DE102011113592B4 - Verfahren und vorrichtung zum schätzen der kapazität einer batterie - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Batteriekapazität für eine Fahrzeugbatterie bereitgestellt. Bei Zündungsstarts werden Leerlaufspannungen einer Fahrzeugbatterie gemessen. Es wird ein Batterieparameter für die Fahrzeugbatterie geschätzt, der eine Funktion eines gegenwärtigen Leerlaufspannungsmesswerts bei einem gegenwärtigen Zündungsstart, eine Funktion mindestens einer Leerlaufspannungsbeobachtung eines vorherigen Zündungsstarts, eine Funktion der Integration einer Stromentnahme über eine Zeitspanne von einem vorherigen Zündungsstartereignis bis zu einem gegenwärtigen Zündungsstartereignis und eine Funktion eines Justierungsfaktors ist. Ein Batterieparameter wird auf der Grundlage einer neuen Batterie ermittelt. Die Batteriekapazität wird als Funktion des Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie und des Batterieparameters für die neue Batterie berechnet.

Description

• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Eine Ausführungsform betrifft allgemein das Ermitteln einer Kapazität einer Batterie in einem Fahrzeug.
• Das Ermitteln einer Batteriekapazität für eine Batterie kann unter Verwendung einer Vielfalt von Techniken, die Coulomb- bzw. Ladungszählungs- oder Parameterschätztechniken verwenden, durchgeführt werden. Die Coulombzählung umfasst die Verwendung eines Messwerts (d.h. eines Leerlaufspannungslesewerts), um den Batterieladezustand zu schätzen. Für das Ermitteln eines Ladezustands ist die Genauigkeit der Leerlaufspannung kritisch. Wenn es einen Messfehler gibt, dann wird der Ladezustandsschätzwert im Wesentlichen um den Faktor des Messfehlers fehlerhaft sein.
• Außerdem verwendet eine Coulombzählung, welche die Ladeeffizienz und die Batteriekapazität verwendet, um den Ladezustand zu ermitteln, oft die Standard-Herstellerangabenwerte für Werte einer neuen Batterie über den gesamten Schätzprozess während der Lebensdauer der Batterie hinweg. Im Lauf der Zeit altert die Batterie und die Ladeffizienz sowie die Batteriekapazität verändern sich, wodurch ein Fehler bei der Ladezustandsschätzung erzeugt wird.
• Aktuelle Parameterschätztechniken benötigen Stimuli, die bei herkömmlichen Fahrzeugen nicht unbedingt verfügbar sind. Als Stand der Technik werden die Druckschriften US 2009/0322283 A und DE 103 21 483 A1 genannt.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht in der Ermittlung einer Kapazität einer Batterie, wobei ein Fehler beim Schätzen der Batteriekapazität verringert wird, indem die Integration von sowohl gegenwärtigen als auch früheren Leerlaufspannungsmesswerten/Schätzwerten und Stromentnahmen verwendet wird. Mängel der Techniken nach dem Stand der Technik werden überwunden, indem die Ermittlung der Batteriekapazität nicht nur auf eine neue Batterie gestützt wird. Da sich Batteriecharakteristika über die Lebensdauer der Batterie hinweg verändern, stellt die Verwendung sowohl gegenwärtiger als auch vergangener Batteriecharakteristik-Messwerte/Schätzwerte eine umfassendere Analyse darüber bereit, wie sich die Batterie über einen Zeitverlauf hinweg verändert, was irgendwelche Anomalien verringert, die bei einem einzigen Messwert/Schätzwert auftreten können.
• Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Ermitteln einer Batteriekapazität für eine Fahrzeugbatterie. Leerlaufspannungen einer Fahrzeugbatterie werden bei Zündungsstartereignissen gemessen. Ein Batterieparameter wird für die Fahrzeugbatterie geschätzt, der eine Funktion eines gegenwärtigen Leerlaufspannungsmesswerts für einen gegenwärtigen Zündungsstart, eine Funktion mindestens einer Leerlaufspannungsbeobachtung eines vorherigen Zündungsstarts, eine Funktion einer Integration der Stromentnahme über eine Zeitspanne von einem vorherigen Zündungsstartereignis bis zu einem gegenwärtigen Zündungsstartereignis und eine Funktion eines Justierungsfaktors ist. Ein Batterieparameter wird auf der Grundlage einer neuen Batterie ermittelt. Die Batteriekapazität wird als Funktion des Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie und des Batterieparameters für die neue Batterie berechnet.
