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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft netzunabhängig betriebene elektrische Geräte mit Gerätebatterien, insbesondere elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, insbesondere Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, und weiterhin Maßnahmen zur Bestimmung eines aktuellen oder prädizierten Alterungszustands (SOH: State of Health) der Gerätebatterie.
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Technischer Hintergrund
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Die Energieversorgung von netzunabhängig betriebenen elektrischen Geräten und Maschinen, wie z. B. elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, erfolgt mithilfe von Gerätebatterien bzw. Fahrzeugbatterien. Diese liefern elektrische Energie zum Betrieb der Geräte.
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Gerätebatterien degradieren über ihre Lebensdauer und abhängig von deren Belastung bzw. Nutzung. Diese sogenannte Alterung führt zu einer kontinuierlich abnehmenden maximalen Leistungs- bzw. Speicherkapazität. Der Alterungszustand entspricht einem Maß zur Angabe der Alterung von Gerätebatterien. Gemäß der Konvention weist eine neue Gerätebatterie einen Alterungszustand in Bezug auf seine verfügbare Kapazität von 100 % auf, der im Laufe seiner Lebensdauer zusehends abnimmt. Ein Maß der Alterung der Gerätebatterie (zeitliche Änderung des Alterungszustands) hängt von einer individuellen Belastung der Gerätebatterie, d. h. bei Fahrzeugbatterien von Kraftfahrzeugen vom Nutzungsverhalten eines Fahrers, externen Umgebungsbedingungen und vom Fahrzeugbatterietyp ab.
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Zwar kann mithilfe eines physikalischen Alterungszustandsmodells der momentane Alterungszustand der Gerätebatterie basierend auf historischen Betriebsgrößenverläufen bestimmt werden, jedoch ist dieses Modell in bestimmten Situationen ungenau. Diese Ungenauigkeit des herkömmlichen Alterungszustandsmodells erschwert eine genaue Zustandsbestimmung sowie die Prädiktion des Alterungszustandsverlaufs. Jedoch ist die Prädiktion des Verlaufs des Alterungszustands der Gerätebatterien eine wichtige technische Größe, da mit ihr eine Bestimmung der Restlebensdauer und eine wirtschaftliche Bewertung eines Restwerts der Gerätebatterie möglich ist. Weiterhin ist die Prädiktion des Alterungszustands von Mehrwert, um vorausschauende Wartungsintervalle zu planen und durchzuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Bestimmen eines Alterungszustands einer Gerätebatterie in einem batteriebetriebenen Gerät, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein batteriebetriebenes Gerät gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines Alterungszustands einer Gerätebatterie eines batteriebetriebenen Geräts vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Erfassen von Verläufen von Betriebsgrößen der Gerätebatterie und Bereitstellen mindestens eines Belastungsfaktors der Gerätebatterie zu einem Bestimmungszeitpunkt;
- - Bereitstellen eines Korrekturmodells, das eine Korrekturgröße abhängig von dem mindestens einen Belastungsfaktor abbildet;
- - Ermitteln eines Alterungszustands durch Auswerten der Verläufe der Betriebsgrößen mithilfe eines Alterungszustandsmodells oder eines Alterungszustandsbeobachters oder einer Alterungszustandsmessung und abhängig von der Korrekturgröße, die sich aus dem mindestens einen Belastungsfaktor der Gerätebatterie des batteriebetriebenen Geräts zu dem Bestimmungszeitpunkt ergibt.
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Weiterhin kann das Korrekturmodell durch Auswerten von Betriebsgrößen und den jeweiligen mindestens einen Belastungsfaktoren einer Vielzahl von Gerätebatterien erstellt werden, mit den Schritten:
- - Erfassen von Verläufen von Betriebsgrößen der Vielzahl von Gerätebatterien und mindestens eines jeweils zugeordneten Belastungsfaktors zu einem jeweiligen Bestimmungszeitpunkt;
- - Auswerten der Betriebsgrößen der Vielzahl von Gerätebatterien innerhalb eines Auswertungszeitraums, um zu den jeweiligen Bestimmungszeitpunkten jeweils den modellierten Alterungszustand der betreffenden Gerätebatterie zu ermitteln;
- - Ermitteln einer Alterungszustandsfunktion eines geglätteten Verlaufs des Alterungszustands innerhalb des Auswertungszeitraums für alle Alterungszustände der Vielzahl von Gerätebatterien über deren kalendarischem Alter, die sich aus dem jeweiligen Bestimmungszeitpunkt ergeben;
- - Bestimmen von Residuen der Alterungszustände aller Gerätebatterien für jeden Bestimmungszeitpunkt als Unterschied des modellierten Alterungszustands und dem Funktionswert der Alterungzustandsfunktion zu dem dem modellierten Alterungszustand zugeordneten kalendarischen Alter;
- - für die Vielzahl von Gerätebatterien, Bereitstellen von Residuendaten, die Residuen zu dem entsprechend zugrundeliegenden modellierten Alterungszustand zugeordneten mindestens einen Belastungsfaktor zuordnen;
- - Erstellen des Korrekturmodells basierend auf den Residuendaten, das eine von den Residuen abhängige oder eine dieser entsprechenden Korrekturgröße abhängig von dem mindestens einen Belastungsfaktor abbildet.
