DE10320901A1

DE10320901A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Ladezustands von Blei-Säure-Batterien in einem Hybridelektrofahrzeug

Info

Publication number: DE10320901A1
Application number: DE10320901A
Authority: DE
Inventors: Ramona Y Ying
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2023-05-10
Also published as: US20030214303A1; US6646419B1; JP3878150B2; JP2004132949A; DE10320901B4

Abstract

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladungszustandes einer Blei-Säure-Batterie offenbart. Die vorliegende Erfindung umfasst die Schritte, dass ein strombasierter Ladungszustand bestimmt wird, während Faktoren, wie beispielsweise Strom, Temperatur, Ladewirkungsgrad, parasitäre Verluste und Selbstentladung, berücksichtigt werden. Die vorliegende Erfindung ist dazu in der Lage, die Leerlaufspannung während und nach einem Betrieb zu messen und/oder zu berechnen, um einen spannungsbasierten Ladungszustand zu bestimmen, während die Leerlaufspannung bezüglich ihres Übergangsverhaltens kompensiert wird, und die Spannungsverschiebung zu berücksichtigen, die durch Ladungsereignisse bewirkt wird. Die Korrelation der Leerlaufspannung zu dem Ladungszustand ist abhängig von der Betriebsart der Batterie. Die vorliegende Erfindung passt eine Batteriealterung durch Aktualisierung des Batteriewiderstandes, Korrektur von Coulomb-Fehlern sowie Berücksichtigung einer Verschlechterung der Kapazität im Betrieb an.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um den Ladezustand (SOC) einer Blei-Säure-Batterie zu bestimmen, die in einem Hybridelektrofahrzeug (HEV) arbeitet.

Auf dem heutigen Kraftfahrzeugmarkt kann eine Vielzahl von Vortriebs- oder Antriebstechnologien dazu verwendet werden, Fahrzeuge anzutreiben. Diese Technologien umfassen Verbrennungsmotoren, elektrische Antriebssysteme, die Batterien und/oder Brennstoffzellen als Energiequelle verwenden, und Hybridsysteme, die eine Kombination von Verbrennungsmotoren und elektrischen Antriebssystemen verwenden. Jedes Vortriebssystem besitzt spezielle technologische, finanzielle sowie leistungsbezogene Vorteile als auch Nachteile abhängig von dem Zustand der Energiepreise, den Entwicklungen der Energieinfrastruktur, den Umweltgesetzen, wie auch den gesetzgeberischen Anreizen.

Die immer größer werdende Anforderung, die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu verbessern und Emissionen bei heutigen Fahrzeugen zu verringern, hat zu der Entwicklung weiterentwickelter Hybridfahrzeuge geführt. Hybridelektrofahrzeuge (HEV) sind als Fahrzeuge mit zumindest zwei separaten Antriebsquellen klassifiziert, nämlich typischerweise mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Traktionsmotor. Ein Hybridelektrofahrzeug arbeitet allgemein mit einem Hochspannungsbatteriepaket (≥ 42 V), das einen Elektromotor versorgt, der in Verbindung mit dem Verbrennungsmotor arbeitet.

Hybridfahrzeuge besitzen im Vergleich zu Standardfahrzeugen, die durch einen Verbrennungsmotor angetrieben werden, eine verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit sowie daraus folgende verringerte Emissionen. Bei variierenden Fahrbedingungen wechseln Hybridfahrzeuge zwischen den getrennten Antriebsquellen abhängig von der effizientesten Betriebsweise jeder Antriebsquelle. Beispielsweise wird ein Hybridfahrzeug, das mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor ausgerüstet ist, den Verbrennungsmotor in einem gestoppten Zustand oder einem Leerlaufzustand abschalten, wobei der Elektromotor den Verbrennungsmotor erneut starten kann und schließlich das Fahrzeug antreibt, wodurch die Kraftstoffwirtschaftlichkeit für das Hybridfahrzeug verbessert wird.

Hybridfahrzeuge werden abhängig von der Gestaltung der Antriebsstränge allgemein in serielle oder parallele Antriebsstränge klassifiziert. Bei einem seriellen Antriebsstrang, der einen Verbrennungsmotor und einen elektrischen Traktionsmotor verwendet, treibt nur der Elektromotor die Räder eines Fahrzeugs an. Der Verbrennungsmotor wandelt eine Kraftstoffquelle in mechanische Energie um, um einen Generator zu drehen, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt, um den Elektromotor anzutreiben. Bei einem parallelen Hybridantriebsstrangsystem arbeiten zwei Antriebsquellen wie beispielsweise ein Verbrennungsmotor und ein elektrischer Traktionsmotor parallel zusammen, um ein Fahrzeug anzutreiben. Allgemein kombiniert ein Hybridfahrzeug, das einen parallelen Antriebsstrang besitzt, die Leistungs- und Bereichsvorteile eines herkömmlichen Verbrennungsmotors mit der Wirtschaftlichkeit sowie der Fähigkeit zur elektrischen Regenerierung eines Elektromotors, um im Vergleich zu einem herkömmlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erhöhen wie auch die Emissionen abzusenken.

Batteriepakete mit Sekundärbatterien bzw. wiederaufladbaren Batterien stellen eine wichtige Komponente von Hybridfahrzeugsystemen dar, da sie ermöglichen, dass ein elektrischer Motor/Generator (MoGen) während der Regenerierung sowie Ladung durch den Verbrennungsmotor Bremsenergie in dem Batteriepaket speichern kann. Der MoGen verwendet die gespeicherte Energie in dem Batteriepaket, um das Fahrzeug vorzutreiben oder anzutreiben, wenn der Verbrennungsmotor nicht arbeitet. Während des Betriebs wird der Verbrennungsmotor gemäß den Fahrbedingungen abwechselnd an- und ausgeschaltet, was zur Folge hat, dass das Batteriepaket durch den MoGen konstant geladen und entladen wird. Der Ladungszustand (SOC; ist als der Prozentsatz der vollen Kapazität einer Batterie definiert, die noch zur weiteren Entladung verfügbar ist) wird dazu verwendet, das Laden und Entladen der Batterie zu regeln.

Gegenwärtig ist die kostengünstigste, kommerziell verwendbare Batterie für HEV-Anwendungen die Blei-Säure-Batterie. Blei-Säure- Batterien sind in den letzten einhundert Jahren in der Kraftfahrzeugindustrie für Anwendungen zum Starten, Anlassen bzw. Zünden weit verbreitet verwendet worden. Jedoch sind bei einer Hybridanwendung die Leistungsbelastungen, die Stromlasten sowie der Stromverbrauch wesentlich höher als die, die bei bisherigen Anwendungen für Blei-Säure- Batterien verwendet wurden. Um bei HEV-Anwendungen effizient arbeiten zu können, muss eine Blei-Säure-Batterie in der Nähe ihres optimalen Ladezustandes arbeiten, um ihre Entlade- und Ladeleistungsfähigkeiten zu maximieren.

