DE102017105073A1

DE102017105073A1 - Vorhersage der Batterieklemmenspannung

Info

Publication number: DE102017105073A1
Application number: DE102017105073.6A
Authority: DE
Inventors: Tae-Kyung Lee
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2017-11-16
Also published as: US20170259685A1; US10040366B2; CN107179510B; CN107179510A

Abstract

Ein Fahrzeug kann eine Steuerung umfassen, die so programmiert ist, dass sie eine Batterie gemäß den Batterieklemmenspannungswerten, die für zukünftige Zeitintervalle vorhergesagt werden, die von einer Vorderflanke eines zeitlichen Gleitenden Zeitfensters wählbarer Länge auf Grundlage von Widerstands- und Kapazitätsparametern, die die Batterie repräsentieren durchlaufen werden, und der Dauer der wählbaren Länge be- und entlädt. Die Batterieklemmenspannungswerte können ferner basierend auf einem Batterieladestatus vorhergesagt werden. Die Widerstandsparameter können einen Innenwiderstand aufweisen. Einige Widerstands- und Kapazitätsparameter können einen RC-Schaltkreis definieren. Die Batterieklemmenspannungswerte können auch auf der Grundlage eines Spannungsabfalls über den RC-Schaltkreis vorhergesagt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Batterieklemmen-Vorhersage für Fahrzeuge.
HINTERGRUND
Hybrid-elektrische und reine Elektrofahrzeuge verlassen sich auf eine Traktionsbatterie, um Antriebsenergie zu liefern. Die Traktionsbatterie enthält typischerweise eine Anzahl Batteriezellen, die in verschiedenen Konfigurationen verbunden sind. Um einen optimalen Betrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten, können verschiedene Eigenschaften der Traktionsbatterie überwacht werden. Eine nützliche Eigenschaft ist die Batterieklemmenspannung. Die Batterieklemmenspannung kann verwendet werden, um die zulässigen Lade- und Entladegrenzen zu bestimmen, um Informationen bereitzustellen, um den Bereich des Batteriebetriebs zu bestimmen und um übermäßigen Betrieb zu verhindern.
KURZFASSUNG
Ein Fahrzeug kann eine Steuerung umfassen, die programmiert ist, eine Batterie zu entladen und aufzuladen, und zwar gemäß den Batterieklemmenspannungswerten, die für zukünftige Zeitpunkte vorhergesagt werden, die von der Vorderflanke eines zeitlich gleitenden Fensters mit einer wählbaren Periode auf der Grundlage von die Batterie repräsentierenden Widerstands- und Kapazitätsparameten durchlaufen werden, und der Dauer der wählbaren Periode. Die Batterieklemmenspannungswerte können auch auf Basis des Batterieladestatus prognostiziert werden. Die Widerstandsparameter können einen Innenwiderstand aufweisen. Außerdem definieren einige der Widerstands- und Kapazitätsparameter einen RC-Schaltkreis. Die Batterieklemmenspannungswerte können auf der Grundlage eines Spannungsabfalls über den RC-Schaltkreis auch vorhergesagt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines elektrischen oder hybridelektrischen Fahrzeugs;
2 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugbatteriesystems;
3 ist ein Schema einer äquivalenten Schaltkreises, die verwendet wird, um die Batterie abzubilden;
4 ist ein Flußdiagramm zum Bestimmen von dem Batteriemodell zugehörigen Parametern;
5A ist eine graphische Darstellung des Leistungsbedarfs
5B ist eine graphische Darstellung eines Sekunden-Schätzfensters, das zur Vorhersage der Batterieklemmenspannung gehört;
5C ist eine graphische Darstellung, die den Leistungsbedarf darstellt; und
5D ist ein Graph, der ein zehn Sekunden-Schätzfenster zeigt, das zur der Vorhersage der Batterieklemmenspannung der Batterie gehört
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Erfindung werden hier beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; Einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert werden, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für den Fachmann, um die vorliegende Erfindung unterschiedlich einzusetzen. Wie der Fachmann verstehen wird, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf irgendeine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen dar. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Erfindung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
1 zeigt ein typisches Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV). Ein typisches Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere Elektromotoren 114 umfassen, die mit einem Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die Elektromotoren 114 können als Motor oder Generator arbeiten. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mit einem Verbrennungsmotor 118 verbunden. Das Hybridgetriebe 116 ist auch mit einer Antriebswelle 120 gekoppelt, die mit den Rädern 122 gekoppelt ist. Die Elektromotoren 114 können Antriebs- und Bremsverzögerungsfähigkeit bereitstellen, wenn der -Verbrennungsmotor 118 an- oder ausgestellt wird. Die Elektromotoren 114 wirken auch als Generatoren und können Kraftstoffverbrauchsvorteile durch die Wiedergewinnung von Energie bereitstellen, die normalerweise als Wärme im Reibbremssystem verloren ginge. Die Elektromotoren 114 können auch Fahrzeugemissionen verringern, indem sie dem -Verbrennungsmotor 118 eröglichen, unter effizienteren Bedingungen (Motordrehzahlen und Lasten) zu arbeiten und das Hybrid-Elektrofahrzeug 112 im elektrischen Betrieb mit abgestelltem Verbrennungsmotor 118 unter bestimmten Bedingungen zu betreiben.
