DE102012212872B4 - Fahrzeugbatterie und Verfahren, um diese aufzuladen - Google Patents

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Abstract

Verfahren (150) zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie (30), das die Schritte umfasst, dass:(a) eine Fahrzeugbatterie (30) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (52, 54, 56, 58) und einer Vielzahl von Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) bereitgestellt wird, wobei jede der Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) mit einer zugehörigen Batteriezelle (52, 54, 56, 58) parallel verbunden ist und einen elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) sowie eine Zener-Diode (82, 84, 86, 88) enthält, die in Reihe verbunden sind;(b) die Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) aktiviert werden, indem die elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) geschlossen werden; und(c) die Fahrzeugbatterie (30) mit den aktivierten Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) aufgeladen wird, wobei während des Aufladeprozesses eine oder mehrere der Batteriezellen (52, 54, 56, 58) aufgeladen werden und eine oder mehrere der Batteriezellen (52, 54, 56, 58) über eine Zellenausgleichsstromstrecke (62, 64, 66, 68) umgangen werden.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeugbatterien und insbesondere Hochspannungs-Fahrzeugbatterien mit einer Anzahl einzelner Batteriezellen, etwa diejenigen, die man bei verschiedenen Typen von Elektro- und Hybridfahrzeugen antrifft.
  • HINTERGRUND
  • Batteriezellen in einem Fahrzeugbatteriestapel können unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise können Batteriezellen, die in einem Teil des Batteriestapels angeordnet sind, anderen Temperaturen ausgesetzt sein als diejenigen, die in einem anderen Bereich des Stapels angeordnet sind. Diese und andere Faktoren können wiederum die Spannung, den Strom, den Widerstandswert, den Ladezustand (SOC), den Funktionszustand (SOH) und/oder andere Batteriezellenbedingungen der einzelnen Zellen im Lauf der Zeit beeinflussen und sie können zu Unterschieden zwischen den Batteriezellen führen, sodass sie nicht identisch sind. Eine weitere potentielle Quelle von Batteriezellenunterschieden betrifft Beschränkungen beim Fertigungsprozess, da ein derartiger Prozess nicht immer in der Lage ist, Batteriestapel mit perfekt identischen Zellen zu erzeugen.
  • Es ist gewöhnlich wünschenswert, einen Batteriestapel in einem Zustand derart zu halten, dass die Zellenspannungen und/oder andere Batteriezellenbedingungen ausgeglichen und gleichmäßig über den Stapel hinweg verteilt sind; einige Zellenausgleichstechniken wurden zu diesem Zweck entwickelt. Eine derartige Technik umfasst das Entladen von Batteriezellen, die überladen wurden, jedoch kann diese Art von Technik zu einem Wirkungsgradverlust führen, da bei dem Entladeprozess etwas elektrische Energie verloren geht.
  • Die Druckschrift US 5 952 815 A offenbart ein System und Verfahren zum Ladungsausgleich von in Reihe verbundenen Energiespeichervorrichtungen, wobei in einer Ausführungsform ein elektronischer Schalter mit einer Zener-Diode derart verbunden ist, dass bei eingeschaltetem Schalter die Zener-Diode sperrt und bei ausgeschaltetem Schalter die Zener-Diode leitet.
  • In der Druckschrift DE 10 2010 010 364 A1 sind solarbetriebene Verfahren und Vorrichtungen zum Laden von Lithiumionen-Batterien offenbart, bei denen eine Zener-Diode parallel zu jeder Batteriezelle so geschaltet ist, dass die Sperrspannung der Zener-Diode bei einer erwünschten Sollwertspannung durchbricht, um eine Überladung der Batteriezelle zu verhindern.
  • Die Druckschrift US 2008/ 0 157 718 A1 offenbart eine Spannungsüberwachungsschaltung, bei der bei Unterbrechen einer Reihenschaltung von Batterien verhindert wird, dass eine Hochspannung an die Spannungsüberwachungsschaltung angelegt wird.
  • In der Druckschrift US 2009/ 0 266 397 A1 ist ein solarbetriebenes Batterieladesystem offenbart, das eine solar aufladbare Batterie und mehrere seriell oder parallel angeordnete Photovoltaikzellen umfasst, die selbstregulierte Spannungen und Ströme zum Laden der Batterie erzeugen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie bereitgestellt. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, dass: (a) eine Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird, die eine Vielzahl von Batteriezellen und eine Vielzahl von Zellenausgleichsstromstrecken aufweist, wobei jede der Zellenausgleichsstromstrecken mit einer zugehörigen Batteriezelle parallel verbunden ist und einen elektronischen Schalter und eine Zener-Diode, die in Reihe verbunden sind, enthält; (b) die Zellenausgleichsstromstrecken aktiviert werden, indem die elektronischen Schalter geschlossen werden; und (c) die Fahrzeugbatterie mit den aktivierten Zellenausgleichsstromstrecken aufgeladen wird, wobei während des Aufladeprozesses eine oder mehrere der Batteriezellen aufgeladen werden und eine oder mehrere der Batteriezellen über eine Zellenausgleichsstromstrecke umgangen werden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine Fahrzeugbatterie bereitgestellt, die umfasst: eine Vielzahl von Batteriezellen und eine Vielzahl von Zellenausgleichsstromstrecken. Jede der Zellenausgleichsstromstrecken ist mit einer zugehörigen Batteriezelle parallel verbunden und enthält einen elektronischen Schalter und eine Zener-Diode, die in Reihe verbunden sind.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine Fahrzeugbatterie bereitgestellt, die umfasst: eine Batteriezelle, eine Zellenausgleichsstromstrecke und ein Batteriesteuermodul. Die Batteriezelle kann einen ersten und zweiten Zellenknoten enthalten, die Zellenausgleichsstromstrecke kann einen ersten Streckenknoten, einen elektronischen Schalter, eine Zener-Diode und einen zweiten Streckenknoten, die in Reihe verbunden sind, enthalten und das Batteriesteuermodul kann einen Ausgang enthalten, der mit dem elektronischen Schalter der Zellenausgleichsstromstrecke gekoppelt ist.
  • Figurenliste
  • Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen werden hier nachstehend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
    • 1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Steckdosen-Elektrofahrzeugs ist;
    • 2 ein schematisches Blockdiagramm eines Abschnitts einer beispielhaften Fahrzeugbatterie ist, die mit einem Steckdosen-Elektrofahrzeug, etwa demjenigen, das in 1 dargestellt ist, verwendet werden kann;
    • 3 ein Flussdiagramm ist, das einige der Schritte eines beispielhaften Verfahrens zeigt, das zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie, etwa derjenigen, die in 2 dargestellt ist, verwendet werden kann; und
    • 4 eine weitere Ansicht der Fahrzeugbatterie von 2 ist, jedoch wurden die verschiedenen elektronischen Schalter von dem Batteriesteuermodul eingeschaltet und bestimmte Zellenausgleichsstromstrecken wurden hervorgehoben, um die Darstellung des Verfahrens von 3 zu unterstützen.
