DE102013112533A1

DE102013112533A1 - Plug-In Ladungskapazitätsschätzungsverfahren für Lithium-Eisenphosphatbatterien

Info

Publication number: DE102013112533A1
Application number: DE102013112533.6A
Authority: DE
Inventors: Christopher W. Mousseau; Michael Wahlstrom; Zachary D. Bylsma
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: CN103869252A; DE102013112533B4; US20140163853A1; US9128159B2; CN103869252B

Abstract

Ein Verfahren zum Schätzen einer Ladungskapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks unter Verwendung von Daten aus einem Plug-in-Ladeereignis. Ein im Labormaßstab gemessener Batteriepackwiderstand, welcher dafür bekannt ist, über die Lebensdauer eines Batteriepacks konstant zu bleiben, kann verwendet werden, um eine Leerlaufspannung aus einer Klemmenspannung während des Ladens zu bestimmen. Die tatsächliche Leerlaufspannung nach dem Laden kann später gemessen werden, nachdem der Batteriepack für eine ausreichende Zeit geruht hat. Die zwei Werte der Leerlaufspannung liefern zwei Werte für den Ladezustand des Batteriepacks, wenn sie an Punkten von der SOC-OCV-Kurve des Batteriepacks genommen werden, welche eine genügend große Steigung aufweist. Durch Integrieren des Ladestroms über das Zeitintervall zwischen den zwei Messpunkten der Leerlaufspannung und durch Verwenden der zwei Ladezustandswerte kann die Batteriepackkapazität aus den Plug-in-Ladedaten bestimmt werden

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Bestimmung der Ladungskapazität eines Batteriepacks und insbesondere auf ein Verfahren zum Schätzen der Kapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks nach einem Laden, wobei eine Eigenschaft des Lithiumeisenphosphat-Batteriewiderstands verwendet wird, um eine Bestimmung der Leerlaufspannung während des Ladens durchführen zu können, und wobei Charakteristiken einer Spannung-über-Ladezustandskurve für Lithiumeisenphosphat-Batterien verwendet werden, um einen Ladezustand an zwei Punkten auf der Spannungs-Ladungskurve zu bestimmen, wodurch die tatsächliche Ladungskapazität bestimmt werden kann.
2. Diskussion des Standes der Technik
Elektrofahrzeuge und Benzin-Elektro- oder Diesel-Elektrohybrid-Fahrzeuge gewinnen rasch an Popularität auf dem heutigen Automobilmarkt. Elektro- und Elektrohybrid-Fahrzeuge bieten zahlreiche wünschenswerte Eigenschaften, beispielsweise das Reduzieren oder Eliminieren von Emissionen und dem auf Öl basierenden Treibstoffverbrauch beim Endkunden und potenziell niedrigere Betriebskosten. Ein Schlüsselsubsystem von Elektro- und Elektrohybrid-Fahrzeugen ist der Batteriepack, welcher einen substantiellen Anteil an den Fahrzeugkosten darstellt. Batteriepacks in diesen Fahrzeugen bestehen typischerweise aus zahlreichen miteinander verbundenen Zellen, welche in der Lage sind, auf Anforderung eine große Menge an Strom abzugeben. Das Maximieren der Batteriepackleistungsfähigkeit und Lebensdauer sowie die Informationsweitergabe der verbleibenden Fahrreichweite und Batterieleistung an den Fahrer sind Schlüsselbetrachtungen bei der Entwicklung und dem Betrieb von Elektro- und Elektrohybrid-Fahrzeugen.
Ein typischer Elektrofahrzeugbatteriepack beinhaltet zwei oder mehrere Batteriepacksektionen, wobei jede Sektion viele einzelne Batteriezellen enthält, die dazu benötigt werden, um die erforderliche Spannung und Kapazität zu liefern. Um die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Batteriepacks zu optimieren, und um den Betrag an verfügbarer Ladungskapazität zu bestimmen, ist es wichtig, den Ladezustand der Zellen zu überwachen. Der Ladezustand einer Batteriezelle oder eines voll geladenen Batteriepacks wird typischerweise mit Hilfe der Leerlaufspannung der Zelle bestimmt unter Verwendung einer bekannten Beziehung, die in der Form einer Ladezustands-über-Leerlaufspannungskurve (SOC-OCV-Kurve) definiert ist. Bei einigen Arten von Batterien, beispielsweise Lithiumeisenphosphatbatterien gestaltet die extrem niedrige Steigungscharakteristik der SOC-OCV-Kurve es sehr schwierig, den Ladezustand ausgehend von der Leerlaufspannung genau zu bestimmen.
