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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht den Anmeldetag der US-Provisional Application No. 61/418,265 mit dem Titel ”Algorithmus zur Bestimmung der Kapazität einer Batterie während des Batteriebetriebs”, angemeldet am 30. November 2010.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und Verfahren zur Schätzung der Batteriekapazität und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Batteriekapazität, während die Batterie im Betrieb ist, wobei das Verfahren das Dividieren integrierter Stromamperestunden aus einem vorhergehenden Fahrzyklus durch eine Änderung im Batterieladezustand (SOC) zwischen dem vorangegangenen Fahrzyklus und einem gegenwärtigen Fahrzyklus beinhaltet, nachdem die Batterie für eine vorbestimmte Zeitdauer, die auf der Temperatur basiert, geruht hat.
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2. Diskussion des Standes der Technik
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Elektrofahrzeuge werden immer häufiger. Diese Fahrzeuge beinhalten Hybridfahrzeuge, wie zum Beispiel Elektrofahrzeuge mit erweiterter Reichweite (EREV), die eine Batterie und eine Hauptantriebsquelle, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, Brennstoffzellensysteme, etc., miteinander kombinieren, und reine Elektrofahrzeuge, wie zum Beispiel batteriebetriebene Elektrofahrzeuge (BEV). All diese Arten von Elektrofahrzeugen verwenden eine Hochvoltbatterie, die eine Zahl von Batteriezellen umfasst. Diese Batterien können verschiedene Batterietypen sein, beispielsweise Lithium-Ionen, Nickel-Metallhydrid, Bleisäure, etc. Ein typisches Hochvoltbatteriesystem für ein Elektrofahrzeug kann eine große Anzahl von Batteriezehen oder Modulen mit mehreren Batteriezellen aufweisen, um die Anforderungen an die Fahrzeugleistung zu treffen. Das Batteriesystem kann einzelne Batteriemodule beinhalten, wobei jedes Batteriemodul aus einer gewissen Anzahl von Batteriezellen, beispielsweise aus 12 Zellen, bestehen kann. Die einzelnen Batteriezellen können elektrisch in Reihe geschaltet sein oder eine Reihe von Zellen kann elektrisch parallel geschaltet sein, wobei eine Anzahl von Zellen in dem Modul in Reihe geschaltet ist und jedes Modul elektrisch zu den anderen Modulen parallel geschaltet ist. Verschiedene Fahrzeugarten beinhalten verschiedene Batteriearten, die verschiedene Vor- und Nachteile für die einzelne Anwendung mit sich bringen.
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Wenn ein Batteriepack relativ neu ist, arbeitet jede Zelle in dem Batteriepack typischerweise ungefähr auf dem gleichen Leistungsniveau, das heißt auf maximalem Ladungsniveau oder Kapazitätsniveau. Wenn der Batteriepack jedoch über die Zeit altert, verschlechtert sich jede Zelle typischerweise in ihrem Leistungsvermögen anders, als die anderen Zellen, wobei das Leistungsvermögen des Batteriepacks vom Leistungsvermögen der Zelle mit der geringsten Leistung limitiert ist. Des weiteren kann eine Batteriezelle oder ein Batteriemodul in dem Batteriepack ausfallen oder auf andere Art und Weise im Leistungsvermögen aus anderen Gründen beschränkt sein, wie zum Beispiel einem inneren Kurzschluss, Verlust an Kapazität, Hochohmigkeit, hoher Temperatur, etc.
