SE1150825A1 - Batteriladdningssystem - Google Patents

Description

2 Ett problem i samband med detta är att det är tidskrävande att beräkna resistansen i kretsen, och därmed spänningsfallet, mellan kraftkällan och batterierna. Att i förväg mäta upp kretsen och justera spänningen utifrän det uppmätta värdet är mycket tidskrävande eftersom resistansen i kretsen varierar frän fordon till fordon beroende hur kretsen ser ut och beroende pä vilka enheter som är inkopplade för tillfället.

Det finns idag kända system, anpassade för bussar och lastbilar, som har en adaptiv batteriladdningsfunktion vilken beroende pä en skattad batteritemperatur väljer hur hög spänning man begär frän elkraftkällan i samband med laddning.

Denna funktion är dock beroende av temperatursensorer. Denna kända adaptiva batteriladdningsfunktion tar dock inte hänsyn till konsekvenserna av varierande resistanser i kretsen eller av den separerade placeringen av batterier och elkraftskällan i fordonet.

Uppfinnarna till föreliggande ansökan har säledes identifierat ett behov av en adaptiv batteriladdningsfunktion vilken tar hänsyn till och anpassar sig efter varierande resistanser mellan olika bussar i laddningskretsen utan att man i förväg och för olika situationer mäste mäta upp resistansen i kretsen.

Följande publicerade patent och patentansökningar beskriver olika lösningar inom teknikomrädet.

US2009051325 beskriver ett reglersystem för att ladda ett batteri i ett fordon där spänning ut frän strömkällan korrigeras utifrän önskad laddspänning tillsammans med en offsetspänning som beror pä faktisk ström levererad till batteriet.

Systemet innefattar temperatursensorer för att känna av temperaturen i strömkällan. Dä kablarna har en fast längd kan systemet även kalibreras med hänsyn till kablarnas resistans. 3 JP2307338 beskriver ett system för att kompensera för spänningsfall genom att räkna ut förväntat spänningsfall beroende på kabellängd och sedan mäta ström och spänning och därefter korrigera spänningen från generatorn.

WO2005060066 beskriver en Iaddningsanordning för att ladda ett flertal batterier som är seriekopplade i ett fordon. Anordningen är ansluten till en generator med inbyggd laddningsregulator via en första ledning och till generatorns utgång via en andra ledning. Den första ledningen används för att återkoppla laddnings- regulatorn så att önskad utspänning erhålls från generatorn.

US6404163 beskriver en metod för styrning av laddningsspänning till ett batteri i ett fordon. En optimal laddspänning för batteriet räknas ut och ges som input till en generatorför att generatorn ska leverera korrekt laddningsspänning till batteriet.

US518251O beskriver ett system för att ladda ett batteri med en generator, där en likriktarregulator används. Den reglerade spänningen kompenserar för spännings- fall som uppkommer i kabeln mellan likriktaren och batteriet.

US2008100269 beskriver ett reglersystem för en generator i ett fordon där man mäter spänningen ut från generatorn och batterispänningen samtjämför dessa värden med ett målvärde för att avgöra om det är något fel i kretsen.

US2010127668 beskriver en metod för att kompensera för spänningsfall som upp- kommer i kabeln mellan batteri och laddare. Metoden innefattar att i ett första läge räkna ut spänningsfallet i kabeln och sedan använda det sparade värdet för att korrigera laddningsspänningen.

WO9210019 beskriver en spänningsregulator för en generator som laddar ett batteri i ett fordon. Spänningsfallet mellan batteriet och generatorn kompenseras för genom att beräkna spänningsfallet utifrån generatorströmmen och kabelns resistans.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är att hålla Iaddningsspänningen på en optimal nivå genom att kompensera för det spänningsfall som uppstår på vägen från elkraftkällan till batterierna.

Ett ytterligare syfte är att åstadkomma en adaptiv batteriladdningsfunktion vilken inte är beroende av ytterligare sensorer.

Ett annat syfte är att åstadkomma en adaptiv batteriladdningsfunktion vilken är oberoende den exakta resistansen i kretsen, vilken varierar beroende på lasternas storlek och användning samt inkoppling relativt laddningskretsen, vilket medför att kalibrering av kretsen inte är nödvändig.

Ett ytterligare syfte är att hålla batterispänningsnivån på en nivå som har beräknats vara optimal enligt det ovan nämnda kända adaptiva batteriladdnings- systemet som ofta används idag i bussar.

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

Föredragna utföringsformer definieras av de beroende patentkraven.

