DE102017105070A1

DE102017105070A1 - Schätzung der Leistungsfähigkeit für Fahrzeugbatteriesysteme

Info

Publication number: DE102017105070A1
Application number: DE102017105070.1A
Authority: DE
Inventors: Tae-Kyung Lee
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US10023064B2; CN107176043B; CN107176043A; US20170259684A1

Abstract

Ein Steuerung eines Fahrzeugs kann programmiert werden, eine Batterie aufzuladen und zu entladen, und zwar gemäß einem Ladezustand, der von Modellparametern abgeleitet wird, die eine Reihe von RC-Schaltkreisen definieren, die die Frequenzantwort der Batterie zum Eingangsstrom charakterisieren und die jeweils eine Zeitkonstante haben, die proportional zu einer anderen Zeitkonstante ist und einem Proportionalitätsparameter, der eine proportionale Beziehung zwischen den Zeitkonstanten anzeigt. Der Proportionalitätsparameter kann so sein, daß ein Verhältnis der Widerstände der RC-Schaltkreise gleich einem Verhältnis der Kapazitäten der RC-Schaltkreise ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf die Schätzung der Leistungsfähigkeit für Fahrzeugbatteriesysteme.
HINTERGRUND
Hybrid-elektrische und rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge verlassen sich auf eine Traktionsbatterie, die Antriebsenergie und Strom für einige Zubehöreinrichtungen liefert. Die Traktionsbatterie enthält typischerweise mehrere Batteriezellen, die in verschiedenen Konfigurationen angeschlossen sind. Um einen optimalen Betrieb des Fahrzeugs zu gewährleisten, können verschiedene Eigenschaften der Traktionsbatterie überwacht werden. Eine nützliche Eigenschaft ist der Batterieladestatus (SOC), der die in der Batterie gespeicherte Lademenge angibt. Der SOC kann für die Traktionsbatterie als Ganzes und für jede Zelle berechnet werden. Der SOC der Traktionsbatterie gibt einen Hinweis auf die verbleibende Ladung. Der SOC für jede einzelne Zelle liefert Informationen zum Ausgleich des SOC zwischen den Zellen. Ferner können zusätzlich zum SOC für die Batterie zulässige Lade- und Entladeleistungsgrenzen verwendet werden, um den Batteriebetriebsbereich zu bestimmen und übermäßigen Batteriebetrieb zu verhindern.
KURZFASSUNG
Ein Fahrzeug kann eine Steuerung enthalten, die für das Laden und Entladen einer Batterie programmiert ist. Die Steuerung kann die Batterie gemäß dem Ladezustand be- und entladen. Der Ladezustand kann aus Modellparametern abgeleitet werden, die eine Reihe von RC-Schaltkreise definieren, die das Frequenzantwortverhalten der Batterie auf den Eingangsstrom charakterisieren. Jeder RC-Schaltkreis kann eine Zeitkonstante aufweisen, die proportional zu einer anderen Zeitkonstante ist. Ein Proportionalitätspara-meter, der die proportionale Beziehung zwischen den Zeitkonstanten angibt, kann auch das Ableiten unterstützen. Der Proportionalitätsparameter kann so sein, daß ein Verhältnis der Widerstände der RC-Schaltkreisen gleich einem Verhältnis der Kapazitäten der RC-Schaltkreise ist. Die Serie kann nicht mehr als zwei RC-Schaltkreisen enthalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugs;
2 ist ein schematisches Diagramm eines Batteriesystems;
3 ist ein schematisches Diagramm einer Ersatzschaltkreis für eine Batterie;
4 ist ein Graph, der Frequenzantworten einer Ersatzschaltkreis für eine Batterie darstellt;
5 ist ein schematisches Diagramm eines Ersatzschaltkreises für eine Batterie mit zwei RC-Schaltkreissabschnitten;
6 ist ein Algorithmus zur Schätzung von Modellparametern, Stromgrenzen und Leistungsgrenzen für eine Batterie;
7 ist eine graphische Darstellung, die Batteriestrom-Eingänge und Klemmenspannung der äquivalenten Schaltkreis zeigt, ohne die Leerlaufspannung der Batterie einzuschließen, wie durch SOC geschätzt;
8 ist ein Diagramm, das die R0-Schätzung unter Verwendung von gegenwärtigen Verfahren und äquivalenten Schaltkreissmodellen unter Verwendung von extended Kalman-Filtern für einzelne RC-Schaltkreisen und Doppel-RC-Schaltkreisen darstellt;
9 ist ein Diagramm, das die R1-, R2-, C1- und C2-Schätzung unter Verwendung von gegenwärtigen Verfahren und äquivalenten Schaltkreissmodellen unter Verwendung von extended Kalman-Filtern für einzelne RC-Schaltkreisen und Doppel-RC-Schaltkreisen darstellt;
10 ist eine graphische Darstellung, die Stromgrenzen für Entlade- und Ladevorgänge, die eine Sekunde dauern, darstellt;
11 ist eine graphische Darstellung, die Leistungsgrenzen für Entlade- und Ladevorgänge, die eine Sekunde dauern, darstellt;
12 ist eine graphische Darstellung, die Stromgrenzen für Entlade- und Ladevorgänge, die zehn Sekunden dauern, darstellt; und
13 ist eine graphische Darstellung, die Leistungsgrenzen für Entlade- und Ladevorgänge, die zehn Sekunden dauern, darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Selbstverständlich sind die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele und andere Ausführungsformen können andere und alternative Formen annehmen. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstäblich; Einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert werden, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische strukturelle und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, nicht als einschränkend zu interpretieren, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für den Fachmann, um die Ausführungsformen unterschiedlich anzuwenden. Wie dem Fachmann verständlich, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf irgendeine Figur dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen dar. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Erfindung übereinstimmen, können jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen erwünscht sein.
Die Ausführungsformen der Erfindung stellen im Allgemeinen viele Schaltkreise oder andere elektrische Vorrichtungen bereit. Alle Verweise auf die Schaltkreise und andere elektrische Geräte und die von ihnen bereitgestellte Funktionalität sollen nicht darauf beschränkt sein, nur das zu umfassen, was hier dargestellt und beschrieben wird. Während bestimmte Etiketten den verschiedenen Schaltkreisen oder anderen elektrischen Vorrichtungen, die offenbart sind, zugeordnet werden können, sind solche Etiketten nicht dazu gedacht, den Betriebsbereich für die Schaltkreise und die anderen elektrischen Vorrichtungen zu begrenzen. Solche Schaltkreise und andere elektrische Vorrichtungen können miteinander kombiniert und/oder in irgendeiner Weise getrennt werden, basierend auf der speziellen Art der erwünschten elektrischen Implementierung. Es wird erkannt, dass jeder hier offenbarte Schaltkreis oder andere elektrische Vorrichtung eine beliebige Anzahl von Mikroprozessoren, integrierten Schaltkreisen, Speichervorrichtungen (z. B. FLASH, Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), einen elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM)), einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software, die miteinander zusammenwirken, um die hierin offenbarten Operationen durchzuführen. Zusätzlich können irgendeine oder mehrere elektrische Vorrichtungen konfiguriert sein, ein Computerprogramm auszuführen, das in einem nicht transitorischen computerlesbaren Medium ausgeführt ist, das so programmiert ist, dass es eine beliebige Anzahl von Funktionen ausführt, wie offenbart.