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Die Regelalgorithmen in einem Elektrofahrzeug benötigen typischerweise die Kenntnis der Kapazität der Batterie, um den Batterieladezustand zu überwachen oder zu bestimmen, wenn die Batterie altert, um das Lebensende der Batterie zu betrachten. Die bekannten Algorithmen, die die Batteriekapazität schätzen, waren bisher weniger effektiv, als sie hätten sein sollen, da es typischerweise schwierig ist zu wissen, ob die verschiedenen Eingaben zur Berechnung der Batteriekapazität an einem bestimmten Zeitpunkt gültig oder richtig sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Kapazität einer Fahrzeugbatterie offenbart, wobei das Verfahren eine Änderung in dem Batterieladezustand zwischen Fahrzyklen und integrierten Stromamperestunden, nachdem die Batterie für eine bestimmte Zeitdauer, basierend auf der Temperatur, geruht hatte, verwendet. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen von Batteriedaten einschließlich eines vorangegangenen Batterieladezustands, einer Batterietemperatur und integrierten Batteriestromamperestunden und das Bestimmen, dass die Batterieschütze geschlossen wurden, nachdem sie geöffnet und von der Last getrennt wurden. Das Verfahren bestimmt, ob die Batterie für eine ausreichend lange Zeitdauer geruht hatte, während die Schütze geöffnet waren, wo die Batterieruhezeit auf der Batterietemperatur basiert, und bestimmt eine Anfangsbatteriespannung als eine Batteriespannung aus einem letzten Zeitschritt, wenn die Batterieschütze geschlossen Waren, bevor die Schütze geöffnet waren während der Batterieruhezeit. Das Verfahren bestimmt einen gegenwärtigen Batterieladezustand aus der ursprünglichen Batteriespannung und der Batterietemperatur und berechnet die Batteriekapazität auf der Basis von den batterieintegrierten Stromamperestunden dividiert durch die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Batterieladezustand und dem vorangegangenen Batterieladezustand.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Figuren offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine Veranschaulichung eines Elektrohybridfahrzeuges;
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Schätzung der Batteriekapazität zeigt;
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3 ist ein Logik-Block-Diagramm, das den Betrieb zur Ermittlung der Batteriespannung zeigt, wenn die Batterieschütze geschlossen sind;
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4 ist ein Logik-Block-Diagramm, das den Betrieb zur Bestimmung des Batterieladezustands zeigt;
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5 ist ein Logik-Block-Diagramm, das den Betrieb zum Bestimmen, ob der Batterieladezustand gültig ist, zeigt;
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6 ist ein Logik-Block-Diagramm, das einen Betrieb zum Bestimmen, ob die Batteriedaten zum Berechnen der Batteriekapazität gültig sind, zeigt; und
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7 ist ein Logik-Block-Diagramm, das den Betrieb zum Schätzen der Batteriekapazität zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die folgende Diskussion der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die auf ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Batteriekapazität gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen zu begrenzen. Beispielsweise findet die vorliegende Erfindung Anwendung beim Schätzen der Kapazität einer Hochvoltfahrzeugbatterie. Fachleuten jedoch ist es klar, dass das Verfahren zum Schätzen der Batteriekapazität, wie es hier vorgestellt wird, auch Anwendung für andere Arten von Batterien und für andere Anwendungen haben wird.
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1 ist eine Draufsicht auf ein Fahrzeug 10, das dazu gedacht ist, ein Elektrofahrzeug oder ein Elektrohybridfahrzeug darzustellen. Das Fahrzeug 10 beinhaltet eine Hochvoltbatterie 12, die auf einen geeigneten Träger innerhalb des Fahrzeugs 10 montiert ist, wobei die Batterie 12 eine Vielzahl von Batteriezellen 14 beinhaltet. Die Batterie 12 kann jede für ein Elektrofahrzeug geeignete Batterie sein, beispielsweise eine Bleisäure-Batterie, eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Metall-Hydrid-Batterie, etc. Das Fahrzeug 10 kann ferner eine separate Antriebsquelle 16, wie zum Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine, ein Brennstoffzellensystem, etc. aufweisen.
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2 ist ein Flussdiagramm 30, das ein Verfahren für einen Algorithmus zum Schätzen der Batteriekapazität zeigt, nachdem die Batterie 12 für eine bestimmte Zeitdauer geruht hat, wobei diese Zeit auf der Batterietemperatur basiert. Der Algorithmus startet im Kasten 32 und im Kasten 34 werden die Daten und Information aus einem vorangegangenen Fahrzyklus des Fahrzeugs 10 eingelesen und separat auf einem Speicher abgespeichert, die notwendig sind, um die verschiedenen Batteriekapazitätsbestimmungen und Rechnungen, wie hier beschrieben, auszuführen. Diese Daten beinhalten den Batteriestrom und die Spannung, den über dem letzten Fahrzeug aufintegrierten Batteriestrom in Amperestunden, das heißt den Betrag an Batteriestrom, der während dem vergangenen Fahrzyklus verbraucht wurde, einen vorhergehenden Batterieladezustand am Beginn des Fahrzyklus, die durchschnittliche Batterietemperatur über dem Fahrzyklus, die Zeitlänge des Fahrzyklus und verschiedene Verhältnisse von Strömen, die bestimmen, ob der Fahrzyklus niedrigen Strom für einen Zeitrahmen verwendete, der zur genauen Schätzung der Batteriekapazität nicht geeignet ist. Es werden Stromverhältnisse verwendet, da Automobilstromsensoren typischerweise bei niedrigen Strömen nicht genau genug sind, was zu Stromwerten führen würde, die nicht zur Batteriekapazitätsschätzung geeignet wären. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Batterieschütze geöffnet, um die Batterie vom Fahrzeug 10 nach dem vorangegangenen Fahrzyklus zu trennen, und das Fahrzeug ist ausgeschaltet.
