DE102008054063A1

DE102008054063A1 - Verfahren und System zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie

Info

Publication number: DE102008054063A1
Application number: DE102008054063A
Authority: DE
Inventors: Brian J. Berkley Koch; Robert S. Sterling Heights Conell
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-01
Also published as: US20120215471A1; US20090115420A1; US9513338B2; DE102008054063B4; US8198864B2

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie geschaffen. Es wird eine magnetische Kraft zwischen der Batterie und einem Magneten erfasst. Anhand der erfassten magnetischen Kraft wird der Ladezustand der Batterie bestimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrochemische Leistungsquellen wie etwa Batterien und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Technologie sowie sich stets wandelnde Geschmacksrichtungen im Stil zu wesentlichen Veränderungen im Entwurf von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen betrifft die Komplexität sowie die Leistungsnutzung der verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Alternativkraftstoff-Fahrzeugen wie etwa Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
Solche Fahrzeuge verwenden oftmals elektrochemische Leistungsquellen wie etwa Batterien, Ultrakondensatoren und Brennstoffzellen zum Antreiben der Elektromotoren, die die Räder antreiben, manchmal zusätzlich zu einer weiteren Leistungsquelle wie etwa einer Brennkraftmaschine. Ein wichtiger Parameter beim Betrieb von Fahrzeugen, die Batterien verwenden, ist der "Ladezustand" (state of charge, SOC). Der Ladezustand bezieht sich auf die in der Batterie gespeicherte Energie, die verfügbar ist, um zu irgendeiner gegebenen Zeit verwendet zu werden, bezüglich der gespeicherten Energie, die verfügbar ist, wenn die Batterie vollständig aufgela den ist. Eine genaue Bestimmung des Ladezustands ermöglicht den Fahrzeugen eine Maximierung von Leistung und Wirkungsgrad unter Minimierung von Emissionen.
Eine herkömmliche Lösung für Batterien ist, entweder eine gemessene oder eine berechnete Leerlaufspannung auf den Ladezustand zu beziehen. Dies ist durchführbar, weil die Leerlaufspannung, die der Ruhespannung der Batterie, wenn keinen Last anliegt, entspricht, im Allgemeinen eine bestimmte beobachtbare Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie aufweist. Es gibt jedoch Batterien wie etwa Nickel-Metall-Hydrid-Batterien und einige Typen von Lithium-Ionen-Batterien, die über den größten Teil des Ladezustandsbereichs eine nahezu konstante Leerlaufspannung besitzen. Mit anderen Worten, die Leerlaufspannung sagt nichts über den Ladezustand der Batterie aus. Obwohl diese Batterien als Leistungsquellen für Elektro- und Hybridfahrzeuge wegen ihrer geringen Masse, ihrer Hochleistungsfähigkeit und ihrer großen Speicherkapazität höchst wünschenswert sind, stellen sie daher hinsichtlich der Steuerung ein Problem dar, weil es sehr schwierig ist, ihren Ladezustand mit einem bestimmten Grad an Gewissheit zu schätzen.
Daher sollten ein Verfahren und ein System zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie, die nicht auf deren Leerlaufspannung basieren, geschaffen werden. Ferner werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den angehängten Ansprüchen deutlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen sowie dem technischen Gebiet und Hintergrund, die vorangestellt worden sind, aufgenommen werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie geschaffen. Es wird eine magnetische Kraft zwischen der Batterie und einem Magneten erfasst. Anhand der erfassten magnetischen Kraft wird der Ladezustand der Batterie bestimmt.
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Kraftfahrzeugbatterie geschaffen. Es wird eine magnetische Kraft zwischen der Kraftfahrzeugbatterie und einem Magneten erfasst. Anhand der erfassten magnetischen Kraft zwischen der Batterie und dem Magneten und der Stärke des vom Magneten ausgehenden Felds wird eine magnetische Eigenschaft der Kraftfahrzeugbatterie bestimmt. Anhand der magnetischen Eigenschaft wird der Ladezustand bestimmt.
