DE102019100564A1

DE102019100564A1 - Energiemanagementsystem und -verfahren für fahrzeuge mit hochleistungs- und hochenergiebatterie-packs

Info

Publication number: DE102019100564A1
Application number: DE102019100564.7A
Authority: DE
Inventors: Wei Li; Mark W. Verbrugge
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-01-23
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2019-07-25
Also published as: US20190225092A1; CN110065416B; US10814743B2; CN110065416A

Abstract

Ein Energiemanagementsystem für ein Fahrzeug weist ein Batteriesystem auf, das ein erstes Batteriepack mit einem ersten Satz von Batteriezellen und ein zweites Batteriepack mit einem zweiten Satz von Batteriezellen beinhaltet. Das erste Batteriepack weist im Vergleich zum zweiten Batteriepack eine relativ hohe Leistungsdichte auf, und das zweite Batteriepack weist im Vergleich zum ersten Batteriepack eine relativ hohe Energiedichte auf. Eine elektronische Steuerung ist funktionsfähig mit dem Batteriesystem verbunden und konfiguriert, um das Laden und Entladen des ersten Batteriepacks und des zweiten Batteriepacks zu steuern. Das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack sind so konfiguriert, dass sie separat geladen und entladen werden können. Die elektronische Steuerung priorisiert das Laden und Entladen des ersten Batteriepacks gegenüber dem zweiten Batteriepack.

Description

EINLEITUNG
Elektrofahrzeuge können durch Elektromotoren angetrieben werden, die ausschließlich mit elektrischer Energie aus wiederaufladbaren Batterien versorgt werden. Hybridfahrzeuge können auch teilweise von wiederaufladbaren Batterien für die Antriebsleistung abhängig sein. Hochleistungsbatterien sind im Allgemeinen in der Lage, schnell zu laden und zu entladen. Hochenergiebatterien bieten eine längere Reichweite pro Volumen- oder Gewichtseinheit als Hochleistungsbatterien, sind jedoch weniger in der Lage, schnell zu laden und aufzuladen als Hochleistungsbatterien.
KURZDARSTELLUNG
Ein Batteriesystem mit sowohl einem Hochleistungs-Batteriepack als auch einem Hochenergie-Batteriepack wird gemäß einem Energiemanagementsystem betrieben, um sowohl eine wünschenswerte Reichweite als auch eine verlängerte Lebensdauer des Hochenergie-Batteriepacks zu gewährleisten, indem die Lade- und Aufladezyklen, denen es während des Gebrauchs ausgesetzt ist, begrenzt werden und indem das Hochenergie-Batteriepack immer getrennt vom Hochleistungs-Batteriepack geladen und entladen wird.
Ein Energiemanagementsystem für ein Fahrzeug weist ein Batteriesystem auf, das ein erstes Batteriepack mit einem ersten Satz von Batteriezellen und ein zweites Batteriepack mit einem zweiten Satz von Batteriezellen beinhaltet. Das erste Batteriepack weist im Vergleich zum zweiten Batteriepack eine relativ hohe Leistungsdichte auf, und das zweite Batteriepack weist im Vergleich zum ersten Batteriepack eine relativ hohe Energiedichte auf. In einer exemplarischen Ausführungsform sind das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack in einem einzigen, einheitlichen Batteriegehäuse integriert, wobei der zweite Satz von Batteriezellen an den ersten Satz von Batteriezellen angrenzt.
Eine elektronische Steuerung ist funktionsfähig mit dem Batteriesystem verbunden und konfiguriert, um das Laden und Entladen des ersten Batteriepacks und des zweiten Batteriepacks zu steuern. Das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack sind so konfiguriert, dass sie separat geladen und entladen werden können. Die elektronische Steuerung priorisiert das Laden und Entladen des ersten Batteriepacks gegenüber dem zweiten Batteriepack.
Die elektronische Steuerung kann konfiguriert werden, um nur das erste Batteriepack als Reaktion auf einen Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs zu entladen, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks größer als ein vorgegebener minimaler Schwellenwert für den Ladezustand ist, und um das zweite Batteriepack als Reaktion auf den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs zu entladen, nur wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks kleiner als der vorgegebene minimale Schwellenwert für den Ladezustand ist. In einem Beispiel kann der vorgegebene minimale Schwellenwert für den Ladezustand des ersten Batteriepacks von etwa 10 Prozent bis etwa 50 Prozent und in einer Ausführungsform von 20 Prozent einer Ladekapazität (d. h. einem voll geladenen Zustand) des ersten Batteriepacks betragen. Die elektronische Steuerung kann konfiguriert werden, um die Entladung des ersten Batteriepacks zu beenden, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks auf den vorgegebenen minimalen Ladezustand absinkt.
Das Energiemanagementsystem kann einen ersten Schalter beinhalten, der so gesteuert werden kann, dass er sich zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegt, wobei das erste Batteriepack funktionsfähig mit einer Last- oder Ladequelle verbunden ist, wenn der erste Schalter geschlossen ist, und von der Last- oder Ladequelle getrennt ist, wenn der erste Schalter geöffnet ist. Das Energiemanagementsystem kann ferner einen zweiten Schalter beinhalten, der so gesteuert werden kann, dass er sich zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegt, wobei das zweite Batteriepack funktionsfähig mit der Last- oder Ladequelle verbunden ist, wenn der zweite Schalter geschlossen ist, und von der Last- oder Ladequelle getrennt ist, wenn der zweite Schalter geöffnet ist. Die elektronische Steuerung kann funktionsfähig mit dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter verbunden und konfiguriert sein, um den ersten Schalter zu schließen und den zweiten Schalter zu öffnen, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks größer als der vorgegebene minimale Schwellenwert für den Ladezustand ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die elektronische Steuerung konfiguriert werden, um den zweiten Schalter nur dann zu schließen, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks unter dem vorgegebenen Mindestschwellenwert liegt. Während eines Fahrzeugfahrmodus, in dem der zweite Schalter geschlossen ist und der erste Schalter geöffnet ist, sodass sich das Hochenergiebatteriepack zum Elektromotor entlädt, kann die elektronische Steuerung konfiguriert werden, um regenerativen Bremsladestrom oberhalb eines Ladestromschwellenwerts des zweiten Batteriepacks auf eine separate Last oder das erste Batteriepack und nicht auf das zweite Batteriepack zu richten.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das erste Batteriepack konfiguriert werden, um eine vorbestimmte maximale Reichweite vorzusehen und in einer vorbestimmten Zeitspanne auf einen 80-prozentigen Ladezustand aufzuladen, und das zweite Batteriepack kann konfiguriert werden, um eine maximale Reichweite R vorzusehen, mit Meileneinheiten:

R = 500 - 1.8 * X, wobei X die maximale Reichweite in Meilen der ersten Batterie ist und die maximale Reichweite des Fahrzeugs 500 Meilen beträgt.

