DE102014204211A1

DE102014204211A1 - Duales lithium-ionen-batteriesystem für elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102014204211A1
Application number: DE201410204211
Authority: DE
Inventors: Xiao Guang Yang; Renata Michaela Arsenault; Richard Dyche Anderson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-09-18
Also published as: US20140265554A1; CN104044482A

Abstract

Es wird ein Batteriesystem zum Betreiben eines Fahrzeuges bereitgestellt. Das System kann einen ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz mit einer ersten Gesamt-Energiekapazität und einem ersten Leistung/Energie-Verhältnis (L/E-Verhältnis) und einen zweiten Lithium-Ionen-Batteriesatz enthalten, der parallel mit dem ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz verbunden ist und eine zweite Gesamt-Energiekapazität hat, die höher als die erste Gesamt-Energiekapazität ist, und ein zweites L/E-Verhältnis hat, das niedriger ist als das erste L/E-Verhältnis. Ein Verfahren zum Steuern des Batteriesystems wird ebenso bereitgestellt und kann das Steuern eines Betriebs eines Fahrzeugs gemäß einer Gesamt-Leistungskapazität des ersten und zweiten Batteriestrangs enthalten, wobei die Gesamt-Leistungskapazität die Summe einer ersten Batteriestrang-Leistungskapazität und einer zweiten Batteriestrang-Leistungskapazität bei derselben Spannung ist.

Description

Eine oder mehrere Ausführungsformen betreffen ein Batteriesystem mit mehreren Lithium-Ionen-Batterien.
Der Begriff “Elektrofahrzeug”, wie hierin verwendet, enthält Fahrzeuge mit einem Elektromotor für den Fahrzeugantrieb, wie Batterie-Elektrofahrzeuge (BEV), Hybridelektrofahrzeuge (HEV) und Steckdosen-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV). Ein BEV enthält einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Motor eine Batterie ist, die von einem externen Stromnetz wiederaufladbar ist. In einem BEV ist die Batterie die Energiequelle für den Fahrzeugantrieb. Ein HEV enthält eine Verbrennungskraftmaschine und einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für die Maschine Kraftstoff ist und die Energiequelle für den Motor eine Batterie ist. In einem HEV ist die Maschine die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, während die Batterie zusätzliche Energie für den Fahrzeugantrieb bereitstellt (die Batterie speichert Kraftstoffenergie und gewinnt kinetische Energie in elektrischer Form). Ein PHEV ist wie ein HEV, aber das PHEV hat eine Batterie größerer Kapazität, die aus dem externen Stromnetz wiederaufladbar ist. In einem PHEV ist die Batterie die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, bis die Batterie auf einen niederen Energiepegel entleert ist, wonach das PHEV wie ein HEV für den Fahrzeugantrieb arbeitet.
Ein wesentliches Anliegen von Konsumenten bei Batterien in Steckdosen-Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist die 'Reichweite' oder die elektrische Reichweite pro Ladung. Andere wesentliche Anliegen von Herstellern beinhalten Alterung/Lebensdauer, Niedertemperaturleistung, Sicherheit und Kosten. Das Ergebnis eines gegenseitigen Abwägens dieser Anliegen führt dazu, dass Batteriehersteller im Allgemeinen in der Zellengestaltung einen Kompromiss schließen, um eine erhöhte Leistungsfähigkeit auf Kosten einer verringerten Energiedichte der Batterie zu erreichen. Dies hat eine verringerte Reichweite pro Ladung, geringere Toleranz bei unsachgemäßem Gebrauch und höhere Zellkosten zur Folge.
In mindestens einer Ausführungsform wird ein Batteriesystem zum Antreiben eines Fahrzeuges bereitgestellt. Das System weist einen ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz mit einer ersten Gesamt-Energiekapazität und einem ersten Leistung/Energie-Verhältnis (L/E-Verhältnis) sowie einen zweiten Lithium-Ionen-Batteriesatz auf, der parallel mit dem ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz verbunden ist und eine zweite Gesamt-Energiekapazität hat, die höher ist als die erste Gesamt-Energiekapazität, und ein zweites L/E-Verhältnis, das niedriger ist als das erste L/E-Verhältnis. Mindestens eine Steuerung ist zum Steuern des ersten und zweiten Lithium-Ionen-Batteriesatzes programmiert.
In mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeuges bereitgestellt. Das Verfahren weist das Empfangen von Steuerungsinformationen in einem Fahrzeug entsprechend Begrenzungsspannungen eines ersten und eines zweiten Lithium-Ionen-Batteriestrangs auf, wobei jeder Batteriestrang eine andere Gesamt-Energiekapazität hat. Es enthält ferner das Steuern eines Betriebs des Fahrzeuges gemäß einer Gesamt-Leistungskapazität des ersten und zweiten Batteriestrangs. Die Gesamt-Leistungskapazität ist die Summe einer ersten Batteriestrang-Leistungskapazität und einer zweiten Batteriestrang-Leistungskapazität bei derselben Spannung.
1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems mit einem Dual-Batteriesystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsform(en);
2A ist eine Grafik, die eine erforderliche Fahrzeug-Gesamtleistung gemäß einer oder mehreren Ausführungsform(en) zeigt;
2B ist eine Grafik, die einen Teil der Gesamtleistung von 2A zeigt, der von einem Hochleistungs-Batteriesatz gemäß einer Ausführungsform des Dual-Batteriesystems von 1 bereitgestellt wird;
2C ist eine Grafik, die einen Teil der Gesamtleistung von 2A zeigt, der von einem Hochenergie-Batteriesatz gemäß einer Ausführungsform des Dual-Batteriesystems von 1 bereitgestellt wird;
3 ist ein Querschnitt einer Lithium-Ionen-Batteriezelle gemäß einer oder mehreren Ausführungsform(en);
4 ist eine schematische Darstellung einer Steuerarchitektur zur Verwendung mit dem Batteriesystem von 1; und
5 zeigt eine Ausführungsform eines Algorithmus zum Bestimmen einer Leistungskapazität des Batteriesystems.
Wie erforderlich, sind hierin ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es ist jedoch klar, dass die offenbarten Ausführungsformen für die Erfindung nur beispielhaft sind, die in verschiedenen und anderen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert sein, um Einzelheiten gewisser Komponenten zu zeigen. Daher sind bestimmte, hierin offenbarte strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend, sondern lediglich als eine repräsentative Basis zu verstehen, die einen Fachmann auf dem Gebiet lehrt, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise anzuwenden.
Eine Lithium-Ionen-Batterie (Li-Ion-Batterie) enthält normalerweise eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten. Lithiumionen bewegen sich während der Entladung von der Anode zur Kathode und während der Ladung von der Kathode zur Anode. Lithium-Ionen-Batterien können elektrisch in Serie verbunden werden, um einen Batteriesatz für ein Kraftfahrzeug zu bilden. Leistung von einem solchen Batteriesatz kann zur Erzeugung einer Antriebskraft, durch eine Elektromaschine, zum Bewegen des Fahrzeugs verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Batteriesystem zum Betreiben eines Fahrzeugs gemäß einer oder mehrerer Ausführungsform(en) dargestellt und ist allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Batteriesystem 10 ist in einem Fahrzeug 12 dargestellt. Das Batteriesystem enthält einen ersten Li-Ion-Batteriesatz 14 und einen zweiten Li-Ion-Batteriesatz 16, die elektrisch parallel verbunden sind. Der erste und zweite Li-Ion-Batteriesatz 14, 16 werden von einem Batterieenergiesteuermodul (BECM) 18 gesteuert. Wahlweise kann ein zweites BECM 20 vorhanden sein, das entweder mit dem ersten BECM 18 gleichberechtigt ist, wobei jedes einen der Batteriesätze 14, 16 steuert, oder das zweite BECM 20 kann mit dem BECM 18 in einem Master/Slave-Verhältnis arbeiten, wobei die zwei BECMs mit einem privaten Kommunikationsnetz (z.B. CAN) verbunden sind. Das Fahrzeug 12 enthält ein Ladegerät 22, einen Motor 24 und einen Generator 26, die jeweils an das Batteriesystem 10 angeschlossen sind.
