DE102015117002A1

DE102015117002A1 - Batterieladezustandsüberwachung mit Alterungskompensation für elektrisch betriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015117002A1
Application number: DE102015117002.7A
Authority: DE
Inventors: Chuan He; Xu Wang; Josephine S. Lee; Xiaoguang Chang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2016-04-14
Also published as: CN105510832B; US20160103185A1; CN105510832A

Abstract

Die Bestimmung eines Ladezustands (SOC) einer Elektrofahrzeugbatterie auf Basis der Leerlaufspannung ist Fehlern ausgesetzt, weil sich die Beziehung mit der Zeit verändert. Es wird ein Verfahren zum Aktualisieren der Beziehung während des Alterns bereitgestellt. Ein Aufladestrom wird in die Batteriezelle eingespeist. Ein günstiger Aufladezustand wird als Reaktion auf einen vorbestimmten Aufladestrom detektiert. Ein Auflade-Anstiegsvektor wird während des Aufladezustands zusammengestellt, der mehrere Anstiegswerte über entsprechenden Ladezustandszunahmen umfasst. Mehrere SOC-OCV-Anstiegsvektoren werden entsprechend mehreren gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurven bestimmt, wobei jeder SOC-OCV-Anstiegsvektor mehrere Anstiegswerte über gleichwertigen Ladezustandszunahmen umfasst. Eine der gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurven mit einem am besten mit dem Auflade-Anstiegsvektor übereinstimmenden SOC-OCV-Anstiegsvektor wird zur Verwendung beim Umwandeln gemessener OCV-Werte in Batteriezell-SOC-Werte ausgewählt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Batterieladezustandsbestimmung in Elektrofahrzeugen und insbesondere auf Überwachen des Batteriealters zum Verfolgen von Änderungen in der Beziehung zwischen Ladezustand und Leerlaufspannung.
Die Gleichstrom-Leistungsquelle (z. B. eine Batterie) und andere Elemente von Elektroantrieben für elektrisch betriebene Fahrzeuge (z. B. Vollelektro- und Hybridfahrzeuge) erfordern das Überwachen, um sowohl den Wirkungsgrad und die Leistung zu maximieren, als auch, um einen Batterieladezustand (SOC, State Of Charge) zur Prognose der verbleibenden Reichweite unter Batterieleistung zu bestimmen. Übliche Batteriearten, wie zum Beispiel Lithiumionen (Li-Ion), verwenden eine große Anzahl einzelner Batteriezellen, die zusammen innerhalb eines Batteriesatzes gestapelt sind (verbunden in Reihe und/oder parallel). Neben dem Überwachen der Gesamtspannungsausgabe durch einen Batteriesatz wird typischerweise jede Zelle einzeln überwacht, um ihre Spannungsproduktion, ihren Strom und andere Parameter zu bestimmen. Die Temperatur jeder Zelle wird typischerweise überwacht, um sie vor Überhitzung zu schützen.
Wegen der zugehörigen Hochspannungspegel, der Bandbreite der Zwischenspannungen, bei denen entsprechende Zellen innerhalb des Stapels arbeiten, und des erforderlichen hohen Genauigkeitsgrades ist es recht anspruchsvoll, die verschiedenen Batteriezustände zuverlässig zu überwachen. Verschiedene integrierte Schaltungsbauelemente zur Batterieüberwachung sind kommerziell zur Verwendung im Fahrzeugumfeld entwickelt worden. Zu Beispielen für ein im Handel verfügbares Batterieüberwachungs-IC-Bauelement zählen das Bauelement AD7280A von Analog Devices, Inc., aus Norwood, Massachusetts, die Bauelemente LTC6804 von Linear Technology Corporation aus Milpitas, California, und der ISL94212 Multi-Cell Li-Ion Battery Manager (Mehrzellen-Li-Ionen-Batteriemanager) von Intersil Corporation aus Milpitas, California. Eine typische Komponente in einem Elektroantrieb ist ein Batterieenergie-Steuermodul (BECM, Battery Energy Controller Module), das zusätzlich zu den Überwachungsfunktionen verschiedene Batteriemanagement- und -kommunikationsfunktionen beinhalten kann oder dazu programmiert sein kann, diese zu beinhalten.
