DE102014201492A1

DE102014201492A1 - Temperaturkompensierte Schätzung von Batterieparametern

Info

Publication number: DE102014201492A1
Application number: DE201410201492
Authority: DE
Inventors: Yonghua Li; Xu Wang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2014-07-31
Also published as: US8935043B2; CN103969586A; CN103969586B; US20140214268A1

Abstract

Ein Fahrzeug mit einem Fahrzeugsystem wird bereitgestellt, das eine Elektromaschine und eine Batterie aufweist. Die Elektromaschine ist dazu ausgelegt, Antriebsmoment bereitzustellen, und die Batterie führt der Elektromaschine Leistung zu. Das Fahrzeug enthält auch eine Steuerung, die zum Erzeugen von Ausgangsgrößen unter Verwendung eines Filters, der einen variablen EKF-Verstärkungsfaktor auf Basis der Batterietemperatur aufweist, ausgelegt ist, wobei die Ausgangsgrößen wenigstens eines der Folgenden angeben: eine Batterienennleistung oder einen Batterieladezustand.

Description

Eine oder mehrere Ausführungsformen beziehen sich auf ein Fahrzeugsystem zum Schätzen von Batterieparametern unter Verwendung von Temperaturkompensation.
In Fahrzeugen, die ein Traktionsbatteriesystem aufweisen, wie zum Beispiel in einem Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV, hybrid electric vehicle), Plug-in-HEV (PHEV) oder einem batterieelektrischen Fahrzeug (BEV), bewerten die Fahrzeugsteuerungen einen Aufladepegel der Batterie (state of charge, SOC) und wieviel Leistung die Batterie bereitstellen (entladen) oder empfangen (aufladen) kann, um die Fahreranforderung zu erfüllen und um die Energieverwendung (Leistungsgrenze) zu optimieren. Eine Batterie wird möglicherweise durch ein Ersatzschaltungsmodell (ECM, equivalent circuit model) dargestellt, das Batterie-ECM-Parameter (Schaltungselemente) aufweist, die Batteriecharakteristika darstellen. Berechnungen von Batterieparametern (wie zum Beispiel von SOC und Nennleistung) basieren möglicherweise auf den Batterie-ECM-Parametern.
Ein Batteriemanagementsystem berechnet möglicherweise den SOC als einen Prozentsatz verfügbarer Ladung im Vergleich zu einer maximalen Ladekapazität. Ein derartiges Verfahren zum Berechnen des SOC ist das Amperestunden-Integrationsverfahren. Ein Batteriemanagementsystem berechnet möglicherweise zum Beispiel die Batterieleistungsgrenze auf der Basis von Batteriealter, -temperatur und -SOC. Der SOC und die Batterieleistungsgrenzen können dann für verschiedene andere Fahrzeugsteuerungen bereitgestellt werden, zum Beispiel durch eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC, vehicle system controller), so dass die Informationen von Systemen verwendet werden können, die möglicherweise Leistung aus der Traktionsbatterie ziehen oder Leistung für sie bereitstellen.
In einer Ausführungsform wird ein Fahrzeug mit einer Elektromaschine und einer Batterie bereitgestellt. Die Elektromaschine ist dazu ausgelegt, Antriebsmoment bereitzustellen, und die Batterie führt der Elektromaschine Leistung zu. Das Fahrzeug enthält auch eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, Ausgangsgrößen unter Verwendung eines Filters zu erzeugen, der eine variable Verstärkung auf Basis der Batterietemperatur aufweist, wobei die Ausgangsgrößen wenigstens eines der Folgenden angeben: eine Batterienennleistung oder einen Batterieladezustand.
In einer anderen Ausführungsform wird ein Fahrzeugsystem mit einer Batterie zum Zuführen von Leistung zu einer Elektromaschine und einer Steuerung bereitgestellt. Die Steuerung ist dazu ausgelegt, Eingangsgrößen zu empfangen, die eine Batterietemperatur angeben, und einen Verstärkungsfaktor aus vorbestimmten Daten auf Basis der Batterietemperatur auszuwählen. Die Steuerung ist weiterhin dazu ausgelegt, eine variable Verstärkung auf Basis des Verstärkungsfaktors zu schätzen und Ausgangsgrößen, zum Teil auf Basis der variablen Verstärkung, zu erzeugen, die wenigsten eines der Folgenden angeben: eine Batterienennleistung oder einen Batterieladezustand.
In noch einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Steuerung eines Hybrid-Fahrzeugs bereitgestellt. Eingangssignale werden empfangen, die eine Batterietemperatur, einen Batteriestrom und eine Batteriespannung angeben. Ausgangsgrößen werden unter Verwendung eines Extended Kalman-Filters (EKF) erzeugt, der eine variable Verstärkung auf Basis der Eingangssignale aufweist, wobei die Ausgangsgrößen wenigstens eines der Folgenden angeben: eine Batterienennleistung oder einen Batterie-SOC.
Das Fahrzeugsystem stellt gegenüber existierenden Verfahren Vorteile bereit, indem es Batterieparameter unter Verwendung eines EKF schätzt, der einen variablen EKF-Verstärkungsfaktor aufweist, der von der Batterietemperatur abhängig ist. Ein derartiger Ansatz zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung führt im Vergleich zu existierenden Verfahren, die einen festen EKF-Verstärkungsfaktor verwenden, zu einer exakteren Schätzung des SOC und der Batterienennleistung.
1 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, die mit einem Fahrzeugsystem zum Schätzen von Batterieparametern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht wird;
2 ist ein allgemeines Schaltungsmodell, das vom Fahrzeugsystem aus 1 verwendet werden kann, um das Verhalten einer Batterie nachzubilden;
3 ist ein detailliertes Schaltungsmodell auf Basis des allgemeinen Schaltungsmodells aus 2;
4 ist ein Funktionsgraph, der mit einer oder mehreren Ausführungsformen verwendet werden kann und der eine Beziehung zwischen einer Leerlaufspannung für eine Batteriezelle und ihrem Ladezustand veranschaulicht;
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Schätzen von Batterieparametern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht; und
6 ist ein Funktionsgraph, der einen gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen geschätzten Batterie-ECM-Parameter veranschaulicht;
6A ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts aus 6;
7 ist ein Funktionsgraph, der eine gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen berechnete Batterienennladeleistung veranschaulicht;
7A ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts aus 7;
8 ist ein Funktionsgraph, der eine gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen berechnete Batterienennentladeleistung veranschaulicht; und
8A ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts aus 8.
Wie erforderlich, werden hierin genaue Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart; allerdings ist dies so zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die möglicherweise in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt wird. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale sind möglicherweise vergrößert oder verkleinert dargestellt, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sind hierin offenbarte, spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage, um einen Fachmann von verschiedenen Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu unterrichten.
Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Fahrzeugsystem zum Schätzen von Batterieparametern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht und im Allgemeinen mit der Nummer 10 referenziert. Das Fahrzeugsystem 10 wird innerhalb eines Fahrzeugs 12 aufgezeigt. Das Fahrzeugsystem 10 enthält eine Steuerung, wie zum Beispiel ein Batteriesteuermodul (BECM, battery control module) 14 und eine Batterie 16, die in Kommunikation zueinander stehen. Das BECM 14 empfängt Eingangsgrößen, einschließlich Batterietemperatur, -spannung und -strom, und stellt Ausgangsgrößen bereit, die Batterie-ECM-Parameter angeben. Das BECM 14 berechnet auch die Batterienennleistung (P_cap) und den Batterie-SOC auf Basis der Batterie-ECM-Parameter.
