DE102016119253A1

DE102016119253A1 - Batteriezustands-schätzungssysteme und verfahren unter verwendung eines nichtlinearen widerstandselements

Info

Publication number: DE102016119253A1
Application number: DE102016119253.8A
Authority: DE
Inventors: Charles W. Wampler; Mark W. Verbrugge; Brian J. Koch; Patricia M. Laskowsky
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2017-04-20
Also published as: CN107024659A; CN107024659B

Abstract

Systeme und Verfahren zur Abschätzen des Zustands eines Batteriesystems wie ein strombegrenzter Leistungszustand und/oder ein spannungsbegrenzter Leistungszustand unter Verwendung eines Batteriesystemmodells unter Verwendung eines nichtlinearen Widerstandselements werden offenbart. Die Parameter der Elemente, die in einem Batteriezellenmodell mit einem nichtlinearen Widerstand einer Batteriezelle verknüpft sind, können direkt parametriert und in Verbindung mit Zustandsschätzungsverfahren verwendet werden. Durch Abrechnung der nichtlinearen Wirkung können Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren die verfügbare Batterieenergie in Verbindung mit Batteriesystemsteuerungen und/oder Managemententscheidungen über ein größeres Fenster von Betriebsbedingungen erhöhen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Abschätzen des Zustands eines Batteriesystems. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, betreffen die Systeme und Verfahren, die hier offenbart werden, das Abschätzen des Zustands eines Batteriesystems unter Verwendung eines Batteriesystemmodells, welches ein nicht-lineares Widerstandselement beinhaltet.
HINTERGRUND
Personenkraftwagen enthalten oft elektrische Batterien zum Betreiben von elektrischen Systemen und Antriebssystemen des Fahrzeugs. Beispielsweise sind Fahrzeuge gewöhnlich mit einer 12-V-Blei-Säure-Autobatterie ausgestattet, um elektrische Energie für die Fahrzeug-Startersysteme (z. B. ein Anlasser), Beleuchtungs- und/oder Zündungssysteme zu liefern. In Elektro-, Brennstoffzellen-(„BZ“) und/oder Hybrid-Fahrzeugen kann ein Hochspannungs(„HS“)-Batteriesystem, (z. B. ein 360-V-HS-Batteriesystem) zur Energieversorgung von elektrischen Antriebskomponenten (z. B. elektrische Antriebsmotoren u. ä.), Anwendung finden. So kann beispielsweise ein aufladbares HS-Energiespeichersystem („ESS“) in einem Fahrzeug dazu verwendet werden, elektrische Antriebskomponenten des Fahrzeugs mit Energie zu versorgen.
Informationen zum Leistungsvermögen einer Batterieanlage können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich der abbildet der Batterieanlagen und/oder im Zusammenhang mit Batterieanlagensteuerungen und/oder Managemententscheidungen. Ein Batteriezustandseinschätzungs („BSE”)-System kann verwendet werden, um einen Zustand eines Batteriesystems vorherzusagen. Unter den meisten Betriebszuständen kann ein Batteriesystem ein Leistungsvermögen haben, das die Fähigkeiten der zugehörigen Motoren und Leistungselektroniken in einem Fahrzeug überschreitet. Für den Niedrigtemperaturbetrieb können jedoch elektrochemische Prozesse innerhalb des Batteriesystems bis zu einem Punkt verlangsamt werden, an dem wenig Spielraum verbleibt, die Leistungsanforderungen des Systems zu erfüllen. Eine genaue Schätzung des Leistungsvermögens kann in einer solchen Situation von Bedeutung sein. Eine kleine Überschätzung des Leistungsvermögens kann zu Fehlversuchen beim Anlassen eines Motors oder irrtümlicher Fahrzeugbeschleunigung führen, während eine ähnlich kleine Unterschätzung des Leistungsvermögens vorübergehend den Vortrieb deaktivieren kann. Daher ist ein BSE-System, das ordnungsgemäß die Auswirkungen der niedrigen Temperatur auf die Batterie interpretiert, wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG
Die hierin offenbarten Systeme und Verfahren können eine verbesserte Bestimmung des Zustands eines Batteriesystems einschließlich, ohne Einschränkung, eines Ladezustands („SOC“) eines Batteriesystems, eines Leistungszustands („SOP“) eines Batteriesystems (z. B., einer maximal verfügbaren Leistung eines Batteriesystems) bereitstellen. Informationen zum Leistungsvermögen einer Batterieanlage können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich, ohne Einschränkung, des Abbildens der Batteriesystemleistungsfähigkeit und/oder Batteriesystemsteuerungen und/oder Managemententscheidungen.
Die Temperatur kann die Thermodynamik und Kinetik der Energieumwandlungsprozesse in der Batterie beeinflussen. Zunächst können Prinzipienmodelle des Massetransports, der Ladungsverschiebungen und kapazitive Phänomene den Rückgang des Leistungsvermögens mit fallender Temperatur darstellen. Solche Modelle können aber recht aufwendig sein und auch viel Rechenarbeit erzeugen. Ein rechnerisch effizienter Ansatz zur Batteriezustandseinschätzung in Echtzeit ist der fahrzeugeigene Fahrzeugbetrieb mittels eines Ersatzschaltmodells („ECM”), das in einer halbempirischen Weise einfache elektrische Analogien für elektrochemische Prozesse bereitstellt. Durch eine Kombination von Reihen- und Parallelwiderständen, Kondensatoren und einer Stromquelle kann ein Ersatzschaltbild die Reaktion der Batteriespannung während eines Stromflusses annähern. Dieser Ansatz kann insgesamt eine effektive Darstellung der Batterie aufgrund der gewährten Abstimmungsflexibilität durch eine ausreichende Anzahl von Schaltungsbauteilen und Parametern bereitstellen.
Bestimmte Systeme und Verfahren, die ein ECM in Verbindung mit BSE-Verfahren verwenden, können einen zurückgegangenen linearen mittleren Widerstand im Modell verwenden. Nichtlineares Verhalten einer Batteriezelle kann beispielsweise bei 50 % SOC für einen Temperaturbereich gemessen werden. Basierend auf derartigem gemessenen Verhalten kann ein linearer mittlerer Widerstand in Schaltkreismodellen zurückgegangen sein. Wenn eine Batteriezelle altert, kann die Änderung des linearen mittleren Widerstands zum Redimensionieren von nichtlinearen Effekten in der Zelle verwendet werden. Übereinstimmend mit den hierin offenbarten Ausführungsformen können die Parameter von ECM-Elementen, die mit einem nichtlinearen Widerstand einer Batteriezelle verbunden sind, direkt parametriert und in Verbindung mit BSE-Verfahren verwendet werden. Die Ausführungsformen der offenbarten Systeme und Verfahren können angesichts des nichtlinearen Effekts die verfügbare Batterieenergie in Verbindung mit Batterieanlagensteuerungen und/oder Managemententscheidungen über ein größeres Fenster von Betriebsbedingungen erhöht werden (z. B., ein breiterer Bereich von Betriebstemperaturen einschließlich kälterer Betriebstemperaturen).
Die offenbarten BSE-Systeme und Verfahren können in einigen Ausführungsformen einen höheren SOP schätzen, als er bei Verwendung eines linearen Modells geschätzt würde, der näher an einem tatsächlichen Leistungszustand des Batteriesystems läge. Das Verbessern der Fähigkeit zur Schätzung des SOP des Batteriesystems kann unter anderem einem Fahrzeugsteuersystem die Möglichkeit geben, vollständiger die gegenwärtige Kapazität des Batteriesystems zu verwenden, was eine höhere Leistung der Batterie und/oder die Verwendung einer kleineren Batterie für eine gleiche Leistungsvorgabe erlaubt. Dies kann in bestimmten Ausführungsformen ein höheres Batteriegewicht und/oder Kostenflexibilität in einem Batteriesystems in einem Fahrzeug bereitstellen.
