DE102015109290A1

DE102015109290A1 - Vereinfachte Modellierung der Thermodynamik von Batterien für Steuerungen

Info

Publication number: DE102015109290A1
Application number: DE102015109290.5A
Authority: DE
Inventors: Tae-Kyung Lee; Xinfan Lin
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2035-06-12
Also published as: US9692093B2; CN105270186A; US20160006087A1; CN105270186B; DE102015109290B4

Abstract

Ein Fahrzeug weist eine Fahrbatterie auf, die aus einer Anzahl von Zellen besteht. Eine Steuerung betreibt die Fahrbatterie gemäß einer Temperatur für jede der Zellen. Die Temperatur basiert auf einer Mehrzahl von Koeffizienten, welche einen Beitrag wenigstens einer thermischen Zellgrenzbedingung und einer in der Zelle erzeugten Wärme zu einer stationären Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Zelle repräsentieren. Die Beiträge können gefiltert werden, um eine dynamische Antwort der Temperatur auf Änderungen in den thermischen Grenzbedingungen und der in der Zelle erzeugten Wärme vorauszusagen. Die Koeffizienten können von einem vollständigen (Full-Order-)Modell abgeleitet werden. Das resultierende Modell reduzierter Ordnung (Reduced-Order-Modell) erfordert weniger Ausführungszeit und erzielt gleichzeitig eine ähnliche Genauigkeit wie das Full-Order-Modell. Darüber hinaus kann ein Bereich charakteristischer Temperaturen für jede Zelle erhalten werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein die Temperaturschätzung bei einer Fahrzeugbatterie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Hybrid- und Elektrofahrzeuge weisen eine Fahrbatterie auf, die aus mehreren Zellen besteht. Fahrbatterien speichern Energie und liefern Strom an elektrische Maschinen für den Antrieb und andere Funktionen. Der Betrieb der Fahrbatterie kann überwacht werden, und die Fahrbatterie kann basierend auf einer Vielzahl von Eingängen gesteuert werden. Ein Batterie-Managementsystem kann einen Temperatursensor verwenden, der an jeder Zelle oder Zellengruppe angebracht ist, um die Steuerung der Fahrbatterie zu unterstützen. Die Temperatursensoren können eine angemessene Temperatur an der Montageoberfläche liefern, können jedoch keine exakte Anzeige der Temperaturen innerhalb der Batteriezelle bereitstellen.
KURZFASSUNG
Ein Fahrzeug weist eine Fahrbatterie, die aus einer Mehrzahl von Zellen besteht, und wenigstens eine Steuerung auf. Die wenigstens eine Steuerung ist dafür programmiert, die Fahrbatterie zu betreiben gemäß einer Temperatur für jede der Zellen, die auf einer Mehrzahl von Koeffizienten basiert, welche einen Beitrag wenigstens einer thermischen Zellgrenzbedingung und einer in der Zelle erzeugten Wärme zu einer stationären Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Zelle repräsentieren. Die wenigstens eine Steuerung kann ferner dafür programmiert sein, den Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung und der in der Zelle erzeugten Wärme zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung und der in der Zelle erzeugten Wärme vorauszusagen. Die wenigstens eine Steuerung kann ferner dafür programmiert sein, den Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung mit einer ersten Zeitkonstante zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung vorauszusagen, und den Beitrag der von der Zelle erzeugten Wärme mit einer zweiten Zeitkonstante zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der in der Zelle erzeugten Wärme vorauszusagen. Der Koeffizient, der dem Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme zugeordnet ist, kann von einem Modell abgeleitet sein, in dem die Zellen als eine Mehrzahl von Elementen dargestellt sind, und der jedem dieser Elemente entsprechende Koeffizient kann von einer Systemmatrix, die Wechselwirkungen zwischen den Elementen definiert, und einer Eingangsmatrix, die den Einfluss der in der Zelle erzeugten Wärme definiert, abgeleitet sein. Die vorab festgelegte Position kann dem Element entsprechen, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Maximalwert hat. Die vorab festgelegte Position kann dem Element entsprechen, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Minimalwert hat. Die wenigstens eine Zellgrenzbedingung kann eine gemessene Temperatur beinhalten. Die Koeffizienten, die dem Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung zugeordnet sind, können von einem Modell abgeleitet sein, in dem die Zellen als eine Mehrzahl von Elementen dargestellt sind, und die jedem dieser Elemente entsprechenden Koeffizienten können von einer Systemmatrix, die Wechselwirkungen zwischen den Knoten definiert, und einer Eingangsmatrix, die den Einfluss der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung definiert, abgeleitet sein. Die Koeffizienten, die dem Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung zugeordnet sind, können ein einziger sein.
Ein Batterie-Managementsystem weist wenigstens eine Steuerung auf, die dafür programmiert ist, eine Batteriezelle zu betreiben, gemäß einer Zellentemperatur, die auf einer Mehrzahl von Koeffizienten basiert, welche einen Beitrag wenigstens einer Zellgrenzbedingung und einer in der Batteriezelle erzeugten Wärme zu einer stationären Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Zelle repräsentieren. Die wenigstens eine Steuerung kann ferner dafür programmiert sein, den Beitrag der wenigstens einen Zellgrenzbedingung und der in der Batteriezelle erzeugten Wärme zu filtern. Die wenigstens eine Steuerung kann ferner dafür programmiert sein, den Beitrag der wenigstens einen Zellgrenzbedingung mit einer ersten Zeitkonstante zu filtern und den Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme mit einer zweiten Zeitkonstante zu filtern. Die Koeffizienten können von einer Systemmatrix abgeleitet sein, die Temperaturwechselwirkungen zwischen einer Mehrzahl von Elementen, die die Batteriezelle repräsentieren, definiert, von einer ersten Eingangsmatrix, die den Einfluss der wenigstens einen Zellgrenzbedingung definiert, und von einer zweiten Eingangsmatrix, die den Einfluss der in der Batteriezelle erzeugten Wärme definiert. Der Koeffizient, der dem Beitrag der in der Batteriezelle erzeugten Wärme zugeordnet ist, kann einen Maximalwert sein. Der Koeffizient, der dem Beitrag der in der Batteriezelle erzeugten Wärme zugeordnet ist, kann einen Minimalwert sein.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrbatterie, die aus einer Mehrzahl von Zellen besteht, beinhaltet das Ausgeben, durch eine Steuerung, einer Temperatur für jede der Zellen, die auf einer Mehrzahl von Koeffizienten basiert, welche einen Beitrag wenigstens einer Zellgrenzbedingung und einer in der Zelle erzeugten Wärme zu einer stationären Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Zelle repräsentieren, und das Betreiben der Fahrbatterie gemäß der Temperatur der Zellen. Das Verfahren kann ferner beinhalten, durch die Steuerung, den Beitrag der wenigstens einen Zellgrenzbedingung mittels eines Filters mit einer ersten Zeitkonstante sowie der in der Zelle erzeugten Wärme mittels eines Filters mit einer zweiten Zeitkonstante zu filtern, um Änderungen der stationären Temperatur zu filtern. Die Mehrzahl von Koeffizienten kann von einem Modell der Zelle abgeleitet werden wie durch eine Mehrzahl von Elementen dargestellt, und die vorab festgelegte Position kann einem oder mehreren ausgewählten der Elemente entsprechen. Die vorab festgelegte Position kann dem Element entsprechen, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Maximalwert hat. Die vorab festgelegte Position kann dem Element entsprechen, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Minimalwert hat.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
ist eine Darstellung eines Hybridfahrzeugs, die typische Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht.
