DE102022200538A1 - Method and device for initially providing an aging state model for energy stores based on active learning algorithms - Google Patents

Method and device for initially providing an aging state model for energy stores based on active learning algorithms Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum initialen Bereitstellen eines zumindest teilweise datenbasierten Alterungszustandsmodells (4) für einen elektrischen Energiespeicher (3), mit folgenden Schritten:- Bereitstellen (S1) einer Anzahl von Energiespeichern (3) auf einem Prüfstand (1) zur Vermessung abhängig von einem jeweiligen Lastprofil, wobei die Lastprofile unterschiedlich sind und einen zeitlichen Verlauf mindestens einer belastenden Betriebsgröße für den Energiespeicher (3) charakterisieren;- Betreiben (S2) der Anzahl von Energiespeichern (3) mit dem jeweils zugeordneten Lastprofil und Erfassen von zeitlichen Betriebsgrößenverläufen;- Zu jeweils einem vorgegebenen Auswertungszeitpunkt, Bestimmen (S4) eines Alterungszustands einer Untermenge der Energiespeicher (3) als Label und Generieren eines Trainingsdatensatzes mit den Betriebsgrößenverläufen und dem bestimmten Label für jeden Energiespeicher (3) der Untermenge der Energiespeicher (3);- Auswählen (S6) der Untermenge der Energiespeicher (3) mit dem jeweils zugeordneten Lastprofil abhängig von einem Optimierungsverfahren, das von gesamten Kosten (CJ) einer Vermessung der Energiespeicher (3) auf dem Prüfstand (1) und von einem gesamten Informationsmaß (InfoJ) der Vermessung der Energiespeicher (3) abhängt.The invention relates to a method for initially providing an at least partially data-based aging state model (4) for an electrical energy storage device (3), with the following steps: - Providing (S1) a number of energy storage devices (3) on a test bench (1) for measurement depending on a respective load profile, the load profiles being different and characterizing a time course of at least one stressful operating variable for the energy storage device (3); - Operating (S2) the number of energy storage devices (3) with the respectively assigned load profile and acquisition of temporal performance of operating variables;- At a given evaluation time, determination (S4) of an aging state of a subset of the energy stores (3) as a label and generation of a training data set with the performance of operating variables and the specific label for each energy store (3) of the subset of the energy stores (3);- Selecting (S6) of the subset of the energy stores (3) with the respectively assigned load profile depending on an optimization method that is based on the total costs (CJ) of measuring the energy stores (3 ) on the test bench (1) and from a total amount of information (InfoJ) of the measurement of the energy storage device (3).

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum initialen Bereitstellen eines zumindest teilweise datenbasierten Alterungszustandsmodells für elektrische Energiespeicher gleichen Typs, und insbesondere Verfahren zum Prädizieren der Vermessungskosten und/oder der Vermessungszeit.The invention relates to methods and devices for initially providing an at least partially data-based aging state model for electrical energy stores of the same type, and in particular to methods for predicting the measurement costs and/or the measurement time.

Technischer HintergrundTechnical background

Die Energieversorgung für den Betrieb von netzunabhängig betriebenen elektrischen Geräten und Maschinen, wie z. B. elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, erfolgt in der Regel mit elektrischen Energiespeichern, wie z.B. Gerätebatterien bzw. Fahrzeugbatterien.The power supply for the operation of mains-independent electrical devices and machines such. B. electrically driven motor vehicles, is usually done with electrical energy storage devices, such as. Device batteries or vehicle batteries.

Elektrische Energiespeicher 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 Energiespeichern. Bei Gerätebatterien als elektrischer Energiespeicher kann gemäß der Konvention eine neue Gerätebatterie einen Alterungszustand (bezüglich ihrer Kapazität, SOH-C) von 100 % aufweisen, der im Laufe seiner Lebensdauer zusehends abnimmt.Electrical energy stores degrade over their service life and depending on their load or use. This so-called aging leads to a continuously decreasing maximum performance and storage capacity. The aging state corresponds to a measure of the aging of energy storage devices. In the case of portable batteries as electrical energy stores, according to the convention, a new portable battery can have an aging status (in terms of its capacity, SOH-C) of 100%, which decreases noticeably over the course of its service life.

Ein Maß der Alterung eines elektrischen Energiespeichers (zeitliche Änderung des Alterungszustands) hängt von einer individuellen Belastung des Energiespeichers, d. h. bei Fahrzeugbatterien von Kraftfahrzeugen vom Nutzungsverhalten durch einen Fahrer, externen Umgebungsbedingungen und vom Fahrzeugbatterietyp ab.A measure of the aging of an electrical energy store (change in the state of aging over time) depends on an individual load on the energy store, i. H. in vehicle batteries of motor vehicles on usage behavior by a driver, external environmental conditions and the vehicle battery type.

Um die Alterungszustände von elektrischen Energiespeichern in einer Vielzahl von Geräten zu überwachen, können Betriebsgrößendaten kontinuierlich erfasst und als Betriebsgrößenverläufe blockweise an eine geräteexterne Zentraleinheit übertragen werden.In order to monitor the aging states of electrical energy stores in a large number of devices, operating variable data can be continuously recorded and transmitted in blocks to a device-external central unit as operating variable curves.

Zum modellbasierten Ermitteln eines Alterungszustands eines elektrischen Energiespeichers anhand von Betriebsgrößendaten ist es notwendig, ein initiales Alterungszustandsmodell bereitzustellen. Dazu wird für eine bestimmte Anzahl von Energiespeichern eine initiale Vermessung, z. B. in einem Labor oder einem Prüfstand, vorgesehen, um Trainingsdaten für ein bereitzustellendes Alterungszustandsmodell zu generieren. Dazu werden die Energiespeicher in unterschiedlichen Weisen betrieben, wobei insbesondere je nach Art des Energiespeichers Energie zugeführt oder abgeleitet werden muss, um Betriebszyklen der Energiespeicher zu simulieren. Der dazu benötigte Energieaufwand ist erheblich und skaliert mit der Anzahl der initial zu vermessenden Energiespeicher. Auch kann das initiale Vermessen eine erhebliche Zeitdauer beanspruchen, insbesondere wenn für gealterte Energiespeicher noch ausreichend Trainingsdaten erfasst werden sollen.For the model-based determination of an aging state of an electrical energy store using operating variable data, it is necessary to provide an initial aging state model. For this purpose, an initial measurement, e.g. B. in a laboratory or a test bench, provided in order to generate training data for an aging model to be provided. For this purpose, the energy stores are operated in different ways, with energy having to be supplied or derived, in particular depending on the type of energy store, in order to simulate operating cycles of the energy stores. The energy required for this is considerable and scales with the number of energy stores to be initially measured. The initial measurement can also take a considerable amount of time, in particular if sufficient training data is still to be recorded for aged energy stores.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum initialen Bereitstellen eines zumindest teilweise datenbasierten Alterungszustandsmodells für einen Energiespeichertyp gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.According to the invention, a method for initially providing an at least partially data-based aging state model for an energy storage type 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 Verfahren zum initialen Bereitstellen eines zumindest teilweise datenbasierten Alterungszustandsmodells für einen elektrischen Energiespeicher vorgesehen, mit folgenden Schritten:

  • - Bereitstellen einer Anzahl von Energiespeichern auf einem Prüfstand zur Vermessung abhängig von einem jeweiligen Lastprofil, wobei die Lastprofile unterschiedlich sind und einen zeitlichen Verlauf mindestens einer belastenden Betriebsgröße für den Energiespeicher charakterisieren;
  • - Betreiben der Anzahl von Energiespeichern mit dem jeweils zugeordneten Lastprofil und Erfassen von zeitlichen Betriebsgrößenverläufen;
  • - Zu jeweils einem vorgegebenen Auswertungszeitpunkt, Bestimmen eines Alterungszustands einer Untermenge der Energiespeicher als Label und Generieren eines Trainingsdatensatzes mit den Betriebsgrößenverläufen und dem bestimmten Label für jeden Energiespeicher der Untermenge der Energiespeicher;
  • - Auswählen der Untermenge der Energiespeicher mit dem jeweils zugeordneten Lastprofil abhängig von einem Optimierungsverfahren, das von Kosten einer Vermessung der Energiespeicher auf dem Prüfstand und von einem Informationsmaß der Vermessung der Energiespeicher abhängt.
According to a first aspect, a method is provided for initially providing an at least partially data-based aging state model for an electrical energy store, with the following steps:
  • - Providing a number of energy stores on a test bench for measurement depending on a respective load profile, the load profiles being different and characterizing a time course of at least one stressful operating variable for the energy store;
  • - Operating the number of energy storage devices with the respectively assigned load profile and detecting time-related performance variables;
  • - At a given evaluation time, determining an aging condition of a subset of the energy storage as a label and generating a training data set with the Operating quantity curves and the specific label for each energy store of the subset of energy stores;
  • - Selecting the subset of the energy storage with the associated load profile depending on an optimization method that depends on the cost of a measurement of the energy storage on the test bench and an information measure of the measurement of the energy storage.

Der Alterungszustand eines elektrischen Energiespeichers wird üblicherweise nicht direkt gemessen. Dies würde eine Reihe von Sensoren im Inneren des Energiespeichers erfordern, die die Herstellung eines solchen Energiespeichers kostenintensiv sowie aufwändig machen und den Raumbedarf vergrößern würde. Zudem sind alltagstaugliche Messverfahren zur direkten Alterungszustandsbestimmung in den Energiespeichern noch nicht auf dem Markt verfügbar.The aging condition of an electrical energy store is usually not measured directly. This would require a number of sensors inside the energy store, which would make the production of such an energy store cost-intensive and complex and would increase the space requirement. In addition, measurement methods suitable for everyday use for directly determining the state of aging in the energy storage devices are not yet available on the market.

Das Überwachen von Energiespeichern einer Vielzahl von Geräten wird daher aus Kapazitätsgründen in einer geräteexternen Zentraleinheit vorgenommen. Dazu können die Geräte Betriebsgrößenverläufe von Betriebsgrößen der Energiespeicher an die Zentraleinheit übermitteln, wobei in der Zentraleinheit ein aktueller elektrochemischer Zustand und/oder Alterungszustand ermittelt wird. Je nach verwendetem Modell werden dazu kontinuierlich Zeitreihen von Betriebsgrößen als Betriebsgrößenverläufe, wie beispielsweise für eine Gerätebatterie als Energiespeicher ein Batteriestrom, eine Batterietemperatur, ein Ladezustand und/oder eine Batteriespannung, erfasst und blockweise und gegebenenfalls in komprimierter Form an die Zentraleinheit übermittelt. Dort werden die Betriebsgrößenverläufe ausgewertet, so dass basierend auf einem oder mehreren Alterungszustandsmodellen ein geräteindividueller Alterungszustand und gegebenenfalls weitere Größen berechnet/ermittelt werden können. Zudem können die Betriebsgrößen aus der Vielzahl von Energiespeichern mit statistischen Methoden ausgewertet werden, um die angewendeten Alterungszustandsmodelle zu verbessern, so dass die Ermittlung und Prädiktion des Alterungszustands der Energiespeicher zusehends verbessert werden können.For capacity reasons, the monitoring of energy stores in a large number of devices is therefore carried out in a device-external central unit. For this purpose, the devices can transmit operating variable profiles of operating variables of the energy stores to the central unit, with a current electrochemical state and/or aging state being determined in the central unit. Depending on the model used, time series of operating variables are continuously recorded as operating variable curves, such as a battery current, battery temperature, state of charge and/or battery voltage for a device battery as an energy store, and transmitted to the central unit in blocks and, if necessary, in compressed form. There, the performance variable curves are evaluated so that, based on one or more aging state models, a device-specific aging state and possibly other variables can be calculated/determined. In addition, the operating variables from the large number of energy stores can be evaluated using statistical methods in order to improve the applied aging state models, so that the determination and prediction of the aging state of the energy stores can be noticeably improved.

