DE102022117000A1 - Batterielademanager - Google Patents

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Uwe Müller
Thomas Kraus
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Daimler Truck AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Batterielademanager (2) für ein Fahrzeug (5), umfassend:- eine Batterie (4), und- einen als LIN-Generator ausgebildeten Generator (3), wobei der Batterielademanager (2) eingerichtet ist:- die Batterie (4) durch einen Ladezyklus zu fahren,- den Generator (3) basierend auf erfassten Batteriegrößen zu steuern, um die bestimmte Ladespannung und/oder den bestimmten Ladestrom einzustellen, wobei der Batterielademanager (2) angepasst ist,- mit einem Konstantstrommodul eine erste Phase (P1) innerhalb des Ladezyklus bereitzustellen, in der ein Konstantstrom (I_ConstCurr) nutzungsabhängig, insbesondere adaptiv über Fahrerkartendaten und/oder Ladezeiten pro Tag, ist- mit einem Konstantspannungsmodul eine zweite Phase (P2) innerhalb des Ladezyklus bereitzustellen, wobei der Batterielademanager (2) ferner umfasst:- ein Erhaltungsspannungsmodul zum Laden der Batterie (4) mit abgesenkter, temperaturabhängiger Ladespannung (U_Batt) in einer dritten Phase (P3),- ein Rekuperationsmodul (9) zum Laden der Batterie (4) im Fahrzeugschubbetrieb und stromgeregelt zum Nichtladen oder aktiven Entladen der Batterie (4) im Fahrzeugzugbetrieb in einer vierten Phase (P4),- ein Zustands-Koordinationsmodul (12) zum Steuern von Übergängen zwischen den Phasen (P1 bis P4) ohne starre Zeitvorgaben abhängig vom Zustand der Batterie (4).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Batterielademanager für eine Fahrzeugbatterie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In modernen Kraftfahrzeugen mit hohem Ruhestrombedarf durch Komfortsysteme, und in Nutzfahrzeugen mit sogenanntem Wohnstrombedarf, in Vans, Wohnmobilen o.ä. Fahrzeugen, in denen bei nicht laufendem Motor oder DC/DC-Wandler (also inaktiver Nachladung) der Strombedarf aus Batterien gespeist wird, entsteht zwischen den Ladephasen in der Regel eine nicht unerheblich tiefe Entladung der Batterien, welche während der Betriebsphase wieder voll aufgeladen werden müssen. Bei den bisher im Kraftfahrzeugbereich verwendeten Ladeverfahren wird der Ladestrom nur durch die Kapazität des Generators, dem Innenwiderstand der Batterie und dem variablem Widerstand des Bordnetzes begrenzt. Eine nicht stromgeführte Ladung führt in der Regel bei nahezu allen Batterietechnologien zu erhöhter Alterung. Zudem steigt die Verlustleistung in Form von Erwärmung der Batterie beim Laden mit dem Strom im Quadrat, was zu einer deutlichen Ineffizienz und somit zu erhöhtem Primärenergiebedarf bei diesen Ladeverfahren führt. Bekannte und optimalere Ladeverfahren wie die sogenannte „IUoU-Lade Kennlinie“ kommen bisher nur in stationären Ladegeräten oder Systemen mit wenig variablem Strombedarf zur Anwendung. Für die Verwendung in einem Fahrzeugbordnetz gibt es zwei Hauptprobleme, die das Laden nach der IUoU-Kennlinie deutlich erschweren. Zum einen liefert der Generator und/oder DC/DC-Wandler aufgrund seiner drehzahlabhängigen Leistungskennlinie nicht immer zuverlässig die nötige Leistung, um die Batterie strikt nach Vorgabe-Kennlinie zu laden. Oder der DC/DC-Wandler liefert aufgrund leerer HV-Batterien unzureichende/begrenzte Leistung. Dadurch kann häufig je nach Phase entweder der Vorgabestrom (I-Phase) oder die Vorgabespannung (Uo/U-Phase) nicht eingehalten werden. Herkömmliche Regler würden hier nachregeln, obwohl der Generator nicht im Stande ist, mehr Leistung zu liefern. Zweitens sind die Verbraucher im Bordnetz sehr stark variabel und benötigen sehr viel Strom. Dies führt zu einem starken Spannungsabfall zwischen Generator oder DC/DC-Wandler und Batterie, wodurch die Batterie nicht immer mit der optimalen Spannung geladen wird.
  • Bei Ladereglern in Autobatterieladegeräten oder Telefonladegeräten wird häufig die strom- und spannungsgeregelte IUoU-Kennlinie angewandt, um das jeweilige Batteriesystem schnell und schonend zu laden. Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, dass sie nicht in Echtzeit auf stark volatile Systeme wie Fahrzeugbordnetze ausgelegt sind. Sie bedingen eine konstante Quelle die stets über ausreichend Leistung verfügt, um das System optimal zu laden. In Kraftfahrzeugen hat das Laden mit einer strom-und spannungsgeregelten Kennlinie bisher keinen Einzug gehalten. Es werden stattdessen Ladefunktionen mit Konstant-Spannungen angewandt. Bekannt ist auch das Laden mit temperaturabhängigen Konstantladespannungen oder das selektive Absenken und Erhöhen der Ladespannungen bei Zug- oder Schubbetrieb.
