DE112012001516T5

DE112012001516T5 - System zur Steuerung von Batteriezuständen

Info

Publication number: DE112012001516T5
Application number: DE112012001516T
Authority: DE
Inventors: Martin Krajci; Edward Almquist; James Blasko
Original assignee: Continental Automotive Systems Inc
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2013-12-24
Also published as: US8890467B2; WO2012134624A1; US20120249284A1; CN103563161A; CN103563161B

Abstract

Es wird ein System und Verfahren zur Steuerung von Batteriezuständen bereitgestellt. Das System umfasst eine Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie. Die Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie versorgt eine Netzwerkzugangseinrichtung mit Strom. Ein Heizelement kann mit der Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie verbunden sein. Das Heizelement kann eine Widerstandslast sein, und zwar zur Bestimmung eines Zustandes der Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie bzw. das Heizelement kann auf Basis eines Heizablaufes aktiviert werden.

Description

HINTERGRUND
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein System zur Steuerung von Batteriezuständen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Oftmals müssen Netzwerkzugangseinrichtungen, wie z. B. Fahrzeug-Telematiksystemen zugeordneten, in Notfallsituationen funktionieren bzw. betrieben werden. Diese Funktionalität kann erforderlich sein, unabhängig davon, ob die Fahrzeugenergiesysteme funktionieren oder überhaupt verbunden sind. Dementsprechend sind typischerweise so genannte Backup-Batterien bzw. Notfallbatterien für diese Netzwerkzugangseinrichtungen bereitgestellt.
Jedoch ist die Wirksamkeit einer Batterie für eine ausreichende Stromversorgung vermindert, wenn die Temperatur der Batterie nahe bzw. unterhalb von 0°C ist. Die niedrigere Temperatur erhöht die Ausgangsimpedanz der Batterie, was einen erhöhten Spannungsabfall zwischen der Zelle und der Last zur Folge hat, wenn der Laststrom ansteigt. In Abhängigkeit von der Batteriechemie kann dieser Effekt verstärkt auftreten.
Der Effekt dieser erhöhten Impedanz ist es, die verfügbare Sprachzeit zu reduzieren, wenn die Umgebungstemperatur geringer wird. Für so genannte ECALL-Anwendungen (ECALL = emergency call = Notfallrufe) erwarten Kunden, dass ein Gespräch für bis zu 11 Minuten bei –20°C bzw. 5 Minuten bei –30°C aufrechterhalten wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Lösung dieses Problems wäre es, die Größe und/oder Kapazität der Batterie zu erhöhen. Der Hauptnachteil davon sind hauptsächlich höhere Kosten und ein größerer Platzbedarf. Für eine Fahrzeug-ECALL-Anwendung sind eine kleinere Baugröße und geringere Kosten ein entscheidender Vorteil.
Um die erforderliche Sprachzeit bei Temperaturen bereitzustellen, welche in einer Fahrzeug- oder Außenumgebung zu erwarten sind, und zwar unter Verwendung der Batterietechnologie mit der kleinsten Baugröße und den geringsten Kosten, ist es wünschenswert, die Temperatur des Batteriepacks oberhalb eines minimalen Betriebsschwellenwertes zu halten. Dieser Schwellenwert wird typischerweise zwischen –20°C und +10°C bei geringen Umgebungstemperaturen von –40°C sein. Ein Erhöhen der Temperatur des Batteriepacks um 20°C bis 30°C oberhalb der Umgebungstemperatur kann durch Anordnen eines Heizelementes in unmittelbarer Nähe des Gehäuses der Zelle erreicht werden.
Batteriepacks können mit einer Art von Temperatursensor versehen sein, welcher in unmittelbarer Nähe der Batteriezelle befestigt ist und sogar in thermischer Weise mit der Batteriezelle gekoppelt sein kann. Dieser Temperatursensor kann zur Steuerung beim Auftreten von Lade- und Entladezyklen der Backup-Batterie auftreten. Der gleiche Sensor kann zur Steuerung des Heizelementes verwendet werden, um die Zellentemperatur nahe des gewünschten Betriebspunktes zu halten, welcher typischerweise größer als 0°C ist.
In vielen Applikationen, insbesondere bei einem Fahrzeug, ist es wünschenswert, das tatsächliche bzw. effektive Batterie-Lebensdauerende zu bestimmen. Dies wird oftmals durch Messen der Ausgangsimpedanz der Zelle erzielt. Eine angewandte Technik, um die Ausgangsimpedanz zu messen, ist es, die Spannungsänderung der Batterie ohne Last und mit Last zu messen. Durch Messen der Spannung bei offenem Schaltkreis als auch der Spannung unter Last und bei Kenntnis der Lastimpedanz kann die Ausgangsimpedanz der Batterie berechnet werden.
In dem beschriebenen System kann die Last, welche zur Durchführung dieser Diagnosefunktion verwendet wird, ebenso als das Heizelement verwendet werden. Das Heizelement besteht aus einer eingeätzten Spur auf einem flexiblen Substrat, so dass die Form des Heizelementes der Form der zu heizenden bzw. erwärmenden Zellen angepasst werden kann. Diese Technik sollte ein gleichförmiges Erwärmen des vollständigen Volumens der Zelle bereitstellen. Dies könnte ähnlich sein zu so genannten Heizpads, welche verwendet werden, um Bleisäure-Batterien in Fahrzeugen zu erwärmen.
