DE102012110555A1

DE102012110555A1 - Kombiniertes PI-Regelungs- und Steuerverfahren für den Zellenladezustandsausgleich

Info

Publication number: DE102012110555A1
Application number: DE102012110555A
Authority: DE
Inventors: Wei Liu; John Guerin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2012-11-05
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: DE102012110555B4; CN103166281B; CN103166281A; US8854008B2; US20130147438A1

Abstract

Ein Verfahren und System für den Ladezustandsausgleich von Batteriepackzellen unter Verwendung einer Proportional-Integral-Regelung, die mit einer Steuerung kombiniert ist. Die Proportional-Integral-Regelung arbeitet mit der Differenz zwischen der durchschnittlichen Entladung aller Zellen über einem vorhergegangenen Fahrzyklus und der Entladung einer spezifischen Zelle über dem vorhergegangenen Fahrzyklus. Demzufolge basiert der Rückkopplungs-Term darauf, ob eine individuelle Zelle sich mehr oder weniger schneller als der Batteriepackdurchschnitt während der Fahrt entlädt. Eine Zelle, die schneller entladen wird, wird einen verminderten ohmschen Entladezustandsausgleich erhalten. Die Steuerung arbeitet mit der Differenz zwischen dem Ladezustand einer individuellen Zelle und dem durchschnittlichen Ladezustand des Batteriepacks zu Beginn eines momentanen Fahrzyklus. Die Gesamtstellgröße, die das Einschaltdauer-Tastverhältnis durch ohmsches Entladen bestimmt, ist die Summe aus dem Regelungssignal und dem Steuerungssignal.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Batteriepackzellen-Ladezustandsausgleich und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zum Ladezustandsausgleich des Ladezustands von Zellen in einem Batteriepack, welches sowohl Regeln als auch Steuern verwendet und welches Ladezustandsänderungen berücksichtigt, die sowohl von Abweichungen in den Selbstentladungsraten als auch von Kapazitätsabweichungen zwischen den Zellen und ferner noch von Abweichungen, die von parasitären Lasten des elektronischen Mess- und Regelsystems stammen.
2. Diskussion des Standes der Technik
Elektrofahrzeuge und Benzin-Elektro- oder Diesel-Elektro-Hybridfahrzeuge gewinnen auf dem heutigen Automobilmarkt rasch an Popularität. Elektrofahrzeuge und Elektrohybridfahrzeuge bieten zahlreiche wünschenswerte Eigenschaften, wie zum Beispiel das Reduzieren oder Eliminieren von Emissionen oder dem erdölbasierenden Kraftstoffverbrauch auf der Verbraucherseite und potentiell geringere Betriebskosten. Eine Schlüsselkomponente bzw. ein Schlüsselsubsystem von Elektrofahrzeugen und Elektrohybridfahrzeugen ist der Batteriepack, der einen substantiellen Anteil an den Fahrzeugkosten darstellen kann. Batteriepacks in diesen Fahrzeugen bestehen typischerweise aus zahlreichen miteinander verschalteten Zellen, die in der Lage sind, auf Anforderung einen hohen Betrag an Leistung zu liefern. Das Maximieren der Batteriepackleistungsfähigkeit und der Batteriepacklebensdauer sind Schlüsselüberlegungen in der Ausgestaltung und im Betrieb von Elektrofahrzeugen und Elektrohybridfahrzeugen.
In einem Batteriepack, der aus hunderten von Zellen besteht, ist eine gewisse Streuung in der Leistungsfähigkeit der individuellen Zellen unvermeidbar und diese Streuung steigt mit fortschreitendem Alter eines Batteriepacks. Wenn beispielsweise alle Zellen in einem Batteriepack vollständig geladen sind und der Batteriepack dann dazu verwendet wird, ein Fahrzeug mit Energie zu versorgen, werden einige Zellen aufgrund des Innenwiderstands und Abweichungen in der Selbstentladungsrate ein bisschen schneller als andere Zellen entladen. Die Energiespeicherkapazität kann ebenso von Zelle zu Zelle variieren. Um die Batteriepacklebensdauer und die Reichweite des Fahrzeugs zu maximieren, ist es wichtig, die Streuungen im Ladezustand von Zelle zu Zelle zu minimieren. Ein herkömmliches Verfahren zum Ladezustandsausgleich zwischen Zellen in einem Batteriepack ist es, Zellen mit einem höheren Ladezustand über einen Widerstand selektiv zu entladen. Der Betrag für das ohmsche Entladen jeder Zelle wird typischerweise als eine Funktion des Ladezustands der Zelle relativ zum mittleren Ladezustand aller Zellen in dem Batteriepack bestimmt.
