DE102019120882A1

DE102019120882A1 - System und verfahren zum auswählen von wandlern, um nichtnullstrom in verteiltem wandlersystem durchzuführen

Info

Publication number: DE102019120882A1
Application number: DE102019120882.3A
Authority: DE
Inventors: Xiaohong Nina Duan
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-08-03
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US10703218B2; US20200039358A1; CN110789375A

Abstract

Diese Offenbarung stellt ein System und Verfahren zum Auswählen von Wandlern, um Nichtnullstrom in verteiltem Wandlersystem durchzuführen, bereit. Ein Fahrzeug beinhaltet eine Traktionsbatterie, die eine Vielzahl von Zellen umfasst. Das Fahrzeug beinhaltet auch eine Vielzahl von Leistungswandlern, die jeweils elektrisch zwischen einer entsprechenden Gruppe von Zellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind. Eine Steuerung ist programmiert, um einen Strombedarf des elektrischen Busses zu erfüllen, indem eine Teilmenge der Leistungswandler betrieben wird, um jeweils einen Strom zu entnehmen, der einen Schwellenwert überschreitet, der einem Leistungswandlerwirkungsgrad entspricht, der einen vorbestimmten Wirkungsgrad überschreitet. Leistungswandler, die nicht der Teilmenge zugewiesen sind, werden bei Nullstrom betrieben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen ein System zur Versorgung eines Niederspannungsbusses durch einen oder mehrere parallel angeordnete Leistungswandler.
STAND DER TECHNIK
Hybridelektro- und Elektrofahrzeuge verteilen Energie an verschiedene Komponenten, die mit einem elektrischen Hochspannungsbus und einem elektrischen Niederspannungsbus verbunden sind. Zu den Energiequellen gehören eine Batterie, die mit dem Hochspannungsbus verbunden ist, und ein Generator, der ebenfalls mit dem Hochspannungsbus verbunden ist. Die Fahrzeuge beinhalten im Allgemeinen einen einzelnen Leistungswandler zum Übertragen von Energie von dem elektrischen Hochspannungsbus zu dem elektrischen Niederspannungsbus.
KURZDARSTELLUNG
Ein Fahrzeug beinhaltet eine Traktionsbatterie, die eine Vielzahl von Zellen umfasst. Das Fahrzeug beinhaltet ferner Leistungswandler, die jeweils elektrisch zwischen einer entsprechenden Gruppe von Zellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind. Das Fahrzeug beinhaltet ferner eine Steuerung, die dazu programmiert ist, einen Strombedarf des elektrischen Busses zu erfüllen, indem eine Teilmenge der Leistungswandler betrieben wird, um jeweils einen Strom zu entnehmen, der einen Schwellenwert überschreitet, der einem Leistungswandlerwirkungsgrad entspricht, und übrige Leistungswandler bei Nullstrom betrieben werden.
Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge so proportioniert, dass der Strom gleichmäßig unter Leistungswandlern der Teilmenge verteilt ist. Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist, proportioniert. Der Parameter kann ein Ladezustand und/oder eine Batterieleistungsfähigkeit sein. Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie in Reaktion darauf dass jeder der Leistungswandler der Teilmenge den Strom über eine Zeit entnimmt, die eine vorbestimmte Zeit überschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist und den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist, proportioniert. Die Steuerung kann ferner so programmiert werden, dass sie in Reaktion darauf dass ein durchschnittlicher Ladezustand der entsprechenden Gruppen von Zellen, die der Teilmenge zugeordnet sind, einen Referenzladezustand unterschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist, sodass mindestens einer der Leistungswandler, der Strom entnimmt, nicht der Teilmenge zugewiesen ist. Der Referenzladezustand kann ein mittlerer Ladezustand der Zellen der Traktionsbatterie sein. Die Steuerung kann ferner programmiert sein, um Leistungswandler mit entsprechenden Gruppen von Batteriezellen mit den höchsten durchschnittlichen Zellladezuständen der Teilmenge zuzuweisen.
Ein elektrisches Fahrzeugsystem beinhaltet eine Vielzahl von Leistungswandlern, die jeweils elektrisch zwischen eine Gruppe von Batteriezellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind. Das elektrische Fahrzeugsystem beinhaltet ferner eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie als Reaktion auf einen Strombedarf des elektrischen Busses eine Teilmenge der Leistungswandler so betreibt, dass eine Stromeingabe jeweils einen Schwellenwert überschreitet, der einem Wirkungsgrad entspricht, der einen vorbestimmten Wirkungsgrad überschreitet, und übrige Leistungswandler bei Nullstrom betreibt.
Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge so proportioniert, dass der Strom gleichmäßig unter Leistungswandlern der Teilmenge verteilt ist. Die Steuerung kann ferner so programmiert sein, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Ladezustands proportioniert, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist. Die Steuerung kann ferner so programmiert werden, dass sie in Reaktion darauf, dass jede Teilmenge den Strom über eine Zeit entnimmt, die eine vorbestimmte Zeit überschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist. Die Steuerung kann ferner so programmiert werden, dass sie in Reaktion darauf dass ein durchschnittlicher Ladezustand der Gruppen von Zellen, die der Teilmenge zugeordnet sind, einen Referenzladezustand unterschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist, sodass mindestens einer der Leistungswandler, der Strom entnimmt, nicht der Teilmenge zugewiesen ist. Der Referenzladezustand kann ein mittlerer Ladezustand aller Batteriezellen sein.
Ein Verfahren beinhaltet das Betreiben von Leistungswandlern, die elektrisch zwischen entsprechenden Gruppen von Batteriezellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind, durch eine Steuerung, um einen Strombedarf des elektrischen Busses zu erfüllen, sodass eine erste Teilmenge der Leistungswandler Nullstrom entnimmt und jeder einer zweiten Teilmenge von Leistungswandlern Strom entnimmt, der einen Schwellenwert überschreitet, der einem Wirkungsgrad entspricht, der einen vorbestimmten Wirkungsgrad überschreitet.
Das Verfahren kann ferner das Proportionieren des Strombedarfs durch die Steuerung unter den Leistungswandlern der zweiten Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters beinhalten, der den entsprechenden Gruppen von Batteriezellen zugeordnet ist. Das Verfahren kann ferner das Neuzuweisen der Leistungswandler zwischen der ersten Teilmenge und der zweiten Teilmenge durch die Steuerung in Reaktion darauf beinhalten, dass die zweite Teilmenge über eine Zeit Strom entnimmt, die eine vorbestimmte Zeit überschreitet. Das Verfahren kann ferner das Zuweisen von Leistungswandlern mit entsprechenden Gruppen von Batteriezellen mit den höchsten durchschnittlichen Zellladezuständen zu der zweiten Teilmenge durch die Steuerung beinhalten. Das Verfahren kann ferner das Neuzuweisen der Leistungswandler zwischen der ersten Teilmenge und der zweiten Teilmenge durch die Steuerung beinhalten, sodass mindestens einer der Leistungswandler der zweiten Teilmenge der ersten Teilmenge als Reaktion darauf neu zugewiesen wird, dass ein durchschnittlicher Ladezustand von Gruppen, die der zweiten Teilmenge zugeordnet sind, eine vorbestimmte Menge unter einen mittleren Ladezustandswert aller Batteriezellen fällt.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm eines elektrifizierten Fahrzeugs, das Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten, einschließlich einer elektrischen Maschine, veranschaulicht.
2 ist ein Diagramm eines elektrischen Fahrzeugsystems mit Umgehungswandlern.
3 ist ein Flussdiagramm für eine mögliche Abfolge von Operationen zum Betreiben der Umgehungswandler, um Strombedarf an einem elektrischen Bus zu erfüllen.
