DE102019111407A1

DE102019111407A1 - Verfahren zur steuerung eines rekonfigurierbaren batterieladegeräts

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Publication number: DE102019111407A1
Application number: DE102019111407.1A
Authority: DE
Inventors: Yiran Hu; Shifang Li; Lei Hao; Chandra S. Namuduri; Thomas W. Nehl
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2019-05-02
Publication date: 2019-11-28
Also published as: CN110535201B; CN110535201A; US20190359067A1; US10675991B2

Abstract

Es werden Verfahren zum Laden eines Fahrzeugbatteriepacks offenbart. Exemplarische Verfahren können das Bestimmen eines Spannungsungleichgewichts zwischen mindestens zwei parallelen Strängen eines Batteriepacks über eine Schwellengröße hinaus beinhalten. Verfahren können ferner das elektrische Reduzieren des Spannungsungleichgewichts zwischen den mindestens zwei parallelen Strängen unter Verwendung einer Reihenschaltung beinhalten, die eine erste Gruppe von einer oder mehreren der Batteriezellen eines ersten der parallelen Stränge beinhaltet, und das Wiederverbinden der parallelen Stränge in einer elektrischen Schaltung parallel zueinander, wobei in dieser Konfiguration die Stränge des Batteriepacks das Fahrzeug mit Energie versorgen können.

Description

EINLEITUNG
Elektro- und Hybridfahrzeuge sind in der Regel zumindest teilweise auf die Stromversorgung durch eine wiederaufladbare Batterie angewiesen. Batterien können eine Reihe von wiederaufladbaren Zellen oder Packs beinhalten, um dem Fahrzeug ein elektrisches Potential zuzuführen. Jedes Pack kann eine oder mehrere und in den meisten Fällen eine sehr große Anzahl von Einzelzellen aufweisen.
Fahrzeugbatteriepacks können manchmal ein Ungleichgewicht im Spannungspotential zwischen Zellgruppen aufweisen. Potentialunterschiede zwischen den einzelnen Zellen können die Leistung der Fahrzeugbatterie beeinträchtigen und die Verwendung der Zellgruppen in einer parallelen elektrischen Schaltung verhindern.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren zum Aufladen einer Fahrzeugbatterie, das die vorstehend genannten Probleme löst.
KURZDARSTELLUNG
Die hierin enthaltenen exemplarischen Darstellungen sind auf ein Verfahren zum Laden eines Fahrzeugbatteriepacks mit einer Vielzahl von parallelen Strängen ausgerichtet, wobei jeder der parallelen Stränge eine oder mehrere Batteriezellen aufweist. In mindestens einigen Implementierungen beinhaltet ein Verfahren das Bestimmen, dass ein Spannungsungleichgewicht zwischen mindestens zwei der parallelen Stränge eine Schwellengröße überschreitet, und als Reaktion auf diese Bestimmung das elektrische Reduzieren des Spannungsungleichgewichts zwischen den mindestens zwei parallelen Strängen unter Verwendung einer Reihenschaltung, die eine erste Gruppe von einer oder mehreren der Batteriezellen eines ersten der parallelen Stränge beinhaltet. Das Verfahren kann ferner das Wiederverbinden der parallelen Stränge in einer elektrischen Schaltung parallel zueinander beinhalten, wobei die parallelen Stränge dabei so konfiguriert sind, dass sie das Fahrzeug mit Strom versorgen.
In einigen Beispielen kann ein Verfahren das Bestimmen beinhalten, dass die erste Gruppe der Zellen ein niedrigeres Spannungspotential aufweist als eine zweite Gruppe einer oder mehrerer der Zellen einer zweiten der parallelen Stränge.
Ein Spannungsungleichgewicht zwischen parallelen Strängen kann auf verschiedene Weise elektrisch reduziert werden. In einem Beispiel beinhaltet ein Verfahren zum elektrischen Reduzieren eines Spannungsungleichgewichts das Reihenschalten der ersten Gruppe der Zellen mit einer externen Stromversorgung, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird. In einem anderen Ansatz wird die zweite Gruppe der Zellen mit einer elektrischen Last in Reihe geschaltet, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird. In noch einem weiteren Ansatz kann eine Verbindung einer elektrischen Last, die mit der ersten Gruppe von Zellen und der zweiten Gruppe von Zellen in Reihe geschaltet ist, durch Pulsweitenmodulation abwechselnd erfolgen, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen und durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird.
In einigen Beispielen kann ein Verfahren auch das Trennen der ersten Zellgruppe von den Zellen einer zweiten der parallelen Stränge beinhalten, z.B. um die erste und zweite Zellgruppe elektrisch voneinander zu trennen.
Einige exemplarische Verfahren können die Stromversorgung des Fahrzeugs nach dem Wiedereinschalten der parallelen Stränge in der elektrischen Schaltung parallel zueinander beinhalten.
Die exemplarischen Verfahren können auch das Verbinden der Batteriezellen der mindestens zwei parallelen Stränge in einer Reihenschaltung und das Laden der Batteriezellen beinhalten, während sie in der Reihenschaltung verbunden sind.
In einem weiteren exemplarischen Verfahren kann ein Verfahren zum Laden eines Fahrzeugbatteriepacks mit einer Vielzahl von parallelen Strängen das Verbinden der Batteriezellen von mindestens zwei der parallelen Stränge in einer Reihenschaltung und das Laden der Batteriezellen beinhalten, während sie in der Reihenschaltung verbunden sind. In diesen Beispielen kann ein Verfahren ferner das Bestimmen eines Spannungsungleichgewichts zwischen mindestens zwei der parallelen Stränge, die eine Schwellengröße überschreiten, nach dem Laden der Batteriezellen und als Reaktion auf diese Bestimmung das elektrische Reduzieren des Spannungsungleichgewichts zwischen den mindestens zwei parallelen Strängen unter Verwendung einer Reihenschaltung mit einer ersten Gruppe einer oder mehrerer der Batteriezellen eines ersten der parallelen Stränge beinhalten. Diese exemplarischen Verfahren können auch das Wiederverbinden der parallelen Stränge in einer elektrischen Schaltung parallel zueinander beinhalten, wobei die parallelen Stränge dabei so konfiguriert sind, dass sie das Fahrzeug mit Strom versorgen.
