Способ и устройство для управления и/или регулирования по меньшей мере одного рабочего параметра аккумулятора электроэнергии, влияющего на уровень старения аккумулятора электроэнергии
Изобретение относится к накопителям электроэнергии. В способе управления и/или регулирования рабочего параметра аккумулятора электроэнергии, влияющего на уровень старения аккумулятора автомобиля, определяют фактический и целевой уровень старения аккумулятора. Затем корректируют допустимый диапазон рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра, если сравнение фактического уровня старения с целевым уровнем старения показывает, что фактический уровень старения указывает на повышенное/пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения. Диапазон рабочего параметра корректируют так, чтобы работа аккумулятора осуществлялась в пределах скорректированного диапазона рабочего параметра с пониженной/повышенной скоростью старения. Улучшается эксплуатация аккумулятора. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к способу и устройству для управления и/или регулирования, по меньшей мере, одного рабочего параметра аккумулятора электроэнергии, влияющего на уровень старения аккумулятора электроэнергии автомобиля.
Аккумуляторы электроэнергии, в частности, тяговые батареи или высоковольтные батареи мягких гибридных автомобилей, полногибридных автомобилей или электромобилей, подвергаются различным эффектам старения и должны рассчитываться с учетом эффектов старения на планируемую продолжительность службы, предпочтительно на планируемую продолжительность службы деталей автомобиля.
В области автомобилестроения для наблюдения рабочего режима и эффектов старения аккумулятора электроэнергии принято рассчитывать степень заряженности (по-английски state of charge (SOC)) или уровень старения (по-английски state of health (SOH),) аккумулятора электроэнергии из текущих рабочих переменных аккумулятора электроэнергии, в частности, напряжения, тока и температуры аккумулятора электроэнергии. Способы определения уровня старения батарей транспортных средств известны, например, из документов US 6103408, DE 19750309A или из DE 3712629C2, DE 10049495A. Способ предсказания оставшейся продолжительности службы аккумулятора электроэнергии известен, например, из DE 10328721 A1.
В частности, из практики известно, что старение аккумулятора электроэнергии зависит от температуры, токовой нагрузки и числа перезарядок. Поэтому в данной области техники пытались предотвратить повреждение аккумулятора электроэнергии путем установки заранее определенных допустимых диапазонов этих рабочих параметров аккумулятора электроэнергии.
Для ограничения обусловленного температурой старения из уровня техники известно, например, из документов DE10/2007 063178A1, DE10/2007 010751A1 или WO 2010/121831 A1 о поддержании теплового режима таких высоковольтных батарей с помощью системы охлаждения и пластин радиатора, через который течет теплоноситель, чтобы отводить возникающее неиспользованное тепло и, таким образом, не выйти за допустимый рабочий диапазон температур аккумулятора электроэнергии.
Кроме того, из практики известно о защите аккумулятора электроэнергии от слишком сильной нагрузки и, тем самым, от слишком быстрого старения путем защиты от перезарядки и недозарядки или путем ограничения напряжения.
Однако недостатком известных подходов является то, что старение аккумулятора электроэнергии и при соблюдении таких жестко заданных рабочих диапазонов для рабочих параметров аккумулятора энергии в фактических условиях протекает очень по-разному, например, в зависимости от индивидуальных нагрузок, манеры вождения и места использования транспортного средства, поэтому старение может отклоняться от запланированного хода.
Таким образом, задачей изобретения является разработка улучшенного способа эксплуатации аккумулятора электроэнергии автомобиля, благодаря которому можно избежать недостатков традиционных способов эксплуатации. Задачей изобретения является, в частности, разработка способа эксплуатации аккумулятора электроэнергии, благодаря которому можно предотвратить слишком сильное отклонение от запланированной продолжительности службы аккумулятора энергии и, в частности, выход из строя или преждевременную замену аккумулятора электроэнергии из-за эффектов старения до истечения запланированной продолжительности службы. Следующей задачей является создание устройства для регулирования и/или управления аккумулятором электроэнергии, с которым можно избежать недостатков традиционных устройств.
Эти задачи решены устройствами и способами с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и применения изобретения являются объектом зависимых пунктов и подробно описываются в следующем описании, отчасти с обращением к фигурам.
Согласно первому аспекту изобретения указанные задачи решены способом управления и/или регулирования, по меньшей мере, одного рабочего параметра аккумулятора электроэнергии, влияющего на уровень старения аккумулятора электроэнергии автомобиля.
Согласно предлагаемому способу отслеживается и определяется фактический уровень старения SOHist аккумулятора электроэнергии, а также целевой уровень старения SOHsoll аккумулятора электроэнергии. При этом целевой уровень старения SOHsoll задается определенной кривой старения от времени. Согласно изобретению затем корректируется допустимый диапазон рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра, если сравнение фактического уровня старения SOHist с целевым уровнем старения SOHsoll показывает, что фактический уровень старения указывает на повышенное старение и/или пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения SOHsoll. При установленном повышенном старении диапазон рабочего параметра корректируется так, чтобы работа аккумулятора электроэнергии осуществлялась в пределах скорректированного диапазона рабочего параметра с пониженной скоростью старения, чтобы вернуться на кривую целевого старения, или чтобы фактический уровень старения SOHist, по меньшей мере, приблизился к кривой целевого старения.