  • GB 2518759 A beschreibt ein Batteriemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Batterie mit mehreren Batteriezellen, einem elektronischen Steuergerät für Kraftfahrzeuge mit Mitteln zum Erfassen von Batteriegrößen, wie des Batterie-Klemmenstroms, der Batterieklemmenspannung und einer gemessenen oder geschätzten Batterie- oder Batteriekastentemperatur. Eine Fahrzeuglichtmaschine liefert eine Regelspannung, und die Fahrzeugelektronik-Steuereinheit steuert die Batterie durch einen Ladezyklus. Die Fahrzeugelektronik-Steuereinheit ist dafür ausgelegt, die Regelspannung basierend auf den erfassten Batteriegrößen zu steuern. Das Batteriemanagementsystem kann einen vierstufigen Ladezyklus verwenden, der eine Konstantstromstufe, eine Konstantspannungsstufe und eine Ausgleichsstufe und eine Erhaltungsstufe beinhaltet. Ein Verfahren zum Schätzen der Fahrzeugbatteriekapazität und ein Verfahren zum Verwalten einer Fahrzeugbatterie durch Einspeisen von Metriken über ein drahtloses Netzwerk werden ebenfalls beschrieben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Batterielademanager für eine Fahrzeugbatterie anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Batterielademanager mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein erfindungsgemäßer Batterielademanager für ein Fahrzeug umfasst:
    • - mindestens eine Batterie mit mehreren Batteriezellen,
    • - Mittel zum Erfassen von Batteriegrößen, umfassend einen Ladestrom, eine Ladespannung, Batterieladehöhe und eine Batterietemperatur, und
    • - einen Generator (insbesondere bei einem Verbrennerfahrzeug) oder einen Spannungswandler, beispielsweise einen DC/DC-Wandler (insbesondere bei einem batterieelektrischen Fahrzeug - BEV),
    wobei der Batterielademanager eingerichtet ist:
    • - die Batterie durch einen Ladezyklus zu fahren, in dem der Batterie eine bestimmte Ladespannung und/oder ein bestimmter Ladestrom zugeführt wird, um die Batterie zu laden,
    • - den Generator oder Spannungswandler basierend auf den erfassten Batteriegrößen zu steuern, um die bestimmte Ladespannung und/oder den bestimmten Ladestrom einzustellen, wobei der Batterielademanager angepasst ist,
    • - mit einem Konstantstrommodul eine erste Phase innerhalb des Ladezyklus bereitzustellen, wobei die Batterie mit einem Konstantstrom bis zum Erreichen einer Vollladungsspannung geladen wird,
    • - mit einem Konstantspannungsmodul eine zweite Phase innerhalb des Ladezyklus bereitzustellen, wobei die Batterie mit einer konstanten Ladespannung auf einen zweiten Ladezustand geladen wird, während überwacht wird, dass der Batteriestrom innerhalb einer vordefinierten Grenze bleibt.
  • Erfindungsgemäß ist der Generator oder Spannungswandler steuerbar ausgebildet, wobei in der ersten Phase der Konstantstrom nutzungsabhängig, insbesondere adaptiv über Fahrerkartendaten und/oder Ladezeiten pro Tag, ist, wobei der Batterielademanager ferner umfasst:
    • - ein Motorstartmodul zur Entregung des Generators, falls vorgesehen, zur Unterstützung des Motorstarts und zur anschließenden, zeitverzögerten Messung einer Leerlaufspannung,
    • - ein Erhaltungsspannungsmodul, das in einer dritten Phase zum Laden der Batterie mit abgesenkter, temperaturabhängiger Ladespannung konfiguriert ist,
    • - ein Entregungsmodul, das zum Ermitteln der Leerlaufspannung durch Absenken der Zielspannung und/oder Vorgabespannung des Generators oder des DC/DC-Wandlers unter die Leerlaufspannung bei Aufrechterhaltung der Erregung des Generators konfiguriert ist,
    • - ein Rekuperationsmodul, das in einer vierten Phase zum Laden der Batterie im Fahrzeugschubbetrieb und stromgeregelt zum Nichtladen oder aktiven Entladen der Batterie im Fahrzeugzugbetrieb konfiguriert ist,
    • - ein Drehzahlanpassungsmodul, das dazu konfiguriert ist, im Stillstand des Fahrzeugs bei aktivierter Feststellbremse, gewähltem neutralen Gang und fehlerfreiem Lauf des Motor, bei Erkennung einer Entladung der Batterie bei ausgelastetem Generator eine Drehzahl des Generators soweit anzuheben, dass die Batterie zumindest nicht mehr entladen wird,
    • - ein Zustands-Koordinationsmodul zum Steuern von Übergängen zwischen den Phasen ohne starre Zeitvorgaben abhängig vom Zustand der Batterie.
