DE102009023564A1

DE102009023564A1 - Verfahern und System zum Charakterisieren einer Batterie

Info

Publication number: DE102009023564A1
Application number: DE102009023564A
Authority: DE
Inventors: Jian Beverly Hills Lin; Xidong Sterling Heights Tang; Xiaodong Mason Zhang; Brian J. Berkley Koch; Damon R. Troy Frisch; Wei Warren Liu; Michael J. Gielniak
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2029-06-03
Also published as: DE102009023564B4; US8552687B2; US20090302855A1

Abstract

Es werden Verfahren und Systeme zum Charakterisieren einer Batterie bereitgestellt. Eine Eigenschaft der Batterie wird erfasst. Eine dynamische Kennlinie der Batterie wird aus einem linearen dynamischen Modell zweiter Ordnung ermittelt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Leistungsquellen, etwa Batterien, und sie betrifft genauer ein Verfahren und ein System zum Charakterisieren einer Batterie, und sie betrifft noch genauer ein Verfahren und ein System zum Ermitteln des Ladezustands einer Batterie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie laufend neu entstehende Geschmacksrichtungen bezüglich des Stils zu wesentlichen Änderungen bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen betrifft die Komplexität sowie die Leistungsverwendung der verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, speziell in Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff, etwa Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
Derartige Fahrzeug verwenden oft elektrochemische Leistungsquellen, etwa Batterien, Ultrakondensatoren und Brennstoffzellen, um die Elektromotoren mit Leistung zu versorgen, welche manchmal zusätzlich zu einer weiteren Leistungsquelle, wie etwa einem Verbrennungsmotor, die Räder antreiben. Ein wichtiger Parameter beim Betrieb von Fahrzeugen, die Batterien verwenden, ist der ”Ladezustand” (SOC). Der Ladezustand bezeichnet die gespeicherte Energie in der Batterie, die zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt zum Gebrauch verfügbar ist, relativ zu der gespeicherten Energie, die verfügbar ist, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Eine genaue Ermittlung des Ladezustands ermöglicht es den Fahrzeugen, Leistung und Wirkungsgrad zu maximieren, während Emissionen minimiert werden.
Ein herkömmlicher Ansatz für Batterien besteht darin, eine entweder gemessene oder berechnete Leerlaufspannung mit dem Ladezustand in Beziehung zu setzen. Dies ist machbar, weil die Leerlaufspannung, welche die Ruhespannung der Batterie ist, wenn keine Last angelegt ist, allgemein eine gewisse beobachtbare Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie zeigt. Es gibt jedoch Batterien, etwa Nickelmetallhydridbatterien und eine Arten von Lithiumionenbatterien (z. B. Nanophosphat-Lithiumionenbatterien), welche eine nahezu konstante Leerlaufspannung über den größten Teil des Ladezustandsbereichs besitzen. Mit anderen Worten sagt die Leerlaufspannung nichts über den Ladezustand der Batterie aus. Bei einigen Nanophosphat-Lithiumionenbatterien zum Beispiel führt ein Anwachsen des Ladezustands von 0% auf 100% zu einer Änderung von nur 7% bei der Leerlaufspannung.
Obwohl diese Batterien als Leistungsquellen für Elektro- und Hybridfahrzeuge aufgrund ihrer geringen Masse, ihrer hohen Leistungsfähigkeit und ihrer großen Energiespeicherkapazität sehr erwünscht sind, stellen sie daher ein Problem hinsichtlich der Steuerung dar, weil es sehr schwierig ist, ihren Ladezustand mit einem gewissen Grad an Sicherheit zu schätzen.
Entsprechend ist es wünschenswert, ein Verfahren und ein System zum Ermitteln des Ladezustands einer Batterie bereitzustellen, das nicht auf ihrer Leerlaufspannung basiert. Darüber hinaus werden weitere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der nachfolgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und dem vorstehenden technischen Gebiet und Hintergrund offenbar werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird ein Verfahren zum Charakterisieren einer Batterie bereitgestellt. Eine Eigenschaft der Batterie wird erfasst. Aus einem linearen dynamischen Modell zweiter Ordnung wird eine dynamische Kennlinie der Batterie ermittelt.
