DE10357984B4

DE10357984B4 - Verfahren zur Bestimmung einer stationären Batterie-Klemmenspannung

Info

Publication number: DE10357984B4
Application number: DE10357984A
Authority: DE
Inventors: Jae Seung Hwaseong Koo
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: CN1581564A; DE10357984A1; JP3876252B2; CN1276264C; KR100494947B1; US7078878B2; KR20050015767A; JP2005055420A; US20050030041A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung mit folgenden Schritten:
Bestimmen von äquivalenten Ladungswiderstandsdaten bei vorbestimmen Batterie-Temperaturen und bei vorbestimmten Ladungszuständen (SOCs) für vorbestimmte Ladungsstrombereiche;
Bestimmen von effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und bei vorbestimmten SOCs für vorbestimmte Ladungsstrombereiche auf der Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten;
Berechnen eines äquivalenten Ladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Ladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten;
Berechnen einer effektiven Leerlauf-Ladungsspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten; und
Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage des berechneten äquivalenten Ladungswiderstandes und der berechneten effektiven Leerlauf-Ladungsspannung.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung einer stationären Batterie-Klemmenspannung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die DE 101 61 640 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung des Betriebszustandes einer Speicherbatterie bei angenommenen Temperatur- und Ladezustandsbedingungen. Hierzu werden Temperatur- und Ladezustandsabhängige Kennlinienfelder für Daten eine den Zustand einer Batterie kennzeichnenden Größe ermittelt. Die den Zustand der Batterie kennzeichnende Größe betrifft insbesondere den Innenwiderstand der Batterie. Die Kennlinienfelder dienen dazu aus voneinander abhängigen und miteinander korrelierenden Werten wie dem Innenwiderstand, dem Ladezustand und der Temperatur zu bestimmen, ob die Batterie in der Lage ist einen Verbrennungsmotor zu starten.

Die DE 69030063 lehrt, dass die Leerlaufspannung unter gleichen Bedingungen (Temperatur, Ladezustand) vom Ladestrom unabhängig ist und darüber hinaus, dass sich die Leerlaufspannung in Abhängigkeit von einer Temperatur und dem Ladezustand der Batterie ändert und somit für verschiedene Temperaturen und Ladezustände entsprechende Kennlinien einzusetzen sind.

Durch zwei unterschiedliche Spannungsabgriffe kann der Innenwiderstand der Batterie bestimmt werden und basierend auf dem Innenwiderstand und einem Ersatschaltbild die Leerlaufspannung der Batterie ermittelt werden.

Ein hybrides elektrisches Fahrzeug kann die Energie-Effizienz einer Maschine eines Fahrzeuges verbessern und die Menge an ausgestoßenen Emissionen der Maschine verringern. Das hybride elektrische Fahrzeug regeneriert elektrische Energie unter Verwendung von fahrzeugkinetischer Energie, während das Fahrzeug abgebremst wird.

Eine Batterie ist ein wichtiger Bestandteil eines hybriden elektrischen Fahrzeuges. Die Batterie liefert Leistung und speichert verbleibende Leistung.

Jedoch variiert die verfügbare Leistung der Batterie gemäß der Betriebstemperatur, einem Ladungszustand (SOC), der Alterung, oder dergleichen, so daß es schwer ist, die Batterie für das hybride elektrische Fahrzeug zu verwenden.

Eine Klemmenspannung der Batterie erhöht sich, wenn die Batterie aufgeladen wird und erniedrigt sich, wenn die Batterie sich entlädt. Zusätzlich ändert sich die Klemmenspannung der Batterie auch gemäß der Ladungs-/Entladungslast, so daß es ziemlich schwer ist, Charakteristiken der Batterie-Klemmenspannung zu entwerfen.

Eine Batteriezellen-Klemmenspannung U_cell einer Batteriezelle nach 1 kann gemäß der folgenden Gleichung 1 erhalten werden. [Gleichung 1]

wobei U_ocv eine Leerlaufspannung (oder eine Batterie-Spannung eines geöffneten Schaltkreises), U_c eine Spannungsveränderung aufgrund der Lastvorgeschichte, C eine Kapazität, I_avg ein Durchschnittsstrom, U_d ein Spannungsabfall aufgrund von Dipolen (chemische Aktivität) auf der reaktiven Oberfläche, R_a ein elektrolytischer Widerstand, R_C ein Leitungswiderstand, T_BAT eine Batterie-Temperatur bezeichnen. Der elektrolytische Widerstand ändert sich gemäß einem SOC, einer Batterie-Temperatur und der Alterung der Batterie, und der Leitungswiderstand ändert sich entsprechend der
Alterung der Batterie.

In 2 ist ein elektrischer Schaltkreis dargestellt, welcher äquivalent zu der Batteriezelle aus 1 ist.

Eine Klemmenspannung V_t kann gemäß der folgenden Gleichung 2 erhalten werden. [Gleichung 2]

wobei V_OC eine effektive Leerlaufspannung, I_t einen Ladungs-(oder Entladungs-)Strom, R_h einen Momentanwiderstand, R_d einen verzögerten Widerstand und C_P eine parallele Kapazität bezeichnen.

Ein Leitungswiderstand entsprechend einer positiven Klemme, einer negativen Klemme und einem Stromkollektor wird als Momentanwiderstand bezeichnet. Der elektrolytische Widerstand wird durch das Bezugszeichen C_P bezeichnet.

Jedoch ist es erforderlich, um die Batterie-Spannung unter Verwendung eines Batterie-Äquivalenzmodels bzw. -Ersatzmodells zu berechnen, welches als eine Funktion der Zeit dargestellt wird, einen exakten Kapazitätswert zu wissen, jedoch ist es nicht einfach, einen Kapazitätswert zu wissen, welcher sich entsprechend den Lastzuständen und den Betriebszuständen ändert.

Die in diesem Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" beschriebenen Informationen dienen lediglich einer Verbesserung des Verständnisses des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung und sollten nicht als Wissen oder als jegliche Form einer Annahme angesehen werden, daß diese Informationen den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann auf diesem Gebiet bereits bekannt ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Berechnen einer stationären Batterie-Klemmenspannung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung folgende Schritte auf:
Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung mit folgenden Schritten: Bestimmen von äquivalenten Ladungswiderstandsdaten bei vorbestimmen Batterie-Temperaturen und bei vorbestimmten Ladungszuständen (SOCs) für vorbestimmte Ladungsstrombereiche; Bestimmen von effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und bei vorbestimmten SOCs für vorbestimmte Ladungsstrombereiche auf der Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten; Berechnen eines äquivalenten Ladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Ladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten; Berechnen einer effektiven Leerlauf-Ladungsspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten; und Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage des berechneten äquivalenten Ladungswiderstandes und der berechneten effektiven Leerlauf-Ladungsspannung.