Der Alterungszustand (SOH: State of Health) ist bei Gerätebatterien als Energiespeicher die Schlüsselgröße zur Angabe einer verbleibenden Batteriekapazität oder verbleibenden Batterieladung. Der Alterungszustand stellt ein Maß für die Alterung der Gerätebatterie dar. Im Falle einer Gerätebatterie oder eines Batterie-Moduls oder einer Batteriezelle kann der Alterungszustand als Kapazitätserhaltungsrate (Capacity Retention Rate, SOH-C) angegeben werden. Die Kapazitätserhaltungsrate SOH-C, d. h. der kapazitätsbezogene Alterungszustand, ist als Verhältnis der gemessenen momentanen Kapazität zu einer Anfangskapazität der vollständig aufgeladenen Batterie angegeben und nimmt mit zunehmender Alterung ab. 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.The state of health (SOH: State of Health) is the key variable for specifying a remaining battery capacity or remaining battery charge for device batteries as energy storage devices. The aging status is a measure of the aging of the device battery. In the case of a device battery or a battery module or a battery cell, the aging status can be specified as the capacity retention rate (SOH-C). The capacity maintenance rate SOH-C, i. H. the capacity-related state of aging is specified as the ratio of the measured instantaneous capacity to an initial capacity of the fully charged battery and decreases with increasing aging. Alternatively, the aging state can be specified as an increase in the internal resistance (SOH-R) in relation to an internal resistance at the beginning of the service life of the device battery. The relative change in internal resistance SOH-R increases as the battery ages.

Aufgrund häufig physikalisch schwer beschreibbarer elektrochemischer Effekte beim Betrieb eines Energiespeichers hat sich die Verwendung eines datenbasierten Modells als oder in Verbindung mit einem Alterungszustandsmodell bewährt.Due to the often physically difficult to describe electrochemical effects during the operation of an energy storage device, the use of a data-based model as or in connection with an aging state model has proven itself.

Ein mögliches Alterungszustandsmodell kann in Form eines hybriden Alterungszustandsmodells vorgesehen werden, das einer Kombination eines physikalischen Alterungsmodells mit einem datenbasierten Modell entspricht. Bei einem hybriden Modell kann ein physikalischer Alterungszustand mithilfe eines physikalischen bzw. elektrochemischen Alterungsmodells ermittelt werden und dieser mit einem Korrekturwert beaufschlagt werden, der sich aus einem datenbasierten Korrekturmodell ergibt, insbesondere durch Addition oder Multiplikation. Das physikalische Alterungsmodell basiert auf elektrochemischen Modellgleichungen, welche elektrochemische Zustände eines nichtlinearen Differentialgleichungs-Systems hinsichtlich Alterungsreaktionen charakterisiert, fortlaufend gemäß einem Zeitintegrationsverfahren berechnet und diese zur Ausgabe auf den physikalischen Alterungszustand abbildet, als SOH-C und/oder als SOH-R. Die Berechnungen können typischerweise in der Zentraleinheit (Cloud) in Abständen von vorgegebenen Auswertungszeiträumen von z. B. einmal pro Woche ausgeführt werden.A possible aging model can be provided in the form of a hybrid aging model, which corresponds to a combination of a physical aging model with a data-based model. In a hybrid model, a physical aging state can be determined using a physical or electrochemical aging model and a correction value can be applied to it, which results from a data-based correction model, in particular by addition or multiplication. The physical aging model is based on electrochemical model equations, which characterize the electrochemical states of a nonlinear differential equation system with regard to aging reactions, continuously calculated according to a time integration method and mapped to the physical aging state for output, as SOH-C and/or as SOH-R. The calculations can typically be made in the central unit (cloud) at intervals of predetermined evaluation periods of z. B. be run once a week.

Weiterhin kann das Korrekturmodell des hybriden datenbasierten Alterungszustandsmodells mit einem probabilistischen oder auf künstlicher Intelligenz basierenden probabilistischen Regressionsmodell, insbesondere einem Gaußprozessmodell, ausgebildet sein und kann trainiert sein, um den durch das physikalische Alterungsmodell erhaltenen Alterungszustand zu korrigieren. Es können dazu ein datenbasiertes Korrekturmodell zur Korrektur des kapazitätsbezogenen Alterungszustands und ggfs. ein weiteres datenbasiertes Korrekturmodell zur Korrektur des widerstandsänderungsbezogenen Alterungszustands vorgesehen sein. Mögliche Alternativen zum Gaußprozess stellen weitere Supervised Learning Verfahren, wie basierend auf einem Random-Forest-Modell, einem AdaBoost-Modell, einer Support-Vector-Machine oder einem Bayes'schen neuronalen Netzwerk dar.Furthermore, the correction model of the hybrid data-based aging status model can be designed with a probabilistic regression model or a probabilistic regression model based on artificial intelligence, in particular a Gaussian process model, and can be trained to correct the aging status obtained by the physical aging model. For this purpose, a data-based correction model for correcting the capacity-related aging state and possibly a further data-based correction model for correcting the resistance change-related aging state can be provided. Possible alternatives to the Gaussian process are further supervised learning methods, such as based on a random forest model, an AdaBoost model, a support vector machine or a Bayesian neural network.

Bei Inbetriebnahme eines neuen Typs eines Energiespeichers ist es notwendig, mithilfe eines Alterungszustandsmodells den Alterungszustand bestimmen zu können. Da bei Inbetriebnahme in der Regel keine genaue Kenntnis über die Alterung der Energiespeicher vorliegt, ist es notwendig, ein Alterungszustandsmodell initial vorzugeben, das zumindest ungefähr basierend auf Betriebsgrößendaten einen Alterungszustand angeben kann. Das initiale Vorgeben des Alterungszustandsmodells erfordert also ein initiales Trainieren des datenbasierten Modells.When a new type of energy storage device is put into operation, it is necessary to be able to determine the aging condition using a aging condition model. Since there is generally no precise knowledge of the aging of the energy storage device when it is put into operation, it is necessary to initially specify an aging condition model that can indicate an aging condition at least approximately based on operating variable data. The initial specification of the state of health model therefore requires an initial training of the data-based model.

Trainingsdaten für ein solches initiales Training werden in der Regel im Labor oder auf einem Prüfstand durchgeführt und umfassen eine vorgegebene Anzahl von insbesondere zufällig ausgewählten Energiespeichern, die jeweils mit voneinander abweichenden Lastprofilen betrieben werden. Diese Lastprofile umfassen zyklische Stromflüsse, Temperaturprofile und dergleichen oder werden in diese umgesetzt. Insbesondere bei Gerätebatterien als Energiespeicher können diese Lastprofile unterschiedliche Lade- und Entladestromprofile bei unterschiedlichen Temperaturen umfassen und insbesondere durch Histogrammdaten in komprimierter Weise vorgegeben und charakterisiert werden. Diese Lastprofile werden in Zeitreihen von Stromzufuhren und Stromabführung umgesetzt und entsprechende Betriebsgrößen, wie beispielsweise ein Batteriestrom, eine Batteriespannung, eine Batterietemperatur und einen Ladezustand, erfasst und als Betriebsgrößenverläufe gespeichert.Training data for such an initial training are usually carried out in the laboratory or on a test stand and include a predetermined number of energy storage devices, selected in particular at random, which are each operated with load profiles that differ from one another. These load profiles include or are converted into cyclic current flows, temperature profiles and the like. In particular in the case of portable batteries as energy stores, these load profiles can include different charging and discharging current profiles at different temperatures and can in particular be specified and characterized in a compressed manner by histogram data. These load profiles are converted into time series of power supply and power drain and corresponding operating variables, such as battery current, battery voltage, battery temperature and state of charge, are recorded and stored as operating variable profiles.

Zu vorgegebenen Zeitpunkten werden Alterungszustandsmessungen mit geeigneten weiteren Modellen oder Messmethoden vorgenommen, um ein Label für die Betriebsgrößenverläufe zu bestimmen. Daraus werden Trainingsdatensätze gebildet, die zum Parametrieren des Alterungszustandsmodells und/oder zum Trainieren des datenbasierten Modells im Falle eines hybriden oder rein datenbasierten Alterungszustandsmodells verwendet werden können. Zur Label-Bestimmung kommen verschiedene Alterungszustandsmodelle bzw. Verfahren in Betracht.At specified points in time, measurements of the aging state are carried out using suitable additional models or measurement methods in order to determine a label for the course of the operating variables. From this, training data sets are formed, which can be used to parameterize the aging model and/or to train the data-based model in the case of a hybrid or purely data-based aging model. Various aging state models or methods can be used to determine the label.

Als mögliches Modell bzw. Methode zur Bestimmung eines Alterungszustands kann ein Basismodell vorgesehen sein, gemäß dem eine SOH-C-Messung durch Coulomb-Counting bzw. durch Bildung eines zeitlichen Stromintegrals während des Ladevorgangs vorgenommen wird, 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. Eine hinreichend zuverlässige Angabe über den Alterungszustand kann man beispielsweise erhalten, wenn die Fahrzeugbatterie während eines Ladevorgangs aus einem definierten relaxierten Zustand unter reproduzierbaren Last- und Umgebungsbedingungen von einem vollständig entladenen Lade-Zustand in einen vollständig geladenen Zustand gebracht wird. Die dadurch erfasste maximale Ladung kann zu einer initialen maximalen Ladekapazität der Fahrzeugbatterie in Beziehung gesetzt werden. Widerstandsbezogene Alterungszustände (SOH-R-Werte) können auch durch Spannungsänderungen bezogen auf eine Stromänderung errechnet werden. Üblicherweise sind diese auf ein definiertes Zeitintervall sowie definierte Umgebungsbedingungen und die Energiefluss-Richtung des Systems bezogen. A basic model can be provided as a possible model or method for determining an aging state, according to which an SOH-C measurement is carried out by Coulomb counting or by forming a current integral over time during the charging process, which is determined by the rise in the state of charge between the beginning and is divided at the end of the relevant charging and/or discharging phase. In this case, the calibration is advantageously carried out on the no-load voltage characteristic in idle phases in order to also calculate the course of the state of charge in the central unit. Sufficiently reliable information about the aging state can be obtained, for example, when the vehicle battery is brought from a completely discharged state of charge to a fully charged state during a charging process from a defined relaxed state under reproducible load and environmental conditions. The maximum charge detected in this way can be related to an initial maximum charge capacity of the vehicle battery. Resistance-related aging states (SOH-R values) can also be calculated from voltage changes related to a current change. These are usually related to a defined time interval as well as defined environmental conditions and the energy flow direction of the system.

Gemäß dem obigen Verfahren können nun die Alterungszustände einer Untermenge der Energiespeicher als Label bestimmt und ein Trainingsdatensatz mit den Betriebsgrößenverläufen und dem bestimmten Label für jeden Energiespeicher der Untermenge der Energiespeicher generiert werden. Das Auswählen der Untermenge der Energiespeicher mit dem jeweils zugeordneten Lastprofil wird abhängig von einem Optimierungsverfahren durchgeführt.According to the above method, the aging states of a subset of the energy stores can now be determined as a label and a training data set with the performance variable curves and the specific label can be generated for each energy store in the subset of the energy stores. The selection of the subset of the energy stores with the respectively assigned load profile is carried out depending on an optimization method.

Das Optimierungsverfahren zum Auswählen der Untermenge der Energiespeicher kann das Ziel haben, die Kosten der Vermessung auf dem Prüfstand zu minimieren und einen durch das Informationsmaß bestimmten Informationsgewinn für die Erstellung des initialen Alterungszustandsmodells zu maximieren.The optimization method for selecting the subset of the energy stores can have the goal of minimizing the costs of the measurement on the test bench and maximizing an information gain for the creation of the initial aging state model, which is determined by the information measure.

