DE112018000281T5

DE112018000281T5 - Verfahren und System zum Schätzen einer Zellenleerlaufspannung, eines Ladezustands und eines Funktionszustands einer Batterie während des Betriebs der Batterie

Info

Publication number: DE112018000281T5
Application number: DE112018000281.0T
Authority: DE
Inventors: Anantharaman Subbaraman; Nikhil Ravi; Reinhardt Klein; Gerd Simon Schmidt; Christopher Mayhew
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2019-10-24
Also published as: CN110914696B; WO2019025171A1; US20190036356A1; US10312699B2; CN110914696A

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie, während die Batterie mit einer Last verbunden ist, entwickelt worden. Das Verfahren enthält ein Messen eines ersten Strompegels, der durch die Batterie zur Last fließt, und eines ersten Spannungspegels der Batterie zu einer ersten Zeit, ein Erzeugen einer geschätzten Zellenleerlaufspannung (OCV) der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Strompegels, des ersten Spannungspegels und eines vordefinierten Modells der Batterie, ein Identifizieren eines ersten Erregungspegels der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Spannungspegels, des ersten Strompegels und eines Kostenoptimierungsvorgangs und Identifizieren eines ersten Ladezustands (SoC) und/oder eines Funktionszustands (SoH) der Batterie unter Verwendung der ersten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der erste Erregungspegel unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Description

GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet von Batteriemanagementsystemen und insbesondere auf Verfahren und Systeme zum Schätzen einer Zellenleerlaufspannung, eines Ladezustands und von Funktionszustandseigenschaften einer Batterie, während die Batterie während des Betriebs mit einer Last verbunden ist.
HINTERGRUND
Batteriesysteme sind weit verbreitet und stellen eine Energiespeicherung bereit, um ein breites Spektrum von Einrichtungen, Elektrofahrzeugen und Energiespeichern zur Verwendung als Notstromversorgungssysteme während Stromnetzausfällen oder als Energiespeichersysteme, die eine überschüssige Energie von windbasierten, solarbasierten und weiteren Erzeugungssystem für elektrische Energie zur späteren Verwendung speichern, mit Energie zu versorgen. Eine Überwachung verschiedener Eigenschaften der Batterie, während die Batterie in Betrieb ist, ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Batterie nach Bedarf elektrische Energie für verschiedene Anwendungen liefern kann, und um sicherzustellen, dass die Batterie während des Betriebs nicht beschädigt oder übermäßig geschwächt wird.
Eine Herausforderung, die beim Überwachen von Batterien auftritt, ist, dass einige Typen von Batteriemessungen nur dann mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden können, wenn die Batterie von einer elektrischen Last gelöst ist, um zu ermöglichen, dass die Batterie einen Ruhezustand erreicht. Zum Beispiel ist ein bekannter Parameter einer Batterie, der sich im Zeitablauf ändert, wenn die Batterie geladen und entladen wird, als die Zellenleerlaufspannung (OCV) bekannt. Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Zellenleerlaufspannung“ auf den Spannungspegel, der über einem Anodenanschluss und einem Kathodenanschluss der Batterie gemessen wird, wenn die Batterie für eine Zeit, die ausreicht, dass sie in einen Ruhezustand zurückkehrt, von jeder Last getrennt ist, wobei die ausreichende Zeit abhängig von der Batteriekonfiguration typischerweise in der Größenordnung von einigen Sekunden bis zu einigen Minuten liegt. Wenn sich die Batterie im Ruhezustand befindet, kann die OCV selbstverständlich unter Verwendung eines einfachen Voltmeters direkt gemessen werden, wie im Stand der Technik bekannt ist.
Allerdings kann die OCV nicht unter Verwendung einer direkten Spannungsmessung gemessen werden, wenn die Batterie während eines Betriebs, in dem die Batterie eine wesentliche Strommenge erzeugt, um eine Last zu treiben, mit einer Last verbunden ist. Die OCV der Batterie, die sich ändert, wenn die Batterie während des Betriebs geladen und entladen wird, ist eine Eigenschaft, die verwendet wird, um den Ladezustand (SoC) und den Funktionszustand (SoH) einer Batterie während des Betriebs der Batterie zu bestimmen. Der Ladezustand (SoC) ist als das Verhältnis zwischen der Restladung der der verfügbaren Gesamtladung definiert, während der Funktionszustand (SoH) als die zwischen zwei festgelegten Spannungsbeschränkungen verfügbare Kapazität der Batterie definiert ist. Wenn die OCV der Batterie nicht genau bestimmt werden kann, kann der ungenaue OCV-Wert die Genauigkeit des Schätzens des Ladezustands und des Funktionszustands der Batterie verringern. Um nur eine negative Auswirkung einer ungenauen Batterieeigenschaftsbestimmung in der Praxis zu nennen, kann ein Elektrofahrzeug nicht in der Lage sein, während des Betriebs eine genaue Schätzung einer verbleibenden Fahrreichweite zu erstellen, wenn die OCV, der SoC oder der SoH der Batterie nicht genau bestimmt werden kann. Folglich würden Verbesserungen von Verfahren zum Schätzen der OCV und weiterer Batterieeigenschaften, die mit der OCV in Beziehung stehen, während eine Batterie mit einer Last verbunden bleibt, vorteilhaft sein.
KURZFASSUNG
In einer Ausführungsform wurde ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie, während die Batterie mit einer Last verbunden ist, entwickelt, um eine Zellenleerlaufspannung, einen Ladezustand und/oder einen Funktionszustand der Batterie zu schätzen. Das Verfahren enthält ein Messen eines ersten Strompegels, der durch die Batterie zur Last fließt, zu einer ersten Zeit mit einem Stromsensor, ein Messen eines ersten Spannungspegels zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss der Batterie, die jeweils mit der Last verbunden sind, zur ersten Zeit mit einem Spannungssensor, ein Erzeugen einer ersten Zellenleerlaufspannung (OCV) der Batterie zur ersten Zeit mit einer Steuereinheit, die funktionstechnisch mit dem Stromsensor und dem Spannungssensor verbunden ist, auf der Grundlage des ersten Strompegels, des ersten Spannungspegels und eines vordefinierten Modells der Batterie, das in einem Speicher, der funktionstechnisch mit der Steuereinheit verbunden ist, gespeichert ist, ein Identifizieren eines ersten Erregungspegels der Batterie zur ersten Zeit mit der Steuereinheit auf der Grundlage des ersten Spannungspegels, des ersten Strompegels und eines Kostenoptimierungsvorgangs und ein Identifizieren eines ersten Ladezustands (SoC) und/oder eines Funktionszustands (SoH) der Batterie mit der Steuereinheit unter Verwendung der ersten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der erste Erregungspegel unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
In einer weiteren Ausführungsform wurde ein Batteriemanagementsystem entwickelt, das eine Batterie überwacht, während die Batterie mit einer Last verbunden ist, um eine genaue Schätzung einer Zellenleerlaufspannung, eines Ladezustands und/oder eines Funktionszustands der Batterie zu ermöglichen. Das Batteriemanagementsystem enthält einen Speicher und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, mit einem Stromsensor, der einen Stromfluss durch eine Batterie zu einer Last misst, einem Spannungssensor, der einen Spannungspegel zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss der Batterie, die jeweils mit der Last verbunden sind, misst, und dem Speicher funktionstechnisch verbunden zu sein. Die Steuereinheit ist konfiguriert, einen Messwert eines ersten Strompegels, der zu einer ersten Zeit durch die Batterie zur Last fließt, vom Stromsensor zu empfangen, einen Messwert eines ersten Spannungspegels zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Batterie, die jeweils mit der Last verbunden sind, zur ersten Zeit vom Spannungssensor zu empfangen, eine erste geschätzte Zellenleerlaufspannung (OCV) der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Strompegels, des ersten Spannungspegels und eines vordefinierten Modells der Batterie, das im Speicher gespeichert ist, zu erzeugen, einen ersten Erregungspegel der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Spannungspegels, des erste Strompegels und eines Kostenoptimierungsvorgangs zu identifizieren und einen ersten Ladezustand (SoC) und/oder einen Funktionszustand (SoH) der Batterie unter Verwendung der ersten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der erste Erregungspegel unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, zu identifizieren.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines Systems, das eine Batteriebaugruppe und ein Batteriemanagementsystem, das die Batteriebaugruppe überwacht, während die Batteriebaugruppe mit einer Last verbunden ist, enthält.
2 ist ein Blockdiagramm eines Vorgangs zum Schätzen von Batterieeigenschaften, die mindestens die Zellenleerlaufspannung der Batterie während des Betriebs enthalten, während die Batterie mit einer Last verbunden bleibt.
