DE60316526T2

DE60316526T2 - Einrichtung und Verfahren zur Schätzung des Ladungszustands einer Sekundärbatterie

Info

Publication number: DE60316526T2
Application number: DE60316526T
Authority: DE
Inventors: Daijiro Yumoto; Hideo Nakamura
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-25
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: CN2724218Y; CN1322627C; US20040100227A1; EP1422804A3; US7098625B2; EP1422804A2; CN1503399A; JP2004178848A; JP3714321B2; EP1422804B1; DE60316526D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schätzen der Ladungsrate einer Sekundärzelle. Bei der vorliegenden Erfindung versteht sich der Begriff "Ladungsrate" als "Ladungszustand" (abgekürzt mit SOC).
Hintergrund der Erfindung
Die Veröffentlichungen No. 2000-323183 , veröffentlicht am 24. November 2000, und No. 2000-268886 , veröffentlicht am 29. September 2000 und eine japanische Druckschrift mit dem Titel "Estimation of Open Voltage and Residual Values for Pb Battery by Adaptive Digital Filter", bekanntgemacht von der Japanese Electrical Engineering Society (T.IEEE Japan), Ausgabe 112-C, No. 4, veröffentlicht 1992, erläutern eine zuvor vorgeschlagene SOC-Schätzvorrichtung für die Sekundärzelle. Das heißt, da der Ladungszustand (oder State Of Charge, d.h. SOC genannt) der Sekundärzelle eine Korrelation zu einer Leerlaufspannung V₀ hat (Klemmenspannung, wenn deren Stromversorgung der Zelle abgeschaltet ist; auch elektromotorische Kraft oder Leerlaufspannung genannt), kann die Ladungsrate geschätzt werden, wenn man die Leerlaufspannung V₀ erhält. Es ist jedoch eine beträchtliche Zeit erforderlich, bis die Klemmspannung stabilisiert ist, nachdem die Stromversorgung abgeschaltet wurde (Laden-und-Entladen ist beendet). Somit ist eine vorgegebene Zeitdauer ab einem Zeitpunkt erforderlich, zu dem das Laden-und-Entladen beendet wurde, um eine präzise Leerlaufspannung V₀ zu ermitteln. Somit ist es unmittelbar nach oder während der Ladungs-/Entladungszeit oder des Laden-und-Entladens unmöglich, eine präzise Leerlaufspannung zu bestimmen und kann die Ladungsrate mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens nicht ermittelt werden. Trotzdem wird, um die Leerlaufspannung V₀ zu ermitteln, die Leerlaufspannung V₀ mit Hilfe eines Verfahrens ermittelt, das in der oben erwähnten japanischen Patenterstveröffentlichung No. 2000-323183 beschrieben ist.
Beim oben beschriebenen Verfahren, das in der japanischen Patentveröffentlichung No. 2000-323183 offenbart ist, wird die Leerlaufspannung V₀ jedoch aus einem nicht rekursiven (nicht regressionsartigen) Zellenmodell (ein Modell, dessen Ausgangswert lediglich aus einem gegenwärtigen Wert und einem vergangenen Wert eines Eingangswertes bestimmt wird) berechnet, dessen Charakteristik sich vollständig von einer physikalischen Charakteristik der Zelle unterscheidet, für die ein adaptives digitales Filter (sequentieller Modellparameter-Identifikationsalgorithmus) verwendet wird. Für den Fall, bei dem dieses Verfahren auf die tatsächliche Zellcharakteristik (Eingabe: Strom, Ausgabe: Spannung) angewendet wird, wird somit eine Schätzberechnung vollständig angenähert oder nähert sich nicht einem realen Wert an. Somit bereitet es Schwierigkeiten die Ladungsrate SOC präzise zu schätzen.
Weiterhin beschreibt die Veröffentlichung von Torikai et al., "Research and Development of the Model-Based Battery State of Charge Indicator", Proceedings of the International Conference an Industrial Electronics, Control, Instrumentation and Automation, IECON 9 to 13, November 1992, Seite 996–1001, dass der SOC aus einer Zellenmodellgleichung (1) geschätzt wird, die durch die Klemmenspannung V, den Strom I und SOC θ ausgedrückt ist. Diese hier erwähnte Zellenmodellgleichung ist, wie bei Gleichung (2) beschrieben, keine Gleichung, wie sie durch Produkt-und-Additionsgleichung der tatsächlich messbaren Klemmenspannung V, des Stromes I und der Parameter dargestellt ist. Insbesondere ist die rechte Seite der Gleichung (2) nicht als Produkt-und-Additionsgleichung des Stroms I und der Parameter ausgedrückt.
Weiterhin ist in der Veröffentlichung von Kozlowski et al., "Model-Based Predictive Diagnostics for Electrochemical Energy Sources", Proceedings of the Aerospace Conference, 10 bis 17 März 2001, Seite 3149 bis 3164 die rechte Seite von Gleichung (7) nicht durch die Produkt-und-Additionsgleichung von Strom I und Para metern dargestellt, wobei dies nicht auf die Gleichung (16) angewendet werden kann, die die Formel des hinlänglich bekannten adaptiven Digitalfilters ist, wie dies bei der Erfindung der Anmelderin der Fall ist.
Kurze Übersicht über die Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum präzisen Schätzen der Ladungsrate (SOC) der Sekundärzelle und zum präzisen Schätzen anderer Parameter anzugeben, die sich auf die Ladungsrate (SOV) beziehen.