  • Der Batterielademanager dient der aktiven Steuerung des Ladevorgangs und/oder Entladevorgangs von Fahrzeugbatterien, insbesondere Blei-Säure-Batterien. Das Ziel ist es, die Fahrzeugbatterien effizient und schonend zu laden, deren Ladung zu erhalten und eine vorzeitige oder durch den Ladevorgang hervorgerufene Alterung zu vermeiden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Laderegler implementiert werden, welcher neben den Regelgrößen Strom und/oder Spannung zusätzlich die Auslastung des Generators oder der Quelle (beispielsweise des Spannungswandlers) als Eingangsgröße verwendet. Ferner kann das Nachregeln des Ladereglers bei ausgelasteter Ladequelle verhindert werden. Weiter kann eine aktive Beeinflussung des Arbeitspunktes der Ladequelle, beispielsweise durch aktive Drehzahlanhebung oder -absenkung, erfolgen. Ferner kann eine intelligente Spannungskompensation (Unterscheidung zwischen Bordnetzschwankung und Spannungsabfall) zur Kompensation des Spannungsabfalles zwischen Generator oder Spannungswandler, beispielsweise DC/DC-Wandler, und Batterie implementiert werden. Darüber hinaus kann die Regler-Güte durch Ermittlung der Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage - OCV) im Ladebetrieb durch situationsgesteuertes Variieren der Ladespannung erhöht werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Erhöhung der Lebensdauer der Fahrzeugbatterien durch schonendes und bedarfsgerechtes Laden der Batterie erreicht. Ferner wird ein energieeffizientes Laden der Fahrzeug-Batterien durch Reduzierung der Verlustwärme während des Ladevorgangs erzielt. Darüber hinaus ergibt sich eine Reduzierung der Ladezeiten bis zur Vollladung durch intelligentes Umschalten zwischen erhöhter Ladespannung in der Volladephase und reduzierter Ladespannung in der Erhaltungsladungsphase unabhängig von der Lenkzeit des Fahrzeugs.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Regelkreises mit einem Batterielademanager,
    • 2 eine weitere schematische Ansicht des Regelkreises,
    • 3 eine schematische Ansicht des Batterielademanagers in Form einer Funktionsskizze einer Reglersoftware, und
    • 4 eine schematische Ansicht einer IUoU-Kennlinie.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Regelkreises 1 mit einem Batterielademanager 2, der für die aktive Steuerung eines Ladevorgangs und, mit gewissen Einschränkungen, auch für die Steuerung eines Entladevorgangs einer Batterie 4 eines Fahrzeugs 5 verwendbar ist. 2 ist eine weitere schematische Ansicht des Regelkreises 1. 3 ist eine schematische Ansicht des Batterielademanagers 2 in Form einer Funktionsskizze einer Reglersoftware.
  • Ermöglicht werden diese Aufgaben durch einen steuerbaren Aktor (nicht dargestellt), beispielsweise einen Verbrennungsmotor, einen steuerbaren Generator 3, der es dem Batterielademanager 2 ermöglicht, eine Vorgabe- und/oder Zielspannung LinGen_U_nom für den Generator 3 oder für einen Spannungswandler, insbesondere einen DC/DC-Wandler, und damit eine Ladespannung U_batt in Abhängigkeit von einem Batteriestatus und einer aktuellen Fahrsituation aktiv zu verändern. Durch die Veränderung der Vorgabe- und/oder Zielspannung LinGen_U_nom kann der Ladevorgang und der Entladevorgang der Batterie 4 im Fahrzeugbetrieb direkt gesteuert werden. Zusätzlich kann bei Verbrennerfahrzeugen im Stand die Drehzahl n, insbesondere Leerlaufdrehzahl des Fahrzeugs 5 durch Vorgabe einer Ziel-Drehzahl n_Target erhöht werden, um die Leistung des LIN-Generators 3 drehzahlabhängig zu steigern.
  • Folgende Führungsgrößen F können dem Batterielademanager 2 zugeführt werden:
    • - Batterietyp, beispielsweise AGM oder Blei,
    • - Batterieparameter, beispielsweise Innenwiderstand und Leerlaufspannung,
    • - Lenkzeit des Fahrzeugs 5, beispielsweise aus einem Tachographen 11
    • - Schubbetrieb oder Zugbetrieb des Fahrzeugs 5,
    • - aktuell eingelegter Gang oder Fahrstufe,
    • - Status einer Parkbremse,
    • - Bewegungsstatus des Fahrzeugs 5,
    • - Zündungsstatus des Fahrzeugs 5,
    • - Motorstatus des Fahrzeugs 5,
  • Folgende Regelgrößen können vom Batterielademanager 2 geregelt werden:
    • - Vorgabe- und/oder Zielspannung LinGen_U_nom des Generators 3 oder Spannungswandlers,
    • - Ladestrom I_Batt der Batterie 4,
    • - Ladespannung U_Batt der Batterie 4,
    • - Drehzahl n des Motors des Fahrzeugs 5 und damit auch des Generators 3,
  • Neben diesen Regelgrößen können weitere Istwerte IW im Regelkreis 1 zum Batterielademanager 2 zurückgeführt werden, insbesondere:
    • - Verfügbare oder maximale Batterieladekapazität, aktueller Ladezustand oder Restkapazität,
    • - Batterietemperatur,
    • - Ladestand SOC, Alterungszustand (SOH), aktueller Innenwiderstand der Batterie 4,
    • - Zuverlässigkeit der Messung und/oder Schätzung (BCI - Battery Confidence Index),
    • - Auslastung WL des Generators 3,
    • - Drehzahl n.
