DE102009042531B4

DE102009042531B4 - Verfahren und System zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie auf der Grundlage einer Übergangsfunktion

Info

Publication number: DE102009042531B4
Application number: DE102009042531.4A
Authority: DE
Inventors: Wei Liu; Michael J. Gielniak; Jian Lin; Brian J. Koch; Damon R. Frisch; Joseph M. Lograsso
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2029-09-23
Also published as: US20100076705A1; CN101685141A; US8321164B2; CN101685141B; DE102009042531A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie, die eine Übergangsfunktion zeigt, wobei das Verfahren umfasst, dass:eine Nachschlagetabelle bereitgestellt wird, die mindestens einer gemessenen Eigenschaft der Batterie zugeordnet ist, wobei die Nachschlagetabelle verschiedene Ladezustände der Batterie umfasst, die Systempolstellen und Temperaturen der Batterie zugeordnet sind;eine gegenwärtig gemessene Temperatur und die mindestens eine gemessene Eigenschaft der Batterie gemessen werden;eine Systempolstelle der Batterie auf der Grundlage einer gewöhnlichen Differentialgleichung und der mindestens einen gemessenen Eigenschaft der Batterie ermittelt wird; undder Ladezustand der Batterie aus der Nachschlagetabelle auf der Grundlage der gegenwärtig gemessenen Temperatur und der ermittelten Systempolstelle bestimmt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrochemische Leistungsquellen, wie etwa Batterien, und sie betrifft insbesondere Verfahren und Systeme zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren haben technologische Fortschritte sowie immer neu entstehende Geschmacksrichtungen bezüglich des Stils zu wesentlichen Veränderungen bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Veränderungen betrifft die Komplexität sowie die Leistungsverwendung der verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, speziell Fahrzeugen mit alternativem Kraftstoff, wie etwa Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen.
Derartige Fahrzeuge verwenden oft elektrochemische Leistungsquellen, wie etwa Batterien, Ultrakondensatoren und Brennstoffzellen, um die Elektromotoren mit Leistung zu versorgen, die, manchmal in Verbindung mit einer anderen Leistungsquelle, wie etwa einer Brennkraftmaschine, die Räder antreiben. Ein wichtiger Parameter beim Betrieb von Fahrzeugen, die Batterien verwenden, ist der „Ladezustand“ (SOC). Der Ladezustand bezeichnet die in der Batterie gespeicherte Energiemenge, die zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt zum Gebrauch verfügbar ist, relativ zu der gespeicherten Energiemenge, die verfügbar ist, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Eine genaue Bestimmung des Ladezustands ermöglicht den Fahrzeugen, die Leistungsfähigkeit und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu maximieren oder Emissionen zu minimieren.
Bei Kraftfahrzeuganwendungen besteht ein herkömmlicher Ansatz für Batterien darin, eine entweder gemessene oder berechnete Leerlaufspannung mit dem Ladezustand in Beziehung zu setzen. Dies ist möglich, weil die Leerlaufspannung, welche die Ruhespannung der Batterie ist, wenn keine Last angelegt ist, allgemein eine gewisse beobachtbare Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie zeigt. Es gibt jedoch Batterien, etwa Nickelmetallhydridbatterien und einige Arten von Lithiumionenbatterien, wie etwa Lithiumeisenphosphatbatterien (z.B. Nanophosphat-Lithiumionenbatterien), welche eine nahezu konstante Leerlaufspannung über den größten Teil des Ladezustandsbereichs besitzen. Mit anderen Worten gibt die Leerlaufspannung nur wenig über den Ladezustand der Batterie preis. Bei einigen Nanophosphat-Lithiumionenbatterien führt zum Beispiel eine Zunahme des Ladezustands von 0 % auf 100 % zu einer Veränderung 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 wünschenswert 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.
Es wurden auch andere Techniken verwendet, um den Ladezustand von Batterien zu bestimmen, wie etwa das Zählen von Amperestunden (Ah) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS). Auch diese weisen jedoch Nachteile bei Kraftfahrzeuganwendungen auf, beispielsweise hinsichtlich der Genauigkeit und/oder wegen hohen Implementierungskosten.
Die Druckschrift US 2003 / 0 206 021 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie, die eine Übergangsfunktion zeigt, wobei mindestens eine Eigenschaft der Batterie gemessen wird und der Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der mindestens einen gemessenen Eigenschaft und der Übergangsfunktion der Batterie bestimmt wird.
