DE102014214010B4

DE102014214010B4 - Vorrichtung zur Schätzung von Batterie-Leerlaufspannung auf Basis von transienten Widerstandseffekten

Info

Publication number: DE102014214010B4
Application number: DE102014214010.2A
Authority: DE
Inventors: Dawn Bernardi; Thomas J. Coupar; William T. Moore; Josephine S. Lee; Bob Taenaka
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2034-07-19
Also published as: DE102014214010A1; US20150028808A1; US9205750B2; CN104345202B; CN104345202A

Abstract

Fahrzeug (2), das Folgendes umfasst:wenigstens eine Batteriezelle (32); undwenigstens eine Steuerung (206), die dazu programmiert ist, die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis von Unterschieden zwischen vorher gemessenen Auflade- und Entladespannungswerten der wenigstens einen Batteriezelle (32) als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, derart ein Ladezustand der wenigstens einen Batteriezelle (32) in einen Bereich von Ladezuständen fällt, in dem die Unterschiede bei jedem Ladezustand innerhalb des Bereichs ungefähr gleich sind, wobei die wenigstens eine Steuerung (206) weiterhin dazu programmiert ist, die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis wenigstens einer der beiden Zeiten, einer Aufladezeit der vorher gemessenen Aufladespannungswerte oder einer Entladezeit der vorher gemessenen Entladespannungswerte, als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, derart, dass der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt.

Description

Diese Offenbarung bezieht sich auf Schätzung von Batteriezellen-Leerlaufspannung beim Aufladen und Entladen.
Für einen effizienten Entwurf batteriebetriebener Einrichtungen wird möglicherweise die Beziehung einer ausgeglichenen Leerlaufspannung (OCV, open-circuit voltage) zum Ladezustand (SOC, state of charge) benötigt. Diese Beziehung wird möglicherweise mit dem Pulsladeverfahren bestimmt, bei dem eine Reihe von Stromimpulsen von geeigneter Dauer und Stärke bei einem bekannten SOC und OCV angelegt wird. Dieser Impuls bringt die Batterie auf einen neuen SOC-Wert, bei dem möglicherweise ein neuer OCV-Wert gemessen wird. Diese Messungen werden normalerweise vorgenommen, nachdem der Batterie die Stabilisierung an einem neuen Betriebspunkt gestattet wurde. Während der eigentlichen Impulsanwendung aufgezeichnete Daten werden zur Bestimmung der Beziehung nicht verwendet. Um die Prüfdauer zu minimieren, wird möglicherweise ein Impulsstrom mit relativ großer Stärke gewählt. Das Pulsladeverfahren ist derzeit ein Industriestandard und wird als die genaueste Weise zum Bestimmen der OCV-SOC-Beziehung angesehen. Allerdings kann das Pulsladeverfahren zeitaufwendig sein, sein Abschluss nimmt die Größenordnung von Wochen an. Das Pulsladeverfahren stellt lediglich eine begrenzte Anzahl von Datenpunkten auf Basis der Impulscharakteristika bereit. Innerhalb des gesamten SOC-Bereichs, der durch Betriebsspannungsgrenzen definiert wird, werden typischerweise 10 oder 20 Impulse verwendet, um genug Daten zur Charakterisierung der Beziehung bereitzustellen.
Aus der JP 2000 / 312 404 A ist ein Fahrzeug mit einer Batteriezelle und einer Steuerung bekannt, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, die Batteriezelle auf Basis von Unterschieden zwischen vorher gemessenen Aufladespannungswerten der Batteriezelle als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, derart ein Ladezustand der Batteriezelle in einen Bereich von Ladezuständen fällt, in dem die Unterschiede bei jedem Ladezustand innerhalb des Bereichs ungefähr gleich sind
Aus der JP 2003 / 168 489 A ist ein Verfahren zum Steuern einer Batterie bekannt, bei dem eine Batteriespannung in einem Referenzzustand kalkulatorisch bestimmt wird.
Aus der US 2004 / 0 008 031 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands und einer Leerlaufspannung einer Batterie bekannt.
Es wird ein Fahrzeug offenbart, das wenigstens eine Batteriezelle und wenigstens eine Steuerung umfasst. Die Steuerung ist dazu programmiert, die Batteriezelle auf Basis von Unterschieden zwischen vorher gemessenen Auflade- und EntladeSpannungswerten der Batteriezelle aufzuladen und zu entladen. Der Unterschied wird als Reaktion darauf genutzt, dass der Ladezustand der Batteriezelle in einen Bereich von Ladezuständen fällt, in dem die Unterschiede bei jedem Ladezustand innerhalb des Bereichs ungefähr gleich sind. Die Steuerung ist möglicherweise weiterhin dazu programmiert, wenigstens eine Batteriezelle auf Basis wenigstens einer der beiden Zeiten, einer Aufladezeit der vorher gemessenen Aufladespannungswerte oder einer Entladezeit der vorher gemessenen Entladespannungswerte, als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, dass der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt. Die Steuerung ist möglicherweise weiterhin dazu programmiert, die wenigstens eine Batteriezelle auf Basis einer Wurzel der Aufladezeit der vorher gemessenen Aufladespannungswerte als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, dass der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt. Die Steuerung ist möglicherweise weiterhin dazu programmiert, die wenigstens eine Batteriezelle auf Basis einer Wurzel der Entladezeit der vorher gemessenen Entladespannungswerte als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, dass der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt. Die vorher gemessenen Auflade- und Entladespannungswerte ergeben sich möglicherweise aus dem Aufladen und Entladen der wenigstens einen Batteriezelle mit einem im Allgemeinen konstanten Strom, so dass die Unterschiede zwischen den gemessenen Auflade- und Entladespannungswerten einen vorbestimmten Betrag überschreiten.
Es wird eine Vorrichtung offenbart, die eine bidirektionale Energieversorgung umfasst, die elektrisch mit wenigstens einer Batteriezelle und wenigstens einer Steuerung verbunden ist. Die Steuerung ist zum Erzeugen von Ausgabe programmiert, die eine Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die wenigstens eine Batteriezelle auf Basis von Unterschieden zwischen gemessenen Auflade- und Entladespannungswerten der wenigstens einen Batteriezelle darstellt, während ein Ladezustand der wenigstens einen Batteriezelle in einen Bereich von Ladezuständen fällt, in dem die Unterschiede bei jedem Ladezustand innerhalb des Bereichs ungefähr gleich sind. Die Steuerung ist möglicherweise weiterhin zum Erzeugen von Ausgabe programmiert, die die Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die wenigstens eine Batteriezelle auf Basis einer Aufladezeit während des Aufladens und einer Entladezeit während des Entladens darstellt, wenn der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt. Die bidirektionale Energieversorgung wird möglicherweise angewiesen, die wenigstens eine Batteriezelle mit einem im Allgemeinen konstanten Strom aufzuladen und zu entladen, der auf einer Nennstromkapazität der wenigstens einen Batteriezelle basiert. Die Steuerung ist möglicherweise weiterhin dazu programmiert, Ausgabe zu erzeugen, die die Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die wenigstens eine Batteriezelle auf Basis einer Wurzel der Aufladezeit darstellt, wenn bei einem Ladezustand aufgeladen wird, der nicht in den Bereich der Ladezustände fällt. Die Steuerung ist möglicherweise weiterhin dazu programmiert, Ausgabe zu erzeugen, die die Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die wenigstens eine Batteriezelle auf Basis einer Wurzel der Entladezeit darstellt, wenn bei einem Ladezustand entladen wird, der nicht in den Bereich der Ladezustände fällt.