Die veranschaulichte Ausführungsform zeigt das Fahrzeug 12 als ein HEV, was ein Elektrofahrzeug ist, das von einer Elektromaschine 18 mit Unterstützung eines Verbrennungsmotors 20 angetrieben wird. Die Elektromaschine 18 ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein Wechselspannungs-Elektromotor und wird in 1 als ein „Elektromotor” 18 aufgezeigt. Die Elektromaschine 18 empfängt elektrische Leistung und stellt Antriebsmoment für den Fahrzeugantrieb bereit. Die Elektromaschine 18 funktioniert auch als ein Generator zum Umwandeln von mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch Bremsenergierückgewinnung.
Das Fahrzeug 12 enthält gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein Getriebe 22, das eine Power Split Konfiguration aufweist. Das Getriebe 22 enthält die erste Elektromaschine 18 und eine zweite Elektromaschine 24. Die zweite Elektromaschine 24 ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ein Wechselspannungs-Elektromotor und wird in 1 als ein „Generator” 24 aufgezeigt. Genauso wie die erste Elektromaschine 18 empfängt die zweite Elektromaschine 24 elektrische Leistung und stellt Ausgangsdrehmoment bereit. Die zweite Elektromaschine 24 funktioniert auch als ein Generator zum Umwandeln von mechanischer Leistung in elektrische Leistung und zum Optimieren des Leistungsflusses durch das Getriebe 22.
Das Getriebe 22 enthält eine Planetengetriebeeinheit 26, die ein Sonnenrad 28, einen Planetenträger 30 und einen Zahnkranz 32 enthält. Das Sonnenrad 28 ist mit einer Ausgangswelle der zweiten Elektromaschine 24 zum Empfang von Generatordrehmoment verbunden. Der Planetenträger 30 ist mit einer Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 20 zum Empfang von Motordrehmoment verbunden. Die Planetengetriebeeinheit 26 kombiniert das Generatordrehmoment und das Motordrehmoment und stellt ein kombiniertes Ausgangsdrehmoment über den Zahnkranz 32 bereit. Die Planetengetriebeeinheit 26 funktioniert als ein stetig variables Getriebe, ohne irgendwelche festen oder „schrittweisen” Verhältnisse.
Das Getriebe 22 enthält gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen auch eine Freilaufkupplung (OWC, one-way clutch) und eine Generatorbremse 33. Die OWC ist mit der Ausgangswelle des Verbrennungsmotors 20 gekoppelt, um eine Drehung der Ausgangswelle nur in eine Richtung zu gestatten. Die OWC verhindert, dass das Getriebe 22 den Verbrennungsmotor 20 rückwärts antreibt. Die Generatorbremse 33 ist mit der Ausgangswelle der zweiten Elektromaschine 24 gekoppelt. Die Generatorbremse 33 wird möglicherweise aktiviert, um die Ausgangswelle der zweiten Elektromaschine 24 und das Sonnenrad 28 zu „bremsen” oder deren Drehung zu verhindern. In anderen Ausführungsformen werden die OWC und die Generatorbremse 33 weggelassen und durch Steuerungsstrategien für den Verbrennungsmotor 20 und die zweite Elektromaschine 24 ersetzt.
Das Getriebe 22 enthält eine Vorgelegewelle, die ein erstes Zahnrad 34, ein zweites Zahnrad 36 und ein drittes Zahnrad 38 aufweist. Ein Ausgangszahnrad 40 des Planetengetriebes ist mit dem Zahnkranz 32 verbunden. Das Ausgangszahnrad 40 des Planetengetriebes steht mit dem ersten Zahnrad 34 in Eingriff, um Drehmoment zwischen der Planetengetriebeeinheit 26 und der Vorgelegewelle zu übertragen. Das Ausgangszahnrad 42 ist mit einer Ausgangswelle der ersten Elektromaschine 18 verbunden. Das Ausgangszahnrad 42 steht mit dem zweiten Zahnrad 36 in Eingriff, um Drehmoment zwischen der ersten Elektromaschine 18 und der Vorgelegewelle zu übertragen. Ein Ausgangszahnrad 44 des Getriebes ist mit einer Ausgangswelle 46 des Getriebes verbunden. Die Ausgangswelle 46 des Getriebes ist mit einem Paar Antriebsräder 48 durch ein Differentialgetriebe 50 gekoppelt. Das Ausgangszahnrad 44 des Getriebes steht mit dem dritten Zahnrad 38 in Eingriff, um Drehmoment zwischen dem Getriebe 22 und den Antriebsrädern 48 zu übertragen.
Obwohl sie im Kontext eines HEV 12 veranschaulicht und beschrieben worden sind, versteht es sich, dass Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung möglicherweise bei anderen Arten von Elektrofahrzeugen umgesetzt werden, wie zum Beispiel bei BEVs, die von einem Elektromotor ohne Unterstützung durch einen Verbrennungsmotor mit Leistung versorgt werden.
Das Fahrzeug 12 enthält die Batterie 16 zum Speichern von elektrischer Energie. Die Batterie 16 ist eine Hochspannungsbatterie, die in der Lage ist, elektrische Leistung auszugeben, um die erste Elektromaschine 18 und die zweite Elektromaschine 24 zu betreiben. Die Batterie 16 empfängt auch elektrische Leistung von der ersten Elektromaschine 18 und der zweiten Elektromaschine 24, wenn diese als Generatoren betrieben werden. Die Batterie 16 ist ein Batteriesatz, der aus mehreren Batteriemodulen (nicht dargestellt) hergestellt ist, wobei jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen (nicht dargestellt) umfasst. Für andere Ausführungsformen des Fahrzeugs 12 wurden andere Arten von Energiespeichersystemen in Betracht gezogen, wie zum Beispiel Kondensatoren und Brennstoffzellen (nicht dargestellt), die die Batterie 16 ergänzen oder ersetzen. Ein Hochspannungsbus verbindet die Batterie 16 elektrisch mit der ersten Elektromaschine 18 und der zweiten Elektromaschine 24.
Das BECM 14 steuert die Batterie 16. Das BECM 14 empfängt Eingangsgrößen, die Fahrzeugzustände und Batteriezustände angeben, wie zum Beispiel Batterietemperatur, -spannung und -strom. Das BECM 14 schätzt die Batterieparameter, die Batteriecharakteristika entsprechen. Das BECM 14 schätzt auch den Batterie-SOC und die Batterienennleistung (P_cap) auf Basis der Batterie-ECM-Parameter. Das BECM 14 stellt Ausgangsgrößen (SOC, P_cap) bereit, die anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen den SOC und die Batterienennleistung angeben. In einer anderen Ausführungsform empfängt das BECM 14 den Batterie-SOC als eine Eingangsgröße, die durch andere Mittel bereitgestellt wird.