In der Druckschrift US 4 585 985 A ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie offenbart, bei dem mindestens eine Eigenschaft der Batterie gemessen wird, eine Systempolstelle der Batterie beruhend auf der gemessenen Eigenschaft und einer gewöhnlichen Differentialgleichung ermittelt wird und auf Grundlage der Systempolstelle der Ladezustand der Batterie ermittelt wird.
Die Druckschrift US 2005 / 0 154 544 A1 offenbart ein System zum Berechnen des Ladezustands einer Batterie, bei dem ein Ladezustand, der durch Integrieren des Batteriestroms beschafft wird, und ein Ladezustand, der aus einer geschätzten Leerlaufspannung beschafft wird, abhängig von Betriebsbedingungen der Batterie gewichtet und miteinander zum endgültigen Ladezustand kombiniert werden.
In der Druckschrift US 2006 / 0 284 600 A1 ist ein Verfahren zum Schätzen des Ladezustands einer Batterie unter Verwendung eines rekursiven Algorithmus offenbart, der eine adaptive Regression mit mehreren Parametern ausführt, wobei jeder Parameter seinen eigenen Vergessensfaktor aufweist.
Die Druckschrift GB 2 401 192 B offenbart ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie, bei dem eine zeitvariante elektrische Erregung an die Batterie angelegt wird und deren zeitvariante Reaktion bzw. Übergangsfunktion erfasst wird und damit Elemente eines Schaltungsmodells der Batterie bewertet werden. Die Bewertung des Ladezustands erfolgt durch Kombinieren mehrerer dieser Elemente des Schaltungsmodells.
In der Druckschrift US 2006 / 0 197 536 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Wiederkehrspannung einer Batterie nach einer transienten erhöhten Stromentnahme aus der Batterie offenbart, bei dem eine Batteriespannung eine Zeitspanne nach Beendigung der erhöhten Stromentnahme erfasst wird und aus der erfassten Batteriespannung die Wiederkehrspannung berechnet wird.
Die Druckschrift US 2006 / 0 132 092 A1 offenbart ein Verfahren zum Vorhersagen des Ladezustands einer nicht aufladbaren Reservebatterie beruhend auf der Batterietemperatur, bei dem die Batterietemperatur überwacht wird und verschiedene Stromentnahmen aus der Batterie berechnet werden. Eine Selbstentladungsrate der Batterie wird abhängig von der Temperatur angepasst und zusammen mit den Stromentnahmen zur Berechnung des Ladezustands herangezogen.
Folglich ist es wünschenswert, ein Verfahren und ein System zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie bereitzustellen, das nicht oder nicht nur auf einer Leerlaufspannung oder einem Stromfluss beruht. 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
In einem Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie, die eine Übergangsfunktion zeigt, wird eine Nachschlagetabelle bereitgestellt, die mindestens einer gemessenen Eigenschaft der Batterie zugeordnet ist, wobei die Nachschlagetabelle verschiedene Ladezustände der Batterie umfasst, die Systempolstellen und Temperaturen der Batterie zugeordnet sind. Eine gegenwärtig gemessene Temperatur und die mindestens eine Eigenschaft der Batterie werden gemessen. Eine Systempolstelle der Batterie wird auf der Grundlage einer gewöhnlichen Differentialgleichung und der mindestens einen gemessenen Eigenschaft der Batterie ermittelt. Der Ladezustand der Batterie wird auf der Grundlage der gegenwärtig gemessenen Temperatur und der ermittelten Systempolstelle bestimmt.
Ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie wird bereitgestellt. Eine Nachschlagetabelle wird bereitgestellt, die mindestens einer gemessenen Eigenschaft der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie zugeordnet ist, wobei die Nachschlagetabelle verschiedene Ladezustände der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie umfasst, die Systempolstellen und Temperaturen der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie zugeordnet sind. Eine gegenwärtig gemessene Temperatur und die mindestens eine Eigenschaft der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie werden gemessen. Eine Systempolstelle der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie wird auf der Grundlage der mindestens einen gemessenen Eigenschaft und einer gewöhnlichen Differentialgleichung bestimmt. Der Ladezustand der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie wird aus der Nachschlagetabelle auf der Grundlage der gegenwärtig gemessenen Temperatur und der Systempolstelle der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie bestimmt.