Ein Verfahren zum Verwalten von Energie für ein Fahrzeug mit dem ersten Batteriepack und dem zweiten Batteriepack beinhaltet das Bestimmen des Antriebsleistungsbedarfs des Fahrzeugs, das Bestimmen eines Ladezustands des ersten Batteriepacks, das Entladen nur des ersten Batteriepacks als Reaktion auf den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks größer als ein vorgegebener minimaler Ladezustand ist, und das Entladen des zweiten Batteriepacks als Reaktion auf den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs, nur wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks kleiner als der vorgegebene minimale Ladezustand ist. In einer exemplarischen Ausführungsform wird nur das zweite Batteriepack als Reaktion auf den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs entladen, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks kleiner als der vorgegebene minimale Ladezustand ist.
Das Verfahren kann das Beenden der Entladung des ersten Batteriepacks als Reaktion auf den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs beinhalten, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks auf den vorgegebenen minimalen Ladezustand fällt.
Das Verfahren kann das Schließen des ersten Schalters und das Öffnen des zweiten Schalters beinhalten, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks größer als der vorgegebene Schwellenwert für den minimalen Ladezustand ist. Das Verfahren kann das Schließen des zweiten Schalters nur dann beinhalten, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks kleiner als der vorgegebene minimale Schwellenwert für den Ladezustand ist, und kann ferner das Öffnen des ersten Schalters beinhalten, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks kleiner als der vorgegebene minimale Ladezustand ist.
Während eines Fahrzeugfahrmodus, in dem der zweite Schalter geschlossen ist und der erste Schalter geöffnet ist, sodass sich das Hochenergiebatteriepack zum Elektromotor entlädt, kann die elektronische Steuerung konfiguriert werden, um regenerativen Bremsladestrom oberhalb eines Ladestromschwellenwerts des zweiten Batteriepacks auf eine separate Last oder das erste Batteriepack und nicht auf das zweite Batteriepack zu richten.
In Bezug auf das Laden des Hybrid-Batteriepacks aus einer externen Energiequelle kann das Verfahren das Empfangen von Informationen, die ein Ladeereignis anzeigen, das Einstellen des Ladestroms auf oder unter einen vorbestimmten Wert, wenn der Ladestrom über dem vorbestimmten Wert liegt, beinhalten, worin der vorbestimmte Wert des Ladestroms ein von dem zweiten Batteriepack akzeptiertes Stromniveau ist, und das Laden der ersten Batterie vor dem Laden des zweiten Batteriepacks, wenn ein Ladezustand des ersten Batteriepacks kleiner als ein vorgegebener maximaler Ladezustand ist.
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.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Elektrofahrzeugs mit einem Energiemanagementsystem, das ein Hybrid-Batteriepack aufweist, und zeigt eine Wohnsitz- und Schnellladestation für das Fahrzeug.
2 ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts des Energiemanagementsystems von 1, einschließlich des Hybrid-Batteriepacks.
3 ist eine schematische Darstellung des Abschnitts des Energiemanagementsystems von 2 während eines Fahrmodus.
4 ist eine schematische Darstellung des Abschnitts des Energiemanagementsystems von 2 während eines Lademodus.
5 ist ein Flussdiagramm eines Energiemanagementverfahrens für das Energiemanagementsystem während des Fahrmodus.
6 ist ein Flussdiagramm des Energiemanagementverfahrens für das Energiemanagementsystem während des Lademodus.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin in mehreren Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten verweisen, stellt 1 ein Elektrofahrzeug 10 dar. Das Elektrofahrzeug 10 wird ausschließlich durch elektrische Energie angetrieben, die von einem Hybrid-Batteriepack 12 an eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 geliefert wird, welche die Antriebskraft der Vorderräder 16 des Fahrzeugs bereitstellen und als „vollelektrisches“ Fahrzeug bezeichnet werden können. Eine elektrische Maschine 14 ist über eine Getriebeanordnung 18 und Halbwellen 20 mit den Vorderrädern 16 funktionsfähig verbunden. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine zusätzliche elektrische Maschine (nicht dargestellt) ebenfalls funktionsfähig mit den Hinterrädern 19 verbunden sein, eine elektrische Maschine könnte mit den Hinterrädern 19 verbunden sein, ohne dass eine elektrische Maschine mit den Vorderrädern 16 verbunden ist, oder jedes Rad kann funktionsfähig mit einer separaten elektrischen Maschine verbunden sein. Die hinteren Halbwellen 21 sind in der fragmentarischen Ansicht in 1 dargestellt. Die elektrische Maschine 14 ist so konfiguriert, dass sie während eines Fahrmodus des Fahrzeugs 10 als Motor und während eines regenerativen Bremsvorgangs des Fahrzeugs 10 als Generator betrieben werden kann.
Obwohl auf einem Elektrofahrzeug 10 dargestellt, kann das hierin beschriebene Hybridbatterie-Pack 12, Energiemanagementsystem 22 und Verfahren 100 auf ein Hybrid-Elektrofahrzeug anwendbar sein, welches das Hybridbatterie-Pack verwendet, um einen oder mehrere Elektromotoren für den Antrieb anzutreiben, und das auch einen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle aufweist (z. B. ein Hybrid-Elektrofahrzeug).
Das Hybrid-Batteriepack 12 ist Teil eines Energiemanagementsystems 22 und kann als „Hybrid“-Batteriepack bezeichnet werden, da es sowohl ein relativ leistungsstarkes (d. h. eine hohe Leistungsdichte) erstes Batteriepack 24 (als Hochleistungs-Batteriepack 24 oder als ein Power-Batteriepack 24 bezeichnet) als auch ein relativ energiereiches (d. h. eine hohe Leistungsdichte) zweites Batteriepack 26 (als ein Hochenergie-Batteriepack oder ein Energie-Batteriepack 26 bezeichnet) integriert. Insbesondere und mit Bezug auf 2 beinhaltet das Hybrid-Batteriepack 12 ein Gehäuse 28, das sowohl das Hochleistungs-Batteriepack 24 als auch das Hochenergie-Batteriepack 26 in einer einzigen, einheitlichen Konstruktion trägt und hält. Das Hochleistungs-Batteriepack 24 beinhaltet einen ersten Satz von Batteriezellen 24A, die in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sind (die Hochleistungs-Batteriezellen 24A) und das Hochleistungs-Batteriepack 26 beinhaltet einen zweiten Satz von Batteriezellen 26A, die in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sind (die Hochleistungs-Batteriezellen 26A), angrenzend an die Hochleistungs-Batteriezellen 24A im Gehäuse 28.
Das Energiemanagementsystem 22 beinhaltet eine elektronische Steuerung 23, die ein Energiemanagementverfahren 100 zum Laden und Entladen des Hybrid-Batteriepacks 12 ausführt, um eine relativ lange Reichweite zu ermöglichen und gleichzeitig die Anzahl der Ladezyklen auf dem weniger langlebigen Hochenergie-Batteriepack 26 zu minimieren. Im Allgemeinen priorisiert das Energiemanagementsystem 22 das Laden und Entladen des Hochleistungs-Batteriepacks 24 gegenüber dem Hochenergie-Batteriepack 26, um die Häufigkeit der Ladezyklen des Hochenergie-Batteriepacks 26 zu reduzieren.
