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TECHNISCHES GEBIET
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Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von Batteriepaket-Spannungsmessungen für elektrifizierte Fahrzeuge, etwa Elektro- und Hybridfahrzeuge.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektrifizierte Fahrzeuge wie etwa Elektro- und Hybridfahrzeuge weisen ein Batteriepaket, das auch als Fahrbatterie oder Fahrbatteriepaket bezeichnet wird, und eine elektrische Maschine zum Antreiben des Fahrzeugs auf. Hybridfahrzeuge weisen eine Brennkraftmaschine, die zum Laden des Batteriepakets und/oder zum Antreiben des Fahrzeugs genutzt werden kann, in Kombination mit der elektrischen Maschine auf. Das Fahrbatteriepaket weist mehrere einzelne, miteinander verbundene Batteriezellen auf, um Leistung an das Fahrzeug bereitzustellen. Ein Batterie-Managementsystem (BMS) in elektrifizierten Fahrzeugen misst die Spannung des Fahrbatteriepakets sowie die Spannungen der einzelnen Zellen. Die Batteriepaketspannung wird häufig in vielerlei Aspekten der Fahrzeug- und Batteriesteuerung herangezogen, z. B. Schätzung der Online-Leistungsfähigkeit einer Batterie, Zellenausgleich, Batterie-Überlade- und Tiefentladeschutz, Bestimmung der Andrehverfügbarkeit der Kraftmaschine (bei Hybridfahrzeugen), Lebensende-Beurteilung der Batterie, Leckstrommessung, Bestimmung des Kontaktgeberstatus, Laden der Batterie etc.
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Aufgrund der höheren Betriebsspannungen einer Fahrbatterie im Vergleich zu einer Hilfsbatterie ist ein Messsystem für typische Batteriepaketspannungen in der Lage, bis zu mehreren hundert Volt zu messen. Allerdings führt der nötige Messbereich solcher Batteriepaket-Spannungsmessungen häufig zu Kompromissen bezüglich der Genauigkeit der Messungen, um für akzeptable Kosten und Komplexität des Systems bei der großindustriellen Fertigung zu sorgen. Die Genauigkeit der Batteriepaket-Spannungsmessungen über den Betriebsbereich kann verschiedene Batterie- und Fahrzeugsteuerungsfunktionen beeinflussen. Ein Messsystem für den gesamten Messbereich mit erwünschter Genauigkeit, um anspruchsvolle Steuerungsfunktionen bereitstellen zu können, mündet häufig in einer relativ teuren Hardware-Lösung. Die Kosten dieser zusätzlichen Hardware sind pro Einheit zu betrachten.
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KURZFASSUNG
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Systeme und Verfahren zur Batteriepaket-Spannungsmessung in elektrifizierten Fahrzeugen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwenden Batteriezellen-Spannungssensoren, um die Genauigkeit der Spannungsmessung am Batteriepaket zu verbessern. Eine Versatzkorrektur für den Batteriepaket-Spannungssensor wird basierend auf Messungen einzelner Batteriezellen relativ zur Batteriepaket-Spannungsmessung unter spezifischen Betriebsbedingungen bestimmt.
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In verschiedenen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung weist ein Fahrzeug ein Batteriepaket mit einzelnen Zellen und eine elektrische Maschine auf, die durch das Batteriepaket mit Strom versorgt wird, um das Fahrzeug anzutreiben. Das Fahrzeug weist ein Steuerungsmodul oder eine Steuerung auf, das/die dafür programmiert ist, die Batterie und/oder das Fahrzeug in Reaktion auf eine bekannt gemachte Paketspannung unter Verwendung eines Paketspannungsversatzes zu steuern, der aktualisiert wird, wenn die Spannungsänderung, -schwankung oder -frequenz des Batteriepakets niedrig oder gering ist, und basierend auf einer Differenz zwischen der Batteriepaketspannung und einer Summe der Spannungen der einzelnen Zellen. Das Fahrzeug kann außerdem eine Brennkraftmaschine aufweisen, die mit der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Ausführungsformen können eine Steuerung aufweisen, die dafür programmiert ist, einen dV/dt-Wert basierend auf der Abtastung der Batteriepaketspannung zu berechnen. Die Steuerung kann außerdem dafür programmiert sein, den Spannungsversatz des Batteriepakets basierend auf mehreren Differenzwerten zu berechnen, wobei jeder Differenzwert der Differenz zwischen der Batteriepaketspannung und der Summe der Spannungen der einzelnen Zellen für eine entsprechende periodische Messung oder Abtastung entspricht. Die Batteriepaketspannung kann bekannt gemacht werden zur Verwendung durch eine oder mehrere Batterie- oder Fahrzeugsteuerungen, wobei die bekannt gemachte Paketspannung auf der Kombination einer gemessenen Paketspannung mit dem Spannungsversatz des Batteriepakets basiert. Die Steuerung kann Differenzwerte speichern, die der Differenz zwischen der Batteriepaketspannung und der Summe der Spannungen der einzelnen Zellen für eine entsprechende periodische Messung entsprechen, und einen gleitenden Mittelwert der Differenzwerte berechnen.