In einigen Beispielen derartiger Verfahren kann auch ein Schritt zum Bestimmen, dass die erste Gruppe der Zellen ein niedrigeres Spannungspotential aufweist als eine zweite Gruppe einer oder mehrerer der Zellen einer zweiten der parallelen Stränge, mit eingeschlossen sein. Spannungsungleichgewichte zwischen parallelen Strängen können auf die vorstehend exemplarisch dargestellte Weise elektrisch reduziert werden, z. B. durch (a) das in Reihe schalten der ersten Gruppe der Zellen mit einer externen Stromversorgung, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird, (b) das in Reihe schalten der zweiten Gruppe der Zellen mit einer elektrischen Last, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird, und/oder (c) in Reihe schalten einer elektrischen Last mit der ersten Gruppe von Zellen und der zweiten Gruppe von Zellen unter Verwendung eines alternierenden Pulsweitenmodulationsansatzes, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen und durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird. In einigen Beispielen kann die erste Gruppe von Zellen von den Zellen einer zweiten der parallelen Stränge getrennt, d. h. elektrisch, getrennt sein. Optional können diese Verfahren auch die Stromversorgung des Fahrzeugs nach dem Wiedereinschalten der parallelen Stränge in der elektrischen Schaltung parallel zueinander beinhalten.
In noch einem weiteren Beispiel eines Verfahrens kann ein Fahrzeugbatteriepack mit einer Vielzahl von parallelen Strängen in einem Verfahren rekonfiguriert werden, welches das Zusammenschalten der Batteriezellen von mindestens zwei der parallelen Stränge in einer Reihenschaltung zum Laden des Fahrzeugbatteriepacks beinhaltet. Dieses exemplarische Verfahren kann das Bestimmen beinhalten, dass ein Spannungsungleichgewicht zwischen mindestens zwei der parallelen Stränge eine Schwellengröße überschreitet, und, als Reaktion auf diese Bestimmung, das elektrische Reduzieren des Spannungsungleichgewichts zwischen den mindestens zwei parallelen Strängen unter Verwendung einer Reihenschaltung, die eine erste Gruppe von einer oder mehreren der Batteriezellen eines ersten der parallelen Stränge beinhaltet. Dieses exemplarische Verfahren kann ferner das Wiederverbinden der parallelen Stränge in einer elektrischen Schaltung parallel zueinander beinhalten, wobei die parallelen Stränge dabei so konfiguriert sind, dass sie das Fahrzeug mit Strom versorgen.
In einigen Beispielen derartiger Verfahren kann auch ein Schritt zum Bestimmen, dass die erste Gruppe der Zellen ein niedrigeres Spannungspotential aufweist als eine zweite Gruppe einer oder mehrerer der Zellen einer zweiten der parallelen Stränge, mit eingeschlossen sein. Spannungsungleichgewichte zwischen parallelen Strängen können in einem oder mehreren der vorstehend genannten exemplarischen Ansätze elektrisch reduziert werden, z. B. durch (a) das in Reihe schalten der ersten Gruppe der Zellen mit einer externen Stromversorgung, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird, (b) das in Reihe schalten der zweiten Gruppe der Zellen mit einer elektrischen Last, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird, und/oder (c) in Reihe schalten einer elektrischen Last mit der ersten Gruppe von Zellen und der zweiten Gruppe von Zellen unter Verwendung eines alternierenden Pulsweitenmodulationsansatzes, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen und durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird.
Figurenliste
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei Folgendes gilt:

1A ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für ein System zum Aufladen eines Fahrzeugs mit einem Batteriepack darstellt;
1B ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform eines rekonfigurierbaren Batteriepacks für das Fahrzeug von 1A gemäß einem exemplarischen Ansatz darstellt;
2A ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, mit zwei Batteriezellen, die in einer Reihenschaltung verbunden sind;
2B ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, mit zwei Batteriezellen, die eine Spannungsungleichheit aufweisen;
2C ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, wobei eine Batteriezelle in Reihe aufgeladen wird, während eine andere Batteriezelle getrennt wird;
2D ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, mit zwei Batteriezellen, die in einer Parallelschaltung verbunden sind;
3A ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, mit zwei Batteriezellen, die eine Spannungsungleichheit aufweisen;
3B ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, wobei eine Batteriezelle mit einer elektrischen Last in Reihe geschaltet ist, während eine andere Batteriezelle getrennt wird;
3C ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, mit zwei Batteriezellen, die in einer Parallelschaltung verbunden sind;
4A ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, mit zwei Batteriezellen, die eine Spannungsungleichheit aufweisen;
4B ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, wobei zwei Batteriezellen zwischen einem getrennten Zustand und einer Parallelschaltung wechseln;
4C ist ein schematisches Diagramm des rekonfigurierbaren Batteriepacks von 1, mit zwei Batteriezellen, die in einer Parallelschaltung verbunden sind; und
5 ist ein exemplarisches Prozessablaufdiagramm, das exemplarische Verfahren zur Verwendung in Verbindung mit einem rekonfigurierbaren Batteriepack veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin sind exemplarische Verfahren und Systeme für ein Fahrzeug mit einem oder mehreren rekonfigurierbaren Batteriepacks vorgesehen, die so konfiguriert sind, dass sie elektrische Energie bereitstellen, z. B. für einen Motor-Generator, der zum Vortrieb des Fahrzeugs dient. Beispielfahrzeuge können ein Batterie-Elektrofahrzeug (BEV) sein, das sich ausschließlich auf das/die Batteriepack(s) verlässt, um Energie für den Vortrieb des Fahrzeugs bereitzustellen. Die Vorteile der Rekonfiguration für das schnelle Laden sind im Allgemeinen am stärksten bei größeren potenziellen Batteriepacks, die typisch für reine Elektrokonfigurationen wie BEVs sind, da diese Arten von Antriebssträngen keine alternative Antriebsfähigkeit besitzen, wobei die Methodik jedoch auf jedes Fahrzeug angewendet werden kann, das sich zumindest teilweise auf Batteriepacks für den Vortrieb stützt, z. B. Plug-in-Hybrid- (PHEV) oder Elektrofahrzeugkonfigurationen mit erweiterter Reichweite (EREV). Somit können einige exemplarische Fahrzeuge einen Verbrennungsmotor aufweisen, der den Vortrieb des Fahrzeugs entweder alternativ oder zusätzlich zu der von dem/den Batteriepack(s) zugeführten Leistung bereitstellt.
Exemplarische Batteriepacks können eine Vielzahl von Strängen aufweisen, wobei jeder Strang eine relativ große Anzahl (z. B. 100) von Batteriezellen aufweist, die innerhalb des Strangs in Reihe geschaltet sind. Batteriepacks können als Einheit wiederaufladbar sein, wobei die Stränge in einer Parallelschaltungskonfiguration zueinander angeordnet sind. Die Batteriepacks können jeweils rekonfigurierbar sein, sodass eine oder mehrere der Stränge des Packs in einer Reihenkonfiguration platziert werden können. So können beispielsweise während des Ladevorgangs ein oder mehrere Stränge in einer Reihenschaltung zusammengeschaltet werden, um eine höhere Ladespannung zu ermöglichen, was einen höheren Stromfluss zu jeder Zelle innerhalb der Stränge zur Folge hat und die mit dem Batteriepack verbundenen Gesamtladezeiten im Vergleich zur Parallelstrangkonfiguration reduziert. Lediglich exemplarisch kann ein Batteriepack zunächst zwei Stränge parallel zueinander aufweisen, wobei jeder Strang 100 Batteriezellen aufweist. Nach der Rekonfiguration der Stränge in Reihe zum Laden werden die beiden Stränge aufgrund der Reihenkonfiguration im Wesentlichen als ein einzelner Strang von 200 Zellen geladen. Dementsprechend wirken die hierin enthaltenen Methodologien in Bezug auf den Ausgleich des elektrischen Potentials von Strängen innerhalb eines Batteriepacks im Allgemeinen auf jeden Strang als eine Einheit.
