DE102011012818B4 - Method and device for operating a battery for a vehicle and corresponding vehicle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Batterie (16) für ein Fahrzeug (10),
wobei ein Mittelwert (IRMS) über der Zeit einer elektrischen Größe (I), welche der Batterie (16) zugeführt oder entnommen wird, bestimmt wird,
wobei die Batterie (16) in Abhängigkeit des Mittelwerts (IRMS) betrieben wird,
wobei die elektrische Größe (I) derart begrenzt wird, dass der Mittelwert (IRMS) unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts (IRMSsoll) gehalten wird,
wobei eine Steuergröße (4) abhängig von einer Differenz aus dem Schwellenwert (IRMSsoll) und dem Mittelwert (IRMS) bestimmt wird,
wobei eine resultierende Grenze (ILimres) aus einer Addition aus der Steuergröße (4) und einer vorgegebenen Grenze (Imax) bestimmt wird,
wobei die elektrische Große (1) unterhalb der resultierenden Grenze (ILimres) gehalten wird, und
wobei die resultierende Grenze (ILimres) nicht unterhalb eines vorgegebenen Minimalwerts (Imin) bestimmt wird, um eine minimale Leistungsabgabe (Pmin) der Batterie (16) zu gewährleisten.Method for operating a battery (16) for a vehicle (10),
wherein an average value (IRMS) is determined over the time of an electrical quantity (I) which is supplied to or taken from the battery (16),
wherein the battery (16) is operated as a function of the mean value (IRMS),
wherein the electrical quantity (I) is limited such that the mean value (IRMS) is kept below a predetermined threshold value (IRMSsoll),
wherein a control variable (4) is determined depending on a difference between the threshold value (IRMSsoll) and the mean value (IRMS),
wherein a resulting limit (ILimres) is determined from an addition of the control quantity (4) and a predetermined limit (Imax),
the electrical quantity (1) being kept below the resulting limit (ILimres), and
wherein the resulting limit (ILimres) is not determined below a predetermined minimum value (Imin) to ensure a minimum power output (Pmin) of the battery (16).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um eine Batterie, welche insbesondere zur Versorgung eines Elektromotors eines Fahrzeugs eingesetzt wird, zu betreiben. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung und ein entsprechend ausgestaltetes Fahrzeug.The present invention relates to a method for operating a battery, which is used in particular for supplying an electric motor of a vehicle. In addition, the present invention relates to a correspondingly configured device and a suitably designed vehicle.
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Die Laderate und/oder Entladerate einer Batterie ist einer der Faktoren, welche die Alterung der Batterie beeinflussen. Dabei wird unter der Alterung einer Batterie insbesondere die Erhöhung des Innenwiderstands der Batterie und die Verringerung der Zellkapazität (d. h. die Verringerung der von der Batterie speicherbaren Ladung) verstanden.The charging rate and / or discharge rate of a battery is one of the factors that influence the aging of the battery. In this case, the aging of a battery is understood to mean, in particular, the increase of the internal resistance of the battery and the reduction of the cell capacity (that is to say the reduction of the charge which can be stored by the battery).
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Fahrzeugbatterie derart zu betreiben, dass die Alterung der Fahrzeugbatterie im Vergleich zu einem Betrieb nach dem Stand der Technik verzögert wird.The object of the present invention is to operate a vehicle battery in such a way that the aging of the vehicle battery is delayed compared with a prior art operation.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, durch eine Vorrichtung zum Betreiben einer Batterie für ein Fahrzeug nach Anspruch 8 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.According to the invention, this object is achieved by a method for operating a battery for a vehicle according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Batterie für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei wird ein Mittelwert (über der Zeit gemittelt) einer elektrischen Größe (insbesondere eines Stroms oder einer Leistung), welche der Batterie zugeführt oder entnommen wird, bestimmt. Die Batterie wird abhängig von diesem Mittelwert betrieben.In the context of the present invention, a method for operating a battery for a vehicle is provided. In this case, an average value (averaged over time) of an electrical variable (in particular of a current or a power), which is supplied to or taken from the battery, is determined. The battery is operated depending on this mean value.
