DE102007057981A1

DE102007057981A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Modellerstellung für eine Diffusion in einem Elektrochemischen System

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Publication number: DE102007057981A1
Application number: DE102007057981A
Authority: DE
Inventors: Brian J. Berkley Koch; Damon R. Troy Frisch; Robert S. Sterling Heights Conell
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2027-12-04
Also published as: CN101226229B; US20080135316A1; US7646166B2; DE102007057981B4; CN101226229A

Abstract

Ein Verfahren zum Ermitteln einer Diffusionsspannung in einer elektrochemischen Zelle (z. B. einer Batterie, die in Verbindung mit einem Kraftfahrzeug verwendet wird) umfasst ein Schätzen einer vorherigen Diffusionsspannung, ein Berechnen einer neuen Diffusionsspannung unter Verwendung einer Gleichung auf der Grundlage eines Diffusionsschaltkreismodells und der vorherigen Diffusionsspannung und ein Setzen der vorherigen Diffusionsspannung gleich der neuen Diffusionsspannung. Der Schritt des Berechnens der neuen Diffusionsspannung kann dann wiederholt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Kraftfahrzeugen und genauer gesagt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modellerstellung für eine Diffusion in einem elektrochemischen System – beispielsweise einem in Verbindung mit einem Kraftfahrzeug verwendeten Batteriesystem.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Batterien werden in einem breiten Bereich von Kraftfahrzeuganwendungen verwendet. Beispielsweise führte der Wunsch, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und die Menge von durch Fahrzeuge ausgestoßenen Schadstoffen zu reduzieren, zu der Entwicklung von Hybridelektrofahrzeugen (HEVs), die hoch entwickelte Batteriesysteme umfassen.
Es gibt verschiedene Typen von HEVs. Parallele HEVs verwenden sowohl eine Brennkraftmaschine (ICE) als auch einen Elektromotor, um das Fahrzeug anzutreiben, während serielle HEVs einen Elektromotor, um das Fahrzeug anzutreiben, und die ICE verwenden, um elektrische Energie zu erzeugen und den Elektromotor zu betreiben. Bei einem dritten Typ von HEV, der als "Start/Stopp"-HEV bekannt ist, treibt die ICE das Fahrzeug an und wird das elektrische System verwendet, um das Fahrzeug zu betreiben, wenn das Fahrzeug steht. Die ICE startet dann wieder, wenn das Fahrzeug beginnt, sich zu bewegen.
Allen Typen von HEVs ist eine Batterie gemein, die verschiedenen Lade- und Entladezyklen unterliegt, wenn die Batterie das Fahrzeug und/oder die Fahrzeugkomponenten mit Energie versorgt. Es ist wichtig, den Zustand der Batterie, der durch den Ladezustand (SOC) der Batterie ausgedrückt wird, zu kennen. Um Entscheidungen bezüglich der Batterie zu treffen, wie beispielsweise, wann die Batterie aktiv geladen werden soll, ist es wichtig, den SOC der Batterie zu kennen.
Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um den SOC zu ermitteln. Ein Verfahren zum Ermitteln des SOC basiert auf der Verwendung eines Ersatzschaltkreises eines Batteriesystems für eine Modellerstellung für die Batterie. Der Ersatzschaltkreis, der das Modell für die Batterie erstellt, berücksichtigt Faktoren, wie beispielsweise die Oberflächenladung an den Platten der Batterie. Solch ein Verfahren und System sind in dem US-Patent Nr. 6,639,385 mit dem Titel "State of Charge Method and Apparatus", erteilt am 28. Oktober 2003, und in der US-Veröffentlichung Nr. US 2004/0162683 mit dem Titel "Method and Apparatus for Generalized Recursive Least-Squares Process for Battery State of Charge and State of Health", eingereicht am 8. Februar 2003, offenbart. Während Ersatzschaltkreise des Stands der Technik ein effektives Modell zum Ermitteln des SOC der Batterie bereitstellen, versagen diese Schaltkreise beim Berücksichtigen der Diffusion in dem Batteriesystem.