Mit Blick nun auf 1A ist ein exemplarisches System 105 schematisch dargestellt. Das System 105 kann im Allgemeinen das flexible Schnellladen eines elektrifizierten Fahrzeugs 120 mit Gleichstrom (DC) ermöglichen. Das elektrifizierte Fahrzeug kann ein Batteriepack oder ein rekonfigurierbares Energiespeichersystem 100 beinhalten, das einen Fahrzeugantriebsstrang 250 mit elektrischer Energie versorgt, um den Vortrieb des Fahrzeugs 120 vorzusehen. In einem Beispiel kann das Fahrzeug 120 ein Plug-in-Elektrofahrzeug sein, wobei der Antriebsstrang 250 einen Elektromotor-Generator beinhaltet, der den Vortrieb des Fahrzeugs 120 vorsieht. Ein Motor-Generator des Antriebsstrangs 250 kann auch elektrische Energie erzeugen, die im rekonfigurierbaren Energiespeichersystem 100 gespeichert ist. In einem weiteren Beispiel kann das Fahrzeug 120 ein Hybridfahrzeug sein, d. h. wobei der Antriebsstrang 250 zusätzlich einen Verbrennungsmotor beinhaltet, der in Kombination mit dem Elektromotor-Generator für den Fahrzeugantrieb eingesetzt wird.
Durch den Einsatz der Vorrichtung 105 kann die Ladezeit des elektrifizierten Fahrzeugs 120 minimiert werden, wenn es an eine Hochleistungs-Gleichstrom-(DC)-Schnellladestation 140 angeschlossen ist. Darüber hinaus kann das rekonfigurierbare Energiespeichersystem 100, wie im Folgenden näher beschrieben wird, im Allgemeinen eine Rekonfiguration der darin enthaltenen Komponenten ermöglichen, wodurch eine schnelle Ladung ermöglicht und die Leistung des rekonfigurierbaren Energiespeichersystems 100 verbessert wird.
Die Spannung der Hochleistungs-DC-Schnellladestation 140 kann nur als Beispiel 800 Volt betragen. Die Ladestation 140 ist so konfiguriert, dass sie das Fahrzeug 120 über einen Ladeanschluss 160 lädt. In einem Beispiel ist der Ladeanschluss 160 in der Lage, eine Gleichspannung (DC) oder eine Wechselspannung (AC) oder beides zu liefern.
Das Fahrzeug 120 kann eine Ladebuchse 180 beinhalten, die konfiguriert ist, um den Ladeanschluss 160 aufzunehmen, um das elektrifizierte Fahrzeug 120 elektrisch zu laden. Die Ladebuchse 180 kann daher Wechselspannung und/oder Gleichspannung aufnehmen. Darüber hinaus kann die Ladebuchse 180 zur Verbindung mit der Ladestation 140 über den Ladeanschluss 160 konfiguriert werden. Somit kann die Ladebuchse 180 Kommunikations- und Anschlussverifikationssignale vom Ladeanschluss 160 empfangen und senden. Das rekonfigurierbare Energiespeichersystem 100 des Fahrzeugs 120 kann selektiv und elektrisch mit der Ladebuchse 180 verbunden werden, wodurch das Laden/Aufladen des rekonfigurierbaren Energiespeichersystems 100 erleichtert wird.
Das elektrifizierte Fahrzeug 120 kann auch eine Fahrzeugladesteuerung 200 beinhalten. Die Steuerung 200 kann konfiguriert werden, um eine drahtlose und/oder drahtgebundene Kommunikationsverbindung mit der Ladestation 140 herzustellen, z. B. über ein Kommunikationsnetzwerk (wie beispielsweise CAN, WAN, Blue-Tooth, Wi-Fi) des Fahrzeugs 120. Dadurch kann die Fahrzeugladesteuerung 200 drahtlos und/oder drahtgebunden mit der Fahrzeugladestation 140 verbunden sein. Das elektrifizierte Fahrzeug 120 kann konfiguriert werden, um einen Standort des Fahrzeugs 120 und/oder der Ladestation 140 zu bestimmen, z. B. über die Satelliten des globalen Positionierungssystems (GPS). Das Fahrzeug 120 kann somit den Standort des elektrifizierten Fahrzeugs 120 in Bezug auf die Ladestation 140 bestimmen.
Die Fahrzeugladesteuerung 200 kann einen Prozessor 220 und einen nicht-flüchtigen Speicher 240 in Verbindung mit dem Prozessor 220 beinhalten. Der nicht-flüchtige Speicher 240 kann Anweisungen speichern, durch den Prozessor 220 ausgeführt werden können. Die Fahrzeugladesteuerung 200 kann programmiert sein, um die Ladespannung der Ladestation 140 basierend auf einem von der Ladestation 140 empfangenen Kommunikationssignal zu ermitteln. Dieses Kommunikationssignal kann ein Indikator für die Ladespannung der Ladestation 140 sein. Die Ladespannung kann beispielsweise eine Niederspannung (z. B. 400 Volt) oder eine Hochspannung (z. B. 800 Volt) sein. Die Fahrzeugladesteuerung 200 kann auch Stromanforderungen an die Ladestation 140 senden, um das elektrifizierte Fahrzeug 120 elektrisch zu laden.
Wie am besten in 1B zu sehen ist, kann das rekonfigurierbare Energiespeichersystem 100 eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen 102a, 102b (zusammen 102) beinhalten. Wie in 1B dargestellt, können zwei wiederaufladbare Energiespeichervorrichtungen vorhanden sein, d. h. als eine erste wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102a und eine zweite wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102b. Es können jedoch beliebig viele Energiespeicher 102 verwendet werden, und in einigen Fällen kann eine sehr große Anzahl von wiederaufladbaren Energiespeichern 102 vorhanden sein. Dementsprechend ist die Anzahl der wiederaufladbaren Energiespeicher 102, die in Verbindung mit den exemplarischen Darstellungen verwendet werden können, nicht begrenzt. In der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff „wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung“ auf Vorrichtungen, die wiederaufladbar sind und in der Lage sind, elektrische Energie zu speichern, wie beispielsweise Ultra-Kondensatoren, Batterien, Batteriepacks, Batteriezellen oder jede Kombination derselben. Darüber hinaus können die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 selbst eine beliebige Anzahl von Speichervorrichtungen beinhalten, wie beispielsweise Batteriezellen. In mindestens einigen Beispielen beinhaltet jede der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 eine relativ große Anzahl von Batteriezellen, z. B. 100 oder mehr Batteriezellen.
