DE102021105697A1

DE102021105697A1 - Schätzung des batteriezustands mit hilfe von eingespeister stromschwingung

Info

Publication number: DE102021105697A1
Application number: DE102021105697.7A
Authority: DE
Inventors: Meixian Wang; Yue-Yun Wang; Houchun Xia; Justin Bunnell; Charles W. Wampler
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-10-28
Also published as: CN113640672A; US20210336462A1; US11424635B2

Abstract

Ein Verfahren zum Schätzen eines Zustands eines Batteriesatzes unter Verwendung einer Steuerung mit einer Batteriezustandsschätzer-Logik (BSE) umfasst das Empfangen oder Liefern eines konstanten Basisstroms über den Batteriesatz. Stromschwingungen mit zeitlich variablem Frequenzinhalt werden als Reaktion auf eine vorbestimmte Bedingung über die Steuerung selektiv in den Basisstrom injiziert. Der Basisstrom und die Stromschwingungen werden zu einem Endstrom kombiniert. Das Verfahren umfasst das Schätzen eines Batterieparameters über die BSE-Logik gleichzeitig mit den Stromschwingungen, um einen geschätzten Batterieparameter zu erzeugen, und das Schätzen des gegenwärtigen Zustands des Batteriesatzes über die Steuerung unter Verwendung des geschätzten Batterieparameters. Ein elektrisches System umfasst eine elektrische Rotationsmaschine, die elektrisch mit dem Batteriesatz verbunden ist und von diesem angetrieben wird, und eine Steuerung, die zur Ausführung des Verfahrens konfiguriert ist.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Echtzeit-Schätzung modellierter Batterieparameter und Batteriezustände eines mehrzelligen Batteriesatzes. Eine genaue Schätzung ermöglicht einer zugehörigen Steuerung eine effektive und effiziente Steuerung einer Vielzahl von unterschiedlichen Stromverbrauchs- und Nutzungsentscheidungen während des Batterieladens, des Beharrungszustands und des Entladungsbetriebs. Die vorliegende Offenlegung eignet sich daher für die Echtzeitsteuerung von elektrifizierten Antriebssträngen, Kraftwerken, Robotern, mobilen Plattformen und anderen Arten von elektrischen Systemen, bei denen eine verbesserte Schätzgenauigkeit der Batterieparameter und -zustände wünschenswert ist.
Laufende Messungen der verschiedenen Reaktionen auf eine gegebene Eingabe sind in einem deterministischen System nicht immer möglich oder praktikabel, was wiederum oft die Verwendung von Systemmodellen und die Abschätzung von Reaktionen auf der Grundlage solcher Modelle erforderlich macht. In einem typischen Hochenergie-Batteriesatzes, wie z. B. einem Lithium-Ionen-Traktionsbatteriesatz eines Elektro- oder Hybrid-Elektrofahrzeugs, werden Spannung und Temperatur periodisch gemessen und als Reaktion auf den elektrischen Strom geschätzt. Es können verschiedene Spannungszustände modelliert werden, einschließlich Gleichgewichtspotenzial, auf Hystereseeffekten basierende Spannungsantworten, Spannungsabfälle aufgrund des ohmschen Widerstands, Spannungsabfälle aufgrund der Dynamik des Batteriesatzes, z. B. Doppelschicht- und/oder Diffusionsspannung, usw. Jede der beispielhaften Spannungsantworten kann in einem Modell durch eine algebraische oder differentielle Funktion oder durch ein Faltungsintegral beschrieben werden. Die oben genannten Spannungsverläufe beeinflussen insbesondere wichtige Batteriezustandsabschätzungen wie Ladezustand (SOC) und Leistungszustand (SOP)/Leistungsfähigkeit. Daher werden Ersatzschaltkreismodelle typischerweise in Verbindung mit einer adaptiven Batteriezustandsschätzungslogik (BSE) verwendet, um Spannungsverläufe und andere Batterieparameter zu schätzen.
Wie dem Fachmann klar ist, wird sich eine Batteriezelle, die unter Leerlaufbedingungen ruht, bei ausreichender Zeit schließlich auf eine Gleichgewichtsspannung einstellen, die in der Fachsprache als Leerlaufspannung (OCV) der Zelle bezeichnet wird. Idealerweise ist die OCV einer gegebenen Batteriezelle für jeden SOC eindeutig, unabhängig davon, ob die Batteriezelle unmittelbar vor dem Wechsel in den Leerlaufzustand geladen oder entladen wurde, und unabhängig von der Größe des Batteriestroms. Während die OCV in einem Batteriesatz, der sich über einen längeren Zeitraum in einem ausgeschalteten Zustand befindet, genau bestimmt werden kann, stellt sich eine große Herausforderung, wenn versucht wird, den Batteriezustand eines Batteriesatzes zu bestimmen, der aktiv geladen oder entladen wird, insbesondere in sich dynamisch verändernden Betriebsumgebungen.
Insbesondere bei Lithium-Ionen-Batterien besteht eine nicht-lineare Beziehung zwischen OCV und SOC. In Hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeugen kann beispielsweise die BSE-Logik in Form eines programmierten Algorithmus auf eine verfügbare OCV-Kurve verweisen, um die Abschätzung des SOC in Echtzeit zu unterstützen. Alternativ kann der SOC über die Zeit von einem anfänglichen SOC-Wert aus verfolgt werden, wobei ein Verfahren verwendet wird, das in der Technik als Coulomb-Zählen bezeichnet wird. Andere Varianten der BSE-Logik versuchen, spannungsbasierte Schätzungen mit verfügbaren Coulomb Counting-basierten Schätzungen auszugleichen, um eine zusammengesetzte Schätzung zu erzeugen.
KURZFASSUNG
Hier werden ein Verfahren und ein zugehöriges System offengelegt, die dazu dienen, die Genauigkeit der verfügbaren Batterieparameter und der Zustandsschätzung in einem elektrischen System mit einem mehrzelligen Batteriesatz zu verbessern. Als Teil der offengelegten Lösung ist eine Steuerung so programmiert, dass er Befehle ausführt, die das vorliegende Verfahren verkörpern, wobei die Steuerung die hier beschriebene Logik zur Batteriezustandsschätzung (BSE) und Stromsteuerungslogik verwendet. Die Steuerung verwendet ein anwendungsspezifisches Ersatzschaltungsmodell, um einen oder mehrere relevante Batterieparameter genau zu schätzen und zu regressieren. Repräsentative, nicht einschränkende regressierte Batterieparameter im Rahmen der vorliegenden Offenlegung sind die Leerlaufspannung (OCV), der ohmsche Widerstand (R-ohmic) und die Impedanz des Batteriesatzes, wobei SOC und SOP repräsentative Batteriezustände sind, die aus solchen Batterieparametern unter Verwendung des offengelegten Ansatzes geschätzt werden können.
