DE19849055C2 - Verfahren zur Ladezustandsanzeige und/oder Ladezustandssteuerung einer Traktionsbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladezustandsanzeige und/oder zur Ladezustandssteuerung einer Traktionsbatterie eines Hybridantriebssystems, bei dem aus laufenden Messungen ladezu­ standsrelevanter Batteriebetriebsparameter ein momentaner Lade­ zustandswert ermittelt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 43 37 020 C1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Ladezustand einer Traktionsbatte­ rie erfaßt, indem aus einer Batteriestrombilanz auf die der Bat­ terie entnommenen und zugeführten Ladungsmengen geschlossen wird. Parallel zum Bestimmen des Ladezustands der Traktionsbat­ terie wird eine Fehlergröße berechnet, die aus einem Zeitinte­ gral über den Stromdurchsatz der Batterie hervorgeht und die ein Maß für mögliche Abweichungen des ermittelten Ladezustands vom tatsächlichen Ladezustand darstellt. Überschreitet diese Fehler­ größe einen Schwellwert, so wird eine Anzeigeeinheit aktiviert, die dem Fahrer die Notwendigkeit für das Durchführen einer Tief­ entladung oder eines Normalisierungsladevorgangs zwecks Neustart der Ladungsbilanzierung anzeigt. Unter Normalisierungsladevor­ gang ist dabei ein solcher Ladevorgang zu verstehen, bei dem die Traktionsbatterie in einen definierten Volladezustand überführt wird, indem sie auf maximale Kapazität aufgeladen wird. Dies wird herkömmlicherweise meist durch Anschluß der Traktionsbatte­ rie an ein öffentliches Stromnetz bewerkstelligt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur La­ dezustandsanzeige und/oder Ladezustandssteuerung einer Trakti­ onsbatterie eines Hybridan­ triebssystems zu schaffen, bei dem zuverlässige Betriebsgrößen der Traktionsbatterie zur Anzeige oder Steuerung bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ladezustandssteuerung gelöst, bei dem ein um einen unteren Streuabstand unter dem er­ mittelten momentanen Ladezustandswert liegender unterer Ladezu­ standsstreuwert und ein um einen oberen Streuabstand über dem ermittelten momentanen Ladezustandswert liegender oberer Ladezu­ standsstreuwert ermittelt werden, wobei der untere und der obere Streuabstand batteriebetriebsabhängig bestimmt werden und die beiden Ladezustandsstreuwerte laufend angezeigt werden und/oder in Abhängigkeit von den beiden Ladezustandsstreuwerten vorgebba­ re ladezustandsbezogene Batteriebetriebssteuerungsmaßnahmen aus­ geführt werden. Auf diese Weise ist auch über lange Zeiträume hinweg ein optimales Betriebsmanagement der Traktionsbatterie möglich.

In Weiterbildung der Erfindung wird die zulässige Leistungsent­ nahme aus der Batterie reduziert, wenn der untere Ladezustands­ streuwert einen vorgebbaren Leistungsreduktionsgrenzwert unter­ schreitet. Auf diese Weise kann ein unbeabsichtigtes Tiefentla­ den der Traktionsbatterie vermieden werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird die zulässige Aufladelei­ stung reduziert, wenn der obere Ladezustandsstreuwert einen vor­ gebbaren Ladereduktionsgrenzwert überschreitet. Auf diese Weise wird ein besonders schonendes Aufladen der Traktionsbatterie ge­ währleistet.

In Weiterbildung der Erfindung wird die zulässige Aufladestrom­ stärke auf einen Gasentwicklungs-Grenzwert begrenzt, wenn der obere Ladezustandsstreuwert einen Volladungswert erreicht hat. Auf diese Weise wird beim Aufladen der Traktionsbatterie Gasent­ wicklung vermieden.

