DE102012207815B4

DE102012207815B4 - Systeme und verfahren zum bestimmen von zellenkapazitätswerten in einer batterie mit vielen zellen

Info

Publication number: DE102012207815B4
Application number: DE102012207815.0A
Authority: DE
Inventors: Sascha Schäfer
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: US20120290234A1; US9037426B2; DE102012207815A1; CN102778651A; CN102778651B

Abstract

Verfahren (300) zur Bestimmung von Zellenkapazitätswerten (CapCelli) für einen Fahrzeugbatteriestapel (102), das umfasst, dass:bei einem Prozessor (519) Sensordaten empfangen werden, welche die Spannung des Stapels (102), einen oder mehrere Ströme des Stapels (102) und Spannungen einer Vielzahl von Zellen (532) im Stapel (102) anzeigen;ein erster Satz von Ladezustandswerten (CellSOClowi) für die Vielzahl von Zellen (532) unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Sensordaten bestimmt wird, wenn der Ladezustand des Stapels (102) unter einem unteren Schwellenwert liegt, unterhalb dem eine Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind;ein zweiter Satz von Ladezustandswerten (CellSOChii) für die Vielzahl von Zellen unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Sensordaten bestimmt wird, wenn der Ladezustand des Stapels (102) über einem oberen Schwellenwert liegt, über dem die Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind;ein Ladungszählerwert für den Stapel (102) unter Verwendung der Sensordaten bestimmt wird, wobei der Ladungszähler (Q) gestartet wird, wenn der Ladezustand des Stapels (102) unter dem unteren Schwellenwert liegt; und wobei der Ladungszähler (Q) gestoppt wird, wenn der Ladezustand des Stapels (102) über dem oberen Schwellenwert liegt;unter Verwendung der Differenzen zwischen den Ladezustandswerten (CellSOChii- CellSOClowi) in den ersten und zweiten Sätzen Differenzwerte (ΔSOCi) erzeugt werden;Zellenkapazitätswerte (CapCelli) durch Dividieren des Ladungszählerwerts (Q) durch die Differenzwerte (ΔSOCi) berechnet werden; unddie Zellenkapazitätswerte (CapCelli) in einem Speicher gespeichert werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Bestimmen der Zellenkapazitäten in einer Batterie mit vielen Zellen, und insbesondere Systeme und Verfahren zur Bestimmung von Zellenkapazitätswerten auf der Grundlage des Ladezustands der Batterie.
Die Kraftfahrzeugtechnologie wächst im Gebiet des Suchens von Alternativen zur Verwendung von Benzin als der primären Energiequelle in Fahrzeugantriebssystemen auf schnelle Weise. Viele dieser Fortschritte verwenden entweder ein hybrides mechanisch-elektrisches System, das einen Teil der mechanischen Energie von der Verbrennungskraftmaschine als gespeicherte elektrische Energie wiedergewinnt, oder ein vollständig elektrisches Antriebssystem, das den Bedarf für eine Brennkraftmaschine vollständig beseitigt. Durch diese Fortschritte hat die Speicherung und Verwaltung von elektrischer Energie in Fahrzeugen eine spezielle Bedeutung gewonnen.
Der Ladezustand (SOC) ist ein häufig verwendetes Maß für die Ladungsmenge, die relativ zu der Kapazität der Batterie in einer Batterie verfügbar ist. Bei Kraftfahrzeuganwendungen, die vollständig elektrische oder hybridelektrische Antriebssysteme verwenden, stellen SOC-Messwerte eine nützliche Anzeige der Energiemenge bereit, die zum Antreiben des Fahrzeugs verfügbar ist. Ähnlich wie die Informationen, die von einem Kraftstoffpegelmessgerät bereitgestellt werden, kann ein SOC-Messwert dem Fahrer eines Elektrofahrzeugs eine Anzeige liefern, wie lange das Fahrzeug fahren kann, bevor ihm die Energie ausgeht.
Die tatsächliche Kapazität der Batterie ist ein weiteres wichtiges Maß, das die Gesamtladungsmenge angibt, die in der Batterie gespeichert werden kann. Typischerweise wird die Kapazität einer Batterie bei ihrem Herstellungszeitpunkt klassifiziert. Wenn eine Batterie jedoch altert, nimmt auch ihre Kapazität ab. Bei Kraftfahrzeuganwendungen wird die Bestimmung der tatsächlichen Kapazität der Batterie wegen ihrer Auswirkung auf SOC-Messwerte extrem wichtig. Während ein SOC-Messwert einer Batterie in etwa analog dazu ist, wie „voll“ ein herkömmlicher Kraftstofftank in Bezug auf sein Gesamtvolumen (z.B. seine Kapazität) ist, unterscheiden sich Batterien von herkömmlichen Kraftstofftanks, weil ihre Gesamtkapazitäten im Lauf der Zeit abnehmen. Beispielsweise kann es sein, dass eine Fahrzeugbatterie nur 80 % ihrer ursprünglichen Kapazität aufweist, wenn sie altert. Daher kann die tatsächliche Kapazität einer Batterie verwendet werden, um zusätzlich zur Justierung ihrer SOC-Schätzungen den Gesamtzustand und die Gesamtleistung der Batterie zu bewerten.
Die Menge an Informationen, die über den Zustand und die Leistung eines Fahrzeugbatteriesystems verfügbar ist, ist begrenzt, wenn herkömmliche Batteriekapazitäts-Schätztechniken verwendet werden. Fahrzeugbatteriestapel enthalten gewöhnlich mehrere Module, welche wiederum mehrere Batteriezellen enthalten. Herkömmliche Techniken schätzen jedoch nur die Batteriekapazität auf der Stapelebene und/oder enthalten zahlreiche Fehlerquellen. Derartige Techniken stellen nur begrenzte Informationen über die Zellen im Verbund bereit und sind nicht in der Lage, fehlerhafte Zellen zu identifizieren, die möglicherweise zu wenig Leistung liefern. Die Aufnahme dieser Zellen in einen Kapazitätsschätzwert auf Stapelebene kann außerdem die Gesamtergebnisse für den Stapel verfälschen.
Die Druckschrift US 2008 / 0 233 469 A1 offenbart ein Batteriemanagementsystem, das beim Starten des Systems zur Bestimmung einer Kapazität einer Fahrzeugbatterie Leerlaufspannungen von Batteriezellen misst und daraus erste Ladezustände der Batteriezellen ermittelt. Nach einer gesteuerten Entladung der Fahrzeugbatterie werden die Leerlaufspannungen der Batteriezellen erneut gemessen und daraus zweite Ladezustände der Batteriezellen ermittelt, wobei die ersten und zweiten Ladezustände in einem Bereich liegen, in dem die Kennlinie zwischen Leerlaufspannung und Ladezustand linear verläuft.
In der Druckschrift EP 1 752 780 A2 ist eine Schätzvorrichtung für einen Batterieladezustand offenbart, die Ruheperioden der Batterie überwacht und eine Ladezustandsschätzung nur erlaubt, wenn die Ruheperioden länger als ein Schwellenwert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Bei einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Bestimmen von Zellenkapazitätswerten für einen Fahrzeugbatteriestapel offenbart. Das Verfahren umfasst, dass bei einem Prozessor Sensordaten empfangen werden, welche die Spannung des Stapels, die Ströme des Stapels und Spannungen für eine Vielzahl von Zellen im Stapel angeben. Das Verfahren umfasst auch, dass ein erster und ein zweiter Satz von Ladezustandswerten für die Vielzahl von Zellen unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Sensordaten, die gemessen werden, wenn der Ladezustand des Stapels unter einem unteren Schwellenwert liegt, unterhalb dem eine Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind, und auf die Sensordaten, die gemessen werden, wenn der Ladezustand des Batteriestapels über einem oberen Schwellenwert liegt, über dem die Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind, bestimmt werden. Das Verfahren umfasst ferner, dass ein Ladungszählerwert für den Batteriestapel unter Verwendung der Sensordaten bestimmt wird, wobei der Ladungszähler gestartet wird, wenn der Ladezustand des Batteriestapels unter dem unteren Schwellenwert liegt und gestoppt wird, wenn der Ladezustand des Batteriestapels über dem oberen Schwellenwert liegt. Das Verfahren umfasst zusätzlich, dass Differenzwerte unter Verwendung der Differenzen zwischen den Ladezustandswerten in den ersten und den zweiten Sätzen erzeugt werden, dass Zellenkapazitätswerte durch Dividieren des Ladungszählerwerts durch die Differenzwerte berechnet werden und dass die Zellenkapazitätswerte in einem Speicher gespeichert werden.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein Fahrzeugcontroller offenbart. Der Controller weist eine Schnittstelle auf, die ausgestaltet ist, um Sensordaten von einer Vielzahl von Spannungs- und Stromsensoren zu empfangen, welche die Spannung des Stapels, die Ströme des Stapels und die Spannungen für eine Vielzahl von Zellen im Stapel angeben. Der Controller enthält auch einen spannungsbasierten Ladezustandsgenerator, der ausgestaltet ist, um einen Ladezustandswert für den Stapel und erste und zweite Sätze von Ladezustandswerten für die Vielzahl von Zellen zu erzeugen, wobei der erste Satz erzeugt wird, wenn der Ladezustand des Stapels unter einem unteren Schwellenwert liegt, unterhalb dem eine Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind, und der zweite Satz erzeugt wird, wenn der Ladezustand des Batteriestapels über einem oberen Schwellenwert liegt, über dem die Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind. Der Controller enthält zusätzlich einen Ladungszähler, der ausgestaltet ist, um einen Ladungszählerwert für den Batteriestapel unter Verwendung der Sensordaten zu bestimmen. Der Ladungszähler kann gestartet werden, wenn der Ladezustand des Batteriestapels unter dem unteren Schwellenwert liegt, und gestoppt werden, wenn der Ladezustand des Batteriestapels über dem oberen Schwellenwert liegt. Der Controller kann ferner einen Ruhezeitgeber, der ausgestaltet ist, um eine Ruhezeit für den Batteriestapel zu bestimmen, und eine Differenzbewertungsvorrichtung enthalten, die ausgestaltet ist, um Differenzwerte unter Verwendung der Differenzen zwischen den Ladezustandswerten in den ersten und den zweiten Sätzen zu erzeugen. Der Controller kann außerdem einen Zellenkapazitätsrechner enthalten, der ausgestaltet ist, um Zellenkapazitätswerte zu berechnen, indem er den Ladungszählerwert durch die Differenzwerte dividiert.
