DE102011119060A1

DE102011119060A1 - Dynamisches Schätzen der Batteriekapazität

Info

Publication number: DE102011119060A1
Application number: DE102011119060A
Authority: DE
Inventors: Xidong Tang; Yandong Zhang; Andrew C. Baughman; Brian J. Koch; Jian Lin; Damon R. Frisch
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2012-05-31
Also published as: US8560257B2; CN102540089A; US20120136594A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen eines Funktionszustands einer Batterie in Echtzeit umfasst, dass ein Parameterwert, der mit dem Funktionszustand der Batterie verbunden ist, geschätzt wird, und dass eine Anschlussspannung und/oder eine akkumulierte Ladung und/oder ein Ladezustand und/oder eine Temperatur der Batterie bestimmt werden. Das Verfahren umfasst ferner, dass über eine Rechenvorrichtung eine Reservekapazität der Batterie zumindest teilweise auf der Grundlage des geschätzten Parameterwerts und der Anschlussspannung und/oder der akkumulierten Ladung und/oder des Ladezustands und/oder der Temperatur der Batterie bestimmt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung betrifft eine Prozedur zum dynamischen Schätzen der Batteriekapazität.
HINTERGRUND
Einige Personen- und Nutzfahrzeuge verwenden Batterien, um elektronische Komponenten mit Leistung zu versorgen. Bei Hybridfahrzeugen kann eine oder können mehrere Batterien verwendet werden, um elektrische Energie an einen Motor zu liefern, der ein Drehmoment bereitstellt, welches das Fahrzeug vorantreibt. Der Betrieb verschiedener Steuermodule im Fahrzeug kann vom Batterieladezustand (z. B. der Restkapazität der Batterie relativ zu der Reservekapazität) abhängen. Ferner kann ein Fahrer des Fahrzeugs wünschen, zu erfahren, wie viel länger das Fahrzeug verwendet werden kann, bevor die Batterie wieder aufgeladen werden muss.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein beispielhaftes Verfahren zum Bestimmen eines Funktionszustands einer Batterie in Echtzeit umfasst das Schätzen eines Parameterwerts, der dem Funktionszustand der Batterie zugeordnet ist, und das Bestimmen einer Anschlussspannung und/oder einer akkumulierten Ladung und/oder eines Ladezustands und/oder einer Temperatur der Batterie. Das Verfahren umfasst ferner, dass über eine Rechenvorrichtung eine Reservekapazität der Batterie, zumindest teilweise auf der Grundlage des geschätzten Parameterwerts und der Anschlussspannung und/oder der akkumulierten Ladung und/oder des Ladezustands und/oder der Temperatur der Batterie in Echtzeit bestimmt wird. Dieses Verfahren kann beispielsweise von einer Rechenvorrichtung in einem Fahrzeug ausgeführt werden.
Ein beispielhaftes Fahrzeug enthält eine Batterie, mindestens einen Sensor und eine Rechenvorrichtung. Der Sensor ist ausgestaltet, um eine Anschlussspannung und/oder eine akkumulierte Ladung und/oder eine Temperatur der Batterie zu messen. Die Rechenvorrichtung ist ausgestaltet, um einen Ladezustand der Batterie und einen Parameterwert, der einem Funktionszustand der Batterie zugeordnet ist, zu bestimmen, sowie eine Reservekapazität der Batterie, zumindest teilweise auf der Grundlage eines Parameterwerts und der Anschlussspannung und/oder der akkumulierten Ladung und/oder des Ladezustands und/oder der Temperatur der Batterie in Echtzeit zu bestimmen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Zeichnung eines Fahrzeugs, das eine Rechenvorrichtung aufweist, die ausgestaltet ist, um eine Reservekapazität einer Batterie zu bestimmen.
2 stellt eine repräsentative Schaltung einer beispielhaften Batterie dar, die im Fahrzeug von 1 verwendet sein kann.
3 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Prozesses dar, der mit der Rechenvorrichtung von 1 verwendet werden kann, um ein Signal zu erzeugen, das die Reservekapazität der Batterie darstellt.
4 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Prozesses dar, der von der Rechenvorrichtung während des in 3 dargestellten Prozesses verwendet werden kann, um die Reservekapazität zu bestimmen.
5 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Prozesses dar, der von der Rechenvorrichtung während des in 3 dargestellten Prozesses verwendet werden kann, um einen Parameterwert zu aktualisieren.
GENAUE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht ein Fahrzeug 100 mit einer Rechenvorrichtung, die ausgestaltet ist, um eine Reservekapazität einer Batterie in Echtzeit vorherzusagen. Das Fahrzeug 100 kann viele verschiedene Formen annehmen und viele und/oder alternative Komponenten und Fähigkeiten enthalten. Obwohl in den Figuren ein beispielhaftes Fahrzeug 100 gezeigt ist, sollen die in den Figuren dargestellten Komponenten keine Einschränkung darstellen. Tatsächlich können zusätzliche oder alternative Komponenten und/oder Implementierungen verwendet werden.
Wie in 1 dargestellt ist, kann das Fahrzeug 100 eine Batterie 105, einen oder mehrere Sensoren 110, eine Rechenvorrichtung 115 und eine Speichervorrichtung 120 enthalten. Das Fahrzeug 100 kann ein beliebiges Personen- oder Nutzfahrzeug sein, wie etwa ein Hybridelektrofahrzeug einschließlich eines Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeugs (PHEV) oder eines Elektrofahrzeugs mit erhöhter Reichweite (EREV), ein gasbetriebenes Fahrzeug, ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) oder dergleichen.