3 ist ein schematisches Diagramm einer Ersatzschaltung, die in einem Batteriemodell im System von 1 verwendet wird.
4 ist ein schematisches Diagramm eines Kostenoptimierungsvorgangs, der im System 100 implementiert ist, um den Erregungspegel der Batterie im Zeitablauf zu bestimmen, während die Batterie mit einer Last verbunden bleibt.
5 ist ein Graph, der geschätzte Batteriekapazitätsmesswerte darstellt, die unter Verwendung einer Ausführungsform des Systems von 1 und des Vorgangs von 2 erzeugt wurden.
6 ist ein weiterer Graph, der geschätzte Batteriekapazitätsmesswerte darstellt, die unter Verwendung einer Ausführungsform des Systems von 1 und des Vorgangs von 2 erzeugt wurden.
7 ist ein weiterer Graph, der geschätzte Batteriekapazitätsmesswerte darstellt, die unter Verwendung einer Ausführungsform des Systems von 1 und des Vorgangs von 2 erzeugt wurden.

GENAUE BESCHREIBUNG
Um das Verständnis der Prinzipien der hier offenbarten Ausführungsformen zu fördern, wird nun in der folgenden schriftlichen Spezifikation auf die Zeichnungen und Beschreibungen Bezug genommen. Durch die Bezüge ist keine Beschränkung des Umfangs des Gegenstands beabsichtigt. Die vorliegende Offenbarung enthält außerdem jegliche Änderungen und Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen und enthält ferner Anwendungen der Prinzipien der offenbarten Ausführungsformen, wie sie einem Fachmann bezüglich dieser Offenbarung normalerweise in den Sinn kommen würden.
Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Batterie“ auf eine Speichereinrichtung für elektrochemische Energie, die elektrische Leistung bereitstellt, um eine Last, die unter Verwendung elektrischer Energie arbeitet, zu treiben. Beispiele von Batterietypen enthalten verschiedene Formen von Lithium-Ionen-, Lithium-Polymer-, Nickel-Metallhydrid, Bleisäure- und Durchflussbatterien, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In vielen Fällen bilden mehrere Batteriezellen eine größere Batterie. Jede einzelne Batteriezelle enthält alle strukturellen Elemente (z. B. Anode, Kathode und Elektrolyt) einer Batterie, jedoch sind in vielen praktischen Ausführungsformen mehrere Batteriezellen miteinander verbunden, z. B. mit elektrischen Reihen-, Parallel- und Reihen/Parallel-Verbindungen, um eine größere Batterie zu bilden, die ausreichend Energiespeicher- und Leistungsabgabe-Fähigkeiten besitzt, um in einer konkreten Einrichtung verwendet zu werden. Folglich trifft jede Referenz hier auf einzelne Batteriezellen und größere Batterien, die aus mehreren Batteriezellen gebildet sind, zu. Der Begriff „Batteriebaugruppe“ bezieht sich auf eine konkrete Ausführungsform einer Batterie, die mindestens eine Batteriezelle und wahlweise zusätzliche Sensor- und Steuereinrichtungen, die mit der mindestens einen Batteriezelle verbunden sind, enthält. Der Begriff „Batteriemanagementsystem“ bezieht sich auf eine elektronische Steuereinrichtung, die den Zustand einer Batterie unter Verwendung von Sensordaten, die von der Batterie gesammelt werden, überwacht, und in einigen Ausführungsformen Modelle der Batterie, die dem Batteriemanagementsystem ermöglichen, Eigenschaften der Batterie während des Betriebs zu schätzen.
Beispiele von Lasten, die elektrische Leistung von einer Batterie aufnehmen, enthalten elektronische Schaltungen und digitale Recheneinrichtungen, Elektromotoren und elektrische Heizvorrichtungen, sind aber nicht darauf beschränkt. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer Last, das hier zu Anschauungszwecken verwendet wird, ist ein Elektrofahrzeug, das typischerweise mindestens einen elektrischen Antriebsmotor sowie mehrere elektrische Sekundärmotoren (z. B. für eine Servolenkung, Scheibenwischer, Bremsen, Spiegel, Fenster und/oder zum Heizen/Kühlen) gemeinsam mit verschiedenen Lichtern und analogen und digitalen elektronischen Einrichtungen enthält. In „Sekundärbatterie-“Ausführungsformen, die auch als „wiederaufladbare“ Batterien bezeichnet werden, liefern bestimmte Typen von Lasten der Batterie elektrische Leistung, um einen Wiederaufladevorgang durchzuführen. Lasten, die elektrische Leistung erzeugen, enthalten z. B. jedes elektrische Wechselstromleistungserzeugungssystem (AC-Leistungserzeugungssystem) (z. B. eine Lichtmaschine, ein Generator, ein Schwungrad, eine Normstromnetzverbindung und dergleichen), das mit Transformatoren und Gleichrichtern kombiniert wird, wie im Stand der Technik bekannt ist, um einen Ladegleichstrom zu erzeugen, oder eine beliebige elektrische Gleichstromleistungsquelle (DC-Leistungsquelle) (z. B. eine weitere Batterie, ein geladener Kondensator, eine Photovoltaikanordnung und dergleichen) mit einer geeigneten Spannungssteuerschaltungsanordnung, um einen Ladestrom für die Batterie zu erzeugen.
Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Funktionszustand“ (SoH) auf die zwischen zwei festgelegten Spannungsbeschränkungen wie z. B. einer maximalen Betriebsspannung, wenn die Batterie vollständig geladen ist, und einer minimalen Betriebsspannung, an welchem Punkt die Batterie als entladen betrachtet wird, für Betriebszwecke verfügbare Kapazität der Batterie. Fachleute werden erkennen, dass sich die SoH-Charakteristik einer Batterie auf eine konkrete Betriebsladungskapazität zwischen einem maximalen und einem minimalen Spannungsgrenzpegel, die einen Langzeitbetrieb der Batterie ermöglichen, bezieht. Der SoH entspricht nicht notwendigerweise dem maximalen und dem minimalen Ladungspegel, die physikalisch in der Batterie möglich sind, weil ein Überladen und ein Tiefenentladen bis zu den physikalischen Grenzen der Batterie häufig zu einer verkürzten Batterielebensdauer und einer Beschädigung der Batterie führt. Der SoH einer Batterie ändert sich im Zeitablauf, da die Batterie während der Verwendung altert, wobei der SoH der meisten praktischen Batterien eine langfristige Abnahme über der Lebensdauer der Batterie erfährt. Allerdings kann während eines kurzfristigen Betriebs der SoH-Wert auf der Grundlage verschiedener Umwelteinflüsse und des Verwendungsmusters der Batterie zunehmen oder abnehmen. Auf die SoH-Charakteristik wird häufig in Einheiten von Energie wie z. B. Joule, Wattstunden oder einer weiteren geeigneten Energieeinheit Bezug genommen, jedoch nehmen Fachleute auch häufig in Einheiten von Ampere-Stunden oder weiteren Einheiten von Strom und Zeit auf den SoH Bezug, da angenommen wird, dass die Batterie bei einem Nennspannungspegel arbeitet. In einer weiteren Ausführungsform wird die SoH-Charakteristik unter Verwendung eines Prozentsatzwerts beschrieben, wobei 100 % SoH der gesamten verfügbaren Kapazität der Batterie zur Zeitpunkt der Herstellung entspricht und der SoH der Batterie während des Lebens der Batterie allmählich zu niedrigeren Prozentwerten abnimmt.
Wie hierin verwendet bezieht sich der Begriff „Ladezustand“ (SoC) auf ein Verhältnis der Menge von Ladung, die zu einem gegeben Punkt während des Betriebs in einer Batterie gespeichert ist, zu einer Gesamtladung, die bei einem Gesamtladungspegel unter Verwendung der oberen Spannungsbeschränkung für den SoH in der Batterie gespeichert werden kann. Der SoC ändert sich, wenn die Batterie während des Betrieb entladen und geladen wird. In einigen Ausführungsformen wird der SoC auch als ein Bruchteil oder Prozentsatz des SoH für die Batterie ausgedrückt, da der SoC einer vollständig geladenen Batterie gleich dem Gesamt-SoH für die Batterie ist und der SoC abnimmt, wenn die Batterie entladen wird.
