DE102020212280A1 - Method and device for training a state model based on artificial intelligence for determining a state variable of an electrical energy store - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein computer-implementiertes Verfahren zum Trainieren eines Zustandsmodells zum Ermitteln eines Zustands eines elektrischen Energiespeichers eines damit betriebenen Geräts, mit folgenden Schritten:- Bereitstellen eines datenbasieren Zustandsmodells, das einem Betriebsmerkmalspunkt eine modellierte Zustandsgröße, insbesondere einen Alterungszustand des Energiespeichers, und ein Zustands-Unsicherheitsmaß zuordnet;- Bereitstellen einer Datenbank mit Verläufen von realen Betriebsmerkmalspunkten von einer Vielzahl von Energiespeichern für aufeinanderfolgende Auswertungszeiträume;- Trainieren oder Aktualisieren des Zustandsmodells abhängig von mindestens einem Trainingsdatensatz,wobei der mindestens eine Trainingsdatensatz mit folgenden Schritten generiert wird:◯ Ermitteln eines Verbesserungsmaßes für jeden der für den aktuellen Auswertungszeitraum ermittelten aktuellen Betriebsmerkmalspunkt der Energiespeicher, wobei das Verbesserungsmaß angibt, wie sich Zustands-Unsicherheiten an allen realen Betriebsmerkmalspunkten verbessern, wenn eine Zustandsgröße für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt bestimmt wird;◯ Auswählen mindestens eines Betriebsmerkmalspunkts mit dem besten Verbesserungsmaß;◯ Ermitteln einer entsprechenden Zustandsgröße an dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt als Label;◯ Generieren des mindestens einen Trainingsdatensatzes aus dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt und der ermittelten entsprechenden Zustandsgröße.The invention relates to a computer-implemented method for training a state model for determining a state of an electrical energy storage device of a device operated therewith, with the following steps: - providing a data-based state model that has an operating feature point a modeled state variable, in particular an aging state of the energy storage device, and a state -Assigns uncertainty measure;- Providing a database with progressions of real operating characteristic points from a plurality of energy storage devices for successive evaluation periods;- Training or updating the state model depending on at least one training data set,wherein the at least one training data set is generated with the following steps:◯ Determining an improvement measure for each of the current operating feature points of the energy storage determined for the current evaluation period, with the measure of improvement indicating how the state Unsi improve security at all real operating characteristic points if a state variable is determined for the respective current operating characteristic point;◯ selecting at least one operating characteristic point with the best improvement measure;◯ determining a corresponding state variable at the at least one selected operating characteristic point as a label; at least one selected operating feature point and the determined corresponding state variable.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die Erfindung betrifft allgemein die Charakterisierung von Systemzuständen von elektrischen Energiespeichern, wie in elektrisch betreibbaren Geräten, wie Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, und weiterhin Maßnahmen zur Bestimmung eines Zustands eines elektrischen Energiespeichers, wie z. B. einer Gerätebatterie oder eines Brennstoffzellensystems.The invention generally relates to the characterization of system states of electrical energy storage devices, such as in electrically operated devices such as motor vehicles, in particular electric vehicles or hybrid vehicles, and also to measures for determining a state of an electrical energy storage device, such as. B. a device battery or a fuel cell system.

Technischer HintergrundTechnical background

Zur nicht netzgebundenen Energieversorgung von technischen Geräten werden in der Regel elektrische Energiespeicher, wie Batterien, verwendet. Energiespeicher im Sinne der nachfolgenden Beschreibung umfassen auch Energiewandler, wie z.B. Brennstoffzellen-Systeme. Beispielsweise erfolgt die Energieversorgung von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen mithilfe z. B. einer Fahrzeugbatterie oder eines Brennstoffzellen-Systems. Dieser liefert elektrische Energie zum Betrieb von Fahrzeugsystemen und insbesondere des Antriebssystems. Der Alterungszustand des elektrischen Energiespeichers verschlechtert sich im Laufe seiner Lebensdauer zusehends, was sich in einer abnehmenden maximalen Speicherkapazität auswirkt. Ein Maß der Alterung der Gerätebatterie hängt von einer individuellen Belastung der Gerätebatterie, d. h. vom Nutzungsverhalten eines Benutzers und vom Gerätebatterietyp ab.Electrical energy stores, such as batteries, are generally used to supply technical devices with energy that is not connected to the grid. Energy stores within the meaning of the following description also include energy converters, such as fuel cell systems. For example, the power supply of electrically driven motor vehicles using z. B. a vehicle battery or a fuel cell system. This supplies electrical energy for the operation of vehicle systems and in particular the drive system. The aging condition of the electrical energy store deteriorates over the course of its service life, resulting in a decreasing maximum storage capacity. A measure of the aging of the device battery depends on an individual load on the device battery, i. H. on the usage behavior of a user and the type of device battery.

Zwar kann mithilfe eines rein physikalischen Alterungsmodells der momentane Alterungszustand basierend auf historischen Betriebsgrößenverläufen bestimmt werden, jedoch ist dieses Modell häufig ungenau. Diese Ungenauigkeit des herkömmlichen Alterungsmodells erschwert eine Prädiktion des Alterungszustandsverlaufs. Jedoch ist die Prädiktion des Verlaufs des Alterungszustands der Fahrzeugbatterie eine wichtige technische Größe, da mit ihr eine wirtschaftliche Bewertung eines Restwerts der Fahrzeugbatterie möglich ist.Although the current state of aging can be determined using a purely physical aging model based on historical operating variable trends, this model is often imprecise. This inaccuracy of the conventional aging model makes it difficult to predict the course of the aging state. However, the prediction of the course of the aging state of the vehicle battery is an important technical variable, since it allows an economic evaluation of the residual value of the vehicle battery.

Auch andere Zustände einer Fahrzeugbatterie, wie beispielsweise ein Ladezustand, sind mit herkömmlichen physikalischen Modellen in der Regel nicht hochgenau bestimmbar.Other states of a vehicle battery, such as a state of charge, cannot usually be determined with high accuracy using conventional physical models.

Sowohl physikalische als auch datenbasierte oder hybride Zustandsmodelle benötigen genau erfasste Zustands-Label für Trainingsdaten, da sie die Basis der Modell-Parametrisierungen darstellen. Eine kontinuierliche Label-Erzeugung nach seiner Nutzungsaufnahme in der Anwendung ermöglicht eine stetige Verbesserung der Parametrierung des Zustandsmodells, um die zu charakterisierende Zustandsgröße zu bestimmen und zu prädizieren.Both physical and data-based or hybrid state models require precisely recorded state labels for training data, since they represent the basis of the model parameterizations. A continuous label generation after its start of use in the application enables a constant improvement of the parameterization of the state model in order to determine and predict the state variable to be characterized.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bereitstellen von Trainingsdaten zum Trainieren eines Zustandsmodells zum Modellieren eines Zustands eines elektrischen Energiespeichers gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.According to the invention, a method for providing training data for training a state model for modeling a state of an electrical energy store according to claim 1 and a corresponding device according to the independent claim are provided.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further developments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein computerimplementiertes Verfahren zum Trainieren eines Zustandsmodells zum Ermitteln eines Zustands eines elektrischen Energiespeichers eines damit betriebenen Geräts vorgesehen, mit folgenden Schritten:

  • - Bereitstellen eines datenbasieren Zustandsmodells, das einem Betriebsmerkmalspunkt eine modellierte Zustandsgröße, insbesondere einen Alterungszustand des Energiespeichers, und ein Zustands-Unsicherheitsmaß zuordnet;
  • - Bereitstellen einer Datenbank mit Verläufen von realen Betriebsmerkmalspunkten von einer Vielzahl von Energiespeichern für aufeinanderfolgende Auswertungszeiträume;
  • - Trainieren oder Aktualisieren des Zustandsmodells abhängig von mindestens einem Trainingsdatensatz,
wobei der mindestens eine Trainingsdatensatz mit folgenden Schritten generiert wird:
  • ◯ Ermitteln eines Verbesserungsmaßes für jeden der für den aktuellen Auswertungszeitraum ermittelten aktuellen Betriebsmerkmalspunkt der Energiespeicher, wobei das Verbesserungsmaß angibt, wie sich Zustands-Unsicherheiten an allen realen Betriebsmerkmalspunkten verbessern, wenn eine Zustandsgröße für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt bestimmt wird;
  • ◯ Auswählen mindestens eines Betriebsmerkmalspunkts mit dem besten Verbesserungsmaß;
  • ◯ Ermitteln einer entsprechenden Zustandsgröße an dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt als Label;
  • ◯ Generieren des mindestens einen Trainingsdatensatzes aus dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt und der ermittelten entsprechenden Zustandsgröße.
According to a first aspect, a computer-implemented method for training a state model for determining a state of an electrical energy store of a device operated therewith is provided, with the following steps:
  • - Providing a data-based status model, which assigns a modeled status variable, in particular an aging status of the energy store, and a status uncertainty measure to an operating feature point;
  • - Providing a database with profiles of real operating feature points from a plurality of energy stores for consecutive evaluation periods;
  • - Training or updating the state model depending on at least one training data set,
wherein the at least one training data set is generated with the following steps:
  • ◯ Determination of a measure of improvement for each of the current operating characteristic points of the energy storage devices determined for the current evaluation period, with the measure of improvement indicating how state uncertainties improve at all real operating characteristic points when a state variable is determined for the respective current operating characteristic point;
  • ◯ selecting at least one operational attribute point with the best measure of improvement;
  • ◯ Determination of a corresponding state variable at the at least one selected operating characteristic point as a label;
  • ◯ Generate the at least one training data set from the at least one selected operating characteristic point and the determined corresponding state variable.

Weiterhin kann das Verbesserungsmaß für jeden der aktuellen Betriebsmerkmalspunkte durch eine Simulation approximativ bestimmt werden, indem das bereitgestellte Zustandsmodell mit einem Simulations-Trainingsdatensatz, der für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt erstellt wird, aktualisiert wird, um ein Simulations-Zustandsmodell zu erhalten, wobei Simulations-Zustands-Unsicherheiten für jeden der Betriebsmerkmalspunkte der Verläufe von Betriebsmerkmalspunkten von realen Energiespeichern mithilfe des Simulations-Zustandsmodells bestimmt werden, wobei das Verbesserungsmaß abhängig von den Simulations-Zustands-Unsicherheiten bestimmt wird.Furthermore, the degree of improvement for each of the current operating feature points can be approximately determined by a simulation by updating the provided state model with a simulation training data set that is created for the respective current operating feature point, in order to obtain a simulation state model, the simulation state -Uncertainties for each of the operating characteristic points of the progression of operating characteristic points of real energy storage devices are determined using the simulation state model, with the degree of improvement being determined depending on the simulation state uncertainties.

