SE1150510A1

SE1150510A1 - Spänningsomvandlingssystem

Info

Publication number: SE1150510A1
Application number: SE1150510A
Authority: SE
Inventors: Gunnar Ledfelt
Original assignee: Scania Cv Ab
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-01
Also published as: EP2538521A1; BR102012012447A2

Abstract

Ett spänningsomvandlingssystem (2) omfattande:. - ett batterisystem omfattande ett första (4) och ett andra (6) batteri som är seriekopplade med varandra, - en utjämnare (8) ansluten till minst ett av nämnda första och andra batteri och anpassad att omvandla en första spänning till en andra spänning, - en batterisensor (10) anordnad i anslutning till nämnda första batteri (4), och där batterisensorn innefattar en första strömmätkrets anpassad att bestämma ett värde Ii representerande strömmen genom nämnda första batteri. Systemet omfattar vidare en andra strömmätkrets (12) anpassad att bestämma ett värde Iq representerande utjämnarens ström till eller från batterisystemet, och att överföra nämnda värde till batterisensorn,. och att batterisensorn omfattar en beräkningsenhet anpassad att mottaga värdena Ii och Iq och att beräkna ett värderepresenterande strömmen genom nämnda andra batteri, baserat på Ii och Iq. Uppfinningen omfattar även en metod i ett. spänningsomvandlingssystem.(Figur 1)

Description

15 20 25 30 Behovet av batterisensorer för tunga fordon är stort och leverantörer av batterisensorer försöker tillmötesgå behovet genom att komplettera 12-voltssensorer med dubbla spänningsmätningar för att kunna mäta spänningama över de två seriekopplade 12- voltsbatterierna i ett 24-voltssystem.

Tunga fordon erbjuder ofta sina användare 12-voltsmatning genom att förse fordonen med en 24/12-voltsomvandlare. De traditionella omvandlamas förmåga att leverera elektrisk effekt begränsas av omvandlarens prestanda. För att kunna erbjuda höga effekter, under en kortare tid, kan man istället använda en så kallad utjämnare (eng. equalizer). Den 12- voltsmatning som erbjuds fordonet levereras normalt från utjämnaren men genom att förbinda 12-voltsutgången med mittpunkten mellan de två seriekopplade 12- voltsbatterierna kan man tillfälligtvis belasta 12-voltsförsörjningen med betydligt högre ström än vad utjämnaren ensamt klarar av att leverera. Det ena 12-voltsbatteriet ﬁJngerar då som energireserv. Den energi som ”lånas” av det ena 12-voltsbatteriet måste senare återladdas vilket ombesörjs av utjämnaren när 12-voltsförbrukningen sjunkit ner under utjämnarens märkeffekt.

Följande patent och publicerade patentansökan ger exempel på användning av en utjämnare bland annat för batterier i 24-voltsystem.

US-7,808,208 avser en utjämningskrets för fordon avsedd att utjämna laddningsnivån mellan två batterier i ett 24 voltsystem. Även US-6,373,223 avser en utjämningskrets för energiöverföring mellan ett ﬂertal batterier inkopplade i serie.

WO-2009/ 145709 avser ett spänningsomvandlingssystem med en utj ämnare där detekteringen av batteriobalans och laddningsövervakning för batteriet är strömbaserad.

Vid användning av batterisensorer för tunga fordon med två seriekopplade batterier förutsätts att samma ström går genom bägge batterierna. Vid användning av en utjämnare vid spänningsomvandling kan man inte räkna med att samma ström går genom bägge batterierna, eftersom utjämnarens funktion bygger bland annat på att låna och lämna tillbaka laddning i det ena batteriet. En lösning på detta problem skulle vara att anordna en batterisensor för varje batteri, men det är en kostsam lösning som dels kräver ytterligare hårdvara och dels är arbetskrävande i samband med monteringen. 10 15 20 25 30 Således finns det en svårighet att korrekt mäta batteriemas status då en utjämnare används eftersom strömmen genom batteriema inte är samma.

Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förbättrat spänningsomvandlingssystem som möjliggör korrekt bestämning av batteriernas status, och som samtidigt inte är kostsam att implementera.

Sammanfattning av uppfinningen Ovan nämnda syften åstadkommes med uppfinningen definierad av de oberoende patentkraven.