Die dargestellte Ausführungsform zeigt das Fahrzeug 12 als ein Batterie-Elektrofahrzeug (BEV), das ein vollständig elektrisches Fahrzeug ist, das von einem Elektromotor 24 ohne Hilfe einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt) angetrieben wird. Der Motor 24 empfängt elektrische Leistung und stellt ein Antriebsmoment für den Fahrzeugantrieb bereit. Der Motor 24 kann auch als Generator 26 zum Umwandeln mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch Nutzbremsung dienen. Das Fahrzeug 12 hat einen Antriebsstrang (nicht dargestellt), der den Motor 24 und ein Getriebe (nicht dargestellt) enthält. Das Getriebe stellt das Antriebsmoment und die Drehzahl des Motors 24 durch ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis ein. Ein Paar von Achswellen erstreckt sich vom Getriebe in entgegengesetzte Richtungen zu einem Paar angetriebener Räder (nicht dargestellt). In einer oder mehreren Ausführungsform(en) verbindet ein Differential (nicht dargestellt) das Getriebe mit den Achswellen.
Auch wenn im Zusammenhang mit einem BEV 12 weder dargestellt noch beschrieben, ist klar, dass Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung bei anderen Arten von Elektrofahrzeugen ausgeführt werden können, wie jenen, die durch eine Verbrennungskraftmaschine zusätzlich zu der einen oder den mehreren Elektromaschinen angetrieben werden (z.B., Hybridelektrofahrzeuge (HEVs) und Steckdosen-Elektrofahrzeuge (PHEVs), usw.).
Das Fahrzeug 12 enthält ein Ladegerät 22 zum Laden der Batteriesätze 14, 16. Ein elektrischer Steckverbinder verbindet das Ladegerät 22 mit einer externen Leistungsversorgung (nicht dargestellt) zum Empfangen einer Wechselstromleistung. Andere Ausführungsformen des Ladegeräts 22 ziehen einen elektrischen Steckverbinder in Betracht, der an einen externen Ladungsanschluss gekoppelt ist, um eine induktive Ladung zu erleichtern (nicht dargestellt). Das Ladegerät 22 enthält eine Leistungselektronik, die zum Umkehren oder “Gleichrichten” der Wechselstromleistung, die von der externen Leistungsversorgung empfangen wird, in Gleichstromleistung zum Laden der Batterien 14, 16 verwendet wird. Das Ladegerät 22 ist zur Aufnahme einer oder mehrerer herkömmlicher Spannungsquellen von der externen Leistungsversorgung (z.B., 110 Volt, 220 Volt, usw.) gestaltet. In anderen Ausführungsformen kann sich das Ladegerät 22 außerhalb des Fahrzeuges 12 befinden und kann dem Fahrzeug 12 Gleichstromleistung zum Laden der Batterien 14, 16 bereitstellen. Die externe Leistungsversorgung kann eine Vorrichtung enthalten, die erneuerbare Energie nutzbar macht, wie eine Photovoltaik-(PV) Solaranlage oder eine Windturbine (nicht dargestellt). In einigen Ausführungsformen kann eine oder können beide der Batterien 14, 16 einen separaten Satz von Schützen zum Laden aufweisen (nicht dargestellt).
Das BECM 18 (oder 18 und 20) kann einen Ausgleich oder ein relatives Gleichgewicht im Ladezustand (State of Charge – “SOC”) unter den Zellen der Batteriesätze 14, 16 aufrechterhalten. Ein Zellenausgleich kann zum Beispiel durch Übertragung von Energie von einer Zelle zur anderen oder durch Streuen von Energie in den Zellen erfolgen, so dass sie alle eine gemeinsame Spannung erreichen, bevor sie anschließend geladen werden. Während des Zellausgleichs oder der normalen Entladung von Zellen kann ein Minimal-SOC in den Zellen erreicht werden. Beim Minimal-SOC haben die Zellen annähernd ihre minimal zulässige Ladung, die das BECM 18 vorgibt, in dem das BECM 18 einen Zellausgleich oder ein Wiederaufladen der Zellen befiehlt. Das BECM 18 kann auch den SOC der Batteriesätze 14, 16 so bestimmen und steuern, dass die Batteriesätze 14, 16 insgesamt ebenso einen Minimal-SOC definieren.
In mindestens einer Ausführungsform ist der erste Li-Ion-Batteriesatz 14 ein “Hochleistungs-” Batteriesatz (HPBP), der imstande ist, einen Großteil des vorübergehenden Leistungsbedarfs des Fahrzeuges 12 zur Beschleunigung bereitzustellen. In einer Ausführungsform hat der HPBP 14 eine Soll-Leistungskapazität von mindestens 50 kW. In einer anderen Ausführungsform hat er eine Soll-Leistungskapazität von mindestens 75 kW. In einer anderen Ausführungsform hat er eine Soll-Leistungskapazität von mindestens 100 kW. In einer anderen Ausführungsform hat er eine Soll-Leistungskapazität von mindestens 110 kW. In einer anderen Ausführungsform hat er eine Soll-Leistungskapazität von mindestens 120 kW.
Der Hochleistungs-Batteriesatz 14 hat daher ein relativ hohes Leistung/Energie-Verhältnis (L/E-Verhältnis). In einer Ausführungsform hat der HPBP 14 ein L/E-Verhältnis von mindestens 10 kW/kWh. In einer anderen Ausführungsform hat er ein L/E-Verhältnis von mindestens 15 kW/kWh. In einer anderen Ausführungsform hat er ein L/E-Verhältnis von mindestens 20 kW/kWh. In einer anderen Ausführungsform hat er ein L/E-Verhältnis von mindestens 25 kW/kWh. Die oben genannten Leistung/Energie-Verhältnisse werden mit 10 Sekunden Entladungsleistung und gesamter Bordnetzenergie eines bestimmten Batteriesatzes berechnet.
In mindestens einer Ausführungsform stellt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 mehr als die Hälfte des vorübergehenden elektrischen Leistungsbedarfs des Fahrzeuges zur Beschleunigung bereit. In einer Ausführungsform stellt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 mindestens 70% des vorübergehenden elektrischen Leistungsbedarfs zur Beschleunigung bereit. In einer anderen Ausführungsform stellt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 mindestens 80% des vorübergehenden elektrischen Leistungsbedarfs zur Beschleunigung bereit. In einer anderen Ausführungsform stellt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 mindestens 90% des vorübergehenden elektrischen Leistungsbedarfs zur Beschleunigung bereit. In einer anderen Ausführungsform stellt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 mindestens 95% des vorübergehenden elektrischen Leistungsbedarfs zur Beschleunigung bereit. In einer anderen Ausführungsform stellt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 im Wesentlichen den gesamten vorübergehenden elektrischen Leistungsbedarf zur Beschleunigung bereit.