Für eine ECALL-Anwendung ist es möglich, dass der Vorgang, welcher den Anruf bzw. das Gespräch auslöst, schon nach kurzer Fahrzeit auftreten könnte. In diesem Fall kann das Heizelement von der Fahrzeuglichtmaschine als die sekundäre Energiequelle mit Strom versorgt werden, so dass die maximale Kapazität der Backup-Batterie erhalten werden kann. Als Teil der Strompfad-Organisation bzw. -Management wird eine Schalteinrichtung verwendet, um das Heizelement entweder mit der sekundären Energiequelle oder mit dem Batteriepack zu verbinden.
Es gibt ebenso Fälle, wo das Fahrzeug, beispielsweise über Nacht, für einige Zeit in einer kalten Umgebung abgestellt sein wird. Falls die Heizung lediglich dann aktiviert wird, wenn die Zündung an ist, wird es eine Verzögerung geben, bevor die Backup-Batterie in ausreichender Weise aufgewärmt ist, um ein Gespräch zu beenden. Damit die Backup-Batterie aufgewärmt ist, bevor das Fahrzeug gestartet wird, könnte eine Schaltuhr verwendet werden, um die Heizung zu einer vorgegebenen Zeit einzuschalten. Diese Schaltuhr könnte derart eingestellt sein, um täglich zu einer fest vorgegebenen Zeit aktiviert zu werden, und zwar ähnlich einem Wecker auf Basis eines abgespeicherten Betriebsprofiles. Eine elegantere Technik würde die Heizzeiten an die Gewohnheiten des Nutzers bzw. der Nutzer anpassen. In diesem Fall würde ein Algorithmus verwendet werden, welcher die wahrscheinlichste tägliche Startzeit des Fahrzeuges ”lernt” und den Heizer zu einem Zeitpunkt vor dieser festgesetzten Zeit aktiviert, so dass der Heizer ausreichend Zeit hat, um die Batterie vor dem erwarteten Fahrzeugstart zu heizen. Selbstverständlich würde der Nutzer die Option haben, diese Funktion zu deaktivieren, falls Bedenken bezüglich einer Entladung der Fahrzeugbatterie bestehen.
Die Anwendung dieser Idee könnte in jedem beliebigen Telematikprodukt verwendet werden, welches die Verwendung einer Backup-Batterie erfordert, welche verwendet wird, um ein Gespräch in dem Fall zu führen, dass die Fahrzeugbatterie die Verbindung trennt. Es gibt außerdem eine mögliche Verwendung in Anwendungen, wo Modems als ein Datenanschluss verwendet werden, um Diagnose- und Betriebszustände entfernt befindlicher Motorüberwachungsgeräte bereitzustellen. Eine weitere mögliche Anwendung könnte in Systemen stattfinden, welche im Freien verwendet werden und welche normalerweise über primäre Energieverbindungen betrieben werden, jedoch ebenso ein Batterie-Backup-System benötigen.
In dem beschriebenen System kommt die Energie zum Aufwärmen der Backup-Batterie von einer Sekundär-Energiequelle. Insbesondere könnte dies ein Motor sein, entweder in einem Fahrzeug oder stationär, wobei der Strom für das Heizelement von einer Lichtmaschine oder einer primären Energieverbindung kommt, wobei Strom mit Hilfe eines Transformators und eines Ladegerätes bereitgestellt wird.
Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden für den Fachmann nach einer Durchsicht der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen und Ansprüche, welche sich im Anhang befinden und Teil dieser Beschreibung bilden, in einfacher Weise ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Systems einschließlich einer Telematiksteuerung und einer Netzwerkzugangseinrichtung;
2 ist eine schematische Ansicht eines Systems mit einer Telematiksteuerung und einer Netzwerkzugangseinrichtung, welche in einem Motorfahrzeug eingebaut sind;
3 ist eine schematische Ansicht eines Schaltkreises zur Steuerung von Batteriezuständen;
4 ist eine Kurve, welche die zur Verfügung stehende Gesprächsdauer mit Bezug auf die Umgebungstemperatur darstellt; und
5 ist eine Kurve, welche die Batteriekapazität mit Bezug auf die Umgebungstemperatur zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nunmehr mit Bezug auf 1 wird ein System 100 bereitgestellt. Das System umfasst eine Netzwerkzugangseinrichtung 110 und eine Telematiksteuerung 112. Die Netzwerkzugangseinrichtung 110 kann einen Prozessor 114 und einen Speicher 116 umfassen. Der Prozessor 114 kann ein programmierbarer Mikroprozessor oder alternativ ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) oder ein anderer bekannter Prozessor sein. Der Speicher 116 kann beispielsweise ein Random-Access-Speicher, ein statischer Speicher oder eine andere Datenspeichereinrichtung sein. Die Netzwerkzugangseinrichtung 110 kann ebenso einen Transceiver 118 umfassen, welcher eine Sender 122 und einen Empfänger 120 umfasst. Alternativ kann die Netzwerkzugangseinrichtung 110 einen Sender und Empfänger unabhängig voneinander umfassen. Der Transceiver 118 kann in Kommunikation mit einer Antenne 124 sein. Der Transceiver 118 kann mit einem Sendemast 120 kommunizieren, wie mit Hilfe der Linie 126 angedeutet ist. Die Kommunikation 126 zwischen der Netzwerkzugangseinrichtung 110 und dem Sendemast 128 kann eine von einer Mehrzahl von Kommunikationsbetriebsarten umfassen.
