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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung umfasst einen den US-Patenten Nr. 15/001.520, eingereicht am 20. Januar 2016; und Nr. 15/001-618, eingereicht am 20. Januar 2016, die im gemeinsamen Besitz stehen, ähnlichen Gegenstand.
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GEBIET DER TECHNIK
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Diese Offenbarung betrifft Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs als Antwort auf die Detektion von Lithium-Plating in einer Fahrzeugbatterie.
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HINTERGRUND
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Elektrisch angetriebene Fahrzeuge, wie Hybrid-, Plug-In-Hybrid- und batterieelektrische Fahrzeuge verwenden eine elektrische Maschine, die von einer Traktionsbatterie versorgt wird, um den Fahrzeug-Antriebsstrang anzutreiben. Das Laden und Entladen der Batterie führt zu elektrochemischen Prozessen, die die Ladung beeinflussen, die zum Antreiben des Fahrzeugs zur Verfügung steht, und kann mit Umgebungs- und Betriebsbedingungen, wie z.B. Batterieladestand (SOC), Temperatur, Batteriezellengleichgewicht und/Ladungs-/Entladungsrate oder -strom variieren. In Lithium-Ionen(Li-Ionen)-Batterien kann sich unter bestimmten Betriebsbedingungen metallisches Lithium auf den Anoden von Batteriezellen ablagern, wodurch sich die Batterieleistungsfähigkeit verschlechtern kann. Batterien sind bei niedrigen Betriebstemperaturen und hohen Ladungsströmen besonders anfällig für diesen Prozess, der als Lithium-Plating bezeichnet wird, obwohl Lithium-Plating auch unter anderen Umgebungs- und Betriebsbedingungen eintreten kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie mit mindestens einer Zelle eine Steuereinheit, die mit der Traktionsbatterie gekoppelt und programmiert ist, um Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis des Fahrzeugs oder der Traktionsbatterie bereitzustellen, um eine Differenz zwischen einem gemessenen Wert eines Lithium-Plating-Indikators und einem Ziel- oder Sollwert des Plating-Indikators, der minimales oder kein Lithium-Plating darstellt, zu verringern. Ausführungsformen umfassen das Steuern der Batterieladungsrate, von Strom, der der Batterie durch Nutzbremsung zugeführt wird, von zusätzlichen Lasten, die den Batterieentladungsstrom beeinflussen, und Motorleistung. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine Tabelle mit Batterieleistung über der Temperatur als Antwort auf das Detektieren von Lithium-Plating aktualisiert. Ausführungsformen können ferner das Aktualisieren einer angesammelten Plating-Historie basierend auf der Batterieleistung während des Ladens, wenn Plating detektiert wird, umfassen.
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung können einen oder mehrere Vorteile bieten. Zum Beispiel kann Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis eines Lithium-Plating-Indikators unter Verwendung eines oder mehrerer Fahrzeugsysteme oder -komponenten Plating verringern oder eliminieren, um Leistungsfähigkeit, Kapazität und Lebensdauer der Batterie zu verbessern. Verschiedene Ausführungsformen setzen Programmlogik ein, um Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis unter Verwendung von bestehenden Batterie- und Fahrzeugsensoren durchzuführen, sodass keine zusätzliche Hardware erforderlich ist.
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Die oben genannten Vorteile und weitere Vorteile und Merkmale im Zusammenhang mit verschiedenen Ausführungsformen werden für Fachleute auf dem Gebiet anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen rasch ersichtlich sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Blockdiagramm, das ein elektrisch Angetriebenes Fahrzeug mit einer Steuerung mit geschlossenem Regelkreis von Lithium-Plating gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt;
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2 ist ein Graph der Zellenspannung als eine Funktion des SOC für Batteriezellen ohne und mit Plating zur Verwendung in einem Lithium-Plating-Parameter oder -Indikator für die Steuerung mit geschlossenem Regelkreis gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
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3 ist ein Graph des Verhältnisses von einer Zellenspannungsänderungsrate zu einer Zellenladungsrate als Zeitfunktion für Batteriezellen ohne und mit Plating zur Verwendung als Lithium-Plating-Indikator gemäß einer repräsentativen Ausführungsform;
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4 ist ein Flussdiagramm, das eine Berechnung von einem oder mehreren Lithium-Plating-Indikatoren oder -Parametern zur Verwendung bei der Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis von Lithium-Plating gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt;
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5 ist ein Diagramm, das den Betrieb einer Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis zum Steuern des Fahrzeug- und/oder Batteriebetriebs basierend auf einem Lithium-Plating-Indikatorwert gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt; und
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6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb eines Fahrzeugs oder ein Verfahren zur Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis eines Plating-Indikators unter Einfluss von Fahrzeug- und/oder Traktionsbatterie-Betriebsbedingungen zeigt.
