DE102013216922A1

DE102013216922A1 - Thermisches Batteriesystem und Diagnoseverfahren

Info

Publication number: DE102013216922A1
Application number: DE102013216922.1A
Authority: DE
Inventors: Scott M. Skelton
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: US20140067323A1; CN103682513B; DE102013216922B4; CN103682513A; US9415700B2

Abstract

Ein System weist ein Batteriepaket mit einem Fluideinlass, einem Fluidauslass und Batteriezellen auf. Das System weist auch ein thermisches System mit einem Wärmeübertragungsfluid, einer Strömungsvorrichtung, einem Einlass-Thermoelement, einem oder mehreren Innen-Thermoelementen, die mit einer jeweiligen der Batteriezellen verbunden sind, und einen Controller auf. Der Controller empfängt und verarbeitet Temperatursignale von den Thermoelementen unter Verwendung eines thermischen Modells, um ein Leistungsvermögen der Strömungsvorrichtung zu diagnostizieren. Das System kann Werte schätzen, wenn kein Auslass-Thermoelement verwendet wird. Ein Verfahren umfasst ein Umwälzen des Fluids durch das Batteriepaket, ein Positionieren eines Einlass-Thermoelements nahe dem Fluideinlass und ein Verbinden eines oder mehrerer Innen-Thermoelemente mit jeweiligen Batteriezellen. Ein Controller empfängt und verarbeitet Temperatursignale von dem Einlass-Thermoelement und dem/den Innen-Thermoelement(en), um ein Leistungsvermögen der Strömungsvorrichtung unter Verwendung des thermischen Modells zu diagnostizieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein thermisches Batteriesystem sowie ein begleitendes Diagnoseverfahren dafür.
HINTERGRUND
Bestimmte Fahrzeuge werden zumindest einen Teil der Zeit unter Verwendung elektrischer Energie angetrieben, die von einem Hochspannungs-DC-Batteriepaket entnommen wird. Das Batteriepaket erregt einen oder mehrere mehrphasige elektrische Traktionsmotoren über einen Wechselrichter. Hybridelektrofahrzeuge verwenden selektiv eine Brennkraftmaschine als eine Quelle für ein Eingangsdrehmoment zu einem Getriebe allein oder in Verbindung mit dem/den Traktionsmotor(en). Elektrische Fahrzeuge mit erweiterter Reichweite verwenden eine kleinere Maschine nur bei Bedarf und ausschließlich, um einen elektrischen Generator anzutreiben. Elektrische Batteriefahrzeuge verzichten insgesamt auf die Verwendung einer Benzinmaschine und arbeiten stattdessen unter Verwendung gespeicherter elektrischer Energie oder regenerativer Bremsenergie. Alle drei Fahrzeugkonfigurationen können zumindest einen Teil der Zeit ausschließlich über Elektrizität in einem Elektrofahrzeug-(EV)-Modus arbeiten.
In allen der obigen Fahrzeugausführungsformen ist das Hochspannungs-DC-Batteriepaket dazu verwendet, die wesentlichen Mengen elektrischer Energie, die zum Antrieb der/des Traktionsmotoren(s) erforderlich ist, alternativ zu speichern und zu liefern. Das Batteriepaket kann aus mehreren Batteriemodulen bestehen, die jeweils mehrere zylindrische oder flache/tafelartige Batteriezellen enthalten. Ein effektives Dissipieren von Wärme, die von den Batteriezellen im Betrieb erzeugt wird, ist zur Optimierung des Gesamtfahrzeugleistungsvermögens wesentlich. Infolgedessen werden thermische Batteriesysteme in Verbindung mit derartigen Batteriepaketen verwendet, um ein Volumen eines geeigneten Wärmeübertragungsfluides durch das Batteriepaket und zugeordnete Leistungselektronik umzuwälzen. Dasselbe thermische System kann auch dazu verwendet werden, das Batteriepaket nach Bedarf zu heizen.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist hier ein System offenbart, das ein Batteriepaket, einen Controller sowie eine Strömungsvorrichtung aufweist, die Wärmeübertragungsfluid zur Regulierung der Temperatur des Batteriepakets umwälzt. Das System weist eine Mehrzahl von Thermoelementen oder andere Temperatursensoren auf. Ein Einlass-Thermoelement ist an oder nahe einem Fluideinlass des Batteriepakets positioniert. Ein optionales Auslass-Thermoelement kann an oder nahe einem Fluidauslass des Batteriepakets positioniert sein. Die verbleibenden Thermoelemente sind alle in dem Batteriepaket selbst positioniert und werden somit nachfolgend als Innen-Thermoelemente bezeichnet. Jedes Innen-Thermoelement ist mit einer jeweiligen der Batteriezellen verbunden. Bei einer einfachen Ausführungsform braucht nur ein Innen-Thermoelement verwendet zu werden. Jedoch werden mehrere Innen-Thermoelemente bei den verschiedenen Beispielen, die hier vorgesehen sind, beschrieben, um ein verbessertes Genauigkeitsniveau und genauere Diagnoseergebnisse bereitzustellen.
Der Controller verwendet ein aufgezeichnetes thermisches Modell des Batteriepakets, um das Leistungsvermögen des thermischen Systems, z. B. der mechanischen und/oder elektrischen Funktionalität der Strömungsvorrichtung wie auch der Geometrie und Befestigungsqualitäten der Leitungsschleife, einschließlich irgendwelcher verstopfter Rohre oder Leitungen, zu diagnostizieren. Zu einem kalibrierten Intervall empfängt ein Prozessor Temperatursignale von dem/den Einlass- und Innen-Thermoelement(en) wie auch dem optionalen Auslass-Thermoelement, wenn diese Vorrichtung verwendet ist.