Obwohl dieses bekannte Zellenladezustandsausgleichsverfahren im Ladezustandsausgleich zwischen Zellen in einem Batteriepack einigermaßen effektiv ist, berücksichtigt es nicht die Abweichungen der Zellenkapazität. Das bedeutet, dass eine Zelle mit einer niedrigeren Energiespeicherkapazität einen höheren Ladezustand am Beginn eines Fahrzyklus aufweisen kann, da die Zelle mit einer schnelleren Rate als die anderen Zellen in dem Batteriepack geladen wurde. Wenn eine niedrigere Kapazität der Grund dafür ist, dass eine Zelle am Beginn eines Fahrzyklus in einen höheren Ladezustand versetzt wird, kann diese Zelle natürlich den Ladezustand gegenüber dem Rest des Batteriepacks während des Fahrzyklus ausgleichen und ein ohmsches Entladen dieser Zelle kann zu einer Überkompensation führen und die Zelle dazu bringen, dass sie sich zu schnell entlädt.
Es besteht ein Bedürfnis für ein Ladezustandsausgleichsverfahren für Batteriepackzellen, welches sowohl die Selbstentladerate als auch die Energiespeicherkapazitätsabweichungen unter den Zellen berücksichtigt. Ein solches Verfahren könnte die Leistungsfähigkeit des Zellenladezustandsausgleichs verbessern und das unnötige ohmsche Entladen während dem fortschreitenden Altern des zugehörigen Batteriepacks minimieren und somit durch die verbesserte Batteriepacklebensdauer und die erhöhte Fahrzeugreichweite zu einer höheren Kundenzufriedenheit führen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und ein System zum Ladezustandsausgleich für Batteriepackzellen offenbart, das eine Proportional-Integral-Regelung kombiniert mit einer Steuerung verwendet. Die Proportional-Integral-Regelung arbeitet mit einer Regeldifferenz, welche die Differenz aus dem mittleren Betrag der Entladung aller Zellen über den vorherigen Fahrzyklus und dem Betrag der Entladung einer spezifischen Zelle über den vorherigen Fahrzyklus ist. Demzufolge basiert die Regelung darauf, ob während der Fahrt eine individuelle Zelle sich schneller oder weniger schnell als der Batteriepackdurchschnitt entlädt, wobei eine Zelle, die sich schneller entlädt, einem verminderten ohmschen Entladen unterworfen wird. Die Steuerung arbeitet mit der Differenz aus einem Ladezustand einer individuellen Zelle am Beginn eines Fahrzyklus und dem mittleren Ladezustand des Batteriepacks am Beginn des Fahrzyklus. Die Gesamtstellgröße, die das Einschaltdauer-Tastverhältnis des ohmschen Ladezustandsausgleichs für jede Zelle bestimmt, ist die Summe aus dem Proportional-Integral-Regelungssignal und dem Steuersignal.
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 ein Graph, der einen Ladezustand einer individuellen Zelle und einen mittleren Ladezustand eines Batteriepacks während eines Fahrzyklus zeigt, bei dem herkömmliche Verfahren zum ohmschen Ladezustandsausgleich verwendet werden;
2 ist ein Blockdiagramm eines Ladezustandsausgleichssystems, das eine Proportional-Integral-Regelung kombiniert mit einer Steuerung verwendet;
3 ist ein Graph, der einen Ladezustand einer individuellen Zelle und einen mittleren Ladezustand eines Batteriepacks während eines Fahrzyklus zeigt, wobei die kombinierte Proportional-Integral-Regelung und Steuerung des Ladezustandsausgleichs-Controllers aus der 2 verwendet wird; und
4 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich von Zellen in einem Batteriepack unter Verwendung einer Proportional-Integral-Regelung kombiniert mit einer Steuerung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein kombiniertes Proportional-Integral-Regelungs- und Steuerungsverfahren zum Ladezustandsausgleich gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise ist die folgende Diskussion auf den Ladezustandsausgleich von Zellen in Elektrofahrzeug-Batteriepacks gerichtet; das Verfahren ist jedoch gleichermaßen auf Batteriepacks in anderen Fahrzeug- und Nichtfahrzeug-Anwendungen anwendbar.