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In einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein Fahrzeugprozessor oder eine Fahrzeugsteuerung dafür ausgelegt oder programmiert, einen Spannungsversatz des Batteriepakets basierend auf einem gleitenden Mittelwert gespeicherter Differenzwerte zu berechnen, die der Differenz zwischen der Batteriepaketspannung und der Summe der Spannungen der einzelnen Betteriezellen für entsprechende periodische Abtastungen oder Messungen entsprechen. Die Steuerung kann Differenzwerte verwerfen, die einen entsprechenden Differenzschwellwert übersteigen, der basierend auf einer Standardabweichung der gespeicherten Differenzwerte berechnet werden kann. Der Fahrzeugprozessor oder die Fahrzeugsteuerung kann einen oder mehrere Differenzwerte, die der Differenz zwischen der Batteriepaketspannung und der Summe der Spannungen der einzelnen Zellen entsprechen, in einem persistenten, nichtflüchtigen Speicher speichern, so dass sie nach einem späteren Zündung-ein-Ereignis des Fahrzeugs verwendet werden können.
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung weisen außerdem ein Steuerungsverfahren für ein Fahrzeug auf, das ein Batteriepaket mit Batteriezellen besitzt, welches mit einem Steuerungsmodul gekoppelt ist, das dafür programmiert ist, das Verfahren durchzuführen und das Fahrzeug zu steuern. Das Steuerungsverfahren kann beinhalten, durch das Steuerungsmodul einen Spannungsversatz basierend auf einer mittleren Differenz zwischen der gemessenen Batteriepaketspannung und einer Summe gemessener Batteriezellenspannungen anzupassen und den Spannungsversatz mit der gemessenen Batteriepaketspannung zu kombinieren zwecks Steuerung der Batterie oder des Fahrzeugs. Das Steuerungsverfahren kann außerdem beinhalten, den Spannungsversatz nur dann anzupassen, wenn die Schwankung oder Frequenz der gemessenen Batteriepaketspannung niedrig oder unter einem zugehörigen Schwellwert ist. In verschiedenen Ausführungsformen beinhaltet das Steuerungsverfahren, die Schwankung der Batteriepaketspannung basierend auf Differenzen zwischen benachbarten Abtastungen dividiert durch die Abtastzeit zu berechnen, was einschließen kann, eine Zeitableitung der Paketspannung zu berechnen oder zu schätzen. Das Steuerungsverfahren kann in einigen Ausführungsformen beinhalten, durch das Steuerungsmodul die mittlere Differenz zwischen der gemessenen Batteriepaketspannung und der Summe der gemessenen Spannungen der einzelnen Zellen zu berechnen und dazu lediglich Differenzwerte heranzuziehen, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen, der auf plus/minus drei Standardabweichungen der für die Bestimmung einer aktuellen mittleren Differenz verwendeten Differenzwerte basieren kann. Die mittlere Differenz kann auf einem Gleitfenster von Differenzwerten basieren, wobei jeder Differenzwert innerhalb eines Bereichs liegt, der auf einer Standardabweichung vorheriger Differenzwerte basiert.
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Andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beinhalten ein Computerprogrammprodukt, das in einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Speichermedium ausgeführt ist und das Anweisungen zur Programmierung eines Prozessors zum Steuern eines Fahrzeugs mit einem aus einzelnen Batteriezellen bestehenden Batteriepaket enthält. Das Computerprogrammprodukt kann Anweisungen zur Überwachung von Schwankungen in der gemessenen Batteriepaketspannung und zur Anpassung der gemessenen Batteriepaketspannung um einen Versatz basierend auf einer Differenz zwischen der gemessenen Paketspannung und einer Summe der Spannungen der einzelnen Batteriezellen, wenn die Schwankung unter einem Schwellwert liegt, enthalten, um die Genauigkeit der Batteriepaket-Spannungsmessungen zu verbessern. Das Computerprogrammprodukt kann außerdem Anweisungen enthalten zur Aktualisierung des Versatzes basierend auf einer mittleren Differenz zwischen der gemessenen Paketspannung und der Summe der Spannungen der einzelnen Batteriezellen sowie Anweisungen zur Berechnung eines mittleren Differenzwerts zwischen der gemessenen Paketspannung und einer Summe der Spannungen mithilfe eines Gleitfensters von Abtastungen, wobei ausschließlich Differenzwerte einbezogen werden, die innerhalb eines Bereichs von vorbestimmten Differenzwerten liegen. Eine oder mehrere Ausführungsformen des Computerprogrammprodukts können Anweisungen zur Berechnung einer Ableitung der gemessenen Batteriepaketspannung zur Überwachung von Schwankungen in der gemessenen Batteriepaketspannung enthalten.
