DE102015115208B4

DE102015115208B4 - Fahrzeug mit zuordnung von batteriekapazitätsverschlechterung

Info

Publication number: DE102015115208B4
Application number: DE102015115208.8A
Authority: DE
Inventors: James Matthew Marcicki; Oujung Kwon; Theodore James Miller; Xiao Guang Yang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2035-09-11
Also published as: US9843069B2; DE102015115208A1; CN105467325B; US10553896B2; US20160093927A1; US20180053965A1; CN105467325A

Abstract

Fahrzeug, das Folgendes umfasst:eine Traktionsbatterie; undeine Steuerung, die dazu programmiert ist,eine Elektrodenkapazität, die die Batteriealterung angibt, auf Basis von in einem Fahrzyklus erfassten Stromdurchsatzdaten und Batterieleerlaufspannungsdaten auszugeben,als Reaktion darauf, dass die Elektrodenkapazität einen Schwellenwert überschreitet, eine Eingabe an einen Rückkopplungsalgorithmus, der dazu programmiert ist, einen Ladezustand der Traktionsbatterie auszugeben, zu aktualisieren, wobei die Elektrodenkapazität auf einer Änderung des Ladezustands und einem erfassten Strom für die Traktionsbatterie während eines Fahrzyklus basiert, undals Reaktion darauf, dass die Elektrodenkapazität einen Varianzschwellenwert verletzt, einen Wert aktiven Lithiums auf Basis eines vorherigen Parameters aktiven Lithiums, eines Spannungsfehlers und einer Leerlaufspannung der negativen Elektrode auszugeben.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie und einer Steuerung.
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, verbesserten Kraftstoffverbrauch bereit. Ein Verfahren zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs 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 den Betrieb der Batterie regelt und Werte schätzt, die aktuelle Betriebsbedingungen der Batterie beschreiben. Zu den Betriebsbedingungen des Batteriesatzes und/oder der -zelle zählen der SOC, der Leistungsschwund, der Kapazitätsschwund und die momentan verfügbare Leistung der Batterie.
Fahrzeuge mit Traktionsbatterien und Steuerungen sind beispielsweise in DE 10 2011 117 249 A1 und US 2011 / 0 161 025 A1 offenbart.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Fahrzeug enthält eine Traktionsbatterie und eine Steuerung, die mit der Traktionsbatterie in Verbindung steht, um den Batteriezustand unter Verwendung der erfassten Batterieelektrodenkapazität zu bestimmen, um die Batteriealterung zu berücksichtigen. In einem Beispiel ist die erfasste Batterieelektrodenkapazität von aktiven Lithiumionen an einer positiven Elektrode der Traktionsbatterie abhängig. Zudem ist die Steuerung dazu ausgelegt, während eines Fahrzeugfahrzyklus ein Batteriespannungsmodell mit gemessener Batteriespannung zu vergleichen. Die Steuerung kann erfasste Stromdurchsatzdaten und Leerlaufspannung an der Batterie aufnehmen und bestimmen, ob ein Abweichungsschwellenwert überschritten wird. Die Steuerung kann eine Elektrodenkapazitätskorrektur unter Verwendung eines Mittelwerts des Elektrodenkapazitätsrestwerts einleiten, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren. Die Steuerung kann auch eine Korrektur der Kapazität aktiven Lithiums unter Verwendung einer Varianz des Elektrodenkapazitätsrestwerts einleiten, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.
Verschiedene Verfahren können unter Verwendung der oben genannten Fahrzeugstrukturen und Berechnungsmodule durchgeführt werden. Ein Verfahren kann Folgendes beinhalten: Erfassen von Traktionsbatteriestrom und -spannung, Einsetzen eines Rückkopplungsalgorithmus unter Verwendung von erfasstem Batteriestrom und -spannung zum Schätzen des Ladezustands, Berechnen von Batterieelektrodenkapazität unter Verwendung des erfassten Stroms und der Änderung im Ladezustand, Bestimmen der Elektrodenkapazität während eines Fahrtzeitraums, und Aktualisieren eines zum Bestimmen des Ladezustands der Batterie verwendeten Parameters, falls die Elektrodenkapazität einen Schwellenwert überschreitet. In einem Beispiel kann das Verfahren das Bestimmen beinhalten, ob ein mittlerer Schwellenwert oder ein Varianzschwellenwert verletzt wird. Falls der mittlere Schwellenwert verletzt wird, wird ein Mittelwertparameter verringert. Falls der Varianzparameter verletzt wird, wird in einer Ladezustandsberechnung ein Varianzparameter verringert und ein Parameter aktiven Lithiums aktualisiert.
Falls der Varianzparameter verletzt wird, kann der Spannungsfehler aus dem Ladezustandsfehler unter Verwendung von Stromintegration berechnet werden. Falls der Varianzparameter verletzt wird, kann aktives Lithium unter Verwendung eines vorherigen Parameters aktiven Lithiums, eines Spannungsfehlers und der Leerlaufspannung der negativen Elektrode geschätzt werden. Das Erfassen von Traktionsbatteriestrom und -spannung kann von aktiven Lithiumionen an einer positiven Elektrode der Traktionsbatterie abhängig sein. Traktionsbatteriestrom und -spannung können während eines Fahrzeugfahrzyklus gemessen werden. Das Erfassen von Traktionsbatteriestrom und -spannung kann das Erfassen von Stromdurchsatzdaten an der Batterie bei gegebenem Ladezustand und Leerlaufspannung beinhalten. Das Aktualisieren eines Parameters kann das Einleiten einer Elektrodenkapazitätskorrektur unter Verwendung eines Mittelwerts des Elektrodenkapazitätsrestwerts beinhalten, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren. Das Aktualisieren eines Parameters kann das Einleiten einer Korrektur der Kapazität aktiven Lithiums unter Verwendung einer Varianz des Elektrodenkapazitätsrestwerts beinhalten, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren. Das Fahrzeug kann ein Plug-in Hybridelektrofahrzeug (PHEV) oder ein Batterieelektrofahrzeug (BEV) sein.
