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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Aufladung oder
Entladung einer Batterie eines Elektrofahrzeugs.
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Generell
ist eine in einem Elektrofahrzeug eingebaute Batterie eine Sekundärbatterie,
die wiederholt wieder aufgeladen und entladen werden kann. Daher
ist es erforderlich, wenn die verbleibende Batteriekapazität abnimmt,
eine geeignete Handhabung oder einen geeigneten Steuereingriff vorzunehmen,
bevor die Batterie übermäßig entladen
wird, beispielsweise indem die Batterie unter Begrenzung des Ladestroms
aufgeladen wird.
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Stand der
Technik
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Es
sind bislang verschiedene Techniken vorgeschlagen worden, die sich
auf ein Verfahren zur Steuerung der Batterieaufladung oder Entladung
beziehen. Beispielsweise offenbart die japanische offen gelegte
Anmeldung (Kokai) 60-245402 ein solches Batterielade/Entladesteuerverfahren,
bei dem, wenn die Batterieleerlaufspannung oder die Batteriespannung
während
der Fahrt des Fahrzeugs unter einen vorbestimmten jeweiligen Spannungswert
fällt,
ein Alarmzeichen erzeugt wird, um den Fahrer von der Abnahme der
Batteriekapazität
zu unterrichten, wobei in diesem Verfahren ferner sowohl die Kapazität der Batterie
als auch die Lebensdauer der Batterie angezeigt werden können, in
dem die erforderliche Zeit festgestellt wird, bis zu der die Batteriespannung einen
konstanten Spannungspegel während
des Aufladens erreicht.
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Im übrigen ist
in den Elektrofahrzeugen infolge der relativ hohen erforderlichen
Spannung als Antriebsquelle für
das Fahrzeug, die als primäre
Spannungsquelle verwendete Batterie üblicherweise in Form einer
Kombinationsbatterie derart ausgebildet, daß mehrere Batterieeinheiten
miteinander kombiniert sind, die jeweils aus einer Mehrzahl von
Zellen aufgebaut sind. Im Falle einer Bleibatterie ist beispielsweise
eine Batterieeinheit einer Nennspannung von 12 V (ungefähr 2,1 V × 6) aus
sechs Zellen von 2,1 V aufgebaut, und es kann eine Batterie einer Nennspannung
von 336 V (= 12 V × 28)
dadurch gewonnen werden, daß man
28 Batterieeinheiten in Serie schaltet. Daher beträgt die Gesamtzahl
der Batteriezellen nicht weniger als 168 (= 6 × 28).
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Bei
der konventionellen Batterie-Aufladungs-/Entladungssteuerung wird
die Klemmenspannung der gesamten Batteriezellen zur Steuerung der
Aufladung oder Entladung der Batterie detektiert. Da jedoch die
partiellen Batteriezellen infolge des Unterschiedes in der Leistungsfähigkeit
unter den Zellen dazu neigen, während
des Auflade-/Entladevorganges überladen
oder übermäßig entladen
zu werden, bestellt dann ein Problem darin, dass die Batterieleistung
sich verschlechtert oder die Batterie beschädigt wird, mit der Folge, daß die Lebensdauer der
Batterie verkürzt
ist. Sobald ein Unterschied zwischen den individuellen Zellen infolge
einer Überentladung
aufzutreten beginnt, verschlechtert sich darüber hinaus die Batterieleistung,
das heißt
die Fähigkeit
der Batterie, eine elektrische Arbeit oder Energie, das heißt einen
bestimmten Strom über
eine Entladezeit abzugeben, mit zunehmender Zeit erheblich und mit
steilem Abfall.
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Die
DE 43 00 097 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Aufladen einer Batterieeinheit aus mehreren Zellen,
wobei es dabei das Ziel ist, ein definiertes Laden und ein vollständiges Ausnutzen
der Batterieeinheit zu erreichen. Die Zellen werden einzeln herausgeschaltet,
jede Zelle wird einzeln aufgeladen oder einzeln entladen und dann
aufgeladen. Jede Zelle kann einzeln bis zu einem extern vorgegebenen
Maximalwert aufgeladen werden.
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Die
DE 42 31 732 A1 beschreibt
ein Verfahren zum Aufladen einer mehrzelligen Batterie, mit dem
die Überladung
einzelner Zellen mit Sicherheit vermieden werden soll. Dabei bewirkt
ein Ladestromsteuersignal, das die Spannung der Zelle mit der höchsten Klemmenspannung
auf Höhe
eines gewünschten
Spannungswertes geführt
und gehalten wird.
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Die
Einzelansteuerung der Zellen erfordert einen hohen schaltungstechnischen
Aufwand. Die Steuerung der Ladeprozesse erfolgt nach extern vorgegebenen
Absolutwerten und nicht nach Verhältniswerten, die durch Vergleich
von Einheiten innerhalb der Batterie gewonnen werden.
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Aufgabenstellung
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Demgegenüber ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu verhindern, daß Zellen
infolge des Unterschieds der Leistungsfähigkeit zwischen den Zellen übermäßig aufgeladen
oder entladen werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs
1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Steuern der Aufladung oder Entladung einer Batterie eines Elektrofahrzeugs
umfaßt
die Schritte: Aufteilen dieser Batterie in sieben Batterieblöcke mit
jeweils mehreren Batterieeinheiten, die jeweils mehrere Zellen aufweisen;
Detektieren der Klemmenspannungen (Vn) dieser
Batterieblöcke;
Selektieren des maximalen Wertes (Vmax)
der Klemmenspannungen und des minimalen Wertes (Vmin)
der Klemmenspannungen dieser Batterieblöcke; Berechnen der Spannungsdifferenzen
(Vmax – Vmi n); Steuern der
Aufladung oder Entladung der Batterie durch Abbrechen der weiteren Aufladung
oder Entladung; Begrenzen des Lade- oder Entladestromes oder Absenken
des Lade- oder Entladestromes, wenn die berechnete Differenz zwischen
den beiden Werten (Vmax und Vmin) über einem bestimmten
Wert liegt.