Wie oben diskutiert, können BSE-Verfahren in Übereinstimmung mit den offenbarten Ausführungsformen von einem BSE-System und/oder einem anderen Batteriesteuerungs- und/oder Überwachungssystem unter Verwendung von, mindestens teilweise, einem ECM eines Batteriesystems durchgeführt werden. Unter anderem kann das Schaltungsmodell Elemente zur Abbildung von ohmschem Widerstand, Ladungsverschiebungen, und/oder Massenaustauschprozessen in einem Batteriesystem beinhalten. In bestimmten Ausführungsformen können solche Vorgänge durch Widerstände und/oder Widerstands- /Kondensator-Paare, die im Schaltkreismodell beinhaltet sind, abgebildet werden. Ein ECM- Element, das beispielsweise in einigen Ausführungsformen gewisse nichtlineare Effekte in einem Batteriesystem abbildet, kann ein nichtlineares Widerstandselement und/oder ein paralleles Kondensatorelement umfassen.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Schätzen von einem Zustand eines Batteriesystems ein Verfahren zum Einschätzen des Zustands eines Batteriesystems beinhalten (z. B. ein SOP, ein strombegrenztes SOP, ein spannungsbegrenztes SOP, ein SOC des Batteriesystems usw.) indem ein nichtlineares Element, das zum Abbilden einer nichtlinearen Spannung als aktuelle Antwort des Batteriesystems konfiguriert ist, das Messen einer Klemmenspannung des Batteriesystems und eines Stroms durch das Batteriesystem beinhalten kann. Parameter eines Batteriesystemmodells können mindestens teilweise anhand der gemessenen Klemmenspannung des Batteriesystems und anhand des gemessenen Stroms durch das Batteriesystem geschätzt werden. Das Batteriesystemmodell kann mindestens ein nichtlineares Element umfassen, das konfiguriert ist, eine nichtlineare Spannung-zu-Strom-Reaktion des Batteriesystems zu umfassen. Parameter, die mit dem nichtlinearen Element verbunden sind, können in einigen Ausführungsformen, basierend auf einem Butler-Volmer-Modell, das die Kinetik von Ladungsverschiebungen im Batteriesystem beschreibt, ermittelt werden. Parameter, die mit dem nichtlinearen Element verbunden sind, können in weiteren Ausführungsformen basierend auf einem stückweisen Approximationspolynom einer nichtlinearen Spannungsreaktion des Batteriesystems geschätzt werden.
Das Batteriesystemmodell kann in bestimmten Ausführungsformen ein ECM umfassen und das nichtlineare Element kann einen nichtlinearen Widerstand und/oder einen linearen Kondensator umfassen, der parallel zu dem nichtlinearen Widerstand angeordnet ist. Das Batteriesystemmodell kann ferner ein Element zum Abbilden eines OCV des Batteriesystems und ein lineares Element umfassen, das in Reihe mit dem nichtlinearen Element angeordnet ist. Das lineare Element umfasst in einigen Ausführungsformen eine Vielzahl von seriell gekoppelten parallelen Widerstand-Kondensator-Paaren. Gewisse Elemente des Batteriesystems können unter anderem ohmschen Widerstand, Ladungsverschiebungen und Massenaustauschvorgänge des Batteriesystems abbilden.
Eine vorhergesagte Batteriesystemspannung kann, mindestens teilweise, anhand des parametrierten Batteriesystemmodells geschätzt werden, und der Zustand des Batteriesystems kann basierend auf der vorhergesagten Spannung des Batteriesystems geschätzt werden. In weiteren Ausführungsformen kann ein Regelvorgang in einem mit der Batterieanlage verbundenen Fahrzeug anhand des geschätzten Leistungsvermögens der Batterieanlage umgesetzt werden. Eine Aktion, die mit Einstellen einer maximal zulässigen Fahrzeugbeschleunigung verbunden ist, eine Aktion, die mit der Inbetriebsetzung eines elektrischen Antriebsstrangs des Fahrzeugs verbunden ist, eine Aktion, die mit einer regenerativen Bremsen-Akzeptanz-Einstellung des Fahrzeugs verbunden ist und/oder dergleichen kann beispielsweise, basierend mindestens teilweise, anhand des abgeschätzten Batteriesystemzustands umgesetzt werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann das soeben beschriebene Verfahren von Steuerelektronik in Verbindung mit einem Batteriesystem und/oder unter Verwendung eines nicht flüchtigen computerlesbaren Mediums, das zugehörige ausführbare Anweisungen speichert, umgesetzt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nicht einschränkende und nicht erschöpfende Ausführungsformen der Offenbarung werden beschrieben, einschließlich verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung mit Bezug auf die Figuren, in denen:
1 ein exemplarisches System für das Schätzen des Leistungsvermögens einer Batterieanlage darstellt, die in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen in ein Fahrzeug integriert ist.
2 eine grafische Darstellung veranschaulicht, die eine exemplarische Beziehung zwischen einem SOC und einer OCV eines exemplarischen Batteriesystems, das mit hier offenbarten Ausführungsformen konsistent ist, zeigt.
3 ein exemplarisches Schaltkreismodell für das Abbilden einer Batterieanlage in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen darstellt.
4 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Schätzen eines Leistungszustands einer Batterieanlage in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen darstellt.
5 ein exemplarischen konzeptionelles Diagramm zum Ermitteln der Parameter eines nicht-linearen Widerstandselements veranschaulicht, welches in ein exemplarisches Schaltungsmodell für das Abbilden eines Batteriesystems in Übereinstimmung mit den hier offenbarten Ausführungsformen integriert ist.
6 das konzeptionelle Diagramm aus 5, gezeigt in einer Strom-/Temperatur Darstellung in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen, veranschaulicht.
7 ein exemplarisches System für das Umsetzen bestimmter Ausführungsformen der hierin offenbarten Systeme und Verfahren darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachstehend wird eine genaue Beschreibung von Systemen und Verfahren in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Obwohl mehrere Ausführungsformen beschrieben werden, versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf eine beliebige Ausführungsform begrenzt ist, sondern stattdessen zahlreiche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente umfasst. Obwohl zahlreiche spezielle Einzelheiten in der folgenden Beschreibung offengelegt werden, um ein gründliches Verständnis der hier offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen, können zudem einige Ausführungsformen ohne einige oder alle diese Details in die Praxis umgesetzt werden. Darüber hinaus wurde der Klarheit halber bestimmtes technisches Material, das auf dem zugehörigen technischen Gebiet bekannt ist, nicht im Detail beschrieben, um ein unnötiges Verschleiern der Offenbarung zu vermeiden.
Die Ausführungsformen der Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die Zeichnungen am besten verstanden werden, bei denen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sein können. Die Komponenten der offenbarten Ausführungsformen, die in den Figuren hier allgemein beschrieben und veranschaulicht sind, können in einer großen Vielfalt von verschiedenen Konfigurationen angeordnet und konstruiert sein. Daher ist die folgende genaue Beschreibung der Ausführungsformen der Systeme und Verfahren der Offenbarung nicht dazu gedacht, den Umfang der beanspruchten Offenbarung einzuschränken, sondern sie stellt nur mögliche Ausführungsformen der Offenbarung bereit. Zudem müssen die Schritte eines Verfahrens nicht unbedingt in einer beliebigen speziellen Reihenfolge, auch nicht sequenziell, ausgeführt werden, noch müssen die Schritte nur einmal ausgeführt werden, sofern nicht anders angegeben.
Die hierin offenbarten Systeme und Verfahren können eine verbesserte Einschätzung und/oder Bestimmung von Informationen zu einem Zustand eines Batteriesystems einschließlich, ohne Einschränkung, eines SOP (z. B., ein Leistungszustand) und/oder eines SOC eines Batteriesystems. Batteriezustandsbestimmungen können von einem BSE-System und/oder einer anderen Batteriesteuerung, Überwachung und/oder Managementsystem durchgeführt werden. Ein Schaltungsmodell eines Batteriesystems, das Parameter und/oder Elemente zum Abbilden von nicht-linearen Effekten im Batteriesystem beinhaltet, kann in einigen Ausführungsformen in Verbindung mit Batteriezustandsschätzungen verwendet werden.