  • BESCHREIBUNG
  • Die Fahrzeugbatterie und das Aufladeverfahren, die hier beschrieben sind, können verwendet werden, um Zellenspannungen während einer Batterieaufladeoperation auszugleichen, und sie können dies auf eine Weise durchführen, welche die einzelnen Zellen vor einer Überladung schützt und den Gesamtwirkungsgrad der Operation verbessert. Gemäß einer potentiellen Ausführungsform enthält die Fahrzeugbatterie eine Anzahl von Zellenausgleichsstromstrecken, von denen jede mit einer einzelnen Batteriezelle parallel verbunden ist und die zugehörige Zelle überbrücken oder umgehen kann, wenn deren Spannung einen bestimmten Maximalbetrag überschreitet. Dies kann ermöglichen, dass ungenügend aufgeladene Batteriezellen zu der gleichen Zeit aufgeladen werden, in der übermäßig aufgeladene Batteriezellen umgangen werden. Jede der Zellenausgleichsstromstrecken kann einen elektronischen Schalter und eine Zener-Diode in einer in Reihe geschaltenen Kombination enthalten, wobei der elektronische Schalter von einem Batteriesteuermodul so gesteuert wird, dass ein Zellenausgleich während einer Batterieaufladeoperation aktiviert und zu allen anderen Zeiten deaktiviert werden kann. Die hier beschrieben Zellenausgleichstechnik kann: die von der Fahrzeugbatterie verfügbare Energie und Leistung erhöhen, den Gesamtwirkungsgrad der Batterieaufladeoperation erhöhen, die Genauigkeit des Zellenausgleichs verbessern, da sie nicht von einem „einmaligen“ Zellenlesewert abhängt, und/oder die Genauigkeit der Zellenerfassung verbessern, da diese nicht von einem Entladestrom und Spannungsabfällen über Ausgleichswiderständen beeinflusst wird, um ein paar mögliche Vorteile aufzuführen.
  • Mit Bezug auf 1 sind einige der Komponenten eines beispielhaften Steckdosen-Elektrofahrzeugs 10 gezeigt, das mit dem hier beschriebenen Zellenausgleichsverfahren verwendet werden kann. Obwohl die folgende Beschreibung im Kontext eines speziellen Steckdosen-Elektrofahrzeugs bereitgestellt wird, ist festzustellen, dass dieses Fahrzeug nur beispielhaft ist und dass andere Fahrzeuge stattdessen selbstverständlich verwendet werden können. Zum Beispiel können die Fahrzeugbatterie und das Aufladeverfahren, die nachstehend beschrieben sind, mit einem beliebigen Fahrzeugtyp verwendet werden, der einen Hochspannungs-Batteriestapel aufweist, einschließlich eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV), eines Steckdosen-Hybridelektrofahrzeugs (PHEV), eines Elektrofahrzeugs mit erhöhter Reichweite (EREV) oder eines Batterieelektrofahrzeugs (BEV), um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Außerdem kann das Aufladeverfahren nicht nur auf Batterien angewendet werden, sondern auf andere Vorrichtungen, die eine elektrische Ladung aufnehmen, etwa Superkondensatoren. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform interagiert das Steckdosen-Elektrofahrzeug 10 mit einer externen Leistungsquelle 12 und enthält eine Leistungsverbindung 20, ein Batterieladegerät 24, eine Batterie 30, einen Elektromotor 32, einen Wechselrichter/Umsetzer 34, eine Kraftmaschine 36, einen Generator 38 und ein Steuermodul 40. Die Komponenten 20-40 können sich im Steckdosen-Elektrofahrzeug 10 befinden und daran fest montiert sein.
  • Die externe Leistungsquelle 12 versorgt das Steckdosen-Elektrofahrzeug 10 mit elektrischer Leistung über eine Leistungskopplung 22 und kann einer aus einer Anzahl verschiedener in der Technik bekannter Leistungsversorgungstypen sein. Zum Beispiel kann die externe Leistungsquelle 12 ein öffentliches elektrisches Versorgungsnetz sein, das Leistung über Standardstromsteckdosen (z.B. Steckdosen mit 110 VAC oder 220 VAC) bereitstellt, oder sie kann ein tragbarer Generator sein, etwa von dem Typ, der mit Erdgas, Propan, Benzin, Diesel oder dergleichen läuft. Bei einer Ausführungsform ist die externe Leistungsquelle 12 eine erneuerbare Leistungsquelle, etwa eine entfernte Ladestation, die durch Energie von Solarzellen, Windturbinen, hydroelektrischen Mitteln, Biomasse usw. mit Leistung versorgt wird. Die externe Leistungsquelle 12 ist nicht auf irgendeinen speziellen Typ oder irgendeine spezielle Ausführungsform beschränkt, solange sie elektrische Leistung über die Leistungskopplung 22 an das Steckdosen-Elektrofahrzeug 10 liefern kann.
  • Die Leistungsverbindung 20 ist eine elektrische Buchse am Steckdosen-Elektrofahrzeug, in welche die Leistungskopplung 22 eingesteckt oder eingeführt werden kann. Dies erlaubt, dass ein Fahrzeugbesitzer das Steckdosen-Elektrofahrzeug 10 mit einer üblichen AC-Wandsteckdose leicht verbinden und von dieser trennen kann, etwa denjenigen, die gewöhnlich in den meisten Garagen und Aufladestationen anzutreffen sind. Die Leistungsverbindung 20 ist nicht auf irgendeine spezielle Konstruktion beschränkt und kann eine beliebige Art von Buchse, Verbindung, Anschluss, Stecker, Kanal, Aufnahme usw. sein, einschließlich derjenigen, die auf konduktiven, induktiven oder anderen Arten von elektrischen Verbindungen beruhen. Einige dieser Verbindungstypen sind durch einen oder mehrere internationale Standards abgedeckt (z.B. IEC 62196 Typ 1-2 und Modus, 1-4, IEC 60309, SAE J1772 usw.). Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist die Leistungsverbindung 20 eine elektrische Buchse, die an der Außenseite des Steckdosen-Elektrofahrzeugs 10 angeordnet ist, sodass auf diese leicht zugegriffen werden kann (z.B. unter einer Drehtür oder Klappe), und sie enthält eine oder mehrere Verbindungen zu dem Batterieladegerät 24, um elektrische Leistung zu übermitteln, und eine oder mehrere Verbindungen zum Steuermodul 40 zur Kommunikation. Natürlich sind andere Anordnungen und Verbindungen möglich.
  • Die Leistungskopplung 22 kann verwendet werden, um die externe Leistungsquelle 12 mit dem Steckdosen-Elektrofahrzeug 10 zu verbinden. Leistungskopplungen werden manchmal als Elektrofahrzeuganschlußausrüstungskabel (EVSE-Kabel) bezeichnet. Die Leistungskopplung 22 kann bei einer Ausführungsform ein Spezialkabel sein, das speziell zur Verwendung mit Steckdosen-Elektrofahrzeugen entworfen wurde (wie etwa diejenigen, die in den Spezifikationen SAE J-1772 und J-1773 beschrieben sind), welches ein erstes Ende, eine Leitung oder ein Kabel, eine Steuereinheit und ein zweites Ende enthält. Das erste Ende der Leistungskopplung 22 ist eine Verbindung mit drei Stiften, die in eine Standard-AC-Wandsteckdose eingesteckt werden kann, und ihr zweites Ende ist eine speziell entworfene Verbindung, die in die Leistungsverbindung 20 am Fahrzeug eingesteckt werden kann. Das Kabel leitet oder überträgt elektrische Leistung von der externen Leistungsquelle 12 an das Steckdosen-Elektrofahrzeug 10, kann aber außerdem ein oder mehrere Kommunikationssignale zwischen einer Steuereinheit der Leistungskopplung 22 und Vorrichtungen, die sich im Fahrzeug befinden, etwa das Steuermodul 40, übermitteln. Die Steuereinheit der Leistungskopplung 22 kann eine beliebige Anzahl elektronischer Komponenten enthalten, welche Sensoren, Sender/Empfänger, Verarbeitungsvorrichtungen, Speichervorrichtungen, Schütze, Schalter, Komponenten zur Schaltungsunterbrechung bei Massefehlern (GFCI-Komponenten) sowie eine beliebige andere geeignete Komponente umfassen, aber natürlich nicht auf diese beschränkt sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die Steuereinheit der Leistungskopplung 22 von einer externen Leistungsquelle mit Leistung versorgt, überwacht verschiedene Bedingungen in der Umgebung der Leistungskopplung (z.B. das Vorhandensein elektrischer Leistung, die Spannung und/oder den Strom der elektrischen Leistung, die Temperatur der Leistungskopplung usw.) und kommuniziert mit dem Steuermodul 40 hinsichtlich dieser Bedingungen. Der Fachmann wird feststellen, dass das hier beschriebene Verfahren nicht auf irgendeine spezielle Leistungskopplung oder ein spezielles Leistungskabel beschränkt ist, da eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Leistungskopplungen verwendet werden kann.