Demgemäß ist es erwünscht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modellerstellung für eine Diffusion in einem elektrochemischen System bereitzustellen. Ferner werden die erwünschten Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangehenden technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Ermitteln einer Diffusionsspannung in einer elektrochemischen Zelle die Schritte des Schätzens einer vorherigen Diffusionsspannung, des Berechnens einer neuen Diffusionsspannung unter Verwendung einer Gleichung auf der Grundlage eines Diffusionsschaltkreismodells und der vorherigen Diffusionsspannung und des Setzens der vorherigen Diffusionsspannung gleich der neuen Diffusionsspannung. Der Schritt des Berechnens der neuen Diffusionsspannung kann dann wiederholt werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Energieverwaltungs-Controller für ein Fahrzeug einen Prozessor und einen damit gekoppelten Speicher. Der Prozessor ist ausgestaltet, um eine anfängliche Diffusionsspannung zu ermitteln und unter Verwendung einer Gleichung auf der Grundlage eines Diffusionsschaltkreismodells und der geschätzten Diffusionsspannung eine Diffusionsspannung zu berechnen. Der Prozessor ist ferner ausgestaltet, um einen Batteriezustandsparameter unter Verwendung der Diffusionsspannung zu ermitteln. Der Speicher ist ausgestaltet, um den Batteriezustandsparameter zu speichern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein Hybridelektrofahrzeug eine Brennkraftmaschine, einen Elektromotorgenerator, der zur Verwendung als Generator zum Erzeugen einer Ladespannung ausgestaltet ist, und eine mit dem Elektromotorgenerator gekoppelte Batterie. Ein Maschinensteuercomputer ist mit der Brennkraftmaschine, dem Elektromotorgenerator und der Batterie gekoppelt. Der Maschinensteuercomputer umfasst einen Prozessor, der ausgestaltet ist, um eine anfängliche Diffusionsspannung zu schätzen und unter Verwendung einer Gleichung auf der Grundlage eines Diffusionsschaltkreismodells und der anfänglichen Diffusionsspannung eine Diffusionsspannung zu berechnen. Der Prozessor ist ferner ausgestaltet, um den Ladezustand der Batterie unter Verwendung der Diffusionsspannung zu ermitteln. Der Maschinensteuercomputer umfasst ferner einen mit dem Prozessor gekoppelten Speicher zum Speichern mehrerer Parameter bezüglich Batteriezuständen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird hierin nachfolgend in Verbindung mit den folgenden Figuren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und
1 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Hybridelektrofahrzeugs gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Schaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Ersatzschaltkreises mit einem Diffusionsschaltkreiselement gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen der Ladung an dem Kondensator und der Zeitkonstante gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen einer Diffusionsspannung und einer verstrichenen Zeit gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt; und
5 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Ermitteln einer Diffusionsspannung (V_diff) gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und beabsichtigt nicht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Ferner besteht keine Absicht, durch irgendeine in dem vorangehenden Hintergrund der Erfindung oder der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung dargestellte Theorie eingeschränkt zu sein.
1 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV) 100, das zum Beschreiben der vorliegenden Erfindung nützlich ist. Vorab sei angemerkt, dass die Erfindung in dem Kontext einer Vielzahl von Fahrzeugbatteriesystemen realisiert sein kann und nicht auf HEV-Anwendungen beschränkt ist. Ferner ist das HEV 100 bei der beispielhaften Ausführungsform von 1 als ein paralleles HEV dargestellt, obwohl andere Typen von HEVs innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Das HEV 100 umfasst einen ersten Elektromotorgenerator (MÖGEN) 104, der mit einer Brennkraftmaschine (ICE) 102 gekoppelt ist, die beide mit einem Triebstrang 106 gekoppelt sind, der mit den Hinterrädern 101 gekoppelt ist. Der erste MÖGEN 104 ist über einen ersten DC-DC- Wandler 110 und ein erstes Umrichtermodul 108 mit dem Batteriepaket 116 gekoppelt. Ein Maschinensteuercomputer (ECC) 114 ist über den ersten DC-DC-Wandler 110 und das erste Umrichtermodul 108 mit der ICE 102 und dem ersten MOGEN 104 gekoppelt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist ein optionaler zweiter MOGEN 122 mit den Vorderrädern 103 gekoppelt. Der zweite MOGEN 122 ist mit einem zweiten Umrichtermodul 120 und einem zweiten DC-DC-Wandler 118 gekoppelt.
Der erste MOGEN 104 kann als Motor, um das HEV 100 anzutreiben, oder als Generator arbeiten, um das Batteriepaket 116 zu laden. In 1 betreibt der erste MOGEN 104 die Hinterräder 101 über den Triebstrang 106. Der zweite MOGEN 122 kann bei einer beispielhaften Ausführungsform verwendet werden, um die Vorderräder 103 über das zweite Umrichtermodul 120 und den zweiten DC-DC-Wandler 118 anzutreiben. Während 1 den ersten MOGEN 104 und den zweiten MOGEN 122 als einzelne Einheiten zeigt, können jeweils ein separater Motor und ein separater Generator bereitgestellt sein.
Die ICE 102 kann verwendet werden, um das HEV 100 anzutreiben. Zusätzlich kann die ICE 102 den ersten MOGEN 104 betreiben, um eine AC-Spannung zu erzeugen. Die AC-Spannung kann durch das erste Umrichtermodul 108 in eine DC-Spannung umgewandelt werden, um das Batteriepaket 116 zu laden. Die ICE 102 kann jede beliebige bekannte ICE 102 umfassen, die zur Verwendung in einem Fahrzeug entworfen ist.
