DE102017111573A1

DE102017111573A1 - Schätzung des batterieleistungsvermögens in einem drehmomenterzeugenden system

Info

Publication number: DE102017111573A1
Application number: DE102017111573.0A
Authority: DE
Inventors: Patrick E. Frost; Rory B. Fraga; Patricia M. Laskowsky; Alexander K. Suttman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2017-11-30
Also published as: US10101402B2; CN107450025B; US20170343613A1; CN107450025A

Abstract

Ein Verfahren zum Schätzen des Batterieleistungsvermögens in einem drehmomenterzeugenden System mit einem Batterie-Pack mit Batteriezellen beinhaltet das Berechnen einer Spannungsspreizung als einer Differenz zwischen einer durchschnittlichen und einer minimalen Zellenspannung des Batterie-Packs. Das Verfahren beinhaltet auch das Erhöhen einer kalibrierten Spannungsstellgrenze um einen Versatz, welcher auf der Größe der Spannungsspreizung beruht, was dann geschieht, wenn die minimale Zellenspannung geringer ist als die Stellgrenze, und das Aufzeichnen des Versatzes in einem Speicherplatz, der durch Packbetriebsbedingungen referenziert wird. Des Weiteren wird das Leistungsvermögen anhand des aufgezeichneten Versatzes geschätzt, wenn das Batterie-Pack unter Bedingungen arbeitet, die den Betriebsbedingungen gleich sind, und anschließend eine Steuermaßnahme des Systems unter Verwendung des geschätzten Leistungsvermögens ausgeführt. Ein drehmomenterzeugendes System beinhaltet das Batterie-Pack, einen Elektromotor und eine Steuerung, die programmiert ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren und System für die Schätzung des Batterieleistungsvermögens in einem drehmomenterzeugenden System.
HINTERGRUND
Hochvolt-Gleichstrombatterie-Packe können verwendet werden, um Elektromotoren in einer Vielzahl von unterschiedlichen drehmomenterzeugenden Systemen mit Strom zu versorgen. So kann beispielsweise Abtriebsdrehmoment von einem Elektromotor verwendet werden, um ein Antriebselement eines Getriebes in einem Hybrid-Elektro- oder Plug-in-Elektrofahrzeug zu drehen, das heißt, in einem Fahrzeug mit einem Batterie-Pack, das wahlweise unter Verwendung eines Ladeauslasses oder einer fahrzeugexternen Stromversorgung wiederaufgeladen werden kann. Die einzelnen Batteriezellen eines gegebenen Batterie-Packs altern allmählich und entladen sich mit der Zeit. Dadurch können sich Batterieleistungsparameter, wie etwa Leerlaufspannung, Zellwiderstand und Ladezustand gegenüber kalibrierten/neuen Werten, ändern. Die Batterieentladung wird deshalb durch eine eigene Batteriesteuerung überwacht, um die verbleibende Menge an Batterieleistungsvermögen abzuschätzen. Die Schätzungen des Batterieleistungsvermögens können anschließend eingesetzt werden, um Entscheidungen über die Wahl des Antriebsstrangmodus zu treffen oder andere Steuermaßnahmen durchzuführen.
Bestehende Batteriesteuerungsmethodiken versuchen, relativ schwache Batteriezellen in einem Batterie-Pack zu schützen, das heißt diejenigen Batteriezellen, die während eines Entladungsereignisses niedrigsten Zellenspannungen oder bei einem Aufladungsereignis die höchste Zellenspannung aufweisen. Typischerweise wird der Batterieschutz erreicht, indem die Spannung des Batterie-Packs derart gesteuert wird, dass die niedrigsten Zellenspannungen gezwungen werden, oberhalb einer minimalen zulässigen Packspannung zu bleiben. Mit anderen Worten wird die Spannung des Batterie-Packs reaktiv angepasst, in Reaktion darauf, dass eine gegebene Batteriezelle sich eine Spannungsstellgrenze oder -untergrenze annähert oder diese unterschreitet. Eine Änderung einer Spannungsstellgrenze, insbesondere bei einem Leistungsimpuls, kann jedoch die Genauigkeit der Schätzungen des Batterieleistungsvermögens herabsetzen.
KURZDARSTELLUNG
Der vorliegende Ansatz soll die Genauigkeit bestehender Schätzungen des Batterieleistungsvermögens insgesamt verbessern, und insbesondere derjenigen, die in Verbindung mit reaktiven Spannungssteuerstrategien der oben erwähnten Art vorgenommen werden. Das vorliegende Verfahren beinhaltet das Aufzeichnen einer Verlaufsgeschichte vergangener reaktiver Spannungsstellgrenz-Anpassungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise bei unterschiedlichen Ladezuständen (SOC) und Temperaturen des Batterie-Packs, und in der Folge die Schätzung des Leistungsvermögens des Batterie-Packs unter gleichen Betriebsbedingungen unter Verwendung der aufgezeichneten Verlaufsgeschichte.