Es wird ein Verfahren offenbart, das einen Schritt des Messens von Spannungswerten über einer Batterie während des Aufladens und Entladens beinhaltet. Eine Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand wird auf Basis von Unterschieden zwischen den gemessenen Spannungswerten berechnet, während ein Ladezustand der Batterie in einen Bereich von Ladezuständen fällt, in dem die Unterschiede bei jedem Ladezustand innerhalb des Bereichs ungefähr gleich sind. Eine Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand wird ausgegeben. Die Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die Batterie basiert möglicherweise weiterhin auf einer Wurzel der Aufladezeit, wenn bei einem Ladezustand aufgeladen wird, der nicht in den Bereich der Ladezustände fällt. Die Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die Batterie basiert möglicherweise weiterhin auf einer Wurzel der Entladezeit, wenn bei einem Ladezustand entladen wird, der nicht in den Bereich der Ladezustände fällt. Die Unterschiede zwischen den während des Aufladens gemessenen Spannungswerten und den während des Entladens gemessenen Spannungswerten werden möglicherweise über dem Bereich von Ladezuständen gemittelt. Das Aufladen und das Entladen finden möglicherweise bei einem im Allgemeinen konstanten Strom statt, so dass Unterschiede zwischen den gemessenen Auflade- und Entladespannungswerten einen vorbestimmten Betrag überschreiten.

1 ist eine grafische Darstellung eines Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeugs, die typische Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht.
2 ist eine grafische Darstellung einer möglichen Batteriesatzanordnung, die aus mehreren Zellen besteht und von einem Batteriesteuermodul überwacht und gesteuert wird.
3 ist ein Zellspannungskurvenbild als eine Funktion des Ladezustands für verschiedene beispielhafte Auflade-/Entladestrom-Profile.
4 ist ein Kurvenbild, das die verschiedenen Größen aufzeigt, die im offenbarten Verfahren zum Bestimmen der Beziehung von Leerlaufspannung zu Ladezustand für eine Batteriezelle verwendet werden.
5 ist eine grafische Darstellung einer Prüfvorrichtung, um die Batteriespannungscharakteristik zu gewinnen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Allerdings versteht es sich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, 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 darüber zu unterrichten, die Erfindung verschiedenermaßen anzuwenden. Wie Durchschnittsfachleute verstehen werden, können verschiedene, mit Bezug auf jede der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit der Lehre dieser Offenbarung übereinstimmen, können allerdings für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
1 zeigt ein typisches Plug-in Hybrid-Elektrofahrzeug auf. Ein typisches Hybrid-Elektrofahrzeug 2 umfasst möglicherweise einen oder mehrere Elektromotoren 4, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 6 verbunden sind. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 6 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 8 verbunden. Das Hybridgetriebe 6 ist ebenfalls mechanisch mit einer Antriebswelle 10 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 12 verbunden ist. Die Elektromotoren 4 können Antriebs- und Abbremsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 8 ein- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromotoren 4 fungieren ebenfalls als Generatoren und können Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitstellen, indem sie Energie, die im Friktionsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde, zurückgewinnen. Die Elektromotoren 4 stellen möglicherweise auch reduzierte Schadstoffemissionen bereit, weil das Hybrid-Elektrofahrzeug 2 möglicherweise unter gewissen Bedingungen im Elektromodus betrieben wird.
Der Batteriesatz 14 speichert Energie, die von den Elektromotoren 4 verwendet werden kann. Ein Fahrzeug-Batteriesatz 14 stellt typischerweise eine Hochspannungs-DC-Ausgabe bereit. Der Batteriesatz 14 ist mit dem leistungselektronischen Modul 16 elektrisch verbunden. Das leistungselektronische Modul 16 ist ebenfalls mit den Elektromotoren 4 elektrisch verbunden und stellt die Fähigkeit zum bidirektionalen Energietransfer zwischen dem Batteriesatz 14 und den Elektromotoren 4 bereit. Zum Beispiel stellt ein typischer Batteriesatz 14 möglicherweise eine Gleichspannung bereit, während die Elektromotoren 4 zum Funktionieren möglicherweise einen dreiphasigen Wechselstrom benötigen. Das leistungselektronische Modul 16 wandelt möglicherweise die Gleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom um, wie er von den Elektromotoren 4 benötigt wird. In einem Energierückgewinnungsmodus wird das leistungselektronische Modul 16 den dreiphasigen Wechselstrom aus den Elektromotoren 4, die als Generatoren fungieren, in die vom Batteriesatz 14 benötigte Gleichspannung umwandeln. Die Beschreibung hier ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug oder irgendeine andere Einrichtung, die einen Batteriesatz verwendet, anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug ist das Hybrid-Getriebe 6 möglicherweise ein einfaches Getriebe, das mit einem Elektromotor 4 verbunden ist, und der Verbrennungsmotor 8 ist möglicherweise nicht vorhanden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb stellt der Batteriesatz 14 möglicherweise Energie für andere Elektrosysteme des Fahrzeugs bereit. Ein typisches System enthält möglicherweise ein Gleichspannungswandlermodul 18, das die Hochspannungs-DC-Ausgabe des Batteriesatzes 14 in eine Niederspannungs-DC-Versorgung, die kompatibel mit anderen Fahrzeugverbrauchern ist, umwandelt. Andere Hochspannungsverbraucher, wie zum Beispiel Kompressoren und elektrische Heizungen, sind möglicherweise direkt, ohne die Verwendung eines Gleichspannungswandlermoduls 18, verbunden. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme elektrisch mit einer 12-V-Batterie 20 verbunden.
Das Fahrzeug ist möglicherweise ein Plug-in Hybrid, bei dem der Batteriesatz möglicherweise durch eine externe Energiequelle 26 wieder aufgeladen wird. Die externe Energiequelle 26 stellt möglicherweise Wechsel- oder Gleichspannungsenergie für das Fahrzeug 2 bereit, indem sie durch einen Aufladeport 24 elektrisch verbunden wird. Der Aufladeport 24 ist möglicherweise irgendeine Art von Port, der dazu ausgelegt ist, Energie von der externen Energiequelle 26 zum Fahrzeug 2 zu übertragen. Der Aufladeport 24 ist möglicherweise mit einem Leistungswandlungsmodul 22 elektrisch verbunden. Das Leistungswandlungsmodul konditioniert möglicherweise die Energie aus der externen Energiequelle 26, um dem Batteriesatz 14 die korrekten Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. In einigen Anwendungen ist die externe Energiequelle 26 möglicherweise dazu ausgelegt, dem Batteriesatz 14 die korrekten Spannungs- und Strompegel bereitzustellen, und das Leistungswandlungsmodul 22 ist möglicherweise nicht nötig.
Batteriesätze werden möglicherweise nach den unterschiedlichsten chemischen Rezepturen aufgebaut. Typische Batteriesatz-Chemien sind Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder Lithium-Ionen. 2 zeigt einen typischen Batteriesatz 30, der eine Anordnung von N in Reihe verbundenen Batteriezellen 32 aufweist. Ein Batteriesatz 30 setzt sich möglicherweise aus einer Reihe von einzelnen Batteriezellen 32 zusammen, die in Reihe oder parallel oder in irgendeiner Kombination daraus verbunden sind. Ein typisches System weist möglicherweise ein Batteriesteuermodul (BCM, battery control module) 36 auf, das die Leistung des Batteriesatzes 30 überwacht und steuert. Das BCM 36 überwacht möglicherweise mehrere Pegelcharakteristika des Batteriesatzes, wie zum Beispiel den Strom 38 des Satzes, die Spannung 40 des Satzes und die Temperatur 42 des Satzes.
