DE102017118616A1

DE102017118616A1 - Dynamische Anpassung von Stromgrenzen in einem Batterieladeverfahren

Info

Publication number: DE102017118616A1
Application number: DE102017118616.6A
Authority: DE
Inventors: William M. Hare; Michael A. Assenmacher; Nicholas J. Hainer; Christopher J. Twarog
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2018-02-22
Also published as: US20180050604A1; CN107769293A; US10065526B2

Abstract

Ein elektrisches System ist mit einer externen Ladestation verwendbar, die dafür konfiguriert ist, dynamisch eine Stromgrenze des elektrischen Systems während eines Batterieladevorgangs anzupassen. Das System beinhaltet ein Batterie-Pack, einen Ladekoppler, elektronische Stromkomponenten, Temperatursensor(en) und eine Steuerung. Die Komponenten beinhalten eine am meisten beschränkende Komponente, die elektrisch mit dem Batterie-Pack verbunden ist, mit entsprechenden temperaturbasierten Betriebsleistungsinformationen. Die Informationen beschreiben einen maximal zulässigen Ladestrom über verschiedene Zeitintervalle. Die am meisten beschränkende Komponente hat einen niedrigsten zulässigen Ladestrom. Die Steuerung führt ein Verfahren durch das Bestimmen einer Komponententemperatur unter Verwendung der gemessenen Temperatur(en) durch, und fordert dann einen vergrößerten Ladestrom von der Stromversorgung über mindestens eines oder mehrere der Zeitintervalle zum Zuführen des Ladestroms mit einem zeitweise höheren Niveau mit dem maximal zulässigen Ladestrom von der am meisten beschränkenden Komponente an. Ein Fahrzeug beinhaltet das System und einen Elektromotor, der Drehmoment abgibt, das ausreichend für den Vortrieb des Fahrzeugs ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und System für die dynamische Anpassung von Stromgrenzen in einem Batterieladeverfahren.
HINTERGRUND
Ein elektrischer Antriebsstrang beinhaltet normalerweise einen oder mehrere Hochspannungs-Elektromotoren. Jeder Elektromotor wird von einem Hochspannungs-Batterie-Pack oder einer anderen geeigneten Gleichstrom(DC)-Vorrichtung mit Strom versorgt. In einigen Konfigurationen empfängt ein Wechselrichter eine DC-Ausgabespannung von dem Batterie-Pack und erzeugt eine Wechselstrom(AC)-Spannung, die zum Beaufschlagen der Phasenwicklungen der Elektromotoren mit Strom geeignet ist. Das Batterie-Pack kann nach Bedarf durch den Anschluss eines Ladekopplers an eine Steckdose, eine Ladestation oder eine andere verfügbare externe Stromversorgung über ein elektrisches Kabel wieder aufgeladen werden.
Ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler wird verwendet, um eine Wechselstrom-Ladespannung in eine Gleichstrom-Ausgabespannung umzuwandeln, die für die Speicherung in den verschiedenen Zellen des Batterie-Packs geeignet ist. Alternativ kann ein Gleichstrom-Schnellladesystem, das auch als DC Quick Charger (DCQC) bekannt ist, verwendet werden, um das Ladeverfahren zu beschleunigen. In einer derartigen Konfiguration wird der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler zugunsten eines Anschlusskastens mit Hochspannungsrelais weggelassen, das während des Ladevorgangs schließt, um zu ermöglichen, dass ein Ladestrom vom Ladekoppler zum Batterie-Pack gelangt. Die Verbindung zwischen der Ladestation/Ladeinfrastruktur und einer Ladeeinrichtung seitens des elektrischen Systems erfolgt über ein Protokoll, beispielsweise SAE J1772, in einem exemplarischen Elektrofahrzeugladevorgang.
Hochspannungs-Ladearchitekturen in Fahrzeugen und anderen Systemen beinhalten typischerweise eine Anzahl von elektronischen Leistungskomponenten wie Ladekoppler, Steckdosen, elektrische Steckverbinder, Schütze, Relais, Sicherungen und Spannungssammelschienen. Wie auf dem Gebiet gut bekannt, sind derartige Komponenten typischerweise strombegrenzt oder spannungsbegrenzt von dem Hersteller auf einem bestimmten temperaturbasierten Niveau. Für jede Komponente kann ein entsprechender stationärer Ladestrom bei einer gegebenen Komponententemperatur unbegrenzt aufrechterhalten werden. Die Leistungsgrenze, die während des Batterieladevorgangs erzwungen wird, wird typischerweise auf die niedrigste stationäre Grenze der verschiedenen Komponenten des elektrischen Systems gesteuert.
ZUSAMMENFASSUNG
Es werden Verfahren und zugehörige Vorrichtungen zur Verbesserung einer Ladegeschwindigkeit eines Batterie-Packs oder anderer wiederaufladbarer Energiespeichersysteme in einem elektrischen System offenbart, z. B. einem elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs, eines Roboters oder einer anderen mobilen Plattform oder in einem stationären System, wie z. B. ein Kraftwerk, eine Vorrichtung oder eine andere batteriebetriebene elektronische Vorrichtung. Der vorliegende Ansatz eignet sich bei jeder externen Stromversorgung, sei es als Wechselstrom(AC)-Ladestation oder als Gleichstrom (DC) Quick Charger (DCQC) der oben beschriebenen Arten. Der hier beschriebene Ansatz nutzt jedes unbenutzte Potenzial in dem gesamten elektrischen System, um die Leistungsgrenzen während der frühen Stadien eines Batterieladeprozesses dynamisch zu erhöhen, mit dem übergeordneten Ziel, die Ladezeiten relativ zu herkömmlichen Ladeverfahren zu reduzieren.
