DE102007026134B4

DE102007026134B4 - Verfahren zum vorhersagen einer änderung in einem betriebszustand einer speichereinrichtung für elektrische energie

Info

Publication number: DE102007026134B4
Application number: DE102007026134.0A
Authority: DE
Inventors: Andrew M. Zettel; Anthony H. Heap
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2027-06-06
Also published as: DE102007026134A1; CN101086518B; US7639018B2; US20070285097A1; CN101086518A

Abstract

Ein Verfahren zum Vorhersagen einer Änderung in einem Betriebzustand, um z.B. dem Lebensdauer-Status, für eine Speichereinrichtung für elektrische Energie umfasst ein Einrichten mehrerer Werte für einen Betriebsparameter, wie z.B. den Strom, der Speichereinrichtung für elektrische Energie und, für jeden jeweiligen Wert, ein Bestimmen einer entsprechenden Änderung im Betriebszustand für die Energiespeichereinrichtung auf der Basis des jeweiligen Wertes. Eine Änderung im Lebensdauer-Status wird vorzugsweise basierend auf einer Integration eines elektrischen Stroms, einer Entladungstiefe der Energiespeichereinrichtung und einem Betriebstemperatur-Faktor der Speichereinrichtung für elektrische Energie bestimmt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Speichereinrichtung für elektrische Energie. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Vorhersagen von Effekten auf eine Speichereinrichtung für elektrische Energie.
Die DE 103 25 751 A1 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zur Berechnung eines Verschlechterungsgrades für eine Batterie. Die Vorrichtung umfasst eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen mehrerer Zustandsgrößen der Batterie; eine erste Berechnungseinrichtung zum Berechnen mehrerer Verschlechterungsgrade in Abhängigkeit von den erfassten Zustandsgrößen; eine Speichereinrichtung zum Speichern der Beitragsgrade, die den jeweiligen Verschlechterungsgraden entsprechen; eine zweite Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Gesamtverschlechterungsgrades der Batterie in Abhängigkeit von den Verschlechterungsgraden und den Beitragsgraden; und eine dritte Berechnungseinrichtung zum Berechnen der Beitragsgrade in Abhängigkeit von dem berechneten Gesamtverschlechterungsgrad.
Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften DE 195 40 827 A1 und DE 198 49 163 A1 verwiesen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Verschiedene Hybridantriebssysteme für Fahrzeuge nutzen Speichereinrichtungen für elektrische Energie, um elektrische Energie an elektrische Maschinen zu liefern, welche dazu dienen, ein Antriebsmoment an das Fahrzeug, oft in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor, zu liefern. Eine beispielhafte Architektur eines Hybridtriebwerks umfasst ein elektromechanisches Getriebe mit Verbund-Verzweigung und zwei Modi, welches ein Eingangselement zum Empfangen von Leistung von einer Kraftquelle einer Antriebsmaschine und ein Ausgangselement zum Abgeben von Leistung vom Getriebe an einen Antriebsstrang eines Fahrzeugs nutzt. Erste und zweite elektrische Maschinen, d.h. Motor/Generatoren, sind wirksam mit einer Energiespeichereinrichtung verbunden, um elektrische Leistung zwischen ihnen auszutauschen. Eine Steuereinheit ist vorgesehen, um den Austausch elektrischer Leistung zwischen der Energiespeichereinrichtung und den elektrischen Maschinen zu regulieren. Die Steuereinheit reguliert auch einen Austausch elektrischer Leistung zwischen der ersten und zweiten elektrischen Maschine.
Einer der Entwurfsgesichtspunkte bei Triebwerksystemen von Fahrzeugen ist die Fähigkeit, für eine gleichmäßige Fahrzeugleistung und Komponenten/System-Nutzungsdauer zu sorgen. Hybridfahrzeuge, und konkreter die damit genutzten Batteriepaketsysteme, konfrontieren Konstrukteure von Fahrzeugsystemen mit neuen Herausforderungen und Kompromissen. Es wurde beobachtet, dass die Nutzungsdauer einer Speichereinrichtung für elektrische Energie, z.B. eines Batteriepaketsystems, zunimmt, wenn die Ruhetemperatur des Batteriepakets abnimmt. Eine kalte Betriebstemperatur führt jedoch Beschränkungen der Batterieladungs/entladungsleistung ein, bis die Temperatur des Pakets erhöht ist. Ein warmes Batteriepaket kann eher eine geforderte Leistung an das Antriebssystem des Fahrzeugs liefern; aber ein fortgesetzter Betrieb bei warmen Temperaturen kann eine verringerte Nutzungsdauer zur Folge haben.
Moderne Hybridfahrzeugsysteme berücksichtigen verschiedene Aspekte eines Betriebs des Hybridsystems, um eine verbesserte Nutzungsdauer der Batterie herbeizuführen. Zum Beispiel wird die Tiefe der Batterieentladung geregelt, wird ein Amperestunde-(Ah)-Durchsatz beschränkt, und werden Konvektionslüfter genutzt, um das Batteriepaket zu kühlen. Umgebungsbedingungen, unter denen das Fahrzeug betrieben wird, wurden im Wesentlichen ignoriert. Die Umgebungsbedingungen können jedoch einen signifikanten Effekt auf die Nutzungsdauer von Batterien haben. Konkret würden gleiche Modelle von Hybridfahrzeugen, die in verschiedenen geographischen Bereichen in ganz Nordamerika ausgegeben werden, nicht zur gleichen Lebensdauer des Batteriepakets führen, selbst wenn alle Fahrzeuge im gleichen Zyklus gefahren würden. Die Umgebung des Fahrzeugs muss berücksichtigt werden, falls eine nützliche Abschätzung der Batterielebensdauer abgeleitet werden soll. Außerdem setzen Kundenerwartungen, Wettbewerb und gesetzliche Vorschriften Leistungsstandards einschließlich der Nutzungsdauer von Batteriepaketen auf, welche erfüllt werden müssen.