  • Als Störgrößen SG können ferner eine Außentemperatur und die Entladung der Batterie 4 berücksichtigt werden.
  • Auf diese Weise wird eine Regelung eines durch die Batterie 4 bestimmten Ladeverhaltens realisiert, um eine optimierte Ladekurve zur Verbesserung der Standzeit der Batterie 4 und ihres mittleren Alterungszustands zu erreichen.
  • Der Batterielademanager 2 weist mehrere Module und/oder Unterfunktionen auf, um die Verwendbarkeit des Batterielademanager 2 für eine Vielzahl von Fahrzeugprojekten zu ermöglichen und darüber hinaus die Möglichkeit zu eröffnen, bestimmte Zusatzfunktionen zu monetarisieren.
  • Der Batterielademanager 2 weist eine Hauptladefunktion auf, die als Standard-Ladefunktion dient, die in allen normalen Anwendungsfällen das Laden der Batterie 4 übernimmt. Zusätzliche Funktionsmodule wie Boost-Mode, Recuperation-Mode oder Standstill-RPM-Boost ergänzen die Ladefunktion des Batterielademanagers 2 in verschiedenen speziellen Anwendungsfällen. Ferner weist der Batterielademanager 2 einen Laderegler 6 auf.
  • Kernfunktion des Batterielademanagers 2 ist das Laden der Batterie 4 nach der IUoU-Kennlinie. 4 ist eine schematische Ansicht einer IUoU-Kennlinie. Bisher wurde das Laden von Batterien 4 in Fahrzeugen auf Basis des Konstantspannungsladens durchgeführt, was jedoch bei niedrigem Ladestand SOC der Batterie 4 zu sehr hohen Ladeströmen und somit zu vorzeitiger Alterung der Batterie 4 und hoher Verlustleistung führt. Die IUoU-Ladung verhindert dies durch Begrenzung des Ladestroms I_Batt in einer ersten Phase P1. Dies führt zu niedrigeren Temperaturen, vermeidet die Gasbildung in der Batterie 4 und ermöglicht eine insgesamt schonendere Ladung. Mit steigendem Ladestand SOC werden höhere Ladespannungen U_Batt benötigt, um den konstanten Ladestrom I_Batt aufrechtzuerhalten. Wenn die Ladespannung U_Batt einen vorbestimmten Wert überschreitet, wird eine zweite Phase P2 eingeleitet. In der zweiten Phase P2 wird die Batterie 4 mit einer erhöhten Ladespannung U_Batt geladen, um den Ladestand SOC auf sehr hohe Werte anzuheben. Dieser Modus wird so lange aufrechterhalten, bis ein Schwellenwert für den Ladestand SOC überschritten wird oder der Batteriestrom I_Batt unter ein definiertes Minimum fällt. In der folgenden Phase P3 wird die Ladespannung U_Batt auf einen Erhaltungsspannungswert abgesenkt, der beliebig lange gehalten werden kann, ohne die Batterie 4 zu beschädigen. Die Spannungswerte für Lade- und Erhaltungsspannung werden temperaturabhängig ermittelt.
  • Das Laden mittels der IUoU-Kennlinie bringt in Kraftfahrzeugen mit motorseitig angetriebenen Generatoren 3 Schwierigkeiten mit sich. Der Generator 3 liefert nicht immer die nötige Leistung, um die Batterie 4 wie gewünscht zu laden. Die maximal mögliche Leistungsabgabe des Generators 3 ist abhängig von der Drehzahl n des Motors, welche wiederum von der jeweiligen Fahrsituation abhängt. Bei Verwendung eines Spannungswandlers, insbesondere DC/DC-Wandlers statt eines Generators 3 ist die Situation ähnlich: Der Spannungswandler begrenzt die Leistung sobald das Gebernetz unter eine Minimalspannung fällt. Auf diese Weise wird die Gebernetzspannung zur Vermeidung des Nachregelns bei gedeckelter Leistung (z.B. bei einem Elektro-Fahrzeug mit leerer Hochvolt-Batterie) überwacht. Diesem Effekt wird durch Überwachung der Auslastung WL des Generators 3 entgegengewirkt. Damit der Laderegler 6 trotz fehlender Ladeleistung nicht nachregelt, wird die Auslastung WL des Generators 3 überwacht. Bei voller Auslastung WL wird gewartet, bis der Generator 3 wieder ausreichend Leistung liefern kann, bevor der Laderegler 6 weiter betrieben wird. Dies ist wichtig, da es sonst zu starken Ladestromspitzen in Form von Überschwingern und somit einer hohen Belastung der Batterie 4 kommt.