Es wird ein Kraftfahrzeugantriebssystem bereitgestellt. Das Kraftfahrzeugantriebssystem umfasst einen Elektromotor, eine mit dem Elektromotor gekoppelte Batterie, eine Sensoranordnung, die mit der Batterie gekoppelt ist und so ausgestaltet ist, dass sie eine gegenwärtig gemessene Temperatur der Batterie misst und mindestens eine Eigenschaft der Batterie detektiert und ein Signal erzeugt, das diese darstellt, und einen Prozessor in funktionaler Kommunikation mit der Sensoranordnung. Zudem umfasst das Kraftfahrzeugantriebssystem einen Speicher in funktionaler Kommunikation mit dem Prozessor, wobei der Speicher eine darin gespeicherte Nachschlagetabelle aufweist, wobei die Nachschlagetabelle verschiedene Ladezustände der Batterie umfasst, die Systempolstellen und Temperaturen der Batterie zugeordnet sind. Der Prozessor ist ausgestaltet, um das Signal von der Sensoranordnung zu empfangen, um eine Systempolstelle der Batterie auf der Grundlage einer gewöhnlichen Differentialgleichung und der mindestens einen gemessenen Eigenschaft der Batterie zu ermitteln, und um den Ladezustand der Batterie aus der Nachschlagetabelle auf der Grundlage der gegenwärtig gemessenen Temperatur und der ermittelten Systempolstelle zu bestimmen.
Figurenliste
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 grafischer Vergleich von Leerlaufspannungen einer Batterie bei verschiedenen Ladezuständen ist;
4 eine schematische Ansicht eines dynamischen Modells einer Batterie ist;
5 eine schematische Veranschaulichung von Übergangsfunktionen einer Batterie im Vergleich zu Systempolstellen der Batterie ist;
6 eine Kurve ist, die zum Vergleichen gemessener Anschlussspannungen einer Batterie bei verschiedenen Ladezuständen (SOC) mit einem dynamischen Modell nützlich ist; und
7 und 8 Tabellen primärer bzw. zweiter dominanter Pole der Batterie bei verschiedenen Ladezuständen sind.

BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende genaue Beschreibung ist rein beispielhafter Natur und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung einzuschränken. Darüber hinaus besteht nicht die Absicht, durch irgendeine explizite oder implizite Theorie gebunden zu sein, die in dem vorstehenden 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 bei einer tatsächlichen Ausführungsform zusätzliche dazwischenkommende Elemente, Einrichtungen, Merkmale oder Komponenten vorhanden sein. Es sollte auch verstanden sein, dass 1 - 9 rein zur Veranschaulichung dienen und möglicherweise nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind.
1 bis 9 veranschaulichen Systeme und Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie. Eine Übergangsfunktion einer Batterie zeigt den Ladezustand der Batterie an und Systempolstellen der Batterie zeigen die Übergangsfunktion an. Es wird ein dynamisches Modell der Batterie identifiziert und verwendet, um unter bekannten Betriebsbedingungen der Batterie nach den Polstellen aufzulösen, um eine Zuordnung zwischen den Polstellen (und/oder den bekannten Bedingungen der Batterie) und dem Ladezustand der Batterie zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform werden Echtzeitmessungen in einem Kraftfahrzeug in Verbindung mit der Zuordnung verwendet, um den Ladezustand der Batterie zu bestimmen.
1 veranschaulicht ein Fahrzeug 10 oder ein „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 verschiedener Typen von Kraftfahrzeugen sein, wie zum Beispiel eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Sportnutzfahrzeug (SUV), und es kann ein Zweiradantrieb (2WD) (d.h. Heckantrieb oder Frontantrieb), einer Vierradantrieb (4WD) oder ein Allradantrieb (AWD) sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch einen beliebigen oder eine Kombination einer Anzahl verschiedener Maschinentypen, wie zum Beispiel eine benzin- oder dieselgespeiste Brennkraftmaschine, eine Maschine eines „Fahrzeugs mit flexiblem Kraftstoff“ (FFV, FFV von Flex Fuel Vehicle) (d.h., die eine Mischung aus Benzin und Alkohol verwendet), eine mit einem gasförmigen Gemisch (z.B. Wasserstoff und/oder Erdgas) gespeiste Maschine, eine hybride Brennkraft/Elektromotormaschine und einen Elektromotor umfassen.