  • Das Ladegerät 24 kann elektrische Energie von einer Vielfalt von Quellen empfangen, die externe und/oder interne Leistungsquellen umfassen. Im Fall einer externen Leistungsquelle kann das Ladegerät 24 elektrische Energie durch eine geeignete Leistungskopplung oder ein Ladekabel 22 empfangen, das die externe Leistungsquelle 12 mit dem Ladegerät 24 verbindet, wie bereits erläutert wurde. Im Fall einer internen Leistungsquelle kann das Ladegerät 24 elektrische Energie aus einem regenerativen Bremsen, von einem durch einen Motor betriebenen Generator 38 oder einer anderen internen Quelle über Verbindungen im Fahrzeug empfangen. Der Fachmann wird feststellen, dass das Ladegerät 24 gemäß einer beliebigen Anzahl unterschiedlichen Ausführungsformen bereitgestellt sein kann, in einer beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Konfigurationen verbunden sein kann und eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Komponenten enthalten kann, etwa Transformatoren, Gleichrichter, Schaltnetzteile, Filtermittel, Kühlmittel, Sensoren, Steuereinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die in der Technik bekannt sind.
  • Der Elektromotor 32 kann elektrische Energie verwenden, die in der Fahrzeugbatterie 30 gespeichert ist, um ein oder mehrere Fahrzeugräder anzutreiben, was wiederum das Fahrzeug antreibt. Obwohl 1 den Elektromotor 32 schematisch als eine einzige diskrete Vorrichtung darstellt, kann der Elektromotor mit einem Generator kombiniert sein (ein so genannter „Mogen“) oder er kann mehrere Elektromotoren umfassen (z.B. separate Motoren für die Vorder- und Hinterräder, separate Motoren für jedes Rad, separate Motoren für unterschiedliche Funktionen usw.), um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Das Fahrzeug 10 ist nicht auf irgendeinen speziellen Typ von Elektromotor begrenzt, da viele verschiedene Motortypen, Größen, Technologien usw. verwendet werden können. Bei einem Beispiel umfasst der Elektromotor 32 einen AC-Motor (z.B. einen dreiphasigen AC-Induktionsmotor, einen mehrphasigen AC-Induktionsmotor usw.) sowie einen Generator, der während eines regenerativen Bremsens verwendet werden kann. Der Elektromotor 32 kann gemäß einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bereitgestellt sein (z.B. AC- oder DC-Motoren, Motoren mit Bürsten oder bürstenlose Motoren, Permanentmagnetmotoren usw.), er kann in einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen verbunden sein und er kann eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Komponenten enthalten, etwa Kühlmerkmale, Sensoren, Steuereinheiten und/oder beliebige andere Komponenten, die in der Technik bekannt sind.
  • Der Wechselrichter/Umsetzer 34 kann als Zwischenglied zwischen der Fahrzeugbatterie 30 und dem Elektromotor 32 wirken, da diese zwei Vorrichtungen oft so konstruiert sind, dass sie mit unterschiedlichen Betriebsparametern arbeiten. Beim Fahrzeugvortrieb beispielsweise kann der Wechselrichter/Umsetzer 34 die Spannung von der Batterie 30 hochtransformieren und den Strom von DC in AC umsetzen, um den Elektromotor 32 anzutreiben, während der Wechselrichter/Umsetzer beim regenerativen Bremsen die durch ein Bremsereignis erzeugte Spannung niedertransformieren kann und den Strom von AC in DC umsetzen kann, sodass er korrekt durch die Batterie gespeichert werden kann. In gewisser Weise verwaltet der Wechselrichter/Umsetzer 34, wie diese unterschiedlichen Betriebsparameter (d.h. AC gegenüber DC, verschiedene Spannungsniveaus usw.) zusammenarbeiten. Der Wechselrichter/Umsetzer 34 kann einen Wechselrichter für die Umwandlung von DC in AC, einen Gleichrichter für die Umwandlung von AC in DC, einen Aufwärtswandler oder Transformator zum Erhöhen der Spannung, einen Abwärtswandler oder Transformator zum Verringern der Spannung, andere geeignete Energieverwaltungskomponenten oder eine Kombination daraus enthalten. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind Wechselrichter- und Umsetzereinheiten in eine einzige bidirektionale Vorrichtung integriert; jedoch sind andere Ausführungsformen natürlich möglich. Es ist zu erkennen, dass der Wechselrichter/Umsetzer 34 gemäß einer beliebigen Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein kann (z.B. mit separaten Wechselrichter- und Umsetzereinheiten, bidirektional oder unidirektional, usw.), in einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen verbunden sein kann, und eine beliebige Anzahl verschiedener Komponenten enthalten kann, wie etwa Kühlsysteme, Sensoren, Steuereinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die in der Technik bekannt sind.
  • Die Kraftmaschine 36 kann den Generator 38 unter Verwendung herkömmlicher Techniken mit interner Verbrennung antreiben und kann eine beliebige geeignete Art von Kraftmaschine, die in der Technik bekannt ist, enthalten. Einige Beispiele von geeigneten Kraftmaschinen umfassen Kraftmaschinen mit Benzin, Diesel, Ethanol, flexiblem Kraftstoff, Ansaug-, Turbolader-, Superladerkraftmaschinen, rotatorische Kraftmaschinen, Kraftmaschinen mit Ottozyklus, Atkins-Zyklus und Miller-Zyklus sowie einen beliebigen anderen geeigneten Kraftmaschinentyp, der in der Technik bekannt ist. Gemäß der hier gezeigten speziellen Ausführungsform ist die Kraftmaschine 36 eine kleine kraftstoffsparende Kraftmaschine (z.B. eine Vierzylinder-Turboladerkraftmaschine mit kleinem Hubraum), die ihre mechanische Ausgabe verwendet, um den Generator 38 zu drehen. Fachleute werden feststellen, dass die Kraftmaschine 36 gemäß einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bereitgestellt sein kann, in einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen verbunden sein kann (beispielsweise kann die Kraftmaschine 36 Teil eines parallelen Hybridsystems sein, bei dem die Kraftmaschine außerdem mit den Fahrzeugrädern mechanisch gekoppelt ist, statt dass sie ausschließlich verwendet wird, um Elektrizität zu erzeugen), und dass sie eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Komponenten enthalten kann, etwa Sensoren, Steuereinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die in der Technik bekannt sind.