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 bis 5 sind Flussdiagramme zum Bestimmen von Batterieparametern.
6 ist eine Kurve, die die frühere und die aktuelle Batterieleerlaufspannung als eine Funktion des Ladezustands zeigt.
7 ist eine Kurve von erfasster Spannung und Strom an einer Traktionsbatterie während der Verwendung des Fahrzeugs.
8 ist eine Kurve von Ist- und geschätzten Ladezustandswerten.
9 ist eine Kurve der berechneten Elektrodenkapazität.
10 ist eine Kurve von Elektrodenkapazitätsberechnungen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie erforderlich, werden hier ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; allerdings versteht es sich, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können vergrößert oder verkleinert sein, um Details spezifischer 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.
Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren schätzen gewisse Beiträge an Batteriekapazitätsreduzierungen oder -schwund, z. B. die Beiträge von Elektroden zum Batteriekapazitätsschwund in Elektrofahrzeugen, wie zum Beispiel in Plug-in Hybridelektrofahrzeugen (PHEVs) oder Batterieelektrofahrzeugen (BEVs). In einem Beispiel wird ein Batteriespannungsmodell mit Messwerten der Batteriespannung während eines Fahrzyklus verglichen, um einen Restwert auf Basis der geschätzten Kapazität zu generieren, um zu bestimmen, ob die Batterie in erheblichem Umfang gealtert ist, und, falls das der Fall ist, Parameter des Batteriemanagementsystems (BMS) zu aktualisieren, um die Verschlechterung der Batterieleistungsfähigkeit widerzuspiegeln. Verschlechterung der Batterieleistungsfähigkeit ist ein natürlich auftretendes Phänomen von Batterien. Es können mehrere Beispiele für das Batterieleistungsfähigkeitsmodell existieren, einschließlich phänomenologischer oder First-Principles-Modelle mit dem Vorbehalt, dass das elektrische Potential der Elektroden einzeln prognostiziert wird und die Potentialdifferenz der Elektroden sich der an den Batterieanschlüssen gemessenen Spannung annähert. Bei hierin beschriebenen Beispielen kann ein mathematisches Modell (z. B. ein lineares dynamisches Modell mit einer nichtlinearen Ausgangsgleichung) verwendet werden, jedoch sind andere Varianten linearer und nichtlinearer Modelle möglich. Das mathematische Modell kann Anweisungen, Parameter und Daten beinhalten, die im Fahrzeug zur Ausführung in Modulen und Prozessoren gespeichert werden. In einem Beispiel werden die gemessene Batterieanschlussspannung und -strom Modulen oder Prozessoren zugeführt, um das Leistungsfähigkeitsmodell zu implementieren. Das Leistungsfähigkeitsmodell addiert das prognostizierte Potential der negativen Elektrode zur gemessenen Anschlussspannung, um ein gemessenes Potential der positiven Elektrode zu gewinnen.
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 aus einer Batterie 114 auf, 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 114 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. In einem Beispiel enthält das Leistungssteuermodul 116 Prozessoren, Speicher, Sensoren und andere Schaltkreise zum Interagieren mit der Batterie 114 und zum Messen ihrer Parameter, z. B. der Spannung und des Stroms zu verschiedenen Zeitpunkten, um die Leerlaufspannung der Batterie 114 zu bestimmen. Diese Batterieparameter, einschließlich zum Beispiel der Leerlaufspannung, werden dann von Fahrzeugsteuerungen verwendet, z. B. dem leistungselektronischen Modul 116, dem Antriebsstrangsteuermodul 128 oder anderen, um Fahrzeugfunktionen zu steuern.
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). Auch die Temperatur kann ein Faktor bei der Batterieverschlechterung sein. Zur Batterieverschlechterung kann die Unfähigkeit einer Batterie 114 zählen, eine Ladungsmenge zu halten, z. B. weniger in der Batterie 114 gespeicherte Kilowattstunden (kWh) oder Amperestunden (Ah). Die Batterieverschlechterung kann über die Lebensdauer der Batterie auftreten.
Mit der Zeit und als eine Funktion der vom Fahrzeugantriebsstrang angeforderten Nutzung und der Umgebungsbedingungen verschlechtern sich die Batterieleistung und -energie in einem als Alterung bekannten Prozess. In einem Laboraufbau kann Batteriealterung durch spezielle Tests charakterisiert werden, die das Anweisen eines Stroms und das Überwachen der Batteriespannung einbeziehen. In einem Fahrzeug sind die Labortests nicht möglich. Daher können Energie und Leistung über die Betriebslebensdauer des Fahrzeugs nicht direkt gemessen werden. Die Verschlechterung dieser Batterieleistungsfähigkeitsmetriken sollte in den BMS-Algorithmen enthalten sein, die im leistungselektronischen Modul 116, im Antriebsstrangsteuermodul 128 oder einer anderen fahrzeuginternen Computereinrichtung implementiert werden können, um sicherzustellen, dass über die Betriebslebensdauer des elektrisch betriebenen Fahrzeugs genaue Kenntnis der Batterieleistungsfähigkeit aufrechterhalten wird. Um dieses Anliegen zu behandeln, werden auf Labordaten basierende Modelle verwendet, um die Alterung zu prognostizieren, die bei den erwarteten Batteriebetriebsbedingungen auftreten wird. Solche Modelle können im Speicher des Fahrzeugs gespeichert werden. Verfahren zum Modifizieren oder Bestätigen der Prognosen des Alterungsmodells auf Basis physikalischer Messungen würden die Unsicherheit dieses Prozesses reduzieren und sind Teil der vorliegenden Offenbarung.
