DE10144017B4

DE10144017B4 - System zum Abgleichen eines Batteriemoduls über einen variablen DC/DC-Spannungswandler bei einem Hybrid-Elektroantriebsstrang

Info

Publication number: DE10144017B4
Application number: DE10144017.0A
Authority: DE
Inventors: Goro Tamai; William L. Aldrich III
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2021-09-08
Also published as: US6275004B1; DE10144017A1

Abstract

Vorrichtung zum Ausgleichen eines Ladungszustands eines Batteriemoduls (13) in einem Fahrzeug (10) mit: mehreren Batterien (B1–B3) in dem Batteriemodul (13), wobei die Batterien (B1–B3) in Serie geschaltet sind, jede einzelne der Batterien (B1–B3) eine Batteriespannung aufweist und zumindest eine Batterie ein elektrisches System des Fahrzeugs (10) mit Strom versorgt; einem elektrischen Generator (20), der eine Generatorspannung zum Aufladen der Batterien (B1–B3) erzeugt; und einem DC/DC-Wandler (24), der mit dem elektrischen Generator (20) gekoppelt ist und von diesem Strom empfängt, wobei der DC/DC-Wandler (24) zumindest eine der Batteriespannungen zumindest einer der Batterien (B1–B2) überwacht und für einen Spannungsausgang sorgt, der parallel mit einer ersten Batterie (B1) des Batteriemoduls (13) verdrahtet ist, um die erste Batterie (B1) aufzuladen; dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Modus der Spannungsausgang so eingestellt wird, dass er der kleineren der Spannung der anderen Batterien (B2, B3) gleicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleichen eines Ladungszustands eines Batteriemoduls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17 bzw. der Ansprüche 1 oder 15, wie aus der DE 29 919 099 U1 bekannt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Auf dem heutigen Automobilmarkt gibt es eine Vielfalt von Vortriebs- oder Antriebstechnologien, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Die Technologien schließen Verbrennungskraftmaschinen (internal combustion engines ICE), elektrische Antriebssysteme, die Batterien und/oder Brennstoffzellen als Energiequelle verwenden, und Hybrid-Systeme ein, die eine Kombination von Verbrennungskraftmaschinen und elektrischen Antriebssystemen verwenden. Jedes einzelne Vortriebssystem hat spezielle technologische, finanzielle und Leistungsvorteile und -nachteile, die vom Stand der Energiepreise, der Entwicklungen der Energieinfrastruktur, der Umweltgesetze und der Regierungsanreize abhängen.
Der wachsende Bedarf, in derzeitigen Kraftfahrzeugen die Treibstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und die Abgase zu reduzieren, hat zu der Entwicklung von fortgeschrittenen Hybrid-Fahrzeugen geführt. Hybrid-Fahrzeuge sind als solche Fahrzeuge klassifiziert, die zumindest zwei getrennte Antriebsquellen aufweisen, typischerweise eine Verbrennungskraftmaschine und einen elektrischen Antriebsmotor. Hybrid-Fahrzeuge haben im Vergleich zu Standardfahrzeugen, die durch eine Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden, eine verbesserte Treibstoffwirtschaftlichkeit und reduzierte Abgasemissionen. Hybrid-Fahrzeuge wechseln während variierender Fahrbedingungen zwischen getrennten Antriebsquellen, abhängig von der effizientesten Arbeitsweise der einzelnen Antriebsquelle. Ein Hybrid-Fahrzeug beispielsweise, das mit einer ICE und einem Elektromotor ausgestattet ist, schaltet die ICE während einer gestoppten oder Leerlaufbedingung ab und erlaubt dem Elektromotor, das Fahrzeug voranzutreiben und die ICE bei Gelegenheit wieder zu starten, wodurch die Treibstoffwirtschaftlichkeit des Hybrid-Fahrzeuges verbessert wird.
Hybrid-Fahrzeuge werden allgemein in Klassen von seriellen oder parallelen Antriebssträngen eingeteilt, je nach Anordnung der Antriebsstränge. In einem seriellen Antriebsstrang, der eine ICE und einen Elektroantriebsmotor verwendet, treibt lediglich der Elektromotor die Räder eines Fahrzeuges an. Die ICE wandelt eine Treibstoffquelle in mechanische Energie um, um einen Generator anzutreiben, der zum Antrieb des Elektromotors die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Bei einem palelen Hybrid-Antriebsstrangsystem arbeiten zwei Antriebsquellen, wie beispielsweise eine ICE und ein elektrischer Antriebsmotor, parallel, um ein Fahrzeug voranzutreiben. Im allgemeinen verbindet ein Hybrid-Fahrzeug mit einem parallelen Antriebsstrang die Leistungs- und Reichweitenvorteile einer herkömmlichen ICE mit dem Wirkungsgrad und der Fähigkeit zur elektrischen Rückgewinnung eines Elektromotors, um im Vergleich zu herkömmlichen ICE-Fahrzeugen die Treibstoffwirtschaftlichkeit zu erhöhen und die Emissionen zu erniedrigen.
Die US 5 869 950 A offenbart ein Verfahren zum Ausgleichen der Spannun- gen einer Vielzahl von Batteriemodulen einer Batterie. Die Spannungen werden erfasst und eingeordnet, wobei das Batteriemodul mit der niedrigsten Spannung durch das Batteriemodul mit der höchsten Spannung aufgeladen wird, bis eines der Batteriemodule eine durchschnittliche Spannung erreicht.
