DE102022106132A1 - Elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit einer zentralen komponentenspezifischen Energieüberwachung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltspeicher, mit mindestens einer Elektromaschine, mit einer Leistungselektronik, mit einem DC/DC Wandler und mit einer elektronischen Auswerteeinheit für eine zentrale komponentenspezifische Energieüberwachung definierter Komponenten eines Niedervolt-Bordnetzes und/oder definierter Komponenten eines Hochvolt-Bordnetzes. Dabei ist die Auswerteeinheit derart ausgestaltet, dass darin für jede definierte Komponente eine spezifische Last-Signatur abgespeichert ist und dass ein außerhalb der definierten Komponenten mit einem ersten (einzigen) Mess-Sensor für das gesamte Niedervolt-Bordnetz und/oder mit einem zweiten (einzigen) Mess-Sensor für das gesamte Hochvolt-Bordnetz erfasstes Gesamtmess-Signal zur Erkennung der Last-Signaturen unter Anwendung der NILM-Technologie disaggregiert wird. Weiterhin wird das jeweilige Gesamtmess-Signal vor der Disaggregation durch ein definiertes Korrekturmodul von kraftfahrzeugspezifischen Elektro-Störgrößen bereinigt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit einer zentralen komponentenspezifischen Energieüberwachung. Eine komponentenspezifische Energieüberwachung ist beispielsweise in Form einer sogenannten nichtintrusiven Lastüberwachung (auch als NILM für „Non-Intrusive Load Monitoring“ abgekürzt) bekannt. Die nichtintrusive Lastüberwachung elektrischer Komponenten ist ein Prozess zur Analyse von Änderungen der Spannung und/oder des Stroms zur Ableitung der in einem energieverbrauchenden System verwendeten Komponenten hinsichtlich des System-Gesamtenergieverbrauchs und des individuellen Komponenten-Einzelenergieverbrauchs. Dieser Prozess wird insbesondere bei elektrischen Geräten von Haushalten angewendet und beinhaltet die Aufschlüsselung („Disaggregation“) des Gesamtenergieverbrauchs, gemessen an nur einer definierten zentralen Messstelle eines Systems, auf die Einzelenergieverbräuche der einzelnen Komponenten bzw. Geräte eines Systems.
• Die Kernidee der NILM-Technologie basiert auf der Annahme, dass jede elektrische Komponente ein individuelles Signal, eine Art „Last-Signatur“, im Energieverteilnetz hinterlässt. Diese Signale werden als aggregierter Gesamtenergieverbrauch erfasst. Mit bekannten Algorithmen zur Mustererkennung (sog. NILM-Algorithmen) und maschinellen Lernverfahren werden die individuellen Signale (im Folgenden als Last-Signatur bezeichnet) im Gesamtenergieverbrauch aufgeschlüsselt, also disaggregiert. Die eigentliche Erkennung der Komponenten erfolgt ereignis- oder zeitgesteuert.
• Im Ergebnis werden durch die Disaggregation detaillierte Erkenntnisse gewonnen, wie hoch der Energieverbrauch einzelner Komponenten ist und - gegebenenfalls - wie er sich über der Zeit ändert. So können Energieeffizienzpotenziale identifiziert und gerätespezifische Diagnosemaßnahmen definiert werden.
• Es ist Aufgabe der Erfindung, das Prinzip einer komponentenspezifischen Energieüberwachung von Haushaltsgeräten oder anderen Geräten öffentlicher Stromnetze auf elektrifizierte Kraftfahrzeuge zu übertragen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
• Die Erfindung betrifft ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltspeicher, mit mindestens einer Elektromaschine, mit einer Leistungselektronik, mit einem DC/DC Wandler und mit einer elektronischen Auswerteeinheit für eine zentrale komponentenspezifische Energieüberwachung definierter Komponenten eines Niedervolt-Bordnetzes und/oder definierter Komponenten eines Hochvolt-Bordnetzes. Dabei ist die Auswerteeinheit derart ausgestaltet, dass darin für jede definierte Komponente eine spezifische Last-Signatur abgespeichert ist und dass ein außerhalb der definierten Komponenten mit einem ersten (einzigen) Mess-Sensor für das gesamte Niedervolt-Bordnetz und/oder mit einem zweiten (einzigen) Mess-Sensor für das gesamte Hochvolt-Bordnetz erfasstes Gesamtmess-Signal zur Erkennung der Last-Signaturen unter Anwendung der NILM-Technologie disaggregiert wird. Weiterhin wird das jeweilige Gesamtmess-Signal vor der Disaggregation durch ein definiertes Korrekturmodul von kraftfahrzeugspezifischen Elektro-Störgrößen bereinigt.
• Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
• Non-Intrusive Load Monitoring (NILM) beschreibt ein Signalzerlegungsverfahren, welches basierend auf einer Beobachtung mehrere Signalwerte modelliert. Mathematisch handelt es sich um eine „Single Channel Source Separation“ Problem, welches stark unterbestimmt ist und wie folgt formuliert werden kann:
• Aggregation: $$X_{agg}=f\left(x_1,x_2,\dots ,x_N\right)={\displaystyle {\sum }_{n=1}^N{x}_n}$$
  
• Disaggregation: $$\left\{{\widehat{x}}_1,{\widehat{x}}_2,\dots {\widehat{x}}_N\right\}=f^{-1}\left(X_{agg}\right)$$
  
• Non-Intrusive Load Monitoring hat in den letzten 10 Jahren eine große Bedeutung im Bereich intelligenter Netze und auch für Schwerindustrie (Schifffahrt, Pumpenantriebe, etc.) Anwendung erlangt. Die Vorteile sind: Kosteneinsparungen durch eine Reduzierung der Anzahl der benötigten Sensoren und Leitungen, Messungen von Größen, die nicht über Sensorik zugänglich sind, Effizienzsteigerungen durch genaue Rückmeldung von Energieverbräuchen.
• Für Fahrzeugsystem wurde NILM bis jetzt nicht vorgestellt. Durch die fortschreitende Elektrifizierung und die Entstehung des „Wohnraums“ in Fahrzeugen wird die Applikation aber zunehmend interessant. Die Vorteile und Möglichkeiten ergeben sich wie folgt:
• - Kostenersparnisse durch Ersetzen von redundanter Sensorik (eine zentrale Messstelle mit zusätzlicher Berechnung)
• - Energieersparnisse durch Rückmeldung der Energieverbräuche an den Kunden (Klima, Heizung, Infotainment, etc.)
• - Ermittlung unzugänglicher Größen (Bürstenverschleiß einer stromgeregelten Elektroantriebsmaschine (SSM)) für prädiktive Wartungen
• Stand der Technik - Sensor, Leitung, Komponente
• In einem batterieelektrischen Fahrzeug wird die Energie von einem Hochvoltspeicher (HVS) auf ein Hochvoltbordnetz (kurz HV Bordnetz) und über einen DC/DC Wandler auf ein Niedervoltbordnetz (kurz NV Bordnetz) verteilt. Die Energieübertragung geschieht über Leitungen. Die Messung von Strömen und Spannungen auf diesen Leitungen wird durch eine Sensorik ermöglicht und hat zwei Gründe:
• - Funktionelle Notwendigkeit, z.B. Strommessung zur Drehmoment-Regelung
• - Kundeninformation, z.B. Ladezustand des HVS
• Aufgrund der funktionellen Sicherheit werden für bestimmte Funktionen häufig redundante Sensoren eingesetzt, um bei einem einfachen Fehler einen eingeschränkten Betrieb zu ermöglichen.
  Der redundante Sensor kann auch virtuell, z.B. als Berechnung, dargestellt werden.
• Technisches Problem:
• Die Messung von elektrischen Größen, insbesondere für sicherheitsrelevante Funktionen, ist kostenintensiv und aufwendig (manchmal zum Serienstand auch unmöglich, da Messstellen unzugänglich sind). Gemessene Größen werden jedoch benötigt, um zwei Funktionen abzudecken: Erstens Funktionen mit funktioneller Notwendigkeit und zweitens Informationen, die dem Kunden über das Infotainment angezeigt werden und das Fahrerlebnis steigern.
