DE102015110921A1

DE102015110921A1 - Batteriesystemidentifikation durch Impulsaufschaltung

Info

Publication number: DE102015110921A1
Application number: DE102015110921.2A
Authority: DE
Inventors: Tae-Kyung Lee
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2016-01-21
Also published as: US20160018471A1; US10451678B2; CN105277892B; CN105277892A

Abstract

Fahrzeugsysteme und -verfahren können eine Traktionsbatterie und einen Controller enthalten, um die Traktionsbatterie gemäß Stromgrenzen eines Batteriemodells zu betreiben, das anhand einer Batterieantwort auf einen Stromimpuls identifiziert wird, der der Batterie aufgeschaltet wird, während die Batterie nicht zum Antreiben des Fahrzeugs entladen wird oder aufgeladen wird. Der Impuls weist eine Abtastzeit und eine Größe auf. Die Antwort sind Batterieanschlussspannungsmessungen zu jedem Abtastzeitpunkt während einer vorgegebenen Dauer. Der Controller kann einen Zustandsschätzer umsetzen, der dazu ausgelegt ist, Batteriezustände auszugeben, und eine Batterieimpulsantwort verwendet. Die Impulseingabe in die Batterie kann ein Stromsignal sein, und die gemessene Batterieantwort kann eine Spannung sein. Der Controller kann einen Zeitspanne für die Impulseingabe auswählen, und er kann auswählen, dass die Batteriemessungsantwort erfolgt, wenn der Controller nicht die Batterie auflädt oder Strom aus der Batterie zieht, um das Fahrzeug anzutreiben.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands einer Batterie, insbesondere auf das Schätzen unter Verwendung einer Impulsaufschaltung und zum Verwenden der Batterieschätzung zum Steuern der Fahrzeugsysteme mit Blick auf den Batteriezustand.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Hybridelektrofahrzeuge (HEVs, Hybrid Electric Vehicles) nutzen eine Kombination eines Motors mit innerer Verbrennung mit einem Elektromotor, um Antriebsleistung bereitzustellen. Diese Anordnung stellt gegenüber einem Fahrzeug, das lediglich einen Motor mit innerer Verbrennung aufweist, verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereit. Ein Verfahren zur Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeit in einem HEV ist es, den Verbrennungsmotor in Zeiten herunterzufahren, in denen der Verbrennungsmotor ineffizient arbeitet und nicht anderweitig zum Antreiben des Fahrzeugs benötigt wird. In diesen Situationen wird der Elektromotor verwendet, um die gesamte Leistung bereitzustellen, die zum Antreiben des Fahrzeugs benötigt wird. Wenn sich die Leistungsabforderung durch den Fahrer erhöht, so dass der Elektromotor nicht mehr genug Leistung bereitstellen kann, um die Abforderung zu erfüllen, oder in anderen Fällen, wie zum Beispiel, wenn der Batterieladezustand (SOC, State of Charge) unter einen gewissen Pegel fällt, stellt der Verbrennungsmotor die Antriebsleistung für das Fahrzeug bereit.
Das HEV enthält ein Batteriemanagementsystem, das Werte schätzt, die aktuelle Betriebsbedingungen des Batteriesatzes und/oder der Batteriezelle beschreiben. Zu den Betriebsbedingungen des Batteriesatzes und/oder der -zelle zählen der SOC, der Leistungsschwund, der Kapazitätsschwund und die momentan verfügbare Leistung der Batterie. Das Batteriemanagementsystem sollte in der Lage sein, bei sich ändernden Zellcharakteristika die Werte zu schätzen, weil Zellen mit der Lebensdauer des Satzes altern. Die präzise Schätzung einiger Werte kann die Leistung und Robustheit verbessern und kann letztlich die nutzbare Lebensdauer des Batteriesatzes verlängern.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Fahrzeug kann eine Traktionsbatterie und wenigstens einen Controller enthalten, der dazu ausgelegt ist, die Traktionsbatterie gemäß den Stromgrenzen eines Batteriemodells zu betreiben, das anhand einer Antwort der Batterie auf einen Stromimpuls identifiziert wird, der der Batterie aufgeschaltet wird, während die Batterie nicht zum Antreiben des Fahrzeugs entladen wird oder aufgeladen wird. In einem Beispiel weist der Impuls eine zugehörige vorgegebene Abtastzeit und Größe auf. Die Antwort kann eine Zusammenstellung von Batterieanschlussspannungen sein, die zu jedem Abtastzeitpunkt während einer vorgegebenen Dauer gemessen werden. In einem Beispiel ist die vorgegebene Dauer lang genug, um eine Reihe von Spannungsmessungen zusammenzustellen, die zum Identifizieren des Batteriemodells verwendet werden.
In einem Beispiel ist der Controller dazu ausgelegt, ein diskretes Raummodell der Traktionsbatterie zu erstellen und das diskrete Raummodell in ein kontinuierliches Zustandsraummodell umzuwandeln. Die Stromgrenzen basieren auf dem kontinuierlichen Zustandsraummodell. Der Controller kann dazu ausgelegt sein, Eigenzerlegung zum Transformieren des kontinuierlichen Zustandsraummodells zu verwenden, um mathematische Ausdrücke zum Schätzen der Batteriestromgrenzen abzuleiten.
In einem Beispiel kann der Controller zu Folgendem ausgelegt sein: Erstellen einer Hankel-Matrix unter Verwendung der Antwort, Zerlegen der Hankel-Matrix in einen Singulärwert, Identifizieren von diskreten Zustandsraummatrizen anhand des Singulärwerts, Umwandeln der diskreten Zustandsraummatrizen in kontinuierliche Zustandsraummatrizen, Durchführen von Eigenzerlegung auf den kontinuierlichen Zustandsraummatrizen, um mathematische Ausdrücke abzuleiten, und Berechnen der Batteriestromgrenzen unter Verwendung der mathematischen Ausdrücke.
Ein Fahrzeug kann eine Traktionsbatterie und wenigstens einen Controller enthalten, der zu Folgendem programmiert ist: der Traktionsbatterie einen elektrischen Stromimpuls mit einer Dauer und Größe aufschalten, während der Controller nicht die Batterie auflädt oder Strom aus der Batterie zum Antreiben des Fahrzeugs zieht und während die Ausgangsspannung der Traktionsbatterie stabilisiert ist, Impulsantworten von Spannungsausgängen zu einem vorgegebenen zeitlichen Schritt während eines Zeitraums messen, ein Batteriedynamikmodell anhand der Impulsantworten identifizieren, das Batteriedynamikmodell in ein Zustandsraummodell transformieren, Batteriestromgrenzen und verfügbare Leistungsgrenzen auf Basis des Zustandsraummodells schätzen und die Traktionsbatterie gemäß den Batteriestromgrenzen und den verfügbaren Leistungsgrenzen betreiben.