Es ist bevorzugt, daß das Bestimmen der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten die folgenden Schritte aufweist: Erfassen von ersten Batterie-Klemmenspannungen an jedem der vorbestimmten SOCs während dem Aufladen einer Batterie an jeder der vorbestimmten Batterie-Temperaturen mit ersten konstanten Ladungsströmen, welche jedem der vorbestimmten Ladungsstrombereiche zugeordnet sind; Erfassen von zweiten Batterie-Klemmenspannungen an jedem der vorbestimmten SOCs während dem Aufladen der Batterie an jeder der vorbestimmten Batterie-Temperaturen mit zweiten konstanten Ladungsströmen, welche jedem der vorbestimmten Ladungsstrombereiche zugeordnet sind; und Bestimmen der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten an den vorbestimmten Batterie- Temperaturen und den vorbestimmten SOCs für jeden der vorbestimmten Ladungsstrombereiche auf Grundlage der ersten konstanten Ladungsströme, der ersten Batterie-Klemmenspannungen, der zweiten konstanten Ladungsströme und der zweiten Batterie-Klemmenspannungen.

Bevorzugterweise werden die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten R_{cha_e_data} durch folgende Gleichung berechnet:

wobei I₁ den ersten konstanten Ladungsstrom, I₂ den zweiten konstanten Ladungsstrom, V₁ die erste Batterie-Klemmenspannung und V₂ die zweite Batterie-Klemmenspannung bezeichnen.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten V_{cha_oc_data} durch eine der folgenden Gleichungen berechnet werden: Vcha_oc_data = V2 + I2 × Rcha_e_data@SOC;und Vcha_oc_data = V1 + I1 × Rcha_e_data@SOC.

Es ist bevorzugt, daß bei der Berechnung eines äquivalenten Ladungswiderstandes der äquivalente Ladungswiderstand bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten für den vorbestimmten Ladungsstrombereich berechnet werden, welchem der gegenwärtige Ladungsstrom zugeordnet ist.

Es ist weiterhin bevorzugt, daß bei der Berechnung eines äquivalenten Ladungswiderstandes der äquivalente Ladungswiderstand durch Interpolation berechnet wird.

Vorzugsweise werden bei der Berechnung einer effektiven Leerlauf-Ladungsspannung die effektive Leerlauf-Ladungsspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für den vorbestimmten Ladungsstrombereich berechnet, welchem der gegenwärtige Ladungsstrom zugeordnet ist.

Weiterhin bevorzugt, wird bei der Berechnung einer effektiven Leerlauf-Ladungsspannung die effektive Leerlauf-Ladungsspannung durch Interpolation berechnet.

Es ist bevorzugt, daß bei der Berechnung einer stationären Batterie-Klemmenspannung V_{cha_t} die stationäre Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC durch folgende Gleichung berechnet wird: Vcha_t = Vcha_oc – Icha_t × Rcha_e wobei V_{cha_oc} die effektive Leerlauf-Ladungsspannung, I_{cha_t} den gegenwärtigen Ladungsstrom und R_{cha_e} den äquivalenten Ladungswiderstand bezeichnen.

Es ist bevorzugt, daß die vorbestimmten Ladungsstrombereiche einen Bereich, in dem ein Ladungsstrom geringer ist als 1C, einen Bereich, in dem der Ladungsstrom zwischen 1C und 5C liegt, und einen Bereich aufweisen, in dem die Ladungsspannung größer ist als 5C.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung die folgenden Schritte: Berechnen eines äquivalenten Ladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Ladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einem gegenwärtigen Ladungszustand (SOC) auf Grundlage von vorbestimmten äquivalenten Ladungswiderstandsdaten, welche bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und vorbestimmten SOCs für die vorbestimmten Ladungsstrombereiche bestimmt werden; Berechnen einer effektiven Leerlauf-Ladungsspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage von vorbestimmten effektiven Leerlauf Ladungsspannungsdaten, welche an den vorbestimmten Batterie-Temperaturen und den vorbestimmten SOCs für die vorbestimmten Ladungsstrombereiche bestimmt werden; und Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Spannung und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage des berechneten äquivalenten Ladungswiderstandes und der berechneten effeqktiven Leerlauf-Ladungsspannung.

Es ist bevorzugt, dass bei der Berechnung eines äquivalenten Ladungswiderstandes der äquivalente Ladungswiderstand auf Grundlage der gegenwärtigen Batterie-Temperatur, des gegenwärtigen SOC und der gegenwärtigen Ladungswiderstandsdaten für den vorbestimmten Ladungsbereich berechnet werden, welchem der gegenwärtige Ladungsstrom zugeordnet ist.

Vorzugsweise wird bei der Berechnung einer stationären Batterie-Klemmenspannung die stationäre Batterie-Klemmenspannung durch folgende Gleichung berechnet: Vcha_t = Vcha_oc – Icha_t × Rcha_e wobei V_{cha_oc} die effektive Leerlauf-Ladungsspannung, I_{cha_t} den gegenwärtigen Ladungsstrom und R_{cha_e} den äquivalenten Ladungswiderstand bezeichnen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung die folgenden Schritte: Bestimmen von äquivalenten Entladungswiderstandsdaten bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und vorbestimmten Entladungstiefen (DODs) für vorbestimmte Entladungsstrombereiche; Bestimmen von effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und vorbestimmten DODs für die vorbestimmten Entladungsstrombereiche auf Grundlage der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten; Berechnen eines äquivalenten Entladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Entladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einer gegenwärtigen DOD auf Grundlage der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten; Berechnen einer effektiven Leerlauf-Entladungsspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Entladungsspannungdaten; und Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage des berechneten äquivalenten Entladungswiderstandes und der berechneten effektiven Leerlauf-Entladungsspannung.

Es ist bevorzugt, dass das Bestimmen von äquivalenten Entladungswiderstandsdaten folgende Schritte umfasst: Erfassen von ersten Batterie-Klemmenspannungen bei jeder der vorbestimmten DODs während der Entladung einer Batterie an jeder der vorbestimmten Batterie-Temperaturen mit ersten konstanten Entladungströmen, welche jedem der vorbestimmten Entladungsstrombereiche zugeordnet sind; Erfassen von zweiten Batterie-Klemmenspannungen bei jeder der vorbestimmten DODs während einer Entladung der Batterie bei jeder der vorbestimmten Batterie-Temperaturen mit zweiten konstanten Entladungsströmen, welche jedem der vorbestimmten Entladungsstrombereiche zugeordnet sind; und Bestimmen von äquivalenten Entladungswiderstandsdaten bei den vorbestimmten Batterie-Temperaturen und den vorbestimmten DODs für jeden der vorbestimmten Entladungsstrombereiche auf Grundlage der ersten konstanten Entladungsströme, der ersten Batterie-Klemmenspannungen, der zweiten konstanten Entladungsströme und der zweiten Batterie-Klemmenspannungen.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten R_{dch_e_data} durch die folgende Gleichung berechnet werden:

wobei I₁ den ersten konstanten Entladungsstrom, I₂ den zweiten konstanten Entladungsstrom, V₁ die erste Batterie-Klemmenspannung und V₂ die zweite Batterie-Klemmenspannung bezeichnen.

Es ist noch weiter bevorzugt, dass die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten V_{dch_oc_data} durch eine der folgenden Gleichungen berechnet werden: Vdch_oc_data = V2 + I2 × Rdch_e_data@DOD;und Vdch_oc_data = V1 + I1 × Rdch_e_data@DOD.

