DE102015206604A1

DE102015206604A1 - System zur abschätzung der batterietemperatur

Info

Publication number: DE102015206604A1
Application number: DE102015206604.5A
Authority: DE
Inventors: Chuan He
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-10-15
Also published as: CN105048021B; US20150291055A1; US10059222B2; CN105048021A

Abstract

Ein Fahrzeugbatteriekühlsystem kann eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie umfassen sowie ein Steuergerät, das programmiert wurde, um die Vorrichtung entsprechend jeweils einer Reihe von abgeschätzten Temperaturen der Batterie zu betreiben, die auf der Wärmeerzeugung, gespeicherten Wärmeenergie und Wärmeübertragungsraten basieren, die der Batterie auf solche Weise zugeordnet werden, dass die Reihe eine abgeschätzte Temperaturwellenform bildet, die zeitweilig vor einer gemessenen Temperaturwellenform der Batterie Vorrang hat.

Description

Diese Offenbarung betrifft die Abschätzung der Temperatur bei Traktionsbatterien.
Fahrzeuge, wie batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (Battery-Electric Vehicles, BEVs), Plugin-Hybridelektrofahrzeuge (Plug-In Hybrid Electric Vehicles, PHEVs), Mildhybrid-Elektrofahrzeuge (Mild Hybrid-Electrical Vehicles, MHEVs) oder Vollhybrid-Elektrofahrzeuge (Full Hybrid-Electrical Vehicles, FHEVs), enthalten eine Traktionsbatterie, wie etwa eine Hochvolt-(„HV“)Batterie, die als Antriebsquelle für das Fahrzeug dient. Die HV-Batterie kann Komponenten und Systeme umfassen, welche die Verwaltung von Fahrzeugleistung und Fahrzeugbetrieb unterstützen. Die HV-Batterie kann ein oder mehrere Module mit Batteriezellen enthalten, die zwischen den Batteriezellenpolen und den Verbindungssammelschienen elektrisch miteinander verbunden sind. Die HV-Batterie und das umgebende Umfeld können ein thermisches Verwaltungssystem umfassen, um das Temperaturmanagement der HV-Batteriekomponenten, -Systeme und einzelnen Batteriezellen zu unterstützen.
Da die Lebensdauer einer Batterie durch die Temperatur der Batteriezellen beeinflusst werden kann, können das thermische Verwaltungssystem und dessen Kühlsysteme dazu beitragen, die Batterie vor Überhitzung zu schützen und die Auswirkungen hoher Temperaturen zu mildern. Solche Kühlsysteme können durch eine festgestellte Temperatur an einem auf der Batterieoberfläche installierten Batterie-sensor ausgelöst werden.
Ein Fahrzeugbatteriekühlsystem kann eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie umfassen sowie ein Steuergerät, das programmiert wurde, um die Vorrichtung entsprechend jeweils einer Reihe von abgeschätzten Temperaturen der Batterie zu betreiben, die auf der Wärmeerzeugung, gespeicherten Wärmeenergie und Wärmeübertragungsraten basieren, die der Batterie auf solche Weise zugeordnet werden, dass die Reihe eine abgeschätzte Temperaturwellenform bildet, die zeitweilig vor einer gemessenen Temperaturwellenform der Batterie Vorrang hat.
Ein Verfahren zur Verwaltung einer Temperatur einer Fahrzeugbatterie kann den Betrieb eines Kühlsystems mittels eines Steuergeräts umfassen, um eine Batterie in Reaktion auf eine Reihe von abgeschätzten Batterietemperaturen zu kühlen, die jeweils auf der Wärmeerzeugung, gespeicherten Wärmeenergie und Wärmeübertragungsraten basieren, die mit der Batterie verbunden sind und Änderungen der internen Batterietemperatur wiedergeben, bevor Sensoren Änderungen der internen Batterietemperatur wiedergeben, um zu verhindern, dass die Batterie einen Schwellenwert für die interne Temperatur überschreitet.
Ein Fahrzeug kann eine Traktionsbatterie, ein für die Kühlung der Traktionsbatterie konfiguriertes Kühlsystem und ein Steuergerät umfassen, das programmiert ist, um das Kühlsystem in Reaktion auf eine Reihe von abgeschätzten Batterietemperaturen zu kühlen, die jeweils auf der Wärmeerzeugung, gespeicherten Wärmeenergie und Wärmeübertragungsraten basieren, die mit der Batterie verbunden sind und Änderungen der internen Batterietemperatur wiedergeben, bevor Sensoren Änderungen der internen Batterietemperatur wiedergeben, um zu verhindern, dass die Batterie einen Schwellenwert für die interne Temperatur überschreitet.
1 veranschaulicht ein beispielhaftes Hybridelektrofahrzeug mit einem Batteriepaket;
2 ist ein Blockdiagramm der Batteriepaketkomponenten für den Energieaustausch;
3 ist ein beispielhaftes Diagramm, das die abgeschätzte Batterietemperatur und eine gemessene Batterietemperatur zeigt; und
4 ist ein beispielhafter Algorithmus zur Abschätzung der Batterietemperatur.
Wie vorgeschrieben werden in dieser Patentschrift detaillierte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; allerdings wird darauf hingewiesen, dass die offenbarten Ausführungsformen nur Beispiele für die Erfindung darstellen, die auf verschiedene Arten und Weisen verwirklicht werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; und einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten spezieller Komponenten zu zeigen. Daher sollen spezielle bauliche und funktionelle Einzelheiten, die hier offengelegt werden, nicht als einschränkend verstanden werden, sondern nur als repräsentative Grundlage dafür, einem Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung auf verschiedene Arten und Weisen einzusetzen.