Das Verfahren kann zum Beispiel die Schätzung eines maximalen Ladungs- und Entladungsleistungsvermögens über verschiedene bevorstehende Zeitfenster beinhalten, indem beispielsweise 2 Sekunden und 10 Sekunden in die unmittelbare Zukunft vorausgeschaut wird. Die Schätzungen des Leistungsvermögens können bei einem maximalen Lade-/Entladestrom und auch bei einem maximalen Lade-/minimalen Entladespannungsgrenzwert vorgenommen werden. Die Steuerung wählt anschließend die Strommenge mit der kleineren relativen Größe und verwendet diese Leistungsschätzung in einer nachfolgenden Steuermaßnahme, z. B. in einer Antriebsstrangsteuerung oder elektrischen Reichweitenschätzung und Routenplanung.
In einer bestimmten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Schätzung des Batterieleistungsvermögens in einem drehmomenterzeugenden System mit einem Batterie-Pack mit einer Vielzahl von Batteriezellen offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Berechnen einer Spannungsspreizung über eine Steuerung als einer Differenz zwischen einer durchschnittlichen Zellenspannung und einer minimalen Zellenspannung des Batterie-Packs und die anschließende Erhöhung einer kalibrierten Spannungsstellgrenze, z. B. um einen Versatz, welcher auf der Größe der Spannungsspreizung beruht, wenn die minimale Zellenspannung kleiner ist als die kalibrierte Spannungsstellgrenze. Das Verfahren beinhaltet auch das Aufzeichnen des Versatzes in einem Speicherplatz der Steuerung, der durch die Betriebsbedingungen des Batterie-Packs referenziert wird. Das Verfahren fährt unter Verwendung des erfassten Versatzes mit der Schätzung des Leistungsvermögens des Batterie-Packs fort, wenn das Batterie-Pack wieder unter denselben Bedingungen arbeitet wie den Betriebsbedingungen für den entsprechenden Speicherplatz. Die Steuerung führt dann eine Steuermaßnahme des drehmomenterzeugenden Systems unter Verwendung des geschätzten Leistungsvermögens aus.
Die Betriebsbedingungen des Batterie-Packs können einen Ladezustand, eine Temperatur des Batterie-Packs oder andere geeignete Betriebsbedingungen beinhalten.
Die Schätzung des Leistungsvermögens des Batteriepacks kann die Schätzung sowohl eines maximalen Ladeleistungsvermögens als auch eines maximalen Entladeleistungsvermögen über verschiedene zukünftige Zeitfenster beinhalten. Eine kalibrierte Spannungsstellgrenze kann in einigen Ausführungsformen nur dann vorkommen, wenn die Größe der Spannungsspreizung einen kalibrierten Spannungsspreizungsschwellenwert überschreitet.
Das drehmomenterzeugende System im Verfahren kann einen Motor beinhalten, in welchem Fall die Steuermaßnahme einen Befehl an den Motor beinhalten kann, sich ein- oder auszuschalten, z. B. durch die Wahl des einen Antriebsstrangmodus oder eine Motorstopp/-start-Aktion. Wenn das drehmomenterzeugende System ein Fahrzeug ist, kann die Steuermaßnahme das Ausführen einer Routenplanungsaktion des Fahrzeugs beinhalten.
Die Schätzung des Leistungsvermögens des Batterie-Packs unter Verwendung des aufgezeichneten Versatzes kann die Anpassung eines Spannungspegels des Batterie-Packs um einen Betrag beinhalten, der proportional zur Spannungsspreizung ist, und das anschließende Berechnen des Leistungsvermögens unter Verwendung der angepassten Spannung.
Ein drehmomenterzeugendes System wird ebenfalls offenbart, welches eine Steuerung beinhalt, die zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens programmiert ist. Zusätzlich zur Steuerung, kann das System das Batterie-Pack und einen Elektromotor beinhalten, der zum Erzeugen von Abtriebsdrehmoment betreibbar ist, wenn er vom Batterie-Pack mit Elektrizität versorgt wird.
Die vorstehend beschriebene Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen und den hinzugefügten Ansprüchen leicht ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Fahrzeugs mit einem wiederaufladbaren Batterie-Pack und ein System zur Schätzung des Leistungsvermögens des Batterie-Packs.
2 ist ein Zeitdiagramm, das Spannungsgrenzwerte beschreibt, die als Teil des hierin beschriebenen Verfahrens verwendet werden, wobei die Zeit auf der horizontalen Achse und Spannung auf der vertikalen Achse dargestellt sind.
