DE102018111263A1

DE102018111263A1 - Traktionsbatterie mit referenzsuperkondensator zur ladungsüberwachung

Info

Publication number: DE102018111263A1
Application number: DE102018111263.7A
Authority: DE
Inventors: Eric Poirier
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-05-15
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2018-11-15
Also published as: US20180326861A1; US10322643B2; CN108859791A

Abstract

Eine kapazitive Schaltung mit einem Superkondensator ist mit einer Traktionsbatterie in Reihe geschaltet, um einen Stromsensor bereitzustellen, um ein erfasstes Signal zu erzeugen, das im gesamten Betriebsbereich der Traktionsbatterie linear ist. Die lineare Reaktion der kapazitiven Schaltung ist eine Verbesserung gegenüber dem reinen Messen der Spannung an der Batterie, die in einigen Bereichen nicht linear ist, z. B. einen Ladezustand von 20 % bis 80 %.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft allgemein das Überwachen einer Ladung in einer Traktionsbatterie und insbesondere das Verwenden eines Referenzkondensators zum Überwachen einer Traktionsbatterieladung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein Fahrzeug, das elektrische Leistung zur Antriebskraft verwendet, muss den Benutzer mit der Ladungsmenge in der Traktionsbatterie versorgen, z. B., um einen Fahrbereich zu berechnen. Eine Messung ist der Ladezustand (State of Charge - SOC) einer Traktionsbatterie. Der SOC kann eine Messung einer Batterieladung in Coulomb, Amp*Stunden oder % sein. Der SOC wird üblicherweise basierend auf der Stromintegration, Zellspannung oder einer Kombination von beidem ermittelt.
KURZDARSTELLUNG
Das Überwachen oder Erfassen einer Traktionsbatterie kann durch das Anordnen eines Superkondensators in Reihe mit der Traktionsbatterie, Gruppen von Batteriezellen oder einer Batteriezelle unterstützt werden. Ein Verfahren zum Überwachen eines Ladungszustandes kann das Erfassen einer Spannung an einer kapazitiven Schaltung mit einem Superkondensator, der mit einer Traktionsbatterie in Reihe geschaltet ist, um eine erfasste Spannung zu erzeugen, und das Ermitteln einer Traktionsbatteriekapazität unter Verwendung der erfassten Spannung beinhalten.
Ein Verfahren für eine Fahrzeugbatteriesteuerung kann das Laden und Entladen einer Traktionsbatterie durch eine Steuerung gemäß einer Kapazität der Traktionsbatterie beinhalten, die von der Steuerung aus einer erfassten Spannung an einem Kondensator einer kapazitiven Schaltung abgeleitet wird, die mit der Traktionsbatterie in Reihe geschaltet ist, sodass die erfasste Spannung sich während des Ladens und Entladens innerhalb eines Betriebsbereichs der Traktionsbatterie linear mit dem Strom verändert.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Erfassen der Spannung das Erfassen einer Spannung, die innerhalb eines Betriebsbereichs der Traktionsbatterie linear ist.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Erfassen der Spannung das Erfassen einer Spannung, die innerhalb eines Bereichs eines Ladezustands von etwa 20% bis 80% linear ist.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Erfassen der Spannung das Erfassen der Spannung in parallel geschalteten Superkondensatoren, die mit der Traktionsbatterie in Reihe geschaltet sind.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Erfassen der Spannung das Erfassen einer Spannung, die innerhalb eines Betriebsbereichs der Traktionsbatterie linear ist.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Erfassen der Spannung das Erfassen einer Spannung, die allgemein um einen Plateaubereich der Spannungskurve des Batterie-SOC linear ist.
Ein Fahrzeug kann Systeme beinhalten, um eine der Methodiken zum Erfassen eines Traktionsbatteriezustandes, wie hierin beschrieben, durchzuführen. Das Fahrzeug kann eine Traktionsbatterie, eine mit der Traktionsbatterie in Reihe geschaltete kapazitive Schaltung, einen mit der Traktionsbatterie verbundenen Elektromotor und die kapazitive Schaltung zum Antreiben von Rädern beinhalten; und eine Steuerung zum Erfassen einer Spannung an der kapazitiven Schaltung und zum Ermitteln einer Traktionsbatteriekapazität unter Verwendung der erfassten Spannung. Die kapazitive Schaltung kann einen Superkondensator beinhalten.
In einem Ausführungsbeispiel entspricht die kapazitive Schaltung der Spannungskapazität der Traktionsbatterie.
In einem Ausführungsbeispiel dient die Steuerung dazu, eine Spannung an der kapazitiven Schaltung zu erfassen, und die Spannung an der kapazitiven Schaltung ist innerhalb eines Betriebsbereichs der Traktionsbatterie linear.
