DE102012222650B4

DE102012222650B4 - Optimieren einer Systemleistung unter Verwendung von Informationen bezüglich des Zustands der Betriebsfähigkeit

Info

Publication number: DE102012222650B4
Application number: DE102012222650.8A
Authority: DE
Inventors: Mutasim A. Salman; Xidong Tang; Yilu Zhang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: DE102012222650A1; US20130158755A1; US8612079B2; CN103163781A; CN103163781B

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Systems (10) mit mehreren Komponenten (12, 22), wobei das Verfahren umfasst, dass:ein Zustand der Betriebsfähigkeit (SOH) für jede der Komponenten (12, 22) mittels eines Controllers (30) ermittelt wird;ein Funktionszustand (SOF) des Systems (10) unter Verwendung des SOH für jede der Komponenten (12, 22) ermittelt wird;eine übrige verwendbare Lebensdauer des Systems (10) unter Verwendung des SOF des Systems (10) geschätzt wird; dadurch gekennzeichnet, dassder SOH durch ein Aufwandsmodell (46) verarbeitet wird, um einen Aufwand für jede von mehreren unterschiedlichen Steuerstrategien zu ermitteln;eine Steuerstrategie von den mehreren unterschiedlichen Steuerstrategien ausgewählt wird, welche Betriebsaufwände minimiert, während ein Schwellenwert für den SOF und ein Schwellenwert für die übrige verwendbare Lebensdauer der Komponenten (12, 22) erzeugt werden; unddie ausgewählte Steuerstrategie mittels des Controllers (30) dynamisch ausgeführt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Informationen bezüglich des Zustands der Betriebsfähigkeit verschiedener Komponenten, die in einem System verwendet werden, und zum Optimieren der Systemleistung unter Verwendung der Informationen bezüglich des Zustands der Betriebsfähigkeit in Echtzeit.
HINTERGRUND
Ein System ist ein Satz von wechselwirkenden und/oder voneinander abhängigen Komponenten, die als ein Ganzes funktionieren. Mit der Zeit kann jede der verschiedenen Komponenten in einem gegebenen System mit verschiedenen relativen Geschwindigkeiten abbauen. Da bestimmte Komponenten dazu neigen, bezüglich der Gesamtfunktion des Systems eine kritischere Rolle als andere zu spielen, kann der Leistungsabfall einer gegebenen Komponente darüber hinaus die Systemleistung relativ zum Leistungsabfall der anderen Komponenten in demselben System besonders beeinflussen. Beispielsweise kann ein allmählicher Leistungsabfall bestimmter Fahrzeugsensoren die Messgenauigkeit beeinträchtigen, ohne einen nennenswerten Abfall in der Gesamtleistung des Fahrzeugs zu bewirken, während eine nachlassende Batterie die Fähigkeit des Fahrzeugs signifikant verringern kann, zu starten oder in bestimmten Betriebsmodi zu funktionieren.
Verschiedene fahrzeugeigene Diagnoseansätze können verwendet werden, um die Leistung einer speziellen Komponente relativ zu kalibrierten Schwellenwerten zu messen. Es ist beispielsweise üblich, eine Ausgangsspannung einer Batterie zu messen und diesen Wert mit kalibrierten Schwellenwerten für hohe/niedrige Spannung zu vergleichen. Ein Bediener kann auf die Notwendigkeit aufmerksam gemacht werden, eine gegebene Komponente zu reparieren, wenn die Komponente bezüglich solcher Schwellenwerte nicht länger korrekt funktioniert. Die Funktionsweise des Systems wird typischerweise verbessert, wenn eine ernsthaft beeinträchtigte Komponente schließlich repariert wird. Eine unmittelbare Reparatur ist jedoch nicht immer eine bequeme oder wünschenswerte Option.
Aus der US 2011 / 0 202 494 A1 sind ein Verfahren und ein System mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6 bekannt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein System zu schaffen, welche eine optimale Steuerstrategie zur Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten des Systems ermitteln und anwenden.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Das Verfahren schätzt die Betriebsfähigkeit einer Komponente in einem System und steuert eine Funktion oder eine Betriebsweise des Systems in Ansprechen auf die geschätzte Betriebsfähigkeit und auf andere Informationen dynamisch, d.h. in Echtzeit, wie es nachstehend dargelegt ist. Entgegenwirkende, schwellenwertbasierte Reparaturansätze des Typs, der vorstehend beschrieben ist, können für bestimmte Benutzer weniger als optimal sein, insbesondere in der dazwischen liegenden Zeit zwischen der Diagnose einer nachlassenden Komponente und ihrer anschließenden Reparatur. Der vorliegende Ansatz arbeitet auf andere Weise, indem der gegenwärtige Zustand der Betriebsfähigkeit jeder Komponente in einem System bewertet wird und indem zeitlich vorausgeschaut wird, um die spezielle Weise abzuschätzen, auf die jede Komponente in dem System altern und letztlich abbauen könnte. Das System wird anschließend dynamisch gesteuert, um die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems zu verlängern.
Ein Controller steht mit verschiedenen Komponenten des Systems in Verbindung, entweder direkt oder durch eine Kommunikation über einen Kommunikationsbus mit entsprechenden elektronischen Steuereinheiten (ECUs) jeder Komponente. Der Controller schätzt den Funktionszustand (SOF, state of function), d.h. das gegenwärtige Leistungsniveau des Systems als eine Funktion der Zustände der Betriebsfähigkeit (SOH, state of health) der verschiedenen Komponenten, die das System umfasst. Die Auswirkung des einzelnen SOH der Komponenten auf den SOF des Systems kann synergetisch sein, d.h., dass der SOF des Systems sogar dann Null sein kann, wenn der SOH der einzelnen Komponenten oberhalb von Null bleibt. Der SOF des Systems wird somit geschätzt oder in Echtzeit vorausgesagt, in einem Speicher des Controllers aufgezeichnet und verwendet, wie es hierin dargelegt ist, um das System zu steuern.
