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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf den Ladezustandsausgleich (SOC) zwischen Batteriepacks und insbesondere auf ein ein System zum Powermanagement zwischen Batteriepacks mit variierenden Alterszuständen, welches einen geschalteten Transformator verwendet, um eine proportionale aktive Ladezustandsausgleichung bereitzustellen.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Elektrofahrzeuge und elektrische Hybridfahrzeuge gewinnen auf dem heutigen Automobilmarkt immer mehr Popularität. Elektrische und Hybridfahrzeuge bieten verschiedene wünschenswerte Merkmale, beispielsweise reduzierte Emissionen, einen reduzierten Gebrauch an Öl-basierten Brennstoffen und potentiell niedrigere Betriebskosten. Eine Schlüsselkomponente von sowohl Elektrofahrzeugen als auch Hybridfahrzeugen ist der Batteriepack. Batteriepacks in diesen Fahrzeugen bestehen typischerweise aus einer Vielzahl untereinander verbundener Zellen, die eine große Menge an Leistung abgeben können, um die Forderungen für den Fahrzeugbetrieb zu erfüllen.
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Nach wenigen Jahren der Wartung müssen oft in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug die Batteriepacks auf Grund ihrer Alterung und ihrer Variation im Alterungszustand bei den einzelnen Zellen ersetzt werden, was zu einer verminderten Reichweite der Fahrzeuge führen kann. Auch wenn ein gewisser reduzierter Alterungszustand vorliegt, kann ein Batteriepack von einem Elektrofahrzeug immer noch einen bemerkenswerten Betrag an Energie speichern und für andere Anwendungen außerhalb der Fahrzeuganwendung verwendet werden. Eine Vielzahl von Verwendungen für solche Batteriepacks, nach ihrer Automobilvergangenheit wurden vorgeschlagen, darunter die Verwendung der Batteriepacks in Community Energy Storage (CES)-Systemen.
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CES-Systeme speichern Energie für eine kleine Gemeinde, beispielsweise einer kleineren Subdivision eines kommerziellen oder industriellen Komplexes. CES-Systeme dienen typischerweise dazu, die aus einem Stromnetz verfügbare Leistung zu steigern und sind in ihrer Fähigkeit, um lokal erzeugte Energie zu speichern, aus Quellen wie beispielsweise Solar- und Windenergie geeignet. Batteriepacks, die nach ihrer Lebenszeit aus elektrischen Fahrzeugen verwendet werden, können in CES-Systemen verwendet werden. Aber ihre Effizienz kann durch die Variation in dem Alterszustand der individuellen Zellen oder Sektionen eines Batteriepacks vermindert werden. Ein Verfahren zum Managen von Variationen im Batteriealterszustand ist demzufolge benötigt, welches nicht einfach Leistung aus einem höheren Ladungszustand der Batterien vergeudet und welches dazu in der Lage ist, die maximal verfügbare Energie in den Batteriepacks zu nutzen.
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Die
EP 2 372 865 A2 offenbart eine Stromversorgungsvorrichtung, die elektrische Eigenschafen von Battieren ausgleichen kann.
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Die US 2001 / 0 013 767 A1 offenbart eine Entladungsschaltung und Verfahren zur Einstellung des Tastverhältnisses.
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Die US 2010 / 0 213 897 A1 offenbart Batterie-Zellen-Wandler-Managementsysteme.