4 ist ein Graph einer möglichen Wandlerwirkungsgradkurve in Bezug auf den Wandlereingangsstrom

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Hierin sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können stark vergrößert oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sollen hierin offenbarte konkrete strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend ausgelegt werden, sondern lediglich als repräsentative Grundlage dienen, um den Fachmann zu lehren, die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Weise einzusetzen. Wie der Durchschnittsfachmann nachvollziehen kann, können verschiedene mit Bezug auf eine beliebige der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen aus veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung vereinbar sind, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungen wünschenswert sein.
1 bildet ein elektrifiziertes Fahrzeug 112 ab, das als Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (plug-in hybrid-electric vehicle - PHEV) bezeichnet werden kann. Ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 114 umfassen, die mechanisch an ein Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 114 können dazu in der Lage sein, als Motor oder Generator betrieben zu werden. Des Weiteren ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch an einen Motor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist außerdem mechanisch an eine Antriebswelle 120 gekoppelt, die mechanisch an die Räder 122 gekoppelt ist. Die elektrischen Maschinen 114 können eine Antriebs- und Abbremsfunktion bereitstellen, wenn der Motor 118 ein- oder ausgeschaltet wird. Die elektrischen Maschinen 114 können außerdem als Generatoren wirken und können Kraftstoffeffizienzvorteile bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die normalerweise in einem Reibungsbremssystem als Wärme verloren gehen würde. Die elektrischen Maschinen 114 können außerdem Fahrzeugemissionen verringern, indem sie ermöglichen, dass der Motor 118 bei effizienteren Drehzahlen betrieben wird, und ermöglichen, dass das Hybridelektrofahrzeug 112 in einem Elektromodus betrieben wird, in dem der Motor 118 bei bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist. Bei einem elektrifizierten Fahrzeug 112 kann es sich außerdem um ein Batterieelektrofahrzeug (battery electric vehicle - BEV) handeln. In einer BEV-Konfiguration ist der Motor 118 unter Umständen nicht vorhanden.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 114 verwendet werden kann. Die Traktionsbatterie 124 kann mit einem elektrischen Hochspannungsbus 154 elektrisch koppelbar sein. Der Hochspannungsbus 154 kann Strom- und Rückleiter beinhalten. Der Fahrzeugbatteriepack 124 kann einen Hochspannungsgleichstromausgang (high voltage direct current output - Hochspannungs-DC-Ausgang) bereitstellen. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 im geöffneten Zustand von dem Hochspannungsbus 154 isolieren und die Traktionsbatterie 124 im geschlossenen Zustand mit dem Hochspannungsbus 154 verbinden. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch an ein oder mehrere Leistungselektronikmodule 126 gekoppelt sein (kann auch als Traktionswechselrichter bezeichnet werden). Das Leistungselektronikmodul 126 ist außerdem elektrisch an die elektrischen Maschinen 114 gekoppelt und stellt die Fähigkeit bereit, Energie bidirektional zwischen der Traktionsbatterie 124 und den elektrischen Maschinen 114 zu übertragen. Beispielsweise kann eine Traktionsbatterie 124 eine DC-Spannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 114 mit einem Dreiphasenwechselstrom (three-phase alternating current - Dreiphasen-AC) betrieben werden können, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die DC-Spannung in einen Dreiphasen-AC-Strom umwandeln, um die elektrischen Maschinen 114 zu betreiben. In einem Regenerationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-AC-Strom von den elektrischen Maschinen 114, die als Generatoren wirken, in die DC-Spannung umwandeln, die mit der Traktionsbatterie 124 kompatibel ist.
Das Fahrzeug 112 kann einen Wandler für variable Spannungen (variable-voltage converter - WC) (nicht gezeigt) beinhalten, der elektrisch zwischen der Traktionsbatterie 124 und dem Leistungselektronikmodul 126 gekoppelt ist. Der VVC kann ein DC/DC-Aufwärtswandler sein, der konfiguriert ist, um die durch die Traktionsbatterie 124 bereitgestellte Spannung zu erhöhen oder hochzusetzen. Durch Erhöhen der Spannung können Stromanforderungen gesenkt werden, was zu einer Verringerung des Verdrahtungsumfangs für das Leistungselektronikmodul 126 und die elektrischen Maschinen 114 führt. Ferner können die elektrischen Maschinen 114 mit besserer Effizienz und geringeren Verlusten betrieben werden.
Zusätzlich zu dem Bereitstellen von Antriebsenergie kann die Traktionsbatterie 124 für andere elektrische Fahrzeugsysteme Energie bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein Umgehungswandlermodul 128 beinhalten, das die Hochspannungs-DC-Ausgabe der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-DC-Versorgung umwandelt, die mit Niederspannungsverbrauchern 152 des Fahrzeugs kompatibel ist. Ein Ausgang des Umgehungswandlermoduls 128 kann elektrisch an einen elektrischen Niederspannungsbus 156 und an eine Hilfsbatterie 130 (z. B. eine 12V-Batterie) gekoppelt sein, um die Hilfsbatterie 130 zu laden. Die Niederspannungssysteme 152 können elektrisch an den Niederspannungsbus 156 gekoppelt sein. Der Hochspannungsbus 156 kann Strom- und Rückleiter beinhalten. Ein oder mehrere elektrische Verbraucher 146 können an den Hochspannungsbus 154 gekoppelt sein. Die elektrischen Verbraucher 146 können eine zugeordnete Steuerung aufweisen, welche die elektrischen Verbraucher 146 bei Bedarf betreibt und steuert. Zu Beispielen für elektrische Verbraucher 146 können ein Gebläse, ein elektrisches Heizelement und/oder ein Klimaanlagenkompressor gehören.
Das elektrifizierte Fahrzeug 112 kann konfiguriert sein, um die Traktionsbatterie 124 von einer externen Leistungsquelle 136 aufzuladen. Bei der externen Leistungsquelle 136 kann es sich um eine Verbindung zu einer Netzsteckdose handeln. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch an ein Ladegerät oder ein Versorgungsgerät für Elektrofahrzeuge (electric vehicle supply equipment - EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetzwerk oder -netz sein, wie es von einem Elektrizitätsversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Das EVSE 138 kann eine Schaltung und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrischen Strom als DC oder AC an dem EVSE 138 bereitstellen. Das EVSE 138 kann einen Ladeverbinder 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Bei dem Ladeanschluss 134 kann es sich um eine beliebige Art von Anschluss handeln, die konfiguriert ist, um Leistung von dem EVSE 138 zu dem Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeanschluss 134 kann elektrisch an ein Ladegerät oder ein bordeigenes Leistungsumwandlungsmodul 132 gekoppelt sein.
Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann die von der EVSE 138 zugeführte Leistung konditionieren, um der Traktionsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 132 kann eine Schnittstelle mit dem EVSE 138 bilden, um die Zufuhr von Leistung an dem Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Aussparungen des Ladeanschlus ses 134 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben sind, unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung Leistung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können vorhanden sein, um das Fahrzeug 112 abzubremsen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann weitere Komponenten beinhalten, um die Radbremsen 144 zu betätigen. Der Einfachheit halber bildet die Figur eine einzelne Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144 ab. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 ist impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung zum Überwachen und Koordinieren des Bremssystems 150 beinhalten. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zum Abbremsen des Fahrzeugs steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann zudem autonom arbeiten, um Funktionen, wie etwa eine Stabilitätskontrolle, umzusetzen. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Aufbringen einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer weiteren Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
Elektronische Module in dem Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kommunikationskanälen beinhalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus sein, wie etwa ein Controller Area Network (CAN). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk laut der Definition durch die Normengruppe 802 des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) beinhalten. Zusätzliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen beinhalten und können Leistungssignale von der Hilfsbatterie 130 beinhalten. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Beispielsweise können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über ein CAN oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann beliebige Hardware- und Softwarekomponenten beinhalten, die eine Übertragung von Signalen und Daten zwischen Modulen unterstützen. Das Fahrzeugnetzwerk ist in 1 nicht gezeigt, aber es kann impliziert werden, dass sich das Fahrzeugnetzwerk mit jedem elektronischen Modul verbinden kann, das im Fahrzeug 112 vorhanden ist. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (vehicle system Controller - VSC) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Elektrifizierte Fahrzeuge (z. B. BEV, PHEV) verteilen Leistung über den Hochspannungsbus 154 und den Niederspannungsbus 156. Frühere Anordnungen verwenden typischerweise einen einzelnen DC/DC-Wandler, der elektrisch zwischen den Hochspannungsbus 154 und den Niederspannungsbus 156 gekoppelt ist, um dem Niederspannungsbus 156 Strom bereitzustellen. Der DC/DC-Wandler kann so konfiguriert sein, dass er die Spannung des Hochspannungsbusses 154 auf einen Spannungspegel (z. B. 12 V) des Niederspannungsbusses 156 reduziert. Das hierin beschriebene System ersetzt den herkömmlichen DC/DC-Wandler durch das Umgehungswandlermodul 128, um dem Niederspannungsbus 156 Strom bereitzustellen und zusätzliche Vorteile bereitzustellen, die hierin beschrieben werden sollen.
2 stellt eine mögliche Konfiguration eines elektrischen Fahrzeugsystems 200 dar. Die Traktionsbatterie 124 kann aus einer Vielzahl von Batteriezellen 202 bestehen. Die Batteriezellen 202 können aus einer Vielzahl von chemischen Formulierungen aufgebaut sein. Typische Batteriepackchemikalien können Bleisäure, Nickel-Metallhybrid (NIMH) oder Lithium-Ionen sein. Die Traktionsbatterie 124 kann aus einer Reihenkonfiguration von n Batteriezellen 202 bestehen. Andere Konfigurationen sind jedoch möglich, und die Traktionsbatterie 124 kann aus einer beliebigen Anzahl einzelner Batteriezellen 202 bestehen, die in Reihe oder parallel verbunden sind, oder aus einer Kombination davon. Das System kann eine oder mehrere Steuerungen beinhalten, beispielsweise ein Batterieenergie-Steuermodul (Battery Energy Control Module - BECM) 208, das konfiguriert ist, um die Leistung der Traktionsbatterie 124 zu überwachen und zu steuern. Das BECM 208 kann verschiedene Traktionsbatteriepegeleigenschaften wie Packstrom, Packspannung und Packtemperatur überwachen. Das BECM 208 kann einen nichtflüchtigen Speicher beinhalten, sodass Daten aufbewahrt werden können, wenn sich das BECM 208 in einem ausgeschalteten Zustand befindet. Aufbewahrte Daten können beim nächsten Startzyklus verfügbar sein.
Zusätzlich zu den Packpegeleigenschaften kann es Pegeleigenschaften der Batteriezellen geben, die gemessen und überwacht werden. Beispielsweise können die Klemmenspannung, der Strom und die Temperatur jeder der Batteriezellen 202 gemessen werden. Das elektrische Fahrzeugsystem 200 kann ein oder mehrere Sensormodule 204 verwenden, um die Eigenschaften der Batteriezellen 202 zu messen. Die Sensormodule 204 können Spannungssensoren beinhalten, die konfiguriert sind, um die Spannung über jeder der Batteriezellen 202 zu messen. Abhängig von den Fähigkeiten können die Sensormodule 204 die Eigenschaften einer und/oder von Gruppen der Batteriezellen 202 messen. Die Traktionsbatterie 124 kann mehrere Sensormodule 204 verwenden, um die Eigenschaften aller Batteriezellen 202 zu messen. Jedes Sensormodul 204 kann die Messwerte zur weiteren Verarbeitung und Koordinierung an das BECM 208 übertragen. Die Sensormodule 204 können Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 208 übertragen. In einigen Konfigurationen kann die Funktionalität des Sensormoduls 204 intern in das BECM 208 integriert sein. Das heißt, dass die Hardware des Sensormoduls 204 als Teil der Schaltung in das BECM 208 integriert sein kann und das BECM 208 die Verarbeitung von Rohsignalen übernehmen kann.
Verschiedene Eigenschaften der Traktionsbatterie 124 und/oder der Batteriezellen 202 können berechnet werden. Größen wie etwa die Batterieleistungsfähigkeit und der Batterieladezustand können für das Steuern des Betriebs der Traktionsbatterie 124 sowie beliebiger elektrischer Verbraucher 146, die Leistung von der Traktionsbatterie 124 erhalten, nützlich sein. Die Batterieleistungsfähigkeit ist ein Maß für die maximale Menge an Leistung, die die Traktionsbatterie 124 bereitstellen kann, oder die maximale Menge an Leistung, die die Traktionsbatterie 124 aufnehmen kann. Jede der Batteriezellen 202 kann durch eine Batterieleistungsfähigkeit gekennzeichnet sein. Die Kenntnis der Batterieleistungsfähigkeit ermöglicht, dass elektrische Verbraucher 146 derart verwaltet werden können, dass die angeforderte Leistung innerhalb von Grenzen liegt, die die Traktionsbatterie 124 verkraftet.
Der Batterieladezustand (state of charge - SOC) zeigt an, wie viel Ladung in der Batterie verbleibt. Der SOC der Batterie kann ausgegeben werden, um den Fahrer, ähnlich einer Kraftstoffanzeige, darüber zu informieren, wie viel Ladung in der Traktionsbatterie 124 verbleibt. Der SOC der Batterie kann auch verwendet werden, um den Betrieb eines elektrifizierten Fahrzeugs zu steuern. Die Berechnung des SOC der Batterie kann durch eine Vielzahl von Verfahren verwirklicht werden. Ein mögliches Verfahren zum Berechnen des SOC der Batterie besteht darin, eine Integration des Batteriepackstroms im Zeitverlauf durchzuführen. Dies ist im Fach als Amperestundenintegration hinreichend bekannt. Der SOC jeder der Batteriezellen 202 kann auf ähnliche Weise berechnet werden.
Ein weiteres Merkmal der Traktionsbatterie 124 kann die Fähigkeit sein, die Batteriezellen 202 auszugleichen. Das Ausgleichen der Batteriezellen 202 kann ein Vorgang des Ladens oder Entladens einzelner Batteriezellen 202 sein, sodass die Ladezustände oder Leistungsfähigkeit der Batteriezellen 202 ausgeglichen werden. Dieser Vorgang ist nützlich, um ein Überladen und/oder Unterladen einzelner Batteriezellen zu verhindern. Um den Zellenausgleich zu erleichtern, können die Traktionsbatterie 124 und/oder die Sensormodule 204 ein Schaltelement 214 und einen Widerstand 212 beinhalten, die an jede der Batteriezellen 202 gekoppelt sind. Das Schaltelement 214 und der Widerstand 212 können so angeordnet sein, dass der Widerstand 212 parallel mit einer Batteriezelle 202 gekoppelt sein kann, um zu bewirken, dass Strom von der Batteriezelle 202 durch den Widerstand 212 fließt. Durch Aktivieren des Schaltelements 214 kann Strom von der Batteriezelle 202 durch den Widerstand 212 fließen, um zu bewirken, dass der SOC der Zelle abnimmt. Das Schaltelement 214 kann über ein Steuersignal durch das Sensormodul 204 steuerbar sein. Das Schaltelement 214 kann sich in einer normalerweise offenen Position befinden. Das Schaltelement 214 kann ein Festkörperelement sein (z. B. ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (metal-oxide semiconductor field-effect transistor - MOSFET)).
