DE102013220015A1

DE102013220015A1 - Verfahren und System zum Schätzen der Batteriekapazität in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102013220015A1
Application number: DE102013220015.3A
Authority: DE
Inventors: James C. Gibbs
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-10-12
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2014-04-17
Also published as: CN103823186B; US9182449B2; US20140103933A1; CN103823186A

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zum Schätzen der Kapazität eines Batterieelements in einem Fahrzeug bereitgestellt, etwa einem Hybridelektrofahrzeug. Bei einer Ausführungsform stellt das Verfahren fest, ob eine oder mehrere Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind (z. B. Bedingungen, die die Batterietemperatur oder den Batterieladezustand betreffen) und berechnet den Innenwiderstand des Batterieelements. Wenn die Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind, verwendet das Verfahren den berechneten Innenwiderstand, um die Kapazität des Batterieelements zu schätzen. Ein entsprechendes Batteriesystem wird ebenfalls bereitgestellt, welches ein Batterieelement, einen oder mehrere Batteriesensoren und ein Steuerungsmodul, das ausgestaltet ist, um das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen, umfasst.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Fahrzeugbatterien und insbesondere Verfahren und Systeme zum Schätzen der Kapazität eines Batterieelements in einem Fahrzeug, etwa in einem Hybridelektrofahrzeug.
HINTERGRUND
Bei Hybridelektrofahrzeugen kann es von Vorteil sein, über einen genauen Schätzwert der Batteriekapazität zu verfügen. Die Batteriekapazität kann beispielsweise als eine Eingabe in andere Algorithmen verwendet werden, etwa diejenigen, die zum Bestimmen des Batterieladezustands (SOC), zum Ausgleichen von Zellen innerhalb des Batteriestapels oder zum Bestimmen der Reichweite eines Hybridelektrofahrzeugs verwendet werden, um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen.
Ein herkömmlicher Weg zum Schätzen der Batteriekapazität besteht darin, die bekannte Kapazität der Batterie im Neuzustand zu verwenden, verschiedene verwendungsbezogene Parameter wie etwa die Gesamtladungsmenge, die in die Batterie hinein und/oder aus dieser heraus geflossen ist, seit sie neu war, nachzuverfolgen und dann die Verschlechterung der Batteriekapazität im Lauf der Zeit auf der Grundlage dieses Verlaufs zu schätzen. Techniken wie diese, die den Verlauf verwenden, können jedoch hinsichtlich der Genauigkeit, der Robustheit, der Kosteneffektivität usw. nicht wünschenswert sein.
Zum Beispiel können derartige Techniken zu ziemlich groben Schätzwerten führen, denen das für bestimmte Zwecke benötigte Genauigkeitsniveau fehlt, etwa für Schätzungen der Fahrzeugreichweite. Außerdem sind diese Techniktypen nicht immer robust, weil ein Verlust der historischen Verwendungsdaten dazu führen kann, dass das System nicht in der Lage ist, die Batteriekapazität genau zu berechnen. Es wird ein Fahrzeugwartungsereignis in Betracht gezogen, bei dem ein Batteriesteuerungsmodul, das die historischen Verwendungsdaten enthält, ausgefallen ist und ausgetauscht werden muss. Unter normalen Umständen wird das neue Austauschmodul nicht über die historischen Verwendungsdaten von dem vorherigen defekten Modul verfügen und wird daher nicht in der Lage sein, genaue Batteriekapazitätsschätzwerte zu erzeugen. Eine ähnliche Situation kann auftreten, wenn nur der Batteriestapel oder ein Teil des Batteriestapels ausgetauscht wird, nicht aber das Batteriesteuerungsmodul; auch dies führt zu einem Szenario, bei dem die historischen Verwendungsdaten nicht dem tatsächlichen Batteriestapel entsprechen, der überwacht wird. In Anbetracht dessen werden Batteriestapel und Steuerungsmodule oftmals gemeinsam ausgetauscht, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu vermeiden, was aber zu zusätzlichen Kosten führt.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Schätzen der Kapazität eines Batterieelements in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, dass: (a) festgestellt wird, ob eine oder mehrere Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind; (b) der Innenwiderstand des Batterieelements berechnet wird; und (c) wenn die Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind, der berechnete Innenwiderstand des Batterieelements verwendet wird, um die Kapazität des Batterieelements zu schätzen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Schätzen der Kapazität eines Batterieelements in einem Fahrzeug bereitgestellt. Das Verfahren kann die Schritte umfassen, dass: (a) der Innenwiderstand des Batterieelements berechnet wird; (b) ein oder mehrere Werte für einen oder mehrere batteriebezogene Parameter, die das Batterieelement betreffen, beschafft werden; und (c) der berechnete Innenwiderstand des Batterieelements und der eine oder die mehreren beschafften batteriebezogenen Parameterwerte verwendet werden, um die Kapazität des Batterieelements zu schätzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Batteriesystem für ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Batteriesystem kann umfassen: ein Batterieelement; einen oder mehrere Batteriesensoren, die ausgestaltet sind, um elektrische Parameter des Batterieelements zu detektieren; und ein Steuerungsmodul, das mit dem einen oder den mehreren Batteriesensoren elektrisch gekoppelt ist. Das Steuerungsmodul ist ausgestaltet, um: (a) festzustellen, ob eine oder mehrere Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind; (b) den Innenwiderstand des Batterieelements unter Verwendung der detektierten elektrischen Parameter des Batterieelements zu berechnen; und (c) wenn die eine oder die mehreren Schwellenbedingungen erfüllt worden sind, die Kapazität des Batterieelements auf der Grundlage des berechneten Innenwiderstands des Batterieelements zu schätzen.
ZEICHNUNGEN
Bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen werden hier nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente und wobei:
1 eine schematische Zeichnung eines beispielhaften Hybridelektrofahrzeugs ist;
2 ein schematisches Blockdiagramm eines Teils eines beispielhaften Fahrzeugbatteriestapels ist, der eine Anzahl einzelner Batteriezellen aufweist und in einer Anzahl verschiedener Fahrzeuge verwendet werden kann, etwa demjenigen, das in 1 dargestellt ist;
3 ein Flussdiagramm ist, das einige der Schritte eines beispielhaften Verfahrens zum Schätzen der Kapazität zeigt und mit einem Batterieelement verwendet werden kann, etwa dem Batteriestapel, der in 2 dargestellt ist; und
4 eine graphische Darstellung ist, welche die lineare Beziehung zwischen dem Innenwiderstand und der Kapazität eines Batteriestapels unter bestimmten batteriebezogenen Bedingungen darstellt.
BESCHREIBUNG
Das Verfahren und das System, die hier beschrieben sind, können verwendet werden, um die Kapazität eines Batterieelements (z. B. eines gesamten Batteriestapels, eines Teils eines Batteriestapels, einer Gruppe von Zellen in einem Batteriestapel, einer einzelnen Zelle usw.) in einem Fahrzeug zu schätzen oder auf andere Weise zu bestimmen. Die Batteriekapazität bezeichnet allgemein die Menge an elektrischer Ladung, die ein Batterieelement speichern oder liefern kann, und wird manchmal mithilfe der maximalen elektrischen Ladung (Amperestunden) ausgedrückt, welche das Batterieelement unter einem speziellen Satz von Bedingungen an eine Last liefern kann. Der Fachmann wird feststellen, dass das Verfügen über einen genauen Schätzwert der Batteriekapazität für bestimmte Funktionen oder Merkmale in einem Fahrzeug, etwa einem Hybridelektrofahrzeug, nützlich sein kann. Beispielsweise kann ein Reichweitenschätzwert für das Fahrzeug durch die Genauigkeit eines Batteriekapazitätswerts beeinflusst werden, und dies ist allgemein der Typ von Schätzwert, der ein hohes Genauigkeitsniveau benötigt. Zellenausgleichsalgorithmen sind ein weiteres Beispiel für eine Funktion, die sich auf Batteriekapazitätsschätzwerte stützt und fordert, dass diese ein benötigtes Genauigkeitsniveau aufweisen. Selbstverständlich existieren andere derartige Funktionen und Merkmale.
Der Darstellung und der Klarheit halber ist die folgende Beschreibung allgemein auf eine Ausführungsform gerichtet, bei der das Batterieelement ein gesamter Batteriestapel ist. Daher ist die Kapazität, die geschätzt wird, diejenige des gesamten Batteriestapels. Es ist jedoch festzustellen, dass das vorliegende Verfahren und System nicht darauf beschrankt sind, da diese auch verwendet werden können, um die Kapazität anderer Batterieelemente zu schätzen, etwa einer Region oder eines Teils des Batteriestapels, einer Gruppe von Zellen innerhalb des Batteriestapels, einer einzelnen Zelle, oder eines anderen Batterieelements. Folglich verbleiben diese Ausführungsformen, die das Schätzen der Kapazität von anderen Batterieelementen als eines gesamten oder umfassenden Batteriestapels betreffen, im Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung. Bei einer beispielhaften Ausführungsform berechnen, schätzen und/oder bestimmen das System und das Verfahren auf andere Weise einen Innenwiderstand des Batteriestapels und verwenden den Innenwiderstand dann, um die Kapazität des Batteriestapels zu schätzen.