Таким образом, изобретение включает общепринятое техническое решение, наблюдать за фактическим уровнем старения SOHist аккумулятора электроэнергии,и при ухудшении фактического уровня старения SOHist по сравнению с целевым уровнем старения SOHsoll, ожидаемым для возраста аккумулятора энергии в настоящий момент времени, корректировать допустимый диапазон одного или нескольких рабочих параметров, влияющих на старение аккумулятора энергии таким образом, чтобы аккумулятор энергии до конца его задаваемой целевой продолжительности службы оставался работоспособным. При этом относительное отклонение фактического уровня старения SOHist от ожидаемого целевого уровня старения SOHsoll служит входной переменной для регулятора или системы управления, которая в зависимости от относительного отклонения изменяет допустимый диапазон значений одного или нескольких рабочих параметров, влияющих на уровень старения аккумулятора энергии, чтобы привести к сближению SOHist как регулируемой переменной и SOHsoll как задающей переменной.
Если сравнение фактического уровня старения SOHist с целевым уровнем старения SOHsoll показывает, что фактический уровень старения указывает на пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения SOHsoll, диапазон рабочего параметра можно скорректировать так, чтобы работа аккумулятора электроэнергии осуществлялась в пределах скорректированного диапазона рабочего параметра с повышенной скоростью старения, чтобы и в этом случае достигался возврат к кривой целевого старения, или чтобы фактический уровень старения SOHist, по меньшей мере, приближался к кривой целевого старения.
Таким образом, согласно этому варианту диапазон рабочего параметра, по меньшей мере, одного рабочего параметра корректируется при установлении не только слишком быстрого, но также и слишком медленного старения. Это выгодно тем, что диапазон или диапазоны рабочих параметров корректируются для повышения эффективной мощности аккумулятора энергии до тех пор, пока фактический уровень старения SOHist снова не будет соответствовать целевому уровню старения SOHsoll ожидаемому на основе текущего срока службы аккумулятора энергии.
Повышенное и/или пониженное старение можно установить, когда разница фактического уровня старения (SOHist) и целевого уровня старения (SOHsoll) превысит заданное пороговое значение. Пороговое значение можно принять равным нулю, так что при любом отклонении происходит корректировка, по меньшей мере, одного допустимого диапазона рабочего параметра.
Однако особенно выгодно устанавливать пороговое значение на рационально задаваемую величину больше нуля, чтобы принимать меры только при минимальном отклонении и корректировать допустимый диапазон значений для, по меньшей мере, одного рабочего параметра. Кроме того, для установления повышенного и установления пониженного старения можно устанавливать разные пороговые значения.
Термин "аккумулятор электроэнергии", далее называемый также сокращенно аккумулятором энергии, охватывает, в частности, тяговые батареи или высоковольтные батареи для мягких гибридных автомобилей, полногибридных автомобилей или электромобилей. Под тяговой батареей или высоковольтной батарей понимается батарея или батарейный блок для обеспечения электроэнергией чисто электромоторного привода или по меньшей мере поддерживаемого электроэнергией привода автомобиля типа мягкого гибрида, полного гибрида или электромобиля.
Для термина "уровень старения", называемого также работоспособностью, обычно и, в частности, в настоящем документе применяется английское выражение "State of Health" или соответствующая аббревиатура "SOH".
Как упоминалось во введении, способы определения фактического уровня старения SOHist из уровня техники известны. При этом уровень старения обычно указывается в процентах, начиная с исходного значения 100%, при котором аккумулятор энергии обладает своей полной эффективной мощностью, и до конечного состояния, указываемого как 0%. В этой связи 0% означает всего лишь, что аккумулятор энергии еще имеет заданную минимальную эффективную мощность, например, 80% от первоначальной эффективной мощности, а не то, что он вообще больше не работоспособен. Исходное состояние называется также состоянием "Beginning of Life" или BoL-состоянием, а конечное состояние называется состоянием "End of Life" или EoL-состоянием. По достижении EoL-состояния 0% аккумулятор энергии нужно заменить.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления способ включает, кроме того, определение оставшейся продолжительности службы (по-английски remaining mission time) аккумулятора электроэнергии до ожидаемого достижения EoL-состояния. Согласно этому варианту осуществления корректировка допустимого диапазона рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра производится в зависимости от определенной оставшейся продолжительности службы таким образом, чтобы при уменьшении оставшейся продолжительности службы корректировка была больше.
Преимущество этого варианта состоит в том, что сила корректировки диапазона рабочего параметра, например, сила вмешательства регулятора, автоматически корректируется ко времени (оставшейся продолжительности службы), которое еще остается для выравнивания отклонения между фактическим уровнем старения SOHist и целевым уровнем старения SOHsoll. Вместо оставшейся продолжительности службы можно аналогично использовать также оставшийся эксплуатационный пробег (по-английски remaining mission distance).
Эта оставшаяся продолжительность службы определяется как время до достижения произвольно устанавливаемого предельного значения минимальной мощности или минимальной емкости аккумуляторной батареи, то есть предполагаемая продолжительность до достижения EoL-состояния. Обычно оставшаяся продолжительность службы определяется экстраполяцией с помощью математической модели аккумулятора энергии, см., например, заявку DE 10328721 A1. Альтернативно согласно одному варианту осуществления можно также вместо оставшейся продолжительности службы указывать оставшийся эксплуатационный пробег, т.е., например, число километров, которое еще можно проехать с аккумулятором энергии, пока он не достигнет EoL-состояния.
