DE102015207674A1

DE102015207674A1 - Verfahren zum anpassen von mindestladezustandsgrenzen einer batterie auf der grundlage einer leistungsfähigkeit der batterie

Info

Publication number: DE102015207674A1
Application number: DE102015207674.1A
Authority: DE
Inventors: Xiaoguang Chang; Chuan He; Xu Wang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2015-10-29
Also published as: CN105034835B; US20150306971A1; CN105034835A; US9457686B2

Abstract

Ein Hybridelektrofahrzeug umfasst eine Traktionsbatterie. Eine Steuerung kann die Traktionsbatterie innerhalb eines gewissen Ladezustands und gewisser Spannungsgrenzen betreiben. Die Steuerung kann eine Mindestbetriebsspannung oder einen Mindestladezustand definieren, unter welcher / welchem von der Traktionsbatterie keine Leistung angefordert werden kann. Die Mindestspannung und der Mindestladezustand können auf einem elektrischen Widerstand der Traktionsbatterie basieren. Die Spannung kann auch auf einem Mindestleistungspegel basieren, der erforderlich ist, um den Motor anzulassen, während die Emissionsstandards erfüllt werden. Mit dem Altern der Batterie kann der Mindestspannungspegel so angepasst werden, dass der Mindestleistungspegel beim Mindestspannungspegel verfügbar ist.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf das Einstellen von Ladezustandsgrenzen einer Traktionsbatterie.
Ein Hybridelektrofahrzeug umfasst eine Traktionsbatterie für die Zufuhr von Leistung für den Antrieb. Um die Lebenszeit der Batterie zu maximieren, kann die Traktionsbatterie innerhalb eines begrenzten Ladezustands (state of charge, SOC) betrieben werden. Mit dem Altern der Batterie kann die Leistungsfähigkeit der Batterie reduziert werden. Es kann sein, dass ein SOC-Bereich, der zu Beginn der Lebenszeit der Batterie gewählt wurde, beim Altern der Batterie nicht mehr adäquat ist. Eine Batteriesteuerung kann versuchen, das Altern der Batterie zu kompensieren, indem sie den zulässigen SOC-Bereich modifiziert. Batteriesteuerungen können das SOC-Betriebsfenster anpassen, um sicherzustellen, dass eine maximale Menge an Leistung innerhalb des SOC-Fensters zur Verfügung steht. Diese maximale Leistungsmenge kann mit dem Altern der Batterie abnehmen, aber die Steuerung kann versuchen, einen SOC-Bereich auszuwählen, in welchem die Batterie Leistung für den Antrieb bereitstellen kann. Der Schwerpunkt gewisser vorheriger Steuerungsschemata besteht darin, den SOC-Bereich auszuwählen, in welchem die Traktionsbatterie Leistung für den Antrieb liefern kann.
Ein Fahrzeug umfasst eine Traktionsbatterie und mindestens eine Steuerung. Die Steuerung ist programmiert, die Traktionsbatterie gemäß einem Mindestladezustand auf der Grundlage eines elektrischen Widerstands und einer vorbestimmten Mindestleistung zu betreiben, so dass die vorbestimmte Mindestleistung beim Mindestladezustand für das Motoranlassen zur Verfügung steht. Unterhalb des Mindestladezustands wird keine Leistung von der Traktionsbatterie für den Antrieb angefordert. Der elektrische Widerstand kann einen Innenwiderstand der Traktionsbatterie umfassen. Der elektrische Widerstand kann einen Verdrahtungswiderstand umfassen, der mit einem mit der Traktionsbatterie verbundenen Kabelbaum assoziiert ist. Die vorbestimmte Mindestleistung kann eine Sicherheitstoleranz umfassen, so dass eine vorbestimmte Leistungsmenge für das Motoranlassen nach einer vorbestimmten Zeitspanne verfügbar ist, in welcher das Fahrzeug nicht betrieben wird. Die mindestens eine Steuerung kann ferner programmiert sein, den elektrischen Widerstand zu ermitteln. Der elektrische Widerstand kann auf einem oder mehreren von Alter und Verwendung der Traktionsbatterie basieren. Der elektrische Widerstand kann ferner auf einem oder mehreren von einer Temperatur und einem Ladezustand der Batterie basieren. Der Mindestladezustand kann ferner auf einem Maximalstrom der Traktionsbatterie basieren. Die vorbestimmte Mindestleistung kann ausgewählt werden, um Emissionen während des Motoranlassens zu reduzieren.
Ein steuerungsimplementiertes Verfahren umfasst das Betreiben, mittels einer Steuerung, einer Traktionsbatterie gemäß einem Mindestladezustand auf der Grundlage eines Widerstands der Traktionsbatterie und einer Mindestleistungsfähigkeit, so dass eine vorbestimmte Mindestleistung beim Mindestladezustand für das Motoranlassen zur Verfügung steht, wobei keine Leistung von der Traktionsbatterie für den Antrieb angefordert wird, wenn ein Ladezustand unter dem Mindestladezustand liegt. Das Verfahren kann ferner das Ermitteln, mittels der Steuerung, des Widerstands der Traktionsbatterie umfassen. Die vorbestimmte Mindestleistung kann eine Mindestleistung sein, die erforderlich ist, um die Emissionsstandards während des Motoranlassens zu erfüllen. Die vorbestimmte Mindestleistung kann eine Sicherheitstoleranz umfassen, so dass eine vorbestimmte Menge an Leistung für das Anlassen nach einer vorbestimmten Zeitspanne verfügbar ist, in welcher die Traktionsbatterie nicht betrieben wird.
Ein Fahrzeug umfasst eine Traktionsbatterie und mindestens eine Steuerung. Die mindestens eine Steuerung ist programmiert, die Traktionsbatterie gemäß einer Mindestspannung auf der Grundlage eines elektrischen Widerstands und einer vorbestimmten Leistung zu betreiben, so dass die vorbestimmte Leistung bei der Mindestspannung für das Motoranlassen verfügbar ist, wobei keine Leistung von der Traktionsbatterie für den Antrieb angefordert wird, wenn eine Spannung der Traktionsbatterie geringer als die Mindestspannung ist. Leistung kann von der Traktionsbatterie für das Motoranlassen unterhalb der Mindestspannung angefordert werden, in welchem Fall die Emissionsanforderungen nicht erfüllt werden. Die Mindestspannung kann ferner auf einem Maximalstrom der Traktionsbatterie basieren, so dass, wenn der Maximalstrom geringer als ein mit einer maximalen Leistungsfähigkeit der Batterie assoziierter Batteriestrom ist, die Mindestspannung auf Pmin/Imax – R·Imax eingestellt wird, wobei Pmin die vorbestimmte Leistung ist, Imax der Maximalstrom ist und R der elektrische Widerstand ist. Die Mindestspannung kann ferner auf einem Maximalstrom der Traktionsbatterie basieren, so dass, wenn der Maximalstrom größer als ein mit einer maximalen Leistungsfähigkeit der Batterie assoziierter Batteriestrom ist, die Mindestspannung auf die Quadratwurzel von 4·R·Pmin eingestellt wird, wobei Pmin die vorbestimmte Leistung ist und R der elektrische Widerstand ist. Die vorbestimmte Leistung kann ausgewählt werden, um Emissionen während des Motoranlassens zu reduzieren. Die vorbestimmte Leistung kann ausgewählt werden, um Emissionsstandards während des Motoranlassens und des Betriebs zu erfüllen. Die vorbestimmte Leistung kann eine Sicherheitstoleranz umfassen, so dass eine vorbestimmte Leistungsmenge für das Motoranlassen nach einer vorbestimmten Zeitspanne zur Verfügung steht, in welcher das Fahrzeug nicht betrieben wird. Die mindestens eine Steuerung kann ferner programmiert sein, den elektrischen Widerstand der Traktionsbatterie zu ermitteln. Der elektrische Widerstand der Traktionsbatterie kann auf einer Einsatzzeit der Traktionsbatterie basieren. Die mindestens eine Steuerung kann ferner programmiert sein, die Traktionsbatterie gemäß einem Mindestladezustand auf der Grundlage der Mindestspannung zu betreiben, wobei keine Leistung von der Traktionsbatterie angefordert wird, wenn ein Ladezustand der Traktionsbatterie geringer als der Mindestladezustand ist.