In einem Beispiel kann das Batteriedynamikmodell in einem diskreten Zustandsraummodell identifiziert werden, und das diskrete Zustandsraummodell wird in ein kontinuierliches Zustandsraummodell umgewandelt.
In einem Beispiel kann das Zustandsraummodell eine diagonale Systemmatrix enthalten, die Systemeigenwerte enthält, und wobei das Batteriedynamikmodell durch Eigenzerlegung transformiert wird.
In einem Beispiel kann der vorgegebene zeitliche Schritt kurz genug sein, um Batteriesystemdynamikinformationen aufzulösen.
In einem Beispiel kann der Zeitraum lang genug sein, um Batteriesystemdynamikinformationen zu identifizieren.
In einem Beispiel ist der Controller zu Folgendem ausgelegt: Erstellen einer Hankel-Matrix anhand der Impulsantworten, Zerlegen der Hankel-Matrix in einen Singulärwert, Identifizieren von Zustandsraummatrizen auf Basis des Singulärwerts, Umwandeln der Zustandsraummatrizen in kontinuierliche Formen der Zustandsmatrizen, Durchführen von Eigenzerlegung auf den kontinuierlichen Formen der Zustandsmatrizen, Berechnen der Batteriestromgrenzen unter Verwendung der eigenzerlegten Formen der Zustandsmatrizen oder Kombinationen daraus.
Ein Verfahren zur Batteriezustandsschätzung kann Folgendes enthalten: der Traktionsbatterie einen Signalimpuls aufschalten, während die Batterie nicht zum Antreiben des Fahrzeugs entladen wird oder aufgeladen wird, eine Antwort der Traktionsbatterie auf den Impuls abtasten und die Traktionsbatterie gemäß den Batteriestromgrenzen eines anhand der Antwort identifizierten Batteriemodells betreiben.
Das Abtasten der Antwort kann Folgendes beinhalten: Messen der Impulsantworten der Ausgangsspannung zu jedem zeitlichen Schritt während eines Zeitraums, Identifizieren eines Batteriedynamikmodells anhand der gemessenen Impulsantworten, Transformieren des Batteriedynamikmodells in ein Zustandsraummodell mit einer diagonalen Systemmatrix, die Eigenwerte durch Eigenzerlegung enthält, Schätzen der Batteriestromgrenzen und der verfügbaren Leistungsgrenzen anhand eines transformierten Systemdynamikmodells und Betreiben der Traktionsbatterie gemäß geschätzten Batteriestromgrenzen und verfügbaren Leistungsgrenzen oder Kombinationen daraus.
Die Traktionsbatterie kann mehrere Zellen enthalten, die elektrische Energie speichern können und die der Impulsaufschaltung, Messung und Steuerung, wie es hier beschrieben wird, unterzogen werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Hybridelektrofahrzeug, das mit den beschriebenen Systemen und Verfahren verwendet werden kann.
2 ist eine detaillierte Ansicht der Batterie für ein Hybridelektrofahrzeug.
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen.
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen.
5 zeigt Graphen einer Impulsaufschaltung und -antwort über der Zeit gemäß einem Beispiel.
Die 6A–6B zeigen Graphen des Batterieeingangsstroms und der Batterieanschlussspannung gemäß einem Beispiel.
Die 7A–7B zeigen verschiedene Graphen des Batterieeingangsstroms und der Batterieausgangsspannung gemäß einem Beispiel.
Die 8A–8B sind verschiedene Graphen von maximalem Batterieentladestrom und maximalem Batterieladestrom gemäß einem Beispiel.
9 zeigt eine schematische Ansicht einer Computereinrichtung für ein Fahrzeug.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden hier Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich allerdings, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte, spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als eine typische Grundlage, um einen Fachmann von verschiedenen Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu unterrichten. Wie Durchschnittsfachleute verstehen werden, können verschiedene, mit Bezug auf jede der Figuren veranschaulichte und beschriebene Merkmale mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht ausdrücklich veranschaulicht oder beschrieben werden. Die Kombinationen von veranschaulichten Merkmalen stellen bezeichnende Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten allerdings für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen im Allgemeinen mehrere Schaltungen oder andere elektrische Einrichtungen bereit. Es ist beabsichtigt, dass alle Bezüge auf die Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen und die jeweils von ihnen bereitgestellte Funktionalität nicht darauf eingeschränkt sind, dass nur das hier Veranschaulichte und Beschriebene umfasst ist. Obwohl besondere Bezeichner den verschiedenen offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen zugeordnet sein können, ist nicht beabsichtigt, dass solche Bezeichner den Betriebsumfang für die Schaltungen und die anderen elektrischen Einrichtungen einschränken. Solche Schaltungen und andere elektrische Einrichtungen können auf Basis der besonderen Art der gewünschten elektrischen Umsetzungsform miteinander kombiniert und/oder auf irgendeine Art und Weise getrennt werden. Es wird anerkannt, dass jede hier offenbarte Schaltung oder andere elektrische Einrichtung irgendeine Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichereinrichtungen (z. B. Flash, Direktzugriffspeicher (RAM, Random Access Memory), Nur-Lese-Speicher (ROM, Read Only Memory), elektrisch programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM, Electrically Programmable Read Only Memory), elektrisch löschbarer PROM (EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) oder andere geeignete Varianten davon) und Software enthalten kann, die miteinander zusammenwirken, um die hier offenbarte(n) Operation(en) durchzuführen. Zusätzlich kann irgendeine oder mehrere der elektrischen Einrichtungen dazu ausgelegt sein, ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Medium verwirklicht ist, das dazu programmiert ist, irgendeine Anzahl der Funktionen, wie offenbart wird, durchzuführen.
Zur Übersicht: Die vorliegende Offenbarung beschreibt Systeme und Verfahren zum Bestimmen von Parametern einer Traktionsbatterie und zum Steuern eines Fahrzeugs. Batteriemodellidentifizierung ist für die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen (BMS) in Anwendungen elektrisch betriebener Fahrzeuge wichtig, wie zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug (EV), einem Plug-in Hybridelektrofahrzeug (PHEV) und einem Vollhybridelektrofahrzeug (FHEV). In Anwendungen elektrisch betriebener Fahrzeuge wird Leistungsfähigkeitsprognose in Echtzeit verwendet, um Schädigung der Batterie und Störungsmodi zu verhindern, die durch Überladen oder Überentladen bewirkt werden. Allerdings muss die Batteriemodellidentifizierung nicht immer ausgeführt werden, weil die Änderung der Batteriemodellparameter nicht so schnell stattfindet, dass das Aktualisieren in Echtzeit erfolgen muss. Daher reicht es für die meisten Zwecke aus, wenn die Identifizierung auf Anforderung ausgeführt werden kann. Der Identifizierungsprozess sollte innerhalb eines kurzen Zeitraums erfolgen; im Ergebnis wäre ein einfacherer und bequemerer Prozess zum Identifizieren der Batterie hilfreich. Die vorliegende Offenbarung beschreibt einen Ansatz zum Identifizieren des Batteriesystems durch Impulsaufschaltung in das Batteriesystem und einer anschließenden Verarbeitung der Impulsantwort aus dem Batteriesystem. Falls das Batteriesystem beobachtet und gesteuert werden kann, kann das Batteriesystem anhand der Eingaben und der entsprechenden Ausgaben identifiziert werden. Die Impulsantworten in der diskreten Zeitdomäne können als „Markov-Parameter” dargestellt werden, und die Systemzustandsraumausdrücke werden anhand der Markov-Parameter bestimmt. Das gewonnene diskrete Zustandsraummodell kann in das kontinuierliche Zustandsraummodell umgewandelt werden, um den Ausdruck zur Berechnung von Batteriestromgrenzen abzuleiten. Eigenzerlegung wird dann verwendet, um das kontinuierliche Zustandsraummodell zu verarbeiten und einen allgemeinen Ausdruck für Prognoseparameter von Batteriestromgrenzen abzuleiten. Der vorgeschlagene Ansatz kann aufgrund seiner Einfachheit und der im Vergleich zu früheren Verfahren kurzen Identifizierungszeit ohne Weiteres auf das Batteriesystem angewandt werden.