In mindestens einer Ausführungsform ist der zweite Li-Ion-Batteriesatz 16 ein “Hochenergie-” Batteriesatz (HEBP), der imstande ist, die Bordnetz-Hauptspeicherenergiequelle bereitzustellen und die Reichweite pro Ladung des Elektrofahrzeugs 12 zu bestimmen. In einer Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität von mindestens 5 kWh. In einer anderen Ausführungsform, hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität von mindestens 10 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität von mindestens 20 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität von mindestens 30 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität von mindestens 40 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität von mindestens 50 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat er eine Energiekapazität von mindestens 75 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat er eine Energiekapazität von mindestens 100 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat er eine Energiekapazität von mindestens 125 kWh. In einer Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität zwischen 10 und 125 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität zwischen 25 und 125 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität zwischen 50 und 125 kWh. In einer anderen Ausführungsform hat der HEBP 16 eine Gesamt-Energiekapazität zwischen 75 und 125 kWh.
Da der Hochleistungs-Batteriesatz 14 einen Großteil der Hochleistungskapazität bereitstellt, kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 ein signifikant verringertes L/E-Verhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Elektrofahrzeugbatterien und zum Hochleistungs-Batteriesatz 14 aufweisen. In einer Ausführungsform ist das L/E-Verhältnis höchstens 10 kW/kWh. In einer anderen Ausführungsform ist das L/E-Verhältnis höchstens 5 kW/kWh. In einer anderen Ausführungsform ist das L/E-Verhältnis höchstens 3 kW/kWh. In einer anderen Ausführungsform ist das L/E-Verhältnis höchstens 2 kW/kWh. In einer anderen Ausführungsform ist das L/E-Verhältnis höchstens 1 kW/kWh.
Infolge der verringerten Leistungsanforderungen kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 so gestaltet werden, dass er im Vergleich zu herkömmlichen Elektrofahrzeugbatterien eine erhöhte spezifische Energiedichte aufweist. Zum Beispiel kann eine herkömmliche Elektrofahrzeugbatterie eine spezifische Energie von etwa 120 Watt-Stunden pro Kilogramm (Wh/kg) haben. In mindestens einer Ausführungsform jedoch kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 eine spezifische Energiedichte von mindestens 175 Wh/kg haben. In einer anderen Ausführungsform kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 eine spezifische Energiedichte von mindestens 200 Wh/kg haben. In einer anderen Ausführungsform kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 eine spezifische Energiedichte von mindestens 250 Wh/kg haben. In einer anderen Ausführungsform kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 eine spezifische Energiedichte von mindestens 300 Wh/kg haben. In einer anderen Ausführungsform kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 eine spezifische Energiedichte von mindestens 400 Wh/kg haben. In einer Ausführungsform kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 eine spezifische Energiedichte zwischen 175 und 400 Wh/kg haben. In einer anderen Ausführungsform kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 eine spezifische Energiedichte zwischen 250 und 400 Wh/kg haben.
Unter Bezugnahme auf 2A–2C sind beispielhafte Grafiken dargestellt, die die erforderliche Gesamtleistung 30 (2A) für das Fahrzeug 12, Leistung, die vom Hochleistungs-Batteriesatz 32 (2B) bereitgestellt wird, und Leistung, die vom Hochenergie-Batteriesatz 34 bereitgestellt wird (2C), angeben. Wie in 2A dargestellt, beträgt die im Laufe der Zeit erforderliche Gesamtleistung für das Fahrzeug 12 in dieser Ausführungsform bis zu etwa 75 kW. Wie in 2B dargestellt, stellt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 einen Großteil der Leistung bereit, insbesondere während Spitzen an erforderlicher Leistung. Wie in 2C dargestellt, ist die Leistung, die vom Hochenergie-Batteriesatz 16 bereitgestellt wird, beständiger und überschreitet etwa 20 kW nicht.
In mindestens einer Ausführungsform kann der Hochleistungs-Batteriesatz 14 einen Großteil (z.B. mehr als die Hälfte) der momentanen regenerativen Energie empfangen, die während des Bremsens erzeugt wird. In einer Ausführungsform empfängt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 mindestens 70% der momentanen Energie, die während des Bremsens erzeugt wird. In einer anderen Ausführungsform empfängt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 mindestens 80% der momentanen Energie, die während des Bremsens erzeugt wird In einer anderen Ausführungsform empfängt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 mindestens 90% der momentanen Energie, die während des Bremsens erzeugt wird. In einer anderen Ausführungsform empfängt der Hochleistungs-Batteriesatz 14 im Wesentlichen die gesamte momentane Energie, die während des Bremsens erzeugt wird. Da der Hochleistungs-Batteriesatz 14 einen Großteil der momentanen Nutzbremsungsenergie empfängt, kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 verringerte momentane Ladungsakzeptanzanforderungen haben. Da die Batteriesätze 14, 16 parallel sind, werden die Energien ausgeglichen, wenn der Strom abnimmt (d.h., der HPBP 14 lädt den HEBP 16).
Durch Vorsehen von zwei separaten Batterien, einem Hochleistungs-Batteriesatz 14 und einem Hochenergie-Batteriesatz 16, kann das Batteriesystem 10 so gestaltet werden, dass jeder Batteriesatz spezifisch für seine spezifische Aufgabe gestaltet ist. In mindestens einer Ausführungsform ist der Hochleistungs-Batteriesatz 14 kleiner als der Hochenergie-Batteriesatz 16. Die Größendifferenzierung und Spezialisierung der zwei Batteriesätze hilft beim Thermomanagement der Batterien. Da eine Hochleistungsnutzung im Vergleich zu einer Nutzung mit geringerer Leistung überschüssige Wärme erzeugt, hat der Hochleistungs-Batteriesatz 14 eine exzentrischere Wärmeproduktion als der Hochenergie-Batteriesatz 16. Aufgrund seiner geringeren Größe kann die Wärme vom Hochleistungs-Batteriesatz 14 rascher und effizienter abgeführt werden, was auch zur Lebensdauer der Batterie beiträgt. Infolge verringerter Leistungsspitzen und -fluktuationen kann der Hochenergie-Batteriesatz 16 eine vereinfachte Gestaltung, insbesondere für ein Thermomanagement, aufweisen.
Zusätzlich zu den Vorteilen beim Thermomanagement werden verschiedene andere Vorteile durch das Dual-Batteriesystem 10 erreicht. Eine Verringerung in den Leistungsanforderungen des Hochenergie-Batteriesatzes 6 kann wesentliche Kosteneinsparungen in der Herstellung teurer Hochkapazitätsbatterien bieten. Die Übertragung der Masse an vorübergehenden Hochleistungsaktionen auf den kleineren Hochleistungs-Batteriesatz 14 verringert die Menge an regenerativen Hochleistungs- und Entladungspulsen signifikant, die der Hochenergie-Batteriesatz 16 erfährt, wodurch die Lebensdauer des teureren Hochenergie-Batteriesatzes 16 erhöht wird. Da ferner herkömmliche HEV Li-Ion-Batteriesätze relativ hohe L/E-Verhältnisse aufweisen, können bestehende Batteriesätze für den Hochleistungs-Batteriesatz 14 geeignet sein, wodurch Kosten gespart werden. Auch für den Notfall, dass einer der Batteriesätze versagt, kann der versagende Batteriesatz herausgenommen werden und der verbleibende Batteriesatz könnte dem Lenker des Fahrzeuges 12 ermöglichen, eine gewisse Anzahl von Kilometern zu fahren, wobei er die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte der Batterieantriebsleistung bereitstellt.