1 ist ein schematisches Diagramm eines Batteriesystems 100, das die OCV und wählweise den SoC und den SoH einer Batterie, die mit einer Last verbunden ist, überwacht. Das Batteriesystem 100 enthält eine Batteriebaugruppe 104, die einer Last 140 eine elektrische Leistung liefert, eine Batteriemanagementsystemsteuereinheit (BMS-Steuereinheit) 150, die hier auch als die „Steuereinheit“ 150 bezeichnet wird, und eine Anwenderanzeigevorrichtung 180. Während 1 die Batteriebaugruppe 104 und das Batteriemanagementsystem 150 als getrennte Elemente darstellt, ist das BMS physisch in die Batteriebaugruppe integriert, während ein BMS in weiteren Ausführungsformen mit einer oder mehreren Batteriebaugruppen über einen digitalen Kommunikationskanal wie z. B. einen Steuereinheitsbereichsnetz-Bus (CAN-Bus), einen universellen seriellen Bus, Ethernet oder einen weiteren geeigneten digitalen Kommunikationskanal verbunden ist.
Die Batteriebaugruppe 104 enthält die elektrischen Anschlüsse 108A und 108B, eine oder mehrere Batteriezellen 112, einen Spannungssensor 116, einen Stromsensor 120 und einen Temperatursensor 124. Die Anschlüsse 108A und 108B sind mit den Batteriezellen 112 elektrisch verbunden und die Batteriebaugruppe 104 ist mit einer Last 140 über die Anschlüsse 108A und 108B elektrisch verbunden, um zu ermöglichen, dass die Batteriebaugruppe 104 der Last 140 elektrische Leistung 140 liefert. Während 1 eine Last 140 darstellt, die von den Batteriezellen 112 in der Batteriebaugruppe 104 elektrische Leistung empfängt, werden Fachleute außerdem erkennen, dass in einigen Ausgestaltungen die Last 140 durch eine elektrische Leistungsquelle ersetzt wird, die der Batteriebaugruppe 104 elektrische Leistung liefert, um die Batteriezellen 112 zu laden.
In der Batteriebaugruppe 104 misst der Spannungssensor 116 ein Spannungspotential aller Batteriezellen 112, was mit einer Verbindung des Spannungssensors 116 zu den Anschlüssen 108A und 108B der Batteriebaugruppe 104 in 1 dargestellt ist. Dann, wenn die Batteriebaugruppe 104 von jeder Last getrennt wird und es ihr ermöglicht wird, zu einem Ruhezustand zurückzukehren, kann der Spannungssensor 116 die OCV der Batteriezellen 112 direkt messen. Allerdings misst der Spannungssensor 116 während des Betriebs der Batteriebaugruppe 104, um der Last 140 einen elektrischen Strom zu liefern, nicht die OCV der Batteriezellen 112. Der Spannungssensor 116 erzeugt allerdings Spannungsmesswerte, die die Steuereinheit 150 in Verbindung mit weiteren Sensordaten verwendet, um Schätzungen der OCV für die Batteriezellen 112 zu erzeugen, wie unten weiter beschrieben wird.
In der Batteriebaugruppe 104 misst der Stromsensor 120 einen Fluss eines elektrischen Stroms durch alle Batteriezellen 112. Der Stromsensor 120 ist zur Veranschaulichung als ein Amperemeter dargestellt, das in Reihe mit den Batteriezellen 112 verbunden ist, jedoch werden Fachleute erkennen, dass ein Nebenschlusswiderstand, ein Stromklemmenamperemeter oder eine weitere geeignete Einrichtung zur indirekten Stromerfassung auch zur Verwendung mit der Batteriebaugruppe 104 geeignet ist. Der Temperatursensor 124 ist ein Thermoelement, ein Thermistor oder eine weitere geeignete Temperatursonde, die physisch an den Batteriezellen 112 befestigt ist, um Messwerte der Temperatur der Batteriezellen 112 während des Betriebs zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen enthält der Temperatursensor 124 ferner mehrere Temperaturerfassungselemente, die die Temperaturen verschiedener Batteriezellen in einer größeren Anordnung von Batteriezellen in größeren Batteriebaugruppenkonfigurationen, in denen die Batteriezellen 112 nicht einheitliche Temperaturen aufweisen, messen.
Die Steuereinheit 150 enthält mindestens eine digitale Logikeinrichtung und mindestens eine Speichereinrichtung. Die Steuereinheit 150 ist mit der Batteriebaugruppe 104 funktionstechnisch verbunden und empfängt Sensordaten vom Spannungssensor 116, vom Stromsensor 120 und vom Temperatursensor 124. Im System 100 ist die Steuereinheit 150 unter Verwendung eines Mikroprozessors, eines Mikrocontrollers, einer feldprogrammierbaren Gate-Anordnung (FPGA), eines digitalen Signalprozessors (DSP), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) und/oder weiteren geeigneten digitalen Logikeinrichtungen implementiert. In Ausführungsformen, in denen ein oder mehrere Sensoren 116-124 analoge Erfassungssignal erzeugen, enthält die Steuereinheit 150 wahlweise Analog/Digital-Umsetzer (ADCs), um der Steuereinheit 150 zu ermöglichen, digitale Darstellungen der analogen Erfassungssignale zu verarbeiten, obwohl die Sensoren in weiteren Ausführungsformen ADC-Schaltungen, die direkt digitale Ausgangsdaten erzeugen, enthalten. Der Speicher in der Steuereinheit 150 enthält sowohl eine flüchtige Datenspeichereinrichtung wie z. B. einen statischen oder dynamischen Schreib-/Lese-Speicher (RAM) als auch einen nichtflüchtigen Speicher wie z. B. NOR- und NAND-Flash-Speicher oder eine Magnetscheibe, in dem Langzeitdaten wie z. B. in einer System-Software/-Firmware gespeicherte Programmanweisungen und Standardparameter für ein Batteriemodell und weitere Batterieeigenschaften, die unten beschrieben werden, gespeichert sind.
Die Steuereinheit 150 führt im Speicher gespeicherte Programmanweisungen aus, um ein Batteriemodell 154, eine Batteriezustands- und Parameterschätzungslogik 160 und eine Fahrzeugreichweitenlogik oder eine Logik für eine verbleibende Einrichtungslaufzeit 172 zu implementieren. Das Batteriemodell 154 enthält gespeicherte Parameter für eine Ersatzschaltung oder ein elektrochemisches Modell, das den Innenzustand der Batteriezellen 112 annähert. Die Zustands- und Parameterschätzungslogik 160 verwendet das Batteriemodell 154 und Eingangsdaten vom Spannungssensor 116, vom Stromsensor 120 und vom Temperatursensor 124, um Schätzungen der OCV mit dem OCV-Schätzer 164, des SoC mit dem SoC-Schätzer 166 und des SoH mit dem Kapazitätsschätzer 168 zu erzeugen. Der Schätzer 172 für die Fahrzeugreichweite oder für eine verbleibende Einrichtungslaufzeit ermöglicht der Steuereinheit 150, die geschätzten SoC- und SoH-Charakteristiken der Batteriezellen 112 in der Batteriebaugruppe 104 in Verbindung mit den vergangenen, gegenwärtigen und vorhergesagten zukünftigen Leistungsverbrauchseigenschaften der Last 140 zu verwenden, um eine Schätzung der verbleibenden nutzbaren Kapazität der Batterie zum Treiben der Last zu erzeugen. Zum Beispiel liefert in einem Elektrofahrzeug der Reichweitenschätzer 172 eine Schätzung der verbleibenden Fahrreichweite des Fahrzeugs, bevor die Batteriebaugruppe 104 wiederaufgeladen werden muss. In einem Smartphone oder einer weiteren mobilen Elektronikeinrichtung liefert der Laufzeitschätzer 172 eine Schätzung davon, wieviel länger die Einrichtung arbeiten kann, bis die Batteriebaugruppe 104 wiederaufgeladen werden muss. Die BMS-Steuereinheit 150 ist außerdem mit einer Anwenderanzeigevorrichtung 180 verbunden, die z. B. eine LCD-Anzeigevorrichtung oder eine Audioausgabeeinrichtung ist, die eine Ausgabe auf der Grundlage der geschätzten OCV, des SoC und des SoH der Batteriezellen 112 oder eine Ausgabe, die der geschätzten verbleibenden Fahrzeugreichweite oder Einrichtungslaufzeit entspricht, erzeugt.