1 zeigt ein Beispiel für ein Hybridelektrofahrzeug 102, z. B. ein Plug-in Hybridelektrofahrzeug. Ein Plug-in Hybridelektrofahrzeug 102 kann einen oder mehrere Elektromotoren 104 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 106 verbunden sind. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 106 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 108 verbunden. Das Hybridgetriebe 106 kann auch mechanisch mit einer Antriebswelle 110 verbunden sein, die mechanisch mit den Rädern 112 verbunden ist. Die Elektromotoren 104 können den Rädern Drehmoment bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 108 eingeschaltet ist. Der Elektromotor 104 nimmt elektrische Energie auf, z. B. aus einer Batterie 114, um Drehmoment zum Antrieb des Fahrzeugs 102 bereitzustellen. Die Elektromotoren 104 können Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 108 ausgeschaltet ist. Die Elektromotoren 104 können als Generatoren ausgelegt sein, und sie können Vorteile hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs bereitstellen, indem sie Energie, die im Friktionsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde, zurückgewinnen. Die Elektromotoren 104 können auch Schadstoffemissionen reduzieren, weil das Hybridelektrofahrzeug 102 unter gewissen Bedingungen im Elektromodus betrieben werden kann.
Die Traktionsbatterie oder der Batteriesatz 114 speichern Energie, die von den Elektromotoren 104 verwendet werden kann. Ein Fahrzeugbatteriesatz 114 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe bereit. Die Batterieausgabe erfolgt als Reaktion auf eine Batterieleistungsanforderung, die anhand des Mitkopplungsbatterieleistungswerts als eine Funktion der Leistungsanforderung des Fahrers und der Leistungsanforderung des Verbrennungsmotors berechnet werden kann, die wiederum auf den Geschwindigkeits- und Drehmomentbestimmungen basieren können. Der Batteriesatz 114 ist mit einem leistungselektronischen Modul 116 elektrisch verbunden. Das leistungselektronische Modul 116 ist ebenfalls mit den Elektromotoren 104 elektrisch verbunden und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Energieübertragung zwischen dem Batteriesatz 114 und den Elektromotoren 104 bereit. Ein typischer Batteriesatz 14 kann zum Beispiel eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromotoren 104 zum Funktionieren einen dreiphasigen Wechselstrom benötigen können. Das leistungselektronische Modul 116 kann die Gleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom umwandeln, wie er von den Elektromotoren 104 benötigt wird. In einem Energierückgewinnungsmodus wird das leistungselektronische Modul 116 den dreiphasigen Wechselstrom aus den Elektromotoren 104, die als Generatoren fungieren, in die vom Batteriesatz 114 benötigte Gleichspannung umwandeln. Die hier beschriebenen Verfahren sind gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug oder auf irgendeine andere Einrichtung, die einen Batteriesatz verwendet, anwendbar. Die Batterie 114 kann während bestimmter Verwendungen des Fahrzeugs Verschlechterung erfahren. Eine Verwendung, bei der Verschlechterung auftritt, ist das Abstellen bei einem hohen Ladezustand (SOC). Die Temperatur kann ebenfalls ein Verschlechterungsfaktor sein. Die Batterieverschlechterung wird für einen spezifischen Batterietyp individualisiert. Zur Batterieverschlechterung kann die Unfähigkeit einer Batterie 114 zählen, eine Ladungsmenge zu halten, z. B. dass in der Batterie 114 weniger Kilowattstunden oder Amperestunden gespeichert werden. In einem Beispiel enthält das Leistungssteuermodul 116 Prozessoren, Speicher, Sensoren und andere Schaltkreise zum Aufbringen eines elektrischen Impulses auf die Batterie 114 und zum Messen ihrer Antwort auf den elektrischen Impuls, um die Batterie zu identifizieren und bedeutsame Parameter in Bezug auf die Batterie abzuleiten. Siehe 5 und die zugehörige Beschreibung für ein Beispiel für einen Eingangsimpuls und das Antwortsignal. Diese Batterieparameter werden dann von Fahrzeugsteuerungen verwendet, z. B. dem leistungselektronischen Modul 116, dem Antriebsstrangsteuermodul 128 oder anderen, um Fahrzeugfunktionen zu steuern.
Zusätzlich zum Bereitstellen von Energie für den Antrieb kann die Batterie 114 (oder der Batteriesatz) Energie für andere Elektrosysteme des Fahrzeugs bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 118 enthalten, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe des Batteriesatzes 114 in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Versorgung, die kompatibel mit anderen Fahrzeugverbrauchern ist, umwandelt. Andere Hochspannungsverbraucher, wie zum Beispiel Verdichter und Elektroheizungen, können direkt mit dem Hochspannungsbus aus dem Batteriesatz 114 verbunden sein. In einem typischen Fahrzeug sind die Niederspannungssysteme elektrisch mit einer 12-V-Batterie 120 verbunden. Ein rein elektrisches Fahrzeug kann eine ähnliche Architektur aufweisen, jedoch ohne den Verbrennungsmotor 108.