Der erste DC-DC-Wandler 110 kann die durch den ersten MOGEN 104 erzeugte und durch das erste Umrichtermodul 108 umgewandelte AC-Spannung in eine höhere DC-Spannung umwandeln, die benötigt wird, um das Batteriepaket 116 zu laden. Der erste DC-DC-Wandler 110 kann die Spannung von dem Batteriepaket 116 auch heruntertransformieren, wenn das Batteriepaket 116 verwendet wird, um den ersten MOGEN 104 zu betreiben.
Der ECC 114 arbeitet als ein Energieverwaltungs-Controller, um Batterieparameter zu überwachen, und als ein Hybridsystem-Controller, um den Betrieb von Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise des ersten MOGEN 104, des zweiten MOGEN 122 und der ICE 102, zu steuern. Der ECC 114 überwacht bei einer Ausführungsform Parameter, wie beispielsweise den Batteriestrom, die Batteriespannung, den Batterieladezustand (Batterie-SOC), den Innenwiderstand, die Leistungsabgabe und dergleichen. Der ECC 114 umfasst bei einer beispielhaften Ausführungsform einen Prozessor 113, um aus anderen Batterie- und Systemparametern die Diffusionsspannung und den SOC zu ermitteln. Ein Speicher 115 ist mit dem Prozessor 113 gekoppelt und kann Daten, wie beispielsweise mehrere Batteriezustandsparameter, speichern. Bei der vorliegenden Erfindung kann die an dem ECC 114 ermittelte Diffusionsspannung beim Berechnen des SOC oder anderer Batteriezustandsparameter verwendet werden. Der ECC 114 kann ein einzelner Controller sein oder kann eine Kombination aus zwei oder mehreren separaten Controllern sein, die in dem HEV 100 verteilt sind.
Das Batteriepaket 116 umfasst mehrere Batterien, die bei einer typischen Ausführungsform in Reihe geschaltet sind. Das Batteriepaket 116 kann verwendet werden, um den ersten MOGEN 104 mit Energie zu versorgen, um den Triebstrang 106 zu betreiben, oder um das HEV 100 mit Energie zu versorgen. Das Batteriepaket 116 kann durch den ersten MOGEN 104 aktiv geladen werden und/oder über ein Rückgewinnungsbremsungssystem (nicht gezeigt) passiv geladen werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Batteriepaket 116 mehrere Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH-Batterien), obwohl eine andere Batteriechemie, wie bei spielsweise Bleisäure, Lithiumion, Polylithiumion und dergleichen, verwendet werden kann.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Batterieersatzschaltkreises 200, der ein Diffusionsschaltkreiselement 202 und einen herkömmlichen Ersatzschaltkreis 201 umfasst. Der herkömmliche Ersatzschaltkreis 201 umfasst eine Hysteresespannungsquelle V_H in Reihe mit einer Batteriespannungsquelle V_O und einen Serienwiderstand R_ohm. Zwischen Punkt 204 und 206 ist eine Leerlaufspannung V_OC definiert. Die Leerlaufspannung ist gleich der Summe der Hysteresespannungsquelle V_H und der Batteriespannungsquelle V_O. Ein Kondensator C_dl ist parallel zu einem Widerstand R_ct gekoppelt.
Die Elemente des herkömmlichen Ersatzschaltkreises 201 sind Teil eines bekannten herkömmlichen Ersatzschaltkreises, der verwendet werden kann, um für das Batterieverhalten ein Modell zu erstellen, und Faktoren berücksichtigt, wie beispielsweise die Oberflächenladung an den Platten der Batterie. Der herkömmliche Ersatzschaltkreis 201 und sein Verhalten sind in dem US-Patent Nr. 6,639,385 mit dem Titel "State of Charge Method and Apparatus", erteilt am 28. Oktober 2003, und der US-Veröffentlichung Nr. US 2004/0162683 mit dem Titel "Method and Apparatus for Generalized Recursive Least-Squares Process for Battery State of Charge and State of Health", eingereicht am 8. Februar 2003, offenbart, deren Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme vollständig mit eingeschlossen ist.