Wie oben erwähnt, sind die Batterieladevorgänge in elektrischen Hochspannungssystemen typischerweise auf den niedrigsten stationären Ladestrom der verschiedenen Komponenten begrenzt, die in dem elektrischen System verwendet werden. Jedoch wird als Teil der vorliegenden Offenbarung erkannt, dass solche Komponenten höhere Ladeströme über kurze Zeitdauern verarbeiten können. Infolgedessen ist die Steuerung des Batterieladeverfahrens auf die niedrigste stationäre Komponentenleistungsgrenze nicht immer erforderlich. Eine selektive Freigabe von höheren temporären Leistungsgrenzen, wie hierin offenbart, kann daher erreicht werden, während sie jederzeit in den kalibrierten Haltbarkeitsbewertungen der in dem elektrischen System verwendeten elektronische Stromkomponenten verbleiben.
Der über die elektronischen Leistungskomponenten übertragene Strom wird über eine Bordsteuerung im Rahmen des vorliegenden Verfahrens genau überwacht. Wenn die vorübergehend erzwungenen höheren Leistungsgrenzen erreicht werden, z. B. wie in Bezug auf Schwellenstromdichte, die Zeit und/oder Komponententemperatur bestimmt, wird der angeforderte Ladestrom von der Bordnetzversorgung automatisch verringert. Eine Verringerung des Ladestroms kann in einem oder mehreren diskreten Schritten oder bei einer kalibrierten Rampenzahl auftreten und fährt auf einem niedrigeren Niveau fort, z. B. der stationären Grenze der am meisten beschränkenden Komponenten. Wie hierin definiert, ist die am meisten beschränkende Komponente die besondere Komponente mit dem niedrigstzulässigen Ladestrom für eine gegebene Komponententemperatur. Im Gegenzug ermöglicht dies, dass das Batterie-Pack vorübergehend mit einer schnelleren relativen Rate, insbesondere zu Beginn oder frühen Stufen einer Ladesitzung, geladen wird, wodurch die Ladezeiten relativ zu herkömmlichen stationären Batterieladevorgängen weiter reduziert werden.
In einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das elektrische System ein Batterie-Pack, einen Ladekoppler, elektronische Stromkomponenten, einen oder mehrere Temperatursensoren und eine Steuerung. Der Ladekoppler verbindet die externe Ladestation über ein Kabel, um zu erlauben, einen angeforderten Ladestrom von der externen Ladestation an die Zellen des Batterie-Packs zu übergeben.
Die elektronischen Stromkomponenten, einschließlich einer am meisten begrenzenden Komponente, sind elektrisch mit dem Batterie-Pack verbunden. Die Steuerung ist mit temperaturbasierten Betriebsleistungsdaten für jede Komponente des Systems programmiert, mit solchen Informationen, die einen maximal zulässigen Ladestrom, eine Spannung oder Leistung über eine Vielzahl von unterschiedlichen Zeitintervallen beschreiben. Die am meisten begrenzende Komponente hat den niedrigsten zulässigen Ladestrom gegenüber einem jeweiligen der Zeitintervalle. Die Steuerung bestimmt Komponententemperaturen unter Verwendung der gemessenen Temperatur(en) und fragt dann einen zeitweilig vergrößerten Ladestrom von der externen Stromversorgung über mindestens eines der Zeitintervalle zur Lieferung des Ladestroms mit einem zeitweise höheren Niveau an, das gleich dem maximalen Strom ist, der von der am meisten beschränkenden Komponente zugelassen ist.
Es wird auch ein Fahrzeug offenbart, das mit einer externen Ladestation während eines Batterieladevorgangs elektrisch verbindbar ist. Das Fahrzeug beinhaltet einen Elektromotor, der zum Ausgeben von Drehmoment an ein drehbares Abtriebselement funktionsfähig ist, das für den Vortrieb des Fahrzeugs ausreicht, und das oben angegebene elektrische System.
Es wird auch ein Verfahren offenbart, das in einer exemplarischen Ausführungsform das Messen einer Umgebungstemperatur und einer Temperatur eines Ladekopplers mit jeweiligen ersten und zweiten Temperatursensoren beinhaltet, wobei der Ladekoppler das elektrische System mit einer externen Ladestation über eine Kabellänge verbindet. Das Verfahren beinhaltet das Bestimmen einer jeweiligen Komponententemperatur für jede von der Vielzahl von elektronischen Stromkomponenten des elektrischen Systems unter Verwendung der gemessenen Temperaturen.
Zusätzlich beinhaltet das Verfahren das Anfordern über eine Steuerung für eine kalibrierte Zeitdauer bei einem Beginn des Batterieladevorgangs, eines Ladestroms von der externen Stromversorgung, die einen maximal zulässigen Ladestrom von der am meisten begrenzenden Komponente zulässt, worin die am meisten begrenzende Komponente einen niedrigsten zulässigen Ladestrom über das Zeitintervall aufweist. Nach einer kalibrierten Zeitdauer, Temperatur oder angesammeltem Ladestrom wird eine Reduzierung des Ladestroms angefordert von der externen Stromversorgung eines stationären Ladestroms der am meisten beschränkenden Komponente.
Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines exemplarischen elektrischen Systems mit einer externen Stromversorgung während einer repräsentativen Ladesitzung.
2 ist ein exemplarisches dynamisches Ladeprofil, welches die Amplitude eines angelegten Ladestroms auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse darstellt.