Es wird ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie bereitgestellt. Mindestens eine Eigenschaft der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie wird erfasst. Aus einem linearen dynamischen Modell zweiter Ordnung wird eine dynamische Kennlinie der Batterie ermittelt. Das Modell ist eine Funktion der mindestens einen erfassten Eigenschaft. Der Ladezustand der Batterie wird auf der Grundlage der dynamischen Kennlinie ermittelt.
Es wird ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie bereitgestellt. Es wird eine Doppelschichtkapazität der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie ermittelt. Der Ladezustand der Batterie wird auf der Grundlage der Doppelschichtkapazität ermittelt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird hier nachstehend in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und
1 eine schematische Ansicht eines beispielhaften Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Ansicht eines Wechselrichters in dem Kraftfahrzeug von 1 ist;
3 ein Graph ist, der zum Vergleichen erfasster Anschlussspannungen einer Batterie bei verschiedenen Ladezuständen (SOC) mit einem dynamischen Modell nützlich ist;
4 eine schematische Ansicht eines linearen dynamischen Modells zweiter Ordnung einer Batterie ist;
5–8 Graphen sind, welche eine Doppelschichtkapazität mit einem SOC der Batterie bei verschiedenen Temperaturen vergleichen; und
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln des SOC einer Batterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung nicht beschränken. Darüber hinaus ist es nicht beabsichtigt, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem vor stehenden technischen Gebiet, dem Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden genauen Beschreibung dargestellt ist.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Merkmale, die miteinander ”verbunden” oder ”gekoppelt” sind. Bei der Verwendung hierin kann sich ”verbunden” darauf beziehen, dass ein Element/Merkmal mit einem weiteren Element/Merkmal direkt verbunden ist (oder direkt damit kommuniziert), und zwar nicht unbedingt mechanisch. Gleichermaßen kann sich ”gekoppelt” darauf beziehen, dass ein Element/Merkmal mit einem weiteren Element/Merkmal direkt oder indirekt verbunden ist (oder direkt oder indirekt damit kommuniziert), und zwar nicht unbedingt mechanisch. Es sollte jedoch verstanden sein, dass, obwohl zwei Elemente nachstehend bei einer Ausführungsform als ”verbunden” beschrieben sein können, ähnliche Elemente bei alternativen Ausführungsformen ”gekoppelt” sein können und umgekehrt. Obwohl die hier gezeigten schematischen Zeichnungen beispielhafte Anordnungen von Elementen darstellen, können daher zusätzliche dazwischen kommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten bei einer tatsächlichen Ausführungsform vorhanden sein. Es ist auch zu verstehen, dass 1–9 nur zur Veranschaulichung dienen und möglicherweise nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind.
1 bis 9 veranschaulichen Verfahren und Systeme zum Charakterisieren einer Batterie. Eine Eigenschaft (z. B. ein Strom, eine Spannung, eine Temperatur, usw.) einer Batterie (z. B. einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie) wird erfasst. Eine dynamische Kennlinie der Batterie (z. B. eine dominante oder Doppelschichtkapazität) wird aus einem linearen dynamischen Modell zweiter Ordnung ermittelt. Das Modell ist eine Funktion der erfassten Eigenschaft. Der Ladezustand der Batterie wird auf der Grundlage der dynamischen Kennlinie ermittelt.
1 veranschaulicht ein Fahrzeug 10 oder ”Kraftfahrzeug” gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 10 umfasst ein Fahrwerk 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16 und ein elektronisches Steuerungssystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Fahrwerk 12 angeordnet und umhüllt 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 mit dem Fahrwerk 12 in der Nähe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 drehbar gekoppelt.
Das Kraftfahrzeug 10 kann ein beliebiger einer Anzahl unterschiedlicher Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV), und kann ein Zweiradantrieb (2WD) (d. h. Heckantrieb oder Frontantrieb), ein Vierradantrieb (4WD) oder ein Allradantrieb (AWD) sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch einen beliebigen oder eine Kombination einer Anzahl verschiedener Typen von Motoren enthalten, wie zum Beispiel einen benzin- oder dieselgespeisten Verbrennungsmotor, den Motor eines ”Fahrzeugs mit flexiblem Kraftstoff) (FFV, FFV von flex fuel vehicle) (d. h., der eine Mischung aus Benzin und Alkohol verwendet), einen mit einem gasförmigen Gemisch (z. B. Wasserstoff und/oder Erdgas) gespeisten Motor, einen hybriden Verbrennungsmotor/Elektromotor und einen Elektromotor.