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Somit
verwendet das erfindungsgemäße Verfahren
gerade keine Einzelansteuerung der Zellen und die Ladeprozesse werden
nicht nach extern vorgegebenen Absolutwerten sondern nach Verhältniswerten,
die durch Vergleich von Einheiten innerhalb der Batterie, nämlich größeren Blöcken gewonnen
werden, gesteuert.
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Durch
das erfindungsgemäße Steuerverfahren
ist es möglich
vorab dafür
zu sorgen, das die Differenz der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Zellen nicht
ansteigt, und auf diese Weise zu verhindern, daß sich die Hochspannungsbatterie
verschlechtert oder sogar beschädigt
wird. Dadurch läßt sich
die Batterielebensdauer erheblich steigern. Darüber hinaus lassen sich bei
dem erfindungsgemäßen Lade- oder
Entladesteuerverfahren die Steuerungskosten für eine Hochspanungsbatterie
erheblich vermindern, da die Ladung oder Entladung der jeweiligen
individuellen Zellen nicht gesteuert wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
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Gemäß einer
ersten vorteilhaften Weiterbildung sind folgende Schritte vorgesehen:
Detektieren der Temperaturen (Tn) der Batterieblöcke; Korrigieren der
detektierten Klemmenspannungen (Vn) der
Batterieblöcke
auf der Grundlage von Temperaturkoeffizienten (Kt),
die entsprechend der detektierten Temperaturen der Batterieblöcke bestimmt
werden, um temperaturkorrigierte Klemmenspannungen (VTn =
Vn × KT) zu erhalten.
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Gemäß einer
zweiten Weiterbildung der Erfindung umfaßt der Steuerschritt des Verfahrens
ferner den Schritt: Steuern der Aufladung oder Entladung der Batterie
durch Vergleich der Spannungsdifferenz mit empirisch ermittelten
Werten.
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Gemäß einer
weiteren Weiterbildung erfolgt der Vergleich mit einem empirisch
ermittelten, vorher festgelegten Wert (VKTc,
VKTd).
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Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung erfolgt die Aufladung oder Entladung
der Batterie durch ein Verringern des Lade- oder Entladestromes
der Batterie, derart, daß der
eingestellte Stromwert gleich oder kleiner als der empirisch ermittelte, vorher
festgelegte Wert wird, der einen Grenzwert des Auflade- oder Entladestromes
der Batterie (Ic, Id) darstellt.
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Schließlich kann
das Verringern des Auflade- oder Entladestromes der Batterie bei
jedem Programmstart des Steuerprogrammes der Batterie schrittweise,
mit einem vorbestimmten Stromdifferenzwert erfolgen.
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Im
folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein Blockschaltbild, das
ein Elektrofahrzeug zeigt;
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2 ein Blockschaltbild, das
eine Batteriesteuereinheit und deren zugeordnete Komponenten oder
Einheiten eines Elektrofahrzeugs zeigt;
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3 eine graphische Darstellung,
die die Änderung
der Batterieklemmenspannung in Abhängigkeit von der Zeit während des
Aufladens oder Entladens zeigt;
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4 eine graphische Darstellung,
die die zeitliche Änderung
der Batterieklemmenspannung während
des Entladens und dann während
des Aufladens zeigt, um zur Erläuterung
der spezifischen Zeit TSET und der Startperioden
t1 und t2 des Auflade- oder
Entladesteuerprozesses beizutragen;
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5A eine graphische Darstellung,
die ein Beispiel der Beziehung zwischen der spezifischen Zeit und
der Entladestärke
zeigt;
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5B eine graphische Darstellung,
die ein weiteres Beispiel für
die Beziehung zwischen der spezifischen Zeit und der Entladestärke zeigt;
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6 eine graphische Darstellung,
die die Beziehung zwischen der Auslöse- oder Startperiode und der
Entladestärke
zeigt;
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7 ein Flußdiagramm,
das ein erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens
zeigt;
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8 ein Flußdiagramm,
das ein zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens
zeigt;
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9 ein Flußdiagramm,
das ein drittes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Steuerverfahrens
zeigt;
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10 eine graphische Darstellung,
die die Beziehung zwischen der Batterietemperatur Tn und einem
Temperaturkorrekturkoeffizienten KT zeigt;
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11 eine graphische Darstellung,
die die Beziehung zwischen der Spannungsdifferenz und dem Lade-
oder Entladestrom Id mit der Temperatur als
Parameter zeigt; und
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12 ein Flußdiagramm,
das ein viertes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt.
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Ausführungsbeispiele
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung an Hand der detaillierten Erläuterung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargelegt.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Das
erste Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Batterieaufladungs-
oder Entladungssteuerverfahrens wird nun unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 erläutert.
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In 1 umfaßt ein Fahrzeugbatteriesystem eines
Elektrofahrzeugs ein Hochspannungs-Stromquellensystem 1 und
ein Niederspannungs-Stromquellensystem 2. In diesem Hochspannungsquellensystem 1 ist
eine Hochspannungsbatterie 4 über eine Antriebsschaltung
(beispielsweise einen Inverter) 6 mit einem Fahrzeugantriebsmotor 5 verbunden
und darüber
hinaus direkt mit Lastteilen 7a des Hochspannungssystems
wie einer Klimaanlage, Heizeinrichtung usw.
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Die
Hochspannungsbatterie 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel
eine Bleibatterie, in der 28 Batterieeinheiten einer Nennspannung
von 12 V, jeweils aufgebaut aus sechs Zellen mit 2,1 V, in Serie
geschaltet sind, für
eine kombinierte Batterie einer Nennspannung von 336 V (= 2,1 V × 6 × 28). Wenn die
Batteriekapazität
unter einen spezifischen Wert abfällt, wird diese Kombinationsbatterie
durch einen Batterielader 3 aufgeladen, der an eine externe
nicht dargestellte Spannungsquelle angeschlossen ist. Ferner ist
der Fahrzeugantriebsmotor 5 beispielsweise ein Wechselstrominduktionsmotor,
und die Antriebskraft des Fahrzeugantriebsmotors 5 wird
dem Fahrzeugantriebssystem (beispielsweise einer Antriebswelle,
einem Differentialgetriebe usw.) des Elektrofahrzeugs zugeführt. Ferner
kann während der
Fahrt des Elektrofahrzeugs die Batterie 4 durch die regenerierende
Leistung und Energie des Fahrzeugantriebsmotors 5 über die
Antriebsschaltung 6 aufgeladen werden.