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Der Alterungszustand einer Gerätebatterie wird üblicherweise nicht direkt gemessen. Dies würde eine Reihe von Sensoren in Inneren der Gerätebatterie erfordern, die die Herstellung einer solchen Gerätebatterie kostenintensiv sowie aufwendig machen und den Raumbedarf vergrößern würden. Zudem sind alltagstaugliche Messverfahren zur direkten Alterungszustandsbestimmung in den Gerätebatterien noch nicht auf dem Markt verfügbar.
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Der Alterungszustand (SOH: State of Health) ist bei Gerätebatterien die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden Batteriekapazität oder verbleibenden proportionalen Reichweite bei voller Batterieladung. Der Alterungszustand stellt ein Maß für die Alterung der Gerätebatterie dar. Im Falle einer Gerätebatterie oder eines Batterie-Moduls oder einer Batterie-Zelle kann der Alterungszustand als Kapazitätserhaltungsrate (Capacity Retention Rate, SOH-C) angegeben werden. Die Kapazitätserhaltungsrate SOH-C ist als Verhältnis der gemessenen momentanen Kapazität zu einer Anfangskapazität der vollständig aufgeladenen Batterie angegeben. Alternativ kann der Alterungszustand als Anstieg des Innenwiderstands (SOH-R) bezüglich eines Innenwiderstands zu einem Lebensdauerbeginn der Gerätebatterie angegeben werden. Die relative Änderung des Innenwiderstands SOH-R steigt mit zunehmender Alterung der Batterie an.
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Bei unbekannten Batterietypen von Gerätebatterien in batteriebetriebenen Maschinen kann u. U. außerhalb des Batteriesteuergeräts keine Angabe zum Alterungszustands der jeweiligen Gerätebatterie ermittelt bzw. bereitgestellt werden. Lediglich Betriebsgrößen wie Batteriespannung, Batteriestrom, Batterietemperatur und/oder Ladezustand sind in diesen Fällen auslesbar.
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Jedoch werden die Betriebsgrößen erheblich von mindestens einem Belastungsfaktor, wie einer oder mehrere Batteriezustände und/oder eine oder mehrere Umgebungsbedingungen, beeinflusst, insbesondere die Umgebungstemperatur beeinflusst sowohl die Modellierung des Ladezustands als auch die Gesamtladungskapazität der Gerätebatterie. Dadurch wird die auf eine Auswertung von Betriebszuständen der Gerätebatterie basierende Bestimmung des Alterungszustands, sowohl des SOH-C als auch des SOH-R, erheblich beeinflusst.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Alterungszustand als kapazitätsbezogener Alterungszustand (SOH-C) oder als widerstandsänderungsbezogener Alterungszustand (SOH-R) bereitgestellt wird, wobei das Alterungszustandsmodell ausgebildet ist, um den kapazitätsbezogenen Alterungszustand durch Auswerten eines Batteriestroms während einer Ladephase der Gerätebatterien zu ermitteln, insbesondere mithilfe eines Coulomb-Counting-Verfahrens, oder den widerstandsänderungsbezogenen Alterungszustand durch Auswerten eines Spannungsgradienten bei einem Lastsprung zu ermitteln, der größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Alternativ kann der Alterungszustand auch durch einen Alterungszustandsbeobachter oder einer sonstigen Alterungszustandsmessung bestimmt werden.
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Abhängig von den Betriebsgrößen, die mindestens eine der Größen des Batteriestroms, der Batteriespannung, der Batterietemperatur, des Ladezustands umfassen, kann der jeweilige Alterungszustand einer Gerätebatterie durch Beobachten des Batterieverhaltens während bestimmten Betriebssituationen, wie z. B. eines Lastsprungs, eines Lade- oder Entladevorgangs, bestimmt werden. Diese Verfahren sind jedoch für sich genommen ungenau und für eine Abschätzung einer Restlebensdauer nicht geeignet. Selbst bei Batterien bekannten Batterietyps können auf diese Weise Genauigkeiten von 3-5 % nicht in sämtlichen Betriebs-Modi garantiert werden, da diese im Wesentlichen vom nutzungsbedingten Betriebsprofil, wie beispielsweise dem ausgewerteten Hub des Ladezustands, einem durchschnittlichen Temperaturbereich des Batteriebetriebs und dergleichen, abhängig sind.
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Das obige Verfahren sieht vor, den Alterungszustand vorzugsweise mithilfe eines sogenannten Basismodells zu ermitteln und eine oder mehrere Belastungsgrößen, die systematische Umgebungseinflüsse oder Betriebsarteneinflüsse angeben, durch Auswertung von Betriebsgrößen einer Vielzahl von Gerätebatterien zu erlernen und herauszurechnen.
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Der mindestens eine Belastungsfaktor kann einen oder mehrere Batteriezustände und/oder eine oder mehrere Umgebungsbedingungen und insbesondere eine oder mehrere der folgenden Größen umfassen:
- - Eine Umgebungstemperatur für den Zeitpunkt der Bestimmung des betreffenden Alterungszustands;
- - eine Batterie-Temperatur für mindestens einen Zeitpunkt oder einer mittleren Batterie-Temperatur während der Bestimmung des betreffenden Alterungszustands;
- - ein Start-Ladezustand und/oder ein End-Ladezustand bei Bestimmung des Alterungszustands während eines Ladevorgangs;
- - eine Angabe zu einer Nichtlinearität der Strom- bzw. Ladezustands-Kurve während der Bestimmung des betreffenden Alterungszustands bzw. eine abschnittsweise Angabe der Relation eines Ladezustandshubs zu einem Amperestundendurchsatz (dSoC/dAh) während eines Ladevorgangs;
- - eine oder mehrere Leerlauf-Klemmenspannungen, speziell im relaxierten Zustand nach einer hinreichend langen Ruhephase bei einer bzw. mehreren vorbestimmten Temperaturen;
- - eine Batterietemperatur bei einer vorbestimmten Leerlauf-Klemmenspannung im relaxierten Zustand nach einer hinreichend langen Ruhephase;
- - der Alterungszustand der Batterie; und
- - ein oder mehrere elektrochemische Zustandsparameter der Batterie-Zellen der Batterie.
