DE102012214267A1

DE102012214267A1 - System und Verfahren zum Ausführen eines Zellen-Balancing in einem Fahrzeug mithilfe von Zellenkapazitäten

Info

Publication number: DE102012214267A1
Application number: DE102012214267A
Authority: DE
Inventors: Zachary D. Bylsma; Matthew A. Herrmann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2013-03-07
Also published as: CN102951035A; US20130043840A1

Abstract

Systeme und Verfahren zum Ausführen eines Zellen-Balancing an einem Batteriepaket eines Fahrzeugs. Das Zellen-Balancing regelt, welche Zellen während einer Verwendung des Batteriepakets entladen werden. Es können einzelne Zellenkapazitäten verwendet werden, um zu bestimmen, für wie lange einzelne Zellen entladen werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Ausführen eines Zellen-Balancing bzw. eines Zellenausgleichs in einer mehrzelligen Batterie eines Fahrzeuges und im Spezielleren Systeme und Verfahren zum Ausführen eines Zellen-Balancing mithilfe von einzelnen Zellenkapazitäten.
Die Kraftfahrzeugtechnologie entwickelt sich rasant auf dem Gebiet der Suche nach Alternativen zur Verwendung von Benzin als der primären Energiequelle in Fahrzeugantriebssystemen. Viele dieser Fortschritte verwenden entweder ein mechanisch-elektrisches Hybrid-System, das etwas von der mechanischen Energie von dem Verbrennungsmotor als gespeicherte elektrische Energie zurückgewinnt, oder ein vollelektrisches Antriebssystem, welches die Notwendigkeit eines Verbrennungsmotors vollständig eliminiert. Mit diesen Weiterentwicklungen sind die Speicherung und das Management von elektrischer Energie in Fahrzeugen besonders bedeutsam geworden.
Der Ladezustand (SOC, von state of charge) ist ein oft verwendetes Maß für die Menge der Ladung, die in einer Batterie bezogen auf die Kapazität der Batterie verfügbar ist. In Kraftfahrzeuganwendungen, die vollelektrische oder Hybrid-Antriebssysteme verwenden, stellen SOC-Messungen einen brauchbaren Hinweis auf die Energiemenge bereit, die zur Verfügung steht, um das Fahrzeug anzutreiben. Ähnlich der Information, die von einer Tankanzeige bereitgestellt wird, kann eine SOC-Messung einen Fahrer eines Elektrofahrzeugs mit einem Hinweis darauf versorgen, wie lange das Fahrzeug fahren kann, bevor die Energie ausgeht.
Die tatsächliche Kapazität der Batterie ist eine weitere wichtige Metrik, welche die Gesamtmenge der Ladung angibt, die in der Batterie gespeichert werden kann. Eine Batterie wird typischerweise zum Zeitpunkt der Herstellung hinsichtlich der Kapazität ausgelegt. Wenn eine Batterie jedoch altert, nimmt auch ihre Kapazität ab. In Kraftfahrzeuganwendungen wird die Bestimmung der tatsächlichen Kapazität der Batterie wegen ihrer Auswirkung auf SOC-Messungen extrem wichtig. Wenn eine SOC-Messung einer Batterie etwa dem entspricht, wie „voll” ein herkömmlicher Kraftstofftank im Verhältnis zu seinem Gesamtvolumen (z. B. seinem Fassungsvermögen) ist, unterscheiden sich Batterien von herkömmlichen Kraftstofftanks, da ihre Gesamtkapazitäten mit der Zeit abnehmen. Eine Fahrzeugbatterie kann z. B. nur 80% ihrer ursprünglichen Kapazität aufweisen, wenn sie altert. Es kann daher die tatsächliche Kapazität einer Batterie verwendet werden, um, zusätzlich zum Anpassen ihrer SOC-Schätzungen, den Gesamtzustand und die Gesamtleistung der Batterie zu beurteilen.
Wenn die einzelnen Zellen innerhalb der Batterie in Reihe geschaltet sind, stellt das Zellen-Balancing eine nützliche Technik bereit, um die Kapazität des Batteriepakets zu optimieren. In einer Batterie, die mehrere Zellen aufweist, ist die Kapazität des gesamten Pakets von der Zelle mit der geringsten Kapazität abhängig. Wenn sich die Zellen des Pakets nicht auf gleichem Niveau befinden, können zwei mögliche Probleme auftreten. Erstens besteht, wenn die Batterie aufgeladen wird, die Gefahr, dass Zellen überladen werden, da einige Zellen ihre volle Kapazität erreichen werden, bevor andere Zellen vollständig aufgeladen worden sind. Zweitens werden, wenn die Batterie entladen wird, Zellen, die nicht vollständig aufgeladen wurden, vor anderen Zellen vollständig erschöpft werden. In beiden Fällen wird die Zellenhaltbarkeit reduziert, was zu einer geringeren Leistung und einer reduzierten Lebensdauer des Batteriepakets führt. Derzeitige Zellen-Balancing-Techniken berücksichtigen jedoch keine Schwankungen der einzelnen Kapazitäten von Zellen in einem Paket und können irrtümlicherweise ein Zellen-Balancing an Zellen mit einer geringen Kapazität ausführen.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
In einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Ausführen eines Zellen-Balancing an einem Fahrzeugbatteriepaket offenbart, welches eine Vielzahl von Zellen aufweist. Das Verfahren umfasst, dass von einem oder mehreren Prozessoren eine durchschnittliche Zellenkapazität für die Vielzahl von Zellen innerhalb des Pakets berechnet oder empfangen wird. Das Verfahren umfasst auch, dass die Differenz zwischen der Zellenkapazität einer einzelnen Zelle und der durchschnittlichen Zellenkapazität bestimmt wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Differenz verwendet wird, um einen Entladezeitgeberwert für ein Balancing-Gate zu bestimmen, welches den Stromfluss aus der einzelnen Zelle regelt, und dass das Balancing-Gate derart gesteuert wird, dass es die einzelne Zelle auf der Basis des bestimmten Entladezeitgeberwerts entlädt.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Controller zum Ausführen eines Zellen-Balancing an einem Fahrzeugbatteriepaket, welches eine Vielzahl von Zellen aufweist, offenbart. Der Controller umfasst einen oder mehrere Prozessoren und einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelt ist. Der Speicher speichert ausführbare Anweisungen, die, wenn sie von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden, bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren eine durchschnittliche Zellenkapazität für die Vielzahl von Zellen berechnet/n oder empfängt/empfangen und die Differenz zwischen der Zellenkapazität einer einzelnen Zelle und der durchschnittlichen Zellenkapazität bestimmt/en. Die Anweisungen bewirken auch, dass der eine oder die mehreren Prozessoren die Differenz verwendet/n, um einen Entladezeitgeberwert für ein Balancing-Gate zu bestimmen, welches den Stromfluss aus der einzelnen Zelle regelt, und einen Steuerbefehl erzeugt/en, der bewirkt, dass das Balancing-Gate die einzelne Zelle über eine Zeitspanne entlädt, die dem bestimmten Entladezeitgeberwert entspricht.