3 ist ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Ausführungsform des hierin offenbarten Verfahrens veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin Referenznummern zur Identifizierung von ähnlichen oder identischen Komponenten in den verschiedenen Ansichten verwendet werden, wird in 1 ein drehmomenterzeugendes System 10 in Gestalt eines exemplarischen Fahrzeugs gezeigt. Das System 10 beinhaltet ein wiederaufladbares Batterie-Pack 12 und eine Steuerung (C) 25. Die Steuerung 25 ist mit computerausführbarem Code programmiert, der Schritte eines Verfahrens 100 verkörpert, wovon ein Beispiel nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 mit zusätzlicher Bezugnahme auf das veranschaulichende Zeitdiagramm in 2 beschrieben wird. Als Teil einer Gesamtsteuerungsmethodik schätzt die Steuerung 25 ein Leistungsvermögen des Batterie-Packs 12 wie oben erläutert, d. h. über mehrere verschiedene zukünftige Zeitfenster unter Betrieb bei maximalem Lade-/Entladestrom und wie auch bei maximalem Lade-/minimalem Entladespannungsgrenzwert. Die Steuerung 25 wählt dann das Leistungsvermögen mit der kleineren relativen Größe und verwendet diese in der Gesamtsteuerung des Systems 10.
Die Steuerung 25 kann programmiert werden, eine Leerlaufspannung zu modellieren, die, wie in der Technik bekannt, nicht während des dynamischen Betriebs des Systems 10 gemessen werden kann, wie während der Fahrt des Fahrzeugs aus 1, wenn das drehmomenterzeugende System 10 so ausgeführt ist. Das heißt, die Klemmenspannung des Batterie-Packs 12 ändert sich dynamisch aufgrund elektrochemischer Effekte innerhalb der Batteriezellen 12C des Batterie-Packs 12, wobei die Leerlaufspannung derjenige Wert ist, den die Batteriespannung schließlich erreichen wird, wenn eine auf das Batterie-Pack 12 aufgebrachte Last entfernt wird. Wenn die Batteriespannung während des dynamischen Betriebs des Systems 10 zu weit absinkt können indes unerwünschte elektrochemische Reaktionen auftreten, und somit verwendet die Steuerung 25 die oben erwähnten reaktiven Spannungsgrenzsteuermaßnahmen, um einem solchen Vorkommnis vorzubeugen.
Die Tatsache, dass konventionelle reaktive Spannungsgrenzsteuermaßnahmen reaktiv sind, d. h. durchgeführt werden, nachdem ein Zellenspannungspegel bereits zu weit abgesunken ist, kann die prädiktive Genauigkeit der oben beschriebenen zukünftigen Leistungsschätzungen nachteilig beeinflussen. Das Verfahren 100 soll daher die Genauigkeit der Leistungsschätzung angesichts reaktiver Zellespannungsgrenzsteuermaßnahmen verbessern, und namentlich durch Verfolgung der Verlaufsgeschichte früherer Spannungsgrenzwertanpassungen unter vergleichbaren Betriebsbedingungen und anschließender Verrechnung mit denselben während der Leistungsschätzunsprozesse, wie unten in unter Bezugnahme auf die 2 und 3 ausführlicher dargelegt werden wird.
Das in 1 gezeigte exemplarische drehmomenterzeugende System 10 kann einen elektrifizierten Antriebsstrang 15 beinhalten, aus dem ein oder mehrere Elektromotoren 16 elektrische Energie aus dem Batterie-Pack 12 beziehen und Motordrehmoment an die Antriebsräder 17 über eine oder mehrere Vorder- und/oder Hinterantriebsachsen liefert. Ein optionaler Verbrennungsmotor 14 kann in einigen Konfigurationen verwendet werden, wenn das System 10 als Hybrid-Elektrofahrzeug oder Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite ausgeführt ist. Obwohl als ein exemplarischer Personenkraftwagen dargestellt, kann das System 10 als eine mobile oder statische Plattform ausgeführt sein, deren Batterie-Pack 12 wahlweise über Regeneration und/oder durch Verbindung mit einer externen Stromversorgung (nicht dargestellt) wie einer 120VAC- oder 240V-Wechselstrom-Wandsteckdose oder elektrischen Ladestation wieder aufgeladen werden oder über eine fahrzeugeigene regenerative Aufladung der in der Technik bekannten Art.
In allen Ausführungsformen weist das Batterie-Pack 12 eine Vielzahl von Batteriezellen 12C auf, die jeweils eine entsprechende Batteriezellenspannung (Pfeil V12C) aufweisen, welche durch einen entsprechenden Sensor 19 individuell gemessen werden und/oder berechnet werden kann, beispielsweise einen Spannungs- oder Stromsensor, der typischerweise als Zellmessschaltung oder -leiterplatte konfiguriert sein kann. Zusätzlich berechnet die Steuerung 25 oder bestimmt anderweitig eine durchschnittliche Packspannung (Pfeil V_AVG), z. B. durch Modellieren der Packspannung unter Verwendung eines Schaltkreismodells und Teilung der modellierten Packspannung durch die Anzahl der Batteriezellen 12C im Batterie-Pack 12, wie in der Technik wohlbekannt ist.
