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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf Energiemanagement für Hybridfahrzeuge.
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STAND DER TECHNIK
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Viele Stromversorgungen, wie zum Beispiel ein Batteriesatz, weisen eine Betriebsspannung auf, die höher als eine Spannung einer einzelnen Zelle der Stromversorgung ist. Eine Spannung eines Traktionsbatteriesatzes für ein Hybridelektrofahrzeug kann zum Beispiel 200–300 Volt Gleichspannung sein, während eine Spannung einer einzelnen Batteriezelle 1–4 Volt Gleichspannung sein kann. Die Spanne von 1–4 Volt Gleichspannung für eine einzelne Batteriezelle hängt typischerweise mit der Technologie der Batteriezelle zusammen. Eine Nickel-Metallhydrid-(NiMH-) Batteriezelle weist zum Beispiel typischerweise eine Zellenspannung von ungefähr 1,2 Volt auf, und eine Lithium-Ionen-(Li-Ion-)Batteriezelle weist typischerweise eine Zellenspannung von ungefähr 3,6 Volt auf. Eine Traktionsbatterie eines Hybridelektrofahrzeugs stellt Leistung zum Fahrzeugantrieb und für Zubehör bereit. Um die Spannungs- und Stromanforderungen zu erfüllen, besteht die Traktionsbatterie typischerweise aus mehreren Batteriezellen, die in einer Kombination von Reihen- und Parallelverbindung verbunden sind. Während des Fahrzeugbetriebs kann die Traktionsbatterie auf Basis von Betriebsbedingungen aufgeladen oder entladen werden, zu denen ein Batterieladezustand (SOC, State Of Charge), Betrieb des Motors mit innerer Verbrennung (ICE, Internal Combustion Engine), Abforderung des Fahrers und Rekuperationsbremsen zählen. Ein Ladezustand einzelner Batteriezellen in einem Batteriesatz kann ungleich sein, was auf vielen Faktoren basiert, zu denen Herstellungsschwankungen, Zellenalter, Zellentemperatur oder Zellentechnologie zählen. Batteriezellenausgleich kann verwendet werden, um den Ladezustand einzelner Batteriezellen im Batteriesatz wieder auszugleichen und den Betrieb des Batteriesatzes zu verbessern.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Batteriesystem enthält n Zellengruppen, die in Reihe verbunden sind, um einen Batteriesatz zu bilden. Jede Zellengruppe enthält wenigstens eine Batteriezelle. Das System enthält auch eine Ladungsausgleichsschaltungsanordnung mit wenigstens n – 1 Operationsverstärkern, die jeweils als ein Spannungsfolger ausgelegt sind. n ist mindestens 3. Und ein m-ter Operationsverstärker der n – 1 Operationsverstärker wird von einer Summenspannung entsprechender m-ter und (m + 1)-ter Zellen der n Zellengruppen, die in Reihe verbunden sind, versorgt.
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Ein Fahrzeug mit einer Traktionsbatterieleistungsquelle enthält n Leistungszellen, die jeweils einen positiven und einen negativen Anschluss aufweisen und in Reihe verbunden sind, so dass sie eine Stromversorgung bilden, und n – 1 Komparatoren, die als Spannungsfolger ausgelegt sind. Ein negativer Anschluss eines m-ten Komparators der n – 1 Komparatoren ist mit dem negativen Anschluss einer entsprechenden m-ten Zelle der n Zellen verbunden, und ein positiver Anschluss des m-ten Komparators ist mit dem positiven Anschluss der (m + 1)-ten Zelle der n Zellen verbunden.
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Ein Leistungsspeichersystem enthält n Zellengruppen, die in Reihe verbunden sind, um eine Stromversorgung zu bilden. Jede der Zellengruppen enthält wenigstens eine Leistungszelle. Das System enthält auch eine Ladungsausgleichsschaltungsanordnung mit wenigstens n – 1 Operationsverstärkern, die jeweils als ein Spannungsfolger ausgelegt sind. n ist mindestens 3. Und ein m-ter Operationsverstärker der wenigstens n – 1 Operationsverstärker wird von einer Summenspannung entsprechender m-ter und (m + 1)-ter Zellengruppen der n in Reihe verbundenen Zellengruppen versorgt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine beispielhafte grafische Darstellung eines Hybridfahrzeugs, die typische Triebstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht.
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2 ist eine beispielhafte grafische Darstellung eines Batteriesatzes, der von einem Batterieenergie-Steuermodul gesteuert wird.