Die Batterie 105 kann eine beliebige Vorrichtung enthalten, die zum Speichern und Liefern elektrischer Energie an eine oder mehrere elektronische Komponenten im Fahrzeug 100 ausgestaltet ist. Zum Beispiel kann die Batterie 105 eine oder mehrere Zellen enthalten, die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Die Zellen der Batterie 105 können geladen werden, indem ein elektrischer Strom angelegt wird, der chemische Reaktionen in den Zellen umkehrt, die dann auftreten würden, wenn die Batterie 105 elektrische Energie liefern würde. Bei einem möglichen Ansatz kann die Batterie 105 einen Lithium-Ionen-Batteriestapel enthalten. Ferner kann die Batterie 105 eine Vielzahl von Anschlüssen 125 enthalten, um elektrische Energie an die elektronischen Komponenten im Fahrzeug 100 zu liefern.
Wie nachstehend in größerem Detail erörtert wird, kann die Batterie 105 einen oder mehrere Parameterwerte aufweisen, die einem Funktionszustand der Batterie 105 zugeordnet sind. Der Funktionszustand kann eine Größe enthalten, die eine Bedingung der Batterie 105 relativ zu idealen Betriebsbedingungen der Batterie 105 darstellt. Somit kann der Funktionszustand verwendet werden, um die verbleibende Lebensdauer der Batterie 105 zu bestimmen. Die Parameterwerte können Größen sein, die verwendet werden, um den Funktionszustand zu schätzen oder herzuleiten. Eine andere Größe, die der Ladezustand genannt wird, kann die Restkapazität (z. B. die verbleibende Kapazität) der Batterie 105 relativ zu der Reservekapazität der Batterie 105 anzeigen. Folglich kann der Ladezustand anzeigen, wie viel elektrische Energie geliefert werden kann, bevor die Batterie 105 wieder aufgeladen werden muss.
Der Sensor 110 kann eine beliebige Vorrichtung enthalten, die ausgestaltet ist, um eine Anschlussspannung, eine akkumulierte Ladung oder eine Temperatur der Batterie 105 zu messen und um ein oder mehrere Signale zu erzeugen, welche diese gemessenen Eigenschaften darstellen. Obwohl nur ein Sensor 110 dargestellt ist, kann das Fahrzeug 100 eine beliebige Anzahl von Sensoren 110 enthalten. Zum Beispiel kann ein Sensor verwendet werden, um die Anschlussspannung zu messen, ein weiterer Sensor kann verwendet werden, um die akkumulierte Ladung zu messen und ein anderer Sensor kann verwendet werden, um die Temperatur zu messen.
Zum Messen der Anschlussspannung kann der Sensor 110 ein digitales oder analoges Spannungsmessgerät enthalten, das ausgestaltet ist, um eine Differenz bei einem elektrischen Potential über den Anschlüssen 125 der Batterie 105 zu messen. Alternativ kann der Sensor 110 ausgestaltet sein, um die Spannung über den Anschlüssen 125 auf der Grundlage von Faktoren wie etwa der Stromausgabe der Batterie 105, der Temperatur der Batterie 105 und des Widerstands von Komponenten in der Batterie 105 zu schätzen oder herzuleiten. Das Spannungsmessgerät kann ausgestaltet sein, um ein Signal zu erzeugen und auszugeben, welches das elektrische Potential über den Anschlüssen 125 (z. B. die Anschlussspannung) darstellt. Zum Messen der akkumulierten Ladung kann der Sensor 110 eine beliebige Vorrichtung enthalten, die ausgestaltet ist, um einen elektrischen Strom (z. B. einen Gleichstrom) zu messen und um ein Signal zu erzeugen, das die Größe des gemessenen Stroms darstellt. Die akkumulierte Ladung kann aus dem gemessenen Anschlussstrom abgeleitet werden. Zum Messen der Temperatur der Batterie 105 kann der Sensor 110 eine beliebige Vorrichtung enthalten, die ausgestaltet ist, um eine Wärmemenge an einer oder mehreren Stellen der Batterie 105 zu messen, einschließlich der Umgebungsluft, die die Batterie 105 umgibt, und um ein oder mehrere Signale zu erzeugen, welche die höchste, niedrigste, durchschnittliche und/oder Mediantemperatur, die gemessen wurde, darstellen.
Die Rechenvorrichtung 115 kann eine oder mehrere beliebige Vorrichtungen enthalten, die ausgestaltet sind, um die Reservekapazität der Batterie 105 auf der Grundlage einer Beziehung zwischen der Anschlussspannung, der akkumulierten Ladung, der Temperatur, dem Ladezustand und den Parameterwerten zu bestimmen. Zum Beispiel kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um einen Ausdruck, der die Spannung der Batterie 105 definiert, zu entwickeln oder darauf zuzugreifen. Ein beispielhafter Ausdruck zu Darstellungszwecken kann wie folgt sein: ΔV(k) – θ₁I(k – 1)Δt + θ₂ΔV(k – 1) + θ₃ΔV(k – 2) + θ₄ΔI(k) + θ₅ΔI(k – 1) + θ₆ΔI(k – 2) (1) wobei V die Anschlussspannung ist, I der Anschlussstrom ist, k den gegenwärtigen Zeitschritt darstellt, Δt das Abtastzeitintervall ist und ΔV(k) = V(k) – V(k – 1), ΔI(k) = I(k) – I(k – 1) und θ₁, θ₂, θ₃, θ₄, θ₅ und θ₆ Modellparameter sind, die Funktionen der Temperatur und/oder des Ladezustands und/oder des Funktionszustands der Batterie 105 einschließlich der Reservekapazität sein können.
Die Rechenvorrichtung 115 kann ausgestaltet sein, um einen oder mehrere der Parameterwerte zu schätzen oder herzuleiten, die mit dem Funktionszustand der Batterie 105 verbunden sind, sowie um den Ladezustand der Batterie 105 zu bestimmen. Bei einer möglichen Implementierung kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um die Reservekapazität der Batterie 105 aus dem Parameterwert, dem Ladezustand, der Anschlussspannung, der akkumulierten Ladung, der Temperatur oder einer beliebigen Kombination aus diesen zu bestimmen.