1 zeigt ein typisches Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV). Ein typisches Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeug 112 kann einen oder mehrere Elektromotoren 114 umfassen, die mit einem Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die Elektromotoren 114 können als Motor oder Generator arbeiten. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mit einem Verbrennungsmotor 118 verbunden. Das Hybridgetriebe 116 ist auch mit einer Antriebswelle 120 gekoppelt, die mit den Rädern 122 gekoppelt ist. Die Elektromotoren 114 können eine Antriebs- und Verzögerungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 118 an- oder ausgestellt wird. Die Elektromotoren 114 wirken auch als Generatoren und können Kraftstoffverbrauchsvorteile durch die Wiedergewinnung von Energie bereitstellen, die normalerweise als Wärme im Reibungsbremssystem verloren gehen würde. Die Elektromotoren 114 können auch die Fahrzeugemissionen verringern, indem sie dem Verbrennungsmotor 118 erlauben, mit effizienteren Bedingungen (Motordrehzahlen und Lasten) zu arbeiten und das Hybrid-Elektrofahrzeug 112 im elektrischen Betrieb mit dem Verbrennungsmotor 118 unter bestimmten Bedingungen zu betreiben.
Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriepack 124 speichert Energie, die von den Elektromotoren 114 verwendet werden kann. Ein Fahrzeugbatteriesatz 124 liefert typischerweise einen Hochspannungs-Gleichstromausgangt. Die Traktionsbatterie 124 ist elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen verbunden. Ein oder mehrere Schütze 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten isolieren, wenn sie geöffnet sind, und verbinden die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 ist auch elektrisch mit den Elektromotoren 114 verbunden und bietet die Möglichkeit, die Energie zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Elektromotoren 114 bidirektional zu übertragen. Bspw. kann eine typische Traktionsbatterie 124 eine Gleichspannung bereitstellen, während welche die Elektromotoren 114 können einen Dreiphasen-Wechselstrom verwenden, um zu funktionieren. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die Gleichspannung in einen von den Elektromotoren 114 verwendeten Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln. In einem regenerativen Modus kann das Leistungselektronik-modul 126 den Dreiphasen-Wechselstrom von den als Generatoren wirkenden Elektromotoren 114 auf die von der Traktionsbatterie 124 verwendete Gleichspannung transformieren. Diese Beschreibung ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Für ein reines Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 116 ein Getriebe sein, das mit einer Elektromotor 114 verbunden ist und der Verbrennungsmotor 118 fehlen kann.
Zusätzlich zur Bereitstellung von Antriebsenergie kann die Traktionsbatterie 124 Energie für andere Bordnetzsysteme bereitstellen. Ein Fahrzeug kann ein Gleichspannungswandlermodul 128 umfassen, das den Hochspannungs-Gleichstromausgang der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung umwandelt, die mit anderen Fahrzeuglasten kompatibel ist. Andere Hochspannungs-Elektrobelastungen 146, wie z. B. Kompressoren und elektrische Heizer, können ohne die Verwendung eines Gleichspannungswandlermoduls 128 direkt mit der Hochspannung verbunden sein. Die elektrischen Lasten 146 können eine zugeordnete Steuerung aufweisen, welche die elektrische Last betreibt nach Bedarf betreibt. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit einer Hilfsbatterie 130 (z. B. 12 V Batterie) verbunden sein.
Das Fahrzeug 112 kann ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-In-Hybridfahrzeug sein, im die Traktionsbatterie 124 durch eine externe Stromquelle 136 wieder geladen werden kann. Die externe Stromquelle 136 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Stromquelle 136 kann elektrisch mit der elektrischen Fahrzeugversorgungseinrichtung (EVSE) 138 verbunden sein. Die EVSE 138 kann Schaltkreisen und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Energiequelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu verwalten. Die externe Stromquelle 136 Kann dem EVSE 138 eine Gleichstrom- oder Wechselstromquelle zuführen. Der EVSE 138 kann einen Ladekonnektor 140 zum Einstecken in einen Ladeanschluss 134 des Fahrzeugs 12 aufweisen. Der Ladeanschluss 134 kann jede Art von Anschluss sein, der konfiguriert ist, um Leistung von dem EVSE zu übertragen Das Ladeport 134 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einem integrierten Leistungswandlermodul 132 verbunden sein. Das Leistungswandlermodul 132 kann die von dem EVSE 138 gelieferte Energie bedingen, um die richtigen Spannungs- und Strompegel an die Traktionsbatterie 124. Das Leistungswandlermodul 132 kann mit dem EVSE 138 verbunden sein, um die Abgabe von Leistung an das Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 140 kann Stifte aufweisen, die mit entsprechenden Buchsen des Ladeanschlusses 134 zusammenpassen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch verbunden bezeichnet werden, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
Eine oder mehrere Radbremsen 144 können vorgesehen sein, um das Fahrzeug 112 zu verzögern und eine Bewegung des Fahrzeugs 112 zu verhindern. Die Radbremsen 144 können hydraulisch betätigt, elektrisch betätigt oder eine Kombination davon sein. Die Radbremsen 144 können ein Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann andere Komponenten umfassen, die zusammenwirken, um die Radbremsen 144 zu betätigen. Der Einfachheit halber zeigt die Figur eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und dem Rad Bremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 ist impliziert. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung zum Überwachen und Koordinieren des Bremssystems 150 umfassen. Das Bremssystem 150 kann die Bremskomponenten überwachen und die Radbremsen 144 steuern, um das Fahrzeug zu verzögern oder zu steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle antworten und kann auch autonom arbeiten, um Merkmale wie Stabilitätssteuerung zu implementieren. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anlegen einer angeforderten Bremskraft implementieren, wenn es von einer anderen Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
[24] [5] Die verschiedenen besprochenen Komponenten können einen oder mehrere zugehörige Steuerungen zur Steuerung und Überwachung des Betriebs der Komponenten aufweisen. Die Steuerungen können über einen seriellen Bus (z. B. Steuerung Area Network (CAN)) oder über diskrete Leiter kommunizieren. Zusätzlich kann eine Systemsteuerung 148 vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren. Eine Traktionsbatterie 124 kann aus vielen chemischen Formulierungen aufgebaut sein. Typische chemische Batteriematerialien können Blei-Säure, Nickel-Metall-Hydrid (NIMH) oder Lithium-Ionen sein.
2 zeigt einen typischen Traktionsbatteriesatz 200 in einer einfachen Serienkonfiguration von N Batteriezellen 202. Die Batteriesätze 200 können aus einer beliebigen Anzahl von einzelnen Batteriezellen bestehen, die in Reihe oder parallel oder in einer Kombination davon verbunden sind. Ein typisches System kann ein oder mehrere Steuerungen aufweisen, wie bspw. ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) 204, das die Leistung der Traktionsbatterie 200 überwacht und steuert. Das BECM 204 kann mehrere Batteriepackniveaucharakteristika, wie z. B. den Batteriepackstrom 206, überwachen Kann durch ein Paketstrom-Messmodul 208, eine Batteriepackspannung 210 überwacht werden, die durch ein Batteriepackspannungsmessmodul 212 überwacht werden kann, und eine Batteriepacktemperatur, die durch ein Batteriepacktemperaturmessmodul 214 überwacht werden kann. Das BECM 204 kann einen nichtflüchtigen Speicher aufweisen Diese Daten können beibehalten werden, wenn das BECM 204 ausgeschaltet ist. Beibehaltene Daten können bei dem nächsten Zündzyklus verfügbar sein. Ein Batteriemanagementsystem kann aus den anderen Komponenten als den Batteriezellen bestehen und kann das BECM 204, Messsensoren und Module (208, 212, 214) und Sensormodule 216 umfassen. Die Funktion des Batteriemanagementsystems kann sein, die Traktionsbatterie sicher und effizient zu betreiben.