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3 ist eine beispielhafte schematische Darstellung, die eine Ladungsausgleichsschaltung veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder minimiert sein, um Einzelheiten besonderer Komponenten zu zeigen. Die hier offenbarten, spezifischen strukturellen und funktionalen Details sollen daher nicht als beschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die Ausführungsformen auf verschiedene Weise einzusetzen sind. Für einen Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Es könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen im Allgemeinen mehrere Schaltungen oder andere elektrische Einrichtungen bereit. Alle Verweise auf Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen und die jeweils durch sie bereitgestellte Funktionalität sollen nicht darauf eingeschränkt sein, nur das einzuschließen, was hier veranschaulicht und beschrieben ist. Obwohl den verschiedenen Schaltungen oder den anderen offenbarten elektrischen Einrichtungen bestimmte Bezeichnungen zugewiesen sein können, sollen diese Bezeichnungen den Umfang des Betriebs für die Schaltungen und die anderen elektrischen Einrichtungen nicht einschränken. Derartige Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen können auf der Basis des speziellen Typs der elektrischen Umsetzungsform, die erwünscht ist, auf irgendeine Weise miteinander kombiniert und/oder voneinander getrennt werden. Es wird festgestellt, dass jede hier offenbarte Schaltung oder andere elektrische Einrichtung irgendeine Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichereinrichtungen (z. B. Flash, Direktzugriffspeicher (RAM, Random Access Memory), Nur-Lese-Speicher (ROM, Read Only Memory), elektrisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM, Electrically Programmable Read Only Memory), elektrisch löschbarer PROM (EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) oder andere geeignete Varianten davon) und Software enthalten kann, die miteinander zusammenwirken, um die hier offenbarte(n) Operati on(en) durchzuführen. Zusätzlich können beliebige einzelne oder mehrere der elektrischen Einrichtungen dazu ausgelegt sein, ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium realisiert ist, das dazu programmiert ist, irgendeine Anzahl der Funktionen wie offenbart durchzuführen.
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Stromversorgungen, wie zum Beispiel Batteriesätze, bestehen typischerweise aus mehreren Zellen, die zum Bilden einer Zellengruppe parallel verbunden sind, und mehreren Zellengruppen, die zum Bilden des Batteriesatzes in Reihe verbunden sind. Batteriesätze werden häufig als eine Leistungsquelle für übliche elektronische Einrichtungen verwendet, einschließlich elektrisch betriebene Fahrzeuge, Unterhaltungs- und Haushaltselektronik, industrielle Einrichtungen und medizinische Geräte. Mehrere in Reihe verbundene Zellengruppen gestatten, dass eine Niederspannungs-Leistungszelle zum Versorgen einer Hochspannungs-Stromversorgung verwendet wird. Als ein Beispiel: Ein Batteriesatz, der dazu konzipiert ist, ungefähr 300 Volt an den Batterieanschlüssen zu produzieren, kann 84 Zellengruppen umfassen, wobei alle Zellengruppen in Reihe verbunden sind, so dass sie einen Strang aus Zellengruppen bilden. Jede Zellengruppe kann 3 einzelne Zellen umfassen, die parallel verbunden sind; die einzelnen Zellen können eine Zellennennspannung von ungefähr 3,5–3,6 Volt aufweisen. In diesem Beispiel wird jede kleine Änderung in der Spannung einer einzelnen Batteriezelle mit der Anzahl von Zellen in Reihe, nämlich 84 in diesem Beispiel, multipliziert. Schwankungen in den Herstellungstoleranzen oder den Betriebsbedingungen können eine geringe Differenz zwischen einzelnen Zellen oder Zellengruppen produzieren, die mit jedem Auflade- oder Entladezyklus vergrößert werden können. Um den Batteriebetrieb zu optimieren, kann die Verwendung von Zellenausgleich zum Angleichen der Ladung in allen Zellen in der Reihenkette verwendet werden, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Typischerweise umfassen Batteriezellenausgleichssysteme elektrische Komponenten, einschließlich Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), bipolare Sperrschichttransistoren (BJTs), Dioden, Kondensatoren, Widerstände und andere Halbleiterbauelemente. Die elektrischen Komponenten des Zellenausgleichssystems sind typischerweise dazu konzipiert, bei Spannungen zu arbeiten, die ein Bruchteil der Batteriesatzspannung sind. Um zu verhindern, dass eine Spannung, die größer als der Nennwert der Komponente ist, angelegt wird, sind einige Zellenausgleichskomponenten von den Batteriesatzspannungen entkoppelt. Weiterhin nutzen viele Systeme für aktiven Zellenausgleich eine Steuerung, die mit mehreren Zellenausgleichskomponenten gekoppelt ist, in denen die Zellenausgleichskomponenten von der Steuerung entkoppelt sind. Die Entkopplungskomponenten vergrößern Kosten und Komplexität. Hier wird ein Zellenausgleichssystem ohne Entkopplungskomponenten gezeigt. Dieses System basiert auf einem Zellenausgleichssystem, in dem jedes mit einer Zellengruppe verknüpfte Zellenausgleichselement autonom arbeitet und Leistung aus benachbarten Zellengruppen zieht. Die Zelle kann eine Batteriezelle, eine Batteriezellengruppe, ein Kondensator, ein Superkondensator oder andere Leistungsspeichereinrichtungen sein. Die Zelle enthält typischerweise einen positiven Anschluss und einen negativen Anschluss. Die Anschlüsse sind entweder direkt oder indirekt mit Elektroden verbunden, wie zum Beispiel einer Anode und/oder einer Kathode. Die Elektroden können aus einem Material auf Metallbasis aufgebaut sein, wie zum Beispiel Lithium oder Nickel, oder aus einem Material auf Kohlenstoffbasis, wie zum Beispiel Graphit oder Graphen.