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 Inverter) 26 und einen Radiator (28). Die Aktoranordnung 20 umfasst eine Brennkraftmaschine 30 und einen Elektromotor/Generator (oder Motor) 32. Wie der Fachmann feststellt, umfasst der Elektromotor 32 darin ein Getriebe, und er umfasst, obwohl es nicht veranschaulicht ist, auch 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 umfassen (z.B. sechzehn Pole), wie allgemein verstanden wird.
Immer noch mit Bezug auf 1 und wie nachstehend genauer beschrieben wird, sind die Brennkraftmaschine 30 und der Elektromotor 32 derart zusammengebaut, dass einer oder beide mit mindestens einigen der Räder 16 durch eine oder mehrere Antriebswellen 34 mechanisch gekoppelt sind. Bei einer Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 10 ein „serielles HEV“, bei dem die Brennkraftmaschine 30 nicht direkt mit dem Getriebe gekoppelt ist, sondern mit einem (nicht gezeigten) Generator gekoppelt ist, welcher zum Versorgen des Elektromotors 32 mit Leistung verwendet wird. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Kraftfahrzeug 10 ein „paralleles HEV“, bei dem die Brennkraftmaschine 30 mit dem Getriebe direkt gekoppelt ist, indem beispielsweise der Rotor des Elektromotors 32 mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine 30 drehbar gekoppelt ist.
Die Batterie 22 ist mit dem Wechselrichter 26 elektrisch verbunden und ist bei einer Ausführungsform einer Lithiumeisenphosphatbatterie, wie etwa eine Nanophosphat-Lithiumionenbatterie, die eine Vielzahl von Zellen umfasst, wie allgemein verstanden wird. Nanophosphat-Lithiumionenbatterien zeigen ein exzellentes Leistungsverhalten über einen weiten Temperaturbereich. Einer der Vorteile von Nanophosphat-Lithiumionenbatterien hinsichtlich der Leistungsfähigkeit besteht darin, dass die Leerlaufspannung gegenüber dem SOC unempfindlich ist. Wie durch die Linie in 3 angezeigt ist, variiert bei einer beispielhaften Nanophosphat-Lithiumionenbatterie die Leerlaufspannung nur um etwa 20 mv pro 10 % Veränderung beim SOC. Obwohl eine derartige Eigenschaft hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs vorteilhaft ist, verursacht sie technische Probleme bei der Bestimmung des Ladezustands der Batterie, wenn ein spannungsbasierter Ansatz verwendet wird.
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 sich benachbart zu der Batterie 22 (oder insbesondere in der in 2 gezeigten Batterie/Wechselrichterschaltung) befinden. 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, die gemessene Eigenschaften und Systempolstellen 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 Kühlkanäle darin, die ein Kühlfluid (d.h. ein Kühlmittel) enthalten, wie etwa Wasser und/oder Ethylenglykol (d.h. „Frostschutz“), und ist mit der Maschine 30 und dem Wechselrichter 26 gekoppelt.
2 veranschaulicht den Wechselrichter 26 genauer. Der Wechselrichter 26 umfasst eine dreiphasige Schaltung, 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 einem Ausgang, der mit dem Motor 32 gekoppelt ist. Obwohl eine einzige Spannungsquelle gezeigt ist, kann eine verteilte Gleichstromverbindung (DC-Verbindung) 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 Paare serieller Schalter 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 mit einem zweiten Anschluss, der mit einer negativen Elektrode der Spannungsquelle 22 gekoppelt ist und mit einem ersten Anschluss, der mit einem zweiten Anschluss des jeweiligen ersten Schalters 40, 42 und 44 gekoppelt ist.
Wieder mit Bezug auf 1 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 (und/oder das SOC-Modul 38) verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugsteuerungsmodule oder elektronische Steuerungseinheiten (ECUs), wie etwa ein Karosseriesteuerungsmodul (BCM) und mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher, welcher darin (oder in einem anderen computerlesbaren Medium) gespeicherte Anweisungen zum Ausführen der Prozesse und Verfahren wie nachstehend beschrieben umfasst.