Es wird in dieser Patentschrift ein System zur Temperaturvorhersage offenbart, das konfiguriert ist, um der Änderung der gespeicherten Wärmeenergie und elektrischen Energie in einem Batteriepaket vorherzusagen. Durch Vorhersage dieser Energie kann die interne Zelltemperatur der Batterie ohne die Verwendung von Temperatursensoren vorhergesagt werden. Durch die Verwendung vorhandener Datenpunkte und Batteriemessungen und -eigenschaften kann die Batteriezellentemperatur bis zu 20 Sekunden rascher als bei typischen Systemen mit Temperatursensoren vorhergesagt werden. Da die Temperatur früher vorhergesagt werden kann, kann die Temperaturregelung um die Batterie effizienter sein und somit die Lebensdauer der Batterie verlängern und Kühlsystemgröße, Geräuschpegel und Kosten verringern. Ferner können dadurch, dass keine Batterietemperatursensoren für diese Abschätzung erforderlich sind, die Größe und die Kosten des Kühlsystems reduziert werden.
1 zeigt ein Beispiel für ein typisches Fahrzeugsystem 100. Ein Plugin-Hybridelektrofahrzeug 102 kann einen oder mehrere Elektromotoren 104 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridantrieb 106 verbunden sind. Darüber hinaus ist der Hybridantrieb 106 mechanisch mit einem Motor 108 verbunden. Der Hybridantrieb 106 kann auch mechanisch mit einer Antriebswelle 110 verbunden sein, die mechanisch mit den Rädern 112 verbunden ist. Die Elektromotoren 104 können Antrieb liefern, wenn der Verbrennungsmotor 108 ein- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromotoren 104 können Bremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 108 ein- oder ausgeschaltet wird, basierend auf einem Befehl einer Fahrzeugsteuerung, die den Kraftstoffverbrauch optimieren kann, indem sie dafür sorgt, dass Verbrennungsmotor und Motor die höchste Effizienz erreichen oder das Batteriepaket ein gewünschtes Ladezustandsniveau erreicht. Die Elektromotoren 104 können als Generatoren konfiguriert werden und einen verminderten Kraftstoffverbrauch bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren gehen würde. Die Elektromotoren 104 können auch Schadstoffemissionen verringern, da das Hybridelektrofahrzeug 102 unter bestimmten Bedingungen im Elektromodus betrieben werden kann, und durch das optimale Verfahren können der Verbrennungsmotor und das elektrische Antriebssystem mit dem höchsten verfügbaren Zustand arbeiten.
Ein Batteriepaket 114 speichert Energie, die von den Elektromotoren 104 genutzt werden kann. Ein Fahrzeugbatteriepaket 114 stellt typischerweise eine Hochvolt-Ausgangsgleichspannung bereit. Das Batteriepaket 114 ist elektrisch mit einem Leistungselektronikmodul 116 verbunden. Das Leistungselektronikmodul 116 ist ebenfalls elektrisch mit den Elektromotoren 104 verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen dem Batteriepaket 114 und den Elektromotoren 104 zu übertragen. Beispielsweise kann ein typisches Batteriepaket 114 eine Gleichspannung bereitstellen, während für die Elektromotoren 104 ein Dreiphasen-Wechselstrom erforderlich sein kann, damit diese funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 116 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, wie für die Elektromotoren 104 erforderlich. In einem regenerativen Modus wird das Leistungselektronikmodul 116 den Dreiphasen-Wechselstrom aus den Elektromotoren 104, die als Generatoren wirken, in die vom Batteriepaket 114 benötigte Gleichspannung umwandeln. Die hierin beschriebenen Verfahren sind gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug wie auf ein jegliches anderes Gerät mit einem Batteriepaket anwendbar.
Neben der Bereitstellung von Energie für den Antrieb kann das Batteriepaket 114 Energie für andere Bordnetzsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandler-Modul 118 umfassen, das die Hochvolt-Ausgangsgleichspannung des Batteriepakets 114 in eine Niedervolt-Gleichspannungsversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochvoltlasten, wie etwa Kompressoren oder elektrische Heizungen, können direkt mit dem Hochvolt-Bus des Batteriepakets 114 verbunden werden. In einem typischen Fahrzeug sind die Niedervoltsysteme elektrisch mit einer 12V Batterie 120 verbunden. Ein vollelektrisches Fahrzeug kann eine ähnliche Architektur aufweisen, allerdings ohne der Verbrennungsmotor 108.
Das Batteriepaket 114 kann durch eine externe Stromquelle 126 wieder aufgeladen werden. Die externe Stromquelle 126 kann Wechselstrom oder Gleichstrom für das Fahrzeug 102 bereitstellen, indem sie elektrisch über eine Ladestation 124 verbunden wird. Die Ladestation 124 kann jede Art von Station sein, die konfiguriert wurde, um Strom von der externen Stromquelle 126 zum Fahrzeug 102 zu übertragen. Die Ladestation 124 kann elektrisch mit einem Stromumwandlungsmodul 122 verbunden sein. Das Stromumwandlungsmodul kann den Strom aus der externen Stromquelle 126 umwandeln, um die richtige Spannung und Strompegel für das Batteriepaket 114 bereitzustellen. In einigen Anwendungen kann die externe Stromquelle 126 konfiguriert sein, um die richtige Spannung und Strompegel für das Batteriepaket 114 bereitzustellen, und das Stromumwandlungsmodul 122 wird möglicherweise nicht benötigt. Die Funktionen des Stromumwandlungsmoduls 122 können in einigen Anwendungen in der externen Stromquelle 126 bereitgestellt werden. Der Fahrzeugverbrennungsmotor, das Getriebe, die Elektromotoren und die Leistungselektronik können durch ein Antriebsstrangmodul (Powertrain Control Module, PCM) 128 gesteuert werden.
