DE102020211986A1 - Method and device for individually determining the state of charge of a battery of a battery-operated machine depending on the aging state of the battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands (SOC) einer Batterie (41) in einer batteriebetriebenen Maschine (4), mit folgenden Schritten:
- Ermitteln (S1) eines Alterungszustands (SOH) der Batterie (41) mit einem Alterungszustandsmodell (51) basierend auf Betriebsgrößen (F) der Batterie (41);
- Bereitstellen (S2) mindestens eines Referenz-Batteriemodellparameters (Pref) mithilfe eines Parametermodells (52) abhängig von dem Alterungszustand (SOH);
- Anpassen (S5) des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters (Pref) mithilfe einer jeweiligen Korrekturgröße (K), die abhängig von momentanen Betriebsgrößen (F) der Batterie (41) mithilfe eines Korrekturmodells (54) ermittelt wird;
- Verwenden (S6) eines Batteriemodells (55), um abhängig von Batteriemodellparametern, die sich aus einer Beaufschlagung des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters (Pref) mit der jeweiligen Korrekturgröße (K) ergeben, um einen aktuellen Ladezustand (SOC) der Batterie (41) zu ermitteln;
- Signalisieren (S7) des aktuellen Ladezustands (SOC).
The invention relates to a method for determining a state of charge (SOC) of a battery (41) in a battery-operated machine (4), with the following steps:
- Determining (S1) a state of health (SOH) of the battery (41) with a state of health model (51) based on operating variables (F) of the battery (41);
- Providing (S2) at least one reference battery model parameter (P ref ) using a parameter model (52) depending on the state of health (SOH);
- Adapting (S5) the at least one reference battery model parameter (P ref ) using a respective correction variable (K) which is determined as a function of current operating variables (F) of the battery (41) using a correction model (54);
- Using (S6) a battery model (55) to determine a current state of charge ( SOC ) of the battery ( 41) to determine;
- Signaling (S7) of the current state of charge (SOC).
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft batteriebetriebene Maschinen, insbesondere Kraftfahrzeuge, wie Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, und weiterhin Maßnahmen zur Bestimmung eines Ladezustands einer Batterie.The invention relates to battery-operated machines, in particular motor vehicles such as electric vehicles or hybrid vehicles, and also to measures for determining the state of charge of a battery.
Technischer HintergrundTechnical background
Die Energieversorgung von elektrisch betreibbaren, batteriebetriebenen Maschinen, wie elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen erfolgt mithilfe einer Batterie als elektrischer Energiespeicher. Beim Betreiben eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs ist eine Angabe über den aktuellen Ladezustand der Batterie wesentlich. Zum einen benötigt der Fahrer oder ein Navigationssystem die Angabe über den aktuellen Ladezustand zum Einplanen eines eventuellen Stopps, um ggfs. einen Ladevorgang durchzuführen. Andererseits ist der Ladezustand für das Energiemanagement, insbesondere für die Durchführung einer Hybridstrategie in einem hybriden Antriebssystem notwendig.The energy supply of electrically operable, battery-operated machines, such as electrically drivable motor vehicles takes place using a battery as an electrical energy store. When operating an electrically drivable motor vehicle, information about the current state of charge of the battery is essential. On the one hand, the driver or a navigation system needs information about the current state of charge in order to plan a possible stop in order to carry out a charging process if necessary. On the other hand, the state of charge is necessary for energy management, in particular for implementing a hybrid strategy in a hybrid drive system.
In heutigen Batteriesteuergeräten ist neben den Funktionen zum Betreiben der Batterie auch ein Ladezustandsmodell hinterlegt, das es ermöglicht, den aktuellen Ladezustand aus Verläufen des Batteriestroms, der Batteriespannung, der Batterietemperatur und dergleichen zu bestimmen. Zudem ist das Ladezustandsmodell mit einer Vielzahl von Parametern parametrisiert, die auch eine zurückliegende Belastung der Batterie berücksichtigen können. Das Ladezustandsmodell weist als wesentliche Parameter eine Leerlaufspannung, einen Innenwiderstand, einen Parallelwiderstand eines RC-Glieds und eine Kondensatorkapazität des RC-Glieds, auf, die von dem Alterungszustand der Batterie abhängen. Die Berücksichtigung der Alterung der Batterie in dem entsprechenden Ladezustandsmodell ist derzeit nur ungenügend in Batteriesteuergeräten umgesetzt, auch weil der Alterungszustand derzeit nur mit unzureichender Genauigkeit angegeben werden kann.In today's battery control devices, in addition to the functions for operating the battery, a state of charge model is also stored, which makes it possible to determine the current state of charge from battery current, battery voltage, battery temperature and the like curves. In addition, the state of charge model is parameterized with a large number of parameters, which can also take into account past battery loads. The state of charge model has an open circuit voltage, an internal resistance, a parallel resistance of an RC element and a capacitor capacitance of the RC element as essential parameters, which depend on the aging state of the battery. The consideration of the aging of the battery in the corresponding state of charge model is currently only insufficiently implemented in battery control units, also because the aging state can currently only be specified with insufficient accuracy.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands einer Batterie einer batteriebetriebenen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Zentraleinheit zum Bereitstellen eines Referenz-Ladezustands, eines Verfahrens zum Betreiben einer batteriebetriebenen Maschine und entsprechenden Vorrichtungen gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.According to the invention, a method for determining a state of charge of a battery of a battery-operated machine according to
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further developments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Ermitteln eines Ladezustands einer Batterie in einer batteriebetriebenen Maschine vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Ermitteln eines Alterungszustands der Batterie mit einem Alterungszustandsmodell basierend auf Betriebsgrößen der Batterie;
- - Bereitstellen mindestens eines Referenz-Batteriemodellparameters mithilfe eines Parametermodells abhängig von dem Alterungszustand;
- - Anpassen des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters mithilfe einer jeweiligen Korrekturgröße, die abhängig von momentanen Betriebsgrößen der Batterie aus einem Korrekturmodell ermittelt wird;
- - Verwenden eines Ladezustandsmodells, um abhängig von Batteriemodellparametern, die sich aus einer Beaufschlagung des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters mit der jeweiligen Korrekturgröße ergeben, um einen aktuellen Ladezustand der Batterie zu ermitteln;
- - Signalisieren des aktuellen Ladezustands.
