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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung eines Modellfehlers eines mathematischen Modells einer elektrischen Energiespeichereinheit.
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Stand der Technik
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Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere von Fahrzeugen, kommt elektrischen Energiespeichereinheiten eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dabei gibt es unterschiedliche Stufen der Elektrifizierung. Es gibt beispielsweise rein elektrisch angetriebenen Fahrzeuge sowie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, bei denen ein Elektromotor den Antrieb des Fahrzeugs nur zeitweise übernimmt beziehungsweise den Verbrennungsmotor unterstützt. Diese unterschiedlichen Ausprägungen der Elektrifizierung weisen typischerweise unterschiedliche Spannungsniveaus und unterschiedliche Ausgestaltungen der verwendeten elektrischen Energiespeichereinheiten auf.
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Dabei sollte beispielsweise der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheiten (SOC-Wert) so genau wie für einen sicheren und ausdauernden Betrieb erforderlich bestimmt werden, um ein Liegenbleiben eines entsprechenden Fahrzeugs beziehungsweise ein unvermitteltes Abschalten des Fahrzeugs zu vermeiden. Auch elektrisch angetriebene Busse sollten aufgrund eines ungenauen SOC-Wertes und damit einer ungenauen Reichweitenbestimmung nicht auf der Fahrstrecke liegen bleiben. Daher ist es wichtig, insbesondere den Ladezustand präzise bestimmen zu können.
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Ungenauigkeiten im Ladezustand schlagen sich in einer falschen Reichweite oder einer falschen Betriebsdauer nieder. Aus Sicherheitsgründen werden diese Zeiten beziehungsweise die Reichweite zu gering berechnet, da die Berechnungen nicht immer auf tatsächlich gemessenen Werten, sondern auch auf zum Teil geschätzten Werten aufbauen, um ein Liegenbleiben bzw. einen Arbeitsstopp zu vermeiden. Dadurch wird Reichweite beziehungsweise Arbeitszeit verschenkt beziehungsweise es findet eine Überdimensionierung der entsprechenden Systeme statt, um auch unter sehr konservativen Bedingungen auf entsprechende Werte zu kommen.
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Meist erfolgt eine entsprechende Zustandsbestimmung modellbasiert. Um die Genauigkeit insbesondere der Ladezustandsbestimmung und davon abhängiger weiterer Zustände zu verbessern, ist es sinnvoll, Aussagen über eine mögliche Modellgenauigkeit zu ermitteln, sodass beispielsweise ein kleiner Modellfehler genutzt werden kann, um eine genaue Zustandsermittlung durchzuführen, und bei entsprechend größerem Modellfehler gegebenenfalls entsprechend konservativer agiert werden muss.
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Die Druckschrift
US2018/0321324 A1 beschreibt ein Verfahren zur Schätzung des Ladezustandes einer Batterie.
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Die Druckschrift
CN106772094 A beschreibt ein Verfahren zur Schätzung des Ladezustandes einer Batterie.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Offenbart wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Modellfehlers eines mathematischen Modells einer elektrischen Energiespeichereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
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Dabei wird ein mathematisches Fehlermodell zur Ermittlung des Modellfehlers des mathematischen Modells bereitgestellt. Das mathematische Fehlermodell wird in zumindest zweiteiliger Form bereitgestellt. Dabei wird durch den ersten Teil des Fehlermodells ein erster Modellfehler eines Leerlaufspannungsverlaufs des mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit modelliert, was als statisches Teilmodell angesehen werden kann. Durch den zweiten Teil des Fehlermodells wird ein zweiter Modellfehler eines Spannungsverlaufs des mathematischen Modells aufgrund eines elektrischen Stromes modelliert, was als dynamisches Teilmodell angesehen werden kann.
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Weiterhin wird mindestens ein Stromwert ermittelt. Dabei fließt der elektrische Strom, dessen Stromwert ermittelt wird, in der elektrischen Energiespeichereinheit.
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Das mathematische Fehlermodell wird anschließend mit dem mindestens einen ermittelten Stromwert als Eingangswert beaufschlagt.
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Der Modellfehler des mathematischen Modells wird dann als Ausgangswert des mathematischen Fehlermodells bestimmt, wobei der Modellfehler von den zumindest zwei Teilmodellen abhängig ist.