Eine Traktionsbatterie oder Batteriepack 124 speichert Energie, die von den -Elektromotoren 114 verwendet werden kann. Ein Fahrzeugbatteriesatz 124 stellt typischerweise einen Hochspannungs-Gleichstromausgang bereit. Die Traktionsbatterie 124 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen verbunden. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten im geöffneten Zustand isolieren und verbinden im geschlossenen Zustand die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten. Das Leistungselektronikmodul 126 ist auch elektrisch mit den Elektromotoren 114 verbunden und kann Energie zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Elektromotoren 114 bidirektional übertragen. Bspw. kann eine typische Traktionsbatterie 124 Gleichspannung bereitstellen, während die die Elektromotoren 114 – Dreiphasen-Wechselstrom für ihre Funktion verwenden. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die Gleichspannung in einen von den Elektromotoren 114 verwendeten – Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln. Im regenerativen Modus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Dreiphasen-Wechselstrom von den als Generatoren wirkenden Elektromotoren 114 in die von der Traktionsbatterie 124 verwendete Gleichspannung wandeln. Diese Beschreibung ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 116 ein Getriebe sein, das mit einem Elektromotor 114 verbunden ist und der -Verbrennungsmotor 118 fehlt.
Zusätzlich zur Bereitstellung von Antriebsenergie kann die Traktionsbatterie 124 Energie für andere Bordnetzsysteme bereitstellen. Ein Fahrzeug kann ein Gleichspannungswandlermodul 128 umfassen, das den Hochspannungs-Gleichstromausgang der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochspannungs-Elektrolasten 146, wie z. B. Kompressoren und elektrische Heizungen, können ohne Verwendung eines Gleichspannungswandlermoduls 128 direkt mit der Hochspannung verbunden sein. Die elektrischen Lasten 146 können eine zugeordnete Steuerung aufweisen, welche die elektrische Last bedarfsweise betreibt. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 130 (z. B. 12 V Batterie) verbunden sein.
Das Fahrzeug 112 kann ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-In-Hybridfahrzeug sein, in dem die Traktionsbatterie 124 durch eine externe Stromquelle 136 geladen werden kann. Die externe Stromquelle 136 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Stromquelle 136 kann elektrisch mit einer elektrischen Fahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) 138 verbunden sein. Die EVSE 138 kann Schaltkreise und Steuerungen bereitstellen, um die Energieübertragung zwischen der Energiequelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu verwalten. Die externe Stromquelle 136 kann dem EVSE 138 Gleichstrom- oder Wechselstrom zuführen. Die EVSE 138 kann einen Ladestecker 140 zum Einstecken in eine Ladebuchse 134 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Die Ladebuchse 134 kann jede Art Anschluss sein, der geeignet ist, Leistung vom EVSE zu übertragen Die Ladebuchse 134 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem bordeiegenen Leistungswandlermodul 132 verbunden sein. Das Leistungswandlermodul 132 kann die von der EVSE 138 gelieferte Energie wandeln, um der Traktionsbatterie 124 die korrekten Spannungs- und Strompegel zu liefern. Das Leistungswandlermodul 132 kann mit der EVSE 138 verbunden sein, um die Energieabgabe an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Ladestecker 140 kann Stifte aufweisen, die in entsprechende Vertierungen der Ladebuchse 134 zusammenpasen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden bezeichnet werden, Energie unter Verwendung drahtloser induktiver Kopplung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können vorgesehen sein, um das Fahrzeug 112 zu bremsen und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann andere Komponenten umfassen, die bei der Betätigung der Radbremsen 144 zusammenarbeiten. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 ist impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung zum Überwachen und Koordinieren des Bremssystems 150 umfassen. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 steuern, um das Fahrzeug zu bremsen oder zu steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann auch autonom arbeiten, um Merkmale, wie eine Stabilitätssteuerung, zu implementieren. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anlegen einer angeforderten Bremskraft in Kraft setzen, wenn es von einer anderen Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
Die verschiedenen besprochenen Komponenten können einen oder mehrere zugehörige Steuerungen zur Steuerung und Überwachung des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Steuerung Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Zusätzlich kann eine Systemsteuerung 148 vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren. Eine Traktionsbatterie 124 kann aus verschiedensten chemischen Materialien aufgebaut sein. Typische Batterie-Chemikalien sind bspw. Blei-Säure, Nickel-Metall-Hydrid (NIMH) oder Lithium-Ionen.
2 zeigt ein typisches Traktionsbatteriepack 200 in einer einfachen Serienkonfiguration von N Batteriezellen 202. Die Batteriesätze 200 können aus einer beliebigen Anzahl einzelner Batteriezellen bestehen, die seriell oder parallel oder in einer Kombination davon verbunden sind. Ein typisches System kann eine oder mehrere Steuerungen aufweisen, wie beispielsweise ein Batterieenergiemanagementmodul (BECM) 204, das die Leistung der Traktionsbatterie 200 überwacht und steuert. Das BECM 204 kann mehrere Batteriepackniveau-Charakteristika, wie z. B. den Batterie-packstrom 206, der durch ein Batteriepack-Strommessmodul 208 beobachtet wird; eine Batteriepackspannung 210, die von einem Batteriepackspannungsmeßmodul 214 beobachtet wird und die Batteriepacktemperatur, die durch ein Batteriepacktemperatur-messmodul 214 beobachtet wird, überwachen. Das BECM 204 kann einen nichtflüchtigen Speicher auf-weisen, so dass diese Daten gespeichert bleiben, wenn das BECM 204 ausgeschaltet ist. Gespeicherte Daten können beim nächsten Zündzyklus verfügbar sein. Ein Batteriemanagementsystem kann aus anderen Komponenten als den Batteriezellen bestehen und das BECM 204, Messsensoren und Module (208, 212, 214) und Sensor-module 216 umfassen. Die Funktion des Batteriemanagementsystems kann sein, die Traktionsbatterie sicheren und effizient zu betreiben.