ist eine Darstellung einer möglichen Batteriepaketanordnung bestehend aus mehreren Zellen, und überwacht und gesteuert durch ein Batterieenergie-Steuermodul (Battery Energy Control Module, BECM).
ist eine Darstellung einer Batteriezelle und eines repräsentativen Elements oder Knotens, die Wechselwirkungen mit Grenzbedingungen darstellt.
ist eine Darstellung eines repräsentativen Elements oder Knotens, die Wechselwirkungen zwischen Elementen darstellt.
stellt ein zweidimensionales Beispiel der Unterteilung einer Batteriezelle in Elemente oder Knoten dar.
stellt ein repräsentatives Element einer Batteriezelle dar, das durch eine zweidimensionale Element- oder Knotenstruktur dargestellt ist.
ist ein Graph eines Koeffizienten, der den Beitrag einer von der Zelle erzeugten Wärme zur Temperatur jedes Elements darstellt.
ist ein Flussdiagramm einer möglichen Reihe von Schritten zum Berechnen einer Temperatur eines der Elemente, das eine Position innerhalb einer Batteriezelle repräsentiert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstabgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder verkleinert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische, hier offenbarte strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen. Wie ein durchschnittlicher Fachmann verstehen wird, sind verschiedene unter Bezugnahme auf irgendeine der Abbildungen veranschaulichte und beschriebene Merkmale kombinierbar mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Abbildungen veranschaulicht werden, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von Merkmalen ergeben repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die im Einklang mit dieser Offenbarung stehen, könnten jedoch für besondere Anwendungen oder Implementierungen gewünscht werden.
zeigt ein typisches Steckdosen-Hybrid-Elektrofahrzeug (Plug-in Hybrid-Electric Vehicle, PHEV). Ein typisches Steckdosen-Hybrid-Elektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere Elektromaschine(n) 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybrid-Getriebe 16 verbunden ist/sind. Die Elektromaschinen 14 sind unter Umständen in der Lage, als Motor oder als Generator betrieben zu werden. Weiterhin ist das Hybrid-Getriebe 16 mechanisch mit einer Kraftmaschine 18 verbunden. Das Hybrid-Getriebe 16 ist außerdem mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die Elektromaschinen 14 können Antriebs- oder Verzögerungspotenzial bereitstellen, wenn die Kraftmaschine 18 ein- oder ausgeschaltet wird. Die Elektromaschinen 14 können auch als Generatoren fungieren und Vorteile in der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bieten, indem Energie, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren gehen würde, zurückgewonnen wird. Die Elektromaschinen 14 können außerdem die Emissionen des Fahrzeugs reduzieren, indem sie es ermöglichen, die Kraftmaschine 18 mit effizienteren Drehzahlen zu betreiben, und indem sie es ermöglichen, das Hybrid-Elektrofahrzeug 12 in einer elektrischen Betriebsart zu betreiben, in der die Kraftmaschine 18 unter bestimmten Bedingungen ausgeschaltet ist.
Eine Fahrbatterie oder ein Batteriepaket 24 speichert Energie, die von den Elektromaschinen 14 genutzt werden kann. Ein Batteriepaket des Fahrzeugs 24 stellt typischerweise einen Hochspannungs-Gleichstromausgang bereit. Die Fahrbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen verbunden. Ein oder mehrere (nicht dargestellte) Schütz(e) kann/können im geöffneten Zustand die Fahrbatterie 24 von anderen Komponenten isolieren und im geschlossenen Zustand die Fahrbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden. Das Leistungselektronikmodul 26 ist auch elektrisch mit den Elektromaschinen 14 verbunden und bietet die Möglichkeit, Energie zwischen der Fahrbatterie 24 und den Elektromaschinen 14 in beide Richtungen zu übertragen. So kann beispielsweise eine typische Fahrbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromaschinen 14 einen Dreiphasen-Wechselstrom benötigen, um ordnungsgemäß zu arbeiten. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, je nach Bedarf der Elektromaschinen 14. In einer regenerativen Betriebsart kann das Leistungselektronikmodul 26 den Dreiphasen-Wechselstrom von den Elektromaschinen 14, die als Generatoren fungieren, in die Gleichspannung umwandeln, die von der Fahrbatterie 24 benötigt wird. Die vorliegende Beschreibung ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann das Hybrid-Getriebe 16 als Getriebe ausgeführt sein, das mit einer Elektromaschine 14 verbunden ist, und die Kraftmaschine 18 ist unter Umständen nicht vorhanden.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Fahrbatterie 24 Energie für andere Elektrosysteme im Fahrzeug bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlermodul 28 aufweisen, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgangsleistung der Fahrbatterie 24 in eine Niederspannungs-Gleichspannungs-Leistung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere elektrische Hochspannungslasten, wie Kompressoren und Elektroheizelemente, können direkt mit der Hochspannung verbunden sein, ohne ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlermodul 28 zu verwenden. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 30 (z.B. 12-Volt-Batterie) verbunden sein.
Bei dem Fahrzeug 12 kann es sich um ein Elektrofahrzeug oder um ein Steckdosen-Hybridfahrzeug handeln, in welchem die Fahrbatterie 24 durch eine externe Stromquelle 36 aufgeladen werden kann. Die externe Stromquelle 36 kann als Verbindung zu einer Steckdose ausgeführt sein. Die externe Stromquelle 36 kann elektrisch mit dem Elektrofahrzeug-Ladegerät (Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE) 38 verbunden sein. Das EVSE 38 kann die Schaltungen und Steuerungen zum Regeln und Verwalten der Energieübertragung zwischen der Stromquelle 36 und dem Fahrzeug 12 bereitstellen. Die externe Stromquelle 36 kann Gleichstrom oder Wechselstrom für das EVSE 38 bereitstellen. Das EVSE 38 kann über einen Ladeverbinder 40 für das Einstecken in einen Ladeanschluss 34 des Fahrzeugs 12 verfügen. Der Ladeanschluss 34 kann jede Art von Anschluss sein, der ausgelegt ist, um Strom vom EVSE 38 an das Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladeanschluss 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem eingebauten Stromwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Stromwandlungsmodul 32 kann den vom EVSE 38 gelieferten Strom aufbereiten, um die geeigneten Spannungs- und Strompegel für die Fahrbatterie 24 bereitzustellen. Das Stromwandlungsmodul 32 kann mit dem EVSE 38 verschaltet sein, um die Stromlieferung an das Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 40 kann über Stifte verfügen, die in entsprechende Aussparungen des Ladeanschlusses 34 greifen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die hier als elektrisch verbunden beschrieben werden, Strom mittels einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Die verschiedenen hier besprochenen Komponenten können über eine oder mehrere zugehörige Steuerungen verfügen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. ein Steuerungsnetz (Controller Area Network, CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Darüber hinaus kann eine Systemsteuerung 48 vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Eine Fahrbatterie 24 kann auf Basis verschiedener chemischer Formeln konstruiert sein. Typische chemische Zusammensetzungen für Batteriepakete können Bleisäure, Nickel-Metallhydrid (NIMH) oder Lithium-Ionen sein. zeigt ein typisches Fahrbatteriepaket 24 mit einer seriellen Anordnung von N Batteriezellen 72.