- - Determining a state of health of the battery with a state of health model based on operating parameters of the battery;
- - Providing at least one reference battery model parameter using a parameter model depending on the state of health;
- - Adjusting the at least one reference battery model parameter using a respective correction variable, which is determined from a correction model as a function of current operating variables of the battery;
- - Using a state of charge model to determine a current state of charge of the battery depending on battery model parameters that result from an application of the at least one reference battery model parameter with the respective correction variable;
- - Signaling the current state of charge.
Für den Betrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterie ist eine Kenntnis des aktuellen Ladezustands der Batterie essentiell. Der Ladezustand ändert sich während des aktiven Betriebs durch Ladungsentnahme kontinuierlich, wobei die Art der Betriebsweise in nicht-linearer Weise bestimmt, wie sich der Ladezustand der Batterie bei bestimmter Ladungsentnahme reduziert bzw. bei Ladungszunahme in Form eines Rekuperationsvorgangs (Bremsenergierückgewinnung) vergrößert.Knowledge of the current state of charge of the battery is essential for the operation of a motor vehicle with a battery. The state of charge changes continuously during active operation as a result of charge withdrawal, with the type of operation determining in a non-linear manner how the state of charge of the battery is reduced with a certain charge withdrawal or increased with an increase in charge in the form of a recuperation process (brake energy recovery).
Die Ermittlung des aktuellen Ladezustands erfolgt in der Regel mithilfe eines Ladezustandsmodells, das anhand von Betriebsgrößen der Batterie, wie beispielsweise einem Batteriestrom, einer Batterietemperatur und einer Batteriespannung, einen aktuellen Ladezustand der Batterie angibt. Der Ladezustand wird dabei in der Regel in einem prozentualen Anteil der maximalen Ladungskapazität bei vollständig aufgeladener Batterie angegeben. Die Batteriemodellparameter, mit deren Hilfe der Ladezustand bestimmt wird, umfassen insbesondere eine Leerlaufspannung einer Einzelzelle der Batterie, einen Innenwiderstandswert sowie einen Parallelwiderstandswert und eine Kondensatorkapazität eines RC-Glieds. Die Batteriemodellparameter hängen wiederum von einem Alterungszustand der Batterie ab.The current state of charge is generally determined using a state of charge model, which indicates a current state of charge of the battery based on operating variables of the battery, such as a battery current, a battery temperature and a battery voltage. The state of charge is usually specified as a percentage of the maximum charge capacity for a fully charged battery. The battery model parameters, which are used to determine the state of charge, include in particular an open-circuit voltage of an individual cell of the battery, an internal resistance value and a parallel resistance value and a capacitor capacitance of an RC element. The battery model parameters in turn depend on an aging state of the battery.
Das Ladezustandsmodell umfasst ein Batteriemodell und ein Zuordnungsmodell. Das Batteriemodell dient dazu, anhand von Batteriemodellparametern eine Spannung der Batterie oder eine Einzelzellenspannung, die einer Klemmenspannung einer einzelnen Batteriezelle entspricht, zu ermitteln. Das Zuordnungsmodell dient dazu, abhängig von einem aktuellen Alterungszustand der Batterie, einer aktuellen Temperatur und einer modellierten Leerlaufspannung (Einzelzellenspannung) einen aktuellen Ladezustand auszugeben. Das Zuordnungsmodell ist basierend auf Messungen erstellt und implementiert, um modellierten Leerlaufspannungen einem Ladezustand zuordnen.The state of charge model includes a battery model and an allocation model. The battery model is used to determine a voltage of the battery or an individual cell voltage, which corresponds to a terminal voltage of an individual battery cell, using battery model parameters. The assignment model is used to output a current state of charge depending on a current aging state of the battery, a current temperature and a modeled open-circuit voltage (individual cell voltage). The mapping model is based on measurements and implemented to map modeled open circuit voltages to a state of charge.
Der Alterungszustand der Batterie kann basierend auf einem vorgegebenen Alterungszustandsmodell aus Betriebsgrößen der Batterie abgeschätzt werden.The state of health of the battery can be estimated based on a predetermined state of health model from operating variables of the battery.
Eine Bedatung des Batteriemodells abhängig von den Batteriemodellparametern, die von dem Alterungszustand abhängen, und den aktuellen Betriebsgrößen, die den aktuellen Betriebszustand angeben, ist sehr aufwendig, insbesondere da die Ermittlung des Alterungszustands ein Alterungszustandsmodell erfordert, das ebenfalls aufwendig zu bedaten ist. Eine Implementierung in einem Batteriesteuergerät in einer insbesondere mobilen Maschine ist somit sehr ressourcenintensiv.Parameterizing the battery model depending on the battery model parameters, which depend on the aging state, and the current operating variables, which indicate the current operating state, is very complex, especially since determining the aging state requires a aging state model that is also complex to calibrate. An implementation in a battery control device in a mobile machine, in particular, is therefore very resource-intensive.
Es wird daher ein Verfahren vorgeschlagen, den Ladezustand präzise und insbesondere abhängig von einem ermittelten Alterungszustand der Batterie zu ermitteln.A method is therefore proposed for determining the state of charge precisely and in particular as a function of a determined aging state of the battery.