Die elektronische Steuerung 23 kann verwendet werden, um den laufenden Betrieb des Hybrid-Batteriepacks 12 durch die Übertragung von Steuersignalen an die Schalter S_E und S_P wie hierin beschrieben zu steuern. Die elektronische Steuerung 23 kann als eine oder mehrere elektronische Steuereinheiten verkörpert sein, die den erforderlichen Speicher M und einen Prozessor P sowie andere zugehörige Hardware und Software, z. B. eine Uhr oder einen Zeitgeber, Eingabe-/Ausgabeschaltungen usw., aufweisen. Der Speicher M kann ausreichende Kapazitäten an Nur-Lese-Speicher beinhalten, beispielsweise eines magnetischen oder optischen Speichers. Anweisungen, die das Verfahren 100 verkörpern, können in den Speicher M als computerlesbare Anweisungen programmiert werden und während des Betriebs des Fahrzeugs 10 durch den Prozessor P ausgeführt werden, um dadurch das Energiemanagement zu optimieren.
Das Energiemanagementsystem 22 ist konfiguriert und das Verfahren 100 ist so ausgelegt, dass das Hochleistungs-Batteriepack 24 getrennt vom Hochenergie-Batteriepack 26 geladen und entladen wird. Anders ausgedrückt, wird das Hochleistungs-Batteriepack 24 nicht zum Laden des Hochenergie-Batteriepakets 26 verwendet, das Hochenergie-Batteriepack 26 wird nicht zum Laden des Hochleistungs-Batteriepakets 24 verwendet, das Hochleistungs-Batteriepack 24 kann entladen werden, ohne das Hochenergie-Batteriepack 26 zu entladen, und das Hochenergie-Batteriepack 26 kann entladen werden, ohne das Hochleistungs-Batteriepack 24 zu entladen.
Das Hochenergie-Batteriepack 26 weist im Vergleich zum Hochleistungs-Batteriepack 24 eine relativ hohe Energiedichte auf (d. h. Energie pro Gewichtseinheit oder pro Größeneinheit, z. B. in Kilowattstunden pro Kilogramm (kWh/kg) oder Kilowattstunden pro Liter (kWh/1)) und erweitert die Reichweite des Fahrzeugs 10 im Vergleich zu einem Batteriesystem mit dem Hochleistungs-Batteriepack 24, nicht aber dem Hochenergie-Batteriepack 26. Das Hochenergie-Batteriepack 26 kann einen hohen Innenwiderstand aufweisen, was dessen Fähigkeit einschränkt, hohe Ströme zum schnellen Laden zu akzeptieren. So kann beispielsweise das Hochenergie-Batteriepack 26 eine Energiedichte in Kilowattstunden pro Kilogramm oder pro Liter aufweisen, die mindestens 50 % höher ist als die Energiedichte des Hochleistungs-Batteriepacks. In einer Ausführungsform beinhaltet das Hochenergie-Batteriepack 26 Lithium-Metall-Energiebatteriezellen 26A mit 400 Wh/kg Energiedichte und das Hochleistungs-Batteriepack 24 beinhaltet Lithium-Titanat-basierte Batteriezellen 24A mit einer Energiedichte von etwa 100 Wh/kg. In diesem Fall weist das Hochenergie-Batteriepack 26 im Vergleich zum Hochleistungs-Batteriepack 24 eine um etwa 300 % höhere spezifische Energie auf. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Hochenergie-Batteriepack 26 Lithium-Ionen-basierte Energiebatteriezellen 26A mit 250 Wh/kg Energiedichte und das Hochleistungs-Batteriepack 24 beinhaltet Lithium-Ionen-basierte Batteriezellen 24A mit einer Energiedichte von etwa 150 Wh/kg. In diesem Fall weist das Hochenergie-Batteriepack 26 im Vergleich zum Hochleistungs-Batteriepack 24 eine um etwa 67 % höhere spezifische Energie auf.
Das Hochleistungs-Batteriepack 24 weist im Vergleich zum Hochenergie-Batteriepack 26 eine relativ hohe Leistungsdichte auf (d. h. Leistung pro Größeneinheit oder pro Gewichtseinheit, z. B. in Kilowatt pro Kilogramm oder pro Liter). So kann beispielsweise das Hochleistungs-Batteriepack 24 eine Leistungsdichte in Kilowatt pro Kilogramm oder pro Liter aufweisen, die mindestens 100 % größer ist als die Leistungsdichte des Hochleistungs-Batteriepack 26. Unter Verwendung der zulässigen Laderate als grobe Schätzung der Leistungsdichte des Batteriepacks 24, 26 in einer Ausführungsform beinhaltet das Hochleistungs-Batteriepack 24A Batteriezellen 24A, die mit der 4C Rate für 80 % Ladezustand (SOC) aufladen können, und das Hochenergie-Batteriepack 26 beinhaltet Batteriezellen 26A, die typischerweise mit etwa der C/3 Rate aufladen können. Die IC-Rate entspricht dem Strom, der erforderlich ist, um die Batterie in einer Stunde von einem vollständig entladenen Zustand in den vollständig geladenen Zustand zu laden. Die 4C-Rate entspricht dem Strom, der erforderlich ist, um die Batterie in einer Viertelstunde oder 15 Minuten von einem vollständig entladenen Zustand in den vollständig geladenen Zustand zu laden. In dieser Ausführungsform weist das Hochleistungs-Batteriepack 24 somit eine rund 1100 % höhere Leistungsdichte auf als das Hochenergie-Batteriepack 26.
Das Hochleistungs-Batteriepack 24 bietet den Vorteil, dass es während des Ladevorgangs einen höheren Strom aufnehmen kann als das Hochenergie-Batteriepack 26, wodurch eine so genannte „schnelle“ Ladung ermöglicht wird, die von einer Ladequelle 31 (auch als Ladestation bezeichnet, dargestellt in 1) bezogen werden kann, die so konfiguriert ist, dass sie einen relativ hohen Strom bereitstellt und beispielsweise eine öffentliche Ladestation anstelle eines Wohngebäudes sein kann. Der Zugriff auf eine derartige Ladequelle 31 ermöglicht es dem Fahrzeug 10, einen Fahrausflug fortzusetzen und ermöglicht eine schnellere teilweise oder vollständige Aufladung des Hochleistungs-Batteriepacks 24, wie hierin erläutert.