Die Steuerung 25 kann als eine oder mehrere unterschiedliche Vorrichtungen verkörpert sein, wobei jede gegebenenfalls eine oder mehrere Mikrosteuerungen oder Zentraleinheiten (P) und einen Speicher (M) aufweisen, beispielsweise Nur-Lesen-Speicher, RAM und einen elektrisch löschbaren, programmierbaren Nur-Lesen-Speicher. Die Steuerung 25 kann konfiguriert sein, verschiedene Softwareprogramme einschließlich des Verfahrens 100 im Gesamtbetrieb des Batterie-Packs 12 und des drehmomenterzeugenden Systems 10 ablaufen zu lassen oder auszuführen. Zusätzlich kann die Steuerung 25 ein Steuersignal (Pfeil CC_O) an das Batterie-Pack 12 ausgeben, um diesen zu steuern, einschließlich der Durchführung von Steuermaßnahmen wie elektrischen Reichweitenschätzungen, dem Steuern eines Modus des Antriebsstrangs 15 und dergleichen. Die Steuerung 25 kann die vorhergesagte Leistung auch verwenden, um bevorstehende Übergänge im Modus des Antriebsstrangs 15 zu planen, den Motor 14 und/oder Elektromotor 16 ein- oder auszuschalten, für die Routenplanung, zum Anzeigen einer verbleibenden elektrischen Reichweite oder für jede andere geeignete Steuermaßnahme, die von der verbesserten Genauigkeit der Leistungsschätzung profitieren kann.
Von zentraler Bedeutung für das vorliegende Verfahren 100 ist die genaue Schätzung des maximalen Lade-/Entladestroms des Batterie-Packs 12. Wie oben erwähnt, kann die Steuerung 25 die maximale Leistung über eine beliebige Anzahl von bevorstehenden Zeitfenstern abschätzen, indem sie entweder einen maximalen Lade-/Entladestrom oder eine maximale Lade-/Entladespannung verwendet, die jede oder beide durch den Sensor 19 gemessen und/oder berechnet werden können, wobei die Steuerung 25 den kleineren der beiden Werte auswählt. Die Steuerung 25 passt dynamisch einen Spannungsregelungsgrenzwert an, das heißt eine Spannungsuntergrenze, in der Logik, die schwächsten der Batteriezellen 12C zu schützen. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Schätzungen, erwägt das Verfahren 100 das Verfolgen und Aufzeichnen früherer Bewegungen der Spannungsstellgrenze im Lauf der Zeit und die Schätzung des Leistungsvermögens unter Verwendung der erfassten Verlaufsgeschichte der Bewegungen.
Die Steuerung 25 aus 1 kann selektiv die Spannungsstellgrenze auf Grundlage der Größe einer Spannungsspreizung anpassen. Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff „Spannungsspreizung“ die Differenz zwischen einem Packspannungsmittel (V_AVG) für das Batterie-Pack 12 und einer minimalen Zellenspannung (V_MIN,C) der Batteriezellen 12C oder alternativ in einem Batteriemodul oder einem kleinen Batterieabschnitt des Batterie-Packs 12. Wie in der Technik bekannt ist, wird eine Batterie-Pack-Spannung ist unter Verwendung eines Ersatzschaltungsmodells für das Batterie-Pack 12 modelliert, obwohl die Packspannung innerhalb des beabsichtigten Umfangs der Offenbarung auch auf andere Arten berechnet oder bestimmt werden kann. Das Packspannungsmittel (V_AVG) kann durch Dividieren der modellierten, berechneten oder anderweitig bestimmten Packspannung (V_B) durch die Anzahl der Batteriezellen 12C im Batterie-Pack 12 berechnet werden, d. h.
Die Spannungsspreizung (V_S) wird dann wie folgt berechnet: V_S = V_AVG – V_MIN,C
Als Teil des vorliegenden Verfahrens 100, verfolgt die Steuerung 25 aus 1 dann die Verlaufsgeschichte der Anpassungen der Spannungsstellgrenze, um die Spannungsspreizung zu bestimmen, wobei solche möglichen Anpassungen in einer Weise erfolgen, die proportional zur Größe der Spannungsspreizung ist, und berücksichtigt dann die Spannungsspreizung während der Leistungsschätzung und anderer Steuermaßnahmen des Batterie-Packs 12. Der gegenwärtige Ansatz wurzelt in der hierin gemachten Erkenntnis, dass das Auftreten einer Spannungsspreizung von großem Umfang ein relativ wiederholbares, bedingungsspezifisches Phänomen ist; die Spannungsspreizung tendiert beispielsweise dazu, unter im Wesentlichen gleichen Betriebsbedingungen aufzutreten, wie einem Wiederauftreten der gleichen Batterietemperatur und des gleichen Ladezustands. Die Steuerung 25 verfolgt daher Trends der Verlaufsgeschichte von Anpassungen der Spannungsstellgrenze und verwendet die Trends in der Verlaufsgeschichte ohne die Batteriedynamik zu modellieren, die bei niedrigen Ladezuständen extrem nichtlinear sein kann. Die Anwendung des Verfahrens 100 auf das drehmomenterzeugende System 10 aus 1 wird nun unter besonderer Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben.