• Eine Ausführungsform betrachtet ein System zum Ermitteln einer Batteriekapazität einer Fahrzeugbatterie. Das System enthält eine Batterie, mindestens eine Komponente zum Entnehmen von Leistung aus der Batterie, ein Spannungsmessgerät zum Messen einer Leerlaufspannung der Batterie bei Zündungsstartsequenzen, und einen Stromsensor zum Erfassen von Strom, der aus der Batterie entnommen wird. Das System enthält ferner ein Steuermodul zur Ermittlung eines Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie, der eine Funktion eines gegenwärtigen Leerlaufspannungsmesswerts für einen gegenwärtigen Zündungsstart, eine Funktion mindestens einer Leerlaufspannungsbeobachtung bei einem vorherigen Zündungsstart, eine Funktion einer Integration der Stromentnahme über eine Zeitspanne von einem vorherigen Zündungsstartereignis bis zu einem gegenwärtigen Zündungsstartereignis und eine Funktion eines Justierungsfaktors ist. Das Steuermodul ermittelt ferner einen Batterieparameter auf der Grundlage einer neuen Batterie. Das Steuermodul berechnet die Batteriekapazität als Funktion des Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie und als Funktion des Batterieparameters für die neue Batterie.
• Figurenliste
• 1 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Schätzen eines Ladezustands (SOC) und einer Batteriekapazität einer Batterie.
• 2 ist ein Zeitverlaufsschema, das Zeitpunkte zur Ermittlung von Leerlaufspannungen darstellt.
• 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung eines Ladezustands (SOC) einer Batterie und einer Batteriekapazität.
• GENAUE BESCHREIBUNG
• 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Fahrzeugs 10, das ein Schätzsystem für einen Ladezustand (SOC) und eine Batteriekapazität enthält. Es versteht sich, dass das Fahrzeug Hybridfahrzeuge, Brennkraftmaschinenfahrzeuge und Elektrofahrzeuge oder beliebige Vorrichtungen, die Batterien verwenden, umfassen kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Das Fahrzeug 10 enthält einen Batteriestapel 12 mit einer einzelnen Batterie oder einer Vielzahl individueller Batteriemodule. Beispielsweise kann eine Ausführungsform eine Vielzahl von Batterien enthalten, die in Reihe verbunden sind, um eine Hochspannungs-Nennspannung zu erzeugen, oder ein Fahrzeug kann eine einzelne 12 Volt-Batterie enthalten, die eine Nennspannung von 14 Volt für ein Brennkraftmaschinenfahrzeug erzeugt. Die hier beschriebene Ladezustands- und Batteriekapazitäts-Schätztechnik kann auf eine Vielfalt von Batterietypen angewandt werden, welche Nickelmetallhydrid-Batterien (NiMH-Batterien), Bleisäurebatterien oder Lithium-Ionen-Batterien umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
• Die Fahrzeugbatterie 12 ist mit einer Vielzahl von Einrichtungen 14 elektrisch gekoppelt, welche die Batterie als Leistungsquelle verwenden. Das Fahrzeug 10 kann ferner einen Stromsensor 16, ein Spannungsmessgerät 18 und ein Steuermodul 20 enthalten.
• Die Vielzahl von Einrichtungen 14 enthält, ist aber nicht beschränkt auf Stromsteckdosen, die für eine externe Anschlusseinrichtung ausgelegt sind, Zubehöreinrichtungen, Komponenten, Teilsysteme und Systeme eines Fahrzeugs. Der Stromsensor 16 wird verwendet, um den Strom zu überwachen, der die Fahrzeugbatterie 12 verlässt. Das Spannungsmessgerät 18 misst eine Spannung derart, dass eine Leerlaufspannung ermittelt werden kann. Ein Steuermodul 20 oder ein ähnliches Modul beschafft, leitet her, überwacht und/oder verarbeitet einen Satz von Parametern, die mit der Fahrzeugbatterie 12 verbunden sind. Diese Parameter können ohne Beschränkung einen Strom, eine Spannung, einen Ladezustand (SOC), eine Batteriekapazität, Batterieinnenwiderstände, einen Batterieinnenblindwiderstand, eine Batterietemperatur und eine Leistungsausgabe der Fahrzeugbatterie umfassen. Das Steuermodul 20 enthält einen Algorithmus oder dergleichen, um eine Schätztechnik für den Ladezustand und die Batteriekapazität eines Fahrzeugs auszuführen. Bei einem Hybridfahrzeug oder Elektrofahrzeug ist es typisch, dass ein Stromsensor in das Steuermodul eingebaut ist.
• Zur Verbesserung einer Batterieaufladesteuerung und einer Fahrzeugleistungsverwaltung wird die Leerlaufspannung V_OC zum Schätzen des SOC verwendet. Der SOC der Batterie wird unter Verwendung eines Start-SOCs und einer SOC-Veränderung beim Laufen geschätzt. Die Formel für den SOC der Batterie wird wie folgt dargestellt: $${\text{S}}_{\text{OC}}={\text{SOC}}_{\text{start}}+{\text{SOC}}_{\text{lauf}}=\text{f}\left({\text{V}}_{\text{OC}}\left(0\right),\text{T}\right)+\mathrm{\theta }{\displaystyle \int \text{Idt}}$$