Das Batteriepaket 114 kann auch ein Batteriepaket-Steuergerät 130 umfassen (auch als elektrisches Batteriesteuermodul [Battery Electrical Control Module, BECM] bezeichnet). Das Batteriepaket-Steuergerät 130 kann die Leistung des Batteriepakets 114 steuern und überwachen. Das Steuergerät 130 kann ein elektronisches Überwachungssystem umfassen, das Temperatur und Ladezustand jeder einzelnen Batteriezelle verwaltet. Das Steuergerät 130 kann einen Prozessor und einen Speicher umfassen, die konfiguriert sind, um den nachstehend beschriebenen Prozess 400 mit Bezug auf 4 zu ermöglichen. Obwohl im Einzelnen nicht gezeigt, wird der Kabelstrang des Batteriepakets 114 verwendet, um alle Zellen, Sensoren und anderen elektrischen Komponenten elektrisch miteinander zu verbinden. Der Kabelstrang kann einen Widerstand Rh haben, der sich auf die vom Batteriepaket 114 erzeugte Wärme auswirkt, wenn ein Stromfluss auf dem Kabelstrang erfolgt.
Zusätzlich zur Veranschaulichung eines Plugin-Hybridfahrzeugs kann 1 auch ein batteriebetriebenes Elektrofahrzeug (Battery Electric Vehicle, BEV), ein Hybridelektrofahrzeug (Hybrid Electric Vehicle, HEV) und ein Plugin-Hybridelektrofahrzeug (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) veranschaulichen. Die verschiedenen erörterten Komponenten können ein oder mehrere zugeordnete Steuergeräte (einschließlich des Batteriepaket-Steuergeräts 130) aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuergeräte können über einen seriellen Bus (z. B. ein Steuergerät Area Network [CAN]) oder über diskrete Leiter kommunizieren.
Die Batteriezellen, beispielsweise eine prismatische Zelle, können elektrochemische Zellen umfassen, die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Prismatische Zellen können ein Gehäuse, eine positive Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) umfassen. Mittels eines Elektrolyts können Ionen sich während der Entladung zwischen der Anode und der Kathode bewegen und dann bei der Wiederaufladung zurückkehren. Durch Pole kann der Strom aus der Zelle fließen und ist für das Fahrzeug nutzbar. Bei einer Anordnung in einem Modul mit mehreren Batteriezellen können die Pole jeder Batteriezelle mit den gegenüberliegenden Polen (Plus- und Minuspole) benachbart zueinander und zu einer Busschiene ausgerichtet werden, die Bestandteil des Kabelstrangs des Batteriepakets ist und die Herstellung einer Reihenschaltung zwischen mehreren Batteriezellen ermöglichen kann. Die Batteriezellen können auch parallel angeordnet werden, sodass ähnliche Pole (Plus- und Minuspole oder Minus- und Minuspole) zueinander benachbart sind. Zum Beispiel können zwei Batteriezellen mit zueinander benachbarten Pluspolen und die nächsten beiden Zellen mit zueinander benachbarten Minuspolen angeordnet sein. In diesem Beispiel kann die Busschiene die Pole aller vier Zellen berühren. Die Batteriezellen können parallel/seriell hybridverbunden sein, beispielsweise kann jede Gruppe von Zellen 5 parallel geschaltete Zellen sowie Gruppen von Zellen aufweisen, die seriell in Zellgruppen verbunden sind. Der Zweck der verschiedenen Konfigurationen von Batteriezellen ist die Bereitstellung von Ausgangsstrom und -spannung in den gewünschten Bereichen durch das Batteriepaket.
Das Batteriepaket 114 kann mithilfe eines thermischen Verwaltungssystems erwärmt oder gekühlt werden. Das thermische Verwaltungssystem kann ein Luftkühlsystem 142 oder eine Kühlvorrichtung (in 1 gezeigt) aufweisen, wie etwa einen Ventilator, einen klimatisierten Luftstrom und/oder Fahrzeuginnenraumluft. Das Batteriepaket 114 kann auch, ähnlich wie bei Flüssigkeitskühlsystemen von Verbrennungsmotoren, flüssigkeitsgekühlt werden, wobei eine Pumpe konfiguriert ist, um flüssiges Kühlmittel zu einer Kühlrippe/einem Kühlpad unter/um/auf die Zellenseiten zu pumpen, sodass die Zellen gekühlt werden. Während das Kühlsystem 142 als an einem Teil des Batteriepakets 114 anliegend dargestellt wird, kann das Kühlsystem 142 das Batteriepaket 114 auch einkapseln oder umgeben. Das Kühlsystem 142 kann auch an einem anderen Abschnitt des Batteriepakets 114 angeordnet sein.