Föredragna utföringsforrner definieras av de beroende patentkraven.

Batterimodeller baseras på temperatur-, ström- och spänningsmätningar. Vid motorstart studeras de snabba variationema i ström och spänning vilket ställer krav på ””samtidighet”” i mätningarna (inom någon ms). En extern strömmätare måste alltså kunna mäta minst lika fort som strömmätaren i batterisensom och dessutom kunna kommunicera med batterisensom.

Vid användning av en utj ämnare för spänningsomvandling, exempelvis från 24 volt till 12 volt, påverkas laddningsuttaget från batteriema, och utj ämnaren lånar tillfälligt laddning från ett batteri som senare lämnas tillbaka. Detta påverkar storleken på strömmarna genom de båda batteriema.

Om man endast avser att använda en batterisensor förutsätter det att samma ström går genom båda batterierna vilket inte är fallet här eftersom utj ämnaren påverkar systemet.

Genom att mäta strömmen till eller från utj ämnaren - vilket sker t.ex. med en ytmonterad strömshunt - och överföra information om storleken på denna ström till batterisensom kan batterisensorn ta hänsyn till detta och korrekt beräkna batterikapaciteten och battaristatus enligt någon av de beräkningsmodeller som finns. 10 15 20 25 30 4 En fördel med uppfinningen är att man undviker användningen av två batterisensorer, en för varje batteri, vid spänningsomvandling med en utjämnare. Detta innebär en kostnadsbesparing, dels pä grund av minskad hårdvara och dels på grund av minskade monteringskostnader.

Enligt en utföringsforrn mäts utjämnarens ström från mittpunkten mellan två seriekopplade 12-voltsbatterier och batterisensom informeras om skillnaden i batteriströmmama.

Det blir allt vanligare att vilja bestämma batteristatus och då är det två statusvärden som är viktiga att bestämma, laddningsstatus (State of Charge - SOC) och livslängdsstatus (State of Health - SOH). Laddningsstatus bestäms för en förhållandevis kortare tidshorisont (i storleksordningen timmar), medan livslängdsstatus bestäms för en längre tidshorisont (i storleksordningen månader).

Det är viktigt att kunna analysera hur ström och spänning varierar vid höga effektuttag, till exempel i samband med starter, som är snabba förlopp och för att fånga dessa förlopp samplas ström- och spänningsvärdena med en mätfrekvens exempelvis i storleksordningen 1000 Hz.

Föreliggande uppfinning är även tillämpbar för så kallade dubbelbatterisystem, bestående av ett kraftbatterisystem och ett startbatterisystem. I en sådan tillämpning är utjämnaren inkopplad till kraftbatterisystemet.

Kort ritningsbeskrivning Figur 1 är ett schematiskt blockschema som illustrerar en första utföringsforrn av föreliggande uppfinning.

Figur 2 är ett schematiskt blockschema som illustrerar en andra utföringsforrn av föreliggande uppfinning.

Figur 3 är ett schematiskt blockschema som illustrerar en tredje utföringsforrn av föreliggande uppfinning.

Figur 4 är ett ﬂödesdiagram illustrerande metoden enligt föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 Detalierad beskrivning av föredragna utföringsformer av uppfinningen Med hänvisning till de bifogade figurerna kommer nu uppfinning att beskrivas i detalj.

Föreliggande uppfinning avser ett spänningsomvandlingssystem 2 omfattande ett batterisystem omfattande ett första 4 och ett andra 6 batteri som är seriekopplade med varandra, en utj ämnare 8 ansluten till minst ett av nämnda första och andra batteri och anpassad att omvandla en första spänning VUT1 till en andra spänning VUT2, och en batterisensor 10 anordnad i anslutning till nämnda första batteri 4, och där batterisensom innefattar en första strömmätkrets anpassad att bestämma ett värde 11 representerande strömmen genom nämnda första batteri.

Systemet omfattar vidare en andra strömmätkrets 12 anpassad att bestämma ett värde IEQ representerande utjämnarens ström till eller från batterisystemet, och att överföra nämnda värde till batterisensom, och att batterisensorn omfattar en beräkningsenhet anpassad att mottaga värdena 11 och IEQ och att beräkna ett värde 12, representerande strömmen genom nämnda andra batteri, baserat på 11 och IEQ. Strömmen IEQ i anslutningen mellan batterisystemet och utjämnaren kan gå i båda riktningama beroende på i vilket tillstånd utjämnaren befinner sig i.