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Daneben
ist im Niederspannungsquellensystem 2 eine Hilfsbatterie 8 (separat
zur Spannungsbatterie 4) mit üblichen elektrischen Komponenten 7b (beispielsweise
einem Scheibenwischersystem, Radio, verschiedenen Anzeigeinstrumenten
usw.), einer Fahrzeugsteuereinheit 9 zur Steuerung des
Elektrofahrzeugs und einer Batteriesteuer- oder Handhabungseinheit 10 zur
Steuerung, Kontrolle und Handhabung der Hochspannungsbatterie 4 verbunden.
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Die
Fahrzeugsteuereinheit 9 steuert den Fahrzeugantrieb und
führt andere
Steuervorgänge aus,
die erforderlich sind, wenn das Fahrzeug fährt, und zwar auf der Grundlage
von Befehlen des Fahrers. Dabei detektiert die Fahrzeugsteuereinheit 9 explizit
verschiedene Fahrzeugbetriebsbedingungen auf der Grundlage von Signalen,
die von der Batteriesteuereinheit 10 und verschiedenen
Sensoren und Schaltern (nicht dargestellt) zugeführt werden, und steuert den
Fahrzeugantriebsmotor 5 über die Antriebsschaltung oder
Steuerschaltung 6 oder schaltet die elektrischen Lastteile 7a des
Hochspannungssystems ein oder aus oder stellt verschiedene erforderliche
Daten für
den Fahrer hinsichtlich oder unter Verwendung der üblichen
elektrischen Komponenten (beispielsweise Displayvorrichtungen) dar.
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Die
Batteriesteuereinheit 10 detektiert die verbleibende Kapazität der Hochspannungsbatterie 4 auf
der Grundlage von Signalen einer Sensorgruppe 11 (die weiter
unten im Detail erläutert
wird), welche die Spannung der Hochspannungsbatterie 4,
deren Lade- oder Entladestrom, deren Temperatur usw. erfaßt, und
steuert ferner die Hochspannungsbatterie 4 (beispielsweise
im Hinblick auf die Verhinderung einer Überladung oder übermäßigen Entladung
der Hochspannungsbatterie 4). Darüber hinaus gibt die Batteresteuereinheit 10 Steuerbefehle
und erforderliche Meßdaten
an den Batterielader 3 und die Fahrzeugsteuereinheit 9 aus,
wenn die Hochspannungsbatterie 4 aufgeladen oder entladen
wird.
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Das
Batteriesteuersystem, bestehend aus der Batteriesteuereinheit 10 und
weiteren Elementen oder Einheiten wird nun unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
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Gemäß Darstellung
ist in diesem Ausführungsbeispiel
die Hochspannungsbatterie (336 V) in sieben Batterieblöcke (7 × 48 V)
aufgeteilt, die jeweils aus vier Batterieeinheiten (4 × 12 V)
aufgebaut sind, welche jeweils sechs Zellen (6 × 2 V) umfassen.
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Die
Batteriesteuereinheit 10 ist aus einem Mikrocomputer 12,
einem A/D-Wandler 13, der an den Mikrocomputer 12 angeschlossen
ist, sowie verschiedenen peripheren Schaltungen (nicht dargestellt)
aufgebaut. Mit dem A/D-Wandler 13 sind verschiedene Bauelemente
wie ein Verstärker 15 zum Verstärken eines
Signals von einem Stromsensor 14 (eines der Sensoren, die
die Sensorgruppe 11 bilden) verbunden, sowie jeweilige
Verstärker 23 bis 29 zum Verstärken von
Signalen der Temperatursensoren 16 bis 22 der
Sensorgruppe 11 und verschiedene Verstärker 30 bis 36 zum
Verstärken
der Signale verschiedener Spannungssensoren der Spannungsgruppe 11.
Damit werden die verschiedenen analogen Signale, die den Batterielade-
oder Entladestrom anzeigen, Temperaturen der jeweiligen Batterieblöcke und
Spannungen der jeweiligen Batterieblöcke, aus analogen in entsprechende
digitale Signale umgesetzt, bevor sie vom A/D-Wandler 13 zum
Mikrocomputer 12 ausgegeben werden.
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Der
Stromsensor 14 ist ein Hall-Elementsensor. Dieser Stromsensor 14 ist
in eine Spannungsleitung etwa auf halbem Wege hineingesetzt, die
sich vom positiven Anschluß der
Hochspannungsbatterie 4 erstreckt, und detektiert den Lade-
oder Entladestrom der Hochspannungsbatterie 4. Ferner sind
die oben erwähnten
sieben Temperatursensoren 16 bis 22 jeweils beispielsweise
Thermistor-Sensoren. Es ist jeder Temperatursensor mit jeweils einem
Block verbunden, der aus vier Batterieeinheiten einer Nennspannung
von 12 V besteht, die in Serie geschaltet sind, um die Temperatur
jedes Blocks separat zu erfassen. Ferner sind die sieben Verstärker 30 bis 36 für die Spannungssensoren
jeweils Differentialverstärker.
Jeder Differentialverstärker
detektiert jeweils die Anschluß-
oder Klemmenspannung (Nennwert von 48 V) eines jeden Blocks.