Gemäß dem obigen Verfahren ist somit vorgesehen, die Anzahl der vermessenen oder sich in der Vermessung befindlichen Energiespeicher sukzessive zu reduzieren, abhängig von dem Informationsgewinn, der durch die weitere Vermessung des betreffenden Energiespeichers für die Weiterbildung des Alterungszustandsmodells erhalten werden kann.According to the above method, the number of energy stores measured or being measured is successively reduced, depending on the information gain that can be obtained by further measuring the relevant energy store for the further development of the aging model.

Gemäß einer Ausführungsform kann bei einem Gaußprozessmodell als probabilistischen Modell die prädiktive Kovarianz aus den Eingangsvektoren eines oder mehrerer der Energiespeicherfür die Auswertungszeitpunkte eines gesamten Vermessungszeitraums bestimmt werden, wobei die Eingangsvektoren aus den Lastprofilen bestimmt werden.According to one embodiment, with a Gaussian process model as a probabilistic model, the predictive covariance from the input vectors of one or more of the energy stores for the evaluation processing times of an entire measurement period are determined, with the input vectors being determined from the load profiles.

Es wird somit ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem sukzessive das Alterungszustandsmodell weiter trainiert wird und diejenigen Batterien aus der Vermessung entfernt oder nicht berücksichtigt werden, die einen geringen Beitrag für die Weiterbildung des Alterungszustandsmodells haben. Dazu wird bei Verwendung eines probabilistischen Regressionsmodells als datenbasiertes Modell zu jeweils einem Auswertungszeitpunkt die prädiktive Kovarianz ( S O H j ( t + t 1 ) , S O H j ( t + t 2 ) , , S O H j ( t + t n ) )

Figure DE102022200538A1_0001
des datenbasierten Modells ermittelt, die sich aus dem im Alterungszustandsmodell vorgesehenen probabilistischen Regressionsmodell (Gaußprozessmodell) ergibt. Die prädiktive Kovarianz hängt bei Gauß-Prozess-Modellen als probabilistischem Regressionsmodell nicht von bisher ungesehenen Alterungszuständen ab, sondern nur von den Eingangsgrößen x̅J(t) = [x(t), m(t ), z, Phys[x(t)]) des Gauß-Prozess-Modells und kann daher als ( x ¯ j ( t + t 1 ) , x ¯ j ( t + t 2 ) , , x ¯ j ( t + t n ) )
Figure DE102022200538A1_0002
geschrieben werden, wobei x(t) einem oder mehreren Betriebsgrößenverläufen, m(t) Histogrammdaten als Lastprofil, z(t) mehrdimensionalen elektrochemischen Zuständen des physikalischen Alterungsmodells, wie z.B. die SEI-Dicke, der Menge an zyklisierbarem Lithium, der Menge an Aktivmaterial, elektrochemischen Konzentrationen und dergleichen, und Phys[x(t)] dem physikalischen (modellierten) Alterungszustand entsprechen.A method is thus proposed in which the aging model is successively trained and those batteries are removed from the measurement or not taken into account that make a small contribution to the further development of the aging model. For this purpose, when using a probabilistic regression model as a data-based model at each evaluation time, the predictive covariance ( S O H j ( t + t 1 ) , S O H j ( t + t 2 ) , ... , S O H j ( t + t n ) )
Figure DE102022200538A1_0001
of the data-based model, which results from the probabilistic regression model (Gaussian process model) provided in the aging model. With Gaussian process models as a probabilistic regression model, the predictive covariance does not depend on previously unseen aging states, but only on the input variables x̅ J (t) = [x(t), m(t ), z, Phys[x(t) ]) of the Gaussian process model and can therefore be used as ( x ¯ j ( t + t 1 ) , x ¯ j ( t + t 2 ) , ... , x ¯ j ( t + t n ) )
Figure DE102022200538A1_0002
are written, where x(t) one or more operating variable curves, m(t) histogram data as a load profile, z(t) multidimensional electrochemical states of the physical aging model, such as the SEI thickness, the amount of cyclable lithium, the amount of active material, electrochemical concentrations and the like, and Phys[x(t)] correspond to the physical (modeled) aging state.

Die prädiktive Kovarianz ist eine Matrix, auf die Informationsmaße, wie die Determinante oder der maximale Eigenwert, angewendet werden können. Somit erhält man für jeden der vermessenen Energiespeicher ein Informationsmaß. Das Informationsmaß für mehrere Energiespeicher J = (j1 ... jm) kann als InfoJ = det(Σ (x̅j1(t + t1), ..., x̅j1(t + tn), x̅jm(t + t1), ..., x̅jm(t + tn))) angegeben werden, wobei J der Anzahl der ausgewählten Energiespeicher und j1...jm dem Index eines bestimmten der Energiespeicher entsprechen.The predictive covariance is a matrix to which measures of information, such as the determinant or the maximum eigenvalue, can be applied. An information measure is thus obtained for each of the measured energy stores. The information measure for several energy stores J = (j1 ... jm) can be given as Info J = det(Σ (x̅ j1 (t + t 1 ), ..., x̅ j1 (t + t n ), x̅ jm (t + t 1 ) , .

Ferner wird ein Kostenmaß angewendet und für jeden zu vermessenden Energiespeicher ermittelt. Das Kostenmaß kann den Energie-Einsatz oder -Bedarf während der Labor- oder Prüfstands-Messungen und die Zeitdauer der gesamten Vermessung der Energiespeicher umfassen. Das Kostenmaß kann zusätzlich hierzu auch die gesamten Prüfstandskosten, die Belegungszeit des Prüfstandes und den sonstigen Materialeinsatz berücksichtigen. Somit kann ein Kostenmaß C für jeden der Anzahl J der zu vermessenden Energiespeicher prädiktiv bereitgestellt werden wie folgt: C j = C ( x ¯ j ( t + t 1 ) , x ¯ j ( t + t 2 ) , , x ¯ j ( t + t n ) ) C j = C 1 + .. + C m

Figure DE102022200538A1_0003
Furthermore, a cost measure is used and determined for each energy store to be measured. The cost measure can include the energy use or requirement during the laboratory or test bench measurements and the duration of the entire measurement of the energy storage. In addition to this, the cost measure can also take into account the total test bench costs, the occupation time of the test bench and the other use of materials. Thus, a cost measure C can be predictively provided for each of the number J of energy storage devices to be measured as follows: C j = C ( x ¯ j ( t + t 1 ) , x ¯ j ( t + t 2 ) , ... , x ¯ j ( t + t n ) ) C j = C 1 + .. + C m
Figure DE102022200538A1_0003

Mit der Menge von Kosteninformationspunkten für viele der zu vermessenden Batterien kann nun das Optimierungsproblem gelöst und eine Pareto-Front bestimmt werden. Die Pareto-Front stellt das Kostenmaß über das erreichbare Informationsmaß des zu erstellenden initialen Alterungszustandsmodells dar.With the set of cost information points for many of the batteries to be measured, the optimization problem can now be solved and a Pareto front can be determined. The Pareto front represents the cost measure of the achievable information measure of the initial state of health model to be created.

Im Sinne einer Variante eines Active-Learning-Verfahrens kann nun die Auswahl der Kosten-Informationsmaß-Punkte vorsehen, diejenigen Energiespeicher auszuwählen, für die diese Kosten-Informationsmaß-Punkte möglichst nahe an oder auf der Pareto-Front liegen.In terms of a variant of an active learning method, the selection of the cost-information measure points can now provide for selecting those energy stores for which these cost-information measure points are as close as possible to or on the Pareto front.

Es kann vorgesehen sein, dass das Optimierungsverfahren

  • - basierend auf einer Zielfunktion und insbesondere mit einem Greedy-Algorithmus durchgeführt wird, wobei die Zielfunktion eine gewichtete Summe der Kosten für die Vermessung der Anzahl von Energiespeichern und eines gesamten Informationsmaßes durch die Vermessung der Untermenge der Energiespeicher darstellt,
  • - durch Maximierung eines gesamten Informationsmaßes unter der Nebenbedingung, dass die gesamten Kosten des Vermessens der so ausgewählten Fahrzeugbatterien kleiner sind als vorgegebene Maximalkosten;
  • - durch Minimierung von gesamten Kosten unter der Nebenbedingung, dass das gesamte Informationsmaß größer ist als ein vorgegebenes minimales Informationsmaß;
  • - durch Minimierung von gesamten Kosten unter der Nebenbedingung, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass die gesamten Kosten kleiner sind als vorgegebene Maximalkosten, größer ist als eine vorgegebene Wahrscheinlichkeit; oder
  • - durch Maximierung eines gesamten Informationsmaßes unter der Nebenbedingung, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass das Informationsmaß größer ist als ein vorgegebenes Mindest-Informationsmaß, größer ist als eine vorgegebene Wahrscheinlichkeit.
It can be provided that the optimization method
  • - is carried out based on a target function and in particular with a greedy algorithm, the target function representing a weighted sum of the costs for measuring the number of energy stores and a total information measure by measuring the subset of the energy stores,
  • - by maximizing an overall information measure under the constraint that the overall cost of metering the vehicle batteries so selected is less than a predetermined maximum cost;
  • - by minimizing total costs under the constraint that the total information metric is greater than a predetermined minimum information metric;
  • - by minimizing total cost under the constraint that a probability of total cost being less than predetermined maximum cost is greater than a predetermined probability; or
  • - by maximizing an overall information measure under the constraint that a probability that the information measure is greater than a predetermined minimum information measure is greater than a predetermined probability.

Entsprechend den obigen Ansätzen für das Optimierungsverfahren kann eine Gewichtung zwischen Kosten und Informationsgewinn durch eine Zielfunktion vorgegeben werden, beispielsweise Zj = InfoJ + αCJ mit einem nutzerdefinierten Gewichtungsparameter α. Nun können die besten Energiespeicher bestimmt werden, insbesondere durch Anwenden eines Greedy-Algorithmus. Greedy-Algorithmen wählen zuerst den besten Energiespeicher und fügen dann den zweitbesten hinzu unter der Vorgabe, dass der beste Energiespeicher bereits vermessen wird. Alternativ zum Vorwählen der obigen Zielfunktion kann auch ein beschränktes Optimierungsproblem gelöst werden durch Begrenzen der maximalen Kosten und durch Begrenzen des minimalen Informationsgewinns.According to the above approaches for the optimization method, a weighting between costs and information gain can be specified by a target function, for example Z j =Info J +αC J with a user-defined weighting parameter α. Now the best energy stores can be determined, in particular by applying a greedy algorithm. Greedy algorithms first choose the best energy storage and then add the second best, given that the best energy storage is already being measured. As an alternative to preselecting the above objective function, a constrained optimization problem can also be solved by limiting the maximum cost and by limiting the minimum information gain.

Alternativ zur Gewichtung der Zielfunktion mit dem Gewichtungsparameter kann auch ein beschränktes Optimierungsproblem durch Maximierung des Informationsmaßes InfoJ gelöst werden, um eine Untermenge von auszuwählenden Energiespeicher auszuwählen. Dies erfolgt unter der Nebenbedingung, dass die Summe der Kosten des Vermessens der ausgewählten Energiespeicher kleiner ist als ein vorgegebener Nutzerparameter, der angibt, wie hoch die Kosten maximal sein dürfen.As an alternative to weighting the objective function with the weighting parameter, a limited optimization problem can also be solved by maximizing the information measure Info J in order to select a subset of energy stores to be selected. This takes place under the secondary condition that the sum of the costs of measuring the selected energy stores is less than a predefined user parameter that indicates the maximum costs that may be.