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können einen oder mehrere Vorteile bieten. Beispielsweise können Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung die Genauigkeit von Batteriepaket-Spannungsmessungen oder -bestimmungen, die in einer Vielzahl von Batterie- und Fahrzeugsteuerungsfunktionen verwendet werden, über den gesamten Betriebsspannungsbereich verbessern, der bei Elektrofahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen anzutreffen ist. Die verbesserte Genauigkeit kann unter Verwendung vorhandener Sensoren oder Hardware durch eine/n programmierte/n Prozessor bzw. Steuerung erzielt werden, so dass keine zusätzlichen Kosten für Hardware anfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockschaltbild eines repräsentativen Elektrofahrzeugs mit einem/einer fahrzeuginternen Prozessor bzw. Steuerung, der/die das Fahrzeug anhand einer bekannt gemachten Batteriepaketspannung basierend auf einem Spannungsversatz steuert, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist ein Blockschaltbild, das eine repräsentative Ausführungsform eines Fahrbatteriepakets eines Fahrzeugs mit Spannungssensormodulen für das Batteriepaket sowie für die einzelnen Batteriezellen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
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3 ist ein Blockschaltbild, das Funktionen einer repräsentativen Batteriezellenüberwachungs-IC für ein Fahrbatteriepaket zur Verwendung bei der Bestimmung eines Spannungsversatzes gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
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4 ist ein Blockschaltbild, das den Betrieb eines Systems oder Verfahrens zur Steuerung eines Elektrofahrzeugs darstellt, einschließlich der Aktualisierung eines Spannungsversatzes des Batteriepakets, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, werden hier detaillierte Ausführungsformen offenbart; es ist jedoch einzusehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich repräsentativ für den beanspruchten Erfindungsgegenstand sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische, hier offenbarte strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet eine Anleitung bieten soll, um die Ausführungsformen auf vielfältige Weise einzusetzen. Wie ein Durchschnittsfachmann verstehen wird, sind verschiedene unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale kombinierbar mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von Merkmalen ergeben repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die im Einklang mit dieser Offenbarung stehen, könnten jedoch für besondere Anwendungen oder Implementierungen gewünscht werden.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sehen allgemein mehrere Schaltungen oder andere elektrische Vorrichtungen vor. Alle Verweise auf Schaltungen und andere elektrische Vorrichtungen sowie die jeweils bereitgestellte Funktionalität sind nicht als Einschränkung auf die jeweilige Darstellung oder Beschreibung hierin gedacht. Obwohl für die verschiedenen offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Vorrichtungen bestimmte Bezeichnungen vergeben sein können, sollen diese Bezeichnungen den Umfang des Betriebs der Schaltungen und anderen elektrischen Vorrichtungen in keiner Weise einschränken. Derartige Schaltungen und andere elektrische Vorrichtungen können je nach Art der jeweils gewünschten elektrischen Implementierung miteinander kombiniert und/oder voneinander getrennt werden. Es versteht sich, dass jegliche hier offenbarte Schaltung oder andere elektrische Vorrichtung eine beliebige Anzahl Mikroprozessoren, integrierte Schaltungen, nichtflüchtige Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (Random Access Memory, RAM), Festwertspeicher (Read-Only Memory, ROM), elektrisch programmierbare Festwertspeicher (Electrically Programmable Read Only Memory, EPROM), elektrisch löschbare programmierbare Festwertspeicher (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, EEPROM) oder geeignete andere Varianten davon) und Software aufweisen können, die zusammenwirken, um die hierin offenbarte(n) Operation(en) auszuführen. Darüber hinaus können eine oder mehrere der elektrischen Vorrichtungen dafür ausgelegt sein, ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Speichermedium ausgeführt ist, welches Anweisungen zur Programmierung eines Computers oder einer Steuerung für die Ausführung einer beliebigen Anzahl der offenbarten Funktionen enthält.
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1 ist ein Blockschaltbild eines repräsentativen Elektrofahrzeugs mit einem/einer fahrzeuginternen Prozessor bzw. Steuerung, der/die das Fahrzeug unter Verwendung einer bekannt gemachten Batteriepaketspannung basierend auf einem Spannungsversatz steuert, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Auch wenn in dieser repräsentativen Ausführungsform ein Steckdosen-Hybridfahrzeug mit Brennkraftmaschine dargestellt ist, werden Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet der Technik erkennen, dass die offenbarten Ausführungsformen auch in einem herkömmlichen Hybridfahrzeug, einem Elektrofahrzeug oder einem beliebigen anderen Fahrzeugtyp mit einem aus einzelnen Batteriezellen bestehenden Batteriepaket, das zum Antreiben des Fahrzeugs wenigstens unter einigen Betriebsbedingungen genutzt wird, implementiert werden kann.
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Ein Steckdosen-Hybrid-Elektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybrid-Getriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 sind unter Umständen in der Lage, als Motor oder als Generator betrieben zu werden. Bei Hybridfahrzeugen ist ein Getriebe 16 mechanisch mit einer Brennkraftmaschine 18 verbunden. Das Getriebe 16 ist außerdem mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 14 können eine Antriebs- und Abbremsfähigkeit bereitstellen, egal, ob die Kraftmaschine 18 in Betrieb ist oder nicht. Die elektrischen Maschinen 14 können auch als Generatoren fungieren und Vorteile in der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bieten, indem Energie, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren gehen würde, zurückgewonnen wird. Die elektrischen Maschinen 14 können außerdem die Emissionen des Fahrzeugs reduzieren, indem sie es ermöglichen, die Kraftmaschine 18 mit effizienteren Drehzahlen zu betreiben, und indem sie es ermöglichen, das Hybrid-Elektrofahrzeug 12 in einer elektrischen Betriebsart zu betreiben, in der die Kraftmaschine 18 unter bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist. Ähnliche Vorteile können bei einem Elektrofahrzeug erzielt werden, das keine Brennkraftmaschine 18 aufweist.