Der Batteriesatz 114 kann durch eine externe Leistungsquelle 126 wiederaufgeladen werden. Der Batterieladespeicherstatus kann als Ladezustand gemessen werden. Die externe Leistungsquelle 126 kann Wechsel- oder Gleichstromleistung für das Fahrzeug 102 bereitstellen, indem sie durch einen Ladeport 124 elektrisch verbunden wird. Der Ladeport 124 kann irgendein Porttyp sein, der dazu ausgelegt ist, Leistung aus der externen Leistungsquelle 126 zum Fahrzeug 102 zu übertragen. Der Ladeport 124 kann mit einem Leistungswandlungsmodul 122 elektrisch verbunden sein. Das Leistungswandlungsmodul kann die Leistung aus der externen Leistungsquelle 126 konditionieren, um dem Batteriesatz 114 die korrekten Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. In einigen Anwendungen kann die externe Leistungsquelle 126 dazu ausgelegt sein, dem Batteriesatz 114 die korrekten Spannungs- und Strompegel bereitzustellen, und das Leistungswandlungsmodul 122 ist möglicherweise nicht erforderlich. Die Funktionen des Leistungswandlungsmoduls 122 können sich in einigen Anwendungen in der externen Leistungsquelle 126 befinden. Der Verbrennungsmotor, das Getriebe, die Elektromotoren, die Batterie, die Leistungswandlung und die Leistungselektroniken des Fahrzeugs können von einem Antriebsstrangsteuermodul (PCM, Powertrain Control Module) 128 gesteuert werden.
Zusätzlich zum Veranschaulichen eines Plug-in Hybridfahrzeugs kann 1 ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) veranschaulichen, falls die Komponente 108 entfernt wird. Ähnlich kann 1 ein herkömmliches Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder ein Power Split Hybrid-Elektrofahrzeug veranschaulichen, falls die Komponenten 122, 124 und 126 entfernt werden. 1 veranschaulicht auch das Hochspannungssystem, das den bzw. die Elektromotor(en), das leistungselektronische Modul 116, das Gleichspannungswandlermodul 118, das Leistungswandlungsmodul 122 und den Batteriesatz 114 enthält. Das Hochspannungssystem und der Batteriesatz enthalten Hochspannungskomponenten einschließlich Busschienen, Verbinder, Hochspannungsdrähte und Schaltungstrenneinrichtungen.
Das Fahrzeug 100 enthält weiterhin ein Display 130, das Daten in Bezug auf den Zustand des Fahrzeugs zeigen kann, z. B. den Zustand des elektrischen Systems und der Batterie 114 ebenso wie Daten der Fahrzeugverwendung/-nichtverwendung. Ein Datengenerator 135 kann mit dem Display verbunden sein, um die Daten für das Display 130 zu berechnen und zu organisieren. In einem Beispiel kann das Display 130 den Batteriezustand so zeigen, wie er, wie hier beschrieben wird, geschätzt oder bestimmt wird.
Die einzelnen Batteriezellen innerhalb eines Batteriesatzes können nach den unterschiedlichsten chemischen Rezepturen aufgebaut sein. Zu typischen Batteriesatz-Chemien können, ohne darauf beschränkt zu sein, Blei-Säure, Nickel-Cadmium (NiCd), Nickel-Metallhydrid (NiMH), Lithium-Ionen oder Lithium-Ionen-Polymer zählen. 2 zeigt einen typischen Batteriesatz 200 in einer einfachen Reihenanordnung aus N Batteriezellmodulen 202. Die Batteriezellmodule 202 können eine einzelne Batteriezelle oder mehrere, elektrisch parallel verbundene Batteriezellen umfassen. Der Batteriesatz kann allerdings aus irgendeiner Anzahl von einzelnen Batteriezellen und Batteriezellmodulen zusammengesetzt sein, die in Reihe oder parallel oder irgendeiner Kombination daraus verbunden sind. Ein typisches System kann einen oder mehrere Controller aufweisen, wie zum Beispiel ein Batteriesteuermodul (BCM, Battery Control Module) 208, das die Leistung des Batteriesatzes 200 überwacht und steuert. Das BCM 208 kann mehrere Pegelcharakteristika des Batteriesatzes überwachen, wie zum Beispiel den von einem Stromsensor 206 gemessenen Satzstrom, die Satzspannung 210 und die Satztemperatur 212. Die Leistung des Stromsensors 206 kann in gewissen Anordnungen entscheidend für den Aufbau eines zuverlässigen Batterieüberwachungssystems sein. Die Genauigkeit des Stromsensors kann zum Schätzen des Batterieladezustands und der Batteriekapazität nützlich sein. Ein Stromsensor kann die unterschiedlichsten, auf physikalischen Prinzipien basierenden Verfahren nutzen, um den Strom zu detektieren, einschließlich eines Hall-Effekt-IC-Sensors, eines Transformators oder einer Strommesszange, eines Widerstands, an dem die Spannung direkt proportional zu dem durch ihn fließenden Strom ist, Lichtwellenoptiken, die ein Interferometer verwenden, um die Phasenänderung im von einem Magnetfeld produzierten Licht zu messen, oder einer Rogowski-Spule. Im Fall, dass eine Batteriezelle geladen oder entladen wird, so dass der Strom, der in die Batteriezelle eintritt oder aus ihr austritt, einen Schwellenwert überschreitet, kann das Batteriesteuermodul die Batteriezelle mittels Verwendung einer Schaltungstrenneinrichtung (CID, Circuit Interrupt Device) trennen, wie zum Beispiel einer Sicherung oder eines Leistungsschutzschalters.
Zusätzlich zu den Pegelcharakteristika des Satzes können Pegelcharakteristika der Batteriezellen vorhanden sein, die gemessen und überwacht werden müssen. Zum Beispiel können die Anschlussspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 204 verwenden, um die Charakteristika einer oder mehrerer Batteriezellmodule 202 zu messen. Zu den Charakteristika können die Zellspannung, die Temperatur, das Alter, die Anzahl der Lade-/Entladezyklen der Batterie usw. zählen. Typischerweise wird ein Sensormodul Batteriezellspannung messen. Die Batteriezellspannung kann eine Spannung einer einzelnen Batterie oder einer Gruppe von Batterien sein, die parallel oder in Reihe elektrisch verbunden sind. Der Batteriesatz 200 kann bis zu N Sensormodule 204 nutzen, um die Charakteristika aller Batteriezellen 202 zu messen. Jedes Sensormodul 204 kann die Messwerte an das BCM 208 zur weiteren Verarbeitung und Koordinierung übertragen. Das Sensormodul 204 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BCM 208 übertragen. Der Batteriesatz 200 kann auch ein Batterieverteilermodul (BDM, Battery Distribution Module) 214 umfassen, das den Stromfluss in den und aus dem Batteriesatz 200 steuert.
In einem Beispiel enthält das Batteriesteuermodul 208 Prozessoren, Speicher, Sensoren und andere Schaltkreise zum Aufbringen eines elektrischen Impulses auf die Batterie 202 und zum Messen ihrer Antwort auf den elektrischen Impuls, um die Batterie zu identifizieren und bedeutsame Parameter in Bezug auf die Batterie abzuleiten. In einem Beispiel können die Sensormodule 204 die Batterieantwort auf den Eingangsimpuls abtasten. Siehe 5 und die zugehörige Beschreibung für ein Beispiel für einen Eingangsimpuls und das Antwortsignal. Die identifizierten Batterieparameter (oder -modelle) werden dann von Fahrzeugsteuerungen verwendet, z. B. dem Batteriesteuermodul 208, dem leistungselektronischen Modul 116, dem Antriebsstrangsteuermodul 128 oder anderen, um Fahrzeugfunktionen zu steuern.