Jede der ersten und zweiten wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a, 102b kann selektiv und elektrisch mit der Ladebuchse 180 verbunden sein (1A), um das Laden und Aufladen der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 zu erleichtern. So kann beispielsweise das rekonfigurierbare Energiespeichersystem 100 eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen 104a, 104b und 104c (zusammen 104c) beinhalten, die konfiguriert sind, um eine oder beide der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 selektiv mit der Ladebuchse 180 zu verbinden. Darüber hinaus können die Schalter 104 die Anordnung der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 in einer Reihenschaltung oder in einer parallelen elektrischen Schaltung ermöglichen, wie im Folgenden näher erläutert wird. Jede der Schaltvorrichtungen 104 kann mit der Fahrzeugladesteuerung 200 verbunden sein, sodass die Fahrzeugladesteuerung 200 den Ein-/Ausschaltvorgang der Schaltvorrichtungen 104 steuern kann.
Die Schaltvorrichtungen 104 können jede Schaltvorrichtung sein, die zum selektiven Unterbrechen eines Stromkreises geeignet ist. In einem Beispiel sind die Schalter 104 Schaltvorrichtungen mit geringer Verlustleistung. In der vorliegenden Offenbarung bezeichnet der Begriff „verlustarme Schaltvorrichtung“ ein Halbleiterrelais und/oder ein elektromechanisches Relais. Ein Festkörperrelais weist im Allgemeinen keine beweglichen Teile auf, sondern nutzt stattdessen elektrische und optische Eigenschaften von Festkörperhalbleitern, um die Eingangs- und Ausgangsisolations- und Schaltfunktionen auszuführen. Als nicht einschränkende Beispiele beinhalten MOS-gesteuerte Thyristoren (MCTs), Galliumnitrid (GaN) Feldeffekttransistoren (FETs), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Siliziumcarbid-Junction-Feldeffekttransistoren (SiC JFETs), bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) oder einige andere geeignete verlustarme Vorrichtungen mit geeigneten Spannungs- und Stromstärken. Die verlustarmen Schaltvorrichtungen 104 können elektromechanische Relais parallel zu Halbleiterschaltern sein, um die Verluste bei der Durchleitung im eingeschalteten Zustand weiter zu reduzieren. Während des Betriebs führen die Halbleiterschalter den Strom beim Schalten vom Ein-Aus- oder Aus-Einschaltzustand des elektromechanischen Relais, um Lichtbögen zu vermeiden. Der Begriff „verlustarme Schaltvorrichtung“ beinhaltet nicht ausschließlich mechanische Schalter, da es bei diesen Beispielen wünschenswert sein kann, das Risiko der mechanischen Kontakte durch Verschweißen zu minimieren. Die verlustarmen Schaltervorrichtungen 104 können auf einen geringen Spannungsabfall optimiert sein und eliminieren Lichtbögen beim Schalten. Die Fahrzeugladesteuerung 200 kann so programmiert werden, dass sie selektiv die Vielzahl von verlustarmen Schaltvorrichtungen 104 betätigt, um die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a, 102b in Reihe oder parallel zu schalten, wie im Folgenden weiter ausgeführt wird.
In dem in 1B veranschaulichten Beispiel befindet sich die erste wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102a in einem ersten Strang A des Systems 100 mit der Schaltvorrichtung 104a. Der erste Strang A erstreckt sich zwischen zwei Knoten 106a, 106b des Systems 100. Die zweite wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102b befindet sich in einem zweiten Strang B des Systems 100, mit der Schaltvorrichtung 104b, die sich ebenfalls zwischen den gleichen beiden Knoten 106a, 106b erstreckt. Die Schaltvorrichtung 104c ist zwischen den beiden „parallelen“ Strängen A und B angeordnet. In dieser Anordnung können die parallelen Stränge A und B in einer Reihenschaltung angeordnet werden, indem sowohl die Schaltvorrichtungen 104a als auch 104b geöffnet und die Schaltvorrichtung 104c geschlossen werden, sodass eine mit den Knoten 106a, 106b verbundene elektrische Last oder Energieversorgung durch die beiden wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a, 102b hintereinander geleitet würde. Alternativ können die parallelen Stränge A und B in einer Parallelschaltung zwischen den beiden Knoten 106a, 106b durch Öffnen der Schaltvorrichtung 104c und Schließen jeder der Schaltvorrichtungen 104a und 104b angeordnet werden, sodass eine mit den Knoten 106a, 106b verbundene elektrische Last oder Energieversorgung parallel durch die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b geleitet wird.
Wie im Folgenden näher erläutert, kann es in einigen Situationen wünschenswert sein, die Stränge A und B parallel zu schalten, z. B. wenn die wiederaufladbaren Energiespeicher 102a und 102b den Fahrzeugantriebsstrang 250 mit Energie versorgen. In anderen Situationen, z. B. wenn die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 wieder aufgeladen werden sollen, kann es zweckmäßig sein, die parallelen Stränge A und B in Reihe zu schalten, da dies ein schnelleres Aufladen der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 ermöglichen kann.
Ein Ungleichgewicht des elektrischen Potentials, z. B. gemessen in Volt (V), kann auftreten, nachdem die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 in Reihe aufgeladen wurden. Diese Ungleichgewichte können besonders häufig auftreten, wenn die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 eine relativ niedrige Impedanz aufweisen oder anderweitig für eine relativ schnelle Ladung ausgelegt sind. Ein Ungleichgewicht kann beispielsweise durch Unterschiede in den wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 selbst oder durch Bedingungen entstehen, die beeinflussen, wie schnell jede der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 relativ zueinander wiederaufgeladen werden kann. Sind diese Ungleichgewichte signifikant, können sie die Kompatibilität der parallelen Stränge A und B beeinträchtigen, die in einer elektrischen Parallelschaltung angeordnet werden sollen. Andererseits sind relativ kleine Spannungsungleichgewichte im Allgemeinen unproblematisch, um die parallelen Stränge A und B in eine Parallelschaltung zu bringen. Lediglich exemplarisch kann, wenn ein Spannungsungleichgewicht weniger als ein Prozent des elektrischen Potentials der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 beträgt, ein solches Ungleichgewicht möglicherweise nicht korrigiert werden, um die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 in eine Parallelschaltung zu bringen. In einem weiteren Beispiel, wenn eine Spannungsungleichheit kleiner als 1 V ist, können die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 in eine elektrische Parallelschaltung gebracht werden.
Ist ein Ungleichgewicht im elektrischen Potential zwischen den Strängen A und B (d. h. zwischen den zugehörigen wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b) signifikant, kann es wünschenswert sein, das Ungleichgewicht elektrisch zu reduzieren. Ein Ungleichgewicht des elektrischen Potentials kann in jedem der im Folgenden näher erläuterten exemplarischen Verfahren reduziert werden.