Des Weiteren ist es nicht gangbar, einfach den Ladestrom und den Entladestrom in den bzw. aus dem Lithiumeisenphosphat-Batteriepack zu messen, um kontinuierlich den Ladezustand zu bestimmen, da kleine Fehler sich mit der Zeit akkumulieren würden und zu einer großen Ungenauigkeit bei einer solchen Messung führen würden. Ferner erfordert eine genaue Kenntnis der Reichweite die Kenntnis von sowohl des Ladezustands als auch der Batteriepackkapazität, da die Kapazität des Batteriepacks über die Lebensdauer des Batteriepacks zurückgehen kann. Demzufolge besteht ein Bedürfnis für ein Verfahren zum genauen Bestimmen der Ladungskapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks, wobei das Verfahren nicht an den oben erwähnten Ungenauigkeiten leidet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schätzen der Ladungskapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks unter Verwendung von Daten aus einem Plug-in-Ladeereignis offenbart. Ein im Labor gemessener Batteriepackwiderstand, der dafür bekannt ist, über die Lebensdauer eines Batteriepacks konstant zu bleiben, kann verwendet werden, um die Leerlaufspannung aus der Klemmenspannung während des Aufladens zu bestimmen. Die tatsächliche Leerlaufspannung nach dem Laden kann später gemessen werden, nachdem der Batteriepack für eine gewisse Zeitdauer geruht hat. Die zwei Werte für die Leerlaufspannung ergeben zwei Werte für den Ladezustand des Batteriepacks, wenn sie an Punkten auf der Batteriepack-SOC-OCV-Kurve, welche eine genügend große Steigung aufweist, aufgenommen werden. Durch Integrieren des Ladestroms über das Zeitintervall zwischen den zwei Leerlaufspannungsmesspunkten und durch Verwenden der zwei Ladezustandswerte kann die Batteriepackkapazität aus den Plug-in-Ladedaten bestimmt werden.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein Graph, der einen Ladezustand-über-Leerlaufspannung(SOC-OCV)-Kurve für einen Lithiumeisenphosphat-Batteriepack zeigt;
2 ist ein Graph, der eine Klemmenspannung und eine Leerlaufspannung als eine Funktion der Zeit während eines Ladeereignisses eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks zeigt;
3 ist ein Graph, der die Differenz zwischen den Klemmenspannungs- und Leerlaufspannungskurven der 2 zeigt;
4 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bestimmen eines Widerstands eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks;
5 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Schätzen der Kapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks nach einem Plug-in-Ladeereignis; und
6 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Schätzen der Kapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks unter Verwendung von Daten von einem Plug-in-Ladeereignis.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die vorliegende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Schätzen einer Plug-in-Ladungskapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise ist die folgende Diskussion auf Batteriepacks gerichtet, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, das Verfahren ist jedoch gleicherweise auf Batteriepacks in anderen Fahrzeug- bzw. Nichtfahrzeuganwendungen anwendbar.
Batteriepacks in Elektrofahrzeugen und Benzin-Elektro- oder Diesel-Elektrohybridfahrzeugen (im Folgenden der Einfachheit halber als ”Elektrofahrzeuge” bezeichnet) bestehen typischerweise aus hunderten einzelnen Zellen. In vielen gängigen wiederaufladbaren Batteriechemieen erzeugt jede Zelle ungefähr 3–4 V nominal, wobei der exakte Wert von der verwendeten Batteriechemie, dem Ladezustand und anderen Faktoren abhängt. Viele in einem Modul in Reihe verschalteten Zellen erzeugen die Hochspannung, die notwendig ist, um die elektrischen Fahrzeugmotoren anzutreiben, wobei viele Zellen zueinander parallel in Zellgruppen angeordnet werden können, um die Kapazität zu erhöhen.
Damit ein Fahrer die Reichweite eines Elektrofahrzeuges beherrschen kann, ist es wichtig, sowohl den Ladezustand als auch die Ladungskapazität des Batteriepacks zu jeder Zeit zu kennen. Die Ladungskapazität ist der tatsächliche Betrag an elektrischer Energie, der in dem Batteriepack gespeichert ist und dem Fahrzeug zur Verfügung steht. Die Ladungskapazität wird in Einheiten der Energie (beispielsweise Kilowattstunden oder kWh) ausgedrückt oder in Einheiten von Stromstärke·Zeit (beispielsweise Amperestunden bei einer gewissen angenommenen Spannung). Der Ladezustand ist eine Zahl, die ausgedrückt wird als Prozentsatz, welche anzeigt, wie viel elektrische Energie in einem Batteriepack relativ zu der Kapazität des Batteriepacks gespeichert ist. Das bedeutet, dass ein voll aufgeladener Batteriepack einen Ladezustand von 100% aufweist, wohingegen ein vollkommen entladener Batteriepack einen Ladezustand von 0% aufweist.