Mit einem zweckbestimmten Hochleistungs-Batteriesatz 14 ist auch eine erhöhte Wiedergewinnung aus einer Nutzbremsung möglich. In herkömmlichen Batteriesystemen ist die regenerative Leistung auf einen konservativen/mäßigen Pegel unter dem Maximalpegel begrenzt, um einen Schaden am Batteriesatz durch hohe Wiederaufladungspulse zu vermeiden. Dies verringert die Energiemenge, die wiedergewonnen werden kann und vermindert den “sparsamen Kraftstoffverbrauch” des Fahrzeugs. Mit einem Hochleistungs-Batteriesatz 14 jedoch, der zum Bewältigen hoher Leistungspulse gestaltet ist, kann das Batteriesystem 10 einen höheren Pegel an regenerativer Leistung aufnehmen, der dem Maximalpegel näher ist, wodurch die Effizienz des Fahrzeugs verbessert wird.
Mit dem Dual-Batteriesatzsystem 10 ist auch die Leistung bei kaltem Wetter verbessert. Bei niederen Temperaturen sind Batteriesätze höherer Energie wegen ihrer eigenen Konstruktionsmerkmale besonders belastet, wie geringes L/E-Verhältnis, dickere/dichtere Elektroden und höhere thermische Masse. Diese Konstruktionsfaktoren führen allgemein zu längeren Transportwegen für Ionen und Elektronen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass kleinere und kapazitätsärmere Batteriesätze bei kalten Temperaturen eine hohe Leistung bereitstellen. Da der kleinere Hochleistungs-Batteriesatz 14 einen Großteil des vorübergehenden Leistungsbedarfs in mindestens einer Ausführungsform des Batteriesystems 10 bereitstellt, ist die Niedertemperaturleistung verbessert.
Die zwei Batteriesätze 14, 16 können dieselbe oder ähnliche allgemeine Chemie haben (d.h., ähnliche Elektrolyten und aktive Elektrodenmaterialien), können aber mit unterschiedlicher Chemie gestaltet oder konstruiert sein, um ihre spezifische Funktion (d.h., hohe Leistung oder hohe Energie) zu erfüllen. Eigenschaften und Kennzeichen, die einzeln abgestimmt werden können, enthalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Elektrodenmaterialien, Zellbestandteile in verschiedenen Zellformaten (z.B. Zellengestaltung, Dimensionen, Elektrodengestaltung, Stromabnahmestrategie und Zellenanzahl), Thermomanagement-Hardware und -Verfahren und Batteriemanagementsysteme (BMS).
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein vereinfachter Querschnitt einer Li-Ion-Zelle 40 bereitgestellt, die zur Verwendung im den Hochleistungs- und Hochenergie-Batteriesätzen 14, 16 geeignet ist. Die Li-Ion-Zelle 40 enthält einen Elektrolyten 42, eine positive Elektrode (Kathode) 44 und eine negative Elektrode (Anode) 46. An der Kathode 44 bzw. Anode 46 sind Stromabnehmer 48 und 49 befestigt. Ein Separator 50 ist zwischen der Kathode 44 und Anode 46 angeordnet.
Die Batteriesätze 14, 16 enthalten einen Elektrolyten 42, der ein flüssiger Elektrolyt sein kann. Flüssige Elektrolyten, die für die Batteriesätze geeignet sein können, enthalten verschiedene Lithiumsalze, wie LiPF₆, LiBF₄ oder LiClO₄ in einem organischen Lösemittel, wie Ethylencarbonat, Dimethylcarbonat und Diethylcarbonat. In mindestens einer Ausführungsform enthalten der Hochleistungs-Batteriesatz 14 und der Hochenergie-Batteriesatz 16 denselben Elektrolyten 42. Wie in 3 dargestellt, ist der Elektrolyt 42 innerhalb der Kathode 44, der Anode 46 und des Separators 50 vorhanden.
Verschiedene Arten von positiven Elektroden- 44 Materialien und ihre Eignung in entweder Hochleistungs-, Hochenergie- oder beiden Batteriesätzen in dem Batteriesystem 10 sind unten in Tabelle 1 dargestellt. Der Ausschluss einer Art von Elektrodenmaterial aus einer bestimmten Art von Batteriesatz gibt nicht an, dass die Art nicht verwendet werden kann, sondern ist nur ein Hinweis, dass die Eigenschaften für diese Art von Batteriesatz nicht am besten geeignet sein könnten. Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 enthalten Arten von Elektroden, die am besten für die positive Elektrode 44 des Hochleistungs-Batteriesatzes 14 geeignet sein könnten, Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminumoxid (NCA), Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Lithium-Mangan-Spinelloxid (Mn-Spinell oder LMO) und Lithium-Eisenphosphat (LFP) und seine Derivate, gemischtes Lithium-Metallphosphat (LFMP). Zusätzlich können Gemische von beliebigen zwei oder mehr dieser Materialien verwendet werden, zum Beispiel ein Gemisch aus NMC und LMO.

Die Arten von Elektroden, die am besten für die positive Elektrode 44 des Hochenergie-Batteriesatzes 16 geeignet sein können, enthalten NCA, NMC, LMO, abwechselnde Schichten ("layered-layered"), LFP/LFMP und ein Gemisch aus zwei oder mehr davon. Gewisse Arten von positiven Elektroden 44 können entweder in Hochleistungs- oder Hochenergie-Batterien vorteilhaft verwendet werden, wie NCA, NMC, LMO, LFP/LFMP und Gemische von zwei oder mehr davon. Die stöchiometrischen Verhältnisse der verschiedenen Elektrodenarten können entweder auf Hochenergie- oder Hochleistungs-Batterien abgestimmt werden. Zum Beispiel können in einer NMC-Elektrode die Verhältnisse von Nickel, Kobalt und Mangan so abgestimmt werden, dass sie für eine Hochenergie- oder Hochleistungsanwendung besser geeignet sind. Das Standardverhältnis von 1:1:1 kann in jeder Anwendung verwendet werden, aber eine Erhöhung des relativen Nickelgehalts kann für Hochenergieanwendungen besonders geeignet sein. Die oben genannten Arten von Elektroden sind nach dem Stand der Technik bekannt und werden nicht einzeln im Detail näher besprochen.

POSITIVES AKTIVES MATERIAL	LEISTUNG	ENERGIE	BEIDE
NCA	√	√	√
NMC	√	√	√
Mn Spinell LMO	√	√	√
Abwechselnde Schichten		√
LFP und LFMP	√	√	√
Gemisch aus 2 oder mehr	√	√	√

Tabelle 1. Verschiedene Arten von positiven Elektrodenmaterialien und ihr Eignung in entweder Hochleistungs-, Hochenergie- oder beiden Batteriesätzen.