Die Hochleistungsbatteriezellen 24A sind parallel und/oder in Reihe miteinander verbunden und so konstruiert, dass sie eine höhere Leistung als die Hochleistungsbatteriezellen 26A bereitstellen oder aus Materialien bestehen, und das Batteriepack 24 wird daher als Hochleistungs-Batteriepack oder einfach als Leistungsbatterie bezeichnet. Als exemplarische Materialien für das Hochleistungs-Batteriepack 24 sind Batteriezellen mit einer negativen Elektrode zu nennen, die ein oder mehrere Lithiumtitanate (Li_4+xTi₅O₁₂ beinhalten, wobei 0 ≤ x ≤ 3), und verschiedene andere Li-Ti-O-Materialien (einschließlich Li-Ti-Sc-O, Li-Ti-Nb-O und Li-Ti-Zn-O) oder Graphit und eine positive Elektrode, die ein oder mehrere von einem Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Ni_xMn_yCo_zO₂ umfasst, wobei die Summe von x, y und z eins ist), Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄ (Spinell)), Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (LiNiMnCoO₂) und Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄).
Die Hochenergiebatteriezellen 26A sind in Reihe und/oder parallel miteinander geschaltet und bestehen aus Materialien, die mehr Energie liefern als die Hochleistungsbatteriezellen 24A, weshalb das Batteriepack 26 als Hochenergie-Batteriepack oder einfach als Energiebatterie bezeichnet wird. Exemplarische Materialien für das Hochenergie-Batteriepack 26 beinhalten Batteriezellen mit einer negativen Elektrode, die eine oder mehrere aus Graphit, Silizium, Siliziumdioxid oder wiederaufladbarem Lithium-Metall umfasst, und eine positive Elektrode, die ein oder mehrere von einem Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Ni_xMn_yCo_zO₂ umfasst, wobei die Summe von x, y und z eins ist), LithiumManganoxid (LiMn₂O₄ (Spinell)), Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC), Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (LiNiMnCoO₂), Lithiumeisenphosphat (LiFePO₄) oder eine positive Elektrode auf Schwefelbasis.
Das Hochleistungs-Batteriepack 24 kann konfiguriert werden, um eine vorbestimmte maximale Reichweite des Fahrzeugs 10 bei voller Ladung bereitzustellen und um eine Leistungsmenge empfangen zu können, die einem vorbestimmten Bruchteil dieser maximalen Reichweite während einer schnellen Ladung (d. h. einer relativ hohen Stromladung) einer vorbestimmten Dauer entspricht. So kann beispielsweise das Hochleistungs-Batteriepack 24 konfiguriert werden, um eine vorbestimmte maximale Reichweite von 150 Meilen bei voller Ladung bereitzustellen und eine Leistungsmenge zu erhalten, die 80 Prozent der Reichweite (d. h. 120 Meilen) in einer 15-minütigen Schnellladung entspricht. Das Hochleistungs-Batteriepack 24 allein bietet somit eine Reichweite von 270 Meilen, wenn es aus einem voll geladenen Zustand entladen wird und dann eine schnelle Ladung auf 80 Prozent des maximalen Ladezustands erfolgt. Meilen von Fahrzeugfahrten werden auf Batteriekapazität in Kilowattstunden umgewandelt, basierend auf dem Energieverbrauch des Fahrzeugs pro Meilen. So kann beispielsweise das Fahrzeug 10 Energie mit einer Leistung von 250 Wattstunden pro Meile verbrauchen.
Das Hochenergie-Batteriepack 26 ist im Hinblick auf diese Konfiguration des Hochleistungs-Batteriepacks 24 so konfiguriert, dass das Hybrid-Batteriepack 12 eine vorbestimmte maximale Fahrstrecke ergibt. So kann beispielsweise das Hybrid-Batteriepack 12 so konfiguriert werden, dass es eine maximale Reichweite von 500 Meilen bietet, was größer oder gleich der typischen täglichen Laufleistung von 75 Prozent der Fahrer an 361 Tagen im Jahr ist. In Anbetracht der Reichweite des Hochleistungs-Batteriepacks 24 von 270 Meilen, einschließlich einer Schnellladung bis 80 Prozent des Ladezustands, ist das Hochleistungs-Batteriepack 26 somit für eine Reichweite von 230 Meilen konfiguriert.
Die Nennspannung des Hochleistungs-Batteriepacks 24 und des Hochenergie-Batteriepacks 26 muss nicht identisch sein, und sie können ein anderes Ende der Ladespannung (Vmax) und/oder ein anderes Ende der Entladespannung (Vmin) aufweisen. Um denselben Wechselrichter 32 zwischen der elektrischen Maschine 14 und den Batteriepacks 24, 26 zu verwenden, wie in den 1 und 3 dargestellt, sollte die Nennspannung der beiden Batteriepacks 24, 26 jedoch zwischen etwa 250 und 500 Volt liegen (was die Verwendung derselben bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) ermöglicht). Für beide Batteriepacks 24, 26 sollte das Ende der Entladungsspannung Vmin über einem vorbestimmten Bruchteil einer Ladeschlussspannung liegen, wie beispielsweise etwa 0,55 des Endes der Entladungsspannung. Anders ausgedrückt:

Vmin > 0.55 * Vmax, wobei Vmax das Ende der Ladespannung des jeweiligen Batteriepacks ist. Damit ist eine ausreichend hohe Energieeffizienz der IGBTs gewährleistet.

Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet jede Batteriezelle 24A, 26A eine Anode und eine Kathode (angezeigt auf beiden Seiten einer Membran 30, dargestellt mit gestrichelten Linien). Einer oder mehrere Sensoren 33 sind mit jeder Batteriezelle 24A, 26A wirkverbunden und werden direkt oder über eine Batteriemodulsteuerung (nicht dargestellt) mit der elektronischen Steuerung 23 verbunden. Ausgewählte der Membranen 30 und Sensoren 33 sind zur besseren Übersichtlichkeit in der Zeichnung mit den Bezugsziffern in 2 gekennzeichnet. Die Sensoren 33 sind zum Überwachen von Batterieparametern während des Fahrzeugbetriebs konfiguriert. So können beispielsweise die Sensoren 33 Parameter überwachen, die den jeweiligen Ladezustand jeder Batteriezelle 24A, 26A anzeigen, wie beispielsweise Spannung, Strom, Temperatur usw. Die elektronische Steuerung 23 oder eine andere Steuerung, die mit der elektronischen Steuerung 23 wirkverbunden ist, kann ein Schätzmodul für den Ladezustand beinhalten, das basierend auf den Sensordaten einen Ladezustand bestimmt.
Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet das Energiemanagementsystem 22 einen ersten Schalter Sp, der mit dem Hochleistungs-Batteriepack 24 wirkverbunden ist, und einen zweiten Schalter S_E , der mit dem Hochenergie-Batteriepack 26 wirkverbunden ist. Der erste Schalter S_P wird auch als der Leistungs-Batteriepackschalter bezeichnet, und der zweite Schalter S_E wird auch als Hochenergie-Batteriepackschalter bezeichnet. Bei geöffnetem ersten Schalter S_P wird das Hochleistungs-Batteriepack 24 von der elektrischen Maschine 14 und vom Ladeport 42 getrennt. Bei geschlossenem ersten Schalter S_P ist das Hochleistungs-Batteriepack 24 funktionsfähig mit der elektrischen Maschine 14 (im Fahrmodus) und mit dem Ladeport 42 (im Lademodus) verbunden. Bei geöffnetem zweiten Schalter S_E wird das Hochenergie-Batteriepack 26 von der elektrischen Maschine 14 und vom Ladeport 42 getrennt. Bei geschlossenem zweiten Schalter S_E ist das Hochenergie-Batteriepack 26 funktionsfähig mit der elektrischen Maschine 14 (im Fahrmodus) und mit dem Ladeport 42 (im Lademodus) verbunden.