Diese Ziel wird für den Aspekt der Vorrichtung durch eine Vorrichtung erreicht, die die Kombination von Merkmalen von Anspruch 1 aufweist.
Für den Aspekt des Verfahrens wird dieses Ziel weiterhin durch ein Verfahren erreicht, das die Kombination von Merkmalen von Anspruch 9 hat.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf zahlreiche Ausführungsformen derselben in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Funktionsblockschaltbild einer Vorrichtung zum Schätzen einer Ladungsrate (SOC) einer Sekundärzelle in einer bevorzugten Ausführungsform,
2 ist ein spezielles Blockschaltbild der Vorrichtung zum Schätzen der Ladungsrate der Sekundärzelle in der bevorzugten Ausführungsform,
3 ist eine Modellansicht, die ein äquivalentes Schaltkreismodell der Sekundärzelle zeigt;
4 ist ein Korrelations-Kennfeld, das eine Korrelation zwischen einer Leerlaufspannung und einer Ladungsrate (SOC) zeigt,
5 ist ein Funktionsflussdiagramm zur Veranschaulichung eines Betriebs eines Mikrocomputers einer Batterie-Steuereinheit der Vorrichtung zum Schätzen der Ladungsrate in der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, und
6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F, 6G, 6H und 6I sind Charakteristik-Graphen, die die Simulationsergebnisse von Strom, Spannungen und unterschiedlicher Parameter im Fall der Vorrichtung zum Schätzen der Ladungsrate der Ausführungsform aus 1 zeigen.
Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, um ein besseres Verständnis der vorliegenden Lehre zu ermöglichen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Funktionsblockschaltbild einer Vorrichtung zum Schätzen der Ladungsrate in einer ersten bevorzugten Ausführungsform. In 1 kennzeichnet Bezugszeichen 1 einen Parameterschätzabschnitt auf der Basis eines Zellenmodells mit einer Leerlaufspannung V₀ als Offset-Term. Darüber hinaus kennzeichnet ein Bezugszeichen 2 einen Leerlaufspannungs-Berechnungsabschnitt, der die Leerlaufspannung V₀(k) berechnet, und ein Bezugszeichen 3 einen Ladungsraten-Schätzabschnitt, der die Ladungsrate aus der Leerlaufspannung berechnet. Darüber hinaus kennzeichnet Bezugszeichen 4 einen Strom-(I-)Messblock, der den Strom I(k) erfasst, der in die Zelle geladen und aus dieser entladen wird, und Bezugszeichen 5 eine Klemmenspannung der Zelle, um die Klemmenspannung V(k) zu messen.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines speziellen Aufbaus der Vorrichtung zum Schätzen der Ladungsrate in der ersten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform wird ein Verbraucher, wie etwa ein Motor, von der Sekundärzelle angetrieben und ist die Vorrichtung zum Schätzen der Ladungsrate in einem System angebracht, das die Sekundärzelle mit der regenerativen Energie des Motors (Verbrauchers) lädt. In 2 kennzeichnet Bezugszeichen 10 eine Sekundärzelle (vereinfacht Zelle genannt), Bezugszeichen 20 einen Verbraucher, wie etwa einen Gleichstrommotor, Bezugszeichen 30 eine Batterie-Steuereinheit (elektronische Steuereinheit), die die Ladungsrate (Ladungszustand) der Zelle schätzt und über einen Mikrocomputer verfügt, der einen ROM (Festwertspeicher), einen RAM (Direktzugriffsspeicher), eine CPU (Zentralverarbeitungseinheit) und eine Eingabe/Ausgabeschnittstelle sowie andere elektronische Schaltkreise enthält. Bezugszeichen 40 kennzeichnet ein Strommeter, das einen Strom erfasst, der in die Zelle geladen oder aus dieser entladen wird, Bezugszeichen 50 ein Spannungsmeter, das die Klemmenspannung der Zelle erfasst, und Bezugszeichen 60 ein Temperaturmeter, das die Temperatur der Zelle erfasst. Diese Meter sind mit der Batterie-Steuereinheit 30 verbunden. Die Batterie-Steuereinheit 30 entspricht Teilen des Parameter-Schätzabschnittes 1, einer Leerlaufspannung V₀(k) und einem Ladungsraten-Schätzabschnitt 3. Das Strommeter 40 entspricht einem Strom (I(k)-) Messabschnitt und das Spannungsmeter 50 entspricht dem Klemmspannungs-(V(k)-)Messabschnitt 5.
Zunächst wird im folgenden ein "Zellenmodell" beschrieben, das bei der ersten Ausführungsform verwendet wird. 3 ist ein äquivalenter Schaltkreis, der ein äquivalentes Schaltkreismodell der Sekundärzelle zeigt. Das äquivalente Schaltkreismodell der Sekundärzelle kann durch die folgende Gleichung (7) (= Gleichung (6) dargestellt werden.
In Gleichung (7) ist ein Modelleingang ein Strom I [A] (ein positiver Wert steht für eine Ladung, und ein negativer Wert steht für eine Entladung), ein Modellausgang eine Klemmenspannung V [V], eine Leerlaufspannung V₀, kennzeichnet K einen Innenwiderstand, kennzeichnen T₁ bis T₃ Zeitkonstanten (T₁ ≠ T₂ ≠ T₃, T₁ << T₃) und kennzeichnet s einen Laplace-Transformations-Operanten.