  • Der Generator 38 ist mit der Kraftmaschine 36 mechanisch gekoppelt, sodass die mechanische Ausgabe der Kraftmaschine bewirkt, dass der Generator elektrische Energie erzeugt, die an die Fahrzeugbatterie 30, den Elektromotor 32 oder an beide geliefert werden kann. Es soll darauf hingewiesen werden, dass der Generator 38 gemäß einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bereitgestellt sein kann (beispielsweise können der Generator des Motors 32 und der Generator 38 zu einer einzigen Einheit kombiniert sein), dass er in einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen verbunden sein kann und dass er eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Komponenten enthalten kann, wie etwa Sensoren, Steuereinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die in der Technik bekannt sind. Der Generator 38 ist nicht auf einen beliebigen speziellen Generatortyp oder eine spezielle Ausführungsform beschränkt.
  • Das Steuermodul 40 kann verwendet werden, um bestimmte Operationen oder Funktionen des Fahrzeugs 10 zu steuern, zu lenken oder auf andere Weise zu managen, und es enthält gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine Verarbeitungsvorrichtung 46 und eine Speichervorrichtung 48. Die Verarbeitungsvorrichtung 46 kann einen beliebigen Typ eines geeigneten elektronischen Prozessors umfassen (z.B. einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), usw.), der Anweisungen für Software, Firmware, Programme, Algorithmen, Skripten usw. ausführt. Dieser Prozessor ist nicht auf einen beliebigen Typ von Komponente oder Vorrichtung begrenzt. Die Speichervorrichtung 48 kann einen beliebigen Typ eines geeigneten elektronischen Speichermittels umfassen, und sie kann eine Vielfalt von Daten und Informationen speichern. Dies umfasst beispielsweise: erfasste Batteriebedingungen; Nachschlagetabellen und andere Datenstrukturen; Software, Firmware, Programme, Algorithmen, Skripten und andere elektronische Anweisungen; Komponentenkennlinien und Hintergrundinformationen usw. Das vorliegende Verfahren - sowie beliebige andere elektronische Anweisungen und/ oder Informationen, die für derartige Aufgaben benötigt werden - können auch in der Speichervorrichtung 48 gespeichert oder auf andere Weise aufrecht erhalten werden. Das Steuermodul 40 kann mit anderen Fahrzeugvorrichtungen und Modulen über E/A-Vorrichtungen und geeignete Verbindungen elektronisch verbunden sein, wie etwa über einen Kommunikationsbus, sodass diese nach Bedarf interagieren können. Dies sind selbstverständlich nur einige der möglichen Anordnungen, Funktionen und Fähigkeiten des Steuermoduls 40, da andere natürlich möglich sind. In Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform kann das Steuermodul 40 ein eigenständiges elektronisches Modul sein (z.B. ein Fahrzeugintegrationssteuermodul (VICM), ein Antriebsgleichrichter/Wechselrichter-Modul (TPIM), ein Batteriegleichrichter/Wechselrichter-Modul (BPIM) usw.), es kann in einem anderen elektronischen Modul im Fahrzeug eingebaut oder enthalten sein (z.B. einem Antriebsstrangsteuermodul, einem Kraftmaschinensteuermodul, einem Hybridsteuermodul usw.) oder es kann Teil eines größeren Netzwerks oder Systems sein (z.B. eines Batteriemanagementsystems (BMS), eines Fahrzeugenergiemanagementsystems usw.), um ein paar Möglichkeiten zu erwähnen.
  • Wiederum sind die vorstehende Beschreibung des beispielhaften Steckdosen-Elektrofahrzeugs 10 und der Zeichnung in 1 nur dazu gedacht, eine mögliche Fahrzeuganordnung darzustellen, und um dies in einer allgemeinen Weise zu tun. Stattdessen kann eine beliebige Anzahl anderer Fahrzeuganordnungen und Architekturen einschließlich derjenigen, die von derjenigen, die in 1 gezeigt ist, wesentlich abweichen, verwendet werden.
  • Mit Bezug nun auf 2 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer beispielhaften Fahrzeugbatterie 30 gezeigt, die verwendet werden kann, um Leistung an das Fahrzeug 10 zu liefern. Die Fahrzeugbatterie 30 kann elektrische Energie speichern, die zumindest teilweise zum Fahrzeugantrieb verwendet wird, sowie um andere elektrische Bedürfnisse des Fahrzeugs zu erfüllen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Batterie 30 einen Hochspannungs-Batteriestapel 50 (z.B. 40 V bis 600 V) mit einer Anzahl einzelner Batteriezellen 52-58, einer Anzahl von Zellenausgleichsstromstrecken 62-68, und einem Batteriesteuermodul 70. Der Batteriestapel 50 enthält eine Ansammlung einzelner Batteriezellen 52-58, die in Reihe, parallel oder einer Kombination daraus verbunden sein können, um eine gewünschte Spannung, Stromstärke, Kapazität, Leistungsdichte und/oder andere Leistungskennlinien zu liefern. Bei dem in 2 gezeigten speziellen Beispiel sind die Batteriezellen 52-58 miteinander in Reihe verdrahtet. Der Batteriestapel 50 kann eine beliebige geeignete Batteriechemie verwenden, welche diejenigen umfasst, die auf den folgenden Technologien beruhen: Lithium-Ionen, Nickelmetallhydrid (NiMH), Nickelkadmium (NiCd), Natriumnickelchlorid (NaNiCl) oder eine andere Batterietechnologie. Gemäß einem Beispiel enthält der Batteriestapel 50 eine Anzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Der Batteriestapel 50 sollte so konstruiert sein, dass er wiederholte Auflade- und Entladezyklen aushält und er kann in Verbindung mit anderen Energiespeichervorrichtungen wie etwa Kondensatoren, Superkondensatoren, Induktivitäten usw. verwendet werden. Der Fachmann wird feststellen, dass die Fahrzeugbatterie gemäß einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Ausführungsformen bereitgestellt sein kann, in einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen verbunden sein kann und eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Teilkomponenten enthalten kann, wie etwa Sensoren, Steuereinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die in der Technik bekannt sind.
  • Die Zellenausgleichsstromstrecken 62-68 sind mit den Batteriezellen 52-58 jeweils parallel verbunden und stellen Strecken zur Überbrückung oder zur Umgehung von Zellen bereit, wenn deren Spannung einen Schwellenwert überschreitet. Jede Zellenausgleichsstromstrecke enthält einen elektronischen Schalter 72-78, der mit einer Zener-Diode 82-88 in Reihe verbunden ist. Zum Beispiel ist die Zellenausgleichsstromstrecke 62 zwischen ersten und zweiten Knoten 90 und 92 der Batteriezelle 52 verbunden und enthält den elektronischen Schalter 72, der mit der Zener-Diode 82 in Reihe verbunden ist. Wenn der elektronische Schalter 72 geschlossen ist und die Spannung an der Batteriezelle 52 die Durchbruchspannung der Zener-Diode 82 überschreitet, dann kann ein elektrischer Strom von einer Batterieaufladeoperation die Zelle 52 umgehen, indem er durch den Schalter 72 und die Diode 82 fließt; dies verhindert, dass die Batteriezelle 52 noch weiter aufgeladen wird. Das gleiche Konzept trifft auf die andere Batteriezellen und Zellenausgleichsstromstrecken zu, sodass während einer Batterieaufladeoperation Zellen mit einer niedrigeren Spannung aufgeladen werden können, während gleichzeitig Zellen mit einer höheren Spannung umgangen werden. Dieser selektive Aufladeprozess ermöglicht einen Zellenausgleich innerhalb der Batterie 30, sodass die Zellenspannungen gleichmäßiger oder einheitlicher werden, wie nachstehend in größerem Detail erläutert wird.