Dazu ist zunächst eine Modellstruktur vorgesehen, um abhängig von einem ermittelten Alterungszustand Referenz-Batteriemodellparameter mithilfe eines Parametermodells bereitzustellen. Daraus ermittelte Batteriemodellparameter können jeweils mit einer Korrekturgröße beaufschlagt werden, die sich aus einem Korrekturmodell ergeben. Das Korrekturmodell nutzt dazu den durch die aktuellen Betriebsgrößen der Batterie bestimmten Betriebszustand, um die Korrekturgrößen jeweils kontinuierlich, insbesondere abhängig von dem aktuellen Ladezustand, zu bestimmen.For this purpose, a model structure is initially provided in order to provide reference battery model parameters with the aid of a parameter model depending on a determined aging state. Battery model parameters determined from this can each be subjected to a correction variable that results from a correction model. For this purpose, the correction model uses the operating state determined by the current operating variables of the battery in order to determine the correction variables continuously, in particular as a function of the current state of charge.
Eine solche Modellstruktur ermöglicht eine ressourcenschonende Implementierung eines Modells, mit dem der aktuelle Ladezustand sehr genau ermittelt werden kann. Dies ermöglicht es einem Nutzer einer Maschine die Angabe über den aktuellen Ladezustand zu verwenden, um einen eventuellen Stopp für einen Ladevorgang einzuplanen und/oder eine Restreichweite und einer zur Verfügung stehenden Leistung sehr genau zu bestimmen. Auch ist die Angabe über den Ladezustand für die Durchführung einer Hybridstrategie in einem hybriden Antriebssystem notwendig.Such a model structure enables a resource-saving implementation of a model with which the current state of charge can be determined very precisely. This allows a user of a machine to use the information about the current state of charge in order to plan a possible stop for a charging process and/or to determine a remaining range and an available power very precisely. Information about the state of charge is also necessary for the implementation of a hybrid strategy in a hybrid drive system.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Alterungszustandsmodell und das Parametermodell maschinenextern in einer Zentraleinheit implementiert sein, wobei die Betriebsgrößen der Batterie an die Zentraleinheit übermittelt werden und wobei der mindestens eine Referenz-Batteriemodellparameter an die Maschine durch die Zentraleinheit übermittelt wird.According to one embodiment, the state of health model and the parameter model can be implemented outside the machine in a central unit, the operating parameters of the battery being transmitted to the central unit and the at least one reference battery model parameter being transmitted to the machine by the central unit.
Durch eine solche verteilte Architektur lässt sich der Ressourcenaufwand in der Maschine reduzieren. Dies ermöglicht die Nutzung eines Alterungszustandsmodells zur sehr genauen maschinenexternen Bestimmung eines aktuellen Alterungszustands einer bestimmten Batterie, insbesondere durch Auswertung von Flottendaten einer Vielzahl von batteriebetriebenen Maschinen. Anschließend kann diesem Alterungszustand die Referenz-Batteriemodellparameter mithilfe eines Parameterkennfelds zugeordnet werden.Such a distributed architecture allows the resource expenditure in the machine to be reduced. This enables the use of a state of health model for the very precise machine-external determination of a current state of health of a specific battery, in particular by evaluating fleet data from a large number of battery-operated machines. The reference battery model parameters can then be assigned to this aging state using a parameter characteristic map.
Die Implementierung des Parameterkennfelds in der Zentraleinheit ermöglicht weiterhin, die kontinuierliche Präzisierung/Aktualisierung des Parametermodells für eine verbesserte Bestimmung des Ladezustands. Durch Übermittlung der Referenz-Batteriemodellparameter an die betreffende Maschine kann dort das Batteriemodell im Ladezustandsmodell mit den Referenz-Batteriemodellparametern zur Berechnung des aktuellen Ladezustands verwendet werden. Dazu werden die Referenz-Batteriemodellparameter noch abhängig von den aktuellen Betriebsgrößen der Batterie mithilfe des Korrekturmodells korrigiert, so dass stets ein präziser aktueller Ladezustand bestimmt werden kann.The implementation of the parameter map in the central unit also enables the parameter model to be continuously refined/updated for improved determination of the state of charge. By transmitting the reference battery model parameters to the relevant machine, the battery model can be used there in the state of charge model with the reference battery model parameters for calculating the current state of charge. For this purpose, the reference battery model parameters are corrected using the correction model depending on the current operating variables of the battery, so that a precise current state of charge can always be determined.
Dadurch ist vorgesehen, die Berechnung der sich langsam, d.h. im Zeitregime von Tagen oder Wochen, ändernden Größen in der Zentraleinheit durchzuführen, während der sich schneller ändernde Ladezustand abhängig von den sich sehr schnell ändernden Betriebsgrößen in der betreffenden Maschine berechnet wird. Dies stellt einen optimierten Trade-off zwischen Ressourcenbedarf (Rechenleistung und Speicherbedarf) in der Maschine und benötigte Bandbreite für die Übertragung von Daten zwischen den Maschinen der Vielzahl der Maschinen und der Zentraleinheit dar.As a result, it is provided that the variables that change slowly, i.e. in the time regime of days or weeks, are calculated in the central unit, while the more rapidly changing state of charge is calculated as a function of the very quickly changing operating variables in the machine in question. This represents an optimized trade-off between resource requirements (computing power and memory requirements) in the machine and the bandwidth required for the transmission of data between the machines of the large number of machines and the central unit.