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Das Basismodell kann anstelle oder ergänzend zu einem Modell ein direktes oder indirektes Messverfahren umfassen. Weiterhin sieht das Verfahren vor, eine globale Korrektur-Funktion auf Basis von Schwarmintelligenz aller Flottenteilnehmer zu erlernen, sodass systematische Einflüsse auf eine indirekte Messung eines Alterungszustands, einer Auswertung eines Alterungszustandsmodells oder eines Beobachters für den Alterungszustand erlernt werden können, um einen so ermittelten Alterungszustand in einem nächsten Schritt entsprechend zu korrigieren.
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Das Basismodell für die Bestimmung eines kapazitätsbezogenen Alterungszustands (SOH-C) nutzt die Verläufe der Betriebsgrößen, um eine Lade- oder Entladephase der Batterienutzung zu erkennen. Vorzugsweise wird eine SOH-C-Messung durch Coulomb-Counting bzw. durch Bildung eines zeitlichen Stromintegrals während des Ladevorgangs vorgenommen, welches durch den Hub des Ladezustands zwischen Beginn und Ende der betreffenden Lade- und/oder Entladephase dividiert wird. Vorteilhafterweise erfolgt hierbei die Kalibrierung an der Leerlaufspannungskennlinie in Ruhephasen, um den Ladezustandsverlauf in der Zentraleinheit mitzuberechnen. Die dadurch erfasste maximale Ladung kann zu einer initialen maximalen Ladekapazität der Fahrzeugbatterie in Beziehung gesetzt werden. Das Verhältnis entspricht dem kapazitätsbezogenen Alterungszustand SOH-C. Üblicherweise ist der kapazitätsbezogene Alterungszustand SOHC bei einer definierten Temperatur, z.B. in Entladerichtung bei spezifizierten Umgebungs- und Lastbedingungen definiert.
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Das Basismodell für die Bestimmung eines widerstandsänderungsbezogenen Alterungszustands (SOH-R-Werte) sieht vor, eine Spannungsänderung bezogen auf eine Stromänderung bei einem Lastsprung auszuwerten und zu einem Normwert in Beziehung zu setzen, um den widerstandänderungsbezogenen Alterungszustand SOH-R zu erhalten.
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Das obige Verfahren sieht vor, ein geräteübergreifendes Korrekturmodell zu erstellen, das systematische Beobachtungseinflüsse in den Betriebsgrößen erkennt und modellbasiert eine Korrekturgröße zur Korrektur eines mithilfe eines in geeigneter Weise ermittelten Alterungszustands bereitzustellen. Hierdurch wird die Genauigkeit der Berechnung des Alterungszustands insbesondere durch jedwedes Modell erhöht und die Sensitivität gegenüber sich ändernden Umgebungsbedingungen, wie z. B. einem Temperatursturz der Umgebungstemperatur, geändertem Ladeprofil und dergleichen, reduziert.
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Zunächst werden mithilfe des Basismodells fahrzeugindividuell ein oder mehrere Alterungszustände innerhalb eines vorgegebenen Auswertungszeitraums, wie beispielsweise zwei Wochen, ein Monat, zwei Monate oder dergleichen, bestimmt. Der Alterungszustand kann als kapazitätsabhängiger Alterungszustand SOH-C und/oder als widerstandsänderungsbezogener Alterungszustand SOH-R bestimmt werden. Die Ermittlung des Alterungszustands erfolgt basierend auf der Auswertung von Betriebsgrößenverläufen, die bezüglich eines Ladevorgangs zur Ermittlung des SOH-C bzw. bezüglich eines hinreichend prägnanten Stromgradienten zur Ermittlung eines SOH-R überprüft werde.
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Dem jeweils ermittelten Alterungszustand (SOH-C und SOH-R werden separat betrachtet) werden ein oder mehrere Belastungsfaktoren, die sich beispielsweise aus Betriebsarten der Gerätebatterie, wie z. B. einem Verlauf der Batterietemperatur, einem für eine modellbasierte Alterungszustandsermittlung ausgewertetem Ladezustandshub und dergleichen ergeben, und/oder ein oder mehrere Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise eine durchschnittliche Umgebungstemperatur während des Ladens und dergleichen, zugeordnet. Ein Belastungsfaktor gibt allgemein eine aggregierte Größe an, die von mindestens einem Umgebungszustand und/oder mindestens einer Betriebsart abhängt und Einfluss auf den zu einem bestimmten kalendarischen Alter der entsprechenden Gerätbatterie bestimmten Alterungszustand hat. Die aggregierte Größe kann über die gesamte Betriebszeit der jeweiligen Gerätebatterie oder für den Bestimmungszeitpunkt des Alterungszustands der jeweiligen Gerätebatterie angegeben werden.