Es wäre wünschenswert, in einem Hybrid-Steuerungssystem die Fähigkeit einzubeziehen, einen potentiellen Effekt, den ein Betriebsparameter wie z.B. der elektrische Strompegel auf die Lebensdauer eines Batteriepakets hat, abzuschätzen oder auf andere Weise zu bestimmen, um eine solche Information zur proaktiven Steuerung eines Betriebs des Hybrid-Triebwerksystems zu nutzen, um die Batterielebensdauer zu optimieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diesem Wunsch nachzukommen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wir mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Betriebszustand der Speichereinrichtung für elektrische Energie ist deren Lebensdauer-Status. Ferner ist der Betriebsparameter der Speichereinrichtung für elektrische Energie der
elektrische Strom. Eine Änderung im Lebensdauer-Status wird kann auf der Basis einer Integration des elektrischen Stroms, einer Entladungstiefe der Energiespeichereinrichtung und eines Betriebstemperatur-Faktors der Speichereinrichtung für elektrische Energie bestimmt werden. Die Entladungstiefe der Speichereinrichtung für elektrische Energie wird vorzugsweise auf der Basis des elektrischen Stroms bestimmt. Der Betriebstemperatur-Faktor der Speichereinrichtung für elektrische Energie wird ebenfalls auf der Basis des elektrischen Stroms und der Temperatur der Speichereinrichtung für elektrische Energie bestimmt.
Figurenliste
Die Erfindung kann in bestimmten Teilen und einer Anordnung von Teilen eine physische Form annehmen, von der eine Ausführungsform hierin im Detail beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht wird, die einen Teil hiervon bilden, und worin:

1 ein schematisches Diagramm einer bekannten Architektur für ein Steuerungssystem und ein Triebwerk gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein algorithmisches Blockdiagramme gemäß dem Stand der Technik ist;
3 ein algorithmisches Blockdiagramme gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
4 ein beispielhafter Datengraph gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen zeigt 1 ein Steuerungssystem und ein beispielhaftes Hybrid-Triebwerksystem, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung konstruiert wurde. Das beispielhafte Hybrid-Triebwerksystem umfasst mehrere drehmomenterzeugende Einrichtungen, die dazu dienen, ein Antriebsmoment an eine Getriebeeinrichtung zu liefern, welche ein Antriebsmoment an einen Antriebsstrang liefert. Die drehmomenterzeugenden Einrichtungen umfassen vorzugsweise einen Verbrennungsmotor 14 und eine erste und zweite elektrische Maschine 56, 72, die dazu dienen, von einer elektrischen Speichereinrichtung 74 gelieferte elektrische Energie in ein Antriebsmoment umzuwandeln. Die beispielhafte Getriebeeinrichtung 10 umfasst ein elektromechanisches Getriebe mit Verbund-Verzweigung und zwei Modi, das vier feste Getriebeübersetzungen aufweist, und beinhaltet mehrere Zahnräder, die dazu dienen, das Antriebsmoment über mehrere, darin enthaltene Einrichtungen zur Drehmomentübertragung an eine Ausgangswelle 64 und einen Antriebsstrang zu übertragen. Mechanische Aspekte des beispielhaften Getriebes 10 sind in dem US-Patent US. 6 953 409 mit dem Titel "Two-Mode, Compound-Split, Hybrid Electro-Mechanical Transmission having Four Fixed Ratios im Detail offenbart.
Das Steuerungssystem umfasst eine verteilte Steuerungsmodularchitektur, die über ein lokales Kommunikationsnetzwerk in Wechselwirkung steht, um eine permanente Steuerung für das Triebwerksystem zu schaffen, das den Motor 14, die elektrischen Maschinen 56, 72 und das Getriebe 10 einschließt.
Das beispielhafte Triebwerksystem wurde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert. Das Hybridgetriebe 10 empfängt ein Eingangsdrehmoment von drehmomenterzeugenden Einrichtungen, die den Motor 14 und die elektrischen Maschinen 56, 72 einschließen, als Ergebnis einer Energieumwandlung von Kraftstoff oder in der Speichereinrichtung für elektrische Energie (ESD) 74 gespeichertem elektrischem Potential. Die ESD 74 umfasst typischerweise eine oder mehrere Batterien. Andere Speichereinrichtungen für elektrische Energie, die die Fähigkeit haben, elektrische Leistung zu speichern und elektrische Leistung abzugeben, können anstelle der Batterien verwendet werden, ohne die Konzepte der vorliegenden Erfindung zu ändern. Die ESD 74 ist vorzugsweise auf der Basis von Faktoren ausgelegt, welche Regenerationsanforderungen, Anwendungsprobleme bezüglich einer typischen Straßengüte und Temperatur, und Antriebsanforderungen wie z.B. Emission, Servounterstützung und elektrischer Bereich einschließen. Die ESD 74 ist mittels einer hohen Gleichspannung über Gleichspannungsleitungen, auf die als Übertragungsleiter 27 verwiesen wird, mit einem Getriebe-Leistungsinverter-Modul (TPIM) 19 gekoppelt. Das TPIM 19 überträgt elektrische Energie über Übertragungsleiter 29 zur ersten elektrischen Maschine 56, und das TPIM 19 überträgt ähnlich elektrische Energie über Übertragungsleiter 31 zur zweiten elektrischen Maschine 72. Elektrischer Strom ist zwischen den elektrischen Maschinen 56, 72 und der ESD 74 dementsprechend übertragbar, ob die ESD 74 geladen oder entladen wird. Das TPIM 19 enthält ein Paar Leistungsinverter und jeweilige Motorsteuerungsmodule, die so ausgestaltet sind, dass sie Motorsteuerungsbefehle empfangen und Inverterzustände von dort steuern, um für eine Motorantriebs- oder Regenerierungsfunktionalität zu sorgen.