Zusätzlich zu den Pegelcharakteristika des Satzes gibt es möglicherweise Charakteristika der Batteriezelle 32, die gemessen und überwacht werden. Zum Beispiel werden möglicherweise die Leerlaufspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle 32 gemessen. Ein System verwendet möglicherweise ein Sensormodul 34, um die Charakteristika der Batteriezelle 32 zu messen. Abhängig von der Leistungsfähigkeit misst ein Sensormodul 34 möglicherweise die Charakteristika einer oder mehrerer Batteriezellen 32. Ein Batteriesatz 30 nutzt möglicherweise bis zu Nc Sensormodule 34, um die Charakteristika aller Batteriezellen 32 zu messen. Jedes Sensormodul 34 überträgt möglicherweise die Messwerte an das BCM 36 zur weiteren Verarbeitung und Koordinierung. Das Sensormodul 34 überträgt möglicherweise Signale in analoger oder digitaler Form an das BCM 36. Alternativ setzen einige Anordnungen möglicherweise die Funktionalität des Sensormoduls 34 komplett innerhalb des BCM 36 um.
Die Beziehung von Batterie-Leerlaufspannung (OCV) zum Ladezustand (SOC) ist möglicherweise für den effizienten Entwurf und den Betrieb von batteriebetriebenen Einrichtungen wichtig. In Kraftfahrzeug-Antriebsanwendungen benötigt das Fahrzeug möglicherweise eine Schätzung dieser Charakteristik, um die Leistungsabforderungen an die Batterie zu begrenzen und um SOC-Kontrollen während des Fahrzeugbetriebs durchzuführen. Diese Beziehung ist möglicherweise für optimales Aufladen und Entladen des Batteriesatzes wichtig. Die Beziehung wird möglicherweise während der Fahrzeugentwicklung gemessen und in einer Fahrzeugsteuerung gespeichert. Die OCV-SOC-Beziehung ändert sich möglicherweise mit der Zeit und die Verwendung einer ungenauen Charakteristik führt möglicherweise zu einem Verlust von Batterie-Leistungsfähigkeit und einer Reduzierung des rein elektrischen Fahrbereichs. Die OCV-SOC-Beziehung wird möglicherweise charakterisiert und in Batteriesteuerungen genutzt, um die Fahrzeugleistung und die Hybrid-Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu optimieren.
Die offenbarten Ausführungsformen, die auf transienten Widerstandsinformationen basieren, charakterisieren möglicherweise diese Beziehung effizienter als vorliegende Schätzverfahren. Die offenbarten Ausführungsformen gestatten möglicherweise das Gewinnen von OCV-Informationen aus kontinuierlichen Auflade-/Entlade-Zyklen mit höheren Raten. Ein schnelleres Verfahren zur Charakterisierung gestattet möglicherweise eine Bewertung des Batteriegesundheitszustands (SOH, state of health) bei einer Standard-Serviceinspektion und während des Fahrzeugbetriebs. Die Steuerungsstrategie wird dann möglicherweise auf Basis der Charakterisierungsdaten als Teil eines normalen Kunden-Fahrzeugwartungsplans aktualisiert, was zu erhöhter Kraftstoffwirtschaftlichkeit und vergrößertem Fahrbereich über die Fahrzeuglebensdauer führt.
Die offenbarten Ausführungsformen führen möglicherweise auch zu effizienteren Batterieprüfverfahren. Verbesserte Batterieprüfverfahren sind möglicherweise für das Überprüfen von Lieferanten, den Entwurf von Batteriesätzen und Fahrzeugen sowie zum Verbessern von Batteriesteuerungsstrategien nützlich. Die offenbarten Ausführungsformen stellen eine kontinuierliche OCV-SOC-Beziehung bereit und liefern Erkenntnisse, die in der diskreten Beziehung, die unter Verwendung des Standard-Pulsladeverfahrens gewonnen wird, möglicherweise nicht sichtbar sind. Die offenbarten Ausführungsformen werden möglicherweise in weniger Zeit abgeschlossen als die Entladungen mit sehr niedrigen Raten, die manchmal verwendet werden. Die offenbarten Ausführungsformen gestatten auch, ohne Zellendemontage, die Bestimmung von wichtigen Batterieentwurfsinformationen, wie zum Beispiel von Elektrodenkapazitätsverhältnissen, Elektrodenzusammensetzung und geschätzten Mengen aktiven Materials.
Von einem theoretischen Standpunkt wird möglicherweise auch kontinuierliches Entlade-/Aufladeverhalten (d. h. ein einzelner Impuls) verwendet, um die OCV-SOC-Beziehung zu bestimmen. Im Rahmen eines unendlich kleinen Stroms sollten die Auflade- und die Entladespannungen einander und der wahren, oder thermodynamischen, OCV gleich sein. Diese Verfahren mit niedrigen Raten erfordern einen langen Zeitraum, um Ergebnisse zu erzeugen. Daher sind Verfahren mit niedrigen Raten in einer Produktions- oder Service-Umgebung von begrenztem Nutzen. Diese Verfahren mit niedrigen Raten erzeugen die besten Ergebnisse, wenn die Rate niedrig ist, so dass die Auflade- und Entladekurven eine enge Hüllkurve um die eigentliche OCV-Kurve bilden.
Allerdings sind in der Praxis möglicherweise nur endliche Entlade-/Aufladeströme verfügbar. Für Spannungsabweichungen, die sich aus der Verwendung von endlichen Raten ergeben, werden möglicherweise eher Korrekturen bestimmt, als bei unendlich niedrigen Raten. In diesem Fall werden möglicherweise Daten, die während der eigentlichen Impulsdauer gesammelt wurden, beim Bestimmen der Beziehung verwendet. Bei geeigneter Verarbeitung kann das Verfahren mit endlicher Rate einen OCV-Schätzwert mit annehmbarer Genauigkeit ergeben. Die reduzierte Schätzzeit ist ein Vorteil gegenüber dem Pulsladeverfahren.
Das Verfahren wird möglicherweise umgesetzt, indem zwei Impulse verwendet werden: ein einzelner Entladeimpuls und ein einzelner Aufladeimpuls. Möglicherweise ist ein Ruhezeitraum zwischen dem Entlade- und dem Aufladeimpuls vorhanden. Dies ähnelt einer herkömmlichen „Kapazitätskontrolle“, die als eine Gesundheitszustandsdiagnostik durchgeführt wird, typischerweise mit einer einstündigen Rate während der Prüfung von Batterieleistung und -lebensdauer. Es wäre vorteilhaft, wenn die OCV-SOC-Beziehung aus Standard-Kapazitätsprüfungsdaten gewonnen werden könnte. Zurzeit wird diese Beziehung bei Untersuchungen der Batterielebensdauer nicht überwacht, weil das Pulsladeverfahren so zeitaufwendig ist.