Es ist bekannt, dass bestimmte Batterieparameter bei höherfrequenten Stromeingängen einen höheren Vorhersagewert haben als andere Batterieparameter, insbesondere bei der Abschätzung des SOC und der SOP/Leistungsfähigkeit eines Batteriesatzes. Folglich ist es wünschenswert, die Schätzgenauigkeit für solche Batterieparameter zu optimieren. Der ohmsche Widerstand ist ein solcher Parameter. Der ohmsche Widerstand ist allgemein definiert als der scheinbare Innenwiderstand eines Batteriesatzes und der Widerstand der verschiedenen elektrischen Leiter, die in der Konstruktion des Batteriesatzes verwendet werden. Der ohmsche Widerstand neigt dazu, sich als unmittelbare Reaktion der Zellenspannung auf Änderungen des Batteriestroms zu manifestieren und ist besonders wichtig für SOP/Leistungsfähigkeitsschätzungen.
Es wird hier als Grundlage für die vorliegende Lösung erkannt, dass Batteriezustandsschätzer, die für die Regression von Batterieparametern konfiguriert sind, zu denen erweiterte Kalman-Filter, Sigma-Point-Kalman-Filter, rekursive Kleinste-Quadrate-Regressionstechniken und Ähnliches gehören können, unter bestimmten Betriebsbedingungen unzureichende Eingangssignalvariationen/Erregung erfahren. Unzureichende Anregung kann wiederum zu ungenauen Schätzergebnissen führen. Rauschen, das in einer Signalmessumgebung vorhanden ist, wie z. B. gemessener elektrischer Strom, Spannung und Temperatur, kann zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis führen. Bei unzureichendem Frequenzgehalt der Eingangssignale, die der residenten BSE-Logik zugeführt werden, können die vorhergesagten Batterieparameter zu einer Drift neigen, wobei die Batterieparameter möglicherweise monoton steigen oder fallen. Die vorliegende Lösung soll daher dieses Problem adressieren, indem ein konstanter Basisstrom des Batteriesatzes, d.h. ein Lade- oder Entladestrom, durch gezielte Einspeisung eines zeitlich variablen Frequenzinhalts in Form von Stromschwingungen in den Basisstrom selektiv verändert wird.
In einer besonderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Schätzen eines Zustands eines Batteriesatzes über eine Steuerung bereitgestellt, die eine BSE-Logik hat, die so konfiguriert ist, dass sie einen Satz von Batterieparametern regressiert. Das Verfahren umfasst das Empfangen oder Ausgeben eines konstanten Basislinienstroms über das Batteriepaket. Das Verfahren umfasst auch die selektive Anforderung der Injektion/des Hinzufügens eines zeitlich variablen Frequenzinhalts in Form von Stromoszillationen zu dem konstanten Basisstrom, wobei eine solche Anforderung über die Steuerung erfolgt. Diese Aktion wird als Reaktion auf eine vorbestimmte Bedingung durchgeführt, die selbst auf den oben erwähnten Mangel an Frequenzinhalt hinweist. Der konstante Basisstrom und die Stromoszillationen verbinden sich zu einem Endstrom.
Das Verfahren in dieser besonderen Ausführungsform umfasst das Schätzen eines Batterieparameters des Batteriesatzes über die BSE-Logik, um dadurch einen geschätzten Batterieparameter bereitzustellen, und das anschließende Schätzen des aktuellen Zustands des Batteriesatzes als geschätzten Batteriezustand unter Verwendung des geschätzten Batterieparameters.
Die BSE-Logik kann einen erweiterten Kalman-Filter oder eine andere Kalman-Filter-Formulierung enthalten.
Das selektive Anfordern der Injektion der Stromoszillationen in den konstanten Basisstrom kann das Anfordern eines konstanten Ladestroms über die Steuerung von einer externen Ladestation als konstanten Basisstrom beinhalten, und wobei das Steuern des Energieflusses zu oder von dem Batteriesatz das Laden des Batteriesatzes unter Verwendung des Endstroms beinhaltet. Alternativ umfasst das selektive Anfordern der Injektion der Stromschwingungen in den konstanten Basisstrom das selektive Steuern eines EIN/AUS-Zustands einer elektrischen Last, die mit dem Batteriesatz verbunden ist, während ein konstanter Basisstrom empfangen oder geliefert wird, um dadurch die Stromschwingungen zu erzeugen. Die Steuerung des Stromflusses zu oder von dem Batteriesatz kann in diesem Fall das Entladen des Batteriesatzes an die elektrische Last beinhalten.
Als weitere Alternative kann das selektive Anfordern der Einspeisung der Stromoszillationen in den konstanten Basisstrom das selektive Anfordern einer Reihe von konstanten Ladeströmen von einer externen Ladestation umfassen, die jeweils einen unterschiedlichen Frequenzinhalt haben, um dadurch die Stromoszillationen zu erzeugen, und wobei das Steuern des Energieflusses zu oder von dem Batteriesatz unter Verwendung des geschätzten Batteriezustands das Laden des Batteriesatzes unter Verwendung des Endstroms oder das Übermitteln einer Ladeanforderung von der Steuerung an ein externes intelligentes Ladegerät umfasst. Ein solches intelligentes Ladegerät kann so konfiguriert sein, dass es eine Anforderung des Batteriesatzes für den Endstrom erkennt, und das so konfiguriert ist, dass es den Endstrom als Ladestrom an das Batteriesatz überträgt.
Der Batterieparameter kann in verschiedenen Ausführungsformen einen ohmschen Widerstand, eine Impedanz und/oder eine Leerlaufspannung des Batteriesatzes umfassen.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Frequenz der Stromschwingungen weniger als etwa 1 Hz betragen, und der konstante Basisstrom kann eine Frequenz von weniger als etwa 0,01 Hz haben. Die Stromschwingungen können ein pseudozufälliges binäres Signal mit einer zeitlich variablen Frequenz oder ein Pulsweitenmodulations- oder Pulsdichtemodulationssignal mit einer zeitlich variablen Frequenz oder eine Folge von Chirp-Signalen umfassen.
In einer möglichen Ausführungsform kann die vorgegebene Bedingung eine Schwellenkovarianz oder einen geschätzten Fehlerwert aus der BSE-Logik oder eine Dauer umfassen, über die der konstante Basisstrom vor der Injektion der Stromschwingungen konstant bleibt.
Hierin wird auch ein elektrisches System offenbart, das gemäß einer beispielhaften Ausführungsform eine rotierende elektrische Maschine, die elektrisch mit dem Batteriesatz verbunden ist und von diesem angetrieben wird, und eine Steuerung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie einen aktuellen Zustand eines Batteriesatzes unter Verwendung der oben erwähnten BSE-Logik schätzt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerung so konfiguriert, dass sie über die BSE-Logik einen Frequenzinhalt eines konstanten Basisstroms bestimmt, der an oder von dem Batteriesatz geliefert wird, wobei der konstante Basisstrom eine Frequenz von weniger als etwa 0,01 Hz hat. Die Steuerung ist außerdem so konfiguriert, dass sie als Reaktion auf eine vorbestimmte Bedingung selektiv eine Injektion von Stromoszillationen in den konstanten Basisstrom anfordert, wobei der konstante Basisstrom und die Stromoszillationen kombiniert werden, um einen Endstrom zu bilden. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform haben die Stromschwingungen eine Frequenz in einem Bereich zwischen etwa 0,1 Hz und 1 Hz, z. B. innerhalb von ±5 % oder ± 10 % der angegebenen Werte oder einer anderweitig angemessenen Toleranz davon, und um einen Batterieparameter des Batteriesatzes über die BSE-Logik gleichzeitig mit den Stromschwingungen zu schätzen, um dadurch einen geschätzten Batterieparameter zu erzeugen. Der geschätzte Batterieparameter ist in dieser Ausführungsform ein ohmscher Widerstand, eine Impedanz und/oder eine Leerlaufspannung des Batteriesatzes.