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DETAILLIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie verlangt, werden hier detaillierte Ausführungsformen offenbart. Es gilt jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich repräsentativ für den beanspruchten Gegenstand sind und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. So können einige Merkmale übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Spezifische strukturelle und funktionale Details, die hier offenbart sind, sind nicht als einschränkend auszulegen, sondern als rein repräsentative Basis zur Vermittlung der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Ausführungsformen für Fachleute. Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, können verschiedene Merkmale, die in Bezug auf Figuren gezeigt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren weiteren Figuren gezeigt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit gezeigt oder beschrieben werden. Die Kombinationen von gezeigten Merkmalen bieten repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen können jedoch verschiedene Kombinationen und Veränderungen der Merkmale in Übereinstimmung mit dem Inhalt dieser Offenbarung wünschenswert sein.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen allgemein eine Vielzahl von Schaltungen oder andere elektrische Vorrichtungen bereit. Alle Verweise auf die Schaltungen und andere elektrische Vorrichtungen und die von jeder bereitgestellten Funktionalitäten sollen nicht darauf beschränkt sein, nur das, was hierin veranschaulicht und umschrieben ist, zu umfassen. Während den verschiedenen offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Vorrichtungen bestimmte Bezeichnungen zugewiesen sein können, sollen solche Bezeichnungen den Funktionsumfang für die Schaltungen und andere elektrischen Vorrichtungen nicht einschränken. Solche Schaltungen und andere elektrische Vorrichtungen können beliebig miteinander kombiniert und/oder getrennt sein, basierend darauf, welcher bestimmte Typ von elektrischer Umsetzung gewünscht ist. Es wird anerkannt, dass die Schaltungen oder sonstigen elektrischen Vorrichtungen, die hier offenbart sind, eine Anzahl von diskreten passiven und aktiven Komponenten umfassen kann, wie z.B. Widerstände, Kondensatoren, Transistoren, Verstärker, Analog-Digital-Umsetzer (ADC- oder A/D-Umsetzer), Mikroprozessoren, integrierte Schaltungen, nichtflüchtige Speichervorrichtungen (z.B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), elektrisch programmierbarer Festwertspeicher (EPROM), elektrisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software, die miteinander zusammenwirken, um einen hierin offenbarten Vorgang / hierin offenbarte Vorgänge durchzuführen. Zusätzlich dazu kann jede oder mehrere der elektrischen Vorrichtungen dazu konfiguriert sein, um ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium, das zur Durchführung einer beliebigen Anzahl der offenbarten Funktionen programmiert ist, enthalten ist.
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1 ist ein Blockdiagramm einer repräsentativen Ausführungsform eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit mindestens einer Steuerung, die programmiert ist, um eine Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis eines Fahrzeugs oder einer Traktionsbatterie als Antwort auf einen Lithium-Plating-Indikatorwert relativ zu einem Zielwert, der minimalem oder keinem Lithium-Plating zugeordnet ist, bereitzustellen. Während in dieser repräsentativen Ausführungsform ein Plug-In-Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor gezeigt ist, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die offenbarten Ausführungsformen, die Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis basierend auf einem Lithium-Plating-Indikator auch in anderen Arten von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet werden können. Die Systeme und Verfahren zur Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis sind in den repräsentativen Ausführungsformen vom bestimmten Fahrzeugantriebsstrang unabhängig, wobei Ausnahmen für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sind. Zum Beispiel wäre das Steuern eines Motors zur Verringerung des Stroms, der der Traktionsbatterie zugeführt wird, nicht auf ein batterieelektrisches Fahrzeug anwendbar. Repräsentative Fahrzeuganwendungen können Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge oder sonstige Arten von Fahrzeugen umfassen, die eine Batterie aufweisen, die für eine Leistungsverschlechterung in Verbindung mit Lithium-Plating anfällig ist.
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In der in 1 gezeigten repräsentativen Umsetzung kann ein Plug-In-Hybridfahrzeug 112 eine oder mehrere elektrische Maschinen 114, die mechanisch mit einem Getriebe 116 verbunden sind, umfassen. Die elektrischen Maschinen 114 können als Elektromotor oder als Generator fungieren. Im Fall von Hybridfahrzeugen ist ein Getriebe 116 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 118 verbunden. Das Getriebe 116 ist ferner mit einer Antriebswelle 120 mechanisch verbunden, die mit den Rädern 122 mechanisch verbunden ist. Diese Beschreibung gilt ebenso für ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV), in dem das Hybridgetriebe 116 ein Getriebe sein kann, das mit einer elektrischen Maschine 114 verbunden ist, und der Motor 118 kann, wie bereit beschrieben, weggelassen sein. Die elektrischen Maschinen 114 können eine Beschleunigungs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, unabhängig davon, ob der Motor 118 in Betrieb ist oder nicht. Die elektrischen Maschinen 114 können ferner als Generatoren fungieren und einen Kraftstoffeinsparungsnutzen bereitstellen, indem sie Energie, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren gehen würde, während des Nutzbremsens zurückgewinnen. Wie nachstehend näher beschrieben, kann der Motor 118 gesteuert werden, um Leistung, die den elektrischen Maschinen 114 zugeführt wird, durch eine Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis zu steuern, um eine Differenz zwischen einem Ziel- und einem gemessenen Wert eines Lithium-Plating-Indikators zu verhindern. Ähnlich kann Nutzbremsung gesteuert werden, um den Lithium-Plating-Indikatorwert und damit verbundene Lithium-Plating-Prozesse zu ändern.