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Der
Mikrocomputer 12 steuert die Hochspannungsbatterie 4 unter
Verarbeitung der Meßwerte
der verbleibenden Kapazität,
der Ladungs- oder Entladungssteuerung usw. Für den Steuerprozeß der Aufladung
oder Entladung überwacht
der Mikrocomputer 12 die jeweiligen Spannungen einer Mehrzahl
der unterteilten Blöcke
der Hochspannungsbatterie 4, um zu verhindern, daß Unterschiede
in der Nutzleistung und Leistungsfähigkeit (der nutzbaren elektrischen Arbeit)
zwischen den jeweiligen Zellen, die die Hochspannungsbatterie 4 aufbauen,
infolge einer Entladung oder Aufladung zunimmt; mit anderen Worten bedeutet
dies, zu verhindern, daß die
Hochspannungsbatterie 4 teilweise verschlechtert, beschädigt oder
zerstört
wird infolge von "Performance"-Unterschieden.
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Bei
der üblichen
Batterie, die in einem Elektrofahrzeug angebracht ist, fällt gemäß 3 die, Klemmenspannung ab,
wenn die Batterie während der
Fahrt entladen wird, steigt jedoch wieder an, wenn das Fahrzeug
angehalten wird und dann aufgeladen wird. Hier fällt die Klemmenspannung während der
Entladung allmählich
ab, fällt
jedoch bei einer übermäßigen Entladung
abrupt ab. Auf dieselbe Weise steigt die Klemmenspannung beim Aufladen
allmählich
an, steigt jedoch entsprechend abrupt an, wenn die Batterie überladen
wird. Ist die Batterie aus einer Mehrzahl von Batteriezellen aufgebaut,
so steigt folglich, sobald sich der Unterschied in der Nutzleistung
zwischen den jeweiligen Zellen aufbaut, dieser Unterschied gemäß Anzeige
durch die durchgezogenen Linien und gestrichelten Linien der 3 am Ende der Entladung
(infolge einer Überentladung)
oder am Ende der Ladung (infolge einer Überladung) an.
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Daher
mißt im
Fall der Hochspannungsbatterie 4, die aus 28 in Serie geschalteter
Einheitszellen oder Zelleneinheiten (mit jeweils sechs Zellen),
d. h. 28 × 6
= 168 Zellen insgesamt, aufgebaut ist, die Steuereinheit sieben
Spannungen der sieben Blöcke, die
jeweils aus vier Batterieeinheiten aufgebaut sind (d. h. aufgebaut
aus 4 × 6
= 24 Zellen) bzw. (7 × 24
= 168 Zellen insgesamt). Übersteigt
dann eine Spannungsdifferenz zwischen der maximalen Spannung und
der minimalen Spannung einen vorbestimmten Wert, bricht der Mikrocomputer 12 die
weitere Aufladung oder Entladung der Hochspannungsbatterie 4 ab,
um zu verhindern, daß die
Hochspannungsbatterie 4 infolge einer Überentladung oder Überladung verschlechtert,
beschädigt
oder zerstört
wird.
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Der
oben dargelegte Steuerprozeß für die Hochspannungsbatterie 4 durch
den Mikrocomputer 12 wird bei spezifischen Zeitintervallen
entsprechend dem Ladungs- oder Entladungszustand der Hochspannungsbatterie 4 gestartet.
Dabei wird speziell gemäß Darstellung
in 4 eine spezifische
Zeit TSET als das Zeitintervall definiert,
das sich von dem Zeitpunkt an auserstreckt, zudem die Hochspannungsbatterie 4 aus
dem Entladungszustand in den offenen Zustand entlastet wird und
hierdurch die Klemmenspannung beginnt, steil anzusteigen, bis zu dem
Zeitpunkt, zu dem die Klemmenspannung einen maximalen Wert oder
Spitzenwert erreicht. Diese spezifische Zeit TSET differiert
entsprechend der jeweiligen elektrischen Eigenschaften der Batterie.
Gemäß Darstellung
in 5 nimmt diese spezifische Zeit
grob proportional zur Entladestärke
oder Entladeleistung zu, d. h. zu der während der Entladung durch die
Belastung abgegebenen elektrischen Leistung und der Leistungsaufnahme
durch die belastende Komponente. Andernfalls ist gemäß Darstellung in 5B diese spezifische Zeit
TSET eine Konstante, wenn die Entladestärke gering
ist, nimmt jedoch grob proportional zur Entladestärke zu,
wenn letztere größer wird.
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Folglich
ist es erforderlich, die Klemmenspannung der Hochspannungsbatterie 4 in
relativ kurzen Zeitintervallen (t1) von
dem Punkt an zu überwachen,
wenn die Batterie geladen wird, bis zu dem Punkt, wenn die spezifische
Zeit verstrichen ist. Beispielsweise wird bis zu dem Zeitpunkt,
zu dem die spezifische Zeit TSET, die durch
die Entladestärke
bestimmt ist, verstrichen ist, der Batteriesteuerprozeß mit einer
kurzen Start- oder Auslöseperiode
t1 von etwa einer Minute oder entsprechend
anderen kurzen Intervallen gestartet. Anschließend wird der Batteriesteuer-
und Überwachungsprozeß mit einer
längeren
Auslöseperiode
t2 von beispielsweise einer Stunde intervallmäßig ausgelöst, um bei
diesem Überwachungs-
und Steuerprozeß verbrauchte
Energie einzusparen.
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Ist
jedoch demgegenüber,
wie in 6 dargestellt,
die Entladestärke
gering, ist es möglich,
die Startperiode des Batterieüberwachungs-
und Steuerprozesses zu verlängern,
und danach die Startperiode mit ansteigender Entladestärke zu verkürzen. Beispielsweise
kann die spezifische Zeit TSET auf 30 min fixiert
werden. In diesem Fall wird der Batterieüberwachungs- und Steuerprozeß mit einer
Startperiode entsprechend der Entladestärke (discharged power) ausgeführt, und
nachdem die spezifische Zeit verstrichen ist, wird der Batterieüberwachungs-
und Steuerprozeß beispielsweise
jeweils mit einstündigem
Intervall ausgelöst.
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Der
Aufladungs- oder Entladungssteuerprozeß, der vom Mikrocomputer 12 entsprechend
einem Aufladungs- oder Entladungssteuerprogramm ausgeführt wird,
wird nun unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm der 7 erläutert.