Zusätzlich zu den Batteriepackpegelcharakteristiken können die Batteriezellen 220 Pegelcharakteristika gemessen und überwacht werden Bspw. können Spannung, Strom und Temperatur jeder Zelle 220 gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 216 verwenden, um die Charakteristiken einzelner Batteriezellen 220 zu messen. Abhängig von den Fähigkeiten kann das Sensormodul 216 die Charakteristiken einer oder mehrerer Batteriezellen 220 messen. Das Batteriepack 200 kann bis zu Nc Sensormodule 216 einsetzen, um die Charakteristika jeder Batteriezelle 220 zu messen. Jedes Sensormodul 216 kann die Messungen an die BECM 204 zur Weiterverarbeitung und Koordination übertragen. Das Sensormodul 216 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 204 übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität des Sensormoduls 216 intern in das BECM 204 integriert sein. D. h. die Hardware des Sensormoduls 216 kann als Teil der Schaltkreise im BECM 204 integriert sein, wobei das BECM 204 die Verarbeitung von Rohsignalen besorgen kann.
Die Batteriezelle 200 und die Batteriepacksspannungen 210 können unter Verwendung eines Schaltkreises im Packspannungsmessmodul 212 gemessen werden. Der Spannungssensor-Schaltkreis innerhalb des Sensormoduls 216 und der Batteriepackspannungsmessschaltkreis 212 können verschiedene elektrische Komponenten enthalten, das Spannungssignal zu sammeln und zu skalieren. Die Messsignale können an Eingänge eines Analog-Digital-Wandlers (A/D-Wandlers) innerhalb des Sensormoduls 216 geleitet werden, wobei das Sensormodul 216 und des BECM 204 die Umwandlung in einen digitalen Wert durchführen. Diese Komponenten können kurzgeschlossen oder geöffnet werden, wodurch die Spannung falsch gemessen wird. Zusätzlich können diese Probleme zeitweilig auftreten und erscheinen in den gemessenen Spannungsdaten. Das Sensormodul 216, der Batteriepacksspannungssensor 212 und das BECM 204 können Schaltkrei-se enthalten, um den Zustand der Spannungsmesskomponenten zu ermitteln. Zusätzlich kann eine Steuerung innerhalb des Sensormoduls 216 oder des BECM 204 Signalgrenzüberprüfungen basierend auf erwarteten Signalbetriebsniveaus durchführen.
ÄQUIVALENTES SCHALTKREISMODELL UND PARAMETER SCHÄTZUNG
Eine Batteriezelle kann auf vielfältige Weise abgebildet/modelliert werden. Beispielsweise kann eine Batteriezelle als Ersatzschaltkreis abgebildet werden. 3 zeigt ein mögliches Batteriezellen-äquivalentes Schaltkreismodell (ECM) 300, das als vereinfachtes Randles-Schaltkreismodell bezeichnet wird. Eine Batteriezelle kann als Spannungsquelle 302 mit einer Leerlaufspannung (Voc) 304 mit einer zugeordneten Impedanz modelliert werden. Die Impedanz kann aus einem oder mehreren Widerständen (306 und 308) und einer Kapazität 310 bestehen. Der Voc 304 stellt die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie dar, die als Funktion eines Batteriestatus der Ladung (SOC) und der Temperatur ausgedrückt wird. Das Modell kann einen Innenwiderstand, R0 306, einen Ladungsübertragungswiderstand, R1 308 und eine Doppelschichtkapazität C1 310 umfassen. Die Spannung V1 312 ist der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand 306 aufgrund des Stroms 314, der von der Spannungsquelle fließt 302. Die Spannung V2 316 ist der Spannungsabfall über die parallele Kombination von R1 308 und C1 310 aufgrund des Stroms 314, der durch die parallele Kombination fließt. Die Spannung Vt 320 ist die Spannung an den Klemmen der Batterie (Klemmenspannung). Die Parameterwerte R0, R1 und C1 können bekannt oder unbekannt sein. Die Größe der Parameter kann vom Zelldesign und der Batteriechemie abhängen.