Die DE 197 36 414 A1 offenbart ein Elektromotorfahrzeug, das einen Zweirichtungs-Aufwärtssteller und eine Batterieschaltung aufweist. Eine Angleichsaufladung und eine Wiederauffrischungsentladung der in die Batterieblöcke A und B unterteilten Batterieschaltung und des damit angeordneten Zweirichtungs-Aufwärtsstellers sind ohne eine externe Energiequelle möglich. Wenn eine Angleichsaufladung erforderlich ist, werden Ladungen erzwungen von einem Batterieblock (z. B. A) zu einem anderen Batterieblock (z. B. B) übertragen. Wenn der Ladezustand des Batterieblocks B mit den empfangenen Ladungen einen vorbestimmten großen Wert annimmt, wird die Ladung erzwungen in die entgegengesetzte Richtung übertragen. Wenn der Ladezustand des Batterieblocks A einen vorbestimmten kleinen Wert annimmt, werden Ladungen erzwungen in die entgegengesetzte Richtung übertragen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausgleichen eines Batteriemoduls in einem Fahrzeug vorzusehen, um die Lebensdauer des Batteriemoduls zu erhöhen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung schließt ein Fahrzeug mit einem parallelen Hybrid-Antriebssystem ein, in das eine ICE und ein Elektromotorgenerator (MoGen) eingegliedert sind. Der MoGen sorgt für einen Vortrieb des Fahrzeugs während bestimmter Fahrzeugbetriebsbedingungen, ersetzt einen Wechselstromgenerator, um den Batteriestapel im Fahrzeug zu laden, und ersetzt einen herkömmlichen Anlasser, um die ICE zu starten. Das Hybrid-Antriebssystem der vorliegenden Erfindung verwendet die ICE und den MoGen, um das Fahrzeug während der Fahrzeugbedingungen voranzutreiben oder anzutreiben, die für den ICE- oder den MoGen-Betrieb am effizientesten sind. Beispielsweise wird während eines Abbremsens oder einer gestoppten Bedingung der Treibstofffluß zur ICE abgeschaltet, da diese Bedingungen zu den am wenigsten effizienten Bedingungen für den Betrieb einer ICE gehören. Während der Phase, in der der Treibstoff abgeschaltet ist, wird das MoGen-System das aktive Vortriebs- und Antriebssystem und treibt das Fahrzeug an, ohne den Betrieb des Fahrzeugs merklich zu stören oder Fahrbarkeit zu opfern. Der MoGen treibt das Fahrzeug voran und führt das Fahrzeug auf sanfte Weise aus dem Leer lauf- oder gestoppten Zustand heraus und startet die ICE für die ICE-Antriebsbedingungen. Der Leistungsübergang zwischen dem MoGen und der ICE oder umgekehrt ist für den Betreiber oder Fahrer unsichtbar, da sich das Fahrzeug verhält, als gäbe es nur ein das Fahrzeug vorantreibendes Antriebssystem.
Wenn während des normalen Fahrzeugbetriebs die ICE läuft, wirkt der MoGen als ein elektrischer Generator, um der elektrischen Infrastruktur des Fahrzeugs (Ventilatoren, Radios, Instrumente, Steuerung, etc.) elektrischen Strom zuzuführen sowie das Batteriepaket wieder aufzuladen. Der Batteriestapel und eine Stromversorgung, beispielsweise ein DC/DC-Wandler, führen der elektrischen Infrastruktur des Fahrzeugs Strom zu. Das Batteriepaket treibt den MoGen an, wenn dieser als Antriebsvorrichtung für das Fahrzeug arbeitet.
Die vorliegende Erfindung schließt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Spannungsausgabe eines DC/DC-Wandlers (Vout) sowie sein Verhältnis zu dem Batteriepaket und einer Motorraumanschlußdose (under hood junction box UHJB) ein. Die UHJB vernetzt die elektrischen Lasten des Fahrzeugs in der elektrischen Infrastruktur des Fahrzeugs. Das Batteriepaket speichert chemische Energie in Form von reaktiven Komponenten, die so ausgelegt sind, daß sie die chemische Energie als elektrischen Strom freisetzen, um den MoGen und die elektrische Infrastruktur des Fahrzeugs anzutreiben. Typischerweise umfaßt ein Batteriepaket eine Reihe von einzelnen Batterien oder Batteriemodulen, die in Serie, parallel oder einer Kombination aus seriell und parallel geschaltet sind, je nach Strom- und Spannungsbedarf des Fahrzeugs.
Der Batteriestapel der vorliegenden Erfindung ist eine sekundär/wiederaufladbare Batterie, welche die mit einer wiederaufladbaren Batterie verbundenen Entladungs- und Ladungsbegrenzungen beinhaltet, wie beispielsweise eine begrenzte Lebensdauer. Die Häufigkeit, mit der eine Batterie wieder aufgeladen und entladen werden kann, bevor sie ein ausgewähltes Leistungskriterium nicht mehr erreicht, bezeichnet man als Lebensdauer. Gemäß den Leistungsanforderungen eines elektrischen Fahrzeuges, erfährt eine Batterie mit großer Wahrscheinlichkeit verschiedene Ladungszustände (state of charge SOC) (der Prozentsatz der vollen Kapazität einer Batterie, der für eine weitere Entladung noch zur Verfügung steht). Diese SOCs sowie die Anzahl und Tiefe der Entladungen und der Aufladungen beeinflußen das Leben der Batterie. Wird beispielsweise eine Bleisäurebatterie in einem Zustand betrieben, in der sie über einen ausgedehnten Zeitraum nur teilweise beladen wird, so tritt eine Sulfierung der Platten der Batterie auf. Die Sulfierung in einer Bleisäurebatterie bewirkt, daß sich Bleisulfat in der Batterie zu großen Kristallen entwickelt, die nicht leicht in aktives Material zurückverwandelt werden können, wodurch die Ladekapazität der Batterie verringert und die Lebensdauer der Batterie reduziert wird.