Bei einer anderen Ausführungsform wird ein System zum Bestimmen von Zellenkapazitätswerten für eine Fahrzeugbatterie offenbart. Das System umfasst eine Fahrzeugbatterie mit einer Vielzahl von Zellen, Spannungssensoren, die ausgestaltet sind, um die Spannungen der Fahrzeugbatterie und der Zellen zu messen, und Stromsensoren, die ausgestaltet sind, um die Ströme in die Batterie hinein und aus dieser heraus zu messen. Das System enthält außerdem eine Verarbeitungsschaltung, die eine Schnittstelle aufweist, die Spannungsdaten von den Spannungssensoren und Stromdaten von den Stromsensoren empfängt. Die Verarbeitungsschaltung weist außerdem einen Prozessor und einen Speicher auf, der mit dem Prozessor gekoppelt ist. Der Speicher speichert ausführbare Anweisungen, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, veranlassen, dass der Prozessor einen ersten Satz von Ladezustandswerten für die Vielzahl von Zellen unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Spannungsdaten bestimmt, die gemessen werden, wenn der Ladezustand des Stapels unter einem unteren Schwellenwert liegt, unterhalb dem eine Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind. Die Anweisungen veranlassen außer-dem, dass der Prozessor einen zweiten Satz von Ladezustandswerten für die Vielzahl von Zellen unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Sensordaten auf die Spannungsdaten bestimmt, die gemessen werden, wenn der Ladezustand des Batteriestapels über einem oberen Schwellenwert liegt, über dem die Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind, und dass er einen Ladungszähler unter Verwendung der Stromdaten bestimmt. Die Anweisungen veranlassen weiterhin, dass der Prozessor Zellenkapazitätswerte unter Verwendung des Ladungszählers und des ersten und zweiten Satzes von Ladezustandswerten berechnet und die Zellenkapazitätswerte im Speicher speichert.
Figurenliste
Die folgende genaue Beschreibung spezieller Ausführungsformen kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Strukturen durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, und in denen:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Batteriestapel ist;
2 eine Aufzeichnung der Leerlaufspannung einer LiFe-PO₄-Batterie als Funktion ihres Ladezustands ist;
3 ein Verfahren zum Berechnen von Zellenkapazitäten für einen Fahrzeugbatteriestapel gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine Aufzeichnung einer Zellenkapazitätsverteilung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine detaillierte schematische Darstellung des Fahrzeugs von 1 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine detaillierte schematische Darstellung des Batteriesteuermoduls von 5 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist; und
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Aufladen eines Fahrzeugbatteriestapels gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist.

Die in den Zeichnungen offengelegten Ausführungsformen dienen der Veranschaulichung und sind nicht dazu gedacht, die durch die Ansprüche definierten Ausführungsformen einzuschränken. Darüber hinaus werden einzelne Aspekte der Zeichnungen und der Ausführungsformen im Hinblick auf die folgende genaue Beschreibung vollständiger offensichtlich und verstanden werden.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie vorstehend angemerkt wurde, konzentrieren sich gegenwärtige Techniken zum Bestimmen von Batteriekapazitäten auf die Stapelebene und sind nicht in der Lage, Variationen bei den einzelnen Zellen zu berücksichtigen. Kapazitätsschätzungen auf der Zellenebene ermöglichen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass mehr Informationen über die Funktionsfähigkeit der Batterie bestimmt werden, da Zellen mit schlechter Leistung oder defekte Zellen identifiziert werden können. Zudem ermöglicht die Identifikation von Zellen mit schlechter Leistung oder von defekten Zellen, dass Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, indem das Aufladen und Entladen der einzelnen Zellen geregelt wird.
Mit Bezug nun auf 1 ist ein Fahrzeug 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Das Fahrzeug 100 enthält einen Batteriestapel 102, der elektrische Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs 100 unter Verwendung entweder eines hybridelektrischen oder eines vollständig elektrischen Antriebssystems bereitstellt. Der Batteriestapel 102 kann mehrere Batteriezellen, Module, oder eine Ansammlung diskreter Batterien umfassen, die zusammenarbeiten, um Antriebsleistung für das Fahrzeug 100 zu liefern. Das Fahrzeug 100 enthält auch einen Fahrzeugcontroller 104. Der Fahrzeugcontroller 104 ist mit dem Batteriestapel 102 wirksam verbunden und stellt eine Überwachung und Steuerung des Betriebs des Batteriestapels 102 bereit. Der Fahrzeugcontroller 104 kann außerdem eine oder mehrere andere Funktionen des Fahrzeugs überwachen oder steuern. Beispielsweise kann der Fahrzeugcontroller 104 Informationen über den Betriebszustand des Batteriestapels 102 an eine elektronische Anzeige im Fahrzeug 100 liefern, um die Informationen an den Fahrer des Fahrzeugs zu übermitteln. Der Fahrzeugcontroller 104 kann außerdem eine Steuerung anderer Systeme des Fahrzeugs 100 bereitstellen. Beispielsweise kann der Fahrzeugcontroller 104 die Arbeitsweisen der Kraftmaschine, des elektrischen Systems oder des Abgassystems des Fahrzeugs 100 steuern.
Der Fahrzeugcontroller 104 kann eine Verarbeitungsschaltung sein, die eine beliebige Anzahl von Hardware- und Softwarekomponenten enthält. Beispielsweise kann der Fahrzeugcontroller 104 einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder ein im Feld programmierbares Gatearray (FPGA) enthalten. Der Fahrzeugcontroller 104 kann außerdem Maschinenanweisungen enthalten, die in einer Speichervorrichtung im Fahrzeugcontroller 104 gespeichert sind und in der Lage sind, eine oder mehrere Überwachungs- oder Steuerfunktionen zu implementieren, wenn sie von einem Prozessor im Fahrzeugcontroller 104 ausgeführt werden. Zum Beispiel kann der Fahrzeugcontroller 104 eine oder mehrere Speichervorrichtungen enthalten, wie etwa ein RAM, ein ROM, ein EEPROM, einen Flash-Speicher, eine CD-ROM, eine DVD-ROM oder einen beliebigen anderen nicht vorübergehenden Speicher, der zum Speichern der Maschinenanweisungen für den Fahrzeugcontroller 104 in der Lage ist.
BATTERIEKAPAZITÄTSSCHÄTZUNG
Die tatsächliche Kapazität des Batteriestapels 102 gibt für eine volle Batterie an, wie viel Strom für wie lange aus dem Batteriestapel 102 entnommen werden kann, bevor der Batteriestapel 102 leer ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kapazität des Batteriestapels 102 unter Verwendung eines Ladungszählers (z.B. aus Strommesswerten) im Lauf der Zeit in Kombination mit SOC-Messwerten bestimmt werden.
Typischerweise wird eine Batteriekapazität in Amperestunden (Ah) gemessen und auf eine Zeitspanne von einer Stunde standardisiert. Zum Beispiel kann erwartet werden, dass eine Batterie, die eine Kapazität von 20 Ah aufweist, einen Strom von zwanzig Ampere eine Stunde lang liefert, bevor die Batterie leer ist. Folglich ist die Batteriekapazität ein Maß für die Ladung, da der Strom definiert ist als: $I = \frac{Q}{t}$
wobei I der elektrische Strom ist (in Ampere gemessen), Q eine Ladungsmenge ist (in Coulomb gemessen) und t ein Zeitbetrag ist. Das Multiplizieren beider Seiten mit einem Zeitbetrag ergibt: $I * t = Q$
Daher ist die Batteriekapazität, die in Amperestunden gemessen wird (z.B. Strom*Zeit) äquivalent ein Maß für die Ladung und kann auch in Coulomb angegeben werden.
Da die Batteriekapazität effektiv ein Maß für die Ladung ist, kann die Kapazität einer Batterie unter Verwendung eines Ladungszählers bestimmt werden. Beispielsweise können Strommesswerte verwendet werden, um die Ladungsmenge in den Batteriestapel 102 hinein und aus diesem heraus zu verfolgen. Eine Integration der Strommesswerte über eine Zeitspanne hinweg ergibt die Ladungsmenge, die während dieser Zeitspanne entweder in die Batterie hinein geflossen oder diese verlassen hat. Eine derartige Technik wird manchmal als eine „Coulomb-Zähl“-Technik bezeichnet. Nur als Analogie ist dies in etwa ähnlich zum Messen, wie viele Liter Benzin in einen herkömmlichen Kraftstofftank eingefüllt oder aus diesem entnommen wurden.