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Die
DE 10 2008 040 524 A1 offenbart eine Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb eines batteriebetriebenen Elektrogerätes.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Power-Management-System zur Abgabe von elektrischer Leistung aus zwei oder mehr Batteriepacks an eine Last gemäß Anspruch 1 offenbart.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren offenbar.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Graph, der veranschaulicht, wie die Ladungszustände divergieren, wenn Batteriepacks von verschiedenen Alterszuständen konventionell gebraucht werden, um Leistung bereitzustellen;
- 2 zeigt ein schematisches Diagramm für ein Power-Management-System, welches ein proportionales aktives Ladungszustandsausgleichsschema zu der Abgabe von Leistungsabgabe aus Batteriepacks mit unterschiedlichen Alterszuständen gibt;
- 3 zeigt ein schematisches Diagramm für einen Controller, der in einem Power-Management-System aus der 2 verwendet wird mit seinen Eingängen und Ausgängen;
- 4 zeigt einen Graph, wie der Ladungszustand nicht divergiert, wenn Batteriepacks mit verschiedenem Alterungszustand in einem Power-Management-System aus der 2 verwendet werden; und
- 5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum proportionalen aktiven Ladungsausgleich zwischen Batteriepacks mit verschiedenen Alterungszuständen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen proportionalen Ladungszustandsausgleich gerichtet ist zum Managen von Variierungen im Alterungszustand von Batterien, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen.
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Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge, die im folgenden der Einfachheit halber als Elektrofahrzeuge bezeichnet werden, werden immer populärer und besser, da sich die damit verbundenen Techniken verbessern. Ein Faktor, den all diese Fahrzeuge gemeinsam haben, ist das Bedürfnis für einen Batteriepack mit hoher Kapazität für die Energieladung. Alle Batterietechnologien aus dem Stand der Technik weisen eine Alterung in ihrer Leistungsfähigkeit über die Zeit auf. Insbesondere nimmt der Alterungszustand von Batterien über die Zeit ab, wobei der Alterungszustand als die Fähigkeit einer Batterie definiert werden kann, um Energie zu laden. Falls beispielsweise eine Batteriezelle fähig ist, 10 Kilowattstunden (kWh) an Energie zu speichern, kommt es dazu, dass diese Batterie, sobald sie neu ist nach wenigen Jahren Dienstleistung in einem Fahrzeug nur noch dazu in der Lage ist, 6 kWh an Energie zu speichern. In diesem Zustand nimmt man an, dass eine Batteriezelle dann nur noch einen Alterungszustand von 60 % einnimmt. In analoger Weise kann man annehmen, dass Batteriepacks, die viele individuelle Zellen umfassen, einen verminderten gemeinsamen Alterungszustand aufweisen.
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Darüber hinaus variiert die Abnahme im Alterungszustand für die individuelle Zelle in einem Batteriepack mit der Zelle. Demnach kann nach mehreren Jahren von Gebrauch die individuellen Zellen in einem Batteriepack Alterungszustände aufweisen, die von 60 % bis 80 % oder auch in einem noch weiteren Bereich variieren. In einer solchen Situation müsste ein Batteriepack typischerweise in einem Elektrofahrzeug ersetzt werden, so dass die Fahrzeugreichweite in einem akzeptablen Bereich aufrecht erhalten werden könnte. Ein Batteriepack, der nicht länger für einen Gebrauch in einem Elektrofahrzeug nach Überschreiten seiner Lebensdauer geeignet ist, kann aber immer noch eine beträchtliche Energiespeicherkapazität aufweisen. Um solche Batteriepacks effektiv zu nützen, wäre es gut, den Energiefluss in Batteriesystemen, die mehrere Batteriepacks aufweisen, mit einem erwarteten Bereich von Alterungszuständen zu managen.
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1 zeigt einen Graphen 10, der veranschaulicht, wie der Ladungszustand divergiert, sobald Batteriepacks verschiedener Alterungszustände herkömmlicherweise verwendet werden, um Leistung bereitzustellen. Auf dem Graphen 10 ist auf der horizontalen Achse 12 die Zeit abgetragen und auf der vertikalen Achse 14 der Ladungszustand. Die Kurven 22, 32 und 42 zeigen den Ladungszustand für drei verschiedene Batteriepacks, die beispielsweise in einer einfachen Parallelschaltung miteinander verbunden sind, um Leistung für eine Anwendung abzugeben. In diesem Beispiel wird angenommen, dass der erste Batteriepack, der durch die Kurve 22 dargestellt wird, bei 80 % im Alterungszustand ist, der zweite Batteriepack, der mit der Kurve 32 dargestellt wird, bei 70 % Alterungszustand ist, und der dritte Batteriepack, der mit der Kurve 42 dargestellt wird, bei 60 % Alterungszustand ist. Jeder der drei Batteriepacks kann auf einen Ladungszustand gebracht werden, der 100 % oder nahezu 100 % ist, was in der oberen linken Hälfte des Graphen 10 veranschaulicht wird. Da die Batteriepacks aber verschiedene Alterungszustände aufweisen, wird der Ladungszustand mit verschiedenen Raten abfallen, falls jeder Batteriepack denselben Betrag an Leistung für die Anwendung abgeben soll.