Aufgrund der Batteriezellenimpedanz kann die Klemmenspannung Vt 320 nicht gleich der Leerlaufspannung Voc 304 sien. Da typischerweise nur die Klemmenspannung 320 der Batteriezelle der Messung zugänglich ist, kann die Leerlaufspannung Voc 304 nicht ohne weiteres messbar sein. Wenn über einen ausreichend langen Zeitraum kein Strom 314 fließt, kann die Klemmenspannung 320 gleich der Leerlaufspannung 304 sein, jedoch kann es typischerweise ausreichend lange dauern, der internen Dynamik der Batterie zu erlauben, einen Ruhe-Zustand zu erreichen. Oft fließt der Strom 314, in dem der Voc 304 nicht leicht messbar ist, und der Wert, der auf Basis des äquivalenten Schaltkreismodells 300 abgeleitet wird, kann Fehler aufweisen, indem er nicht die schnellen als auch langsamen dynamischen Eigenschaften der Batterie erfassen kann. Die dynamischen Eigenschaf-ten oder Dynamiken zeichnen sich durch ein Frequenzantwortverhalten aus, der die quantitative Messung des Ausgangsspektrums eines Systems oder Gerätes (Batterie, Zelle, Elektrode oder Subkomponente) als Reaktion auf einen Stimulus (Wechselstrom, Stromprofil, oder andere historische Daten zum Batteriestrom) ist. Die Antwort-Frequenz kann in Frequenzkomponenten zerlegt werden, wie z. B. schnelle Antworten auf einen vorgegebenen Eingang und langsame Antworten auf den vorgegebenen Eingang. Der relative Term schnelle Antworten und langsame Antworten kann verwendet werden, um Antwortzeiten zu beschreiben, die unter einer vorbestimmten Zeitraum (schnell) oder größer als ein vorbestimmter Zeitraum (langsam) sind. Um die Batterieleistung zu verbessern, wird ein Modell benötigt, das sowohl schnelle als auch langsame Batteriezelldynamik erfasst. Aktuelle Batteriezellenmodelle sind komplex und für moderne elektronische Steuerungssysteme nicht praktikabel. Hier wird ein Mikrozellenmodell reduzierter Ordnung offenbart, das in der Komplexität reduziert ist, so dass es auf einer Mikrosteuerung, einem Mikroprozessor, einem ASIC oder einem anderen Steuersystem ausgeführt werden kann und sowohl eine schnelle als auch eine langsame Dynamik der Batteriezelle erfasst, um die Leistungsfähigkeit des Batteriesystems zu erhöhen. Das HEV-Batteriemanagementsystem kann das Randles Schaltkreis Modell mit einem Extended Kalman Filter implementieren, um die Batterieparameter abzuschätzen. Die Batterieparameter können einen Batteriewiderstand, eine Kapazität und/oder einen anderen Zustand eines Batterie-modells umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt. Die geschätzten Batterieparameter können schwankende Trajektorien umfassen, die steigen, wenn sich das Fahrzeug in bestimmten Systemmodi befindet, einschließlich Batterieladung, Batterie-Ladungserhalt oder Batterie-Entladung. Diese Batterieparameter neigen dazu, empfindlich gegenüber internem und externem Rauschen und Umgebungsbedingungen bei Einsatz eines Randles-Schaltkreis zur Schätzung der Parameter zu reagieren.
Ein System kann fluktuierende Trajektorien eines oder mehrerer Batterieparameter eliminieren, indem ein dynamisches Modell verwendet wird, das die Modellwiderstandsparameter zusammenführt und die Systemzeit als unabhängige Variable für die Systemidentifikation festlegt. Die Beobachtbarkeit des Systems ist ein Maß dafür, wie gut interne Zustände durch ausschließliche Verwendung externer Systemausgaben abgeleitet werden können. Die Beobachtbarkeit kann jedoch verbessert und die geschätzten Parameter weniger empfindlich gegenüber dem Rauschen sein, wenn ein dynamisches Modell verwendet wird.
Ein Batteriemanagementsystem und -verfahren können auf einem Randles Schaltkreis Modell basieren, um eine verbesserte Beobachtbarkeit des Systems und demzufolge eine Robustheit in einem Batterieparameter-Schätzverfahren zu gewährleisten, ohne die Systemkomplexität zu erhöhen. Das äquivalente Schaltkreismodell 300 kann die Berechnung von Batteriesystemparameter-Vorhersagen ermöglichen. Ein Teil des Randles Schaltkreis Modells wird durch die folgende Gleichung dargestellt:
Wobei v₁ 316 die Spannung des RC-Schaltkreises, det aus R1 308 und C1 310 als Funktion der Zeit besteht, i 314 der den Schaltkreis erregende Strom ist und R1 308 und C1 310 die Batteriedynamik während des Fahrzeugbetriebs 2 darstellen. Das äquivalente Schaltkreismodell kann die Berechnung der Batterieklemmenspannung unter Verwendung der folgenden Gleichung ermöglichen: v_t = v_OC – v₁ – R₀i (2)
Wobei v_t 320 die Klemmenspannung, 302 die Batterie-Leerlaufspannung und R0 306 der Batterieinnenwiderstand ist. Die dynamische Steuerung des Batteriesystems, die zur Berechnung/Vorhersage/Schätzung von Batterieparametern verwendet wird, kann eine Funktion der Materialeigenschaften aus elektrochemischen Batteriemodellen umfassen. Daher kann jeder Parameter mit den in den folgenden Gleichungen gezeigten Relationen verknüpft sein: τ₁ = R₁C₁ = k₁R₀C₁ (3) R₁ = k₁R₀ (4)
Wobei k₁ der eingeführte Parameter, der in Echtzeit während des Fahrzeugbetriebs identifiziert wird und τ₁ die dynamische Antwort des Schaltkreis in Echtzeit. Der Parameter k₁ ist ein Quotient aus dem Innenwiderstand R₀ und einem Widerstandsterm der Ladungsübertragungsimpedanz R₁. Der Parameter τ₁ ist eine Zeitkonstante, die mit der Ladungsübertragungsimpedanz zusammenhängt, um die beobachtete Parameter-Variabilität verringern. Basierend auf den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich aus Gleichung (1) die folgende Gleichung:
wobei v₁ 316 die Spannung über den R-C-Schaltkreis als Funktion der Zeit beim Zeitindex k₁ ist, der eine dynamische Antwort des Schaltkreises darstellt. Daher werden die folgenden Variablen am Zeitindex gesetzt:
und i = i_k (5d)
Wenn die Variablen in einen Zeitindex gesetzt sind, kann die Gleichung (5a) wie folgt umgeformt werden:
Wobei y_k die Spannung über den R-C-Schaltkreis ist. Der Modellparameter R₀ und eingeführte Modellparameter k₁ und τ₁ ergänzen die Zustandsvariable v₁ 316. Daher wird ein erweiterter Zustandsvektor in der folgenden Gleichung gezeigt:
Der erweiterte Zustandsvektor ist nicht auf die Parameter der dynamischen Batterieantwort v₁ und andere Modellparameter beschränkt, die die Batteriedynamik charakterisieren R₀, k₁, and τ₁ und in Gleichung (8) offenbart sind. Wenn bspw. ein Ersatzschaltkreismodell zusätzliche R-C-Schaltkreise enthält und/oder das Batteriemodell andere Formen der Batteriedynamik Abbildung aufweist, können sich die einen oder mehr erweiterten Zustandsvektorparameter ändern.