1 ist eine Darstellung eines Hybridfahrzeugs, das einen typischen Antriebsstrang und typische Energiespeicherkomponenten veranschaulicht.
2 ist eine Darstellung einer möglichen Batteriepackungsanordnung, die aus mehreren Zellen besteht und von einem Batterieenergiesteuermodul gesteuert wird.
3 ist eine Darstellung eines beispielhaften Ersatzschaltungsmodells der Batteriezelle.
4 ist ein Diagramm, das eine mögliche Beziehung zwischen einer Leerlaufspannung (open-circuit voltage, Voc) gegenüber einem Ladezustand (state of charge, SOC) einer Batterie für eine typische Batteriezelle veranschaulicht.
5 ist eine beispielhafte graphische Darstellung der angeforderten Batterieleistung und der Batterieleistungsfähigkeit als Funktion einer Leerlaufspannung der Batterie.
6 ist ein Ablaufdiagramm möglicher Schritte zum Anpassen einer Mindestspannungsgrenze und zum dementsprechenden Betreiben einer Traktionsbatterie.
Hierin sind Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es ist aber zu verstehen, dass die geoffenbarten Ausführungsformen nur Beispiele darstellen und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu: einige Merkmale könnten vergrößert oder minimiert sein, um die Details der bestimmten Komponenten zu zeigen. Somit sind die hierin geoffenbarten speziellen strukturellen und funktionellen Details nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern dienen nur als eine repräsentative Grundlage, um Fachpersonen auf dem Gebiet der Technik zu erklären, wie die vorliegenden Erfindung verschieden verwendet werden kann. Wie Personen mit allgemeiner Kenntnis der Technik verstehen werden, können verschiedene Merkmale, die mit Verweis auf beliebige der Figuren veranschaulicht und beschrieben sind, mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren veranschaulicht sind, kombiniert werden, um Ausführungsformen herzustellen, die nicht explizit veranschaulicht oder beschrieben sind. Die Kombinationen der veranschaulichten Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung konsistent sind, könnten aber für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
1 zeigt ein typisches Plug-In-Hybridelektrofahrzeug (hybrid-electric vehicle, HEV). Ein typisches Plug-In-Hybridelektrofahrzeug 12 kann eine oder mehrere elektrische Maschinen 14 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 16 gekoppelt sind. Die elektrischen Maschinen 14 können in der Lage sein, als ein Elektromotor oder ein Generator zu arbeiten. Zusätzlich dazu ist das Hybridgetriebe 16 mechanisch mit einem Motor 18 verbunden. Das Hybridgetriebe 16 ist auch mechanisch mit einer Antriebswelle 20 verbunden, die mechanisch mit den Rädern 22 verbunden ist. Die elektrischen Maschinen 14 können Antriebs- und Verzögerungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Motor 18 an- oder abgeschaltet ist. Die elektrischen Maschinen 14 wirken auch als Generatoren und können Vorteile der Treibstoffwirtschaftlichkeit bereitstellen, indem Energie, die normalerweise als Hitze im Reibungsbremssystem verloren ginge, rückgewonnen wird. Die elektrischen Maschinen 14 können auch Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie zulassen, dass der Motor 18 bei effizienteren Geschwindigkeiten arbeitet und dass das Hybridelektrofahrzeug 12 in einem elektrischen Modus betrieben wird, wobei der Motor 18 unter gewissen Bedingungen abgeschaltet ist.
Eine Traktionsbatterie oder Batteriepackung 24 speichert Energie, die von den elektrischen Maschinen 14 verwendet werden kann. Eine Fahrzeugbatteriepackung 24 stellt typischerweise eine hohe Gleichspannungsausgabe bereit. Die Traktionsbatterie 24 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen verbunden. Ein oder mehrere Schütze 42 können die Traktionsbatterie 24 von anderen Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 24 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Ein Leistungselektronikmodul 26 ist ebenfalls elektrisch mit den elektrischen Maschinen 14 verbunden und stellt die Fähigkeit bereit, bidirektional Energie zwischen der Traktionsbatterie 24 und den elektrischen Maschinen 14 zu transferieren. So kann z.B. eine typische Traktionsbatterie 24 eine Gleichspannung bereitstellen, während die elektrischen Maschinen 14 einen dreiphasigen Wechselstrom zur Funktion benötigen. Das Leistungselektronikmodul 26 kann die Gleichspannung in einen dreiphasigen Wechselstrom umwandeln, wie er von den elektrischen Maschinen 14 erfordert wird. In einem regenerativen Modus kann das Leistungselektronikmodul 26 den dreiphasigen Wechselstrom von den elektrischen Maschinen 14 umwandeln, die als Generatoren für die von der Traktionsbatterie 24 erforderliche Gleichspannung wirken. Die Beschreibung hierin kann auch auf ein reines Elektrofahrzeug angewendet werden. Für ein reines Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 16 ein mit einer elektrischen Maschine 14 verbundenes Getriebe sein, und der Motor 18 kann auch nicht vorhanden sein.
Zusätzlich zur Bereitstellung von Energie für den Antrieb kann die Traktionsbatterie 24 auch Energie für andere elektrischen Systeme des Fahrzeugs bereitstellen. Ein typisches System kann ein Gleichspannungswandlermodul 28 umfassen, das die hohe Gleichspannungsausgabe der Traktionsbatterie 24 in eine niedrige Gleichspannungsversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Reservebatterie 30 (z.B. 12V-Batterie) verbunden sein. Ein oder mehrere elektrische Lasten 46 können mit dem Hochspannungsbus verbunden sein. Die elektrischen Lasten 46 können eine assoziierte Steuerung aufweisen, die die elektrische Last 46 bei Entsprechung betreibt. Beispiele für elektrische Lasten 46 können ein Heizmodul oder ein Klimaanlagen-Modul sein.
Das Fahrzeug 12 kann ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-In-Hybridfahrzeug sein, in welchem die Traktionsbatterie 24 von einer externen Leistungsquelle 36 wiederaufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 36 kann eine Verbindung mit einem elektrischen Auslass sein. Die externe Leistungsquelle 36 kann elektrisch mit einer Stromtankstelle (electric vehicle supply equipment, EVSE) 38 verbunden sein. Die EVSE 38 kann Schaltkreise und Steuerungen bereitstellen, um den Transport von Energie zwischen der Leistungsquelle 36 und dem Fahrzeug 12 zu regulieren und zu verwalten. Die externe Leistungsquelle 36 kann elektrische Energie in der Form von Gleich- oder Wechselstrom der EVSE 38 bereitstellen. Die EVSE 38 kann einen Ladestecker 40 aufweisen, um diesen in einen Ladungsanschluss 34 des Fahrzeugs 12 einzustecken. Der Ladungsanschluss 34 kann jeder Typ eines Anschlusses sein, der ausgelegt ist, Leistung von der EVSE 38 zum Fahrzeug 12 zu übertragen. Der Ladungsanschluss 34 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem Onboard-Leistungsumwandlungsmodul 32 verbunden sein. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann die Leistung, die von der EVSE 38 zugeführt wird, bedingen, die geeigneten Spannungs- und Strompegel der Traktionsbatterie 24 bereitzustellen. Das Leistungsumwandlungsmodul 32 kann eine Schnittstelle mit der EVSE 38 aufweisen, um die Zufuhr der Leistung zum Fahrzeug 12 zu koordinieren. Der EVSE-Stecker 40 kann Stifte aufweisen, die in die entsprechenden Vertiefungen des Ladungsanschlusses 34 passen. Alternativ dazu können die als elektrisch verbunden beschriebenen verschiedenen Komponenten Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Ein oder mehrere Radbremsen 44 können bereitgestellt sein, um das Fahrzeug 12 zu verzögern und eine Bewegung des Fahrzeugs 12 zu verhindern. Die Radbremsen 44 können hydraulisch, elektrisch oder in einer gewissen Kombination davon betätigt werden. Die Radbremsen 44 können ein Teil eines Bremssystems 50 sein. Das Bremssystem 50 kann andere Komponenten umfassen, die zum Betrieb der Radbremsen 44 erforderlich sind. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine einfache Verbindung zwischen dem Bremssystem 50 und einer der Radbremsen 44. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 50 und den anderen Radbremsen 44 ist impliziert. Das Bremssystem 50 kann eine Steuerung umfassen, um das Bremssystem 50 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 50 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 44 steuern, um den erwünschten Betrieb zu erhalten. Das Bremssystem 50 kann auf Befehle des Fahrers reagieren, und es kann auch autonom arbeiten, um Merkmale wie eine Stabilitätssteuerung zu implementieren. Die Steuerung des Bremssystems 50 kann ein Verfahren zum Anlegen einer erforderlichen Bremskraft implementieren, wenn dies von einer anderen Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
Die verschiedenen erläuterten Komponenten können eine oder mehrere assoziierte Steuerungen aufweisen, um den Betrieb der Komponenten zu steuern und zu überwachen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z.B. Controller Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Zusätzlich dazu kann eine Systemsteuerung 48 gegeben sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
Eine Traktionsbatterie 24 kann aus einer Mehrzahl von chemischen Formulierungen konstruiert sein. Typische chemische Zusammensetzungen von Batteriepackungen können Bleisäure, Nickelmetallhydrid (NIMH) oder Lithiumion sein. 2 zeigt eine typische Traktionsbatteriepackung 24 in einer einfachen seriellen Konfiguration von N-Batteriezellen 72. Andere Batteriepackungen 24 können aber aus einer beliebigen Anzahl von einzelnen Batteriezellen bestehen, die seriell oder parallel oder in einer gewissen Kombination davon verbunden sind. Ein typisches System kann eine oder mehrere Steuerungen aufweisen, so z.B. ein Batterieenergiesteuermodul (Battery Energy Control Module, BECM) 76, das die Leistung der Traktionsbatterie 24 überwacht und steuert. Das BECM 76 kann einige Pegelcharakteristiken der Batteriepackungen wie den Packungsstrom 78, die Packungsspannung 80 und die Packungstemperatur 82 überwachen. Das BECM 76 kann einen nicht-flüchtigen Speicher aufweisen, so dass Daten enthalten werden können, wenn das BECM 76 sich in einem ausgeschalteten Zustand befindet. Enthaltene Daten können nach dem nächsten Schlüsselzyklus zur Verfügung stehen.