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Wie aus dem Graphen 10 ersichtlich ist, divergieren die Kurven 22, 32 und 42 mit der Zeit, so dass der erste Batteriepack einen höheren Ladungszustand als der zweite Batteriepack und wiederum dieser einen höheren Ladungszustand als der dritte Batteriepack aufweist. Dies kann zu verschiedenen Problemen führen, unter anderem zu verschiedenen Spannungen zwischen den Batteriepacks und der Notwendigkeit, dass ein Batteriepack vor den anderen wieder aufgeladen wird.
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Es gibt einige Verfahren im Stand der Technik, um mit Batteriepacks verschiedener Alterungszustände oder Ladungszustände umzugehen. Ein solch bekanntes Verfahren ist einfach das Widerstandsausgleichen, wobei Batteriepacksektionen in einem höheren Ladungszustand über einen Widerstand entladen werden und all die Energie, bis all die anderen Sektionen in den selben Ladungszustand kommen, verbraucht wird. Ein anderes Verfahren ist bekannt, welches als Ladungshin- und Herbewegen bekannt ist, wobei Energie aus höheren Ladungszustandssektionen auf niedrigere Ladungszustandssektionen transferiert werden. Und in einem weiteren anderen bekannten Verfahren sind nur die Sektionen mit dem höchsten Ladungszustand dazu verfügbar, um Energie bereitzustellen, bis deren Ladungszustand auf den Wert der anderen Sektionen abgefallen ist. All diese Verfahren haben aber Nachteile, unter anderem Energieverschwendung, und/oder das Unvermögen, das Maximum an Leistung bereitzustellen und/oder die total verfügbare Energie bereitzustellen, sobald der Ladungszustand nicht im Gleichgewicht ist.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm für ein Power-Management-System 50, welches ein proportionales aktives Ladungszustandsausgleichen zur modulierten Leistungsabgabe von Batteriepacks mit unterschiedlichen Alterungszuständen gewährleistet. Das Power-Management-System 50 beinhaltet Batteriepacks 60, 70 und 80. Es wird angemerkt, dass das System 50 auch mehr oder weniger als die drei Batteriepacks aufweisen kann. Darüber hinaus wird der Begriff „Batteriepack“ hier allgemein verwendet. Jeder der Batteriepacks 60, 70 und 80 könnte auch eine Sektion in einem Batteriepack eines Elektrofahrzeuges darstellen oder eben eine individuelle Mehrzellbatterie. Wie im Detail diskutiert werden wird, kann das System 50 die Leistungsabgabe aus den Batteriepacks auch bei ungleichen Alterungszuständen liefern. Der Anschauung halber wird angenommen, dass der Batteriepack 60 bei einem Alterungszustand von 80 % ist, der Batteriepack 70 bei einem Alterungszustand von 70 % ist und der Batteriepack 80 bei einem Alterungszustand von 60 % ist.
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Das System 50 beinhaltet einen Controller 90 zum Modulieren der Leistung aus dem Batteriepack 60, 70 und 80. Die Arbeitsweise des Controllers 90 wird im weiteren eingehend diskutiert werden. Der Ladungszustand des Batteriepacks 60 wird gemessen und an den Controller 90 über die Leitung 62 zugeführt. In analoger Weise werden die Ladungszustände der Batteriepacks 70 und 80 an den Controller 90 über die Leitungen 72 und 82 jeweils weitergeführt. Die Art und Weise, wie man den Ladungszustand, ob über Spannungsmessung oder andere Arten, misst, ist aus dem Stand der Technik bekannt und benötigt hier keine weiteren Diskussionen.