In einer anderen Ausführungsform wird ein System zum Ausführen eines Zellen-Balancing in einem Fahrzeug offenbart. Das System umfasst Spannungssensoren, die ausgestaltet sind, um die Spannung eines Batteriepakets und einer Vielzahl von Zellen innerhalb des Pakets zu messen. Das System umfasst auch Stromsensoren, die ausgestaltet sind, um die Ströme in das und aus dem Paket zu messen. Das System umfasst ferner eine Aufbereitungsschaltung mit einer Schnittstelle, die Spannungsdaten von den Spannungssensoren und Stromdaten von den Stromsensoren empfängt, einen oder mehrere Prozessoren und einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelt ist. Der Speicher speichert ausführbare Anweisungen, die, wenn sie von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden, bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren mithilfe der Spannungs- oder Stromdaten eine durchschnittliche Zellenkapazität für die Vielzahl von Zellen berechnet/n und eine Zellenkapazität einer einzelnen Zelle berechnet/n. Die Anweisungen bewirken auch, dass der eine oder die mehreren Prozessoren die Differenz zwischen der Zellenkapazität der einzelnen Zelle und der durchschnittlichen Zellenkapazität bestimmt/en und die Differenz verwendet/n, um einen Entladezeitgeberwert für ein Balancing-Gate zu bestimmen, welches den Stromfluss aus der einzelnen Zelle regelt. Die Anweisungen bewirken ferner, dass der eine oder die mehreren Prozessoren einen Steuerbefehl erzeugt/en, der bewirkt, dass das Balancing-Gate die einzelne Zelle über eine Zeitspanne entlädt, die dem bestimmten Entladezeitgeberwert entspricht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen:
1 eine schematische Veranschaulichung eines Fahrzeuges mit einem Batteriepaket ist;
2 eine detaillierte grafische Darstellung des Fahrzeuges von 1 ist,
3 eine detaillierte grafische Darstellung des in den 1–2 gezeigten Batteriepakets ist,
4 ein computergesteuertes Verfahren zum Ausführen eines Zellen-Balancing ist, und
5 eine detaillierte schematische Veranschaulichung des Batteriesteuermoduls der 2–3 ist.
Die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsformen sind rein illustrativ und sollen die durch die Ansprüche definierten Ausführungsformen nicht einschränken. Zudem werden einzelne Aspekte der Zeichnungen und der Ausführungsformen in Verbindung mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher und besser verständlich.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie oben ausgeführt, sind derzeitige Zellen-Balancing-Techniken nicht in der Lage, Schwankungen in den Kapazitäten einzelner Zellen in einem Paket zu berücksichtigen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gestatten Kapazitätsschätzungen auf Zellenebene, mehr Informationen über den Zustand der Batterie zu gewinnen. Diese Informationen können verwendet werden, um das Leistungsvermögen von Zellen-Balancing-Techniken zu verbessern, da sie Schwankungen in den Kapazitäten einzelner Zellen berücksichtigen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf. 1 ist ein Fahrzeug 100 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform gezeigt. Das Fahrzeug 100 umfasst ein Batteriepaket 102, das elektrische Energie liefert, um das Fahrzeug 100 mithilfe entweder eines Hybrid- oder vollelektrischen Antriebssystems anzutreiben. Das Batteriepaket 102 kann mehrere Batteriezellen, Module oder eine Ansammlung von eigenständigen Batterien umfassen, die gemeinsam arbeiten, um Antriebsleistung an das Fahrzeug 100 und/oder an Leistungselektronik (z. B. Audio-Elektronik, Navigationselektronik, Kommunikationselektronik, Diagnoseelektronik und dergleichen) in dem Fahrzeug 100 bereitzustellen. Das Fahrzeug 100 umfasst auch einen Fahrzeug-Controller 104. Der Fahrzeug-Controller 104 ist funktionell mit Batteriepaket 102 verbunden und sorgt für eine Überwachung und Steuerung des Betriebes des Batteriepakets 102. Der Fahrzeug-Controller 104 kann auch eine oder mehrere andere Funktionen des Fahrzeuges überwachen oder steuern. Zum Beispiel kann der Fahrzeug-Controller 104 Informationen über den Betriebszustand des Batteriepakets 102 an ein elektronisches Display innerhalb des Fahrzeuges 100 bereitstellen, um die Informationen an den Fahrer des Fahrzeuges weiterzuleiten. In weiteren Beispielen kann der Fahrzeug-Controller 104 auch den Betrieb des Motors, der elektrischen Anlage oder des Abgassystems des Fahrzeuges 100 steuern.
