DE102019135197A1 - Ausgleichssystem für wiederaufladbare energiespeicheranordnung mit mehreren parallelen einheiten - Google Patents

Ausgleichssystem für wiederaufladbare energiespeicheranordnung mit mehreren parallelen einheiten Download PDF

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Yue-Yun Wang
Lei Hao
Suresh Gopalakrishnan
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GM Global Technology Operations LLC
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Abstract

System und Verfahren zum dynamischen Ausgleichen einer wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung mit zwei oder mehr jeweiligen Einheiten, einem entsprechenden Schalter für jede der jeweiligen Einheiten und mindestens einem Sensor. Das System umfasst eine Steuerung, die konfiguriert ist, um die Funktion des jeweiligen Schalters zu steuern. Der jeweilige Schalter ist konfiguriert, um im EIN-Zustand eine entsprechende Schaltkreisverbindung zu den jeweiligen Geräten zu aktivieren und im AUS-Zustand die jeweilige Schaltkreisverbindung zu deaktivieren. Die jeweiligen Einheiten sind gekennzeichnet durch einen jeweiligen Ladezustand, der teilweise basierend auf dem mindestens einen Sensor erhalten wird. Eine Steuerung ist konfiguriert, um selektiv mindestens einen aus einer Vielzahl von Lademodi zum Laden einer oder mehrerer der jeweiligen Einheiten durch Betätigen des jeweiligen Schalters zu verwenden. Die Vielzahl der Lademodi umfasst einen Ruhe-Lademodus, einen Schnellstart-Lademodus und einen Schnell-End-Lademodus.

Description

  • EINFÜHRUNG
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System und Verfahren zum dynamischen Ausgleich des Ladezustands einer wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung mit mindestens zwei parallel geschalteten Einheiten. Der Einsatz von reinen Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen, wie Batterie-Elektrofahrzeugen, Elektrofahrzeugen mit verlängertem Betriebsfenster, Hybrid-Elektrofahrzeugen, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen und Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen, hat in den letzten Jahren starkzugenommen. Die Antriebsquelle für Hybrid-Elektrofahrzeuge, reine Elektrofahrzeuge und andere elektrisch angetriebene Transportvorrichtungen kann eine wiederaufladbare Energiespeichereinheit mit mehreren Einheiten sein.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Hierin offenbart sind ein System und Verfahren zum dynamischen Ausgleich einer wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung mit mindestens zwei jeweils parallel geschalteten Einheiten, einem entsprechenden Schalter für jede der jeweiligen Einheiten und mindestens einem Sensor. Das System umfasst eine Steuerung, die konfiguriert ist, um die Funktion des jeweiligen Schalters zu steuern. Der jeweilige Schalter ist konfiguriert, um im EIN-Zustand eine entsprechende Schaltkreisverbindung zu den jeweiligen Geräten zu aktivieren und im AUS-Zustand die jeweilige Schaltkreisverbindung zu deaktivieren. Die jeweiligen Einheiten sind gekennzeichnet durch einen jeweiligen Ladezustand, der zum Teil basierend auf dem Sensor erhalten wird. Die Steuerung verfügt über einen Prozessor und einen greifbaren, nichtflüchtigen Speicher, auf dem Anweisungen aufgezeichnet werden.
  • Die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor bewirkt, dass die Steuerung durch Betätigen des jeweiligen Schalters mindestens einen aus einer Vielzahl von Lademodi zum Laden der jeweiligen Einheiten einsetzt. Die Vielzahl der Lademodi umfasst einen Ruhe-Lademodus, einen Schnellstart-Lademodus und einen Schnell-End-Lademodus. Die Vielzahl der Lademodi ist konfiguriert, um die interne Verlustleistung zu reduzieren, indem sie Unterschiede im Ladezustand zwischen den jeweiligen Einheiten reduziert. Der Ruhe-Lademodus ist konfiguriert, um selektiv einen ersten konstanten Ladestrom zu verwenden, und der Schnellstart-Lademodus ist konfiguriert, um selektiv einen zweiten konstanten Ladestrom zu verwenden. Der zweite konstante Ladestrom ist größer als der erste konstante Ladestrom. Der Schnell-End-Lademodus ist konfiguriert, um selektiv eine konstante Spannung zu verwenden.
  • Die jeweiligen Einheiten umfassen eine erste Einheit und eine zweite Einheit, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um einen ersten Ladezustand (SOC1 ) (SOC=State of Charge) für die erste Einheit und einen zweiten Ladezustand (SOC2 ) für die zweite Einheit zu bestimmen. Im Ruheladebetrieb kann die Steuerung konfiguriert werden, um den jeweiligen Schalter der ersten Einheit und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit in den EIN-Zustand zu versetzen und mit dem ersten konstanten Ladestrom zu laden, bis die erste Einheit und die zweite Einheit vollständig geladen sind, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1 ) und dem zweiten Ladezustand (SOC2 ) kleiner als eine erste vorbestimmte Konstante (C1 ) ist. Die Steuerung kann konfiguriert werden, um den jeweiligen Schalter, der einem höheren Wert des jeweiligen Ladezustands zugeordnet ist, in den AUS-Zustand zu versetzen und die jeweilige Einheit, die einem niedrigeren Wert des jeweiligen Ladezustands zugeordnet ist, selektiv zu laden, wenn die Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1 ) und dem zweiten Ladezustand (SOC2 ) größer ist als die erste vordefinierte Konstante (C1 ).