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Das System 50 verwendet einen Mehrwicklungstransformator 92, um die Leistung aus den Batteriepacks 60, 70 und 80 zu konvertieren, um eine verwendbare Leistung mit einer verwendbaren Spannung bereitzustellen. Es werden quadratische Wellensignale verwendet, um die Leistung aus jedem Batteriepack, die an den Transformator 92 abgegeben wird, zu modulieren mit dem Duty Cycle der Quadratwelle aus jedem einzelnen Batteriepack, der über den Controller 90 geregelt wird, so dass eine konsistente Ausgangsspannung aufrecht erhalten wird und die Leistung von jedem Batteriepack proportional zu ihrem Planungszustand in Bezug auf die anderen Batteriepacks ist.
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Der Controller 90 stellt eine quadratisches Wellensignal auf der Leitung 64 an den Schalter 66 bereit, welcher die positiven Anschluss aus dem Batteriepack 60 an- und ausschaltet. In analoger Weise stellt der Controller 90 ein quadratisches Wellensignal auf der Leitung 74 an den Schalter 76 bereit, welcher den positiven Anschluss aus dem Batteriepack schaltet, und ein Signal auf der Leitung 84 an den Schalter 86, der den positiven Anschluss aus dem Batteriepack 80 schaltet. In einer Ausführungsform sind die Schalter 66, 76 und 86 isolierte Gate-Bipolar-Transistoren (IGBTs), welche für ihre hohe Effizienz und für ihre moderate hohe Schaltkapazität bekannt sind. In dieser Ausführungsform wird ein quadratisches Wellensignal von dem Controller 90 auf der Leitung 64 an den Gate-Anschluss des Schalters 66 abgegeben, wobei der positive Anschluss aus dem Batteriepack 60 mit dem Kollektoranschluss des Schalters 66 verbunden ist und der Ausgang des Schalters 66 am Emitter-Anschluss mit einem der Anschlüsse des Transformators 92 über eine Diode 68 verbunden ist, welche dazu verwendet wird, um den Rückstrom aus dem Transformator 92 zu verhindern. Andere Arten von Schaltern neben den IGBTs, beispielsweise MOSFET-Schalter, können ebenfalls verwendet werden.
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Demzufolge weisen die Eingänge auf der linken oder Primärseite des Transformators 92, was aus dem oberen bis zum unteren in 2 ersichtlich ist, die geschalteten positiven Anschlüsse aus dem Batteriepack 60 über den Schalter 66 und die Diode 68 auf, die negativen Anschlüsse aus dem Batteriepack 60 wiederum die geschalteten positiven Anschlüsse aus dem Batteriepack 70 über den Schalter 76 und eine Diode 78 und letztendlich die negativen Anschlüsse aus dem Batteriepack 70 die geschalteten positiven Anschlüsse aus dem Batteriepack 80 über den Schalter 86 und eine Diode 88 und die negativen Anschlüsse aus dem Batteriepack 80 auf. Ein schnelles Anschalten und Ausschalten der positiven Anschlüsse aus den Batteriepacks 60, 70 und 80 gibt die notwendige Anregung für den Transformer 92, um die Ausgangsspannung zu erzeugen.
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Auf der rechten Seite des Transformators 92 ist der positive Ausgang aus der Sekundärwicklung über eine Gleichrichterdiode 94 gegeben und ein Gleichrichtungsfilterkondensator 96 ist dort parallel mit der Last 98 angeordnet. Die Last 98 kann von jeder anwendungsspezifischen Art sein oder auch Anwendungen beinhalten, die eine solche Stromversorgung benötigt. Ein Strommesser 100 misst den Strom über die Last 98 und ein Spannungsmesser 102 misst die Spannung über der Last 98. Daten aus dem Strommesser 100 und dem Spannungsmesser 102 werden als Rückkopplung auf den Controller über die Leitung 104 abgegeben.