Die elektrischen Maschinen 56, 72 umfassen vorzugsweise bekannte Motoren/Generatoreinrichtungen. Bei der Motorsteuerung empfängt der jeweilige Inverter Strom von der ESD und liefert über die Übertragungsleiter 29 und 31 Wechselstrom an den jeweiligen Motor. Bei der Regenerierungssteuerung empfängt der jeweilige Inverter über den jeweiligen Übertragungsleiter Wechselstrom vom Motor und liefert Strom an die Gleichstromleitungen 27. Der Netto-Gleichstrom, der an die Inverter oder von diesen geliefert wird, bestimmt den Ladungs- oder Entladungsbetriebsmodus der Speichereinrichtung 74 für elektrische Energie. Die Maschine A 56 und Maschine B 72 sind vorzugsweise Drehstrom-Elektromaschinen, und die Inverter umfassen komplementäre elektronische Drehstromeinrichtungen.
Die in 1 gezeigten und im Folgenden beschriebenen Elemente umfassen eine Teilmenge der gesamten Fahrzeugsteuerungsarchitektur und dienen dazu, für eine koordinierte Systemsteuerung des hierin beschriebenen Triebwerksystems zu sorgen. Das Steuerungssystem dient dazu, entsprechende Information und Eingaben zu sammeln und zu synthetisieren und Algorithmen auszuführen, um verschiedene Stellglieder zu steuern, um Steuerungsziele zu erreichen, einschließlich solcher Parameter wie der Wirtschaftlichkeit des Kraftstoffverbrauchs, Emissionen, Leistung, Fahrbarkeit und Schutz von Hardware einschließlich der Batterien der ESD 74 und Maschinen A und B 56, 72. Die verteilte Steuerungsmodularchitektur des Steuerungssystems umfasst ein Motorsteuerungsmodul (‚ECM‘) 23, ein Getriebesteuerungsmodul (‚TCM‘) 17, ein Batteriepaket-Steuerungsmodul (‚BPCM‘) 21 und das Getriebe-Leistungsinverter-Modul (‚TPIM‘) 19. Ein Hybrid-Steuerungsmodul (‚HCP‘) 5 liefert eine allumfassende Steuerung und Koordination der oben erwähnten Steuerungsmodule. Es gibt eine Nutzerschnittstelle (‚UI‘) 13, die wirksam mit mehreren Einrichtungen verbunden ist, über die ein Bediener des Fahrzeugs den Betrieb des Triebwerks einschließlich des Getriebes 10 typischerweise steuert oder leitet. Beispielhafte Einrichtungen für Eingaben eines Fahrzeugbedieners in die UI 13 beinhalten ein Gaspedal, ein Bremspedal, einen Getriebegang-Wählhebel und einen Fahrzeugtempomaten. Innerhalb des Steuerungssystems kommuniziert jedes der oben erwähnten Steuerungsmodule mit anderen Steuerungsmodulen, Sensoren und Stellgliedern über einen Kommunikationsbus 6 eines lokalen Netzwerkes (‚LAN‘). Der LAN-Bus 6 ermöglicht eine strukturierte Kommunikation von Steuerungsparametern und -befehlen zwischen den verschiedenen Steuerungsmodulen. Das verwendete spezifische Kommunikationsprotokoll ist anwendungsspezifisch. Beispielsweise ist ein Kommunikationsprotokoll der Society of Automotive Engineers Standard J1939. Der LAN-Bus und entsprechende Protokolle sorgen für eine robuste Nachrichtenübermittlung und Kopplung von Multi-Steuerungsmodulen zwischen den oben erwähnten Steuerungsmodulen und anderen Steuerungsmodulen, die eine Funktionalität, wie z.B. Antiblockierbremsen, Traktionssteuerung und Fahrzeugstabilität liefern.
Das HCP 5 liefert eine allumfassende Steuerung des Hybrid-Triebwerksystems, die dazu dient, einen Betrieb des ECM 23, TCM 17, TPIM 19 und BPCM 21 zu koordinieren. Basierend auf verschiedenen Eingangssignalen von der UI 13 und dem Triebwerk erzeugt das HCP 5 verschiedene Befehle einschließlich: eines Motordrehmomentbefehls, Kupplungsdrehmomentbefehle, für verschiedene Kupplungen des Hybrid-Getriebes 10 und Motordrehmomentbefehle für die elektrische Maschine A bzw. B.