Insbesondere kann das Verbesserungsmaß als eine Summe der Simulations-Zustands-Unsicherheiten bestimmt werden, wobei insbesondere mindestens eine der Simulations-Zustands-Unsicherheiten mithilfe mindestens einer vorgegebenen, auf Domänenwissen basierenden Regel vor der Ermittlung des Verbesserungsmaßes verringert wird.In particular, the measure of improvement can be determined as a sum of the uncertainties of the simulation state, in particular at least one of the uncertainties of the simulation state being reduced using at least one predetermined rule based on domain knowledge before the determination of the measure of improvement.

Weiterhin kann das Zustandsmodell einem Alterungszustandsmodell zum Bereitstellen eines Alterungszustands abhängig von den Betriebsmerkmalen oder einem Ladezustandsmodell zum Bereitstellen eines Ladezustands abhängig von den Betriebsmerkmalen des Energiespeichers entsprechen.Furthermore, the state model can correspond to an aging state model for providing an aging state depending on the operating characteristics or a state of charge model for providing a state of charge depending on the operating characteristics of the energy store.

Es kann vorgesehen sein, dass das datenbasierte Zustandsmodell ein datenbasiertes Machine-Learning-Modell umfasst, das ausgebildet ist, um für eine modellierte Zustandsgröße eine Zustands-Unsicherheit anzugeben, wobei das Zustandsmodell, insbesondere ein Gaußprozessmodell als ein Supervised Learning-Modell mit quantifizierter Unsicherheitsberechnung umfasst. Alternativ kann das Supervised Learning Modell insbesondere als Ensembler-Methode oder als ein Bayes'sches neuronales Netz ausgeführt sein.It can be provided that the data-based state model includes a data-based machine learning model that is designed to specify a state uncertainty for a modeled state variable, the state model, in particular a Gaussian process model as a supervised learning model with quantified uncertainty calculation . Alternatively, the supervised learning model can be implemented in particular as an ensembler method or as a Bayesian neural network.

Die Betriebsmerkmale können aus Zeitreihen von kontinuierlich erfassten Betriebsgrößen abgeleitet werden, wobei die Betriebsmerkmale für aufeinanderfolgende Auswertungszeiträume bestimmt werden, wobei mehrere Betriebsmerkmale für einen bestimmten Auswertungszeitraum eines bestimmten Energiespeichers einen Betriebsmerkmalspunkt definieren.The operating characteristics can be derived from time series of continuously recorded operating variables, with the operating characteristics being determined for consecutive evaluation periods, with a number of operating characteristics defining an operating characteristic point for a specific evaluation period of a specific energy store.

Für elektrische Energiespeicher in übergeordneten technischen Geräten wie Kraftfahrzeuge ist die Ermittlung von Zuständen erforderlich, um das übergeordnete System in verbesserter oder optimaler Weise betreiben zu können. Diese werden als Zustandsgröße angegeben. So sind beispielsweise die Ermittlung eines Alterungszustands des elektrischen Energiespeichers sowie eines Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie wichtige Zustandsgrößen, die für den Betrieb der damit betriebenen technischen Geräte, wie beispielsweise einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug, essenziell sind.For electrical energy stores in higher-level technical devices such as motor vehicles, it is necessary to determine states in order to be able to operate the higher-level system in an improved or optimal manner. These are specified as state variables. For example, the determination of an aging state of the electrical energy store and a charge state of a rechargeable battery are important state variables that are essential for the operation of the technical devices operated with them, such as an electrically operated motor vehicle.

Solche Zustandsgrößen sind mithilfe von physikalisch basierten Modellen in der Regel nicht hochgenau modellierbar. Weiterhin ist in diesem Fall die Ungenauigkeit der Berechnung der Zustandsgrößen kaum oder nur schwer online quantifizierbar. Daher kommt zur Modellierung dieser Zustandsgrößen zusehends der Einsatz von datenbasierten oder hybriden Zustandsmodellen in Betracht. Insbesondere wenn eine hohe Anzahl von Trainingsdaten zur Verfügung steht, können derartige Zustandsmodelle eine sehr genaue Zustandsberechnung oder Zustandsvorhersage ermöglichen.Such state variables cannot usually be modeled with great precision using physically based models. Furthermore, in this case, the inaccuracy of the calculation of the state variables can hardly or only with difficulty be quantified online. Therefore, the use of data-based or hybrid state models is increasingly being considered for modeling these state variables. In particular when a large number of training data is available, such state models can enable a very precise state calculation or state prediction.

Das Training derartiger datenbasierter Zustandsmodelle erfordert für Supervised-Learning-Techniken hochgenaue Trainingsdaten, die üblicherweise vorab gemessen oder bewertet sein müssen. Der Prozess des Zusammenstellens von Trainingsdaten wird allgemein als Label-Erzeugung bezeichnet.The training of such data-based state models requires highly accurate training data for supervised learning techniques, which usually have to be measured or evaluated in advance. The process of assembling training data is commonly referred to as label generation.

Nach dem Training können datenbasierte Zustandsmodelle in damit betriebenen Geräten vorab durch Übertragen von entsprechenden Modellparametern implementiert werden. Auch ist es möglich, dass Geräte, die eine regelmäßige Verbindung zu einer Zentraleinheit (Cloud) haben, die Modellergebnisse wie die Zustandsgrößen oder aktualisierte Modellparameter des datenbasierten Zustandsmodells regelmäßig von der Zentraleinheit empfangen. Insbesondere wenn in der Zentraleinheit Betriebsgrößen, die in einer Vielzahl von mit gleichen elektrischen Energiespeichern versehenen Geräten gemessen worden sind, ausgewertet werden, können das datenbasierte Zustandsmodell in der Zentraleinheit kontinuierlich nachtrainiert bzw. aktualisiert und die entsprechenden Modellparameter des aktualisierten oder neutrainierten Zustandsmodells an die gleichartigen Geräte zurückübermittelt werden, um dort eine Zustandsvorhersage zu verbessern. Vorzugsweise erfolgt die Zustandsberechnung bzw. Zustandsvorhersage in der Zentraleinheit (Cloud) und die Ergebnisse werden als Zustände den Geräten bereitgestellt.After the training, data-based state models can be implemented in advance in devices operated with them by transferring corresponding model parameters. It is also possible for devices that have a regular connection to a central unit (cloud) to regularly receive the model results, such as the state variables or updated model parameters of the data-based state model, from the central unit. In particular, if operating variables that have been measured in a large number of devices equipped with the same electrical energy storage devices are evaluated in the central unit, the data-based status model can be continuously retrained or updated in the central unit and the corresponding model parameters of the updated or retrained status model can be sent to the devices of the same type be transmitted back in order to improve a state prediction there. The status calculation or status prediction preferably takes place in the central unit (cloud) and the results are made available to the devices as statuses.

Zum Bereitstellen von Trainingsdaten für das Trainieren des datenbasierten Zustandsmodells kann aus den erhaltenen Betriebsgrößen in aufwendiger Weise, üblicherweise mittels zeitaufwendigen Diagnosemessungen, für eines der Geräte eine Zustandsgröße abgeleitet werden, die als Label insbesondere in der Zentraleinheit ermittelt wird, um dort einen Trainingsdatensatz, basierend auf Betriebsgrößen bzw. daraus abgeleiteten Betriebsmerkmalen und zugeordneter Zustandsgröße (Label), bereitzustellen. So können beispielsweise zum Ermitteln eines Alterungszustandsmodells in einer Zentraleinheit Betriebsgrößen für den Betrieb einer Fahrzeugbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs kontinuierlich an die Zentraleinheit übermittelt und dort durch Auswertung von bestimmten Betriebsverläufen, z. B. ausgelöst durch Diagnose-Messungen, wie beispielsweise einem vollständigen Ladezyklus unter definierten Last- und Umgebungsbedingungen, eine Alterungszustandsangabe abgeleitet werden, so dass dort ein Trainingsdatensatz zur Verfügung gestellt wird.To provide training data for training the data-based status model, a status variable can be derived for one of the devices from the operating variables obtained in a complex manner, usually by means of time-consuming diagnostic measurements, which is determined as a label, in particular in the central unit, in order to create a training data set there, based on Operating variables or operating characteristics derived therefrom and associated state variable (Label) to provide. For example, to determine an aging state model in a central unit, operating variables for the operation of a vehicle battery of an electrically driven motor vehicle can be continuously transmitted to the central unit and evaluated there by evaluating certain operating profiles, e.g. B. triggered by diagnostic measurements, such as a complete charging cycle under defined load and environmental conditions, an indication of aging can be derived, so that there a training data set is made available.

In einer Anfangsphase des Betriebs eines technischen Systems mit einer Zentraleinheit und einer Vielzahl von gleichartigen, mit der Zentraleinheit in Kommunikationsverbindung stehenden Geräten basierend auf einem datenbasierten Zustandsmodell zur Schätzung einer Zustandsgröße ist häufig bei Betriebsbeginn das datenbasierte Zustandsmodell noch nicht in allen Bereichen eines Eingangsdatenraums mit ausreichender Genauigkeit trainiert. Um die Leistungsfähigkeit des datenbasierten Zustandsmodells während dessen Einsatzes kontinuierlich zu verbessern, kann eine regelmäßige Aktualisierung des datenbasierten Zustandsmodells in der Zentraleinheit basierend auf Trainingsdatensätzen vorgenommen werden, die mit den von den Geräten erfassten Betriebsgrößen ermittelt werden können. Nicht für alle Bereiche des Eingangsgrößenraums, der durch die Betriebsgrößenpunkte bzw. Betriebsmerkmalspunkte definiert ist, können in einfacher Weise entsprechende Zugangsgrößen durch Vermessung von realen Geräten ermittelt werden, sodass das datenbasierte Zustandsmodell in diesen Bereichen sehr ungenau bleibt und gegebenenfalls nicht verwendet werden kann.In an initial phase of the operation of a technical system with a central unit and a large number of similar devices that are in communication with the central unit and are based on a data-based state model for estimating a state variable, the data-based state model is often not yet sufficiently accurate in all areas of an input data space at the start of operation trained. In order to continuously improve the performance of the data-based status model during its use, the data-based status model can be updated regularly in the central unit based on training data sets that can be determined using the operating variables recorded by the devices. Appropriate access variables cannot be determined in a simple manner by measuring real devices for all areas of the input variable space, which is defined by the operating variable points or operating characteristic points, so that the data-based status model remains very imprecise in these areas and may not be able to be used.