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In einem Ausführungsbeispiel könnte jeder der Batteriepacks 50, 70 und 80 eine Nominalspannung im Bereich von 100-150 Volt Gleichspannung aufweisen und die Transformatorausgangsspannung an der Last 98 könnte ungefähr 600 V Gleichstrom betragen. Die Ausführung des Transformators kann basierend auf der Größe und der Spannung der Batteriepacks 60, 70 und 80 bestimmt sein und die Zielspannung an der Last 98 treffen.
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3 zeigt ein schematisches Diagramm für einen Controller 90 mit seinen Eingängen und Ausgängen. Eine Ziellastspannung, beispielsweise ungefähr 600 V, wird aus dem Kasten 110 an einen Summierübergang 112 abgegeben. Wie oben beschrieben, stellt die Leitung 104 Spannung- und Stromrückkopplung an den Controller 90 bereit. Die Spannung über der Last 98 wird auf der Leitung 104 an den Summierübergang 112 bereitgestellt, wobei dieser von der Ziellastspannung abgezogen wird. Die Differenz oder der Spannungsfehler, wird an das Duty-Cycle-Regelmodul 114 geliefert. Das Duty-Cycle-Regelmodul 114 berechnet einen grundlegenden Baseline-Duty-Cycle für die Quadratwellenpulse an den Schaltern 66, 76 und 86 mit Hilfe eines geeigneten Regelalgorithmus, beispielsweise eines Proportional-Integral (PI)- oder Proportional-Integral-Derivativ (PID)-Algorithmus. Diese Algorithmen sind im Stand der Technik wohl bekannt und geben Regelsignale, basierend auf Stromfehlern (proportional), Akkumulieren von vergangenen Fehlern (integral) und Vorhersage von zukünftigen Fehlern, basierend auf einer Ratendifferenz (derivativ) ab.
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Das Duty-Cycle-Regelmodul 114 gewährleistet den grundlegenden Duty-Cycle auf der Leitung 116 für alle drei Multipliziermodule 118, 120 und 122. Jedes der Multipliziermodule 118, 120 und 122 empfängt die gegenwärtige Ladungszustandsinformation für einen der Batteriepacks 60, 70 oder 80, berechnet das Verhältnis des Ladungszustands dieses Batteriepacks zu dem Ladungszustand des Batteriepacks mit dem höchsten Ladungszustand und multipliziert das Verhältnis mit dem grundlegenden Duty-Cycle.
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Zum Beispiel kann die Situation angenommen werden, wobei der grundlegende Duty-Cycle 75 % ist, der aktuelle Ladungszustand des Batteriepacks 60 bei 86 % liegt und der gegenwärtige Ladungszustand des Batteriepacks 70 bei 83 % und der gegenwärtige Ladungszustand des Batteriepacks 80 bei 80 % liegt. Das Multipliziermodul 118 würde die Ladungszustandsmessung aus dem Batteriepack 60 (86 %) auf der Leitung 82 erhalten, würde die Ladungszustandsmessung durch die höchste Ladungszustandsmessung (also 86 %) dividieren und würde den grundlegenden Duty-Cycle multiplizieren. Demzufolge würde das Multipliziermodul 118 einen Duty-Cycle für den Batteriepack über den Schalter 66 von (0,86/0,86)*(0,75) - 0,75 oder 75 % über die Zeit errechnen.
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In ähnlicher Art und Weise würde das Multipliziermodul 120 die Ladungszustandsmessung des Batteriepacks 70 (83 %) auf der Leitung 72 erhalten, würde die Ladungszustandsmessung durch die höchste Ladungszustandsmessung (86 %) und mit dem grundlegenden Duty-Cycle multiplizieren. Demzufolge würde das Multipliziermodul 120 einen Duty-Cycle für den Batteriepack 70 über den Schalter 76 von (0,83/0,86)*(0,75) - 0,724 oder ungefähr 72 % über die Zeit berechnen. Letztendlich würde das Multipliziermodul 122 die Ladungszustandsmessung für den Batteriepack 80 (80 %) auf der Leitung 82 erhalten, würde die Ladungszustandsmessung durch die höchste Ladungszustandsmessung (86 %) dividieren und mit dem grundlegenden Duty-Cycle multiplizieren. Demzufolge würde das Multipliziermodul 122 einen Duty-Cycle für den Batteriepack 80 über den Schalter 86 von (0,80/0,86)*(0,75) = 0,698 oder ungefähr 70 % über die Zeit berechnen.