Immer noch mit Bezug auf 1 wird das Kraftfahrzeug 10 im Betrieb betrieben, indem die Räder 16 von der Brennkraftmaschine 30 und dem Elektromotor 32 abwechselnd und/oder von der Brennkraftmaschine 30 und dem Elektromotor 32 gleichzeitig mit Leistung versorgt werden. Um die Elektromotoranordnung 30 mit Leistung zu versorgen, wird DC-Leistung von der Batterie 22 an den Wechselrichter 26 bereitgestellt, welcher die DC-Leistung in Wechselstromleistung (AC-Leistung) umsetzt, bevor der Elektromotor 32 mit Energie versorgt wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein übergangsfunktionskennlinienbasierter Ansatz zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie bereitgestellt. Ein mathematisches Modell der Batterie wird bestimmt (oder identifiziert), bei welchem die dynamischen Komponenten der Batterie als ein System aufgefasst und durch eine Systemgleichung beschrieben werden, in welcher ein Widerstand und eine Kapazität mit einer Differentialgleichung beschrieben werden. Die Ordnung des Systems (d.h. der Differentialgleichung) wird durch Systemidentifikationstechniken auf der Grundlage der Daten vorläufiger Tests, wie etwa hybrider Impulsleistungscharakterisierungstests (HPPC-Tests), geschätzt. Die Beziehung zwischen dem Batterieladezustand und Systempolen werden auf der Grundlage der HPPC-Testdaten festgelegt. Die Parameter der Differentialgleichung (d.h. die Systemparameter) werden in Echtzeit durch ein Online-Parameterschätzverfahren geschätzt. Auf der Grundlage der identifizierten Systemordnung und der geschätzten Parameter werden die Systempole oder die Polstellen ebenfalls in Echtzeit berechnet. Die Polstellen entsprechen den Übergangsfunktionskennlinien, welche den Ladezustand der Batterie anzeigen. Daher wird der Batterieladezustand auf der Grundlage der Polstellen bestimmt.
4 veranschaulicht eine vereinfachte Schaltung (oder Batterie) 52, die ein Batteriemodell gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Schaltung 52 umfasst eine Spannungs- (oder Leistungs-) Quelle 54, einen Widerstand 56 und ein dynamisches lineares Untersystem 58 n-ter Ordnung.
Die Theorie linearer Systeme gibt an, dass Systempole und Nullstellen die Übergangsfunktionskennlinien des Systems bestimmen (d.h. die Übergangsfunktionskennlinie eines Systems variiert mit den Polstellen des Systems). 5 veranschaulicht, wie die Übergangsfunktion des Systems unter Verwendung eines Beispiels eines Systems erster Ordnung (d.h. eines System mit einem Pol) mit der Polstelle variiert. Wenn sich der Ladezustand der Batterie verändert, verändert sich auch die Antwort der Batterie auf Laständerungen. Insbesondere zeigt, wie in 5 angegeben ist, das System bei einer ersten Systempolstelle (S₁ ) eine erste Übergangsfunktion 60. Bei einer zweiten Systempolstelle (S₂ ) zeigt das System eine zweite Übergangsfunktion 62. Wenn der Systempol negativer wird, erreicht die Batterie einen Gleichgewichtszustand langsamer.
Diese Beziehung wird durch 6 bestätigt, welche die Anschlussspannung einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie während einer Entladung mit 100 Ampere bei 25°C bei verschiedenen Ladezuständen graphisch veranschaulicht, die unter Verwendung von hybriden Impulsleistungscharakterisierungstests (HPPC-Tests) bestimmt wurde, wie allgemein verstanden wird. Die HPPC-Tests werden in Verbindung damit ausgeführt, dass die Batterie mit einer „Zykluseinrichtung“ (d.h. einem Lade/Entladegerät) gekoppelt ist, wie allgemein verstanden wird, sodass der Ladezustand der Batterie bekannt ist und auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Bei den in 6 gezeigten Extremwerten zeigt eine Linie 64 an, dass die Batterie einen Gleichgewichtszustand bei einem Ladezustand von 90 % relativ schnell erreicht. Während eine Linie 66 anzeigt, dass die Batterie das Gleichgewicht relativ langsam, wenn überhaupt, erreicht. Somit zeigen die Systempolstellen der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie den Ladezustand der Batterie an.