In Weiterbildung der Erfindung wird eine Empfehlungsinformation für einen Normalisierungsladevorgang angezeigt, wenn die Diffe­ renz zwischen dem oberen und dem unteren Ladezustandsstreuwert einen vorgebbaren ersten Streudifferenz-Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise erhält der Fahrer eines mit dem Hybridantriebs­ system ausgerüsteten Kraftfahrzeugs eine in einfacher Form vor­ liegende wichtige Wartungsinformation.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein Normalisierungsladevor­ gang selbsttätig eingeleitet, wenn die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Ladezustandsstreuwert einen gegenüber dem ersten größeren zweiten Streudifferenz-Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise wird ein Hybridantriebssystem mit hohem Bedien­ komfort geschaffen.

In Weiterbildung der Erfindung werden während eines aktiven Nor­ malisierungsladevorgangs keine Entladevorgänge mehr in bestimm­ ten ersten Betriebssituationen zugelassen, wenn der obere Lade­ zustandsstreuwert unter dem vorgebbaren Ladereduktions-Grenzwert liegt, und darüber hinaus auch keine Entladevorgänge mehr in be­ stimmten weiteren, zweiten Betriebssituationen, wenn der obere Ladezustandsstreuwert über dem Ladereduktions-Grenzwert liegt. Auf diese Weise wird ein schnelles Durchführen des Normalisie­ rungsladevorgangs ermöglicht.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein aktiver Normalisierungs­ ladevorgang beendet, wenn der untere Ladezustandsstreuwert einen Volladungswert erreicht hat. Dies ein sicheres Maß dafür, daß die Baterie ihre Maximalkapazität erreicht hat.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein aktiver Normalisierungs­ ladevorgang beendet, wenn der untere Ladezustandsstreuwert einen vorgebbaren, unter einem Volladungswert liegenden Ladeende- Grenzwert erreicht hat und der Normalisierungsladevorgang minde­ stens seit einer vorgebbaren Mindestladedauer aktiv ist. Auf diese Weise wird ein zu langes Andauern des Normalisierungslade­ vorgangs vermieden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Figu­ ren veranschaulicht und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Hybridantriebssystemes und

Fig. 2 eine zum Hybridantriebssystem gehörende Anzeigeeinheit.

Das in der Fig. 1 dargestellte Hybridantriebssystem 1 hat einen seriellen Hybridantriebsteil 2, der einen Verbrennungsmotor 3 und einen Generator 4 umfaßt, der elektrisch an einen Elektromo­ tor 5 gekoppelt ist. Es sei angemerkt, daß sich das erfindungs­ gemäße Verfahren auch für einen als Parallelhybrid ausgelegten Hybridantriebsteil eignet. Der Elektromotor 5 stellt den Antrieb für ein Getriebe 6 dar. Mit einem Batteriecontroller 7 wird der Ladezustand einer Traktionsbatterie 8 überwacht und der Strom­ fluß in sie und aus ihr über Leitungsverbindungen zum Generator 4 und zum Elektromotor 5 gesteuert. Das Hybridantriebssystem 1 beinhaltet ein Vorkatalysator-Heizungssystem 9 und eine Anzeige­ einheit 10 zur Signalisierung des momentanen Ladezustands der Traktionsbatterie 8 und weist eine Sensor- und Stelleinheit 11 auf, die Geschwindigkeitssensoren, Lenkwinkelsensoren, eine Zeit­ erfassungseinheit etc. umfaßt und im Stellteil Schalter beinhal­ tet, welche es dem Fahrzeugführer gestatten, Änderungen des Be­ triebsmodus der Ladezustandssteuerung durch den Batteriecontrol­ ler zu bewirken. Im Hybridantriebssystem 1 ist ein Netzanschluß 12 vorgesehen, über den die Traktionsbatterie 8 bei abgestelltem Fahrzeug mit Energie aus einem öffentlichen Stromnetz aufgeladen werden kann.