Zusätzlich zu den Batteriepackpegelcharakteristiken kann es zu einer Batteriezelle 220 Pegelcharakteristiken kommen, die gemessen und überwacht werden. Zum Beispiel können die Spannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle 220 gemessen werden. Ein System kann ein Sensormodul 216 verwenden, um die Charakteristiken einzelner Batteriezellen 220 zu messen. Abhängig von den Fähigkeiten kann das Sensormodul 216 die Charakteristika einer oder mehrerer Batteriezellen 220 messen. Das Batteriepaket 200 kann bis zu Nc Sensormodule 216 verwenden, um die Charakteristika jeder Batteriezelle 220 zu messen. Jedes Sensormodul 216 kann die Messungen an die BECM 204 zur Weiterverarbeitung und Koordination übertragen. Das Sensormodul 216 kann Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 204 übertragen. In einigen Ausführungsformen kann die Funktionalität des Sensormoduls 216 intern in das BECM 204 integriert sein. D. h., die Hardware des Sensormoduls 216 kann als Teil integriert sein Der Schaltkreis im BECM 204, wobei das BECM 204 die Verarbeitung von Rohsignalen verarbeiten kann. Die Batteriespannung 200 und die Batteriepackspannungen 210 können unter Verwendung einer Schaltkreis im Batteriepacksspannungsmeßmodul 212 gemessen werden. Der Spannungssensorschaltkreis innerhalb des Sensormoduls 216 und der Batteriepacksspannungsmeßschaltkreis 212 kann verschiedene elektrische Komponenten enthalten, um zu skalieren Und das Spannungssignal abtasten. Die Messsignale können an Eingänge eines Analog-Digital-Wandlers (A/D-Wandlers) innerhalb des Sensormoduls 216, des Sensormoduls 216 und des BECM 204 zur Umwandlung in einen digitalen Wert geleitet werden. Diese Komponenten können kurzgeschlossen oder geöffnet werden, wodurch die Spannung falsch gemessen wird. Zusätzlich können diese Probleme vorübergehend auftreten und erscheinen in den gemessenen Spannungsdaten. Das Sensormodul 216, der Batteriepackspannungssensor 212 und das BECM 204 können Schaltkreisen enthalten, um den Zustand der Spannungsmesskomponenten zu ermitteln. Zusätzlich kann eine Steuerung innerhalb des Sensormoduls 216 oder des BECM 204 Signalgrenzüberprüfungen basierend auf erwarteten Signalbetriebsniveaus durchführen. Eine Batteriezelle kann auf vielfältige Weise modelliert werden. Bspw. kann eine Batteriezelle als Ersatzschaltkreis dargestmodelliert werden. 3 zeigt ein mögliches Batteriezellen-Ersatzschaltkreissmodell (ECM) 300, das als vereinfachtes Randles-Schaltkreissmodell bezeichnet wird. Eine Batteriezelle kann als Spannungsquelle 302 mit einer Leerlaufspannung (V_OC) 304 mit einer zugeordneten Impedanz modelliert werden. Die Impedanz kann aus einem oder mehreren Widerständen (306 und 308) und einer Kapazität 310 bestehen. Der V_OC 304 stellt die Leerlaufspannung (OCV) der Batterie dar, die als Funktion eines Batteriestatus der Ladung (SOC) und der Temperatur ausgedrückt wird. Das Modell kann einen Innenwiderstand, R0 306, einen Ladeübertragungs-widerstand, R1 308 und eine Doppelschichtkapazität C1 310 umfassen. Die Spannung V1 312 ist der Spannungsabfall über dem Innenwiderstand 306 aufgrund des Stroms 314, der von der Spannungsquelle fließt 302. Die Spannung V2 316 ist der Spannungsabfall über die parallele Kombination von R1 308 und C1 310 aufgrund des Stroms 314, der durch die Parallelkombination fließt. Die Spannung Vt 320 ist die Spannung an den Klemmen der Batterie (Klemmenspannung). Die Parameterwerte R0, R1 und C1 können bekannt oder unbekannt sein. Der Wert der Parameter kann vom Zelldesign und der Batteriechemie abhängen.
Wegen der Batteriezellenimpedanz ist die Klemmenspannung V_t 320 nicht gleich der Leerlaufspannung V_OC 304. Typischerweise ist nur die Klemmenspannung 320 der Batteriezelle für die Messung zugänglich, wobein die Leerlaufspannung V_OC 304 nicht ohne weiteres messbar sein kann. Wenn ausreichend lange kein Strom 314 fließt, kann die Klemmenspannung 320 die gleiche wie die Leerlaufspannung 304 sein, jedoch kann typischerweise eine ausreichend lange Zeitdauer benötigt werden, um die interne Dynamik der Batterie zu ermöglichen Einen ruhigen Zustand erreichen. Oft fließt der Strom 314, im der V_OC 304 nicht leicht messbar ist, und der Wert, der auf der Grundlage des äquivalenten Schaltkreissmodells 300 abgeleitet wird, kann Fehler aufweisen, indem er nicht sowohl schnelle als auch langsame dynamische Eigenschaften der Batterie erfassen kann. Die dynamischen Eigenschaften oder Dynamiken zeichnen sich durch einen Frequenzgang aus, der die quantitative Messung des Ausgangsspektrums eines Systems oder Gerätes (Batterie, Zelle, Elektrode oder Subkomponente) als Reaktion auf einen Stimulus (Wechselstrom, Stromprofil, Oder andere historische Daten zum Batteriestrom). Der Frequenzgang kann in Frequenzkomponenten zerlegt werden, wie z. B. schnelle Antworten auf einen gegebenen Eingang und langsame Antworten auf den gegebenen Eingang. Der relative Term schnelle Antworten und langsame Antworten können verwendet werden, um Antwortzeiten zu beschreiben, die kleiner als eine vorbestimmte Zeit (schnell) oder größer als eine vorbestimmte Zeit (langsam) sind. Um die Batterieleistung zu verbessern, wird ein Modell benötigt, das sowohl schnelle als auch langsame Batteriezelldynamik erfasst. Aktuelle Batteriezellenmodelle sind komplex und für moderne elektronische Steuerungssysteme nicht praktikabel. Hier wird ein Mikrozellenmodell mit reduzierter Ordnung, das in der Komplexität reduziert wird, so dass es auf einem Mikrocontroller, einem Mikroprozessor, einem ASIC oder einem anderen Steuersystem ausgeführt werden kann und sowohl eine schnelle als auch eine langsame Dynamik der Batteriezelle erfasst, um die Leistungsfähigkeit der Batterie zu erhöhen System.
4 ist eine graphische Darstellung 400, die eine EIS-Nyquist-Kurve der Batterieimpedanz in bezug auf die Frequenz darstellt. Die EIS-Nyquist-Kurve 400 veranschaulicht eine direkte physikalische Interpretation des Batteriesystems unter Verwendung einer äquivalenten Schaltkreis. Die EIS-Nyquist-Kurve 400 weist eine x-Achse auf, die eine reelle Impedanz 404 und eine y-Achse darstellt, welche die imaginäre Impedanz 402 darstellt. Die Kurve 406 veranschaulicht eine gemessene Impedanz der Batterie über einen Bereich von Frequenzantworten. Der Bereich der Frequenzantworten des Systems kann die Energiespeicher- und Dissipationseigenschaften der Batterie zeigen. Die EIS Nyquist-Kurve 400 kann Informationen über den Reaktionsmechanismus eines elektrochemischen Prozesses für die Batterie mit verschiedenen Reaktionsschritten, die bei bestimmten Frequenzen dominieren können, und der Frequenzgang zeigen Helfen, die Geschwindigkeitsbegrenzungsschritte zu identifizieren. Die Kurve 406 kann die langsame Batterie-Dynamik darstellen, die durch Diffusionsprozesse an den festen Teilchen der Elektroden-Aktivmaterialien und Polarisationsverfahren über die Zelldicke verursacht wird. Die augenblicklichen Antworten werden durch einen internen Widerstandsbegriff R₀ 410 eines äquivalenten Schaltkreissmodells der Batterie bestimmt. Die Batteriedynamik, die durch einen Mittel-Hochfrequenz-Abschnitt 408 repräsentiert wird, bestimmt hauptsächlich die Leistungsfähigkeit unter Berücksichtigung der Batteriedynamik. Die langsame Dynamik, die durch einen Niederfrequenzabschnitt 412 (z. B. Warburg-Impedanzterm) und einen momentanen Dynamikabschnitt R₀ 410 repräsentiert wird, wird durch den Echtzeit-Einstell-Innenwiderstand im äquivalenten Schaltkreissmodell modelliert. Der Graph 400 erfasst die dynamischen Antworten der Batterie, die verwendet werden können, um die augenblickliche Batterieleistung des Batteriesystems abzuschätzen.