Es wird ein Kraftfahrzeugantriebssystem geschaffen. Das Kraftfahrzeugantriebssystem umfasst einen Elektromotor, eine mit dem Elektromotor gekoppelte Batterie, einen Sensor, der einen Magneten umfasst, und einen Prozessor, der mit dem Sensor in betriebsbereiter Verbindung steht. Der Sensor ist angeordnet und ausgestaltet, um eine magnetische Kraft zwischen der Batterie und dem Magneten zu erfassen und ein Signal, das diese repräsentiert, zu erzeugen. Der Prozessor ist ausgestaltet, um das Signal, das die magnetische Kraft repräsentiert, vom Sensor zu empfangen und anhand der erfassten magnetischen Kraft den Ladezustand der Batterie zu bestimmen.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, beschrieben; unter diesen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine isometrische Ansicht eines Ladezustands-(SOC)-Systems innerhalb des Kraftfahrzeugs von 1;
3 eine längs der Linie 3-3 aufgenommene Querschnittsansicht einer Batterie und eines Magnetsensors im SOC-System von 2;
4 eine Seitenansicht eines Versuchsaufbaus zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Diagramm, das beim Versuchsaufbau von 4 eine scheinbare Masse eines Magneten mit dem Ladezustand einer Batterie vergleicht;
6 einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
7 ein beim Verfahren von 6 verwendetes Diagramm, das einen Gewichtsfaktor mit einem Stromfluss durch eine Batterie vergleicht.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende ausführliche Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung nicht einschränken. Außerdem soll sie nicht an irgendeine ausgedrückte oder implizierte Theorie, die in dem technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung, die vorangestellt worden sind, oder der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellt ist, gebunden sein.
Die folgende Beschreibung verweist auf Elemente oder Merkmale, die miteinander "verbunden" oder "gekoppelt" sind. Wie hier verwendet kann sich "verbunden" darauf beziehen, dass ein Element/Merkmal direkt mit einem anderen Element/Merkmal verknüpft ist (oder direkt mit einem solchen kommuniziert), jedoch nicht unbedingt auf mechanische Weise. Ähnlich kann sich "gekoppelt" darauf beziehen, dass ein Element/Merkmal direkt oder indirekt mit einem anderen Element/Merkmal verknüpft ist (oder direkt oder indirekt mit einem solchen kommuniziert), jedoch nicht unbedingt auf mechanische Weise. Jedoch können selbstverständlich auch dann, wenn im Folgenden zwei Elemente in einer Ausführungsform als "verbunden" beschrieben sind, in alternativen Ausführungsformen ähnliche Elemente "gekoppelt" sein, und umgekehrt. Obwohl die hier gezeigten schematischen Darstellungen beispielhafte Anordnungen von Elementen zeigen, können somit in einer wirklichen Ausführungsform weitere beteiligte Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden sein. Wohlgemerkt sind die 1–7 rein veranschaulichend und gegebenenfalls nicht maßstäblich gezeichnet.
Die 1 bis 7 zeigen ein Verfahren und ein System zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie. In einer Ausführungsform befindet sich die Batterie in einem Kraftfahrzeug wie etwa einem Hybrid- oder Brennstoffzellenfahrzeug. Durch Beobachten der magnetischen Kraft zwischen der Batterie und einem Magnet wird eine magnetische Eigenschaft wie etwa die magnetische Suszeptibilität der Batterie bestimmt. Wenn sich der Ladezustand der Batterie ändert, ändert sich die magnetische Suszeptibilität und somit die magnetische Kraft. Zum Bestimmen des Ladezustands anhand der beobachteten magnetischen Kraft kann eine Verweistabelle verwendet werden.
1 zeigt ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ein Fahrwerk 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16 und ein elektronisches Steuersystem (oder eine elektronische Steuereinheit (ECU)) 18. Die Karosserie 14 ist am Fahrwerk 12 angeordnet und umschließt im Wesentlichen die anderen Komponenten des Kraftfahrzeugs 10. Die Karosserie 14 und das Fahrwerk 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 drehbar mit dem Fahrwerk 12 gekoppelt.
Das Kraftfahrzeug 10 kann ein Typ von mehreren verschiedenen Typen von Kraftfahrzeugen wie beispielsweise eine Limousine, ein Kombi, ein Lastkraftwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV), gegebenenfalls mit Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), Vierradantrieb (4WD) oder Allradantrieb (AWD), sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann außerdem einen Typ oder eine Kombination von mehreren verschiedenen Typen von Maschinen (oder Krafterzeugern) wie beispielsweise eine mit Benzin oder Diesel gespeiste Brennkraftmaschine, eine Maschine für ein "Flex-Fuel-Fahrzeug (FFV) (d. h. eine Maschine, die ein Gemisch aus Benzin und Alkohol verwendet), eine mit einer gasförmigen Verbindung (z. B. Wasserstoff und/oder Naturgas) gespeiste Maschine oder eine Brennstoffzelle, eine Brennkraft/Elektromotor-Hybridmaschine und einen Elektromotor umfassen.
