DE102015106545A1

DE102015106545A1 - Systeme und verfahren zum bestimmen der leistungskapazität eines batteriesystems

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Publication number: DE102015106545A1
Application number: DE102015106545.2A
Authority: DE
Inventors: Brian J. Koch; Brett B. Stawinski; Patrick Frost; Damon R. Frisch; John E. Novak
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2015-11-12
Also published as: US20150321572A1; CN105093117B; CN105093117A; US9419314B2

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer Batteriesystem-Leistungskapazität in einem Fahrzeug präsentiert. Hier offenbarte Systeme und Verfahren zur Schätzung einer Spitzenleistungskapazität können einen Effekt der Stromgröße bei zurückentwickelten Parametern in einem Batteriesystem-Schaltungsmodell kompensieren. Das Verwenden der offenbarten Verfahren zum genauen Schätzen einer Spitzenleistungskapazität eines Batteriesystems kann unter anderem für ein verbessertes Modellieren der Batteriesystemleistung und/oder für verbesserte Steuerungs- und Managemententscheidungen des Batteriesystems sorgen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Leistungskapazität eines Batteriesystems. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, betreffen die hier offenbarten Systeme und Verfahren das Bestimmen einer Leistungskapazität eines Batteriesystems in Verbindung mit Steuerungs- und/oder Managemententscheidungen eines Batteriesystems.
HINTERGRUND
Personenfahrzeuge enthalten oft elektrische Batterien, um Merkmale von elektrischen Systemen und Antriebsstrangsystemen eines Fahrzeugs zu betreiben. Beispielsweise enthalten Fahrzeuge üblicherweise eine Bleisäure-Kraftfahrzeugbatterie mit 12 V, die ausgestaltet ist, um elektrische Energie an Fahrzeugstartersysteme (z. B. einen Startermotor), Beleuchtungssysteme und/oder Zündsysteme zu liefern. Bei Elektrofahrzeugen, Brennstoffzellen-Fahrzeugen (FC-Fahrzeugen) und/oder Hybridfahrzeugen kann ein Hochspannungs-Batteriesystem (HV-Batteriesystem), (z. B. ein HV-Batteriesystem mit 360 V) verwendet werden, um elektrische Antriebsstrangkomponenten des Fahrzeugs (z. B. Elektroantriebsmotoren und dergleichen) mit Leistung zu versorgen. Beispielsweise kann ein wiederaufladbares HV-Energiespeichersystem (ESS), das in einem Fahrzeug enthalten ist, verwendet werden, um elektrische Antriebsstrangkomponenten des Fahrzeugs mit Leistung zu versorgen.
Informationen mit Bezug auf die Leistungskapazität eines Batteriesystems können beim Modellieren des Batteriesystemverhaltens und/oder in Verbindung mit Steuerungs- und/oder Managemententscheidungen des Batteriesystems verwendet werden. Ein Batteriezustands-Schätzsystem (BSE-System, BSE von battery state estimation) kann verwendet werden, um die Leistungskapazität eines Batteriesystems vorherzusagen. Bei den meisten Betriebsbedingungen kann ein Batteriesystem eine Leistungskapazität aufweisen, welche die Kapazitäten von zugehörigen Motoren und einer Leistungselektronik in einem Fahrzeug übersteigt. Bei einem Betrieb bei niedrigen Temperaturen jedoch können elektrochemische Prozesse, die in dem Batteriesystem ablaufen, bis zu einem Punkt so verlangsamt werden, dass nur wenig Reserve verbleibt, um den Leistungsbedarf das Systems zu decken. In einer derartigen Situation kann ein genauer Schätzwert der Leistungskapazität des Batteriesystems wichtig sein. Eine Vorhersage der Leistungskapazität, die ein klein wenig zu hoch ist, kann zu fehlgeschlagenen Versuchen des Ankurbelns einer Kraftmaschine oder zu einer erratischen Fahrzeugbeschleunigung führen, während eine analoge zu geringe Vorhersage von Leistung das Antriebssystem temporär deaktivieren kann. Daher ist ein BSE-System wünschenswert, das die Auswirkungen einer niedrigen Temperatur auf die Batterie korrekt interpretiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Hier offenbarte Systeme und Verfahren können eine verbesserte Bestimmung von Informationen hinsichtlich der Leistungskapazität eines Batteriesystems bereitstellen. Informationen mit Bezug auf die Leistungskapazität eines Batteriesystems können in Verbindung mit einer Vielfalt von Anwendungen benutzt werden, welche ohne Einschränkung das Modellieren des Batteriesystemverhaltens und/oder Steuerungs- und/oder Managemententscheidungen des Batteriesystems umfassen.
Die Temperatur kann die Thermodynamik und die Kinetiken von Energieumwandlungsprozessen der Batterie beeinflussen. Grundprinzipienmodelle der Phänomene des Massentransports, der Ladungsübertragung und der Kapazität können das Abfallen der Leistungskapazität mit fallender Temperatur repräsentieren. Derartige Modelle können jedoch ziemlich komplex sein und einen Großteil der Rechenleistung beanspruchen. Ein rechentechnisch effizienterer Ansatz zur Batteriezustandsschätzung für eine Echtzeitverwendung an Bord des Fahrzeugs kann ein Ersatzschaltungsmodell benutzen, welches auf semiempirische Weise einfache elektrische Analogien für elektrochemische Prozesse bereitstellen kann. Durch eine Kombination aus seriellen und parallelen Widerständen, Kondensatoren und einer Spannungsquelle kann eine Ersatzschaltung die Antwort der Batteriespannung auf einen Stromfluss approximieren. Dieser Ansatz kann aufgrund der Flexibilität bei der Feinabstimmung, die dadurch ermöglicht wird, dass eine ausreichende Anzahl von Schaltungskomponenten und Parametern zur Verfügung steht, insgesamt eine effektive Repräsentation der Batterie bereitstellen. Bei bestimmten Umständen kann es jedoch schwierig sein, einen beobachteten Effekt auf das Batterieverhalten (z. B. aufgrund der Temperatur) einem speziellen Element eines Schaltungsmodells direkt zuzuweisen. Folglich kann bei einigen Ausführungsformen eine Übertragung zwischen Komponenten des Schaltungsmodells und entsprechenden Grundprinzipienprozessen verwendet werden.
Die Übertragung von Schaltungsmodellen auf Grundprinzipien kann verwendet werden, um Kinetiken von elektrochemischen Reaktionen mit einem zugehörigen Schaltungsmodell zu interpretieren. Im Bereich der Grundprinzipien kann der kinetische Widerstandswert eines elektrochemischen Prozesses eine Funktion der Überspannung bzw. Konzentrationspolarisation [Engl.: overpotential] und der Temperatur einer Elektrode sein. Eine niedrige Temperatur kann eine allgemeine Zunahme und/oder eine Stärkung der Abhängigkeit des kinetischen Widerstandswerts von der Überspannung bewirken. Diese Faktoren können bewirken, dass der kinetische Widerstandswert größtenteils für die Reduktion der Leistungskapazität bei Kälte verantwortlich ist, die die meisten Batterien zeigen.