Bei der in 1 veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 10 ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) und umfasst ferner eine Aktoranordnung 20, eine Batterie 22, ein Ladezustandssystem (SOC-System) 24, eine Wechselrichteranordnung (oder einen Wechselrichter) 26 und einen Radiator 28. Die Aktoranordnung 20 umfasst einen Verbrennungsmotor 30 und einen Elektromotor/Generator (oder Motor) 32. Wie der Fachmann feststellt, umfasst der Elektromotor 32 darin ein Getriebe und er umfasst auch, obwohl es nicht veranschaulicht ist, eine Statoranordnung (die leitfähige Spulen umfasst), eine Rotoranordnung (die einen ferromagnetischen Kern umfasst) und ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel). Die Statoranordnung und/oder die Rotoranordnung in dem Elektromotor 32 können mehrere elektromagnetische Pole (z. B. sechzehn Pole) umfassen, wie allgemein verstanden wird.
Immer noch mit Bezug auf 1 und wie nachstehend genauer beschrieben wird, sind der Verbrennungsmotor 30 und der Elektromotor 32 derart zusammengebaut, dass einer oder beide mit wenigstens einigen der Räder 16 durch eine oder mehrere Antriebswellen 34 mechanisch gekoppelt sind. Bei einer Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 10 ein ”serielles HEV”, bei welchem der Verbrennungsmotor 30 mit dem Getriebe nicht direkt gekoppelt ist, sondern mit einem (nicht gezeigten) Generator gekoppelt ist, der verwendet wird, um den Elektromotor 32 mit Leistung zu versorgen. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 10 ein ”paralleles HEV”, bei welchem der Verbrennungsmotor 30 mit dem Getriebe direkt gekoppelt ist, indem zum Beispiel der Rotor des Elektromotors 32 mit der Antriebswelle des Verbrennungsmotors 30 drehbar gekoppelt ist.
Die Batterie 22 ist mit dem Wechselrichter 26 elektrisch verbunden und ist bei einer Ausführungsform eine Nanophosphat-Lithiumionenbatterie (Li-Ion-Batterie), die eine Vielzahl von Zellen umfasst, wie allgemein verstanden wird. Es versteht sich jedoch, dass andere Ausführungsformen die nachstehend beschriebenen Systeme und Verfahren mit anderen Batterietypen, welche andere Typen von Li-Ionen-Batterien umfassen, verwenden können.
Das SOC-System 24 umfasst ein Sensorfeld 36 und ein SOC-Modul 38. Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, umfasst das Sensorfeld 36 einen Stromsensor, einen Spannungssensor und einen Temperatursensor, die benachbart zu der Batterie 22 angeordnet sind (oder spezieller in der Batterie/Wechselrichterschaltung, die in 2 gezeigt ist). Das SOC-Modul 38 steht in funktionaler Kommunikation mit dem Sensorfeld 36 und umfasst bei einer Ausführungsform mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher, der Daten umfasst, welche erfasste Eigenschaften der Batterie 22 mit dem Ladezustand der Batterie 22 in Beziehung setzen, wie nachstehend genauer beschrieben ist. Obwohl es nicht so veranschaulicht ist, kann das SOC-Modul 38 mit dem elektronischen Steuerungssystem 18 zusammengebaut sein und kann auch eine oder mehrere Leistungsquellen umfassen.
Der Radiator 28 ist mit dem Rahmen an einem äußeren Abschnitt desselben verbunden und umfasst, obwohl es nicht im Detail veranschaulicht ist, mehrere darin verlaufende Kühlkanäle, die ein Kühlfluid (d. h. ein Kühlmittel) wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. ”Frostschutz”) enthalten, und ist mit dem Motor 30 und dem Wechselrichter 26 gekoppelt.
