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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik, insbesondere der Batterietechnik in einem Fahrzeug. Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Regeln eines Ladezustandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie.
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In Hochleistungsbatterien werden Seriellschaltungen von mehreren bis zu etwa einhundert Zellen eingesetzt. Relevante Kenndaten einer solchen Batterie werden durch die schlechteste Einzelzelle der Batterie bestimmt, wodurch sich im Allgemeinen nicht das volle Potential, z. B. die Kapazität, der Gesamtbatterie ausnutzen lässt. Aus diesem Grund wurden Systeme entwickelt, die es erlauben, einzelne Zellen aus dem Verbund zeitweise oder dauerhaft zu überbrücken. Dies geschieht üblicherweise durch den Einsatz von zwei Leistungshalbleitern pro Zelle, die als Schalterelemente wirken. Derartige Konzepte sind unter der Bezeichnung EZS (EZS = Einzelzellschalter) bekannt.
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Bisher liegt ein Schwerpunkt beim Regeln des Ladezustands von Batterien auf der Ausnutzung der gesamten in der Batterie gespeicherten Energie durch sequentielles Abschalten von entleerten Zellen oder der Realisierung von Puls(ent)ladeverfahren mittels zyklischem Abschalten einer redundanten Einzelzelle.
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Diese bekannten Ansteuerkonzepte können als ”starr” angesehen werden, da sie eine Überbrückung bei Erreichen des Entladeendes bzw. zyklisches Wechsel über eine oder mehrere redundante Zellen vorsehen. Abgesehen von diesen starren Ansteuerkonzepten ist über dynamische Regelkonzepte bislang wenig bekannt.
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Eine EZS-Verschaltung, d. h. eine Verschaltung von Halbleitern als Schalterelemente an der Batterie bzw. einer einzelnen Batteriezelle, erlaubt nur eine sehr eingeschränkte Einflussnahme auf die Einzelzellen. Ein Grund hierfür ist, dass die Schaltelemente nur die jeweils einen der beiden Zustände ”an” oder ”aus” annehmen können.
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Eine mathematische Modellbildung einer Batterie als Gesamtsystem ist komplex. Dadurch wird die Erfassung mit den herkömmlichen Methoden der Regelungstechnik erschwert. Grundsätzlich ist jedoch das Systemverhalten bekannt, wobei Expertenwissen über das Systemverhalten vorliegt, das sich aber nur schwer mit den herkömmlichen Methoden der Regelungstechnik nutzen lässt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Schaltanordnung bereitzustellen, bei der eine dynamische Regelung in Bezug auf ein Laden- und Entladen einer Batterie bereitgestellt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Regeln eines Ladezustandes einer Batterie, insbesondere einer Fahrzeugbatterie, bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung weist auf einen Regelkreis, der an eine Batteriezelle anschließbar ist, wobei mit einem ersten Schaltelement und mit einem zweiten Schaltelement der Ladezustand einer Batteriezelle regelbar ist, wobei der Regelkreis einen Eingang mit einer Eingangsgröße aufweist und der Regelkreis einen Ausgang mit einer Ausgangsgröße aufweist. Hierbei ist ferner vorgesehen, dass zwischen dem Eingang und dem Ausgang eine Regelschleife mit Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang angeordnet ist, wobei in der Rückkopplung ein Funktionsblock mit einer Fuzzylogik vorhanden ist, mit der ein Schaltzustand mindestens des ersten Schaltelements oder des zweiten Schaltelements beeinflussbar ist.
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Im Folgenden wird das Prinzip der Erfindung anhand der Schaltungsanordnung näher beschrieben, wobei die beschriebenen Merkmale auch für das Verfahren anwendbar sind.
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Es wird eine Regelung zum Einsatz von Fuzzylogik zur Regelung von EZS-Batterien bereitgestellt.
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Obwohl die Halbleiter nur zwei Schaltzustände annehmen können, ist mit der hier beschriebenen Schaltungsanordnung eine allgemeine regelungstechnische der Batterie als Gesamtsystem unter Verwendung der in einem EZS-System bereits vorhandenen Aktoren, nämlich Halbleiter zum Ein- und Ausschalten einzelner Zellen.
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Im Allgemeinen ist nur ein Teil der in der Batterie vorhandenen Zellen notwendig, um die angeforderte Leistung abzugeben. Hierdurch eröffnet sich ein Freiheitsgrad in der Auswahl der zu aktivierenden Zellen. Dieser Freiheitsgrad wird zusammen mit der vorhandenen Information über den Zustand der Einzelzellen dazu genutzt, verschiedene Regelziele zu verfolgen. Die Menge der möglichen Regelziele ist sehr allgemein und im Wesentlichen nur von der vorhandenen Information über den Batteriezustand und die Formulierbarkeit als Fuzzyregelsatz beschränkt. Es ist ebenfalls möglich, mehrere Regelziele gleichzeitig zu verfolgen.