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Ladungsangleichung ist sowohl für einen Ladezustand einer Stromversorgung als auch für eine Betriebslebensdauer der Stromversorgung wichtig. Wie oben angegeben wird, sind viele Niederspannungszellen oder -zellengruppen häufig entweder direkt oder indirekt in Reihe verbunden, um eine Anschlussspannung der Stromversorgung zu produzieren. Eine Charakteristik dieser Konfiguration ist, dass der gesamte Strom für die Stromversorgung sowohl während des Aufladens als auch während des Entladens durch jede der Zellen oder Zellengruppen läuft. Häufig können allerdings eine oder mehrere Zellen eine Zellenspannung aufweisen, die wegen der Vorgeschichte, Herstellungstoleranzen oder Umgebungsbedingungen abweicht. Wenn eine Zelle entlädt, hebt diese Zelle einen Satzwiderstand an, der an ein mit dem Satz gekoppeltes Ladegerät angelegt wird. Das Erhöhen des Widerstands reduziert die Leistung, die jeder Zelle bereitgestellt wird, was typischerweise dazu führt, dass andere Zellen nicht vollständig aufgeladen werden oder dass sich eine Laderate für die anderen Zellen reduziert. Falls das Aufladesystem dazu ausgelegt und in der Lage ist, die Gesamtaufladespannung anzuheben, um den Widerstand zu kompensieren, wird die schwächere Zellen anfangen, sich zu erhitzen, und sich weiter verschlechtern. Eine schwächere Zelle wird weniger Ladung enthalten, und andere Zellen werden die geringere Ladung kompensieren.
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Im Wesentlichen wirkt jede Batteriezelle als ein Integrierer. Kleine Änderungen der Kapazität irgendeiner Zelle des Systems können eine Zunahme der Änderungen darin, wie das System arbeitet, bewirken. Falls ein paar Zellen oder Zellengruppen des Satzes niedrigere Spannungen aufweisen, kann Strom aus ein paar Batteriezellen abfließen. Die Batterielebensdauer ist stark von der Auflade-/Entladevorgeschichte abhängig, und bessere Zellenspannungsregelung verbessert die Systemlebensdauer. Eine Lösung ist das parallele Aufladen und das Entladen in Reihe. In größeren Energieversorgungssystemen, wie zum Beispiel einem Elektroauto oder einem Hybridfahrzeug, ist es erwünscht, gleichmäßiges Aufladen in einzelnen Batteriezellen oder Batteriezellengruppen aufrechtzuerhalten. Bei kleineren preiswerteren Geräten, zum Beispiel einer Kamera, einem Mobiltelefon oder einem elektrischen Werkzeug, sind die Kosten für eine normale Ladungsangleichungsschaltung untragbar hoch.
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Die beiden wichtigsten Verfahren zum Ausgleichen der Batteriezellenladung in einer Gruppe von Batteriezellen sind passives Ausgleichen und aktives Ausgleichen. Passives Ausgleichen ist das Reduzieren eines Ladezustands einer Batteriezelle durch Umwandeln der Energie in thermische Energie oder Wärme. Hier erhöht eine leichte Überladung einer Batteriezelle eine Temperatur der Batteriezelle, und die überschüssige Ladung wird als thermische Energie über eine externe Schaltung, die parallel zu jeder Zelle verbunden ist, freigegeben. Die externe Schaltung ist typischerweise ein Widerstand und kann einen Halbleiterschalter enthalten, wie zum Beispiel einen MOSFET oder einen BJT, um den Widerstand mit der Batteriezelle zu verbinden und ihn von ihr zu trennen. Passives Zellenausgleichen kann bei vielen Batterietechnologien und -topologien verwendet werden. Passives Ausgleichen wird typischerweise in Batterien auf Blei-Säure- und Nickelbasis verwendet.