Andere Batteriepakete 24 können sich jedoch aus einer beliebigen Anzahl von einzelnen Batteriezellen zusammensetzen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind oder eine Kombination dieser Schaltungsanordnungen aufweisen. Ein Batteriesystem kann eine oder mehrere Steuerung(en), wie zum Beispiel ein Batterieenergie-Steuerungsmodul (Battery Energy Control Module, BECM) 76, das die Leistung der Fahrbatterie 24 überwacht und steuert, aufweisen. Das BECM 76 kann mehrere Eigenschaften auf Batteriepaketebene überwachen, beispielsweise Paketstrom 78, Paketspannung 80 und Pakettemperatur 82. Das BECM 76 kann über einen nichtflüchtigen Speicher verfügen, so dass Daten erhalten bleiben können, wenn das BECM 76 in einem ausgeschalteten Zustand ist. Erhalten gebliebene Daten können beim nächsten Schlüsselzyklus verfügbar sein.
Zusätzlich zu den Eigenschaften auf Paketebene kann es Eigenschaften auf der Ebene der Batteriezelle 72 geben, die gemessen und überwacht werden können. So können beispielsweise die Anschlussspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle 72 gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 74 verwenden, um die Eigenschaften der Batteriezelle 72 zu messen. Je nach Funktionsumfang kann das Sensormodul 74 die Eigenschaften von einer oder mehreren Batteriezelle(n) 72 messen. Das Batteriepaket 24 kann bis zu N_c Sensormodule 74 nutzen, um die Eigenschaften jeder der Batteriezellen 72 zu messen. Jedes Sensormodul 74 kann die Messungen zur weiteren Verarbeitung und Koordination an das BECM 76 übertragen. Das Sensormodul 74 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 76 übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität des Sensormoduls 74 intern in das BECM 76 integriert sein. Das heißt, die Hardware des Sensormoduls 74 kann als Teil der Schaltung in das BECM 76 integriert sein, und das BECM 76 kann die Verarbeitung von Rohsignalen abwickeln.
Die Steuerung 76 kann dafür ausgelegt sein, eine Temperatur einer oder mehrerer Batteriezelle(n) 72 zu messen. Die gemeldete Temperatur kann lediglich repräsentativ für den Punkt stehen, an dem der Temperatursensor an der Batteriezelle 72 angebracht ist. Zusätzliche Temperaturinformationen von Positionen innerhalb der Batteriezelle 72 können wünschenswert sein. Beispielsweise kann es von Nutzen sein, eine Maximal- und eine Minimaltemperatur innerhalb der Batteriezellen 72 zu bestimmen. Die Kenntnis dieser Informationen kann ein verbessertes Wärmemanagement der Fahrbatterie 24 ermöglichen. Darüber hinaus variieren Eigenschaften von Batteriezellen, etwa der Widerstand, mit der Temperatur. Kenntnis der Temperatur kann verbesserte Schätzungen von temperaturabhängigen Eigenschaften bereitstellen, was zu einer verbesserten Steuerung der Fahrbatterie 24 führt.
Ein Batteriewärme-Managementsystem kann anhand der Messung einer Temperatur an einem Punkt der Batteriezelle arbeiten. Die gemessene Temperatur kann gefiltert und verarbeitet und zur Darstellung der Temperatur der gesamten Zelle herangezogen werden. Eine Schätzung eines einzigen Temperaturwerts enthält keinerlei Informationen zur Temperaturverteilung innerhalb der Zelle. Ein thermisches Modell der Batteriezelle kann verwendet werden, um die Temperatur an anderen Positionen innerhalb der Batteriezelle zu schätzen.
Die Modellierung der thermischen Eigenschaften einer Batterie kann durch die Verarbeitungsressourcen der Steuerung 76 begrenzt sein. Ein hochkomplexes Modell kann in Echtzeit schwierig auszuführen sein und kann Probleme mit den verfügbaren Datenverarbeitungsressourcen verursachen. Die Komplexität des Modells kann teilweise der Anzahl auszuwertender Zustände zugeschrieben werden. Allgemein können Genauigkeit und Nutzen des Modells davon abhängen, dass eine ausreichende Anzahl von Zuständen berechnet wird, um die gewünschte Qualität zu erhalten. Eine Reduzierung der Anzahl von Zuständen kann die Genauigkeit des Modells beeinträchtigen, was zu weniger zuverlässigen Ausgaben führt.
Ein Verfahren zum Schätzen der Zellentemperaturen kann aus mehreren Schritten bestehen. Eine Temperaturverteilung über eine Zelle kann anhand eines vollständigen („Full-Order-“)thermischen Modells der Batteriezelle berechnet werden. Die Temperaturen innerhalb der Batterie können auf der Grundlage eines Modells des Batteriesystems berechnet werden. Ein mögliches Modell kann mittels einer partiellen Differentialgleichung (PDG) ausgedrückt werden:
wobei κ die thermische Leitfähigkeit ist, ρ die Dichte ist und c_p die spezifische Wärmekapazität ist. Die Menge q_gen ist die in der Batteriezelle aufgrund des Betriebs der Batteriezelle erzeugte Wärme und kann ausgedrückt werden als: q_gen = I(V – V_OC – T dU / dT) (2)
Die partielle Differentialgleichung (1) unterliegt Grenzbedingungen, die ausgedrückt werden können als:
wobei q_BC die kontrollierte Wärmeübertragungszahl pro Oberflächeneinheit an der Grenze ist. Beispielsweise können die Grenzen der Zelle optimal isoliert sein, so dass q_BC gleich null ist. Das bedeutet, dass an der Grenze kein Wärmefluss in die oder aus der Zelle stattfindet. In einem anderen Beispiel kann an der Zellgrenze eine Kühlung vorgesehen sein, in welchem Fall die Grenzbedingung eine Funktion des Wärmeübertragungskoeffizienten, U_BC, und der Temperaturänderung über die Grenze hinweg ist. Die spezielle Formel, die an der Grenze verwendet wird, hängt ab von der Konfiguration der Zellen und der Konfiguration der Zellenheizung/-kühlung.