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Neben der beschränkten Möglichkeiten der Halbleiter als Aktoren, die nur die Zustände an/aus bereitstellen können, ist die regelungstechnische Erfassung des Batteriesystems mit herkömmlichen Methoden problematisch. Gängige Regelverfahren setzen ein mathematisches Modell des zu beeinflussenden Systems voraus. Dieses muss weiterhin oftmals durch Linearisierung vereinfacht werden. Im Fall einer Fahrzeugbatterie ist eine Modellbildung aufwendig, da das Systemverhalten nichtlinear und nicht vollständig bekannt ist. Das erfindungsgemäße Prinzip benötigt kein geschlossenes implizites Systemmodell und ist insofern von diesen Nachteilen nicht betroffen.
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Obwohl die Systemparameter und Wirkzusammenhänge im Falle der Fahrzeugbatterie nicht vollständig bekannt sind oder die geschlossene Formulierung der Systemgleichungen nur schwer möglich ist, können dennoch Aussagen über das qualitative Verhalten der Gesamtbatterie oder ihrer Einzelzellen gemacht werden. Solches Expertenwissen kann in das hier vorgestellte System in Form von linguistischen Regeln, beispielsweise als Fuzzy-Regelbasis, eingebracht werden. Dieses Expertenwissen bildet eine Grundlage für eine quantitative Bewertung jeder Zelle, z. B. in Form einer Maßzahl. Diese Maßzahl kann als der „Eignungsgrad” jeder Zelle zur Aktivierung (unter Berücksichtigung ihrer aktuellen Zustände) interpretiert werden. Aus der so gebildeten Bewertung der Zellen kann im Folgenden für jede Zelle individuell und zu jedem Zeitpunkt eine Entscheidung zur Zu- oder Abschaltung erfolgen.
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Die Gewinnung der Zellbewertungen erfolgt durch ein Fuzzysystem und kann als solches ressourcensparend in Form von Lookup-Tabellen (Kennfeldern) auf einem Steuergerät implementiert werden. Die Implementierung kommt somit ohne ein implizites Systemmodell der Batterie oder der Zellen aus.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Funktionsprinzip näher beschrieben. Dem System lassen sich eine Anzahl Parameter zuordnen. Diese Parameter können sich auf die Zelle selbst, auf die Gesamtbatterie, auf den Fahrzustand oder weitere Teilsysteme beziehen. Alle diese Parameter bilden zusammen einen Zustandsvektor. Beispiele für Zustandsgrößen bzw. Parameter sind:
- – Temperatur(-verteilung) der Gesamtbatterie
- – Temperatur der Einzelzellen
- – Ladezustand der Einzelzellen
- – kalendarisches Alter der Einzelzellen
- – Gesamtladungsumsatz oder Betriebsstunden aller Zellen
- – Umgebungseinflüsse (Außentemperatur, ...)
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende Schritte vorgesehen:
- 1. Aus dem Zustandsvektor wird für jede Zelle in jedem Zeitschritt mittels Fuzzylogik ein Gütewert bestimmt, der die Eignung zur Aktivierung zum aktuellen Zeitpunkt repräsentiert.
- 2. Parallel dazu wird aus den Informationen, die über den Gesamtfahrzustand (Fahrerwunsch, Batteriezustand, ...) vorliegen, bestimmt (abgeschätzt), wie viele Zellen benötigt werden, um die Leistungsanforderung (den Fahrerwunsch) optimal umzusetzen. Dies kann beispielsweise durch eine überschlägige Approximation der benötigten Stromstärke oder durch prädiktive Schätzverfahren geschehen.
- 3. Anhand der in Schritt 1 bestimmten Gütewerte können die am besten geeigneten Zellen bestimmt werden. Dies sind diejenigen Zellen mit der höchsten Bewertung, d. h. dem höchsten Gütegrad.
- 4. Diese Zellen werden über die Halbleiterschalter aktiviert. Die übrigen Zellen werden entsprechend überbrückt.
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Dieses Verfahren kann kontinuierlich ablaufen und stellt vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt hinsichtlich der im Fuzzysystem definierten Regeln einen optimalen Betrieb der Batterie sicher.
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Zur Umsetzung des Regelkonzepts werden Aktoren und Sensoren benötigt.