In einem Ausführungsbeispiel ist die kapazitive Schaltung ausgelegt, um eine lineare Spannung innerhalb eines Bereichs eines Ladezustands der Traktionsbatterie von 20 % bis 80 % bereitzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet die kapazitive Schaltung parallel geschaltete Superkondensatoren.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet die kapazitive Schaltung in Reihe geschaltete Superkondensatoren.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet eine kapazitive Schaltung ein erstes Paar von zwei in Reihe geschalteten Superkondensatoren und ein zweites Paar von zwei in Reihe geschalteten Superkondensatoren, und wobei das erste Paar parallel zu dem zweiten Paar ist.
In einem Ausführungsbeispiel stellt die kapazitive Schaltung ein Schaltkreisäquivalent von 5000 Farad bereit und wobei die Traktionsbatterie eine 300 Volt Li-Ionen-Batterie ist.
In einem Ausführungsbeispiel verwendet die Steuerung Q _BAT=f [V CAP (I,t),α_0... α_n ], um zu ermitteln, dass die Ladung Q BAT eine Funktion der Spannung V CAP an der kapazitiven Schaltung ist.
Eine zusätzliches Verfahren zum Überwachen des Ladezustandes kann in dem Fahrzeug verwendet werden. Das Verfahren kann das Erfassen einer Spannung an einer kapazitiven Schaltung, die mit einer Traktionsbatterie in Reihe geschaltet ist, um eine erfasste Spannung innerhalb eines Bereichs des Ladezustands der Traktionsbatterie von 20 % bis 80 % zu erzeugen, und das Ermitteln einer Traktionsbatteriekapazität unter Verwendung der erfassten Spannung beinhalten.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Erfassen der Spannung das Erfassen einer Spannung, die innerhalb eines gesamten Betriebsbereichs der Traktionsbatterie linear ist.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Ermitteln der Traktionsbatteriekapazität unter Verwendung der erfassten Spannung das Integrieren von Strom durch die kapazitive Schaltung.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Ermitteln der Traktionsbatteriekapazität das Zirkulieren von Strom durch eine Vielzahl von Superkondensatoren in der kapazitiven Schaltung.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Ermitteln der Traktionsbatteriekapazität das Zirkulieren von Strom durch eine Vielzahl von Superkondensatoren, die mit einer Batteriezelle der Traktionsbatterie in Reihe geschaltet ist.
Figurenliste

1 ist ein beispielhaftes Hybridelektrofahrzeug mit einem Batteriepack.
2 ist eine Batteriepackanordnung, die aus Batteriezellen und Batteriezellenüberwachungs- und Steuersystemen besteht.
Die 3A-3C sind vereinfachte schematische Darstellungen eines Referenzkondensators in Reihe mit einer Batteriezelle.
4 zeigt einen Graphen einer herkömmlichen Spannungsmessung und einen Superkondensator in Reihe zur Batterieüberwachung.
5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Überwachen einer Traktionsbatterie gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erfordert, werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich als Beispiele der Erfindung dienen, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten darzustellen. Daher sind hierin offenbarte spezifische strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachmann die vielseitige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Es ist wünschenswert, eine Ladung in einer Traktionsbatterie zu schätzen. Eine Technik ist ein Stromintegrationsansatz, dessen Genauigkeit durch die eines Stromsensors bestimmt wird. Daher erfordert ein genauer Stromintegrationsansatz einen Stromsensor mit hoher Genauigkeit, der zu erheblichen Kosten und einer beträchtlichen Komplexität bei einem Fahrzeug führt. Eine weitere Technik ist ein spannungsbasierter Ansatz, aber diese Technik ist im Falle einer Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batterie durch das Vorhandensein eines Plateaus in der SOC im Vergleich zu einer Spannungskurve, sowie einer Hysterese oder Polarisierung und Nichtlinearität beschränkt. Diese Eigenschaften des SOC im Vergleich zu Spannungskurven bei Li-Ionen-Zellen, verbunden mit der Besonderheit dieser Zellenchemie, machen es schwierig, SOC-Veränderungen basierend auf Spannungsveränderungen genau nachzuverfolgen. Diese Technik kann in einem Zwischenbereich des SOC nicht so genau wie erforderlich sein. Einige andere Arten von Batterien und Kondensatoren unterliegen jedoch nicht diesem Problem. Die vorliegende Offenbarung verwendet daher einen oder mehrere Kondensatoren (oder Superkondensatoren), um eine Ladung in einer Traktionsbatterie zu messen, da Kondensatoren große und reversible lineare Veränderungen bei der Ladung in Abhängigkeit von der Spannung, z. B. von der Traktionsbatterie, zeigen. In einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen befindet sich mindestens ein Superkondensator in Reihe mit einer Anordnung von Traktionsbatteriezellen (z. B. Li-Ionen-Zellen) zur SOC-Überwachung. Der hinzugefügte Reihenkondensator unterliegt demselben Strom wie die Zellen der Traktionsbatterie. Der Strom, der durch den/die Kondensator(en) zirkuliert hat, wie durch seine Veränderungen bei der Spannung angezeigt, wird daher verwendet, um den Ladungsausgleich der gesamten Batterie zu berechnen.