Der Ladezustand eines Batteriepacks wird typischerweise basierend auf der Leerlaufspannung des Batteriepacks unter Verwendung einer bekannten Beziehung ausgedrückt, welche definiert ist in der Form eines Ladezustands als Funktion einer Leerlaufspannungskurve (SOC-OCV-Kurve). Unter Verwendung dieser Beziehung kann ein Batterieregler in einem Elektrofahrzeug den Ladezustand des Batteriepacks zu jederzeit überwachen. Einige Batteriechemieen weisen jedoch eine charakteristische SOC-OCV-Kurve-auf, die eine sehr kleine Steigung besitzt, d. h. dass sich die Leerlaufspannung nur sehr wenig über einen weiten Bereich der Ladezustandswerte ändert, was es sehr schwierig macht, den Ladezustand ausgehend von einer Leerlaufspannung zu bestimmen.
Da die Energiespeicherkapazität zurückgehen kann, wenn die Batterie altert, ist es nicht ausreichend, dem Fahrer nur anzuzeigen, dass beispielsweise einen Ladezustand von 100% nach einer vollen Ladung vorliegt, da 100% Ladezustand für einen alten Batteriepack weniger Energie bedeuten als 100% Ladezustand für einen neuen Batteriepack. Vielmehr ist es notwendig, die tatsächliche Energiespeicherkapazität des Batteriepacks bei seinem gegenwärtigen Funktionszustand zu bestimmen, welcher zusammen mit dem Ladezustand eine wirkliche Anzeige der dem Fahrer zur Verfügung stehenden Reichweite liefert.
1 ist ein Graph 10, der eine SOC-OCV-Kurve für eine Lithiumeisenphosphat-Batteriezelle zeigt. Lithiumeisenphosphat ist eine Batteriechemie, die in den Batteriepacks von etlichen neuen Elektrofahrzeugen verwendet wird. Auf dem Graph 10 zeigt die horizontale Achse 12 einen Ladezustand der Batteriezelle, der von 0–100% geht. Die vertikale Achse 14 zeigt eine Leerlaufspannung der Zelle mit Werten, die von ungefähr 3,0 V bis ungefähr 3,5 V gehen. Eine Kurve 16 zeigt, wie die Leerlaufspannung mit dem Ladezustand bei der Lithiumeisenphosphat-Batteriezelle variiert. Die Klammer 18 zeigt den typischen Betriebsbereich für einen Fahrer eines Elektrofahrzeugs, welcher die Tatsache widerspiegelt, dass die meisten Fahrer ihr Elektrofahrzeug nur die Hälfte oder weniger der maximalen Reichweite fahren, bevor sie es wieder aufladen. Deswegen fällt der Ladezustand des Batteriepacks und jeder einzelnen Zelle selten unter ungefähr 50%.
Es ist ersichtlich, dass der größte Teil der SOC-OCV-Kurve 16 eine sehr kleine Steigung aufweist, insbesondere in dem Fenster von 50–100% Ladezustand, das durch die Klammer 18 gezeigt wird. Aufgrund der sehr kleinen Änderung in der Leerlaufspannung über einen weiten Bereich der Ladezustandswerte ist es fast unmöglich, den Ladezustand durch einfaches Messen eines Leerlaufspannungswertes in einer Lithiumeisenphosphat-Batteriezelle oder einem Lithiumeisenphosphat-Batteriepack zu bestimmen. Dies ist insbesondere wahr, da die meisten Fahrer den Batteriepack des Elektrofahrzeuges selten unter 20% entladen, wo die große Steigung der SOC-OCV-Kurve 16 eine genaue Bestimmung des Ladezustands aus der Leerlaufspannung ermöglichen würde. Es kann jedoch innerhalb des typischen Betriebsbereichs, welcher von der Klammer 18 gezeigt wird, gesehen werden, dass die Steigung der Kurve 16 an zwei Orten auf einen geeigneten Wert ansteigt, der von den Ovalen 20 und 22 gekennzeichnet ist. Diese Charakteristik der SOC-OCV-Kurve 16 für eine Lithiumeisenphosphat-Batteriezelle oder für einen Lithiumeisenphosphat-Batteriepack kann dazu verwendet werden, um eine genaue Bestimmung des Ladezustands und der Ladungskapazität, wie unten im Detail diskutiert werden wird, vorzunehmen.