Das Verfahren zum Steuern eines Systems mit mehreren Komponenten umfasst, dass ein SOH für jede der Komponenten mittels eines Controllers ermittelt wird und dass auch ein SOF des Systems insgesamt unter Verwendung des SOH für jede der Komponenten ermittelt wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems unter Verwendung des SOF des Systems geschätzt wird, dass ein Aufwandsmodell verwendet wird, um eine Systemsteuerstrategie auszuwählen, die Betriebsaufwände des Systems minimiert, während ein Schwellenwert für den SOF und ein Schwellenwert für die übrige verwendbare Lebensdauer der Komponenten erzeugt werden, und dass die ausgewählte Steuerstrategie mittels des Controllers ausgeführt wird.
Ein weiteres Verfahren zum Steuern des Systems umfasst, dass eine Sensoranordnung verwendet wird, um einen Satz von gegenwärtigen Werten des Leistungsverhaltens für jede der Komponenten zu messen und aufzuzeichnen, und dass anschließend ein SOH für jede der Komponenten mittels eines Controllers berechnet wird, indem die aufgezeichneten gegenwärtigen Werte des Leistungsverhaltens durch ein SOH-Modell verarbeitet werden. Das Verfahren umfasst auch, dass ein SOF des Systems unter Verwendung eines SOF-Modells ermittelt wird, das den SOF des Systems als eine Funktion des entsprechenden SOH für jede der Komponenten modelliert, und dass die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems unter Verwendung eines Alterungsmodells geschätzt wird. Zusätzlich kann das Verfahren umfassen, dass ein Satz von möglichen Systemsteuerstrategien durch ein Komponenten- und/oder Systemaufwandsmodell verarbeitet wird, um dadurch den Aufwand für das separate Implementieren jeder der Steuerstrategien als eine Alternative zu schätzen, und dass eine Systemsteuerstrategie ausgewählt wird, die bezogen auf Schwellenwerte für das Leistungsverhalten und die übrige verwendbare Lebensdauer relativ zu den anderen möglichen Strategien einen optimalen Aufwand aufweist. Die aufwandsoptimale Systemsteuerstrategie wird anschließend mittels des Controllers ausgeführt, um dadurch die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems zu verlängern.
Es wird hierein auch ein System mit einer ersten Komponente, einer zweiten Komponente und einem Controller offenbart. Der Controller ermittelt einen SOH für jede der Komponenten, und er ermittelt auch einen SOF des Systems unter Verwendung des SOH für jede der Komponenten. Der Controller schätzt anschließend die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems unter Verwendung des SOF des Systems, verarbeitet einen Satz von Steuerstrategien mittels eines Aufwandsmodells und wählt eine Systemsteuerstrategie aus dem Satz möglicher Systemsteuerstrategien aus, welche die Betriebsaufwände des Systems minimiert, während ein Schwellenwert für den SOF und ein Schwellenwert für die übrige verwendbare Lebensdauer der Komponenten erzeugt werden. Der Controller führt die ausgewählte Steuerstrategie dynamisch aus, wodurch das Leistungsverhalten des Systems in Echtzeit optimiert wird.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der besten Weisen zum Ausführen der Offenbarung leicht offensichtlich, wenn die Beschreibung mit den begleitenden Zeichnungen in Verbindung gebracht wird.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Systems mit mehreren Komponenten, von denen jede bewertet werden kann, wie es hierin dargelegt ist, um die Steuerung zu Systems zu optimieren.
1A ist eine schematische Darstellung eines alternativen beispielhaften Systems in der Form eines Fahrzeugs.
2 ist ein zeitliches Diagramm mit drei Achsen für den Diagnosebetrieb des beispielhaften Systems, das in 1 gezeigt ist.
3 ist eine schematische Darstellung eines optimalen Betriebspunkts des Systems von 1 bezogen auf einen beispielhaften Satz von Systembeschränkungen.
4 ist eine schematische Darstellung einer Verschiebung des optimalen Betriebspunkts von 3 infolge einer Änderung der Systembeschränkungen.
5 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Optimieren des Leistungsverhaltens des in 1 gezeigten Systems in Echtzeit unter Verwendung von Informationen bezüglich des Zustands der Betriebsfähigkeit beschreibt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, ist ein System 10 als ein beispielhaftes elektrisches Antriebssystem schematisch gezeigt. Das System 10 kann verwendet werden, um ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug mit Batterie oder ein Elektrofahrzeug mit erweiterter Reichweite elektrisch anzutreiben. Ein beliebiges System 10, das mehrere Komponenten aufweist, kann unter Verwendung des hierin dargelegten Ansatzes bewertet und dynamisch gesteuert werden, beispielsweise das alternative beispielhafte System 10A, das in 1A gezeigt ist. Zur Konsistenz der Veranschaulichung wird jedoch die spezielle Ausführungsform des Systems 10, die in 1 gezeigt ist, nachstehend unter Bezugnahme auf 2 - 5 beschrieben.