  • Die elektronischen Schalter 72-78 sind elektrische Komponenten, die eine elektrische Schaltung selektiv unterbrechen, wie in der Technik weithin verstanden wird, und können eine beliebige geeignete Art von Schalter, Transistor usw. sein. Die Schalter 72-78 können in einem von zwei Zuständen arbeiten; einem geschlossenen oder Eingeschaltet-Zustand, bei dem Elektrizität zwischen den Anschlüssen des Schalters fließt, oder einem offenen oder Ausgeschaltet-Zustand, bei dem keine Elektrizität fließt. Einige Beispiele geeigneter Schalter- oder Transistortypen für die Schalter 72-78 umfassen Bipolartransistoren (BJTs) und alle Arten von Feldeffekttransistoren (FETs) wie etwa Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs), sind aber gewiss nicht darauf beschränkt. Die elektronischen Schalter 72-78 sind nicht auf irgendeinen speziellen Schalter- oder Transistortyp begrenzt. Bei einem Beispiel, das nicht einschränken soll, ist jeder der Schalter 72-78 ein NPN-Bipolartransistor (BJT), der Kollektor- und Emitteranschlüsse zum Leiten von Strom, einen mit dem Batteriesteuermodul 70 verbundenen Basisanschluss zum Empfang eines Steuersignals und einen Stromschwellenwert von etwa 5-10 Ampere (dies ermöglicht ein Aufladen von außerhalb mit 110 V oder 220 V) umfasst. Das Steuersignal steuert den Zustand des Schalters und kann diesen entweder ein- oder ausschalten.
  • Die Zener-Dioden 82-88 sind elektrische Komponenten, die einen Stromfluss in eine Vorwärtsrichtung zulassen, wie eine typische Diode, und außerdem einen Stromfluss in eine Rückwärtsrichtung zulassen, wenn die Spannung über der Diode eine Durchbruch- oder Zener-Spannung überschreitet. Die Struktur und Arbeitsweise von Zener-Dioden wird vom Fachmann weitgehend verstanden und hier daher nicht wiederholt. Gemäß der in 2 dargestellten beispielhaften Ausführungsform ist die Zener-Diode 82 Teil der Zellenausgleichsstromstrecke 62 und ist derart verbunden, dass ein elektrischer Strom in der Stromstrecke vom ersten Zellenknoten 90 an den zweiten Zellenknoten 92 nur fließt, wenn der Schalter 72 geschlossen ist und die Spannung über der Batteriezelle 52 die Zener-Durchbruchspannung überschreitet. Sobald diese Bedingungen erfüllt sind, kann ein Strom in der Zellenausgleichsstromstrecke 62 frei fließen und umgeht die Batteriezelle 52, sodass sie nicht weiter aufgeladen wird. Bei einem Beispiel, das nicht einschränken soll, weist jede der Zener-Dioden 82-88 einen Stromschwellenwert von etwa 5-10 Ampere auf und eine Durchbruchsspannung von etwa 3,0 V - 5,0 V. Es können auch andere Typen von elektrischen Komponenten in den Zellenausgleichsstromstrecken verwendet werden, da die hier gezeigten Zener-Dioden nur ein Beispiel sind.
  • Das Batteriesteuermodul 70 kann eine beliebige Vielfalt von elektronischen Verarbeitungsvorrichtungen, Speichervorrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen (E/A-Vorrichtungen) und anderen bekannten Komponenten enthalten und kann verschiedene Funktionen mit Bezug auf Steuerung und/oder Kommunikation durchführen. Zum Beispiel kann das Batteriesteuermodul 70 Sensorsignale von verschiedenen Batteriesensoren 100 empfangen und die Sensorsignale im Bemühen zur Steuerung eines oder mehrerer Aspekte der Batterie 30 auswerten, analysieren und/oder verarbeiten. Das Verwenden der Sensorsignale zur Steuerung des Zustands der elektronischen Schalter 72-78 ist ein Beispiel einer geeigneten Funktion für das Batteriesteuermodul 70. Bei einem anderen Beispiel empfängt das Batteriesteuermodul 70 die Sensorsignale von den Batteriesensoren 100 und verpackt sie in eine Sensormeldung, und sendet dann die Sensormeldung an das Steuermodul 40 oder eine andere Vorrichtung über eine geeignete Verbindung, etwa einen CAN-Bus, einen Systemmanagementbus (SMBus), eine proprietäre Kommunikationskopplung usw. Es ist möglich, dass das Batteriesteuermodul 70 Batteriesensorlesewerte sammelt und sie in einem lokalen Speicher zusammen mit sachdienlichen Batteriekennlinien und Hintergrundinformationen speichert, welche die Chemie der Batteriezellen, die Zellenkapazität, obere und untere Batteriespannungsgrenzen, Batteriestromgrenzen, Batterietemperaturgrenzen, Temperaturprofile, eine Batterieimpedanz, die Anzahl oder den Verlauf von Auflade-/Entladeereignissen usw. betreffen. Es ist festzustellen, dass das Batteriesteuermodul 70 ein eigenständiges elektronisches Modul sein kann, es in ein anderes elektronisches Modul im Fahrzeug eingebaut oder darin enthalten sein kann (z.B. das Steuermodul 40), es Teil eines größeren Netzwerks oder Systems sein kann, es innerhalb der Fahrzeugbatterie angeordnet sein kann, oder es sich außerhalb der Batterie befinden kann, um ein paar Möglichkeiten zu erwähnen. Das Batteriesteuermodul 70 ist nicht auf die in 2 gezeigte und vorstehend beschriebene schematische Darstellung beschränkt. Bei einer Ausführungsform enthält das Batteriesteuermodul 70 einen oder mehrere Batteriesensoren 100.
  • Die Batteriesensoren 100 können eine beliebige Vielfalt von unterschiedlichen Erfassungskomponenten oder Elementen enthalten und können eine Vielfalt von Batteriebedingungen, etwa Spannung, Strom, Ladezustand (SOC), Funktionszustand (SOH), Temperatur usw. überwachen. Die Batteriesensoren 100 können Sensoren umfassen, die in die Fahrzeugbatterie 30 eingebaut sind (z.B. eine intelligente oder smarte Batterie), die außerhalb der Batterie extern angeordnet sind oder die gemäß einer anderen bekannten Anordnung bereitgestellt sind. Die Batteriesensoren 100 können Batteriebedingungen auf einer Basis von Zelle zu Zelle, als einen Mittelwert einer Sammlung oder eines Blocks von Zellen oder einer Region des Batteriestapels, als einen Mittelwert des gesamten Batteriestapels oder gemäß einem anderen Verfahren, das in der Technik bekannt ist, überwachen, erfassen oder auf andere Weise bestimmen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfassen die Batteriesensoren 100 Spannungssensoren 102-108 zur Erfassung der Spannung einzelner Zellen, einen Stromsensor 110 zur Erfassung eines Stromflusses durch den Batteriestapel und eine beliebige Anzahl anderer Sensoren, wie etwa Temperatursensoren usw. Die Sensoren 102-110 können mit dem Batteriesteuermodul 70, mit dem Steuermodul 40 oder mit einer beliebigen anderen geeigneten Vorrichtung verbunden sein.
