DE102022127637A1

DE102022127637A1 - Erfassung des ladezustands einer batterie mit gemischter chemie

Info

Publication number: DE102022127637A1
Application number: DE102022127637.6A
Authority: DE
Inventors: Yue-Yun Wang; Junfeng Zhao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-05-13
Filing date: 2022-10-20
Publication date: 2023-11-16
Also published as: US20230366943A1; CN117059931A

Abstract

Eine Batterie mit gemischter Chemie, die eine Messzelle mit einer ersten Chemie einschließt, eine Batteriezelle mit einer zweiten Chemie, die sich von der ersten Chemie unterscheidet, wobei die Batteriezelle mit der Messzelle in Reihe geschaltet ist. Die Batterie mit gemischter Chemie enthält auch ein Batterieüberwachungssystem, das so konfiguriert ist, dass es einen Stromfluss durch die Messzelle und die Batteriezelle überwacht und einen Ladezustand (SOC) der Messzelle berechnet. Das Batterieüberwachungssystem ist ferner so konfiguriert, dass es einen SOC der Batteriezelle zumindest teilweise basierend auf dem SOC der Messzelle berechnet.

Description

EINLEITUNG
Die Offenbarung bezieht sich auf Batterien mit gemischter Chemie. Genauer gesagt bezieht sich die Offenbarung auf das Bestimmen des Ladezustands einer Batterie mit gemischter Chemie.
Lithium-Ionen-Batterien werden in vielfältigen Anwendungen eingesetzt, von Elektrofahrzeugen über Haushaltsbatterien bis hin zu Anwendungen auf Netzebene. Im Allgemeinen bezieht sich der Begriff Lithium-Ionen-Batterie auf eine breite Palette von Batteriechemikalien, die sich jeweils mittels Reaktionen von einer lithiumhaltigen Metalloxidkathode und einer Graphitanode aufladen und entladen. Eine Batterie mit gemischter Chemie, wie der Begriff hier verwendet wird, ist eine Lithium-Ionen-Batterie, die Batteriezellen mit mindestens zwei verschiedenen Chemikalien enthält. Zwei der am häufigsten verwendeten Lithium-Ionen-Chemikalien sind Nickel-Mangan-Kobalt (NCM) und Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). Im Allgemeinen sind LFP-Batterien in der Herstellung kostengünstiger als NCM-Batterien, und NCM-Batterien haben im Vergleich zu LFP-Batterien eine höhere Nennleistung und Energiedichte.
Der Ladezustand (SOC) der NCM-Batterie variiert deutlich über ihren Leerlaufspannungs-(OCV)-Pegel. Andererseits kann der SOC-Wert der LFP-Batterie aufgrund ihrer flachen Lade-Entlade-Kurve nicht ohne weiteres basierend auf ihrer OCV bestimmt werden. Folglich ist eine genaue SOC-Diagnose für NCM-Batterien möglich, während die SOC-Genauigkeit für LFP-Batterien eine große Herausforderung darstellt.
KURZDARSTELLUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform wird eine Batterie mit gemischter Chemie bereitgestellt. Die Batterie mit gemischter Chemie enthält eine Messzelle mit einer ersten Chemie, eine Batteriezelle mit einer zweiten Chemie, die sich von der ersten Chemie unterscheidet, wobei die Batteriezelle mit der Messzelle in Reihe geschaltet ist, und ein Batterieüberwachungssystem, das so konfiguriert ist, dass es einen Stromfluss durch die Messzelle und die Batteriezelle überwacht und einen Ladezustand (SOC) der Messzelle berechnet. Das Batterieüberwachungssystem ist ferner so konfiguriert, dass es einen SOC der Batteriezelle zumindest teilweise basierend auf dem SOC der Messzelle berechnet.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen handelt es sich bei der ersten Chemie um Nickel-Mangan-Kobalt und bei der zweiten Chemie um Lithium-Eisen-Phosphat.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen wird der SOC der Messzelle unter Verwendung einer Kombination aus einem Coulomb-Zählverfahren und einem Kalman-Filterverfahren und einem inversen Nachschlageverfahren für die Leerlaufspannung (OCV) berechnet.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen wird der SOC der Batteriezelle berechnet, indem ein minimaler Offset-Wert vom SOC der Messzelle subtrahiert und ein Skalierungswert zu diesem addiert wird.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen wird der SOC der Batteriezelle aus dem SOC der Messzelle basierend auf einer linearen Beziehung berechnet, wobei eine Steigung einer Linie durch das Kapazitätsverhältnis der Batteriezelle und der Messzelle bestimmt wird und ein Achsenabschnitt basierend auf dem Kapazitätsverhältnis, multipliziert mit dem minimalen Offset-Wert, bestimmt wird.