Wenn außerdem der SOC des Batteriestapels 102 verfügbar ist, kann er mit dem Ladungszähler verwendet werden, um die tatsächliche Kapazität des Batteriestapels 102 zu bestimmen durch: $Kapazit \ddot{a} t = \frac{Q}{{SOC}_{2} - {SOC}_{1}}$
wobei SOC₁ ein anfänglicher SOC-Schätzwert ist, SOC₂ ein endgültiger SOC-Schätzwert ist und Q der Ladungszähler ist. Als Analogie ähnelt dies der Bestimmung der Veränderung dessen, wie „voll“ ein herkömmlicher Kraftstofftank ist, über eine Zeitspanne hinweg, und dem Dividieren dieses Ergebnisses durch den Wert, wie viele Liter während dieser Zeit den Tank verlassen haben. Wenn sich beispielsweise und nicht als Einschränkung der SOC des Batteriestapels 102 über eine Zeitspanne von einer Stunde hinweg von 100 % (z.B. SOC₁) auf 95 % (z.B. SOC₂) verändert und die Ladungsmenge, welche in dieser Zeit die Batterie verlassen hat (z.B. Q) gleich 3600 Coulomb ist, hat der Batteriestapel 102 in dieser Stunde einen Strom von einem Ampere geliefert und 5 % seiner Ladung verloren. In diesem Fall ist dies äquivalent dazu, dass der Batteriestapel 102 eine Kapazität von 20 Ah aufweist, da es 20 Stunden dauern würde, um den Batteriestapel 102 mit dieser Rate vollständig zu entleeren.
SPANNUNGSBASIERTE SOC-SCHÄTZUNG
Eine Technik zum Schätzen des SOC des Batteriestapels 102 besteht in der Verwendung einer spannungsbasierten Strategie. Der SOC einer Batterie steht allgemein in Verbindung mit deren Leerlaufspannung. Dies bedeutet, dass Spannungsmesswerte des Batteriestapels 102 verwendet werden können, um seinen SOC zu schätzen, Strommesswerte für einen Ladungszähler verwendet werden können, und die SOC-Werte und der Ladungszähler verwendet werden können, um die tatsächliche Kapazität des Batteriestapels 102 zu bestimmen.
Mit Bezug nun auf 2 ist eine Aufzeichnung der Leerlaufspannung für eine LiFeO₄-Batterie als Funktion des SOC der Batterie gezeigt. Im mittleren Bereich des SOC ändert sich die Leerlaufspannung der Batterie nur sehr wenig, was bei allen SOC-Schätzungen beruhend auf Spannungsmesswerten der Batterie zu potentiellen Fehlern führt. Zum Beispiel kann die Toleranz des Spannungssensors, der die Messwerte liefert, zu der Gesamtunsicherheit der tatsächlichen Spannung der Batterie beitragen. Als eine weitere Überlegung ist die Beziehung zwischen Spannung und SOC außerdem von der Temperatur der Batterie, der Ruhezeit der Batterie (z.B. wenn die Batterie keine Ladung liefert oder aufnimmt) und der Diffusionskonstante der Batterie abhängig.
Es existieren mehrere spannungsbasierte Techniken zum Schätzen des SOC der Batterie unter Verwendung einer gemessenen Spannung. Beispielsweise kann eine Schätzung des SOC durchgeführt werden, indem ein roher Leerlaufspannungswert mit einer bekannten Spannungs-SOC-Beziehung verglichen wird, die in einem Speicher oder einer Nachschlagetabelle gespeichert ist. Bei anderen Techniken kann eine lineare Regression verwendet werden, um den SOC zu bestimmen. Zum Beispiel offenbart das US-Patent mit der Nummer 7,768,233 an Lin et al., das dem Anmelder der vorliegenden Offenbarung gehört und hiermit außerdem durch Bezugnahme mit aufgenommen ist, die Verwendung eines Ersatzschaltungsmodells und von Regressionstechniken, um die Leerlaufspannung und geschätzte SOC-Werte zu bestimmen.
Ein Weg zur Verbesserung der Genauigkeit des SOC-Schätzwerts besteht in der Verwendung einer spannungsbasierten Strategie, wenn die Spannung über einem oberen Schwellenwert oder unter einem unteren Schwellenwert liegt. In Regionen, in denen die Batterie eine steile Spannungs-SOC-Kennlinie aufweist, sind die Auswirkungen der Unsicherheit der tatsächlichen Spannung (z.B. aufgrund der Toleranz des Spannungssensors oder dergleichen) auf die SOC-Schätzung minimiert. Bei einigen Ausführungsformen können die Schwellenwerte den Bereich der Spannungswerte definieren, der dem relativ flachen Abschnitt einer Spannungs-SOC-Kennlinie entspricht. Beispielsweise würden ein unterer Schwellenwert von 3,0 Volt und ein oberer Schwellenwert von 3,4 Volt die Auswirkungen der Unsicherheit des Spannungslesewerts (z.B. aufgrund der Toleranz des Spannungssensors usw.) auf den SOC-Schätzwert minimieren. Bei einem anderen Beispiel kann ein unterer Schwellenwert eines SOC von 35 % verwendet werden.
Mit Bezug nun auf 3 ist gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ein Verfahren 300 zur Bestimmung von Zellenkapazitäten gezeigt. Das Bestimmen von Kapazitäten auf der Zellenebene eines Batteriestapels ermöglicht, dass mehr Informationen über den Batteriestapel beschafft werden. Bei einigen Ausführungsformen können Zellenkapazitäten verwendet werden, um problematische Zellen zu diagnostizieren, um eine Kapazitätsverteilung für den Batteriestapel zu berechnen und/oder für einen Zellenausgleich. Außerdem kann die erreichbare Genauigkeit größer sein, wenn Kapazitäten auf der Zellenebene statt auf der Batteriestapelebene bestimmt werden.
Bei Schritt 302 kann festgestellt werden, ob der SOC des Batteriestapels niedrig ist und seine Ruhezeit hoch ist. Bei einigen Ausführungsformen kann eine spannungsbasierte Strategie verwendet werden, um den SOC des Batteriestapels und einen Spannungsmesswert für den Batteriestapel im Vergleich mit einem unteren Schwellenwert zu schätzen. Wenn der Spannungsmesswert unter dem unteren Schwellenwert liegt, ist der SOC des Batteriestapels ebenfalls niedrig. Da auch die Ruhezeit des Batteriestapels die Genauigkeit einer SOC-Schätzung beeinflusst, kann ein Ruhezeitgeber verwendet werden, um festzustellen, wie lange der Batteriestapel in einem Ruhezustand gewesen ist (z.B. die Batterie keine Leistung aufnimmt oder liefert). Die durch den Zeitgeber bestimmte Ruhezeit kann dann mit einem Zeitschwellenwert verglichen werden, um festzustellen, ob die Ruhezeit ausreichend hoch ist, um die Auswirkungen der Diffusion auf den Batteriestapel zu überwinden. Wenn der SOC des Batteriestapels nicht niedrig ist oder wenn seine Ruhezeit nicht lang genug ist, um die Auswirkungen der Diffusion zu überwinden, kann die Berechnung der Zellenkapazitäten verschoben werden, bis diese Bedingungen erfüllt sind.
Bei Schritt 304 können SOC-Werte für die einzelnen Zellen des Batteriestapels bestimmt werden. Bei einer Ausführungsform kann eine spannungsbasierte Strategie verwendet werden, um die SOC-Schätzungen für die einzelnen Zellen zu bestimmen. An den einzelnen Zellen aufgenommene Spannungsmesswerte können mit Spannungs-SOC-Kennlinien für die Zellen verglichen werden, die in einem Speicher oder einer Nachschlagetabelle gespeichert sind, um die einzelnen Zellenkapazitäten zu bestimmen. Da der SOC des Batteriestapels niedrig ist (z.B. seine Spannung unter einem unteren Schwellenwert liegt), wird außerdem die Genauigkeit der SOC-Schätzungen für die einzelnen Zellen erhöht.
Bei Schritt 306 kann ein Ladungszähler initialisiert und gestartet werden, wenn der SOC des Batteriestapels niedrig ist und seine Ruhezeit hoch ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der Ladungszähler bestimmt werden, indem Strommesswerte am Batteriestapel aufgenommen werden und mit einer Zeitdifferenz multipliziert werden. Bei derartigen Ausführungsformen kann beispielsweise die folgende Gleichung verwendet werden: $Q_{i + 1} = Q_{i} + I_{i + 1} * \frac{Δ t}{3600}$
wobei Q_i+1 der aktuellste Ladungszähler ist, Q_i der vorherige Ladungszähler ist und für Q₀ auf Null initialisiert sein kann, I_i+1 der aktuellste Strommesswert ist und Δt die zeitliche Änderung zwischen Strommesswerten ist. Der Ladungszähler kann außerdem direkt in Amperestunden umgewandelt werden, indem er durch 3600 dividiert wird, da eine Amperestunde gleich 3600 Coulomb ist.
Bei Schritt 308 wird festgestellt, ob der SOC des Batteriestapels hoch ist und die Ruhezeit ebenfalls hoch ist (z.B. liegt der SOC über einem oberen Schwellenwert und die Ruhezeit liegt über einem Zeitschwellenwert). Wenn sich der Batteriestapel auflädt, werden sein SOC und seine Leerlaufspannung ebenfalls ansteigen, wie in 2 gezeigt ist. Ein oberer Schwellenwert kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Auswirkungen von Fehlern aufgrund der Toleranzen der Spannungssensoren minimiert sind. Auf ähnliche Weise kann auch ein Zeitschwellenwert verwendet werden, um sicherzustellen, dass auch die Auswirkungen der Diffusion minimiert sind. Bei einigen Ausführungsformen kann der Fahrzeugbatteriestapel als Teil seiner normalen Aufladeprozeduren aufgeladen werden, um den SOC des Batteriestapels zu erhöhen (z.B. steckt der Fahrer das Fahrzeug an eine Wandsteckdose an, die Kraftmaschine gewinnt Bremsenergie als Elektrizität zurück usw.). In einem derartigen Fall kann die Ruhezeit auch Teil der normalen Verwendung des Fahrzeugs sein (z.B. das Fahrzeug läuft nicht).