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In
einem ersten Schritt S101 detektiert der Mikrocomputer 10 (im
folgenden der Einfachheit halber als Steuerung bezeichnet) die Klemmenspannungen
V1, V2, ... V7 der jeweiligen Unterteilungs-Batterieblöcke und
selektiert den maximalen Wert Vmax aus den
jeweiligen Blockklemmenspannungen V1, V2, ... V7 der Hochspannungsbatterie 4,
wie sie jeweils von den Verstärkern 30 bis 36 detektiert
wurden. Im Schritt S102 selektiert die Steuerung den minimalen Wert
Vmin aus den jeweiligen Blockklemmenspannungen
V1 bis V7 der Hochspannungsbatterie 4 gemäß Detektion
durch die jeweiligen Verstärker 30 bis 36.
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Im
Schritt S103 prüft
die Steuerung, ob die Hochspannungsbatterie 4 nun aufgeladen
oder entladen wird. Während
der Entladung treibt die Hochspannungsbatterie 4 den Fahrzeugantriebsmotor 5 oder
aktiviert elektrische Lastkomponenten 7a des Hochspannungssystems
(beispielsweise die Klimatisierungsanlage, Heizeinrichtung usw.).
Während
der Aufladung wird die Hochspannungsbatterie 4 durch die
regenerierende vom Fahrzeugantriebsmotor 5 während der
Fahrt des Fahrzeugs durch die Fahrzeugträgheit erzeugte Energie oder
durch eine externe Stromquelle über
den Batterielader 3 aufgeladen, wenn das Fahrzeug angehalten
ist.
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Wenn
die Hochspannungsbatterie 4 entladen wird, fährt die
Steuerung ausgehend von Schritt S103 mit S104 fort, detektiert die
maximale Spannung Vmax und die minimale
Spannung Vmin der jeweiligen Blockklemmenspannungen
V1, V2, ..., berechnet
die Differenz zwischen den beiden Werten (Vmax – Vmin) und vergleicht die berechnete Differenz
mit einem zulässigen
spezifischen Wert VKd der Spannungsdifferenz
zwischen den jeweiligen Blöcken während der
Entladung (wobei diese Differenz durch eine Differenz der "Performance", der nutzbaren Arbeit
oder Leistungsfähigkeit
zwischen den jeweiligen Zellen vervorgerufen wird). Falls das Vergleichsergebnis
Vmax – Vmin < VKd, beendet die Steuerung dieses Programm,
und falls Vmax – Vmin ≥ VKd so fährt
die Steuerung mit Schritt S105 fort, um die weitere Entladung der
Hochspannungsbatterie 4 durch die elektrischen Hochspannungslastkomponenten 7a (z.
B. die Klimaanlage, die Heizeinrichtung usw.) abzubrechen, mit dem
Ergebnis, daß es
möglich
ist, zu verhindern, daß die
Zellen mit geringer "Performance", d. h. Leistungsfähigkeit, überentladen
werden und hierdurch in beschleunigter Weise verschlechtert werden.
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Andererseits
fährt die
Steuerung ausgehend von Schritt S103 mit Schritt S106 fort, wenn
die Hochspannungsbatterie 4 im Schritt S103 geladen wird,
detektiert die maximale Spannung Vmax und
die minimale Spannung Vmin der jeweiligen
Blockklemmenspannungen V1, V2,
..., berechnet die Differenz zwischen den beiden Werten (Vmax – Vmin) und vergleicht die berechnete Differenz
mit einem zulässigen spezifischen
Wert VKc der Spannungsdifferenz zwischen
den jeweiligen Blöcken
während
des Aufladens (was wiederum durch eine Differenz in der Leistungsfähigkeit
der jeweiligen Zellen bedingt ist). Falls das Vergleichsergebnis
Vmax – Vmin < VKc, beendet die Steuerung dieses Programm,
und falls Vmax – Vmin ≥ VKc, fährt
die Steuerung mit Schritt S107 fort, um die weitere Aufladung der
Hochspannungsbatterie 4 durch die Batterielader abzubrechen,
mit dem Ergebnis, daß es
möglich
ist, zu verhindern, daß die
Zellen geringer Leistungsfähigkeit überladen
werden und sich hierdurch beschleunigt verschlechtern, wonach das
Programm beendet ist.
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Wie
oben erläutert,
ist es gemäß dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren
möglich,
vorab dafür
zu sorgen, daß die
Differenz der Leistungsfähigkeit
der jeweiligen Zellen, die die Hochspannungsbatterie 4 aufbauen,
nicht ansteigt, und auf diese Weise zu verhindern, daß die Hochspannungsbatterie 4 sich
verschlechtert oder beschädigt
wird; so daß die
Batterielebensdauer erheblich gesteigert werden kann. Darüber hinaus
ist es in diesem Lade- oder Entladesteuerverfahren möglich, da
die Ladung oder Entladung der jeweiligen individuellen Zellen nicht gesteuert
wird, die Steuerungskosten für
die Hochspannungsbatterie 4 durch Einsparung zu verringern.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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Im
folgenden wird das zweite Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf 8 erläutert. Dieses
Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom ersten dadurch, daß der Lade- oder Entladestrom
entsprechend dem Unterschied zwischen dem maximalen und minimalen
Spannungswert der jeweiligen Blöcke
der Hochspannungsbatterie 4 begrenzt wird. Ferner entspricht
die Hardware im wesentlichen derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels.
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Im
Lade- oder Entladesteuerprogramm der 8 selektiert
die Steuerung auf dieselbe Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel
im Schritt S201 den maximalen Wert Vmax der
jeweiligen Blockklemmenspannung V1 bis V7 der Hochspannungsbatterie 4 gemäß Detektion
durch die jeweiligen Verstärker 30 bis 36.
Im Schritt S202 selektiert die Steuerung den minimalen Wert Vmin der jeweiligen Spannungen V1 bis
V7 der Batterie 4 gemäß Detektion
durch die jeweiligen Verstärker 30 bis 36 auf
dieselbe Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
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Im
Schritt S203 prüft
die Steuerung, ob die Hochspannungsbatterie 4 nun geladen
oder entladen wird. Während
der Entladung fährt
die Steuerung mit Schritt S204 und während der Ladung mit Schritt S206
fort.