Die Steuerung ist ferner so konfiguriert, dass sie den aktuellen Zustand des Batteriesatzes unter Verwendung des geschätzten Batterieparameters als geschätzten Batteriezustand schätzt und danach unter Verwendung des geschätzten Batteriezustands einen Leistungsfluss von der elektrischen Maschine bzw. zu der elektrischen Maschine bzw. zu dem Batteriesatz steuert. Ein oder mehrere Straßenräder können mit der rotierenden elektrischen Maschine verbunden sein.
Die obige Zusammenfassung soll nicht jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr soll die vorstehende Zusammenfassung einige der hierin offenbarten neuartigen Aspekte und Merkmale veranschaulichen. Die obigen Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung repräsentativer Ausführungsformen und Modi zur Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich sein, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen betrachtet werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften elektrischen Systems mit einem Batteriesatz und einer Steuerung, wobei letztere eine Logik zur Schätzung des Batteriezustands (BSE) enthält, die so konfiguriert ist, dass sie Batterieparameter regressiert und einen Zustand des Batteriesatzes schätzt.
2 ist ein Zeitdiagramm des regressierten ohmschen Widerstands (vertikale Achse) gegen die Zeit (horizontale Achse) in Abwesenheit der vorliegenden Lehre.
3A und 3B sind Zeitdiagramme des regressierten ohmschen Widerstands und des prozentualen Ladezustands, die auf den jeweiligen vertikalen Achsen und der Zeit, die auf den jeweiligen horizontalen Achsen dargestellt ist, für einen repräsentativen Ladezyklus.
4A und 4B sind Zeitdiagramme des regressiven ohmschen Widerstands und des prozentualen Ladezustands, die auf den jeweiligen vertikalen Achsen und der Zeit, die auf den jeweiligen horizontalen Achsen dargestellt ist, für einen repräsentativen Entladezyklus.
5 ist ein schematisches Flussdiagramm, das die Ladesteuerungslogik darstellt, die von der in 1 dargestellten Steuerung verwendet werden kann, wenn selektiv ein Frequenzinhalt in einen konstanten Basisstrom gemäß der vorliegenden Lehre injiziert wird, wobei die Nennstromschwingung auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse dargestellt ist.
6 ist ein Zeitdiagramm, in dem ein repräsentativer Endstrom auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse dargestellt sind.
7 ist ein Zeitdiagramm, das eine repräsentative Anwendung des vorliegenden Verfahrens zeigt, wobei die Größe eines Endstroms auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse dargestellt ist.

Die vorliegende Offenbarung ist anfällig für Modifikationen und alternative Formen, wobei repräsentative Ausführungsformen in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt und im Folgenden detailliert beschrieben sind. Erfindungsgemäße Aspekte dieser Offenbarung sind nicht auf die besonderen Formen beschränkt, die offenbart sind. Vielmehr soll die vorliegende Offenbarung Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen und Alternativen abdecken, die in den Anwendungsbereich der Offenbarung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Referenznummern auf gleiche Komponenten beziehen, zeigt 1 ein beispielhaftes Fahrzeug 10 mit einem elektrischen Bordsystem 12, einem Steuergerät (C) 50 und einem Satz von Straßenrädern 11, wobei letztere in Rollkontakt mit einer Straßenoberfläche 20 stehen. Das Fahrzeug 10 stellt nur eine mögliche Anwendung der vorliegenden Lehre dar und wird hier nur zur Veranschaulichung der Konsistenz verwendet. Diejenigen von gewöhnlichem Geschick in der Technik zu schätzen wissen, dass die vorliegende Lehre kann auf eine Vielzahl von dynamischen Systemen und Vorrichtungen, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf Kraftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Flugzeuge, Schienenfahrzeuge, mobile Plattformen, Roboter, Kraftwerke, oder andere Systeme mit einem ähnlichen elektrischen System 12 erweitert werden.
Das elektrische System 12 in der nicht einschränkenden Ausführungsform von 1 umfasst einen Hochenergie-/Hochspannungs-Multizellen-Batteriesatz 13 (_BHV), dessen verschiedene Batterieparameter und -zustände von der Steuerung 50 wie hier beschrieben geschätzt werden. Als Beispiel und nicht Einschränkung kann das Batteriepaket 13 eine Lithium-Ionen-Batteriechemie haben und kann in der Lage sein, mindestens 18V und so viel wie 400V oder mehr je nach Konfiguration auszugeben.
In einigen Ausführungsformen des Fahrzeugs 10 umfasst das elektrische System 12 eine mehrphasige rotierende elektrische Maschine (_ME) 15, wie beispielsweise eine Motor-Generator-Einheit. In einer solchen Ausführungsform kann das Motordrehmoment (Pfeil _TM) von der erregten elektrischen Maschine 15 auf eines oder mehrere der Straßenräder 11 und/oder auf eine andere gekoppelte Last übertragen werden. Ein Leistungswechselrichtermodul (PIM) 17 ist zwischen dem Batteriesatz 13 und der elektrischen Maschine 15 angeordnet und so konfiguriert, dass es als Reaktion auf Pulsweitenmodulation oder andere geeignete Hochgeschwindigkeits-Schaltsteuersignale und den Betrieb von phasenzugehörigen Halbleiterschaltern (nicht dargestellt) eine Gleichspannung (VDC) vom Batteriesatz 13 invertiert und dadurch eine mehrphasige Wechselspannung (VAC) zur Erregung der Statorwicklungen (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine 15 erzeugt. Ebenso kann der Betrieb des PIM 17 eine Wechselspannung (VAC) von der elektrischen Maschine 15 in eine Gleichspannung (VDC) umwandeln, die zum Wiederaufladen des Batteriesatzes 13 geeignet ist.
Der oben allgemein beschriebene Batteriesatz 13 enthält eine Vielzahl von elektrochemischen Batteriezellen 14. Vier solcher Batteriezellen 14 sind der zusätzlichen Klarheit und Einfachheit halber in 1 einzeln mit C1, C2, C3 und C4 beschriftet. Die tatsächliche Anzahl der Batteriezellen 14, die bei der Konstruktion des Batteriesatzes 13 verwendet werden, ist anwendungsspezifisch und hängt vom Energiebedarf der elektrischen Lasten oder Geräte ab, die von dem Batteriesatz 13 versorgt werden, wie z. B., aber nicht ausschließlich, die rotierende elektrische Maschine 15. Obwohl der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber schematisch dargestellt, kann die elektrische Maschine 15 direkt oder über dazwischenliegende Getriebeanordnungen und Antriebsachsen mit den Straßenrädern 11 gekoppelt sein, um die elektrische Maschine 15 in ihrer Eigenschaft als elektrischer Traktionsmotor anzutreiben und dadurch das Fahrzeug entlang einer Straßenoberfläche 20 anzutreiben.