1 zeigt ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 12, das einen oder mehrere elektrische Maschinen 14 umfassen kann, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 können als Motor oder Generator betrieben werden. Bei Hybridfahrzeugen ist ein Getriebe 16 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 18 verbunden. Das Getriebe 16 ist ebenfalls mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 14 können eine Antriebs- und Verzögerungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Motor 18 eingeschaltet oder abgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 14 können auch als Generatoren fungieren und können Kraftstoff einsparen, indem Energie gewonnen wird, die normalerweise als Wärme in dem Reibungsbremssystem verloren wäre. Die elektrischen Maschinen 14 können auch Fahrzeugemissionen dadurch verringern, dass der Motor 18 mit effizienterer Geschwindigkeit arbeiten kann und das Hybridelektrofahrzeug 12 im Elektromodus betrieben werden kann, wobei der Motor 18 unter bestimmten Bedingungen abgeschaltet ist. Ähnliche Vorteile können mit einem Elektrofahrzeug erreicht werden, das keinen Verbrennungsmotor 18 beinhaltet.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 genutzt werden kann. Ein Fahrzeugbatteriepaket 24 liefert üblicherweise eine hohe GS-Ausgangsspannung. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen verbunden. Ein oder mehrere Schütze (nicht dargestellt) können die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und können die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 26 ist ebenfalls elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden und bietet die Möglichkeit, elektrische Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 zu übertragen. Eine typische Traktionsbatterie 24 kann beispielsweise eine Gleichspannung liefern, während die elektrischen Maschinen 14 einen dreiphasigen Wechselstrom erfordern, um zu arbeiten. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom umwandeln, wie von den elektrischen Maschinen 14 gefordert. In einem regenerativen Modus wandelt das Leistungselektronikmodul 26 den dreiphasigen Wechselstrom von den elektrischen Maschinen 14 um, welche als Generatoren des Gleichstroms fungieren, der für die Traktionsbatterie 24 erforderlich ist. Die Beschreibung hierin ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein Getriebegehäuse sein, das mit einer elektrischen Maschine 14 verbunden ist, und der Motor 18 kann weggelassen werden, wie zuvor beschrieben. In der Erfindung der vorliegenden Offenbarung kann die Traktionsbatterie 24 Superkondensatoren in Reihenschaltung mit Zellen in der Traktionsbatterie 24 beinhalten. Die innerhalb der Traktionsbatterie 24 gespeicherte Ladung kann durch das Messen der Spannung an dem Superkondensator ermittelt werden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Vortriebsenergie kann die Traktionsbatterie 24 Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein GS/GS-Wandlermodul 28 aufweisen, das die hohe GS-Spannungsleistung der Traktionsbatterie 24 in eine niedrige GS-Versorgungsspannung, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist, umwandelt. Andere Hochspannungslasten, wie beispielsweise Kompressoren und elektrische Heizanlagen für den Innenraum oder Komponenten, können ohne Verwendung eines GS/GS-Wandlermoduls 28 direkt mit der Hochspannung verbunden sein. Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12V- oder 24V-Batterie) verbunden sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Fahrzeuge wie beispielsweise das Fahrzeug 12, das ein Hybrid- oder ein Range Extender Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-in-Hybridfahrzeug sein kann, bei dem die Traktionsbatterie 24 durch eine externe Leistungsquelle 36 wieder aufgeladen werden kann, beinhalten. Die externe Leistungsquelle 36 kann eine Verbindung zu einer Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann elektrisch mit einem Elektrofahrzeug-Versorgungsgerät (EVSE) 38 verbunden sein. Die EVSE 38 kann eine Schaltung und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 zu regulieren und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische Gleichstrom- oder Wechselstromleistung bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Lade-Steckverbinder 40 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeanschluss 34 kann eine beliebige Art von Anschluss sein, der dazu ausgelegt ist, Leistung von dem EVSE 38 an das Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem fahrzeugseitigen Leistungswandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann die Leistung konditionieren, die von dem EVSE 38 bereitgestellt wird, um der Traktionsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann über eine Schnittstelle mit dem EVSE 38 verbunden sein, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Steckverbinder 40 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlusses 34 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden beschrieben sind, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Die verschiedenen, in 1 veranschaulichten Komponenten können eine oder mehrere zugeordnete Steuerungen zum Steuern und Überwachen des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Eine oder mehrere Steuerungen können auch auf eine eigenständige Art und Weise arbeiten, ohne Kommunikation mit einer oder mehreren anderen Steuerungen. Eine der Steuerungen kann durch ein Batterieenergiesteuermodul (Battery Energy Control Module - BECM) 46 umgesetzt sein, um beispielsweise verschiedene Lade- und Entladefunktionen und das Ausgleichen von Batteriezellenladung zu steuern. Das BECM 46 kann innerhalb des Traktionsbatteriepacks 24 angeordnet sein und kann mit einem oder mehreren Sensormodulen verbunden sein, um die Spannung an den Superkondensatoren zu erfassen.