3 ist eine exemplarische temperaturabhängige Betriebsverhaltenskurve für eine repräsentative elektronische Stromkomponente.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum dynamischen Erhöhen der Stromgrenzen während einer Ladesitzung des in 1 dargestellten elektrischen Systems beschreibt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche oder ähnliche Komponenten in den verschiedenen Figuren beziehen, wie in 1 schematisch dargestellt, ist ein elektrisches System 10 elektrisch mit einer externen Ladestation 30 über einen Ladekoppler 22 und eine Länge eines elektrischen Kabels 15 verbunden. Wie in der Technik gut bekannt ist, ist der Ladekoppler 22 ein Stecker oder eine Steckdose, die dazu konfiguriert ist, an einem passenden Endbereich des elektrischen Kabels 15 das Zuführen eines angeforderten Ladestroms (Pfeil I_C) von der externen Ladestation 30 in das elektrische System 10 während eines Batterieladevorgangs zuzulassen.
Die externe Ladestation 30 kann mit jedem stationären oder mobilen elektrischen System 10, z. B. an Bord eines exemplarischen Fahrzeugs 20 verwendet werden, wie gezeigt, oder in einem anderen elektrifizierten Antriebsstrang oder anderen System, das ein wiederaufladbares Energiespeichersystem aufweist, das in 1 als Hochspannungs-Batterie-Pack (B_HV) 26 dargestellt ist. Der Batteriesatz 26 kann unterschiedlich als ein mehrzelliges/multimodulares Batterie-Pack, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf ein Lithium-Ionen-, Zink-Luft-, Nickelmetallhydrid oder Blei-Säure-Gleichstrom-Batterie-Pack ausgeführt sein. Das Batterie-Pack 26 kann nach Bedarf unter Verwendung des Ladestroms (Pfeil I_C) wieder aufgeladen werden, der von der externen Ladestation 30 geliefert wird. In einigen Ausführungsformen kann das Batterie-Pack 26 auch bei laufendem Betrieb wieder aufgeladen werden, beispielsweise durch regeneratives Bremsen, wenn das elektrische System 10 als Teil des Fahrzeugs 20 verwendet wird.
Wie nachstehend unter Bezugnahme auf 2–4 beschrieben wird, ermöglicht die vorliegende Offenbarung einer Steuerung 50, dynamisch und vorübergehend stationäre Komponenten-Hardware-Stromgrenzen des elektrischen Systems 10 während eines Batterieladevorgangs zu überschreiten, mit dem entsprechenden Vorteil des Reduzierens der gesamten Ladezeiten. Exemplarische elektronische Hochspannungs-Stromkomponenten können das Laden von Aufnahmen beinhalten, wie von dem Ladekoppler 22 oder elektrischen Verbindern wie Relais oder Schützen, z. B. ein Paar von Hochspannungs-Schützen R_HV, Service-Trennvorrichtungen, Sicherungen, Hochspannungsschienen oder Sammelschienen 33 oder andere elektronische Stromkomponenten der in der Technik bekannten Art.
Jede elektronische Stromkomponente ist elektrisch verbunden mit dem Batterie-Pack 26, wie dargestellt. Zusätzlich ist jede Komponente typischerweise mit einer Nennleistung für verschiedene Temperaturen oder Temperaturbereiche bei einem bestimmten Strom, einer Spannung oder Stromgrenze über eine entsprechende Zeitdauer eingestuft. Die Stromgrenzenvariation jeder Komponente über verschiedene Temperaturbereiche kann in einer Nachschlagetabelle (LUT) oder mehreren LUTs aufgenommen werden, ob datenbasiert oder grafisch in Form von kalibrierten temperaturabhängigen Betriebsleistungsinformationen, oder solche Variationen können modelliert werden. Somit weist jede elektronische Stromkomponente des elektrischen Systems 10 entsprechende temperaturabhängige Betriebsleistungsverhaltensinformationen auf, die einen maximal zulässigen Wert, beispielsweise Ladestrom, über mehrere verschiedene Zeitintervalle beschreiben. 3, wie nachfolgend beschrieben, zeigt eine exemplarische temperaturbasierte Betriebsleistungskurve für eine repräsentative elektronische Stromkomponente, wobei die darin enthaltenen Informationen als die oben genannten temperaturbasierten Betriebsleistungsdaten dargestellt sind.
Die elektronischen Stromkomponenten haben auch eine entsprechende stationäre Strombegrenzung, definiert als untere relative Kraftbegrenzung, die ein Niveau aufweist, das effektiv über längere Zeit aufrechterhalten werden kann, ohne dass es signifikante Verschlechterung der Komponentenintegrität oder -funktionalität gibt. Die Steuerung 50 von 1 ermöglicht bei der Durchführung von Anweisungen gemäß einem Verfahren 100, wie in 4 dargestellt, somit höhere temporäre Stromgrenzen, die angefordert und durchgesetzt werden können, wenn das Laden des Batterie-Packs 26 immer noch innerhalb der kalibrierten Haltbarkeitseinstufungen bleibt. Zu allen Zeiten wird Steuerung auf einem Niveau von einer am meisten beschränkenden der verschiedenen Komponenten bereitgestellt, das heißt, von der jeweiligen Komponente mit dem niedrigsten zulässigen Ladestrom über einen gegebenen der verschiedenen Zeitabstände.
Unter Bezugnahme auf 1 kann das elektrische Potenzial des Batterie-Packs 26 im Bereich von etwa 60 VDC-360 VDC oder mehr, abhängig von den bestimmten Konfigurations- und Stromabgabeanforderungen liegen. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „Hochspannung“ auf jeden beliebigen Spannungspegel über einer normalen 12-15-VDS-Reservespannung. Somit bezieht sich der Begriff „Niederspannung“ auf Spannungsniveaus unterhalb solch hoher Spannungsniveaus. Obwohl der vorliegende Ansatz besonders vorteilhaft ist, wenn er auf Hochspannungskomponenten angewendet wird, werden Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet verstehen, dass die vorliegenden Lehren leicht auf Niederspannungskomponenten in dem vorgesehenen Umfang der Offenbarung angewendet werden können.