  • Mit Bezug nun auf 3 sind einige der Schritte eines beispielhaften Verfahrens 150 zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie, etwa derjenigen, die in 1 und 2 dargestellt ist, gezeigt. Das Verfahren 150 kann verwendet werden, um Zellenspannungen während einer Batterieaufladeoperation auszugleichen und kann dies auf eine Weise erledigen, welche die einzelnen Zellen vor einer Überladung schützt und den Gesamtwirkungsgrad der Operation verbessert. Wie vorstehend erwähnt wurde, stellt das Verfahren 150 ein Aufladeschema bereit, das die Zellenspannungen über den Batteriestapel hinweg ausgleicht, indem nicht ausreichend geladene Zellen aufgeladen werden und gleichzeitig übermäßig aufgeladene Zellen umgangen oder überbrückt werden. Das Verfahren 150 kann während einer beliebigen Batterieaufladeoperation ausgeführt werden, welche Aufladeoperationen von außerhalb (z.B. wenn das Fahrzeug mit der externen Leistungsquelle 12 verbunden ist), interne Aufladeoperationen (z.B. wenn das Fahrzeug ein regeneratives Bremsen erfährt oder mit dem Generator 38 aufgeladen wird) oder eine beliebige andere geeignete Aufladeoperation umfassen kann.
  • Beginnend bei Schritt 154 stellt das Verfahren fest, ob das Fahrzeug im Augenblick eine Batterieaufladeoperation erfährt, und kann dies auf eine Anzahl unterschiedlicher Weisen durchführen. Gemäß einem Beispiel detektiert der Schritt 154 eine Aufladeoperation oder ein Ereignis von außerhalb, wenn die Leistungskopplung 22 zwischen die externe Leistungsquelle 12 und die Leistungsverbindung 20 elektrisch verbunden wird. Diese Verbindung kann durch die Leistungsverbindung 20, die Leistungskopplung 22 oder eine andere Vorrichtung detektiert oder erfasst werden und kann über eine geeignete elektronische Meldung an das Batteriesteuermodul 70 übermittelt werden. Bei einem anderen Beispiel detektiert der Schritt 154 eine interne Aufladeoperation in Ansprechen auf ein regeneratives Bremsereignis (z.B. kann ein Bremsensteuermodul oder dergleichen eine regenerative Bremsmeldung an das Batteriesteuermodul 70 senden) oder in Ansprechen auf ein Aufladen durch den von der Kraftmaschine angetriebenen Generator 38. Es sind auch andere Ausführungsformen möglich. Wenn das Verfahren feststellt, dass gerade eine Batterieaufladeoperation stattfindet, dann geht das Verfahren zum nächsten Schritt weiter; andernfalls springt das Verfahren zur weiteren Überwachung zurück zu Schritt 154.
  • Als nächstes stellt Schritt 158 die Art der Batterieaufladeoperation oder des Batterieaufladereignisses fest. Wie vorstehend erwähnt wurde, können Aufladeereignisse in mehrere verschiedene Kategorien eingeteilt werden, welche Aufladeoperationen von außerhalb und interne Aufladeoperationen umfassen. Eine Aufladeoperation von außerhalb umfasst in weitem Sinne ein beliebiges Aufladeereignis, bei dem sich die Quelle der Aufladung außerhalb des Fahrzeugs befindet (z.B. ein Aufladen von der externen Leistungsquelle 12). Eine interne Aufladeoperation andererseits umfasst in weitem Sinne ein beliebiges Aufladereignis, bei dem die Quelle der Aufladung innerhalb des Fahrzeugs liegt (z.B. ein Aufladen von regenerativen Bremsoperationen oder ein Aufladen vom Generator 38). Beliebige der Techniken, die bei Schritt 154 zum Detektieren einer Batterieaufladeoperation verwendet werden, können bei Schritt 158 eingesetzt, benutzt oder kombiniert werden, um den Typ oder das Wesen der Aufladeoperation festzustellen. Fachleute sollten feststellen, dass auch andere Ausführungsformen möglich sind, da die Schritt 154 und 158 nicht auf die hier bereitgestellten Beispiele begrenzt sind.
  • In Abhängigkeit vom Wesen der Aufladeoperation leitet Schritt 162 das Verfahren auf eine von mehreren unterschiedlichen Strecken. Wenn die Batterieaufladeoperation beispielsweise eine interne Aufladeoperation ist, dann geht das Verfahren zu Schritt 166 weiter; wenn die Batterieaufladeoperation eine Aufladeoperation von außerhalb ist, dann geht das Verfahren zu Schritt 170 weiter. Ein Zellenausgleich kann möglicherweise nicht immer geeignet oder gewünscht sein, auch während Batterieaufladeoperationen. Daher sammeln und bewerten die Schritte 166 und 170 verschiedene Batteriebedingungen und/oder Parameter, um festzustellen, ob Zellenausgleichsmerkmale zu diesem Zeitpunkt aktiviert werden sollten - der Zellenausgleich wird allgemein „aktiviert“, wenn das Batteriesteuermodul 70 die elektronischen Schalter 72-78 schließt. Jede Zellenausgleichsstromstrecke 62-68 soll zur Handhabung des Stroms des gesamten Batteriestapels (z.B. des Stroms, der vom Stromsensor 110 detektiert wird) fähig sein, da der Batteriestapelstrom durch eine beliebige Stromstrecke fließen kann, die aktiviert wurde und deren Zener-Diode in der Rückwärtsrichtung arbeitet. Es kann daher nützlich sein, dass das Verfahren den angenommenen Batteriestapelstrom und/oder andere Batteriebedingungen in Betracht zieht, bevor es die elektronischen Schalter 72-78 schließt und die Zellenausgleichsmerkmale aktiviert. Interne Aufladeoperationen und Aufladeoperationen von außerhalb können verschiedene Batteriebedingungen oder Kriterien zum Treffen dieser Feststellung benötigen, daher der Bedarf für die Schritte 166 und 170.
  • Zum Beispiel ist ein Aufladen von außerhalb mit einer externen Leistungsquelle 12 typischerweise eine stabilere und besser vorhersagbare Leistungsquelle als ein regeneratives Bremsen, welches hinsichtlich der Spannung und/oder des Stroms, die geliefert werden, signifikant variieren kann. Wenn Schritt 162 feststellt, dass gegenwärtig eine Aufladeoperation von außerhalb stattfindet, dann kann Schritt 170 einfach überprüfen, dass die Stapelgesamtspannung einen bestimmten Schwellenwert nicht überschritten hat oder er kann eine andere Batteriebedingung auswerten, bevor das Verfahren die Zellenausgleichsmerkmale aktiviert, indem es die elektronischen Schalter 72-78 schließt. Wenn Schritt 162 andererseits feststellt, dass gegenwärtig eine interne Aufladeoperation durchgeführt wird, dann kann Schritt 166 strengere Batteriebedingungen und Kriterien in Betracht ziehen, bevor er den Zellenausgleich aktiviert. Eine derartige Batteriebedingung kann die Strommenge durch den Batteriestapel 50 betreffen, die vom Stromsensor 110 gemessen wird. Da regenerative Bremsereignisse (d.h. eine interne Aufladeoperation) zu temporären Stromstößen führen können, kann Schritt 166 anstreben, dass sichergestellt ist, dass der Batteriestrom unter einem Stromschwellenwert (z.B. kleiner als 7 Ampere) liegt, bevor er den Zellenausgleich über die Schalter 72-78 aktiviert. Andernfalls müssten alle Zellenausgleichsstromstrecken 62-68 einschließlich der elektrischen Schalter 72-78 und der Zener-Dioden 82-88 so ausgestattet sein, dass sie die volle Menge an elektrischem Strom durch den Batteriestapel hindurch handhaben können. Dies kann ungewollte Kosten für das System verursachen.