Im Normalbetrieb des Hybridantriebssystems 1 steuert der Batte­ riecontroller 7 den Leistungsfluß in und aus der Traktionsbatte­ rie 8 in herkömmlicher Weise derart, daß deren Ladezustand zwi­ schen beispielsweise 30% und 80% ihrer Nennkapazität gehalten wird. Bei energetisch günstiger Antriebsleistung des Verbren­ nungsmotors 3 bzw. bei Bremsvorgängen bewirkt der Batteriecon­ troller 7, daß die Traktionsbatterie 8 mit elektrischer Energie aus dem Generator 4 aufgeladen wird. Umgekehrt stellt die Trak­ tionsbatterie 8 gesteuert durch den Batteriecontroller 7 bei Be­ darf elektrische Leistung für den Elektromotor 5 und für ein An­ lassen des Verbrennungsmotors 3 mittels des im Anlassermodus be­ triebenen Generators 4 bereit. Dazu ist es zweckmäßig, mit dem Batteriecontroller 7 den Ladezustand der Traktionsbatterie 8 be­ zogen auf ihre Nennkapazität zu berechnen. Dies geschieht in ei­ ner herkömmlichen Weise, z. B. über eine zeitliche Integration des Gesamtstromes in sie und aus ihr gemäß dem in der DE 43 37 020 C1 offenbarten Verfahren, wobei für die Ladezustandsberech­ nung die Batteriespannung, die Batteriebetriebstemperatur, Tem­ peraturschwankungen, das Betriebsalter und auch das kalendari­ sche Alter der Batterie berücksichtigt werden. Gleichzeitig wird laufend ein Streuabstand nach einem hierfür geeigneten Verfahren berechnet, wie es z. B. in der DE 43 37 020 C1 für die Berechnung einer dortigen Fehlergröße beschrieben ist. Der Streuabstand ist ein Maß dafür, wie stark der wahre Ladezustand möglicherweise vom berechneten Ladezustand abweicht, und wächst mit der Zeit an, bis er jeweils bei Durchführen bei einer Normalisierungsla­ dung wieder auf null zurückgesetzt wird. Dabei kann der Streuab­ stand insbesondere in Abhängigkeit von Batteriebetriebsparame­ tern, wie den bisher aufgetretenen Batterieströmen und -spannun­ gen, den Betriebstemperaturen und Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Batterietrogbereichen, und/oder in Abhängigkeit vom kalendarischen und vom Betriebsalter der Batterie bestimmt werden. Durch Addition bzw. Subtraktion zum bzw. vom berechneten Ladezustand bildet der Batteriecontroller 7 einen unteren und einen oberen Ladezustandsstreuwert, die ein Schätz- oder Streu­ intervall für den tatsächlichen Ladezustand der Traktionsbatte­ rie 8 begrenzen. In diesem Beispiel sind folglich der untere und der obere Streuabstand, d. h. der Abstand des unteren und des oberen Streuwertes vom momentanen Ladezustandswert, gleich groß gewählt. Alternativ können sie unterschiedlich groß gewählt sein, indem der untere und der obere Streuabstand separat be­ rechnet werden.

Die in der Fig. 2 näher dargestellte Ladezustands-Anzeigeeinheit 10 weist ein Anzeigefeld 20 mit Zahlenskala 21 auf, welche durch einen unteren Skalenendwert 22 von 0% Ladung und einen oberen Skalenendwert 23 von 100% Ladung begrenzt ist. Im Anzeigefeld 20 leuchtet ein variables Zeigerfeld 24, dessen Mitte dem rechne­ risch ermittelten momentanen Ladezustandswert der Traktionsbat­ terie 8 entspricht und das nach unten durch den unteren Ladezu­ standsstreuwert 25 und nach oben durch den oberen Ladezustands­ streuwert 26 begrenzt ist. Das durch den unteren und oberen Ladezustandsstreuwert 25, 26 begrenzte variable Zeigerfeld 24 zeigt dem Fahrer des Hybridfahrzeuges somit das Streuintervall für den momentanen Ladezustand der Traktionsbatterie 8 an. Op­ tional wird der berechnete momentane Ladezustandswert auch indi­ viduell angezeigt, z. B. wie gestrichelt gezeigt durch einen Zei­ ger 27.