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Aktives Ausgleichen ist das aktive Bewegen einer elektrischen Ladung von einer Zelle zu einer anderen Zelle. Aktives Ausgleichen ist bei den meisten Batterietechnologien und -topologien anwendbar. Aktives Zellenausgleichen kann Energie von einer einzelnen Zelle zum Batteriesatz als Ganzes übertragen, vom Batteriesatz als Ganzes zu einer einzelnen Zelle oder von einer einzelnen Zelle zu einer anderen einzelnen Zelle. Im Allgemeinen wird Energie von einer Zelle mit einem hohen Ladezustand zu einer Zelle mit einem niedrigen Ladezustand übertragen. Gleichermaßen kann elektrische Ladung zu Batteriezellen übertragen werden, die einen niedrigen Ladezustand aufweisen.
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Diese Offenbarung schlägt unter anderem ein Zellenausgleichssystem vor, in dem jedes mit einer Zellengruppe verknüpfte Zellenausgleichselement autonom arbeitet und Leistung aus benachbarten Zellengruppen zieht. Dieses Zellenausgleichssystem kann für die Verwendung in Automobilen ausgelegt sein, einschließlich Batterieelektrofahrzeuge (BEVs), Hybridelektrofahrzeuge (HEVs), Mikrohybridelektrofahrzeuge, konventionelle Benzinfahrzeuge und konventionelle Dieselfahrzeuge sowie Nutzfahrzeuge, Marine- und Industriefahrzeuge. Das Batteriesystem kann ebenfalls in anderen Systemen verwendet werden, die Batterien enthalten, wie zum Beispiel in elektrischen Unterhaltungs- und Haushaltssystemen oder elektrischen medizinischen Systemen. Eine Spannung einer einzelnen Batteriezelle schwankt basierend auf der Technologie. Im Allgemeinen weisen Batterien auf Nickelbasis (wie zum Beispiel eine Nickel-Metallhydrid-Batteriezelle) eine Zellenspannung von ungefähr 1–2 Volt auf, während eine Lithiumionen-Batteriezelle eine Zellenspannung von ungefähr 3–5 Volt aufweist. Zum Beispiel weist LiCoO2 typischerweise einen Nennzellenspannung von 3,7 V bei einer gravimetrischen Kapazität von 140 mA·h/g und einer Energiedichte von 0,518 kW·h/kg auf. LiMn2O4 weist typischerweise eine Nennzellenspannung von 4,0 V bei einer gravimetrischen Kapazität von 100 mA·h/g und einer Energiedichte von 0,400 kW·h/kg auf. LiNiO2 weist typischerweise eine Nennzellenspannung von 3,5 V bei einer gravimetrischen Kapazität von 180 mA·h/g und einer Energiedichte von 0,630 kW·h/kg auf. LiFePO4 weist typischerweise eine Nennzellenspannung von 3,3 V bei einer gravimetrischen Kapazität von 150 mA·h/g und einer Energiedichte von 0,495 kW·h/kg auf. Li2FePO4F weist typischerweise eine Nennzellenspannung von 3,6 V bei einer gravimetrischen Kapazität von 115 mA·h/g und einer Energiedichte von 0,414 kW·h/kg auf. LiCo1/3 Ni1/3Mn1/3O2 weist typischerweise eine Nennzellenspannung von 3,6 V bei einer gravimetrischen Kapazität von 160 mA·h/g und einer Energiedichte von 0,576 kW·h/kg auf. Li(LiaNixMnyCoz)O2 weist typischerweise eine Nennzellenspannung von 4,2 V bei einer gravimetrischen Kapazität von 220 mA·h/g und einer Energiedichte von 0,920 kW·h/kg auf.
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Ein Aspekt dieser Ladungsausgleichsschaltungsanordnung ist, dass in einer Ausführungsform jeder OPV mit 2 Zellengruppen oder Zellen verknüpft ist, was ein System aus n Zellen oder Zellengruppen ergibt, das n – 1 OPVs benötigt. Auch wird jeder OPV von 2 benachbarten Zellen oder Zellengruppe versorgt. In einer anderen Ausführungsform ist jeder OPV mit 4 Zellengruppen oder Zellen verknüpft, was ein System aus n Zellen oder Zellengruppen ergibt, das ((n/2)1) OPVs benötigt, bei dem jeder OPV von 4 benachbarten Zellen oder Zellengruppen versorgt wird.