Reduziert auf die Grundprinzipien kann die Kapazität eines Batteriepacks durch Messen des kumulierten Stroms (Amperestunden) für ein Ladeereignis und durch Dividieren dieses durch die Differenz zwischen dem Ladezustand am Ende und dem Ladezustand am Anfang bestimmt werden. Dieses Prinzip wird in der Gleichung (1) die folgt ausgedrückt:
wobei Kapazität die Energiespeicherkapazität des Batteriepacks in seinem gegenwärtigen Funktionszustand, IntAH das Zeitintegral des Ladestroms von dem Anfangspunkt bis zu dem Endpunkt,
der Ladezustand, der zu der Leerlaufspannung an dem Endpunkt gehört,
der Ladezustand, der zu der Leerlaufspannung an dem Anfangspunkt gehört, und Ratio ein Verhältnis ist, welches verwendet werden kann als ein Kalibrierfaktor für die Temperatur. IntAH wird berechnet als
Wie oben erwähnt, macht die sehr kleine Steigungscharakteristik der SOC-OCV-Kurve 16 für einen Lithiumeisenphosphat-Batteriepack es untauglich, einfach die Batteriepackspannung einfach am Anfang und am Ende eines Ladeereignisses zu messen und den Ladezustand genau zu bestimmen, da bei den meisten Punkten auf der Kurve 16 eine sehr kleine Variation in der Leerlaufspannung zu einem großen Fehler in dem Ladezustandswert resultieren würde. Darüber hinaus ist die gemessene-Batteriepackspannung (Klemmenspannung) gegenüber der Leerlaufspannung verschieden, wobei der Unterschied eine Funktion von verschiedenen Faktoren ist. Dies verkompliziert das Problem der Bestimmung des Ladezustands und der Kapazität eines Batteriepacks. Demzufolge besteht ein Bedürfnis für ein neues Verfahren, welches sowohl die Schwierigkeit für ein genaues Bestimmen der Leerlaufspannung und die Schwierigkeit für ein genaues Bestimmen des Ladezustands ausgehend von der Leerlaufspannung beseitigt.
2 ist ein Graph 40, der eine Klemmenspannung und eine Leerlaufspannung als eine Funktion der Zeit während eines Plug-in-Ladeereignisses eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks zeigt. Auf dem Graphen 40 zeigt die horizontale Achse 42 die während des Ladeereignisses verstrichene Zeit, welche von Null bis zu einer Endzeit gemessen in Stunden, typischerweise 4–5 Stunden, verläuft, aber potentiell mehr oder weniger sein kann. Die vertikale Achse 44 stellt eine Batteriepackspannung dar, wobei die Skala von ungefähr 350 V bis ungefähr 400 V verläuft. Die Kurve 46 ist eine Auftragung der gemessenen Batterieklemmenspannung über die Zeit. Ausgehend von links, wo das Ladeereignis anfängt, weist die Kurve 46 eine hohe Anfangssteigung auf, da die Klemmenspannung von der ruhenden Leerlaufspannung des Batteriepacks auf einen Wert nahe zu dem Potenzial der Ladequelle ansteigt. Die Kurve 46 nimmt dann eine Gestalt an, die ähnlich zu der Kurve 16 aus der 1 ist, wobei ein Bereich mit sehr niedriger Steigung von einem leicht nach oben gehenden Bereich gefolgt wird, dann ein anderer Bereich mit sehr niedriger Steigung folgt und letztendlich eine scharf nach oben gerichtete Steigung folgt, wenn der Batteriepack sich seiner vollen Aufladung nähert.
Die Kurve 48 ist eine Auftragung der Leerlaufspannung des Batteriepacks über die Zeit während des Ladeereignisses. Die Leerlaufspannung kann aufgrund der Ladespannung und des Ladestroms nicht während des Aufladens gemessen werden. Zu einem gegebenen Zeitpunkt ist die Leerlaufspannung die Spannung, die der Batteriepack haben würde, wenn das Laden gestoppt würde und der Batteriepack ohne angelegte Last für einige Zeit ruhen könnte, typischerweise 1 Stunde oder mehr. Die Kurve 48 startet im Wesentlichen mit demselben Wert wie die Klemmenspannung der Kurve 46 weist aber nicht die rapide Anfangszunahme auf. Vielmehr folgt die Kurve 48 der charakteristischen Gestalt einer Lithiumeisenphosphat-Batteriepackladekurve, wie oben diskutiert.
3 ist ein Graph 60, der die Differenz zwischen der Klemmenspannungskurve 46 und der Leerlaufspannungskurve 48 der 2 zeigt. Es wird gezeigt werden, wie ein Wert aus dem Graphen 60 mit einem bekannten Batteriepackwiderstand verwendet werden kann, um die Leerlaufspannung während des Ladens zu bestimmen. In dem Graphen 60 stellt die horizontale Achse 62 die Zeitdauer, welche die gleiche ist wie die horizontale Achse 42 in dem Graphen 40, dar. Die vertikale Achse 64 stellt eine Spannung mit einer Skala, die von Null bis ungefähr 10 V läuft, dar. Die Kurve 66 zeigt die Differenz zwischen der Klemmenspannung aus der Kurve 46 und der Leerlaufspannung aus der Kurve 48. Es ist ersichtlich, dass die Kurve 66 bei Null beginnt, zu einem gut ausgeprägten lokalen Maximum ungefähr bei der Mitte des Ladeereignisses ansteigt, signifikant dann abfällt, danach ungefähr gleich bleibt und danach wieder scharf am Ende des Ladeereignisses ansteigt.