  • Weiterhin entsteht ein ladestromabhängiger Spannungsabfall zwischen der Vorgabe- und/oder Zielspannung LinGen_U_nom des Generators 3 oder des Spannungswandlers und der Batteriespannung U_batt, der bisher nicht zufriedenstellend kompensiert werden konnte, da beim Betrieb in niedrigen Drehzahlbereich und bei hohem Ladestrom I_Batt die Bordnetzspannung oftmals absinkt und es so zu einer Überregelung der Kompensationsspannung kommt. Die Möglichkeit der direkten Kompensation durch den Generator 3 mittels einer Sense-Leitung vom Generator 3 zur Batterie 4 wird in der Regel aus Kostengründen nicht durchgeführt. Damit die vorgegebene Ladespannung U_Batt an der Batterie 4 anliegt, wird weiterhin der Spannungsabfall zwischen Generator 3 und Batterie 4 überwacht. Sollte die gewünschte Ladespannung U_Batt nicht an der Batterie 4 anliegen, wird die Spannung am Generator 3 angepasst, bis die Batterie 4 mit der gewünschten Ladespannung U_Batt geladen wird. Dies erfolgt ebenfalls nur, solange sicher detektiert wird, dass sich der Generator 3 in einem Arbeitsbereich befindet, in dem er diese Spannungsdifferenz auch nachregeln kann. Sollte durch unzureichende Generatorleistung infolge niedriger Drehzahl n und hoher Bordnetzlast die Batterieklemmenspannung absinken, wird die Spannungsdifferenz nicht ausgeregelt und so ein Überschwingen oder fehlerhaftes Regeln verhindert.
  • Das Ziel des Batterielademanagers 2 ist es, Batterien 4 von Fahrzeugen effizient und schonend zu laden, deren Ladung zu erhalten und eine vorzeitige oder durch den Ladevorgang hervorgerufene Alterung zu vermeiden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird der Batterieladeprozess so optimiert, dass er die folgenden Anforderungen erfüllt:
    • - Begrenzung des Ladestroms I_Batt, wenn der Ladestand SOC der Batterie 4 niedrig ist.
    • - Laden der Batterie 4 mit konstanter Ladespannung U_Batt bei mittlerem Ladestand SOC und Vermeiden von häufigen Ladeunterbrechungen, wie sie z. B. beim Rekuperationsladen (Phase P4) auftreten können.
    • - Vermeiden von aktiver Entladung oder Tiefentladungen, z. B. in der Motorleerlaufphase mit hoher Leistungsaufnahme eines externen elektrischen Verbrauchers.
    • - Vermeiden von hohen Ladeströmen I_Batt bei niedriger Temperatur.
    • - Vermeiden von andauerndem Laden voller Batterien 4 mit zu hohen Ladespannungen U_Batt, dadurch Vermeiden von „Gasung“.
    • - Vermeiden von zu häufigen kurzen Ladezyklen („Mikrozyklen“), die z.B. beim Rekuperationsladen P4 insbesondere im Stadtverkehr auftreten können.
    • - Vermeiden von stationären Batteriezuständen bei hohen Ladeständen, indem von Zeit zu Zeit Rekuperation ermöglicht wird (Reaktivieren der Batterie 4).
  • Alle Module des Batterielademanagers 2 sind hinsichtlich ihrer Funktion sowie Vorgabewerte und Aus- und Eintrittsbedingungen parametrierbar. Allen Spannungen liegt eine Temperaturkennlinie zugrunde, um der temperaturabhängigen Ladeakzeptanz der Batterien 4 Rechnung zu tragen. Dem Batterielademanager 2 wird hierzu eine Temperatur, beispielsweise eine Außentemperatur Tenv und/oder eine Batterietemperatur Tbat, als Eingangsgröße zugeführt.
  • Der Batterielademanager 2 umfasst ein Motorstartmodul (Deenergize Crank), dessen Aufgabe die Entregung des Generators 3 zur Unterstützung des Motorstarts und anschließender, zeitverzögerter Messung der Leerlaufspannung (Open Current Voltage - OCV) ist. Die Leerlaufspannung dient als Startwert des folgenden Stromreglers 7.
  • Die Eingangsbedingung für den Start des Motorstartmoduls ist ein Motorstart. Die Austrittsbedingung für das Motorstartmodul ist, dass eine Zeitverzögerung abgelaufen ist, nachdem der Motor läuft und die Zündung eingeschaltet ist.