Der erste Schalter S_P und der zweite Schalter S_E sind beide in geöffneten Positionen in 2 dargestellt. Die elektronische Steuerung 23 ist funktionsfähig mit jedem der Schalter S_E und S_P verbunden und zum selektiven Senden eines separaten Steuersignals an jeden der Schalter S_E und S_P konfiguriert, sodass die Schalter S_E und S_P unabhängig voneinander von der geöffneten Position in eine geschlossene Position (dargestellt mit gestrichelten Linien) bewegt werden können. Nach dem hierin beschriebenen Verfahren 100 könnten die beiden Schalter S_E und S_P in die geöffnete Position, beide in die geschlossene Position gebracht werden, der erste Schalter S_P könnte in die geöffnete Position und der zweite Schalter S_E in die geschlossene Position gebracht werden, und der erste Schalter S_P könnte in die geschlossene Position und der zweite Schalter S_E könnte in die geöffnete Position gebracht werden.
Die 1 und 3 stellen die elektrische Maschine 14 (d. h. einen Verbraucher) dar, die von einem oder beiden der Hochleistungs-Batteriepacks 24 und 26 angetrieben oder geladen werden kann, abhängig von den jeweiligen Positionen der ersten und zweiten Schalter S_E und S_P . Die elektrische Maschine 14 ist als Wechselstrom-(AC)-Motor abgebildet. Es ist ein Wechselrichter 32 dargestellt, der zwischen der elektrischen Maschine 14 und den Schaltern SE, SP angeordnet ist. Der Wechselrichter 32 ist als Drehstrom-Wechselrichter mit Gate-Antrieben 34 und einem kapazitiven Eingangsfilter 36 dargestellt. Der Wechselrichter 32 wandelt Gleichstrom (DC), der vom Hochleistungs-Batteriepack 24 und/oder dem Hochenergie-Batteriepack 26 bereitgestellt wird, in Wechselstrom (AC) zum Antreiben der elektrischen Maschine 14 als Motor um und wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um, wenn er als Generator während des regenerativen Bremsens fungiert.
Das Energiemanagementsystem 22 kann auch einen Umlenkschalter S_D beinhalten, der funktionsfähig mit der elektronischen Steuerung 23 verbunden ist und durch ein von der elektronischen Steuerung 23 gesendetes Steuersignal von einer geöffneten Position (dargestellt) in eine geschlossene Position verfahrbar ist. In der geschlossenen Position des Umlenkschalters S_D wird der von der elektrischen Maschine 14 während des Betriebs als Generator in einem regenerativen Bremsmodus erzeugte Strom auf einen separaten Verbraucher L am Fahrzeug, wie beispielsweise ein elektrisch angetriebenes Fahrzeugzubehör, und nicht auf ein der Batteriepacks 24, 26 oder beide umgeleitet. Wenn sich beispielsweise das Hochenergie-Batteriepack 26 auf die elektrische Maschine 14 entlädt (d. h. wenn der erste Schalter S_P geöffnet ist und der zweite Schalter S_E geschlossen ist) und ein regeneratives Bremsereignis eintritt, kann die Steuerung den regenerativen Bremsladestrom über einen Ladestromschwellenwert des Hochenergie-Batteriepacks 26 hinaus durch Schließen des Umlenkschalters S_D auf L umlenken, um den Bremsladestrom auf den Verbraucher L und nicht auf das Hochenergie-Batteriepack 26 zu richten. Dieses Schema kann verwendet werden, um hohe Ströme zu vermeiden, welche die Energiezellen schädigen können.
4 stellt eine Schnellladevorrichtung 40 dar, die an der Ladeöffnung 42 von 1 platziert werden kann, um eine Stromversorgung 44 funktionsfähig mit dem Energiemanagementsystem 22 zum Aufladen des Hochleistungs-Batteriepacks 24 und/oder des Hochenergie-Batteriepacks 26 nach dem von der elektronischen Steuerung 23 durchgeführten Energiemanagementverfahren 100, wie in Bezug auf 6 beschrieben, zu verbinden.
5 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Verwalten der Energie für das Elektrofahrzeug 10 dar. Das Verfahren 100 ist ein Satz von gespeicherten Anweisungen, die auf der elektronischen Steuerung 23 gespeichert und durch den Prozessor P der elektronischen Steuerung 23 ausgeführt werden. Das Verfahren 100 beginnt bei Start 101 und fährt mit Schritt 102 fort, in welchem die elektronische Steuerung 23 bestimmt, ob sich das Fahrzeug 10 im Fahrmodus befindet. Der Fahrmodus ist ein Modus, in dem das Fahrzeug 10 Energie aus dem Hybrid-Batteriepack 12 zum Antreiben des Fahrzeugs 10 verwendet (d. h. das Hybrid-Batteriepack 12 entlädt sich), und beinhaltet, wenn sich das Fahrzeug 10 während des Vortriebs in einem vorübergehenden Stillstand befindet, und Perioden des regenerativen Bremsens, in denen das Hochleistungs-Batteriepack 24 und/oder das Hochenergie-Batteriepack 26 geladen werden kann, im Vergleich zu einem erweiterten Park- oder Aus-Modus, in dem das Fahrzeug 10 nicht angetrieben wird und das Hybrid-Batteriepack 12 nicht entladen wird. Die elektronische Steuerung 23 bestimmt, ob sich das Fahrzeug 10 im Fahrmodus befindet, basierend auf einem oder mehreren Fahrzeugbetriebsbedingungen oder - parametern, wie beispielsweise der Auswahl des Fahrmodus durch einen Fahrzeugführer auf Knopfdruck oder dem Schalten eines Hebels, Raddrehzahlsensoren usw.
Wenn die elektronische Steuerung 23 in Schritt 102 bestimmt, dass sich das Fahrzeug 10 im Fahrmodus befindet, fährt das Verfahren 100 mit Schritt 104 fort. Wenn die elektronische Steuerung 23 in Schritt 102 bestimmt, dass sich das Fahrzeug 10 nicht im Fahrmodus befindet, fährt das Verfahren 100 mit Schritt 138 fort, wie in 6 dargestellt und hierin erläutert. In den Zeichnungen steht „Y“ für eine positive Reaktion auf eine Abfrage und „N“ steht für eine negative Reaktion.