Die vorliegende Erfindung reguliert die Spannungen und die Ladungszustände von Batteriemodulen in einem Batteriepaket, um das Laden und Entladen der einzelnen Batteriemodule in dem Batteriepaket auszugleichen. Durch die Regulierung des Ladens und Entladens der einzelnen Batteriemodule in dem Batteriepaket wird die Lebensdauer des Batteriepakets erhöht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Figur ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ausgleichs- oder Ladesystems.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Figur ist eine schematische Zeichnung eines Hybrid-Fahrzeugs 10 mit einem erfindungsgemäßen Batteriemodulausgleichssystem 12. Das Batterieausgleichssystem 12 schließt ein Batteriepaket 13 mit einzelnen Batteriemodulen 14, 16 und 18 ein. In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Batteriepaket 13 drei 12 Volt ventilgesteuerte, saugfähige glasmattierte (absorbent glass matt AGM) Bleisäurebatterien, die zur Erzeugung eines 36 Volt Nominalbus in Serie geschaltet sind. In alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Batteriepaket 13 jede bekannte Batterietechnologie umfassen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Lithium-Polymer-Batterien und Nickel-Metall-Hydrid-Batterien. Das erste Batteriemodul 14 ist chassis-geerdet und das zweite und dritte Batteriemodul 16 und 18 sind mit dem ersten Batteriemodul 14 in Serie geschaltet, wie in der Figur gezeigt ist.
Die entsprechenden Spannungen über das erste, zweite und dritte Batteriemodul 14, 16 und 18 werden als V1, V2 und V3 bezeichnet. Während das Batteriepaket 13 als drei Batteriemodule aufweisend beschrieben ist, kann im Rahmen dieser Erfindung jede Anzahl von Batteriemodulen mit variierenden Spannungen in Erwägung gezogen werden. Erfindungsgemäß kann darüber hinaus auch eine einzelne Batterie, wie beispielsweise eine 36 Volt Batterie mit mehreren Zugangspunkten zu verschiedenen Spannungsniveaus (Masse, 12 Volt und 36 Volt), verwendet werden.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das erste Batteriemodul 14 angezapft, um einer Motorraumanschlußdose (UHJB) 19 Strom zuzuführen, welche die elektrische Infrastruktur des Fahrzeugs 10 vernetzt und mit Strom versorgt. Das erste Batteriemodul 14 sorgt für die elektrische Energie, die nötig ist, um im Fahrzeug 10 parasitäre Lasten anzutreiben, wie beispielsweise den Motorcomputer, während sich das Fahrzeug 10 außer Betrieb oder in einem geparkten Zustand befindet. Eine Sorge beim Anzapfen einer der Batteriemodule in einer seriellen Kette, wie sie beispielsweise im erfindungsgemäßen Batteriepaket 13 vorliegt, ist eine vorzeitige Batteriepaketdegradation aufgrund eines Ungleichgewichtes im Ladungszustand (state of charge SOC) zwischen den Batteriemodulen 14, 16 und 18. Erfindungsgemäß wird der SOC durch Aufladen oder Entladen der Batteriemodule 14, 16,18 in Reaktion auf ihre gemessenen Spannungen V1, V2 und V3, wie nachstehend beschrieben wird, ausgeglichen.
Ein Motorgenerator (MoGen) 20 ist dynamisch an einer Verbrennungskraftmaschine (ICE) 22 gekoppelt und wirkt entweder als ein Motor, um das Fahrzeug 10 voranzutreiben, oder als ein Generator, um das Batteriepaket 13 aufzuladen, je nach Betriebszustand des Fahrzeugs 10 (d. h. Bremsen, Stoppen oder bei einer konstanten Geschwindigkeit auf einer Autobahn arbeitend). Der MoGen 20 ist bevorzugt eine AC-Induktionsmaschine, kann aber ebenso gut eine beliebige bekannte elektrische Motor/Generator-Technologie umfaßen, einschließlich, aber nicht begrenzt auf DC-Maschinen, Synchronmaschinen und geschaltete Widerstandsmaschinen.
Im Generatormodus erzeugt der MoGen 20 elektrische Energie, die über eine MoGen-Steuerung 23 auf das Batteriepaket 13 und den DC/DC-Wandler 24 übertragen wird. Je nach Betriebszustand des Fahrzeugs bestimmt die MoGen-Steuerung 23 die Richtung des Stromflußes für den MoGen 20. In einem Regenerationszustand (beispielsweise während des Bremsens) oder bei einer Aufladebedingung fließt Strom von dem MoGen 20 über die MoGen-Steuerung 23, um das Batteriepaket 13 aufzuladen und den DC/DC-Wandler 24 mit Strom zu versorgen. In einem Zustand, wo der MoGen 20 gebraucht wird, um für Vortrieb zu sorgen, fließt Strom von dem Batteriepaket 13 über die MoGen-Steuerung 23 zu dem MoGen 20, um den MoGen 20 zu betreiben. In der vorliegenden Ausführungsform arbeitet der MoGen 20 bei nominal 36 Volt. Der Betrieb des MoGen 20 sowie sein Verhältnis zu dem Batteriestapel 13 und dem DC/DC-Wandler 24 wird in den folgenden Absätzen detaillierter dargestellt.
