СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА АККУМУЛЯТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
METHOD AND DEVICE FOR ELECTRIC ENERGY ACCUMULATOR CURRENT LIMITATION DEPENDING ON TEMPERATURE

Изобретение касается способа и устройства для ограничения тока аккумулятора электрической энергии в зависимости от температуры.
Известные из уровня техники высоковольтные батареи умеренных гибридных, гибридных или электрических автомобилей, называемые также батарейными блоками, состоят из многих, включенных последовательно и/или параллельно, отдельных элементов, например, литиево-ионных элементов. Известно, что температура элементов, как при эксплуатации, так и во время простоя транспортного средства, влияет на срок службы высоковольтной батареи, при этом, в частности, слишком высокие температуры неблагоприятны для срока службы.
Для ограничения термически обусловленного старения из уровня техники, например, DE 10 2007 063 178 A1, DE 10 2007 010 751 A1 или WO 2010/121831 A1, известно темперирование таких высоковольтных батарей посредством системы охлаждения и охлаждающих пластин, через которые протекает текучая среда, для отвода возникающего тепла потерь, чтобы не нарушался допустимый эксплуатационный диапазон температуры аккумулятора электрической энергии.
Для ограничения тепловой нагрузки аккумулятора энергии из практики известно также задание максимально допустимого тока заряда и/или разряда аккумулятора энергии, т.е. установление верхней границы допустимого тока, с которым аккумулятор энергии может заряжаться в течение заданного интервала времени, или который может отбираться у аккумулятора энергии в течение заданного интервала времени без превышения жестких предельных значений температуры. Такие предельные значения могут рассчитываться или, соответственно, устанавливаться с учетом желаемого срока службы аккумулятора энергии. Однако недостаток при этом заключается в том, что задание таких фиксированных предельных значений температуры для тока заряда и/или разряда аккумулятора энергии сопровождается пониженной работоспособностью и гибкостью в отношении обслуживания кратковременно высоких требований мощности.
Поэтому задачей изобретения является предоставить улучшенный способ эксплуатации аккумулятора электрической энергии, с помощью которого могут устраняться недостатки традиционных способов эксплуатации. Задачей изобретения является, в частности, предоставить способ ограничения тока такого аккумулятора энергии в зависимости от температуры, с помощью которого возможно предотвращение длительного превышения термических эксплуатационных пределов и одновременно гибкое реагирование на требование мощности со стороны транспортного средства. Другой задачей является предоставить устройство для ограничения тока аккумулятора энергии в зависимости от температуры, с помощью которого можно избежать недостатков традиционных устройств.
Эти задачи решаются с помощью устройств и способа с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и применения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения и поясняются подробнее в последующем описании с частичной ссылкой на фигуры.
По первому аспекту изобретения названные задачи решаются с помощью способа ограничения тока аккумулятора электрической энергии в зависимости от температуры. В соответствии с предлагаемым изобретением способом адаптация максимально допустимого тока заряда и/или разряда аккумулятора энергии осуществляется в зависимости от температуры аккумулятора энергии, при этом выполняются следующие этапы: нахождение нескольких, следующих во времени друг за другом, значений температуры аккумулятора энергии в течение текущего интервала времени, т.е. значения температуры аккумулятора энергии измеряются в различные, следующие друг за другом моменты времени в данном текущем интервале времени; определение текущего среднего значения температуры аккумулятора энергии в течение текущего интервала времени по найденным значениям температуры аккумулятора энергии; сравнение определенного текущего среднего значения с предварительно определенным номинальным значением температуры; и ограничение максимально допустимого тока заряда и/или разряда аккумулятора энергии, если определенное текущее среднее значение больше номинального значения температуры.