Das Batterie-Pack 26 kann verwendet werden, um einen oder mehrere Elektromotoren (M1) 29 über ein Wechselrichtermodul (PIM) 28 mit Strom zu beaufschlagen, sodass der Elektromotor 29 letztendlich über ein Abtriebselement 32 ein Ausgangsdrehmoment (Pfeil T_O) für den Vortrieb des Fahrzeugs 20 oder andere nützliche Arbeiten erzeugt. Die Kraft kann über eine Reservebatterie (B_AUX) 126 zugeführt werden, die eine Reservespannung V_AUX, typischerweise 12 VDC, bereitstellt. Die Reservebatterie 126 kann wiederum über ein Reservestrommodul (APM) 31 bestromt werden, die als ein Spannungsregler zum Reduzieren der Gleichspannung von einem Pegelausgang von dem Batterie-Pack 26 betreibbar ist. Das Reservestrommodul 31 und/oder die Reservebatterie 126 können gegebenenfalls und innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung als Reservestromversorgungen dienen, die mit Reservespannungssammelschienen 133 verbunden sind.
Wenn die externe Ladestation 30 eine Gleichspannungsquelle ist, wie eine DCQC-Station, dann kann ein Anschlusskasten 24 mit den Hochspannungsschützen R_HV verwendet werden, um schnelle Stromabschaltung zu ermöglichen, wenn notwendig, beispielsweise während jedes befohlenen Abschaltungs- oder Ausschaltereignisses des Fahrzeugs 20. Daher kann Gleichstrom-Ladestrom direkt den Gleichstrom-Sammelschienen 33 und/oder dem Batterie-Pack 26 in einer solchen Konfiguration zugeführt werden. Wenn die externe Ladestation 30 eine Gleichstrom-Ladestation ist, dann kann der Anschlusskasten 24 ersetzt werden durch einen Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler des auf dem Gebiet bekannten Typs, d. h. eine Stromwandlervorrichtung enthaltend Reihen von Halbleiterschaltern, Dioden, Signalfiltern und anderer Hardware, um eine Eingangswechselspannung oder Stromwellenform in eine Gleichspannung oder Stromwellenform umzuwandeln. Ähnliche Strukturen werden verwendet, um zuzulassen, dass das PIM 28 in umgekehrter Weise arbeitet, d. h. um eine Gleichstromspannung, die aus dem Batterie-Pack 26 ausgegeben wird, in eine Wechselstromspannung zu ändern, die geeigneter zur Energieversorgung des Elektromotors 29 ist.
Die Steuerung 50 von 1 ist programmiert, um Eingangssignale (Pfeil CC_I) aus einem Satz von Sensoren S_X zu empfangen. Als Reaktion auf die Eingangssignale (Pfeil CC_I) steuert die Steuerung 50 den gesamten Ladevorgang des Batterie-Packs 26 über Ausgabesignale (Pfeil CC_O), die wiederum übertragen werden als Stromanforderungen an eine Steuerschaltung (nicht dargestellt) der externen Ladestation 30, beispielsweise als Teil des SAE-J1772-Standards, der oben erwähnt oder ein anderes anwendbares Ladeprotokoll. Die Identität und der Bereich der Eingangssignale (Pfeil CC_I) kann mit der jeweiligen Anwendung variieren.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beinhalten die Sensoren S_X einen Stromsensor (S_I), z. B. ein Amperemeter, dafür konfiguriert, um eine Amplitude und ein Vorzeichen/eine Richtung des Ladestroms (Pfeil I_C) zu messen, der in das Batterie-Pack 26 eintritt, und einen oder mehrere Temperatursensoren, die zum letztendlichen Bestimmen einer Komponententemperatur in der Lage sind. Zum Beispiel kann ein Umgebungstemperatursensor (S_A) verwendet werden, der betreibbar ist zum Messen einer Umgebungstemperatur (Pfeil TA), d. h. einer Temperatur der Umgebung außerhalb von, und in der Nähe des elektrischen Systems 10. Ein Kopplertemperatursensor (S_T22) in der Nähe von oder an leitfähigen Stiften (nicht dargestellt) des Ladekopplers 22 kann verwendet werden, um eine Kopplertemperatur (Pfeil T22) zu messen. In anderen Ausführungsformen können die Sensoren S_X einzelne Komponententemperatursensoren (S_TC) beinhalten, die auf oder innerhalb der verschiedenen elektronischen Stromkomponenten positioniert sind, und zum direkten Messen einer entsprechenden Komponententemperatur (Pfeil TC) verwendet werden, mit einem exemplarischen Standort auf oder innerhalb des Anschlusskastens 24, wie in 1 dargestellt.
Die Steuerung 50 beinhaltet einen Prozessor (P) und einen Speicher (M). Der Speicher (M) beinhaltet einen physischen nicht-flüchtigen Speicher, z. B. Nur-Lese-Speicher, ob optisch, magnetisch, Flash- oder anderweitig. Die Steuerung 50 beinhaltet auch ausreichende Mengen von Direktzugriffsspeicher, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher und dergleichen sowie einen Hochgeschwindigkeitstakt, eine Analog-zu-Digital und eine Digital-zu-Analog-Schaltung und Eingangs-/Ausgangsschaltungen und Vorrichtungen sowie entsprechende Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen. Die Steuerung 50 kann mit einer Nachschlagetabelle (LUT) oder mehreren solche Nachschlagetabellen, wie unten beschrieben, und zur Ausführung von Anweisungen gemäß des Verfahrens 100 programmiert werden, um dynamisch die Ladestromgrenze während einer Ladesitzung anzupassen.
