DE102021130695A1

DE102021130695A1 - Elektrifizierter antriebsstrang mit verfahren zum bestimmen der batteriegrenzwerte basierend auf zellenfaktoren

Info

Publication number: DE102021130695A1
Application number: DE102021130695.7A
Authority: DE
Inventors: James C. Gibbs; Andrew M. Zettel; Calvin Goodman; Rajesh Nagappala
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-11-23
Publication date: 2022-08-25
Also published as: CN114954012A; US11967851B2; US20220271552A1

Abstract

Ein Verfahren zum Anpassen eines Nutzungsgrades eines Batteriepakets beinhaltet das Messen von Zellenerfassungsdaten für jede entsprechende Batteriezelle unter Verwendung einer Zellenabtastschaltung, wobei die Zellenerfassungsdaten eine Zellenspannung, einen Strom und eine Temperatur beinhalten. Das Verfahren beinhaltet das Verarbeiten der Zellenerfassungsdaten, für jede entsprechende Batteriezelle, durch mehrere Batteriezustandsfunktionen einer Steuerung, um numerische Zelldegradationswerte (CDVs) zu erzeugen. Die Batteriezustandsfunktionen sind kalibrierte Beziehungen zwischen den Zellenerfassungsdaten und vorgegebenen Batteriefehlerbedingungen. Danach beinhaltet das Verfahren das automatische Anpassen des Nutzungsgrads des Batteriepakets während des Betriebs des Batteriepakets über die Steuerung, basierend auf den numerischen CDVs. Ein elektrisches Antriebsstrangsystem beinhaltet das Batteriepaket, die Zellenabtastschaltung, eine rotierende elektrische Maschine und eine Steuerung, die zum Ausführen des obigen Verfahrens konfiguriert ist.

Description

EINLEITUNG
Rotierende elektrische Maschinen werden in einer Vielzahl von mobilen und stationären elektromechanischen Systemen zur Erzeugung oder Aufnahme von Drehmomenten in verschiedenen Betriebsarten eingesetzt. So beinhalten beispielsweise elektrifizierte Antriebsstränge von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen mindestens einen elektrischen Antriebsmotor, dessen Abtriebswelle mit einer Antriebsachse gekoppelt ist. Mehrere elektrische Antriebsmotoren können in anderen Konfigurationen verwendet werden, um verschiedene Antriebsachsen und/oder Räder individuell anzutreiben. Während eines Regenerationsbetriebs können die elektrischen Maschinen als elektrische Generatoren betrieben werden, um kinetische Energie zu erfassen und in einen Ladestrom umzuwandeln, z.B. zum Aufladen eines Hochspannungs-Antriebsbatteriepakets. Zusätzlich zu der Möglichkeit, auf diese Weise geladen zu werden, kann das Antriebsbatteriepaket in einigen Konfigurationen auch über ein externes Ladegerät, ein bordeigenes Solarpanel/Solarzellen oder andere mögliche Ladeverfahren geladen werden.
Um einen elektrischen Antriebsmotor in einer typischen Kraftfahrzeuganwendung mit Energie zu versorgen, kann das oben erwähnte Batteriepaket als bordseitige Gleichstromversorgung verwendet werden, die mit einem Gleichspannungsbus verbunden ist. Wenn es sich bei dem elektrischen Antriebsmotor um ein einphasiges oder mehrphasiges Wechselstromgerät handelt, ist eine Gleichstromseite des Wechselrichtermoduls mit dem Gleichspannungsbus verbunden, während eine Wechselstromseite des Wechselrichtermoduls mit dem elektrischen Antriebsmotor verbunden ist. Eine Hochgeschwindigkeits-Schaltsteuerung des Wechselrichtermoduls erzeugt eine Ausgangswechselspannung, die zur Erregung der Phasenwicklungen geeignet ist. Während des Regenerationsbetriebs wird eine Eingangswechselspannung in das Wechselrichtermodul eingespeist, wobei die internen Schaltvorgänge eine Ausgangsgleichspannung für das Batteriepaket bereitstellen.
Ein typisches Antriebsbatteriepaket ist aus einer für die Anwendung geeigneten Anzahl von elektrochemischen Batteriezellen aufgebaut, in denen geladene Elektrodenfolien in ein Elektrolytmaterial eingetaucht sind. Freiliegende Zellanschlüsse der einzelnen Batteriezellen sind in verschiedenen Konfigurationen in Reihe oder parallel geschaltet, um eine gewünschte Ausgangsgleichspannung zu erzeugen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt während der Betriebsdauer des Batteriepakets kann eine bestimmte Batteriezelle jedoch einen intermittierenden oder anhaltenden internen elektrischen Kurzschluss oder einen anderen Fehler aufweisen. Solche Fehlerzustände sind unter Umständen nicht ohne Weiteres von dem elektrischen Verhalten alternder, ansonsten gesunder Zellen zu unterscheiden, so dass reaktive Steuerstrategien in Bezug auf die Antriebsleistung und die Betriebslebensdauer nicht optimal sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Hierin werden Systeme, zugehörige Steuerlogik und Verfahren zum Steuern des Lade- oder Entladevorgangs eines Hochspannungs-Antriebsbatteriepakets an Bord eines Kraftfahrzeugs oder einer anderen mobilen Plattform mit elektrifiziertem Antriebsstrang offenbart. Wie auf dem Fachgebiet verstanden wird, führt die Erkennung eines elektrischen Kurzschlusses oder eines anderen Fehlerzustands in einer Hochspannungs-Antriebsbatterie, selbst wenn dieser nur vorübergehend auftritt, häufig zur Unterbrechung eines Lade- oder Entladevorgangs als reaktive Steuermaßnahme. Ein Kraftfahrzeug könnte bis zur Behebung des Fehlers nicht mehr oder nur noch eingeschränkt fahrbereit sein. Bei älteren Fahrzeugen lohnt sich eine Reparatur jedoch unter Umständen nicht, was den Restwert stark verringern kann. Die vorliegende Strategie ermöglicht es dem Betreiber, die nützliche Betriebslebensdauer des Batteriepakets bzw. des Kraftfahrzeugs zu verlängern, indem er elektrische Kurzschlüsse automatisch erkennt und charakterisiert und daraufhin entsprechende Grenzwerte für das Laden oder Entladen der Batterie festlegt.
Insbesondere sieht die vorliegende Offenlegung die Implementierung einer computerausführbaren Methodik vor, die, wenn sie an Bord des Kraftfahrzeugs ausgeführt wird, automatisch die Batterienutzungsgrenzwerte anpasst, um die Verfügbarkeit und Langlebigkeit der Batterie zu verlängern. So könnte beispielsweise das Absenken eines Ladeabbruchsgrenzwerts die gespeicherte Gesamtenergie sowie das Spannungspotenzial über einer sich verschlechternden Zelle verringern. Daher kann das Absenken eines Ladeabbruchsgrenzwerts eine langfristige Methode sein, um die Reparatur zu verzögern, zumindest so lange, bis der Innenwiderstand so weit gesunken ist, dass ein weiterer Betrieb nicht mehr möglich oder zulässig ist.
Die ermöglichte Strategie, die zum Teil auf einem geschätzten Zustand der einzelnen Batteriezellen des Batteriepakets basiert, soll die Fahrzeugverfügbarkeit erhöhen, wenn das Batteriepaket altert und/oder zu versagen beginnt, aber noch nicht sein endgültiges Lebensende erreicht hat. Das beschriebene Verfahren überwacht das Verhalten der Batteriezellen genau, um einen Hinweis auf den Zustand der einzelnen Zellen zu erhalten, und bestimmt dann brauchbare Schwellenwerte für die Erhaltung der Batterielebensdauer und die Aufrechterhaltung des Betriebs des Batteriepakets. Der vorliegende Ansatz kann allein oder als Teil einer Gesamtvermittlungsstrategie für die Batterieladung/Batteriesteuerung verwendet werden, die auch andere Faktoren berücksichtigt, um die gewünschte Verlängerung der Batterielebensdauer und Energienutzung zu gewährleisten.