Ein neuer Ausdruck der Gleichung (8) unter Verwendung des erweiterten Zustandsvektors X ist in der folgenden Jacobi-Matrixgleichung dargestellt:
Wobei F_k die Systemmatrix ist, um Systemdynamik und Modellparameteränderungen zu beschreiben. Ein neuer Ausdruck der Gleichung (7) unter Verwendung des erweiterten Zustandsvektors ist in der folgenden Gleichung dargestellt:
Wobei H_k die Ausgabematrix zur Berechnung einer Systemantwort ist. Beispielsweise kann diese Ausgangsmatrix die Batterieklemmenspannung v_t als die geschätzte Systemantwort in Echtzeit berechnen. Die Systemmatrix F_k und die Ausgangsmatrix H_k werden in den folgenden Gleichungen ausgedrückt:
Die Modellparameter werden verwendet, um die Spannungsantwort vorherzusagen, wenn ein konstanter Strom (i) während der Zeit (t) angelegt wird, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt:
Batteriestrombegrenzungen können durch die folgende Gleichung berechnet werden:
Die Batterieleistungsfähigkeit P_cap kann durch die folgende Gleichung berechnet werden: P_cap = |i_lim|v_lim (14) und Gleichung (14) ist die untere Grenzspannung der Batterieklemmenspannung bei Entladung und v_lim in Gleichung (13) und Gleichung (14) ist die obere Grenzspannung der Gleichung (13) der Batterieklemmenspannung unter Aufladung. Beispielsweise wird während eines Batterieentladungsereignisses die Batterieentladungsstromgrenze während der Zeitperiode Δt_d aus Gleichung (13) berechnet. Unter Verwendung der berechneten Batterieentladungsstromgrenze aus Gleichung (13) wird die verfügbare Leistung aus der Gleichung (14) für das Entladungsereignis berechnet.
Die verbesserte Batterieparameter-Berechnungsmethode ermöglicht eine verbesserte Schätzung der Batterieleistung, während die Verringerung des Sicherheitsabstands für einen Batterieeinsatz ermöglicht wird, so dass die Batterie-Hardware aggressiver im Antriebsstrang-System eingesetzt werden kann. Basierend auf der verbesserten Methode werden die HEV-Steuerungen flexibler, was zu einer verbesserten Leistung und Effizienz des Antriebsstrangs führt.
4 ist ein Flußdiagramm eines Algorithmus zum Identifizieren eines oder mehrerer Batteriemodellparameter, die in einem Batteriemanagementverfahren verwendet werden. Das Verfahren kann unter Verwendung eines Softwarecodes implementiert werden, der im Fahrzeugsteuermodul enthalten ist. In anderen Ausführungsformen kann das Verfahren 400 in anderen Fahrzeugsteuerungen implementiert oder unter mehreren Fahrzeugsteuerungen verteilt sein.
In 4 ist das Fahrzeug und seine in 1 und 2 dargestellten Komponenten während der gesamten Erörterung des Verfahrens referenziert, um das Verständnis verschiedener Aspekte der Erfindung zu erleichtern. Das Verfahren zum Steuern der Batterieparametervorhersage im Hybrid-Elektrofahrzeug kann durch einen Computeralgorithmus, einen maschinenausführbaren Code oder Softwarebefehle implementiert werden, die in eine geeignete programmierbare Logikvorrichtung(en) des Fahrzeugs, bspw. das Fahrzeugsteuermodul, das Hybrid-Steuermodul, andere Steuerungen in Kommunikation mit dem Fahrzeug-Computing-System oder eine Kombination davon programmiert sind. Obwohl die verschiedenen Schritte, die im Flußdiagrammdiagramm 400 gezeigt sind, in chronologischer Sequenz auftreten, können zumindest einige der Schritte in einer anderen Reihenfolge auftreten und einige Schritte gleichzeitig oder gar nicht durchgeführt werden.
Bei Schritt 402 kann während eines Zündschlüsseldrehungs-Ereignisses, welches das Fahrzeug einschalten kann, das Fahrzeugcomputersystem mit der Energieversorgung eines oder mehrerer Module beginnen. Die Energieversorgung eines oder mehrerer Moduln kann dazu führen, dass Variablen, die mit dem Batteriemanagementsystem in Zusammenhang stehen, initialisiert werden, bevor ein oder mehrere Algorithmen im Fahrzeugcomputersystem im Schritt 404 ausgeführt werden können.
