DE102018204215A1 - Method and system for calculating the battery state of charge - Google Patents
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Abstract
Es werden ein Verfahren und ein System zum Verbessern der Berechnung des Ladezustands (SOC) einer Batterie mittels eines Modells basierend auf einer adaptiven parabolischen Funktion einschließlich des dynamischen Aktualislerens der Schlüsselparameter des Modells für das Kompensieren von Verhaltensabweichungen der alternden Batterie von dem idealen neuen Batteriemodell angegeben. Das Batteriemodell weist einen parabolischen Bereich und einen linearen Bereich auf.A method and system for improving battery state of charge (SOC) estimation using a model based on an adaptive parabolic function including dynamically updating the key parameters of the aging battery compensating behavioral deviation model from the ideal new battery model is provided. The battery model has a parabolic region and a linear region.
Description
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS
Die Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung mit der Seriennummer 62/483,699 vom 10. April 2017, die hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen ist.The application claims the benefit of US Provisional Application Serial No. 62 / 483,699, filed April 10, 2017, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Schätzen oder Berechnen des Ladezustands (State of Health bzw. SOC) einer Batterie und insbesondere ein Verfahren und ein System zum Berechnen des Batterie-SOC unter Verwendung eines adaptiven, parabolischen Leerlaufspannung-versus-SOC-Modells.The present invention relates to a method and a system for estimating or calculating the state of health (SOC) of a battery, and more particularly to a method and a system for calculating the battery SOC using an adaptive, parabolic open circuit voltage versus SOC. model.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die in einem Fahrzeug-Kraftstofftank verbleibende Kraftstoffmenge kann direkt unter Verwendung von verschiedenen Sensortechniken gemessen werden. Der Ladezustand (SOC) einer Batterie dagegen kann nicht direkt gemessen werden, sondern muss geschätzt werden. Es werden verschiedene Strategien verwendet, um einen korrekten Wert des SOC-Signals zu erhalten. Wenn das elektrische System eines Fahrzeugs aktiv ist (d.h. lädt oder entlädt), kann die Variation des SOC-Signals unter Verwendung einer Coulomb-Zählstrategie geschätzt werden. Die Coulomb-Zählstrategie integriert den ausgehenden (oder eingehenden) Strom, um die Menge der elektrischen Ladung, die von der Batterie extrahiert (oder in diese geladen) wurde, zu erhalten.The amount of fuel remaining in a vehicle fuel tank can be measured directly using various sensor techniques. By contrast, the state of charge (SOC) of a battery can not be measured directly, but must be estimated. Various strategies are used to obtain a correct value of the SOC signal. When the electrical system of a vehicle is active (i.e., charging or discharging), the variation of the SOC signal can be estimated using a Coulomb counting strategy. The Coulomb counting strategy integrates the outgoing (or incoming) current to obtain the amount of electrical charge extracted from (or charged into) the battery.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Berechnen des Ladezustands (SOC) einer Batterie. Das Verfahren kann das Bestimmen von anfänglichen Modellparametern für ein Leerlaufspannung (OCV)-versus-Entladungstiefe (DOD)-Batteriemodell, das Erhalten von Modellkonstanten aus den Modellparametern, das Messen der Spannung der Batterie und das Berechnen des SOC basierend auf der Spannung und dem Batteriemodell umfassen.One or more embodiments of the invention relate to a method of calculating the state of charge (SOC) of a battery. The method may include determining initial model parameters for an Open Circuit Voltage (OCV) reverse discharge depth (DOD) battery model, obtaining model constants from the model parameters, measuring the voltage of the battery, and calculating the SOC based on the voltage and the battery model include.
Eine oder mehrere weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Batterieüberwachungssystem, das eine Batterie, einen mit der Batterie verbundenen Batteriesensor und ein mit dem Batteriesensor gekoppeltes Energieüberwachungssystem umfasst. Das Energieüberwachungssystem kann konfiguriert sein, um den Ladezustand (SOC) der Batterie unter Verwendung eines dynamischen Leerlaufspannung (OCV)-versus-Entladungstiefe (DOD)-Batteriemodells mit einem parabolischen Bereich und einem linearen Bereich zu berechnen.One or more further embodiments of the invention relate to a battery monitoring system comprising a battery, a battery sensor connected to the battery, and an energy monitoring system coupled to the battery sensor. The energy monitoring system may be configured to calculate the state of charge (SOC) of the battery using a dynamic open circuit voltage (OCV) reverse discharge depth (DOD) battery model having a parabolic range and a linear range.