Das ermittelte Streuintervall dient außerdem dazu, daß vom Sy­ stem 1 selbsttätig geeignete Batteriebetriebssteuerungsmaßnahmen durchgeführt werden. Wenn z. B. der untere Ladezustandsstreuwert 25 einen vorgegebenen Leistungsreduktionsgrenzwert von bei­ spielsweise 15% unterschreitet, reduziert der Batteriecontroller 7 die maximal zulässige Leistungsentnahme aus der Traktionsbat­ terie 8 und bewirkt, daß dieser kritische Ladezustand durch eine aufleuchtende Kontrollampe angezeigt wird. Damit wird dem Fahrer unter anderem signalisiert, daß eventuell keine volle Beschleu­ nigungsunterstützung mit Energie aus der Traktionsbatterie mehr möglich ist. Umgekehrt reduziert der Batteriecontroller 7 die maximal zulässige Ladeleistung für die Traktionsbatterie 8, wenn der obere Ladezustandsstreuwert 26 einen vorgegebenen Ladereduk­ tionsgrenzwert von beispielsweise 90% überschreitet, und löst wiederum das Leuchten einer Kontrollampe aus. Erreicht der obere Ladezustandsstreuwert 26 den Volladungsgrenzwert, d. h. den obe­ ren Skalenendwert von 100%, dann begrenzt der Batteriecontroller 7 den maximalen Aufladestrom für die Traktionsbatterie 8 auf ei­ nen Gasentwicklungs-Grenzwert und löst das Aufleuchten einer weiteren Kontrolleuchte aus, die dem Fahrer u. a. signalisiert, daß keine Rekuperationsbremsungen mehr möglich sind. So wird in den bereits voll aufgeladenen Batteriezellen Gasentwicklung ver­ mieden und gleichzeitig bewirkt, daß der Ladezustand der schwä­ cher geladenen Batteriezellen sich an denjenigen der schon voll­ geladenen Batteriezellen angleicht.

Überschreitet die Differenz zwischen oberem Ladezustandsstreu­ wert 26 und unterem Ladezustandsstreuwert 25 einen vorgegebenen ersten Streudifferenz-Grenzwert von beispielsweise 10%, so wird dem Fahrer des Hybridfahrzeuges über eine Displayanzeige mitge­ teilt, daß der ermittelte Ladezustand der Traktionsbatterie 8 nunmehr zu ungenau ist, und er wird aufgefordert, einen Schalter der Sensor- und Stelleinheit 11 zu betätigen, um einen Normali­ sierungsladevorgang auszulösen, in dem der Batteriecontroller 7 in einen Normalisierungslademodus versetzt wird und so ein schnelles und volles Aufladen der Traktionsbatterie 8 auf ihre maximale Kapazität ermöglicht. Der Fahrer des Hybridfahrzeugs kann daraufhin einen Normalisierungsladevorgang z. B. dann auslö­ sen, wenn er weiß, daß eine längere Fahrstrecke mit relativ kon­ tinuierlicher Antriebslast vor ihm liegt, z. B. eine Autobahn­ fahrt, die keine laufenden Energieentnahmen aus der Traktions­ batterie erfordert. Findet eine solche Schalterbetätigung durch den Fahrer nicht statt, löst für den Fall, daß die Differenz zwischen oberem Ladezustandsstreuwert 26 und unterem Ladezu­ standsstreuwert 25 einen gegenüber dem ersten größeren zweiten Streudifferenz-Grenzwert von beispielsweise 20% der Nennkapazi­ tät überschreitet, der Batteriecontroller 7 automatisch einen Normalisierungsladevorgang aus. Das Durchführen eines Normali­ sierungsladevorgangs wird dem Fahrer mit einer Kontrollampe an­ gezeigt.