2 zeigt ein Zeitdiagramm, das die elektrischen Werte beschreibt, die als Teil des Verfahrens 100 gemessen oder kontrolliert werden, wobei die Spannung (V) auf der vertikalen Achse und die Zeit (t) auf der horizontalen Achse dargestellt wird. Die mittlere Packspannung (V_AVG) und minimale Zellenspannung (V_MIN,C) für das Batterie-Pack 12 nehmen bei t₁, t₂, t₃, t₄, t₅und t₆ schnell ab, was auf ein Entladeereignis hinweist, bei dem ein großer Abfluss von elektrischem Strom aus dem Batterie-Pack 12 auftritt. Die mittlere Packspannung (V_AVG) steigt unmittelbar nach solchen Entladeereignissen an, was ein Aufladeereignis signalisiert, bei dem die Batteriezellen 12C aus 1 wieder aufgeladen werden. Die Zonen 30 zeigen eine Spannungsspreizung von großem Umfang an. Das heißt, während die mittlere Packspannung (V_AVG) und die minimale Zellenspannung (V_MIN,C) zu anderen Zeiten nicht vollkommen zusammenpassen, kann unter bestimmten Bedingungen die Differenz oder der Versatz ausgeprägt werden, der, wenn er in Relation zu einer kalibriertem Spannungsspreizungschwelle hinreichend groß ist, als Steuerauslöser für die reaktive Anpassung einer Spannungsstellgrenze (V_CL) als Teil des Verfahrens 100 dienen kann.
Das unten unter Bezugnahme auf 3 ausführlicher näher beschriebene Verfahren 100 beinhaltet im Allgemeinen das Bestimmen einer individuellen Zellenspannung für jede der Batteriezellen 12C, z. B. durch die direkte Messung durch einen entsprechenden Sensor 19 wie oben erwähnt, und das anschließende Erhöhen der Spannungsstellgrenze (V_CL), wenn die niedrigste Zellenspannung gegenüber den anderen Batteriezellen 12C im Batteriepack 12 kleiner ist als die Spannungsstellgrenze (V_CL). Die Steuermaßnahme sieht man t₁, t₅ und t₆ der nicht einschränkenden Darstellung in 2. Wie oben erwähnt beinhaltet das Verfahren 100 die Aufzeichnung einer Anzahl der Erhöhung im Speicher (M) der Steuerung, beispielsweise in einem bestimmten Speicherplatz, der durch Betriebsbedingungen wie den Ladezustand und die Temperatur des Batterie-Packs 12 zu dem Zeitpunkt referenziert wird, an dem die Erhöhung angeordnet wurde.
Die Steuerung 25 schätzt dann ein Leistungsvermögen des Batterie-Packs 12 unter Verwendung einer Spannung, die zunächst durch die aufgezeichnete Menge der vorherigen Erhöhungen unter gleichen Betriebsbedingungen angepasst wird, d. h. in proaktiver Erwartung der Spannungsgrenzsteuermaßnahme, die stattfinden wird, nachdem die Leistungsschätzung begonnen hat. Auf diese Weise kann die Steuerung 25 einen genaueren Packspannungswert zur Schätzung des zukünftigen Leistungsvermögens verwenden. Die Steuerung 25 führt schließlich eine Steuermaßnahme des Systems 10 unter Verwendung des genauer geschätzten Leistungsvermögens durch.
Zwischen t₀ und t₁, wird die kalibrierte Zellenspannungsstellgrenze (V_CL), die ein vorbestimmter Wert ist, der nach Bedarf selektiv angepasst wird, auf einem Niveau gehalten, das ein kalibrierter Versatz von minimalen Packspannung (V_MIN,P) ist, d. h. einer minimal zulässigen Spannung für das Batterie-Pack 12 als Ganzes. Die Zellenspannungsstellgrenze (V_CL) dient als Bezugspunkt, der letztlich bestimmte Steuermaßnahmen in Bezug auf das Batterie-Pack 12 oder das drehmomenterzeugenden System 10 auslöst.
Bei t₁ sinkt die minimale Zellenspannung (V_MIN,C) beispielsweise unter ein Niveau der kalibrierten Zellenspannungsstellgrenze (V_CL). Die oben beschriebene Zellspreizung, steigt in den 30 Bereichen wesentlich an. In Reaktion darauf passt die Steuerung 25 die Zellenspannungsstellgrenze (V_CL) bei t₁ um einen vorbestimmten Betrag an und behält dann den neuen höheren Grenzwert bis zum nächsten Fall bei, wo die Zellenspannungsstellgrenze (V_CL) verletzt wird, der im Beispiel von 2 bei etwa t₅ eintritt. Die Steuerung 25 hebt die Spannungsstellgrenze (V_CL) bei t₅ und dann bei t₆ wieder an.