Dieses Modell auf der Basis der Gleichung von (7) ist ein Reduktionsmodell (erster Ordnung), bei dem ein positiver Pol und ein negativer Pol nicht speziell voneinander getrennt sind. Es besteht jedoch die Möglichkeit, eine Ladungs-Entladungs-Eigenschaft einer aktuellen Zelle relativ einfach darzustellen. Gleichung (7) in Gleichung (1) von V = B(s)/A(s)·1 + 1/C(s)·V₀ (1), A(s) = T₁·s + 1, B(s) = K·(T₂·s + 1), C(s) = T₃·s + 1.
Im folgenden wird zunächst eine Abweichung vom Zellenmodell auf der Basis von Gleichung (7) zu einem adaptiven Digitalfilter beschrieben. Die Leerlaufspannung V₀ kann durch eine Gleichung (8) beschrieben werden, vorausgesetzt, dass ein Wert eines Stroms I multipliziert mit einem variablen Wirkungsgrad A von einem bestimmten Ausgangszustand integriert wird.
Das heißt
Es wird darauf hingewiesen, dass Gleichung (8) einem Ersetzen von h, das in Gleichung (2) erwähnt ist, entspricht, das heißt V₀ = H/s·I, mit dem Wirkungsgrad A.
Wird die Gleichung (8) in Gleichung (7) eingesetzt, so erhält man Gleichung (9).
Gleichung (9) entspricht Gleichung (3)
Für A(s), B(s) und C(s) in Gleichung (3) werden die folgenden Gleichungen in Gleichung (9) in derselben Weise eingesetzt, wie dies bei Gleichung (7) der Fall ist. A(s) = T1·s + 1, B(s) = K·(T2·s + 1) C(s) = T3·s + 1
Mit anderen Worten ist die Gleichung (3) eine generalisierte Gleichung, wobei diese Anwendung auf ein Modell erster Ordnung Gleichung (9) ist. Wenn die Gleichung (9) aufgestellt ist, ist eine Gleichung (10) gegeben. S·(T1·s + 1)(T3·s + 1)·V = K·(T2·s + 1)(T3·s + 1)s·I + A·(T1·s + 1)·I {T1·T3·s3 + (T1 + T3)·s2 + s}·V = {K·T2·T3·s3 + K·(T2 + T3)·s2 + (K + A·T1)·s + A}·I (a·s3 + b·s2 + s)·V = (c·s3 + d·s3 + e·s + f)·I (10)
Es wird darauf hingewiesen, dass in der letzten Gleichung von Gleichung (10) die Parameter wie folgt neugeschrieben werden: a = T1·T3, b = T1 + T3, c = K·T2·T3, d = K·(T2 + T3), e = K + A·T1, und f = A (11)
Wird ein stabiles Tiefpassfilter G₁(s) auf beiden Seiten der Gleichung (10) eingesetzt und aufgestellt, ist die folgende Gleichung (12) gegeben. 1/G1(s)(a·s3 + b·s2 + s)·V = 1/G1(s)(c·s3 + d·s2 + e·s + f)·I (12)
Im Detail werden bei Gleichung (10) im Gegensatz zu Gleichung (7), wenn T₁·s + 1 = A(s), K·(T₂·s + 1) = B(s) und T₃·s + 1 = C(s) in Gleichung (10) eingesetzt, wobei dies gegeben ist als: s·A(s)·C(s)·V = B(s)·C(s)·s·I + A·A(s)·I. Dies wird wie folgt neugeordnet: s·A(s)·C(s)·V = [B(s)·C(s)·s\ + A·A(s)]·I (12)'. Wird das Tiefpassfilter (LPF) G₁(s) auf beiden Seiten der Gleichung (12)' eingesetzt, ist eine Gleichung (4) gegeben. Das heißt
Es wird darauf hingewiesen, dass s den Laplace-Transformations-Operanten kennzeichnet und A(s), B(s) und C(s) eine polynominale Funktion von s kennzeichnen, h eine Variable kennzeichnet und 1/G₁(s) eine Transferfunktion kennzeichnet, die eine Tiefpassfiltereigenschaft hat. Das heißt, die Gleichung (4) ist die generalisierte Funktion und Gleichung (12) ist die Anwendung von Gleichung (4) auf das Modell erster Ordnung.
Der Strom I und die Klemmenspannung V, die tatsächlich mit Hilfe eines Tiefpassfilters (LPF) und eines Bandpassfilters (BPF) gemessen und verarbeitet werden, sind in den folgenden Gleichungen (13) definiert, vorausgesetzt, dass p₁ eine Konstante kennzeichnet, um eine abhängige Eigenschaft von G1(s) zu kennzeichnen, und gemäß dem Wunsch eines Entwicklers bestimmt wird.