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Eine Fahrbatterie oder ein Fahrbatteriepaket 24 speichert Energie in mehreren zusammengeschalteten einzelnen Batteriezellen, die von den elektrischen Maschinen 14 genutzt werden kann. Ein Fahrzeugbatteriepaket 24 stellt üblicherweise einen hohen Gleichspannungsausgang bereit, obwohl Spannung und Strom je nach den spezifischen Betriebsbedingungen und Belastungen variieren können. Das Fahrbatteriepaket 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen verbunden. Ein oder mehrere (nicht dargestellte) Schütze können im geöffneten Zustand das Fahrbatteriepaket 24 von anderen Komponenten isolieren und im geschlossenen Zustand das Fahrbatteriepaket 24 mit anderen Komponenten verbinden. Das Leistungselektronikmodul 26 ist auch elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden und bietet die Möglichkeit, Energie zwischen dem Fahrbatteriepaket 24 und den elektrischen Maschinen 14 in beide Richtungen zu übertragen. So kann beispielsweise ein typisches Fahrbatteriepaket 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 14 einen Dreiphasen-Wechselstrom benötigen können, um ordnungsgemäß zu arbeiten. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, je nach Bedarf der elektrischen Maschinen 14. In einer regenerativen Betriebsart kann das Leistungselektronikmodul 26 den Dreiphasen-Wechselstrom von den elektrischen Maschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die Gleichspannung umwandeln, die vom Fahrbatteriepaket 24 benötigt wird. Die hier vorliegende Beschreibung gilt gleichermaßen bei einem batteriegetriebenen Fahrzeug (Battery Electric Vehicle, BEV), bei dem das Hybrid-Getriebe 16 als Getriebe ausgeführt sein kann, das mit einer elektrischen Maschine 14 verbunden ist, und die Kraftmaschine 18 unter Umständen nicht vorhanden ist, wie vorstehend beschrieben.
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Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann das Fahrbatteriepaket 24 Energie für andere elektrische Systeme im Fahrzeug bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlermodul 28 aufweisen, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgangsleistung der Fahrbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichspannungs-Leistung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochspannungslasten, wie Kompressoren und elektrische Kabinen- oder Komponentenheizelemente, können direkt mit der Hochspannung verbunden sein, ohne ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlermodul 28 zu verwenden. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-V-, 24-V- oder 48-V-Batterie) verbunden sein.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Fahrzeuge wie etwa das Fahrzeug 12, das ein Hybrid oder Hybrid zur Reichweitenvergrößerung sein kann, oder ein Elektrofahrzeug oder ein Steckdosen-Hybridfahrzeug, in dem das Fahrbatteriepaket 24 über eine externe Stromquelle 36 aufgeladen werden kann, einschließen. Die externe Stromquelle 36 kann als Verbindung zu einer Steckdose, die mit dem Stromnetz verbunden ist, ausgeführt sein. Die externe Stromquelle 36 kann elektrisch mit dem Elektrofahrzeug-Ladegerät (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE) 38 verbunden sein. Das EVSE 38 kann die Schaltungen und Steuerungen zum Regeln und Verwalten der Energieübertragung zwischen der Stromquelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitstellen. Die externe Stromquelle 36 kann Gleichstrom oder Wechselstrom für das EVSE 38 bereitstellen. Das EVSE 38 kann über einen Ladeverbinder 40 für das Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 verfügen. Der Ladeanschluss 34 kann jede Art von Anschluss sein, der ausgelegt ist, um Strom vom EVSE 38 an das Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem eingebauten Stromwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Stromwandlungsmodul 32 kann den vom EVSE 38 gelieferten Strom aufbereiten, um die geeigneten Spannungs- und Strompegel für die Fahrbatterie 24 bereitzustellen. Das Stromwandlungsmodul 32 kann mit dem EVSE 38 verschaltet sein, um die Stromlieferung an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 40 kann über Stifte verfügen, die in entsprechende Aussparungen des Ladeanschlusses 34 greifen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die hier als elektrisch verbunden beschrieben werden, Strom mittels einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
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Die verschiedenen in 1 dargestellten Komponenten können über eine oder mehrere zugehörige Steuerungen verfügen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. ein Steuerungsnetz (Controller Area Network, CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Wie nachstehend noch ausführlicher beschrieben, können verschiedene Betriebsparameter oder Variablen über den CAN oder andere Leitungen rundgesendet oder bekannt gemacht werden, um von anderen Fahrzeugsteuerungsmodulen oder -untermodulen zur Steuerung des Fahrzeugs oder von Fahrzeugkomponenten, etwa des Fahrbatteriepakets 24, genutzt zu werden. Eine oder mehrere Steuerungen können unabhängig betrieben werden, ohne mit einer oder mehreren anderen Steuerungen zu kommunizieren. Wie unter Bezugnahme auf 2-4 ausführlicher beschrieben, kann eine der Steuerungen durch ein Batterieenergie-Steuerungsmodul (Battery Energy Control Module, BECM) 46 implementiert sein, um verschiedene Lade- und Entladefunktionen, Batteriezellen-Ladungsausgleich, Spannungsmessungen an Batteriepaketen, Spannungsmessungen an einzelnen Batteriezellen, Batterie-Überladeschutz, Batterie-Tiefentladeschutz, Lebensende-Bestimmung der Batterie etc. zu steuern. In einer Ausführungsform ist das BECM 46 dafür programmiert, einen Spannungsversatz basierend auf einer mittleren Differenz zwischen einer gemessenen Batteriepaketspannung und einer Summe von gemessenen Spannungen der Batteriezellen anzupassen, den Spannungsversatz mit der gemessenen Batteriepaketspannung zu kombinieren und den kombinierten Spannungswert zur Verwendung bei der Steuerung des Fahrzeugs bekannt zu machen. Das BECM 46 kann innerhalb des Fahrbatteriepakets 24 angeordnet sein und kann mit verschiedenen Arten nichtflüchtiger, computerlesbarer Speichermedien einschließlich persistente und temporäre Speichervorrichtungen kommunizieren, um Batteriespannungsmessungen und zugehörige Statistiken zu speichern, die einen Mittelwert, eine Standardabweichung, zugehörige Schwellwerte etc. einschließen können.