Verschiedene Arten von negativen Elektroden- 46 Materialien und ihre Eignung in entweder Hochleistungs-, Hochenergie- oder beiden Batteriesätzen im Batteriesystem 10 sind unten in Tabelle 2 dargestellt. Der Ausschluss einer Art von Elektrodenmaterial aus einer bestimmten Art von Batteriesatz gibt nicht an, dass die Art nicht verwendet werden kann, sondern ist nur ein Hinweis, dass die Eigenschaften für diese Art von Batteriesatz nicht am besten geeignet sein könnten. Unter Bezugnahme auf Tabelle 2 enthalten Elektrodenarten, die am besten für die negative Elektrode 46 des Hochleistungs-Batteriesatzes 14 geeignet sein könnten, (natürlichen, künstlichen oder oberflächenmodifizierten natürlichen) Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und Lithium-Titanat-Oxid (LTO). Die Arten von Elektroden, die am besten für die negative Elektrode 46 des Hochenergie-Batteriesatzes 16 geeignet sein könnten, enthalten (natürlichen, künstlichen oder oberflächenmodifizierten natürlichen) Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und silizium- oder zinnangereicherten Graphit oder kohlenstoffhaltige Verbindungen. Gewisse Arten von negativen Elektroden 46 können entweder in Hochleistungs- oder Hochenergie-Batterien vorteilhaft verwendet werden, wie (natürlicher, künstlicher oder oberflächenmodifizierter natürlicher) Graphit, Hartkohlenstoff und Weichkohlenstoff. Die obengenannten Arten von Elektroden von Elektroden sind nach dem Stand der Technik bekannt und werden nicht einzeln im Detail näher besprochen.

NEGATIVES AKTIVES MATERIAL	LEISTUNG	ENERGIE	BEIDE
Graphit (natürlicher, künstlicher oder oberflächenmodifizierter natürlicher)	√	√	√
Hartkohlenstoff	√	√	√
Weichkohlenstoff.	√	√	√
Silizium- oder zinnangereicherter Graphit oder kohlenstoffhaltige Verbindungen		√
LTO	√

Tabelle 2. Verschiedene Arten von negativen Elektrodenmaterialien und ihre Eignung in entweder Hochleistungs-, Hochenergie- oder beiden Batteriesätzen.

In einer Ausführungsform haben der Hochleistungs-Batteriesatz 14 und der Hochenergie-Batteriesatz 16 dieselbe Art von positiver Elektrode 44, die NCA, NMC, LMO, LFP/LFMP oder ein Gemisch davon aufweisen kann. In einer anderen Ausführungsform haben der Hochleistungs-Batteriesatz 14 und der Hochenergie-Batteriesatz 16 dieselbe Art von negativer Elektrode 46, die eine Graphit-Hartkohlenstoff- oder Weichkohlenstoff-Elektrode aufweisen kann. In einer Ausführungsform haben der Hochleistungs-Batteriesatz 14 und der Hochenergie-Batteriesatz 16 dieselben Arten von positiven und negativen Elektrode. In einer anderen Ausführungsform haben der Hochleistungs-Batteriesatz 14 und der Hochenergie-Batteriesatz 16 unterschiedliche Arten von positiven und unterschiedliche Arten von negativen Elektroden.
In mindestens einer Ausführungsform weist der Hochleistungs-Batteriesatz 14 eine 10 Amperestunden (Ah), 86-Zelleneinheit auf und der Hochenergie-Batteriesatz 16 weist eine 100 Ah, 86-Zelleneinheit auf. Es ist jedoch nicht notwendig, dass die Zellenanzahl für jeden Satz dieselbe ist. In einer Ausführungsform hat der Hochleistungs-Batteriesatz 14 eine positive Elektrode 44, ausgewählt aus der Gruppe von NCA, NMC, LMO, LFP/LFMP und Gemischen von zwei oder mehr davon, und eine negative Elektrode, ausgewählt aus der Gruppe von Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und LTO. Der Hochenergie-Batteriesatz 16 hat eine positive Elektrode, ausgewählt aus NCA, NMC, LMO, abwechselnde Schichten, LFP/LFMP und Gemischen von zwei oder mehr davon, und eine negative Elektrode, ausgewählt aus der Gruppe von Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, und Si oder Sn-angereichertem Graphit oder anderen kohlenstoffhaltigen Verbindungen.
Zum Beispiel kann der Hochleistungs-Batteriesatz 14 eine positive Elektrode vom NMC-Typ und eine negative Elektrode 46 vom Graphit-Typ haben und der Hochenergie-Batteriesatz 16 kann eine positive Elektrode 44 vom NMC-Typ und eine negative Elektrode 46 vom Graphit-Typ haben. In dieser Ausführungsform verwenden der Hochleistungs-Batteriesatz 14 und der Hochenergie-Batteriesatz 16 einen Elektrolyten, der LiPF₆ Lithiumsalz und organisches Ethylencarbonatlösemittel aufweist.
In einem anderen Beispiel kann der HPBP 14 eine positive Elektrode 44 vom NMC/LMO-Typ und eine negative Elektrode 46 vom Graphit-Typ haben und der Hochenergie-Batteriesatz 16 kann eine abwechselnd geschichtete positive Elektrode 44 und eine negative Elektrode 46 vom Graphit-Typ haben. In dieser Ausführungsform verwenden der Hochleistungs-Batteriesatz 14 und der Hochenergie-Batteriesatz 16 einen Elektrolyten, der LiPF₆ Lithiumsalz und organisches Dimethylcarbonatlösmittel aufweist. Es ist jedoch klar, dass dies nicht einschränkende Beispiele sind und dass alle Kombinationen der obengenannten positiven und negativen Elektrodenarten und Elektrolyten in Betracht gezogen werden.
Unter Bezugnahme auf 4 ist eine Steuerungsarchitektur für das Dual-Batteriesystem bereitgestellt. Allgemeine Kenntnisse waren zuvor, dass ein Mischen von zwei Batterien unterschiedlicher Größen oder Arten vermieden werden sollte. Die hierin beschriebene Steuerungsarchitektur ermöglicht jedoch, dass diese herkömmliche Einschränkung entfällt. Der Hochleistungs-Batteriesatz 14 und Hochenergie-Batteriesatz 16 sind als Stränge 60, 62 von in Serie verbundenen Batteriezellen dargestellt. Die Stränge 60, 62 sind parallel verbunden und können durch einen ersten Satz von Schützen 64 elektrisch voneinander isoliert werden, die an der positiven oder negativen Anschlussklemme der Batterien vorhanden sein können. In einigen Ausführungsformen kann jede Batterie einen zweiten Satz von Schützen 65 haben. In einer Ausführungsform enthält jeder Strang mehrere Zellen derselben Größe und Art. Ein oder mehrere Batteriesatzsensormodul(e) (Battery Pack Sensor Modules (BPSM)) 66 kann (können) zum Verwalten einer Erfassung, eines Zellausgleichs und eines Eingangs/Ausgangs (I/O) von mindestens einem der Stränge 60, 62 vorgesehen sein. Diese Funktionen könnten jedoch auch an einem oder beiden der BECMs 18, 20 oder einer anderen Steuerung bereitgestellt werden. Falls vorhanden, kann das BPSM 66 durch ein Kommunikationsnetz, zum Beispiel ein Controller Area Network (CAN), an die BECMs 18 und/oder 20 angeschlossen sein. Ein zweiter Satz von Schützen 68 kann optional an der Fahrzeugseite der Stränge 60, 62 vorgesehen sein. Der zweite Satz von Schützen 68 kann einen Schütz 68 an jedem Strang oder einen einzelnen Schütz 68 an der Fahrzeugseite des Parallelpunkts enthalten.