Bspw. sollten die Batterieparameter während eines Zündschlüsseldrehungs-Ereignisses aufgrund der Dynamik einer Batteriezelle im Ruhezustand im Selbstentladungs-/Ladungsverarmungszustand initialisiert werden. Das Batteriemanagementverfahren kann den erweiterten Zustandsvektor initialisieren, bevor die Batterieklemmenspannung, die Stromgrenzen und/oder andere batteriebezogene Parameter vorhergesagt und aktualisiert werden, um die Systembeobachtbarkeit und die Robustheit der Schätzung zu gewährleisten, nachdem die Batterie in einen Ladungsverarmungszustand gerät. Der Batterieladeverarmungszustand kann auf Grundlage mehrerer Faktoren variieren, einschließlich der Dauer der Fahrzeugabschaltung ohne Ladung, der Lebensdauer der Batterie und/oder der Umgebungsbedingungen.
In Schritt 406 kann, sobald das Batteriemanagementsystem einen oder mehrere Parameter initialisiert hat, das System die Batterieleistungsfähigkeit vorhersagen. Die Vorhersage der Batterieleistung ermöglicht es dem System, zu bestimmen, wie viel Leistung das Fahrzeugrechensystem in diesem Moment von der Batterie abziehen kann. Die Verwendung eines genauen Vorhersagealgorithmus verbessert die Lebensdauer der Batterie, die Leistung des Antriebsstrangsystems und die Leistungsfähigkeit anderer Systeme/Subsysteme, die durch das Batteriepack im elektrischen und/oder hybridelektrischen Fahrzeug mit Energie versorgt werden.
Die Vorhersagegleichung für das Batteriemanagementsystem kann den extended Kalman-Filter unter Verwendung der eingeführten Parameter einschließen, wie in den obigen Gleichungen dargestellt. Die modellbasierte Gleichung lautet wie folgt:
Wobei x ^_k-1|k-1 ist der erweiterte Zustandsvektor, u_k-1 der Eingangsstrom und f eine nichtlineare Funktion, ist, welche die Systemdynamik darstellt. Bei Schritt 408 wird der Eingangsstrom u_k an den Algorithmus am spezifischen Betriebspunkt übertragen, um dem System die Vorhersage der Batterieparameter zu dieser Zeitvariante zu ermöglichen. Die Modellparameter werden verwendet, um die Spannungsantwort vorherzusagen, wenn während einer Zeitspanne ein konstanter Strom angelegt wird. Basierend auf den obigen Gleichungen und den vom extended Kalman Filter (EKF) bekannten Variablen kann die aktualisierte Filtergleichung nun den nächsten Zustand der Batterieleistungsfähigkeiten unter Verwendung von Gleichungen, wie folgt, vorhersagen:

wobei (16a) eine Jacobi Matrix ist, die aus der Funktion von f abgeleitet wird, k – 1 ist die Zeit, in der die Jakobi-Matrix berechnet wird, P ist eine Kovarianzmatrix des Zustandsschätzfehlers und F_k-1 enthält die neuen Parameter, die eine physikalische Beziehung zwischen den Batterieparametern und der Systemdynamik beinhalten.
In Schritt 410 kann das System das Batteriemanagementsystem mit dem neuen Batterie-Messwert aktualisieren, nachdem das Batterie-Management-System die Batterieleistung vorhergesagt hat. Der neue Messwert basiert auf der vorhergesagten Batterieleistungsfähigkeit und der folgenden Gleichung: y ~_k = y_k – h(x ^_k|k-1) (18)
Wobei h(x ^_k|k-1) die Schätzung der Messung im Schritt 410 ist. Die y_k Messung des Batteriesystems wird empfangen und zur Verwendung bei der Aktualisierung der neuen Batterie-Messvorhersagewertes bei Schritt 412 übermittelt.
Die folgende Gleichung ist die Zwischenstufe, um die Kalman-Verstärkung Kk zu bestimmen: S_k = H_kP_k|k-1H T / k + R_k (19)
Die zur Bestimmung des Kalman-Gewinns K_k: verwendete Gleichung lautet wie folgt: K_k = P_k|k-1H T / kS –1 / k (20) wobei die Kalman-Verstärkung den Zustandsvektor x ^_k|k aus der Gleichung K_ky ~ wie folgt aktualisiert: x ^_k|k = x ^_k|k-1 + K_ky ~_k x ^_k|k = x ^_k|k-1 + K_ky ~_k (21)
Die Kovarianz eines Zustandsschätzfehlers ist in der folgenden Gleichung: P_k|k = (I – K_kH_k)P_k|k-1 (22)
Im Schritt 414 kann das System den erweiterten Zustandsvektor des Batteriepacks und/oder der Zelle auf der Grundlage der vorhergesagten und aktualisierten Kalman-Gleichungen empfangen und das Spannungsantwortverhalten des Batteriemodells berechnen. Der erweiterte Zustandsvektor ist teilweise durch eine Variable definiert, welche die Proportionalität zwischen dem Innenwderstand und einem Widerstandsterm der Ladungsübertragungsimpedanz darstellt. Wenn das Batterie-Management-System aktiviert ist, bspw. das Fahrzeug immer noch in einem Zündschlüssel-gedreht-Zustand, kann das System weiterhin den aktualisierten Kalman-Filter mit den eingeführten Variablen verwenden, um die Leistungsfähigkeit der Batterie in Echtzeit bei Schritt 416 vorherzusagen und aktualisieren zu können.
Wenn bei Schritt 418 das System ein Zündschlüssel-Abschaltereignis erkennt, was die Leistung des Fahrzeugcomputersystems beeinträchtigen kann, kann das System einen oder mehrere Algorithmen beenden, die zum Verwalten des Batteriepacks und/oder einer oder mehrerer Batteriezellen verwendet werden. Das Fahrzeugcomputersystem kann einen Fahrzeugschlüssel-Abschalt-Modus aufweisen, damit das System einen oder -Parameter im nichtflüchtigen Speicher speichern kann, damit diese Parameter vom System für das nächste Zündschlüssel-Anschalt-Ereignis verwendet werden können.