Das Fahrzeug 12 enthält einen einstellbaren Spannungswandler (VVC, variable voltage converter) 52 und einen Wechselrichter 54, die elektrisch über den Hochspannungsbus verbunden sind. Der VVC 52 hebt das Spannungspotential der elektrischen Energie an, die von der Batterie 16 bereitgestellt wird, oder transformiert es aufwärts. Der VVC 52 setzt gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen möglicherweise auch das Spannungspotential der elektrischen Energie herab, die von der Batterie 16 bereitgestellt wird, oder transformiert es abwärts. Der Wechselrichter 54 richtet die Gleichspannungsenergie, die von der Batterie 16 (durch den VVC 52) zugeführt wird, in Wechselspannungsenergie zum Betreiben der Elektromaschinen 18, 24 um. Der Wechselrichter 54 richtet auch Wechselspannungsleistung, die von den Elektromaschinen 18, 24 bereitgestellt wird, in Gleichspannung zum Aufladen der Hauptbatterie 16 gleich.
Das Getriebe 22 enthält ein Getriebesteuermodul (TCM, transmission control module) 58 zum Steuern der Elektromaschinen 18, 24, des VVC 52 und des Wechselrichters 54. Das TCM 58 ist dazu ausgelegt, unter anderem die Stellung, die Geschwindigkeit und den Leistungsverbrauch der Elektromaschinen 18, 24 zu überwachen. Das TCM 58 überwacht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ebenfalls die elektrischen Parameter (z. B. Spannung und Strom) an verschiedenen Punkten innerhalb des VVC 52 und des Wechselrichters 54. Das TCM 58 stellt für andere Fahrzeugsysteme diesen Informationen entsprechende Ausgangssignale bereit.
Das Fahrzeug 12 enthält eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC) 60, die mit anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen kommuniziert, um deren Funktion zu koordinieren. Obwohl sie als eine einzelne Steuerung gezeigt wird, enthält die VSC 60 möglicherweise Software oder mehrere Steuerungen, die möglicherweise verwendet werden, um mehrere Fahrzeugsysteme gemäß einer übergreifenden Fahrzeugsteuerungslogik zu steuern.
Die Fahrzeugsteuerungen, einschließlich der VSC 60 und des BECM 14, enthalten im Allgemeinen irgendeine Anzahl von Mikroprozessoren, ASICs, ICs, Speicher (z. B. FLASH, ROM, RAM, EPROM und/oder EEPROM) und Software-Code, um miteinander zum Ausführen einer Reihe von Operationen zu kooperieren. Die Steuerungen enthalten auch vorbestimmte Daten oder Umsetzungstabellen („Lookup-Tabellen”), die auf Berechnungen und Testdaten basieren und innerhalb des Speichers gespeichert werden. Die VSC 60 kommuniziert mit anderen Fahrzeugsystemen und -steuerungen (z. B. dem BECM 14 und dem TCM 58) über eine oder mehrere festverdrahtete oder drahtlose Fahrzeugverbindungen unter Verwendung üblicher Busprotokolle (z. B. CAN und LIN). Die VSC 60 empfängt Eingangsgrößen (PRND, Wählhebelstellung), die eine aktuelle Stellung des Getriebes 22 darstellen (z. B. Parkstellung, Rückwärtsgang, Leerlauf/Neutral oder Vorwärtsfahrt/Drive). Die VSC 60 empfängt ebenfalls Eingangsgrößen (APP, accelerator pedal position), die eine Gaspedalstellung darstellen. Die VSC 60 stellt dem TCM 58 Ausgangsgrößen, die ein Soll-Radmoment, eine Soll-Motordrehzahl und eine Generatorbremsanweisung darstellen, sowie Schützsteuerung für das BECM 14 bereit.
Das Fahrzeug 12 enthält ein Bremssystem (nicht dargestellt), das sowohl ein Bremspedal, einen Kraftverstärker, einen Hauptbremszylinder als auch mechanische Verbindungen zu den Antriebsrädern 48 enthält, um Friktionsbremsung zu bewirken. Das Bremssystem enthält auch Stellungssensoren, Drucksensoren oder irgendeine Kombination daraus, um Informationen bereitzustellen, wie zum Beispiel die Bremspedalstellung (BPP, brake pedal position), die einer Fahreranforderung von Bremsmoment entspricht. Das Bremssystem enthält auch ein Bremssystemsteuermodul (BSCM, brake system control module) 62, das mit der VSC 60 kommuniziert, um Bremsenergierückgewinnung und Friktionsbremsung zu koordinieren. Das BSCM 62 stellt der VSC 60 eine Bremsenergierückgewinnungsanweisung gemäß einer Ausführungsform bereit.
Das Fahrzeug 12 enthält ein Motorsteuermodul 64, um den Verbrennungsmotor 20 zu steuern. Die VSC 60 stellt dem Motorsteuermodul 64 Ausgangsgrößen (Soll-Motordrehmoment) bereit, die auf einer Anzahl von Eingangssignalen, einschließlich APP, basieren und einer Anforderung des Fahrers zum Fahrzeugantrieb entsprechen.
Das Fahrzeug 12 ist gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dazu ausgelegt, Leistung von einer externen Quelle zu empfangen. Die Batterie 16 empfängt über einen Aufladeport 66 regelmäßig Wechselspannungsenergie von einer externen Energieversorgung oder einem Stromnetz. Der Aufladeport 66 ist möglicherweise dazu ausgelegt, einen externen Elektrostecker oder -verbinder („Plug-in”) zu empfangen, oder ist möglicherweise für induktives Aufladen ausgelegt. Das Fahrzeug 12 enthält auch ein fahrzeuginternes Aufladegerät 68, das die Wechselspannungsenergie vom Aufladeport 66 empfängt. Das Aufladegerät 68 ist ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, der die empfangene Wechselspannungsenergie in Gleichspannungsenergie umwandelt, die zum Aufladen der Batterie 16 geeignet ist. Das Aufladegerät 68 wiederum führt der Batterie 16 die Gleichspannungsenergie während des Wiederaufladens zu.
Bezugnehmend auf die 1 und 2: Das BECM 14 ist dazu ausgelegt, Eingangsgrößen zu empfangen, die die Fahrzeugzustände und die Batteriezustände angeben, wie zum Beispiel Batterietemperatur, -spannung und -strom. Das BECM 14 schätzt auf Basis der Eingangsgrößen die Batterie-ECM-Parameter. Das BECM 14 berechnet auch den Batterie-SOC und die Batterienennleistung (P_cap) auf Basis der Batterie-ECM-Parameter und der Eingangsgrößen. Das BECM 14 stellt die P_cap und den SOC für andere Fahrzeugsysteme und -steuerungen bereit, die für die Batterie 16 Leistung bereitstellen oder von ihr Leistung empfangen. Zum Beispiel begrenzt das TCM 58 möglicherweise die Menge an elektrischer Leistung, die den Elektromaschinen 18, 24 zugeführt wird, wenn der SOC unter einem unteren SOC-Schwellenwert liegt. Möglicherweise reduziert das TCM 58 auch die Menge an elektrischer Leistung, die der Batterie 16 von den Elektromaschinen 18, 24 zugeführt wird, wenn der SOC über einem oberen SOC-Schwellenwert liegt. In einer oder mehreren Ausführungsformen empfängt das BECM 14 den SOC als einen Eingang und schätzt P_cap zum Teil auf Basis des SOC.