Der Batterieersatzschaltkreis 200 der vorliegenden Erfindung umfasst ein Diffusionsschaltkreiselement 202 zur Modellerstellung für die Diffusionsspannung in der Batterie. Das Diffusionsschaltkreiselement 202 umfasst einen Diffusionskondensator C_diff, der parallel zu einem veränderlichen Widerstand R_diff gekoppelt. Der veränderliche Widerstand R_diff ist eine Funktion der Ladung U_cap an dem Diffusionskondensator, die ausgedrückt werden kann durch: Rdiff = ∫(Ucap) Gleichung 1
Das Diffusionsschaltkreiselement 202 weist eine Zeitkonstante τ auf, die gleich dem Produkt aus dem Diffusionskondensator und dem veränderlichen Widerstand ist: τ = Rdiff × Cdiff Gleichung 2
Da der veränderliche Widerstand R_diff eine Funktion der Ladung U_cap an dem Diffusionskondensator ist, verändert sich die Zeitkonstante τ auch als eine Funktion der Ladung U_cap an dem Diffusionskondensator. Daher kann das Verhalten des Diffusionsschaltkreiselements 202 mit der Zeitkonstante τ in Verbindung gebracht werden.
Das Diffusionsschaltkreiselement 202 erstellt ein Modell für den Diffusionsprozess in einer elektrochemischen Zelle. Diffusion ist die Bewegung von Ionen in Ansprechen auf ein Konzentrationsgefälle. Der Transport der diffundierenden Ionen findet von Bereichen einer hohen Konzentration zu Bereichen einer niedrigen Konzentration mit einer Rate statt, die zu der Diffusionsfähigkeit der Ionen und der Größe des Gefälles direkt proportional ist. Bei einem elektrochemischen Prozess wird ein Gefälle durch die Umwandlung eines Reaktanden in ein Produkt an einer Elektrode erzeugt. Beispielsweise lautet bei einer Bleibatterie die Reaktion an der Anode bei einer Entladung der Batterie: Pb + SO 2– / 4 ↔ PbSO₄ + 2e^– Gleichung 3
Mit anderen Worten werden bei diesem Beispiel die Reaktanden Pb (Blei) und SO 2– / 4 (Sulfatanion) in das Produkt PbSO₄ (Bleisulufat) umgewandelt. Da der der Elektrode am nächsten liegende SO 2– / 4-Recktand verbraucht wird, um festes PbSO₄ zu bilden, bewegt sich mehr von dem SO 2– / 4 von der Masse des Elektrolyt in der Batterie hinein, um das verbrauchte SO 2– / 4 aufzufüllen. Wenn die Rate, mit der das SO 2– / 4 an der Elektrode verbraucht wird, die Rate übersteigt, mit der das SO 2– / 4 von dem Elektrolyt zu der Elektrode diffundieren kann, verringert sich die lokale Konzentration des SO 2– / 4 an der Oberfläche der Elektrode, wenn die Reaktion fortschreitet. Die Differenz zwischen der lokalen Konzentration des SO 2– / 4 und der Konzentration von SO 2– / 4 im Rest des Elektrolyt bildet ein Gefälle, das die treibende Kraft für die Diffusion bereitstellt. Das Ausmaß, zu dem sich das Gefälle entwickelt, hängt von der Reaktionsrate an der Elektrode und der Diffusionsfähigkeit der diffundierenden Spezies ab. Gefälle können sich in dem System in Abhängigkeit von der Natur der elektrochemischen Reaktion und dem Entwurf der elektrochemischen Zelle in flüssigen, festen oder gasförmigen Phasen entwickeln.
In elektrochemischen Zellen sind die Konzentrationsgefälle der diffundierenden Spezies, die für eine Energiespeicherung und -freigabe verantwortlich sind, als Spannungstransienten gegeben, die an den elektrischen Anschlüssen der elektrochemischen Zelle erfasst werden können. Die Größe und Änderungsraten der Spannungstransienten sind proportional zu der Diffusionsfähigkeit der reagierenden Spezies und der Größe der Gefälle. Je größer die Größe der Gefälle ist, desto stärker und schneller ändern sich die Spannungstransienten, und je kleiner die Größe der Gefälle ist, desto geringer und langsamer ändern sich die Spannungstransienten.
Das Diffusionsschaltkreiselement 202 stellt ein Modell für dieses Verhalten bereit, wie es in 3 gezeigt ist, die einen Graphen 302 darstellt, der die exponentielle Beziehung zwischen der Ladung U_cap an dem Diffusionskondensator und der Zeitkonstante τ zeigt. Beispielsweise ist am Punkt 304 an dem Graphen 302 bei einem niedrigen Wert der Zeitkonstante τ eine große Ladung an dem Diffusionskondensator vorhanden. Die große Ladung an dem Diffusionskondensator bei dem niedrigen Zeitkonstantenwert stellt eine große, sich schnell ändernde Spannung dar, die innerhalb des Diffusionsschaltkreiselements 202 auftritt. Dies ist repräsentativ für ein großes Gefälle.
Der Punkt 306 an dem Graphen 302 stellt eine niedrige Ladung an dem Diffusionskondensator dar, wobei die Zeitkonstante groß ist. Dies stellt ein geringes Gefälle dar. Die Beziehung zwischen der Zeitkonstante τ und der Ladung U_cap an dem Diffusionskondensator kann sich zwischen den beiden Extremwerten exponentiell verändern.