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Nachfolgend werden die bestimmten Alterungszustände geräteindividuell an eine nicht parametrische oder parametrische Alterungszustandsfunktion (lineare Funktion oder polynomiale Funktion) gefittet oder alternativ über ein hinreichend träges Filter geglättet, um einen geglätteten Verlauf des Alterungszustands über das kalendarische Alter innerhalb des Auswertungszeitraums zu ermitteln. Daraus können weiterhin bezüglich der ermittelten Alterungszustände Residuen als jeweilige Abweichung zur bestimmten parametrisierten oder trainierten Alterungszustandsfunktion bei einem bei dem jeweils betrachteten Alterungszustand vorliegenden kalendarischen Alter bestimmt werden. Zusätzlich können Alterungszustände aus Feldmessungen mit anderen Alterungszustandsmodellen mitberücksichtigt werden.
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Insbesondere kann die Alterungszustandsfunktion einer linearen Funktion mit einer Steigung von 0 oder von unter 0 oder vorzugsweise einem mithilfe eines Tiefpassfilters oder gleitenden Mittelwerts geglätteten Verlauf der Alterungszustände über den Auswertungszeitraum entsprechen.
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Die Auswertung zur Bestimmung des Korrekturmodells erfolgt über einem unmittelbar zurückliegenden Auswertungszeitraum, in welchem über Domänenwissen geschlussfolgert werden kann, dass innerhalb dieses Zeitraums von z. B. 1-2 Monaten keine signifikante Alterung stattgefunden hat, wie beispielsweise eine Alterungszustandsdifferenz von weniger als ein Schwellenwert von z. B. 0,5 %. Dadurch kann die geglättete Alterungszustandsfunktion über eine einfache Mittelwertbildung oder anhand einer einfachen linearen Modellfunktion erstellt werden. Alternativ kann die geglättete Funktion durch ein hinreichend träges Tiefpassfilter unter Ausnutzung von Saisonalitätseffekten erfolgen. Das Residuum kann bestimmt werden, indem die Differenz zwischen geglättetem Alterungsverlauf und den direkten Beobachtungen des Basismodell durch Subtraktion ermittelt werden.
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Die für den aktuellen Auswertungszeitraum ermittelten Residuen sind jeweils dem mindestens einen Belastungsfaktor der entsprechenden Gerätebatterie, d. h. dem einen oder den mehreren Batteriezuständen und/oder dem einen oder den mehreren Umgebungsbedingungen, zugeordnet.
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Die so ermittelten Residuen aller Gerätebatterien werden nun kombiniert und ein Korrekturmodell erstellt. Das Korrekturmodell kann einem mit den Residuendaten gefitteten parametrischen Modell oder einem mit den Residuendaten trainierten datenbasierten probabilistischen Regressionsmodell, insbesondere einem Gauß-Prozess-Modell oder einem Bayes`schen neuronalen Netz, entsprechen, um die Residuen über den mindestens einen Belastungsfaktor, d. h. den einen oder die mehreren der Batteriezustände oder die eine und/oder die mehreren der Umgebungsbedingungen, abzubilden. Das Korrekturmodell kann parametrisch als lineares Modell oder Polynomfunktionale ausgebildet sein oder als ein probabilistisches Regressionsmodell, wie beispielsweise ein Gauß-Prozess-Modell oder ein Bayes'sches neuronales Netz, welche zusätzlich eine Konfidenz der Abbildung bereitstellen können.
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Das Korrekturmodell bildet nun den einen oder die mehreren der Batteriezustände oder die eine und/oder die mehreren der Umgebungsbedingungen auf eine Korrekturgröße ab. Die Korrekturgröße dient zur insbesondere additiven Beaufschlagung des jeweiligen aus der Anwendung des Basismodells ermittelten Alterungszustands und kann nun zur Bestimmung des korrigierten Alterungszustands angewendet werden.
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Insbesondere kann bei Verwendung des probabilistischen Regressionsmodells als Korrekturmodell eine Konfidenz für die ermittelte Korrekturgröße bestimmt werden, wobei der Alterungszustand nur dann abhängig von der Korrekturgröße ermittelt wird, wenn die Konfidenz einen vorgegebenen Konfidenzschwellenwert überschreitet. Wird somit ein probabilistisches Regressionsmodell, wie ein Gauß-Prozess-Modell oder ein Bayes'sches neuronales Netz, für das Korrekturmodell verwendet, so kann vorgesehen sein, die Korrektur nur dann durchzuführen, wenn die Konfidenz der Modellauswertung hinreichend hoch ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Bereitstellen der Residuendaten und das Ermitteln des Korrekturmodells in einer gerätefernen Zentraleinheit durchgeführt wird, wobei insbesondere Modellparameter des Korrekturmodells an das Gerät zurück übermittelt werden und der Alterungszustand der Gerätebatterie in dem batteriebetriebenen Gerät bestimmt wird oder wobei der Alterungszustand der Gerätebatterie in der Zentraleinheit bestimmt wird.
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Weiterhin kann das Ermitteln der Alterungszustände mithilfe des Alterungszustandsmodells und/oder das Ermitteln der Alterungzustandsfunktion und/oder das Ermitteln der Residuen in dem Gerät oder in der Zentraleinheit durchgeführt werden.
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Die Auswertung der Residuen und das Korrekturmodell können in einer gerätefernen Zentraleinheit ermittelt werden, wobei das Korrekturmodell bzw. deren Modellparameter an die Vielzahl von Geräten zurückübermittelt wird, um für die darin befindliche Gerätebatterie eine Bestimmung des Alterungszustands basierend auf dem Basismodell und den erfassten Verläufen der Betriebsgrößen und dem Korrekturmodell vornehmen zu können.