  • Der Batterielademanager 2 umfasst ferner ein Konstantstrommodul (Constant Current), das für die erste Phase P1 der Ladekennlinie mit Begrenzung des Ladestroms I_Batt auf einen parametrierten Wert und Nachregeln der Ladespannung U_Batt bis zum Erreichen der Volladungsspannung konfiguriert ist. Die Eingangsbedingung für den Start des Konstantstrommoduls ist, dass das Motorstartmodul (Deenergize Crank) verlassen wurde, der Motor läuft und die Zündung angeschaltet ist. Die Austrittsbedingung des Konstantstrommoduls ist das Erreichen einer maximalen Ladespannung U0(T).
  • Der eingestellte Konstantstrom I_ConstCurr kann nutzungsabhängig sein, beispielsweise adaptiv über Fahrerkartendaten/Ladezeiten pro Tag. Das Konstantstrommodul ist ein lernendes und/oder adaptives Modul, welches die nutzungsabhängige durchschnittliche Ladezeit (Verteiler/Fernverkehr...) sowie den Energiebedarf außerhalb der Ladezeiten ermittelt. Darauf wird die Höhe des optimalen Ladestroms I_Batt in dieser Phase P1 bestimmt. Bei geringer Fahrzeugnutzungszeit (Ladezeit) kann ein höherer zulässiger Ladestrom I_Batt vorgegeben werden. Bei höherer durchschnittlicher Ladezeit kann ein niedriger Ladestrom I_Batt vorgegeben werden.
  • Der Batterielademanager 2 umfasst ferner ein Konstantspannungsmodul (Constant Voltage), das für die zweite Phase P2 der Ladekennlinie zum Laden der Batterie 4 mit erhöhter, temperaturabhängiger Ladespannung U_Batt bis annähernd zur Vollladung konfiguriert ist. Ziel ist es, die Batterie 4 so voll wie möglich zu laden, Überladung oder Gasung jedoch zu verhindern. Bei kalten Temperaturen und schlechter Ladeakzeptanz kann dieser Status dauerhaft anliegen. Die Eingangsbedingung für den Start des Konstantspannungsmoduls ist, dass das Konstantstrommodul (Constant Current), das heißt die Phase P1, abgeschlossen wurde, oder dass die dritte Phase P3 durch Zeitüberschreitung oder Ladezustandsunterschreitung verlassen wurde. Die Austrittsbedingung des Konstantspannungsmoduls ist das Erkennen einer vollgeladenen Batterie 4 durch Unterschreiten eines geringen Ladestromes I_Batt oder das Erreichen eines Mindest-Ladestandes oder das Erreichen einer maximalen Ladedauer in diesem Zustand.
  • Der Batterielademanager 2 umfasst ferner ein Erhaltungsspannungsmodul (Float Voltage), das in der dritten Phase P3 zum Laden der Batterie 4 mit abgesenkter, temperaturabhängiger Ladespannung U_Batt, einer sogenannten Erhaltungsladung, konfiguriert ist. Die dritte Phase P3 wird bei Unterschreiten eines bestimmten Ladestandes SOC oder nach Erreichen einer Maximaldauer wieder verlassen und die zweite Phase P2 wird wieder aktiviert. Die Eingangsbedingung für den Start des Erhaltungsspannungsmoduls ist, dass das Konstantspannungsmodul (Constant Voltage), das heißt die zweite Phase P2, abgeschlossen wurde. Die Austrittsbedingung ist das Unterschreiten eines Mindest-Ladestandes der Batterie 4, eine maximale Zeitdauer der Phase P3 oder die Erfüllung von Bedingungen für die Rekuperation nach dem Ablauf einer Mindest-Ladedauer in Phase P3.
  • Der Batterielademanager 2 umfasst ferner ein Entregungsmodul 8 (Deenergize OCV). Dabei wird die Leerlaufspannung vor dem Rekuperationsmodus durch Absenken der Vorgabe- und/oder Zielspannung LinGen_U_nom unter die Leerlaufspannung bei Aufrechterhaltung der Erregung des Generators 3 ermittelt. Auf diese Weise kann im Fehlerfall ein Stützen des Bordnetzes jederzeit sichergestellt werden. Die ermittelte Leerlaufspannung wird als Initial-0A-Wert des Stromreglers 7 für die Stromregelung während Rekuperations-Zugphasen genutzt. Die Eingangsbedingung für den Start des Entregungsmoduls 8 ist, dass das Erhaltungsspannungsmodul, das heißt die Phase P3, abgeschlossen ist. Die Ausgangsbedingung ist die Erfüllung einer Mess-Zeitdauer.