3 stellt eine Ausführungsform eines Batteriemodells 300 dar. Das Batteriemodell 300 ist als eine Ersatzschaltung definiert, die die elektrischen Eigenschaften der Batteriezellen 112 besitzt, einschließlich Innenimpedanz- und Kapazitätseigenschaften der Batteriezellen 112. Die Ersatzschaltung 300 enthält einen Widerstand R₀ (304), der mit einer parallelgeschalteten Kombination eines weiteren Widerstands R₁ (308) und einer Kapazität C₁ (312) in Reihe geschaltet ist. Die Ersatzschaltung 300 enthält eine variable Spannungsquelle 316, die den Spannungspegel repräsentiert, den die Batterie bei verschiedenen SoC-Pegeln erzeugt. Daher wird die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 316 durch eine Funktion Φ repräsentiert, wobei die Ausgabe von Φ ein Spannungspegel ist, der vom SoC zu einer Zeit t während des Betriebs der Batterie abhängt. Da der SoC während des Entladens abnimmt oder während eines Ladezyklus zunimmt, ändert sich der Spannungspegel der Spannungsquelle 316 entsprechend. In der BMS 150 ist die Funktion Φ als eine Nachschlagetabelle oder eine weitere Kurve im SoC-Schätzer 166, zur Verwendung beim Bestimmen einer Schätzung des SoC, nachdem das System 100 eine genaue Schätzung der OCV erzeugt hat, verkörpert. Die Funktion Φ ist eine Abbildung zwischen OCV und SoC und wird durch Prüfen der Spannungspegel der Batteriezellen 112 bei verschiedenen SoC-Pegeln zur Zeit der Herstellung der Batterie 112 empirisch bestimmt und in einigen Ausführungsformen ändert sich die Abbildung zwischen OCV und SoC allmählich über der Lebensdauer der Batteriebaugruppe 104, obwohl während des Zeitrahmens des Vorgangs 200 die Φ-Abbildung fest bleibt. Die Spannung V(t) (324) repräsentiert die Gesamtausgangsspannung der Batterie, die im Zeitablauf auf der Grundlage des Spannungspegels der Spannungsquelle 316 und der Änderungen der Spannung, die aufgrund des Stromflusses durch die Widerstände R₀, R₁ und der Wirkungen des Kondensators C₁ auftreten, variiert. In einem Ruhezustand, in dem kein elektrischer Strom durch die Batterie fließt, ist die Ausgangsspannung V(t) 324 auf der Grundlage des Ist-SoC der Batterie unter Verwendung der vorgegebenen Funktion Φ(SoC(t)) gleich dem Spannungspegel der Spannungsquelle 316. Allerdings bringt der Fluss von Strom während des Betriebs der Batterie einen weiteren Spannungswert auf der Grundlage der Änderung einer Spannung, die durch die Reihen/Parallel-Kombination von R₀, R₁ und C₁ erzeugt wird, ein, der auch als die Polarisationsspannung V_polarization bezeichnet wird, während die verbleibende Komponente der Ausgangsspannung V(t) durch die Spannungsquelle 316 erzeugt wird. Wie unten ausführlicher beschrieben wird, verwendet die Steuereinheit 150 das Batteriemodell 154, um geschätzte OCV-Werte für die eigentlichen Batteriezellen 112 zu identifizieren, während die Batteriezellen 112 der Last 140 einen Strom liefern.
2 stellt einen Vorgang 200 zum Überwachen einer Batterie, während die Batterie mit einer Last verbunden ist, um die Schätzung von Batterieeigenschaften, die mindestens die OCV und wahlweise den SoC und den SoH in der Batterie enthalten, zu ermöglichen, ohne die Batterie von der Last trennen zu müssen, dar. In der untenstehenden Beschreibung bezieht sich ein Bezug auf den Vorgang 200, der eine Funktion oder eine Aktion durchführt, auf den Betrieb einer Steuereinheit wie z. B. der Steuereinheit 150 im System 100, um gespeicherte Programmanweisungen auszuführen, um die Funktion oder Aktion in Verbindung mit weiteren Komponenten im Batteriemanagementsystem und in der Batteriebaugruppe durchzuführen.
Der Vorgang 200 beginnt, wenn die Batteriebaugruppe 104 der Last 140 einen elektrischen Strom liefert und die Steuereinheit 150 Sensordaten einschließlich von Messungen des Spannungspegels über den Anschlüssen 108A und 108B vom Spannungssensor 116, des Strompegels, der durch die Batteriebaugruppe 104 zur Laste fließt, vom Stromsensor 120 und Temperaturpegeldaten für die Batteriezellen 112 vom Temperatursensor 124 empfängt (Block 204). Während 2 den Block 204 am Beginn des Blockdiagramms darstellt, setzt die Steuereinheit 150 das Empfangen der Sensordaten von den Sensoren in der Batteriebaugruppe 104 in regelmäßigen Intervallen im Verlauf des Betriebs der Batteriebaugruppe 104 fort.
Der Vorgang 200 wird fortgesetzt, während die Steuereinheit 150 den vom Spannungssensor 116 gemessenen Spannungspegel (V(t)) und die vom Stromsensor gemessenen Strompegeldaten (I(t)) zu einer bestimmten Zeit t verwendet, um eine anfängliche Schätzung der OCV für die Batterie 112 auf der Grundlage des Batteriemodells 154, das die Widerstandswerte R₀ und R₁ und den Kapazitätswert C₁, die oben beschrieben werden, enthält, zu erzeugen. Zum Beispiel wird im Batteriemodell 154 die Ausgangsspannung V(t) durch die folgende Gleichung geliefert, wobei I₁ der Strom durch den Widerstand R₁ ist: ${\dot{I}}_{1} (t) = \frac{I (t) - I_{1} (t)}{R_{1} C_{1}}$
$V (t) = ϕ (S O C (t)) + I (t) R_{0} + I_{1} (t) R_{1}$
In der vorhergehenden Gleichung liefert ϕ (soc (t)) die Spannung der Spannungsquelle 316 auf der Grundlage der Funktion Φ und dem SoC zur Zeit t. Die Ausdrücke I (t) R₀ + I₁ (t) R₁ entsprechen V_polarization, da diese Ausdrücke die kombinierten Spannungsabfälle über den Widerständen R₀ und R₁ in der Ersatzschaltung 300 als Stromflüsse durch die Schaltung repräsentieren und die Abweichung der Batterieanschlussspannung von der Beharrungszustandsspannung repräsentieren. Die Steuereinheit 150 verwendet den OCV-Schätzer 164, um eine Schätzung der OCV auf der Grundlage des gemessenen Werts von V(t) und Werten von I(t) und I₁(t) zu erzeugen, gemeinsam mit vorgegebenen Widerstandswerten von R₀, R₁ und dem Kapazitätswert C₁ aus dem Batteriemodell 154, um einen geschätzten OCV-Wert zu erzeugen: V̂_ocv (t) = V (t) - (I (t) R₀ + I₁ (t) R₁). Die Steuereinheit 150 verwendet die Batteriemodellparameter (R₀,R₁,C₁), die der Innenimpedanz der tatsächlichen Batteriezellen 112 entsprechen, um eine genaue Schätzung der OCV der Batteriezellen 112 zu erzeugen. Die Schätzung der Impedanzparameter greift zunächst auf eine Neuformulierung der Ersatzschaltungsmodelldynamik in ein Eingangs-/Ausgangsmodell zurück, wobei der Ausgang von den Impedanzparametern linear abhängt. Dann können Regressionstechniken auf dieses Eingangs-/Ausgangsmodell angewendet werden, um die Impedanzparameter zu schätzen.
Die Steuereinheit 150 identifiziert die Werte von V (t) und (I (t) R₀ + I₁ (t) R₁) direkt aus den Sensordaten und den Widerstandswerten in der Ersatzschaltung 300 des Batteriemodells 154, um die geschätzte OCV zu identifizieren: V̂_ocv (t). Wie im Stand der Technik bekannt ist, zeigt die „^“-Schreibweise an, dass ein Wert in einer Gleichung eine Schätzung statt einem Wert, der direkt aus einer Sensoreingabe oder weiteren genauen Werten bestimmt wurde, ist. Während eine Schätzung von OCV einfach aus der Abbildung Φ und einer Schätzung des SoC erhalten werden kann, führt dieser direkte Ansatz zu einer ungenauen Kapazitätsschätzung, da der Fehler in einer SoC-Schätzung sich zur Kapazitätsschätzung ausbreitet. Da Fehler in einer Kapazitätsschätzung die SoC-Schätzung wesentlich beeinflussen, breitet sich dieser Effekt weiter aus und könnte in einer schlechten Schätzung der Batteriekapazität resultieren. Der Effekt des Ausbreitens solcher Fehler wird minimiert, indem der geschätzte SoC nicht als Teil der Kapazitätsschätzungsprozedur (SoH-Prozedur) verwendet wird. Stattdessen wird ein Mechanismus entwickelt, um zu identifizieren, wann eine Ruhespannungsnäherung oder eine Leerlaufspannungsnäherung (OCV-Näherung), die aus dem Batteriespannungsmesswert V_measured und der Polarisierung V_polarization aus einem Batteriemodell hergeleitet wird, genau ist.