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Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da es Aussagen über die momentane Modellgenauigkeit und somit über die Genauigkeit der Modellzustände erlaubt. Ist gerade eine hohe Genauigkeit gegeben, so kann dies bei der Weiterverarbeitung von Modellzuständen berücksichtigt werden, um einen qualitativ besseren Betrieb zu ermöglichen. Weiterhin kann das Wissen um den Modellfehler dazu genutzt werden, um bisher statische Grenzwerte, beispielsweise obere und untere Spannungsgrenze, zu dynamisieren, das heißt, an den jeweiligen Modellzustand anzupassen. Somit kann gegebenenfalls mehr Leistung und/oder Energie aus der elektrischen Energiespeichereinheit abgerufen werden.
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Das mathematische Modell und das mathematische Fehlermodell können beispielsweise Differentialgleichungen oder Differenzengleichungen oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des mathematischen Modells sein.
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Das Verfahren kann beispielsweise computerimplementiert umgesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise wird der Modellfehler durch eine Summation der beiden Teilmodellfehler der beiden Teilmodelle bestimmt. Die entsprechenden Teilmodellfehler der zumindest zwei Teilmodelle werden also addiert, um den Gesamtmodellfehler zu ermitteln. Dies ist vorteilhaft, da somit statischer Fehler und dynamischer Fehler gleichermaßen berücksichtigt werden und somit eine genaue Abbildung des Modellfehlers möglich ist.
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Vorteilhafterweise wird der aktuelle Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, beispielsweise über eine Integration des Stromes. Dies ist vorteilhaft, wenn innerhalb des Fehlermodells unterschiedliche Fehlerwerte für unterschiedliche Ladezustände vorgesehen sind. Beispielsweise können in dem ersten Teil des Fehlermodells, welcher den Leerlaufspannungsverlauf der elektrischen Energiespeichereinheit modelliert, für unterschiedlichen Ladezustände unterschiedliche Modellfehler der Leerlaufspannung hinterlegt sein. Dies ist vorteilhaft, da somit das Fehlermodell genauere Fehlerwerte liefert.
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Zweckmäßigerweise wird das mathematische Modell der elektrischen Energiespeichereinheit durch das mathematische Fehlermodell umfasst. Somit weist das mathematische Fehlermodell das mathematische Modell als Bestandteil auf. Dies ist vorteilhaft, da somit auf modellinterne Zustände des mathematischen Modells zugegriffen werden kann, was die Modellstruktur des mathematischen Fehlermodells vereinfacht und Berechnungen erleichtert beziehungsweise Doppelarbeit vermeidet. Weiterhin können Zustände des mathematischen Modells, beispielsweise elektrische Spannungen, einfach mit Messwerten verglichen werden, was eine einfache Bestimmung von Fehlerfaktoren ermöglicht. Diese Fehlerfaktoren sind dann beispielsweise Bestandteil des mathematischen Fehlermodells, was dem Fehlermodell eine einfache Struktur und Implementierbarkeit sichert.
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Zweckmäßigerweise wird der zweite Teil des mathematischen Fehlermodells durch mindestens ein Verzögerungsglied erster oder höhere Ordnung gebildet, wobei der Teilmodellfehler des zweiten Teils mittels einer Gewichtung des Ausgangs des mindestens einen Verzögerungsgliedes gebildet wird. Dies ist vorteilhaft, da dadurch sowohl Vorgänge mit einer kleinen Zeitkonstante, beispielsweise im Bereich von Sekunden, als auch Vorgänge mit einer großen Zeitkonstante, beispielsweise im Bereich von Minuten oder Stunden, modelliert werden können. Somit kann ein genaues Fehlermodell erzielt werden.
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Zweckmäßigerweise wird von dem ersten Teil des Fehlermodells eine Modellierung einer Leerlaufspannungshysterese umfasst. Dies ist vorteilhaft, um Ungenauigkeiten in der Modellierung der Leerlaufspannungskurve, welche meist durch Mittelwertbildung resultieren, beispielsweise wenn eine mittlere Leerlaufspannungskurve aus Entladeleerlaufspannungskurve und Ladeleerlaufspannungskurve gebildet wird, zu modellieren und somit zu berücksichtigen.