Die Verschlechterung der Batterieleistungsfähigkeit kann aus vielen Quellen stammen, jedoch kann der Beitrag jeder Quelle zur Alterung nicht allein auf Basis der Anschlussspannung gemessen werden. Obwohl Alterungsprozesse komplex sind: Auf einem kleinsten Detaillierungsgrad ist es entweder die Elektrode oder eine Verringerung der Menge aktiven Lithiums, die zum Kapazitätsverlust beiträgt. Daten, die den Beitrag zur Alterung jeder Elektrode identifizieren, könnten vom BMS verwendet werden, um die mit den Leistungsfähigkeitsschätzwerten verknüpfte Unsicherheit zu reduzieren, was eine offensivere, effizientere Batterieverwendung gestattet.
Verfahren zum Korrigieren der Energie- und Leistungsschätzwerte des BMS unter Verwendung eingriffsfreier Messungen, die während des Fahrzeugbetriebs gewonnen werden, werden hervorragende Erfahrungen der Anwender mit einem Elektrofahrzeug ermöglichen und bedarfsgerechte Batterieleistungsfähigkeit über die gesamte Fahrzeuglebensdauer bereitstellen. Die Erfüllung dieser Aufgabe unter Verwendung von Verfahren, die den Elektroden zugeordnete Beiträge zur Alterung berücksichtigen, kann ausgezeichnete Genauigkeit im Vergleich zu Standardverfahren bereitstellen.
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 zum Beispiel die Komponente 108 entfernt wird. Ähnlich kann 1 ein herkömmliches Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV) oder ein Power Split Hybrid-Elektrofahrzeug veranschaulichen, falls zum Beispiel 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 als einen geschätzten oder abgeleiteten Zustand zeigen.
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 Steuerungen 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. Die Batteriekapazität kann von der Verfügbarkeit freier Ladung beeinflusst werden, z. B. von Li+, das an einer Elektrode verfügbar ist. Dies kann durch mechanisch oder elektrisch isolierende Barrieren auf der Elektrode, die sich mit der Zeit aufbauen können, oder durch den Mangel an Chemien, die Ladung an der Elektrode bereitstellen, verursacht werden.
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 Nc 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, um elektrische Leistungsfähigkeit und Zustand der Batterie zu erfassen und aussagekräftige Parameter in Bezug auf Zustand und Leistungsfähigkeit der Batterie abzuleiten. Die Batterieparameter werden dann von Fahrzeugsteuerungen oder dem Batteriemanagementsystem, z. B. dem Batteriesteuermodul 208, dem leistungselektronischen Modul 116, dem Antriebsstrangsteuermodul 128 oder anderen, verwendet, um Fahrzeugfunktionen zu steuern.
3 zeigt ein Verfahren 300 zum Aktualisieren von Batterieparametern, die im Fahrzeug für verschiedene Berechnungen verwendet werden, und möglicherweise zum Steuern der Fahrzeugleistungsfähigkeit, soweit sie in Beziehung zur Batterie steht. In 301 wird die Batterieanschlussspannung gemessen. In einem Beispiel ist dies die Leerlaufspannung während eines Fahrzeitraums des Fahrzeugs. Der Strom wird bei einem geschätzten Ladezustand (SOC) zugeführt, und die Abforderung wird gemessen. In 303 wird das prognostizierte Potential der negativen Batterieelektrode zur gemessenen Anschlussspannung addiert. Der resultierende Wert wird in ein Batterieprognosemodell im BMS des Fahrzeugs zurückgeführt. In 307 werden neue Batterieparameter geschätzt, um die Wirkungen des Batteriekapazitätsschwunds zu behandeln, der ein natürliches Phänomen bei verwendeten Batterien sein kann. In 309 können die neuen Batterieparameter optional zum Steuern des Fahrzeugs verwendet werden.
4 zeigt ein Verfahren 400 zum Testen von Batterieparametern, das verwendet werden kann, um das im BMS gespeicherte aktuelle Batteriemodell zu bestätigen. Das Verfahren kann den Elektroden zugeordnete Beiträge zum Batteriekapazitätsschwund schätzen, indem es ein Batteriespannungsmodell mit Messwerten der Batteriespannung während eines Fahrzyklus vergleicht, einen Restwert auf Basis der geschätzten Kapazität generieren, um zu bestimmen, ob die Batterie in erheblichem Umfang gealtert ist, und, falls das der Fall ist, die BMS-Parameter aktualisieren, um die Batterieleistungsverschlechterung widerzuspiegeln.
In 401 erfassen der bzw. die Fahrzeugsensor(en) den Batteriestrom und/oder -spannung, während das Fahrzeug in Betrieb ist. Ein Beispiel für die erfassten Signale wird in 7 gezeigt. Der erfasste Strom kann der Strom sein, der zugeführt wird, im Vergleich zu dem Strom, der vom BMS angewiesen wird. Die erfasste Spannung kann die Spannung am Batterieanschluss sein. Durch das Erfassen, während das Fahrzeug in Betrieb ist, wird ein Ist-Parameter bereitgestellt, der im Fahrzeug verwendet werden kann, und nicht ein theoretischer Schätzwert.