Mit Blick nun auf die 2A-2D wird das exemplarische System 100 in Verbindung mit einem exemplarischen Ansatz zur elektrischen Reduzierung einer Spannungsungleichheit veranschaulicht. Zunächst befinden sich in 2A die Stränge A und B in einer Reihenschaltung, mit einer Stromversorgung 108, die jede der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b in Reihe lädt. Die Stromversorgung 108 kann jede Vorrichtung/System zum Aufladen der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 beinhalten und kann an Bord des Fahrzeugs 120 (z. B. wenn eine Motor-Generator-Einheit des Antriebsstrangs 250 während des Ausrollens elektrische Energie bereitstellt oder dergleichen) oder außerhalb des Fahrzeugs 120 (z. B. wenn das Fahrzeug 120 Strom von der Ladestation 140 erhält) installiert sein.
Mit Blick nun auf 2B werden die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen dargestellt, nachdem die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b in Reihe geladen wurden, wodurch ein Spannungsungleichgewicht zwischen den parallelen Strängen A und B entsteht. So kann beispielsweise, wie in 2B dargestellt, die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102a ein niedrigeres Spannungspotential (340V) aufweisen als die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102b (360 V). Das Ungleichgewicht von 20 V ist lediglich exemplarisch, da jeder Schwellenwert verwendet werden kann, der zum Bestimmen zweckmäßig ist, ob das Spannungsungleichgewicht reduziert werden soll, bevor die parallelen Stränge A und B in eine Parallelschaltung gebracht werden.
Um das Spannungsungleichgewicht zwischen den parallelen Strängen A und B des Systems 100, wie in 2C dargestellt, elektrisch zu reduzieren, können die Schaltvorrichtungen 104b und 104c geöffnet und die Schaltvorrichtung 104a geschlossen werden. Dementsprechend kann die Stromversorgung 108 die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102a aufladen und so deren elektrisches Potential erhöhen. Mit Blick nun auf 2D weist die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102a bei ausreichender Ladung das gleiche elektrische Potential (360 V) auf wie die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102b. Obwohl das Ungleichgewicht des elektrischen Potentials in diesem Beispiel im Wesentlichen Null ist, kann das Ungleichgewicht bei anderen Ansätzen auf den anwendbaren Schwellenwert reduziert werden (d. h. auf den Schwellenwert, mit dem zunächst das Vorhandensein eines Spannungsungleichgewichts bestimmt wurde). Die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b können dann in eine Parallelschaltung gebracht werden, z. B. zur Energieversorgung des Antriebsstrangs 250 des Fahrzeugs 120, durch Schließen der Schaltvorrichtungen 104a und 104b und Öffnen der Schaltvorrichtung 104c.
Mit Blick nun auf die 3A-3C wird eine weitere exemplarische Methodik zum Reduzieren eines Spannungsungleichgewichts zwischen den wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b näher erläutert. In 3A werden die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen dargestellt, nachdem die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b in Reihe geladen wurden, wodurch ein Spannungsungleichgewicht zwischen den parallelen Strängen A und B entsteht. In dem in 3A veranschaulichten Beispiel kann die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102a ein niedrigeres Spannungspotential (340 V) aufweisen als die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102b (360 V). Wie bei dem vorstehend in den 2A-2D erläuterten Beispiel ist die in 3A dargestellte Spannungsungleichheit von 20 V nur ein Beispiel, und es kann jeder Schwellenwert verwendet werden, der zum Bestimmen geeignet ist, ob die Spannungsungleichheit reduziert werden soll, bevor die parallelen Stränge A und B in eine Parallelschaltung gebracht werden.
Um das Spannungsungleichgewicht zwischen den parallelen Strängen A und B des Systems 100 elektrisch zu reduzieren, kann eine elektrische Last verwendet werden, um das Spannungspotential der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102b mit einem höheren Potential zu reduzieren. Genauer gesagt, können, wie in 3B dargestellt, die Schaltvorrichtungen 104a und 104c geöffnet und die Schaltvorrichtung 104b geschlossen werden. Eine elektrische Last 110 kann mit den Knoten 106a, 106b verbunden werden, wodurch Strom aus der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102b entnommen und deren elektrisches Potential reduziert wird. Mit Blick nun auf 3C reduziert die Stromaufnahme aus der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102b schließlich deren elektrisches Potential auf das der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102b. Wie im Beispiel in 2D, obwohl das Ungleichgewicht des elektrischen Potentials im Beispiel von 3C im Wesentlichen Null ist, kann das Ungleichgewicht bei anderen Ansätzen auf den anwendbaren Schwellenwert reduziert werden (d. h. auf den Schwellenwert, mit dem zunächst das Vorhandensein eines Spannungsungleichgewichts bestimmt wurde). Die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b können dann in eine Parallelschaltung gebracht werden, z. B. zur Energieversorgung des Antriebsstrangs 250 des Fahrzeugs 120, durch Schließen der Schaltvorrichtungen 104a und 104b und Öffnen der Schaltvorrichtung 104c.
Mit Blick nun auf die 4A-4C wird eine weitere exemplarische Methodik zum Reduzieren eines Spannungsungleichgewichts zwischen den wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b näher erläutert. In 4A werden die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen dargestellt, nachdem die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b in Reihe geladen wurden, wodurch ein Spannungsungleichgewicht zwischen den parallelen Strängen A und B entsteht. In dem in 4A (wie bei den Beispielen in den 2B und 3A) veranschaulichten Beispiel kann die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102a ein niedrigeres Spannungspotential (340 V) aufweisen als die wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102b (360 V). Wie bei den vorstehend erläuterten Beispielen ist die in 4A veranschaulichte Spannungsungleichheit von 20 V nur ein Beispiel, und es kann jeder beliebige Schwellenwert verwendet werden, der zweckmäßig ist.
Im Beispiel der 4A-4C wird ein Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM) verwendet, um das Spannungsungleichgewicht zwischen den parallelen Strängen A und B des Systems 100 elektrisch zu reduzieren. Genauer gesagt, ist in 4B die Schaltvorrichtung 104c geöffnet und die Schaltvorrichtung 104b geschlossen. Die Schaltvorrichtung 104a kann zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position umgeschaltet werden, wodurch eine Stromaufnahme durch die Reihenschaltung mit den beiden wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 entsteht, die das elektrische Potenzial der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102a erhöht und gleichzeitig das elektrische Potenzial der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102b reduziert.
Mit Blick nun auf 4C reduziert der PWM-Effekt schließlich das Spannungsungleichgewicht zwischen den wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b. Wie bei den vorstehenden Beispielen ist das Ungleichgewicht des elektrischen Potentials im Beispiel von 4C im Wesentlichen Null (wobei jede der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 schließlich ein elektrisches Potential von 350 V erreicht), während bei anderen Ansätzen das Ungleichgewicht zwischen den wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 lediglich auf einen Betrag ungleich Null reduziert werden kann, der innerhalb des anwendbaren Schwellenwerts liegt. Die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b können dann in eine Parallelschaltung gebracht werden, z. B. zur Energieversorgung des Antriebsstrangs 250 des Fahrzeugs 120, durch Schließen der Schaltvorrichtungen 104a und 104b und Öffnen der Schaltvorrichtung 104c.