Eine Batteriepakettemperatur oder Batteriezellentemperatur kann von einem Steuergerät 130 verwendet werden, um das Kühlsystem 142 zu betreiben. Zum Beispiel kann das Kühlsystem 142 aktiviert oder eingeschaltet werden, wenn die Batteriepakettemperatur einen vorgegebenen Schwellenwert für die interne Temperatur überschreitet. Zusätzlich kann ein Ventilator innerhalb des Kühlsystems 142 in Reaktion auf die Batterietemperatur gesteuert werden, wobei seine Geschwindigkeit in Reaktion auf die Temperatur erhöht oder verringert werden kann. Die Luftstromtemperatur, der Kühlmitteldurchsatz und die Kühlmitteltemperatur können ebenfalls in Reaktion auf die Temperatur angepasst werden. Bei der Batterietemperatur kann es sich um eine hierin beschriebene abgeschätzte Batterietemperatur handeln. Das Steuergerät 130 kann eine Vielzahl von Parametern empfangen, um die abgeschätzte Batterietemperatur zu bestimmen. Die Parameter werden nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf 2 beschrieben.
2 ist ein Blockdiagramm der Batteriepaketkomponenten für den Energieaustausch 148, das die Energiebeziehung zwischen dem Batteriepaket 114, der externen Stromquelle 126 und der durch Wärmeübertragung in das Batteriepaket 114 eintretenden Wärmeenergie zeigt. Das Batteriepaket verfügt über eine ausgeglichene Leistung. Wenn das Batteriepaket 114 chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, erzeugt es ein wenig Wärme aufgrund des Innenwiderstands der Batteriezellen Rbat und des Widerstands des Kabelstrangs des Batteriepakets Rh. Die elektrische Energie wird dann dazu verwendet, das Fahrzeug zu bewegen und andere Fahrzeugsysteme mit Strom zu versorgen. Die Wärmeenergie wird entweder durch Wärmeübertragung durch das Kühlsystem 142 nach außen aus dem Batteriepaket 114 geleitet oder das Batteriepaket 114 absorbiert die Wärmeenergie, wodurch sich die Batteriepakettemperatur erhöht.
Wenn das Batteriepaket 114 entweder durch das Bordnetzsystem bei Bremsvorgängen oder die externe Stromquelle 126 (z. B. eine externe Ladestation) aufgeladen wird, wandelt das Batteriepaket 114 die meiste elektrische Energie in chemische Energie um, die in den Zellen gespeichert wird. Der Verbrauch der restlichen Energie erfolgt durch den Innenwiderstand Rbat und den Widerstand des Kabelstrangs Rh des Pakets, der Wärme erzeugt, die entweder nach außen geleitet oder im Paket 114 gespeichert wird. Die Batteriepaketkomponenten 148 und der Leistungsausgleich der Batterie können zur Schätzung der Batterietemperatur Tcell verwendet werden, wobei verschiedene Batteriesystemparameter berücksichtigt werden können. Die Parameter können bekannte Konstanten umfassen sowie Echtzeitvariablen. Das Steuergerät 130 kann spezifische Konstanten für das Batteriepaket 114 aufrechterhalten sowie zusätzliche variable Parameter in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit empfangen. Eine beispielhafte Liste von Parametern kann Folgendes umfassen:

P: Batteriepaketleistung
V: Batteriepaketspannung
I: Batteriepaketstromstärke
Cp: Batteriewärmekapazität
Tcell: abgeschätzte Batterietemperatur
CE: chemische Energie der Batterie als Funktion des Ladezustands
Ta: Eingangslufttemperatur
h: Batterie-Wärmeübergangskoeffizient
Rh: Widerstand des Kabelstrangs
Rbat: Batteriepaketwiderstand

Die externe Stromquelle 126 kann das Batteriepaket 114 mit Leistung versorgen. Die Leistung ist gleich dem Produkt aus Stromstärke und Spannung, wie in Gleichung 1 unten dargestellt. P = V∙I (Gl. 1)
Die Werte für die Spannung V, die Stromstärke I und die Leistung P können durch Spannungs- und Stromstärkesensoren gemessen und von der Stromquelle 126 an das Steuergerät 130 abgegeben werden.
Das Batteriepaket 114, in 2 durch Block 150 dargestellt, speichert sowohl Wärmeenergie als auch elektrische Energie. Die Kombination aus Wärmeenergie und elektrischer Energie ist die gesamte gebündelte gespeicherte Energie der Batterie. Die Veränderung der gebündelten gespeicherten Wärmeenergie kann verwendet werden, um die Batterietemperatur zu bestimmen.
Die gespeicherte Wärmeenergierate kann durch die nachstehende Gleichung 2 dargestellt werden. gespeicherte Wärmeenergie = d / dt[C_p∙T_cell] (Gl. 2) wobei Cp die Wärmekapazität des Batteriepakets und Tcell die Batterietemperatur ist.
Die gespeicherte elektrische Energierate kann durch die nachstehende Gleichung 3 dargestellt werden. gespeicherte elektrische Energie = d / dt[CE(SOC)] (Gl. 3.) wobei CE(SOC) die chemische Energie der Batterie als Funktion des Ladezustands (SOC) ist. Der SOC kann das Verhältnis der Restkapazität zur installierten Kapazität darstellen. Der SOC kann als Prozentsatz ausgedrückt werden. Das Steuergerät 130 kann den SOC-Wert durch die Spannungs-, Stromstärke- und Historiedaten des Batteriepakets abschätzen. Der SOC kann beim Steuergerät durch Kommunikation mit der Stromquelle 126, dem/den Elektromotor(en) 104 und den anderen Fahrzeugkomponenten aufrechterhalten werden.