Das System 10 umfasst mehrere Komponenten, die zumindest eine erste Komponente 12 und eine zweite Komponente 22 umfassen. Bei der speziellen Ausführungsform von 1 sind die erste und die zweite Komponente 12 und 22 ein elektrischer Antriebsmotor bzw. eine wiederaufladbare Batteriepackung. Ein Modul für einen Leistungsgleichrichter/Leistungswechselrichter (PIM) 14 kann als eine noch andere Komponente mittels eines Wechselstrombusses (AC-Busses) 16 mit der ersten Komponente/dem Motor 12 elektrisch verbunden sein. Das PIM 14 kann bei derselben Ausführungsform mittels eines Gleichstrombusses (DC-Busses) 18 mit der zweiten Komponente/der Batteriepackung 22 elektrisch verbunden sein. Andere Komponenten, die in 1 nicht gezeigt sind, können beliebige erforderliche Riemenscheiben/Riemen, Lasten usw. umfassen.
Es kann erwartet werden, dass die Funktionsweise der jeweiligen ersten und zweiten Komponente 12 und 22 aufgrund von Alterung und Abnutzung mit der Zeit abbauen kann. Ein Funktionszustand (SOF) des Systems 10 insgesamt kann daher nachlassen, so dass das System 10 schließlich aufhört, korrekt zu arbeiten. Bei diesem Beispiel kann der Bediener des Systems 10 mittels einer Nachricht oder einer Warnleuchte angewiesen werden, eine oder beide von der ersten und der zweiten Komponente 12 und 22 auf die herkömmliche Weise zu reparieren. Eine unmittelbare Reparatur kann jedoch nicht wünschenswert sein. Für einen gegebenen Bediener kann beispielsweise eine Reparatur nicht praktikabel oder unbequem sein, beispielsweise dann, wenn der Betrieb an einem entfernten Ort erfolgt, an dem eine Reparaturwerkstatt schwierig zu finden sein kann. Die Reparatur kann in einigen Fällen nicht unmittelbar erforderlich sein, wenn die spezielle Funktion der nachlassenden Komponente und/oder das Ausmaß von deren Leistungsabfall gegeben sind.
Es wird daher hierin ein Prognoseansatz offenbart, bei dem ein Controller 30 den Zustand der Betriebsfähigkeit (SOH) bezogen auf die erste und die zweite Komponente 12 und 22 angesichts von sich ändernden Betriebsbedingungen und der Historie der Systemverwendung modelliert und schätzt und das System 10 anschließend unter Verwendung des geschätzten SOH dynamisch steuert, um das Leistungsverhalten oder den Funktionszustand (SOF) des Systems 10 zu aktivieren. Der spezielle Ansatz wird nachstehend unter Bezugnahme auf 2 - 5 detailliert dargestellt.
In dem System 10 von 1 kann der Betrieb der ersten Komponente 12 mittels einer ersten elektronischen Steuereinheit (ECU) 15 gesteuert werden, z.B. mittels eines Motorcontrollers, wenn die erste Komponente 12 ein Traktionsmotor oder ein anderer Elektromotor ist. Die erste ECU 15 kann einen zugreifbaren/nichtflüchtigen Speicher 32 und einen Prozessor 33 umfassen. Gegenwärtige Werte des Leistungsverhaltens (Pfeil 11) werden bezogen auf die erste Komponente 12 gemessen und in dem Speicher 32 aufgezeichnet. Beispielhafte Werte für das gegenwärtige Leistungsverhalten (Pfeil 11) können dann, wenn die erste Komponente 12 ein elektrischer Traktionsmotor ist, einen mittleren Leistungsverbrauch, einen Spitzenstrom, Widerstandsmesswerte, eine Rotordrehzahl, eine Temperatur, eine Magnetfeldstärke, Motorstörungsdaten und/oder beliebige andere Informationen umfassen, welche das Leistungsverhalten des Motors ausreichend beschreiben. Eine Sensoranordnung 19 kann bezogen auf die erste Komponente 12 positioniert und ausgebildet sein, wie es erforderlich ist, um die notwendigen Werte (Pfeil 11) zu messen und selbige zu der ersten ECU 15 zu übertragen.
Auf ähnliche Weise kann der Betrieb der zweiten Komponente 22 mittels einer zweiten elektronischen Steuereinheit (ECU) 25 gesteuert werden. Die zweite ECU 25 kann auf ähnliche Weise einen zugreifbaren/nichtflüchtigen Speicher 132 und einen Prozessor 133 umfassen. Zusätzliche gegenwärtige Leistungswerte (Pfeil 111) werden bezogen auf die zweite Komponente/die Batteriepackung 22 gemessen und in dem Speicher 132 aufgezeichnet. Beispielhafte Werte für das gegenwärtige Leistungsverhalten (Pfeil 111) können dann, wenn die zweite Komponente 22 eine Batteriepackung ist, einen Innenwiderstand, eine Kapazität, einen Ladungszustand für beliebige oder alle von einem Satz von Batteriezellen 21 der zweiten Komponente/der Batteriepackung 22, eine Aufladungsgeschwindigkeit, eine Temperatur, eine Spitzenleistung usw. umfassen.