Da der HPBP 14 und der HEBP 16 parallel sind, müssen die Spannungen abgestimmt sein, um zu verhindern, dass der Satz mit der höheren Spannung den Satz mit der niedrigeren Spannung lädt, bis sie abgestimmt sind. Der Bereich der Betriebsspannung der Sätze 14, 16 reicht von der höheren der Minimalspannungen der zwei Sätze bis zur geringeren der Maximalspannungen der zwei Sätze. Zusätzlich sollte die Entladung und Ladung in und aus den Batteriesätzen 14, 16 so begrenzt sein, dass die Spannung des Batteriesatzes, die Zellspannungen und die Spannung des Systems 10 in passenden Bereichen liegen. Ferner könnte der Strom in die und aus den Batteriesätzen begrenzt werden müssen, um die Zellen und die Hochspannungsverdrahtung zu schützen. Leistung und/oder Strom können begrenzt werden, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern und/oder ein beständiges “Fahrbarkeitsgefühl” für den Lenker aufrechtzuerhalten.
Im Allgemeinen enthält der Prozess zum Steuern des Batteriesystems 10 die Bestimmung der Leistungskapazität jedes Strangs 60, 62, das Einstellen der Leistungskapazität auf der Basis des Grundes für die Leistungsbegrenzung, das Einstellen beider Stränge 60, 62, so dass die Leistungskapazität bei derselben Spannung bestimmt wird, und das Addieren der Leistungskapazitäten. Die Begrenzungsspannung ist allgemein das geringere Extrem der zwei (z.B. die höhere der zwei Minimalspannungen), und welcher Strang 60, 62 der begrenzende Strang ist, kann sich möglicherweise während des Betriebs ändern. Die Bestimmung der Leistungskapazität einer einzelnen Batterie wurde in US Anmeldung Nr. 12/987,190, eingereicht am 10. Jänner 2011, beschrieben, die hiermit in ihrer Gesamtheit zum Zwecke der Bezugnahme zitiert wird. 5 zeigt einen Algorithmus 70, der einen Algorithmus gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt.
In Schritt 72 wird eine Reihe von Batterieparametern für jede Batterie 14, 16 gemessen, wie Spannung (v), Strom (i) und Temperatur (T). Werte für diese Parameter werden zu einer Ersatzschaltkreisidentifizierung in Schritt 74 geleitet. Zusätzlich zu den Batterieparametern, die in Schritt 72 bestimmt wurden, können zusätzlich Batteriesteuerprozesse in Schritt 76 bestimmt werden und in Schritt 74, oder zum Beispiel Schritt 78, Werte zur Ersatzschaltkreisidentifizierung geleitet werden, wo die Batterieleistungskapazität bestimmt wird. In der in 5 dargestellten Ausführungsform wird der Ladezustand (SOC) in der Ersatzschaltkreisidentifizierung Schritt 74 verwendet und kann insbesondere zur Bestimmung einer Leerspannung verwendet werden.
Die Entlade- und Ladestrom- und Spannungsgrenzwerte, wie durch (V_lim) und (I_lim) angegeben, können in Schritt 78 während einer Batterieleistungskapazitätsbestimmung verwendet werden. Der Wert von V_lim kann zum Beispiel v_min oder v_max darstellen und ebenso kann I_lim zum Beispiel i_min oder i_max darstellen. Der Ausgang von Schritt 78 ist die Batterieleistungskapazität, angegeben durch (P_cap), jeder Batterie 14, 16, die eine Entlade- oder Ladekapazität sein kann. In Schritt 80 werden die Minimalspannungen von Batteriesätzen 14, 16 verglichen. Wenn sie gleich sind, wird die Gesamt-Leistungskapazität des Batteriesystems 10 in Schritt 82 als die Summe der zwei Leistungskapazitäten (P_cap14 und P_cap16) berechnet. Wenn die Minimalspannungen nicht gleich sind, wird in Schritt 84 die Leistungskapazität des Batteriesatzes mit der geringeren Minimalspannung unter Verwendung der Minimalspannung des anderen Batteriesatzes (der begrenzenden Satzspannung) erneut berechnet. Die Gesamt-Leistungskapazität des Batteriesystems 10 wird dann als die Summe der zwei Leistungskapazitäten bei der höheren Minimalspannung berechnet.
Die Leistungskapazität eines Satzes kann durch den Maximalstrom begrenzt sein, den eine Zelle bewältigen kann, um sicherzustellen, dass keine Zelle überladen oder übermäßig entladen wird. Dies erfolgt unter Anwendung bestehender Verfahren zur Bestimmung des Maximalstroms, den eine Zelle bewältigen kann, und Berechnen der Leistungskapazität eines Satzes bei diesem Strom. Die tatsächliche Leistungsgrenze des Systems 10 kann aus mehreren Gründen geringer sein als die Gesamt-Leistungskapazität: zum Beispiel zur Vermeidung eines Überschreitens von Strom- und/oder Spannungsgrenzwerten eines Strangs 60, 62; weil die Leistungskapazität höher ist als das Fahrzeug nutzen kann; aufgrund von Vorliegen von Fehlern im System; und aufgrund eines gewählten Betriebsmodus.
In den oben stehenden Ausführungsformen erfolgt die Bestimmung der Leistungs- und Stromgrenzwerte zum Laden (anstatt zum Entladen) mit Hilfe derselben Prozesse, mit der Ausnahme, dass die verwendete Begrenzungsspannung immer die geringere der zwei ist und die “maximale Zellspannung” die “minimale Zellspannung” ersetzt.
Obwohl die Spannung der zwei Stränge 60, 62 dieselbe ist, ist der SOC nicht unbedingt derselbe. Ein Zellausgleich in den Strängen 60, 62 kann durch das BECM 18 (und/oder BECM 20) wie zuvor beschrieben durchgeführt werden und erfolgt im Allgemeinen während des Ladens. Ein Zellausgleich ist aus mehreren Gründen im Batteriesystem 10 günstig, zum Beispiel trägt ein Zellausgleich im HEBP 16 dazu bei, die Lebensdauer der Batterie zu verbessern. Zusätzlich bietet eine Minimierung eines Zellungleichgewichts die größtmögliche Reichweite für das Fahrzeug 12, insbesondere in BEVs und Fahrzeugen, die nur im elektrischen Modus arbeiten.
In mindestens einer Ausführungsform arbeiten die Batteriesätze 14, 16 in einem Bereich in der Mitte des SOC, zum Beispiel von 5 bis 99 Prozent. In einer anderen Ausführungsform arbeiten die Batteriesätze 14, 16 in einem Bereich in der Mitte des SOC von 10 bis 95 Prozent. Der HPBP 14 sollte eine angemessene Entladungsleistung über seinen gesamten Betriebsbereich bereitstellen. In mindestens einer Ausführungsform arbeiten der HPBP 14 und der HEBP 16 über im Wesentlichen denselben SOC-Bereich. In anderen Ausführungsformen können sie über unterschiedliche SOC-Bereiche arbeiten. Für gewöhnlich wird nur ein SOC zum Fahrzeug 12 zur Anzeige gesendet und somit muss in Ausführungsformen, wo die Batteriesätze 14, 16 über unterschiedliche SOC-Bereiche arbeiten, einer für die Sendung ausgewählt werden. In BEVs sollte der HEBP 16 SOC gewählt werden, da er die Reichweite des Fahrzeugs bestimmt. In einem PHEV wird üblicherweise auch der HEBP 16 SOC für den ausschließlich elektrischen Bereich gewählt. In einigen Ausführungsformen wird ein SOC gesendet oder im Fahrzeug angezeigt, der nicht mit dem tatsächlichen SOC identisch ist, sondern auf dem SOC einer der Batterien (z.B. dem HEBP 16) beruht. Dies kann aus mehreren Gründen erfolgen. Zunächst ist es, ähnlich einem Gastank, günstig, über eine Reserve zu verfügen, so dass, wenn die Reichweite eines Elektrofahrzeuges“0” im Fahrzeug anzeigt, tatsächlich etwas Ladung in Reserve vorhanden ist. Zweitens kann die Batterieleistung am unteren Ende des SOC nicht ausreichend sein, um das Fahrzeug vollständig und angemessen anzutreiben. Ebenso ist die Batterie nicht immer auf einen echten 100% SOC geladen, so dass es vorteilhaft sein kann, einen SOC von 100% im Fahrzeug bei einem vorgegebenen Pegel unter 100% anzuzeigen, so dass der Benutzer weiß, dass sie auf den beabsichtigten Maximalwert (z.B. 95%) geladen ist.