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Weiterhin kann eine prädizierte Alterungszustandstrajektorie in Form eines geglätteten Verlaufs auf Basis der ermittelten Alterungszustände bestimmt werden, um eine Restlebensdauer bei Erreichen einer vorgegebenen Alterungszustandsschwelle zu bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren, insbesondere zur Ausführung in einer gerätefernen Zentraleinheit, zum Erstellen eines Korrekturmodells, insbesondere zur Verwendung in dem oben beschriebenen Verfahren, durch Auswerten von Betriebsgrößen und den jeweiligen mindestens einen Belastungsfaktoren einer Vielzahl von Gerätebatterien, vorgesehen, mit den Schritten:
- - Empfangen von Verläufen von Betriebsgrößen der Vielzahl von Gerätebatterien und einen jeweils zugeordneten mindestens einen Belastungsfaktor zu einem jeweiligen Bestimmungszeitpunkt;
- - Auswerten der Betriebsgrößen der Vielzahl von Gerätebatterien innerhalb eines Auswertungszeitraums, um zu den jeweiligen Bestimmungszeitpunkten jeweils einen modellierten Alterungszustand der betreffenden Gerätebatterie zu ermitteln;
- - Ermitteln einer Alterungszustandsfunktion eines geglätteten Verlaufs des Alterungszustands innerhalb des Auswertungszeitraums für alle Alterungszustände der Vielzahl von Gerätebatterien über deren kalendarischem Alter, die sich aus dem jeweiligen Bestimmungszeitpunkt ergeben;
- - Bestimmen von Residuen der Alterungszustände aller Gerätebatterien für jeden Bestimmungszeitpunkt als Unterschied des modellierten Alterungszustands und dem Funktionswert der Alterungzustandsfunktion zu dem dem modellierten Alterungszustand zugeordneten kalendarischen Alter;
- - für die Vielzahl von Gerätebatterien, Bereitstellen von Residuendaten, die Residuen zu dem entsprechend zugrundeliegenden modellierten Alterungszustand zugeordneten mindestens einen Belastungsfaktor zuordnen;
- - Erstellen des Korrekturmodells basierend auf den Residuendaten, das eine von den Residuen abhängige oder dieser entsprechenden Korrekturgröße abhängig von dem mindestens einen Belastungsfaktor abbildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Abhängigkeit des mindestens einen Belastungsfaktors von der Korrekturgröße durch einen Korrelationskoeffizienten oder durch Hypothesentest einer Normalverteilung bewertet und validiert wird, um die Qualität des Korrekturmodells zu bewerten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Durchführen eines der obigen Verfahren vorgesehen.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bereitstellung von fahrer- und fahrzeugindividuellen Betriebsgrößen bezüglich des Betriebs einer Fahrzeugbatterie von Fahrzeugen einer Fahrzeugflotte an eine Zentraleinheit;
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Ermittlung eines Alterungszustands für eine Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug unbekannten Batterietyps; und
- 3 eine Darstellung eines Korrekturmodells basierend auf den Residuen von Alterungszuständen aus den Fahrzeugen der Fahrzeugflotte.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Fahrzeugbatterien als Gerätebatterien in einem Kraftfahrzeug als batteriebetriebenes Gerät bzw. batteriebetriebene Maschine beschrieben. Dieses Beispiel steht stellvertretend für eine Vielzahl von stationären oder mobilen batteriebetriebenen Maschinen und Geräten mit netzunabhängiger Energieversorgung, wie beispielsweise Fahrzeuge (Elektrofahrzeuge, Pedelecs usw.), Anlagen, Werkzeugmaschinen, Haushaltsgeräte, IOT-Geräte, eine Gebäudeenergieversorgungen, Fluggeräte, insbesondere Drohnen, autonome Roboter und Geräte der Unterhaltungselektronik, insbesondere Mobiltelefone, und dergleichen, die über eine entsprechende Kommunikationsverbindung (z. B. LAN, Internet) mit einer Zentraleinheit (Cloud) in Verbindung stehen.
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1 zeigt ein System 1 zum Sammeln von Flottendaten in einer Zentraleinheit 2 zur Erstellung und zum Betrieb sowie zur Auswertung eines Alterungszustandsmodells, das als Referenz- oder Beobachtermodell ausgebildet ist. Das Referenz- oder Beobachtermodell dient zur Bestimmung eines Alterungszustandswerts der Fahrzeugbatterie in einem Kraftfahrzeug. Das Referenz- oder Beobachtermodell kann sowohl im Kraftfahrzeug 4 bzw. nahe des technischen (IOT-)Geräts ausgeführt werden oder alternativ in der Zentraleinheit 2.
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1 zeigt eine Fahrzeugflotte 3 mit mehreren Kraftfahrzeugen 4. In der Zentraleinheit 2 soll basierend auf den Flottendaten ein Korrekturmodell zur Ermittlung eines präzisen Alterungszustands für die Fahrzeugbatterien von Kraftfahrzeugen 4 der Fahrzeugflotte 3 bestimmt werden.
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Eines der Kraftfahrzeuge 4 ist in 1 detaillierter dargestellt. Die Kraftfahrzeuge 4 weisen jeweils eine Fahrzeugbatterie 41 als Gerätebatterie, 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 der Zentraleinheit 2 (einer sogenannten Cloud) zu übertragen. Die Steuereinheit 43 ist mit einer Sensoreinheit 45 verbunden, die einen oder mehrere Sensoren aufweist, um Betriebsgrößen kontinuierlich zu erfassen.