Der Transceiver 118 in der Netzwerkzugangseinrichtung 110 kann zur Übertragung von Ablenkkommunikationen und Empfangen von Downlink-Kommunikationen zu und von dem Netzwerk 130 und Service-Center 132 über den Drahtlos-Kommunikationslink 126 verwendet werden. Der Drahtlos-Kommunikationslink 126 kann ein Drahtlos-Protokoll verwenden, wie z. B. ein Standard-Zell-Netzwerkprotokoll, ein Übertragungs-Steuerprotokoll/Internet-Protokoll (TCP/IP), einen Code Division Multiple Access (CDMA) und/oder ein Globales System für Mobile Kommunikation (GSM).
Der Sendemast 128 kann in Kommunikation mit einem Service Provider 132 stehen, einschließlich beispielsweise einem Netzwerk-Server über ein Netzwerk 130. Das Netzwerk 130 kann ein analoges Netzwerk sein, wie zum Beispiel ein einfaches altes Telefonnetz (POTS = Plain Old Telephone Service) oder ein digitales Netzwerk, wie beispielsweise Ethernet über das Transmission-Control-Protokoll/Internet-Protokoll (TCP/IP). In weiteren Beispielen könnte das Netzwerk 130 eines von mehreren Standard-Zell-Kommunikationsnetzwerken, ein Satellitenbasiertes Netzwerk, ein so genanntes Public Switched-Telekommunikationsnetzwerk (PSTN), das Internet, ein integriertes Dienste-Digital-Netzwerk (ISDN) und/oder weitere Kommunikationsnetzwerke sein. Der Service Provider kann ein Service-Center umfassen, um Telematikanwendungen und -dienste für das Fahrzeug bereitzustellen. Beispielsweise kann das Service-Center so genannte Operatoren, Datenserver sowie Datenbanken enthalten. Die Daten-Server für Telematikanwendungen und -dienste können Verkehrsserver, Server für geographische Karten, Nutzerprofil-Server, Ortsinformations-Server und dergleichen umfassen. Die Datenbanken für Telematikanwendungen und -dienste können Ortsinformation, Nutzerprofile, Verkehrsinformationen, geographische Daten, so genannte Point-of-Interest-Daten, Nutzungsverläufe oder andere ähnliche Daten umfassen.
Die Netzwerkzugangseinrichtung 110 kann in Kommunikation mit der Telematiksteuerung 112 über eine Kommunikationsschnittstelle 134 sein. In einigen Ausführungsformen kann die Netzwerkzugangseinrichtung 110 in der gleichen Anordnung untergebracht sein wie die Telematiksteuerung 112. Jedoch können andere Ausführungsformen der Netzwerkzugangseinrichtung 110 in einer von der Telematik-Steuerung 112 untergebrachten Anordnung bereitgestellt sein und somit an einer unterschiedlichen Stelle des Fahrzeuges verbaut sein. Unterschiedliche Information kann zwischen der Telematiksteuerung 112 und der Netzwerkzugangseinrichtung 110 kommuniziert werden.
Die Telematiksteuerung 112 kann einen Prozessor 136 sowie eine Speichereinheit 138 umfassen. Der Prozessor 136 kann ein Mikroprozessor sein, ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis, ein programmierbares Gate Array oder ein anderer Prozessor. Weiterhin kann die Speichereinrichtung 138 beispielsweise ein Random-Access-Speicher, ein Read-Only-Speicher, ein statischer Speicher oder selbst eine Festplatte bzw. ein optisches Laufwerk bzw. andere Datenspeichermittel sein. Die Telematiksteuerung 112 kann in Kommunikation mit einer Mehrzahl von anderen Fahrzeugsensoren und -Einrichtungen über einen Kabelstrang oder über den Fahrzeugbus sein, wie durch Linien 140 angedeutet ist. Zusätzlich kann die Telematiksteuerung 112 in Kommunikation mit einer Nutzerschnittstelle 144 sein, wie durch eine Linie 142 angedeutet ist. Die Nutzerschnittstelle 144 kann ein Display 146 und Steuerungen 148 umfassen, und zwar zur Bereitstellung einer Nutzereingabe, wie z. B. Fahrzeugparameter in die Telematiksteuerung 112. Ebenso kann die Nutzerschnittstelle 144 Elemente umfassen, wie z. B. eine Tastatur oder berührungsempfindliche Eingabefläche (Keypad), einen oder mehrere Steuerschalter bzw. -Regler, Anzeigelampen, einen oder mehrere Lautsprecher, ein Mikrofon und beliebige weitere nutzerschnittstellenartige Elemente für Telematikanwendungen und -dienste. Optional kann die Telematiksteuerung 112 ebenso mit einer Positionsbestimmungseinheit verbunden sein. Die Positionsbestimmungseinheit könnte ein System sein, welches den geographischen Ort des Fahrzeuges bestimmt, wie z. B. ein globales Positioniersystem (GPS) oder ähnliche Systeme.
