AT528215B1 - Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Batteriemanagementsystems - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Batteriemanagementsystems mit einem auf NDC-Parametern basierenden Batteriemodell einer Batteriezelle, dadurch gekennzeichnet, dass die NDC-Parameter in zwei Stufen (S1, S2) erstellt werden, wobei das Batteriemodell ein nicht-lineares Doppel-kondensator-Modell (10) und ein RC2-Modell (20) aufweist, wobei ein Datensatz bei niedriger Laderate (DS-nLR), ein statischer Datensatz (DS-stat) und ein dynamischer Datensatz (DS-dyn) der Batteriezelle verwendet werden, wobei in einer ersten Stufe (S1) zumindest basierend auf dem Datensatz bei niedriger Laderate (DS-nLR) und dem statischen Datensatz (DS-stat) reduzierte NDC-Parameter abgeschätzt werden, wobei in einer zweiten Stufe (S2) zumindest basierend auf den reduzierten NDC-Parametern der ersten Stufe (S1) und dem dynamischen Datensatz (DS-dyn) die finalen NDC-Parameter des Batteriemodells der Batteriezelle erstellt werden, und das Batteriemanagementsystem mit den finalen NDC-Parametern des Batteriemodells der Batteriezelle gesteuert oder geregelt wird.

Description

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Beschreibung

VERFAHREN ZUM STEUERN ODER REGELN EINES BATTERIEMANAGEMENTSYSTEMS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Batteriemanagementsystems mit einem auf NDC-Parametern basierenden Batteriemodells, ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen eines solchen Verfahrens und ein Batteriemanagementsystem, welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren auszuführen.

[0002] Im Stand der Technik sind Batteriemanagementsysteme mit Batteriemodellen bekannt, welche auf Ersatzschaltungen zur Modellierung von Batteriezellen beruhen. Modellparameter für diese Batteriemodelle können schnell berechnet werden. Dabei dienen die Schaltkreiselemente zur Modellierung verschiedener Phänomene einer Batteriezelle. Insbesondere für Li-lonen-Batteriezellen sind solche Batteriemodelle geeignet. Bei einem 2RC-Modell werden 2 RC-Kreise und ein ohmscher Widerstand RO in Reihe geschalten. Ein solches 2RC-Modell kann jedoch nicht alle dynamischen und insbesondere nichtlinearen Vorgänge in einer Batteriezelle abbilden.

[0003] Beispielsweise offenbart die Patentschrift WO 2024079867 A1 eine Vorrichtung zur Parameterschätzung eines Modells. Die Vorrichtung berechnet den Ladezustand einer Speicherbatterie anhand einer Zustandsgleichung, die einen nichtlinearen und einen linearen Parameter sowie Zeitreihendaten von Strom und Klemmenspannung nutzt. Der lineare Parameter wird so bestimmt, dass der Fehler zwischen der gemessenen und der modellbasierten Kliemmenspannung minimiert wird. Der nichtlineare Parameter wird wiederholt angepasst, bis der Fehler ausreichend klein ist und eine Konvergenzbedingung erfüllt ist.

[0004] Weiter sind elektrochemische Batteriemodelle bekannt. Bei diesen Batteriemodellen startet man von fundamentalen physikalischen Gesetzen. Diese Batteriemodelle sind sehr akkurat, obwohl auch bei diesen Modellen Verallgemeinerungen vorgenommen werden. Allerdings können solche elektrochemischen Batteriemodelle nur langsamer berechnet werden. Weiter ist das Erstellen der Parameter solcher Batteriemodelle kompliziert.

[0005] Insbesondere bei der Lithium-Eisenphosphat-Technologie (LFP-Technology) für Batteriezellen stoßen die oben beschriebenen Batteriemodelle an ihre Grenzen. Die Ladungsdiffusion verläuft bei einer Lithium-Eisenphosphat-Elektrode anders als bei anderen häufig verwendeten Elektrodenmaterialien. Eine hochgradig nichtlineare Leerlaufspannungs-Kurve stellt herkömmliche 2RC- und 3RC-Modelle vor komplizierte Modellierungsprobleme.

[0006] Batteriemanagementsysteme mit derartigen Batteriemodellen sind ungenau und können zu einer fehlerhaften Steuerung oder Regelung einer Batteriezelle führen.