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Fahrbatteriepakete von Fahrzeugen können unter Verwendung verschiedener physischer Anordnungen oder Architekturen sowie verschiedener chemischer Formulierungen aufgebaut sein. Typische Batteriepaketzusammensetzungen beinhalten Bleisäure, Nickel-Metallhydrid (NIMH) oder Lithiumion. 2 zeigt ein typisches Fahrbatteriepaket 24 mit einer einfachen seriellen Anordnung von mehreren einzelnen Batteriezellen 42. Andere Batteriepakete können sich jedoch aus einer beliebigen Anzahl von einzelnen Batteriezellen zusammensetzen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind oder eine Kombination dieser Schaltungsanordnungen aufweisen. Wie vorstehend beschrieben, kann ein typisches System über eine oder mehrere Steuerungen verfügen, beispielsweise ein BECM 46 und LV Master Micro 47, die verschiedene Funktionen des Fahrbatteriepakets 24 überwachen und steuern. BECM 46, LV Master Micro 47 und/oder andere Steuerungen bzw. Steuerungsmodule können mehrere Masseneigenschaften des Batteriepakets, etwa den Batteriepaketstrom 48, die Batteriepaketspannung 52 und die Batteriepakettemperatur 54, sowie Eigenschaften, die den einzelnen Batteriezellen 42 zuzuordnen sind, überwachen. Jede Steuerung bzw. jedes Steuerungsmodul kann über einen nichtflüchtigen Speicher verfügen, so dass Daten aufbewahrt werden können, wenn die Steuerung im Aus-Zustand ist, so dass sie nach einem späteren Zündung-ein-Ereignis des Fahrzeugs verwendet werden können wie vorstehend beschrieben. In ähnlicher Weise kann/können die Steuerung(en) integrierte nichtflüchtige, computerlesbare Speicher aufweisen, die Anweisungen zum Programmieren der Steuerung(en) oder des/der zugehörigen Prozessors/Prozessoren zum Steuern des Batteriepakets 24 und/oder des Fahrzeugs 12 enthalten, einschließlich Anweisungen zur Überwachung von Schwankungen in der gemessenen Batteriepaketspannung basierend auf Batteriepaket-Spannungsmessungen 52 und Anweisungen zur Anpassung der gemessenen Batteriepaketspannung um einen Versatz basierend auf einer Differenz zwischen der gemessenen Batteriepaketspannung und einer Summe der Spannungen der einzelnen Batteriezellen 42, wenn die Änderung oder Schwankung der Paketspannung unter einem Schwellwert liegt, wie unter Bezugnahme auf 4 ausführlicher beschrieben.
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In verschiedenen Ausführungsformen misst das BECM 46 die Batteriepaketspannung und die Zellenspannungen mit verschiedenen Abtastraten. Die Batteriepaketspannung kann schneller oder häufiger gemessen werden als die Spannungen der einzelnen Zellen. Aufgrund der verschiedenen Abtastraten etc. können die Messung der Batteriepaketspannung und die Messungen der Spannungen von einzelnen Batteriezellen (oder Zellengruppen) verschiedene Filterausgestaltungen aufweisen (sowohl Hardware-Filter als auch digitale Filter). Allerdings liegen für die niederfrequenten Komponenten, insbesondere die Gleichspannungskomponente der Spannungen, die Ausgangswert der beiden Filter sehr dicht beisammen.
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Das BECM 46 kann Hardware und/oder Software aufweisen, um verschiedene Batteriefunktionen zu steuern, beispielsweise etwa Batteriezellen-Ladungsausgleich, thermische Batteriekonditionierung, Spannungsmessung einzelner Batteriezellen und Batteriepaket-Spannungsmessung. Wie für Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet allgemein verständlich, kann ein Ladungsausgleich bei manchen Batteriezusammensetzungen wichtiger sein als bei anderen, wird jedoch ausgeführt, um die einzelnen Ladungen jeder Batteriezelle auszugleichen, indem Zellen entladen werden, die über einen gewünschten Schwellwert hinaus geladen wurden, und Zellen geladen werden, deren Ladung unterhalb des gewünschten Schwellwerts liegt. In vielen Anwendungen sind die Zellenspannungssensoren von einer erheblich größeren Genauigkeit als der Batteriepaket-Spannungssensor. Die vorliegende Offenbarung erkennt, dass die Summe der Zellenspannungssensorfehler für N Zellen signifikant kleiner sein kann als der Fehler des relativ teuren Batteriepaket-Spannungssensors. Daher ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die Summe der Zellenspannungsmessungen ein besserer Indikator der Paketspannung, wenn die Änderungen oder Schwankungen der Paketspannung nur klein sind.
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Neben der Überwachung der Masseneigenschaften des Batteriepakets kann das BECM 46 auch Eigenschaften auf Zellebene überwachen und/oder steuern, etwa die Spannungen einzelner Zellen oder Zellengruppen, die beim Ladungsausgleich und/oder zur Bestimmung einer bekannt gemachten Batteriepaketspannung herangezogen werden, wie hier beschrieben. So können beispielsweise die Anschlussspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle gemessen werden. Eine Batteriesteuerung, die in dieser Ausführungsform durch ein BECM 46 implementiert ist, kann Spannungsüberwachungsschaltungen oder Sensormodule 44 aufweisen, um die Spannung über den Anschlüssen jeder der N Zellen 42 des Batteriepakets 24 zu messen. In einer Ausführungsform ist das BECM 46 dafür programmiert, das Fahrzeug in Reaktion auf eine bekannt gemachte Batteriepaketspannung zu steuern, unter Verwendung eines Spannungsversatzes des Batteriepakets, der aktualisiert wird, sobald eine gefilterte Batteriepaketspannung unter einem Schwellwert liegt, und basierend auf einer Differenz zwischen der Batteriepaketspannung und einer Summe der Spannungen der einzelnen Zellen, wie ausführlicher unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Die gefilterte Batteriepaketspannung kann verwendet werden, um die Änderung oder Schwankung der Batteriepaketspannung über einen vorbestimmten Zeitraum zu messen.