Wie noch erläutert werden wird, steht die Steuerung 50 in Verbindung mit den Sensoren S_X, und wird mit den temperaturabhängigen Betriebsleistungsdaten für die verschiedenen elektronischen Stromkomponenten des elektrischen Systems 10 programmiert. Die Steuerung 50 ist konfiguriert, um schließlich die Komponententemperatur unter Verwendung der gemessenen Temperatur(en) zu bestimmen, und einen zeitweilig vergrößerten Ladestrom (Pfeil I_C) von der externen Stromversorgung 30 über den Verlauf von einem oder mehreren Zeitintervallen anzufordern. Dies ermöglicht der Steuerung 50 sicherzustellen, dass das Batteriepaket 26 mit dem maximal zulässigen Ladestrom der am meisten beschränkenden Komponente während einer bestimmten Zeitspanne versorgt wird.
2 stellt ein repräsentatives Ladediagramm 40 dar, das die dynamischen Effekte des vorliegenden Verfahrens 100 auf die Ladestromamplitude zeigt, dargestellt als Ampere (A) auf der vertikalen Achse, über die Zeit (t), wie auf der horizontalen Achse dargestellt. Mit dem Laden des Batterie-Packs 26 von 1, beginnend bei t₀, fordert die Steuerung 50 vorübergehend einen erhöhten Ladestrom von der externen Ladestation 30 von 1 an, beispielsweise, über drahtlose oder festverdrahtete Mitteilung, auf ein höheres relatives Niveau A3. Niveau A3 entspricht einer höheren kurzfristigen Stromgrenze der am meisten begrenzenden aller elektronischen Stromkomponenten, die in dem elektrischen System 10 verwendet werden, und dem Ladestrom während des Ladevorgangs ausgesetzt sind.
Die Steuerung 50, die bei t₁ erkannt hat, dass eine kalibrierte Schwellenwertkomponente oder andere Temperatur, Ladezeit oder angesammelter Ladestrom erreicht wurde, reduziert automatisch den angeforderten Ladestrom von dem höheren Niveau (A3) auf ein niedrigeres relatives Niveau (A2). Das untere relative Niveau (A2) kann einen kalibrierten stationären Ladestrom der am meisten beschränkenden der elektronischen Stromkomponenten für eine gegebene Komponententemperatur sein, wie nachfolgend erklärt, wobei in diesem Fall der angeforderte Ladestrom von der externen Ladestation 30 von Niveau A3 auf Niveau A2 bei t₁ reduziert wird, beispielsweise, als diskreter Reduzierungsschritt, wie dargestellt. Alternativ kann die Steuerung 50 allmählich den Ladestrom bei einer kalibrierten Rampenrate 45 verringern, wie durch Berechnung des maximalen Ladestroms, der für die am meisten begrenzende Komponente benötigt wird, und diesen bestimmten Wert für ein anderes Intervall anfordern, d. h. t₁ bis t₂.
Dieser Prozess kann wiederholt werden, bis eine Schwellenladezeit, akkumulierter Strom oder Ladezustand erreicht ist, wie in 2 durch t₂ dargestellt, bei welchem Punkt die Steuerung 50 von 1 wieder die Verringerung des Ladestroms auf ein niedrigstes relatives Niveau (A1) anfordert, um den Ladevorgang abzuschließen und Zellenspannungen mit einer langsameren relativen Laderate auszugleichen, wie auf dem Gebiet gut bekannt ist. Beispielsweise sollte mit t₂ das Batterie-Pack 26 etwa 80–90 % seiner maximalen Ladung erreicht haben, entweder hinsichtlich der Einzelzellenspannungen oder einer Paketspannung über dem Batterie-Pack 26 als Ganzes. Von t₂ bis zum Ende des Batterieladevorgangs wird der Ladestrom (Pfeil I_C) auf dem niedrigsten relativen Niveau (A1) gehalten.
Unter Bezugnahme auf 4 wird das Verfahren 100 als computerlesbare und ausführbare Anweisungen der Steuerung 50 verkörpert. Die Ausführung des Verfahrens 100 veranlasst die Steuerung 50, dynamisch einen Stromgrenzwert des elektrischen Systems 10 anzupassen, wie oben beschrieben. In einer allgemeinen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren 100 das Messen der Umgebungstemperatur (Pfeil TA) und einer Temperatur (Pfeil T22) des Ladekopplers 22 und anschließend das Bestimmen einer Komponententemperatur (Pfeil TC) für jede elektronische Stromkomponente unter Verwendung der gemessenen Umgebungs- und Ladekopplertemperaturen.
Das Verfahren 100 erfordert auch das Anfordern über die Steuerung 50 für eine kalibrierte Zeitdauer bei einem Beginn des Batterieladevorgangs, eines Ladestroms (Pfeil I_C) von der externen Stromversorgung 30 mit einem Niveau, das gleich einem maximal zulässigen Ladestrom einer am meisten beschränkenden Komponente ist, wie oben erläutert. Nach einer kalibrierten Dauer, Temperatur oder einem angesammelten Ladestrom fährt das Verfahren 100 mit der Reduzierung des Ladestroms (Pfeil I_C) von der externen Stromversorgung 30 auf einen stationären Ladestrom der am meisten beschränkenden Komponente oder ein anderes geeignetes niedrigeres Niveau fort.
