DE102014115038A1

DE102014115038A1 - Schätzung des Batterieladezustands mit automatischer Korrektur

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Publication number: DE102014115038A1
Application number: DE201410115038
Authority: DE
Inventors: Yilu Zhang; Xinyu Du; Mutasim A. Salman; Shuo Huang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: CN104569829A; US20150112527A1; DE102014115038B4; US9108524B2; CN104569829B

Abstract

Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie für ein Fahrzeug. (a) Für ein aktuelles Starten der Fahrzeugzündung wird eine Leerlaufspannung (OCV) gemessen, nachdem die Zündung mindestens acht Stunden lang ausgeschaltet war. (b) Ein Ladezustand bei der Leerlaufspannung (SOCOCV) wird für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung bestimmt. (c) Ein geschätzter Ladezustand bei Leerlaufspannung wird für ein aktuelles Starten der Fahrzeugzündung bestimmt. (d) Es wird festgestellt, ob die Differenz zwischen dem SOCOCV für den aktuellen Start und demfür den aktuellen Start kleiner als eine vorbestimmte Fehlergrenze ist. In Ansprechen darauf, dass die Differenz größer als der vordefinierte Fehler ist, werden die Schritte (a)–(d) ausgeführt; andernfalls wird ein Strom bei ausgeschalteter Zündung für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung als Funktion des SOCOCV für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung, und eines vorherigen Startens der Fahrzeugzündung, und eines Ladezustands beruhend auf der Stromintegration über der Zeit bestimmt. Es wird ein geschätzter Ladezustand (SOCest) des aktuellen Startens der Fahrzeugzündung unter Verwendung des Prozessors bestimmt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform betrifft allgemein die Integration einer externen Vorrichtung in ein Fahrzeug.
Das Bestimmen eines Ladezustands (SOC) für eine Batterie kann unter Verwendung verschiedener Techniken ausgeführt werden, die ein Coulomb-Zählen oder Parameterschätztechniken benutzen. Das Coulomb-Zählen umfasst die Verwendung eines Messwerts (d. h. des Batteriestroms), um den Batterieladezustand zu schätzen. Die Genauigkeit des Batteriestroms ist kritisch für die Bestimmung eines Ladezustands. Wenn ein Messfehler vorliegt, etwa ein nicht genauer Stromsensor, vergrößert sich ein Integrationsfehler schnell. Außerdem wird das Coulomb-Zählen bei ausgeschalteter Fahrzeugzündung nicht ausgeführt, um Batterieenergie zu sparen, was einen zusätzlichen Ladezustands-Schätzfehler einbringen kann. Die meisten Fahrzeuge verwenden einfache Strom- und Spannungssensoren, die keine genauen Ergebnisse liefern. Zur Überwindung dieses Mangels verwenden viele Systeme daher kostspielige Stromsensoren, um den Ladezustand immer zu überwachen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Vorteil einer Ausführungsform ist die Bestimmung des Ladezustands (SOC) einer Batterie unter Verwendung einer Schätztechnik ohne die Benutzung von kostspieligen und hochgenauen Sensoren. Die Schätztechnik verwendet eine vorherige Ladezustands-Schätzung, eine gegenwärtige Ladezustands-Schätzung und eine Stromintegrations-Schätzung zum Bestimmen eines geschätzten Ladezustands. Die Stromintegration verwendet eine Stromintegrationsbestimmung bei eingeschalteter Zündung und eine Stromintegrationsbestimmung bei ausgeschalteter Zündung. Die Integration bei ausgeschalteter Zündung wird als Funktion einer vorherigen Ladezustands-Schätzung bei Leerlaufspannung, einer gegenwärtigen Ladezustands-Schätzung bei Leerlaufspannung und einer Stromintegrations-Schätzung bestimmt, wobei die vorherige und gegenwärtige Leerlaufspannung auf Leerlaufspannungsmessungen nach einer Zeitspanne mit ausgeschalteter Zündung von mindestens acht Stunden beruhen. Zwischen der gegenwärtigen Ladezustandsmessung bei Leerlaufspannung und der vorherigen Ladezustandsmessung bei Leerlaufspannung wird ein Vergleich durchgeführt, um festzustellen, ob die Daten von einem Ladezustand dadurch verfälscht sind, dass sich die Batterie nicht im Gleichgewicht befindet. Wenn dem so ist, dann wird ein nächster Ladezustand bei Leerlaufspannung bei der nächsten ausgeschalteten Zündung beschafft, um einen nächsten Ladezustand bei Leerlaufspannung zu erzeugen, der verwendet werden kann, um den Strom bei ausgeschalteter Zündung zu bestimmen.