Für den Normalisierungsladevorgang steuert der Batteriecontrol­ ler 7 den Batteriestrom so, daß eine Leistungsentnahme aus der Traktionsbatterie 8 nur zum Start für den Verbrennungsmotor 2 über den als Anlasser betriebenen Generator 4 und zum Betrieb des Vorkatalysator-Heizungssystems 9 stattfindet. Notfalls wird auch das Vorkatalysator-Heizungssystem 9 abgeschaltet, wenn das Fahrzeug stehen zu bleiben droht. Der Verbrennungsmotor über­ nimmt dann - bis auf Ausnahmefälle - die gesamte Antriebslei­ stung im dynamischen Betrieb und nicht mehr nur einen gemittel­ ten, phlegmatisierten Anteil, d. h. eine Beschleunigungsunter­ stützung mit Energie aus der Traktionsbatterie 8 findet prinzi­ piell nicht statt und Generator 4 und Elektromotor 5 fungieren lediglich noch als elektrisches Getriebe. Um das Fahrzeug in be­ stimmten Fahrsituationen ausnahmsweise auch im Normalisierungs­ lademodus stark beschleunigen bzw. Beschleunigungslöcher über­ brücken zu können, sind dem Batteriecontroller 7 mittels der Sensor- und Stelleinheit 11 signalisierte Sonderbetriebssitua­ tionen vorgesehen, wie beispielsweise ein Kick-down des Gaspe­ dals, in denen kurzfristig eine gesteigerte Beschleunigungslei­ stung des Hybridantriebssystems 1 mit zusätzlicher Energie aus der Traktionsbatterie 8 neben der Verbrennungsmotor-Antriebs­ energie bereitgestellt wird.

Wenn der obere Ladezustandsstreuwert 26 einen als Laderedukti­ onsgrenzwert fungierenden Schwellwert von beispielsweise 90% überschreitet, verringert der Batteriecontroller 7 die maximal zulässige Aufladeleistung. Wenn der obere Ladezustandsstreuwert 26 einen Volladungswert, beispielsweise 100% der Nennkapazität der Traktionsbatterie 8, erreicht hat, reduziert der Batteriecon­ troller die zulässige Aufladestromstärke weiter auf einen Gas­ entwicklungs-Grenzwert, um eine übermäßige Gasentwicklung in der Batterie 8 zu vermeiden. Wie oben erwähnt, hat dieser Batte­ rieladezustand zur Folge, daß keine Rekuperationsbremsung mehr möglich ist. Der Batteriecontroller 7 beendet den Normalisie­ rungsladevorgang, wenn auch der untere Ladezustandstreuwert 25 den Volladungswert von z. B. 100% der Nennkapazität der Trakti­ onsbatterie 8 erreicht hat. In diesem Fall schaltet der Batte­ riecontroller 7 wieder in seinen Normalbetriebsmodus und be­ wirkt, daß der Batterie zum Antrieb des Hybridfahrzeugs so lange bevorzugt Energie entnommen wird, bis ihr ermittelter Ladezu­ stand wieder auf beispielsweise 70% ihrer Nennkapazität abgesun­ ken ist.

Wird der Fahrbetrieb des Fahrzeugs vor Abschluß des Normalisie­ rungsladevorgangs eingestellt, so bewirkt der Batteriecontroller 7 bei Wiederaufnahme des Fahrbetriebs umgehend, daß der Normali­ sierungsladevorgang fortgesetzt wird.