Die sich verändernde Rate der gespeicherten elektrischen Energie in der Batterie kann gleich dem Produkt der Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage, OCV) als Funktion des Ladezustands und der Stromstärke sein. Die Leerlaufspannung kann die Differenz des elektrischen Potentials zwischen zwei Polen des Batteriepakets 114 sein, wenn das Batteriepaket 114 nicht mit Strom versorgt wird. Die OCV ist der stabilisierte Wert der Leerlaufspannung der Zelle. Sie kann gemessen werden, wenn für eine bestimmte Zeitspanne (zum Beispiel 15 Sekunden) kein Strom zum Batteriepaket 114 fließt. Da in Lithium-Ionen-Zellen der OCV-Wert im Vergleich zum Ladezustand (SOC) der Zelle eine Kennlinie darstellen kann, kann die Leerlaufspannung eine Funktion des Ladezustands sein und durch das Steuergerät 130 bestimmt werden. Die Leerlaufspannung multipliziert mit der Stromstärke I ist gleich der Änderungsrate der gespeicherten chemischen/elektrischen Energie des Batteriepakets 114, wie in nachfolgender Gleichung 4 gezeigt. d / dt[CE(SOC)] = OCV(SOC)∙I (Gl. 4)
Die Eingangsluft im Batteriepaket 114, dargestellt durch Block 154, hat eine Eingangslufttemperatur Ta, die durch einen Temperatursensor gemessen werden kann, der sich im Luftstromeinlass des Batteriepakets befindet und die frische Einlasstemperatur bestimmt. Das Batteriepaket 114 kann einen Wärmeübertragungskoeffizienten h aufweisen. In einem Beispiel, in dem das Kühlsystem 142 einen Ventilator umfasst, kann h eine Funktion der Ventilatorgeschwindigkeit sein. Zum Beispiel: h = 0,3404 × Kühlmitteldurchsatz + 2,1912 (W/K) wobei der Kühlmitteldurchsatz (CFM) linear zur Ventilatorgeschwindigkeit des Kühlmittels sein kann. Die Ventilatorgeschwindigkeit des Kühlmittels kann durch einen Ventilatorgeschwindigkeitssensor gemessen und an das Batterie-Steuergerät 130 zurückgegeben werden. Das Batterie-Steuergerät 130 kann den Kühlmitteldurchsatz durch die Ventilatorgeschwindigkeit steuern. Die Batterietemperatur Tcell kann vorhergesagt werden, wie hierin erläutert. Die Rate der Wärmeübertragung aus dem Paket kann durch die nachstehende Gleichung 5 dargestellt werden. Rate der Wärmeübertragung aus dem Paket = h∙(T_cell – T_a) (Gl. 5)
Durch die Zuführung in und Entnahme von elektrischem Strom aus dem Batteriepaket 114 ergeben sich Änderungen der gespeicherten elektrischen Energie der Batterie. Ferner kann aufgrund des Widerstands des Kabelstrangs Rh und des Widerstands der Batteriezellen im Batteriepaket Rbat Wärme erzeugt werden. Die den Widerständen zuzuschreibende Wärme kann durch die nachfolgende Gleichung 6 dargestellt werden. Rate der erzeugten Wärme = I²∙(R_bat + R_h) (Gl. 6)
Die erzeugte Wärme plus die gespeicherte elektrische Energie der Batterie (siehe Gleichung 4) ist gleich der Batterieleistung P (siehe Gleichung 1). Somit gilt: Rate der erzeugten Wärme + Rate der im Batteriepaket gespeicherten elektrischen Energie = Eingangsleistung der Batterie (Gl. 7).
Durch die entsprechenden Substitutionen in den Gleichungen 1, 3 und 6: OCV(SOC)∙I + I²∙(R_bat + R_h) = V∙I (Gl. 8)
Durch Auflösen nach I²∙(R_bat + R_h), was der erzeugten Wärme entspricht, folgt: erzeugte Wärme = I²∙(R_bat + R_h) = V∙I – OCV(SOC)∙I (Gl. 9)
Ein thermischer Ausgleich des Batteriepakets 114 kann erfordern, dass die Rate der Wärmeübertragung aus dem Batteriepaket (Gleichung 5) gleich der im Batteriepaket erzeugten Wärme (Gleichung 9) minus der im Batteriepaket gespeicherten Wärmeenergie (Gleichung 2) ist, wie nachfolgend gezeigt. Rate Wärmeübertragung aus Paket = erzeugte Wärme – gespeicherte termische Energie (Gl. 10) h(T_cell – T_a) = V∙I – OCV(SOC)∙I – d / dt[C_p∙T_cell] (Gl. 11) Durch Auflösen nach der numerischen Lösung der Gleichung im elektrischen Batteriesteuermodul BECM 130 erhalten wir Tcell.