Wenn die Gleichungen (12) unter Verwendung der Variablen, die in Gleichung (13) gezeigt sind, neugeschrieben werden, werden die Gleichungen (14) dargestellt, wobei bei Umformung die folgende Gleichung (15) gegeben ist. a·V3 + b·V2 + V1 = c·I3 + d·I2 + e·I1 + f·I0 V1 = –a·V3 – b·V3 – b·V2 + c·V2 + c·I3 + d·I2 + e·I1 + f·I0 (14)
Gleichung (15) ist eine Produktsummengleichung messbarer Werte und unbekannter Parameter. Somit ist ein herkömmlicher (allgemeiner) Typ (Gleichung 16) des adaptiven digitalen Filters übereinstimmend mit Gleichung (15). Es wird darauf hingewiesen, dass ω^T einen transponierten Vektor beschreibt, bei dem eine Reihe und eine Spalte eines Vektors ω gegenseitig ausgetauscht werden. y = ωT·θ (16)
Es wird darauf hingewiesen, dass y, ω^T, und θ in der folgenden Gleichung (17) in Gleichung (16) ausgedrückt werden können, die oben beschrieben ist.
Wenn ein Signalfilter, das für den Strom I und die Klemmenspannung V bearbeitet wird, bei einer Digitalfilter-Prozessberechnung verwendet wird, kann somit ein unbekannter Parametervektor θ geschätzt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird ein "Doppelgrenzen-Spurgewinnverfahren (bothlimitation trace gain method) verwendet, das einen logischen Fehler eines einfachen "adaptiven digitalen Filters mit Hilfe eines Fehlerquadratverfahrens" verbessert, so dass, sobald der geschätzte Wert angenähert ist, eine präzise Schätzung selbst dann nicht mehr vorgenommen werden kann, wenn die Parameter geän dert werden. Ein Parameter-Schätzalgorithmus zum Schätzen des unbekannten Parametervektors θ mit Gleichung (16) als Bedingung ist in einer Gleichung (18) dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Parameterschätzwert zum Zeitpunkt von k θ(k) ist.
In den Gleichungen (18) kennzeichnen λ₁, λ₃(k), λ_u und λ_L einen zu Beginn festgesetzten Wert, b < λ₁ < 1,0 < λ₃(k) < ∞. P(0) ist ein ausreichend großer Wert, θ(0) liefert einen Ausgangswert, der nicht null, jedoch ein ausreichend kleiner Wert ist. Darüber hinaus bezeichnet trace{P} eine Spur der Matrix P. Wie es oben beschrieben wurde, die Ableitung des adaptiven Digitalfilters vom Zellenmodell.
5 zeigt ein Funktionsflussdiagramm, das der Mikrocomputer der Batterie-Steuereinheit 30 ausführt. Die Routine, die in 5 gezeigt ist, wird für jede konstante Periode der Zeit T₀ ausgeführt. Beispielsweise ist I(k) der vorliegende Wert, und I(k – 1) bezeichnet einen Wert, der 1 vor I(k) liegt. Bei Schritt S10 misst die Batterie-Steuereinheit 30 den Strom I(k), wobei I(k – 1) einen Wert vor I(k) bezeichnet. Bei Schritt S20 führt die Batterie-Steuereinheit 30 eine Ein-und-Ausschalt-Bestimmung eines Unterbrechungsrelais' der Sekundärzelle aus. Das heißt, die Batteriesteuerung 30 führt die Ein-und-Ausschaltsteuerung des Unterbrechungs relais' der Sekundärzelle aus. Wenn ein Relais ausgeschaltet ist (Strom I = 0), schreitet die Routine zu einem Schritt S30 fort. Während des Eingriffs des Relais' schreitet die Routine zu einem Schritt S40 fort. Steht bei Schritt S30 das Relais in Eingriff, fährt die Routine zu einem Schritt S540 fort. Bei Schritt 530 dient die Batterie-Steuereinheit dazu, die Klemmenspannung V(k) als einen Ausgangswert der Klemmenspannung V_ini zu speichern. Bei Schritt S40 berechnet die Batterie-Steuereinheit 30 einen Differenzwert ΔV(k) der Klemmenspannung. ΔV(k) = V(k) – V_ini. Der Grund hierfür ist, dass der Ausgangswert des Schätzparameters im adaptiven Digitalfilter 0 ist, so dass der Schätzparameter während der Schätzberechnungs-Startzeit nicht angenähert wird. Auf diese Weise werden sämtliche Eingaben genullt. Wähernd der Eingabe bleibt alles genullt. Während der Relais-Unterbrechung wurde der Schritt S30 durchlaufen und bleiben die Schätzparameter im Ausgangszustand, da I = 0, und es bleibt der Schätzparameter bestehen.
Bei Schritt S50 werden eine Tiefpassfilterung oder eine Bandpassfilterung ausgeführt, nachdem der Strom I(k) und der Klemmenspannungs-Differenzwert ΔV(k) auf der Basis von Gleichung (13) berechnet wurden. I₀(k) bis I₃(k) und V₁(k) bis V₃(k) werden aus der Gleichung (19) berechnet. Um eine Schätzgenauigkeit des Parameter-Schätzalgorithmus' der Gleichung (18) zu verbessern, wird ein Ansprechverhalten des Tiefpassfilters G₁(s) derart langsam eingestellt, dass das Beobachtungsrauschen verringert wird. Ist das Verhalten schneller als ein Ansprechverhalten der Sekundärzelle (ein grober Wert der Zeitkonstante T₁ ist bekannt), kann kein Parameter des elektrischen Zellenmodells präzise geschätzt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass p₁, das in Gleichung (19) erwähnt ist, eine Konstante kennzeichnet, die gemäß dem Ansprechverhalten von G₁(s) bestimmt wird.