Das Schaltkreismodell kann in bestimmten Ausführungsformen durch ein In-Reihe-Schalten eines Leerlaufspannungselements, eines linearen Elements und eines nichtlinearen Elements, das einen nichtlinearen Widerstand umfasst, gebildet werden. Der nichtlineare Widerstand kann eine Wirkung abbilden, wobei die Steigung der Spannung relativ gegenüber dem Strom in einem Batteriesystem mit steigender Größe des Stromes absinken kann, was speziell vorwiegend bei niedrigen Temperaturen auftreten kann. Falls diese Nichtlinearität ignoriert wird, kann der zurückgegangene Widerstandswert bei kleineren Strömen, wobei ein Fahrzeug möglicherweise einen großen Prozentsatz der Zeit arbeitet, den Spannungsabfall, der bei höheren Stromstärken auftritt, überschätzen. Dieser Fehler kann zu weniger genauen Schätzungen eines SOC des Batteriesystems und/oder Unterschätzungen der verfügbaren Entladungsleistung bei kalten Temperaturen führen. Übereinstimmend mit den hierin offenbarten Ausführungsformen können derartige Fehler durch Anpassen der Parameter eines nichtlinearen Elements, das in einem ECM zum Abbilden des Batteriesystems beinhaltet ist, vermindert werden. Anfangsparameter für das ECM können durch Charakterisierungstests einer neuen Batterie und/oder Zelle gemessen werden und können über die Zeit angepasst werden (z. B., wenn größere Stromereignisse wie schnelle Fahrzeugstarts und/oder Stopps auftreten). In Übereinstimmung mit den hierin offenbarten Ausführungsformen kann sich durch das Verwenden von Schaltkreismodellparametern, die nichtlineare Effekte in einem Batteriesystem einschließlich, beispielsweise, des nichtlinearen Widerstands abbilden, die Genauigkeit der zugehörigen BSE-Ermittlungen erhöhen. Diese Erhöhung der Genauigkeit kann unter anderem für konsistenteres Fahrverhalten und/oder verbesserte Leistungsfähigkeit eines Fahrzeugs in Verbindung mit einem Batteriesystem sorgen, insbesondere bei Betrieb bei niedriger Temperatur. Die offenbarten Systeme und Verfahren zum Schätzen eines Leistungsvermögens eines Batteriesystems können in einigen Ausführungsformen zu erhöhtem Entladen (z. B., Erlauben einer schnelleren Beschleunigung) und/oder Laden (z. B., Verbessern des regenerativen Bremsens oder des Nachladens) des Batteriesystems gegenüber konventionellen Verfahren führen, wodurch der Betrieb eines zugeordneten Fahrzeugs verbessert. Durch genaues Schätzen beispielsweise eines maximalen Leistungsvermögens eines mit einem Fahrzeug verbundenen Batteriesystems kann die Beschleunigung des Fahrzeugs verbessert werden, die Hybrid-Elektrofahrzeug-Funktionalität kann in einem Niedertemperaturfahrzyklus früher beginnen, die regenerative Bremsakzeptanz kann für einen besseren Fahrzeugwirkungsgrad erhöht werden und das Batteriesystem kann mehr vollständig genutzt werden.
1 stellt ein exemplarisches System für das Schätzen des Leistungsvermögens einer Batterieanlage 102 dar, die in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das Batteriesystem 102 in ein Fahrzeug 100 eingebaut sein. Das Fahrzeug 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Flugzeug und/oder eine beliebige andere Art von Fahrzeug sein und es kann einen Antriebsstrang mit Verbrennungsmotor („ICE“), Elektromotor, Hybridantrieb, Brennstoffzellen-Antrieb („FC“) bzw. jedem weiteren Antriebstyp enthalten, der geeignet ist, um die hier offenbarten Systeme und Verfahren aufzunehmen. Das Fahrzeug 100 kann ein Batteriesystem 102 enthalten, das in bestimmten Ausführungsformen ein HS-Batteriesystem sein kann. Das HS-Batteriesystem kann zur Energieversorgung elektrischer Antriebskomponenten dienen (z. B. in einem elektrischen, hybriden oder FC-Antriebssystem). In weiteren Ausführungsformen kann das Batteriesystem 102 eine Niederspannungsbatterie (z. B. eine 12-V-Blei-Säure-Autobatterie) und zur Energieversorgung einer Reihe von Systemen des Fahrzeugs 100 konfiguriert sein, darunter beispielsweise Fahrzeugstartsysteme (z. B. ein Anlassermotor), Beleuchtungssysteme, Zündsysteme u. ä.
Das Batteriesystem 102 kann ein Batteriesteuerungssystem 104 beinhalten. Das Batteriesteuerungssystem 104 kann zur Überwachung und Steuerung bestimmter Betriebsfunktionen des Batteriesystems 102 konfiguriert sein. Das Batteriesteuerungssystem 104 kann beispielsweise zur Überwachung der Lade- und Entladevorgänge des Batteriesystems 102 konfiguriert sein. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Batteriesteuerungssystem 104 in Verbindung mit den offenbarten Verfahren verwendet werden, um eine Batteriesystem-Zustandsinformation abzuschätzen, abzubilden und/oder anderweitig zu schätzen, einschließlich beispielsweise einer SOP- und/oder SOC-Information. In bestimmten Ausführungsformen kann das Batteriesteuerungssystem 104 mit einem oder mehreren Sensoren 106 (z. B. Spannungs-, Stromstärkesensoren und/oder dergleichen usw.) kommunikativ gekoppelt sein, und/oder anderen Systemen (z. B. Fahrzeugcomputersystem 108, externes Computersystem 110 usw.), dazu konfiguriert, das Batteriesteuerungssystem 104 zum Überwachen und Steuern der Funktionen des Batteriesystems 102 und/oder zum Ausführen bestimmter hierin offenbarter Verfahren. Beispielsweise können Sensoren 106 dem Batteriesteuerungssystem 104 Informationen zum Einschätzen eines SOC und/oder eines SOE, zum Schätzen der Impedanz, Messen der Stromstärke oder der Spannung eines Batteriepakets 112 und/oder einzelner Batteriezellen 114 bereitstellen sowie weitere Informationen, die in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden können.
Das Batteriesteuerungssystem 104 kann ferner konfiguriert sein, um Informationen bereitzustellen und/oder Informationen von anderen im Fahrzeug 100 beinhalteten Systemen (z. B., Fahrzeugcomputersystem 108) zu empfangen. Beispielsweise kann das Batteriesteuerungssystem 104 mit einem internen Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder einem externen Computersystem 110 (z. B. über ein drahtgestütztes und/oder drahtloses Televerbindungssystem oder dergleichen) kommunikativ gekoppelt sein. In bestimmten Ausführungsformen kann das Batteriesteuerungssystem 104 konfiguriert sein, zumindest teilweise, um Informationen über das Batteriesystem 102 (z. B. durch die Sensoren 106 gemessene und/oder durch das Steuersystem 104 ermittelte Informationen) an einen Benutzer, Test- oder Wartungspersonal und dergleichen des Fahrzeugs 100, das Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder ein externes Computersystem 110 bereitzustellen. Derartige Informationen können, ohne Einschränkung, Informationen über SOC und/oder SOH der Batterie, die Batterieleistungsfähigkeitsinformation, die Batteriebetriebszeit, die Batteriezyklen, die Batteriebetriebstemperatur und/oder andere Informationen über das Batteriesystem 102 beinhalten, die in Verbindung mit dem Schätzen der Batteriesystem-Statusinformationen verwendet werden können.