Zusätzlich zur Zeitersparnis bieten die offenbarten Verfahren möglicherweise andere Vorteile. Die Verfahren stellen möglicherweise eine kontinuierlichere OCV-SOC-Beziehung bereit, wohingegen das Pulsladeverfahren typischerweise OCV-Werte bei diskreten SOC-Intervallen liefert. Eine kontinuierliche Beziehung zeigt möglicherweise Merkmale, die in den diskreten, vom Pulsladeverfahren gelieferten Ergebnissen sonst nicht ersichtlich werden würden. Diese Merkmale stellen in Bezug auf das OCV-Verhalten der einzelnen Elektroden möglicherweise wertvolle Informationen bereit, die möglicherweise verwendet werden, um Elektrodenkapazitätsverhältnisse, Lithiierungsgrade und -zusammensetzungen ebenso wie Mengen von aktivem Material ohne Zellendemontage zu bestimmen. Weiterhin können Änderungen in der OCV-SOC-Beziehung über die Batterielebensdauer zusätzliche Informationen über die Mechanismen liefern, die Batterieleistung und Ladungskapazität (in Coulomb) verschlechtern. Die Charakterisierung der Änderung in der Beziehung über die Lebensdauer führt möglicherweise zu verbesserten Batteriesteuerungsstrategien in Hybridfahrzeugen und in reinen Elektrofahrzeugen.
Bei thermodynamischem Gleichgewicht bei einer gegebenen Elektrodenzusammensetzung (d. h. dem Grad der Lithiierung) und Temperatur ist die OCV einer Lithium-Ionen-Batterie stabil und konstant. Einige beispielhafte Batterieauflade- und -entladezyklen bei unterschiedlichen Raten werden in 3 aufgezeigt. Der Batterie-SOC wird möglicherweise charakterisiert, indem eine Entladung mit 1 C angewendet wird, bis die Spannung unter eine spezifizierte Abschaltspannung 50 fällt. Eine Aufladung/Entladung mit 1 C zieht einen Strom, der gleich der Nennkapazität der Batterie ist, und sie lädt bzw. entlädt die Batterie in einer Stunde theoretisch vollständig. Der Ladezustand wird möglicherweise aus der Zeit abgeleitet, weil die Auflade-/Entladerate und die Nennkapazität der Batterie bekannt sind. Eine Ladungsrate größer eins lädt die Batterie auf oder entlädt sie in weniger als einer Stunde (z. B. 2 C = 0,5 h), während eine Ladungsrate kleiner eins die Batterie in mehr als einer Stunde auflädt oder entlädt (z. B. 0,1 C = 10 h). Nachdem der Entladestrom aussetzt, was normalerweise bei der Abschaltspannung 50 geschieht, durchläuft die Zellenleerlaufspannung Relaxationsprozesse und gleicht sich auf einen stabilen OCV-Wert 52 ab (dargestellt durch die gestrichelte Linie in 3). Bei niedrigen Entladeraten entspricht die Abschaltspannung 50 möglicherweise 0% SOC. Der SOC wird möglicherweise während des Zyklus auf Basis einer Messung des Stroms während des Zyklus berechnet.
Die Hochstromkurve 54 stellt möglicherweise das Pulsladeverfahren zur OCV-Bestimmung dar, bei dem ein OCV-Wert bei einem gewissen SOC nach einem Konstantstromimpuls gewonnen wird. Eine OCV-SOC-Beziehung wird möglicherweise aus einer Sammlung derartiger OCV-Bestimmungen bei unterschiedlichen SOC-Werten abgeleitet. Alle während des Impulses gesammelten Daten werden normalerweise nicht als nützlich zur Bestimmung der Beziehung betrachtet. Die Hochstrom-Impulskurve 54 besteht aus zwei einzelnen Kurven. Die erste Kurve 56 stellt den Entladeimpuls dar, während die zweite Kurve 58 den Aufladeimpuls darstellt. Es ist zu beobachten, dass die OCV nach unten durch die Entladekurve 56 und nach oben durch die Aufladekurve 58 beschränkt ist. Wenn die Zellen vom Entladen zum Aufladen übergehen, ist zu beobachten, dass die OCV nach unten durch die Spannung kurz vor dem Aussetzen 60 des Entladestroms und nach oben durch die Spannung kurz nach Einsetzen 62 des Aufladestroms beschränkt wird. Die OCV ist nach oben und unten beschränkt, was eine Basis für das offenbarte Verfahren der OCV-Bestimmung bereitstellt. Für eine Zelle mit idealem Widerstand würde die OCV in der Mitte zwischen der Entladespannungskurve 56 und der Aufladespannungskurve 58 liegen.
Eine niedrigere Auflade-/Entladerate 64 wird auch aufgezeigt. Diese Kurve zeigt ein ähnliches Verhalten wie die Hochstrom-Impulsdaten 54, außer dass die Aufladekurve 70 und die Entladekurve 68 näher an der eigentlichen OCV-Kurve 52 liegen. Die stabile OCV-Kurve 52 ist wiederum nach oben und nach unten durch die Aufladekurve 70 und die Entladekurve 68 beschränkt. Weil sich die Auflade-/Entladerate verringert, nähern sich die Auflade- und die Entladekurve möglicherweise der eigentlichen OCV-Kurve 52 an.
Im Rahmen einer Entladung in unendlicher Zeit nähert sich die Spannungsrelaxation nach dem Entladen null, die Ladungskapazität nähert sich einem Maximalwert und die Entladespannung nähert sich der OCV. Weil sich die Auflade-/Entladerate verringert, verringert sich der Unterschied zwischen der Auflade- und der Entladekurve. Bei einer unendlich niedrigen Rate weisen die Kurven möglicherweise nur einen sehr kleinen Unterschied auf. Ein Entlade-/Aufladezyklus 66 mit sehr niedriger Rate wird gezeigt, der genau die vollständige OCV-SOC-Beziehung 52 umschreibt. Bei ausreichend kleinen Auflade-/Entladeraten würde ein Schätzwert der OCV der Mittelwert der Entlade- und Aufladespannungen bei einem gegebenen Ladezustand sein. Der Nachteil eines Entlade-/Aufladezyklus mit niedriger Rate ist, dass er mehr Zeit benötigt, um die Charakterisierung abzuschließen.
Das offenbarte Verfahren verwendet eine kontinuierliche Entlade-/Aufladerate bei einer höheren Rate (z. B. eine Rate von 1 C) und wendet Korrekturfaktoren an, um die eigentliche OCV zu schätzen. Dieses Verfahren basiert auf der Voraussetzung, dass Beobachtungen von transientem Verhalten verwendet werden können, um resistive Prozesse zu unterscheiden. Ähnliche Techniken werden möglicherweise in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie verwendet, um ohmsche, Ladungstransfer- und Konzentrationsübergangs-Widerstände zu trennen.
Transiente Spannungen, die beim Einsetzen und beim Aussetzen des Stroms in den Entlade-/Aufladekapazitätsprüfungen auftreten, werden möglicherweise verwendet, um die Spannungsmessungen zu korrigieren. Bei Einsetzen des Stroms fehlen anfangs thermische und Konzentrationsübergangseffekte, während Doppelschicht-, ohmsche und Ladungstransfer-Überspannung offensichtlich sind, was möglicherweise als die anfängliche Widerstands-Überspannung η_i bezeichnet wird. Beim Aussetzen des Stroms bauen sich Doppelschicht-, ohmsche und Ladungstransfer-Überspannungen schnell ab (< 100 ms), womit nur bleibt, die Konzentrationsübergangs-Überspannung η_t, ein transienter Widerstandseffekt, abzubauen und die Zelle zu einer stabilen OCV zurückzubringen. Die Gesamtüberspannung wird möglicherweise als η bezeichnet und die Entlade- (oder Auflade-) Zeit als t.