Das ECM 23 ist mit dem Motor 14 wirksam verbunden und dient dazu, Daten von einer Vielzahl von Sensoren zu erfassen bzw. eine Vielzahl von Stellgliedern des Motors 14 über mehrere einzelne Leitungen zu steuern, die als vereinigte Leitung 35 gemeinsam dargestellt sind. Das ECM 23 empfängt den Motordrehmomentbefehl von dem HCP 5 und erzeugt eine Achsdrehmoment-Anforderung. Der Einfachheit halber ist das ECM 23 im Wesentlichen mit einer bidirektionalen Schnittstelle mit dem Motor 14
über die vereinigte Leitung 35 dargestellt. Verschiedene Parameter, die von dem ECM 23 abgefühlt werden, beinhalten die Temperatur des Motorkühlmittels, die Motoreingangsdrehzahl in das Getriebe, den Krümmerdruck, die Umgebungslufttemperatur und den Umgebungsdruck. Verschiedene Stellglieder, die durch das ECM 23 gesteuert werden können, beinhalten Kraftstoffeinspritzer, Zündmodule und Drosselsteuerungsmodule.
Das TCM 17 ist wirksam mit dem Getriebe 10 verbunden und dient dazu, Daten von einer Vielzahl von Sensoren zu erfassen und Befehlssteuersignale, d.h. Kupplungsdrehmomentbefehle an die Kupplungen des Getriebes, zu liefern.
Das BPCM 21 steht in Wechselwirkung mit verschiedenen Sensoren, die mit der ESD 74 verbunden sind, um Information über den Zustand der ESD 74 an das HCP 5 abzuleiten. Solche Sensoren umfassen Sensoren für Spannung und elektrischen Strom sowie Umgebungssensoren, die dazu dienen, Betriebsbedingungen der ESD 74 einschließlich z.B. Temperatur und Innenwiderstand der ESD 74 zu messen. Abgefühlte Parameter schließen eine ESD-Spannung, V_BAT , einen ESD-Strom, I_BAT , und eine ESD-Temperatur, T_BAT , ein. Abgeleitete Parameter umfassen vorzugsweise den ESD-Innenwiderstand, R_BAT , den ESD-Ladungszustand, SOC, und andere Zustände der ESD einschließlich der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung P_BAT-MIN und P_BAT-MAX .
Das Getriebe-Leistungsinverter-Modul (TPIM) 19 enthält die oben erwähnten Leistungsinverter und Maschinensteuerungsmodule, die dafür ausgelegt sind, Motorsteuerungsbefehle zu empfangen und Inverterzustände davon zu steuern, um eine Motorantriebs- oder Regenerierungsfunktionalität zu liefern. Das TPIM 19 dient dazu, Drehmomentbefehle für Maschinen A und B basierend auf einer Eingabe vom HCP 5 zu erzeugen, welches durch eine Bedienereingabe über UI 13 und Systembetriebsparameter angesteuert wird. Motordrehmomente werden durch das Steuerungssystem einschließlich des TPIM 19 implementiert bzw. ausgeführt, um die Maschinen A und B zu steuern. Einzelne Motordrehzahlsignale werden vom TPIM 19 aus der Motorphaseninformation oder von herkömmlichen Drehsensoren abgeleitet. Das TPIM 19 bestimmt und übermittelt Motordrehzahlen an das HCP 5.
Jedes der oben erwähnten Steuerungsmodule des Steuerungssystems ist vorzugsweise ein Mehrzweck-Digitalcomputer, der im Allgemeinen einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Nur-Lesespeicher (ROM), einen Direktzugriffsspeicher (RAM), einen elektrisch programmierbaren Nur-Lesespeicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digital- (A/D) und Digital-Analog- (D/A) Schaltung und Schaltung und Einrichtungen für Eingabe/Ausgabe (I/O) und entsprechende Signalaufbereitungs- und Pufferschaltung aufweist. Jedes Steuerungsmodul hat einen Satz Steuerungsalgorithmen, die residente Programmanweisungen und Kalibrierungen aufweisen, welche im ROM gespeichert sind, und ausgeführt werden, um die jeweiligen Funktionen jedes Computers bereitzustellen. Eine Informationsübertragung zwischen den verschiedenen Computern wird vorzugsweise unter Verwendung des oben erwähnten LAN 6 ausgeführt.