Bei Schritt S60 werden I₀(k) bis I₃(k), die bei Schritt S50 berechnet wurden, sowie V₁(k) bis V₃(k) in Gleichung (18) eingesetzt. Anschließend wird der Parameter-Schätzalgorithmus im adaptiven Digitalfilter, d.h. die Gleichung (18) ausgeführt, um den Parameterschätzwert θ(k) zu berechnen. y(k), ω^T(k) und θ(k) sind in Gleichung (20) dargestellt. y(k) = V1(k) ωT(k) = [V3(k) V2(k) I3(k) I2(k) I1(k) I0(k)]
Bei einem Schritt S70 werden a bis e das Parameterschätzwertes θ(k), die bei Schritt S60 berechnet wurden, in die folgende Gleichung (22) eingesetzt, bei der die oben beschriebene Zellenmodellgleichung (7) umgeformt wird, um V₀' zu berechnen, die eine Alternative zur Leerlaufspannung V₀ ist. Da die Schwankung der Leerlaufspannung V₀ sanft ist, kann V₀' alternativ verwendet werden. Es wird dar auf hingewiesen, dass die Ableitung hier eine Abweichung ΔV₀(k) der Leerlaufspannung vom geschätzten Berechnungsstartzeitpunkt ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Gleichung [1/C1(s)]I in Gleichung (21) durch eine Gleichung (24) ersetzt wird, die Gleichung (22) entspricht. Zudem wird darauf hingewiesen, dass sich bei der Ableitung von Gleichung (22) K in Gleichung (21) strikt von e in Gleichung (21) unterscheidet. Da jedoch physikalisch K >> A·T₁ ist, wird e auf K (e = K) angenähert. Anschließend ist jeder Koeffizient a bis e in Gleichung (22) der Inhalt, der in Gleichung (23) gezeigt ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass a = T₁·T₃, b = T₁ + T₃, c = K·(T₂ + T₃}, d = K·(T₂ + T₃), e = K + A·T₁ = K (23).
p₂, das in den Gleichungen (24) erwähnt ist, kennzeichnet eine Konstante, um das Ansprechverhalten von G₂(s) zu bestimmen. Von T₁ des Zellenparameters ist bekannt, dass sie einige Sekunden lang ist. Somit wird T₁' in Gleichung (24) als Näherungswert von T₁ eingestellt. Da (T₁·s + 1), das in einem Zähler von Gleichung (22) verbleibt, kompensiert werden kann, kann die Schätzgenauigkeit der Leerlaufspannung V₀ verbessert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Gleichung (21) der Gleichung (5) entspricht. Das heißt, die Gleichung (21) wird aus (T₁·s + 1)·V₀ = (T₁·s + 1)(T₃·s + 1)·V – K·(T₂·s + 1)(T₃·s + 1)·(T₃·s + 1)·I abgeleitet. Wenn die folgenden drei Gleichungen in die oben beschriebene Umformung von Gleichung (21) eingesetzt werden, ist T₁·s + 1 = A(s), K·(T₂·s + 1) B(s) und T₃·s + 1 = C(s). Das heißt A(s)·V₀ = A(s)·C(s)·V – B(s)·C(s)·I. Wird dies neugeordnet führt dies zu V₀ = C(s)·V – B(s)·C(s)·I/A(s), V₀ = C(s)·[V – B(s)·I/A(s)]. Wenn das Tiefpassfilter G₂(s) auf beiden Seiten dieser Gleichung eingesetzt wird, führt dies zu Gleichung (5). Detailliert ist Gleichung (5) eine Generalisierungsgleichung, wobei die Anwendung von Gleichung (3) auf das Modell erster Ordnung Gleichung (2) ist.
Bei Schritt S80 fügt die Batteriesteuereinheit 30 den Leerlaufspannungs-Ausgangswert, d.h. den Klemmenspannungs-Ausgangswert V_ini einer Abweichung ΔV₀(k) der Leerlaufspannung V₀ hinzu, um so den Leerlaufspannungs-Schätzwert V₀(k) aus der folgenden Gleichung (25) zu erhalten. V0(k) = ΔV0(k) + V_ini( 25)
Bei einem Schritt S90 berechnet die Batteriesteuereinheit 30 die Ladungsrate SOC(k) aus der Leerlaufspannung V₀(k), die bei Schritt S80 berechnet wurde, unter Verwendung eines Korrelationskennfeldes der Leerlaufspannung gegenüber der Ladungsrate, wie es in 4 gezeigt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in 4 V_L die Leerlaufspannung entsprechend SOC = 0% kennzeichnet und V_H die Leerlaufspannung entsprechend SOC = 100% kennzeichnet. Bei einem Schritt S100 speichert die Batterie-Steuereinheit 30 den erforderlichen numerischen Wert, der bei der anschließenden Berechnung benötigt wird, worauf die vorliegende Routine endet. Wie es oben beschrieben wurde, wurde ein Betrieb der Vorrichtung zum Schätzen der Ladungsrate der Sekundärzelle erläutert.