Im Kontext der vorstehend in den 4A-4C aufgeführten Beispiele, die auf einem PWM-Verfahren beruhen, um ein Ungleichgewicht des elektrischen Potentials elektrisch zu reduzieren, kann es sinnvoll sein, dass die Schaltvorrichtung 104a und/oder 104b selbst eine gewisse Impedanz oder eine zusätzliche elektrische Last (nicht dargestellt) aufweist, die in den Stromkreis mit den wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b einbezogen ist, um einen Überstrom zu vermeiden. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 für eine relativ schnelle Ladung ausgelegt sind oder anderweitig eine niedrige Impedanz aufweisen.
Die drei unterschiedlichen vorstehend beschriebenen exemplarischen Verfahren zum Reduzieren eines Ungleichgewichts im elektrischen Potential können in verschiedenen Situationen oder Anwendungen in Verbindung mit dem Fahrzeug 120 und/oder dem System 105 nützlich sein. Wird beispielsweise ein Fahrzeug 120 über die Ladestation 140 aufgeladen oder wird ansonsten kein Elektromotor-Generator im Antriebsstrang 250 verwendet, kann es sinnvoll sein, ein Spannungsungleichgewicht durch Aufladen des unteren Potentialstrangs (wodurch das elektrische Potential gegenüber dem höheren Potentialstrang erhöht wird) zu beheben, z. B. mit einer Spannungsversorgung 108, wie in den 2A-2D beschrieben. Alternativ kann, wenn eine externe Ladequelle, wie beispielsweise die Ladestation 140, nicht verfügbar ist und ein unmittelbarer Bedarf an elektrischer Energie aus dem System 100 besteht (z. B. wenn das Fahrzeug 120 in Betrieb ist), ein Ungleichgewicht des elektrischen Potentials behoben werden, indem der Strang mit dem höheren Potenzial mit einem Motor-Generator des Antriebsstrangs 250 abgezogen wird, wie in den 3A-3C beschrieben. In einem weiteren Beispiel, in dem eine externe Ladequelle, wie beispielsweise die Ladestation 140, nicht verfügbar ist, aber das Fahrzeug 120 nicht in Betrieb ist oder anderweitig keine elektrische Energie aus dem System 100 benötigt wird, kann ein Ungleichgewicht des elektrischen Potentials durch das in den 4A-4C veranschaulichte exemplarische PWM-Verfahren reduziert werden.
Wie vorstehend erwähnt, werden zwar zwei wiederaufladbare Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b in Verbindung mit jedem der exemplarischen Verfahren zum elektrischen Reduzieren eines Ungleichgewichts des elektrischen Potentials veranschaulicht, die exemplarischen Verfahren können jedoch auf eine beliebige Anzahl von wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 in einem bestimmten System 100 angewendet werden. Lediglich exemplarisch, wenn ein System 100 mehr als zwei Stränge oder separate wiederaufladbare Energiespeichervorrichtungen 102 und verschiedene entsprechende elektrische Potentiale beinhaltet (z. B. ein erster Strang weist 320 V, ein zweiter Strang 340 V und ein dritter Strang 360 V auf), kann das Potentialungleichgewicht in Bezug auf jeden Strang in der Folge behandelt werden.
So kann beispielsweise die Spannungsungleichheit dadurch behandelt werden, dass das Ungleichgewicht zwischen den beiden Strängen mit höchster Priorität und der externen Stromversorgung 108 elektrisch reduziert wird (in diesem Beispiel durch Erhöhen des Potentials des 320-V-Strangs auf das des 340-V-Strangs) und anschließend diese beiden Stränge parallel miteinander verbunden werden. Die beiden parallelen Stränge können dann parallel miteinander geladen werden, um das Spannungsungleichgewicht zwischen diesen beiden Strängen und dem dritten Strang zu verringern, sodass alle drei Stränge ein 360-V-Potenzial aufweisen.
In einem alternativen Ansatz für das Drei-String-Beispiel unter Verwendung des elektrischen Lastverfahrens kann die Spannungsungleichheit durch elektrisches Reduzieren des Ungleichgewichts zwischen den beiden Strängen mit höchster Priorität unter Verwendung der elektrischen Last 110 behandelt werden. Konkret kann die elektrische Last 110 allein (d. h. in Reihe) auf den 360-V-Strang aufgebracht werden, sodass das 360-V-Potenzial des dritten Strangs reduziert wird, um dem des 340-V-Strangs zu entsprechen. Anschließend können die beiden Stränge mit einem Potential von 340 V parallel geschaltet und die elektrische Last 110 verwendet werden, um deren Potential weiter zu reduzieren, um das Potential des 320 V-Strangs anzupassen, sodass alle drei Stränge dann ein Potential von 320 V aufweisen.
In einem anderen Ansatz für das Drei-Strang-Beispiel unter Verwendung des PWM-Verfahrens kann die Spannungsungleichheit durch elektrisches Reduzieren des Ungleichgewichts zwischen den beiden Strängen mit der höchsten Priorität behandelt werden, indem die beiden höheren Stränge zunächst in Reihe geschaltet werden und eine Schaltvorrichtung 104 in Reihe mit den beiden höheren Strängen zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand abwechselnd geschaltet wird, um deren Potential auf jeweils 350V zu reduzieren. Anschließend können die beiden Stränge mit einem 350-V-Potential parallel zueinander und in Reihe mit dem restlichen 320-V-Strang und einer Schaltvorrichtung 104 geschaltet werden. Die Schaltvorrichtung 104 kann geöffnet/schlossen werden, um das Potential der beiden höheren Stränge weiter zu reduzieren und das Potential der unteren Stränge zu erhöhen, bis das Ungleichgewicht des elektrischen Potentials unter den anwendbaren Schwellenwert sinkt oder beseitigt ist.
Mit Blick nun auf 5 wird ein exemplarischer Prozess 500 zur elektrischen Reduzierung eines Ungleichgewichts im elektrischen Potential zwischen zwei wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen, z. B. der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102, offenbart. Der Prozess 500 kann auf eine y Anzahl von Strängen innerhalb eines gegebenen Systems 100 angewendet werden, das die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102 beinhaltet.
