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Stand der Technik
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In elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, Hybridelektrofahrzeugen und Plug-in-Hybridelektrofahrzeugen, werden Sekundärbatterien eingesetzt, die prinzipbedingt einer Alterung unterliegen. Dabei nimmt mit dem Alter einer Sekundärbatterie deren elektrische Kapazität tendenziell ab. Dies führt dazu, dass eine von einer Sekundärbatterie zur Verfügung stellbare elektrische Energie und damit eine Reichweite eines mit einer Sekundärbatterie ausgestatteten, elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs im Laufe der Zeit sinkt.
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Es ist bekannt, zur Kapazitätsschätzung Algorithmen einzusetzen. Zum einen existieren Schätzalgorithmen, die anhand von elektrischen Eigenschaften einer Sekundärbatterie auf die elektrische Kapazität der Sekundärbatterie schließen bzw. diese schätzen. Solche Schätzalgorithmen sind in der Regel fehlerbehaftet, da einerseits zur Erfassung von von einem Schätzalgorithmus zu berücksichtigenden Eingangsparametern eine Messelektronik mit beschränkter Genauigkeit verwendet wird und andererseits keine entsprechenden dedizierten Messungen der elektrischen Kapazität in elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen möglich bzw. gewünscht sind, sondern auftretende Fahrzyklen analysiert werden müssen. Die Fahrzyklen hängen stark von dem jeweiligen Fahrer und Verkehrsbedingungen ab und können unter Umständen ungeeignet zur Kapazitätsschätzung sein.
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Sollten dennoch dedizierte Kapazitätsmessungen vorgenommen werden, geschieht dies in der Regel in großen zeitlichen Abständen, so dass zwischen den Kapazitätsmessungen Fehler durch eine fortschreitende Alterung einer Sekundärbatterie auftreten.
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Es existieren des Weiteren empirische Modelle zur Alterungsschätzung von Sekundärbatterien, sogenannte empirische Alterungsmodelle, die ebenfalls fehlerbehaftet sind. Insbesondere ist es schwierig, aus einer im Labor vorab bestimmten Alterung einer Sekundärbatterie, die einem empirischen Alterungsmodell zugrunde liegt, auf eine tatsächliche Alterung der Sekundärbatterie in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug zu schließen.
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Prinzipbedingt haben lernende Algorithmen zur Kapazitätsschätzungen einen Rückstand gegenüber der tatsächlichen Alterung einer Sekundärbatterie, insbesondere wenn die Kapazitätsschätzungen in großen Zeitabständen erfolgen, beispielsweise weil Werkstattmessungen notwendig sind und/oder nur besonders geeignete Fahrzyklen analysiert werden, die gegebenenfalls längere Zeit nicht auftreten. Im Extremfall könnten solche besonders geeigneten Fahrzyklen zur Analyse niemals auftreten, wenn das Verhalten des jeweiligen Fahrers hierzu ungeeignet ist. In solchen Fällen hinkt die geschätzte elektrische Kapazität der tatsächlichen elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie hinterher, wie es in 1 schematisch dargestellt ist, wodurch die Restreichweite eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs überschätzt wird. Eine solche Überschätzung der Restreichweite eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs wird allgemein weniger akzeptiert als eine Unterschätzung der Restreichweite, da in jedem Fall ein Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs vermieden werden soll.
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Des Weiteren sind die verwendeten Algorithmen zur Kapazitätsmessung fehlerbehaftet. Solche Fehler können sowohl zu einer Überschätzung als auch zu einer Unterschätzung der Reichweite eines Kraftfahrzeugs führen. Auch hier ist eine Überschätzung dieser Reichweite weniger akzeptabel als eine Unterschätzung der Reichweite.
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Wenn der zeitliche Abstand zwischen zwei Kapazitätsschätzungen lang ausfällt, treten zusätzlich Fehler auf, die größer als die eigentlichen Fehler eines Schätzalgorithmus sind und die anwachsen, je länger die Zeit bis zur nächsten Kapazitätsschätzung ist.