Der Fahrzeug-Controller 104 kann eine Aufbereitungsschaltung sein, die eine beliebige Anzahl von Hardware- und Software-Komponenten umfasst. Der Fahrzeug-Controller 104 kann z. B. einen oder mehrere Prozessoren in Verbindung mit einer oder mehreren Speichervorrichtungen umfassen. Die Speichervorrichtungen können Maschinenanweisungen speichern, die, wenn sie von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden, bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren einige oder alle der hierin beschriebenen Merkmale zur Anwendung bringt/en.
Zellen-Balancing
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2 ist eine detaillierte, schematische Veranschaulichung des Fahrzeuges 100 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform gezeigt. Das Batteriepaket 102 umfasst Module 230, die kumulative elektrische Leistung bereitstellen, um das Fahrzeug 100 anzutreiben. Jedes der Module 230 enthält eine Vielzahl von Batteriezellen 232. In ähnlicher Weise sind Batteriezellen 232 miteinander verbunden, um kumulative Leistung auf der Modulebene des Batteriepakets 102 bereitzustellen.
Das Fahrzeug 100 ist auch als eine Anzahl von Sensoren umfassend gezeigt, die mit dem Batteriepaket 102 verbunden sind. Spannungssensoren 202 messen die Spannung des Batteriepakets 102, der Module 230 und/oder der Zellen 232 und stellen Spannungswerte über eine Busleitung 210 an eine Schnittstelle 216 des Controllers 104 bereit. Stromsensoren 204 messen den Strom des Batteriepakets 102, der Module 230 und/oder der Zellen 232 und stellen Stromwerte über eine Busleitung 212 an die Schnittstelle 216 des Controllers 104 bereit. Temperatursensoren 206 messen die Temperatur des Batteriepakets 102, der Module 230 und/oder Zellen 232 und stellen Temperaturwerte über eine Busleitung 214 an die Schnittstelle 216 des Controllers 104 bereit. Die Sensoren 202, 204 und 206 können jede beliebige Anzahl von Sensoren oder Ausgestaltungen umfassen, um die dem Batteriepaket 102 zugeordneten Spannungen, Ströme und Temperaturen zu messen. Zum Beispiel kann der Temperatursensor 206 ein einzelner Temperatursensor sein, während die Spannungssensoren 202 und Stromsensoren 204 eine kombinierte integrierte Schaltung sein können, die sowohl Spannungen als auch Ströme misst. Es sollte einzusehen sein, dass eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Kombinationen von Sensoren und Sensorausgestaltungen verwendet werden kann, ohne von den Prinzipien oder Lehren der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeug 100 auch einen Zellen-Balancing-Controller 208 umfassen, der in Ansprechen auf das Empfangen eines Steuerbefehls von dem Controller 104 über eine Busleitung 213 ein Zellen-Balancing an dem Batteriepaket 102 ausführt. In anderen Ausführungsformen wird der Zellen-Balancing-Controller 208 weggelassen und der Controller 104 kann Steuerbefehle über die Busleitung 213 direkt an das Batteriepaket 102 bereitstellen, um das Zellen-Balancing auszuführen.
Die Busleitungen 210, 212, 213 und 214 können eine beliebige Kombination von fest verdrahteten oder drahtlosen Verbindungen sein. Die Busleitung 210 kann z. B. eine festverdrahtete Verbindung sein, um Spannungsablesungen an den Controller 104 bereitzustellen, während die Busleitung 212 eine drahtlose Verbindung sein kann, um Stromablesungen an den Controller 104 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen sind die Busleitungen 210, 212, 213 und 214 Teil einer gemeinsamen Datenleitung, die Spannungs-, Strom- und Temperaturwerte an den Controller 104 weiterleitet. In noch anderen Ausführungsformen können die Leitungen 210, 212, 213 und 214 eine oder mehrere Zwischenschaltungen (z. B. andere Mikrocontroller, Signalfilter etc.) enthalten und eine indirekte Verbindung zwischen den Sensoren 202, 204, 206, dem Zellen-Balancing-Controller 208 und dem Controller 104 bereitstellen.
Die Schnittstelle 516 ist ausgestaltet, um die Sensordaten von den Sensoren 202, 204 und 206 über die Leitungen 210, 212 und 214 zu empfangen. Darüber hinaus kann die Schnittstelle 516 ausgestaltet sein, um Daten zwischen dem Controller 104 und dem Zellen-Balancing-Controller 208 zu übertragen und/oder zu empfangen. Die Schnittstelle 216 kann Z. B. einen oder mehrere drahtlose Empfänger umfassen, wenn eine der Leitungen 210, 212, 213 und 214 eine drahtlose Verbindung ist. Die Schnittstelle 216 kann auch einen oder mehrere verdrahtete Ports umfassen, wenn eine der Leitungen 210, 212, 213 und 214 eine verdrahtete Verbindung ist. Die Schnittstelle 216 kann auch eine Schaltung umfassen, die ausgestaltet ist, um die Sensordaten von 202, 204 und 206 digital abzutasten oder zu filtern. Die Schnittstelle 216 kann z. B. die Stromdaten, die von den Stromsensoren 204 über die Busleitung 512 empfangen werden, zu diskreten Zeiten (z. B. k, k + 1, k + 2 usw.) abtasten, um diskrete Stromwerte (z. B. I(k), I(k + 1), I(k + 2) etc.) herzustellen.
Der Controller 104 ist auch als den Prozessor 219 umfassend gezeigt, der ein oder mehrere Prozessoren (z. B. ein Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein anwenderprogrammierbares Gate-Array oder dergleichen) sein kann, der/die kommunikativ mit dem Speicher 220 und den Schnittstellen 216 und 218 gekoppelt sein kann/können. Der Speicher 220 kann eine beliebige Form von Speicher sein, der in der Lage ist, maschinenausführbare Anweisungen zu speichern, welche eine oder mehrere der hierin offenbarten Funktionen zur Anwendung bringen, wenn sie von dem Prozessor 519 ausgeführt werden. Der Speicher 520 kann z. B. ein RAM, ein ROM, ein Flash-Speicher, eine Festplatte, ein EEPROM, eine CD-ROM, eine DVD, andere Formen von nicht transitorischen Speichervorrichtungen oder eine beliebige Kombination von unterschiedlichen Speichervorrichtungen sein. In einigen Ausführungsformen umfasst der Speicher 220 ein Fahrzeugsteuermodul 222, welches eine Steuerung über eine oder mehrere Komponenten des Fahrzeuges 100 bereitstellt. Das Fahrzeugsteuermodul 222 kann z. B. eine Steuerung über den Motor des Fahrzeuges 100 bereitstellen oder Statuszustandsinformationen (z. B. Fahrzeug 100 hat wenig Kraftstoff, das Fahrzeug 100 kann eine geschätzte Anzahl von Meilen auf der Basis des gegenwärtigen SOC des Batteriepakets 102 fahren etc.) an eine oder mehrere Displayvorrichtungen im Inneren des Fahrzeuges 100 über die Schnittstelle 218 bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeugsteuermodul 222 über die Schnittstelle 218 auch mit anderen Aufbereitungsschaltkreisen (z. B. einem Motorsteuergerät, einem eingebauten Diagnose-System oder dergleichen) oder anderen Sensoren (z. B. einem Luftmassensensor, einem Kurbelwellenpositionssensor oder dergleichen) kommunizieren.
Die Schnittstelle 218 kann eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen zwischen dem Prozessor 104 und den verschiedenen Systemen des Fahrzeuges 100 bereitstellen. Die Schnittstelle 518 kann z. B. eine drahtgebundene Verbindung zwischen Prozessor 104 und einem Armaturenbrett-Display und eine drahtlose Verbindung zwischen dem Prozessor 104 und einem eingebauten Diagnosesystem bereitstellen. In einigen Ausführungsformen kann die Schnittstelle 218 auch eine drahtlose Verbindung zwischen dem Prozessor 104 und anderen Rechensystemen außerhalb des Fahrzeuges 100 bereitstellen. Der Prozessor 104 kann z. B. Statuszustandsinformationen über eine Mobilfunk-, WiFi-, Funk, Satellitenverbindung oder dergleichen an einen externen Server weiterleiten. Die Schnittstelle 218 kann auch einen oder mehrere Empfänger umfassen, der/die ausgestaltet ist/sind, um Standortinformationen für das Fahrzeug 100 zu senden und zu empfangen. Die Schnittstelle 218 kann z. B. einen GPS-Empfänger oder Mobilfunkempfänger umfassen, der eine Triangulation verwendet, um den Standort des Fahrzeuges 100 zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen können Schnittstellen 216 und 218 eine gemeinsame Schnittstelle sein.
Der Speicher 220 ist ferner ein Batteriesteuermodul 224 umfassend gezeigt, welches ausgestaltet ist, um Batteriepaket 102 zu überwachen und das Zellen-Balancing des Batteriepakets 102 zu steuern. In einigen Ausführungsformen kann das Batteriesteuermodul 224 auch Sensordaten von Sensoren 202, 204 und/oder 206 verwenden, um Zellenkapazitäten für einzelne Zellen 232 zu bestimmen. Es kann eine beliebige Anzahl von unterschiedlichen Techniken verwendet werden, um die einzelnen Zellenkapazitäten zu bestimmen. Systeme und Verfahren zum Berechnen von Kapazitätswerten für einzelne Zellen sind z. B. in den U.S.-Patentanmeldungen Nr. 13/107 171, eingereicht am 13. Mai 2011, mit dem Titel „Systems and Methods for Determining Cell Capacity Values in a Multi-Cell Battery” offenbart, die der Anmelderin der vorliegenden Erfindung erteilt wurde und deren voller Umfang hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
In einem weiteren Beispiel können einzelne Zellenkapazitäten durch den Controller 104 berechnet werden, indem er einen Kapazitätstest an einem Batteriepaket 102 ausführt. Bei einem solchen Test wird jede Zelle 232 voll oder bis zur Hochspannungsgrenze (V_lid) der Zelle aufgeladen, bis der Strom sehr klein ist. Dies stellt sicher, dass die Zellenspannung bei dem gewünschten Wert liegt. Als Nächstes wird eine Zelle 232 bei einer 1C-Rate (z. B. wenn die Zellenkapazität 0,15625 Ah beträgt, dann würde die Zelle bei 0,15625 A oder 156,25 mA entladen werden) entladen, bis die Spannung einen Minimalwert (V_floor) erreicht. Die Menge der von V_lid bis V_floor durch die Zelle hindurch bewegten Amperestunden (Ah) wäre die Kapazität der einzelnen Zelle.
In einem noch weiteren Beispiel können einzelne Zellenkapazitäten durch den Controller 104 berechnet werden, indem er eine Batteriezustandsschätzung an jeder Zelle 232 ausführt. Bei solch einem Test wird der SOC für jede Batteriezelle 232 bestimmt und dann verwendet, um die einzelnen Zellenkapazitäten zu schätzen. Diese Technik ist ähnlich dem vorherigen spannungsbasierten Verfahren, erfordert jedoch keine zweite Erholungsleerlaufspannungsablesung. Bei diesem Test wird eine einzelne Leerlaufspannung (z. B. durch Spannungssensoren 202) für eine einzelne Zelle 232 erhalten und durch den Controller 104 in eine SOC-Schätzung umgewandelt. Dann wird, während das Fahrzeug 100 gefahren wird, der Batteriestrom (z. B. von dem Stromsensor 204) auch stark gefiltert, um festzustellen, wann er sehr klein wird, was der Fall ist, wenn der Motor anstellt. Dies ist auch als ladungserhaltend bekannt. Während der Fahrt werden auch die Ampere pro Sekunde durch den Controller 104 gespeichert. Es ist bekannt, dass, wenn der durchschnittliche gefilterte Strom für eine festgelegte Zeitspanne klein bleibt, der SOC stabil ist, und die Differenz zwischen dem Erholungs- und dem aktuell berichteten SOC wird als der Delta-SOC verwendet. Dieser wird als ein Verhältnis mit den durch das Batteriepaket 102 hindurch bewegten Ampere pro Sekunde genommen. Das Ergebnis kann dann in Ah umgewandelt werden, um die Kapazität einer jeden Zelle 232 zu beschaffen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3 ist eine detaillierte Veranschaulichung eines Batteriepakets 102 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform gezeigt. Wie gezeigt, umfasst jedes Modul 230 eine Vielzahl von Zellen 232, die in Reihe angeordnet sind. Balancing-Gates 302 steuern den Stromfluss in die und aus den Batteriezellen 232, indem sie alternative Wege für den Stromfluss schaffen. Auf diese Weise kann das Aufladen und Entladen der einzelnen Batteriezellen 232 gesteuert werden, um die Zellen 232 auf ein gleiches Niveau zu bringen. Es kann eine beliebige Anzahl von verschiedenen Schaltungselementen für die Balancing-Gates 302 (z. B. Transistoren, logische Gatter oder dergleichen) verwendet werden. Wenngleich ein spezieller Schaltplan als Teil des Batteriepakets 102 gezeigt ist, ist einzusehen, dass dies lediglich exemplarisch ist und dass jede beliebige Anzahl von Kombinationen von Balancing-Gates 302 und Batteriezellen 232 angeordnet sein können, um eine Kontrolle über das Aufladen und Entladen der Batteriezellen 232 zuzulassen. Es kann z. B. ein einzelnes Balancing-Gate 302 das Aufladen und Entladen einer Vielzahl von Zellen 232 oder einer einzelnen Zelle 232 steuern. In einigen Ausführungsformen regelt der Zellen-Balancing-Controller 208 das Öffnen und Schließen von Balancing-Gates 302, um dadurch zu steuern, welche von den Zellen 232 aufgeladen oder entladen werden. Der Zellen-Balancing-Controller 208 kann z. B. einen Zellen-Balancing-Befehl von dem Controller 104 empfangen und die Balancing-Gates 302 entsprechend öffnen oder schließen. In anderen Ausführungsformen ist der Zellen-Balancing-Controller 208 Teil des Controllers 104, der eine direkte Kontrolle über das Öffnen und Schließen der Balancing-Gates 208 bereitstellt.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 ist ein computergesteuertes Verfahren zum Ausführen eines Zellen-Balancing gemäß einer exemplarischen Ausführungsform gezeigt. Das Verfahren 400 umfasst, dass eine durchschnittliche Zellenkapazität für eine Vielzahl von Zellen berechnet oder empfangen wird. In einigen Ausführungsformen werden einzelne Zellenkapazitätswerte durch einen oder mehrere Prozessoren (z. B. dem Prozessor 219 oder dergleichen) bestimmt. Es kann eine beliebige Anzahl von Techniken verwendet werden, um die einzelnen Zellenkapazitäten zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen können der eine oder mehrere Prozessoren die einzelnen Zellenkapazitäten von einem oder mehreren anderen Rechenvorrichtungen empfangen. In jedem Fall können einzelne Zellenkapazitäten durch den einen oder die mehreren Prozessoren (z. B. mithilfe eines einfachen Durchschnitts, eines gewichteten Durchschnitts oder dergleichen) gemittelt werden, um die durchschnittliche Zellenkapazität für die Vielzahl von Zellen zu bestimmen. In anderen Ausführungsformen erfolgt diese Bestimmung durch eine oder mehrere andere Rechenvorrichtungen, die für den einen oder die mehreren Prozessoren bereitgestellt ist/sind.
In Schritt 404 wird die Differenz zwischen der Kapazität einer einzelnen Zelle und der durchschnittlichen Zellenkapazität durch den einen oder die mehreren Prozessoren bestimmt. Auf diese Weise wird eine relative Verteilung von Zellenkapazitäten für die Vielzahl von Zellen aufgebaut. Die Verteilung ermöglicht das Erkennen von Zellen in der Vielzahl von Zellen, die die höchsten und die geringsten Zellenkapazitäten aufweisen. Zum Beispiel sind die Zellen mit der größten Differenz unter der durchschnittlichen Kapazität jene Zellen in der Vielzahl, welche die geringsten Kapazitäten aufweisen.
Bei Schritt 406 wird der Differenzwert von dem einen oder den mehreren Prozessoren verwendet, um einen Entladezeitgeberwert für ein Balancing-Gate zu bestimmen, das den Stromfluss aus der einzelnen Zelle regelt. Da sich die Zellenleistung verschlechtert, wenn eine Zelle mit einer geringen Kapazität übermäßig entladen wird, kann der in Schritt 404 bestimmte Differenzwert verwendet werden, um die Zeitspanne zu variieren, in der eine einzelne Zelle aufgeladen oder entladen wird. Der Entladezeitgeberwert kann z. B. einer Zeitspanne entsprechen, in der ein Balancing-Gate 302 offen oder geschlossen gehalten wird. In einer Ausführungsform kann der Entladezeitgeberwert (timer_discharge) mithilfe von:
ermittelt werden, wobei capacity_i die einzelne Zellenkapazität ist, capacity_avg die durchschnittliche Zellenkapazität für die Zellen ist, die auf ein gleiches Niveau gebracht werden sollen, I_bypass der Bypass-Strom ist, der dem Balancing-Gate zugeordnet ist, und Z ein Umwandlungsfaktor ist, der eine Kapazität in einen Zählwert für den einen oder die mehreren Prozessoren umwandelt, welche/r das Balancing-Gate steuert/n. I_bypass kann z. B. durch Messen (z. B. über die Stromsensoren 208 oder dergleichen) der Menge des Stromes, die über ein Balancing-Gate 302 hinweg fließt, bestimmt werden. Die Zellenkapazität wird typischerweise in Amperestunden gemessen, was bedeutet, dass das Dividieren der Kapazitätsdifferenz durch den Bypass-Strom (gemessen in Ampere) eine Zeitdauer ergibt. Da sich digitale Systeme auf Taktzyklen stützen, um das Verstreichen von Zeit zu messen, kann ein Umwandlungsfaktor Z verwendet werden, um die resultierende Zeitdauer in einen Zählwert für den einen oder die mehreren Prozessoren umzuwandeln. Der Wert von Z kann, abhängig von dem Taktzyklus des Prozessors, der das Öffnen und Schließen des Balancing-Gates steuert, entsprechend variiert werden. In anderen Ausführungsformen wird ein Zeitrohmaß als der Entladezeitgeberwert verwendet und wird später durch einen Prozessor, der ein Balancing-Gate direkt steuert, in einen Zählwert umgewandelt.
Bei Schritt 408 wird das Balancing-Gate gesteuert, um die einzelne Zelle auf der Basis des bestimmten Entladezeitgeberwerts zu entladen. Der Entladezeitgeberwert wird von dem Prozessor, der das Balancing-Gate steuert, um das Gate für die durch den Entladezeitgeberwert festgelegte Zeitspanne offen oder geschlossen zu halten, verwendet, um die einzelne Zelle zu entladen. Die von der entladenen Zelle zugeführt Leistung kann z. B. verwendet werden, um Antriebsleistung an das Fahrzeug bereitzustellen und/oder die Elektronik des Fahrzeuges mit Leistung zu beaufschlagen. Auf diese Weise werden Zellen, welche geringere Kapazitäten aufweisen, für eine kürzere Zeit entladen als Zellen, die höhere Kapazitäten aufweisen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 5 ist eine detaillierte schematische Veranschaulichung des Controllers 104 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform gezeigt. Der Controller 104 kommuniziert über die Schnittstelle 218 mit einem Display 516, Schnittstellenvorrichtungen 514 (z. B. einer Tastatur, einem Touchscreen, einem Mikrophon oder einer beliebigen anderen Vorrichtung, die es einem Benutzer gestattet, Informationen einzugeben), und/oder anderen elektronischen Systemen 512 (z. B. einem weiteren Controller, einem Server, einem Computer, einer Schaltung oder einer beliebigen anderen elektronischen Vorrichtung). Zum Beispiel kann Fahrzeugsteuermodul 222 eine Kontrolle über das Abgassystem des Fahrzeuges 100 bereitstellen, falls andere elektronische Systeme 512 eine Elektronik umfassen, die solch einem System zugeordnet ist. In einem anderen Beispiel kann der Controller 104 optische Zeichen an das Display 516 bereitstellen, die mit dem Betrieb des Fahrzeuges 100 in Beziehung stehen.
Das Batteriesteuermodul 224 kann Parameter 508 umfassen, welche die Funktionen des Batteriesteuermoduls 224 übersteuern oder steuern. In einigen Ausführungsformen können einige oder alle der Parameter 508 in den Speicher 220 vorgeladen werden. In anderen Ausführungsformen können Werte in den Parametern 508 von Schnittstellenvorrichtungen 514 und/oder anderen elektronischen Systemen 512 an den Controller 104 bereitgestellt werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Batteriesteuermodul 224 eine Schätzeinrichtung 502 für eine einzelne Zellenkapazität. Die Schätzeinrichtung 502 für eine einzelne Zellenkapazität empfängt Sensordaten von den Sensoren 202, 204 und/oder 206 und verwendet die Sensordaten, um die Zellenkapazitäten für eine Vielzahl von einzelnen Zellen in dem Batteriepaket 102 zu bestimmen. Die Schätzeinrichtung 502 für eine einzelne Zellenkapazität kann eine beliebige Anzahl von Techniken verwenden, um die einzelnen Zellenkapazitäten zu schätzen, wie zuvor erläutert. In anderen Ausführungsformen wird die Schätzeinrichtung 502 für eine einzelne Zellenkapazität weggelassen und die einzelnen Zellenkapazitäten werden von anderen elektronischen Systemen 512 und/oder Schnittstellenvorrichtungen 514 an den Controller 104 bereitgestellt.
Der Kapazitätsmittelungsrechner 504 empfängt einzelne Zellenkapazitäten für eine Vielzahl von Zellen (z. B. von der Schätzeinrichtung 502 für eine einzelne Zellenkapazität, Parametern 508, anderen elektronischen Systemen 512, Schnittstellenvorrichtungen 514 oder einer anderen Quelle) und verwendet die empfangenen Kapazitäten, um eine durchschnittliche Kapazität für die Vielzahl von Zellen zu berechnen. In einigen Ausführungsformen kann der Kapazitätsmittelungsrechner 504 die durchschnittliche Kapazität (capacity_avg) als einen einfachen Durchschnitt mithilfe von:
bestimmen, wobei n die Anzahl von Zellen ist, die auf ein gleiches Niveau gebracht werden soll, und capacity_i die Kapazität der i-ten Zelle ist. In anderen Ausführungsformen kann ein in Parametern 508 gespeicherter Gewichtungsfaktor auf die einzelnen Zellenkapazitäten angewendet werden, um die durchschnittliche Kapazität zu bestimmen. Der Kapazitätsmittelungsrechner 504 kann auch die durchschnittliche Zellenkapazität an das Display 516, die Schnittstellenvorrichtungen 514 und/oder andere elektronische Systeme 512 zur weiteren Auswertung bereitstellen.
Ein Entladezeitgeberwertgenerator 508 empfängt die durchschnittliche Zellenkapazität (z. B. von dem Kapazitätsmittelungsrechner 504 oder einer anderen Quelle) und die einzelnen Zellenkapazitäten (z. B. von der Schätzeinrichtung 502 für eine einzelne Zellenkapazität oder einer anderen Quelle) und verwendet diese Werte, um Entladezeitgeberwerte für die einzelnen Zellen zu erzeugen. Ein Entladezeitgeberwert bezeichnet die Zeitspanne, für die eine einzelne Zelle entladen werden soll. Der Entladezeitgeberwert kann z. B. ein Zykluszählwert für einen Prozessor, ein Zeitrohmaß der Zeit oder ein beliebiger anderer Wert sein, der verwendet werden kann, um anzuzeigen, wie lange eine einzelne Zelle entladen werden soll. In einigen Ausführungsformen kann der Entladezeitgeberwert (timer_discharge) berechnet werden als:
wobei capacity_i die einzelne Zellenkapazität ist, capacity_avg die durchschnittliche Zellenkapazität für die Zellen ist, die auf ein gleiches Niveau gebracht werden sollen, I_bypass der Bypass-Strom ist, der dem Balancing-Gate zugeordnet (z. B. durch die Stromsensoren 204 gemessen) ist, und Z ein Umwandlungsfaktor ist, der eine Kapazität in einen Zählwert für den einen oder die mehreren Prozessoren umwandelt, welche/r das Balancing-Gate steuert/n.
In einigen Ausführungsformen kann ein Entladezeitgeberwertgenerator 508 auch den generierten Wert über die Schnittstelle 218 an das Display 516, die Schnittstellenvorrichtungen 514 und/oder andere elektronische Systeme 512 zur weiteren Auswertung bereitstellen. Zum Beispiel kann ein Techniker, der eine handgeführte Vorrichtung oder eine andere Vorrichtung (z. B. andere elektronische Systeme 512) verwendet, die Entladezeitgeberwerte ansehen, um zu bestimmen, welche Zellen leistungsschwach sind und/oder eine Wartung erfordern. In ähnlicher Weise können die Entladezeitgeberwerte an einen entfernten Server (z. B. andere elektronische Systeme 512) bereitgestellt werden, um zuzulassen, dass der Hersteller des Fahrzeuges 100 das Leistungsvermögen des Batteriepakets 102 feststellt.
In anderen Ausführungsformen kann der Entladezeitgeberwertgenerator 508 auch einen zeitlichen Verlauf der Entladezeitgeberwerte in dem Speicher 220 speichern. Ein historischer Zeitgeberwert kann z. B. verwendet werden, wenn die letzte Zellenkapazitätsschätzung für eine einzelne Zelle nicht verfügbar ist. In einem anderen Beispiel kann der zeitliche Verlauf verwendet werden, um einen Bericht zu diagnostischen Zwecken zu generieren.
Der Controller 104 kann auch einen Balancingbefehlgenerator 510 umfassen. Der Balancingbefehlgenerator 510 bestimmt, wann ein Zellen-Balancing für Batteriepaket 102 erforderlich ist, und erzeugt einen Steuerbefehl, der das Balancing-Gate, welches einer Zelle zugeordnet ist, dazu bringt, die Zelle für die durch den Entladezeitgeberwert definierte Zeitspanne zu entladen. Der Balancingbefehlgenerator 510 kann den Betriebszustand des Batteriepakets 102 (z. B. die Aufladung, Entladung im Ruhezustand oder dergleichen) verwenden, um zu bestimmen, dass ein Zellen-Balancing ausgeführt werden soll. Der Balancingbefehlgenerator 510 kann z. B. bestimmen, dass Energie erforderlich ist, um die Elektronik in dem Fahrzeug mit Energie zu versorgen, und/oder um das Fahrzeug anzutreiben. In Ansprechen auf diese Bestimmung kann der Balancingbefehlgenerator 510 einen Steuerbefehl bereitstellen, um die Zellen auf ein gleiches Niveau zu bringen, wenn sie die benötigte Leistung bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen regelt der Zellen-Balancing-Controller 208 das tatsächliche Öffnen und Schließen eines Balancing-Gates. In diesem Fall kann der Balancingbefehlgenerator 510 einen Steuerbefehl an den Zellen-Balancing Controller 208 bereitstellen, der bewirkt, dass er ein Balancing-Gate betätigt. Der Steuerbefehl kann z. B. einen Hinweis enthalten, dass ein Zellen-Balancing ausgeführt werden soll, wann das Zellen-Balancing beginnen soll, und/oder wie lange das Gate betätigt werden soll (z. B. unter Verwendung des Entladezeitgeberwerts).
In anderen Ausführungsformen wird der Zellen-Balancing-Controller 208 weggelassen und der Balancingbefehlgenerator 510 sorgt für eine direkte Kontrolle über ein oder mehrere Balancing-Gates. In diesem Fall kann der Steuerbefehl eine Spannung oder ein anderes Signal sein, welches bewirkt, dass sich ein Balancing-Gate öffnet oder schließt. Der Balancingbefehlgenerator 510 kann z. B. bestimmen, dass ein Zellen-Balancing des Batteriepakets 102 erforderlich ist, bestimmen, wann das Zellen-Balancing beginnen soll, und/oder das Steuersignal für die durch den Entladezeitgeberwert angegebene Zeitspanne an das Balancing-Gate bereitstellen.
Es sind viele Abwandlungen und Varianten von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Licht der vorstehenden Beschreibung möglich. Die oben beschriebenen Ausführungsformen der verschiedenen Systeme und Verfahren können allein oder in einer beliebigen Kombination davon verwendet werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Wenngleich die Beschreibung und die Fig. eine bestimmte Reihenfolge der Schritte zeigen können, ist einzusehen, dass auch andere Anordnungen der Schritte in der vorliegenden Offenbarung in Erwägung gezogen werden. Ebenso können ein oder mehrere Schritte gleichzeitig oder zum Teil gleichzeitig ausgeführt werden.
Bezugszeichenliste
Fig. 4

402: Berechne oder empfange eine durchschnittliche Zellenkapazität für eine Vielzahl von Zellen
404: Bestimme die Differenz zwischen der Zellenkapazität einer einzelnen Zelle und der durchschnittlichen Zellenkapazität
406: Verwende die Differenz, um einen Entladezeitgeberwert für ein Balancing-Gate zu bestimmen, welches den Stromfluss aus der einzelnen Zelle regelt
408: Steuere das Balancing-Gate, um die einzelne Zelle auf der Basis des bestimmten Entladezeitgeberwerts zu entladen

102: Batteriepaket
219: Prozessor
220: Speicher
222: Fahrzeugsteuermodul
224: Batteriesteuermodul
502: Schätzeinrichtung für eine einzelne Zellenkapazität
504: Kapazitätsmittelungsrechner
506: Kapazitätsdifferenz-Analysator
508: Entladezeitgeberwertgenerator
510: Balancingbefehlgenerator
512: Andere elektronische Systeme
514: Schnittstellenvorrichtungen
516: Display

Claims

Verfahren zum Ausführen eines Zellen-Balancing an einem Fahrzeugbatteriepaket, welches eine Vielzahl von Zellen aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: von einem oder mehreren Prozessoren eine durchschnittliche Zellenkapazität für die Vielzahl von Zellen berechnet oder empfangen wird; die Differenz zwischen der Zellenkapazität einer einzelnen Zelle und der durchschnittlichen Zellenkapazität bestimmt wird; die Differenz verwendet wird, um einen Entladezeitgeberwert für ein Balancing-Gate zu bestimmen, welches den Stromfluss aus der einzelnen Zelle regelt; und das Balancing-Gate derart gesteuert wird, dass es die einzelne Zelle auf der Basis des bestimmten Entladezeitgeberwerts entlädt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Entladezeitgeberwert mithilfe von:
bestimmt wird, wobei capacity_i die Kapazität einer einzelnen Zelle ist, capacity_avg die durchschnittliche Zellenkapazität für das Paket ist, I_bypass der dem Balancing-Gate zugeordnete Bypass-Strom ist und Z ein Umwandlungsfaktor ist, der eine Kapazität in einen Zählwert für den Prozessor umwandelt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der Entladezeitgeberwert an ein Display bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: in einem Speicher ein zeitlicher Verlauf von Entladezeitgeberwerten gespeichert wird.
Controller zum Ausführen eines Zellen-Balancing an einem Fahrzeugbatteriepaket, welches eine Vielzahl von Zellen aufweist, wobei der Controller umfasst: einen oder mehrere Prozessoren, und einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelt ist, wobei der Speicher ausführbare Anweisungen speichert, die, wenn sie von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden, bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren: eine durchschnittliche Zellenkapazität für die Vielzahl von Zellen berechnet/en oder empfängt/empfangen; die Differenz zwischen der Zellenkapazität einer einzelnen Zelle und der durchschnittlichen Zellenkapazität bestimmt/en; die Differenz verwendet/n, um einen Entladezeitgeberwert für ein Balancing-Gate zu bestimmen, welches den Stromfluss aus der einzelnen Zelle regelt; und einen Steuerbefehl erzeugt/en, der bewirkt, dass das Balancing-Gate die einzelne Zelle über eine Zeitspanne entlädt, die dem bestimmten Entladezeitgeberwert entspricht.
Controller nach Anspruch 5, wobei die Anweisungen ferner bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren einen zeitlichen Verlauf von Entladezeitgeberwerten in dem Speicher speichert/en; und wobei die Anweisungen ferner bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren den zeitlichen Verlauf von Entladezeitgeberwerten an eine außerhalb des Fahrzeuges befindliche elektronische Vorrichtung bereitstellt/en.
Controller nach Anspruch 6, wobei die elektronische Vorrichtung eine handgeführte elektronische Vorrichtung ist.
System zum Ausführen eines Zellen-Balancing in einem Fahrzeug, umfassend: Spannungssensoren, die ausgestaltet sind, um die Spannung eines Batteriepakets und einer Vielzahl von Zellen innerhalb des Batteriepakets zu messen; Stromsensoren, die ausgestaltet sind, um die Ströme in das und aus dem Paket zu messen; und eine Aufbereitungsschaltung, umfassend: eine Schnittstelle, die Spannungsdaten von den Spannungssensoren und Stromdaten von den Stromsensoren empfängt; einen oder mehrere Prozessoren; und einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelt ist, wobei der Speicher ausführbare Anweisungen speichert, die, wenn sie von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden, bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren: mithilfe der Spannungs- oder Stromdaten eine durchschnittliche Zellenkapazität für die Vielzahl von Zellen berechnet/n; eine Zellenkapazität einer einzelnen Zelle berechnet/n; die Differenz zwischen der Zellenkapazität der einzelnen Zelle und der durchschnittlichen Zellenkapazität bestimmt/en; die Differenz verwendet/n, um einen Entladezeitgeberwert für ein Balancing-Gate zu bestimmen, welches den Stromfluss aus der einzelnen Zelle regelt; und einen Steuerbefehl erzeugt/en, der bewirkt, dass das Balancing-Gate die einzelne Zelle über eine Zeitspanne entlädt, die dem bestimmten Entladezeitgeberwert entspricht.
System nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Zellen-Balancing-Controller, der eine Steuerung des Öffnens und Schließens des Balancing-Gates bereitstellt, wobei eine Aufbereitungsschaltung den Steuerbefehl an den Zellen-Balancing-Controller bereitstellt und wobei der Zellen-Balancing-Controller das Balancing-Gate in Ansprechen auf das Empfangen des Steuerbefehls öffnet oder schließt.
System nach Anspruch 8, wobei der Steuerbefehl eine Spannung umfasst, die das Balancing-Gate öffnet oder schließt.