Zusätzlich zu den Packungspegelcharakteristiken kann es Pegelcharakteristiken der Batteriezelle 72 geben, die gemessen und überwacht werden. So können z.B. die Klemmenspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle 72 gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 74 verwenden, um die Charakteristiken der Batteriezelle 72 zu messen. Abhängig von den Fähigkeiten kann das Sensormodul 74 die Charakteristiken einer oder mehrerer der Batteriezellen 72 messen. Die Batteriepackung 24 kann bis zu N_c Sensormodule 74 verwenden, um die Charakteristiken aller Batteriezellen 72 zu messen. Jedes Sensormodul 74 kann die Messungen für die weitere Verarbeitung und Koordinierung zum BECM 76 übertragen. Das Sensormodul 74 kann Signale in analoger oder digitaler Form zum BECM 76 übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität des Sensormoduls 74 innerhalb des BECM 76 aufgenommen sein. Dies bedeutet, dass die Hardware des Sensormoduls 74 als Teil des Schaltungskreises im BECM 76 integriert sein kann, und das BECM 76 kann die Verarbeitung der Rohsignale handhaben.
Es kann nützlich sein, die verschiedenen Charakteristiken der Batteriepackung zu berechnen. Quantitäten wie eine Batterieleistungsfähigkeit und der Ladezustand der Batterie können nützlich sein, um den Betrieb der Batteriepackung sowie jegliche elektrische Lasten, die Batterie von der Batteriepackung empfangen, zu steuern. Die Batterieleistungsfähigkeit ist ein Maß der maximalen Leistungsmenge, die die Batterie bereitstellen kann, oder die maximale Leistungsmenge, die die Batterie empfangen kann. Indem man die Batterieleistungsfähigkeit kennt, ist es möglich, elektrische Lasten zu verwalten, so dass die angeforderte Leistung innerhalb der Grenzen liegt, die die Batterie handhaben kann.
Der Ladezustand (state of charge, SOC) der Batteriepackung gibt eine Anzeige davon, wie viel Ladung in der Batteriepackung verbleibt. Der SOC der Batteriepackung kann ausgegeben werden, um den Fahrer darüber zu informieren, wieviel Ladung in der Batteriepackung verbleibt, ähnlich einer Treibstoffmessung. Der SOC der Batterie kann auch verwendet werden, um den Betrieb eines Elektro- oder Hybridelektrofahrzeugs zu steuern. Die Berechnung des SOC der Batteriepackung kann mittels einer Vielzahl von Verfahren durchgeführt werden. Ein mögliches Verfahren zur Berechnung des SOC der Batteriepackung besteht darin, eine Integration des Stroms der Batteriepackung über die Zeit durchzuführen. Dies ist in der Technik allgemein als Ampere-pro-Stunde-Integration bekannt. Ein möglicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Strommessung rauschen kann. Die mögliche Ungenauigkeit im Ladezustand kann aufgrund der Integration dieses Rauschsignals über die Zeit auftreten.
Eine Batteriezelle kann als ein Schaltungsmodell ausgeführt sein. 3 zeigt ein mögliches Ersatzschaltungsmodell (equivalent circuit model, ECM) der Batteriezelle. Eine Batteriezelle kann als ein Modell einer Spannungsquelle (Voc) 100 mit zugeordneten Widerständen (102 und 104) und Kapazität 106 ausgeführt sein. Voc 100 stellt die Leerlaufspannung der Batterie dar. Das Modell umfasst einen Innenwiderstand r1 102, einen Ladungstransportwiderstand r2 104 und eine Doppeltschichtkapazität C 106. Die Spannung V1 112 ist der Spannungsabfall an dem Innenwiderstand 102 aufgrund des Stroms 114, der durch die Schaltung fließt. Die Spannung V2 110 ist der Spannungsabfall an der Parallelkombination von r2 und C aufgrund des Stroms 114, der durch die Kombination fließt. Die Spannung Vt 108 ist die Spannung an den Klemmen der Batterie (Klemmenspannung).
Aufgrund der Impedanz der Batteriezelle kann die Klemmenspannung Vt 108 nicht dieselbe sein wie die Leerlaufspannung Voc 100. Die Leerlaufspannung Voc 100 kann nicht leicht gemessen werden, da nur die Klemmenspannung 108 der Batteriezelle für eine Messung zugänglich ist. Fließt über eine ausreichend lange Zeitspanne kein Strom 114, so kann die Klemmenspannung 108 dieselbe wie die Leerlaufspannung 100 sein. Eine ausreichend lange Zeitspanne kann erforderlich sein, um zu ermöglichen, dass die inneren Dynamiken der Batterie einen stationären Zustand erreichen. Fließt Strom 114, so kann Voc 100 nicht leicht gemessen werden, und der Wert muss auf der Grundlage des SOC der Batterie abgeleitet werden. Die Impedanzparameterwerte r1, r2 und C können bekannt sein, oder sie können durch eine Online-Ermittlungsstrategie identifiziert werden. Die Werte der Parameter können von der Batteriechemie, dem Alter der Batterie und/oder der Betriebsbedingung der Batterie, einschließlich Temperatur, SOC und Strom, abhängen.
Für eine typische Lithiumionen-Batteriezelle gibt es eine Beziehung zwischen SOC und Leerlaufspannung (Voc), so dass Voc = f(SOC). 4 zeigt eine typische Kurve 124, die die Leerlaufspannung Voc als eine Funktion von SOC zeigt. Die Beziehung zwischen SOC und Voc kann aus einer Analyse der Batterieeigenschaften oder aus Tests der Batteriezellen bestimmt werden. Die Funktion kann eine solche sein, dass SOC als f^–1(Voc) berechnet werden kann. Die Funktion oder die Umkehrfunktion können als eine Lookup-Tabelle oder eine Äquivalentengleichung innerhalb einer Steuerung implementiert werden. Die genaue Form der Kurve 124 kann auf der Grundlage der bestimmten Formulierung der Lithiumionen-Batterie variieren. Die Spannung Voc ändert sich als ein Resultat des Ladens und Entladens der Batterie.