  • Im Schnellstart-Lademodus, in dem es genau zwei entsprechende Einheiten gibt, kann die Steuerung konfiguriert werden, um den jeweiligen Schalter der ersten Einheit und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit in den EIN-Zustand zu versetzen und mit dem zweiten konstanten Ladestrom zu laden, wenn ein erster Ladezustand (SOC1 ) für die erste Einheit und ein zweiter Ladezustand (SOC2 ) für die zweite Einheit beide kleiner als ein erster Schwellenwert (T1 ) sind. Die Steuerung kann konfiguriert werden, um einen Soll-Ladezustand einzustellen und die jeweilige Einheit, die einem niedrigeren Wert des Ladezustands zugeordnet ist, selektiv zu laden, bis sie auf den Soll-Ladezustand aufgeladen wird, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1 ) und dem zweiten Ladezustand (SOC2 ) größer als eine zweite vordefinierte Konstante (C2 ) ist. In einem Beispiel beträgt der erste Schwellenwert (T1 ) 50%.
  • Im Schnell-End-Lademodus kann die Steuerung konfiguriert werden, um den jeweiligen Schalter jeder der jeweiligen Einheiten in den EIN-Zustand zu versetzen und mit einer konstanten Spannung zu laden, wenn der jeweilige Ladezustand mindestens einer der jeweiligen Einheiten kleiner als ein zweiter Schwellenwert (T2 ) ist. Die Steuerung kann konfiguriert werden, um den jeweiligen Schalter, der der mindestens einen der jeweiligen Einheiten zugeordnet ist, in den AUS-Zustand zu versetzen und selektiv die verbleibenden der jeweiligen Einheiten zu laden, wenn der jeweilige Ladezustand mindestens einer der jeweiligen Einheiten größer als ein maximaler Energiewert (Emax ) ist. Der zweite Schwellenwert (T2 ) kann innerhalb von 5% einer Größe des maximalen Energiewertes (Emax ) liegen.
  • Im Schnellstart-Lademodus, wenn es mehr als zwei entsprechende Einheiten gibt, kann die Steuerung konfiguriert werden, um einen Soll-Ladezustand an einem dritten Schwellenwert (T3) einzustellen, den jeweiligen Schalter jeder der jeweiligen Einheiten in den EIN-Zustand zu versetzen und mit einem zweiten konstanten Ladestrom zu laden. Die Steuerung kann konfiguriert werden, um ein Integrationssteuerungsschema auf eine bestimmte der jeweiligen Einheiten anzuwenden und selektiv bis zur vollständigen Ladung zu laden, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem jeweiligen Ladezustand (SOCi ) der jeweiligen Einheit und dem dritten Schwellenwert (T3 ) kleiner als eine dritte vordefinierte Konstante (C3 ) ist. In einem Beispiel liegt der dritte Schwellenwert (T3 ) zwischen 50% und 70%, einschließlich, und die dritte vordefinierte Konstante (C3 ) liegt zwischen 5% und 7%, einschließlich.
  • Das Integrationssteuerungsschema umfasst das Auswählen eines Soll-Ladezustandes als Maximum des jeweiligen Ladezustandes der jeweiligen Einheiten und das Definieren eines Disparitätsfaktors als Differenz zwischen einem Soll-Ladezustand und dem jeweiligen Ladezustand der spezifischen der jeweiligen Einheiten. Das Integrationssteuerungsschema umfasst das Verschieben einer angelegten Spannung an die spezifische der jeweiligen Einheiten von einem negativen Wert auf einen positiven Wert, wenn der Disparitätsfaktor über einem Disparitätsschwellenwert liegt, wobei der Disparitätsschwellenwert kleiner als Null ist.
  • Das System kann einen Entlademodus umfassen, in dem die Steuerung konfiguriert ist, um den jeweiligen Schalter der ersten Einheit und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit im EIN-Zustand zu halten und die erste Einheit und die zweite Einheit zu entladen, wenn ein Lastabrufstrom (Id ) größer oder gleich einer Nennstromgrenze (IL1 ) der ersten Einheit ist. Wenn im Entlademodus der Lastabrufstrom (Id ) kleiner als der Nennstromgrenzwert (IL1) der ersten Einheit ist und die erste Einheit einen höheren Ladezustand in Bezug auf die zweite Einheit aufweist, kann die Steuerung konfiguriert werden, um (1) den jeweiligen Schalter der ersten Einheit in den EIN-Zustand zu versetzen, den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit in den AUS-Zustand zu versetzen und die erste Einheit zu entladen; (2) den Soll-Ladezustand als den jeweiligen Ladezustand der zweiten Einheit einstellen und ein Integrationssteuerungsschema auf den jeweiligen Schalter der ersten Einheit anzuwenden; und (3) den jeweiligen Schalter der ersten Einheit und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit in den EIN-Zustand zu versetzen und die erste Einheit und die zweite Einheit zu entladen, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem jeweiligen Ladezustand der ersten Einheit und dem jeweiligen Ladezustand der zweiten Einheit kleiner als eine vierte vorbestimmte Konstante (C4 ) ist.