Bei Schritt 310 kann der Ladungszähler gestoppt werden, wenn der SOC des Batteriestapels hoch ist und seine Ruhezeit ebenfalls hoch ist. Da der Batteriestapel aufgeladen wird, steigt sein SOC ebenfalls an. Bei einigen Ausführungsformen kann ein oberer Schwellenwert verwendet werden, um zu definieren, wann sein SOC hoch genug ist, um die Auswirkungen von Sensortoleranzen auf die SOC-Schätzungen zu verringern. Bei anderen Ausführungsformen kann das Aufladen gestoppt werden, wenn der SOC den oberen Schwellenwert erreicht und die Batterie kann eine Zeitspanne lang ruhen, um die Auswirkungen der Diffusion auf SOC-Schätzungen zu verringern. Beispielsweise kann ein Zeitschwellenwert verwendet werden, der auf der Diffusionszeitkonstante des Batteriestapels beruht.
Bei Schritt 312 können SOC-Werte für die einzelnen Zellen bestimmt werden, wenn der SOC des Batteriestapels hoch ist und seine Ruhezeit hoch ist. Gemäß einigen Ausführungsformen können ähnlich wie bei den Zellen-SOC-Werten, die bei Schritt 304 bestimmt wurden, Spannungsmesswerte an den einzelnen Zellen aufgenommen werden und mit einer Spannungs-SOC-Kennlinie verglichen werden, um die SOC-Werte zu schätzen. Da die Spannungs-SOC-Kennlinie von bestimmten Batterien (z.B. Lithium-Ionen-Batterien usw.) im mittleren Bereich der SOC-Werte relativ flach ist, verbessert ein Fortführen des Ladungszählers, bis die Spannung und die entsprechende SOC-Schätzung über einem oberen Schwellenwert liegen, die Genauigkeit, indem die Auswirkungen von Sensortoleranzen usw. minimiert werden.
Bei Schritt 314 können die in den Schritten 304 und 312 bestimmten Zellen-SOC-Werte verwendet werden, um Differenzwerte zu bestimmen. Bei einigen Ausführungsformen können die Differenzwerte die einfache Differenz zwischen den hohen und niedrigen SOC-Schätzungen für eine gegebene Zelle sein. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Gewichtungsfaktor angewendet werden. Beispielsweise kann eine oder können beide SOC-Schätzungen mit einem Gewichtungsfaktor multipliziert werden, um Ungenauigkeiten beim Schätzprozess zu berücksichtigen.
Bei Schritt 316 können die Zellenkapazitäten für die einzelnen Zellen berechnet werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Zellenkapazitäten unter Verwendung eines Ladungszählers für den Batteriestapel und der Differenz bei SOC-Messwerten für die einzelnen Zellen bestimmt werden. Zum Beispiel kann das Folgende verwendet werden, um die Kapazität einer Zelle zu bestimmen: ${CapCell}_{i} = \frac{Q_{chrg}}{Δ {SOC}_{i}}$
wobei CapCelli die Kapazität der i-ten Zelle im Batteriestapel ist, Q_chrg der Ladungszähler ist und ΔSOC_i der Differenzwert für die i-te Zelle ist.
Bei einigen Ausführungsformen können auch Kapazitätsfehlerwerte bestimmt werden unter Verwendung von: $cell_cap_{error}_{i} = \frac{Q_{chrg}}{Δ {SOC}_{i}^{2}} * \frac{dSOC}{{dV}_{OC}} * Δ V_{OC}$
wobei cell_cap_errori der Zellenkapazitätsfehlerwert für die i-te Zelle ist, Q_chrg der Ladungszählerwert für den Batteriestapel ist, ΔSOC_i der Differenzwert für die i-te Zelle ist, SOC der Ladezustand des Batteriestapels ist, V_OC die Leerlaufspannung des Batteriestapels ist und ΔV_OC ein Fehlerwert ist, der dem Spannungssensor zugeordnet ist, welcher Voc misst (z.B. dessen Toleranz usw.).
Mit Bezug nun auf 4 ist eine Zellenkapazitätsverteilung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Wie gezeigt ist, wurde die Batteriestapelkapazität unter Verwendung spannungsbasierter SOC-Schätzwerte unter Verwendung der Stapelspannung und der Ladungszählung berechnet. Es ist auch ein Fehlerbereich gezeigt, der die bestimmte Batteriestapelkapazität umgibt, um den Fehlerbetrag anzuzeigen, der den Toleranzen der Spannungssensoren zugeschrieben werden kann, welche verwendet werden, um die SOC-Schätzwerte für den Stapel zu bestimmen. Es sind auch berechnete Zellenkapazitäten mit ihren zugehörigen Fehlerbereichen gezeigt. Da die Stapelkapazität nicht höher als die niedrigste Zellenkapazität sein kann, zeigt 4 auch einen systematischen Fehler, der im Stapelkapazitätswert enthalten ist.
Die Kenntnis der einzelnen Zellenkapazitäten kann verwendet werden, um sowohl Zellenausgleichstechniken als auch Diagnosefunktionen des Fahrzeugs zu verbessern. Beispielsweise steuern Zellenausgleichstechniken allgemein das Aufladen und Entladen von Zellen. Die Kenntnis der einzelnen Zellenkapazitäten, im Gegensatz zu nur der Kapazität auf Stapelebene, kann verwendet werden, um zu verhindern, dass die Stapelleistung unter die Leistungen der einzelnen Zellen abnimmt. Auf ähnliche Weise können Diagnosefunktionen die einzelnen Zellenkapazitäten verwenden, um Zellen zu identifizieren, die repariert oder ersetzt werden müssen.
Es können Diagnosefunktionen und Zellenausgleichstechniken durchgeführt werden, indem die Länge der Fehlerbalken und auch die Position der Zellen in einer nach Spannung sortierten Liste am unteren und oberen Schwellenwert berücksichtigt werden. Kritische Zellen mit den niedrigsten Kapazitäten werden am unteren Schwellenwert die niedrigsten Spannungen und am oberen Schwellenwert die höchsten Spannungen zeigen. Dies führt zu kleinen Fehlerbalken für ihre jeweiligen Zellen und daher zu einem hohen Vertrauenswert bei ihren bestimmten Kapazitätswerten. Daher können unter Verwendung dieser Informationen Diagnosefunktionen durchgeführt werden, um festzustellen, ob eine Zelle defekt ist. Zudem entspricht die maximal erreichbare Stapelkapazität der niedrigsten Zellenkapazität. Diese wird erreicht werden, wenn eine spezielle Zelle die niedrigste Spannung am unteren Schwellenwert und gleichzeitig die höchste Spannung am oberen Schwellenwert aufweist. Um dies zu erreichen, kann ein Zellenausgleich unter Verwendung der Spannungsinformationen von ihren jeweiligen Schnappschusspunkten durchgeführt werden.
Mit Bezug nun auf 5 ist eine detaillierte schematische Darstellung des Fahrzeugs 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Der Batteriestapel 102 enthält Module 530, die Batteriezellen 532 enthalten. Spannungssensoren 502 messen die Spannung des Batteriestapels 102, der Module 530 und/oder der Zellen 532 und liefern über eine Busleitung 510 Spannungswerte an eine Schnittstelle 516 des Controllers 104. Stromsensoren 504 messen den Strom des Batteriestapels 102, der Module 530 und/oder der Zellen 532 und liefern über eine Busleitung 512 Stromwerte an die Schnittstelle 516 des Controllers 104. Temperatursensoren 506 messen die Temperatur des Batteriestapels 102, der Module 530 und/oder der Zellen 532 und liefern über eine Busleitung 514 Temperaturwerte an die Schnittstelle 516 des Controllers 104. Die Sensoren 502, 504 und 506 können eine beliebige Anzahl von Sensoren oder Ausgestaltungen zum Messen der Spannungen, Ströme und Temperaturen sein, die mit dem Batteriestapel 102 verbunden sind. Beispielsweise kann der Temperatursensor 506 ein einzelner Temperatursensor sein, während die Spannungssensoren 502 und die Stromsensoren 504 eine kombinierte integrierte Schaltung sein können, die sowohl die Spannung als auch den Strom misst. Es ist festzustellen, dass eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Kombinationen von Sensoren und Sensorkonfigurationen verwendet werden kann, ohne von den Prinzipien oder Lehren der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Die Busleitungen 510, 512 und 514 können eine beliebige Kombination von festverdrahteten oder drahtlosen Verbindungen sein. Beispielsweise kann die Busleitung 510 eine festverdrahtete Verbindung sein, um Spannungslesewerte an den Controller 104 zu liefern, während die Busleitung 512 eine drahtlose Verbindung sein kann, um Stromlesewerte an den Controller 104 zu liefern. Bei einigen Ausführungsformen sind die Busleitungen 510, 512 und 514 Teil einer gemeinsam genutzten Datenleitung, die Spannungs-, Strom- und Temperaturwerte an den Controller 104 übermittelt. Bei noch anderen Ausführungsformen können die Leitungen 510, 512 und 514 eine oder mehrere Zwischenschaltungen (z.B. andere Mikrocontroller, Signalfilter usw.) enthalten und eine indirekte Verbindung zwischen den Sensoren 502, 504, 506 und dem Controller 104 bereitstellen.