Das Batteriesystem 102 kann aus einem oder mehreren Batteriepaketen 112 bestehen, die geeignet bemessen sind, um Elektroenergie für das Fahrzeug 100 bereitzustellen. Jedes Batteriepaket 112 kann aus einer oder mehreren Batteriezellen 114 bestehen. Die Batteriezellen 114 können jede geeignete Batterietechnologie oder Kombination derselben nutzen. Als geeignete Batterietechnologien können beispielsweise Blei-Säure-Kombinationen, Nickelmetallhydrid („NiMH“), Lithium-Ionen („Li-Ion“), Lithium-Ionen-Polymer, Zink-Luft, Lithium-Luft, Nickel-Cadmium („NiCad“), ventilgeregelte Blei-Säure-Kombinationen („VRLA“) mit absorbierendem Glasvlies („AGM“), Nickel-Zink („NiZn“), Salzschmelze (z. B. eine Na-NiCl₂ Batterie) und/oder andere geeignete Batterietechnologien zur Anwendung kommen. Jede Batteriezelle 114 kann mit Sensoren 106 verbunden sein, die zum Messen eines oder mehrerer Parameter konfiguriert sind (z. B. Spannung, Stromstärke, Temperatur usw.) in Verbindung mit jeder Zelle 114. 1 zeigt getrennte Sensoren 106 für jede Batteriezelle 114; in manchen Ausführungsformen kann jedoch ein zum Messen verschiedener elektrischer Parameter von mehreren Zellen 114 konfigurierter Sensor zur Anwendung kommen.
Die von den Sensoren 106 gemessenen Informationen können an das Batteriesteuerungssystem 104 und/oder an ein oder mehrere Systeme (z. B. Fahrzeugcomputersystem 108 und/oder externes Computersystem 110) übertragen werden. Unter Nutzung der Informationen kann das Batteriesteuerungssystem 104 und/oder ein anderes geeignetes System den Betrieb des Batteriesystems 102 koordinieren (z. B.Lade-, Entlade- und Ausgleichsvorgänge usw.). Die Batteriesteuerung 104, das Fahrzeugcomputersystem 108, das externe Computersystem 110 und/oder beliebige andere geeignete Verfahren zur Implementierung von BSE-Verfahren kann derartige Informationen in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen ferner verwenden, um das Leistungsvermögen der Batterieanlage 102 als Teil von Überwachungs-, Steuerungs-, Charakterisierungs- und/oder Abbildungsarbeiten zu schätzen.
2 zeigt ein Diagramm 200, das eine beispielhafte Beziehung zwischen Hochfrequenz-(„HF”)-Spannung und Strom in einer exemplarischen Batteriezelle (z.B., eine Li-Ionen-Batteriezelle) in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Die x-Achse 202 im Diagramm 200 stellt den Strom (z.B., I) und die y-Achse 204 stellt die HF-Spannung (z.B., V) dar. Die Beziehungen zwischen der HF-Spannung und dem Strom bei drei exemplarischen Temperaturen sind durch die Linien 208–210 dargestellt. Speziell beinhaltet Diagramm 200 eine Beziehung zwischen Strom 202 und HF-Spannung 204 einer Batteriezelle bei 25 °C 206, bei –10 °C 208, und bei
–30 °C 210.
Wie in Diagramm 200 ersichtlich ist, wird der Zusammenhang zwischen Strom 202 und HF-Spannung 204 der Batteriezelle mit niedrigeren Temperaturen immer nichtlinearer. Übereinstimmend mit den hierin offenbarten Ausführungsformen werden kann diese Nichtlinearität für das Verwenden eines nichtlinearen Elements (z. B., eines nichtlinearen Widerstandselements) in einer ECM zum Abbilden des Verhaltens der Batteriezelle in Verbindung mit BSE-Verfahren berücksichtigt werden. Der Zusammenhang zwischen Strom 202 und HF-Spannung 204 einer Batteriezelle kann in einigen Ausführungsformen unter Verwendung einer Butler-Volmer-Modell-Beschreibung der Kinetik der Ladungs-(d.h., Elektronen)-Übertragung in ein Batteriesystem beschrieben werden, was gemäß Folgendem ausgedrückt werden kann:
wobei

I: = aktueller
j_o: = Austauschstromdichte
EIN: = Elektrodenoberfläche
Α_1,2: = Übertragungskoeffizienten für die Oxidations- und Reduktionsprozesse
n: = Anzahl der in der elektrochemischen Reaktion übertragenen Elektronen
F: = Faraday-Konstante
R: = universelle Gaskonstante
T: = absolute Temperatur
V_o: = Gleichgewichts-/Leerlaufspannung der Zelle
V: = Spannung der Zelle.

Nach dem Butler-Volmer-Modell kann der Widerstand für größere Abweichungen von der Leerlaufspannung („OCV“) absinken. Übereinstimmend mit den hierin offenbarten Ausführungsformen kann das Butler-Vollmer-Modell in Verbindung mit Parametrieren von nichtlinearen Elementen eines ECM für nichtlineares Verhalten der Zelle (z.B., Verhalten bei niedriger Temperatur oder dergleichen) berücksichtigt werden.
3 stellt ein exemplarisches Schaltkreismodell 300 für das Abbilden einer Batterieanlage in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen dar. Eine Darstellung des Schaltkreismodells 300 eines Batteriesystems kann in bestimmten Ausführungsformen bestimmte elektrochemische Prozesse in einem Batteriesystem abbilden, die in Verbindung mit BSE und/oder anderen Batterieinformations-Ermittlungssystemen und Verfahren verwendet werden können. Das dargestellte Modell 300 kann eine Spannungsquelle 302 beinhalten, die eine OCV und/oder Gleichgewichtsspannung, V_o, ein nichtlineares Element 304 und/oder ein lineares Element 306, die in Reihe verbunden sind, abbildet. Das Schaltkreismodell kann unter anderem Elemente aufnehmen, die nichtlineares Verhalten, ohmschen Widerstand, Ladungsverschiebungen und/oder Massenaustauschvorgänge in einem Batteriesystem abbilden.
Die Spannung über dem Schaltkreismodell 300, die die Spannung einer zugeordneten Batterie und/oder Batteriezelle abbildet, kann die Summe der OCV 302, einer Spannung über dem nichtlinearen Element 304 und einer Spannung über dem linearen Element 306 umfassen. Die Leerlaufspannung 302, die eine Gleichgewichtsspannung der Batterie und/oder Batteriezelle abbildet, kann in einigen Ausführungsformen anhand einer tabellarischen OCV-Kurve mit der Batterie und/oder Zelle (z. B., über Charakterisierungstests und/oder dergleichen) geschätzt werden und kann zum Berücksichtigen des Alterns der Batterie und/oder Zelle angepasst werden.
Das lineare Element 306 kann den Widerstand 312, R, umfassen, der den ohmschen Widerstand im Batteriesystem abbilden kann. Der Widerstand 312 kann in elektrischer Reihenschaltung mit einem oder mehreren parallelen Widerstands-Kondensator-Paaren (z.B., ein Paar umfassend Widerstand R₁ 314 und Kondensator C₁ 320, ein Paar umfassend Widerstand R₂ 316 und Kondensator C₂ 322 und ein Paar umfassend Widerstand R_N 318 und Kondensator C_N 324) verbunden sein.
Obwohl das lineare Element 306, veranschaulicht in Verbindung mit Modell 300, einen Widerstand 312, in Serie verbunden mit drei parallelen Widerstands-Kondensator-Paaren, umfasst, versteht es sich, dass jede geeignete Anzahl von parallelen Widerstands-Kondensator-Paaren in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden kann. Außerdem kann jedes beliebige geeignete Element 306, das das lineare Verhalten des Batteriesystems abbildet, können in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden, einschließlich der Elemente, die ein geeignetes Netzwerk von Widerständen, Kondensatoren und/oder Induktoren, Konfiguration des seriell gekoppelten parallelen Widerstand-Widerstand-Kondensator-Paares, seriell gekoppelte Widerstände und/oder Kondensatoren, Elemente, die eine allgemeine Laplace-Transformation für Impedanz abbildet, Elemente, die eine allgemeine lineare gewöhnliche Differentialgleichung abbilden, Elemente, die einen Finite-Impuls-Response-Filter abbilden und/oder dergleichen umfassen.