Batteriepacks in Elektrofahrzeugen und Benzin-Elektro- oder Diesel-Elektrohybridfahrzeugen (im Folgenden zusammen einfach als ”Elektrofahrzeuge” bezeichnet) bestehen typischerweise aus hunderten von individuellen Zellen. Lithiumionen stellen eine gängige wiederaufladbare Batteriechemie dar und jede Lithiumionen-Zelle produziert abhängig vom Ladezustand ungefähr 3–4 V. Viele in einem Modul in Reihe geschaltete Zellen können die zum Antreiben von Elektrofahrzeugmotoren nötige Hochspannung bereitstellen. Mehrere Module, die zueinander parallel geschaltet sind, liefern die Energiekapazität, um eine nützliche Reichweite für die Elektrofahrzeuge bereitzustellen.
Um sowohl die Fahrzeugreichweite als auch die Lebensdauer des Batteriepacks zu maximieren, ist es wichtig, den Ladezustand der einzelnen Zellen in einem Batteriepack auszugleichen, so dass alle Zellen innerhalb eines schmalen Ladezustandsbandes liegen. Der Ladezustandsausgleich wird typischerweise mittels ohmschem Entladen individueller Zellen, die einen höheren Ladezustand aufweisen, vorgenommen, um den Ladezustand dieser Zellen auf den Batteriepackdurchschnitt abzusenken. Eine konventionelle Steuerstrategie besteht darin, den Ladezustand jeder Zelle in dem Batteriepack beim ”Schlüsselstart” ((”Key-Up”) Zeitpunkt, bei dem ein Fahrzeug angelassen wird) zu bestimmen und das ohmsche Entladetastverhältnis für jede Zelle basierend auf diesem Anfangsladezustand einzustellen. Je höher ein Anfangsladezustand einer Zelle über dem Ladezustandsdurchschnitt des Batteriepacks ist, desto länger ist insbesondere das Einschaltdauer-Tastverhältnis des ohmschen Entladens für diese Zelle. Diese konventionelle Steuerstrategie arbeitet damit, Zellen mit höherem Ladezustand schneller abzusenken, um diese zurück auf den Mittelwert zu bringen.
1 ist ein Graph 10, der den Ladezustand einer individuellen Zelle und den gesamten durchschnittlichen Ladezustand aller Zellen in einem Batteriepack über den Verlauf eines Fahrzyklus eines Elektrofahrzeuges zeigt. Der Graph 10 zeigt, was mit einem Ladezustand einer einzelnen Zelle bei Verwendung der oben beschriebenen konventionellen Ladezustandsausgleichssteuerstrategie geschehen kann. In dem Graphen 10 stellt die horizontale Achse 12 die Zeit und die vertikale Achse 14 den Ladezustand dar. Die horizontale Achse 12 läuft von einer Zeit von 0 Sekunden bis zu einer Endzeit des Fahrzyklus, welche typischerweise mehr oder weniger im Bereich von einer halben Stunde (1800 Sekunden) bis zu 1 Stunde (3600 Sekunden) sein kann. Die vertikale Achse 14 zeigt den Ladezustand von 0% bis 100%.
Die Kurve 16 stellt den durchschnittlichen oder mittleren Ladezustand für alle Zellen in dem Batteriepack dar. Die Kurve 18 stellt den Ladezustand einer einzelnen Zelle in dem Batteriepack dar. Es kann aus der Kurve 16 gesehen werden, dass der mittlere Ladezustand bei einem relativ hohen Level von nahezu 80% beginnt. Die Kurve 18 zeigt, dass die individuelle Zelle einen höheren Ladezustand von ungefähr 85% bei Beginn des Fahrzyklus hat. Der mittlere Ladezustand fällt wie erwartet ab, während das Fahrzeug seinen Fahrzyklus vollführt, was aus der Kurve 16 ersichtlich ist. Der individuelle Ladezustand der Zelle fällt ebenfalls ab, was aus der Kurve 18 ersichtlich ist. Da der Ladezustand der individuellen Zelle bei Beginn des Fahrzyklus jedoch höher als der mittlere Ladezustand war, wird die individuelle Zelle zusätzlich zu ihrer Leistungsabgabe an das Fahrzeug ohmsch entladen. Demzufolge ist ihre Entladungsrate schneller als der Durchschnitt.