In einer nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform wird hierin ein Verfahren zum Anpassen des Nutzungsgrades eines Batteriepakets mit einer Vielzahl von Batteriezellen offenbart. Das Verfahren in dieser Ausführungsform beinhaltet das Messen von Zellenabtastdaten für jede der Batteriezellen unter Verwendung einer Zellenabtastschaltung. Die Zellenabtastdaten beinhalten eine Zellenspannung, einen Strom und eine Temperatur. Das Verfahren beinhaltet auch das Verarbeiten der Zellenabtastdaten für jede einzelne Batteriezelle durch mehrere Batteriezustandsfunktionen einer Steuerung. Auf diese Weise erzeugt die Steuerung eine Vielzahl numerischer Zellendegradationswerten (Engl.: Cell Degradation Values, CDVs), wie hierin im Detail beschrieben wird. Die Batteriezustandsfunktionen sind kalibrierte Beziehungen zwischen den Zellenabtastdaten und vorgegebenen Batteriefehlerbedingungen. Als Teil des Verfahrens passt die Steuerung anschließend automatisch den Nutzungsgrad des Batteriepakets während seines Betriebs auf der Grundlage der numerischen CDVs an.
Die vorbestimmten Batteriefehlerbedingungen können je nach Verwendungszweck/Anwendung variieren. In einer möglichen Ausführungsform beinhalten die Batteriefehlerbedingungen einen intermittierenden oder anhaltenden elektrischen Kurzschlusszustand innerhalb der entsprechenden Batteriezelle. In einer solchen Ausführungsform könnten die Batteriezustandsfunktionen eine elektrische Kurzschlussfunktion beinhalten, die den intermittierenden oder anhaltenden elektrischen Kurzschlusszustand anzeigt.
Alternativ oder gleichzeitig können die vorbestimmten Batteriefehlerbedingungen einen Aktivmaterial-Plattierungszustand der entsprechenden Batteriezellen beinhalten, wobei die Batteriezustandsfunktionen möglicherweise eine Plattierungsfunktion beinhalten, die ein Niveau der Aktivmaterial-Plattierung anzeigt. Andere Batteriefehlerbedingungen können eine verringerte Energiehaltekapazität der entsprechenden Batteriezellen beinhalten, wobei die Batteriezustandsfunktionen eine Kapazitätsfunktion beinhalten können, die die verringerte Energiehaltekapazität anzeigt. Zusätzlich zum Reagieren auf eine verringerte Kapazität könnte der vorliegende Ansatz auch die Steuergrenzwerte modifizieren, wenn dies möglich ist, um die Kapazität zu schützen, z.B. unter Verwendung von Navigations-/Routenplanungsinformationen als Eingabe bei der Bestimmung der Grenzwerte.
Erhöhte oder verringerte Temperaturen der entsprechenden Batteriezellen können ebenfalls verwendet werden, wobei die Batteriezustandsfunktionen möglicherweise eine Temperaturfunktion beinhalten, die eine erhöhte oder verringerte Temperatur anzeigt. Noch andere vorbestimmte Batteriefehlerbedingungen könnten einen Elektrolyt-Leckagezustand der entsprechenden Batteriezelle beinhalten, wobei die Batteriezustandsfunktionen eine Elektrolyt-Leckagefunktion beinhalten, die den Elektrolyt-Leckagezustand anzeigt.
In einigen Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens kann das automatische Anpassen des Nutzungsgrades des Batteriepakets das Modifizieren kalibrierter Ladegrenzwerte und/oder thermischer Grenzwerte des Batteriepakets während eines Ladevorgangs des Batteriepakets und/oder das Modifizieren kalibrierter Entladegrenzwerte und/oder thermischer Grenzwerte des Batteriepakets während eines Entladevorgangs des Batteriepakets beinhalten.
Beispielsweise kann die Steuerung den Nutzungsgrad des Batteriepakets automatisch anpassen, indem es das Ladeverhalten einer externen Ladestation und/oder eines integrierten Solarpanels automatisch modifiziert.
Das Verarbeiten der Zellenabtastdaten durch die Batteriezustandsfunktion kann optional das Verarbeiten der Zellenabtastdaten und mindestens eines zusätzlichen Antriebsstrang-steuerfaktors des oben genannten Kraftfahrzeugs durch einen Arbitrierungs-Logikblock der Steuerung beinhalten. In einer solchen Konfiguration kann das automatische Anpassen des Nutzungsgrads des Batteriepakets das Zuweisen einer relativen Gewichtung zu jeder der mehreren Batteriezustandsfunktionen und des zusätzlichen Antriebsstrang-Steuerfaktors über den Arbitrierungs-Logikblock beinhalten.
Der zusätzliche Antriebsstrang-Steuerfaktor kann beispielsweise einen Grenzwert für die Lebensdauermodellierung, einen Grenzwert für die Energie-/Regenerationsoptimierung und/oder einen Grenzwert für die Navigation/Routenplanung des elektrischen Antriebsstrangs beinhalten.
Ein elektrifiziertes Antriebsstrangsystem wird hierin ebenfalls offengelegt. In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet das Antriebsstrangsystem ein Batteriepaket mit einer Vielzahl von Batteriezellen und einer Zellenabtastschaltung, wobei die Zellenabtastschaltung konfiguriert ist, Zellenabtastdaten für jede der Batteriezellen zu messen. Darüber hinaus beinhaltet das Antriebsstrangsystem in dieser Ausführungsform eine rotierende elektrische Maschine, die elektrisch mit dem Batteriepaket verbunden ist. Das Batteriepaket ist konfiguriert, die rotierende elektrische Maschine in einem Entlademodus mit elektrischer Energie zu versorgen und während eines Lademodus elektrische Energie zu empfangen, z.B. von einer externen Ladestation, einem bordseitigen Solarpanel/-system oder der elektrischen Maschine. Als Teil des Antriebsstrangsystems steht eine Steuerung in Verbindung mit der Zellenabtastschaltung und der rotierenden elektrischen Maschine, wobei die Steuerung konfiguriert ist, das oben beschriebene beispielhafte Verfahren auszuführen.
Die oben genannten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen und der besten Modi zur Durchführung der Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen betrachtet werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsstrang, einem Hochspannungs-Antriebsbatteriepaket und einer Steuerung, die zum Durchführen des vorliegenden Verfahrens konfiguriert ist.
2 ist eine schematische Darstellung der repräsentativen Steuerlogik der in 1 dargestellten Steuerung.
3 ist ein schematisches logisches Flussdiagramm, das eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens, die an Bord des Kraftfahrzeugs von 1 nutzbar ist, darstellt.
4 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens beschreibt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung kann in vielen verschiedenen Formen verwirklicht werden. Repräsentative Beispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden hierin im Detail als nicht-einschränkende Beispiele der offenbarten Prinzipien beschrieben. Zu diesem Zweck sollten Elemente und Einschränkungen, die in den Abschnitten „Zusammenfassung“, „Einleitung“, „Beschreibung der Erfindung“ und „Detaillierte Beschreibung“ beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt sind, nicht als in die Ansprüche aufgenommen gelten, weder einzeln noch gemeinsam, weder durch Implikation noch durch Schlussfolgerung noch auf andere Weise.
Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung schließt die Verwendung des Singulars den Plural ein und umgekehrt, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist, die Begriffe „und“ und „oder“ gelten sowohl im Konjunktiv als auch im Disjunktiv, „jeder“ und „alle“ bedeuten beide „jeder und alle“, und die Begriffe „beinhaltend“, „enthaltend“, „umfassend“, „aufweisend“ und dergleichen bedeuten „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können Wörter der Annäherung wie „etwa“, „fast“, „im Wesentlichen“, „im Allgemeinen“, „ungefähr“ usw. hierin im Sinne von „bei, nahe oder fast bei“ oder „innerhalb von 0-5 % von“ oder „innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen“ oder logischen Kombinationen davon verwendet werden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 schematisch ein Kraftfahrzeug 10 mit einem elektrifizierten Antriebsstrangsystem 11. Das elektrifizierte Antriebsstrangsystem 11 beinhaltet ein Hochspannungs-Antriebsbatteriepaket 16, z.B. eine mehrzellige Lithium-Ionen-, Nickel-Metallhydrid- oder eine andere anwendungsgeeignete elektrochemische Batterie. In der dargestellten beispielhaften Konfiguration beinhaltet das Kraftfahrzeug 10 auch eine Fahrzeugkarosserie 12, die mit einem Satz von Straßenrädern 14 verbunden ist, wobei das Antriebsbatteriepaket 16 an einer geeigneten Position an der Fahrzeugkarosserie 12 angebracht ist, beispielsweise unter einer Bodenplatte (nicht dargestellt) in einer repräsentativen flachen/planaren Anordnung.