  • Der Batterielademanager 2 umfasst ferner ein Rekuperationsmodul 9 (Recuperation Mode). Dieses hat das Ziel, in einer vierten Phase P4 Energie und/oder Kraftstoff zu sparen, indem im Fahrzeugschubbetrieb die Batterie 4 geladen und im Fahrzeugzugbetrieb die Batterie 4 nicht geladen oder durch das Bordnetz aktiv entladen wird. Der Generator 3 wird in der Zugphase auf eine bestimmte Spannungsgrenze geregelt, die abhängig vom festgelegten maximalen Entladestrom ist, welcher in der Zugphase zugelassen wird. Die Rekuperationsfunktion im Batterielademanager 2 wird geschwindigkeitsabhängig aktiviert und deaktiviert, um Batteriebelastung durch hohe Schub/Zug-Zyklen (Push-Pull) im Stadtverkehr zu vermeiden. Sie wird zudem nur bei einer bestimmten Temperatur, bei bestimmtem Ladezustand (SOC), Gesundheitszustand (SOH), bestimmter Batteriesensor-Konfidenz und nur für eine bestimmte Zeit aktiviert. Die Eingangsbedingung für das Rekuperationsmodul 9 ist, dass das Entregungsmodul 8 beendet ist. Die Ausgangsbedingung ist das Unterschreiten eines bestimmten Ladezustands (SOC) oder das Erreichen einer maximalen Rekuperationsdauer.
  • Die Rekuperationsphase ist im Zugmodus stromgeregelt, das heißt, dass der Ladestrom I_Batt bei Spannungsabsenkung im Schubbetrieb auf einen für den jeweiligen Batterietyp optimalen Strom geregelt wird, da so der beste Kompromiss zwischen Kraftstoffersparnis und der Zyklenfestigkeit der Batterie 4 je nach verwendetem Batterietyp erreicht wird und die Schub/Zug-Phase (PP) zur Aktivierung der Batterie 4 und zur Verhinderung der Verfestigung (Vorstufe zur Sulfatierung) genutzt wird.
  • Der Batterielademanager 2 umfasst ferner ein Drehzahlanpassungsmodul 10 (RPM Raise/Hold/Idle/Reduce), das bei Verbrennerfahrzeugen parametrierbar sein kann. Voraussetzung zur Aktivierung dieser Funktion ist, dass das Fahrzeug 5 im Stillstand ist, eine Feststellbremse aktiviert ist, ein neutraler Gang oder eine neutrale Fahrstufe gewählt ist und dass der Motor fehlerfrei läuft. Diese Funktion stellt sicher, dass bei im Leerlauf laufendem Motor die Batterie 4 bestenfalls optimal geladen aber mindestens nicht entladen wird. Wird eine Entladung der Batterie 4 bei gleichzeitig voll ausgelastetem Generator 3 erkannt, so wird die Drehzahl n in kleinen Schritten soweit erhöht, bis das System eine ausreichende Generatorunterstützung erkennt. Die Anhebung der Drehzahl n ist dabei strombedarfsabhängig, überschreitet aber niemals eine bestimmte parametrierte Grenze, bei der der Generator 3 sicher volle Leistung liefert. Darüber hinaus wird bei einer sehr stark entladenen Batterie 4 bei Bedarf die Drehzahl n soweit erhöht, dass ein Sollvorgabestrom im Konstantstrommodul (Constant Current) erreicht wird. Dies reduziert Standladezeiten während Wochenendübernachtungen deutlich. Die Funktion wird unmittelbar abgebrochen, sobald eine Aktivierungsbedingung wegfällt, und aktiviert sich nur erneut innerhalb eines Zündungszyklus wenn erkannt wird, dass das Fahrzeug 5 bewegt wird. Ferner ist ein Diagnosemodul 13 zur Diagnose und/oder Fehleranalyse und/oder zur Fehlerbehandlung, beispielsweise bei CAN-Ausfall, vorgesehen. Weiter ist ein Boost-Modul 14 vorgesehen, das in der zweiten Phase P2 zur Spannungsanhebung dient.