Mit Bezug auf 1 sind einige der Komponenten eines beispielhaften Hybridelektrofahrzeugs 10 gezeigt, mit welchem das vorliegende Verfahren und System verwendet werden können. Obwohl die folgende Beschreibung im Kontext des speziellen in 1 dargestellten Hybridelektrofahrzeugs 10 bereitgestellt wird, ist festzustellen, dass dieses Fahrzeug nur beispielhaft ist und dass andere Fahrzeuge selbstverständlich stattdessen verwendet werden können. Zum Beispiel können das hier beschriebene Verfahren und System mit einem beliebigen Typ von Fahrzeug verwendet werden, das einen Hochspannungs-Batteriestapel aufweist, einschließlich eines Hybridelektrofahrzeugs (HEV), eines Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeugs (PHEV), eines Elektrofahrzeugs mit erhöhter Reichweite (EREV), oder eines Batterieelektrofahrzeugs (BEV), um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Fahrzeug 10 allgemein ein Fahrzeugbatteriesystem 12, einen Elektromotor 14, einen Wechselrichter/Umsetzer 16, eine Kraftmaschine 18, einen Generator 20 und ein Steuerungsmodul 22.
1 und 2 veranschaulichen Teile eines beispielhaften Fahrzeugbatteriesystems 12, das eine Batterie 23, einen Batteriestapel 24, ein Batteriesteuerungsmodul 30 und Batteriesensoren 32 enthält. Die Batterie 23 kann elektrische Energie zum Fahrzeugvortrieb und/oder zum Erfüllen anderer elektrischer Bedürfnisse des Fahrzeugs speichern, wie zum Beispiel die Bedürfnisse von Leistungsanwendungen des Fahrzeugs. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält die Batterie 23 einen Hochspannungs-Batteriestapel 24 (z. B. 40 V–600 V) mit einer Anzahl einzelner Batteriezellen 26 (d. h. 26 ₁, 26 ₂ ... 26 _N) und einer Anzahl von Zellenblöcken 28 (d. h. 28 ₁, 28 ₂ ... 28 _N). Der Batteriestapel 24 enthält eine Ansammlung einzelner Batteriezellen 26, die in Reihe, parallel oder in einer Kombination aus beiden verbunden sein können, um eine gewünschte Spannung, Stromstärke, Kapazität, Leistungsdichte und/oder andere Leistungskennlinien zu liefern. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel sind drei Batteriezellen 26 ₁–26 ₃ parallel verdrahtet, um einen Zellenblock 28 ₁ zu bilden. Auf ähnliche Weise bilden Batteriezellen 26 ₄–26 ₆ einen Zellenblock 28 ₂, Batteriezellen 26 ₇–26 ₉ bilden einen Zellenblock 28 ₃ und so weiter. Die Zellenblöcke 28 ₁–28 ₃ wiederum sind in Reihe verdrahtet, um Teile des Batteriestapels 24 zu bilden. 2 veranschaulicht nur eine mögliche Ausführungsform des Batteriestapels 24, da andere Anordnungen, Verbindungen und/oder Ausführungsformen ebenfalls möglich sind. Beispielsweise können mehr oder weniger als drei Batteriezellen einen Zellenblock bilden, oder die Zellenblöcke können durch eine Kombination aus parallelen und seriellen Verbindungen miteinander verdrahtet sein, statt ausschließlich in Reihe miteinander verdrahtet zu sein.
Das Batteriesystem 12 kann entweder ein Leistungs-Batteriesystem oder ein Energie-Batteriesystem sein. Bei einer Ausführungsform, bei der das Batteriesystem ein Leistungs-Batteriesystem ist, wird der Batteriestapel 24 für Anwendungen verwendet, die als ”Leistungsanwendungen” bekannt sind und die allgemein diejenigen Funktionen und Anwendungen umfassen, bei denen der Batteriestapel hauptsächlich für kurze Leistungsschübe oder Leistungsimpulse in den Batteriestapel hinein oder aus diesem heraus verwendet wird. Einige Beispiele, bei denen ein kurzer Leistungsschub oder Leistungsimpuls vom Batteriestapel bereitgestellt wird, umfassen Fahrzeugstartereignisse, Getriebeschaltvorgänge, kurze Situationen mit weit geöffneter Drosselklappe usw. Beispiele, bei denen ein kurzer Leistungsschub oder Leistungsimpuls an den Batteriestapel geliefert wird, umfassen Fälle, wenn ein Motor verwendet wird, um die Kraftmaschine zu dämpfen oder schnell zu verlangsamen oder bei regenerativen Bremsereignissen – diese Ereignisse erzeugen Energie, die irgendwo hin transportiert werden muss. Allgemein gesprochen werden Leistungs-Batteriesysteme verwendet, um die elektrischen Bedürfnisse des Fahrzeugs zu ergänzen und werden in der Regel nicht für Zyklen mit langfristiger Ladung und Entladung verwendet, wie diejenigen, die bei einem anhaltenden Fahrzeugvortrieb auftreten, die zu großen Schwankungen beim Ladezustand (SOC) führen (z. B. Schwankungen größer als 30%).
Alternativ wird bei einer Ausführungsform, in der das Batteriesystem 12 ein Energie-Batteriesystem ist, der Batteriestapel 24 häufig für Anwendungen verwendet, die langfristige Lade- und Entladezyklen aufweisen und sehr viel Energie aus dem Batteriestapel benötigen. Ein Beispiel für eine ”Energieanwendung” betrifft den langfristigen oder anhaltenden Fahrzeugvortrieb, bei dem der Batteriestapel erhebliche Energiemengen zum Antreiben eines oder mehrerer Elektromotoren bereitstellt, welche wiederum ein Hybridelektrofahrzeug (HEV) oder ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) vorantreiben. Diese Arten von Energieanwendungen nutzen vorteilhafterweise gewöhnlich eine viel größere SOC-Schwankung im Batteriestapel. Obwohl das Verfahren und das System, die hier beschrieben sind, mit einer beliebigen Anzahl verschiedener Batteriesysteme verwendet werden können, die sowohl Leistungs- als auch Energie-Batteriesysteme umfassen, sind das Verfahren und das System besonders gut zur Verwendung mit einem Nicht-Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeug geeignet, das ein Leistungs-Batteriesystem enthält.
Unabhängig davon, ob das Batteriesystem 12 ein Leistungs-Batteriesystem, ein Energie-Batteriesystem oder eine andere Art von System enthält, kann der Batteriestapel 24 eine beliebige geeignete Batteriechemie verwenden, einschließlich derjenigen, die auf den folgenden Technologien beruhen: Lithium-Ionen, Nickelmetallhydrid (NiMH), Nickel-Cadmium (NiCd), Natriumnickelchlorid (NaNiCl) oder eine andere Batterietechnologie. Gemäß einem Beispiel enthält der Batteriestapel 24 eine Anzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen. Der Batteriestapel 24 sollte so entworfen sein, dass er wiederholte Lade- und Entladezyklen aushält, und er kann in Verbindung mit anderen Energiespeichervorrichtungen wie etwa Kondensatoren, Superkondensatoren, Induktivitäten usw. verwendet werden. Der Fachmann wird feststellen, dass die Fahrzeugbatteriestapel gemäß einer beliebigen Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein können, in einer beliebigen Anzahl unterschiedlicher Konfigurationen verbunden sein können und eine beliebige Anzahl verschiedener Teilkomponenten enthalten können, etwa Sensoren, Steuerungseinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die in der Technik bekannt sind.
Das Batteriesteuerungsmodul 30 kann eine beliebige Vielfalt an elektronischen Verarbeitungsvorrichtungen, Arbeitsspeicher- oder Massenspeichervorrichtungen, Eingabe/Ausgabe-Vorrichtungen (E/A-Vorrichtungen) und beliebigen anderen bekannten Komponenten enthalten und es kann verschiedene Funktionen bezüglich der Steuerung, Überwachung und/oder Kommunikation durchführen. Beispielsweise kann das Batteriesteuerungsmodul 30 Sensorsignale von verschiedenen Batteriesensoren 32 empfangen und diese Signale im Bemühen, einen oder mehrere Aspekte des Batteriesystems 12 zu steuern oder zu überwachen, bewerten, analysieren und/oder verarbeiten. Bei einem Beispiel empfängt das Batteriesteuerungsmodul 30 die Sensorsignale von den Batteriesensoren 32 und verpackt sie in eine Sensormeldung, und sendet die Meldung dann an ein Steuerungsmodul 30 oder eine andere Vorrichtung über eine geeignete Verbindung, etwa einen CAN-Bus, einen Systemmanagementbus (SM-Bus), eine proprietäre Kommunikationskopplung usw. Es ist möglich, dass das Batteriesteuerungsmodul 30 Batteriesensorlesewerte aufnimmt und diese zusammen mit sachdienlichen Batteriekennlinien und Hintergrundinformationen, welche die Chemie der Batteriezellen, die Zellenkapazität, obere und untere Batteriespannungsgrenzen, Batteriestromgrenzen, Batterietemperaturgrenzen, Temperaturprofile, eine Batterieimpedanz, die Anzahl oder den Verlauf von Lade/Entladeereignissen usw. betreffen, in einem lokalen Speicher speichert. Zudem ist das Batteriesteuerungsmodul 30 bei einer beispielhaften Ausführungsform ausgestaltet, um einen oder mehrere Schritte des vorliegenden Verfahrens, das nachstehend in größerem Detail beschrieben ist, aus- oder durchzuführen. Es ist festzustellen, dass das Batteriesteuerungsmodul 30 ein eigenständiges elektronisches Modul sein kann, es in einem anderen elektronischen Modul im Fahrzeug eingebaut oder enthalten sein kann (z. B. dem Steuerungsmodul 22), es Teil eines größeren Netzwerks oder Systems sein kann, es innerhalb des Fahrzeugbatteriestapels 24 angeordnet sein kann oder sich außerhalb des Batteriestapels 24 befinden kann, um ein paar Möglichkeiten zu erwähnen. Das Batteriesteuerungsmodul 30 ist nicht auf die schematische Darstellung begrenzt, die in 1 gezeigt und vorstehend beschrieben ist. Bei einer Ausführungsform enthält das Batteriesteuerungsmodul 30 ein oder mehrere Batteriesensoren 32.