Ein nichtlineares Element 304 des Modells 300 kann ein nichtlinearer Widerstand 308 in elektrischer Reihenschaltung mit der OCV 302 und dem linearen Element 306 sein. Der nichtlineare Widerstand 308 kann in einigen Ausführungsformen einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen dem Strom und der HF-Spannung eines Batteriesystems abbilden, das niedrigen Temperaturen ausgesetzt sein kann. In bestimmten Batteriesystemen (z.B. relativ hochstromige Batterien mit Elektroden von relativ großer Oberfläche) kann der Butler-Volmer-Effekt eine nicht unerhebliche zugehörige Kapazität haben. Zum Abbilden dieses Effekts bei solchen Systemen kann das nichtlineare Element 304 ferner einen linearen Kondensator C_o 310, parallel geschaltet mit dem nichtlinearen Widerstand 308, umfassen. Übereinstimmend mit den hierin offenbarten Ausführungsformen können die Parameter im Zusammenhang mit den Elementen der nichtlinearen Elemente 302 (z.B., Widerstand 308 und/oder Kondensator 310) parametriert und in Verbindung mit BSE-Verfahren verwendet werden.
4 veranschaulicht ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 400 für das Schätzen des Leistungsvermögens einer Batterieanlage in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. In bestimmten Ausführungsformen können eines oder mehrere der dargestellten Elemente des Verfahrens 400 von einem Batteriesteuerungssystem, einem internen Computersystem, einem externen Computersystem und/oder beliebigen anderen Systemen oder Systemkombinationen ausgeführt und/oder implementiert werden, und mit implementierten BSE-Verfahren zur Überwachung, abbildet und/oder anderweitigen Charakterisierung der Parameter eines Batteriesystems, einschließlich einer SOC/OCV-Kurve des Batteriesystems, konfiguriert werden.
Übereinstimmend mit den hierin offenbarten Ausführungsformen können Elemente, die in einem nichtlinearen Element eines Schaltkreismodells in Verbindung mit dem Abschätzen eines Zustands der Batteriesystems (z.B., ein nichtlinearer Widerstand und/oder zugehörigen Kondensator) beinhaltet sind, parametriert werden. Nichtlineare Elementparameter, die hier als p₁, p₂, p_N bezeichnet werden, können mit einem SOC eines zugeordneten abgebildeten Batteriesystems, einer Temperatur des Batteriesystems und/oder Alter des Batteriesystems variieren und können kontinuierlich zum genaueren Abbilden des Batteriesystems basierend auf gemessenen Informationen in Verbindung mit dem Batteriesystem aktualisiert werden.
Hierin offenbarte Ausführungsformen können eine Vielfalt von geeigneten Verfahren in Verbindung mit der Parametrierung von Elementen, die in einem nichtlinearen Element eines Modells zum Einschätzen eines Zustands eines Batteriesystems verwenden. Ein Butler-Vollmer-Modell kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen, wie ausgedrückt in Gl. 1, in Verbindung mit Erzeugen und Aktualisieren von Parametern im Zusammenhang mit einem nichtlinearen Element eines Modells verwendet werden. Andere Bezeichnungen des Butler-Vollmer-Modells können verwendet werden, einschließlich der vereinfachten unten dargestellten: I = p₁{exp[p₂V_R0] – exp[–p₃V_R0]} (Gl. 2 wo V_RO die Spannung über das nichtlineare Element des Modells ist.
Die symmetrische Form oder die invertierte symmetrische Form des Butler-Vollmer-Modells (d. h. p₂ = p₃)) können in weiteren Ausführungsformen verwendet werden, jeweils ausgedrückt wie folgt: Symmetrisch: I = p₁sinh(p₂V_R0) Gl 3 Umgekehrt symmetrisch: V_R0 = q₁si8nh(q₂I), q₁ = 1/p₂, q₂ = 1/p₁ Gl 4.
Eine Potenzreihe des Butler-Vollmer-Modells kann in anderen Ausführungsformen in Verbindung mit Parametrierungselementen in einem nichtlinearen Element eines Modells (z. B., ein allgemeiner Potenzreihenansatz V_R0 = p₁I + p₂I² + p₃I³ + ... und/oder ein symmetrischer Potenzreihenansatz V_R0 = p₁I + p₃I³ + p₅I⁵ + ...) verwendet werden. Ein stückweise polynomes Parametrierungsverfahren, das in noch weiteren Ausführungsformen ohne Einschränkung stückweise lineare und/oder B-Spline-Polynom-Parametrierungsverfahren kann in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden. Es ist offensichtlich, dass die beschriebenen Parametrierungsverfahren Beispiele möglicher Parametrierungsverfahren sind, die in Verbindung mit den offenbarten Ausführungsformen verwendet werden können und dass jedes andere geeignete Verfahren zum näherungsweisen Berechnen einer nichtlinearen Funktion und Erzeugen zugehöriger Modellparameter ebenso in Verbindung mit den offenbarten Systemen und Verfahren verwendet werden kann.
Das exemplarische Verfahren 400, das in 4 dargestellt ist, kann bei 402 starten. Bei 404 kann eine vorhergesagte Klemmenspannung des Batteriesystems, basierend auf dem Modell, erzeugt werden. In mindestens einer exemplarischen Umsetzung der offenbarten Ausführungsformen kann ein lineares Schaltkreismodell in einem ECM ein oder mehrere seriell verbundene parallele Widerstands-/Kondensatorpaare umfassen. Bei einer solchen Ausführung kann P einen gesamten Satz von Parametern, verbunden mit einer ECM, darstellen und X kann ein Vektor von zugeordneten Spannungszuständen (z. B., Spannungen an verschiedenen Elementen des ECM) ausgedrückt entsprechend X = [V_o, ν₁, ..., ν_N], wobei ν_N die Spannung am n-ten Kondensator des ECM ist.
Das ECM kann X zum Zeitpunkt tk+1 aus seinem vorherigen Wert und dem des Stroms (d.h., X_k-1 = f(X_k, I_k, P_k)) vorhersagen. Die vorausgesagte Klemmenspannung des Batteriesystems, basierend auf dem Modell, kann erzeugt werden gemäß: V_k = g(X_k) + h(I_k, P_k) (Gl. 5 , wobei g(X) = V_o + ν₁, ..., ν_N
und h(I,P) der parametrierte nichtlineare Widerstand ist.
Die Klemmenspannung des tatsächlichen Batteriesystems, abgebildet vom ECM, kann bei 406 gemessen werden. Ein Stromfluss durch das Batteriesystem kann weiterhin bei 406 gemessen werden. Bei 408 kann die vorhergesagte Spannung Vk, mit der gemessenen Klemmenspannung verglichen werden. Ist die Differenz größer als eine Schwelle, kann das Verfahren 400 zu 410 vorrücken, worin der abgeschätzte Zustand X(t_k) und die Parameter P rekursiv aktualisiert werden können, sodass das Modell enger mit der gemessenen Klemmenspannung korreliert. In einigen Ausführungsformen kann ein rekursives Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate Gewichtungsfaktoren und/oder ein Vernachlässigbarkeitsfaktor zum Aktualisieren des geschätzten Zustands X(t_k) und der Parameter P verwendet werden. In weiteren Ausführungsformen kann ein geeigneter Filter wie beispielsweise ein erweiterter Kalmanfilter und/oder ein geruchloser Kalman-Filter zum Aktualisieren des geschätzten Zustands X(t_k) und der Parameter P verwendet werden.