2 veranschaulicht den Wechselrichter 26 genauer. Der Wechselrichter 26 umfasst eine Dreiphasenschaltung, die mit dem Motor 32 gekoppelt ist. Insbesondere umfasst der Wechselrichter 26 ein Schalternetzwerk mit einem ersten Eingang, der mit einer Spannungsquelle V_dc (z. B. der Batterie 22) gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit dem Motor 32 gekoppelt ist. Obwohl eine einzige Spannungsquelle gezeigt ist, kann eine verteilte Gleichstromkopplung (DC-Kopplung) mit zwei seriellen Quellen verwendet werden. Das Schalternetzwerk umfasst drei Paare (a, b und c) serieller Schalter mit antiparallelen Dioden (d. h. antiparallel zu jedem Schalter), die jeder der Phasen des Motors 32 entsprechen. Jedes der seriellen Schalterpaare umfasst einen ersten Schalter oder Transistor (d. h. einen ”hohen” Schalter) 40, 42 und 44 mit einem ersten Anschluss, der mit einer positiven Elektrode der Spannungsquelle 22 gekoppelt ist, und einen zweiten Schalter (d. h. einen ”niedrigen” Schalter) 46, 48 und 50, der einen zweiten Anschluss aufweist, der mit einer negativen Elektrode der Spannungsquelle 22 gekoppelt ist, und der einen ersten Anschluss aufweist, der mit einem zweiten Anschluss des jeweiligen ersten Schalters 40, 42 und 44 gekoppelt ist.
Wieder auf 1 Bezug nehmend steht das elektronische Steuerungssystem 18 in funktionaler Kommunikation mit der Aktoranordnung 20, der Batterie 22, dem SOC-System 24 und dem Wechselrichter 26. Obwohl es nicht im Detail gezeigt ist, umfasst das elektronische Steuerungssystem 18 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugsteuerungsmodule oder elektronische Steuerungseinheiten (ECUs), etwa ein Karosseriesteuerungsmodul (BCM) und mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher, der darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte Anweisungen umfasst, um die Prozesse und Verfahren wie nachstehend beschrieben auszuführen.
Immer noch auf 1 Bezug nehmend wird das Kraftfahrzeug 10 im Betrieb durch Bereitstellen von Leistung an die Räder 16 von dem Verbrennungsmotor 30 und dem Elektromotor 32 abwechselnd und/oder von dem Verbrennungsmotor 30 und dem Elektromotor 32 gleichzeitig betrieben. Um die Elektromotoranordnung 30 mit Leistung zu versorgen, wird DC-Leistung von der Batterie 22 an den Wechselrichter 26 geliefert, welcher die DC-Leistung in AC-Leistung umsetzt, bevor der Elektromotor 32 erregt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln des Ladezustands der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie 22 auf der Grundlage von dynamischen Batteriekennlinien bereitgestellt. Ausführungsformen der Erfindung können mehrere Phasen umfassen. Als Erstes wird ein geeignetes dynamisches Modell für eine Nanophosphat-Lithiumionenbatterie hergeleitet und durch experimentelle Daten verifiziert. Zweitens werden die experimentellen Daten verwendet, um herauszufinden, welche Kennlinien der Batterie geeignet sind, um den Ladezustand der Batterie abzuleiten. Drittens wird ein Algorithmus im Kraftfahrzeug verwendet, um die dynamischen Batteriekennlinien unter Verwendung von Fahrzeugdaten zu schätzen und den Ladezustand der Batterie abzuleiten.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wurden Hybridimpulsleistungskennlinientests (HPPC-Tests) mit einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie in einem Labor bei verschiedenen Temperaturen und Ladezuständen durchgeführt. 3 veranschaulicht die Resultate eines derartigen Tests, der mit der Batterie bei einem Ladezustand von 80% durchgeführt wurde. Die Batterie wurde etwa 10 Sekunden lang entladen (x-Achse) und die Spannung (y-Achse) wurde so, wie sie an den Anschlüssen der Batterie erfasst wurde, aufgezeichnet. Die aufgezeichnete Batteriespannung ist durch Linie 52 angezeigt.