Insbesondere ist der SOC ein kritischer Parameter, der überwacht werden muss, weil er verwendet wird, um die verbleibende Kapazität, Leistungsfähigkeit und andere Batteriezustände zu schätzen. Obwohl Strommessungen zum Verfolgen des Werts des SOC verwendet werden können, basiert ein genaueres Verfahren auf dem Messen von Batterieleerlaufspannung (OCV, Open Circuit Voltage), die mit dem SOC über eine bekannte Beziehung korreliert, die für jedes besondere Batteriedesign charakteristisch ist. Insbesondere bei einer Li-Ionen-Batterie ändert sich diese SOC-OCV-Kurve (d. h. driftet) als Ergebnis der Batteriealterung und -nutzung. Die Verwendung einer ungenauen SOC-OCV-Kurve beeinträchtigt genaue SOC-Schätzung.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung verwendet ein stückweise lineares Modell, das durch Messen einer Kurve Aufladespannung zu SOC zum Vergleich mit einer Schar vorbestimmter Alterungskurven SOC zu OCV gewonnen wird, und wählt diejenige mit einer besten Übereinstimmung als diejenige aus, die den Alterungszustand der Batterie oder Zelle am genausten darstellt.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen des Batteriezellen-Ladezustands (SOC) unter Verwendung der Leerlaufspannung (OCV) bereitgestellt. Ein Aufladestrom wird in die Batteriezelle eingespeist. Ein Aufladezustand wird als Reaktion auf einen vorbestimmten Aufladestrom detektiert. Ein Auflade-Anstiegsvektor wird zusammengestellt, während der Aufladezustand mehrere Anstiegswerte über entsprechenden Ladezustandszunahmen umfasst. Mehrere SOC-OCV-Anstiegsvektoren werden entsprechend mehreren gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurven bestimmt, wobei jeder SOC-OCV-Anstiegsvektor mehrere Anstiegswerte über gleichwertigen Ladezustandszunahmen umfasst. Eine der gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurven mit einem am besten mit dem Auflade-Anstiegsvektor übereinstimmenden SOC-OCV-Anstiegsvektor wird zur Verwendung beim Umwandeln gemessener OCV-Werte in Batteriezell-SOC-Werte ausgewählt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Kurve aus einer Schar von SOC-OCV-Kurven, die der Alterung einer besonderen Batteriezelle entsprechen, die die Beziehung zwischen Leerlaufspannungs- und Ladezustandsänderungen über der Zeit zeigt.
2 ist eine Kurve, die eine sich erhöhende Zellspannung während des Aufladens gemeinsam mit einem Abschnitt einer SOC-OCV-Kurve zeigt, die die Batteriezelle während eines überlappenden Zeitraums genau charakterisieren würde.
3 ist eine Kurve, die eine stückweise Bestimmung eines Auflade-Anstiegsvektors zeigt.
4 ist eine Kurve, die eine stückweise Bestimmung eines SOC-OCV-Anstiegsvektors zeigt.
5 zeigt ein Blockschaltbild, das eine Art Elektrofahrzeug zeigt, das mit der vorliegenden Erfindung betrieben wird.
6 ist ein Blockschaltbild, das eine mehrzellige Batterie und Sensor- und Steuerelemente gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Umsetzung der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung zeigt.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein bevorzugtes Verfahren zum Zusammenstellen eines Auflade-Anstiegsvektors zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der Begriff „elektrisch betriebenes Fahrzeug“, wie er hier verwendet wird, beinhaltet Fahrzeuge mit einem Elektromotor für den Fahrzeugantrieb, wie zum Beispiel batterieelektrische Fahrzeuge (BEV), Hybridelektrofahrzeuge (HEV) und Plug-in Hybridelektrofahrzeuge (PHEV). Ein BEV enthält einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Motor eine Batterie ist, die aus einem externen Stromnetz wieder aufgeladen werden kann. Bei einem BEV ist die Batterie die Energiequelle für den Fahrzeugantrieb. Ein HEV enthält einen Motor mit innerer Verbrennung und einen Elektromotor, wobei die Energiequelle für den Verbrennungsmotor Kraftstoff ist und die Energiequelle für den Elektromotor eine Batterie ist. In einem HEV ist der Verbrennungsmotor die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, wobei die Batterie Zusatzenergie für den Fahrzeugantrieb bereitstellt (z. B. puffert die Batterie Kraftstoffenergie und gewinnt kinematische Energie in elektrischer Form zurück). Ein PHEV ähnelt einem HEV, jedoch weist das PHEV eine Batterie mit größerer Kapazität auf, die aus dem externen Stromnetz wieder aufgeladen werden kann. Bei einem PHEV ist die Batterie die Hauptenergiequelle für den Fahrzeugantrieb, bis die Batterie auf einen niedrigen Pegel entladen ist, ab dann arbeitet das PHEV für den Fahrzeugantrieb wie ein HEV.
1 zeigt eine Schar von SOC-OCV-Kurven, die ein Driften aufgrund der Alterung zeigen, wobei eine neue Batterie der Kurve 10 entspricht, eine etwas gealterte Batterie der Kurve 11 entspricht und eine erheblicher gealterte Batterie der Kurve 12 entspricht. Jede solche Kurve kann durch gründliche Laborprüfung einer Probebatterie gewonnen werden. Weil der tatsächliche Zustand einer Batterie während der Fahrzeugnutzung nicht verfügbar gewesen ist, waren bekannte Elektrofahrzeuge nicht in der Lage, während des Fahrzeug-Service die am besten geeignete Kurve zu wählen.