Strömmen genom det andra batteriet beräknas enkelt av beräkningsenheten med ekvationen 12 = 11+1EQ. 1 figurema 1-3 har spänningen över det första batteriet betecknats med V1 och spänningen över båda batterierna betecknats med V12.

Enligt en variant av spänningsomvandlingssystemet kan den första spänningen ha den ungefärliga dubbla amplituden för den andra spänningen. Exempelvis är den första spänningen 12 volt, och den andra spänningen är 24 volt. 1 ﬁguren har utspänningen över båda batteriema betecknats VUT1, vilken väsentligen överensstämmer med V12, och utspänningen som fås via utj ämnaren har betecknats VUT2, som väsentligen överensstämmer med V1. 10 15 20 25 30 Enligt en utföringsforrn omfattar den första strömmätkretsen en strömshunt inkopplad för mätning av strömmen genom det första batteriet, och en första och en andra spänningsmätenhet inkopplade för mätningar av spänningen över nämnda första respektive andra batteri.

Företrädesvis omfattar den andra strömmätkretsen också en strömshunt.

Såsom nämnts ovan omfattar en strömshunt en högprecisionsresistor med en känd resistans och genom att mäta spänningen över resistorn kan strömmen genom resistorn enkelt bestämmas genom Ohms lag.

Den första och/eller den andra strömmätkretsen kan istället realiseras med ett så kallat Hall-element. Hall-elementets ﬁinktion baseras på mätning av det magnetiska fält som bildas runt en ledare då ström flyter genom ledaren. En fördel med denna mätteknik är att den utgör en strömsensor som inte behöver anslutas direkt till ledaren där strömmen skall bestämmas eftersom ingen resistans behöver kopplas in utan avläsningen sker från utsidan av ledaren.

Figurerna 1-3 visar tre olika utföringsforrner av uppfinningen.

De olika utföringsformerna skilj er sig åt med avseende på var den andra strömmätkretsen är placerad.

Enligt utföringsforrnen visad i figur l är den andra strömmätkretsen 12 anordnad i utjämnaren.

Den andra strömmätkretsen omfattar, enligt denna utföringsforrn, en kommunikationsenhet anpassad att genomföra enkelriktad eller dubbelriktad överföring av information med nämnda batterisensor. Kommunikationen har indikerats med en streckad dubbelriktad pil. Inforrnationen som överförs från kommunikationsenheten till batterisensom utgörs bland annat av värden representerande uppmätt ström IEQ till och från utjämnaren.

Det kan även vara aktuellt att överföra information från batterisensorn till utjämnaren, t.ex. avseende batteristatus vilket kan vara relevant vid återladdning av batterierna eftersom utjämnaren då kan optimera återladdningen i beroende av batteristatus. 10 15 20 25 30 Inforrnationsutbytet mellan utjämnaren och batterisensom sker till exempel via nätverken LIN (Local Interconnect Network) eller CAN (Controller Area Network).

Enligt utföringsforrnen visad i figur 2 är den andra strömmätkretsen 12 en separat krets anordnad på anslutningen mellan utjämnaren och batterisystemet. Även i denna utföringsforrn omfattar strömmätkretsen en kommunikationsenhet för att genomföra informationsöverföringen till batterisensom, och inforrnationsutbytet kan exempelvis ske via LIN eller CAN.

Enligt utföringsformen visad i ﬁgur 3 är den andra strömmätkretsen 12 anordnad i batterisensom. I denna utföringsforrn är den andra strömmätkretsen integrerad i batterisensom vilket exempelvis kan realiseras genom att låta anslutningen mellan batterisystemet och utjämnaren passera genom batterisensom. I figur 3 har detta illustrerats med en streckad pil från anslutningen till batterisensom 10.

För att batterisensom skall kunna mäta upp även snabba förlopp, exempelvis i samband med att startmotorn körs, måste mätningarna ske med en tillräckligt hög frekvens.