In Verbindung mit der externen Zentraleinheit kann so in der Maschine jederzeit ein von dem Alterungszustand der Batterie abhängiges Ladezustandsmodell zur Verfügung gestellt werden, das es ermöglicht, einen modellierten aktuellen Ladezustand bereitzustellen. Der modellierte aktuelle Ladezustand bietet somit eine gewisse Redundanz zu dem Ladezustand, der sich aus einer gemessenen Einzelzellenspannung bzw. Klemmenspannung der Batterie ergibt, und zum anderen ist damit eine verbesserte Prädiktion der Restreichweite möglich, die sich aus einem prädizierten Batteriestrom und Batterietemperaturverlauf basierend auf dem jeweils aktuellen Ladezustandsmodell ergibt.In connection with the external central unit, a state of charge model that is dependent on the aging state of the battery can thus be made available in the machine at any time, which makes it possible to provide a modeled current state of charge. The modeled current state of charge thus offers a certain redundancy to the state of charge resulting from a measured individual cell voltage or terminal voltage of the battery, and on the other hand, an improved prediction of the remaining range is possible, which results from a predicted battery current and battery temperature curve based on the current state of charge model.
Weiterhin kann das Korrekturmodell für den mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameter die betreffende Korrekturgröße abhängig von einem aktuellen Batteriestrom, einer aktuellen Batterietemperatur und einem aktuellen Ladezustand der Batterie angeben.Furthermore, the correction model for the at least one reference battery model parameter can specify the relevant correction variable as a function of a current battery current, a current battery temperature and a current state of charge of the battery.
Es kann vorgesehen sein, dass das Korrekturmodell für den mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameter mithilfe eines oder mehrerer Kennfelder ausgebildet ist.Provision can be made for the correction model to be designed for the at least one reference battery model parameter using one or more characteristic diagrams.
Weiterhin kann die Aktualisierung der Referenz-Batteriemodellparameter regelmäßig oder zu vorgegebenen Zeitpunkten durchgeführt werden.Furthermore, the reference battery model parameters can be updated regularly or at predetermined times.
Weiterhin kann der Alterungszustand von der Zentraleinheit an die Maschine übermittelt werden, wobei das Korrekturmodell für den mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameter aus mehreren bereitgestellten Korrekturmodellen abhängig von dem Alterungszustand aus mehreren Korrekturmodellen ausgewählt wird.Furthermore, the aging status can be transmitted from the central unit to the machine, with the correction model for the at least one reference battery model parameter being selected from a number of correction models provided depending on the aging status from a number of correction models.
Es kann vorgesehen sein, dass das Ladezustandsmodell eine aktuelle Einzelzellenspannung modelliert, die einer Leerlaufspannung einer Einzelzelle der Batterie entspricht, wobei die aktuelle modellierte Einzelzellenspannung mithilfe eines vorgegebenen Zuordnungsmodells auf den aktuellen Ladezustand abgebildet wird.Provision can be made for the state of charge model to model a current individual cell voltage which corresponds to an open circuit voltage of an individual cell of the battery, with the current modeled individual cell voltage being mapped to the current state of charge using a predefined assignment model.
Insbesondere kann die aktuelle modellierte Einzelzellenspannung mit einer gemessenen Einzelzellenspannung verglichen werden und abhängig von einer Abweichung eine Aktualisierung der Referenz-Batteriemodellparameter von der Zentraleinheit angefordert werden.In particular, the currently modeled individual cell voltage can be compared with a measured individual cell voltage and, depending on a deviation, the central unit can request an update of the reference battery model parameters.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer Zentraleinheit zum Bereitstellen von Referenz-Batteriemodellparametern für eine batteriebetriebene Maschine, insbesondere für das obige Verfahren, vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Empfangen von Betriebsgrößen einer Batterie;
- - Ermitteln eines Alterungszustands der Batterie mit einem Alterungszustandsmodell basierend auf den Betriebsgrößen der Batterie;
- - Bereitstellen mindestens eines Referenz-Batteriemodellparameters mithilfe eines vorgegeben Parametermodells abhängig von dem Alterungszustand.
- - Receiving operating parameters of a battery;
- - Determining a state of health of the battery with a state of health model based on the operating parameters of the battery;
- - Providing at least one reference battery model parameter using a predetermined parameter model depending on the state of health.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben einer batteriebetriebenen Maschine zum Ermitteln eines Ladezustands einer Batterie in der Maschine vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Empfangen mindestens eines Referenz-Batteriemodellparameters;
- - Anpassen des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters mithilfe einer jeweiligen Korrekturgröße, die abhängig von momentanen Betriebsgrößen aus einem Korrekturmodell ermittelt wird;
- - Verwenden eines Ladezustandsmodells, um abhängig von Batteriemodellparametern, die sich aus einer Beaufschlagung des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters mit der jeweiligen Korrekturgröße ergeben, einen aktuellen Ladezustand der Batterie zu ermitteln;
- - Signalisieren des aktuellen Ladezustands.
- - receiving at least one reference battery model parameter;
- - Adjusting the at least one reference battery model parameter using a respective correction variable, which is determined as a function of current operating variables from a correction model;
- - Using a state of charge model in order to determine a current state of charge of the battery as a function of battery model parameters which result from an application of the respective correction variable to the at least one reference battery model parameter;
- - Signaling the current state of charge.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein System zum Ermitteln eines Ladezustands einer Batterie in einer batteriebetriebenen Maschine vorgesehen, wobei das System ausgebildet ist zum:
- - Ermitteln eines Alterungszustands der Batterie mit einem Alterungszustandsmodell basierend auf Betriebsgrößen der Batterie;
- - Bereitstellen mindestens eines Referenz-Batteriemodellparameters mithilfe eines Parametermodells abhängig von dem Alterungszustand;
- - Anpassen des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters mithilfe einer jeweiligen Korrekturgröße, die abhängig von momentanen Betriebsgrößen der Batterie aus einem Korrekturmodell ermittelt wird;
- - Verwenden eines Batteriemodells, um abhängig von Batteriemodellparametern, die sich aus einer Beaufschlagung des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters mit der jeweiligen Korrekturgröße (K) ergeben, um einen aktuellen Ladezustand der Batterie zu ermitteln;
- - Signalisieren des aktuellen Ladezustands.