Таким образом, изобретение включает в себя общую техническую концепцию определения верхних пределов для токов заряда и/или разряда в зависимости от отклонения или, соответственно, разности среднего значения температуры аккумулятора энергии и заданного номинального значения. Зависящая от температуры адаптация максимально допустимых токов заряда и/или разряда, в отличие от жестких предельных значений, дает возможность более широкого расчета максимально допустимых токов заряда и/или разряда и только при необходимости, т.е. в случае, если средняя температура аккумулятора энергии превышает некоторое критическое пороговое значение температуры, временного ограничения. При этом в соответствии с изобретением не только одно единственное, мгновенно измеренное значение температуры аккумулятора энергии сравнивается с критическим пороговым значением температуры, но и среднее значение температуры аккумулятора энергии, которое отображает предшествующий ход изменения температуры в аккумуляторе энергии в течение определенного интервала времени. Это дает то преимущество, что в аккумуляторе энергии кратковременно допустимы более высокие температуры, которые известным образом сильнее уменьшают срок службы, если в другой момент времени в аккумуляторе энергии имели место более низкие температуры. Благодаря этому возможен более широкий расчет допустимых пределов тока и повышение работоспособности аккумулятора энергии без необходимости смиряться с более скорым по сравнению с уровнем техники старением.
Термин «аккумулятор электрической энергии», ниже также кратко обозначаемый как аккумулятор энергии, включает в себя, в частности, тяговые батареи или, соответственно, высоковольтные батареи для умеренных гибридных, гибридных или электрических автомобилей. Под тяговой батареей или, соответственно, высоковольтной батареей понимается батарея или, соответственно, батарейный блок из предпочтительно Li-ионных элементов для предоставления электрической энергии для чисто электродвигательного привода или по меньшей мере поддерживаемого электродвигателем привода автомобиля, выполненного в виде умеренного гибридного, гибридного или электрического автомобиля.
Термин «срок службы» обозначает время от первого ввода в эксплуатацию аккумулятора энергии, при котором он имеет исправность англ. State of Health, SoH) 100% и, таким образом, свою полную работоспособность, до достижения конечной степени исправности, которая указывается 0%. В этой связи 0% означает, что аккумулятор энергии обладает в лучшем случае заданной минимальной работоспособностью, а не то, что он вообще больше не работоспособен.
Для аккумуляторов энергии, которые включают в себя множество включенных последовательно и/или параллельно отдельных элементов, например, литиево-ионных элементов, значения температуры аккумулятора энергии указывают критерий значений температур, действующих в элементах, которые могут определяться с помощью собственно известных из уровня техники измерительных устройств.
Предпочтительно максимально допустимый ток заряда и/или разряда с возрастающим отклонением среднего значения от предварительно определенного номинального значения температуры ограничивается сильнее, так что температура аккумулятора энергии после превышения номинального значения температуры наиболее быстрым возможным образом снова снижается до этого или ниже этого значения.
По одному из особенно предпочтительных вариантов осуществления текущее среднее значение температуры аккумулятора энергии определяется как взвешенное среднее значение, при этом высокие температуры аккумулятора энергии взвешиваются с большим коэффициентом, чем низкие температуры аккумулятора энергии. С помощью этого варианта может автоматически учитываться и компенсироваться, что более высокие температуры аккумулятора энергии сильнее уменьшают срок службы аккумулятора энергии, чем более низкие температуры, благодаря чему становится возможна лучшая оптимизация срока службы.
В одном из предпочтительных вариантов этого варианта осуществления составляется справочная таблица, с помощью которой с каждым значением температуры аккумулятора энергии может соотноситься весовой коэффициент. Кроме того, в соответствии с этим вариантом для определения взвешенного среднего значения указанные значения температуры аккумулятора энергии текущего интервала времени перемножаются с соотнесенным с ним весовым коэффициентом и затем складываются. Результирующая сумма делится затем на сумму соотнесенных весовых коэффициентов.
Текущее среднее значение температуры аккумулятора энергии и вместе с тем адаптация максимально допустимого тока заряда и/или разряда аккумулятора энергии определяются предпочтительно непрерывно или, соответственно, регулярно. Если после осуществленного ограничения максимально допустимого тока заряда и/или разряда определенное после этого, теперь уже текущее среднее значение больше не превышает номинальное значение температуры, ограничение максимально допустимого тока заряда и/или разряда отменяется или, соответственно, снимается.