Der erfindungsgemäße Hybrid-Antriebsstrang verwendet einen Strom i_ER oder ”Excess Regen”, der durch den MoGen 20 zugeführt wird und durch eine einzige Strommesseinrichtung, wie beispielsweise einen Strommesswiderstand 26, als die Hauptvariable zur Steuerung des Betriebszustandes (state-of-usage SOU) und des SOC des Batteriepakets 13 bestimmt wird. Der elektrische Stromfluß durch das Modulausgleichssystem 12 kann dynamisch zwischen vier verschiedenen SOU-Modi des Batteriepakets 13 oder Betriebsmodi des MoGen 20 wechseln, wie sie durch die Mo-Gen-Steuerung 23 bestimmt werden.

”Excess Regen”,
”Zero Excess Regen”,
”MoGen 20 Neutral”
”MoGen 20 Motoring Discharge”.

I. ”Excess Regen”: Ein Teil des Gesamtregenerativstroms ”Total Regen” i_TR, der durch den MoGen 20 bereitgestellt wird, betreibt den DC/DC-Wandler 24 i_DC/DC, und der verbleibende Strom (oder der ”Excess Regen” i_ER) lädt das Batteriepaket 13 wieder auf. Dies ist der Zustand, in den sich das System 12 für einen großen Hauptteil seiner Betriebszeit (z. B. Fahren auf einer Autobahn) einstellen wird. Ist der SOC des Batteriepakets 13 klein, kann der ”Excess Regen” bis zu einem voreingestellten Wert befohlen werden; ist der SOC des Batteriepakets 13 hoch, wird der ”Excess Regen” bis auf einen minimalen Wert heruntergefahren. Die obere Grenze für den ”Excess Regen” ist durch die Fahrbarkeit des Fahrzeugs 10 bestimmt; z. B. fühlt sich der Antriebsstrang schwerfällig an, wenn der ”Excess Regen” zu hoch ist. Dieser SOU ist immer dann aktiv, wenn der SOC der Batterie 13 nicht voll ist, und der MoGen 20 wird durch die ICE 22 oder ein Fahrzeuggetriebe zurückgefahren.
II. ”Zero Excess Regen”: Der MoGen 20 liefert gerade genügend ”Total Regen”, um den DC/DC-Wandler anzutreiben (i_TR = i_DC-DC). Der ”Excess Regen” zum Aufladen des Batteriepakets 13 ist null (i_ER = 0). ”Zero Excess Regen” wird verwendet, wenn die Batteriemodule 14, 16 und 18 vollgeladen sind. Die Bestimmung, wann die Batteriemodule 14, 16 und 18 vollgeladen sind, kann aus der Ladespannung, dem Ladestrom, der Leerlaufspannung und der Ladeintegration gekoppelt mit der Peukert-Beziehung abgeschätzt werden. In Wirklichkeit kann der ”Excess Regen” nicht exakt auf null gehalten werden, da die Lasten des DC/DC-Wandlers 24 ständig fluktuieren können. Oberhalb eines bestimmten Spannungsschwellwertes (temperaturabhängig) wechselt das Stromsteuerungssystem somit zu einem Spannungssteuerungssystem. Dieser SOU ist aktiv, wenn die Batteriemodule 14, 16 und 18 bei einem SOC von 100% sind und nachdem die ICE 22 per Anlasser gestartet wurde, wenn die Kühltemperatur oder der SOC der Batteriemodule 14, 16 und 18 mittel oder hoch ist. Der MoGen 20 wird auf ”Zero Excess Regen” gesteuert, nachdem der MoGen 20 das Antreiben der ICE 22 beendet hat, aber bevor die Verbrennung als vollständig stabilisiert erachtet wird.
III. ”MoGen Neutral”: Der MoGen 20 dreht sich frei, somit i_M = i_TR = 0. Da die hinzukommenden Lasten immer noch durch den DC/DC-Wandler 24 unterstützt werden, ist i_DC-DC noch immer positiv. Der Strom für i_DC-DC wird durch i_DC-DC+m geliefert, somit wird das Batteriepaket 13 entladen. Dieser SOU ist in folgenden Fällen aktiv: während einiger Getriebeschaltereignisse, bei denen neutral befohlen wird, um Unregelmäßigkeiten der Fahrzeuggetriebeanpassung aufgrund möglicher Drehmomentvariationen der ICE 22 zu unterbinden; wenn neutral am Ende MoGen 20-angetriebener Herunterschaltsynchronisationen befahlen wird und während einer nicht-MoGen 20-Herunterschaltung; nach Anlasserstart der ICE 22, wenn die Kühltemperatur oder der SOC der Batteriemodule 14, 16 und 18 niedrig sind; wenn der MoGen 20 auf neutral gesteuert wird, nachdem der MoGen 20 das Antreiben der ICE 22 beendet hat, jedoch bevor die Verbrennung als vollständig stabilisiert erachtet wird, um die Motorlast zu minimieren; wenn das Fahrzeug 10 bei ausgeschalteter ICE 22 gestartet wird.
IV. ”Motoring Discharge”: Der MoGen 20 liefert mechanische Arbeit an die ICE 22. Die elektrische Ladung i_DC-DC+M (in der Figur), die aus dem Batteriepaket 13 fließt, ist die Summe dieser MoGen 20-Fahrlast i_M und der Eingangslast i_DC-DC des DC/DC-Wandlers 24. Dies kann unter den folgenden Bedingungen auftreten: während eines Aufschließ-Anlasserstarts, während eines Hybrid-Starts aus einem Stop, während eines Herunterschaltvorgangs ohne Treibstoff und während einer Trägheitseliminierungsroutine.