Föreliggande uppfinning avser ett batteriladdningssystem vilket reglerar batteri- spänningsnivån utifrån aktuellt spänningsfall.

En fördel med uppfinningen är att laddningsspänningsfallet inte behöver minskas genom minskning av laddningskretsresistansen med användning av grövre och/eller fler elektriska ledare vilket är dyrt, tillför vikt och påverkar miljön negativt.

Eftersom föreliggande uppfinning använder sig av ett batteriladdningssystem med återkoppling behöver inget kablage förändras för att erhålla önskad batteriladdspänning. Återkopplingen kompenserar för spänningsfallen, varvid kraftigare kablar för att minska spänningsfallet i kretsen ej behöver dras, eller inkoppling av effektförbrukarna på andra ställen i kretsen för att förhindra spänningsfall ej behöver göras.

Enligt en utföringsform innefattar batteriladdningssystemet, en elkraftkälla an- passad att leverera en laddningsspänning till minst ett batteri med en eller flera resistanspåförande enheter R1-R11 & RL1-RL3 anslutna till systemet. De resistans- påförande enheterna innefattas av ledare mellan kraftkällan, batterierna och de effektförbrukande enheterna, vilket har en ledningsresistans R1-R11 och de effektförbrukande enheterna som har en resistans RLl-RLg. Ledarna kan exempelvis vara kablage och/eller ramstruktur. De effektförbrukande enheterna kan exempelvis vara luftkonditioneringen, extravärmare, ventilation, 230V AC- omvandlare, men det innefattas även av alla andra system på fordonet som förbrukar effekt. Systemet innefattar vidare en regulator anpassad att kontinuerligt mottaga ett värde representerande en aktuell önskad laddningsspänning Vd och ett värde representerande en aktuell batterispänning Vbat för batterisystemet, och baserat på dessa värden kontinuerligt beräkna en från elkraftkällan levererad laddningsspänning Vcaic som krävs för att uppnå nämnda önskade laddnings- spänning Vd, varvid regulatorn är anpassad att generera en styrsignal S inne- fattande styrkommandon till elkraftkällan att leverera den beräknade laddnings- spänningen Vcam.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen avser föreliggande uppfinning en metod för att styra laddningen av minst ett batteri i nämnda batteriladdningssystem.

En fördel med metoden för att styra laddningen av minst ett batteri i ett batteriladdningssystem såsom enligt uppfinningen är att den kan implementeras som en mjukvara i en i fordonet befintlig styrenhet.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är regulatorn en PID-regulator. 6 Enligt en ytterligare aspekt av föreliggande uppfinning avser uppfinningen även en datorprogramprodukt innefattande programsteg för genomförande av metoden.

Kort ritninqsbeskrivnino Figur 1 visar ett batteriladdningssystem för ett fordon enligt den föreliggande uppfinningen.

Figur 2 visar en schematisk vy av batteriladdningssystemet enligt en utföringsform av uppfinningen, med ett antal resistanspäförande enheter anslutna.

Figur 3 visar schematiskt hur elkraftkällan i systemet styrs enligt en utföringsform.

Figur 4 visar uppträdandet för batteriladdningssystemet enligt en utföringsform för uppfinningen.

Detalierad beskrivninq av föredraqna utförinqsformer av uppfinningen Med hänvisning till de bifogade ritningarna kommer nu uppfinningen att beskrivas i detalj.

Figur 1 visar ett batteriladdningssystem 1 enligt den föreliggande uppfinningen.

Batteriladdningssystemet 1 innefattar, en elkraftkälla 2 anpassad att leverera en laddningsspänning till minst ett batteri 3 med en eller flera resistanspäförande enheter anslutna till systemet 1. Systemet 1 innefattar vidare en regulator 4 anpassad att kontinuerligt mottaga ett värde representerande en aktuell önskad laddningsspänning Vd och ett värde representerande en aktuell batterispänning Vbat för nämnda minst ena batteri 3, och baserat på dessa värden kontinuerligt beräkna en frän elkraftkällan 2 levererad laddningsspänning Vcalc som krävs för att uppnä nämnda önskade laddningsspänning Vd, varvid regulatorn 4 är anpassad att generera en styrsignal S innefattande styrkommandon till elkraftkällan 2 att leverera den beräknade laddningsspänningen Vem.

Figur 2 visar en schematisk vy av batteriladdningssystemet 1 med ett antal resistanspäförande enheter R1-R11, RL1-RL3 anslutna mellan elkraftkällan 2, nämnda minst ena batteri 3 och regulatorn 4, vilka på olika sätt påför resistans.