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Der Algorithmus überwacht in der Entscheidungsraute 36, ob die Schütze geschlossen wurden für den nächsten Fahrzyklus des Fahrzeugs 10 in bestimmten Zeitintervallen, um zu bestimmen, ob die Batterie 12 an den Hochspannungsbus angeschlossen ist. Sobald die Schütze in der Entscheidungsraute 36 geschlossen sind, um das Fahrzeug 10 zu betreiben, bestimmt der Algorithmus die Zeitdauer, in der die Batterie 12 im Leerlaufbetrieb mit offenen Schützen gewesen ist, wohingegen der vorangegangene Fahrzyklus im Kasten 38 dazu dient, zu bestimmen, ob die Batterie 12 lange genug geruht hatte, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen und stabil zu sein, wobei die Batteriespannung gleich dem Batterieladezustand wäre, um eine genaue Batteriekapazitätsberechnung durchzuführen. Diese Zeitdauer und die abgespeicherte Batterietemperatur werden mit vorher gesammelten Werten in einer Look-up-Tabelle verglichen, wobei die Look-up-Tabelle die genaue Gleichgewichtszeit für die Batterie 12 basierend auf der Temperatur wiedergibt. Je niedriger die Batterietemperatur ist, desto länger wird es dauern, dass die Batterie 12 den Gleichgewichtszustand erreicht. Wenn die Batterie 12 lange genug ”geruht” hat, um das Gleichgewicht bei einer bestimmten Batterietemperatur zu erreichen, wird ein Batterieruhe-Flag auf ”wahr” gesetzt, welches erlaubt, dass die Batteriekapazitätsschätzung ausgeführt wird. Wenn die Batterie 12 nicht lange genug geruht hat, um den Gleichgewichtszustand zu erreichen, dann werden die Berechnungen zum Schätzen der Batteriekapazität für diesen Fahrzyklus nicht ausgeführt, weil sie nicht genau genug wären.
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Sobald die Schütze geschlossen wurden, erfasst der Algorithmus im Kasten 40 die Batteriespannung aus dem Zeitschritt, bevor die Schütze geschlossen wurden, und setzt diese als eine Anfangsbatteriespannung für den gegenwärtigen Fahrzyklus der Batteriekapazitätsschätzung. 3 ist ein Logik-Block-Diagramm 42, das dieses Verfahren zeigt. Sobald die Schütze in dem Kasten 44 geschlossen sind, geht ein steigender Flanken-Trigger im Kasten 46 auf ”hoch” und danach wieder auf ”tief”. Der Ausgang des Flankentriggers ist nur dann auf ”wahr”, so lange der Eingang des Triggers auf ”wahr” geht. Danach geht der Trigger auf ”falsch” bis zum nächsten Übergang. Das Triggersignal, dass der Schütz geschlossen wurde, wird im Kasten 48 invertiert, im Kasten 50 zwischengespeichert und für einen Zeitschritt im Kasten 52 verzögert. Das invertierte und verzögerte Signal, dass der Schütz geschlossen wurde, und das tatsächliche Signal, dass der Schütz geschlossen wurde, werden im Kasten 54 logisch miteinander UND-verknüpft, um ein Flag für die Beendigung des offenen Stromkreises auf der Linie 56 auf ”wahr” zu setzen, welches anzeigt, dass die Schütze geschlossen sind. Die Batteriespannung wird für ein Zeitintervall im Kasten 58 verzögert und, sobald das Flag für die Beendigung des offenen Stromkreises auf ”wahr” gesetzt wurde, erfasst der Algorithmus die verzögerte Batteriespannung im Kasten 60 als die Anfangsbatteriespannung, die auf der Linie 62 für die Abschätzungen der Kapazität bereitgestellt wird.