Vorzugsweise werden bei der Berechnung eines äquivalenten Entladungswiderstandes der äquivalente Entladungswiderstand bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten für den vorbestimmten Entladungsstrombereich berechnet, welchem der gegenwärtige Entladungsstrom zugeordnet ist.

Vorzugsweise werden bei der Berechnung einer effektiven Leerlauf-Entladungsspannung die effektive Leerlauf-Entladungsspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten für den vorbestimmten Entladungsstrombereich berechnet, welchem der gegenwärtige Entladungsstrom zugeordnet ist.

Es ist bevorzugt, dass bei der Berechnung einer stationären Batterie-Klemmenspannung v_{dch_t} die stationäre Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD durch folgende Gleichung berechnet wird: Vdch_t = Vdch_oc – Idch_t × Rdch_e wobei V_{dch_oc} die effektive Leerlauf-Entladungsspannung, I_{dch_t} den gegenwärtigen Entladungsstrom und Rache den äquivalenten Entladungswiderstand bezeichnen.

Es ist bevorzugt, dass die vorbestimmten Entladungsstrombereiche einen Bereich, in dem ein Entladungsstrom kleiner ist als 1C, einen Bereich, in dem der Entladungsstrom zwischen 1C und 5C liegt, und einen Bereich aufweisen, in dem der Ladungsstrom größer ist als 5C.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung die folgenden Schritte: Berechnen eines äquivalenten Entladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Entladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einer gegenwärtigen Entladungstiefe (DOD) auf Grundlage von vorbestimmten äquivalenten Entladungswiderstandsdaten, welche bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und vorbestimmten DODs für vorbestimmte Entladungsstrombereiche bestimmt werden; Berechnen einer effektiven Leerlauf-Entladungsspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage von vorbestimmten effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten, welche bei den vorbestimmten Batterie-Temperaturen und den vorbestimmten DODs für die vorbestimmten Entladungsstrombereiche bestimmt werden; und Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage des berechneten äquivalenten Entladungswiderstandes und der berechneten effektiven Leerlauf-Entladungsspannung.

Bevorzugterweise wird bei der Berechnung eines äquivalenten Entladungswiderstandes der äquivalente Entladungswiderstand auf Grundlage der gegenwärtigen Batterie-Temperatur, der gegenwärtigen DOD und der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten für den vorbestimmten Ladungsbereich berechnet, welchem der gegenwärtige Entladungsstrom zugeordnet ist.

Es ist bevorzugt, dass bei der Berechnung einer effektiven Leerlauf-Entladungsspannung die effektive Leerlauf-Entladungsspannung auf Grundlage der gegenwärtigen Batte rie-Temperatur, der gegenwärtigen DOD und der äquivalenten Leerlauf-Entladungsspannungsdaten für den vorbestimmten Entladungsstrombereich berechnet wird, welchem der gegenwärtige Entladungsstrom zugeordnet ist.