Eine oder mehrere weitere Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein Energieverwaltungssystem für eine Fahrzeugbatterie, das eine Schätzeinheit und eine Steuereinrichtung umfasst. Die Schätzeinheit kann konfiguriert sein zum: Bestimmen von anfänglichen Modellparametern für ein Leerlaufspannung (OCV)-versus-Entladungstiefe (DOD)-Batteriemodell, Erhalten von Modellkonstanten aus den Modellparametern, Empfangen einer an Polen der Fahrzeugbatterie gemessenen Spannung, und Berechnen des Ladezustands (SOC) der Fahrzeugbatterie basierend auf der Spannung und dem Batteriemodell. Die Steuereinrichtung kann konfiguriert sein zum Senden von Steuersignalen zu Fahrzeuglasten oder einer Lichtmaschine basierend auf dem SOC der Batterie.One or more further embodiments of the invention relate to a power management system for a vehicle battery comprising an estimation unit and a controller. The estimation unit may be configured to: determine initial model parameters for open circuit voltage (ODV) inverse discharge depth (DOD) battery model, obtain model constants from the model parameters, receive a voltage measured at poles of the vehicle battery, and calculate the state of charge (SOC) the vehicle battery based on the voltage and the battery model. The controller may be configured to transmit control signals to vehicle loads or an alternator based on the SOC of the battery.
Figurenlistelist of figures
-
1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm für ein Batterieüberwachungssystem für ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.1 FIG. 10 is a simplified block diagram for a battery monitoring system for a vehicle according to one embodiment of the invention. FIG. -
2 ist ein typisches OCV-versus-SOC-Modell zum Schätzen des Batterie-SOC.2 is a typical OCV versus SOC model for estimating the battery SOC. -
3 ist ein dynamisches, stückweise definiertes OCV-versus-DOD (Entladungstlefe)-Modell mit zwei Hauptbereichen, nämlich einem parabolischen und einem linearen, zum Schätzen des Batterie-SOC gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung.3 is a dynamic, piecewise-defined OCV versus DOD (discharge gap) model with two major areas, parabolic and linear, for estimating the battery SOC according to one or more embodiments of the invention. -
4a zeigt eine Aktualisierungsfunktion für einen Steigungsmodelparameter (S) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.4a shows an update function for a slope model parameter (S) according to an embodiment of the invention. -
4b zeigt eine Aktualisierungsfunktion für einen Leerlaufspannung-bei-vollständiger-Ladung (OCV_FC)-Modellparameter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.4b shows an open-circuit voltage-at-full-charge (OCV_FC) model parameter update function according to an embodiment of the invention. -
5 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm, das ein Verfahren 500 zum Berechnen des SOC der Batterie gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung zeigt.5 FIG. 10 is a simplified flowchart illustrating amethod 500 of calculating the SOC of the battery according to one or more embodiments of the invention.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben, wobei jedoch zu beachten ist, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die auch durch verschiedene alternative Ausführungsformen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei einige Teile vergrößert oder verkleinert dargestellt sein können, um Details bestimmter Komponenten zu verdeutlichen. Die hier beschriebenen und gezeigten Details des Aufbaus und der Funktion sind nicht einschränkend aufzufassen, sondern lediglich als repräsentative Basis für den Fachmann, der die Erfindung realisieren möchte.Embodiments of the invention will now be described in detail, it being understood that the embodiments described herein are merely exemplary of the invention, which may also be embodied by various alternative embodiments. The figures are not necessarily to scale, some of which may be enlarged or reduced in size to illustrate details of particular components. The details of construction and function described and shown herein are not intended to be limiting, but merely representative of those skilled in the art who wish to practice the invention.