Eine Diffusionsspannung V_diff in dem Diffusionsschaltkreiselement 202 kann durch die folgende Diffusionsspannungsgleichung dargestellt werden:
wobei I der Strom ist, der in der Zeit Δt durch das Diffusionsschaltkreiselement 202 fließt, A_diff der Kehrwert des Diffusionskondensators ist (1/C_diff), τ_t-Δt der Wert der Zeitkonstante eines vorherigen Zeitschritts ist und V_diff, t-Δt der Wert der Diffusionsspannung eines vorherigen Zeitschritts ist. Die Berechnung der Zeitkonstante τ beginnt mit der Berechnung der Ladung an dem Kondensator:
Der Wert der Ladung an dem Kondensator wird dann bei der Berechnung der Zeitkonstante τ verwendet:
Der berechnete Wert der Zeitkonstante τ von Gleichung 6 wird typischerweise zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert begrenzt, bevor er in Gleichung 4 verwendet wird.
Die Werte für A_diff, τ_intercept und τ_exponent können bei einer beispielhaften Ausführungsform Nachschlagetabellen entnommen werden, die aus experimentellen Daten gebildet werden, die für das betreffende elektrochemische System erhalten werden. Die Werte können Funktionen der Temperatur, des Ladezustands und des Alters des elektrochemischen Systems sein. Diese Werte können in dem Speicher 115 des ECC 114 gespeichert sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die Diffusionsspannungsgleichung (Gleichung 4) mit Batteriezustandsalgorithmen verwendet werden, die benötigte Parameter extrahieren können. Bei dieser Ausführungsform kann der Algorithmus die Werte von A_diff und τ_exponent in Ansprechen auf Änderungen der Temperatur, des SOC und des Alters des elektrochemischen Systems anpassen, anstatt Nachschlagetabellen zu verwenden.
Um die Diffusionsspannung V_diff zu berechnen, ist beim ersten Zeitschritt des Betriebs ein Anfangswert für die Diffusionsspannung erforderlich, um mit der Berechnung der Diffusionsspannung zu beginnen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Anfangswert der Diffusionsspannung geschätzt werden, indem zuerst die Änderung der Spannung des elektrochemischen Systems während Perioden eines Stillstands bei Leerlauf beobachtet wird. Beispielsweise können bei einer Fahrzeuganwendung die letzte gemessene Leerlaufspannung zum Zeitpunkt des Abschaltens (Key-off) des Fahrzeugs und die erste gemessene Leerlaufspannung beim Anschalten (Key-on) des Fahrzeugs verwendet werden, um die anfängliche Diffusionsspannung zu schätzen. Es kann auch eine verstrichene Zeit t_off zwischen dem Key-off-Zustand und dem Key-on-Zustand verwendet werden, um die anfängliche Diffusionsspannung zu erhalten.
Nach dem Ermitteln der verstrichenen Zeit zwischen dem Key-off-Zustand und dem Key-on-Zustand kann der Anfangswert der Diffusionsspannung geschätzt werden. 4 zeigt eine Kurve 402 der Diffusionsspannung V_diff über der Zeit t. Die Kurve 402 zeigt den Abfall der Diffusionsspannung V_diff von einem sehr hohen Wert auf einen sehr kleinen Wert über der Zeit bei Leerlauf. Die Differenz (ΔV) zwischen zwei beliebigen gemessenen Leerlaufspannungen über der verstrichenen Zeit (t_off), wie beispielsweise die Differenz zwischen der Leerlaufspannung zwischen Key-off und Key-on kann an der Kurve 402 abgebildet werden. Eine gegebene Kombination von ΔV und t_off schneidet sich mit der Kurve 402 an einer eindeutigen Position, wobei der Anfangswert von V_diff beim Anschalten dem Schnittpunkt der Daten mit der Kurve am Ende des Zeitintervalls t_off entspricht. Beispielsweise stellt der Punkt 404 der Kurve 402 bei einer beispielhaften Ausführungsform die Diffusionsspannung dar, die zuletzt gemessen wurde, als das Fahrzeug abgeschaltet wurde (Key-off), und stellt der Punkt 406 der Kurve 402 die Diffusionsspannung dar, die gemessen wird, wenn das Fahrzeug nach dem letzten Abschalten des Fahrzeugs gestartet wird (Key-on). Die Spannung bei Punkt 406 würde die anfängliche Diffusionsspannung darstellen.