Resistanspäförande enheter i form av ledare är här benämnda Rl - RH. Ledarna 7 kan vara ledningar och/eller fordonets jordplan (även kallat chassijord). Ledarnas resistanser kan naturligtvis beroende på aktuell konfiguration vara fler eller färre än 11 till antalet och varje ledares respektive resistans R kan variera beroende på ledarens resistivitet, längd och area. De resistanspåförande enheterna består alltså dels av ledarnas resistans R, samt i detta fall även tre anslutna ström- förbrukande enheter RL1-RL3, exempelvis luftkonditioneringsenheter. Antalet anslutna strömförbrukande enheter RL kan naturligtvis variera beroende på aktuell konfiguration. Ju mer effekt de strömförbrukande enheterna förbrukar, desto större strömmar kommer passera genom resistanspåförande enheterna R. vilka kommer att orsaka större spänningsfall.

Regulatorn 4 är i figur 2 anordnad i en styrenhet 5. Enligt en utföringsform är värdet representerande den aktuella batterispänningen Vbat beräknad. Styr- enhetens 5 spänning används då som värde representerande den aktuella batterispänningen Vbat för det minst ena batteriet 3. Ett alternativt sätt att erhålla den aktuella batterispänningen Vbat är att mäta direkt på det minst ena batteriets 3 poler. Detta kräver dock extra kablage, vilket medför ett kostsammare system.

Figur 3 visar schematiskt hur elkraftkällan 2 i systemet styrs enligt en utförings- form. Laddningsspänningen för elkraftkällan 2 beräknas i styrenheten 5 och omvandlas till ett värde i procent. Värdet i procent skickas till en motorstyrenhet 6 där en pulsbreddsmodulerad (PWM) signal skapas baserat på det mottagna värdet. Signalen skickas mellan styrenheten 5 och motorstyrenheten 6 med hjälp av fordonets kommunikationsnätverk (CAN). Den pulsbreddsmodulerade signalen skickas till elkraftkällan 2 och elkraftkällan 2 realiserar laddningsspänningen.

Enligt en utföringsform är regulatorn 4 en PID-regulator, men även andra typer av passande regulatorer kan användas. PID-regulatorn styrs av ett antal i förväg bestämda och fasta parametrar relaterade till fordonet, dvs. de fasta parametrarna är bestämda i förväg så att PID-regulatorn, med användning av dessa parametrar kan tillämpas generellt för exempelvis en buss utan att parametrarna behöver justeras med hänsyn till inkopplade enheter i en specifik buss. PID-regulatorn 8 innefattar tre parametrar, en proportionell del, en integrerande del, och en deriverande del. PID-regulatorn är anpassad så att en optimal balans, för en viss typ av fordon, mellan dessa tre delar av regulatorn uppnås för att nå det önskade beteendet för regulatorn. Det finns olika systematiska sätt för att iterativt finjustera parametrarna för att nå det önskade resultatet. The Internal Model Control (IMC)- metoden är ett användbart sätt för att justera och identifiera parametrarna för regulatorn. PID-regulatorn kan implementeras i serie eller vara parallellkopplad.

En fördel med parallellkoppling är att P, I och D-delen kan implementeras en och en och sedan summeras ihop. Detta sätt gör det lättare att prova olika värden för de olika parametrarna utan att påverka andra parametrar i regulatorn än den man tittar på för tillfället.

Regulatorn kan beskrivas med följande formel: _ _. _ .L '-. 'ra f \ :fy .i- flr-*ffixfßfí--j- «. Å -._»_\\ xx \__ »_ , ___” A, _; :kr ,:¿s.__¿»: ~š~ i V; Där K är den proportionella delen, K/Ti är den integrerande delen, och Tds/(uTds + 1) är den deriverande delen, och u en konstant som diskuteras nedan.

Parametrarna för PID-regulatorn väljs genom att studera ett stegsvar för systemet. Från stegsvaret kan en treparametermodell konstrueras vilket beskriver systemet. Parametrarna för PID-regulatorn kan således bestämmas systematiskt med hjälp av en treparametermodell vilken harföljande form: Värdena för parametrarna läses av i stegsvaret för det oåterkopplade systemet.

Där enligt ett exempel, L = 0.15 s, avser fördröjning från ett steg i insignalen till en reaktion i utsignalen.

Kp= 27.95 V, avser det slutliga värdet att nå för stegsvaret.

T = 0.22 s, avser en tidskonstant för systemet är beräknad som tiden från L till tiden när systemet har nått O.63% av sitt slutliga värde.