Alternativ zur Gewichtung der Zielfunktion mit dem Gewichtungsparameter kann auch ein beschränktes Optimierungsproblem durch Minimierung der Kosten gelöst werden, um eine Untermenge von auszuwählenden Energiespeicher auszuwählen. Dies erfolgt unter der Nebenbedingung, dass das Informationsmaß InfoJ größer ist als ein vorgegebener Mindest-Informationsgewinn.As an alternative to weighting the target function with the weighting parameter, a limited optimization problem can also be solved by minimizing the costs in order to select a subset of energy stores to be selected. This takes place under the secondary condition that the information measure Info J is greater than a specified minimum information gain.

Werden probabilistische Regressionsmodelle verwendet, so können diejenigen Energiespeicher ausgewählt werden, für die die Wahrscheinlichkeit, dass die Summe der Kosten für eine Vermessung der ausgewählten Energiespeicher mit den höchsten Informationsmaßen kleiner als ein vorgegebener Parameter sind, größer als ein vorgegebener Parameter ist. Somit kann ein diskreter Kosten-Informationsgewinn-Punkt der Pareto-Front bereitgestellt werden, welcher modellbasiert mit Handlungsempfehlungen verknüpft ist und konkret Energiespeicher zur Auswahl für ein weiteres Betreiben vorgibt.If probabilistic regression models are used, then those energy storage devices can be selected for which the probability that the sum of the costs for a measurement of the selected energy storage device with the highest information dimensions is less than a predefined parameter is greater than a predefined parameter. Thus, a discrete cost-information gain point of the Pareto front can be provided, which is model-based linked to recommendations for action and specifically specifies energy storage for selection for further operation.

Gemäß dem Verfahren werden nun konkrete Messungen des Alterungszustands für die ausgewählten Energiespeicher vorgenommen und für die nicht ausgewählten Energiespeicher nicht vorgenommen. Dadurch erhält man gemeinsam mit den zugeordneten Betriebsgrößenverläufen einen TrainingsdatensatzAccording to the method, concrete measurements of the aging state are now made for the selected energy stores and not made for the unselected energy stores. In this way, a training data set is obtained together with the associated performance variable curves

Das datenbasierte Alterungszustandsmodells kann mit einem probabilistischen datenbasiertes Modell ausgebildet sein, wobei für einen der Energiespeicher ein Eingangsvektor des datenbasierten Modells , der mindestens einen Betriebsgrößenverlauf, Betriebsmerkmale aus den Betriebsgrößenverläufen, ein innerer Zustand des Energiespeichers und/oder ein physikalisch modellierter Alterungszustand umfasst, auf den zu modellierenden Alterungszustand des betreffenden Energiespeichers oder eine Korrekturgröße zur Korrektur eines physikalisch modellierten Alterungszustand des betreffenden Energiespeichers abgebildet wird, wobei das Informationsmaß für einen Energiespeicher als Determinante der prädiktiven Kovarianz bestimmt wird.The data-based aging state model can be designed with a probabilistic data-based model, with an input vector of the data-based model for one of the energy storage devices, which comprises at least one operating variable profile, operating characteristics from the operating variable profiles, an internal state of the energy storage device and/or a physically modeled aging status, towards which modeling aging condition of the relevant energy store or a correction variable for correcting a physically modeled aging condition of the relevant energy store is mapped, the information measure for an energy store being determined as the determinant of the predictive covariance.

Die prädiktive Kovarianz kann aus den Eingangsvektoren eines oder mehrerer der Energiespeicher für die Auswertungszeitpunkte eines gesamten Vermessungszeitraums bestimmt werden.The predictive covariance can be determined from the input vectors of one or more of the energy stores for the evaluation times of an entire measurement period.

Wenn ausreichend neue Informationen verfügbar sind, findet ein erneutes Training des datenbasierten Alterungszustandsmodells statt. Das Training kann ergänzt werden durch ein automatisiertes Hyperparameter-Tuning, z. B. über Gradientenbasierte Verfahren oder Blackbox-Verfahren, wie Bayes'sche Optimierung. Das Verfahren wird beendet, wenn eine bestimmte Genauigkeitsanforderung unterschritten ist, wie beispielsweise < 1,5 SOHC auf einem relevanten, zuvor bereitgestellten Validierungsdatensatz, sowie sonstige Robustheitsanforderungen, wie beispielsweise evaluiert über Cross-Validierung, erfüllt sind.When sufficient new information is available, the data-based aging model is retrained. The training can be supplemented by automated hyperparameter tuning, e.g. B. via gradient-based methods or black box methods, such as Bayesian optimization. The method is terminated when a certain accuracy requirement is not met, such as <1.5 SOHC on a relevant, previously provided validation data set, and other robustness requirements, such as evaluated via cross-validation, are met.

Es kann vorgesehen sein, dass zu jedem Auswertungszeitpunkt nur die Energiespeicher der Untermenge der Energiespeicher zur Bestimmung eines Alterungszustands als Label vermessen werden und die übrigen Energiespeicher gemäß dem Lastprofil weiter betrieben werden.It can be provided that at each evaluation time only the energy stores of the subset of energy stores are measured as a label to determine an aging state and the remaining energy stores continue to be operated according to the load profile.

In einer alternativen Ausführungsform können zu jedem Auswertungszeitpunkt nur die Energiespeicher der Untermenge der Energiespeicher zur Bestimmung eines Alterungszustands als Label vermessen werden und gemäß dem Lastprofil weiter betrieben werden, während die übrigen Energiespeicher aus dem Prüfstand entfernt werden.In an alternative embodiment, only the energy stores of the subset of energy stores can be measured as labels at each evaluation time to determine an aging state and can continue to be operated according to the load profile, while the remaining energy stores are removed from the test bench.

Somit können entsprechend den ausgewählten Energiespeichern die übrigen Energiespeicher, die zu einem zu geringen Informationsgewinn führen, aus der weiteren Vermessung ausgeschlossen und dem Prüfstand entnommen werden. Dadurch kann die Vermessung lediglich mit einer reduzierten Anzahl von ausgewählten Energiespeichern in dem Prüfstand fortgesetzt werden. Dieses Verfahren kann sukzessive ausgeführt werden, um so die Anzahl der in der Vermessung befindlichen Energiespeicher zu reduzieren und dadurch die Kosten für die Prüfstandnutzung zu vermindern.Thus, according to the selected energy stores, the remaining energy stores, which lead to insufficient information gain, can be excluded from further measurement and removed from the test bench. As a result, the measurement can only be continued with a reduced number of selected energy stores in the test stand. This method can be carried out successively in order to reduce the number of energy storage devices in the measurement and thereby reduce the costs for using the test bench.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines der obigen Verfahren vorgesehen.According to a further aspect, a device for carrying out one of the above methods is provided.

Figurenlistecharacter list

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

  • 1 eine schematische Darstellung eines Prüfstands zur Vermessung einer Vielzahl von Fahrzeugbatterien zum Erstellen eines initialen Alterungszustandsmodells;
  • 2 eine schematische Darstellung eines hybriden Alterungszustandsmodells;
  • 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum optimierten Erstellen eines initialen Alterungszustandsmodells;
  • 4 eine Darstellung einer Pareto-Front aus Kosten-Informationsmaß-Punkten für die verschiedenen Fahrzeugbatterien in der Vermessung; und
  • 5 eine Darstellung eines Verlaufs von Alterungszuständen verschiedener Fahrzeugbatterien bei unterschiedlichen Lastmustern.
Embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a test bench for measuring a plurality of vehicle batteries to create an initial state of health model;
  • 2 a schematic representation of a hybrid aging state model;
  • 3 a flow chart to illustrate a method for the optimized creation of an initial state of health model;
  • 4 a representation of a Pareto front of cost-information measure points for the various vehicle batteries in the survey; and
  • 5 a representation of a course of aging states of different vehicle batteries with different load patterns.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments

1 zeigt eine schematische Anordnung eines Prüfstandes mit einer Prüfstandseinheit 2, die mit einer Vielzahl von angeschlossenen Fahrzeugbatterien 3 als elektrische Energiespeicher verbunden ist. Die Prüfstandseinheit 2 steuert die Fahrzeugbatterien 3 gemäß einem vorgegebenen Lastmuster an, das verschiedene Stromverläufe und/oder Temperaturverläufe charakterisiert. Die Stromverläufe und/oder Temperaturverläufe bewirken unterschiedliche Belastungen und sind somit unterschiedliche zyklische Alterungen der Fahrzeugbatterien 3, beispielsweise durch die Vorgabe eines Ampere-Stunden-Durchsatzes, Vorgaben für Ladeprofile insbesondere maximale Ladeströme abhängig vom Ladezustand beim Laden, maximale Ladeströme beim Entladen, maximale und durchschnittliche Lade- und Entladeströme sowie entsprechende Temperaturbedingungen. Die Lastmuster werden für jede der Fahrzeugbatterien 3 vorgegeben und entsprechen belastenden oder weniger belastenden Betriebsarten der Fahrzeugbatterien 3. Kontinuierlich werden zeitliche Betriebsgrößenverläufe der Fahrzeugbatterien 3 erfasst und zwischengespeichert. Die Betriebsgrößenverläufe umfassen bei Fahrzeugbatterien einer Batteriespannung, einem Batteriestrom, einer Batterietemperatur und einem Ladezustand. 1 shows a schematic arrangement of a test stand with a test stand unit 2 which is connected to a large number of connected vehicle batteries 3 as electrical energy stores. The test stand unit 2 controls the vehicle batteries 3 according to a predetermined load pattern that characterizes different current curves and/or temperature curves. The current curves and/or temperature curves cause different loads and are therefore different cyclic aging of the vehicle batteries 3, for example by specifying an ampere-hour throughput, specifications for charging profiles, in particular maximum charging currents depending on the state of charge when charging, maximum charging currents when discharging, maximum and average Charging and discharging currents and corresponding temperature conditions. The load patterns are specified for each of the vehicle batteries 3 and correspond to stressful or less stressful operating modes of the vehicle batteries 3. Operating variable profiles of the vehicle batteries 3 over time are continuously recorded and temporarily stored. In the case of vehicle batteries, the performance variable curves include a battery voltage, a battery current, a battery temperature and a state of charge.

Der Prüfstand 1 dient dazu, Daten über die Alterung der Fahrzeugbatterien 3 zu erfassen, um ein entsprechendes initiales Alterungszustandsmodell 4 bereitzustellen, das es ermöglicht, abhängig von im Realbetrieb erfassten Betriebsgrößenverläufen den aktuellen Alterungszustand der betreffenden Fahrzeugbatterie mit einer vorgegebenen Mindestgenauigkeit zu ermitteln. Das dazu zu erstellende Alterungszustandsmodell 4 kann zumindest teilweise datenbasiert ausgebildet sein und ein datenbasiertes probabilistisches Regressionsmodell aufweisen.The test stand 1 is used to record data on the aging of the vehicle batteries 3 in order to provide a corresponding initial aging state model 4, which makes it possible to determine the current aging state of the vehicle battery in question with a predetermined minimum accuracy, depending on the operating variable curves recorded in real operation. The aging state model 4 to be created for this purpose can be at least partially data-based and have a data-based probabilistic regression model.