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Die Kraftfahrzeuge 4 können an die Zentraleinheit 2 die Betriebsgrößen F senden, die zumindest Größen angeben, von denen der Alterungszustand der Fahrzeugbatterie abhängt oder über welche dieser bestimmt werden kann. Die Betriebsgrößen F können im Falle einer Fahrzeugbatterie 41 einen momentanen Batteriestrom, eine momentane Batteriespannung, eine momentane Batterietemperatur und einen momentanen Ladezustand (SOC: State of Charge) angeben, sowohl auf Pack-, Modul- und / oder Zellebene. Die Betriebsgrößen F werden je nach Signaltyp in einem schnellen Zeitraster von 0,1 Hz bis 100 Hz erfasst und können in unkomprimierter und/oder komprimierter Form regelmäßig an die Zentraleinheit 2 übertragen werden. Beispielsweise können die Zeitreihen im Abstand von 10 Minuten bis mehreren Stunden blockweise an die Zentraleinheit 2 übertragen werden.
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Alternativ können entsprechend nachfolgend beschriebenen Verfahren auch abhängig von den Betriebsgrößenverläufen in den Steuergeräten Alterungszustände zu Bestimmungszeitpunkten in Verbindung mit einem oder mehreren Batteriezuständen und/oder einem oder mehreren Umgebungsbedingungen ermittelt werden. Diese Daten können dann an die Zentraleinheit anstelle oder zusätzlich zu den Betriebsgrößenverläufen übermittelt werden. Auch können Residuen und die Alterungsfunktion entsprechend nachfolgend beschriebenen Verfahren aus den Betriebsgrößenverläufen bestimmt werden und diese alternativ oder zusätzlich an die Zentraleinheit 2 übermittelt werden.
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Die Zentraleinheit 2 weist eine Datenverarbeitungseinheit 21, in der das nachfolgend beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann, und eine Datenbank 22 zum Speichern von Alterungszuständen der Fahrzeugbatterien 41 einer Vielzahl von Fahrzeugen 4 der Fahrzeugflotte 3 mit den jeweils zugehörigen Bestimmungszeitpunkten auf.
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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 Restkapazität (SOH-C) oder als Anstieg des Innenwiderstands (SOH-R) angegeben werden. Die Alterungszustand bezogen auf die Restkapazität (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.
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In der Zentraleinheit 2 soll ein Korrekturmodell bestimmt werden, das insbesondere ganz oder teilweise datenbasiert ist. Das Korrekturmodell wird basierend auf Auswertungen eines Alterungszustandsmodells, das fahrzeugindividuell ausgeführt wird, und anhand von Residuen bezüglich einer aus den ermittelten Alterungszuständen abgeleiteten Alterungsfunktion ermittelt, so dass den einzelnen Fahrzeugen jeweils das Korrekturmodell bereitgestellt werden kann, damit abhängig von einer oder mehreren Umgebungsbedingungen und/oder einem oder mehreren Batteriezuständen eine Korrekturgröße zum geräteintern ermittelten Alterungszustand bereitgestellt werden kann.
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In 2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Bereitstellen eines Alterungszustands in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Das Verfahren nutzt, wie oben beschrieben, Betriebsgrößenverläufe einer Vielzahl von Kraftfahrzeugen mit gleichartigen Fahrzeugbatterien 41 und eine Zentraleinheit 2 und stellt ein gemeinsames Korrekturmodell bereit.
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In Schritt S1 werden von den Fahrzeugen 4 der Fahrzeugflotte 3 kontinuierlich Betriebsgrößen F erfasst, die einen Batteriestrom, eine Batteriespannung, eine Batterietemperatur und einen Ladezustand umfassen können.
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Es erfolgt nun in Schritt S2 die Auswertung der erhaltenen Betriebsgrößenverläufe innerhalb eines Auswertungszeitraums von beispielsweise zwei Wochen, einem Monat, zwei Monaten oder dergleichen, um zu Bestimmungszeitpunkten innerhalb des Auswertungszeitraums jeweils einen Alterungszustand zu erhalten.
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Die Betriebsgrößen F können nun entsprechend dem Basismodell analysiert werden, um Ereignisse zu detektieren, die sich gemäß dem Basismodell zur Ermittlung eines Alterungszustands eignen. Das Basismodell kann modellbasiert ausgeführt sein und z.B. Beobachtungen auf Basis elektrochemischer Modelle umfassen, z.B. auf Basis von Equilibrium- und kinetischen Parametern, welche aus Ruhephasen oder dynamischen Lastphasen ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann das Basismodell direkte oder indirekte Messungen des Alterungszustands umfassen. In beiden Varianten kann eine Stromzählung als Instrument eingesetzt werden, welche Umgebungsbedingungen oder Lastbedingungen zugeordnet werden kann.
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Entsprechend dem oben beschriebenen Basismodell können beispielsweise basierend auf Coulomb Counting oder einer Auswertung eines Innenwiderstandsgradienten ein kapazitätsbezogener Alterungszustand SOH-C und/oder ein widerstandsbezogener Alterungszustand SOH-R in an sich bekannter Weise ermittelt werden. Die Ermittlung kann fahrzeugintern oder nach Übermittlung der Betriebsgrößen an die Zentraleinheit 2 in der Zentraleinheit 2 durchgeführt werden. Alternativ kann auch ein anderes Alterungszustandsmodell verwendet werden, um den Alterungszustand zu ermitteln. Weiterhin können auch mehrere Alterungszustandsmodelle verwendet werden, wobei die so ermittelten Alterungszustände bezüglich eines Bestimmungszeitpunkts fusioniert werden können. Alterungszustände können auch mithilfe eines Alterungszustandsbeobachters oder durch eine Alterungszustandsmessung erhalten werden.