2 zeigt ein verallgemeinertes Ersatzschaltungsmodell 210, das die Batterie 16 und ihre Innenimpedanz (Z) darstellt. Die Batterielast können elektrische Komponenten sein (z. B. die Elektromaschinen 18, 24), die Strom aus der Batterie 16 ziehen. Im Schaltungsmodell 210 werden eine Leerlaufspannung (V_oc), ein Batteriestrom (I), eine Anschlussspannung (V_t) und eine verallgemeinerte Impedanz-Unterschaltung (Z) spezifiziert. Es versteht sich, dass die Unterschaltung (Z) möglicherweise eine Anzahl unterschiedlicher elektrischer Elemente enthält, wie zum Beispiel Widerstände, Kondensatoren, Induktoren und Ähnliches. Wie unten ausführlich erörtert wird, ist der Zweck der Schaltung 210, Informationen bezüglich einer Batterie bereitzustellen, die verwendet werden können, um SOC und P_cap zu bestimmen. Demzufolge stellt das Schaltungsmodell 210 möglicherweise das Verhalten der Batterie exakter dar, wenn die Unterschaltung (Z) eine relativ große Anzahl elektrischer Komponenten umfasst.
Allerdings kommt es mit einer erhöhten Komponentenanzahl in der Unterschaltung (Z) auch zu einer damit einhergehenden Erhöhung der Komplexität der Gleichungen, die das Schaltungsmodell regeln. Wie oben in Bezug auf 1 beschrieben wurde, ist die Batterie 16 ein Batteriesatz, der aus mehreren Batteriemodulen (nicht dargestellt) hergestellt ist, wobei jedes Batteriemodul mehrere Batteriezellen (nicht dargestellt) umfasst. Das ECM 210 stellt einen Batteriesatz dar, und das Fahrzeugsystem 10 schätzt die Batterieparameter entsprechend dem Gesamtbatteriesatz. Allerdings wird bei anderen Ausführungsformen des Fahrzeugsystems 10 zum Schätzen von Batteriezellenparametern ein Batteriezellen-Ersatzschaltungsmodell in Betracht gezogen.
3 veranschaulicht ein vereinfachtes Ersatzschaltungsmodell 310 nach Randles, das auf dem allgemeinen Schaltungsmodell 210 aus 2 basiert. Die Unterschaltung (Z) besteht aus drei diskreten elektrischen Komponenten, insbesondere aus zwei Widerständen (r₁, r₂) und einem Kondensator (c). Ein Paar regelnde Gleichungen für das Schaltungsmodell 310 kann wie folgt geschrieben werden:
V_oc – V_t = V₂ + Ir₁ Gl. 2 dabei gilt: V₂ ist eine Spannung über c oder r₂ des Schaltungsmodells;
ist die Ableitung von V₂ über der Zeit; r₂ ist ein Ladungsverschiebungswiderstand der Batterie; c ist eine Doppelschichtkapazität der Batterie; I ist der gemessene Batteriestrom; V_oc ist die Leerlaufspannung der Batterie; V_t ist die gemessene Batteriespannung über den Batterieanschlüssen (Anschlussspannung); und r₁ ist ein Innenwiderstand der Batterie.
Der Batteriestrom (I) und die Spannung (V_t) werden möglicherweise regelmäßig mit irgendeiner vorbestimmten Frequenz gemessen, so dass diese Werte von anderen Fahrzeugsteuersystemen verwendet werden können. Im Fall einer Leerlaufspannung der Batterie (V_oc) kann der Wert direkt gemessen werden, wenn das Fahrzeug gestartet wird, bevor ein elektrisches Schütz (nicht dargestellt) geschlossen wird, falls ein batterieinterner Diffusionsprozess als beendet betrachtet wird. Wenn das Fahrzeug allerdings läuft und das Schütz geschlossen ist, wird die Leerlaufspannung (V_oc) geschätzt. Zusätzlich sind die Batterie-ECM-Parameter (r₁, r₂ und c) geschätzte Werte.
4 zeigt eine Art und Weise, wie die Leerlaufspannung einer Zelle der Batterie (V_{oc_cell}) auf Basis des SOC der Zelle geschätzt werden kann. Der in 4 gezeigte Funktionsgraph 410 veranschaulicht eine monotone Beziehung zwischen der V_{oc_cell} und dem SOC einer Zelle einer Lithium-Ionen-Batterie. Andere Batteriearten, die andere chemische Batteriezusammensetzungen aufweisen, zeigen möglicherweise ähnliche Beziehungen oder andere Beziehungen, die gleichwohl bekannt sind und in einer ähnlichen Art und Weise wie der in 4 gezeigte Funktionsgraph 410 verwendet werden können.
Möglicherweise gibt es mehrere Arten und Weisen, die V_oc aus dem SOC zu bestimmen; das Verfahren, das verwendet wird, hängt möglicherweise zum Beispiel davon ab, ob der SOC für den Batteriesatz als Ganzes bekannt ist, oder ob der SOC für jede einzelne der Batteriezellen bekannt ist. In dem Fall, dass der SOC für jede Batteriezelle bekannt ist, kann Gleichung 3, wie unten gezeigt wird, zur Bestimmung der V_oc des Batteriesatzes verwendet werden. V_oc = Σ N / i=1V_{oc_celli} = Σ N / i=1f(SOC_i) Gl. 3 dabei gilt: N ist die Anzahl der Batteriezellen im Batteriesatz, und es besteht eine Beziehung vom Typ 1:1 zwischen der V_oc der Zelle und dem SOC der Zelle.
Bei Verwendung der für jede Batteriezelle bekannten SOC-Werte kann ein entsprechender V_oc-Wert anhand vorbestimmter Daten bestimmt werden, wie zum Beispiel anhand einer Umsetzungstabelle oder einer bekannten Beziehung zwischen der V_oc und dem SOC. Dann kann jeder der für die einzelnen Batteriezellen berechneten V_{oc_cell}-Werte addiert werden, um die Gesamt-V_oc für den Batteriesatz bereitzustellen. In diesem Modell wird angenommen, dass die Batteriezellen in Reihe verbunden sind, wodurch ihre Spannungen addierbar werden. Das Berechnen der V_oc auf diese Art und Weise stellt eine sehr exakte Schätzung der Batterie-V_oc bereit, die nicht direkt gemessen werden kann, nachdem das Schütz geschlossen wurde. Indem alle V_{oc_cell}-Werte addiert werden, werden die schwächsten Batteriezellen die Gesamt-V_oc des Batteriesatzes herabsetzen und sicherstellen, dass ihr Wert nicht unrealistisch hoch ist.
Eine andere Art und Weise zum Bestimmen einer V_oc für den Batteriesatz wird unten in den Gleichungen 4 und 5 gezeigt. V_oc = N × V_{oc_min} = N × f(SOC_min)während des Entladens Gl. 4 V_oc = N × V_{oc_max} = N × f(SOC_max)während des Aufladens Gl. 5 dabei bezieht sich SOC_min auf den minimalen SOC unter allen Zellen in einer Reihenschaltung, während sich SOC_max auf den maximalen SOC unter allen Zellen in einer Reihenschaltung bezieht.