Die Höhe jeder Anpassung der Spannungsstellgrenze (V_CL) kann auf Grundlage der Größe der Spannungsspreizung erfolgen, die zum Zeitpunkt der Anpassung vorliegt. Die Steuerung 25 kann die Daten der Verlaufsgeschichte in Datenbins oder Speicherplätzen speichern, die mit den Betriebsbedingungen des Batterie-Packs 12 als Ganzem korrespondieren, wenn die Anpassung vorgenommen wird. Wenn das drehmomenterzeugende System 10 erneut unter Betriebsbedingungen arbeitet, die im Wesentlichen die gleichen sind wie jene, als die Anpassungen vorgenommen wurden, und wenn eine Schätzung des Leistungsvermögens unter im Wesentlichen gleichen Betriebsbedingungen erfordert wird, führt die Steuerung 25 die Leistungsschätzung unter Verwendung der angepassten Spannung durch, wobei sie durch die aufgezeichnete Verlaufsgeschichte schon vorher weiß, dass sich die Spannungsstellgrenze als Ergebnis der reaktiven Spannungsgrenzsteuermaßnahmen wahrscheinlich erhöhen wird.
Ebenfalls dargestellt wird in 2 eine kalibrierte minimale Packspannung (V_MIN,P), die eine kalibrierte minimale Packspannung für das Batterie-Pack 12 als Ganzes ist. Dieser Wert zeigt bei jeder Anpassung der kalibrierten Zellenspannungsstellgrenze (V_CL) einen Aufwärtstrend. Die gesamte Packspannung des Batterie-Packs 12 wird durch Betrieb der Steuerung 25 so gesteuert, dass die minimale Zellenspannung (V_MIN,C) nicht geringer ist als die minimale Packspannung (V_MIN,P). Somit wird die minimale Packspannung (V_MIN,P), wie in 2 dargestellt, mit der Zeit automatisch und selektiv erhöht, in Reaktion auf die periodische Anpassung der Spannungsstellgrenze (V_CL), die wiederum eintritt, wenn eine gegebene Batteriezelle 12C die minimale Zellenspannungsgrenze (V_MIN,C) unterschreitet.
Eine beispielhafte Ausführungsform des Verfahrens 100 ist in 3 dargestellt. Das Verfahren 100 kann in dieser Ausführungsform das zeitübergreifende Sammeln von Spannungsspreizungsdaten für unterschiedliche Betriebszustände und das zeitübergreifende Aufzeichnen der Größen solcher Anpassungen der Spannungsstellgrenze (V_CL) beinhalten. Verschiedene Zeitfenster wie 2s und 10s können zu diesem Zweck verwendet werden, insofern die Steuerung 25 im Prozess der Steuerung des Systems 10 aus 1 letztlich Leistungsschätzungen für verschiedene künftige oder bevorstehende Zeitfenster vornimmt. Das heißt, die Steuerung 25 kann vorhersagen, wie viel Batterieenergie in einem zukünftigen Zeitintervall für die Zuteilung an den Elektromotor 15 zur Verfügung stehen wird. Unter Verwendung dieser Vorhersage kann die Steuerung 25 den Betrieb des Systems 10 unter Verwendung genauerer Leistungsschätzungen steuern, ohne das Verfahren 100 verfügbar wären.
Nachdem Verfahren 100 einsetzt (**), bestimmt die Steuerung 25 in Schritt S102, ob die Steuerung 25 läuft. Schritt S102 kann das Erfassen einer Zündung oder des Drehens eines Schlüssels des Systems 10 auf die Ein-Position erfassen oder anderweitig abschätzen, ob die Steuerung 25 eingeschaltet und funktionstüchtig ist, und dass die Bedingungen zur Fortführung des Verfahrens 100 angemessen sind. Die Steuerung 25 geht nur dann zu Schritt S104 über, wenn solche Bedingungen vorhanden sind.
Schritt S104 beinhaltet das Bestimmen, ob sich die minimale Zellenspannung (V_MIN,C) der Spannungsstellgrenze (V_CL), d. h. einer Zellenspannungsuntergrenze, annähert oder darunter liegt, die im Speicher (M) der Steuerung 25 als kalibrierter Wert aufgezeichnet sein kann. Wenn ja, geht das Verfahren 100 zu Schritt S106 über und bereitet sich auf die Erhöhung der Spannungsstellgrenze (V_CL) vor. Die Anpassung kann in einigen Ausführungsformen nur dann erfolgen, wenn die Spannungsspreizung eine kalibrierte Spannungsspreizungsschwelle überschreitet, um z. B. unnötige Anpassungen zu vermeiden. Das Verfahren 100 geht stattdessen zu Schritt S116 über, wenn sich die minimale Zellenspannung (V_MIN,C) nicht der Spannungsstellgrenze (V_CL) annähert oder darunter liegt.