  • Die oben genannten Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Weisen für die Durchführung der Offenbarung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zum Ausgleichen einer wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung mit mindestens zwei entsprechenden Einheiten, wobei das System eine Steuerung aufweist;
    • 2 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Ruhe-Lademodus, der von der Steuerung von 1 ausführbar ist;
    • 3 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Schnellstart-Lademodus, der von der Steuerung von 1 ausgeführt werden kann;
    • 4 ist ein schematisches Flussdiagramm eines alternativen Schnellstart-Lademodus, der von der Steuerung von 1 ausgeführt werden kann;
    • 5 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Schnell-End-Lademodus, der von der Steuerung von 1 ausgeführt werden kann;
    • 6 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Entlademodus, der von der Steuerung von 1 ausgeführt werden kann;
    • 7A ist ein schematisches exemplarisches Diagramm, das einen ersten Ladezustand (SOC1 ) und einen zweiten Ladezustand (SOC2 ) über die Zeit für eine erste Einheit und eine zweite Einheit in der wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung von 1 darstellt;
    • 7B ist ein schematisches Beispieldiagramm, das eine angelegte Spannung (V) über die Zeit für die erste und zweite Einheit von 7A mit einer vergrößerten Zeitskala darstellt; und
    • 7C ist ein schematisches Beispieldiagramm, das eine angelegte Spannung (V) über einen Disparitätsfaktor (D) für ein Integrationssteuerungsschema zeigt, das von der Steuerung aus 1 ausführbar ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, veranschaulicht 1 schematisch ein System 10 zum dynamischen Ausgleichen einer wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung 11 mit zwei oder mehr parallel geschalteten jeweiligen Einheiten U, wie beispielsweise der ersten Einheit 12 und der zweiten Einheit 14. Unter Bezugnahme auf 1 kann die wiederaufladbare Energiespeicheranordnung 11 Teil einer Vorrichtung 16 sein. Die Vorrichtung 16 kann eine mobile Plattform sein, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, einen Standard-Pkw, ein Sportgeländefahrzeug, einen Kleinlaster, einen Schwerlaster, ein ATV, einen Minivan, einen Bus, ein Transitfahrzeug, ein Fahrrad, einen Roboter, ein landwirtschaftliches Gerät, eine sportbezogene Ausrüstung, ein Boot, ein Flugzeug, einen Zug oder eine andere Transportvorrichtung. Die Vorrichtung 16 kann viele verschiedene Formen annehmen und mehrere und/oder alternative Komponenten und Einrichtungen umfassen.
  • Die wiederaufladbare Energiespeicheranordnung 11 kann wiederaufladbare Einheiten mit unterschiedlicher Chemie umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Lithium-Ionen-, Lithium-Eisen-, Nickel-Metallhydrid- und Bleibatterien. Unter Bezugnahme auf 1 können die erste Einheit 12 und die zweite Einheit 14 eine entsprechende Vielzahl von Zellen 22, 24 umfassen, die ferner eine oder mehrere Unterzellen umfassen können. Es versteht sich, dass die Anzahl der jeweiligen Einheiten U, Zellen und Subzellen je nach Anwendung variiert werden kann.
  • Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Steuerung C in Verbindung mit der wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung 11. Die Steuerung C umfasst mindestens einen Prozessor P und mindestens einen Speicher M (oder ein nichtflüchtiges, greifbares, computerlesbares Speichermedium), auf dem aufgezeichnete Anweisungen zur Ausführung mindestens eines Verfahrens oder Modus gespeichert sind. Der Speicher M kann controllerausführbare Befehlssätze speichern, und der Prozessor P kann die im Speicher M gespeicherten controllerausführbaren Befehlssätze ausführen.
  • Die Steuerung C ist konfiguriert, um mindestens einen von mehreren Lademodi zum Laden der jeweiligen Einheiten U zu verwenden. Die mehreren Lademodi umfassen einen Ruhe-Lademodus 100, einen Schnellstart-Lademodus 200, einen alternativen Schnellstart-Lademodus 300 und einen Schnell-End-Lademodus 400, die jeweils nachfolgend in Bezug auf die 2, 3, 4 und 5 beschrieben sind. Die Steuerung C kann konfiguriert werden, um einen Entladungsmodus 500 auszuführen, wie in 6 beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1 können das erste Ende 30 und das zweite Ende 32 der wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung 11 an eine Quelle oder Senke (nicht dargestellt) angeschlossen werden, die den Fachleuten zum Laden bzw. Entladen zur Verfügung steht.
  • Jede der jeweiligen Einheiten U ist funktionsfähig mit einem entsprechenden Schalter S verbunden, der einen EIN- und einen AUS-Zustand aufweist. Der jeweilige Schalter S ist konfiguriert, um eine entsprechende Schaltkreisverbindung im EIN-Zustand zu aktivieren und die jeweilige Schaltkreisverbindung im AUS-Zustand zu deaktivieren. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein erster Schalter S1 mit der ersten Einheit 12 über einen entsprechenden Schaltkreisanschluss 18 (dargestellt in einem EIN-Zustand) in Verbindung. Ein zweiter Schalter S2 ist mit der zweiten Einheit 14 über den jeweiligen Schaltungsanschluss 20 in Verbindung (dargestellt in einem AUS-Zustand).
  • Die Bedienung der jeweiligen Schalter S wird von der Steuerung C gesteuert. Wie im Folgenden beschrieben, werden die jeweiligen Schalter S und die Steuerlogik verwendet, um jeweils selektiv Hochenergie- oder Niedrigenergie-Einheiten U abzuschalten, um die Baugruppe 11 auszugleichen, basierend auf dem Niveau der Ladezustandsdifferenzen zwischen den jeweiligen Einheiten U und den Lade-/Entladelastanforderungen. Die jeweiligen Schalter S können aus Halbleitern bestehen. In einem Beispiel sind die jeweiligen Schalter S Silizium-MOSFET-Schalter. Andere Schalter, die den Fachleuten zur Verfügung stehen, können verwendet werden. Die jeweiligen Einheiten U sind gekennzeichnet durch einen jeweiligen Ladezustand, der teilweise basierend auf mindestens einem Sensor erhalten wird, wie beispielsweise einem ersten Sensor 26 und einem zweiten Sensor 28 in 1 dargestellt ist. Der Ladezustand bezieht sich auf die gespeicherte Ladung, die für Arbeiten zur Verfügung steht, im Verhältnis zu derjenigen, die nach dem vollständigen Laden der jeweiligen Einheit U verfügbar ist. Der Ladezustand kann als eine Auswertung der latenten Energie der jeweiligen Einheit U angesehen werden, die sich zwischen einem Minimum von 0% und einem Maximum von 100% erstreckt. Der erste Sensor 26 kann konfiguriert werden, um die Spannung der ersten Einheit 12 an die Steuerung C zu übertragen. Der zweite Sensor 28 kann konfiguriert werden, um die Spannung für die zweite Einheit 14 bereitzustellen. Der Ladezustand und seine abgeleiteten Faktoren beeinflussen die Effizienz und Leistungsverfügbarkeit der Vorrichtung 16 und können zum Zwecke der Regelung des Betriebs der Vorrichtung 16 verwendet werden.