Wie in den Gleichungen 4 und 5 gezeigt wird, wird die Leerlaufspannung (V_oc) unter Verwendung unterschiedlicher Gleichungen berechnet, abhängig davon, ob die Batterie gerade entladen (Gl. 4) oder aufgeladen wird (Gl. 5). Der Grund dafür ist, dass es zwei unterschiedliche Batterienennleistungen gibt, eine, die mit der Batterieentladung verknüpft ist, und eine andere, die mit der Batterieaufladung verknüpft ist. Jede dieser Batterienennleistungen ist durch andere Werte der V_oc begrenzt. Zum Beispiel wird die Batterienennentladeleistung durch die minimale V_oc des Batteriesatzes begrenzt; wohingegen die Batterienennladeleistung durch die maximale V_oc des Batteriesatzes begrenzt wird. Die Gleichungen 4 und 5 könne als eine Alternative zu Gleichung 3 verwendet werden, sogar wenn der SOC jeder Batteriezelle bekannt ist. In einem derartigen Fall wird der geringste Batteriezellen-SOC in der Gleichung 4 verwendet werden, und der höchste Batteriezellen-SOC wird in der Gleichung 5 verwendet werden.
Obwohl einige der in den Gleichungen 1 und 2 vorkommenden Variablen, wie zum Beispiel (I) und (V_t) direkt gemessen werden können, erfordert die Bestimmung anderer Variablen möglicherweise andere Mittel. Zum Beispiel ist eine Art und Weise, Werte wenigstens einiger der Variablen in den Gleichungen 1 und 2 zu bestimmen, die Anwendung eines rekursiven Parameterschätzverfahrens auf die Gleichungen, wie zum Beispiel eines Kalman-Filters oder eines EKF. Ein Kalman-Filter wird zum Schätzen von Zuständen eines linearen Systems verwendet. Ein EKF wird möglicherweise für nichtlineare Systeme verwendet, indem bei jedem zeitlichen Schritt ein Linearisierungsprozess genutzt wird, um eine Näherung an das nichtlineare System mit einem linearen zeitabhängigen System zu erhalten. Weil Batterieparameterschätzungen im Allgemeinen nichtlinear sind, schätzt das Fahrzeugsystem gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen die Batterie-ECM-Parameter unter Verwendung eines EKF. Eine Art und Weise, in der ein EKF angewendet werden kann, ist es, den Strom (I) als die Eingangsgröße zu betrachten, die Spannung (V₂) als einen Zustand und den Term (V_oc – V_t) als die Ausgangsgröße. Die Batterie-ECM-Parameter (r₁, r₂ und c) oder ihre verschiedenen Kombinationen werden ebenfalls als Zustände behandelt, die ermittelt werden sollen. Sobald die Batterie-ECM-Parameter und andere Unbekannte ermittelt worden sind, können auf Basis von betrieblichen Grenzen einer Batteriespannung und eines Batteriestroms der SOC und die Nennleistung sowie der aktuelle Batteriezustand berechnet werden.
Ein EKF ist ein dynamisches System, das durch die folgenden Gleichungen geregelt wird: X_k = f(X_k-1, u_k-1, w_k-1) Y_k = h(X_k, v_k-1) Gl. 6 dabei gilt: X_k enthält den Zustand V₂ und die anderen drei Batterie-ECM-Parameter; u_k ist die Eingangsgröße (z. B. der Batteriestrom); w_k ist das Prozessrauschen; Y_k ist die Ausgangsgröße (V_oc – V_t); und v_k ist das Messrauschen.
Ein derartiges Gleichungssystem für das Batteriemodell, wie es in Betracht gezogen wird, kann wie folgt gezeigt werden:
Die entsprechende Zustandsraumgleichung, zeitdiskret oder zeitstetig, kann in der Form der Gleichung 6 erlangt werden.
Auf Basis des in Gleichung 6 gezeigten Systemmodells wurde eine Beobachterschaltung dazu entworfen, die erweiterten Zustände (x₁, x₂, x₃ und x₄) und entsprechend (V₂, r₁, r₂ und c) gemäß den Gleichungen 7–10 zu schätzen, wie unten gezeigt wird: (V ^₂) = x₁ Gl. 7 (r ^₁) = x₄ Gl. 8 (r ^₂) = x₃ / x₂ Gl. 9 (ĉ) = 1 / x₃ Gl. 10
Der vollständige Satz von EKF-Gleichungen besteht aus Gleichungen zur Zeitaktualisierung und Gleichungen zur Messaktualisierung. Die EKF-Gleichungen zur Zeitaktualisierung projizieren die Zustands- und Kovarianzschätzung aus dem vorherigen zeitlichen Schritt auf den aktuellen Schritt: x ^ – / k = f(x ^_k-1, u_k-1, 0) P – / k = A_kP_k-1A T / k + W_kQ_k-1W T / k Gl. 11 dabei gilt: x ^ – / k stellt die A-priori-Schätzung von x_k dar; P – / k stellt die Kovarianzmatrix des A-priori-Schätzfehlers dar; A_k stellt die Jacobi-Matrix der partiellen Ableitungen von f nach X dar; P_k-1 stellt die Matrix des A-posteriori-Schätzfehlers des letzten Schrittes dar; A T / k stellt die Transponierte der Matrix A_k dar; W_k stellt die Jacobi-Matrix der partiellen Ableitungen von f nach der Prozessrausch-Variablen w dar; Q_k-1 stellt eine Kovarianzmatrix des Prozessrauschens dar, und W T / k stellt die Transponierte der Matrix W_k dar.
Die Gleichungen zur Messaktualisierung korrigieren die Zustands- und Kovarianzschätzung mithilfe der Messung: K_k = P – / kH T / k(H_kP – / kH T / k + V_kR_kV T / k)^–1 Gl. 12 x ^_k = x ^ – / k + K_k(z_k – h(x ^ – / k, 0)) Gl. 13 P_k(I – K_kH_k)P – / k Gl.14 dabei gilt: K_k stellt die EKF-Verstärkung dar; H_k stellt die Jacobi-Matrix der partiellen Ableitungen von h nach X dar; H T / k ist die Transponierte von H_k; R_k stellt eine Kovarianzmatrix des Messrauschens dar; V_k stellt die Jacobi-Matrix der partiellen Ableitungen von h nach der Messrausch-Variablen v dar; und V T / k ist die Transponierte von V_k.
Nach Gleichung 12 ist die EKF-Verstärkung (K) im Allgemeinen umgekehrt proportional zum Wert (R) der Kovarianzmatrix des Messrauschens. Wenn sich somit der EKF-Verstärkungsfaktor R erhöht, verringert sich die EKF-Verstärkung (K) und umgekehrt.
Im Allgemeinen führt eine hohe Rückkopplungsverstärkung in der Steuerungstheorie normalerweise zu wenig gedämpftem Antwortverhalten (kürzerer Antwortzeit und stärkeren Schwingungen der gesteuerten Variablen) und zu potentiell instabilen Regelkreisen. Auf der anderen Seite führt eine geringe Rückkopplungsverstärkung normalerweise zu stark gedämpftem Antwortverhalten (längerer Antwortzeit). Demzufolge führt eine ungeeignete EKF-Verstärkung möglicherweise entweder zu starker Schwingung der erlernten ECM-Parameter oder zu ihrem langsamen Lernen, insbesondere des Widerstands r₁, und beeinträchtigt direkt die Qualität der Nennleistungsschätzung hinsichtlich der Schätzgenauigkeit (Bias) oder der Lerngeschwindigkeit.
Das BECM 14 wählt gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen einen Wert für den EKF-Verstärkungsfaktor R aus vorbestimmten Daten auf Basis der gemessenen Batterietemperatur aus. In einer Ausführungsform enthalten die vorbestimmten Daten zum Beispiel eine Umsetzungstabelle mit einem festen Wert für R bei Temperaturen über 10°C und mit zunehmenden Werten für den EKF-Verstärkungsfaktor R, wenn die Temperatur von 10°C auf –40°C absinkt, wie unten in der Tabelle A gezeigt wird.