Ein Weg zur Ermittlung einer anfänglichen Diffusionsspannung ist, einen hohen Wert der Diffusionsspannung V_diff an der Kurve 402 auszuwählen und einen erwarteten Diffusionsspannungsendwert nach dem verstreichen der Zeit t_off zu berechnen. Die Differenz dieser beiden Werte der Diffusionsspannung wird mit der Differenz zweier gemessener Spannungswerte verglichen, die zum letzten Key-off-Zeitpunkt und zum letzten Key-on-Zeitpunkt wie zuvor erläutert erfasst wurden. Wenn die beiden Differenzen innerhalb eines vorbestimmten Toleranzniveaus übereinstimmen, kann der berechnete Wert der Diffusionsspannung nach einer verstrichenen Zeitdauer als der Anfangswert der Diffusionsspannung für Gleichung 4 verwendet werden.
Wenn die beiden Differenzen innerhalb des vorbestimmten Toleranzniveaus nicht übereinstimmen, wird die Berechnung wiederholt, wobei der Startwert der Diffusionsspannung an einer niedrigeren Stelle an der Kurve 402 ausgewählt wird. Der Prozess wird wiederholt, indem der Startwert der Diffusionsspannungen V_diff an der Kurve um einen bestimmten vorbestimmten Betrag dekrementiert wird, bis eine Übereinstimmung zwischen der berechneten Differenz zwischen den Werten der Diffusionsspannung V_diff und der gemessenen Differenz zwischen den Spannungen zum Key-off-Zeitpunkt und zum Key-on-Zeitpunkt gefunden wird. Wenn der berechnete Endwert der Diffusionsspannung nach vielen Iterationen einen kleinen Wert erreicht und keine Übereinstimmung gefunden wurde, nimmt die anfängliche Diffusionsspannung einen Standardwert von "0" V an. Um die Zeitdauer zu reduzieren, die erforderlich ist, um die anfängliche Diffusionsspannung zu finden, können weiter entwickelte Suchroutinen eingesetzt werden, um eine Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und der Kurve 402 zu finden, die innerhalb der Lehren der vorliegenden Erfindung liegen.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Berechnen der Diffusionsspannung V_diff in einem Batteriepaket 116 zeigt. In einem ersten Schritt, Schritt 502, wird zuerst ermittelt, ob es das erste Mal ist, dass die Diffusionsspannung berechnet wurde, seit das Fahrzeug gestartet wurde.
Wenn es das erste Mal ist, dass die Diffusionsspannung berechnet wurde, seit das Fahrzeug gestartet wurde, wird in Schritt 504 eine anfängliche Diffusionsspannung geschätzt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die anfängliche Diffusionsspannung unter Verwendung des oben in Verbindung mit 4 erläuterten Verfahrens geschätzt werden. Nach dem Schätzen der anfänglichen Diffusionsspannung fährt das Verfahren mit Schritt 508 fort, der nachstehend ausführlicher erläutert wird.
Wenn es nicht das erste Mal ist, dass die Diffusionsspannung berechnet wurde, seit das Fahrzeug gestartet wurde, wird die Diffusionsspannung in Schritt 506 unter Verwendung von Gleichung 4 berechnet. Gleichung 4 verwendet einen vorherigen Wert der Diffusionsspannung zum Berechnen einer momentanen Diffusionsspannung. Die Notwendigkeit eines vorherigen Werts der Diffusionsspannung zum Berechnen eines momentanen Werts ist der Grund dafür, dass in Schritt 504 eine anfängliche Diffusionsspannung geschätzt wird.
In Schritt 508, der entweder nach Schritt 504, wenn eine anfängliche Diffusionsspannung berechnet wird, oder nach Schritt 506 erreicht wird, wenn eine momentane Diffusionsspannung unter Verwendung einer vorherigen Diffusionsspannung berechnet wird, wird die Ladung U_cap an dem Kondensator unter Verwendung von Gleichung 5 berechnet. Die Ladung U_cap an dem Kondensator, die in Schritt 508 ermittelt wird, wird dann in Schritt 510 verwendet, um die Zeitkonstante τ unter Verwendung von Gleichung 6 zu berechnen. Die berechnete Zeitkonstante τ wird für eine weitere Verwendung in Schritt 512 gespeichert.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird die Zeitkonstante τ in dem Speicher 115 zusammen mit anderen Parametern gespeichert, die mit einem Batteriezustand in Beziehung stehen. Außerdem werden bei einer Ausführungsform die in den Schritten 504–510 durchgeführten Berechnungen unter Verwendung des Prozessors 113 des ECC 114 durchgeführt.
Der herkömmliche Ersatzschaltkreis 201 kann dann zusammen mit dem Diffusionsschaltkreiselement 202 verwendet werden, um eine Gleichung für die Gesamtspannung in der Batterie zu ermitteln:
Diese Gleichung kann als eine rekursive Gleichung zum Ermitteln der Batteriespannung verwendet werden.