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US 2013/0085696 A1 offenbart ein Verfahren zum Erhalt einer Verschlechterung einer Batterie, umfassend die Schritte
- – Sammeln von Daten von der Batterie und Daten bezüglich der Verschlechterung der Batterie,
- – Verarbeiten der gesammelten Daten, um Parameter bezüglich der Verschlechterung der Batterie zu erhalten,
- – Erstellen und Aktualisieren eines Verschlechterungsmodells für die Batterie mittels der erhaltenen Parameter und
- – Berechnen der Verschlechterung der Batterie unter Verwendung des Modells und der Parameter.
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US 2010/0036626 A1 offenbart eine Vorrichtung, die einen Alterungszustand („State of Health“; SOH) einer Batterie auf der Basis eines Batteriespannungsänderungsmuster schätzt. Eine Datenspeichereinheit erlangt und speichert Daten zur Batteriespannung, zum Strom und zur Temperatur von Sensoren bei jeder SOH-Schätzung. Eine erste Ladungszustand(„State of Charge“; SOC)-Schätzeinheit schätzt einen ersten SOC durch Integration unter Verwendung der aktuellen Daten. Eine zweite SOC-Schätzeinheit schätzt die Leerlaufspannung aus einem Spannungsvariationsmuster und berechnet und speichert den zweiten SOC, welcher der Leerlaufspannung und der Temperatur zugeordnet ist, unter Berücksichtigung von Korrelationen zwischen der Leerlaufspannung/Temperatur und dem SOC. Ein Konvergenzberechnungseinheit berechnet und speichert einen Konvergenzwert für einen gewichteten Mittelwert des Verhältnisses der zweiten SOC-Variation zu der ersten SOC-Variation. Eine SOH-Schätzeinheit schätzt die Kapazität entsprechend dem gewichteten mittleren Konvergenzwert mittels Korrelation zwischen dem gewichteten mittleren Konvergenzwert und der Kapazität, schätzt ein relatives Verhältnis der geschätzten Kapazität zu Anfangskapazität, und speichert sie als SOH.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Schätzen einer elektrischen Kapazität einer Batterie, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, aufweisend die Schritte:
- – Erfassen von batteriespezifischen Zustandsdaten;
- – Ermitteln eines ersten Wertes für die elektrische Kapazität unter Verwendung eines Schätzalgorithmus und der batteriespezifischen Zustandsdaten oder durch eine Messung der elektrischen Kapazität;
- – Ermitteln eines zweiten Wertes für die elektrische Kapazität unter Verwendung eines empirischen Alterungsmodells der Sekundärbatterie und der batteriespezifischen Zustandsdaten;
- – Ermitteln eines ersten gewichteten Wertes für die elektrische Kapazität durch Multiplikation des ersten Wertes für die elektrische Kapazität mit einem ersten Gewichtungsfaktor;
- – Ermitteln eines zweiten gewichteten Wertes für die elektrische Kapazität durch Multiplikation des zweiten Wertes für die elektrische Kapazität mit einem zweiten Gewichtungsfaktor;
- – Ermitteln einer Wertesumme durch Addieren der gewichteten Werte für die elektrische Kapazität;
- – Ermitteln einer Gewichtungssumme durch Addieren der Gewichtungsfaktoren; und
- – Ermitteln eines Schätzwertes für die elektrische Kapazität durch Dividieren der Wertesumme durch die Gewichtungssumme.
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Die Erfindung basiert auf einem übergeordneten Algorithmus, der im Gegensatz zu herkömmlichen Algorithmen eine Wahrscheinlichkeit einer Überschätzung der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie maßgeblich zugunsten einer Unterschätzung der elektrischen Kapazität der Sekundärbatterie reduziert. Dadurch wird eine Restreichweite eines mit einer gealterten Sekundärbatterie ausgestatteten, elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs eher zu gering als zu hoch eingeschätzt, wodurch wiederum eine Wahrscheinlichkeit eines Liegenbleibens des Kraftfahrzeugs signifikant reduziert wird. Diese Vorteile werden durch die erfindungsgemäße Berücksichtigung von zwei auf verschiedene Art und Weise ermittelten Werten für die elektrische Kapazität der Sekundärbatterie erreicht.