Der Stromfluss zum oder vom elektrischen System 12 kann in Echtzeit durch die Steuerung 50 verwaltet werden, z. B. wenn sie als Batteriesystemmanager oder eine andere Steuereinrichtung oder andere Steuereinrichtungen konfiguriert ist, wobei die Steuerung 50 den laufenden Betrieb des elektrischen Systems 12 über Ausgangssteuersignale (Pfeil CCO) regelt. Gemäß der vorliegenden Strategie verwendet die Steuerung 50 eine Batteriezustandsschätzungslogik (BSE) 52, ein anwendungsspezifisches Ersatzschaltkreismodell (K-EQ) 54 und Sensoren 16, die gemeinsam Eingangssignale messen und an die Steuerung 50 und ihre residente BSE-Logik 52 übermitteln. Solche Eingangssignale sind in der dargestellten Konfiguration Zellspannungen (Pfeil _VC), Batteriestrom (Pfeil I) und Batterietemperatur (Pfeil T). Die Eingangssignale können lokal in jeder Batteriezelle 14 bestimmt oder kollektiv auf der Ebene des Batteriepakets 13 gemessen und in verschiedenen Ausführungsformen aus solchen Pegeln zurückgerechnet oder geschätzt werden.
Die Steuerung 50, die als Teil eines größeren Batteriemanagementsystems oder als separates Computergerät oder Netzwerk solcher Geräte konfiguriert sein kann, umfasst einen Prozessor (P), z. B. einen Mikroprozessor oder eine Zentraleinheit, einen Speicher (M) in Form eines Festwertspeichers, eines Direktzugriffsspeichers, eines elektrisch programmierbaren Festwertspeichers usw., einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, Analog-Digital- und Digital-Analog-Schaltungen, Eingangs-/Ausgangsschaltungen und -geräte sowie geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen. Die im Folgenden beschriebenen Strategien können als maschinenlesbare Anweisungen kodiert werden, die hier zusammenfassend als Verfahren 100 bezeichnet werden.
Bei der Ausführung des vorliegenden Verfahrens 100 leitet die Steuerung 50 automatisch den aktuellen Betriebszustand der Batterie ab, einschließlich eines Hauptladezustands und eines Leistungszustands des Batteriesatzes 13. Die Steuerung 50 tut dies unter Verwendung der BSE-Logik 52 mit Hilfe des Ersatzschaltungsmodells 54, das im Allgemeinen das Verhalten des Batteriesatzes 13 modelliert, indem es als Schaltungselemente die Batteriespannung, eine Hysteresespannungsquelle, den ohmschen Widerstand, die Batterie- und/oder Zellspannung, den Widerstand und die Kapazität usw. verwendet und Faktoren wie die Oberflächenladung der verschiedenen Batteriezellen 14 berücksichtigt. Je nach Komplexität des Ersatzschaltbildmodells 54 kann das Ersatzschaltbildmodell 54 auch Festkörperdiffusionsspannungseffekte und andere höher- und/oder niederfrequente Spannungseffekte berücksichtigen, die innerhalb der konstituierenden Batteriezelle(n) 14 des Batteriesatzes 13 auftreten. Insgesamt werden die verschiedenen Spannungseffekte von der Leerlaufspannung der Batteriezelle(n) 14 addiert oder subtrahiert.
Die konkrete Ausgestaltung des Ersatzschaltbildes 54 richtet sich nach der jeweiligen Anwendung und dem Aufbau des Batteriesatzes 13 und kann daher sehr unterschiedliche Konstruktionen aufweisen. Nicht einschränkende, repräsentative Beispielkonstruktionen, die als Ersatzschaltungsmodell 54 verwendet werden können, finden sich z. B. im US-Patent Nr. 9,575,128 mit dem Titel „Battery State-Of-Charge Estimation For Hybrid and Electric Vehicles Using Extended Kalman Filter Techniques“, ausgestellt am 21. Februar 2017, US-Patent Nr. 6.639.385 mit dem Titel „State of Charge Method and Apparatus“, ausgestellt am 28. Oktober 2003, und das US-Patent Nr. 7.324.902 mit dem Titel „Method and Apparatus for Generalized Recursive Least-Squares Process for Battery State of Charge and State of Health“, ausgestellt am 29. Januar 2008, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Die Schätzungen des Ladezustands und des Leistungszustands werden in Echtzeit mithilfe der BSE-Logik 52 angepasst. In einer möglichen Ausführungsform kann die BSE-Logik 52 einen erweiterten Kalman-Filter und eine zusätzliche Stromsteuerungslogik 55 (OSC) enthalten, wobei ein Beispiel für letztere in 5 dargestellt ist, um die Gesamtschätzungsgenauigkeit angesichts eines konstanten Basisstroms zu verbessern, der in den oder aus dem Batteriesatzes 13 von 1 fließt. Wie von Fachleuten zu erkennen ist, wird typischerweise eine erweiterte Kalman-Filter-Formulierung verwendet, um Systemmodelle mit der folgenden allgemeinen Form zu behandeln: $x_{k} = ƒ (x_{k}, u_{k}) + w_{k}$
$z_{k} = h (x_{k}) + n_{k}$
wobei w_k und n_k Rauschfaktoren sind. Für die repräsentative BSE-Logik 54 der vorliegenden Offenbarung ist der Eingang u_k = i_k = Strom zum oder vom Batteriesatz 13. Der Messwert ist z_k = V_k der in diesem Fall die Zellenspannung einer Batteriezelle 14 oder eine Satzspannung des in 1 schematisch dargestellten Batteriesatzes 13 ist. x_k ist der Zustandsvektor mit den Batterieparametern, die von der BSE-Logik 52 geschätzt werden sollen.
Wie im Stand der Technik verstanden, ist der geschätzte Zustand des Batteriesatzes 13 und anderer deterministischer Systeme der kleinste Vektor, der die kollektive Vergangenheit des Systems zusammenfasst. Alternativen zur Formulierung des erweiterten Kalman-Filters im Rahmen der Offenlegung sind u. a. Sigma-Point-Kalman-Filter und ähnliche sowie Formulierungen, die nicht dem Kalman-Filter-Formalismus folgen, z. B. rekursive Kleinste-Quadrate-Regression, Partikelfilter usw. Der erweiterte Kalman-Filter, der effektiv einen einzelnen Punkt und partielle Ableitungen des zugehörigen Ersatzschaltbildes 54 verwendet, ist daher nur ein möglicher Ansatz zur Regression von Batterieparametern im Rahmen der Offenbarung.