Das BECM 208 kann programmiert sein, um den Zellenausgleich zu verwalten. Es können verschiedene Verfahren zum Verwalten des Zellenausgleichs verfügbar sein. Beispielsweise kann ein Zellenausgleich nach einem Ladeereignis durchgeführt werden. Der SOC jeder der Batteriezellen 202 kann verglichen werden. Batteriezellen 202 mit einem höheren SOC können entladen werden, um mit dem SOC der übrigen Zellen übereinzustimmen, indem das zugeordnete Schaltelement 214 aktiviert wird, um Strom aus der Zelle zu entladen.
Das Umgehungswandlermodul 128 kann eine Vielzahl von DC/DC-Umgehungswandlern 206 beinhalten, die konfiguriert sind, um eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die mit dem Niederspannungsbus 156 kompatibel ist. Die Spannungsausgänge der Umgehungswandler 206 können parallel verbunden sein, sodass jeder der Umgehungswandler 206 zu dem Strom beitragen kann, der durch den Niederspannungsbus 156 fließt. Der Spannungseingang zu jedem der Umgehungswandler 206 kann über eine vorbestimmte Anzahl von Batteriezellen 202 gekoppelt sein. Zum Beispiel kann der Eingang zu den Umgehungswandlern 206 über m Batteriezellen 202 sein. Die m Batteriezellen können als Gruppe von Batteriezellen bezeichnet werden. Der Spannungseingang zu den Umgehungswandlern 206 kann die Summe der Spannungen über den m Batteriezellen 202 sein. Der Spannungseingang kann auch als Spannung über der Gruppe von Batteriezellen bezeichnet werden. Zusätzlich kann jeder Gruppe von Batteriezellen ein SOC zugeordnet sein, der von den einzelnen Batteriezellen abgeleitet sein kann, aus denen die Gruppe besteht. Beispielsweise kann der Gruppen-SOC ein durchschnittlicher Zellen-SOC, ein niedrigster Zellen-SOC der Batteriezellen in der Gruppe oder ein höchster SOC der Batteriezellen der Gruppe sein.
Abhängig von der Spannungseingabe können die Umgehungswandler 206 konfiguriert sein, um die Spannung zu erhöhen (anheben) oder zu verringern (senken), um die Ausgangsspannung bereitzustellen. In einigen Konfigurationen können die Umgehungswandler 206 einen Umgehungsmodus beinhalten, um den Eingang an den Ausgang mit einem hohen Wirkungsgrad zu koppeln, wenn die Eingangs- und Ausgangsspannungspegel ähnlich sind. Beispielsweise kann der Umgehungsmodus den Wirkungsgrad erhöhen, indem Schaltverluste innerhalb des Wandlers vermieden werden. Die Umgehungswandler 206 können eine interne Steuerung beinhalten, um den Spannungswandlungsvorgang zu verwalten. Da es mehrere Umgehungswandler 206 gibt, kann das BECM 208 den Betrieb der Umgehungswandler 206 verwalten und koordinieren, um einen Gesamtstrom zuzuführen, der dem Niederspannungsbus 156 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann jeder der Umgehungswandler 206 über das Fahrzeugnetzwerk oder einen dedizierten Kommunikationskanal mit dem BECM 208 kommunizieren.
Der Gesamtstrom, der von der Traktionsbatterie 124 an den Niederspannungsbus 156 geliefert wird, kann mit dem von den LV-Verbrauchern 152 angeforderten Strom variiert werden, um die LV-Busspannung auf eine Zielspannung zu regeln. Der Strombedarf an dem Niederspannungsbus 156 kann in einem elektrifizierten Fahrzeug von einigen Ampere bis über Hunderte von Ampere variieren. Somit variiert die Gesamtstromaufnahme des Umgehungswandlers 128 in demselben Bereich Das elektrische Fahrzeugsystem mit einer Vielzahl von DC/DC-Umgehungswandlern 206 ist nicht nur in der Lage, den Stromfluss durch jeden der Umgehungswandler 206 individuell einzustellen, sondern kann auch das Spannungsumwandlungsverhältnis zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Umgehungswandlers verringern. Das Verhältnis kann nahe eins gemacht werden, damit die Wandler mit einer höheren Wandlungseffizienz arbeiten (z. B. Aktivieren eines Umgehungsmodus des Wandlers). Wie in 2 gezeigt, kann die Eingangsspannung der Umgehungswandler 206 durch eine vorbestimmte Anzahl von Batteriezellen 202 bestimmt werden, und die Ausgangsspannung der Wandler kann durch eine LV-Busspannung bestimmt werden, die nominal bei 12 V für ein Fahrzeug liegt. In Anbetracht der Auswirkung des Spannungsumwandlungsverhältnisses auf den Wandlerwirkungsgrad kann das Verhältnis so gewählt werden, dass es im Bereich von 1-2 liegt. Für diesen Verhältnisbereich können 3 bis 6 Batteriezellen 202 vorhanden sein, die auf der Batterie- oder Eingangsseite der Umgehungswandler 206 in Reihe geschaltet sind. Ein weiterer Faktor, der den Wirkungsgrad des Wandlers beeinflusst, kann der Stromfluss durch den Umgehungswandler 206 sein, nachdem die Bereiche der Eingangs- und Ausgangsspannungen bestimmt wurden. Ein Graph 400 einer möglichen Wirkungsgradkurve 402 eines Umgehungswandlers 206 ist beispielhaft in 4 gezeigt. Bei Stromstärken oberhalb eines Schwellenwertes (z. B. positive Stromschwellenwert 404 und negativer Stromschwellenwert 406) übersteigt der Wirkungs grad im Allgemeinen 85 %. Der Wandlerwirkungsgrad wird geringer, wenn die Eingangsstromgröße in das Fenster fällt, das zwischen dem positiven Stromschwellenwert 404 und dem negativen Stromschwellenwert 406 definiert ist, und nähert sich Null, wenn sich die Eingangsstromgröße Null nähert. Vom Standpunkt des Wirkungsgrades aus ist es wünschenswert, die Umgehungswandler 206 bei höheren Strompegeln (z. B. > 2A) zu betreiben, um Wirkungsgrade zu erzielen, die größer als ein vorgegebenes Wirkungsgradniveau 408 sind.
Wenn eine Vielzahl von DC/DC-Umgehungswandlern 206 verwendet wird, um Leistung von der Traktionsbatterie 124 an den Niederspannungsbus 156 eines elektrifizierten Fahrzeugs zu liefern, kann die Anzahl der verwendeten Umgehungswandler 206 durch den maximal zulässigen Strom der Umgehungswandler 206 und die Anzahl der Batteriezellen 202, die mit den Umgehungswandlern 206 verbunden sind, bestimmt werden, nachdem das Spannungsumwandlungsverhältnis und die Ausgleichsanforderungen berücksichtigt wurden. Wenn beispielsweise die Nennspannung des Hochspannungsbusses 154 ungefähr 300 V beträgt, benötigt das System möglicherweise 13-26 Wandler, wenn das Spannungsumwandlungsverhältnis in einem Bereich von 1-2 liegt. Eine Betriebsart kann darin bestehen, die Stromlast gleichmäßig auf die DC/DC-Umgehungswandler 206 zu verteilen. Beispielsweise kann ein System 14 Umgehungswandler mit einem Umwandlungsverhältnis von 2 (z. B. Eingabe/Ausgabe ist 2) beinhalten, und können die Wandler so betrieben werden, dass sie jeweils den gleichen Strompegel bereitstellen. In diesem Beispiel kann der durchschnittliche Eingangsstrom eines Umgehungswandlers im Bereich zwischen weniger als 0,5 A und mehr als 7 A liegen, wenn die Stromlasten des Niederspannungsbusses 156, die mit dem Ausgang der Umgehungswandler verbunden sind, im Bereich von 10 A bis 200 A variieren. Wenn der Strom gleichmäßig verteilt wird, kann der Wandlerwirkungsgrad unter 75 % liegen, wenn die Stromlast des Niederspannungsbusses 156 weniger als etwa 30 A beträgt. Der Wirkungsgrad kann unter 50 % fallen, wenn die Stromlast des Niederspannungsbusses 156 weniger als etwa 15 A beträgt. Ein geringerer Arbeitswirkungsgrad der Wandler wirkt sich nicht nur auf die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs aus, sondern führt auch zu einer höheren Wärmeerzeugung.