  • Der Ruhe-Lademodus 100, der Schnellstart-Lademodus 200, der alternative Schnellstart-Lademodus 300, der Schnell-End-Lademodus 400 und der Entlademodus 500 müssen nicht in der hierin angegebenen Reihenfolge angewendet werden und können dynamisch ausgeführt werden. Darüber hinaus ist es verständlich, dass einige Schritte entfallen können. Wie hierin verwendet, beschreibt der Begrife „dynamisch“ Schritte oder Prozesse, die in Echtzeit ausgeführt werden und gekennzeichnet sind durch das Überwachen oder anderweitiges Bestimmen von Zuständen von Parametern und das regelmäßige oder regelmäßige Aktualisieren der Zustände der Parameter während der Ausführung einer Routine oder zwischen den Wiederholungen der Ausführung der Routine. Der Ruhe-Lademodus 100, der Schnellstart-Lademodus 200, der alternative Schnellstart-Lademodus 300 und der Schnell-End-Lademodus 400 können gleichzeitig von der Steuerung C ausgeführt oder von einem Benutzer oder Betreiber der wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung 11 ausgewählt werden.
  • Unter Bezugnahme nun auf 2 wird ein Flussdiagramm des Ruhe-Lademodus 100 dargestellt, das von der Steuerung C von 1 gespeichert und ausführbar ist. Gemäß Block 102 ist die Steuerung C programmiert, um mit dem Laden der ersten Einheit 12, der zweiten Einheit 14 zu beginnen und einen ersten Ladezustand (SOC1 ) für die erste Einheit 12 und einen zweiten Ladezustand (SOC2 ) für die zweite Einheit 14 zu bestimmen. Der erste und zweite Ladezustand SOC1 , SOC2 kann basierend auf den Daten von mindestens dem ersten Sensor 26, dem zweiten Sensor 28 und verschiedenen mathematischen Modellen geschätzt werden, die dem Fachmann zur Verfügung stehen.
  • Gemäß Block 104 aus 2 ist die Steuerung C konfiguriert, um zu bestimmen, ob ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1 ) der ersten Einheit 12 und dem zweiten Ladezustand (SOC2 ) der zweiten Einheit 14 kleiner als eine erste vorbestimmte Konstante (C1 ) ist. Wenn ja, fährt der Ruhe-Lademodus 100 mit Block 106 fort, wobei die Steuerung C programmiert ist, um den ersten Schalter S1 und den zweiten Schalter S2 beide in den EIN-Zustand zu versetzen und die erste Einheit 12 und die zweite Einheit 14 mit einem ersten konstanten Ladestrom zu laden, bis beide vollständig geladen sind.
  • Wenn nicht, geht der Ruhe-Lademodus 100 von Block 104 zu Block 108 über, wobei die Steuerung C programmiert ist, um den jeweiligen Schalter S, der einem höheren Wert des jeweiligen Ladezustands zugeordnet ist, in den AUS-Zustand zu versetzen und die jeweilige Einheit U, die einem niedrigeren Wert des jeweiligen Ladezustands zugeordnet ist, selektiv zu laden (gemäß Block 110). Wenn also die erste Einheit 12 einen höheren Wert des jeweiligen Ladezustandes hat, wird der erste Schalter S1 in den AUS-Zustand versetzt und die zweite Einheit 14 geladen. Der Ruhe-Lademodus 100 führt zurück zu Block 104.
  • Der Ruhe-Lademodus 100 wird in Bezug auf die 7A und 7B näher erläutert. Unter Bezugnahme auf 7A ist ein schematisches Beispiel für den ersten Ladezustand (SOC1 ) und den zweiten Ladezustand (SOC2 ) der ersten und zweiten Einheiten 12, 14 dargestellt. In diesem Beispiel ist die erste vordefinierte Konstante (C1 ) 1%. Bezogen auf 7A ist zum Zeitpunkt Null die Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1 ) und dem zweiten Ladezustand (SOC2 ) größer als die erste vordefinierte Konstante (C1 ). Somit ist die Steuerung C (von Block 104 zu Block 108 von 2) programmiert, um den ersten Schalter S1 in den AUS-Zustand zu versetzen (da der erste Ladezustand (SOC1 ) größer ist) und die zweite Einheit 14 selektiv zu laden (gemäß Block 110). 7B zeigt die entsprechende Spannung, die eine angelegte Spannung (V) über die Zeit für die erste Einheit 12 und die zweite Einheit 14 von 7A anzeigt. Der Abschnitt vor der Zeit t0 ist der einzelne Ladungsabschnitt (V1 < V2) und der Abschnitt nach der Zeit t0 ist der parallele Ladungsabschnitt (V1=V2). Es ist zu beachten, dass die Zeitskala in 7B im Vergleich zu 7A vergrößert wird. Zum Zeitpunkt t0 sind der erste Ladezustand (SOC1 ) und der zweite Ladezustand (SOC2 ) ungefähr gleich oder innerhalb von 1% (Größe der ersten vordefinierten Konstanten (C1 ) in diesem Beispiel). Die Steuerung C schaltet von Block 110 zu Block 104 und dann zu Block 106 von 2 zurück, hält sowohl den ersten Schalter S1 als auch den zweiten Schalter S2 im EIN-Zustand und lädt die ersten und zweiten Einheiten 12, 14 bis zur vollständigen Ladung.