Bei einer solchen Ausführungsform können mehrere Batteriezellen 21 in die zweite Komponente 22 eingebunden sein, wobei jede Batteriezelle 21 optional mit einer dritten ECU 24 in der zweiten Komponente 22 in Verbindung steht. Die dritte CU 24 kann einen Speicher 232 und einen Prozessor 233 umfassen, und sie kann eine einzelne Einrichtung sein oder aus mehreren Einrichtungen bestehen, wie es gezeigt ist, was von der Ausführungsform abhängt. Eine weitere Sensoranordnung 119 kann bezogen auf die zweite Komponente 22 positioniert und ausgebildet sein, um die erforderlichen Werte zu messen, die gemeinsam eine gegenwärtige Signatur für das Leistungsverhalten definieren (Pfeil 111), und um selbige zu der zweiten ECU 25 zu übertragen. Auf eine ähnliche Weise kann das PIM 14 als eine noch andere Komponente behandelt werden, und es kann folglich eine weitere Sensoranordnung 219 umfasst sein, welche die gegenwärtigen Signale des Leistungsverhaltens (Pfeil 211) misst und an die erste ECU 15 überträgt, wie es gezeigt ist.
Kurz auf 1A Bezug nehmend, ist ein alternatives System 10A als ein beispielhaftes Fahrzeug mit einem Antriebsstrang gezeigt, der eine vierte Komponente/eine Brennkraftmaschine 80, die erste Komponente/den Traktionsmotor 12 von 1 und ein Getriebe 82 umfasst. Ein Kraftmaschinendrehmoment von der Kraftmaschine 80 dreht ein Ausgangselement 86. Ein Motordrehmoment von dem Motor 12 dreht ein Rotorelement 87. Eine Eingangskupplung 84 kann verwendet werden, um die Kraftmaschine 80 mit einer Eingangswelle 88 des Getriebes 82 selektiv zu verbinden. Ein Ausgangsdrehmoment wird mittels einer Ausgangswelle 85 von dem Getriebe 82 an einen Satz von Straßenrädern (nicht gezeigt) geliefert.
Andere Komponenten von 1 sind zur Klarheit der Veranschaulichung weggelassen, z.B. die zweite Komponente/die Batteriepackung 22, welche die erste Komponente/den Motor 12 mit Leistung versorgt, das PIM 14, der Controller 30 sowie alle anderen Strukturen von 1. Wie nachstehend erläutert wird, kann die Steuerung des Antriebsstrangabschnitts des beispielhaften Systems 10A mittels des Controllers 30 als eine mögliche dynamische Steuermaßnahme vorgesehen sein.
Wieder auf 1 Bezug nehmend, ist der Controller 30 jeweils mit der ersten und der zweiten ECU 15 und 25 mittels eines Kommunikationsbusses 20 und auch mit beliebigen anderen ECUs elektrisch verbunden, die mit anderen Komponenten verwendet werden, wenn das System 10 mehr als die zwei Komponenten umfasst, die gezeigt sind. Der Controller 30 kann eine Hostmaschine, ein Server oder eine andere Computereinrichtung sein, die eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 23 und einen Speicher 38 aufweist, der einen zugreifbaren/nichtflüchtigen Speicher umfasst, ohne auf diesen beschränkt zu sein, auf dem Anweisungen aufgezeichnet sind, welche das vorliegende Verfahren 100 von 5 verkörpern. Der Controller 30 kann auch beliebige erforderliche Schaltungen umfassen, einschließlich eines Hochgeschwindigkeitstaktgebers, Analog-Digital-Schaltungen (A/D-Schaltungen), Digital-Analog-Schaltungen (D/A-Schaltungen), eines digitalen Signalprozessors und beliebiger notwendiger Eingabe/Ausgabe-Einrichtungen (I/O-Einrichtungen) sowie anderer Signalkonditionierungs- und/oder Pufferschaltungen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Der Controller 30 von 1 kann Systemeingabesignale (Pfeil 29) mittels des Kommunikationsbusses 20 empfangen. Die Systemeingabesignale (Pfeil 29) beschreiben gemeinsam den Zustand der Betriebsfähigkeit für die erste Komponente (Pfeil 17) von der ersten ECU 15 und den Zustand der Betriebsfähigkeit für die zweite Komponente (Pfeil 117) von der zweiten ECU 25 sowie Zustände der Betriebsfähigkeit für beliebige andere Komponenten, die bei anderen Ausführungsformen in dem System 10 verwendet werden.
Der Controller 30 kann einen Satz von Alterungsmodellen 39 für die entsprechende erste und zweite Komponente 12 und 22 umfassen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Alterungsmodell“ auf eine beliebige Einrichtung oder einen beliebigen Softwareansatz, die bzw. der den Leistungsabfall oder die Verschlechterung einer gegebenen Komponente über der Zeit schätzt oder voraussagt, z.B. mittels Kurven, Formeln, Nachschlagetabellen usw., die in dem Speicher 38 aufgezeichnet sind. Der Satz von Alterungsmodellen 39 kann den zeitlichen Verlauf der Aufrechterhaltung modellieren oder statistische Daten enthalten, die das zurückliegende Leistungsverhalten im Wesentlichen ähnlicher Komponenten 12 und 22 beschrieben, beispielsweise für Komponenten mit derselben Herstellung und vom selben Modell, die in einem Referenztest, einer Bewertung oder einer vorhergehenden Feldversion des Systems 10 verwendet werden. Wenn weitere Komponenten in dem System 10 verwendet werden, kann der Satz von Alterungsmodellen 29 erweitert werden, um Alterungsmodelle für die zusätzlichen Komponenten zu umfassen.