Die Schnittstelle 516 ist ausgestaltet, um die Sensordaten von den Sensoren 502, 504 und 506 über die Leitungen 510, 512 und 514 zu empfangen. Beispielsweise kann die Schnittstelle 516 einen oder mehrere drahtlose Empfänger umfassen, wenn beliebige der Leitungen 510, 512 oder 514 drahtlose Verbindungen sind. Die Schnittstelle 516 kann auch einen oder mehrere drahtgebundene Anschlüsse umfassen, wenn beliebige der Leitungen 510, 512 oder 514 drahtgebundene Verbindungen sind. Die Schnittstelle 516 kann auch Schaltungen enthalten, die ausgestaltet sind, um die Sensordaten von 502, 504 und 506 digital abzutasten oder zu filtern. Beispielsweise kann die Schnittstelle 516 die Stromdaten, die von den Stromsensoren 504 über die Busleitung 512 empfangen werden, bei diskreten Zeitpunkten (z.B. k, k+1, k+2 usw.) abtasten, um diskrete Stromwerte (z.B. I(k), I(k+1), I(k+2) usw.) zu erzeugen.
Der Controller 104 ist so gezeigt, dass er einen Prozessor 519 enthält, welcher ein oder mehrere Prozessoren sein kann, die mit einem Speicher 520 und Schnittstellen 516 und 518 in Kommunikationsverbindung stehen. Der Speicher 520 kann eine beliebige Form von Speicher sein, der maschinenausführbare Anweisungen speichern kann, die bei der Ausführung durch den Prozessor 519 eine oder mehrere der hier offenbarten Funktionen implementieren. Beispielsweise kann der Speicher 520 ein RAM, ein ROM, ein Flashspeicher, ein Festplattenlaufwerk, ein EEPROM, eine CD-ROM, eine DVD, andere Formen von nicht vorübergehenden Speichervorrichtungen oder eine beliebige Kombination aus verschiedenen Speichervorrichtungen sein. Bei einigen Ausführungsformen umfasst der Speicher 520 ein Fahrzeugsteuermodul 522, das eine Steuerung einer oder mehrerer Komponenten des Fahrzeugs 100 bereitstellt. Beispielsweise kann das Fahrzeugsteuermodul 522 eine Steuerung der Kraftmaschine des Fahrzeugs 100 bereitstellen oder Statuszustandsinformationen (z.B. das Fahrzeug 100 hat wenig Kraftstoff, dem Fahrzeug 100 verbleiben eine geschätzte Anzahl von Kilometern zum Fahren auf der Grundlage des gegenwärtigen SOC des Batteriestapels 102 usw.) für eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen im Innenraum des Fahrzeugs 100 über die Schnittstelle 518 bereitstellen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Fahrzeugsteuermodul 522 auch mit anderen Verarbeitungsschaltungen (z.B. einer Kraftmaschinensteuereinheit, einem fahrzeugeigenen Diagnosesystem usw.) oder anderen Sensoren (z.B. einem Luftmassenstromsensor, einem Kurbelwellenpositionssensor usw.) über die Schnittstelle 518 kommunizieren.
Die Schnittstelle 518 kann eine oder mehrere drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen zwischen dem Prozessor 104 und den verschiedenen Systemen des Fahrzeugs 100 bereitstellen. Beispielsweise kann die Schnittstelle 518 eine drahtgebundene Verbindung zwischen dem Prozessor 104 und einer Anzeige auf dem Armaturenbrett und eine drahtlose Verbindung zwischen dem Prozessor 104 und einem fahrzeugeigenen Diagnosesystem bereitstellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Schnittstelle 518 auch eine drahtlose Verbindung zwischen dem Prozessor 104 und anderen Rechensystemen außerhalb des Fahrzeugs 100 bereitstellen. Beispielsweise kann der Prozessor 104 Statuszustandsinformationen über eine Mobilfunk-, WiFi- oder Satellitenverbindung an einen externen Server übermitteln. Die Schnittstelle 518 kann auch einen oder mehrere Empfänger enthalten, die ausgestaltet sind, um Aufenthaltsortsinformationen für das Fahrzeug 100 zu senden und zu empfangen. Beispielsweise kann die Schnittstelle 518 einen GPS-Empfänger oder einen Mobilfunkempfänger umfassen, der Triangulation verwendet, um den Aufenthaltsort des Fahrzeugs 100 zu bestimmen.
Der Speicher 520 ist ferner so gezeigt, dass er ein Batteriesteuermodul 524 enthält, welches ausgestaltet ist, um die Ladezustandsinformationen über den Batteriestapel 102 zu bestimmen und zu speichern. Das Batteriesteuermodul 524 empfängt Batteriesensordaten von der Schnittstelle 516 und verwendet die Sensordaten, um die SOC- und Kapazitätswerte für den Batteriestapel 102 zu bestimmen. Das Batteriesteuermodul 524 kann den bestimmten SOC-Wert empfangen und an das Fahrzeugsteuermodul 522 oder über die Schnittstelle 518 an andere elektronische Vorrichtungen liefern. Beispielsweise kann das Batteriesteuermodul 524 feststellen, dass der Gesamt-SOC des Batteriestapels 102 auf der Grundlage seiner tatsächlichen Kapazität gegenwärtig bei 65 % liegt und eine Angabe darüber über die Schnittstelle 518 an ein Ladungsanzeigeinstrument im Innenraum des Fahrzeugs 100 liefern. Das Batteriesteuermodul 524 kann außerdem einen oder mehrere Betriebsparameter über die Schnittstelle 518 von anderen Systemen oder Vorrichtungen empfangen. Beispielsweise kann das Batteriesteuermodul 524 Daten empfangen, die einer Zuordnung von Leerlaufspannungen zu SOC-Werten für eine Zelle des Batteriestapels 102 entsprechen. Bei einigen Ausführungsformen kann das Batteriesteuermodul 524 außerdem eine Steuerung der Leistungsentnahme, des Aufladens, des Zellenausgleichs usw. des Batteriestapels 102 bereitstellen.
Mit Bezug nun auf 6 ist eine detaillierte Zeichnung des Batteriesteuermoduls 524 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Das Batteriesteuermodul enthält einen Batterieruhezeitgeber 602, der über die Schnittstelle 516 Sensordaten von den Sensoren 502, 504 und/oder 506 empfängt. Der Batterieruhezeitgeber 602 verwendet die Sensordaten, um eine Ruhezeit für den Batteriestapel 102 zu bestimmen. Wenn das Fahrzeug 100 beispielsweise gegenwärtig nicht läuft, kann der Batterieruhezeitgeber 602 eine Angabe von den Stromsensoren 504 empfangen, dass gegenwärtig kein Strom in den Batteriestapel 102 hineinfließt oder diesen verlässt. Der Batterieruhezeitgeber 602 kann dann eine oder mehrere Zeitmessungssequenzen beginnen, um die Länge der Zeit zu bestimmen, in der der Batteriestapel 102 nicht verwendet wird. In einem derartigen Fall kann die Zeitmessungssequenz fortfahren, bis eine Anzeige von den Stromsensoren 504 empfangen wird, dass ein Strom detektiert worden ist. Der Batterieruhezeitgeber 602 verwendet die Zeitmessungssequenz, um einen oder mehrere Batterieruhewerte zu erzeugen, welche in einem Parameterspeicher 622 gespeichert werden können. Bei anderen Ausführungsformen kann der Batterieruhezeitgeber 602 die Batterieruhezeit unter Verwendung eines oder mehrerer Parameter bestimmen, die im Parameterspeicher 622 gespeichert sind. Beispielsweise kann der Parameterspeicher 622 Parameter enthalten, die er von anderen elektronischen Systemen 634 empfangen hat, welche den Laufzustand des Fahrzeugs anzeigen (z.B. das Fahrzeug befindet sich im Leerlauf, das Fahrzeug ist ausgeschaltet, das Fahrzeug bewegt sich usw.). Bei einem anderen Beispiel kann der Parameterspeicher 622 eine Anzeige von der Zündung des Fahrzeugs 100 über die Schnittstelle 518 jedes Mal dann empfangen, wenn das Fahrzeug 100 ausgeschaltet oder gestartet wird, und er kann einen oder mehrere Parameter mit Bezug auf diese Ereignisse speichern.
Ein SOC-Generator 604 empfängt Spannungs-, Strom- und Temperaturdaten von der Schnittstelle 516 und verwendet diese, um SOC-Werte 608 zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsformen verwendet der SOC-Generator 604 eine spannungsbasierte Strategie zur Erzeugung der SOC-Werte 608 unter Verwendung einer oder mehrerer Spannungs-SOC-Kennlinien, die im Parameterspeicher 622 gespeichert sind. Beispielsweise können Spannungs-SOC-Kennlinien in Abhängigkeit vom Betrag der Ruhezeit einer Batterie, von der Temperatur der Batterie, vom Ladezustand der Batterie (z.B. Aufladen oder Entladen) usw. variieren. Unterschiedliche Spannungs-SOC-Kennlinien können im Parameterspeicher 622 gespeichert sein und vom SOC-Generator 604 auf der Grundlage der Sensordaten, die er von der Schnittstelle 516 empfangen hat, und eines Ruhezählers vom Ruhezeitgeber 602 geholt werden.
Der SOC-Generator 604 kann außerdem einen oberen und einen unteren Schwellenwert aus dem Parameterspeicher 622 holen, um den SOC des Batteriestapels 102 zu bewerten. Bei einigen Ausführungsformen können die oberen und unteren Schwellenwerte Referenzspannungswerte sein, die der SOC-Generator 604 mit Sensordaten vergleicht, welche die Leerlaufspannung des Batteriestapels 102 angeben. Bei einer anderen Ausführungsform können die oberen und unteren Schwellenwerte Referenz-SOC-Werte sein, die der SOC-Generator 604 mit berechneten SOC-Werten vergleicht. Bei beiden Ausführungsformen verwendet der SOC-Generator 604 die Schwellenwerte, um festzustellen, ob der SOC des Batteriestapels 102 über oder unter den Schwellenwerten liegt, da die Leerlaufspannung des Batteriestapels 102 und sein SOC miteinander in Beziehung stehen.