Согласно одному предпочтительному примеру осуществления, по меньшей мере, один рабочий параметр указывает интервал допустимой степени заряженности (State of Charge (SOC)-интервал) аккумулятора электроэнергии, который устанавливает допустимую нижнюю границу степени заряженности, SOCMin, и допустимую верхнюю границу степени заряженности, SOCMax. Нижняя граница степени заряженности SOCMin указывает, например, насколько глубоко аккумулятор энергии может максимально разрядиться. Согласно этому примеру осуществления допустимую нижнюю границу степени заряженности SOCMin повышают и/или допустимую верхнюю границу степени заряженности SOCMax снижают, когда фактический уровень старения указывает на повышенное старение по сравнению с целевым уровнем старения SOHsoll, т.е., когда разница целевого уровня старения SOHsoll и фактического уровня старения SOHist превысит заданное пороговое значение.
Хотя при снижении допустимой верхней границы степени заряженности SOCMax и/или при повышении допустимой нижней границы степени заряженности SOCMin уменьшается эффективное, имеющееся в распоряжении количество энергии, предоставляемое аккумулятором электроэнергии, но, как известно, при меньшей амплитуде изменения энергии уменьшаются также деградация и скорость старения аккумулятора. В одном варианте этого примера осуществления в рамках изобретения имеется возможность повышать допустимую верхнюю границу степени заряженности SOCMax и/или понижать допустимую нижнюю границу степени заряженности SOCMin, когда фактический уровень старения указывает на пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения SOHsoll.
Согласно следующему примеру осуществления, по меньшей мере, один рабочий параметр указывает максимально допустимый зарядный и/или разрядный ток или максимально допустимый зарядный и/или разрядный ток для параметризуемого временного интервала. Согласно этому варианту осуществления максимально допустимый зарядный и/или разрядный ток снижают, когда фактический уровень старения SOHist указывает на повышенное старение по сравнению с целевым уровнем старения SOHsoll. Таким образом, согласно этому примеру осуществления в качестве управляющей переменной используется ограничение на подвод или отбор мощности или на подвод или отбор мощности на временной интервал, чтобы повлиять на эффекты старения, так как сниженный подвод или отбор мощности уменьшает также деградацию и скорость старения аккумулятора.
Далее, в рамках изобретения имеется также возможность повышать максимально допустимый зарядный и/или разрядный ток, соответственно, максимально допустимый зарядный и/или разрядный ток на временной интервал, когда фактический уровень старения указывает на пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения SOHsoll.
Согласно следующему примеру осуществления, по меньшей мере, один рабочий параметр указывает верхнюю границу температуры для максимально допустимой температуры аккумулятора энергии. Согласно этому варианту осуществления верхнюю границу температуры снижают, когда фактический уровень старения указывает на повышенное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll), и/или верхнюю границу температуры повышают, когда фактический уровень старения указывает на пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll).
Вышеуказанные примеры осуществления можно комбинировать, так что, например, можно одновременно и/или по очереди корректировать интервал заряженности, границы тока и верхнюю границу температуры.
Целевой уровень старения SOHsoll указывает для возраста аккумулятора электроэнергии в настоящий момент времени ожидаемый уровень старения аккумулятора электроэнергии. Целевой уровень старения SOHsoll можно определить посредством хранящейся в памяти характеристической кривой, которая указывает целевой уровень старения SOHsoll в зависимости от первого параметра, являющегося мерой продолжительности с момента ввода в работу аккумулятора электроэнергии, и/или в зависимости от второго параметра, являющегося мерой предшествующего расхода энергии аккумулятором электроэнергии.
Согласно следующему предпочтительному примеру осуществления, на основе данных, которые указывают на предшествующее изменение во времени фактического уровня старения SOHist аккумулятора энергии, которое получилось в результате корректировки диапазонов рабочего параметра, по меньшей мере, двух рабочих параметров, определяется рабочий параметр, который через корректировку своего диапазона позволяет быстрей всего сблизить фактический уровень старения SOHist с целевым уровнем старения SOHsoll. Другими словами, способ согласно этому аспекту может "научить", какой рабочий параметр подходит как самый эффективный в качестве управляющей переменной для желаемого уменьшения отклонения SOHist от целевого уровня старения SOHsoll. Определенный таким образом рабочий параметр может затем предпочтительно использоваться для управления или, соответственно, регулирования.
Согласно одному усовершенствованию изобретения имеется возможность при отклонении фактического уровня старения (SOHist) от целевого уровня старения (SOHsoll) аккумулятора электроэнергии предсказать будущее изменение фактического уровня старения (SOHist) на основе сохраненных эксплуатационных данных аккумулятора электроэнергии, причем корректировка допустимого диапазона рабочего параметра, по меньшей мере, одного рабочего параметра осуществляется в зависимости от предсказанного будущего изменения фактического уровня старения (SOHist).