Fahrzeugtraktionsbatteriepacks können aus einer Vielfalt chemischer Formulierungen aufgebaut sein. Typische Batteriepack-Chemien beinhalten Blei-Säure, Nickel-Metallhybrid (NIMH) oder Lithium-Ion (Li-Ion). Andere Traktionsbatterie-Chemien können verwendet werden. 2 zeigt einen typischen Batteriepack 24 in einer einfachen Reihenkonfiguration aus N Batteriezellmodulen 42. Andere Batteriepacks können jedoch aus einer beliebigen Anzahl einzelner Batteriezellen bestehen, die in Reihe oder parallel oder in einer Kombination davon geschaltet sind. Die Batteriezellmodule 42 beinhalten eine Batteriezelle und eine oder mehrere kapazitive Vorrichtungen, mit der Batteriezelle in Reihe geschaltet sind. Wie zuvor beschrieben, kann ein typisches System eine oder mehrere Steuerungen, wie zum Beispiel ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) 46 aufweisen, welche die Leistung des Batteriepacks 24 überwachen und steuern. Das BECM 46 kann mehrere Pegelkenndaten des Batteriepacks überwachen, wie zum Beispiel den Packstrom 48, die Packspannung 52 und die Packtemperatur 54. Das BECM 46 kann auch den SOC überwachen unter Verwendung der über die Superkondensatoren, die jeweils mit Batteriezellen in Reihe geschaltet sind, gemessene(n) Spannung(en). Das BECM 46 kann einen nichtflüchtigen Speicher aufweisen, sodass Daten aufbewahrt werden können, wenn das BECM sich in einem ausgeschalteten Zustand befindet.
Das BECM 46 kann Hardware und/oder Software beinhalten, um verschiedene Batteriefunktionen zu steuern, wie beispielsweise das Ausgleichen der Batteriezellenladung und die thermische Batteriekonditionierung. Wie ein Fachmann allgemein versteht, kann ein Ladungsausgleich für einige Batterie-Chemien wichtiger sein als für andere, wird jedoch ausgeführt, um die einzelnen Ladungen jeder Batteriezelle durch das Entladen von Zellen, die über einen gewünschten Grenzwertpegel hinaus geladen sind, und das Laden von Zellen, die eine Ladung unterhalb des gewünschten Grenzwertpegels aufweisen, auszugleichen. Wie unten ausführlicher beschrieben, kann das BECM 46 PTC-Komponenten beinhalten, um einen SOC oder verbleibende Entfernungsberechnungen bereitzustellen, die auf der erfassten Spannung an dem in Reihe geschalteten Superkondensator in dem Batteriezellenmodul basieren können.
Zusätzlich zu der Überwachung der Pegelkenndaten des Batteriepacks kann das BECM 46 auch Zellebenen-Kenndaten überwachen und/oder steuern, wie beispielsweise einzelne oder gruppierte Zellspannungen und/oder die Spannungen an den Superkondensatoren in dem Batteriepack 24. Beispielsweise können die Anschlussspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle zusätzlich zu dem Messen der Spannung an dem Superkondensator gemessen werden. Das BECM 46 kann Spannungsüberwachungsschaltungen oder Sensormodule 44 beinhalten, um die Spannung an den Anschlüssen jeder der N Zellenmodule 42 des Batteriepacks 24 zu messen. Die Spannungsüberwachungsschaltungen 44 können durch ein Netz von Widerständen und Kondensatoren umgesetzt sein, die ausgelegt sind, um eine ordnungsgemäße Skalierung und Filterung der Spannungssignale, die an der Batteriezelle oder dem in Reihe geschalteten Superkondensator gemessen werden, bereitzustellen. Die Spannungsüberwachungsschaltungen 44 können auch eine Isolierung bereitstellen, sodass hohe Spannungen keine andere Schaltung mit dem BECM 46 beschädigen.