Wenn der SOC-Generator 604 feststellt, dass der SOC des Batteriestapels 102 unter einem unteren Schwellenwert oder über einem oberen Schwellenwert liegt, kann er außerdem verifizieren, dass die Ruhezeit, die er vom Ruhezeitgeber 602 empfängt, auch über einem Zeitschwellenwert liegt, der im Parameterspeicher 622 gespeichert ist. Bei einigen Ausführungsformen speichert der Parameterspeicher 622 einen oder mehrere Ruhezeitschwellenwerte. Beispielsweise kann der Zeitbetrag, der zum Minimieren der Auswirkungen der Diffusion auf die SOC-Schätzung für den Batteriestapel 102 notwendig ist, mit der Temperatur variieren. In diesem Fall kann der SOC-Generator 604 die Sensordaten, die er von der Schnittstelle 516 empfangen hat, verwenden und sie verwenden, um einen Ruhezeitschwellenwert aus dem Parameterspeicher 622 zu holen.
Wenn die Ruhezeit vom Ruhezeitgeber 602 über dem geholten Ruhezeitschwellenwert liegt und der SOC über oder unter seinen entsprechenden Schwellenwerten liegt, kann der SOC-Generator 604 die Sensordaten, die er von der Schnittstelle 516 empfangen hat, verwenden, um SOC-Werte 608 für eine oder mehrere Zellen im Batteriestapel 102 zu erzeugen. Auf diese Weise können die SOC-Werte 608 einen Satz von SOC-Werten für die Zellen speichern, wenn der SOC des Batteriestapels 102 niedrig ist, und einen weiteren Satz von SOC-Werten für die Zellen, wenn der SOC des Batteriestapels 102 hoch ist. Bei einer Ausführungsform kann der SOC-Generator 604 außerdem eine Anzeige an den Ladungszähler 606 liefern, dass der SOC des Batteriestapels 102 über dem oberen Schwellenwert oder unter dem unteren Schwellenwert liegt.
Wenn der Ladungszähler 606 eine Anzeige vom SOC-Generator 604 empfängt, dass der SOC des Batteriestapels 102 unter dem unteren Schwellenwert liegt und feststellt, dass die Ruhezeit vom Ruhezeitgeber 602 über einem Ruhezeitschwellenwert liegt, der im Parameterspeicher 622 gespeichert ist, kann sich der Ladungszähler 606 initialisieren und mit einem Ladungszählen beginnen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Ladungszähler Sensordaten von der Schnittstelle 516, die einen Strom des Batteriestapels 102 anzeigen, und Zeitinformationen vom Ruhezeitgeber 602 verwenden, um den Ladungszählerwert zu bestimmen. Wenn der Ladungszähler 606 eine Anzeige vom SOC-Generator 604 empfängt, dass der SOC des Batteriestapels 102 über dem oberen Schwellenwert liegt, kann er das Ladungszählen stoppen und den aktuellen Zählerwert als den Ladungszählerwert 610 speichern.
Eine Differenzbewertungsvorrichtung 612 kann eine Anzeige vom SOC-Generator 604 empfangen, dass der SOC des Batteriestapels 102 über dem oberen Schwellenwert liegt, und die SOC-Werte 608 verwenden, um SOC-Differenzwerte 614 zu erzeugen. Beispielsweise können die SOC-Werte 608 Sätze von SOC-Werten für die Zellen des Batteriestapels 102 enthalten, wo bei ein Satz dem entspricht, dass der Batteriestapel 102 einen SOC unter einem unteren Schwellenwert aufweist, und der andere Satz dem entspricht, dass der Batteriestapel 102 einen SOC über einem oberen Schwellenwert aufweist. Bei einigen Ausführungsformen sind die SOC-Differenzwerte 614 einfache Differenzen zwischen diesen Sätzen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Differenzbewertungsvorrichtung 612 eine Skalierung oder Gewichtung auf einen oder beide SOC-Werte anwenden.
Ein Zellenkapazitätsrechner 616 berechnet Zellenkapazitäten 626 unter Verwendung der SOC-Differenzwerte 614 und des Ladungszählerwerts 610. Bei einigen Ausführungsformen dividiert der Zellenkapazitätsrechner den Ladungszählerwert 610 durch die SOC-Differenzwerte 614, um Zellenkapazitäten 626 zu berechnen. Bei einigen Ausführungsformen können die Zellenkapazitäten 626 über die Schnittstelle 518 an eine Anzeige 630, an Schnittstellenvorrichtungen (z.B. eine Anzeige mit berührungsempfindlichem Bildschirm, einen Lautsprecher oder dergleichen) oder an andere elektronische Systeme (z.B. andere Controller, ein entferntes Computersystem oder dergleichen) geliefert werden. Die Zellenkapazitäten 626 können auch von dem Prozessor 519 verwendet werden, um über die Anzeige 630, die Schnittstellenvorrichtungen 632 oder die elektronischen Systeme 634 an einen Fahrer gelieferte SOC-Schätzungen zu korrigieren. Bei anderen Ausführungsformen können die Zellenkapazitäten 626 auch an den Prozessor 519, um eine Zellenkapazitätsverteilung über einen Teil des oder den gesamten Batteriestapel 102 hinweg zu bestimmen, oder an eine Zellenausgleichsvorrichtung 624 zur Verwendung beim Zellenausgleich geliefert werden. Bei noch anderen Ausführungsformen kann der Zellenkapazitätsrechner 616 ferner ausgestaltet sein, um eine Zellenkapazitätsverteilung über den gesamten Batteriestapel hinweg unter Verwendung der Zellenkapazitäten 626 zu bestimmen.
Bei einigen Ausführungsformen kann der Zellenkapazitätsrechner 616 außerdem die Zellenkapazitäten 626 verwenden, um einen Schätzwert für die Gesamtkapazität des Batteriestapels 102 zu bestimmen. Im Allgemeinen ist die Stapelkapazität immer geringer oder gleich der kleinsten Zellenkapazität. Der Zellenkapazitätsrechner 616 kann diese Beziehung und die Verteilung der Werte in den Zellenkapazitäten 626 verwenden, um die Gesamtkapazität des Batteriestapels 102 zu schätzen.
Eine Kapazitätsfehlerbewertungsvorrichtung 618 verwendet die SOC-Werte 608, die Differenzwerte 614, den Ladungszählerwert 610 und Sensordaten von der Schnittstelle 516, um Zellenkapazitäts-Fehlerwerte 620 zu erzeugen. Obwohl die Genauigkeit der Zellenkapazitäten 626 durch das Berechnen der zugrunde liegenden SOC-Werte 608, wenn der SOC des Batteriestapels 102 über oder unter Schwellenwerten liegt, verbessert werden kann, können immer noch Fehlerquellen für die einzelnen Zellen übrig bleiben. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kapazitätsfehlerbewertungsvorrichtung 618 Zellenkapazitäts-Fehlerwerte 620 unter Verwendung der folgenden Berechnung berechnen: $c e l l_c a p_e r r o r_{i} = \frac{Q_{c h r g}}{Δ S O C_{i}^{2}} * \frac{d S O C}{d V_{O C}} * Δ V_{O C}$
wobei cell_cap_error_i der Zellenkapazitäts-Fehlerwert für die i-te Zelle ist, Q_chrg der Ladungszählerwert für den Batteriestapel ist, ΔSOC_i der Differenzwert für die i-te Zelle ist, SOC der Ladezustand des Batteriestapels ist, Voc die Leerlaufspannung des Batteriestapels 102 ist und ΔV_OC ein Fehlerwert ist, der dem Spannungssensor zugeordnet ist, der die Voc misst (z.B. seine Toleranz usw.).
Bei einigen Ausführungsformen können die Kapazitätsfehlerwerte 620 einen Bereich relativ zu den Zellenkapazitäten 626 bereitstellen. Eine spezielle Zelle im Batteriestapel 102 kann beispielsweise eine tatsächliche Zellenkapazität innerhalb eines Bereichs aufweisen, der durch ihre Zellenkapazität in den Zellenkapazitäten 626 und den Fehlerbereich definiert ist, der durch ihre Fehlerwerte in den Zellenkapazitäts-Fehlerwerten 620 definiert ist. Bei einigen Ausführungsformen kann die Kapazitätsfehlerbewertungsvorrichtung 618 auch die Zellenkapazitäts-Fehlerwerte 620 verwenden, um diejenigen Zellen zu identifizieren, welche die niedrigsten Zellenkapazitäten aufweisen (z.B. diejenigen Zellen mit den kleinsten Zellenkapazitäts-Fehlerwerten) .