Die Impedanzparameter der Batterie r1, r2 und C können sich über die Betriebsbedingungen der Batterie ändern. Die Werte können als eine Funktion der Temperatur der Batterie variieren. So können z.B. die Widerstandswerte r1 und r2, mit zunehmender Temperatur abnehmen, und die Kapazität C kann mit steigender Temperatur ansteigen. Die Impedanzwerte können auch vom Ladezustand der Batterie abhängen. Die Impedanzwerte können sich mit dem Alter und/oder der Verwendung der Batterie ändern.
Die Batterieimpedanzparameterwerte r1, r2 und C können sich ebenfalls über die Lebenszeit der Batterie ändern. So können die Widerstandswerte z.B. über die Lebenszeit der Batterie ansteigen. Der Anstieg an Widerstand kann als eine Funktion von Temperatur und Ladezustand über die Lebenszeit der Batterie variieren. Höhere Batterietemperaturen können einen höheren Anstieg des Widerstands der Batterie über die Zeit bewirken. So kann der Widerstand für eine Batterie, die bei 80C betrieben wird, gegenüber dem Widerstand einer Batterie, die bei 50C betrieben wird, über eine Zeitspanne ansteigen. Bei einer konstanten Temperatur kann der Widerstand einer Batterie, die bei 90% des Ladezustands betrieben wird, gegenüber dem Widerstand einer Batterie, die bei 50% des Ladezustands betrieben wird, mehr ansteigen. Diese Beziehungen können von der Batteriechemie abhängig sein.
Ein Fahrzeugleistungssystem, das konstante Werte der Batterieimpedanzparameter verwendet, kann andere Batteriecharakteristiken wie Ladezustand und Batterieleistungsfähigkeit ungenau berechnen. In der Praxis kann es erwünscht sein, die Impedanzparameterwerte während des Fahrzeugbetriebs zu ermitteln, so dass Änderungen der Parameter kontinuierlich berücksichtigt werden. Es kann ein Modell zur Ermittlung der verschiedenen Impedanzparameter der Batterie verwendet werden.
Ein mögliches Modell kann das Ersatzschaltbildmodell der 3 sein. Die maßgeblichen Gleichungen für das Ersatzmodell kann wie folgt geschrieben werden:
wobei i der Strom ist und V .₂ die zeitbasierte Ableitung von V2 ist. Das vorgeschlagene Verfahren kann sowohl auf eine einzelne Batteriezelle als auch auf die Batteriepackung angewendet werden. Für eine Anwendung auf den Batteriezellpegel können die Variablen Voc, Vt, V2, r1, r2 und C Parameter sein, die mit der Batteriezelle assoziiert sind. Für eine Anwendung auf den Batteriepackungspegel können diese Variablen Parameter sein, die mit der Batteriepackung assoziiert sind. Wenn z.B. die Batteriezellen seriell verbunden sind, kann der Batteriepackungspegel Voc erhalten werden, indem die einzelnen Zellwerte von Voc summiert werden.
Mit Verweis auf das Modell der 3 können verschiedene Werte auf einer Grundlage pro Zelle oder auf der Grundlage einer Gesamtpackung gemessen werden. So kann z.B. die Klemmenspannung Vt 108 für jede Zelle der Traktionsbatterie gemessen werden. Geht man von seriell verbundenen Zellen aus, so kann der Strom i 114 für die gesamte Traktionsbatterie gemessen werden, da derselbe Strom durch jede Zelle fließen kann. Verschiedene Packungskonfigurationen können verschiedene Kombinationen von Messungen verwenden. Das Ermittlungsmodell kann für die gesamte Batteriepackung oder für jede Zelle durchgeführt werden, und die Zellwerte können daraufhin kombiniert werden, um zu einem Gesamtpackungswert zu kommen.
Der Wert von Voc in der Gleichung (2) kann auf der Grundlage des Ladezustands berechnet werden. Der Ladezustand kann unter Verwendung einer Ampere-pro-Stunde-Integration des Stroms 114 abgeleitet werden. Die Leerlaufspannung 100 kann daraufhin auf der Grundlage der 4 aus dem Ladezustandswert berechnet werden. Ein Ausgangsladezustand kann aus 4 auf der Grundlage einer Leerlaufspannungsablese ermittelt werden, nachdem die Batterie für eine ausreichende Zeitspanne geruht hat.
Die Impedanzparameterwerte können sich mit der Zeit ändern. Eine mögliche Implementierung kann einen erweiterten Kalmanfilter (EKF) verwenden, um rekursiv die Parameterwerte zu ermitteln. Ein EKF ist ein dynamisches System, das von Gleichungen der folgenden Form beherrscht wird: x_k = f(x_k-1, u_k-1, w_k-1) (3) z_k = h(x_k, v_k-1) (4) worin: xk den Zustand V2 und die anderen ECM-Parameter der Batterie umfassen kann; u_k die Eingabe ist (z.B. der Batteriestrom); w_k das Prozessrauschen ist; zk die Ausgabe sein kann (z.B. Voc – Vt); und vk das Messrauschen ist.
Ein möglicher Satz von Zuständen für die vorherrschenden Gleichungen für das Ersatzschaltbildmodell kann wie folgt gewählt werden:
Auf der Grundlage der Auswahl dieser Zustände können die zeitdiskreten entsprechenden Zustandsraumgleichungen der Gleichungen (3) und (4) für das ECM-Modell, das von den Gleichungen (1) und (2) beherrscht wird, in der Form der Gleichungen (6) und (7) ausgedrückt werden.
worin Ts eine Abtastzeit ist.
Auf der Grundlage des beschriebenen Systemmodells kann ein Beobachter, z.B. ein EKF, ausgelegt sein, die erweiterten Zustände (x1, x2, x3 und x4) zu ermitteln. Sobald die Zustände ermittelt sind, können die Spannungs- und Impedanzparameterwerte (V2, r1, r2 und C) als eine Funktion der Zustände wie folgt berechnet werden:
Der vollständige Satz an EKF-Gleichungen besteht aus Zeitaktualisierungsgleichungen und Messungsaktualisierungsgleichungen. Die EKF-Zeitaktualisierungsgleichungen planen die Ermittlung von Zustand und Co-Varianz vom vorherigen Zeitschritt zum aktuellen Zeitschritt: x ^ – / k = f(x ^_k-1, u_k-1) (12) P – / k = A_kP_k-1A T / k + W_kQ_k-1W T / k (13) worin: x ^ – / k eine a priori Ermittlung von xk darstellt; P – / k eine a priori Ermittlungsfehler-Co-Varianzmatrix darstellt; A_k die Jacobi-Matrix der partiellen Ableitungen von f(x, u, w) in Bezug auf x darstellt; P_k-1 eine a posteriori Ermittlungsfehlermatrix des letzten Schritts darstellt; A T / k eine Transponierte der Matrix Ak darstellt; W_k die Jacobi-Matrix der partiellen Ableitungen von f(x, u, w) in Bezug auf die Prozessrauschenvariable w darstellt; Q_k-1 eine Prozessrauschen-Co-Varianzmatrix darstellt und W T / k eine Transponierte der Matrix Wk darstellt.
Die Matrix Ak kann aus dem Satz von Zustandsgleichungen konstruiert werden, die durch die Gleichung (14) definiert sind. Die Eingabe u kann in diesem Fall die Strommessung i umfassen.
Die Messungsaktualisierungsgleichungen korrigieren die Zustands- und Co-Varianz-Ermittlung mit der Messung: K_k = P – / kH T / k(H_kP – / kH T / k + V_kR_kV T / k)^–1 (15) x ^_k = x ^ – / k + K_k(z_k – h(x ^ – / k, u_k)) (16) P_k = (I – K_kH_k)P – / k (17) worin: K_k den EKF-Zuwachs darstellt; H_k die Jacobi-Matrix der partiellen Ableitungen von h in Bezug auf x darstellt; H T / K die Transponierte von H_k ist; R_k eine Messungsrauschen-Co-Varianzmatrix darstellt; V_k die Jacobi-Matrix der partiellen Ableitungen von h in Bezug auf die Messungsrauschenvariable v darstellt; zk die gemessenen Ausgabewerte darstellt; und V T / K die Transponierte von V_k ist.