In 403 wird das über der Zeit erfasste Spannungssignal verwendet, um den Elektroden-SOC zu schätzen. Die gemessene Ist-Spannung wird mit der geschätzten Spannung verglichen. Die geschätzte Spannung wird durch das aktuelle Batteriemodell bestimmt. In einem Beispiel können die Module, Prozessoren und Schaltkreise im Fahrzeug ein Batteriemodell speichern und anwenden, um die Wirkung der Spannung auf die Zellimpedanz zu schätzen, und dann die Wirkungen der Impedanz von den Spannungsmesswerten abzuziehen und die kompensierte Spannung als die Leerlaufspannung zu behandeln. Die Verarbeitung des Batteriemodells stellt eine wohldefinierte Beziehung zwischen der Leerlaufspannung und dem Zell-SOC bereit, die charakterisiert und im Fahrzeug gespeichert wird. Das Modell und die Beziehung können im Fahrzeug installiert werden, bevor das Batteriesystem vom Kunden in Betrieb genommen wird. Ein Beispiel für den Ist- und den geschätzten SOC wird in 8 gezeigt.
In 405 wird die Elektrodenkapazität unter Verwendung des erfassten Stromdurchsatzes berechnet. Der Stromdurchsatz ist das zeitliche Integral des Stromsignals. In einem Beispiel beginnt das Zeitintervall bei Fahrzeug-Schlüssel-Ein und endet an verschiedenen Punkten über den gesamten Fahrzyklus, um ein Restwertsignal zu generieren, wie es z. B. in 9 aufgezeichnet ist. Die Elektrodenkapazität kann auch von einer SOC-Änderung abhängig sein. Unter Verwendung des erfassten Stroms der Zelle und der SOC-Änderung über den gleichen Zeitraum wird die Elektrodenkapazität berechnet.
In 407 erfolgt statistische Verarbeitung der Elektrodenkapazität. In Abhängigkeit von den Fehlerrestwerteigenschaften wird der Beitrag jeder Elektrode zum Kapazitätsschwund geschätzt. Zum Beispiel können der Mittelwert und die Varianz des Restwerts für den gesamten Fahrzyklus berechnet werden. Falls die Statistik gewisse Schwellenwertkriterien erfüllt, dann wird der wahrscheinliche Verschlechterungsmechanismus bestimmt, und die BMS-Parameter für die verknüpfte Elektrode können zur Berücksichtigung des aktuellen Verschlechterungsgrads korrigiert werden. Ein Beispiel für die möglichen Fehler wird in 10 gezeigt. Der Mittelwert ist in einem nicht gealterten Fall ungefähr null und wird während der Alterung größer als null, falls der Kapazitätsschwund durch die positive Elektrode verursacht wird. Der neue Kapazitätswert wird direkt anhand der Verschiebung des Restmittelwerts geschätzt, und Modellparameter werden aktualisiert, um die neue Elektrodenkapazität widerzuspiegeln. Die Varianz des Restwerts wird nicht beeinflusst, und das Korrigieren des Mittelwerts setzt den geschätzten Restwert auf seinen Nennpegel zurück.
In 409 erfolgt ein Vergleich der berechneten Batterieparameter mit Schwellenwerten. Falls die berechneten Batterieparameter den Schwellenwert nicht überschreiten, dann behält das Verfahren die aktuellen Batterieparameter, Schritt 411. Falls die berechneten Batterieparameter den Schwellenwert überschreiten, dann fährt das Verfahren mit dem Batterieparameteraktualisierungsschritt 411 fort. Der Batterieparameteraktualisierungsschritt wird nachstehend in Bezug auf 5 beschrieben.
5 zeigt ein Verfahren 500 zum Bestimmen, ob das im Fahrzeug gespeicherte Batteriemodell gültig ist. In 501 wird bestimmt, ob ein Schwellenwert eines Batterieparameters verletzt wird. Ein Modul oder Prozessor kann als ein Teil des BMS diese Bestimmung durchführen. Die Batterieparameter können die Leerlaufspannung, die Elektrodenkapazität, der Ladezustand oder Kombinationen daraus sein. In einem Beispiel wird die Elektrodenkapazität unter Verwendung der Leerlaufspannung und des Ladezustands bestimmt. Die Elektrodenkapazität wird dann mit Schwellenwertparametern verglichen, und das Modell kann dann aktualisiert werden, falls Schwellenwerte verletzt werden. Falls der statistische Schwellenwert, der verletzt wird, der Mittelwert ist, fährt der Prozess dann mit dem Prozessablauf in den Schritten 503 - 505 fort. Falls der statistische Schwellenwert, der verletzt wird, die Varianz ist, dann fährt der Prozess mit dem Prozessablauf bei den Schritten 507 - 513 fort.
In 503 wird der Mittelwert durch die in den vorherigen Schritten bestimmte Änderung erhöht, z. B. unter Verwendung von µ = µ + Δµ. In 505 wird die Elektrodenkapazität aktualisiert, um ihre Parameter im Batteriemodell im BMS zu korrigieren, um den Fehler zu reduzieren. Die Fehlerreduzierung wird in 14 gezeigt. Der Mittelwert für eine nicht gealterte Batterie wird ungefähr null sein. Mit der Zeit und über einen Fahrzyklus kann sich der Mittelwert ändern und statistisch signifikant und größer als null werden. Die neue Batteriekapazität kann direkt anhand einer Verschiebung im Mittelwert geschätzt werden. In einem Beispiel ist der Schwellenwert eine Verschiebung von 5 % in einer Verschiebung im Mittelwert.
