzt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Ladezustand einzelner Zellen in einer Fahrzeugbatterie mit ausreichender Genauigkeit zu bestimmen, sodass ein Zellenausgleich in der Batterie durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Anspruch 1 gelöst.
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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 durch Spannungseffekte transienter Spannungen für die Vielzahl von Batteriezellen verursachten durchschnittlichen Fehler zu bestimmen. Dieser durchschnittliche Fehler wird von der Anschlussspannung für jede der Vielzahl von Batteriezellen (VCell) subtrahiert, um eine Leerlaufspannung für jede der Vielzahl von Batteriezellen (OCVCell) zu schätzen, aus der ein Ladezustand für jede der Vielzahl von Batteriezellen (SOCCell) bestimmt wird. Dieser wiederum wird verwendet, um den Fahrzeugbatteriestapel neu auszugleichen und zu verhindern, dass Batteriezellen überladen werden.
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KURZBESCHREIBUNG 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 Battereladegerät 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 Batterieparameter 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.
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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).
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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 (VCellVirutal) 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)
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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.
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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.
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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.
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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 bereitgestellten 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.
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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 + Vhyst
VCell2 = OCVCell2 + Vdl + VOhmic + Vdiff + Vhyst
VCell3 = OCVCell3 + Vdl + VOhmic + Vdiff + Vhyst
...
VCellx = OCVCellx + Vdl + VOhmic + Vdiff + Vhyst (Gleichung 2)
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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.
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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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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.