Сохраненные эксплуатационные данные могут указывать, например, профиль тока при предшествующей эксплуатации в форме спектра нагрузок. При этом диапазон допустимых токов аккумулятора электроэнергии, например, от 0 до 100 А, может быть подразделен на отдельные классы, например, 0-10 А, 10-20 А, ..., 90-100 А, чтобы сохраненные данные по спектру нагрузок указывали, как часто или, соответственно, как долго какие классы тока использовались при предыдущей работе аккумулятора энергии и как использование разных классов тока повлияло на фактический уровень старения, что может быть определено, например, через соответствующие эксплуатационные данные, которые указывают изменение внутреннего сопротивления. Другими словами, способ согласно этому аспекту может "научить", как определенный профиль эксплуатации аккумулятора энергии влияет на его старение, чтобы на основании этого оптимизировать его рабочие параметры. Если профиль эксплуатации повторяется при текущей работе, можно на основе сохраненных эксплуатационных данных или, соответственно, истории эксплуатации оценить или, соответственно, предсказать влияние на уровень старения аккумулятора энергии. Если оценивать таким способом дальнейший ход отклонения фактического уровня старения (SOHist) от целевого уровня старения (SOHsoll) аккумулятора электроэнергии, это можно учесть при корректировке диапазона рабочего параметра. Например, величину корректировки диапазона рабочего параметра следует выбирать тем больше, чем больше оцененное с использованием эксплуатационных данных отклонение фактического уровня старения (SOHist) от целевого уровня старения (SOHsoll).
Эксплуатационные данные могут включать в себя также прежний расход энергии аккумулятором в единицу времени.
Согласно следующему усовершенствованию изобретения, корректировку допустимого диапазона для, по меньшей мере, одного рабочего параметра можно осуществлять путем моделирования. Для моделирования используется модель продолжительности службы аккумулятора электроэнергии и заданный профиль продолжительности эксплуатации аккумулятора электроэнергии, и рассчитывается развитие фактического уровня старения (SOHist) в зависимости от того, какая корректировка диапазона рабочего параметра для какого рабочего параметра производилась. На основе моделирования можно предварительно рассчитать, какая корректировка диапазона рабочего параметра и/или какой рабочий параметр позволяют достичь оптимального приближения к целевому уровню старения (SOHsoll). В результате можно итерационно определить оптимальный набор рабочих параметров, который на основе заданной характеристики целевого старения и принятой характеристики эксплуатации позволяет оптимальную эксплуатацию аккумулятора.
Согласно второму аспекту изобретения указанные задачи решены устройством управления и/или регулирования по меньшей мере одного рабочего параметра аккумулятора электроэнергии, влияющего на уровень старения аккумулятора электроэнергии автомобиля, которое способно осуществить вышеописанный способ.
Во избежание повторений следует указать, что признаки, раскрытые в отношении способа, должны считаться раскрытыми также в отношении устройства и являются предметом формулы изобретения.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления, устройство содержит первое устройство управления для управления компонентами трансмиссии автомобиля, которое, в частности, устанавливает также, насколько электрическая машина способствует достижению требуемого движущего момента, и в соответствии с этим оказывает управляющее воздействие на инвертор электрической машины; и второе устройство управления для управления аккумулятором электроэнергии.
При этом первое устройство управления выполнено так, чтобы определять целевой уровень старения SOHsoll аккумулятора электроэнергии и передавать на второе устройство управления; получать скорректированный диапазон рабочего параметра, по меньшей мере, одного рабочего параметра аккумулятора электроэнергии от второго устройства управления, и с учетом полученного диапазона рабочего параметра, по меньшей мере, одного рабочего параметра аккумулятора электроэнергии оказывать управляющее воздействие на инвертор аккумулятора электроэнергии.
При этом второе устройство управления выполнено так, чтобы определять фактический уровень старения SOHist аккумулятора электроэнергии, получать определенный целевой уровень старения SOHsoll от первого устройства управления, корректировать допустимый диапазон рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра и передавать на первое устройство управления.
Изобретение относится также к автомобилю, предпочтительно грузовому автомобилю, с устройством управления, какое описано в настоящем документе.
Вышеописанные предпочтительные варианты осуществления и признаки изобретения можно произвольным образом комбинировать друг с другом. Другие особенности и преимущества изобретения описываются ниже с обращением к приложенным чертежам. Показано:
фигура 1: ход регулирования фактического уровня старения SOHist по сравнению с целевым уровнем старения SOHsoll аккумулятора электроэнергии; и
фигура 2 блок-схема для иллюстрации устройства согласно одному варианту осуществления изобретения и для иллюстрации способа согласно одному варианту осуществления изобретения.
Фигура 1 показывает изменение отрегулированного фактического уровня старения SOHist в зависимости от эксплуатационного пробега в сравнении с целевым уровнем старения SOHsoll аккумулятора электроэнергии.
Пунктирная линия, помеченная обозначением SOHsoll, описывает допустимое целевое старение SOHsoll аккумулятора энергии в зависимости от пройденного эксплуатационного пробега или километража, при котором аккумулятор электроэнергии находился в работе (по-английски mission distance). Начиная с исходного состояния 100%, когда аккумулятор энергии имел полную эффективную мощность, аккумулятор энергии стареет, то есть его эффективная мощность опускается до уровня старения "EoL" 0%, как уже было описано выше. Хотя в этом состоянии аккумулятор энергии еще работоспособен, он должен быть в кратчайшие сроки заменен. Пройденный эксплуатационный пробег с момента ввода в работу до достижения уровня старения 0% должен быть составлять, по меньшей мере, целевой эксплуатационный пробег (по-английски maximum mission distance (MMD)), на который соответственно был рассчитан аккумулятор энергии.