Weiterhin kann die Telematiksteuerung 112 in Verbindung mit weiteren Fahrzeugsystemen sein, wie zum Beispiel dem Motorsteuerungssystem, den Fahrzeugverriegelungssteuerungen, den Fahrzeugsicherheitssystemen (z. B. Sitzgurtstraffer, Airbags, usw.), einem Fahrzeug-Entertainmentsystem oder einem Fahrwerks-Steuersystem, um die beschriebenen Funktionen der Telematiksteuerung 112 bzw. der Netzwerkzugangseinrichtung 110 auf Basis von Parametern solcher Systeme umzusetzen.
Die Telematiksteuerung 112 kann über die Fahrzeugbatterie 150 mit Strom versorgt werden, wie durch Linien 152 und 154 angedeutet ist. Alternativ kann ein Spannungsumwandler bereitgestellt werden, um die Fahrzeugbatteriespannung in eine unterschiedliche Spannung umzuwandeln, welche zum Betrieb der Telematiksteuerung 112 ausgelegt ist. Der Spannungsumwandler kann in der Anordnung für die Telematiksteuerung 112 oder alternativ in einer separaten Anordnung zwischen der Fahrzeugbatterie 150 und der Telematiksteuerung 112 untergebracht sein. Die Fahrzeugbatterie 150 kann die Netzwerkzugangseinrichtung 110 ebenfalls mit Strom versorgen.
Ein Schaltkreis 158 kann zwischen der Fahrzeugbatterie 150 und der Netzwerkzugangseinrichtung 110 angeordnet sein. Der Schaltkreis 158 kann einen Spannungsumwandler umfassen, um die Spannung zu ändern, mit welcher die Netzwerkzugangseinrichtung 110 über Leitungen 160 und 162 versorgt wird. Zusätzlich kann der Schaltkreis 158 mit einer Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie 156 verbunden sein. Die Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie 156 kann während der Fahrt aufgeladen werden und kann beispielsweise in der Weise geschaltet werden, um die Netzwerkzugangseinrichtung 110 mit Strom zu versorgen, wenn Strom vom Fahrzeugenergiesystem (z. B. der Batterie bzw. Lichtmaschine) nicht zur Verfügung steht. Weiterhin kann der Schaltkreis 158 die Überwachung und periodische Energieversorgung der Netzwerkzugangseinrichtung steuern, falls das Fahrzeug für längere Zeit abgestellt ist. Weiterhin kann der Schaltkreis 158 das Aufladen der Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie 156 zu entsprechenden Zeiten gemäß der Umgebungsvariablen oder dem erwarteten Verwendungszyklus des Fahrzeuges steuern.
Nunmehr mit Bezug auf 2 wird eine mögliche Umsetzung des Systems 200 in einem Fahrzeug 230 bereitgestellt. Die Netzwerkzugangseinrichtung 210 kann in der gleichen oder einer getrennten Anordnung von der Telematiksteuerung 212 bereitgestellt werden. Die Netzwerkzugangseinrichtung 210 kann mit einer Antenne 214 verbunden sein. Die Antenne 214 kann als Beispiel einer Mehrzahl von Antennen oder einer Matrix von Antennen dienen, und zwar abhängig von der bestimmten ausgewählten Kommunikationsbetriebsart. Eine Kommunikation der Netzwerkzugangseinrichtung 210 wird mit einer so genannten Remote-Station 128 ermöglicht, wie durch eine Linie 216 angedeutet ist. Wie zuvor beschrieben wurde, kann die Remote-Station 218 in Kommunikation mit einem Service Provider 222 einschließlich einem Netzwerk-Server über ein Netzwerk 220 sein. Die Telematiksteuerung 212 kann in Kommunikation mit einer globalen Positionsbestimmungseinrichtung 240 über den Fahrzeugbus oder eine entsprechende Verbindung sein, wie durch eine Linie 238 angedeutet ist. Die globale Positionsbestimmungseinrichtung 240, wie z. B. ein satellitengestütztes globales Positionsbestimmungssystem (GPS), kann in Kommunikation mit einer Antenne 242 sein. Die Antenne 242 kann eine von einer Mehrzahl von Antennen oder eine Matrix von Antennen sein. Weiterhin kann die Antenne bzw. durch Bezugszeichen 242 gekennzeichnete Mehrzahl von Antennen jeweils von der gleichen Art von Antenne sein, wie mit Bezugszeichen 214 gekennzeichnet ist. Die GPS-Einheit kann in Kommunikation mit einem Satelliten 248 stehen, wie durch eine Linie 246 angedeutet ist. Somit kann die GPS-Einheit 240 Positionsdaten für das Fahrzeug abrufen oder in anderen Umsetzungen 240 auch einen allgemeinen Satellitenempfänger darstellen und somit andere allgemein gesendete Information oder Kommunikation vom Satelliten 248 empfangen. Die Telematiksteuerung 212 kann ebenso in Kommunikation mit verschiedenen anderen Fahrzeugeinrichtungen und -Systemen über den Fahrzeugbus, Kabelstränge oder andere Drahtlos-Verbindungen stehen, wie durch eine Linie 234 angedeutet ist. Die verschiedenen anderen Einrichtungen 236 können ohne Beschränkung das Motorsteuersystem, die Fahrzeugverriegelungen, die Fahrzeugsicherheitssysteme (z. B. sitzgurtstraffer, Airbags, usw.), ein Fahrzeug-Entertainmentsystem oder ein Fahrwerkssteuer- bzw. -Kontrollsystem umfassen.