Företrädesvis bestäms strömmen 11 genom det första batteriet och strömmen IEQ till och från utjämnaren med en mätfrekvens som är högre än 500 Hz. Ännu mera fördelaktigt är att mätfrekvensen är högre 1000 Hz. Mätfrekvens kan vara förutbestämd och konstant.

Föreliggande uppfinning omfattar naturligtvis även mätningar med lägre mätfrekvenser, t.ex. i situationer då det inte är motiverat att mäta så ofta. Mätfrekvensen kan även vara varierande och adaptiv, t.ex. att mätningama sker oftare i samband med då startmotom initieras och betydligt mera sällan då fordonet är parkerat och endast exempelvis belysningen och radion drar ström.

Vid bestämning av laddningsstatus (SOC) och livslängdstatus (SOH) för batterisystemet krävs ett antal parametrar för respektive batteri, exempelvis spänningen över nämnda första respektive andra batteri och strömmen genom nämnda första respektive andra batteri. Andra parametrar som ofta utnyttjas är temperaturvärden och tidpunkten då strömmar och spänningama mätts upp. Dessa statusvärden för batterisystemet kan 10 15 20 25 30 beräknas av beräkningsenheten, eller av en extern enhet som fär tillgång till nödvändiga parametrar via exempelvis LIN eller CAN.

Uppfrnningen omfattar även en metod i spänningsomvandlingssystemet som beskrivits ovan. Metoden illustreras översiktligt av ﬂödesschemat i ﬁgur 4, och omfattar att: A) bestämma ett värde 11 representerande strömmen genom nämnda första batteri; B) bestämma ett värde IEQ representerande utjämnarens ström till eller från batterisystemet; C) överföra nämnda värde IEQ till batterisensom; D) mottaga i beräkningsenheten värdena 11 och IEQ, och E) beräkna ett värde 12, representerande strömmen genom nämnda andra batteri, baserat på 11 och IEQ.

Mätningen av 11 och IEQ genomförs i enlighet med metoden med en mätfrekvens som företrädesvis är högre än 500 Hz och kan vara förutbestämd och konstant, eller varierande.

Andra mätfrekvenser kan naturligtvis vara aktuella enligt det som beskrivits ovan i anslutning till beskrivningen av spänningsomvandlingssystemet.

Batterisensorn är anpassad att mäta och/eller bestämma parametrar som behövs för att bestämma ett eller ﬂera statusvärden, exempelvis laddningsstatus (SOC) och livlängdsstatus (SOH) för batterisystemet. Dessa parametrar omfattar spänningen över nämnda första respektive andra batteri och strömmen genom nämnda första respektive andra batteri. Andra parametrar kan vara temperaturen för batterierna och tidpunkten för när mätningarna genomförs.

Metoden omfattar således dessutom, enligt en utföringsform, att: F) bestämma laddningsstatus (SOC) och livslängdstatus (SOH) för batterisystemet baserat på nämnda parametrar.

Föreliggande uppﬁnning är inte begränsad till ovan beskrivna föredragna utföringsforrner.

Olika alternativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas. Ovan utföringsformer skall 9 därför inte betraktas som begränsande uppﬁnningens skyddsomfång vilket deﬁnieras av de bifogade patentkraven.

Claims

10 15 20 25 30 10 Patentkrav

1. Ett spänningsomvandlingssystem (2) omfattande: - ett batterisystem omfattande ett första (4) och ett andra (6) batteri som är seriekopplade med varandra, - en utj ämnare (8) ansluten till minst ett av nämnda första och andra batteri och anpassad att omvandla en första spänning till en andra spänning, - en batterisensor (10) anordnad i anslutning till nämnda första batteri (4), och där batterisensom innefattar en första strömmätkrets anpassad att bestämma ett värde 11 representerande strömmen genom nämnda första batteri, k ä n n e t e c k n a d a v att systemet vidare omfattar en andra strömmätkrets (12) anpassad att bestämma ett värde IEQ representerande utjämnarens ström till eller från batterisystemet, och att överföra nämnda värde till batterisensom, och att batterisensom omfattar en beräkningsenhet anpassad att mottaga värdena 11 och IEQ och att beräkna ett värde 12, representerande strömmen genom nämnda andra batteri, baserat pä 11 och IEQ.