  • Unter Bezugnahme nun auf 3 wird ein Flussdiagramm des Schnellstart-Lademodus 200 dargestellt, das für ein System 10 mit genau zwei entsprechenden Einheiten U anwendbar ist. Gemäß Block 202 ist die Steuerung C programmiert, um zu bestimmen, ob sowohl der erste Ladezustand (SOC1 ) für die erste Einheit 12 als auch ein zweiter Ladezustand (SOC2 ) für die zweite Einheit kleiner als ein erster Schwellenwert (T1 ) sind. Wenn ja, dann ist die Steuerung C gemäß Block 204 konfiguriert, um den jeweiligen Schalter der ersten Einheit 12 und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit 14 in den EIN-Zustand zu versetzen und mit einem zweiten konstanten Ladestrom zu laden, wobei der zweite konstante Ladestrom höher ist als der erste konstante Ladestrom. Wenn nicht, wird der Schnellstart-Lademodus 200 verlassen. Die Größe des ersten und zweiten konstanten Ladestroms kann je nach Größe und Ausführung der jeweiligen Einheiten variieren. In einem Beispiel ist der zweite konstante Ladestrom zwischen 10% und 40% größer als der erste Ladestrom. In einem weiteren Beispiel ist der zweite konstante Ladestrom etwa 30% größer als der erste Ladestrom.
  • Fortfahrend zu Block 206 von Block 204 ist die Steuerung C konfiguriert, um zu bestimmen, ob ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1 ) und dem zweiten Ladezustand (SOC2 ) größer als eine zweite vordefinierte Konstante (C2 ) ist. Wenn dies der Fall ist, ist die Steuerung C gemäß Block 208 konfiguriert, um einen Soll-Ladezustand einzustellen und die jeweilige Einheit U, die einem niedrigeren Wert des Ladezustands zugeordnet ist, selektiv zu laden, bis sie in den Soll-Ladezustand geladen wird. Ist dies nicht der Fall, schaltet der Schnellstart-Lademodus 200 zurück (wie in Zeile 207 angegeben) zu Block 204. In einem Beispiel wird der erste Schwellenwert (T1 ) auf 50% gewählt.
  • Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Flussdiagramm eines alternativen Schnellstart-Lademodus 300 dargestellt, das für ein System 10 anwendbar ist, in dem mehr als zwei entsprechende Einheiten U vorhanden sind. Gemäß Block 302 ist die Steuerung C programmiert, um einen Soll-Ladezustand an einem dritten Schwellenwert (T3 ) einzustellen und den jeweiligen Schalter jeder der jeweiligen Einheiten U in den EIN-Zustand zu versetzen. Gemäß Block 304 ist die Steuerung C konfiguriert, um die jeweiligen Einheiten U mit einem zweiten konstanten Ladestrom zu laden, wobei der zweite konstante Ladestrom höher ist als der erste konstante Ladestrom. In Block 306 von 4 ist die Steuerung C konfiguriert, um zu bestimmen, ob ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem jeweiligen Ladezustand (SOCi ) einer bestimmten der jeweiligen Einheiten und dem dritten Schwellenwert (T3 ) kleiner als eine dritte vorgegebene Konstante (C3 ) ist. Wenn dies der Fall ist, fährt der alternative Schnellstart-Lademodus 300 mit Block 308 fort, wobei die Steuerung C konfiguriert ist, um ein Integrationssteuerschema auf die spezifische der jeweiligen Einheiten anzuwenden und selektiv zu laden, bis sie vollständig geladen ist. Wenn nicht, kehrt der alternative Schnellstart-Lademodus 300 zum Block 304 zurück, wie in Zeile 307 angegeben. In einem Beispiel liegt der dritte Schwellenwert (T3 ) zwischen 50% und 70%, einschließlich, und die dritte vordefinierte Konstante (C3 ) liegt zwischen 5% und 7%, einschließlich.
  • Unter Bezugnahme auf 7C wird ein schematisches Beispieldiagramm einer angelegten Spannung (zwischen +V und -V) über einen Disparitätsfaktor (zwischen +D und -D) dargestellt. Der Disparitätsfaktor D ist definiert als eine Differenz zwischen einem Soll-Ladezustand und dem jeweiligen Ladezustand einer bestimmten der jeweiligen Einheiten U. Das Integrationssteuerungsschema umfasst die Auswahl eines Soll-Ladezustandes als Maximum des jeweiligen Ladezustandes der jeweiligen Einheiten U. Mit anderen Worten, was auch immer der Maximalwert des Ladezustandes der Gruppe der jeweiligen Einheiten U ist, wird als Soll-Ladezustand ausgewählt. Das Integrationssteuerungsschema umfasst das Verschieben der an die jeweilige Einheit U angelegten Spannung von einem negativen Wert auf einen positiven Wert (siehe 7C), wenn der Disparitätsfaktor (D) über einem Disparitätsschwellenwert (D0) liegt, so dass der Disparitätsschwellenwert (D0) kleiner als Null ist.
  • Unter Bezugnahme auf 5 ist ein Flussdiagramm des Schnell-End-Lademodus 400 dargestellt. Gemäß Block 402 ist die Steuerung C programmiert, um zu bestimmen, ob der jeweilige Ladezustand von mindestens einer (SOCi) der jeweiligen Einheiten U kleiner als ein zweiter Schwellenwert ( T2 ) ist. Wenn dies der Fall ist, ist die Steuerung C gemäß Block 404 konfiguriert, um den jeweiligen Schalter der jeweiligen Einheit U in den EIN-Zustand zu versetzen und mit einer konstanten Spannung zu laden (siehe Block 406). Die Steuerung C ist gemäß Block 408 konfiguriert, um zu bestimmen, ob der jeweilige Ladezustand mindestens einer (z.B. der i-ten Einheit) der jeweiligen Einheiten U größer als ein maximaler Energiewert (Emax ) ist. Wenn nicht, wird der Schnell-End-Lademodus 400 von Block 408 zu Block 406 zurückgeschaltet, wie in Linie 409 angegeben. Wenn ja, ist die Steuerung C gemäß Block 410 konfiguriert, um den jeweiligen Schalter, der der mindestens einen (i-ten Einheit) der jeweiligen Einheiten U zugeordnet ist, in den AUS-Zustand zu versetzen und gemäß Block 412 die verbleibenden der jeweiligen Einheiten U selektiv zu laden. In einem Beispiel liegt der zweite Schwellenwert (T2 ) innerhalb von 5% einer Größe des maximalen Energiewertes (Emax).