Eine Ausführungsform betrachtet ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie für ein Fahrzeug. Das Fahrzeug befindet sich in einem Aufladezustand, wenn die Kraftmaschine arbeitet, und in einem Nicht-Aufladezustand, wenn die Kraftmaschine nicht arbeitet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (a) eine Leerlaufspannung für ein aktuelles Starten der Fahrzeugzündung unter Verwendung eines Voltmeters gemessen wird, wobei das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung ausgeführt wird, nachdem sich das Fahrzeug mindestens acht Stunden lang in dem Nicht-Aufladezustand befunden hat; (b) ein SOC_OCV für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung unter Verwendung des Prozessors bestimmt wird; (c) ein SOC_{OCV_est} für ein aktuelles Starten der Fahrzeugzündung unter Verwendung des Prozessors bestimmt wird; (d) unter Verwendung des Prozessors festgestellt wird, ob die Differenz zwischen dem SOC_OCV für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung und dem
für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung kleiner als eine vorbestimmte Fehlergrenze ist; (e) die Schritte (a)–(d) in Ansprechen darauf aufgeführt werden, dass die Differenz größer als der vorbestimmte Fehler ist; andernfalls zu Schritt (f) weitergegangen wird; (f) ein Strom bei ausgeschalteter Zündung für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung als Funktion des SOC_OCV des aktuellen Startens der Fahrzeugzündung, eines SOC_OCV eines vorherigen Startens der Fahrzeugzündung und eines Ladezustands beruhend auf einer Stromintegration über die Zeit unter Verwendung der Prozessortechnik bestimmt wird; und (g) ein SOC_est des aktuellen Startens der Fahrzeugzündung unter Verwendung des Prozessors bestimmt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Ladezustands-Schätzsystems.
2 ist ein Flussdiagramm zum Schätzen des Ladezustands (SOC) über die Zeit.
3 ist ein Flussdiagramm zum identifizieren eines ersten Ladezustands und eines zweiten Ladezustands.
4 ist ein Flussdiagramm zum Identifizieren eines Stroms bei ausgeschalteter Zündung.
GENAUE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Fahrzeugs 10, das ein Ladezustands-Schätzsystem (SOC-Schätzsystem) enthält. Das Fahrzeug 10 enthält eine Batterie 12 um Starten des Fahrzeugs. Die Batterie 12 ist eine Bleisäurebatterie. Die Batterie 12 besteht typischerweise aus Zellen, die Elektroden (Kathode und Anode) aus Blei (Pb) und Bleioxid (PbO₂) in einem Elektrolyt aus Schwefelsäure enthalten. Es findet eine chemische Reaktion statt, um Energie in der Batterie zu speichern. Das Konzept besteht darin, Bleisulfat, das sich an den Platten einer entladenen Batterie bildet, in Bleidioxid umzuwandeln, das sich an den Platten einer geladenen Batterie bildet.
Die Fahrzeugbatterie 12 ist mit mehreren Vorrichtungen 14 elektrisch gekoppelt, welche die Batterie als Stromquelle verwenden. Das Fahrzeug 10 kann ferner ein Spannungsmessgerät 16, einen Stromsensor 18, einen Temperatursensor 19 und ein Steuerungsmodul 20 enthalten.