Die Vermessung der Vielzahl der Gerätbatterien 3 auf dem Prüfstand 1 sieht vor, für ausgewählte Fahrzeugbatterien 3 zu regelmäßigen Zeitpunkten mithilfe eines geeigneten Verfahrens eine Alterungszustandsbestimmung vorzunehmen. Daraus ergeben sich in Verbindung mit den entsprechend zugehörigen Betriebsgrößenverläufen, die durch das der betreffenden Fahrzeugbatterie 3 jeweils zugeordnete Lastmuster vorgegeben sind, Trainingsdatensätze, die zum Trainieren des datenbasierten/hybriden Alterungszustandsmodells 4 verwendet werden können. Die Nutzung des Prüfstands 1 und die Vermessung der Vielzahl der Fahrzeugbatterien 3 verursacht Kosten, die einerseits durch den Energieaufwand, andererseits durch die Belegungszeit des Prüfstands und den sonstigen Materialeinsatz bewirkt werden. Diese Kosten sollen bei der Vermessung der Vielzahl der Fahrzeugbatterien 3 reduziert werden, ohne die Qualität des initial trainierten Alterungszustandsmodells 4 zu beeinträchtigen.The measurement of the large number of device batteries 3 on the test stand 1 provides for selected vehicle batteries 3 at regular times using a suitable method to determine an aging assessment to determine the status. In connection with the corresponding associated operating variable curves, which are specified by the load pattern assigned to the vehicle battery 3 in question, this results in training data sets that can be used to train the data-based/hybrid state of health model 4 . The use of the test stand 1 and the measurement of the large number of vehicle batteries 3 causes costs that are caused on the one hand by the energy consumption, on the other hand by the occupancy time of the test stand and the other use of materials. These costs should be reduced when measuring the large number of vehicle batteries 3 without impairing the quality of the initially trained state of health model 4 .

2 zeigt beispielhaft schematisch den funktionalen Aufbau einer Ausführungsform eines datenbasierten Alterungszustandsmodells 9, das in einer hybriden Weise konzipiert ist. Das Alterungszustandsmodell 9 umfasst ein physikalisches Alterungsmodell 5 und ein datenbasiertes Korrekturmodell 6. 2 shows a schematic example of the functional structure of an embodiment of a data-based aging model 9, which is designed in a hybrid manner. The aging state model 9 includes a physical aging model 5 and a data-based correction model 6.

Bei dem physikalischen Alterungsmodell 5 handelt es sich um ein mathematisches Modell, das auf nichtlinearen Differentialgleichungen basiert. Das Auswerten des physikalischen Alterungsmodells 5 des Alterungszustandsmodells 9 mit Betriebsgrößenverläufen, insbesondere seit Lebensdauerbeginn der Fahrzeugbatterie, führt dazu, dass sich ein interner Zustand des Gleichungssystems der physikalischen Differentialgleichungen einstellt, der einem physikalischen internen Zustand der Fahrzeugbatterie entspricht. Da das physikalische Alterungsmodell auf physikalischen und elektrochemischen Gesetzmäßigkeiten basiert, sind die Modellparameter des physikalischen Alterungsmodells Größen, die physikalische Eigenschaften angeben.The physical aging model 5 is a mathematical model based on non-linear differential equations. The evaluation of the physical aging model 5 of the aging state model 9 with operating variable profiles, in particular since the beginning of the service life of the vehicle battery, results in an internal state of the system of equations of the physical differential equations being set, which corresponds to a physical internal state of the vehicle battery. Since the physical aging model is based on physical and electrochemical laws, the model parameters of the physical aging model are quantities that specify physical properties.

Die Zeitreihen der Betriebsgrößen x(t) der auszuwertenden Fahrzeugbatterie gehen also direkt in das physikalische Alterungszustandsmodell 5 ein, welches vorzugsweise als elektrochemisches Modell ausgeführt ist und entsprechende interne elektrochemische Zustände z(t), wie Schichtdicken (z.B. SEI-Dicke), Änderung des zyklisierbaren Lithiums aufgrund von Anode/Kathode-Nebenreaktionen, schneller Verbrauch von Elektrolyten, langsamer Verbrauch von Elektrolyten, Verlust des Aktivmaterials in Anode, Verlust des Aktivmaterials in Kathode, etc., mithilfe von nichtlinearen Differentialgleichungen in einem mehrdimensionalem Zustandsvektor modelliert.The time series of the operating variables x(t) of the vehicle battery to be evaluated go directly into the physical aging state model 5, which is preferably designed as an electrochemical model and corresponding internal electrochemical states z(t), such as layer thicknesses (e.g. SEI thickness), change in the cyclable Lithiums due to anode/cathode side reactions, fast consumption of electrolyte, slow consumption of electrolyte, loss of active material in anode, loss of active material in cathode, etc. are modeled using nonlinear differential equations in a multidimensional state vector.

Das physikalische Alterungsmodell 5 entspricht somit einem elektrochemischen Modell der betreffenden Fahrzeugbatterie 3. Dieses Modell ermittelt abhängig von den Betriebsgrößenverläufen x(t) interne physikalische Batteriezustände z(t), um einen physikalisch basierten Alterungszustand SOHph =Phys[x(t)] der Dimension von mindestens eins, abhängig von den oben genannten elektrochemischen Zuständen z(t), welche linear oder nichtlinear auf eine Kapazitätserhaltungsrate (SOH-C) und/oder eine Innenwiderstandsanstiegsrate (SOH-R) abgebildet werden, um diese als Alterungszustand (SOH-C und SOH-R) bereitzustellen.The physical aging model 5 thus corresponds to an electrochemical model of the vehicle battery 3 in question. This model determines internal physical battery states z(t) depending on the performance variable curves x(t) in order to obtain a physically based aging state SOHph = Phys[x(t)] of the dimension of at least one, depending on the above electrochemical states z(t), which are linearly or non-linearly mapped to a capacity retention rate (SOH-C) and/or an internal resistance increase rate (SOH-R) to define them as aging states (SOH-C and SOH -R) to provide.

Die durch das elektrochemische Modell bereitgestellten Modellwerte für den physikalischen Alterungszustand SOHph sind jedoch in bestimmten Situationen ungenau, und es ist daher vorgesehen, diese mit einer Korrekturgröße k zu korrigieren. Die Korrekturgröße k wird von dem datenbasierten Korrekturmodell 6 bereitgestellt, das mithilfe von Trainingsdatensätzen, die durch den Prüfstand 1 ermittelt werden, trainiert wird.However, the model values for the physical aging state SOHph provided by the electrochemical model are imprecise in certain situations, and it is therefore provided to correct them with a correction variable k. The correction variable k is provided by the data-based correction model 6, which is trained using training data sets that are determined by the test bench 1.

Vorzugsweise entspricht das datenbasierte Korrekturmodell einem Gaußproessmodell G P = G P [ x ( t ) , x ( t h i s t ) , z , P h y s [ x ( t ) ] ) ) N ( μ , ) ,

Figure DE102022200538A1_0004
wobei µ ein m x 1-dimensionaler Vektor ist, der den prädiktiven Mittelwert angibt und Σ die m × m dimensionale prädiktive Kovarianzmatrix des Gaußprozessmodells ist. Die Formeln für den Mittelwert und die Varianz vom Gaußprozess sind wie folgt: μ ( x * ) = k T C N 1 y
Figure DE102022200538A1_0005
( x * ) = c k T C N 1 k
Figure DE102022200538A1_0006
wobei N der Anzahl von Labels entspricht, x* m × d dimensional ist und eine Menge an m neuen Punkten im Eingangsraum angibt, wobei [x(t),x(thist),z,Phys[x(t)]) =x' und y jeweils einem N × 1 dimensionalen Vektor entsprechen, und wobei y jeweils ein gemessener oder als Label bestimmter Alterungszustand angibt, k entspricht einer N × m dimensionalen Matrix von Kernelauswertungen, die im Kernel des Gauß Prozesses kodierten Korrelationen zwischen den m neuen Punkten und den N gemessenen Punkten angeben. C entspricht einer N × N dimensionalen Matrix von Kernelauswertungen zwischen den N gemessenen Punkten und c einer m × m Matrix mit Kernelauswertungen zwischen den m neuen Punkten. T kennzeichnet das Transponierte. Siehe auch Bishop, „Pattern Recognition and Machine Learning“, 2006. The data-based correction model preferably corresponds to a Gaussian process model G P = G P [ x ( t ) , x ( t H i s t ) , e.g , P H y s [ x ( t ) ] ) ) N ( µ , ) ,
Figure DE102022200538A1_0004
where µ is an mx 1-dimensional vector denoting the predictive mean and Σ is the m × m dimensional predictive covariance matrix of the Gaussian process model. The formulas for the mean and variance of the Gaussian process are as follows: µ ( x * ) = k T C N 1 y
Figure DE102022200538A1_0005
( x * ) = c k T C N 1 k
Figure DE102022200538A1_0006
where N is the number of labels, x* is m × d dimensional and specifies a set of m new points in the input space, where [x(t),x(t hist ),z,Phys[x(t)]) = x' and y each correspond to an N × 1 dimensional vector, and where y indicates an aging state measured or determined as a label, k corresponds to an N × m dimensional matrix of kernel evaluations, the correlations between the m new points encoded in the kernel of the Gaussian process and indicate the N measured points. C corresponds to an N×N dimensional matrix of kernel scores between the N measured points and c an m × m matrix with kernel scores between the m new points. T denotes the transposed. See also Bishop, "Pattern Recognition and Machine Learning", 2006.

Das Korrekturmodell 6 erhält eingangsseitig Betriebsmerkmale m(t), die aus den Verläufen der Betriebsgrößen x(t) ermittelt und auch einen oder mehrere der internen elektrochemischen Zustände des Differentialgleichungssystems des physikalischen Modells 5 umfassen können. Weiterhin kann das Korrekturmodell 6 eingangsseitig den aus dem physikalischen Alterungsmodell 5 erhaltenen physikalischen Alterungszustand SOHph erhalten. Die Betriebsmerkmale m(t) des aktuellen Auswertungszeitraums werden in einem Merkmalsextraktionsblock 8 basierend auf den Betriebsgrößenverläufen x(t) erzeugt. Weiterhin werden dem Korrekturmodell 6 die inneren Zustände z(t) aus dem Zustandsvektor des elektrochemischen physikalischen Alterungsmodells 5 sowie vorteilhafterweise der physikalische Alterungszustand SOHph zugeführt. Der Merkmalsvektor m(t) ist robust, weil er unabhängig von der Modellgüte des physikalischen Alterungsmodells bzw. dessen Zustand ist. Daher ist die Berücksichtigung des Merkmalsvektors m(t) eine sinnvolle Ergänzung zu den inneren Zuständen z(t) des physikalischen bzw. elektrochemischen Alterungsmodells.The correction model 6 receives operating characteristics m(t) on the input side, which are determined from the curves of the operating variables x(t) and can also include one or more of the internal electrochemical states of the differential equation system of the physical model 5 . Furthermore, the correction model 6 can receive the physical aging state SOHph obtained from the physical aging model 5 on the input side. The operating features m(t) of the current evaluation period are generated in a feature extraction block 8 based on the operating variable profiles x(t). Furthermore, the internal states z(t) from the state vector of the electrochemical physical aging model 5 and advantageously the physical aging state SOHph are supplied to the correction model 6 . The feature vector m(t) is robust because it is independent of the model quality of the physical aging model or its state. Therefore, considering the feature vector m(t) is a useful addition to the internal states z(t) of the physical or electrochemical aging model.