Die vorliegende Lösung, die durch das Steuergerät 50 und die darin enthaltene BSE-Logik 52 ermöglicht wird, ist für den Betrieb in elektrischen Systemen vorgesehen, die üblicherweise einen konstanten Basisstrom aufweisen, wie z. B. das beispielhafte elektrische System 12 und das Batteriepaket 13. Der hier betrachtete Basisstrom kann ein Ladestrom sein, der von einer externen Ladestation (VCH) 25 geliefert wird, die mit dem Fahrzeug 10 verbunden werden kann, z. B. über einen Ladeanschluss 10C, um einen Ladezyklus des Batteriesatzes 13 zu initiieren. Die Ladestation 25 kann je nach Konfiguration der Offboard-Ladestation 25 einen AC- oder DC-Ladestrom liefern, oder der Basisstrom kann ein Batteriestrom sein, der von dem Batteriesatz 13 geliefert wird, um die elektrische Maschine 15, ein Widerstandselement und/oder eine andere elektrische Last zu betreiben. In einigen Ausführungsformen kann die Ladestation 25 für die Verwendung als intelligentes Ladegerät 25S angepasst und somit mit zugehörigen Prozessoren, Logik, Sensoren und anderer erforderlicher Hard- und Software für die Kommunikation mit dem Steuergerät 50 ausgestattet sein, um die Ladeanforderungen des Batteriesatzes 13 zu ermitteln.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „konstant“ in Bezug auf den Basisstrom auf einen elektrischen Strom mit sehr niedrigem Frequenzgehalt, z. B. weniger als etwa 0,01 Hz oder weniger als etwa 0,005 Hz in verschiedenen Ausführungsformen. Der Begriff „sehr niedrig“ ist in Bezug auf die Abtastgeschwindigkeit des Reglers 50 bei der Implementierung der BSE-Logik 52 zu verstehen. Eine solche Abtastgeschwindigkeit kann in einer beispielhaften Ausführungsform weniger als etwa 1-10Hz betragen. Da die Offboard-Ladestation 25 optional als Gleichstrom-Schnellladegerät ausgeführt sein kann, das in der Lage ist, den Batteriesatz 13 mit einer Gleichstrom-Ladespannung und einem zugehörigen Gleichstrom-Ladestrom schnell aufzuladen, stellt eine Gleichstrom-Wellenform im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine Konstante dar, und somit kann der hier behandelte konstante Basisstrom ein Gleichstrom-Ladestrom oder ein Wechselstrom-Ladestrom mit dem oben definierten sehr niedrigen Frequenzgehalt sein.
Wie bereits erwähnt, ist die Steuerung 50 von 1 so konfiguriert, dass sie mit Hilfe der BSE-Logik 52 Batterieparameter und einen aktuellen Zustand eines Batteriesatzes 13 schätzt. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren 100 das Empfangen oder Liefern eines konstanten Basisstroms über den Batteriesatz 13 von bzw. zu einer Last. Wie nachstehend unter Bezugnahme auf die 2-7 beschrieben, umfasst das Verfahren 100 die selektive Anforderung der Einspeisung eines zeitlich variablen Frequenzinhalts als Stromschwingungen, z. B. eines Dithersignals, in den konstanten Basisstrom. Dies geschieht durch den Betrieb des Reglers 50 unter Verwendung der Stromsteuerungslogik 55.
In Bezug auf die Stromsteuerungslogik 55 und unter kurzer Bezugnahme auf 5 summieren sich der Basisstrom (iBL) 42 und die Stromoszillationen (_iOSC) 44, die in einem nominalen/repräsentativen Bereich von ±3A variieren, und bilden einen Endstrom (iF) 46. Die nicht einschränkende beispielhafte Ausführungsform von 5 stellt die Stromschwingungen 44 als Pseudo-Random Binary Signal oder PRBS-Schwingung dar. Es gibt alternative Ausführungsformen der Stromoszillationen 44, einschließlich eines frequenzvariablen Signals, wie z. B. ein Pulsweitenmodulations- oder Pulsdichtemodulationssignal, eine Folge von Chirp-Signalen oder andere frequenzvariable Signale, die so konfiguriert sind, dass sie eine ausreichende Anregung für die BSE-Logik 52 erzeugen. Während die Frequenz der Stromschwingungen 44 mit der Anwendung oder innerhalb einer gegebenen Implementierung variieren kann, sollte der Frequenzgehalt relativ zum konstanten Basisstrom hoch sein, z. B. ein Bereich von etwa 0,1-1Hz oder irgendwo in einem solchen Bereich, z. B. diskrete Frequenzen von 0,1Hz, 0,5Hz oder 1Hz.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren 100 wird ein Batterieparameter des Batteriesatzes 13, wie z. B. der regressierte R-Ohm-Wert, die Kapazität oder der OCV-Wert, automatisch über die BSE-Logik 52 von 1 gleichzeitig mit der Injektion der Stromschwingungen 44 geschätzt, wobei sich „Injektion“, wie hier verwendet, auf eine summierte Kombination oder Überlagerung der Stromschwingungen (_iOSC) 44 mit bzw. auf den konstanten Basisstrom 42 bezieht, wie durch einen Summationsknoten (+) angezeigt. Vorübergehend wird die resultierende Wellenform, d.h. der Endstrom (iF) 46, dessen beispielhafte Ausführungsform in 6 für eine repräsentative Zeitspanne von t(s) = 600 Sekunden dargestellt ist, dem Batteriesatz 13 zugeführt oder von diesem bereitgestellt. Die Steuerung 50 von 1 kann dann den aktuellen Zustand des Batteriesatzes 13 anhand des geschätzten Batterieparameters schätzen.
Bezugnehmend auf 2 ist eine mögliche Schwachstelle der BSE-Logik 52 von 1 ohne die vorliegende Lehre und die Verwendung der Stromsteuerungslogik 55 von 5 die mögliche Verschlechterung der Schätzgenauigkeit aufgrund eines Mangels an ausreichendem Frequenzgehalt im konstanten Basislinienstrom 42. Der konstante Basislinienstrom 42, in 2 der Einfachheit halber als Stufensignal dargestellt und auf der vertikalen Achse als I(A) referenziert, ist ein Beispiel für den oben beschriebenen sehr niedrigen Frequenzgehalt. Ein repräsentativer Batterieparameter, der von der BSE-Logik 52 geschätzt werden könnte, ist ein regressierter ohmscher Widerstand/R-ohmic (Kurve 30), der mit R-Ω abgekürzt wird und auf der anderen vertikalen Achse von 2 dargestellt ist. In der dargestellten Kurve 30 ist der regressierte ohmsche Widerstand monoton steigend. Eine Diskrepanz zwischen den geschätzten Batterieparametern beim Laden des Batteriesatzes 13 von 1 unter Verwendung eines konstanten Ladestroms und beim Entladen des Batteriesatzes 13 während eines typischen Fahrzyklus könnte die Gesamtgenauigkeit der SOC- und SOP-Schätzungen verringern, wobei ein mögliches Ergebnis einer solchen verschlechterten Genauigkeit in 2 als der monoton ansteigende ohmsche Widerstand angezeigt wird.
Die potenzielle Schwachstelle in Form einer suboptimalen Schätzgenauigkeit kann mit Bezug auf die 3A, 3B, 4A und 4B besser verstanden werden. Die Kurve 130 in 3A ähnelt 2 in ihrer Darstellung eines monoton ansteigenden R-Ohm-Wertes, wie er sich aus einem anhaltenden konstanten Ladestrom ergeben kann, z. B. von der in 1 dargestellten Offboard-Ladestation 25. In 3B ist für eine ordnungsgemäße Kalibrierung des Steuergeräts 50 und der residenten BSE-Logik 52 die Differenz zwischen der Kurve „SOC.V“ 35, d.h. dem SOC%, wie er von der BSE-Logik 52 regressiert wird, und der Kurve 34 „SOC. Ahr“, die von Coulomb-Zählmethoden geliefert wird, sollte idealerweise minimal sein, z. B. weniger als 5 %. In der Realität ist es schwierig, Onboard-Kalibrierungen so abzustimmen, dass sie diese Anforderung während konstanter Stromladebedingungen genau erfüllen, wie die Abweichung zwischen den Spuren 34 und 35 in 3B zeigt. In der Tat kann es nach einem anhaltenden konstanten Ladestrom längere Zeit dauern, bis sich R-ohmic und andere geschätzte Batterieparameter während eines nachfolgenden Fahrzyklus auf einen normalen oder erwarteten Bereich zurückbilden, z. B. von zwanzig Minuten bis zu mehr als einer Stunde, je nach dem anfänglichen rückläufigen R-ohmic-Wert zu Beginn des Fahrzyklus.