1
n
1
n
При этом в соответствии с одним из вариантов изобретения значения температуры T-T аккумулятора энергии, используемые для непрерывного формирования среднего значения, записываются в запоминающее устройство, и по определенному числу последних сохраненных в памяти значений температуры T-T аккумулятора энергии непрерывно формируется скользящее среднее значение, при этом всегда наиболее старое значение (наиболее старые значения) температуры аккумулятора энергии, сохраненное (сохраненные) в запоминающем устройстве, заменяется новейшим (новейшими). При этом, начиная с текущего момента времени, соответственно n последних измеренных значений температуры аккумулятора энергии используются для формирования скользящего и при этом, как правило, изменяющегося в течение времени среднего значения, благодаря чему становится возможным достоверно непрерывное определение предыдущего среднего хода изменения температуры в аккумуляторе энергии.
Максимально допустимый ток заряда определен верхним пределом допустимого тока, с которым аккумулятор энергии может заряжаться в течение вновь начинающегося интервала времени предварительно определенной продолжительности. Сравнимым образом максимально допустимый ток разряда определен верхним пределом тока, который может отбираться у аккумулятора энергии в течение вновь начинающегося интервала времени предварительно определенной продолжительности. Адаптация допустимого тока заряда и/или разряда аккумулятора энергии осуществляется путем адаптации этих верхних пределов.
В рамках изобретения существует также возможность, чтобы максимально допустимые токи заряда и/или разряда аккумулятора энергии всегда устанавливались в отношении по меньшей мере двух интервалов времени различной продолжительности. Например, продолжительность первого интервала времени может находиться в однозначном, а продолжительность второго интервала времени - в двузначном секундном диапазоне. Это установление пределов тока для заряда и разряда аккумулятора энергии для различных обозримых промежутков времени дает то преимущество, что, например, для кратковременных требований мощности, которые, например, находятся внутри первого интервала времени, могут устанавливаться более высокие допустимые токи заряда и/или разряда, чем для более долговременных требований мощностей. Только в качестве примера, максимально допустимые токи заряда и/или разряда аккумулятора энергии могут, например, устанавливаться для интервалов времени 2, 10 и 30 секунд соответственно. Тогда максимально допустимый ток заряда 100 А для интервала времени 2 секунды указывает, например, что в течение максимум 2 секунд может отбираться самое большее максимальный ток, составляющий 100 А.
По другому варианту изобретения способ включает в себя также этапы: определение предварительной нагрузки батареи на основе сохраненных в памяти эксплуатационных данных, которые указывают токи заряда и/или разряда аккумулятора энергии в текущем и/или прошедшем интервале времени; и адаптация этих максимально допустимых токов заряда и/или разряда аккумулятора энергии в зависимости от определенной предварительной нагрузки аккумулятора энергии. Этот вариант основан на обнаруженном факте, что требование мощности, поставленное в интервале времени до текущего расчетного момента, и результирующий отсюда ток батареи могут значительно влиять на допустимые пределы тока для процессов заряда и/или разряда для будущих интервалов времени. При этом предпочтительно, если адаптация этих максимально допустимых токов заряда и/или разряда аккумулятора энергии осуществляется тоже непрерывно в зависимости от предварительной нагрузки аккумулятора энергии.
По этому варианту, наряду с зависящей от температуры адаптацией максимально допустимых токов заряда и/или разряда аккумулятора энергии, осуществляется, таким образом, также адаптация на основе предварительной нагрузки аккумулятора энергии, так что пределы тока для заряда и/или разряда аккумулятора энергии, в частности для будущих интервалов времени заряда и/или разряда, адаптируются в двухступенчатом процессе.
Кроме того, при этом предпочтительно, когда осуществляется первая адаптация соответственно действительных до этого момента, максимально допустимых токов заряда и/или разряда аккумулятора энергии, в зависимости от определенной предварительной нагрузки аккумулятора энергии, а затем вторая адаптация в зависимости сравнения определенного текущего среднего значения температуры аккумулятора энергии с предварительно определенным номинальным значением температуры. Зависящая от температуры адаптация максимально допустимых токов заряда и/или разряда служит, таким образом, для дополнительной корректировки прогнозированных допустимых токов заряда и/или разряда на основе первой адаптации.