Bei der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 10 ein Hybridfahrzeug und umfasst ferner eine Krafterzeuger- bzw. Antriebsanordnung (oder einen Antriebsstrang) 20, eine Batterie 22, ein Batterie-Ladezustands-(SOC)-System 24, einen Leistungswechselrichter/-gleichrichter 26 (der im Folgenden nurmehr Wechselrichter genannt wird) und einen Kühler 28. Die Antriebsanordnung 20 umfasst eine Brennkraftmaschine 30 und ein Elektromotor/Generator-(oder Motor)-System (oder -Anordnung) 32. Die Batterie 22 ist mit dem Wechselrichter 26 elektrisch verbunden und bei einer Ausführungsform eine Lithium-Ionen-(Li-Ionen)-Batterie, die, wie an sich bekannt ist, mehrere Zellen umfasst.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann der Wechselrichter 26, wie an sich bekannt ist, mehrere Schalter oder Transistoren umfassen. Das Elektromotorsystem 32 umfasst in einer Ausführungsform einen oder mehrere sinusförmig gewickelte Dreiphasen-Wechselstrom-Motoren/Generatoren (oder -Motoren) (z. B. mit Permanentmagnet), wie sie gewöhnlich in Kraftfahrzeugen (z. B. Traktionsantrieb-Steuersysteme und dergleichen) verwendet werden. Wie ein Fachmann erkennen wird, umfasst jeder der Elektromotoren eine Statoranordnung (die leitende Spulen umfasst), eine Rotoranordnung (die einen ferromagnetischen Kern umfasst) und ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel). Die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung innerhalb der Elektromotoren können, wie an sich bekannt ist, mehrere (z. B. sechzehn) elektromagnetische Pole aufweisen.
Wie in 1 weiter gezeigt ist und weiter unten ausführlicher beschrieben wird, sind die Brennkraftmaschine 30 und das Elektromotorsystem 32 so eingebaut, dass beide mit wenigstens manchen der Räder 16 durch eine oder mehrere Antriebswellen 34 gekoppelt sind. Der Kühler 28 ist an einem äußeren Abschnitt mit dem Rahmen verbunden, weist, obwohl dies nicht im Einzelnen gezeigt ist, überall mehrere Kühlkanäle auf, die ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel) wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. ein Frostschutzmittel) enthalten, und ist mit der Maschine 30 und dem Wechselrichter 26 gekoppelt. Der Wechselrichter 26 empfängt Kühlmittel, das er mit sich dem Elektromotor 32 teilt. Der Kühler 28 kann in ähnlicher Weise mit dem Wechselrichter 26 und/oder dem Elektromotor 32 verbunden sein.
Wie in den beiden 1 und 2 zusammen genommen gezeigt ist, umfasst das SOC-System 24 einen Magnetsensor 36 und ein SOC-Modul 38. Der Magnetsensor 36 ist in der Nähe der Batterie 22 (oder genauer einer Zelle der Batterie 22) angeordnet (oder mit einer solchen verbunden). Das SOC-Modul 38 steht mit dem Magnetsensor 36 in betriebsbereiter Verbindung und umfasst bei einer Ausführungsform wenigstens einen Prozessor und/oder einen Speicher, der Daten enthält, die eine magnetische Eigenschaft der Batterie 22 auf deren Ladezustand beziehen, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird. Obwohl dies als solches nicht gezeigt ist, kann das SOC-Modul 38 mit dem elektronischen Steuersystem 18 eine Einheit bilden.
3 zeigt den Magnetsensor 36 ausführlicher und zusammen mit einem Teil der Batterie 22. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst der Magnetsensor 36 ein Substrat 40, eine Dehnungsmessvorrichtung bzw. einen Dehnungsmessstreifen 42, einen Permanentmagneten 44 und ein Gehäuse 46. Der Dehnungsmessstreifen 42 ist am Substrat 40 angebracht, wobei der Permanentmagnet 44 am Dehnungsmessstreifen 42 angeordnet ist. Das Gehäuse 46 ist am Substrat 40 befestigt und so gestaltet, dass es den Dehnungsmessstreifen 42 und den Permanentmagneten 44 umschließt, wobei es aus einem isolierenden Material wie etwa Kunststoff gefertigt sein kann.
