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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Steuern einer Batterie in einem Fahrzeug.
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Die Verfallsrate eines Batteriesatzes kann vom Ladezustand (SOC) des Satzes abhängen, wenn er sich einem Leerlaufzeitraum befindet, insbesondere in heißen Klimazonen. Zum Beispiel kann sich die Verfallsrate für eine kalendarische Lebensdauer einer Batterie um mehrere Faktoren unterscheiden, abhängig davon, ob sich die Batterien bei 0%, 50% oder 100% SOC im Leerlauf befinden. In dem Fall, in dem eine Zelle gemischte Kathodenmaterialien aus Lithium-Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM) und Lithium-Manganoxid (LMO oder -Spinell) umfasst, wurde festgestellt, dass die Verfallsrate in den SOC-Bereichen von 40%–80% am größten ist. Demzufolge besteht ein Bedarf für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Steuern einer Batterie in einem Fahrzeug, das einen Batterie-SOC modifiziert, wenn bestimmt wird, dass die Batterie nicht sofort benötigt wird – z. B. wenn sich das Fahrzeug für einen längeren Zeitraum in einem Zustand „Schlüssel Aus“ befindet – und wenn weiterhin bestimmt wird, dass sich der Batterie-SOC in einem Bereich befindet, der eine hohe Verfallsrate zeigt.
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Wenigstens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten ein Verfahren zum Steuern einer Batterie in einem Fahrzeug, einschließlich der Schritte des Modifizierens eines Ladezustands wenigstens einiger Batteriezellen in der Batterie auf Basis von Folgendem: einem Leerlaufzustand des Fahrzeugs und davon, dass die Batterie wenigstens eine vorbestimmte Verfallsrate aufweist. Der SOC der wenigstens einigen Batteriezellen wird so modifiziert, dass die Batterie eine geringere als die vorbestimmte Verfallsrate aufweist, nachdem der SOC modifiziert worden ist. Wie er hierin verwendet wird, bezeichnet der Begriff „Leerlaufzustand des Fahrzeugs“ nicht, dass das Fahrzeug ausläuft – d. h. fährt, während es angehalten wird – vielmehr bezieht er sich darauf, dass sich das Fahrzeug in einem Zustand „Schlüssel Aus“ befindet, d. h. nicht in Betrieb ist.
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Wenigstens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten ein Verfahren zum Steuern einer Batterie in einem Fahrzeug, einschließlich der Schritte des Modifizierens eines Ladezustands (SOC) wenigstens einiger Batteriezellen in der Batterie auf Basis von Folgendem: einem vorbestimmten Ereignis und davon, dass die Batterie wenigstens eine vorbestimmte Verfallsrate aufweist. Der SOC der wenigstens einigen Batteriezellen wird so modifiziert, dass die Batterie eine geringere als die vorbestimmte Verfallsrate aufweist, nachdem der SOC modifiziert worden ist.
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Wenigstens einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten ein Fahrzeug, das Folgendes aufweist: eine Batterie, die mehrere Batteriezellen enthält, und ein Steuerungssystem, das wenigstens einen Controller aufweist, der dazu ausgelegt ist, einen SOC wenigstens einiger der Batteriezellen auf Basis von Folgendem zu modifizieren: einem vorbestimmten Ereignis und davon, dass die Batterie wenigstens eine vorbestimmte Verfallsrate aufweist. Das Steuerungssystem ist dazu ausgelegt, den SOC so zu modifizieren, dass die Batterie eine geringere als die vorbestimmte Verfallsrate aufweist, nachdem der SOC der wenigstens einigen der Batteriezellen modifiziert worden ist.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegende Erfindung; und
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Wie erforderlich, werden hierin genaue Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; allerdings sollte verstanden werden, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die möglicherweise in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt wird. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale sind möglicherweise vergrößert oder verkleinert, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte, spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine typische Grundlage, um einen Fachmann von verschiedenen Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu unterrichten.