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Bei Hybrid- oder elektrischen Fahrzeuganwendungen speichert eine Traktionsbatterie oder eine Traktionsbatteriesatz 124 Energie in einer Vielzahl von einzelnen Batteriezellen, die miteinander verbunden sind, um eine gewünschte Spannungs- und Ladungskapazität für die elektrischen Maschinen 114 bereitzustellen. In einer Ausführungsform umfasst ein Batteriesatz 124 eine Anordnung von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Lithium-Plating (hier auch als „Plating“ bezeichnet) bezieht sich auf den Prozess, bei dem metallisches Lithium auf den negativen Elektroden oder Anoden der Batteriezellen abgelagert wird und abhängig von den besonderen strukturellen Eigenschaften des abgelagerten Lithiums langfristig Folgen wie z.B. Kapazitätsverlust, erhöhtem Widerstand, verringerter Effizienz und in manchen Fällen auch einem inneren Kurzschluss führen kann, haben kann. Plating lässt sich in einem Prozess, der als „Abstreifen“ bezeichnet wird, in einem gewissen Ausmaß umkehren. Irreversibles Plating kann zu einer permanenten Beschädigung der Zellenanode führen. Somit verwenden verschiedene Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Fahrzeug- oder Batteriesteuerung, die programmiert ist, um eine Rückkopplungssteuerstrategie mit geschlossenem Regelkreis basierend auf einem Lithium-Plating-Indikatorwert umzusetzen, um die Fahrzeug- und/oder Traktionsbatterie als Antwort auf eine Differenz zwischen einem Ziel-Indikatorwert und einem gemessenen/berechneten Indikatorwert zu steuern, um Lithium-Plating zu verringern oder zu eliminieren. Ein Steuern der Batterieladung und -entladung kann verwendet werden, um Anoden mit reversiblem Plating abzustreifen und um zusätzliches Plating zu verringern oder zu beseitigen. Batteriezellen sind besonders anfällig für Plating während des Ladens bei niedrigen Temperaturen, hohem Ladezustand (SOC) und hohen Ladungsraten (Hochstrom). Somit kann das Steuern der Batterie und/oder des Fahrzeugs ein Steuern des Traktionsbatteriestroms zum Reduzieren oder Umkehren (Abstreifen) von Lithium-Plating umfassen. Es können verschiedene Strategien verwendet werden, um einen Lithium-Plating-Indikatorwert zur Verwendung durch die Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis zu berechnen, wobei repräsentative Strategien in Bezug auf 2 bis 4 dargestellt und beschrieben sind.
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Der Fahrzeugbatteriesatz 124 stellt typischerweise einen Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgang für einen Hochspannungsbus 150 bereit, obwohl Spannung und Strom anhängig von bestimmten Betriebsbedingungen und Lasten variieren können. Der Traktionsbatteriesatz 124 ist elektrisch mit einer oder mehreren externen Schaltungen 152 verbunden, die z.B. eine Leistungselektronik oder Inverterschaltung 126, eine Gleichspannungswandlungsschaltung 128 und/oder ein Leistungswandlermodul oder eine Schaltung 132 umfassen kann. Einer oder mehrere Schütze können den Traktionsbatteriesatz 124 von weiteren Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und den Traktionsbatteriesatz 124 mit den anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Der Traktionsbatteriesatz 124 kann verschiedene innere Schaltungen zum Messen und Überwachen von verschiedenen Betriebsparametern umfassen, darunter Zellstrom und einzelne Zellspannung. Parameter wie Spannung, Strom und Widerstand für eine Batteriezelle oder eine Gruppe von Batteriezellen (manchmal als Block oder Bauteil bezeichnet) können durch das BECM 146 überwacht und/oder gesteuert werden.
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Zusätzlich zur Bereitstellung von Energie für den Antrieb kann der Traktionsbatteriesatz 124 Energie für weitere externe Schaltungen 152, die mit dem Hochspannungsbus 150 verbunden sind, bereitstellen. Das Leistungsverteilungssystem des Fahrzeugs 112 kann ferner ein(e) Gleichspannungswandlermodul oder -schaltung 128 umfassen, die den Hochspannungs-Gleichstromausgang der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten, die direkt verbunden sein können, kompatibel ist. Weitere externe Hochspannungsschaltungen oder -lasten, wie solche für Fahrgastraum- oder Komponentenheizelemente, können, ohne Verwendung eines Gleichspannungswandlermoduls 128, mit dem Hochspannungsbus 50 direkt verbunden sein.
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Das Fahrzeug 112 kann ferner eine Zusatzbatterie 130 mit einer relativ niedrigen Nennspannung (z.B. 24V oder 48V) aufweisen und kann unter Verwendung von anderen chemischen Batterieeigenschaften als der Traktionsbatteriesatz 124 umgesetzt sein. Die Zusatzbatterie 130 kann bei verschiedenen Anwendungen ferner als Niederspannungsbatterie, Starterbatterie oder einfach als Fahrzeugbatterie bezeichnet werden. Die Zusatzbatterie 130 kann verwendet werden, um verschiedene Niederspannungskomponenten, Steuerungen, Module, Motoren, Aktuatoren, Sensoren usw. anzutreiben, die allgemein durch elektrische Lasten 160 dargestellt sind. Eine oder mehrere Relais/Spannungswandler 168 können verwendet werden, um die elektrische(n) last(en) 160 anzutreiben. In dieser Ausführungsform umfasst der Relais/Spannungswandler 168 ein Relais, das durch ein Relais-Eingangssignal 170 gesteuert wird, das von einem Fahrzeugsteuerungsmodul (VCM) 172 bereitgestellt wird, das ferner verwendet werden kann, um das Fahrzeug und/oder die Traktionsbatterie 124 unter Verwendung des Batterieenergiesteuerungsmoduls (BECM) 146 direkt oder indirekt zu steuern. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, können eine oder mehrere elektrische Komponenten oder Zubehör durch das VCM 172 und/oder das BECM 146 gesteuert sein, um Lithium-Plating durch das Steuern von Batteriestrom zu steuern.