Wie in 1 weiter gezeigt ist, steht das elektronische Steuersystem 18 mit der Antriebsanordnung 20, der Batterie 22, dem SOC-System 24 und dem Wechselrichter 26 in betriebsbereiter Verbindung. Obwohl dies nicht im Einzelnen gezeigt ist, umfasst das elektronische Steuersystem 18 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeug-Steuermodule oder elektronische Steuereinheiten (ECUs) wie etwa ein Karosserie-Steuermodul (body control module, BCM) 19 und wenigstens einen Prozessor und/oder einen Speicher, der darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte Anweisungen zum Ausführen der weiter unten beschriebenen Prozesse und Verfahren enthält.
Während des Betriebs, um weiter auf 1 Bezug zu nehmen, wird das Kraftfahrzeug 10 betrieben, indem den Rädern 16 Leistung zugeführt wird, wobei die Brennkraftmaschine 30 und die Elektromotoranordnung 32 abwechselnd und/oder gleichzeitig arbeiten. Um die Elektromotoranordnung 32 zu speisen, wird von der Batterie 22 Gleichstromleistung an den Wechselrichter 26 geliefert, der die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umsetzt, bevor er den Elektromotor 32 mit Energie versorgt.
Wie ein Fachmann erkennen wird, ist es in verschiedenen Betriebsstadien von Vorteil, einen genauen Schätzwert des Ladezustands der Batterie 22 zu haben, vor allem bei einer Ausführungsform, die eine Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfasst oder misst der Magnetsensor 36 eine magnetische Eigenschaft der Batterie 22. Das SOC-Modul 38 (und/oder das elektronische Steuersystem 18) bestimmt dann den Ladezustand der Batterie 22 we nigstens teilweise anhand der magnetischen Eigenschaft. Bei einer Ausführungsform ist die magnetische Eigenschaft die magnetische Suszeptibilität, die durch Erfassen einer magnetischen Kraft zwischen der Batterie 22 und dem Magneten 44 bestimmt wird.
Die magnetische Suszeptibilität beschreibt den Umfang, in dem ein Material in Gegenwart eines angelegten Magnetfelds magnetisiert wird. Die magnetische Suszeptibilität pro Einheitsvolumen des Materials, χ_ν, ist durch die folgende Gleichung
gegeben, wobei M die durch den magnetischen Dipol pro Einheitsvolumen ausgedrückte Magnetisierung ist und H das angelegte Magnetfeld ist. Die Suszeptibilität kann auch pro Einheitsmasse oder pro Mol des Materials ausgedrückt werden. Wenn χ positiv ist, wird das Material zum Feld angezogen und als "paramagnetisch" beschrieben. Wenn χ negativ ist, wird das Material vom Feld abgestoßen und als "diamagnetisch" beschrieben.
Allgemein entsteht Magnetismus sowohl durch den lokalen Spin von Elektronen als auch deren orbitale Bewegung innerhalb von Atomen. Magnetische Suszeptibilität wird bei freien Ionen der Eisengruppenreihen-, Aktinidenreihen- und Seltenerdreihenelemente in der Tabelle des periodischen Systems beobachtet. Verbindungen, die diese Elemente enthalten, weisen ebenfalls Suszeptibilität auf, wobei manche dieser Verbindungen als aktive Materialien für die elektrochemische Energiespeicherung in Batterien Verwendung finden. Sie gehören zu einer Klasse, die als Interkalationsverbindungen bekannt sind und durch die Fähigkeit, kleine Ionen (wie etwa Li) zu besitzen, die ohne weiteres in ihre Festkörperstrukturen eingefügt und aus diesen entfernt werden können, ausgezeichnet sind.
Dieses Verhalten sorgt für die Auflade- und Entladeprozesse der Batterien. Ein Beispiel einer solchen Verbindung, die gegenwärtig für die Verwendung als Katode in Lithium-Ionen-Batterien in Betracht gezogen wird, ist Eisenphosphat (FePO₄). Die relevante elektrochemische Reaktion lautet Li(1-n)FePO4 + nLi+ + ne– = LiFePO4 (2)wobei n der Anteil insgesamt verfügbarer Interkalationsstellen, die belegt sind, ist. Während der Entladung der Batterie wird Lithium in das Eisenphosphat eingefügt, wobei dann, wenn sich die Batterie entlädt, Lithium entfernt wird.