Wenn ein Batteriesystem verwendet wird, kann zumindest das Folgende beobachtet werden: 1) Parameterwerte, die von einem Algorithmus einer Batterieschätzvorrichtung für eine oder mehrere der Komponenten in einem zugehörigen Schaltungsmodell zugewiesen werden, können mit der Überspannung und der Temperatur schwanken, 2) die Parameterwerte können mit den vorherrschenden Bedingungen der Überspannung und der Temperatur zu dem Zeitpunkt, an dem sie zugewiesen wurden, in Korrelation stehen, und 3) die Korrelationen können zumindest eine qualitative Ähnlichkeit zu der Form der Vorhersagen der Grundprinzipien für die Abhängigkeit des kinetischen Widerstandswerts von der Überspannung und der Temperatur aufweisen. Da Parameterwerte mit vorherrschenden Bedingungen der Überspannung und der Temperatur in Korrelation stehen können, kann impliziert werden, dass auch die Lösung einer beliebigen BSE-Leistungsgleichung unter Verwendung dieser Modellparameter mit der Überspannung und der Temperatur in Korrelation stehen kann, die vorherrschten, als die Parameter zugewiesen wurden. Um die Parameter in ihre Überspannungsspitzenwerte umzuwandeln, können Parameter auf eine Weise skaliert werden, die teilweise oder vollständig auf die Grundprinzipienform der Abhängigkeit des kinetischen Widerstandswerts bei einer gegebenen Temperatur von der Überspannung ausgerichtet ist. Bei bestimmten Ausführungsformen können Modellparameterwerte und der kinetische Widerstandswert stattdessen als Funktion des Stroms ausgedrückt werden. Das Skalieren von Modellparametern in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen mit Bezug auf die Überspannung oder den Strom kann in einer Vielfalt von Anwendungen ausgeführt werden und es kann mit beliebigen Modellparametern verwendet werden, die von diesen Variablen abhängen.
In Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen kann die Genauigkeit der Leistungskapazitätsschätzung verbessert werden, indem ein Effekt der Überspannung oder auf äquivalente Weise der Effekt der Stromgröße auf zurückentwickelte Parameter in einem Batteriesystem-Schaltungsmodell kompensiert wird. Die offenbarten Systeme und Verfahren können im Speziellen stromabhängige Schaltungsmodellparameter in Verbindung mit Leistungskapazitätsschätzungen verwenden, wodurch die Genauigkeit dieser Schätzungen erhöht wird. Bei bestimmten Ausführungsformen können die hier offenbarten Systeme und Verfahren über ein größeres Fenster von Betriebsbedingungen hinweg die verfügbare Batterieleistung erhöhen, die in Verbindung mit Steuerungs- und/oder Managemententscheidungen des Batteriesystems verwendet wird. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Leistungskapazität eines Batteriesystems für Situationen definiert werden, bei denen das Batteriesystem eine Strom- und/oder Spannungsgrenze erreicht.
Bei bestimmten Ausführungsformen können Leistungskapazitätsschätzungen von einem BSE-System und/oder von einem anderen Batteriesteuerungs- und/oder -überwachungssystem zumindest teilweise unter Verwendung eines Schaltungsmodells eines Batteriesystems ausgeführt werden. Unter anderem kann das Schaltungsmodell Elemente enthalten, die einen ohmschen Widerstandswert, Ladungsübertragungs- und/oder Massenübertragungsprozesse in einem Batteriesystem modellieren. Bei bestimmten Ausführungsformen können diese Prozesse durch Widerstände und/oder Widerstand/Kondensator-Paare, die in dem Schaltungsmodell enthalten sind, modelliert werden. In Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen kann bei einigen Ausführungsformen ein Stromgrößeneffekt auf bestimmte Schaltungsmodellparameter kompensiert werden.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Bestimmen einer Spitzenleistungskapazität eines Batteriesystems umfassen, dass ein Spitzenstrom des Batteriesystems identifiziert wird. Bei Ausführungsformen, bei denen die Spitzenleistungskapazität eine strombegrenzte Spitzenleistungskapazität umfasst, kann der Spitzenstrom des Batteriesystems eine maximale Stromgrenze des Batteriesystems sein.
Bei Ausführungsformen, bei denen die Spitzenleistungskapazität eine spannungsbegrenzte Spitzenleistungskapazität umfasst, kann das Identifizieren des Spitzenstroms umfassen, dass eine ungefähre Schätzung des Stroms erzeugt wird, dass eine ungefähre Schätzung eines Widerstandswerts auf der Grundlage der ungefähren Schätzung des Stroms unter Verwendung von Informationen des stromabhängigen Widerstandswerts, der einem Modell des Batteriesystems zugeordnet ist, bestimmt wird, dass auf der Grundlage der ungefähren Schätzung des Widerstandswerts ein berechneter Strom bestimmt wird und dass festgestellt wird, ob eine Differenz zwischen dem berechneten Strom und der ungefähren Schätzung des Stroms unter einem Schwellenwert liegt.
Wenn die Differenz zwischen dem berechneten Strom und der ungefähren Schätzung des Stroms unter dem Schwellenwert liegt, kann der berechnete Strom als der Spitzenstrom identifiziert werden. Wenn die Differenz zwischen dem berechneten Strom und der ungefähren Schätzung des Stroms jedoch nicht unter dem Schwellenwert liegt, kann das Identifizieren des Spitzenstroms umfassen, dass iterativ nachfolgende ungefähre Schätzungen des Stroms erzeugt werden, nachfolgende ungefähre Schätzungen von Widerstandswerten auf der Grundlage der nachfolgenden ungefähren Schätzungen der Ströme bestimmt werden und nachfolgende berechnete Ströme auf der Grundlage der nachfolgenden ungefähren Schätzungen der Ströme bestimmt werden, bis eine Differenz zwischen einem endgültigen nachfolgenden berechneten Strom und einem endgültigen nachfolgenden ungefähren Schätzwert des Stroms unter dem Schwellenwert liegt. Der endgültige nachfolgende berechnete Strom kann dann als der Spitzenstrom identifiziert werden.
Das Verfahren kann ferner umfassen, dass ein zurückentwickelter ohmscher Widerstandswert in einem Batteriesystemmodell, das zum Modellieren des Batteriesystems verwendet wird, bestimmt wird. Der zurückentwickelte ohmsche Widerstandswert kann skaliert werden, um einen kompensierten ohmschen Widerstandswert des Batteriesystemmodells auf der Grundlage des Spitzenstroms zu berechnen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann diese Skalierungsoperation umfassen, dass ein Spitzenwiderstandswert auf der Grundlage des Spitzenstroms bestimmt wird, dass ein Mittelwert des zurückentwickelten Widerstandswerts auf der Grundlage eines Strommittelwerts bestimmt wird, der mit einer Regressionsoperation verbunden ist, die verwendet wird, um den zurückentwickelten ohmschen Widerstandswert zu berechnen, und dass der zurückentwickelte ohmsche Widerstandswert um ein Verhältnis des Spitzenwiderstandswerts zu dem Mittelwert des zurückentwickelten Widerstandswerts skaliert wird, um den kompensierten ohmschen Widerstandswert zu berechnen.
Eine Spitzenleistungskapazität des Batteriesystems kann auf der Grundlage des kompensierten ohmschen Widerstandswerts und des Batteriesystemmodells bestimmt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann eine oder können mehrere Steuerungsaktionen in einem Fahrzeug, das mit dem Batteriesystem verbunden ist, auf der Grundlage der ermittelten Spitzenleistungskapazität implementiert werden. Beispielsweise können Steuerungsaktionen durchgeführt werden, die mit einer maximal zulässigen Fahrzeugbeschleunigung verbunden sind, die von einem elektrischen Antriebsstrangsystem eines Fahrzeugs eingeleitet wird, und/oder Aktionen, die mit einem regenerativen Bremsen verbunden sind (z. B. eine Akzeptanz des regenerativen Bremsens).
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nicht einschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung beschrieben, welche verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung mit Bezug auf die Figuren umfassen, in denen:
1 ein beispielhaftes System zum Bestimmen der Leistungskapazität eines Batteriesystems, das in einem Fahrzeug enthalten ist, in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
2A eine graphische Darstellung veranschaulicht, die eine beispielhafte Beziehung zwischen Überspannung und Strom in einem beispielhaften Schaltungsmodell in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen zeigt.
2B eine graphische Darstellung veranschaulicht, die eine beispielhafte Beziehung zwischen Strom und Widerstandswert in einem beispielhaften Schaltungsmodell in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen zeigt.