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Der Traktionsbatteriesatz 124 kann durch eine externe Leistungsquelle 136 aufgeladen werden. Die externe Leistungsquelle 136 kann einen elektrischen Auslass umfassen, der mit dem Stromversorgungsnetz verbunden ist. Die externe Leistungsquelle 136 kann mit der elektrischen Fahrzeugversorgungsausrüstung (EVSE) 138 verbunden sein. Die EVSE 138 kann Schaltungen und Steuerung zum Regeln und Verwalten des Energietransfers zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 bereitstellen. Die externe Leistungsquelle 136 kann die EVSE 138 mit elektrischer Gleichstrom- oder Wechselstromleistung beaufschlagen. Die EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann mit einem Lade- oder Bord-Leistungswandungsmodul 132 elektrisch verbunden sein. Alternativ dazu können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden beschrieben werden, unter Verwendung einer Drahtlos-Induktionskopplung Leistung übertragen. Wie nachstehend genauer beschrieben, ist das Leistungswandlungsmodul 132 eine weitere repräsentative elektrische Vorrichtung, die direkt oder indirekt gesteuert sein kann, um Lithium-Plating durch das Steuern des Batteriestroms zu begrenzen oder umzukehren. In einigen Anwendungen kann der Batteriestrom während des Ladens verringert oder angehalten, oder aber umgekehrt werden, Strom für die externe Leistungsquelle 136 bereitzustellen, um Lithium-Plating zu verringern oder umzukehren.
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Die verschiedenen in 1 gezeigten Komponenten können eine oder mehrere zugeordnete Steuerungen, Steuerungsmodule und/oder Prozessoren wie das VCM 172 aufweisen, um den Betrieb des Fahrzeugs und der Traktionsbatterie basierend auf einem Lithium-Plating-Indikatorwert zu steuern. Die Steuerungen können über einen Serial-Peripheral-Interface(SPI)-Bus (z.B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Verschiedene Betriebsparameter oder Variablen können unter Verwendung des CAN oder sonstiger Leiter zur Verwendung durch Fahrzeugsteuerungsmodule oder Untermodule beim Steuern des Fahrzeugs oder der Fahrzeugkomponenten übertragen oder veröffentlicht werden, wie z.B. des Traktionsbatteriesatzes 124 oder der elektrischen Last(en) 160. Eine oder mehrere Steuerungen können auf selbstständige Weise arbeiten, ohne mit einer oder mehreren weiteren Steuerungen zu kommunizieren. Die Steuerungen können ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) 146 umfassen, um verschiedene Ladungs- und Entladungsfunktionen, Batteriezellenladungsausgleich, Batteriepackungsspannungsmessungen, Spannungsmessungen einzelner Batteriezellen, Batterie-Überladungsschutz, Bestimmung des Endes der Batterielebensdauer, Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis von Lithium-Plating, Batteriestrompolarität oder -richtung (Laden und Entladen) usw. zu steuern.
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Die Steuerungen können verschiedene Arten von nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedien, darunter permanente und temporäre Speichervorrichtungen zum Speichern von Steuerlogik, Algorithmen, Programmen, Betriebsvariablen und dergleichen, umfassen und/oder mit diesen kommunizieren. In einer Ausführungsform kann das BECM 146 mit einem Speicher zum Speichern von Werten, die Batteriezellen-gewünschten Leerlaufschaltungs-Spannungswerten, Schwellen oder Mustern zugeordnet sind, kommunizieren. Ähnlich kann das BECM 146 mit einem Speicher kommunizieren, der in Nachschlagtabellen oder Anordnungen gespeicherte Werte aufweist, die dem Batteriezellen-internen Widerstand basierend auf Batterieparametern wie Temperatur, SOC, Alter usw. zugeordnet sind. In einer Ausführungsform kommuniziert das BECM 146 mit einem Speicher, der eine Nachschlagtabelle für Batterieleistung über der Temperatur aufweist und einen oder mehrere Werte in der Nachschlagtabelle als Antwort auf das Detektieren von Lithium-Plating ändert. Das BECM 146 kann ferner mit einem Speicher kommunizieren, der eine angesammelte Plating-Historie speichert, die der Batterieladeleistung entspricht, welche unter Lithium-Plating-Bedingungen zugeführt wird, um eine Schätzung der Batterielebensdauer vorzunehmen.
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2 ist ein Graph der Zellenspannung als SOC-Funktion für Batteriezellen ohne und mit Plating zur Berechnung eines Lithium-Plating-Indikatorwerts und zum Rückkopplungssteuern mit geschlossenem Regelkreis des Indikatorwerts gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Der Graph von 2 wurde anhand von empirischen Daten für repräsentative Lithium-Ionen-Zellen erzeugt, die in einem Batterieblock in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, wie dem Plug-In-Hybridfahrzeug aus 1, verwendet werden können. Die durch die Linie 210 dargestellten Daten entsprechen der Zellenspannung während der Entladung über die Zeit für eine normale Lithium-Ionen-Zelle mit kaum oder keinem Plating. Die durch die Linien 212 und 214 dargestellten Daten entsprechen Zellenspannungen während der Entladung über der Zeit für von Lithium-Plating betroffene Zellen, wobei das Plating durch Auseinandernehmen und Untersuchen von sichtbar beschädigten Anoden der betroffenen Zellen bestätigt wurden. Aufgrund der chemischen Eigenschaften von Lithium ist, wenn eine Batteriezelle wie zuvor beschrieben von Plating betroffen ist, die Leerlaufspannung (OCV) der Batteriezelle höher als bei einer Zelle, die kaum oder gar kein PLating aufweist.