Temp. (Grad C) –40 –30 –20 –10 0 10 20 30 40 50

EKF-Verstärkungsfaktor R 2000 1000 500 200 100 10 10 10 10 10

Tabelle A: Beispielhafte Umsetzungstabelle für den temperaturabhängigen Verstärkungsfaktor R
Obwohl kleine R-Matrixwerte (größere Verstärkung für die Kennung) möglicherweise zu Schwingungen der erlernten Parameter führen, führen große R-Matrixwerte möglicherweise zu langsamerem Erlernen der Parameter/des Zustands und somit zu langsamerem Erlernen von SOC und Nennleistungen. Demzufolge enthält das BECM 14 einen Ansatz zur Planung der Verstärkung, die eine feste Verstärkung für normale Batteriebetriebstemperaturen enthält (z. B. über 10°C, wie in Tabelle A gezeigt wird).
In einer oder mehreren Ausführungsformen wird ebenfalls ein Wert für die Kovarianzmatrix des Prozessrauschens (Q) aus vorbestimmten Daten auf Basis der Batterietemperatur ausgewählt. Diese beiden Matrizen (Q und R) stellen Verstärkungsfaktoren für die Bestimmung der EKF-Verstärkung bereit, wie in den Gleichungen 11 und 12 gezeigt wird.
Die Differentialgleichung erster Ordnung aus den Gleichungen 1 und 2 kann unter Verwendung der geschätzten Batterieparameter aus den Gleichungen 7–10 gelöst werden, um den folgenden Ausdruck für den Batteriestrom (I) zu ergeben.
dabei gilt: t_d ist ein vorbestimmter Zeitwert; V ^₂(0) ist der aktuelle Wert von V₂, und e ist die Basis des natürlichen Logarithmus.
Sobald der Wert von (I) aus der Gleichung 15 bestimmt ist, kann die Batterienennleistung im Allgemeinen ermittelt werden. Wo es erwünscht ist, eine Nennladeleistung für die Batterie zu bestimmen, kann Gleichung 15 für einen Minimalwert von (I) gelöst werden, wie zum Beispiel in der Gleichung 16 gezeigt wird. Konventionell wird Strom als eine positive Menge (+) definiert, wenn er aus einer Batterie abfließt (Entladen), und als eine negative Menge (–), wenn er in die Batterie hinein fließt (Aufladen).
dabei gilt: der Wert von (t_d) ist vorbestimmt und liegt möglicherweise zum Beispiel zwischen 1 s und 10 s, und V_max ist eine maximale Betriebsspannung für die Batterie und wird möglicherweise als eine begrenzende Batteriespannung angesehen.
Dieser Strom wird dann mit einer Aufladestromgrenze des Systems (I_{lim_ch}) verglichen. Wenn I_min(t_d, V_max) < I_{lim_ch} ist, wird ein zweiter Spannungswert gemäß der Gleichung 17 berechnet, wie unten gezeigt wird:
Der Zeitwert (t_d) kann darauf basieren, wie die Batterienennleistungen von der Fahrzeugsystemsteuerung verwendet werden. Die Spannung (V_max) wird möglicherweise zum Beispiel von einem Fahrzeughersteller oder einem Batteriehersteller als die maximale Spannung bestimmt, die die Batterie erreichen darf.
Die Nennladeleistung (P_{cap_ch}(t_d)) für eine Batterie als eine Funktion der Zeit (t_d) kann gemäß Gleichung 18 geschrieben werden.
Zusätzlich zum Bestimmen einer Nennladeleistung für eine Batterie stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zum Bestimmen einer Nennentladeleistung für die Batterie bereit. Zum Bestimmen der Nennentladeleistung wird ein Maximalwert für den Batteriestrom (I) in Verbindung mit einem Minimalwert der Batteriespannung verwendet. Die Gleichung 15 kann verwendet werden, um dies für (I_max) zu lösen, wie in Gleichung 19 gezeigt wird.
dabei gilt: V_min ist eine minimale Betriebsspannung des Batteriesatzes.
Dieser Strom wird dann mit einer Entladestromgrenze I_{lim_dch} des Systems verglichen. Falls I_max(t_d, V_min) > I_{lim_dch} ist, wird ein zweiter Spannungswert gemäß der Gleichung 20 berechnet, wie unten gezeigt wird:
Die Nennentladeleistung (P_{cap_dch}(t_d)) für die Batterie als eine Funktion der Zeit (t_d) kann wie in Gleichung 21 gezeigt bestimmt werden.
Mit den Gleichungen 15–21 wird die Nennleistung unter Verwendung von ECM-Parametern (z. B. r₁, r₂ und c), die vom EKF geschätzt werden (Gleichungen 7–10), berechnet.
Zum Beispiel wurde die Nennentladeleistung (P_{cap_dch}) in einer Ausführungsform unter Verwendung der Gleichung 21 berechnet. Wenn die Batterietemperatur –30°C betragen würde, falls das BECM 14 einen Default-EKF-Verstärkungsfaktor R von 10 auswählt, wie er auch bei normaler Temperatur (z. B. > 10°C) verwendet wird, dann würde der EKF einen geschätzten Innenwiderstand der Batterie (r ^₁) von 1,17 Ω +/– 20% bereitstellen. Falls folgende Werte gelten: Eine Differenz zwischen der Leerlaufspannung und der minimalen Betriebsspannung des Batteriesatzes (V_oc – V_min) hat einen Wert von 129,2 V, ein Spannungsabfall über c (V₂) beträgt 0,0 V, ein geschätzter Ladungsverschiebungswiderstand der Batterie (r ^₂) ist 0,501 Ω, eine geschätzte Doppelschichtkapazität der Batterie (ĉ) ist 40,79 F, bei einer zeitlichen Dauer (t_d) von 1 Sekunde, dann würde die Nennentladeleistung dahingehend berechnet werden, dass sie zwischen 13,75 kW und 20,45 kW oszilliert, mit einem Nennwert von 16,44 kW. Bei einem mit +/–20% oszillierenden r₁ variiert somit die Nennentladeleistung von –16.39% bis 24.38% über einem Nennwert.
Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Verfahren zum Schätzen von Batterieparametern auf Basis der Batterietemperatur gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen veranschaulicht und im Allgemeinen mit der Nummer 510 referenziert. Das Verfahren 510 wird unter Verwendung von Software-Code, der im BECM 14 umfasst ist, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen umgesetzt. In anderen Ausführungsformen wird das Verfahren 510 in anderen Fahrzeugsteuerungen oder in mehreren Fahrzeugsteuerungen umgesetzt.
In Operation 512 empfängt das BECM 14 Eingangsgrößen, die die Batterietemperatur (T), die Batterieanschlussspannung (V_t) und den Batteriestrom (I) angeben. Die Eingangsgrößen werden gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen von Batteriesensoren bereitgestellt. In einer oder mehreren Ausführungsformen enthalten die Eingangsgrößen einen vorher geschätzten SOC (wie er durch eine gestrichelte Linie in der veranschaulichten Ausführungsform dargestellt wird).