Die Batterie
Der BMS
Das Elektrische-Energie-Verwaltungssystem
Wie weiter oben erläutert, kann die Variation des SOC-Signals unter Verwendung einer Coulomb-Zählstrategie geschätzt werden, die den ausgehenden (oder eingehenden) Strom integriert, um die elektrische Ladungsmenge, die von der Batterie extrahiert (oder in diese geladen) wurde, zu erhalten. Ein Coulomb-Zählen weist das inhärente Problem einer Versatzakkumulation auf, das in allen auf einer Integration basierten Algorithmen gegeben ist. Die Versatzintegration kann mit einer genauen Strommessung minimiert, aber nicht beseitigt werden. Es werden Korrekturmethoden verwendet, um den durch die Stromintegration eingeführten Fehler zu kompensieren. Die am weitesten verbreitete Korrekturmethode verwendet eine Beziehung zwischen dem SOC und der Leerlaufspannung (OCV), wenn die Batterie nach einer definierten Ruheperiode stabilisiert ist. Diese Beziehung ist gewöhnlich nicht-linear, wie in
Obwohl die Beziehung zwischen dem SOC und dem OCV in einem breiten Bereich des SOC beinahe linear Ist, wird die Batterie wahrscheinlich in dem oberen nicht-linearen Segment betrieben. Mit Bezug auf
Aus praktischen Gründen kann das Modell anhand der Entladungstiefe (Depth of Discharge bzw. DOD) anstelle des SOC definiert werden. Die Gleichung 1 zeigt die Beziehung zwischen der DOD und dem SOC:
Wie in
- • OCV_FC: Die Spannung an
den Polen 20 der Batterie 14 , wenn die Batterie vollständig geladen ist. Eine Stabilisierungsperiode nach dem Laden der Batterie14 kann abgewartet werden, um einen guten und stabilen Wert von OCV_FC zu erhalten. - • S: Die Steigung der OCV-versus-DOD-Funktion in dem linearen Bereich. Eine langsame Entladung mit dazwischenliegenden Stabilisierungsperioden muss durchgeführt werden, um diesen Parameter zu erhalten.
- • OCV_FC_EFF: Ein Kreuzungspunkt der OCV-versus-DOD-Funktion in dem linearen Bereich mit der DOD=Nullachse.
- • DODX: Dieser Parameter ist als der Vereinigungspunkt zwischen den parabolischen und linearen Teilen des Modells definiert. Experimentergebnisse zeigen, dass ein empfehlenswerter Wert von DODX zwischen 15
% und 30% bleiben sollte. Der Wert von DODX kann jedoch basierend auf der spezifischen Anwendung oder Konfiguration der Batterie nach oben und unten angepasst werden.
- • OCV_FC: The voltage at the
poles 20 thebattery 14 when the battery is fully charged. A stabilization period after charging thebattery 14 can be waited to get a good and stable value of OCV_FC. - S: The slope of the OCV versus DOD function in the linear region. A slow discharge with intermediate stabilization periods must be performed to obtain this parameter.
- • OCV_FC_EFF: A crosspoint of the OCV versus DOD function in the linear range with the DOD = zero axis.
- • DODX: This parameter is defined as the union point between the parabolic and linear parts of the model. Experimental results show that a recommended value of DODX should remain between 15% and 30%. However, the value of DODX may be adjusted up and down based on the specific application or configuration of the battery.
Der vollständige Modellausdruck kann durch die Gleichung 2 ausgedrückt werden:
Die Modellkonstanten in dem linearen Bereich
Um die Konstanten für den parabolischen Bereich
- • Die Modellspannung kann gleich OCV_FC sein, wenn DOD = 0 (Gleichung 5)
- • Die Funktion kann kontinuierlich sein In DOD = DODX (Gleichung 6)
- • Die Ableitung der Funktion kann kontinuierlich sein in DOD = DODX (Gleichung 7)
- • The model voltage can be equal to OCV_FC if DOD = 0 (Equation 5)
- • The function can be continuous In DOD = DODX (Equation 6)
- • The derivative of the function can be continuous in DOD = DODX (Equation 7)
Die Werte der Konstanten in dem parabolischen Bereich
Der vorgeschlagene Algorithmus kann einige Modellparameter neu einstellen, wenn die gemessene OCV-SOC-Beziehung (z.B. aufgrund einer Alterung) von dem internen Modell abweicht. Zum Beispiel besteht ein üblicher Effekt bei einer Alterung einer Batterie in einer Variation der Steigung (S) zwischen OCV und DOD. Dieser Effekt kann kontinuierlich gemessen und in das oben genannte Modell integriert werden, indem die Werte der Modellparameter aktualisiert werden. Um den Steigungsparameter zu aktualisieren, müssen wie in
- • Die Spannung an den Polen der Batterie muss für eine definierte Zeitperiode stabil sein.