Es ist noch weiterhin bevorzugt, dass bei der Berechnung einer stationären Batterie-Klemmenspannung die stationäre Batterie-Klemmenspannung durch folgende Gleichung berechnet wird: Vdch_t = Vdch_oc – Idch_t × Rdch_e wobei V_{dch_oc} die effektive Leerlauf-Entladungsspannung, I_{dch_t} den augenblicklichen Entladungsstrom und Rache den äquivalenten Entladungswiderstand bezeichnen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, welche in die Beschreibung integriert sind und einen Teil der Beschreibung bilden, illustrieren Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung einer Erläuterung der Prinzipien der Erfindung:
1 zeigt eine Batterie;
2 zeigt einen äquivalenten elektrischen Schaltkreis für die Batterie aus 1;
3 zeigt einen äquivalenten elektrischen Schaltkreis der Batterie aus 1 in einem stationären Zustand;
4 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen von äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und von effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten in dem Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen von äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und von effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten in dem Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung, während eine Batterie geladen wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung, während eine Batterie entladen wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 bis 15 zeigen die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und die effektive Leerlauf-Ladungsspannung;
16 bis 23 zeigen die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektive Leerlauf-Entladungsspannung;
24 bis 26 zeigen die stationären Batterie-Klemmenspannungen, während eine Batterie geladen wird;
27 bis 29 zeigen stationäre Batterie-Klemmenspannungen, während eine Batterie entladen wird;
30 zeigt stationäre Batterie-Klemmenspannungen unter Bezugnahme auf Änderungen einer Batterie-Temperatur, während eine Batterie geladen wird; und
31 zeigt stationäre Batterie-Klemmenspannungen unter Bezugnahme auf Änderungen einer Batterie-Temperatur während eine Batterie entladen wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Ein Verfahren zum Berechnen einer stationären Batterie-Klemmenspannung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet einen äquivalenten Schaltkreis bzw. einen Ersatzschaltkreis einer stationären Batterie, wie in 3 dargestellt ist.
Die stationäre Batterie-Klemmenspannung V_t kann durch folgende Gleichung 3 berechnet werden. Vt = VOC – It × Re [Gleichung 3]wobei V_OC eine effektive Leerlauf-Ladungsspannung (oder eine effektive Leerlauf-Entladungsspannung), I_t einen Ladungsstrom (oder einen Entladungsstrom), und R_e einen äquivalenten Ladungswiderstand (oder einen äquivalenten Entladungswiderstand) bezeichnen.
Das heißt, die Gleichung 3 kann wie folgt ausgedrückt werden, wenn die Batterie geladen wird: Vcha_t = Vcha_oc – Icha_t × Rcha_e wobei V_{cha_t} die stationäre Batterie-Klemmenspannung, V_{cha_oc} die effektive Leerlauf-Ladungsspannung, I_{cha_t} die ge genwärtige Ladungspannung, und R_{cha_e} den äquivalenten Ladungswiderstand bezeichnen.
Gleichsam kann die Gleichung 3 wie folgt ausgedrückt werden, wenn die Batterie entladen wird: Vdch_t = Vdch_oc – Idch_t × Rdch_e [Gleichung 3] wobei V_{dch_t} die stationäre Batterie-Klemmenspannung, V_{dch_oc} die effektive Leerlauf-Entladungsspannung, I_{dch_t} den gegenwärtigen Entladungsstrom, und Rache den äquivalenten Entladungswiderstand bezeichnen.
Ein Widerstand der Batterie besteht aus einem Leitungswiderstand entsprechend einer positiven Klemme, einer negativen Klemme und einem Stromkollektor, und aus einem elektrochemischen Widerstand entsprechend einer chemischen Reaktion gemäß einem Ladungszustand (SOC) oder einer Entladungstiefe (DOD) und einem Elektrolyt. Der elektrochemische Widerstand weist einen spezifischen Wert entsprechend dem SOC (oder der DOD) und eine Reaktionstemperatur (beispielsweise eine Batterie-Temperatur) auf.
In dem Verfahren zum Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden die Batterie-Klemmenspannungen bei vorbestimmten SOCs während dem Aufladen (oder dem Entladen) der Batterie mit unterschiedlichen konstanten Strömen bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen erfaßt. Danach wird der stationäre äquivalente Ladungswiderstand (oder der stationäre äquivalente Entladungswiderstand) auf Grundlage des konstanten Stromwertes und der Klemmenspannung berechnet.
Ferner wird in dem Verfahren zum Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine effektive Leerlauf-Ladungsspannung (oder eine effektive Leerlauf-Entladungsspannung) auf Grundlage des äquivalenten Ladungswiderstandes (oder des äquivalenten Entladungsstromes) und einer theoretischen Spannungs-Strom-Gleichung berechnet.
In dem Verfahren zum Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die stationäre Batterie-Klemmenspannung unter Verwendung von äquivalenten Ladungswiderstandsdaten (oder eines äquivalenten Entladungswiderstandes) berechnet, welche äquivalente Ladungswiderstände (oder äquivalente Entladungswiderstände) umfassen, welche durch das oben beschriebene Verfahren bestimmt werden, und unter Verwendung von effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten (oder effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten), welche effektive Leerlauf-Ladungsspannungen (oder effektive Leerlauf-Entladungsspannungen) umfassen, welche durch das oben beschriebene Verfahren bestimmt werden.
Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Verfahren zum Bestimmen der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und der effektiven Leerlauf-Ladungsspannung erläutert.
Zuerst wird im Schritt S401 eine Batterie-Nennkapazität AH durch einen Nennkapazitätstest der Batterie 11 bestimmt.
Eine Batterie-Temperatur wird auf einer vorbestimmten Temperatur (Schritt S403) gehalten.
Die Batterie-Charakteristika ändern sich entsprechend der Batterie-Temperatur, so daß es bevorzugt ist, daß die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für wenigstens zwei Batterie-Temperaturen bestimmt werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen die vorbestimmten Batterie-Temperaturen 0°C, 25°C und 40°C. Die vorbestimmte Batterie-Temperatur kann entsprechend einer Art einer Batterie geändert werden.
Es wird bevorzugt, daß die vorbestimmte Batterie-Temperatur ausgewählt wird, um Fehler bei einer Nicht-Linearität der Charakteristika von elektrochemischen Reaktionen der Batterie gemäß der Batterie-Temperatur zu minimieren.
Außerdem ändert sich der äquivalente Ladungswiderstand entsprechend einem Niveau eines Ladungsstromes, so daß es bevorzugt wird, daß die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten für wenigstens zwei vorbestimmte Ladungsstrombereiche bestimmt werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die vorbestimmten Ladungsstrombereiche drei Bereiche auf. Das heißt, die vorbestimmten Ladungsstrombereiche weisen einen Bereich, in welchem der Ladungsstrom kleiner ist als 1C, einen Bereich, in welchem der Ladungsstrom zwischen 1C und 5C liegt, und einen Bereich auf, in welchem der Ladungsstrom größer als 5C ist. Jedoch weisen für den Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 0°C ist, die vorbestimmten Ladungsstrombereiche einen Bereich, in welchem der Ladungsstrom kleiner als 1C ist, und einen Bereich auf, in welchem der Ladungsstrom gleich oder größer als 1C ist.
Jedoch kann der vorbestimmte Ladungsstrombereich entsprechend der spezifischen Batterie-Charakteristika geändert werden.
Es wird bevorzugt, daß die Ladungsstrombereiche zum Minimieren von Fehlern bei einer Nicht-Linearität der elektrochemischen Reaktion der Batterie bestimmt werden.
1C zeigt eine Menge eines Stromes an, welcher zu der Nennkapazität der Batterie innerhalb einer Stunde fließt oder von dieser abfließt.
Im Schritt S405 wird die Batterie 11 in einem Zustand, in welchem die Batterie-Temperatur auf der vorbestimmten Temperatur gehalten wird, durch einen ersten konstanten Strom I₁ aufgeladen, welcher dem vorbestimmten Ladungsstrombereich zugeordnet ist.