Durch den Betrieb der Batterie in Abhängigkeit des Mittelwerts wird der Mittelwert möglichst unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts gehalten. Um dies zu gewährleisten (dass der Mittelwert zumindest im langfristigen Mittel unterhalb des Schwellenwerts gehalten wird), gibt es erfindungsgemäß zwei Möglichkeiten:
- 1. Die elektrische Größe wird derart begrenzt oder geregelt, dass der Mittelwert dadurch quasi zwangsläufig langfristig unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts gehalten wird.
- 2. Dem Fahrer des Fahrzeugs wird eine Information gegeben, wodurch der Fahrer darüber informiert ist, ob der Mittelwert unterhalb oder oberhalb des Schwellenwerts liegt. Durch diese Information (beispielsweise einer Art Bonusanzeige, falls der Mittelwert unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts liegt) wird der Fahrer dazu animiert, die Batterie durch ein entsprechendes ”sanftes” Fahren derart zu betreiben, dass der Mittelwert zumindest langfristig unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts gehalten wird.
- 1. The electrical variable is limited or regulated in such a way that the mean value is thereby kept quasi inevitably long-term below the predetermined threshold value.
- 2. Information is given to the driver of the vehicle which informs the driver as to whether the average value is below or above the threshold. By this information (for example, a kind of bonus display, if the average is below the predetermined threshold), the driver is encouraged to operate the battery by a corresponding "soft" driving such that the average is kept below the predetermined threshold, at least in the long term.
Indem erfindungsgemäß der Mittelwert der elektrischen Größe im langfristigen Mittel unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts gehalten, wird die Alterung der Fahrzeugbatterie vorteilhafterweise im Vergleich zu einem Betrieb, bei welchem nicht darauf geachtet wird, ob der Mittelwert zumindest langfristig unterhalb des Schwellenwerts gehalten wird, entsprechend verzögert. Unter einem langfristig unterhalb des Schwellenwerts Halten wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass entsprechende Maßnahmen zum Absenken des Mittelwerts ergriffen werden, sobald der Mittelwert oberhalb des Schwellenwerts liegt. Dadurch wird der Mittelwert langfristig oder überwiegend (aber nicht immer) unterhalb des Schwellenwerts gehalten.By keeping the mean value of the electric variable in the long-term average below the predetermined threshold value, the aging of the vehicle battery is advantageously delayed accordingly compared to an operation in which care is not taken whether the average is kept below the threshold, at least in the long term. In the context of the present invention, a long-term below the threshold value Hold is understood to mean that appropriate measures for lowering the average value are taken as soon as the mean value is above the threshold value. As a result, the mean is kept long or predominantly (but not always) below the threshold.
Dazu kann der Mittelwert für einen bestimmten Zeitpunkt derart bestimmt werden, dass die elektrische Größe (insbesondere der Betrag der elektrischen Größe) jeweils über ein Zeitintervall vorbestimmter Länge hinweg ermittelt wird, wobei dieses Zeitinterval zu dem entsprechenden bestimmten Zeitpunkt jeweils endet. Ein solches Vorgehen ist auch als ”moving average” bekannt.For this purpose, the mean value for a specific time can be determined such that the electrical quantity (in particular the magnitude of the electrical variable) is determined in each case over a time interval of a predetermined length, wherein this Time interval ends at the respective specific time in each case. Such a procedure is also known as "moving average".
Um den Mittelwert über das Zeitintervall vorbestimmter Länge hinweg zu ermitteln, kann die elektrische Größe innerhalb des Zeitintervalls zu vorbestimmten äquidistanten Zeitpunkten abgetastet werden, wobei zu jedem Zeitpunkt jeweils ein Abtastwert erfasst wird. Der Mittelwert kann dann beispielsweise als quadratischer Mittelwert dieser Abtastwerte berechnet werden.In order to determine the mean value over the time interval of predetermined length, the electrical quantity can be sampled within the time interval at predetermined equidistant times, wherein in each case a respective sampling value is detected. The mean value can then be calculated, for example, as the root mean square of these samples.
In der folgenden Gleichung (1) wird der Mittelwert IRMS (”Root Mean Square” (RMS)) des elektrischen Stroms, welcher der Batterie zugeführt oder entnommen wird, mittels Stromabtastwerten xi berechnet. Diese Stromabtastwerte werden jeweils zu Zeitpunkten abgetastet, welche jeweils einen festgelegten zeitlichen Abstand zu ihrem Vorgänger-Stromabtastwert aufweisen. In der Gleichung (1) steht N für die Anzahl der erfassten Stromabtastwerte.In the following equation (1), the root mean square (RMS) I RMS of the electric current supplied to or taken out of the battery is calculated by current samples x i . These current samples are each sampled at times each having a fixed time interval from their predecessor current sample. In the equation (1), N stands for the number of detected current samples.