Wird die Differenz zwischen der vorausgesagten Spannung und der gemessenen Klemmenspannung kleiner als die Schwelle, die eine geeignete Zuordnung zwischen der gemessenen Spannung und der vorausgesagten Spannung anzeigt, kann das Verfahren 400 zu 412 vorrücken. Bei 412 kann ein Zustand der Batteriesystems basierend auf dem parametrierten Modell geschätzt werden (z. B., ein SOC und/oder ein SOP). Zur Abschätzung eines SOC kann das Verfahren 400 einen geschätzten OCV Vo verwenden. Zum Beispiel kann, wenn X(t_k) in dem oben beschriebenen Verfahren eine Schätzung des OCV durchgeführt wird, als OCV ein Spannungszustandselement (d.h., X = [V_o, ν₁, ..., ν_N]) erhalten werden. Basierend auf der abgeschätzten OCV kann eine entsprechende SOC über eine Nachschlagtabelle, die OCV und SOC zuordnet, und/oder jedes andere geeignete Verfahren geschätzt werden. in einigen Ausführungsformen kann die Nachschlagtabelle basierend auf einer OCV-Kurve durch Charakterisierungstests einer neuen Batterie erzeugt werden. Die Nachschlagtabelle kann weiterhin OCV-Kurveninformationen beinhalten, die über die Zeit zum Reflektieren des Verlustes an Kapazität angepasst werden können, während die Batterie altert Eine vorhergesagte SOP kann in bestimmten Ausführungsformen im Zusammenhang mit Batterie- und/oder Fahrzeugsteuerungsentscheidungen verwendet werden. Ein vorhergesagter SOPΔt, der eine Leistung anzeigt, die aus einer Batterie nach Δt Sekunden gezogen werden kann, wenn die maximale Batterieenergie über diese Zeitspanne gezogen wird, kann in Zusammenhang mit Batterie- und/oder Fahrzeugsteuerungsentscheidungen verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann SOP durch ein Fenster erlaubter Spannungen begrenzt sein, was temperaturabhängig sein kann. Zusätzliche Grenzen können zum Vermeiden bestimmter Abbauphänomene im Batteriesystem einschließlich, ohne Einschränkung, Lithium-Überziehung und/oder unerwünschter Seitenreaktionen gesetzt werden.
Ein strombegrenzter SOP, SOPI kann durch Verwenden eines bekannten Grenzstroms des Batteriesystems, I*, und das ECM zum Vorhersagen von X(t + Δt) und V(t + Δt) erhalten werden. Die strombegrenzten SOP, SOPI können dann basierend auf der folgenden: SOIP = P(t + Δt) = I*·V(t + Δt) (Gl. 6 erhalten werden.
In einigen Ausführungsformen kann die SOPI als eine Summe der Leistung einer OCV des ECM, P_OCV, einer Leistung des zugeordneten linearen Elements des ECM, P_L und einer Leistung des zugeordneten nichtlinearen Elements, P_RO, berechnet werden. Für einen konstanten Strom I* kann der Spannungsabfall des nichtlinearen Elements konstant sein (d. h., V_R0 = h(I*, P)). Dementsprechend kann die Leistung im Zusammenhang mit dem nichtlinearen Element ausgedrückt werden gemäß: P_RO = I*·h(I*, P) (Gl. 7
In weiteren Ausführungsformen kann zum Erhalten eines strombegrenzten SOP des Batteriesystems eine numerische Integration einer gewöhnlichen Differentialgleichung in Verbindung mit dem ECM verwendet werden. Beispielsweise kann numerische Integration in Verbindung mit einem ECM, das einen Kondensator parallel mit einem nichtlinearen Widerstand angeordnet enthält, wie oben beschrieben verwendet werden.
Ein spannungsbegrenzter SOP, SOPV, kann durch Simulation des Batteriesystems anhand des ECM für Δt Sekunden mit der Klemmenspannung an einer Grenze V* konstant gehalten werden. Unter solchen Bedingungen kann die Spannung über dem nichtlinearen Element ausgedrückt werden gemäß: V_R0(t) = V* – OCV(t) – V_L(t) Gl. 8 und der Strom durch das ECM kann ausgedrückt werden gemäß: I(t) = h^–1(V_R0(t), P) Gl. 9
I(t) kann zum numerischen Integrieren einer gewöhnlichen Differentialgleichung in Verbindung mit dem ECM verwendet werden, und der SOPV kann geschätzt werden gemäß: SOPV = V*·I(t + Δt) Gl. 10
Ein geschätzter SOP für das Batteriesystem kann in bestimmten Ausführungsformen unter Verwendung in Verbindung mit Batterie- und/oder Fahrzeugsteuerungsvorgängen das geringere von der SPOI und der SOPV umfassen.
Mindestens ein Batteriesystem- und/oder Fahrzeugsteuermaßnahme kann, basierend mindestens teilweise auf dem bei 414 geschätzten Batteriezustand durchgeführt werden. Eine Aktion beispielsweise, die mit Begrenzen einer maximal zulässigen Fahrzeugbeschleunigung verbunden ist, eine Aktion, die mit Starten eines elektrischen Antriebsstrangsystems verbunden ist, eine Aktion, die mit einer regenerativen Bremsen-Akzeptanz-Einstellung des Fahrzeugs und/oder jede beliebige andere wünschenswerte Steuerungsmaßnahme kann basierend auf dem abgeschätzten Batteriezustand durchgeführt werden. Das Verfahren 400 kann zum Beenden zu 416 vorrücken.
5 veranschaulicht ein exemplarisches konzeptionelles Diagramm 500 zum Abschätzen der Parameter eines nichtlinearen Widerstandselements in einem exemplarischen Schaltkreismodell zum Abbilden eines Batteriesystems in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Speziell Diagramm 500 veranschaulicht eine Abschätzung von Parametern eines nichtlinearen Widerstandselements eines Schaltkreismodells unter Verwendung eines stückweisen Polynomfunktions-Abschätzungsverfahrens. Ähnlich einem Diagramm 200 aus 2 zeigt das Diagramm 500 ein exemplarisches Verhältnis zwischen der HF-Spannung und dem Strom in einer exemplarischen Batteriezelle (z. B., eine Li-Ionen-Batteriezelle) in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Die x-Achse 202 im Diagramm 200 stellt den Strom (z. B., I) dar und die y-Achse 204 stellt die HF-Spannung (z.B., V) dar. Beziehungen zwischen der HF-Spannung und dem Strom bei vier exemplarischen Temperaturen, 50 °C, 25 ºC, –10 ºC und –30 ºC werden jeweils durch die Linien 502, 206, 208 und 210 dargestellt.
Bei verschiedenen Temperaturen kann es einen maximal zulässigen Entladestrom geben, der für die dargestellten Temperaturen 50 °C, 25 ºC, –10 ºC und –30 ºC jeweils 175 A, 156 A, 120 A und 45 A betragen kann. Für tiefere Temperaturen wie 25 ºC, –10 ºC und –30 ºC kann ein zweiter Entladestrom in anteiliger Höhe des maximalen Entladestroms wie beispielsweise ein Drittel, d. h, bei 52 A, 40 A und 15 A. Bei höheren Temperaturen kann die Strom-Spannungsbeziehung im Wesentlich linear sein, sodass ein zweites Stromhöhe nicht verwendet werden kann. Bei jedem ausgewählten Strom und jeder Temperatur kann eine entsprechende Spannung gespeichert werden. In dem dargestellten exemplarischen Diagramm 500 sind sechs unabhängige Spannungswerte ν₁, ..., ν₆ aufgeführt. Die Segmente mit durchgezogener Linie in 5 zeigen, wie ν₁, ..., ν₆ zum Annähern der Spannungsreaktionskurven, die in Verbindung mit dem Schaubild 200, dargestellt in 2, veranschaulicht sind, unter Verwendung von stückweisen linearen Näherungen ausgewählt werden können.
Die Temperatur-/Strom-abhängige Spannungsreaktion des Batteriesystems oder der Zelle kann im Allgemeinen bezüglich des Stroms unsymmetrisch sein, I – das heißt V(I, T) = –V(–I, T), wobei T das Batteriesystem oder die Zellentemperatur ist. Unter solchen Bedingungen können die sechs Werte ν₁, ..., ν₆ zusammen den vollen Satz von Parametern für die Spannungsreaktion des nichtlinearen Widerstandselements bilden. Wenn die Reaktion der Batterie als nichtsymmetrisch bezüglich des Stroms erachtet wird, können mehr Parameter zum Darstellen der Spannungsreaktion für positive Ströme eingeführt werden, und die Temperaturen und Ladeströme, die zum Aufbauen der Näherung ausgewählt wurden, können symmetrisch zu den Entladeströmen sein oder nicht.