Der Controller 30 umfasst auch ein Systemfunktionsmodell 45, das Informationen, die durch die verschiedenen Alterungsmodelle 39 erzeugt werden, und auch Zustände der Betriebsfähigkeit (SOH) der ersten und der zweiten Komponente 12, 22 sowie Systeminformationen verarbeitet (Pfeil 70), die den Betrieb des Systems 10 beschreiben, z.B. die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Umgebungstemperatur, die Temperatur der Komponenten 12, 22, das Fahrverhalten oder die Historie eines gegebenen Bedieners eines Fahrzeugs mit dem System 10, geografische und/oder topografische Informationen, die Fahrrouten beschreiben, die durch den Bediener gewählt wurden, usw. Ein Code, der das Systemfunktionsmodell 45 verkörpert, wird automatisch durch den Controller 30 ausgeführt, um einen Funktionszustand (SOF) des Systems zu schätzen. Der Controller 30 verwendet anschließend den SOF des Systems bei der dynamischen Optimierung des Systems 10, wie nachstehend erläutert wird.
Wie es in der Technik verstanden wird, kann ein SOF eines speziellen Systems mathematisch dargestellt werden als: $F (t) = F {θ_{1} (t), θ_{2} (t), \dots, θ_{n} (t)}$
wobei θ den Zustand der Betriebsfähigkeit (SOH) einer jeweiligen Komponente 1, 2, ... n darstellt. Bei einem Komponentenalterungsmodell, wie beispielsweise bei dem Alterungsmodell 39 von 1, kann die nachfolgende mathematische Gleichung gelten: $θ i (t_{f}) = Φ (t_{f,} t) θ i (t) .$
wobei (i) die Komponente ist, t_f die Zeit am Ende der Lebensdauer der Komponente (i) ist und Φ eine Alterungsfunktion ist, z.B. eine der Alterungsfunktionen 39, welche die Alterung der Komponente (i) darstellt, wie es in der Technik verstanden wird. Die übrige verwendbare Lebensdauer (RUL) bezogen auf einen kalibrierten Schwellenwert F des Systems 10 ist: $R U L = t_{f} | \geq \bar{F} | .$
Der Controller 30 berechnet und überwacht somit den SOH der entsprechenden ersten und zweiten Komponente 12 und 22, er schätzt die Leistungsabfallrate und die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems 10 als eine Funktion des Leistungsabfalls und der übrigen verwendbaren Lebensdauer der Komponenten 12, 22, und er verwendet den SOH und die übrige verwendbare Lebensdauer der Komponente, das Systemfunktionsmodell 45 und die Alterungsmodelle 39, um den SOH, die übrige verwendbare Lebensdauer und das zukünftige Leistungsverhalten des Systems 10 insgesamt vorauszusagen.
Als Teil dieser Analyse kann der Controller 30 auch die Aufwände bewerten, die der Implementierung bestimmter Steuerstrategien zum Verlängern der Lebensdauer bezogen auf das System 10 zugeordnet sind. Beispielsweise kann der Controller 30, der in 1 gezeigt ist, ein Aufwandsmodell 46 auf Komponentenniveau verwenden, um den Aufwand c_i(t) zum Verlängern der Lebensdauer einer gegebenen Komponente (i) über einen Schwellenwert t hinaus zu schätzen, beispielsweise: $c_{i} (t) = c_{i} (Φ (t_{f}, t)) | t_{f} \geq \bar{t}$
Ein Aufwandsmodell 146 auf Systemniveau kann verwendet werden, um den Aufwand C(t) auf dem Niveau des Systems 10 zu schätzen, um einen Satz von bis zu n Steuerstrategien (c₁(t), ... c_n(t)) zum Verlängern der Lebensdauer zu implementieren. Ein Aufwandsmodell 146 auf Systemniveau kann mathematisch dargestellt werden als: $C (t) = C (c_{1} (t), c_{3} (t), c_{3} (t), \dots, c_{n} (t))$
Der Controller 30 wählt anschließend die optimale Steuerstrategie, d.h. eine spezielle Strategie zum Verlängern der Lebensdauer, welche den Aufwand C(t) bezogen auf ein Schwellenwertniveau (P) der Systemfunktion/ des Leistungsverhaltens P(t) des Systems, d.h. P(t) ≥ P, und bezogen auf die übrige verwendbare Lebensdauer der Komponenten 12, 22 und des Systems 10 minimiert, die oberhalb entsprechender Schwellenwerte liegen. Die ausgewählte Steuerstrategie kann anschließend mittels eines Ausgangssignals (Pfeil 31) angewiesen werden, um das System 10 dynamisch zu steuern und dessen übrige verwendbare Lebensdauer zu verlängern. Der vorstehende Ansatz wird nun unter Bezugnahme auf 2 - 5 erläutert, wobei dieser auf das spezielle System 10 angewendet wird, das in 1 gezeigt ist.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Betriebsraum 40 bezogen auf drei Achsen 41, 42 und 43 gezeigt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform repräsentiert die Achse 41 die Kraftstoffwirtschaftlichkeit eines Fahrzeugs, welches das System 10 von 1 verwendet. Die Achse 43 repräsentiert die Betriebslebensdauer des Systems 10, und die Achse 42 repräsentiert eine spezielle Leistungseigenschaft, z.B. die Motordrehzahl, die Geschwindigkeit für die Aufladung/Entladung der Batterie, usw. Es existiert ein optimaler Betriebspunkt 52 in dem Betriebsraum 40, wie es in der Technik gut verstanden wird. Das heißt, dass der optimale Betriebspunkt 52 einen Punkt mit einem optimalen Kompromiss bezogen auf die verschiedenen Parameter repräsentiert, die den Betriebsraum definieren, hier die Kraftstoffwirtschaftlichkeit (Achse 41), die Lebensdauer (Achse 43) und das Leistungsverhalten (Achse 42). Der Controller 30 von 1 kann in Ansprechen auf die speziellen Modellierungsschritte des SOF und des SOH, die hierin dargelegt sind, eine prognosebasierte Fehlertoleranz und automatische Strategien zum Verlängern der Lebensdauer liefern, um einen verlängerten Betrieb bei dem optimalen Betriebspunkt 52 oder in dessen Nähe sogar dann sicherzustellen, wenn die erste und die zweite Komponente 12 und 22 von 1 altern und abbauen.