• Grundidee der Erfindung:
• Es wird der Einsatz von einem zentralen Sensor für ein HV Bordnetz mit definierten elektrischen Komponenten und/oder von einem zentralen Sensor für ein NV Bordnetz mit definierten elektrischen Komponenten in einem elektrifizierten Kraftfahrzeug vorgeschlagen, deren jeweiliges Sensorsignal als Gesamt-Energieverbrauch des HV-Bordnetzes und/oder NV-Bordnetzes mit entsprechender Berechnungsmethodik zum Erhalt von allen benötigten Einzel-Energieverbräuchen der definierten Komponenten disaggregiert werden. Somit wird das Grundprinzip der NILM-Technologie angewendet.
• Allerdings besteht im elektrifizierten Kraftfahrzeug durch den jeweiligen erforderlichen Ort der Sensoren das technische Problem von Verfälschungen der Messsignale durch statische und dynamische Störungen, wodurch erfindungsgemäß im Unterschied zum Stand der Technik vor einer Disaggregation eine Korrektur der Messsignale durch Korrekturmodule vorzunehmen sind, die sozusagen als „Invert-Filter“ diese Störungen wieder eliminieren.
• Beispielsweise resultieren statische Störungen bei einem zentralen Sensor zur Messung des Gesamtenergieverbrauchs eines NV Bordnetzes aus dem Verhalten des DC/DC Wandlers, der insbesondere durch seine Induktivitäten eine Filterwirkung ausübt; denn dieser Sensor befindet sich am Ausgang und in der Nähe des DC/DC Wandlers, also am „Eingang“ des NV Bordnetzes eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs.
• Beispielsweise resultieren dynamische Störungen bei einem zentralen Sensor zur Messung des Gesamtenergieverbrauchs eines HV Bordnetzes aus dem Verhalten der E-Maschinen, insbesondere abhängig von deren Betriebszuständen und dem Schaltverhalten der Leistungselektronik; denn dieser Sensor befindet sich am Ausgang des Hochvoltspeichers, also am „Eingang“ des HV Bordnetzes eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs.
• Die Vorteile der Erfindung ergeben sich wie folgt:
• - Kostenersparnisse durch Ersetzen von redundanter Sensorik (eine zentrale Messstelle mit zusätzlicher Berechnung)
• - Energieersparnisse durch Rückmeldung der Energieverbräuche an den Kunden (Klima, Heizung, Infotainment, etc.)
• - Ermittlung unzugänglicher Größen (Bürstenverschleiß SSM) für prädiktive Wartungen
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
• 1 einen schematischen Überblick über die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten, insbesondere auch eine entsprechende Auswerteeinheit eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs und
• 2 Implementierungsdetails der Auswerteeinheit.
• In 1 ist ein erfindungsgemäßes elektrifiziertes Kraftfahrzeug F mit einem Hochvoltspeicher HVS, mit einer ersten Elektromaschine K3 sowie mit einer zweiten Elektromaschine K4, mit einer Leistungselektronik LE, mit einem DC/DC Wandler W und mit einer elektronischen Auswerteeinheit A für eine zentrale komponentenspezifische Energieüberwachung definierter Komponenten K1 und K2 eines Niedervolt-Bordnetzes NV und definierter Komponenten K3 und K4 (hier in Form der Elektromaschinen) eines Hochvolt-Bordnetzes HV dargestellt.
• Die Auswerteeinheit A ist derart ausgestaltet, dass darin für jede definierte Komponente K1, K2, K3 und K4 eine spezifische Last-Signatur LS1, LS2, LS3 und LS4 abgespeichert ist und dass ein außerhalb der definierten Komponenten jeweils mit einem ersten Mess-Sensor S1 für das gesamte Niedervolt-Bordnetz NV und mit einem zweiten Mess-Sensor S2 für das gesamte Hochvolt-Bordnetz HV erfasstes Gesamtmess-Signal S_NV und S_HV zur Erkennung der Last-Signaturen LS1, LS2, LS3 und LS4 unter Anwendung der NILM-Technologie disaggregiert wird. Erfindungsgemäß wird dabei das jeweilige Gesamtmess-Signal S_NV und S_HV vor der Disaggregation durch je ein definiertes Korrekturmodul M1 und M2 von kraftfahrzeugspezifischen Elektro-Störgrößen bereinigt.