Um die Leerlaufspannung während des Ladens zu schätzen, ist es notwendig, die Beziehung zwischen der Klemmenspannung und der Leerlaufspannung, wie sie in den 2 und 3 gezeigt ist, zu verstehen. Diese Beziehung kann wie folgt ausgedrückt werden: V_oc = V_t – I·R_O·k (2) wobei V_oc Leerlaufspannung des Batteriepacks, V_t die Klemmenspannung des Batteriepacks, I der Ladestrom, R₀ der Batteriepackwiderstand und k eine Kalibrierkonstante ist.
In älteren Verfahren zum Schätzen einer Leerlaufspannung aus einer Klemmenspannung wurde der Widerstand R₀ über eine Regressionsberechnung aus vielen Messpunkten einer Leerlaufspannung und einer Klemmenspannung geschätzt. Die Regressionsberechnungen können jedoch durch Verwendung der Annahme, dass eine „Überspannung” oder der I·R-Term der Gleichung (2) sich über die Lebensdauer einer Lithiumeisenphosphat-Batterie nicht ändert, vermieden werden, wenn die Batterie in einer niedrigen Laderateanwendung verwendet wird. Die Annahme einer konstanten. Überspannung wurde von M. Stevens in einer Doktorarbeit aus dem Jahr 2008 mit dem Titel „Hybridbrennstoffzellenfahrzeugantriebsstrangentwicklung unter Berücksichtigung einer Antriebsquellendegradation", University of Waterloo, Waterloo, Kanada. Die Plug-in-Laderaten, die von einem Lithiumeisenphosphat-Batteriepack in einem Elektrofahrzeug erfahren werden, liegen gut innerhalb des Bereichs, der von Stevens als die angenommenen Kriterien erfüllend dokumentiert wurde.
Unter Verwendung der Annahme der konstanten Überspannung kann die Gleichung (2) umgeschrieben werden als: V_oc = V_t – I·R (3) wobei R der Batteriepackwiderstand ist, der durch Testen gemessen werden kann und dann in Gleichung (3) verwendet werden kann, um eine Leerlaufspannung zu bestimmen.
Wieder bezugnehmend auf die 3 wird angemerkt, dass die Kurve 66 die Differenz zwischen einer Klemmenspannung und einer Leerlaufspannung ist, d. h., dass die Kurve 66 den I·R-Term der Gleichung (3) darstellt. Um die Batteriepackkapazität aus während eines Plug-in-Ladeereignisses gemessenen Daten zu bestimmen, ist es Aufgabe, in der Lage zu sein, eine Leerlaufspannung aus einer Klemmenspannung zu berechnen. Dies wird ermöglicht, wenn der Widerstand R zuvor unter Laborbedingungen bestimmt wird.
4 ist ein Flussdiagramm 80 für ein Verfahren zum Bestimmen eines Widerstands eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks. Im Kasten 82 werden Daten für ein Plug-in-Ladeereignis in einer Laborumgebung aufgenommen. Die aufgenommenen Daten beinhalten eine Klemmenspannung des Batteriepacks und einen Entladestrom, jedes Mal als eine Funktion der Zeit. Im Kasten 84 wird der Ladezustand des Batteriepacks bestimmt und der Ladezustand wird zu einer Leerlaufspannung in Bezug gesetzt für die Dauer des Ladeereignisses. Die Bestimmung des Ladezustands kann unter Verwendung der Daten aus vielen Ladeereignissen vorgenommen werden und die SOC-OCV-Korrelation ist wie oben diskutiert, bekannt. Die Schritte aus dem Kasten 84 resultieren in den Kurven 46 und 48 der 2.
Im Kasten 86 wird die Differenz zwischen der Klemmenspannung und den Leerlaufspannungskurven berechnet. Diese Differenz wird von der Kurve 66 aus der 3 gezeigt und stellt den I·R-Term der Gleichung (3) dar. Im Kasten 88 kann der Wert von R für einen gewünschten Ort auf der Kurve 66 durch Dividieren des I·R-Terms durch die bekannte Ladestrommenge I zu dieser Zeit ermittelt werden. Der Wert von R wird an dem Punkt 68 auf der Kurve 66 berechnet, da der Punkt 68 zu einer Zeit in dem Ladeereignis auftritt, wenn die Klemmenspannungskurve 46 eine wahrnehmbare Steigung einnimmt und demzufolge kann die Klemmenspannung mit einer genügenden Genauigkeit gemessen werden. Im Kasten 90 werden die Schritte aus den Kästen 82–88 für die Temperaturbereiche und Ladeströme, die bei einem Kundengebrauch des Fahrzeuges in der Realität erwartet werden, wiederholt.