Nun bezugnehmend auf den Prozessablauf der Schritte 507 - 513: Der Batteriekapazitätsschwund kann auf den Verlust aktiver Chemien in der Batterie, z. B. Li+, zurückzuführen sein. Falls der Batteriekapazitätsschwund auf den Verlust aktiven Lithiums zurückzuführen ist, dann weisen die Kapazitätsschätzwerte, die später im Fahrzyklus ermittelt werden, einen größeren Fehler auf als die, die früher im Fahrzyklus ermittelt werden. Das Ergebnis ist, dass die Varianz des Restwerts größer als der Nennpegel ist, neben einer kleinen Verschiebung des Restmittelwerts, die kleiner ist als im Fall des Kapazitätsverlusts der positiven Elektrode. In 507 wird die Erhöhung der Varianz berücksichtigt und kann unter Verwendung von δ2 = δ2 + Δδ2 aktualisiert werden. In 509 können der Spannungsfehler zwischen dem Rückkopplungsschleifenschätzwert und der Stromintegrationsschätzwert verwendet werden, um einen Spannungsfehler unter Verwendung der Leerlaufspannung der positiven Elektrode zu berechnen. Ein Beispiel wird in 11 gezeigt. In 511 werden diese Spannungsfehler in einer Interpolationstabelle der Leerlaufspannung der negativen Elektrode angewendet, um die neue Menge aktiven Lithiums zu bestimmen. Ein Beispiel wird in 12 gezeigt. In 513 wird der gespeicherte Batterieparameter der verfügbaren aktiven Batteriechemie, z. B. Lithium, im BMS aktualisiert.
Es versteht sich weiterhin, dass eine Rückkopplungsschleife für das vorliegende System und das bzw. die Verfahren bereitgestellt werden kann. In einem Beispiel wird ein Extended Kalman-Filter auf die Daten, die die positive Elektrode oder beide Elektroden darstellen, angewandt. Verschiedene andere statistische Verfahren, über Mittelwert und Varianz hinaus, können zur Verarbeitung des Restwerts innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
6 zeigt eine Kurve 600 der Leerlaufspannung der Batterie als eine Funktion des Ladezustands. Die Kurve konzentriert sich auf das untere Viertel des Ladezustands der Batterie, weil das untere Ende des Ladezustands empfindlich gegenüber Fehlern in der detektierten Leerlaufspannung ist. Im Ergebnis stützen sich manche Fahrzeuge nicht auf das untere Ende des SOC zur bedarfsgerechten Versorgung des Fahrzeugs unter Verwendung der Batterie. Das heißt: Diese Unsicherheit hinsichtlich der Ist-Batterieparameter kann bewirken, dass die Steuerung der Batterie einen weniger effizienten Betriebszustand vorgibt. Aufgrund der verknüpften Unsicherheit verwendet die Steuerung in manchen extremen Steuerschemata den unteren Ladezustandsbereich nicht. Dementsprechend verringert sich die Wirkenergie der Batterie. Die Kurve 601 ist die Basislinie der Leerlaufspannung einer nicht gealterten Batterie. Eine nicht gealterte Batterie ist eine Batterie, die frisch im Fahrzeug installiert ist und die Testdaten zugrunde legen kann. Die Kurve 603 zeigt die Wirkung der positiven Elektrode, wie sie in einem Fahrzeug verwendet wird, auf die Elektrodenleerlaufspannung. Die Kurve 605 zeigt die Wirkung des Schwunds an aktiven Ionen, wie sie in einem Fahrzeug verwendet werden, auf die Elektrodenleerlaufspannung im Vergleich zur Basislinienkurve 601. Wie gezeigt wird, zeigen die Kurve 605 des Schwunds und die Kurve 603 der positiven Kapazität, dass bis zu 20 % Batteriekapazitätsschwund auftreten kann, der durch den Verlust aktiven Lithiums oder durch Kapazitätsverlust der positiven Elektrode verursacht wird. Ein Batteriemanagementsystem, das die sich aus der Batteriealterung ergebenden Differenzen in der Leerlaufspannung nicht berücksichtigt, könnte zu einem ungenauen SOC-Parameter im System führen. Wie in 6 gezeigt wird, kann ein Fehler von ungefähr 8 % (+/- 2 %) zwischen dem Fall des Schwunds positiver Kapazität (605) und dem Basislinienfall bei 3,5 V auftreten, angegeben als ΔSOC. Ein ähnliches Argument könnte für den Fall des aktiven Lithiums genommen werden, z. B. ein Fehler von bis zu ungefähr 8 % (+/- 2 %).
7 zeigt eine Kurve von gemessenem Strom und Spannung an einer Traktionsbatterie. In diesem Beispiel werden der gemessene Strom und Spannung über der Zeit während eines Fahrzyklus eines BEV oder eines PHEV in einer rein elektrischen Betriebsart aufgenommen. Diese Messwerte können verwendet werden, um die Beiträge der Elektrodenleistungsfähigkeit zum Batteriekapazitätsschwund zu bestimmen. Der während des Fahrzyklus gemessene Strom kann kontinuierlich integriert werden, z. B. in Prozessoren und Modulen in den Fahrzeugen, um die aus der Batterie entfernte elektrische Netto-Ladung zu bestimmen.
8 zeigt eine Kurve eines SOC-Schätzwerts. Unter Verwendung von SOC-Schätzwerten von zwei unterschiedlichen Zeitpunkten, die z. B. einen Anfangszeitpunkt zu Beginn des Fahrzyklus und einen anderen Zeitpunkt, nachdem eine ausreichende SOC-Differenz erzeugt worden ist, enthalten, können die Eigenschaften der positiven Elektrode bestimmt werden. Zu den Eigenschaften der positiven Elektrode kann die Kapazität der positiven Elektrode zählen, die die Verschlechterung der betrieblichen Leistungsfähigkeit darstellen kann, z. B. der Fähigkeit der positiven Elektrode zum Leiten von elektrischer Ladung in die oder aus der Batterie. Der Prozess kann unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher Anfangs- und Endzeitpunkte wiederholt werden, um eine Zeitreihe der Schätzwerte der Kapazität der positiven Elektrode vom Fahrzeug-Schlüssel-Ein bis -Schlüssel-Aus zu erzeugen.