In Schritt S106 bestimmt die Steuerung 25 als nächstes Betriebsbedingungen des Batterie-Packs 12, z. B. den Ladezustand und die Temperatur des Batterie-Packs 12, wie oben erwähnt, durch Messen oder Auswertung über ein weiteres Steuermodul (nicht dargestellt), und identifiziert dann den entsprechenden Speicherplatz im Speicher (M). Eine Vielzahl von Speicherplätzen kann beispielsweise im Speicher (M) belegt werden, z. B. als eine oder mehrere Nachschlagetabellen. Im Sinn einer Veranschaulichung kann die Batterietemperatur in Bänder von 10 °C unterteilt werden, z. B. von –40 °C bis 40 °C, und der Ladezustand kann in 10 %-Bänder im Bereich von 0 bis 100 % Ladezustand unterteilt werden, wobei verschiedene Kombinationen dieser Bänder in den Nachschlagetabellen gespeichert werden.
Anhand des aktuellen Ladezustands und der Temperatur des Batterie-Packs 12 kann die Steuerung 25 dann den entsprechenden Speicherplatz für die Betriebszustände auswählen, bei denen die Spannungsspreizungs- und Spannungsgrenz-Anpassungen in Betracht gezogen werden. Schritt S106 kann verwendet werden, weil die Spannungsspreizung, wie oben erwähnt, mit dem Ladezustand und der Temperatur eines Batterie-Packs 12 über in einem gegebenen drehmomenterzeugenden System 10 über die Zeit in Bezug gesetzt wird und auch mit anderen Betriebsbedingungen hinreichend in Bezug gesetzt werden kann. Die Steuerung 25 geht zu Schritt S108 über, wenn die Speicherplätze identifiziert wurden.
In Schritt S108 aktualisiert die Steuerung 25 aus 1 die charakteristische Spannungsspreizungsinformation für den identifizierten Speicherplatz aus Schritt S110. Schritt S108 zieht die Bestimmung der Größe der Spannungsspreizung oder Zellspreizung, wie oben erläutert, und das Aufzeichnen derselben im entsprechenden Speicherplatz nach sich. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S110 über.
Schritt S110 beinhaltet die Bestimmung, ob sämtliche Speicherplätze bestückt wurden, insbesondere diejenigen, die womöglich nicht ausreichend bestückt sind. Wenn zum Beispiel das drehmomenterzeugende System 10 ein Fahrzeug ist, kann ein Bediener das Batterie-Pack 12 selten entladen oder fortfahren, das Batterie-Pack 12 auf einem hohen Ladezustand aufzuladen und den hohen Ladezustand aus verschiedenen Gründen behalten, einschließlich Sorgen um die Reichweite, kurzen Pendeldistanzen oder Ladegewohnheiten. Das Verfahren 100 geht zu Schritt S112 über, wenn alle Speicherplätze nicht bestückt sind, und alternativ zu Schritt S114, wenn alle Speicherplätze bestückt wurden.
Schritt S112 beinhaltet die Aktualisierung der Spannungsspreizungsinformation in den geringer bestückten Speicherplätzen den Übergang zu Schritt S114.
In Schritt S114 bestimmt die Steuerung 25 der 1 ein Batterie-Packspannung zur Verwendung bei der Leistungsschätzung, und sie tut dies für einen gegebenen Ladezustand/ Temperatur-Speicherplatz. Die Steuerung 25 kann beispielsweise die aufgezeichnete Verlaufsgeschichte oder charakteristische Spannungsspreizung aus einem jeweiligen Speicherplatz entsprechend den vorhandenen Betriebsbedingungen extrahieren. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S116 über.
In Schritt S116 schätzt die Steuerung 25 ein Leistungsvermögen des Batterie-Packs 12, indem die Spannung aus Schritt S114 verwendet und diese aufzeichnet, und führt dann unter Verwendung des geschätzten Leistungsvermögens eine Steuermaßnahme durch, wie oben erläutert.
Daher kann die Steuerung 25 durch Verwendung des Verfahrens 100 genauer vorhersagen, wann eine Aufwärtsbewegung der Zellenspannungsstellgrenze (V_L) auftreten wird, indem sie eine Wiederholung des Trends aus der Verlaufsgeschichte vergangener Steueranpassungen unter gleichen Betriebsbedingungen annimmt. Während die Versatzniveaus für vergangene Anpassungen der Spannungsstellgrenze (V_CL) unter gleichen Betriebsbedingungen, seien dies der Ladezustand und temperaturabhängige oder anderweitige Bedingungen, nicht immer identisch mit bevorstehenden Anpassungen sein mögen, soll die proaktive Verwendung der Trends aus der Verlaufsgeschichte bei der reaktiven Steuerung der unteren Spannungsgrenze Fehler in der Leistungsvorhersage verringern und die Steuerung des Systems 10 verbessern.