  • Die Übergänge zwischen den Phasen P1 bis P4 und Modulen werden von einem Zustands-Koordinationsmodul 12 koordiniert. Die Bedingungen der Übergänge zwischen den Phasen P1 bis P4 sind batteriegesteuert und ohne starre Zeitvorgaben, diese werden abhängig vom Zustand der Batterie 4 eingestellt, beispielsweise in Abhängigkeit von:
    • - Ladestand SOC,
    • - Gesundheitszustand (SOH),
    • - Batterietemperatur TBat,
    • - Ladestrom I_Batt,
    • - Fahrzeuggeschwindigkeit,
    • - Auslastung WL des Generators 3.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • GB 2518759 A [0004]

Claims (5)

  1. Batterielademanager (2) für ein Fahrzeug (5), umfassend: - mindestens eine Batterie (4) mit mehreren Batteriezellen, - Mittel zum Erfassen von Batteriegrößen, umfassend einen Ladestrom (I_Batt), eine Ladespannung (U_Batt) und eine Batterietemperatur (Tbat), und - einen Generator (3) oder einen DC/DC-Spannungswandler, wobei der Batterielademanager (2) eingerichtet ist: - die Batterie (4) durch einen Ladezyklus zu fahren, in dem der Batterie (4) eine bestimmte Ladespannung und/oder ein bestimmter Ladestrom zugeführt wird, um die Batterie (4) zu laden, - den Generator (3) oder DC/DC-Spannungswandler basierend auf den erfassten Batteriegrößen zu steuern, um die bestimmte Ladespannung und/oder den bestimmten Ladestrom einzustellen, wobei der Batterielademanager (2) angepasst ist, - mit einem Konstantstrommodul eine erste Phase (P1) innerhalb des Ladezyklus bereitzustellen, wobei die Batterie (4) mit einem Konstantstrom (I_ConstCurr) bis zum Erreichen einer Vollladungsspannung geladen wird, - mit einem Konstantspannungsmodul eine zweite Phase (P2) innerhalb des Ladezyklus bereitzustellen, wobei die Batterie (4) mit einer konstanten Ladespannung (U_Batt) auf einen zweiten Ladezustand geladen wird, während überwacht wird, dass der Batteriestrom (I_Batt) innerhalb einer vordefinierten Grenze bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Phase (P1) der Konstantstrom (I_ConstCurr) nutzungsabhängig, insbesondere adaptiv über Fahrerkartendaten und/oder Ladezeiten pro Tag, ist, wobei der Batterielademanager (2) ferner umfasst: - ein Motorstartmodul zur Entregung des Generators (3) zur Unterstützung des Motorstarts und zur anschließenden, zeitverzögerten Messung einer Leerlaufspannung, wenn das Fahrzeug als ein Verbrennerfahrzeug ausgebildet ist, - ein Erhaltungsspannungsmodul, das in einer dritten Phase (P3) zum Laden der Batterie (4) mit abgesenkter, temperaturabhängiger Ladespannung (U_Batt) konfiguriert ist, - ein Entregungsmodul (8), das zum Ermitteln der Leerlaufspannung durch Absenken der Vorgabe- und/oder Zielspannung (LinGen_U_nom) des Generators (3) oder des DC/DC-Wandlers unter die Leerlaufspannung bei Aufrechterhaltung der Erregung des Generators (3) konfiguriert ist, - ein Rekuperationsmodul (9), das in einer vierten Phase (P4) zum Laden der Batterie (4) im Fahrzeugschubbetrieb und stromgeregelt zum Nichtladen oder aktiven Entladen der Batterie (4) im Fahrzeugzugbetrieb konfiguriert ist, - ein Drehzahlanpassungsmodul (10), das dazu konfiguriert ist, im Stillstand des Fahrzeugs (5) bei aktivierter Feststellbremse, gewähltem neutralen Gang und fehlerfreiem Lauf des Motors, bei Erkennung einer Entladung der Batterie (4) bei ausgelastetem Generator (3) eine Drehzahl (n) des Generators (3) soweit anzuheben, dass die Batterie (4) zumindest nicht mehr entladen wird, - ein Zustands-Koordinationsmodul (12) zum Steuern von Übergängen zwischen den Phasen (P1 bis P4) ohne starre Zeitvorgaben abhängig vom Zustand der Batterie (4).
  2. Batterielademanager (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Konstantstrommodul ein lernendes und/oder adaptives Modul ist, das zur Ermittlung der nutzungsabhängigen durchschnittlichen Ladezeit sowie des Energiebedarfs außerhalb der Ladezeiten, und auf darauf basierend zur Bestimmung der Höhe eines optimalen Ladestroms (I_Batt) konfiguriert ist.
  3. Batterielademanager (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Konstantstrommodul dazu konfiguriert ist, bei geringer Fahrzeugnutzungszeit und/oder Ladezeit einen höheren zulässigen Ladestrom (I_Batt) vorzugeben und bei höherer durchschnittlicher Ladezeit einen niedrigeren Ladestrom (I_Batt) vorzugeben.
  4. Batterielademanager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zustands-Koordinationsmodul (12) dazu konfiguriert ist, die Übergänge zwischen den Phasen (P1 bis P4) abhängig von mindestens einer der folgenden Größen zu steuern: - Ladestand (SOC), - Gesundheitszustand der Batterie (4), - Batterietemperatur (TBat), - Ladestrom (I_Batt), - Fahrzeuggeschwindigkeit, - Auslastung (WL) des Generators (3).
  5. Batterielademanager (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rekuperationsmodul (9) dazu konfiguriert ist, den Ladestrom (I_Batt) bei Spannungsabsenkung im Schubbetrieb auf einen für den jeweiligen Batterietyp optimalen Strom so zu regeln, dass der beste Kompromiss zwischen Kraftstoffersparnis und Zyklenfestigkeit der Batterie (4) je nach verwendetem Batterietyp erreicht wird, wobei die Schub/Zug-Phase zur Aktivierung der Batterie (4) und zur Verhinderung von Verfestigung als Vorstufe der Sulfatierung genutzt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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GB2518759A (en) 2014-09-29 2015-04-01 Daimler Ag Battery management system for a motor vehicle

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