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Im
Schritt S204 setzt die Steuerung beim Entladen einen Entladestrom-Grenzwert
Id unter Bezugnahme auf eine Entladestromtabelle
fest. Im Schritt S205 gibt die Steuerung einen Strombegrenzungsbefehl
an die Fahrzeugsteuereinheit 9 aus, so daß der Entladestrom
der Hochspannungsbatterie 4 nicht den Grenzwert Id überschreiten
wird, wonach das Programm endet.
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Die
erwähnte
Entladestromtabelle repräsentiert
die Beziehung zwischen dem Entladestromgrenzwert Id und
der Spannungsdifferenz Vmax – Vmin (als Parameter), wobei diese Tabelle
vorab empirisch ermittelt wurde und in einem ROM des Mikrocomputers 12 gespeichert
ist. Wie sich aus der graphischen Darstellung, die im Schritt S204
gezeigt ist, ergibt, wird der Entladestromgrenzwert Id so
festgesetzt, daß er
einen relativ großen
konstanten Wert aufweist, wenn die Spannungsdifferenz Vmax – Vmin gering ist, jedoch mit ansteigendem Wert
Vmax – Vmin bis hinab zu "0" abnimmt
(d. h. bis zum Entladungsabbruch).
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Andererseits
setzt die Steuerung im Schritt S206 einen Entladestrombegrenzungswert
Ic unter Bezugnahme auf eine Ladestromtabelle.
Im Schritt S207 gibt die Steuerung einen Strombegrenzungsbefehl
an den Batterielader 3, so daß der Ladestrom der Hochspannungsbatterie 4 nicht
den Begrenzungswert Ic übersteigen wird, wobei das
Programm hier beendet wird.
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Die
Ladestromtabelle gibt die Beziehung zwischen dem Ladestromgrenzwert
Ic und der Spannungsdifferenz Vmax – Vmin (als Parameter) wieder, wobei die Tabelle
vorab empirisch ermittelt und im ROM des Mikrocomputers 12 gespeichert
ist. In der graphischen Darstellung des Schritts S206 ist der Stromgrenzwert
Ic so festgesetzt, daß er einen relativ hohen konstanten
Wert aufweist, wenn die Spannungsdifferenz Vmax – Vmin gering ist, jedoch mit ansteigender Spannungsdifferenz
Vmax – Vmin bis hinunter zum Endwert "0" (d. h. dem Ladeabbruch) abnimmt.
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In
diesem zweiten Ausführungsbeispiel
kann selbstverständlich
derselbe Effekt wie im ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
Darüber
hinaus wird, da der Lade- oder Entladestrom der Hochspannungsbatterie 4 automatisch
bis hinab zu Null begrenzt wird, verhindert, daß die Zellen mit geringer Leistungsfähigkeit überladen
oder überentladen
werden, woraus sich der Vorteil ergibt, daß es nicht erforderlich ist,
das Fahrzeug während
der Fahrt augenblicklich anzuhalten oder den Ladevorgang während des
Aufladens augenblicklich zu unterbrechen.
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(Drittes Ausführungsbeispiel)
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Das
dritte Ausführungsbeispiel
wird nun an Hand der 9 bis 11 erläutert. Das dritte Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom ersten und zweiten dadurch, daß die jeweiligen
Blockklemmenspannungen Vn der Hochspannungsbatterie 4 entsprechend
der Batterietemperatur jeweils so korrigiert werden, daß der Lade-
oder Entladestrom entsprechend der Spannungsdifferenz Vmax – Vmin limitiert wird, oder um die Ladung oder
Entladung abzubrechen, wenn die Differenz einen vorbestimmten spezifischen
Wert übersteigt.
Die Hardware entspricht im übrigen
derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels
weitestgehend.
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Im
Lade- oder Entladesteuerprozeß der 9 detektiert die Steuerung
in Schritt S301 die Temperatur Tn jedes
Blocks der Hochspannungsbatterie 4 entsprechend der Detektion
der Temperaturwerte T1 bis T7 durch
die Temperatursensoren 16 bis 22 und ermittelt
jeweils einen Temperaturkorrekturkoeffizienten KTn (KT1, KT2, ... KT7) beispielsweise durch Zugreifen auf eine
Tabelle. Die detektierte Anschlußspannung Vn (V1 bis V7) jedes Blocks
der Hochspannungsbatterie 4 wird auf der Grundlage des
so ermittelten Temperaturkorrekturkoeffizienten KT korrigiert, wobei
jede korrigierte Spannung VTn auf folgende Weise
gewonnen wird: VT1 = KT1·V1; VT2 = KT2·V2; ... VT7 = KT7·V7.
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Ferner
setzt die Steuerung im Schritt S302 den Maximumwert VTmax der
jeweils korrigierten Blockklemmenspannungen VTn der
Hochspannungsbatterie 4 fest. Im Schritt S303 selektiert
die Steuerung den minimalen Wert VTmin der
jeweils korrigierten Blockklemmenspannungen VTn der
Hochspannungsbatterie 4.
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Es
wird nun die Wirkung der Batteriespannungskorrektur gemäß der Temperatur
erläutert.
Generell besteht die Tendenz, daß die Batteriespannung mit
ansteigender Temperatur zunimmt. Daher werden in Form einer Tabelle
Werte für
die Temperaturkorrekturkoeffizienten KT gespeichert,
die entsprechend 10 einen
negativen Gradienten aufweisen (d. h. die Koeffizienten KT nehmen mit ansteigender Temperatur(linear)ab),
und jeder Temperaturkoeffizient KT wird
entsprechend jeder einzelnen Blocktemperatur Tn ermittelt,
um die entsprechende Blockklemmenspannung Vn jedes
Blocks zu korrigieren. Es ist folglich in diesem Ausführungsbeispiel
möglich,
die Blockklemmenspannung unter denselben Temperaturbedingungen zu
vergleichen, so daß es möglich ist,
einen genaueren Maximum- und Minimumwert VTmax bzw.
VTmin zu gewinnen.