Die Zellspannung kann unter Verwendung eines einfachen R-Modells modelliert werden (insbesondere, wenn der Strom konstant ist), gemäß der Formel: v_t(t) = v_oc(t) + i(t)R(T, SOC) wobei gilt: R(T, SOC) ist der Innenwiderstand, der eine Funktion von Temperatur und SOC ist. In der Gleichung ist der Aufladestrom positiv und der Entladestrom ist negativ. Während des Aufladens der Batterie ergibt die Erhöhung der Ladung, wie die in Ah gemessen wird (z. B. gemessen durch Integrieren des Aufladestroms
die entsprechende Änderung des SOC. Falls die Änderung des SOC (d. h. SOC₁ – SOC₀) klein genug ist, dann sind sowohl der Strom i(t) als auch R im Wesentlichen konstant. Das bedeutet, dass eine Kurve Zellspannung zu SOC während des Aufladens örtlich den gleichen Anstieg wie die tatsächliche SOC-OCV-Kurve SOC = f(v_oc) für die Zelle aufweisen würde. Auf Basis dieser Eigenschaften setzt die Erfindung ein Verfahren ein, das auf dem Verlauf von Zellspannung zu SOC während des Konstantstromaufladens basiert, um eine OCV-SOC-Kurve SOC = f*(v_oc) aus einer Schar von Kurven SOC = f_i(v_oc), die in einer vordefinierten Kurvenbank gespeichert sind, zu identifizieren. Zur Anstiegsmessung kann ein kalibrierbarer Schwellenwert für die Zunahme des SOC zum Beispiel etwa 0,1 der Batteriezellkapazität betragen.
2 zeigt ein Aufladeprofil 13, wobei sich die Zellspannung über der Zeit erhöht, wenn sich die Gesamtladung (d. h. Gesamt-Amperestunden) akkumuliert. Weil über kleine Zunahmen von SOC das Aufladeprofil 13 den gleichen Anstieg wie die tatsächliche SOC-OCV-Kurve aufweist, kann ein Auflade-Anstiegsvektor, der als ein Array aus einzelnen Anstiegswerten über aufeinanderfolgende Zunahmen zusammengestellt worden ist, dazu verwendet werden, zu identifizieren, welche aus der Schar von SOC-OCV-Kurven am ehesten mit dem aktuellen Batteriezellzustand übereinstimmt, ohne eine genaue Messung des tatsächlichen SOC zu erfordern. Eine Zunahme 14 von einem anfänglichen SOC-Wert (SOC₀) bei 15 bis zu einem abschließenden SOC-Wert (SOC₁) bei 16 definiert zusammen mit entsprechenden Zellspannungswerten einen Anstiegswert für ein Segment 17. Ein entsprechendes Segment 18 der SOC-OCV-Kurve weist den gleichen Anstiegswert auf, weist aber eine Größe auf, die um einen unbekannten Betrag versetzt ist. In dem Verfahren der Erfindung werden lediglich die Anstiegswerte benötigt, um die beste, zu verwendende SOC-OCV-Kurve zu identifizieren.
3 zeigt eine stückweise, ausführlichere Darstellung des Auflade-Anstiegsvektors. Eine Aufladekurve 20 beginnt das Wiederaufladen in einem Punkt 21 mit null Amperestunden, wobei eine anfängliche Zellspannung v₀ gemessen wird. Das Zusammenstellen eines Auflade-Anstiegsvektors kann sofort beginnen, vorzugsweise wird damit jedoch gewartet, bis bei 22 ein optimaler Aufladezustand eintritt (wenn sich die Zellspannung auf eine Startspannung v_S erhöht hat). Die in die Batteriezelle strömende Ladung ist AH₀ Amperestunden. Zu Faktoren, die einen optimalen Aufladezustand bestimmen, können folgende zählen: 1) Sicherstellen eines im Wesentlichen konstanten Aufladestroms, 2) Aufladestromgrößenordnung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, in dem die Stromerfassung ihren Genauigkeitshöchstwert aufweist, was sicherstellt, dass die Änderung der Leerlaufspannung pro SOC klein genug ist, und/oder 3) Batterietemperatur innerhalb eines erwünschten Bereichs (z. B. Sicherstellen, dass die Zelle nicht gefroren ist). Bis zum Ende des optimalen Aufladezustands in 23 werden mehrere Anstiegswerte 24 berechnet und miteinander verkettet, um den Auflade-Anstiegsvektor zu bilden. Für jede entsprechende Zunahme (z. B. gemäß einem Index i identifiziert) wird ein Anstiegswert k gemäß einer Formel bestimmt:
Der Wert des Index i erhöht sich so lange, wie sich die Gesamtladungsakkumulation weiter bis zur Schwellenwertmenge erhöht. Jede aufeinander folgende Zunahme wird von ihrem Beginn zu einem entsprechenden Zeitpunkt t₀ bis zu ihrem entsprechenden Abschluss zu einem Zeitpunkt t₁ gemessen, wobei der Zeitpunkt t₁ als der Zeitpunkt detektiert wird, zu dem die durch das Integral von iHdt definierte, sich akkumulierende Ladung den Amperestundenschwellenwert erreicht (d. h. zu einem Zeitpunkt t₀ + t). Der Amperestundenschwellenwert variiert mit den Batteriechemien und kann mittels Laborprüfung bestimmt werden. Der Amperestundenschwellenwert sollte ausreichend groß sein, so dass eine Erhöhung der entsprechend zum Zeitpunkt (t₀ + t) und zum Zeitpunkt t₀ gemessenen Zellspannungen bemerkbar ist. Zum Beispiel könnte der Amperestundenschwellenwert etwa 0,1 der Batteriezellkapazität betragen. Ein Kriterium zur Auswahl des Amperestundenschwellenwerts ist es, dass sichergestellt wird, dass sich der Innenwiderstand nicht wesentlich ändern wird, wenn die SOC-Änderung innerhalb des Amperestundenschwellenwerts liegt. Somit wird jeder Anstiegswert anhand der Zellspannungen am Beginn und am Ende einer SOC-Zunahme und des Amperestunden-(Ah-)Schwellenwerts wie folgt berechnet:
In einigen Ausführungsformen könnten mehrere Amperestundenschwellenwerte gemäß unterschiedlichen SOC-Bereichen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein kleiner Amperestundenschwellenwert für einen niedrigen SOC-Bereich von 0 bis 0,2 der Batteriezellkapazität definiert werden; ein relativ großer Amperestundenschwellenwert kann für einen mittleren SOC-Bereich von 0,2 bis 0,7 der Batteriezellkapazität definiert werden; und ein mittlerer Amperestundenschwellenwert kann für einen hohen SOC-Bereich von 0,8 bis 1 der Batteriezellkapazität definiert werden.
Am Ende eines Aufladezyklus oder irgendwann, nachdem ausreichend Anstiegswerte für den Auflade-Anstiegsvektor zusammengestellt worden sind, wird der resultierende Anstiegsvektor stückweise mit der gespeicherten Schar von SOC-OCV-Kurven verglichen. Weil das Speichern sowohl der SOC-OCV-Kurven als auch aller möglichen Anstiegswerte für alle Anfangs- und Abschlusszellspannungswerte nicht praktikabel wäre, können Anstiegsvektoren für alle SOC-OCV-Alterungskurven vorzugsweise fliegend berechnet werden.
4 zeigt eine Aufteilung der SOC-OCV-Kurve 12 in gleichwertige SOC-Zunahmen bezogen auf die anfängliche Zellspannung v₀, die als eine OCV vor dem Aktivieren des Batterieladegeräts gemessen wird. Anstiegswerte für die Kurve 12 werden beginnend mit einer ersten stückweisen Zunahme bei 25 berechnet, welches der Punkt der Kurve 12 ist, an dem ein OCV-Wert gleich der gemessenen v₀ ist. Falls am Beginn des Aufladens der optimale Aufladezustand nicht, wie in 3 gezeigt wird, vorliegt, werden die Anstiegswerte für die Kurve 12 nicht in den SOC-OCV-Anstiegsvektor für Kurve 12 einbezogen (d. h. nicht berechnet), bis eine Zunahme 26 erreicht wird, bei der die Änderung des SOC vom Punkt 25 zum Punkt 26 gleich der akkumulierten Ladung (d. h. den Gesamt-Amperestunden) vom Punkt 21 zum Punkt 22 ist, AH₀ Amperestunden in 3. Falls die Zellkapazität Q verfügbar ist, ist die entsprechende OCV V OC / S am Punkt 26
Dann werden die Anstiegswerte für die Kurve 12 für Zunahmen 27 bis zum entsprechenden Ende des Auflade-Anstiegsvektors am Punkt 28 bestimmt. Anschließend wird jede verbleibende SOC-OCV-Alterungskurve verarbeitet, um ihre entsprechenden SOC-OCV-Anstiegsvektoren zu gewinnen, und dann wird jede mit dem Auflade-Anstiegsvektor verglichen, um den am besten übereinstimmenden zu finden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
5 zeigt eine Art eines Fahrzeugsystems, in dem die vorliegende Erfindung umgesetzt werden kann. In diesem Fall wird ein Fahrzeug 30 als ein batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) gezeigt, das von einem Elektromotor 31 ohne Unterstützung eines Motors mit innerer Verbrennung angetrieben wird. Der Elektromotor 31 nimmt elektrische Leistung auf und stellt Antriebsmoment für den Fahrzeugantrieb bereit. Der Elektromotor 31 funktioniert auch als ein Generator zum Umwandeln von mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch Bremsenergierückgewinnung. Der Elektromotor 31 ist Teil eines Antriebsstrangs 32, bei dem ein Getriebe 33 den Elektromotor 31 mit angetriebenen Rädern 34 verkoppelt. Das Getriebe 33 stellt das Antriebsmoment und die Drehzahl des Elektromotors 31 durch ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis ein.