  • Unter Bezugnahme auf 6 wird nun ein Flussdiagramm des Entlademodus 500 dargestellt. Gemäß Block 502 ist die Steuerung C konfiguriert, um zu bestimmen, ob ein Lastabrufstrom (Id ), der von einer Last (nicht dargestellt) auf die Baugruppe 11 ausgeübt wird (z.B. durch Anschließen am ersten Ende 30 in 1), kleiner als eine Nennstromgrenze (IL1 ) der ersten Einheit 12 mit dem höheren SOC-Wert ist. Jede der jeweiligen Einheiten U definiert eine Nennstromgrenze (ILi ) oder den maximal empfohlenen Stromfluss. Wenn ja, ist die Steuerung C gemäß Block 504 konfiguriert, um den jeweiligen Schalter S1 der ersten Einheit 12 in den EIN-Zustand zu versetzen, den jeweiligen Schalter S2 der zweiten Einheit 14 in den AUS-Zustand zu versetzen und die erste Einheit 12 zu entladen. Gemäß Block 506 ist die Steuerung C konfiguriert, um einen Soll-Ladezustand als den jeweiligen Ladezustand der zweiten Einheit 14 einzustellen und ein Integrationssteuerschema („IC“ in 6) auf den jeweiligen Schalter S1 der ersten Einheit 12 anzuwenden. Wenn nicht, ist die Steuerung C gemäß Block 510 konfiguriert, um den jeweiligen Schalter S1 der ersten Einheit 12 und den jeweiligen Schalter S2 der zweiten Einheit 14 im EIN-Zustand zu halten und die erste Einheit 12 und die zweite Einheit 14 zu entladen.
  • Die Steuerung C ist gemäß Block 508 konfiguriert, um zu bestimmen, ob ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem jeweiligen Ladezustand (SOC1 ) der ersten Einheit 12 und dem jeweiligen Ladezustand (SOC2 ) der zweiten Einheit 14 kleiner als eine vierte vordefinierte Konstante (C4 ) ist. Wenn ja, fährt der Entlademodus 500 mit Block 510 fort, indem er den jeweiligen Schalter S1 der ersten Einheit 12 und den jeweiligen Schalter S2 der zweiten Einheit 14 in den EIN-Zustand versetzt und die erste Einheit 12 und die zweite Einheit 14 entlastet. Wenn nicht, kehrt der Entlademodus 500 zum Block 502 zurück, wie in Zeile 509 angegeben.
  • Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das System 10 (durch die Ausführung mindestens eines der Modi 100, 200, 300, 400, 500) robust ein Gleichgewicht des Ladezustands zwischen den jeweiligen Einheiten U herstellt. Das System 10 bietet einen technischen Vorteil, indem es die interne Verlustleistung in der wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung 11 reduziert sowie die Ladeleistung und die Entladeleistung effizient steuert. Dementsprechend verbessert das System 10 die Funktion der wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung 11. Die Schwellen T1 , T2 , T3 und die vordefinierten Konstanten C1 , C2 , C3 , C4 können durch Kalibrierung in einem Labor oder einer Prüfzelle erhalten und entsprechend der jeweiligen Anwendung ausgewählt werden.
  • Die Flussdiagramme in den 2-6 veranschaulichen eine Architektur, Funktionalität und Bedienung möglicher Implementierungen von Systemen, Methoden und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block im Flussdiagramm oder in den Blockdiagrammen ein Modul, Segment oder einen Teil des Codes darstellen, das eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zur Implementierung der angegebenen logischen Funktionen umfasst. Es wird auch darauf hingewiesen, dass jeder Block der Blockdiagramme und/oder Flussdiagrammdarstellungen und Kombinationen von Blöcken in den Blockdiagrammen und/oder Flussdiagrammdarstellungen durch Hardware-basierte Systeme mit spezifischem Zweck implementiert werden kann, die die spezifizierten Funktionen oder Handlungen ausführen, oder Kombinationen von Hardware und Computeranweisungen mit spezifischem Zweck. Diese Computerprogrammanweisungen können auch in einem computerlesbaren Medium gespeichert werden, das eine Steuerung oder eine andere programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung anweisen kann, auf eine bestimmte Weise zu funktionieren, so dass die auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Anweisungen einen Herstellungsgegenstand erzeugen, einschließlich Anweisungen zur Umsetzung der im Flussdiagramm und/oder Blockdiagramm oder in Blocks angegebenen Funktion/Akt.
  • Die Steuerung C aus 1 kann ein integraler Teil oder ein separates Modul sein, das funktionsfähig mit anderen Steuerungen der Vorrichtung 16 verbunden ist. Die Steuerung C umfasst ein computerlesbares Medium (auch als prozessorlesbares Medium bezeichnet), einschließlich eines nicht-flüchtigen (z.B. materiellen) Mediums, das an der Bereitstellung von Daten (z.B. Anweisungen) beteiligt ist, die von einem Computer (z.B. von einem Prozessor eines Computers) gelesen werden können. Ein solches Medium kann viele Formen annehmen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, nichtflüchtige Medien und flüchtige Medien. Nichtflüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Platten und andere persistente Speicher umfassen. Flüchtige Medien können beispielsweise dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) umfassen, der einen Hauptspeicher darstellen kann. Diese Anweisungen können durch ein oder mehrere Übertragungsmedien übertragen werden, einschließlich Koaxialkabel, Kupferdraht und Glasfaser, einschließlich der Drähte, die einen Systembus umfassen, der mit einem Prozessor eines Computers gekoppelt ist. Einige Formen von computerlesbaren Medien sind beispielsweise eine Diskette, eine flexible Diskette, eine Festplatte, ein Magnetband, andere magnetische Medien, eine CD-ROM, DVD, andere optische Medien, Lochkarten, Papierband, andere physikalische Medien mit Lochmustern, ein RAM, ein PROM, ein EPROM, ein FLASH-EEPROM, ein FLASH-EEPROM, andere Speicherchips oder Kartuschen oder andere Medien, von denen ein Computer lesen kann.