Aus den Betriebsgrößen x(t) können in der Zentraleinheit 2 für jede Fahrzeugflotte 3 oder in anderen Ausführungsformen auch bereits in den jeweiligen Kraftfahrzeugen Betriebsmerkmale m(t) 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.Operating variables m(t) relating to an evaluation period can be generated from the operating variables x(t) in the central unit 2 for each vehicle fleet 3 or, in other embodiments, already in the respective motor vehicles. 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 m(t) 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: elektrochemische Zustände, wie z. B. SEI-Schichtdicke, Änderung von zyklisierbarem Lithium aufgrund von Anoden/Kathoden-Nebenreaktionen, schnelle Aufnahme von Elektrolytlösungsmitteln, langsame Aufnahme von Elektrolytlösungsmitteln, Lithiumabscheidung, Verlust von aktivem Anodenmaterial und Verlust von aktivem Kathodenmaterial, Informationen zu Impedanzen bzw. den Innenwiderständen, Histogrammmerkmale, wie Temperatur über Ladezustand, Ladestrom über Temperatur und Entladestrom über Temperatur, insbesondere mehrdimensionale Histogrammdaten bezüglich der Batterietemperaturverteilung über dem Ladezustand, der Ladestromverteilung über der Temperatur und/oder der Entladestromverteilung über der Temperatur, den Stromdurchsatz in Amperestunden, die akkumulierte Gesamtladung (Ah), eine durchschnittliche Kapazitätszunahme bei einem Ladevorgang (insbesondere für Ladevorgänge, bei denen die Ladungszunahme über einem Schwellenanteil [z. B. 20 % ΔSOC] der gesamten Batteriekapazität liegt), die Ladekapazität sowie ein Extremwert (z. B. Maximum) der differentiellen Kapazität während eines gemessenen Ladevorgangs mit ausreichend großem Hub des Ladezustands (geglätteter Verlauf von dQ/dU: Ladungsänderung dividiert durch Änderung der Batteriespannung) oder die akkumulierte Fahrleistung. Diese Größen werden vorzugsweise so umgerechnet, dass sie das reale Nutzungsverhalten bestmöglich charakterisieren und im Merkmalsraum normieren. Die Betriebsmerkmale m(t) können insgesamt oder nur teilweise für das nachfolgend beschriebene Verfahren verwendet werden.The operating characteristics m(t) can include, for example, characteristics related to the evaluation period and/or accumulated characteristics and/or statistical variables determined over the entire previous service life. In particular, the operating characteristics can include, for example: electrochemical states, such as e.g. B. SEI layer thickness, change in cyclizable lithium due to anode/cathode side reactions, rapid uptake of electrolyte solvents, slow uptake of electrolyte solvents, lithium deposition, loss of active anode material and loss of active cathode material, information on impedances or the internal resistances, histogram characteristics, such as temperature versus state of charge, charging current versus temperature and discharging current versus temperature, in particular multi-dimensional histogram data relating to battery temperature distribution versus state of charge, charging current distribution versus temperature and/or discharging current distribution versus temperature, current throughput in ampere-hours, accumulated total charge (Ah), a Average increase in capacity during a charge process (especially for charge processes in which the increase in charge is above a threshold proportion [e.g. 20% ΔSOC] of the total battery capacity), the charge capacity and an extreme value (e.g. B. Maximum) of the differential capacity during a measured charging process with a sufficiently large swing in the state of charge (smoothed curve of dQ/dU: change in charge divided by change in battery voltage) or the accumulated mileage. These variables are preferably converted in such a way that they characterize the real usage behavior in the best possible way and normalize it in the feature space. The operating characteristics m(t) can be used in whole or in part for the method described below.

Für die Bestimmung eines korrigierten auszugebenden Alterungszustands SOH werden die Ausgänge SOHph, k des physikalischen Alterungsmodells 5 und des datenbasierten Korrekturmodells 6, welches vorzugsweise als Gaußprozessmodell ausgeführt ist, miteinander beaufschlagt. Insbesondere können diese in einem Summierblock 7 addiert oder ansonsten auch multipliziert (nicht gezeigt) werden, um den auszugebenden modellierten Alterungszustand SOH zu einem aktuellen Auswertungszeitraum zu erhalten. Die Konfidenz des Gaußprozesses kann im Additions-Fall weiterhin als Konfidenz des auszugebenden korrigierten Alterungswerts SOH des hybriden Modells verwendet werden. Die Konfidenz bzw. der Konfidenzwert des Gaußprozessmodells charakterisiert somit die Modellierungs-Unsicherheit der Abbildung von Betriebsmerkmalspunkten auf einen Alterungszustand.To determine a corrected aging state SOH to be output, the outputs SOHph, k of the physical aging model 5 and the data-based correction model 6, which is preferably designed as a Gaussian process model, are applied to one another. In particular, these can be added in a summation block 7 or otherwise also multiplied (not shown) in order to obtain the modeled aging state SOH to be output for a current evaluation period. In addition, the confidence of the Gaussian process can also be used as the confidence of the corrected aging value SOH of the hybrid model to be output. The confidence or the confidence value of the Gaussian process model thus characterizes the modeling uncertainty of the mapping of operating characteristic points to an aging state.

Das initiale Trainieren des hybriden Alterungszustandsmodells 9 erfolgt in dem Prüfstand 1. Dazu werden Trainingsdatensätze erstellt, die Betriebsgrößenverläufe einer abhängig von einem Lastprofil betriebenen Fahrzeugbatterie einem empirisch oder modellbasiert ermittelten Alterungszustand als Label zuordnen.The initial training of the hybrid aging state model 9 takes place in the test bench 1. For this purpose, training data sets are created that assign the operating variable curves of a vehicle battery operated as a function of a load profile to an aging state determined empirically or model-based as a label.

Beispielsweise kann zur Bestimmung eines Alterungszustands als Label für das Training des hybriden oder datenbasierten Alterungszustandsmodells ein Basismodell vorgesehen sein, gemäß dem eine SOH-C-Messung durch Coulomb-Counting bzw. durch Bildung eines zeitlichen Stromintegrals während des Ladevorgangs vorgenommen wird, welches durch den Hub des Ladezustands zwischen Beginn und Ende der betreffenden Lade- und/oder Entladephase dividiert wird. Eine hinreichend zuverlässige Angabe über den Alterungszustand kann man beispielsweise erhalten, wenn die Fahrzeugbatterie während eines Ladevorgangs aus einem definierten relaxierten Zustand unter reproduzierbaren Last- und Umgebungsbedingungen von einem vollständig entladenen Lade-Zustand in einen vollständig geladenen Zustand gebracht wird. Die dadurch erfasste maximale Ladung kann zu einer initialen maximalen Ladekapazität der Fahrzeugbatterie in Beziehung gesetzt werden. Widerstandsbezogene Alterungszustände (SOH-R-Werte) können auch durch Spannungsänderungen bezogen auf eine Stromänderung errechnet werden. Üblicherweise sind diese auf ein definiertes Zeitintervall sowie definierte Umgebungsbedingungen und die Energiefluss-Richtung des Systems bezogen.For example, to determine an aging status as a label for training the hybrid or data-based aging status model, a basic model can be provided, according to which an SOH-C measurement is carried out by Coulomb counting or by forming a time-related current integral during the charging process, which is carried out by the hub the state of charge between the beginning and the end of the relevant charging and/or discharging phase. Sufficiently reliable information about the aging state can be obtained, for example, when the vehicle battery is brought from a completely discharged state of charge to a fully charged state during a charging process from a defined relaxed state under reproducible load and environmental conditions. The maximum charge detected in this way can be related to an initial maximum charge capacity of the vehicle battery. Resistance-related aging conditions (SOH-R values) can also be calculated from voltage changes related to a current change. These are usually related to a defined time interval as well as defined environmental conditions and the energy flow direction of the system.

Die Ermittlung eines Alterungszustands als Label kann in an sich bekannter Weise durch Auswertung der Betriebsgrößenverläufe mit einem zusätzlichen Alterungsmodell unter definierten Last- und Umgebungs-Bedingungen einer Labelerzeugung erfolgen, wie z. B. konstanter Temperatur, konstanter Strom und dergleichen. Dazu können andere Modelle zur Ermittlung des Alterungszustands genutzt werden. Das Training des datenbasierten Korrekturmodells kann auf herkömmliche Weise basierend auf den Trainingsdatensätzen und auf den Residuen des modellierten Alterungszustands erfolgen.An aging state can be determined as a label in a manner known per se by evaluating the performance variable curves with an additional aging model under defined load and environmental conditions of a label generation, such as e.g. B. constant temperature, constant current and the like. Other models can be used to determine the aging condition. The data-based correction model can be trained in a conventional manner based on the training data records and on the residuals of the modeled aging state.

In 3 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das den Ablauf des Verfahrens zum Durchführen der Vermessung der Vielzahl der Fahrzeugbatterien 3 auf dem Prüfstand 1 beschreibt. Das Verfahren wird in dem Prüfstandsteuergerät 2 ausgeführt und führt dazu, ein initiales datenbasiertes Alterungszustandsmodell 4 bereitzustellen, das eine hinreichende Genauigkeit bei der Bestimmung des Alterungszustands basierend auf Betriebsgrößenverläufen von Fahrzeugbatterien 3 im realen Betrieb ermöglicht.In 3 a flowchart is shown that describes the sequence of the method for carrying out the measurement of the plurality of vehicle batteries 3 on the test stand 1 . The method is executed in the test bench control device 2 and leads to the provision of an initial data-based state of health model 4 that allows sufficient accuracy in determining the state of health based on operating variable profiles of vehicle batteries 3 in real operation.

In Schritt S1 wird der Prüfstand 1 mit einer Vielzahl von fabrikneuen (oder in einem Referenzzustand befindlichen) Fahrzeugbatterien 3 gleichen Typs ausgestattet und jedem der Fahrzeugbatterien 3 ein vorgegebenes Lastmuster zugewiesen. Die Lastmuster sind unterschiedlich und stellen jeweils eine Belastung im Bereich einer geringen bis hohen Belastung für die zugeordnete Fahrzeugbatterie 3 dar. Die Lastmuster sehen Angaben vor, aus denen zeitliche Verläufe eines Batteriestroms in Verbindung mit Temperaturverläufen abgeleitet werden können, die die Fahrzeugbatterien 3 in unterschiedlicher Weise stressen.In step S1, the test stand 1 is equipped with a large number of brand-new (or in a reference state) vehicle batteries 3 of the same type, and each of the vehicle batteries 3 is assigned a predefined load pattern. The load patterns are different and each represent a load in the range of a low to high load for the associated vehicle battery 3. The load patterns provide information from which temporal curves of a battery current in connection with temperature curves can be derived, which the vehicle batteries 3 in different ways stress.

In Schritt S2 werden die Vielzahl der Fahrzeugbatterien 3 entsprechend dem vorgegebenen Lastmuster betrieben.In step S2, the plurality of on-vehicle batteries 3 are operated according to the predetermined load pattern.

In Schritt S3 wird überprüft, ob ein Auswertungszeitpunkt erreicht ist. Der Auswertungszeitpunkt kann in regelmäßigen Zeitabständen vorgesehen sein, wie beispielsweise in Zeitabständen zwischen einer Woche und zwei Monaten.In step S3 it is checked whether an evaluation time has been reached. The evaluation time can be provided at regular time intervals, such as at time intervals between one week and two months.

Ist ein Auswertungszeitpunkt erreicht (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S2 zurückgesprungen.If an evaluation time has been reached (alternative: yes), the method continues with step S4, otherwise a jump is made back to step S2.

In Schritt S4 wird nun ausgehend von dem bisherigen Trainingszustand des Alterungszustandsmodells für jede der Vielzahl der Fahrzeugbatterien 3 ein Informationsmaß bestimmt, das angibt, welcher Informationsgewinn im Laufe der weiteren Vermessung der betreffenden Fahrzeugbatterie 3 erhalten werden kann. Dieses Informationsmaß kann als prädiktive Kovarianz angegeben werden. Insbesondere bei Verwendung eines Gauß-Prozess-Modells als probabilistisches Regressionsmodell hängt die prädiktive Kovarianz ( S O H j ( t + t 1 ) , S O H j ( t + t 2 ) , , S O H j ( t + t n ) )

Figure DE102022200538A1_0007
nicht von bisher nicht ermittelten Alterungszuständen ab, sondern nur von Eingangsgrößen x̅J(t) = [x(t), m(t), z, Phys[x(t)]) ab. Man kann daher auch schreiben Σ(x̅j(t + t1), x̅j(t + t2), ...,x̅j(t + tn)). Dies stellt eine Matrix dar, die mit Informationsmaßen, wie der Determinante oder dem maximalen Eigenwert, bewertet werden kann. Der Informationsgewinn kann sich somit aus der Auswertung der sich aus den Lastmustern ergebenden Betriebsgrößenverläufe in einfacher Weise ergeben.In step S4, based on the previous training state of the state of health model, an information measure is now determined for each of the plurality of vehicle batteries 3, which indicates which information gain can be obtained in the course of the further measurement of the vehicle battery 3 in question. This measure of information can be expressed as a predictive covariance. In particular, when using a Gaussian process model as a probabilistic regression model, the predictive covariance depends ( S O H j ( t + t 1 ) , S O H j ( t + t 2 ) , ... , S O H j ( t + t n ) )
Figure DE102022200538A1_0007
not from previously undetermined aging states, but only from input variables x̅ J (t) = [x(t), m(t), z, Phys[x(t)]). One can therefore also write Σ(x̅ j (t + t 1 ), x̅ j (t + t 2 ), ...,x̅ j (t + t n )). This represents a matrix that can be evaluated with information measures such as the determinant or the maximum eigenvalue. The gain of information can thus result in a simple manner from the evaluation of the performance variable curves resulting from the load patterns.