3 ein beispielhaftes Schaltungsmodell zum Modellieren eines Batteriesystems in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
4 eine Konzeptzeichnung eines Verfahrens zum Bestimmen eines Spitzenstroms eines Batteriesystems unter Verwendung einer Beziehung zwischen Strom und Widerstandswert in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
5 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Bestimmen eines Spitzenstroms eines Batteriesystems in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
6 eine Konzeptzeichnung veranschaulicht, die Beziehungen zwischen verschiedenen Strömen und Widerstandswerten zeigt, die in Verbindung mit dem Bestimmen eines ohmschen Widerstandswerts in einem Batteriesystemmodell in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen verwendet werden.
7 eine Konzeptzeichnung eines Verfahrens zum Bestimmen eines kompensierten ohmschen Widerstandswerts in einem Batteriesystemmodell auf der Grundlage eines Spitzenstroms in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen veranschaulicht.
8 ein beispielhaftes System zum Implementieren bestimmter Ausführungsformen der hier offenbarten Systeme und Verfahren veranschaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird eine genaue Beschreibung von Systemen und Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Obwohl mehrere Ausführungsformen beschrieben werden, versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf eine beliebige Ausführungsform beschränkt ist, sondern stattdessen zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfasst. Zwar sind in der folgenden Beschreibung zahlreiche spezielle Details offengelegt, um ein gründliches Verständnis der hier offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, jedoch können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das auf dem zugehörigen technischen Gebiet bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden.
Die Ausführungsformen der Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die Zeichnungen am besten verstanden werden, bei denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen beschriftet sein können. Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die in den Figuren hierin allgemein beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer großen Vielfalt anderer Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende genaue Beschreibung der Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der Offenbarung nicht dafür gedacht, den beanspruchten Umfang der Offenbarung einzuschränken, sondern sie stellt nur mögliche Ausführungsformen der Offenbarung dar. Zudem müssen die Schritte eines Verfahrens nicht unbedingt in einer beliebigen speziellen Reihenfolge oder auch sequentiell ausgeführt werden, noch müssen die Schritte nur einmal ausgeführt werden, sofern es nicht anderweitig angegeben ist.
Hier offenbarte Systeme und Verfahren können eine verbesserte Schätzung und/oder Bestimmung von Informationen mit Bezug auf eine Leistungskapazität eines Batteriesystems bereitstellen. Leistungskapazitätsbestimmungen können von einem BSE-System und/oder einem anderen Batteriesteuerungs-, Überwachungs- und/oder Managementsystem ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Schaltungsmodell eines Batteriesystems, das Parameter enthält, bei denen eine Auswirkung der Stromgröße kompensiert ist, in Verbindung mit Bestimmungen der Leistungskapazität verwendet werden.
In Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen kann das Verwenden von Schaltungsmodellparametern, die stromabhängige Verhaltensweisen reflektieren, die Genauigkeit von zugehörigen Leistungskapazitätsbestimmungen erhöhen.
Unter anderem kann diese Erhöhung der Genauigkeit eine konsistentere Fahrbarkeit und/oder ein verbessertes Verhalten eines Fahrzeugs ermöglichen, das mit einem Batteriesystem verbunden ist, speziell bei einem Betrieb bei niedrigen Temperaturen. In einigen Ausführungsformen können die offenbarten Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer Leistungskapazität eines Batteriesystems ein verbessertes Entladen (z. B. das Ermöglichen einer schnelleren Beschleunigung) und/oder Aufladen (z. B. das Verbessern von regenerativen Brems- oder Wiederaufladeoperationen) des Batteriesystems als herkömmliche Verfahren ermöglichen, wodurch der Betrieb eines zugehörigen Fahrzeugs verbessert wird. Indem eine maximale Leistungskapazität eines Batteriesystems, das mit einem Fahrzeug verbunden ist, genau bestimmt wird, kann beispielsweise die Beschleunigung des Fahrzeugs verbessert werden, die Funktionalität eines Hybridelektrofahrzeugs kann in einem Niedertemperatur-Fahrzyklus früher eingeleitet werden, die Akzeptanz des regenerativen Bremsens kann für einen besseren Wirkungsgrad des Fahrzeugs erhöht werden und das Batteriesystem kann vollständiger genutzt werden.
1 veranschaulicht ein beispielhaftes System zum Bestimmen einer Leistungskapazität eines Batteriesystems 102 in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Batteriesystem 102 in einem Fahrzeug 100 enthalten sein. Das Fahrzeug 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Flugzeug und/oder eine beliebige andere Art von Fahrzeug sein und es kann einen Antriebsstrang mit einer Brennkraftmaschine (ICE), einen Elektromotorantriebsstrang, einen Hybridkraftmaschinenantriebsstrang, einen Brennstoffzellenantriebsstrang und/oder einen beliebigen anderen Typ von Antriebsstrang enthalten, der geeignet ist, um die hier offenbarten Systeme und Verfahren einzubauen. Das Fahrzeug 100 kann ein Batteriesystem 102 enthalten, das bei bestimmten Ausführungsformen ein HV-Batteriesystem sein kann. Das HV-Batteriesystem kann verwendet werden, um elektrische Antriebsstrangkomponenten (beispielsweise in einem elektrischen, hybriden oder Brennstoffzellen-Leistungssystem) mit Leistung zu versorgen. Bei weiteren Ausführungsformen kann das Batteriesystem 102 eine Niederspannungsbatterie (z. B. eine Bleisäure-Kraftfahrzeugbatterie mit 12 V) sein und ausgestaltet sein, um elektrische Energie an eine Vielfalt von Systemen des Fahrzeugs 100 zu liefern, welche beispielsweise Fahrzeugstartersysteme (z. B. einen Startermotor), Beleuchtungssysteme, Zündsysteme und/oder dergleichen umfassen.
Das Batteriesystem 102 kann ein Batteriesteuerungssystem 104 enthalten. Das Batteriesteuerungssystem 104 kann ausgestaltet sein, um bestimmte Operationen des Batteriesystems 102 zu überwachen und zu steuern. Zum Beispiel kann das Batteriesteuerungssystem 104 ausgestaltet sein, um Auflade- und Entladeoperationen des Batteriesystems 102 zu überwachen und zu steuern. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Batteriesteuerungssystem 104 in Verbindung mit den hier offenbarten Verfahren verwendet werden, um eine Leistungskapazität des Batteriesystems zu schätzen, zu modellieren und/oder auf andere Weise zu ermitteln. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Batteriesteuerungssystem 104 mit einem oder mehreren Sensoren 106 (z. B. Spannungssensoren, Stromsensoren und/oder dergleichen usw.) und/oder anderen Systemen (z. B. einem Fahrzeugcomputersystem 108, einem externen Computersystem 110 usw.) kommunikationstechnisch gekoppelt sein, die ausgestaltet sind, um zu ermöglichen, dass das Batteriesteuerungssystem 104 Operationen des Batteriesystems 102 überwacht und steuert und/oder dass es bestimmte hier offenbarte Verfahren ausführt. Zum Beispiel können die Sensoren 106 das Batteriesteuerungssystem 104 mit Informationen versorgen, die verwendet werden, um einen Ladezustand (SOC) und/oder einen Funktionszustand (SOH) zu schätzen, um eine Impedanz zu schätzen, um einen Strom zu messen, um eine Spannung eines Batteriestapels 112 und/oder von Zellen 114, aus denen er besteht, zu messen und/oder mit beliebigen anderen Informationen, die in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden können.