Nunmehr mit Bezug auf 3 wird ein System 300 zur Steuerung von Zuständen eines Batteriepacks 310 bereitgestellt. Das Batteriepack 310 kann Batteriezellen 314 zur Speicherung elektrischer Energie umfassen, und ebenso einen Schutzschaltkreis 312 und einen Temperatursensor 316. Der Schutzschaltkreis 312 kann die Batteriezellen 314 vor einem plötzlichen Anstieg oder einer Abnahme hinsichtlich Spannung oder Strom schützen, was die Batteriezellen 314 beschädigen könnte. Zusätzlich kann der Temperatursensor 316 nahe der Batteriezellen 314 angeordnet sein, um eine Temperatur der Batteriezellen 314 bereitzustellen bzw. zu messen. Das Batteriepack 310 kann als eine Backup-Batterie dienen, wie zum Beispiel eine NAD-Backup-Batterie 156 (NAD = network access device) aus 1.
Eine Entladelast 320 kann elektrisch in Reihe zwischen einem positiven Anschluss 350 des Batteriepacks und einem negativen Anschluss 352 des Batteriepacks verbunden sein. Die Entladelast 320 kann eine Widerstandslast sein, wie z. B. ein Widerstand, wird jedoch im Allgemeinen eine Impedanz entlang des Spannungsabfalles umfassen, welcher an der Entladelast 320 auftritt. Zusätzlich kann ein Spannungssensor 322 in elektrischer Parallelschaltung zu der Entladelast 320 angeordnet sein. Somit kann der Spannungssensor 322 die Spannung zwischen dem positiven Anschluss 350 des Batteriepacks 310 und dem negativen Anschluss 352 des Batteriepacks 310 messen, und somit entsprechend dem Spannungsabfall an der Entladelast 320.
Die Entladelast 320 kann ebenso ein Heizelement sein. Beispielsweise kann die Entladelast 320 eine Widerstandsheizung sein, so dass die über die Entladelast 320 abgeleitete Energie in thermische Energie zum Heizen bzw. Aufwärmen umgewandelt wird. Somit kann die Entladelast 320 in thermischem Kontakt mit den Batteriezellen 314 sein, um die Batteriezellen aufzuwärmen und eine verbesserte Energiespeicherleistung bereitzustellen. Weiterhin kann die Entladelast 320 direkt oder über ein thermisch leitfähiges Element mit den Batteriezellen 314 verbunden sein.
Die Widerstandslast, welche als ein Heizelement wirkt, kann über die Fläche der Zelle verteilt werden, um ein mehr gleichmäßiges Heizen bzw. Wärmen bereitzustellen. Unter Verwendung einer Widerstands-Leitungsspur auf einem flexiblen Substrat ist das Heizelement derart konstruiert, um die Zelle bzw. den Batteriepack wie eine elektrische Heizdecke zu umgeben. Das Heizelement könnte ebenso auf einem Abschnitt des starren PCB-Substrats angeordnet sein, wobei die Batterie in unmittelbarer Nähe befestigt ist. In anderen Ausführungsformen besteht das Heizelement aus einer geätzten Leitungsspur auf einem flexiblen Substrat, so dass die Form des Heizelementes der Form der zu heizenden bzw. aufzuwärmenden Zellen angepasst werden kann. Diese Technik sollte ein gleichmäßiges Aufwärmen im gesamten Volumen der Zelle bereitstellen.
Schalteinrichtungen 324 und 326 können zwischen dem Batteriepack 310 und der Entladelast 320 bereitgestellt werden. Dementsprechend kann jede der Schalteinrichtungen 324 und 326 wahlweise die Entladelast 320 mit dem Batteriepack 310 verbinden. Ein Trennen des Batteriepacks 310 von der Entladelast 320 vermeidet ein ”Ziehen” von Strom (d. h. Entladen) von den Batteriezellen 314. Die Schalteinrichtung 324 kann eine Drei-Wege-Schalteinrichtung sein, so dass die Entladelast 320 entweder mit dem Batteriepack 310 oder der sekundären Energiequelle 332 verbunden werden kann. Ebenso kann die Schalteinrichtung 326 eine Zwei-Wege-Schalteinrichtung sein, um beispielsweise wahlweise die Entladelast 320 mit dem negativen Anschluss der Batterie und einem elektrischen Bezugspunkt zu verbinden, wie z. B. elektrische Masse.