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Es wird nun Bezug genommen auf 3, die ein Blockschaltbild eines repräsentativen Batteriepakets 24 zeigt, welches ein Sensormodul 44 aufweist, das einer oder mehreren einzelnen Batteriezellen 42 zugeordnet ist und zur Bestimmung und/oder Bekanntmachung einer Batteriepaketspannung für die Verwendung in verschiedenen Batterie- oder Fahrzeugsteuerungen dient. Das Batteriepaket 24 weist mehrere Batteriezellen 42 auf. Obwohl nur drei Zellen dargestellt sind, die mit einer Überwachungs-IC für einzelne Zellen verbunden sind, werden Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet erkennen, das Fahrbatteriepakete häufig dutzende oder hunderte Zellen aufweisen, die in einer/einem oder mehreren Gruppen, Bausteinen oder Blöcken von Zellen angeordnet sein können, wobei jede(r) Gruppe, Baustein oder Block ein(e) zugehörige(s) Zellenüberwachungs-IC oder Sensormodul 44 aufweist (wie in 2 dargestellt). In gleicher Weise und obwohl die Batteriezellen 42 als einzelne Zellen 82 dargestellt sind, die in Reihe geschaltet sind und Spannungsfühlerleitungen 84, 86 sowie eine Ladungsausgleich-Schaltverbindung 88 besitzen, können auch andere Anordnungen bereitgestellt werden, abhängig von der jeweiligen Anwendung und Implementierung. Daher kann eine Bestimmung der Batteriepaketspannung basierend auf einem Versatz, der durch eine Batterie- oder Fahrzeugsteuerung berechnet wird wie hier beschrieben, durch verschiedene andere Arten von Anordnungen oder Gruppierungen einzelner Batteriezellen 82 implementiert oder auf diese angewandt werden.
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Wie vorstehend beschrieben können das BECM 46 oder eine oder mehrere ähnliche Steuerungen innerhalb des Batteriepakets 24 angeordnet sein. Alternativ kann das BECM 46 außerhalb des Batteriepakets 24 angeordnet sein, jedoch eine oder mehrere Schaltungsvorrichtungen 90 steuern, beispielsweise etwa Ladungsausgleichwiderstände oder PTC-Vorrichtungen (Positive Temperature Coefficient, positiver Temperaturkoeffizient), die innerhalb des Batteriepakets 24 angeordnet sind. Jede Zelle 82 kann eine zugehörige Zellenspannungs-Fühlerleitung 86 und einen Ladungsausgleichschalter 88 aufweisen, die durch einen Transistor oder eine ähnliche Vorrichtung, welche(r) per Hardware- und/oder Software-Steuerungslogik aktiviert wird, in einer integrierten Schaltung (IC) für die Zellenüberwachung 96 implementiert sind. Die Zellenüberwachungs-IC 96 misst die Spannungen einzelner Zellen, meldet die Zellenspannungen an eine Steuerungslogik im BECM 46 und führt periodisch einen Zellenausgleich und/oder eine thermische Konditionierung durch. Wie unter Bezugnahme auf 4 ausführlicher beschrieben, kann das BECM 46 Messungen der Spannungen von einzelnen Zellen für die Bestimmung eines Spannungsversatzes eines Batteriepakets verwenden, um die Genauigkeit der Batteriepaket-Spannungsmessung über den Betriebsbereich zu verbessern.
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Es wird nun Bezug genommen auf 4, die ein Blockschaltbild, das den Betrieb eines Systems oder Verfahrens zur Steuerung eines Elektrofahrzeugs einschließlich der Aktualisierung eines Spannungsversatzes des Batteriepakets darstellt, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Hinsichtlich der hier beschriebenen Prozesse, Systeme, Verfahren, Heuristik etc. ist einzusehen, dass zwar die Schritte solcher Prozesse etc. als gemäß einer bestimmten Reihenfolge ablaufend beschrieben werden, diese Prozesse aber auch unter Ausführung der beschriebenen Schritte in einer anderen als der hier beschriebenen Abfolge ausgeführt werden könnten. Es ist außerdem zu verstehen, dass bestimmte Schritte gleichzeitig ausgeführt werden könnten, dass andere Schritte hinzugefügt werden könnten oder dass bestimmte hier beschriebene Schritte weggelassen werden könnten und doch die Lehren der vorliegenden Offenbarung eingehalten würden wie durch den beanspruchten Erfindungsgegenstand abgedeckt. Anders ausgedrückt: Die Beschreibungen von Verfahren oder Prozessen werden zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter Ausführungsformen bereitgestellt und sollten als repräsentativ für eine von zahlreichen Varianten und nicht nur beschränkt auf die gezeigten oder beschriebenen Varianten verstanden werden.