  • Nachschlagetabellen, Datenbanken, Datenspeicher oder andere hierin beschriebene Datenspeicher können verschiedene Arten von Mechanismen zum Speichern, Zugreifen und Abrufen verschiedener Arten von Daten umfassen, einschließlich einer hierarchischen Datenbank, eines Satzes von Dateien in einem Dateisystem, einer Anwendungsdatenbank in einem proprietären Format, eines relationalen Datenbank-Managementsystems (RDBMS) usw. Jeder dieser Datenspeicher kann in eine Computervorrichtung integriert werden, die ein Computerbetriebssystem wie eines der oben genannten verwendet, und kann über ein Netzwerk auf eine oder mehrere der unterschiedlichsten Arten angesprochen werden. Ein Dateisystem kann von einem Computerbetriebssystem aus zugänglich sein und Dateien enthalten, die in verschiedenen Formaten gespeichert sind. Ein RDBMS kann die Structured Query Language (SQL) zusätzlich zu einer Sprache zum Erstellen, Speichern, Bearbeiten und Ausführen von gespeicherten Prozeduren verwenden, wie beispielsweise die oben genannte PL/SQL-Sprache.
  • Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder FIG. sind unterstützend und beschreibend für die Offenbarung, aber der Umfang der Offenbarung wird ausschließlich durch die Ansprüche bestimmt. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen für die Durchführung der beanspruchten Offenbarung detailliert beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen für die Ausübung der in den beigefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sind die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die Eigenschaften verschiedener in der vorliegenden Beschreibung genannter Ausführungsformen nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen zu verstehen. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele für eine Ausführungsform beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, so dass andere Ausführungsformen nicht in Worten oder unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Dementsprechend fallen solche anderen Ausführungsformen in den Rahmen des Umfangs der beigefügten Ansprüche.

Claims (10)

  1. System zum dynamischen Ausgleichen einer wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung mit zwei oder mehr parallel geschalteten jeweiligen Einheiten, einem entsprechenden Schalter für jede der jeweiligen Einheiten und mindestens einem Sensor, wobei das System umfasst: eine Steuerung, die zum Steuern des Betriebs des jeweiligen Schalters konfiguriert ist und einen Prozessor und einen greifbaren, nichtflüchtigen Speicher umfasst, auf dem Anweisungen aufgezeichnet sind; wobei der jeweilige Schalter einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand umfasst, wobei der jeweilige Schalter konfiguriert ist, um eine jeweilige Schaltungsverbindung zu einer der jeweiligen Einheiten im EIN-Zustand zu aktivieren und die jeweilige Schaltungsverbindung im AUS-Zustand zu deaktivieren; wobei die jeweiligen Einheiten durch einen jeweiligen Ladezustand gekennzeichnet sind, der teilweise basierend auf dem mindestens einen Sensor erhalten wird; wobei die Ausführung der Anweisungen durch den Prozessor bewirkt, dass die Steuerung mindestens einen von mehreren Lademodi durch Betätigen des jeweiligen Schalters anwendet, um die jeweiligen Einheiten zu laden; und wobei die Vielzahl von Lademodi einen Ruhe-Lademodus, einen Schnellstart-Lademodus und einen Schnell-End-Lademodus umfasst.
  2. System nach Anspruch 1, wobei: der Ruhe-Lademodus konfiguriert ist, um selektiv einen ersten konstanten Ladestrom zu verwenden, und der Schnellstart-Lademodus konfiguriert ist, um selektiv einen zweiten konstanten Ladestrom zu verwenden, wobei der zweite konstante Ladestrom größer als der erste konstante Ladestrom ist; und der Schnell-Lademodus ist konfiguriert, um selektiv eine konstante Spannung zu verwenden.
  3. System nach Anspruch 1, wobei: die jeweiligen Einheiten eine erste Einheit und eine zweite Einheit umfassen, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um einen ersten Ladezustand (SOC1) für die erste Einheit und einen zweiten Ladezustand (SOC2) für die zweite Einheit zu bestimmen; im Ruhe-Lademodus die Steuerung konfiguriert ist, um den jeweiligen Schalter der ersten Einheit und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit in den EIN-Zustand zu versetzen und mit einem ersten konstanten Ladestrom zu laden, bis die erste Einheit und die zweite Einheit vollständig geladen sind, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1) und dem zweiten Ladezustand (SOC2) kleiner als eine erste vorgegebene Konstante (C1) ist; und im Ruhe-Lademodus ist die Steuerung konfiguriert, um den jeweiligen Schalter, der einem höheren Wert des jeweiligen Ladezustands zugeordnet ist, in den AUS-Zustand zu versetzen und die jeweilige Einheit, die einem niedrigeren Wert des jeweiligen Ladezustands zugeordnet ist, selektiv zu laden, wenn die Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1) und dem zweiten Ladezustand (SOC2) größer oder gleich der ersten vordefinierten Konstante (C1) ist.