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Hierzu kann ein Komplementärfilter verwendet werden. Das empirische Alterungsmodell kann eine beliebige Komplexität und Qualität haben und hängt stark von einer Testtiefe von Alterungstests der Batteriezellen einer Sekundärbatterie ab. Die Gewichtungsfaktoren können zwischen Schätzungen der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie konstant gehalten werden.
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Die Erfindung schränkt eine Reichweite eines mit einer Sekundärbatterie ausgestatteten, elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs zu Beginn eines Batterielebens in keiner Weise ein, da zur Sicherstellung einer Nichtüberschätzung der elektrischen Kapazität der Sekundärbatterie zu Beginn des Batterielebens nicht prophylaktisch ein bestimmter Kapazitätswert abgezogen werden muss.
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Nach einer erfindungsgemäßen Alternative wird die elektrische Kapazität einer Sekundärbatterie in bestimmten zeitlichen Abständen dediziert, beispielsweise in einer Werkstatt, gemessen. Die zwischen zwei derartigen Messungen liegenden Zyklen können hierbei entsprechend länger, beispielsweise mehrere Monate oder Jahre, werden, das heißt, die Messungen bzw. Schätzungen werden entsprechend seltener. Zwischen den Messungen können sowohl das empirische Alterungsmodell als auch der Schätzalgorithmus mit besonders angepasster Gewichtung verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung werden batteriespezifische Zustandsdaten erfasst, die sich auf eine bis zur Erfassung der Zustandsdaten gegebene Lebensdauer der Batterie oder sich auf zumindest den letzten Betriebszyklus vorgegebener zeitlicher Länge der Batterie beziehen. Der Schätzalgorithmus kann aus den batteriespezifischen Zustandsdaten, beispielsweise der letzten geschätzten elektrischen Kapazität, dem elektrischen Strom oder dem Stromintegral, der elektrischen Spannung, Spannungsverläufen, dem Amperestundendurchsatz, der Temperatur, Temperaturverläufen und dergleichen, die elektrische Kapazität einer Sekundärbatterie oder eine Kapazitätsänderung schätzen. Diese Eingangssignale können sich auf den letzten Betriebszyklus oder aber auf die gesamte bisherige Lebensdauer der Sekundärbatterie beziehen. Im empirischen Alterungsmodell können zusätzlich zu den batteriespezifischen Zustandsdaten, die während einer Fahrt ermittelt werden, gegebenenfalls batteriespezifische Zustandsdaten für die Ruhepausen zwischen den Fahrten ermittelt oder geschätzt werden. Solche batteriespezifischen Zustandsdaten sind zum Beispiel die Dauer einer Ruhepause und eine mittlere Temperatur einer Sekundärbatterie währenddessen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Betriebszyklus ein Fahrzyklus und/oder ein Ruhezyklus des Fahrzeugs verwendet. Das Verfahren ist für solche Algorithmen, die zyklenbasiert arbeiten und in jedem Zyklus ein Ergebnis liefern, welches aus einer erfolgreichen oder erfolgslosen Schätzung der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie oder einer Kapazitätsänderung mit einer gewissen Qualität besteht, besonders geeignet, wenn eine kumulierte Auswertung von Fahr- und Ruhezeiten erfolgt. Bevorzugt werden Algorithmen verwendet, die vollständige Fahrzyklen zur Analyse der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie oder einer Kapazitätsänderung verwenden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels des Schätzalgorithmus ein Signal erzeugt, das eine Qualität und/oder einen Fehler einer zuletzt vorgenommenen Schätzung der elektrischen Kapazität beschreibt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der erste Wert für die elektrische Kapazität umso stärker als der zweite Wert für die elektrische Kapazität gewichtet wird, je kleiner der Fehler der zuletzt vorgenommenen Schätzung der elektrischen Kapazität ist, und dass der zweite Wert für die elektrische Kapazität umso stärker als der erste Wert für die elektrische Kapazität gewichtet wird, je größer der Fehler der zuletzt vorgenommenen Schätzung der elektrischen Kapazität ist. Ist der Fehler der letzten Schätzung gering, kann der ermittelte erste Wert für die elektrische Kapazität bzw. für die Kapazitätsänderung der Sekundärbatterie gegenüber der aus dem empirischen Alterungsmodell der Sekundärbatterie ermittelten zweiten Wert für die elektrische Kapazität bzw. für die Kapazitätsänderung stärker gewichtet (bis zu 100%) werden. Zur Realisierung dieser Ausgestaltung kann eine, beispielsweise lineare, Überblendfunktion verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der erste Wert für die elektrische Kapazität vollständig verworfen, wenn der Fehler der zuletzt