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen wird der minimale Offset-Wert basierend auf einem minimalen genauen Erfassungs-SOC-Pegel der Messzelle bestimmt.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen ist eine Kapazität der Batteriezelle gleich der Kapazität der Messzelle multipliziert mit einem Skalierungsfaktor, der einen Wert von weniger als eins hat.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen wird der Skalierungsfaktor berechnet, indem ein minimaler Offset-Wert und ein maximaler Offset-Wert von eins subtrahiert werden, wobei der minimale Offset-Wert basierend auf einem minimalen genauen Erfassungs-SOC-Pegel der Messzelle bestimmt wird.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hierin beschriebenen Merkmalen ist das Batterieüberwachungssystem ferner so konfiguriert, dass es eine Leerlaufspannung der Messzelle und der Batteriezelle während eines durch Befehl vorgegebenen Ruhezustands eines Fahrzeugs, das die Batterie mit gemischter Chemie enthält, basierend auf einer Bestimmung misst, dass der SOC der Messzelle entweder unter einem minimalen Schwellenwert oder über einem maximalen Schwellenwert liegt.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hierin beschriebenen Merkmalen ist das Batterieüberwachungssystem ferner so konfiguriert, dass es den SOC der Messzelle basierend auf der Leerlaufspannung der Messzelle berechnet und den SOC der Batteriezelle basierend auf der Leerlaufspannung der Batteriezelle berechnet.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hierin beschriebenen Merkmalen ist das Batterieüberwachungssystem so konfiguriert, dass es einen Degradationsfaktor für die Batteriezelle und/oder die Messzelle basierend auf einer Änderung der Kapazität der Batteriezelle und/oder der Messzelle berechnet, basierend auf der Bestimmung, dass der SOC der Messzelle über einem maximalen Schwellenwert liegt.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands (SOC) einer Batteriezelle einer Batterie mit gemischter Chemie bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Berechnung eines SOC einer Messzelle, die mit der Batteriezelle in Reihe geschaltet ist, wobei die Messzelle eine erste Chemie aufweist und die Batteriezelle eine zweite Chemie aufweist, die sich von der ersten Chemie unterscheidet. Das Verfahren beinhaltet auch die Berechnung eines SOC der Batteriezelle durch Subtrahieren eines minimalen Offset-Werts vom SOC der Messzelle und Addieren eines Skalierungswerts zu diesem. Der minimale Offset-Wert wird basierend auf einem minimalen genauen Erfassungs-SOC-Pegel der Messzelle bestimmt.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen handelt es sich bei der ersten Chemie um Nickel-Mangan-Kobalt und bei der zweiten Chemie um Lithium-Eisen-Phosphat.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen wird der SOC der Messzelle unter Verwendung einer Kombination aus einem Coulomb-Zählverfahren und einem Kalman-Filterverfahren und einem inversen Nachschlageverfahren für die Leerlaufspannung (OCV) berechnet.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen ist eine Kapazität der Batteriezelle gleich der Kapazität der Messzelle multipliziert mit einem Skalierungsfaktor, der einen Wert von weniger als eins hat.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen wird der Skalierungsfaktor berechnet, indem ein minimaler Offset-Wert und ein maximaler Offset-Wert von eins subtrahiert werden, wobei der minimale Offset-Wert basierend auf einem minimalen genauen Erfassungs-SOC-Pegel der Messzelle bestimmt wird.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hierin beschriebenen Merkmalen beinhaltet das Verfahren ferner die Messung einer Leerlaufspannung der Messzelle und der Batteriezelle basierend auf einer Bestimmung, dass der SOC der Messzelle entweder unter einem minimalen Schwellenwert oder über einem maximalen Schwellenwert liegt.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen beinhaltet das Verfahren ferner die Berechnung des SOC der Messzelle basierend auf der Leerlaufspannung der Messzelle und die Berechnung des SOC der Batteriezelle basierend auf der Leerlaufspannung der Batteriezelle.