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Mit dem Erfassen der Betriebsgrößenverläufe werden zu einem Bestimmungszeitpunkt, für den ein aktueller Alterungszustand ermittelt wird, ein oder mehrere Batteriezustände und/oder eine oder mehrere Umgebungsbedingungen als aggregierte Größe erfasst und dem entsprechenden Alterungszustand als einer oder mehrere Belastungsfaktoren zugeordnet. Der eine oder die mehreren Belastungsfaktoren geben allgemein eine Belastung an, der die jeweilige Fahrzeugbatterie über deren Betriebsdauer (Zeit seit Inbetriebnahme) oder zum Zeitpunkt der Ermittlung des jeweiligen Alterungszustands ausgesetzt war.
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Nachfolgend werden in S3 die Alterungszustände entsprechend dem durch die Bestimmungszeitpunkte angegebenen kalendarischen Alter (Zeit zwischen Inbetriebnahme der fabrikneuen Fahrzeugbatterie und dem Bestimmungszeitpunkt) an eine Alterungszustandsfunktion gefittet, die den Alterungszustand über dem kalendarischen Alter des Auswertungszeitraums abbildet. Das Erstellen der Alterungszustandsfunktion berücksichtigt Domänenwissen, dass innerhalb des Auswertungszeitraums keine signifikante Alterung erfolgt. Die Alterungszustandsfunktion kann daher eine Glättung mit einem hinreichend trägen Tiefpassfilter, ausgeführt z. B. als PT1- oder PT2-Glied oder alternativ mit einem gleitenden Mittelwert vorsehen.
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Hierbei wird das Tiefpassfilter so parametriert, dass die Zeitkonstante bzw. die Zeitkonstanten auf Basis von Batterie-Domänen plausibel sind und:
- - der Alterungszustand SOHC der Fahrzeugbatterie 41 eine monoton fallende Funktion ist
- - die Alterung in dem Auswertungszeitraum (z. B. 1-2 Monate) hinreichend klein, z. B. < 1 % SOHC ist.
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Alternativ zum Tiefpassfilter kann auch ein konstanter oder linearer Verlauf des Alterungszustands während eines hinreichend kurzen Auswertungszeitraums, z. B. 1-2 Monate, angenommen werden. Alternativ hierzu kann ein gleitender Mittelwert als Filter eingesetzt werden, sodass ein Rauschen der Basismodell-Beobachtungen hinreichend unterdrückt werden und sich ein geglätteter Alterungsverlauf einstellt.
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In Schritt S4 werden für jedes Fahrzeug 4 bzw. Fahrzeugbatterie 41 Residuen der Alterungszustände bezüglich der fahrzeugindividuell bestimmten Alterungszustandsfunktion ermittelt, so dass bezüglich jedes Bestimmungszeitpunkts eine Abweichung zwischen dem modellbasiert ermittelten Alterungszustand und dem durch die Alterungszustandsfunktion ermittelten Alterungszustand angegeben wird. Aufgrund der Zuordnung des mittels Basismodell oder in sonstiger Weise modellbasiert ermittelten Alterungszustands sind die Residuen auch dem dazu bestimmten/erfassten einen oder mehreren Batteriezuständen und/oder der einen oder den mehreren Umgebungsbedingungen zugeordnet. Diese Residuendaten können im individuellen Fahrzeug 4 erfasst und ermittelt werden oder nach vorheriger Übertragung an die Zentraleinheit 2 fahrzeugfern bestimmt werden.
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Als Belastungsfaktoren, d. h. als systematische Zustands- und Umgebungseinflüsse, kommen eine oder mehrere der folgenden Größen in Betracht:
- - Umgebungstemperatur für den Zeitpunkt der Bestimmung des betreffenden Alterungszustands;
- - Batterie-Temperatur für mindestens einen Zeitpunkt oder einer mittleren Batterie-Temperatur während der Bestimmung des betreffenden Alterungszustands;
- - Der Start-Ladezustand und der End-Ladezustand bei Bestimmung des Alterungszustands während eines Ladevorgangs;
- - Eine Angabe zu einer Nichtlinearität der Strom- bzw. Ladezustands-Kurve während der Bestimmung des betreffenden Alterungszustands bzw. eine abschnittsweise Angabe der Relation eines Ladezustandshubs zu dem Amperestundendurchsatz (dSoC/dAh) während eines Ladevorgangs;
- - eine oder mehrere Leerlauf-Klemmenspannungen, speziell im relaxierten Zustand nach einer hinreichend langen Ruhephase bei einer bzw. mehreren vorbestimmten Temperaturen;
- - eine Batterietemperatur bei einer vorbestimmten Leerlauf-Klemmenspannung im relaxierten Zustand nach einer hinreichend langen Ruhephase;
- - der Alterungszustand der Batterie;
- - ein oder mehrere elektrochemische Zustandsparameter der Batterie-Zellen der Batterie.