Bessere Ergebnisse können durch verteilten Betrieb der Umgehungswandler 206 erzielt werden, sodass jeder der Wandler in einem Bereich mit hohem Wirkungsgrad betrieben wird. In diesem Betriebsmodus kann die Stromlast ungleichmäßig zwischen den DC/DC-Umgehungswandlern 206 verteilt sein. Die Lösung beinhaltet das Auswählen der Anzahl von Umgehungswandlern, die einen Nichtnullstrom leiten, um sicherzustellen, dass die Eingangsströme der Umgehungswandler 206 innerhalb des Bereichs mit hohem Wirkungs grad liegen (z. B. Wirkungsgrad größer als 90 %). Unter Verwendung dieser Strategie können einige der Umgehungswandler 206 mit Nullstrom betrieben werden. Das heißt, dass einige der Umgehungswandler 206 inaktiv sein können und keinen Strom durchlassen. Es kann anerkannt werden, dass, wenn die Umgehungswandler 206 unterschiedliche Ströme bereitstellen, die Batteriezellen 202 unterschiedliche Ströme bereitstellen können, die zu Ungleichgewichten der Batteriezellen fuhren können. Die allgemeine Betriebsstrategie kann darin bestehen, den Strom unter einer Teilmenge der Umgehungswandler 206 zu verteilen, während die verbleibenden Umgehungswandler mit Nullstrom betrieben werden. Den Umgehungswandlern 206, die in der Teilmenge enthalten sind, kann befohlen werden, einen Strom durchzulassen, der bewirkt, dass der Wandlerwirkungsgrad größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist.
Der SOC der Batteriezellen oder Gruppen von Batteriezellen kann bei der Auswahl der Umgehungswandlerstromstärken berücksichtigt werden. Die SOC-Unterschiede zwischen den Gruppen von Batteriezellen können verwendet werden, um einen Stromanteil einzustellen, der an jeden der Umgehungswandler 206 verteilt wird. Unter Berücksichtigung der SOC-Unterschiede kann die Abweichung des Batterie-SOC von einem Referenz-SOC verringert werden.
Die Umgehungswandler, die Strom bereitstellen (z. B. die Teilmenge), können nach dem Durchleiten von Strom für eine vorbestimmte Zeit oder wenn sich der zugeordnete SOC relativ zu einem Referenz-SOC geändert hat, periodisch neu ausgewählt werden. Die Umgehungswandler 206 können der Teilmenge von Wandlern, die Strom bereitstellen, neu zugewiesen werden, sodass mindestens einer der Umgehungswandler, der Strom bereitgestellt hat, den Befehl für Nullstrom erhält. Durch periodisches neues Zuweisen der Umgehungswandler 206 zu der Teilmenge können die Batteriezellen in einem engen Bereich des Gleichgewichts bleiben.
Jeder der Umgehungswandler 206 kann betrieben werden, um dem Niederspannungsbus 156 Strom bereitzustellen. Der Strombedarf an dem Niederspannungsbus 156 kann durch den Betrieb der Umgehungswandler 206 erfüllt werden. Da es mehrere Umgehungswandler 206 gibt, kann der Strom unter jedem der Umgehungswandler 206 verteilt oder proportioniert werden. Es kann N_c Wandler geben, wobei jedem ein ganzzahliger Index im Bereich von 1 bis N_c zugeordnet ist. Das BECM 208 kann den Gesamtstrom verwalten, der dem Niederspannungsbus 156 von den Umgehungswandlern 206 bereitgestellt wird. Das BECM 208 kann programmiert sein, um einen Teil des Gesamtstroms an jeden der Umgehungswandler 206 zu verteilen. Das BECM 208 kann eine Stromverteilungsfunktion implementieren. Die Stromverteilungsfunktion kann den Gesamtstrom auf der Grundlage des Ladezustands der jedem der Umgehungswandler 206 zugeordneten Batteriezellen 202 (Zelleneinheit) auf die einzelnen Umgehungswandler 206 verteilen.
Die Umgehungswandler 206 können mit einem zugeordneten Sensormodul 204 in Kommunikation stehen. Beispielsweise können die Umgehungswandler 206 und die Sensormodule 204 mit einem seriellen Peripherieschnittstellenbus (SPI-Bus) verbunden sein. Der SPI-Bus kann eine dedizierte Kommunikationsverbindung zwischen dem Umgehungswandler 206 und dem zugeordneten Sensormodul 204 sein.
Das BECM 208 kann mit den Sensormodulen 204 und den Umgehungswandlern 206 in Kommunikation stehen. Zum Beispiel das BECM 208 und die Sensormodule 204 über einen CAN-Kommunikationskanal. In einigen Konfigurationen kann die Kommunikation zwischen dem BECM 208 und den Umgehungswandlern 206 indirekt sein und durch die Sensormodule 204 verlaufen. Beispielsweise kann das BECM 208 über den CAN-Kommunikationskanal mit den Sensormodulen 204 kommunizieren. Die Sensormodule 204 können dann Nachrichten für die Umgehungswandler 206 an den SPI-Bus übertragen.
Die Umgehungswandler 206 können einen oder mehrere Stromsensoren beinhalten, um den Eingangs- und/oder Ausgangsstrom des Umgehungswandlers 206 zu messen. Die Strommessung kann zur Steuerung des Umwandlungsvorgangs verwendet werden. Zusätzlich können die Strommesswerte an das BECM 208 kommuniziert werden. Die Umgehungswandler 206 oder die zugehörigen Sensormodule 204 können einen oder mehrere Spannungssensoren zum Messen der Eingangs- und/oder Ausgangsspannung des Umgehungswandlers 206 beinhalten. In einigen Konfigurationen kann die Ausgangsspannung durch das BECM 208 gemessen werden und kann der Ausgangsspannungswert den Umgehungswandlern 206 kommuniziert werden. In einigen Konfigurationen kann das Sensormodul 204 die Spannung über die Gruppe von Batteriezellen 202 messen oder berechnen und den Wert den Umgehungswandlern 206 als Eingangsspannung kommunizieren.
Das BECM 208 kann programmiert sein, um eine Strategie zum Zuweisen oder Proportionieren des Stroms unter den Umgehungswandlern 206 zu implementieren. Wenn der Strombedarf des Niederspannungsbusses hoch ist, kann der Strom gleichmäßig zwischen den Umgehungswandlern 206 proportioniert werden. Jeder der Umgehungswandler 206 kann mit einem Strom arbeiten, der größer als die Stromgrenze ist, was zu einem Betrieb oberhalb der ausgewählten Wirkungsgradgrenze fuhrt. Wenn der Strombedarf des Niederspannungsbusses 156 niedrig ist, kann der Strom ungleichmäßig zwischen den Umgehungswandlern 206 proportioniert werden. In dieser Situation könnte eine gleichmäßige Verteilung des Gesamtstroms dazu fuhren, dass die Umgehungswandler bei einem Strom unterhalb der Stromgrenze für den gewünschten Wirkungsgrad arbeiten. Die Lösung kann darin bestehen, einige der Umgehungswandler 206 auf einem Nullstrompegel zu betreiben. Auf diese Weise kann der Strom umverteilt werden, um den von den verbleibenden Wandlern bereitgestellten Strom so zu erhöhen, dass der Strom über der Stromgrenze liegt. Dies kann die Gesamteffizienz des Systems verbessern. Beispielsweise könnte bei niedrigen Strompegeln der Strom einem der Umgehungswandler 206 zugeordnet werden, der in dem Bereich mit hohem Wirkungsgrad betrieben wird. Im Zeitverlauf kann der Strom zu einem anderen der Umgehungswandler 206 umverteilt werden, um die Verwendung der Batteriezellen 202 auszugleichen.