Wenn der Mittelwert beispielsweise über einen Zeitraum von 600 s (10 min) erfasst wird, indem eine äquidistante Abtastung alle 100 ms stattfindet, gilt beispielsweise N = 6001, sofern der erste Abtastwert am Beginn des Zeitraums und der letzte Abtastwert am Ende des Zeitraums erfasst werden.For example, if the average value is detected over a period of 600 seconds (10 minutes) by taking an equidistant sample every 100 ms, N = 6001, if the first sample is detected at the beginning of the period and the last sample at the end of the period ,
Indem der Betrieb der Batterie abhängig von dem Mittelwert IRMS durchgeführt oder geregelt wird, hängt der Betrieb vorteilhafterweise von einer sich nur langsam und kontinuierlich ändernden Größe (nämlich dem IRMS) ab, sofern der Zeitraum, in welchem der Mittelwert IRMS ermittelt wird, lang genug gewählt ist.By operating or regulating the operation of the battery as a function of the mean value I RMS , the operation advantageously depends on a variable that changes only slowly and continuously (namely the I RMS ), as long as the period in which the average value I RMS is determined has been chosen long enough.
Wie bereits oben ausgeführt ist, ist es erfindungsgemäß möglich, den Betrieb der Batterie abhängig von einem Strommittelwert (z. B. IRMS) durchzuführen. Wie ebenfalls oben bereits beschrieben ist, ist es allerdings auch möglich, den Betrieb der Batterie abhängig von einer mittleren Leistung, welche der Batterie zugeführt oder entnommen wird, durchzuführen. Dabei könnte die mittlere Leistung Pavg beispielsweise durch die folgende Gleichung (2) bestimmt werden. Die mittlere Spannung URMS wird dabei auf die gleiche Weise wie der Strommittelwert IRMS berechnet, wobei zu den Abtastenszeitpunkten allerdings die Batteriespannung U und nicht der Strom I abgetastet wird.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit besteht darin, den Strom, welcher der Batterie zugeführt oder entnommen wird, in Abhängigkeit von der maximalen Leerlaufspannung der Batterie und/oder der minimalen Leerlaufspannung der Batterie zu begrenzen, da die Alterung der Batterie (insbesondere der Kapazitätsverlust) direkt von der minimalen Entladespannung bzw. der maximalen Ladespannung abhängt.Another possibility according to the invention is to limit the current which is supplied to or taken from the battery as a function of the maximum no-load voltage of the battery and / or the minimum no-load voltage of the battery, since the aging of the battery (in particular the capacity loss) occurs directly from the battery minimum discharge voltage or the maximum charging voltage depends.
Dabei wird die elektrische Größe mittels einer Regelung unterhalb des Schwellenwerts gehalten. Dazu wird eine Steuergröße in Abhängigkeit von einer Differenz aus dem Schwellenwert (insbesondere dem Sollwert des IRMS) und dem Mittelwert (insbesondere dem Istwert des IRMS) bestimmt. Die Steuergröße wird zu einer vorgegebenen Grenze addiert, wobei sich als Summe eine resultierende Grenze ergibt. Mittels der Regelung (beispielsweise einer P-Regelung (proportionalen Regelung, d. h. der Ausgang ist proportional zum Eingang)) wird dafür gesorgt, dass die elektrische Größe jeweils unterhalb dieser resultierenden Grenze gehalten wird.The electrical quantity is kept below the threshold value by means of a regulation. For this purpose, a control variable is determined as a function of a difference between the threshold value (in particular the desired value of the I RMS ) and the mean value (in particular the actual value of the I RMS ). The control variable is added to a predetermined limit, resulting in a resulting limit as the sum. By means of the control (for example a P-control (proportional control, ie the output is proportional to the input)), it is ensured that the electrical variable is kept below this resulting limit.