Das Fahrzeug 30 enthält ein Batteriesystem 35, das einen Hauptbatteriesatz 36 und ein Batterieenergie-Steuermodul (BECM) 37 enthält. Ein Ausgang des Batteriesatzes 36 ist mit einem Wechselrichter 38 verbunden, der die von der Batterie zugeführte Gleichstromleistung (DC) in Wechselstromleistung (AC) zum Betrieb des Elektromotors 31 in Übereinstimmung mit Befehlen aus einem Traktionsregelungsmodul (TCM) 40 umwandelt. Das TCM 40 überwacht unter anderem die Stellung, Drehzahl und Leistungsaufnahme des Elektromotors 31 und stellt Ausgangssignale entsprechend diesen Informationen für andere Fahrzeugsysteme bereit, einschließlich für eine Hauptfahrzeugsteuerung 41 (die zum Beispiel ein Antriebsstrangsteuermodul oder PCM sein kann).
Ein Wechselstromladegerät 42 wird zum Aufladen der Hauptbatterie 36 aus einer externen Leistungsversorgung (nicht dargestellt) bereitgestellt, wie zum Beispiel dem Wechselstromnetz. Ein Stromsensor 43 misst den Aufladestrom und stellt dem BECM 37 den resultierenden Strommesswert bereit. Obwohl das Fahrzeug 30 als ein BEV gezeigt wird, ist die vorliegende Erfindung auf alle Elektrofahrzeuge anwendbar, die einen mehrzelligen Batteriesatz verwenden, einschließlich HEVs und PHEVs.
6 zeigt das Batteriesystem 35 ausführlicher, wobei der Batteriesatz 36 eine mehrzellige Batterie ist, die zusammen mit dem BECM 37 gehäust ist. Jede einzelne Zelle der Batterie 36 ist mit einem entsprechenden Abtasteingang des BECM 37 gekoppelt. Jeder Abtasteingang enthält eine entsprechende Abtastschaltung 46 zum Bestimmen der entsprechenden Zellspannung und des entsprechenden Zellstroms. Zusätzlich kann jede Batteriezelle einen entsprechenden Temperatursensor enthalten, wie zum Beispiel den Temperatursensor 47, der aus einem mit dem BECM 37 verschalteten Thermistor bestehen kann. Ein elektronischer Speicher 45 enthält die vorbestimmten mehreren Alterungskurven zur Verwendung durch das BECM 37 und/oder das PCM 41. Der Speicher 45 kann entweder im BECM 37 oder im PCM 41 integriert sein.
7 zeigt ausführlicher ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung. Im Schritt 50 werden mehrere SOC-OCV-Kurven, die den aufeinander folgenden Alterungsstufen der Batterie entsprechen, abgeleitet, z. B. bei Laborprüfungen. Die resultierenden Alterungskurven werden im Schritt 51 in einer Tabelle zum Einbeziehen in die Elektrofahrzeuge gespeichert, in denen das gleiche Batteriedesign integriert ist, so dass während der Fahrzeugnutzung geeignete Alterungskurven geeignet gemäß der vorliegenden Erfindung aktualisiert werden können.
Bei dem gesamten Fahrzeug-Service überwacht die vorliegende Erfindung wiederholt die Batterieleistung während des Aufladens, um die geeignete Alterungskurve zu identifizieren. Das Batterieaufladen wird im Schritt 52 initialisiert. Im Schritt 53 wird eine anfängliche Leerlaufspannung für eine Batteriezelle gemessen und gespeichert. Weil von allen Batteriezellen vernünftigerweise ähnliches Verhalten erwartet werden kann, kann das Prüfen von lediglich einer Batteriezelle normalerweise ausreichen, um die geeignete Alterungskurve zu identifizieren. Andernfalls kann das hier beschriebene Verfahren auf mehrere Batteriezellen wie erforderlich angewandt werden.
Während des Aufladens wird die SOC-Änderung im Schritt 54 gemäß der Akkumulation der Amperestundenladung überwacht. Im Schritt 55 erfolgt eine Prüfung, um zu bestimmen, ob gewünschte optimale Aufladezustände vorliegen. Der gewünschte Aufladezustand entspricht vorzugsweise dem Vorhandensein eines quasi-stationären Zellaufladestroms (d. h. der innerhalb eines vorbestimmten, kalibrierten Bereichs stabil bleibt). Zum Beispiel wird der quasi-stationäre Strom wie folgt definiert:
Für eine Zeit > eine kalibrierte Zeit (z. B. 100 Sekunden) ist Folgendes wahr: abs(i) + Δi > abs(i) > abs(i) – Δi, wobei Δi ein kalibrierbarer Offset ist. Zusätzlich kann zum gewünschten Aufladezustand die Anforderung zählen, dass der quasi-stationäre Strom in einem bevorzugten Messbereich bleibt, der einen Genauigkeitshöchstwert beim Betrieb des verwendeten Stromsensors beinhaltet. Als ein vierter Zustand kann zu den gewünschten Aufladezuständen eine Anforderung zählen, dass eine Zelltemperatur innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt (z. B. eines Bereichs, in dem unerwünschte Zellzustände, wie zum Beispiel Einfrieren, vermieden werden). Falls im Schritt 55 keine gewünschten Aufladezustände detektiert werden, dann werden die Zustände periodisch neu geprüft, bis der gewünschte Aufladezustand gewonnen ist.