Eine Li-Ionen-Batterie kann einen größeren zulässigen Entladestrom als einen Ladestrom haben. Der gestrichelte Teil der Linien für positive Ströme im Diagramm 500 stellt Gegenstücke zu Entladeströme dar, die den erlaubten Ladestrom übersteigen. Diese Bedingungen können in einigen Ausführungsformen durch Symmetrie impliziert werden, obwohl eine zugehörige Batterie nicht notwendigerweise bei solchen Bedingungen arbeitet. Falls Symmetrie nicht auf die Funktionsdarstellung auferlegt ist, können Spannungsparameter basierend auf dem tatsächlichen Verwendungsbereich der Batterie eingeführt werden.
6 veranschaulicht ein weiteres konzeptionelles Diagramm 600, das bestimmte Informationen einschließend in das Diagramm 500 der 5 in einer Darstellung des Stroms 202 gegenüber der Temperatur 602 in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen zeigt. Die Kombinationen des Entladestroms und der Zellentemperatur im veranschaulichten Diagramm 600 können in einen der fünf Bereiche oder Vierecke, gekennzeichnet mit A, B, C, D und E in Diagramm 600 und Diagramm 500 der 5 fallen. In jedem dieser Bereiche kann eine entsprechende Annäherung an den Spannungsabfall des nichtlinearen Widerstands des Modells unter Verwendung von bilinearer Interpolation zwischen den Werten des Spannungsabfalls an den Ecken des Bereichs erhalten werden, mit dem Spannungsabfall für I = 0 als Null angenommen. Falls der Spannungsabfall unsymmetrisch bezüglich des Stroms ist, kann das Diagramm 600 kann über die Achse I = 0 mit den verneinten Eckspannungen gespiegelt werden, andernfalls können die Bereiche und Eckspannungen unabhängig für I > 0 und I < 0 sein. In jedem Fall kann das Diagramm 600 kann so ausgebildet sein, dass es den gesamten Bereich von Betriebsströmen und Temperaturen beinhaltet. In bestimmten Ausführungsformen sind die Spannungen für die Ecken der Bereiche nicht notwendigerweise die exakten Werte für die entsprechenden Ströme und Temperaturen, sondern diese können so angepasst werden, dass sie die beste Annäherung der Spannungsreaktion über den benachbarten Bereich oder die Bereiche ergeben.
Die Bereiche A, B, C, D und E im Diagramm 600 können feiner unterteilt werden, um eine engere Annäherung an die wahre Reaktion der Batterie zu erreichen, oder umgekehrt kann eine gröbere Einteilung verwendet werden, wodurch Berechnungs- und Speicherbedarf vermindert werden, wenn eine solche grobe Unterteilung ein ausreichend genaues Modell bereitstellt. Es ist offensichtlich, dass die vorstehend beschriebene Ein-Drittel-fraktionierte Division für Ströme bei niedrigen Temperaturen nur veranschaulichend ist, da die Scheitelpunkte des Diagramms 600 in jeder beliebigen geeigneten Weise angeordnet werden können, die eine gute Annäherung an die Hochfrequenzspannungsreaktion bereitstellt.
In einigen Ausführungsformen kann die HF-Spannungsreaktion einer Batterie möglicherweise eine Funktion eines SOC des Batteriesystems sein. Falls die Veränderung der HF-Spannungsreaktion groß genug ist und der SOC sich verändert, können Diagramme, die dem in 6 gezeigten ähnlich sind, an einer Vielzahl von SOC-Werten errichtet sein. Diese Diagramme können für Zwischenwerte von SOC in Verbindung mit Parametrieren von nichtlinearem Widerstand eines Batteriesystems interpoliert werden.
Bestimmte der vorgenannten Ausführungsformen können die nichtlineare Spannung eines Batteriesystems als eine stückweise lineare Funktion des Stroms und verschiedener Temperaturen annähern. In anderen Ausführungsformen können zum besseren Annähern eines weichen Kurvenverlaufs eines Batteriesystems polynome Näherungswerte höherer Ordnung wie stückweise quadratische oder stückweise kubische Funktionen verwendet werden. Desgleichen kann die Annäherung der Spannung als eine Funktion von Strom, Temperatur und SOC unter Verwendung jedes beliebigen geeigneten Verfahrens zum Parametrieren einer multivariaten Funktion wie beispielsweise Verfahren höherer Ordnung in Verbindung mit finiten Elementberechnungen durchgeführt werden. Hierzu kann der operative Bereich von Strom, Temperatur und SOC in Tetraeder, generalisierte Würfel, konvexe Polyeder und/oder jede andere geometrische 3D-Form unterteilt werden, die eventuell zur Verwendung in Verbindung mit einem ausgewählten Verfahren geeignet ist. Wenn eine Abhängigkeit vom SOC genügend schwach ist, vernachlässigt zu werden, kann die nichtlineare Spannungsreaktion eine Funktion des Stroms und der Temperatur werden, und die (I, T)-Ebene kann in Dreiecke, Vierecke, konvexe Vielecke und/oder jede andere geometrische 2D-Formen unterteilt werden, die geeignet sein könnten.
7 stellt ein exemplarisches System 700 für die Implementierung bestimmter Ausführungsformen der hierin offenbarten Systeme und Verfahren dar. In bestimmten Ausführungsformen kann das Computersystem 700 ein Personalcomputersystem, ein Server-Computersystem, ein Fahrzeug-Bordcomputer, ein Batteriesteuerungssystem, ein externes Computersystem und/oder jeder für die Implementierung der offenbarten Systeme und Verfahren geeignete andere Systemtyp sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Computersystem 700 ein beliebiges tragbares elektronisches Computersystem oder elektronisches Gerät sein, einschließlich, beispielsweise, ein Notebook-Computer, ein Smartphone und/oder ein Tablet-Computer.
Wie dargestellt, kann das Computersystem 700 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren 702, einen Direktzugriffsspeicher („RAM“) 704, eine Verbindungsschnittstelle 706, eine Benutzeroberfläche 708 und ein nichttransitorisches computerlesbares Speichermedium 710 beinhalten. Der Prozessor 702, der RAM-Speicher 704, die Verbindungsschnittstelle 706, die Benutzeroberfläche 708, und das computerlesbare Speichermedium 710 können kommunikativ miteinander über einen gemeinsamen Datenbus 712 gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Computersystems 700 unter Verwendung von Hardware, Software, Firmware und/oder einer beliebigen Kombination davon implementiert werden.
Die Benutzeroberfläche 708 kann eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen beinhalten, mittels derer der Benutzer mit dem Computersystem 700 interagieren kann. Zum Beispiel kann die Benutzeroberfläche 708 verwendet werden, um einem Benutzer eine interaktive Schnittstelle anzuzeigen. Die Benutzeroberfläche 708 kann ein separates kommunikativ mit dem Computersystem 700 gekoppeltes Schnittstellensystem sein, oder alternativ kann sie ein integriertes System, wie beispielsweise eine Anzeigeschnittstelle für einen Laptop oder eine andere ähnliche Vorrichtung, sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Benutzeroberfläche 708 auf einem Touchscreen-Display erzeugt werden. Das Touchscreen-Display 708 kann auch eine beliebige Anzahl an anderen Eingabevorrichtungen, einschließlich beispielsweise einer Tastatur, einem Trackball und/oder Zeigegeräten, beinhalten.
Die Verbindungsschnittstelle 706 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die mit anderen Computersystemen, Peripheriegeräten in Verbindung steht, und/oder ein anderes kommunikativ mit dem Computersystem 700 gekoppeltes Gerät. Zum Beispiel kann die Verbindungsschnittstelle 706 es dem Computersystem 700 ermöglichen, mit anderen Computersystemen zu kommunizieren (z. B. mit Computersystemen, die mit externen Datenbanken und/oder dem Internet verbunden sind), um die Übertragung und den Empfang von Daten aus solchen Systemen zu ermöglichen. Die Verbindungsschnittstelle 706 kann unter anderem ein Modem, ein Satelliten-Datenübertragungssystem, eine Ethernet-Karte und/oder eine beliebige andere geeignete Vorrichtung beinhalten, die es dem Computersystem 700 ermöglicht, sich mit Datenbanken und Netzwerken verbinden zu können, wie beispielsweise LANs, MANs, WANs und dem Internet.