Im EKF-Model kann angenommen werden, dass die Widerstands- und Kapazitätsparameter langsam variierend sind und eine Ableitung von etwa null haben. Das Ermittlungsziel kann darin bestehen, die zeitvariierenden Werte der Schaltungsparameter zu identifizieren. Im obigen Modell können drei Impedanzparameter identifiziert: r1, r2 und C. Umfassendere Modelle können zusätzlich noch Voc als einen zeitlich variierenden Parameter ermitteln. Andere Modellformulierungen können ein zweites RC-Paar umfassen, um eine langsame und eine schnelle Spannungsrückgewinnungsdynamik darzustellen. Diese Formulierungen können die Anzahl von Zuständen im Modell erhöhen.
Personen mit herkömmlicher Kenntnis in der Technik können das EKF auf der Grundlage eines Satzes von Modellgleichungen konstruieren und implementieren. Das obige beschriebene Gleichungssystem ist ein Beispiel für ein Systemmodell für ein Batteriesystem. Es sind auch andere Formulierungen möglich, und die beschriebenen Verfahren arbeiten auf anderen Formulierungen gleich gut.
Im obigen Beispiel können i und Vt gemessene Quantitäten sein. Die Quantität Voc kann vom Ladezustand abgeleitet werden, welcher unter Verwendung einer Ampere-pro-Stunde-Integration des Stroms berechnet werden kann. Sobald V2 und r1 ermittelt sind, kann die Klemmenspannung der Batterie wie folgt ermittelt werden: V ^_t = V_OC – V ^₂ – r ^₁·i (18)
Die obig beschriebene Ermittlungsfunktionalität ist eine Technik, um die Impedanzparameter der Batterie zu ermitteln. Die folgende Diskussion kann auch auf andere Verfahren zur Ermittlung der Parameter angewendet werden.
Unter Verwendung dieses Modells kann der Gesamtwiderstand einer Traktionsbatterie als die Summe von r1 und r2 berechnet werden.
Eine nützliche Quantität, die in Batteriesystemen verwendet werden kann, ist die Leistungsfähigkeit der Batterie. Die Batterieleistungsfähigkeit kann die Menge an Leistung sein, die die Batterie in der Lage ist, zu liefern oder zu empfangen. Eine separate Batterieleistungsfähigkeit kann zum Laden und Entladen definiert sein. Die Leistungsfähigkeit einer Batterie kann als eine Funktion des Ladezustands oder der Leerlaufspannung ausgedrückt sein. Dies bedeutet, dass die Leistungsfähigkeit der Batterie einen verschiedenen Wert für verschiedene Ladezustände aufweisen kann. Ein Traktionsbatteriesystem ist normalerweise derart ausgelegt, so dass die Leistungsfähigkeit der Batterie größer als die Menge an Leistung ist, die die Batterie zu einem gegebenen Zeitpunkt bereitstellen muss. Aufgrund der Alterungseffekte der Batterie kann die Leistungsfähigkeit der Batterie mit dem Altern der Batterie abnehmen. Um Garantie und Erwartungen des Fahrers zu erfüllen, ist es wichtig, die Batterie so zu konzipieren, dass sie auch beim Altern noch die Anforderungen des Fahrzeugs erfüllt.
Um die Lebenszeit der Batterie zu verbessern, kann eine Traktionsbatterie ausgelegt sein, in einem speziellen SOC-Bereich zu arbeiten. Der SOC-Bereich kann definiert sein, um die Anforderungen an Batterielebenszeit und Fahrzeugleistung zu erfüllen. Ein typisches Hybridelektrofahrzeug kann einen speziellen mittleren Bereich von SOC-Werten verwenden. So kann ein Hybridelektrofahrzeug z.B. in einem SOC-Bereich zwischen 35% und 75% SOC arbeiten. Der SOC kann gesteuert werden, so dass er nicht geringer als eine untere SOC-Grenze (z.B. 35%) ist und nicht größer als eine obere SOC-Grenze (z.B. 75%). Die Grenzen können hinsichtlich Spannung oder SOC beschrieben werden, da Spannung und SOC zusammenhängen (siehe 4).
Die Batterieleistung kann als eine Funktion der Leerlaufspannung der Batterie begrenzt sein, wie dies in 5 gezeigt ist. Eine Mindestspannung VOCmin1 204 kann definiert werden, unter welcher keine elektrische Leistung für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet werden kann. Unter der Mindestspannung 204 kann das Fahrzeug nur allein unter Verwendung von Motorleistung betrieben werden. Die Motorleistung kann verwendet werden, um die Traktionsbatterie wiederaufzuladen, um die Spannung und den Ladezustand zu erhöhen. Bei einem gewissen niedrigen Spannungswert VOClow 206 kann ein Maximalleistungspegel Phi 210 von der Batterie angefordert werden. Der niedrige Spannungswert VOClow 206 kann als die niedrigste Spannung definiert werden, um volle Leistung anzufordern. Volle Leistung kann von der Batterie für Spannungswerte über dem niedrigen Spannungswert gezogen werden. Der Leistungspegel kann zwischen dem niedrigen Spannungswert 206 für volle Leistung und der Mindestspannung 204 niedergefahren werden, um ein sanftes Abklingen des Leistungsverbrauchs der Batterie sicherzustellen.
Der Leistungspegel bei der Mindestspannung 204 kann derart definiert sein, dass ein Mindestleistungsstandard erfüllt wird. Beim niedrigsten Spannungswert 206 kann Leistung von der Batterie angefordert und von dieser geliefert werden. Die Leistung, die zu diesem Betriebspunkt zugeführt wird, kann ein erwünschtes Mindestniveau an Fahrzeugleistung sicherstellen. Der Mindestleistungspegel kann so gewählt werden, dass das Fahrzeug die Emissionsstandards erfüllt. Der Mindestleistungspegel kann auch in vollelektrischen Fahrzeugen so gewählt werden, dass genügend Leistung gegeben ist, um das Fahrzeug in Notfallsituationen über eine kurze Distanz anzutreiben. So kann der Leistungspegel z.B. so gewählt werden, dass ein Fahrzeug sich über einen Eisenbahnübergang bewegen kann, sollte das Fahrzeug auf den Schienen angehalten werden. Dieser niedrige Spannungswert 206 kann von der Mindestspannungsgrenze 204 unterschieden werden, bei welcher keine Leistung von der Batterie angefordert und von dieser geliefert werden kann.
Die obige Diskussion kann SOC-Werte für Leerlaufspannungswerte austauschen und ebenfalls angewendet werden. Im Fall von SOC kann ein Mindest-SOC-Wert so definiert werden, so dass für Ladezustände unterhalb des Mindest-SOC-Werts keine Leistung von der Traktionsbatterie angefordert werden kann. Ebenso kann ein niedriger SOC-Wert entsprechend dem niedrigen Spannungswert definiert werden.
Einige Systeme können den niedrigsten SOC für den Betriebspunkt der vollen Leistung ändern, wenn die Batterie altert, während der Mindest-SOC auf einem konstanten Wert gelassen wird. Für eine verbesserte Lebenszeit der Batterie kann es bevorzugt sein, eine neue Batterie bei niedrigeren SOC-Werten zu betreiben, wenn man davon ausgeht, dass der Leistungspegel der Batterie die Fahrzeuganforderungen erfüllt. Mit dem Altern der Batterie können der Mindest-SOC-Wert und/oder der niedrigste SOC für die volle Leistung angepasst werden, um die Anforderungen an die Fahrzeugleistung zu erfüllen.
Die Leistungsfähigkeit der Batterie kann unter Verwendung des Ersatzschaltmodells der 3 modelliert sein. Für die stationäre Leistungsfähigkeit können alle Elemente eines Übergangs- oder dynamischen Modells ignoriert werden. Die Leistungsausgabe einer Batterie kann wie folgt definiert sein: Pout = Voc i – R i² (19) worin R ein Gesamtwiderstand der Batterie ist, welcher die Summe von r1 und r2 sein kann.
Mit dem Altern der Batterie kann der Widerstand der Batterie zunehmen. Änderungen des Widerstands beeinflussen die Leistungsausgabe der Batteriepackung. Nimmt der Widerstand zu, geht mehr Leistung im Widerstand der Batterie verloren. Dadurch werden meistens die Leistungsausgabe der Batterie und die Leistungsfähigkeit der Batterie reduziert. Zusätzlich zur Änderung aufgrund des Alterns kann der Widerstand der Batterie auch mit den Temperaturänderungen der Batterie variieren.