- - Determining a state of health of the battery with a state of health model based on operating parameters of the battery;
- - Providing at least one reference battery model parameter using a parameter model depending on the state of health;
- - Adjusting the at least one reference battery model parameter using a respective correction variable, which is determined from a correction model as a function of current operating variables of the battery;
- - Using a battery model in order to determine a current state of charge of the battery depending on battery model parameters which result from an application of the at least one reference battery model parameter with the respective correction variable (K);
- - Signaling the current state of charge.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Datenverarbeitungseinheit in einer Zentraleinheit, zum Bereitstellen von Referenz-Batteriemodellparametern für eine batteriebetriebene Maschine, insbesondere für das obige Verfahren, vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:
- - Empfangen von Betriebsgrößen einer Batterie;
- - Ermitteln eines Alterungszustands der Batterie mit einem Alterungszustandsmodell basierend auf den Betriebsgrößen der Batterie;
- - Bereitstellen mindestens eines Referenz-Batteriemodellparameters mithilfe eines vorgegeben Parametermodells abhängig von dem Alterungszustand.
- - Receiving operating parameters of a battery;
- - Determining a state of health of the battery with a state of health model based on the operating parameters of the battery;
- - Providing at least one reference battery model parameter using a predetermined parameter model depending on the state of health.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit in einer batteriebetriebenen Maschine, zum Ermitteln eines Ladezustands einer Batterie in der Maschine vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Empfangen mindestens eines Referenz-Batteriemodellparameters;
- - Anpassen des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters mithilfe einer jeweiligen Korrekturgröße, die abhängig von momentanen Betriebsgrößen aus einem Korrekturmodell ermittelt wird;
- - Verwenden eines Batteriemodells, um abhängig von Batteriemodellparametern, die sich aus einer Beaufschlagung des mindestens einen Referenz-Batteriemodellparameters mit der jeweiligen Korrekturgröße ergeben, einen aktuellen Ladezustand der Batterie zu ermitteln;
- - Signalisieren des aktuellen Ladezustands.
- - receiving at least one reference battery model parameter;
- - Adjusting the at least one reference battery model parameter using a respective correction variable, which is determined as a function of current operating variables from a correction model;
- - Using a battery model in order to determine a current state of charge of the battery as a function of battery model parameters which result from an application of the respective correction variable to the at least one reference battery model parameter;
- - Signaling the current state of charge.
Weiterhin kann eine der obigen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug, einem Pedelec, einem Fluggerät, insbesondere einer Drohne, einer Werkzeugmaschine, und/oder einem Haushaltsgerät vorgesehen sein.Furthermore, one of the above devices can be provided in a motor vehicle, a pedelec, an aircraft, in particular a drone, a machine tool and/or a household appliance.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Systems zum Bereitstellen von Batteriemodellparametern durch eine Zentraleinheit an Kraftfahrzeug einer Fahrzeugflotte basierend auf Flottendaten; -
2 eine schematische Funktionsblockdarstellung eines Ablaufs zum Ermitteln eines modellierten Ladezustands einer Batterie eines bestimmten Kraftfahrzeugs der Fahrzeugflotte; und -
3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln eines modellierten Ladezustands in einem Kraftfahrzeug; -
4 eine beispielhafte Darstellung eines Kennfelds eines Korrekturmodells zum Bestimmen einer Korrekturgröße; und -
5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahren zum Aktualisieren des Ladezustandsmodells.
-
1 a schematic representation of a system for providing battery model parameters by a central unit on motor vehicles of a vehicle fleet based on fleet data; -
2 a schematic functional block diagram of a process for determining a modeled state of charge of a battery of a specific motor vehicle in the vehicle fleet; and -
3 a flowchart to illustrate a method for determining a modeled state of charge in a motor vehicle; -
4 an exemplary representation of a map of a correction model for determining a correction variable; and -
5 a flowchart to illustrate a method for updating the state of charge model.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Fahrzeugbatterien als Batterie in einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen als batteriebetriebene Maschinen beschrieben. In den Kraftfahrzeugen kann in einer Steuereinheit ein Ladezustandsmodell für die jeweilige Batterie implementiert sein. Das Ladezustandsmodell kann mithilfe einer Zentraleinheit kontinuierlich basierend auf Betriebsgrößen der Fahrzeugbatterien aus der Fahrzeugflotte aktualisiert bzw. korrigiert bzw. bzw. umparametriert werden.The method according to the invention is described below using vehicle batteries as the battery in a large number of motor vehicles as battery-operated machines. A state of charge model for the respective battery can be implemented in a control unit in motor vehicles. The state of charge model can be continuously updated or corrected or reparameterized using a central unit based on operating variables of the vehicle batteries from the vehicle fleet.
Das obige Beispiel steht stellvertretend für eine Vielzahl von stationären oder mobilen Maschinen mit netzunabhängiger Energieversorgung, wie beispielsweise Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge, Pedelecs usw.), Anlagen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte, IOT-Geräte und dergleichen, die über eine entsprechende Kommunikationsverbindung (z. B. LAN, Internet) mit einer Zentraleinheit (Cloud) in Verbindung stehen.The above example is representative of a large number of stationary or mobile machines with a network-independent energy supply, such as vehicles (electric vehicles, pedelecs, etc.), systems, machine tools, household appliances, IOT devices and the like, which have a corresponding communication connection (e.g. LAN, Internet) connected to a central unit (cloud).