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Mit den elektronisch ansteuerbaren Halbleitern stehen die für eine Regelung notwendigen Aktoren in einem EZS-System bereits zur Verfügung. Über diese kann jede Zelle der Batterie individuell in den Leistungspfad aufgenommen werden (aktiv, AN) oder elektrisch überbrückt werden (AUS).
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Sensoren zur Messung von relevanten Systemzuständen (z. B. Temperatur, Zellspannung, Zellstrom), sind vorteilhafterweise bereits in der Halbleiter-Ansteuerelektronik integriert (in Form von Zellspannungsüberwachung/Überstromerkennung/etc.), oder werden als dedizierte Sensoren im System verbaut.
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Nicht direkt messbare Größen (z. B. die Temperaturverteilung innerhalb der Batterie/Zelleninnenwiderstand/Zellalterungsgrad (SOH), ...) können beispielsweise unter Zuhilfenahme von mathematischen Schätzverfahren gewonnen werden. Ebenfalls kann durch Schätzverfahren die Messgenauigkeit vorhandener Sensoren (z. B. in der Überstromdetektion) dahingehend verbessert werden, dass diese Messungen in die Regelung des Systems miteinbezogen werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Regelschleife eine Regelfunktion vorhanden ist, mit der ein generierter Eignungsgrad der Fuzzylogik in eine Schaltanforderung umsetzbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltungsanforderung binär ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fuzzylogik Expertenwissen berücksichtigt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fuzzylogik ein Gütekriterium zum Ansteuern einzelner Zellen der Batterie bereitstellt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Eingangsgröße des Regelkreises eine Stromanforderung ist.
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Es sind folgende Vorteile festzuhalten:
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in Form eines Regelsystems kommt ohne Systemmodell aus, es genügt Expertenwissen.
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Es werden nicht dauerhaft alle Zellen belastet, was zu einer Schonung der überbrückten Zellen führt. Weniger stark degradierte Zellen werden häufiger aktiviert und gleichen sich dadurch den bereits stärker gealterten Zellen an. (passiver Einfluss)
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Durch die Formulierung geeigneter Regeln kann der Betrieb von Zellen in für sie ungünstigen Betriebszuständen vermieden werden (aktiver Einfluss). Die Notwendigkeit aktiver oder passiver Balancing-Konzepte kann entfallen, da ein Ladezustandsausgleich während des Betriebs erfolgen kann. Die Implementierung kann ressourcensparend auf einem Steuergerät erfolgen.
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Als weiteren Vorteil der Erfindung kann angesehen werden, dass eine Notwendigkeit eines Balancings oder Ausgleichens zwischen einzelnen Zellen entfallen kann. Dies kann eine Zellalterung minimieren. Ferner sind Batterieparameter regelbar, die beispielsweise durch Software-Regelalgorithmen zugänglich sind. Somit kann eine Softwareimplementierung erfolgen, wobei bereits vorhandene Hardware weiterverwendet werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigen in:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform für eine Verschaltung von Halbleitern nach dem EZS-Prinzip an einer Batterie; und
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2 ein beispielhafte Ausführungsform eines Signalflussdiagramms eines Reglers, für eine Batterie.
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1 zeigt eine schematische Schaltung einer Batterie 10 mit einer Vielzahl von Batteriezellen 11, wie sie in einer Fahrzeugbatterie vorhanden sind. Ein Ausschnitt einer einzelnen verschalteten Batteriezelle 11 ist im rechten Teil der 1 näher dargestellt. Die dort gezeigte Batteriezelle 11 ist mit einem ersten Halbleiterschaltelement 12 und einem zweiten Halbleiterschaltelement 13 verbunden, die eine Überbrückung der Batteriezelle 11 ermöglichen. Die Batterie ist demnach eine EZS-Batterie. Die beiden Halbleiterschaltelemente 12, 13 sind im linken Teil der 1 als Element 14 zusammengefasst dargestellt. Ferner sind die beiden Halbleiterschaltelemente 12, 13 mit einem Mikrocontroller zusammengeschaltet, der die Schaltstellung der beiden Halbleiterschaltelemente 12, 13 vorgibt.
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2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 20 mit einem Signalflussdiagramms eines Reglers, wobei die Schaltungsanordnung 20 für eine Batterie 10 bzw. für deren einzelne Batteriezellen 11 wie sie in 1 dargestellt ist, verwendet werden kann. Eine Aktivierung oder Deaktivierung von Batteriezellen oder Zellen 11, wie beispielsweise in 1 dargestellt, erfolgt durch einen Block B(β) 21, der eine binarisierte Anforderung von einem weiteren Block g(q) 22 erhält. Ein Zustandsvektor x 23, der aus einem weiteren Block 24 erhalten wird, enthält alle relevanten Informationen über die Zellen 11 und den Fahrzustand des Fahrzeugs, in der die Batterie mit den Zellen 11 eingebaut ist. Durch den Zustandsvektor x 23 wird in einem Fuzzysystem F 25 jeder Zelle 11 ein Eignungsgrad q 26 zugewiesen. Aus diesem wird in dem Block 22 mit der Funktion g(q) unter Zuhilfenahme der Information über die benötigte Anzahl Zellen 11 für die bestbewerteten Zellen 11 in dem Eignungsgrad q 26 eine binäre Schaltanforderung β 27 generiert.