Das hierin betrachtete elektrifizierte Antriebsstrangsystem 11 beinhaltet auch eine Steuerung (C) 50, die mit Steuerlogik 50L und 150L programmiert ist, welche zum Ausführen von Anweisungen verwendet werden, welche ein Verfahren 100 verkörpern. Repräsentative Ausführungsformen der Steuerlogik 50L und 150L werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 bzw. 3 beschrieben, während eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens 100 in 4 dargestellt ist. Wie nachstehend im Detail beschrieben, ermöglicht die Ausführung des Verfahrens 100 der Steuerung 50 eine genaue Überwachung des Batteriezellenverhaltens des Antriebsbatteriepakets 16, um den Zustand der einzelnen Zellen zu charakterisieren, und bestimmt dann brauchbare Schwellenwerte zur Erhaltung der Lebensdauer und Aufrechterhaltung des Betriebs des Antriebsbatteriepakets 16. Wie oben erwähnt, kann die vorliegende Lösung allein oder als Teil einer Gesamtstrategie für die Batterieladung/Batteriesteuerung verwendet werden, die auch andere Faktoren zur Gewährleistung der gewünschten Verlängerung der Batterielebensdauer und Energienutzung berücksichtigt.
Was das Aufladen des Antriebsbatteriepakets 16 betrifft, können das Kraftfahrzeug 10 und sein elektrifiziertes Antriebsstrangsystem 11 in verschiedenen Ausführungsformen konfiguriert sein, dem Antriebsbatteriepaket 16 während eines Regenerationsvorgangs einen Ladestrom zuführen, d. h. indem sie beim Bremsen kinetische Energie aufnehmen und diese zum Antrieb einer rotierenden elektrischen Maschine 18 oder einer anderen geeigneten Vorrichtung als Stromgenerator verwenden. Das Antriebsbatteriepaket 16 kann auch über eine externe Ladestation 23 aufgeladen werden, z. B. eine Gleichstrom-Schnellladestation oder eine Heimladesteckdose, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Das Kraftfahrzeug 10 könnte auch mit einem oder mehreren Solarmodulen 26 ausgestattet sein, die es dem Kraftfahrzeug 10 ermöglichen, einen bordseitigen Ladestrom zu erzeugen. Die verschiedenen Ladeszenarien und die damit verbundenen Grenzwerte sind daher Faktoren, die im Rahmen der vorliegenden Strategie berücksichtigt werden, wie im Folgenden erläutert wird.
Das Kraftfahrzeug 10, wie es in der vereinfachten beispielhaften Ausführungsform von 1 dargestellt ist, beinhaltet eine Wechselstrom-(AC)-Ausführung der rotierenden elektrischen Maschine 18. Obwohl die rotierende elektrische Maschine 18 in ihrer Eigenschaft als Motor-Generator-Einheit sowohl motorische als auch generatorische Funktionen ausüben kann, wird die rotierende elektrische Maschine 18 der Einfachheit halber im Folgenden als Traktionsmotor 18 bezeichnet. Die Phasenwicklungen 19 des Traktionsmotors 18 sind elektrisch mit einem Wechselrichtermodul 20 verbunden, das seinerseits einen Gleichstrom-(DC)-Verbindungskondensator 21 (C_L) beinhaltet oder parallel zu diesem geschaltet ist. Das Wechselrichtermodul 20 ist an einen Gleichspannungsbus 25 (DC-Spannungsbus 25) angeschlossen, wobei der Verbindungskondensator 21 wie dargestellt zwischen die positive (+) und negative (-) Schiene des Gleichspannungsbusses 25 geschaltet ist.
Wie in der Technik bekannt, beinhaltet ein Wechselrichter wie das repräsentative Wechselrichtermodul 20 Halbleiter-Schaltchips 22, z.B. Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (Engl.: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors, MOSFETs) wie dargestellt, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Engl.: Insulated Gate Bipolar Transistors, IGBTs), siliziumgesteuerte Gleichrichter (Engl.: Silicon Controlled Rectifier, SCR), Thyristoren usw., die an nominalen oberen und unteren Positionen angeordnet sind. Jede elektrische Phase 19 des in 1 dargestellten Traktionsmotors 18 hat somit ein entsprechendes oberes/hohes/positives und unteres/niedriges/negatives Schaltpaar. Der Traktionsmotor 18 ist in der nichtbeschränkenden Ausführungsform von 1 als dreiphasiges Gerät ausgeführt, und daher hat das Wechselrichtermodul 20 wie dargestellt drei Phasenleitungen 19. Einphasige Ausführungsformen sind im Rahmen der Offenbarung ebenso denkbar wie Ausführungsformen mit mehr als drei Phasen, und daher wird die Anzahl der Traktionsmotoren 18 und der entsprechenden Phasen je nach beabsichtigter Anwendung und Konstruktion des Kraftfahrzeugs 10 oder einer anderen mobilen Plattform variieren.
Die primären Drehmomentfunktionen der elektrischen Maschine 18 werden in Echtzeit über Steuersignale (Pfeil CCo) von einer Steuerung (C) 50 geregelt. Anweisungen zum Implementieren einer Steuerstrategie gemäß der vorliegenden Offenbarung sind als Verfahren 100 verkörpert, von welchem ein Beispiel nachstehend unter Bezugnahme auf 3 erläutert wird. Solche Anweisungen können in einem Speicher (M) der Steuerung 50 aufgezeichnet sein und von einem oder mehreren Prozessoren (P) desselben ausgeführt werden, um die hierin beschriebenen Vorteile zu erzielen.
Andere, in 1 nicht dargestellte Komponenten können in dem elektrifizierten Antriebsstrangsystem 11 enthalten sein, wie z.B., ohne darauf beschränkt zu sein, ein Gleichspannungswandler und eine Hilfsbatterie. Wie bereits erwähnt, liegen die Hilfsspannungspegel typischerweise bei 12-15 V, und daher kann ein Gleichspannungswandler durch interne Schaltvorgänge und Signalfilterung, wie sie in der Technik verstanden werden, eine relativ hohe Gleichspannung von dem Gleichspannungsbus 25 aufnehmen und eine niedrigere Hilfsspannung an die Hilfsbatterie abgeben. Der Traktionsmotor 18 ist somit nur eine von mehreren Vorrichtungen an Bord des Kraftfahrzeugs 10, die möglicherweise eine Entladung von elektrischer Energie aus dem Antriebsbatteriepaket 16 benötigen.
Als Teil des vorliegenden Verfahrens 100 bestimmt die Steuerung 50 Batteriegrenzwerte zum Steuern eines Hochspannungs-Antriebsbatteriepakets und insbesondere für die Maximierung von dessen Verfügbarkeit und Langlebigkeit. Während sich der Begriff „Hochspannung“ auf die typischen 12-15 V Hilfs-/Niederspannungspegel bezieht, die oben erwähnt wurden, und somit „Hochspannung“ Spannungspegel darüber hinaus beinhalten kann, können beispielhafte Hybrid-Elektrofahrzeug- oder Vollbatterie-Elektrofahrzeug-Antriebsanwendungen der hier betrachteten Typen erfordern, dass das Antriebsbatteriepaket 16 eine Spannungsfähigkeit von beispielsweise 300 V oder mehr aufweist.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung bestimmt die Steuerung 50 den Gesundheitszustand der einzelnen Batteriezellen des Antriebsbatteriepakets 16 aus 1 und nimmt auf dieser Grundlage Anpassungen der Lade-/Entladegrenzwerte vor. Es wird erwartet, dass die Fahrzeugverfügbarkeit als Ergebnis des Verfahrens 100 zunimmt, wenn das Antriebsbatteriepaket 16 altert oder auszufallen beginnt. Das Verfahren 100 basiert daher auf der Echtzeit-Überwachung des Verhaltens der einzelnen Zellen durch die Steuerung 50 beim Bestimmen brauchbarer Schwellenwerte zur Erhaltung der Lebensdauer und Aufrechterhaltung des gewünschten Betriebs des Antriebsbatteriepakets 16.