Der MoGen 20 und das Batteriepaket 13 liefern Strom an den DC/DC-Wandler 24, und der DC/DC-Wandler 24 reguliert die SOCs der Batteriemodule 14, 16 und 18 des Batteriepakets 13. Der DC/DC-Wandler 24 sorgt für einen Spannungsausgang Vout, der parallel mit dem ersten Batteriemodul 14 verdrahtet ist, um das erste Batteriemodul 14 aufzuladen und um für die UHJB 19 zusätzliche Stromkapazität bereitzustellen, wenn die Lastanforderungen hoch sind. Im Normalbetrieb beträgt Vout im wesentlichen 12 Volt nominal, um das erste Batteriemodul 14 aufzuladen. Der DC/DC-Wandler 24 kann einen beliebigen bekannten DC/DC-Wandler umfaßen und ist in seiner Größe entsprechend der Stromeinstufung eines elektrischen Systems eines Fahrzeugs ausgelegt, mit dem er gekoppelt ist. In der bevorzugten Ausführungsform liefert das erste Batteriemodul 14 12 Volt nominal an die UHJB und deren entsprechende parasitäre Lasten. Wie voranstehend diskutiert, besteht beim Anzapfen einer der Batteriemodule in einer seriellen Kette das Problem einer vorzeitigen Batteriepaketleistungsdegradation. Der DC/DC-Wandler 24 steuert den SOC der Batteriemodule 14, 16 und 18 des Batteriepakets 13, vor allem das erste Batteriemodul 14, um den SOC des Batteriemoduls 14 dem der Batteriemodule 16 und 18 anzugleichen. Der DC/DC-Wandler 24 überträgt Ladung zwischen den Batteriemodulen 14, 16 und 18 durch eine Überwachung der Spannungsniveaus jedes einzelnen Batteriemoduls 14, 16 und 18 und durch eine Übertragung von Ladung auf das erste Batteriemodul 14 durch eine Steuerung von Vout. Jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Typ von Spannungsüberwachungseinrichtung oder -sensor wird als im Rahmen dieser Erfindung liegend angesehen.
Viele elektrische Hybrid-Antriebsstrangsysteme steuern den Ladungszustand (SOC) eines Batteriepakets nahe 50 bis 80%, so daß die Ladungsaufnahme und die Effizienz während des regenerativen Bremsens realisiert werden kann. Obwohl diese Art von Strategie in einem Gewinn von Energieeffizienz resultieren kann, kann eine langfristige Batterielebensdauer beeinträchtigt werden, insbesondere im Fall von Bleisäurebatterien.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der SOC dynamisch durch eine Spannungssteuerung und eine Ladungsintegration unter Verwendung der Peukert-Beziehung verfolgt. Die SOC-Schätzung wird in regelmäßigen Abständen durch ein Ablesen der Leerlaufspannung (Voc) nach einer zeitlich festgelegten Abschaltung zurückgesetzt, oder über eine Spannung unter Last (Vload) während eines bekannten Entladungsvorgangs, wie beispielsweise eines Motorstarts oder einer Getriebeherunterschaltsynchronisation.
Um das Leben der Batterien zu verlängern, bewahrt das Batteriesteuerungssystem den SOC nahe voller Aufladung. Die Vorteile, eine derartige Strategie durchzuführen, schließen ein:

1. Die Betriebsstörung von Bleisäurebatterien durch geringes Ausgasen ist günstiger als eine durch Plattensulfierung (realisiert durch einen ständigen Gebrauch der Batterien bei teilweisem SOC).
2. Das Ladungsungleichgewicht zwischen den Batteriemodulen 14, 16 und 18 ist nicht so schädlich, wenn die leerste Batterie nicht sehr leer ist. Sind beispielsweise zwei Batterien bei 95% SOC und die andere bei 85%, so ist das Ungleichgewicht nicht so schädlich für die Gesundheit des gesamten Pakets, wie wenn zwei der Batterien bei 40% SOC und die andere bei 30% SOC wären.
3. Ähnlich wie bei Punkt 2 oben können die parasitären Lasten durch die UHJB 19 das Batteriemodul 14 während einer langen Parkperiode entleeren. Wenn das Batteriepaket 13 bei einem hohem SOC mit ausgeglichenen Batteriemodulen 14, 16 und 18 gehalten wird, hat das erste Batteriemodul 14 bei einer Rückkehr (nach einem ausgedehnten Parken) eine größere Chance, voll genug zu sein, um seinen Teil bei den Startaufgaben zu leisten.
4. Wenn der SOC hoch ist, ist die Menge des regenerativen Bremsens reduziert. Obwohl dies in einer Reduzierung der Fahrzeugenergieeffizienz resultieren kann, ist die Strategie der Fahrbarkeitssteuerung stark vereinfacht, da eine Modulation und ein Vermischen (mit den hydraulischen Bremsen) des regenerativen Bremsdrehmomentes nicht nötig ist.

Um eine vorzeitige Batteriesulfierung zu vermeiden, kann es nötig sein, das Batteriepaket 13 in regelmäßigen Abständen voll aufzuladen (z. B. alle x Einschaltzyklen). Wenn der SOC ständig hoch ist, ist die Fahrbarkeit (regeneratives Bremsdrehmoment) von Tag zu Tag beständig, unabhängig davon, ob das Fahrzeug normal arbeitet oder ob es sich mitten in einer Ausgleichsroutine des Batteriepakets 13 befindet.
Die vorliegende Erfindung gleicht den SOC aus, indem über das Batteriepaket 13 gleichförmige Modulspannungen auferlegt werden. Es gibt mehrere Arbeitsmodi zur Steuerung der Vout für den DC/DC-Wandler 24.