  

  wobei f(V_OC(0),T) der Start-SOC ist, der eine Funktion der Leerlaufspannung und der Temperatur ist, und θ∫Idt die SOC-Veränderung beim Laufen ist, die eine Funktion eines Batterieparameters θ und einer Integration vorheriger Stromdaten ist. Der Batterieparameter $\mathrm{\theta }\left(=\frac{\text{c}}{\text{Q}}\right)$

  

  ist eine Funktion der Batterieladeeffizienz c und der Batteriekapazität Q.
• Die Leerlaufspannung V_OC ist ein Schlüsselelement bei der Ermittlung des SOC. Die folgende Ausführungsform wird sich daher darauf konzentrieren, wie V_OC hergeleitet und bei der Ermittlung von SOC_start und SOC_lauf verwendet wird.
• 2 veranschaulicht einen Zeitverlauf zum Schätzen einer Vielzahl von Leerlaufspannungen für SOC_start, der Verlaufsdaten berücksichtigt. Verlaufsdaten bezeichnen vorherige Zeitpunkte, an denen ein Zündungs-Ausschalt- und ein Zündungs-Einschalt-Ereignis detektiert werden und Batteriecharakteristika beobachtet wurden. Der hier verwendete Begriff „beobachtet“ bezeichnet gemessene und/oder geschätzte Werte auf der Grundlage von Messwerten. Eine zeitliche Sequenz von fortlaufenden Zündungs-Einschalt- und Zündungs-Ausschalt-Ereignissen I_n bzw. I_f ist allgemein bei 20 gezeigt. Der Zeitverlauf 22 veranschaulicht alle Zeitpunkte, an denen die Zündung von Zündung-ausgeschaltet zu Zündungeingeschaltet übergeht (z.B. t_k-2, t_k-1, t_k). Auf der Grundlage der verschiedenen Zeitpunkte kann eine Leerlaufspannung für jeden Zeitpunkt ermittelt werden, wobei nicht nur der gegenwärtige Leerlaufspannungsmesswert, sondern auch vorherige Leerlaufspannungsmesswerte berücksichtigt werden, um beim k-ten Zündungsereignis einen genaueren Leerlaufspannungswert zu schätzen. Formeln für die in 2 gezeigten Zeitpunkte t_k-2, t_k-1, t_k werden durch die folgenden Formeln dargestellt: $${\widehat{V}}_{oc}\left(t_k,t_k\right)=V_{oc}\left(t_k\right)$$

  

  $${\widehat{V}}_{oc}\left(t_k,t_k{}_{-1}\right)=V_{oc}\left(t_{k-1}\right)+\theta {\displaystyle \underset{t_{k-1}}{\overset{t_k}{\int }}Idt}$$

  

  $${\widehat{V}}_{oc}\left(t_k,t_{k-2}\right)={\text{V}}_{oc}\left(t_{k-2}\right)+\theta {\displaystyle \underset{t_{k-1}}{\overset{t_k}{\int }}Idt+\theta {\displaystyle \underset{t_{k-2}}{\overset{t_{k-1}}{\int }}Idt}}$$

  
• Wenn die vergangenen Beobachtungen berücksichtigt werden, wird unter Verwendung eines Justierungsfaktors λ ein gewichteter Mittelwert erhalten. Der Justierungsfaktor λ gewichtet den Leerlaufspannungsschätzwert auf der Grundlage der Dauer der Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel oder der Zeitspanne mit eingeschaltetem Schlüssel. Es ist zu verstehen, dass die hier beschriebene Technik zur Ermittlung des Justierungsfaktors nur eine Ausführungsform dessen ist, wie der Justierungsfaktor ermittelt werden kann, und dass andere Techniken, die zur Ermittlung des Justierungsfaktors verwendet werden, hier angewendet werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Die Formel zur Ermittlung der Leerlaufspannung unter Verwendung des Justierungsfaktors wird durch die folgende Formel dargestellt: $${\widehat{V}}_{oc}\left(t_k\right)=\lambda \left\{\widehat{V}\left(t_{k-1}\right)+\widehat{\theta }{\displaystyle \underset{t_{k-1}}{\overset{t_k}{\int }}idt}\right\}+\left(1-\lambda \right)V_{oc}\left(t_k\right).$$