Wenn sich die freien Atome, Eisen (Fe), Phosphor (P) und Sauerstoff (O), mit dem Eisenphosphat vereinigen, verändern sich die einzelnen elektronischen Strukturen und werden Teil der größeren Verbindung. Die Valenzelektronen jedes Atoms tragen zur Bindung in der Verbindung bei, wobei unter den Atomen ein Ladungstransport erfolgt. Die neue elektronische Struktur, die gebildet wird, ist für die spezifische Verbindung charakteristisch und besitzt eine eindeutige magnetische Suszeptibilität, die ihr zugeordnet ist. Eine weitere Veränderung der elektronischen Struktur erfolgt, wenn mehr Ionen in die Verbindung eingefügt werden, wie es bei einer Einfügung von Lithium in die Eisenphosphatelektrode während der Entladung einer Lithium-Ionen-Batterie der Fall sein würde. Diese Veränderung hat eine messbare Auswirkung auf die Suszeptibilität der Elektrode im Verhältnis zu der hinzugesetzten Lithiummenge. Durch systematisches Variieren des Lithiumanteils in der Elektrode, n, und Messen der entsprechenden Suszeptibilität χ ist es möglich, eine Beziehung zwischen den zwei Variablen herzustellen. Durch einfaches Multiplizieren von n mit 100 wird die Beziehung zwischen der Suszeptibilität und dem prozentualen Ladezustand erhalten. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden die Suszeptibilitätsabhängigkeit, um den Ladezustand der Batterie zu bestimmen.
4 zeigt einen Versuchsaufbau (d. h. eine Gouy-Waagenanordnung), die zum Messen von Suszeptibilitätseffekten in einer Batteriezelle verwendet werden kann. Ein Permanentmagnet 48 wird auf der Schale 50 einer elektronischen Waage 52 angeordnet. Die Waagenablesung wird zu Beginn auf null gesetzt. Eine Batterie oder Batteriezelle 54 wird dann auf einer Auflage 56 direkt über dem Magneten 48 angeordnet. Wenn die Zelle 54 vom Magneten 48 abgestoßen wird, gibt die Waage eine scheinbare Zunahme der Masse des Magneten 48 an. Wenn umgekehrt die Zelle 54 vom Magneten 48 angezogen wird, gibt die Waage 52 eine scheinbare Abnahme der Masse des Magneten 48 an. Die Zelle 54 wird dann mit einem Batterieladegerät oder "Cycler" (nicht gezeigt) verbunden, um den Ladezustand der Zelle 54 (d. h. die Aufladung oder Entladung der Zelle 54) einzustellen und zu messen. Die entsprechende Änderung der magnetischen Suszeptibilität äußert sich als Änderung der scheinbaren Masse oder der vom Magneten 48 auf die Waage 52 ausgeübten Kraft.
Folglich kann ein Graph (ein Diagramm oder eine Tabelle) der scheinbaren Masse (oder Kraft) über dem Ladezustand, wie etwa jener, der in 5 gezeigt ist, erzeugt werden. Es sei angemerkt, dass die anfängliche scheinbare Masse 58 (d. h. bei 0% SOC) negativ ist, was angibt, dass in 4 eine Anziehungskraft zwischen der Zelle 54 und dem Magneten 48 den Magneten 48 geringfügig von der Schale 56 anhebt. Wenn der Ladezustand zunimmt, wird die Waagenablesung weniger negativ (d. h. wird der Magnet 48 scheinbar schwerer), was angibt, dass die Anziehungskraft schwächer wird. Um diese Informationen in die magnetische Suszeptibilität über dem Ladezustand umzusetzen, können die Massenablesungen in Kraftwerte umgesetzt und in Kombination mit der bekannten Stärke des vom Magneten ausgehenden Felds verwendet werden.
Jedoch ist bei wenigstens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine direkte Bestimmung der magnetischen Suszeptibilität nicht erforderlich, wobei die oben beschriebene scheinbare Masse, ein wesentlich direkter erlangbarer Parameter, verwendet werden kann. Das SOC-Modul 38 speichert die Beziehung zwischen der Suszeptibilität und dem Batterieladezustand, ähnlich wie die in 5 gezeigten Daten, in einem Verweistabellenformat. Die Daten in der Verweistabelle werden Laborversuchen entnommen, die über den gesamten erwarteten Betriebsbereich an repräsentativen Batterien vorgenommen werden. Algorithmen zum Steuern der Hardware, die entscheiden, wann Messungen vorzunehmen sind, und die das Signal von der Hardware verarbeiten, können ebenfalls im SOC-Modul 38 gespeichert sein.