Das Batteriesteuerungssystem 104 kann ferner ausgestaltet sein, um Informationen an andere Systeme (z. B. an das Fahrzeugcomputersystem 108), die in dem Fahrzeug 100 enthalten sind, zu liefern und/oder von diesen Informationen zu empfangen. Zum Beispiel kann das Batteriesteuerungssystem 104 mit einem internen Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder mit einem externen Computersystem 110 (z. B. über ein drahtgebundenes und/oder drahtloses Telekommunikationssystem oder dergleichen) kommunikationstechnisch gekoppelt sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Batteriesteuerungssystem 104 zumindest teilweise ausgestaltet sein, um Informationen im Hinblick auf das Batteriesystem 102 (z. B. Informationen, die von den Sensoren 106 gemessen und/oder von dem Steuerungssystem 104 ermittelt wurden) an einen Anwender, an Testpersonal, an Wartungspersonal und/oder dergleichen des Fahrzeugs 100, an das Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder an das externe Computersystem 110 zu liefern. Diese Informationen können ohne Einschränkung Informationen zum SOC und/oder SOH der Batterie, Informationen zur Leistungskapazität der Batterie, Informationen zur Betriebszeit der Batterie, Batteriezyklusinformationen, Batteriebetriebstemperaturinformationen und/oder beliebige andere Informationen im Hinblick auf das Batteriesystem 102 umfassen, die in Verbindung mit dem Ermitteln von Informationen zur Leistungskapazität des Batteriesystems verwendet werden können.
Das Batteriesystem 102 kann einen oder mehrere Batteriestapel 112 enthalten, die geeignet ausgelegt sind, um elektrische Leistung für das Fahrzeug 100 bereitzustellen. Jeder Batteriestapel 112 kann eine oder mehrere Batteriezellen 114 enthalten. Die Batteriezellen 114 können eine beliebige geeignete Batterietechnologie oder eine Kombination daraus verwenden. Geeignete Batterietechnologien können beispielsweise Bleisäure, Nickelmetallhydrid (NiMH), Lithium-Ionen (Li-Ion), Lithium-Ionen-Polymer, Zink-Luft, Lithium-Luft, Nickelcadmium (NiCad), ventilgeregelte Bleisäure (VRLA) mit absorbierendem Glasflies (AGM), Nickel-Zink (NiZn), Salzschmelze (z. B. eine Na-NiCl₂-Batterie) und/oder andere geeignete Batterietechnologien umfassen. Jede Batteriezelle 114 kann mit Sensoren 106 verbunden sein, die ausgestaltet sind, um einen oder mehrere Parameter, die mit jeder Zelle 114 verbunden sind (z. B. Spannung, Strom, Temperatur usw.) zu messen. Obwohl 1 separate Sensoren 106 veranschaulicht, die mit jeder Batteriezelle 114 verbunden sind, kann bei einigen Ausführungsformen auch ein Sensor verwendet werden, der ausgestaltet ist, um verschiedene elektrische Parameter zu messen, die mehreren Zellen 114 zugeordnet sind.
Von den Sensoren 106 gemessene Informationen können an das Batteriesteuerungssystem 104 und/oder an ein oder mehrere andere Systeme (z. B. an das Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder an das externe Computersystem 110) geliefert werden. Unter Verwendung der Informationen können das Batteriesteuerungssystem 104 und/oder ein beliebiges anderes geeignetes System die Arbeitsweise des Batteriesystems 102 koordinieren (z. B. Aufladeoperationen, Entladeoperationen, Ausgleichsoperationen usw.). Das Batteriesteuerungssystem 104, das Fahrzeugcomputersystem 108, das externe Computersystem 110 und/oder ein beliebiges anderes geeignetes System, das BSE-Verfahren implementiert, können diese Informationen ferner in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwenden, um die Leistungskapazität des Batteriesystems 102 als Teil von Überwachungs-, Steuerungs-, Kennlinienerfassungs- und/oder Modellierungsaktivitäten zu bestimmen.
2A veranschaulicht eine graphische Darstellung 200a, die eine beispielhafte Beziehung zwischen Überspannung und Strom in einem beispielhaften Schaltungsmodell in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen zeigt. Die x-Achse 202 repräsentiert die Überspannung (z. B. η) und die y-Achse 204 repräsentiert den Strom (z. B. I). Batteriesysteme können Verhaltensweisen mit einem stromabhängigen Widerstandswert (IDR-Verhaltensweisen) zeigen. IDR kann auf eine Strom-Potential-Beziehung des elektrochemischen Systems einer Batterie zurückzuführen sein. Diese Beziehung, die als die Bulter-Volmer-Beziehung bekannt sein kann, kann die Kinetiken einer Ladungsübertragung (d. h. einer Elektronenübertragung) in einem Batteriesystem beschreiben und sie kann gemäß dem Folgenden ausgedrückt werden: j = i₀A[e^∝fη – e^(-1-∝)fη] Gl. 1 wobei

I: = Strom
i₀: = Austauschstromdichte
A: = Elektrodenoberfläche
α: = Übertragungskoeffizient
f: = nF/RT (n = Anzahl der übertragenen Elektronen, F = Faradaykonstante, R = Gaskonstante, T = Temperatur)
η: = Überspannung

Gemäß Gleichung 1 kann der Strom direkt mit der angelegten Überspannung schwanken. Der effektive Widerstandswert des Prozesses kann umgekehrt proportional zum Strom schwanken (d. h. R = η/I).
Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Überspannung in Übereinstimmung mit einem Stromfluss durch das Schaltungsmodell als die Differenz zwischen dem modellierten Potential der Elektrode oder Zelle und dem Gleichgewichtspotential der Elektrode oder Zelle berechnet werden (η = V_model – V₀).
In Verbindung mit BSE- und/oder Modellierungsverfahren kann das Ausdrücken eines überspannungsabhängigen Widerstandswerts durch einen stromabhängigen Widerstandswert bestimmte Vorteile und/oder Effizienzen bei der Modellierung bereitstellen. 2B veranschaulicht eine graphische Darstellung 200b, die eine beispielhafte Beziehung zwischen dem Strom 204 und dem Widerstandswert 206 in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen zeigt. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Informationen des stromabhängigen Widerstandswerts, die in der graphischen Darstellung 200b gezeigt sind, aus der Überspannung und dem Strom hergeleitet werden, die in 2A in Verbindung mit der graphischen Darstellung 200a veranschaulicht sind. Obwohl sie in Verbindung mit einer graphischen Darstellung 200b veranschaulicht sind, ist festzustellen, dass bei anderen Ausführungsformen Informationen, die in der graphischen Darstellung 200b enthalten sind und in Verbindung mit den offenbarten Systemen und Verfahren verwendet werden, zusätzlich und/oder alternativ in einer zugehörigen Tabelle mit stromabhängigen Widerstandswerten enthalten sein können. Wie nachstehend in größerem Detail erörtert wird, können Informationen, die in der graphischen Darstellung 200b enthalten sind, in Verbindung mit Systemen und Verfahren zum Bestimmen eines Spitzenstroms eines Batteriesystems und/oder eines kompensierten ohmschen Widerstandswerts eines Batteriesystemmodells in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen verwendet werden.
3 veranschaulicht ein beispielhaftes Schaltungsmodell 300 zum Modellieren eines Batteriesystems in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann eine Repräsentation eines Batteriesystems durch das Schaltungsmodell 300 bestimmte elektrochemische Prozesse in einem Batteriesystem modellieren, die in Verbindung mit BSE- und/oder anderen Systemen und Verfahren zur Bestimmung von Batterieinformationen verwendet werden können. Das veranschaulichte Modell 300 kann eine Spannungsquelle 102, die eine Leerlaufspannung modelliert, Widerstände 304, 308, 314 und Kondensatoren 306, 312 enthalten. Die Spannungsquelle 102 kann mit dem Widerstand 304 und mit Widerstands-Kondensator-Paaren 310, 316 seriell gekoppelt sein. Unter anderem kann das Schaltungsmodell Elemente enthalten, die den ohmschen Widerstandswert, Ladungsübertragungs- und/oder Massenübertragungsprozesse in einem Batteriesystem modellieren.