Beispielsweise weist ein HEV eine inhärente Redundanz darin auf, dass es eine Brennkraftmaschine und einen Traktionsmotor bzw. Traktionsmotoren als unterschiedliche Primärantriebe aufweist. Das heißt, dass ein HEV unter Verwendung einer Kraftmaschine, eines Motors oder einer Kombination der zwei angetrieben werden kann. Wenn das System 10 von 1 an Bord eines HEV verwendet wird, wird eine fortgeschrittene Fehlerabschwächung und Verlängerung der Lebensdauer ohne die Notwendigkeit einer redundanten Hardware ermöglicht. Somit kann der Controller 30 von 1 die Steuerung der entsprechenden ersten und zweiten Komponente 12, 22 und anderer Untersysteme anhand der beispielhaften Betriebsraumparameter von 2 oder bei anderen Ausführungsformen anhand anderer Parameter optimieren.
3 und 4 stellen gemeinsam ein Beispiel einer möglichen zeitlichen Entwicklung der Systemoptimierung in dem System 10 von 1 dar. Beschränkungen 50 von 3 umfassen einen Satz von Beschränkungen 56, der durch die Leistungselektronik in dem System festgelegt wird, z.B. durch das PIM 14 von 1. Ein anderer Satz von Beschränkungen 59 ist für die erste Komponente/den Motor 12 zusammen mit einem Satz von Beschränkungen 58 für die zweite Komponente/die Batterie 22 aufgetragen. Ebenso ist eine optimale Kraftstoffwirtschaftlichkeitskurve 55 und eine Kurve 54 für das gewünschte Leistungsverhalten aufgetragen. Die Möglichkeiten für die Position des optimalen Betriebspunkts 52 werden somit in 3 durch die Beschränkungen 56, 58 und 59 festgelegt, die wiederum den SOH der entsprechenden Komponenten widerspiegeln, hier denjenigen des PIM 14, der ersten Komponente/des Motors 12 sowie der zweiten Komponente/der Batteriepackung 22.
In 4 zeigen die Beschränkungen 150 einen möglichen Übergang zwischen dem Satz von Beschränkungen 58 von 3 und einem anderen Satz von Beschränkungen 158, beispielsweise aufgrund der Abnutzung und der Alterung des Systems 10, das in 1 gezeigt ist. Die Richtung dieser Änderung ist in 4 durch die Pfeile 62 dargestellt. Bei dieser beispielhaften zeitlichen Entwicklung änderte sich der SOH der zweiten Komponente/der Batterie 22, beispielsweise aufgrund einer Zunahme des Widerstands in den verschiedenen Zellen 21 von 1 oder aufgrund von anderen Faktoren. Wie es ebenso in 4 gezeigt ist, hat sich die Kurve 54 für das gewünschte Leistungsverhalten von 3 verschoben, wie es durch den Pfeil 60 dargestellt ist. Diese Verschiebung kann aufgrund von Änderungen im Fahrverhalten und/oder der Fahrumgebung mit der Zeit auftreten. Ein neuer optimaler Betriebspunkt 152 wird daher durch den Controller 30, der in 1 gezeigt ist, dynamisch ermittelt. Das Ausgangssignal (Pfeil 31), das durch den Controller 30 übertragen wird, optimiert daher den Betrieb des Systems 10 in Echtzeit, um dadurch den Betrieb an den neuen optimalen Betriebspunkt 152 sicherzustellen.
Unter Bezugnahme auf 5 kann ein beispielhaftes Verfahren 100 durch den Controller 30 von 1 ausgeführt werden. Die verschiedenen Schritte des Verfahrens 100 werden daher unter Bezugnahme auf die Struktur von 1 erläutert. Fachleute werden einsehen, dass andere Systeme unter Verwendung des nachfolgenden Ansatzes bewertet und gesteuert werden können, wie beispielsweise Fahrzeugbremssysteme, Servolenkungssysteme oder ein Antriebsstrang eines Fahrzeugs wie etwa das System 10A von 1A, ohne auf diese beschränkt zu sein. Einige der Schritte können durch andere Einrichtungen implementiert werden, z.B. durch die erste, die zweite bzw. die dritte ECU 15, 24 bzw. 25, wobei die Ergebnisse zu dem Controller 30 übertragen werden, wenn es erforderlich ist.
Mit den Schritten 102 - 106 beginnend, schätzt der Controller 30 die Zustände der Betriebsfähigkeit (SOH) jeweils für die erste Komponente 12, die zweite Komponente 22 und optional für das PIM 14 (die dritte Komponente) und/oder für beliebige andere Komponenten, wenn es gewünscht ist. Wie vorstehend festgestellt wurde, kann das Modellieren, Berechnen oder sonstige Ermitteln des SOH beinhalten, dass gegenwärtige Werte des Leistungsverhaltens gemessen und aufgezeichnet werden (Pfeile 11, 111) und dass die Messwerte durch ein Modell oder eine Funktion für den SOH verarbeitet werden. Der SOH-Wert, der letztlich ermittelt wird, kann bei einigen Ausführungsformen normiert werden, beispielsweise kann dafür gesorgt werden, dass ein Wert von 1 einem SOH einer kalibrierten/neuen Komponente und ein SOH-Wert von 0 einer nicht funktionierenden Komponente entspricht. Sobald die einzelnen SOH geschätzt wurden, was ein fortlaufender Prozess sein kann, der in einer kalibrierten Steuerschleife ausgeführt und über die Zeit überwacht wird, schreitet das vorliegende Verfahren 100 zu Schritt 108 voran.