[0007] Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Steuerung oder Regelung eine Batteriezelle zu ermöglichen.

[0008] Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Batteriemanagementsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt sowie dem erfindungsgemäßen Batteriemanagementsystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0009] Demgemäß wird ein Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Batteriemanagementsystems mit einem auf NDC-Parametern basierenden Batteriemodell einer Batteriezelle beschrieben. Dabei werden die NDC-Parameter in zwei Stufen erstellt. Weiter weist das Batteriemodell ein nicht-lineares Doppelkondensator-Modell und ein RC2- Modell auf. Zudem wird ein Datensatz

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bei niedriger Laderate, ein statischer Datensatz und ein dynamischer Datensatz der Batteriezelle verwendet. In einer ersten Stufe werden zumindest basierend auf dem Datensatz bei niedriger Laderate und dem statischen Datensatz reduzierte NDC-Parameter abgeschätzt. Weiter werden in einer zweiten Stufe zumindest basierend auf den reduzierten NDC-Parametern der ersten Stufe und dem dynamischen Datensatz die finalen NDC-Parameter des Batteriemodells der Batteriezelle erstellt. Das Batteriemanagementsystem wird mit den finalen NDC-Parametern des Batteriemodells der Batteriezelle gesteuert oder geregelt.

[0010] Dadurch, dass sowohl ein nicht-lineares Doppelkondensator-Modell (NDC-Modell) und ein RC2-Modell als ein Batteriemodell verwendet werden, und die NDC-Parameter (nicht-lineare Doppelkondensator-Parameter) in zwei Stufen erstellt werden, können nichtlineare Effekte in dem Batteriemodell der Batteriezelle berücksichtigt werden. Insbesondere kann die Ladungsträgerdiffusion an den Elektroden der Batteriezelle in dem Batteriemodell berücksichtigt werden.

[0011] Die erstellten NDC-Parameter sind für einen speziellen Batteriezellentyp einzigartig. Die NDC-Parameter können offline ermittelt werden. Dabei können die NDC-Parameter die NDCZeitkonstante TAU_NDC aufweisen, welche die Ladungsträgerdiffusion an den Elektroden der Batteriezelle beschreibt.

[0012] Im Arbeitsablauf zur Ermittlung der NDC-Parameter werden in der Anfangsphase (erste Stufe) reduzierte NDC-Parameter abgeschätzt. In der Anfangsphase (erste Stufe) werden nur der Datensatz bei niedriger Laderate und der statische Datensatz verwendet. Die Auswirkungen des dynamischen Datensatzes werden in dieser Phase (erste Stufe) nicht berücksichtigt.

[0013] Das nicht-lineare Doppelkondensator-Modell (NDC-Modell) ist eine Ersatzschaltung, welche die Ladungsdiffusion in einer Batterieelektrode der Batteriezelle und das nicht-lineare Spannungsverhalten der Batteriezelle erfassen kann. Bei der Batteriezelle kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Eisen-Phosphat-Batteriezelle handeln. Mit den herkömmlichen 2RC-Modellen und 3RC-Modellen allein kann dieses nichtlineare Verhalten nicht ausreichend dargestellt werden.

[0014] Bei dem 2RC-Modell werden zwei RC-Kreise und ein ohmscher Widerstand RO in Reihe geschalten. Die 2RC-Parameter des 2RC-Modells sind der ohmsche Widerstand RO, der ohmsche Widerstand R1 und der Kondensator C1 des ersten RC-Kreises sowie der ohmsche Widerstand R2 und der Kondensator C2 des zweiten RC-Kreises. Dabei sind die 2RC-Parameter abhängig von dem Ladestand (SOC) und der Temperatur. Der ohmsche Widerstand RO ist zusätzlich abhängig von dem Strom. Mittels Tabellen können die 2RC-Parameter bereitgestellt werden.

[0015] Dementsprechend werden zumindest die folgenden NDC-Parameter für das nicht-lineare Doppelkondensator-Modell (NDC-Modell) ermittelt: RO, R1, C1, R2, C2 und der zusätzliche Parameter TAU_NDC.