Пунктирная линия представляет собой характеристическую кривую, которая хранится в памяти регулирующего устройства, подробнее описываемого в связи с фигурой 2. Сначала определяется характеристическая кривая SOHsoll, например, в зависимости от спектра нагрузок, то есть от оцененного профиля тока, которым нагружают аккумулятор электроэнергии при типичных ездовых циклах в течение его продолжительности службы. Производители батарей рассчитывают аккумуляторы электроэнергии в зависимости от этой характеристической кривой. Если аккумулятор электроэнергии при фактическом режиме движения испытывает схожий спектр нагрузок, фактическое старение аккумулятора электроэнергии SOHist, а также целевое старение SOHsoll проходит в соответствии с характеристической кривой.
Как правило, при фактическом режиме движения происходят отклонения токовых нагрузок аккумулятора энергии, так что фактическое старение SOHist аккумулятора энергии происходит быстрее или медленнее, чем указывает характеристическая кривая SOHsoll. Фактическое старение SOHist аккумулятора энергии представлено на фигуре 1 сплошной линией.
В разные моменты оценки t1, t2 и t3 рассчитывается оставшийся эксплуатационный пробег RMD(t1), RMD(t2) и RMD(t3), который получается из разности целевого эксплуатационного пробега (MMD) и соответствующего предшествующего эксплуатационного пробега AMD(t1), AMD(t2) и AMD(t3).
В разные моменты оценки t1, t2 и t3 определяется фактический уровень старения SOHist аккумулятора электроэнергии. Кроме того, с использованием характеристической кривой для текущего значения оставшегося эксплуатационного пробега RMD(t) определяется целевой уровень старения SOHsoll аккумулятора электроэнергии в точке RMD(t).
По абсциссе вместо пройденного эксплуатационного пробега можно откладывать время. Тогда максимальный эксплуатационный пробег соответствовал бы целевой продолжительности службы (по-английски maximum mission time). При этом вместо оставшегося эксплуатационного пробега RMD(t1), RMD(t2) и RMD(t3) в оценочные моменты времени рассчитывалась бы оставшаяся продолжительность эксплуатации (remaining mission time).
Если текущий фактический уровень старения SOHist отклоняется от определенного целевого уровня старения SOHsoll более чем на заданное пороговое значение, корректируется величина управляющего воздействия управляющих переменных. В качестве управляющих переменных служат рабочие параметры аккумулятора энергии, которые влияют на его старение, в частности, допустимый интервал степени заряженности аккумулятора электроэнергии (SOC-интервал) и максимально допустимые токи зарядки и/или разрядки аккумулятора энергии, соответственно и максимальные допустимые токи зарядки и/или разрядки на временной интервал. В качестве целевой величины допустимые диапазоны рабочего параметра этих рабочих параметров корректируются так, чтобы скорректированные диапазоны рабочих параметров приводили к уменьшению отклонения текущего фактического уровня старения SOHist от целевого уровня старения SOHsoll.
Если в моменты времени t1 и t2 установлено, например, что аккумулятор энергии слишком быстро стареет по сравнению с характеристической кривой SOHsoll, то в эти моменты сужают, например, интервал допустимых степеней заряженности. Например, можно повысить нижнюю границу допустимой степени заряженности (SOCMin), которая указывает минимальную глубину разрядки номинальной емкости, например, 20%, и/или снизить верхнюю границу степени заряженности (SOCMax).
Кроме того, для замедления старения можно установить меньшее значение максимально допустимого зарядного и/или разрядного тока для параметризуемого временного интервала, т.е. максимального тока, который должен быть отдан аккумулятором энергии в течение определенного промежутка времени.
Напротив, согласно фигуре 1, в момент t3 установлено, что процентное значение текущего уровня старения SOHist больше, чем целевой уровень старения SOHsoll, т.е. аккумулятор энергии старится медленнее, чем предусмотрено согласно характеристической кривой. Следовательно, в этот момент увеличивают, например, интервал допустимой степени заряженности и/или повышают максимально допустимые токи зарядки и разрядки, в результате чего повышается эффективная мощность аккумулятора энергии и ускоряется его старение.
Величина управляющего воздействия управляющих переменных выбирается при этом так, чтобы довести отклонение SOHist от SOHsoll до нуля при достижении целевого эксплуатационного пробега (MMD), что показано на фигуре 1 пунктирной линией. Как можно видеть из фигуры 1, величина управляющего воздействия и, тем самым, ограничение допустимых диапазонов рабочих параметров батареи, к конечной точке целевого эксплуатационного пробега MMD должны становится все более резкими, так как регулятор имеет все меньше времени для устранения отклонения. Таким образом, чем меньше оставшийся эксплуатационный пробег или оставшееся продолжительность службы, тем сильнее регулирующее воздействие.
Таким образом, пунктирные линии, начинающиеся в соответствующий момент оценки, показывают фиктивный целевой ход фактического уровня старения. Однако, так как, например, начиная с момента времени t1, фактический ход SOHist отклоняется, согласно сплошной линии, от пунктирной линии, в момент t2 проводится новая корректировка управляющей переменной.
Фигура 2 показывает пример блок-схемы для иллюстрации одного примера осуществления регулятора для создания контура регулирования, чтобы текущий уровень старения SOHist аккумулятора энергии как регулируемую переменную привести к целевому уровню старения SOHsoll как задающей переменной.
Позицией 1 обозначена тяговая батарея автомобиля, которая, как известно, содержит пакет 6 батарей из большого числа отдельных элементов. Кроме того, батарея содержит блок 2 управления. Позицией 8 обозначена система управления автомобиля для управления компонентами трансмиссии (двигатель внутреннего сгорания, сцепление, электродвигатель и т.д.) автомобиля. В частности, здесь с учетом допустимых рабочих переменных батареи создаются предписанные величины 18 для инвертора 7 электродвигателя.