Die Kraftfahrzeuge 4 weisen jeweils eine Batterie 41 (Traktionsbatterie) als wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, einen elektrischen Antriebsmotor 42 und eine Steuereinheit 43 auf, die gemeinsam ein Antriebssystem ausbilden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.The
Die Steuereinheit 43 ist mit einem Kommunikationsmodul 44 verbunden, das geeignet ist, Daten zwischen dem jeweiligen Kraftfahrzeug 4 und der Zentraleinheit 2 (einer sogenannten Cloud) zu übertragen. Betriebsgrößen der Batterie werden mithilfe einer Sensorik 45 in an sich bekannter Weise erfasst.The
Die Zentraleinheit 2 weist eine Datenverarbeitungseinheit 21, in der das nachfolgend beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann, und eine Datenbank 22 zum Speichern von Alterungszustandsverläufen von Batterien einer Vielzahl von Fahrzeugen 4 der Fahrzeugflotte 3 auf.The
Die Betriebsgrößen geben zumindest Größen an, von denen der Alterungszustand der Batterie abhängt. Die Betriebsgrößen F können einen Verlauf des Batteriestroms, einen Verlauf der Batteriespannung (Klemmenspannung), einen Verlauf der Batterietemperatur und einen Verlauf des Ladezustands angeben. Die Betriebsgrößen F werden in einem schnellen Zeitraster von 2 bis 100 Hz erfasst und können in unkomprimierter und/oder komprimierter Form regelmäßig an die Zentraleinheit 2 übertragen werden. Beispielsweise können die Zeitreihen im Abstand von 10 min bis mehreren Stunden blockweise an die Zentraleinheit 2 übertragen werden.The operating variables at least indicate variables on which the aging state of the battery depends. The operating variables F can specify a battery current curve, a battery voltage curve (terminal voltage), a battery temperature curve and a charge state curve. The operating variables F are recorded in a rapid time frame of 2 to 100 Hz and can be regularly transmitted to the
Aus den Betriebsgrößen F können in der Zentraleinheit 2 zwei oder in anderen Ausführungsformen auch bereits in den jeweiligen Kraftfahrzeugen 4 Betriebsmerkmale generiert werden, die sich auf einen Auswertungszeitraum beziehen. Die Betriebsmerkmale dienen der Bestimmung eines Alterungszustands. Diese werden jeweils für aufeinander folgende Auswertungszeiträume von wenigen Stunden (z. B. sechs Stunden) bis zu mehreren Wochen (z. B. einen Monat) ermittelt. Ein üblicher Wert für den Auswertungszeitraum beträgt eine Woche.From the operating variables F, two operating features can be generated in the
Die Betriebsmerkmale können beispielsweise auf den Auswertungszeitraum bezogene Merkmale und/oder akkumulierte Merkmale und/oder über die gesamte bisherige Lebensdauer ermittelte statistische Größen umfassen. Insbesondere können die Betriebsmerkmale beispielsweise umfassen: Histogrammdaten über den Ladezustandsverlauf, der Temperatur, der Batteriespannung, des Batteriestroms, insbesondere Histogrammdaten bezüglich der Batterietemperaturverteilung über dem Ladezustand, der Ladestromverteilung über der Temperatur und/oder der Entladestromverteilung über der Temperatur, die akkumulierte Gesamtladung (Ah), eine durchschnittliche Kapazitätszunahme bei einem Ladevorgang (insbesondere für Ladevorgänge, bei denen die Ladungszunahme über einem Schwellenanteil (z. B. 20 %) der gesamten Batteriekapazität liegt), ein Maximum der differentiellen Kapazität (dQ/dU: Ladungsänderung dividiert durch Änderung der Batteriespannung) und weitere.The operating characteristics can include, for example, characteristics relating to the evaluation period and/or accumulated characteristics and/or statistical values ascertained over the entire service life to date. In particular, the operating characteristics can include, for example: Histogram data on the course of the state of charge, the temperature, the battery voltage, the battery current, in particular histogram data with regard to the battery temperature distribution over the state of charge, the charging current distribution over the temperature and/or the discharging current distribution over the temperature, the accumulated total charge (Ah) , an average increase in capacity during a charge (particularly for charges where the increase in charge is above a threshold proportion (e.g. 20%) of the total battery capacity), a maximum of the differential capacity (dQ/dU: change in charge divided by change in battery voltage) and more.