vorgenommenen Schätzung der elektrischen Kapazität größer oder gleich einem vorgegebenen maximalen Fehlergrenzwert ist. Wird der erste Wert für die elektrische Kapazität entsprechend vollständig verworfen, kann allein der aus dem empirischen Alterungsmodell der Sekundärbatterie ermittelte zweite Wert für die elektrische Kapazität bzw. für die Kapazitätsänderung für die nächste Schätzung der elektrischen Kapazität verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine größtmögliche Änderung der elektrischen Kapazität unter Verwendung des empirischen Alterungsmodells und der batteriespezifischen Zustandsdaten ermittelt. Hierdurch kann das Verfahren zum Schätzen einer elektrischen Kapazität zwischen Ermittlungen von Schätzwerten für die elektrische Kapazität der Batterie verwendet werden. Liegt ein Fokus einer zu erzielenden Verbesserung darauf, dass beispielsweise die Restreichweite eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bzw. die Restkapazität einer Sekundärbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs niemals überschätzt werden soll, kann eine Worst-Case-Alterungsbedatung des empirischen Alterungsmodells gewählt werden, bei der die größtmögliche Änderung der elektrischen Kapazität verwendet wird. Liegt der Fokus hingegen auf einer möglichst genauen Schätzung der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie zu allen Zeiten, kann eine optimierte Bedatung des empirischen Alterungsmodells gewählt werden, welche die zu erwartende Alterung der Sekundärbatterie möglichst präzise beschreibt. Dadurch wird der Fehler der gesamten Schätzung minimiert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Schätzwert für die elektrische Kapazität zur Korrektur des empirischen Alterungsmodells verwendet. Hierdurch kann die Qualität der Schätzung der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie weiter verbessert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
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1: eine schematische Darstellung einer Schätzung der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie nach einem herkömmlichen Verfahren,
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2: eine schematische Darstellung einer Schätzung der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie nach einem Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren, und
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3: ein Blockdiagramm für einen beispielhaften Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schätzung der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie nach einem herkömmlichen Verfahren. Es ist in 1 sowohl eine Kurve 1 bezüglich der realen elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie als auch eine stufenförmige Kurve 2 bezüglich einer unter Verwendung eines Schätzalgorithmus geschätzten elektrischen Kapazität der Sekundärbatterie dargestellt. Zu den Zeitpunkten t1 bis t6 findet jeweils eine Schätzung der elektrischen Kapazität der Sekundärbatterie unter Verwendung des Schätzalgorithmus statt. Die jeweilig geschätzte elektrische Kapazität wird bis zur nächsten Schätzung beibehalten. Zwischen den Schätzungen der elektrischen Kapazität durch den Schätzalgorithmus sinkt die tatsächliche elektrische Kapazität der Sekundärbatterie, wodurch ein Fehler einer Schätzung bis zur nächsten Schätzung anwächst.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schätzung der elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie nach einem Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren. Es ist in 2 sowohl eine Kurve 1 bezüglich der realen elektrischen Kapazität einer Sekundärbatterie als auch eine Kurve 3 bezüglich einer unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geschätzten elektrischen Kapazität der Sekundärbatterie dargestellt. Zu den Zeitpunkten t1 bis t7 findet jeweils eine Schätzung der elektrischen Kapazität der Sekundärbatterie unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens statt. Zwischen den Schätzungen der elektrischen Kapazität sinkt die elektrische Kapazität der Sekundärbatterie gemäß den Daten des verwendeten empirischen Alterungsmodells. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Fokus einer zu erzielenden Verbesserung darauf, dass die Restreichweite eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bzw. die Restkapazität der Sekundärbatterie des elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs niemals überschätzt werden soll. Hierzu wird eine Worst-Case-Alterungsbedatung des empirischen Alterungsmodells gewählt. Das heißt, dass aus dem empirischen Alterungsmodell die größtmögliche Kapazitätsänderung ermittelt wird, die unter den jeweilig gegebenen Umständen auftreten kann.