Im Ergebnis erhält man in Schritt S4 die Informationsmaße über die zu erwartenden Informationsgewinne aus den einzelnen Fahrzeugbatterien 3 der Vielzahl von Fahrzeugbatterien 3. Die Kombination von Informationsmaßen (gesamtes Informationsmaß) mehrerer Fahrzeugbatterien 3 J = (j1 ... jm) kann durch die Kovarianzmatrix I n f o j = det ( ( x ¯ j 1 ( t + t 1 ) , , x ¯ j 1 ( t + t n ) , x ¯ j m ( t + t 1 ) , , x ¯ j m ( t + t n ) ) )

Figure DE102022200538A1_0008
angegeben werden.As a result, in step S4, the information measures about the expected information gains from the individual vehicle batteries 3 of the plurality of vehicle batteries 3. The combination of information measures (total information measure) of several vehicle batteries 3 J = (j1 ... jm) can be determined by the covariance matrix I n f O j = de ( ( x ¯ j 1 ( t + t 1 ) , ... , x ¯ j 1 ( t + t n ) , x ¯ j m ( t + t 1 ) , ... , x ¯ j m ( t + t n ) ) )
Figure DE102022200538A1_0008
be specified.

In einem Schritt S5 wird ein Kostenmaß für jede der Fahrzeugbatterien 3 berechnet. Das Kostenmaß kann die Kosten der Nutzung des Prüfstandes einschließlich des voraussichtlichen Energieverbrauchs und der Testzeit sowie des sonstigen Materialeinsatzes umfassen. Somit kann für jede der Vielzahl der Fahrzeugbatterien 3 das Kostenmaß prädiktiv bereitgestellt werden, wenn die Kosten zu den diskretisierten Auswertungszeitpunkten bis zum Ende tn der Vermessungsdauer addiert werden. Somit erhält man für jede der Fahrzeugbatterien 3 als Kosten C j = C ( x ¯ j ( t + t 1 ) , x ¯ j ( t + t 2 ) , , x ¯ j ( t + t n ) )

Figure DE102022200538A1_0009
und als gesamte Kosten für die Vermessung einer bestimmten Menge von Fahrzeugbatterien 3 C j = C 1 + .. + C m
Figure DE102022200538A1_0010
wobei 1...m Indizes von Fahrzeugbatterien 3 einer Untermenge der Anzahl J entsprechen.A cost measure for each of the vehicle batteries 3 is calculated in a step S5. The cost measure can include the costs of using the test bench, including the expected energy consumption and the test time as well as other material usage. The cost measure can thus be provided predictively for each of the plurality of vehicle batteries 3 if the costs are added at the discretized evaluation times up to the end t n of the measurement duration. Thus, a cost for each of the vehicle batteries 3 is obtained C j = C ( x ¯ j ( t + t 1 ) , x ¯ j ( t + t 2 ) , ... , x ¯ j ( t + t n ) )
Figure DE102022200538A1_0009
and as the total cost of measuring a specific quantity of vehicle batteries 3 C j = C 1 + .. + C m
Figure DE102022200538A1_0010
where 1...m indices of vehicle batteries 3 correspond to a subset of the number J.

Somit erhält man für jede der Fahrzeugbatterien 3 ein Informationsmaß über den voraussichtlichen Informationsgewinn und die entsprechenden Kosten, die eine weitere Vermessung der betreffenden Fahrzeugbatterie 3 auf dem Prüfstand verursachen wird. Es ergibt sich eine Pareto-Front, wie sie beispielsweise in 4 schematisch dargestellt ist.Thus, for each of the vehicle batteries 3, a measure of information is obtained about the probable gain of information and the corresponding costs that a further measurement of the vehicle battery 3 in question will cause on the test bench. A Pareto front results, for example as in 4 is shown schematically.

Durch eine Auswahl von Kosten-Informationsmaß-Punkten, die den Kosten und Informationsmaßen jeder der Fahrzeugbatterien 3 entsprechen, können in Schritt S6 diejenigen Fahrzeugbatterien 3 ausgewählt werden, für die zu dem aktuellen Auswertungszeitpunkt ein Label in Form eines gemessenen Alterungszustands ermittelt werden soll.By selecting cost-information measure points that correspond to the costs and information measures of each of the vehicle batteries 3, those vehicle batteries 3 can be selected in step S6 for which a label in the form of a measured state of aging is to be determined at the current evaluation time.

Die Ermittlung des Alterungszustands kann mithilfe eines geeigneten Alterungszustandsmodells oder eines geeigneten Messverfahrens zur Bestimmung des Alterungszustands erfolgen.The aging state can be determined using a suitable aging state model or a suitable measurement method for determining the aging state.

Als mögliches Modell bzw. Methode zur Bestimmung eines Alterungszustands kann eine-Messung durch Coulomb-Counting bzw. durch Bildung eines zeitlichen Stromintegrals während des Ladevorgangs verwendet werden. Hierbei wird die übertragene Ladung 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. Eine hinreichend zuverlässige Angabe über den Alterungszustand kann man beispielsweise erhalten, wenn die Fahrzeugbatterie während eines Ladevorgangs aus einem definierten relaxierten Zustand unter reproduzierbaren Last- und Umgebungsbedingungen von einem vollständig entladenen Lade-Zustand in einen vollständig geladenen Zustand gebracht wird. Die dadurch erfasste maximale Ladung kann zu einer initialen maximalen Ladekapazität der Fahrzeugbatterie 3 in Beziehung gesetzt werden.A measurement by Coulomb counting or by forming a current integral over time during the charging process can be used as a possible model or method for determining an aging state. In this case, the transferred charge is divided by the change in the state of charge between the beginning and the end of the relevant charging and/or discharging phase. In this case, the calibration is advantageously carried out on the no-load voltage characteristic in idle phases in order to also calculate the course of the state of charge in the central unit. Sufficiently reliable information about the aging state can be obtained, for example, when the vehicle battery is brought from a completely discharged state of charge to a fully charged state during a charging process from a defined relaxed state under reproducible load and environmental conditions. The maximum charge detected in this way can be related to an initial maximum charge capacity of the vehicle battery 3 .

Die Auswahl der zu vermessenden Fahrzeugbatterien 3 kann mit einem Optimierungsverfahren entsprechend einer Zielfunktion, die die Kosten und den Informationsgewinn gegeneinander abwägt, ermittelt werden. Die Zielfunktion kann die Form aufweisen: Zj = InfoJ + αCJ mit einem nutzerdefinierten Gewichtungsparameter α und können eine vorgegebene Anzahl von Fahrzeugbatterien bestimmt werden, für die die Zielfunktion die maximalen Werte ergibt. Zur Lösung des Optimierungsproblems können Greedy-Algorithmen verwendet werden, die zuerst die beste Fahrzeugbatterie 3 (höchstes Ergebnis der Zielfunktion ZJ) und dann die jeweils nächstbeste (bezüglich ZJ) hinzugefügt wird, unter der Annahme, dass die zuvor ermittelten Fahrzeugbatterien 3 bereits vermessen sind.The selection of the vehicle batteries 3 to be measured can be determined with an optimization method according to a target function that weighs the costs and the information gained against each other. The objective function can be of the form: Z j = Info J + αC J with a user defined weight parameter α and a predetermined number of vehicle batteries can be determined for which the objective function yields the maximum values. To solve the optimization problem, greedy algorithms can be used, which first add the best vehicle battery 3 (highest result of the target function Z J ) and then the next best one (with respect to Z J ), assuming that the previously determined vehicle batteries 3 have already been measured are.

Alternativ zur Gewichtung der Zielfunktion mit dem Gewichtungsparameter kann auch ein beschränktes Optimierungsproblem durch Maximierung des Informationsmaßes InfoJ durch Auswahl einer Untermenge der Fahrzeugbatterien aus der Vielzahl von auszuwählenden Fahrzeugbatterien gelöst werden. Dies erfolgt unter der Nebenbedingung, dass die Summe der Kosten des Vermessens der so ausgewählten Fahrzeugbatterien kleiner ist als ein vorgegebener Nutzerparameter, der angibt, wie hoch die Kosten maximal sein dürfen.As an alternative to weighting the target function with the weighting parameter, a limited optimization problem can also be solved by maximizing the information measure Info J by selecting a subset of the vehicle batteries from the large number of vehicle batteries to be selected. This takes place under the secondary condition that the sum of the costs of measuring the vehicle batteries selected in this way is less than a predefined user parameter, which indicates how high the costs may be at most.

Alternativ zur Gewichtung der Zielfunktion mit dem Gewichtungsparameter kann auch ein beschränktes Optimierungsproblem durch Minimierung der Kosten durch Auswahl einer Untermenge der Fahrzeugbatterien aus der Vielzahl von auszuwählenden Fahrzeugbatterien gelöst werden. Dies erfolgt unter der Nebenbedingung, dass das gesamte Informationsmaß InfoJ größer ist als ein vorgegebener Mindest-Informationsgewinn über alle ausgewählten Fahrzeugbatterien.As an alternative to weighting the target function with the weighting parameter, a limited optimization problem can also be solved by minimizing the costs by selecting a subset of the vehicle batteries from the large number of vehicle batteries to be selected. This takes place under the secondary condition that the total amount of information Info J is greater than a specified minimum information gain about all selected vehicle batteries.

Werden probabilistische Modelle für das Alterungszustandsmodell verwendet, so kann die Nebenbedingung auch als eine Wahrscheinlichkeit größer als eine vorgegebene Wahrscheinlichkeit angegeben werden, dass die Kosten kleiner als der vorgegebene Parameter sind. Alternativ kann die Nebenbedingung auch als eine Wahrscheinlichkeit größer als eine vorgegebene Wahrscheinlichkeit angegeben werden, dass das gesamte Informationsmaß InfoJ größer als eine vorgegebenes Mindest-Informationsmaß ist.If probabilistic models are used for the state of health model, then the secondary condition can also be specified as a probability greater than a specified probability that the costs are less than the specified parameter. Alternatively, the constraint can also be specified as a probability greater than a specified probability that the entire information measure Info J is greater than a specified minimum information measure.

Nachfolgend werden in Schritt S7 die ausgewählten Fahrzeugbatterien 3 verwendet, um eine hochgenaue Messung des Alterungszustands als Label vorzunehmen. Es ergeben sich für die Vielzahl von Fahrzeugbatterien 3 Verläufe der Alterungszustände, wie es beispielsweise in 5 dargestellt ist. In Verbindung mit sich aus dem Lastmuster ergebenden Betriebsgrößenverläufen und dem bestimmten Alterungszustand als Label stehen Trainingsdatensätze bereit, mit denen das Alterungszustandsmodell 4 trainiert werden kann. Die so neu ermittelten Trainingsdatensätze werden in Schritt S8 zum weiteren Training des datenbasierten probabilistischen Regressionsmodells verwendet. Zusätzlich kann ein automatisiertes Hyperparameter-Tuning, z. B. über ein Gradienten-basiertes Verfahren oder ein Blackbox-Verfahren, wie z.B. eine Bayes'sche Optimierung, durchgeführt werden.Subsequently, in step S7, the selected vehicle batteries 3 are used in order to carry out a highly precise measurement of the aging status as a label. For the large number of vehicle batteries, there are 3 progressions of the aging states, as shown, for example, in 5 is shown. Training data sets are available with which the aging state model 4 can be trained in connection with the operating variable curves resulting from the load pattern and the determined aging state as a label. The training data records newly determined in this way are used in step S8 for further training of the data-based probabilistic regression model. In addition, automated hyperparameter tuning, e.g. B. via a gradient-based method or a black box method, such as a Bayesian optimization performed.