Algorithmen zur Steuerung und Zustandsabschätzung in jedem der Steuerungsmodule werden typischerweise während voreingestellter Schleifenzyklen ausgeführt, so dass jeder Algorithmus zumindest ein Mal je Schleifenzyklus ausgeführt wird. Algorithmen, die in den nicht flüchtigen Speichereinrichtungen gespeichert sind, werden von einer der zentralen Verarbeitungseinheiten ausgeführt und dienen dazu, Eingaben von den Abfühleinrichtungen zu überwachen und Steuerungs- und Diagnoseroutinen auszuführen, um einen Betrieb der jeweiligen Einrichtungen unter Verwendung voreingestellter Kalibrierungen zu steuern. Schleifenzyklen werden typischerweise in regelmäßigen Intervallen, z.B. alle 3,125, 6,25, 12,25, 25 und 100 Millisekunden, während eines laufenden Motor- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt. Alternativ dazu können Algorithmen als Antwort auf das Eintreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
Die im Folgenden beschriebene Aktion tritt während eines aktiven Betriebs des Fahrzeugs auf, d.h. der Zeitperiode, wenn ein Betrieb des Motors und der elektrischen Maschinen durch den Bediener eines Fahrzeugs typischerweise über einen Vorgang „Einschalten mittels Schlüssel“ freigegeben ist. Untätigkeitsperioden beinhalten Zeitperioden, in denen ein Betrieb des Motors und der elektrischen Maschinen durch den Bediener des Fahrzeugs typischerweise mittels eines Vorgangs „Ausschalten mittels Schlüssel“ gesperrt ist. Als Antwort auf eine Aktion des Bedieners, wie sie durch die UI 13 erfasst wird, bestimmen das überwachende HCP-Steuerungsmodul 5 und eines oder mehrere der anderen Schaltungsmodule ein erforderliches Getriebeausgangsdrehmoment T_O . Selektiv betätigte Komponenten des Hybrid-Getriebes 10 werden entsprechend gesteuert und manipuliert, so dass sie auf die Bedienervorgabe ansprechen. In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform bestimmt z.B., wenn der Bediener einen Vorwärtsfahrbereich ausgewählt hat und entweder das Gaspedal oder das Bremspedal betätigt, das HCP 5, wie und wann das Fahrzeug beschleunigen oder abbremsen soll. Das HCP 5 überwacht auch die Parameterzustände der drehmomenterzeugenden Einrichtungen und bestimmt die Abgabe des Getriebes, die erforderlich ist, um eine gewünschte Beschleunigungs- oder Abbremsrate zu bewirken. Unter der Leitung des HCP 5 arbeitet das Getriebe 10 über einen Bereich von Ausgangsdrehzahlen von langsam bis schnell, um die Bedienervorgabe zu erfüllen.
Bezug nehmend nun auf 2 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, um einen Lebensdauer-Status (‚SOL‘) einer Energiespeichervorrichtung, der in einem Hybrid-Steuerungssystem nutzbar ist, in Echtzeit abzuschätzen. Das beispielhafte Verfahren und die Vorrichtung, um den Lebensdauer-Status (‚SOL‘) der Energiespeichervorrichtung in dem Hybrid-Steuerungssystem in Echtzeit abzuschätzen, sind in der US-Patentanmeldung US 2007 / 0 285 059 A1 mit dem Titel „Method and Apparatus for Real-Time Life Estimation of an Electric Energy Storage Device“ im Detail offenbart. Das beispielhafte Verfahren und die Vorrichtung, um den Lebensdauer-Status abzuschätzen, umfassen einen Algorithmus, der einen elektrischen Strom und einen Ladungszustand und Temperatur der Speichereinrichtung 74 für elektrische Energie während eines Betriebs überwacht. Die Temperatur der Speichereinrichtung 74 für elektrische Energie wird ferner während Untätigkeitsperioden des ESD-Betriebs überwacht. Untätigkeitsperioden des ESD-Betriebs sind gekennzeichnet durch einen ESD-Leistungsfluss, der minimal (engl. de minimus) ist, während aktive Perioden eines ESD-Betriebs gekennzeichnet sind durch einen ESD-Leistungsfluss, der nicht minimal ist. Das heißt, Untätigkeitsperioden eines ESD-Betriebs sind im Allgemeinen gekennzeichnet durch keinen oder minimalen Stromfluss in die oder aus der ESD. Bezüglich einer ESD, die mit einem Antriebssystem eines Hybridfahrzeugs verbunden ist, können Untätigkeitsperioden einer ESD-Operation mit Perioden einer Fahrzeuginaktivität verbunden sein (z.B. ein Triebwerk, das elektrische Maschinen einschließt, ist nicht in Betrieb wie z.B. während Perioden, in denen das Fahrzeug nicht gefahren wird und Zusatzlasten ausgeschaltet sind, kann aber solche Perioden einschließen, die durch Abflüsse parasitären Stroms gekennzeichnet sind, wie sie zum Fortführen bestimmter Controller-Operationen erforderlich sind, die beispielsweise die mit der vorliegenden Erfindung verbundenen Operationen einschließen). Aktive Perioden eines ESD-Betriebs können im Gegensatz dazu mit Perioden einer Fahrzeugaktivität verbunden sein (z.B. Zusatzlasten sind eingeschaltet und/oder das Triebwerk, das elektrische Maschinen einschließt, ist tätig wie z.B. während Perioden, wenn das Fahrzeug gerade gefahren wird, wobei Stromflüsse in die oder aus der ESD vorliegen können). Der Lebensdauer-Status (‚SOL‘) der Speichereinrichtung 74 für elektrische Energie wird bestimmt basierend auf dem ESD-Strom, dem Ladungszustand der ESD und der Temperatur der ESD während Untätigkeits- und aktiver Betriebsperioden. Die Eingaben in eine Berechnung des SOL umfassen den ESD-Innenwiderstand R_BAT , die ESD-Temperatur T_BAT , den Ladungszustand der ESD SOC und den ESD-Strom I_BAT . Diese sind bekannte Betriebsparameter, die innerhalb des verteilten Steuerungssystems gemessen oder abgeleitet werden. Aus diesen Parametern werden ein Ah-Integrationsfaktor 110, ein Entladungstiefe-Faktor (‚DOD‘) 112, ein Fahrtemperatur-Faktor T_DRIVE , 114 und ein Ruhetemperatur-Faktor T_REST 116 bestimmt und als Eingabe bereitgestellt, um einen Parameter für SOL zu bestimmen. Die Betriebsparameter, die genutzt werden, um SOL zu berechnen, umfassen den ESD-Strom I_BAT , der in Echtzeit überwacht, in Ampere gemessen und als Funktion der Zeit integriert wird; die Größe eines elektrischen Stroms, der durch den ESD 74 während jedes aktiven Lade- und Entladeereignisses fließt; den ESD-Ladungszustand (‚SOC‘), einschließlich der Entladungstiefe (‚DOD‘); und den ESD-Temperatur-Faktor während aktiver Betriebsperioden, worauf als T_DRIVE verwiesen wird. Die Eingaben von R_BAT , T_BAT , SOC und I_BAT sind bekannte Betriebsparameter innerhalb des verteilten Steuerungssystems. Die Eingabe T_REST ist ein abgeleiteter parametrischer Wert.