Im Schritt 56 wird ein Auflade-Anstiegsvektor zusammengestellt, sobald der gewünschte Aufladezustand vorliegt. Das Zusammenstellen des Auflade-Anstiegsvektors kann vorzugsweise gemäß einem bevorzugten Verfahren, wie in 8 gezeigt wird, durchgeführt werden. Ein Index i des Abtastzählers wird im Schritt 61 initialisiert. Der Aufladestrom wird im Schritt 62 als ein Gesamt-Amperestundenwert integriert. Im Schritt 63 wird eine Prüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob der akkumulierte Amperestundenwert kleiner als der Amperestundenschwellenwert ist. Falls das der Fall ist, wird die Integration des Aufladestroms im Schritt 62 fortgesetzt. Sobald die akkumulierte Ladung den Schwellenwert erreicht, wird ein Anstiegswert k(i) berechnet und im Schritt 64 gespeichert. Die Berechnung des Anstiegswerts wird fortgesetzt, indem die Differenz der Zellspannungen zu Beginn und am Ende der SOC-Zunahme genommen wird und dann durch den Amperestundenschwellenwert dividiert wird (d. h. die Erhöhung des SOC). Der Indexzähler i wird im Schritt 65 erhöht, und ein Rücksprung wird zur Integration des Aufladestroms zum Schritt 62 gemacht, um die nächste folgende SOC-Zunahme zu detektieren.
Um auf 7 zurückzukommen: Wenn der Auflade-Anstiegsvektor im Schritt 56 weiter zusammengestellt wird, wird im Schritt 57 eine Prüfung durchgeführt, um zu bestimmen, ob das Aufladen abgeschlossen ist. Sobald es abgeschlossen ist, beginnt im Schritt 58 die Verarbeitung der Alterungskurven. Unter Verwendung eines anfänglichen OCV-Werts und jeder SOC-Änderung, die möglicherweise stattgefunden hat, bevor die Aufladezustände vorgelegen haben, werden SOC-OCV-Anstiegsvektoren für die gespeicherten Alterungskurven bestimmt. Für jeden SOC-OCV-Anstiegsvektor j (wobei j von 1 bis J läuft, der Anzahl der Kurven im Speicher) werden die mehreren Anstiegswerte im Vektor j wie folgt definiert:
wobei gilt: v OC / j,i,1 ist die OCV auf Basis der j-ten SOC-OCV-Kurve entsprechend dem Beginn des i-ten linearen Teils, und v OC / j,i,2 ist die OCV auf Basis der j-ten SOC-OCV-Kurve entsprechend dem Ende des i-ten linearen Teils. v OC / j,i,1 und v OC / j,i,2 werden berechnet durch V OC / j,i,1 = V OC / S V OC / j,i,1 = V OC / j,i-1,2 i > 2 V OC / j,i,2 = f_j ^–1(f_jV OC / j,i,1 + AH / Q) wobei gilt: Q ist die Batteriekapazität, und f_j(·) ist die j-te, in der SOC-OCV-Kurvenbank gespeicherte SOC-OCV-Kurve. Sobald alle gespeicherten Alterungskurven verarbeitet worden sind, um entsprechende SOC-OCV-Anstiegsvektoren bereitzustellen, werden sie jeweils mit dem Auflade-Anstiegsvektor verglichen, um im Schritt 59 den am besten übereinstimmenden auszuwählen. Der Vergleich kann vorzugsweise unter Verwendung des Quadrats des euklidischen Abstands der entsprechenden Anstiegswerte wie folgt durchgeführt werden:
Die SOC-OCV-Kurve mit der besten Übereinstimmung ist eine mit dem minimalen Abstand, z. B.