stellt ein Beispiel einer prismatischen Batteriezelle 72 dar, und stellt eines von einer Mehrzahl von Elementen 100 dar, das herangezogen wird, um eine Temperatur an einer entsprechenden Position der Zelle darzustellen. Eine prismatische Zelle 72 kann in eine Mehrzahl von Elementen (oder Knoten) 100 unterteilt sein, in der N Elemente 100 enthalten sind. Jedes Element 100 kann ein kleines Volumen oder einen kleinen Bereich der Batteriezelle 72 repräsentieren. Jedes Element 100 kann eine Mehrzahl von Oberflächen 102 (oder Seiten) aufweisen, in der p Oberflächen 102 (oder Seiten) enthalten sind. Beispielsweise können bei einem dreidimensionalen Modell 6 Oberflächen 102 für jedes Element 100 vorhanden sein. Ein zweidimensionales Element 100 kann 4 Seiten haben. Jedes Element 100 kann ein Volumen oder einen Bereich innerhalb der prismatischen Zelle 72 repräsentieren. Jedes Element 100 kann von einem oder mehreren benachbarten Element(en) umgeben sein.
Die Temperatur des Elements kann durch einen Knoten dargestellt sein, der sich im Mittelpunkt des Elements befindet. Eine prismatische Batteriezelle 72 kann als ein System modelliert werden, das aus einer Mehrzahl von Elementen 100 besteht. Jedem Element 100 können thermische Eigenschaften (z. B. eine Temperatur, eine Wärmeübertagungszahl) zugeordnet sein. Jedes Element 100 kann durch eine Mehrzahl von Oberflächen 102 definiert sein. Beispielsweise kann ein dreidimensionales Element 100 durch sechs Oberflächen 102 definiert sein (Bezugsnummer 102 verweist nur auf die drei in gezeigten sichtbaren Oberflächen). Die Temperatur eines gegebenen Elements 100 kann von der Temperatur umgebender Elemente und der Menge an Wärme, die von der prismatischen Zelle 72 erzeugt wird, abhängig sein. Jede Oberfläche 102 eines Elements 100 kann mit einer Oberfläche eines benachbarten Elements zusammenwirken und Wärme an das/von dem Element 100 übertragen. Eine Oberfläche 102 des Elements 100 kann an eine Grenze der prismatischen Zelle 72 stoßen. An den Zellgrenzen können die thermischen Bedingungen außerhalb der Zelle 72 die thermischen Bedingungen innerhalb der Zelle 72 beeinflussen.
Jede Zelle 72 kann von einer oder mehreren Zellgrenzwärmebedingung(en), BC1 104, BC2 106, BC3 108, BC4 110, BC5 112 und BC6 114, beeinflusst werden. Jede Grenzbedingung BC1–BC6 (104–114) kann eine thermische Bedingung an der Zellgrenze darstellen. Die thermische Bedingung kann eine Temperaturbeziehung umfassen. Beispielsweise kann die thermische Bedingung eine Differenz zwischen der Temperatur der Zellgrenzfläche und einer Temperatur des Körpers, der an die Zellgrenzfläche stößt, sein. Ein Beispiel kann ein Kühlblech sein, das mit der Zellenoberfläche in Kontakt steht, um Kühlung für die Batteriezelle 72 bereitzustellen. Die thermische Bedingung kann eine Wärmeübertragung auf die oder von der Oberfläche der Batteriezelle 72 sein. Wenn die Zellgrenze optimal isoliert ist, gibt es keine Wärmeübertragung an der Grenze.
Die Temperatur jedes Elements 100 kann durch die umgebenden Elemente beeinflusst werden. Eine Wärmeübertragung zwischen Oberflächen 102 von Element 100 und den Oberflächen benachbarter Elemente kann die Temperatur des Elements 100 beeinflussen. Die Wärmeübertragung zwischen jeder Oberfläche 102 kann als Q_n,p definiert werden, wobei n die Nummer des Elements und p die Nummer einer Oberfläche ist. stellt eine Wärmeübertragung, die jede Oberfläche beeinflusst, als Q_n,1 120, Q_n,2 122, Q_n,3 124, Q_n,4 126, Q_n,5 128 und Q_n,6 130 dar.
Für jeden Knoten kann Gleichung (1) in diskreter Form umgeschrieben werden wie folgt: T_n(k + 1) = T_n(k) + ΔT_n(k) (4) wobei
wobei der tiefgestellte Index n den n-ten Knoten bezeichnet, der tiefgestellte Index p die p-te Oberfläche 102 des Elements 100 bezeichnet, m die Masse des diskretisierten Volumens ist, Δt der Zeitschritt ist, A_n,p die Fläche der p-ten Oberfläche 102 ist, ΔT_n,p die Temperaturdifferenz zwischen dem Element 100 und einem benachbarten Element an der p-ten Oberfläche 102 ist und U_n,p der Wärmeübertragungskoeffizient an der p-ten Oberfläche 102 ist. Q_n,p kann die Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche 102 des Elements 100 und jeder entsprechenden Oberfläche der benachbarten Elemente darstellen. In einigen Fällen kann der Wert ΔT_n,p einer der thermischen Zellgrenzbedingungen BC1 bis BC6 (104–114) entsprechen. Das bedeutet in einigen Fällen, dass die Differenz zwischen einer Grenztemperatur, T_BC,p, und der Knotentemperatur, T_n, bestehen kann. In Fällen, in denen die Grenzbedingung eine optimal isolierte Oberfläche repräsentiert, kann die Temperaturdifferenz null betragen. Die Temperaturänderung jedes Elements 100 basiert auf der Menge an Wärme, die in der Zelle aufgrund des Betriebs der Batterie erzeugt wird, und einer Menge an Wärme, die an jeder Oberfläche 102, die benachbarten Elementen gemeinsam ist, übertragen wird. Die PDG kann in einer Zustandsraumdarstellung wie folgt ausgedrückt werden: T(k + 1) = AT(K) + Σ_pB_1,pT_BC,p(k) + B₂Q_gen(k) (7) wobei T(k) = [T₁(k), T₂(k), ..., T_n(k), ..., T_N(k)]^T, N eine Gesamtzahl von Knoten (oder Elementen) 100 ist, A eine Systemmatrix ist, B₁ eine Eingangsmatrix für die thermischen Zellgrenzbedingungen (104–114) ist und B₂ eine Eingangsmatrix für die Wärmeerzeugung in der Zelle ist. Die Matrix B₁ kann aus mehreren Spalten bestehen, wobei jede Spalte, B_1,p, einer der Grenzbedingungen, T_BC,p, der Zelle zugeordnet ist.