Bezug nehmend nun auf 3 wird ein schematisches Diagramm eines vorzugsweise in einem der oben erwähnten Steuerungsmodule ausgeführten Algorithmus beschrieben, welcher in dem Steuerungssystem ausgeführt wird, um ein Array möglicher Änderungen im Lebensdauer-Status der ESD, SOL_delta , für einen nachfolgenden Zeitschritt k+1 für jeden Freiheitsgrad der Steuerung vorher zu berechnen. In dieser Ausführungsform umfasst der ausgewählte Freiheitsgrad der Steuerung den ESD-Strom I_BAT . Der Algorithmus wird ausgeführt, um einen Effekt auf den Lebensdauer-Status der ESD bei einem nachfolgenden Zeitschritt für das Array elektrischer Strompegel der ESD zu bestimmen, um einen Fahrzeugbetrieb und eine Steuerung basierend auf dem SOL der ESD 74 zu optimieren. Dies umfasst ein Schätzen von Werten für eine Änderung im SOL, worauf als SOL_delta verwiesen wird, über einen Bereich von Strompegel wie folgt.
Der geschätzte SOL-Faktor wird durch Gl. 1 repräsentiert: $S O L_{k + 1} = S O L_{d e l t a} (x, \vec{y}) + S O L_{k}$

wobei:

SOL_k+1 der Parameter Lebensdauer-Status ist, der für eine nachfolgende Iteration k+1 berechnet wird; typischerweise einen Zeitschritt, der gleich einer verstrichenen Zeit bis zum nachfolgenden Schleifenzyklus im Steuerungssystem ist;
SOL_k der zuletzt berechnete Parameter Lebensdauer-Status ist;
SOL_delta (x, y) den Parameter SOL_delta umfasst, der für gegebene Werte x, y berechnet wurde; und
$S O L_{d e l t a} (x, \vec{y})$
einen Vektor umfasst, der einen Bereich von Parametern SOL_delta enthält, wobei Werte für x konstant gehalten werden, während Werte für y über einen Bereich inkrementiert werden. Der bestimmte SOL_delta -Parameter wird in Verbindung mit anderen Systemrandbedingungen vorzugsweise von dem oben erwähnten Steuerungssystem eines Hybridfahrzeugs zur Optimierung verwendet. Dies ist mit Verweis auf 4 und konkret die Elemente 170, 172, 174 und 176 graphisch dargestellt.

Wieder Bezug nehmend auf 3 arbeitet der Algorithmus, indem ein Eingabeparameter T_{BAT_K} , der die Temperatur der ESD 74 zu einem Zeitpunkt k erfasst, überwacht wird. Der ESD-Strom für den nachfolgenden Zeitschritt k+1, worauf als I_{BAT_K+1} verwiesen wird, umfasst das oben erwähnte Array von Werten des elektrischen Stroms der ESD wie bei 138 gezeigt, in diesem Fall von -200 Ampere bis + 200 Ampere in Inkrementwerten von 100 Ampere, wobei die positiven und negativen Symbole sich auf eine Richtung des Stromflusses zum Laden bzw. Entladen der ESD 74 beziehen. Alle anderen Parameter $(\vec{y})$
in Gl. 1, um SOL_delta zu berechnen, werden konstant gehalten. Die bei der Berechnung von SOL_delta verwendeten Eingabeparameter einschließlich einer Stromintegration 110, des Entladungstiefe-Faktors 112, des Fahrtemperatur-Faktors 114 werden für jeden Wert des ESD-Stroms für den nachfolgenden Zeitschritt I_{BAT_K+1} bestimmt. Ein zweites Array 114 mit einer Tabelle von Werten SOL_delta , die auf der Basis des ESD-Stroms I_BAT:K+1 bestimmt werden, wird berechnet und kann vom Steuerungssystem verwendet werden, um Entscheidungen bezüglich eines späteren Betriebs des Fahrzeugs zu treffen.
Eine Abschätzung eines totalen kumulierten Effekts auf die Komponente 110 der Strom-A-h-Integration kann aus dem Array von Stromwerten 138, in diesem Fall von -200 Ampere bis + 200 Ampere in Inkrementschritten von 100 Ampere, für einen Zeitschritt k+1 direkt berechnet werden. Die A-h-Integrationskomponente 110 für SOL_delta wird verwendet, um einen endgültigen Wert für SOL_delta für jede Zelle in dem Vektor SOL_delta (x, y) zu berechnen. Ein kumulativer Wert von A-h/gefahrene Kilometer (gefahrene Meilen) ist im Allgemeinen für jedes Fahrzeug bekannt und weist typischerweise eine direkte lineare Beziehung zwischen den Werten für den ESD-Strom und SOL_delta auf.