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1 zeigt ein typisches Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV) mit einem Antriebsstrang oder Antriebsaggregat, das die wichtigsten Komponenten enthält, die Leistung erzeugen und der Fahrbahnoberfläche Leistung zum Antrieb zuführen. Ein typisches Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 verbunden sind. Die elektrischen Maschinen 14 können in der Lage sein, als ein Motor oder als ein Generator zu arbeiten. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einem Motor 18 mit innerer Verbrennung gekoppelt, der auch als ein ICE oder Verbrennungsmotor bezeichnet wird. Das Hybridgetriebe 16 ist auch mit einer Antriebswelle 20 mechanisch verbunden, die mit den Rädern 22 mechanisch verbunden ist. Die Elektromaschinen 14 können Vortriebs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 18 ein- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromaschinen 14 fungieren auch als Generatoren und können Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die im Friktionsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde. Die Elektromaschinen 14 können auch Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es dem Verbrennungsmotor 18 gestatten, bei effizienteren Drehzahlen zu arbeiten, und indem sie es dem Hybridelektrofahrzeug 12 gestatten, unter gewissen Bedingungen im elektrischen Modus mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 18 betrieben zu werden. Ein Antriebsstrang weist Verluste auf, zu denen Übertragungsverluste, Verbrennungsmotorverluste, elektrische Umwandlungsverluste, Elektromaschinenverluste, Elektrokomponentenverluste und Fahrbahnverluste zählen können. Diese Verluste können auf eine Vielzahl von Aspekten zurückzuführen sein, einschließlich Fluidviskosität, elektrische Impedanz, Fahrzeugrollwiderstand, Umgebungstemperatur, Temperatur einer Komponente und Dauer des Betriebs.
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Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriesatz 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 verwendet werden kann. Ein Fahrzeugbatteriesatz 24 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe bereit. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen 26 verbunden. Einer oder mehrere Schützkontakte 42 können die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten entkoppeln, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 26 ist ebenfalls mit den Elektromaschinen 14 elektrisch verbunden und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Übertragung von Energie zwischen der Traktionsbatterie 24 und den Elektromaschinen 14 bereit. Zum Beispiel kann eine typische Traktionsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromaschinen 14 unter Verwendung eines Drei-Phasen-Wechselstroms arbeiten können. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom zur Verwendung durch die Elektromaschinen 14 umwandeln. In einem Rekuperationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 26 den Dreiphasen-Wechselstrom aus den Elektromaschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die mit der Traktionsbatterie 24 kompatible Gleichspannung umwandeln. Die Beschreibung hier ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein Getriebe sein, das mit einer Elektromaschine 14 verbunden ist, und der Verbrennungsmotor 18 ist möglicherweise nicht vorhanden.
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Zusätzlich dazu, dass die Traktionsbatterie 24 Energie zum Antrieb bereitstellt, kann sie Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 28 enthalten, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe der Traktionsbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Versorgung umwandelt, die kompatibel mit anderen Fahrzeugverbrauchern ist. Andere Hochspannungsverbraucher 46, wie zum Beispiel Verdichter und elektrische Heizungen, können direkt mit der Hochspannung verbunden sein, ohne dass ein Gleichspannungswandlermodul 28 verwendet wird. Die Niederspannungssysteme können mit einer Hilfsbatterie 30 (z. B. einer 12-V-Batterie) elektrisch verbunden sein.
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Das Fahrzeug 12 kann ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-in-Hybridfahrzeug sein, bei dem die Traktionsbatterie 24 durch eine externe Leistungsquelle 36 wieder aufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 36 kann eine Verbindung zu einer Steckdose sein, die Netzleistung aufnimmt. Die externe Leistungsquelle 36 kann mit Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) 38 elektrisch verbunden sein. Das EVSE 38 kann Schaltungsanordnungen und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 zu regeln und zu managen. Die externe Leistungsquelle 36 kann dem EVSE 38 elektrische Gleichstrom- oder Wechselstromleistung bereitstellen. Das EVSE 38 kann einen Ladeverbinder 40 zum Einstecken in einen Ladeport 34 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeport 34 kann irgendeine Art von Port sein, die dazu ausgelegt ist, Leistung aus dem EVSE 38 zum Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeport 34 kann mit einem Ladegerät oder einem On-Board-Leistungswandlungsmodul 32 elektrisch verbunden sein. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann die aus dem EVSE 38 zugeführte Leistung aufbereiten, um für die Traktionsbatterie 24 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlungsmodul 32 kann an das EVSE 38 angekoppelt sein, um die Zufuhr von Leistung zum Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 40 kann Pins aufweisen, die mit entsprechenden Vertiefungen des Ladeports 34 ineinandergreifen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden beschrieben sind, Leistung unter Verwendung von induktiver Kopplung übertragen.