Der Prozessor 702 kann einen oder mehrere Universalprozessoren, anwendungsspezifische Prozessoren, programmierbare Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, FPGAs, andere anpassbare oder programmierbare Verarbeitungsgeräte und/oder andere Geräte oder Anordnungen von Vorrichtungen beinhalten, die zur Umsetzung der hierin offenbarten Systeme und Verfahren in der Lage sind.
Der Prozessor 702 kann konfiguriert sein, computerlesbare auf dem nichttransitorischen computerlesbaren Speichermedium 710 gespeicherte Anweisungen auszuführen. Das computerlesbare Speichermedium 710 kann andere Daten oder Informationen speichern, wie gewünscht. In einigen Ausführungsformen können die computerlesbaren Anweisungen computerausführbare Funktionsmodule 714 beinhalten. Die computerlesbaren Anweisungen können beispielsweise ein oder mehrere Funktionsmodule beinhalten, die konfiguriert sind, die gesamte oder einen Teil der Funktionalität der oben beschriebenen Systeme und Verfahren zu implementieren. Spezifische, in dem computerlesbaren Speichermedium 710 zu speichernde Funktionsmodelle können Module zum Parametrieren von Elementen von einem ECM in Verbindung mit einem Batteriesystem, ein oder mehrere Module zum Abschätzen eines Status des Batteriesystems und/oder jedes andere beliebige Modul oder Module, die zur Implementierung der hierin offenbarten Systeme und Verfahren konfiguriert sind.
Das hierin beschriebene System und Verfahren kann unabhängig von der Programmiersprache implementiert werden, die zur Erstellung der computerlesbaren Anweisungen und/oder eines auf dem Computersystem 700 ausgeführten Betriebssystems verwendet wird. Die computerlesbaren Anweisungen können beispielsweise in jeder geeigneten Programmiersprache geschrieben werden, darunter, jedoch nicht ausschließlich, C, C++, Visual C++ und/oder Visual Basic, Java, Perl oder jede andere geeignete Programmiersprache. Weiterhin können die computerlesbaren Anweisungen und/oder Funktionsmodule die Form einer Kollektion separater Programme oder Module annehmen, und/oder eines Programmmoduls in einem größeren Programm, oder eines Teils eines Programmmoduls. Die Verarbeitung von Daten durch das Computersystem 700 kann als Reaktion auf Nutzerbefehle, auf Ergebnisse von früheren Verarbeitungen oder auf eine Anforderung einer anderen Verarbeitungseinrichtung erfolgen. Es erweist sich als vorteilhaft, dass das Computersystem 700 alle geeigneten Betriebssysteme anwenden kann, beispielsweise Unix, DOS, Android, Symbian, Windows, iOS, OSX, Linux, und/oder dergleichen.
Obwohl das Vorangehende in einigen Einzelheiten zum Zwecke der Klarheit beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass bestimmte Änderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne von den Prinzipien davon abzuweichen. Es wird darauf hingewiesen, dass es viele alternative Wege zur Implementierung der hierin beschriebenen Prozesse und Verfahren gibt. Dementsprechend sind die vorliegenden Ausführungsformen als veranschaulichend und nicht beschränkend anzusehen, und die Erfindung ist nicht auf die hierin gegebenen Details beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs und der Äquivalente der beigefügten Ansprüche modifiziert werden.
Die vorangehende Beschreibung wurde unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Jedoch wird ein Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen möglich sind, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. So können beispielsweise verschiedene Arbeitsschritte und Komponenten für die Ausführung der Arbeitsschritte auf anderweitig angewendet werden, abhängig von der jeweiligen Anwendung oder unter Berücksichtigung einer bestimmten Anzahl an Kostenfunktionen in Verbindung mit dem Betrieb des Systems. Dementsprechend kann einer oder mehrere der Schritte gelöscht, modifiziert oder mit anderen Schritten kombiniert werden. Ferner ist diese Offenbarung eher als in einem veranschaulichenden als in einem einschränkenden Sinne zu sehen, und alle derartigen Modifikationen sollen im Umfang davon umfasst werden. Ebenso wurden der Nutzen, andere Vorteile und Lösungen für Probleme im Hinblick auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben. Jedoch sollen Nutzen, Vorteile, Lösungen für Probleme und jedes Element(e), das dazu führen kann, das ein Nutzen, Vorteil, oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, nicht als ein kritisches, ein erforderliches oder ein wesentliches Merkmal oder Element ausgelegt werden.
Wie hier verwendet, sollen die Begriffe „umfasst“ und „beinhaltet“ und andere Variation davon eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, sodass ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen beinhalten, nicht nur diese Elemente beinhalten, sondern auch andere Elemente beinhalten können, die nicht ausdrücklich aufgeführt oder bei einem solchen Prozess, Verfahren, System, Artikel oder Vorrichtung inhärent sind. Auch, wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „gekoppelt“, „Koppeln“ und andere Varianten davon eine physikalische Verbindung, eine elektrische Verbindung, eine magnetische Verbindung, eine optische Verbindung, eine kommunikative Verbindung, eine funktionelle Verbindung, und/oder jede andere Verbindung abdecken.
Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass viele Änderungen Details der oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den zugrunde liegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Verfahren zum Abschätzen einer Kapazität eines Batteriesystems, umfassend: das Messen einer Klemmenspannung des Batteriesystems; das Messen eines Stroms durch das Batteriesystem; das Schätzen von Parametern eines Batteriesystemmodells, mindestens teilweise, auf der gemessenen Klemmenspannung des Batteriesystems und des gemessenen Stroms durch das Batteriesystems, das Batteriesystemmodell mit mindestens einem nichtlinearen Element, konfiguriert zum Abbilden einer nichtlinearen Spannung-zu-Strom-Reaktion des Batteriesystems; das Schätzen einer vorausgesagten Batteriesystemspannung basierend, mindestens teilweise, auf dem Batteriesystemmodell; und das Schätzen eines Zustands des Batteriesystems basierend auf der vorausgesagten Batteriesystemspannung.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Zustand des Batteriesystems einen Leistungszustand des Batteriesystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin der Zustand des Batteriesystems einen Ladezustand des Batteriesystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Batteriesystemmodell ein äquivalentes Schaltkreismodell umfasst und das nichtlineare Element einen nichtlinearen Widerstand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das nichtlineare Element ferner einen linearen Kondensator umfasst, der parallel zu dem nichtlinearen Widerstand angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Batteriesystemmodell ferner ein Element umfasst, das eine Leerlaufspannung des Batteriesystems und ein lineares Element, das in Reihe mit dem nichtlinearen Element angeordnet ist, abbildet.
Verfahren nach Anspruch 6, worin das lineare Element eine Vielzahl von seriell verbundenen parallelen Widerstands-/Kondensator-Paaren umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Verfahren weiter umfasst: Umsetzen eines Steuerungsvorgangs in einem mit der Batterieanlage verbundenen Fahrzeug basierend auf dem geschätzten Batteriesystemzustand.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schätzen der Parameter des Batteriesystemmodells das Schätzen von Parametern im Zusammenhang mit mindestens einem nichtlinearen Element umfasst, basierend, mindestens teilweise, auf einem Butler-Vollmer-Modell, das die Kinetik des Ladungstransfers im Batteriesystem beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schätzen der Parameter des Batteriesystemmodells das Schätzen von Parametern im Zusammenhang mit mindestens einem nichtlinearen Element umfasst, basierend, mindestens teilweise, auf einer stückweisen polynome Annäherung einer nichtlinearen Spannungsreaktion des Batteriesystems.