Die 3A-3C zeigen schematische Schaltungen 300A-300C für Superkondensatoren 310, die mit der Traktionsbatteriezelle 320 in Reihe geschaltet sind, mit Schaltern 330, die selektiv die Batteriezelle 320 mit einer externen Schaltung verbinden, um eine Hochspannung, HV_OUT 325, auszugeben, um die elektrischen Maschinen 14 zu steuern oder die Batteriezelle zu laden. Die Batteriezelle 320 stellt eine Hochspannung bereit, um der elektrischen Maschine 14 elektrische Energie zuzuführen, um dem Fahrzeug eine Antriebskraft bereitzustellen. Der Superkondensator 310 ist mit der Batteriezelle 320 in Reihe geschaltet. Der Superkondensator 310 ist hier als mit dem Minuspol der Batteriezelle und dem Minusschalter verbunden dargestellt. Die Spannung V_CAP an dem Superkondensator 310 wird durch eine Erfassungsschaltung erfasst, die ein Signal an den BECM 46, das die Spannung V_CAP ermitteln kann, bereitstellt. V_CAP wird verwendet, um die Ladung, z. B. den SOC, in der Batteriezelle zu ermitteln. Die Spannung V_CAP ist im gesamten Betriebsbereich der Traktionsbatteriezelle 320 im Wesentlichen linear. Die gesamte Batterie oder Gruppen von Batteriezellen (Modul oder Anordnungen) 320 können einen Superkondensator 310 aufweisen, der in Reihe geschaltet ist.
Die 3B und 3C zeigen, dass die Kapazität an dem Superkondensator 310 die äquivalente Kapazität von N Superkondensatoren ist, die eine Kapazität der Schaltung umfassen. Die kapazitive Schaltung stellt eine Kapazität und somit die Spannung V_CAP bereit. Die Schaltung 300B weist eine Vielzahl von parallel geschalteten Superkondensatoren 311, 312, 313 auf. Die äquivalente Kapazität von N parallel geschalteten Superkondensatoren ist die Summe der einzelnen Kapazitäten. Wenn ein einzelner Kondensator nicht der Spannung der Traktionsbatterie oder der Batteriezelle entsprechen kann, können mehr als ein Kondensator in Reihe geschaltet werden, um dem Spannungsbereich der Traktionsbatterie zu entsprechen. Die Schaltung 300C weist eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Superkondensatoren 314, 315, 316 auf. Die äquivalente Kapazität von N in Reihe geschalteten Superkondensatoren ist die Summe der Kehrwerte der einzelnen Kapazitäten. Um einer bestimmten Batterieladekapazität und Spannungsspezifikationen zu entsprechen, können Kombinationen von parallel und in Reihe geschalteten Superkondensatoren verwendet werden, z. B. eine Kombination der in den Schaltungen 300B und 300C dargestellten kapazitiven Schaltungen. In einem Ausführungsbeispiel sind zwei Gruppen von zwei in Reihe geschalteten Superkondensatoren parallel geschaltet Eine derartige Konfiguration der Kapazitätsschaltung kann die Parallelschaltung verwenden, um der Kapazität der Traktionsbatterie zu entsprechen, und die Reihenschaltung ermöglicht es, dass die Kapazität der Schaltung in ihrem linearen Bereich in dem Betriebsbereich der Traktionsbatterie oder der Zelle ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwenden die Eigenschaften der Kapazitäten des mit der Traktionsbatterie in Reihe geschalteten Superkondensators. Im Gegensatz zu Li-Ionen-Zellen verändert sich die Spannung eines Kondensators linear in Abhängigkeit von seiner Ladung Q: $V_{C A P} = C^{- 1} Q$
wobei C die Kapazität ist (in Farad). Die Spannung des Kondensators VCAP bezieht sich auf das Integral der Spannung als: $V_{C A P} = \frac{1}{C} \int_{t_{0}}^{t_{f}} I * d t$
Bei einer Reihenschaltung mit Li-Ionen-Zellen in einer Batterie hängt die Veränderung der Spannung des Kondensators daher von dem Strom ab, der in der gesamten Batterie zirkuliert hat. Die Batterieladung kann somit als allgemeine Funktion von Vcap und anderen Parametern ausgedrückt werden: $Q_{B A T} = f [V_{C A P} (I, t), α_{0} \dots α_{n}]$
wobei α₀... α_n experimentell bestimmte Nichtidealitätsparameter sind (z. B. Selbstentladung, Temperaturkorrektur usw.). Im Gegensatz zur Überwachung von Li-Ionen-Zellspannung profitiert die Verwendung des mit den Traktionsbatteriezellen in Reihe geschalteten Superkondensators von der Reversibilität, Linearität und schnellen Reaktion und der Spannung des Kondensators im Gegensatz beispielsweise zur Ladekurve, wie in 4 dargestellt.