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Die Multipliziermodule 118, 120 und 122 stellen ihre Duty-Cycle-Information für die Pulsgeneratoren 124, 126 und 128 jeweils bereit, welche die dafür geeigneten Quadratwellenpulssignale erzeugen. Der Pulsgenerator 124 liefert sein Signal an den Schalter 66 auf der Leitung 64 ab, wohingegen der Pulsgenerator 126 sein Signal an den Schalter 76 auf der Leitung 74 und der Pulsgenerator 128 sein Signal an den Schalter 86 über die Leitung 84 abgibt. Die quadratischen Feldsignalspuren werden veranschaulicht, wobei Differenzen summiert wurden, über die Leitungen 64, 74 und 84 in der 3. Wie oben beschrieben wird der Duty-Cycle der quadratischen Wellenpulse über die Anforderung der Last 98 und die relativen Batteriepackladezustände bestimmt. Die Frequenz der quadratischen Wellenpulse kann bestimmt werden, um die Leistungsfähigkeit des gesamten Power-Management-Systems 50 zu bestimmen, mit der Leistungsfähigkeit des Transformators 92 und den Schaltern 66, 76 und 86 und auch mit den auf den leistungsseitig auftretenden Transienten. In einer typischen Anwendung könnte die quadratische Wellenpulsfrequenz in einem Bereich von wenigen einhundert Hertz (Hz oder Zyklen pro Sekunde) bis zu 10 bis 20-Tausend Hz betragen.
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Beim Betrieb des Power-Management-Systems 50 wird das Duty-Cycle-Regelmodul 114 den grundlegenden Duty-Cycle erhöhen, falls die Spannung an der Last 98 abfällt, so dass jeder der Schalter 66, 76 und 86 eine kleine vermeintlich größere An-Zeit erfährt und dabei die Ausgangsspannung an den Transformator 92 ansteigt. Während die Multipliziermodule 118, 120 und 122 damit fortfahren, die tatsächliche An-Zeit jedes Schalters in Proportion zu dem Ladungszustand des Batteriepacks, den sie schalten, zu modulieren. Auf diese Art und Weise erfüllt der Regler 90 beide Aufgaben, nämlich eine konsistente Ausgangsspannung bereitzustellen und die Leistungsaufnahme von den Batteriepacks verschiedener Alterungszustände auszugleichen.
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4 zeigt einen Graph 140, der veranschaulicht, wie der Ladungszustand nicht divergiert, sobald Batteriepacks verschiedener Alterungszustände im Power-Management-System 50 verwendet werden. Auf dem Graph 140 sind wiederum auf der horizontalen Achse 142 die Zeit und auf der vertikalen Achse 144 der Ladungszustand abgetragen. Die Kurven 160, 170 und 180 zeigen den Ladungszustand aller drei Batteriepacks 60, 70 und 80, jeweils, wie sie auch in der 2 ersichtlich waren. In einer Weiterführung des oben erwähnten Beispiels muss man annehmen, dass der Batteriepack 60 bei 80 % Alterungszustand, der Batteriepack 70 bei 70 % Alterungszustand und der Batteriepack 80 bei 60 % Alterungszustand sich befindet. Jeder der Batteriepacks 60, 70 und 80 kann auf einen Ladungszustand von gleich oder ungefähr 100 % aufgeladen werden, was in der oberen linken Hälfte des Graphen 140 veranschaulicht wird.