In Schritt 104 bestimmt die elektronische Steuerung 23 den Ladezustand des Hochleistungs-Batteriepacks 24 und den Ladezustand des Hochenergie-Batteriepacks 26. Der Ladezustand der Batteriepacks 24, 26 kann basierend auf den von den Sensoren 33 empfangenen Daten bestimmt werden. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt 108 fort, in welchem die elektronische Steuerung 23 den Bedarf an Antriebsleistung des Fahrzeug bestimmt. Die elektronische Steuerung 23 kann den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs basierend auf Fahrzeugbetriebsparametern bestimmen, die als Eingangssignale von der elektronischen Steuerung 23 empfangen werden. Der Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs ist die Menge an elektrischer Energie, die von einer oder mehreren elektrischen Maschinen 14 benötigt wird, um die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbefehle des Fahrzeugführers zu erfüllen. So können beispielsweise das Niederdrücken oder Anheben eines Gaspedals, das Niederdrücken oder Anheben des Pedals, das Niederdrücken oder Anheben eines Bremspedals, das Niederdrücken oder Anheben des Bremspedals und Raddrehzahldaten von der elektronischen Steuerung 23 verwendet werden, um den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs zu bestimmen. Wenn der in Schritt 108 bestimmte Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs ungleich Null ist (d. h. die elektrische Maschine 14 muss als Motor fungieren), dann ist elektrische Leistung aus dem Hybrid-Batteriepack 12 erforderlich, und das Verfahren 100 fährt mit Schritt 110 fort. Wenn der Leistungsbedarf des Fahrzeugs jedoch Null ist, kehrt das Verfahren 100 zum Start 101 zurück.
In Schritt 110 bestimmt die elektronische Steuerung 23, ob der Ladezustand des Hochleistungs-Batteriepacks 24 größer als ein vorgegebener Mindestladezustand des Hochleistungs-Batteriepacks 24 ist. So kann beispielsweise der vorgegebene minimale Ladezustand des Hochleistungs-Batteriepacks 24 bei oder nahe Null liegen oder ein Wert ungleich Null sein, beispielsweise von etwa 10 Prozent bis etwa 50 Prozent, und in einer Ausführungsform beträgt dieser Wert 20 Prozent des maximalen Ladezustands des Hochleistungs-Batteriepacks 24, um die Batterieleistung zu erhalten, wie beispielsweise bei einer verhältnismäßig hohen Beschleunigung oder anderen verhältnismäßig hohen Leistungsanforderungen.
Wenn der Ladezustand des Hochleistungs-Batteriepacks 24 über dem vorgegebenen minimalen Ladezustand liegt, fährt das Verfahren 100 mit Schritt 112 fort, um das Hochleistungs-Batteriepack 24 zur Deckung des Fahrzeugleistungsbedarfs zu verwenden. Auf diese Weise priorisiert das Verfahren 100 das Entladen des Hochleistungs-Batteriepacks 24 gegenüber dem Hochenergie-Batteriepack 26. In Schritt 112 bestimmt die elektronische Steuerung 23, ob sich der erste Schalter S_P in der geschlossenen Position und der zweite Schalter S_E in der geschlossenen Position befindet. Wenn sich der erste Schalter S_P nicht in der geschlossenen Position befindet oder sich der zweite Schalter S_E nicht in der geöffneten Position befindet, fährt das Verfahren 100 mit Schritt 114 fort, um den ersten Schalter S_P zu schließen und/oder den zweiten Schalter S_E bei Bedarf zu öffnen, damit sich das Hochleistungs-Batteriepack 24 über den Leistungswechselrichter 32 zur elektrischen Maschine 14 entladen kann, indem die elektrische Maschine 14 als Motor angetrieben wird, um den Leistungsbedarf des Fahrzeugs zu decken. Das Verfahren 100 kehrt dann zu Schritt 104 zurück. Wenn die elektronische Steuerung 23 bestimmt, dass ein regeneratives Bremsereignis vorliegt, während der erste Schalter S_P geschlossen ist und der zweite Schalter S_E während des Fahrbetriebs geöffnet ist, wird die regenerative Bremsenergie auf die Hochleistungsbatterie 24 geleitet.
Wenn die elektronische Steuerung 23 in Schritt 110 bestimmt, dass der Ladezustand des Hochleistungs-Batteriepacks 24 nicht größer als der vorgegebene minimale Ladezustand ist, dann kann das Hochleistungs-Batteriepack 24 den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs nicht decken, und das Verfahren 100 fährt mit Schritt 116 fort, um zu bestimmen, ob sich der zweite Schalter S_E in der geschlossenen Position und der erste Schalter S_P in der geöffneten Position befindet. Wenn sich der zweite Schalter S_E nicht in der geschlossenen Position befindet oder der erste Schalter S_P nicht in der geöffneten Position, fährt das Verfahren 100 mit Schritt 118 fort, um den zweiten Schalter S_E zu schließen und/oder den ersten Schalter S_P nach Bedarf zu öffnen. Das Energie-Batteriepack 26 ist somit nun funktionsfähig mit der elektrischen Maschine 14 verbunden und über den Wechselrichter 32 an die elektrische Maschine 14 entladen, indem die elektrische Maschine 14 als Motor betrieben wird, um den Energiebedarf des Fahrzeugs für den Rest der Fahrzeugfahrt zu decken.
Wenn ein regeneratives Bremsereignis eintritt, während das Hochenergie-Batteriepack 26 allein zur Versorgung der elektrischen Maschine verwendet wird, kann das Verfahren 100 einen oder mehrere der Schritte 124 bis 132 zum Verwalten der Energie beinhalten. In Schritt 124 bestimmt die elektronische Steuerung 23, ob die Fahrzeugbetriebsbedingungen ein regeneratives Bremsereignis unterstützen. So können beispielsweise das Anheben eines Gaspedals, die Geschwindigkeit des Anhebens des Gaspedals, das Niederdrücken eines Bremspedals, die Geschwindigkeit des Niedertretens des Bremspedals und die Raddrehzahldaten von der elektronischen Steuerung 23 verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine regenerative Bremsung erforderlich ist. Wenn die überwachten Fahrzeugbetriebsparameter nicht anzeigen, dass eine regenerative Bremsung gewährleistet ist, kehrt das Verfahren 100 zum Start 101 zurück, und die Logik der Schritte 102-110 bewirkt, dass der Leistungsbedarf des Fahrzeugs weiterhin durch eine Entladung aus dem Energie-Batteriepack 26 gedeckt wird, es sei denn, der regenerative Bremsstrom über den im Folgenden beschriebenen optionalen Schritt 132 hat das Hochleistungs-Batteriepack 24 über dem vorgegebenen minimalen Ladezustand geladen.
Wenn jedoch die Fahrzeugbetriebsparameter anzeigen, dass eine regenerative Bremsung gewährleistet ist, fährt das Verfahren 100 mit Schritt 126 fort und bestimmt, ob ein regenerativer Bremsladestrom größer als ein Ladestromschwellenwert des Hochenergie-Batteriepacks 26 ist. Der Ladestromschwellenwert des Hochenergie-Batteriepacks 26 kann basierend auf einem vorbestimmten Bruchteil des Stroms bestimmt werden, der zum vollständigen Aufladen des Hochenergie-Batteriepacks 26 erforderlich ist, wenn dieses leer ist. So kann beispielsweise der Ladestromschwellenwert auf ein Drittel des Stroms eingestellt werden, der zum Aufladen des Hochenergie-Batteriepacks 26 auf volle Ladung aus der Leere in einer vorbestimmten Zeitspanne erforderlich ist.