Der Ladezustand der Batterie kann durch Verwenden der Beziehung: SOC = w(SOCc) + (1 – w)SOCv Gleichung 8 ermittelt werden, wobei w ein Gewichtungsfaktor ist, SOC_c ein durch Coulomb-Integration berechneter Ladezustand ist und SOC_v der Ladezustand auf der Grundlage der Spannung ist. Der SOC_c kann unter Verwendung eines Integrationsverfahrens ermittelt werden, und eine Gleichung für den SOC_v kann von der Gesamtspannung in der Batterie abgeleitet werden. Die Ableitung solcher Gleichungen ist in dem US-Patent Nr. 6,639,385 mit dem Titel "State of Charge Method and Apparatus", erteilt am 28. Oktober 2003, und der US-Veröffentlichung Nr. US 2004/0162683 mit dem Titel "Method and Apparatus for Generalized Recursive Least-Squares Process for Battery State of Charge and State of Health", eingereicht am 8. Februar 2003, offenbart. In diesen Schriften werden die Berechnungen ohne Betrachtung der Berechnung der Diffusionsspannung durchgeführt. Bei der vorliegenden Erfindung umfasst das Modell die durch Diffusion beigetragene Spannung und können die Gleichungen angepasst werden, um die Diffusionsspannung zu berücksichtigen.
Während mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangehenden detaillierten Beschreibung der Erfindung dargestellt wurde, sei angemerkt, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es sei auch angemerkt, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und nicht beabsichtigen, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder Ausgestaltung der Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken. Vielmehr bietet die vorangehende detaillierte Beschreibung Fachleuten einen geeigneten Plan zum Realisieren einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, wobei zu verstehen ist, dass verschiedene Änderungen an der Funktion und Anordnung von Elementen, die in einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben sind, vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6639385 [0005, 0025, 0049]
- US 2004/0162683 [0005, 0025, 0049]

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Diffusionsspannung in einer elektrochemischen Zelle, wobei das Verfahren umfasst, dass eine vorherige Diffusionsspannung geschätzt wird; eine neue Diffusionsspannung unter Verwendung einer Gleichung auf der Grundlage eines Diffusionsschaltkreismodells und der vorherigen Diffusionsspannung berechnet wird; die vorherige Diffusionsspannung gleich der neuen Diffusionsspannung gesetzt wird; und der Schritt des Berechnens der neuen Diffusionsspannung wiederholt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens einer neuen Diffusionsspannung umfasst, dass eine von einem Diffusionsschaltkreismodell mit einem Diffusionskondensator, der mit einem veränderlichen Widerstand gekoppelt ist, abgeleitete Gleichung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Berechnens einer neuen Diffusionsspannung umfasst, dass eine von einem Diffusionsschaltkreismodell abgeleitete Gleichung verwendet wird, wobei der veränderliche Widerstand auf einer Ladung an dem Diffusionskondensator basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Berechnens einer neuen Diffusionsspannung umfasst, dass eine Zeitkonstante ver wendet wird, die sich auf der Grundlage der Ladung an dem Diffusionskondensator ändert.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Berechnens einer neuen Diffusionsspannung umfasst, dass die Zeitkonstante und die Ladung an dem Diffusionskondensator mit einer exponentiellen Beziehung in Verbindung gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Schätzens einer vorherigen Diffusionsspannung ferner umfasst, dass die vorherige Diffusionsspannung unter Verwendung einer Spannung, die beim Abschalten eines Fahrzeugs gemessen wird, und einer Spannung, die beim Anschalten des Fahrzeugs gemessen wird, geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Schätzens einer vorherigen Diffusionsspannung ferner umfasst, dass eine erste Spannung als eine Differenz zwischen einer Key-off-Spannung, die beim Abschalten des Fahrzeugs gemessen wird, und einer Key-on-Spannung, die beim Anschalten des Fahrzeugs gemessen wird, ermittelt wird; eine Startdiffusionsspannung auf der Grundlage einer vorbestimmten Kurve der Diffusionsspannung über der Zeit ausgewählt wird; eine ermittelte Diffusionsspannung auf der Grundlage der Startdiffusionsspannung und einer verstrichenen Zeit zwischen dem Abschalten des Fahrzeugs und dem Anschalten des Fahrzeugs ermittelt wird; und die vorherige Diffusionsspannung als die ermittelte Diffusionsspannung geschätzt wird, wenn die Differenz zwischen der Startdiffusionsspannung und dem ermittelten Diffusionswert inner halb eines vorbestimmten Betrags mit der ersten Spannung übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass die Diffusionsspannung mit einer Spannung einer elektrochemischen Zelle in Verbindung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner umfasst, dass ein Ladezustand auf der Grundlage der Spannung der elektrochemischen Zelle geschätzt wird.