Um beispielsweise die Reservekapazität zu bestimmen, kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um eine Veränderung bei der Leerlaufspannung über die Zeit (die z. B. aus einer Veränderung der Anschlussspannung über die Zeit hergeleitet werden kann) und eine Veränderung beim Ladezustand der Batterie 105 über die Zeit zu bestimmen. Die Rechenvorrichtung 115 kann ausgestaltet sein, um eine Beziehung zwischen der Veränderung bei der Leerlaufspannung und der Veränderung beim Ladezustand zu identifizieren, oder diese Beziehung kann zuvor bestimmt und in einer Nachschlagetabelle in beispielsweise der Speichervorrichtung 120 gespeichert sein. Bei einem möglichen Ansatz kann die Beziehung zwischen der Veränderung bei der Leerlaufspannung und der Veränderung beim Ladezustand ein Verhältnis zwischen diesen Eigenschaften der Batterie 105 sein. Die Rechenvorrichtung 115 kann auf das Verhältnis der Veränderung bei der Leerlaufspannung zu der Veränderung beim Ladezustand aus der Nachschlagetabelle zugreifen und mit den Parameterwerten die Reservekapazität bestimmen.
Die Rechenvorrichtung 115 kann ausgestaltet sein, um zu erkennen, dass sich die Parameterwerte verändern können, wenn sich die Bedingungen der Batterie 105 verändern. Zum Beispiel können sich die Parameterwerte verändern, wenn die Batterie 105 altert. Folglich kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um die Parameterwerte zu aktualisieren, indem ein anfänglicher Parameterwert eingestellt wird, welcher der gleiche wie der zuletzt verwendete Parameterwert sein kann, und indem eine fahrzeugeigene Schätz/Regressionsprozedur, etwa eine Prozedur der rekursiven kleinsten Quadrate, auf den anfänglichen Parameterwert angewendet wird. Ein Beispiel dafür wird nachstehend mit Bezug auf den in 5 dargestellten Prozess 500 beschrieben.
Darüber hinaus kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um zu erkennen, dass die Betriebsbedingungen der Batterie 105 die Bestimmung der Reservekapazität beeinflussen können. Entsprechend kann die Rechenvorrichtung 115 ein Signalerregungsniveau der Batterie 105 auf der Grundlage einer beliebigen Kombination aus der gemessenen Anschlussspannung, der hergeleiteten akkumulierten Ladung (z. B. aus dem gemessenen Anschlussstrom), der gemessenen Temperatur, des Ladezustands usw. bestimmen und das Signalerregungsniveau mit einem vorbestimmten Wert vergleichen, bevor die Reservekapazität der Batterie 105 bestimmt wird. Wenn das Signalerregungsniveau unter dem vorbestimmten Wert liegt, kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, darauf zu warten, dass das Signalerregungsniveau ansteigt, bevor die Reservekapazität bestimmt wird. Sobald das Signalerregungsniveau den vorbestimmten Wert überschreitet, kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um mit dem Aktualisieren der Parameterwerte und dem Bestimmen der Reservekapazität fortzufahren.
Nachdem die Rechenvorrichtung 115 die Reservekapazität der Batterie 105 bestimmt hat, kann die Rechenvorrichtung 115 ferner ausgestaltet sein, um ein Signal zu erzeugen, das die Reservekapazität darstellt, und um das Signal an andere Komponenten im Fahrzeug 100 auszugeben, wie etwa Steuermodule.
Im Allgemeinen kann die Rechenvorrichtung 115 beliebige einer Anzahl von Computerbetriebssystemen verwenden und allgemein von einem Computer ausführbare Anweisungen enthalten. Die von einem Computer ausführbaren Anweisungen können von einem Prozessor ausgeführt werden, der von den Rechenvorrichtungen 115 verwendet wird. Von einem Computer ausführbare Anweisungen können aus Computerprogrammen kompiliert oder interpretiert werden, die unter Verwendung einer Vielfalt von Programmiersprachen und/oder Technologien erzeugt wurden, welche ohne Beschränkung und entweder für sich alleine oder in Kombination Java^TM, C, C++, Visual Basic, Java Script, Perl usw. umfassen. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor (z. B. ein Mikroprozessor) Anweisungen z. B. aus einem Speicher, einem computerlesbaren Medium usw. und führt diese Anweisungen aus, wodurch ein oder mehrere Prozesse ausgeführt werden, welche einen oder mehrere der Prozesse, die hier beschrieben sind, umfassen. Derartige Anweisungen und andere Daten können unter Verwendung einer Vielfalt bekannter computerlesbarer Medien gespeichert und übertragen werden.
Ein computerlesbares Medium (das auch als ein prozessorlesbares Medium bezeichnet wird) umfasst ein beliebiges nicht flüchtiges (z. B. konkretes) Medium, das am Bereitstellen von Daten (z. B. Anweisungen) teilnimmt, die von einem Computer (z. B. von einem Prozessor eines Computers) gelesen werden können. Ein derartiges Medium kann viele Formen annehmen, welche umfassen, aber nicht beschränkt sind auf nicht flüchtige Medien und flüchtige Medien. Nicht flüchtige Medien können beispielsweise optische oder magnetische Platten und einen anderen persistenten Speicher umfassen. Flüchtige Medien können beispielsweise einen dynamischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) umfassen, der einen Hauptspeicher bilden kann. Derartige Anweisungen können durch ein oder mehrere Übertragungsmedien übertragen werden, welche Koaxialkabel, Kupferdrähte und Glasfaser einschließlich der Drähte, die einen Systembus bilden, der mit einem Prozessor eines Computers gekoppelt ist, umfassen. Übliche Formen von computerlesbaren Medien umfassen beispielsweise eine Diskette, eine flexible Platte, eine Festplatte, ein Magnetband, ein beliebiges anderes magnetisches Medium, eine CD-ROM, DVD, ein beliebiges anderes optisches Medium, Lochkarten, Lochstreifen, ein beliebiges anderes physikalisches Medium mit Lochmustern, ein RAM, ein PROM, ein EPROM, ein FLASH-EEPROM, einen beliebigen anderen Speicherchip oder Träger oder ein beliebiges anderes Medium, von dem ein Computer lesen kann.