In Operation 514 bestimmt das BECM 14 Batteriesteuerparameter, wie zum Beispiel den SOC und Batteriespannungs- und -stromgrenzen (V_max, V_min, I_{lim_ch}, I_{lim_dch}). In einer Ausführungsform berechnet das BECM 14 den SOC unter Verwendung des Amperestunden-Integrationsverfahrens.
In Operation 516 ermittelt das BECM 14 Batterie-ECM-Parameter (z. B. r₁, r₂ und c) unter Verwendung eines rekursiven Parameterschätzverfahrens, wie zum Beispiel eines EKF. Die Batterie-ECM-Parameter werden auf Basis der Eingangsgrößen V_t, I, T und SOC gemäß den Gleichungen 6–14 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen geschätzt. Der SOC wird möglicherweise durch die Operation 512 oder 514 bereitgestellt. In einer oder mehreren Ausführungsformen nutzt das Verfahren 510 beide SOC-Werte bei unterschiedlichen Fahrzeugzuständen.
In Operation 518 bestimmt das BECM 14 die Batterienennleistung (P_cap). Das BECM 14 nutzt die Gleichungen 15–21 zum Schätzen der Batterienennlade- bzw. der Batterienennentladeleistung. Weil die Nennleistungen, wie sie in den Gleichungen 18 und 21 gezeigt werden, zeitbasierte Funktionen von t_d sind, können weiterhin mehrere Werte von P_cap für jede Nennlade- und Nennentladeleistung berechnet werden.
In Operation 520 bestimmt das BECM 14 den Batterie-SOC. Das BECM 14 nutzt Tabelle A, um den EKF-Verstärkungsfaktor R in der Batterie-ECM-Parameterschätzung auszuwählen. Die geschätzten Batterie-ECM-Parameter werden dann zum Schätzen des SOC verwendet.
Die 6–8A veranschaulichen den Einfluss des Verfahrens 510 zum Schätzen von Batterie-ECM-Parametern auf Basis der Batterietemperatur. Die 6–8A enthalten sechs Funktionsgraphen von Schwingungsverläufen, die auf Daten basieren, die über einen üblichen Zeitraum und bei einer niedrigen Batterietemperatur (z. B. –30° C) aufgenommen werden. Die mit durchgezogenen Linien gezeigten Schwingungsverläufe veranschaulichen Daten, die basierend auf einem Ansatz zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung gemäß dem Verfahren 510 geschätzt wurden. Wenn das Verfahren 510 aktiv ist, wählt das BECM 14 einen oder mehrere Verstärkungsfaktoren (R und Q) aus den vorbestimmten Daten auf Basis der Batterietemperatur aus. Zum Vergleich veranschaulichen die in gestrichelten Linien gezeigten Schwingungsverläufe die Verwendung eines festen EKF-Verstärkungsfaktors.
6 veranschaulicht den Innenwiderstand der Batterie (r₁) über der Zeit und wird im Allgemeinen mit der Nummer 610 referenziert. Das BECM 14 schätzt r₁ gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen auf Basis der EKF-Verstärkung (K), die in Gleichung 12 bestimmt worden ist. Der Schwingungsverlauf (r₁) basiert auf Daten, die unter Verwendung des Ansatzes zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung aus Verfahren 510 geschätzt worden sind. Der Schwingungsverlauf (r_{1_fixed}) wird auf Basis von Daten erzeugt, die unter Verwendung eines festen EKF-Verstärkungsfaktors geschätzt worden sind. Während es qualitativ deutlich ist, dass der Schwingungsverlauf von r₁ weit weniger oszillierend als der Schwingungsverlauf von r_{1_fixed} ist, kann ein quantitativer Vergleich lediglich für einen kurzen Zeitraum vorgenommen werden. Der Innenwiderstand (r₁) hängt von der Batterietemperatur und dem SOC ab, die sich beide allmählich über der Zeit ändern. Demzufolge ist r₁ im Allgemeinen für einen gegebenen kurzen Zeitraum (z. B. 1 Sekunde) konstant.
6A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des in 6 veranschaulichten Funktionsgraphen. 6A veranschaulicht einen Funktionsgraphen der Schwingungsverläufe von r₁ und r_{1_fixed} zwischen 10–11 Sekunden und wird im Allgemeinen mit der Nummer 612 referenziert. Der Schwingungsverlauf von r_{1_fixed} zeigt einen Widerstand zwischen 0,41 Ω und 0,55 Ω auf, mit einem Mittelwert („r_{1_avg}”) von 0,51 Ω und einer Abweichung von ungefähr –19,61% bis 7,84%. Allerdings zeigt der Schwingungsverlauf von r₁, der auf dem Ansatz zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung basiert, einen Widerstand zwischen 0,41 Ω und 0,44 Ω auf, mit einem Mittelwert (r_{1_avg}) von 0,43 Ω und einer Abweichung von ungefähr –3,6% bis 3,14%. Eine derartige Schätzung könnte auf den gesamten in 6 gezeigten Zeitraum auf Basis einer eingebauten Kurve des durchschnittlichen Innenwiderstands (nicht dargestellt) ausgeweitet werden.
7 veranschaulicht die geschätzte Nennladeleistung (P_{cap_ch}) über der Zeit und wird im Allgemeinen mit der Nummer 710 referenziert. Das BECM 14 berechnet P_{cap_ch} unter Verwendung der Gleichung 18 auf Basis der Batterie-ECM-Parameter (einschließlich r₁), die durch den EKF ermittelt werden. Der Schwingungsverlauf (P_{cap_ch}) basiert auf Daten, die unter Verwendung des Ansatzes zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung aus Verfahren 510 geschätzt worden sind. Der Schwingungsverlauf (P_{cap_ch_fixed}) wird auf Basis von Daten erzeugt, die unter Verwendung eines festen EKF-Verstärkungsfaktors geschätzt worden sind. Während es qualitativ deutlich ist, dass der Schwingungsverlauf von P_{cap_ch} weit weniger oszillierend ist als der Schwingungsverlauf von P_{cap_ch_fixed}, kann ein quantitativer Vergleich lediglich für einen kurzen Zeitraum vorgenommen werden. Die Nennladeleistung (P_{cap_ch}) hängt von der Batterietemperatur und dem SOC ab, die sich beide allmählich über der Zeit ändern. Demzufolge ist P_{cap_ch} im Allgemeinen für einen gegebenen kurzen Zeitraum (z. B. 1 Sekunde) konstant.
7A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des in 7 veranschaulichten Funktionsgraphen. 7A veranschaulicht einen Funktionsgraphen der Schwingungsverläufe von P_{cap_ch} und P_{cap_ch_fixed} zwischen 10–11 Sekunden und wird im Allgemeinen mit der Nummer 712 referenziert. Der Schwingungsverlauf von P_{cap_ch_fixed} zeigt eine Nennladeleistung zwischen 19,33 kW und 23,85 kW auf, mit einem Mittelwert P_{cap_ch_avg_fixed} (nicht dargestellt) von 21,6 kW und einer Abweichung von ungefähr –10,5% bis 10,42%. Allerdings zeigt der Schwingungsverlauf von P_{cap_ch}, der auf dem Ansatz zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung aus Verfahren 510 basiert, eine Batterienennladeleistung zwischen 21,28 kW und 22,81 kW auf, mit einem Mittelwert (P_{cap_ch_avg}) von 22 kW und einer Abweichung von ungefähr –3,27% bis 3,68%. Eine derartige Schätzung könnte auf den gesamten in 7 gezeigten Zeitraum auf Basis einer eingebauten Durchschnittsnennladeleistungskurve (nicht dargestellt) ausgeweitet werden.