Parametrarna från stegsvaret resulterar i följande treparametermodell: Parametrarna för PID-regulatorn beräknas från treparametermodellen genom att använda IMC-metoden. I IMC-metoden används endast ny information iden uppmätta signalen som äterkopplingssignal. I IMC-metoden väljs parametrarna såsom det beskrivs nedan, där TC är den enda designparametern och de andra tre är hämtade från treparametermodellen. TC är den önskade tidskonstanten för det återkopplade systemet och T är den önskade tidskonstanten för det är den relativa tidsfördröjningen för systemet.

L “t k l d stemet. oa er oppa esy L+T Q :nä-ft m. .- Mu Med de beräknade värdena för PID-regulatorn i parallellform, erhålls följande regulator: “H fn i l 'CI få =L;~I= :n 3 x 9" l + Vid implementering av regulatorn 4 måste vissa justeringar göras, värdet u är valt till 0.2, men är en justerbar parameter. För att implementera regulatorn 4 används en digital implementering av regulatorn 4.

Eftersom resistansen i systemet 1 varierar över tiden, pga. varierande anslutna strömförbrukare RL, och även den önskade Iaddningspänningen varierar, är det en fördel att sampla relativt ofta, och samplingsfrekvensen för batteriladdnings- systemet ligger därföri intervallet 1,4-3,4 Hz och företrädesvis ca. 2 Hz.

Alternativt kan dock andra samplingsfrekvenser vara relevanta beroende av systemets konfiguration.

De anslutna resistanspäförande enheterna R1-R11, RL1-RL3 utgörs av resistanser i ledningar R1-R11 och/eller anslutna strömförbrukare RL1-RL3, såsom exempelvis luftkonditionering eller fläktar. Dessa resistanspäförande enheter varierar över tiden.

Figur 4 visar medelst tre diagram hur batteriladdningssystemet uppträder. Överst visas en begärd spänning från elkraftkällan, i mitten en styrsignal till elkraftkällan såsom den pulsbreddsmodulerade signalen (PWM), och nederst batterispänningen. De positiva topparna uppträderi batterispänningsnivån när en stor last kopplas ifrån systemet. När de negativa topparna uppträder i diagrammet har den stora lasten kopplats till. Systemet kompenserar för spänningsfallen genom att begära en högre spänning från elkraftskällan, vilket resulterar i att batterispänningen höjs. Ett exempel på detta kan ses i diagrammen från tiden 150 s fram till ca 200 s.

Batterisystemet 3 är företrädesvis anpassat för att användas i en buss, i vilken elkraftkällan 2 är anordnad iden bakre delen av bussen och det minst ena batteriet 3 i den främre delen av bussen.

Föreliggande uppfinning avser även en metod för att styra laddningen av minst ett batteri i ett batteriladdningssystem för ett fordon, vilket batteriladdningssystem innefattar en elkraftkälla 2 anpassad att leverera en laddningsspänning till minst ett batteri 3 med en eller flera resistanspäförande enheter Ri-RH, RL1-RL3 anslutna till systemet. Metoden innefattar stegen att: ll - kontinuerligt mottaga ett värde representerande en aktuell önskad laddningsspänning Vd i en regulator 4, - kontinuerligt mottaga ett värde representerande en aktuell batterispänning Vbdt för det minst ena batteriet 3 i nämnda regulator 4, - kontinuerligt beräkna en frän elkraftkällan 2 levererad laddningsspänning Vddd som krävs för att uppnå nämnda önskade laddningsspänning Vd baserad pä aktuell önskad laddningsspänning Vd och aktuell batterispänning Vbdt för batterisystemet 3, och - generera en styrsignal S innefattande styrkommandon till elkraftkällan 2 för att leverera den beräknade laddningsspänningen Vdddd.

Enligt en utföringsform för metoden är regulatorn 4 en PID-regulator.

Enligt en utföringsform för metoden styrs regulatorn 4 av ett antal i förväg bestämda och fasta parametrar relaterade till fordonet.

Enligt en ytterligare utföringsform för metoden är värdet representerande den aktuella batterispänningen Vbdt för det minst ena batteriet 3 beräknad.

Enligt en utföringsform för metoden är samplingsfrekvensen för batteriladdnings- systemet 1 ca. 2 Hz.

Föreliggande uppfinning avser även en datorprogramprodukt innefattande programsteg för genomförande av metoden ovan.

Föreliggande uppfinning är inte begränsad till ovan beskrivna föredragna ut- föringsformer. Olika alternativ, modifieringar och ekvivalenter kan användas. De ovan beskrivna utföringsformerna skall därför inte betraktas som begränsande uppfinningens skyddsomfäng vilket definieras av de bifogade patentkraven.