Der Widerstand 204 kann einen ohmschen Widerstandswert R₀ im Batteriesystem modellieren. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Widerstands-Kondensator-Paar 310 bestimmte Ladungsübertragungsprozesse in einem Batteriesystem modellieren. Der Widerstand 318 kann einen Ladungsübertragungswiderstandswert R_ct modellieren und der Kondensator 306 kann die Ansammlung von Ladung an der Schnittstelle C_dl zwischen Elektrode und Elektrolyt (d. h. eine elektrische Doppelschicht) modellieren. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Widerstand 318 ferner einen schnellen Massentransport in einem Elektrolyt des Batteriesystems modellieren. Das Widerstands-Kondensator-Paar 316 kann bestimmte Massenübertragungseigenschaften in dem Batteriesystem modellieren, wobei der Widerstand 314 R_diff zusammen mit dem Kondensator 312 C_diff eine empirische Approximation der Überspannung aufgrund dieses Phänomens bereitstellen können.
Bei einigen Batteriechemien (z. B. Lithium-Batteriechemien) kann die Ladungsübertragung ein relativ schneller Prozess sein, und sie kann daher in dem veranschaulichten Modell im Widerstand 304 konzentriert sein, da der ohmsche Widerstandswert eine relativ schnelle Antwort auf den Strom aufweisen kann. In Verbindung mit den offenbarten Systemen und Verfahren kann der ohmsche Widerstandswert R₀ des Widerstands 304 als überspannungs- und/oder stromabhängig betrachtet werden.
Der ohmsche Widerstandswert R₀ kann in Verbindung mit dem Bestimmen einer Spitzenleistungskapazität eines Batteriesystems verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Spitzenleistung P des Batteriesystems bei Bedingungen mit einem konstanten Strom in Übereinstimmung mit dem Folgenden berechnet werden:
oder bei Bedingungen mit konstanter Spannung in Übereinstimmung mit dem Folgenden:
wobei

I: = eine Stromgrenze (wie etwa der Spitzenstrom)
V: = eine Spannungsgrenze
V₀: = die Gleichgewichts-Batteriespannung
R₀: = ohmscher Widerstandswert
R_ct: = Ladungsübertragungswiderstandswert
C_dl: = Doppelschichtkapazität
V_init: = Batteriespannung am Anfang der Leistungsvorhersage
I_init: = Batteriestrom am Anfang der Leistungsvorhersage
t: = Zeit (Sekunde) in der Zukunft, bei der die Leistung vorhergesagt wird.

Bei bestimmten Verfahren zur Bestimmung der Leistungskapazität kann ein BSE-System und/oder ein anderes geeignetes System einen Wert zurückentwickeln, der mit dem ohmschen Widerstandswert in einem Batteriesystemmodell verbunden ist, in dem ein Fenster mit gemessenen Strom- und/oder Spannungsdaten betrachtet wird. Der zurückentwickelte Wert kann ein Stromniveau repräsentieren, das die Batterie zu einem speziellen Zeitpunkt vor kurzem erlebt hat. Der mit der Zurückentwicklung verbundene Strom kann jedoch kleiner als ein Spitzenstrom des Batteriesystems sein. Folglich kann der zurückentwickelte ohmsche Widerstandswert zu hoch sein, um die Spitzenleistungskapazität des Batteriesystems genau vorherzusagen, und eine resultierende Bestimmung der Spitzenleistungskapazität unter Verwendung des zurückentwickelten ohmschen Widerstandswerts kann zu niedrig vorhergesagt sein.
In Übereinstimmung mit Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren kann eine Stromkompensation verwendet werden, um einen ohmschen Widerstandswert in einem Batteriesystemmodell genauer zu bestimmen. Die Verwendung dieser Verfahren kann genauere Bestimmungen der Leistungskapazität eines Batteriesystems ermöglichen, wodurch zumindest einige der zuvor beschriebenen Vorteile einer Kenntnis von genauen Leistungskapazitätsinformationen bereitgestellt werden.
Ein Spitzenstrom kann als Teil eines Prozesses zum Bestimmen eines ohmschen Widerstandswerts in einem Batteriesystemmodell in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren bestimmt werden. 4 veranschaulicht eine Konzeptzeichnung eines Verfahrens zum Bestimmen eines Spitzenstroms eines Batteriesystems in Übereinstimmung mit bestimmten offenbarten Ausführungsformen. Das Verfahren zum Bestimmen eines Spitzenstroms eines Batteriesystems kann Informationen hinsichtlich einer Beziehung zwischen dem Strom 204 und dem Widerstandswert 206 verwenden (beispielsweise wie es vorstehend in Verbindung mit der graphischen Darstellung 200b, die in 2B veranschaulicht ist, erörtert wurde).
Bei bestimmten Ausführungsformen können Systeme und Verfahren zum Bestimmen eines Spitzenstroms eines Batteriesystems eine iterative Suchroutine implementieren, die ausgestaltet ist, um eine Kombination aus Strom 204 und Widerstandswert 206 zu finden, die das Batteriesystem bei aktuellen Betriebsbedingungen zu seiner Spannungsgrenze hin treiben kann. Das Verfahren kann beginnen, indem eine anfängliche ungefähre Schätzung bei einem Strom/Widerstandswert-Paar I_guess 402 und R_guess 404 unter Verwendung von Informationen der Beziehung des stromabhängigen Widerstandswerts durchgeführt wird. Unter Verwendung der ungefähren Schätzung des Widerstandswerts R_guess 404, einer minimalen Betriebsspannung V_min und einer Leerlaufspannung V₀ kann ein Strom in Übereinstimmung mit dem Folgenden berechnet werden:
Nach dem Berechnen des Stroms I_calc kann der berechnete Strom mit der ungefähren Schätzung des Stroms I_guess verglichen werden. Wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem berechneten Strom und der ungefähren Schätzung des Stroms kleiner als ein Schwellenwert ist, kann bestimmt werden, dass der berechnete Strom der Spitzenstrom I_peak für das Batteriesystem ist. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Schwellenwert eine beliebige geeignete Zahl umfassen, die eine Anzahl von Iterationen der zugehörigen Berechnung verringern soll.
Wenn die Differenz zwischen dem berechneten Strom und der ungefähren Schätzung des Stroms nicht kleiner als der Schwellenwert ist, und wenn der berechnete Strom kleiner als die ungefähre Schätzung des Stroms ist, kann die Suchroutine ein neues Strom/Widerstandswert-Paar (z. B. Punkt 406) ungefähr schätzen, das höhere Werte für den ungefähr geschätzten Strom und niedrigere Werte für den ungefähr geschätzten Widerstandswert aufweist. Ein neuer Strom kann auf die vorstehend im Detail beschriebene Weise berechnet werden und der Vergleich zwischen dem neu berechneten Strom und dem neuen ungefähr geschätzten Strom kann wieder ausgeführt werden.
Wenn die Differenz zwischen dem berechneten Strom und der ungefähren Schätzung des Stroms nicht kleiner als der Schwellenwert ist, und wenn der berechnete Strom größer als der ungefähr geschätzte Strom ist, kann die Suchroutine ein neues Strom/Widerstandswert-Paar (z. B. Punkt 408) ungefähr schätzen, das niedrigere Werte des ungefähr geschätzten Stroms und höhere Werte des ungefähr geschätzten Widerstandswerts aufweist. Ein neuer Strom kann in der vorstehend im Detail beschriebenen Weise berechnet werden, und der Vergleich zwischen dem neuen berechneten Strom und dem neuen ungefähr geschätzten Strom kann wieder ausgeführt werden.