3 zeigt ein Verfahren 300 zum Bestimmen eines Batteriezustands unter Verwendung eines Aufschaltsignals. In 301 wird der Batterie ein Impulssignal mit einer vordefinierten Dauer und Größe aufgeschaltet. Das Signal kann der Batterie zu einer für die Batterie ruhigen Zeitspanne aufgeschaltet werden, d. h. die Batterieantworten erfolgen in einem stationären oder quasistationären Zustand. Eine ruhige Zeitspanne ist eine Zeitspanne, in der die Batterie nicht aus regenerativen Quellen oder aus einer externen Quelle aufgeladen wird und in der die Batterie keine elektrische Leistung an das Fahrzeug liefert. Die vordefinierte Dauer des aufgeschalteten Signals kann in einem Beispiel 0,1 Sekunden betragen. Die Dauer kann kurz genug sein, um vorherrschende Batteriedynamik darzustellen. Die Amplitude des Stroms kann in einem Beispiel +/–0,5 Ampere sein. In anderen Beispielen ist der maximale Strom des Aufschaltsignals fünf Ampere.
In 303 wird die Batterieantwort auf das aufgeschaltete Signal abgetastet und im Speicher des BCM gespeichert. Die Abtastzeitspanne kann lang genug sein, um zum Identifizieren eines Batteriemodells eine genügende Menge von Messungen zu messen. In einem Beispiel liegt das Ende der Abtastzeitspanne bei 20 Sekunden, und die Zeitspanne kann lang genug sein, um genügend Messungen zusammenzustellen. Das Abtasten der Batterieantwort kann von einem Spannungssensor an den Anschlüssen der Batterie durchgeführt werden. Beim Aufschalten eines Stromsignals auf die Batterie wird eine Spannungsantwort auf dieses Stromsignal erfolgen.
In 305 wird ein Batteriemodell anhand eines Satzes von abgetasteten Batterieantworten identifiziert, z. B. einem Satz von Batteriespannungsantworten. Das identifizierte Modell kann als eine Zustandsraumform ausgedrückt werden, die wie folgt ausgedrückt wird: x(k + 1) = A_dx(k) + B_du(k) (1a) y(k) = C_dx(k) + D_du(k) (1b)
In 307 wird ein optionaler Schritt des Steuerns des Fahrzeugs unter Verwendung des identifizierten Batteriemodells und der geschätzten Batterieantworten anhand des Modells durchgeführt.
4 zeigt einen Verfahrensablauf 400 einer Ausführungsform zur Batterieparameterschätzung. In 401 wird der Batterie an ihren Anschlüssen oder an einer Zelle der Batterie ein Impulsstrom mit einer vordefinierten Dauer und Größe aufgeschaltet. Das Signal wird zu einem Zeitpunkt aufgeschaltet, zu dem die Batterie keine Leistung an den Elektromotor des Fahrzeugs liefert oder nicht vom Elektromotor oder einer anderen Quelle aufgeladen wird. Das heißt: Die elektrischen Signale an den Batterieanschlüssen sind im Wesentlichen neutral oder auf Masse, wenn das Impulssignal an den Batterieanschlüssen angelegt wird.
In 403 wird ein Satz von Batterieantworten, die sich aus dem aufgeschalteten Impuls ergeben, gemessen und im Speicher des BCM gespeichert. Die gemessene Antwort zu einem Zeitpunkt t = t_i ist H_i-1. t_i ist der i-te diskrete Abtastzeitpunkt, der ausgedrückt wird als: t_i = t₀ + iΔt (2) wobei gilt: Δt ist eine vorbestimmte Abtastzeit, die klein genug ist, um vorherrschende Batteriedynamik aufzulösen.
Ein Satz von Batterieantworten auf Basis von Gleichung (1a) und Gleichung (1b) wird ausgedrückt als: y = [H₀, H₁, H₂, ... H_2N-1] (3a) = [D_d, C_dB_d, C_dA_dB_d, ... C_dA 2N-2 / dB_d] (3b)
Die Gesamtanzahl der Messungen beträgt 2 N.
In 405 wird eine Matrix H, z. B. eine Hankel-Matrix, aus dem Satz der gemessenen Batterieantworten in Gleichung (3a) erstellt, die ausgedrückt wird als:
In 407 wird die Matrix zerlegt, z. B. unter Verwendung einer Singulärwertzerlegung, um vorherrschende Dynamik des Batteriesystems zu identifizieren. Ein Beispiel lautet:
wobei gilt: Σ₁ wird als eine n-mal-n Matrix vorgegeben, die die ersten n größten Eigenwerte enthält. U₁ wird als eine N-mal-n Matrix bestimmt. V₁ wird als eine n-mal-N Matrix bestimmt. In einem Batteriemodell ist die Anzahl der Eingänge eins, und die Anzahl der Ausgänge ist eins. Dementsprechend können U₁ und V₁ wie folgt vorgegeben werden:
wobei gilt: U₁₁ und U₁₃ werden als 1-mal-n Matrizen vorgegeben, V₁₁ und V₁₃ werden als n-mal-1 Matrizen vorgegeben. Dies kann jetzt in der Hankel-Matrix wie folgt verwendet werden:
Σ₂ ist ein Wert, der klein genug ist, um zu gestatten, dass Σ₂ in der Berechnung mit 0 vorgegeben wird. Im Ergebnis wird die Matrix H reduziert auf:
Die H-Matrix wird wie folgt definiert:
In 409 können die Zustandsraummatrizen A_d, B_d, C_d und D_d für die Batterie identifiziert werden. Anhand dieser können Batterieparameter in den Fahrzeugmodulen oder -steuerungen bestimmt werden. Die oben genannte H_A-Gleichung kann zum Definieren von Ad wie folgt reduziert werden:
Anhand des oben Genannten können B_d, C_d und D_d wie folgt definiert werden: B_d = Σ 1/2 / 1V * / 11 (12) C_d = U₁₁Σ 1/2 / 1 (13) D_d = H₀ (14)
Somit sind die Zustandsraummatrizen A_d, B_d, C_d und D_d jetzt identifiziert.
Anhand dieser kann der Ausdruck der Stromgrenze der Batterie identifiziert werden. In 411 werden die diskreten Zustandsraummatrizen in kontinuierliche Matrizen umgewandelt.
Anhand des kontinuierlichen Zustandsraumausdrucks ẋ = Λx + Bu, y = Cx + Du (15) wird das diskrete Modell ausgedrückt als: x_k+1 = (I + AΔt)x_k + BΔtu_k = A_dx_k + B_du_k y_k = Cx_k + Du_k = C_dx_k + D_du_k (16)
Anhand der identifizierten A_d, B_d, C_d und D_d wird ein kontinuierliches Zustandsraummodell abgeleitet als:
A = (A_d – I)/Δt, B = B_d/Δt, C = C_d und D = D_d.