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Während der Entladung kann reversibel von Plating betroffenes Lithium so abgestreift werden, dass die Entladungskurven der OCV über dem SOC bei Zellen mit und ohne Plating dieselben sind. Der niedrige SOC-Abschnitt der Kurven, der allgemein durch die Bezugsziffer 216 gekennzeichnet ist, kann nach Ende des Abstreifverfahrens verwendet werden, um den SOC-Wert der Zellen mit Plating zu identifizieren.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die erwartete oder normale Batterie-OCV und/oder der Batteriezelleninnenwiderstand für bestimmte Batteriebetriebsparameter, wie z.B. Temperatur, Strom, SOC, Alter usw., in einem Speicher gespeichert werden, der mit dem BECM 146 in Kommunikation steht. Der Lithium-Plating-Indikatorwert kann einer Differenz zwischen einer gemessenen OCV von mindestens einer Zelle und der zuvor gespeicherten erwarteten OCV unter ähnlichen Betriebsbedingungen entsprechen. Die gemessene OCV kann basierend auf einer gemessenen Batteriezellenspannung, dem Stromfluss durch die Batteriezelle und dem Batteriezelleninnenwiderstand, wie berechnet oder zuvor in einem dem Batteriesteuerungssystem zugeordneten Speicher gespeichert, folgendermaßen berechnet werden: OCV = V_battery – I·R_cell wobei OCV für die Batteriezellen-Leerlaufspannung (V) steht, V_battery für die gemessene Batteriezellenspannung (V) steht, I für den Stromfluss durch die Batteriezelle (A) steht und R_cell für den Innenwiderstand der Batteriezelle (ohm) steht. Der Lithium-Plating-Indikatorwert, der der Differential-OCV entspricht, wird dann zur Rückkopplungssteuerung des Lithium-Plating mit geschlossenem Regelkreis verwendet. Der Plating-Indikatorwert kann folgendermaßen bestimmt werden: Plating Indicator = OCVmeasured – OCVexpected
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Eine oder mehrere Steuereinheiten in Kommunikation mit der Traktionsbatterie können programmiert sein, um eine Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis bereitzustellen, um eine Differenz zwischen einem Zielwert für den Plating-Indikator und dem gemessenen Wert basierend auf der Differential-OCV-Spannung zu reduzieren/beseitigen, um z.B. die Traktionsbatterie und/oder das Fahrzeug zu steuern, den Ladestrom zu verringern oder die Batterie mit einer externen Heizeinheit oder einem Batterie-Innenwiderstand aufzuwärmen.
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3 ist ein Graph des Verhältnisses einer Zellspannungsänderungsrate zu einer Zellladungsrate als Funktion über die Zeit für Batteriezellen ohne und mit Plating zur Verwendung als Plating-Indikatorwert für die Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis von Lithium-Plating gemäß einer repräsentativen Ausführungsform. Daten, die durch die Linie 310 dargestellt sind, entsprechen Verhältnissen für eine Batteriezelle mit kaum oder keinem Lithium-Plating, während durch die Linien 312 und 314 dargestellte Daten Verhältnissen für Batteriezellen entsprechen, die Lithium-Plating aufweisen. Die Linie 320 entspricht einer repräsentativen Schwelle, die verwendet werden kann, um die Verhältnisse zur Detektion von Lithium-Plating zu vergleichen, wobei Lithium-Plating als Antwort auf das Übersteigen der Schwelle durch das berechnete Verhältnis detektiert wurde, wie bei 330 für die Linie 312 und bei 340 für die Linie 314 gezeigt ist. Lithium-Plating kann auch durch Systemidentifizierungstechniken detektiert werden, um ein zugeordnetes Muster in Bezug auf Lithium-Plating zu identifizieren.
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Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die bestimmte Schwelle basierend auf Batterie- und/oder Umgebungs-Betriebsparametern oder -bedingungen variieren kann, online geschätzt und in einem Speicher, der als Nachschlagtabelle konfiguriert ist, gespeichert werden kann oder basierend auf einer Formel oder Gleichung unter Verwendung von empirischen Daten berechnet werden kann, um die Schwelle mathematisch auszudrücken. Ähnlich kann das Muster, das durch die Daten von einer oder mehreren Zellen über die Zeit erzeugt wird, mit einem entsprechenden erwarteten oder gewünschten Muster für eine Zelle ohne Plating mit einem mathematischen oder statistischen Parameter, etwa durch Korrelieren, verglichen werden, um Plating zu detektieren. Ähnlich können weitere Verhältnisse berechnet und verwendet werden, um basierend auf empirischen Daten, die Zellen mit Plating zugeordnet sind, Plating zu detektieren. Der Zielwert für den Plating-Indikator zur Verwendung in der Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis kann niedriger sein als die Schwelle, die Plating anzeigt, wenn versucht wird, das Auftreten von Plating zu verhindern, indem die Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis versucht, den Plating-Indikatorwert unterhalb der dem Plating zugeordneten Schwelle zu halten.