Die Leistungsfähigkeit der Batterie kann durch Bestimmen der maximalen Leistungsausgabe der Batterie berechnet werden. Die maximale Leistungsausgabe der Batterie kann dadurch ermittelt werden, dass die Maximalleistung, die die Batterie bereitstellen kann, berechnet wird. Nimmt man die Ableitung der Gleichung (19) und setzt diese auf null, so ergibt sich der folgende Ausdruck:
Die Lösung von i ergibt:
Bei diesem Wert des Stroms kann die Leistungsausgabe maximal sein. Setzt man diesen Wert zurück in die Gleichung (19) ein, so ergibt dies den folgenden Ausdruck für die maximale Leistungsausgabe:
Aus der Gleichung (22) ist klar, dass mit zunehmenden Widerstand R die maximale Leistung, die die Batterie bereitstellen kann, abnimmt. Da Voc mit SOC zusammenhängt, kann die Maximalleistung auch als eine Funktion von SOC ausgedrückt werden (siehe 4). Bei der Leistungsfähigkeit der Batterie kann auch auf die beschriebene maximale Leistungsausgabe verwiesen werden.
Um gewisse Anforderungen an die Fahrzeugleistung zu erfüllen, kann eine gewisse Menge an Batterieleistung erwünscht sein. So kann z.B. eine vorbestimmte Menge an Batterieleistung erforderlich sein, um den Motor zu starten. Als ein weiteres Beispiel kann eine vorbestimmte Menge an Batterieleistung erforderlich sein, um die Emissionsanforderungen während des Motoranlassens zu erfüllen. Eine vorbestimmte Menge an Batterieleistung kann erforderlich sein, um Emissionen beim Anstarten zu erfüllen. So kann z.B. Batterieleistung notwendig sein, um das Fahrzeug anzutreiben oder um mit der Emission zusammenhängende Komponenten vorzuerhitzen. Zusätzlich dazu hilft die Verfügbarkeit von Batterieleistung, die Ziele der Treibstoffwirtschaftlichkeit zu erfüllen und die Fahrzeugleistung zu verbessern. Es ist erwünscht, die Fahrzeugleistung weitestgehend zu halten, wenn die Leistungsfähigkeit der Batterie mit der Zeit schwächer wird. Die Erfüllung der Leistungsziele für das Fahrzeug während der Lebenszeit des Fahrzeugs kann die Kundenzufriedenheit verbessern.
Im Allgemeinen erhöht sich die Leerlaufspannung mit zunehmendem SOC. Wie aus der Gleichung (22) ersichtlich ist, besteht ein Weg der Batterie, mehr Leistung bereitzustellen, darin, bei einer höhere Leerlaufspannung zu arbeiten. Dies bedeutet einen Betrieb bei einem höheren Ladezustandswert.
Es kann eine Mindestleistungsanforderung definiert sein. Diese Mindestleistungsanforderung kann auf grundlegenden Emissionsanforderungen oder Motoranlassensanforderungen basieren. Diese Mindestleistungsanforderung kann einen minimalen Batterieleistungspegel definieren, um Fahrzeugemissionen während des Motoranlassens zu erfüllen. Die Mindestleistungsanforderungen können auf Fahrzeugtests oder -analysen basieren.
Die Mindestleistungsanforderung kann mit einem Sicherheitsfaktor multipliziert werden, um eine Betriebstoleranz bereitzustellen. Der Sicherheitsfaktor kann größer als eins sein. Dieser Faktor kann eine kleine Toleranz bereitstellen, so dass der SOC oder die Spannung unter einen Mindestwert fallen können und dennoch die Mindestleistungsanforderung erfüllt wird. Dies kann in einer Situation nützlich sein, in welcher das Fahrzeug bei einem SOC (oder einer Spannung) nahe der Mindestgrenze abgeschaltet ist. Wird das Fahrzeug einige Tage lang nicht in Betrieb genommen, so kann der SOC der Batterie aufgrund der inneren Prozesse in der Batterie abnehmen. Der Sicherheitsfaktor kann derart definiert sein, dass eine resultierende Mindestleerlaufspannung (oder ein Mindest-SOC) nach einer Periode noch immer gültig ist, in welcher das Fahrzeug nicht verwendet wird (z.B. 31 Tage auf einem Parkplatz).
Es kann ein Maximalstrom für die Traktionsbatterie definiert sein. Ein Maximalstrom der Batterie kann an jedem Leerlaufspannungswert auf der Grundlage einer zulässigen Mindestspannung an den Klemmen der Batterie definiert sein. Ein Maximalstrom der Batterie kann wie folgt definiert sein:
Der Maximalstrom der Batterie kann der Maximalstrom sein, der von der Batterie bei einer gegebenen Leerlaufspannung und zulässigen Mindestspannung an den Klemmen zugeführt wird. Der Batteriemaximalstrom kann auch auf andere Weise definiert werden. Der Batteriestrom kann durch die Stromkapazität der inneren Batterieverdrahtung begrenzt sein. Der Batteriestrom kann auch durch thermische Anforderungen innerhalb der Batteriepackung begrenzt werden. Eine Batteriesteuerung kann eine Tabelle von Maximalstromwerten für verschiedene Leerlaufspannungen implementieren. Die Batteriesteuerung kann versuchen, die Stromausgabe auf weniger oder gleich dem maximal zulässigen Strom zu begrenzen. Die Gleichung (23) gibt den Maximalstrom an, der zugeführt werden kann, ohne dass die Klemmenspannung unter einen Mindestgrenzwert der Spannung fällt.
Der Maximalstrom kann ferner durch andere elektrische Komponenten begrenzt sein, die mit der Traktionsbatterie verbunden sind. Sicherungen und Drähte können die Menge an Strom begrenzen, die im System fließen kann. In einigen Fällen können diese Begrenzungen geringer als die Batteriestromgrenze der Gleichung (23) sein. In diesen Situationen können diese Grenzen die maximale Menge an Strom steuern, die fließen kann. Im Allgemeinen können der Mindestwert der Batteriestromgrenze und diese alternativen Grenzen verwendet werden, um den Maximalstrom zu definieren.
In der obigen Formulierung des Maximalstroms der Batterie nimmt der Wert mit abnehmender Leerlaufspannung ab. Bei niedrigeren Leerlaufspannungen kann die Batterie eine geringere Stromkapazität aufweisen. Der Maximalbatteriestrom kann ebenfalls mit zunehmendem Widerstand abnehmen.
Der Maximalstrom der Batterie kann mit dem Strom an der maximalen Batterieleistungsausgabe verglichen werden. Ist der Maximalstrom I_max der von der Batteriepackung zugelassen ist, geringer als Voc/2R, dann kann die Batteriepackung nicht in der Lage sein, die Maximalleistung aufgrund einer Maximalstrombegrenzung bereitzustellen. Die maximale Leistungsfähigkeit kann durch den maximal zulässigen Strom begrenzt werden. In dieser Situation kann die Mindestleerlaufspannung wie folgt ausgedrückt werden:
worin Imax der Maximalstrom ist, der von der Batteriepackung zugelassen wird. Dies stellt sieht vor, dass der Mindestleerlaufspannungswert die Mindestleistungsanforderung erfüllt. Der entsprechende SOC-Wert kann aus der Beziehung zwischen Leerlaufspannung und Ladezustand abgeleitet werden (siehe 4).