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1 zeigt ein Fahrzeug 10 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Fahrzeug 10 enthält ein elektrisches System 12, das eine Hochspannungs-Leistungsquelle 14 aufweist, die in dieser Ausführungsform eine Hochspannungsbatterie ist. Die Batterie 14 enthält ein Hochspannungs-Batteriezellen-Array 16 und einen Batterie-Controller 18. Der Batterie-Controller 18 ist über ein Controller Area Network (CAN) mit anderen Controllern verbunden, von denen einige oder alle ein Steuerungssystem bilden. Wie in 1 gezeigt wird, enthält das Steuerungssystem ein Batteriesteuerungsmodul (BCM, battery control module) 20. Zusätzlich dazu, dass es mit der Batterie 14 kommuniziert, kommuniziert das BCM 20 mit anderen Controllern und Systemen im gesamten Fahrzeug 12, wie schematisch durch die „anderen CAN-Knoten“ 22 dargestellt wird. Das BCM 20 kommuniziert auch mit einem DC-DC-Wandler 24, der dazu ausgelegt ist, eine Hochspannungs-Eingabe von der Hochspannungsbatterie 14 aufzunehmen. Der Wandler 24 gibt Niederspannungsleistung aus, die zu einem Niederspannungs-Leistungsverteilerkasten oder -Sicherungskasten 26 geleitet wird. Die Niederspannungsverbraucher 27 des Fahrzeugs und eine Niederspannungsbatterie 28 sind mit dem Sicherungskasten 26 verbunden. Die Niederspannungsbatterie 28 kann dem Sicherungskasten und den Niederspannungsverbrauchern 27 Leistung zuführen, falls erforderlich.
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Es wird eine gestrichelte Linie 30 gezeigt, die die Niederspannungsbatterie 28 mit dem BCM 20 verbindet und eine Kommunikation zwischen ihnen darstellt. Zusätzlich zum Zuführen von Niederspannungsleistung zu den Niederspannungsverbrauchern 27 durch den Wandler 24 stellt die Hochspannungsbatterie 14 auch Hochspannungsleistung für Hochspannungsverbraucher 32 bereit, was zum Beispiel möglicherweise ein Traktionsmotor in einem Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeug ist. In 1 wird ebenfalls eine optionale externe Speichereinrichtung 34 gezeigt, die zum Beispiel ein Superkondensator, eine andere Batterie oder eine andere elektrische Speichereinrichtung sein könnte. Wie nachstehend ausführlich dargelegt wird, wird der externe Speicher 34 in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglicherweise genutzt, um einen Mechanismus bereitzustellen, durch den der SOC der Batterie 14 wie gewünscht erhöht oder verringert werden kann.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind das Steuerungssystem des Fahrzeugs 10 und insbesondere der Batterie-Controller 18 möglicherweise dazu ausgelegt, eine Reihe von Schritten auszuführen, um die Verlängerung der Lebensdauer eines Hochspannungs-Batteriesatzes 16 zu unterstützen. Im Allgemeinen kann der Batterie-Controller 18 dazu ausgelegt sein, den SOC wenigstens einiger der Zellen im Batteriesatz 16 auf Basis von Folgendem zu modifizieren: einem vorbestimmten Ereignis und davon, dass die Batterie wenigstens eine vorbestimmte Verfallsrate aufweist. Zum Beispiel steht das vorbestimmte Ereignis möglicherweise in Beziehung dazu, dass sich das Fahrzeug für länger als eine vorbestimmte Zeit im Leerlauf befindet – d. h., dass das Fahrzeug ausgeschaltet ist. Dies könnte an den Batterie-Controller 18 zum Beispiel durch ein vom Fahrer ausgelöstes Signal kommuniziert werden, das vom Fahrer über einen Armaturenbrett- oder Konsolenschalter oder einen Knopf auf einem intelligenten Schlüsselanhänger ausgelöst werden könnte. Ein solches Signal wird möglicherweise zum Beispiel von einem Controller im Fahrzeugsteuerungssystem aufgenommen und an den Batterie-Controller 18 über die anderen, in 1 gezeigten CAN-Knoten 22 kommuniziert. Wenn somit ein Fahrzeugnutzer weiß, dass sich das Fahrzeug für einen längeren Zeitraum im Leerlauf befinden wird, zum Beispiel 24 Stunden oder länger, könnte das vorbestimmte Ereignis enthalten, dass der Nutzer den Schalter betätigt, um dem Batterie-Controller 18 diese Information bereitzustellen.