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3 zeigt ein Blockdiagramm für einen beispielhaften Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Es ist der Schätzalgorithmus 4 symbolisch dargestellt, an dem links mehrere Signaleingänge 5 und rechts zwei Signalausgänge 6 und 7 vorhanden sind. Über einen Signaleingang 5 wird dem Schätzalgorithmus 4 die zuletzt geschätzte elektrische Kapazität der Sekundärbatterie zugeführt. Über die weiteren Signaleingänge 5 können dem Schätzalgorithmus 4 batteriespezifische Zustandsdaten, beispielsweise der elektrische Strom, die elektrische Spannung, die Temperatur oder dergleichen, zugeführt werden. An dem Signalausgang 6 ist ein Signal abgreifbar, das eine Qualität und/oder einen Fehler einer zuletzt vorgenommenen Schätzung der elektrischen Kapazität beschreibt. An dem Signalausgang 7 ist ein unter Verwendung des Schätzalgorithmus 4 und der batteriespezifischen Zustandsdaten ermittelter erster Wert für die elektrische Kapazität abgreifbar.
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Es ist des Weiteren das empirische Alterungsmodell 8 symbolisch dargestellt, an dem links mehrere Signaleingänge 9 und rechts ein Signalausgang 10 vorhanden sind. Über einen Signaleingang 9 wird dem empirischen Alterungsmodell 8 die zuletzt geschätzte elektrische Kapazität der Sekundärbatterie zugeführt. Über die weiteren Signaleingänge 9 können dem Schätzalgorithmus 4 batteriespezifische Zustandsdaten, beispielsweise der Amperestundendurchsatz, die Temperatur oder dergleichen, zugeführt werden. An dem Signalausgang 10 ist ein unter Verwendung des empirischen Alterungsmodells 8 und der batteriespezifischen Zustandsdaten ermittelter zweiter Wert für die elektrische Kapazität abgreifbar.
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Die an den Signalausgängen 6, 7 und 10 abgreifbaren Signale bzw. Werte für die elektrische Kapazität werden in einem Verfahrensschritt 11 verarbeitet, wobei ein erster gewichteter Wert für die elektrische Kapazität durch Multiplikation des ersten Wertes für die elektrische Kapazität mit einem ersten Gewichtungsfaktor ermittelt wird, ein zweiter gewichteter Wert für die elektrische Kapazität durch Multiplikation des zweiten Wertes für die elektrische Kapazität mit einem zweiten Gewichtungsfaktor ermittelt wird, eine Wertesumme durch Addieren der gewichteten Werte für die elektrische Kapazität ermittelt wird, eine Gewichtungssumme durch Addieren der Gewichtungsfaktoren ermittelt wird und ein Schätzwert für die elektrische Kapazität durch Dividieren der Wertesumme durch die Gewichtungssumme ermittelt wird. Dieser Schätzwert liegt an dem Singanausgang 12 vor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0085696 A1 [0008]
- US 2010/0036626 A1 [0009]