Der erste Modus tritt auf, wenn Vout so eingestellt wird, daß es der kleineren der Spannungen des zweiten und dritten Batteriemoduls 16 und 18 gleicht, Vout = min (V2, V3). Während eines Entladevorgangs und/oder einer kleinen SOC-Ladung des Batteriepakets 13 stellt der DC/DC-Wandler 24 Vout so ein, daß es der kleineren Spannung des zweiten oder dritten Batteriemoduls 16 und 18 gleicht. Während der Entladung einer seriellen Kette von Batteriemodulen, wie beispielsweise in dem erfindungsgemäßen Batteriepaket 13, begrenzt im allgemeinen das Batteriemodul mit der schwächsten oder kleinsten Spannung die Leistung des gesamten Batteriepakets 13. Der DC/DC-Wandler 24 verhindert, daß die Spannung eines einzelnen Moduls im Vergleich zu den übrigen Batteriemodulen abfällt, indem er durch eine Beeinflußung von Vout Ladung von den übrigen Batteriemodulen auf das schwächste Modul überträgt. Ist beispielsweise das erste Batteriemodul 14 durch die parasitären Lasten der UHJB 19 geschwächt, so transferiert der DC/DC-Wandler 24 Ladung von den Batteriemodulen 16 und 18 auf das erste Batteriemodul 14. Die aktive Vout-Steuerung ist dann besonders wertvoll, wenn die ICE 22 ausgeschaltet ist und es keine Aufladung durch den MoGen 20 gibt und der SOC des ersten Batteriemoduls 14 relativ klein ist.
Während eines Aufladens eines kleinen SOCs (z. B. V1 < 13 Volt) durch das Einstellen von Vout = min(V2, V3) kann die 36 Volt Generatorsspannung von dem MoGen 20 das gesamte Batteriepaket 13 effektiver wieder aufladen, ohne eines der Batteriemodule 14, 16 und 18 zu unterladen, besonders das zweite und dritte Batteriemodul 16 und 18, da es nicht möglich ist, diese einzeln zu laden. Ist die Spannung V1 des ersten Batteriemoduls 14 größer als V2 oder V3, liefert das erste Batteriemodul 14 solange Strom an die elektrische Last der UHJB 19, bis V1 enger mit V2 und V3 übereinstimmt, wodurch verhindert wird, daß das erste Modul 14 durch den MoGen 20 überladen wird.
Wenn in einem zweiten Betriebsmodus mit dem DC/DC-Wandler 24 bei mittlerem bis hohem SOC aufgeladen wird, wird Vout so eingestellt, daß es mit der größeren von V2 und V3 übereinstimmt, um den MoGen 20 vor einer Überladung des höchsten Moduls zu begrenzen, Vout = max(V2, V3). Beträgt beispielsweise V2 = 14 Volt und V3 = 15 Volt, führt die Einstellung von Vout auf 14 Volt zu einer Gesamtspannung des Batteriepakets 13 von 43 Volt. Wenn der MoGen 20 bis zu 45 Volt schaffen kann, kann das dritte Batteriemodul 18 überladen werden (der Spannungsanstieg einer Batterie steigt nahe voller Aufladung sehr schnell an), während das erste und zweite Batteriemodul 14 und 16 um eine volle Aufladung gebracht werden. Wenn Vout auf die höhere der zwei Spannungen V2 und V3 eingestellt wird (d. h. 15 Volt in diesem Beispiel), würde V3 durch einen Stromabfluß durch den DC/DC-Wandler 24 in das erste Batteriemodul 14 heruntergezogen werden. Die Obergrenze der Regenerationsspannung des MoGens 20 würde nicht erreicht werden, wenn die Spannung eines einzelnen Batteriemoduls allein stark anstiege, da ein Teil der Ladung des dritten Batteriemoduls 18 auf das erste Batteriemodul 14 übertragen würde. Dieses Szenario wird verwendet, wenn die ICE 22 läuft und der SOC mittel oder hoch ist.
In einem dritten Arbeitsmodus wird Vout auf eine Minimalspannung, wie beispielsweise 9 Volt, gesetzt, wenn alle Batteriemodulspannungen V1, V2 und V3 heruntergezogen werden (z. B. 8 Volt bei einem Modul mit nominal 12 Volt). Diese Minimalspannung ist groß genug, um sicherzustellen, daß der Antriebsstrang-Computer und das Zündungs-/Treibstoff-System aktiv bleibt. Dies kann besonders wichtig sein, wenn die ICE 22 an einem kalten Wintermorgen gestartet wird.
Während eines die Regenerationsspannung des MoGen 20 begrenzenden Arbeitsmodus begrenzt die MoGen-Steuerung 23 die Gesamtregenerationsspannung Vlid (z. B. Vlid = 44 Volt), um eine Überladung des Batteriepakets 13 zu verhindern. Für diese Anwendung wird Vlid ungefähr dreimal höher als die Spannung von V2 und V3 eingestellt (d. h. Vlid = 3 × max(V2, V3) = 3 × Vout in diskret gerasterten Anstiegen von 0,5 V (z. B. 41,5 V, 42,0 V, 42,5 V, etc.)), obwohl jede beliebige Spannungssteigerung als im Rahmen dieser Erfindung liegend erachtet wird. Dies wird gemacht, um allen drei Batteriemodulen 14, 16 und 18 zu ermöglichen, zu nah beieinanderliegenden Spannungswerten zu konvergieren, wenn das Gesamtbatteriepaket 13 aufgeladen wird. Beträgt beispielsweise V3 13 V und Vout = V2 = 14 V, und Vlid wird auf 45 V eingestellt, ist es sehr wahrscheinlich, daß V1 und V2 ansteigen und V3 kleiner als optimal zurücklassen. Wird Vlid jedoch auf 14 V × 3 = 42 V eingestellt, würden V1 und V2 nicht soweit ansteigen und es V3 erlauben aufzuholen. Vlid wird hochgerastert, bis der richtige Spitzenabschaltspannungswert erreicht wird (z. B. 14,8 V pro Modul für eine Bleisäurebatterie-Modulanwendung).
Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine Steuerung in dem Fahrzeug 10 in der Lage, die Arbeitszyklen des Batteriepakets 13 zu erlernen und variierende SOCs zu kompensieren. Je nach Dimensionierung des DC/DC-Wandlers 24 und des Arbeitszyklus der durch die UHJB 19 angeforderten Lasten, kann das erste Batteriemodul 14 am Ende systematisch unterladen sein. In diesem Fall kann die Motorsteuerung die hinzukommenden Benutzungsmuster des Fahrers erlernen und die Vout des DC/DC-Wandlers 24 so anpassen, daß der SOC des ersten Batteriemoduls 14 (über die Durchführung von Spannungs- und Voc-Messungen) eher mit dem des zweiten und dritten Batteriemoduls 16 und 18 übereinstimmt. Statt mit der kleineren von V2 und V3 übereinzustimmen, kann Vout sukzessive mit größeren Steigerungen zwischen V2 und V3 übereinstimmen, während der SOC zwischen dem zweiten und dritten Batteriemodul 16 und 18 überwacht wird. Eine andere Anwendung der anpassungsfähigen Vout ist die Kompensation von parasitären Lasten (z. B. Motorcomputer), wenn das Fahrzeug geparkt oder abgeschaltet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden kleinere Stromverbraucher, wie beispielsweise Innenraumleuchten und andere parasitäre Lasten, durch das erste Batteriemodul 14 angetrieben, wenn die Zündung ausgeschaltet ist. Falls jedoch eine Hochstromeinrichtung, wie beispielsweise Scheinwerfer, eingeschaltet ist oder falls die Spannung des ersten Batteriemoduls 14 um einen kalibrierten Betrag unter den von V2 und V3 fällt, signalisiert der Fahrzeugcomputer dem DC/DC-Wandler 24, sich einzuschalten, um die Zubehörteile mit Strom zu versorgen und die Batteriemodule 14, 16 und 18 wieder auszugleichen. Ist die ICE 22 erst einmal am Laufen, so treibt der durch den MoGen 20 angetriebene DC/DC-Wandler 24 parallel zu dem ersten Batteriemodul 14 die UHJB 19 an, wie bereits beschrieben wurde.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das DC/DC-Aufladeschema einen Temperaturkompensationsalgorithmus umfassen, um die SOCs für die Batteriemodule 14, 16 und 18 auszugleichen, falls die Batteriemodule 14, 16 und 18 derart gelegen sind, daß sie nicht auf ähnlichen Temperaturen liegen (d. h. ein Batteriemodul im Motorraum und die übrigen Batteriemodule im Kofferraum).
Als eine Sicherungsmaßnahme bei der Überwachung der Spannungen der Batteriemodule 14, 16 und 18 kann Vout auf den Durchschnitt von V2 und V3 eingestellt werden, der durch die Stromleitungen oder -verbindungen gelesen wird, falls ein oder mehrere Spannungssensorkabel eines erfindungsgemäßen Spannungseingangs oder -sensors unterbrochen wird/werden. Die V1-Spannung wird durch das Ausgangskabel des DC/DC-Wandlers 24 ausgelesen, und die Differenz zwischen dieser und der Spannungen des gesamten Batteriepakets 13 ergibt das Doppelte der durchschnittlichen Spannung von V2 und V3. Auf ähnliche Weise kann eine einzelne 36 Volt-Batterie verwendet werden, die drei Stellungen aufweist: Masse, 12 V, 36 V. In diesem Fall würde die Vout dem Durchschnitt von V2 und V3 gleichgesetzt werden. Zugeordnete Spannungsanzapfstellen können mit der gleichen, oben beschriebenen Sicherungsmaßnahme verwendet werden.
Obwohl die Erfindung anhand einiger spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, können auch andere Formen leicht durch einen Fachmann angepaßt werden. Entsprechend sei der Umfang dieser Erfindung lediglich als durch die folgenden Ansprüche begrenzt angesehen.
Zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausgleichen eines Batteriemoduls in einem Fahrzeug einschließlich mehrerer Batterien in dem Batteriemodul, wobei die Batterien in Serie geschaltet sind, jede einzelne der Batterien eine Batteriespannung aufweist und zumindest eine Batterie ein elektrisches System des Fahrzeugs mit Strom versorgt, eines Stromgenerators, der eine Generatorspannung zum Aufladen der Batterien erzeugt, und eines DC/DC-Wandlers, der mit dem elektrischen Generator gekoppelt ist und von dem elektrischen Generator Strom empfängt, wobei der DC/DC-Wandler zumindest eine der Batteriespannungen zumindest einer der Batterien überwacht und bezüglich der überwachten Batteriespannung die Batteriespannung der Batterie steuert, die das elektrische System des Fahrzeugs mit Strom versorgt.