Die Batteriesensoren 32 können eine beliebige Vielfalt von verschiedenen Erfassungskomponenten oder Elementen enthalten und können eine Vielfalt von Parametern oder Bedingungen mit Bezug auf die Batterie überwachen, etwa die Spannung, den Strom, den SOC, einen Funktionszustand (SOH), die Temperatur des Batteriestapels usw. Die Batteriesensoren 32 können Sensoren enthalten, die in das Batteriesystem 12 oder den Batteriestapel 24 eingebaut sind (z. B. eine intelligente oder smarte Batterie), extern außerhalb des Batteriesystems 12 oder Stapels 24 angeordnet sind oder gemäß einer anderen bekannten Anordnung bereitgestellt sind. Die Batteriesensoren 32 können Parameter oder Bedingungen mit Bezug auf die Batterie überwachen, erfassen, detektieren, messen oder auf andere Weise bestimmen, auf der Basis von Zelle zu Zelle, als Mittelwert einer Ansammlung oder eines Blocks von Zellen oder einer Region des Batteriestapels 24, als Mittelwert des gesamten Batteriestapels 24 oder gemäß einem anderen auf dem Gebiet bekannten Verfahren. Bei einer beispielhaften Ausführungsform enthalten die Batteriesensoren 32 einen oder mehrere Spannungssensoren (z. B. die Sensoren 34–40) zum Erfassen von Spannungen von einzelnen Batteriezellen oder Zellenblöcken, einen Spannungssensor 42 zum Erfassen der Gesamtspannung über dem Batteriestapel 24, einen Stromsensor 44 zum Erfassen eines Stromflusses durch den Batteriestapel 24 hindurch, einen oder mehrere Temperatursensoren (z. B. die Sensoren 46–50) zum Erfassen oder Detektieren der Temperatur des Batteriestapels 24 und eine beliebige Anzahl anderer Sensoren, die auf dem Gebiet bekannt sind. Die Sensoren 34–50 können mit dem Batteriesteuerungsmodul 30, dem Steuerungsmodul 22 und/oder mit einer beliebigen anderen geeigneten Vorrichtung elektrisch verbunden sein (z. B. durch eine drahtgebundene Verbindung oder drahtlos) und zur Kommunikation damit ausgestaltet sein.
Der Elektromotor 14 kann elektrische Energie verwenden, die im Fahrzeugbatteriestapel 24 gespeichert ist, um ein oder mehrere Fahrzeugräder anzutreiben, was wiederum das Fahrzeug vorantreibt. Obwohl 1 den Elektromotor 14 auf schematische Weise als eine einzelne diskrete Vorrichtung darstellt, kann der Elektromotor mit einem Generator kombiniert sein (ein sogenannter ”Mogen”) oder er kann mehrere Elektromotoren umfassen (z. B. separate Motoren für die Vorder- und Hinterräder, separate Motoren für jedes Rad, separate Motoren für verschiedene Funktionen usw.) um ein paar Möglichkeiten aufzuzählen. Das Fahrzeug 10 ist nicht auf irgendeinen speziellen Typ von Elektromotor begrenzt, da viele verschiedene Motortypen, Größen, Technologien usw. verwendet werden können. Bei einem Beispiel enthält der Elektromotor 14 einen Wechselstrommotor (z. B. einen mehrphasigen Induktionsmotor usw.), sowie einen Generator, der beim regenerativen Bremsen verwendet werden kann. Der Elektromotor 14 kann gemäß einer beliebigen Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein (z. B. Wechselstrom- oder Gleichstrommotoren, Motoren mit Bürsten oder bürstenlose Motoren, Permanentmagnetmotoren usw.), er kann in einer beliebigen Anzahl verschiedener Konfigurationen verbunden sein und er kann eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Komponenten enthalten, etwa Kühlmerkmale, Sensoren, Steuerungseinheiten und/oder beliebige andere Komponenten, die auf dem Gebiet bekannt sind.
Der Wechselrichter/Umsetzer 16 kann als Zwischenglied zwischen dem Fahrzeugbatteriesystem 12 und dem Elektromotor 14 dienen, da diese zwei Vorrichtungen oft so konstruiert sind, dass sie in Übereinstimmung mit unterschiedlichen Betriebsparametern funktionieren. Beim Fahrzeugvortrieb beispielsweise kann der Wechselrichter/Umsetzer 16 die Spannung vom Batteriesystem 12 hochtransformieren und den Strom von Gleichstrom in Wechselstrom umsetzen, um den Elektromotor 14 anzutreiben, während der Wechselrichter/Umsetzer beim regenerativen Bremsen die von einem Bremsereignis erzeugte Spannung niedertransformieren kann und den Strom von Wechselstrom in Gleichstrom umsetzen kann, sodass er vom Batteriesystem korrekt gespeichert werden kann. In gewissem Sinn managed der Wechselrichter/Umsetzer 16, wie diese verschiedenen Betriebsparameter (d. h. Wechselstrom gegenüber Gleichstrom, verschiedene Spannungspegel usw.) zusammenarbeiten. Der Wechselrichter/Umsetzer 16 kann einen Wechselrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstorm, einen Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, einen Aufwärtswandler oder Transformator zum Erhöhen der Spannung, einen Abwärtswandler oder Transformator zum Verringern der Spannung, andere geeignete Energiemanagementkomponenten oder eine Kombination daraus enthalten. Bei der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind Wechselrichter/Umsetzereinheiten in eine einzige bidirektionale Vorrichtung eingebaut; jedoch sind andere Ausführungsformen selbstverständlich möglich. Es ist zu erkennen, dass der Wechselrichter/Umsetzer 16 gemäß einer beliebigen Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein kann (z. B. mit separaten Wechselrichter- und Umsetzereinheiten, bidirektional oder unidirektional usw.), in einer beliebigen Anzahl verschiedener Konfigurationen verbunden sein kann und eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Komponenten enthalten kann, etwa Kühlsysteme, Sensoren, Steuerungseinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die auf dem Gebiet bekannt sind.
Die Kraftmaschine 18 kann den Generator 20 unter Verwendung herkömmlicher Brennkraftmaschinentechniken antreiben und sie kann einen beliebigen geeigneten Kraftmaschinentyp, der auf dem Gebiet bekannt ist, umfassen. Einige Beispiele für geeignete Kraftmaschinen umfassen Benzinkraftmaschinen, Die selkraftmaschinen, Ethanolkraftmaschinen, Kraftmaschinen mit flexiblem Kraftstoff, selbstansaugende Kraftmaschinen, turbogeladene Kraftmaschinen, Kraftmaschinen mit Superlader, Drehkraftmaschinen, Kraftmaschinen mit Otto-Zyklus, Atkins-Zyklus und Miller-Zyklus sowie einen beliebigen anderen geeigneten Kraftmaschinentyp, der auf dem Gebiet bekannt ist. Gemäß der hier gezeigten speziellen Ausführungsform ist die Kraftmaschine 18 eine kleine kraftstoffsparende Kraftmaschine (z. B. eine turbogeladene Kraftmaschine mit vier Zylindern und kleinem Hubraum), die ihre mechanische Ausgabe verwendet, um den Generator 20 zu drehen. Der Fachmann wird feststellen, dass die Kraftmaschine 18 gemäß einer beliebigen Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein kann, in einer beliebigen Anzahl verschiedener Konfigurationen verbunden sein kann (beispielsweise kann die Kraftmaschine 18 Teil eines parallelen Hybridsystems sein, bei dem die Kraftmaschine auch mit den Fahrzeugrädern mechanisch gekoppelt ist, statt nur zum Erzeugen von Elektrizität verwendet zu werden) und eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Komponenten enthalten kann, wie Sensoren, Steuerungseinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die auf dem Gebiet bekannt sind.
Der Generator 20 ist mit der Kraftmaschine 18 mechanisch gekoppelt, sodass die mechanische Ausgabe der Kraftmaschine bewirkt, dass der Generator elektrische Energie erzeugt, die an das Fahrzeugbatteriesystem 12, den Elektromotor 14 oder an beide geliefert werden kann. Es soll erwähnt werden, dass der Generator 20 gemäß einer beliebigen Anzahl verschiedener Ausführungsformen bereitgestellt sein kann (z. B. können der Generator des Motors 14 und der Generator 20 zu einer einzigen Einheit kombiniert sein), er in einer beliebigen Anzahl verschiedener Konfigurationen verbunden sein kann und eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Komponenten enthalten kann, etwa Sensoren, Steuerungseinheiten und/oder beliebige andere geeignete Komponenten, die auf dem Gebiet bekannt sind. Der Generator 20 ist nicht auf irgendeinen speziellen Generatortyp oder eine spezielle Generatorausführungsform begrenzt.
Das Steuerungsmodul 22 kann verwendet werden, um bestimmte Operationen oder Funktionen des Fahrzeugs 10 und/oder einer oder mehrerer Komponenten oder Module desselben (z. B. das Batteriesystem 12) zu steuern, zu verwalten oder auf andere Weise zu managen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Steuerungsmodul 22 eine Verarbeitungsvorrichtung 52 und eine Speichervorrichtung 54. Die Verarbeitungsvorrichtung 52 kann einen beliebigen Typ eines geeigneten elektronischen Prozessors enthalten (z. B. einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), usw.), der Anweisungen für Software, Firmware, Programme, Algorithmen, Skripten usw. ausführt. Dieser Prozessor ist nicht auf irgendeinen Typ von Komponente oder Vorrichtung begrenzt. Die Speichervorrichtung 54 kann einen beliebigen Typ eines geeigneten elektronischen Speichermittels enthalten und kann eine Vielfalt von Daten und Informationen speichern. Diese umfassen beispielsweise: erfasste Bedingungen bezüglich der Batterie; Werte von batteriebezogenen Parametern; Nachschlagetabellen und andere Datenstrukturen; Software, Firmware, Programme, Algorithmen, Skripten und andere elektronische Anweisungen; Komponentenkennlinien und Hintergrundinformationen usw. Das vorliegende Verfahren – sowie beliebige andere elektronische Anweisungen und/oder Informationen, die für diese Aufgaben benötigt werden – können ebenfalls in der Speichervorrichtung 54 gespeichert oder auf andere Weise mitgeführt sein, sodass das Steuerungsmodul 22 ausgestaltet sein kann, um einen oder mehrere Schritte des Verfahrens durchzuführen, das nachstehend in größerem Detail beschrieben ist. Das Steuerungsmodul 22 kann mit anderen Fahrzeugvorrichtungen und Modulen (z. B. dem Batterie steuerungsmodul 30) über E/A-Vorrichtungen und geeignete Verbindungen, etwa einen Kommunikationsbus, elektronisch verbunden sein, sodass sie nach Bedarf interagieren können. Dies sind selbstverständlich nur einige der möglichen Anordnungen, Funktionen und Fähigkeiten des Steuerungsmoduls 22, da andere selbstverständlich möglich sind. In Abhängigkeit von der speziellen Ausführungsform kann das Steuerungsmodul 22 ein eigenständiges elektronisches Modul sein (z. B. ein Fahrzeugintegrations-Steuerungsmodul (VICM), ein Antriebs-Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (TPIM), ein Batterie-Gleichrichter/Wechselrichter-Modul (BPIM) usw.), es kann in ein anderes elektronisches Modul im Fahrzeug eingebaut oder darin enthalten sein (z. B. ein Antriebsstrangsteuerungsmodul, ein Kraftmaschinensteuerungsmodul, ein Hybridsteuerungsmodul, das Batteriesteuerungsmodul 30 usw.), oder es kann Teil eines größeren Netzwerks oder Systems sein (z. B. eines Batteriemanagementsystems (BMS), eines Fahrzeugenergiemanagementsystems usw.), um ein paar Möglichkeiten zu erwähnen.