Ein Verfahren umfasst ein Umwälzen von Wärmeübertragungsfluid über eine Strömungsvorrichtung durch ein Batteriepaket, das eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, ein Positionieren eines Einlass-Thermoelements nahe einem Fluideinlass des Batteriepakets und ein Verbinden von zumindest einem Innen-Thermoelement in dem Batteriepaket mit einer jeweiligen Batteriezelle. Das Verfahren umfasst auch ein über einen Controller erfolgendes Empfangen und Verarbeiten von Temperatursignalen von dem Einlass-Thermoelement und dem zumindest einen Innen-Thermoelement, wodurch ein Leistungsvermögen der Strömungsvorrichtung diagnostiziert wird, einschließlich der Verwendung eines aufgezeichneten thermischen Modells des Batteriepakets.
Ein anderes System weist einen Prozessor in Kommunikation mit einer Strömungsvorrichtung auf, die Wärmeübertragungsfluid von einem Fluideinlass zu einem Fluidauslass eines Batteriepakets umwälzt, um das Batteriepaket zu erwärmen oder zu kühlen. Das System weist auch einen Speicher auf, auf dem ein thermisches Modell eines Batteriepakets sowie Anweisungen zum Diagnostizieren des Leistungsvermögens des thermischen Systems aufgezeichnet sind. Der Prozessor ist derart konfiguriert, die Anweisungen periodisch auszuführen, wodurch bewirkt wird, dass der Prozessor Temperatursignale von dem/den Einlass- und Innen-Thermoelement(en) empfängt und verarbeitet und somit die Leistung der Strömungsvorrichtung diagnostiziert.
Die obigen Merkmale und Vorteile wie auch weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Moden zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Hochspannungsbatteriepaket, einem thermischen System, das dazu verwendet wird, das Batteriepaket zu erwärmen oder zu kühlen, und einen Controller, der die Leistung des thermischen Systems diagnostiziert, wie hier dargestellt ist.
2 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts des thermischen Systems und des Controllers von 1.
3 ist eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Controllers zusammen mit einem Satz von Thermoelementen, die für eine Ausführung eines Diagnoseverfahrens für das in 2 gezeigte thermische System verwendet sind.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Diagnostizieren des in 1 gezeigten thermischen Systems beschreibt.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein alternatives Verfahren zum Diagnostizieren des in 1 gezeigten thermischen Systems beschreibt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten bezeichnen, ist ein beispielhaftes Fahrzeug 10 schematisch in 1 gezeigt. Das Fahrzeug 10 weist einen elektrischen Traktionsmotor für hohe Spannung 12, ein Getriebe 14 und einen Satz von Antriebsrädern 16 auf. Das Fahrzeug 10 weist auch ein wiederaufladbares Hochspannungsbatteriepaket 18 auf, das nach Bedarf über ein thermisches System 20 erhitzt oder gekühlt wird, von dem ein Beispiel detaillierter unten mit Bezug auf 2 beschrieben ist. Wie nachfolgend erläutert ist, diagnostiziert ein Controller 30, von dem ein Beispiel in 3 gezeigt ist, periodisch das Leistungsvermögen des thermischen Systems 20. Zwei beispielhafte Ausführungsformen der Diagnosevorgehensweise sind in den 4 und 5 als Verfahren 100 bzw. 200 gezeigt.
Das thermische System 20 der 1 und 2 wälzt ein geeignetes Wärmeübertragungsfluid (Pfeile 22), wie Luft oder Kühlmittel durch das Batteriepaket 18 um, um Wärme zu dissipieren, die von dem Batteriepaket 18 während seines Betriebs erzeugt wird, oder das Batteriepaket 18 nach Bedarf zu erwärmen. Während es zur Vereinfachung in den Figuren nicht gezeigt ist, kann dasselbe thermische System 20 dazu verwendet werden, das Wärmeübertragungsfluid (Pfeile 22) durch die verschiedenen Leistungselektroniken umzuwälzen, die dazu verwendet werden, den Traktionsmotor 12 von 1 zu steuern, z. B. ein Traktionsleistungswechselrichtermodul (TPIM) 26, ein Zusatzleistungsmodul/DC-DC-Wandler (nicht gezeigt), etc.
Optional dazu kann das Fahrzeug 10 von 1 eine Brennkraftmaschine 24 aufweisen. Die Maschine 24 kann mit dem Traktionsmotor 12 über eine Eingangsdämpfungskupplung 11 verbunden sein. Die Maschine 24 kann dazu verwendet werden, den Traktionsmotor 12 bei Bedarf mit Leistung zu beaufschlagen, oder die Maschine 24 kann alternativ in dem Getriebe 14, z. B. in einer Hybridfahrzeugausführungsform verbunden sein, um so Eingangsdrehmoment direkt an das Getriebe 14 bei anderen Fahrzeugausführungsformen zu liefern. Die in 1 gezeigte Konfiguration ist nur eine mögliche Ausführungsform für ein elektrisches Fahrzeug mit erweiterter Reichweite. Jedoch kann das thermische System 20 wie auch das Verfahren 100, das nachfolgend mit Bezug auf 4 beschrieben ist, in Verbindung mit irgendeinem Batteriepaket 18 ungeachtet des Spannungspegels und in irgendeiner Fahrzeug- oder Nicht-Fahrzeug-Konfiguration verwendet werden, in der ein derartiges Batteriepaket 18 eingesetzt wird.
Der Traktionsmotor 12 von 1 zieht elektrische Energie von dem Batteriepaket 18 und liefert elektrische Energie an das Batteriepaket 18. Das Batteriepaket 18 bildet somit ein wiederaufladbares Energiespeichersystem zum Erregen aller elektrischen Hochspannungskomponenten, die an Bord des Fahrzeugs 10 verwendet werden. Der hier verwendete Begriff ”Hochspannung” betrifft einen Spannungspegel oberhalb irgendwelcher Zusatz-/12 VDC-Spannungspegel, die normalerweise verwendet werden, um Zubehörfahrzeugsysteme, wie Audiosysteme, Beleuchtung und dergleichen, mit Leistung zu beaufschlagen. Das Batteriepaket 18 kann abhängig von der Nennleistung des Traktionsmotors 12 für etwa 60 VDC bis über 300 VDC ausgelegt sein. Derartige Spannungspegel erzeugen möglicherweise wesentliche Wärme während des Betriebs und sind somit gut zur Verwendung mit dem thermischen System 20 geeignet, das in 2 gezeigt ist.