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Insbesondere kann eine globale nichtlineare Stromkurve dSoC/dAh = f(SoC) ermittelt werden. Der SOC kann hierbei einem SOC-Zustand des BMS entsprechen.
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Eine oder mehrere Belastungsfaktoren können Eingänge der Korrekturfunktion darstellen.
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Die Abhängigkeit der Alterungszustandsmessung bzw. der Auswertung mit dem Alterungszustandsmodells bzw. des Alterungszustands-Beobachters von den systematischen Zustands- und Umgebungseinflüssen kann durch einen Korrelationskoeffizienten oder durch Hypothesentest einer Normalverteilung bewertet werden.
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Die Residuendaten aller Fahrzeugbatterien 41 werden in Schritt S5 nun in der Zentraleinheit 2 zusammengeführt und insbesondere in Schritt S6 in einem Korrekturmodell gefittet. Das Korrekturmodell kann als ein parametrisches Modell, wie beispielsweise eine lineare Funktion oder eine Polynomialfunktionale, oder auch als ein probabilistisches Regressionsmodell, wie beispielsweise ein Gauß-Prozess-Modell oder ein Bayes'sches neuronales Netz, ausgebildet sein. Das Korrekturmodell wird im ersteren Fall an die verfügbaren Residuendaten angefittet, und im letzteren Fall wird das probabilistische Regressionsmodell entsprechend den verfügbaren Residuendaten trainiert. Hierzu dienen die Belastungsfaktoren, bzw. die systematischen Zustands- und Umgebungseinflüsse als Merkmale in einem mehrdimensionalen Regressionsproblem. Gegebenenfalls kann der Trainingszustand des probabilistischen Regressionsmodells mit einem Teil der so erfassten Residuendaten validiert werden, indem z.B. eine Unterteilung in Trainings-, Test- und Validierungsdaten erfolgt. Das Korrekturmodel bildet die eine oder die mehreren Belastungsfaktoren auf eine Korrekturgröße ab, die vorzugsweise als eine von dem einen oder von den mehreren Belastungsfaktoren abhängige Alterungszustandsdifferenz interpretiert werden kann. Diese wird dann additiv auf den batterieindividuell ermittelten Alterungszustand beaufschlagt
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In 3 ist beispielhaft ein solches Korrekturmodell mit den Residuendaten und einer durchschnittlichen Batterietemperatur als ein Batteriezustand aufgetragen. Die Punkte stellen die Residuen R aller Fahrzeugbatterien 41 dar, durch die das Korrekturmodell gefittet bzw. trainiert wird. Grundsätzlich kann das Korrekturmodell Abhängigkeiten von mehreren des einen oder der mehreren Batteriezustände und der einen oder der mehreren Umgebungsbedingungen umfassen. Auf diese Weise kann ein Korrekturmodell zur Korrektur der Ermittlung eines Alterungszustands für alle Fahrzeuge 4 der Fahrzeugflotte 41 bereitgestellt werden. Die Korrektur kann erfolgen, indem die Ausgabe des Korrekturmodells durch Addition auf die durch das Basismodell getätigte Beobachtung des Alterungszustands beaufschlagt wird.
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Die Modellparameter dieses Korrekturmodells können nun in Schritt S7 von der Zentraleinheit 2 an die Fahrzeuge übertragen werden, so dass bei der fahrzeuginternen Berechnung eines Alterungszustands in dem Fahrzeug in Schritt S8 eine Korrekturgröße abhängig von den entsprechenden Batteriezuständen und/oder Umgebungsbedingungen ermittelt werden kann.
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Die Wirksamkeit der Korrektur des im Fahrzeug ermittelten Alterungszustand mit dem Korrekturmodell kann durch einen Korrelationskoeffizienten oder durch Hypothesentest einer Normalverteilung bewertet werden.
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Hierbei ist das Ziel, das Korrekturmodell so zu erstellen, dass nach Korrektur keine systematische Abhängigkeit des korrigierten Alterungszustands von dem berücksichtigten einen oder mehreren Belastungsfaktoren mehr besteht, also z. B. ein Korrelationskoeffizient nach Pearson ~0 ist und/oder das Residuum normalverteilt und strukturlos ist. Eine diesbezügliche Auswertung findet hier über alle Fahrzeugbatterien statt und nutzt folglich die Schwarmintelligenz der gesamten Flotte aus.
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Der im Fahrzeug ermittelte Alterungszustand kann mit der Korrekturgröße beaufschlagt werden, um so einen korrigierten Alterungszustand zu ermitteln. Bei Verwendung eines probabilistischen Regressionsmodells kann zudem eine Konfidenz für die ermittelte Korrekturgröße ausgegeben werden. Vorteilhafterweise wird die Konfidenz kalibriert bzw. validiert, sodass beispielsweise das 90% Konfidenz-Intervall, z.B. repräsentativ 90% aller Batterieübergreifender Beobachtungen durch das Basismodell umfasst, siehe 3. Eine Korrektur des im Fahrzeug ermittelten Alterungszustands kann nun abhängig von der Konfidenz der Korrekturgröße erfolgen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass, wenn die Konfidenz kleiner ist als ein vorgegebener Konfidenzschwellenwert, die Korrektur des im Fahrzeug ermittelten Alterungszustands mit dem Korrekturmodell nicht durchgeführt wird.
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Ferner kann aus den korrigierten Alterungszuständen eine Prädiktion des Alterungszustands im Fahrzeug 4 ausgeführt werden, um dort beispielsweise eine Restlebensdauer angeben zu können.