5 ist eine schematische Darstellung eines einfachen äquivalenten Schaltkreissmodells 500 unter Verwendung von zwei RC-Schaltkreisen, um eine Batterie gemäß einer Ausführungsform zu modellieren. Die beiden RC-Schaltkreisen können die Modellierung 500 des Batteriepacks und/oder eine oder mehrere Batteriezellen durch eine zusätzliche Dynamik an das Modell verbessern. Zum Beispiel kann der langsame Dynamikterm 412 unter Verwendung einer zusätzlichen RC-Schaltkreis modelliert werden. Das RC-Schaltkreissmodell kann eine zusätzliche RC-Schaltkreis mit einem Widerstand R₀ 522 und einem Kondensator C2 524 parallel und in Reihe mit der RC-Schaltkreis im äquivalenten Schaltkreissmodell 300 enthalten, wie in 3 gezeigt. Das äquivalente Schaltkreissmodell kann andere Konfigurationen aufweisen, die nicht darauf beschränkt sind Ein oder zwei RC-Schaltkreisen. Das äquivalente Schaltkreissmodell kann zwei oder mehr RC-Schaltkreisen einschließen, ist aber nicht darauf beschränkt, die Batterie zu modellieren.
Zum Beispiel wird die mittel-bis-schnelle Dynamik durch den aus der RC-Schaltkreis erzeugten Abschnitt 408 (dh R₀ und C1) dargestellt, und der interne Widerstand bezieht sich auf Ro 306. Die langsame Dynamik, die Warburg-Term 412 genannt wird, wird durch das äquivalente Schaltkreismodell mit der zusätzlichen RC-Schaltkreis (dh R₂ und C2) erfasst. Somit wird eine langsame Dynamik, die hier als Warburg-Term 412 bekannt ist, im äquivalenten Schaltkreissmodell unter Verwendung von zwei oder mehr RC-Schaltkreisen gezeigt.
Ein Fahrzeugbatterie-Messverfahren kann das einfache äquivalente Schaltkreismodell 500 unter Verwendung von zwei RC-Schaltkreisen implementieren, um eine schnelle und langsame Dynamik unabhängig voneinander zu erfassen. Die beiden RC-Schaltkreisen können die Vorhersagefähigkeit für niedrige Temperaturen und/oder lange kontinuierliche Ladebedingungen verbessern. Das Randles Circuit Model 300, wie in 3 gezeigt, kann keine langsame Batteriedynamik im Zusammenhang mit den Warburg-Impedanz-Bedingungen erfassen. Die Einarbeitung von Warburg-Impedanzbegriffen in einem Batteriemodell kann aufgrund der hinzugefügten Bedingungen und Parameter (d. h. R₂, C₂, τ₂) zusätzliche Rechenleistung oder Eingangsleistung erfordern. Die beiden RC-Schaltkreise können die Modellierung der Batteriedynamik verbessern, indem sie sowohl niederfrequente als auch mittel- bis hochfrequente Antworten unter Verwendung der folgenden Gleichungen erfassen:
Wobei v₁ 316 die Spannung über dem RC-Schaltkreis ist, die aus Widerstand R₁ und Kondensator C₁ besteht, ist der Widerstand R₁ 308 ein aktiver Ladeübertragungswiderstand und i 314 ist der Strom, der die Schaltkreis erregt. Der RC-Schaltkreis, der aus Widerstand R₁ und Kondensator C₁ besteht, stellt die Batterie dynamische Änderung während des Fahrzeugbetriebes dar. Der RC-Schaltkreis, der aus Widerstand R₂ und Kondensator C₂ besteht, stellt eine langsame Batterie Dynamik (d. h. Niederfrequenz) während des Fahrzeugbetriebs unter Verwendung der folgenden Gleichung dar:
Wobei x₂ 526 die Spannung über der RC-Schaltkreis ist, die aus R₂ 522 und C₂ 524 besteht, i 314 der in der Schaltkreis anregende Strom ist. Die zusätzliche RC-Schaltkreis mit dem Wider-stand R₂ 522 und dem Kondensator C₂ 524 repräsentiert eine niedrige Frequenz während des Fahrzeugbetriebes. Das äquivalente Schaltkreissmodell mit zwei RC-Schaltkreisen kann die Berechnung der Batterieklemmenspannung unter Verwendung der folgenden Gleichung ermöglichen: v_t = v_OC – v₁ – v₂ – R₀i (3)
Wobei v_t 320 die Klemmenspannung ist, v_OC 302 die aus SOC ermittelte Batterie-Leerlaufspannung ist, v₁ 316 ist die Spannung über die RC-Schaltkreis, die aus Widerstand R₁ und Kondensator C₁, besteht, v₂ 526 die Spannung über der RC-Schaltkreis, die aus R₂ 522 und C₂ 524 besteht, und Ro 300 ist der interne Batteriewiderstand. Die Spannung über den RC-Schaltkreisen kann unter Verwendung der folgenden Gleichungen berechnet werden:
Die Batteriestandsspannungsschätzung mit mehreren RC-äquivalenten Schaltkreissmodellen wird als die folgende Gleichung abgeleitet:
Wo t ist Zeit.
Das System kann die Batterieklemmenspannungsantwort zu der gegenwärtigen Zeit linearisieren (z. B. t ist gleich Null), um eine verallgemeinerte Zustandsrückkopplungsstruktur zum Schätzen der Batteriestromgrenzen als die folgende Gleichung zu erhalten:
Wobei die Gleichung (7) wie folgt ist:
Wobei die Gleichung (8) die Spannungsänderungsrate darstellt und sie durch die Einstellung von t = 0 bei der folgenden Gleichung abgeleitet wird:
Die Bestimmung von
für ein Zwei-RC-Schaltkreisssystem, wie in 7 dargestellt, erfordert die Berechnung von sieben Parametern ((e. g., v₁, v₂, R₀, R₁, R₂, C₁, C₂).). Die Berechnung von sieben Parametern erfordert eine zusätzliche Rechenleistung durch einen Regler, im Vergleich zu einer einzigen RC-Schaltkreis, um die Terminationsspannung v_t. zu bestimmen. Die sieben Parameter können auf fünf reduziert werden, indem Zwischenparameter verwendet werden, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt: k₁ = R₁/R₀ (10) τ₁ = R₁C₁ = k₁R₀C₁ (11) τ₂ = r²τ₁ = r²R₁C₁ = rR₁rC₁ = R₂C₂ (12) R₂ = rR₁ (13) C₂ = rC₁ (14)
Unter Verwendung des Modellparameters r kann eine proportionale Beziehung zwischen R₁ und R₂ gebildet werden. Der gleiche Parameter r kann eine proportionale Beziehung zwischen C₁ und C₂ bilden. Das Verhältnis der Widerstände r ist gleich dem Verhältnis der Kapazitäten r. Die gleiche proportionale Beziehung kann die Zeitkonstante für jede der RC-Schaltkreisen zueinander beziehen. τ₁ ist die Zeitkonstante für R₁C₁ bezogen auf die Zeitkonstante τ₂ für R₂C₂. τ₂ hat eine quadratische Beziehung zu τ₁. Der Parameter k₁ ist ein Quotient aus dem Innenwiderstand R₀ und einem Widerstandsbegriff der Ladeübertragungsimpedanz R₁. Der Parameter ist eine Zeitkonstante, die mit der Ladeübertragungsimpedanz verbunden ist, um die beobachtete Variabilität der Parameter zu verringern.