Наконец, в рамках изобретения существует возможность, чтобы определенные устройством управления аккумулятора энергии в соответствии с описанными выше аспектами и при необходимости адаптированные значения максимально допустимых токов заряда и/или разряда непрерывно передавались системе управления транспортного средства для управления компонентами трансмиссии автомобиля, при этом система управления транспортного средства предназначена, чтобы при соблюдении полученных значений максимально допустимых токов заряда и/или разряда настраивать электрическую машину, снабжаемую электрической энергией от аккумулятора энергии, в частности ее инвертер, как исполнительный элемент.
В соответствии с другим аспектом изобретения предоставляется устройство для управления и/или регулирования температуры аккумулятора электрической энергии, которое выполнено для выполнения описанного здесь способа.
Изобретение касается также автомобиля, предпочтительно автомобиля промышленного назначения, имеющего такое устройство.
Описанные выше предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения могут как угодно комбинироваться друг с другом. Другие детали и преимущества изобретения описываются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фиг.1: блок-схема для иллюстрации одного из вариантов осуществления предлагаемого изобретением способа; и
фиг.2: схематично расчет адаптированных максимально допустимых токов заряда и/или разряда в зависимости от предварительной нагрузки батареи и среднего значения температуры аккумулятора энергии по одному из вариантов осуществления изобретения.
Фиг.1 иллюстрирует блок-схему для иллюстрации адаптации максимально допустимых токов заряда и/или разряда в зависимости от среднего значения температуры аккумулятора энергии. В рамках описания фиг.1 ниже также ссылаемся на фиг.2, для иллюстрации деталей отдельных этапов способа.
элемента
i
элемента
элемента
На этапе S1 при эксплуатации аккумулятора энергии непрерывно определяются текущие значения температуры аккумулятора энергии и сохраняются в запоминающем устройстве 3. Аккумулятор энергии представляет собой в настоящем случае тяговую батарею (высоковольтную батарею) автомобиля промышленного назначения, которая собственно известным образом включает в себя батарейный блок (не изображено) из нескольких отдельных элементов. Батарея включает в себя также блок управления, который на фиг.2 обозначен ссылочным обозначением 2. Батарея собственно известным образом имеет температурные сенсоры для определения текущей температуры T отдельных элементов, при этом непрерывно во времени в следующие друг за другом моменты времени t измерения определятся измеряемые значения температуры T отдельных элементов и сохраняются в памяти в запоминающем устройстве 3 для запоминания фактических данных батареи. Вместо измеряемых значений температуры T отдельных элементов, в зависимости от варианта осуществления устройства для измерения температуры данной батареи, могут также определяться только измеряемые значения температуры для нескольких или только для одного элемента.
элемента
На этапе S2 по измеренным значениям температуры батареи в виде измеряемых значений температуры T отдельных элементов непрерывно определяется текущее среднее значение температуры батареи, которое отображает предыдущий ход изменения температуры в аккумуляторе энергии в течение определенного интервала времени. Отдельные этапы для расчета среднего значения изображены на фиг.2 внутри штрихового блока.
элемента
1
n
элемента
элемента
1
n
батареи
i
1
n
Для этого блок 2 управления считывает из запоминающего устройства 3 сначала те n измеряемых значений температуры T для каждого из отдельных элементов, которые измерялись в течение жестко заданного интервала времени в моменты времени t-t измерения до текущего расчетного момента времени (текущий интервал времени). На последующем этапе обработки (на фиг.2 обозначенном «темп. батареи») по измеряемым значениям температуры T отдельных элементов, которые измерялись в одинаковый момент времени измерения, рассчитывается агрегированное измеряемое значение температуры, которое служит критерием для температуры батареи в данный момент времени измерения внутри текущего интервала времени. Для этого могут определяться измеряемые значения температуры T отдельных элементов, однако обычно для этого применяются более сложные методы расчета, которые собственно известны из уровня техники. В целом при этом получаются n агрегированных измеряемых значений температуры T-T (на фиг.2 обозначено «Т_»), соответственно n моментам времени t измерения, где i = от 1 до n, в текущем интервале времени. Эти n измеряемых значений температуры T-T дополнительно обрабатываются в рамках последующего расчета взвешенного среднего значения (на фиг.2 обозначено как «взвешивание»).