Claims

Vorrichtung zum Ausgleichen eines Ladungszustands eines Batteriemoduls (13) in einem Fahrzeug (10) mit: mehreren Batterien (B1–B3) in dem Batteriemodul (13), wobei die Batterien (B1–B3) in Serie geschaltet sind, jede einzelne der Batterien (B1–B3) eine Batteriespannung aufweist und zumindest eine Batterie ein elektrisches System des Fahrzeugs (10) mit Strom versorgt; einem elektrischen Generator (20), der eine Generatorspannung zum Aufladen der Batterien (B1–B3) erzeugt; und einem DC/DC-Wandler (24), der mit dem elektrischen Generator (20) gekoppelt ist und von diesem Strom empfängt, wobei der DC/DC-Wandler (24) zumindest eine der Batteriespannungen zumindest einer der Batterien (B1–B2) überwacht und für einen Spannungsausgang sorgt, der parallel mit einer ersten Batterie (B1) des Batteriemoduls (13) verdrahtet ist, um die erste Batterie (B1) aufzuladen; dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Modus der Spannungsausgang so eingestellt wird, dass er der kleineren der Spannung der anderen Batterien (B2, B3) gleicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der elektrische Generator (20) ein Motorgenerator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der DC/DC-Wandler (24) mit dem Batteriemodul (13) parallel geschaltet ist, um von dem Batteriemodul (13) Strom zu empfangen, wobei der DC/DC-Wandler (24) darüber hinaus für eine Spannung zur Aufladung und Entladung der Batterie (B1) sorgt, die das elektrische System des Fahrzeugs (10) mit Strom versorgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Batterien (B1–B3) eine erste Batterie (B1) mit einer ersten Batteriespannung, eine zweite Batterie (B2) mit einer zweiten Batteriespannung und eine dritte Batterie (B3) mit einer dritten Batteriespannung umfassen, wobei das Batteriemodul (13) eine vierte Batteriespannung aufweist, die gleich der Summe der ersten, zweiten und dritten Batteriespannung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Batterie (B1) das elektrische System des Fahrzeugs (10) mit Strom versorgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der DC/DC-Wandler (24) die zweite und dritte Batteriespannung überwacht und die erste Batteriespannung mit dem Spannungsausgang bezüglich der zweiten und dritten Batteriespannung steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der DC/DC-Wandler (24) während der Entladung des Batteriemoduls (13) den Spannungsausgang derart einstellt, daß er mit der kleineren der zweiten oder dritten Batteriespannung übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei in einem zweiten Modus der DC/DC-Wandler (24) während des Aufladens des Batteriemoduls (13) den Spannungsausgang derart einstellt, daß er mit der größeren der zweiten oder dritten Batteriespannung übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei in einem dritten Modus der Spannungsausgang über einen Nominalwert gesetzt wird, wenn die erste, zweite, dritte Batteriespannung unter diesem Nominalwert liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Nominalwert im wesentlichen 8 Volt beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Spannungsausgang im wesentlichen auf 9 Volt gesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die vierte Spannung durch eine Spannungsgrenze begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Spannungsgrenze ungefähr das Dreifache der höheren der zweiten oder dritten Spannung beträgt und schrittweise hochgerastert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der DC/DC-Wandler (24) umfaßt: eine Leistungssteuerungsschaltung mit dem Spannungsausgang; eine Mikrosteuerung, die zur Steuerung des Spannungsausgangs mit der Leistungssteuerungsschaltung gekoppelt ist; und mehrere Sensoren, die zur Detektion der Spannungen der Batteriemodule mit dem Mikroprozessor gekoppelt sind.
Vorrichtung zum Ausgleichen eines Ladungszustands eines Batteriemoduls (13) umfassend: einen DC/DC-Wandler (24) einschließlich einer Mikrosteuerung, Spannungssensoren und einer Leistungsschaltung; wobei der DC/DC-Wandler (24) Strom von einem elektrischen Generator (20) oder dem Batteriemodul (13) empfängt; wobei das Batteriemodul (13) mehrere Batterien (B1–B3) einschließt, von denen jede einzelne eine Batteriespannung aufweist; und wobei der DC/DC-Wandler (24) zumindest eine der Batterien (B1–B3) bezüglich der Spannungen der verbleibenden Batterien (B1–B3) auflädt und für einen Spannungsausgang sorgt, der parallel mit einer ersten Batterie (B1) des Batteriemoduls (13) verdrahtet ist, um das erste Batteriemodul (13) aufzuladen; dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Modus der Spannungsausgang so eingestellt wird, dass er der kleineren der Spannungen der anderen Batterien gleicht.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei zumindest eine der Batterien (B1–B3) ein elektrisches System eines Fahrzeugs (10) antreibt.
Verfahren zum Ausgleichen eines Ladungszustands eines Batteriemoduls (13) in einem Fahrzeug (10) mit mehreren Batterien (B1–B3), von denen zumindest eine ein elektrisches System des Fahrzeugs (10) mit Strom versorgt, umfassend: Überwachen der Spannung zumindest einer der Batterien (B1–B3); Erzeugen einer Spannung mit einem Stromgenerator (20), um die Batterien (B1–B3) aufzuladen und einen DC/DC-Wandler (24) mit Strom zu versorgen; Anlegen eines Spannungsausgangs mit dem DC/DC-Wandler (24) an die zumindest eine Batterie (B1–B3), die das elektrische System des Fahrzeuges (10) mit Strom versorgt; und Variieren des angelegten Spannungsausgangs bezüglich der überwachten Spannung; dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Modus der Spannungsausgang so eingestellt wird, dass er der kleineren der Spannungen der anderen Batterien (B1–B3) gleicht.
Verfahren nach Anspruch 17, darüber hinaus den Schritt umfassend, einen Elektromotor in einem Antriebsstrang mit Strom zu versorgen, um das Fahrzeug (10) mit dem Batteriemodul anzutreiben.