Die Systemmatrix, A, kann von den Gleichungen (5) und (6) abgeleitet werden. Die Temperatur jedes Elements 100 kann die Temperatur benachbarter Elemente beeinflussen. Die Systemmatrix kann die Wechselbeziehungen zwischen den Knoten oder Elementen 100 beschreiben. Die Systemmatrix kann Koeffizienten beinhalten, die die Temperaturwechselwirkung zwischen den Knoten 100 beschreiben, und die Koeffizienten können basierend auf den Gleichungen (5) und (6) bestimmt werden.
Einige der Elemente 100 können derart angeordnet sein, dass eine oder mehrere Oberfläche(n) 102 des Elements an einer Grenze der Zelle 72 liegen. Diese Elemente 100 können einen Term beinhalten, der sich auf eine oder mehrere der Grenzbedingungen bezieht, und können als ein oder mehrere Koeffizient(en) in der Matrix B_1,p ausgedrückt werden. Die Matrix B_1,p kann die Wirkung der Grenztemperaturen auf die Elementtemperatur definieren. Schließlich kann die Wirkung der durch den Betrieb der Zelle 72 erzeugten Wärme als Koeffizienten in der Matrix B₂ erscheinen. Auf diese Weise findet die Temperatur der Zellgrenzen Eingang in das Modell und kann die Temperatur von Elementen beeinflussen, die nicht in Nachbarschaft zur Grenze liegen.
Die Antwort des dynamischen thermischen Systems umfasst eine stationäre Antwort und eine transiente Antwort. Die stationäre Antwort kann bestimmt werden, indem in Gleichung (7) die Temperatur im nächsten Zeitintervall, T(k + 1), mit der Temperatur des aktuellen Zeitintervalls, T(k), gleichgesetzt wird. Die stationäre Temperatur kann abgeleitet werden als: T_ss = –Σ_p(A – I)^–1B_1,pT_BC,p – (A – I)^–1B₂Q_gen (8) wobei T_ss der stationäre Temperaturvektor ist, p eine p-te Grenzbedingung darstellt und I eine Identitätsmatrix ist, die dieselben Dimensionen hat wie A. Die stationäre Temperatur für einen gegebenen Satz von Grenztemperaturen und erzeugter Wärme kann berechnet werden, wenn (A – I) nichtsingulär ist.
Gleichung (8) kann umgeschrieben werden wie folgt: T_ss = –Σα_n,1,pT_BC,p + α_n,2Q_gen (9) wobei α_n,1,p die n-te Zeile von –(A – I)^–1B_1,p ist und α_n,2 die n-te Zeile von –(A – I)^–1B₂ ist.
Der Koeffizient α_n,1,p kann den Beitrag der p-ten Zellgrenzbedingung zur stationären Temperatur des n-ten Knotens repräsentieren. Der Koeffizient α_n,2 kann den Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme zur stationären Temperatur des Knotens repräsentieren. Wenn die Grenzbedingungen und die in der Zelle erzeugte Wärmemenge bekannt sind, kann die stationäre Temperatur jedes Elements oder Knotens berechnet werden.
Wenn sich die Grenzbedingungen und die in der Zelle erzeugte Wärmemenge ändern, ändert sich in Reaktion darauf die stationäre Temperatur. Die Temperatur der Knoten (d.h. die Temperaturverteilung in der Zelle) reagiert entsprechend dem Full-Order-Systemmodell von Gleichung (7). Sofern genügend Rechenressourcen zur Verfügung stehen, kann das durch Gleichung (7) definierte Gleichungssystem für jedes Zeitintervall ausgeführt werden, um die Temperatur jedes Elements 100 zu definieren. Allerdings kann auch ein eher einfaches System hohe Ansprüche an die Rechenleistung stellen. Beispielsweise würde ein System, das durch hundert oder mehr Knoten modelliert ist, hundert oder mehr Zustände erfordern, die in jedem Zeitintervall aktualisiert werden müssten. Ein derartiges Modell kann dazu führen, dass die erforderlichen Rechenressourcen die Kapazität der Hardware der Batteriesteuerung übersteigen.
Um die Temperaturdynamik zu erfassen, wenn sich die Eingangsbedingungen ändern, können die Beiträge gefiltert werden. Die transiente Dynamik kann derart im Modell dargestellt werden, dass stationäre Antworten und dynamische Eigenschaften berücksichtigt werden. Ein dynamisches Modell kann abgeleitet werden, um die transiente Antwort der Temperatur an einer bestimmten Position in der Zelle zu erfassen. Maximaltemperatur, Minimaltemperatur und Durchschnittstemperatur können nützliche Informationen für ein Batteriewärme-Managementsystem liefern. Eine dieser Temperaturen kann als eine charakteristische Temperatur, T_ch, der Batteriezelle definiert werden. Das dynamische Verhalten der charakteristischen Temperatur kann vorhergesagt werden, indem die vorausberechnete stationäre Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Batteriezelle und ein dynamisches Modell kombiniert werden. Aufgrund der hohen Dämpfung und der langsamen Dynamik des Wärmesystems kann eine Transferfunktion erster Ordnung als dynamisches Modell zum Erfassen der transienten Antwort in Betracht kommen. Die Antwort kann wie folgt modelliert werden:
wobei τ die Zeitkonstante des Elements erster Ordnung ist. Die Antwort ist nicht auf ein Filter erster Ordnung beschränkt, und es können Transferfunktionen höherer Ordnung verwendet werden. Die Zeitkonstanten können so gewählt werden, dass sie dem dynamischen Verhalten des Full-Order-Modells von Gleichung (7) entsprechen. Eine Offline-Simulation kann durchgeführt werden, unter Verwendung des Full-Order-Modells, um die Zeitkonstanten zu identifizieren. Die Ausführungszeit des Reduced-Order-Modells wird erheblich verkürzt, da das Reduced-Order-Modell von Gleichung (10) weniger zu berechnende Zustände aufweist. Obwohl weniger Zustände herangezogen werden, um die thermische Dynamik einer Zelle darzustellen, kann die Antwort des Modells nahe bei der Antwort des Full-Order-Modells liegen.
Jeder Koeffizient α_n kann basierend auf dem Full-Order-Modell berechnet werden (die Koeffizienten sind dieselben wie in Gleichung (9)). In dem Fall, dass keine Wärme erzeugt wird, konvergiert die Temperatur über der Zelle zur Grenztemperatur (d. h., das Modell kann vereinfacht werden, indem die Koeffizienten α_n,1 auf eins gesetzt werden). Der Wert von α_n,2 kann basierend auf –(A – I)^–1B₂ an jeder räumlichen Position innerhalb der Zelle berechnet werden. Die Koeffizienten können von einem Knoten stammen, der eine bestimmte Temperatureigenschaft der Batteriezelle repräsentiert.