Die resultierenden Daten wurden dann mit mehreren bekannten dynamischen Modellen verglichen. Linie 54 in 3 stellt das Verhalten eines linearen dynamischen Modells zweiter Ordnung dar, wie allgemein verstanden wird. Wie in 3 deutlich gezeigt ist, ahmt das lineare dynamische Modell zweiter Ordnung das Verhalten der Batterie hinsichtlich der Spannung bei einem Ladezustand von 80% genau nach. Obwohl es nicht speziell gezeigt ist, wurden weitere Tests ausgeführt und es wurde festgestellt, dass das gleiche auch bei verschiedenen weiteren Ladezuständen zwischen 10% und 90% zutrifft. Das heißt, dass das lineare dynamische Modell zweiter Ordnung über einen weiten Bereich von Ladezuständen ähnliche elektrische Eigenschaften wie die Nanophosphat-Lithiumionenbatterie zeigt. Folglich wird bei einer Ausführungsform das lineare dynamische Modell zweiter Ordnung verwendet, um das Verhalten der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie vorherzusagen.
Es wird angemerkt, dass ähnliche Tests wie der in 3 abgebildete beim Laden der Batterie mit der Batterie 22 durchgeführt werden können, obwohl es nicht speziell beschrieben ist. Wie der Fachmann feststellt, kann ein Graph, der dem in 3 gezeigten ähnelt, für Ladezyklen sehr ähnlich erscheinen, aber ein ”Spiegelbild” in der horizontalen Richtung sein. Folglich können das lineare dynamische Modell zweiter Ordnung sowie die nachstehend erörterten Gleichungen auch verwendet werden, um die Batterie 22 während Ladeperioden zu modellieren.
4 veranschaulicht eine vereinfachte Schaltung (oder Batterie) 56, die das lineare dynamische Verhalten zweiter Ordnung befolgt. Die Schaltung 56 umfasst eine Spannungsquelle (oder Leistungsquelle) 58, Widerstands-Kondensator-Paare (RC-Paare) 60 und 62 und einen Widerstand 64. Wie der Fachmann feststellt, kann eine erfasste Batterieanschlussspannung (V(k)) einer Batterie, die einem linearen dynamischen Verhalten zweiter Ordnung folgt, ausgedrückt werden als V(k) = Voc + I(k)R + Vdl(k) + Vdf(k) (1)wobei k die Nummer der Abtastung ist, I(k) der erfasste Batterieanschlussstrom ist, V_oc die Leerlaufspannung ist, R der ohmsche Widerstand ist und V_dl(k) und V_df(k) (Spannungen über den zwei RC-Paaren 60 und 62) eine Doppelschichtspannung bzw. Diffusionsspannung sind. Die Doppelschichtspannung V_dl kann weiter dynamisch durch den Ausdruck beschrieben werden
und auf ähnliche Weise kann die Diffusionsspannung V_df dynamisch beschrieben werden durch
wobei R_ct der Ladungstransferwiderstandswert ist, C_dl die Doppelschichtkapazität ist, R_df der Diffusionswiderstandswert ist und C_df die Diffusionskapazität ist.
Daten, die zum Beispiel während der HPPC-Tests gesammelt wurden, wie etwa Ströme, Spannungen und Temperaturen der Batterie wurden dann in Kombination mit den vorstehend beschriebenen Gleichungen verwendet, um herauszufinden, welche Kennlinien der Batterie geeignet sind, um den Ladezustand der Batterie abzuleiten. Das heißt, dass die für verschiedene Ladezustandsniveaus gesammelten Daten verwendet werden, um die dynamischen Kennlinien aus dem Batteriemodell mit geeigneter Monotonie und Empfindlichkeit zu extrahieren. Für eine Ladezustandsanzeige ist es allgemein vorzuziehen, dass sie eine gleichbleibende Beziehung zu dem Ladezustand aufweist (z. B. nur ansteigt, wenn der Ladezustand erhöht wird), und dass sie auf Änderungen beim Ladezustand empfindlich genug reagiert, sodass Änderungen beim Ladezustand leicht detektiert werden können. Eine Ladezustandsanzeige ist vorzugsweise auch gegenüber Schwankungen bei der Temperatur und dem Batterietyp robust.