Die Entlade- und Ladereaktionen in der Blei-Säure-Batterie sind nicht symmetrisch wie bei anderen Batterietechnologien, wie beispielsweise Nickel-Metallhydrid- und Lithiumionen-Batterien. Dies bedeutet, dass der Entladebatteriewiderstand typischerweise geringer als der Ladebatteriewiderstand ist, was bei einem SOC von > 60% mit sekundären Gasungsreaktionen in Verbindung steht. Folglich ist es schwierig, den SOC basierend auf den Ladespannungen vorherzusagen. Demgemäß liegen einem spannungsbasierten SOC für eine Blei-Säure-Batterie gewöhnlich nur die Entladungsdaten zugrunde. Jedoch werden bei einer Anwendung für ein Hybridelektrofahrzeug, bei dem kontinuierliche Regenerierungsereignisse stattfinden, die Batterieentladespannungen infolge einer erhöhten Konzentration von Schwefelsäure nach einer Ladung nach höher verschoben. Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, um die Wirkung der Regenerierung auf die Entladespannung anzupassen und somit einen genaueren und konsistenten Ladezustand (SOC) vorherzusagen.

Die vorliegende Erfindung integriert drei unabhängige Verfahren zur Bestimmung des Batterie-SOC eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridelektrofahrzeugs während des Fahrzeugbetriebs. Die drei unabhängigen Verfahren umfassen: ein strombasierter SOC (ISOC) basierend auf einer Amperestundenintegration (Ah-Integration); ein spannungsbasierter SOC (VSOC) basierend auf einer berechneten Leerlaufspannung (OCV); und ein auf einem Ruhezustand basierender SOC (RSOC) basierend auf einer gemessenen OCV, nachdem das Fahrzeug abgeschaltet worden ist. Die vorliegende Erfindung ist derart optimiert, um den SOC einer Blei- Säure-Batterie unter Verwendung von Faktoren zu bestimmen, die für eine Blei-Säure-Batterie eindeutig relevant sind. Beispielsweise berücksichtigt das vorliegende ISOC-Verfahren eine Ladungsunfähigkeit infolge sekundärer Gasungsreaktionen sowie einen Strom-(Peukert-)Effekt auf die Entladekapazität. Die VSOC- und RSOC-Berechnungen bei der vorliegenden Erfindung berücksichtigen die Entladungsdaten bei der Vorhersage der OCV zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Betriebs einer Batterie und kompensieren Regenerierungseffekte.

Die Bestimmung des SOC der vorliegenden Erfindung verlässt sich hauptsächlich auf den VSOC und verhält sich bezüglich Änderungen in der Batterie infolge von Temperatur und Alterung adaptiv. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellt den ISOC periodisch zurück, um den VSOC infolge kleiner Fehler bei der Amperestundenintegration aus kleinen Ungenauigkeiten in Strommessungen und/oder einer Ladungsunfähigkeit der Batterie mit der Zeit anzupassen. Ferner kann, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist, eine gemessene Leerlaufspannung mit dem RSOC korreliert werden. Die Differenz in dem RSOC und dem VSOC sieht die Basis zur Anpassung einer Batteriepaketkapazität infolge einer Batterieverschlechterung vor, die aus einem zyklischen Hybridbetrieb bei Teilladungszuständen und/oder aus Alterung resultiert.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Hybridelektrofahrzeugs der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 ein Flussdiagramm des auf Strom basierenden SOC- Verfahrens (ISOC) ist;
Fig. 3 ein Flussdiagramm des auf Spannung basierenden SOC-Verfahrens (VSOC) ist; und
Fig. 4 ein Flussdiagramm des auf einem Ruhezustand basierenden SOC-Verfahrens (RSOC) ist.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Hybridfahrzeugs 14 der vorliegenden Erfindung. Das Hybridfahrzeug 14 umfasst ein Batteriepaket 16 mit einem einzelnen Batteriemodul oder individuellen Batteriemodulen. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst das Batteriepaket 16 eine Vielzahl von Blei-Säure-Batteriemodulen, die in Reihe geschaltet sind. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Batteriepaket 16 eine beliebige bekannte Batterietechnologie umfassen, die beispielsweise Nickel-Metallhydrid-, Lithiumionen- und Lithium-Polymer-Batterien umfassen kann. Eine Energiemanagementsteuerung (EMC) 15 überwacht den Strom, die Spannung, den Ladungszustand (SOC) und die Leistungsabgabe des Batteriepaketes 16.
Ein Motor-Generator (MoGen) 20 ist dynamisch mit einem Verbrennungsmotor (ICE) 22 gekoppelt und funktioniert abhängig von dem Betriebszustand des Fahrzeugs 14 (d. h. Bremsen, Beschleunigen oder Betrieb bei konstanter Geschwindigkeit auf einer Autobahn) entweder als ein Motor, um das Fahrzeug 14 anzutreiben, oder als ein Generator, um das Batteriepaket 16 zu laden. Der MoGen 20 ist bevorzugt eine AC- Induktionsmaschine, kann aber eine beliebige bekannte Technologie für elektrische Motoren/Generatoren umfassen, die beispielsweise DC- Maschinen, Synchronmaschinen und Maschinen mit geschalteter Reluktanz umfassen können. MoGen's 20 sind bei der bevorzugten Ausführungsform im hinteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet, um die Hinterräder 17 anzutreiben, und im vorderen Bereich des Fahrzeugs angeordnet, um die Vorderräder 18 anzutreiben.
Die MoGen's 20 werden durch ein elektrisches Steuersystem gesteuert, das eine Hybridsystemsteuerung 23, DC-DC-Wandler 24 und Leistungswechselrichtermodule (PIM) 25 umfasst. Die EMC 15 steht mit der Hybridsystemsteuerung 23 und Leistungswechselrichtermodulen 25 durch verschiedene Digital- und Analogsignale in Verbindung, um Spannungs-, Strom- und/oder Leistungsabgabe- bzw. Leistungsaufnahmegrenzen für das Batteriepaket 16 basierend auf einer Messung des SOC vorzusehen. Bei alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die EMC 15, die Hybridsystemsteuerung 23, die DC-DC- Wandler 24 sowie die Leistungswechselrichtermodule 25 als ein vereinigtes System ausgebildet sein. Die EMC 15 und die Hybridsystemsteuerung 23 können einen beliebigen Typ von Steuermodul oder Fahrzeugsteuerung umfassen, die in der Technik bekannt sind, und sind mit einem nichtflüchtigen Speicher (NVM), einem Direktzugriffsspeicher (RAM), diskreten und analogen Eingängen/Ausgängen (I/O), einer Zentralverarbeitungseinheit sowie Kommunikationsschnittstellen, um einen Netzbetrieb mit einem Kraftfahrzeugkommunikationsnetz zu ermöglichen, ausgerüstet.
Im Generatormodus erzeugen die MoGen's 20 elektrische Energie, die an das Batteriepaket 16 und die DC-DC-Wandler 24 durch die EMC 15, die Steuerung 23 und die Wechselrichtermodule 25 übertragen wird. Die EMC 15, die Steuerung 23 sowie die Wechselrichtermodule 25 bestimmen die Richtung des Stromflusses für den MoGen 20 gemäß dem Betriebszustand des Fahrzeugs 14. Die DC-DC-Wandler 24 sehen den DC-Bus vor und regulieren diesen, der von den Wechselrichtermodulen 25 pulsbreitenmoduliert wird, um einen mit der Zeit variierenden Strom an die MoGen's 20 zu liefern. In einem Regenerierungszustand (wie beispielsweise während einer Bremsung) oder einem Ladezustand fließt Strom von den MoGen's 20 über die Wechselrichtermodule 25, um das Batteriepaket 16 zu laden und Strom an die DC-DC-Wandler 24 zu liefern. In diesem Zustand fließt, wenn die MoGen's 20 einen Antrieb vorsehen sollen, Strom von dem Batteriepaket 16 über die DC-DC-Wandler 24 und Wechselrichtermodule 25 an die MoGen's 20, um die MoGen's 20 anzutreiben.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der SOC des Batteriepakets 16 dynamisch nachgeführt, um zu bestimmen, wann das Batteriepaket 16 geladen werden soll. Die EMC 15 und die Hybridsteuerung 23 der vorliegenden Erfindung steuern einen Ladezustand (SOC) des Batteriepaketes in die Nähe von 50% bis 70%, so dass die Ladeakzeptanz sowie der Ladewirkungsgrad während einer regenerativen Bremsung realisiert werden kann. Jedoch liegt eine Steuerung des Batteriepaketes 16 auf einen beliebigen anderen Prozentsatz des Ladungszustandes ebenfalls innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung.
Wie oben beschrieben ist, umfassen die Verfahren, die von der EMC 15 ausgeführt werden, um den Ladezustand des Batteriepaketes 16 zu bestimmen, ein auf Strom basierendes SOC-Verfahren sowie eine entsprechende Messung (ISOC), ein auf Spannung basierendes SOC- Verfahren sowie entsprechende Messung (VSOC) sowie ein Ruhe-SOC- Verfahren und eine entsprechende Messung (RSOC).