Eine genaue Batterieparameter-Schätzmethode für das Batteriemanagementsystem bietet Leistung, Zuverlässigkeit, Dichte beim Design von Batteriepacks/Zellen und/oder Wirtschaftlichkeit durch kleinere Batteriesysteme. Das genaue Batterieparameter-Schätzverfahren kann einen angepassten Zustandsvektor im EKF-Verfahren umfassen, das die Batteriesteuerung in Bezug auf Betriebsbedingungen verbessert, einschließlich, aber nicht beschränkt auf den Ladezustand, die Leistungsabnahme, Kapazitätsabnahme und die sofort verfügbare Leistung. Das Schätzverfahren der Batterieparameter kann letztlich die Lebensdauer des Batteriesystems verlängern.
KLEMMENSPANNUNGSSCHÄTZUNG
Die Klemmenspannung der Batterie kann für einen gegebenen konstanten Leistungsbedarf für den vorbestimmte Zeitraum geschätzt werden. Die Fahrzeugbatterie kann entsprechend der Batterieklemmenspannung ge- und entladen werden. Gleichung (13), wie in Gleichung (23) wiedergegeben, liefert eine Batteriestromgrenze.
Wobei die Parameter R₀, R₁, v₁, C₁, aus dem obigen Verfahren abgeschätzt werden können und das v_OC aus einem Ladezustand bestimmt werden kann. Der Ladezustand kann aus einer Coulomb-Zählung oder einer anderen Methode abgeleitet werden.
v_lim der Gleichung (23) ist eine repräsentative Spannungsgrenze an den Klemmen der Batterien. Der Leistungsbedarf, P, ein beliebiger Eingangswert, entspricht dem Produkt der Batterieklemmenspannung v_t und des Batteriestroms i, wie in Gleichung (24) gezeigt. P = v_ti (24)
Es kann eine Beziehung zwischen den Gleichungen (23) und (24) hergestellt werden. Unter Verwendung der Gleichungen (25) und (26) und der Einstellung von v_lim auf v_t werden repräsentative Gleichungen für α und β bestimmt.
Das Einführen der Gleichungen α und β für i in Gleichung (24) ergibt Gleichung (27). P = v_t(–αv_t + β) (27)
Auflösen nach v_t erlaubt, eine Beziehung zwischen Leistungsbedarf, P und Klemmenspannung, v_t, in Gleichung (28) zu entwickeln.
Gleichung (28) prognostiziert eine zukünftige Klemmenspannung der Batterie für einen beliebigen Leistungsbedarfspegel. Das Vorhersageintervall kann auf Grundlage zahlreicher Eingaben eingestellt werden. Bspw. kann der Fahrzeugmodus das Vorhersageintervall bestimmen. Ein Hybridfahrzeugmodus kann eine Klemmenspannungsvorhersage für eine Sekunde in der Zukunft rechtfertigen. Rein elektrische Fahrzeugmodi können die Klemmenspannungsvorhersage für zehn Sekunden in der Zukunft rechtfertigen. Als weiteres Beispiel kann der Batterieladestatus auch die Vorhersagezeit beeinflussen. v_t kann durch die Vorderflanke eines gleitenden Zeitfensters für eine gegebene Periode basierend auf Parametern des äquivalenten Schaltkreises, wie oben diskutiert, vorhergesagt werden. Die Vorderkante des gleitenden Zeitfensters kann auf eine Sekunde eingestellt werden, wobei Berechnungen für das gesamte gleitende Zeitfenster durchgeführt werden, um eine Klemmenspannungsvorhersage anzugeben.
In 5A wird ein Graph 500, der einen Leistungsbedarf 502 Eingangswert oder -Befehl anzeigt, von der Steuerung empfangen. Der Leistungsbedarf 502 ist auf der y-Achse 506 in Kilowatt über der Zeit, der x-Achse 504, in Sekunden gezeigt. Der Leistungsbedarf kann positiv oder negativ sein, was das Laden oder Entladen der Batterie anzeigt. 5A ist mit 5B assoziiert. 5B enthält einen Graphen 510, der die vorhergesagte Anschluß-spannung eine Sekunde im voraus unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken anzeigt. Die aktuelle Klemmenspannung 512 ist auf der y-Achse 518 in Volt über der Zeit der x-Achse 516 in Sekunden gezeigt. Die vorhergesagte Klemmenspannung wird unter Verwendung der oben angegebenen Verfahren gezeigt. Die vordere Flanke 513 eines Ein-Sekunden gleitenden Zeitfensters 511 zur aktuellen Klemmenspannung 512. Das gleitende Zeitfenster 511 bewegt sich mit der Zeit, um die Klemmenspannungswerte 514 von einer Vorderkante 513 vorherzusagen. Im zeitlichen Fortschritt fährt das gleitende Zeitfenster 511 weiter Vorhersage der vorhergesagten Klemmenspannungs-werte 514. Beispielsweise kann eine gegenwärtige Klemmenspannung 512, die zum Zeitpunkt 517 genommen wird, zu einem zeitlichen Gleitendes Fenster 511 mit einer Vorderkante 513 zum Zeitpunkt 515 führen. Wie in 5B gezeigt, kann das gleitende Zeitfenster 511 eine Spanne von einer Sekunde haben.