4 zeigt einen Graphen 400 einer herkömmlichen Spannung 401 und eine Spannung 402, die an dem Superkondensator, wie hierin beschrieben, gemessen wird. Die herkömmliche Spannung 401 ist auf der linken Koordinate dargestellt und kann an der Traktionsbatterie gemessen werden, z. B. V_BAT. Die Traktionsbatterie kann eine 300V Li-Ionen-Batterie sein. Wie in dem Beispiel aus 4 dargestellt, ist die herkömmliche Spannung verhältnismäßig flach zwischen etwa 20 % SOC und 80 % SOC, hier dargestellt als etwa 1,0 Amperestunden bis etwa 4,0 Amperestunden. Der SOC-Bereich kann für die hierin beschriebenen Bereiche in einem Beispiel +/-1 % oder +/- 2% sein. Der Bereich kann zwischen 25 %-75 % SOC oder zwischen 17,5 % bis 82,5 % SOC liegen. Die Batteriepackspannung allein liegt zwischen etwa 250 Volt bis etwa 270 Volt über dem Plateaubereich des Graphen 401. Andere Batterien können einen flachen Reaktionsbereich zwischen der Ladung und der Spannung an den Batterieanschlüssen relativ zu der Ladung aufweisen. Die herkömmliche Spannung schwankt nicht stark genug, um den SOC in diesem Bereich genau anzugeben. Für den erfassten Kondensator weist er einen Wert von 5000 Farad auf. Der erfasste Kondensator kann ein einzelner Kondensator (z. B. Batteriemodulkonfiguration 300A), mehrere Kondensatoren in einer parallelen, Reihen- oder Kombinationskonfiguration (z. B. Batteriemodulkonfiguration 300B, 300C oder eine Kombination aus 300B und 300C) sein. Die erfasste Kondensatorspannung 402 ist im Wesentlichen linear über dem gesamten Bereich und insbesondere über dem Bereich von 1,0 Amperestunden bis etwa 4,0 Amperestunden oder 20 % SOC bis 80 % SOC. Dieses lineare Verhalten der Kondensatorspannung ist reversibel, da die Traktionsbatteriekapazität sich durch das Entladen und Laden verändert. Daher kann die Spannung 402 verwendet werden, um den SOC über dem gesamten Bereich des SOC oder eine Amperestundenkapazität der Traktionsbatterie und mit größerer Auflösung zu berechnen. In einem Ausführungsbeispiel ermöglicht das Verwenden der hier beschriebenen Verfahren und Systeme die Ermittlung des SOC, ohne dass eine hochauflösende Messung der Traktionsbatteriespannung, z. B. zwölf Bit oder mehr, erforderlich ist, um entlang des flachen Abschnitts der herkömmlichen Spannung 401 zu unterscheiden. Hierin beschriebene Beispiele können durch Verwendung eines Superkondensators oder einer ordnungsgemäß bemessenen kapazitiven Schaltung in Bereichen, in denen die Batteriespannung, z. B. die Packspannung, flach ist, eine nicht flache Reaktion bereitstellen.
In einigen hierin beschriebenen Ausführungsformen sind ein oder mehrere Superkondensatoren mit Zellen in einer Traktionsbatterieanordnung zum Zwecke der Batterieladung oder der SOC-Überwachung in Reihe geschaltet. Der durch den/die Kondensator(en) fließende Strom und die in Reihe geschalteten Zellen sind in allen Komponenten der Batterie gleich. Eine Erhöhung der Spannung Vcap von 0 auf 2,7 V über einen 5000 F Referenz-Superkondensator gibt beispielsweise an, dass eine Ladung von Q = C*V = 5000 F * 2,7 V = 13500 C (oder 3,75 Amperestunden) durch die gesamte Reihenanordnung zirkuliert hat. Daher können Veränderungen bei der Ladung einer gesamten Batterie, die einen Referenzkondensator enthält, in Abhängigkeit von Veränderungen bei der Spannung am selben Kondensator (Vcap) festgestellt werden. Insbesondere kann das Batterieenergie-Steuermodul die Kapazität des gesamten Packs als Cpack =f [Vcap (I,t), a₀...a_n] berechnen, wobei Vcap=I*t/C und ai experimentell ermittelte Parameter sind, welche die Nicht-Idealität des Systems erklären. Dies kann analog zu dem Stromintegrationsansatz erfolgen, mit Ausnahme der Referenzkondensatorspannung, die den tatsächlichen integrierten Ladungswert, d. h. die Ladung Q oder ein „A*h“, grundsätzlich angeben. Für die Umsetzung kann der Referenzkondensator bemessen sein, um in einem Ladungs-/ Spannungsbereich, der demjenigen der Batteriezellen entspricht, betrieben zu werden. Zu diesem Zweck können mehrere Kondensatoren in Reihen-/ paralleler Konfiguration verwendet werden, um einen spezifischen Kapazitätswert zu erhalten. Die vorliegenden Systeme und Verfahren können die Genauigkeit der Ladungsüberwachung erhöhen, z. B. basierend auf dem linearen und reversiblen Verhalten eines Superkondensators, sowie seine allgemeine Fähigkeit, vollständig geladene/entladene Zustände zu erreichen (was eine Skalierung in einem etwas größeren Spannungsbereich als Li-Ionen-Zellen bereitstellen kann). Der/die hinzugefügten Kondensator(en) stellen zwar eine Batterieladereferenz bereit, verändern jedoch nicht wesentlich die Ladungs-/ Entladungsplateaukenndaten des Packs, da er nur zu einem kleinen Teil der gesamten Batteriespannung und -ladung beiträgt. Ebenso ist die Spannung des Superkondensators wesentlich geringer als die Spannung von der Traktionsbatterie, z. B. Vcap«Vpack. In einem Beispiel beträgt der Spannungsbeitrag von dem Superkondensator etwa zwei Größenordnungen weniger als der Beitrag von der Traktionsbatterie. Außerdem ist der Superkondensator eine kostengünstige Komponente, die der Batterie auch eine Ladungskapazität hinzufügt.