Die Speichervorrichtung 120 kann eine beliebige Vorrichtung enthalten, die ausgestaltet ist, um Informationen in elektrischer Form zu speichern und um die Informationen an eine oder mehrere elektronische Vorrichtungen im Fahrzeug 100 zu liefern, welche die Rechenvorrichtung 115 und beliebige Steuermodule umfassen, die im Fahrzeug 100 verwendet werden. Wie das computerlesbare Medium, das mit der Rechenvorrichtung 115 verbunden ist, kann auch die Speichervorrichtung 120 ein beliebiges nicht flüchtiges (z. B. konkretes) Medium enthalten, das nicht flüchtige und/oder flüchtige Medien aufweisen kann. Bei einem möglichen Ansatz ist die Speichervorrichtung 120 im computerlesbaren Medium der Rechenvorrichtung 115 enthalten. Alternativ kann die Speichervorrichtung 120 von der Rechenvorrichtung 115 getrennt sein (z. B. in einer anderen elektronischen Vorrichtung ausgeführt sein, nicht gezeigt). Zudem kann das Fahrzeug 100, obwohl in 1 nur eine Speichervorrichtung 120 gezeigt ist, eine beliebige Anzahl von Speichervorrichtungen 120 enthalten, die einige oder alle Informationen speichern, die von der Rechenvorrichtung 115 und anderen Steuermodulen im Fahrzeug 100 verwendet werden.
Die Speichervorrichtung 120 kann eine oder mehrere Datenbanken mit Informationen enthalten, auf die von der Rechenvorrichtung 115 oder von anderen Steuermodulen im Fahrzeug 100 zugegriffen werden kann. Datenbanken, Datenarchive oder andere Datenspeicher, die hier beschrieben sind, können verschiedene Arten von Mechanismen zum Speichern, Zugreifen auf und Wiederfinden verschiedener Arten von Daten enthalten, einschließlich eine hierarchischen Datenbank, eines Satzes von Dateien in einem Dateisystem, einer Anwendungsdatenbank in einem proprietären Format, einem relationalen Datenbankmanagementsystem (RDBMS) usw. Jeder derartige Datenspeicher kann in einer Rechenvorrichtung enthalten sein (z. B. der gleichen oder einer anderen Rechenvorrichtung 115, die in 1 dargestellt ist), welche ein Computerbetriebssystem wie eines derjenigen, die vorstehend erwähnt sind, verwendet, und auf diese wird über ein Netzwerk in einer beliebigen oder mehreren einer Vielzahl von Weisen zugegriffen. Ein Dateisystem kann von einem Computerbetriebssystem aus zugänglich sein und kann Dateien enthalten, die in verschiedenen Formaten gespeichert sind. Ein RDBMS kann die strukturierte Abfragesprache (SQL) zusätzlich zu einer Sprache zum Erzeugen, Speichern, Editieren und Ausführen gespeicherter Prozeduren verwenden, wie etwa die vorstehend erwähnte PL/SQL-Sprache.
Bei einem möglichen Ansatz kann die in der Speichervorrichtung 120 gespeicherte Datenbank die Nachschlagetabelle mit der Beziehung enthalten, welche die Veränderung bei der Leerlaufspannung relativ zu der Veränderung beim Ladezustand definiert, die von der Rechenvorrichtung 115 zusätzlich zu den Parameterwerten verwendet werden kann, um die Reservekapazität zu bestimmen. Darüber hinaus kann die gleiche oder eine andere Datenbank vorherige Werte enthalten, die von dem Sensor 110 gemessen und/oder durch die Rechenvorrichtung 115 bestimmt wurden. Daher kann die Speichervorrichtung 120 ferner die vorherigen und aktuellsten Anschlussspannungen, akkumulierte Ladungen, und vorn Sensor 110 gemessene Temperaturen zusätzlich zu den vorherigen und aktuellsten Parameterwerten und Ladezustandswerten, die von der Rechenvorrichtung 115 bestimmt wurden, speichern.
2 stellt ein Beispiel einer Ersatzschaltung 200 mit zwei Widerstands-Kondensator-Paaren (z. B. mit zwei RC-Paaren) einer beispielhaften Batterie 105 dar, die im Fahrzeug 100 von 1 verwendet werden kann. Die Schaltung 200 von 2 mit zwei RC-Paaren ist nur ein Beispiel zur Darstellung der Implementierung der Echtzeitbestimmung der Reservekapazität, die hier beschrieben wird. Andere Schaltungsmodelle, die das dynamische Verhalten der Batterie 105 hinsichtlich des Anschlussstroms als dem Eingang und der Anschlussspannung als dem Ausgang beschreiben, können verwendet werden, um die Reservekapazität zu bestimmen.