Beginnend bei Block 510 kann der Prozess 500 abfragen, ob ein Spannungsungleichgewicht zwischen einem der im System 100 vorhandenen Stränge vorliegt, das den anwendbaren Schwellenwert überschreitet. Der Prozess 500 kann beispielsweise bestimmen, dass ein erster Strang oder eine Gruppierung von Zellen in einem Strang ein niedrigeres Spannungspotential aufweist als eine zweite Gruppe von einer oder mehreren der Zellen eines zweiten der parallelen Stränge. In einigen Beispielen kann diese Abfrage ein positives Ergebnis ausgeben, wenn ein Ungleichgewicht von mindestens 1 % des elektrischen Potentials von einem oder mehreren der parallelen Stränge A und B des Systems 100 vorliegt. In einem weiteren Beispiel kann diese Abfrage ein positives Ergebnis ausgeben, wenn ein Ungleichgewicht von mindestens 1 V zwischen zwei der parallelen Stränge A und B des Systems 100 vorliegt. Es kann jeder andere Schwellenwert verwendet werden, der zweckmäßig ist.
Bestimmt Block 510, dass kein Ungleichgewicht des elektrischen Potentials vorliegt, das einen anwendbaren Schwellenwert überschreitet, kann der Prozess 500 mit Block 520 fortfahren, wobei die parallelen Stränge (z. B. die Stränge A und B des Systems 100) parallel geschaltet sein können (z. B. in Bezug auf die Knoten 106a, 106b). Dementsprechend kann das System 100 über die parallelen Stränge A und B elektrische Energie bereitstellen, z. B. für den Antriebsstrang 250 des Fahrzeugs 120.
Alternativ, wenn ein Ungleichgewicht zwischen mindestens zwei parallelen Strängen eines Systems 100 vorliegt, kann der Prozess 500 mit Block 530 fortfahren.
Bei Block 530 kann der Prozess 500 als Reaktion auf das Bestimmen bei Block 510 das Spannungsungleichgewicht zwischen zwei parallelen Strängen elektrisch reduzieren, indem er eine Reihenschaltung verwendet, die eine erste Gruppe von einer oder mehreren der Batteriezellen eines ersten der parallelen Stränge beinhaltet. In einigen Beispielen kann der erste Strang oder die Gruppe von Zellen von dem anderen Strang oder der Gruppe von Zellen getrennt werden, z. B. wenn die beiden Stränge A und B zuvor in einer Reihenschaltung zum Aufladen zusammengefasst waren.
Wie vorstehend in Verbindung mit den in den 2A-2D beschriebenen Beispielen erwähnt, kann beispielsweise eine der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a in einer Reihenschaltung mit einer Stromversorgung 108 platziert werden, um das elektrische Potenzial der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102a zu erhöhen, wodurch ein Spannungsungleichgewicht in Bezug auf eine andere wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 102b elektrisch reduziert wird. Mit anderen Worten, wird das Spannungsungleichgewicht der ersten Gruppe von Zellen oder der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102a durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen unter Verwendung der Stromversorgung 108 behandelt.
Alternativ kann ein Spannungsungleichgewicht zwischen den Strängen eines Batteriepacks dadurch angegangen werden, dass die potenzialträchtigere Gruppe der Zellen in Reihe mit einer elektrischen Last geschaltet wird, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird. Wie vorstehend in Verbindung mit den Beispielen der 3A-3C erläutert, kann beispielsweise eine elektrische Last 110, z. B. ein Motor-Generator des Antriebsstrangs 250 des Fahrzeugs 120, von einem Strang mit einem höheren Potenzial oder einer Gruppe von Zellen eines Batteriepacks angetrieben werden. Im Beispiel der 3A-3C kann der potenzialträchtigere Strang B einschließlich der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102b in Reihe mit der elektrischen Last 110 geschaltet werden, wodurch das elektrische Potenzial der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102b gegenüber der wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung 102a reduziert wird.
In einem weiteren alternativen Verfahren zum Reduzieren einer Spannungs- oder Potentialungleichheit wird eine Verbindung einer elektrischen Last mit der ersten Gruppe von Zellen und der zweiten Gruppe von Zellen in Reihe mit einem Pulsweitenmodulationsverfahren geschaltet, sodass die Spannungsungleichheit durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen und durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird. Wie vorstehend in den 4A-4C erläutert, kann beispielsweise eine Schaltvorrichtung 104a (in einigen Fällen schnell) zwischen der geschlossenen und der geöffneten Position umgeschaltet werden, wodurch eine Reihenschaltung verbunden und unterbrochen wird, die beide Gruppen von Zellen mit Spannungsungleichgewicht beinhaltet (d. h. die wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtungen 102a und 102b).
Als Teil von Block 530 kann der Prozess 500 bestimmen, welches der verschiedenen hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden kann, um ein Ungleichgewicht im elektrischen Potential zu reduzieren. Wie vorstehend erwähnt, kann es, wenn ein Fahrzeug 120 mit einer externen elektrischen Energiequelle, z. B. der Stromversorgung 108 oder der Ladestation 140, verbunden ist, zweckmäßig sein, die Verfügbarkeit zusätzlicher elektrischer Energie zu nutzen und ein elektrisches Potentialungleichgewicht durch Erhöhen des Potentials des Strangs mit dem niedrigsten Potential durch Reihenschaltung dieses Strangs mit der Stromversorgung elektrisch zu verringern. Wenn das Fahrzeug 120 in Betrieb ist und die Notwendigkeit besteht, einen Motor-Generator des Antriebsstrangs 250 mit elektrischer Energie zu versorgen, und keine andere Energiequelle verfügbar ist, kann ein Ungleichgewicht dadurch behandelt werden, dass vorübergehend eine oder mehrere Stränge mit einem höheren Potenzial eines Batteriepacks verwendet werden, bis das Spannungsungleichgewicht im Vergleich zu anderen Strängen verringert oder beseitigt ist. Schließlich, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist und keine zusätzliche Stromversorgung, z. B. die Stromversorgung 108 oder die Ladestation 140 zur Verfügung steht, kann ein potenzialstärkerer Strang und ein potentialschwächerer Strang innerhalb eines Batteriepacks mit einer elektrischen Last (die über eine Schaltvorrichtung 104 oder als externe Last in Reihe mit den beiden Strängen geschaltet ist) in einem alternierenden PWM-Verfahren in Reihe geschaltet werden, wodurch sich das elektrische Potentialungleichgewicht zwischen den Strängen verringert.
Infolge der Schritte, die wie vorstehend in Block 530 beschrieben durchgeführt werden können, kann ein Spannungsungleichgewicht zwischen zwei Strängen eines Batteriepacks beseitigt oder im Wesentlichen beseitigt werden. Alternativ kann eine Spannungsungleichheit innerhalb eines anwendbaren Schwellenwerts reduziert werden, der verwendet wird, um das Vorhandensein einer Spannungsungleichheit zwischen Strängen eines Batteriepacks zu bestimmen. Nach hinreichender Reduzierung oder Beseitigung des Spannungsungleichgewichts zwischen den beiden Strängen, die bei Block 530 behandelt werden, kann der Prozess 500 mit Block 540 fortfahren.
Bei Block 540 können die beiden Stränge, bei denen in Block 530 ein Ungleichgewicht im elektrischen Potential behandelt wurde, wieder parallel geschaltet werden. Der Prozess 500 kann dann mit Block 550 fortfahren.