9 zeigt eine Kurve der berechneten Elektrodenkapazität, die anhand der Daten in der Kurve aus 8 und dem zugehörigen Prozess bestimmt werden kann. Die Schätzwerte der Elektrodenkapazität können verwendet werden, um vorherige Elektrodenkapazitätsschätzwerte zu vergleichen, die im Speicher des Fahrzeugs gespeichert sein können.
10 zeigt eine Kurve statistischer Daten aus dem Verarbeiten der Elektrodenkapazitätsdaten auf Basis der Fahrzeugfahrzeit. Die Wirkungen der nicht gealterten Batterie und der auf mechanische Komponente zurückzuführende Beitrag zur elektrischen Leistungsfähigkeit werden geschätzt. Zu den Beiträgen mechanischer Komponenten können Elektrodenwirkungen, z. B. Wirkungen der positiven Elektrode, die Fehlerrestwerteigenschaften und der Elektrodenkapazitätsschwund jeder Elektrode, der geschätzt werden kann, zählen. Zum Beispiel können der Mittelwert und die Varianz des Restwerts für den gesamten Fahrzyklus berechnet werden. Falls die Statistik gewisse Schwellenwertkriterien erfüllt, dann wird der wahrscheinliche Verschlechterungsmechanismus bestimmt, und die BMS-Parameter für die verknüpfte Elektrode können zur Berücksichtigung des aktuellen Verschlechterungsgrads korrigiert werden. In einem Beispiel beträgt der Mittelwert in Amperestunden -0,5 Ah und die Varianz 0,3 Ah, falls ΔQ = 0. Dieses Beispiel kann das Beispiel für die nicht gealterte Batterie sein. In einem Beispiel beträgt der Mittelwert in Amperestunden 0,8 Ah und die Varianz 3,1 Ah, falls ΔQ (aktives Li) = 2 Ah. In einem Beispiel beträgt der Mittelwert in Amperestunden 2,2 Ah und die Varianz 0,3 Ah, falls ΔQ (positive Elektrode) = 2,0 Ah. In einem Beispiel beträgt der Mittelwert in Amperestunden 1,4 Ah und die Varianz 2,6 Ah, falls ΔQ (kombiniert) = 2 Ah. Falls der Schwellenwert auf 1,0 Ah eingestellt ist, dann können die Beispiele danach unterschieden werden, ob der Mittelwert, die Varianz oder sowohl Mittelwert als auch Varianz den Schwellenwert überschreiten. Der Mittelwert ungleich null und die Varianz für das nicht gealterte Beispiel (ΔQ = 0) spiegeln typische Modellierungsfehler und Sensorrauschen wider.
Die 11 bis 13 beziehen sich auf den Prozess, wenn der Varianzschwellenwert verletzt ist (siehe Beschreibung der 4 und 5). Die Kurven aus den 11 bis 13 zeigen Daten, die sich auf das Korrigieren der Komponente aktives Lithium für das Batteriemodell beziehen.
11 zeigt eine Kurve einer berechneten Spannungsänderung (ΔV) in Volt als eine Funktion der SOC-Änderung (ΔSOC). Dies kann ein Ergebnis von Schritt 509 in dem in Bezug auf 5 beschriebenen Prozess sein. Falls der Batteriekapazitätsschwund auf den Verlust aktiven Lithiums zurückzuführen ist, dann weisen die Kapazitätsschätzwerte, die später im Fahrzyklus ermittelt werden, einen größeren Fehler auf als die, die früher im Zyklus ermittelt werden. Das Ergebnis ist, dass die Varianz des Restwerts größer als der Nennpegel ist, neben einer kleinen Verschiebung des Restmittelwerts, die kleiner ist als im Fall des Kapazitätsverlusts der positiven Elektrode. In diesem Fall werden die SOC-Schätzwerte vom Ende des Fahrzyklus mit Schätzwerten, die rein auf Stromintegration basieren, verglichen. Der Fehler zwischen dem modellbasierten Schätzwert und dem Stromintegrationsschätzwert wird verwendet, um einen Spannungsfehler unter Verwendung der Leerlaufspannung der positiven Elektrode zu berechnen.
12 zeigt eine Kurve einer Komponente aktiven Lithiums, die zu einer Änderung der Batteriekapazität beiträgt. Dies kann ein Ergebnis von Schritt 511 in dem in Bezug auf 5 beschriebenen Prozess sein. Die Spannungsfehler werden in einer Interpolationstabelle für die Leerlaufspannung (OCV, Open Circuit Voltage) der negativen Elektrode verwendet, um die neue Menge aktiven Lithiums zu bestimmen.
13 zeigt eine Kurve statistischer Verarbeitung der Restwerte der Komponente aktiven Lithiums zur Batteriekapazitätsänderung. Diese Kurve zeigt, dass das Aktualisieren des Batteriemodells die Fehlerwahrscheinlichkeit im Batteriemodell reduziert.