Während die Batterie 11 durch den ersten konstanten Strom aufgeladen wird, werden erste Batterie-Klemmenspannungen V₁ bei vorbestimmten Ladungszuständen (SOCs) im Schritt S407 erfaßt. Beispielsweise wird die Batterie-Klemmenspannung erfaßt, wenn der SOC 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% und 90% beträgt.
Im Schritt S409 wird die Batterie, während die Batterie-Temperatur auf der vorbestimmten Temperatur aufrechterhalten wird, durch einen zweiten konstanten Strom I₂ aufgeladen, welcher zu dem vorbestimmten Ladungsstrombereich gehört.
Danach werden in dem Schritt S411 zweite Batterie-Klemmenspannungen an vorbestimmten SOCs erfaßt, während die Batterie 11 durch den zweiten konstanten Strom aufgeladen wird.
Danach werden im Schritt S413 die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten auf Grundlage der ersten Batterie-Klemmenspannungen und der zweiten Batterie-Klemmenspannungen bestimmt.
Die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten R_{cha_e_data} umfassen äquivalente Ladungswiderstände, welche für jeden der vorbestimmten SOCs berechnet werden, und diese können durch die folgende Gleichung 4 bestimmt werden. [Gleichung 4]
wobei "@SOC" bedeutet, daß der äquivalente Ladungswiderstand an jedem der SOC-Niveaus berechnet wird.
Danach werden in einem Schritt S415 die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten auf Grundlage der bestimmten äquivalenten Ladungswiderstandsdaten berechnet.
Die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten U_{cha_oc_data} umfassen die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungen, welche an jedem der SOC-Niveaus berechnet werden, und diese können durch die folgende Gleichung 5 berechnet werden. Vcha_oc_data – V2 + I2 × Rcha_e_data@SOC, oder Vcha_oc_data – V1 + I1 × Rcha_e_data@SOC, [Gleichung 5]wobei "@SOC" bedeutet, daß die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungen an jedem der SOC-Niveaus berechnet werden.
Falls die Schritte S405 bis S415 wiederholend unter Verwendung konstanter Ströme durchgeführt werden, welche zu jedem der Ladungsstrombereiche gehören, während die Batterie-Temperatur auf der vorbestimmten Temperatur aufrechterhalten wird, werden die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für die vorbestimmte Batterie-Temperatur berechnet.
Ferner, falls die Schritte S403 bis S415 für jede der vorbestimmten Batterie-Temperaturen wiederholend durchgeführt werden, werden die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für jede der vorbestimmten Batterie-Temperaturen bestimmt.
Die 8 bis 15 zeigen die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für eine spezifische Batterie, d.h. für eine Batterie vom Typ Panasonic EV Energy^®Ni-MH 6,5AH.
Die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für die vorbestimmte Batterie-Temperatur von 25°C sind in den 8 bis 10 illustriert, wobei die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für die vorbestimmte Batterie-Temperatur von 40°C in den 11 bis 13 dargestellt sind, und wobei die äquivalenten La dungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für die vorbestimmte Batterie-Temperatur von 0°C in den 14 und 15 dargestellt sind.
In 8 sind die äquivalenten Ladungswiderstände und die effektiven Leerlauf-Spannungen für jedes der vorbestimmten SOC-Niveaus dargestellt, wenn die vorbestimmte Batterie-Temperatur 25°C und der Ladungsstrom kleiner als 1C ist (beispielsweise jeder der ersten und zweiten konstanten Ströme ist kleiner als 1C).
In 9 sind die äquivalenten Ladungswiderstände und die effektiven Leerlauf-Spannungen für jedes der vorbestimmten SOC-Niveaus dargestellt, wenn die vorbestimmte Batterie-Temperatur 25°C und der Ladungsstrom zwischen 1C und 5C beträgt (beispielsweise jeder der ersten und zweiten konstanten Ströme liegt zwischen 1C und 5C).
In 10 sind die äquivalenten Ladungswiderstände und die effektiven Leerlauf-Spannungen an jedem der vorbestimmten SOC-Niveaus dargestellt, wenn die vorbestimmte Batterie-Temperatur 25°C ist und der Ladungsstrom größer als 5C beträgt (beispielsweise ist jeder der ersten und zweiten konstanten Ströme größer als 5C).
In 11 sind die äquivalenten Ladungswiderstände und die effektiven Leerlauf-Spannungen an jedem der vorbestimmten SOC-Niveaus dargestellt, wenn die vorbestimmte Batterie-Temperatur 40°C ist und der Ladungsstrom weniger als 1C beträgt (beispielsweise ist jeder der ersten und zweiten konstanten Ströme kleiner als 1C).
In 12 sind die äquivalenten Ladungswiderstände und die effektiven Leerlauf-Spannungen an jedem der vorbestimmten SOC-Niveaus dargestellt, wenn die vorbestimmte Batterie-Temperatur 40°C ist und der Ladungsstrom zwischen 1C und SC liegt (beispielsweise liegt jeder der ersten und zweiten konstanten Ströme zwischen 1C und 5C).
In 13 sind die äquivalenten Ladungswiderstände und die effektiven Leerlauf-Spannungen an jedem der vorbestimmten SOC-Niveaus dargestellt, wenn die vorbestimmte Batterie-Temperatur 40°C ist und der Ladungsstrom größer als 5C ist (beispielsweise ist jeder der ersten und zweiten konstanten Ströme größer als 5C).
In 14 sind die äquivalenten Ladungswiderstände und die effektiven Leerlauf-Spannungen bei jedem der vorbestimmten SOC-Niveaus dargestellt, wenn die vorbestimmte Batterie-Temperatur 0°C ist und der Ladungsstrom kleiner als 1C ist (beispielsweise ist jeder der ersten und zweiten konstanten Ströme kleiner als 1C).
In 15 sind die äquivalenten Ladungswiderstände und die effektiven Leerlauf-Spannungen an jedem der vorbestimmten SOC-Niveaus dargestellt, wenn die vorbestimmte Batterie-Temperatur 0°C ist und der Ladungsstrom größer als 1C ist (beispielsweise ist jeder der ersten und zweiten konstanten Ströme größer als 1C).
Wie in den 8 bis 15 dargestellt ist, ändern sich der äquivalente Ladungswiderstand und die effektive Leerlauf-Ladungsspannung entsprechend der Batterie-Temperatur, dem SOC und dem Ladungsstrom.
Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, vergrößert sich der äquivalente Ladungswiderstand im allgemeinen mit einer Vergrößerung des SOC. Die effektive Leerlauf-Ladungsspannung wird durch die oben beschriebene Gleichung 5 berechnet.
Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Verfahren zum Bestimmen der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und der effektiven Leerlauf-Ladungsspannung erläutert.
Zunächst wird in einem Schritt S501 eine Batterie-Nennkapazität AH durch einen Nennkapazitätstest für die Batterie 11 bestimmt.
Eine Batterie-Temperatur wird auf einer vorbestimmten Temperatur aufrechterhalten (Schritt S503).
Ähnlich zu der Aufladung der Batterie ist es bevorzugt, daß die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten an vorbestimmten Batterie-Temperaturen und für vorbestimmte Entladungsstrombereiche bestimmt werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die vorbestimmten Batterie-Temperaturen 0°C, 25°C und 40°C auf. Die vorbestimmte Batterie-Temperatur kann entsprechend der Art der Batterie geändert werden.
Es wird bevorzugt, daß die vorbestimmte Batterie-Temperatur ausgewählt wird, um Fehler bei einer Nicht-Linearität der Charakteristika von elektrochemischen Reaktionen der Batterie entsprechend einer Batterie-Temperatur zu minimieren.
Außerdem ändert sich der äquivalente Entladungswiderstand entsprechend einem Niveau eines Entladungsstromes, so daß es bevorzugt ist, daß die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten für wenigstens zwei vorbestimmte Entladungsstrombereiche bestimmt werden.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die vorbestimmten Entladungsstrombereiche drei Bereiche auf. Das heißt, die vorbestimmten Entladungsstrombereiche weisen einen Bereich, in welchem der Entladungsstrom kleiner als 1C ist, einen Bereich, in welchem der Entladungsstrom zwischen 1C und 5C liegt, und einen Bereich auf, in welchem der Entladungsstrom größer als 5C ist. Jedoch weisen für den Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 0°C beträgt, die vorbestimmten Entladungsstrombereiche einen Bereich, in welchem der Entladungsstrom kleiner als 1C ist, und einen Bereich auf, in welchem der Entladungsstrom gleich oder größer als 1C ist.