• Der erste Mess-Sensor S1 ist am Ausgang des DC/DC Wandlers W bzw. am „Eingang“ des Niedervolt-Bordnetzes NV angeordnet. Der zweite Mess-Sensor S2 ist am Ausgang des Hochvoltspeichers HVS angeordnet.
• Das Korrekturmodul M1 für das Gesamtmess-Signal S_NV des ersten Mess-Sensors S1 umfasst ein in der Auswerteeinheit A abgespeichertes inverses Verhalten des DC/DC Wandlers W. Denn dieses Verhalten wirkt als Elektro-Störgröße filternd auf die dadurch verfälschten gemessenen Last-Signaturen LS1' und LS2'.
• Das Korrekturmodul M2 für das Gesamtmess-Signal S_HV des zweiten Mess-Sensors S2 umfasst ein in der Auswerteeinheit A abgespeichertes inverses Verhalten der Leistungselektronik LE. Denn dieses Verhalten wirkt ebenso als Elektro-Störgröße - wenn auch in anderer Weise - filternd auf die dadurch verfälschten gemessenen Last-Signaturen LS3' und LS4'.
• Das Korrekturmodul M2 ist vorzugsweise vor der Disaggregation des Gesamtmess-Signals S_HV des zweiten Mess-Sensors S2 abhängig von aktuellen Betriebsgrößen der Elektromaschinen K3 und K4 und/oder vom Schaltzustand der Leistungselektronik LE variabel einstellbar.
• In einer Weiterbildung der Erfindung (in 2 dargestellt) gibt die Auswerteeinheit A auf einem ersten Display D1 basierend auf den disaggregierten Last-Signaturen LS1 und LS2 den Einzelenergieverbrauch V1 und V2 der Komponenten K1 und K2 aus. Der Verbrauch kann in Kreisen mit verbrauchsproportionalem Durchmesser anzeigbar sein. Somit wird die Erfindung als Verbrauchsinformation eingesetzt, um gegebenenfalls dem Fahrer Einsparpotenzial anzuzeigen.
• Zusätzlich oder alternativ kann die Auswerteeinheit A auf einem zweiten Display D2 Wartungsinformationen zu einer bestimmten Komponente - hier K3 - abhängig von der Veränderung ΔLS3 ihres Einzelenergieverbrauchs im Vergleich zu ihrer abgespeicherten Last-Signatur LS3 ausgeben. Somit wird die Erfindung als Diagnose eingesetzt, hier z. B. zur Erkennung von Bürstenverschleiß der stromerregten Elektromaschine K3.
• Zusammenfassend sollen also zwei zentrale Sensoren S1 und S2 vorgesehen werden:
• • S1 ist ein Strom/Spannungssensor am DC/DC Wandler des NV-Bordnetzes.
• • S2 ist ein Strom/Spannungssensor am HVS des HV-Bordnetzes.
• Die Signale der beiden Sensorpaare können genutzt werden, um die entsprechenden NV- und HV-Komponenten zu modellieren: $$\left\{p_{NV}^1,p_{NV}^2,\dots ,p_{NV}^M\right\}=f^{-1}\left(I_{NV},V_{NV}\right)$$

  

  $$\left\{p_{HV}^1,p_{HV}^2,\dots ,p_{HV}^M\right\}=f^{-1}\left(I_{HV},V_{HV}\right)$$

  
• Hierbei ist f ^-1(·) eine beliebige grundsätzlich bekannte Signalzerlegung, z.B. „Machine Learning“, „Pattern Matching“ oder „Single Channel Source Separation“. Die detaillierte Architektur der Zerlegung besteht aus den Teilen: „Preprocessing“, „Framing“, „Feature Extraktion“, Zerlegung und „Post-Processing“.