Bei Schritt 108 verwendet der Controller 30 das Systemfunktionsmodell 45, um den SOF zu schätzen oder auf andere Weise zu ermitteln, d.h. F(t) des Systems 10 als Ganzes. Dieser Wert wird anschließend in dem Speicher 38 des Controllers 30 aufgezeichnet, bevor mit Schritt 110 fortgefahren wird.
Bei Schritt 110 ermittelt der Controller anschließend die Weise, auf die das System 10 altern wird, beispielsweise durch Verwendung der Alterungsmodelle 39, die vorstehend beschrieben sind. Anhand der Alterungsmodelle 39 schätzt der Controller 30 die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems 10 und zeichnet diese auf.
Bei Schritt 112 ermittelt der Controller 30, ob der Wert für die übrige verwendbare Lebensdauer, der bei Schritt 110 ermittelt wurde, kleiner als ein kalibrierter Schwellenwert ist, d.h. kleiner als t. Wenn ja, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 114 voran. Ansonsten schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 113 voran.
Bei Schritt 113 ermittelt der Controller 30 eine Steuerstrategie zum Steuern einer speziellen Komponente oder von speziellen Komponenten. Schritt 113 kann beispielsweise umfassen, dass ermittelt wird, ob und in welchem Ausmaß die Leistung der zweiten Komponente/Batterie 22 begrenzt wird oder die Drehzahl und/oder die Verwendung der ersten Komponente/des Motors 12 verringert wird. Bei dem letzten Beispiel kann eine Strategie dann, wenn sie in einem HEV implementiert ist, umfassen, dass eine Kraftmaschine mehr als die erste Komponente/der Motor 12 verwendet wird, um dadurch die Belastung an den Motor zu verringern und dadurch zu ermöglichen, dass mehr Zeit verstreicht, bevor der Motor repariert oder ersetzt wird. Das Verfahren 100 schreitet anschließend zu Schritt 115 voran.
Bei Schritt 114 kann der Controller 30 Informationen aus den Systeminformationen entnehmen (Pfeil 70), um den Fahrstil, geografische/topografische Informationen, die Temperatur der Umgebung und/oder einer Komponente usw. zu ermitteln. Sobald die Informationen entnommen sind, schreitet das Verfahren 100 zu Schritt 116 voran.
Bei Schritt 115 legt der Controller 30 basierend auf der gegenwärtigen Steuerstrategie Beschränkungen fest, wobei beispielhafte Beschränkungen 150 in 4 gezeigt und vorstehend erläutert sind. Das Verfahren 100 schreitet anschließend zu Schritt 118 voran.
Bei Schritt 116 aktualisiert der Controller 30 anschließend die Beschränkungen basierend auf den SOH, der bei den Schritten 102 - 106 ermittelt wurde.
Bei Schritt 118 steuert der Controller 30 das Leistungsverhalten des Systems 10 dynamisch, indem ein Ausgangssignal (Pfeil 31) zu einer oder mehreren der Komponenten 12, 14, 22 usw. übertragen wird, wie vorstehend erläutert wurde. Dieser Schritt implementiert die spezielle Steuerstrategie, welche die Betriebsaufwände minimiert, d.h. C(t), wie vorstehend angemerkt wurde, während weiterhin ein Schwellenwertniveau für die Funktion/das Leistungsverhalten des Systems und ein Schwellenwert für die übrige verwendbare Lebensdauer der Komponenten erzeugt werden. Beim Empfangen des Ausgangssignals (Pfeil 31) wird der Betriebspunkt des Systems 10 gesteuert, um mit den neuen Beschränkungen übereinzustimmen, z.B. mit der zeitlichen Entwicklung, die in 3 und 4 durch die entsprechenden Punkte 52 und 152 dargestellt ist.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform von Schritt 118 kann eine Aufladungssteuerung dann, wenn die SOH-Informationen für die zweite Komponente/die Batterie 22 gegeben sind, durch den Controller 30 modifiziert werden, um die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu maximieren, z.B. auf der Achse 41 von 2, und auch, um die Lebensdauer der zweiten Komponente/ der Batteriepackung 22 zu verlängern.
Bei einem Betrieb mit Autostopp/Autostart, der beispielsweise für ein HEV typisch ist, ist der minimale Eintrittspunkt für den Autostopp/Autostart eine Funktion des Innenwiderstands (R) und des Ladungszustands (SOC) der zweiten Komponente/der Batteriepackung 22. Für eine neue Batterie ist R relativ gering. Der Eintritt in den Autostart/Autostopp wird bei einem relativ geringen SOC zugelassen, z.B. bei 60 % eines maximalen SOC. Wenn die Batterie altert, nimmt der Innenwiderstand (R) zu, und der Eintritt in den Autostart/Autostopp wird bei einem progressiv höheren SOC zugelassen. Auf ähnliche Weise ist die Generatorausgangsspannung zum erneuten Aufladen einer Batterie eine Funktion des Batterie-SOC und des Batterie-SOH. Daher kann der Controller 30 bei einem möglichen Ansatz die Geschwindigkeit oder einen anderen Aspekt eines Aufladevorgangs unter Verwendung des Ausgangssignals (Pfeil 31) verändern. Bei Batterien vom Blei-Säure-Typ und möglicherweise bei anderen Batterietypen kann dies auch dazu beitragen, die Batterie wiederzubeleben oder zu regenerieren, wie es in der Technik verstanden wird.