Die mehreren Vorrichtungen 14 umfassen Stromausgänge, die auf eine externe Vorrichtung, Zubehörvorrichtungen, Komponenten, Teilsysteme und Systeme eins Fahrzeugs angepasst sind, sind aber nicht darauf beschränkt. Der Stromsensor 16 wird verwendet, um den Strom zu überwachen, der die Fahrzeugbatterie 12 verlässt. Das Voltmeter 18 misst eine Spannung, so dass eine Leerlaufspannung (OCV) bestimmt werden kann. Der Temperatursensor 19 erfasst die Temperatur der Batterie und kann als Faktor bei der Bestimmung des Ladezustands der Batterie verwendet werden. Ein Steuerungsmodul 20 oder ein ähnliches Modul beschafft, leitet her, überwacht und/oder verarbeitet einen Satz von Parametern, die der Fahrzeugbatterie 12 zugeordnet sind. Diese Parameter können ohne Einschränkung einen Strom, eine Spannung, einen Ladezustand (SOC), eine Batteriekapazität, Batterieinnenwiderstände, eine Batterieinnenreaktanz, eine Batterietemperatur und eine Leistungsausgabe der Fahrzeugbatterie umfassen. Das Steuerungsmodul 20 enthält einen Prozessor zum Ausführen einer Fahrzeugladezustands-Schätztechnik (SOC-Schätztechnik).
Das Steuerungsmodul 20 verwendet die Leerlaufspannung der Batterie zum Bestimmen des Ladezustands. Der Ladezustand kann hergeleitet werden, indem die Leerlaufspannung bestimmt wird, und dann kann eine Leerlaufspannungszuordnung oder eine Stromintegration angewendet werden. Zur genauen Bestimmung des Ladezustands darf die Leerlaufspannung erst genau gemessen werden, nachdem das Leerlaufspannungs-Gleichgewicht erreicht wurde, was eine vorbestimmte Zeit nach dem Unterbrechen des Aufladens der Batterie stattfindet (d. h. entweder durch eine Operation mit Ausschalten der Zündung- oder durch eine andere Aufladevorrichtung). Typischerweise umfasst die vorbestimmte Zeit bis zum Erreichen eines Leerlaufspannungs-Gleichgewichts 24 Stunden, nachdem das Aufladen der Batterie nicht fortgesetzt wurde. Das heißt, dass eine Leerlaufspannungsmessung erst genau ist, wenn sich die Batteriespannung bei den Gleichgewichtsbedingungen befindet.
Elektrische Ladungen an der Oberfläche der Platten der Batterie verursachen falsche Voltmeterlesewerte. Wenn eine Batterie aufgeladen wird, kann die Oberfläche der Platten eine höhere Ladung als die inneren Abschnitte der Platten aufweisen. Nach einer Zeitspanne, nachdem das Aufladen nicht fortgesetzt wurde, wird die Oberflächenladung an der Oberfläche der Platten als Folge dessen, dass die geladene Energie tiefer in die Platten eindringt, ein wenig entladen werden. Daher kann die Oberflächenladung, wenn sie nicht an den inneren Abschnitt der Platten dissipiert ist, eine schwache Batterie als gut erscheinen lassen. Folglich muss zum Erhalten eines genauen Leerlaufspannungsmesswerts, der zum Bestimmen des Ladezustands verwendet werden kann, das Fahrzeug typischerweise für eine lange Zeitdauer > 8 Stunden in einem Ruhezustand sein.
Außerdem transformiert die Batterie bei Bleisäurebatterien die chemische Energie in elektrische Energie als Folge einer chemischen Reaktion zwischen der Elektrolytlösung und dem Blei der Platten. Während der Energieumwandlung und Entladung von elektrischer Energie aus der Batterie reagiert die Säure mit dem Blei der Platten, um einen Schwefelverbund aufzubauen. Wenn eine Last über die Anschlüsse hinweg verbunden wird, wird ein Stromfluss von Elektronen erzeugt, um die Differenz bei den Ladungen an den Platten auszugleichen. Überschüssige Elektronen fließen von der negativen Platte zu der positiven Platte. Während eines Stromflusses können die Platten über die Pole der Batterie gemessen werden, um die Spannung zu bestimmen. Eine Schichtenbildung der Batterieplatten tritt auf, wenn die Elektrolytlösung geschichtet ist. Da die Säure dichter als Wasser ist, sind der Aufbau und die Schichtung der Säure an der Unterseite der Batterielösung größer als an der Unterseite der Batterie. Die hohe Säurekonzentration im unteren Abschnitt der Batterie erhöht eine Leerlaufspannung auf künstliche Weise und die Batteriespannung scheint vollständig geladen und arbeitsfähig zu sein, aber dies ist nicht der Fall. Die verfügbare Strommenge, welche die Batterie eine definierte Zeitspanne lang liefern kann, während eine Spannung von Anschluss zu Anschluss aufrecht erhalten wird, wenn eine erhebliche Schichtenbildung vorhanden ist, ist im Gegensatz zu einer neu erzeugten Batterie sehr niedrig. Als Folge kann ein falscher Ladezustands-Lesewert detektiert werden, während eine Schichtenbildung in der Batterie vorhanden ist.