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Wie bei
102 dargestellt, können verschiedene Batterie- und/oder Fahrzeugbedingungen überwacht werden, um geeignete Betriebsbedingungen zur Aktualisierung des Spannungsversatzes des Batteriepakets zu identifizieren, die auf den Spannungen von einzelnen Batteriezellen und/oder Zellengruppen bzw. -blöcken basiert, abhängig von der jeweiligen Anwendung und Implementierung. In der repräsentativen Ausführungsform, die in
4 dargestellt ist, kann das Überwachen von Eingangsbedingungen
102 beinhalten, bei
104 die Batteriepaketspannung zu messen und bei
106 unter Verwendung des BECM oder einer anderen Fahrzeugsteuerung bzw. eines anderen Fahrzeugsteuerungsmoduls eine oder mehrere zugehörige Statistiken zu berechnen, etwa eine Zeitableitung der Spannung wie dargestellt. In einer Ausführungsform wird die Änderung oder Schwankung der Batteriepaketspannung bestimmt oder dargestellt, indem die Ableitung im Hinblick auf die Zeit berechnet wird. Das folgende Savitzky-Golay Filter kann als digitales Filter innerhalb der BECM-Software verwendet werden, um die Ableitung der Batteriepaketspannung im Hinblick auf die Zeit zu schätzen oder zu bestimmen:
wobei: h der Abtastzeitraum ist; k der Zeitindex für eine entsprechende Spannungsmessung oder -abtastung ist; v die Batteriepaket-Spannungsmessung ist; und dv/dt die Zeitableitung der Spannung ist.
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Eine oder mehrere Eingangsbedingungen können mit entsprechenden Kriterien oder Schwellwerten verglichen werden, wie in Block
108 dargestellt. In der Zeitdomäne wird eine niederfrequente Spannungsschwankung eine kleine Zeitableitung aufweisen. Falls die Spannungsänderung über den Zeitraum unter einem entsprechenden Schwellwert liegt, lautet das Ergebnis von Block
108 „J”, was anzeigt, dass die Bedingungen akzeptabel sind, um den Spannungsversatz des Batteriepakets zu aktualisieren. In einer Ausführungsform stellt Block
108 Steuerlogik oder -software zum Setzen oder Löschen eines Kennbits, des so genannten OFFSET_CORRECT_ENABLE, gemäß folgender Logikoperation dar:
wobei: ε ein niedriger positiver, vorbestimmter Kalibrierwert ist, der dem zugehörigen Spannungsänderungsschwellwert oder Einstiegsbedingungskriterium entspricht, um die Anpassung des Spannungsversatzes des Batteriepakets zu ermöglichen, wie bei Block
110 dargestellt.
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Spannungen einzelner Batteriezellen oder von Gruppen/Blöcken einzelner Batteriezellen werden periodisch von entsprechenden Sensoren gemessen oder abgetastet, wie bei Block
112 dargestellt. Die Steuerung berechnet anschließend Differenzwerte zwischen der Summe der einzelnen Zellen (oder Blöcke) und der Batteriepaket-Spannungsmessung, wie bei Block
114 dargestellt. In einer Ausführungsform wird zu jedem Zeitpunkt k der Zellenspannungsmessung ein neuer Spannungsdifferenzwert VOLTAGE_DIFF gemäß folgender Formel berechnet:
wobei CELLv
i(k) die Spannungsmessung für Zelle (oder Block) i zum Zeitpunkt k ist; PACKv(k) die Paketspannungsmessung zum Zeitpunkt k ist; M die Gesamtzahl der einzelnen Zellen (oder Blöcke) im Batteriepaket ist.
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Wie bei Block 116 von 4 dargestellt, werden die Spannungsdifferenzwerte mit einem oder mehreren Schwellwerten verglichen, um zu bestimmen, ob jeder Differenzwert innerhalb eines geeigneten Kalibrierbereichs liegt. In einer Ausführungsform ist der Bereich auf +/–3 Sigma (Standardabweichungen) der zuvor bestimmten Differenzwerte eingestellt. In einer Ausführungsform werden bei einem Zeitpunktindex k, falls eine neue Spannungsdifferenz VOLTAGE_DIFF(k) zur Verfügung steht, die n Spannungsdifferenzabtastungen in einem Gleitfenster gemäß der nachstehenden Logik aktualisiert, wie allgemein in Block 118 dargestellt.
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Die obige, durch die Blöcke 116, 118 dargestellte Logik kann verwendet werden, um anomale oder verrauschte Messungen herauszufiltern, indem die neue Messung nur dann in Messungen im Gleitfenster aufgenommen wird, wenn die neue Messung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, in diesem Beispiel 6-Sigma, des letzten aktualisierten, beweglichen Mittelwerts liegt. Andernfalls wird die Abtastung ignoriert oder verworfen und nicht für die Aktualisierung des Spannungssensorversatzes des Batteriepakets herangezogen. Die Logik liefert zuverlässigere Berechnungen, indem ungewöhnlich große Spannungsdifferenzen, die durch Messungsrauschen, instationäre Bedingungen oder andere Anomalien hervorgerufen werden, von der Berechnung des Spannungsversatzes des Batteriepakets ausgenommen werden.
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Verschiedene Statistiken können berechnet werden, wie bei Block 118 dargestellt, wozu eine vorbestimmte Anzahl Abtastungen verwendet wird, die den Einschlusskriterien entsprechen, wie in Block 116 dargestellt.