Vier Beobachtungen werden möglicherweise aufgrund der Entlade- und Aufladeanteile des kontinuierlichen Entlade-/Aufladespannungsverhaltens gemacht: (1) die Spannungsabweichung aufgrund der anfänglichen Widerstandsfaktoren, η_i, (2) die maximale Spannungsabweichung aufgrund der anfänglichen und transienten Widerstandsfaktoren (η_i + η_t ^ss), (3) die ungefähre Übergangszeit tss zum Erreichen der stationären maximalen Spannungsabweichung, und (4) der Zeitpunkt t_j, zu dem Entlade- und Auflade-OCV-Schätzwerte zusammengeführt werden sollten. Der Zeitpunkt t_j wird möglicherweise auch als der ungefähre Zeitpunkt des Erreichens der stationären maximalen Spannungsabweichung während des Aufladens betrachtet. Im stationären Bereich wird die OCV möglicherweise als der Mittelwert der Aufladespannung und der Entladespannung geschätzt. Außerhalb des stationären Bereichs werden Entladedaten möglicherweise korrigiert und Aufladedaten werden möglicherweise korrigiert, um den OCV-Schätzwert zu gewinnen. Die stationären Werte werden möglicherweise mit den korrigierten Daten kombiniert, was zu einem OCV-SOC-Gesamtschätzwert über den gesamten Bereich führt. Die Position des stationären Bereichs wird möglicherweise durch Untersuchen des Verhaltens des Systems gefunden. Der stationäre Bereich liegt möglicherweise dort, wo die Werte des Unterschieds zwischen der Aufladespannung und der Entladespannung über dem Bereich ungefähr gleich sind.
Versuchsdaten zeigen, dass der kurz nach dem Einsetzen des Stroms beobachtete Anfangswiderstand möglicherweise nahezu konstant ist, unabhängig vom Strompegel. Dies bedeutet, dass sich die Überspannung um das Produkt des Stroms und des Widerstands ändert. Weil sich der Strom mit der Ladungsrate ändert, während der Widerstandswert konstant ist, ist η_i bei einer Rate von 10 C etwa halb so groß wie bei einer Rate von 20 C, η_i bei einer Rate von 5 C ist ungefähr halb so groß wie bei einer Rate von 10 C und η_i bei einer Rate von 3 C ist etwa ein Drittel wie bei einer Rate von 10 C. Die Konzentrationsübergangs-Überspannung wird möglicherweise definiert als $η_{t} = OCV - (V_{d c h} + η_{i, d c h})$
wobei V_dch die gemessene Entladespannung und η_i,dch die Überspannung beim Einsetzen des Entladezyklus ist. Es wird möglicherweise eine analytische Lösung der Oberflächenkonzentration für das Problem der unstetigen Diffusion in einer Kugel mit konstantem Oberflächenfluss in Betracht gezogen. Die sich ergebende kurzzeitige Lösung zeigt, dass sich die Oberflächenkonzentration möglicherweise linear mit $\sqrt{t}$
für einen gegebenen Flusswert ändert. Andere Batteriechemien ändern sich möglicherweise mit anderen Funktionen der Zeit. Ebenso ist beobachtet worden, dass die Steigungen der linearen Bereiche für jeden Stromwert die gleichen sind, was für einen gegebenen Wert von Lithium-Diffusionsvermögen und -Partikelradius erwartet werden kann. Das anfängliche Diffusionsvermögen wird für die verschiedenen Stromwerte als gleich angenommen. Obwohl die Konzentrationsübergangs-Überspannung in Beziehung zum Verhältnis von Lithium-Oberflächenaktivität zu abgeglichener Lithium-Aktivität steht, wird möglicherweise erwartet, dass diese Überspannung anfänglich einer Beziehung zu $\sqrt{t}$
folgt. Somit ist empirisch zu beobachten, dass die anfängliche η_t proportional dem Produkt von Strom, bezeichnet als I, und $\sqrt{t}$
ist. Allerdings gibt es eine plausible Erklärung für die Beobachtung auf Basis der innerhalb der Zelle ablaufenden Transportprozesse. Die Beobachtung führt auch zu einer Erklärung des Verhaltens, bei dem die Spannungsrelaxation (die vorrangig die Konzentrationsübergangs-Überspannung ist) proportional („∼“) zu $\sqrt{I}$
ist. Weil die Daten alle mit einer nahezu konstanten SOC-Änderung (d. h. von 10%) verknüpft sind, kann geschrieben werden: $I \sim \frac{1}{t}$
woraus folgt, dass: $\sqrt{t} \sim \frac{1}{\sqrt{I}}$
Diese oben genannte empirische Beobachtung kann symbolisch geschrieben werden als: $η_{t} \sim I \sqrt{t}$
Das Einsetzen der Gleichung (3) in die Gleichung (4) ergibt: $η_{t} \sim \sqrt{I}$
Obwohl dies am ehesten bei niedrigen Raten offensichtlich wird, scheint sich die Konzentrationsübergangs-Überspannung einem konstanten Wert anzunähern, abhängig von der Rate nach einem gewissen Zeitraum. Dies ist möglicherweise auch zu erwarten, wenn das Problem der unstetigen Diffusion in einer Kugel betrachtet wird. Die sich ergebende Langzeitlösung des Problems zeigt, dass sich die Oberflächenkonzentration linear mit t für einen gegebenen Flusswert ändern wird. Weil sich sowohl die abgeglichene Konzentration als auch die Oberflächenkonzentration linear mit der Zeit ändern, kann bei langen Zeiträumen eine konstante Konzentrationsübergangs-Überspannung erwartet werden. Die die Kurzzeit- bzw. Langzeitlösungen des Kugelproblems betreffenden Lösungen bilden die Basis für die Bestimmung von η und η_t ^ss, die für die OCV-Schätzung verwendet werden.
Das offenbarte Verfahren wird möglicherweise mit Spannungsdaten verwendet, die bei einer relativ hohen Auflade-/Entladerate gesammelt wurden. Zum Beispiel wird möglicherweise eine Rate von 1 C zum Aufladen und Entladen der Batterie angewendet. Allerdings ist dieses Verfahren nicht auf eine besondere Rate beschränkt und wird möglicherweise bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Auflade-/Entladeraten genutzt. Die Entladespannungsdaten werden möglicherweise gemessen, und Korrekturen werden möglicherweise auf die Daten angewendet, um einen Teil der OCV-Gesamtcharakteristik zu gewinnen. Eine Spannungskorrektur für die Entladespannungsdaten wird möglicherweise in einem vorbestimmten Bereich oder Bereichen des Ladezustands genutzt. Aufladespannungsdaten werden ebenfalls möglicherweise gemessen, und die Korrekturen werden auf die Aufladespannungsdaten angewendet, um die OCV-Charakteristik zu vervollständigen. Durch Kombination der korrigierten Spannungsbereiche wird möglicherweise eine vollständige Kurve oder Charakteristik über den gesamten SOC-Bereich gewonnen. Die Spannungsbereiche werden möglicherweise an einem Punkt t_j zusammengeführt, so dass die korrigierten OCV-Werte an diesem Punkt gleich den nicht korrigierten OCV-Werten sind. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass die OCV-Charakteristik möglicherweise in relativ kurzer Zeit gewonnen wird.