Bei einer Ausführungsform wird für die Nanophosphat-Lithiumionenbatterie die dominante Kapazität der zwei Kapazitäten (C_dl und C_df), die aus dem Modell zweiter Ordnung extrahiert wurden, die als ”Doppelschichtkapazität” (C_dl) bezeichnet werden kann, wie allgemein verstanden wird, als der Index des Ladezustands gewählt. Es versteht sich jedoch, dass andere Eigenschaften mit Bezug auf die Doppelschichtkapazität verwendet werden können, etwa der Ladungstransferwiderstandswert (R_ct) oder eine Zeitkonstante (τ). Wie der Fachmann feststellt, kann die Beziehung zwischen diesen drei einfach ausgedrückt werden als τ = Rct × Cdl (4)
5–8 zeigen die Vorteile der Verwendung der Doppelschichtkapazität als Anzeige des Ladezustands über einen weiten Temperaturbereich, speziell hinsichtlich der Monotonie und Empfindlichkeit, auf klare Weise. Wie durch Linie 66 in 5 gezeigt ist, bewirkt eine Änderung beim Ladezustand von 0% auf 100% bei 45°C eine nahezu Verdoppelung der Doppelschichtkapazität. Mit Bezug auf 6 bewirkt die gleiche Ladezustandsänderung bei 25°C ein Ansteigen auf etwa 300% der Doppelschichtkapazität, wie durch Linie 68 angezeigt ist. Mit Bezug auf Linien 70 und 72 in 7 und 8 bewirkt das Ansteigen von 0% auf 100% des Ladezustands bei 0°C und –30°C einen Anstieg von 250% bzw. 70% bei der Doppelschichtkapazität. Informationen, die den in 5–8 gezeigten ähneln, sind in dem elektronischen Steuerungssystem 18 und/oder dem SOC- Modul 38 beispielsweise in der Form von Nachschlagetabellen und/oder Berechnungen gespeichert.
9 veranschaulicht ein Verfahren 74 zum Ermitteln des Ladezustands der Batterie 22 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei Schritt 76 beginnt das Verfahren und bei Schritt 78 wird ermittelt, ob das Kraftfahrzeug in Betrieb ist. Wenn das Fahrzeug in Betrieb ist, geht das Verfahren 74 zu Schritt 80 weiter, wo ermittelt wird, ob sich die Batterie gegenwärtig in einem Entladezustand befindet (das Gegenteil einer Aufladung). Wenn sich die Batterie in einen Entladezustand befindet, geht das Verfahren zu Schritt 82 weiter, bei dem die geeigneten Batterieeigenschaften (oder Kennlinien), etwa Strom, Spannung und Temperatur von dem Sensorfeld 36 (1) geholt werden. Der SOC wird dann aus den Batterieeigenschaften bei Schritt 84 ermittelt. Die Ermittlung des tatsächlichen Ladezustands kann unter Verwendung einer Suche (oder Nachschlagetabelle) oder einer Gleichung durchgeführt werden.
Wenn sich die Batterie nicht in einem Entladezustand befindet (d. h. die Batterie befindet sich in einem Ladezustand), geht das Verfahren 74 zu Schritt 86 weiter. Bei Schritt 86 werden die geeigneten Batterieeigenschaften geholt und bei Schritt 88 wird der Ladezustand auf der Grundlage der Batterieeigenschaften ermittelt.
Wenn das Kraftfahrzeug nicht in Betrieb ist (d. h. Schlüssel aus), geht das Verfahren von Schritt 78 zu Schritt 90 weiter, bei dem das entsprechende ECM initialisiert (oder ”aufgeweckt”) wird. Bei Schritt 92 wird die Batterie entladen und geeignete Eigenschaften werden bei Schritt 94 geholt. Bei Schritt 96 wird der SOC auf der Grundlage der geholten Eigenschaften ermittelt. Von den Schritten 84, 88 und 96 geht das Verfahren zu Schritt 98 weiter, bei dem das Verfahren 74 endet. Das SOC-Modul 38 kann ein Signal erzeugen, das den Ladezustand der Batterie 22 darstellt, und das Signal zum Beispiel an das elektronische Steuerungssystem 18 senden, sodass es bei der Leistungsverwaltung des Kraftfahrzeugs 10 verwendet werden kann.