Diese Beziehungen werden mit Annahmen gebildet. Die Annahmen werden durch die Verknüpfung des R₂ Warburg Term gebildet. Abhängig vom Batteriestatus oder den Bedingungen, wenn R₀ ansteigt, steigt auch R₂ an. Unter bestimmten Betriebsbedin-gungen, wie z. B. wenn R₂ erhöht wird, wird angenommen, daß R₁ aufgrund der inhärenten Beziehung darin relativ ansteigt. Diese Annahme kann die Komplexität der Spannungsgleichungen verringern und die Rechenleistung verringern, die erforderlich ist, indem man r und τ₁ für τ₂ und R₂ einsetzt:
Wenn die Gleichung (15) die Änderungsrate der Spannung über der Schaltkreis R₁C₁ repräsentiert, repräsentiert die Gleichung (16) die Änderungsrate der Spannung über der Schaltkreis R₂C₂. Wie in Gleichung 17 gezeigt, können Modellparameter, die eine Reihe von RC-Schaltkreisen definieren, R₁C₁ eine Zeitkonstante aufweisen, die proportional zu einer anderen der Zeitkonstanten R₂C₂ ist. Bedeutung, die Modellparameter können den Frequenzgang der Batterie zum Eingangsstrom charakterisieren. Ferner sind v₁ und v₂ die Spannungsabfälle über die Elemente in der Schaltkreis als Funktion der Zeit zum Zeitindex, die einen dynamischen Befragten der Schaltkreis repräsentiert. SOC kann verwendet werden, um v_OC unter Verwendung eines aktuellen Integrationsverfahrens oder eines anderen Schätzverfahrens zu schätzen. Daher werden die folgenden Variablen auf den Zeitindex k gesetzt und bei k + 1 geschätzt:
Wo y_k die geschätzte Spannung über den RC-Schaltkreis ist. Der Modellparameter R₀ und eingeführte Modellparameter k₁ und τ₁ erhöhen die Zustandsvariable v₁ und v₂. Daher ist in der folgenden transponierten Matrix ein verstärkter Zustandsvektor dargestellt: X = [v₁ v₂ R₀ k₁ τ₁] (22)

[1] Der erhöhte Zustandsvektor ist nicht auf die Parameter der Batterie-Dynamik v₁ und v₂, auf andere Modellparameter beschränkt, welche die Batteriedynamik R₀, k₁, v₁, charakterisieren und τ₁ in Gleichung (8) offenbart sind. Wenn zum Beispiel ein äquivalentes Schaltkreissmodell zusätzliche RC-Schaltkreisen enthält und/oder das Batteriemodell andere Formen der dynamischen Batteriedarstellung aufweist, können sich die einen oder mehrere extendede Zustandsvektorparameter ändern.

Ein neuer Ausdruck der Gleichung (8) unter Verwendung des extendeden Zustandsvektors ist in der folgenden jakobischen Matrixgleichung dargestellt, wobei eine nahezu linearisierte Matrix die Zustandsgleichungen darstellt:
Wo F_k die Systemmatrix ist, um Systemdynamik und Modellparameteränderungen zu beschreiben.
Wobei H_k die Ausgangsmatrix zur Berechnung einer Systemantwort ist. Bspw. kann diese Ausgangsmatrix die Batterieklemmenspannung v_t als die geschätzte Systemantwort in Echtzeit berechnen. Die Systemmatrix F_k, eine Jacobean-Matrix und die Ausgabesmatrix H_k werden in den folgenden Gleichungen ausgedrückt:
Die Modellparameter werden verwendet, um das Spannungsverhalten vorherzusagen, wenn ein konstanter Strom (i) während der Zeit (t) angelegt wird, wie in den folgenden Gleichungen gezeigt:
Die Batteriestrombegrenzungen können durch die folgende Gleichung berechnet werden:
Wobei
und t_d die Zeitdauer der Schätzung ist, wie in den 10–13 gezeigt.
Batterieladung und Entladeleistung P_cap kann durch die folgenden Gleichungen oder andere Gleichungen berechnet werden: P_{cap_ch}(t_d) = |i_min|{v_max} (31) P_{cap_dis}(t_d) = |i_max|{v_min} (32)
Wobei v_lim in Gleichung (30) die untere Grenzspannung der Batterieklemmenspannung bei Entladung ist und v_max in Gleichung (31) die obere Grenzspannung der Batterieklemmenspannung beim Laden ist. Bspw. wird während eines Batterie-Entladeereignisses die Batterie-Entladestromgrenze während der Zeitperiode Δtd aus Gleichung (30) berechnet. Unter Verwendung der berechneten Batterie-Entladestromgrenze aus Gleichung (30) wird die verfügbare Leistung aus der Gleichung (31) für das Entladeereignis berechnet. Die Batteriemodellparameter können off-line kalibriert oder in Echtzeit geschätzt werden. Wenn Echtzeit-Modellparameter-Schätzung verwendet wird, kann ein EKF verwendet werden. Die EKF zur Schätzung von Modellparametern und Zustandsvariablen wird durch das folgende Verfahren formuliert, das in der folgenden Gleichung ausgedrückt wird: x ^_k|k-1 = f(x ^_k-1|k-1, u_k-1) (34)

[2] Wo x ^_k-1|k-1 der ergänzte Zustandsvektor und u_k-1 der Eingangsstrom ist. Der Eingangsstrom u_k-1 wird an den Algorithmus an dem spezifischen Betriebspunkt übertragen, um dem System die Vorhersage der Batterieparameter zu dieser Zeitvariante zu ermöglichen. Die Modellparameter werden verwendet, um die Spannungsantwort vorherzusagen, wenn während einer Zeitspanne ein konstanter Strom angelegt wird. Basierend auf den obigen Gleichungen und den EKF-Variablen kann die aktualisierte Filtergleichung nun den nächsten Zustand der Batterieleistungsfähigkeiten unter Verwendung der Vorhersagekovarianzgleichungen wie folgt vorhersagen:

Die Differenz zwischen dem neuen Messwert y_k und dem vorhergesagten Wert h(x ^_k|k-1) wird unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet: y ~_k = y_k – h(x ^_k|k-1) (39)
Die folgende Gleichung ist die Zwischenstufe, um die Kalman-Verstärkung Kk zu bestimmen, wie sie in der folgenden Gleichung ausgedrückt wird: K_k = P_k|k-1H T / kS –1 / k (41)
Die Gleichung, die verwendet wird, um die Kalman-Verstärkung Kk zu bestimmen, wird in der folgenden Gleichung ausgedrückt: K_k = P_k|k-1H T / kS –1 / k (41) wobei die Kalman-Verstärkung einen Aktualisierungszustandsvektor x ^_k|k aus dem K_ky ~ der folgenden Gleichung bestimmt: x ^_k|k = x ^_k|k-1 + K_ky ~_k (42)
Die Kovarianz eines Zustandsschätzfehlers ist in der folgenden Gleichung: P_k|k = (I – K_kH_k)P_k|k-1 (43)
Die Modellparameter werden aus Gleichung (23) geschätzt. Die verbesserte Batterieparameter-Berechnungsmethode ermöglicht eine verbesserte Schätzung der Batterieleistungsfähigkeit, während die Verringerung eines Sicherheitsspielraums für einen Batterieverbrauch ermöglicht wird, so dass die Batterie-Hardware aggressiver im Antriebsstrang-System angewendet werden kann. Basierend auf der verbesserten Methode werden die HEV-Kontrollen flexibler, was zu einer verbesserten Leistung und Effizienz des Antriebsstrangs führt.