[0016] Der Datensatz bei niedriger Laderate (low C rate), der statische Datensatz und der dynamische Datensatz der Batteriezelle werden insbesondere ermittelt, wenn die Batteriezelle am Beginn ihres Lebenszyklus ist. Zu den Datensätzen gehören insbesondere die Werte Zeit, Ladestand (SOC), Strom und Spannung. Eine niedrige Laderate kann eine Laderate von 5C oder weniger bedeuten. Vorzugsweise bedeutet eine niedrige Laderate eine Laderate von 2C oder weniger und besonders bevorzugt eine Laderate von C/30 oder weniger. Definitionsgemäß beträgt die Ladedauer bei einer hohen Laderate von 5C lediglich 12 Minuten, bei einer niedrigen Laderate von C/30 dagegen 30 Stunden.

[0017] Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird vor der ersten Stufe der Datensatz bei niedriger Laderate verwendet, um eine Leerlaufspannung zu initialisieren. Dabei kann die Leerlaufspannung linear spline-basiert sein. Zur Initialisierung der Leerlaufspannung wird insbesondere die Spannung, der Strom und der Ladestand des Datensatzes bei niedriger Laderate verwendet.

[0018] Insbesondere kann ein Referenz-Ladestand erstellt werden, welcher für den Lade- und Entladeteil des Datensatzes bei niedriger Laderate basierend auf den maximalen und minimalen Werten erstellt wird. Weiter können später die Werte für die Lade- und Entladespannung des

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Referenz-Ladestands interpoliert werden. Zudem kann ein Offset zwischen den interpolierten Lade- und Entladespannungswerten abgeschätzt werden.

[0019] Die finale Leerlaufspannungskurve kann einen Durchschnitt einer Leerlaufspannungskurve beim Laden und Entladen darstellen. Allerdings wird die finale Leerlaufspannungskurve mittels eines Identifizierungsprozesses ermittelt.

[0020] Aus dem Datensatz bei niedriger Laderate und dem statischen Datensatz in der Anfangsphase (erste Stufe) werden reduzierte Strom-Haltepunkte (reduced current breakpoints) abgeleitet, die zur Ermittlung der NDC-Parameter in der Anfangsphase (erste Stufe) verwendet werden (reduzierte NDC-Parameter).

[0021] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden vor der ersten Stufe der Datensatz bei niedriger Laderate, der statische Datensatz und der dynamische Datensatz verwendet, um Leerlaufspannungs-Beschränkungen in einer Ruheanalyse festzulegen. Die Festlegung der Leerlaufspannungs-Beschränkungen in der Ruheanalyse kann sowohl für eine Ladeals auch für eine Entladeperiode erfolgen.

[0022] Dabei wird in der Ruheanalyse nach Intervallen der Inaktivität in dem Datensatz bei niedriger Laderate, dem statischen Datensatz und dem dynamische Datensatz gesucht, die einen (vom Benutzer festgelegten) Zeitraum überschreiten. Der Spannungspegel am Ende eines solchen Intervalls wird als Grenzwert (Obergrenze für Ladepausen und Untergrenze für Entladepausen) für die Leerlaufspannungs-Kurve übernommen. Diese Grenzwerte bilden die Leerlaufspannungs-Beschränkungen. Die Leerlaufspannungs-Beschränkungen werden in der ersten Stufe auf der Grundlage der Ruheanalyse festgelegt.

[0023] Weiter kann in dem Verfahren die Ruhephase der Batteriezelle extrahiert werden, in der der Laststrom gleich Null ist. Danach können die entsprechenden Ladestands- und Spannungspunkte aller Datensätze extrahiert werden. Anschließend kann die anfängliche Leerlaufspannung in Bezug auf die Ruhepunkte geändert werden.

[0024] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden Daten in dem Datensatz bei niedriger Laderate, in dem statischen Datensatz und/oder in dem dynamischen Datensatz mit Gewichtsvektoren versehen, um die nichtlinearen Bereiche in den Daten hervorzuheben. Vorteilhafterweise kann durch die Hervorhebung der nicht-linearen Bereiche in den Daten die Abschätzung weiter verbessert werden. Dabei können die Gewichtsvektoren durch einen Benutzer festgelegt werden.

[0025] Die nichtlinearen Bereiche in den Daten sind insbesondere die Bereiche, bei welchen die Werte Zeit, Ladestand (SOC), Strom und Spannung paarweise gegeneinander aufgetragen einen nichtlinearen Zusammenhang zeigen.