Ist der Maximalstrom Imax, der von der Batteriepackung zugelassen ist, größer oder gleich Voc/2R, dann kann die Batteriepackung in der Lage sein, die Maximalleistung bereitzustellen. Die Leistungsfähigkeit der Batterie wird nicht durch den maximal zulässigen Batteriestrom begrenzt. In diesem Fall kann die Maximalleistung bei einem Strom von weniger als dem Maximalstrom erreicht werden. Die Maximalleistung kann auf die Mindestleistungsanforderung eingestellt werden, um den entsprechenden Leerlaufspannungswert zu berechnen. Die Mindestleerlaufspannung kann wie folgt ausgedrückt werden:
Unter Verwendung der Gleichungen (24) und (25) kann eine Mindestleerlaufspannung, die die Mindestleistungsanforderung erfüllt, bestimmt werden. Sobald die Mindestleerlaufspannung bekannt ist, kann ein entsprechender Mindest-SOC-Wert gefunden werden. Die Mindest-SOC-Betriebsgrenze kann auf der Grundlage der Mindestleerlaufspannung definiert werden. Die Batteriesteuerung kann eine Betriebsstrategie ausführen, um den Batterie-SOC und die Spannung über dieser Mindestbetriebsgrenze zu halten, um die Mindestleistungsanforderung zu erfüllen.
Der obige in den Gleichungen (24) und (25) verwendete P_min Wert kann durch einen Steigerungsfaktor angepasst werden, um eine Toleranz für die Mindestleerlaufspannung bereitzustellen. Die erwünschte Mindestleistung kann mit dem Verstärkungsfaktor multipliziert werden. Der Verstärkungsfaktor kann ein Wert sein, der größer oder gleich eins ist, um eine Toleranz im Mindestleistungspegel sicherzustellen.
Der Mindest-SOC ist der SOC-Wert, bei welchem keine Leistung von der Batterie während des normalen Betriebs gezogen werden kann. Der Mindest-SOC-Wert stellt sicher, dass die Batterie über genügend Leistung verfügt, um den Motor bei Bedarf anzulassen. Zusätzlich dazu kann der Leistungspegel beim Mindest-SOC derart definiert sein, dass das Motoranlassen die Emissionsstandards erfüllt.
Mit dem Altern der Batterie kann die Mindest-SOC-Grenze in ihrem Wert steigen. Zusätzlich dazu kann eine Mindest- und Maximal-SOC-Schranke definiert werden. Die berechnete Mindest-SOC-Grenze kann auf diesen Bereich beschränkt werden.
Zu Beginn der Lebenszeit der Batterie können die Batterieleistungsgrenzen auf Werten fixiert sein, die unter der maximal möglichen Batterieleistungsfähigkeit liegen. Mit dem Altern der Batterie kann die Batterieleistungsfähigkeit unter die Batterieleistungsgrenzen zu Beginn der Lebenszeit fallen.
Die Batteriesteuerung kann die Impedanzparameter der Batterie ermitteln, wie dies oben beschrieben ist. Indem kontinuierlich das Ermittlungsmodel ausgeführt wird, kann die Batteriesteuerung einen Wert für den Batteriewiderstand erhalten, der die Effekte von Alterung und Temperatur widerspiegelt. Der Widerstandswert kann daraufhin verwendet werden, um die Mindestgrenze der Batteriespannung zu berechnen, um die Mindestleistungsanforderungen des Fahrzeugs zu erfüllen. Ein Vorteil dieses Systems liegt darin, dass die Mindestspannungsgrenze mit den Änderungen der Temperatur der Batterie geändert werden kann. Somit kann die Batterie immer zumindest den Mindestleistungspegel beim Mindestspannungswert zur Verfügung haben.
Der Widerstand der Batterie kann sich ebenfalls mit der Temperatur ändern. Die Echtzeitermittlung des Widerstands kann Änderungen der Batterietemperatur berücksichtigen. Die Mindest-SOC-Grenze kann gemäß dem Widerstand angepasst werden, wenn dieser mit der Temperatur variiert. Die Mindest-SOC-Grenze bei einem gewissen Alter und einer gewissen Verwendung der Batterie kann von der Temperatur unabhängig sein.
5 zeigt ein Beispiel für das Bewegen des Mindestspannungspegels, um die Mindestleistungsfähigkeit zu erfüllen. Eine erste graphische Darstellung 200 der verfügbaren Anforderungsleistung als eine Funktion der Leerlaufspannung ist dargestellt. Bei einer Spannung von weniger als einer Mindestspannung VOC_min1 204 kann keine Leistung von der Traktionsbatterie für den Antrieb angefordert werden. Für ein Hybridfahrzeug kann ein Betriebsmodus eingegangen werden, in welchem die gesamte Leistung für den Antrieb aus dem Motor abgeleitet wird. Eine elektrische Maschine kann in dieser Situation als ein Generator betrieben werden, um den Batterie-SOC auf einen höheren Pegel anzuheben. Diese Mindestspannung 204 kann ausgewählt werden, um die Batterielebenszeit zu verbessern. Bei einer höheren Spannung VOClow 206 kann Leistung, die angefordert werden kann, ein normaler Leistungspegel Phi 210 sein. Der normale Leistungspegel kann ein solcher sein, dass eine elektrische Maschine Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs verwenden kann. Beim Leistungspegel Phi 210 kann die Traktionsbatterie in der Lage sein, den normalen Leistungspegel zu liefern. Bei Spannungen von mehr als Vlow 206 kann der normale Leistungspegel von der Batterie angefordert werden.
Die zweite graphische Darstellung 202 zeigt eine Darstellung der Leistungsfähigkeit als eine Funktion der Leerlaufspannung. Bei der ersten graphischen Darstellung der Leistungsfähigkeit, P₁ 224, kann eine Leistungsfähigkeit nahe dem Beginn der Batterielebenszeit sein. Bei der Spannung VOClow 206 kann der Betriebspunkt 218 der Leistungsfähigkeit über dem normalen Leistungspegel Phi 210 liegen. Bei der Spannung VOCmin1 204 kann der Betriebspunkt 222 der Leistungsfähigkeit über einem Mindestleistungspegel 214 liegen.
Mit dem Altern der Batterie kann sich die Leistungsfähigkeitskurve nach unten verschieben, so z.B. auf die Kurve P₂ 226. Die Leistungsfähigkeit kann bei allen Spannungspegeln beim Altern der Batterie sinken. Der entsprechende Leistungsbetriebspunkt 220 bei VOClow kann sinken und unter dem normalen erwünschten Leistungspegel 210 liegen. Zusätzlich dazu kann der entsprechende Leistungsbetriebspunkt 228 bei der Mindestspannung VOCmin1 204 unter dem Mindestleistungspegel Pmin 214 liegen. Wie obig beschrieben ist, kann Pmin 214 gewählt sein, um sicherzustellen, dass ausreichend Leistung bei der Mindestspannung zur Verfügung steht, so dass das Anlassen des Motors zulässig ist, während die Emissionsstandards erfüllt werden. Unter dieser Bedingung kann die verfügbare Leistung bei der Anfangsmindestspannung 204 nicht ausreichend sein, um den Motor anzulassen, während die Emissionsanforderungen erfüllt werden.
Der Mindestspannungspegel wird so angepasst, dass beim Mindestspannungspegel die Mindestleistung Pmin 214 erreicht wird. Dies kann beim Spannungspegel VOCmin2 208 sein. An diesem Betriebspunkt 216 ist die Leistungsfähigkeit Pmin 214. Keine Leistung sollte von der Traktionsbatterie unter VOCmin2 208 angefordert werden. Dies bewegt den Mindestspannungspegel auf einen höheren Wert als zuvor. Zusätzlich dazu kann eine andere Logik implementiert werden, um eine neue VOClow 206 Spannung auszuwählen. Eine Technik kann darin bestehen, VOClow 206 zu bewegen, wenn die Differenz zwischen VOClow 206 und VOCmin2 208 unter einen gewissen Schwellenwert fällt. Im Allgemeinen kann es erwünscht sein, die verfügbare Leistungsanforderung zwischen VOClow und VOCmin abfallen zu lassen, um glattere Übergänge bereitzustellen. Es ist anzumerken, dass die obige Diskussion auch gilt, wenn die VOC-Werte als Ladezustandswerte dargestellt sind. In diesem Fall können die entsprechenden SOC-Grenzen berechnet werden.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein mögliches Verfahren, das in einer Steuerung implementiert werden kann. Der Widerstand kann unter Verwendung aller verfügbaren Techniken, so z.B. dem früher beschriebenen möglichen Schema, ermittelt werden 302. Der Maximalstrom kann berechnet werden 304. Der Maximalstrom kann ein Mindestwert eines Maximalbatteriestroms und eine Maximalstromgrenze anderer Komponenten (z.B. Verdrahtung, Sicherungen) sein. Ein Vergleich 306 des Maximalstroms mit dem Strom für die Maximalleistung kann durchgeführt werden. Ist der Maximalstrom geringer als der Strom für die maximal verfügbare Leistung, dann kann die Mindestspannungsgrenze unter Verwendung der strombegrenzenden Formel 308 berechnet werden. Ist der Maximalstrom größer oder gleich dem Strom für die maximal verfügbare Leistung, dann kann die Mindestspannungsgrenze unter Verwendung der maximal verfügbaren Leistung berechnet werden 310. Die Mindestspannungsgrenze kann daraufhin verwendet werden, um bei Bedarf die niedrige Spanungsgrenze anzupassen 312. Wenn z.B. die Differenz zwischen der niedrigen Spannungsgrenze und der Mindestspannungsgrenze weniger als eine vorbestimmte Differenz wird, so kann die niedrige Spannungsgrenze angepasst werden, so dass die vorbestimmte Differenz beibehalten wird. Die Batterie kann daraufhin gemäß den neuen Spannungsgrenzen betrieben werden 314. Der Betrieb kann ein solcher sein, dass keine Leistung für den Antrieb angefordert wird, wenn die Spannung geringer als die Mindestspannungsgrenze ist.