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Wie allgemein in 3 gezeigt, wird das Verhältnis der Zellspannungsänderungsrate oder Differentialspannung über der Zellenladungsrate (die z.B. durch Zellenstrom angezeigt sein kann) einen klaren Übergang aufweisen, wenn das abgelagerte Lithium aufgehört hat, während des Prozesses an der Reaktion beteiligt zu sein. Da das Verhältnis der Zellspannungsänderungsrate über der Zellenladungsrate, wie durch die Linien 310, 312 und 314 dargestellt, im Vergleich mit einem zeitbasierten Verhältnis robust ist, ist es auch robust gegenüber verschiedenen Batteriebetriebsbedingungen. Somit kann Lithium-Plating unter Verwendung des Verhältnisses der Zellspannungsänderungsrate über der Zellenladungsrate gesteuert werden, um zu verhindern, dass das Verhältnis die zugeordnete Schwelle, die Lithium-Plating anzeigt, übersteigt, oder dies so weit wie möglich zu begrenzen. Lithium-Plating kann ferner gesteuert werden, indem die Nachschlagtabelle für die Batterieleistung über der Temperatur aktualisiert wird, um die Batterieleistung bei der Plating-Temperatur zu verringern, um Lithium-Plating während des anschließenden Batteriebetriebs zu verhindern.
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Wie zuvor in Bezug auf 2 beschrieben, wird aufgrund der chemischen Eigenschaften von Lithium und der Kohlenstoffanode jeder Batteriezelle, wenn eine Batterie Plating aufweist, die Batteriezellen-OCV höher als eine normale oder Nenn-Batterieleerlaufspannung ohne Plating sein. Wenn das Lithium aufhört, sich an der Reaktion zu beteiligen, kehrt die Zellen-OCV zurück zu einer normalen OCV, wie allgemein bei 350 angezeigt. In verschiedenen Anwendungen wird die Batteriezellenspannung innerhalb des Batterieblocks für einzelne Zellen oder von Gruppen oder Bauteilen von Zellen gemessen, sodass die Differentialspannung für eine bestimmte Zelle oder Gruppe von Zellen dV/dt berechnet werden kann. Die Zellladungsrate oder Zellladungsänderungsrate kann folgendermaßen durch den aktuellen Zellstrom (I) dargestellt werden: dQ / dt = I
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Das Verhältnis der Zellenspannungsänderungsrate über der Zellenladungsrate kann als Plating-Indikatorwert durch eine Fahrzeug- oder Batteriesteuereinheit folgendermaßen berechnet werden: Verhältnis (Plating – Indikatorwert) = dV_battery / dQ = ( dV_battery / dt)/( dQ / dt) = ( dV / dt)/I
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Wobei Q für die akkumulierte Batteriezellenladung (Coulomb) steht, V_battery für die gemessene Batteriezellenspannung (V) steht, und I für den Stromfluss durch die Batteriezelle (A) steht. Es können Filter vor und/oder nach der Differential-Rechnung/Berechnung angewandt werden, um Signalrauschen zu verringern oder zu beseitigen.
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4 ist ein Flussdiagramm, das die Berechnung von einem oder mehreren Lithium-Plating-Indikatoren oder Parametern zur Verwendung bei Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Schaltkreis von Lithium-Plating gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt. Die hier beschriebene(n) Verfahren, Systeme, Methoden, Heuristik usw. können als in einer geordneten Sequenz auftretend beschrieben werden, obwohl diese Prozesse durchgeführt werden könnten, indem die beschriebenen Schritte in einer anderen Reihenfolge als der beschriebenen oder gezeigten ausgeführt werden. Es gilt zu verstehen, dass bestimmte Schritte gleichzeitig durchgeführt werden könnten, dass weitere Schritte hinzugefügt sein könnten oder dass bestimmte hier beschriebene Schritte weggelassen sein könnten, was dennoch den Lehren dieser Offenbarung entsprechen würde und vom beanspruchten Gegenstand umfasst wäre. Die Beschreibungen von Verfahren oder Prozessen werden zur Veranschaulichung bestimmter Ausführungsformen bereitgestellt und sind als repräsentativ für eine von vielen Variationen und nicht nur auf die gezeigten oder beschriebenen begrenzt zu verstehen.
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Wie für Fachleute auf dem Gebiet allgemein verständlich, kann das System oder Verfahren durch einen Computeralgorithmus, einen von einer Maschine ausführbaren Kode oder Softwarebefehle implementiert werden, die auf einer oder mehreren geeigneten programmierbaren, dem Fahrzeug zugeordneten Vorrichtungen, programmiert sind, z.B. dem VCM 172, dem BECM 146, einer weiteren Steuereinheit oder einer Kombination davon.
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Der Betrieb des Systems oder Verfahrens 400 umfasst das Speichern von erwarteten oder gewünschten Werten für verschiedene Batteriebetriebsparameter, wie bei 410 in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium oder Speicher, zum anschließenden Gebrauch zur Steuerung von Lithium-Plating. Wie zuvor beschrieben können Batterie-Parameterwerte erwartete oder gewünschte Werte für Leerlaufspannung einer repräsentativen Zelle oder Gruppen von Zellen umfassen, die aktuellen Batterie- und/oder Umgebungsbetriebsbedingungen entsprechen. Der Innenwiderstand von Batteriezellen kann ebenfalls zum anschließenden Gebrauch beim Berechnen der OCV einer Zelle basierend auf einer gemessenen Zellspannung gespeichert werden. Gespeicherte Werte können ferner eine Nachschlagtabelle für Batterieleistung über der Temperatur und einen Zähler für angesammelte Plating-Historie umfassen. Aktuelle Betriebsbedingungen werden für verschiedene Batterieparameter wie durch Block 412 dargestellt gemessen oder auf sonstige Weise bestimmt. Repräsentative Parameter können Zellenspannung, Zellenstrom, SOC und Temperatur umfassen, wie in 414 gezeigt.