Zusätzlich zu den ein oder mehreren hier beschriebenen Merkmalen beinhaltet das Verfahren ferner die Berechnung eines Degradationsfaktors für die Batteriezelle und/oder die Messzelle basierend auf einer Änderung der Kapazität der Batteriezelle und/oder der Messzelle basierend auf einer Bestimmung, dass der SOC der Messzelle über einem maximalen Schwellenwert liegt.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird ein Computerprogrammprodukt zur Bestimmung eines Ladezustands (SOC) einer Batteriezelle einer Batterie mit gemischter Chemie bereitgestellt. Das Computerprogrammprodukt beinhaltet ein computerlesbares Speichermedium mit darin umgesetzten Programmanweisungen, wobei die Programmanweisungen von einem Prozessor ausgeführt werden können, um den Prozessor zu veranlassen, Operationen durchzuführen. Die Vorgänge beinhalten die Berechnung eines Ladezustands (SOC) einer Messzelle, die mit einer Batteriezelle in Reihe geschaltet ist, wobei die Messzelle eine erste Chemie aufweist und die Batteriezelle eine zweite Chemie aufweist, die sich von der ersten Chemie unterscheidet. Die Vorgänge beinhalten ferner die Berechnung eines SOC der Batteriezelle durch Subtrahieren eines minimalen Offset-Werts vom SOC der Messzelle und Addieren eines Skalierungswerts zu diesem. Der minimale Offset-Wert wird basierend auf einem minimalen genauen Erfassungs-SOC-Pegel der Messzelle bestimmt.
Die vorstehend genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Details sind nur beispielhaft in der folgenden detaillierten Beschreibung aufgeführt, wobei sich die detaillierte Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:

1 ein Blockdiagramm ist, das einen Anteil einer Batterie mit gemischter Chemie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht;
2 ein Blockdiagramm ist, das eine Messzelle und eine Batteriezelle einer Batterie mit gemischter Chemie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht;
3 ein Graph ist, der den Ladezustand in Abhängigkeit von einer Leerlaufspannung und Temperatur einer Messzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht;
4 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batteriezelle in einer Batterie mit gemischter Chemie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht;
5 ein Graph ist, der eine Auswirkung auf die Berechnung des Ladezustands der Batteriezelle basierend auf der Degradation der Kapazität der Batteriezelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht; und
6 ein Graph ist, der eine Auswirkung auf die Berechnung des Ladezustands der Batteriezelle basierend auf der Degradation der Kapazität der Messzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und ist nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch einzuschränken. Verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung werden hier unter Bezugnahme auf die dazugehörigen Zeichnungen beschrieben. Alternative Ausführungsformen der Offenbarung können konzipiert werden, ohne vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. In der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen sind verschiedene Verbindungen und Lagebeziehungen (z. B. über, unter, neben usw.) zwischen den Elementen angegeben. Diese Verbindungen und/oder Lagebeziehungen können, sofern nicht anders angegeben, direkt oder indirekt sein, und die vorliegende Offenbarung ist in dieser Hinsicht nicht als einschränkend zu verstehen. Dementsprechend kann sich eine Kopplung von Einheiten entweder auf eine direkte oder eine indirekte Kopplung beziehen, und eine Lagebeziehung zwischen Einheiten kann eine direkte oder indirekte Lagebeziehung sein.
Um nun einen Überblick über die Aspekte der Offenbarung zu geben, beinhalten Ausführungsformen der Offenbarung eine Batterie mit gemischter Chemie, bei der eine Messzelle und eine Batteriezelle in Reihe geschaltet sind. Bei der Messzelle handelt es sich um eine Lithium-Ionen-Zelle, die eine erste Chemie enthält, deren Ladezustand (SOC) deutlich über den Leerlaufspannungs-(OCV)-Pegel variiert, wie z. B. Nickel-Mangan-Kobalt (NCM), Nickel-Kobalt-Aluminium (NCA), Lithium-Eisen-Mangan (LMO), Lithium-Kobalt (LCO) oder Ähnliches. Bei der Batteriezelle handelt es sich um eine Lithium-Ionen-Zelle, die eine zweite Chemie enthält, deren SOC nicht deutlich über ihren OCV-Pegel variiert, z. B. Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), Lithium-Eisen-Mangan-Phosphat (LFMP), Natriumionen oder ähnliches. Wie vorstehend erörtert, variiert der SOC einer NCM-Batterie deutlich über ihre OCV, während der SOC einer LFP-Batterie aufgrund von deren flacher Lade-Entlade-Kurve nicht einfach über deren OCV zu unterscheiden ist. Dementsprechend wird in beispielhaften Ausführungsformen der SOC der Messzelle verwendet, um den SOC der Batteriezelle zu bestimmen.