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Alternativ können Fahrzeugsysteme überwacht werden, und wenn sich das Fahrzeug 10 für einen vorbestimmten Zeitraum im Leerlauf befunden hat, kann diese Information direkt von einem der anderen Systeme im Steuerungssystem, wie zum Beispiel einem anderen Controller oder einem GPS-Empfänger, an den Batterie-Controller 18 kommuniziert werden. In einem solchen Fall enthält das „vorbestimmte Ereignis“, dass sich das Fahrzeug für länger als die vorbestimmte Zeit im Leerlauf befindet, was im oben genannten Beispiel möglicherweise 24 Stunden sind, obwohl andere Zeiträume verwendet werden können. Tatsächlich kann die vorbestimmte Zeit ein kalibrierbarer Parameter sein, der im Laufe der Lebensdauer einer Batterie geändert werden könnte. Es ist allerdings anzumerken, dass sich automatische Überwachung der Fahrzeugsysteme und ein von einem Fahrzeugnutzer angewiesenes Signal nicht gegenseitig ausschließen; möglicherweise sind vielmehr beide Optionen verfügbar. Auf diese Weise kann, falls der Fahrzeugnutzer weiß, dass sich das Fahrzeug für einen längeren Zeitraum im Leerlauf – d. h. in einem Zustand „Schlüssel Aus“ – befinden wird, er oder sie dies dem Steuerungssystem melden, indem ein Signal bereitgestellt wird, das, wie oben beschrieben wurde, zur Fahrzeugleerlaufzeit in Beziehung steht; wenn sich das Fahrzeug allerdings wenigstens für die vorbestimmte Zeit im Leerlauf befindet und das Signal nicht vom Fahrzeugnutzer bereitgestellt worden ist, kann das Signal auf Basis der automatischen Überwachung an den Batterie-Controller 18 gesendet werden.
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Wie oben beschrieben wird, kann die Entscheidung, den Batterie-SOC zu modifizieren, auf einem vorbestimmten Ereignis basieren, wie zum Beispiel dem, dass sich das Fahrzeug für eine vorbestimmte Zeit im Leerlauf befindet, und sie kann auch darauf basieren, dass die Batterie wenigstens eine vorbestimmte Verfallsrate aufweist. Die Verfallsrate der Batterie, wie zum Beispiel des in 1 gezeigten Batteriesatzes 16, basiert möglicherweise auf eine Reihe von Faktoren, einschließlich dem SOC der Batterie und Kenntnis der Ausgangsmaterialien, aus denen die Batterie hergestellt ist. Zum Beispiel ist bei einer Batterie, die gemischte Kathodenmaterialien aus Lithium-Nickel-Cobalt-Manganoxid (NCM) und Lithium-Manganoxid (LMO oder -Spinell) umfasst, die Verfallsrate inakzeptabel hoch, wenn der SOC 40%–80% beträgt. Batterien, die andere Ausgangsmaterialien umfassen, weisen möglicherweise bei anderen SOC-Pegeln hohe Verfallsraten auf. Außerdem findet möglicherweise auch das Alter der Batterie Berücksichtigung, wenn bestimmt wird, ob die Verfallsrate auf einem Pegel liegt, bei dem die Umsetzung der vorliegenden Erfindung wünschenswert ist. Obwohl die Verfallsrate möglicherweise als ein „bestimmter“ Parameter bezeichnet wird, wird sie daher in der Praxis wahrscheinlich auf Basis von bekannten Informationen geschätzt werden, wie zum Beispiel dem Batterie-SOC, den Ausgangsmaterialien, aus denen die Batterie hergestellt ist, und einer allgemeinen Kenntnis des Batterieverhaltens unter verschiedenen Bedingungen.