  

  wobei

  

  den Schätzwert auf der Grundlage der vorherigen Beobachtung (t_k-n) darstellt und (1-λ)V_OC(t_k) eine gegenwärtige Beobachtung (t_k) darstellt.
• Wenn daher die Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel zu kurz ist, wird dann eine größere Betonung auf den Schätzwert gelegt, wobei der Justierungsfaktor vorzugsweise nahe bei 1 liegen würde. Wenn die Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel größer als ein vorbestimmter Zeitwert ist, dann wird eine größere Betonung auf die aktuelle Beobachtung gelegt und der Justierungsfaktor wäre vorzugsweise nahe bei 0. Als Folge wird die folgende Formel verwendet, um einen Justierungsfaktor λ zu ermitteln, der eine Funktion der Ausgeschaltet-Zeitspanne ist. Der Justierungsfaktor λ für die Leerlaufspannung wird durch die folgende Formel dargestellt: $$\mathrm{\lambda =}{\text{e}}^{-{\text{t}}_{\text{off}}\left({\text{t}}_{\text{k}}\right)\text{/}\mathrm{\tau }}$$

  

  wobei t_off eine Zeitspanne von dem Zeitpunkt, an dem der Zündschlüssel ausgeschaltet wird, bis zu einem Zeitpunkt ist, an dem die Zündung eingeschaltet wird, t_k ein Zeitpunkt ist, an dem der Zündschlüssel beim k-ten Zündintervall eingeschaltet wird und τ eine Zeitkonstante ist.
• Der Batterieparameter θ wird gewöhnlich durch ein Verhältnis der Ladeffizienz und der Batteriekapazität ermittelt. Werte für die Ladeeffizienz und die Batteriekapazität sind typischerweise Nennwerte, die auf einer neuen Batterie beruhen. Derartige Parameter verändern sich jedoch, wenn die Batterie altert, und sie sind folglich keine robusten Faktoren zur Ermittlung des Batterieparameters θ. Da sich diese Parameter mit dem Alter verändern, sollte der Batterieparameter θ periodisch geschätzt werden. Um den Batterieparameter θ periodisch zu schätzen (z.B. einmal pro Monat), wird unter Verwendung der Leerlaufspannungsformel, die wie folgt dargestellt ist, nach dem Batterieparameter θ aufgelöst: $${\widehat{V}}_{oc}\left(t_k\right)={\widehat{V}}_{oc}\left(t_{k-1}\right)+{\widehat{\theta }}_k{\displaystyle \underset{t_{k-1}}{\overset{t_k}{\int }}Idt.}$$

  

  durch Modifizieren der Leerlaufspannung V̂_OC (t_k), um nach θ aufzulösen, wird der resultierende Batterieparameter θ wie folgt dargestellt: $${\widehat{\theta }}_k=\frac{V_{oc}\left(t_k\right)-{\widehat{V}}_{oc}\left(t_{k-1}\right)}{{\displaystyle \underset{t_{k-1}}{\overset{t_k}{\int }}Idt}}$$

  
• Um kurze Zeitspannen mit ausgeschaltetem Zündschlüssel zu kompensieren, wird ein Justierungsfaktor in die Batterieparameter-Schätzformel aufgenommen. Der Justierungsfaktor λ_θ für den Batterieparameter wird durch die folgende Formel dargestellt: $${\mathrm{\lambda }}_{\mathrm{\theta }}\mathrm{=}{\text{e}}^{-{\text{t}}_{\text{off}}\left({\text{t}}_{\text{k}}\right)\text{/}{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{\theta }}}$$

  
• Die resultierende Formel für den Batterieparameter ergibt sich wie folgt:

  

  wobei θ̂_k-1 der vorherige Batterieparameterschätzwert ist und

  

  ein gegenwärtiger Batterieparameterschätzwert ist.
• Aufgrund von Temperaturdifferenzen, wenn Messwerte für die aktuelle und die vorherige Leerlaufspannung beschafft werden, benötigt die hier erzeugte Schätztechnik eine Normierung zwischen den Leerlaufspannungsmesswerten. Das heißt, dass jede Leerlaufspannung (d.h. sowohl die gegenwärtige als auch die vorherige) auf eine Standardtemperatur normiert werden muss, sodass gegenwärtige Beobachtungen und vergangene Beobachtungen gemeinsam verwendet werden können. Als Folge wird jede Leerlaufspannung für ein jeweiliges Zündungsereignisauf der Grundlage einer genormten Temperatur in eine Leerlaufspannung umgesetzt. Die Umsetzung kann unter Verwendung eines Algorithmus, einer Nachschlagetabelle oder dergleichen durchgeführt werden. Zum Beispiel wird eine normierte Formel unter Verwendung einer standardisierten Temperatur wie etwa 25 Grad wie folgt dargestellt: $${\widehat{V}}_{oc}^{25}\left(t_k\right)=\lambda \left\{{\widehat{V}}_{oc}^{25}\left(t_{k-1}\right)+{\widehat{\theta }}_{k-1}^{25}{\displaystyle \underset{t_{k-1}}{\overset{t_k}{\int }}idt}\right\}+\left(1-\lambda \right)V_{oc}^{25}\left(t_k\right).$$