Im Dual-Batteriesystem 10 sollten die Batteriesätze 14, 16 kompatibel geladen werden, indem sie denselben Ladealgorithmus verwenden und dieselben, oder sehr ähnlichen, maximalen Ladespannungen haben. Die Batteriesätze 14, 16 sollten imstande sein, nach dem Laden mit demselben Ladealgorithmus auf dieselbe maximale Satz-Spannung, erfolgreich betrieben zu werden. Es müssen jedoch nicht beide Batteriesätze nach dem Laden bei 100% SOC sein, einer oder beide könnten nicht vollständig geladen sein. Der Ladealgorithmus sollte zunächst die gewünschte maximale Strangspannung und den Strom für jeden Strang 60, 62 bestimmen. Die maximale Spannung ist die geringere der zwei Spannungen. Es kann notwendig sein, den Strom auf ähnliche Weise wie bei den oben besprochenen Grenzwerten zur Leistungskapazität zu begrenzen, um einen überschüssigen Strom auf der Batterie zu vermeiden.
Die Schützsteuerung für ein Dual-Batteriesystem ist komplexer als für Einzel-Batteriesysteme, für die die einzige Überlegung für gewöhnlich das Schließen der Schützen ist. In mindestens einer Ausführungsform werden die Schützen 64 einzeln geschlossen, um hohe Stromabnahmen zu vermeiden. Während der Fahrt sollten allgemein die folgenden Prozesse eingehalten werden. Wenn die Schützen 64 zum Schließen bereit sind, werden sie einzeln geschlossen. Wenn ein Strang bei einer höheren Spannung als der andere ist, sollte er als erster geschlossen werden. Wenn die Leerspannung zwischen den Strängen 60, 62 wesentlich ist, könnte ein Hochstrompuls auftreten, wenn der zweite Strang geschlossen wird, was das System 10 beschädigen könnten. Die Größe des Strompulses kann durch die Gleichung: I_puls = (V₂ – V₁)/(R₁ + R₂) genähert werden, wobei V_n und R_n die Strangspannung bzw. der Widerstand von Satz n sind und das Vorzeichen des Stroms die Richtung des Stromflusses bezeichnet. Wenn zum Beispiel der HEBP 16 bei einer Spannung von 200V war und einen Widerstand von 0,1 Ohm hatte und der HPBP 14 bei einer Spannung von 185V war und einen Widerstand von 0,05 Ohm hatte, wäre der Pulsstrom ungefähr 100 Amp.
Eine Lösung für diesen Punkt ist in einer Ausführungsform das Vorsehen eines Vorlade-Schütz 90 an jedem Strang 60, 62, der verwendet wird, wenn die Spannungen der Stränge um mehr als ein gewisses Maß auseinanderliegen. Die Vorlade-Schützen 90 sind mit den Schützen 64 parallel. In einer anderen Ausführungsform könnte der Schütz für den höheren Spannungsstrang als erster geschlossen werden und der Schütz für den anderen Strang wird erst geschlossen, wenn die Batterie ausreichend entladen wurde oder der Strom hoch genug ist, um die Spannungen in einen annehmbaren Bereich zu bringen.
Wenn die Spannungen der Stränge 60, 62 deutlich unterschiedlich sind, bevor die Schützen 64 geschlossen werden, um die Batteriesätze 14, 16 zu laden, sollte ein Prozess ausgeführt werden, um einen Schaden am System 10 zu verhindern. In einer Ausführungsform sollte der Schütz 64 für den Strang bei der geringeren Spannung als erster geschlossen werden. Die Batterie wird bei einer angemessenen und sicheren Rate geladen, bis die Spannung innerhalb einer Toleranz der Spannung des anderen, höheren Spannungsstrangs liegt. Sobald die Spannung innerhalb der Toleranz liegt, kann der Schütz 64 für den höheren Spannungsstrang geschlossen werden und die Ladung kann normal ablaufen. In einer Ausführungsform wird der Ladestrom gering gehalten, bis die Schützen 64 an beiden Strängen geschlossen sind, um Strompulse zu minimieren, wenn der zweite Schütz geschlossen wird. In einigen Ausführungsformen kann ein optionaler Ladeschütz parallel mit Schütz(en) 68 verwendet werden.
Ein Thermomanagement der Batteriesätze 14, 16 bedeutet ein Problem, das für Dual-Batteriesysteme im Vergleich zu Einzel-Batteriesystemen einzigartig ist, und insbesondere, wenn die Batterien unterschiedliche Kapazitäten und Funktionen haben. Wie zuvor besprochen, hat in mindestens einer Ausführungsform des Batteriesystems 10 der HPBP 14 eine geringere Kapazität und ist von geringerer Größe als der HEBP 16. Aufgrund der größeren Leistungserzeugung hat der HPBP 14 mehr Temperaturschwankungen und steigt in der Temperatur schneller als der HEBP 16.
Im Dual-Batteriesystem 10 müssen mehrere Auflagen erfüllt sein. Erstens müssen die Spannungen dieselben sein. Dabei wird ein Spannung/Strom-Verhältnis von V = V₀ – IR verwendet, was bedeutet, dass V_0,1 – I₁R₁ = V_0,2 – I₂R₂.
Im Allgemeinen gilt I₁R₁ ≅ I₂R₂ basierend auf dem Ladezustandsungleichgewicht zwischen den zwei Strängen und der Definition von Widerstand in einer nichtlinearen Batterie. Zur Aufrechterhaltung gleicher Strangspannungen muss die Nettoladung, die von jedem Strang 60, 62 entfernt wird, im Laufe der Zeit relativ zur Kapazität (Q) jedes Strangs gleich sein:
Eine ohmsche Wärmeerzeugung ist jedoch zum Produkt des Quadrates des Stroms proportional: H_gen = ∫I²Rdt. Daher kann der entsprechende Temperaturanstieg, wenn keine Wärme entfernt wird, dargestellt werden als
wobei “m” die Masse der Zell ist und “C_p” die Wärmkapazität ist. Für viele ähnliche Zellen ist die gesamte Wärmekapazität (mC_p) zur Zellkapazität proportional, so dass, wenn mC_p = kQ, das Verhältnis als
angegeben werden kann.
Wenn dieselbe Erwärmungsrate für jeden Batteriesatz aufrechterhalten werden soll, muss der I²R Term zur Zellkapazität proportional sein. Zusätzlich muss zur Aufrechterhaltung des Ladegleichgewichts der Stromterm auch zur Zellkapazität proportional sein. Daher würde das folgende Verhältnis gelten, um dieselbe Rate einer Temperaturerhöhung aufrechtzuerhalten: Q₁R₁ = Q₂R₂. Dies wäre jedoch für das Konzept, über getrennte und spezialisierte Hochleistungs- und Hochenergie-Batterien zu verfügen, nachteilig. Wenn die Batterien wie zuvor beschrieben spezialisiert sind, zum Beispiel hat der HEBP 16 eine zwanzigfach höhere Kapazität als der HPBP 14, oder Q₁ = 20Q₂, und die Innenwiderstände sind annähernd gleich, R₁ = R₂, steigt die Temperatur des HPBP 14 etwa zwanzigmal schneller als jene des HEBP 16.