[0026] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die reduzierten NDC-Parameter in der ersten Stufe mittels des statischen Datensatzes, reduzierter Strom-Haltepunkte (reduced current breakpoints), der Leerlaufspannungs-Beschränkungen und der Gewichtsvektoren der entsprechenden Datensätze abgeschätzt.

[0027] Auf der Grundlage der Kleinste-Quadrate-Optimierung können der stationäre Widerstand RO (Innenwiderstand), die NDC-Zeitkonstante TAU_NDC und die Kostenfunktion Lambda bei statischen Bedingungen mit niedriger Laderate (low C Rate) auf der Grundlage der Leerlaufspannungs-Beschränkungen abgeleitet werden. Dadurch wird das Problem linear und kann mit dem Verfahren der quadratischen Programmierung gelöst werden. Die so ermittelte NDC-Zeitkonstante TAU_NDC und der stationäre Widerstandswert RO können verwendet werden, um das gesamte Optimierungsproblem mit den vollständigen Testdaten zu initialisieren. Für die Optimierung wird die Kostenfunktion Lambda verwendet. Das Hauptziel ist die Minimierung der Kostenfunktion Lambda. Diese Kostenfunktion Lambda wirkt als Gewichtungsparameter für die Widerstandselemente.

[0028] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine lineare Spline- Umwandlung bei den reduzierten NDC-Parametern des Batteriemodells angewendet.

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[0029] Bei der linearen Spline-Umwandlung werden lineare Splines verwendet, um eine Funktion darzustellen. Ein linearer Spline ist eine stückweise lineare Funktion, die durch die Verbindung einer Reihe von Punkten mit geraden Linien definiert ist. Er wird verwendet, um komplexere Funktionen mit einer Reihe von linearen Segmenten zu approximieren. Im vorliegenden Fall geschieht dies zur Vereinfachung der komplexen Funktionen, zur Identifizierung der Parameter und zur Effizienz der Berechnungen.

[0030] In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein linearer Spline bei verschiedenen Berechnungen angewendet werden. Erstens kann eine erste Schätzung der Leerlaufspannung vorgenommen werden, wobei die Leerlaufspannung (OCV) als Funktion der Oberfläche SOC (Vs) dargestellt wird und lineare Splines zur Annäherung an diese Beziehung verwendet werden. Zweitens können die Widerstände im Ersatzschaltbild (RO, R1 und R2) als Funktion von Strom und Spannung Vs mit Hilfe von linearen Splines dargestellt werden. Drittens können die Zeitkonstanten, die mit den RC-Gliedern des Modells verbunden sind, ebenfalls durch lineare Splines dargestellt werden.

[0031] Das Ergebnis all dieser linearen Splines kann die stückweise linearen Annäherungen der Leerlaufspannung (OCV) als Funktion der Spannung Vs, des Widerstands als Funktion des Stroms und der Spannung Vs, und/oder der Zeitkonstante als Funktion des Stroms sein.

[0032] Das ermittelte Modell (NDC-Modell) kann mit Hilfe einer linearen Spline-Beziehung in ein erweitertes Modell, bei dem der NDC-Teil mit dem 2RC-Modell kombiniert wird, mit Laderateabhängigen Parametern umgewandelt werden.

[0033] Um die zusätzlichen Stromlevel zu berücksichtigen, muss ein neuer benutzerdefinierter Strom-Haltepunkt verwendet werden. Mit Hilfe der reduzierten NDC-Parameter werden mit Hilfe des linearen Splines zusätzliche Gewichte geschätzt und der stationäre Widerstand RO für alle einbezogenen Laderaten zusammen mit der NDC-Zeit- konstante TAU_NDC abgeleitet, so dass ein neuer Haltepunktvektor für die zweite Optimierungsphase (zweite Stufe) bereitgestellt wird. Die zusätzlichen Stromlevel basieren auf dem dynamischen Datensatz, oder anders ausgedrückt, sie werden als benutzerdefinierte Strom-Haltepunkte bezeichnet, da sie auf dem dynamischen Datensatz basieren. Der neue Haltepunktvektor enthält dann sowohl die reduzierten Strom-Haltepunkte als auch die neuen Strom-Haltepunkte. Zusätzliche Gewichtungsvektoren werden auf der Grundlage der ersten Stufe des NDC-Modells und der für den dynamischen Datensatz definierten Anfangsgewichtung aktualisiert. Der Strom-Haltepunkt bezieht sich auf den Strom (oder die Laderate) in Ampere.