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Ferner
prüft die
Steuerung im Schritt S304, ob die Hochspannungsbatterie 4 nun
aufgeladen oder entladen wird. Beim Entladen geht die Steuerung
von Schritt S304 auf Schritt S305 und detektiert die maximale Spannung
VTmax und die Minimumspannung VTmin der
jeweiligen korrigierten Blockklemmenspannungen VTn,
berechnet die Differenz zwischen den beiden Werten (VTmax – VTmin) und vergleicht die berechnete Differenz
mit einem zulässigen
spezifischen Wert VKTd der Differenz zwischen
den jeweils temperaturkorrigierten Blöcken während der Entladung. Falls
das Vergleichsergebnis VTmax – VTmin ≤ VKTd, geht die Steuerung von S305 auf S306,
um den Entladestrom-Grenzwert Id mit Bezugnahme
auf eine Entladetabelle auf dieselbe Weise wie im Fall des zweiten
Ausführungsbeispiels
festzulegen. Ferner gibt die Steuerung im Schritt S307 einen Strombegrenzungsbefehl
an die Fahrzeugsteuereinheit 9, so daß der Entladestrom der Hochspannungsbatterie 4 nicht
den Grenzwert Id übersteigen wird, womit das Programm
endet.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird gemäß 11 der Grenzwert Id entsprechend der Spannungsdifferenz zwischen
den beiden Werten (VTmax – VTmin) der jeweiligen Blöcke so bestimmt, daß er mit wachsendem
Temperaturkorrekturkoeffizienten KT (d.
h. mit abnehmender Temperatur) zunimmt. Da in diesem Ausführungsbeispiel
der Entladestrom-Grenzwert Id unter der
Berücksichtigung
der Batteriekapazitätsänderung
infolge einer Änderung der
Blocktemperatur ermittelt wird, ist es mit anderen Worten möglich, die
Antriebsleistung und Antriebseigenschaften für das Elektrofahrzeug noch
zuverlässiger
zu steuern. Dasselbe kann auch für
die Ladestromtabelle, wie weiter unten im Schritt S310 erläutert, gelten.
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Falls
im Schritt S305 VTmax – VTmin > VKTd,
fährt die
Steuerung mit Schritt S308 fort, um einen Befehl an die Fahrzeugsteuereinheit 9 dahingehend
auszugeben, daß die
weitere Entladung der Hochspannungsbatterie 4 durch die
elektrischen Lastkomponenten 7a des Hochspannungssystems
(Klimaanlage, Heizeinrichtung usw.) abgebrochen wird, mit dem Ergebnis,
daß es
möglich
ist, zu verhindern, daß die Zellen
fortgesetzt überentladen
werden, womit das Programm endet.
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Andererseits
fährt die
Steuerung während der
Ladung im Schritt S304 mit Schritt S109 fort und detektiert die
maximale Spannung VTmax und die minimale
Spannung VTmin der jeweiligen temperaturkorrigierten
Blockklemmenspannungen VTn, berechnet die
Differenz zwischen den beiden Werten (VTmax – VTmin) und vergleicht die berechnete Differenz
mit einem zulässigen
spezifischen Wert VKTc der Spannungsdifferenz
zwischen den jeweiligen temperaturkorrigierten Blöcken während des
Ladens. Ist das Vergleichsergebnis VTmax – VTmin ≤ VKTc, so fährt
die Steuerung mit Schritt S310 fort, um den Ladestromgrenzwert Ic unter Bezugnahme auf eine Ladetabelle auf
dieselbe Weise wie im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels festzulegen.
Ferner gibt im Schritt S311 die Steuerung einen Strombegrenzungsbefehl
an den Batterielader 3 aus, so daß der Ladestrom der Hochspannungsbatterie 4 nicht
den Grenzwert Ic übersteigen wird, womit das
Programm endet.
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Falls
im Schritt S309 VTmax – VTmin > VKTc festgestellt
wird, springt die Steuerung auf Schritt S312, um einen Befehl an
den Batterielader 3 zum Abbruch der Aufladung durch den
Lader zu geben, mit dem Ergebnis, daß es möglich ist, zu verhindern, daß die Zellen
fortgesetzt überladen
werden, womit das Programm endet.
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Da
in diesem dritten Ausführungsbeispiel
die Hochspannungsbatterie 4 unter Berücksichtigung der Temperatur
der Batteriezellenblöcke
genauer kontrolliert und gesteuert werden kann, ist es möglich, durch
diese Berücksichtigung
der Blocktemperaturen zuverlässiger
zu verhindern, daß die
Zellen infolge des Unterschiedes der Leistungsfähigkeit (Performance) zwischen
den Zellen übermäßig aufgeladen
oder entladen werden.
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(Viertes Ausführungsbeispiel)
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Das
im folgenden an Hand 12 erläuterte vierte
Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich vom dritten dadurch, daß, wenn die Differenz zwischen den
Maximum- und Minimumwerten (VTmax – VTmin) der jeweiligen Blöckeder Hochspannungsbatterie 4 einen
spezifischen Wert übersteigt,
der Entladestrom schrittweise abgesenkt wird, um zu verhindern,
daß der
Block mit der minimalen Spannung übermäßig entladen wird, oder es
wird der Ladestrom schrittweise abgesenkt, um zu verhindern, daß der Block
mit der maximalen Spannung überladen
wird. Die Hardware entspricht in diesem Fall wieder den übrigen Ausführungsbeispielen.
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Im
Lade- oder Entladesteuerprozeß der 12 detektiert die Steuerung
in S401 jede Temperatur Tn jedes Blocks
der Hochspannungsbatterie 4 (gemäß Detektion durch die Temperatursensoren 16 bis 22)
und ermittelt jeweils die Temperaturkorrekturkoeffizienten KTn beispielsweise durch Zugriff auf eine
Tabelle. Die detektierte Klemmenspannung Vn jedes
Blocks der Hochspannungsbatterie 4 wird auf der Grundlage
dieser gewonnenen Koeffizienten KTn so korrigiert,
daß sich
jeweils ein korrigierter Klemmenspannungswert VTn (VTn = KTn·Vn) ergibt.