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Eine oder mehrere Radbremsen 44 können zum Verlangsamen des Fahrzeugs 12 und zum Verhindern von Bewegung des Fahrzeugs 12 bereitgestellt sein. Die Radbremsen 44 können hydraulisch, elektrisch oder mit einer Kombination daraus betätigt werden. Die Radbremsen 44 können ein Teil eines Bremssystems 50 sein. Das Bremssystem 50 kann andere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 44 zu betätigen. Zur Vereinfachung zeigt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 50 und einer der Radbremsen 44. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 50 und den anderen Radbremsen 44 wird vorausgesetzt. Das Bremssystem 50 kann eine Steuerung beinhalten, um das Bremssystem 50 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 50 kann die Bremsenkomponenten überwachen und die Radbremsen 44 zur Fahrzeugverlangsamung steuern. Das Bremssystem 50 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann zum Umsetzen von Merkmalen, wie zum Beispiel Stabilitätskontrolle, auch autonom arbeiten. Die Steuerung des Bremssystems 50 kann ein Verfahren zum Aufbringen einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer anderen Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
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Einer oder mehrere elektrische Verbraucher 46 oder elektrische Zubehörverbraucher können mit dem Hochspannungs-Bus verbunden sein. Die elektrischen Verbraucher 46 können eine zugehörige Steuerung aufweisen, die die elektrischen Verbraucher 46 betreibt und steuert, wenn es angemessen ist. Zu Beispielen für elektrische Zubehörverbraucher oder elektrische Verbraucher 46 zählen ein Batteriekühlgebläse, eine elektrische Klimaanlageneinheit, ein Batteriekühler, ein elektrisches Heizelement, eine Kühlpumpe, ein Kühlgebläse, eine Scheibenentfrosteranlage, ein elektrisches Servolenksystem, ein Wechselspannungsleistungsumrichter und eine Verbrennungsmotorwasserpumpe.
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Die verschiedenen erörterten Komponenten können eine oder mehrere zugehörige Steuerungen aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Controller Area Network (CAN), Ethernet, Flexray) oder über diskrete Leiter in Verbindung stehen. Eine Systemsteuerung 48 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
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Eine Traktionsbatterie 24 kann aus einer Vielzahl von chemischen Formulierungen aufgebaut sein. Typische Batteriesatz-Chemien können Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder Lithium-Ionen sein. 2 zeigt einen typischen Traktionsbatteriesatz 24 in einer Reihenanordnung von N Batteriezellen 72. Andere Batteriesätze 24 können allerdings aus irgendeiner Anzahl von einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt sein, die in Reihe oder parallel oder in einer Kombination daraus verbunden sind. Ein Batteriemanagementsystem kann eine oder mehrere Steuerungen aufweisen, wie zum Beispiel ein Batterieenergie-Steuermodul (BECM, Battery Energy Control Module) 76, das die Leistung der Traktionsbatterie 24 überwacht und steuert. Das BECM 76 kann mehrere Sensoren und Schaltungsanordnungen zum Überwachen mehrerer Pegelcharakteristika des Batteriesatzes enthalten, wie zum Beispiel des Satzstroms 78, der Satzspannung 80 und der Satztemperatur 82. Das BECM 76 kann nichtflüchtigen Speicher aufweisen, so dass Daten gehalten werden können, wenn sich das BECM 76 in einem Aus-Zustand befindet. Gehaltene Daten können beim nächsten Betriebszeitraum verfügbar sein.
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Zusätzlich zu den Pegelcharakteristika des Satzes kann es Pegelcharakteristika der Batteriezellen geben, die gemessen und überwacht werden. Zum Beispiel können die Anschlussspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle 72 gemessen werden. Das Batteriemanagementsystem kann ein Sensormodul 74 verwenden, um die Batteriezellencharakteristika zu messen. Abhängig von der Leistungsfähigkeit kann das Sensormodul 74 Sensoren und Schaltungsanordnungen zum Messen der Charakteristika einer oder mehrerer der Batteriezellen 72 enthalten. Das Batteriemanagementsystem kann bis zu Nc Sensormodule 74, wie zum Beispiel integrierte Batterieüberwachungsschaltungen (BMIC, Battery Monitor Integrated Circuits) nutzen, um die Charakteristika aller Batteriezellen 72 zu messen. Jedes Sensormodul 74 kann die Messungen an das BECM 76 zur weiteren Verarbeitung und Koordinierung übertragen. Das Sensormodul 74 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 76 übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität des Sensormoduls 74 intern im BECM 76 integriert sein. Das heißt: Die Hardware des Sensormoduls kann als Teil der Schaltungsanordnung im BECM 76 integriert sein, und das BECM 76 kann das Verarbeiten von Rohsignalen handhaben.
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Das BECM 76 kann Schaltungsanordnungen enthalten, um an den einen oder die mehreren Schützkontakte 42 anzukoppeln. Die positiven und negativen Anschlüsse der Traktionsbatterie 24 können durch die Schützkontakte 42 geschützt werden.
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Der Ladezustand (SOC) des Batteriesatzes zeigt an, wie viel Ladung in den Batteriezellen 72 oder im Batteriesatz 24 verbleibt. Der Batteriesatz-SOC kann ausgegeben werden, um den Fahrer darüber zu informieren, wie viel Ladung im Batteriesatz 24 verbleibt, analog zu einer Kraftstoffstandanzeige. Der Batteriesatz-SOC kann auch verwendet werden, um den Betrieb eines Elektro- oder Hybridelektrofahrzeugs 12 zu steuern. Die Berechnung des Batteriesatz-SOC kann durch eine Vielzahl von Verfahren erfolgen. Ein mögliches Verfahren zum Berechnen des Batterie-SOC ist es, eine Integration des Batteriesatzstroms über der Zeit durchzuführen. Dies ist in der Technik allgemein als Amperestunden-Integration bekannt.