(1) Wie es oben beschrieben wurde, ist eine Beziehung zwischen dem Strom I der Sekundärzelle sowie deren Klemmenspannung V und der Leerlaufspannung V₀ in einer Transferfunktion so gegliedert, dass, wie bei der allgemeinen Gleichung (1) in der bevorzugten Ausführungsform Gleichung (7) = Gleichung (6) ist. Somit besteht die Möglichkeit, ein adaptives Digitalfilter, wie etwa das Fehlerquadratverfahren (einen hinlänglich bekannten Schätzalgorithmus) anzuwenden. Demzufolge wird es möglich, Parameter in Gleichungen (d.h. die Leerlaufspannung V₀, die ein Offset-Term ist, und polynominale Gleichungen A(s), B(s) und C(s)) in Gestalt einer Stapelverarbeitung zu schätzen. Diese Parameter werden in großem Maße durch die Ladungsrate, eine Umgebungstemperatur und eine Beeinträchtigung beeinflusst und schwanken unverzüglich. Es besteht die Möglichkeit, das adaptive digitale Filter sequentiell mit großer Präzision zu schätzen. Wird eine einzigartige Korrelation zwischen der Leerlaufspannung V₀ und der Ladungsrate gespeichert, wie es in 4 gezeigt ist, kann die geschätzte Leerlaufspannung in die Ladungsrate umgewandelt werden. Somit ist es möglich, die Ladungsrate in derselben Weise sequentiell zu schätzen, wie die Parameter, die oben beschrieben wurden.
(2) Für den Fall, dass die Gleichung (1), die die Beziehungsgleichung des Stroms I und der Klemmenspannung V der Sekundärzelle ist, Gleichung (4), angenähert wird, so dass in der Gleichung kein Offset-Term vorhanden ist (d.h. die Leerlaufspannung V₀), erhält man eine Produkt-und-Additionsgleichung zwischen einem messbaren Strom I, der gefiltert ist, und einer Klemmenspannung V, die gefiltert ist, sowie unbekannten Parametern (Koeffizientenparameter von Polynominalgleichungen A(s), B(s) und C(s) und h). Ein auf herkömmliche Weise verfügbares, adaptives Digitalfilter (das Fehlerquadratverfahren und ein hinlänglich bekannter Parameter-Schätzalgorithmus) kann direkt in einer kontinuierlichen Zeitfolge angewendet werden.

Infolgedessen können die unbekannten Parameter in der Stapelverarbeitungsweise geschätzt werden, wobei der geschätzte Parameter h in die Gleichung (2) eingesetzt wird und der geschätzte Wert der Leerlaufspannung V₀ einfach berechnet werden kann. Sämtliche dieser Parameter werden unverzüglich geändert, und das adaptive Digitalfilter kann dazu dienen, die Ladungsrate zu jedem beliebigen Zeitpunkt mit hoher Genauigkeit zu schätzen. Da eine konstante Beziehung zwischen der Leerlaufspannung V₀ und der Ladungsrate SOC eingerichtet ist, wie es in 4 gezeigt ist, kann, sofern diese Beziehung zuvor gespeichert wurde, die Ladungsrate SOC aus dem Schätzwert der Leerlaufspannung V₀ geschätzt werden.
6A bis 6I zeigen integral Signalzeitgabediagramme, bei denen der Strom I und die Klemmenspannung V in das adaptive Digitalfilter eingegeben werden und die Ergebnisse von Simulationsgraphen zeigen, wenn jeder Parameter geschätzt wird. Was eine Zeitkonstante einer Verzögerung erster Ordnung in Gleichung (6) angeht, so ist T₁ < T₀. Da sämtliche Parameter a bis f (siehe Gleichung (11)) vorteilhaft geschätzt werden, kann davon ausgegangen werden, dass der geschätzte Wert der Leerlaufspannung V₀ mit dem realen Wert gut übereinstimmt.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Grund weshalb in 6C, die die Leerlaufspannung kennzeichnet, ein zweiter Term auf der rechten Seite von Gleichung (6) beschrieben ist, darin besteht, zu kennzeichnen dass der geschätzte Wert der Leerlaufspannung mit einem realen Wert beinahe ohne Verzögerung übereinstimmt, obwohl ein später Term der Zeitkonstante T₃ an der Klemmenspannung gemessen wird, die in das adaptive Filter eingegeben wird. Genauer gesagt können wegen der Parameterschätzung mit dem zellmodellformatierten adaptiven digitalen Filter in Gleichung (6) sämtliche Parameter a bis f vorteilhaft geschätzt werden, wobei der geschätzte Wert der Leerlaufspannung V₀ gut mit einem realen Wert übereinstimmt.

(3) Darüber hinaus erfolgt, wie bei Punkt (2) beschrieben, beim Aufbau, bei dem die Leerlaufspannung V₀ aus der Gleichung (2) berechnet wird, die Integration vor einem Wert, bei dem der Schätzwert h dem realen Wert angenähert wird, weshalb dessen Fehler nicht eliminiert werden kann. Bei einem Aufbau mit Gleichung (5), bei der die Integration nicht enthalten ist, übt der Fehler, bevor der Parameterschätzwert dem realen Wert angenähert wird, keinen Einfluss nach der Annäherung aus. Es wird darauf hingewiesen, dass bei Teil ➀ in 6I, bevor der Schätzwert f einem realen Wert angenähert wird, eine fehlerhafte Schätzung lediglich vorübergehend ausgeführt wird. Bei Gleichung (2) wird dieser Wert ebenfalls integriert, so dass der Fehler nicht eliminiert wird. Der Fehler wird jedoch nicht beseitigt, da selbst dieser Wert integriert wird. Beim Aufbau, bei dem Gleichung (5) verwendet wird, wird die Leerlaufspannung V₀ aus der Gleichung berechnet, in der die Integration nicht enthalten ist. Somit wird, nachdem der Parameterschätzwert der realen Zeit angenähert wurde, dieser falsch geschätzte Teil eliminiert.
(4) Für den Fall, bei dem die Gleichung (6) anstelle von Gleichung (1) verwendet wird, kann zudem eine Berechnungsdauer und Programmkapazität auf ein Minimum verringert werden, während die oben beschriebenen Vorteile zur Verfügung stehen.

Claims

Vorrichtung zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle (10), die umfasst: einen Stromerfassungsabschnitt (4), der in der Lage ist, einen Strom (I) zu messen, der durch die Sekundärzelle (10) fließt; einen Klemmenspannungs-Erfassungsabschnitt (5), der in der Lage ist, eine Spannung (V) über Anschlussklemmen der Sekundärbatterie (10) zu messen; einen Parameter-Schätzabschnitt (1, 2) zum Schätzen einer Leerlaufspannung (V₀), der eine adaptive digitale Filterung unter Verwendung eines Zellenmodells in einer kontinuierlichen Zeitreihe anwendet, die in einer Gleichung (1) dargestellt ist, und gleichzeitig alle Parameter schätzt, wobei die Parameter der Leerlaufspannung (V₀), die ein Offset-Term einer Gleichung (1) ist, und Koeffizienten von A(s), B(s) und C(s) entsprechen, die Transienten-Terme sind;
wobei s einen Lapacetransformierten-Operator bezeichnet, A(s), B(s) und C(s) polynominale Funktion von s bezeichnen, und ein Ladungsraten-Schätzabschnitt (e), der die Ladungsrate (SOC) aus einer zuvor hergeleiteten Beziehung zwischen einer Leerlaufspannung und einer Ladungsrate der Sekundärzelle sowie der geschätzten Leerlaufspannung schätzt, und wobei die Leerlaufspannung (V₀) des Zellenmodells in der zeitkontinuierlichen Zeitreihe in einer Gleichung (2) genähert wird, um eine Gleichung (3) zu berechnen, die adaptive digitale Filter-Berechnung unter Verwendung einer Gleichung (4) ausgeführt wird, die der Gleichung (3) äquivalent ist, A(s), B(s) und C(s) aus Gleichung (4) geschätzt werden, die geschätzten A(s), B(s) und C(s) in Gleichung (5) eingesetzt werden, um V₀/G₂(s) zu bestimmen, und die Ladungsrate aus einer zuvor hergeleiteten Beziehung zwischen einer Leerlaufspannung (V₀) und einer Ladungsrate (SOC) unter Verwendung von V₀/G₂(s) anstelle der Leerlaufspannung geschätzt wird,
wobei s den Laplacetransformierten-Operator bezeichnet, A(s), B(s) und C(s) die polynominale (Gleichungs-) Funktion von s bezeichnen, h eine Variable bezeichnet und 1/G₁(s) sowie 1/G₂(s) Übertragungsfunktionen mit der Tiefpassfilter-Charakteristik bezeichnen.
Vorrichtung zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 1, wobei in Gleichung (1) A(s), B(s) und C(s) ersetzt werden durch A(s) = T1·s + 1, B(s) = K·(T2·s + 1), C(s) = T3·s + 1so dass das Zellenmodell aus einer Gleichung (6)
berechnet wird, wobei K einen inneren Widerstand der Sekundärzelle bezeichnet, T₁, T₂ und T₃ Zeitkonstanten bezeichnen, 1/G₁(s) ein Tiefpassfilter einer dritten oder höheren Ordnung bezeichnet und 1/G₂(s) ein weiteres Tiefpassfilter einer zweiten oder höheren Ordnung bezeichnet.
Vorrichtung zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 2, wobei
(a·s3 + b·s2 + s)·V = (c·s3 + d·s2 + θ·s + f)·I (10).
Vorrichtung zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 3, wobei a = T1·T3, b = T1 + T3, c = K·T2·T3, d = K·(T2 + T3), e = K + A·T1, f = A (11).
Vorrichtung zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 4, wobei ein stabiles Tiefpassfilter G₁(s) in beide Seiten der Gleichung (10) eingesetzt wird, um die folgende Gleichung herzuleiten:
Vorrichtung zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 5, wobei tatsächlich messbare Ströme (I) und Klemmenspannungen (V), die mittels eines Tiefpassfilters verarbeitet werden, wie folgt sind:
Vorrichtung zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 6, wobei unter Verwendung der Gleichung (13) die Gleichung (12) wie folgt umgeformt und umgestellt wird:
die Gleichung (15) einer allgemeinen Gleichung entspricht, die mit einer Standardform eines allgemeinen adaptiven digitalen Filters von Gleichung (16) übereinstimmt: y = ωT·θ (16),wobei y = V₁, ω^T = [V₃V₂I₃I₂I₁I₀], und
Vorrichtung zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 7, wobei ein Parameter-Schätzalgorithmus mit der Gleichung (16) als notwendige Voraussetzung wie folgt definiert wird:
wobei θ(k) einen Parameter-Schätzwert zu einem Zeitpunkt k (k = 0, 1, 2, 3 ...) bezeichnet, λ₁, λ₃(k), γu und γ_L einen Ausgangs-Einstellwert bezeichnen, b < λ₁ < 1,0 < λ₃(k) < ∞, P(0) ein ausreichend großer Wert ist, θ(0) einen Ausgangswert schafft, der nicht Null ist, jedoch eine ein sehr ausreichend kleiner Wert, und trace{P} eine Spur von Matrix P bedeutet.
Verfahren zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle (10), das umfasst: Messen eines Stroms (I), der durch die Sekundärzelle (10) fließt; Messen einer Spannung (V) über Anschlussklemmen der Sekundärzelle (10); Anwenden einer adaptiven digitalen Filterung unter Verwendung eines Zellenmodells in einer kontinuierlichen Zeitreihe, die in einer Gleichung (1) dargestellt ist; und Schätzen aller Parameter zu einem Zeitpunkt, wobei die Parameter einer Leerlaufspannung (V₀), die ein Offset-Term der Gleichung (1) ist, und Koeffizienten von A(s), B(s) und C(s) entsprechen, die Transienten-Terme sind;
wobei s einen Laplacetransformierten-Operator bezeichnet, A(s), B(s) und C(s) polynominale Funktionen von s bezeichnen und Schätzen der Ladungsrate (SOC) aus einer zuvor hergeleiteten Beziehung zwischen einer Leerlaufspannung und einer Ladungsrate der Sekundärzelle sowie der geschätzten Leerlaufspannung, und wobei die Leerlaufspannung (V₀) des Zellenmodells in der kontinuierlichen Zeitreihe in einer Gleichung (2) genähert wird, um eine Gleichung (3) zu berechnen, die adaptive digitale Filter-Berechnung unter Verwendung einer Gleichung (4) ausgeführt wird, die der Gleichung (3) äquivalent ist, A(s), B(s) und C(s) aus der Gleichung (4) geschätzt werden, die geschätzten A(s), B(s) und C(s) in Gleichung (5) eingesetzt werden, um V₀/G₂(s) zu bestimmen, und die Ladungsrate aus der zuvor hergeleiteten Beziehung zwischen einer Leerlaufspannung und einer Ladungsrate (SOC) unter Verwendung des hergeleiteten V₀/G₂(s) anstelle der Leerlaufspannung (V₀) geschätzt wird,

wobei s den Laplacetransformierten-Operator bezeichnen, A(s), B(s) und C(s) die polynominale (Gleichungs-) Funktion von s bezeichnen, h eine Variable bezeichnet und 1/G₁(s) sowie 1/G₂(s) Übertragungsfunktionen mit den Tiefpassfilter-Charakteristiken bezeichnen.
Verfahren zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 9, das umfasst: Messen (30) eines Stroms (I(k)), der durch die Sekundärzelle fließt; Messen (30) einer Klemmenspannung (V(k)) über die Sekundärzelle; Speichern (30) der Klemmenspannung (V(k)), wenn ein Strom auf Null gebracht wird, als einen Ausgangswert (V_ini) der Klemmenspannung ΔV(k) = V(k) – V_ini; Bestimmen (30) von Momentan-Stromwerten (I₀(k), I₁(k) und I₃(k)) und von Momentan-Klemmenspannungen (V₁(k), V₂(k) und V₃(k)) aus einer Gleichung (19),
wobei p₁ eine Konstante bezeichnet, die eine Ansprechcharakteristik von G₁(s) bestimmt; Einsetzen (30) der Momentan-Stromwerte I₀(k), I₁(k) und I₃(k) sowie der Momentan-Klemmenspannungen V₁(k), V₂(k) und V₃(k) in eine Gleichung (18),
wobei θ(k) einen Parameter-Schätzwert zu einem Zeitpunkt k (k = 0, 1, 2, 3 ...) bezeichnet, λ₁, λ₃(k), γu und γL einen Ausgangs-Einstellwert bezeichnen, b < λ₁ < 1,0 < λ₃(k) < ∞, P(0) ein ausreichend großer Wert ist, θ(0) einen Ausgangswert schafft, der nicht Null ist, jedoch ein sehr ausreichend kleiner Wert, trace{P} eine Spur von Matrix P bedeutet, wobei y(k) = V₁(k) ω^T(k) = [V₃(k) V₂(k) I₃(k) I₂(k) I₁(k) I₀(k)]
Einsetzen (30) von a, b, c, d, e und f in den Parameter-Schätzwert θ(k) in eine Gleichung (22), um V₀' zu berechnen, die eine Alternative zu V₀ ist und einer Änderung ΔV₀(k) des Leerlaufspannungs-Schätzwertes von einer Zeit an entspricht, zu der der Beginn der Schätzberechnung ausgeführt wird;
Berechnen (30) eines Leerlaufspannungs-Schätzwertes V₀(k) gemäß der Änderung ΔV₀(k) des Leerlaufspannungs-Schätzwertes und des Klemmenspannungs-Ausgangswertes V_ini.
Verfahren zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 10, das des Weiteren umfasst: Berechnen (30) einer Ladungsrate (SOC) aus dem Leerlaufspannungs-Schätzwert (ΔV₀(k)).
Verfahren zum Schätzen des Ladungszustandes (SOC) für eine Sekundärzelle nach Anspruch 11, wobei die Ladungsrate (SOC) unter Verwendung einer Korrelationsabbildung (correlation map) zwischen der Leerlaufspannung (V₀) und der Ladungsrate (SOC) der Sekundärzelle aus dem Leerlaufspannungs-Schätzwert (ΔV₀(k)) berechnet wird.