Eine weitere exemplarische Ausführungsform des Verfahrens 100 ist in 4 gezeigt und beginnt mit Schritt S102. In dieser Ausführungsform bestimmt die Steuerung 50 von 1, ob ein vorgegebener Satz von eintrittsseitigen Bedingungen erfüllt ist. Als Teil von Schritt S102 bestimmt die Steuerung 50, ob das Batterie-Pack 26 aktiv lädt. Beispielsweise kann Schritt S102 das Bestimmen umfassen, ob der Ladestrom (Pfeil I_C) in das Batterie-Pack 26 gerichtet ist, z. B. durch das Messen des Ladestroms (Pfeil I_C), der in das Batterie-Pack 26 strömt, durch den Stromsensor S_I, der schematisch in 1 dargestellt ist.
Bei einer Fahrzeugladeanwendung erfordert insbesondere ein Protokoll wie SAE-J1772 Verbindung zwischen der Steuerung 50 und der externen Ladestation 30, und daher kann der Status des Ladestroms (Pfeil I_C) von der externen Ladestation 30 ebenfalls verwendet werden als Teil von Schritt S102 um zu helfen zu bestimmen, ob das Batterie-Pack 26 aktiv lädt. Das Verfahren 100 geht über zu Schritt S103, wenn das Batterie-Pack 26 nicht aktiv lädt und zu Schritt S104 in der Alternative, wenn die Batterie-Pack 26 aktiv lädt. Schritt S103, welcher ausgeführt wird, wenn das Batteriepaket 26 nicht aktiv lädt, kann eine zeit- und/oder temperaturbasierte Abkühlzeitdauer beinhalten, in welcher die Steuerung 50 von 1 zeitweilig eine Wiederholung der Ausführung des Verfahrens 100 deaktiviert. Beispielsweise kann die Steuerung 50 erfordern, dass alle elektronischen Stromkomponenten, die in dem elektronischen System 10 verwendet werden, zunächst eine eingestellte Temperatur erreichen, oder für eine festgelegte Zeitdauer abkühlen oder beides, bevor das Verfahren 100 durch die Steuerung 50 wieder ausgeführt werden darf. Das Verfahren 100 kehrt danach zu Schritt S102 zurück.
Schritt S104 ist nach dem Bestimmen bei Schritt S102, dass das Batterie-Pack 26 aktiv lädt und bei Schritt S103, dass eine kalibrierte Abkühlzeitdauer abgeschlossen ist, erreicht. Schritt S104 beinhaltet das Bestimmen, ob ein Ladestrom, der angefordert ist durch die Steuerung 50, eine stationäre Komponentenschwelle oder einen anderen kalibrierten Schwellenwert überschreitet. Falls ja, fährt das Verfahren 100 mit Schritt S106 fort. Ist der angeforderte Ladestrom (Pfeil I_C) kleiner ist als derjenige des bestimmten Komponentenschwellenwerts, fährt das Verfahren 100 in der Alternative mit Schritt S105 fort.
Als Teil von Schritt S104 kann die Steuerung 50 auf die Nachschlagetabellen (LUT) für jede Komponente in dem elektrischen System 10 zugreifen, die jeweilige Umgebungs- und Kopplertemperaturen (Pfeile TA und T22) messen, und die Temperaturen der verschiedenen Komponenten berechnen oder schätzen. Schritt S104 kann alternativ direktes Messen der Komponententemperatur(en) (Pfeil TC) beinhalten, wie oben erwähnt. Mit den berechneten, geschätzten oder gemessenen Komponententemperaturen kann die Steuerung 50 die entsprechende temperaturabhängige Ladestromgrenze für alle Komponenten im elektrischen System 10 auswählen, und dann die am meisten begrenzenden Stromgrenzen auswählen, d. h. die bestimmte Komponentenstromgrenze mit dem geringsten maximalen Ladestrom für eine gegebene Temperatur. Die Steuerung 50 vergleicht dann die kalibrierte stationäre Stromgrenze, beispielsweise, in einer anderen Nachschlagetabelle (LUT), um die von Schritt S104 geforderte Bestimmung durchzuführen.
Ein Beispiel dieser Grenzen ist in 3 als eine temperaturbasierte Betriebsleistungskurve 35 für eine repräsentative elektronische Stromkomponente dargestellt. Wie dargestellt, kann die exemplarische Komponente einen geringeren Ladestrom aufnehmen, der in Ampere (A) auf der horizontalen Achse dargestellt ist. Wenn der Ladestrom (Pfeil I_C) zunimmt, nimmt aber die Zeit ab, in der die Komponente dem erhöhten Ladestrom (Pfeil I_C) ausgesetzt ist. Jede Komponente, die im elektrischen System 10 verwendet wird, weist einen entsprechenden Satz solcher Stromkurven 35 oder Informationen für verschiedene Temperaturen auf, die in einer Nachschlagetabelle in einigen Ausführungsformen aufgezeichnet werden können, sodass die Steuerung 50 den am meisten beschränkenden Ladestrom (Pfeil I_C) auswählen kann.
In einer möglichen Ausführungsform kann ein Innenwiderstand jeder Komponente offline bestimmt werden, sodass die Umgebungstemperatur/Außentemperatur gemessen werden kann, zusammen mit einer Temperatur am Ladekoppler 22, z. B. über einen Thermistor, der nahe einem beliebigen Ladestift (nicht dargestellt) des Ladekopplers 22 verbunden ist, und wobei die Temperatur der Komponente danach unter Verwendung dieser gemessenen Temperaturen und der bekannten Innenwiderstandswerte berechnet oder geschätzt wird.