Um wieder auf 3 Bezug zu nehmen, arbeitet der Magnetsensor 36 nach einem Prinzip, das zu jenem, das in 4 gezeigt ist, ähnlich ist. Wenn sich der Ladezustand der Batterie 22 ändert, ändert sich die (entweder abstoßende oder anziehende) Kraft zwischen der Batterie 22 und dem Magneten 44 in einer Weise, die jener, die in 5 aufgezeigt wird, gleicht. Der Dehnungsmessstreifen 42 erfasst diese Änderungen und erzeugt ein diese repräsentierendes Signal, das dem SOC-Modul 38 zugeführt wird, das die darin gespeicherte Verweistabelle verwendet, um den momentanen Ladezustand der Batterie 22 zu bestimmen. Bei wenigstens einer Ausführungsform wird der Ladezustand bestimmt, ohne die Spannung der Batterie 22 zu verwenden.
Die magnetische Kraft und/oder der Ladezustand können während des gesamten Betriebs ununterbrochen gemessen werden oder, falls elektro magnetische Störungen dies undurchführbar machen, zu Zeiten gemessen werden, in denen wenig oder kein Strom in der Batterie 22 fließt. Bei Hybridfahrzeugbatterien (oder Elektrofahrzeugbatterien) werden Messungen vorzugsweise, während der Abschaltung des Kraftfahrzeugs 10 oder genau dann, nachdem die Zündung aktiviert worden ist, vorgenommen.
Bei einer Ausführungsform wird stets dann, wenn der Strom innerhalb annehmbarer Grenzen liegt und ein gültiger Suszeptibilitätsmesswert verfügbar ist, der entsprechende Ladezustand (oder ein Magnetanteil des Ladezustands) SOC_χ aus der Verweistabelle abgerufen und als Korrektursignal mit einem der Batterie zugeordneten Strom wie etwa einem auf Amperestunden basierenden Ladezustand (oder einem Stromanteil des Ladezustands) SOC_Ah, der einer Integration des Stromflusses durch die Batterie 22 entsprechen kann, gemischt. Die Mischung wird in der Weise ausgeführt, dass die Gewichtung des auf Suszeptibilität basierenden Ladezustands (SOC_χ) an jenem Punkt, an dem die Messung erfolgt, am größten ist und dann als Funktion des Amperestundendurchsatzes (ΔAh), den die Batterie erfährt, abnimmt. Dies wird durch Verwendung eines variablen Gewichtsfaktors w in der Mischungsgleichung SOC = wSOCχ + (1 – w)SOCAh (3)erreicht, wobei w eine Funktion von ΔAh ist. Der auf Amperestunden basierende Ladezustand wird stets dann, wenn Strom durch die Batterie 22 fließt, entweder im SOC-Modul 38 oder einem anderen entfernten Mikroprozessor, der den Wert über einen Fahrzeugkommunikationsbus überträgt, ununterbrochen berechnet.
Der auf Amperestunden basierende Ladezustand wird gemäß der folgenden Gleichung
berechnet, wobei I der Strom ist, Δt das Zeitintervalle der Berechnung ist und Ah_nominell die Nennleistung der Batterie ist. Es sei angemerkt, dass die inkrementelle Änderung von
dem gemischten SOC aus dem vorhergehenden Schritt, SOC_t-Δt, hinzugefügt wird. In dieser Weise kann die Berechnung von SOC_Ah immer irgendeine Korrektur, die durch SOC_χ verschafft worden ist, enthalten. Indem erlaubt wird, dass der Einfluss von SOC_χ mittels des Gewichtsfaktors w abnimmt, wird der berichtete Ladezustand durch Daten, die zu alt sind, als dass sie anwendbar wären, nicht über Gebühr ungünstig beeinflusst. Auf dem Fachgebiet sind weitere Verfahren zum Berechnen des Ladezustands auf Basis des Stroms (und/oder der Spannung) wie etwa jene, die im US-Patent Nr. 6,639,385 beschrieben sind, bekannt, wobei sie in weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Kombination mit den hier beschriebenen Verfahren anwendbar sind.
6 zeigt ein Verfahren 60 zum Bestimmen eines Ladezustands gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Folge von Schritten 62–76 kann stets dann, wenn das Kraftfahrzeug 10 angeschaltet ist, in Intervallen von einer Sekunde oder weniger ununterbrochen erfolgen.