6 ist ein Flussdiagramm eines Algorithmus zur Identifizierung eines oder mehrerer Batteriemodellparameter, die in einem Batterieverwaltungsverfahren verwendet werden. Das Verfahren kann unter Verwendung eines Softwarecodes implementiert werden, der im Fahrzeugsteuermodul enthalten ist. In anderen Ausführungsformen kann das Verfahren 600 in anderen Fahrzeugsteuerungen implementiert oder unter mehreren Fahrzeugsteuerungen verteilt sein.
In 6 wird das Fahrzeug und seine in 1 und 2 dargestellten Komponenten während der gesamten Erörterung des Verfahrens referenziert, um das Verständnis verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Das Verfahren zum Steuern der Batterieparametervorhersage im Hybrid-Elektrofahrzeug kann durch einen Computeralgorithmus, einen maschinenausführbaren Code oder Softwarebefehle implementiert werden, die in eine geeignete programmierbare Logikvorrichtung(en) des Fahrzeugs, wie bspw. das Fahrzeugsteuermodul, programmiert sind Hybrid-Steuermodul, andere Steuerungen in Kommunikation mit dem Fahrzeug-Computing-System oder eine Kombination davon. Obwohl die verschiedenen Schritte, die im Flußdiagrammdiagramm 600 gezeigt sind, in einer chronologischen Sequenz auftreten, können zumindest einige der Schritte in einer anderen Reihenfolge auftreten, und einige Schritte können gleichzeitig oder gar nicht durchgeführt werden.
Bei Schritt 602 kann während eines Key-On-Ereignisses, das das Fahrzeug einschalten kann, das Fahrzeugcomputersystem mit dem Einschalten des einen oder mehrerer Module beginnen. Das Einschalten des einen oder mehrerer Module kann dazu führen, dass Variablen, die sich auf das Batteriemanagementsystem beziehen, initialisieren können, bevor ein oder mehrere Algorithmen aktiviert werden, die verwendet werden, um die Batterie bei Schritt 604 zu steuern.
Die initialisierten Parameter können vorgegebene Werte oder gespeicherte Werte am letzten Key Off Event sein. Bevor die Algorithmen bei einem Key-On-Ereignis aktiviert werden, sollten die Parameter initialisiert werden. Bspw. kann das Batterieverwaltungsverfahren mehrere Variablen initialisieren, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Batterieklemmenspannung, Stromgrenzen und/oder andere batteriebezogene Parameter.
Bei 606 kann das System die Batteriespannungsausgänge und Stromeingänge mit mehreren Sensortypen in Echtzeit messen. Sobald das System die Batteriespannungsreaktionen und Strommessungen erhalten hat, kann das System die empfangenen Signale verarbeiten, um Batteriestatusvariablen zu berechnen, die durch Spannungsreaktionen auf der Grundlage der schnellen und langsamen Dynamik der Batterie dargestellt werden.
Die Modellparameter-Schätzung von schnellen und langsamen dynamischen Spannungsreaktionen kann unter Verwendung von zwei oder mehr RC-Schaltkreisen in einem äquivalenten Schaltkreismodus bei Schritt 608 gemessen werden. Ein EKF kann für die Modellparameterschätzung verwendet werden. Die Modellparameter-Schätzung basierend auf dem EKF wird mit den Gleichungen (34)–(43) erreicht. Andere Online-Parameterschätzansätze können verwendet werden, wenn Modellparameter in Echtzeit identifiziert werden können. Off-line kalibrierte Modellparameterkarten können verwendet werden, wenn On-line-Parameterschätzansätze nicht in einem Batteriemanagementsystem verwendet werden.
In Schritt 610 kann das System die Zustandsvariablen abschätzen. Die Zustandsvariablen umfassen die Batterie-Leerlaufspannung v_OC 302, die Spannung über der RC-Schaltkreis v₁ 316, die aus den schnellen dynamischen Spannungsreaktionen und der Spannung über der zweiten RC-Schaltkreis v₂ 526 besteht, die aus den langsamen dynamischen Spannungsreaktionen besteht. Die Leerlaufspannung v_OC 302 kann basierend auf dem Batteriestatus der Ladung abgeschätzt werden, was durch die aktuelle Integration oder andere Algorithmen berechnet werden kann.
In einer anderen Ausführungsform können Schritt 608 und Schritt 610 als ein einzelner Schritt kombiniert werden, der durch das System durchgeführt wird. Bspw. kann der Schätzprozeß Batteriemodellparameter und Zustandsvariablen in einer Schätzstruktur, sogenannte ”Parameterzustandskoeffizienten”, enthalten. In dieser Ausführungsform können die unterschiedlichen Zeitskalen in Parameteränderungen und Zustandschancen eine gewisse Verschlechterung der Schätzleistung verursachen, aber die Schätzstruktur kann ein einfacheres Modell sein, das durch das System berechnet wird. Das Trennen der Zustandsvariablen-Schätzprozedur mit der Schätzung des Modellparameters kann es dem System jedoch ermöglichen, die Schätzgenauigkeit bei jeder Zustandsvariablen und Modellparameter zu verbessern.
Bei Schritt 612 kann das System die Stromgrenzen unter Verwendung der Zustandsrückkopplungsstruktur für die schnelle Dynamik, die langsame Dynamik und die Batterie-Leerlaufspannung, wie in Gleichung (30) angegeben, berechnen.
Bei Schritt 614 kann das System Leistungsgrenzen unter Verwendung von Gleichung (31) berechnen. Die berechneten Leistungsgrenzen können verwendet werden, um die Batteriestrombefehle vom Batteriecontroller zum Batteriepack zu bestimmen.
Wenn das System bei Schritt 616 ein Key-off-Ereignis feststellt, kann das System den einen oder mehrere Algorithmen beenden, die zum Verwalten des Batteriepacks und/oder der einen oder mehreren Batteriezellen verwendet werden. Das Fahrzeugcomputersystem kann einen Fahrzeugschlüssel-Aus-Modus aufweisen, um dem System zu ermöglichen, einen oder mehrere Parameter in einem nichtflüchtigen Speicher zu speichern, so dass diese Parameter von dem System für das nächste Tasten-Ein-Ereignis bei Schritt 618 verwendet werden können.
7 zeigt Graphen 700, die ein Batteriestrom-Eingangsprofil und ein in einem Fahrzeug gemessenes Spannungsausgangsprofil oder einen Batterietest anzeigen. Der Batteriestrom-Eingangsgraphen 702 hat eine x-Achse, welche die Zeit 706 darstellt, und eine y-Achse, die den Strom 704 darstellt. Der Stromeingang 708 des Batteriepakets schwankt auf der Grundlage der Fahrzeugantriebsmodi 718 einschließlich des Übergangs zwischen Ladeverarmung (CD) und Ladeerhaltung (CS) Fahrmodi des Systems.