Die Zellenausgleichsvorrichtung 624 führt einen Zellenausgleich durch, eine Technik, welche das Fließen eines Zellenausgleichsstroms an die einzelnen Zellen des Batteriestapels 102 regelt. Der Zellenausgleich kann das Fließen eines Zellenausgleichsstroms an die und von den einzelnen Zellen regeln, um die Verwendung der Zellen durch das Fahrzeug 100 gleichmäßiger zu verteilen. Da die Zellen im Batteriestapel 102 beispielsweise altern, können sich ihre einzelnen Kapazitäten unterscheiden. Die Zellenausgleichsvorrichtung 624 kann die Zellenkapazitäten 626 und/oder die Zellenkapazitäts-Fehlerwerte 620 verwenden, um festzustellen, welche Zellen aufgeladen oder entladen werden sollen, die Menge an Ladung oder Entladung, und wie lange die Zellen aufgeladen oder entladen werden sollen. Bei einer Ausführungsform kann die Zellenausgleichsvorrichtung 624 den Zellenausgleich durchführen, um sicherzustellen, dass eine spezielle Zelle die niedrigste Spannung aufweist, wenn der SOC des Stapels niedrig ist, und die höchste Spannung, wenn der SOC des Stapels hoch ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Zellenausgleichsvorrichtung 624 einen Zellenausgleich durchführen, um einen oder mehrere Fehlerwerte in den Zellenkapazitäts-Fehlerwerten 620 zu minimieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die Zellenausgleichsvorrichtung 624 außerdem Diagnosefunktionen durchführen, indem sie feststellt, welche Zellenkapazitäten 626 defekt sind (z.B. über oder unter einem gegebenen Schwellenwert), und eine Anzeige dieser Feststellung an das Fahrzeugsteuermodul 522, an die Anzeige 630, an Schnittstellenvorrichtungen 632 und/oder an andere elektronische Systeme 634 liefert.
Der Parameterspeicher 622 kann eine beliebige Anzahl von benutzer- oder systemdefinierten Parametern enthalten, welche die Funktionen des Batteriesteuermoduls 524 überschreiben oder steuern. Beispielsweise kann ein Parameter Parameter enthalten, die steuern, wie oft die Zellenkapazitäten 626 berechnet werden, wie die Zellenkapazitäten 626 für Diagnosefunktionen verwendet werden, oder wie ein Zellenausgleich von der Zellenausgleichsvorrichtung 624 durchgeführt wird.
Mit Bezug nun auf 7 ist ein Verfahren 700 zum Aufladen eines Fahrzeugbatteriestapels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt. Das Verfahren 700 kann in Verbindung mit dem Verfahren 300 verwendet werden, um Zellenkapazitätswerte als Teil des Aufladeprozesses zu bestimmen.
Bei Schritt 702 wird festgestellt, ob ein Ladestecker angeschlossen ist. Das Fahrzeug 100 kann beispielsweise auch einen Ladestecker aufweisen, um die Ladung im Batteriestapel 102 unter Verwendung einer Haushalts- oder Industriesteckdose zu ergänzen. Das Batteriesteuermodul 524 kann ein Signal von den Spannungssensoren 502 oder den Stromsensoren 504 empfangen, dass Leistung über den Ladestecker an den Batteriestapel 102 geliefert wird. Wenn festgestellt wird, dass der Ladestecker nicht angeschlossen ist, kann ein weiteres Verarbeiten des Verfahrens 700 bis zu einem Zeitpunkt verschoben werden, bei dem ein Stecker angeschlossen ist. Wenn jedoch ein Stecker angeschlossen ist, kann das Verfahren 700 zur weiteren Verarbeitung zu Schritt 704 weitergehen.
Bei Schritt 704 wird festgestellt, ob sich das Fahrzeug in einem Batteriekapazitätsmodus befindet. Ein Batteriekapazitätsmodus entspricht allgemein einer Anzeige, dass die zuvor bestimmte Kapazität des Batteriestapels aktualisiert werden sollte. Faktoren, die verwendet werden können, um festzustellen, ob sich ein Fahrzeug in einem Batteriekapazitätsmodus befindet, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf die Länge der Zeit seit der vorherigen Kapazitätsberechnung und den Grad der Genauigkeit der vorherigen Kapazitätsberechnung. Beispielsweise kann das Fahrzeug 100 durch das Batteriesteuermodul 524 in einen Batteriekapazitätsmodus versetzt werden, wenn die Zellenkapazitäten 624 zwei oder drei Wochen alt sind.
Wenn sich das Fahrzeug in einem Batteriekapazitätsmodus befindet, wird bei Schritt 706 festgestellt, ob der SOC des Batteriestapels unter einem unteren Schwellenwert liegt. Bei einigen Ausführungsformen kann dieser Schritt parallel oder in Verbindung mit Schritt 302 des Verfahrens 300 durchgeführt werden. Beispielsweise kann der SOC-Generator 604 Sensordaten, die über die Schnittstelle 516 empfangen wurden, und einen unteren Schwellenwert, der im Parameterspeicher 622 gespeichert ist, verwenden, um festzustellen, ob der SOC des Batteriestapels 102 unter dem Schwellenwert liegt. Da die Spannungs-SOC-Kennlinien für bestimmte Batterien schnell abfallen, wenn sich ihre SOC-Werte der Null nähern, verbessert die Verwendung eines unteren Schwellenwerts die Genauigkeit der Zellen-SOC-Schätzungen, die später verwendet werden, um die Kapazitätswerte zu bestimmen.
Wenn sich das Fahrzeug nicht in einem Batteriekapazitätsmodus befindet, wird bei Schritt 708 festgestellt, ob ein oder mehrere Parameter zum Erzwingen eines Batteriekapazitätsmodus existieren. Die Parameter können von einer Anwenderschnittstellenvorrichtung, einem entfernten Computersystem oder einer beliebigen anderen elektronischen Vorrichtung bereitgestellt sein, die ermöglicht, dass derartige Parameter an das Batteriesteuermodul eines Fahrzeugs gesandt werden. Beispielsweise kann das Batteriesteuermodul 524 einen Parameter von den Schnittstellenvorrichtungen 632 empfangen (z.B. einer Anzeige mit berührungsempfindlichem Bildschirm, einer Maus usw.), und den Parameter im Parameterspeicher 622 speichern.
Wenn sich bei Schritt 716 das Fahrzeug nicht in einem Batteriekapazitätsmodus befindet und ein Parameter nicht erzwingt, dass es sich in einem befinden muss, kann der Batteriestapel normal aufgeladen werden, d.h. ohne Zellenkapazitäten zu bestimmen. Ein beliebiges Standardaufladeverfahren kann verwendet werden, wenn Zellenkapazitäten nicht bestimmt werden.
Wenn bei Schritt 710 ein oder mehrere Parameter anzeigen, dass ein Batteriekapazitätsmodus eingeleitet werden soll, kann der Batteriestapel entladen werden, bis sein SOC unter einem unteren Schwellenwert liegt, um die Genauigkeit der SOC-Messwerte für die Zellen sicherzustellen. Beispielsweise kann die Zellenausgleichsvorrichtung 624 zusätzlich ausgestaltet sein, um eine beliebige Anzahl von Zellen oder Modulen des Batteriestapels 102 zu entladen. Bei einigen Ausführungsformen kann die entladene Energie in einer Niederspannungsbatterie gespeichert werden und während des nächsten Aufladezyklus zurück an den Batteriestapel 102 geliefert werden. Bei anderen Ausführungsformen kann die entladene Energie zur thermischen Bearbeitung des Batteriestapels 102 verwendet werden.
Wenn sich das Fahrzeug bei Schritt 712 in einem Batteriekapazitätsmodus befindet und der SOC seines Batteriestapels unter einem unteren Schwellenwert liegt, kann der Batteriestapel mit einer bestimmten Menge an Ampere und mit einem angegebenen Amperestundendurchsatz aufgeladen werden. Da Spannungs-SOC-Kennlinienkurven eine Hysterese zeigen (beispielsweise unterscheidet sich die Spannungs-SOC-Kennlinienkurve für Aufladen und Entladen), ermöglicht das Steuern des Stroms und des Durchsatzes an den Batteriestapel, dass die entsprechende Spannungs-SOC-Kennlinie gewählt wird. Beispielsweise kann der Parameterspeicher 622 unterschiedliche Spannungs-SOC-Kennlinien speichern, die vom SOC-Generator 504 auf der Grundlage dessen gewählt werden können, wie der Batteriestapel 102 aufgeladen wird. Schritt 712 ermöglicht, dass der Batteriestapel 102 aufgeladen wird, bis eine bevorzugte Region der gewählten Spannungs-SOC-Kennlinie erreicht ist.
Sobald die Batterie bei Schritt 714 bis zu einem gewünschten Punkt auf der Spannungs-SOC-Kennlinienkurve aufgeladen worden ist, kann das Aufladen der Batterie für eine angegebene Ruhezeit angehalten werden. Das Ermöglichen, dass sich der Batteriestapel in einem Ruhezustand befindet (z.B. kein Aufladen oder Entladen), minimiert dynamische Spannungseffekte, die durch Diffusion verursacht werden. Der notwendige Ruhezeitbetrag ist batteriespezifisch und hängt von der Zellenchemie (z.B. deren Diffusionskonstanten usw.) und deren Temperaturen ab. Wenn das Verfahren 700 beispielsweise in Verbindung mit dem Verfahren 300 durchgeführt wird, kann der SOC-Generator 604 Zellenchemieinformationen aus dem Parameterspeicher 622 und Temperaturdaten von Temperatursensoren 506 holen, um einen geeigneten Ruhezeitschwellenwert zu bestimmen.
Bei einigen Ausführungsformen wird das Verfahren 300 nach dem Schritt 714 durchgeführt, um Zellenkapazitätswerte zum Verringern potentieller Fehlerquellen zu bestimmen. Bei anderen Ausführungsformen kann das Verfahren 300 in Verbindung mit anderen Auflade- oder Entladeverfahren anstelle von oder zusätzlich zu dem Aufladeverfahren 700 durchgeführt werden.