• Beispiele für mögliche Last-Signaturen:
• - LS1 (NV): Lastsignatur Klimaanlage (K1) => z.B. Rückmeldung zur Reduzierung des Energieverbrauchs
• - LS2 (NV): Lastsignatur Infotainment (K2) => z.B. Rückmeldung zur Reduzierung des Energieverbrauchs
• - LS3 (HV): Lastsignatur (stromerregter) Elektromaschine K3 => zur Erkennung Bürstenverschleiß
• - LS4 (HV): Lastsignatur (stromerregter) Elektromaschine K4 => zur Erkennung Bürstenverschleiß
• Die Last-Signaturen können als Modelle empirisch während der Fahrzeug-Auslegung ermittelt werden.

Claims (7)

1. Elektrifiziertes Kraftfahrzeug (F) mit einem Hochvoltspeicher (HVS), mit mindestens einer Elektromaschine (K3, K4), mit einer Leistungselektronik (LE), mit einem DC/DC Wandler (W) und mit einer elektronischen Auswerteeinheit (A) für eine zentrale komponentenspezifische Energieüberwachung definierter Komponenten (K1, K2) eines Niedervolt-Bordnetzes (NV) und/oder definierter Komponenten (K3, K4) eines Hochvolt-Bordnetzes (HV), wobei die Auswerteeinheit (A) derart ausgestaltet ist, dass darin für jede definierte Komponente (K1, K2; K3, K4) eine spezifische Last-Signatur (LS1, LS2; LS3, LS4) abgespeichert ist und dass ein außerhalb der definierten Komponenten (K1, K2, K3, K4) mit einem ersten Mess-Sensor (S1) für das gesamte Niedervolt-Bordnetz (NV) und/oder mit einem zweiten Mess-Sensor (S2) für das gesamte Hochvolt-Bordnetz (HV) erfasstes Gesamtmess-Signal (S_NV; S_HV) zur Erkennung der Last-Signaturen (LS1, LS2; LS3, LS4) unter Anwendung der NILM-Technologie disaggregiert wird, wobei das jeweilige Gesamtmess-Signal (S_NV; S_HV) vor der Disaggregation durch ein definiertes Korrekturmodul (M1; M2) von kraftfahrzeugspezifischen Elektro-Störgrößen bereinigt wird.
2. Elektrifiziertes Kraftfahrzeug (F) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Mess-Sensor (S1) am Ausgang des DC/DC Wandlers (W) angeordnet ist und/oder dass der zweite Mess-Sensor (S2) am Ausgang des Hochvoltspeichers (HVS) angeordnet ist.
3. Elektrifiziertes Kraftfahrzeug (F) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturmodul (M1) für das Gesamtmess-Signal (S_NV) des ersten Mess-Sensors (S1) ein in der Auswerteeinheit (A) abgespeichertes inverses Verhalten des DC/DC Wandlers (W) umfasst.
4. Elektrifiziertes Kraftfahrzeug (F) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturmodul (M2) für das Gesamtmess-Signal (S_HV) des zweiten Mess-Sensors (S2) ein in der Auswerteeinheit (A) abgespeichertes inverses Verhalten der Leistungselektronik (LE) umfasst.
5. Elektrifiziertes Kraftfahrzeug (F) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrekturmodul (M2) vor der Disaggregation des Gesamtmess-Signals (S_HV) des zweiten Mess-Sensors (S2) abhängig von aktuellen Betriebsgrößen der mindestens einen Elektromaschine (K3, K4) und/oder vom Schaltzustand der Leistungselektronik (LE) variabel einstellbar ist.
6. Elektrifiziertes Kraftfahrzeug (F) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (A) auf einem ersten Display (D1) basierend auf den disaggregierten Last-Signaturen (LS1, LS2) den Einzelenergieverbrauch (V1, V2) definierter Komponenten (K1, K2) ausgibt.
7. Elektrifiziertes Kraftfahrzeug (F) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (A) auf einem zweiten Display (D2) Wartungsinformationen zu einer bestimmten Komponente (K3) abhängig von der Veränderung (ΔLS3) ihres Einzelenergieverbrauchs im Vergleich zu ihrer abgespeicherten und disaggregierten Last-Signatur (LS3) ausgibt.

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