Das Verfahren 60 beginnt mit dem Schritt 62, in dem der Fahrzeugschlüssel gedreht wird (z. B. die Zündung aktiviert wird) und Werte des Ladezustands (SOC_alt) und der Amperestundendurchsatz (ΔAh_alt), die gespeichert wurden, als das Fahrzeug zum letzten Mal abgeschaltet wurde, aus dem nichtflüchtigen Speicher abgerufen werden. Im Schritt 64 wird der Strom gemessen und die Energiemenge, die durch die Batterie geleitet wurde, seitdem die magnetische Suszeptibilität (χ) das letzte Mal bestimmt wurde, (ΔAh) aktualisiert. Im Schritt 66 wird ein Test ausgeführt, um zu ermitteln, ob der Stromfluss durch die Batteriegruppe hinreichend niedrig ist (d. h. innerhalb einer im SOC-Modul 38 gespeicherten voreingestellten Grenze liegt), so dass er den Magnetsensor 36 nicht stört. Falls diese Bedingung erfüllt ist, wird im Schritt 68 die magnetische Kraft zwischen der Batterie 22 und dem Magneten 44 gemessen und im Schritt 70 mittels der im SOC-Modul 38 gespeicherten Verweistabelle (2) in einen auf Suszeptibilität basierenden Ladezustand (SOC_χ) umgesetzt. Danach wird im Schritt 72 ΔAh auf null zurückgesetzt.
Im Schritt 74 wird der Gewichtsfaktor (w) für den Beitrag von SOC_χ zum gemischten Ladezustand aus der Verweistabelle, die eine Beziehung zwischen w und ΔAh beschreibt, entnommen. Ein Beispiel einer solchen Tabelle ist in 7 gezeigt. Es sei angemerkt, dass dann, wenn ΔAh gerade auf null zurückgesetzt worden ist, w auf seinem Maximalwert genommen wird, wie durch die durch die Linie 78 gezeigte exponentielle Abnahme von w angegeben ist. Im Schritt 76 wird der gemischte Ladezustand mittels des im Schritt 74 bestimmten Gewichtsfaktors (von z. B. 0,5) berechnet. Das Verfahren 60 kehrt dann in einer Schleife zum Schritt 64 zurück und wird wiederholt.
Im Schritt 66 umgeht das Verfahren 60, falls der Strom nicht innerhalb voreingestellter Grenzwerte liegt, die Schritte 68, 70 und 72 und fährt mit dem Schritt 74 fort. Bei jeder sukzessiven Schleife durch den Prozess, bei der die Strombedingung nicht erfüllt ist, nimmt der Wert von ΔAh infolge des Betriebs des Kraftfahrzeugs 10 zu, während gemäß 7 der aus der Verweistabelle abgerufene Wert von w abnimmt. Somit ist stets dann, wenn die Strombedingung erfüllt ist, der Einfluss von SOC_χ auf den Lade zustand markant, während er in Perioden, in denen die Strombedingung nicht erfüllt ist, abklingt.
Ein Vorteil des Verfahrens und des Systems, die oben beschrieben wurden, ist, dass dadurch, dass der Ladezustand der Batterie bestimmt wird, ohne die Spannung der Batterie zu verwenden, die Verwendung von Batterien mit relativ invarianter Leerlaufspannung wie etwa Lithium-Ionen-Batterien erleichtert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass wegen des oben beschriebenen Gewichtungsschemas der magnetische Ladezustand stets durch den strombasierten Ladezustand ergänzt wird. Folglich ist die Genauigkeit der Ladezustandsberechnung höher.
Weitere Ausführungsformen können auf das Messen oder Erfassen magnetischer Eigenschaften der Batterie gerichtet sein, die sich von der magnetischen Suszeptibilität unterscheiden, wie etwa die Magnetisierung, die magnetischen Momente und die magnetische Permeabilität, wobei irgendein Sensortyp verwendet wird, der zum Messen der Eigenschaft fähig ist. Das Verfahren und das System können bei Fahrzeugen, die sich von Kraftfahrzeugen unterscheiden, einschließlich Luftfahrzeugen und Wasserfahrzeugen sowie bei anderen elektrischen Systemen, die elektrochemische Leistungsquellen verwenden, wie etwa Rechensystemen angewandt werden. Anstelle des gezeigten Permanentmagneten kann ein Elektromagnet oder irgendeine Vorrichtung, die zum Erzeugen eines Felds, das eine magnetische Reaktion der Batterie auslöst, fähig ist, verwendet werden. Es können weitere Verfahren zum Kombinieren des Magnetanteils und des Stromanteils des Ladezustands verwendet werden. Es ist auch möglich, spannungsbasierte Verfahren mit dem magnetisch basierten Ladezustand zu kombinieren.
Obgleich in der vorstehenden genauen Beschreibung wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt worden ist, sollte klar sein, dass es eine große Anzahl von Abwandlungen gibt. Außerdem sollte klar sein, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang der Erfindung, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Eher stellt die vorstehende ausführliche Beschreibung für Fachleute auf dem Gebiet einen zweckmäßigen Plan zur Realisierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen bereit. Selbstverständlich können an der Funktion und der Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und in deren zulässigen Entsprechungen dargestellt ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6639385 [0040]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie, das umfasst: Erfassen einer magnetischen Kraft zwischen der Batterie und einem Magneten; und Bestimmen des Ladezustands der Batterie anhand der erfassten magnetischen Kraft.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Berechnen eines Stroms, der der Batterie zugeordnet ist, umfasst, wobei das Bestimmen des Ladezustands ferner auf dem Strom basiert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Strom, der der Batterie zugeordnet ist, einem Betrag des Stromflusses durch die Batterie entspricht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Bestimmen des Ladezustands der Batterie ferner umfasst: Bestimmen eines Magnetanteils des Ladezustands anhand der magnetischen Kraft; Bestimmen eines Stromanteils des Ladezustands anhand des Stroms; und Gewichten des Magnetanteils des Ladezustands und des Stromanteils des Ladezustands derart, dass, wenn der Stromfluss durch die Batterie zunimmt, der Einfluss des Magnetanteils auf den Ladezustand verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die magnetische Kraft eine anziehende magnetische Kraft ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen des Ladezustands der Batterie ferner das Erzeugen einer Tabelle von Magnetkraftwerten und den Magnetkraftwerten zugeordneten Ladezustandswerten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine Kraftfahrzeugbatterie ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei dann, wenn der Ladezustand der Batterie zunimmt, sich die anziehende magnetische Kraft zwischen der Batterie und dem Magneten verringert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Magnet ein Permanentmagnet ist und die magnetische Kraft mit einem Dehnungsmessstreifen erfasst wird.
Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Kraftfahrzeugbatterie, das umfasst: Erfassen einer magnetischen Kraft zwischen der Kraftfahrzeugbatterie und einem Magneten; Bestimmen einer magnetischen Eigenschaft der Kraftfahrzeugbatterie anhand der erfassten magnetischen Kraft; und Bestimmen des Ladezustands der Kraftfahrzeugbatterie anhand der magnetischen Eigenschaft.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bestimmen des Ladezustands ferner auf einer Integration des durch die Batterie fließenden Stroms bezüglich der Zeit basiert und das Bestimmen des Ladezustands der Batterie ferner umfasst: Bestimmen eines Magnetanteils des Ladezustands anhand der magnetischen Eigenschaft; Bestimmen eines Stromanteils des Ladezustands anhand der Stromintegration; und Gewichten des Magnetanteils des Ladezustands und des Stromanteils des Ladezustands derart, dass, wenn der Stromfluss durch die Batterie zunimmt, der Einfluss des Magnetanteils auf den Ladezustand verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bestimmen des Ladezustands der Kraftfahrzeugbatterie nicht auf einer Spannung der Kraftfahrzeugbatterie basiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die magnetische Eigenschaft die magnetische Suszeptibilität ist.
Kraftfahrzeugantriebssystem, das umfasst: einen Elektromotor; eine mit dem Elektromotor gekoppelte Batterie; einen Sensor, der einen Magneten umfasst, wobei der Sensor angeordnet und ausgestaltet ist, um eine magnetische Kraft zwi schen der Batterie und dem Magneten zu erfassen und ein Signal, das diese repräsentiert, zu erzeugen; und einen Prozessor, der mit dem Sensor in betriebsbereiter Verbindung steht und ausgestaltet ist, um: das Signal, das die magnetische Kraft repräsentiert, von dem Sensor zu empfangen; und anhand der erfassten magnetischen Kraft den Ladezustand der Batterie zu bestimmen.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 16, wobei der Prozessor ferner ausgestaltet ist, um einen der Batterie zugeordneten Strom zu berechnen, und wobei das Bestimmen des Ladezustands ferner auf dem Strom basiert.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 17, wobei die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 18, wobei dann, wenn der Ladezustand der Batterie abnimmt, sich eine anziehende magnetische Kraft zwischen der Batterie und dem Magneten verringert.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 19, das ferner einen Speicher umfasst, der mit dem Prozessor in betriebsbereiter Verbindung steht, wobei in dem Speicher eine Tabelle gespeichert ist, die Magnetkraftwerte und den Magnetkraftwerten zugeordnete Ladezustandswerte enthält.