Die bestimmte Temperatureigenschaft kann eine beliebige oder alle von einer Maximaltemperatur, einer Minimaltemperatur und einer Durchschnittstemperatur der Zelle sein. Beispielsweise kann die Maximaltemperatureigenschaft berechnet werden, indem der Knoten bestimmt wird, der den größten Koeffizienten für den Wärmeerzeugungsbeitrag aufweist. Der Knoten, der die Maximaltemperatur aufweist, kann der Knoten mit dem größten Koeffizienten sein. Ähnlich kann der Knoten, der die Minimaltemperatur aufweist, der Knoten mit dem kleinsten Koeffizienten sein. Das Reduced-Order-Modell ermöglicht es, mehrere Temperatureigenschaften zu berechnen, und kann Informationen liefern, die die Temperaturverteilung über die Zelle darstellen.
Die Zeitkonstanten der Transferfunktionen können anhand einer Schrittantwort des Full-Order-Modells identifiziert werden. Diese Zeitkonstanten können offline abgeleitet werden, indem der transiente Antwortfehler zwischen den Ergebnissen des Reduced-Order-Modells und den Ergebnissen des Full-Order-Modells minimiert wird. Sobald die Zeitkonstanten identifiziert sind, können die Werte für die Online-Temperaturschätzung in die eingebettete Steuerung 76 programmiert werden.
Das Berechnen der Temperatur jedes Knotens im Modell kann hohe Anforderungen an die Rechenkapazitäten eines eingebetteten Mikroprozessors stellen. Allerdings kann die Ausführungszeit verkürzt werden, da nur einige wenige Temperaturen für die Steuerung der Batterie von Interesse sein können. Die interessierenden Temperaturen können eine maximale Zellentemperatur, eine minimale Zellentemperatur und eine durchschnittliche Zellentemperatur sein. Ein Bereich oder eine Verteilung von Temperaturen kann ausreichend Informationen liefern, um die Batterie wirksam zu steuern. Beispielsweise liefert die maximale Zellentemperatur Informationen zur höchsten Temperatur innerhalb der Zelle. Eine Batteriesteuerung kann versuchen zu verhindern, dass die Batterie einen vorab festgelegten maximalen Temperaturwert überschreitet.
Basierend auf der Transferfunktion von Gleichung (10) kann der Koeffizient α_ch,2 im Voraus bestimmt werden, da A und B₂ bekannt sind. Die Koeffizienten können offline erzeugt werden, und zur Verwendung in der eingebetteten Steuerung 76 können geeignete Koeffizienten gewählt werden. Eine grafische Darstellung der Oberfläche des Koeffizientenwertes in Bezug auf die Position der Knoten, die die Batteriezelle repräsentieren, kann erzeugt werden wie in gezeigt. Allgemein kann der maximale Koeffizientenwert dem Knoten mit der höchsten Temperatur entsprechen. Ähnlich kann der minimale Koeffizientenwert dem Knoten mit der niedrigsten Temperatur entsprechen. Der gewünschte Koeffizient kann gewählt und in Gleichung (10) eingesetzt werden, um die Temperatur des gewünschten Knotens zu berechnen.
stellt eine beispielhafte Anordnung für die Auswahl der Knoten oder Elemente dar. Eine Zelle kann in zwei Dimensionen in eine Anzahl von Elementen unterteilt sein. Jedes Element kann sich an einer bestimmten Position entlang einer x-Achse 210 und einer z-Achse 212 befinden. Der n-te Knoten 200 kann dargestellt sein, als wirke eine Wärmeübertragung von benachbarten Knoten (222–226) auf ihn ein. An den Zellgrenzen befindliche Knoten können direkt durch die entsprechende Grenzbedingung (202–208) beeinflusst werden. Nicht an den Zellgrenzen gelegene Knoten können aufgrund von Wechselwirkungen mit benachbarten Knoten indirekt durch die Grenzbedingungen beeinflusst werden.
Rund um die Grenzen der Zelle können bestimmte Grenzbedingungen (202–208) herrschen. Beispielsweise kann ein Kühlblech eine untere Oberfläche der Zelle kontaktieren, und Kühlmittel kann am Kühlblech fließen, um Wärme von der Zelle abzutransportieren. Die Zellgrenze kann durch eine Temperatur (T_BC,4, 202) gekennzeichnet sein, die der Temperatur des Kühlblechs entspricht. Die Grenzbedingung, die dem Kühlblech zugeordnet ist (202), kann eine Temperatur des Kühlblechs sein.
Andere Zellgrenzen können gegen die Umgebung isoliert sein und stellen keine Wärmeübertragung bereit (q_BC,1 204, q_BC,2 206 und q_BC,3 208). Das bedeutet, dass die Temperatur der Grenze gleich der des benachbarten Knotens sein kann. Die Wärmeübertragungszahl an einer optimal isolierten Grenze kann null sein. Das Modell ist nicht auf das Vorhandensein optimal isolierter Grenzen beschränkt.
stellt die Wechselwirkungen des n-ten Knotens 200 mit benachbarten Knoten dar. Jedes Element eines zweidimensionalen Modells kann vier Wärmeübertragungsterme aufweisen, da jedes Element in der Nachbarschaft von bis zu vier anderen Elementen liegen kann. Beispielsweise kann der n-te Knoten 200 mit benachbarten Knoten n + 1 222, n + N_z 224, n – 1 226 und n – N_z 228 interagieren. In einem dreidimensionalen Modell können an jedem Knoten sechs Wärmeübertagungsterme vorliegen. Der Wärmefluss zwischen Knoten (n – N_z) 228 und dem n-ten Knoten 200 kann Q_n,1 214 sein. Die Wärmeflussrate zwischen Knoten (n + 1) 222 und dem n-ten Knoten 200 kann Q_n,2 216 sein. Die Wärmeflussrate zwischen Knoten (n + N_z) 224 und dem n-ten Knoten 200 kann Q_n,3 218 sein. Die Wärmeflussrate zwischen Knoten (n – 1) 226 und dem n-ten Knoten 200 kann Q_n,4 220 sein. Die Systemmatrix und die Eingangsmatrizen der Anordnung von Knoten können wie vorstehend beschrieben aufgebaut sein.
stellt eine beispielhafte grafische Darstellung eines der Koeffizienten dar, α_n,2, der für jeden Knoten in einer beispielhaften zweidimensionalen Anordnung abgeleitet wurde. Jeder Knoten kann durch die Position des Knotens entlang der x-Achse 210 und der z-Achse 212 dargestellt sein. Die Koeffizientenwerte bei jeder x-z-Koordinate können grafisch als eine Oberfläche 250 dargestellt werden. Die Berechnung der Koeffizientenwerte für jeden Knoten kann offline mithilfe des Full-Order-Modells durchgeführt werden. Ausgewählte Koeffizientenwerte für interessierende Knoten können in einer Echtzeitsteuerung dazu genutzt werden, die Zellentemperaturen zu berechnen. Beispielsweise kann ein maximaler Koeffizientenwert 252 als der Koeffizient gewählt werden, der den maximalen Wert aller Koeffizienten aufweist. Ein minimaler Koeffizientenwert 254 kann als der Koeffizient gewählt werden, der den minimalen Wert aller Koeffizienten aufweist. Koeffizientenwerte auf Basis anderer Kriterien (z. B. Durchschnittswert der Koeffizienten) können gewählt werden. Es ist zu beachten, dass dieselbe Analyse auch unter Verwendung einer dreidimensionalen Knotenstruktur durchgeführt werden kann.