Claims (16)

10 15 20 25 30 12 Patentkrav

1. Batteriladdningssystem (1) för ett fordon, innefattande: en elkraftkälla (2) anpassad att leverera en Iaddningsspänning till minst ett batteri (3) med en ellerflera resistanspåförande enheter (R1-R11, RL1-RL3) anslutna till systemet (1 ), kännetecknat av att systemet (1) vidare innefattar en regulator (4) anpassad att kontinuerligt mottaga ett värde representerande en aktuell önskad Iaddningsspänning (Vd) och ett värde representerande en aktuell batterispänning (Vbat) för det minst ena batteriet (3), och baserat på dessa värden kontinuerligt beräkna en från elkraftkällan (2) levererad Iaddningsspänning (Vcaic) som krävs för att uppnå nämnda önskade Iaddningsspänning (Vd), varvid regulatorn (4) är anpassad att generera en styrsignal (S) innefattande styrkommandon till elkraftkällan (2) att leverera den beräknade laddningsspänningen (VC-ale).

2. Batteriladdningssystem enligt patentkrav 1, varvid regulatorn (4) är en PID- regulator.

3. Batteriladdningssystem enligt något av patentkrav 1 eller 2, varvid regulatorn (4) är anordnad i en styrenhet (5).

4. Batteriladdningssystem enligt något av patentkraven 1-3, varvid regulatorn (4) styrs av ett antal i förväg bestämda och fasta parametrar relaterade till fordonet.

5. Batteriladdningssystem enligt patentkrav 3, varvid värdet representerande den aktuella batterispänningen (Vbat) för det minst ena batteriet (3) är beräknat utifrån styrenhetens (5) spänning.

6. Batteriladdningssystem enligt något av patentkraven 1-5, varvid samplingsperiod för batteriladdningssystemet (1) är ca. 2 Hz. 10 15 20 25 30 13

7. Batteriladdningssystem enligt något av patentkraven 1-6, varvid de anslutna resistanspåförande enheterna (R1-R11, RL1-RL3) utgörs av resistanser i ledare (Ri- R11) och/eller anslutna strömförbrukare (RU-RB).

8. Batteriladdningssystem enligt patentkrav 7, varvid antalet anslutna strömförbru kare (RU-RB) varierar över tiden.

9. Batteriladdningssystem enligt något av patentkraven 1-8, varvid elkraftkällan (2) är anordnad i den bakre delen av fordonet och det minst ena batteriet (3) i den främre delen av fordonet, eller vice versa.

10. Metod för att styra laddningen av minst ett batteri i ett batteriladdningssystem för ett fordon, vilket batteriladdningssystem (1) innefattar en elkraftkälla (2) anpassad att leverera en laddningsspänning till minst ett batteri (3) med en eller flera resistanspåförande enheter (R1-R11, RL1-RL3) anslutna till systemet, varvid metoden innefattar stegen att: - kontinuerligt mottaga ett värde representerande en aktuell önskad laddningsspänning (Vd) i en regulator (4), - kontinuerligt mottaga ett värde representerande en aktuell batterispänning (Vbdt) för det minst ena batteriet (3) i nämnda regulator (4), - kontinuerligt beräkna en från elkraftkällan (2) levererad laddningsspänning (Vdddd) som krävs för att uppnå nämnda önskade laddningsspänning (Vd) baserad på aktuell önskad laddningsspänning (Vd) och aktuell batterispänning (Vbdt) för det minst ena batteriet (3), och - generera en styrsignal (S) innefattande styrkommandon till elkraftkällan (2) för att leverera den beräknade laddningsspänningen (Vddd).

11. Metod enligt patentkrav 10, varvid regulatorn (4) är en PID-regulator.

12. Metod enligt något av patentkrav 10 eller 11, varvid regulatorn (4) är anordnad i en styrenhet (5). 10 14

13. Metod enligt något av patentkrav 10 eller 12, varvid regulatorn (4) styrs av ett antal i förväg bestämda och fasta parametrar relaterade till fordonet.

14. Metod i batteriladdningssystem enligt patentkrav 12, varvid värdet representerande den aktuella batterispänningen (Vbai) för batterisystemet är beräknat utifrån styrenhetens (5) spänning.

15. Metod i batteriladdningssystem enligt nägot av patentkraven 10-14, varvid samplingsperioden för batteriladdningssystemet (1) är ca. 2 Hz.

16. Datorprogramprodukt innefattande programsteg för genomförande av metoden enligt nägot av patentkraven 10-15.