Bei Block 550 fragt der Prozess 500, ob alle Stränge eines bestimmten Batteriepacks wieder parallel geschaltet wurden. Wenn beispielsweise nur zwei Stränge in einem Batteriepack vorhanden sind, wie beispielsweise bei den Strängen A und B des exemplarischen Energiespeichersystems 100, kann der Prozess 500 bestimmen, dass nun alle Stränge parallel geschaltet werden. Dementsprechend kann das Energiespeichersystem 100 verwendet werden, um elektrische Energie für das Fahrzeug 120 bereitzustellen, z. B. für den Antriebsstrang 250 des Fahrzeugs.
Bestimmt der Prozess 500, dass nicht alle Stränge bei Block 550 parallel geschaltet sind, d. h. es sind noch Stränge eines Batteriepacks vorhanden, die noch nicht parallel geschaltet sind, kehrt der Prozess 500 zu Block 510 zurück. Dementsprechend kann der Prozess 500 dann bestimmen, ob andere Stränge des Batteriepacks eine Spannungsungleichheit in Bezug auf die beiden bereits parallel geschalteten Stränge aufweisen, und die Ungleichgewichte bei Bedarf, d. h. bei Block 530, behandeln. Dementsprechend kann der Prozess 500 in Verbindung mit einem Batteriepack mit beliebig vielen Strängen verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt, kann das Batteriepack zur Stromversorgung des Fahrzeugs 120 verwendet werden, nachdem alle Stränge des Energiespeichersystems 100 wieder parallel geschaltet wurden. Der Prozess 500 kann dann enden.
Es versteht sich, dass das Vorstehende eine Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf die besondere(n) hierin offenbarte(n) Ausführungsform(en) beschränkt, sondern ausschließlich durch die folgenden Patentansprüche definiert. Darüber hinaus beziehen sich die in der vorstehenden Beschreibung gemachten Aussagen auf bestimmte Ausführungsformen und sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition der in den Patentansprüchen verwendeten Begriffe zu verstehen, außer dort, wo ein Begriff oder Ausdruck ausdrücklich vorstehend definiert wurde. Verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an der/den ausgewiesenen Ausführungsform(en) sind für Fachleute offensichtlich. Alle diese anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollten im Geltungsbereich der angehängten Patentansprüche verstanden werden.
Wie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet, sind die Begriffe „zum Beispiel“, „beispielsweise“, „wie“ und „gleich“ und die Verben „umfassen“, „aufweisen“, „enthalten“ und ihre anderen Verbformen bei ihrer Verwendung mit einer Auflistung einer oder mehrerer Komponenten oder anderen Gegenständen jeweils als offen anzusehen, was bedeutet, dass die Auflistung nicht so zu verstehen ist, als dass sie andere, zusätzliche Komponenten oder Elemente ausschließt. Andere Begriffe sind in deren weitesten vernünftigen Sinn auszulegen, es sei denn, diese werden in einem Kontext verwendet, der eine andere Auslegung erfordert.

Claims

Verfahren zum Laden eines Fahrzeugbatteriepacks mit einer Vielzahl von parallelen Strängen, wobei jeder der parallelen Stränge eine oder mehrere Batteriezellen umfasst, umfassend: (a) Bestimmen einer Spannungsungleichheit zwischen mindestens zwei der parallelen Stränge, die eine Schwellengröße überschreitet; (b) als Reaktion auf das Bestimmen in Schritt (a), elektrisches Reduzieren des Spannungsungleichgewichts zwischen den mindestens zwei parallelen Strängen unter Verwendung einer Reihenschaltung, die eine erste Gruppe von einer oder mehreren der Batteriezellen einer ersten der parallelen Stränge beinhaltet; und (c) Wiederverbinden der parallelen Stränge in einer elektrischen Schaltung parallel zueinander beinhalten, wobei die parallelen Stränge dabei so konfiguriert sind, dass sie das Fahrzeug mit Strom versorgen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin Schritt (a) das Bestimmen beinhaltet, dass die erste Gruppe der Zellen ein niedrigeres Spannungspotential aufweist als eine zweite Gruppe von einer oder mehreren der Zellen einer zweiten der parallelen Stränge.
Verfahren nach Anspruch 2, worin Schritt (b) die Reihenschaltung der ersten Gruppe der Zellen mit einer externen Stromversorgung beinhaltet, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, worin Schritt (b) die Reihenschaltung der zweiten Gruppe der Zellen mit einer elektrischen Last beinhaltet, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, worin Schritt (b) das Abwechseln der Reihenschaltung einer elektrischen Last mit der ersten Gruppe von Zellen und der zweiten Gruppe von Zellen unter Verwendung der Pulsweitenmodulation beinhaltet, sodass das Spannungsungleichgewicht durch Erhöhen des Spannungspotentials der ersten Gruppe der Zellen und durch Reduzieren des Spannungspotentials der zweiten Gruppe der Zellen elektrisch reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Trennen der ersten Gruppe von Zellen von den Zellen eines zweiten der parallelen Stränge.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Stromversorgung des Fahrzeugs nach dem Wiederanschließen der parallelen Stränge in der elektrischen Schaltung parallel zueinander.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Verbinden der Batteriezellen der mindestens zwei parallelen Stränge in einer Reihenschaltung und das Laden der Batteriezellen, während sie in der Reihenschaltung verbunden sind.
Verfahren zum Laden eines Fahrzeugbatteriepacks mit einer Vielzahl von parallelen Strängen, wobei jeder der parallelen Stränge eine oder mehrere Batteriezellen umfasst, umfassend: (a) Verbinden der Batteriezellen von mindestens zwei der parallelen Stränge in einer Reihenschaltung, (b) Laden der Batteriezellen, während sie in der Reihenschaltung verbunden sind; (c) Bestimmen einer Spannungsungleichheit zwischen mindestens zwei der parallelen Stränge, die eine Schwellengröße überschreitet, nach dem Laden der Batteriezellen; (d) als Reaktion auf das Bestimmen in Schritt (c), elektrisches Reduzieren des Spannungsungleichgewichts zwischen den mindestens zwei parallelen Strängen unter Verwendung einer Reihenschaltung, die eine erste Gruppe von einer oder mehreren der Batteriezellen einer ersten der parallelen Stränge beinhaltet; und (e) Wiederverbinden der parallelen Stränge in einer elektrischen Schaltung parallel zueinander beinhalten, wobei die parallelen Stränge dabei so konfiguriert sind, dass sie das Fahrzeug mit Strom versorgen.
Verfahren nach Anspruch 9, worin Schritt (c) das Bestimmen beinhaltet, dass die erste Gruppe der Zellen ein niedrigeres Spannungspotential aufweist als eine zweite Gruppe von einer oder mehreren der Zellen einer zweiten der parallelen Stränge.