Zu Darstellungszwecken enthält die Schaltung 200 eine Spannungsquelle 205, erste und zweite Widerstandselemente 210, 215, und erste und zweite kapazitive Elemente 220, 225. Die Schaltung 200 kann eine beliebige Anzahl von Spannungsquellen, Widerstandselementen und kapazitiven Elementen zur Modellierung der Batterie 105 aufweisen. Die Spannungsquelle 205 stellt eine Leerlaufspannung (z. B. eine Spannung ohne Last) über den Anschlüssen 125 der Batterie 105 dar. Jedes Widerstandselement 210, 215 ist parallel zu einem der kapazitiven Elemente 220, 225 angeordnet, wodurch sie in der Schaltung 200 von 2 zwei RC-Paare darstellen. Die Spannung über einem der RC-Paare (z. B. dem ersten Widerstandselement 210 und dem ersten kapazitiven Element 220) kann eine Doppelschichtspannung der Batterie 105 darstellen, während die Spannung über dem anderen der RC-Paare (z. B. dem zweiten Widerstandselement 215 und dem zweiten kapazitiven Element 225) eine Diffusionsspannung der Batterie 105 darstellen kann.
Die Anschlussspannung der Schaltung 200 kann ausgedrückt werden als: V(k) = V_oc(k) = I(k)R(k) + V_dl(k) + V_diff(k) (2) wobei V die gemessene Anschlussspannung ist, I der gemessene Anschlussstrom ist, V_oc die Leerlaufspannung ist, R der Ohmsche Widerstand ist und V_dl und V_diff (z. B. die Spannungen über den zwei RC-Paaren) die Doppelschichtspannung bzw. die Diffusionsspannung sind. Die Doppelschichtspannung (V_dl) kann durch Gleichung 3 dynamisch beschrieben werden und die Diffusionsspannung (V_diff) kann durch Gleichung 4 nachstehend dynamisch beschrieben werden:
Die Gleichungen (2), (3) und (4) können kombiniert werden, um die Ersatzschaltung 200 unter Verwendung einer Differentialgleichung zweiter Ordnung zu beschreiben.
Die in 2 dargestellte Ersatzschaltung 200 kann ferner verwendet werden, um eine Beziehung zwischen der Reservekapazität der Batterie 105 und den Parametern im Modell von Gleichung (1) herzustellen. Wenn Q die Reservekapazität darstellt, heißt das, dass die Veränderung beim Ladezustand (ΔSOC) wie folgt ausgedrückt werden kann: ΔSDC = Δs/Q (5) wobei Δs die Veränderung in Coulomb in Amperestunden (AH) ist, die in die Batterie 105 geladen oder aus der Batterie 105 entladen wurden. Daraus kann die Reservekapazität (Q) ausgedrückt werden als:
Der Wert von ΔVO_oc/ΔSOC kann die Steigung der Leerlaufspannung über dem Ladezustand definieren und kann in der Nachschlagetabelle in der Speichervorrichtung 120 gespeichert sein. Da der Spannungsausdruck von Gleichung (1) und der Reservekapazitätsausdruck von Gleichung (6) die gleiche Batterie 105 betreffen, können die Gleichungen (2), (3), (4) und (6) kombiniert werden, um eine Beziehung zwischen der Reservekapazität, der Anschlussspannung, der akkumulierten Ladung (IΔt), dem Ladezustand und den Modellparametern von Gleichung (1) zu definieren, wie nachstehend in Gleichung (7) dargestellt ist:
Folglich kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um nach der Reservekapazität (Q) einer beliebigen Batterie 105, unter Verwendung beispielsweise einer Gleichung ähnlich wie Gleichung (7) in Echtzeit aufzulösen.
3 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Prozesses 300 dar, der von der Rechenvorrichtung 115 von 1 verwendet werden kann, um ein Signal zu erzeugen, das die Reservekapazität (Q) der Batterie 105 darstellt.
Bei Block 305 kann die Rechenvorrichtung 115 den Parameterwert schätzen. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann der Parameterwert mit dem Funktionszustand der Batterie 105 verbunden sein. Bei den vorstehenden Gleichungen und insbesondere Gleichung (7) können θ₁, θ₂ und θ₃ die von der Rechenvorrichtung 115 geschätzten Parameterwerte darstellen. Bei einem beispielhaften Ansatz kann die Rechenvorrichtung 115 auf die zuvor verwendeten Parameterwerte aus der Speichervorrichtung 120 zugreifen und mit der Verwendung des gleichen Parameterwerts fortfahren, bis es die Rechenvorrichtung 115 anders bestimmt, wie etwa bei dem nachstehend beschrieben Block 330.
Bei Block 310 kann die Rechenvorrichtung 115 die vorherige Reservekapazität der Batterie 105 lesen. Das heißt, dass die Weise, in der die Rechenvorrichtung 115 die gegenwärtige Reservekapazität bestimmt, von der vorherigen Reservekapazität abhängen kann, die in der Speichervorrichtung 120 gespeichert sein kann. Daher kann die Rechenvorrichtung 115 die vorherige Reservekapazität lesen, indem sie auf die vorherige Reservekapazität in der Speichervorrichtung 120 zugreift.
Bei Block 315 kann die Rechenvorrichtung 115 die Anschlussspannung, die akkumulierte Ladung (welche beispielsweise aus der Anschlussspannung abgeleitet sein kann) und die Temperatur der Batterie 105 bestimmen. Zum Beispiel können ein oder mehrere Sensoren 110 die Anschlussspannung, den Anschlussstrom und/oder die Temperatur messen, wie vorstehend mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Jeder der Sensoren 110 kann ein oder mehrere Signale ausgeben, welche die gemessene Spannung, den gemessenen Strom und/oder die gemessene Temperatur darstellen. Die Rechenvorrichtung 115 kann die Anschlussspannung, die akkumulierte Ladung und die Temperatur aus den Signalen von dem Sensor 110 bestimmen.
Bei Block 320 kann die Rechenvorrichtung 115 den Ladezustand der Batterie 105 bestimmen. Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der Ladezustand durch ein Verhältnis der Restkapazität zu der Reservekapazität definiert. Folglich kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um die Restkapazität zu empfangen oder zu bestimmen. Wenn die Restkapazität und die Reservekapazität bei Block 310 gelesen wurden, kann die Rechenvorrichtung 115 den Ladezustand bestimmen. Der Ladezustand kann auch durch die Leerlaufspannung oder unter Verwendung anderer Prozeduren bestimmt werden.