Wenn der Traktionsmotor 12 von 1 als eine mehrphasige AC-Induktionsmaschine konfiguriert ist, kann das Fahrzeug 10 auch das TPIM 26 aufweisen, eine Vorrichtung, die elektrisch mit dem Batteriepaket 18 über einen Hochspannungs-DC-Bus 28 verbunden ist. Das TPIM 26 ist auch elektrisch mit dem Traktionsmotor 12 über einen Hochspannungs-AC-Bus 32 verbunden. Das TPIM 26 kann über Impulsbreitenmodulation und Hochgeschwindigkeitshalbleiterschalten gesteuert werden, wie es in der Technik bekannt ist, um zu ermöglichen, dass das TPIM 26 AC-Leistung von dem Traktionsmotor 12 in DC-Leistung umwandelt, die zur Speicherung in dem Batteriepaket 18 geeignet ist, und die gespeicherte DC-Leistung nach Bedarf zurück in AC-Leistung zum Antrieb des Traktionsmotors 12 umwandelt.
Mit Bezug auf den Controller 30 führt diese Komponente Anweisungen oder Code aus, die/der die verschiedenen Schritte eines Verfahrens 100 (4) oder alternativ eines Verfahrens 200 (5) ausführt(en), von einer konkreten nichtflüchtigen Speichervorrichtung 36 aus. Die Ausführung der Verfahren 100, 200 erlaubt einem Prozessor 34 in dem Controller 30, das Leistungsvermögen des thermischen Systems 20 unter Verwendung eines aufgezeichneten thermischen Modells 38 des Batteriepakets 18 zu diagnostizieren. Der Controller 30 kann als ein oder mehrere Digitalcomputer konfiguriert sein, die/der jeweils zusätzlich zu dem Prozessor 34 und der Speichervorrichtung 36 z. B. einen Nurlesespeicher (ROM), einen Flashspeicher oder ein anderes magnetisches oder optisches Speichermedium, jegliche erforderliche Menge an flüchtigem Speicher, wie Direktzugriffsspeicher (RAM) und elektrisch löschbarem programmierbarem Nurlesespeicher (EEPROM) aufweist/en. Der Controller 30 kann auch einen Hochgeschwindigkeitstakt, Analog-Digital-(A/D)- und Digital-Analog-(D/A)-Schaltung und Eingabe/Ausgabeschaltung und -vorrichtung (I/O) wie auch geeignete Signalkonditionierungs- und Pufferschaltung aufweisen.
Der in 1 gezeigte Controller 30 steht in Kommunikation mit dem thermischen System 20 z. B. über einen Kommunikationsbus oder einen Controller-Area-Network-(CAN)-Bus 15, wie gezeigt ist. Daher ist der Controller 30 in der Lage, jegliche erforderlichen Ausgangssignale (Pfeil 54) bei der Ausführung der Verfahren 100 oder 200 zu übertragen wie auch jegliche erforderliche Signale zu empfangen, einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, die Temperatursignale T_i, T₀ und T₁–T₃, die in 3 gezeigt sind. Die Ausgangssignale (Pfeil 54) können einen Bestanden- oder Durchgefallen-Diagnosecode aufweisen, wie nachfolgend mit Bezug auf 4 beschrieben ist.
Bezug nehmend auf 2 empfängt der Prozessor 34 von 1 von der Speichervorrichtung 36 jegliche relevanten Eingangsanweisungen oder berechnet diese alternativ oder greift auf diese zu, die dazu verwendet werden, die Geschwindigkeit einer Strömungsvorrichtung 40, z. B. Positionsdaten und/oder irgendwelche anderen gemessenen oder abgeleiteten Werte zu steuern, die dazu verwendet werden, eine bestimmte Ausgangsgeschwindigkeit von der Strömungsvorrichtung 40 anzuweisen. Der Prozessor 34 kann bei der Diagnose des thermischen Systems 20 auch Batterieparameter verarbeiten, wie einen Batterieladezustand (SOC), angelegte Spannung, Strom und/oder einen berechneten Leistungswert. In Ansprechen auf den kollektiven Satz von Eingangsanweisungen wälzt die Strömungsvorrichtung 40 Wärmeübertragungsfluid zu dem Batteriepaket über die Leitungsschleife um, um das Batteriepaket nach Bedarf zu erhitzen oder zu kühlen.
Das thermische System 20 von 2 weist die Strömungsvorrichtung 40, z. B. eine Fluidpumpe oder einen elektrischen Lüfter, auf. Die Strömungsvorrichtung 40 steht in Fluidkommunikation mit einem Gehäuse 19 des Batteriepakets 18 über eine Leitungsschleife 25, beispielsweise verbundene Längen von Rohren, Verrohrung und/oder hydraulischem/pneumatischem Schlauch, die/der durch das Gehäuse 19 des Batteriepakets 18 und um oder an den darin enthaltenen Batteriezellen 42 vorbeigeführt ist/sind. Alle Beispiele, die hier gezeigt sind, beschreiben ein System mit geschlossener Schleife. Jedoch braucht bei einigen Ausführungsformen das Wärmeübertragungsfluid (Pfeile 22) nicht umgewälzt zu werden. Die Verfahren 100 und 200 können dennoch bei einer derartigen Ausführungsform verwendet werden.