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Eingangsseitig tritt eine Stromanforderung u 28 in das Systemschaubild 20 ein. Eine Dynamik der Batterie f(x) 29 generiert daraus den resultierenden Zustandsvektor x 23, von dem ausgangsseitig eine Spannungsantwort y 30 beobachtbar ist. Diese genügt der algebraischen Randbedingung, sodass sich die Leistungsabgabe entsprechend einem Fahrerwunsch des Fahrzeugs einstellt. Dies geschieht gemäß der Funktion P(t) = U(t)·I(t)), wobei U(t) eine Spannungsfunktion ist und I(t) eine Stromfunktion ist, jeweils in Abhängigkeit der Zeit, die miteinander multipliziert werden. Die Spannungsantwort der Batterie 10 auf die angeforderte Stromstärke hängt von der Wahl der aktiven Zellen β 27 ab und wird aus dem Zustandsvektor x 23 über Bestimmungsgleichungen C(β) gewonnen, die in einem weiteren Block 31 des Regelkreises vorhanden ist.
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Eine beispielhafte Ausführungsform für den schematischer Zusammenhang des erfindungsgemäßen Prinzips kann wie folgt zusammengefasst werden:
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Das Expertenwissen über das Systemverhalten kann aus mehreren Informationsquellen stammen. So liegen beispielsweise bereits Informationen über das Systemverhalten vor. Diese Informationen sind eventuell zu vage oder zu allgemein, um in ein mathematisches Modell überführt werden zu können. Auch können Parameterunsicherheiten vorhanden sein. Ferner steht beispielsweise Expertenwissen in Form einer allgemeinen Aussage zur Verfügung, wie „Zellen bei hoher Temperatur zu betreiben, ist nachteilig.” Eine Regelbasis und die verwendete Fuzzylogik F 25 sind Teil des erfindungsgemäßen Prinzips. Das hier vorgestellte Verfahren und die damit im Zusammenhang stehende Schaltungsanordnung kann beispielsweise Konzepte aus der Fuzzytheorie verwenden, die sich einfach formulieren lassen, ohne ein abgeschlossenes mathematisches Modell auskommen und sich effizient auf Hardware mit begrenzten Ressourcen implementieren lassen.
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Der Regelsatz des Fuzzysystems kann intuitiv über WENN-DANN-Zusammenhänge formuliert werden. Ein Beispiel unter Verwendung von zwei Zustandsgrößen, wie Zelltemperatur und Ladezustand, sieht wie folgt aus:
„WENN Zelltemperatur kritisch hoch DANN Eignungsgrad sehr niedrig” ...
„WENN Zelltemperatur moderat UND Ladezustand hoch DANN Eignungsgrad sehr hoch”
„WENN Zelltemperatur moderat UND Ladezustand niedrig DANN Eignungsgrad niedrig” ...
„WENN Ladezustand kritisch niedrig DANN Eignungsgrad sehr niedrig”
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Das Fuzzysystem kann beispielsweise so ausgelegt werden, dass der Eignungsgrad durch eine Zahl aus dem Intervall 0...1 repräsentiert wird (0 für sehr schlecht und 1 für sehr gut geeignet).
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Mittels der Regeln können somit ungünstige Betriebszustände vermieden werden und damit auf die Zellalterung positiv Einfluss genommen werden. Bei entsprechendem Regelsatz kann damit erreicht werden, dass Zellen 11 mit hohem Ladestand besser bewertet werden als leere Zellen 11.
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Im Hinblick auf eine Binarisierung und eine darauf folgende Schaltsignalerzeugung können folgende Aspekte berücksichtigt werden. Die resultierenden Eignungsgrade sind wertkontinuierlich. Aus ihnen kann eine konkrete Schaltanforderung für einzelne Zellen generiert werden. Die Umsetzung der kontinuierlichen Ausgangswerte (Eignungsgrade) der Zellen wird über einen geeigneten Algorithmus binarisiert, d. h. in binäre Zustände umgewandelt (d. h. auf {0(aus), 1(an)} abgebildet).