1
n
Температура аккумулятора энергии в текущем интервале времени определяется как взвешенное среднее значение, при этом высокие температуры аккумулятора энергии взвешиваются с большим коэффициентом, чем низкие температуры аккумулятора энергии. Для этого составляется справочная таблица (на фиг.2 обозначена как «СТ темп.»), с помощью которой с каждым значением температуры T-T может весовой коэффициент .
Для простого взвешивания устанавливается, например, значение 1 для температур, которые находятся в пределах заданного среднего диапазона температуры, при более высоких температурах батареи это значение может быть выше, при очень низких температурах меньше 1. Тем самым компенсируется, что более высокая температура сильнее уменьшает срок службы, чем низкая температура.
1
n
1
n
взвешивания
_интервала
взвешивания
При этом для каждого значения температуры T-T по справочной таблице находится соответствующий весовой коэффициент g(T) . Затем для определения взвешенного среднего значения эти значения температуры T-T текущего интервала времени перемножаются со своим соотнесенным весовым коэффициентом и затем суммируются. Наконец, определяется сумма соотнесенных весовых коэффициентов t. Другими словами, чтобы определить взвешенное среднее температуры в течение жесткого интервала времени (t), рассчитывается также t, при котором также учитывается время с текущими весовыми коэффициентами.
1
n
взвешивания
_батареи_взвешенная
Затем сумма взвешенных значений температуры T-T делится на сумму соотнесенных весовых коэффициентов t, т.е. взвешенное время. В качестве результата получается взвешенное среднее значение (на фиг.2 обозначено «Т») батареи в текущем интервале времени.
Затем на этапе S3 рассчитанное текущее взвешенное среднее значение сравнивается с заданным номинальным значением температуры, которое не должно превышаться.
Затем на этапе S4 при необходимости следует адаптация максимально допустимых токов заряда и/или разряда. Если рассчитанное текущее взвешенное среднее значение меньше или равно заданному номинальному значению температуры, термически обусловленная адаптация пределов тока не происходит. Если текущее взвешенное среднее значение больше, чем номинальное значение температуры, верхние пределы токов заряда и/или разряда корректируются и понижаются настолько, чтобы дальнейшее повышение температуры элемента не происходило. Снижение токов заряда и/или разряда до 0 в настоящем случае не происходит. Для достижения более мягких переходов могут задаваться нижняя и верхняя максимальная номинальная температура, между которыми снижение верхних пределов токов заряда и/или разряда линейно возрастает.
i
элемента
n+1
элемента
n+1
2
n+1
Выше уже упоминалось, что взвешенное среднее значение температуры непрерывно формируется как скользящее среднее значение. После этапа S4 цикл регулирования, начинается, таким образом, снова. Новый текущий интервал времени включает в себя теперь моменты времени t измерения, где i = от 2 до n + 1. Вновь измеренные, измеряемые значения температуры T отдельных элементов в момент времени t заменяют сохраненные в памяти запоминающего устройства наиболее старые измеряемые значения температуры T отдельных элементов. Таким образом, начиная с текущего момента времени t, на этапе S2 снова используются соответственно n последних измеренных значений температуры T-T аккумулятора энергии для формирования скользящего и вместе с тем, как правило, изменяющегося во времени среднего значения, благодаря чему становится возможным достоверно непрерывное определение предыдущего среднего хода изменения температуры в аккумуляторе энергии.
В соответствии с настоящим вариантом осуществления, наряду с зависящей от температуры адаптацией максимально допустимых токов заряда и/или разряда аккумулятора энергии, дополнительно осуществляется адаптация на основе предварительной нагрузки аккумулятора энергии и/или на основе требования мощности со стороны транспортного средства.