Die hierin geoffenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können zu einer Verarbeitungsvorrichtung, Steuerung oder einem Computer, der/die jede bestehende programmierbare elektronische Steuereinheit oder zugewiesene elektronische Steuereinheit umfassen kann, zugeführt werden und/oder von dieser/diesem implementiert werden. Ebenso können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Befehle gespeichert werden, die von einer Steuerung oder einem Computer in vielen Formen, einschließend dabei, aber nicht ausschließlich, Information, die permanent auf nicht beschreibbaren Speichermedien wie ROM-Vorrichtungen gespeichert sind, und Informationen, die veränderbar auf beschreibbaren Speichermedien wie Festplatten, Magnetbändern, CDs, RAM-Vorrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien gespeichert sind, ausgeführt werden können. Die Prozesse, Verfahren und Algorithmen können in einem von einer Software ausführbaren Objekt implementiert sein. Alternativ dazu können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen auch als Ganzes oder teilweise unter Verwendung geeigneter Hardware-Komponenten wie anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (Specific Integrated Circuits, ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderer Hardware-Komponenten oder -Vorrichtungen, oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten, ausgeführt sein.
Während die beispielhaften Ausführungsformen oben beschrieben sind, ist keineswegs beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen vorgesehen sind. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind vielmehr Worte der Beschreibung als Worte der Einschränkung, und es ist zu verstehen, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben wurde, können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht sind. Während verschiedene Ausführungsformen so beschrieben sein könnten, dass sie Vorteile bereitstellen oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere erwünschte Charakteristiken bevorzugt sind, werden Personen mit allgemeiner Kenntnis der Technik erkennen, dass ein oder mehrere Merkmale oder Charakteristiken in Kompromissen zusammengefasst werden können, um die erwünschten Gesamtsystemattribute zu erhalten. Diese Attribute können umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt: Kosten, Stärke, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Vermarktbarkeit, Erscheinungsbild, Verpackung, Größe, Leistungsfähigkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit des Zusammenbaus etc. Als solche sind die Ausführungsformen, die als weniger erwünscht als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Charakteristiken beschrieben wurden, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen erwünscht sein.

Claims

Fahrzeug, das umfasst: eine Traktionsbatterie; und mindestens eine Steuerung, die programmiert ist, die Traktionsbatterie gemäß einem Mindestladezustand auf der Grundlage eines elektrischen Widerstands und einer vorbestimmten Mindestleistung zu betreiben, so dass die vorbestimmte Mindestleistung beim Mindestladezustand für das Motoranlassen zur Verfügung steht, wobei unterhalb des Mindestladezustands keine Leistung von der Traktionsbatterie für den Antrieb angefordert wird.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der elektrische Widerstand einen Innenwiderstand der Traktionsbatterie umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der elektrische Widerstand einen Verdrahtungswiderstand umfasst, der mit einem mit der Traktionsbatterie verbundenen Kabelbaum assoziiert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Mindestleistung eine Sicherheitstoleranz umfasst, so dass eine vorbestimmte Menge an Leistung für das Motoranlassen nach einer vorbestimmte Zeitspanne, in welcher das Fahrzeug nicht betrieben wird, zur Verfügung steht.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Steuerung weiter programmiert ist, den elektrischen Widerstand zu ermitteln.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei der elektrische Widerstand auf einem oder mehreren von Alter und Verwendung der Traktionsbatterie basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei der Mindestladezustand weiter auf einem Maximalstrom der Traktionsbatterie basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Mindestleistung ausgewählt ist, um Emissionen während des Motoranlassens zu reduzieren.
Steuerungsimplementiertes Verfahren, das umfasst: Betreiben, mittels einer Steuerung, einer Traktionsbatterie gemäß einem Mindestladezustand auf der Grundlage eines Widerstands der Traktionsbatterie und einer Mindestleistungsfähigkeit, so dass eine vorbestimmte Mindestleistung beim Mindestladezustand für das Motoranlassen zur Verfügung steht, wobei keine Leistung von der Traktionsbatterie für den Antrieb angefordert wird, wenn ein Ladezustand unterhalb des Mindestladezustands liegt.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Ermitteln, mittels der Steuerung, des Widerstands der Traktionsbatterie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vorbestimmte Mindestleistung eine Mindestleistung ist, die erforderlich ist, um die Emissionsstandards während des Motoranlassens zu erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die vorbestimmte Mindestleistung eine Sicherheitstoleranz umfasst, so dass eine vorbestimmte Menge an Leistung für das Anlassen nach einer vorbestimmten Zeitspanne zur Verfügung steht, in welcher die Traktionsbatterie nicht betrieben wird.
Fahrzeug, das umfasst: eine Traktionsbatterie; und mindestens eine Steuerung, die programmiert ist, die Traktionsbatterie gemäß einer Mindestspannung auf der Grundlage eines elektrischen Widerstands und einer vorbestimmten Leistung zu betreiben, so dass die vorbestimmte Leistung bei der Mindestspannung für das Motoranlassen zur Verfügung steht, wobei keine Leistung von der Traktionsbatterie für den Antrieb angefordert wird, wenn eine Spannung der Traktionsbatterie unterhalb der Mindestspannung liegt.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Mindestspannung ferner auf einem Maximalstrom der Traktionsbatterie basiert, so dass, wenn der Maximalstrom geringer als ein mit einer maximalen Batterieleistungsfähigkeit assoziierter Batteriestrom ist, die Mindestspannung auf Pmin/Imax – R·Imax eingestellt wird, worin Pmin die vorbestimmte Leistung ist, Imax der Maximalstrom ist und R der elektrische Widerstand ist.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die Mindestspannung ferner auf einem Maximalstrom der Traktionsbatterie basiert, so dass, wenn der Maximalstrom größer als ein mit einer maximalen Batterieleistungsfähigkeit assoziierter Batteriestrom ist, die Mindestspannung auf eine Quadratwurzel von 4·R·Pmin eingestellt wird, wobei Pmin die vorbestimmte Leistung ist und R der elektrische Widerstand ist.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Leistung ausgewählt ist, die Emissionen während des Motoranlassens zu reduzieren.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die vorbestimmte Leistung eine Sicherheitstoleranz umfasst, so dass eine vorbestimmte Menge an Leistung für das Motoranlassen nach einer vorbestimmten Zeitspanne, in welcher das Fahrzeug nicht betrieben wird, zur Verfügung steht.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, den elektrischen Widerstand der Traktionsbatterie zu ermitteln.
Fahrzeug nach Anspruch 18, wobei der elektrische Widerstand der Traktionsbatterie auf einer Einsatzzeit der Traktionsbatterie basiert.
Fahrzeug nach Anspruch 13, wobei die mindestens eine Steuerung ferner programmiert ist, die Traktionsbatterie gemäß einem Mindestladezustand auf der Grundlage der Mindestspannung zu betreiben, wobei keine Leistung von der Traktionsbatterie für den Antrieb angefordert wird, wenn ein Ladezustand der Traktionsbatterie geringer als der Mindestladezustand ist.