[0034] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden vor der zweiten Stufe mittels des dynamischen Datensatzes nach Durchführung einer Hochpassfilterung RC-Parameter des RC2-Modells initialisiert. Dadurch können die Auswirkungen des NDC-Modells und der Leerlaufspannung auf das Ergebnis der Initialisierung der RC-Parameter des RC2-Modells reduziert werden. Dies kann eine genauere Anfangsschätzung der RC-Parameter bei der Durchführung der nichtlinearen Optimierung des Batteriemodells ermöglichen.

[0035] Die RC-Parameter umfassen den Widerstand R1, den Widerstand R2, TauRC1, TauRC2 und die Kostenfunktion Lambda. TauRC1 und TauRC2 sind Zeitkonstanten, die sich auf die RCParameter des Ersatzschaltbildes beziehen.

[0036] Die verwendete Strategie der RC-Parameterinitialisierung kann auf den verfügbaren experimentellen Datensatz zugeschnitten sein und kann modifiziert werden, um die spezifischen Merkmale der verschiedenen Testdaten zu berücksichtigen.

[0037] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird in der zweiten Stufe eine NDC-Zeitkonstantenanpassung ausgeführt, um die anfängliche NDC-Zeitkonstante und die RC2-Parameter zu erhalten.

[0038] Das gesamte Verfahren kann für die Anpassung der NDC-Zeitkonstante TAU_NDC definiert sein, die den Prozess der Parameteridentifikation beinhaltet. Die anfängliche Anpassung wurde in der ersten Stufe der Optimierung mit einem statischen Datensatz und einem Datensatz bei niedriger Laderate durchgeführt. Die endgültige Anpassung wird zusammen mit dem dynami-

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schen Datensatz mit neuem Strom-Haltepunktvektor durchgeführt.

[0039] Die anfängliche NDC-Zeitkonstante, kann aus dem ersten Optimierungsschritt (erste Stufe) abgeleitet werden.

[0040] Die anfängliche NDC-Zeitkonstante kann mit den neuen Strom-Haltepunkten optimiert werden, wobei die alte NDC-Zeitkonstante für die reduzierten Strom-Haltepunkte beibehalten werden kann. Dabei werden alle Testdaten zusammen mit dem benutzerdefinierten Gewichtsvektor, den alten NDC-Zeitkonstanten und den anfänglichen RC-Parametern eingegeben.

[0041] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird mittels der anfänglichen NDC-Zeitkonstante und der RC2-Parameter eine Verfeinerung der finalen NDC-Parameter des Batteriemodells ausgeführt. Das anfängliche NDC-Modell und das RC2-Modell können herangezogen werden, um das Batteriemodell durch eine Minimierung der Kostenfunktion Lambda und der NDC-Zeitkonstante zu verfeinern, was die Validierung verbessern und die Überanpassung reduzieren kann.

[0042] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Alterung der Batteriezelle bei den NDC-Parametern berücksichtigt. Die NDC-Parameter des Batteriemodells ändern sich auch mit der Alterung der Batteriezelle. Daher sollte das Batteriemodell im Laufe der Nutzung der Batteriezelle aktualisiert werden. Dabei können Alterungstests durchgeführt werden.

[0043] Weiter kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass der Ladestands der Batteriezelle unter Benutzung des Batteriemodells und der finalen NDC-Parameter für das Batteriemodell bestimmt wird. Neben dem Ladestand (SOC) können noch weitere Kernfunktionen der Batteriezelle, wie beispielsweise die Spannung, bestimmt werden.

[0044] Ferner wird ein Batteriemanagementsystem beschrieben, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen. Ein Batteriemanagementsystem (BMS) dient zum Aufladen und Entladen einer Batteriezelle mit Strom. Dazu sind Kenntnisse über den Ladestand (SOC) der Batteriezelle und/oder weitere Batteriezellenparameter hilfreich, um die Lade- und Entladezyklen der Batteriezelle zu verbessern. Mit dem Batteriemanagementsystem kann mittels eines computerimplementierten erfindungsgemäßen Verfahrens der Ladestand (SOC) der Batteriezelle und/oder weitere Batteriezellenparameter einer Batteriezelle bestimmt werden und insbesondere mit diesem die Batteriezelle gesteuert oder geregelt werden. Dazu wird das beschriebene Batteriemodell (Kombination aus nicht-linearem Doppelkondensator-Modell (NDC-Modell) und RC2-Modell) verwendet. Mittels einem computerimplementierten erfindungsgemäßen Verfahren können die NDC-Parameter des Batteriemodells erstellt werden. Die NDCParameter werden dann in dem Batteriemanagementsystem zusammen mit dem Batteriemodell gespeichert, so dass das Batteriemanagementsystem das erfindungsgemäße Verfahren ausführen kann.