stellt ein Flussdiagramm für eine mögliche Reihe von Schritten zur Implementierung der obigen Logik dar. Die Operationen im Flussdiagramm können in einer oder mehreren Steuerung(en) implementiert werden. Eine Operation 300 kann implementiert werden, worin die stationären Temperaturkoeffizienten berechnet werden. Diese Berechnung kann offline durchgeführt werden, und die Ergebnisse können gespeichert werden. Eine Operation 302 kann implementiert werden, worin stationäre Temperaturkoeffizienten entsprechend einer charakteristischen Temperatur oder mehrerer charakteristischer Temperaturen, die gewünscht wird/werden, gewählt werden. Es ist zu beachten, dass Operationen sequenziell oder parallel durchgeführt werden können, je nach Steuerung. Einige Operationen können als parallel dargestellt sein, können jedoch stattdessen sequenziell durchgeführt werden.
Eine Operation 304 kann implementiert werden, worin Temperaturen, die Grenztemperaturen zugeordnet sind, gemessen werden können. Eine Operation 306 kann implementiert werden, worin der Beitrag der Grenzbedingungen zur stationären Temperatur berechnet wird. Eine Operation 308 kann implementiert werden, um den Beitrag zu filtern und die dynamische Antwort der Temperatur unter dem Einfluss von Änderungen der Grenzbedingungen vorherzusagen.
Eine Operation 310 kann implementiert werden, worin die in der Zelle erzeugte Wärme berechnet wird. Die erzeugte Wärme kann eine Funktion von Zellenspannung und -strom sein wie durch Gleichung (2) beschrieben. Spannung und Strom können gemessen werden. Eine Operation 312 kann implementiert werden, worin der Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme zur stationären Temperatur berechnet wird. Eine Operation 314 kann implementiert werden, um den Beitrag zu filtern und die dynamische Antwort der Temperatur unter dem Einfluss der in der Zelle erzeugten Wärme vorherzusagen.
Eine Operation 316 kann implementiert werden, um den Beitrag, der auf die Grenzbedingungen zurückgeht, und den Beitrag, der auf die in der Zelle erzeugte Wärme zurückgeht, zu addieren, um zu der charakteristischen Temperatur der Zelle zu gelangen. Ein Pfad 320 kann implementiert werden, um die Temperaturberechnungen für jede Zelle zu wiederholen oder eine andere charakteristische Temperatur für die Zelle zu berechnen.
Eine Operation 318 kann implementiert werden, um die Fahrbatterie gemäß den charakteristischen Temperaturen zu betreiben. Beispielsweise können Maximaltemperaturen überwacht werden, um sicherzustellen, dass alle Temperaturen unter einem vorab festgelegten Schwellwert liegen. Ein Pfad 322 kann implementiert werden, um den Prozess kontinuierlich zu wiederholen.
Die in dieser Patentanmeldung offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können für eine Verarbeitungsvorrichtung, eine Steuerung oder einen Computer bereitstellbar sein bzw. von dieser/diesem implementiert werden, wobei diese eine beliebige vorhandene, programmierbare elektronische Steuerung oder eine dedizierte elektronische Steuerung einschließen können. In gleicher Weise können Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen gespeichert werden, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielfältigen Formen ausgeführt werden können, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf dauerhaft auf einem nicht beschreibbaren Medium, etwa ROM-Vorrichtungen, gespeicherte Informationen oder veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Geräten und anderen magnetischen und optischen Datenträgern gespeicherte Informationen. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem ausführbaren Softwareobjekt implementiert werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen insgesamt oder teilweise in geeignete Hardwarekomponenten integriert werden, wie etwa anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits, ASICs), feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder sonstige Hardwarekomponenten oder -vorrichtungen oder eine Kombination von Hardware-, Software- und Firmwarekomponenten.
Obwohl vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die durch die Patentansprüche abgedeckt werden. Die in dieser Spezifikation verwendeten Ausdrücke sind lediglich Ausdrücke beschreibender Art und beinhalten keinerlei Einschränkung. Es ist einzusehen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Geist und Schutzbereich der Offenbarung zu verlassen. Wie vorstehend beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die hier nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt werden. Auch wenn verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen gemäß dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Eigenschaft(en) hätten beschrieben werden können, erkennen Durchschnittsfachleute, dass ein(e) oder mehrere Merkmal(e) oder Eigenschaft(en) enthalten sein können, um erwünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der jeweiligen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können beinhalten, sind jedoch nicht beschränkt auf Kosten, Stärke, Dauerhaftigkeit, Lebenszykluskosten, Marktgängigkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Gebrauchsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, einfache Montage etc. Somit fallen Ausführungsformen, die im Hinblick auf eine oder mehrere Eigenschaft(en) als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem bisherigen Stand der Technik beschrieben werden, nicht aus dem Schutzumfang der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
Es wird ferner beschrieben:

A. Fahrzeug, umfassend: eine Fahrbatterie mit einer Mehrzahl von Zellen; und wenigstens eine Steuerung, die dafür programmiert ist, die Fahrbatterie zu betreiben gemäß einer Temperatur für jede der Zellen, die auf einer Mehrzahl von Koeffizienten basiert, welche einen Beitrag wenigstens einer thermischen Zellgrenzbedingung und einer in der Zelle erzeugten Wärme zu einer stationären Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Zelle repräsentieren.
B. Fahrzeug gemäß A, wobei die wenigstens eine Steuerung ferner dafür programmiert ist, den Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung und der in der Zelle erzeugten Wärme zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung und der in der Zelle erzeugten Wärme vorauszusagen.
C. Fahrzeug gemäß A, wobei die wenigstens eine Steuerung ferner dafür programmiert ist, den Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung mit einer ersten Zeitkonstante zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung vorauszusagen, und den Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme mit einer zweiten Zeitkonstante zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der in der Zelle erzeugten Wärme vorauszusagen.
D. Fahrzeug gemäß A, wobei der Koeffizient, der dem Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme zugeordnet ist, von einem Modell abgeleitet ist, in dem die Zellen als eine Mehrzahl von Elementen dargestellt sind, und wobei der jedem dieser Elemente entsprechende Koeffizient von einer Systemmatrix, die Wechselwirkungen zwischen den Elementen definiert, und einer Eingangsmatrix, die den Einfluss der in der Zelle erzeugten Wärme definiert, abgeleitet ist.
E. Fahrzeug gemäß D, wobei die vorab festgelegte Position dem Element entspricht, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Maximalwert hat.