Wieder sind die vorstehende Beschreibung des beispielhaften Hybridelektrofahrzeugs 10 und die Zeichnung in 1 nur zur Veranschaulichung einer möglichen Fahrzeuganordnung gedacht, und um dies auf allgemeine Weise durchzuführen. Eine beliebige Anzahl anderer Fahrzeuganordnungen und Architekturen, welche diejenigen umfassen, die sich von der in 1 gezeigten erheblich unterscheiden, kann stattdessen verwendet werden.
Mit Bezug auf 3 ist ein beispielhaftes Verfahren 100 zum Schätzen der Kapazität eines Batterieelements gezeigt, wie zum Beispiel und ohne Einschränkung eines Batteriestapels eines Batteriesystems (z. B. des Batteriestapels 24 des vorstehend beschriebenen Batteriesystems 12). Es ist festzustellen, dass, obwohl die nachstehende Beschreibung hauptsächlich mit Bezug auf die Verwendung des vorliegenden Verfahrens zum Schätzen der Kapazität eines Batterieelements, das einen Batteriestapel umfasst, erfolgt, die vorstehende Offenbarung nicht darauf beschränkt sein soll. Stattdessen wird der Fachmann feststellen, dass das vorliegende Verfahren verwendet werden kann, um die Kapazität einer beliebigen Anzahl anderer Batterieelemente zu schätzen, wie zum Beispiel eines Teil eines Batteriestapels, eines Blocks von Zellen in einem Batteriestapel oder einer einzelnen Zelle in einem Batteriestapel. Folglich ist die vorliegende Offenbarung nicht auf irgendeinen speziellen Typ von Batterieelement begrenzt.
Das Verfahren 100 kann verschiedene Lesewerte, Bedingungen, Parameter, Informationen, Vergleiche, Berechnungen usw. verwenden, um die Kapazität eines Batteriestapels zu schätzen. Zum Beispiel kann das Verfahren einen oder mehrere Werte von einem oder mehreren elektrischen Parametern eines Batteriestapels verwenden, für welche eine Korrelation mit einer Batteriestapelkapazität hergestellt werden kann. Bei einer derartigen Ausführungsform und wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, kann das Verfahren einen oder mehrere Werte des bzw. der relevanten elektrischen Parameter in Verbindung mit der entsprechenden Korrelation zwischen dem oder den Parametern und der Batteriestapelkapazität verwenden, um die Kapazität des Batteriestapels zu schätzen. Unter der Voraussetzung, dass eine Korrelation existiert, kann das Verfahren alternativ umfassen, dass der bzw. die Parameterwerte getrennt von der Korrelation verwendet werden (z. B. kann der bzw. können die Parameterwerte in eine Gleichung oder einen Algorithmus zum Schätzen der Batteriestapelkapazität eingegeben werden).
Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der elektrische Parameter, der von dem Verfahren verwendet wird, der Innenwiderstand des Batteriestapels. Insbesondere wurde festgestellt, dass unter einer oder mehrerer Bedingungen mit Bezug auf die Batterie, wie zum Beispiel der Temperatur des Batteriestapels, des Ladezustands des Batteriestapels, des Stroms, der durch den Batteriestapel hindurch fließt, der Stapelgesamtspannung usw. zwischen dem Innenwiderstand eines Batteriestapels und der Kapazität dieses Batteriestapels eine Korrelation hergestellt werden kann. Folglich verwendet das Verfahren bei einer beispielhaften Ausführungsform und wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, den Innenwiderstand eines Batteriestapels, um die Kapazität dieses Batteriestapels zu schätzen. Insbesondere kann das Verfahren den Innenwiderstand eines Batteriestapels und die festgelegte Korrelation zwischen dem Innenwiderstand und der Kapazität verwenden, um die Kapazität des Batteriestapels zu schätzen. Alternativ kann das Verfahren den Innenwiderstand eines Batteriestapels getrennt von der Korrelation verwenden (z. B. kann der Wert des Innenwiderstands in eine Gleichung oder einen Algorithmus zur Batteriestapelschätzung eingegeben werden).
Bei einer Ausführungsform, in der der Innenwiderstand eines Batteriestapels verwendet wird, um die Batteriestapelkapazität zu schätzen, kann die Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität auf eine Anzahl von Weisen festgestellt oder hergestellt werden. Beispielsweise kann die Korrelation auf der Grundlage einer Beziehung bestimmt werden, die zwischen dem Batteriestapelinnenwiderstand und der Kapazität existiert, wenn bestimmte batteriebezogene Bedingungen erfüllt sind. Zum Beispiel und mit Bezug auf 4 wurde durch Labortests und empirische Daten, die daraus resultieren, herausgefunden, dass unter bestimmten batteriebezogenen Bedingungen, nämlich, dass die Temperatur des Batteriestapels 4°C (40°F) überschreitet und der Ladezustand des Batteriestapels in den Bereich von 35–65% fällt und für Batteriestapel, die bestimmte Batteriechemien aufweisen (z. B. Lithium-Ionen), eine lineare Beziehung zwischen dem Innenwiderstand und der Kapazität eines Batteriestapels existiert (d. h. die Veränderung beim Innenwiderstand steht in einer linearen Beziehung zu der Veränderung bei der Batteriestapelkapazität). Daher kann eine lineare Regressionstechnik verwendet werden, um eine beliebige Anzahl von Innenwiderstandswerten von Batteriestapeln, welche die geeigneten Batteriechemien aufweisen, mit entsprechenden Kapazitätsgrößen zu korrelieren. Diese Korrelation kann dann verwendet werden, um eine Kapazitätsgröße für einen Batteriestapel zu schätzen, der die geeignete Chemie aufweist und für welchen der Innenwiderstand berechnet wird, wenn geeignete batteriebezogene Bedingungen erfüllt sind.
Folglich kann unter Verwendung empirischer Daten für eine oder mehrere batteriebezogene Bedingungen festgestellt werden, ob eine Beziehung zwischen Innenwiderstand und Kapazität existiert, und wenn dem so ist, kann diese Beziehung verwendet werden, um Innenwiderstandswerte, die unter diesen speziellen batteriebezogenen Bedingungen berechnet werden, mit entsprechenden Kapazitätsgrößen zu korrelieren. Wie vorstehend beschrieben wurde und wie nachstehend in größerem Detail beschrieben wird, kann diese Korrelation dann verwendet werden, um die Kapazität eines Batteriestapels, der die geeignete Batteriechemie aufweist, für einen beliebigen gegebenen Innenwiderstand zu schätzen, der unter dieser oder diesen speziellen batteriebezogenen Bedingungen berechnet wurde.
Selbst wenn für bestimmte batteriebezogene Bedingungen oder Kombinationen von Bedingungen keine Beziehung zwischen Innenwiderstand und Kapazität existiert, kann alternativ dennoch für diese batteriebezogenen Bedingungen eine Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität hergestellt werden, vorausgesetzt, dass genügend empirische Daten gesammelt worden sind. Insbesondere kann für Batteriestapel mit bestimmten Chemien eine Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität rein durch Labortests (im Gegensatz zur Verwendung von Labortests und einer existierenden Beziehung (z. B. einer linearen Beziehung)) hergestellt werden, indem Kapazitätsgrößen bestimmt werden, die einer beliebigen Anzahl von Innenwiderständen entsprechen, die unter diesen speziellen batteriebezogenen Bedingungen berechnet wurden. Diese Korrelation kann dann wie vorstehend beschrieben verwendet werden, um die Kapazität eines Batteriestapels zu schätzen, der die geeignete Chemie aufweist, wenn ein Innenwiderstand, der unter dieser oder diesen batteriebezogenen Bedingungen berechnet wird, einer derjenigen ist, für welche eine Kapazitätsgröße beim Testen bestimmt wurde. Im Hinblick auf das Vorstehende ist daher festzustellen, dass eine Korrelation zwischen Innenwiderstand und Batteriestapelkapazität auf eine Anzahl von Weisen bestimmt werden kann.
Da wie vorstehend beschrieben der Batteriestapel-Innenwiderstand mit der Batteriestapelkapazität korreliert werden kann, wird folglich bei einer beispielhaften Ausführungsform der Innenwiderstand eines Batteriestapels verwendet, um die Kapazität des Batteriestapels zu schätzen. Da bei einer derartigen Ausführungsform die Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität von einer oder mehreren batteriebezogenen Bedingungen abhängt, umfasst das Verfahren 100 bei einer Ausführungsform wie etwa derjenigen, die in 3 dargestellt ist, einen Schritt 102 des Bewertens einer oder mehrerer vorläufiger oder batteriebezogener Schwellenwertbedingungen. Der Bewertungsschritt 102 kann eine Anzahl von Teilschritten umfassen.