Mit dem bekannten Wert von R bei einer vorgegebenen Klemmenspannung ist es dann wie oben beschrieben möglich, die Leerlaufspannung zu bestimmen und damit den Ladezustand zu einem Punkt während eines Plug-in-Ladeereignisses, das von einem Kunden auf einem Fahrzeug beim Gebrauch ausgeführt wird. Durch Identifizieren eines Punktes 70 auf der Kurve 66, bei dem der Wert von I·R der gleiche ist wie im Punkt 68, ist es dann möglich, die Leerlaufspannung zu bestimmen und damit den Ladezustand an einem zweiten Punkt während eines Plug-in-Ladeereignisses. Unter Verwendung des Ladezustands an zwei Punkten 68 und 70 ist es möglich, die Gesamtkapazität des Batteriepacks unter Verwendung der Gleichung (1) wie oben beschrieben zu bestimmen.
In vielen Fällen lädt ein Kunde sein Elektrofahrzeug über Nacht und das Ladeereignis wird etliche Stunden, bevor das Fahrzeug wieder gefahren wird, abgeschlossen. In diesen Fällen ist es möglich, tatsächlich die Leerlaufspannung des Batteriepacks zu dem Zeitpunkt zu messen, bei dem das Fahrzeug „aufwacht”, um wieder gefahren zu werden. Zu dieser Zeit und bevor irgend eine neue Last an den Batteriepack angelegt wird, wird die Leerlaufspannung gleich der gemessenen Klemmenspannung sein, wenn genügend Zeit verstrichen ist, seitdem die Aufladung abgeschlossen wurde, so dass der Batteriepack zu einem Gleichgewichtszustands gefunden hat. Unter Verwendung des gemessenen Werts der Leerlaufspannung, die als OCV bezeichnet wird, kann die Gleichung (1) umgeschrieben werden zu:
wobei Kapazität die Energiekapazität des Batteriepacks in seinem gegenwärtigen Funktionstüchtigkeitszustand, IntAH das Zeitintegral des Ladestroms vom Startpunkt bis zum Endpunkt, SOC(OCV_end) der Ladezustand ist, der zu der Leerlaufspannung an dem Endpunkt gehört (gemessen als Klemmenspannung nachdem der Batteriepack ruhen darf),
der Ladezustand ist, der zu der Leerlaufspannung beim Startpunkt gehört (der Punkt 68 des Plug-in-Ladens, wobei die Leerlaufspannung durch Kenntnis von R bestimmt werden kann), und Ratio der Kalibrierfaktor für eine Temperatur ist.
Die Verwendung des gemessenen Werts der Leerlaufspannung nach einem Ladeereignis und einer Ruhezeit, wie in Gleichung (4), hat sich als geeignet gezeigt, die Genauigkeit für die geschätzte Batteriepackkapazität zu verbessern. Dies liegt daran, dass die Leerlaufspannung im Endzustand OCV_end bekanntlich genau gemessen werden kann und die Schätzung des Batteriepackwiderstands R bei der Leerlaufspannung im Endzustand nicht länger eine Rolle spielt.
In Situationen, bei denen das Fahrzeug gefahren wird und der Lithiumeisenphosphat-Batteriepack nicht sofort wieder geladen wird, kann eine Klemmenspannungsmessung vorgenommen werden, wenn das Fahrzeug danach wieder in Betrieb genommen wird. Wenn genug Zeit verstrichen ist, um dem Batteriepack zu gestatten, in den Gleichgewichtszustand zu gelangen, kann die gemessene Klemmenspannung analog dazu mit der Leerlaufspannung gleichgesetzt werden. Wenn die gemessene Leerlaufspannung bei einer Wiederinbetriebnahme des Fahrzeugs auf oder nahe zu dem Punkt 68 fällt, bei der die Klemmenspannungskurve 46 eine wahrnehmbare Steigung aufweist, dann kann diese gemessene Leerlaufspannung OCV dazu verwendet werden, um den Ladezustand beim Start in der Gleichung (4) zu bestimmen.