Eine Abschätzung eines Effekts auf die Entladungstiefe (DOD) kann man wie folgt erlangen. Ein parametrischer Wert für SOC zur Zeit k ist bekannt. Der Wert für einen elektrischen Strom, dargestellt mit Verweis auf Vektor 138, wird bei einer Berechnung eines parametrischen Wertes für SOC verwendet, wie in 136 dargestellt, wobei der resultierende SOC_k+1 berechnet wird. Dieser Wert wird dann mit SOC_DOD-LOCK verglichen, der einen Ladungszustand der ESD erfasst, welcher bei einem späteren Berechnungszyklus erhalten wird, wo der vorgeschlagene Strom befohlen wird. Der Beitrag des DOD-Effekts auf den SOC nimmt zu, wenn das System die Schwelle SOC-DOD LOCK IN überschreitet, die in dieser Ausführungsform einen parametrischen Wert von 75% hat. Dies bedeutet, dass das System Abweichungen von einem SOC-Zielbereich bestraft. Das System bestraft SOC sehr, wenn z.B. eine Aktion durch den Controller eine ESD-Entladung unter einen eingestellten Wert, z.B. 40%, als Ergebnis eines Vorgangs wie z.B. einer ausgedehnten Fahrzeugbeschleunigung bewirkt. Ein resultierender parametrischer Wert für die Entladungstiefe 112 wird in die DOD-SOL-Einflusstabelle eingegeben. Diese SOLdelta-Komponente wird dann zur SOL_delta-Berechnung übermittelt.
Eine Abschätzung eines Effekts basierend auf einer ESD-Betriebstemperatur umfasst eine Berechnung von Abschätzungen einer Wärmeübertragung zur ESD, die durch die anstehende Änderung des Steuerungsparameters I_BAT hervorgerufen wird. Dies liefert eine Angabe eines Betrags, um den die ESD während der verstrichenen Zeit erwärmt wird. Der ESD-Heizwert wird bestimmt, indem jeder Wert für den Strom I_{BAT_K+1} in ein mathematisches Modell der ESD 74 eingegeben wird, das ein oder mehr Vektoren oder Matrizen des Widerstands als Funktion von SOC und der Temperatur enthält. Die Matrix kann auf einer vorbestimmten Kalibrierung basierend auf Labordaten oder einem berechneten Widerstand von einem Steuerungsmodul basieren. Die Berechnung basiert ferner auf einer thermischen Masse der ESD 74 und einem etwaigen Leistungsvermögen eines ESD-Kühlsystems. Eine Schätzung einer thermischen Änderung 134 wird auf der Basis einer Steuerungsoperation wie in Block 134 dargestellt bestimmt, und auf sie wird als eine Differenz zwischen ESD-Temperaturen zu Zeiten k und k+1 verwiesen, d.h. (T_{BAT_K+1}-T_{BAT_K}). die basierend auf dem Steuerungsparameter I_BAT zur Zeit k+1 bestimmt wird. Ein Fahrtemperatur-Faktor wird bei Block 114 bestimmt, der zur SOL_delta-Berechnung des Blocks 142 für den Zeitschritt k+1 weitergeleitet wird. Dieses Ergebnis ergibt sich, weil Betriebstemperaturen und Ruhetemperaturen die Gesamtlebensdauer der ESD beeinflussen. Der zeitintegrierte Stromfaktor von Block 110, der DOD-Faktor von Block 112 und der Fahrtemperatur-Faktor von Block 114 umfassen die Eingaben in Block 142, der für jeden Stromwert des Array von Stromwerten, die vom Block 138 in den Algorithmus eingegeben werden, einen parametrischen Wert für SOL_delta bestimmt. Ein Array von Werten wie vorher beschrieben wird in dem Vektor 144 SOLdelta (x, y) erzeugt.
Als ein Beispiel führt ein Betrieb eines Hybridfahrzeugs, um Strom und Ladung einer ESD zu maximieren, zu großen Strommengen, die durch die ESD fließen. Der Parameter für A-h/Kilometer (Meilen) ist voraussichtlich höher als für einen durchschnittlichen Bediener bzw. Fahrer, und die A-h-Komponente zur Berechnung von SOLdelta (x, y) spiegelt voraussichtlich ziemlich hohe Werte für SOL_delta bei allen positiven und negativen Stromwerten wider. Da das Steuerungssystem genug Zeit hat, sich an einen Fahrstil verschiedener Fahrer anzupassen (gewöhnlich versuchen klügere Fahrer, einen Betrieb in einem Auflademodus, z.B. regeneratives Bremsen, zu maximieren und Bereiche eines ESD-Boost zu identifizieren), bleibt in diesem Beispiel der Ladungszustand bei einem optimalen Pegel um 75% +/- 2%. Zu einem bestimmten Moment der Berechnung mit SOC bei 74,5 betrug der Wert SOC_DOD-LOCK von Block 136 74,9. Der momentane DOD an diesem Punkt beträgt nur 0,4% DOD. Dies übersetzt sich in einen verhältnismäßig kleinen Effekt auf SOL_delta für alle Stromwerte I_bat/k+1 . Anders ausgedrückt gibt es im nächsten Zeitschritt ein beschränktes Risiko für einen mit einer großen Entladungstiefe direkt zusammenhängenden SOL.