3 stellt ein Flussdiagramm 300 für eine mögliche Abfolge von Operationen zum Proportionieren von Strom zu den Umgehungswandlern 206 dar. Die Operationen können in einer oder mehreren Steuerungen wie dem BECM 208 implementiert werden. Bei Operation 302 kann das BECM 208 eine Gesamtstromsteuerfunktion implementieren, um den Gesamtstrom zu bestimmen, der dem Niederspannungsbus 156 bereitgestellt werden soll. Das BECM 208 kann eine Spannung des Niederspannungsbusses 156 regeln und den Gesamtstromfluss bestimmen, der von den Umgehungswandlern 206 bereitgestellt werden soll. Der Strom kann positiv sein, wenn er von der Traktionsbatterie 124 an den Niederspannungsbus 156 geliefert wird. Andernfalls kann der Strom negativ sein.
Die Gesamtstromsteuerfunktion kann einen Spannungsfehler zwischen einer gewünschten LV-Busspannung und einer tatsächlichen LV-Busspannung eingeben. Die Gesamtstromsteuerfunktion kann auch einen gewünschten Strom für den Niederspannungsb us 156 eingeben. Die Gesamtstromsteuerfunktion kann einen Gesamt-LV-Busstrom bestimmen, um den Spannungsfehler zu verringern.
Die Beziehung zwischen dem Wandlerwirkungsgrad und dem Wandlereingangsstrom kann für die Umgehungswandler 206 bekannt sein. Aus dieser Beziehung kann die minimale Größe des Eingangsstroms (z. B. 404, 406 aus 4) zum Erreichen eines Wirkungsgrades über einem vorbestimmten Wert (z. B. 408 aus 4) bestimmt werden. Der vorbestimmte Wert kann auf Fahrzeugleistungsanforderungen basieren. Eine Wirkungsgradgrenze (z. B. 408 aus 4) kann als bevorzugter Betriebspunkt ausgewählt werden. Wenn die Wirkungsgradgrenze ausgewählt ist, können die Stromgrenzen bestimmt werden.
Bei Operation 304 kann das BECM 208 programmiert werden, um die Anzahl von Umgehungswandlern zu bestimmen, denen befohlen wurde, einen Nichtnullstrom zu leiten. Die Anzahl von Umgehungswandlern, denen befohlen werden kann, einen Nichtnullstrom auszugeben (n_nz), kann wie folgt berechnet werden: $n_{n z} = \frac{I_{t o t a l}}{k I_{l i m i t}}$
wobei I_total der Strombedarf für den Niederspannungsbus ist, I_limit die Mindeststromgröße zum Erreichen eines vorbestimmten Wirkungsgrads ist (z. B. 404, 406 aus 4), und k ein Parameter ist. Der Parameter k kann ausgewählt werden, um das Folgende zu erfüllen: $1 < k < 0.5 \frac{I_{m a x}}{I_{l i m i t}}$
wobei I_max ein maximal zulässiger Strom für die Umgehungswandler ist. Der Wert von n_nz kann auf einen Wert zwischen 1 und N_c begrenzt sein, um sicherzustellen, dass mindestens ein Wandler und nicht mehr als die verfügbaren Wandler ausgewählt werden.
Wenn I_total/(kI_limit) < N_c, wird nur ein Teilsatz der N_c Umgehungswandler 206 ausgewählt, um Nichtnullstrom zu leiten, um zu garantieren, dass der Eingangsstrom ausgewählter Umgehungswandler in den Betriebsbereich mit höherem Wirkungsgrad fällt.
Das BECM 208 kann periodisch prüfen, um zu bestimmen, ob die Anzahl von aktiven Wandlern, n_nz, neu berechnet werden sollte. Bei Operation 306 kann das BECM 208 programmiert werden, um zu prüfen, ob sich die Anzahl der nullstromführenden Umgehungswandler geändert hat. Wenn sich die Anzahl der Wandler geändert hat, kann die Operation 314 durchgeführt werden, um die Wandler auszuwählen. Das Auswählen der Wandler kann bestimmen, welche der Umgehungswandler 206 der Teilmenge von Nichtnullstromversorgern zugewiesen sind. Wenn sich beispielsweise der Wert von n_nz zu einem aktuellen Zeitpunkt, t, von dem Wert unterscheidet, der in dem vorherigen Zeitschritt, t-I, verwendet wird, dann kann die Steuerung die Wandler neu auswählen und neu bestimmen, welche der Umgehungswandler Nichtnullstrom leiten dürfen.
Bei Operation 314 kann das BECM 208 so programmiert werden, dass es die Umgehungswandler auswählt, denen ein Nichtnullstrom befohlen werden soll. Das BECM 208 kann Batterieparameter vergleichen, die jeder Gruppe von Batteriezellen zugeordnet sind. Die Batterieparameter, die zum Bestimmen der aktiven Umgehungswandler verwendet werden, können ein Batteriezellen-SOC, eine Leistungsfähigkeit, ein Gesundheitszustand oder eine andere Batterieeigenschaft sein. Der Wert des Parameters kann ein Mittelwert, ein Mittelpunkt, ein Maximum oder ein Minimum des Batterieparameters sein, wenn mehr als eine Batteriezelle verwendet wird. Beispielsweise kann der durchschnittliche SOC der Gruppe von Batteriezellen verwendet werden. In diesem Beispiel können n_nz Umgehungswandler, die Batteriezellen zugeordnet sind, die den höchsten durchschnittlichen SOC aufweisen, ausgewählt werden, um den Strom zu verteilen.
Bei Operation 316 kann das BECM 208 programmiert werden, um den Gesamtstrom unter den ausgewählten Umgehungswandlern zu verteilen oder zu proportionieren. Nachdem die Unterschiede zwischen den Batterieparametern berechnet wurden, die den ausgewählten Wandlern zugeordnet sind, können die Stromverteilungsverhältnisse für die ausgewählten Umgehungswandler basierend auf den Unterschieden berechnet werden. In einigen Konfigurationen kann der Strombedarf gleichmäßig auf die ausgewählten Wandler verteilt werden. In einigen Konfigurationen kann der Strombedarf unter den Leistungswandlern gemäß relativen Werten eines oder mehrerer Parameter, die entsprechenden Gruppen von Batteriezellen zugeordnet sind, proportioniert werden. Beispielsweise kann den Umgehungswandlern, die mit Batteriezellen verbunden sind, die höhere SOC-Pegel aufweisen, ein höherer Verteilungsanteil zugewiesen werden, was zu einem höheren Verteilungsstrom führt. Die Summe der Verteilungsanteile für alle ausgewählten Umgehungswandler ist 1 und die Summe der verteilten Ströme für alle ausgewählten Wandler kann I_total sein. Der Anteil des Gesamtlaststroms, der auf jeden der Umgehungswandler 206 der aktiven Teilmenge verteilt ist, kann konfiguriert sein, um die Batterieparameter (z. B. SOC) über ein vorbestimmtes Zeitintervall auszugleichen. Beispielsweise kann erwartet werden, dass jede Gruppe von Batteriezellen den gleichen SOC aufweist, nachdem der verteilte Strom über das vorbestimmte Zeitintervall bereitgestellt wurde.