Energieverwaltungs-Controller für ein Fahrzeug, umfassend: einen Prozessor, der ausgestaltet ist, um eine anfängliche Diffusionsspannung zu ermitteln; auf der Grundlage eines Diffusionsschaltkreismodells und der geschätzten Diffusionsspannung eine Diffusionsspannung zu berechnen; einen Batteriezustandsparameter unter Verwendung der Diffusionsspannung zu ermitteln; und einen mit dem Prozessor gekoppelten Speicher, wobei der Speicher ausgestaltet ist, um den Batteriezustandsparameter zu speichern.
Controller nach Anspruch 10, wobei das Diffusionsschaltkreismodell einen mit einem veränderlichen Widerstand gekoppelten Diffusionskondensator umfasst.
Controller nach Anspruch 11, wobei sich der veränderliche Widerstand auf der Grundlage einer Ladung an dem Diffusionskondensator verändert.
Controller nach Anspruch 12, wobei die Gleichung, die auf dem Diffusionsschaltkreismodell basiert, eine Zeitkonstante umfasst, die sich auf der Grundlage der Ladung an dem Diffusionskondensator ändert.
Controller nach Anspruch 13, wobei die Zeitkonstante und die Ladung an dem Diffusionskondensator mit einer abnehmenden exponentiellen Beziehung in Verbindung stehen.
Controller nach Anspruch 10, wobei der Batteriezustandsparameter ein Ladezustand einer entsprechenden Batterie ist.
Controller nach Anspruch 10, wobei der Prozessor ferner ausgestaltet ist, um eine erste Spannung als eine Differenz zwischen einer Key-off-Spannung, die beim Abschalten des Fahrzeugs gemessen wird, und einer Key-on-Spannung, die beim Anschalten des Fahrzeugs gemessen wird, zu ermitteln; eine Startdiffusionsspannung auf der Grundlage einer vorbestimmten Kurve der Diffusionsspannung über der Zeit auszuwählen; eine ermittelte Diffusionsspannung auf der Grundlage der ersten Diffusionsspannung und einer verstrichenen Zeit zwischen dem Abschalten des Fahrzeugs und dem Anschalten des Fahrzeugs zu ermitteln; und die anfängliche Diffusionsspannung als die ermittelte Diffusionsspannung zu schätzen, wenn die Differenz zwischen der Startdiffusionsspannung und der ermittelten Diffusionsspannung innerhalb eines vorbestimmten Betrags mit der ersten Spannung übereinstimmt.
Controller nach Anspruch 10, wobei der Prozessor ferner ausgestaltet ist, um die Diffusionsspannung mit einer Gesamtspannung einer zugehörigen Batterie in Verbindung zu bringen.
Controller nach Anspruch 17, wobei der Prozessor ferner ausgestaltet ist, um einen Ladezustand auf der Grundlage der Gesamtspannung zu schätzen.
Hybridelektrofahrzeug (HEV), umfassend eine Brennkraftmaschine; einen Elektromotorgenerator, der mit der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, wobei der Elektromotorgenerator zur Verwendung als Generator zum Erzeugen einer Ladespannung ausgestaltet ist; eine mit dem Elektromotorgenerator gekoppelte Batterie; und einen mit der Brennkraftmaschine, dem Elektromotorgenerator und der Batterie gekoppelten Maschinensteuercomputer, wobei der Maschinensteuercomputer umfasst: einen Prozessor, der ausgestaltet ist, um eine anfängliche Diffusionsspannung zu schätzen, auf der Grundlage eines Diffusionsschaltkreismodells und der anfänglichen Diffusionsspannung eine Diffusionsspannung zu berechnen; und einen Ladezustand der Batterie unter Verwendung der Diffusionsspannung zu ermitteln; und einen mit dem Prozessor gekoppelten Speicher zum Speichern mehrerer Parameter bezüglich Batteriezuständen.
HEV nach Anspruch 19, wobei der Prozessor ferner ausgestaltet ist, um eine erste Spannung als eine Differenz zwischen einer Key-off-Spannung der Batterie, die beim Abschalten des HEV gemessen wird, und der Key-on-Spannung der Batterie, die beim Anschalten des HEV gemessen wird, zu ermitteln; eine Startdiffusionsspannung auf der Grundlage einer vorbestimmten Kurve der Diffusionsspannung über der Zeit zu ermitteln; eine ermittelte Diffusionsspannung auf der Grundlage des geschätzten Werts für die Diffusionsspannung und einer verstrichenen Zeit zu ermitteln, die äquivalent zu einer Zeit ist, die zwischen dem Abschalten des HEV und dem Zeitpunkt des Anschaltens des HEV verstrichen ist; und die anfängliche Diffusionsspannung als die ermittelte Diffusionsspannung zu schätzen, wenn die Differenz zwischen der Startdiffusionsspannung und der ermittelten Diffusionsspannung innerhalb eines vorbestimmten Betrags mit der ersten Spannung übereinstimmt.