Die Steuerung 50 ist daher konfiguriert, Zellenabtastdaten (Pfeil CC₁₆) für jede der Batteriezellen 16C des Antriebsbatteriepakets 16 unter Verwendung einer Zellenabtastschaltung (Engl.: Cell Sense Circuit, CSC) 40 des in der Technik bekannten Typs zu messen, wobei die Zellmessdaten (Pfeil CC₁₆) eine Zellenspannung, einen Zellenstrom und eine Zellentemperatur beinhalten, entweder als separater Datenstrom oder als Teil eines Satzes von Eingangssignalen (Pfeil CC_I) für die Steuerung 50. Wie in der Technik bekannt ist, können Widerstands- und andere mögliche Werte aus solchen beispielhaften Daten abgeleitet werden und sind daher im Umfang des Satzes von Eingangssignalen (Pfeil CC_I) enthalten.
Als Teil der allgemeinen Funktionalität der Steuerung 50 empfängt die Steuerung 50 während eines Entlademodus, in dem elektrische Energie aus dem Antriebsbatteriepaket 16 zu den einzelnen Phasenwicklungen 19 des/der Traktionsmotors/Traktionsmotoren 18 geleitet wird, die Eingangssignale (Pfeil CC_I), die wiederum kollektiv einen Gesamtleistungsbedarf anzeigen, z. B. ein vom Fahrer angefordertes und/oder autonom bestimmtes Ausgangsdrehmoment oder eine Geschwindigkeitsanforderung. Die Steuerung 50 entlädt dann das Antriebsbatteriepaket 16 entsprechend einer Reihe von Batteriesteuerungsgrenzwerten, z. B. Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzwerten.
Der Begriff „Steuerung“, wie er hierin der Einfachheit halber verwendet wird, kann eines oder mehrere elektronische Steuermodule, Einheiten, Prozessoren und zugehörige Hardwarekomponenten beinhalten, z.B. anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), Systems-on-a-Chip (SoCs), elektronische Schaltungen und andere Hardware, die zur Bereitstellung der programmierten Funktionalität erforderlich ist. Die Steuerung 50 kann als eine oder mehrere elektronische Steuerungen oder Rechenknoten ausgeführt sein, die auf die Eingangssignale (Pfeil CC_I) reagieren. Die Steuerung 50 beinhaltet anwendungsspezifische Mengen und Typen des Speichers (M) und einen oder mehrere Prozessoren (P), z.B. Mikroprozessoren oder Zentralprozessoreinheiten, sowie andere zugehörige Hardware und Software, z. B. eine digitale Uhr oder einen Zeitgeber, Eingabe-/Ausgabeschaltungen, Pufferschaltungen usw.
Mit Bezug zu 2 ist die Steuerlogik 50L schematisch in Form von Logikblöcken B52 und B54 dargestellt, die als Kombination aus elektronischer Hardware und entsprechender Software implementiert sein könnten, um die beschriebenen Funktionen bereitzustellen. In der dargestellten Konfiguration kann der Logikblock B52 beispielsweise die Zellenabtastdaten (Pfeil CC₁₆) von der in 1 dargestellten Zellenabtastschaltung 40 empfangen, einschließlich der Zellspannung, -temperatur und -strom sowie möglicherweise andere Werte. Die Zellenabtastdaten (Pfeil CC₁₆) werden durch einen ersten Satz von Funktionen, F(x)1, verarbeitet, um N verschiedene Ausgabesignale (CC₅₂) zu erzeugen, die hierin als numerische Zelldegradationswerte oder CDVs im Zusammenhang mit dem Verfahren 100, wie unten dargelegt, fungieren. In der nicht einschränkenden illustrativen Ausführungsform von 2 sind solche Ausgabesignale (CC₅₂) zur Veranschaulichung einzeln als 52(1), 52(2), ..., 52(N) bezeichnet.
Während der erste Satz von Funktionen F(x)1 je nach beabsichtigtem Verwendungszweck und Anwendung variieren kann, könnten eines oder mehrere der abgebildeten beispielhaften Ausgabesignale (CC₅₂) in einer typischen Antriebsanwendung verwendet werden. Beispielsweise können die Ausgaben 52(1) und 52(2) der Anzahl der intermittierenden weichen bzw. harten Kurzschlüsse entsprechen, wie sie von der Steuerung 50 über ein vorgegebenes Intervall beobachtet und gezählt werden. Die Ausgaben 52(3) und 52(4) können in einer solchen Ausführungsform der beobachteten Dauer und dem Ausmaß solcher intermittierenden Kurzschlüsse entsprechen. Ebenso könnten die Ausgaben 52(5) und 52(6) dazu verwendet werden, anhaltende weiche Kurzschlüsse und anhaltende harte Kurzschlüsse zu verfolgen, wobei die Ausgabe 52(7) möglicherweise dem Betrag des letzteren entspricht. Zusätzliche Ausgaben 52(8) und 52(9) könnten die Kapazität und die Temperatur der einzelnen Batteriezellen 16C erfassen.
Ausgabe 52(10) könnte insbesondere ein geschätztes Niveau der Plattierung der Batteriezellen 16C sein, z.B. unter Verwendung eines zeitbasierten Modells und/oder eines formelbasierten Ansatzes. Wie in der Technik bekannt ist, erfolgt das Plattieren als Reaktion auf aggressive Lade- oder Entladeströme. Während dem Plattieren werden aktive Materialien als fester Film abgeschieden, z.B. metallisches Lithium bei Verwendung einer typischen Lithium-Ionen-Batteriezusammensetzung. Das Vorhandensein von Plattierung auf einer bestimmten Batteriezelle 16C kann, wenn es nicht behoben wird, zu elektrischen Fehlern wie den oben erwähnten Kurzschlüssen führen und die Lebensdauer, die Ladegeschwindigkeit und die Haltbarkeit des Antriebsbatteriepakets 16 beeinträchtigen.
Andere Ausgaben, die in 2 nominal mit 52(N) bezeichnet sind, können ebenfalls von dem Logikblock B52 geliefert werden und, z.B., ein Niveau der Elektrolyt-Leckage aus einer bestimmten Batteriezelle 16C beinhalten. Die verschiedenen Ausgaben 52(1), 52(2), ..., 52(N) variieren wiederum je nach Anwendung, und daher sind die dargestellten Ausgaben nur einige der möglichen Fehler, die anhand der Momentanwerte und/oder Trends in den Zellenabtastdaten (CC₁₆) bestimmt oder geschätzt werden.