Wie oben erwähnt, dient der Betrag an ohmschem Entladen dazu, den Ladezustand einer individuellen Zelle zurück zum Durchschnitt über den Verlauf eines durchschnittlichen Fahrzyklus zu bringen. Falls die individuelle Zelle jedoch einen höheren Anfangsladezustand hatte, da sie eine niedrigere Energiespeicherkapazität hatte (und demzufolge eine Ladung während des Aufladens schneller aufnahm), dann wird das ohmsche Entladen, das bei Beginn beim Schlüsselstart berechnet wurde, überkompensieren und bewirken, dass der Ladezustand der Zelle deutlich unter den Durchschnitt über dem Verlauf des Fahrzyklus abfallen wird. Dieses Phänomen kann in dem Graphen 10 erkannt werden. Man muss in Betracht ziehen, dass die durchschnittliche Zelle in dem Batteriepack eine Kapazität von 45 Amperestunden hat und die individuelle Zelle, die in der Kurve 18 dargestellt ist, eine um 10% niedrigere Kapazität als der Durchschnitt hat oder 40,5 Amperestunden beträgt. Die oben beschriebene konventionelle Ladezustandsausgleichssteuerstrategie, die die Energiespeicherkapazität der Zellen nicht berücksichtigt, bewirkt, dass die individuelle, in der Kurve 18 dargestellte Zelle deutlich unter den Durchschnitt über dem Verlauf des Fahrzyklus abfallen wird. Dieses Verhaltensmuster, bei dem einige individuelle Zellen aufgrund einer niedrigeren Energiespeicherkapazität in einem Batteriepack bei jedem Zyklus höher geladen und tiefer entladen werden als der Durchschnitt, ist verheerend für die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit dieser Zellen.
2 ist ein Blockdiagramm für ein Ladezustandsausgleichssystem 20, welches die Einschränkungen der oben beschriebenen konventionellen Ladezustandsausgleichssteuerstrategie überwindet. Das System 20 berücksichtigt nicht nur den Ladezustand jeder individuellen Zelle beim Start sondern auch die Energiespeicherkapazität jeder Zelle und bestimmt ein Tastverhältnis für ein ohmsches Entladen, welches besser arbeitet, um den Ladezustand jeder Zelle zurück zum Durchschnitt über dem Verlauf eines Fahr- oder Entladezyklus zu bringen.
Wie oben erwähnt, besteht ein Batteriepack 22 aus zahlreichen individuellen Zellen 24. Ein Überwachungssystem 26, welches in den Batteriepack 22 integriert oder in elektronischer Kommunikation mit dem Batteriepack 22 sein kann, bestimmt den Ladezustand jeder Zelle 24 in dem Batteriepack 22. Der Ladezustand jeder Zelle 24 kann, obwohl er nicht direkt messbar ist, als eine Funktion von zwei Eigenschaften, die gemessen werden können, bestimmt werden: die Temperatur der Zelle 24 und die Leerlaufspannung (keine Last) der Zelle 24. Typischerweise werden die Temperatur und die Leerlaufspannung gemessen und es wird eine Look-Up-Tabelle verwendet, um den Ladezustand jeder Batteriezelle 24 unter Verwendung von Werten, die für die Zellen einer bestimmten Ausgestaltung bekannt sind, zu bestimmen. Diese Messung und Look-Up-Aktivität wird von dem Überwachungssystem 26 für jede Zelle 24 in dem Batteriepack 22 ausgeführt.
Vier verschiedene Parameter werden als Ausgang von dem Monitorüberwachungssystem 26 bereitgestellt: der mittlere Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 für den momentanen Schlüsselzyklus auf der Leitung 30; der mittlere Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 für den vorherigen Schlüsselzyklus auf der Leitung 32; der Ladezustand für jede individuelle Zelle i für den momentanen Schlüsselzyklus auf der Leitung 34; und der Ladezustand für jede individuelle Zelle i für den vorherigen Schlüsselzyklus auf der Leitung 36. Der Begriff ”Schlüsselzyklus” steht für ein Anlassen oder einen Start des Elektrofahrzeugs. Das bedeutet, dass der momentane Schlüsselzyklus das Anlassen des Fahrzeugs ist, welches gerade zur Vorbereitung des Fahrzeuges erfolgte, um die momentane Fahrt zurückzulegen. Der vorherige Schlüsselzyklus war das Anlassen des Fahrzeugs für die vorherige Fahrt, das weniger als 1 Stunde früher, einige Tage früher oder irgendwann dazwischen erfolgt sein kann.