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Wenn das Flag für die Batterieruhe auf ”wahr” im Kasten 38 in dem Flussdiagramm 30 gesetzt ist und die Anfangsbatteriespannung im Kasten 40 bestimmt wird, nachdem die Schütze geschlossen wurden, verwendet der Algorithmus eine Look-up-Tabelle im Kasten 70, um den Batterieladezustand aus der ursprünglichen Batteriespannung und der aktuellen Batterietemperatur zu bestimmen. 4 ist ein Logik-Block-Diagramm 72, das ein Verfahren zur Bestimmung des Batterieladezustands zeigt, wobei die Batterietemperatur auf der Linie 74 bereitgestellt wird und die ursprüngliche Batteriespannung auf der Linie 76 bereitgestellt wird. Die Batteriepackspannung wird an eine Batteriezellspannung im Kasten 78 geknüpft und die Temperatur und die Batteriezellspannung werden im Kasten 80 angewandt, was zur Kalibrierung des Batterieladezustands auf der Basis der Temperatur führt. Der kalibrierte Batterieladezustand wird im Kasten 84 mit 100 multipliziert und an den Kasten 82 übergeben, um einen Prozentsatz des Batterieladezustands aus der Look-up-Tabelle auf der Linie 86 zu bekommen.
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5 ist ein Logik-Block-Diagramm 68 zur Bestimmung, ob der Batterieladezustand gültig ist und für eine genaue Bestimmung der Batteriekapazität verwendet werden kann. Der Algorithmus bestimmt, ob der Prozentsatz des Batterieladezustands gültig ist, durch Bestimmen, ob fünf Eingangswerte gültig sind oder auf ”wahr” gesetzt sind, wobei die Werte im Kasten 88 logisch miteinander UND-verknüpft werden. Diese die Gültigkeit bestimmenden Eingangsgrößen beinhalten, ob die Temperatur auf der Linie 90 gültig ist, ob die ursprüngliche Batteriespannung auf der Linie 92 gültig ist, dass der Batteriestrom auf der Linie 94 nicht fehlerbehaftet ist, welcher im Kasten 96 invertiert wurde, dass der Batteriestrom auf der Linie 98 kleiner als ein Kalibrierstrom im Kasten 100 ist und dass das Ruhe-Flag ”hoch” auf der Linie 102 gesetzt ist. Ein Absolutwert des Batteriestroms wird auf der Linie 98 am Kasten 104 bereitgestellt und der Stromschwellwert zur logischen Bestimmung im Kasten 100 wird am Kasten 106 bereitgestellt. Falls all diese Signale, die an den ”UND”-Kasten 88 appliziert werden, ”hoch” sind, dann ist der Batterieladezustand gültig, wobei ein Gültigkeits-Flag für den Ladezustand auf ”hoch” auf der Linie 108 gesetzt wird.
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Nach Rückkehr zum Flussdiagramm 30 verwendet der Algorithmus dann all diese Gültigkeits-Flags und vorherbestimmten Gültigkeits-Werte, um zu bestimmen, ob verschiedene Signale, die zur Batteriekapazitätsschätzung benötigt werden, in der Entscheidungsraute 110 gültig sind. Die 6 ist ein Logik-Block-Diagramm 112, das diese Gültigkeitsbestimmung durch einen Logisch-”UND”-Kasten 114 durchführt, wobei die oben erwähnten Eingangsgrößen verwendet werden. Ein vormals verwendbarer Batterieladezustandswert aus dem letzten Kapazitätsschätzungsprozess vom vorangegangenen Fahrzyklus wird auf der Linie 116 bereitgestellt und der gegenwärtig verwendbare Batterieladezustand aus der Linie 108 wird an der Linie 118 bereitgestellt. Die letzten batterieintegrierten Stromamperestunden aus dem vorangegangenen Fahrzyklus werden an der Linie 120 bereitgestellt, und deren Absolutwert im Kasten 122 wird an den Kasten 124 übergeben, der bestimmt, ob dieser Wert größer als ein kalibrierter Wert ist, der im Kasten 126 bereitgestellt wird. Wenn dies der Fall ist, wird das Gültigkeits-Flag auf der Linie 130 gesetzt, um sicherzugehen, dass die integrierten Stromamperestunden sich für eine genaue Kapazitätsschätzung in genügendem Maß geändert haben.