Zum Beispiel kann Schritt 102 einen Teilschritt 104 zum Beschaffen eines oder mehrerer Werte für einen oder mehrere batteriebezogene Parameter umfassen, die den batteriebezogenen Bedingungen, die bewertet werden, entsprechen. Diese batteriebezogenen Parameter können beispielsweise und ohne Einschränkung die Temperatur des Batteriestapels, den Ladezustand des Batteriestapels, den Strom, der durch den Batteriestapel fließt, die Gesamtspannung des Batteriestapels usw. umfassen. Wenn folglich eine der Bedingungen, die bewertet werden, die Temperatur des Batteriestapels betrifft, umfasst Teilschritt 104, dass ein Wert der Temperatur des Batteriestapels beschafft wird. Wenn auf ähnliche Weise eine der Bedingungen den Ladezustand des Batteriestapels betrifft, umfasst Teilschritt 104, dass die Größe des Ladezustands des Batteriestapels beschafft wird. Unabhängig vom Parameter können dessen Werte auf eine Anzahl von Weisen beschafft werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der bzw. können die Werte unter Verwendung eines oder mehrerer Sensoren beschafft werden, wie z. B. der vorstehend beschriebenen Sensoren 32. Bei einer derartigen Ausführungsform ist der Sensor bzw. sind die Sensoren betreibbar, um Werte der interessierenden batteriebezogenen Parameter zu erfassen, zu messen oder zu detektieren, oder von Parametern, die verwendet werden können, um Werte oder Größen von einem oder mehreren interessierenden batteriebezogenen Parametern zu berechnen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Sensor bzw. sind die Sensoren mit der Komponente elektrisch verbunden, die zum Bewerten der interessierenden batteriebezogenen Bedingung(en) ausgestaltet ist (z. B. das Batteriesteuerungsmodul 30, das Steuerungsmodul 22 usw. des Fahrzeugs 10). Bei einer derartigen Ausführungsform kann folglich die Komponente, die ausgestaltet ist, um den Bewertungsschritt 102 durchzuführen, ausgestaltet sein, um den bzw. die Werte der interessierenden batteriebezogenen Parameter direkt von dem bzw. den Sensoren zu beschaffen.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann der bzw. können die Werte der interessierenden Parameter aus einer oder mehreren Arbeitsspeicher- oder anderen Massenspeichervorrichtungen von Komponenten, mit denen der Sensor bzw. die Sensoren elektrisch verbunden ist bzw. sind, oder die ausgestaltet sind, um Werte der batteriebezogenen Parameter zu speichern, die von dem bzw. den Sensoren erfasst, gemessen oder detektiert wurden, beschafft werden. Beispielsweise kann bei einer beispielhaften Ausführungsform der Wert bzw. können die Werte der interessierenden Parameter aus dem Speicher 54 des Steuerungsmoduls 22, einem Speicher des Batteriesteuerungsmoduls 30 oder einer beliebigen anderen geeigneten Arbeitsspeicher- oder Massenspeichervorrichtung beschafft werden, die Teil der Komponente ist, welche den Bewertungsschritt 102 durchführt, oder für diese zugänglich ist. Wenn bei einer derartigen Ausführungsform die Komponente, deren Speicher den bzw. die Parameterwerte enthält, die gerade beschafft werden, nicht die Komponente ist, welche diesen oder diese Werte beschafft, ist die beschaffende Komponente mit der anderen Komponente elektrisch verbunden und zur Kommunikation mit dieser ausgestaltet, um die Beschaffung des bzw. der Parameterwerte zu ermöglichen.
Sobald der bzw. die Werte der interessierenden batteriebezogenen Parameter beschafft ist bzw. sind, umfasst der Bewertungsschritt 102 bei einer beispielhaften Ausführungsform einen Teilschritt 106 der Verarbeitung des bzw. der beschafften Werte, um festzustellen, ob ein oder mehrere vorläufige oder batteriebezogene Schwellenwertbedingungen erfüllt sind. Ein Zweck zur Feststellung, ob die vorläufige(n) oder Schwellenwertbedingung(en) erfüllt ist bzw. sind, besteht darin, festzustellen, ob eine festgelegte Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität existiert, die bei einer beispielhaften Ausführungsform verwendet werden kann, um die Batteriekapazität zu schätzen.
Insbesondere und wie vorstehend beschrieben wurde, kann unter bestimmten Bedingungen eine Korrelation zwischen dem Innenwiderstand und der Kapazität eines Batteriestapels hergestellt werden. Wenn folglich diese Bedingungen erfüllt sind, kann ein beliebiger Innenwiderstand, der unter diesen Bedingungen berechnet wird, mit einer entsprechenden Kapazitätsgröße korreliert werden. Wenn bei einer beispielhaften Ausführungsform die vorbestimmten Bedingungen erfüllt sind, kann daher das Verfahren 100 zu den nachstehend beschriebenen Schritten weitergehen. Wenn im Gegensatz dazu jedoch diese Bedingung(en) nicht erfüllt ist bzw. sind, kann die Korrelation auf der Grundlage dieser Bedingung(en) nicht verwendet werden und folglich wird das Verfahren 100 nicht zu den nachstehend beschriebenen Schritten weitergehen. Stattdessen wird das Verfahren 100 bei einer beispielhaften Ausführungsform stoppen oder zu Schritt 102 und insbesondere zu dem Teilschritt 104 desselben zurückkehren, wobei Schritt 102 wiederholt wird.
Es wurde beispielsweise festgestellt, dass bei Lithium-Ionen-Batterien eine lineare Beziehung zwischen dem Innenwiderstand und der Kapazität eines Batteriestapels besteht, wenn die Temperatur des Batteriestapels eine vorbestimmte Minimaltemperatur überschreitet (z. B. 4°C (40°F)) und der Ladezustand des Batteriestapels in einem vorbestimmten Bereich liegt (z. B. 35–65%). Entsprechend umfasst bei einer beispielhaften Ausführungsform der Teilschritt 104 des Beschaffens eines oder mehrerer Werte für bestimmte batteriebezogene Parameter das Beschaffen eines Werts der Temperatur des Batteriestapels (z. B. das Messen der Temperatur mit einem oder mehreren Temperatursensoren 46–50) und das Beschaffen (z. B. Bestimmen) eines Werts des Ladezustands des Batteriestapels. Teilschritt 106 umfasst dann, dass die beschafften Temperatur- und Ladezustandswerte verarbeitet werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst dies, dass der beschaffte Temperaturwert mit einem vorbestimmten minimalen Temperaturschwellenwert (d. h. 4°C (40°F)) verglichen wird und dass der beschaffte Ladezustandswert mit einem vorbestimmten Ladezustandsbereich (d. h. 35–65%) verglichen wird. Auf der Grundlage dieser Vergleiche kann festgestellt werden, ob die Bedingungen erfüllt sind. Wenn festgestellt wird, dass diese zwei Bedingungen tatsächlich erfüllt sind, kann die Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität auf der Grundlage der linearen Beziehung zwischen Innenwiderstand und Kapazität verwendet werden, um die Batteriekapazität für einen gegebenen Innenwiderstand zu schätzen, der unter diesen speziellen Bedingungen berechnet wurde. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, wird das Verfahren 100 daher zu den nächsten Schritten weitergehen, die nachstehend beschrieben sind. Wenn andererseits festgestellt wird, dass die benötigten Bedingungen nicht erfüllt sind, wird das Verfahren nicht weiter voranschreiten.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst Teilschritt 106, statt dass festgestellt wird, ob bestimmte batteriebezogene Schwellenwertbedingungen oder vorläufige Bedingungen erfüllt sind und dann nur zu den nächsten Schritten des Verfahrens weiterzugehen, wenn diese Bedingungen erfüllt sind, dass, festgestellt wird, welche von mehreren Schwellenwertbedingungen oder vorläufigen batteriebezogenen Bedingungen erfüllt sind. Insbesondere kann wie vorstehend beschrieben eine Korrelation zwischen dem Innenwiderstand und der Kapazität einer Batterie, die eine bestimmte Batteriechemie aufweist, für eine beliebige Anzahl von Bedingungen hergestellt werden. Sobald festgestellt wurde, welche Bedingung oder Kombination aus Bedingungen erfüllt worden ist bzw. sind, kann folglich die geeignete Korrelation verwendet werden, um die Batteriekapazität für einen gegebenen Innenwiderstand, der unter diesen Bedingungen berechnet wird, zu schätzen. Wenn daher eine oder einige bestimmte von mehreren Schwellenwertbedingungen erfüllt sind, kann das Verfahren 100 zu den nächsten Schritten, die nachstehend beschrieben sind, vorrücken. Wenn andererseits keine der mehreren Schwellenwertbedingungen (oder nicht genügend von diesen Bedingungen) erfüllt sind, wird das Verfahren nicht weiter vorrücken.
Es wird beispielsweise angenommen, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform Korrelationen zwischen dem Innenwiderstand und der Kapazität für die folgenden Ladezustandsbereiche bestimmt worden sind: 25–45%; 46–65%; und 66–85%. Wenn bei einer derartigen Ausführungsform festgestellt wird, dass der Ladezustand der Batterie 50% beträgt, wird festgestellt, dass die zweite Bedingung erfüllt ist, aber die erste und dritte Bedingung nicht erfüllt sind. Folglich kann die Korrelation, die der zweiten Bedingung entspricht, verwendet werden, um die Batteriekapazität für einen gegebenen Innenwiderstand, der unter dieser Bedingung berechnet wurde, zu schätzen, und daher kann das Verfahren wie nachstehend beschrieben weitergehen. Wenn der Ladezustand jedoch außerhalb jedes dieser Bereiche fallen würde und daher keine dieser Bedingungen erfüllt ist, wird das Verfahren nicht weiter vorrücken, sondern es kann entweder stoppen oder zu Teilschritt 104 zurückkehren.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform können zusätzliche Schwellenwertbedingungen oder vorläufige Bedingungen, die nicht unbedingt mit batteriebezogenen Parametern in Beziehung stehen, in Verbindung mit den Bedingungen, die vorstehend beschrieben sind, verwendet werden. Zum Beispiel kann eine zusätzliche Schwellenwertbedingung sein, dass eine Wartungsanfrage zum Schätzen der Kapazität des Batteriestapels erfolgt ist. In einem solchen Fall wird die Kapazität des Batteriestapels erst geschätzt, wenn eine Wartungsanfrage, dies zu tun, empfangen worden ist. Eine weitere zusätzliche Schwellenwertbedingung kann sein, dass das Fahrzeug eine vorbestimmte Zeitspanne lang betrieben worden ist. In einem solchen Fall wird die Kapazität des Batteriestapels folglich erst geschätzt, wenn das Fahrzeug mindestens diese vorbestimmte Zeitspanne lang betrieben worden ist. Noch eine weitere Schwellenwertbedingung kann sein, dass der Batteriestapel eine spezielle Batteriechemie aufweist. In einem solchen Fall wird die Kapazität des Batteriestapels folglich erst geschätzt, wenn festgestellt wurde, dass der Batteriestapel diese spezielle Chemie aufweist. Es ist festzustellen, dass die vorstehend beschriebenen Bedingungen nur zu Beispielszwecken bereitgestellt wurden und nicht beabsichtigen, eine umfassende Liste von Schwellenwertbedingungen zu umfassen, die verwendet und/oder bewertet werden können. Folglich wird der Fachmann feststellen, dass Ausführungsformen, bei denen andere Schwellenwertbedingungen als die vorstehend beschriebenen oder zusätzlich zu diesen verwendet werden können, im Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung bleiben.