  4. System nach Anspruch 3, wobei im Schnellstart-Lademodus, in dem es genau zwei der jeweiligen Einheiten gibt, die Steuerung konfiguriert ist: den jeweiligen Schalter der ersten Einheit und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit in den EIN-Zustand zu versetzen und beide mit einem zweiten konstanten Ladestrom zu laden, wenn der erste Ladezustand (SOC1) für die erste Einheit und der zweite Ladezustand (SOC2) für die zweite Einheit beide kleiner als ein erster Schwellenwert (T1) sind und der zweite konstante Ladestrom größer als der erste konstante Ladestrom ist; und Einstellen eines Soll-Ladezustandes und selektives Laden der jeweiligen Einheit, die einem niedrigeren Wert des Ladezustandes zugeordnet ist, bis sie in den Soll-Ladezustand geladen wird, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem ersten Ladezustand (SOC1) und dem zweiten Ladezustand (SOC2) größer als eine zweite vordefinierte Konstante (C2) ist.
  5. System nach Anspruch 1, wobei im Schnell-End-Lademodus die Steuerung konfiguriert ist, um: den jeweiligen Schalter jeder der jeweiligen Einheiten in den EIN-Zustand zu versetzen und mit einer konstanten Spannung zu laden, wenn der jeweilige Ladezustand mindestens einer der jeweiligen Einheiten kleiner als ein zweiter Schwellenwert (T2) ist; und den jeweiligen Schalter, der der mindestens einen der jeweiligen Einheiten zugeordnet ist, in den AUS-Zustand versetzen und selektiv die verbleibenden der jeweiligen Einheiten aufladen, wenn der jeweilige Ladezustand mindestens einer der jeweiligen Einheiten größer als ein maximaler Energiewert (Emax) ist.
  6. System nach Anspruch 5, wobei der zweite Schwellenwert (T2) innerhalb von 5% einer Größe des maximalen Energiewertes (Emax) liegt.
  7. Das System nach Anspruch 3, im Schnellstart-Lademodus, wenn mehr als zwei der jeweiligen Einheiten vorhanden sind, ist die Steuerung konfiguriert: Einstellen eines Soll-Ladezustandes an einem dritten Schwellenwert (T3); den jeweiligen Schalter jeder der jeweiligen Einheiten in den EIN-Zustand versetzen und mit einem zweiten konstanten Ladestrom laden; und ein Integrationssteuerungsschema auf eine bestimmte der jeweiligen Einheiten anwenden und selektiv bis zur vollständigen Ladung aufladen, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem jeweiligen Ladezustand (SOCi) einer bestimmten der jeweiligen Einheiten und dem dritten Schwellenwert (T3) kleiner als eine dritte vordefinierte Konstante (C3) ist.
  8. System nach Anspruch 7, wobei das Integrationssteuerungsschema Folgendes umfasst: Auswählen eines Soll-Ladezustands als Maximum des jeweiligen Ladezustands der jeweiligen Einheiten; und Definieren eines Disparitätsfaktors als Differenz zwischen einem Soll-Ladezustand und dem jeweiligen Ladezustand der spezifischen der jeweiligen Einheiten; und Verschieben einer angelegten Spannung an die spezifische der jeweiligen Einheiten von einem negativen Wert auf einen positiven Wert, wenn der Disparitätsfaktor über einem Disparitätsschwellenwert liegt, wobei der Disparitätsschwellenwert kleiner als Null ist.
  9. System nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Einheiten eine erste Einheit und eine zweite Einheit umfassen, ferner umfassend: einen Entlademodus, während dem die Steuerung konfiguriert ist, um den jeweiligen Schalter der ersten Einheit und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit im EIN-Zustand zu halten und die erste Einheit und die zweite Einheit zu entladen, wenn ein Lastabrufstrom (Id) größer oder gleich einer von der ersten Einheit definierten Nennstromgrenze (IL1) ist; und im Entlademodus, wenn der Lastabrufstrom (Id) kleiner als die Nennstromgrenze (IL1) der ersten Einheit ist, wobei die erste Einheit einen höheren Ladezustand in Bezug auf die zweite Einheit aufweist, wobei die Steuerung konfiguriert ist: Schalten des jeweiligen Schalters der ersten Einheit in den EIN-Zustand, Schalten des jeweiligen Schalters der zweiten Einheit in den AUS-Zustand und Entladen der ersten Einheit; Festlegen eines Soll-Ladezustands als den jeweiligen Ladezustand der zweiten Einheit und Anwenden eines Integrationssteuerungsschemas auf den jeweiligen Schalter der ersten; und Versetzen des jeweiligen Schalters der ersten Einheit und den jeweiligen Schalter der zweiten Einheit in den EIN-Zustand und Entladen der ersten Einheit und der zweiten Einheit, wenn ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem jeweiligen Ladezustand der ersten Einheit und dem jeweiligen Ladezustand der zweiten Einheit kleiner als eine vierte vorgegebene Konstante (C4) ist.
  10. Verfahren zum dynamischen Ausgleichen einer wiederaufladbaren Energiespeicheranordnung mit zwei oder mehr parallel geschalteten jeweiligen Einheiten, einem entsprechenden Schalter für jede der jeweiligen Einheiten, mindestens einem Sensor und einer Steuerung mit einem Prozessor und einem greifbaren, nichtflüchtigen Speicher, wobei das Verfahren umfasst: Steuern des Betriebs des jeweiligen Schalters über die Steuerung, einschließlich des Aktivierens einer entsprechenden Schaltungsverbindung zu einer der jeweiligen Einheiten mit dem j eweiligen Schalter in einem EIN-Zustand und des Deaktivierens der jeweiligen Schaltungsverbindung mit dem jeweiligen Schalter in einem AUS-Zustand; Erhalten eines jeweiligen Ladezustandes für die jeweiligen Einheiten, teilweise basierend auf dem mindestens einen Sensor; und Verwenden von mindestens einem aus einer Vielzahl von Lademodi zum Laden der jeweiligen Einheiten über den jeweiligen Schalter und die Steuerung, wobei die Vielzahl von Lademodi einen Ruhe-Lademodus, einen Schnellstart-Lademodus und einen Schnell-End-Lademodus umfasst.
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