  
• Der Batterieparameter unter Verwendung normierter Temperaturen ist wie folgt: $${\widehat{\theta }}_k^{25}={\lambda }_{\theta }{\widehat{\theta }}_{k-1}^{25}+\left(1-{\lambda }_{\theta }\right)\frac{V_{oc}^{25}\left(t_k\right)-{\widehat{V}}_{oc}^{25}\left(t_{k-1}\right)}{{\displaystyle \underset{t_{k-1}}{\overset{t_k}{\int }}Idt}}.$$

  
• Als Folge kann die Leerlaufspannung für den SOC der Fahrzeugbatterie durch die folgende Formel dargestellt werden: $${\widehat{V}}_{oc}^{25}\left(t,t_k\right)={\widehat{V}}_{oc}^{25}\left(t_k\right)+{\theta }_k^{25}{\displaystyle {\int }_{t_k}^{t}Idt}.$$

  
• Nachdem die normierte Leerlaufspannung

  

  (t, t_k) für den SOC der Batterie ermittelt ist, wird die normierte Leerlaufspannung in die Leerlaufspannung bei der aktuellen Temperatur zurückgewandelt und wird durch V̂_OC(t) dargestellt.
• Die SOC-Ladung der Batterie wird unter Verwendung von V̂_OC (t) ermittelt, die Schätzwerte von sowohl aktuellen Messwerten als auch vorherigen Messwerten enthält. Die anderen Faktoren bei der Ermittlung des SOC können im Wesentlichen zu einer linearen Abbildungskonstante zusammengefasst werden. Als Folge kann der SOC der Fahrzeugbatterie zum gegenwärtigen Zeitpunkt durch die folgende Formel dargestellt werden:

  

  wobei V̂_OC(t) die geschätzte Leerlaufspannung der Batterie unter Verwendung aktueller Messwerte und vorheriger Messwerte ist und T eine jeweilige Temperatur zum Zeitpunkt der Messung ist.
• Auch die Batteriekapazität Q wird unter Verwendung von Strommesswerten und Batterieparametern ermittelt. Die Batteriekapazität wird unter Verwendung der folgenden Formel hergeleitet, die dargestellt wird durch: $$Q_{actual}^{25}=Q_{new}^{25}\left({\theta }_{new}^{25}\text{/}{\theta }_k^{25}\right)$$

  

  
  wobei ${\text{Q}}_{\text{actual}}^{25}$

  

  die normierte geschätzte Batteriekapazität der Batterie ist, ${\text{Q}}_{\text{new}}^{25}$

  

  eine normierte Batteriekapazität einer neuen Batterie ist, ${\mathrm{\theta }}_{\text{new}}^{25}$

  

  ein normierter Batterieparameter einer neuen Batterie ist und

  

  der normierte geschätzte Batterieparameter als Funktion eines Justierungsfaktors ist. Es ist zu verstehen, dass beim Herleiten der Batteriekapazität Schätzwerte unter Verwendung einer Standardtemperatur (z.B. 25 Grad) hergeleitet werden müssen. Die Formel zur Ermittlung des Batterieparameters bei dem k-ten Zündungsstart wird durch die folgende Formel dargestellt: $${\widehat{\theta }}_k^{25}={\lambda }_{\theta }{\widehat{\theta }}_{k-1}^{25}+\left(1-{\lambda }_{\theta }\right)\frac{V_{oc}^{25}\left(t_k\right)-{\widehat{V}}_{oc}^{25}\left(t_{k-1}\right)}{{\displaystyle \underset{t_{k-1}}{\overset{t_k}{\int }}Idt}}$$

  
• Die in Gleichung (15) gezeigte Batteriekapazität kann zu der folgenden Formel vereinfacht werden: $$Q_{actual}^{25}=c_{new}\text{/}{\theta }_k^{25}$$

  

  wobei c_new die Ladeeffizienz für eine neue Batterie ist. Das Vereinfachen der Batteriekapazität zu der in Gleichung (17) gezeigten Form geht wie folgt. Der Batterieparameter für eine neue Batterie wird wie folgt dargestellt: $${\theta }_{new}=c_{new}\text{/}{Q}_{new}.$$