Teilschritt 106 kann von einer beliebigen Anzahl von Komponenten oder Modulen ausgeführt werden. Beispielsweise ist das Batteriesteuerungsmodul 30 bei einer beispielhaften Ausführungsform ausgestaltet, um den Verarbeitungsteilschritt 106 auszuführen. Alternativ wird Teilschritt 106 bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform vom Steuerungsmodul 22 oder einem anderen Modul des Fahrzeugs 10 ausgeführt. Es ist folglich festzustellen, dass eine beliebige Anzahl von Komponenten des Fahrzeugs 10 ausgestaltet sein kann, um Teilschritt 106 auszuführen.
Sobald festgestellt wurde, dass eine oder mehrere erforderliche Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind, oder festgestellt wurde, welche, wenn überhaupt, von mehreren Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind, umfasst das Verfahren 100 bei einer beispielhaften Ausführungsform ferner einen Schritt 108 des Berechnens des Innenwiderstands des Batteriestapels. Obwohl Schritt 108 bei einer beispielhaften Ausführungsform im Anschluss an Schritt 102 ausgeführt wird, wird Schritt 108 bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform vor Schritt 102 ausgeführt. Folglich ist die vorliegende Offenbarung nicht auf eine beliebige spezielle Reihenfolge oder Sequenz der Schritte 102 und 108 begrenzt. Der berechnete Innenwiderstand kann eine Anzahl von Formen annehmen und kann in einer Anzahl von Weisen berechnet werden.
Zum Beispiel kann der berechnete Innenwiderstand einen Echtzeit-Innenwiderstand des Batteriestapels, einen Innenwiderstands-Mittelwert des Batteriestapels oder einen anderen widerstandsbasierten Parameter umfassen. In jedem Fall und allgemein gesprochen kann der Innenwiderstand unter Verwendung von Werten von elektrischen Parametern des Batteriestapels berechnet werden, wie z. B. der Gesamtstapelspannung und des Stroms, der durch den Batteriestapel hindurch fließt, welche von Sensoren wie z. B. den Sensoren 32 und speziell dem Spannungssensor 42 und dem Stromsensor 44 erfasst, gemessen oder detektiert werden.
Die Berechnung des Innenwiderstands kann auf eine Anzahl von Weisen unter Verwendung einer Anzahl von Techniken ausgeführt werden. Eine derartige Technik, die nur zu Beispielszwecken bereitgestellt ist, ist diejenige, die in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 13/228,608, die am 9. September 2011 eingereicht wurde, beschrieben ist, wobei der gesamte Offenbarungsgehalt derselben durch Bezugnahme hier mit aufgenommen ist. Zusammengefasst aber werden in einem ersten Teilschritt 110 des Berechnungsschritts 108 Werte der Batteriestapelspannung und des Batteriestapelstroms bestimmt. Insbesondere misst ein Spannungssensor (z. B. der Spannungssensor 42) die Batteriestapelspannung, welche dem Gesamtspannungsabfall über den gesamten Batteriestapel hinweg entsprechen kann, und ein Stromsensor (z. B. der Stromsensor 44) misst den Strom, der durch den Batteriestapel hindurch fließt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden diese Messungen aufgrund von Spannungs- und Stromschwankungen im Batteriestapel auf synchrone Weise beschafft.
In einem zweiten Teilschritt 112 von Schritt 108 werden Justierungen oder Modifikationen an einem oder mehreren der Sensorlesewerte vorgenommen, die der Stapelspannung und dem Stapelstrom entsprechen, um Phänomene wie Hysterese und Polarisierung zu berücksichtigen. Eine beliebige geeignete Technik zum Entfernen der Effekte der Hysterese, Polarisierung oder beliebiger anderer nicht idealer Komponenten, welche die Sensorlesewerte oder Daten verfälschen können, kann verwendet werden, um diesen Teilschritt auszuführen.
Schließlich kann in einem dritten Teilschritt 114 von Schritt 108 ein oder können mehrere der Sensorlesewerte, die der Batteriestapelspannung und dem Batteriestapelstrom entsprechen, verwendet werden, um den Batteriestapel-Innenwiderstand zu bestimmen. Bei einer Ausführungsform umfasst dies eine der vorstehend beschriebenen Komponenten wie z. B. das Batteriesteuerungsmodul 30, das Steuerungsmodul 22 oder eine andere geeignete Komponente, die den Innenwiderstand berechnet oder schätzt, indem sie die Werte für die Batteriestapelspannung und den Batteriestapelstrom in den mathematischen Ausdruck für das Ohm'sche Gesetz (V = I·R) einsetzt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann diese Berechnung unter Verwendung von Regressionstechniken ausgeführt werden, die vorherige Werte für die Batteriestapelspannung und den Batteriestapelstrom einbeziehen (z. B. Werte oder Daten, die über eine vorbestimmte Zeitspanne hinweg gesammelt wurden).
Obwohl die vorstehend beschriebene Technik in relativem Detail beschrieben wurde, ist festzustellen, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf eine derartige Technik zum Berechnen des Innenwiderstandes begrenzt sein soll. Stattdessen kann eine beliebige Anzahl anderer Techniken zum Berechnen oder Bestimmen des Innenwiderstandswerts eines Batteriestapels anstelle der vorstehend beschriebenen Technik verwendet werden. Daher wird der Fachmann feststellen, dass Ausführungsformen des Verfahrens 100, bei denen der Innenwiderstand eines Batteriestapels unter Verwendung anderer Techniken als der vorstehend beschriebenen berechnet wird, im Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung bleiben. Außerdem ist festzustellen, wie vorstehend betont wurde, dass Schritt 108 von einer beliebigen Anzahl von Komponenten ausgeführt werden kann, wie z. B. dem Batteriesteuerungsmodul 30, dem Steuerungsmodul 22 oder von einem beliebigen anderen geeigneten Modul des Fahrzeugs 10.
Im Anschluss an die Berechnung des Innenwiderstands bei Schritt 108 umfasst das Verfahren 100 einen weiteren Schritt 116 zum Schätzen der Kapazität des Batteriestapels auf der Grundlage des Innenwiderstands, der bei Schritt 108 berechnet wurde.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst Schritt 116, dass der berechnete Innenwiderstandswert in eine Gleichung oder einen Algorithmus eingesetzt wird, wobei die Ausgabe derselben eine geschätzte Größe der Batteriekapazität ist. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform können Werte anderer batteriebezogener Parameter in eine Gleichung oder einen Algorithmus zusammen mit dem berechneten Innenwiderstandswert eingesetzt werden. Da beispielsweise die Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität von einer oder mehreren vorbestimmten batteriebezogenen Bedingungen abhängt, kann Schritt 116 umfassen, dass Werte des bzw. der batteriebezogenen Parameter(s), die dieser bzw. diesen batteriebezogenen Bedingung(en) entsprechen, zusätzlich zu dem berechneten Innenwiderstandswert in die Gleichung oder den Algorithmus eingesetzt werden.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform umfasst Schritt 116, statt dass der berechnete Innenwiderstandswert in eine Gleichung oder einen Algorithmus eingesetzt wird, dass der berechnete Innenwiderstand mit einer Datenstruktur verwendet wird, wie z. B. einer eindimensionalen oder mehrdimensionalen Nachschlagetabelle, die Innenwiderstandswerte mit entsprechenden geschätzten Batteriekapazitätsgrößen korreliert. Entsprechend umfasst Schritt 116 bei einer derartigen Ausführungsform das Eingeben oder Nachschlagen des berechneten Innenwiderstands in einer geeigneten Datenstruktur, um eine geschätzte Batteriekapazitätsgröße zu beschaffen, die diesem speziellen berechneten Innenwiderstand entspricht.
Insbesondere hängt, wie vorstehend beschrieben ist, die Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität von einer oder mehreren batteriebezogenen Bedingungen ab. Um folglich einen genauen Batteriekapazitätsschätzwert zu beschaffen, muss die Datenstruktur, die zum Bestimmen einer geschätzten Batteriekapazitätsgröße für einen gegebenen Innenwiderstand verwendet wird, der einen oder den mehreren vorbestimmten batteriebezogenen Bedingungen entsprechen, von denen die Korrelation abhängt.
Beispielsweise wird für bestimmte batteriebezogene Schwellenwertbedingungen eine spezielle Datenstruktur, etwa diejenige, die in der nachstehenden Tabelle 1 offengelegt ist, erzeugt, welche den Innenwiderstand mit der Batteriekapazität für Innenwiderstände, die unter diesen speziellen batteriebezogenen Bedingungen berechnet wurden, korreliert.