4A und 4B veranschaulichen die Auswirkung auf den beispielhaften R-ohmic-Batterieparameter angesichts eines nicht konstanten Batteriestroms, wobei 4A und 4B eine Reaktion im regressierten R-ohmic von der BSE-Logik 52 beim Entladen des Batteriesatzes 13 während eines beispielhaften Fahr-/Entladezyklus des in 1 dargestellten Fahrzeugs 10 darstellen. Während der Batteriestrom während eines Entladevorgangs, wie z. B. einem Fahrzyklus des Fahrzeugs 10, typischerweise nicht konstant ist, z. B. aufgrund von schnellen Schwankungen der Ausgangsdrehmomentanforderung, kann das Fahrzeug 10 zuweilen für eine längere Dauer mit einer festen Geschwindigkeit fahren. Die beobachtete Auswirkung auf den geschätzten oder regressierten R-ohmic, d.h. die Kurve 230 von 4A, führt ebenfalls zu einer Konvergenz der Kurven 34 und 35 relativ zu den Konstantstrombedingungen von 3B. Dies wird anhand der entsprechenden Kurven 134 und 135 in 4B veranschaulicht, was auf eine erhöhte Schätzgenauigkeit des regressierten R-ohmic hinweist.
Als Anwendungsbeispiel kann der Batteriesatz 13 von 1 mit einem konstanten Basisstrom betrieben werden, wobei der regressierte R-Ohm-Wert monoton ansteigt, wie in 3A gezeigt. Wenn das Steuergerät 50 von 1 auf der Grundlage einer vorbestimmten Bedingung festgestellt hat, dass der Frequenzgehalt des Basisstroms unzureichend ist, fordert das Steuergerät 50 die Einspeisung der zeitvariablen Schwingung 44 an (5). Zur Veranschaulichung: Wenn dem Batteriesatz 13 ein konstanter Ladestrom von 58 A zugeführt wird und die vorbestimmte Bedingung erkannt wird oder vorliegt, die auf einen unzureichenden Frequenzgehalt im Ladestrom hinweist, kann die Steuerung 50 reagieren, indem sie die Injektion der zeitvarianten Oszillationen 44 von der Stromsteuerungslogik 55 von 1 anfordert, so dass der Ladestrom veranlasst wird, ausreichend von 58 A zu variieren, beispielsweise durch Oszillieren zwischen 48 A und 58 A mit einer Frequenz von 1 Hz. Sensoren.
Die vorbestimmten Bedingungen, die zum Auslösen der Frequenzinhaltsanhebung verwendet werden, können bis zu einem gewissen Grad von der jeweiligen Formulierung abhängen, die zur Implementierung der BSE-Logik 52 verwendet wird. Zum Beispiel kann ein Timer der Steuerung 50 bei Beginn eines konstanten Basisstroms ausgelöst werden, wobei eine Schwellenwertzeit als vorbestimmte Bedingung verwendet wird. Andere Ausführungsformen der vorbestimmten Bedingung können eine Schwellenwertvariation des Basisstroms umfassen, wie z. B. die Varianz des über ein Zeitfenster berechneten Stroms, den Status der Geschwindigkeitsregelanlage, den Plugin-Ladestatus, eine Schwellenwertänderung der Temperatur, des SOC und/oder der Spannung des Batteriesatzes 13 usw.
In Bezug auf die Kovarianz liefern Kalman-Formulierungen eine Kovarianz oder eine Annäherung an diese, wie der Fachmann weiß. Die Größe der Kovarianz kann als vorgegebene Bedingung unter Verwendung erweiterter Kalman-Filter oder anderer Kalman-Formulierungen der BSE-Logik 52 verwendet werden. Beispielsweise verfolgen Partikelfilter die statistische Verteilung durch zufällige Abtastung des zugehörigen Modells, z. B. des Ersatzschaltbildmodells 54 von 1. Als geeigneter Auslöser für die selektive Injektion des konstanten Basisstroms 42 von 7 mit zusätzlichem Frequenzinhalt der Stromschwingungen 44 könnten Parameteranpassungsverfahren einer statistischen Analyse unterzogen werden, z. B. über analytische Formeln oder durch „Brute-Force“-Methoden. Mit „Brute-Force“-Ansätzen kann man ein gemessenes Signal nehmen, es mit Rauschen auf dem Genauigkeitsniveau der Sensoren 16 von 1 stören und dann die relevanten Batterieparameter neu berechnen. Durch mehrmaliges Wiederholen eines solchen Prozesses wird eine Wolke von Parameterwerten erzeugt, die die Kovarianz angibt. Sigma-Point-Kalman-Filter berechnen im Vergleich dazu die Kovarianz aus nur wenigen ausgewählten gestörten Punkten, während der erweiterte Kalman-Filter einen einzelnen Punkt und partielle Ableitungen des Ersatzschaltbildes 54 verwendet.
Im Allgemeinen wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verwendet, um die Entscheidung über die Injektionsauslösung zu treffen. Ein gutes Maß für das SNR in der beispielhaften Ausführungsform des erweiterten Kalman-Filters der BSE-Logik 52 wäre der Vergleich der Schätzung des Batterieparameters mit der Schätzung seiner Standardabweichung. Wenn x der Spaltenvektor der Batterieparameter ist, erzeugt der erweiterte Kalman-Filter eine Schätzung, x*, und eine Kovarianzmatrix, C = ℇ{(x - x*) (x- x*)^T}, wobei ℇ{·} der Erwartungswert ist. Dann gilt für den i-ten Batterieparameter, $| x_{i}^{*} | / \sqrt{C_{i i}}$
ein Maß dafür, wie genau der erweiterte Kalman-Filter glaubt, dass er diesen Parameter misst. Im Fall des ohmschen Widerstands zum Beispiel, k als der Index für R-ohmic dienen. Nimmt man den Kehrwert, könnte man eine Stromschwingung auslösen, wenn $\frac{\sqrt{C_{k k}}}{| x_{k}^{*} |} = \frac{σ (R o h n m i c)}{R o h m i c}$
einen bestimmten Wert überschreitet, wobei σ die Standardabweichung, d.h. die Quadratwurzel der Varianz, darstellt. In ähnlicher Weise könnte der Regler 50 entscheiden, die zeitvariante Stromoszillation 44 situativ einzuleiten, wenn ein anderer Batterieparameter durch ein ähnliches Kriterium an Genauigkeit verliert.