In einem nachfolgenden Schritt S9 wird überprüft, ob das trainierte Alterungszustandsmodell für einen bereitgestellten Validierungsdatensatz eine ausreichende Genauigkeit von z. B. einem maximalen Fehler von 1,5 % SOHC überschreitet. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird die Vermessung der Fahrzeugbatterien 3 beendet.In a subsequent step S9, it is checked whether the trained aging state model has sufficient accuracy of z. B. exceeds a maximum error of 1.5% SOHC. If this is the case (alternative: yes), the method continues with step S2, otherwise (alternative: no) the measurement of the vehicle batteries 3 is ended.

In einer alternativen Ausführungsform können die ausgewählten Fahrzeugbatterien als alleinige Fahrzeugbatterien weiter vermessen werden, während die übrigen nicht ausgewählten Fahrzeugbatterien 3 aus der Vermessung bzw. von dem Prüfstand entfernt werden, um so Prüfstandsplätze freizugeben. Somit reduziert sich die Anzahl der in der Vermessung verbleibenden Fahrzeugbatterien sukzessive, so dass die gesamten Kosten der Vermessung, die erheblich mit der Anzahl der Fahrzeugbatterien 3 skalieren, deutlich reduziert werden können.In an alternative embodiment, the selected vehicle batteries can continue to be measured as the sole vehicle batteries, while the other vehicle batteries 3 that have not been selected are removed from the measurement or from the test bench, in order to free up test bench spaces. The number of vehicle batteries remaining in the measurement is thus gradually reduced, so that the overall costs of the measurement, which scale considerably with the number of vehicle batteries 3, can be significantly reduced.

Claims (12)

Verfahren zum initialen Bereitstellen eines zumindest teilweise datenbasierten Alterungszustandsmodells (4) für einen elektrischen Energiespeicher (3), mit folgenden Schritten: - Bereitstellen (S1) einer Anzahl von Energiespeichern (3) auf einem Prüfstand (1) zur Vermessung abhängig von einem jeweiligen Lastprofil, wobei die Lastprofile unterschiedlich sind und einen zeitlichen Verlauf mindestens einer belastenden Betriebsgröße für den Energiespeicher (3) charakterisieren; - Betreiben (S2) der Anzahl von Energiespeichern (3) mit dem jeweils zugeordneten Lastprofil und Erfassen von zeitlichen Betriebsgrößenverläufen; - Zu jeweils einem vorgegebenen Auswertungszeitpunkt, Bestimmen (S4) eines Alterungszustands einer Untermenge der Energiespeicher (3) als Label und Generieren eines Trainingsdatensatzes mit den Betriebsgrößenverläufen und dem bestimmten Label für jeden Energiespeicher (3) der Untermenge der Energiespeicher (3); - Auswählen (S6) der Untermenge der Energiespeicher (3) mit dem jeweils zugeordneten Lastprofil abhängig von einem Optimierungsverfahren, das von gesamten Kosten (CJ) einer Vermessung der Energiespeicher (3) auf dem Prüfstand (1) und von einem gesamten Informationsmaß (InfoJ) der Vermessung der Energiespeicher (3) abhängt.Method for initially providing an at least partially data-based aging state model (4) for an electrical energy store (3), with the following steps: - providing (S1) a number of energy stores (3) on a test bench (1) for measurement depending on a respective load profile, wherein the load profiles are different and characterize a time course of at least one stressful operating variable for the energy store (3); - Operation (S2) of the number of energy storage devices (3) with the respective associated load profile and detection of temporal performance variable profiles; - At a given evaluation time, determining (S4) an aging state of a subset of the energy storage devices (3) as a label and generating a training data set with the operating variable profiles and the specific label for each energy storage device (3) of the subset of the energy storage devices (3); - Selecting (S6) the subset of the energy storage devices (3) with the respectively assigned load profile depending on an optimization method that is based on the total costs (C J ) of a measurement of the energy storage devices (3) on the test bench (1) and on a total information measure (Info J ) the measurement of the energy storage (3) depends. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Optimierungsverfahren das Ziel hat, die gesamten Kosten (CJ) der Vermessung auf dem Prüfstand (1) zu minimieren und einen durch das Informationsmaß (JnfoJ) bestimmten Informationsgewinn für die Erstellung des initialen Alterungszustandsmodells (4) zu maximieren, wobei die Kosten insbesondere von einem Energie-Einsatz oder -Bedarf während der Vermessung auf dem Prüfstand (1) und/oder einer Zeitdauer der gesamten Vermessung der zu vermessenden Energiespeicher (3) und/oder von gesamten Prüfstandskosten, die zumindest eine Belegungszeit des Prüfstandes (1) und/oder einen Materialeinsatz berücksichtigen, abhängen.procedure after claim 1 , wherein the optimization method aims to minimize the total costs (C J ) of the measurement on the test bench (1) and to maximize an information gain determined by the information measure (Jnfo J ) for the creation of the initial aging state model (4), the Costs, in particular of energy use or demand during the measurement on the test bench (1) and/or a period of time for the entire measurement of the energy storage device to be measured (3) and/or total test bench costs, which include at least one occupancy time of the test bench (1) and/or take into account the use of materials. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Optimierungsverfahren - basierend auf einer Zielfunktion und insbesondere mit einem Greedy-Algorithmus durchgeführt wird, wobei die Zielfunktion eine gewichtete Summe der gesamten Kosten (CJ) für die Vermessung der Anzahl von Energiespeichern (3), und eines gesamten Informationsmaßes (JnfoJ) durch die Vermessung der Untermenge der Energiespeicher (3) darstellt, - durch Maximierung eines gesamten Informationsmaßes (InfoJ) unter der Nebenbedingung, dass die gesamten Kosten (CJ) des Vermessens der so ausgewählten Energiespeicher (3) kleiner sind als vorgegebene Maximalkosten; - durch Minimierung von gesamten Kosten (CJ) unter der Nebenbedingung, dass das gesamte Informationsmaß (JnfoJ) größer ist als ein vorgegebenes minimales Informationsmaß; - durch Minimierung von gesamten Kosten (CJ) unter der Nebenbedingung, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass die gesamten Kosten (CJ) kleiner sind als vorgegebene Maximalkosten, größer ist als eine vorgegebene Wahrscheinlichkeit; oder - durch Maximierung eines gesamten Informationsmaßes (InfoJ) unter der Nebenbedingung, dass eine Wahrscheinlichkeit, dass das gesamte Informationsmaß (JnfoJ) größer ist als ein vorgegebenes Mindest-Informationsmaß, größer ist als eine vorgegebene Wahrscheinlichkeit.procedure after claim 2 , wherein the optimization method - is carried out based on an objective function and in particular with a greedy algorithm, the objective function being a weighted sum of the total costs (C J ) for measuring the number of energy storage devices (3), and a total information measure (Jnfo J ) represents the energy store (3) by measuring the subset, - by maximizing an overall information measure (Info J ) under the constraint that the total costs (C J ) of measuring the energy stores (3) selected in this way are smaller than predetermined maximum costs; - by minimizing total costs (C J ) under the constraint that the total information measure (Jnfo J ) is greater than a predetermined minimum information measure; - by minimizing total cost (C J ) under the constraint that a probability of total cost (C J ) being less than predetermined maximum cost is greater than a predetermined probability; or - by maximizing an overall information measure (Info J ) under the constraint that a probability that the overall information measure (Jnfo J ) is greater than a predetermined minimum information measure is greater than a predetermined probability. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das datenbasierte Alterungszustandsmodell (4) mit einem probabilistischen datenbasiertes Modell ausgebildet ist, wobei für einen der Energiespeicher (3) ein Eingangsvektor des datenbasierten Modells, der mindestens einen Betriebsgrößenverlauf (x(t)) und/oder mindestens ein Betriebsmerkmal (m(t)) aus dem mindestens einen Betriebsgrößenverlauf, einen inneren Zustand des Energiespeichers (3) und/oder einen physikalisch modellierten Alterungszustand umfasst, auf den zu modellierenden Alterungszustand des betreffenden Energiespeichers (3) oder eine Korrekturgröße zur Korrektur eines physikalisch modellierten Alterungszustand des betreffenden Energiespeichers (3) abgebildet wird, wobei das Informationsmaß () für einen Energiespeicher (3) als Determinante der prädiktive Kovarianz bestimmt wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , wherein the data-based aging state model (4) is designed with a probabilistic data-based model, wherein for one of the energy stores (3) an input vector of the data-based model, which has at least one performance variable profile (x(t)) and/or at least one performance feature (m(t )) from the at least one performance variable profile, an internal state of the energy store (3) and/or a physically modeled aging state, to the aging state to be modeled of the relevant energy store (3) or a correction variable for correcting a physically modeled aging state of the relevant energy store (3 ) is mapped, the information measure () for an energy store (3) being determined as the determinant of the predictive covariance. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die prädiktive Kovarianz aus den Eingangsvektoren eines oder mehrerer der Energiespeicher (3) für die Auswertungszeitpunkte eines gesamten Vermessungszeitraums bestimmt wird.procedure after claim 4 , wherein the predictive covariance is determined from the input vectors of one or more of the energy stores (3) for the evaluation times of an entire measurement period. Verfahren nach Anspruch 5, wobei bei einem Gaußprozessmodell als probabilistischen Modell die prädiktive Kovarianz aus den Eingangsvektoren eines oder mehrerer der Energiespeicher (3) für die Auswertungszeitpunkte eines gesamten Vermessungszeitraums bestimmt wird, wobei die Eingangsvektoren aus den Lastprofilen bestimmt werden.procedure after claim 5 , With a Gaussian process model as a probabilistic model, the predictive covariance is determined from the input vectors of one or more of the energy stores (3) for the evaluation times of an entire measurement period, the input vectors being determined from the load profiles. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zu jedem Auswertungszeitpunkt nur die Energiespeicher (3) der Untermenge der Energiespeicher (3) zur Bestimmung eines Alterungszustands als Label vermessen werden und die übrigen Energiespeicher (3) gemäß dem Lastprofil weiter betrieben werden.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , wherein at each evaluation time only the energy stores (3) of the subset of the energy stores (3) are measured as a label to determine an aging state and the remaining energy stores (3) continue to be operated according to the load profile. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zu jedem Auswertungszeitpunkt nur die Energiespeicher (3) der Untermenge der Energiespeicher (3) zur Bestimmung eines Alterungszustands als Label vermessen werden und gemäß dem Lastprofil weiter betrieben werden, während die übrigen Energiespeicher (3) aus dem Prüfstand entfernt werden.Procedure according to one of Claims 1 until 6 At each evaluation time, only the energy stores (3) of the subset of the energy stores (3) are measured as a label to determine an aging state and continue to be operated according to the load profile, while the remaining energy stores (3) are removed from the test bench. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Alterungszustandsmodell (4) mit den ermittelten Trainingsdatensätzen trainiert wird.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , wherein the aging state model (4) is trained with the determined training data sets. Vorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Device for carrying out one of the methods according to one of Claims 1 until 9 . 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 9 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 9 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 9 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 9 to execute.
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