  • Bei einer beispielhaften Ausführungsform verwenden die Schritte 166 und 170 unterschiedliche Batteriebedingungen, um festzustellen, ob und wann ein Zellenausgleich aktiviert werden soll, wobei Schritt 166 im Allgemeinen strengere oder einschränkendere Kriterien verwendet. Beispiele von Batteriebedingungen, die von den Schritten 166 und/oder 170 verwendet werden können, umfassen: den Batteriestapelstrom, die Batteriestapelspannung, den Batteriestapel-Ladezustand (SOC), die Batteriestapeltemperatur, die geschätzte Aufladezeit für den Batteriestapel sowie ähnliche Kriterien auf der Grundlage eines Zellenniveaus anstelle eines Stapelniveaus. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann das Verfahren entscheiden, dass die Zellenausgleichsmerkmale deaktiviert bleiben (d.h. die elektronischen Schalter 72-78 geöffnet), wenn die Batterie gerade eine interne Aufladeoperation erfährt, die einen Batteriestapelstrom über einem Schwellenwert erzeugt. Die in den Schritten 166 und/oder 170 verwendeten Batteriebedingungen zum Feststellen, ob und wann die Zellenausgleichsmerkmale des Systems aktiviert werden sollen, können statisch (z.B. bei der Herstellung der Batterie und/oder des Fahrzeugs festgelegt), dynamisch (z.B. vom Batteriesteuermodul 70 im Betrieb festgelegt, um Veränderungen bei Batteriebedingungen zu berücksichtigen, usw.) oder während der Herstellung vorbestimmt sein und im Betrieb verstellt werden, um ein paar Beispiele aufzuzählen. Darüber hinaus können die verschiedenen Kriterien Faktoren berücksichtigen, die gemessene Werte beeinflussen können, welche Hysterese, Diffusion, usw. umfassen.
  • Schritt 174 prüft, ob die Batteriebedingungen erfüllt sind, bevor er die Zellenausgleichsmerkmale aktiviert. Sowohl beim internen Aufladeoperationsszenario als auch beim Aufladeoperationsszenario von außerhalb stellt Schritt 174 fest, ob die verschiedenen Batteriebedingungen erfüllt sind, und kann dies auf eine beliebige Anzahl verschiedener Weisen erledigen. Bei einer Ausführungsform bewertet Schritt 174 eine beliebige Kombination aus den folgenden Batteriebedingungen: ist der Gesamtbatteriestrom kleiner als ein Stromschwellenwert, ist die minimale Zellenspannung kleiner als ein Spannungsschwellenwert und/oder ist eine geschätzte Aufladezeit kleiner als ein Aufladezeitschwellenwert. Wenn die Antwort zu allen diesen drei Fragen beispielsweise ja ist, dann kann Schritt 174 feststellen, dass ein Zellenausgleich für eine Aufladeoperation von außerhalb geeignet ist. Bei einem Beispiel mit einer internen Aufladeoperation kann Schritt 174 den elektrischen Strom berechnen, der benötigt wird, um die am höchsten aufgeladene Batteriezelle zu der entsprechenden Zener-Durchbruchspannung zu bringen und dann feststellen, ob der gegenwärtige Batteriestrom kleiner als der berechnete Strom plus ein Hysteresewert ist. In einigen Fällen kann Schritt 174 erfordern, dass alle Batteriebedingungen erfüllt sind, um den Zellenausgleich zu aktivieren; in anderen Fällen kann der Schritt nur erfordern, dass einige der Batteriebedingungen erfüllt sind. Wenn Schritt 174 feststellt, dass die erforderlichen Batteriebedingungen erfüllt worden sind, dann geht das Verfahren zu Schritt 178 zur Aktivierung des Zellenausgleichs weiter; wenn Schritt 174 feststellt, dass die Batteriebedingungen nicht erfüllt worden sind, dann geht das Verfahren zu Schritt 182 zur Deaktivierung des Zellenausgleichs weiter (dies kann umfassen, dass die Schalter 72-78 geöffnet werden oder sie in einem offenen Zustand gehalten werden). Es ist festzustellen, dass die Schritte 162-174 optional sind, und dass eine beliebige Kombination dieser Schritte weggelassen oder ersetzt werden kann. Zur Veranschaulichung ist es möglich, dass das Verfahren die elektronischen Schalter 72-78 einfach schließt und den Zellenausgleich immer dann aktiviert, wenn ein Aufladeereignis detektiert wird, statt dass es zwischen internen Aufladeoperationen und Aufladeoperationen von außerhalb unterscheidet und Batteriebedingungen entsprechend bewertet, wie vorstehend erläutert ist.
  • Schritt 178 schließt einen oder mehrere elektronische Schalter, sodass die Zellenausgleichsmerkmale aktiviert werden. Der Schritt kann in einer Anzahl unterschiedlicher möglicher Weisen durchgeführt werden. Zum Beispiel kann das Batteriesteuermodul 70 bei Schritt 178 Schaltersteuersignale an die elektronischen Schalter 72-78 senden, sodass sie sofort geschlossen oder eingeschaltet werden (dies aktiviert alle Zellenausgleichsstromstrecken zum gleichen Zeitpunkt), oder das Steuermodul kann die Schalter einzeln steuern, sodass einige geschlossen werden und einige offen sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform schließt das elektronische Steuermodul 70 alle elektronischen Schalter 72-78 zum gleichen Zeitpunkt, wodurch alle Zellenausgleichsstromstrecken aktiviert werden. Auf ähnliche Weise öffnet Schritt 182 einen oder mehrere der elektronischen Schalter, sodass zumindest einige der Zellenausgleichsstromstrecken deaktiviert werden. Der Fachmann wird feststellen, dass die Tatsache, dass eine spezielle Zellenausgleichsstromstrecke aktiviert ist, nicht unbedingt bedeutet, dass sie Strom leiten und die zugehörige Batteriezelle umgehen wird; die Zellenspannung muss zuerst die Durchbruchspannung der Zener-Diode überschreiten.