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Falls das vorbestimmte Ereignis eingetreten ist und die Batterie wenigstens eine vorbestimmte Verfallsrate aufweist (z. B. geschätzt aufweist), kann ein Steuerungssystem, das gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist, den Batterie-SOC, wie oben beschrieben wurde, modifizieren, um die Verfallsrate zu reduzieren, so dass sie unterhalb des inakzeptabel hohen Pegels liegt, der durch die vorbestimmte Verfallsrate gezeigt wird. Das Modifizieren des SOC kann auf irgendeine Anzahl von Arten erfolgen, abhängig von der Konfiguration des elektrischen Steuerungssystems und den darin verfügbaren verschiedenen Systemen und Einrichtungen. Zum Beispiel zeigt 1 eine externe Speichereinrichtung 34 in Kommunikation mit der Hochspannungsbatterie 14. Die externe Speichereinrichtung 34 ist möglicherweise zum Beispiel ein Superkondensator, der in der Lage ist, elektrische Ladung aus der Batterie 14 aufzunehmen oder für diese bereitzustellen. Wenigstens in einigen Ausführungsformen ist daher das Steuerungssystem möglicherweise dazu ausgelegt, den kompletten Batteriesatz 16 in die externe Speichereinrichtung 34 zu entladen, so dass der SOC der Batterie 14 unter dem Pegel liegt, bei dem die inakzeptabel hohe Verfallsrate vorhanden sein würde. Alternativ ist das Steuerungssystem möglicherweise dazu ausgelegt, den kompletten Batteriesatz 16 aufzuladen, um den SOC über den Pegel anzuheben, bei dem die inakzeptabel hohe Verfallsrate vorhanden sein würde.
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Obwohl eine externe Speichereinrichtung, wie zum Beispiel der in 1 gezeigte externe Speicher 34, einen zweckmäßigen Mechanismus zum Aufladen und Entladen der Batterie 14 bereitstellt, erhöht das Hinzufügen einer solchen Einrichtung Kosten und Gewicht des Fahrzeugs. Daher können Steuerungssysteme gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dazu ausgelegt sein, Ladung zu oder von verschiedenen Zellen innerhalb des Batteriesatzes 16 zu übertragen. Insbesondere erhöht das Steuerungssystem möglicherweise den SOC einiger der Batteriezellen im Batteriesatz 16, indem es sie aus den anderen Zellen im Batteriesatz 16 auflädt, wodurch der SOC dieser anderen Zellen reduziert wird und der SOC im Batteriesatz 16 unbalanciert wird. Weil, wenigstens für einige Batterien, die hohe Verfallsrate am ehesten vorherrscht, wenn sich die Batterie im Leerlauf befindet, kann das Steuerungssystem dazu ausgelegt werden, den SOC der Batteriezellen wieder zu balancieren, sobald das Fahrzeug wieder in Betrieb ist und die Batterie entsprechend dem normalen Betrieb erneut aufgeladen und entladen wird. Ob der SOC modifiziert wird, indem aus einer externen Speichereinrichtung aufgeladen oder in diese entladen wird, oder ob er modifiziert wird, indem, wie oben beschrieben wird, der SOC unbalanciert wird: Nachdem der SOC modifiziert worden ist, wird die Batterie eine Verfallsrate aufweisen, die geringer als die vorbestimmte Verfallsrate ist.
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Einige Batteriesteuerungssysteme, insbesondere im Fall von in einem Elektro- oder einem Hybrid-Elektrofahrzeug verwendeten Hochspannungsbatterien, weisen möglicherweise automatische Selbstentlademechanismen auf, die dazu konzipiert sind, sicherzustellen, dass einzelne Batteriezelle nicht überladen werden. In einem solchen Fall, falls die Batterie für einen längeren Zeitraum im Leerlauf bleibt, nachdem der SOC (entweder durch Unbalancieren oder durch Erhöhen des Gesamt-SOC) modifiziert worden ist, kann das Steuerungssystem dazu ausgelegt sein, dass es die Leerlaufspannung (OCV, open circuit voltage) der Batterie periodisch überwacht, um sicherzustellen, dass Zellen mit einem hohen SOC nicht automatisch entladen werden, was diese Zellen zurück in den SOC-Bereich bringen könnte, der eine hohe Verfallsrate zeigt. Wenigstens in einigen Ausführungsformen würden die Zellen alle 72 Stunden überwacht werden, um zu bestimmen, ob ihr SOC sich geändert hat, so dass sie sich jetzt erneut in dem Bereich befinden, in dem eine hohe Verfallsrate erwartet wird. Falls dies geschehen ist, kehrt das Steuerungssystem möglicherweise automatisch zum Schritt des Modifizierens des SOC zurück, um so die Batteriezellen aus dem Bereich der hohen Verfallsrate zu bringen.