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Wie eingangs mit dem Graphen 10 gezeigt wurde, fängt der Ladungszustand der drei Batteriepacks 60, 70 und 80 anfangs an, sich unterschiedlich zu entladen. In diesem Fall wiederum, bei dem also die Unterschiede im Ladungszustand anwachsen, moduliert der Regler 90 die Schaltsignale derart, dass mehr Leistung aus dem Batteriepack 60 abgegeben wird, als aus dem Batteriepack 70, wohingegen der Batteriepack 80 am wenigsten Leistung abgeben wird. Wie aus dem Graphen 140 ersichtlich ist, konvergieren dann die Kurven 160, 170 und 180 mit der Zeit, bei der der Regler 90 damit fortfährt, die Leistung basierend auf dem relativen Ladungszustand jedes einzelnen Batteriepacks zu modulieren.
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5 zeigt ein Flussdiagramm 200 für ein Verfahren für das proportionale aktive Ladungszustandsausgleichen über Batteriepacks mit unterschiedlichen Alterungszuständen. Im Kasten 202 wird der Ladungszustand für zwei oder mehr Batteriepacks in einem System gemessen. Im Kasten 204 wird ein Duty-Cycle für jeden der Batteriepacks in dem System berechnet, wobei der Duty-Cycle eine Funktion des Ladungszustands für den Batteriepack, der höchste Ladungszustand für jeglichen Batteriepack in dem System und die Leistungsaufnahme über die Last auf dem System darstellt. Im Kasten 206 wird der positive Anschluss jedes Batteriepacks ausgeschaltet in einem quadratischen Wellensignal basierend auf dem Batteriepack-Duty-Cycle, wie er im Kasten 204 berechnet wurde. Im Kasten 208 werden die geschalteten positiven Anschlüsse und die negativen Anschlüsse jedes Batteriepacks als Energieeingang auf einen Mehrwicklungstransformator abgegeben. Im Kasten 210 wird der Ausgang aus dem Mehrwicklungstransformator dazu verwendet, um die Last, die am System anliegt, mit Energie zu versorgen.
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Das proportionale aktive Ladungszustandsausgleichverfahren und das System, das oben beschrieben wurde, kann mit Batteriepacks verschiedener Chemie, beispielsweise NickelMetall-Hydrid oder Lithium-Ionen) verwendet werden oder mit Batteriepacks von verschiedener Energiespeicherkapazität. Das beschriebene Verfahren und System sind auch auf verschiedene Batteriepackspannungen und Ziellastspannungen skalierbar, sowie die Zahl der Batteriepacks und der Transformatorwicklungen designed werden können, um all diese Variablen zu erfüllen.
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Das proportionale aktive Ladungszustandsausgleichverfahren, das oben beschrieben wurde, kann auch während des Aufladens von Batteriepacks verwendet werden. In einer Community-Energy-Storage-Anwendung kann die Aufladung der Batteriepacks über Solarenergie oder Windenergie erfolgen oder die Aufladung kann auch rein aus dem elektrischen Netz erfolgen bei Speicherstunden, bei denen die Kosten niedriger sind. In all diesen Fällen führt das aktive Ausgleichen der Ladung und Entladung basierend auf dem tatsächlichen Ladungszustand der individuellen Batteriepacks dazu, dass Batteriepacks verschiedene Alterungszustände, verschiedener Kapazität und/oder verschiedener Chemie miteinander in ein und demselben Energiespeichersystem verwendet werden können.
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Unter Verwendung der oben offenbarten Verfahren kann Leistung effektiv über Batteriepacks mit weit untereinander unterschiedlichen Alterungszuständen gemanaged werden, wobei alle Batteriepacks Energie über eine Entladungszeit abgeben. Solche Batteriepacks können demzufolge effizient in DES-Systemen oder anderen Energiespeichersystemen verwendet werden. Darüber hinaus können Hersteller von Elektrofahrzeugen bei einem verwertbaren Nachlebensalterszenario von elektrischen Fahrzeugbatteriepacks einen größeren Restwert aus den Batteriepacks erzielen, nachdem diese nicht weiter für andere Elektrofahrzeugverwendungen verwertbar sind.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt rein beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus dieser Diskussion und den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei Geist und Schutzbereich der Erfindung, wie er von den nachfolgenden Patentansprüchen definiert wird, zu verlassen.