Unter Bezugnahme nun auf 1 ist ein Anteil einer Batterie mit gemischter Chemie 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Wie veranschaulicht, schließt die Batterie 100 mit gemischter Chemie eine Messzelle 102 ein, die mit einer Batteriezelle 104 in Reihe geschaltet ist. In beispielhaften Ausführungsformen ist die Messzelle 102 eines von mehreren in Reihe geschalteten Batteriemodulen, von denen jedes aus einer Anzahl von Zellen derselben Chemie besteht, und die Batteriezelle 104 ist eines von mehreren in Reihe geschalteten Batteriemodulen, von denen jedes aus einer Anzahl von Zellen einer anderen Chemie besteht. Die Batterie 100 mit gemischter Chemie beinhaltet auch ein Batterieüberwachungssystem 106, das dazu konfiguriert ist, die Leerlaufspannung (OCV) sowohl der Messzelle 102 als auch der Batteriezelle 104 sowie den Strom I 108, der durch die Messzelle 102 und die Batteriezelle 104 fließt, zu messen und andere mit der SOC-Schätzung verbundene Funktionen durchzuführen.
In beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet das Batterieüberwachungssystem 106 einen oder mehrere von einem allgemeinen Prozessor, einer zentralen Verarbeitungseinheit, einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC), einem digitalen Signalprozessor, einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA), einer digitalen Schaltung, einer analogen Schaltung, oder Kombinationen davon. In einer Ausführungsform beinhaltet das Batterieüberwachungssystem 106 auch einen Speicher, der mit dem Prozessor und anderen Komponenten des Batterieüberwachungssystems 106 kommuniziert. In beispielhaften Ausführungsformen ist das Batterieüberwachungssystem 106 so konfiguriert, dass es den SOC und SOH sowohl der Messzelle 102 als auch der Batteriezelle 104 berechnet und verfolgt.
Unter Bezugnahme nun auf 2 ist ein Blockdiagramm gezeigt, das eine Messzelle 202 und eine Batteriezelle 204 einer Batterie 200 mit gemischter Chemie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. In beispielhaften Ausführungsformen sind die Auslegung der Batteriezelle 204 und die Messzelle 202 so konfiguriert, dass die Kapazität der Messzelle (CAP_SC) größer ist als die Kapazität der Batteriezelle (CAP_BC). In beispielhaften Ausführungsformen ist die Kapazität der Batteriezelle gleich dem Anteil oder Prozentsatz der Kapazität der Messzelle multipliziert mit einem Skalierungsfaktor (S%) 208, der einen Wert von weniger als eins aufweist. In einer Ausführungsform ist die Kapazität einer neuen, vollständig geladenen Batteriezelle so konfiguriert, dass sie fünfundachtzig Prozent der Kapazität einer neuen, vollständig geladenen Messzelle beträgt (d. h. der Skalierungsfaktor beträgt 0,85 oder 85 %).
In beispielhaften Ausführungsformen wird der Skalierungsfaktor (S) 208 berechnet, indem ein minimaler Offset-Wert (d) 210 und ein maximaler Offset-Wert (c) 212 von 1 subtrahiert werden (d. h. S + d + c = 1) In beispielhaften Ausführungsformen wird der minimale Offset-Wert (d) 210 basierend auf einem minimalen genauen Erfassungs-SOC-Pegel der Messzelle bestimmt. In beispielhaften Ausführungsformen wird der maximale Offset-Wert (c) 212 so gewählt, dass die Messzelle 202 während des Ladens der Batterie 200 mit gemischter Chemie nicht überladen wird. In einer Ausführungsform beträgt der maximale Offset-Wert (c) 212 fünf Prozent.