[0045] Zudem wird ein Computerprogrammprodukt beschrieben, das Befehle aufweist, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens oder des erfindungsgemäßen Bestimmungsverfahrens auszuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.

[0046] Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.

[0047] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

[0048] Fig. 1 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines wesentlichen Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens;

[0049] Fig. 2 ein nicht-lineares Doppelkondensator-Modell; und

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[0050] Fig. 3 ein RC2-Modell.

[0051] Fig. 1 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines wesentlichen Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens. An einem Dateneingang 48 werden Daten von einem Datensatz bei niedriger Laderate DS-nLR, von einem statischen Datensatz DS-stat und von einem dynamischen Datensatz DS-dyn einer Batteriezelle bereitgestellt. Insbesondere handelt es sich dabei um Daten am Beginn des Lebenszyklus der Batteriezelle. Die Datensätze umfassen insbesondere die Werte Zeit, Ladestand (SOC), Strom und Spannung der Batteriezelle. Das Verfahren dient zum Erstellen der NDC-Parameter eines Batteriemodells einer Batteriezelle. Die NDC-Parameter werden in zwei Stufen S1, S2 erstellt. Das Batteriemodell weist ein nicht-lineares Doppelkondensator-Modell (10) (siehe Fig. 2) und ein RC2-Modell (20) (siehe Fig. 3) auf. Dabei sind das nicht-lineare Doppelkondensator-Modell (10) und das RC2-Modell (20) Ersatzschaltungen. An einem Datenausgang 50 werden die finalen NDC-Parameter des Batteriemodells der Batteriezelle ausgegeben. Das Batteriemanagementsystem wird mit den finalen NDC-Parametern des Batteriemodells der Batteriezelle gesteuert oder geregelt (nicht explizit dargestellt).

[0052] Durch die Verwendung des zweistufigen Ansatzes zur Erstellung der NDC-Parameter können nichtlineare Effekte in dem Batteriemodell und damit in der Steuerung oder Regelung der Batteriezelle berücksichtigt werden. Insbesondere ist das Batteriemodell geeignet die Ladungsträgerdiffusion an den Elektroden der Batteriezelle zu berücksichtigen.

[0053] Vor der ersten Stufe S1 wird der Datensatz bei niedriger Laderate DS-nLR dazu verwendet, eine Initialisierung 52 der Leerlaufspannung OCV durchzuführen. Zur erstmaligen Bestimmung der Leerlaufspannung können insbesondere die Spannung, der Strom und der Ladestand (SOC) des Datensatzes bei niedriger Laderate DS-nLR verwendet werden. Dabei werden bei der Initialisierung 52 der Leerlaufspannung OCV die reduzierten Strom-Haltepunkte ermittelt.

[0054] Weiter werden vor der ersten Stufe S1 der Datensatz bei niedriger Laderate DS-nLR, der statische Datensatz DS-stat und der dynamische Datensatz DS-dyn verwendet, um Leerlaufspannungs-Beschränkungen 34 in einer Ruheanalyse 32 festzulegen. Bei der Ruheanalyse 34 wird in den Datensätzen DS-nLR, DS-stat, DS-dyn nach Intervallen der Inaktivität gesucht. Die Spannungen an den Grenzen der Intervalle stellen die Grenzwerte für die Leerlaufspannung OCV dar.

[0055] Bei einer Gewichtsvektoren-Initialisierung 54 werden Daten in dem Datensatz bei niedriger Laderate DS-nLR, in dem statischen Datensatz DS-stat und/oder in dem dynamischen Datensatz DS-dyn mit Gewichtsvektoren 56 versehen. Mittels der Gewichtsvektoren 56 können die nichtlinearen Bereiche in den Daten hervorgehoben werden.