Bei Schritt S105, der bei Schritt S104 bestimmt wurde, dass die Steuerung 50 einen Ladestrom (Pfeil I_C) unterhalb der stationären oder anderen unteren Grenze angefordert hat, steuert die Steuerung 50 als nächstes den Ladevorgang zu der Stromgrenze, die definiert ist durch das Batterie-Pack 26. Mit anderen Worten ausgedrückt, da der angeforderte Ladestrom (Pfeil I_C) bereits kleiner ist als die stationäre Grenze oder andere untere Grenze, kann die Steuerung 50 frei das Batterie-Pack 26 in herkömmlicher Weise laden, ohne auf dynamische Anpassung von Stromgrenzen nachfolgender Schritte des Verfahrens 100 zurückzugreifen. Das Verfahren 100 wiederholt dann den Schritt S102.
Bei Schritt S106 empfängt die Steuerung 50 Daten von Schritt S107, während des Ladens des Batterie-Packs 26 auf das höchste zulässige Niveau. Das heißt, unter kurzer Bezugnahme auf 2, dass die Steuerung 50 vorübergehend den Ladestrom (Pfeil I_C) auf die maximale Stromgrenze der am meisten begrenzenden elektronischen Stromkomponente erhöht, d. h. das höhere relative Niveau (A3) von 2, und dann das Verfahren des Bestimmens beginnt, wenn Bedingungen von Schritt S107 ordnungsgemäß zur Reduzierung des Ladestroms (Pfeil I_C) auf das stationäre oder andere untere relative Niveau (A2) sind.
Als Teil von Schritt S106 kann die Steuerung 50 von 1 den Ladestrom (Pfeil I_C) ansammeln, d. h. eine Gesamtmenge von Ladung berechnen, welche auf das Batterie-Pack 26 ab t₀ in 2 übergeht, und/oder kann einen Ladezeitgeber in der Logik initiieren um zu bestimmen, wie lange Laden bei dem höheren relativen Niveau (A3) angedauert hat, und/oder fortfahren, die einzelnen Temperaturen der verschiedenen elektronischen Stromkomponenten zu bestimmen, wie oben dargelegt, d. h. entweder durch Modellierung, Schätzung oder direkte Messung in verschiedenen Ausführungsformen. Somit kann in verschiedenen Ausführungsformen der Durchgang einer kalibrierten Zeitdauer oder das Erreichen einer kalibrierten Temperatur oder das Erreichen einer Schwelle akkumulierten Ladestroms verwendet werden, als Teil von Schritt S106. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S108 über.
Schritt S107 beinhaltet das Messen der Atmosphärentemperatur (Pfeil TA), des Ladestroms (Pfeil I_C) und der Kopplertemperatur (Pfeil T22), und Weiterleiten dieser Werte an die Steuerung 50 von 1. Alternativ kann die Komponententemperatur (Pfeil TC) individuell und direkt gemessen werden, jedoch auf Kosten einzelner Thermistoren oder anderer Sensoren mit jeder Komponente.
Schritt S108 beinhaltet das Bestimmen, ob der Ladestrom/die Stromgrenze der am meisten begrenzenden der elektronischen Stromkomponenten von 1 erreicht wurde. Wenn ja, fährt die Steuerung 50 mit Schritt S110 fort. Die Steuerung 50 wiederholt andernfalls Schritt S104.
Bei Schritt S110 reduziert die Steuerung 50 den Ladestrom, der von der externen Ladestation 30 von 1 angefordert wird, auf das untere relative Niveau (A2), das in 2 dargestellt ist, d. h. über Verbindung mit der externen Ladestation 30, wie oben dargelegt. Wie oben erwähnt, kann das untere relative Niveau (A2) die stationäre Stromgrenze der am meisten beschränkenden Stromkomponenten in einigen Ausführungsformen sein, oder die einzelnen kurzfristigen höheren Stromgrenzen können neu bewertet und wie oben beschrieben durch die Dauer t₁ bis t₂ angewandt werden, sodass der kalibrierten Rampe 45 von 2 gefolgt wird, oder eine Reihe von diskreten Stufenanpassungen verfolgt wird, wie dargestellt, bis zum Erreichen von t₃. Bei t₃ beinhaltet Schritt S110 weiterhin das Reduzieren des Ladestroms (Pfeil I_C) derart, dass der Ladevorgang abnimmt oder langsamer fortfährt, um einen ordnungsgemäßen Zellenausgleich und Ladeabschluss sicherzustellen, wie auf dem Gebiet bekannt ist. Das Verfahren 100 fährt mit Schritt S112 fort.
Bei Schritt S112 bestimmt die Steuerung 50, ob das Laden des Batterie-Packs 26 abgeschlossen ist, z. B. durch Vergleichen des Ladezustands oder der Zellenspannungen oder der Batteriespannung mit einer kalibrierten Schwelle. Verfahren 100 ist abgeschlossen (**) wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist, wobei das Verfahren 100 erneut mit Schritt S102 fortfährt. Wenn nicht, wiederholt die Steuerung 50 Schritt S104.