Das obige Verfahren sieht nun vor, das datenbasierte Zustandsmodell insbesondere mithilfe einer Simulation prädiktiv so auszuwerten, um mindestens einen Betriebsmerkmalspunkt zu identifizieren. Der identifizierte Betriebsmerkmalspunkt kann die Grundlage für die Ermittlung eines Trainingsdatensatzes sein, mit dem das Zustandsmodell in optimierter Weise aktualisiert werden kann, um die Zustands-Unsicherheiten an den realen Betriebsmerkmalspunkten zu verbessern. Dazu können Flottendaten genutzt werden, die die modellierten Zustandsgrößenverläufe über jeweilige aus Betriebsgrößen abgeleiteten Verläufen von realen Betriebsmerkmalspunkten angeben. Dies erfolgt vorzugsweise mithilfe der Simulation, bei welcher ein Simulations-Trainingsdatensatz angenommen wird, der an einem aktuellen Betriebsmerkmalspunkt einen möglichen Zustand annimmt und eine gesamte Verbesserung der Zuverlässigkeit /Konfidenz der Zustandsvorhersagen ermittelt. Derjenige Betriebsmerkmalspunkt, an dem die bestmögliche Reduzierung der gesamten Unsicherheit erreicht wird, entspricht dem identifizierten Betriebsmerkmalspunkt. Dieser stellt den Ausgangspunkt einer Generierung eines neuen Trainingsdatensatzes dar.The above method now provides for predictively evaluating the data-based status model, in particular with the aid of a simulation, in order to identify at least one operating feature point. The identified operating feature point can be the basis for determining a training data set, with which the status model can be updated in an optimized manner in order to improve the status uncertainties at the real operating feature points. Fleet data can be used for this purpose, which indicate the modeled state variable progressions via respective progressions of real operating characteristic points derived from operating variables. This is preferably done with the help of the simulation, in which a simulation training data set is assumed, which assumes a possible state at a current operating characteristic point and determines an overall improvement in the reliability/confidence of the state predictions. The operating characteristic point at which the best possible reduction in the overall uncertainty is achieved corresponds to the identified operating characteristic point. This represents the starting point for generating a new training data set.

Die Ermittlung des Betriebsmerkmalspunkts für den zu generierenden Trainingsdatensatz erfolgt also mithilfe eines Verbesserungsmaßes, das man durch Simulationen für jeden Energiespeicher bzw. für jeden der für den aktuellen Auswertungszeitraum ermittelten aktuellen Betriebsmerkmalspunkte der Energiespeicher erhält. Das Verbesserungsmaß gibt an, wie sich die Zustands-Unsicherheiten an allen realen Betriebsmerkmalspunkten der Datenbank verbessern, wenn ein Simulations-Trainingsdatensatz mit einer Zustandsgröße für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt bestimmt und das Zustandsmodell entsprechend aktualisiert wird. Das Verbesserungsmaß wird durch die Simulationen approximativ ermittelt, bei denen jeweils (nur für die Simulation) das Zustandsmodell auf Basis verfügbarer Informationen zu Trainingsdaten bzgl. des Mehrwertes zur Flottenrelevanz und einhergehender globaler Modellunsicherheitsreduktion bewertet wird, um ein Alterungszustandsmodell neu zu trainieren.The determination of the operating characteristic point for the training data record to be generated is thus carried out with the aid of an improvement measure, which is obtained through simulations for each energy storage device or for each of the current operating characteristic points of the energy storage device determined for the current evaluation period. The measure of improvement indicates how the status uncertainties improve at all real operating feature points in the database if a simulation training data set with a status variable is determined for the respective current operating feature point and the status model is updated accordingly. The degree of improvement is approximately determined by the simulations, in which (only for the simulation) the status model is evaluated on the basis of available information on training data with regard to the added value for fleet relevance and the associated global model uncertainty reduction in order to retrain an aging status model.

Das Simulations-Zustandsmodell kann nun jeweils verwendet werden, um das Verbesserungsmaß als eine Summe der Simulations-Zustands-Unsicherheiten zu bestimmen. Dabei können die einzelnen Simulations-Zustands-Unsicherheiten gemäß auf Domänenwissen basierenden Regeln reduziert werden und die entsprechen reduzierten Simulations-Zustands-Unsicherheiten für die Ermittlung des Verbesserungsmaßes berücksichtigt werden.The simulation state model can now be used in each case to determine the measure of improvement as a sum of the simulation state uncertainties. The individual simulation state uncertainties can be reduced according to rules based on domain knowledge, and the correspondingly reduced simulation state uncertainties can be taken into account for determining the measure of improvement.

Da für die Vielzahl von Energiespeichern die aktuellen Betriebsmerkmalspunkte bekannt sind, kann eine solche Bewertung anhand einer Reduzierung der Gesamtmodellunsicherheit für die Gesamtheit der Verläufe der realen Betriebsmerkmalspunkte der Energiespeicher vorgenommen werden. Diese Reduzierung kann entsprechend dem obigen Verfahren anhand eines jeweiligen Verbesserungsmaßes für jeden der aktuellen Betriebsmerkmalspunkte quantifiziert werden, wobei das Verbesserungsmaß angibt, wie sich die Zustands-Unsicherheiten an allen realen Betriebsmerkmalspunkten, d. h. für die Gesamtheit der im Realbetrieb aufgetretenen Betriebsmerkmalspunkte verbessern, wenn eine Zustandsgröße für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt durch Label-Generierung bestimmt wird. Dabei wird vorzugsweise die unsichere, modellierte Zustandsgröße des Zustandsmodells als Label-Zustandsgröße angenommen. Since the current operating characteristic points are known for the large number of energy stores, such an assessment can be carried out based on a reduction in the overall model uncertainty for the totality of the curves of the real operating characteristic points of the energy stores. According to the above method, this reduction can be quantified using a respective improvement measure for each of the current operating feature points, with the improvement measure indicating how the status uncertainties at all real operating feature points, i. H. for the entirety of the operating feature points that have occurred in real operation if a state variable for the respective current operating feature point is determined by label generation. In this case, the uncertain, modeled state variable of the state model is preferably accepted as the label state variable.

Dies ermöglicht eine gezielte Label-Generierung basierend auf denjenigem der Energiespeicher (bezüglich dessen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt), für das das bestimmte Verbesserungsmaß eine höchstmögliche Reduzierung der Gesamtmodellunsicherheit der Flotte angibt, was folglich die Label-Relevanz quantifiziert.This enables targeted label generation based on that of the energy storage device (with regard to its current operating characteristic point) for which the specific improvement measure requires the highest possible reduction in the total mo indicates the uncertainty of the fleet, which consequently quantifies the label relevance.

So kann ein Verfahren zur statistischen Label-Generierung verwendet werden, wobei das Ermitteln der entsprechenden Zustandsgröße durchgeführt wird, insbesondere in Verbindung mit auf Domänenwissen basierenden Regeln zur Verringerung von Zustands-Unsicherheiten.A method for statistical label generation can thus be used, with the determination of the corresponding state variable being carried out, in particular in connection with rules based on domain knowledge for reducing state uncertainties.

Insbesondere bestehen für Zustandsgrößen systembedingt Abhängigkeiten bezüglich deren zeitlicher Verläufe, die bekannt sind und als Domänenwissen zur Verfügung stehen bzw. nutzbar sind. Dies ermöglicht, sich aus der Modellierung mit dem Zustandsmodell ergebende große Konfidenzintervalle bzw. hohe Zustands-Unsicherheiten von Zustandsgrößenvorhersagen (modellierten Zustandsgrößen) zu reduzieren, indem physikalisch unmögliche Wertebereiche der betreffenden Zustandsgröße durch Setzen z. B. der oberen und unteren Grenze des Konfidenzintervalls ausgeschlossen werden.In particular, there are system-related dependencies for state variables with regard to their time profiles, which are known and are available or can be used as domain knowledge. This makes it possible to reduce large confidence intervals or high state uncertainties of state variable predictions (modeled state variables) resulting from the modeling with the state model, in that physically impossible value ranges of the relevant state variable are eliminated by setting e.g. B. the upper and lower limit of the confidence interval can be excluded.

Weiterhin kann das Verringern der Zustands-Unsicherheiten an den ausgewählten Betriebsmerkmalspunkten durch mindestens eine Regel erfolgen, wobei die Regel von einer zeitlichen Entwicklung der Betriebsmerkmalspunkte und Zustands-Unsicherheiten von Betriebsmerkmalspunkten zu anderen Auswertungszeiträumen als den Auswertungszeiträumen der ausgewählten Betriebsmerkmalspunkte abhängt.Furthermore, the reduction of the status uncertainties at the selected operating feature points can be done by at least one rule, the rule depending on a temporal development of the operating feature points and status uncertainties of operating feature points at evaluation periods other than the evaluation periods of the selected operating feature points.

Insbesondere kann das Verringern der Zustands-Unsicherheiten an den ausgewählten Betriebsmerkmalspunkten dadurch erfolgen, dass die Zustands-Unsicherheit an jedem der ausgewählten Betriebsmerkmalspunkte auf eine obere bzw. untere Grenze eines Konfidenzintervalls begrenzt wird, die durch die Zustands-Unsicherheit zu einem dem betreffenden Betriebsmerkmalspunkt vorhergehenden Auswertungszeitraums bestimmt ist, und/oder dass die Zustands-Unsicherheit an jedem der ausgewählten Betriebsmerkmalspunkte auf eine untere bzw. obere Grenze eines Konfidenzintervalls begrenzt wird, die durch die Zustands-Unsicherheit zu einem dem betreffenden Betriebsmerkmalspunkt nachfolgenden Auswertungszeitraum bestimmt ist. Dies kann auf Domänenwissen zurückgeführt werden, dass eine langsam zeitvariante Zustandsgröße wie der Alterungszustand eines Energiespeichers sich nur träge ändert.In particular, the state uncertainties at the selected operating feature points can be reduced by limiting the state uncertainty at each of the selected operating feature points to an upper or lower limit of a confidence interval that is defined by the state uncertainty at an evaluation period preceding the relevant operating feature point is determined, and/or that the state uncertainty at each of the selected operating characteristic points is limited to a lower or upper limit of a confidence interval, which is determined by the state uncertainty at an evaluation period following the relevant operating characteristic point. This can be traced back to domain knowledge that a slowly time-varying state variable such as the aging state of an energy storage device only changes sluggishly.

Alternativ oder zusätzlich kann das Verringern der Zustands-Unsicherheiten an den ausgewählten Betriebsmerkmalspunkten dadurch erfolgen, dass die Zustands-Unsicherheit an jedem der ausgewählten Betriebsmerkmalspunkte mit einer oberen und einer unteren Grenze eines entsprechenden Konfidenzintervalls begrenzt wird, die sich durch Interpolation von oberen Grenzen von Konfidenzintervallen von zu dem betreffenden Betriebsmerkmalspunkt vorhergehenden und nachfolgenden Auswertungszeiträumen bestimmt ist.Alternatively or additionally, the state uncertainties at the selected operating feature points can be reduced by limiting the state uncertainty at each of the selected operating feature points with an upper and a lower limit of a corresponding confidence interval, which is obtained by interpolating upper limits of confidence intervals from is determined for the relevant operating characteristic point preceding and subsequent evaluation periods.

Alternativ kann das Ermitteln der entsprechenden Zustandsgröße durchgeführt werden, indem das dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt zugeordnete technische System aufgefordert wird, eine Vermessung der Zustandsgröße durchzuführen, wobei nach der Vermessung die gemessene Zustandsgröße als zu vermessende Label-Zielgröße verwendet wird, um den Trainingsdatensatz zur Aktualisierung des Zustandsmodells zu erstellen.Alternatively, the corresponding state variable can be determined by asking the technical system assigned to the at least one selected operating feature point to carry out a measurement of the state variable, with the measured state variable being used as the label target variable to be measured after the measurement in order to update the training data set to create the state model.

In dem obigen Verfahren wird ein datenbasiertes Zustandsmodell, welches auch als hybrides Zustandsmodell ausgeführt sein kann, für eine Vielzahl von gleichartigen technischen Geräten in einer Zentraleinheit zur Verfügung gestellt. Das datenbasierte Zustandsmodell wird dabei aktualisiert und verbessert, indem durch Auswertung von verfügbaren Trainingsdatensätzen und Auswertung des datenbasierten Zustandsmodells im Realbetrieb der Vielzahl der technischen Geräte weitere Trainingsdatensätze erstellt werden, die zum Nachtrainieren oder Aktualisieren des datenbasierten Zustandsmodells geeignet sind. Dadurch kann ein anfänglich bereitgestelltes datenbasiertes Zustandsmodell in Bereichen des Eingangsgrößenraums nachtrainiert werden, in denen eine hohe Zustands-Unsicherheit vorliegt.In the above method, a data-based status model, which can also be designed as a hybrid status model, is made available for a large number of similar technical devices in a central unit. The data-based state model is updated and improved by further training data sets being created by evaluating available training data sets and evaluating the data-based state model in real operation of the large number of technical devices, which are suitable for retraining or updating the data-based state model. As a result, an initially provided data-based state model can be retrained in areas of the input variable space in which there is a high degree of state uncertainty.

Es kann vorgesehen sein, dass die Betriebsgrößen von einer Vielzahl technischer Systeme an eine Zentraleinheit übertragen werden, wobei eine Datenbank mit Betriebsmerkmalspunkten von realen Energiespeichern der Vielzahl technischer Systeme bereitgestellt wird, wobei das Verfahren in der Zentraleinheit ausgeführt wird, wobei das Auswählen der Betriebsmerkmalspunkte aus der Datenbank erfolgt.Provision can be made for the operating variables to be transmitted from a large number of technical systems to a central unit, with a database containing operating characteristic points from real energy stores in the large number of technical systems being provided, with the method being executed in the central unit, with the selection of the operating characteristic points from the database is done.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit in einer Zentraleinheit, die mit einer Vielzahl von Geräten mit Energiespeichern in Kommunikationsverbindung steht, zum Trainieren eines Zustandsmodells zum Ermitteln eines Zustands eines elektrischen Energiespeichers vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:

  • - Bereitstellen eines datenbasieren Zustandsmodells, das einem Betriebsmerkmalspunkt eine modellierte Zustandsgröße, insbesondere einen Alterungszustand des Energiespeichers, zuordnet;
  • - Bereitstellen einer Datenbank mit Verläufen von realen Betriebsmerkmalspunkten von einer Vielzahl von Energiespeichern für aufeinanderfolgende Auswertungszeiträume;
  • - Trainieren oder Aktualisieren des Zustandsmodells abhängig von mindestens einem Trainingsdatensatz,
wobei der mindestens eine Trainingsdatensatz mit folgenden Schritten generiert wird:
  • ◯ Ermitteln eines Verbesserungsmaßes für jeden der für den aktuellen Auswertungszeitraum ermittelten aktuellen Betriebsmerkmalspunkt der Energiespeicher, wobei das Verbesserungsmaß angibt, wie sich Zustands-Unsicherheiten an allen realen Betriebsmerkmalspunkten verbessern, wenn eine Zustandsgröße für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt bestimmt wird;
  • ◯ Auswählen mindestens eines Betriebsmerkmalspunkts mit dem besten Verbesserungsmaß;
  • o Ermitteln einer entsprechenden Zustandsgröße an dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt als Label;
  • ◯ Generieren des mindestens einen Trainingsdatensatzes aus dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt und der ermittelten entsprechenden Zustandsgröße.
According to a further aspect, a device, in particular a control unit in a central unit which is in communication with a large number of devices with energy stores, is provided for training a state model for determining a state of an electrical energy store, the device being designed for:
  • - Providing a data-based status model, which assigns a modeled status variable, in particular an aging status of the energy store, to an operating feature point;
  • - Providing a database with histories of real operating characteristic points from a Multiple energy stores for consecutive evaluation periods;
  • - Training or updating the state model depending on at least one training data set,
wherein the at least one training data set is generated with the following steps:
  • ◯ Determination of a measure of improvement for each of the current operating characteristic points of the energy storage devices determined for the current evaluation period, with the measure of improvement indicating how state uncertainties improve at all real operating characteristic points when a state variable is determined for the respective current operating characteristic point;
  • ◯ selecting at least one operational attribute point with the best measure of improvement;
  • o determining a corresponding state variable at the at least one selected operating feature point as a label;
  • ◯ Generate the at least one training data set from the at least one selected operating characteristic point and the determined corresponding state variable.

Figurenlistecharacter list

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Systems für eine Fahrzeugflotte mit einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen und einer Zentraleinheit zum Bereitstellen eines datenbasierten Zustandsmodells;
  • 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Trainieren bzw. Aktualisieren eines datenbasierten Zustandsmodells, insbesondere in Form eines Alterungszustandsmodells für eine Fahrzeugbatterie der Kraftfahrzeuge;
  • 3 eine Veranschaulichung der Reduzierung des Gesamtmaßes für alle ermittelten Zustands-Unsicherheiten an den Betriebsmerkmalspunkten durch Label-Generierung an einem Betriebsmerkmalspunkt.
Embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a system for a vehicle fleet with a large number of motor vehicles and a central unit for providing a data-based status model;
  • 2 a flowchart to illustrate a method for training or updating a data-based status model, in particular in the form of an aging status model for a vehicle battery of motor vehicles;
  • 3 an illustration of the reduction of the overall measure for all determined state uncertainties at the operating feature points by label generation at an operating feature point.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Fahrzeugbatterien als elektrische Energiespeicher in einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen als gleichartige Geräte beschrieben. In den Kraftfahrzeugen kann in einer Steuereinheit ein datenbasiertes Alterungszustandsmodell für die jeweilige Fahrzeugbatterie implementiert sein. Das Alterungszustandsmodell steht beispielhaft für ein Zustandsmodell, das einen nicht unmittelbar messbaren internen Zustand des Energiespeichers charakterisiert. Das Alterungszustandsmodell kann in einer Zentraleinheit kontinuierlich basierend auf Betriebsgrößen der Fahrzeugbatterien aus der Fahrzeugflotte aktualisiert bzw. nachtrainiert werden.The method according to the invention is described below using vehicle batteries as electrical energy stores in a large number of motor vehicles as devices of the same type. A data-based state of health model for the respective vehicle battery can be implemented in a control unit in motor vehicles. The aging state model is an example of a state model that characterizes an internal state of the energy store that cannot be measured directly. The state of health model can be continuously updated or retrained in 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 Geräten mit netzunabhängiger Energieversorgung, wie beispielsweise Fahrzeuge, Anlagen, loT-Geräte, Energieversorgungsanlagen, autonome Roboter und dergleichen, die über eine entsprechende Kommunikationsverbindung (z. B. LAN, Internet) mit einer Zentraleinheit (Cloud) in Verbindung stehen. Die Zustandsgrößen stellen dabei Größen dar, die nicht in einfacher Weise hochgenau und gleichzeitig modellbasiert in den gleichartigen Geräten ermittelt werden können, sondern lediglich durch aufwendige Berechnungen, interne, insbesondere zerstörende Messungen oder nach vordefinierten Betriebszyklen des Geräts bestimmt werden können.The above example is representative of a large number of stationary or mobile devices with a network-independent energy supply, such as vehicles, systems, loT devices, energy supply systems, autonomous robots and the like, which have a corresponding communication connection (e.g. LAN, Internet) with a Central unit (cloud) are connected. The state variables represent variables that cannot be determined in a simple manner with high precision and at the same time based on models in the similar devices, but can only be determined by complex calculations, internal, in particular destructive measurements or according to predefined operating cycles of the device.

1 zeigt ein System 1 zum Bereitstellen von Flottendaten von Kraftfahrzeugen 4 einer Fahrzeugflotte 3 in einer Zentraleinheit 2. In der Zentraleinheit 2 soll basierend auf den Flottendaten eine Prädiktion eines Verlaufs eines Alterungszustands einer Fahrzeugbatterie eines jeweiligen Kraftfahrzeugs 4 der Fahrzeugflotte 3 vorgenommen werden. 1 shows a system 1 for providing fleet data from motor vehicles 4 of a vehicle fleet 3 in a central unit 2. In the central unit 2, based on the fleet data, a prediction of a course of an aging state of a vehicle battery of a respective motor vehicle 4 of the vehicle fleet 3 is to be made.

Eines der Kraftfahrzeuge 4 ist in 1 detaillierter dargestellt. Die Kraftfahrzeuge 4 weisen jeweils eine Fahrzeugbatterie 41 als wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher, einen elektrischen Antriebsmotor 42 und eine Steuereinheit 43 auf. Die Steuereinheit 43 ist mit einem Kommunikationsmodul 44 verbunden, das geeignet ist, Daten zwischen dem jeweiligen Kraftfahrzeug 4 und einer Zentraleinheit (Cloud) zu übertragen. Die Steuereinheit 43 ist mit einer Sensoreinheit 45 verbunden, die einen oder mehrere Sensoren aufweist, um Betriebsgrößen kontinuierlich zu erfassen.One of the motor vehicles 4 is in 1 shown in more detail. The motor vehicles 4 each have a vehicle battery 41 as a rechargeable electrical energy store, an electric drive motor 42 and a control unit 43 . The control unit 43 is connected to a communication module 44 which is suitable for transmitting data between the respective motor vehicle 4 and a central unit (cloud). The control unit 43 is connected to a sensor unit 45 which has one or more sensors in order to continuously record operating variables.

Die Zentraleinheit 2 weist eine Datenverarbeitungseinheit 21, in der das nachfolgend beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann, und eine Datenbank 22 zum Speichern von Betriebsgrößen und Alterungszuständen von Fahrzeugbatterien, die in einer Vielzahl von Fahrzeugen 4 der Fahrzeugflotte 3 ermittelt worden sind, auf.The central unit 2 has a data processing unit 21 in which the method described below can be executed, and a database 22 for storing operating variables and aging states of vehicle batteries that have been determined in a large number of vehicles 4 of the vehicle fleet 3 .

Die Kraftfahrzeuge 4 senden an die Zentraleinheit 2 die Betriebsgrößen F, die zumindest Größen angeben, von denen der Alterungszustand der Fahrzeugbatterie abhängt. Die Betriebsgrößen F können im Falle einer Fahrzeugbatterie einen momentanen Batteriestrom, eine momentane Batteriespannung, eine momentane Batterietemperatur und einen momentanen Ladezustand (SOC: State of Charge) angeben. Die Betriebsgrößen F werden in einem schnellen Zeitraster zwischen 2 Hz und 100 Hz erfasst, wobei deren Verläufe in unkomprimierter und/oder komprimierter Form regelmäßig an die Zentraleinheit 2 übertragen werden.The motor vehicles 4 send the operating variables F to the central unit 2, which indicate at least variables on which the aging state of the vehicle battery depends. The company sizes F In the case of a vehicle battery, they can indicate an instantaneous battery current, an instantaneous battery voltage, an instantaneous battery temperature and an instantaneous state of charge (SOC: State of Charge). The operating variables F are recorded in a rapid time frame between 2 Hz and 100 Hz, with their curves being regularly transmitted to the central unit 2 in uncompressed and/or compressed form.

Aus den Betriebsgrößen F können in der Zentraleinheit 2 oder in anderen Ausführungsformen auch bereits in den jeweiligen Kraftfahrzeugen 4 Betriebsmerkmale generiert werden, die sich auf einen Auswertungszeitraum beziehen. Der Auswertungszeitraum kann für die Bestimmung des Alterungszustands wenige Stunden (z. B. 6 Stunden) bis mehrere Wochen (z. B. einen Monat) betragen. Ein üblicher Wert für den Auswertungszeitraum beträgt eine Woche.From the operating variables F, operating characteristics can be generated in the central unit 2 or, in other embodiments, in the respective motor vehicles 4, which relate to an evaluation period. The evaluation period for determining the aging state can be a few hours (e.g. 6 hours) to several weeks (e.g. one month). A usual value for the evaluation period is one week.

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 dem 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, 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 features 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, accumulated total charge (Ah), an average increase in capacity during a charge (especially 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 Further.

Aus den Betriebsmerkmalen lassen sich weitere Angaben entnehmen: ein zeitliches Belastungsmuster wie Lade- und Fahrzyklen, bestimmt durch Nutzungsmuster (wie bspw. Schnellladen bei hohen Stromstärken oder starke Beschleunigung bzw. Bremsvorgänge mit Rekuperation), eine Nutzungszeit der Fahrzeugbatterie, eine über die Laufzeit kumulierte Ladung und eine über die Laufzeit kumulierte Entladung, einen maximalen Ladestrom, einen maximalen Entladestrom, eine Ladehäufigkeit, einen durchschnittlichen Ladestrom, einen durchschnittlichen Entladestrom, einen Leistungsdurchsatz beim Laden und Entladen, eine (insbesondere durchschnittliche) Ladetemperatur, eine (insbesondere durchschnittliche) Spreizung des Ladezustands und dergleichen.Additional information can be derived from the operating characteristics: a load pattern over time, such as charging and driving cycles, determined by usage patterns (e.g. fast charging at high currents or strong acceleration or braking processes with recuperation), a usage time of the vehicle battery, a charge accumulated over the running time and a discharge accumulated over the term, a maximum charging current, a maximum discharging current, a charging frequency, an average charging current, an average discharging current, a power throughput during charging and discharging, a (especially average) charging temperature, a (especially average) spread of the state of charge and the like.

Der Alterungszustand (SOH: State of Health) ist die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden Batteriekapazität oder verbleibenden Batterieladung. Der Alterungszustand stellt ein Maß für die Alterung der Fahrzeugbatterie oder eines Batterie-Moduls oder einer Batterie-Zelle dar und 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 an.The state of health (SOH: State of Health) is the key variable for indicating a remaining battery capacity or remaining battery charge. The aging state is a measure of the aging of the vehicle battery or a battery module or a battery cell and can be specified as a capacity retention rate (SOH-C) or as an increase in internal resistance (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 internal resistance SOH-R increases as the battery ages.

In 2 wird anhand eines Flussdiagramms das Verfahren zum Trainieren bzw. Aktualisieren des datenbasierten Alterungszustandsmodells näher beschrieben. Das Verfahren wird in der Datenverarbeitungseinheit 21 der Zentraleinheit ausgeführt und kann dort als Software und/oder Hardware implementiert sein.In 2 the method for training or updating the data-based state of health model is described in more detail using a flow chart. The method is executed in the data processing unit 21 of the central unit and can be implemented there as software and/or hardware.

In Schritt S1 wird ein datenbasiertes Alterungszustandsmodell bereitgestellt, das vortrainiert ist, um abhängig von Betriebsmerkmalspunkten einen modellierten Alterungszustand und eine Modellierungs-Ungenauigkeit auszugeben. Weiterhin ist eine Datenbank bereitgestellt, die zu elektrischen Energiespeichern der Fahrzeuge der Fahrzeugflotte Zeitreihen von Betriebsmerkmalspunkten für jeden Auswertungszeitraum für eine bestimmte Fahrzeugbatterie bereitstellt.In step S1, a data-based state of health model is provided, which is pre-trained to output a modeled state of health and a modeling inaccuracy depending on operating feature points. Furthermore, a database is provided that provides time series of operating characteristic points for electrical energy stores of the vehicles in the vehicle fleet for each evaluation period for a specific vehicle battery.

In Schritt S2 werden kontinuierlich Betriebsgrößen F von den Fahrzeugen 4 der Fahrzeugflotte 3 empfangen. Die Betriebsgrößen F können Verläufe des aktuellen Batteriestroms, der aktuellen Batteriespannung, der aktuellen Batterietemperatur, des aktuellen Ladezustands und dergleichen umfassen.Operating variables F are continuously received from the vehicles 4 of the vehicle fleet 3 in step S2. The operating variables F can include curves of the current battery current, the current battery voltage, the current battery temperature, the current state of charge and the like.

In Schritt S3 werden aus den Verläufen der Betriebsgrößen F Betriebsmerkmale für aufeinanderfolgende Auswertungszeiträume bestimmt. Diese Auswertungszeiträume können im Falle einer Bestimmung des Alterungszustands für die Fahrzeugbatterie einen Tag bis einen Monat, vorzugsweise eine Woche, betragen. In der Regel wird zur modellbasierten Bestimmung des Alterungszustands einer bestimmten Fahrzeugbatterie ein Betriebsmerkmalspunkt, der durch die einzelnen Betriebsmerkmale für eine bestimmte Fahrzeugbatterie innerhalb eines Auswertungszeitraums bestimmt ist, einem Alterungszustand mithilfe des datenbasierten Alterungszustandsmodells zugeordnet. Dieses datenbasierte Modell kann auch als hybrides Modell ausgeführt sein, insbesondere einer Kombination aus physikalischen und datengetriebenen Modellen, vorzugsweise mit Supervised Learning Anteil.In step S3, operating characteristics for successive evaluation periods are determined from the curves of the operating variables F. In the case of a determination of the aging state of the vehicle battery, these evaluation periods can be one day to one month, preferably one week. As a rule, for the model-based determination of the state of health of a specific vehicle battery, an operating characteristic point, which is determined by the individual operating characteristics for a specific vehicle battery within an evaluation period, is assigned to a state of health using the data-based state of health model. This data-based model can also be designed as a hybrid model, in particular a combination of physical and data-driven models, preferably with a supervised learning component.

In Schritt S4 wird nun anhand aller aktuellen Betriebsmerkmalspunkte für die Fahrzeugbatterien 41, d. h. aller Fahrzeugbatterien 41, bezüglich deren aktuellen Betriebszustand, jeweils ein Verbesserungsmaß bestimmt. Das Verbesserungsmaß gibt an, wie sich die Zustands-Unsicherheiten an allen realen Betriebsmerkmalspunkten verbessern würden, wenn eine Zustandsgröße für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt angenommen wird Somit kann diejenige Fahrzeugbatterie bestimmt werden, bei der sich ein Verbesserungsmaß für den zugeordneten aktuellen Betriebsmerkmalspunkt ergibt.In step S4, a measure of improvement is now determined on the basis of all current operating characteristic points for vehicle batteries 41, ie all vehicle batteries 41, with regard to their current operating state. The measure of improvement indicates how the status uncertainties would improve at all real operating feature points if a state variable is assumed for the respective current operating feature point. It is thus possible to determine the vehicle battery that results in a measure of improvement for the assigned current operating feature point.

Die Verbesserungsmaße werden jeweils mit einem Simulations-Zustandsmodell ermittelt, das ausgehend von dem Zustandsmodell durch Nachtrainieren mit einem Simulations-Trainingsdatensatz erstellt wird. Der Simulations-Trainingsdatensatz nimmt einen Trainingsdatenpunkt an dem aktuellen Betriebspunkt an, dem ein Zustands-Label zugeordnet ist, das beispielsweise dem Modellwert des Alterungszustands an dem aktuellen Betriebspunkt basierend auf dem Alterungszustandsmodell entspricht.The measures of improvement are determined in each case using a simulation state model which, starting from the state model, is created by post-training with a simulation training data set. The simulation training data set assumes a training data point at the current operating point, to which a state label is assigned, which corresponds, for example, to the model value of the aging state at the current operating point based on the aging state model.

Basierend auf dem Simulationszustandsmodell werden nun für alle Betriebsmerkmalspunkte die Zustands-Unsicherheiten ermittelt. D. h, es werden für jeden Auswertungszeitraum für alle Energiespeicher, die in der Zentraleinheit berücksichtigt werden, Alterungszustände ermittelt und deren zugehörige Zustands-Unsicherheit.Based on the simulation state model, the state uncertainties are now determined for all operating characteristic points. That is to say, for each evaluation period, aging states and their associated state uncertainty are determined for all energy stores that are taken into account in the central unit.

Die Zustands-Unsicherheiten ergeben sich aus der Abfrage des Alterungszustandsmodells. Jedoch können einzelne Zustands-Unsicherheiten bei einzelnen Betriebsmerkmalspunkten mithilfe von Domänenwissen reduziert werden. Als Potenzial wie stark die Unsicherheit an dem relevanten Merkmalspunkt reduziert werden kann, kann beispielsweise die mittlere Unsicherheit des bisherigen Trainingsprozesses verwendet werden. Folglich wird das Domänen-Wissen zum Trainings-Prozess in das Simulationsmodell eingearbeitet. Weiterhin kann für jeden betrachteten Betriebsmerkmalspunkt eine fahrzeugindividuelle Reduzierung des entsprechenden Konfidenzintervalls (angegeben durch die Zustands-Unsicherheit) mithilfe von Domänenwissen vorgenommen werden. Dazu kann der zeitliche Verlauf des Alterungszustands (stets für die individuelle identifizierte Fahrzeugbatterie) um den zugehörigen Auswertungszeitraum analysiert werden, der dem jeweiligen Betriebsmerkmalspunkt der identifizierten Fahrzeugbatterie zugeordnet ist. Jeder Betriebsmerkmalspunkt ist einem Auswertungszeitraum zugeordnet, wobei in der Regel vor und nach dem Auswertungszeitraum weitere Betriebsmerkmalspunkte für die betreffende Fahrzeugbatterie vorliegen.The state uncertainties result from querying the aging state model. However, individual state uncertainties at individual operational feature points can be reduced using domain knowledge. For example, the mean uncertainty of the previous training process can be used as the potential for how much the uncertainty at the relevant feature point can be reduced. Consequently, the domain knowledge for the training process is incorporated into the simulation model. Furthermore, for each operating characteristic point under consideration, a vehicle-specific reduction of the corresponding confidence interval (indicated by the state uncertainty) can be undertaken using domain knowledge. For this purpose, the course of the aging state over time (always for the individually identified vehicle battery) can be analyzed by the associated evaluation period, which is assigned to the respective operating characteristic point of the identified vehicle battery. Each operating feature point is assigned to an evaluation period, with further operating feature points for the relevant vehicle battery generally being present before and after the evaluation period.

3 zeigt ein Beispiel für die Reduzierung eines Gesamtmaßes der Zustands-Unsicherheiten an weiteren Betriebsmerkmalspunkten bei einer Label-Generierung an einem bestimmten Betriebsmerkmalspunkt. 3 zeigt anhand von zeitlich nacheinander erfassten Betriebsmerkmalspunkten in verschiedenen Temperaturbereichen den modellierten m Alterungszustand mit entsprechendem Konfidenzintervall für zwei verschiedene Fahrzeuge F1, F2. Das verwendete Alterungszustandsmodell weist eine höhere Modellunsicherheit bei hohen Temperaturen auf, sodass das Konfidenzintervall entsprechend größer wird. Dies kann z.B. darin begründet sein, dass hohe Temperaturen bei 70°C noch nicht ausreichend in der Trainingsdatenbank repräsentiert sind. 3 shows an example for the reduction of an overall measure of the state uncertainties at further operating feature points in a label generation at a specific operating feature point. 3 shows the modeled m aging condition with a corresponding confidence interval for two different vehicles F1, F2 on the basis of operating characteristic points recorded one after the other in different temperature ranges. The aging state model used has a higher model uncertainty at high temperatures, so that the confidence interval becomes correspondingly larger. This may be due to the fact that high temperatures of 70°C are not yet adequately represented in the training database.

Liegt für das Fahrzeug F1 zu einem bestimmten Zeitpunkt t unter einer bestimmten Bedingung kein Label vor, welches weder von Flottenfahrzeugen generiert wurde, noch aus Diagnosemessungen ermittelt wurde, so muss dieses im Betrieb bestimmt werden. Bei Fahrzeug F1 weist der modellierte Alterungszustand eine geringe Unsicherheit für 23°C auf und eine hohe Unsicherheit für 40°C auf. Wegen der hohen Unsicherheit zum Zeitpunkt t-1 ist nun ein großes Interesse an einem Label zum Zeitpunkt t vorhanden, um die Konfidenz im Modell bei t-1 zu minimieren.If there is no label for the vehicle F1 at a specific point in time t under a specific condition that was neither generated by fleet vehicles nor determined from diagnostic measurements, then this must be determined during operation. For vehicle F1, the modeled aging condition has a low uncertainty for 23°C and a high uncertainty for 40°C. Because of the high uncertainty at time t-1, there is now a great deal of interest in a label at time t to minimize confidence in the model at t-1.

Um nun den Effekt einer möglichen Label-Generierung des Fahrzeuges 1 zum Zeitpunkt t bzgl. der Relevanz und des Mehrwertes für die gesamte Fahrzeugflotte 3 zu bewerten, wird eine mögliche Kettenreaktion über Flottenfahrzeuge (Schwarmintelligenz) simuliert, wie beispielsweise bezüglich Fahrzeug F2 gezeigt ist. Hier wird ausgenutzt, dass eine langsam zeitvariante Zustandsgröße wie der Alterungszustand sich innerhalb eines kurzen Zeitraums nicht stark verändern kann. Es wird eine Auswirkung der Label-Generierung beim Fahrzeug F1 zum Zeitpunkt t simuliert. Die Auswirkung dieser Label-Generierung wird bei Fahrzeug F1 direkt sichtbar (1. Kettenreaktion, dargestellt durch Pfeil P1), da in diesem Fall auch die Unsicherheit zum Zeitpunkt t-1 bei 40°C minimiert werden kann, was zu einem erneuten Modellwert bei t-1 führen kann, speziell wenn mehrere Fahrzeuge in diesem Zustand analysiert werden können.In order to evaluate the effect of a possible label generation of vehicle 1 at time t with regard to the relevance and added value for the entire vehicle fleet 3, a possible chain reaction across fleet vehicles (swarm intelligence) is simulated, as shown for example with regard to vehicle F2. This exploits the fact that a slowly time-varying state variable such as the state of aging cannot change significantly within a short period of time. An effect of label generation in vehicle F1 at time t is simulated. The effect of this label generation is directly visible in vehicle F1 (1st chain reaction, represented by arrow P1), since in this case the uncertainty at time t-1 at 40°C can also be minimized, resulting in a new model value at t -1, especially if several vehicles can be analyzed in this state.

Unter der Prämisse, dass diese Label-Generierung nun auch bei 40°C erfolgreich ist, werden die reduzierte Unsicherheit des Modells bei 40°C und weitere Modellunsicherheiten minimiert, z.B. bei T = 70°C. Die Reduzierung der Zustands-Unsicherheiten ist durch die Pfeile P2 und P3 dargestellt.Under the premise that this label generation is now also successful at 40°C, the reduced uncertainty of the model at 40°C and other model uncertainties are minimized, e.g. at T = 70°C. The reduction in state uncertainties is represented by arrows P2 and P3.

In diesem Beispiel kann durch eine Label-Generierung des Fahrzeuges F1 zum Zeitpunkt t bei einem gewissen Feature (z.B. Temperatur 50°C), nicht nur das Label genau zu diesem Betriebsmerkmalspunkt bestimmt werden, sondern zusätzlich die Parameterlücken bei 40°C (Fahrzeug F1) und 70°C (Fahrzeug F2) geschlossen werden.In this example, by generating a label for vehicle F1 at time t, a certain feature (e.g. temperature 50°C), not only the label can be determined precisely for this operating characteristic point, but also the parameter gaps at 40°C (vehicle F1) and 70°C (vehicle F2) can be closed.

Durch eine globale Flottenanalyse kann so in Summe der Effekt einer möglichen Label-Generierung eines jeden Fahrzeuges (aktuellen Betriebsmerkmalspunkt) und somit jedes verfügbaren Parameter-Raums zum aktuellen Zeitpunkt im Hinblick auf den Mehrwert für die Fahrzeugflotte 3 vorausschauend quantifiziert bewertet werden. Die vorteilhafte Ausgestaltung dieser Erfindung erlaubt eine Maximierung der zu erwartenden Gesamtmaßes der Unsicherheit in Form eines Optimierungsproblems.With a global fleet analysis, the effect of a possible label generation of each vehicle (current operating characteristic point) and thus each available parameter space at the current time can be quantified and evaluated in a forward-looking manner with regard to the added value for the vehicle fleet 3 . The advantageous embodiment of this invention allows the total degree of uncertainty to be expected to be maximized in the form of an optimization problem.

Insbesondere kann das Konfidenzintervall auf Alterungszustände eingeschränkt werden, die nicht größer sind als eine obere Grenze des Konfidenzintervalls eines zuvor bestimmten Alterungszustands und nicht niedriger als eine untere Grenze eines in einem späteren Auswertungszeitraum ermittelten Alterungszustands. Eine solche Einschränkung kann vorgenommen werden aufgrund des Domänenwissens, dass zeitliche Verläufe von Alterungszuständen sich nur streng monoton fallend entwickeln können. Somit werden die Konfidenzgrenzen des als unsicher definierten Alterungszustands so in Richtung des Modellierungswertes des Alterungszustands verschoben, dass sich ein verkleinertes Konfidenzintervall ergibt.In particular, the confidence interval can be restricted to aging states that are no greater than an upper limit of the confidence interval of a previously determined aging state and no lower than a lower limit of an aging state determined in a later evaluation period. Such a restriction can be made on the basis of the domain knowledge that the temporal progression of aging states can only develop in a strictly monotonically decreasing manner. Thus, the confidence limits of the aging state defined as uncertain are shifted in the direction of the modeling value of the aging state in such a way that a smaller confidence interval results.

Andere aus Domänenwissen ableitbare Regeln zur Beschränkung der Konfidenzbereiche sind ebenfalls definierbar. So kann als mögliche weitere Regel ein stetiger und träger, bzw. stückweise nahezu linearer Verlauf eines Alterungszustands innerhalb eines begrenzten Zeitraums von wenigen, beispielsweise zwischen 3 und 10, Auswertungszeiträumen, angenommen werden. Eine solche Einschränkung kann vorgenommen werden, wenn z. B. aus dem Flottenlastprofil hervorgeht, dass das Lastprofil für das betrachtete Kraftfahrzeug im Hinblick auf den Energiedurchsatz, Temperaturbedingungen, Ladeverhalten, Fahrverhalten und dergleichen im betrachteten Zeitraum zwischen dem vorherigen Auswertungszeitraum bis zu dem nachfolgenden Auswertungszeitraum konstant war. So kann sich eine obere und untere Grenze eines begrenzten Konfidenzintervalls für den betreffenden Alterungszustand durch stückweise Interpolation der oberen Konfidenzgrenzen eines vorhergehenden und eines nachfolgenden Auswertungszeitraums und der unteren Konfidenzgrenzen des vorhergehenden und des nachfolgenden Auswertungszeitraums ergeben.Other rules that can be derived from domain knowledge for limiting the confidence ranges can also be defined. Thus, as a possible further rule, a continuous and sluggish, or piecewise almost linear course of an aging state within a limited period of a few, for example between 3 and 10, evaluation periods can be assumed. Such a restriction can be made if e.g. B. it can be seen from the fleet load profile that the load profile for the vehicle under consideration was constant in terms of energy throughput, temperature conditions, charging behavior, driving behavior and the like in the period under consideration between the previous evaluation period and the following evaluation period. An upper and lower limit of a limited confidence interval for the aging state in question can result from piecewise interpolation of the upper confidence limits of a preceding and a subsequent evaluation period and the lower confidence limits of the preceding and the subsequent evaluation period.

Auf diese Weise lassen sich die Konfidenzintervalle für die Alterungszustände der identifizierten Fahrzeugbatterie begrenzen.In this way, the confidence intervals for the aging states of the identified vehicle battery can be limited.

Das Verbesserungsmaß kann als ein Gesamtmaß für alle ermittelten Zustands-Unsicherheiten angenommen werden. Beispielsweise wird das Verbesserungsmaß als die Summe aller mit einem der Simulationszustandsmodelle bestimmten Zustands-Unsicherheiten ermittelt.The measure of improvement can be taken as a total measure for all determined state uncertainties. For example, the measure of improvement is determined as the sum of all state uncertainties determined with one of the simulation state models.

Es werden in Schritt S5 ein oder mehrere der Energiespeicher (aktuelle Betriebsmerkmalspunkte) ausgewählt, für die sich ein maximales Verbesserungsmaß ergibt.In step S5, one or more of the energy stores (current operating feature points) are selected for which there is a maximum degree of improvement.

Auf diese Weise kann derjenige bzw. diejenigen Betriebsmerkmalspunkte identifiziert werden, die den bestmöglichen Effekt zur Reduzierung der Zustands-Unsicherheit auch für andere Betriebsmerkmalspunkte bewirkt. Somit nutzt die obige Vorgehensweise die Bestimmung der Betriebsmerkmalspunkte, für die ein Label generiert werden soll bzw. aus dem ein Trainingsdatensatz generiert werden soll, auch dazu, die Zustands-Unsicherheit für andere Betriebsgrößenpunkte zu reduzieren, sodass die Label-Relevanz für anderen Flottenteilnehmer maximiert wirdIn this way, the one or those operating feature points can be identified that bring about the best possible effect for reducing the state uncertainty for other operating feature points as well. Thus, the above procedure uses the determination of the operating characteristic points for which a label is to be generated or from which a training data set is to be generated, also to reduce the state uncertainty for other operating variable points, so that the label relevance for other fleet participants is maximized

In Schritt S6 wird für den einen oder die mehreren ausgewählten Energiespeicher ein Verfahren zur Label-Generierung, nämlich zur Bestimmung des Alterungszustands durchgeführt. Damit kann ein oder mehrere Trainingsdatensätze generiert werden, um das Alterungszustandsmodell nachzutrainieren.In step S6, a method for label generation, specifically for determining the aging state, is carried out for the one or more selected energy stores. One or more training datasets can thus be generated in order to retrain the state of health model.

In einem nachfolgenden Schritt S7 wird basierend auf dem neuen Trainingsdatensatz das datenbasierte Alterungszustandsmodell nachtrainiert bzw. aktualisiert. Auch können zunächst mehrere so ermittelte Trainingsdatensätze bestimmt und/oder Trainingsdatensätze während einer bestimmten Zeitdauer gesammelt werden, bevor eine Aktualisierung stattfindet.In a subsequent step S7, the data-based aging state model is retrained or updated based on the new training data set. A plurality of training data sets determined in this way can also initially be determined and/or training data sets can be collected during a specific period of time before an update takes place.

Das Ermitteln der entsprechenden Zustandsgröße kann durch ein statistisches Verfahren, insbesondere in Verbindung mit auf Domänenwissen basierenden Regeln zur Verringerung von Zustands-Unsicherheiten und mithilfe einer Clustering-Verfahrens und gemeinsamer Betrachtung von zu dem identifizierten Betriebsmerkmalspunkt ähnlichen Betriebsmerkmalspunkten durchgeführt werden.The corresponding state variable can be determined using a statistical method, in particular in connection with rules based on domain knowledge for reducing state uncertainties and using a clustering method and joint consideration of operational characteristic points that are similar to the identified operational characteristic point.

Das Clustering-Verfahren ermittelt aus den Fahrzeugbatterien 41 diejenigen mit ähnlichen Betriebsmerkmalspunkten, insbesondere Betriebsmerkmalspunkte mit einem vorgegebenen euklidischen Abstand von einem Zentroid-Punkt, der nicht größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Der Zentroid-Punkt entspricht einem künstlichen, nicht einem bestimmten Energiespeicher zugeordneten Betriebsmerkmalspunkt. Das Ziel der Flotten-Clusteranalyse ist es, Fahrzeugbatterien zu identifizieren, die sich in einem vergleichbaren Betriebsmerkmalsraum (Parameterraum) befinden. Als mögliche Unsupervised-Clustering-Verfahren können K-means++ oder Competitive-Learning verwendet werden.From the vehicle batteries 41, the clustering method determines those with similar operating characteristic points, in particular operating characteristic points with a predefined Euclidean distance from a centroid point that is not greater than a predefined threshold value. The centroid point corresponds to an artificial operating feature point that is not assigned to a specific energy store. The goal of the Fleet Clus The primary analysis is to identify vehicle batteries that are in a comparable operational characteristic space (parameter space). K-means++ or competitive learning can be used as possible unsupervised clustering methods.

In einem nachfolgenden Schritt S8 können die Modellparameter des aktualisierten Alterungszustandsmodells oder die durch das Modell ermittelten Zustände an die Fahrzeuge der Fahrzeugflotte 3 zurückübertragen werden, so dass das datenbasierte Alterungszustandsmodell im Kraftfahrzeug 4 zur Ermittlung des Alterungszustands SOH der Fahrzeugbatterie 41 verwendet werden kann. Dieser Schritt ist optional. Das Alterungszustandsmodell kann auch in der Zentraleinheit 2 betrieben und dort ausgeführt werden.In a subsequent step S8, the model parameters of the updated aging state model or the states determined by the model can be transmitted back to the vehicles in the vehicle fleet 3, so that the data-based aging state model in the motor vehicle 4 can be used to determine the aging state SOH of the vehicle battery 41. This step is optional. The aging state model can also be operated in the central unit 2 and executed there.

Alternativ kann das Ermitteln der entsprechenden Zustandsgröße durchgeführt werden, indem das dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt zugeordnete Gerät aufgefordert wird, eine Vermessung der Zustandsgröße durchzuführen, wobei nach der Vermessung die gemessene Zustandsgröße verwendet wird, um den Trainingsdatensatz zu erstellen.Alternatively, the corresponding state variable can be determined by requesting the device assigned to the at least one selected operating feature point to measure the state variable, with the measured state variable being used after the measurement to create the training data set.

So kann ein Trainingsdatensatz auch dadurch ermittelt werden, dass ein Fahrzeug 4 über eine Diagnosemessung vermessen wird, um einen entsprechenden Trainingsdatensatz zu bestimmen. Hierzu kann Active Learning verwendet werden, das unter allen möglichen Energiespeichern diejenigen zum Durchführen einer Diagnosemessung auswählt, die den gewünschten Effekt auf die Reduzierung der Gesamtmodellunsicherheit im Betriebsmerkmalsraum bestmöglich schließt, speziell nach Schritt S5, wenn mehrere hoch-relevante Energiespeicher ausgewählt wurden. Das finale Auswählen der Fahrzeuge aus der Fahrzeugflotte im Hinblick auf ihre maximierte Label-Relevanz für die Flotte kann mit Hilfe eines Pool-based Sampling, Uncertainty Sampling, Variance Reduction oder Expected Error Reduction-Verfahren durchgeführt werden.A training data set can also be determined by measuring a vehicle 4 using a diagnostic measurement in order to determine a corresponding training data set. For this purpose, active learning can be used, which selects from all possible energy stores those for carrying out a diagnostic measurement that best possible closes the desired effect on reducing the overall model uncertainty in the operating characteristics space, especially after step S5 if several highly relevant energy stores have been selected. The final selection of vehicles from the vehicle fleet with regard to their maximized label relevance for the fleet can be carried out using pool-based sampling, uncertainty sampling, variance reduction or expected error reduction methods.

Das obige Verfahren ermöglicht das Trainieren und Verbessern eines Zustandsmodells, das im laufenden Betrieb die Modellierungsunsicherheiten an einer Vielzahl von Betriebsmerkmalspunkten verbessert.The above method allows for the training and improvement of a state model that improves the modeling uncertainties at a variety of operational feature points on the fly.

Claims (16)

Computer-implementiertes Verfahren zum Trainieren eines Zustandsmodells zum Ermitteln eines Zustands eines elektrischen Energiespeichers eines damit betriebenen Geräts, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen eines datenbasieren Zustandsmodells, das einem Betriebsmerkmalspunkt eine modellierte Zustandsgröße, insbesondere einen Alterungszustand des Energiespeichers, und ein Zustands-Unsicherheitsmaß zuordnet; - Bereitstellen einer Datenbank mit Verläufen von realen Betriebsmerkmalspunkten von einer Vielzahl von Energiespeichern für aufeinanderfolgende Auswertungszeiträume; - Trainieren oder Aktualisieren des Zustandsmodells abhängig von mindestens einem Trainingsdatensatz, wobei der mindestens eine Trainingsdatensatz mit folgenden Schritten generiert wird: ◯ Ermitteln eines Verbesserungsmaßes für jeden der für den aktuellen Auswertungszeitraum ermittelten aktuellen Betriebsmerkmalspunkt der Energiespeicher, wobei das Verbesserungsmaß angibt, wie sich Zustands-Unsicherheiten an allen realen Betriebsmerkmalspunkten verbessern, wenn eine Zustandsgröße für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt bestimmt wird; ◯ Auswählen mindestens eines Betriebsmerkmalspunkts mit dem besten Verbesserungsmaß; ◯ Ermitteln einer entsprechenden Zustandsgröße an dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt als Label; ◯ Generieren des mindestens einen Trainingsdatensatzes aus dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt und der ermittelten entsprechenden Zustandsgröße.Computer-implemented method for training a state model for determining a state of an electrical energy store of a device operated therewith, with the following steps: - Providing a data-based status model, which assigns a modeled status variable, in particular an aging status of the energy store, and a status uncertainty measure to an operating characteristic point; - Providing a database with profiles of real operating feature points from a plurality of energy stores for consecutive evaluation periods; - Training or updating the state model depending on at least one training data set, wherein the at least one training data set is generated with the following steps: ◯ Determination of a measure of improvement for each of the current operating characteristic points of the energy storage devices determined for the current evaluation period, with the measure of improvement indicating how state uncertainties improve at all real operating characteristic points when a state variable is determined for the respective current operating characteristic point; ◯ selecting at least one operational attribute point with the best measure of improvement; ◯ Determination of a corresponding state variable at the at least one selected operating characteristic point as a label; ◯ Generate the at least one training data set from the at least one selected operating characteristic point and the determined corresponding state variable. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbesserungsmaß für jeden der aktuellen Betriebsmerkmalspunkte durch eine Simulation bestimmt wird, indem das bereitgestellte Zustandsmodell mit einem Simulations-Trainingsdatensatz, der für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt erstellt wird, aktualisiert wird, um ein Simulations-Zustandsmodell zu erhalten, wobei Simulations-Zustands-Unsicherheiten für jeden der Betriebsmerkmalspunkte der Verläufe von Betriebsmerkmalspunkten von realen Energiespeichern mithilfe des Simulations-Zustandsmodells bestimmt werden, wobei das Verbesserungsmaß abhängig von den Simulations-Zustands-Unsicherheiten bestimmt wird.procedure after claim 1 , wherein the measure of improvement for each of the current operating feature points is determined by a simulation by updating the provided status model with a simulation training data set that is created for the respective current operating feature point, in order to obtain a simulation status model, with simulation status Uncertainties for each of the operating feature points of the progression of operating feature points of real energy storage devices are determined using the simulation state model, with the degree of improvement being determined as a function of the simulation state uncertainties. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verbesserungsmaß als eine Summe der Simulations-Zustands-Unsicherheiten bestimmt wird, wobei insbesondere mindestens eine der Simulations-Zustands-Unsicherheiten mithilfe mindestens einer vorgegebenen, auf Domänenwissen basierenden Regel vor der Ermittlung des Verbesserungsmaßes verringert wird.procedure after claim 2 , wherein the measure of improvement is determined as a sum of the uncertainties of the simulation state, wherein in particular at least one of the uncertainties of the simulation state is reduced using at least one predetermined rule based on domain knowledge before the measure of improvement is determined. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verringern der Simulations-Zustands-Unsicherheiten an den ausgewählten Betriebsmerkmalspunkten durch mindestens eine Regel erfolgt, die von einer zeitlichen Entwicklung der Betriebsmerkmalspunkte des jeweiligen Energiespeichers und Simulations- Zustands-Unsicherheiten von Betriebsmerkmalspunkten des jeweiligen Energiespeichers zu anderen Auswertungszeiträumen als den Auswertungszeiträumen der ausgewählten Betriebsmerkmalspunkte abhängt.procedure after claim 3 , wherein the reduction of the simulation state uncertainties at the selected operating characteristic points is effected by at least one rule which depends on a temporal development of the operating characteristic points of the respective energy store and simulation State uncertainties of operating feature points of the respective energy store to other evaluation periods than the evaluation periods of the selected operating feature points. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Verringern der Simuation-Zustands-Unsicherheiten an den ausgewählten Betriebsmerkmalspunkten dadurch erfolgt, dass die Simulations-Zustands-Unsicherheit an jedem der ausgewählten Betriebsmerkmalspunkte auf eine obere bzw. untere Grenze eines Konfidenzintervalls begrenzt wird, die durch die Zustands-Unsicherheit zu einem dem betreffenden Betriebsmerkmalspunkt vorhergehenden Auswertungszeitraums bestimmt ist, und/oder dass die Simulations-Zustands-Unsicherheit an jedem der ausgewählten Betriebsmerkmalspunkte auf eine untere bzw. obere Grenze eines Konfidenzintervalls begrenzt wird, die durch die Zustands-Unsicherheit zu einem dem betreffenden Betriebsmerkmalspunkt nachfolgenden Auswertungszeitraum bestimmt ist.procedure after claim 3 , wherein the simulation state uncertainties at the selected operating feature points are reduced by limiting the simulation state uncertainty at each of the selected operating feature points to an upper or lower limit of a confidence interval, which is reduced by the state uncertainty to a dem relevant operating characteristic point is determined in the preceding evaluation period, and/or that the simulation state uncertainty at each of the selected operating characteristic points is limited to a lower or upper limit of a confidence interval, which is determined by the state uncertainty at an evaluation period following the relevant operating characteristic point. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Verringern der Simulations-Zustands-Unsicherheiten an den ausgewählten Betriebsmerkmalspunkten dadurch erfolgt, dass die Simulations-Zustands-Unsicherheit an jedem der ausgewählten Betriebsmerkmalspunkte mit einer oberen und einer unteren Grenze eines entsprechenden Konfidenzintervalls begrenzt wird, die sich durch Interpolation von oberen Grenzen von Konfidenzintervallen von zu dem betreffenden Betriebsmerkmalspunkt vorhergehenden und nachfolgenden Auswertungszeiträumen bestimmt ist.Procedure according to one of claims 3 until 5 , wherein the simulation state uncertainties at the selected operating feature points are reduced in that the simulation state uncertainty at each of the selected operating feature points is limited with an upper and a lower limit of a corresponding confidence interval, which is obtained by interpolating upper limits of Confidence intervals of the operating characteristic point in question preceding and subsequent evaluation periods is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ermitteln der entsprechenden Zustandsgröße durch ein statistisches Verfahren, insbesondere in Verbindung mit auf Domänenwissen basierenden Regeln zur Verringerung von Zustands-Unsicherheiten durchgeführt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , wherein the determination of the corresponding state variable is carried out by a statistical method, in particular in connection with rules based on domain knowledge to reduce state uncertainties. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ermitteln der entsprechenden Zustandsgröße durchgeführt wird, indem das dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt zugeordnete Gerät aufgefordert wird, eine Vermessung der Zustandsgröße durchzuführen, wobei nach der Vermessung die gemessene Zustandsgröße verwendet wird, um den Trainingsdatensatz zu erstellen.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , wherein the corresponding state variable is determined by requesting the device assigned to the at least one selected operating feature point to measure the state variable, with the measured state variable being used after the measurement to create the training data set. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Zustandsmodell einem Alterungszustandsmodell zum Bereitstellen eines Alterungszustands abhängig von den Betriebsmerkmalen oder einem Ladezustandsmodell zum Bereitstellen eines Ladezustands abhängig von den Betriebsmerkmalen des Energiespeichers entspricht.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , wherein the state model corresponds to a state of health model for providing a state of health depending on the operating characteristics or a state of charge model for providing a state of charge depending on the operating characteristics of the energy store. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Betriebsmerkmale aus Zeitreihen von kontinuierlich erfassten Betriebsgrößen abgeleitet werden, wobei die Betriebsmerkmale für aufeinanderfolgende Auswertungszeiträume bestimmt werden, wobei mehrere Betriebsmerkmale für einen bestimmten Auswertungszeitraum eines bestimmten Energiespeichers einen Betriebsmerkmalspunkt definieren.Procedure according to one of Claims 1 until 9 , the operating characteristics being derived from time series of continuously recorded operating variables, the operating characteristics being determined for successive evaluation periods, a plurality of operating characteristics defining an operating characteristic point for a specific evaluation period of a specific energy store. Verfahren nach Anspruch 10, wobei Betriebsgrößen von einer Vielzahl technischer Geräte an eine Zentraleinheit, die mit diesen in Kommunikationsverbindung steht, übertragen werden, wobei die Betriebsmerkmale aus den Betriebsgrößen für jeden Auswertungszeitraum bestimmt werden, wobei das Verfahren in einer Zentraleinheit ausgeführt wird.procedure after claim 10 , operating variables being transmitted from a large number of technical devices to a central unit which is in communication with them, the operating characteristics being determined from the operating variables for each evaluation period, the method being carried out in a central unit. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei Modellparameter des Zustandsmodells an die Vielzahl von Geräten mit den Energiespeichern übertragen wird, wobei die Geräte mithilfe des Zustandsmodells betrieben werden.Procedure according to one of Claims 1 until 11 , wherein model parameters of the state model are transmitted to the plurality of devices with the energy stores, the devices being operated using the state model. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Energiespeicher (41) zum Betrieb eines Geräts, wie einem Kraftfahrzeug, einem Pedelec, einem Fluggerät, insbesondere einer Drohne, einer Werkzeugmaschine, einem Gerät der Unterhaltungselektronik, wie ein Mobiltelefon, einem autonomen Roboter und/oder einem Haushaltsgerät verwendet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 12 , wherein the energy store (41) is used to operate a device such as a motor vehicle, a pedelec, an aircraft, in particular a drone, a machine tool, a consumer electronics device such as a mobile phone, an autonomous robot and/or a household appliance. Vorrichtung zum Trainieren eines Zustandsmodells zum Ermitteln eines Zustands eines elektrischen Energiespeichers, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum: - Bereitstellen eines datenbasieren Zustandsmodells, das einem Betriebsmerkmalspunkt eine modellierte Zustandsgröße, insbesondere einen Alterungszustand des Energiespeichers, zuordnet; - Bereitstellen einer Datenbank mit Verläufen von realen Betriebsmerkmalspunkten von einer Vielzahl von Energiespeichern für aufeinanderfolgende Auswertungszeiträume; - Trainieren oder Aktualisieren des Zustandsmodells abhängig von mindestens einem Trainingsdatensatz, wobei der mindestens eine Trainingsdatensatz mit folgenden Schritten generiert wird: ◯ Ermitteln eines Verbesserungsmaßes für jeden der für den aktuellen Auswertungszeitraum ermittelten aktuellen Betriebsmerkmalspunkt der Energiespeicher, wobei das Verbesserungsmaß angibt, wie sich Zustands-Unsicherheiten an allen realen Betriebsmerkmalspunkten verbessern, wenn eine Zustandsgröße für den jeweiligen aktuellen Betriebsmerkmalspunkt bestimmt wird; ◯ Auswählen mindestens eines Betriebsmerkmalspunkts mit dem besten Verbesserungsmaß; ◯ Ermitteln einer entsprechenden Zustandsgröße an dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt als Label; ◯ Generieren des mindestens einen Trainingsdatensatzes aus dem mindestens einen ausgewählten Betriebsmerkmalspunkt und der ermittelten entsprechenden Zustandsgröße.Device for training a status model for determining a status of an electrical energy storage device, the device being designed to: - provide a data-based status model which assigns a modeled status variable, in particular an aging status of the energy storage device, to an operating characteristic point; - Providing a database with profiles of real operating feature points from a plurality of energy stores for consecutive evaluation periods; - Training or updating the status model depending on at least one training data set, wherein the at least one training data set is generated with the following steps: ◯ Determination of an improvement measure for each of the current operating characteristic points of the energy storage devices determined for the current evaluation period, the improvement measure indicating how status uncertainties change improve at all real operating feature points when determining a state variable for the respective current operating feature point; ◯ Select at least one operational characteristic spunkts with the best measure of improvement; ◯ Determination of a corresponding state variable at the at least one selected operating characteristic point as a label; ◯ Generate the at least one training data set from the at least one selected operating characteristic point and the determined corresponding state variable. Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung diese veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.Computer program product comprising instructions which, when the program is executed, cause at least one data processing device to carry out the steps of the method according to one of the Claims 1 until 13 to execute. Maschinenlesbares Speichermedium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung diese veranlassen, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.Machine-readable storage medium, comprising instructions which, when executed by at least one data processing device, cause the latter to carry out the steps of the method according to one of Claims 1 until 13 to execute.
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