Typische Routinen nehmen an, dass die Leerlaufspannung gemessen wird, wenn sich die Batterie in einem Gleichgewichtszustand befindet (d. h. keine Oberflächenladung und keine Säureschichtenbildung). Diese typischen Routinen werden die folgende Formel verwenden, um den Ladezustand im Betrieb zu bestimmen, welcher wie folgt dargestellt werden kann:
wobei f(V_OC(0), T) der gegenwärtige Start-Ladezustand ist und
der Ladezustand ist, der durch Coulomb-Zählen bestimmt wird, während das Aufladen stattfindet. Diese Routinen messen die Leerlaufspannung (OCV) nach einer langen Zeitspanne mit ausgeschalteter Zündung wie etwa acht oder sechzehn Stunden; jedoch kann es sein, dass in Abhängigkeit von dem Ladeverlauf eine Batterie den Gleichgewichtszustand nach der achten oder sechzehnten Stunde nicht erreicht. Wenn zudem der Stromsensor nicht genau ist, dann sammelt sich ein Integrationsfehler über die Zeit mit Bezug auf die Coulomb-Zählung an. Darüber hinaus sind Strommessungen bei ausgeschalteter Zündung spärlich und ungenau. Die folgende Prozedur überwindet die Mängel kostengünstiger Stromsensoren, der Oberflächenladung und der Säureschichtenbildung.
2 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines allgemeinen Überblicks zum Schätzen des Ladezustands über die Zeit. Bei Schritt 30 werden Daten zum Bestimmen des Ladezustands erhalten. Bei Schritt 31 wird Algorithmus 1, der in 3 gezeigt ist, ausgeführt, um SOC₀ und SOC₁ zu identifizieren. SOC₀ ist ein Ladezustand bei einem ersten zeitlichen Augenblick für einen jeweiligen Zündzyklus und SOC₁ ist ein Ladezustand bei einem späteren zeitlichen Augenblick für einen späteren Zündzyklus. Das anfängliche Ziel besteht darin, einen SOC₀ und einen SOC₁ zu finden, die innerhalb eines vorbestimmten Fehlers zueinander liegen. Wenn ein jeweiliger Satz aus SOC₀ und SOC₁ nicht innerhalb eines vorbestimmten Fehlers liegt, dann ist es wahrscheinlich, dass SOC₁ keine genaue Bestimmung beruhend auf dem Gleichgewicht der Batterie ist, und ein nächster Zündungszyklus wird analysiert, um einen nächsten SOC₁ zu identifizieren.
Bei Schritt 32 wird bestimmt, ob SOC₀ und SOC₁ miteinander übereinstimmen. Das heißt, es wird festgestellt, ob die jeweiligen Ladezustandswerte um einen vorbestimmten Betrag zueinander versetzt sind, und wenn dies zutrifft, würde dies anzeigen, dass ein jeweiliger Satz von Werten ungültig ist und dass eine Berechnung eines geschätzten Ladezustands ebenfalls nicht korrekt wäre. Wenn festgestellt wird, dass SOC₀ und SOC₁ nicht miteinander übereinstimmen, dann wird zu Schritt 30 zurückgekehrt, um einen Ladezustand bei einem nächsten Zündzyklus zu bestimmen. Wenn bei Schritt 32 festgestellt wird, dass SOC₀ und SOC₁ miteinander übereinstimmen, dann geht die Routine zu Schritt 33 weiter.