батареи
Как схематично проиллюстрировано на фиг.2, блок 2 управления предназначен для того, чтобы определять предварительную нагрузку батареи на основе сохраненных в памяти эксплуатационных данных, которые указывают токи заряда и/или разряда аккумулятора энергии в текущем и/или прошедшем интервале времени (на фиг.2 обозначено «I_»). Другими словами, блок 2 управления в зависимости от прежней токовой нагрузки батареи прогнозирует допустимые верхние пределы тока заряда и/или разряда для вновь начинающихся интервалов времени предварительно определенной продолжительности, на фиг.2 обозначено «адаптированные пределы тока в каждом интервале времени». Эти верхние пределы указывают максимально допустимые токи заряда и/или разряда аккумулятора энергии для интервалов времени, например, 2, 10 и 30 секунд соответственно. Эти пределы учитывают, например, максимальные, адаптированные по сроку службы пределы тока через элемент, а также соблюдение верхнего и нижнего предела напряжения. Эти значения учитывают предварительную нагрузку таким образом, чтобы адаптированные по сроку службы пределы тока элемента содержали также временную продолжительность токовой нагрузки, которую нельзя превышать. Для этого регистрируется предварительная нагрузка при отборе или отдаче тока, и соответственно снижаются текущие и будущие пределы тока. Если, например, высокий зарядный ток может подаваться в течение всего 10 с и в момент времени текущего расчета пределов тока уже подавался больше 5 с, пределы могут адаптироваться настолько, чтобы этот зарядный ток был возможен только лишь в следующие 5 с. Что касается пределов тока в более далеком будущем, они снижаются настолько, чтобы с учетом предварительной нагрузки ни в каком интервале времени не превышался и не занижался никакой предел тока. Предварительная нагрузка приводит также к изменяющимся внутренним сопротивлениям, что влияет на пределы тока для соблюдения пределов напряжения. Более высокое внутреннее сопротивление вследствие продолжительного отбора тока приводит к более высокому внутреннему сопротивлению в направлении разряда. Это, в свою очередь, приводит к более низкому току, который может отбираться без опускания ниже нижнего предела напряжения.
За этой, сначала не зависящей от температуры адаптацией пределов тока следует затем зависящая от температуры, дополнительная адаптация на основе взвешенного среднего значения температуры батареи, как описано выше. Это изображено на фиг.2 в виде расчетного этапа «терм. лимитирование». Термическое лимитирование на основе текущего взвешенного среднего значения температуры батареи приводит, таким образом, к скорректированным значениям пределов тока («скорректированные адаптированные пределы тока в каждом интервале времени» на фиг.2), в случае если текущее взвешенное среднее значение больше, чем номинальное значение температуры. Тогда эти скорректированные значения указывают при необходимости адаптированные верхние пределы максимально допустимых токов заряда и/или разряда аккумулятора энергии для интервалов времени, например, 2, 10 и 30 секунд соответственно.
Определенные блоком 2 управления аккумулятора энергии в соответствии с описанными выше аспектами и при необходимости адаптированные значения максимально допустимых токов заряда и/или разряда затем непрерывно передаются системе управления транспортного средства, которое настраивает компоненты трансмиссии автомобиля, на фиг.2 изображено в виде «вывода данных». При этом система управления 1 транспортного средства предназначена, чтобы при соблюдении полученных значений максимально допустимых токов заряда и/или разряда настраивать электрическую машину, снабжаемую электрической энергией от аккумулятора энергии, в частности ее инвертер, как исполнительный элемент.
Хотя изобретение было описано со ссылкой на определенные примеры осуществления, для специалиста является очевидным, что могут осуществляться разные изменения и могут использоваться заменяющие эквиваленты без выхода из рамок изобретения. Дополнительно могут осуществляться множество модификаций без выхода из соответствующих рамок. Следовательно, изобретение не должно быть ограничено раскрытыми примерами осуществления, а должно включать в себя все примеры осуществления, которые попадают в рамки прилагаемых пунктов формулы изобретения. В частности, изобретение претендует также на охрану предмета и признаков зависимых пунктов формулы изобретения, независимо от пунктов формулы изобретения, на которые делалась ссылка.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Система управления транспортного средства
2 Блок управления батареи
3 Запоминающее устройство