Unter Bezugnahme nun auf 3 ist ein Graph 300 gezeigt, der einen Ladezustand 304 in Abhängigkeit von einer Leerlaufspannung 302 und der Temperatur einer Messzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Der Graph enthält vier SOC-Kurven 306 für die Messzelle bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen. Wie veranschaulicht, laufen die vier SOC-Kurven 306 unterhalb eines Grenzwerts 314 im Allgemeinen auseinander, oberhalb des Grenzwerts 314 überschneiden sich die vier SOC-Kurven 306 jedoch im Allgemeinen. In beispielhaften Ausführungsformen wird der minimale Offset-Wert (d) 310 basierend auf dem Grenzwert 314 bestimmt. Der Skalierungswert (S) 308 wird als eins minus den minimalen Offset-Wert (d) 310 und den maximalen Offset-Wert (c) 312 bestimmt. In einer Ausführungsform, wie in 3 veranschaulicht, beträgt der maximale Offset-Wert (c) 212 zehn Prozent und der minimale Offset-Wert (d) 210 siebzehn Prozent. In einer anderen Ausführungsform, wie in 2 veranschaulicht, beträgt der maximale Offset-Wert (c) 212 fünf Prozent und der minimale Offset-Wert (d) 210 zehn Prozent.
Unter Bezugnahme nun auf 4 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das ein Verfahren 400 zur Bestimmung des Ladezustands einer Batteriezelle in einer Batterie mit gemischter Chemie gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. In beispielhaften Ausführungsformen wird das Verfahren 400 von einem Batteriemanagementsystem durchgeführt, wie es in 1 gezeigt ist. Wie in Block 402 gezeigt, beinhaltet das Verfahren 400 die Berechnung eines SOC der Messzelle (SOCsc) basierend auf dem Stromfluss durch die Messzelle. In beispielhaften Ausführungsformen wird der SOC der Messzelle (SOCsc) basierend auf einer Kombination von Coulomb-Zähltechniken und Techniken zur Schätzung des Batteriezustands, z. B. unter Verwendung eines Kalman-Filters, berechnet. Die Coulomb-Zählung beinhaltet $S O C_{S C} (k) = S O C_{S C} (k - 1) + \frac{\int i d t}{C a p},$
wobei Cap die Kapazität der Messzelle ist, i der Stromfluss durch die Messzelle ist und k eine ganze Zahl ist, die bei jeder Berechnung von SOCSC schrittweise erhöht wird. In einer beispielhaften Ausführungsform beinhaltet eine Technik zur Schätzung des Batteriezustands die Berechnung von SOC=a (SOC1+(1-a)*SOC2, wobei a ein Gewichtungsfaktor kleiner als eins ist. SOC₁ steht für den aus der Coulomb-Zählung berechneten Ladezustand, SOC₂ für den mit dem Kalman-Filter geschätzten Ladezustand. In beispielhaften Ausführungsformen, wenn ein Elektrofahrzeug, das die Batterie mit gemischter Chemie enthält, für eine ausreichende Zeitspanne im Ruhezustand ist, wird der berechnete SOC-Wert der Messzelle auf einen genaueren Wert, basierend auf der OCV-SOC-Kurve in 3 und dem genau gemessenen OCV der Messzelle, zurückgesetzt.
Als nächstes, wie in Block 404 gezeigt, beinhaltet das Verfahren 400 die Berechnung eines SOC der Batteriezelle (SOCBC) durch Subtraktion eines minimalen Offset-Werts vom SOCSC und Addition eines Skalierungswerts zu diesem. In beispielhaften Ausführungsformen wird der geschätzte SOCBC anhand der folgenden Gleichung berechnet: $S O C_{B C} = S O C_{S C} - d + (1 - \frac{S %}{100 %}) \frac{\int i d t}{C A P_{B C}}$
wobei d der Mindest-Offsetwert und $(1 - \frac{S %}{100 %}) \frac{\int i d t}{C A P_{B C}}$
der Skalierungswert ist. Der Skalierungswert wird basierend auf dem Skalierungsfaktor (S), der Kapazität der Batteriezelle (CAP_BC) und dem Strom durch die Batteriezelle (i) berechnet.