In Schritt 33 wird festgestellt, ob die Zeit mit ausgeschalteter Zündung > 8 Stunden ist und ob die Leerlaufspannung SOC_OCV innerhalb der Fehlergrenze liegt. Der SOC_OCV ist der Ladezustandswert, der als Funktion der Leerlaufspannung (OCV) und der geschätzten Batterietemperatur berechnet wird. Die Leerlaufspannung ist die Batteriespannung, die vor dem aktuellen Zündzyklus (k) aber mindestens acht Stunden nach dem letzten Aufladezustand gemessen wird. Nach mindestens acht Stunden ist der Batteriestrom sehr niedrig (< 20 ma), so dass die Batteriespannung die Leerlaufspannung ist. Daher kann der SOC_OCV aus der ermittelten Leerlaufspannung bestimmt werden. Wenn festgestellt wird, dass eine der Bedingungen nicht erfüllt ist, dann geht die Routine zu Schritt 35 weiter; andernfalls geht die Routine zu Schritt 34 weiter.
In Schritt 34 wird Algorithmus 2, der später im Detail beschrieben wird, verwendet, um den Strom bei ausgeschalteter Zündungszeit I_{ign_off} zu aktualisieren. Nachdem I_{ign_off} aktualisiert wurde, geht die Routine zu Schritt 35 weiter.
In Schritt 35 wird der Ladezustandsschätzwert SOC_est unter Verwendung der folgenden Gleichung aktualisiert:
wobei (k) die Anzahl der Zündzyklen mit einer Zeit mit ausgeschalteter Zündung von mindestens acht Stunden vor dem Einleiten eines nächsten Zyklus ist, SOC_est(k – 1) der Ladezustand beim Zündungsstart k – 1 ist, C_norm die genormte Kapazität der Batterie ist ρ die Aufladeeffizienz ist, I_on der Strom bei eingeschalteter Zündung ist, I_off der Strom bei ausgeschalteter Zündung ist, und Δt_off die Zeit mit ausgeschalteter Zündung zwischen dem Zündungs-Einschalt-Zyklus (k – 1) und dem Zündungs-Einschalt-Zyklus (k) ist.
In Schritt 36 wird festgestellt, ob der SOC_est-Vertrauenswert hoch ist (z. B. die Länge der Zeit seitdem die letzten SOC₀ und SOC₁ verwendet wurden). Wenn der Vertrauenswert hoch ist, dann kann SOC₀ wieder verwendet werden, um I_{ign_off} zu aktualisieren. Dann kehrt die Routine zu Schritt 33 zurück. Wenn der Vertrauenswert niedrig ist, dann geht die Routine zu Schritt 30 weiter, um einen neuen SOC₀ und SOC₁ zu bestimmen.
In Schritt 37 kann der Ladezustand an einer Anzeigevorrichtung des Fahrzeugs ausgegeben werden, um den Ladezustand für den Bediener anzuzeigen. Alternativ kann der Ladezustand an andere Fahrzeugsysteme zur Verwendung bei anderen Fahrzeugoperationen, bei denen der Batterieladezustand zum Betrieb benötigt wird, geliefert werden.
3 ist ein Flussdiagramm eines vorstehend beschriebenen Algorithmus 1 zum Identifizieren, ob SOC₀ und SOC₁ gefunden sind. In Schritt 40 wird die Routine initialisiert und der Merker wird auf 0 gesetzt (z. B. Flag_{SOC0_found} = 0). Dieser Merker zeigt an, ob SOC₀ und SOC₁ gültig sind und der Merker daher auf 1 gesetzt ist, oder wenn er ungültig ist, wird der Merker auf 0 gesetzt.
In Schritt 41 werden die Zündzyklen sequentiell nummeriert, um einen geschätzten Ladezustand bei Leerlaufspannung
zu bestimmen. Für i = 1 bis N wird der
durch die folgende Formel bestimmt: SOC_{OCV_est}(k) = SOC_OCV(k – i) + ΔSOC, wobei
SOC_OCV(k – i) der auf der Leerlaufspannung beruhende Ladezustand bei Zündung k – i ist,
ΔSOC die Integration des Stroms bei eingeschalteter Zündung von Zündung k – i bis Zündung k ist.