Weiterhin mit Bezug auf 2 beinhaltet der Logikblock B54 einen zweiten Satz von Funktionen F(x)2, die konfiguriert sind, die Ausgabesignale (CC₅₂) von dem Logikblock B52 zu empfangen und anschließend Steuersignale (CC₅₄) zur Verwendung bei der Steuerung des elektrifizierten Antriebsstrangsystems 11 von 1 zu erzeugen. Die Steuersignale (CC₅₄) sind somit Teil des in 1 dargestellten breiteren Satzes von Steuersignalen (Pfeil CCo). Wie beim Logikblock B52, der dem Logikblock B54 vorgeschaltet ist, umfassen die Steuersignale (CC₅₄) einen entsprechenden Satz von Ausgaben, in diesem Fall die Ausgaben 54(1), 54(2), ..., 54(N). Repräsentativen Ausgaben 54(1) und 54(2) könnten Ladeerlaubnisse („Laden erlaubt“) bzw. Ladegrenzwerte beinhalten. Analog dazu könnten die Ausgaben 54(3) und 54(4) Entladeberechtigungen („Antrieb erlaubt“) und Antriebsgrenzwerte, z.B. Drehmoment- und/oder Geschwindigkeitsgrenzwerte des Traktionsmotors 18 von 1 und/oder des Kraftfahrzeugs 10 als Ganzes, falls andere Antriebe einbezogen sind, entsprechen. Die Ausgabe 54(5) kann thermische Grenzwerte zuweisen, z.B. indem sie den weiteren Betrieb des Antriebsbatteriepakets 16 bei reduzierten Temperaturen zulässt, was als zusätzliche Steuerungsmaßnahme mit der Durchflussregelung eines Wärmeregelungssystems (nicht dargestellt) zusammenfallen könnte. Andere Ausgaben, die nominal mit 54(N) („Andere Grenzwerte“) bezeichnet sind, können von dem Logikblock B54 allein oder zusätzlich zu den repräsentativen Ausgaben 54(1), 54(2), ... ,54(N) bereitgestellt werden, und daher sind die verschiedenen Beispiele in 2 zur Veranschaulichung der vorliegenden Lehre gedacht und nicht einschränkend.
Mit Bezug auf 3 ist die Steuerlogik 150L schematisch in Form der Logikblöcke B51, B52, B53 und B54 dargestellt, wobei die Logikblöcke B52 und B54 allgemein unter Bezugnahme auf 2 beschrieben sind. Wie die Logikblöcke B52 und B54 können auch die Logikblöcke B51 und B53 als eine Kombination aus elektronischer Hardware und entsprechender Software implementiert sein, um die beschriebenen Funktionen bereitzustellen. In der dargestellten Konfiguration kann der Logikblock B51 als Teil der in 1 schematisch dargestellten Zellenabtastschaltung 40 verwendet werden, um Zellenabtastdaten (Pfeil CC₁₆) für jede der verschiedenen Batteriezellen 16C, d. h. 16C(1), ..., 16C(N), wie dargestellt, zu messen. Bei einer typischen Messung können solche Zellenabtastdaten (Pfeil CC₁₆) eine entsprechende Zellenspannung, einen Zellenstrom und eine Zellentemperatur sowie möglicherweise andere gemessene Merkmale beinhalten. Die Zellenabtastdaten (Pfeil CC₁₆) werden dann an den Logikblock B52 übertragen.
Der Logikblock B52, der in 2 allgemeiner dargestellt ist, stellt einen kollektiven Satz von Batteriezustandsfunktionen bereit, wobei die verschiedenen Funktionen möglicherweise über die entsprechenden Funktionsblöcke B152-B552 implementiert werden, wenn die verschiedenen oben beschriebenen Ausgaben 52(1), ..., 52(N) bestimmt werden. Solche Ausgaben definieren gemeinsam die Ausgangssignale (Pfeil CC₅₂), die ihrerseits als die oben erwähnten numerischen Zelldegradationswerte oder CDVs fungieren. In der vereinfachten Ausführungsform von 3 könnte der Logikblock B52 beispielsweise einen speziellen Funktionsblock B152 zum Erkennen von Kurzschlüssen und einen weiteren Funktionsblock B252 zum Erkennen der Plattierung der Batteriezellen 16C beinhalten. Die Funktionsblöcke B152 und B252 könnten beispielsweise Zellenspannungen und -muster beobachten und diese dann mit kalibrierten Leistungstabellen vergleichen, um festzustellen, ob die Momentanwerte oder Trends auf solche Fehlerzustände hindeuten. Ebenso könnte ein separater Funktionsblock B352 die Zellenabtastdaten (Pfeil CC₁₆) verarbeiten, um eine Temperaturbedingung zu erkennen, z.B. eine höhere oder niedrigere als die erwartete Zellentemperatur, während der Funktionsblock B452 kalibrierte Rahmenbedingungen der Batterielebensdauer weitergeben könnte, z.B. aus dem Speicher (M) der Steuerung 50.
Dem Logikblock B52 nachgeschaltet könnte der Logikblock B53 verwendet sein, um eines oder mehrere der Ausgangssignale (CC₅₂) durch entsprechende Funktionen individuell zu verarbeiten. Beispielsweise könnte der Funktionsblock B153 („Zellengesundheit/Gesundheitsbestimmung“) einen numerischen Gesundheitszustand (Engl.: State of Health, SOH) ausgeben, z. B. als normalisierten Wert, bei dem 0 einer vollständig entleerten oder toten Batteriezelle 16C und 1 einer ordnungsgemäß funktionierenden neuen Batteriezelle 16C entspricht, während ein Funktionsblock B253 („Lebensdauermodellierung“) eine geschätzte Restlebensdauer (Pfeil L) ausgeben könnte. Funktionsblock B353 („Energie-/Regenerationsoptimierung“) könnte einen Optimierungswert (Pfeil OPT) auf der Grundlage des aktuellen Zustands der Batteriezelle 16C liefern, z. B. anhand einer Kostenfunktion, die durch den aktuellen Zustand informiert wird. Ein solcher Optimierungswert könnte von dem nachgeschalteten Logikblock B54 verwendet werden, wenn dieser als Reaktion auf die Signale (Pfeil CC₅₃) bestimmte Steuermaßnahmen durchführt. Ein weiterer Funktionsblock B453 könnte ähnlicherweise implementiert sein, um die Erwartungen an die Navigation/Routenplanung zu berücksichtigen und eine Navigationsanforderung (Pfeil NAV) an den Logikblock B54 auszugeben. In Bezug auf die mögliche Navigationsfunktionalität könnte der vorliegende Ansatz die Steuergrenzwerte, wenn möglich, auf der Grundlage von Navigations-/Routenplanungsinformationen ändern, um die Kapazität zu schützen, z.B. um eine solche Navigationsanforderung (Pfeil NAV) zu erfüllen.
In Bezug auf den Logikblock B54, der ebenfalls oben beschrieben und in 3 dargestellt ist, ist dieser Aspekt der programmierten Funktionalität der Steuerung 50 darauf ausgerichtet, die Verwendung des Antriebsbatteriepakets 16 von 1 sowohl während des Lade- als auch des Entladevorgangs zu vermitteln. Wie die anderen repräsentativen Logikblöcke B51, B52 und B53 kann auch der Logikblock B54 mit separaten Funktionsblöcken konfiguriert sein, d.h. B154, B254 und B354 im vereinfachten Beispiel von 3. In diesem Beispiel könnte der Funktionsblock B154 verwendet werden, um Antriebsgrenzwerte auf dem elektrifizierten Antriebsstrangsystem 11 von 1 durchzusetzen, z.B. durch die Festlegung niedrigerer maximaler Drehmoment- oder Geschwindigkeitsgrenzwerte, die die von Logikblock B52 im Vorfeld analysierten Zustände berücksichtigen. Der Funktionsblock B154 wirkt somit während des Entlademodus, um das Antriebsbatteriepaket 16 zu schützen und gleichzeitig ihre erweiterte Nutzung im Vergleich zu Steuermethoden zu ermöglichen, die auf erkannte Kurzschlusszustände reagieren, indem sie den Antriebsbetrieb verhindern oder stark reduzieren.
Der Funktionsblock B254 von 3 ist analog zu dem Funktionsblock B154 und wirkt während der Lademodi, um Ladestrom- oder Spannungsgrenzwerte durchzusetzen oder die Ladedauer zu verkürzen oder zu verlängern, um das Antriebsbatteriepaket 16 zu schützen. Wie Funktionsblock B154 legt auch Funktionsblock B254 die Grenzwerte so fest, dass die Nutzung des Batteriepakets 16 im Vergleich zu Steuermethoden, die auf erkannte Kurzschlusszustände reagieren, indem sie Ladevorgänge verhindern oder stark reduzieren, verlängert wird. Funktionsblock B354 („Temperaturgrenzwerte“) könnte in ähnlicher Weise verwendet werden, indem kalibrierte thermische Maximal-/Minimalbetriebsgrenzwerte des Batteriepakets 16 eingestellt werden, wobei eine solche Steuermaßnahme möglicherweise die Steuerung des Betriebs eines Wärmemanagementsystems (nicht dargestellt) einschließt, z. B. durch Umwälzen von Kühlmittel durch das Antriebsbatteriepaket 16 mit einer höheren Rate, um eine niedrigere Batterietemperatur aufrechtzuerhalten. Die verschiedenen Ausgaben der Funktionsblöcke B154, B254 und B354 bilden gemeinsam die oben unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Steuersignale (Pfeil CC₅₄), die letztendlich zur Steuerung des elektrifizierten Antriebsstrangsystems 11 von 1 verwendet werden.