Somit lässt sich die abgeschätzte Batterietemperatur Tcell auf Grundlage der bekannten Wärmekapazität Cp des Batteriepakets 114, der Eingangslufttemperatur Ta, des Ladezustands des Batteriepakets und der erkannten Stromstärken und Spannungen ermitteln. Diese erkannten Werte lassen sich viel rascher ermitteln, wobei sich Verzögerungen in Echtzeit im Bereich von Millionstel Sekunden bewegen. Batterietemperatursensoren können hingegen Verzögerungen von 15–30 Sekunden aufweisen. Zusätzlich können herkömmliche Batterietemperatursensoren in einer geschützten Hülle des Sensors installiert werden und die Oberflächentemperatur der Batterie messen. Diese Oberflächentemperatur kann aufgrund der Wärmeübertragung zwischen dem Batteriepaket 114 und dem umgebenden Umfeld niedriger sein als die Temperatur in der Zellmitte. Durch Verwendung der Stromstärken und Spannungen der Batterie kann ein Temperaturwert nahezu umgehend ermittelt werden. Die Notwendigkeit für herkömmliche Temperaturmessungen kann entfallen, was zu einer viel schnelleren und genaueren Temperaturabschätzung führt.
3 ist ein beispielhaftes Diagramm, das die abgeschätzte Batterietemperatur Tcell und eine gemessene Batterietemperatur zeigt. Wie durch die Wellenformen im Diagramm gezeigt, entspricht eine Reihe abgeschätzter Temperaturen Tcell in hohem Maße einer Reihe von gemessenen Temperaturen, obwohl die abgeschätzten Temperaturen bis zu 20 Sekunden schneller als die gemessenen Temperaturen ermittelt werden können, wie durch t in der Figur angegeben. Folglich können die abgeschätzten Temperaturen schneller als bei der herkömmlichen Temperaturmessung ermittelt und im thermischen Verwaltungssystem (insbesondere in der Kühlvorrichtung 142) verwendet werden, um das Batteriepaket 114 bedarfsweise effizienter zu kühlen.
4 ist ein beispielhafter Prozess 400 zur Abschätzung der Batterietemperatur Tcell. Der Prozess beginnt bei Block 405, wo das Steuergerät 130 die konstanten Parameter in Bezug auf das Batteriepaket 114 abruft, wie etwa die Batteriewärmekapazität Cp, die Koeffizienten für den Batterie-Wärmeübergangskoeffizienten h und die Widerstände des Kabelstrangs Rh. Der Prozess 400 kann bei Block 410 fortgeführt werden.
Bei Block 410 kann das Steuergerät 130 Echtzeitparameter empfangen oder berechnen, wie etwa die Batteriepaketspannung V, die Batteriepaketstromstärke I, den Batterie-Wärmeübergangskoeffizienten h, die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie, die eine Funktion des Ladezustands (SOC) sein kann, sowie die Eingangslufttemperatur Ta. Der Prozess 400 kann bei Block 415 fortgeführt werden.
Bei Block 415 kann das Steuergerät 130 die abgeschätzte Batterietemperatur Tcell unter Verwendung der Gleichung 10 und der ermittelten Parameter bestimmen.
Bei Block 420 kann das Steuergerät 130 das Batteriekühlsystem 142 entsprechend der abgeschätzten Temperatur anpassen. Wie vorstehend erläutert kann das Kühlsystem 142 auf der Grundlage der abgeschätzten Temperatur gesteuert werden. Zum Beispiel kann das Kühlsystem 142 ein- oder ausgeschaltet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Ventilatorgeschwindigkeit des Kühlsystems 142 angepasst werden, die Pumpe eines Flüssigkühlsystems 142 kann angepasst werden (z. B. kann die Kühlmitteldurchsatzmenge angepasst werden). Das Batteriepaket 114 kann auch, ähnlich wie bei Flüssigkeitskühlsystemen von Verbrennungsmotoren, flüssigkeitsgekühlt werden, wobei eine Pumpe konfiguriert ist, um flüssiges Kühlmittel zu einer Kühlrippe/einem Kühlpad unter/um/auf die Zellenseiten zu pumpen, sodass die Zellen gekühlt werden. Der Prozess 400 kann fortgesetzt werden, um das Kühlsystem 142 auf der Grundlage der abgeschätzten Temperatur anzupassen. Das bedeutet, dass bei Änderungen der abgeschätzten Temperatur das Kühlsystem 142 sich entsprechend anpassen kann. Der Prozess 400 kann dann enden.
Dementsprechend kann ein Kühlsystem für eine Batterie entsprechend der abgeschätzten Batterietemperatur gesteuert werden. Die abgeschätzte Batterietemperatur kann auf verschiedenen konstanten Parametern und Echtzeitparametern basieren und in keinem Zusammenhang mit einer gemessenen Temperatur stehen, sodass der Wert für die abgeschätzte Temperatur viel früher ermittelt werden kann als gemessene Temperaturen. Das Kühlsystem kann rasch auf eine Temperaturänderung reagieren, um die Auswirkungen von Wärme auf die Batterie abzumildern und somit die Lebensdauer der Batterie zu erhöhen. Ferner kann die Notwendigkeit herkömmlicher Temperatursensoren, die oftmals außerhalb der Batterie angeordnet werden, entfallen, was Kosten einspart.