Die sekundäre Energiequelle 332 kann die Fahrzeugbatterie bzw. die Fahrzeug-Lichtmaschine sein. Die sekundäre Energiequelle 332 kann mit einer Batterie-Ladeeinrichtung 334 verbunden sein. Die Batterie-Ladeeinrichtung 334 kann eine Strompfad-Schalteinrichtung umfassen, welche die Batterie 310 entweder mit der sekundären Energiequelle zum Aufladen, der Energieeinrichtung 330, wie zum Beispiel der Netzwerkzugangseinrichtung 110 aus 1, oder beiden verbindet. Bei normaler Betriebsart würde das Batteriepack 310 sowohl von der sekundären Energiequelle 332 als auch von der Energieeinrichtung 330 isoliert werden, wobei die sekundäre Energiequelle 332 die Energieeinrichtung 330 mit Strom versorgt, beispielsweise über die Batterie-Ladeeinrichtung und die Strompfad-Schalteinrichtung der Batterie-Ladeeinrichtung 334.
Zusätzlich kann ein Prozessor 340 bereitgestellt sein, um den Betrieb des Systems 300 zu steuern und beispielsweise ein Schalten zwischen verschiedenen Betriebsarten bestimmen, wie zum Beispiel einer normalen Betriebsart, einer Lade-Betriebsart und einer Heizbetriebsart. In der normalen Betriebsart wird die sekundäre Energiequelle 332 die Einrichtung 330 mit Energie versorgen, während das Batteriepack 310 zur Speicherung von Notfallenergie isoliert bleiben wird. Dementsprechend wird der Prozessor 340 die Schalteinrichtung 324 steuern, wie durch Linie 348 angedeutet ist, so dass die Schalteinrichtung 324 keinen der drei Punkte verbinden wird, wodurch jeweils das Batteriepack 310, die Entladelast 320 und die sekundäre Energiequelle 332 voneinander isoliert werden. Weiterhin wird der Prozessor 340 die Schalteinrichtung 326 in der Weise steuern, dass die Entladelast 320 vom elektrischen Bezugspunkt getrennt wird. Der Prozessor 340 wird ebenso in periodischer Weise die Entladelast 320 zwischen dem positiven Anschluss 350 und dem negativen Anschluss 352 des Batteriepacks 310 verbinden, um einen Ladezustand der Batteriezellen 314 zu bestimmen. Es können verschiedene Testverfahren verwendet werden, um den Batterieladezustand zu bestimmen, beispielsweise kann der Spannungsabfall an der Entladelast 320 die Batteriespeicherkapazität anzeigen und zur Bestimmung des Batteriezustandes verwendet werden.
Somit ist der Prozessor 340 in Kommunikation mit dem Spannungssensor 322, wie durch eine Linie 344 angedeutet ist, um den Spannungsabfall an der Entladelast 320 zu messen, während er in Verbindung mit dem Batteriepack 310 ist. Falls der Spannungsabfall unterhalb eines Schwellenwert-Spannungsabfalls ist, um beispielsweise einen niedrigen Lade-Batteriezustand anzuzeigen, kann die Batterie-Ladeeinrichtung 334 die sekundäre Energiequelle 332 zum Aufladen mit dem Batteriepack 310 verbinden. Die Batterie-Ladeeinrichtung 334 kann ein Laden des Batteriepacks 310 für eine vorgegebene Zeitdauer zulassen oder bis der Spannungssensor 322 anzeigt, dass die Batteriezellen 314 in ausreichendem Maße aufgeladen sind.
Wie jedoch oben schon diskutiert wurde, weisen die Batteriezellen 314 eine schlechte Leistung und Ladeeigenschaften bei sehr kalten Temperaturen auf. Somit ist der Temperatursensor 316 in Kommunikation mit dem Prozessor 340, wie durch eine Linie 342 angedeutet ist, um eine Temperaturanzeige der Batteriezellen 314 bereitzustellen. Bei Temperaturen unterhalb einer Schwellenwerttemperatur kann der Prozessor 340 die Schalteinrichtungen 324 und 326 derart steuern, dass die Entladelast 320 mit Energie versorgt wird. Beispielsweise kann die Energie von der sekundären Energiequelle 332 bereitgestellt werden und damit eine duale Funktion als ein Heizelement bereitstellen, um die Batteriezellen 314 aufzuwärmen, als auch Impedanzmessung der Batterie zu ermöglichen. Der Prozessor 340 kann das Heizen bzw. Aufwärmen der Batteriezellen 314 unter Verwendung der Entladelast 320 steuern, bis der Temperatursensor 316 anzeigt, dass die Temperatur der Batteriezellen 314 eine Schwellenwerttemperatur überschritten hat. Jedoch wird davon ausgegangen, dass weitere Parameter verwendet werden können, um den Heizprozess beispielsweise für eine vorgegebene Zeitdauer oder die Spannungsmessung vom Spannungssensor 322 zu steuern.