Блок 2 управления энергией тяги и система 8 управления транспортного средства образуют регулятор контура регулирования для регулирования фактического уровня старения батареи 1 к целевому уровню старения. Оба блока управления обмениваются необходимыми переменными через CAN-шину 18 данных, что схематически показано на фигуре 2 жирными черными стрелками.
Для этого блок 2 управления выполнен с возможностью известным образом непрерывно или через регулярные промежутки времени определять с помощью блока 3 расчета SOHist текущий фактический уровень старения (State of Health) SOHist батареи как регулируемый параметр, для чего блок 3 расчета SOHist получает соответствующие значения тока и напряжения от пакета 6 батарей через сигнальный провод 6a.
Система 8 управления транспортного средства включает в себя вычислительный блок 10, который в соответствии с моментами времени расчета SOHist батареи определяет текущий целевой уровень старения SOHsoll в качестве задающей переменной. Как правило, SOHsoll рассчитывается по вышеуказанной характеристической кривой, таким образом, система управления транспортного средства рассчитывает текущий оставшийся эксплуатационный пробег (remaining mission distance) или текущую оставшуюся продолжительность эксплуатации (remaining mission time) и определяет соответствующий целевой уровень старения SOHsoll согласно характеристической кривой. Текущую оставшуюся продолжительность эксплуатации можно определить, например, из разницы между целевой продолжительностью службы и временем, прошедшим с момента производства транспортного средства.
Разумеется, система 8 управления транспортного средства необязательно имеет возможность учитывать особые эффекты. Если, например, транспортное средство не используется долгое время, батарея все равно стареет (календарное старение). В таком случае целевые значения SOH могут отклоняться от характеристической кривой. Для этого блок 2 управления может послать определенный фактический уровень старения SOHist на систему 8 управления транспортного средства (стрелка 12) для использования в следующем вычислительном блоке 9 для расчета смещения текущего целевого уровня старения SOHsoll. При этом вычислительный блок 9 обращается к эксплуатационным данным предшествующих рабочих характеристик транспортного средства.
Определенный фактический уровень старения SOHist, а также рассчитанный текущий оставшийся эксплуатационный пробег RMD или оставшаяся продолжительность эксплуатации пересылаются на блок 2 управления батареи (представлено стрелками 13 и 14).
Из разницы SOHist и SOHsoll батареи блок 2 управления рассчитывает скорректированные диапазоны рабочих параметров как величину управляющего воздействия для рабочих переменных аккумулятора энергии (управляющие переменные), которые в решающей степени влияют на старение аккумулятора 1 энергии.
Для этого в первом вычислительном блоке 4 сначала проводится анализ, при котором на основе данных об изменении во времени фактического уровня старения (SOHist) в зависимости от корректировки диапазонов рабочих параметров определяется тот рабочий параметр, который в результате корректировки своего диапазона позволяет быстрей всего сблизить фактический уровень старения (SOHist) с целевым уровнем старения (SOHsoll). Другими словами, при этом в рамках "онлайн-адаптации" SOH-регуляторов 2, 8 осуществляется оценка изменения SOH при заданных рабочих переменных батареи, то есть, например, SOC-интервала заряда и границ максимально допустимых зарядных и/или разрядных токов. Таким образом, SOH-регулятор 2, 8 может на основании предыдущих данных "научить", какое изменение управляющей переменной (SOC-интервала заряда или допустимых зарядных и/или разрядных токов) эффективнее всего ведет к желаемому уменьшению ошибок регулирования.
При этом в регулировании допустимы необязательные несколько усовершенствований. Посредством детерминированной структуры дерева решений и с учетом SOH-отклонения рабочие переменные корректируют линейно, и меры для корректировки диапазонов рабочих параметров, таких как SOC-интервал, предельные токи и диапазоны температур, используют в комбинации друг с другом или последовательно. Кроме того, можно было бы способом, каким аккумулятор анализирует свою предыдущую историю эксплуатации, и при наличии отклонения SOH самостоятельно прогнозировать дальнейшее старение на основе данных по истории эксплуатации и на основании этого оптимизировать рабочие параметры аккумулятора энергии. Согласно следующему усовершенствованию аккумулятор мог бы самостоятельно смоделировать различные наборы возможных рабочих параметров и, таким образом, итерационно рассчитать оптимальный набор рабочих параметров, который на основе поведения потребителя и заданной величины SOH позволял бы максимальную эксплуатацию аккумулятора.
Вычислительный блок 4 передает результат в форме одного или более рабочих параметров, использующихся как управляющие переменные, на вычислительный блок 5, который затем рассчитывает скорректированные допустимые диапазоны значений рабочих параметров. При незначительном отклонении между SOHist и SOHsoll вычислительный блок 5 мало или совсем не корректирует рабочие переменные.
Определенный системой 8 управления транспортного средства оставшийся эксплуатационный пробег RMD или оставшаяся продолжительность службы указывает при этом, сколько времени еще осталось до устранения отклонения. Чем короче оставшийся эксплуатационный пробег RMD или чем меньше оставшаяся продолжительность службы, тем сильнее должно быть регулирующее воздействие, чтобы учесть оставшийся эксплуатационный пробег RMD или оставшуюся продолжительность службы при установлении силы корректировки диапазонов рабочих параметров.