Bei Operation 318 kann das BECM 208 so programmiert werden, dass es die Umgehungswandler mit der zugewiesenen Stromverteilung anweist. Das BECM 208 kann Steuersignale, die den verteilten Strom anzeigen, an jeden der Umgehungswandler senden. Die Steuersignale können eine aktuelle Größe und Richtung des Stromflusses beinhalten. Der verteilte Strom kann ein positiver Wert sein, um einen Stromfluss von den Batteriezellen 202 zu dem Niederspannungsbus 156 anzuzeigen, oder ein negativer Wert, um einen Stromfluss von dem Niederspannungsbus 156 zu den Batteriezellen 202 anzuzeigen. Jeder der Umgehungswandler 206 kann betrieben werden, um den befohlenen Strompegel zu erreichen.
Der Stromanteil kann als eine Stromverteilungsfunktion implementiert werden, die so programmiert ist, dass sie einen Strombefehl an jeden der Umgehungswandler 206 ausgibt. Die Stromverteilungsfunktion kann einen Teil des Gesamtstroms an jeden der Umgehungswandler 206 verteilen oder zuweisen. Die zugewiesenen Ströme müssen nicht unbedingt gleich sein. Ferner kann die Stromverteilungsfunktion bestimmen, dass einige der Umgehungswandler 206 keinen Strom (z. B. Nullstrom) durchlassen sollten.
Wenn sich die Anzahl der Umgehungswandler nicht geändert hat, kann die Operation 308 durchgeführt werden. Bei Operation 308 kann das BECM 208 programmiert werden, um die Neuauswahlbedingungen zu aktualisieren. Die Batteriezellparameter, die zum Bestimmen der aktiven Wandler verwendet werden, können ein Batteriezellen-SOC, eine Leistungsfähigkeit, ein Gesundheitszustand oder eine andere Batterieeigenschaft sein. Der Wert der Parameter kann ein Mittelwert, ein Mittelpunkt, ein Maximum oder ein Minimum der Batteriezelleigenschaften sein, wenn mehr als eine Batteriezelle verwendet wird. Strombefehle an die Umgehungswandler 206 können Aktualisierungen des SOC der mit dem Umgehungswandler verbundenen Gruppe von Batteriezellen auslösen. Da jedem der Umgehungswandler ein anderer Strom befohlen werden kann, kann die SOC-Änderung für jede der Gruppen von Batteriezellen unterschiedlich sein. Für jede Gruppe von Batteriezellen kann ein Mittelpunktswert des SOC der einzelnen Batteriezellen berechnet werden. Zusätzlich können ein maximaler SOC und ein minimaler SOC für jede Gruppe von Batteriezellen berechnet werden. Es kann der SOC für jede der Batteriezellen und/oder jede Gruppe von Batteriezellen berechnet werden.
Der SOC-Unterschied zwischen der Gruppe von Batteriezellen, die den Batteriewandlern zugeordnet sind, kann auch gemäß den befohlenen Strömen geändert werden. Der SOC-Unterschied kann allmählich verringert werden und sich Null annähern (z. B. Zellen sind ausgeglichen), wenn das System in Betrieb ist. Um sicherzustellen, dass die verteilten Ströme genügend Zeit haben, um das SOC-Ungleichgewicht der Batteriezelle zu verringern, werden die Umgehungswandler so ausgewählt, dass sie einen Nichtnullstrom durchlassen, und die Verteilungsanteile für diese Wandler werden möglicherweise nicht bei jedem Zeitschritt geändert, wenn der Wert von n_nz nicht geändert wird. Die Neuauswahlbedingungen können das Ablaufen eines vorbestimmten Zeitintervalls beinhalten. Beispielsweise kann die aktuelle Stromverteilung für das vorbestimmte Zeitintervall angewendet werden. Die Bedingung zum erneuten Auswählen der Wandler kann beinhalten, dass ein durchschnittlicher SOC der Batteriezellen, die den ausgewählten Umgehungswandlern zugeordnet sind, kleiner als ein mittlerer SOC aller Batteriezellen in der Traktionsbatterie wird.
Bei Operation 310 kann das BECM 208 programmiert sein, um die Bedingungen zum erneuten Auswählen der Umgehungswandler zu prüfen. Wenn die Bedingungen nicht erfüllt sind, kann die Operation 312 durchgeführt werden. Bei Operation 312 kann das System den Strom basierend auf den vorherigen Anteilen auf die Umgehungswandler verteilen. Wenn die Bedingungen erfüllt sind, kann die Operation 314 durchgeführt werden, um die Umgehungswandler 206 erneut auszuwählen. Die Bedingungen zum erneuten Auswählen der Umgehungswandler 206, um einen Nichtnullstrom durchzulassen, können das Vergleichen der relativen Änderung eines Maßes für den SOC für die ausgewählten Umgehungswandler der jeweiligen Batteriezellengruppe, wie etwa des durchschnittlichen SOC, mit demselben oder einem anderen Maß für den SOC für alle Wandler beziehungsweise Zelleinheiten beinhalten, beispielsweise einen SOC-Mittelpunkt, wenn der SOC der Batteriezellen oder -gruppen nicht ausgeglichen ist. Beispielsweise kann die Neuzuweisung der Wandler als Reaktion darauf erfolgen, dass ein durchschnittlicher Ladezustand der entsprechenden Gruppen von Zellen, die jedem der Wandler zugeordnet sind, eine Leistung liefert, die unter einen Referenzladezustand fällt. Der Referenzladezustand kann eine vorbestimmte Menge unterhalb eines mittleren Ladezustands aller Batteriezellen sein. Die Neuzuweisung kann derart sein, dass mindestens einer der Leistungswandler, der Strom entnimmt, dem Satz zugewiesen wird, der keinen Strom liefert. Die Bedingung zum erneuten Auswählen der Umgehungswandler kann auch durch eine akkumulierte Zeit bestimmt werden, die ein vorbestimmtes Zeitlimit überschreitet (accum_t> time limit), wenn die an die Umgehungswandler 206 gekoppelten Batteriezellen oder -gruppen ausgeglichen sind. Das vorbestimmte Zeitlimit kann ein kalibrierbarer Parameter sein. Die Neuauswahlentscheidung kann auch prüfen, ob während des Zeitraums keine signifikante Änderung des Zellen-SOC vorliegt.
Die offenbarte Betriebsstrategie verbessert die Gesamteffizienz des Systems, da die Umgehungswandler mit höheren Wirkungsgraden betrieben werden. Darüber hinaus stellt die Strategie Möglichkeiten bereit, die Batteriezellen während des Fahrzeugbetriebs auszugleichen.
Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer zuführbar sein/davon umgesetzt werden, die/der eine beliebige bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit beinhalten kann. In ähnlicher Weise können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert sein, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen ausgeführt werden können, darunter unter anderem Informationen, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa ROM-Vorrichtungen, gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und weiteren magnetischen und optischen Medien, gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können außerdem in einem von Software ausfuhrbaren Objekt umgesetzt sein. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardwarekomponenten, wie etwa anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits - ASICs), feldprogrammierbarer Gate-Anordnungen (Field-Programmable Gate Arrays - FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten, ausgeführt sein.
Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Ansprüche eingeschlossen sind. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind vielmehr beschreibende als einschränkende Ausdrücke, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie vorangehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die unter Umständen nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Wenngleich verschiedene Ausführungsformen gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften als vorteilhaft oder bevorzugt beschrieben sein können, erkennt der Durchschnittsfachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder eine oder mehrere Eigenschaften in Frage gestellt werden können, um die gewünschten Gesamtattribute des Systems zu erzielen, die von der konkreten Anwendung und Umsetzung abhängig sind. Diese Attribute können unter anderem Folgendes einschließen: Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Wartbarkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage usw. Daher liegen Ausführungsformen, welche in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Umsetzungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, aufweisend: eine Traktionsbatterie, die eine Vielzahl von Zellen umfasst; Leistungswandler, die jeweils elektrisch zwischen einer entsprechenden Gruppe von Zellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind; und eine Steuerung, die programmiert ist, um einen Strombedarf des elektrischen Busses zu erfüllen, indem eine Teilmenge der Leistungswandler betrieben wird, um jeweils einen Strom zu entnehmen, der einen Schwellenwert überschreitet, der einem Leistungswandlerwirkungsgrad entspricht, der einen vorbestimmten Wirkungsgrad überschreitet, und übrige Leistungswandler bei Nullstrom betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner so programmiert, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge so proportioniert, dass der Strom gleichmäßig unter Leistungswandlern der Teilmenge verteilt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner so programmiert, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist, proportioniert.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Parameter ein Ladezustand.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Parameter eine Batterieleistungsfähigkeit.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner so programmiert, dass sie in Reaktion darauf dass jeder der Leistungswandler der Teilmenge den Strom über eine Zeit entnimmt, die eine vorbestimmte Zeit überschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist und den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist, proportioniert.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner so programmiert, dass sie in Reaktion darauf dass ein durchschnittlicher Ladezustand der entsprechenden Gruppen von Zellen, die der Teilmenge zugeordnet sind, einen Referenzladezustand unterschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist, sodass mindestens einer der Leistungswandler, der Strom entnimmt, nicht der Teilmenge zugewiesen ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Referenzladezustand ein mittlerer Ladezustand der Zellen der Traktionsbatterie.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner programmiert, um Leistungswandler mit entsprechenden Gruppen von Batteriezellen mit den höchsten durchschnittlichen Zellladezuständen der Teilmenge zuzuweisen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Fahrzeugsystem bereitgestellt, aufweisend: eine Vielzahl von Leistungswandlern, die jeweils elektrisch zwischen einer Gruppe von Batteriezellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind; und eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie in Reaktion auf einen Strombedarf des elektrischen Busses eine Teilmenge der Leistungswandler so betreibt, dass eine Stromeingabe an jedem einen Schwellenwert überschreitet, der einem Wirkungsgrad entspricht, der einen vorbestimmten Wirkungsgrad überschreitet, und die übrigen Stromrichter bei Nullstrom betreibt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner so programmiert, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge so proportioniert, dass der Strom gleichmäßig unter Leistungswandlern der Teilmenge verteilt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner so programmiert, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist, proportioniert.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner so programmiert, dass sie in Reaktion darauf dass jede Teilmenge den Strom über eine Zeit entnimmt, die eine vorbestimmte Zeit überschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerung ferner so programmiert, dass sie in Reaktion darauf dass ein durchschnittlicher Ladezustand der entsprechenden Gruppen von Batteriezellen, die der Teilmenge zugeordnet sind, einen Referenzladezustand unterschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist, sodass mindestens einer der Leistungswandler, der Strom entnimmt, nicht der Teilmenge zugewiesen ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Referenzladezustand ein mittlerer Ladezustand aller Batteriezellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren: Betreiben von Leistungswandlern, die elektrisch zwischen entsprechenden Gruppen von Batteriezellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind, durch eine Steuerung, um einen Strombedarf des elektrischen Busses zu erfüllen, sodass eine erste Teilmenge der Leistungswandler Nullstrom entnimmt und jeder einer zweiten Teilmenge von Leistungswandlern Strom entnimmt, der einen Schwellenwert überschreitet, der einem Wirkungsgrad entspricht, der einen vorbestimmten Wirkungsgrad überschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch das Proportionieren des Strombedarfs durch die Steuerung unter den Leistungswandlern der zweiten Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters gekennzeichnet, der den entsprechenden Gruppen von Batteriezellen zugeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch das Neuzuweisen der Leistungswandler zwischen der ersten Teilmenge und der zweiten Teilmenge durch die Steuerung in Reaktion darauf gekennzeichnet, dass die zweite Teilnehme über eine Zeit Strom entnimmt, die eine vorbestimmte Zeit überschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuerung Leistungswandler mit entsprechenden Gruppen von Batteriezellen mit den höchsten durchschnittlichen Zellladezuständen der zweiten Teilmenge zugewiesen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Erfindung ferner durch das Neuzuweisen der Leistungswandler zwischen der ersten Teilmenge und der zweiten Teilmenge durch die Steuerung gekennzeichnet, sodass mindestens einer der Leistungswandler der zweiten Teilmenge der ersten Teilmenge als Reaktion darauf neu zugewiesen wird, dass ein durchschnittlicher Ladezustand von Gruppen, die der zweiten Teilmenge zugeordnet sind, eine vorbestimmte Menge unter einen mittleren Ladezustandswert aller Batteriezellen fällt.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Traktionsbatterie, die eine Vielzahl von Zellen umfasst; Leistungswandler, die jeweils elektrisch zwischen einer entsprechenden Gruppe von Zellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, einen Strombedarf des elektrischen Busses zu erfüllen, indem eine Teilmenge der Leistungswandler betrieben wird, um jeweils einen Strom zu entnehmen, der einen Schwellenwert überschreitet, der einem Leistungswandlerwirkungsgrad entspricht, der einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, und übrige Leistungswandler bei Nullstrom betrieben werden.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge so proportioniert, dass der Strom gleichmäßig unter Leistungswandlern der Teilmenge verteilt ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist, proportioniert.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei der Parameter ein Ladezustand ist.
Fahrzeug nach Anspruch 3, wobei der Parameter eine Batterieleistungsfähigkeit ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie in Reaktion darauf, dass jeder der Leistungswandler der Teilmenge den Strom über eine Zeit entnimmt, die eine vorbestimmte Zeit überschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist und den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist, proportioniert.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie in Reaktion darauf, dass ein durchschnittlicher Ladezustand der entsprechenden Gruppen von Zellen, die der Teilmenge zugeordnet sind, einen Referenzladezustand unterschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist, sodass mindestens einer der Leistungswandler, der Strom entnimmt, nicht der Teilmenge zugewiesen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei der Referenzladezustand ein mittlerer Ladezustand der Zellen der Traktionsbatterie ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner programmiert ist, um Leistungswandler mit entsprechenden Gruppen von Batteriezellen mit den höchsten durchschnittlichen Zellladezuständen der Teilmenge zuzuweisen.
Elektrisches Fahrzeugsystem, umfassend: eine Vielzahl von Leistungswandlern, die jeweils elektrisch zwischen einer Gruppe von Batteriezellen und einem elektrischen Bus gekoppelt sind; und eine Steuerung, die so programmiert ist, dass sie als Reaktion auf einen Strombedarf des elektrischen Busses eine Teilmenge der Leistungswandler so betreibt, dass eine Stromeingabe jeweils einen Schwellenwert überschreitet, der einem Wirkungsgrad entspricht, der einen vorbestimmten Wirkungsgrad überschreitet, und übrige Leistungswandler bei Nullstrom betreibt.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge so proportioniert, dass der Strom gleichmäßig unter Leistungswandlern der Teilmenge verteilt ist.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie den Strombedarf unter den Leistungswandlern der Teilmenge gemäß relativen Werten eines Parameters, der jeder entsprechenden Gruppe von Zellen zugeordnet ist, proportioniert.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie in Reaktion darauf, dass jede Teilmenge den Strom über eine Zeit entnimmt, die eine vorbestimmte Zeit überschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 10, wobei die Steuerung ferner so programmiert ist, dass sie in Reaktion darauf, dass ein durchschnittlicher Ladezustand der entsprechenden Gruppen von Zellen, die der Teilmenge zugeordnet sind, einen Referenzladezustand unterschreitet, die Leistungswandler der Teilmenge neu zuweist, sodass mindestens einer der Leistungswandler, der Strom entnimmt, nicht der Teilmenge zugewiesen ist.
Elektrisches Fahrzeugsystem nach Anspruch 14, wobei der Referenzladezustand ein mittlerer Ladezustand aller Batteriezellen ist.