Wenn in Schritt 126 bestimmt wird, dass der regenerative Bremsladestrom nicht größer als der Ladestromschwellenwert des Hochenergie-Batteriepacks 26 ist, dann geht das Verfahren 100 von Schritt 126 zu Schritt 128 über, wobei regenerative Bremsenergie zum Laden des Hochenergie-Batteriepacks 26 verwendet wird. Nach Schritt 128 kehrt das Verfahren 100 zum Start 101 zurück.
Wenn in Schritt 126 bestimmt wird, dass der regenerative Bremsstrom nicht größer als der Ladestromschwellenwert des Hochenergie-Batteriepacks 26 ist, dann geht das Verfahren 100 von Schritt 126 zu Schritt 130 über, wobei regenerative Bremsenergie zum Laden des Verbrauchers direkt zu einem anderen Fahrzeugverbraucher L geleitet wird. Dies kann das Schließen eines Umlenkschalters S_D erfordern. Der zweite Schalter S_E kann geöffnet bleiben, da der Strom dem Weg des geringsten Widerstands zum Verbraucher L folgt bzw. geschlossen sein kann. In exemplarischen Ausführungsformen kann der Verbraucher L eine Windschutzscheibenheizung oder ein anderes elektrisches Zubehör sein, auf das regenerative Bremsenergie gerichtet werden kann, oder einfach ein großer Widerstand, der die regenerative Bremsenergie ableitet.
Zusätzlich oder alternativ zu Schritt 130, wenn der regenerative Bremsstrom größer als der Ladestromschwellenwert des Hochenergie-Batteriepacks 26 ist, kann das Verfahren 100 zusätzlich oder alternativ von Schritt 130 zu Schritt 132 (wenn sowohl Schritt 130 als auch 132 ausgeführt werden sollen) oder direkt von Schritt 126 zu Schritt 132 übergehen, wenn Schritt 130 nicht ausgeführt werden soll (z. B. wenn die Windschutzscheibenheizung anderer Fahrzeuglasten nicht in Betrieb ist und daher keine elektrische Energie benötigt). In Schritt 132 schließt die elektronische Steuerung 23 den ersten Schalter S_P und öffnet den zweiten Schalter S_E für die Dauer des regenerativen Bremsereignisses, sodass mindestens ein Teil der regenerativen Bremsenergie auf das Hochleistungs-Batteriepack 24 gerichtet ist, um das Hochleistungs-Batteriepack 24 zu laden. Das Hochleistungs-Batteriepack 24 kann mit Unterbrechungsschützen ausgestattet sein, die sich öffnen und vom regenerativen Ausschaltstrom bei einem bestimmten Stromniveau trennen, um das Hochleistungs-Batteriepack 24 zu schützen. Zusätzlich oder alternativ kann in diesem Fall ein DC/DC-Wandler verwendet werden, um das Spannungs- und Stromniveau vom regenerativen Bremsstrom bis zum Hochleistungs-Batteriepack 24 zu ändern. Für den Fall, dass sowohl Schritt 130 als auch Schritt 132 durchgeführt werden sollen, wird ein Teil der regenerativen Bremsenergie auf die Fahrzeuglast und ein Teil auf das Hochleistungs-Batteriepack 24 gerichtet, um das Hochleistungs-Batteriepack 24 zu laden.
Wie in Bezug auf 5 erläutert, wenn in Schritt 102 die elektronische Steuerung 23 bestimmt, dass sich das Fahrzeug 10 nicht im Fahrmodus befindet, geht das Verfahren 100 zu Schritt 138 über, der am besten in 6 dargestellt ist, und bestimmt, ob Informationen, die ein Ladeereignis anzeigen, empfangen werden. So ist beispielsweise die Platzierung einer Ladevorrichtung am Ladeport 42 unter Bezugnahme auf 1 ein Hinweis auf ein Ladeereignis. Ladevorrichtungen beinhalten die Schnellladevorrichtung 40 oder eine Heimladevorrichtung 43, die Strom über einen Gleichstromwandler 49 bereitstellt, der an eine AC-Ladequelle 47 angeschlossen ist, wie sie beispielsweise bei einem Betreiber zu Hause 51 zum Laden über Nacht verfügbar sein kann.
Wenn die elektronische Steuerung 23 in Schritt 138 bestimmt, dass Informationen, die auf ein Ladeereignis hinweisen, nicht empfangen wurden, kehrt das Verfahren 100 zum Start bei 101 zurück. Wenn die elektronische Steuerung 23 in Schritt 138 bestimmt, dass sie Informationen empfangen hat, die auf ein Ladeereignis hinweisen, dann geht das Verfahren 100 zu Schritt 140 über und stellt zunächst den Schalter S_P des Hochleistungs-Batteriepacks auf geschlossen und den Schalter S_E des Hochenergie-Batteriepacks auf geöffnet, wenn sich einer der beiden Schalter nicht bereits in diesen jeweiligen Positionen befindet. Das Bewegen der Schalter in Schritt 140 schließt die Ladeschaltung zum Hochleistungs-Batteriepack 24 ab und das Laden des Hochleistungs-Batteriepacks 24 beginnt. Auf diese Weise priorisiert das Verfahren 100 das Laden des Hochleistungs-Batteriepacks 24 gegenüber dem Hochenergie-Batteriepack 26.
Nach Schritt 140 geht das Verfahren 100 zu Schritt 142 über und bestimmt, ob das Hochleistungs-Batteriepack 24 vollständig geladen ist (d. h. auf seinen vorgegebenen maximalen Ladezustand geladen ist). Wenn sich das Hochleistungs-Batteriepack 24 nicht auf dem vorgegebenen maximalen Ladezustand befindet, dann fährt das Verfahren 100 in Schritt 144 fort, das Hochleistungs-Batteriepack 24 zu laden und periodisch den Ladezustand zu überprüfen, bis in Schritt 140 bestimmt wird, dass das Hochleistungs-Batteriepack 24 seinen vorgegebenen maximalen Ladezustand erreicht hat.