In einigen Fällen kann die geschätzte OCV V̂_ocv (t) ungenau sein, da der Wert unter Verwendung des Ersatzbatteriemodells 154 bestimmt wird, das möglicherweise nicht alle möglichen transienten Strom- und Spannungswerte, die während des Betriebs der Batteriebaugruppe 104 gemessen werden, vollständig berücksichtigen kann. Dann, wenn die eigentlichen Batteriezellen 112 zu der Zeit, zu der die OCV unter Verwendung des Batteriemodells 154 geschätzt wird, einen hohen Erregungspegel aufweisen, kann die geschätzte OCV ungenau sein, selbst wenn das Batteriemodell 154 eine genaue Schätzung der OCV liefern würde, wenn die Batteriezellen 112 in einem Beharrungszustand mit einem niedrigen Erregungspegel arbeiten. Der Vorgang 200 wird fortgesetzt, während die Steuereinheit 150 einen Kostenoptimierungsvorgang verwendet, um einen Erregungspegel J der Batteriezellen 112 zu der oder um die Zeit, zu der die OCV während des Betriebs der Batteriebaugruppe 104 (Block 212) geschätzt wurde, zu bestimmen.
4 ist eine genauere graphische Darstellung des Kostenoptimierungsvorgangs 400. Im System 100 führt die Steuereinheit 150 den Kostenoptimierungsvorgang 400 unter Verwendung gespeicherter Programmanweisungen im OCV-Schätzer 164 unter Verwendung von der Batteriebaugruppe 104 eingegebener Sensordaten aus. In 4 nimmt der Kostenoptimierungsvorgang 400 als Eingangssignale mehrere Abtastwerte von Sensordaten von jedem der Sensoren in der Batteriebaugruppe 104 einschließlich der vom Spannungssensor 116 gemessenen Batteriespannung V(t) 404, des vom Stromsensor 120 gemessenen Stroms I(t) und der vom Temperatursensor 124 gemessenen Temperaturdaten T(t) 412 auf.
Zusätzlich zum direkten Empfangen der Sensordaten implementiert der Optimierungsvorgang 400 außerdem Filter 420, die Messwerte der Änderung der Spannung, des Stroms und der Temperatursensordaten im Zeitablauf, die als die Ableitungen der Spannung $(\frac{d V}{d t})$
422, des Stroms $(\frac{d I}{d t})$
424 und der Temperatur $(\frac{d T}{d t})$
426 in Bezug zur Zeit t mathematisch ausgedrückt werden, erzeugen. In einer konkreten Ausführungsform erzeugen die Filter 420 die Ableitungen durch Durchführen eines linearen Kurvenanpassungsvorgangs über mehrere Sensordatenabtastwerte, die über einen vorgegebenen Zeitraum (z. B. einen Zeitraum von 30 Sekunden) empfangen werden. Die Steuereinheit 150 identifiziert die Steigungen der angepassten Kurven als die Momentanänderungsrate jedes Sensorwerts zur Messzeit t, die als die Ableitungen der Spannung $(\frac{d V}{d t})$
422, des Stroms $(\frac{d I}{d t})$
424 und der Temperatur $(\frac{d T}{d t})$
426 in 4 ausgedrückt werden. Die Filter 420 verwenden ein Mitteln mehrerer Sensorwerte im Zeitablauf und Filterimplementierungen mit geeignet abgestimmten Filtergrenzparametern, die z. B. eine Reihe von Tschebyscheff- oder Butterworth-Filtern enthalten, die im Stand der Technik bekannt sind, die Effekte von zufälligem Rauschen, das in individuellen Sensordatenabtastwerten auftritt, wenn die Änderungsraten der Spannung, des Stroms und von Temperaturdaten bestimmt werden, zu verringern oder zu beseitigen.
Der Kostenoptimierungsvorgang 400 nimmt auch vorgegebene Schwellenwerte ε₁, ε₂, ε₃ und ε₄ 416 auf, die Schwellenwerten für den Stromeingang I(t) 408, die Stromableitung $(\frac{d I}{d t})$
424, die Spannungsableitung $(\frac{d V}{d t})$
422 und die Temperaturableitung $(\frac{d T}{d t})$
426 entsprechen. Der Kostenoptimierungsvorgang 400 implementiert eine Kostenfunktion 432, die einen Messwert des Erregungspegels J der Batteriezellen 412 erzeugt, der einen Fehler (die Kosten) zwischen dem Erregungspegel J und den beobachteten Eingangsdaten ausgehend von den vorgegebenen Schwellenwerten 416 minimiert. Mathematisch wird die Kostenfunktion 432 in folgender Weise ausgedrückt: $J (t) = f (I (t), \frac{d I}{d t}, \frac{d V}{d t}, \frac{d T}{d t}, \in_{1}, \in_{2}, \in_{3}, \in_{4})$
Um eine Schätzung von J zu erzeugen, erstellt die Kostenfunktion 432 einen Vektor mit vier Elementen auf der Grundlage der Quotienten des gemessenen Stroms I(t) und der Ableitung des Stroms, der Spannung und der Temperatur, dividiert durch die vorgegebenen Schwellenwerte: $\hat{f} = [\frac{| I (t) |}{\in_{1}}, \frac{| \frac{d I}{d t} |}{\in_{2}}, \frac{| \frac{d V}{d t} |}{\in_{3}}, \frac{| \frac{d T}{d t} |}{\in_{4}}] .$
Der Optimierungsvorgang 400 normiert dann den Vektor z. B. durch Identifizieren des Gesamtbetrags des Vektors auf der Grundlage aller vier individuellen Elemente mit f = norm (f̂) oder durch Identifizieren der Kosten im ungünstigsten Fall mit f = max(f̂), wobei max eine Maximierungsfunktion ist, die verwendet werden kann, um den endgültigen Erregungspegel J zu erzeugen. Die Ausgabe der Kostenfunktion 432 ist ein Batterieerregungspegelparameter J, der den Batteriezellen 112 in der Batteriebaugruppe 104 zu derselben Zeit t, zu der der Vorgang 200 die Schätzung der OCV erzeugt, entspricht, obwohl Fachleute erkennen werden, dass in einer konkreten Ausführungsform die OCV-Schätzung und die Batterieerregungspegelschätzung in einem vorgegebenen Zeitfenster (z. B. in einem Bereich von 5 Sekunden des Betriebs der Batteriebaugruppe 104) erzeugt werden können und nicht beide einem einzelnen Zeitpunkt entsprechen müssen.
Während des Vorgangs 200 erzeugt die Steuereinheit 150 die Schätzungen der OCV und des Batterieerregungspegels J wie unter Bezugnahme auf die Blöcke 208 und 212 beschrieben wird in einer beliebigen Reihenfolge oder gleichzeitig. Der Batterieerregungspegel J ist ein Signal, das die Steuereinheit 150 misst, um eine Abweichung der Batterie von einem Beharrungszustand zu identifizieren. Wenn die Kosten J(t) = 0 während eines Zeitfensters, verwendet die Steuereinheit 150 die Null-Kosten, um indirekt zu identifizieren, dass die Batteriezellen 112 keine Konzentrationsgradienten oder Wärmegradienten, die transiente Bedingungen in den Batteriezellen 112 erzeugen, die zu Fehlern beim Schätzen der OCV unter Verwendung des vorgegebenen Batteriemodells 154 führen könnten, erfahren. Folglich gibt der Betrag von J zu einer beliebigen Zeit eine Entfernung des Batteriezustands von dieser Beharrungszustandsbedingung an. Darüber hinaus ermöglichen die vorgegebenen Schwellenwerte ε₁, ε₂, ε₃ und ε₄, dass die Steuereinheit 150 Pseudobeharrungszustandsszenarien identifizieren kann, wenn die Schätzung der OCV der Batterie, die von einem Ersatzschaltungsmodell erhalten wird, genau ist, selbst wenn die Batterie sich nicht vollständig im Beharrungszustand befindet.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 verwendet die Steuereinheit 150 während des Vorgangs 200 dann, wenn der Erregungspegel der Batteriezellen 112 in der Batteriebaugruppe 104 zu der Zeit, zu der die Steuereinheit 150 die geschätzte OCV der Batterie (Block 216) erzeugt hat, größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, die geschätzte OCV bei keiner weiteren Verarbeitung, da der Erregungspegel der Batterie bedeutet, dass die OCV-Schätzung eine hohe Wahrscheinlichkeit besitzt, ungenau zu sein. Der Vorgang 200 wird fortgesetzt, wenn die Sensoren in der Batteriebaugruppe 104 zusätzliche Sensordaten erzeugen, während die Batteriebaugruppe 104 elektrischen Strom liefert, um die Last 140 zu treiben (Block 220), und die Steuereinheit 150 wiederholt die Verarbeitung, die oben unter Bezugnahme auf die Blöcke 208-216 beschrieben ist, bis die Steuerreinheit 150 eine geschätzte OCV für die Batteriebaugruppe 104 bestimmt, die auftritt, während der Erregungspegel J der Batteriebaugruppe 104 unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, um sicherzustellen, dass die geschätzte OCV eine ausreichende Genauigkeit besitzt, um beim Erzeugen weiterer Schätzungen des SoC und des SoH der Batterie verwendet zu werden.