Im Block 40 wird ein Wert ΔSOC_Mittel als die Differenz zwischen dem mittleren Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 für den momentanen Schlüsselzyklus (auf der Leitung 30) und dem mittleren Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 für den vorherigen Schlüsselzyklus (auf der Leitung 33) berechnet. Das bedeutet, dass im Block 40 der Wert auf der Leitung 32 von dem Wert auf der Leitung 30 subtrahiert wird. Der im Block 40 berechnete Wert ΔSOC_Mittel zeigt an, um wie viel der durchschnittliche Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 während des vorherigen Fahrzyklus gefallen ist.
Im Block 42 wird ein Wert ΔSOC_i für jede individuelle Zelle i als die Differenz zwischen dem Ladezustand aller individuellen Zellen i für den momentanen Schlüsselzyklus (auf der Leitung 34) und dem Ladezustand jeder individuellen Zelle i für den vorherigen Schlüsselzyklus (auf der Leitung 36) berechnet. Das bedeutet, dass im Block 42 der Wert auf der Leitung 36 von dem Wert auf der Leitung 34 für jede individuelle Zelle i subtrahiert wird. Der im Block 42 berechnete Wert ΔSOC_i zeigt an, um wie viel der Ladezustand jeder individuellen Zelle i in dem Batteriepack 22 während des vorherigen Fahrzyklus gefallen ist.
Im Summierpunkt 44 wird der Wert ΔSOC_i aus dem Block 42 von dem Wert ΔSOC_Mittel aus dem Block 40 subtrahiert. Demzufolge gibt das als Ausgang von dem Summierpunkt 44 bereitgestellte Signal an, um wie viel mehr oder weniger als das Mittel jede individuelle Zelle i über dem vorhergegangenen Fahrzyklus entladen wurde. Dieses Signal kann als Regeldifferenz betrachtet werden, die von einem Proportional-Integral-Regler 46 verwendet wird. Der Proportional-Integral-Regler 46 bestimmt eine Reglerstellgröße unter Verwendung einer Standard Proportional-Integral-Reglerstrategie. Ein Proportional-Integral-Regler berechnet sowohl einen Proportionalanteil, der zu der Regeldifferenz aus dem Summierpunkt 44 proportional ist, als auch einen Integralanteil, der zu dem Integral der Regeldifferenz aus dem Summierpunkt 44 proportional ist, was Fachleuten geläufig ist.
Die Blöcke 40 und 42 und der Summierpunkt 44 werden der Klarheit halber zum Beschreiben der Regelungsstrategie, die in dem Ladezustandsausgleichssystem 20 verwendet wird, gezeigt. In der Praxis könnten die Blöcke 40 und 42 und der Summierpunkt 44 jedoch mit dem Proportional-Integral-Regler 46 zusammengefasst sein; in diesem Fall könnte der Proportional-Integral-Regler 46 die Signale auf den Leitungen 30, 32, 34 und 36 empfangen und die Regelungsstellgröße für jede individuelle Zelle i direkt berechnen.
Im Block 48 wird eine Steuerstellgröße für jede individuelle Zelle i als die Differenz zwischen dem mittleren Ladezustand jeder einzelnen individuellen Zelle i für den momentanen Schlüsselzyklus (auf der Leitung 34) und dem Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 für den momentanen Schlüsselzyklus (auf der Leitung 30) berechnet. Demzufolge implementiert die im Block 48 berechnete Steuerstellgröße die oben beschriebene herkömmliche Steuerstrategie für den Zellenladezustandsausgleich, wobei Zellen mit einem höheren Ladezustand mehr ohmsches Entladen als andere Zellen erfahren.