Weiterhin ist in der Zentraleinheit 2 ein Parametermodell implementiert, das abhängig von dem Alterungszustand für die betreffende Batterie 41 des Kraftfahrzeugs 4 Referenz-Batteriemodellparameter Pref für ein Batteriemodell eines Ladezustandsmodells bereitstellt. Die Referenz-Batteriemodellparameter Pref dienen als elektrische Modellparameter für ein physikalisches Batteriemodell, mit dem zusammen mit einem Zuordnungsmodell der Ladezustand SOC der betreffenden Batterie 41 ermittelt werden soll.Furthermore, a parameter model is implemented in the
In
In Schritt S1 werden die Betriebsgrößen F der Batterie 41, wie zuvor beschrieben, an das Alterungszustandsmodell 51 in der Zentraleinheit 2 übertragen. Die Betriebsgrößen F werden zu Betriebsmerkmalen zusammengefasst. Betriebsgrößen F und Betriebsmerkmale können in dem physikalisch basierten oder datenbasierten Alterungszustandsmodell 51 für jeden Auswertungszeitraum verarbeitet werden, um den aktuellen Alterungszustand SOH zu erhalten.In step S1, the operating variables F of the
Der Alterungszustand (SOH: state of health) ist die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden maximalen Batteriekapazität oder verbleibenden maximalen Batterieladung. Der Alterungszustand kann als Kapazitätserhaltungsrate (capacity retention rate, SOH-C) oder als Anstieg des Innenwiderstands (SOH-R) angegeben werden. Die Kapazitätserhaltungsrate SOH-C ist als Verhältnis der gemessenen momentanen Kapazität zu einer Anfangskapazität der vollständig aufgeladenen Batterie angegeben. Die relative Änderung des Innenwiderstands SOH-R steigt mit zunehmender Alterung der Batterie 41 an. Der Alterungszustand kann entsprechend als SOH-C oder SOH-R bereitgestellt werden.The aging state (SOH: state of health) is the key variable for specifying a remaining maximum battery capacity or remaining maximum battery charge. Aging can be expressed as capacity retention rate (SOH-C) or as internal resistance increase (SOH-R). The capacity retention rate SOH-C is given as a ratio of the measured instantaneous capacity to an initial capacity of the fully charged battery. The relative change in the internal resistance SOH-R increases as the
Der so modellierte Alterungszustand SOH der Batterie 41 wird in Schritt S2 in der Zentraleinheit 2 einem Parametermodell 52 zugeführt, das beispielsweise als Kennfeld, als Lookup-Tabelle oder auch funktional oder datenbasiert bereitgestellt werden kann. Das Parametermodell 52 liefert für ein Ladezustandsmodell 53, das in den Fahrzeugen 4 der Fahrzeugflotte 3 implementiert ist, Referenz-Batteriemodellparameter Pref. Die Referenz-Batteriemodellparameter Pref umfassen beispielsweise eine Leerlaufspannung Uocv, einen Innenwiderstand der Batterie, einen Parallelwiderstand und eine Kapazität eines oder mehrerer RC-Glieder einer Batterieersatzschaltung der Batterie 41. Diese elektrischen Batteriemodellparameter unterliegen der Alterung, so dass in dem Parametermodell 52 die elektrischen Referenz-Batteriemodellparameter Pref an den Alterungszustand SOH der jeweiligen Batterie 41 angepasst werden können.In step S2, the state of health SOH of the
Das Ladezustandsmodell 53 umfasst ein Batteriemodell 55 und ein Zuordnungsmodell 56. Das Batteriemodell 55 dient dazu, anhand von Batteriemodellparametern eine Spannung der Batterie oder eine Einzelzellenspannung, die einer Klemmenspannung einer einzelnen Batteriezelle entspricht, zu ermitteln. Das Zuordnungsmodell dient dazu, abhängig von einem aktuellen Alterungszustand der Batterie, einer aktuellen Temperatur und eine modellierten Leerlaufspannung einen aktuellen Ladezustand auszugeben. Das Zuordnungsmodell ist basierend auf Messungen erstellt und implementiert, um modellierten Leerlaufspannungen einem Ladezustand zuordnen.The state of
Die Referenz-Batteriemodellparameter Pref hängen in erheblichem Maße von einem aktuellen Betriebszustand der Batterie 41 ab. Da der aktuelle Betriebszustand der Batterie 41 in der Zentraleinheit 2 nicht zu jedem Zeitpunkt zuverlässig zur Verfügung stehen kann und um die zwischen dem Kraftfahrzeug und der Zentraleinheit 2 zu übertragene Datenmenge zu reduzieren, werden Referenz-Batteriemodellparameter Pref bereitgestellt, die sich auf einen bestimmten vorgegebenen Referenz-Betriebspunkt der Batterie 41 beziehen. Beispielsweise können sich die Referenz-Batteriemodellparameter Pref auf einen Betriebspunkt beziehen, wie z.B. einem Batteriestrom von 10A, einer Batterietemperatur von 30°C und einem Ladezustand von 50%.The reference battery model parameters Pref depend to a considerable extent on a current operating state of the
Anschließend werden in Schritt S3 die Referenz-Batteriemodellparameter Pref zusammen mit dem aktuellen Alterungszustand an das jeweilige Kraftfahrzeug 4 der Fahrzeugflotte 3 übermittelt.In step S3, the reference battery model parameters Pref are then transmitted to the
Um die Referenz-Batteriemodellparameter Pref an den jeweiligen Ladezustand SOC (state of charge) und den Betriebszustand der Batterie 41 schnell anzupassen, werden die Referenz-Batteriemodellparameter Pref in Schritt S4 mithilfe eines Korrekturmodells 54 in einem schnellen Zeitraster von zwischen 1 Hz und 100 Hz angepasst. Das Zeitraster der Anpassung kann einem Zeitraster der Erfassung von Betriebsgrößen F in dem Fahrzeug entsprechen.In order to quickly adjust the reference battery model parameters Pref to the respective state of charge SOC (state of charge) and the operating state of the
Die Betriebsgrößen umfassen einen aktuellen Batteriestrom I, eine momentane Batterietemperatur T und einen momentanen Ladezustand SOC der Batterie 41. Entsprechend dieser Betriebsgrößen wird eine Korrekturgröße für jeden der Referenz-Batteriemodellparameter Pref mithilfe eines jeweiligen Kennfelds ermittelt. Ein solches Kennfeld, wie beispielhaft in
Das in
In Schritt S5 werden dem Batteriemodell 55 die Korrekturgrößen K zugeführt, die in dem Batteriemodell 55 mit den Referenz-Batteriemodellparameter Pref verrechnet werden, um die angewendeten Batteriemodellparameter zu erhalten.In step S5, the
In Schritt S6 ermittelt das Batteriemodell 55 die Einzelzellspannung, welche zur Bestimmung des aktuellen Ladezustands herangezogen wird.In step S6, the
Das Batteriemodell 55 kann eine modellierte Leerlaufspannung gemäß
ermitteln, wobei Uocv der Leerlaufspannung, U der aktuellen Batteriespannung, I dem aktuellen Batteriestrom, R0 dem Serienwiderstand und URC1 und URC2 den Spannungsabfällen über den seriellen RC-Gliedern der Batterieersatzschaltung entsprechen. Aus der modellierten Leerlaufspannung Uocv wird gemäß dem Zuordnungsmodell 56 ein aktueller Ladezustand durch Auswertung eines entsprechenden bedateten Kennfelds ermittelt.The
determine, where Uocv corresponds to the open-circuit voltage, U to the current battery voltage, I to the current battery current, R0 to the series resistance and U RC1 and U RC2 to the voltage drops across the serial RC elements of the battery replacement circuit. A current state of charge is determined from the modeled no-load voltage Uocv according to the
In der Regel wird mithilfe des Batteriemodells 55 eine Leerlaufspannung einer Einzelzelle modelliert, die in Abhängigkeit der aktuellen Strombelastung der Klemmenspannung der Batterie 41 entspricht. Diese modellierte Einzelzellenspannung ist repräsentativ für den Ladezustand und kann mithilfe der in dem Ladezustandsmodell 53 implementierten Zuordnungsmodell 56, wie z.B. einer Lookup-Tabelle, dem aktuellen Ladezustand SOC zugeordnet werden.As a rule, the
Im nachfolgenden Schritt S7 kann der aktuelle Ladezustand SOC signalisiert werden, um diesen für nachfolgende Fahrzeugfunktionen zu verwenden und/oder dem Fahrer auszugeben.In the subsequent step S7, the current state of charge SOC can be signaled in order to use it for subsequent vehicle functions and/or to output it to the driver.
