DE102012109430A1 - Automatisches Batterieentladeverfahren nach einem Crash - Google Patents
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Abstract
Ein System und Verfahren zum Entladen einer Fahrzeugbatterie nach einem Fahrzeugschadensereignis. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen, dass das Fahrzeug in ein Fahrzeugschadensereignis verwickelt wurde und darauffolgendes Entladen der Zellen in der Batterie auf eine vorbestimmte Zellspannung basierend auf dem Schweregrad des Fahrzeugschadensereignisses. Die Batteriezellen können mit Widerständen, die bereits in der Fahrzeugbatterie für Zellbalancing-Zwecke vorhanden sind, entladen werden oder mit Widerständen, die für den Zellentladungszweck hinzugefügt wurden, entladen werden. Die Spannung der Zellen wird überwacht, wenn sie entladen werden, und sobald eine jeweilige Zellspannung die Sollspannung erreicht hat, wird ein Schalter geöffnet, um den Widerstand von der Zelle zu trennen.
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- 1. Gebiet der Erfindung
- Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Entladen einer Hochvoltfahrzeugbatterie nach einem Crash oder einem anderen Fahrzeugschadensfall und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Entladen einer Lithiumionen-Fahrzeugbatterie nach einem Crash oder einem anderen Fahrzeugschadensfall, das das Aufbrauchen von Zellspannungen in der Batterie unter Verwendung von Zellbalancing-Widerständen beinhaltet.
- 2. Diskussion des Standes der Technik
- Elektrofahrzeuge werden immer häufiger. Diese Fahrzeuge umfassen Hybridfahrzeuge wie zum Beispiel Elektrofahrzeuge mit verlängerter Reichweite (EREV), die eine Batterie und eine Hauptantriebsquelle, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc. beinhalten, und reine Elektrofahrzeuge, wie zum Beispiel batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV). All diese Arten von Elektrofahrzeugen verwenden eine Hochvoltbatterie, die eine Anzahl von Batteriezellen umfasst. Diese Batterien können verschiedene Batteriearten sein, wie zum Beispiel eine Lithiumionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, eine Blei-Batterie etc. Ein typisches Hochvoltbatteriesystem für ein Elektrofahrzeug kann eine große Anzahl von Batteriezellen oder Modulen beinhalten, wobei die Module viele Batteriezellen beinhalten, um die Anforderungen des Fahrzeugs an Leistung und Reichweite zu erfüllen. Das Batteriesystem kann auch einzelne Batteriemodule beinhalten, wobei jedes Batteriemodul wiederum eine gewisse Anzahl von Batteriezellen enthalten kann, so zum Beispiel 12 Zellen. Die einzelnen Batteriezellen können miteinander elektrisch in Reihe geschaltet oder eine Reihe von Zellen kann elektrisch parallel geschaltet sein, wobei eine Anzahl von Zellen in dem Modul in Reihe geschaltet ist und jedes Modul mit den anderen Modulen elektrisch parallel geschaltet ist. Verschiedene Fahrzeugkonzepte erfordern verschiedene Batteriekonzepte, die verschiedene Vor- und Nachteile für die einzelne Anwendung mit sich bringen.
- Während eines Fahrzeugcrash oder einem anderen Fahrzeugschadensfall können die Verschiebung und/oder der Schaden an verschiedenen Fahrzeugteilen und dergleichen unerwünschte elektrische Verbindungen bewirken und das Auslaufen verschiedener Flüssigkeiten von dem Fahrzeug auftreten. Aufgrund der elektrischen Energie, die in der Fahrzeugbatterie gespeichert sein kann, können diese Umstände potentiell gefährliche Situationen wie zum Beispiel die Elektrifizierung von Fahrzeugteilen, klinische Gifte, Feuerdämpfe etc. bewirken.
- Manchmal werden Fehler Isolierungsdetektionssysteme in elektrischen Schaltkreisen verwendet, um eine Fehlerdetektion bereitzustellen. Elektrofahrzeuge stellen ein elektrisches System dar, das typischerweise Fehlerisolierung Detektionssysteme verwendet, um eine Person davor zu schützen, von diesem System geschädigt zu werden.
- Um eine elektrische Fehlerisolierung zu gewährleisten, sind einige Fahrzeuge mit einer Batterie-Trenneinheit (BTU) ausgerüstet, die automatisch den Batteriestrom von dem Fahrzeug nach einem Crash durch Öffnen der Batterieschütze trennt oder entfernt. Ferner ist es im Stand der Technik bekannt, einen Manual Service Disconnect (MSD) zu verwenden, welches ein Gerät ist, dass eine Batterie in zwei Teile trennt, wobei ein geschulter Rettungsdienst beim Bergen des Crashfahrzeugs das MSD entfernen könnte, um die Batterie zu isolieren. Diese bekannten Isolierungstechniken entfernen jedoch nicht die Ladung aus der Batterie sondern sichern die Batterie nur.
- Wie oben erwähnt, beinhaltet eine Hochvoltbatterie für ein Fahrzeug typischerweise mehrere Batteriezellen, die miteinander in Serie geschaltet sind. Aufgrund vieler Umstände, beispielsweise dem internen Zellwiderstand, elektrischer Verbindungen, der Batteriealterung etc. laufen der Ladungszustand (state-of-charge = SOC) der Zellen in der Batterie mit der Zeit auseinander. Es kann ein Batteriemanagementsystem bereitgestellt werden, um den Ladezustand jeder Batteriezelle und die Temperatur der Batterie zu überwachen und zu kontrollieren, um wie viel die Batterie basierend auf dem Ladezustand der maximal geladenen Zelle und der minimal geladenen Zelle geladen und entladen werden kann. Die Batterie kann nicht verwendet werden, um Strom bereitzustellen, falls die Zelle mit dem niedrigsten Ladezustand unter einen gewissen minimalen Ladezustand fällt, da die Zelle dann beschädigt werden kann. Die Batterie kann auch nicht über einen gewissen maximalen Ladezustand für die Zelle mit dem höchsten Ladezustand überladen werden, da diese Zelle überhitzt und beschädigt werden kann. Demzufolge kann eine Zelle mit einem niedrigen Ladezustand die Batterie daran hindern, verwendet zu werden, auch wenn die anderen Zellen einen geeigneten oder signifikanten Ladezustand aufweisen können.
- Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, ein Zellbalancing-System bereitzustellen, um das Laden und Entladen der Zellen innerhalb einer Hochvoltfahrzeugbatterie so zu kontrollieren, dass diese ungefähr den gleichen Grad an Ladung zu jedem vorgegebenen Zeitpunkt aufweisen. In einem bekannten Zellbalancing-Schaltkreis werden Zellbalancing-Widerstände parallel zu den Batteriezellen vorgesehen, die es den Zellen gestatten, auf einen gewünschten Grad elektrisch entladen zu werden, so dass die Ladung zu den anderen Batteriezellen passt.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Entladen einer Fahrzeugbatterie nach einem Fahrzeugschadensfall offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen, dass das Fahrzeug in einen Fahrzeugschadensfall verwickelt wurde und darauffolgend das Entladen der Zellen in der Batterie auf eine vorbestimmte Zellspannung basierend auf der Heftigkeit des Ereignisses. Die Batteriezellen können mit Widerständen entladen werden, die bereits in der Fahrzeugbatterie für Zellbalancingzwecke existieren oder mit Widerständen, die für die Zellentladungszwecke zugefügt wurden. Alternativ dazu werden die Zellspannungen nicht überwacht sondern passiv auf 0 V entladen. In einer Ausführungsform umfasst die vorbestimmte Zellspannung drei separate Spannungen, die von der Vorfallheftigkeit abhängen, bestehend aus einer minimalen Betriebsspannung der Zellen für einen Vorfall mit niedriger Heftigkeit, einem 0 Ladezustand der Zellen für einen Vorfall mit mittlerer Heftigkeit und einer Null-Spannung der Zellen für einen Vorfall mit schwerer Heftigkeit.
- Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
- KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 ist eine einfache Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Hochvoltbatterie; -
2 ist ein schematisches Diagramm einer Hochvoltbatterie mit Zellbalancing-Widerständen; und -
3 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb zum Aufbrauchen der elektrischen Ladung von Batteriezellen in einer Fahrzeugbatterie zeigt. - DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
- Die folgende Diskussion der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Entladen von Batteriezellen in einer Hochvoltfahrzeugbatterie nach einem Crash oder einem anderen Fahrzeugschadensfall gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Verwendungen oder Anwendungen zu begrenzen. Beispielsweise findet die Technik der vorliegenden Erfindung eine besondere Anwendung zum Aufbrauchen der Ladung von einer Hochvoltfahrzeugbatterie und insbesondere einer Lithiumionen-Fahrzeugbatterie und wie von Fachleuten allerdings gut verstanden wird, kann die Technik der Erfindung auch eine Anwendung bei anderen Systemen außerhalb des Fahrzeugbereichs finden.
-
1 ist eine einfache Darstellung eines Fahrzeugs10 , dass dazu gedacht ist, ein beliebiges Elektrofahrzeug oder elektrisches Hybridfahrzeug darzustellen. Das Fahrzeug10 beinhaltet eine Hochvoltbatterie12 , die auf einen geeigneten Träger innerhalb des Fahrzeugs10 befestigt ist, wobei die Batterie12 eine Vielzahl von Batteriezellen14 beinhaltet. Die Batterie12 kann jede beliebige Batterie sein, die für ein Elektrofahrzeug geeignet ist beispielsweise eine Bleisäurebatterie, eine Lithiumionen-Batterie, eine Nickel-Metallhydrid-Batterie etc. Das Fahrzeug10 kann eine separate Antriebsquelle16 bei einem elektrischen Hybridfahrzeug aufweisen, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem etc. Das Fahrzeug10 umfasst eine Elektronische Steuereinheit (ECU)18 , die verschiedene Teilbereiche des Betriebs des Fahrzeugs10 steuert. In der unten diskutierten Ausführungsform empfängt die ECU18 Signale von einem oder mehreren Sensoren20 , die anzeigen, dass ein Crash oder ein anderer Fahrzeugschadensfall, beispielsweise ein Feuer aufgetreten sind, und dabei möglicherweise die Heftigkeit des Vorfalls anzeigt, wobei der Sensor20 Teil eines geeigneten Crash-Detektionssystems, beispielsweise einem Airbag-Entfaltungssystem, einem Beschleunigungsmesser, einem Temperaturdetektionssystem etc. sein kann. - Die
2 ist ein schematisches Diagramm eines Hochvolt-Energiespeichersystems, beispielsweise einer Batterie30 , die zum Beispiel eine Lithiumionen-Batterie sein kann, die als Hochvoltbatterie12 auf dem Fahrzeug10 verwendet werden kann. Die Batterie30 beinhaltet ein negative Klemme32 und eine positive Klemme34 . Die Batterie30 umfasst ferner eine Vielzahl von Batteriezellen36 , die miteinander zwischen den Klemmen32 und34 in Reihe geschaltet sind, die die elektrische Ladung in einer Art und Weise speichern, wie es Fachleuten gut bekannt ist. In einem nicht begrenzenden Ausführungsbeispiel kann jede Zelle36 mit einer Zellspannung in dem Bereich von 3 bis 4,15 V arbeiten, welche für den Betrieb des Fahrzeugs10 geeignet ist, wobei 2 bis 3 V als 0% Ladezustand für die Zelle36 betrachtet wird und eine Zellspannung von weniger als 2 V als eine Tiefentladung der Zelle36 betrachtet wird. - Wie oben erwähnt, ist es wünschenswert, ein Zellbalancing in einer Fahrzeugbatterie vorzusehen, so dass jede der Zellen
36 ungefähr auf denselben Grad entladen und geladen werden. Um dies zu erreichen beinhaltet jede Zelle36 einen Zellbalancing-Schaltkreis38 , der elektrisch parallel mit der jeweiligen Zelle36 geschaltet ist. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Zellbalancing-Schaltkreis38 einen Schalter42 , typischerweise einen Halbleiterschalter, beispielsweise ein MOSFET, der mit einem geeignet dimensionierten Widerstand40 in Reihe geschaltet ist. Ein Zellbalancing-Algorithmus ist bereitgestellt, um den Schalter42 während des Ladens und Entladens der Batterie30 so zu steuern, dass die Ladung in der Batteriezelle36 von dem Widerstand40 entweder aufgebraucht oder nicht aufgebraucht wird, um die Ladung in jeder Zelle36 ungefähr auf den gleichen Stand zu bringen. - Die vorliegende Erfindung schlägt vor, bereits existierende Widerstände
40 , die für das Zellbalancing vorgesehen sind, wie oben erörtert, dazu zu verwenden, um die Ladung in der Batterie in den Batteriezellen36 nach einem Crash oder einem Fahrzeugschadensfall aufzubrauchen. Wie erwähnt, kann der Zellbalancing-Schaltkreis38 mit den Widerständen40 bereits ein existierender Teil der Batterie30 sein. Alternativ dazu können die Widerstände40 zu der Batterie30 für die hier diskutierten Zwecke hinzugefügt werden. - Die ECU
18 kann logische und geeignete Algorithmen verwenden, um variierende Entladungsgrade der Zellen36 über die Widerstände40 in Abhängigkeit von der Schwere des Ereignisses bereitzustellen. Beispielsweise kann in einem schweren Kollisionsfall, der möglicherweise durch den Änderungsgrad der Fahrzeuggeschwindigkeit oder durch andere crashbezogene Parameter bestimmt wurde, die Batterie30 auf ungefähr 0 V entladen werden, da es wahrscheinlich ist, dass die Batterie30 durch die Kollision beschädigt wurde und nicht mehr dazu geeignet ist, danach wieder verwendet zu werden. - Für ein weniger schweres Kollisions- oder Crashereignis kann die Batterie
30 auf einen 0 Ladezustand unterhalb des normalen Betriebsladezustand der Batterie30 entladen werden, da es wahrscheinlich ist, dass die Batterie30 durch das Ereignis nicht beschädigt wurde und immer noch verwendet werden kann. Beispielsweise können die Batteriezellen36 auf einen Grad von leicht weniger als 3 V in dem obigen Beispiel entladen werden, wobei die Batterie30 dann an einer Servicestation aufgeladen werden muss, um wiederverwendet zu werden. - In einer dritten Möglichkeit, bei der die Kollision weniger schwerwiegend ist und die Batterieentladung nur als Vorsichtsmaßnahme ausgeführt wird, kann die ECU
18 bewirken, dass die Batteriezellen36 in der Batterie30 auf das untere Ende des Zellbetriebsbereiches entladen werden, welcher in einem nicht begrenzenden Ausführungsbeispiel für ein spezifisches System bei ungefähr 3,3 V liegen kann. - Andere Parameter können verwendet werden, um den Grad der Zellspannungsentladung zu bestimmen. Zum Beispiel kann ein Verlust von 12 V Leistung an der Batterie
30 durch Kombination mit einer Information über den Schweregrad der Kollision dazu verwendet werden, um den geeigneten Spannungsentladungsgrad zu bestimmen, um die Batteriezellen36 zu entladen. Darüber hinaus kann dieser Parameter, falls in der Zukunft eine Metrik für den Batterieladezustands-Alterungsgrad verfügbar ist, verwendet werden, um den geeigneten Betrag für die Entladung der Batterie30 zu bestimmen. Ferner kann die Zelltemperatur ein Parameter sein, der verwendet werden kann, um den Grad der Zellentladung zu bestimmen, wenn das Fahrzeug10 brennt. - Eine weitere mögliche Anwendung kann sein, eine Funktion zu implementieren, die das Entladen der Batteriezellen
36 nach Entfernung der 12 V Leistung von der Batterie30 initiiert. In diesem Fall würde der Grad an Entladung nicht mehr am unteren Ende des normalen Spannungsbetriebsbereichs der Batterie30 sein, um einen Batterieschaden und eine Kundenunzufriedenheit zu verhindern. Dies würde es gestatten, dass die Batterie30 wiederinstalliert wird oder wieder mit dem Fahrzeug10 verbunden wird, ohne die Leistungsfähigkeit negativ zu beeinträchtigen. Allerdings wäre es notwendig, sicher zu gehen, dass eine Batterie in einem Langzeitspeicherzustand beispielsweise einen niedrigeren Ladezustand aufweist. -
3 ist ein Flussdiagramm50 , das den Betrieb zum Entladen der Batteriezellen36 bis zu einem gewissen Ladezustandsgrad aufgrund eines Fahrzeugcrash oder eines anderen Fahrzeugschadensfalls in Abhängigkeit des Schweregrads zeigt. Im Kasten52 detektiert der Algorithmus den Crash oder das Kollisionsereignis durch jeden geeigneten Crashsensor oder eine Kombination von Crashsensoren, um zu bestimmen, dass der Crash oder das Kollisionsereignis aufgetreten sind. Die Sensoren oder anderen Geräte bestimmen ferner den Schweregrad des Crashereignisses und wählen einen Zellspannungsentladungsgrad basierend auf diesem Schweregrad aus. Wie oben erörtert, kann die Entladung gerade eine minimale Zellbetriebsspannung, wobei die Batterie30 immer noch betriebsbereit ist, ein 0 Ladezustandsgrad, wobei die Zellspannungen gerade unterhalb des Betriebsbereichs der Zellen36 liegen aber die Zellen immer noch wiederaufgeladen werden können, und ein 0 V Grad, wobei die Zellen geschädigt werden und nicht wiederverwendet werden können, betragen. Andere Entladungsgrade können für andere Anwendungen wünschenswert sein. Die Crashsensoren können auf dem Fahrzeug10 Airbag-Entfaltungssensoren, Beschleunigungssensoren etc. beinhalten. - Nach der Detektion des Ereignisses führt der Algorithmus den normalen Batterieisolierungsprozess im Kasten
54 , beispielsweise das Öffnen einer Batterie-Trenneinheit BTU, aus. Der Algorithmus schließt ferner auch alle Schalter42 , um die Batteriezellen36 über die Widerstände40 im Kasten56 zu entladen. Der Algorithmus überwacht den Spannungsgrad jeder einzelnen Zelle36 in der Batterie30 im Kasten58 , so dass, falls die Spannung einer einzelnen Zelle36 größer als der vorbestimmte Spannungsentladungsgrad basierend auf dem Ereignis ist, der Algorithmus den Schalter42 in der geschlossenen Position im Kasten56 hält. Sobald eine bestimmte Zelle36 den vorbestimmten Spannungsentladungsgrad im Kasten60 erreicht, öffnet der Algorithmus den Schalter42 für diese bestimmte Zelle36 im Kasten62 . Auch wenn die Zellen36 zu jedem Zeitpunkt ungefähr zellbalanced sein sollten, erlaubt die vorliegende Erfindung es jedoch, nicht zellbalanced Zellen separat mithilfe des separaten Widerstands40 für jede Zelle36 zu entladen. - Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
- Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion und den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
Claims (10)
- Ein Verfahren zum Entladen einer Batterie auf einem Fahrzeug, wobei diese Batterie eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst und jede Batteriezelle einen Entladeschaltkreis beinhaltet, wobei das Verfahren umfasst: – Bestimmen, dass das Fahrzeug in einen Fahrzeugschadensfall verwickelt wurde; und – Entladen jeder Batteriezelle, falls ein Fahrzeugschadensfall detektiert wird, durch Einschalten des Entladeschaltkreises für jede Zelle, um die Zelle auf einen vorbestimmten Zellladezustandsgrad zu entladen.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entladen jeder Batteriezelle das Überwachen einer Spannung von jeder Batteriezelle und das separate Unterbrechen des Entladens von jeder Batteriezelle, sobald diese den vorbestimmten Zellentladungsgrad erreicht, umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend das Bestimmen des Schweregrads des Fahrzeugschadensfalls, wobei das Entladen jeder Batteriezelle das Entladen der Batteriezellen auf verschiedene vorbestimmte Spannungsgrade in Abhängigkeit vom Schweregrad des Fahrzeugschadensfalls umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Entladen der Batteriezellen das Entladen der Batteriezellen auf einen ersten Ladezustandsgrad, falls der Fahrzeugschadenfall als ein Fall mit niedrigem Schweregrad bestimmt wird, wobei die Batteriezellen Ladung zurückbehalten, um das Fahrzeug zu betreiben, das Entladen der Batteriezellen auf einen zweiten Ladezustandsgrad, falls der Fahrzeugschadensfall als ein Ereignis mit mittlerem Schweregrad bestimmt wird, wobei die Batteriezellen wiedergeladen werden können, und das Entladen der Batteriezellen auf einen dritten Ladezustandsgrad, falls der Fahrzeugschadensfall als ein Fall mit hohem Schweregrad bestimmt wird, wobei die Batteriezellen beschädigt werden und nicht wiederaufgeladen werden, umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste Ladezustandsgrad ungefähr 3,3 V, der zweite Ladezustandsgrad 0% Ladezustand und der dritte Ladezustandsgrad 0 V sind.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entladen jeder Batteriezelle das Entladen jeder Batteriezelle mit einem separaten Widerstand umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Widerstände für jede Zelle ein Teil eines Zellbalancing-Schaltkreises sind.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Fahrzeugschadensfall ein Crashereignis oder ein Hochtemperaturereignis umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, dass das Fahrzeug in einen Fahrzeugschadensfall verwickelt wurde, das Detektieren des Fahrzeugschadensfalls mithilfe von Crashdetektoren umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen, dass das Fahrzeug in einen Fahrzeugschadensfall verwickelt wurde, das Überwachen eines Airbag-Entfaltungssystems umfasst.
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