5 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Bestimmen eines Spitzenstroms eines Batteriesystems in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann eines oder können mehrere der veranschaulichten Elemente des Verfahrens 500 von einem Batteriesteuerungssystem, einem Fahrzeugcomputersystem, einem externen Computersystem und/oder einem beliebigen anderen System oder einer Kombination aus Systemen, die ausgestaltet sind, um BSE-Verfahren zu implementieren und/oder, um die Leistungskapazität eines Batteriesystems zu überwachen, zu modellieren und/oder auf andere Weise zu charakterisieren, ausgeführt und/oder von diesen implementiert werden.
Bei 502 kann das Verfahren beginnen. Bei 504 kann unter Verwendung von Informationen einer bekannten stromabhängigen Widerstandswertbeziehung eine anfängliche ungefähre Schätzung eines Strom/Widerstandswert-Paars I_guess und R_guess ausgeführt werden. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Informationen zur stromabhängigen Widerstandswertsbeziehung den beispielhaften Informationen ähneln, die vorstehend beschrieben und in Verbindung mit 2B veranschaulicht sind. Bei 506 kann ein Strom I_calc auf der Grundlage des ungefähr geschätzten Widerstandswerts R_guess 404, einer minimalen Spannung V_min und einer Leerlaufspannung V_min berechnet werden (z. B. unter Verwendung der vorstehend präsentierten Gleichung 3).
Der berechnete Strom I_calc kann bei 508 mit dem ungefähr geschätzten Strom I_guess verglichen werden, und auf der Grundlage des Vergleichs kann festgestellt werden, ob ein Absolutwert einer Differenz zwischen dem berechneten Strom I_calc und dem ungefähr geschätzten Strom I_guess kleiner als ein Schwellenwert I_thresnold ist (z. B., ob abs(I_calc – I_guess) < I_threshold). Wenn die Differenz kleiner als der Schwellenwert ist, kann das Verfahren 500 zu 514 weitergehen, bei dem bestimmt werden kann, dass ein Spitzenstrom gleich dem berechneten Strom ist – d. h. I_peak = I_guess.
Wenn die Differenz größer als der Schwellenwert ist und der berechnete Strom kleiner als der ungefähr geschätzte Strom ist (d. h. I_calc < I_guess), kann das Verfahren zu Schritt 512 weitergehen. Bei 512 kann ein neues Strom/Widerstandswert-Paar ungefähr geschätzt werden, das einen höheren Wert für den ungefähr geschätzten Strom und einen niedrigeren Wert für den ungefähr geschätzten Widerstandswert aufweist, und ein neuer berechneter Strom kann bei 504 auf der Grundlage der neuen Werte des ungefähr geschätzten Stroms/Widerstandswerts berechnet werden. Wenn die Differenz größer als der Schwellenwert ist und der berechnete Strom größer als der ungefähr geschätzte Strom ist (d. h. I_calc > I_guess), kann das Verfahren zu 510 weitergehen. Bei 510 kann ein neues Strom/Widerstandswert-Paar ungefähr geschätzt werden, das einen niedrigeren Wert für den ungefähr geschätzten Strom und einen höheren Wert für den ungefähr geschätzten Widerstandswert aufweist, und auf der Grundlage der neuen Werte des ungefähr geschätzten Strom/Widerstandswerts kann bei 504 ein neuer berechneter Strom berechnet werden.
Sobald die Bestimmung bei 508 zu einem Absolutwert der Differenz zwischen dem berechneten Strom I_calc und einem ungefähr geschätzten Strom I_guess führt, der kleiner als der Schwellenwert ist, kann das Verfahren 500 zu 514 weitergehen, wobei bestimmt werden kann, dass ein Spitzenstrom gleich dem berechneten Strom ist. Dann kann das Verfahren weitergehen, um bei 516 zu enden.
Auf der Grundlage des ermittelten Spitzenstroms kann ein Kompensationsprozess für einen zurückentwickelten ohmschen Widerstandswert des Batteriesystems ausgeführt werden. Wie vorstehend erörtert wurde, kann ein Strom, der mit einem zurückentwickelten Widerstandswert verbunden ist, ein Mittelwert über eine Anzahl von Abtastpunkten sein, die von dem Regressionsverfahren berücksichtigt werden (z. B. I_avg). Ein zurückentwickelter ohmscher Widerstandswert R_reg kann durch ein Verhältnis aus einem Spitzenstromwiderstandswert R_Ipeak, der unter Verwendung eines identifizierten Spitzenstroms I_peak ermittelt wurde, und einem Nennwiderstandswert R_avg auf der Grundlage des Strommittelwerts, der mit der Regression verbunden ist, in Übereinstimmung mit dem Folgenden skaliert werden:
wobei R_reg ein zurückentwickelter ohmscher Widerstandswert ist, R_Ipeak ein Widerstandswert ist, der mit einem identifizierten Spitzenstrom, mit Hilfe einer Beziehung wie etwa derjenigen, die in 2B gezeigt ist, verbunden ist, R_avg ein Nennwiderstandswert beruhend auf einem Strommittelwert ist, der mit der Regression verbunden ist, und R_power ein kompensierter ohmscher Widerstandswert ist, der in Verbindung mit Leistungskapazitätsberechnungen in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen verwendet werden kann. Zum Beispiel kann der Wert von R_power in Verbindung mit Gleichung 1 beim Bestimmen einer Spitzenleistungskapazität eines Batteriesystems verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen können Informationen über das Altern der Batterie, die in dem zurückentwickelten Widerstandswert vorhanden waren, in R_power bewahrt werden, indem auf diese Weise skaliert wird.
Bei bestimmten Ausführungsformen, die in Verbindung mit Berechnungen einer spannungsbegrenzten Leistung verwendet werden, kann ein Spitzenstrom unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Verfahren identifiziert werden. Bei weiteren Ausführungsformen, etwa Systemen und Verfahren, die in Verbindung mit Berechnungen einer strombegrenzten Leistung verwendet werden, kann eine maximale Stromgrenze des Batterieherstellers als der Spitzenstrom verwendet werden.
6 veranschaulicht eine Konzeptzeichnung 600, die Beziehungen zwischen verschiedenen Strömen und Widerstandswerten zeigt, die in Verbindung mit dem Bestimmen eines ohmschen Widerstandswerts in einem Batteriesystemmodell in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen verwendet werden. Die veranschaulichte Zeichnung 600 kann speziell Informationen zeigen, die eine Beziehung zwischen dem Strom 204 und dem Widerstandswert 206 zeigen (beispielsweise wie vorstehend in Verbindung mit der graphischen Darstellung 200b, die in 2B veranschaulicht ist, erörtert wurde). Unter Verwendung der Informationen, die in 6 veranschaulicht sind, kann ein Spitzenstrom-Widerstandswert 602 R_Ipeak aus einem berechneten Spitzenstrom I_peak 604 identifiziert werden. Analog kann ein Nennwiderstandswert R_avg 606 auf der Grundlage eines Strommittelwerts I_avg identifiziert werden, der mit der Regression 608 verbunden ist.
7 veranschaulicht eine Konzeptzeichnung 700 eines Verfahrens zum Bestimmen eines ohmschen Widerstandswerts in einem Batteriesystemmodell auf der Grundlage eines Spitzenstroms in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Die veranschaulichte Zeichnung kann insbesondere in Verbindung mit dem Ermitteln eines kompensierten ohmschen Widerstandswerts in Übereinstimmung mit den offenbarten Systemen und Verfahren und/oder einer zugehörigen Batterieleistungs-Spitzenkapazität verwendet werden.
Block 702 kann eine Spitzenstrom-Suchoperation in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen ausführen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Spitzenstrom-Suchoperation bestimmte Ausführungsformen der Prozesse implementieren, die vorstehend in Verbindung mit 4 und 5 beschrieben sind. In Verbindung mit der Spitzenstrom-Suchoperation können verschiedene Informationen verwendet werden, welche ohne Einschränkung eine minimale Spannung V_min, eine Leerlaufspannung V₀ und eine Temperatur T umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen können diese Informationen von einem System bereitgestellt werden, das eine bestimmte BSE-Funktionalität implementiert.