Es sei angemerkt, dass auch einige andere Ähnlichkeitsmaßstäbe verwendet werden können, um den Auflade-Anstiegsvektor und die SOC-OCV-Anstiegsvektoren zu bestimmen. Zum Beispiel ist es üblich, dass jeder Anstieg im Anstiegsvektor eine andere Wertigkeit beim Vergleich der Aufladekurve und der SOC-OCV-Kurve aufweist. Somit ist das gewichtete Quadrat des euklidischen Abstands eine gute Wahl für den Vergleich, z. B.
wobei gilt: wj ist ein Wertigkeitsfaktor. Der Anstieg, der beim Vergleich die größte Wertigkeit aufweist, hat ein größeres Gewicht. Die SOC-OCV-Kurve mit der besten Übereinstimmung ist diejenige, die folgenden Richtwert minimieren kann:
Der SOC-OCV-Anstiegsvektor für j, der das Minimum erfüllt, wird zur ausgewählten SOC-OCV-Kurve. Die ausgewählte Kurve wird dann im Schritt 60 zur Batterieüberwachung und -steuerung verwendet. Das Überwachen der Batterie beinhaltet die Fähigkeit, einen genaueren Schätzwert des tatsächlichen SOC der Batterie zu gewinnen. Die ausgewählte SOC-OCV-Kurve ermöglicht auch besseres Schätzen der Batteriekapazität und der Batterieleistungsfähigkeit, wenn sie altert.
Wie sich aus 1 ergibt, sind die in der SOC-OCV-Beziehung auftretenden Drifts im Allgemeinen nicht linear (d. h. sie beeinflussen unterschiedliche SOC-Bereiche unterschiedlich). Demzufolge identifizieren die Anstiegsänderungen eindeutig die gewünschte der Kurven. Im Fall, dass zwei oder mehr Kurven wesentliche Bereiche mit identischen Anstiegen aufweisen sollten, kann die korrekte Kurve immer noch unter Verwendung einer Messung der Zellanschlussspannung identifiziert werden. Dies kann wie folgt erfolgen: 1) für den gleichen Aufladestrom bei gleichem SOC die Größenordnung der Verschiebung der Zellanschlussspannung finden, und 2) sollte dann die SOC-OCV-Kurve mit der gleichen Größenordnung der OCV-Verschiebung beim gleichen SOC ausgewählt werden.
Es wird ferner beschrieben:

A. Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle unter Verwendung der Leerlaufspannung (OCV), das Folgendes umfasst: Aufladen der Batteriezelle; Detektieren eines Aufladezustands als Reaktion auf einen vorbestimmten Aufladestrom; Messen der OCV während der auf das Aufladen folgenden Batteriezellnutzung; und Umwandeln der gemessenen OCV-Werte in Batteriezell-SOC-Werte unter Verwendung einer ausgewählten, gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurve mit einem SOC-OCV-Anstiegsvektor, der am besten mit einem Auflade-Anstiegsvektor übereinstimmt, wobei die ausgewählte SOC-OCV-Alterungskurve basierend auf Folgendem ausgewählt wird: a) einem Auflade-Anstiegsvektor, der während des Aufladezustands zusammengestellt wird und mehrere Anstiegswerte über entsprechenden Ladezustands-(SOC-)Zunahmen umfasst, und b) mehreren SOC-OCV-Anstiegsvektoren, die mehreren gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurven entsprechen, wobei jeder SOC-OCV-Anstiegsvektor mehrere Anstiegswerte über gleichwertigen Ladezustandszunahmen umfasst.
B. Verfahren nach A, wobei die entsprechenden Ladezustandszunahmen als Reaktion auf eine vorbestimmte Amperestunden-Ladungserhöhung detektiert werden.
C. Verfahren nach A, das weiterhin Folgendes umfasst: Messen einer Leerlaufspannung der Batteriezelle vor dem Einspeisen des Aufladestroms; wobei jeder der SOC-OCV-Anstiegsvektoren einen Startwert aufweist, der als Reaktion auf die gemessene Leerlaufspannung bestimmt wird.
D. Verfahren nach A wobei der am besten übereinstimmende SOC-OCV-Anstiegsvektor gemäß einer besten Übereinstimmung durch die kleinste Summe der Quadrate der Anstiegswerte bestimmt wird.
E. Verfahren nach A, wobei der vorbestimmte Aufladestrom als ein quasi-stationärer Strom detektiert wird, der innerhalb eines vorbestimmten Bereichs für eine vorbestimmte Zeit aufrechterhalten wird.
F. Verfahren nach E, wobei der vorbestimmte Bereich einem Genauigkeitshöchstwert für das Abtasten des Aufladestroms entspricht.
G. Verfahren nach A, wobei der Aufladezustand weiterhin als Reaktion auf einen vorbestimmten Temperaturbereich detektiert wird.
H. Elektrofahrzeug, das Folgendes umfasst: eine mehrzellige Batterie; ein Batterieladegerät; eine Steuerung, die einen Auflade-Anstiegsvektor zusammenstellt, der Anstiegswerte über entsprechenden Ladezustandszunahmen umfasst, die mehrere SOC-OCV-Anstiegsvektoren für gespeicherte SOC-OCV-Alterungskurven über gleichwertigen Ladezustandszunahmen zusammenstellt und die eine der gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurven mit einem SOC-OCV-Anstiegsvektor, der am besten mit dem Auflade-Anstiegsvektor übereinstimmt, zur Verwendung beim Umwandeln gemessener OCV-Werte in Batteriezell-SOC-Werte auswählt.