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Der Batterie-SOC kann auch aus einer modellbasierten Schätzung abgeleitet werden. Die modellbasierte Schätzung kann Zellenspannungsmessungen, die Satzstrommessung und die Zellen- und Satztemperaturmessungen nutzen, um den SOC-Schätzwert bereitzustellen.
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Das BECM 76 kann zu jedem Zeitpunkt über Leistung verfügen. Das BECM 76 kann einen Wake-Up-Zeitgeber enthalten, so dass ein Wake-Up zu jedem Zeitpunkt eingeplant werden kann. Der Wake-Up-Zeitgeber kann das BECM 76 wecken, so dass vorbestimmte Funktionen ausgeführt werden können. Das BECM 76 kann nichtflüchtigen Speicher aufweisen, so dass Daten gespeichert werden können, wenn das BECM 76 abgeschaltet wird oder seine Versorgung verliert. Der nichtflüchtige Speicher kann elektrisch löschbares PROM (EEPROM) oder nichtflüchtigen Direktzugriffspeicher (NVRAM, Non-Volatile Random Access Memory) enthalten. Der nichtflüchtige Speicher kann Flash-Speicher eines Mikrocontrollers enthalten.
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Wenn das Fahrzeug betrieben wird, kann das aktive Modifizieren der Art, wie der Batterie-SOC gemanagt wird, eine höhere Kraftstoffwirtschaftlichkeit oder einen längeren EV-Modus(Elektroantriebs-)Betrieb oder beides ergeben. Die Fahrzeugsteuerung muss diese Modifikationen sowohl bei hohem SOC als auch bei niedrigem SOC anleiten. Bei einem niedrigen SOC kann die Steuerung neueste Betriebsdaten untersuchen und entscheiden, den SOC über opportunistisches Verbrennungsmotoraufladen zu erhöhen (opportunistisch bedeutet, dass dies erfolgt, wenn der Verbrennungsmotor bereits läuft). Dies erfolgt, um einen längeren EV-Modus bereitzustellen, wenn der Verbrennungsmotor abschaltet. Bei einem hohen SOC kann die Steuerung hingegen neuste Betriebsdaten und andere Daten (Ort, Temperatur usw.) untersuchen, um den SOC über EV-Modus-Antrieb, reduzierte Verbrennungsmotorausgabe oder elektrische Zubehörverbraucher zu reduzieren. Dies erfolgt, um eine höhere Batteriekapazität bereitzustellen, um die Energieausbeute während eines erwarteten regenerativen Bremsereignisses, wie zum Beispiel einer Verlangsamung von Hochgeschwindigkeit oder einer Bergabfahrt, zu maximieren.
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3 ist eine beispielhafte schematische Darstellung, die eine Ladungsausgleichsschaltung 300 veranschaulicht. Ein Aspekt dieser Schaltung ist, dass Batteriezellen im Wesentlichen nichtlineare Integrierer sind. Das Regeln von Integrierern kann mit OPVs, Komparatoren, Operationsverstärkern mit Differenzeingang oder gleichwertigen Schaltungen erfolgen. In 3 wird eine grafische Darstellung von 5 Zellen in Reihe gezeigt. Die Zellen (310, 312, 314, 316 und 318) sind in Reihe durch die normalen Auflade-/Entladeschaltungsanordnungen verbunden. Diese Veranschaulichung ist die einzelner Batteriezellen (310, 312, 314, 316 und 318), allerdings kann sie auch Batteriezellengruppen, Superkondensatoren oder andere Leistungsspeichereinrichtungen veranschaulichen. Zum Beispiel kann die Zelle 310 eine einzelne Batteriezelle oder mehrere parallel verbundene Batteriezellen sein. Die Verbindung kann eine direkte oder eine indirekte Verbindung sein.