F. Fahrzeug gemäß D, wobei die vorab festgelegte Position dem Element entspricht, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Minimalwert hat.
G. Fahrzeug gemäß A, wobei die wenigstens eine Zellgrenzbedingung eine gemessene Temperatur beinhaltet.
H. Fahrzeug gemäß A, wobei die Koeffizienten, die dem Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung zugeordnet sind, von einem Modell abgeleitet sind, in dem die Zellen als eine Mehrzahl von Elementen dargestellt sind, und wobei die jedem dieser Elemente entsprechenden Koeffizienten von einer Systemmatrix, die Wechselwirkungen zwischen den Elementen definiert, und einer Eingangsmatrix, die den Einfluss der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung definiert, abgeleitet sind.
I. Fahrzeug gemäß H, wobei die Koeffizienten, die dem Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung zugeordnet sind, auf einen Wert von eins eingestellt sind.
J. Batterie-Managementsystem, umfassend: wenigstens eine Steuerung, die dafür programmiert ist, eine Batteriezelle zu betreiben, gemäß einer Zellentemperatur, die auf einer Mehrzahl von Koeffizienten basiert, welche einen Beitrag wenigstens einer Zellgrenzbedingung und einer in der Batteriezelle erzeugten Wärme zu einer stationären Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Zelle repräsentieren.
K. Batterie-Managementsystem gemäß J, wobei die wenigstens eine Steuerung ferner dafür programmiert ist, den Beitrag der wenigstens einen Zellgrenzbedingung und der in der Zelle erzeugten Wärme zu filtern.
L. Batterie-Managementsystem gemäß J, wobei die wenigstens eine Steuerung ferner dafür programmiert ist, den Beitrag der wenigstens einen Zellgrenzbedingung mit einer ersten Zeitkonstante zu filtern und den Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme mit einer zweiten Zeitkonstante zu filtern.
M. Batterie-Managementsystem gemäß J, wobei die Koeffizienten von einer Systemmatrix abgeleitet sind, die Temperaturwechselwirkungen zwischen einer Mehrzahl von Elementen, die die Batteriezelle repräsentieren, definiert, von einer ersten Eingangsmatrix, die den Einfluss der wenigstens einen Zellgrenzbedingung definiert, und von einer zweiten Eingangsmatrix, die den Einfluss der in der Batteriezelle erzeugten Wärme definiert.
N. Batterie-Managementsystem gemäß J, wobei ein Koeffizient, der dem Beitrag der in der Batteriezelle erzeugten Wärme zugeordnet ist, ein Maximalwert ist.
O. Batterie-Managementsystem gemäß J, wobei ein Koeffizient, der dem Beitrag der in der Batteriezelle erzeugten Wärme zugeordnet ist, ein Minimalwert ist.
P. Verfahren zum Betreiben einer Fahrbatterie mit einer Mehrzahl von Zellen, wobei das Verfahren umfasst: Ausgeben, durch eine Steuerung, einer Temperatur für jede der Zellen, die auf einer Mehrzahl von Koeffizienten basiert, welche einen Beitrag wenigstens einer Zellgrenzbedingung und einer in der Zelle erzeugten Wärme zu einer stationären Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Zelle repräsentieren, und Betreiben der Fahrbatterie gemäß der Temperatur der Zellen.
Q. Verfahren gemäß P, ferner umfassend das Filtern, durch die Steuerung, des Beitrags der wenigstens einen Zellgrenzbedingung mittels eines Filters mit einer ersten Zeitkonstante sowie der in der Zelle erzeugten Wärme mittels eines Filters mit einer zweiten Zeitkonstante, um Änderungen der stationären Temperatur zu filtern.
R. Verfahren gemäß P, wobei die Mehrzahl von Koeffizienten von einem Modell der Zelle abgeleitet wird wie durch eine Mehrzahl von Elementen dargestellt, und wobei die vorab festgelegte Position einem oder mehreren ausgewählten der Elemente entspricht.
S. Verfahren gemäß R, wobei die vorab festgelegte Position dem Element entspricht, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Maximalwert hat.
T. Verfahren gemäß R, wobei die vorab festgelegte Position dem Element entspricht, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Minimalwert hat.

Claims

Fahrzeug, umfassend: eine Fahrbatterie mit einer Mehrzahl von Zellen; und wenigstens eine Steuerung, die dafür programmiert ist, die Fahrbatterie zu betreiben gemäß einer Temperatur für jede der Zellen, die auf einer Mehrzahl von Koeffizienten basiert, welche einen Beitrag wenigstens einer thermischen Zellgrenzbedingung und einer in der Zelle erzeugten Wärme zu einer stationären Temperatur an einer vorab festgelegten Position in der Zelle repräsentieren.
Fahrzeug gemäß Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Steuerung ferner dafür programmiert ist, den Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung und der in der Zelle erzeugten Wärme zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung und der in der Zelle erzeugten Wärme vorauszusagen.
Fahrzeug gemäß Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Steuerung ferner dafür programmiert ist, den Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung mit einer ersten Zeitkonstante zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung vorauszusagen, und den Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme mit einer zweiten Zeitkonstante zu filtern, um eine dynamische Antwort auf Änderungen der in der Zelle erzeugten Wärme vorauszusagen.
Fahrzeug gemäß Anspruch 1, wobei der Koeffizient, der dem Beitrag der in der Zelle erzeugten Wärme zugeordnet ist, von einem Modell abgeleitet ist, in dem die Zellen als eine Mehrzahl von Elementen dargestellt sind, und wobei der jedem dieser Elemente entsprechende Koeffizient von einer Systemmatrix, die Wechselwirkungen zwischen den Elementen definiert, und einer Eingangsmatrix, die den Einfluss der in der Zelle erzeugten Wärme definiert, abgeleitet ist.
Fahrzeug gemäß Anspruch 4, wobei die vorab festgelegte Position dem Element entspricht, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Maximalwert hat.
Fahrzeug gemäß Anspruch 4, wobei die vorab festgelegte Position dem Element entspricht, in dem der Koeffizient, der dem Beitrag zugeordnet ist, welcher von der in der Zelle erzeugten Wärme verursacht wird, einen Minimalwert hat.
Fahrzeug gemäß Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Zellgrenzbedingung eine gemessene Temperatur beinhaltet.
Fahrzeug gemäß Anspruch 1, wobei die Koeffizienten, die dem Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung zugeordnet sind, von einem Modell abgeleitet sind, in dem die Zellen als eine Mehrzahl von Elementen dargestellt sind, und wobei die jedem dieser Elemente entsprechenden Koeffizienten von einer Systemmatrix, die Wechselwirkungen zwischen den Elementen definiert, und einer Eingangsmatrix, die den Einfluss der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung definiert, abgeleitet sind.
Fahrzeug gemäß Anspruch 8, wobei die Koeffizienten, die dem Beitrag der wenigstens einen thermischen Zellgrenzbedingung zugeordnet sind, auf einen Wert von eins eingestellt sind.