Zusätzlich kann der Prozessor 340 in Kommunikation mit einer Speichereinrichtung 350 sein, um Information abzurufen, welche die Verwendungszeit des Fahrzeuges angibt, einschließlich solcher Information, wie z. B. typische Betriebszeiten, den verschiedenen Betriebszeiten zugeordneten Betriebsdauern, Umgebungstemperaturzustände, welche den Betriebszeiten zugeordnet sind, und andere ähnliche Informationen. Dementsprechend kann der Prozessor 340 auf Basis der beschriebenen Information bestimmen, ob ein Betrieb, beispielsweise eine Fahrt oder eine andere Verwendung, in der nahen Zukunft zu erwarten ist. Weiterhin kann der Prozessor 340 auf Basis der oben benannten Parameter einen Heizablauf bestimmen. Somit kann der Prozessor 340 unter Verwendung des Spannungssensors 322 den Batteriezustand überprüfen oder kann vorsorglich bestimmen, die Batteriezellen 314 in Erwartung eines bevorstehenden Betriebes aufzuladen. Dementsprechend kann der Prozessor 340 die Batterie-Ladeeinrichtung 334 anweisen, das Batteriepack 310 auf Basis des bevorstehenden Betriebes aufzuladen.
Auf Basis einer Temperatursensormessung, der Information von der Datenbank 350 oder von beidem kann der Prozessor 340 die Entladelast 320 verwenden, um die Batteriezellen 314 vor einem Laden des Batteriepacks 310 über eine Schwellenwerttemperatur aufzuwärmen. Weiterhin kann der Prozessor 340 die Entladelast 320 dazu verwenden, die Batteriezellen 314 in Erwartung von und während des Betriebes aufzuwärmen, um die Speicherleistung der Batteriezellen 314 zu verbessern, unabhängig vom Aufladen des Batteriepacks 310. Wiederum kann das Aufwärmen der Batteriezellen 314 für Batterie-Leistungszwecke ebenso auf einem der Temperatursensoren 316 und/oder der Information von der Datenspeichereinrichtung 350 basiert sein.
Nunmehr mit Bezug auf 4 wird eine Kurve der Gesprächsdauer in Abhängigkeit einer Batterie graphisch mit Bezug auf die Umgebungstemperatur dargestellt. Wie oben bereits erörtert, nehmen die Batterieleistung und somit die Gesprächsdauer bei niedrigen Temperaturbedingungen ab. Dieses Prinzip ist durch die Kurven 410 und 412 dargestellt. Linie 410 gibt die Gesprächsdauer für eine Lithium-Ionen-Batterie wieder, wohingegen die Linie 412 die Gesprächsdauer für eine Metallhydridbatterie darstellt. Eine bedeutsame Batterieverschlechterung für beide Arten von Batterien ist um den 0°C-Temperaturbereich ersichtlich.
Nunmehr mit Bezug auf 5 ist eine Kurve der verfügbaren Batteriekapazität über der Umgebungstemperatur aufgezeichnet. Linie 510 zeigt die verfügbare Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie, wohingegen Linie 512 die Kapazität einer Nickel-Metallhydrid-Batterie zeigt. Die Lithium-Ionen-Batterie stellt eine bessere normalisierte Kapazitätsleistung insbesondere in den Bereichen von –20°C bis –30°C bereit, wobei beide Batterien eine 0%-normalisierte Kapazität um den –35°C-Temperaturbereich bereitstellen. Dementsprechend besteht ein bedeutsamer Vorteil aus der Verwendung der Entladelast 320 als ein Heizelement, um die Temperatur des Batteriepacks vor einem Aufladen oder einer bevorstehenden Verwendung der Batterie zu erhöhen.
In weiteren Ausführungsformen können dedizierte Hardware-Umsetzungen, wie z. B. anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise, programmierbare Logik-Arrays und andere Hardware-Einrichtungen konstruiert werden, um eine oder mehrere der hierin beschriebenen Verfahren umzusetzen. Anwendungen, welche die Vorrichtung und Systeme verschiedener Ausführungsformen umfassen, können in weitestem Sinne eine Vielzahl elektronischer und Computersysteme umfassen. Eine oder mehrere hierin beschriebene Ausführungsformen können Funktionen verwenden, und zwar unter Verwendung von zwei oder mehreren spezifischen miteinander verbundenen Hardware-Modulen oder -Einrichtungen mit entsprechenden Steuer- und Datensignalen, welche zwischen und in den Modulen kommuniziert werden können, oder als Abschnitte von einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis. Dementsprechend umfasst das vorliegende System Software-, Firmware- und Hardware-Umsetzungen.
In Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die hierin beschriebenen Verfahren durch mit Hilfe eines Computersystems ausführbare Software-Programme umgesetzt werden. Weiterhin können in einer beispielhaften, nicht beschränkenden Ausführungsform Umsetzungen eine verteilte Bearbeitung, eine verteilte komponentenbezogene/objektbezogene Bearbeitung und eine Parallelbearbeitung umfassen. Alternativ kann ein virtuelles Computersystem konstruiert werden, um ein oder mehrere der hierin beschriebenen Verfahren bzw. deren Funktionalität umzusetzen.