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Einer oder mehrere Lithium-Plating-Parameter oder -Indikatoren werden bestimmt wie in Block 416 dargestellt. Wie zuvor beschrieben, können Lithium-Plating-Parameter oder -Indikatoren auf einer Differentialzellenspannung 418 basiert sein, die z.B. eine Differential-OCV umfassen kann. Alternativ dazu kann die gemessene OCV unter Verwendung von gemessenem Zellstrom, Zellspannung und Innenwiderstand berechnet werden, wie in 420 gezeigt. Ein Differentialspannungsverhältnis kann wie in 422 gezeigt berechnet werden und kann ein Verhältnis der Differentialspannung oder Änderungsspannung zur Zellladungsrate umfassen, wie in 426 gezeigt. Ein oder mehrere Lithium-Plating-Indikatorwert/-Muster können, wie in 430 gezeigt, einer Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis bereitgestellt werden.
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5 ist ein Diagramm, das den Betrieb einer Rückkoppelungssteuerung an das Steuerfahrzeug und/oder den Batteriebetrieb basierend auf einem Lithium-Plating-Indikatorwert gemäß einer repräsentativen Ausführungsform zeigt. Das Steuersystem 500 stellt allgemein eine vereinfachte Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Proportional-Integral-(P-I-)Regelkreis dar. Weitere Strategien mit geschlossenem Regelkreis können verwendet werden, um Lithium-Plating-Bedingungen in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung zu steuern, und umfassen Rückkopplungs-, Vorsteuerungs- und Hybridsteuerungen unter Verwendung einer jeglichen Kombination von Proportional-, Integral- und Ableitungssteuerfunktionen oder -gleichungen. Das Steuersystem 500 bestimmt einen Plating-Indikator-Sollwert oder -zielwert wie in 510 gezeigt. Der Sollwert oder Zielwert kann basierend auf aktuellen Fahrzeug-, Batterie- und/oder Umgebungsbetriebsbedingungen basiert sein und wird abhängig vom jeweiligen Plating-Indikator variieren. Der ausgewählte Plating-Indikator kann basierend auf dem aktuellen Betriebsmodus variieren oder durch Anwendung und Implementierung. Zum Beispiel ist in einer Ausführungsform nur ein einziger Plating-Indikator bereitgestellt. Weitere Ausführungsformen können mehrere Plating-Indikatoren umfassen, wobei eine Arbitrationsstrategie einen bestimmten Plating-Indikator zur Verwendung durch die Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis auswählt.
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Eine Differenz oder ein Fehlerwert wird durch einen Summierer 520 basierend auf einer Differenz zwischen dem Indikator-Sollwert oder -zielwert und einem Rückkopplungssignal, das einem berechneten Plating-Indikatorwert entspricht, berechnet, wie durch den Block 530 dargestellt, und um eine Zeitverzögerung 532 versetzt. Der entsprechende Differenzwert 536 wird auf einen Proportionalterm 540 und einen Integralterm 542 angewandt, die sich ergebenden Werte werden im Summierer 550 kombiniert. Der sich ergebende Wert kann verwendet werden, um Batteriebedingungen wie in 560 gezeigt zu verändern, um den Differenzwert 536 gegen null zu reduzieren. Der Proportionalterm 540 und der Integralterm 542 können abgestimmt werden, um eine gewünschte Systemleistung bereitzustellen.
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Der Block 560 zeigt allgemein ein direktes oder indirektes Ändern der Batteriebedingungen durch Steuern von einem oder mehreren Batterie- oder Fahrzeugparametern oder -komponenten zum Verringern oder Umkehren von Lithium-Plating in der Batterie. Zum Beispiel kann in elektrischen Hybridfahrzeugen und elektrischen Plug-In-Hybridfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor, unter Verwendung einer externen Heizeinheit oder durch Entladung der Batterie zur Nutzung des Batterie-Innenwiderstands zur Erhöhung der Batterietemperatur, das Ändern von Batteriebedingungen ein Reduzieren des/der Batterieladungsrate oder -stroms auf den zugelassenen Mindestladungspegel umfassen, der basierend auf aktuellen Betriebsbedingungen variieren kann. Während des Fahrzeugbetriebs kann das Reduzieren des Batteriestroms ein Reduzieren oder Anhalten des Stroms, der durch Nutzbremsung bereitgestellt wird, oder das Verändern eines Motorbetriebspunkts oder -modus von der maximalen Effizient auf die minimale Batterieladungsleistung umfassen.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann das Ändern von Betriebsbedingungen wie durch den Block 560 gezeigt das Erhitzen des Batterieblocks 124 umfassen, indem ein oder mehrere elektrische Zubehörteile gesteuert werden, um Leistung von der Batterie bereitzustellen, anstatt von der/den elektrischen Maschine(n), die in einem Generatormodus arbeitet/arbeiten. Dies kann auch das Verringern von zusätzlicher Leistung, die vom Motor bereitgestellt wird, umfassen, sodass die elektrische Last der Batterie und der entsprechende Strom ansteigen, um mehr Wärme zu erzeugen. Das Erhöhen der elektrischen Zusatzlast kann das Betreiben eines Batterieblockheizelements oder das Erhöhen der Heizelementlast auf eine maximale Last umfassen, um den Batterieblock rasch zu erhitzen.