Durch die Kalibrierung erhält die Steuerung 50 einen groben Wert der Batterieparameter, der anstelle der Schätzung verwendet werden kann, die, wie hier erwähnt, unzuverlässig werden kann. Die Kalibrierwerte werden typischerweise in Tabellen gespeichert, z. B. mit R-ohmic in einer Tabelle, die durch %SOC und Temperatur indiziert ist. Lassen Sie X_i(SOC,T) ist der Nachschlagewert des Parameters x_i ist, könnte der Regler 50 einen Wert von $\sqrt{C_{i i}} / X_{i} (S O C, T)$
einstellen, bei dem die Injektion der zeitlich veränderlichen Stromschwingung ausgelöst wird. Ein EKF kann in Quadratwurzelform implementiert werden, in diesem Fall ergibt sich eine Matrix S derart, dass C = S^TS. So kann der Regler 50 berechnen C_ii aus S in einigen Ausführungsformen. Anstelle eines Verhältnisses könnte die Steuerung 50 alternativ $\sqrt{C_{i i}} .$
Im Ersatzschaltbildmodell 54 von 1 ist der ohmsche Widerstand eine Impedanz für höhere Frequenzen. Bei einer repräsentativen Abtastrate von 100 ms (d. h. 10 Hz) entspricht der regressierte R-ohmic der Impedanz des Batteriesatzes 13 bei Frequenzen über etwa 1 Hz. Wenn der Basisstrom 42 beispielsweise keinen Frequenzinhalt über 0,1Hz hat, fehlen Informationen für eine genaue Schätzung von R-ohmic, wodurch die Schätzung unzuverlässig wird und driftet. Andere Batterieparameter modellieren Effekte mit niedrigeren Frequenzen und erfordern daher keinen so hohen Frequenzgehalt zur Anpassung. Niederfrequente Batterieparameter können jedoch ebenfalls driften, wenn der Frequenzgehalt des Basisstroms sehr niedrig ist. In Ermangelung einer ausreichenden Anregung wächst die Unsicherheit eines bestimmten Batterieparameters mit der Zeit. Somit kann sich die vorbestimmte Bedingung im Rahmen der Offenbarung auf die oben genannten und andere Kriterien zur Beurteilung erstrecken, dass seit einer signifikanten Stromschwingung zu viel Zeit verstrichen ist, was wiederum eine Anforderung für die Stromschwingung 44 von 7 auslösen würde.
7, die am besten in Verbindung mit 5 verstanden wird, ist ein Zeitdiagramm 45, das schematisch den Endstrom (_IF) 46 von 5 in Ampere (A) mit intermittierend eingespeisten zeitvariablen Stromoszillationen 44 darstellt. Wie oben erläutert, ist der Endstrom 46 die Summe aus dem konstanten Basisstrom 42 und den Stromoszillationen 44, und daher ist der konstante Basisstrom 42 gleich dem Endstrom 46 von 5, wenn die Stromoszillationen 44 unterbrochen werden.
Beginnend bei t0 mit dem Empfang oder der Lieferung des konstanten Basisstroms 42 über den in 1 dargestellten Batteriesatz 13, fordert die Steuerung 50 selektiv die Injektion der Stromschwingungen 44 in den konstanten Basisstrom 42 bei etwa t1 in Reaktion auf eine vorbestimmte Bedingung an, für die oben verschiedene Optionen dargelegt sind. Diese Injektion wird bis t2 fortgesetzt. Die Entscheidung, wann genau die Injektion einer gegebenen Stromschwingung 44 zu beginnen und zu beenden ist, kann von der Steuerung 50 unter Verwendung der vorbestimmten Bedingung(en) getroffen werden, von denen einige Beispiele im Folgenden aufgeführt sind. Die Steuerung 50 von 1 schätzt den ohmschen Widerstand, die Impedanz und OCV und/oder andere Batterieparameter des Batteriesatzes 13 über die BSE-Logik 52. Die Schätzung erfolgt gleichzeitig mit der Injektion der Stromschwingungen 44 sowie zu anderen Zeitpunkten. Die Steuerung 50 kann danach den aktuellen Zustand des Batteriesatzes 13 anhand der geschätzten Batterieparameter schätzen.
Wie in 7 für einen repräsentativen Ladezyklus dargestellt, bei dem die Konstantstromladung bei t0 beginnt und bis t7 andauert, und bei dem die Konstantspannungsladung bei t7 beginnt und bis t8 andauert (als Spur 142), muss die selektive Injektion der Stromschwingungen 44 nicht kontinuierlich erfolgen. In der dargestellten Ausführungsform fordert der Regler 50 die Einspeisung der Stromschwingungen 44 beispielsweise zwischen t1 und t2, t3 und t4 sowie t5 und t6 an. Der Frequenzinhalt der Stromschwingungen 44 kann bei jeder Injektion gleich sein, oder er kann, wie dargestellt, unterschiedlich sein.
Es gibt verschiedene Ausführungsformen, die geeignete vorbestimmte Bedingungen zum Auslösen der Injektion der Stromschwingungen 44 sind, wobei die Ausführungsform möglicherweise von der Formulierung der BSE-Logik 52 abhängt, wie oben erwähnt. Beispielhaft und nicht einschränkend kann die vorbestimmte Bedingung eine Kovarianz oder einen geschätzten Fehlerwert von der BSE-Logik 52 enthalten, der ein Vertrauensniveau in die Schätzgenauigkeit des Batterieparameters angibt. Die vorbestimmte Bedingung kann eine kalibrierte Dauer umfassen, über die der konstante Basislinienstrom 42 vor der Injektion der Stromschwingungen 44 konstant bleibt, wobei eine solche Alternative auf der Verwendung eines Zeitgebers, beispielsweise der Steuerung 50, beruht. Andere Werte können als vorbestimmte Bedingungen/Auslösebedingungen verwendet werden, wie z. B., aber nicht beschränkt auf eine vordefinierte Temperaturdifferenz, Ampere-Stunden-Differenz und/oder Kovarianzdifferenz des Batteriesatzes 13.
Darüber hinaus kann die Offboard-Ladestation 25 von 1 unterschiedliche Konfigurationen und Fähigkeiten aufweisen, was die Bandbreite der Optionen, die dem Steuergerät 50 zur Umsetzung der vorliegenden Lehre zur Verfügung stehen, verdeutlicht. Beispielsweise kann das Steuergerät 50 während eines Ladevorgangs, bei dem die Offboard-Ladestation 25 mit dem Batteriesatz 13/Fahrzeug 10 verbunden ist und den Batteriesatz 13 aktiv lädt, einen bestimmten konstanten Ladestrom, z. B. 10 Ampere, für eine kurze Dauer anfordern. Auf einen solchen Ladestrom kann unmittelbar ein anderer konstanter Ladestrom folgen, z. B. 8 Ampere, gefolgt von einem weiteren 10-Ampere-Ladestrom und so weiter. In diesem anschaulichen Beispiel kann die Dauer und möglicherweise die Größe jedes aufeinanderfolgenden Ladestroms von der Steuerung 50 ausgewählt werden, um den erforderlichen Frequenzinhalt für die Anregung der BSE-Logik 52 zu erzeugen.