8 veranschaulicht die geschätzte Nennentladeleistung (P_{cap_dch}) über der Zeit und wird im Allgemeinen mit der Nummer 810 referenziert. Das BECM 14 berechnet P_{cap_dch} unter Verwendung der Gleichung 21 auf Basis der Batterie-ECM-Parameter (einschließlich r₁), die durch den EKF ermittelt werden. Der Schwingungsverlauf (P_{cap_dch}) basiert auf Daten, die unter Verwendung des Ansatzes zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung aus Verfahren 510 geschätzt worden sind. Der Schwingungsverlauf (P_{cap_dch_fixed}) wird auf Basis von Daten erzeugt, die unter Verwendung eines festen EKF-Verstärkungsfaktors geschätzt worden sind. Während es qualitativ deutlich ist, dass der Schwingungsverlauf von P_{cap_dch} weit weniger oszillierend ist als der Schwingungsverlauf von P_{cap_dch_fixed}, kann ein quantitativer Vergleich lediglich für einen kurzen Zeitraum vorgenommen werden. Die Nennentladeleistung (P_{cap_dch}) hängt von der Batterietemperatur und dem SOC ab, die sich beide allmählich über der Zeit ändern. Demzufolge ist P_{cap_dch} im Allgemeinen für einen gegebenen kurzen Zeitraum (z. B. 1 Sekunde) konstant.
8A zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des in 8 veranschaulichten Funktionsgraphen. 8A veranschaulicht einen Funktionsgraphen der Schwingungsverläufe von P_{cap_dch} und P_{cap_dch-fixed} zwischen 10–11 Sekunden und wird im Allgemeinen mit der Nummer 812 referenziert. Der Schwingungsverlauf von P_{cap_dch_fixed} zeigt eine Nennentladeleistung zwischen 15,40 kW und 18,38 kW auf, mit einem Mittelwert P_{cap_dch_avg_fixed} (nicht dargestellt) von 16,37 kW und einer Abweichung von ungefähr –5,92% bis 12,27%. Allerdings zeigt der Schwingungsverlauf von P_{cap_dch}, der auf dem Ansatz zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung aus Verfahren 510 basiert, eine Batterienennentladeleistung zwischen 17,12 kW und 17,46 kW auf, mit einem Mittelwert (P_{cap_dch_avg}) von 17,29 kW und einer Abweichung von ungefähr –0,98% bis 0,98%. Eine derartige Schätzung könnte auf den gesamten in 8 gezeigten Zeitraum auf Basis einer eingebauten Durchschnittsnennentladeleistungskurve (nicht dargestellt) ausgeweitet werden.
Als solches stellt das Fahrzeugsystem 10 Vorteile gegenüber existierenden Verfahren bereit, indem es die Batterie-ECM-Parameter unter Verwendung eines variablen EKF-Verstärkungsfaktors auf Basis von Batterietemperaturen anstatt unter Verwendung eines festen EKF-Verstärkungsfaktors schätzt. Ein derartiger Ansatz zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung führt im Vergleich zu existierenden Verfahren zu einer exakteren Schätzung der Batterienennleistung bei niedrigen Temperaturen, falls der gewählte feste EKF-Verstärkungsfaktor bei Zimmertemperatur vorzuziehen ist, und umgekehrt. Somit führt ein Ansatz zur Planung der temperaturkompensierten Verstärkung zu einer exakten Schätzung der Batterienennleistung für alle Batteriebetriebstemperaturbereiche.
Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen sind die in der Spezifikation verwendeten Begriffe eher beschreibende als einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich werden möglicherweise die Merkmale verschiedener Umsetzungsformen kombiniert, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu formen.

Claims

Fahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Elektromaschine, die dazu ausgelegt ist, Antriebsmoment bereitzustellen; eine Batterie, um der Elektromaschine Leistung zuzuführen; und eine Steuerung, die zum Erzeugen von Ausgangsgrößen unter Verwendung eines Filters ausgelegt ist, der eine variable Verstärkung auf Basis der Batterietemperatur aufweist, wobei die Ausgangsgrößen wenigstens eines der Folgenden angeben: eine Batterienennleistung oder einen Batterieladezustand.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Filter weiterhin einen Extended Kalman-Filter (EKF) umfasst und wobei die Steuerung weiterhin zu Folgendem ausgelegt ist: zum Erzeugen von Ausgangsgrößen, die Batterie-ECM-Parameter angeben, unter Verwendung des EKF, der einen auf dem Batteriestrom basierenden Systemeingang, einen auf einer Batteriespannung basierenden Systemausgang und einen die Batterie-ECM-Parameter angebenden Systemzustand aufweist; und zum Berechnen auf Basis der Batterie-ECM-Parameter wenigstens eines der Folgenden: der Batterienennleistung oder des Batterieladezustands.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Batterie-ECM-Parameter weiterhin wenigstens eines der Folgenden umfassen: einen Batterieinnenwiderstand, einen Batterieladungsverschiebungswiderstand oder eine Batteriedoppelschichtkapazität.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung weiterhin zu Folgendem ausgelegt ist: zum Auswählen eines Verstärkungsfaktors aus vorbestimmten Daten auf Basis der Batterietemperatur; zum Schätzen der variablen Verstärkung auf Basis des Verstärkungsfaktors; zum Schätzen der Batterie-ECM-Parameter auf Basis der variablen Verstärkung; und zum Berechnen auf Basis der Batterie-ECM-Parameter wenigstens eines der Folgenden: der Batterienennleistung oder des Batterieladezustands.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei der Verstärkungsfaktor einem der folgenden Werte entspricht: einem Wert der Kovarianzmatrix des Messrauschens oder einem Wert der Kovarianzmatrix des Prozessrauschens.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei der Verstärkungsfaktor einem Wert der Kovarianzmatrix des Messrauschens entspricht und wobei die variable Verstärkung im Allgemeinen in einer inversen Beziehung zum Verstärkungsfaktor steht.
Fahrzeugsystem, das Folgendes umfasst: eine Batterie, um einer Elektromaschine Leistung zuzuführen; eine Steuerung, die zu Folgendem ausgelegt ist: zum Empfangen von Eingangsgrößen, die eine Batterietemperatur angeben, zum Auswählen eines Verstärkungsfaktors aus vorbestimmten Daten auf Basis der Batterietemperatur, zum Schätzen einer variablen Verstärkung auf Basis des Verstärkungsfaktors, und zum Erzeugen von Ausgangsgrößen zum Teil auf Basis der variablen Verstärkung, wobei die Ausgangsgrößen wenigstens eines der Folgenden angeben: eine Batterienennleistung oder einen Batterieladezustand.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 7, wobei der Verstärkungsfaktor einen Wert der Kovarianzmatrix des Messrauschens darstellt.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 7, wobei der Verstärkungsfaktor einen Wert der Kovarianzmatrix des Prozessrauschens darstellt.
Fahrzeugsystem nach Anspruch 7, wobei die Steuerung weiterhin zu Folgendem ausgelegt ist: zum Berechnen der variablen Verstärkung für einen Extended Kalman-Filter (EKF).