Innenwiderstand (Ω) Kapazität (%)

Ω₁ C₁

Ω₂ C₂

Ω₃ C₃

... ...

Ω_N C_N

(Tabelle 1)
Die Datenstruktur in Tabelle 1 kann dann verwendet werden, um eine geschätzte Batteriekapazität für einen gegebenen Innenwiderstand zu bestimmen, der unter diesen speziellen Bedingungen berechnet wurde.
Die Datenstruktur kann unter Verwendung empirischer Daten, die aus Labortests vor der Herstellung resultieren, in bestimmten Fällen in Verbindung mit Techniken, wie etwa linearen Regressionstechniken, geschaffen werden. Wenn festgestellt wird, dass die erforderlichen Bedingungen erfüllt worden sind, ist folglich die Datenstruktur, die diesen Bedingungen entspricht, zur Verwendung beim Schätzen der Kapazität des Batteriestapels geeignet. Unter der Annahme, dass die Schwellenwertbedingungen, die der Datenstruktur von Tabelle 1 entsprechen, erfüllt sind, und ein Innenwiderstand von Ω₁ berechnet wurde, können folglich die Datenstruktur in Tabelle 1 und der berechnete Innenwiderstand verwendet werden, um zu schätzen, dass die Kapazität des Batteriestapels C₁ beträgt.
Bei einer Ausführungsform, bei der bestimmte Schwellenwertbedingungen oder vorläufige Bedingungen erfüllt sein müssen, um die Batteriekapazität auf der Grundlage des Innenwiderstands des Batteriestapels zu schätzen, kann eine einzige Datenstruktur verwendet werden, die dieser oder diesen speziellen Bedingung(en) entspricht, da die Batteriestapelkapazität nur geschätzt wird, wenn diese eine oder diese mehreren spezielle(n) Schwellenwertbedingung(en) erfüllt ist bzw. sind. Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen können jedoch mehrere Datenstrukturen, die verschiedenen Bedingungen oder Kombinationen von Bedingungen entsprechen, in Abhängigkeit von den speziellen Bedingungen verwendet werden, die zu dem Zeitpunkt existieren, an dem der Innenwiderstand berechnet wird.
Statt, dass Schritt 102 die Bewertung umfasst, ob eine oder mehrere batteriebezogene Schwellenwertbedingungen erfüllt sind und dann die Batteriekapazität nur geschätzt wird, wenn diese eine oder diese mehreren Bedingungen erfüllt sind, umfasst Schritt 102 bei einer beispielhaften Ausführungsform beispielsweise entweder das Bestimmen, welche, wenn überhaupt, von mehreren Bedingungen erfüllt sind, oder einfach das Bestimmen der speziellen Bedingung(en), die vorhanden ist bzw. sind, auf der Grundlage der Werte von einem oder mehreren entsprechenden batteriebezogenen Parametern. Schritt 116 umfasst dann, dass die Batteriekapazität für einen Innenwiderstand geschätzt wird, der unter dieser oder diesen speziellen Bedingungen berechnet wurde.
Bei einer derartigen Ausführungsform können die Datenstrukturen, die den Innenwiderstand mit der Batteriekapazität korrelieren, für Innenwiderstände erzeugt werden, die unter einer beliebigen Anzahl von Bedingungen berechnet wurden. Jede Datenstruktur kann dann verwendet werden, um eine geschätzte Batteriekapazität für einen gegebenen Innenwiderstand zu bestimmen, der unter den jeweiligen Bedingungen berechnet wurde, welche dieser speziellen Datenstruktur entsprechen. Wie bei der Datenstruktur, die vorstehend beschrieben und in Tabelle 1 dargestellt ist, können Datenstrukturen für jede gewünschte Bedingung oder Kombination von Bedingungen unter Verwendung von empirischen Daten geschaffen werden, die aus Labortests vor der Fertigung resultieren, und bei bestimmten Umständen unter Verwendung von Datenverarbeitungstechniken, die auf dem Gebiet bekannt sind, wie z. B. Regressionstechniken.
Folglich kann bei einer Ausführungsform, bei der mehrere Datenstrukturen existieren, der Schätzschritt 116, sobald festgestellt wurde, welche Bedingungen erfüllt sind oder existieren, einen Teilschritt 118 zum Wählen einer geeigneten Datenstruktur, die dieser oder diesen Bedingungen entspricht, umfassen. Teilschritt 118 kann von dem Modul oder der Komponente, die den Schätzschritt 116 ausführt, automatisch ausgeführt werden, oder er kann von einem Anwender wie z. B. Wartungspersonal unter Verwendung einer geeigneten Anwenderschnittstelle ausgeführt werden, wie z. B. einer Tastatur, einem Tastenfeld, einer graphischen Benutzerschnittstelle usw. Sobald die geeignete Datenstruktur gewählt ist, kann sie in jedem Fall verwendet werden, um die Kapazität eines Batteriestapels, der einen gegebenen Innenwiderstand aufweist, der unter den entsprechenden Bedingungen berechnet wurde, auf die gleiche Weise zu schätzen, die vorstehend mit Bezug auf die Verwendung von Tabelle 1 beschrieben ist.
Zum Beispiel können bei einer beispielhaften Ausführungsform Werte für die Temperatur des Batteriestapels und den Ladezustand des Batteriestapels beschafft und verwendet werden, um festzustellen, welche von mehreren Bedingungen mit Bezug auf die Temperatur und den Ladezustand erfüllt sind. Es wird angenommen, dass ein Satz von Bedingungen umfasst, dass die Temperatur des Batteriestapels eine Temperatur T₁ überschreitet und der Ladezustand in den Bereich von SOC₁–SOC₃ fällt, und dass ein zweiter Satz von Bedingungen umfasst, dass die Temperatur eine Temperatur T₂ überschreitet und der Ladezustand in den Bereich von SOC₄–SOC₆ fällt. Es wird außerdem angenommen, dass der beschaffte Wert T₃ für die Temperatur des Batteriestapels T₁ überschreitet, aber nicht T₂, und dass der beschaffte Wert für den Ladezustand SOC₂ ist und daher in den Bereich SOC₁–SOC₃ fällt. Diese Werte können verwendet werden, um die zwei Sätze von Bedingungen, die vorstehend offengelegt sind, zu bewerten und auf der Grundlage dieser Bewertung kann festgestellt werden, dass der erste Satz von Bedingungen erfüllt ist und der zweite nicht. Auf der Grundlage dieser Feststellung kann eine Datenstruktur, die dem ersten Satz von Bedingungen entspricht, gewählt und verwendet werden, um die Kapazität eines Batteriestapels zu schätzen, der einen gegebenen Innenwiderstand aufweist, der unter diesen speziellen Bedingungen berechnet wurde.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform können die beschafften Werte von bestimmten batteriebezogenen Parametern verwendet werden, um zu bestimmen oder zu wählen, welche von mehreren Datenstrukturen zur Verwendung geeignet sind, unabhängig davon, ob bestimmte spezielle Schwellenwertbedingungen erfüllt sind. Beispielsweise wird angenommen, wie bei den vorstehenden Beispielen, dass zwei interessierende batteriebezogene Parameter die Temperatur des Batteriestapels und der Ladezustand des Batteriestapels sind. Bei einer derartigen Ausführungsform werden Werte für die Temperatur des Batteriestapels und den Ladezustand des Batteriestapels beschafft und dann verwendet, um eine Datenstruktur zu wählen, die den speziellen Werten dieser zwei batteriebezogenen Parameter entspricht (d. h. die batteriebezogenen Bedingungen, die diesen Parameterwerten entsprechen). Wie bei dem vorstehend offengelegten Beispiel kann die geeignete Datenstruktur, sobald sie gewählt ist, verwendet werden, um die Kapazität eines Batteriestapels mit einem gegebenen Innenwiderstand zu schätzen, der unter den Bedingungen berechnet wurde, die diesen speziellen batteriebezogenen Parameterwerten entsprechen.
Unabhängig davon, ob eine oder mehrere Datenstrukturen verwendet werden können, kann die eine oder können die mehreren Datenstrukturen bei einer beispielhaften Ausführungsform in einem Arbeitsspeicher oder einer anderen Massenspeichervorrichtung eines Moduls oder einer Komponente des Fahrzeugs 10 gespeichert werden. Beispielsweise kann bzw. können die Datenstruktur(en) im Speicher 54 des Steuerungsmoduls 22, einem Speicher des Batteriesteuerungsmoduls 30 oder einer beliebigen anderen Arbeitsspeicher- oder Massenspeichervorrichtung gespeichert werden, die Teil der Komponente oder des Moduls ist, die den Schritt 116 durchführt, oder für diese erreichbar ist, welche bei einer beispielhaften Ausführungsform das Steuerungsmodul 22, das Batteriesteuerungsmodul 30 oder eine beliebige andere geeignete Komponente/ein beliebiges anderes geeignetes Modul umfassen kann.
Sobald die Kapazität des Batteriestapels geschätzt worden ist, kann sie in einer Anzahl von Weisen oder für eine Anzahl von Zwecken verwendet werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann die geschätzte Kapazitätsgröße genau genug sein, um sie als Eingabe in einen oder mehrere fahrzeugbezogene Algorithmen zu verwenden. Diese Algorithmen können beispielsweise einen Zellenausgleichsalgorithmus und einen Algorithmus zum Bestimmen des Ladezustands eines Batteriestapels umfassen. Entsprechend kann das Verfahren 100 bei einer derartigen Ausführungsform ferner einen Schritt 120 des Bereitstellens der geschätzten Kapazitätsgröße als eine Eingabe in einen oder mehrere Algorithmen umfassen.
Obwohl die Verwendung einer begrenzten Anzahl von batteriebezogenen Parametern (z. B. der Ladezustand des Batteriestapels und die Temperatur des Batteriestapels), die einer oder mehreren batteriebezogenen Schwellenwertbedingungen zur Bestimmung der Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität entsprechen, einen ausreichend genauen Kapazitätsschätzwert für bestimmte Anwendungen liefert (z. B. Zellenausgleichsalgorithmen und Algorithmen zur Bestimmung des Ladezustands eines Batteriestapels), kann bei anderen Anwendungen, wie zum Beispiel Algorithmen zur Bestimmung der Reichweite für Elektrofahrzeuge, ein genauerer Schätzwert benötigt werden. Ein Weg, wie die Genauigkeit des Schätzwerts erhöht oder optimiert werden kann, besteht darin, andere batteriebezogene Parameter als diejenigen zu berücksichtigen, die den Schwellenwertbedingungen oder vorläufigen Bedingungen entsprechen, und/oder die speziellen Werte der batteriebezogenen Parameter, die diesen Bedingungen entsprechen. Folglich kann bei bestimmten Ausführungsformen die geschätzte Kapazität umso genauer oder optimierter sein, je mehr batteriebezogene Parameter und/oder spezielle Werte von batteriebezogenen Parametern berücksichtigt werden.
Zum Beispiel betreffen bei einer beispielhaften Ausführungsform die Schwellenwertbedingungen oder die vorläufigen Bedingungen die Temperatur des Batteriestapels und den Ladezustand des Batteriestapels. Folglich kann eine Korrelation zwischen Innenwiderstand und Kapazität für gegebene Werte der Temperatur des Batteriestapels und des Ladezustands des Batteriestapels zu einem Kapazitätsschätzwert führen, der ausreichend genau zur Verwendung mit beispielsweise einem Ladezustandsbestimmungsalgorithmus ist. Wenn jedoch der bzw. die speziellen Wert(e) der Temperatur des Batteriestapels und/oder des Ladezustands des Batteriestapels und/oder Werte von einem oder mehreren zusätzlichen batteriebezogenen Parametern wie zum Beispiel dem Strom, der durch den Batteriestapel fließt oder der Gesamtstapelspannung ebenfalls berücksichtigt werden, kann sich ein genauerer Kapazitätsschätzwert ergeben. Daher können bei einer beispielhaften Ausführungsform bestimmte batteriebezogene Bedingungen und spezielle Werte von ”optimierenden Parametern” (d. h. den batteriebezogenen Parametern, die den Schwellenwertbedingungen oder Werten von anderen interessierenden batteriebezogenen Parametern entsprechen) zusammen verwendet werden, um einen genaueren Kapazitätsschätzwert zu liefern.
Sobald bei einer beispielhaften Ausführungsform bei Schritt 102 festgestellt wurde, dass erforderliche Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind, die von mehreren batteriebezogenen Bedingungen existieren, oder Werte von einem oder mehreren batteriebezogenen Parametern, die einer oder mehreren batteriebezogenen Bedingungen entsprechen, bewertet wurden, kann der Schätzschritt 116 folglich umfassen, dass der berechnete Innenwiderstand mit einer mehrdimensionalen Datenstruktur (z. B. einer mehrdimensionalen Nachschlagetabelle) verwendet wird, welche den Innenwiderstand und Werte von einem oder mehreren optimierenden batteriebezogenen Parametern mit der Batteriestapelkapazität korreliert, um die Kapazität eines Batteriestapels zu schätzen.
Zum Beispiel veranschaulicht die nachstehende Tabelle II eine beispielhafte zweidimensionale Nachschlagetabelle, die beliebigen vorbestimmten Schwellenwertbedingungen entspricht.

I₁ I₂ I₃ ... I_N

Ω₁ C₁₁ C₂₁ C₃₁ ... C_N1

Ω₂ C₁₂ C₂₂ C₃₂ ... C_N2

... ... ... ... ... ...

