DE102011120023A1 - Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generators in einem Fahrzeug mit einer Lithium-lonen-Batterie - Google Patents

Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generators in einem Fahrzeug mit einer Lithium-lonen-Batterie Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generators in einem Fahrzeug mit einer aus Einzelzellen gebildeten Lithium-Ionen-Batterie. Erfindungsgemäß wird eine Generatorspannung (VG) derart in Abhängigkeit eines Ladezustands (L) der Lithium-Ionen-Batterie und in Abhängigkeit einer Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine und in Abhängigkeit einer Batterie- oder Zelltemperatur (T) gesteuert oder geregelt, dass ein Ladestrom (I) der Lithium-Ionen-Batterie derart begrenzt ist, dass an den Einzelzellen der Lithium-Ionen-Batterie eine Ladespannung (VL) unterhalb einer vorgebbaren maximalen Ladespannung (Vmax) der jeweiligen Einzelzellen eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generators in einem Fahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche unterschiedliche Ladeverfahren für herkömmliche Bleiakkumulatoren bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generators in einem Fahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Beim Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generators in einem Fahrzeug mit einer Lithium-Ionen-Batterie, wird eine Generatorspannung erfindungsgemäß derart in Abhängigkeit eines Ladezustands der Lithium-Ionen-Batterie und in Abhängigkeit einer Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine und in Abhängigkeit einer Batterie- oder Zelltemperatur gesteuert oder geregelt, dass ein Ladestrom der Lithium-Ionen-Batterie derart begrenzt ist, dass an den Einzelzellen der Lithium-Ionen-Batterie eine Ladespannung unterhalb einer vorgebbaren maximalen Ladespannung der jeweiligen Einzelzellen eingestellt wird.
  • Dadurch ist eine Generatorregelung auf einfache und effiziente Weise an die Besonderheiten einer Lithium-Ionen-Batterie angepasst, wobei insbesondere eine maximale Ladespannung der Einzelzellen und ein Ladestrom der Lithium-Ionen-Batterie entsprechend der Erfordernisse der Lithium-Ionen-Batterie geregelt werden.
  • Durch ein forciertes Laden der Lithium-Ionen-Batterie in einem Schubbetrieb der Verbrennungskraftmaschine ist eine besonders energieeffiziente Aufladung der Lithium-Ionen-Batterie, beispielsweise durch Rekuperation, ermöglicht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 2 schematisch ein Diagramm mit dem Verlauf eines Ladestroms und einer Ladespannung in Abhängigkeit einer Zelltemperatur und
  • 3 schematisch ein Diagramm mit dem Verlauf eines Ladestroms in Abhängigkeit eines Ladezustands.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt schematisch ein Verfahrensablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 2 zeigt schematisch ein Diagramm mit dem Verlauf eines Ladestroms I und einer Ladespannung VL in Abhängigkeit einer Zelltemperatur T.
  • 3 zeigt schematisch ein Diagramm mit dem Verlauf eines Ladestroms I in Abhängigkeit eines Ladezustands L.
  • Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in einem nicht dargestellten Fahrzeug zumindest ein mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelter Generator und zumindest eine Lithium-Ionen-Batterie angeordnet. Dabei wird der Generator von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben, wobei zwischen beiden eine trennbare mechanische Verbindung besteht. Eine Lithium-Ionen-Batterie ist bevorzugt aus einer Mehrzahl von Einzelzellen aufgebaut.
  • Weiterhin sind im Fahrzeug Mittel zur Durchführung des Verfahrens vorhanden, beispielweise eine Steuereinheit und mit dieser gekoppelte Sensoren und Aktoren. Dabei werden ein Ladestrom I, eine Ladespannung VL, eine Generatorspannung VG, eine Zelltemperatur T und ein Ladezustand L erfasst. Zusätzlich ist in der Steuereinheit eine vorgebbare maximale Ladespannung Vmax und eine vorgebbare minimale Ladespannung der jeweiligen Einzelzellen sowie ein vorgebbarer maximaler Ladestrom Imax und ein vorgebbarer minimaler Ladestrom der Lithium-Ionen-Batterie einstellbar und hinterlegbar.
  • Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Generatorspannung VG derart in Abhängigkeit eines Ladezustands L der Lithium-Ionen-Batterie und in Abhängigkeit einer Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine und in Abhängigkeit einer Batterie- oder Zelltemperatur T gesteuert und/oder geregelt, dass ein Ladestrom I der Lithium-Ionen-Batterie begrenzt ist. Dabei wird an den Einzelzellen der Lithium-Ionen-Batterie eine Ladespannung VL unterhalb einer maximalen Ladespannung Vmax der jeweiligen Einzelzellen eingestellt.
  • Dadurch ist eine Generatorregelung auf einfache und effiziente Weise an die Besonderheiten einer Lithium-Ionen-Batterie angepasst, wobei insbesondere eine maximale Ladespannung Vmax der Einzelzellen und ein Ladestrom I der Lithium-Ionen-Batterie entsprechend der Erfordernisse der Lithium-Ionen-Batterie geregelt werden.
  • In einem ersten Verfahrensschritt I wird ermittelt, in welcher Betriebsart sich die Verbrennungskraftmaschine befindet. Dabei kann es sich um einen Schubbetrieb S oder einen Zugbetrieb Z handeln. Beim Zugbetrieb Z wird das Fahrzeug von der Verbrennungskraftmaschine angetrieben und beim Schubbetrieb S wird das Fahrzeug durch die Masseträgheit vorangetrieben, wobei die Verbrennungskraftmaschine das Fahrzeug nicht antreibt und während einer Schubabschaltung beispielweise kein Kraftstoff eingespritzt wird. Beim Zugbetrieb der Verbrennungskraftmaschine wird der Verfahrensschritt O aktiviert.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt II wird die Generatorspannung VG auf den Maximalwert eingestellt, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine im Schubbetrieb S befindet.
  • In einem dritten Verfahrensschritt III wird der Ladezustand L der Lithium-Ionen-Batterie ermittelt. Überschreitet der Ladezustand L der Lithium-Ionen-Batterie einen Wert von 95 Prozent einer maximalen Ladekapazität wird der Verfahrensschritt O aktiviert und der Generator deaktiviert.
  • In einem vierten Verfahrensschritt IV wird geprüft, ob ein vorgebbarer maximaler Ladestrom Imax der Lithium-Ionen-Batterie oder eine vorgebbare maximale Ladespannung Vmax der Einzelzellen überschritten wird. Bei einer Überschreitung U wird die Generatorspannung VG im Verfahrensschritt IV.1 reduziert.
  • In einem fünften Verfahrensschritt V wird geprüft, ob der minimale Ladestrom der Lithium-Ionen-Batterie oder die minimale Ladespannung der Einzelzellen unterschritten wird. Bei einer Unterschreitung N wird die Generatorspannung VG im Verfahrensschritt V.1 erhöht. Dieser Fall kann eintreten, wenn zusätzliche elektrische Verbraucher im Bordnetz des Fahrzeugs zugeschaltet werden, beispielweise eine Sitzheizung, eine Unterhaltungsanlage und/oder ein Navigationssystem.
  • Wenn im vierten Verfahrensschritt IV und im darauf folgenden fünften Verfahrensschritt V weder eine Überschreitung U noch eine Unterschreitung N festgestellt wird, bleibt die Generatorspannung VG im sechsten Verfahrensschritt VI unverändert.
  • Im Verfahrensschritt O wird die Lithium-Ionen-Batterie im Zugbetrieb Z der Verbrennungskraftmaschine bis zu einem Ladezustand L von 70 Prozent einer maximalen Ladekapazität mit einem maximal vom Generator abgebbaren Ladestrom Imax und danach mit einem stufenweise oder stufenlos verringertem Ladestrom I bis zu einem Ladezustand von 80 Prozent einer maximalen Ladekapazität geladen. Dies ist in 3 dargestellt.
  • Bei einem Ladezustand L der Lithium-Ionen-Batterie oberhalb von 80 Prozent einer maximalen Ladekapazität wird der Generator im Zugbetrieb Z der Verbrennungskraftmaschine deaktiviert.