Es versteht sich, dass zwischen dem Zündzyklus (k – 1) und (k) die Kraftmaschine mehrere Male angekurbelt/gestartet werden kann, aber wenn die Zeit mit ausgeschalteter Zündung zwischen zwei benachbarten Ankurbelvorgängen kleiner als acht Stunden ist, dann ist die Leerlaufspannung nicht verfügbar.
In Schritt 42 wird festgestellt, ob die Differenz zwischen dem SOC_OCV bei der Zündung k und dem
kleiner als eine vordefinierte Fehlergrenze ist. Die Formel für die vorstehende Bestimmung wird wie folgt dargestellt: |SOC_OCV(k) – SOC_{OCV_est}(k)| < ε, wobei ε die vordefinierte Fehlergrenze ist. Die folgenden Parameter, die verwendet werden, um die vorstehende Ungleichung zu bestimmen, sind wie folgt:

• Flag_{SOC0_found} = 1
• SOC₀ = SOC_OCV(k – i)
• SOC₁ = SOC_OCV(k)

_OCV

Wenn bei Schritt 42 bestimmt wird, dass die Differenz kleiner als die vorbestimmte Fehlergrenze ε ist, dann geht die Routine zu Schritt 43 weiter, andernfalls kehrt die Routine zu Schritt 41 zurück, um einen Ladezustand bei Leerlaufspannung erneut zu schätzen.
In Schritt 43 wird die Unterroutine verlassen und die Ladezustandswerte, die für SOC_OCV und
erhalten wurden, werden verwendet, um den Strom I_off bei ausgeschalteter Zündung zu bestimmen.
Die folgenden Ausführungsformen beschreiben verschiedene Ausführungsformen zum Bestimmen des Stroms I_off bei ausgeschalteter Zündung. Wenn bei keinen Messdaten ein Fehler oder ein Rauschen vorhanden ist, dann kann ein einfaches Modell verwendet werden. Die folgende Formel kann verwendet werden, wenn der Fehler und die Verfälschung nicht vorhanden ist, um den Strom bei ausgeschalteter Zündung zu bestimmen:
wobei SOC(k) der Ladezustand bei dem Zündungsstart k ist, SOC(k – 1) der Ladezustand bei dem Zündungsstart k – 1 ist, C_norm die Batteriekapazität [engl.: battery] ist, ρ die Aufladeeffizienz ist, und Δt_off die Zeit ist.
Wenn alternativ ein beliebiger Fehler in den Messdaten vorhanden ist, dann können die folgenden Ausführungsformen verwendet werden, um I_off zu bestimmen. Das folgende Modell repräsentiert ein Partikelfilter, das verwendet werden kann, wenn das Rauschen/der Fehler nicht Gauss (d. h. der Normalverteilung) entspricht. Das Modell folgt einem Zustandsraummodell und die Gleichungen, die das Zustandsraummodell repräsentieren, sind wie folgt:
Das Messmodell wird wie folgt repräsentiert: SOC_est(k) = SOC_OCV(k) + ε_OCV wobei SOC_est(k) der Strom bei ausgeschalteter Zündung für das aktuelle Starten des Fahrzeugs ist und SOC_OCV(k – 1) der Strom bei ausgeschalteter Zündung für das vorherige Starten des Fahrzeugs ist, und ε_OCV der Stromsensorfehler des Stromsensors ist.
Nachdem die Formeln für das Zustandsmodell und das Messmodell definiert wurden, wird das Modell angewendet, um I_off(k) unter Verwendung der folgenden Routine zu bestimmen, wie in 5 gezeigt ist.
In Schritt 50 wird der folgende Partikelsatz initialisiert: {SOC i / est, i = 1, 2, ..., N}{I i / off, j = 1, 2, ..., N}
In Schritt 51 werden die Partikel beruhend auf dem Zustandsraummodell in dem vorstehend offengelegten Gleichungssatz aktualisiert. Unter Verwendung des Zustandsraummodells werden SOC i / est(k) und I i / off(k) aus dem Partikelsatz bestimmt. I_on ist ein Messwert bei eingeschalteter Zündung, SOC i / est(k) wird unter Verwendung des Modells berechnet.