Zur Behandlung des Unterschiedes in Erwärmungsraten der zwei Batteriesätze 14, 16 gibt es mehrere mögliche Kühllösungen. In einer Ausführungsform ist jeder Batteriesatz mit einer zweckbestimmten, unabhängigen Kühlschleife versehen. In einer anderen Ausführungsform ist ein einziges Kühlsystem vorgesehen, um beide Batteriesätze zu kühlen und beide in einem gewünschten Bereich zu halten. Die geringere Größe des HPBP 14 trägt zur Kühlung aufgrund eines erhöhten Oberfläche/Volumen-Verhältnisses im Vergleich zum HEBP 16 bei. Anstelle von oder zusätzlich zu einer Flüssigkühlung kann eine Luftkühlung eines oder beider der Batteriesätze 14, 16 verwendet werden. Als Alternative kann in einigen Ausführungsformen keine aktive Kühlung erforderlich sein, wenn eine passive Kühlung ausreichend ist.
Andere mögliche Themen in einem Dual-Batteriesystem 10 sind Leckerfassung und Spannungs- und Stromsynchronisierung und Latenz. Zur Leckerfassung müssen die Messpunkte so angeordnet sein, dass die Isolierung zwischen den Batteriesätzen und dem Gehäuse in jedem Betriebsmodus der Batterie bestimmt werden kann. In einer Ausführungsform sind zwei Messschaltungen vorgesehen, eine für jeden Batteriesatz 14, 16. In einer anderen Ausführungsform ist eine einzige Schaltung mit Sensoren vorgesehen, die so positioniert sind, dass die Isolierung bestimmt werden kann.
Für die Spannungs- und Stromsynchronisierung und Latenz muss der Strom jedes Strangs 60, 62 gemessen werden und die Spannung des Batteriesystems 10 und der Stromausgang des Batteriesystems 10 zu den Fahrzeugsteuerungen müssen so synchronisiert werden, dass die Fahrzeugsteuerungen die tatsächliche Leistung kennen, die von den Batterien bereitgestellt und aufgenommen wird. Da es zwei Stränge 60, 62 gibt, muss der Strom von jedem gemessen werden. In einer Ausführungsform erfolgt die Messung durch Anordnen eines Sensors an jedem Strang. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Messung durch Anordnen eines Sensors an einem Strang und eines anderen am kombinierten Ausgang. In einer anderen Ausführungsform werden drei Sensoren verwendet, einer an jedem Strang und einer am kombinierten Ausgang.
Die hierin offenbarten Prozesse, Methoden oder Algorithmen können an/durch eine Verarbeitungsvorrichtung, eine Steuerung oder einen Computer leitbar/ausführbar sein die jede bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder zweckbestimmte elektronische Steuereinheit enthalten können. Ebenso können die Prozesse, Methoden oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die von einer Steuerung oder einem Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert werden, einschließlich, ohne aber darauf beschränkt zu sein, Informationen, die permanent auf einem nicht beschreibbaren Speichermedium gespeichert sind, wie ROM-Vorrichtungen, und Informationen, die veränderbar auf einem beschreibbaren Speichermedium gespeichert sind, wie Disketten, einem magnetischen Datenbandspeicher, optischen Datenbandspeicher, CDs, RAM-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien. Die Prozesse, Methoden oder Algorithmen können auch in einem durch Software ausführbaren Objekt implementiert sein. Alternativ können die Prozesse, Methoden oder Algorithmen zur Gänze oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardware-Komponenten ausgeführt werden, wie Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder sämtlicher anderer Hardware-Komponenten oder -Vorrichtungen, oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten.
Es wurde zwar die beste Form ausführlich beschrieben, aber jene, die mit dem Stand der Technik vertraut sind, werden verschiedene alternative Gestaltungen und Ausführungsformen im Umfang der folgenden Ansprüche erkennen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden. Während verschiedene Ausführungsformen laut Beschreibung Vorteile bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf eine oder mehrere gewünschte Eigenschaft(en) bevorzugt sind, werden Durchschnittsfachleute erkennen, dass ein(e) oder mehrere Merkmal(e) oder Eigenschaft(en) beeinträchtigt sein könnte(n), um gewünschte Systemattribute zu erzielen, die von der besonderen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können: Kosten, Stärke, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, leichte Montage usw. enthalten, ohne aber darauf beschränkt zu sein. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Eigenschaft(en) beschrieben sind, liegen nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für besondere Anwendungen wünschenswert sein. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Batteriesystem zum Betreiben eines Fahrzeuges, aufweisend: einen ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz mit einer ersten Gesamt-Energiekapazität und einem ersten Leistung/Energie-Verhältnis (L/E-Verhältnis); einen zweiten Lithium-Ionen-Batteriesatz, der parallel mit dem ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz verbunden ist und eine zweite Gesamt-Energiekapazität hat, die höher ist als die erste Gesamt-Energiekapazität, und ein zweites L/E-Verhältnis, das geringer ist als das erste L/E-Verhältnis; und mindestens eine Steuerung, die zum Steuern der ersten und zweiten Lithium-Ionen-Batteriesätze programmiert ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das erste L/E-Verhältnis mindestens 15 kW/kWh ist und das zweite L/E-Verhältnis nicht mehr als 10 kW/kWh ist.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Steuerung so programmiert ist, dass sie mehr als eine Hälfte eines vorübergehenden elektrischen Leistungsbedarfs des Fahrzeuges aus dem ersten Lithium-Ionen-Batteriesatz bereitstellt.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Lithium-Ionen-Batteriesatz eine Gesamt-Energiekapazität von mindestens 20 kWh hat.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der zweite Lithium-Ionen-Batteriesatz eine spezifische Energiedichte von mindestens 175 Wh/kg hat.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der erste Lithium-Ionen-Batteriesatz eine Art einer positiven Elektrode hat, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid (NCA), Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Lithium-Mangan-Spinelloxid (Mn Spinell), Lithium-Eisenphosphat (LFP), gemischtes Lithium-Metallphosphat (LFMP) und Gemischen davon, und der zweite Lithium-Ionen-Batteriesatz eine positive Elektrode hat, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NCA, NMC, MN Spinell, abwechselnden Schichten ("layered-layered"), LFP, LMFP und Gemischen davon.
Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der erste Lithium-Ionen-Batteriesatz eine Art einer negativen Elektrode hat, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff und Lithium-Titanatoxid (LTO), und der zweite Lithium-Ionen-Batteriesatz eine negative Elektrode hat, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Graphit, Hartkohlenstoff, Weichkohlenstoff, Si-angereichertem Graphit, und Sn-angereichertem Graphit.
Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei der erste Lithium-Ionen-Batteriesatz und der zweite Lithium-Ionen-Batteriesatz dieselbe Art von positiven Elektroden haben.
Batteriesystem nach Anspruch 6, wobei der erste Lithium-Ionen-Batteriesatz und der zweite Lithium-Ionen-Batteriesatz unterschiedliche Arten von positiven Elektroden haben.
Batteriesystem nach Anspruch 7, wobei der erste Lithium-Ionen-Batteriesatz und der zweite Lithium-Ionen-Batteriesatz unterschiedliche Arten von negativen Elektroden haben.