Rechenvorrichtungen, wie die hierin beschriebenen Steuergeräte, umfassen im Allgemeinen computerausführbare Anweisungen, wobei die Anweisungen durch eine oder mehrere Rechenvorrichtungen, wie etwa die vorstehend aufgeführten, ausführbar sein können. Computerausführbare Anweisungen können durch Computerprogramme kompiliert oder interpretiert werden, die mittels einer Vielfalt von Programmiersprachen und/oder -techniken erstellt wurden, einschließlich, nicht jedoch eingeschränkt auf – und entweder eigenständig oder in Kombination – Java^TM, C, C++, Visual Basic, Java Script, Perl, Matlab Simulink, TargetLink etc. Im Allgemeinen erhält ein Prozessor (z. B. ein Mikroprozessor) Anweisungen, beispielsweise aus einem Speicher, einem computerlesbaren Medium etc., und führt diese Anweisungen aus, wobei ein Prozess oder mehrere Prozesse durchgeführt werden, einschließlich eines oder mehrerer der hierin beschriebenen Prozesse. Solche Anweisungen und andere Daten können unter Verwendung einer Vielzahl von computerlesbaren Medien gespeichert und übertragen werden.
Ein computerlesbares Medium (auch als ein prozessorlesbares Medium bezeichnet) umfasst jegliches nicht vorübergehendes (z. B. greifbares) Medium, das bei der Bereitstellung von Daten (z. B. Anweisungen) mitwirkt, die von einem Computer gelesen werden können (z. B. von einem Prozessor eines Computers). Ein solches Medium kann viele Formen annehmen, einschließlich, nicht jedoch eingeschränkt auf, nicht flüchtiger Medien und flüchtiger Medien. Nicht flüchtige Medien können beispielsweise EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory – eine Art von nicht flüchtigem Speicher, der in Computern und anderen elektronischen Geräten verwendet wird, um kleine Mengen von Daten zu speichern, die gespeichert werden müssen, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird, z. B. Kalibrierungstabellen oder Gerätekonfigurationen), optische oder magnetische Laufwerke und andere persistente Speicher umfassen. Flüchtige Medien können zum Beispiel dynamische Direktzugriffsspeicher (Dynamic Random Access Memory, DRAM) umfassen, die typischerweise einen Hauptspeicher bilden. Solche Anweisungen können über ein oder mehrere Übertragungsmedien übertragen werden, einschließlich Koaxialkabel, Kupferdraht und Glasfaserkabel und einschließlich der Drähte, die einen mit einem Prozessor eines Computers verbundenen Systembus umfassen. Übliche Formen von computerlesbaren Medien umfassen beispielsweise eine Diskette, eine flexible Diskette, eine Festplatte, ein Magnetband, jeden anderen magnetischen Datenträger, eine CD-ROM, DVD, jeden anderen optischen Datenträger, Lochkarten, Lochstreifen, jeden anderen physikalischen Datenträger mit Lochmustern, ein RAM, ein PROM, ein EPROM, ein FLASH-EEPROM, jeden anderen Speicherchip oder jede andere Kassette oder jedes andere Medium, von dem ein Computer lesen kann.
Datenbanken, Datenrepositorien oder andere hierin beschriebene Datenspeicher können verschiedene Arten von Mechanismen für das Speichern, den Zugriff und den Abruf verschiedener Arten von Daten umfassen, einschließlich einer hierarchischen Datenbank, einem Satz von Dateien in einem Dateisystem, einer Anwendungsdatenbank in einem proprietären Format, einem relationalen Datenbankmanagementsystem (RDBMS) etc. Ein jeder solcher Datenspeicher ist im Allgemeinen in einer Rechenvorrichtung, wie einer der oben genannten, die ein Computer-Betriebssystem verwendet, enthalten, und der Zugriff darauf erfolgt über ein Netzwerk in einer bestimmten oder einer Vielzahl von Arten. Ein Dateisystem kann über ein Computer-Betriebssystem zugänglich sein und Dateien umfassen, die in den verschiedensten Formaten gespeichert sind. Ein RDBMS verwendet im Allgemeinen die Structured Query Language (SQL) neben einer Sprache für das Erstellen, Speichern, Bearbeiten und Ausführen von gespeicherten Prozeduren, wie z. B. die vorstehend erwähnte Programmiersprache SQL.
In einigen Beispielen können Systemelemente als computerlesbare Anweisungen (z. B. Software) auf einer oder mehreren Rechenvorrichtungen (z. B. Server, Personalcomputer etc.) implementiert sein, die auf damit verbundenen computerlesbaren Medien (z. B. Festplatten, Speicher etc.) gespeichert sind. Ein Computerprogrammprodukt kann solche auf einem computerlesbaren Medium gespeicherten Anweisungen umfassen, um die hierin beschriebenen Funktionen durchzuführen.
Bezüglich der Prozesse, Systeme, Verfahren, Heuristiken etc., die hierin beschrieben sind, ist zu verstehen, dass zwar die Schritte von solchen Prozessen etc. so beschrieben worden sind, dass sie gemäß einer gewissen geordneten Sequenz auftreten, solche Prozesse jedoch auch praktiziert werden könnten, wenn die beschriebenen Schritte in einer anderen als der hierin beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist weiterhin zu verstehen, dass gewisse Schritte gleichzeitig ausgeführt werden könnten, dass andere Schritte hinzugefügt werden könnten oder dass gewisse hierin beschriebene Schritte entfallen könnten. Anders ausgedrückt werden die Beschreibungen von Prozessen hierin zum Zweck der Veranschaulichung gewisser Ausführungsformen bereitgestellt und sollten in keinerlei Weise so ausgelegt werden, als dass sie die Ansprüche beschränken.