Allgemein kann das lineare dynamische Untersystem 58 n-ter Ordnung (4) durch die gewöhnliche Differentialgleichung n-ter Ordnung beschrieben werden: $\begin{matrix} V (k) = a_{1} * V (k - 1) + a_{2} (t) * v (k - 2) + \dots + a_{n} (k - n) * V (k - n) \\ + b_{0} *I (k) + b_{1} *I (k - 1) + \dots + b_{m} I (k - m) \end{matrix}$
oder durch die Zustandsraumgleichungen: $\begin{array}{l} X (k + 1) = AX (k) + BI (k) = [\begin{array}{l} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \dots & a_{2 n} \\ \dots & \dots & \dots & \dots \\ a_{n 1} & a_{n 2} & \dots & a_{n m} \end{array}] X (k) + [\begin{array}{l} b_{1} \\ b_{2} \\ \dots \\ b_{n} \end{array}] I (k) \\ V (k) = CX (k) + DI (k) = [\begin{matrix} c_{1} & c_{2} & \dots & c_{n} \end{matrix}] X (k) + d * I (k) \end{array}$
wobei X(k) der nx 1-Zustandsvektor ist, I(k) die Eingabe ist; V(k) die Ausgabe ist; A eine n×n-Koeffizientenmatrix mit konstanten Elementen ist $A = [\begin{array}{l} a_{11} & a_{12} & \dots & a_{1 n} \\ a_{21} & a_{22} & \dots & a_{2 n} \\ \dots & \dots & \dots & \dots \\ a_{n 1} & a_{n 2} & \dots & a_{n m} \end{array}],$
B eine n×1-Koeffizientenmatrix mit konstanten Elementen ist, $B = [\begin{array}{l} b_{1} \\ b_{2} \\ \dots \\ b_{n} \end{array}],$
C eine 1×n-Koeffizientenmatrix mit konstanten Elementen ist, $C = [\begin{matrix} c_{1} & c_{2} & \dots & c_{n} \end{matrix}],$
und D ein konstanter Koeffizient ist $D = d .$
Die Ordnung der Gleichung (1) oder (2) kann auf der Grundlage der vorläufigen Testdaten von 6 durch Anwendung des t-Kriteriums von Äström geschätzt werden, welches ausgedrückt werden kann als $t (n_{1} {, n}_{2}) = \frac{J_{1} - J_{2}}{J_{2}} \cdot \frac{N - 2 n_{2}}{2 (n_{2} - n_{1})},$
wobei N die Gesamtanzahl von Eingabe/Ausgabe-Datenpaaren ist und Ji und J₂ die Werte der Kostenfunktion eines Parameterschätzalgorithmus sind, wenn die Systemordnung als n₁ und n₂ geschätzt wird. Wenn N groß genug ist, konvergiert t asymptotisch zu einer F(f₁, f₂)-Verteilung, wobei f₁ = 2(n₂ - n₁) und f₂ = N - 2n₂ Freiheitsgrade sind.
Nach der Herleitung der Ordnung des Systems können die Parameter des Systems durch einen Online-Schätzalgorithmus, wie etwa einen rekursiven Algorithmus der kleinsten Quadrate, ein rekursives Vorhersage-Fehler-Verfahren, oder ein Kalman-Filter geschätzt werden. Gleichung (1) kann dann nach Beschaffung der geschätzten Parameter als die z-Transferfunktion ausgedrückt werden
wobei Ṽ die gefilterte Anschlussspannung ist und I(z) der Anschlussstrom ist, und äi und b̂_i geschätzte Parameter sind.
Gleichung (8) kann in Pol/Nullstellenform umgeschrieben werden zu
wobei z_i und p_J die i-te Nullstelle bzw. die j-te Polstelle des Systems sind.
Gleichung (9) kann geschrieben werden als
Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird das System auf der Grundlage der HPPC-Daten und des Åström-Kriteriums als ein System zweiter Ordnung angesehen, wobei in diesem Fall Gleichung (1) anders ausgedrückt werden kann als $V (k) = a_{1} * V (k - 1) + a_{2} * v (k - 2) + b_{0} * I (k) + b_{1} * I (k - 1) + b_{2} I (k - 2) .$
Bei gegebenen Eingabe-Ausgabedaten können die Parameter von Gleichung (2) unter Verwendung des rekursiven Algorithmus der kleinsten Quadrate wie folgt geschätzt werden zu
wobei θ̂ die Schätzung der Parameter a₁, a₂, b₀, b₁, b₂ in Gleichung (7) ist.