5 zeigt ein Verfahren 500 des Ermittelns der Ladung in einer Traktionsbatterie, z. B. den Ladungszustand. Bei 501 wird die elektrische Energie über die kapazitive Schaltung gemessen. Die kapazitive Schaltung ist mit einer Traktionsbatterie in Reihe geschaltet. Die kapazitive Schaltung beinhaltet mindestens einen Superkondensator und ist in der Lage, die von der Traktionsbatterie gelieferte Spannung darüber zu führen, wie von dem Batteriesteuermodul, z. B. BECM, gefordert. Die Spannung an der kapazitiven Schaltung ist linear in Abhängigkeit von der Ladung Q. Die kapazitive Schaltung weist eine Spannung auf, die sich auf das Integral des Stroms (in Ah) bezieht. Bei 502 wird die Batterieladung aus dem erfassten Signal in der kapazitiven Schaltung ermittelt. Befindet sich die kapazitive Schaltung in Reihe mit den Traktionsbatteriezellen, hängt die Veränderung bei der Spannung des Kondensators von dem Strom ab, der durch die gesamten Batteriezellen zirkuliert hat. Nach der Ermittlung können verschiedene Lade- und Entladezeitpläne für die Traktionsbatterie 24 entwickelt und beispielsweise von dem BECM 46 durchgeführt werden. Wenn die Batterieladung einen maximalen Schwellenwert überschreitet, kann das BECM 46 eine weitere Ladung der Traktionsbatterie 24 (mit regenerativer Energie, die von der elektrischen Maschine 14 aufgenommen wird, usw.) verhindern, bis die Batterieladung unter einen anderen Schwellenwert fällt. Wenn die Batterieladung unter einen minimalen Schwellenwert fällt, kann das BECM 46 eine weitere Entladung der Traktionsbatterie 24 (um die elektrische Maschine anzutreiben, usw.) verhindern, bis die Batterieladung einen anderen Schwellenwert überschreitet. Ladungsprofile, die von der Batterieladung abhängen, können ebenfalls entsprechend eingestellt werden, usw. Die Spannung des Kondensators überwacht die Batterieladung und profitiert von der Reversibilität, Linearität und einer schnellen Reaktion relativ zu der Ladung in der Batterie.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt das Verwenden eines oder mehrerer Superkondensatoren, die in einer Anordnung von Traktionsbatteriezellen (z. B. Li-Ionen-Zellen) zum Zwecke einer Überwachung der Batterieladung in Reihe geschaltet sind. Für eine Kompatibilität mit Li-Ionen-Zellen können mehr als ein Kondensator in kombinierten Reihen-/parallelen Konfigurationen geschaltet sein, um einen „äquivalenten“ Kondensator zu bilden. Ein äquivalenter Kondensator ist das, was die Leistungsschaltung sieht, wenn mehrere Superkondensatoren als ein einzelner Kondensator arbeiten. Die Spannung an dem hinzugefügten Superkondensator oder dem äquivalenten Kondensator ist ein Hinweis auf eine stromintegrierte Ladung in der gesamten Anordnung. Der Superkondensator ist eine Speichervorrichtung für elektrische Energie, die wie ein Stromsensor fungiert, aber mit einem linearen Betriebsbereich innerhalb des Spannungsbereichs der Traktionsbatterie, und insbesondere in dem SOC-Bereich von 20 %-80 % oder allgemein etwa im Plateaubereich der SOC-Spannungskurve der Batterie.