Viele Modifikationen und Variationen von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind im Licht der vorstehenden Beschreibung möglich. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der verschiedenen Systeme und Verfahren können allein stehend oder in einer beliebigen Kombination daraus verwendet werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Obwohl die Beschreibung und die Figuren in einer speziellen Reihenfolge von Schritten gezeigt sein können, versteht es sich, dass andere Reihenfolgen der Schritte in der vorliegenden Offenbarung ebenfalls in Betracht gezogen sind. Auf ähnliche Weise können ein oder mehrere Schritte gleichzeitig oder teilweise gleichzeitig durchgeführt werden.
Die verschiedenen Arbeitsweisen der Verfahren und Systeme in der vorliegenden Offenbarung können unter Verwendung einer oder mehrerer Verarbeitungsschaltungen bewerkstelligt werden. Beispielsweise kann eine Verarbeitungsschaltung ein ASIC, ein Prozessor für eine spezielle Verwendung oder ein beliebiger existierender Computerprozessor sein. Ein oder mehrere Schritte oder Funktionen in der vorliegenden Offenbarung können auch unter Verwendung nicht vorübergehender maschinenlesbarer Anweisungen und Datenstrukturen, die in maschinenlesbaren Medien gespeichert sind, bewerkstelligt werden. Derartige Medien können beispielsweise eine Diskette, eine CD-ROM, eine DVD-ROM, ein RAM, ein EEPROM, einen Flashspeicher oder ein beliebiges anderes Medium umfassen, das zum Speichern der maschinenausführbaren Anweisungen und Datenstrukturen in der Lage ist und auf das von einem Computer oder einer anderen elektronischen Vorrichtung mit einer Verarbeitungsschaltung zugegriffen werden kann.

Claims

Verfahren (300) zur Bestimmung von Zellenkapazitätswerten (CapCelli) für einen Fahrzeugbatteriestapel (102), das umfasst, dass: bei einem Prozessor (519) Sensordaten empfangen werden, welche die Spannung des Stapels (102), einen oder mehrere Ströme des Stapels (102) und Spannungen einer Vielzahl von Zellen (532) im Stapel (102) anzeigen; ein erster Satz von Ladezustandswerten (CellSOClow_i) für die Vielzahl von Zellen (532) unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Sensordaten bestimmt wird, wenn der Ladezustand des Stapels (102) unter einem unteren Schwellenwert liegt, unterhalb dem eine Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind; ein zweiter Satz von Ladezustandswerten (CellSOChi_i) für die Vielzahl von Zellen unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Sensordaten bestimmt wird, wenn der Ladezustand des Stapels (102) über einem oberen Schwellenwert liegt, über dem die Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind; ein Ladungszählerwert für den Stapel (102) unter Verwendung der Sensordaten bestimmt wird, wobei der Ladungszähler (Q) gestartet wird, wenn der Ladezustand des Stapels (102) unter dem unteren Schwellenwert liegt; und wobei der Ladungszähler (Q) gestoppt wird, wenn der Ladezustand des Stapels (102) über dem oberen Schwellenwert liegt; unter Verwendung der Differenzen zwischen den Ladezustandswerten (CellSOChi_i - CellSOClow_i) in den ersten und zweiten Sätzen Differenzwerte (ΔSOC_i) erzeugt werden; Zellenkapazitätswerte (CapCelli) durch Dividieren des Ladungszählerwerts (Q) durch die Differenzwerte (ΔSOC_i) berechnet werden; und die Zellenkapazitätswerte (CapCelli) in einem Speicher gespeichert werden.
Verfahren (300) nach Anspruch 1, wobei die Schritte nur durchgeführt werden, wenn eine Ruhezeit für den Stapel (102) über einem Zeitschwellenwert liegt.
Verfahren (300) nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: von dem Prozessor (519) eine Zellenkapazitätsverteilung über den gesamten Stapel (102) hinweg unter Verwendung der Zellenkapazitätswerte (CapCelli) bestimmt wird.
Verfahren (300) nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: der Stapel (102) entladen wird, bis der Ladezustand unter dem unteren Schwellenwert liegt; und die entladene Energie in einer Niederspannungsbatterie gespeichert wird.
Verfahren (300) nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: die Zellenkapazitätswerte (CapCelli) verwendet werden, um festzustellen, welche Zelle den niedrigsten Zellenkapazitätswert aufweist; und der niedrigste Zellenkapazitätswert verwendet wird, um die Kapazität des Stapels (102) zu schätzen.
Fahrzeugcontroller (104), umfassend: eine Schnittstelle (516), die ausgestaltet ist, um Sensordaten von einer Vielzahl von Spannungs- und Stromsensoren (502, 504) zu empfangen, wobei die Sensordaten die Spannung des Stapels (102), den Strom des Stapels (102) und die Spannungen einer Vielzahl von Zellen (532) in dem Stapel (102) angeben; einen spannungsbasierten Ladezustandsgenerator (604), der ausgestaltet ist, um einen Ladezustandswert für den Stapel (102), einen ersten Satz von Ladezustandswerten (CellSOClow_i) für die Vielzahl von Zellen (532), wenn der Ladezustand des Stapels (102) unter einem unteren Schwellenwert liegt, unterhalb dem eine Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind, und einen zweiten Satz von Ladezustandswerten (CellSOChi_i) für die Vielzahl von Zellen (532), wenn der Ladezustand des Batteriestapels (102) über einem oberen Schwellenwert liegt, über dem die Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind, zu erzeugen; einen Ladungszähler (Q), der ausgestaltet ist, um einen Ladungszählerwert für den Batteriestapel (102) unter Verwendung der Sensordaten zu bestimmen, wobei der Ladungszähler (Q) gestartet wird, wenn der Ladezustand des Batteriestapels (102) unter dem unteren Schwellenwert liegt, und wobei der Ladungszähler (Q) gestoppt wird, wenn der Ladezustand des Batteriestapels (102) über dem oberen Schwellenwert liegt; einen Ruhezeitgeber (602), der ausgestaltet ist, um eine Ruhezeit für den Batteriestapel (102) zu bestimmen; eine Differenzbewertungsvorrichtung (612), die ausgestaltet ist, um Differenzwerte (ΔSOC_i) unter Verwendung der Differenzen zwischen den Ladezustandswerten (CellSOChi_i - CellSOClow_i) in den ersten und zweiten Sätzen zu erzeugen; und einen Zellenkapazitätsrechner (616), der ausgestaltet ist, um Zellenkapazitätswerte (CapCelli) durch Dividieren des Ladungszählerwerts durch die Differenzwerte (ΔSOC_i) zu berechnen.
Controller (104) nach Anspruch 6, wobei die Verarbeitungsschaltung (104) ferner eine Zellenausgleichsvorrichtung (624) umfasst, die ausgestaltet ist, um den Stromfluss an die Vielzahl von Zellen (532) zu regeln, wobei der Strombetrag, der an jede Zelle (532) fließt, unter Verwendung der Zellenkapazitätswerte (CapCelli) bestimmt wird.
Controller (104) nach Anspruch 6, wobei der spannungsbasierte Ladezustandsgenerator (604) die Ruhezeit vom Ruhezeitgeber (602) empfängt und Ladezustandswerte nur erzeugt, wenn die Ruhezeit über einem Ruhezeitschwellenwert liegt, und wobei der Ruhezeitschwellenwert unter Verwendung der Diffusionszeitkonstante des Stapels (102) bestimmt wird.
System zur Bestimmung von Zellenkapazitätswerten (CapCelli) für einen Fahrzeugbatteriestapel (102), umfassend: einen Fahrzeugbatteriestapel (102), der eine Vielzahl von Zellen (532) umfasst; Spannungssensoren (502), die ausgestaltet sind, um die Spannung des Stapels (102) und der Zellen (532) zu messen; Stromsensoren (504), die ausgestaltet sind, um die Ströme in den Stapel (102) hinein und aus diesem heraus zu messen; und eine Verarbeitungsschaltung (104), die umfasst eine Schnittstelle (516), die Spannungsdaten von den Spannungssensoren (502) und Stromdaten von den Stromsensoren (504) empfängt, einen Prozessor (519), und einen Speicher (520), der mit dem Prozessor (519) gekoppelt ist, wobei der Speicher (520) ausführbare Anweisungen speichert, die, wenn sie von dem Prozessor (519) ausgeführt werden, veranlassen, dass der Prozessor (519): einen ersten Satz von Ladezustandswerten (Cell-SOClow_i) für die Vielzahl von Zellen (532) unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Spannungsdaten, die gemessen werden, wenn der Ladezustand des Stapels (102) unter einem unteren Schwellenwert liegt, unterhalb dem eine Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind, bestimmt, einen zweiten Satz von Ladezustandswerten (Cell-SOChi_i) für die Vielzahl von Zellen (532) unter Anwendung einer spannungsbasierten Strategie auf die Sensordaten auf die Spannungsdaten, die gemessen werden, wenn der Ladezustand des Stapels (102) über einem oberen Schwellenwert liegt, über dem die Spannungs-Ladezustand-Kennlinie einen steilen Verlauf aufweist, sodass Auswirkungen einer Unsicherheit einer tatsächlichen Spannung auf eine Ladezustandsschätzung minimiert sind, bestimmt, einen Ladungszählerwert unter Verwendung der Stromdaten bestimmt, Zellenkapazitätswerte (CapCelli) unter Verwendung des Ladungszählerwerts und des ersten und zweiten Satzes von Ladezustandswerten (CellSOClow_i, Cell-SOClow_i) berechnet, und die Zellenkapazitätswerte (CapCelli) im Speicher (520) speichert.
System nach Anspruch 9, wobei die Anweisungen ferner veranlassen, dass der Prozessor (519) den Stromfluss an die Vielzahl von Zellen (532) regelt, wobei der Strombetrag, der an jede Zelle (532) fließt, unter Verwendung der Zellenkapazitätswerte (CapCelli) bestimmt wird.