Weiterhin können die hierin beschriebenen Verfahren in ein computerlesbares Medium eingebettet sein. Der Begriff ”computerlesbares Medium” umfasst ein einzelnes Medium oder mehrere Medien, wie z. B. eine zentralisierte bzw. verteilte Datenbank, und/oder zugeordnete Cache-Speicher und Server, welche eine oder mehrere Sätze von Anweisungen speichern. Der Begriff ”computerlesbares Medium” soll ebenso ein beliebiges Medium umfassen, welches in der Lage ist, einen Satz von Anweisungen zu speichern, zu codieren oder zu enthalten, und zwar für eine Ausführung durch einen Prozessor, bzw. dass ein Computersystem ein beliebiges oder mehrere der hierin offenbarten Verfahren bzw. Abläufe ausführen kann.
Ein Fachmann wird selbstverständlich bevorzugen, dass die obige Beschreibung als eine Darstellung der Prinzipien der Erfindung zu verstehen ist. Diese Beschreibung soll den Umfang bzw. die Anwendung der Erfindung nicht dahingehend beschränken, dass die Erfindung nicht modifiziert, variiert bzw. geändert werden kann, ohne den Grundgedanken der Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

System zur Steuerung von Batteriezuständen, wobei das System umfasst: eine Netzwerkzugangseinrichtung; eine Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie, welche dazu eingerichtet ist, für eine Energieversorgung mit der Netzwerkzugangseinrichtung zu kommunizieren; und einen Batterie-Steuerschaltkreis, welcher eine Widerstandslast umfasst, welche wahlweise mit der Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie und einem Sensor verbunden ist, welcher dazu eingerichtet ist, einen Zustand der Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie auf Basis der Widerstandslast zu bestimmen, wobei die Widerstandslast ebenso dazu eingerichtet ist, die Netzwerkzugangsbatterie zu erwärmen.
System nach Anspruch 1, wobei die Widerstandslast dazu eingerichtet ist, die Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie in gleichförmiger Weise aufzuwärmen.
System nach Anspruch 1, wobei die Widerstandslast eine gedruckte Schaltkreisplatine ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Widerstandslast Spuren auf einem flexiblen Substrat umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei sich die Widerstandslast in thermischer Kommunikation mit der Netzwerkzugangseinrichtung befindet.
System nach Anspruch 1, wobei die Widerstandslast mit der Netzwerkzugangseinrichtung über einen thermischen Leiter gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Widerstandslast dazu eingerichtet ist, die Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie auf Basis eines Temperaturschwellenwertes aufzuwärmen.
System zur Steuerung von Batteriezuständen, wobei das System umfasst: eine Netzwerkzugangseinrichtung; eine Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie, welche dazu eingerichtet ist, zur Energieversorgung mit der Netzwerkzugangseinrichtung zu kommunizieren; und einen Batteriesteuerschaltkreis, welcher ein Heizelement in thermischer Kommunikation mit der Netzwerkzugangseinrichtung umfasst; einen Prozessor, welcher dazu eingerichtet ist, das Heizelement auf Basis eines Heizablaufes zu aktivieren.
System nach Anspruch 8, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, das Heizelement zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zu aktivieren.
System nach Anspruch 8, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Heizablauf auf Basis von Betriebszeiten zu bestimmen.
System nach Anspruch 10, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Heizablauf auf Basis einer den Betriebszeiten zugeordneten Länge von Betriebsdaten zu bestimmen.
System nach Anspruch 10, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Heizablauf auf Basis von den Betriebszeiten zugeordneten Temperaturdaten zu bestimmen.
System nach Anspruch 8, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Heizablauf auf Basis eines Batteriezustandes zu bestimmen.
Verfahren zur Steuerung von Batteriezuständen, wobei das Verfahren umfasst: Versorgen einer Netzwerkzugangseinrichtung mit Strom; Verbinden einer Widerstandslast mit einer Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie; Bestimmen eines Zustandes der Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie auf Basis der Widerstandslast; und Erwärmen der Netzwerkzugangsbatterie mit der Widerstandslast.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Widerstandslast aus Spuren auf einem flexiblen Substrat gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend ein thermisches Koppeln der Widerstandslast mit der Netzwerkzugangseinrichtung über einen thermischen Leiter.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Widerstandslast die Netzwerkzugangseinrichtungs-Batterie auf Basis eines Temperaturschwellenwertes aufwärmt.
Verfahren zur Steuerung von Batteriezuständen, wobei das Verfahren umfasst: Versorgen einer Netzwerkzugangseinrichtung mit Strom; Aufwärmen einer Netzwerkzugangsbatterie mit einem Heizelement; Aktivieren des Heizelementes auf Basis eines Heizablaufes.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Heizablauf auf Basis von Betriebszeiten zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Heizablauf auf Basis einer den Betriebszeiten zugeordneten Länge von Betriebsdaten zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Prozessor dazu eingerichtet ist, den Heizablauf auf Basis von den Betriebszeiten zugeordneten Temperaturdaten zu bestimmen.