  • Nachdem die elektronischen Schalter geschlossen oder geöffnet wurden, lädt Schritt 190 die Fahrzeugbatterie 30 auf. Auch wenn alle Zellenausgleichsstromstrecken aktiviert sind, hängt es größtenteils von der Zellenspannung ab, ob oder ob nicht der Strom eine spezielle Batteriezelle auflädt oder umgeht. Um diesen Punkt zu veranschaulichen, wird das in 4 dargestellte Beispiel betrachtet, bei dem angenommen wurde, dass die Batteriezellen 52, 54, 56 und 58 Zellenspannungen von 3,5 V, 3,8 V, 3,4 V bzw. 3,6 V aufweisen und alle Zener-Dioden eine Durchbruchspannung von 3,8 V aufweisen. Zudem wurde 4 modifiziert, um eine beispielhafte mit Pfeilen versehene Stromstrecke zu zeigen. Die Batteriezellen 52, 56 und 58 weisen alle Zellenspannungen auf, die geringer als die Durchbruchspannung der zugehörigen Zener-Diode sind; folglich sind die Zellenausgleichsstromstrecken 62, 66 und 68 nicht-leitend, da ihre Zener-Dioden in der Vorwärtsrichtung betrieben werden, und der Strom fließt durch die Zellen 52, 56 und 58 und lädt diese auf. Die Zellenausgleichsstromstrecke 54 jedoch ist leitend, da die Zellenspannung für die Zelle 54 3,8 V beträgt, was auf dem Niveau der Zener-Durchbruchspannung liegt. Diese Stromstrecke ist in 4 dargestellt und bewirkt, dass die Batteriezelle 54 umgangen oder überbrückt wird, sodass sie nicht mehr weiter aufgeladen werden kann; das heißt, dass die Spannung der Batteriezelle 54 bei 3,8 V festgeklemmt ist. Wenn die Zellenspannung einer beliebigen der anderen Batteriezellen 52, 56 und 58 3,8 V erreicht, dann werden die Zellenausgleichsstromstrecken 62, 66 und 68 leitend werden und ihre zugehörige Batteriezelle umgehen. Wenn das Verfahren zu einem beliebigen Zeitpunkt feststellt, dass die aktuellen Batteriebedingungen für einen Zellenausgleich nicht geeignet sind, dann kann das Batteriesteuermodul 70 Schaltersteuersignale an die Schalter 72-78 senden, um die Schalter zu öffnen und die Zellenausgleichsmerkmale zu deaktivieren. Der Fachmann wird erkennen, dass eine oder mehrere zusätzliche Zellenausgleichstechniken anstelle von oder in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen beispielhaften Verfahren verwendet werden können, welche umfassen, dass übermäßig aufgeladene Zellen entladen werden, um einen Zellenausgleich zu erreichen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt, sondern stattdessen allein durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Darüber hinaus betreffen die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen spezielle Ausführungsformen und sollen nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition von Begriffen, die in den Ansprüchen verwendet werden, aufgefasst werden, außer dort, wo ein Begriff oder ein Satz explizit vorstehend definiert wurde. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Veränderungen und Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen werden sich dem Fachmann erschließen. Zum Beispiel ist die spezielle Kombination und Reihenfolge von Schritten nur eine Möglichkeit, da das vorliegende Verfahren eine Kombination von Schritten umfassen kann, die weniger, mehr oder andere Schritte als hier gezeigt aufweist. Alle derartigen anderen Ausführungsformen, Veränderungen und Modifikationen sollen im Umfang der beigefügten Ansprüche enthalten sein.
  • So, wie sie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, sollen die Begriffe „zum Beispiel“, „z.B.“, „beispielsweise“, „wie etwa“ und „wie“ und die Verben „umfassend“, „aufweisend“, „enthaltend“ und ihre anderen Verbformen, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung aus einer oder mehreren Komponenten oder anderen Gegenständen 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 unter Verwendung ihrer am weitesten gefassten vernünftigen Bedeutung aufgefasst werden, sofern sie nicht in einem Kontext verwendet werden, der eine andere Interpretation erfordert.

Claims (13)

  1. Verfahren (150) zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie (30), das die Schritte umfasst, dass: (a) eine Fahrzeugbatterie (30) mit einer Vielzahl von Batteriezellen (52, 54, 56, 58) und einer Vielzahl von Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) bereitgestellt wird, wobei jede der Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) mit einer zugehörigen Batteriezelle (52, 54, 56, 58) parallel verbunden ist und einen elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) sowie eine Zener-Diode (82, 84, 86, 88) enthält, die in Reihe verbunden sind; (b) die Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) aktiviert werden, indem die elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) geschlossen werden; und (c) die Fahrzeugbatterie (30) mit den aktivierten Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) aufgeladen wird, wobei während des Aufladeprozesses eine oder mehrere der Batteriezellen (52, 54, 56, 58) aufgeladen werden und eine oder mehrere der Batteriezellen (52, 54, 56, 58) über eine Zellenausgleichsstromstrecke (62, 64, 66, 68) umgangen werden.
  2. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, dass: festgestellt wird (154), ob eine Batterieaufladeoperation gerade stattfindet, und dann, wenn eine Batterieaufladeoperation gerade stattfindet, einer oder mehrere der Schritte (b)-(c) durchgeführt werden.
  3. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 2, das ferner den Schritt umfasst, dass: festgestellt wird (158), ob die Fahrzeugbatterie (30) gerade eine interne Aufladeoperation oder eine Aufladeoperation von außerhalb erfährt, dass eine oder mehrere Batteriebedingungen zum Aktiveren der Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) bewertet werden, und dass dann, wenn die Batteriebedingungen erfüllt sind, einer oder mehrere der Schritte (b)-(c) ausgeführt werden.
  4. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 3, wobei sich die Batteriebedingungen für interne Aufladeoperationen von den Batteriebedingungen für Aufladeoperationen von außerhalb unterscheiden.
  5. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 3, wobei die Batteriebedingungen für interne Aufladeoperationen einen Strom eines Fahrzeugbatteriestapels (50) umfassen.
  6. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 1, wobei Schritt (b) ferner umfasst, dass die Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) aktiviert werden, indem ein oder mehrere Schaltersteuersignale von einem Batteriesteuermodul (70) an die elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) gesendet werden.
  7. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 6, wobei die Schaltersteuersignale von dem Batteriesteuermodul (70) alle elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) schließen, sodass alle Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) aktiviert sind.
  8. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 6, wobei die Schaltersteuersignale von dem Batteriesteuermodul (70) einige der elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) schließen, sodass einige der Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) aktiviert sind und einige der Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) deaktiviert sind.
  9. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) ferner umfasst, dass eine erste Gruppe aus einer oder mehreren Batteriezellen (52, 54, 56, 58) aufgeladen wird und gleichzeitig eine zweite Gruppe aus einer oder mehreren Batteriezellen (52, 54, 56, 58) umgangen wird, und dass die zweite Gruppe von Batteriezellen (52, 54, 56, 58) durch die Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) umgangen wird.
  10. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 9, wobei die zweite Gruppe von Batteriezellen (52, 54, 56, 58) durch Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) umgangen wird, die jeweils einen elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) in einem geschlossenen Zustand und eine Zener-Diode (82, 84, 86, 88), die in einer Rückwärtsrichtung arbeitet, umfassen.
  11. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 1, das ferner die Schritte umfasst, dass: eine oder mehrere Batteriebedingungen der Fahrzeugbatterie (30) überwacht werden (174); und die Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) deaktiviert werden, indem die elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) geöffnet werden, wenn sich eine oder mehrere Batteriebedingungen verändern.
  12. Aufladeverfahren (150) nach Anspruch 1, wobei das Verfahren (150) die Spannungen der Vielzahl von Batteriezellen (52, 54, 56, 58) ausgleicht, ohne dass irgendwelche der Batteriezellen (52, 54, 56, 58) entladen werden.
  13. Fahrzeugbatterie (30), umfassend: eine Vielzahl von Batteriezellen (52, 54, 56, 58); und eine Vielzahl von Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68), wobei jede der Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) mit einer zugehörigen Batteriezelle (52, 54, 56, 58) parallel verbunden ist und einen elektronischen Schalter (72, 74, 76, 78) und eine Zener-Diode (82, 84, 86, 88), die in Reihe verbunden sind, enthält; wobei jede der Zellenausgleichsstromstrecken (62, 64, 66, 68) angeordnet ist, um die zugehörige Batteriezelle (52, 54, 56, 58) zu umgehen, wenn der elektronische Schalter (72, 74, 76, 78) geschlossen ist und eine Spannung an der zugehörigen Batteriezelle (52, 54, 56, 58) eine Durchbruchsspannung der Zener-Diode (82, 84, 86, 88) überschreitet.
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