Im Summierpunkt 50 wird die Reglerstellgröße aus dem Proportional-Integral-Regler 46 mit der Steuerstellgröße aus dem Block 48 kombiniert. Der Ausgang des Summierpunkts 50 stellt die Gesamtstellgröße für jede individuelle Zelle i dar, wobei die Stellgröße in Termen eines Einschaltdauer-Prozentsatzes für ein ohmsches Entladen ausgedrückt ist. Der Ausgang des Summierpunkts 50 wird an ein Zellen-ladezustandsausgleich-Hardwaremodul 52 bereitgestellt, welches mit dem Batteriepack 22 verbunden ist und ein Ladezustandsausgleichen jeder individuellen Zelle i mittels ohmschem Entladen ausführt. Der Widerstandswert des Entladewiderstands, der in dem Zellenladezustandsausgleich-Hardwaremodul verwendet wird, ist fest. Demzufolge wird ein Einschaltdauer-/Ausschaltdauer-Tastverhältnis verwendet, um den Betrag für das ohmsche Entladen, das auf jede individuelle Zelle i angewandt wird, zu variieren, wobei der Einschaltdauer-Prozentsatz für das Einschaltdauer-/Ausschaltdauer-Tastverhältnis von dem Summierpunkt 50 geliefert wird.
Das Ladezustandsausgleichssystem 20 berücksichtigt demnach nicht nur (mittels der Steuerstellgröße aus dem Block 48), ob jede individuelle Zelle i einen Ladezustand hat, der höher als der mittlere Ladezustand ist, sondern auch (mittels der Reglerstellgröße aus dem Proportional-Integral-Regler 46) die Energiespeicherkapazität jeder individuellen Zelle i.
3 ist ein Graph 110, der den Ladezustand einer individuellen Zelle i und den gesamten Ladezustandsdurchschnitt aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 über den Verlauf eines Fahrzyklus eines Elektrofahrzeugs zeigt. Der Graph 110 zeigt, wie das Ladezustandsausgleichssystem 20 die Ladezustandsausgleichsleistungsfähigkeit verbessern kann. In dem Graphen 110 stellt die horizontale Achse 112 die Zeit und die vertikale Achse 114 den Ladezustand dar. Der Graph 110 ist zu dem Graphen 10 aus der 1 in jeder Hinsicht ähnlich, mit der Ausnahme, dass in dem Graphen 110 der individuelle Zellenladezustand mit dem mittleren Zellenladezustand konvergiert, ohne überzuschießen und exzessiv entladen zu werden. Dies wird weiter unten diskutiert.
Die Kurve 116 stellt den durchschnittlichen oder den mittleren Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 dar. Die Kurve 118 stellt den Ladezustand einer individuellen Zelle i in dem Batteriepack 22 dar. Es kann aus der Kurve 116 gesehen werden, dass der mittlere Ladezustand bei einem relativ hohen Level von nahezu 80% beginnt. Die Kurve 118 zeigt, dass die individuelle Zelle i beim Schlüsselstart einen höheren Ladezustand von ungefähr 85% aufweist. Während das Fahrzeug seinen Fahrzyklus vollführt, fällt der mittlere Ladezustand wie erwartet ab, was aus der Kurve 116 ersichtlich ist. Der Ladezustand der individuellen Zelle fällt ebenfalls ab, was aus der Kurve 118 ersichtlich ist. Wie oben diskutiert, kann die individuelle Zelle i jedoch eine niedrigere Energiespeicherkapazität aufweisen. Das bedeutet, dass ihre Entladerate auch ohne ohmsches Entladen schneller als die mittlere Entladerate ist. Durch Verwendung des Zellenladezustandsausgleichssystems 20 aus der 2 kann die verringerte Energiespeicherkapazität der individuellen Zelle i berücksichtigt werden. Dies gibt vor, dass weniger, wenn überhaupt, ohmsches Entladen auf die individuelle Zelle i ausgeübt wird mit dem Ergebnis, dass der Ladezustand der individuellen Zelle i mit dem Durchschnitt über den Verlauf des Fahrzyklus konvergiert, ohne dabei überzuschießen wie im Graph 10 aus der 1.
4 ist ein Flussdiagramm 120 für ein Verfahren zum Ladezustandsausgleich von Zellen in einem Batteriepack, bei dem sowohl eine Proportional-Integral-Regelung als auch eine Steuerung verwendet werden. Im Kasten 122 wird der Ladezustand jeder einzelnen individuellen Zelle i des Batteriepacks 22 beim Schlüsselstart des Fahrzeugs (oder beim Start irgendeiner Anwendung, die den Batteriepack 22 verwendet) bestimmt. Wie oben diskutiert, müssen der Ladezustand für jede einzelne individuelle Zelle i und der mittlere Ladezustand aller Zellen 24 im Batteriepack 22 für den momentanen Schlüsselstartzyklus und den vorhergegangenen Schlüsselstartzyklus bereitgestellt werden, um das offenbarte Kontrollverfahren zu aktivieren.