Auf Strom basierendes SOC-Verfahren (ISOC-Verfahren)

Fig. 2 ist ein Flussdiagramm des ISOC-Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Das auf Strom basierende SOC-Verfahren verwendet die Basisgleichung, die wie folgt definiert ist:

um einen auf Strom basierenden SOC zu bestimmen. Der Term Ah_Compensated ist eine genaue Amperestundenzählung der in das Batteriepaket 16 hinein- bzw. herausgehenden Ladung beginnend bei einem vollständig geladenen Zustand, und der Term BP_Capacity_Compensated ist die verwendbare Kapazität des Batteriepaketes 16. Ah_Compensated ist zwischen Null bei 100% SOC und BP_Capacity_Compensated bei 0% SOC begrenzt. Die Vorzeichenkonvention bei der vorliegenden Erfindung ist für Entladung als negativ und für Ladung als positiv festgelegt. Demgemäß ist das Vorzeichen von sowohl Ah_Compensated als auch BP_Capacity_Compensated negativ. Sie werden bezüglich verschiedener Faktoren kompensiert, wie beispielsweise Strom, Temperatur, Ladewirkungsgrad, parasitäre Verluste bzw. Kriechstromverluste sowie Selbstentladung, wie nachfolgend in der Beschreibung beschrieben ist.
Da die Kapazität einer Blei-Säure-Batterie von dem Entladestrom abhängig ist, was als der Peukert-Effekt bekannt ist, ist es geeignet, die Kapazität bei verschiedenen Enladeraten zu bestimmen. Die Kapazität des Batteriepaketes 16 ändert sich abhängig von dem jüngsten durchschnittlichen Entladestrom, wie beispielsweise einem Entladestrom, der in den letzten fünf Minuten gemessen wurde. Wenn beispielsweise das Batteriepaket 16 anfänglich mit einer schnellen Rate entladen würde und dann zu einer geringeren Rate geschaltet würde, wäre bei der geringeren Rate mehr Kapazität verfügbar. Selbst eine Ruheperiode kann die Entladekapazität des Batteriepaketes 16 erhöhen. Beginnend bei Block 102 in Fig. 2 kann ein durchschnittlicher Entladestrom hauptsächlich von dem Entladeabschnitt des Antriebszyklus bestimmt werden. Der durchschnittliche Entladestrom sollte bezüglich der Rate repräsentativ sein, mit der die Kapazität des Batteriepaketes 16 abnimmt. Daher sollte die Zeitperiode, über die die kumulative bzw. anwachsende Entladung summiert wird, ausreichend sein, um die jüngste Entladungsentwicklung bzw. -historie des Batteriepaketes 16 darzustellen, wie beispielsweise etwa fünf Minuten. Auch sollten die Zeitkonstanten zur Aktualisierung des durchschnittlichen Entladestroms lang genug sein, so dass sich der durchschnittliche Entladestrom nicht konstant ändert. Die bei Block 102 verwendete Formel, um den durchschnittlichen Entladestrom zu berechnen, lautet:

wobei Discharge_Current_Average der durchschnittliche Entladestrom für die Batterie ist, Discharge_Ah die integrierten Amperestunden unter Verwendung der gemessenen Entladeströme sind und Discharge_time die Zeitperiode ist, über die die Discharge_Ah gemessen werden.
Für die etwa ersten fünf Minuten der Entladung sollte der anfängliche durchschnittliche Entladestrom auf den durchschnittlichen Entladestrom von dem vorhergehenden Fahrzyklus gesetzt werden. Wenn der durchschnittliche Entladestrom von dem vorhergehenden Fahrzyklus nicht verfügbar ist, kann der Standardwert auf die C-Rate eingestellt werden, die als der Entladestrom definiert ist, der erforderlich ist, um die Kapazität des Batteriepaketes 16 innerhalb etwa einer Stunde zu leeren.
Typischerweise wird die Batteriekapazität, die mit der C-Rate entladen wird, als die verwendbare Kapazität bei einer HEV-Anwendung betrachtet und ist bei einer Referenztemperatur, wie beispielsweise 25° Celsius, als BP_Capacity_Default (Standardkapazität des Batteriepakets) definiert. Um die Wirkung des Entladestromes und der Temperatur zu kompensieren, wird ein Peukert-Faktor oder Peukert_Factor in Block 102 eingeführt, und ein Temperaturkompensationsfaktor für die Batteriekapazität oder Capacity_Temp_Factor wird unter Verwendung von Nachschlagetabellen oder Formeln in Block 104 eingeführt. Die Berechnung von BP_Capacity_Compensated in Block 106 verwendet die folgende Formel:

BP_Capacity_Compensated = BP_Capacity_default.Peukert_Factor.Capacity_Temp_Factor [3]
Der Peukert Factor basiert auf der Peukert-Gleichung:

(I_D,avg)ⁿ.t = C [4]

wobei I_D,avg der Discharge_Current_Average (durchschnittliche Entladestrom) ist, n die Peukert-Steigung ist, t die Gesamtentladezeit ist und C eine Konstante ist. Für eine Blei-Säure-Batterie liegt die Peukert-Steigung n typischerweise zwischen 1,1 und 1,3 bei 25°C und ist eine Funktion der Temperatur. Die Peukert-Steigung steigt gewöhnlich mit abnehmenden Temperaturen. Somit muss die Peukertbeziehung für die gewählte Batterie in dem Temperaturbereich des Fahrzeugbetriebs charakterisiert werden.
Wenn die BP_Capacity_Default auf einer Entladung mit C-Rate basiert (d. h. I_D,avg,1 = C-Rate), dann kann der Peukert Factor für einen anderen Discharge Current Average, I_D,avg,2 berechnet werden durch

Peukert_Factor = (I_D,avg,1/I_D,avg,g2)^n-1 oder
Peukert_Factor = (C-Rate/Discharge_Current_Average)^n-1 [5]
Die Peukertbeziehung, die bei verschiedenen Temperaturen charakterisiert ist, kann auch den Capacity_Temp_Factor vorsehen, der die Wirkung der Temperatur auf die Batteriekapazität berücksichtigt. Unter Verwendung der Kapazitäten bei C-Rate bei verschiedenen Temperaturen gilt:

Capacity_Temp_Factor (T) = Battery_Capacity (T)/ BP_Capacity_Default (25°C) [6]
Block 108 stellt dann den Capacity_Weight_Factor ein, was in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben ist.
Übrigens ist es bei einer genauen Vorhersage der Kapazität des Batteriepaketes 16 wichtig, eine genaue Amperestundenzählung der Ladung zu haben, die in das Batteriepaket 16 hineinkommt bzw. von diesem heraus kommt, um einen genauen ISOC zu bestimmen. Es sind zahlreiche Unsicherheitsquellen vorhanden, wie beispielsweise eine Ladungsunfähigkeit infolge sekundärer Gasungsreaktionen, parasitärer Verluste sowie Selbstentladung. Fehler, die durch diese Unsicherheitsquellen erzeugt werden, können durch Verwendung verschiedener Kompensationsverfahren vermindert werden.
Wie in Fig. 2 bei Block 110 gezeigt ist, werden die nicht korrigierten Amperestundenzählungen für Entladung und Ladung (Regenerierung) separat addiert. Die folgenden Terme werden für Entladeströme berechnet, I < 0:

Ah_Discharge_i = (I_i + I_{i - 1})/2.(t_i - t_{i -1}) [7]

und für Ladeströme berechnet, I > 0:

Ah_Regen_i = (I_i + I_{i - 1})/2.(t_i - t_{i - 1}) [8]

wobei Ah_Discharge die Amperestundenzählung für ein Batteriepaket 16 von einer Entladung ist und Ah_Regen die Amperestundenzählung für ein Batteriepaket 16 von einer Ladung oder Regenerierung ist.
Aufgrund möglicher sekundärer Gasungsreaktionen während der Regenerierung insbesondere bei einem SOC > 60% geht nicht der gesamte Ladestrom in Richtung einer aktiven Umwandlung von Material. Bei Block 112 wird ein Ladewirkungsgradfaktor, Charge_Efficiency_Factor als eine Funktion des SOC des Batteriepaketes 16 (Pack_SOC) sowie des Regenerierungsstromes Regen Current eingeführt. Der Charge_Effciency_Factor ist bei hohem Pack_SOC und hohem Regen_Current allgemein niedriger. Demgemäß werden die kompensierten Amperestundenzählungen während der Regenerierung Ah_Regen_Compensated mit der folgenden Formel berechnet:

Ah_Regen_Compensated_i = Charge_Efficiency_Factor.Ah_Regen_I [9]
Bei Block 114 werden die anwachsenden Amperestunden Ah_Cumulative durch die folgende Formel zusammengefasst:

Ah_Cumulative = Σ(Ah_Discharge_i + Ah_Regen_Compensated_i) [10]
Beachte: Aufgrund der Vorzeichenkonvention ist Ah_Discharge_i negativ und Ah_Regen_Compensated_i ist positiv.
Während einer längeren Ruhepause verliert das Batteriepaket 16 zusätzliche Kapazität durch parasitäre Abflüsse infolge elektronischer Ausrüstung an Bord des Fahrzeugs und durch Selbstentladung. Diese Verluste werden in der Amperestundenzählung in den Blöcken 116 und 118 berücksichtigt. Die parasitären Amperestundenverluste Ah_Parasitic_Loss werden durch die folgende Formel bei Block 116 berechnet:

Ah_Parasitic_Loss = Parasitic_Rate.Rest_Time (11)

wobei Parasitic_Rate negativ ist und während der Abschaltzeit für die spezifischen elektrischen Fahrzeuglasten vorbestimmt werden muss und Rest Time die Gesamtzeit ist, wenn sich das Fahrzeug nicht in Betrieb befindet. Die Selbstentladungsrate der Batterie Self_Discharge_Rate ist abhängig von dem Ladezustand der Batterie sowie der Temperatur und muss für die gewählte Batterie vorbestimmt werden. Die Amperestundenverluste durch Selbstentladung Ah_Self_Discharge werden durch die folgende Formel bei Block 118 berechnet:

Ah_Self_Discharge = Self_Discharge_Rate.Rest_Time [12]
Beachte: Die Amperestunden in Verbindung mit parasitären Abflüssen und Selbstentladung sind negativ, da sie die Batterie leeren.
Nach einer Kompensation des Ladewirkungsgrades, der parasitären Verluste sowie Selbstentladungsverluste kann die kompensierte Amperestundenzählung Ah_Compensated bei Block 120 mit der folgenden Formel berechnet werden:

Ah_Compensated = Ah_Cumulative + Ah_Parasitic_Loss + Ah_Self_Discharge [13]
Aufgrund von kleinen Fehlern bei den Berechnungen der Amperestundenzählung, der parasitären Verluste sowie der Selbstentladung, die sich mit der Zeit aufbauen, wie auch Änderungen in der Kapazität des Batteriepaketes 16, die mit dem Alter auftreten, werden periodische Einstellungen sowohl des Zählers als auch des Nenners in Gleichung [1] erforderlich. Die Amperestundenkorrektur Ah_Correction bei Block 122 sowie Capacity_Weight_Factor in Block 108 passen diese Fehler basierend auf Unterschieden in den Ladungszuständen an, die durch die drei Verfahren bestimmt werden. Die Blöcke 122 und 108 sind ferner in Verbindung mit den Fig. 3 bzw. 4 beschrieben. Somit kann bei Block 124 der ISOC für das Batteriepaket 16 durch die Formel bestimmt werden:

wobei der Standard Ah_Correction anfänglich Null ist und Capacity_Weight Factor anfänglich Eins ist. Die Ah_Correction wird auf Grundlage der Differenz zwischen dem VSOC und dem ISOC eingestellt, während der Capacity_Weight_Factor auf der Differenz zwischen dem VSOC und dem RSOC basiert. Diese Einstellungen sind in den Abschnitten über VSOC und RSOC der vorliegenden Beschreibung diskutiert. Große Schwankungen innerhalb dieser Faktoren können dadurch vermieden werden, dass die zulässige Rate der Änderung für diese Faktoren begrenzt wird.

Auf Spannung basierendes SOC-Verfahren (VSOC-Verfahren) während der Entladung

Es ist gut bekannt, dass die Leerlaufspannung (OCV) einer Blei-Säure-Batterie von der Schwefelsäurekonzentration an den Elektrodenflächen abhängig ist, die mit dem SOC der Blei-Säure-Batterie korreliert. Jedoch ist die Korrelation des SOC mit der OCV abhängig von mehreren Faktoren, wie beispielsweise dem früheren Strom und der Zeit, zu der die OCV gemessen wurde. Bei einer HEV-Anwendung existieren kontinuierliche Regenerierungsereignisse, was die Korrelation weiter komplizieren kann. Das auf Spannung basierende SOC-Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in einem Flussdiagramm in Fig. 3 gezeigt.
Die VSOC-Berechnung wird unter bestimmten Umständen deaktiviert, wie beim Start des VSOC-Flussdiagrammes bei Block 202 gezeigt ist. Zunächst wird die VSOC-Messung für die vorliegende Erfindung unter Verwendung nur der Entladungsdaten bestimmt. Zur Ladung (d. h. I > 0) verlässt sich die vorliegende Erfindung bei Block 204 auf die ISOC-Berechnung, um den SOC des Batteriepaketes 16 zu bestimmen. Während der Ladung enthält der Modulwiderstand eine zusätzliche Komplexität in Verbindung mit den sekundären Gasungsreaktionen, die an den Elektroden stattfinden. Die Gasungspolarisierungen können wesentlich größer als die Aktivierungspolarisierung sein, insbesondere bei einem SOC > 60%. Daher sind die Gasungspolarisierungen bei der OCV- Rückberechnung schwierig zu berücksichtigen. Demgemäß verwendet der auf Spannung basierende SOC die Entladungsdaten und nicht die Regenerierungsdaten bei der VSOC-Bestimmung. Die SOC-Bestimmung des Batteriepaketes 16 verlässt sich bei Regenerierungsereignissen auf den ISOC. Niedrige Entladungsströme können insbesondere nach einem Regenerierungsereignis aufgrund ihrer niedrigen Polarisierungsspannungen ebenfalls zu einer unnormal hohen OCV rückgerechnet werden. Daher wird der VSOC für niedrige Entladungsströme, deren Größe kleiner als die C-Rate ist, nicht aktualisiert.
Der VSOC der vorliegenden Erfindung wird für das Batteriepaket 16 nach langen Ruhepausen, wenn die Schwefelsäure an der Elektrodenfläche im Gleichgewicht mit der Elektrolytmasse (bulk electrolyte) steht, bevorzugt nicht bestimmt. Die zusätzliche Polarisierung in Verbindung mit der Diffusion der Schwefelsäure zurück zu der Elektrodenfläche ergibt eine falsche niedrigere Ablesung des SOC. Der VSOC der vorliegenden Erfindung wird anfänglich bevorzugt deaktiviert, bis sich die Bedingungen an den Elektrodenflächen stabilisieren, was andauern kann, bis die Größe der Ah_Discharge größer als die BP_Capacity ist, wie auch bei Block 202 gezeigt ist. Die SOC-Bestimmung des Batteriepaketes 16 bei der vorliegenden Erfindung verlässt sich auf den ISOC, wenn der VSOC deaktiviert ist.
Der SOC des am schlechtesten arbeitenden Batteriemoduls in dem Batteriepaket 16 diktiert den SOC des Batteriepakets 16. Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird das schwächste Batteriemodul des Batteriepakets 16 bei Block 206 bestimmt. Demgemäß werden die Spannung und der entsprechende Strom des niedrigsten Moduls dazu verwenden, den VSOC zu bestimmen. Das niedrigste Modul wird durch Vergleich jeder Modulspannung mit einer berechneten normalisierten Modulspannung gewählt. Die normalisierte Modulspannung verwendet Werte einer Paketspannung und eines Paketstromes, die mit den zu bewertenden Modulspannungen synchronisiert sind. Die Gesamtbrückenwiderstände, Total_Strap_Resistance zwischen den Modulen in dem Batteriepaket werden auch gemessen. Die normalisierte Modulspannung Module_Voltage_Normalized und die Differenz der Modulspannung Module_Voltage_Delta für jedes Modul werden durch die folgenden Gleichungen berechnet:

Module_Voltage_Normalized = ((Pack_Voltage- (Total_Strap Resistance.Current))/Module_Number [15]

Module_Voltage_Delta = (Module_Voltage_Normalized- Module_Voltage [16]

wobei Module_Number die Gesamtzahl von Modulen in dem Batteriepaket 16 ist und Module_Voltage die Spannung für jedes separate Batteriemodul ist. Das Batteriemodul mit dem höchsten Module_Voltage_Delta wird als das niedrigste Modul gewählt. Dieses Modul wird dazu verwendet, den VSOC zu bestimmen. Die Strom-Spannungs-Daten für dieses Modul sind synchron.
Um den VSOC zu korrelieren, ist es bevorzugt, eine gemessene OCV nach einem Entladungspuls zu verwenden, dessen Größe größer als die C-Rate ist. Wenn die augenblickliche OCV während des Fahrzeugbetriebs verfügbar ist, wird diese aufgezeichnet (wie beispielsweise 0,2 Sekunden nach Entfernung der Stromlast gemessen), und das Verfahren der vorliegenden Erfindung fährt mit Block 212 fort, um das OCV-Übergangsverhalten zu berücksichtigen.
Jedoch befindet sich während des größten Teils des Fahrzeugbetriebs das Batteriepaket 16 gewöhnlich unter einer Last, so dass es schwierig ist, die OCV direkt zu messen. Glücklicherweise kann die OCV berechnet werden, wenn der Batteriemodulwiderstand bekannt ist:

V - OCV = I.Module_Resistance [17]
Da der Widerstand jedes Batteriemoduls Module Resistance von dem SOC, der Modultemperatur sowie dem Modulalter abhängig ist, wird der Batteriemodulwiderstand während des Fahrzeugbetriebs kontinuierlich aktualisiert, indem bei Block 208 Delta-V durch Delta-I in kurzen Zeitperioden (≤ 1 Sekunde, bevorzugt 0,2 Sekunden) unter Verwendung der folgenden Gleichung dividiert wird:
Der Module_Resistance ist ein Gesamtbatteriewiderstand, der mit den elektrochemischen Reaktionen in Verbindung steht, die an den positiven und negativen Platten auftreten, und der ohmsche Widerstände, Kristallisierungswiderstände, Aktivierungswiderstände (kinetische Widerstände) sowie Konzentrations-(Diffusions-)Widerstände umfasst. Die Gleichung 18 nimmt an, dass sich der Module_Resistance_i sowie die OCV innerhalb des Zeitintervalles t_i - t_{i - 1} nicht groß geändert haben. Dies trifft für sehr kurze Zeitperioden, wie beispielsweise 0,2 Sekunden, allgemein zu. Es ist wichtig, dass ein konsistentes Zeitintervall verwendet wird, um den Module_Resistance_i zu berechnen, da sich die Batteriespannung kontinuierlich mit der Zeit ändert.
Ferner wird der Module_Resistance_i für Entladeströme berechnet, deren Größe größer als die C-Rate ist. Der Modulwiderstand wird nicht aktualisiert, wenn die Stromdifferenz sehr klein ist (beispielsweise Delta-I < C/5), zum Beispiel niedrige Entladeströme sowie Ladeströme. In diesen Situationen sollte der vorhergehende Modulwiderstandswert verwendet werden. Um große Schwankungen zu verhindern, kann der resultierende Module_Resistance_i Wert gefiltert, allmählich geändert und zwischen seine Impedanz bei 100% SOC und bei 1000 Hz und das Fünffache des anfänglichen Wertes begrenzt werden.
Bei Block 210 wird die Leerlaufspannung OCV_Instant aus dem Module_Resistance_i unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

OCV_Instant = V_i - (I_i.Module_Resistance_i) [19]
Für ein Zeitintervall von 0,2 Sekunden wird, wenn der Module_Resistance_i gemessen ist, die Korrelation von OCV_Instant mit dem SOC abhängig von der Größe des vorhergehenden Entladestromes. Wenn zugelassen wird, dass sich die OCV Instant für eine längere Zeitdauer entspannen kann, wie beispielsweise für eine Minute, ist die SOC-OCV- Korrelation weniger abhängig von dem vorhergehenden Entladestrom. Das OCV-Übergangsverhalten kann für eine Zeitdauer von einer Minute oder länger nach unterschiedlichen Entladeströmen und SOC charakterisiert werden.
Wenn eine Stromlast entfernt wird, ändert sich der OCV-Wert logarithmisch mit der Zeit, nämlich:

OCT(t) = OCV_Transient_Slope.ln(t) + OCV_1s [20]

wobei t die Zeit in Sekunden ist und OCV_Transient_Slope und OCV_1s angepasste Parameter (fitted parameter) der gemessenen OCV sind, die gegen die Ruhezeit aufgetragen ist. Dieses Übergangsverhalten steht mit der Diffusion der Schwefelsäure zwischen die Elektrodenfläche und der Elektrolytmasse in Verbindung. Die OCV_Transient_Slope gibt die Richtung sowie die Rate an, mit der sich die OCV in ihren Wert im halbstabilen Zustand entspannt. Die Korrelationskoeffizienten aus diesen Kurvenermittlungen (curve fits) sind gewöhnlich größer als 0,98. Nach einem Entladeimpuls entspannt sich die OCV auf einen höheren Wert, so dass die Übergangssteigung positiv ist. Nach einem Ladepuls entspannt sich die OCV auf einen niedrigeren Wert, und die Übergangssteigung ist negativ. Block 212 enthält eine Nachschlagetabelle der vorbestimmten OCV_Transient_Slope-Werte als Funktionen sowohl des vorhergehenden Entladestromes als auch des SOC.
Gleichung 20 erlaubt, dass die OCV für einen beliebigen Zeitpunkt t₂ berechnet werden kann, sobald eine augenblickliche OCV bei t₁ gemessen oder berechnet ist, nämlich

OCV(t₂) = OCV(t₁) + OCV_Transient_Slope.ln(t₂/t₁) [21]

wobei beispielsweise t₁ = 0,2 s, wenn OCV Instant berechnet oder gemessen wird, und t₂ = 60s, wenn die Korrelation von SOC gegen OCV kalibriert ist.
Die OCV_Transient_Slope ist auch eine Funktion der Temperatur und kann durch den OCV_Transient_Slope_Temp_Factor temperaturkompensiert werden. Demgemäß kann die kompensierte Leerlaufspannungsübergangssteigung bestimmt werden durch die Formel:

OCV_Transient_Slope_Compensated = OCV_Transient_Slope_Temp_Factor. OCV_Transient_Slope_25C [22]
Sobald die OCV_Instant aus Gleichung [19] berechnet und die OCV_Transient_Slope_Compensated bestimmt ist, wird die OCV für die Zeitperiode (beispielsweise 60 Sekunden), die dazu verwendet wird, die Korrelation von SOC gegen OCV zu kalibrieren, bei Block 214 unter Verwendung der Gleichung berechnet:

OCV_60s = OCV_Instant + OCV_Transient_Slope_Compensated. ln(60/Instant_time) [23]
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist Instant_time 0,2 Sekunden und die Kalibrierungszeit beträgt 60 Sekunden.
Bei Block 216 wird die OCV_60s bezüglich der Spannungsverschiebung kompensiert, die durch Ladungs- oder Regenerierungsereignisse bewirkt wird. Während einer Ladung wird an der Elektrode Schwefelsäure erzeugt, wobei die lokale Konzentration der Schwefelsäure hoch ist, was zur Folge hat, dass die Spannung hoch ist, wenn die Entladung eingeleitet wird. Wenn die Schwefelsäure während der Entladung verbraucht wird, senkt sich die Spannung wieder zurück auf einen Punkt, bei dem sie bezüglich des SOC kalibriert werden kann (d. h. wenn -Ah_Discharge/Ah_Regen ≥ 1). Dieses Verhältnis Ah_Discharge/Ah_Regen wird jedes Mal aktualisiert, wenn eine Ladung erfolgt.
Für -Ah_Discharge/Ah_Regen < 1 wird die OCV_60s bezüglich der Regenerierungsverschiebung durch die Formel kompensiert:
wobei Ah_Discharge und Ah_Regen die Coulomb-Zählungen der derzeitigen Entladungs- und vorhergehenden Regenerierungsimpulse sind und Regen Shift negativ ist, um die OCV nach unten zu verschieben. Es sei angemerkt, dass keine Regen_Shift-Korrektur erfolgt, wenn -Ah_Discharge/Ah_Regen ≥ 1.
Es hat sich herausgestellt, dass Regen Shift abhängig von der Größe des vorhergehenden Regenerierungsstromes und dem SOC ist. Mit der Ausnahme von niedrigen und hohen SOCs ist die Regen Shift zwischen 20% und 80% des SOC-Bereiches ziemlich konstant, in dem der größte Teil des Hybridbatteriebetriebes stattfindet.
Wenn die OCV_60s Shifted über eine kurze Zeitperiode (wie beispielsweise eine bis fünf Minuten) erheblich schwankt, kann eine Glättungstechnik, wie beispielsweise eine Mittelung, dazu verwendet werden, eine OCV_60s_Shifted_Average zu erhalten.
Die Korrelation der OCV zu SOC kann aus OCV-Messungen folgend einem Bereich von Entladeimpulsen bei unterschiedlichen SOC vorbestimmt werden. Um den SOC während dieser Messungen beizubehalten, sollte jedem Entlade-/Ruhepuls ein äquivalenter Lade-/Ruhepuls folgen. Beispielsweise können bei jedem SOC Spannungsmessungen für Pulse von 10 Sekunden Entladung/60 Sekunden Ruhe/10 Sekunden Ladung/60 Sekunden Ruhe für Ströme im Bereich von der C-Rate bis zum Zehnfachen der C-Rate durchgeführt werden. Die 60-Sekunden- OCV, die den Entladungspulsen folgt, wird bezüglich des SOC korreliert, wodurch eine SOC-OCV-Kalibrierungskurve erzeugt wird, die als eine angepasste Gleichung (fitted equation) oder in einer Nachschlagetabelle beschrieben werden kann. Ein Satz von SOC-OCV-Kalibrierungskurven kann für eine Vielzahl von Zuständen vorbestimmt werden, die beispielsweise die Temperatur sowie die Batteriealterung umfassen.
Aufgrund des Spannungshystereseeffektes ist die Beziehung von SOC zu OCV abhängig davon, ob das Batteriepaket 16 in einem Ladungsverringerungs- oder Ladungserhöhungsmodus arbeitet. Um den Grad der Spannungshysterese festzusetzen, werden die SOC-OCV- Kalibrierungskurven separat für einen ladungsverringernden und ladungserhöhenden Betrieb bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt. Die Spannungsdifferenz zwischen den ladungsverringernden und ladungserhöhenden SOC-OCV-Kalibrierungskurven ist ziemlich konstant, so dass es praktischer sein kann, eine einzelne SOC-OCV- Kalibrierungskurve für jede Temperatur anstatt von zweien zu verwenden. Daher kann, wenn die ladungsverringernde SOC-OCV-Kalibrierungskurve gewählt wird, dann ein Offset dazu verwendet werden, ladungserhöhende Daten zu der ladungsverringernden Kalibrierungskurve zu verschieben.
Ein Hybrid_Current_Average wird bei Block 218 definiert, um die Betriebsart des Batteriebetriebes zu bestimmen. Dieser kann berechnet werden, indem die anwachsenden (Entladungs- und Ladungs-) Amperestunden durch die Zeit dividiert und dann in einem Zeitintervall, wie beispielsweise alle fünf Minuten, aktualisiert werden. Wenn der Hybrid_Current_Average Null ist, befindet sich das Batteriepaket 16 in einer die Ladung aufrecht erhaltenden Betriebsart. Wenn der Hybrid Current Average kleiner als Null ist, befindet sich das Batteriepaket 16 in einer ladungsverringerten Betriebsart, und wenn der Hybrid_Current_Average größer als Null ist, befindet sich das Batteriepaket 16 in einer ladungserhöhenden Betriebsart.
Demgemäß kann bei Block 220 für einen ladungserhöhenden Betrieb (d. h. Hybrid_Current_Average > 0) ein Ladungserhöhungsoffset, Charge Increasing Offset, eingeführt werden, um den OCV_60s_Shifted_Average von der ladungserhöhenden Kalibrierungskurve zu der ladungsverringernden Kalibrierungskurve unter Verwendung der folgenden Gleichung zu verschieben:

OCV_60s_Compensated = OCV_60s_Shifted_Average + Charge_Increasing_Offset [25]
Der Charge Increasing Offset ist für ladungsvermindernde oder ladungsbeibehaltende Daten Null (d. h. Hybrid Current Average ≤ 0). OCV_60s_compensated wird bezüglich des VSOC unter Verwendung der ladungsverringernden SOC-OCV-Kalibrierungskurve, die eine Funktion der Temperatur und der Batteriealterung darstellt, bei Block 222 korreliert.
Bei Block 224 werden der VSOC und der ISOC verglichen. Wenn der VSOC ähnlich dem ISOC ist, wird der SOC des Batteriepakets oder Pack_SOC bei Block 226 gleich dem VSOC gesetzt, der als der korrekte SOC für das Batteriepaket 16 verwendet wird. Wenn der VSOC und der ISOC nicht ähnlich sind, dann erfolgt bei Block 228 eine Korrektur für den ISOC-Wert unter Verwendung von Ah_Correction.
Die Ah_Correction basiert auf der Differenz zwischen dem VSOC und dem ISOC. Die anfängliche oder Standard-Ah_Correction = 0 und wird eingestellt durch:

Ah_Correction = (ISOC - VSOC).BP_Capacity_Compensated [26]

Auf einem Ruhezustand basierendes SOC-Verfahren (RSOC-Verfahren) basierend auf einer gemessenen OCV

Der SOC kann eingestellt werden, wenn die Möglichkeit besteht, eine echte OCV zu messen: Fig. 4 ist ein Flussdiagramm des auf einem Ruhezustand basierenden SOC-Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Bei Block 302 wird, wenn das Fahrzeug 14 angeschaltet ist, dann der ISOC und der VSOC bei Block 304 bestimmt, wie vorher beschrieben wurde, und das RSOC-Verfahren wird nicht ausgeführt. Wenn das Fahrzeug 14 abgeschaltet ist, dann wird an dem Ende des Fahrzeugbetriebs bei Block 306 das Steuermodul die OCV des niedrigsten Moduls bei 60 Sekunden, OCV_60s Rest, nach dem letzten Stromimpuls (bevorzugt Entladung) aufzeichnen. Ein großer Entladepuls (> C-Rate) ergibt eine relativ bessere SOC-Korrelation als ein Ladestrom. Ähnlich dem VSOC- Verfahren oben kann es erforderlich sein, die OCV_60s Rest basierend auf dem letzten Verhältnis -Ah_Discharge/Ah_Regen (< Eins) zu verschieben. Bei Block 308 wird der OCV-Ruhe-Wert OCV_60s_Rest_Shifted unter Verwendung der folgenden Gleichung verschoben:
Es ist kein Regen_Shift erforderlich, wenn -Ah_Discharge/Ah_Regen ≥ Eins.
Bei der Verwendung des vorhergehenden Hybrid_Current_Average wird, um bei Block 310 zu bestimmen, ob das Batteriepaket 16 ladungsvermindernd oder ladungssteigernd ist, die OCV_60 s_Rest Compensated bei Block 312 basierend auf der folgenden Gleichung bestimmt:

OCV_60s_Rest_Compensated = OCV_60s_Rest_Shifted + Charge_Increasing_Offset [28]

wobei Charge_Increasing_Offset für einen ladungsvermindernden oder ladungsbeibehaltenden Betrieb Null ist. Bei Block 314 wird der RSOC durch Verwendung der OCV_60s_Rest_Compensated basierend auf der SOC_OCV-Kalibrierungskurve abhängig von der Temperatur sowie der Batteriealterung bestimmt.
Bei Block 316 wird der RSOC mit dem VSOC verglichen. Wenn diese ähnlich sind, dann wird der SOC des Batteriepaketes 16 bei Block 318 auf den RSOC gesetzt. Wenn sie jedoch nicht ähnlich sind, dann wird der Capacity_Weight_Factor (Bereich = 0,2-1,2) basierend auf der Differenz zwischen dem VSOC und dem RSOC bestimmt. Der anfängliche oder Standard-Capacity_Weight_Factor = 1,0 und wird bei Block 320 in Fig. 4 eingestellt durch:
Während des Fahrzeugbetriebs verlässt sich der SOC-Algorithmus hauptsächlich auf den VSOC als den Pack_SOC. Bei der ISOC- Berechnung existieren zwei Fehlerquellen in den Ah_Compensated- und BP_Capacity_Compensated-Werten. Die SOC-Strategie umfasst Einstellungen bezüglich Ah_Correction und/oder Capacity_Weight_Factor, um Unterschiede bei den SOCs anzupassen, die durch die drei Verfahren bestimmt sind. Unter bestimmten Umständen ist jedoch der VSOC nicht gültig.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass für niedrige Entladeströme, alle Ladeströme und nach langen Ruhepausen gilt:

Pack_SOC = ISOC [30]
Für große Entladeströme größer als die C-Rate gilt:

Pack_SOC = VSOC [31]
Wenn vor dem Ende des Fahrzeugbetriebs ein großer Entladepuls erfolgt, gilt:

Pack_SOC = RSOC [32]
Grundsätzlich ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladungszustandes einer Blei-Säure-Batterie offenbart. Die vorliegende Erfindung umfasst die Schritte, dass ein strombasierter Ladungszustand bestimmt wird, während Faktoren, wie beispielsweise Strom, Temperatur, Ladewirkungsgrad, parasitäre Verluste und Selbstentladung berücksichtigt werden. Die vorliegende Erfindung ist dazu in der Lage, die Leerlaufspannung während und nach einem Betrieb zu messen und/oder zu berechnen, um einen spannungsbasierten Ladungszustand zu bestimmen, während die Leerlaufspannung bezüglich ihres Übergangsverhaltens kompensiert wird, und die Spannungsverschiebung zu berücksichtigen, die durch Ladungsereignisse bewirkt wird. Die Korrelation der Leerlaufspannung zu dem Ladungszustand ist abhängig von der Betriebsart der Batterie. Die vorliegende Erfindung passt eine Batteriealterung durch Aktualisierung des Batteriewiderstandes, Korrektur von Coulomb- Fehlern sowie Berücksichtigung einer Verschlechterung der Kapazität im Betrieb an.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustandes einer Batterie, mit den Schritten, dass:
die in die Batterie hinein- und herausgehende Ladung integriert wird, um eine auf Strom basierende Ladungszustandsmessung zu bestimmen;
die auf Strom basierende Ladungszustandsmessung unter Verwendung eines Peukert-Faktors kompensiert wird; und
die Leerlaufspannung gemessen wird, um eine auf Spannung basierende Ladungszustandsmessung zu bestimmen; und
die auf Strom basierende Ladungszustandsmessung basierend auf der auf Spannung basierenden Ladungszustandsmessung kompensiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Batterie eine Blei-Säure- Batterie ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Peukert-Faktor unter Verwendung des durchschnittlichen Entladestromes der Batterie bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, dass parasitäre Verluste für die Batterie bestimmt werden und die auf Strom basierende Ladungszustandsmessung basierend auf den parasitären Verlusten kompensiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, dass die Selbstentladung der Batterie bestimmt wird, und die auf Strom basierende Ladungszustandsmessung basierend auf der Selbstentladung der Batterie kompensiert wird.

6. Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustandes einer Blei-Säure- Batterie mit den Schritten, dass:
Coulomb-Ladungen, die die Batterie laden und entladen, integriert werden, um eine erste Ladungszustandsmessung zu bestimmen;
die erste Ladungszustandsmessung unter Verwendung eines Peukert-Faktors eingestellt wird;
die Leerlaufspannung gemessen wird, um eine zweite Ladungszustandsmessung zu bestimmen;
der Betrieb der Batterie bestimmt wird und die erste Ladungszustandsmessung oder die zweite Ladungszustandsmessung basierend auf dem Betrieb der Batterie als die aktuelle Ladungszustandsmessung verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt, dass die erste Ladungszustandsmessung bezüglich Temperatureffekten kompensiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt, dass die erste Ladungszustandsmessung basierend auf Änderungen des Ladewirkungsgrades kompensiert wird, die durch eine Regenerierung der Blei-Säure-Batterie bewirkt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt, dass die erste Ladungszustandsmessung durch Vergleich der ersten Ladungszustandsmessung mit der zweiten Ladungszustandsmessung kompensiert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt, dass die erste Ladungszustandsmessung basierend auf einer Verschlechterung der Batteriekapazität kompensiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, ferner mit dem Schritt, dass die Leerlaufspannung dem zweiten Ladungszustand zugeordnet wird.

12. Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustandes einer Blei-Säure- Batterie, die in einem Fahrzeug arbeitet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass:
ein Strom, der die Batterie lädt und entlädt, integriert wird, um eine erste Ladungszustandsmessung zu bestimmen;
die erste Ladungszustandsmessung unter Verwendung einer Peukert-Beziehung eingestellt wird;
eine Leerlaufspannung gemessen wird, um eine zweite Ladungszustandsmessung durch Verwendung eines Satzes von Datenpunkten zu bestimmen, die die Leerlaufspannung zu einem Ladungszustand für die Batterie zuordnen; und
bestimmt wird, welche aus erster Ladungszustandsmessung oder zweiter Ladungszustandsmessung den tatsächlichen Ladungszustand der Batterie genauer repräsentiert.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Fahrzeug ein Hybridelektrofahrzeug ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fahrzeug ein Elektrofahrzeug ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt, dass die zweite Ladungszustandsmessung bei Entladungsbedingungen für die Batterie bestimmt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt, dass die zweite Ladungszustandsmessung basierend auf Spannungsverschiebungen nach einem Laden der Batterie kompensiert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt, dass die zweite Ladungszustandsmessung basierend auf Änderungen des Batteriewiderstandes kompensiert wird.