Nachdem Spannungsmessdaten gewonnen worden sind, werden die gemessenen Entlade- und Aufladespannungsdaten möglicherweise um die transienten Widerstandseffekte korrigiert. Das Konzept wird grafisch in 4 aufgezeigt. Die Entladekurve 100 ist bezogen auf die Entladezeit 106 auf der unteren Achse aufgezeichnet. Die Entladezeit 106 beginnt bei null 110 auf der linken Seite und erhöht sich, wenn die Kurve nach rechts läuft. Die Entladezeit bei null 110 entspricht einem Punkt, an dem die Batterie voll auf 100 Prozent SOC aufgeladen ist. Die Kenntnis der Entladerate und der Nennkapazität der Batterie gestattet ein Gleichsetzen der Zeit mit einem äquivalenten SOC-Wert. Alternativ wird möglicherweise Strom gemessen, und der SOC wird möglicherweise auf Basis des Stroms und der mit Aufladen und Entladen verknüpften Zeit berechnet.
Die Entladezeit bei null 112 entspricht einem Punkt, an dem die Batterie voll auf null Prozent SOC entladen ist. Die Aufladekurve 102 ist in Bezug auf die Aufladezeit 108 aufgezeichnet. Die Aufladezeit 108 beginnt bei null 112 auf der rechten Seite und erhöht sich, wenn die Kurve nach links läuft. In den folgenden Formeln stellt V_dch 100 die während des Entladezyklus gemessene Spannung dar, und Vch 102 stellt die während des Aufladezyklus gemessene Spannung dar.
Während des Entladezyklus wird die OCV 104 möglicherweise wie folgt bestimmt: $O C V = V_{d c h} + η_{i, d c h} + η_{t, d c h}$
wobei: $η_{i, d c h} = η_{d c h}^{t = 0} f \ddot{u} r 0 < t \leq t_{j, d c h}$
$η_{t, d c h} = \frac{η_{t, d c h}^{s s}}{\sqrt{t_{s s, d c h}}} \sqrt{t} f \ddot{u} r 0 < t < t_{s s, d c h}$
$η_{t, d c h} = η_{t, d c h}^{s s} f \ddot{u} r t_{s s, d c h} \leq t \leq t_{j, d c h}$
In den Gleichungen (6) bis (9) ist t die Entladezeit und die Überspannungen η werden als positive Größen definiert.
Der Wert von η_i,dch 114 wird möglicherweise durch Subtrahieren der Spannung, die am ersten Datenpunkt 116, nach dem Einsetzen des Stroms, gesammelt wurde, von einer stabilen OCV 118, vor dem Einsetzen des Entladestroms, gewonnen. Dieser Wert wird möglicherweise am oder in der Nähe des Beginns des aktuellen Entladezyklus gemessen.
Der stationäre Überspannungswert $η_{t, dch}^{ss}$
120 wird möglicherweise aus dem Untersuchen der stationären Spannungsabweichungen bestimmt. Dies wird möglicherweise aus den gemessenen Daten bestimmt, indem der Punkt gefunden wird, an dem der Spannungsabfall nahezu konstant ist. Der Bereich, in dem $η_{t, dch}^{ss}$
konstant ist, liegt möglicherweise zwischen einem Zeitpunkt t_ss,dch 122 und einem Zeitpunkt t_j,dch 124. Während dieses Zeitraums wird möglicherweise ein Mittelwert des Unterschieds zwischen der Aufladespannung Vch 102 und der Entladespannung V_dch 100 berechnet. Sobald ein Mittelwert berechnet wurde, wird möglicherweise die stationäre Entlade-Überspannung $η_{t, dch}^{ss}$
aus dem Folgenden bestimmt: $M i t t e l_{V c h - V d c h} = 2 (η_{i, d c h} + η_{t, d c h}^{s s})$
Das weitere Lösen der Gleichung (10) für $η_{t, d c h}^{s s}$
ergibt: $η_{t, d c h}^{s s} = \frac{M i t t e l_{V c h - V d c h}}{2} - η_{i, d c h}$
Im Bereich zwischen null 110 und t_ss,dch 122 ist der Spannungskorrekturwert proportional zur Quadratwurzel von t. Der Wert wird möglicherweise skaliert, so dass der Wert zum Zeitpunkt t_ss,dch 122 mit dem stationären Wert von $η_{t, d c h}^{s s}$
120 zusammenfallen wird. Die stationäre Spannungsabweichung ist eine Funktion eines Unterschieds zwischen den Aufladespannungsdaten und den Entladespannungsdaten über einem vorbestimmten Bereich von Ladezuständen. Der Unterschied wird möglicherweise über dem Ladezustandsbereich gemittelt und als die stationäre Spannungsabweichung verwendet. Wenn diese Werte gemäß Gleichung (6) summiert werden, ergeben sie eine genaue Näherung der OCV-Kurve im Bereich bis zu t_j,dch 124.
Als nächstes wird möglicherweise die Spannung für die Aufladedaten korrigiert, um die Kurve im Bereich größer als t_j,dch 124 zu vervollständigen. Dies erfolgt auf eine ähnliche Art und Weise wie für die Entladedaten. Die OCV während des Aufladens wird möglicherweise beschrieben als: $O C V = V_{c h} - η_{i, c h} - η_{t, c h}$
Der Wert von η_i,ch 128 wird möglicherweise durch Subtrahieren einer stabilen OCV 132, vor dem Einsetzen des Aufladestroms, von der am ersten Datenpunkt 130, nach dem Einsetzen des Stroms, gemessenen Spannung gewonnen. Dieser Wert wird möglicherweise mit dem Wert von η_i,dch 114 am Verbindungspunkt 136 abgeglichen. Der Verbindungspunkt 136 wird möglicherweise als der Punkt beschrieben, an dem die Auflade- und Entladespannungskorrekturen zum gleichen Wert führen sollten. Der Punkt 136 wird möglicherweise auch als der Zeitpunkt betrachtet, an dem die stationäre Spannungsabweichung während des Aufladens erreicht wird. Das heißt: Die korrigierte Spannung in t_j,ch 134 sollte gleich der korrigierten Entladespannung in t_j,dch 124 sein. Es wird eine lineare Änderung angenommen, die zu der folgenden Gleichung führt: $η_{i, c h} = η_{i, c h}^{t = 0} - \frac{η_{c h}^{t = 0} - η_{d c h}^{t = 0}}{t_{j, c h}} t f \ddot{u} r 0 < t < t_{j, c h}$
wobei $η_{i, ch}^{t = 0}$
die Überspannung beim Einsetzen des Aufladestroms 130 ist. Es sei angemerkt, dass der Wert η_i,ch am Verbindungspunkt 136 gleich $η_{dch}^{t = 0}$
sein wird.
Analog zum Entladefall gilt die folgende Gleichung für das Aufladen: $η_{t, c h} = = \frac{η_{t, d c h}^{s s}}{\sqrt{t_{j, c h}}} \sqrt{t} f \ddot{u} r 0 < t < t_{j, c h}$
wobei t die Aufladezeit ist. Es sei angemerkt, dass der Wert von η_t,ch am Verbindungspunkt 136 gleich $η_{t, dch}^{ss}$
sein wird. Indem die gemessenen Aufladedaten abgeglichen werden, bilden die korrigierten Auflade- und Entladekurven eine kontinuierliche Kurve.