  • Der Ladestrom I und die Ladespannung VL, insbesondere der maximale Ladestrom Imax und die maximale Ladespannung Vmax sind von der Zelltemperatur T abhängig. Dieser Umstand ist in 3 grafisch dargestellt.
  • Dabei wird als Referenztemperatur immer die minimale Zelltemperatur T einer Mehrzahl von Einzelzellen verwendet.
  • Liegt für jede Einzelzelle eine Temperaturmessung vor, so kann die maximale Ladespannung Vmax auch auf diese Temperatur T bezogen werden.
  • Liegen sowohl der Ladestrom I unterhalb des maximalen Ladestroms Imax abzüglich einer Stromhysterese IH als auch die Ladespannung VL unterhalb der maximalen Ladespannung Vmax abzüglich einer Spannungshysterese VH, wird die Generatorspannung VG erhöht. Somit wird die Lithium-Ionen-Batterie immer mit dem temperaturabhängigen maximalen Ladestrom Imax geladen.
  • Bezugszeichenliste
    • I
      Ladestrom
      IH
      Stromhysterese
      Imax
      maximaler Ladestrom
      L
      Ladezustand
      N
      Unterschreitung
      S
      Schubbetrieb
      T
      Zelltemperatur
      U
      Überschreitung
      VG
      Generatorspannung
      VH
      Spannungshysterese
      VL
      Ladespannung
      Vmax
      maximale Ladespannung
      Z
      Zugbetrieb
      I bis VI
      Verfahrensschritt
      O
      Verfahrensschritt

Claims (8)

  1. Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines mit einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Generators in einem Fahrzeug mit einer aus Einzelzellen gebildeten Lithium-Ionen-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass eine Generatorspannung (VG) derart in Abhängigkeit eines Ladezustands (L) der Lithium-Ionen-Batterie und in Abhängigkeit einer Betriebsart der Verbrennungskraftmaschine und in Abhängigkeit einer Batterie- oder Zelltemperatur (T) gesteuert oder geregelt wird, dass ein Ladestrom (I) der Lithium-Ionen-Batterie derart begrenzt ist, dass an den Einzelzellen der Lithium-Ionen-Batterie eine Ladespannung (VL) unterhalb einer vorgebbaren maximalen Ladespannung (Vmax) der jeweiligen Einzelzellen eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt (I) ermittelt wird, in welcher Betriebsart sich die Verbrennungskraftmaschine befindet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Verfahrensschritt (II) die Generatorspannung (VG) auf den Maximalwert eingestellt wird, wenn sich die Verbrennungskraftmaschine im Schubbetrieb (S) befindet.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verfahrensschritt (III) der Ladezustand (L) der Lithium-Ionen-Batterie ermittelt wird und der Generator bei einem Ladezustand (L) der Lithium-Ionen-Batterie oberhalb von 95 Prozent einer maximalen Ladekapazität deaktiviert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vierten Verfahrensschritt (IV) geprüft wird, ob ein vorgebbarer maximaler Ladestrom (Imax) der Lithium-Ionen-Batterie oder eine vorgebbare maximale Ladespannung (Vmax) der Einzelzellen überschritten wird, wobei bei einer Überschreitung (U) die Generatorspannung (VG) reduziert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem fünften Verfahrensschritt (V) geprüft wird, ob ein vorgebbarer minimaler Ladestrom der Lithium-Ionen-Batterie oder eine vorgebbare minimale Ladespannung der Einzelzellen unterschritten wird, wobei bei einer Unterschreitung (N) die Generatorspannung (VG) erhöht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithium-Ionen-Batterie in einem Zugbetrieb (Z) der Verbrennungskraftmaschine bis zu einem Ladezustand (L) von 70 Prozent einer maximalen Ladekapazität mit einem maximal vom Generator abgebbaren Ladestrom (Imax) und danach mit einem stufenweise oder stufenlos verringertem Ladestrom (I) bis zu einem Ladezustand von 80 Prozent einer maximalen Ladekapazität geladen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator im Zugbetrieb (Z) der Verbrennungskraftmaschine bei einem Ladezustand (L) der Lithium-Ionen-Batterie oberhalb von 80 Prozent einer maximalen Ladekapazität deaktiviert wird.
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