Obwohl die besten Arten der Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, mit denen die Offenbarung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE J1772 [0003]
SAE-J1772-Standards [0026]
SAE-J1772 [0036]

Claims

Elektrisches System zur Verwendung mit einer externen Ladestation, das dazu konfiguriert ist, dynamisch eine Stromgrenze des elektrischen Systems während eines Batterieladevorgangs anzupassen, das elektrische System umfassend: ein Batterie-Pack; einen Ladekoppler, der zum Verbinden des elektrischen Systems mit der externen Ladestation über ein Kabel konfiguriert ist, und um zu erlauben, dass ein angeforderter Ladestrom von der externen Ladestation das Batterie-Packs während des Batterieladeverfahrens übergeben wird; eine Vielzahl von elektronischen Komponenten einschließlich einer am meisten beschränkenden Komponente, worin die Komponenten elektrisch mit dem Batterie-Pack verbunden sind und entsprechende temperaturbasierte Betriebsleistungsinformationen aufweisen, die einen maximal zulässigen Ladestrom über eine Vielzahl von verschiedenen Zeitintervallen beschreiben, worin die am meisten beschränkende Komponente einen niedrigsten zulässigen Ladestrom über ein jeweiliges der Zeitintervalle aufweist; mindestens einen Sensor, der betreibbar zum Messen einer Temperatur ist; und eine Steuerung in Verbindung mit dem mindestens einen Temperatursensor, und der mit den temperaturbasierten Betriebsleistungsdaten für die elektronischen Stromkomponenten für eine Vielzahl von unterschiedlichen Komponententemperaturen programmiert ist, worin die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Komponententemperatur unter Verwendung der gemessenen Temperatur zu bestimmen, und einen zeitweilig vergrößerten Ladestrom von der externen Stromversorgung über mindestens einen der Zeitabstände anzufordern, um so dem Batterie-Pack den maximal zulässigen Ladestrom der am meisten beschränkenden Komponente während des jeweiligen Zeitintervalls zuzuführen.
Elektrisches System nach Anspruch 1, worin jede der elektronischen Stromkomponenten einen entsprechenden stationären Ladestrom aufweist, der kleiner ist als der maximal zulässige Ladestrom, und worin die Steuerung dafür konfiguriert ist, den stationären Ladestrom der am meisten beschränkenden Komponente nach Abschluss einer kalibrierten Zeitdauer oder bei Erreichen einer kalibrierten Komponententemperatur anzufordern.
Elektrisches System nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Sensor einen ersten Temperatursensor beinhaltet, der dazu konfiguriert ist, eine Umgebungstemperatur und eine zweite Temperatur zu messen, die mit dem Ladekoppler verbunden ist.
Elektrisches System nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Sensor eine Vielzahl von Temperatursensoren beinhaltet, die jeweils mit einer entsprechenden der elektronischen Stromkomponenten verbunden sind.
Elektrisches System nach Anspruch 1, worin bei Abschluss der kalibrierten Zeitdauer oder Erreichen der kalibrierten Komponententemperatur die Steuerung dafür konfiguriert ist, eine Abnahme des angeforderten Ladestroms bei einer kalibrierten Rampenrate für eine weitere kalibrierte Zeitdauer oder bis zum Erreichen einer anderen kalibrierten Komponententemperatur anzufordern.
Elektrisches System nach Anspruch 1, worin die elektronischen Stromkomponenten jeweils ein Paar von Hochspannungsschützen beinhalten.
Elektrisches System nach Anspruch 1, worin die elektronischen Stromkomponenten Hochspannungssammelschienen beinhalten.
Elektrisches System nach Anspruch 1, worin die elektronischen Stromkomponenten den Ladekoppler beinhalten.
Fahrzeug, das mit einer externen Ladestation während eines Batterieladevorgangs elektrisch verbindbar ist, das Fahrzeug umfassend: einen Elektromotor, der zum Ausgeben von Drehmoment an ein drehbares Abtriebselement funktionsfähig ist, das für den Vortrieb des Fahrzeugs ausreicht; und ein elektrisches System mit: einem Batterie-Pack, das elektrisch mit dem Elektromotor verbunden ist; einem Ladekoppler, der zum Verbinden des elektrischen Systems mit der externen Ladestation über ein Kabel konfiguriert ist, und um zu erlauben, dass ein angeforderter Ladestrom von der externen Ladestation das Batterie-Packs während des Batterieladeverfahrens übergeben wird; einer Vielzahl von elektronischen Komponenten einschließlich einer am meisten beschränkenden Komponente, worin die elektronischen Stromkomponenten elektrisch mit dem Batterie-Pack verbunden sind und entsprechende temperaturbasierte Betriebsleistungsinformationen aufweisen, die einen maximal zulässigen Ladestrom über eine Vielzahl von verschiedenen Zeitintervallen beschreiben, worin die am meisten beschränkende Komponente einen niedrigsten zulässigen Ladestrom über ein jeweiliges der Zeitintervalle aufweist; mindestens einem Sensor, der betreibbar zur Bestimmung einer Temperatur von, oder in der Nähe des Fahrzeugs ist; und einer Steuerung in Verbindung mit dem mindestens einen Temperatursensor, und programmiert mit den temperaturbasierten Betriebsleistungsdaten für die elektronischen Stromkomponenten für eine Vielzahl von unterschiedlichen Komponententemperaturen, worin die Steuerung dazu konfiguriert ist, die Komponententemperatur unter Verwendung der gemessenen Temperatur zu bestimmen, und einen zeitweilig vergrößerten Ladestrom von der externen Stromversorgung über mindestens einen der Zeitabstände anzufordern, um so dem Batterie-Pack den maximal zulässigen Ladestrom der am meisten beschränkenden Komponente während des jeweiligen Zeitintervalls zuzuführen.
Fahrzeug nach Anspruch 9, worin jede der elektronischen Stromkomponenten einen entsprechenden stationären Ladestrom aufweist, der kleiner ist als der maximal zulässige Ladestrom, und worin die Steuerung dafür konfiguriert ist, den stationären Ladestrom der am meisten beschränkenden Komponente nach Abschluss einer kalibrierten Zeitdauer oder bei Erreichen einer kalibrierten Komponententemperatur anzufordern.