Sobald sie in kontinuierliche Form umgewandelt worden sind, wird in 413 Eigenzerlegung durchgeführt. Die Gleichung für die Eigenzerlegung kann lauten: A = QΛQ^–1, (17) wobei gilt: Q ist die n X n Matrix, deren i-te Spalte der Basiseigenvektor q_i ist. Λ ist die diagonale Matrix, deren diagonale Elemente entsprechende Eigenwerte sind.
Der transformierte, durch die Eigenvektoren ausgedrückte Zustandsvektor wird berechnet durch: x ~ = Q^–1x.
In 415 werden die transformierten Zustandsraummatrizen bestimmt durch:
Nachdem jetzt die transformierten Zustandsraummatrizen vorgegeben sind, wird das Batteriemodell identifiziert, z. B. in 415. Dies kann mit den folgenden Gleichungen erfolgen:
wobei gilt: y = v_oc – v_t = v₁ + v₂ und u = i.
In praktischen Anwendungen kann der Innenwiderstand R₀ wie folgt berechnet werden:
In 417 kann diese Gleichung verwendet werden, um Batteriestromgrenzen während der Zeitdauer t = t_d zu bestimmen. Dies ergibt:
Wenn n = 2, wird diese Gleichung ausgedrückt als:
Die Leistungsgrenze kann für den Ladezustand und den Entladezustand der Batterie durch die Folgenden berechnet werden: P_lim = |i_min|v_ub (24a) P_lim = |i_max|v_lb (24b) wobei gilt: P_lim ist die Leistungsfähigkeit, v_ub ist die obere Batteriespannungsgrenze, und i_min ist der absolute Mindeststrom. Im Entladezustand ist i_max der Maximalstrom, der aus der Batterie gezogen werden kann. Somit kann das System die momentane Batterieleistungsfähigkeit während eines Aufladeereignisses oder eines Entladeereignisses berechnen.
In 419 wird die Entscheidung getroffen, ob die Batteriemodellparameter aktualisiert werden müssen. Diese mögliche Entscheidung kann auf Basis der Zeit seit der letzten Aktualisierung ausgelöst werden. In einem anderen Beispiel kann der Fahrzeugzustand oder die Fahrzeugverwendung verwendet werden, um die Aktualisierung auszulösen. Der Aktualisierungszeitpunkt kann mit einer oder zwei Stunden der Fahrzeuglaufzeit vorgegeben werden. In einem Beispiel findet die Aktualisierung einmal am Tag statt. In einem anderen Beispiel kann der Zeitpunkt auf dem Alter der Batterie basieren, z. B. wird mit dem Altern der Batterie die Zeit bis zur Aktualisierung verkürzt.
5 zeigt einen Graphen einer Impulsaufschaltungseingabe und -antwort. In einer Zeitspanne 501 wird die Batterie weder angewiesen, elektrische Energie an den Motor zu liefern, noch wird sie aus einer regenerativen Quelle oder einer externen elektrischen Leistungsquelle aufgeladen. Wie gezeigt wird, beinhaltet der Zeitraum 501 an seinem Anfang eine messungsfreie Zeitspanne, in der das Signal einige Transienten enthält. Nachdem die Transienten abklingen, findet die Zeitspanne 503 der Strom impulsaufschaltung (i = δ) statt. Zum gleichen Zeitpunkt, zu dem die Zeitspanne 503 der Strom impulsaufschaltung stattfindet, findet die Zeitspanne 505 der Spannungsantwortmessung statt. Das in der Zeitspanne 503 an die Batterie angelegte Stromimpulssignal weist eine vorbestimmte Zeitdauer auf, die gleich der Abtastzeit der Messungen ist. In einem Beispiel beträgt die Dauer der Impulsaufschaltung 0,1 Sekunden, und die Abtastzeit der Messungen beträgt 0,1 Sekunden. Das aufgeschaltete Stromsignal kann einen hohen Strom aufweisen (in 5 nicht dargestellt), um Batterieantworten zu erhalten, die gegenüber dem Messrauschen weniger empfindlich sind, und es wird näher am Anfang des Zeitraums 503 aufgeschaltet, um ausreichende oder größtmögliche Zeit zum Messen der Antworten in der Antwortmesszeitspanne 505 zu ermöglichen.
6A zeigt einen Graphen eines Aufschalteingangssignals 601, das in die Batterie eingegeben werden kann. Dieser Graph ist ein Beispiel. Die Dauer der Impulsaufschaltung beträgt 0,1 Sekunden, und die Größe ist 1 Ampere. Die Batterieanschlussspannung wird alle 0,1 Sekunden gemessen, bis die Anzahl von Messungen ausreicht, um das Batteriemodell zu identifizieren.
6B zeigt einen Graphen der abgetasteten Batterieanschlussspannung 603, die sich aus dem aufgeschalteten Stromimpulssignal 601 ergibt. In diesem Beispiel beginnt die Batterie mit einer Spannung von 277,1 Volt, wenn das Aufschalteingangssignal 601 an die Batterie angelegt wird. Die Batterieanschlussspannung (v_t) steigt auf weniger als 277,2 Volt, und ein Satz der gemessenen Spannungssignale kann verwendet werden, um ein Batteriemodell zu identifizieren, wie z. B. oben beschrieben worden ist. Die Batterieanschlussspannung 603 kann so lange abgetastet werden, bis die Anzahl von Messungen groß genug ist, um ein Batteriemodell mit einer erforderlichen Genauigkeit zu identifizieren.
7A zeigt einen Graphen des Batterieeingangsstroms als eine Funktion der Zeit. Die x-Achse ist eine Zeit in Sekunden, und die y-Achse ist ein Strom in Ampere. Ein Stromprofil mit mehreren Frequenzkomponenten kann an ein Batteriesystem angelegt werden.
7B zeigt einen Batteriespannungsgraphen und vergleicht v_ref, die durch ein Referenzbatteriemodell berechnet worden ist, und eine Modellspannung, die durch ein identifiziertes Modell berechnet worden ist, als eine Funktion der Zeit. Die x-Achse ist eine Zeit in Sekunden, und die y-Achse ist eine Spannungsantwort, ausgedrückt als v_oc – v_t – R₀i. Wie gezeigt wird, folgt die Modellspannung, gezeigt in gestrichelter Linie, dicht der Referenzspannung v_ref. In diesem Beispiel ist der y-Maßstab nicht groß genug, um zu zeigen, dass das identifizierte Batteriemodell sich vom Referenzsignal unterscheidet.
8A zeigt einen Graphen des berechneten maximalen Batterieentladestroms als eine Funktion der Zeit für ein Ausführungsbeispiel. Diese Berechnung wird unter Verwendung der hier beschriebenen Strukturen und Verfahren durchgeführt. Dieser Graph und die ihm zugrundeliegenden Daten können verwendet werden, um den Betrieb eines Fahrzeugs, z. B. eines HEV 102, zu steuern.