Die vorliegende Offenbarung beschreibt einen Superkondensator, der ein Kondensator hoher Kapazität sein kann mit Kapazitätswerten, die wesentlich höher sind als bei üblichen Kondensatoren. Ein Superkondensator kann in der Lage sein, bei den hohen Spannungen einer Batteriezelle für eine Traktionsbatterie betrieben zu werden. In einem Beispiel ist ein Superkondensator weder ein elektrolytischer Kondensator noch eine wiederaufladbare Batterie. Ein Superkondensator kann 10 bis 100 Mal mehr Energie pro Volumeneinheit oder Masse speichern als elektrolytische Kondensatoren, kann die Ladung wesentlich schneller als Batterien aufnehmen und abgeben und wesentlich mehr Lade- und Entladezyklen als wiederaufladbare Batterien tolerieren. Die Superkondensatoren können viele Schnellladungs-/Entladungszyklen statt langfristiger kompakter Energiespeicherung, wie in einem Elektrofahrzeug verwendet, bereitstellen. Die Superkondensatoren können eine elektrostatische Doppelschichtkapazität und eine elektrochemische Pseudokapazität verwenden, die beide zu der Gesamtkapazität des Kondensators statt einer herkömmlichen festen dielektrischen Schicht beitragen. Der Superkondensator, wie in einigen hierin beschriebenen Beispielen verwendet, kann auf Farad ausgelegt sein, was mehrere tausend Mal höher ist als bei dem elektrolytischen Kondensator.
Die vorliegenden Systeme und Verfahren zum Erfassen der Batteriekapazität können auf ein System zum Bereitstellen elektrischer Energie skaliert sein, das größer ist als eine Fahrzeugtraktionsbatterie oder kleiner als eine Fahrzeugtraktionsbatterie, z. B. eine mobile elektronische Vorrichtung. Der Kondensator ist mit einer Batterie der mobilen elektronischen Vorrichtung in Reihe geschaltet. Der Kondensator ist so bemessen, dass er ein ähnliches Verhältnis zu der mobilen Vorrichtungsbatterie aufweist wie der Superkondensator relativ zu einer Traktionsbatterie.
Obgleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind eher beschreibende Ausdrücke als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale von verschiedenen implementierenden Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Verfahren zur Fahrzeugbatteriesteuerung, umfassend: Laden und Entladen einer Traktionsbatterie durch eine Steuerung gemäß einer Kapazität der Traktionsbatterie, die von der Steuerung aus einer erfassten Spannung an einem Kondensator einer kapazitiven Schaltung abgeleitet ist, die mit der Traktionsbatterie in Reihe geschaltet ist, sodass die erfasste Spannung sich während des Ladens und Entladens innerhalb eines Betriebsbereichs der Traktionsbatterie linear mit dem Strom verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kapazität der Traktionsbatterie durch einen Ladezustand der Antriebsbatterie definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Kondensator ein Superkondensator ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kondensator eine Vielzahl von in Reihe oder parallel geschalteter Kondensatoren beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Betriebsbereich einem Plateaubereich einer SOC-Spannungskurve der Traktionsbatterie entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Betriebsbereich einem Ladezustandsbereich von 20 % bis 80 % entspricht.
Fahrzeug, umfassend: eine Traktionsbatterie; und die Steuerung, um die Traktionsbatterie wirksam zu steuern und eines der Verfahren der Ansprüche 1-6 durchzuführen.
Fahrzeug, umfassend: eine Traktionsbatterie; eine kapazitive Schaltung in Reihe mit der Traktionsbatterie, sodass die Spannung der kapazitiven Schaltung sich linear mit dem Traktionsbatteriestrom verändert; einen elektrischen Motor, der mit der Traktionsbatterie und der kapazitiven Schaltung zum Antreiben von Rädern verbunden ist; und eine Steuerung, um die Traktionsbatterie gemäß einer Kapazität der Traktionsbatterie, die von der Steuerung aus der Spannung abgeleitet wird, zu laden und zu entladen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die kapazitive Schaltung der Spannungskapazität der Traktionsbatterie entspricht.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei die kapazitive Schaltung parallel geschaltete Superkondensatoren beinhaltet.
Fahrzeug nach Anspruch 9, wobei die kapazitive Schaltung in Reihe geschaltete Superkondensatoren beinhaltet.
Fahrzeug nach Anspruch 11, wobei die kapazitive Schaltung ein erstes Paar von zwei in Reihe geschalteten Superkondensatoren und ein zweites Paar von zwei in Reihe geschalteten Superkondensatoren beinhaltet und wobei das erste Paar parallel zu dem zweiten Paar ist.
Fahrzeug nach Anspruch 12, wobei die kapazitive Schaltung ein Schaltkreisäquivalent von 5000 Farad bereitstellt und wobei die Traktionsbatterie eine 300 Volt Li-Ionen-Batterie ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 8-13, wobei die Spannung sich linear mit dem Traktionsbatteriestrom innerhalb eines Bereichs, der einem Ladezustand der Traktionsbatterie von 20 % bis 80 % entspricht, verändert.