Das Verfahren 100, das von der in 1 dargestellten Steuerung 50 mit Hilfe der beispielhaften Steuerlogik 50L und 150L der 2 bzw. 3 ausgeführt wird, beinhaltet daher das Messen der Zellenabtastdaten (CC₁₆) für jede der Batteriezellen 16C unter Verwendung der Zellenabtastschaltung 40 von 1. Wie oben erwähnt und in der Fachwelt bekannt, beinhalten die Zellenabtastdaten (CC₁₆) für jede entsprechende Batteriezelle 16C eine Zellenspannung, einen Zellenstrom und eine Zellentemperatur, die unter Verwendung entsprechender Sensorspuren (nicht dargestellt) messbar sind, z.B. auf einer gedruckten Leiterplatte, die an freiliegenden Elektrodenfahnen oder anderen geeigneten Oberflächen der Batteriezellen 16C angebracht ist.
Das Verfahren 100 beinhaltet das Verarbeiten der gemessenen Zellenabtastdaten (CC₁₆) für jede entsprechende Batteriezelle 16C durch die mehrfachen Batteriezustandsfunktionen der Steuerung 50, z.B. unter Verwendung des Logikblocks B52 der 2 und 3, um dadurch die mehreren numerischen Zelldegradationswerte (CDV), d.h. die Ausgangssignale CC₅₂ zu erzeugen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind die mehreren Batteriezustandsfunktionen, die in 2 gemeinsam mit F(x)1 bezeichnet sind, kalibrierte Beziehungen der Zellenabtastdaten (CC₁₆) zu vorbestimmten Batteriefehlerbedingungen, wie z.B. der Betrag und die Dauer elektrischer Kurzschlussbedingungen, Fehlerbedingungen der Batteriezellen 16C, z.B. Betrag, Häufigkeit und Dauer elektrischer Kurzschlüsse, Zellenkapazität, Zellentemperatur, Schätzungen der Plattierung und/oder andere anwendungsgeeignete Charakteristiken. Die Steuerung 50 passt daraufhin den Nutzungsgrad des Antriebsbatteriepakets 16 von 1 während des Betriebs auf der Grundlage der numerischen CDVs automatisch an, z.B. über formel- oder schwellenwertbasierte Anpassungen und/oder durch Nachschlagetabellen unterstützte Steueraktionen, die zumindest in gewissem Umfang dazu dienen, den Betrieb des Batteriepakets 16 trotz der angegebenen Fehlerbedingungen zu verlängern.
Beispielhafte Steuermaßnahmen, welche durch die Steuerung 50 vorgenommen werden, beinhalten das Modifizieren kalibrierter Ladegrenzwerte und/oder thermischer Grenzwerte des Antriebsbatteriepakets 16 während eines Ladevorgangs. In ähnlicher Weise kann die Steuerung 50 kalibrierte Entladegrenzwerte und/oder thermische Grenzwerte des Antriebsbatteriepakets 16 während eines Entladevorgangs des Antriebsbatteriepakets 16 modifizieren, wie z.B. in einem Fahrmodus, in dem der/die Traktionsmotor(en) 18 von 1 verwendet werden, um das Kraftfahrzeug 10 in einem Drehmoment- oder Geschwindigkeitsmodus anzutreiben.
Wie oben unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben, können vorbestimmte Batteriefehlerbedingungen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung intermittierende oder anhaltende elektrische Kurzschlussbedingungen innerhalb der entsprechenden Batteriezellen 16C beinhalten, wobei die mehreren Batteriezustandsfunktionen des Logikblocks B52 von 2 möglicherweise eine elektrische Kurzschlussfunktion beinhalten, die den intermittierenden oder anhaltenden elektrischen Kurzschlusszustand anzeigt. Solche Batteriefehlerzustände könnten ebenfalls eine Aktivmaterial-Plattierung der entsprechenden Batteriezellen 16C beinhalten, wobei die mehreren Batteriezustandsfunktionen eine Plattierungsfunktion beinhalten, die ein Niveau der Aktivmaterial-Plattierung in einer solchen Ausführungsform anzeigt.
Andere Beispiele für Batteriefehlerbedingungen beinhalten eine verringerte Energiehaltekapazität der entsprechenden Batteriezellen 16C, wobei die mehreren Batteriezustandsfunktionen des Logikblocks B52 eine Kapazitätsfunktion beinhalten, die die verringerte Energiehaltekapazität anzeigt. Erhöhte oder verringerte Temperaturen der entsprechenden Batteriezellen 16C können ebenfalls ein relevanter Fehlerzustand sein, wobei die Batteriezustandsfunktionen des Logikblocks B52 eine Temperaturfunktion beinhalten, die die erhöhte oder verringerte Temperatur anzeigt. Andere Fehlerzustände, wie z.B. ein Elektrolyt-Leckagezustand der entsprechenden Batteriezellen 16C, könnten ebenfalls berücksichtigt werden, in welchem Fall die Batteriezustandsfunktionen eine Elektrolyt-Leckagefunktion beinhalten können, die den Elektrolyt-Leckagezustand anzeigt.
Das Verarbeiten der Zellenabtastdaten (CC₁₆) durch die oben erwähnten mehreren Batteriezustandsfunktionen des Logikblocks B52 kann das Verarbeiten der Zellenabtastdaten (CC₁₆) und mindestens eines zusätzlichen Antriebsstrang-Steuerfaktors des in 1 dargestellten Kraftfahrzeugs 10 durch einen Arbitrierungs-Logikblock der Steuerung 50 beinhalten, der sich im Logikblock B54 von 3 befinden könnte. Die Steuerung 50 kann in einer solchen beispielhaften Ausführungsform den Nutzungsgrad des Batteriepakets 16 automatisch anpassen, indem es jeder der mehreren Batteriezustandsfunktionen des Logikblocks B52 und dem zusätzlichen Antriebsstrang-Steuerfaktor über den Arbitrierungs-Logikblock ein relatives Gewicht zuweist. Der zusätzliche Antriebsstrang-Steuerfaktor beinhaltet beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Grenzwert für die Lebensdauermodellierung, einen Grenzwert für die Energie-/Regenerationsoptimierung oder eine auf der Navigation/Routenplanung basierende Änderung oder Begrenzung des elektrischen Antriebsstrangs. Das heißt, nicht alle Modifikationen sind per se Grenzwerte. Beispielsweise kann die Steuerung 50 aufgrund einer frühzeitigen Warnung vor einem drohenden oder tatsächlichen Ausfall nur Ladegeräte der Stufe 2 im Vergleich zu Ladegeräten der Stufe 3 ansteuern, oder die Steuerung 50 kann einen anderen Weg zu einer anderen Ladequelle einschlagen. Solche Maßnahmen schützen und erweitern das Batteriepaket 16 indirekt, würden aber vom Benutzer als einfache Routenänderung wahrgenommen werden.
Unter Bezugnahme auf 4 wird das Verfahren 100 gemäß einer Ausführungsform beschrieben, bei der die Steuerung 50 von 1 einen elektrischen Kurzschlusszustand verfolgt. Fachleute werden erkennen, dass auch andere Fehlerzustände überwacht, mit Hilfe der Steuerlogik 50L und 150L verarbeitet und von der Steuerung 50 verwendet werden können, um die Lebensdauer des Antriebsbatteriepakets 16 von 1 im Rahmen der Offenbarung zu verlängern. Daher ist der beispielhafte elektrische Kurzschlussfall zur Veranschaulichung der vorliegenden Lehre gedacht und nicht einschränkend.