In
Das Verfahren sieht weiterhin vor, eine Aktualisierung der Referenz-Batteriemodellparameter Pref auf Anforderung durch das Kraftfahrzeug 4 durchzuführen.The method also provides for the reference battery model parameters Pref to be updated when requested by the
In Schritt S11 werden die Leerlaufspannungen der Einzelzellen der Batterie 41 insbesondere mithilfe der Sensorik 45 gemessen.In step S11 the open-circuit voltages of the individual cells of the
In Schritt S12 werden die Einzelzellenspannungen der Einzelbatteriezellen plausibilisiert und ein repräsentativer Wert der Einzelzellenspannung aus den gemessenen Einzelzellenspannungen bspw. durch eine Mittelwertbildung berechnet. Weitere Verfahren können zur Anwendung kommen, wie Ausreißer-Eliminierung oder eine Mittelwertbildung von minimalen und maximalen Einzelzellenspannungen.In step S12, the individual cell voltages of the individual battery cells are checked for plausibility and a representative value of the individual cell voltage is calculated from the measured individual cell voltages, for example by averaging. Other methods can be used, such as outlier elimination or averaging of minimum and maximum individual cell voltages.
In Schritt S13 wird eine modellierte Leerlaufspannung der Batterie 41 mithilfe des oben beschriebenen Batteriemodells 55 ermittelt.In step S13, a modeled open circuit voltage of the
In Schritt S14 wird überprüft, ob eine Abweichung zwischen der modellierten Leerlaufspannung, die in dem Batteriemodell 55 ermittelt wird, zu einer Leerlaufspannung um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert vorliegt.In step S14 it is checked whether there is a deviation between the modeled no-load voltage, which is determined in the
Liegt keine Abweichung vor (Alternative: Nein), so wird das Verfahren mit Schritt S11 fortgesetzt, ohne dass aktualisierte Referenz-Batteriemodellparameter Pref angefordert werden.If there is no deviation (alternative: no), the method continues with step S11 without updated reference battery model parameters Pref being requested.
Liegt eine Abweichung vor (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S15 fortgesetzt, wobei aktualisierte Referenz-Batteriemodellparameter Pref von der Zentraleinheit 2 angefordert werden.If there is a discrepancy (alternative: yes), the method continues with step S15, updated reference battery model parameters Pref being requested from the
In Schritt S16 werden daraufhin die neu ermittelten Referenz-Batteriemodellparameter Pref im Kraftfahrzeug 4 empfangen und in dem Batteriemodell 55 angewendet.In step S16 the newly determined reference battery model parameters Pref are then received in
Weiterhin wird in Schritt S17 ein Fehlerzähler inkrementiert, der die Anzahl von Abweichungen zwischen gemessener und modellierter Leerlaufklemmenspannung innerhalb eines Zeitraums ermitteln soll.Furthermore, in step S17 an error counter is incremented, which is intended to determine the number of discrepancies between the measured and modeled no-load terminal voltage within a period of time.
In Schritt S18 wird überprüft, ob innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums von beispielsweise einer Woche mehr eine vorbestimmte Anzahl von Neuanforderungen der Referenz-Batteriemodellparameter Pref erfolgt ist. Wird in Schritt S18 festgestellt, dass innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums von beispielsweise einer Woche eine vorbestimmte Anzahl von Neuanforderungen der Referenz-Batteriemodellparameter erfolgt ist (Alternative: Ja), so wird auf ein fehlerhaftes Modell bzw. eine fehlerhafte Batterie geschlossen und dies als Fehler dem Fahrer in Schritt S19 signalisiert. Andernfalls wird zu Schritt S11 zurückgesprungen.In step S18, a check is made as to whether a predetermined number of new requests for the reference battery model parameters Pref have taken place within a predetermined period of time, for example one more week. If it is determined in step S18 that a predetermined number of new requests for the reference battery model parameters has taken place within a predetermined period of, for example, one week (alternative: yes), then a faulty model or a faulty battery is concluded and this is reported to the driver as a fault signaled in step S19. Otherwise, the process jumps back to step S11.
Claims (16)
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Also Published As
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