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Zweckmäßigerweise wird von dem ersten Teil des Fehlermodells und/oder dem zweiten Teil des Fehlermodells eine Temperaturabhängigkeit aufgewiesen. Dies ist vorteilhaft, da insbesondere bei tiefen Temperaturen, das heißt insbesondere unter 0 °C, die Modellungenauigkeiten des mathematischen Modells zunehmen und somit das mathematische Fehlermodell dies vorteilhafterweise berücksichtigt, um zuverlässige Aussagen über den Modellfehler zu machen.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des offenbarten Verfahrens auszuführen. Somit können die genannten Vorteile realisiert werden.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Somit kann das Computerprogramm einfach verbreitet und ausgeführt werden.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Modellfehlers eines mathematischen Modells einer elektrischen Energiespeichereinheit, welche mindestens ein Mittel umfasst, das eingerichtet ist, die Schritte des offenbarten Verfahrens auszuführen. Dies ist vorteilhaft, da ein einfacher Einsatz des Verfahrens ermöglicht wird. Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät oder eine elektronische Steuereinheit umfassen. Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Personalcomputer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrisches Energiespeichersystem, welches eine elektrische Energiespeichereinheit und die offenbarte Vorrichtung umfasst. Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-lonen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines mathematischen Fehlermodells in zweiteiliger Form gemäß einer Ausführungsform;
- 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer Ausführungsform; und
- 3 eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines mathematischen Fehlermodells 10 in zweiteiliger Form gemäß einer Ausführungsform. Dabei wird durch den ersten Teil 11 des Fehlermodells 10 ein erster Modellfehler eines Leerlaufspannungsverlaufs eines mathematischen Modells einer elektrischen Energiespeichereinheit modelliert. Der zweite Teil 12 des Fehlermodells 10 modelliert einen zweiten Modellfehler eines Spannungsverlaufs des mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit aufgrund eines elektrischen Stromes, das heißt, wenn das mathematische Modell mit einem elektrischen Strom bzw. Stromwert beaufschlagt wird.
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Das zweite Teilmodell 12 wird dabei durch eine Multiplikation von verschiedenen Spannungswerten des mathematischen Fehlermodells 10 mit jeweils einer Konstanten sowie durch eine anschließende Betragsbildung und Summation der resultierenden Werte gebildet. Dies ist durch die drei Blöcke in dem zweiten Teilmodell 12 schematisch dargestellt. Die entsprechenden Spannungswerte werden dabei symbolisch durch den Pfeil 14 dargestellt. Daraus resultiert der erste Modellfehler.
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Das erste Teilmodell 11 wird dabei durch ein datenbasiertes Kennfeld 16 gebildet, in dem jedem Ladezustandswert SOC einer elektrischen Energiespeichereinheit ein entsprechender Modellfehler err2 des Leerlaufspannungsverlaufs zugewiesen wird. In Abhängigkeit von dem aktuellen Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit ergibt sich somit der entsprechende Modellfehler err2, welcher hier beispielsweise bei niedrigeren Ladezustandswerten höher ist. Der entsprechende Ladezustandswert wird dabei symbolisch durch den Pfeil 15 dargestellt. Daraus resultiert der zweite Modellfehler.
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Ein Modellfehler 13 des mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit ergibt sich dann aus der Summation der beiden Modellfehler der Teilmodelle 11, 12.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zur Bestimmung eines Modellfehlers eines mathematischen Modells einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer Ausführungsform.
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Dabei wird in einem ersten Schritt S21 ein mathematisches Fehlermodell zur Ermittlung des Modellfehlers des mathematischen Modells bereitgestellt. Das Fehlermodell liegt in zumindest zweiteiliger Form vor. Durch den ersten Teil des Fehlermodells wird ein erster Modellfehler eines Leerlaufspannungsverlaufs des mathematischen Modells modelliert. Durch den zweiten Teil des Fehlermodells wird ein zweiter Modellfehler eines Spannungsverlaufs des mathematischen Modells aufgrund eines elektrischen Stromes modelliert.
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In einem zweiten Schritt S22 wird mindestens ein Stromwert ermittelt, wobei der elektrische Strom in der elektrischen Energiespeichereinheit fließt. Es wird somit der real in der elektrischen Energiespeichereinheit fließende Strom ermittelt, um ihn entsprechend in dem mathematischen Modell verwenden zu können.
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In einem dritten Schritt S23 wird der ermittelte mindestens eine Stromwert als Eingangswert des mathematischen Fehlermodells verwendet, somit das mathematische Fehlermodell mit ihm beaufschlagt, um eine entsprechende Modellauswertung durchführen zu können.
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In einem vierten Schritt S24 wird der Modellfehler des mathematischen Modells als Ausgangswert des mathematischen Fehlermodells bestimmt, wobei der Modellfehler von den zumindest zwei Teilmodellen abhängig ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems 30 gemäß einer Ausführungsform. Dabei umfasst das elektrische Energiespeichersystem 30 eine elektrische Energiespeichereinheit 31 sowie eine Vorrichtung 32 zur Bestimmung eines Modellfehlers eines mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit 31. Die Vorrichtung 32 kann dabei beispielsweise den Strom ermitteln, der durch die elektrische Energiespeichereinheit 31 fließt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0321324 A1 [0006]
- CN 106772094 A [0007]