14 zeigt eine Kurve der Korrektur des Fehlers im Batteriemodell in Bezug auf die positive Elektrodenkomponente.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen im Allgemeinen mehrere Schaltungen oder andere elektrische Einrichtungen bereit, z. B. Prozessor(en), Logikschaltkreise, Speicher-Logik-Arrays usw. Es ist beabsichtigt, dass alle Bezugnahmen auf die Schaltungen, Schaltkreise und andere elektrische Einrichtungen und die von jeder bereitgestellte Funktionalität nicht darauf beschränkt sind, nur das zu umfassen, was hier veranschaulicht und beschrieben wird. Obwohl besondere Bezeichner den verschiedenen offenbarten Schaltkreisen oder anderen elektrischen Einrichtungen zugeordnet sein können, ist nicht beabsichtigt, dass solche Bezeichner den Betriebsumfang für die Schaltkreise und die anderen elektrischen Einrichtungen einschränken. Solche Schaltkreise 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 alle hierin offenbarten Schaltkreise oder andere elektrische Einrichtung irgendeine Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltungen, Speichereinrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffspeicher (RAM), Nur-Lese Speicher (ROM), löschbarer PROM (EPROM), elektrisch löschbarer PROM (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Anweisungen (z. B. Code oder Software) enthalten können, die miteinander zusammenwirken, um hier offenbarte 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 durchzuführen. Weiterhin können die hier beschriebenen Module und Einrichtungen die Schaltkreise und elektrischen Einrichtungen zum Verbinden mit anderen Einrichtungen und zum Durchführen der hier beschriebenen Verfahren enthalten. Es versteht sich, dass hier beschriebene Batterieparameter unter Verwendung dieser Strukturen und Einrichtungen berechnet und mit solchen Einrichtungen gespeichert werden können, um später in Berechnungen und der Steuerung eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs verwendet zu werden.
Einige frühere Ansätze zum Schätzen von Batteriekapazität beruhen auf einer Ersatzschaltung erster Ordnung mit einer einzigen Beziehung für die Batterieleerlaufspannung zum Ladezustand. Dieser Ansatz ordnet möglicherweise nicht die Beiträge jeder Batterieelektrode zu. Es können Vorteile des den Elektroden zugeordneten Algorithmus vorhanden sein, zu denen genauere Energie- und Leistungsschätzung ebenso zählen wie verbesserte Ladezustandsschätzung. Genauere Batteriekapazitätsschätzung kann zu verbessertem Kraftstoffverbrauch und beständig besserer Fahrzeugleistungsfähigkeit durch Zugrundelegung von optimierten Steueralgorithmen führen.
Durch Identifizieren der Kapazitätsschwundmechanismen und Einbeziehen dieses Mechanismus bzw. dieser Mechanismen in die Batteriekapazitätsschätzung wird es leichter, beobachtete Änderungen der Batteriekapazität zur Batterieleistung in Beziehung zu setzen und umgekehrt. In einem hier ausführlicher beschriebenen Beispiel ist bei der gleichen externen Stromabforderung eine höhere scheinbare Stromdichte in der Elektrode vorhanden, falls der Batteriekapazitätsschwund auf den Verlust von Kapazität der positiven Elektrode zurückzuführen ist. Dies kann zu einem höheren Batteriewiderstandswert und verringerter Leistung führen. Alternativ kann genaue Kenntnis der Menge aktiven Lithiums verwendet werden, um die Stärke des an jeder Elektrode gebildeten Widerstandsfilms (eine mechanische Struktur, die die elektrische Leistungsfähigkeit beeinträchtigt) zu schätzen, der die Leistung verringert.
Falls eine Interpolationstabelle oder andere gespeicherte Batterieparameter verwendet werden, um die Leerlaufspannung in Beziehung zum Ladezustand zu setzen, und die Beziehung nicht unter Verwendung des hier beschriebenen, den Elektroden zugeordneten Verfahrens mit Elektrodenzuordnung aktualisiert wird, dann sind Fehler beim Melden des Batterieladezustands möglich. Der Bereich des niedrigen Ladezustands (weniger als 50 % SOC, weniger als 40 % SOC oder weniger als 30 % SOC) wird durch diesen Prozess besonders beeinflusst. Falls der Bereich des niedrigen Ladezustands aufgrund der zugehörigen Unsicherheit nicht verwendbar ist, verringert sich die effektive Batteriekapazität oder die Reichweite der Batterie. Die mögliche Genauigkeit der Batteriekapazität aus dem bzw. den vorliegenden Verfahren stellt eine Verbesserung im Vergleich zu früheren Verfahren bereit. Solch eine Verbesserung kann bis zu etwa 10 % oder bis zu etwa 8 % betragen.
Es wird ferner beschrieben:

A. Fahrzeug, das Folgendes umfasst:
- eine Traktionsbatterie; und
- eine Steuerung, die dazu programmiert ist, Batterieelektrodenkapazität, die die Batteriealterung angibt, auf Basis von in einem Fahrzyklus erfassten Stromdurchsatzdaten und Batterieleerlaufspannungsdaten auszugeben.
B. Fahrzeug nach A, wobei die Batterieelektrodenkapazität von aktiven Lithiumionen an einer positiven Elektrode der Traktionsbatterie abhängig ist.
C. Fahrzeug nach B, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, ein Batteriespannungsmodell mit in einem Fahrzyklus gemessener Batteriespannung zu vergleichen.
D. Fahrzeug nach A, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, eine Bedingung der Verletzung eines Abweichungsschwellenwerts auf Basis von in einem Fahrzyklus erfassten Stromdurchsatzdaten und Batterieleerlaufspannungsdaten auszugeben.
E. Fahrzeug nach A, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, eine Elektrodenkapazitätskorrektur auf Basis eines Mittelwerts des Elektrodenkapazitätsrestwerts einzuleiten, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.
F. Fahrzeug nach A, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, eine Korrektur der Kapazität aktiven Lithiums auf Basis einer Varianz des Elektrodenkapazitätsrestwerts einzuleiten, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.