Das in 4 dargestellte Verfahren 100 beginnt im Block B102 mit der Erkennung eines elektrischen Kurzschlusszustands durch die Steuerung 50. Wie oben beschrieben, verwendet die Steuerung 50 die Zellenabtastdaten (Pfeil CC₁₆), die über die Zellenabtastschaltung 40 von 1 übermittelt werden, um einen solchen Fehler zu erkennen, z.B. durch Vergleichen von Zellenspannungen oder Spannungstrends/- trajektorien mit einer erwarteten „normalen“/nicht kurzgeschlossenen Spannungsleistung.
Das Verfahren 100 fährt mit Block B104 fort, wenn die Steuerung 50 den elektrischen Kurzschlusszustand erkannt hat.
Block B104 beinhaltet das Bestimmen einer Dauer des in Block B102 erkannten Kurzschlusszustands. Die Steuerung 50 könnte z.B. einen Timer starten, wenn der Kurzschlusszustand erkannt wird, und die im Kurzschluss verstrichene Zeit in seinem Speicher (M) aufzeichnen. Die Steuerung 50 fährt mit Block B105 fort, wenn der Kurzschlusszustand ein anhaltender Kurzschlusszustand ist, d.h., der Kurzschlusszustand dauert mindestens eine kalibrierte Dauer lang an. Das heißt, die Steuerung 50 kann mit einem Zeitschwellenwert programmiert sein, unterhalb dessen der Kurzschluss als vorübergehend und oberhalb dessen der Kurzschluss als anhaltend angesehen wird. Das Verfahren 100 fährt mit Block B105 fort, wenn der Kurzschlusszustand relativ zu einem solchen Zeitschwellenwert andauert, und alternativ mit Block B106, wenn die Steuerung 50 feststellt, dass der Kurzschlusszustand intermittierend ist.
Block B105 von 4 beinhaltet das Auswerten des Schweregrads des anhaltenden elektrischen Kurzschlusses. Beispielsweise kann die Steuerung 50 die Größe des Kurzschlusses mit einem vorgegebenen Wert vergleichen, um festzustellen, ob der Schweregrad hoch oder niedrig ist, wobei ein solcher vorgegebener Wert kalibriert oder möglicherweise kalibrierbar ist, um plattformspezifische Flexibilität zu ermöglichen. In einer beispielhaften Implementierung könnte die Steuerung 50 die Anzahl der Batteriezellen 16C von 1 zählen, die den anhaltenden Kurzschlusszustand erfahren, und diese Anzahl und/oder eine insgesamt verstrichene Zeit unter einem solchen anhaltenden Kurzschlusszustand verwenden, um zu bestimmen, ob der Schweregrad für die Zwecke von Block B105 hoch oder niedrig ist. Das Verfahren 100 fährt mit Block B109 fort, wenn die Steuerung 50 feststellt, dass der Schweregrad des anhaltenden Kurzschlusszustands niedrig ist, und alternativ mit Block B112, wenn der Schweregrad als hoch eingestuft wird.
In Block B106 registriert die Steuerung 50 von 1 in seinem Speicher (M), z.B. als Bitflag oder Diagnosecode, dass der in Block B102 erfasste Kurzschlusszustand intermittierend ist, d.h. nicht kontinuierlich über den in Block B104 wie oben beschrieben ausgewerteten Zeitschwellenwert hinaus. Das Verfahren 100 fährt mit Block B108 fort, wenn die intermittierende Kurzschlussbedingung registriert wurde.
In Block B108, der analog zu dem oben beschriebenen Block B105 ist und daher in ähnlicher Weise ausgeführt werden kann, umfasst das Auswerten des Schweregrads des intermittierenden elektrischen Kurzschlusses. Im Gegensatz zu der in Block B105 vorgenommenen Bewertung der Größe bei der Bestimmung des Schweregrads eines anhaltenden Kurzschlusses können bei der Bewertung in Block B108 jedoch auch andere für die Unterbrechung relevante Faktoren berücksichtigt werden.
Block B109 umfasst das Durchführen einer Steuermaßnahme durch die Steuerung 50 als Reaktion auf die Bestimmung in Block B105, dass ein anhaltender elektrischer Kurzschluss einen objektiv geringen Schweregrad aufweist. Während eines repräsentativen Ladevorgangs des Antriebsbatteriepakets 16 kann dies beispielsweise das Zulassen eines Ladevorgangs bei einem erhöhten Grenzwert des Ladezustands (SOC_LIM) beinhalten. Wenn beispielsweise das Antriebsbatteriepaket 16 bis zu einem SOC-Grenzwert von 10-20 % entladen ist, bevor der Ladevorgang eingeleitet wird, kann die Steuerung 50 in Verbindung mit der externen Ladestation 23 zulassen, dass der Ladevorgang bei einem höheren SOC-Grenzwert fortgesetzt wird, z.B. bei 20-30 % oder einem anderen geeigneten SOC-Wert. Andere Varianten der Ladesteuerung können in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden, um die elektrische Beanspruchung und Belastung des Antriebsbatteriepakets 16 im Vergleich zu den Standard-SOC-Grenzwerten zu verringern, die verwendet werden, um ein Ladeereignis für ein ordnungsgemäß funktionierendes/neues Antriebsbatteriepaket 16 auszulösen. Die Steuermaßnahmen können daher das Modifizieren des Ladeverhaltens der externen Ladestation 23 beinhalten, z.B. eines Ladegeräts der Stufe 1, 2 oder 3.
In den Blöcken B110 und B112, die analog zueinander sind, kann die Steuerung 50 das Laden des Antriebsbatteriepakets 16 durch die oben erwähnte externe Ladestation 23 oder durch das/die Solarpanel(s) 26 verhindern. Block B110 wird beispielsweise erreicht, wenn in den Blöcken B106 und B108 festgestellt wird, dass in einer oder mehreren Batteriezellen 16C des Antriebsbatteriepakets 16 ein intermittierender Fehler von hohem Schweregrad vorliegt. In ähnlicher Weise wird Block B112 als Reaktion auf die Feststellung in den Blöcken B104 und B105 ausgeführt, dass in der/den Batteriezelle(n) 16C ein anhaltender Fehler mit hohem Schweregrad vorliegt.
Die Ladesperre im Zusammenhang mit den Blöcken B 110 und B 112 kann das Deaktivieren der Ladefunktion beinhalten, z.B. durch Aktivierung elektrischer Schütze (nicht dargestellt), um das Antriebsbatteriepaket 16 vollständig zu trennen. Alternativ könnten die Blöcke B110 und B112 eine sehr begrenzte Aufladung bis zu einem niedrigen SOC-Grenzwert, z.B. 50-60 % oder weniger, zulassen, um eine begrenzte Antriebsfähigkeit zu gewährleisten, vielleicht begrenzt auf eine bestimmte Anzahl von Ladezyklen mit entsprechenden Warnungen an den Bediener, bevor die Aufladung deaktiviert wird.
Optional könnte die Steuerung 50 als Teil des Verfahrens 100 konfiguriert sein, automatisch Anforderer von Modifikationen für den Ladeabbruchsgrenzwert (Engl.: Charge Termination Limit, CTL) identifiziert, wie z. B. Ausgangssignale von anderen Komponentensystemen des elektrifizierten Antriebsstrangsystems 11 von 1, z.B. einer Batteriesteuerung oder einem integrierten Fahrzeugsteuermodul (nicht dargestellt). In einer solchen Ausführungsform könnte die Steuerung 50 als Teil der Steuermaßnahmen der Blöcke B109, B10 und B112 zwischen den verschiedenen CTL-Änderungsanforderern vermitteln. Das Vermitteln kann das Auswählen eines niedrigeren Ladegrenzwerts oder, wenn eine solche durch die Ausführung des Verfahrens 100 gefordert wird, möglicherweise auf die Blöcke B110 und B112 zu verzichten, wenn diese externen Anforderer eine höhere Priorität haben. Einige Implementierungen können auch mit der externen Ladestation 23 von 1 zusammenarbeiten, um die Ladegeschwindigkeit des Antriebsbatteriepakets 16 zu begrenzen, z.B. aus Gründen der Langlebigkeit und/oder Zuverlässigkeit. So könnten angepasste Ladegrenzwerte zum Vorteil im Bereich des Ladezustands (SOC) und/oder in Bezug auf die tatsächliche Ladespannung angewendet werden.