Die z-Transferfunktion kann dann ausgedrückt werden als
Gleichung (13) kann dann in eine diskrete Polstellen/Nullstellenform umgeschrieben werden als $\frac{V (z)}{I (z)} = \frac{k (z + z_{1}^{'}) (z + z_{2}^{'})}{(z + p_{1}^{'}) (z + p_{2}^{'})},$
Wenn Gleichung (4) in die (kontinuierliche) s-Transferfunktion umgesetzt wird, kann sie ausgedrückt werden als $\frac{V (s)}{I (s)} = \frac{k}{(s + p_{1}) (s + p_{2})},$
welche die s-Transferfunktionsform für ein Batteriemodell 2-ter Ordnung bei einer Hybridfahrzeuganwendung darstellt. p₁ und p₂ sollten negativ sein; wenn |p₁|*10<|p₂|, wird p₁ als der „primäre dominante Pol“ bezeichnet und p₂ wird als der „zweite dominante Pol“ bezeichnet.
Auf der Grundlage von Testergebnissen, die denjenigen ähneln, die in 6 dargestellt sind, sowie von zusätzlichen HPPC-Tests, die bei verschiedenen anderen Temperaturen durchgeführt werden (z.B. -45°C bis 40°C), können Nachschlagetabellen, wie etwa diejenigen, die in 7 und 8 gezeigt sind, erzeugt werden, welche beispielsweise in dem SOC-Modul 38 (1) gespeichert sind. Unter Verwendung der gemessenen Anschlussspannung und des gemessenen Anschlussstroms sowie der Betriebstemperatur der Batterie 22 kann das SOC-Modul 38 dann den aktuellen Ladezustand der Batterie unter Verwendung der Nachschlagetabellen bestimmen. Das heißt, dass das SOC-Modul 38 bei einer Ausführungsform die Anschlussspannung, den Anschlussstrom und die Betriebstemperatur der Batterie 22 als Eingabe empfängt und ein Signal erzeugt, das den Ladezustand der Batterie 22 auf der Grundlage der Verwendung der Nachschlagetabellen darstellt.
Ein Vorteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens und Systems besteht darin, dass die Verwendung von Batterien mit einer relativ invarianten Leerlaufspannung, wie etwa einigen Nanophosphat-Lithiumionenbatterien, erleichtert wird, da der Ladezustand der Batterie ohne Verwendung der Leerlaufspannung der Batterie bestimmt 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 die Ausgestaltung der Erfindung in irgendeiner Weise einzuschränken. Stattdessen wird die vorstehende genaue Beschreibung Fachleuten eine brauchbare Anleitung zur Implementierung der beispielhaften Ausführungsform oder der beispielhaften Ausführungsformen bereitstellen. Es sollte verstanden sein, dass in der Funktion und Anordnung von Elementen verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen und deren juristischen Äquivalenten offen gelegt ist.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie, die eine Übergangsfunktion zeigt, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Nachschlagetabelle bereitgestellt wird, die mindestens einer gemessenen Eigenschaft der Batterie zugeordnet ist, wobei die Nachschlagetabelle verschiedene Ladezustände der Batterie umfasst, die Systempolstellen und Temperaturen der Batterie zugeordnet sind; eine gegenwärtig gemessene Temperatur und die mindestens eine gemessene Eigenschaft der Batterie gemessen werden; eine Systempolstelle der Batterie auf der Grundlage einer gewöhnlichen Differentialgleichung und der mindestens einen gemessenen Eigenschaft der Batterie ermittelt wird; und der Ladezustand der Batterie aus der Nachschlagetabelle auf der Grundlage der gegenwärtig gemessenen Temperatur und der ermittelten Systempolstelle bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine gemessene Eigenschaft einen Strom, eine Spannung oder eine Kombination daraus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gewöhnliche Differentialgleichung eine Vielzahl von Parametern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Übergangsfunktion der Batterie auf der Grundlage der Lastbedingungen der Batterie variiert, und wobei die Lastbedingungen auf der Grundlage einer oder mehrerer Eigenschaften der Batterie variieren, die in Beziehung mit dem Ladezustand der Batterie stehen, und wobei die Übergangsfunktion der Batterie eine Diffusionsspannung der Batterie oder eine Doppelschichtkapazität der Batterie oder eine Kombination daraus ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Ermittelns der Systempolstelle der Batterie auf der Grundlage der gewöhnlichen Differentialgleichung und der mindestens einen gemessenen Eigenschaft der Batterie umfasst, dass die Parameter der gewöhnlichen Differentialgleichung ermittelt werden, welche die Batterie charakterisieren, wobei die Parameter einen Anschlussstrom und eine Anschlussspannung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nachschlagetabelle eine Vielzahl ermittelter Systempolstellen und eine Vielzahl bekannter Ladezustände der Batterie umfasst, wobei jeder der bekannten Ladezustände einer der ermittelten Systempolstellen der Batterie zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine Kraftfahrzeugbatterie ist, die in einem Kraftfahrzeug installiert ist, und das Messen der mindestens einen gemessenen Eigenschaft mit einem Sensor an Bord des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine Nanophosphat-Lithiumionenbatterie ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine gemessene Eigenschaft einen gemessenen Anschlussstrom und eine gemessene Anschlussspannung umfasst.
Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Nanophosphat-Lithiumionenbatterie, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine Nachschlagetabelle bereitgestellt wird, die mindestens einer gemessenen Eigenschaft der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie zugeordnet ist, wobei die Nachschlagetabelle verschiedene Ladezustände der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie umfasst, die Systempolstellen und Temperaturen der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie zugeordnet sind; eine gegenwärtig gemessene Temperatur und die mindestens eine gemessene Eigenschaft der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie gemessen werden; eine Systempolstelle der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie auf der Grundlage der mindestens einen gemessenen Eigenschaft und einer gewöhnlichen Differentialgleichung ermittelt wird; und der Ladezustand der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie aus der Nachschlagetabelle auf der Grundlage der gegenwärtig gemessenen Temperatur und der ermittelten Systempolstelle der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Nachschlagetabelle eine Vielzahl ermittelter Systempolstellen und eine Vielzahl bekannter Ladezustände der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie umfasst, wobei jeder der bekannten Ladezustände einer der ermittelten Systempolstellen der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die gewöhnliche Differentialgleichung eine Vielzahl von Parametern umfasst und die Ermittlung der Systempolstelle der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie umfasst, dass die Parameter der gewöhnlichen Differentialgleichung auf der Grundlage der mindestens einen gemessenen Eigenschaft bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Nanophosphat-Lithiumionenbatterie eine Kraftfahrzeugbatterie an Bord eines Kraftfahrzeugs ist und das Messen der mindestens einen Eigenschaft mit mindestens einem Sensor an Bord des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine gemessene Eigenschaft der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie einen gemessenen Anschlussstrom und eine gemessene Anschlussspannung der Nanophosphat-Lithiumionenbatterie umfasst.
Kraftfahrzeugantriebssystem, das umfasst: einen Elektromotor; eine mit dem Elektromotor gekoppelte Batterie; eine Sensoranordnung, die mit der Batterie gekoppelt ist und so ausgestaltet ist, dass sie eine gegenwärtig gemessene Temperatur der Batterie misst und mindestens eine gemessene Eigenschaft der Batterie detektiert und ein Signal erzeugt, das diese darstellt; und einen Prozessor, der mit der Sensoranordnung in funktionaler Kommunikation steht; und einen Speicher in funktionaler Kommunikation mit dem Prozessor, wobei der Speicher eine darin gespeicherte Nachschlagetabelle aufweist, wobei die Nachschlagetabelle verschiedene Ladezustände der Batterie umfasst, die Systempolstellen und Temperaturen der Batterie zugeordnet sind, wobei der Prozessor ausgestaltet ist, um: das Signal von der Sensoranordnung zu empfangen; eine Systempolstelle der Batterie auf der Grundlage einer gewöhnlichen Differentialgleichung und der mindestens einen gemessenen Eigenschaft der Batterie zu ermitteln; und den Ladezustand der Batterie aus der Nachschlagetabelle auf der Grundlage der gegenwärtig gemessenen Temperatur und der ermittelten Systempolstelle zu bestimmen.
System nach Anspruch 15, wobei die Nachschlagetabelle eine Vielzahl ermittelter Systempolstellen und eine Vielzahl bekannter Ladezustände der Batterie umfasst, wobei jeder der bekannten Ladezustände einer der ermittelten Systempolstellen der Batterie zugeordnet ist.
System nach Anspruch 16, wobei die Batterie eine Kraftfahrzeugbatterie ist, die in einem Kraftfahrzeug installiert ist, und das Messen der mindestens einen Eigenschaft mit einem Sensor an Bord des Kraftfahrzeugs durchgeführt wird.
System nach Anspruch 17, wobei die Batterie eine Nanophosphat-Lithiumionenbatterie ist und die mindestens eine gemessene Eigenschaft einen gemessenen Anschlussstrom und eine gemessene Anschlussspannung umfasst.