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Ein vorheriger Zählwert wird auf der Linie 132 bereitgestellt und ein Zählkalibrierwert wird im Kasten 134 bereitgestellt und, wenn der vorherige Zählwert kleiner als der Kalibrierzählwert im Kasten 136 ist, dann wird ein Zählgültigkeits-Flag auf ”hoch” auf der Linie 138 gesetzt. Der vorhergehende akkumulierte Zeitbetrag aus dem vorhergehenden Fahrzyklus sollte kleiner als ein bestimmter Kalibrierwert sein, so dass das Zählen nicht zu lange dauert. Der vorhergehende Batterieladezustand auf der Linie 140 wird vom aktuellen Batterieladezustand auf der Linie 142 im Kasten 144 subtrahiert. Der Absolutwert dieser Differenz aus dem Kasten 146 wird im Kasten 150 mit einem Minimum Delta-Batterieladezustand, der im Kasten 148 bereitgestellt wird, verglichen, um sicherzugehen, dass eine Änderung im Batterieladezustand für eine genaue Kapazitätsschätzung groß genug war. Wenn die Differenz zwischen den zwei Batterieladezuständen größer als ein bestimmter Schwellwert ist, dann wird ein Delta-Batterieladezustand-Flag auf ”hoch” auf der Linie 152 gesetzt. Das Batterieruhe-Flag wird auf der Linie 154 an den ”UND”-Kasten 114 bereitgestellt. Ein vorhergehendes niedriges Amperestundenverhältnis wird auf der Linie 156 bereitgestellt und dieses wird im Kasten 160 mit einem Amperestundenschwellwertverhältnis, das vom Kasten 158 kommt, verglichen und, wenn die vorhergehenden integrierten Stromamperestunden kleiner als dieser Schwellwert sind, dann wird ein vorhergehendes integriertes Amperestundenverhältnisgültigkeits-Signal auf der Linie 162 auf ”hoch” gesetzt. Wenn all diese Eingangsgrößen an dem Logisch-”UND”-Kasten 114 ”hoch” sind, dann sind all die Werte, die notwendig sind, um die Batteriekapazität zu berechnen, gültig, was mit einem hohen Wert auf der Linie 166 angezeigt wird.
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Die Batteriekapazität wird mit dem Algorithmus im Flussdiagramm im Kasten 170 berechnet, in Form der batterieintegrierten Stromamperestunden für den vorhergehenden Fahrzyklus, dividiert durch die Differenz zwischen dem aktuellen Batterieladezustand und dem vorhergehenden Batterieladezustand. Wenn all diese Eingangsgrößen für den ”UND”-Kasten 114 ”hoch” oder ”wahr” sind, dann wird das Gültigkeits-Flag auf der Linie 166 gesetzt, das erlaubt, dass die Kapazitätsberechnung im Kasten 168 ausgeführt wird. Dieses Verfahren ist im Logik-Block-Diagramm 112 gezeigt, wobei die letzten integrierten Stromamperestunden auf der Linie 174 bereitgestellt sind, der vorhergehende Batterieladezustand auf der Linie 176 bereitgestellt wird und der gegenwärtige Batterieladezustand auf der Linie 178 bereitgestellt wird. Die geschätzte Batteriekapazität ist der Ausgang aus dem Kasten 168 auf der Linie 180. Falls all diese Eingangsgrößen an den ”UND”-Kasten 114 nicht auf ”hoch” gesetzt sind, dann verwirft der Algorithmus die vergangene Fahrinformation und speichert die gegenwärtige Information als die vergangene Information im Kasten 182 im Flussdiagramm 30 ab.
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7 ist ein Logik-Block-Diagramm 200, das eine logische Operation zum Bestimmen der Batteriekapazität zeigt, bei der die integrierten Amperestunden durch die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Batterieladezustand und dem vergangenen Batterieladezustand dividiert werden. Die letzten integrierten Stromamperestunden werden auf der Linie 202 bereitgestellt und im Kasten 206 mit 100, die von der Linie 204 kommen, multipliziert. Der vorhergehende Batterieladezustand auf der Linie 208 wird im Kasten 212 vom gegenwärtigen Batterieladezustand auf der Linie 210 subtrahiert und die letzten integrierten Stromamperestunden werden durch die Änderung im Batterieladezustand im Kasten 214 dividiert. Der Absolutwert der Batteriekapazität wird im Kasten 216 bereitgestellt und wird dann dazu benutzt, um den Kapazitätswert in dem Fahrzeugspeicher im Kasten 218 im Flussdiagramm 30 upzudaten. Der Algorithmus endet dann im Kasten 220.
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Wenn die Schütze in der Entscheidungsraute 36 geschlossen sind, akkumuliert der Algorithmus auch den Batteriestrom und die Batterietemperatur während des neuen Fahrzyklus im Kasten 190 und speichert diese im Arbeitsspeicher für den nächsten Fahrzyklus, welcher aus dem Arbeitsspeicher im Kasten 34 für die neue Berechnung zur Batteriekapazitätsschätzung eingelesen werden wird.
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Die vorhergehende Beschreibung offenbarte und beschrieb lediglich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird jedoch leicht aus dieser Beschreibung und aus den beigefügten Figuren und Patentansprüchen verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen erkennen, die gemacht werden können, ohne den Geist und den Schutzbereich der Erfindung, wie er von den folgenden Patentansprüchen definiert ist, zu verlassen.