Da die Steuergröße negativ ist, wenn der Mittelwert größer als der Schwellenwert ist, ist die resultierende Grenze vorteilhafterweise umso kleiner, umso mehr der Mittelwert oberhalb des Schwellenwerts liegt. Da die elektrische Größe unterhalb dieser resultierenden Grenze gehalten wird, wird die elektrische Größe daher umso mehr abgesenkt, je weiter der Mittelwert oberhalb des Schwellenwerts liegt.Since the control quantity is negative when the average value is greater than the threshold value, the resulting limit is advantageously smaller, the more the average value lies above the threshold value. Therefore, as the electrical quantity is kept below this resulting limit, the farther the average is above the threshold, the more the electrical quantity is lowered.
Die Steuergröße wird insbesondere auf den Wert Null gesetzt, wenn die Differenz aus dem Schwellenwert und dem Mittelwert positiv ist.In particular, the control variable is set to the value zero if the difference between the threshold value and the mean value is positive.
Durch dieses Vorgehen wird dafür gesorgt, dass die resultierende Grenze niemals größer als die vorgegebene Grenze sein kann. Dadurch ist gemäß dieser Ausführungsform vorteilhafterweise gewährleistet, dass die elektrische Größe niemals oberhalb der vorgegebenen Grenze liegt.This procedure ensures that the resulting limit can never be greater than the specified limit. As a result, it is advantageously ensured according to this embodiment that the electrical variable is never above the predetermined limit.
Es wird dafür gesorgt, dass die Batterie immer eine Mindestleistung abgibt. Dazu wird ein dieser Mindestleistung entsprechender Minimalwert eingeführt und die Regelung derart ausgestaltet, dass die resultierende Grenze niemals unterhalb dieses Minimalwerts liegt.It is ensured that the battery always gives a minimum performance. For this purpose, a minimum value corresponding to this minimum power is introduced and the control is designed in such a way that the resulting limit is never below this minimum value.
Dadurch ist gewährleistet, dass die elektrische Größe auch oberhalb der vorgegebenen Grenze liegen kann, wenn diese unterhalb des Minimalwerts liegt.This ensures that the electrical quantity can also be above the predetermined limit if it is below the minimum value.
Erfindungsgemäß kann der Schwellenwert manuell beispielsweise von einer Werkstatt oder von einem autorisierten Benutzer geändert werden.According to the invention, the threshold value can be changed manually, for example, by a workshop or by an authorized user.
Dadurch kann der Schwellenwert vorteilhafterweise beispielsweise an den aktuellen Zustand (an das Alter) der Batterie angepasst werden. Sinnvollerweise sollte der Schwellenwert von dem Batteriehersteller vorgegebenen werden. In diesem Fall sollte der Schwellenwert vom Hersteller derart gewählt werden, dass bei Einhaltung dieses Schwellenwerts eine vorbestimmte Lebensdauer der Batterie gewährleistet wird. As a result, the threshold value can advantageously be adapted, for example, to the current state (of the age) of the battery. It makes sense to set the threshold by the battery manufacturer. In this case, the threshold should be chosen by the manufacturer so as to ensure a predetermined battery life if this threshold is met.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum Betreiben einer Batterie für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Messvorrichtung und eine Steuerung. Die Messvorrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie eine elektrische Größe (insbesondere einen elektrischen Strom oder eine elektrische Leistung), welche der Batterie zugeführt oder entnommen wird, misst. Die Steuerung ist derart ausgestaltet, dass sie den über der Zeit gemittelten Mittelwert dieser elektrischen Größe bestimmt. Mittels der Vorrichtung wird die Batterie in Abhängigkeit von dem Mittelwert betrieben.In the context of the present invention, an apparatus for operating a battery for a vehicle is also provided. In this case, the device comprises a measuring device and a controller. The measuring device is configured to measure an electrical quantity (in particular, an electric current or an electric power) supplied to or taken out of the battery. The controller is configured to determine the averaged average over time of this electrical quantity. By means of the device, the battery is operated as a function of the mean value.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung darüber hinaus eine Begrenzungsvorrichtung oder Regelungsvorrichtung. Mit Hilfe der Begrenzungsvorrichtung ist die Vorrichtung in der Lage, die elektrische Größe derart zu begrenzen, dass der Mittelwert langfristig unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts gehalten wird.According to a preferred embodiment of the invention, the device further comprises a limiting device or control device. With the aid of the limiting device, the device is able to limit the electrical variable in such a way that the mean value is kept below a predetermined threshold value in the long term.