Nachdem das Hochleistungs-Batteriepack 24 auf seinen vorgegebenen maximalen Ladezustand geladen wurde, geht das Verfahren 100 zu Schritt 146 über und öffnet den Schalter S_P der Leistungsbatterie. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt 147 über und bestimmt, ob das Hochenergie-Batteriepack 26 vollständig geladen ist (d. h. auf seinen vorgegebenen maximalen Ladezustand geladen ist). Wenn das Hochenergie-Batteriepack 26 nicht vollständig geladen ist, kann das Verfahren 100 zunächst den Ladestrom überprüfen und so einstellen, dass er in Schritt 148 auf oder unter einem vorgegebenen Wert liegt, wenn der Ladestrom über dem vorgegebenen Wert liegt. Der vorgegebene Wert des Ladestroms ist ein vom zweiten Batteriepack akzeptiertes Stromniveau, da das Hochenergie-Batteriepack 26 nicht in der Lage ist, einen so hohen Strom aufzunehmen, wie er vom Hochenergie-Batteriepack 24 aufgenommen werden kann. Das Verfahren 100 fährt dann mit Schritt 149 fort und schließt den Schalter S_E der Energiebatterie. Das Verfahren 100 fährt dann mit dem Laden des Hochenergie-Batteriepacks 26 fort und überprüft regelmäßig den Ladezustand, bis in Schritt 147 bestimmt wird, dass das Hochenergie-Batteriepack 26 seinen vorgegebenen maximalen Ladezustand erreicht hat. Nachdem das Hochenergie-Batteriepack 26 seinen vorgegebenen Ladezustand erreicht hat, geht das Verfahren 100 zu Schritt 150 über und öffnet den Schalter S_E der Hochenergiebatterie. Sowohl das Hochleistungs-Batteriepack 24 als auch das Hochenergie-Batteriepack 26 sind nun vollständig geladen, und das Verfahren 100 endet bei 152.
Das Verfahren 100 sieht eine Energiemanagementstrategie für das Elektrofahrzeug 10 vor, welche die Fahrzeugreichweite optimiert und gleichzeitig die Lebensdauer des Hochenergie-Batteriepacks 26 bewahrt. Wie beschrieben, stellen die Schritte 102-118 des Verfahrens 100 eine Entladestrategie während der Fahrzeugfahrt bereit, die das Entladen des Hochenergie-Batteriepacks 26 minimiert, indem das Hochleistungs-Batteriepack 24 nach Möglichkeit zuerst entladen wird. Die Schritte 124-132 des Verfahrens 100 sehen eine regenerative Bremsladestrategie vor, die das Laden des Hochenergie-Batteriepacks 26 minimiert. Die Schritte 138-150 sehen eine Ladestrategie vor, die das Laden des Hochenergie-Batteriepacks 26 minimiert, sei es während einer relativ schnellen Ladung (z. B. eine Ladung, welche die Reichweite des Fahrzeugs während des Gebrauchs vergrößert und tendenziell höher ist als eine Ladung zu Hause) oder einer relativ langsamen Ladung (z. B. eine Ladung zu Hause, eine Ladung über Nacht). Das Verfahren 100 und das Energiemanagementsystem 22 sind so konfiguriert, dass sie eine relativ lange Reichweite ermöglichen und gleichzeitig die Lebensdauer des Hochenergie-Batteriepacks 26 bewahren. Das Laden und Entladen erfolgt zunächst über das Hochleistungs-Batteriepack 24, wodurch die Anzahl der Ladezyklen des Hochenergie-Batteriepacks 26 begrenzt wird.
Während die besten Arten der Ausführung der Offenbarung detailliert beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Erfindung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt sein kann.

Claims

Energiemanagementsystem für ein Fahrzeug, umfassend: ein Batteriesystem, das ein erstes Batteriepack mit einem ersten Satz von Batteriezellen und ein zweites Batteriepack mit einem zweiten Satz von Batteriezellen beinhaltet; worin das erste Batteriepack eine relativ hohe Leistungsdichte im Vergleich zum zweiten Batteriepack aufweist, und das zweite Batteriepack eine relativ hohe Energiedichte im Vergleich zum ersten Batteriepack aufweist; eine elektronische Steuerung, die funktionsfähig mit dem Batteriesystem verbunden und konfiguriert ist, um das Laden und Entladen des ersten Batteriepacks und des zweiten Batteriepacks zu steuern; worin das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack zum getrennten Laden und Entladen konfiguriert sind; und worin die elektronische Steuerung das Laden und Entladen des ersten Batteriepacks über das zweite Batteriepack vorrangig durchführt.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 1, worin die elektronische Steuerung konfiguriert ist zum: Entladen nur des ersten Batteriepacks als Reaktion auf einen Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks größer als ein vorgegebener Mindestschwellenwert ist, und Entladen des zweiten Batteriepacks als Reaktion auf den Antriebsleistungsbedarf des Fahrzeugs nur dann, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks unter dem vorgegebenen Mindestschwellenwert liegt.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 2, worin der vorgegebene Mindestschwellenwert des Ladezustands des ersten Batteriepacks von etwa 10 Prozent bis etwa 50 Prozent einer Ladekapazität des ersten Batteriepacks beträgt.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 2, worin die elektronische Steuerung konfiguriert ist, um die Entladung des ersten Batteriepacks zu beenden, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks auf den vorgegebenen minimalen Ladezustand absinkt.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen ersten Schalter, der so gesteuert werden kann, dass er sich zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegt; worin das erste Batteriepack funktionsfähig mit einer Last- oder Ladequelle verbunden ist, wenn der erste Schalter geschlossen ist, und von der Last- oder Ladequelle getrennt ist, wenn der erste Schalter geöffnet ist; einen zweiten Schalter, der so gesteuert werden kann, dass er sich zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegt; worin das zweite Batteriepack funktionsfähig mit der Last- oder Ladequelle verbunden ist, wenn der zweite Schalter geschlossen ist, und von der Last- oder Ladequelle getrennt ist, wenn der zweite Schalter geöffnet ist; und worin die elektronische Steuerung funktionsfähig mit dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter verbunden und konfiguriert ist, um den ersten Schalter zu schließen und den zweiten Schalter zu öffnen, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks größer als der vorgegebene minimale Schwellenwert für den Ladezustand ist.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 5, worin die elektronische Steuerung konfiguriert ist, um den zweiten Schalter nur dann zu schließen, wenn der Ladezustand des ersten Batteriepacks unter dem vorgegebenen Mindestschwellenwert liegt.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 6, worin die elektronische Steuerung während eines Fahrzeugfahrmodus konfiguriert ist, um den regenerativen Bremsladestrom über einen Ladestromschwellenwert des zweiten Batteriepacks auf einen separaten Verbraucher und nicht auf das zweite Batteriepack zu leiten.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 6, worin die elektronische Steuerung während eines Fahrzeugfahrmodus konfiguriert ist, um den regenerativen Bremsladestrom über einen Ladestromschwellenwert des zweiten Batteriepacks auf ein erstes Batteriepack und nicht auf das zweite Batteriepack zu leiten.
Energiemanagementverfahren nach Anspruch 1, worin: das erste Batteriepack konfiguriert ist, um eine maximale Reichweite bereitzustellen und in einer vorbestimmten Zeitspanne auf einen 80-prozentigen Ladezustand aufzuladen; und das zweite Batteriepack konfiguriert ist, um eine maximale Fahrstrecke R in Meilen bereitzustellen: R = 500 - 1.8 * X, wobei X die maximale Fahrstrecke in Meilen der ersten Batterie ist.
Energiemanagementsystem nach Anspruch 1, worin das erste Batteriepack und das zweite Batteriepack in ein einzelnes, einheitliches Batteriegehäuse integriert sind, wobei der zweite Batteriezellensatz angrenzend an den ersten Batteriezellensatz integriert ist.