8B zeigt einen Graphen des berechneten maximalen Batterieladestroms als eine Funktion der Zeit für ein Ausführungsbeispiel. Diese Berechnung wird unter Verwendung der hier beschriebenen Strukturen und Verfahren durchgeführt. Dieser Graph und die ihm zugrundeliegenden Daten können verwendet werden, um den Betrieb eines Fahrzeugs, z. B. eines HEV 102, zu steuern.
9 zeigt eine Maschinendarstellung in Diagrammform in der beispielhaften Form eines Computersystems 900, in dem ein Befehlssatz ausgeführt werden kann, der bewirkt, dass die Maschine irgendeine oder mehrere der hier erörterten Verfahren, Prozesse, Operationen oder Methoden durchführt. Das HEV 102 kann mit einem oder mehreren Computersystemen 900 betrieben werden. Das HEV 102 kann die Funktionalität eines oder mehrerer Computersysteme 900 oder Teile des Computersystems 900 beinhalten.
In einem Ausführungsbeispiel wird die Maschine als eine Einzeleinrichtung betrieben oder kann mit anderen Maschinen verbunden sein (z. B. über ein Netzwerk). Bei einem vernetztem Einsatz kann die Maschine mit der Fähigkeit eines Servers oder einer Client-Maschine in einer Server-Client-Netzwerkumgebung oder als eine Peer-Maschine in einer Peer-to-Peer-(oder verteilten)Netzwerkumgebung betrieben werden. Die Maschine kann Folgenden ähneln, oder sie enthält Komponenten der Folgenden: ein Server-Computer, ein Client-Computer, ein Personal Computer (PC), ein Tablet-PC, eine Set-Top-Box (STB), ein Personal Digital Assistant (PDA), ein Mobiltelefon, eine Web-Anwendung, ein Netzwerk-Router, -Switch oder -Bridge sein oder irgendeine Maschine, die in der Lage ist, einen Befehlssatz (sequentiell oder anders) auszuführen, der von dieser Maschine zu erbringende Aktionen spezifiziert. Obwohl nur eine einzelne Maschine veranschaulicht wird, ist der Begriff „Maschine” weiterhin so aufzunehmen, dass er irgendeine Ansammlung von Maschinen beinhaltet, die einzeln oder gemeinsam einen Satz (oder mehrere Sätze) von Befehlen ausführt bzw. ausführen, um irgendeine oder mehrere der hier erörterten Methoden durchzuführen.
Das beispielhafte Computersystem 900 enthält wenigstens einen Prozessor 902 (z. B. einen Hauptprozessor (CPU, Central Processing Unit), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU, Graphics Processing Unit), Hilfsprozessoren oder Kombinationen daraus), einen Hauptspeicher 908 und einen statischen Speicher 914, die miteinander über einen Bus 928 in Verbindung stehen. Das Computersystem 900 kann weiterhin eine Video-Display 906 enthalten (z. B. ein Flüssigkristall-Display (LCD, Liquid Crystal Display), Leuchtdioden (LED, Light Emitting Diode) oder eine Kathodenstrahlröhre (CRT, Cathode Ray Tube)). Das Display 906 kann sich am Fahrerarmaturenbrett des Fahrzeugs oder anderswo im Fahrzeug montiert befinden. Das Computersystem 900 enthält auch eine alphanumerische Eingabeeinrichtung 912 (z. B. eine Tastatur oder ein Touchpad, das eine Tastatur darstellt), eine Cursorsteuereinrichtung 916 (z. B. eine Maus, ein Touch-Screen, einen Joystick, ein Trackpad oder Ähnliches), eine Treibereinheit 920, eine Signalerzeugungseinrichtung 926 (z. B. einen Lautsprecher, eine Hupe oder einen Tongenerator) und eine Netzwerkschnittstelleneinrichtung 918.
Die Treibereinheit 920 enthält ein maschinenlesbares Medium 922, auf dem ein oder mehrere Befehlssätze 910 (z. B. Software) gespeichert sind, die irgendeine oder mehrere der hier beschriebenen Methoden oder Funktionen verwirklichen. Die Befehle 910 können sich auch, vollständig oder wenigstens teilweise, während ihrer Ausführung durch das Computersystem 900 im Hauptspeicher 904 und/oder im Prozessor 902 befinden. Der Hauptspeicher 908 und der Prozessor 902 stellen ebenfalls maschinenlesbarer Medien dar.
Die Software, z. B. die Befehle 910, können weiterhin mittels der Netzwerkschnittstelleneinrichtung 918 über ein Netzwerk 924 mittels Kommunikationsprotokollen übertragen oder aufgenommen werden, die Daten zur Übertragung codieren und decodieren können. Die Software-Befehle 910 können auch über den Bus 928 übertragen werden.
Obwohl das maschinenlesbare Medium, z. B. das Element 922, in einem Ausführungsbeispiel so gezeigt worden ist, dass es sich um ein einzelnes Medium handelt, sollte der Begriff „maschinenlesbares Medium” so aufgenommen werden, dass er ein einzelnes Medium oder mehrere Medien beinhaltet (z. B. eine zentralisierte oder eine verteilte Datenbank und/oder zugehörige Caches und Server), die den einen oder die mehreren Befehlssätze speichern. Der Begriff „maschinenlesbares Medium” sollte auch so aufgenommen werden, dass er irgendein Medium beinhaltet, das in der Lage ist, einen Befehlssatz zur Ausführung durch die Maschine zu speichern, zu codieren oder zu halten, und das bewirkt, dass die Maschine irgendeine oder mehrere der Methoden der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchführt. Zu solchen Medien können dinghafte Medien zählen. Der Begriff „maschinenlesbares Medium” ist dementsprechend so aufzunehmen, dass er Busse, dinghafte Trägerwellensignale, Halbleiterspeicher und optische und magnetische Medien beinhaltet, ohne darauf beschränkt zu sein.
In Anwendungen elektrisch betriebener Fahrzeuge ist die Leistungsfähigkeitsprognose in Echtzeit wichtig, um Schädigung der Batterie und Störungsmodi zu verhindern, die durch Überladen und Überentladen bewirkt werden. Eine Batterie kann so modelliert werden, dass ein Batteriemanagementsystem, z. B. die Prozessoren, Schaltkreise, Module oder Controller des Fahrzeugs, die Wahrscheinlichkeit von Schädigung oder Störung reduzieren kann. Ein Batteriemanagementsystem in Anwendungen elektrisch betriebener Fahrzeuge, wie zum Beispiel im Elektrofahrzeug (EV), Plug-in Hybridelektrofahrzeug (PHEV) und Vollhybridelektrofahrzeug (FHEV), kann Batteriemodellidentifizierung verwenden. Allerdings muss die Batteriemodellidentifizierung nicht kontinuierlich ausgeführt werden, weil die Änderung der Modellparameter nicht kontinuierlich so schnell erfolgt. Somit kann die Batteriemodellidentifizierung auf Anforderung ausgeführt werden. Allerdings sollte der Identifizierungsprozess innerhalb eines kurzen Zeitraums und in Echtzeit erfolgen, sobald er gestartet worden ist, so dass einfachere und effizientere Berechnungsschemata verwendet werden können, weil der Prozess im Fahrzeug ausgeführt wird. Die vorliegende Offenbarung beschreibt einen Ansatz zum Identifizieren des Batteriesystems durch Unterraumidentifizierungsansätze.