Ω_N C_1N C_2N C_3N ... C_NN

(Tabelle II)
Tabelle II korreliert den Innenwiderstand eines Batteriestapels, der unter den erforderlichen Schwellenwertbedingungen berechnet wurde, und den optimierenden Parameter eines Stroms, der durch den Batteriestapel unter den erforderlichen Bedingungen fließt, mit der Batteriestapelkapazität.
Sobald daher bei einer beispielhaften Ausführungsform festgestellt wird, dass die erforderlichen Schwellenwertbedingungen erfüllt sind, umfasst Schritt 116, dass der Wert des berechneten Innenwiderstands und der Wert des Stroms (der entweder bei Schritt 102 oder bei einem anderen zusätzlichen Schritt des Verfahrens 100 beschafft wurde) eingegeben oder nachgeschlagen werden und der Kapazitätswert in der Datenstruktur gesucht wird, der den Werten von beiden Parametern entspricht, welcher die geschätzte Kapazität für einen Batteriestapel sein wird, der den gegebenen Innenwiderstand bei diesem speziellen Strom unter der bzw. den erforderlichen batteriebezogenen Bedingungen aufweist. Bei einer beispielhaften Ausführungsform beispielsweise, bei der der berechnete Innenwiderstand Ω₂ ist und der Stromwert I₃ ist, kann die Kapazität des Batteriestapels unter Verwendung von Tabelle II als C₃₂ geschätzt werden.
Obwohl in dem vorstehenden Beispiel der Strom durch den Batteriestapel als ein optimierender batteriebezogener Parameter verwendet wird, ist festzustellen, dass die vorliegende Offenbarung nicht so eingeschränkt sein soll. Stattdessen können andere batteriebezogene Parameter wie zum Beispiel spezielle Werte des Ladezustands, der Temperatur des Batteriestapels oder der Gesamtspannung des Batteriestapels anstelle des Stroms verwendet werden. Außerdem können bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform mehrere zusätzliche optimierende Parameter verwendet werden. Bei einer derartigen Ausführungsform kann eine Datenstruktur mit einer ausreichenden Anzahl von Dimensionen verwendet werden, oder mehrere Datenstrukturen können verwendet werden. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform, bei der zwei optimierende batteriebezogene Parameter verwendet werden, eine dreidimensionale Datenstruktur verwendet werden; bei einer Ausführungsform, bei der drei optimierende Parameter verwendet werden, kann eine vierdimensionale Datenstruktur verwendet werden; und so weiter und so fort. Entsprechend kann eine beliebige Anzahl von Datenstrukturen geschaffen werden, um den verschiedenen batteriebezogenen Parametern oder Kombinationen von Parametern zu entsprechen, die verwendet werden können, um den Kapazitätsschätzwert zu optimieren.
In jedem Fall und wie bei den eindimensionalen Datenstrukturen, die vorstehend beschrieben sind, bei denen nur der Innenwiderstand mit der Batteriestapelkapazität korreliert ist, kann eine oder können mehrere mehrdimensionale Datenstrukturen, die einen oder mehrere batteriebezogene optimierende Parameter in der Korrelation zwischen dem Innenwiderstand und der Kapazität berücksichtigen, durch Labortests und die daraus resultierenden empirischen Daten geschaffen werden.
Wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, bei der Optimierungsparameter nicht berücksichtigt werden, kann bei einer Ausführungsform, bei der Optimierungsparameter zum Schätzen der Batteriekapazität verwendet werden, der Kapazitätsschätzwert in einer Anzahl von Weisen oder für eine Anzahl von Zwecken verwendet werden. Beispielsweise kann bei einer derartigen Ausführungsform das Verfahren ferner einen Schritt 120 zum Bereitstellen der geschätzten Kapazitätsgröße als Eingabe in einen oder mehrere Algorithmen umfassen, wie zum Beispiel und ohne Begrenzung in einen Zellenausgleichsalgorithmus, einen Ladezustandsbestimmungsalgorithmus und einen Reichweitenbestimmungsalgorithmus.
Es ist festzustellen, dass die vorstehend beschriebene Methodik zu jedem Zeitpunkt und für eine beliebige Anzahl von Zwecken durchgeführt werden kann. Zum Beispiel kann ein Wartungstechniker, wenn ein Fahrzeug gerade gewartet wird, die Methodik einleiten, um den Zustand des Batteriesystems zu bewerten. Auf ähnliche Weise kann, wenn ein Steuerungsmodul, das ausgestaltet ist, um den Betrieb/die Funktion des Batteriesystems eines Fahrzeugs zu steuern, zu verwalten oder auf andere Weise zu managen, während eines Wartungsereignisses ausgetauscht wird, die Methodik von dem Austauschsteuerungsmodul ausgeführt werden, sodass es über einen genauen Schätzwert der Kapazität der Batterie verfügen wird. Folglich kann das vorliegende Verfahren zu einem beliebigen Zeitpunkt und für eine beliebige Anzahl von Zwecken ausgeführt werden.
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung keine Definition der Erfindung ist, sondern eine Beschreibung einer oder mehrerer bevorzugter beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die hier offenbarten speziellen Ausführungsformen begrenzt, sondern stattdessen nur durch die nachstehenden Ansprüche definiert. Außerdem betreffen die in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen Aussagen spezielle Ausführungsformen und dürfen nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung oder der Definition von Begriffen, die in den Ansprüchen verwendet werden, aufgefasst werden, außer dort, wo ein Begriff oder ein Ausdruck vorstehend explizit definiert ist. Dem Fachmann werden sich verschiedene andere Ausführungsformen und verschiedene Änderungen und Modifikationen an den offenbarten Ausführungsformen offenbaren. Beispielsweise ist die spezielle Kombination und Reihenfolge von Schritten nur eine Möglichkeit, da das vorliegende Verfahren eine Kombination aus Schritten enthalten kann, die weniger, mehr oder andere Schritte aufweist als diejenigen, die hier gezeigt sind. Alle derartigen anderen Ausführungsformen, Änderungen und Modifikationen sollen im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.
Die Begriffe ”zum Beispiel”, ”z. B.”, ”beispielsweise”, ”wie etwa” und ”wie” und die Verben ”umfassend”, ”aufweisend”, ”enthaltend” und ihre anderen Verbformen sollen so, wie sie in dieser Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, wenn sie in Verbindung mit einer Aufzählung aus einer oder mehreren Komponenten oder anderen Gegenständen verwendet werden, jeweils als offen aufgefasst werden, was bedeutet, dass die Aufzählung nicht so aufgefasst werden darf, dass sie andere, zusätzliche Komponenten oder Gegenstände ausschließt. Andere Begriffe sollen unter Verwendung ihrer weitesten vernünftigen Bedeutung interpretiert werden, sofern sie nicht in einem Kontext verwendet werden, der eine andere Interpretation erfordert.

Claims

Verfahren zum Schätzen der Kapazität eines Batterieelements in einem Fahrzeug, das die Schritte umfasst, dass: (a) festgestellt wird, ob eine oder mehrere Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind; (b) der Innenwiderstand des Batterieelements berechnet wird; und (c) wenn die Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind, der berechnete Innenwiderstand des Batterieelements verwendet wird, um die Kapazität des Batterieelements zu schätzen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) ferner umfasst, dass ein Batterietemperaturwert und ein Batterieladezustandswert (SOC-Wert) empfangen werden, der Batterietemperaturwert mit einer vorbestimmten Minimaltemperatur und der Batterieladezustand mit einem vorbestimmten Ladezustandsbereich verglichen werden und festgestellt wird, dass die Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind, wenn der Batterietemperaturwert die vorbestimmte Minimaltemperatur überschreitet und der Batterieladezustandswert innerhalb des vorbestimmten Ladezustandsbereichs liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) ferner umfasst, dass der berechnete Innenwiderstand des Batterieelements und eine Datenstruktur verwendet werden, um die Kapazität des Batterieelements zu schätzen, und dass die Datenstruktur den Innenwiderstand (Eingabe) mit der Kapazität (Ausgabe) korreliert.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, dass: (d) die geschätzte Kapazität des Batterieelements für einen oder mehrere Algorithmen bereitgestellt wird, welche die Batteriekapazität als Eingabe verwenden, wobei der eine oder die mehreren Algorithmen mindestens einen der folgenden Algorithmen umfasst bzw. umfassen: einen Zellenausgleichsalgorithmus oder einen Ladezustandsbestimmungsalgorithmus.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (a) vor Schritt (b) ausgeführt wird und Schritt (b) nur ausgeführt wird, wenn die eine oder die mehreren Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt (c) ferner umfasst, dass ein oder mehrere Werte für einen oder mehrere batteriebezogene Parameter beschafft werden, die das Batterieelement betreffen, und dass der eine oder die mehreren batteriebezogenen Parameterwerte und der berechnete Innenwiderstand des Batterieelements verwendet werden, um die Kapazität des Batterieelements zu schätzen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der eine oder die mehreren batteriebezogenen Parameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen: eine Batterietemperatur, eine Batteriespannung, einen Batterieladezustand oder einen Batteriestrom.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner den Schritt umfasst, dass: (d) die geschätzte Kapazität des Batterieelements für einen oder mehrere Algorithmen bereitgestellt wird, welche die Batteriekapazität als Eingabe verwenden, wobei der eine oder die mehreren Algorithmen mindestens einen der folgenden Algorithmen umfassen: einen Zellenausgleichsalgorithmus, einen Ladezustandsbestimmungsalgorithmus oder einen Algorithmus zur Bestimmung der Reichweite für ein Fahrzeug.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei Schritt (c) ferner umfasst, dass der berechnete Innenwiderstand des Batterieelements, der eine oder die mehreren batteriebezogenen Parameterwerte und eine mehrdimensionale Datenstruktur verwendet werden, um die Kapazität des Batterieelements zu schätzen, und dass die Datenstruktur den Innenwiderstand (Eingabe) und die Batterieparameter (Eingabe) mit der Kapazität (Ausgabe) korreliert.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst, dass: ein Batteriesystem in dem Fahrzeug gewartet wird, indem ein erstes Steuerungsmodul durch ein zweites Steuerungsmodul ersetzt wird, und dass dann, nachdem das zweite Steuerungsmodul im Batteriesystem installiert wurde, die Schritte (a)–(c) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fahrzeuge ein Hybridelektrofahrzeug ist und ein Leistungs-Batteriesystem enthält, das das Batterieelement enthält, und das Batterieelement mindestens eines der folgenden Elemente enthält: einen Batteriestapel, einen Teil eines Batteriestapels, einen Block von Zellen in einem Batteriestapel, oder eine einzelne Zelle in einem Batteriestapel.
Verfahren zum Schätzen der Kapazität eines Batterieelements in einem Fahrzeug, das die Schritte umfasst, dass: (a) der Innenwiderstand des Batterieelements berechnet wird; (b) ein oder mehrere Werte für einen oder mehrere batteriebezogene Parameter, die das Batterieelement betreffen, beschafft werden; und (c) der berechnete Innenwiderstand des Batterieelements und der eine oder die mehreren beschafften batteriebezogenen Parameterwerte verwendet werden, um die Kapazität des Batterieelements zu schätzen.
Batteriesystem für ein Fahrzeug, umfassend: ein Batterieelement; einen oder mehrere Batteriesensoren, die ausgestaltet sind, um elektrische Parameter des Batterieelements zu detektieren; und ein Steuerungsmodul, das mit dem einen oder den mehreren Batteriesensoren elektrisch gekoppelt ist, wobei das Steuerungsmodul ausgestaltet ist, um: (a) festzustellen, ob eine oder mehrere Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind; (b) den Innenwiderstand des Batterieelements unter Verwendung der detektierten elektrischen Parameter des Batterieelements zu berechnen; und (c) wenn die eine oder die mehreren Schwellenwertbedingungen erfüllt worden sind, die Kapazität des Batterieelements auf der Grundlage des berechneten Innenwiderstands des Batterieelements zu schätzen.