Als Nächstes, wie im Entscheidungsblock 406 gezeigt, beinhaltet das Verfahren 400 die Bestimmung, ob SOC_SC größer als ein maximaler Schwellenwert (T_max) oder kleiner als ein minimaler Schwellenwert (T_min) ist (d. h., ob die Messzelle fast vollständig geladen oder fast vollständig entladen ist). In beispielhaften Ausführungsformen wird T_min als ein SOC-Wert ausgewählt, der gleich oder kleiner als der minimale Offset-Wert (d) ist, und T_max wird als ein SOC-Wert ausgewählt, der gleich oder kleiner als hundert minus dem maximalen Offset-Wert (c) ist. Liegt der SOCsc zwischen T_min und T_max, kehrt das Verfahren 400 zu Block 402 zurück und berechnet den SOCsc periodisch neu. Dann wird der SOC_BC bei 404 berechnet. Andernfalls fährt das Verfahren 400 mit Block 408 fort und misst eine Leerlaufspannung der Messzelle (OCV_SC) und der Batteriezelle (OCV_BC), wenn das Fahrzeug mit der Batterie im Ruhezustand ist. In beispielhaften Ausführungsformen werden die OCV_s gemessen, wenn der Stromfluss durch die Messzelle und die Batteriezelle Null ist, d. h. (wenn die Messzelle und die Batteriezelle nicht geladen oder entladen werden).
Weiter unter Bezugnahme auf 4, wie in Block 410 gezeigt, beinhaltet das Verfahren 400 die Berechnung von SOC_SC, CAP_SC, SOC_BC und CAP_BC basierend auf der jeweiligen gemessenen OCV_s. In beispielhaften Ausführungsformen werden nach der Berechnung von SOC_SC, CAP_SC, SOC_BC und CAP_BC Degradationsfaktoren der Zellkapazität sowohl für die Batteriezelle als auch für die Messzelle berechnet. Diese Degradationsfaktoren werden in nachfolgenden Berechnungen des SOC_SC und SOC_BC verwendet.
Unter Bezugnahme nun auf 5 ist ein Graph 500 dargestellt, der eine Auswirkung auf die Berechnung des Ladezustands der Batteriezelle (SOC_BC) 502 basierend auf der Degradation der Kapazität der Batteriezelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Das Diagramm 500 enthält zwei Kurven 506, 508, die die Beziehungen zwischen dem SOC_SC 504 und SOC_BC 502 bei verschiedenen Temperaturen veranschaulichen. Wie gezeigt, verliert die Batteriezelle bei abnehmender Temperatur bis zu zwanzig Prozent ihrer Kapazität. Die folgende Gleichung dient zur Berechnung des Ladezustands der Batteriezelle SOC_BC basierend auf α, wobei es sich um einen Kapazitätsdegradationsfaktor der Batteriezelle mit einem Wert von weniger als eins handelt: $S O C_{B C 1} = \frac{C A P_{S C}}{α \times C A P_{B C}} S O C_{S C 1} + (S O C_{B C 0} - \frac{C A P_{S C}}{α \times C A P_{B C}} S O C_{S C 0}), C A P_{B C} = ƒ (T),$
wobei T die Temperatur der Batteriezelle ist. Die Kapazität der Batteriezelle sinkt von CAP_BC auf αCAP_BC. Basierend auf dem zuvor berechneten SOC_SC0 und dem Referenz-Batteriezellen-SOC_BC0 sowie dem aktuellen SOC_SC1 kann man den SOC_SC1 der Batteriezelle zum aktuellen Zeitpunkt anhand der vorstehenden Gleichung schätzen. Diese Schätzung folgt der neuen Kurve 508, wobei man für jeden gegebenen SOCsc den SOC_BC anhand der neuen Linie 508 berechnen kann, und die Steigung der Linie 508 ist aufgrund des Verhältnisses (CAP_SC/αCAP_BC) größer als 506.