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Ausführungsformen können ein gleitendes oder bewegliches Fenster der Größe n beinhalten, das zum Berechnen der Statistiken aus den n Abtastungen von Spannungsdifferenzen VOLTAGE_DIFF(k) verwendet wird. Der bewegliche Mittelwert aus den n Abtastungen der Spannungsdifferenz zu jedem Zeitpunkt k kann als VOLTAGE_DIFF_AVG gemäß der folgenden Formel berechnet werden:
wobei VOLTAGE_DIFF
i(k) die i-te Spannungsdifferenzabtastung im Gleitfenster zum Zeitpunkt k ist. In ähnlicher Weise kann Block
118 beinhalten, die laufende Standardabweichung der n Abtastungen der Spannungsdifferenz zum Zeitpunkt k, die durch VOLTAGE_DIFF_DEV dargestellt ist, gemäß der folgenden Formel zu berechnen:
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Der Spannungsversatz des Batteriepakets kann dann, wie bei Block 120 dargestellt, basierend auf der mittleren Differenz zwischen der gemessenen Batteriepaketspannung und der Summe der Spannungen der einzelnen Batteriezellen aktualisiert oder angepasst werden. In einer Ausführungsform wird der Spannungssensorversatz des Batteriepakets VOLTAGE_OFFSET gemäß der folgenden Formel aktualisiert: VOLTAGE_OFFSET(k) = VOLTAGE_DIFF_AVG(k) (5)
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Danach wird der Spannungsversatz des Batteriepakets mit der gemessenen Batteriepaketspannung kombiniert, wie in Block 122 dargestellt, und der daraus resultierende Parameter wird bekannt gemacht oder rundgesendet, wie in Block 124 dargestellt, um von verschiedenen Batterie- und/oder Fahrzeugsteuerungsfunktionen oder -modulen verwendet zu werden, wie in Block 126 dargestellt. Die bekannt gemachte Paketspannung kann in verschiedenen Batteriepaket-Steuerungsfunktionen und/oder Fahrzeugsteuerungsfunktionen verwendet werden. Beispielsweise kann die bekannt gemachte Paketspannung zur Schätzung der Online-Leistungsfähigkeit einer Batterie, Zellenausgleich, Batterie-Überlade- und Tiefentladeschutz, Bestimmung der Andrehverfügbarkeit der Kraftmaschine (bei Hybridfahrzeugen), Lebensende-Beurteilung der Batterie, Leckstrommessung, Bestimmung des Kontaktgeberstatus, Laden der Batterie etc. genutzt werden.
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In einer Ausführungsform wird die Batteriepaketspannung zur Verwendung für die Batteriesteuerung gemäß der folgenden Formel bekannt gemacht: PACK_VOLTAGE_PUBLISHED(k) = PACKv(k) + VOLTAGE_OFFSET(k) (6)
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Durchschnittsfachleute auf diesem Gebiet können erkennen, dass Berechnungen wie diejenigen in den Gleichungen (3) und (4) erfordern, dass die n Abtastungen im Gleitfenster in einem nichtflüchtigen oder persistenten Speicher gespeichert werden, um in nachfolgenden Ein-/Ausschaltzyklen oder Zündung-ein/Zündung-aus-Zyklen für die Berechnung herangezogen zu werden. Obwohl für viele Anwendungen geeignet, kann persistenter Speicher gespart werden, indem ein Näherungs- oder Schätzwert der Berechnungen des beweglichen Mittelwerts und der Standardabweichung verwendet wird wie folgt:
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Für das durch die Gleichungen (7)–(8) dargestellte Näherungswertverfahren müssen nur die beiden Variablen VOLTAGE_DIFF_AVG(k – 1) und VOLTAGE_DIFF_DEV(k – 1) im nichtflüchtigen Speicher über Ein-/Ausschaltzyklen für die Berechnung gespeichert werden.
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Wie vorstehend beschrieben, können Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung die Genauigkeit von Batteriepaket-Spannungsmessungen oder -bestimmungen, die in einer Vielzahl von Batterie- und Fahrzeugsteuerungsfunktionen verwendet werden, über den gesamten Betriebsspannungsbereich verbessern, der bei Elektrofahrzeugen einschließlich Hybridfahrzeugen anzutreffen ist, indem Spannungsmessungen einzelner Batteriezellen oder Zellengruppen/-blöcke herangezogen werden. Die verbesserte Genauigkeit kann unter Verwendung vorhandener Sensoren und Hardware durch eine(n) programmierte(n) Prozessor bzw. Steuerung erzielt werden, so dass keine zusätzlichen Kosten für Hardware anfallen.
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Obwohl vorstehend repräsentative Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle im Rahmen des Schutzumfangs der Offenbarung oder des beanspruchten Erfindungsgegenstands möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Die in dieser Spezifikation verwendeten Ausdrücke sind lediglich Ausdrücke beschreibender Art und beinhalten keinerlei Einschränkung. Es ist einzusehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Geist und Schutzbereich der Offenbarung zu verlassen. Darüber hinaus können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, auch wenn spezifische Kombinationen hier nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt werden. Verschiedene Ausführungsformen können dahingehend beschrieben worden sein, dass sie Vorteile bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschter Eigenschaften bevorzugt werden. Ein Durchschnittsfachmann wird jedoch einsehen, dass ein(e) oder mehrere Merkmale oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Attribute des Systems insgesamt zu erzielen, abhängig von der jeweiligen Anwendung und Implementierung. Diese Attribute können beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Kosten, Stärke, Sicherheit, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Marktgängigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Gebrauchsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage etc. Ausführungsformen, die im Hinblick auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem bisherigen Stand der Technik beschrieben werden, fallen nicht aus dem Schutzumfang der Offenbarung oder der Patentansprüche und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