  
• Die Formel für den in Gleichung 18 gezeigten Batterieparameterschätzwert ist ein gültiger Schätzwert, wenn die Ladeeffizienz und die Batteriekapazität der Batterie tatsächlich bekannt sind. Wenn die Batterie altert, verändern sich die Ladeeffizienz und die Batteriekapazität der alternden Batterie. Daher kann ein Batterieparameterschätzwert für eine neue Batterie unter Verwendung von Gleichung (18) ermittelt werden. Derartige Werte (z.B. c_new und Q_new) zur Ermittlung der Charakteristika der neuen Batterie können über den Batteriehersteller oder über die Durchführung eines Prüfstandversuchs (d.h. vollständiges Entladen einer Batterie und vollständiges Laden einer Batterie) beschafft werden. Eine neue Batterie ist eine Batterie, die neu hergestellt ist und einen sehr begrenzten Zyklus (z.B. laden/entladen) erfahren hat. Wieder mit Bezug auf Gleichung (15) wird die in Gleichung (18) ermittelte Formel des Batterieparameters θ_new in Gleichung (15) eingesetzt, was zu der folgenden Formel führt: $$Q_{actual}=Q_{new}\left(\frac{\left(\frac{c_{new}}{Q_{new}}\right)}{{\theta }_k^{25}}\right),$$

  
• Als Folge kann Gleichung (19) zu der in Gleichung (17) gezeigte Formel vereinfacht werden, bei der Q_actual = c_new /θ_k ist.
• 3 veranschaulicht ein Flussdiagramm für eine Technik zum Schätzen des SOC und der Batteriekapazität unter Verwendung von V_OC-Daten. Bei Schritt 30 wird ein erstes Schlüsseleinschaltereignis eingeleitet. Das erste Schlüsseleinschalten stellt einen Zeitpunkt dar, an dem die Fahrzeugzündung zum ersten Mal gestartet wird und Daten aufgenommen werden. Das erste Schlüsseleinschaltereignis kann auch einen Zeitpunkt darstellen, an dem die Fahrzeugzündung direkt nach einem Austausch der Fahrzeugbatterie gestartet wird und Daten für die neue Batterie beschafft werden. Auf diese Weise wären vorherige Daten, die vergangene Batteriebetriebsbedingungen und Parameter betreffen, nicht länger gültig, da die neue Batterie andere Lade- und Effizienzcharakteristika (z.B. Ladeeffizienzwerte und Batteriekapazitätswerte) aufweisen wird.
• Bei Schritt 31 werden die messbaren Parameter und die geschätzten Parameter initialisiert. Das heißt, dass bei der Einleitung eines Starts eines neuen Fahrzeugs oder wenn die Batterie ausgetauscht wurde, alle Variablen für alle vorstehend beschriebenen Formeln auf ihre Anfangsbedingungen zurückgesetzt werden. Beispielsweise k = 0, λ = 0, λ_θ = 1, ${\mathrm{\theta }}_0^{25}={\mathrm{\theta }}_{\text{new}}^{25},$

  

  
• Bei Schritt 32 werden die gegenwärtige Leerlaufspannung V_OC(t_k) und die Batterietemperatur T gemessen.
• Bei Schritt 33 wird die Leerlaufspannung V_OC(t_k) in eine Leerlaufspannung bei einer Standardtemperatur

  

  (t_k) umgesetzt. Die Umsetzung kann unter Verwendung eines Algorithmus oder einer Nachschlagetabelle durchgeführt werden.
• Bei Schritt 34 wird die Startspannung unter Verwendung der in Gleichung (11) offengelegten Formel aktualisiert.
• Bei Schritt 35 wird der Batterieparameter unter Verwendung der in Gleichung (12) offengelegten Formel aktualisiert.
• Bei Schritt 36 wird die Batteriekapazität unter Verwendung der in Gleichung (15) offengelegten Formel aktualisiert.
• Bei Schritt 37 wird die Stromintegration ∫Idt auf Null zurückgesetzt.
• Bei Schritt 38 wird ermittelt, ob sich der Zündschlüssel in der ausgeschalteten Schlüsselposition befindet. Wenn sich die Zündung in der ausgeschalteten Schlüsselposition befindet, dann geht die Routine zu Schritt 39 weiter; andernfalls geht die Routine zu Schritt 47 weiter.
• Bei Schritt 39 wird die Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel auf null zurückgesetzt (t_off = 0). Dies initiiert einen Zähler zur Ermittlung, wie lange die Zündung in der ausgeschalteten Schlüsselposition ist.
• Bei Schritt 40 wird ermittelt, ob der Zündschlüssel in der eingeschalteten Schlüsselposition ist. Wenn der Zündschlüssel nicht in der eingeschalteten Schlüsselposition ist, dann geht die Routine zu Schritt 41 weiter.
• Bei Schritt 41 wartet die Routine eine Zeitspanne lang, bevor die Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel aktualisiert wird.
• Bei Schritt 42 wird die Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel aktualisiert. Die Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel wird durch die folgende Formel dargestellt: $${\text{t}}_{\text{off}}={\text{t}}_{\text{off}}+\mathrm{\Delta }{\text{t}}_{\text{off}}$$