5 ist ein Blockdiagramm eines Fahrzeugs 100 mit einem System 102 zum Schätzen der Kapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks 104 unter der Verwendung von einem Plug-in-Ladeereignis. 5 zeigt die physische Umgebung der oben beschriebenen Verfahren. Das Fahrzeug 100 ist ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridelektrofahrzeug, welches ein Plug-in-Laden des Batteriepacks 104 über ein Stromkabel 106 erlaubt, welches typischerweise mit einem Stromnetz verbunden ist. Ein internes Kabel 108 leitet den Ladestrom an ein Steuergerät 110, welches das Plug-in-Ladeereignis steuert und die Batteriepackkapazität bestimmt. Positive und negative Klemmen 112 fördern den Ladestrom zu dem Batteriepack 104, was von dem Steuergerät 110 gesteuert wird. Die Klemmen 112 können auch dazu verwendet werden, um eine Batteriepackleistung an einen oder mehrere Antriebsmotoren (nicht gezeigt) zu liefern, die das Fahrzeug 100 antreiben.
Ein Voltmeter 114, welches in Verbindung steht mit dem Steuergerät 110, misst eine Klemmenspannung über dem Batteriepack 104. Ein Stromsensor oder ein Amperemeter 116 steht ebenfalls in Verbindung mit dem Steuergerät 110 und misst den Ladestromwert des Plug-in-Ladeereignisses. Das Steuergerät ist konfiguriert, um den Ladestrom zu überwachen und die Klemmenspannung zu überwachen während des Plug-in-Ladeereignisses und danach die Speicherkapazität des Batteriepacks 104, wie oben im Detail diskutiert wurde, zu bestimmen.
6 ist ein Flussdiagramm 120 für ein Verfahren zum Schätzen der Kapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks nach einem Plug-in-Ladeereignis. Das Verfahren aus dem Flussdiagramm 120 dient zur Verwendung in Kundenfahrzeugen, beispielsweise dem Fahrzeug 100, um die Batteriepackkapazität nach jedem Ladeereignis zu schätzen und demzufolge kontinuierlich die Kapazität über die Lebensdauer des Batteriepacks zu verfolgen. Im Kasten 122 wird ein Plug-in-Laden des Batteriepacks 104 gestartet und die Daten für die Klemmenspannung und den Ladestrom werden für die Dauer des Ladeereignisses gesammelt. Im Kasten 124 wird das Plug-in-Ladeereignis abgeschlossen und die Strom- und Spannungsdaten werden gespeichert. Im Kasten 126 werden die Leerlaufspannungswerte aus den Klemmspannungsdaten zu zwei Zeitpunkten des Ladeereignisses bestimmt. Die Leerlaufspannungswerte zu den zwei Punkten können entweder durch Verwendung der Gleichung (3) und des bekannten Wertes von R bestimmt werden, um die Leerlaufspannung aus der Klemmenspannung zu berechnen, oder durch Gleichsetzen der Leerlaufspannung mit der gemessenen Klemmenspannung, nachdem der Batteriepack 104 geruht hat und einen Gleichgewichtszustand eingenommen hat.
Im Kasten 128 wird der Ladezustand an zwei Zeitpunkten ausgehend von dem Leerlaufspannungswert und einer bekannten SOC-OCV-Kurve bestimmt. Im Kasten 130 wird die Batteriepackkapazität durch Integrieren des Stroms zwischen den zwei Zeitpunkten und durch Dividieren des zeitintegrierten Stroms durch die Differenz im Ladezustand an den zwei Zeitpunkten, wie in der Gleichung (4) definiert, berechnet.
Unter Verwendung der hier offenbarten Verfahren kann die aktuelle Kapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks in einem Elektrofahrzeug überwacht werden, wenn der Batteriepack wiederholte Lade-Entlade-Zyklen durchläuft. Ein genaues Verständnis der Batteriepackkapazität zusammen mit der Ladezustandsinformation gestattet es einem Fahrzeugführer das Fahrzeug sicher zu fahren, ohne sich dabei Sorgen machen zu müssen, dass die Batterieleistung verschwindet. Darüber hinaus hilft ein genaues Verständnis der Batteriepackkapazität und des Ladezustands ein Überladen und ein übermäßiges Entladen des Batteriepacks zu verhindern, was zu einer längeren Batteriepacklebensdauer und weniger Garantieansprüchen führt.
Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Stevens in einer Doktorarbeit aus dem Jahr 2008 mit dem Titel „Hybridbrennstoffzellenfahrzeugantriebsstrangentwicklung unter Berücksichtigung einer Antriebsquellendegradation”, University of Waterloo, Waterloo, Kanada [0026]

Claims

Ein Verfahren zum Schätzen einer Ladungskapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks unter Verwendung von Daten von einem Plug-in-Ladeereignis, wobei das Verfahren umfasst: – Initiieren des Plug-in-Ladeereignisses des Batteriepacks und Aufnehmen von Klemmenspannungsdaten und Ladestromdaten während des Ladeereignisses; – Abschließen des Plug-in-Ladeereignisses und Speichern der Klemmenspannungsdaten und der Ladestromdaten; – Bestimmen von Leerlaufspannungswerten aus den Klemmenspannungsdaten zu zwei Zeitpunkten des Plug-in-Ladeereignisses; – Bestimmen von Ladezustandswerten aus den Klemmenspannungswerten zu den zwei Zeitpunkten des Plug-in-Ladeereignisses; und – Berechnen der Ladungskapazität des Batteriepacks unter Verwendung der Ladezustandswerte und der Ladestromdaten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen von Leerlaufspannungswerten aus den Klemmenspannungsdaten zu zwei Zeitpunkten für zumindest einen der zwei Zeitpunkte das Berechnen der Leerlaufspannung durch Messen der Klemmenspannung an dem Zeitpunkt und Subtrahieren des Ladestroms an dem Zeitpunkt multipliziert mit einem vorbestimmten Batteriepackwiderstand umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der vorbestimmte Batteriepackwiderstand durch ein Verfahren bestimmt wird, das umfasst: – Ausführen eines Plug-in-Ladeereignisses im Labormaßstab an dem Batteriepack und Aufnehmen von Klemmenspannungsdaten und Ladestromdaten während des Plug-in-Ladeereignisses im Labormaßstab; – Bestimmen eines Ladezustands des Batteriepacks aus den Klemmenspannungsdaten und den Ladestromdaten für die Dauer des Plug-in-Ladeereignisses im Labormaßstab; – Bestimmen von Leerlaufspannungsdaten aus dem Ladezustand des Batteriepacks für die Dauer des Plug-in-Ladeereignisses im Labormaßstab; – Berechnen von Spannungswerten, für die Dauer des Plug-in-Ladeereignisses im Labormaßstab als die Differenz zwischen den Klemmenspannungsdaten und den Leerlaufspannungsdaten; – Berechnen des vorbestimmten Batteriepackwiderstands für zumindest einen Zeitpunkt des Plug-in-Ladeereignisses im Labormaßstab, wobei der Widerstand gleich zu dem Überspannungswert für den Zeitpunkt dividiert durch den Entladestrom für den Zeitpunkt ist; und – Wiederholen des Plug-in-Ladeereignisses im Labormaßstab für einen Bereich von Temperaturen und Ladeströmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen von Leerlaufspannungswerten aus den Klemmenspannungsdaten zu zwei Zeitpunkten für zumindest einen der zwei Zeitpunkte das Gleichsetzen des Leerlaufspannungswerts zu einer gemessenen Klemmenspannung umfasst, nachdem der Batteriepack für eine vorbestimmte Zeitdauer geruht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen von Ladezustandswerten aus den Klemmenspannungswerten das Verwenden einer vorbestimmten Ladezustands-über-Klemmenspannungskurve für den Lithiumeisenphosphat Batteriepack umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zwei Zeitpunkte zu Orten auf der Ladezustand-über-Klemmenspannungskurve korrespondieren, wobei die Kurve eine Steigung aufweist, die größer ist als ein vorbestimmter Schwellenwert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Berechnen der Ladungskapazität des Batteriepacks, welches die Ladezustandswerte und die Ladestromdaten verwendet, die Verwendung der Gleichung:
wobei Kapazität die Ladungskapazität des Batteriepacks, IntAH ein Zeitintegral des Ladestroms zwischen zwei Zeitpunkten,
der Ladezustand, der zu der Leerlaufspannung zum zweiten Zeitpunkt gehört,
der Ladezustand, der zu der Leerlaufspannung zum ersten Zeitpunkt gehört, und Ratio für die Temperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Lithiumeisenphosphat-Batteriepack in einem Elektrofahrzeug verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren das Verwenden der Ladungskapazität und der Ladezustandswerte umfassend, um eine geschätzte Fahrreichweite an einen Fahrer bereitzustellen.
Ein System zum Schätzen einer Ladungskapazität eines Lithiumeisenphosphat-Batteriepacks, welches Daten aus einem Plug-in-Ladeereignis verwendet, wobei das System umfasst: – Ein Voltmeter zum Aufnehmen von Batteriepackklemmenspannungsdaten vor, während und nach dem Ladeereignis; – Ein Amperemeter zum Aufnehmen von Batteriepackladestromdaten während des Ladeereignisses; und – Ein-Steuergerät, welches mit dem Voltmeter und dem Amperemeter in Verbindung steht, wobei das Steuergerät konfiguriert ist, um den Ladestrom zu dem Batteriepack zu steuern, wobei das Steuergerät darüber hinaus konfiguriert ist, um die Ladungskapazität des Batteriepacks ausgehend von Ladezustandswerten für den Batteriepack zu zwei Zeitpunkten des Ladeereignisses und einem kumulativen Ladestrom zwischen den zwei Zeitpunkten zu schätzen.