Bei Block 325 kann die Rechenvorrichtung 115 ein Signalerregungsniveau der Batterie 105 beispielsweise auf der Grundlage einer beliebigen Kombination aus der Anschlussspannung, der akkumulierten Ladung, dem Ladezustand und der Temperatur der Batterie 105 bestimmen. Die Rechenvorrichtung 115 kann ausgestaltet sein, um auch andere Faktoren in Betracht zu ziehen, wenn das Signalerregungsniveau bestimmt wird. Das Signalerregungsniveau kann einen Hinweis bereitstellen, dass die Batterie 105 so arbeitet, wie es von der Rechenvorrichtung 115 erwartet wird.
Bei Entscheidungsblock 330 kann die Rechenvorrichtung 115 das bei Block 325 bestimmte Signalerregungsniveau mit einem vorbestimmten Schwellenwert vergleichen. Die Rechenvorrichtung 115 kann ausgestaltet sein, um zu erkennen, dass die Reservekapazität am besten bestimmt werden kann, wenn das Signalerregungsniveau den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Wenn das Signalerregungsniveau den vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet, kann der Prozess 300 bei Block 335 fortfahren. Wenn das Signalerregungsniveau den vorbestimmten Schwellenwert nicht erreicht oder überschreitet, kann der Prozess 300 zu Block 315 zurückkehren, sodass die Rechenvorrichtung 115 fortfahren kann, die gemessene Anschlussspannung, den gemessenen Anschlussstrom und die gemessene Temperatur zu empfangen, bis das Signalerregungsniveau den vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Bei Block 335 kann die Rechenvorrichtung 115 die Parameterwerte aktualisieren, um beispielsweise Veränderungen bei der Batterie 105 widerzuspiegeln, da die Parameterwerte zuvor geschätzt wurden. Nachstehend stellt 5 einen beispielhaften Prozess 500 dar, den die Rechenvorrichtung 115 verwenden kann, um die Parameterwerte zu aktualisieren. Die Rechenvorrichtung 115 kann den aktualisieren Parameterwert in der Speichervorrichtung 120 speichern und die aktualisierten Parameterwerte anstelle der bei Block 305 geschätzten Parameterwerte verwenden.
Bei Block 340 kann die Rechenvorrichtung 115 die Reservekapazität auf der Grundlage von Faktoren wie etwa dem geschätzten Parameterwert bestimmen, welcher der aktualisierte Parameterwert von Block 335, die Anschlussspannung, die akkumulierte Ladung und die Temperatur der Batterie 105, welche bei Block 315 empfangen wurden, und der bei Block 320 bestimmte Ladezustand sein kann. Darüber hinaus kann die Rechenvorrichtung 115, wie bei der vorstehend erörterten Gleichung (7) dargestellt, das Verhältnis der Veränderung bei der Anschlussspannung (ΔV_oc) zu der Veränderung beim Ladezustand (ΔSOC) in Betracht ziehen, wenn die Reservekapazität bestimmt wird. 4 stellt nachstehend einen beispielhaften Prozess 400 dar, den die Rechenvorrichtung 115 verwenden kann, um die Reservekapazität zu bestimmen.
Bei Block 345 kann die Rechenvorrichtung 115 ein oder mehrere Signale erzeugen, welche die Reservekapazität der Batterie 105 darstellen, wie sie bei Block 340 bestimmt wurde. Das Signal kann an die Speichervorrichtung 120 übertragen werden, sodass die Reservekapazität gespeichert werden kann und auf sie bei Block 330 während einer nachfolgenden Iteration des Prozesses 300 zugegriffen werden kann. Außerdem kann das Signal an andere Steuermodule im Fahrzeug 100 übertragen werden, sodass die anderen Steuermodule den Ladezustand der Batterie 105 bestimmen können. Alternativ kann die Rechenvorrichtung 115 den Ladezustand auf der Grundlage der bei Block 340 bestimmten Reservekapazität bestimmen und ein Signal erzeugen, das den Ladezustand darstellt, welches an die anderen Steuermodule im Fahrzeug 100 übertragen werden kann. Entsprechend kann die Rechenvorrichtung 115 oder eines der Steuermodule die verbleibende Lebensdauer der Batterie 105 zumindest teilweise auf der Grundlage der Reservekapazität bestimmen.
Bei Entscheidungsblock 350 kann die Rechenvorrichtung 115 bestimmen, ob eine weitere Iteration eines oder mehrerer Elemente des Prozesses 300 ausgeführt werden soll. Zum Beispiel kann die Rechenvorrichtung 115 mehrere Iterationen des Prozesses 300 ausführen, um die Leerlaufspannung (V_oc) und den Ladezustand (SOC) bei mehreren Zeitschritten (k) zu bestimmen, sodass die Rechenvorrichtung 115 die Änderung bei der Leerlaufspannung (ΔV_oc) und die Änderung beim Ladezustand (ΔSOC) bestimmen kann, wenn sie die Reservekapazität bestimmt. Wenn die Rechenvorrichtung 115 wählt, eine weitere Iteration des Prozesses 300 auszuführen, kann der Prozess 300 bei Block 315 fortfahren. Wenn nicht, kann der Prozess 300 bei Block 355 fortfahren.