Während 2 zur Veranschaulichung einen einzelnen sich wiederholenden Vorgang zum Bestimmen einer Schätzung der OCV darstellt, kann die Steuereinheit 150 in der Ausführungsform von 1 fortfahren, den OCV-Schätzvorgang während des Betriebs der Batteriebaugruppe 104 kontinuierlich durchzuführen, um aktualisierte Schätzungen für die OCV der Batteriebaugruppe 104 zu verschiedenen Zeiten während des Betriebs des Systems 100 zu erzeugen. Wie unten genauer beschrieben wird, erzeugt die Steuereinheit 150 mehrere SoC-Schätzungen für die Batterie zu verschiedenen Zeiten während des Betriebs und die Steuereinheit 150 fährt fort, OCV-Schätzungen zu den verschiedenen Zeiten zu erzeugen, um eine genauere Erzeugung der SoC-Schätzungen zu ermöglichen.
Der Vorgang 200 wird fortgesetzt, wenn das System 100 einen geschätzten SoC der Batteriezellen 112 in der Batteriebaugruppe 104 zur Zeit t identifiziert (Block 224). Die Steuereinheit 150 verwendet den geschätzten Wert der OCV zur Zeit t und die vorgegebene Abbildung $S O C (t) = Φ (\hat{O C V} (t))$
im SoC-Schätzer 166, um den geschätzten SoC auf der Grundlage der geschätzten OCV zur Zeit t, die die Steuereinheit 150 auf der Grundlage des Erregungspegels der Batteriezellen 112 identifiziert hat, eine annehmbare Genauigkeit aufzuweisen, zu erzeugen. Die Steuereinheit 150 speichert mehrere SoC-Schätzungen, die zu verschiedenen Zeiten t unter Verwendung der geschätzten OCV-Werte zu den verschiedenen Zeiten t erzeugt werden, im Speicher, um die Änderungen von SoC-Pegeln in der Batteriebaugruppe 104, während die Batteriezellen 112 Leistung zur Last 140 liefern, zu verfolgen. Während des Vorgangs 200 identifiziert die Steuereinheit 150 außerdem das ΔSoC, das sich auf die Änderung im SoC-Pegel bezieht, die im Zeitablauf auftritt, wie z. B. die Änderung des SoC von einer ersten Zeit t₁ zu einer zweiten Zeit t₂, obwohl das ΔSoC sich auch auf Änderungen des SoC über drei oder mehr verschiedene Zeitpunkte beziehen kann.
Während des Vorgangs 200 verwendet die Steuereinheit 150 wahlweise die gemessenen Änderungen ΔSoC und Messwerte des Stromflusses durch die Batterie im Zeitablauf während des Betriebs der Batteriebaugruppe 104, um Schätzungen des SoH der Batteriezellen 112 zu erzeugen, während die Batteriebaugruppe 104 die Last 140 treibt (Block 228). Um den SoH zu schätzen, verwendet die Steuereinheit 150 den Kapazitätsschätzer 168, um mehrere Messwerte von Änderungen des SoC im Zeitablauf mit einem Vorgang, der als „Coulomb-Zählen“ bezeichnet wird und sich auf die Gesamtmenge von Ladung, die die Batteriebaugruppe 104 der Last 140 im Zeitablauf liefert, bezieht, zu kombinieren, um die Gesamtkapazität der Batteriezellen 112 zu verschiedenen Zeiten zu schätzen. Der Coulomb-Zählvorgang misst eine angesammelte Ladung auf der Grundlage der folgenden Gleichung: $A n g e s a m m e l t e L a d u n g = \int_{t_{1}}^{t_{2}} I (τ) d τ .$
In der Ausführungsform von 1 identifiziert die Steuereinheit 150 die angesammelte Ladung durch Summieren der Strompegelmesswerte, die vom Stromsensor 120 zwischen den Zeiten t₁ und t₂ empfangen werden, um die angesammelte Ladung als einen Wert in Einheiten von Coulombs oder einer entsprechenden Ladungseinheit zu identifizieren. Wie im Stand der Technik bekannt ist, beziehen sich die Strommesswerte, die häufig unter Verwendung von Ampere als eine Einheit ausgedrückt werden, auf eine Rate, mit der sich eine Ladung in einer Schaltung bewegt. Die Steuereinheit 150 summiert die Ratenmesswerte im Zeitablauf, um einen numerischen Integrationsvorgang zu implementieren, der die angesammelte Gesamtladung über der Zeitspanne von t₁ bis t₂ identifiziert.
Der SoH steht in Beziehung zu ΔSoC und der angesammelten Ladung auf der Grundlage der folgenden Gleichung: $Δ S o C = S o C (t_{2}) - S o C (t_{1}) = \frac{1}{S o H} * \int_{t_{1}}^{t_{2}} I (τ) d τ$
Die oben genannte Gleichung nach SoH aufgelöst liefert: $S o C = \frac{1}{Δ S o C} * \int_{t_{1}}^{t_{2}} d (τ) d τ$
Die oben genannte Gleichung kann in ein Eingangs-/Ausgangsformat umgeschrieben werden, wobei der Ausgang y die angesammelte Ladung repräsentiert und der Eingang x die Änderung des SoC repräsentiert. Der Parameter θ repräsentiert den SoH der Batterie. $A n g e s a m m e l t e L a d u n g = S o H * (Δ S o C)$
$y = θ x .$
Der SoH-Schätzvorgang erfordert im Allgemeinen mehrere Sätze ΔSoC und angesammelte Ladungsdaten, um genaue Schätzungen des Batterie-SoH zu erzeugen. Der Kapazitätsschätzer 168 in der Steuereinheit 150 schätzt den Parameter θ unter Verwendung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate, eines erweiterten Kalman-Filters, eines Schätzers für einen bewegten Horizont und/oder ein rekursives Verfahren der kleinsten Quadrate (RLS-Verfahren). Eine Ausführungsform unter Verwendung von RLS wird unten zur Veranschaulichung erläutert. Der rekursive Algorithmus der kleinsten Fehler (RLS-Algorithmus) greift auf einen Puffer zuvor gespeicherter Schätzdaten im Speicher zu, um die Kapazität auf der Grundlage der verfügbaren vorhergehenden Schätzung, zwei oder mehr SoC-Wert-Schätzungen im Zeitablauf und einer angesammelten Ladung zu schätzen. Die Entwicklung der Parameterschätzung auf der Grundlage des RLS-Algorithmus mit Messwerten, die nach jeder Abtastdauer verfügbar sind, lautet, wie Fachleuten bekannt ist, wie folgt: $P_{k} = \frac{1}{α_{{k - 1}}} (P_{{k - 1}} - \frac{P_{{k - 1}}^{2} x_{k}^{2}}{α_{{k - 1}} + x_{{k}}^{2} P_{{k - 1}}}),$
$θ_{{k}} = θ_{{k - 1}} + \frac{P_{{k - 1}} x_{k} (y_{k} - θ_{{k - 1}} x_{k})}{α_{{k - 1}} + x_{k}^{2} P_{{k - 1}}},$
wobei
α ∈ [0,1] der Vergessensfaktor ist und P₀ der Anfangswert der Unsicherheitsmatrix ist. Die Steuereinheit 150 führt gespeicherte Programmanweisungen aus, um den oben genannten RLS-Algorithmus oder eine weitere Variation eine SoH-Schätzvorgangs zu implementieren. Der Vorgang 200 stellt sicher, dass die Steuereinheit 150 die OCV-Ereignisse lediglich zu Zeiten erzeugt, wenn der Ladungserregungspegel der Batterie ausreichend niedrig ist, um zu ermöglichen, dass der OCV-Schätzer 164 genaue OCV-Schätzungen erstellt. Da sowohl der SoC- als auch der SoH-Schätzvorgang auf genaue OCV-Eingaben angewiesen sind, ermöglicht der Vorgang 200 genaue Schätzungen von SoC und SoH, während die Batteriebaugruppe 104 während eines dynamischen Betriebs mit der Last 140 verbunden bleibt.