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6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer repräsentativen Ausführungsform eines Fahrzeugs oder ein Verfahren zur Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis eines Plating-Indikators zu zeigen, der von Fahrzeug- und/oder Traktionsbatteriebetriebsbedingungen beeinflusst ist. In der repräsentativen Ausführungsform, die in 6 gezeigt ist, umfasst die Steuerstrategie 600 das Erheben eines Plating-Indikator-Sollwerts basierend auf aktuellen Betriebsbedingungen, wie in 610 gezeigt. Aktuelle Betriebsbedingungen können Fahrzeug-, Batterie- und/oder Umgebungsbetriebsbedingungen wie z.B. Temperatur, Batteriestrom, Batterieblockspannung, Batteriezellenspannung, SOC, Batteriealter, angesammelte Batterie-Plating-Historie umfassen. In Anwendungen, die mehr als einen Plating-Indikator verwenden, kann ein Sollwert oder Zielwert für jeden Plating-Indikator aus zuvor im Speicher gespeicherten Werten gewonnen werden.
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Ein aktueller Wert für jeden Plating-Indikator wird wie in 612 gezeigt berechnet. Wie zuvor beschrieben können repräsentative Plating-Indikatoren z.B. eine Differentialspannung oder ein Verhältnis von Differentialspannung zu Ladungsrate umfassen. Einer oder mehrere Indikator-Werte werden verwendet, um Plating zu detektieren, wie in 614 gezeigt. In einer Ausführungsform kann Plating detektiert werden, indem ein Indikator mit einer entsprechenden Schwelle verglichen wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis Lithium-Plating bestimmen, wenn die Differenz oder der Fehler zwischen dem Zielindikatorwert und dem aktuellen Indikatorwert über einer Schwelle liegt. Wenn Plating nicht detektiert wird, aktualisiert die Steuerung weiter den Zielwert und den aktuellen Wert, indem sie zum Block 610 zurückkehrt.
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Wenn Plating detektiert wird, wie in Block 614 gezeigt, kann eine Batterieleistung als Funktion der Temperatur-Nachschlagtafel unter Verwendung von aktuellen Betriebsbedingungen aktualisiert werden, um die Wahrscheinlichkeit, dass Plating-Bedingungen während des anschließenden Betriebs eintreten, zu verringern. Zum Beispiel kann Leistung, die der Batterie bereitgestellt wird, um die Batterie aufzuladen, einer Stromgrenze als Temperaturfunktion basierend auf Werten in der Nachschlagtabelle unterliegen. Wenn Plating detektiert wird, können die Werte geändert werden, um die Leistungsgrenze für eine bestimmte Temperatur, bei der Plating zuvor detektiert wurde, zu reduzieren.
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Ein Zählwert für angesammelte Plating-Historie kann als Antwort auf das Detektieren von Plating-Bedingungen aktualisiert werden, wie bei 618 gezeigt. Zum Beispiel kann der Zählwert oder sonstige Historienwert aktualisiert werden, um ein Gesamtausmaß an Leistung oder Amperestunden (Ah), für die die Batterie Lithium-Plating ausgesetzt war, aufzeichnen. Die gesammelten Lithium-Plating-Ah können verwendet werden, um die Schätzung der Batterielebensdauer anzupassen. Alternativ dazu oder in Kombination damit können aggressivere Minderungsstrategien eingesetzt werden, je mehr der angesammelte Plating-Zählwert ansteigt oder wenn dieser eine oder mehrere zugeordnete Schwellen übersteigt.
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Block 620 zeigt das Steuern des Batteriestroms zur Verringerung der Lithium-Plating-Indikator-Differenz oder des -Fehlerwerts, um eine Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis bereitzustellen. Wie zuvor beschrieben kann dies das Steuern eines Motorbetriebspunkts umfassen, um den Ladestrom, der der Batterie zugeführt wird, wie in 630 gezeigt zu verringern, das Nutzbremsen zu steuern, um den Ladestrom, der der Batterie zugeführt wird, wie in 632 gezeigt zu verringern, oder um zusätzliche Lasten zu steuern, um den Entladungsstrom zu erhöhen und die Batterietemperatur zu erhöhen wie in 634 gezeigt. Die Batterietemperatur kann indirekt erhöht werden, indem Zubehör gesteuert wird, um elektrische Last und Strom, der von der Batterie zugeführt wird, zu erhöhen und/oder direkt, indem einer Batterieheizeinheit angesteuert wird.
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Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, können die beschriebenen repräsentativen Ausführungsformen einen oder mehrere Vorteile wie das Steuern einer Traktionsbatterie bereitstellen, um Lithium-Plating basierend auf Rückkopplungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis eines Lithium-Plating-Indikators zu verringern oder umzukehren. Es sind nichtdestruktive Online-Lithium-Plating-Indikatoren bereitgestellt, um irreversibles Lithium-Plating sowie eine damit verbundene Leistungsverschlechterung zu mindern und die Lebensdauer und Kapazität der Batterie zu erhöhen.
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Obwohl oben verschiedene Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle von den Ansprüchen umfassten möglichen Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sind Begriffe der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Ferner können die Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Offenbarung auszubilden, die möglicherweise nicht ausdrücklich beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen in Bezug auf eines oder mehrere gewünschte Merkmale als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach Stand der Technik beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass eine(s) oder mehr Funktionen oder Merkmale verändert werden können, um gewünschte allgemeine Systemeigenschaften zu erreichen, die von den spezifischen Anwendungen und Umsetzungen abhängen. Diese Eigenschaften umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Kosten, Stärke, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Erscheinung, Verpackung, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Fertigbarkeit, leichte Zusammensetzbarkeit usw. Ausführungsformen, die in Bezug auf eines oder mehr Merkmale als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, liegen nicht notwendigerweise außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