- • Der aktuelle Wert von DOD muss über DODX sein.
- • Aus Konsistenzgründen sollte der aktuelle Wert von DOD unter einem Sicherheits-Maximalwert bleiben. Experimentergebnisse zeigen, dass ein empfohlener Wert für diesen Schwellwert bei ungefähr 70% liegen kann. Dieser Schwellwert kann jedoch basierend auf der spezifischen Anwendung oder Konfiguration der Batterie nach oben oder unten angepasst werden.
- • The voltage at the poles of the battery must be stable for a defined period of time.
- • The current value of DOD must be via DODX.
- • For consistency, the current value of DOD should remain below a safety maximum. Experimental results show that a recommended value for this threshold may be around 70%. However, this threshold may be adjusted up or down based on the specific application or configuration of the battery.
Die echte Spannung der Batterie Vmeas kann zwischen den Batteriepolen gemessen werden. Wenn die oben beschriebenen drei Bedingungen erfüllt werden, kann ein neuer Wert (S') mittels der Gleichung 11 berechnet werden:
Wie in
Wenn die Batterie
- • Die Spannung an
den Polen 20 der Batterie 14 ist für eine definierte Zeitperiode stabil - • Die Batterie Ist vollständig geladen (DOD<3%)
- • The voltage at the
poles 20 thebattery 14 is stable for a defined period of time - • The battery is fully charged (DOD <3%)
Wenn diese Bedingungen erfüllt werden, kann der neue Wert der Leerlaufspannung bei einer vollständigen (OCV_FC’) Ladung mittels der Gleichung 12 berechnet werden:
Die Filterkonstante β kann den gleichen Beschränkungen unterliegen wie αThe filter constant β may be subject to the same restrictions as α
Jedesmal wenn ein Konfigurationsparameter (S oder OCV_FC) aktualisiert wird, sollten die Modellkonstanten mittels der Gleichungen 3, 4, 8, 9 und 10 neu berechnet werden. Der aus der direkten Stromintegration erhaltene Batterie-SOC-Wert kann unter Verwendung des oben beschriebenen Modells neu kalibriert werden. Außerdem kann der Gesundheitszustand (SOH) der Batterie aus den Werten der Modellparameter abgeleitet werden.Each time a configuration parameter (S or OCV_FC) is updated, the model constants should be recalculated using
In Schritt
Das Verfahren kann dann zu Schritt
Vorstehend wurden beispielhafte Ausführungsformen beschrieben, wobei zu beachten ist, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorstehende Beschreibung ist beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen, wobei verschiedene Änderungen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Außerdem können Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.While exemplary embodiments have been described above, it should be understood that the invention is not limited to the embodiments described herein. The foregoing description is intended to be illustrative and not restrictive, with various changes being made to the embodiments described herein without departing from the scope of the invention. In addition, features of various embodiments may be combined to form further embodiments of the invention.
Claims (20)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201762483699P | 2017-04-10 | 2017-04-10 | |
US62/483,699 | 2017-04-10 | ||
US15/875,277 | 2018-01-19 | ||
US15/875,277 US20180292463A1 (en) | 2017-04-10 | 2018-01-19 | Method and system for battery state of charge calculation |
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Country | Link |
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DE (1) | DE102018204215A1 (en) |
Cited By (3)
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-
2018
- 2018-03-20 DE DE102018204215.2A patent/DE102018204215A1/en active Pending
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CN113945849B (en) * | 2021-09-01 | 2024-03-29 | 深圳拓邦股份有限公司 | SOC value calculation method in charging process of lead-acid storage battery, storage battery and electric appliance |
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