Auf der Grundlage der Suchoperation, die durch Block 702 ausgeführt wird, kann bei Block 704 ein Spitzenstrom I_peak identifiziert werden. Wie vorstehend erörtert wurde, kann ein identifizierter Spitzenstrom I_peak bei bestimmten Ausführungsformen auf dem Typ der Leistungskapazitätsberechnung beruhen, die ausgeführt wird. Beispielsweise kann ein Spitzenstrom in Verbindung mit spannungsbegrenzten Leistungsberechnungen unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Suchoperationen identifiziert werden. In Verbindung mit strombegrenzten Leistungsberechnungen kann eine maximale Stromgrenze des Batterieherstellers als Spitzenstrom verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann ein identifizierter Spitzenstrom auf dem niedrigeren aus einem Spitzenstrom, der unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Suchoperationen identifiziert wurde (d. h. I_{calc_final}) und einer maximalen Stromgrenze der Batterie (d. h. I_max) beruhen (z. B. I_peak = min(I_{calc_final}, I_max)).
Der bei Block 704 identifizierte Spitzenstrom kann an Block 706 weitergegeben werden, bei dem eine Identifikation von Variablen, die beim Berechnen eines kompensierten ohmschen Widerstandswerts für das Batteriesystem verwendet werden, in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen bestimmt wird. Bei bestimmten Ausführungsformen kann diese Identifikation bestimmte Ausführungsformen der Prozesse implementieren, die vorstehend in Verbindung mit 6 beschrieben sind. Variablen, die bei Block 706 identifiziert werden, können ohne Einschränkung einen Spitzenstrom-Widerstandswert R_Ipeak, der mit einem identifizierten Spitzenstrom verbunden ist, und einen Nennwiderstandswert R_avg umfassen. In Verbindung mit der Identifikation können verschiedene Informationen verwendet werden, die ohne Einschränkung einen zurückentwickelten Widerstandswert R_reg, einen mit der Regression verbundenen Strommittelwert I_avg und eine Temperatur T umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen können diese Informationen von einem System bereitgestellt werden, das eine bestimmte BSE-Funktionalität implementiert.
Beruhend auf den Variablen, die bei Block 706 identifiziert wurden, kann ein kompensierter ohmscher Widerstandswert bei Block 708 berechnet werden, beispielsweise unter Verwendung von Gleichung 4, die vorstehend im Detail beschrieben wurde. Der kompensierte ohmsche Widerstandswert kann bei Block 710 in Verbindung mit dem Berechnen einer Spitzenleistungskapazität des Batteriesystems verwendet werden (z. B. unter Verwendung von Gleichung 2 oder dergleichen).
8 veranschaulicht ein beispielhaftes System 800 zum Implementieren bestimmter Ausführungsformen der hier offenbarten Systeme und Verfahren. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Computersystem 800 ein Personalcomputersystem, ein Servercomputersystem, ein Fahrzeug-Bordcomputer, ein Batteriesteuerungssystem, ein externes Computersystem und/oder eine beliebige andere Art von System sein, die geeignet ist, um die offenbarten Systeme und Verfahren zu implementieren. Bei weiteren Ausführungsformen kann das Computersystem 800 ein beliebiges tragbares elektronisches Computersystem oder eine elektronische Vorrichtung sein, die beispielsweise einen Notebook-Computer, ein Smartphone und/oder einen Tablet-Computer umfasst.
Wie veranschaulicht kann das Computersystem 800 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren 802, Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 804, eine Kommunikationsschnittstelle 806, eine Anwenderschnittstelle 808 und ein nicht vorübergehendes computerlesbares Massenspeichermedium 810 enthalten. Der Prozessor 802, das RAM 804, die Kommunikationsschnittstelle 806, die Anwenderschnittstelle 808 und das computerlesbare Massenspeichermedium 810 können über einen gemeinsamen Datenbus 812 kommunikationstechnisch miteinander gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Computersystems 800 unter Verwendung von Hardware, Software, Firmware und/oder einer beliebigen Kombination daraus implementiert werden.
Die Anwenderschnittstelle 808 kann eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen umfassen, die es einem Anwender ermöglichen, mit dem Computersystem 800 zu interagieren. Zum Beispiel kann die Anwenderschnittstelle 808 verwendet werden, um eine interaktive Schnittstelle für einen Anwender anzuzeigen. Die Anwenderschnittstelle 808 kann ein separates Schnittstellensystem sein, das mit dem Computersystem 800 kommunikationstechnisch gekoppelt ist, oder sie kann alternativ ein integriertes System sein, wie etwa eine Anzeigeschnittstelle für einen Laptop oder eine andere ähnliche Vorrichtung. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Anwenderschnittstelle 808 auf einer berührungsempfindlichen Anzeige erzeugt werden. Die Anwenderschnittstelle 808 kann außerdem eine beliebige Anzahl anderer Eingabevorrichtungen umfassen, die beispielsweise eine Tastatur, einen Trackball und/oder Zeigervorrichtungen umfasst.
Die Kommunikationsschnittstelle 806 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die in der Lage ist, mit anderen Computersystemen, peripheren Vorrichtungen und/oder anderen Geräten, die mit dem Computersystem 800 kommunikationstechnisch gekoppelt sind, zu kommunizieren. Zum Beispiel kann die Kommunikationsschnittstelle 806 ermöglichen, dass das Computersystem 800 mit anderen Computersystemen kommuniziert (z. B. mit Computersystemen, die mit externen Datenbanken und/oder dem Internet verbunden sind), wodurch die Übertragung an diese sowie der Empfang von Daten von diesen Systemen ermöglicht wird. Die Kommunikationsschnittstelle 806 kann unter anderem ein Modem, ein Satelliten-Datenübertragungssystem, eine Ethernet-Karte und/oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung enthalten, die ermöglicht, dass sich das Computersystem 800 mit Datenbanken und Netzwerken wie etwa LANs, MANs, WANs und dem Internet verbindet.
Der Prozessor 802 kann einen oder mehrere Universalprozessoren, anwendungsspezifische Prozessoren, programmierbare Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, FPGAs, andere kundenspezifische oder programmierbare Verarbeitungsvorrichtungen und/oder beliebige andere Vorrichtungen oder Anordnungen von Vorrichtungen umfassen, die in der Lage sind, die hier offenbarten Systeme und Verfahren zu implementieren.
Der Prozessor 802 kann ausgestaltet sein, um computerlesbare Anweisungen auszuführen, die in dem nicht vorübergehenden computerlesbaren Massenspeichermedium 810 gespeichert sind. Das computerlesbare Massenspeichermedium 810 kann nach Wunsch andere Daten oder Informationen speichern. Bei einigen Ausführungsformen können die computerlesbaren Anweisungen von einem Computer ausführbare Funktionsmodule 814 enthalten. Zum Beispiel können die computerlesbaren Anweisungen ein oder mehrere Funktionsmodule enthalten, die ausgestaltet sind, um die gesamte oder einen Teil der Funktionalität der vorstehend beschriebenen Systeme und Verfahren zu implementieren. Spezielle Funktionsmodule, die in dem computerlesbaren Massenspeichermedium 810 gespeichert sein können, können Module umfassen, um die Spitzenleistungskapazität eines Batteriesystems zu testen, zu überwachen und/oder zu modellieren, und/oder ein oder mehrere beliebige andere Module, das bzw. die ausgestaltet sind, um die hier offenbarten Systeme und Verfahren zu implementieren.
Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren können unabhängig von der Programmiersprache implementiert werden, die verwendet wird, um die computerlesbaren Anweisungen zu erzeugen, und/oder unabhängig von einem beliebigen Betriebssystem, das auf dem Computersystem 800 läuft. Zum Beispiel können die computerlesbaren Anweisungen in einer beliebigen geeigneten Programmiersprache geschrieben sein, wobei Beispiele dafür C, C++, Visual C++ und/oder Visual Basic, Java, Perl oder eine beliebige andere geeignete Programmiersprache umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Ferner können die computerlesbaren Anweisungen und/oder Funktionsmodule in der Form einer Sammlung von separaten Programmen oder Modulen und/oder eines Programmmoduls in einem größeren Programm oder einem Abschnitt eines Programmmoduls vorliegen. Das Verarbeiten von Daten durch das Computersystem 500 kann in Ansprechen auf Anwenderbefehle, auf Ergebnisse einer vorherigen Verarbeitung, oder auf eine Anforderung hin erfolgen, die von einer anderen Verarbeitungsmaschine gestellt wurde. Es ist festzustellen, dass das Computersystem 500 ein beliebiges geeignetes Betriebssystem verwenden kann, welches beispielsweise Unix, DOS, Android, Symbian, Windows, iOS, OSX, Linux und/oder dergleichen umfasst.
Obwohl das Vorstehende der Klarheit halber in einigem Detail beschrieben wurde, ist festzustellen, dass bestimmte Veränderungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne die Prinzipien desselben zu verlassen. Es wird angemerkt, dass es viele alternative Wege zum Implementieren sowohl der Prozesse als auch Systeme gibt, die hier beschrieben sind. Folglich müssen die vorliegenden Ausführungsformen als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung aufgefasst werden und die Erfindung darf nicht auf die hier gegebenen Details begrenzt werden, sondern sie kann im Umfang und den Äquivalenten der beigefügten Ansprüche modifiziert werden.
Die vorstehende Beschreibung wurde mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann wird jedoch feststellen, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu verlassen. Zum Beispiel können verschiedene Arbeitsschritte sowie Komponenten zum Ausführen von Arbeitsschritten auf alternative Weisen in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung oder bei Berücksichtigung einer beliebigen Anzahl von Kostenfunktionen, die mit dem Betrieb des Systems verbunden sind, implementiert werden. Folglich kann ein beliebiger oder können mehrere der Schritte gelöscht, modifiziert oder mit anderen Schritten kombiniert werden. Ferner muss diese Offenbarung in einem veranschaulichenden statt einem restriktiven Sinn betrachtet werden, und alle derartigen Modifikationen sollen im Umfang derselben enthalten sein. Analog wurden Nutzen, andere Vorteile und Lösungen für Probleme vorstehend mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Jedoch dürfen Nutzen, Vorteile, Lösungen für Probleme und beliebige Elemente, die bewirken können, dass ein beliebiger Nutzen, ein beliebiger Vorteil oder eine beliebige Lösung auftritt oder deutlicher hervorgehoben wird, nicht als kritisches, notwendiges oder essentielles Merkmal oder Element aufgefasst werden.
Bei der Verwendung hierin sollen die Begriffe ”umfasst” und ”enthält” und beliebige andere Variationen derselben, so wie sie hier verwendet werden, eine nicht exklusive Inklusion abdecken, so dass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, der/die/das eine Liste von Elementen umfasst, nicht nur diese Elemente umfasst, sondern auch andere Elemente enthalten kann, die nicht explizit aufgelistet oder für einen derartigen Prozess, ein derartiges Verfahren, ein derartiges System, einen derartigen Artikel oder eine derartige Vorrichtung inhärent sind. Außerdem sollen die Begriffe ”gekoppelt”, ”koppeln” und beliebige andere Variationen derselben, so wie sie hier verwendet werden, eine physikalische Verbindung, eine elektrische Verbindung, eine magnetische Verbindung, eine optische Verbindung, eine Kommunikationsverbindung, eine funktionale Verbindung und/oder eine beliebige andere Verbindung abdecken.
Der Fachmann wird feststellen, dass viele Veränderungen an den Details der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne von den zugrundeliegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung soll daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt sein.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Spitzenleistungskapazität eines Batteriesystems, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Spitzenstrom des Batteriesystems identifiziert wird; ein zurückentwickelter ohmscher Widerstandswert in einem Batteriesystemmodell bestimmt wird, das verwendet wird, um das Batteriesystem zu modellieren; der zurückentwickelte ohmsche Widerstandswert skaliert wird, um einen kompensierten ohmschen Widerstandswert des Batteriesystemmodells auf der Grundlage des Spitzenstroms zu berechnen; und eine Spitzenleistungskapazität des Batteriesystems auf der Grundlage des kompensierten ohmschen Widerstandswerts und des Batteriesystemmodells bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spitzenleistungskapazität eine strombegrenzte Spitzenleistungskapazität umfasst und der Spitzenstrom des Batteriesystems eine maximale Stromgrenze des Batteriesystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spitzenleistungskapazität eine spannungsbegrenzte Spitzenleistungskapazität umfasst und das Identifizieren des Spitzenstroms umfasst, dass: ein ungefähr geschätzter Strom erzeugt wird; ein ungefähr geschätzter Widerstandswert auf der Grundlage des ungefähr geschätzten Stroms unter Verwendung von Informationen eines stromabhängigen Widerstandswerts bestimmt wird; auf der Grundlage der ungefähren Schätzung des Widerstandswerts ein berechneter Strom bestimmt wird; und festgestellt wird, ob eine Differenz zwischen dem berechneten Strom und dem ungefähr geschätzten Strom unter einem Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei, wenn die Differenz zwischen dem berechneten Strom und dem ungefähr geschätzten Strom unter dem Schwellenwert liegt, das Identifizieren des Spitzenstroms umfasst, dass: der berechnete Strom als der Spitzenstrom identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei, wenn die Differenz zwischen dem berechneten Strom und dem ungefähr geschätzten Strom nicht unter dem Schwellenwert liegt, das Identifizieren des Spitzenstroms umfasst, dass: iterativ nachfolgende ungefähr geschätzte Ströme erzeugt werden, nachfolgende ungefähr geschätzte Widerstandswerte auf der Grundlage der nachfolgenden ungefähr geschätzten Ströme bestimmt werden, und nachfolgende berechnete Ströme auf der Grundlage der nachfolgenden ungefähr geschätzten Ströme bestimmt werden, bis eine Differenz zwischen einem endgültigen nachfolgenden berechneten Strom und einem endgültigen nachfolgenden ungefähr geschätzten Strom unter dem Schwellenwert liegt; und der endgültige nachfolgende berechnete Strom als der Spitzenstrom identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Skalieren des zurückentwickelten ohmschen Widerstandswerts, um einen kompensierten ohmschen Widerstandswert zu berechnen, ferner umfasst, dass: ein Spitzenwiderstandswert auf der Grundlage des Spitzenstroms bestimmt wird; ein Nennwiderstandswert auf der Grundlage eines Strommittelwerts bestimmt wird, der mit einer Regressionsoperation verbunden ist, die verwendet wird, um den zurückentwickelten ohmschen Widerstandswert zu berechnen; und der zurückentwickelte ohmsche Widerstandswert durch ein Verhältnis aus dem Spitzenwiderstandswert zu dem Nennwiderstandswert skaliert wird, um den kompensierten ohmschen Widerstandswert zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Modell ein Schaltungsmodell umfasst, das Elemente enthält, die ausgestaltet sind, um den ohmschen Widerstandswert, Ladungsübertragungs- und Massenübertragungsprozesse des Batteriesystems zu modellieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass: eine Steuerungsaktion in einem Fahrzeug, das mit dem Batteriesystem verbunden ist, auf der Grundlage der ermittelten Spitzenleistungskapazität implementiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Steuerungsaktion eine Aktion umfasst, die mit einer maximal zulässigen Fahrzeugbeschleunigung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Steuerungsaktion eine Aktion umfasst, die mit dem Initialisieren eines elektrischen Antriebsstrangsystems des Fahrzeugs verbunden ist.