Die Offboard-Ladestation 25 kann als das in 1 gezeigte intelligente Ladegerät 25S konfiguriert sein, d. h. eine Station, die für die drahtlose oder über festverdrahtete Übertragungsleitungen erfolgende Kommunikation mit dem Steuergerät 50 programmiert und somit in der Lage ist, den Ladebedarf und die Fähigkeiten des Batteriesatzes 13 zu ermitteln. In einer solchen Ausführungsform kann das Steuergerät 50 die Einspeisung der Stromschwingungen 44 in den konstanten Basisstrom 42 anfordern, indem es eine Ladeanforderung an das intelligente Ladegerät 25S übermittelt, wobei das intelligente Ladegerät 25S einen Bedarf des Batteriesatzes 13 an dem Endstrom 46 ermittelt. Das intelligente Ladegerät 25S reagiert in einer solchen Ausführungsform, indem es den Endstrom 46 als Ladestrom an den Batteriesatz 13 überträgt, wobei die Zusammensetzung des Endstroms 46 zu einem gegebenen Zeitpunkt entweder der konstante Strom 42 allein oder eine Kombination aus dem konstanten Strom 42 und den zeitvariablen Stromschwingungen 44 ist.
In einer weiteren Ausführungsform könnte der Batteriesatz 13 einen konstanten Strom aufnehmen oder abgeben, z. B. 10A. Um die erforderliche Frequenz Inhalt bereitzustellen, könnte die Steuerung 50 selektiv entladen 1-2A von Strom, wie zum Beispiel durch selektive Aktivierung einer ohmschen Last oder residente elektrische Komponente des Fahrzeugs 10. Die jeweilige Last kann je nach Anwendung variieren und somit von ausreichend stromstarken Geräten wie einer Batterie- oder RESS-Heizung, einem Klimakompressor usw. reichen. Die selektive Entladung des Batteriesatzes 13 kann in dieser Ausführungsform während aktiver Fahrzustände des Fahrzeugs 10, z. B. während des Fahrens mit konstanter Geschwindigkeit, oder während aktiver Ladezustände des Fahrzeugs 10 erfolgen.
Das oben beschriebene Verfahren 100 dient also dazu, die Genauigkeit der Zustands- und Parameterschätzungen typischer Batteriezustandsschätzer zu verbessern. Die Ausgabe eines Batteriezustandsschätzers wird tendenziell mit höherem Frequenzgehalt in seiner Eingabe wachsen. Niederfrequenter Inhalt führt jedoch zu einer verringerten Ausgabe, wie z. B. bei DC-Ladestrom oder anderen Strömen, die um weniger als 0,01 Hz variieren. Wenn der Ausgang zu lange einen bestimmten Schwellenwert nicht überschritten hat, könnte der Regler 50 die Einspeisung der oben beschriebenen Stromschwingungen 44 anfordern. Für Parameter, die mit niederfrequenten Effekten verbunden sind, können in einigen Implementierungen separate Auslöser oder vorgegebene Bedingungen verwendet werden, die jeweils ihre eigene Zeitkonstante haben. Im Wesentlichen fügt der vorliegende Ansatz selektiv einen ausreichenden Frequenzinhalt hinzu, um sicherzustellen, dass ein gegebenes Signal über einen zugehörigen Rauschpegel ansteigt, und behebt damit eine Schwachstelle in den üblichen BSE-Ansätzen, die bei Kraftfahrzeugen und anderen Systemen mit dem oben beschriebenen Batteriesatz 13 verwendet werden. Diese und andere Vorteile werden von Fachleuten angesichts der vorangegangenen Offenbarung leicht erkannt werden.
Während einige der besten Modi und andere Ausführungsformen im Detail beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Designs und Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Lehre, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Der Fachmann wird erkennen, dass Modifikationen an den offengelegten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Außerdem schließen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich Kombinationen und Unterkombinationen der beschriebenen Elemente und Merkmale ein. Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen sind unterstützend und beschreibend für die vorliegende Lehre, wobei der Umfang der vorliegenden Lehre ausschließlich durch die Ansprüche definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 9575128 [0027]
US 6639385 [0027]
US 7324902 [0027]

Claims

Verfahren zum Schätzen eines gegenwärtigen Zustands eines Batteriesatzes unter Verwendung einer Steuerung mit einer Batteriezustandsschätzer-Logik (BSE), wobei das Verfahren umfasst: Empfangen oder Liefern eines konstanten Basisstroms über den Batteriesatz; selektives Anfordern der Injektion von Stromoszillationen mit zeitlich variablem Frequenzinhalt in den konstanten Basisstroms über die Steuerung als Reaktion auf eine vorbestimmte Bedingung, wobei sich der konstante Basisstrom und die Stromoszillationen zu einem Endstrom kombinieren; Schätzen eines Batterieparameters des Batteriesatzes über die BSE-Logik gleichzeitig mit den Stromschwingungen, um dadurch einen geschätzten Batterieparameter zu erzeugen; und Schätzen des aktuellen Zustands des Batteriesatzes über die Steuerung unter Verwendung des geschätzten Batterieparameters, um dadurch einen geschätzten Batteriezustand des Batteriesatzes zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die BSE-Logik einen Kalman-Filter enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Steuern des Stromflusses zu oder von dem Batteriesatz über die Steuerung unter Verwendung des geschätzten Batteriezustands.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das selektive Anfordern der Injektion der Stromschwingungen in den konstanten Basisstrom das Anfordern eines konstanten Ladestroms über die Steuerung von einer externen Ladestation als konstanten Basisstrom umfasst, und wobei das Steuern des Energieflusses zu oder von dem Batteriesatz das Laden des Batteriesatzes unter Verwendung des Endstroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das selektive Anfordern der Injektion der Stromoszillationen in den konstanten Basisstrom das selektive Steuern eines EIN/AUS-Zustands einer mit dem Batteriesatz verbundenen elektrischen Last umfasst, während der konstante Basisstrom empfangen oder geliefert wird, um dadurch die Stromoszillationen zu erzeugen, und wobei das Steuern des Energieflusses zu oder von dem Batteriesatz das Entladen des Batteriesatzes an die elektrische Last umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das selektive Anfordern der Injektion der Stromoszillationen in den konstanten Basisstrom das selektive Anfordern einer Reihe von konstanten Ladeströmen mit jeweils unterschiedlichem Frequenzgehalt von einer externen Ladestation umfasst, um dadurch die Stromoszillationen zu erzeugen, und wobei das Steuern des Energieflusses zu oder von dem Batteriesatz unter Verwendung des geschätzten Batteriezustands das Laden des Batteriesatzes unter Verwendung des Endstroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das selektive Anfordern der Injektion der Stromschwingungen in den konstanten Basisstrom das Übermitteln einer Ladeanforderung von der Steuerung an ein externes intelligentes Ladegerät umfasst, das so konfiguriert ist, dass es eine Anforderung des Batteriesatzes für den Endstrom erkennt, und das so konfiguriert ist, dass es den Endstrom als Ladestrom an das Batteriesatz überträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen des Batterieparameters das Schätzen eines ohmschen Widerstands, einer Impedanz und/oder einer Leerlaufspannung des Batteriesatzes umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Bedingung eine Schwellenkovarianz oder einen geschätzten Fehlerwert aus der BSE-Logik enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Bedingung eine kalibrierte Dauer einschließt, über die der konstante Basisstrom vor der Injektion der Stromschwingungen konstant bleibt.