Unter Bezugnahme nun auf 6 ist ein Diagramm 600 dargestellt, das eine Auswirkung auf die Berechnung des Ladezustands der Batteriezelle (SOC_BC) 602 basierend auf der Degradation der Kapazität der Messzelle (SOCsc) 604 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht. Das Diagramm 600 enthält drei Kurven 606, 608 und 610, die die Beziehungen zwischen dem SOC_SC und SOC_BC bei abnehmender Kapazität der Messzelle veranschaulichen. Wie dargestellt, zeigt Kurve 606 die Beziehung zwischen dem nominalen SOCBC und SOCsc, wenn die SC 100 % ihrer ursprünglichen Kapazität hat, Kurve 610 zeigt die Beziehung zwischen dem SOC_BC und SOCsc, wenn die SC 95 % ihrer ursprünglichen Kapazität hat, und Kurve 608 zeigt die Beziehung zwischen dem SOC_BC und SOC_SC, wenn die SC 90 % ihrer ursprünglichen Kapazität hat. Die folgende Gleichung wird verwendet, um den Ladezustand der Batteriezelle basierend auf dem Koeffizienten β zu berechnen, bei dem es sich um einen Kapazitätsdegradationsfaktor der Messzelle handelt, der einen Wert von weniger als eins aufweist: $S O C_{B C 1} = \frac{β \times C A P_{S C}}{C A P_{B C}} S O C_{S C 1} + (S O C_{B C 0} - \frac{β \times C A P_{S C}}{C A P_{B C}} S O C_{S C 0}) .$
wobei man basierend auf dem zuvor berechneten SOC_SC0 und dem Referenz-Batteriezellen-SOC_BC0 sowie dem aktuellen SOC_SC1 den SOC_SC1 der Batteriezelle zum aktuellen Zeitpunkt anhand der vorstehenden Gleichung schätzen kann.
In beispielhaften Ausführungsformen werden der Degradationsfaktor der Messzelle (β) und der Degradationsfaktor der Batteriezelle (α) periodisch berechnet, wenn sich die Batteriezelle und die Messzelle im Ruhezustand befinden, und zwar basierend auf den gemessenen Leerlaufwerten für die Batteriezelle und die Messzelle. Der Degradationsfaktor der Messzelle (β) und der Degradationsfaktor der Batteriezelle (α) werden bei der Berechnung von SOC_SC und SOC_SC während der Nutzung der Batterie mit gemischter Chemie verwendet.
Die in 5 und 6 veranschaulichten Graphen veranschaulichen Messzellen und Batteriezellen mit Nennkapazitäten. Für den Fall, dass der zuvor berechnete SOC bei einer vollständig entladenen Batteriezelle SOC_BC0=0 und SOC_SC0=d% beginnt, lautet die Gleichung: $S O C_{B C 1} = \frac{C A P_{S C}}{C A P_{B C}} S O C_{S C 1} - \frac{C A P_{S C}}{C A P_{B C}} d %,$
wobei es sich um eine Gerade mit einer Steigung von CAP_SC/CAPBC und einen Achsenabschnitt von CAP_SC/CAPBC * d handelt. Dementsprechend kann für jede gegebene SOC_SC1 eine lineare Interpolation verwendet werden, um SOC_BC1. zu berechnen.
Die folgenden Definitionen und Abkürzungen sind für die Auslegung der Ansprüche und der Beschreibung zu verwenden. Die hier verwendeten Ausdrücke „umfasst“, „umfassend“, „schließt ein“, „einschließend“, „hat“, „aufweisend“, „enthält“ oder „enthaltend“ oder jede andere Abwandlung davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. Eine Zusammensetzung, ein Gemisch, ein Prozess, ein Verfahren, ein Artikel oder eine Einrichtung, die eine Liste von Elementen umfasst, ist beispielsweise nicht notwendigerweise auf diese Elemente beschränkt, sondern kann auch andere Elemente enthalten, die nicht ausdrücklich aufgelistet sind oder zu einer derartigen Zusammensetzung, einem Gemisch, einem Prozess, einem Verfahren, einem Artikel oder einer Einrichtung gehören.
Darüber hinaus wird der Begriff „beispielhaft“ hier im Sinne von „als Beispiel, Instanz oder Veranschaulichung dienend“ verwendet. Jede hier als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Auslegung ist nicht unbedingt als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Auslegungen zu verstehen. Die Begriffe „mindestens ein(e)“ und „ein(e) oder mehrere“ können so verstanden werden, dass sie eine ganze Zahl größer oder gleich eins (d. h. eins, zwei, drei, vier usw.) beinhalten. Der Begriff „eine Vielzahl“ kann so verstanden werden, dass er eine ganze Zahl größer oder gleich zwei (d. h. zwei, drei, vier, fünf usw.) beinhaltet. Der Begriff „Verbindung“ kann sowohl eine indirekte „Verbindung“ als auch eine direkte „Verbindung“ beinhalten.