Batteriemanagementsysteme verwenden einen SoH in einer großen Vielfalt von Betriebsarten. Eine Betriebsart, die von einer genauen SoH-Schätzung profitiert, tritt auf, wenn die Steuereinheit 150 die Batteriebaugruppe 104 in Situationen betreibt, in denen die Last 140 zu verschiedenen Zeiten während des Betriebs sowohl Leistung von der Batteriebaugruppe aufnimmt, als auch die Batteriebaugruppe 104 lädt. Beispiele solcher Systemkonfigurationen enthalten Hybridfahrzeuge oder Leistungsspeichersysteme, in denen die Batteriebaugruppe 104 zu verschiedenen Zeiten während des Betriebs einen Ladestrom aufnimmt und einen Ladestrom liefert.
Während des Vorgangs 200 erzeugt das System 100 eine Ausgabe, die die geschätzten OCV-, SoC- und SoH-Werte für die Batteriezellen 112 in der Batteriebaugruppe 104 und wahlweise zusätzliche Informationen im Hinblick auf den Batteriezustand, wie z. B. eine Schätzung einer verbleibenden Fahrzeugreichweite oder einer Laufzeit der Last 140 (Block 232), enthält. Im System 100 erzeugt die Steuereinheit 150 eine visuelle Anzeige, die alphanumerische oder graphische Darstellungen der Batterie und des Einrichtungszustands enthält, oder eine akustische Ausgabe des Zustands der Batteriezellen 112 in der Batteriebaugruppe 104 unter Verwendung der Anwenderanzeigevorrichtung 180. Zum Beispiel kann die Anwenderanzeigevorrichtung 180 die geschätzte Ist-OCV als einen Spannungswert, den SoC als einen Prozentwert oder ein graphisches Batteriepegelsymbol und den SoH als einen numerischen Kapazitätswert oder als einen Prozentsatz der Nennkapazität der Batteriebaugruppe 104 zu Herstellungszeit anzeigen. Im System 100 führt die Steuereinheit 150 eine zusätzliche Schätzung der Fahrzeugreichweite/der verbleibenden Einrichtungslaufzeit 172, die die erzeugten Informationen über den Batterie-SoC und -SoH in Verbindung mit einer Vorhersage der Energieverbrauchsmuster der Last 140 verwendet, wahlweise durch, um eine Ausgabe zu erzeugen, die den Anwender z. B. über die geschätzte verbleibende Reichweite eines Elektrofahrzeugs oder eine geschätzte verbleibende Zeit, die eine Einrichtung wie z. B. ein Smartphone oder eine andere elektronische Einrichtung laufen kann, bis die Batterie einen minimalen Betriebsladungspegel erreicht, informiert. Die Anzeigevorrichtung 180 ist ferner konfiguriert, optische oder akustische Ausgaben zu erstellen, um Bediener bezüglich der verbleibenden geschätzten Fahrzeugreichweiten oder Einrichtungslaufzeiten zu alarmieren.
Im System 100 von 1 führt die Steuereinheit 150 den Vorgang 200 kontinuierlich durch, während die Batteriebaugruppe 104 mit der Last 140 verbunden ist, um kontinuierliche Aktualisierungen der geschätzten OCV zu erzeugen und entsprechende Aktualisierungen des SoC und des SoH zu erzeugen, wenn sich die OCV während des Betriebs der Batteriebaugruppe 104 ändert. Die Steuereinheit 150 erzeugt dann aktualisierte Ausgaben mit der Anzeigevorrichtung 180 oder einer anderen Ausgabeeinrichtung, um Aktualisierungen des Zustands der Batteriezellen 112 zu liefern und den aktuellen Zustand und den Verwendungsverlauf der Batteriezellen 112 wahlweise anzuzeigen.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen schaffen technologische Verbesserungen von Einrichtungen, die Batterien verwenden, um verschiedenen Lasten eine elektrische Leistung zu liefern. Zum Beispiel ermöglichen das System 100 von 1 und der Vorgang 200 von 2 eine genaue Schätzung des OCV-Pegels der Batteriezellen 112, während die Batteriebaugruppe 104 während eines kontinuierlichen Betriebs mit der Last 140 verbunden bleibt, ohne zu erfordern, dass die Batteriebaugruppe 104 von der Last 140 getrennt wird, um eine direkte Messung der OCV im Ruhezustand zu ermöglichen. Wie oben beschrieben ist, verbessert ein Ermöglichen einer hohen Genauigkeit für die Schätzung der OCV auch die Genauigkeit der Schätzung des SoC und des SoH, um zu ermöglichen, dass das System 100 die Batteriebaugruppe 104 genau überwacht, während die Batteriebaugruppe 104 mit der Last 140 verbunden bleibt.
5 - 7 stellen Graphen der SoH-Schätzungen dar, die in einer konkreten Ausführungsform des Systems 100, das den Vorgang 200 durchführt, um den OCV-, den SoC- und den SoH-Pegel einer Batterie zu schätzen, während die Batterie einer Last eine elektrische Leistung liefert, erzeugt wurden. 5 stellt einen Graphen 500 der SoH-Schätzungen (die in Einheiten von Ampere-Stunden, Ah, gemessen wurden) für eine Batterie über einer erweiterten Reihe von Lade- und Entladevorgängen über einen Zeitraum von etwa 2,500 Betriebsstunden dar. Im Graphen 500 nimmt die Gesamtkapazität im Allgemeinen im Zeitverlauf ab, was erwartet wird, wenn die Batterie altert, und das System 100 kann selbst in Anwesenheit von Rauschen in den Messdaten von Sensoren in der Batteriebaugruppe genaue Schätzungen des SoH der Batterie erzeugen. 6 stellt einen ähnlichen Graphen 600 dar, der eine genauere Ansicht 650 der SoH-Schätzungen für die Batterie enthält, wenn die Batterie noch neu ist und minimale Verlaufsinformationen über Änderungen des SoC und einer Ladung vorliegen, die beim Erzeugen von Schätzungen des SoH verwendet werden können. Das System 100 führt den Vorgang 200 durch, um innerhalb weniger Stunden des Betriebslebens der Batterie zu einer genauen Schätzung des SoH zu konvergieren. 7 stellt einen weiteren Graphen 700 der SoH-Schätzungen für eine Batterie, die das System 100 unter Verwendung des Vorgangs 200 erzeugt, dar. 7 stellt genaue SoH-Schätzungen dar, die sowohl unter der Anwesenheit von Rauschen in den Sensordaten als auch unter der Anwesenheit einer systematischen Messverzerrung, die in bestimmten Ausführungsformen des Spannungssensors 116 und des Stromsensors 120 in der Batteriebaugruppe 104 auftreten kann, erzeugt wurden. Wie im Graph 700 dargestellt ist, erzeugt das System 100 immer noch genaue SoH-Schätzungen, selbst in der Anwesenheit von Messrauschen und -verzerrung.