G. Verfahren zum Steuern einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, das Folgendes umfasst:
- als Reaktion darauf, dass eine Elektrodenkapazität der Batterie einen Schwellenwert überschreitet, Aktualisieren einer Eingabe an einen Rückkopplungsalgorithmus, der dazu programmiert ist, einen Ladezustand der Batterie auszugeben, wobei die Elektrodenkapazität auf einer Änderung des Ladezustands und einem erfassten Strom für die Batterie während eines Fahrzyklus basiert.
H. Verfahren nach G, das weiterhin umfasst, als Reaktion darauf, dass ein Varianzparameter verletzt wird, einen Spannungsfehler auf Basis eines Ladezustandsfehlers unter Verwendung von Stromintegration auszugeben.
I. Verfahren nach G, das weiterhin umfasst, als Reaktion darauf, dass ein Varianzparameter verletzt wird, einen Wert aktiven Lithiums auf Basis eines vorherigen Parameters aktiven Lithiums, eines Spannungsfehlers und einer Leerlaufspannung der negativen Elektrode auszugeben.
J. Verfahren nach G, wobei der erfasste Strom von aktiven Lithiumionen an einer positiven Elektrode der Batterie beeinflusst wird.
K. Verfahren nach G, wobei der erfasste Strom erfasste Stromdurchsatzdaten beinhaltet.
L. Verfahren nach G, wobei das Aktualisieren der Eingabe das Einleiten einer Elektrodenkapazitätskorrektur unter Verwendung eines Mittelwerts des Elektrodenkapazitätsrestwerts beinhaltet, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.
M. Verfahren nach G, wobei das Aktualisieren der Eingabe das Einleiten einer Korrektur der Kapazität aktiven Lithiums unter Verwendung einer Varianz des Elektrodenkapazitätsrestwerts beinhaltet, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.
N. Traktionsbatterie-Steuersystem, das Folgendes umfasst:
- eine Traktionsbatterie; und
- wenigstens einen Prozessor, der dazu programmiert ist, als Reaktion darauf, dass eine Elektrodenkapazität, die ein Alter der Batterie angibt, einen Schwellenwert überschreitet, eine Eingabe an einen Rückkopplungsalgorithmus zu aktualisieren, der dazu umgesetzt ist, einen Ladezustand der Batterie auszugeben, wobei die Elektrodenkapazität auf einer Änderung des Ladezustands und einem erfassten Strom für die Batterie während eines Fahrzyklus basiert.
O. System nach N, wobei der wenigstens eine Prozessor weiterhin dazu programmiert ist, als Reaktion darauf, dass ein Varianzparameter verletzt wird, einen Spannungsfehler auf Basis eines Ladezustandsfehlers unter Verwendung von Stromintegration auszugeben.
P. System nach N, wobei der wenigstens eine Prozessor weiterhin dazu programmiert ist, als Reaktion darauf, dass ein Varianzparameter verletzt wird, einen Wert aktiven Lithiums auf Basis eines vorherigen Parameters aktiven Lithiums, eines Spannungsfehlers und einer Leerlaufspannung der negativen Elektrode auszugeben.
Q. System nach N, wobei der erfasste Strom von aktiven Lithiumionen an einer positiven Elektrode der Batterie beeinflusst wird.
R. System nach N, wobei der erfasste Strom erfasste Stromdurchsatzdaten beinhaltet.
S. System nach N, wobei das Aktualisieren der Eingabe das Einleiten einer Elektrodenkapazitätskorrektur unter Verwendung eines Mittelwerts des Elektrodenkapazitätsrestwerts beinhaltet, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.
T. System nach N, wobei das Aktualisieren der Eingabe das Einleiten einer Korrektur der Kapazität aktiven Lithiums unter Verwendung einer Varianz des Elektrodenkapazitätsrestwerts beinhaltet, um den Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.

Claims

Fahrzeug, das Folgendes umfasst: eine Traktionsbatterie; und eine Steuerung, die dazu programmiert ist, eine Elektrodenkapazität, die die Batteriealterung angibt, auf Basis von in einem Fahrzyklus erfassten Stromdurchsatzdaten und Batterieleerlaufspannungsdaten auszugeben, als Reaktion darauf, dass die Elektrodenkapazität einen Schwellenwert überschreitet, eine Eingabe an einen Rückkopplungsalgorithmus, der dazu programmiert ist, einen Ladezustand der Traktionsbatterie auszugeben, zu aktualisieren, wobei die Elektrodenkapazität auf einer Änderung des Ladezustands und einem erfassten Strom für die Traktionsbatterie während eines Fahrzyklus basiert, und als Reaktion darauf, dass die Elektrodenkapazität einen Varianzschwellenwert verletzt, einen Wert aktiven Lithiums auf Basis eines vorherigen Parameters aktiven Lithiums, eines Spannungsfehlers und einer Leerlaufspannung der negativen Elektrode auszugeben.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenkapazität von aktiven Lithiumionen an einer positiven Elektrode der Traktionsbatterie abhängig ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, ein Batteriespannungsmodell mit in einem Fahrzyklus gemessener Batteriespannung zu vergleichen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, eine Bedingung der Verletzung eines Abweichungsschwellenwerts auf Basis von in einem Fahrzyklus erfassten Stromdurchsatzdaten und Batterieleerlaufspannungsdaten auszugeben.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, eine Elektrodenkapazitätskorrektur auf Basis eines Mittelwerts eines Elektrodenkapazitätsrestwerts einzuleiten, um einen Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung dazu programmiert ist, eine Korrektur der Kapazität aktiven Lithiums auf Basis einer Varianz eines Elektrodenkapazitätsrestwerts einzuleiten, um einen Kapazitätsfehler auf weniger als eine Amperestunde zu korrigieren.