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Die folgende Tabelle ist ein Beispiel zur Veranschaulichung. Hierbei steht ”1” für Schaltsignal aktiv und ”0” für Schaltsignal überbrückt, wobei die Zellnummerierung hier willkürlich gewählt wurde:
| Zellen-Nr. | Gütekriterium q(t) | Schaltsignal beta(q) |
| 6 | 1,0 | 1 |
| 42 | 0,95 | 1 |
| 85 | 0,9 | 1 |
| 100 | 0,85 | 1 |
| 75 | 0,8 | 1 |
| 23 | 0,82 | 1 |
| - | - | - |
| 16 | 0,55 | 1 |
| 2 | 0,4 | 0 |
| 98 | 0,4 | 0 |
| 62 | 0,3 | 0 |
| 14 | 0,25 | 0 |
| 84 | 0,2 | 0 |
| 34 | 0,1 | 0 |
| 50 | 0,0 | 0 |
| 64 | 0,0 | 0 |
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Eine Schlussfolgerung vom Bewertungskriterium auf das binäre Schaltsignal, d. h. die Entscheidung, welche Zellen 11 zu aktivieren sind, kann auf unterschiedliche Weise geschehen.
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Es ist beispielsweise bekannt, wie viele aktive Zellen 11 benötigt werden. Die Zellen 11 werden dann nach dem Bewertungskriterium q(t) 26 absteigend sortiert und die N bestbewerteten Zellen 11 aktiviert. Die Anzahl der benötigten aktiven Zellen 11 kann dann aus einem Approximations- oder Prädiktionsverfahren anhand des aktuellen Fahrzustands des Fahrzeugs oder der Gaspedalstellung bestimmt werden.
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Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Aktivierung direkt über das Gütekriterium selbst erfolgt. Beispielsweise werden alle Zellen 11 mit Bewertung größer als 0,5 aktiviert, alle übrigen Zellen 11 werden überbrückt. In diesem Fall sollte sichergestellt werden, dass genügend Zellen 11 aktiviert werden, um die angeforderte Leistung abzugeben.
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Anhand des folgenden Beispiels sollen die Regelprinzipien näher erläutert werden. Ein Beispiel für ein Regelziel ist ein Ladungsausgleich bei gleichzeitig zu vermeidender hohen Zelltemperaturen. Entsprechend des Regelziels erfolgt die Zellbewertung anhand ihres aktuellen Ladezustands (SOC) und ihrer aktuellen Temperatur. Die Information über die Zellzustände Ladezustand (SOC) und Zelltemperatur wird dabei als bekannt angenommen.
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Als Ergebnis dieser Betrachtung ist die Regelung für den Fahrer transparent (unmerklich), so dass während des Betriebs (also unter Last) ein Ladungsausgleich über alle Zellen erzielt werden kann. Es kann dabei die gesamte Kapazität der Batterie, die eine Vielzahl von Einzelzellen oder Batteriezellen aufweist, ausgenutzt werden, was in einem herkömmlichen System nicht allgemein möglich ist. Die Reichweite des Fahrzeugs kann folglich durch die erfindungsgemäße Regelung gesteigert werden.
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Ferner wird durch eine aktive Vermeidung des Betriebs einzelner Zellen in ungünstigen Temperaturbereichen ein positiver Einfluss auf die Alterung der Batterie erreicht. Ferner können sich Ladezustandsunterschiede ausgleichen, so dass alle Zellen 11 der Batterie 10 nahezu gleichzeitig ihr Entladeende erreichen, ohne dass Restladung in der Batterie 29 verbleibt. In einem beispielhaften Fall ergibt sich (je nach Zusammenstellung und Alterungsgrad der Einzelzellen) eine Steigerung der nutzbaren Batterieenergie von theoretisch bis zu 15% gegenüber einem herkömmlichen System ohne EZS. Ferner ist ein positiver Einfluss auf die Zellalterung zu erwarten.
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Das erfindungsgemäße Prinzip ist beispielhaft für die Regelgrößen Ladezustand und Zelltemperatur beschrieben worden. Das Prinzip lässt sich flexibel auf weitere Regelgrößen anpassen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Batterie
- 11
- Batteriezellen
- 12, 13
- Halbleiterschaltelemente
- 14
- Element
- 20
- Schaltungsanordnung
- 21
- Block B(β)
- 22
- Block g(q)
- 23
- Zustandsvektor x
- 24
- Block
- 25
- Fuzzysystem F
- 26
- Eignungsgrad q
- 27
- Schaltanforderung β
- 28
- Stromanforderung u
- 29
- Batterie f(x)
- 30
- Spannungsantwort y
- 31
- Block