[0056] In der ersten Stufe S1 werden die reduzierten NDC-Parameter abgeschätzt. Dazu werden zumindest der statische Datensatz DS-stat (und/oder der Datensatz bei niedriger Laderate DS-nLR), die reduzierten Strom-Haltepunkte 36, die Leerlaufspannungs-Beschränkungen 34 und die Gewichtsvektoren 56 der entsprechenden Datensätze DS- nLR, DS-stat, DS-dyn herangezogen. Von der ersten Stufe S1 ausgegeben werden der stationäre Widerstand RO, die NDC-Zeitkonstante NDC-ZK (bei niedriger Laderate) und die Leerlaufspannung OCV.

[0057] Das Verfahren kann weiter eine lineare Spline-Umwandlung 38 bei den reduzierten NDCParametern des Batteriemodells vorsehen. Von der lineare Spline-Umwandlung 38 ausgegeben werden der stationäre Widerstand RO, die NDC-Zeitkonstante NDC- ZK (bei niedriger Lade-rate), die Leerlaufspannung OCV und neue Strom-Haltepunkte 36.

[0058] Vor der zweiten Stufe S2 kann mittels des dynamischen Datensatzes DS-dyn nach Durchführung einer Hochpassfilterung eine RC-Parameter-Initialisierung 58 für das RC2-Modell 20 durchgeführt werden. Dabei umfassen die RC-Parameter den Widerstand R1, den Widerstand R2, die Zeitkonstante TauRC1, die Zeitkonstante TauRC2 und die Kostenfunktion Lambda.

[0059] In der zweiten Stufe werden der stationäre Widerstand RO, die NDC-Zeitkonstante NDCZK (bei niedriger Laderate), die Leerlaufspannung OCV, die neuen Strom-Haltepunkte 36, die Gewichtsvektoren 56, die Datensätzen DS-nLR, DS-stat, DS-dyn und die RC-Parameter der RCParameter-Initialisierung 58 verarbeitet.

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[0060] In der zweiten Stufe S2 wird eine NDC-Zeitkonstantenanpassung 40 durchgeführt. Mittels der NDC-Zeitkonstantenanpassung 40 können die anfängliche NDC-Zeitkonstante 42 und die RC2-Parameter 44 erhalten werden. Mittels der anfänglichen NDC-Zeitkonstante 42 und der RC2-Parameter 44 kann danach eine Verfeinerung 46 der finalen NDC-Parameter des Batteriemodells ausgeführt werden. Im Anschluss werden die finalen NDC-Parameter zum Datenausgang 50 gegeben. Mit den finalen NDC-Parametern kann dann ein optimiertes Batteriemodell erstellt werden. Das Batteriemanagementsystem wird mit den finalen NDC-Parametern des Batteriemodells der Batteriezelle gesteuert oder geregelt (nicht explizit dargestellt).

[0061] Fig. 2 zeigt ein nicht-lineares Doppelkondensator-Modell 10. Zu sehen sind ein ohmscher Widerstand Rs1, ein ohmscher Widerstand RsO, ein Kondensator Cs1, ein Kondensator CsO, eine Spannung Vs und eine Spannung VO.

[0062] Fig. 3 zeigt ein RC2-Modell 20. Zu sehen sind zwei in Reihe geschaltete RC-Kreise und ein ohmscher Widerstand RO. Weiter ist eine Spannung Vcell dargestellt. Der erste RC-Kreis weist einen ersten ohmschen Widerstand R1 und einen Kondensator C1 auf und der zweite RCKreis weist einen zweiten ohmschen Widerstand R2 und einen Kondensator C2 auf. Über die Spannung Vs sind das RC2-Modell 20 aus Fig. 3 mit dem nicht-linearen DoppelkondensatorModell 10 aus Fig. 2 verbunden.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10 nicht-lineares Doppelkondensator-Modell 20 RC2-Modell