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Ein Spannungsteiler wird verbunden mit den Batterieanschlüssen 330 und 332, parallel zu den Zellen (310, 312, 314, 316 und 318) gezeigt. Der Spannungsteiler kann aus Widerständen, Halbleiterbauelementen, Halbleitern oder anderen ähnlichen Strukturen bestehen. In dieser Veranschaulichung werden die Widerstände (320, 322, 324, 326 und 328) parallel zu den normalen Auflade-/Entladeschaltungsanordnungen verbunden gezeigt. Zum Beispiel können die Widerstände 100-kΩ-Widerstände sein. Die Operationsverstärker (302, 304, 306 und 308) (OPVs) sind zwischen den Zellen (310, 312, 314, 316 und 318) so verbunden, dass jeder OPV die Spannung zwischen benachbarten Zellen auf Basis davon regelt, wie gut die benachbarten Zellen integrieren. Falls zum Beispiel die Zelle 312 während des Aufladens einen hohen Widerstand aufweist, würde die Zelle 312, anstatt dass die Zelle 312 einen größeren Anteil der Spannung aufnimmt, wie es in einer einfachen, in Reihe verbundenen Schaltung der Fall wäre, weniger Spannung aufnehmen, weil die OPVs 302 und 304 die Spannung an jedem Anschluss der Zelle 312 regeln. Falls eine Temperatur einer Zelle sich ändert oder ein anderes Ereignis eintritt, das die Spannung der einen Zelle ändert, kann eine andere Zelle anfangen, eine niedrigere Spannung aufzunehmen, und die niedrigere Spannung an der anderen Zelle kann sich erhöhen. Gleichermaßen können während des Entladens die anderen Zellen in der Lage sein, die Differenz auszugleichen, falls eine Zelle nicht in der Lage ist, einen gleichen Anteil an Spannung wie die anderen Zellen abzugeben. Die Ausgabe wird auf einer Basis je Zelle geregelt.
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Elektrische und betriebliche Charakteristika des OPV schwanken basierend auf der Anwendung zusammen mit elektrischen Charakteristika jeder Zelle, zu denen aktuelle Spannung, Betriebsspannungsbereich, Zellentechnologie und Kapazität zählen. Zum Beispiel können bei kleinen tragbaren Einrichtungen, die unbefristet eingeschaltet sind, strengere betriebliche Anforderungen an Leckströme, sogar von nur wenigen Milliampere, einen Unterschied machen. Gleichermaßen kann ein großer Batteriesatz, der zum Umgang mit großen Strömen (z. B. über 100 A) in der Lage ist, größere OPV erfordern, um geeignete Ströme, die während des Betriebs erforderlich sind, zu übertragen. Weil die Spannung über jeder Zelle eigentlich die OPVs, Zellen oder Zellenkombinationen versorgt, können sehr kleine Spannungen aufgenommen werden. Für Zellentechnologie, bei der ein OPV eine größere Spannung als 2 benachbarte Zellen erfordert, kann die Schaltung gleichermaßen so modifiziert werden, dass jede Zelle (310, 312, 314, 316 oder 318) mehrere in Reihe oder in einer Kombination aus Reihe und parallel verbundene Zellen sein kann. Das Verhältnis der Widerstände (320, 322, 324, 326 und 328) bestimmt, wie genau die Spannung gesteuert wird; Präzisionswiderstände oder die Verwendung eines Präzisionsspannungsteilers können erforderlich sein. Zusätzlich können die Verhältnisse von Spannungsteilern, wie zum Beispiel von Widerständen (320, 322, 324, 326 und 328), verwendet werden, um kundenspezifische Verwendung oder die Verwendung gemischter Zellen zu kompensieren. Zum Beispiel kann eine Stromversorgung 4 Zellen enthalten, die jeweils eine Zellenspannung von 1,2 V aufweisen, und eine einzelne Zelle mit einer Zellenspannung von 3,6 V kann in Reihe verbunden sein, die Spannungsteiler können so gewählt werden, dass sie das Design der Stromversorgung aufnehmen.
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Die hier offenbarten Prozesse, Methoden oder Algorithmen können an eine Verarbeitungseinrichtung, eine Steuerung oder einen Computer, zu denen irgendeine bereits vorhandene programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit zählen können, lieferbar sein oder durch sie umgesetzt werden. Gleichermaßen können die Prozesse, Methoden oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die durch eine Steuerung oder einen Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie zum Beispiel ROM-Einrichtungen, permanent gespeichert sind, und Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien, wie zum Beispiel Floppydisks, Magnetbändern, CDs, RAM-Einrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien, veränderbar gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem als Software ausführbaren Objekt umgesetzt werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen im Ganzen oder zum Teil unter Verwendung von geeigneten Hardware-Komponenten umgesetzt werden, wie zum Beispiel von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Zustandsautomaten, Steuerungen oder anderen Hardware-Komponenten oder -Einrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten.
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Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen, durch die Ansprüche erfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke dienen eher der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Wie vorher beschrieben worden ist, können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht worden sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein könnten, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschter Kenngrößen bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, verstehen Durchschnittsfachleute, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Kenngrößen eingegangen werden können, um verlangte Eigenschaften des Gesamtsystems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzungsform abhängig sind. Zu diesen Merkmalen können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebensdauerkosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. zählen, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich eines oder mehrerer Charakteristika als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen bzw. als Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik beschrieben worden sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für spezielle Anwendungen erwünscht sein.