Wie hierin mit Bezug auf die offenbarten Werte oder Bereiche verwendet, gibt der Ausdruck „ungefähr“ an, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt, zum Beispiel vernünftig nahe an den Wert oder fast genauso hoch, wie zum Beispiel ± 10 % der angegebenen Werte oder Bereiche. Falls die Ungenauigkeit, die durch den Ausdruck „ungefähr“ vorgesehen ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hier verwendet mindestens Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs.
Während die besten Arten zur Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Offenbarung bezieht, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, die innerhalb des Schutzumfangs der hinzugefügten Ansprüche liegen. Es ist beabsichtigt, dass alle in der obigen Beschreibung enthaltenen und/oder in den zugehörigen Zeichnungen gezeigten Gegenstände als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu interpretieren sind.

Claims

Verfahren zur Schätzung des Batterieleistungsvermögens in einem drehmomenterzeugenden System mit einem Batterie-Pack mit einer Vielzahl von Batteriezellen, welches Verfahren Folgendes umfasst: das Berechnen einer Spannungsspreizung über eine Steuerung als einer Differenz zwischen einer durchschnittlichen und einer minimalen Zellenspannung des Batterie-Packs; die Erhöhung einer kalibrierten Spannungsstellgrenze um einen Versatz, welcher auf der Größe der Spannungsspreizung beruht, wenn die minimale Zellenspannung kleiner ist als die kalibrierte Spannungsstellgrenze; das Aufzeichnen des Versatzes in einem Speicherplatz der Steuerung, der durch Betriebsbedingungen des Batterie-Packs referenziert wird; die Schätzung eines Leistungsvermögens des Batterie-Packs unter Verwendung des aufgezeichneten Versatzes, wenn das Batterie-Pack unter denselben Bedingungen arbeitet wie den Betriebsbedingungen; und das Ausführen einer Steuermaßnahme des drehmomenterzeugenden Systems durch die Steuerung unter Verwendung des geschätzten Leistungsvermögens.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Betriebsbedingungen des Batterie-Packs einen Ladezustand oder eine Temperatur des Batterie-Packs beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 2, worin die Betriebsbedingungen des Batterie-Packs den Ladezustand und die Temperatur des Batterie-Packs beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Schätzung des Leistungsvermögens des Batterie-Packs die Schätzung sowohl eines maximalen Ladeleistungsvermögens als auch eines maximalen Entladeleistungsvermögen über eine Vielzahl verschiedener zukünftiger Zeitfenster beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das drehmomenterzeugende System einen Motor beinhaltet und worin die Steuermaßnahme einen Befehl an den Motor beinhaltet, sich ein- oder auszuschalten.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Schätzung des Leistungsvermögens des Batterie-Packs unter Verwendung des aufgezeichneten Versatzes die Anpassung einer Spannung des Batterie-Packs um einen Betrag, der proportional zu einer Größe der Spannungsspreizung ist, und das anschließende Berechnen des Leistungsvermögens unter Verwendung der angepassten Spannung beinhaltet.
Drehmomenterzeugendes System, Folgendes umfassend: ein Batterie-Pack mit einer Vielzahl von Zellen; einen Elektromotor, der zum Erzeugen von Abtriebsdrehmoment betreibbar ist, wenn er vom Batterie-Pack mit Elektrizität versorgt wird; und eine Steuerung in Verbindung mit dem Batterie-Pack, worin die Steuerung programmiert ist: eine Spannungsspreizung als eine Differenz zwischen einer durchschnittlichen und einer minimalen Zellenspannung des Batterie-Packs zu berechnen; eine kalibrierte Spannungsstellgrenze um einen Versatz zu erhöhen, welcher auf der Größe der Spannungsspreizung beruht, wenn die minimale Zellenspannung kleiner ist als die kalibrierte Spannungsstellgrenze; den Versatz in einem Speicherplatz der Steuerung aufzuzeichnen, der durch Betriebsbedingungen des Batterie-Packs referenziert wird; ein Leistungsvermögen des Batterie-Packs unter Verwendung des aufgezeichneten Versatzes zu schätzen, wenn das Batterie-Pack unter denselben Bedingungen arbeitet wie den Betriebsbedingungen; und eine Steuermaßnahme des drehmomenterzeugenden Systems unter Verwendung des geschätzten Leistungsvermögens auszuführen.
Drehmomenterzeugendes System nach Anspruch 7, worin die Betriebsbedingungen des Batterie-Packs einen Ladezustand und eine Temperatur des Batterie-Packs beinhalten.
Drehmomenterzeugendes System nach Anspruch 7, worin die Steuerung programmiert ist, das Leistungsvermögen des Batterie-Packs zu schätzen, indem sie sowohl ein maximales Ladeleistungsvermögen als auch ein maximales Entladeleistungsvermögen über eine Vielzahl verschiedener zukünftiger Zeitfenster schätzt.
Drehmomenterzeugendes System nach Anspruch 7, worin das drehmomenterzeugende System ein Fahrzeug ist und worin die Steuerung programmiert ist, eine Routenplanungsaktion des Fahrzeugs als die Steuermaßnahme auszuführen.