Es wird begrüßt werden, dass Varianten der oben offenbarten und weiterer Merkmale und Funktionen oder Alternativen davon wünschenswerterweise in viele weitere verschiedene Systeme, Anwendungen oder Verfahren kombiniert werden können. Verschiedene gegenwärtig unvorhergesehene oder unerwartete Alternativen, Änderungen, Variationen oder Verbesserungen, die auch dazu bestimmt sind, in die folgenden Ansprüche eingeschlossen zu sein, können von Fachleuten später vorgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Überwachen einer Batterie, während die Batterie mit einer Last verbunden ist, das Folgendes umfasst: Messen mit einem Stromsensor eines ersten Strompegels, der durch die Batterie zur Last fließt, zu einer ersten Zeit; Messen mit einem Spannungssensor eines ersten Spannungspegels zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss der Batterie, die jeweils mit der Last verbunden sind, zur ersten Zeit; Erzeugen mit einer Steuereinheit, die mit dem Stromsensor und dem Spannungssensor funktionstechnisch verbunden ist, einer ersten geschätzten Zellenleerlaufspannung (OCV) der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Strompegels, des ersten Spannungspegels und eines vorgegebenen Modells der Batterie, das in einem Speicher, der mit der Steuereinheit funktionstechnisch verbunden ist, gespeichert ist; Identifizieren mit der Steuereinheit eines ersten Erregungspegels der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Spannungspegels, des ersten Strompegels und eines Kostenoptimierungsvorgangs und Identifizieren mit der Steuereinheit eines ersten Ladezustands (SoC) und/oder eines Funktionszustands (SoH) der Batterie unter Verwendung der ersten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der erste Erregungspegel unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen der ersten geschätzten OCV ferner Folgendes umfasst: Identifizieren mit der Steuereinheit einer Polarisationsspannung im Batteriemodell auf der Grundlage des ersten Strompegels, der durch einen ersten vorgegebenen Widerstand und einen zweiten vorgegebenen Widerstand im Batteriemodell fließt; und Erzeugen mit der Steuereinheit der ersten geschätzten OCV auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem ersten Spannungspegel und der Polarisationsspannung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Identifizieren des ersten Erregungspegels ferner Folgendes umfasst: Messen mit einem Temperatursensor eines ersten Temperaturpegels der Batterie zur ersten Zeit und Identifizieren mit der Steuereinheit des ersten Erregungspegels der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Spannungspegels, des ersten Strompegels, des ersten Temperaturpegels und des Kostenoptimierungsvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Identifizieren des ersten Erregungspegels ferner Folgendes umfasst: Identifizieren mit der Steuereinheit einer ersten Änderungsrate eines Stroms, der durch die Batterie fließt, zur ersten Zeit auf der Grundlage mehrerer Strommesswerte vom Stromsensor; Identifizieren mit der Steuereinheit einer zweiten Änderungsrate einer Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage mehrerer Spannungsmesswerte vom Spannungssensor; Identifizieren mit der Steuereinheit einer dritten Änderungsrate einer Temperatur der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage mehrerer Temperaturmesswerte vom Temperatursensor; und Identifizieren mit der Steuereinheit des ersten Erregungspegels der Batterie auf der Grundlage eines normierten Werts eines Vektors, der den ersten Strompegel, die erste Änderungsrate eines Stroms, die zweite Änderungsrate einer Spannung und die dritte Änderungsrate einer Temperatur enthält, unter Verwendung des Kostenoptimierungsvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Identifizieren mit der Steuereinheit des ersten SoC auf der Grundlage einer vorgegebenen Abbildung zwischen den ersten geschätzten OCV- und SoC-Pegeln, die im Speicher gespeichert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Messen mit dem Stromsensor eines zweiten Strompegels, der durch die Batterie zur Last fließt, zu einer zweiten Zeit; Messen mit dem Spannungssensor eines zweiten Spannungspegels zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Batterie, die mit der Last verbunden sind, zur zweiten Zeit; Erzeugen mit der Steuereinheit einer zweiten geschätzten OCV der Batterie zur zweiten Zeit auf der Grundlage des zweiten Strompegels, des zweiten Spannungspegels und des vorgegebenen Modells der Batterie; Identifizieren mit der Steuereinheit einer angesammelten Ladung, die durch die Batterie erzeugt wird, auf der Grundlage mehrerer Strommesswerte vom Stromsensor zwischen der ersten Zeit und der zweiten Zeit; Identifizieren mit der Steuereinheit eines zweiten Erregungspegels der Batterie zur zweiten Zeit auf der Grundlage des zweiten Spannungspegels, des zweiten Strompegels und des Kostenoptimierungsvorgangs; Identifizieren mit der Steuereinheit des ersten SoC zur ersten Zeit unter Verwendung der ersten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der erste Erregungspegel unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt; Identifizieren mit der Steuereinheit eines zweiten SoC zur zweiten Zeit unter Verwendung der zweiten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der zweite Erregungspegel unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt; und Identifizieren mit der Steuereinheit des SoH auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem ersten SoC und dem zweiten SoC und der angesammelten Ladung.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner Folgendes umfasst: Erzeugen mit einer Ausgabeeinrichtung, die mit der Steuereinheit funktionstechnisch verbunden ist, einer optischen und/oder einer akustischen Ausgabe, die der ersten geschätzten OCV, dem ersten SoC oder dem SoH der Batterie entspricht.
Batteriemanagementsystem, das Folgendes umfasst: einen Speicher und eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, mit einem Stromsensor, der einen Stromfluss über eine Batterie zu einer Last misst, einem Spannungssensor, der einen Spannungspegel zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss der Batterie, die jeweils mit der Last verbunden sind, misst, und dem Speicher funktionstechnisch verbunden zu sein, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Empfangen eines Messwerts eines ersten Strompegels, der durch die Batterie zur Last fließt, zu einer ersten Zeit vom Stromsensor; Empfangen eines Messwerts eines ersten Spannungspegels zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Batterie, die jeweils mit der Last verbunden sind, zur ersten Zeit vom Spannungssensor; Erzeugen einer ersten geschätzten Zellenleerlaufspannung (OCV) der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Strompegels, des ersten Spannungspegels und eines vorgegebenen Modells der Batterie, das im Speicher gespeichert ist; Identifizieren eines ersten Erregungspegels der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Spannungspegels, des ersten Strompegels und eines Kostenoptimierungsvorgangs und Identifizieren eines ersten Ladezustands (SoC) und/oder eines Funktionszustands (SoH) der Batterie unter Verwendung der ersten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der erste Erregungspegel unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit ferner konfiguriert ist zum Identifizieren einer Polarisationsspannung im Batteriemodell auf der Grundlage des ersten Strompegels, der durch einen ersten vorgegebenen Widerstand und einen zweiten vorgegebenen Widerstand im Batteriemodell fließt; und Erzeugen der ersten geschätzten OCV auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem ersten Spannungspegel und der Polarisationsspannung.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit ferner konfiguriert ist, funktionstechnisch mit einem Temperatursensor verbunden zu sein, der eine Temperatur der Batterie misst, wobei die Steuereinheit ferner konfiguriert ist zum Empfangen eines Messwerts eines ersten Temperaturpegels der Batterie zur ersten Zeit vom Temperatursensor und Identifizieren des ersten Erregungspegels der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage des ersten Spannungspegels, des ersten Strompegels, des ersten Temperaturpegels und des Kostenoptimierungsvorgangs.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit ferner konfiguriert ist zum Identifizieren einer ersten Änderungsrate eines Stroms, der zur ersten Zeit durch die Batterie fließt, auf der Grundlage mehrerer Strommesswerte vom Stromsensor; Identifizieren einer zweiten Änderungsrate einer Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage mehrerer Spannungsmesswerte vom Spannungssensor; Identifizieren einer dritten Änderungsrate einer Temperatur der Batterie zur ersten Zeit auf der Grundlage mehrerer Temperaturmesswerte vom Temperatursensor und Identifizieren des ersten Erregungspegels der Batterie auf der Grundlage eines normierten Werts eines Vektors, der den ersten Strompegel, die erste Änderungsrate eines Stroms, die zweite Änderungsrate einer Spannung und die dritte Änderungsrate einer Temperatur enthält, unter Verwendung des Kostenoptimierungsvorgangs.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit ferner konfiguriert ist zum Identifizieren des ersten SoC auf der Grundlage einer vorgegebenen Abbildung zwischen den ersten geschätzten OCV- und SoC-Pegeln, die im Speicher gespeichert sind.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit ferner konfiguriert ist zum Empfangen eines Messwerts eines zweiten Strompegels, der durch die Batterie zur Last fließt, zu einer ersten Zeit vom Stromsensor; Empfangen eines Messwerts eines zweiten Spannungspegels zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Batterie, die jeweils mit der Last verbunden sind, zur zweiten Zeit vom Spannungssensor; Erzeugen einer zweiten geschätzten OCV der Batterie zur zweiten Zeit auf der Grundlage des zweiten Strompegels, des zweiten Spannungspegels und des vorgegebenen Modells der Batterie; Identifizieren einer angesammelten Ladung, die durch die Batterie erzeugt wird, auf der Grundlage mehrerer Strommesswerte, die vom Stromsensor zwischen der ersten Zeit und der zweiten Zeit empfangen wurden; Identifizieren eines zweiten Erregungspegels der Batterie zur zweiten Zeit auf der Grundlage des zweiten Spannungspegels, des zweiten Strompegels und des Kostenoptimierungsvorgangs; Identifizieren des ersten SoC zur ersten Zeit unter Verwendung der ersten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der erste Erregungspegel unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt; Identifizieren eines zweiten SoC zur zweiten Zeit unter Verwendung der zweiten geschätzten OCV lediglich als Antwort darauf, dass der zweite Erregungspegel unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt; und Identifizieren des SoH auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem ersten SoC und dem zweiten SoC und der angesammelten Ladung.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8, das ferner Folgendes umfasst: eine Ausgabeeinrichtung und die Steuereinheit, die mit der Ausgabeeinrichtung funktionstechnisch verbunden ist und ferner konfiguriert ist zum Erzeugen einer optischen und/oder einer akustischen Ausgabe, die der ersten geschätzten OCV, dem ersten SoC oder dem SoH der Batterie entspricht, mit der Ausgabeeinrichtung.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8, wobei die Batterie, der Stromsensor, der Spannungssensor und die Steuereinheit in eine Batteriebaugruppe integriert sind.
Batteriemanagementsystem nach Anspruch 8, wobei die Batterie ferner mehrere Batteriezellen umfasst.