Wie der Fachmann in Anbetracht der vorangegangenen Offenbarung erkennen wird, stellt die vorliegende Strategie eine definierte Beziehung zwischen wahrgenommenen elektrischen Fehlern oder anderem abweichenden Zellenverhalten der Batteriezellen 16C und der Nutzbarkeit des in 1 dargestellten Kraftfahrzeugs 10 her. Dies geschieht durch das Beobachten von Zellenparametern über die Steuerung 50 und durch das Erkennen potenzieller ungünstiger Ereignisse, wobei Häufigkeit und Schwere der erkannten Bedingungen berücksichtigt werden, die auf mögliche interne elektrische Kurzschlüsse hinweisen. Die vorliegende Strategie bestimmt somit den Schweregrad von intermittierenden oder anhaltenden Fehlern, wie z.B. den in 4 behandelten beispielhaften internen elektrischen Kurzschlüssen, und Entscheidungen über die Nutzbarkeit des Kraftfahrzeugs 10 darauf, im Gegensatz zu Steuerstrategien, bei denen ein Steuersystem reaktiv Batterieladevorgänge auf der Grundlage eines erkannten Fehlers verhindert.
Solche reaktiven Ansätze können bei alternden Fahrzeugen, die aufgrund natürlicher Schwankungen der Zelldegradation ein ähnliches Zellverhalten aufweisen, ein Problem darstellen. Somit helfen die vorliegenden Lehren, einen Rahmen zu schaffen, in dem die Verfügbarkeit des Kraftfahrzeugs 10 im Antriebs- oder Lademodus erhöht wird, wenn die Steuerung 50 von 1 mehr über die verschiedenen Ausfallmodi und das Verhalten der Batteriezellen 16 während der natürlichen Alterung erfährt. Diese Beziehung wird dann von der Steuerung 50 genutzt, um die Grenzwerte für die Batterienutzung und die Abhilfemaßnahmen so anzupassen, dass die nutzbare Lebensdauer des Batteriepakets 16 verlängert wird, während die festgelegten Betriebsgrenzwerte eingehalten werden. Die vorliegende Offenbarung ermöglicht auch die Anwendung der Zustandsabschätzungen in einer allgemeinen Batterielade-/Nutzungsarbitration, die möglicherweise andere Faktoren einbezieht, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, strategischen Lebensdauerschutz, navigations- bzw. standortbasierte Energieoptimierung, regenerative Bremsoptimierung und/oder Reibungsbremsminimierung. Diese und andere Vorteile werden von Fachleuten in Anbetracht der vorangegangenen Offenbarung leicht erkannt werden.
Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind unterstützend und beschreibend für die vorliegende Lehre, aber der Umfang der vorliegenden Lehre wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen für die Durchführung der vorliegenden Lehre im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen für die Durchführung der vorliegenden Lehren, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind. Außerdem schließt diese Offenbarung ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der oben und unten dargestellten Elemente und Merkmale ein.

Claims

Ein elektrisches Antriebsstrangsystem, umfassend: ein Batteriepaket mit einer Vielzahl von Batteriezellen und einer Zellenabtastschaltung, wobei die Zellenabtastschaltung konfiguriert ist, Zellenabtastdaten für jede einzelne der Batteriezellen zu messen; eine rotierende elektrische Maschine, die elektrisch mit dem Batteriepaket verbunden ist, wobei das Batteriepaket konfiguriert ist, der rotierenden elektrischen Maschine in einem Entlademodus elektrische Energie zuzuführen und in einem Lademodus elektrische Energie von der rotierenden elektrischen Maschine, einer externen Ladestation und/oder einem Solarpanel zu empfangen; und eine Steuerung, die mit der Zellenabtastschaltung und der rotierenden elektrischen Maschine in Verbindung steht, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um: die Zellenabtastdaten für jede der Batteriezellen von der Zellenabtastschaltung zu empfangen, wobei die Zellenabtastdaten eine Zellenspannung, einen Zellenstrom und eine Zellentemperatur beinhalten; die Zellenabtastdaten für jede entsprechende Batteriezelle der Vielzahl von Batteriezellen durch mehrere Batteriezustandsfunktionen zu verarbeiten, um dadurch eine Vielzahl von numerischen Zellendegradationswerten, CDVs, zu erzeugen, wobei die mehreren Batteriezustandsfunktionen kalibrierte Beziehungen der Zellenabtastdaten zu vorbestimmten Batteriefehlerbedingungen sind; und den Nutzungsgrad des Batteriepakets während des Betriebs des Batteriepakets auf der Grundlage der numerischen CDVs automatisch anzupassen.
Das elektrische Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmten Batteriefehlerbedingungen einen intermittierenden oder anhaltenden elektrischen Kurzschlusszustand innerhalb der entsprechenden Batteriezelle beinhalten, und wobei die mehreren Batteriezustandsfunktionen eine elektrische Kurzschlussfunktion beinhalten, die den intermittierenden oder anhaltenden elektrischen Kurzschlusszustand anzeigt.
Das elektrisches Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmten Batteriefehlerzustände einen Aktivmaterial-Plattierungszustand und/oder einen Elektrolyt-Leckagezustand der entsprechenden Batteriezelle beinhalten, und wobei die mehrfachen Batteriezustandsfunktionen eine Plattierungsfunktion, die ein Niveau des Aktivmaterial-Plattierungszustand anzeigt, und/oder eine Elektrolytleckagefunktion, die den Elektrolyt-Leckagezustand anzeigt, beinhalten.
Das elektrische Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmten Batteriefehlerbedingungen eine verringerte Energiehaltekapazität der entsprechenden Batteriezelle beinhalten; und wobei die mehreren Batteriezustandsfunktionen eine Kapazitätsfunktion beinhalten, die die verringerte Energiehaltekapazität anzeigt.
Das elektrische Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei das automatische Anpassen des Nutzungsgrads des Batteriepakets das Modifizieren kalibrierter Ladegrenzwerte, Laderaten und/oder thermischer Grenzwerte des Batteriepakets während eines Ladezyklus des Batteriepakets unter Verwendung der externen Ladestation und/oder des integrierten Solarpanels beinhaltet.
Das elektrische Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist, die Zellenabtastdaten und zumindest einen zusätzlichen Antriebsstrang-Steuerfaktor über einen Arbitrierungs-Logikblock zu verarbeiten, und den Nutzungsgrad des Batteriepakets teilweise automatisch durch Zuordnen eines relativen Gewichts für jede entsprechende der mehreren Batteriezustandsfunktionen und für den zusätzlichen Antriebsstrang-Steuerfaktor über den Arbitrierungs-Logikblock anzupassen.
Das elektrische Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine zusätzliche Antriebsstrang-Steuerfaktor einen Grenzwert für die Lebensdauermodellierung und/oder einen Grenzwert für die Energie-/Regenerationsoptimierung umfasst.
Das elektrische Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die rotierende elektrische Maschine ein elektrischer Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug ist; und wobei der zusätzliche Antriebsstrang-Steuerfaktor eine auf Navigation/Routenplanung basierende Begrenzung des Kraftfahrzeugs beinhaltet, bei der eine Vollladung aufgeschoben wird, bis ein bevorzugter Ladeort erreicht ist.
Das elektrische Antriebsstrangsystem nach Anspruch 1, wobei die rotierende elektrische Maschine ein elektrischer Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug ist; und wobei die Steuerung konfiguriert ist, automatisch Anforderer von Modifikationen des Ladeabbruchsgrenzwerts, CTL, zu identifizieren und danach zwischen den Anforderern von Modifikationen des CTL zu vermitteln.