Вычислительный блок 5 рассчитывает, например, измененные значения для нижней границы допустимой степени заряженности SOCMin и верхней границы допустимой степени заряженности SOCMax и отсылает эти значения системе 8 управления транспортного средства (представлено стрелкой 17). Кроме того, вычислительный блок 5 рассчитывает, например, допустимые впредь диапазоны значений максимально допустимых зарядных и разрядных токов аккумулятора 1энергии и максимально допустимые разрядные и зарядные напряжения и отсылает скорректированные значения системе 8 управления транспортного средства (представлено стрелками 15 и 16).
Полученные значения используются модулем 11 управления системы 8 управления транспортного средства, который запрашивает тяговый момент от различных приводов. Теперь модуль 8 управления запрашивает только один соответствующий момент от электрической машины через ее инвертор 7 (представлено стрелкой 18), но при соблюдении скорректированных допустимых диапазонов значений рабочих параметров батареи. Соответственно, от инвертора 7 запрашивается ток 19 батареи от пакета 6 батарей при соблюдении скорректированных допустимых диапазонов значений рабочих параметров батареи. С обновленного определения текущего фактического уровня старения (State of Health) SOHist цикл регулирования начинается снова.
Целью модуля 11 управления является максимально повысить потенциал экономии топлива, что, как правило, сопровождается усиленным использованием электрических машин и тем самым тяговых батарей 1. Поэтому модуль 11 управления более усиленно использует электрический двигатель и, таким образом, тяговую батарею 1 при низких ограничениях рабочих переменных батареи. Усиленное использование ведет к ускоренному старению батареи, поэтому возникающие ошибки регулирования батареи устраняют путем ограничения рабочих переменных батареи. Единственной управляющей переменной модуля 11 управления является использование электрической машины, что напрямую выражается в требуемом от тяговой батареи 1 токе 19 батареи. При этом затребованный ток 19 батареи не должен превышать сообщенных батареей рабочих переменных. Таким образом, затребованный ток 19 батареи может выбираться высоким лишь настолько, чтобы не выходить за пределы сообщенного батареей SOC-интервала. Таким образом, согласно изобретению изготовлен саморегулирующийся объект регулирования, который гарантирует, что метод эксплуатации и старение аккумулятора энергии будут регулироваться сами, чтобы гарантировать работу в пределах расчетных границ вплоть до истечения целевой продолжительности службы.
Хотя изобретение было описано на некоторых примерах осуществления, специалисту должно быть очевидным, что, не выходя за объем защиты изобретения, можно осуществить различные изменения и в качестве замены использовать эквиваленты. Кроме того, можно осуществить много модификаций, не выходя за соответствующий объем защиты. Следовательно, изобретение не должно ограничиваться раскрытыми примерами осуществления, напротив, оно охватывает все примеры осуществления, которые попадают в объем защиты приложенной формулы изобретения. В частности, изобретение притязает также на защиту объекта и признаков зависимых пунктов, независимо от пунктов, на которые дается ссылка.
Список позиций для ссылок
| 1 | аккумулятор электроэнергии |
| 2 | система управления аккумулятором электроэнергии |
| 3 | блок расчета SOHist |
| 4 | вычислительный блок |
| 5 | блок расчета диапазонов рабочих параметров |
| 6 | пакет батарей |
| 6a | сигнальный провод |
| 7 | инвертор |
| 8 | система управления транспортного средства |
| 9 | вычислительный блок |
| 10 | блок расчета SOHsoll и оставшейся продолжительности службы |
| 11 | модуль управления |
| 12 | пересылка рассчитанного SOHist |
| 13 | передача значений оставшейся продолжительности службы |
| 14 | передача SOHsoll |
| 15-17 | передача скорректированных диапазонов рабочих параметров |
| 18 | управляющий сигнал инвертора |
| 19 | ток батареи |
1. Способ управления и/или регулирования, по меньшей мере, одного рабочего параметра аккумулятора электроэнергии, влияющего на уровень старения аккумулятора (1) электроэнергии автомобиля, содержащий следующие этапы:
(a) определение фактического уровня старения (SOHist) аккумулятора электроэнергии;
(b) определение целевого уровня старения (SOHsoll) аккумулятора электроэнергии;
(c1) корректировка допустимого диапазона рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра, если сравнение фактического уровня старения (SOHist) с целевым уровнем старения (SOHsoll) показывает, что фактический уровень старения указывает на повышенное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll), при этом диапазон рабочего параметра корректируют так, чтобы работа аккумулятора (1) электроэнергии осуществлялась в пределах скорректированного диапазона рабочего параметра с пониженной скоростью старения; и
(c2) корректировка допустимого диапазона рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра, если сравнение фактического уровня старения (SOHist) с целевым уровнем старения (SOHsoll) показывает, что фактический уровень старения указывает на пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll), при этом диапазон рабочего параметра корректируют так, чтобы работа аккумулятора (1) электроэнергии осуществлялась в пределах скорректированного диапазона рабочего параметра с повышенной скоростью старения.
2. Способ по п.1, отличающийся определением оставшейся продолжительности службы или оставшегося эксплуатационного пробега аккумулятора (1) электроэнергии до достижения им ожидаемого уровня старения "End of Life", причем корректировку допустимого диапазона рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра производят в зависимости от определенной оставшейся продолжительности службы или оставшегося эксплуатационного пробега (RMD, Restnutzungstrecke) таким образом, чтобы корректировка была больше с уменьшением оставшейся продолжительности службы или оставшегося эксплуатационного пробега (RMD).