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2 zeigt ein Flussdiagramm 36, das ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht und das insbesondere die Schritte veranschaulicht, die möglicherweise in ein Steuerungssystem programmiert sind und von diesem ausgeführt werden, wie oben beschrieben worden ist. Das Verfahren beginnt mit Schritt 38, und dann erfolgt im Schritt 40 eine Bestimmung bezüglich des Leerlaufzustands des Fahrzeugs, insbesondere, ob das Fahrzeug für eine vorbestimmte Zeit ausgeschaltet ist. Wie oben erwähnt, geschieht dies möglicherweise durch eine automatisierte Überwachung von Fahrzeugsystemen, zum Beispiel durch einen GPS-Empfänger, der mit einem Controller, wie zum Beispiel dem Batterie-Controller 18, kommuniziert. Alternativ kann ein Signal direkt von einem Fahrzeugnutzer gesendet werden, der plant, dass das Fahrzeug für die vorbestimmte Zeit ausgeschaltet ist. Falls die Antwort im Entscheidungsblock 40 „Nein“ lautet, kehrt das Verfahren zum Start zurück. Falls allerding die Antwort im Entscheidungsblock 40 „Ja“ lautet, fährt das Verfahren mit Entscheidungsblock 42 fort, wo bestimmt wird, ob sich die Batterie in einem Bereich befindet, der eine hohe Verfallsrate zeigt. Wie oben beschrieben wird, wird dies möglicherweise durch eine Kombination aus Kenntnis der Batterieausgangsmaterialien und einem überwachten SOC der Batteriezellen bestimmt.
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Falls im Entscheidungsblock 42 bestimmt wird, dass die Batterie sich nicht in einem Bereich befindet, der eine hohe Verfallsrate zeigt, erfolgt für eine vorbestimmte Zeit keine Aktion – dies wird im Schritt 44 gezeigt. Somit ist ein Steuerungssystem zum Beispiel möglicherweise dazu ausgelegt, die Batterie auf Anzeichen zu überwachen, dass sie sich in einem Bereich befindet, in dem eine hohe Verfallsrate zu erwarten ist, und es führt diese Überwachung möglicherweise mit irgendeiner vorbestimmten Frequenz aus, die im oben bereitgestellten Beispiel 72 Stunden betrug, obwohl die Frequenz, falls gewünscht, geringer oder größer als diese sein könnte. Die Batterie wird im Schritt 44 weiter überwacht, wobei immer zum Entscheidungsblock 42 zurückgekehrt wird, um zu bestimmen, ob die Batterie schon einen Zustand erreicht hat, in dem eine hohe Verfallsrate erwartet wird. Wenn bestimmt wird, dass die Batterie solch einen Zustand erreicht hat, läuft das Verfahren zum Schritt 46, wo der SOC, wie oben beschrieben wird, modifiziert wird.
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Im Entscheidungsblock 48 wird als Nächstes bestimmt, ob das Fahrzeug verwendet wird, möglicherweise heißt dies, dass der Motor eingeschaltet ist und sich das Fahrzeug bewegt, oder in anderen Ausführungsformen heißt dies möglicherweise einfach, dass der Motor eingeschaltet ist. Falls das Fahrzeug nicht verwendet wird, springt das Verfahren zum im Schritt 44 gezeigten periodischen Überwachen zurück. Sobald im Entscheidungsblock 48 bestimmt wird, dass das Fahrzeug verwendet wird, wird der SOC der Batteriezellen wieder balanciert, während das Fahrzeug im Betrieb ist – dies wird im Schritt 50 gezeigt. Bei Ausführungsformen, in denen statt des Balancierens eine externe Speichereinrichtung genutzt wird, wie zum Beispiel die in 1 gezeigte externe Speichereinrichtung 34, kann für den Batteriesatz 16, basierend auf den Betriebsbedingungen zu diesem Zeitpunkt, zusätzliche Ladung bereitgestellt werden oder aus diesem entnommen werden.
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Während oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen sind die in der Spezifikation verwendeten Begriffe eher beschreibende als einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich werden möglicherweise die Merkmale verschiedener Umsetzungsformen kombiniert, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