Es wird bevorzugt, daß die Entladungsstrombereiche bestimmt werden, um Fehler bei einer Nicht-Linearität der elektrochemischen Reaktion der Batterie zu minimieren.
In dem Schritt S505 wird die Batterie 11 in einem Zustand, in welchem die Batterie-Temperatur auf der vorbestimmten Temperatur aufrechterhalten wird, durch einen ersten konstanten Strom I₁ entladen, welcher zu dem vorbestimmten Entladungsstrombereich gehört bzw. diesem zugeordnet ist.
Während die Batterie 11 durch den ersten konstanten Strom entladen wird, werden die ersten Batterie-Klemmenspannungen bei vorbestimmten Graden von Entladungen (DODs) in dem Schritt S507 erfaßt. Die DOD (%) kann durch "100-SOC" berechnet werden. Beispielsweise wird die Batterie-Klemmenspannung an jedem der 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% und 90% erfaßt.
In dem Schritt S509 wird die Batterie durch einen zweiten konstanten Strom I₂ entladen, welcher zu dem vorbestimmten Entladungsstrombereich gehört, während die Batte rie-Temperatur auf der vorbestimmten Temperatur aufrechterhalten wird.
Danach werden in dem Schritt S511 die zweiten Batterie-Klemmenspannungen an vorbestimmten DODs erfaßt, während die Batterie durch den zweiten konstanten Strom entladen wird.
Danach werden in dem Schritt S513 die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten auf Grundlage der ersten Batterie-Klemmenspannungen und der zweiten Batterie-Klemmenspannungen bestimmt.
Die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten R_{cha_e_data} weisen äquivalente Entladungswiderstände auf, welche für jede der vorbestimmten DODs berechnet werden, und diese können durch die folgende Gleichung 6 bestimmt werden. [Gleichung 6]
wobei "@DOD" bedeutet, daß der äquivalente Entladungswiderstand an jedem der DOD-Niveaus berechnet wird.
Danach werden in dem Schritt S515 die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten auf Grundlage der bestimmten äquivalenten Entladungswiderstandsdaten berechnet.
Die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten V_{dch_oc_data} weisen die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungen auf, welche an jedem der DOD-Niveaus berechnet wer den, und diese können durch die folgende Gleichung 7 berechnet werden. Vdch_oc_data = V2 + I2 × Rdch_e_data@DOD, oder Vdch_oc_data = V1 + I1 × Rdch_e_data@DOD, [Gleichung 7]wobei "@DOD" bedeutet, daß die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungen an jedem der DOD-Niveaus berechnet werden.
Wenn die Schritte S505 bis S515 unter Verwendung der konstanten Ströme wiederholend ausgeführt werden, welche zu jedem der Entladungsstrombereiche gehören, während die Batterie-Temperatur auf der vorbestimmten Temperatur aufrechterhalten wird, werden die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten für die vorbestimmte Batterie-Temperatur berechnet.
Ferner, falls die Schritte S503 bis S515 für jede der vorbestimmten Batterie-Temperaturen wiederholend durchgeführt werden, werden die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten für jede der vorbestimmten Batterie-Temperaturen bestimmt.
Die 16 bis 23 zeigen die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten für eine spezifische Batterie, d.h. für eine Batterie vom Typ Panasonic EV Energy^®Ni-MH 6,5AH.
Die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Entladungsspanaungsdaten für die vorbestimmte Batterie-Temperatur von 25°C sind in den 16 bis 18 dargestellt, die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten für die vorbestimmte Batterie-Temperatur von 40°C sind in den 19 bis 21 dargestellt, und die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten für die vorbestimmte Batterie-Temperatur von 0°C sind in den 22 und 23 dargestellt.
Wie in den 16 bis 23 gezeigt ist, ändern sich der äquivalente Entladungswiderstand und die effektive Leerlauf-Entladungsspannung entsprechend der Batterie-Temperatur, der DOD und dem Entladungsstrom.
Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, erhöht sich im allgemeinen der äquivalente Entladungswiderstand mit einer Erhöhung der DOD. Die effektive Leerlauf-Entladungsspannung wird durch die oben genannte Gleichung 7 berechnet.
Unter Bezugnahme auf 6 wird das Verfahren zum Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung erläutert, während die Batterie geladen wird.
Als erstes werden in den Schritten S601 und S603 die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten berechnet.
Die Berechnungen des äquivalenten Ladungswiderstandes und der effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten wurden bereits unter Bezugnahme auf 4 erläutert.
Anschließend wird in dem Schritt S605 ein äquivalenter Ladungswiderstand bei Strombedingungen (beispielsweise bei einem gegenwärtigen Ladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einem gegenwärtigen SOC) auf Grundlage der bestimmten äquivalenten Ladungswiderstandsdaten berechnet.
Zu diesem Zeitpunkt wird der äquivalente Ladungswiderstand auf Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten des spezifischen Ladungsstrombereiches berechnet, zu welchem der gegenwärtige Ladungsstrom gehört.
Anschließend wird unter Verwendung der entsprechenden äquivalenten Ladungswiderstandsdaten der äquivalente Ladungswiderstand berechnet. Zu diesem Zeitpunkt kann der äquivalente Ladungswiderstand bei den gegenwärtigen Zuständen durch ein Interpolationsverfahren bezüglich des SOC und der Batterie-Temperatur berechnet werden.
Zum Beispiel wird ein äquivalenter Ladungswiderstand, falls ein gegenwärtiger Ladungsstrom 3C ist, ein Strom SOC 0,45 ist (beispielsweise 45%) und eine gegenwärtige Batterie-Temperatur 30°C beträgt, unter Verwendung der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten bestimmt, wie in den 9 und 12 dargestellt ist. Durch Durchführung der Interpolation bezüglich des SOC unter Verwendung der äquivalenten Ladungswiderstände entsprechend des SOC 0,4 und des SOC 0,5 kann ein äquivalenter Ladungswiderstand, entsprechend einem Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 25°C und der SOC 0,45 ist, gefunden werden. Auf ähnliche Weise kann durch Durchführung der Interpolation bezüglich des SOC unter Verwendung von äquivalenten Ladungswiderständen entsprechend des SOC 0,4 und des SOC 0,5 ein äquivalenter Ladungswiderstand entsprechend einem Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 40°C und der SOC 0,45 beträgt, gefunden werden. Danach kann durch Durchführung einer Interpolation bezüglich der Batterie-Temperatur unter Verwendung der bei den äquivalenten Ladungswiderstände ein äquivalenter Ladungswiderstand entsprechend einem Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 30°C und der SOC 0,45 beträgt, gefunden werden.
In dem Schritt S607 wird eine effektive Leerlauf-Ladungsspannung bei gegenwärtigen Zuständen (beispielsweise bei einem gegenwärtigen Ladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einem gegenwärtigen SOC) auf Grundlage der bestimmten effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten berechnet werden.
Die effektive Leerlauf-Ladungsspannung kann auf ähnliche Weise wie der bzw. mit dem äquivalenten Ladungswiderstand bestimmt werden.
Das heißt, die effektive Leerlauf-Ladungsspannung wird unter Verwendung der effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten eines spezifischen Ladungsstrombereiches berechnet, zu welchem der gegenwärtige Ladungsstrom gehört.
Danach wird die effektive Leerlauf-Ladungsspannung unter Verwendung der entsprechenden effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten berechnet. Zu diesem Zeitpunkt kann die effektive Leerlauf-Ladungsspannung bei den gegenwärtigen Zuständen durch ein Interpolationsverfahren bezüglich des SOC und der Batterie-Temperatur berechnet werden.
Anschließend wird in dem Schritt S609 die stationäre Batterie-Klemmenspannung auf Grundlage des bestimmten äquivalenten Ladungswiderstandes und der bestimmten effektiven Leerlauf-Ladungsspannung berechnet.
Zu diesem Zeitpunkt kann durch Einsetzen des äquivalenten Ladungswiderstandes R_{cha_e}, der effektiven Leerlauf- Ladungsspannung V_{cha_oc} und des gegenwärtigen Ladungsstroms I_{cha_t} in die Gleichung 3 die stationäre Batterie-Klemmenspannung berechnet werden.
Unter Bezugnahme auf 7 wird das Verfahren zum Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung erläutert, während die Batterie entladen wird.
Zunächst werden in den Schritten S701 und S703 die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten und die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten berechnet.
Die Berechnungen des äquivalenten Entladungswiderstandes und der effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten wurden bereits unter Bezugnahme auf 5 erläutert.
Anschließend wird in dem Schritt S705 ein äquivalenter Entladungswiderstand bei den gegenwärtigen Bedingungen bzw. Zuständen (beispielsweise bei einem gegenwärtigen Entladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einer gegenwärtigen DOD) auf Grundlage der bestimmten äquivalenten Entladungswiderstandsdaten berechnet.
Zu diesem Zeitpunkt wird der äquivalente Entladungswiderstand auf Grundlage der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten des spezifischen Entladungsstrombereiches berechnet, zu welchem der gegenwärtige Entladungsstrom gehört.
Danach wird der äquivalente Entladungswiderstand unter Verwendung der entsprechenden äquivalenten Entladungswiderstandsdaten berechnet. Zu diesem Zeitpunkt kann der äquivalente Entladungswiderstand bei den gegenwärtigen Bedingungen durch ein Interpolationsverfahren bezüglich der DOD und der Batterie-Temperatur berechnet werden.
Da die Berechnung des äquivalenten Entladungswiderstandes durch das Interpolationsverfahren auf ähnliche Weise zu der Berechnung des äquivalenten Entladungswiderstandes unter Verwendung des Interpolationsverfahrens durchgeführt werden kann, wird auf weitere Erläuterungen verzichtet werden.
In dem Schritt S707 wird eine effektive Leerlauf-Entladungsspannung bei gegenwärtigen Bedingungen (beispielsweise bei einem gegenwärtigen Entladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einer gegenwärtigen DOD) auf Grundlage der bestimmten effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten berechnet.
Die effektive Leerlauf-Entladungsspannung kann auf eine ähnliche Weise mit dem bzw. wie der äquivalente Entladungswiderstand bestimmt werden.
Das bedeutet, die effektive Leerlauf-Entladungsspannung wird unter Verwendung der effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten eines spezifischen Entladungsstrombereiches berechnet werden, zu welchem der gegenwärtige Entladungsstrom gehört.
Danach wird unter Verwendung der entsprechenden effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten die effektive Leerlauf-Entladungsspannung berechnet. Zu diesem Zeitpunkt kann die effektive Leerlauf-Entladungsspannung bei den gegenwärtigen Bedingungen durch ein Interpolationsverfahren bezüglich der DOD und der Batterie-Temperatur berechnet werden.
Anschließend wird in dem Schritt S709 die stationäre Batterie-Klemmenspannung auf Grundlage des bestimmten äqui valenten Entladungswiderstandes und der bestimmten effektiven Leerlauf-Entladungsspannung berechnet.
Zu diesem Zeitpunkt kann durch Einsetzen des äquivalenten Entladungswiderstandes R_{dch_e}, der effektiven Leerlauf-Entladungsspannung V_{dch_oc} und des gegenwärtigen Entladungsstromes I_{dch_t} in die Gleichung 3 die stationäre Batterie-Klemmenspannung berechnet werden.
Die 24 bis 31 illustrieren die stationäre Batterie-Klemmenspannung, welche durch das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bestimmt ist.
Die 24 bis 26 illustrieren die stationäre Batterie-Klemmenspannung während einer Aufladung der Batterie. 24 zeigt den Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 0°C beträgt, 25 illustriert den Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 25°C beträgt, und 26 illustriert den Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 40°C beträgt.
Wie in den 24 bis 26 illustriert ist, erhöht sich die Batterie-Klemmenspannung, wenn sich der SOC erhöht, und sie verringert sich, wenn sich die Batterie-Temperatur erhöht.
Die 27 bis 29 illustrieren die stationäre Batterie-Klemmenspannung während der Entladung der Batterie. 27 illustriert den Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 0°C beträgt, 28 illustriert den Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 25°C beträgt, und die 29 illustriert den Fall, in welchem die Batterie-Temperatur 40°C beträgt.
Wie in den 27 bis 29 dargestellt ist, verringert sich die Batterie-Klemmenspannung, wenn sich die Batterie-Temperatur verringert und wenn sich die DOD erhöht.
Die 30 und 31 zeigen Änderungen der Batterie-Klemmenspannung entsprechend einer Änderung der Batterie-Temperatur, wenn die Batterie bei 1C aufgeladen oder entladen wird.
Obwohl bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung in obiger Erläuterung ausführlich beschrieben worden sind, sei deutlich darauf hingewiesen, daß einige Änderungen und/oder Modifikationen des grundlegenden erfindungsgemäßen Konzeptes, welches hierin gelehrt wurde, was den Fachleuten auf dem vorliegenden Gebiet offensichtlich ist, immer noch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung fällt, wie in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die stationäre Batterie-Klemmenspannung bei einem gegenwärtigen Ladungs- (oder Entladungs-)Strom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einem Ladungszustand (oder einer Entladungstiefe) unter Verwendung von Klemmenspannungen bestimmt werden, welche erhalten werden, während die Batterie durch einen konstanten Strom aufgeladen (oder entladen) wird.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung mit folgenden Schritten: Bestimmen von äquivalenten Ladungswiderstandsdaten bei vorbestimmen Batterie-Temperaturen und bei vorbestimmten Ladungszuständen (SOCs) für vorbestimmte Ladungsstrombereiche; Bestimmen von effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und bei vorbestimmten SOCs für vorbestimmte Ladungsstrombereiche auf der Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten; Berechnen eines äquivalenten Ladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Ladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten; Berechnen einer effektiven Leerlauf-Ladungsspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten; und Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage des berechneten äquivalenten Ladungswiderstandes und der berechneten effektiven Leerlauf-Ladungsspannung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten folgende Schritte aufweist: Erfassen von ersten Batterie-Klemmenspannungen an jedem der vorbestimmten SOCs während dem Aufladen einer Batterie an jeder der vorbestimmten Batterie-Temperaturen mit ersten kon stanten Ladungsströmen, welche jedem der vorbestimmten Ladungsstrombereiche zugeordnet sind; Erfassen von zweiten Batterie-Klemmenspannungen an jedem der vorbestimmten SOCs während dem Aufladen der Batterie an jeder der vorbestimmten Batterie-Temperaturen mit zweiten konstanten Ladungsströmen, welche jedem der vorbestimmten Ladungsstrombereiche zugeordnet sind; und Bestimmen der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten an den vorbestimmten Batterie-Temperaturen und den vorbestimmten SOCs für jeden der vorbestimmten Ladungsstrombereiche auf Grundlage der ersten konstanten Ladungsströme, der ersten Batterie-Klemmenspannungen, der zweiten konstanten Ladungsströme und der zweiten Batterie-Klemmenspannungen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äquivalenten Ladungswiderstandsdaten R_{cha_e_data} durch folgende Gleichung berechnet werden:
wobei I₁ den ersten konstanten Ladungsstrom, I₂ den zweiten konstanten Ladungsstrom, V₁ die erste Batterie-Klemmenspannung und V₂ die zweite Batterie-Klemmenspannung für einen der vorbestimmten SOC's bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten V_{cha_oc_data} durch eine der folgenden Gleichungen für einen der vorbestimmten SOC's berechnet wird: Vcha_oc_data = V2 + I2 × Rcha_e_data;und Vcha_oc_data = V1 + I1 × Rcha_e_data
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung eines äquivalenten Ladungswiderstandes der äquivalente Ladungswiderstand bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten für den vorbestimmten Ladungsstrombereich berechnet werden, welchem der gegenwärtige Ladungsstrom zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung einer effektiven Leerlauf-Ladungsspannung die effektive Leerlauf-Ladungsspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten für den vorbestimmten Ladungsstrombereich berechnet werden, welchem der gegenwärtige Ladungsstrom zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung einer stationären Batterie-Klemmenspannung V_{cha_t} die stationäre Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC durch folgende Gleichung berechnet wird: Vcha_t = Vcha_oc – Icha_t × Rcha_e wobei V_{cha_oc} die effektive Leerlauf-Ladungsspannung, I_{cha_t} den gegenwärtigen Ladungsstrom und R_{cha_e} den äquivalenten Ladungswiderstand bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Ladungsstrombereiche einen Bereich, in dem ein Ladungsstrom geringer ist als 1C, einen Bereich, in dem der Ladungsstrom zwischen 1C und 5C liegt, und einen Bereich aufweisen, in dem die Ladungsspannung größer ist als 5C.
Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung mit folgenden Schritten: Berechnen eines äquivalenten Ladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Ladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einem gegenwärtigen Ladungszustand (SOC) auf Grundlage von vorbestimmten äquivalenten Ladungswiderstandsdaten, welche bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und vorbestimmten SOCs für die vorbestimmten Ladungsstrombereiche bestimmt werden; Berechnen einer effektiven Leerlauf-Ladungsspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage von vorbestimmten effektiven Leerlauf-Ladungsspannungsdaten, welche an den vorbestimmten Batterie-Temperaturen und den vorbestimmten SOCs für die vorbestimmten Ladungsstrombereiche bestimmt werden; und Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Ladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Spannung und dem gegenwärtigen SOC auf Grundlage des berechneten äquivalenten Ladungswiderstandes und der berechneten effektiven Leerlauf-Ladungsspannung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung eines äquivalenten Ladungswiderstandes der äquivalente Ladungswiderstand auf Grundlage der gegenwärtigen Batterie-Temperatur, des gegenwärtigen SOC und der äquivalenten Ladungswiderstandsdaten für den vorbestimmten Ladungsstrombereich berechnet werden, welchem der gegenwärtige Ladungsstrom zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung einer stationären Batterie-Klemmenspannung die stationäre Batterie-Klemmenspannung durch folgende Gleichung berechnet wird: Vcha_t = Vcha_oc – Icha_t × Rcha_e wobei V_{cha_oc} die effektive Leerlauf-Ladungsspannung, I_{cha_t} den gegenwärtigen Ladungsstrom und R_{cha_e} den äquivalenten Ladungswiderstand bezeichnen.
Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung mit folgenden Schritten: Bestimmen von äquivalenten Entladungswiderstandsdaten bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und vorbestimmten Entladungstiefen (DODs) für vorbestimmte Entladungsstrombereiche; Bestimmen von effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und vorbestimmten DODs für die vorbestimmten Entladungsstrombereiche auf Grundlage der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten; Berechnen eines äquivalenten Entladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Entladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einer gegenwärtigen DOD auf Grundlage der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten; Berechnen einer effektiven Leerlauf-Entladungsspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Entladungsspannungdaten; und Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage des berechneten äquivalenten Entladungswiderstandes und der berechneten effektiven Leerlauf-Entladungsspannung.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen von äquivalenten Entladungswiderstandsdaten folgende Schritte umfasst: Erfassen von ersten Batterie-Klemmenspannungen bei jeder der vorbestimmten DODs während der Entladung einer Batterie an jeder der vorbestimmten Batterie-Temperaturen mit ersten konstanten Entladungströmen, welche jedem der vorbestimmten Entladungsstrombereiche zugeordnet sind; Erfassen von zweiten Batterie-Klemmenspannungen bei jeder der vorbestimmten DODs während einer Entladung der Batterie bei jeder der vorbestimmten Batterie-Temperaturen mit zweiten konstanten Entladungsströmen, welche jedem der vorbestimmten Entladungsstrombereiche zugeordnet sind; und Bestimmen von äquivalenten Entladungswiderstandsdaten bei den vorbestimmten Batterie-Temperaturen und den vorbestimmten DODs für jeden der vorbestimmten Entladungsstrombereiche auf Grundlage der ersten konstanten Entladungsströme, der ersten Batterie-Klemmenspannungen, der zweiten konstanten Entladungsströme und der zweiten Batterie-Klemmenspannungen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die äquivalenten Entladungswiderstandsdaten R_{dch_e_data} durch die folgende Gleichung berechnet werden:
wobei I₁ den ersten konstanten Entladungsstrom, I₂ den zweiten konstanten Entladungsstrom, V₁ die erste Batterie-Klemmenspannung und V₂ die zweite Batterie-Klemmenspannung für einen der vorbestimmten DOD bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten V_{dch_oc_data} durch eine der folgenden Gleichungen für einen der vorbestimmten DOD berechnet werden: Vdch_oc_data = V2 + I2 × Rdch_e_data;und Vdch_oc_data = V1 + I1 × Rdch_e_data
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung eines äquivalenten Entladungswiderstandes der äquivalente Entladungswiderstand bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten für den vorbestimmten Entladungsstrombereich berechnet werden, welchem der gegenwärtige Entladungsstrom zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung einer effektiven Leerlauf-Entladungsspannung die effektive Leerlauf-Entladungsspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage der effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten für den vorbestimmten Entladungsstrombereich berechnet werden, welchem der gegenwärtige Entladungsstrom zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung einer stationären Batterie-Klemmenspannung V_{dch_t} die stationäre Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD durch folgende Gleichung berechnet wird: Vdch_t = Vdch_oc – Idch_t × Rdch_e wobei V_{dch_t} die effektive Leerlauf-Entladungsspannung, I_{dch_t} den gegenwärtigen Entladungsstrom und R_{dch_e} den äquivalenten Entladungswiderstand bezeichnen.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmten Entladungsstrombereiche einen Bereich, in dem ein Entladungsstrom kleiner ist als 1C, einen Bereich, in dem der Entladungsstrom zwischen 1C und 5C liegt, und einen Bereich aufweisen, in dem der Ladungsstrom größer ist als 5C.
Verfahren zum Bestimmen einer stationären Batterie-Klemmenspannung mit folgenden Schritten: Berechnen eines äquivalenten Entladungswiderstandes bei einem gegenwärtigen Entladungsstrom, einer gegenwärtigen Batterie-Temperatur und einer gegenwärtigen Entladungstiefe (DOD) auf Grundlage von vorbestimmten äquivalenten Entladungswiderstandsdaten, welche bei vorbestimmten Batterie-Temperaturen und vorbestimmten DODs für vorbestimmte Entladungsstrombereiche bestimmt werden; Berechnen einer effektiven Leerlauf-Entladungsspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage von vorbestimmten effektiven Leerlauf-Entladungsspannungsdaten, welche bei den vorbestimmten Batterie-Temperaturen und den vorbestimmten DODs für die vorbestimmten Entladungsstrombereiche bestimmt werden; und Berechnen der stationären Batterie-Klemmenspannung bei dem gegenwärtigen Entladungsstrom, der gegenwärtigen Batterie-Temperatur und der gegenwärtigen DOD auf Grundlage des berechneten äquivalenten Entladungswiderstandes und der berechneten effektiven Leerlauf-Entladungsspannung.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung eines äquivalenten Entladungswider standes der äquivalente Entladungswiderstand auf Grundlage der gegenwärtigen Batterie-Temperatur, der gegenwärtigen DOD und der äquivalenten Entladungswiderstandsdaten für den vorbestimmten Ladungsstrombereich berechnet wird, welchem der gegenwärtige Entladungsstrom zugeordnet ist.