In Schritt 52 werden Gewichtungen berechnet, die verwendet werden, um den Fehler/den Versatz bei jedem Zündungsstart zu kompensieren. Die Gewichtungen werden auf der Grundlage der Differenz zwischen SOC(k) und SOC(k) berechnet. Je größer die Differenz ist, desto kleiner werden die Gewichtungen sein. Dies wird durch die folgende Formel repräsentiert:
wobei σ die Standardabweichung von {SOC i / est} ist.
In Schritt 53 wird der Partikelsatz beruhend auf den Gewichtungen erneut abgetastet. Wenn die Partikel für eine nächste Iteration erneut abgetastet werden, wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, die Partikel näher bei dem echten Wert von SOC(k) zu erhalten. Die Schätzung von SOC(k), k + 1, k + 2 wird auf den echten Wert konvergieren.
In Schritt 54 wird ein geschätzter gewichteter Durchschnittsstrom bei ausgeschalteter Zündung unter Verwendung der folgenden Formel bestimmt: I_off(k) = Σ_iwⁱ(k)I i / off(k) SOC_est(k) = Σ_iwⁱ(k)SOC i / off(k) wobei wⁱ(k) die Gewichtung für jedes Partikel bei jedem jeweiligen Zündungsstart ist und I i / off(k) der gemessene Strom bei ausgeschalteter Zündung für jedes Partikel bei jedem jeweiligen Zündungsstart ist.
Im Fall, dass das Rauschen/der Fehler nach Gauss verläuft, was einer Normalverteilung folgt, kann dann ein Kalman-Filter verwendet werden. Das Kalman-Filter verwendet eine Reihe von Messwerten, die über die Zeit beobachtet werden. Die Messwerte enthalten Rauschen und andere Ungenauigkeiten. Das Kalman-Filter arbeitet rekursiv unter Verwendung von Strömen von verrauschten Eingabedaten, um einen Schätzwert des Systems zu erzeugen. Das Kalman-Filter erzeugt Schätzwerte von unbekannten Variablen und diese sind oft genauer als Schätzwerte beruhend auf Einzelmessungen.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert ist, in die Praxis umzusetzen.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands einer Batterie für ein Fahrzeug, wobei sich das Fahrzeug in einem Aufladezustand befindet, wenn die Kraftmaschine arbeitet, und sich in einem Nicht-Aufladezustand befindet, wenn die Kraftmaschine nicht arbeitet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (a) eine Leerlaufspannung für ein aktuelles Starten der Fahrzeugzündung unter Verwendung eines Voltmeters gemessen wird, wobei das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung ausgeführt wird, nachdem das Fahrzeug mindestens acht Stunden lang in dem Nicht-Aufladezustand gewesen ist; (b) unter Verwendung des Prozessors ein Ladezustand bei Leerlaufspannung (SOC_OCV) für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung bestimmt wird; (c) unter Verwendung des Prozessors ein geschätzter Ladezustand bei Leerlaufspannung (SOC_{OCV_est}) für ein aktuelles Starten der Fahrzeugzündung bestimmt wird; (d) unter Verwendung des Prozessors bestimmt wird, ob die Differenz zwischen dem Ladezustand bei Leerlaufspannung (SOC_OCV) für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung und dem geschätzten Ladezustand bei Leerlaufspannung
für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung kleiner als eine vorbestimmte Fehlergrenze ist; (e) in Ansprechen darauf, dass die Differenz größer als der vorbestimmte Fehler ist, die Schritte (a)–(d) ausgeführt werden; andernfalls zu Schritt (f) weitergegangen wird; (f) ein Strom bei ausgeschalteter Zündung für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung als Funktion des Ladezustands bei Leerlaufspannung (SOC_OCV) des aktuellen Startens der Fahrzeugzündung, eines Ladezustands bei Leerlaufspannung (SOC_OCV) eines vorherigen Startens der Fahrzeugzündung, und eines Ladezustands beruhend auf einer Stromintegration über die Zeit unter Verwendung der Prozessortechnik bestimmt wird; und (g) ein geschätzter Ladezustand (SOC_est) des aktuellen Startens der Fahrzeugzündung unter Verwendung des Prozessors bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen eines geschätzten Ladezustands (SOC_est) des aktuellen Startens der Fahrzeugzündung als Funktion des geschätzten Ladezustands (SOC_est) eines vorherigen Startens der Fahrzeugzündung, eines Ladezustands beruhend auf der Integration eines Stroms bei eingeschalteter Zündung über die Zeit, und eines Ladezustands beruhend auf der Integration eines Stroms bei ausgeschalteter Zündung über die Zeit bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Schätzen eines geschätzten Ladezustands (SOC_est) des aktuellen Startens der Fahrzeugzündung durch die folgende Formel repräsentiert wird:
wobei SOC_est(k – 1) der geschätzte Ladezustand bei dem Zündungsstart k – 1 ist, C_norm die Batteriekapazität ist, ρ die Aufladeeffizienz ist, I_on der Strom bei eingeschalteter Zündung des vorherigen Startens der Fahrzeugzündung ist, I_off der Strom bei ausgeschalteter Zündung [engl.: ignition on-current] des vorherigen Startens der Fahrzeugzündung ist und Δt die Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der geschätzte Ladezustand bei Leerlaufspannung (SOC_{OCV_est}) für ein aktuelles Starten der Fahrzeugzündung durch die folgende Formel bestimmt wird: SOC_{OCV_est}(k) = SOC_OCV(k – i) + ΔSOC wobei SOC_OCV(k – i) ein auf der Leerlaufspannung beruhender Ladezustand bei der Zündung k – i ist und ΔSOC die Integration des Stroms bei eingeschalteter Zündung von Zündung k – i bis Zündung k ist und i ein Zähler für das Starten der Fahrzeugzündung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dann, wenn in den Messdaten kein Fehler vorhanden ist, die Formel zum Bestimmen des Stroms bei ausgeschalteter Fahrzeugzündung wie folgt bestimmt wird:
wobei SOC(k) der Ladezustand bei dem Zündungsstart k ist, SOC(k – 1) der Ladezustand bei dem Zündungsstart k – 1 ist, I_on der Strom bei eingeschalteter Zündung ist, I_off der Strom bei ausgeschalteter Zündung ist, ρ die Aufladeeffizienz ist und t die Zeit ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dann, wenn ein Messdatenfehler vorhanden ist und die Fehlerverteilung nicht einheitlich ist, ein Partikelfilter verwendet wird, um den Strom bei ausgeschalteter Zündung zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei ein Zustandsraummodell definiert wird und ein Messmodell definiert wird, um den Strom bei ausgeschalteter Zündung zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Zustandsraummodell des Ladezustands für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung durch die folgende Formel definiert wird:
wobei SOC(k) der Ladezustand bei dem Zündungsstart k ist, SOC(k – 1) der Ladezustand bei dem Zündungsstart k – 1 ist, C_norm die Batteriekapazität [engl.: battery] ist, I_on der Strom bei eingeschalteter Zündung ist, I_off der Strom bei ausgeschalteter Zündung ist, ρ die Aufladeeffizienz ist, Δt die Zeit ist und ε_SOC ein Fehler der Messwertdaten eines Stromsensors bei der Bestimmung des Ladezustands ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Zustandsraummodell des Stroms bei ausgeschalteter Zündung für das Starten der Fahrzeugzündung durch die folgende Formel definiert wird: I_off(k) = I_off(k – 1) + ε₁ wobei I_off(k) der Strom bei ausgeschalteter Zündung für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung ist und I_off(k – 1) der Strom bei ausgeschalteter Zündung für das vorherige Starten der Fahrzeugzündung ist, und ε₁ der Messfehler eines Stromsensors ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Messmodell durch die folgende Formel definiert wird: SOC_off(k) = SOC_OCV(k) + ε_OCV wobei SOC_off(k) der Strom bei ausgeschalteter Zündung für das aktuelle Starten der Fahrzeugzündung ist und SOC_OCV(k – 1) der Strom bei ausgeschalteter Zündung für den vorherigen Fahrzeugstart ist und ε_OCV der Messfehler des Stromsensors bei der Leerlaufspannung ist.