Dementsprechend ist zu verstehen, dass die obige Beschreibung veranschaulichend und nicht beschränkend sein soll. Viele Ausführungsformen und Anwendungen außer den bereitgestellten Beispielen würden bei der Lektüre der obigen Beschreibung ersichtlich sein. Der Schutzbereich sollte nicht unter Bezugnahme auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern sollte stattdessen unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit dem vollen Umfang an Äquivalenten, auf den solche Ansprüche ein Recht haben, bestimmt werden. Es wird erwartet und es ist beabsichtigt, dass es in den hierin erörterten Techniken zukünftige Entwicklungen geben wird und dass die offenbarten Systeme und Verfahren in solche zukünftige Ausführungsformen integriert werden. Zusammenfassend ist zu verstehen, dass die Anmeldung modifiziert und variiert werden kann.
Alle in den Ansprüchen verwendeten Ausdrücke sollen ihre breitesten annehmbaren Konstruktionen und ihre üblichen Bedeutungen erhalten, wie der Fachmann versteht, sofern nicht hierin eine explizite gegenteilige Angabe gemacht wird.
Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen sind die in der Beschreibung verwendeten Wörter nicht Wörter der Beschränkung, sondern der Beschreibung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Implementierungsausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Fahrzeugbatteriekühlsystem umfassend: eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Batterie; und ein Steuergerät, das programmiert wurde, um die Vorrichtung entsprechend jeweils einer Reihe von abgeschätzten Temperaturen der Batterie zu betreiben, die auf der Wärmeerzeugung, gespeicherten Wärmeenergie und Wärmeübertragungsraten basieren, die der Batterie auf solche Weise zugeordnet werden, dass die Reihe eine abgeschätzte Temperaturwellenform bildet, die zeitweilig vor einer gemessenen Temperaturwellenform der Batterie Vorrang hat.
System nach Anspruch 1, wobei die Wärmeerzeugungsrate auf einer Leistung der Batterie und einer Leerlaufspannung als Funktion des Ladezustands der Batterie basiert.
System nach Anspruch 1, wobei die Wärmeerzeugungsrate auf einem Produkt einer Stromstärke der Batterie und einer Differenz zwischen der Spannung der Batterie und einer Leerlaufspannung der Batterie basiert.
System nach Anspruch 1, wobei die gespeicherte Wärmeenergierate auf einer Änderungsrate der abgeschätzten Batterietemperatur und einer Wärmekapazität der Batterie basiert.
System nach Anspruch 1, wobei die Wärmeübertragungsrate auf einer Differenz zwischen einer Temperatur der Batterie-Eingangsluft und der abgeschätzten Temperaturen der Batterie basiert.
System nach Anspruch 1, wobei das Betreiben der Vorrichtung die Aktivierung der Vorrichtung umfasst.
Verfahren für die Temperaturverwaltung der Batterie umfassend: den Betrieb eines Kühlsystems mittels eines Steuergeräts, um eine Batterie in Reaktion auf eine Reihe von abgeschätzten Batterietemperaturen zu kühlen, die jeweils auf der Wärmeerzeugung, gespeicherten Wärmeenergie und Wärmeübertragungsraten basieren, die mit der Batterie verbunden sind und Änderungen der internen Batterietemperatur wiedergeben, bevor Sensoren Änderungen der internen Batterietemperatur wiedergeben, um zu verhindern, dass die Batterie einen Schwellenwert für die interne Temperatur überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wärmeerzeugungsraten auf einer Leistung der Batterie und einer Leerlaufspannung als Funktion des Ladezustands der Batterie basieren.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wärmeerzeugungsraten auf einem Produkt einer Stromstärke der Batterie und einer Differenz zwischen der Spannung der Batterie und einer Leerlaufspannung der Batterie basieren.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die gespeicherte Wärmeenergie auf einer Änderungsrate der Reihe abgeschätzter Temperaturen der Batterie und einer Wärmekapazität der Batterie basiert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Wärmeübertragungsraten in Verbindung mit der Batterie auf einer Differenz zwischen einer Temperatur der Batterie-Eingangsluft und der abgeschätzten Temperaturen der Batterie basieren.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Betrieb des Kühlsystems die Aktivierung des Kühlsystems umfasst.
Fahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Traktionsbatterie; ein für die Kühlung der Traktionsbatterie konfiguriertes Kühlsystem; und ein Steuergerät, das programmiert ist, um das Kühlsystem in Reaktion auf eine Reihe von abgeschätzten Batterietemperaturen zu kühlen, die jeweils auf der Wärmeerzeugung, gespeicherten Wärmeenergie und Wärmeübertragungsraten basieren, die mit der Batterie verbunden sind und Änderungen der internen Batterietemperatur wiedergeben, bevor Sensoren Änderungen der internen Batterietemperatur wiedergeben, um zu verhindern, dass die Batterie einen Schwellenwert für die interne Temperatur überschreitet.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Wärmeerzeugungsrate auf einer Leistung der Batterie und einer Leerlaufspannung als Funktion des Ladezustands der Batterie basiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Wärmeerzeugungsrate auf einem Produkt einer Stromstärke der Batterie und einer Differenz zwischen der Spannung der Batterie und einer Leerlaufspannung der Batterie basiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die gespeicherte Wärmeenergie auf einer Änderungsrate der abgeschätzten Temperaturen der Batterie und einer Wärmekapazität der Batterie basiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Wärmeübertragungsrate auf einer Differenz zwischen einer Temperatur der Batterie-Eingangsluft und der abgeschätzten Temperaturen der Batterie basiert.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Betrieb des Kühlsystems die Aktivierung des Kühlsystems umfasst.