32 Ruheanalyse

34 Leerlaufspannungs-Beschränkungen

36 reduzierte Strom-Haltepunkte

38 lineare Spline-Umwandlung

40 NDC-Zeitkonstantenanpassung

42 anfängliche NDC-Zeitkonstante

44 RC2-Parameter

46 Verfeinerung der finalen NDC-Parameter 48 Dateneingang

50 Datenausgang

52 Initialisierung der Leerlaufspannung

54 Gewichtsvektoren-Initialisierung

56 Gewichtsvektoren

S1 erste Stufe

S2 zweite Stufe

DS-nLR Datensatz bei niedriger Laderate DS-stat statischer Datensatz

DS-dyn dynamischer Datensatz

OCV Leerlaufspannung

RO stationärer Widerstand

NDC-ZK NDC-Zeitkonstante

TauRC1 Zeitkonstante

TauRC2 Zeitkonstante

RsO Widerstand Rs1 Widerstand Cs0 Kondensator

8 N 8

Cs1 Kondensator Vo Spannung Vs Spannung R1 Widerstand R2 Widerstand C1 Kondensator C2 Kondensator Vcell Spannung

Lambda Kostenfunktion

Claims (13)

A ‚hes AT 528 215 B1 2025-11-15 Ss N Patentansprüche

1. Verfahren zum Steuern oder Regeln eines Batteriemanagementsystems mit einem auf NDCParametern basierenden Batteriemodell einer Batteriezelle, dadurch gekennzeichnet, dass die NDC-Parameter in zwei Stufen (S1, S$2) erstellt werden, wobei das Batteriemodell ein nicht-lineares Doppelkondensator-Modell (10) und ein RC2-Modell (20) aufweist, wobei ein Datensatz bei niedriger Laderate (DS-nLR), ein statischer Datensatz (DS-stat) und ein dynamischer Datensatz (DS-dyn) der Batteriezelle verwendet werden, wobei in einer ersten Stufe (S1) zumindest basierend auf dem Datensatz bei niedriger Laderate (DS-nLR) und dem statischen Datensatz (DS-stat) reduzierte NDC-Parameter abgeschätzt werden, wobei in einer zweiten Stufe (S2) zumindest basierend auf den reduzierten NDC- Parametern der ersten Stufe (S1) und dem dynamischen Datensatz (DS-dyn) die finalen NDC-Parameter des Batteriemodells der Batteriezelle erstellt werden, und das Batteriemanagementsystem mit den finalen NDC-Parametern des Batteriemodells der Batteriezelle gesteuert oder geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Stufe (S1) der Datensatz bei niedriger Laderate (DS-nLR) verwendet wird, um eine Leerlaufspannung (OCV) zu initialisieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Stufe ($1) der Datensatz bei niedriger Laderate (DS-nLR), der statische Datensatz (DS-stat) und der dynamische Datensatz (DS-dyn) verwendet werden, um Leerlaufspannungs-Beschränkungen (34) in einer Ruheanalyse (32) festzulegen.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Daten in dem Datensatz bei niedriger Laderate (DS-nLR), in dem statischen Datensatz (DSstat) und/oder in dem dynamischen Datensatz (DS-dyn) mit Gewichtsvektoren (56) versehen werden, um die nichtlinearen Bereiche in den Daten hervorzuheben.

5. Verfahren nach Anspruch 4 soweit abhängig von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierten NDC-Parameter in der ersten Stufe (S$1) mittels des statischen Datensatzes (DS-stat), reduzierter Strom-Haltepunkte (36), der Leerlaufspannungs-Beschränkungen (34) und der Gewichtsvektoren der entsprechenden Datensätze (DS-nLR, DS-stat, DSdyn) abgeschätzt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine lineare Spline-Umwandlung (38) bei den reduzierten NDC-Parametern des Batteriemodells angewendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der zweiten Stufe (S2) mittels des dynamischen Datensatzes (DS- dyn) nach Durchführung einer Hochpassfilterung RC-Parameter des RC2-Modells (20) initialisiert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe (S2) eine NDC-Zeitkonstantenanpassung (40) ausgeführt wird, um die anfängliche NDC-Zeitkonstante (42) und die RC2-Parameter (44) zu erhalten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der anfänglichen NDCZeitkonstante (42) und der RC2-Parameter (44) eine Verfeinerung (46) der finalen NDCParameter des Batteriemodells ausgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterung der Batteriezelle bei den NDC-Parametern berücksichtigt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestand (SOC) einer Batteriezelle unter Benutzung des Batteriemodells und der finalen NDC-Parameter für das Batteriemodell bestimmt wird.

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12. Computerprogrammprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass es Befehle aufweist, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Verfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.

13. Batteriemanagementsystem, dadurch gekennzeichnet, dass es dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen