DE102021132984A1

DE102021132984A1 - Verfahren zum Bestimmen von Batteriemodellparametern

Info

Publication number: DE102021132984A1
Application number: DE102021132984.1A
Authority: DE
Inventors: David Seibert; Tim Bender; Lennart Bauer; Izaro Laresgoiti
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN114646889A; DE102020007743A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Batteriemodellparametern für ein Single-Particle-Batteriemodell (Single Particle Model, SPM), ein Computerprogrammprodukt und ein Batteriemanagementsystem.Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen von Batteriemodellparametern Ropt, ωopt für ein Single-Particle-Batteriemodell (Single Particle Model, SPM (1)) umfasst die Schritte:S1: Parametrisieren eines SPM (1) mit einem Wertepaar eines Batterieinnenwiderstands Ri und einer Batteriemodellkreisfrequenz wi, wobei der Batterieinnenwiderstand Ri aus einer vorgegebenen Menge Batterieinnenwiderstände Rvec selektiert wird und wobei die Batteriemodellkreisfrequenz ωί aus einer vorgegebenen Menge Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec selektiert wird;S2: Bestimmen einer Batteriemodellspannung Vi mittels des parametrisierten SPMs (1) und eines gemessenen Batteriestroms Imeas;S3: Bestimmen einer Vielzahl Batteriemodellspannungen Vvec durch mehrfaches Wiederholen der Schritte S1 und S2, wobei das SPM (1) in Schritt S1 bei jedem Wiederholen mit unterschiedlichen Wertepaaren Ri, wi aus den vorgegebenen Mengen der Batterieinnenwiderstände Rvec und Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec parametrisiert wird;S4: Auswählen (2) eines Wertepaares Ropt, ωopt aus den Mengen der Batterieinnenwiderstände Rvec und Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec anhand des Ergebnisses eines Vergleichs einer gemessenen Batteriespannung Vmeas mit der Menge Batteriemodellspannungen Vvec.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Batteriemodellparametern für ein Single-Particle-Batteriemodell (Single Particle Model, SPM), ein Computerprogrammprodukt und ein Batteriemanagementsystem.
Aus der FR3045218 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen von Parametern eines Spannungsantwortmodells einer elektrochemischen Batteriezelle, umfassend einen Messschritt zum Bestimmen einer Spannungsantwort der Zelle auf einen ausgehenden Strom, bekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen von Batteriemodellparametern Ropt, ωopt für ein Single-Particle-Batteriemodell (Single Particle Model, SPM) umfasst die Schritte:

S1: Parametrisieren eines SPM mit einem Wertepaar eines Batterieinnenwiderstands Ri und einer Batteriemodellkreisfrequenz ωί, wobei der Batterieinnenwiderstand Ri aus einer vorgegebenen Menge Batterieinnenwiderstände Rvec selektiert wird und wobei die Batteriemodellkreisfrequenz ωί aus einer vorgegebenen Menge Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec selektiert wird;
S2: Bestimmen einer Batteriemodellspannung Vi mittels des parametrisierten SPMs und eines gemessenen Batteriestroms Imeas;
S3: Bestimmen einer Vielzahl Batteriemodellspannungen Vvec durch mehrfaches Wiederholen der Schritte S1 und S2, wobei das SPM in Schritt S1 bei jedem Wiederholen mit unterschiedlichen Wertepaaren Ri, ωί aus den vorgegebenen Mengen der Batterieinnenwiderstände Rvec und Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec parametrisiert wird;
S4: Auswählen eines Wertepaares Ropt, wopt aus den Mengen der Batterieinnenwiderstände Rvec und Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec anhand des Ergebnisses eines Vergleichs einer gemessenen Batteriespannung Vmeas mit der Menge Batteriemodellspannungen Vvec;

Das SPM ist ein vereinfachtes elektrochemisches Modell, welches auf partiellen Differentialgleichungen basiert und elektrochemische Zellen mittels zweier Elektrodenpartikel beschreibt. Der Einsatz des SPM in Batteriemanagement-Algorithmen ist beispielsweise aus den Schriften DOI 10.1109/MCS.2010.936293. - ISSN 0272-1708 und DOI 10.1115/1.4024801. - ISSN 0022-043 bekannt.
Dadurch, dass das Wertepaar Batteriemodellparameter Ropt, wopt zum Parametrisieren des SPMs anhand des Ergebnisses eines Vergleichs einer gemessenen Batteriespannung Vmeas mit der Menge Batteriemodellspannungen Vvec ausgewählt wird, kann im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Batteriemodellen mit gleicher oder höherer Batteriemodellparameteranzahl, wie beispielsweise ersatzschaltbildbasierten (ESB) Modellen, ein Rechenaufwand und/oder eine Bestimmungszeit bei einer Batteriemodellparameterbestimmung reduziert und/oder eine Batteriemodellgenauigkeit erhöht werden.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt
S5: Überprüfen einer Qualität des ausgewählten Wertepaares Ropt, wopt in einem vorgegebenen Prüfzeitraum T anhand des Ergebnisses eines Vergleichs einer im Prüfzeitraum T gemessenen Spannung Vmeas(t) mit einer Batteriemodellspannung Vopt(t), welche anhand des mit dem Wertepaar Ropt, ωopt parametrisierten SPMs und eines im Prüfzeitraum T gemessenen Stroms Imeas(t) bestimmt wird;
Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Genauigkeit des mit dem Wertepaar Ropt, ωopt parametrisierten SPMs einer vorgegebenen Mindestanforderung entspricht.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt, veranlasst, wenn es von einer Recheneinheit ausgeführt wird, die Recheneinheit dazu, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Batteriemanagementsystem umfasst eine Recheneinheit, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt auszuführen und einen Batteriezustand mittels eines mit den Batteriemodellparametern Ropt, wopt parametrisierten Batteriemodells zu bestimmen.
Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

1 ein Fahrzeug, umfassend ein Batteriemanagementsystem,
2 ein als Fließbild dargestelltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Batteriemodellparametern Ropt, wopt für ein Single-Particle-Batteriemodell (Single Particle Model, SPM) und
3 eine Schrittabfolge des in 2 dargestellten Verfahrens.

Das in 1 dargestellte Fahrzeug 6 ist ein zumindest teilweise elektrifiziertes Fahrzeug mit einer Traktionsbatterie 7 und einem Batteriemanagementsystem 5. Das Batteriemanagementsystem 5 umfasst eine Recheneinheit 4, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, durch Ausführung eines Computerprogrammproduktes Batteriemodellparameter Ropt, ωopt eines Single-Particle-Batteriemodells (Single Particle Model, SPM 1) anhand des in den 2 und 3 gezeigten Verfahrens zu bestimmen. Ferner ist die Recheneinheit 4 dazu ausgebildet und eingerichtet, das SPM 1 mit den Batteriemodellparametern Ropt, ωopt zu parametrisieren und einen Batteriezustand mittels des parametrisierten SPMs 1 zu bestimmen.
Das in den 2 und 3 gezeigten Verfahren zum Bestimmen von Batteriemodellparametern Ropt, ωopt umfasst 5 Schritte.
In einem ersten Schritt des Verfahrens S1 parametrisiert die Recheneinheit 4 das SPM 1 mit einem Wertepaar eines Batterieinnenwiderstands Ri und einer Batteriemodellkreisfrequenz ωί, wobei der Batterieinnenwiderstand Ri aus einer vorgegebenen Menge Batterieinnenwiderstände Rvec selektiert wird und wobei die Batteriemodellkreisfrequenz ωί aus einer vorgegebenen Menge Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec selektiert wird.
In einem initialen Betriebszyklus erfolgt das Selektieren des Wertepaares Ri, ωί dabei anhand eines Ergebnisses eines Vergleichs der vorgegebenen Mengen Rvec, ωvec mit Batteriemodellparametern Rini, wini mit einem vorab festgelegten Index. Die in einem vorhergehenden Betriebszyklus bestimmten Batteriemodellparameter Ropt_-1, ωopt_-1 ersetzen im darauffolgenden Betriebszyklus die Batteriemodellparameter Rini, ωini als Vergleichsbasis. Im Ausführungsbeispiel sind Rvec und wvec dabei durch die Recheneinheit 4 anhand einer gemessenen Batterietemperatur aus gespeicherten Batteriekennfeldern 8 selektierte Wertemengen.
In einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens bestimmt die Recheneinheit 4 eine Batteriemodellspannung Vi mittels des parametrisierten SPMs 1 und eines gemessenen Batteriestroms Imeas.
In einem dritten Schritt S3 des Verfahrens bestimmt die Recheneinheit 4 eine Vielzahl Batteriemodellspannungen Vvec durch mehrfaches Wiederholen der Schritte S1 und S2, wobei das SPM 1 in Schritt S1 bei jedem Wiederholen mit unterschiedlichen Wertepaaren Ri, ωί aus den vorgegebenen Mengen der Batterieinnenwiderstände Rvec und Batteriemodellkreisfrequenzen wvec parametrisiert wird.
In Schritt S4 wählt die Recheneinheit 4 ein Wertepaar Ropt, wopt aus den Mengen der Batterieinnenwiderstände Rvec und Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec anhand des Ergebnisses eines Vergleichs 2 einer gemessenen Batteriespannung Vmeas mit der Menge Batteriemodellspannungen Vvec aus. Im Ausführungsbeispiel wendet die Recheneinheit 4 dazu ein Auswahlkriterium an, wonach ein Wert Vopt aus der Menge Vvec ausgewählt wird, bei welchem eine über einen betrachteten Zeitraum aufsummierte Abweichung ΔV² von der gemessenen Batteriespannung Vmeas minimal ist. Die Auswahl des Wertepaares Ropt, ωopt anhand des Ergebnisses des Vergleichs 2 von Vmeas mit Vvec führt dabei, verglichen mit ersatzschaltbildbasierten (ESB) Modellen, zu einer Verringerung eines Rechenaufwandes bei gleicher Batteriemodellgenauigkeit.
In einem fünften Schritt S5 des Verfahrens überprüft 3 die Recheneinheit 4 eine Qualität des ausgewählten Wertepaares Ropt, ωopt in einem vorgegebenen Prüfzeitraum T. Dazu vergleicht die Recheneinheit 4 eine in einem Prüfzeitraum T gemessene Spannung Vmeas(t) mit einer Batteriemodellspannung Vopt(t), welche anhand des mit dem Wertepaar Ropt, wopt parametrisierten SPMs 1 anhand eines im Prüfzeitraum T gemessenen Stroms Imeas(t) bestimmt wird. Im Ausführungsbeispiel wird durch das Überprüfen 3 der Qualität sichergestellt, dass eine Batteriemodellgenauigkeit höher ist als eine vorgegebene Mindestgenauigkeit. Falls der Vergleich zu dem Ergebnis führt, dass die Mindestgenauigkeit nicht eigehalten wird, wiederholt die Recheneinheit 4 die Verfahrensschritte S1 bis S5, um ein neues Wertepaar Ropt, ωopt zu bestimmen.
Im Ausführungsbeispiel wird das oben beschriebene Verfahren von der Recheneinheit 4 in Echtzeit ausgeführt. Dabei wird unter „Echtzeit“ verstanden, dass die Verfahrensschritte S1 bis S4 parallel zu einem Betrieb der Batterie so durchgeführt werden, dass Batteriefunktionen anhand von mittels des parametrisierten SPMs 1 bestimmten Batterieparametern steuerbar sind. Im Ausführungsbeispiel ruft die Recheneinheit 4 dazu das Computerprogrammprodukt mit einer Aufrufzeit von 10 ms auf. Die Echtzeitausführbarkeit des Verfahrens wird dabei durch eine hohe Rechenleistung der Recheneinheit 4 sowie einer im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Batteriemodellen geringen Anzahl an im Verfahren zu berücksichtigenden Batteriemodellparametern ermöglicht.
Die Ausführung des in den 2 und 3 beschriebenen Verfahrens durch die Recheneinheit 4 wird dabei durch ein von der Recheneinheit 4 ausgeführtes Computerprogrammprodukt veranlasst, welches dazu ausgebildet und eingerichtet ist, die Recheneinheit 4 zu veranlassen, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 3045218 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Batteriemodellparametern Ropt, ωopt für ein Single-Particle-Batteriemodell (Single Particle Model, SPM (1)), umfassend die Schritte: S1: Parametrisieren eines SPM (1) mit einem Wertepaar eines Batterieinnenwiderstands Ri und einer Batteriemodellkreisfrequenz wi, wobei der Batterieinnenwiderstand Ri aus einer vorgegebenen Menge Batterieinnenwiderstände Rvec selektiert wird und wobei die Batteriemodellkreisfrequenz ωί aus einer vorgegebenen Menge Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec selektiert wird; S2: Bestimmen einer Batteriemodellspannung Vi mittels des parametrisierten SPMs (1) und eines gemessenen Batteriestroms Imeas; S3: Bestimmen einer Vielzahl Batteriemodellspannungen Vvec durch mehrfaches Wiederholen der Schritte S1 und S2, wobei das SPM (1) in Schritt S1 bei jedem Wiederholen mit unterschiedlichen Wertepaaren Ri, wi aus den vorgegebenen Mengen der Batterieinnenwiderstände Rvec und Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec parametrisiert wird; S4: Auswählen (2) eines Wertepaares Ropt, ωopt aus den Mengen der Batterieinnenwiderstände Rvec und Batteriemodellkreisfrequenzen ωvec anhand des Ergebnisses eines Vergleichs einer gemessenen Batteriespannung Vmeas mit der Menge Batteriemodellspannungen Vvec.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: S5: Überprüfen (3) einer Qualität des ausgewählten Wertepaares Ropt, wopt in einem vorgegebenen Prüfzeitraum T anhand des Ergebnisses eines Vergleichs einer im Prüfzeitraum T gemessenen Spannung Vmeas(t) mit einer Batteriemodellspannung Vopt(t), welche anhand des mit dem Wertepaar Ropt, ωopt parametrisierten SPMs (1) und eines im Prüfzeitraum T gemessenen Stroms Imeas(t) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Wertepaar Ri, wi in Schritt S 1 aus den vorgegebenen Mengen Rvec, wvec anhand eines Ergebnisses eines Vergleichs der vorgegebenen Mengen Rvec, wvec mit zuletzt bestimmten Batteriemodellparametern Ropt_-1, ωopt_-1 und/oder initial festgelegten Batteriemodellparameter Rini, ωini selektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte S1 bis S4 in Echtzeit ausführbar sind.
Computerprogrammprodukt, das, wenn es von einer Recheneinheit (4) ausgeführt wird, die Recheneinheit (4) dazu veranlasst, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-4 durchzuführen.
Batteriemanagementsystem (5), umfassend eine Recheneinheit (4), die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 5 auszuführen und einen Batteriezustand mittels eines mit den Batteriemodellparametern Ropt, ωopt parametrisierten Batteriemodells (1) zu bestimmen.