Ein Vorteil des Verfahrens und Systems, die vorstehend beschrieben wurden, besteht darin, dass die Verwendung von Batterien mit einer relativ gleichbleibenden Leerlaufspannung, etwa einigen Nanophosphat-Lithiumionenbatterien, erleichtert wird, weil der Ladezustand der Batterie ohne Verwendung der Leerlaufspannung der Batterie ermittelt wird.
Obwohl mindestens eine beispielhafte Ausführungsform in der vorstehenden genauen Beschreibung dargestellt wurde, ist festzustellen, dass eine große Anzahl an Variationen existiert. Es ist auch festzustellen, dass die beispielhafte Ausführungsform oder die beispielhaften Ausführungsformen nur Beispiele sind und nicht dazu gedacht sind, den Umfang, die Anwendbarkeit oder Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Stattdessen wird die vorstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhaften Ausführungsformen geben. Es versteht sich, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten offengelegt ist.

Claims

Verfahren zum Charakterisieren einer Batterie, das umfasst, dass: eine Eigenschaft der Batterie erfasst wird; und eine dynamische Kennlinie der Batterie aus einem linearen dynamischen Modell zweiter Ordnung ermittelt wird, wobei das Modell eine Funktion der erfassten Eigenschaft ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass ein Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der dynamischen Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erfasste Eigenschaft ein Strom, eine Spannung, eine Temperatur oder eine Kombination daraus ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die dynamische Kennlinie der Batterie eine Doppelschichtkapazität der Batterie ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Erfassen der Eigenschaft umfasst, dass ein Hybridimpulsleistungskennlinientest (HPPC-Test) mit der Batterie ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Ermitteln der dynamischen Kennlinie umfasst, dass die dynamische Kennlinie aus Ergebnissen des HPPC-Tests ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Batterie eine Nanophosphat-Lithiumionenbatterie ist, die in einem Kraftfahrzeug installiert ist, und das Erfassen der Eigenschaft mit einem Sensor an Bord des Kraftfahrzeugs ausgeführt wird.
Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie, das umfasst, dass: mindestens eine Eigenschaft der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie erfasst wird; eine dynamische Kennlinie der Batterie aus einem linearen dynamischen Modell zweiter Ordnung ermittelt wird, wobei das Modell eine Funktion der mindestens einen erfassten Eigenschaft ist; und der Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der dynamischen Kennlinie ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Erfassen der mindestens einen Eigenschaft während eines Entlade- oder eines Ladezyklus der Batterie auftritt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die dynamische Kennlinie eine Doppelschichtkapazität der Batterie ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Batterie eine Kraftfahrzeugbatterie an Bord eines Kraftfahrzeugs ist und das Erfassen der mindestens einen Eigenschaft mit mindestens einem Sensor an Bord des Kraftfahrzeugs ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine erfasste Eigenschaft der Batterie einen Strom, eine Spannung, eine Temperatur oder eine Kombination daraus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst, dass: ein Hybridimpulsleistungskennlinientest (HPPC-Test) mit der Batterie ausgeführt wird; und die dynamische Kennlinie der Batterie auf der Grundlage von Ergebnissen des HPPC-Tests ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ermitteln des Ladezustands der Batterie nicht auf einer Leerlaufspannung der Kraftfahrzeugbatterie beruht.
Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie, das umfasst, dass: eine Doppelschichtkapazität der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie ermittelt wird; und der Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der Doppelschichtkapazität ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Ermitteln der Doppelschichtkapazität das Erfassen mindestens einer Eigenschaft der Batterie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Doppelschichtkapazität der Batterie auf der mindestens einen erfassten Eigenschaft der Batterie beruht.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die mindestens eine erfasste Eigenschaft ein Strom, eine Spannung, eine Temperatur oder eine Kombination daraus ist.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst, dass die Doppelschichtkapazität der Batterie als eine dynamische Kennlinie der Batterie aus einem linearen dynamischen Modell zweiter Ordnung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Batterie eine Kraftfahrzeugbatterie an Bord eines Kraftfahrzeugs ist und das Erfassen der mindestens einen Eigenschaft mit mindestens einem Sensor an Bord des Kraftfahrzeugs ausgeführt wird.