In 5C wird ein Graph 520, der einen Leistungsbedarf 522-Eingabewert oder -befehl anzeigt, von der Steuerung empfangen. Der Leistungsbedarf 522 ist auf der y-Achse 526 in Kilowatt über der Zeit der x-Achse 524 in Sekunden gezeigt. Der Leistungsbedarf kann positiv oder negativ sein, was das Laden oder Entladen der Batterie anzeigt. 5C ist mit 5D verbunden. 5D enthält einen Graphen 530, der die vorhergesagte Anschlußspannung eine Sekunde im voraus unter Einsatz der oben beschriebenen Techniken anzeigt. Die aktuelle Anschlußspannung 532 ist auf der y-Achse 538 in Volt über der Zeit der x-Achse 536 in Sekunden gezeigt. Die vorhergesagte Klemmenspannung wird unter Verwendung der oben angegebenen Verfahren gezeigt. Die Vorderflanke 533 eines Ein-Sekunden gleitenden Zeitfensters 531 an einer aktuellen Klemmenspannung 532. Das gleitende Zeitfenster 531 bewegt sich mit der Zeit, um die Klemmenspannungswerte 534 von einer Vorderkante 533 vorherzusagen. Im Laufe der Zeit fährt das gleitende Zeitfenster 531 fort mit der Vorhersage von Klemmenspannungswerten 534. Beispielsweise kann eine aktuelle Klemmenspannung 532, die zum Zeitpunkt 537 genommen wird, zu einem gleitenden Zeitfenster 531 mit einer Vorderkante 533 am Zeitpunkt 535 führen. Wie in 5D gezeigt, kann das gleitende Zeitfenster 531 einen Zeitraum von einer Sekunde haben.
Wie in den 5A–D gezeigt, kann das gleitende Zeitfenster unterschiedliche Längen haben. Das gleitende Fenster kann statisch oder dynamisch eingestellt werden. Die dynamische Einstellung des gleitenden Fensters kann durch unterschiedliche Betriebsarten des Fahrzeugs bestimmt werden. Bspw. kann ein Hybrid-Elektrofahrzeug je nach einem rein elektrischen oder Hybrid-Modus unterschiedliche gleitende Zeitfenster aufweisen.
Die in der Beschreibung verwendeten Worte beschreibend und nicht beschränkend, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder dargestellt werden können. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausführungsformen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte bevorzugt zu sein, erkennt der Fachmann, dass ein oder mehrere Merkmale beeinträchtigt werden können, um dies zu erreichen Gesamtsystemattribute, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können einschließen, sind aber nicht beschränkt auf Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Als solche werden Ausführungsformen beschrieben, die weniger wünschenswert als andere sind Ausführungsformen oder Ausführungsformen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Merkmale liegen nicht außerhalb des Umfangs der Erfindung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug mit: einer Batterie; und einer Steuerung, die programmiert ist, die Batterie gemäß Batterieklemmenspannungswerten, die für zukünftige Zeitintervalle vorhergesagt werden, die von einer Vorderflanke eines gleitenden Zeitfensters mit wählbarer Länge auf Grundlage von Widerstands- und Kapazitätsparametern, welche die Batterie repräsentieren, und der Dauer der auswählbaren Periode durchlaufen werden, zu entladen und aufzuladen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Batterieklemmenspannungswerte ferner basierend auf einem Batterieladestatus Batterie vorhergesagt werden.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Widerstandsparameter einen Innenwiderstand aufweisen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei einige Widerstands- und Kapazitätsparameter einen RC-Schaltkreis definieren.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei die Batterieklemmenspannungswerte auch auf Grundlage eines Spannungsabfalls über den RC-Schaltkreis vorhergesagt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, das aufweist Entladen und Laden einer Fahrzeugbatterie durch eine Steuerung nach Batterieklemmenspannungswerten, die für zukünftige Zeiten vorhergesagt werden, die von einer Vorderkante eines gleitenden Zeitfensters mit einem wählbaren Zeitraum auf Basis von Widerstands- und Kapazitätsparametern, welche die Batterie repräsentieren, durchlaufen werden und der Dauer des wählbaren Zeitraums.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Batterieklemmenspannungswerte weiter basierend auf einem Batterieladestatus vorhergesagt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsparameter den Innenwiderstand umfassen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Widerstands- und Kapazitätsparameter eine RC-Schaltkreis definieren.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieklemmenspannungswerte weiter basierend auf einem Spannungsabfall über die RC-Schaltkreis vorhergesagt werden.
Steuerung mit: Eingangskanälen, die einen Leistungsbedarf von einem Fahrzeugnetz empfangen können; Ausgangskanälen, die vorausgesagte Batterieklemmenspannungswerte dem Fahrzeugnetz liefern könne; und einer Steuerlogik, die programmiert ist, die vorhergesagten Batterieklemmenspannungswerte für zukünftige Zeitintervalle zu erzeugen, die von einer Vorderflanke eines gleitenden Zeitfensters mit wählbaren Länge auf Grundlage von Widerstands- und Kapazitätsparametern, die die Batterie repräsentieren, und der Dauer der wählbaren Periode durchlaufen werden.
Steuerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik weiter programmiert ist, um die Batterieklemmenspannungswerte basierend auf einem -Batterieladestatus vorherzusagen.
Steuerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsparameter einen Innenwiderstand aufweisen.
Steuerung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Widerstands- und Kapazitätsparameter eine RC-Schaltkreis definieren.
Steuerung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerlogik auch programmiert ist, die Batterieklemmenspannungswerte auf Grundlage eines Spannungsabfalls über den RC-Schaltkreis vorherzusagen.