Wenn der Bediener bzw. Fahrer höchstwahrscheinlich mit einer hohen ESD-Temperatur startet, während große Mengen an Strom durch die ESD fließen, der sie sehr wahrscheinlich über die Leistungsfähigkeit ihres Kühlsystems hinaus erwärmt, sind letztendlich die Effekte aufgrund niedriger Strompegel wahrscheinlich mäßig. Bei höheren positiven Ladeströmen gäbe es jedoch aufgrund eines zukünftigen Potentials für eine ESD-Erwärmung einen größeren Effekt auf SOL_delta . Es gäbe auch geringere Zunahmen im SOL_delta für größere Entladungsströme, aber nicht so groß wie die Ladeströme, da Entladeströme einen geringeren Widerstand als Ladeströme haben.
Wieder Bezug nehmend auf 4 wird ein Datengraph gezeigt, der einen Lebensdauer-Status-Faktor als Funktion der Betriebszeit und Laufleistung des Fahrzeugs darstellt. Enthalten ist ein Zielprofil 160 mit einer idealisierten linearen Änderung in SOL über die Zeit und gefahrene Distanz. Eine zweite Linie 170 erfasst ein System, worin ein anfänglicher SOL vs. Zeit über dem idealisierten Profil liegt, was möglicherweise zu einer kürzeren Nutzungsdauer für die ESD 74 führt. Daher besteht ein Bedarf an einer weniger aggressiven Nutzung der ESD bei der nachfolgenden Verwendung, um die ESD-Lebensdauer zu optimieren. Eine dritte Linie 180 erfasst ein System, worin der anfängliche SOL vs. Zeit unter dem idealisierten Profil liegt, was zu einer verlängerten Nutzungsdauer für die ESD 74 führt. In diesem Fall kann das Betriebssystem die elektrischen Maschinen 56, 72 aggressiver nutzen, um das Fahrzeug anzutreiben. Ein solches System erleichtert überdies eine effektivere Nutzung des Hybridantriebssystems in einem Fahrzeug, das in einem Klima mit geringeren Umgebungstemperaturen genutzt wird. Bezug nehmend nun auf die Elemente 172, 174, 176 sind drei Werte für SOL_delta dargestellt, die gemäß Gl. 1 oben und der Erfindung, wie sie hierin beschrieben wurde, berechnet wurden. Diese Information kann vom Hybrid-Steuerungssystem genutzt werden, um über einen geeigneten Betriebspegel der elektrischen Maschinen als Funktion des elektrischen Stromflusses für die nachfolgenden Schritte zu entscheiden, während ein Effekt auf die Lebensdauer der ESD unter Verwendung des SOL-Faktors berücksichtigt wird. Daher können die Ströme der elektrischen Maschinen gemäß der allgemeinen Vorgabe, SOL gemäß dem Zielprofil 160 zu halten bzw. zu führen, gesteuert werden. Ein Variieren von Graden von Steuerungstechniken kann diese Vorgabe erfüllen, was zum Beispiel das Einrichten (z.B. Einstellen oder Vorgeben) von Maschinenströmen einschließt, wo eine aggressive Steuerung gerechtfertigt ist, z.B. wo ein tatsächlicher SOL grobe Einstellungen erfordert, um dem Zielprofil zu entsprechen, oder der SOL auf ein vorzeitiges Ende der Lebensdauer in Bezug auf das Zielprofil zusteuert. Alternativ dazu kann allein ein Einrichten von Grenzen für Maschinenströme zweckmäßiger sein, wo eine weniger aggressive Steuerung gerechtfertigt ist, z.B. wo der tatsächliche SOL geringfügige Einstellungen erfordert, um dem Zielprofil zu entsprechen, oder der SOL auf ein verlängertes Ende der Lebensdauer in Bezug auf das Zielprofil zusteuert. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, den tatsächlichen SOL schnell zum Zielprofil konvergieren zu lassen, während ein Überschießen minimiert wird.
Diese Ausführungsform beschreibt ein Verfahren und ein System, um einen Effekt einer Änderung in einem Betriebsparameter, z.B. dem ESD-Strom, auf einen Betriebszustand der Einrichtung, z.B. den Lebensdauer-Status der ESD, vorauszubestimmen. Für andere Anwendungen können mehr Steuerungsgrade vorliegen, so dass Effekte auf SOL_delta über andere Steuerungsparameter berechnet werden und zum Steuerungssystem geleitet werden. Es versteht sich, dass solche Modifikationen in den Umfang der Erfindung fallen. Es versteht sich auch, dass Modifikationen in der Getriebe-Hardware innerhalb des Umfangs der Erfindung zulässig sind. Die Erfindung wurde mit spezifischem Verweis auf die bevorzugten Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben

Claims

Verfahren zum Vorhersagen einer Änderung im Lebensdauer-Status einer Speichereinrichtung für elektrische Energie, mit den Schritten: Liefern mehrerer potentieller Ströme für die Speichereinrichtung für elektrische Energie; und für jeden potentiellen Strom, Vorhersagen eines jeweiligen Effekts auf den Lebensdauer-Status der Speichereinrichtung, was umfasst, dass für jeden potentiellen Strom Änderungen im Lebensdauer-Status auf der Basis einer Entladungstiefe der Speichereinrichtung und einer Betriebstemperatur der Speichereinrichtung vorhergesagt werden.