2. Spänningsomvandlingssystemet enligt krav 1, varvid nämnda första strömmätkrets omfattar en strömshunt inkopplad för mätning av strömmen genom nämnda första batteri, och en första och en andra spänningsmätenhet inkopplade for mätningar av spänningen över nämnda första respektive andra batteri.

3. Spänningsomvandlingssystemet enligt nägot av kraven 1 eller 2, varvid nämnda andra strömmätkrets omfattar en strömshunt.

4. Spänningsomvandlingssystemet enligt nägot av kraven 1-3, varvid nämnda utjämnare omfattar nämnda andra strömmätkrets.

5. Spänningsomvandlingssystemet enligt nägot av kraven 1-3, varvid nämnda batterisensor omfattar nämnda andra strömmätkrets.

6. Spänningsomvandlingssystemet enligt något av kraven 1-4, varvid nämnda 10 15 20 25 30 ll andra strömmätkrets omfattar en kommunikationsenhet anpassad att genomföra enkelriktad eller dubbelriktad överföring av information med nämnda batterisensor.

7. Spänningsomvandlingssystemet enligt något av kraven l-6, varvid 11 och IEQ är anpassade att bestämmas med en mätfrekvens som är högre än 500 Hz.

8. Spänningsomvandlingssystemet enligt något av kraven 1-7, varvid 11 och IEQ är anpassade att bestämmas med en adaptiv varierande mätfrekvens.

9. Spänningsomvandlingssystemet enligt något av kraven l-8, varvid nämnda batterisensor är anpassad att mäta och/eller bestämma parametrar som behövs for att bestämma ett eller flera statusvärden för batterisystemet.

10. Spänningsomvandlingssystemet enligt krav 9, varvid nämnda parametrar omfattar spänningen över nämnda första respektive andra batteri och strömmen genom nämnda första respektive andra batteri.

11. En metod i ett spänningsomvandlingssystem omfattande: - ett batterisystem omfattande ett första och ett andra batteri som är seriekopplade med varandra, - en utj ämnare ansluten till minst ett av nämnda första och andra batteri och anpassad att omvandla en första spänning till en andra spänning, - en batterisensor anordnad i anslutning till nämnda forsta batteri, innefattande en första strömmätkrets och en beräkningsenhet, k ä n n e t e c kn a d av att metoden omfattar att: A) bestämma ett värde 11 representerande strömmen genom nämnda första batteri; B) bestämma ett värde IEQ representerande utjänmarens ström till eller från batterisystemet; C) överföra nämnda värde IEQ till batterisensom; D) mottaga i beräkningsenheten värdena 11 och IEQ, och E) beräkna ett värde 12, representerande strömmen genom nämnda andra batteri, 10 15 20 25 30 12 baserat på 11 och IEQ.

12. Metoden enligt krav 11, varvid spänningsomvandlingssystemet omfattar en andra strömmätkrets innefattande en kommunikationsenhet anpassad att genomföra enkelriktad eller dubbelriktad överföring av inforrnation med nämnda batterisensor.

13. Metoden enligt något av kraven 11 och 12, varvid nämnda andra strömmätkrets omfattar en strömshunt.

14. Metoden enligt något av kraven 11-13, varvid nämnda första strömmätkrets omfattar en strömshunt inkopplad for mätning av strömmen genom nämnda första batteri, och en första och en andra spänningsmätenhet inkopplade for mätningar av spänningen över nämnda första respektive andra batteri.

15. Metoden enligt något av kraven 11-14, varvid 11 och IEQ är anpassade att bestämmas med en mätfrekvens som är högre än 500 Hz.

16. Metoden enligt något av kraven 11-15, varvid 11 och IEQ är anpassade att bestämmas med en adaptiv varierande mätfrekvens.

17. Metoden enligt något av kraven 1 1-16, varvid nämnda batterisensor är anpassad att mäta och/eller bestämma parametrar som behövs för att bestämma ett eller ﬂera statusvärden för batterisystemet.

18. Metoden enligt krav 17, varvid nämnda parametrar omfattar spänningen över nämnda första respektive andra batteri och strömmen genom nämnda första respektive andra batteri.

19. Metoden enligt något av kraven 17 och 18, varvid metoden omfattar att: F) bestämma laddningsstatus (SOC) och livslängdstatus (SOH) för batterisystemet baserat på nämnda parametrar.