I. Elektrofahrzeug nach H, das weiterhin einen Stromsensor zum Messen eines Aufladestroms umfasst, wobei die entsprechenden Ladezustandszunahmen als Reaktion auf eine vorbestimmte Amperestunden-Ladungserhöhung auf Basis des gemessenen Aufladestroms detektiert werden.
J. Elektrofahrzeug nach H, das weiterhin einen Spannungssensor zum Messen einer Leerlaufspannung einer Batteriezelle vor dem Aufladen umfasst, wobei jeder der SOC-OCV-Anstiegsvektoren einen Startwert aufweist, der als Reaktion auf die gemessene Leerlaufspannung gewonnen wird.
K. Elektrofahrzeug nach H, wobei der am besten übereinstimmende SOC-OCV-Anstiegsvektor gemäß einer besten Übereinstimmung durch das Quadrat des kleinsten euklidischen Abstands der Anstiegswerte identifiziert wird.
L. Elektrofahrzeug nach H, wobei der am besten übereinstimmende SOC-OCV-Anstiegsvektor gemäß einer besten Übereinstimmung durch das am geringsten gewichtete Quadrat des euklidischen Abstands der Anstiegswerte unter Verwendung der Wertigkeit jedes Anstiegs identifiziert wird.
M. Elektrofahrzeug nach H, das weiterhin einen Stromsensor zum Messen eines Aufladestroms umfasst, wobei der Auflade-Anstiegsvektor zusammengestellt wird, wenn ein vorbestimmter Aufladestrom als ein quasi-stationärer Strom detektiert wird, der innerhalb eines vorbestimmten Bereichs für eine vorbestimmte Zeit aufrechterhalten wird.
N. Elektrofahrzeug nach M, wobei der vorbestimmte Bereich einem Genauigkeitshöchstwert für den Stromsensor entspricht.
O. Elektrofahrzeug nach H, das weiterhin einen Temperatursensor umfasst, der eine Temperatur der Batterie misst, wobei der Auflade-Anstiegsvektor zusammengestellt wird, wenn die gemessene Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs liegt.
P. Verfahren zum Überwachen des Batterieladezustands (SOC), das Folgendes umfasst: Aufladen der Batterie; Zusammenstellen eines Auflade-Anstiegsvektors, der Anstiegswerte über entsprechenden Ladezustandszunahmen umfasst; Zusammenstellen mehrerer SOC-OCV-Anstiegsvektoren für gespeicherte SOC-OCV-Alterungskurven über gleichwertigen Ladezustandszunahmen; und Auswählen einer der gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurven mit einem am besten mit dem Auflade-Anstiegsvektor übereinstimmenden SOC-OCV-Anstiegsvektor zur Verwendung beim Umwandeln gemessener OCV-Werte in Batterie-SOC-Werte.

Claims

Verfahren zum Überwachen einer Batteriezelle unter Verwendung der Leerlaufspannung (OCV), das Folgendes umfasst: Aufladen der Batteriezelle; Detektieren eines Aufladezustands als Reaktion auf einen vorbestimmten Aufladestrom; Messen der OCV während der auf das Aufladen folgenden Batteriezellnutzung; und Umwandeln der gemessenen OCV-Werte in Batteriezell-SOC-Werte unter Verwendung einer ausgewählten, gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurve mit einem SOC-OCV-Anstiegsvektor, der am besten mit einem Auflade-Anstiegsvektor übereinstimmt, wobei die ausgewählte SOC-OCV-Alterungskurve basierend auf Folgendem ausgewählt wird: a) einem Auflade-Anstiegsvektor, der während des Aufladezustands zusammengestellt wird und mehrere Anstiegswerte über entsprechenden Ladezustands-(SOC-)Zunahmen umfasst, und b) mehreren SOC-OCV-Anstiegsvektoren, die mehreren gespeicherten SOC-OCV-Alterungskurven entsprechen, wobei jeder SOC-OCV-Anstiegsvektor mehrere Anstiegswerte über gleichwertigen Ladezustandszunahmen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die entsprechenden Ladezustandszunahmen als Reaktion auf eine vorbestimmte Amperestunden-Ladungserhöhung detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin Folgendes umfasst: Messen einer Leerlaufspannung der Batteriezelle vor dem Einspeisen des Aufladestroms; wobei jeder der SOC-OCV-Anstiegsvektoren einen Startwert aufweist, der als Reaktion auf die gemessene Leerlaufspannung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der am besten übereinstimmende SOC-OCV-Anstiegsvektor gemäß einer besten Übereinstimmung durch die kleinste Summe der Quadrate der Anstiegswerte bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Aufladestrom als ein quasi-stationärer Strom detektiert wird, der innerhalb eines vorbestimmten Bereichs für eine vorbestimmte Zeit aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der vorbestimmte Bereich einem Genauigkeitshöchstwert für das Abtasten des Aufladestroms entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aufladezustand weiterhin als Reaktion auf einen vorbestimmten Temperaturbereich detektiert wird.