Das Spannungsausgangsprofil ist durch den Klemmenspannungsgraphen 710 mit einer x-Achse dargestellt, welche die Zeit 714 darstellt, und eine y-Achse, welche die Spannung 712 darstellt. Die Klemmenspannung ist die interne Batteriespannung 716 des Batteriepacks und schwankt Basierend auf Fahrzeugantriebsmodi 718 einschließlich des Übergangs zwischen Ladeverarmungs-(CD) und Ladeerhalt(CS)-Treibmodi des Systems.
Der Batteriestrom-Eingangsgraph und der in einem Fahrzeug gemessene Spannungsausgangsgraph oder ein Batterietest zeigen die Schwankungen der Batteriesystemparameter. Die schwankenden Parameter können zu ungenauen Berechnungen im Zusammenhang mit der Batterieleistung, der Hybrid-Antriebsstrangfunktionalität und/oder anderen Systemen führen, die von der Batterie angetrieben werden.
8 ist eine graphische Darstellung 800, die einen Vergleich des berechneten Batteriewiderstandes auf der Basis identifizierter Batteriemodellparameter zeigt. Bisherige Ansätze zur Verwendung von EKF zur Messung der Batteriespannung und/oder des Stroms wurden in einem Batteriemanagementsystem implementiert; Die vorhergesagten Batterieparameter zeigen jedoch eine etwas schwankende Trajektorie. Bspw. neigen die Batterieparameter in einem Hybrid-Elektrofahrzeug dazu, eine fluktuierende Trajektorie zu zeigen, wenn sich die Fahrzeugantriebsmodi zwischen den Ladeverarmungs- und Ladeerhaltungsmodi 808 ändern.
Der bisherige Ansatz zur Verwendung des EKF zur Schätzung von Batterieparametern in einem Batteriemanagementsystem ist in der Regel empfindlich gegenüber internem und externem Rauschen, das durch die schwache Beobachtbarkeit der Randle-Schaltkreissparameter verursacht wird. Die Randle-Schaltkreissparameter, die den vorherigen EKF-Ansatz verwenden, haben eine schwache elektrochemische Beziehung zwischen jedem Parameter.
Bspw. ist die vorherige Schätzung des Innenwiderstandes R₀ 801 des Batteriepacks und/oder der Zelle auf dem Graphen 800 in 8 dargestellt, wie sie durch ein Fahrzeugsystem oder einen Batterietest schwach beobachtbar ist. Die Schätzung des internen Widerstands 801 des Batteriepacks/der Zelle wird durch den Graphen dargestellt, der eine x-Achse aufweist, welche die Zeit 806 darstellt, und eine y-Achse, welche die Ohm 804 darstellt. Der Graph zeigt die Empfindlichkeit der Messung, wenn die Fahrzeugantriebsmodi zwischen ihnen verlaufen Batterieladeverarmungs- und Batterieladeerhaltungsmodi 808. Die Unterschiede zwischen einem RC-Schaltkreis 802 und zwei RC-Schaltkreisen sind gezeigt.
Der durch einen vorgeschlagenen Algorithmus geschätzte R₀ 802, der EKF mit einem hervorgehobenen System von Gleichungen auf der Grundlage eines RC-Schaltkreises mit den eingeführten Variablen des Batteriepacks und/oder der Zelle verwendet, ist in der Grafik in 8 dargestellt Die Schätzung des internen Widerstands 803 veranschaulicht eine Verbesserung der System-Beobachtbarkeit und Schätzung im Vergleich zum vorherigen Ansatz zur Schätzung des internen Widerstands 801, 802. Die vorgeschlagene Schätzung des internen Widerstands R₀ 803 eliminiert das Rauschen durch Verfolgen der variierenden Zeitkonstanten in Abhängigkeit von den Fahrmodusänderungen von CD zu CS 808 effizient. Wie oben erläutert, können die Parameter durch die Verknüpfung der Modellwiderstandsparameter und die Einstellung der Systemzeitkonstante als unabhängige Variable für die Systemidentifikation weniger empfindlich gegenüber dem Rauschen sein.
9 enthält Graphen, die einen Vergleich der geschätzten Batteriemodellparameter im RC-Schaltkreis des Batterieäquivalenzschaltkreissmodells anzeigen. Die Graphen 900 repräsentieren einen Widerstandsterm 906 und einen Kapazitätsterm 910 der Ladeübertragungsimpedanz, dargestellt durch die RC-Schaltkreis, des Batteriemanagementsystems. Die vorherigen Schätzwerte 901, 912 werden mit den vorgeschlagenen Schätzwerten verglichen, wie in den Graphen dargestellt, um die Verbesserung der Beobachtbarkeit der Batterieparameter 902, 903, 904, 913, 914, 918 unter Verwendung des eingestellten EKF-Verfahrens zu veranschaulichen. Die mittlere bis hochfrequente Batteriedynamik
Die vorhergehende Abschätzung des Widerstandsterms der Ladeübertragungsimpedanz, die durch die RC-Schaltkreis dargestellt ist, ist im Graphen mit einer x-Achse dargestellt, welche die Zeit 908 darstellt, und eine y-Achse, welche die Ohm 906 repräsentiert. Die vorherige Schätzung des Widerstandsterms der Ladeübertragungsimpedanz R₁ 901 in einem Batteriemanagementsystem schwankt auf der Grundlage der Empfindlichkeit gegenüber internem und externem Rauschen der Randalschaltkreis. Die Schätzung des Widerstandsterms der Ladeübertragungsimpedanz R₁ 902 unter Verwendung eines EKF mit einem RC-Schaltkreis eliminiert das Rauschen, indem die Modellwiderstandsparameter zusammengefaßt und die Systemzeitkonstante als unabhängige Variable für die Systemidentifikation gesetzt wird. Die vorgeschlagene Schätzung der Widerstandsterme der Ladeübertragungsimpedanz R₁ 903 und R₂ 904 erfasst einen größeren Bereich von Batteriefrequenzantworten.
Bspw. würde das System unter der vorherigen Schätzung des Widerstandsterms der Ladeübertragungsimpedanz 901 eine fluktuierende Trajektorie aufweisen, wenn die Fahrzeugantriebsmodi zwischen der CD zu CS 907 übergehen. Die beiden RC-Schaltkreisen mit Zwischenparametern Und die Randbedingungen sind in der Lage, die Fluktuationen adäquat zu dämpfen und eine verbesserte Schätzung vorzusehen. Die Schätzung unter Verwendung der zwei RC-Schaltkreisskonfiguration verbessert auch die Genauigkeit über die eine RC-Schaltkreissschätzung 902. Unter der vorgeschlagenen Schätzung des Widerstandsterms der Ladeübertragungsimpedanz 903, 904 auf der Grundlage des angepassten EKF-Verfahrens wird die Schätzung verbessert und hat deutlich eliminiert Empfindlichkeit gegenüber dem Rauschen im System.
Der Kapazitätsterm der Ladeübertragungsimpedanz durch C₁ bestimmt die Batteriedynamik, die sich während des Fahrzeugbetriebs ändert. Die vorherige Schätzung der Batteriedynamik 912 während des Fahrzeugbetriebs ist durch eine fluktuierende Trajektorie dargestellt, bei der die x-Achse die Zeit 911 ist und die y-Achse Farad 910 ist. Die vorgeschlagene Schätzung der Batteriedynamik 914 und 915 ist als eine signifikant verbesserte Messberechnung der Batteriesystemdynamik dargestellt, wie oben für den obigen Widerstand beschrieben.