Bei Schritt 120 legt der Controller 30 anschließend eine neue Steuerkalibrierung derart fest, dass der neue Betriebspunkt die Basis ist, und er wiederholt das Verfahren 100 beginnend mit Schritt 102.
Obgleich die besten Weisen zum Ausführen der Offenbarung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute, die diese Offenbarung betrifft, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen erkennen, um die Offenbarung innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche auszuüben.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Systems (10) mit mehreren Komponenten (12, 22), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Zustand der Betriebsfähigkeit (SOH) für jede der Komponenten (12, 22) mittels eines Controllers (30) ermittelt wird; ein Funktionszustand (SOF) des Systems (10) unter Verwendung des SOH für jede der Komponenten (12, 22) ermittelt wird; eine übrige verwendbare Lebensdauer des Systems (10) unter Verwendung des SOF des Systems (10) geschätzt wird; dadurch gekennzeichnet, dass der SOH durch ein Aufwandsmodell (46) verarbeitet wird, um einen Aufwand für jede von mehreren unterschiedlichen Steuerstrategien zu ermitteln; eine Steuerstrategie von den mehreren unterschiedlichen Steuerstrategien ausgewählt wird, welche Betriebsaufwände minimiert, während ein Schwellenwert für den SOF und ein Schwellenwert für die übrige verwendbare Lebensdauer der Komponenten (12, 22) erzeugt werden; und die ausgewählte Steuerstrategie mittels des Controllers (30) dynamisch ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schätzen der übrigen verwendbaren Lebensdauer des Systems (10) umfasst, dass ein Alterungsmodell (39) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Ermitteln des SOF des Systems (10) umfasst, dass der SOH für jede der Komponenten (12, 22) und eine Ausgabe des Alterungsmodells (39) durch ein Systemfunktionsmodell (45) verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des SOH umfasst, dass ein Satz von gegenwärtigen Werten des Leistungsverhaltens für jede der Komponenten (12, 22) gemessen und aufgezeichnet wird und dass anschließend die aufgezeichneten Werte des Leistungsverhaltens durch ein SOH-Modell verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass: ein Satz von Systembeschränkungen (50, 150) mittels des Controllers (30) modifiziert wird, wenn die geschätzte übrige verwendbare Lebensdauer geringer als ein kalibrierter Schwellenwert für die Lebensdauer ist.
System (10), das umfasst: eine erste Komponente (12); eine zweite Komponente (22); einen Controller (30), der mit jeder von der ersten und der zweiten Komponente (12, 22) in Verbindung steht, wobei der Controller (30) ausgebildet ist, um: einen Zustand der Betriebsfähigkeit (SOH) für jede von der ersten und der zweiten Komponente (12, 22) zu ermitteln; einen Funktionszustand (SOF) des Systems (10) unter Verwendung des SOH für jede der Komponenten (12, 22) zu ermitteln; die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems (10) unter Verwendung des SOF des Systems (10) zu schätzen; dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (30) ferner ausgebildet ist, um: einen Satz von Steuerstrategien durch ein Aufwandsmodell (46) zu verarbeiten; eine Systemsteuerstrategie aus dem Satz von möglichen Systemsteuerstrategien auszuwählen, die Betriebsaufwände des Systems (10) minimiert, während ein Schwellenwert für den SOF und ein Schwellenwert für die übrige verwendbare Lebensdauer der Komponenten (12, 22) erzeugt werden; und die ausgewählte Steuerstrategie dynamisch auszuführen.
System (10) nach Anspruch 6, das ferner eine Sensoranordnung in Verbindung mit dem Controller (30) umfasst, wobei die Sensoranordnung einen Satz von gegenwärtigen Werten des Leistungsverhaltens für jede von der ersten und der zweiten Komponente (12, 22) misst und den gemessenen Satz von gegenwärtigen Werten des Leistungsverhaltens an den Controller (30) überträgt und wobei der Controller (30) den SOH für jede der Komponenten (12, 22) als eine Funktion des gemessenen Satzes von gegenwärtigen Werten des Leistungsverhaltens ermittelt.
System (10) nach Anspruch 6, wobei der Controller (30) die übrige verwendbare Lebensdauer des Systems (10) unter Verwendung eines Alterungsmodells (39) auf Komponentenniveau schätzt und den SOF des Systems (10) berechnet, indem der SOH für jede der Komponenten (12, 22) und eine Ausgabe des Alterungsmodells (39) auf Komponentenniveau unter Verwendung eines Systemfunktionsmodells (45) verarbeitet werden.
System (10) nach Anspruch 6, wobei die erste Komponente (12) ein elektrischer Traktionsmotor ist und die zweite Komponente (22) eine Batteriepackung ist, die mit dem Traktionsmotor elektrisch verbunden ist.
System (10) nach Anspruch 9, das ferner eine Brennkraftmaschine (80) umfasst, wobei der Controller (30) die ausgewählte Systemsteuerstrategie teilweise dadurch ausführt, dass ein Betrieb der Kraftmaschine (80) gesteuert wird, wenn die geschätzte übrige verwendbare Lebensdauer des Traktionsmotors (12) oder der Batteriepackung (22) unterhalb eines kalibrierten Schwellenwerts für die übrige verwendbare Lebensdauer liegt.