Wärmeübertragungsfluid 22 in der Form von Luft, Kühlmittel oder einem anderen geeigneten Kältemittel wird über die Strömungsvorrichtung 40 durch die Leitungsschleife 25 umgewälzt. Eine Ausgangsgeschwindigkeit der Strömungsvorrichtung 40 wird über Übertragung von Eingangsgeschwindigkeitssignalen (Pfeil 17) von dem Controller 30 (siehe 1 und 3) angewiesen, wobei die Eingangsgeschwindigkeitssignale (Pfeil 17) derartige Werte umfassen, wie angewiesene Spannung, Strom, Leistungspegel oder Geschwindigkeit.
Als Teil der vorliegenden Steuervorgehensweise ist ein Thermoelement 50 an einem Fluideinlass 31 zu dem Batteriepaket 18 positioniert und derart konfiguriert, die tatsächliche Einlasstemperatur des Wärmeübertragungsfluides 22, das in das Batteriepaket 18 eintritt, zu messen. Ein optionales Thermoelement 52 ist bei oder nahe einem Fluidauslass 33 des Batteriepakets 18 positioniert. Das Thermoelement 52 misst die Auslasstemperatur des das Batteriepaket 18 verlassenden Wärmeübertragungsfluides 22. Der Fluideinlass bzw. -auslass 31, 33 definieren die Eintritts- und Austrittsöffnungen der Leitungsschleife 25 in und aus dem Batteriepaket 18 für das über die Strömungsvorrichtung 40 umgewälzte Fluid 22. Daher sind die Thermoelemente 50 und 52 zur weiteren Klarheit hier als die Einlass- bzw. Auslass-Thermoelemente bezeichnet. Wie dem Fachmann offensichtlich wird, hängen die Begriffe ”Einlass” und ”Auslass”, wie hier verwendet ist, von der Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsfluides 22 durch das Batteriepaket 18 ab, und somit kann der tatsächliche Fluideinlass und -auslass zu denen, die in 2 gezeigt sind, umgekehrt werden.
Weiter ist zumindest ein zusätzliches Thermoelement in dem Batteriepaket 18 positioniert, wobei jedes zusätzliche Thermoelement, das hier verwendet ist, mit einer jeweiligen der Batteriezellen 42 verbunden ist. Somit misst jedes der zusätzlichen Thermoelemente, die hier nachfolgend der Klarheit halber als Innen-Thermoelemente bezeichnet sind, die Temperatur einer bestimmten Batteriezelle 42 und nicht des in dem Batteriepaket 18 strömenden Wärmeübertragungsfluides 22. Die Batteriezellen 42 können beispielsweise als Nickelmetallhydrid-(NiMH)-Batteriezellen, Lithiumionenbatteriezellen oder irgendeine andere wiederaufladbare Batteriezelle ausgeführt sein. Während die Batteriezellen 42 bei der beispielhaften Ausführungsform von 2 als eine Mehrzahl von zylindrischen Batteriezellen gezeigt ist, können sie flache, im Wesentlichen rechtwinklige, laschenförmige Elektrodenverlängerungen sein, die über Ultraschall mit einem leitenden Verbindungselement (nicht gezeigt) des Batteriepaketes 18 verschweißt sind. Bei allen Ausführungsformen wird ungeachtet der Form/Größe der Batteriezellen 42 ein Erwärmen oder Kühlen des Batteriepakets 18 über ein Umwälzen des Wärmeübertragungsfluides 22 erreicht.
Bei einer vereinfachten Vorgehensweise kann ein einzelnes Innen-Thermoelement 44 innerhalb des Batteriepakets 18 positioniert sein. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform mit höherer Wiedergabe ist eine Mehrzahl von Innen-Thermoelementen 44, 46 und 48 in dem Batteriepaket 18 positioniert, wobei das Innen-Thermoelement 44 am nächsten zu dem Fluidauslass 33 positioniert ist, das Innen-Thermoelement 46 am nächsten zu dem Zentrum 35 des Batteriepakets 18 positioniert ist und das Innen-Thermoelement 48 am nächsten zu dem Fluideinlass 31 positioniert ist, wie gezeigt ist. Es können zusätzliche Innen-Thermoelemente an anderen Batteriezellen 42 in dem Batteriepaket 18 verwendet werden, um die Genauigkeit der Diagnosemessungen, die nachfolgend beschrieben sind, zu verbessern. Die Anzahl von Thermoelementen, die verwendet wird, kann gleich der Anzahl von Batteriezellen 42 sein, obwohl die Kosten dafür die inkrementelle Verbesserung der Diagnoseergebnisse überschreiten können. Daher kann eine kleinere Anzahl von Thermoelementen, z. B. drei oder vier, eine optimale Abdeckung bereitstellen.
Der in 1 gezeigte Controller 30 empfängt gemessene Temperaturwerte von den verschiedenen Thermoelementen 50, 52, 44, 46 und 48, wie in 2 gezeigt ist, und verarbeitet dann die gemessenen Werte, um einen Temperaturgradienten in dem Batteriepaket 18 zu bestimmen. Anstatt einer Behandlung des gesamten Batteriepaketes 18 als eine einzelne thermische Masse auf die herkömmliche Weise umfasst das Verfahren 100 stattdessen das Schätzen der sich ändernden Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 von 2, wenn es an den verschiedenen Batteriezellen 42 in dem Batteriepaket 18 vorbei oder zwischen diesen strömt. Dies bedeutet, der Controller 30 verwendet den Prozessor 34, um die Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 über das aufgezeichnete thermische Modell 38 als eine Funktion der gemessenen Temperaturen der Batteriezellen 42 wie auch der Geometrie und physikalischen Zusammensetzung des Batteriepakets 18 und des Massendurchflusses des Wärmeübertragungsfluides 22 zu schätzen.
Kurz Bezug nehmend auf 3 ist der Controller 30 schematisch in Kommunikation mit dem Einlass-Thermoelement 50, dem optionalen Auslass-Thermoelement 52 und den Innen-Thermoelementen 44, 46 und 48 gezeigt. Zusätzlich berechnet der Controller 30 die Werte der Eingangsgeschwindigkeitssignale (Pfeil 17), empfängt diese oder hat anderweitig Zugriff auf diese, die dazu verwendet werden, die in 2 gezeigte Strömungsvorrichtung 40 zu steuern. Das Einlass-Thermoelement 50 überträgt ein Einlasstemperatursignal T_i, während das Auslass-Thermoelement 52, wenn es verwendet ist, ein Auslasstemperatursignal T₀ überträgt. Gleichermaßen übertragen die Innen-Thermoelemente 44, 46 und 48 jeweilige Temperatursignale T₁, T₂ und T₃ an den Controller 30. Diese Werte werden in Verbindung mit dem thermischen Modell 38 verwendet, um das Leistungsvermögen des thermischen Systems 20 zu diagnostizieren.
Bezug nehmend auf 4 wird das Verfahren 100, das bei Schritt 102 beginnt, auf einer periodischen Basis beispielsweise kontinuierlich während eines aktiven Schlüsselzyklus des Fahrzeugs 10 von 1 ausgeführt. Wenn das Auslass-Thermoelement 52 nicht verfügbar ist oder nicht verwendet wird, wird das Verfahren 200 von 5 ausgeführt.
Der Controller 30 von 3 bestimmt Information bezüglich des Betriebs der in 2 gezeigten Strömungsvorrichtung 40. Genauer misst oder liest der Controller 30 die Eingangsgeschwindigkeitsanweisungen (Pfeil 17) zu der Strömungsvorrichtung 40 und berechnet die angewiesene Geschwindigkeit der Strömungsvorrichtung 40 unter Verwendung dieser Werte. Alternativ dazu kann die sich ändernde Rotationsposition eines Lüfterflügels, einer Schaufel oder eines anderen Lüfter- oder Pumpenelements z. B. unter Verwendung eines Positionssensors (nicht gezeigt) detektiert werden, der in Bezug auf das rotierende Element montiert ist, wobei die codierten Positionsdaten von dem Controller 30 verwendet werden, um die Drehzahl zu berechnen.
Als Teil von Schritt 102 verwendet der Controller 30 schließlich die Eingangsgeschwindigkeitswerte (Pfeil 17 von 3) zur Berechnung des Massendurchflusses des Wärmeübertragungsfluides 22, das von der Strömungsvorrichtung 40 durch die in 2 gezeigte Leitungsschleife 25 ausgetragen ist, und zeichnet dann den berechneten Massendurchfluss in der Speichervorrichtung 36 auf. Wie in der Technik bekannt ist, ist die Korrelation zwischen dem Massendurchfluss und der Drehzahl einer gegebenen Strömungsvorrichtung, z. B. der Strömungsvorrichtung 40 von 2, durch Herstellerdaten, Berechnung oder durch Prüfung verfügbar.
Bei Schritt 104 erhält der Controller 30 als Nächstes die Einlasstemperatur (T_i) in das Batteriepaket 18 durch Empfangen und Aufzeichnen der von dem in 2 gezeigten Einlass-Thermoelement 50 gemessenen Temperatur. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt 106 fort.
Bei Schritt 106 erhält der Controller 30 die Batteriezellentemperaturen einer oder mehrerer der Batteriezellen 42 in dem in 3 gezeigten Batteriepaket 18, d. h. jeder Batteriezelle 42, die ein verbundenes Thermoelement aufweist. Bei der Ausführungsform von 2 bedingt die Ausführung von Schritt 106 die Aufnahme von drei verschiedenen Temperaturwerten, d. h. Temperaturen T₁, T₂ und T₃ durch den Prozessor 34, die alle schematisch in 3 gezeigt sind. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt 108 fort.
Bei Schritt 108 schätzt der Controller 30 von 3 als Nächstes die Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 an verschiedenen Punkten in dem Batteriepaket 18 und zeichnet diese auf. Beispielsweise schätzt, wenn drei Thermoelemente 44, 46 und 48 an drei verschiedenen Batteriezellen 42 verwendet sind, wie in 2 gezeigt ist, wobei die Batteriezellen 42 in der Nähe zu dem jeweiligen Fluideinlass 31, dem Zentrum 35 und dem Fluidauslass 33 des Batteriepakets 18 angeordnet sind, der Controller 30 die Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 unmittelbar stromabwärts der Batteriezelle 42 am nächsten zu dem Fluideinlass 31 als eine Funktion des Massendurchflusses, der gemessenen Einlasstemperatur (T_i) in das Batteriepaket 18 und der gemessenen Temperatur (T₁) der Batteriezelle 42 am nächsten zu dem Fluideinlass 31.
Anschließend bestimmt unter Verwendung des thermischen Batteriemodells 38, das in 3 gezeigt ist, der Controller 30 die Distanz zwischen der Batteriezelle 42 nahe dem Fluideinlass 31 und der nächsten Batteriezelle 42, die ein befestigtes Thermoelement aufweist, z. B. die Batteriezelle 42 an dem Zentrum 35 des Batteriepakets 18, wie in 2 gezeigt ist. Der Controller 30 kennt auch die Temperatur der Batteriezelle 42 an dem Zentrum 35 über Signale von dem Innen-Thermoelement 46 der 2 und 3, d. h. die Temperatur T₂. Unter Verwendung dieser Werte schätzt der Controller 30 die Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 unmittelbar stromabwärts der Batteriezelle 42 an dem Zentrum 35. Derselbe Prozess wird dann für die nächste Batteriezelle 42, die ein verbundenes Thermoelement aufweist, wiederholt, z. B. eine Batteriezelle 42 am nächsten zu dem Fluidauslass 33 von 2, wobei die geschätzte Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 kurz stromabwärts dieser letzten Batteriezelle 42, z. B. an dem Auslass 33, in der Speichervorrichtung 36 aufgezeichnet wird. Eine Formel, die als Teil von Schritt 108 verwendet werden kann, ist wie folgt: T_22,out,n = T_22,in,n+1 = T_22,in,n + hA(T_42,n – T_22,in,n) wobei T_22,out,n die Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 ist, wenn es an einer Batteriezelle 42(n) hindurch gelangt oder diese verlässt, T_22,in,n+1 die Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 ist, wenn es in die nächste (n + 1) Batteriezelle 42 eintritt/sich dieser annähert, T_18,n die Temperatur der n-ten Zelle des Batteriepakets 18 ist und hA ein kalibrierter Wert ist. Der Wert von hA kann als eine Funktion der gemessenen Temperatur, der thermodynamischen Eigenschaften und des Massendurchflusses des Wärmeübertragungsfluides 22 wie auch der geometrischen Eigenschaften des Systems, z. B. der Größen/des Abstandes zwischen den verschiedenen Batteriezellen 42, wie in 2 gezeigt ist, bestimmt sein.
Bei Schritt 110 misst der Controller 30 die tatsächliche Temperatur des Wärmeübertragungsfluides 22 an dem Fluidauslass 33 des in 2 gezeigten Batteriepakets 18 über das Auslass-Thermoelement 52. Dieser Wert ist die Auslasstemperatur (T₀). Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt 112 fort.
Bei Schritt 112 vergleicht der Controller 30 von 2 die geschätzte Temperatur an dem Fluidauslass 33 (siehe 2) aus Schritt 108 mit dem bei Schritt 110 aufgezeichneten Wert. Wenn die geschätzten Werte innerhalb eines kalibrierten Bereiches voneinander liegen, fährt der Controller 30 mit Schritt 114 fort. Ansonsten fährt der Controller 30 mit Schritt 116 fort.
Bei Schritt 114 kann der Controller 30 einen Diagnosecode mit einem Bestanden-Status in der Speichervorrichtung 36 aufzeichnen. Sobald der Code aufgezeichnet oder irgendeine andere geeignete Steueraktion für die Bestanden-Diagnose ausgeführt ist, wird das Verfahren 100 bis zu der nachfolgenden Abtastperiode, wie dem nächsten Schlüsselzyklus, beendet.
Bei Schritt 116 zeichnet der Controller einen Diagnosecode mit einem Durchgefallen-Status in der Speichervorrichtung 36 auf. Als Teil des Schrittes 116 kann eine zusätzliche Wartung ausgeführt werden, wie eine Reparatur oder ein Austausch der Strömungsvorrichtung 40 von 2 und/oder einem oder allen der Thermoelemente 50, 52, 44, 46 und/oder 48, eine Reparatur von Leitungen/Rohrwerk der Leitungsschleife 25, Entfernung von Schmutz, etc.
Wie oben angemerkt ist, stützt sich das Verfahren 100 auf den Gebrauch des Auslass-Thermoelements 52 und eine direkte Messung der Auslasstemperatur des Kühlmittels (Pfeil 22), das das Batteriepaket 18 verlässt. In einigen Fällen braucht jedoch das Auslass-Thermoelement 52 nicht verfügbar sein. Eine alternative Vorgehensweise ist durch Vorhersage der Temperatur des Batteriepakets 18 und Vergleich der vorhergesagten Temperatur mit einer gemessenen Temperatur möglich. Eine mögliche Vorgehensweise für diese Situation ist die Ausführung des Verfahrens 200.
Bezug nehmend auf 5 beginnt das alternative Verfahren 200, das oben beschrieben ist, bei Schritt 201, wo der Controller 30 von 1 einen Satz von Anfangsbedingungen misst, einschließlich den Temperaturen des Batteriepakets 18 an jeder der Batteriezellen 42, die hier verwendet sind und ein befestigtes Thermoelement 44 aufweisen. Das Verfahren 200 fährt mit Schritt 203 fort, wenn dieser Schritt beendet ist.
Bei Schritt 203 misst der Controller 30 als Nächstes periodische Bedingungen über einen kalibrierten Zeitschritt (t), einschließlich beispielsweise die Einlasstemperatur (Ti), die in 3 gezeigt ist, die verschiedenen Temperaturen des Batteriepakets 18, z. B. T₁–T₃ von 3, und den elektrischen Strom und die elektrische Spannung, die an das Batteriepaket 18 geliefert werden. Das Verfahren 200 fährt dann mit Schritt 205 fort.
Bei Schritt 205 schätzt der Controller 30 die Temperatur der Batteriezellen 42. Schritt 205 umfasst ein Aufzeichnen einer Anzahl von Temperaturen (n) in dem Batteriepaket 18 für den Zeitschritt (t), wobei n gleich der Anzahl von Thermoelementen 44 ist, die in dem Batteriepaket 18 verwendet sind. Somit beträgt bei dem Beispiel von 2 n = 3. Als Teil von Schritt 205 kann der Controller 30 die folgende Formel verwenden:
wobei m .c_p der Massendurchfluss bzw. die spezifische Wärme des Wärmeübertragungsfluides 22 ist und (mc_p)₄₂ die jeweilige Masse (m) und spezifische Wärme (c_p) der Batteriezellen 42 repräsentiert, die weniger als die Gesamtzahl von Batteriezellen 42 umfassen kann, die in einem gegebenen Batteriepaket 18 verwendet sind, z. B. wenn mehrere Module von Batteriezellen 42 verwendet werden, um ein Batteriepaket 18 aufzubauen. Schritt 205 verwendet einen vorbestimmten Satz von Batterieparametern, bei diesem Beispiel den Strom (I) und den Innenwiderstand (R).
Bei Schritt 207 berechnet der Controller 30 als Nächstes die Temperatur des Wärmeübertragungsfluides (Pfeil 22) für den Zeitschitt (t). Die Temperatur des Fluides (Pfeil 22) ist als die geschätzte Auslasstemperatur von einer der (n) Batteriezellen 42 und dem Einlass zu der nächsten Batteriezelle 42, d. h. der Batteriezelle 42 (n + 1) definiert. Die folgende Gleichung kann als Teil dieses Schrittes verwendet werden: T_22,out,n = T_22,in,n+1 = T_22,in,n + hA(T_42,n – T_22,in,n).
Bei Schritt 209 bestimmt der Controller 30, ob die Schritte 205 und 207 für alle der Batteriezellen 42, die ein befestigtes Thermoelement 44 aufweisen, beendet worden sind. Wenn dies der Fall ist, fährt das Verfahren 200 mit Schritt 211 fort. Ansonsten werden die Schritte 205 und 207 wiederholt, wobei n von 1 bis zu der Anzahl von Batteriezellen 42, die ein befestigtes Innen-Thermoelement 44 aufweisen, zunimmt.
Bei Schritt 211 misst der Controller 30 als Nächstes alle Batterietemperaturen für alle (n) Batteriezellen 42, die befestigte Innen-Thermoelemente 44 aufweisen, und mittelt diese, um eine gemessene mittlere Batterietemperatur (T_B) für das Batteriepaket 18 als Ganzes zu berechnen. Der Controller 30 mittelt auch alle Batterietemperaturvorhersagen für alle (n) Batteriezellen 42 von Schritt 205, um eine geschätzte mittlere Batterietemperatur zu berechnen. Der Schritt 211 kann unter Verwendung verschiedener Mittelungstechniken durchgeführt werden, einschließlich beispielsweise einer gewichteten Mittelung oder einer geradlinigen Mittelung. Das Verfahren 200 fährt mit Schritt 213 fort, sobald die gemessene mittlere Batterietemperatur (T_B) aufgezeichnet worden ist.
Bei Schritt 213 vergleicht der Controller 30 die gemessene mittlere Temperatur (T_B) mit der geschätzten mittleren Batterietemperatur aus Schritt 211. Wenn die Differenz kleiner als ein kalibrierter Wert ist, kann der Controller 30 einen Diagnosecode mit einem Bestanden-Status aufzeichnen. Gleichermaßen kann, wenn die Differenz den kalibrierten Wert überschreitet, der Controller 30 einen Diagnosecode mit einem Durchgefallen-Status aufzeichnen.
Unter Verwendung der Verfahren 100 und 200, wie oben beschrieben ist, kann der Controller 30 verwendet werden, das thermische System 20 von 1 unter Verwendung des aufgezeichneten thermischen Batteriemodells 38 zu diagnostizieren. Das thermische Modell 38 kann diskretisiert sein, d. h. in so viele Teile geteilt sein, wie Innen-Thermoelemente in dem Batteriepaket 18 verwendet sind, um die Diagnosegenauigkeit relativ zu herkömmlichen Verfahren zu verbessern. Die Kenntnis des Funktionszustandes des thermischen Systems 20 kann aus verschiedenen Gründen erforderlich sein, einschließlich einer Konformität von an Bord-Diagnose (OBD), Abhilfeaktionen und Hardwareschutz.
Während die besten Arten zur Ausführung der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der angefügten Ansprüche.

Claims

System, umfassend: ein Batteriepaket mit einem Fluideinlass, einem Fluidauslass und einer Mehrzahl von Batteriezellen; eine Strömungsvorrichtung, die Wärmeübertragungsfluid durch das Batteriepaket umwälzt; eine Leitungsschleife, die das Wärmeübertragungsfluid von der Strömungsvorrichtung zu dem Fluideinlass des Batteriepakets und von dem Fluidauslass des Batteriepakets zu der Strömungsvorrichtung leitet, wodurch das Batteriepaket erhitzt oder gekühlt wird; ein Einlass-Thermoelement, das nahe dem Fluideinlass des Batteriepakets positioniert ist; zumindest ein Innen-Thermoelement, das in dem Batteriepaket positioniert und derart verbunden und konfiguriert ist, eine Temperatur einer jeweiligen der Batteriezellen zu messen; und einen Controller, der einen Prozessor und einen konkreten nichtflüchtigen Speicher besitzt, auf dem ein thermisches Modell des Batteriepakets und Anweisungen zur Diagnose eines Leistungsvermögens der Strömungsvorrichtung aufgezeichnet sind; wobei der Controller über den Prozessor die Anweisungen periodisch ausführt, um Einlasstemperatur- und Batteriezellentemperatursignale von dem Einlass-Thermoelement bzw. dem zumindest einen Innen-Thermoelement unter Verwendung des thermischen Modells aufzunehmen oder zu verarbeiten, wodurch das Leistungsvermögen der Strömungsvorrichtung diagnostiziert wird.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Auslass-Thermoelement, das nahe dem Fluidauslass des Batteriepakets positioniert ist, wobei der Prozessor auch Temperatursignale von dem Auslass-Thermoelement unter Verwendung des thermischen Modells aufnimmt und verarbeitet, wodurch das Leistungsvermögen der Strömungsvorrichtung diagnostiziert wird.
System nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Innen-Thermoelement eine Mehrzahl von Innen-Thermoelementen aufweist, die jeweils mit einer verschiedenen der Batteriezellen verbunden sind.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Auslass-Thermoelement, das an dem Fluidauslass positioniert ist, wobei der Controller das Leistungsvermögen des thermischen Systems diagnostiziert teilweise durch: Berechnen des Massendurchflusses des Wärmeübertragungsfluids; Schätzen einer Auslasstemperatur des Wärmeübertragungsfluids von dem Batteriepaket unter Verwendung des thermischen Modells und des berechneten Massendurchflusses des Wärmeübertragungsfluides; Messen einer Auslasstemperatur unter Verwendung des Auslass-Thermoelements; Vergleichen der geschätzten Auslasstemperatur mit der gemessenen Auslasstemperatur; Aufzeichnen eines Diagnosecodes, der einen Bestanden- oder einen Durchgefallen-Status aufweist, mit einem Aufzeichnen des Diagnosecodes, der den Bestanden-Status aufweist, wenn die Werte der geschätzten und gemessenen Auslasstemperaturen innerhalb eines kalibrierten Bereiches voneinander liegen und Aufzeichnen des Diagnosecodes, der den Durchgefallen-Status aufweist, wenn die Werte der geschätzten und gemessenen Auslasstemperaturen nicht innerhalb eines kalibrierten Bereiches voneinander liegen.
System nach Anspruch 1, wobei der Controller konfiguriert ist zum: Schätzen der Temperaturen der Batteriezellen als eine Funktion aus: dem Massendurchfluss, thermodynamischen Eigenschaften und der gemessenen Temperatur des Wärmeübertragungsfluides; einem vorbestimmten Satz von Batterieparametern; der Temperatur, spezifischen Wärme und Massen der Batteriezellen; und einem Satz geometrischer Eigenschaften des Systems; Mitteln der geschätzten Temperaturen der Batteriezellen, wodurch eine geschätzte mittleren Batterietemperatur für das Batteriepaket als Ganzes berechnet wird; Mitteln der gemessenen Temperaturen der Batteriezellen von dem zumindest einen Innen-Thermoelement, wodurch eine gemessene mittlere Batterietemperatur für das Batteriepaket als Ganzes berechnet wird; Vergleichen der geschätzten mittleren Batterietemperatur mit der gemessenen mittleren Batterietemperatur; und Aufzeichnen eines Diagnosecodes, der einen Bestanden- oder einen Durchgefallen-Status aufweist, wobei ein Aufzeichnen des Diagnosecodes, der den Bestanden-Status aufweist, eingeschlossen ist, wenn die Werte der geschätzten und gemessenen mittleren Batterietemperaturen innerhalb eines kalibrierten Bereiches voneinander liegen, und ein Aufzeichnen des Diagnosecodes, der den Durchgefallen-Status aufweist, eingeschlossen ist, wenn die Werte der geschätzten und gemessenen mittleren Batterietemperaturen nicht innerhalb eines kalibrierten Bereiches voneinander liegen.
Verfahren, umfassend: Umwälzen von Wärmeübertragungsfluid über eine Strömungsvorrichtung durch ein Batteriepaket, das eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist; Positionieren eines Einlass-Thermoelements nahe einem Fluideinlass des Batteriepakets; Verwenden von zumindest einem Innen-Thermoelement in dem Batteriepaket mit einer jeweiligen Batteriezelle; und Empfangen und Verarbeiten von Temperatursignalen von dem Einlass-Thermoelement und dem zumindest einen Innen-Thermoelement über einen Controller, wodurch ein Leistungsvermögen der Strömungsvorrichtung diagnostiziert wird, einschließlich der Verwendung eines aufgezeichneten thermischen Modells des Batteriepakets.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: Positionieren eines Auslass-Thermoelements, das nahe einem Fluidauslass des Batteriepakets positioniert ist; und Empfangen und Verarbeiten von Temperatursignalen von dem Auslass-Thermoelement über den Controller.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend: Berechnen des Massendurchflusses des Wärmeübertragungsfluides; Schätzen einer Auslasstemperatur des Wärmeübertragungsfluides von dem Batteriepaket unter Verwendung des thermischen Modells und des berechneten Massendurchflusses des Wärmeübertragungsfluides; Messen einer Auslasstemperatur der Wärmeübertragung von dem Batteriepaket unter Verwendung des Auslass-Thermoelements; Vergleichen der geschätzten Auslasstemperatur mit der gemessenen Auslasstemperatur; und Aufzeichnen eines Diagnosecodes mit einem Durchgefallen-Status, wenn die Werte der geschätzten Auslasstemperatur und der gemessenen Auslasstemperatur nicht innerhalb eines kalibrierten Bereiches voneinander liegen.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend: Bestimmen eines Satzes von Batterieparametern, einschließlich zumindest einem von einem Ladezustand, einer angelegten Spannung, einem Strom und einem Leistungswert des Batteriepakets; und Schätzen einer Temperatur von jeder der Batteriezellen als eine Funktion von: dem Massendurchfluss, thermodynamischen Eigenschaften und gemessener Temperatur des Wärmeübertragungsfluides; dem vorbestimmten Satz von Batterieparametern; den Temperaturen, spezifischer Wärme und Massen der Batteriezellen; und einem Satz geometrischer Eigenschaften des Systems.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Mitteln der geschätzten Temperaturen der Batteriezellen, wodurch eine geschätzte mittlere Batterietemperatur für das Batteriepaket als Ganzes berechnet wird; Mitteln der gemessenen Temperaturen der Batteriezellen aus dem zumindest einen Innen-Thermoelement, wodurch eine gemessene mittlere Batterietemperatur für das Batteriepaket als Ganzes berechnet wird; Vergleichen der geschätzten mittlere Batterietemperatur mit der gemessenen mittleren Batterietemperatur; und Aufzeichnen eines Diagnosecodes, der einen Bestanden- oder einen Durchgefallen-Status aufweist, wobei ein Aufzeichnen des Diagnosecodes, der den Bestanden-Status aufweist, eingeschlossen ist, wenn die Werte der geschätzten und gemessenen mittleren Besamtbatterietemperaturen innerhalb eines kalibrierten Bereiches voneinander liegen, und ein Aufzeichnen des Diagnosecodes, der einen Durchgefallen-Status aufweist, eingeschlossen ist, wenn die Werte der geschätzten und gemessenen mittleren Batterietemperaturen nicht innerhalb eines kalibrierten Bereiches voneinander liegen.