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что корректировку допустимого диапазона рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра производят только тогда, когда разница между фактическим уровнем старения (SOHist) и целевым уровнем старения (SOHsoll) превысит заданное пороговое значение.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что
(a) этот, по меньшей мере, один рабочий параметр указывает допустимый интервал степени заряженности аккумулятора (1) электроэнергии, который устанавливает допустимую нижнюю границу степени заряженности (SOCMin) и допустимую верхнюю границу степени заряженности (SOCMax); и тем, что
(b1) допустимую нижнюю границу степени заряженности (SOCMin) повышают и/или допустимую верхнюю границу степени заряженности (SOCMax) снижают, если фактический уровень старения указывает на повышенное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll), и/или тем, что
(b2) допустимую нижнюю границу степени заряженности (SOCMin) снижают и/или допустимую верхнюю границу степени заряженности (SOCMax) повышают, если фактический уровень старения указывает на пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll).
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что
(a) этот, по меньшей мере, один рабочий параметр указывает максимально допустимый зарядный и/или разрядный ток и/или максимально допустимый зарядный и/или разрядный ток для параметризуемого временного интервала; и тем, что
(b1) максимальный допустимый зарядный и/или разрядный ток уменьшают, если фактический уровень старения (SOHist) указывает на повышенное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll); и/или тем, что
(b2) максимальный допустимый зарядный и/или разрядный ток увеличивают, если фактический уровень старения (SOHist) указывает на пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll).
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что
(a) этот, по меньшей мере, один рабочий параметр указывает верхнюю границу температуры для максимально допустимой температуры аккумулятора энергии; и тем, что
(b1) верхнюю границу температуры снижают, когда фактический уровень старения указывает на повышенное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll); и/или тем, что
(b2) верхнюю границу температуры повышают, когда фактический уровень старения указывает на пониженное старение по сравнению с целевым уровнем старения (SOHsoll).
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что целевой уровень старения (SOHsoll) определяют с помощью хранящейся в памяти характеристической кривой, которая указывает целевой уровень старения (SOHsoll) в зависимости от первого параметра, являющегося мерой продолжительности с момента ввода в работу аккумулятора электроэнергии, и/или от второго параметра, являющегося мерой предыдущего расхода энергии аккумулятором (1) электроэнергии.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при помощи данных, которые указывают прежнее изменение во времени фактического уровня старения (SOHist) аккумулятора энергии, который получается в результате корректировки диапазонов рабочего параметра, по меньшей мере, двух рабочих параметров, определяют рабочий параметр, который в результате корректировки его диапазона позволяет быстрей всего достичь сближения фактического уровня старения (SOHist) с целевым уровнем старения (SOHsoll).
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при отклонении фактического уровня старения (SOHist) от целевого уровня старения (SOHsoll) аккумулятора электроэнергии предсказывают будущий ход фактического уровня старения (SOHist) на основе сохраненных эксплуатационных данных аккумулятора электроэнергии, причем корректировку допустимого диапазона рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра, производят в зависимости от предсказанного будущего хода фактического уровня старения (SOHist).
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что корректировку допустимого диапазона рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра, производят путем моделирования, которое моделирует развитие фактического уровня старения (SOHist) при различных корректировках диапазонов рабочего параметра и/или при корректировке диапазонов различных рабочих параметров аккумулятора электроэнергии с применением модели продолжительности службы аккумулятора энергии и заданного профиля продолжительности эксплуатации аккумулятора энергии, причем с помощью моделирования определяют корректировку диапазона рабочего параметра, которая позволяет оптимальное приближение к целевому уровню старения (SOHsoll).
11. Устройство (2, 8) управления для управления и/или регулирования, по меньшей мере, одного рабочего параметра аккумулятора (1) электроэнергии, влияющего на уровень старения аккумулятора (1) электроэнергии автомобиля, которое способно осуществлять способ по одному из пп.1-10.
12. Устройство по п.11, отличающееся
(a) первым устройством (8) управления для управления компонентами трансмиссии автомобиля; и
(b) вторым устройством (2) управления для управления аккумулятором (1) электроэнергии,
причем первое устройство (8) управления выполнено так, чтобы
(a1) определять целевой уровень старения (SOHsoll) аккумулятора (1) электроэнергии и передавать на второе устройство (2) управления;
(a2) принимать скорректированный диапазон рабочего параметра, по меньшей мере, одного рабочего параметра аккумулятора (1) электроэнергии от второго (2) устройства управления, и
(a3) с учетом полученного диапазона рабочего параметра, по меньшей мере, одного рабочего параметра аккумулятора (1) электроэнергии настраивать инвертор (7) аккумулятора (1) электроэнергии;
и причем второе устройство (2) управления выполнено так, чтобы
(b1) определять фактический уровень старения (SOHist) аккумулятора (1) электроэнергии,
(b2) принимать определенный целевой уровень старения (SOHsoll) от первого устройства (8) управления и корректировать допустимый диапазон рабочего параметра для, по меньшей мере, одного рабочего параметра и передавать его на первое устройство (8) управления.
13. Автомобиль, предпочтительно грузовой автомобиль, с устройством (2, 8) управления по одному из пп.11 или 12.