Bei Block 355 kann die Rechenvorrichtung 115 einen oder mehrere der Werte von beliebigen Iterationen des Prozesses 300 in der Speichervorrichtung 120 speichern. Zum Beispiel kann die Rechenvorrichtung 115 den geschätzten Parameterwert oder den aktualisierten Parameterwert als den aktuellsten Parameterwert in der Speichervorrichtung 120 speichern, sodass der aktuellste Parameterwert während der nächsten Iteration des Prozesses 300 bei Block 305 verwendet werden kann. Die Rechenvorrichtung 115 kann andere Werte ebenfalls in der Speichervorrichtung 120 speichern, wie etwa die Anschlussspannung, die akkumulierte Ladung, den gemessenen Anschlussstrom, die Temperatur, den Ladezustand usw.
4 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Prozesses 400 dar, der von der Rechenvorrichtung 115 während des in 3 dargestellten Prozesses 300 verwendet werden kann, um die Reservekapazität zu bestimmen.
Bei Block 405 kann die Rechenvorrichtung 115 die Veränderung bei der Anschlussspannung über die Zeit bestimmen. Die Rechenvorrichtung 115 kann beispielsweise die Anschlussspannung, die bei Block 315 bestimmt wurde, während jeder Iteration des in 3 dargestellten Prozesses 300 in der Speichervorrichtung 120 speichern. Darüber hinaus kann die Rechenvorrichtung 115 die Veränderung bei der Anschlussspannung auf der Grundlage einer Differenz zwischen der frühesten Anschlussspannung und der aktuellsten Anschlussspannung bestimmen, die in der Speichervorrichtung 120 gespeichert sind.
Bei Block 410 kann die Rechenvorrichtung 115 die Veränderung beim Ladezustand der Batterie 105 über die Zeit bestimmen. Die Rechenvorrichtung 115 kann beispielsweise den bei Block 320 bestimmten Ladezustand während jeder Iteration des in 3 dargestellten Prozesses 300 in der Speichervorrichtung 120 speichern. Darüber hinaus kann die Rechenvorrichtung 115 die Veränderung beim Ladezustand auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem frühesten Ladezustand und dem aktuellsten Ladezustand bestimmen, die in der Speichervorrichtung 120 gespeichert sind.
Bei Block 415 kann die Rechenvorrichtung 115 die Reservekapazität zumindest teilweise auf der Grundlage der Veränderung bei der Leerlaufspannung, der Veränderung beim Ladezustand und des Parameterwerts bestimmen. Zum Beispiel kann die Rechenvorrichtung 115 die Reservekapazität bestimmen, indem sie eine Beziehung zwischen der Veränderung bei der Leerlaufspannung, der Veränderung beim Ladezustand und dem Parameterwert für die Batterie 105 identifiziert. Bei einem möglichen Ansatz kann die Rechenvorrichtung 115 eine Gleichung ähnlich wie Gleichung (7) vorstehend verwenden, um auf der Grundlage der Veränderung bei der Leerlaufspannung (ΔV_oc), der Veränderung beim Ladezustand (ΔSOC) und eines oder mehrerer Parameterwerte (z. B. θ₁, θ₂, θ₃ im Kontext von Gleichung (7)) nach der Reservekapazität aufzulösen.
Wie vorstehend erörtert wurde, kann die Rechenvorrichtung 115 ausgestaltet sein, um nach der Reservekapazität aufzulösen, indem sie auf Informationen von beispielsweise einer oder mehreren Nachschlagetabellen zugreift, die in der Speichervorrichtung 120 gespeichert sind. Bei einer möglichen Implementierung kann der Wert von ΔV_oc/ΔSOC, wie er in Gleichung (7) dargestellt ist, die Steigung der Leerlaufspannung über dem Ladezustand definieren und kann in der Nachschlagetabelle in der Speichervorrichtung 120 gespeichert sein. Statt dieses Verhältnis zu berechnen kann die Rechenvorrichtung 115 daher auf das Verhältnis aus der Nachschlagetabelle zugreifen und auf der Grundlage des zugegriffenen Verhältnisses nach der Reservekapazität auflösen.
5 stellt ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Prozesses 500 dar, der von der Rechenvorrichtung 115 während des in 3 dargestellten Prozesses verwendet werden kann, um einen Parameterwert zu aktualisieren, indem sie beispielsweise eine Prozedur der rekursiven kleinsten Quadrate auf den Parameterwert anwendet.
Bei Block 505 kann die Rechenvorrichtung 115 einen anfänglichen Parameterwert für jeden Parameter der Batterie 105 einstellen. Beispielsweise können die anfänglichen Parameterwerte die gleichen wie die geschätzten Parameterwerte von Block 305 des in 3 dargestellten Prozesses 300 sein.
Bei Block 510 kann die Rechenvorrichtung 115 einen Parametervektor erzeugen, der die anfänglichen Parameterwerte von Block 505 enthält. Im Kontext von Gleichung (1), die sechs Parameterwerte (z. B. θ₁, θ₂, θ₃, θ₄, θ₅ und θ₆) aufweist, kann der Parametervektor eine 1×6-Matrix enthalten.
Bei Block 515 kann die Rechenvorrichtung 115 eine Kovarianzmatrix P erzeugen. Die Kovarianzmatrix kann eine positive definite Matrix sein, die definiert ist als P(0) = μl_6×6 (8) wobei I_6×6 eine 6×6-Identitätsmatrix ist und μ eine positive Zahl ist. Die Größe der Kovarianzmatrix kann von der Anzahl der Parameterwerte in dem bei Block 510 erzeugten Parametervektor abhängen. Da der bei Block 510 erzeugte Parametervektor sechs Parameter in einer 1×6-Vektormatrix enthält, bedeutet dies, dass die Kovarianzmatrix eine 6×6-Identitätsmatrix ist. Wenn der Parametervektor jedoch fünf oder sieben Parameter hätte, könnte die Kovarianzmatrix eine 5×5-Identitätsmatrix bzw. eine 7×7-Identitätsmatrix sein.