  

  wobei toff eine Summe der Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel seit dem Zurücksetzen der Zeitspanne mit ausgeschaltetem Schlüssel ist und Δt_off die zusätzliche Zeitspanne ist, die bei Schritt 41 vergangen ist.
• Bei Schritt 43 wird der Strommesswert (I) der Batterie erfasst.
• Bei Schritt 44 wird die Stromintegration aktualisiert, was den gegenwärtigen Strommesswert mit den vergangenen Strommesswerten zusammenführt. Die Routine geht zurück zu Schritt 40.
• Wenn bei Schritt 40 ermittelt wird, dass der Zündschlüssel eingeschaltet ist, dann geht die Routine zu Schritt 45 weiter, andernfalls geht die Routine zu Schritt 41 weiter.
• Bei Schritt 45 wird ein Schlüssel-eingeschaltet-Zykluszähler aktualisiert. Der Schlüssel-eingeschaltet-Zykluszähler ist die Anzahl der Male, die der Zündschlüssel seit der Systeminitialisierung bei Schritt 31 eingeschaltet worden ist. Jedes Mal, wenn der Zündschlüssel eingeschaltet wird, wird der Zähler um 1 erhöht.
• Bei Schritt 46 wird der Justierungsfaktor für die Leerlaufspannung ermittelt, wie in Gleichung (6) offengelegt ist, und der Justierungsfaktor für den Batterieparameter wird ermittelt, wie in Gleichung (8) offengelegt ist. Danach wird zu Schritt 32 zurückgekehrt, um die Schritte 32 - 38 wie vorstehend beschrieben auszuführen.
• Wenn bei Schritt 38 ermittelt wird, dass sich der Zündschlüssel nicht in der ausgeschalteten Schlüsselposition befindet, dann geht die Routine zu Schritt 47 weiter.
• Bei Schritt 47 werden der Strom (I), der die Batterie verlässt, und die Temperatur (T) gemessen.
• Bei Schritt 48 wird die Stromintegration auf der Grundlage der vergangenen und gegenwärtigen Messwerte aktualisiert.
• Bei Schritt 49 wird die Lauf-Leerlaufspannung

  

  (t) bei der Standardtemperatur unter Verwendung der in Gleichung (13) offengelegten Formel aktualisiert.
• Bei Schritt 50 wird die Lauf-Leerlaufspannung

  

  (t) zurück in eine Lauf-Leerlaufspannung V̂_OC (t) bei der gegenwärtigen Temperatur unter Verwendung eines Algorithmus oder einer Nachschlagetabelle umgesetzt.
• Bei Schritt 51 wird der SOC für die Batterie bei der gegenwärtigen Temperatur unter Verwendung der in Gleichung (14) offengelegten Formel ermittelt.
• Bei Schritt 52 verstreicht eine vorbestimmte Zeitspanne, bevor zu Schritt 38 zurückgekehrt wird.
• Die bei Schritt 36 hergeleitete Batteriekapazität und der bei Schritt 51 hergeleitete SOC werden entweder dem Fahrer des Fahrzeugs angezeigt, um den Zustand der Batterie zu identifizieren, oder können in einer anderen Funktion dargestellt werden, um den SOC und die Batteriekapazität anzuzeigen.
• Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung einer Batteriekapazität für eine Fahrzeugbatterie, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: Leerlaufspannungen einer Fahrzeugbatterie bei Zündungsstarts gemessen werden; ein Batterieparameter für die Fahrzeugbatterie geschätzt wird, der eine Funktion eines gegenwärtigen Leerlaufspannungsmesswerts für einen gegenwärtigen Zündungsstart, eine Funktion mindestens einer Leerlaufspannungsbeobachtung eines vorherigen Zündungsstarts, eine Funktion der Integration einer Stromentnahme über eine Zeitspanne von einem vorherigen Zündungsstartereignis bis zu einem gegenwärtigen Zündungsstartereignis und eine Funktion eines Justierungsfaktors ist; ein Batterieparameter auf der Grundlage einer neuen Batterie ermittelt wird; und die Batteriekapazität als Funktion des Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie und des Batterieparameters für die neue Batterie berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Batterieparameter für die Fahrzeugbatterie eine Funktion einer vorherigen Batterieparameterbeobachtung und eines gegenwärtigen geschätzten Batterieparameters ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schätzen eines Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie durch die folgende Formel dargestellt wird:

   

   wobei θ̂̂_k-1 eine vorherige Batterieparameterbeobachtung ist,

   

   eine aktuelle Batterieparameterbeobachtung ist, wobei Voc(t) der gegenwärtige Leerlaufspannungsmesswert beim k-ten Zündungsstart ist, V̂_OC(t_k-1) eine vorherige Leerlaufspannungsbeobachtung ist, θ_̂k-1 der Batterieparameter der Fahrzeugbatterie ist, der bei einem vorherigen Zündungsstart geschätzt wurde, I eine Stromentnahme aus der Fahrzeugbatterie ist und λ_θ ein Justierungsfaktor ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Justierungsfaktor für den Batterieparameter eine Funktion einer Zeitdauer ist, in der ein Zündschlüssel ausgeschaltet ist, und durch die folgende Formel dargestellt wird: $${\mathrm{\lambda }}_{\mathrm{\theta }}\mathrm{=}{\text{e}}^{-{\text{t}}_{\text{off}}\left({\text{t}}_{\text{k}}\right)\text{/}{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{\theta }}}.$$

   
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Batteriekapazität der Batterie aus der folgenden Formel ermittelt wird:

   

   wobei Q_actual die geschätzte tatsächliche geschätzte Batteriekapazität der Fahrzeugbatterie ist, Q_new eine Batteriekapazität auf der Grundlage einer neuen Batterie ist, θ_new ein Batterieparameter auf der Grundlage einer neuen Batterie ist und θ̂_k der geschätzte Batterieparameter für die Fahrzeugbatterie ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Batterieparameter für die Fahrzeugbatterie, der Batterieparameter für die neue Batterie und die Ladekapazität für die neue Batterie auf eine jeweilige Temperatur normiert sind.
7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der gegenwärtige Leerlaufspannungsmesswert, die vorherige Leerlaufspannungsbeobachtung und der Batterieparameter auf eine jeweilige Temperatur normiert sind.
8. System zur Ermittlung einer Batteriekapazität für eine Fahrzeugbatterie, umfassend: eine Batterie; mindestens eine Komponente zur Entnahme von Leistung aus der Batterie; ein Spannungsmessgerät zum Messen einer Leerlaufspannung der Batterie bei Zündungsstartsequenzen; einen Stromsensor zur Erfassung eines Stroms, der aus der Batterie entnommen wird; und ein Steuermodul zur Ermittlung eines Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie, der eine Funktion eines gegenwärtigen Leerlaufspannungsmesswerts bei einem gegenwärtigen Zündungsstart, eine Funktion mindestens einer Leerlaufspannungsbeobachtung eines vorherigen Zündungsstarts, einer Funktion der Integration einer Stromentnahme über eine Zeitspanne von einem vorherigen Zündungsstartereignis bis zu einem gegenwärtigen Zündungsstartereignis, und eine Funktion eines Justierungsfaktors ist, wobei das Steuermodul ferner einen Batterieparameter auf der Grundlage einer neuen Batterie ermittelt, wobei das Steuermodul die Batteriekapazität als Funktion des Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie und als Funktion des Batterieparameters für die neue Batterie berechnet.
9. System nach Anspruch 8, wobei die Steuermodulschätzung eines Batterieparameters für die Fahrzeugbatterie durch die folgende Formel dargestellt ist:

   

   wobei λ_θθ̂_k-1 die vorherige Batterieparameterbeobachtung ist und

   

   eine aktuelle Batterieparameterbeobachtung ist, wobei V_OC(t) der gegenwärtige Leerlaufspannungsmesswert beim k-ten Zündungsstart ist, V̂_OC(t_k-1) eine vorherige Leerlaufspannungsbeobachtung ist, θ̂_k-1 der bei einem vorherigen Zündungsstart geschätzte Batterieparameter für die Fahrzeugbatterie ist, Ǐ eine Stromentnahme aus der Fahrzeugbatterie ist und λ_θ ein Justierungsfaktor ist.
10. System nach Anspruch 9, wobei die Batteriekapazität der Batterie aus der folgenden Formel ermittelt wird:

    

    wobei Q_actual die geschätzte Batteriekapazität der Fahrzeugbatterie ist, ${\text{Q}}_{\text{current}}^{\text{T}}$

    

    eine normierte Batteriekapazität auf der Grundlage einer neuen Batterie ist, θ_new ein Batterieparameter auf der Grundlage einer neuen Batterie ist und θ̂_k der geschätzte Batterieparameter für die Fahrzeugbatterie ist.

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