Die Batteriemodellidentifizierung, wie sie hier beschrieben wird, verwendet das Verwenden eines Stromaufschaltverfahrens. Wie hier beschrieben wird, kann die Batteriesystemdynamik ohne Durchsatzrate des Stroms ausgedrückt werden. Es wird lediglich eine Aufschaltung eines Stromsignals auf die Batterie benötigt. Das Batteriesystem kann einschließlich eines Innenwiderstands R₀ modelliert werden, der typischerweise als eine D-Matrix dargestellt wird. Indem dies aus der Systemantwort für das Aufschaltsignal herausgelöst wird, wird angenommen, dass das Systemmodell mit einer einfacheren Form und verbesserter Genauigkeit identifiziert werden kann. Im Ergebnis wird das Identifizierungsproblem in zwei Teile getrennt: R₀-Schätzung und Schätzung der Systemdynamik.
Obwohl oben Ausführungsbeispiele beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Stattdessen sind die in der Spezifikation verwendeten Begriffe eher beschreibende als einschränkende Begriffe, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Umsetzungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.

Claims

Fahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Traktionsbatterie, die mehrere Zellen enthält; und wenigstens einen Controller, der dazu ausgelegt ist, die Traktionsbatterie gemäß Stromgrenzen eines Batteriemodells zu betreiben, das anhand einer Antwort der Batterie auf einen Stromimpuls identifiziert wird, der der Batterie aufgeschaltet wird, während die Batterie nicht zum Antreiben des Fahrzeugs entladen wird oder aufgeladen wird.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Impuls eine zugehörige, vorbestimmte Abtastzeit und Größe aufweist und die Antwort eine Zusammenstellung von Batterieanschlussspannungen ist, die zu jedem Abtastzeitpunkt während einer vorgegebenen Dauer gemessen werden.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die vorgegebene Dauer lang genug ist, um eine Reihe von Spannungsmessungen zusammenzustellen, die zum Identifizieren des Batteriemodells verwendet werden.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, ein diskretes Raummodell der Traktionsbatterie zu erstellen und das diskrete Raummodell in ein kontinuierliches Zustandsraummodell umzuwandeln.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei die Stromgrenzen auf dem kontinuierlichen Zustandsraummodell basieren.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, Eigenzerlegung zum Transformieren des kontinuierlichen Zustandsraummodells zu verwenden, um mathematische Ausdrücke zum Schätzen der Batteriestromgrenzen abzuleiten.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Controller zu Folgendem ausgelegt ist: Erstellen einer Hankel-Matrix unter Verwendung der Antwort, Zerlegen der Hankel-Matrix in einen Singulärwert, Identifizieren von diskreten Zustandsraummatrizen anhand des Singulärwerts, Umwandeln der diskreten Zustandsraummatrizen in kontinuierliche Zustandsraummatrizen, Durchführen von Eigenzerlegung auf den kontinuierlichen Zustandsraummatrizen, um mathematische Ausdrücke abzuleiten, und Berechnen der Batteriestromgrenzen unter Verwendung der mathematischen Ausdrücke.
Fahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Traktionsbatterie, die mehrere Zellen enthält; und wenigstens einen Controller, der für Folgendes programmiert ist: Aufschalten eines elektrischen Stromimpulses mit einer Dauer und einer Größe auf die Traktionsbatterie, während der Controller die Batterie nicht auflädt oder Strom aus der Batterie zum Antreiben des Fahrzeugs zieht und während die Ausgangsspannung der Traktionsbatterie stabilisiert ist, Messen von Impulsantworten von Spannungsausgängen zu einem vorgegebenen zeitlichen Schritt während einer Zeitspanne, Identifizieren eines Batteriedynamikmodells anhand der Impulsantworten, Umwandeln des Batteriedynamikmodells in ein Zustandsraummodell, Schätzen von Batteriestromgrenzen und verfügbaren Leistungsgrenzen auf Basis des Zustandsraummodells und Betreiben der Traktionsbatterie gemäß den Batteriestromgrenzen und den verfügbaren Leistungsgrenzen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei das Batteriedynamikmodell in einem diskreten Zustandsraummodell identifiziert wird und das diskrete Zustandsraummodell in ein kontinuierliches Zustandsraummodell umgewandelt wird.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei das Zustandsraummodell eine diagonale Systemmatrix aufweist, die Systemeigenwerte enthält, und wobei das Batteriedynamikmodell durch Eigenzerlegung transformiert wird.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei der vorgegebene zeitliche Schritt kurz genug ist, um Batteriesystemdynamikinformationen aufzulösen.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei die Zeitspanne lang genug ist, um Batteriesystemdynamikinformationen zu identifizieren.
Fahrzeug nach Anspruch 8, wobei der Controller zu Folgendem ausgelegt ist: Erstellen einer Hankel-Matrix anhand der Impulsantworten, Zerlegen der Hankel-Matrix in einen Singulärwert, Identifizieren von Zustandsraummatrizen auf Basis des Singulärwerts, Umwandeln der Zustandsraummatrizen in kontinuierliche Formen der Zustandsmatrizen, Durchführen von Eigenzerlegung auf die kontinuierlichen Formen der Zustandsmatrizen und Berechnen der Batteriestromgrenzen unter Verwendung von eigenzerlegten Formen der Zustandsmatrizen.
Verfahren zur Batteriezustandsschätzung, das Folgendes umfasst: Aufschalten eines Signalimpulses auf eine Traktionsbatterie, während die Batterie nicht zum Antreiben des Fahrzeugs entladen wird oder aufgeladen wird; Abtasten einer Antwort der Traktionsbatterie auf den Impuls; und Betreiben der Traktionsbatterie gemäß den Batteriestromgrenzen eines Batteriemodells, das anhand der Antwort identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Abtasten der Antwort Folgendes beinhaltet: Messen von Impulsantworten von Spannungsausgängen zu jedem zeitlichen Schritt während einer Zeitspanne, Identifizieren eines Batteriedynamikmodells anhand der gemessenen Impulsantworten, Transformieren des Batteriedynamikmodells in ein Zustandsraummodell mit einer diagonalen Systemmatrix, die Systemeigenwerte durch Eigenzerlegung enthält und Schätzen der Batteriestromgrenzen und der verfügbaren Leistungsgrenzen anhand eines transformierten Systemdynamikmodells.