Zusammenfassend wird möglicherweise eine relativ hohe Auflade-/Entladerate auf die Batterie angewendet. Spannungen und Ströme werden möglicherweise gemessen und während der Auflade-/Entladesequenz gesammelt. Die Daten werden dann möglicherweise gemäß den oben genannten Gleichungen verarbeitet. Eine Spannungsabweichung wird beim Einsetzen des Entladestroms bestimmt. Ebenso wird eine stationäre Spannungsabweichung aus den Auflade- und Entladespannungsdaten auf Basis eines Mittelwerts der Auflade- und Entladespannungsdaten berechnet. Der stationäre Bereich liegt möglicherweise dort, wo die Unterschiede zwischen den Aufladespannungs- und den Entladespannungswerten bei jedem Ladezustand über den Bereich ungefähr gleich sind. Im Bereich nach dem Einsetzen des Entladestroms und vor dem Verbindungspunkt wird die Spannung gemäß der Gleichung (6) angepasst. Diese Korrekturen werden auf die gemessene Entladespannung angewendet, um die eigentliche OCV-SOC-Beziehung zu gewinnen. Eine anfängliche Aufladespannungsabweichung wird beim Einsetzen des Aufladestroms bestimmt. Die stationäre Spannungsabweichung wird als genauso hoch wie für den Entladefall angenommen. Im Bereich nach dem Einsetzen des Aufladestroms und vor dem Verbindungspunkt wird die Spannung gemäß der Gleichung (12) angepasst. Innerhalb eines vorbestimmten Ladezustandsbereichs ist die Spannungscharakteristik eine Funktion eines Unterschieds zwischen den Auflade- und den Entladedaten. Möglicherweise wird ein Mittelwert des Unterschieds verwendet. An den Endpunkten des vorbestimmten Ladezustandsbereichs sollten die charakteristischen Werte aufgrund des Unterschieds zwischen den Auflade- und Entladewerten gleich den unter Verwendung der Quadratwurzel der Zeit berechneten Werten sein. Am Verbindungspunkt werden die korrigierte Aufladespannung und die korrigierte Entladespannung abgeglichen, so dass die Spannungen an diesem Punkt gleich sind. Dies stellt eine kontinuierliche, die OCV-Charakteristik darstellende Kurve bereit. Der Strom wird möglicherweise während des Auflade-/Entladezyklus gemessen, um den SOC-Wert zu aktualisieren.
Die Batterie-Auflade-/Entladespannungsdaten werden möglicherweise in Bezug auf die Zeit gemessen. Das abschließende Ergebnis erfordert möglicherweise, dass die OCV-Kurve in Bezug auf den Batterieladezustand erzeugt wird. Der Batterie-SOC wird möglicherweise auf Basis des Stroms und der Zeit bestimmt. Der SOC wird möglicherweise in der Einheit Amperestunden (Ah) ausgedrückt. Wenn die Zeit bekannt ist, die der Strom eingespeist wird, kann der verknüpfte SOC berechnet werden. Zum Beispiel wird das Aufladen einer 5-Ah-Batterie mit einer Rate von 1 C betrachtet. Unter der Annahme, dass die Batterie einen SOC von null Prozent hat, würde ein für eine Stunde eingespeister Strom von 5 A die Batterie voll auf 5 Ah oder 100 Prozent SOC aufladen. Aufgrund dieses Wissens wird der SOC möglicherweise mit der Zeit korreliert. In diesem Beispiel würden 50 Prozent SOC bei der Hälfte des Zyklus oder nach 30 Minuten vorliegen. Dies kann auch als eine Standard-Ladungsintegration analysiert werden. Unter der Annahme eines konstanten Stroms wird möglicherweise der SOC-Zuwachs als der Strom multipliziert mit dem Zeitintervall bestimmt. Ladungsintegration wird möglicherweise auch verwendet, um den SOC zu bestimmen. Der Strom wird möglicherweise über der Zeit integriert, um einen SOC-Wert zu gewinnen.
Die OCV-SOC-Beziehung wird möglicherweise zum Steuern des Aufladens und des Entladens des Batteriesatzes verwendet. Die Beziehung wird möglicherweise auch zum Bestimmen von Leistungsgrenzen und anderen Parametern für Fahrzeugsteuerungen verwendet. Die Kenntnis dieser Beziehung beeinflusst auch die Berechnung des SOC während des Betriebs des Satzes. Eine exakte Messung des SOC ist nützlich, da sie möglicherweise einen Status für den Fahrer bereitstellt, wie viel Energie sich in der Batterie zu einem gegebenen Zeitpunkt befindet. Bei vielen bestehenden Umsetzungsformen wird diese Beziehung während der Entwicklung oder beim anfänglichen Bau des Fahrzeugs in die Steuerung programmiert. Weil bestehende Techniken zur Erzeugung dieser Beziehung zeitaufwendig sind, wird die Beziehung während der Lebensdauer eines Fahrzeugs möglicherweise nie verändert. Das vorgeschlagene Verfahren, das eine angemessenere Zeit zum Erzeugen der Beziehung bereitstellt, stellt möglicherweise Optionen zum Aktualisieren der Beziehung während des Service bereit. Das Verfahren wird möglicherweise in eine Fahrzeugsteuerung programmiert, um es dem Servicepersonal zu gestatten, eine Kalibrierung während der Servicearbeiten durchzuführen.
Das offenbarte Verfahren wirkt möglicherweise an einer einzelnen Batteriezelle oder an einer Reihenverbindung von mehreren Batteriezellen. In einem Batteriesatz wird möglicherweise jede Zelle charakterisiert, indem das offenbarte Verfahren an dem Satz unter der Annahme, dass jede Zellspannung gemessen wird, durchgeführt wird. Jede Batteriezelle wird möglicherweise während einer Servicearbeit charakterisiert und die resultierende charakteristische Kurve für spätere Verwendung in nichtflüchtigem Speicher gespeichert. Ein mehr praxisorientierter Ansatz ist es möglicherweise, die Charakteristika aller Zellen für spätere Verwendung zu mitteln oder die Batterie auf Basis der Gesamtsatzspannung zu charakterisieren. Die Charakterisierung könnte Teil einer Servicearbeit sein, bei der die Charakteristik berechnet und gespeichert wird, um optimalen Betrieb der Batterie über die Lebensdauer der Batterie zu gestatten.
In einer möglichen, in 5 gezeigten Ausführungsform wird möglicherweise eine Batteriecharakterisierungsvorrichtung 200 entwickelt, um die charakteristische OCV-SOC-Kurve für eine Batterie 202 festzustellen. Die Batterie 202 wird möglicherweise in der Batteriecharakterisierungsvorrichtung 200 platziert und gemäß den beschriebenen Verfahren aufgeladen und entladen. Eine bidirektionale Energiequelle 204 wird möglicherweise mit der Batterie 202 verbunden, um die Batterie 202 aufzuladen und zu entladen. Die bidirektionale Energiequelle 204 weist die Fähigkeit auf, Stromquelle und Stromsenke zu sein. Das heißt: Die bidirektionale Energiequelle 204 ist in der Lage, sowohl als eine Energieversorgung als auch als ein Verbraucher zu fungieren. Die bidirektionale Energiequelle 204 ist möglicherweise eine separate Energiequelle und ein Verbraucher, die möglicherweise so gesteuert wird, dass sie Energie liefert oder abführt.
Eine Steuerung 206 ist möglicherweise vorhanden, um die Spannung über der Batterie 202 während des Charakterisierungsprozesses zu messen. Die Steuerung 206 misst möglicherweise auch den Batteriestrom unter Verwendung eines Stromsensors 208. Die Steuerung 206 ist möglicherweise auch in der Lage, die bidirektionale Energiequelle 204 während des Charakterisierungsprozesses zu steuern. Die Steuerung erfolgt möglicherweise über Einzelleitungen oder über einen Kommunikationsbus.