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Im
Schritt S402 selektiert die Steuerung den Maximumwert VTmax der
jeweiligen korrigierten Blockklemmenspannungen VTn der
Hochspannungsbatterie 4. Im Schritt S403 selektiert die
Steuerung den Minimumwert VTm der korrigierten
Blockklemmenspannungen VTn der Hochspannungsbatterie 4 auf
dieselbe Weise wie beim dritten Ausführungsbeispiel.
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Im
Schritt S404 prüft
die Steuerung, ob die Hochspannungsbatterie 4 entladen
oder aufgeladen wird. Währen
d der Entladung geht die Steuerung von S404 zu S405 zur Detektion
der Maximumspannung VTmax und Minimumspannung
VTmin der jeweiligen korrigierten Blockspannungen
VTn, berechnet die Differenz zwischen den
beiden Werten (VTmax – VTmin) und
vergleicht die berechnete Differenz mit einem zulässigen spezifischen
Wert VKT2d der Spannungsdifferenz zwischen
den jeweiligen temperaturkorrigierten Blöcken während des Entladens. Falls
das Vergleichsergebnis VTmax – VTmin < VKT2d, beendet die Steuerung das Programm,
da selbst bei Fortsetzen der Entladung keine Probleme auftreten
werden. Ist VTmax – VTmin ≥ VKT2d fährt
die Steuerung mit Schritt S406 fort, um zu verhindern, daß der Block
mit der minimalen Spannung übermäßig entladen
wird. Die Steuerung gibt ein Befehlssignal an die Fahrzeugsteuereinrichtung 9 zur
Absenkung des Antriebslaststroms Id2, der durch
den Fahrzeugantriebsmotor 5 und die elektrischen Lastkomponenten 7a des
Hochspannungssystems fließt,
um einen festgesetzten Wert ΔId und zwar bei jeder Programmstartperiode
t des Entladesteuerprozesses unter Bildung von Id2(t) =
Id2(t-1) – ΔId,
wonach zu Schritt S405 zurückgegangen
wird.
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Im
Fall des Aufladens geht die Steuerung von Schritt S404 zu Schritt
S407 zur Detektion der minimalen und maximalen Spannungen VTmax und VTmin der
jeweils korrigierten Blockspannungen VTn,
berechnet die Differenz zwischen beiden Werten (VTmax – VTmin) und vergleicht diese Differenz mit
einem zulässigen
spezifischen Wert VKT2c der Spannungsdifferenz
zwischen den jeweils temperaturkorrigierten Blöcken während des Aufladens. Falls
das Vergleichsergebnis VTmax – VTmin < VKT2c, beendet die Steuerung das Programm,
weil auch bei Fortsetzen des Aufladens keinerlei problem auftritt.
Für den
Fall, daß VTmax – VTmin ≥ VKT2c, fährt
die Steuerung mit Schritt S408 fort, um zu verhindern, daß der Block
mit der Maximumspannung überladen
wird. Die Steuerung gibt ein Befehlssignal an den Batterielader 3 zur
Absenkung des Ladestroms Ic2 durch den Lader
und der regenerierenden Energie bzw. des regenerierenden Stroms
um einen festgesetzten Wert ΔIc und zwar zu jeder Programmstartperiode
des Aufladungssteuerprozesses t, wobei Ic2(t) =
Ic2(t-1) – ΔIc gebildet
wird und danach auf Schritt S407 zurückgegangen wird.
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Wie
oben erläutert,
ist es im vierten Ausführungsbeispiel
möglich,
den Batterieblock, der die Zellen mit geringer Leistungsfähigkeit
(Performance) in der Hochspannungsbatterie 4 umfaßt, direkt
so anzusteuern, daß er
noch zuverlässiger
nicht überladen oder überentladen
wird.
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Obgleich
in diesem vierten Ausführungsbeispiel
sämtliche
Blockklemmenspannungen unter Berücksichtigung
der Batterietemperatur korrigiert werden, ist es ferner auch möglich, die
Temperaturkorrektur wegzulassen, d. h. direkt die Ladung oder auch Entladung
der Zellen geringer Leistungsfähigkeit
zu steuern.
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Gemäß obiger
Beschreibung sind im Verfahren zur Steuerung der Aufladung/Entladung
einer Batterie gemäß der vorliegenden
Erfindung mehrere Zellen in eine Mehrzahl von Blöcken eingeteilt, und es wird
die Differenz zwischen dem maximalen Spannungswert und dem minimalen
Spannungswert, die aus den mehreren Aufteilungsblöcken selektiert
werden, berechnet. Übersteigt
die berechnete Differenz dieser beiden Werte einen vorbestimmten
Wert, so wird die Batterieaufladung oder Entladung abgebrochen,
der Lade- oder Entladestrom wird begrenzt, oder der Lade- oder Entladestrom
wird schrittweise immer dann abgesenkt, wenn das Steuerprogramm wieder
ausgelöst
oder gestartet wird. Daher ist es möglich, zu verhindern, daß die Batteriezellen
infolge von Unterschieden in der Leistungsfähigkeit zwischen den Zellenblöcken, die
die Hochspannungsbatterie aufbauen, teilweise übermäßig entladen oder aufgeladen
werden, mit dem Ergebnis, daß es möglich ist,
zu verhindern, daß die
Batterielebensdauer sich verringert. Wird ferner die Spannungsdifferenz
zwischen den Zellenblöcken
unter Berücksichtigung
der Temperatur korrigiert, ist es möglich, die Zuverlässigkeit
des Batterieaufladungs- oder Entladungssteuerverfahrens weiter zu
steigern.
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In
der vorausgegangenen Beschreibung wurden gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung erläutert,
es ist jedoch zu beachten, daß diese
Offenbarung dem Zwecke der Veranschaulichung dient und daß verschiedenste Änderungen
und Modifikationen ohne Verlassen des Schutzumfangs der Erfindung
gemäß Definition
in den beiliegenden Ansprüchen
vornehmbar sind.