Bei Block 520 kann die Rechenvorrichtung 115 die Anschlussspannung und den Anschlussstrom, die vom Sensor 110 gemessen werden, bei mehreren Zeitschritten (z. B. die Variable k in der vorstehenden Gleichung (1)) empfangen und den akkumulierten Strom aus dem gemessenen Anschlussstrom herleiten. Während der Iterationen des in 3 dargestellten Prozesses 300 kann die Rechenvorrichtung 115 die Anschlussspannung, den Anschlussstrom und/oder die akkumulierte Ladung bei jeder Iteration speichern. Bei diesem beispielhaften Ansatz kann jede Iteration des Prozesses 300 einen Zeitschritt bilden (z. B. (k), (k – 1), (k – 2) usw.).
Bei Block 525 kann die Rechenvorrichtung 115 einen Signalvektor erzeugen, der eines oder mehrere aus der gemessenen Anschlussspannung und dem gemessenen Anschlussstrom für jeden Zeitschritt enthält, wie sie von der Rechenvorrichtung 115 bei Block 520 empfangen werden.
Bei Block 530 kann die Rechenvorrichtung 115 die bei Block 515 erzeugte Kovarianzmatrix mit dem bei Block 525 erzeugten Signalvektor multiplizieren, um eine Kalman-Verstärkung zu definieren, welche verwendet werden kann, um bei gegebener Anschlussspannung und gegebenem Anschlussstrom bei jedem Zeitschritt, wie bei Block 520 bestimmt wurde, die Parameterwerte genauer zu schätzen.
Bei Block 535 kann die Rechenvorrichtung 115 die Parameterwerte im Licht der bei Block 530 bestimmten Kalman-Verstärkung aktualisieren. Die aktualisierten Parameterwerte können bei Block 340 von 3 verwendet werden, um die Reservekapazität der Batterie 105 zu bestimmen.
Obwohl die besten Arten zum Ausführen der Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Funktionszustands einer Batterie in Echtzeit, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Parameterwert geschätzt wird, der mit dem Funktionszustand der Batterie verbunden ist; eine Anschlussspannung und/oder eine akkumulierte Ladung und/oder ein Ladezustand und/oder eine Temperatur der Batterie bestimmt wird; und zumindest teilweise auf der Grundlage des geschätzten Parameterwerts und eines oder mehrerer aus der Anschlussspannung, der akkumulierten Ladung, dem Ladezustand und der Temperatur der Batterie eine Reservekapazität der Batterie in Echtzeit über eine Rechenvorrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Reservekapazität umfasst, dass: eine Veränderung bei einer Leerlaufspannung über die Zeit bestimmt wird, wobei die Leerlaufspannung aus der Anschlussspannung hergeleitet wird; eine Veränderung bei einem Ladezustand der Batterie über die Zeit bestimmt wird; und die Reservekapazität zumindest teilweise auf der Grundlage der Veränderung bei der Leerlaufspannung, der Veränderung beim Ladezustand und des Parameterwerts bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen der Reservekapazität umfasst, dass eine Beziehung zwischen der Veränderung bei der Leerlaufspannung und der Veränderung beim Ladezustand der Batterie identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: ein Signalerregungsniveau auf der Grundlage der Anschlussspannung und/oder des Anschlussstroms und/oder des Ladezustands und/oder der Temperatur der Batterie bestimmt wird; das Signalerregungsniveau mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird; und der Parameterwert aktualisiert wird, wenn das Signalerregungsniveau über dem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, das ferner umfasst, dass der geschätzte Parameterwert und/oder der aktualisierte Parameterwert in einer Speichervorrichtung gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Aktualisieren des Parameterwerts umfasst, dass: ein anfänglicher Parameterwert eingestellt wird; und über die Rechenvorrichtung eine Prozedur der rekursiven kleinsten Quadrate auf den anfänglichen Parameterwert angewendet wird.
Fahrzeug, das umfasst: eine Batterie; mindestens einen Sensor, der ausgestaltet ist, um eine Anschlussspannung und/oder einen Anschlussstrom und/oder eine Temperatur der Batterie zu messen; und eine Rechenvorrichtung in Verbindung mit dem mindestens einen Sensor und ausgestaltet, um eine akkumulierte Ladung, einen Ladezustand der Batterie und einen Parameterwert, der mit einem Funktionszustand der Batterie verbunden ist, zu bestimmen; wobei die Rechenvorrichtung ferner ausgestaltet ist, um eine Reservekapazität der Batterie zumindest teilweise auf der Grundlage eines Parameterwerts und der Anschlussspannung und/oder der akkumulierten Ladung und/oder des Ladezustands und/oder der Temperatur der Batterie in Echtzeit zu bestimmen.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Rechenvorrichtung ausgestaltet ist, um eine Veränderung bei der Leerlaufspannung über die Zeit aus der Anschlussspannung zu bestimmen, um eine Veränderung beim Ladezustand der Batterie über die Zeit zu bestimmen und um die Reservekapazität zumindest teilweise auf der Grundlage der Veränderung bei der Leerlaufspannung, der Veränderung beim Ladezustand und des Parameterwerts zu bestimmen.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Rechenvorrichtung ausgestaltet ist, um ein Signalerregungsniveau auf der Grundlage der gemessenen Anschlussspannung und/oder des gemessenen Anschlussstroms und/oder des bestimmten Ladezustands und/oder der gemessenen Temperatur der Batterie zu bestimmen, und wobei die Rechenvorrichtung ferner ausgestaltet ist, um das Signalerregungsniveau mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen und den Parameterwert zu aktualisieren, wenn das Signalerregungsniveau über dem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
Fahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Rechenvorrichtung ausgestaltet ist, um den Parameterwert zu schätzen, indem ein anfänglicher Parameterwert eingestellt wird und eine Prozedur der rekursiven kleinsten Quadrate auf den anfänglichen Parameterwert angewendet wird.