Die Batterie 202 befindet sich zu Beginn der Prüfung möglicherweise in einem bekannten Ladezustand. Zum Beispiel ist die Batterie möglicherweise voll aufgeladen (100% SOC), bevor der Charakterisierungsprozess beginnt. In diesem Fall beginnt die Steuerung 206 möglicherweise mit dem Messen der Batteriespannung, und die bidirektionale Energiequelle 204 wird möglicherweise angewiesen, eine vorbestimmte Strommenge aus der Batterie zu ziehen. Die Steuerung 206 misst dann möglicherweise die Spannung über der Batterie 202 während des Entladens. Wenn die Steuerung 206 bestimmt hat, dass die Batterie 202 vollständig entladen worden ist, wird die bidirektionale Energiequelle 204 möglicherweise ausgeschaltet, um das Ziehen von Strom aus der Batterie 202 zu beenden. Möglicherweise setzt ein Ruhezeitraum ein, um der Spannung zu gestatten, sich auf einen stabilen Wert zu entspannen. Die bidirektionale Energiequelle 204 wird dann möglicherweise angewiesen, Strom für die Batterie 202 bereitzustellen, um die Batterie 202 aufzuladen. Die Steuerung 206 misst dann möglicherweise kontinuierlich während des Aufladens die Spannung und den Strom. Wenn die Batterie 202 vollständig aufgeladen ist, wird die bidirektionale Energiequelle 204 möglicherweise ausgeschaltet, um das Bereitstellen von Strom für die Batterie 204 zu beenden. Die gemessenen Daten werden dann möglicherweise von der Steuerung 206, wie oben beschrieben wurde, verarbeitet, um eine OCV-SOC-Charakteristik für die Batterie zu erzeugen. Die Steuerung 206 kommuniziert die gesammelten Daten möglicherweise an eine andere Rechnereinrichtung zur weiteren Verarbeitung der Daten. Diese Charakteristik wird möglicherweise einem Batteriesteuerungsalgorithmus 210 zum Steuern des Aufladens und des Entladens einer Batterie 202 bereitgestellt. Die Charakteristik wird möglicherweise in einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichert und wird möglicherweise auf einem Bildschirm 212 angezeigt oder auf einem Drucker 214 ausgedruckt. Die bidirektionale Energiequelle 204 wird möglicherweise händisch von einem Operator gesteuert oder von der Steuerung 206 gesteuert. Sollte der anfängliche Ladezustand nicht bekannt sein, wird die Prozedur möglicherweise angepasst, indem die Batterie 202 wie erforderlich aufgeladen oder entladen wird, um einen bekannten Start-Ladezustand zu gewinnen.
Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren und Algorithmen können zur Ausgabe an ein verarbeitendes Bauelement, an eine Steuerung oder an einen Computer geeignet sein bzw. von diesen umgesetzt werden, wobei diese irgendeine vorhandene programmierbare elektronische Steuerungseinheit oder eine zweckmäßige elektronische Steuerungseinheit enthalten können. Analog können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert werden, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen ausgeführt werden können, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien dauerhaft gespeichert werden, wie zum Beispiel auf ROM-Einrichtungen, und Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien veränderlich gespeichert sind, wie zum Beispiel auf Floppydisks, Magnetbändern, CDs, RAM-Einrichtungen und auf anderen magnetischen und optischen Medien. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem als Software ausführbaren Objekt umgesetzt werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen im Ganzen oder in Teilen unter Verwendung von geeigneten Hardware-Komponenten umgesetzt werden, wie zum Beispiel von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Zustandsautomaten, Steuerungen oder anderen Hardware-Komponenten oder -Einrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten.
Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen, durch die Ansprüche erfassten Formen beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe sind eher beschreibende als einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen. Die Merkmale verschiedener Ausführungsformen können, wie vorher beschrieben wurde, kombiniert werden, so dass sie weitere Ausführungsformen der Erfindung bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer Soll-Charakteristika bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, verstehen Durchschnittsfachleute, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Charakteristika eingegangen werden können, um erwünschte Eigenschaften des Gesamtsystems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzungsform abhängig sind. Diese Attribute beinhalten möglicherweise Folgendes, ohne darauf beschränkt zu sein: Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebensdauerkosten, Absatzfähigkeit, Erscheinungsbild, Konfektionierung, Größe, Service-Freundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. Von daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich einer oder mehrerer Charakteristika als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen bzw. als Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik beschrieben worden sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.

Claims

Fahrzeug (2), das Folgendes umfasst: wenigstens eine Batteriezelle (32); und wenigstens eine Steuerung (206), die dazu programmiert ist, die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis von Unterschieden zwischen vorher gemessenen Auflade- und Entladespannungswerten der wenigstens einen Batteriezelle (32) als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, derart ein Ladezustand der wenigstens einen Batteriezelle (32) in einen Bereich von Ladezuständen fällt, in dem die Unterschiede bei jedem Ladezustand innerhalb des Bereichs ungefähr gleich sind, wobei die wenigstens eine Steuerung (206) weiterhin dazu programmiert ist, die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis wenigstens einer der beiden Zeiten, einer Aufladezeit der vorher gemessenen Aufladespannungswerte oder einer Entladezeit der vorher gemessenen Entladespannungswerte, als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, derart, dass der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt.
Fahrzeug (2) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Steuerung (206) weiterhin dazu programmiert ist, die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis einer Wurzel der Aufladezeit der vorher gemessenen Aufladespannungswerte als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, derart, dass der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt.
Fahrzeug (2) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Steuerung (206) weiterhin dazu programmiert ist, die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis einer Wurzel der Entladezeit der vorher gemessenen Entladespannungswerte als Reaktion darauf aufzuladen und zu entladen, derart, dass der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt.
Vorrichtung (200), die Folgendes umfasst: eine bidirektionale Energieversorgung (204), die elektrisch mit wenigstens einer Batteriezelle (32) verbunden ist; und wenigstens eine Steuerung (206), die zum Erzeugen von Ausgabe programmiert ist, die eine Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis von Unterschieden zwischen gemessenen Auflade- und Entladespannungswerten der wenigstens einen Batteriezelle (329 darstellt, während ein Ladezustand der wenigstens einen Batteriezelle (32) in einen Bereich von Ladezuständen fällt, in dem die Unterschiede bei jedem Ladezustand innerhalb des Bereichs ungefähr gleich sind, wobei die wenigstens eine Steuerung (206) weiterhin zum Erzeugen von Ausgabe programmiert ist, die die Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis einer Aufladezeit während des Aufladens und einer Entladezeit während des Entladens darstellt, wenn der Ladezustand nicht in den Bereich der Ladezustände fällt.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Steuerung (206) weiterhin zum Erzeugen von Ausgabe programmiert ist, die die Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis einer Wurzel der Aufladezeit darstellt, wenn bei einem Ladezustand aufgeladen wird, der nicht in den Bereich der Ladezustände fällt.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Steuerung (206) weiterhin zum Erzeugen von Ausgabe programmiert ist, die die Beziehung zwischen Spannung und Ladezustand für die wenigstens eine Batteriezelle (32) auf Basis einer Wurzel der Entladezeit darstellt, wenn bei einem Ladezustand entladen wird, der nicht in den Bereich der Ladezustände fällt.