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt worden sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.The advantages of the device according to the invention essentially correspond to the advantages of the method according to the invention, which have been carried out in detail in advance, so that a repetition is dispensed with here.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug (insbesondere ein Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug mit einem Elektromotor) bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst.Finally, in the context of the present invention, a vehicle (in particular a hybrid vehicle or electric vehicle with an electric motor) is provided which comprises a device according to the invention.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Fahrzeuge mit einem Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeugs geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch bei Flugzeugen, Schiffen oder gleisgebundenen und spurgeführten Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Zumindest prinzipiell kann die vorliegende Erfindung beispielsweise auch außerhalb eines Fortbewegungsmittels zum Betrieb einer wiederaufladbaren Batterie eingesetzt werden, sofern bei diesem Betrieb insbesondere der Entladestrom steuerbar ist.The present invention is particularly suitable for vehicles with an electric motor for driving the vehicle. Of course, the present invention is not limited to this preferred application, since the present invention can also be applied to aircraft, ships or track-based and track-guided vehicles. At least in principle, for example, the present invention can also be used outside of a means of locomotion for the operation of a rechargeable battery, provided that in this operation, in particular the discharge current is controllable.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.In the following, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments of the invention with reference to the figures.
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Ein nicht dargestellter Teil des Reglers sorgt dafür, dass der Strom I immer unterhalb der endgültig resultierenden Stromgrenze ILimres gehalten wird. Die garantierte Stromgrenze Imin wird von einem Dividierer
Sinnvollerweise ist die vorgegebene Stromgrenze Imax größer als die garantierte Stromgrenze Imin. In diesem Fall bewegt sich die endgültig resultierende Stromgrenze ILimres zwischen der garantierten Stromgrenze Imin und der vorgegebenen Stromgrenze Imax. Durch den Begrenzer
Durch den Maximalwertbilder
Um insbesondere Probleme zu Beginn einer Fahrt zu vermeiden, sollte der Wert des Mittelwerts IRMS am Ende einer Fahrt gespeichert und als Startwert beim nächsten Start bzw. bei der nächsten Fahrt verwendet werden.In particular, to avoid problems at the beginning of a journey, the value of the mean I RMS should be stored at the end of a journey and used as a starting value at the next start or at the next trip.
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Neben einer Regelung des Stroms, welcher der Batterie zugeführt oder dieser entnommen wird, kann erfindungsgemäß dem Fahrer auch eine Information bereitgestellt werden, welche ihn darüber informiert, ob der Mittelwert IRMS oberhalb oder unterhalb des Schwellenwerts IRMSsoll liegt. Durch eine Anzeige in der Art eines Bonussystems kann der Fahrer dadurch dazu angehalten werden, die Batterie durch ”sanfteres Fahren” nur innerhalb vorgegebener Grenzen zu belasten. Bleibt der Fahrer aufgrund entsprechend geringer Beschleunigungen des Fahrzeugs und durch sanftes Bremsen mit dem Mittelwert unterhalb des Schwellenwerts, kann beispielsweise ein entsprechendes motivierendes Anzeigeelement im Fahrer-Display dargestellt werden, um den Fahrer dadurch zu einer Reichweitenoptimierung und einem pfleglichen Umgang mit der Batterie zu bewegen.In addition to a regulation of the current which is supplied to or taken from the battery, the driver can also be provided with information which informs him as to whether the mean value I RMS is above or below the threshold value I RMSsoll . By a display in the form of a bonus system, the driver can be encouraged to charge the battery by "smoother driving" only within predetermined limits. If the driver remains due to correspondingly low accelerations of the vehicle and by gently braking with the average below the threshold value, for example, a corresponding motivating display element in the driver display can be displayed in order to move the driver to a range optimization and a careful handling of the battery.
Darüber hinaus könnte der Schwellenwert oder Sollwert IRMSsoll in einer sportlichen Betriebsart (Sport Mode) des Fahrzeugs entsprechend angehoben werden, was dann zu einer kontinuierlichen Anhebung der Stromgrenzen ILim, ILimres führen würde.In addition, the threshold or setpoint I RMSsoll in a sport mode of the vehicle could be increased accordingly, which would then result in a continuous increase of the current limits I Lim , I Limres .
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