Im Kasten 124 wird ein Wert ΔSOC_Mittel als die Differenz zwischen dem mittleren Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 für den momentanen Schlüsselzyklus und dem mittleren Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 für den vorherigen Schlüsselzyklus berechnet. Im Kasten 126 wird ein Wert ΔSOC_i für jede einzelne Zelle i als die Differenz zwischen dem Ladezustand jeder einzelnen individuellen Zelle i für den momentanen Schlüsselzyklus und der Ladezustand für jede individuelle Zelle i für den vorherigen Schlüsselzyklus berechnet. Im Kasten 128 wird der Wert ΔSOC_i aus dem Kasten 126 von dem Wert ΔSOC_Mittel aus dem Kasten 124 subtrahiert. Demzufolge gibt der Ausgang aus dem Kasten 128 wieder, um wie viel mehr oder weniger als der Durchschnitt jede einzelne individuelle Zelle i über dem vorherigen Fahrzyklus entladen wurde. Dieser Wert kann dazu verwendet werden, um eine Regelungsstellgröße für jede einzelne individuelle Zelle i im Kasten 130 zu bestimmen. Die Regelungsstellgröße im Kasten 130 wird unter Verwendung einer Standard Proportional-Integral-Regelungslogik bestimmt.
Wie oben in Hinblick auf die Elemente 40–46 in dem Ladezustandsausgleichssystem 20 diskutiert wurde, könnten die Verfahrensschritte aus den Kästen 124–130 kombiniert werden, um die Regelungsstellgröße im Kasten 130 unter Verwendung der Eingangsdaten aus den Kästen 124 und 126 direkt zu berechnen.
Im Kasten 132 wird für jede einzelne individuelle Zelle i eine Steuerungsstellgröße als die Differenz zwischen dem Ladezustand für jede einzelne individuelle Zelle i für den momentanen Schlüsselzyklus und dem mittleren Ladezustand aller Zellen 24 in dem Batteriepack 22 für den momentanen Schlüsselzyklus berechnet. Im Kasten 134 wird die Regelungsstellgröße aus der Proportional-Integral-Regelungsberechnung im Kasten 130 mit der Steuerungsstellgröße aus dem Kasten 132 kombiniert. Der Ausgang des Kastens 134 ist eine Gesamtstellgröße für jede einzelne individuelle Zelle i, ausgedrückt als ein Tastverhältnis-Einschaltdauerprozentsatz, und wird von dem Zellenladezustandsausgleich-Hardwaremodul 52 im Kasten 136 verwendet.
Das hier offenbarte, kombinierte Proportional-Integral-Regelungs- und Steuerungsverfahren gewährt einen verbesserten Zellenladezustandsausgleich in Vielzellenbatteriepacks. Es erzielt dies durch Berücksichtigen von sowohl dem momentanen Zellenladezustand als auch der Zellenenergiespeicherkapazität und verwendet beide Faktoren, um zu bestimmen, wie viel ohmsches Entladen auf jede Zelle angewandt werden muss. Durch das Vermeiden von übermäßigem Entladen etlicher Zellen ist mehr Energie für das Fahren des Fahrzeugs verfügbar und die Langzeithaltbarkeit des Batteriepacks wird verbessert. Die resultierende verbesserte Fahrzeugreichweite und die verbesserte Produkthaltbarkeit steigern beide die Kundenzufriedenheit, was wiederum zu höheren Verkaufszahlen für den Fahrzeughersteller führt.
Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an 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

Ein Ladezustandsausgleichssystem für einen Batteriepack, wobei das Ladezustandsausgleichssystem umfasst: – ein Überwachungsmodul zum Sammeln von Ladezustandsdaten für jede Zelle in dem Batteriepack, wobei das Überwachungsmodul Signale, die einen Ladezustand für jede Zelle in dem Batteriepack und einen mittleren Ladezustand für alle Zellen in dem Batteriepack für einen momentanen Start und einen vorherigen Start darstellen; – ein Regelungsmodul, welches für die Signale aus dem Überwachungsmodul ansprechbar ist, wobei das Regelungsmodul konfiguriert ist, um eine Regelungsstellgröße für jede Zelle in dem Batteriepack zu berechnen, wobei die Regelungsstellgröße eine Energiespeicherkapazität von jeder Zelle in dem Batteriepack berücksichtigt; – ein Steuerungsmodul, welches für die Signale aus dem Überwachungsmodul ansprechbar ist, wobei das Steuerungsmodul konfiguriert ist, um eine Steuerungsstellgröße für jede Zelle in dem Batteriepack zu berechnen, wobei die Steuerungsstellgröße einen relativen Ladezustand von jeder Zelle in dem Batteriepack berücksichtigt; und – ein Zellenladezustandsausgleich-Hardwaremodul, welches für die Signale von dem Regelungsmodul und dem Steuerungsmodul ansprechbar ist, wobei das Zellenladezustandsausgleich-Hardwaremodul eine Summe aus der Regelungsstellgröße und der Steuerungsstellgröße verwendet, um den Ladezustand jeder Zelle in dem Batteriepack auszugleichen.
Ladezustandsausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Überwachungsmodul eine Temperatur jeder Zelle in dem Batteriepack und eine Leerlaufspannung jeder Zelle in dem Batteriepack misst und die Temperatur und die Leerlaufspannung verwendet, um den Ladezustand jeder Zelle in dem Batteriepack bei jedem Start zu bestimmen.
Ladezustandsausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Regelungsmodul ein Proportional-Integral-Regelungsverfahren zum Berechnen der Regelungsstellgröße verwendet.
Ladezustandsausgleichssystem nach Anspruch 3, wobei das Proportional-Integral-Regelungsverfahren mit einer Differenz aus einem ΔSOC_Mittel-Wert und einem ΔSOC_i-Wert arbeitet, wobei der ΔSOC_Mittel-Wert eine Differenz aus dem mittleren Ladezustand aller Zellen in dem Batteriepack des momentanen Starts und dem mittleren Ladezustand aller Zellen in dem Batteriepack des vorherigen Starts ist und der ΔSOC_i-Wert eine Differenz aus dem Ladezustand jeder Zelle des Batteriepacks des momentanen Starts und dem Ladezustands jeder Zelle in dem Batteriepack des vorherigen Starts ist.
Ladezustandsausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuerungsmodul eine Funktion einer Differenz aus dem Ladezustand jeder einzelnen Zelle in dem Batteriepack des momentanen Starts und dem mittleren Ladezustand aller Zellen in dem Batteriepack des momentanen Starts berechnet.
Ladezustandsausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei das Zellenladezustandsausgleich-Hardwaremodul ohmsches Entladen zum Ausgleichen des Ladezustands jeder Zelle in dem Batteriepack verwendet.
Ladezustandsausgleichssystem nach Anspruch 6, wobei das ohmsche Entladen in einem Einschaltdauer/Ausschaltdauer-Tastverhältnis mit einem Einschaltdauerprozentsatz basierend auf die Summe aus der Regelungsstellgröße und der Steuerungsstellgröße angewandt wird.
Ladezustandsausgleichssystem nach Anspruch 1, wobei der Batteriepack in einem Elektrofahrzeug verwendet wird.
Ein Verfahren zum Ausgleichen des Ladezustands von Zellen in einem Batteriepack, der zur Energieversorgung eines Anwendungsgegenstandes verwendet wird, wobei das Verfahren umfasst: – Sammeln von Ladezustandsdaten umfassend einen Ladezustand jeder Zelle in dem Batteriepack bei jedem Start des Anwendungsgegenstandes; – Berechnen einer Regelungsstellgröße für jede Zelle in dem Batteriepack, wobei die Regelungsstellgröße unter Verwendung der Ladezustandsdaten berechnet wird und eine Energiespeicherkapazität jeder Zelle in dem Batteriepack berücksichtigt; – Berechnen einer Steuerungsstellgröße für jede Zelle in dem Batteriepack, wobei die Steuerungsstellgröße unter Verwendung der Ladezustandsdaten berechnet wird und einen relativen Ladezustand jeder Zelle in dem Batteriepack berücksichtigt; – Kombinieren der Regelungsstellgröße und der Steuerungstellgröße, um eine Gesamtstellgröße für jede Zelle in dem Batteriepack zu bestimmen; und – Verwenden der Gesamtstellgröße in einem Zellenladezustandsausgleichmodul, um den Ladezustand jeder Zelle in dem Batteriepack auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Berechnen einer Regelungsstellgröße das Verwenden eines Proportional-Integral-Reglers beinhaltet.