Die 10, 11, 12 und 13 zeigen Leistungs- und Strombegrenzungsschätzungen aus den vorherigen Verfahrensschätzungen, den einzelnen RC-Schaltkreissschätzungen und den Doppel-RC-Schaltkreissschätzungen. Nun bezugnehmend auf 10 stellen die Graphen 1000 die geschätzten Stromgrenzen dar, wenn die Batterie für eine Sekunde geladen oder entladen wird. Jeder der Graphen hat einen y-Achsen-Anzeigestrom 1008 über die Zeit 1010 auf der x-Achse. Das vorhergehende Verfahren 1002 ist mit schwankenden Strombegrenzungsschätzungen angegeben, unabhängig davon, ob der Fahrmodus des Systems Ladeverarmungs-(CD) und Ladeerhaltende (CS) Ansteuerungsmodi des Systems 1003 ist. Eine einzelne RC-Schaltkreis 1004 schätzt Stromgrenzen unter Verwendung von Medium-zu-Hochfrequenz-Frequenzreaktionen mit einem EKF. Ein Zwei-RC-Schaltkreis 1006 schätzt Stromgrenzen unter Verwendung eines breiteren Bereichs von Batteriefrequenzantworten unter Verwendung eines EKF mit Zwischenparametern. Die Einbeziehung von niedrigen, mittleren und hohen Frequenzen in der Zwei-RC-Schaltkreis 1006-Schätzung kann die gegenwärtige Grenzschätzung verbessern.
Nun bezugnehmend auf 11 stellen die Graphen 1100 die geschätzten Leistungsgrenzen dar, wenn die Batterie für eine Sekunde geladen oder entladen wird. Jeder der Graphen hat einen y-Achsen-Anzeigestrom 1108 über der Zeit 1110 auf der x-Achse. Das vorhergehende Verfahren 1102 ist mit schwankenden Leistungsbegrenzungs-schätzungen angegeben, unabhängig davon, ob der Fahrmodus des Systems Ladeverarmungs-(CD) und Ladeerhaltende (CS) Fahrmodi des Systems 1103 ist. Eine einzelne RC-Schaltkreis 1104 schätzt Leistungsgrenzen unter Verwendung von Medium-zu-Hochfrequenz-Frequenzreaktionen mit einem EKF. Eine Zwei-RC-Schaltkreis 1106 schätzt Leistungsgrenzen unter Verwendung eines breiteren Bereichs von Batterie-frequenzantworten unter Verwendung eines EKF mit Zwischenparametern. Die Einbeziehung von niedrigen, mittleren und hohen Frequenzen in der zwei RC-Schaltkreis 1106-Schätzung kann die Leistungsgrenzschätzung verbessern.
Nun bezugnehmend auf 12 stellen die Graphen 1200 die geschätzten Stromgrenzen dar, wenn die Batterie zehn Sekunden lang geladen oder entladen wird. Jeder der Graphen hat einen y-Achsen-Anzeigestrom 1208 über die Zeit 1010 auf der x-Achse. Das vorhergehende Verfahren 1202 ist mit schwankenden Strombegrenzungs-schätzungen angegeben, unabhängig davon, ob der Fahrmodus des Systems Ladever-armungs-(CD) und Ladeerhaltende (CS) Ansteuerungsmodi des Systems 1203 ist. Eine einzelne RC-Schaltkreis 1204 schätzt Stromgrenzen unter Verwendung von Medium-zu-Hochfrequenz-Frequenzreaktionen mit einem EKF. Eine Zwei-RC-Schaltkreis 1206 schätzt Stromgrenzen unter Verwendung eines breiteren Bereichs von Batteriefrequenz-antworten unter Verwendung eines EKF mit Zwischenparametern. Die Einbeziehung von niedrigen, mittleren und hohen Frequenzen in der zwei RC-Schaltkreis 1206-Schätzung kann die gegenwärtige Grenzschätzung verbessern.
In 13 stellen die Graphen 1300 die geschätzten Leistungsgrenzen dar, wenn die Batterie zehn Sekunden lang geladen oder entladen wird. Jeder der Graphen hat einen y-Achsen-Anzeigestrom 1308 über der Zeit 1310 auf der x-Achse. Das vorhergehende Verfahren 1302 ist mit schwankenden Leistungsbegrenzungsschätzungen angegeben, unabhängig davon, ob der Fahrmodus des Systems Ladeverarmungs-(CD) und Ladeerhaltende (CS) Fahrmodi des Systems 1303 ist. Eine einzelne RC-Schaltkreis 1304 schätzt Leistungsgrenzen unter Verwendung von Medium-zu-Hochfrequenz-Frequenzreaktionen mit einem EKF. Eine Zwei-RC-Schaltkreis 1306 schätzt Leistungsgrenzen unter Verwendung eines breiteren Bereichs von Batteriefrequenzant-worten unter Verwendung eines EKF mit Zwischenparametern. Die Einbeziehung von niedrigen, mittleren und hohen Frequenzen in der zwei RC-Schaltkreis 1306-Schätzung kann die Leistungsgrenzschätzung verbessern.
Eine genaue Batterieparameter-Schätzmethode für das Batteriemanagementsystem bietet Leistung, Zuverlässigkeit, Dichte beim Design von Batteriepacks/Zellen und/oder Wirtschaftlichkeit durch kleinere Batteriesysteme. Das genaue Batterieparameter-Schätzverfahren kann einen angepassten Zustandsvektor im EKF-Verfahren enthalten, das die Batteriesteuerung in Bezug auf Betriebsbedingungen verbessert, einschließlich, aber nicht beschränkt auf den Ladezustand, die Leistungsverblassung, die Kapazität verblassen und die sofortige verfügbare Leistung. Das Schätzverfahren der Batterieparameter kann letztlich die Lebensdauer des Batteriesystems verlängern.
Die in der Beschreibung verwendeten Wörter sind Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung, und es versteht sich, daß verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder dargestellt werden können. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Ausführungsformen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, erkennt der Fachmann, dass ein oder mehrere Merkmale oder Merkmale beeinträchtigt werden können, um dies zu erreichen Gesamtsystemattribute, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können einschließen, sind aber nicht beschränkt auf Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Einfachheit der Montage usw. Als solche werden Ausführungsformen beschrieben, die weniger wünschenswert als andere sind Ausführungsformen oder Ausführungsformen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Merkmale liegen nicht außerhalb des Umfangs der Erfindung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Fahrzeug mit: einer Steuerung, die zum Laden und Entladen einer Batterie gemäß einem Ladungszustand, der aus (i) Modellparametern abgeleitet ist, die eine Reihe von RC-Schaltungen definieren, die den Frequenzgang der Batterie zum Eingangsstrom charakterisieren, und die jeweils eine Zeitkonstante proportional zu einer anderen haben, Der Zeitkonstanten und (ii) ein Proportionalitätsparameter, der eine proportionale Beziehung zwischen den Zeitkonstanten angibt.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Proportionalitätsparameter derart ist, dass ein Verhältnis der Widerstände der RC-Schaltungen gleich einem Verhältnis der Kapazitäten der RC-Schaltungen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand eines zweiten der RC-Schaltkreise proportional zu einem Produkt aus einem Innenwiderstand des Batterie- und Proportionalitätsparameters ist.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität eines zweiten der RC-Schaltungsreihen auf einem Verhältnis eines Produkts des Proportionalitätsparameters und der Zeitkonstanten der einen der RC-Schaltkreise zum Widerstand des Stroms basiert Einer der Serie von RC-Schaltungen.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Serie nicht mehr als zwei RC-Schaltungen umfasst.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung ferner programmiert ist, die Modellparameter unter Verwendung eines erweiterten Kalman-Filters mit einer Jacobi Matrix einschließlich des Proportionalitätsparameters zu schätzen.