Die Ausdrücke „etwa“, „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und Abwandlungen davon sollen den Grad des Fehlers einschließen, der mit der Messung der bestimmten Menge basierend auf der zum Zeitpunkt der Anmeldung verfügbaren Ausrüstung verbunden ist. Beispielsweise kann „etwa“ einen Bereich von ± 8 % oder 5 % oder 2 % eines bestimmten Werts einschließen.
Während die vorstehende Offenbarung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist unter Fachleuten bekannt, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente durch gleichwertige ersetzt werden können, ohne vom Anwendungsbereich abzuweichen. Darüber hinaus können viele Änderungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Offenbarung anzupassen, ohne von ihrem wesentlichen Anwendungsbereich abzuweichen. Daher soll die vorliegende Offenbarung nicht auf die besonderen offenbarten Ausgestaltungen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen beinhalten, die in ihren Anwendungsbereich fallen.

Claims

Batterie mit gemischter Chemie, umfassend: eine Messzelle mit einer ersten Chemie; eine Batteriezelle mit einer zweiten Chemie, die sich von der ersten Chemie unterscheidet, wobei die Batteriezelle mit der Messzelle in Reihe geschaltet ist; und ein Batterieüberwachungssystem, das dazu konfiguriert ist, einen Stromfluss durch die Messzelle und die Batteriezelle zu überwachen und einen Ladezustand (SOC) der Messzelle zu berechnen, wobei das Batterieüberwachungssystem ferner so konfiguriert ist, dass es einen SOC der Batteriezelle zumindest teilweise basierend auf dem SOC der Messzelle berechnet.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 1, wobei es sich bei der ersten Chemie um Nickel-Mangan-Kobalt und bei der zweiten Chemie um Lithium-Eisen-Phosphat handelt.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 1, wobei der SOC der Messzelle unter Verwendung einer Kombination aus einem Coulomb-Zählverfahren und einem Kalman-Filterverfahren und einem inversen Nachschlageverfahren für die Leerlaufspannung (OCV) berechnet wird.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 1, wobei der SOC der Batteriezelle berechnet wird, indem ein minimaler Offset-Wert vom SOC der Messzelle subtrahiert und ein Skalierungswert zu diesem addiert wird.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 4, wobei der SOC der Batteriezelle aus dem SOC der Messzelle basierend auf einer linearen Beziehung berechnet wird, wobei eine Steigung einer Linie durch das Kapazitätsverhältnis der Batteriezelle und der Messzelle bestimmt wird und ein Achsenabschnitt basierend auf dem Kapazitätsverhältnis, multipliziert mit dem minimalen Offset-Wert, bestimmt wird.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 4, wobei der minimale Offset-Wert basierend auf einem minimalen genauen Erfassungs-SOC-Pegel der Messzelle bestimmt wird.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 1, wobei die Kapazität der Batteriezelle gleich der Kapazität der Messzelle multipliziert mit einem Skalierungsfaktor ist, der einen Wert von weniger als eins hat.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 7, wobei der Skalierungsfaktor berechnet wird, indem ein minimaler Offset-Wert und ein maximaler Offset-Wert von eins subtrahiert werden, wobei der minimale Offset-Wert basierend auf einem minimalen genauen Erfassungs-SOC-Pegel der Messzelle bestimmt wird.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 1, wobei das Batterieüberwachungssystem basierend auf einer Bestimmung, dass der SOC der Messzelle entweder unter einem minimalen Schwellenwert oder über einem maximalen Schwellenwert liegt, ferner so konfiguriert ist, dass es eine Leerlaufspannung der Messzelle und der Batteriezelle während eines durch Befehl vorgegebenen Ruhezustands eines Fahrzeugs, das die Batterie mit gemischter Chemie enthält, misst.
Batterie mit gemischter Chemie nach Anspruch 9, wobei das Batterieüberwachungssystem ferner so konfiguriert ist, dass es den SOC der Messzelle basierend auf der Leerlaufspannung der Messzelle berechnet und den SOC der Batteriezelle basierend auf der Leerlaufspannung der Batteriezelle berechnet.