Eine Modifikation des Verfahrens zur Ladezustandssteuerung einer Traktionsbatterie besteht darin, im Normalisierungsladebetriebs­ modus eine Leistungsentnahme aus der Traktionsbatterie völlig zu unterbinden bzw. noch strengeren Kriterien als oben beschrieben zu unterziehen, wenn der Aufladestrom bereits auf einen Gasent­ wicklungs-Grenzwert reduziert ist, um einen schnellen Abschluß des Normalisierungsladevorganges zu gewährleisten. Ferner kann vorgesehen werden, den Normalisierungsladevorgang bereits zu be­ enden, wenn der untere Ladeszustandsstreuwert 25 einen Ladeende- Grenzwert von 95% der Nennkapazität der Traktionsbatterie 8 überschritten hat oder wenn der Normalisierungsladevorgang schon für eine bestimmte Zeit durchgeführt wurde. Ferner kann vorgese­ hen werden, den Normalisierungsvorgang abzubrechen, wenn die Be­ dingungen für einen solchen ungünstig sind. Dies ist beispiels­ weise der Fall, wenn die Anforderungen an die Antriebsleistung des Hybridantriebssystemes 1 hohen Schwankungen unterworfen sind. Dann ist es vorteilhaft, mittels des Batteriecontrollers 7 unvollständige Normalisierungsladevorgänge abzuzählen und gege­ benenfalls einen vorzeitigen Abbruch des Normalisierungsladevor­ ganges nicht mehr zuzulassen, wenn zuvor schon eine vorgebbare Anzahl von z. B. fünf Normalisierungsladevorgängen unvollständig abgebrochen wurden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ladezustandsanzeige und/oder zur Ladezu­ standssteuerung einer Traktionsbatterie (8) eines Hybridan­ triebssystemes (1), bei dem

• - aus laufenden Messungen ladezustandsrelevanter Batteriebe­ triebsparameter ein momentaner Ladezustandswert ermittelt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein um einen unteren Streuabstand unter dem ermittelten momentanen Ladezustandswert liegender unterer Ladezustands­ streuwert (25) und ein um einen oberen Streuabstand über dem ermittelten momentanen Ladezustandswert liegender oberer Lade­ zustandsstreuwert (26) ermittelt werden, wobei der untere und der obere Streuabstand batteriebetriebsabhängig bestimmt werden und die beiden Ladezustandsstreuwerte (25, 26) laufend ange­ zeigt werden und/oder in Abhängigkeit von den beiden Ladezu­ standsstreuwerten (25, 26) vorgebbare ladezustandsbezogene Bat­ teriebetriebssteuerungsmaßnahmen ausgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zulässige Leistungsentnahme aus der Traktionsbatterie (8) reduziert wird, wenn der untere Ladezustandsstreuwert (25) einen vorgebbaren Leistungsreduktionsgrenzwert unterschreitet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zulässige Aufladeleistung reduziert wird, wenn der obere La­ dezustandsstreuwert (26) einen vorgebbaren Ladereduktionsgrenz­ wert überschreitet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zulässige Aufladestromstärke auf einen Gasentwicklungs- Grenzwert begrenzt wird, wenn der obere Ladezustandsstreuwert (26) einen Volladungswert erreicht hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Empfehlungsinformation für einen Normalisierungsladevorgang angezeigt wird, wenn die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Ladezustandsstreuwert (25, 26) einen vorgebbaren ersten Streudifferenz-Grenzwert überschreitet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Normalisierungsladevorgang selbsttätig eingeleitet wird, wenn die Differenz zwischen dem oberen und dem unteren Ladezu­ standsstreuwert (25, 26) einen gegenüber dem ersten größeren zweiten Streudifferenz-Grenzwert überschreitet.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß während eines aktiven Normalisierungsladevorgangs keine Entlade­ vorgänge mehr in bestimmten ersten Betriebssituationen zugelas­ sen werden, wenn der obere Ladezustandsstreuwert (26) unter dem vorgebbaren Ladereduktions-Grenzwert liegt, und darüber hinaus auch keine Entladevorgänge mehr in bestimmten weiteren, zweiten Betriebssituationen zugelassen werden, wenn der obere Ladezu­ standsstreuwert (26) über dem Ladereduktions-Grenzwert liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktiver Normalisierungsladevorgang beendet wird, wenn der untere Ladezustandsstreuwert (25) einen Volladungswert erreicht hat.

9. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktiver Normalisierungsladevorgang beendet wird, wenn der untere Ladezustandsstreuwert (25) einen vorgebbaren, unter einem Volladungswert liegenden Ladeende-Grenzwert erreicht hat und der Normalisierungsladevorgang mindestens seit einer vorgebbaren Mindestladedauer aktiv ist.