DE102022202373A1 - Model-based predictive control of a battery charging process - Google Patents

Model-based predictive control of a battery charging process Download PDF

Info

Publication number
DE102022202373A1
DE102022202373A1 DE102022202373.0A DE102022202373A DE102022202373A1 DE 102022202373 A1 DE102022202373 A1 DE 102022202373A1 DE 102022202373 A DE102022202373 A DE 102022202373A DE 102022202373 A1 DE102022202373 A1 DE 102022202373A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
charging
current
charge
battery
state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022202373.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Timon Busse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF Friedrichshafen AG filed Critical ZF Friedrichshafen AG
Priority to DE102022202373.0A priority Critical patent/DE102022202373A1/en
Publication of DE102022202373A1 publication Critical patent/DE102022202373A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06QINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00Systems or methods specially adapted for specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/06Electricity, gas or water supply
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/60Monitoring or controlling charging stations
    • B60L53/62Monitoring or controlling charging stations in response to charging parameters, e.g. current, voltage or electrical charge
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L53/00Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
    • B60L53/60Monitoring or controlling charging stations
    • B60L53/64Optimising energy costs, e.g. responding to electricity rates
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06QINFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00Administration; Management
    • G06Q10/04Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
    • G06Q50/40
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H02J7/0048Detection of remaining charge capacity or state of charge [SOC]
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/0071Regulation of charging or discharging current or voltage with a programmable schedule
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/80Time limits
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2250/00Driver interactions
    • B60L2250/14Driver interactions by input of vehicle departure time
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/48The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for electric vehicles [EV] or hybrid vehicles [HEV]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/10Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/12Electric charging stations

Abstract

Die Erfindung betrifft eine modelbasierte prädiktive Regelung eines Ladevorgangs einer Batterie (7) für einen Antriebsstrang (5) eines Kraftfahrzeugs (1) mittels einer häuslichen Ladeeinheit (3). Ein diesbezügliches Verfahren umfasst insbesondere die Schritte- Ermitteln von Nebenbedingungen durch Ausführen eines Nebendingungs-Algorithmus', wobei die Nebenbedingungen in Abhängigkeit von Ladezustandsinformationen der Batterie (7) und Zeitinformationen ermittelt werden, und- Ermitteln von Ladeströmen, mittels welcher die Batterie (7) durch die häusliche Ladeeinrichtung (3) innerhalb eines vorausliegenden Prädiktionshorizonts zu N diskreten Zeitpunkten geladen werden soll, durch Ausführen eines MPC-Algorithmus', wobei das Ermitteln der Ladeströme in Abhängigkeit von den durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus` ermittelten Nebenbedingungen und unter Minimierung einer Kostenfunktion des MPC-Algorithmus' erfolgt.The invention relates to a model-based predictive control of a charging process of a battery (7) for a drive train (5) of a motor vehicle (1) using a domestic charging unit (3). A method in this regard includes in particular the steps of - determining secondary conditions by executing a secondary conditions algorithm, whereby the secondary conditions are determined depending on the state of charge information of the battery (7) and time information, and - determining charging currents by means of which the battery (7) is carried out the domestic charging device (3) is to be charged at N discrete times within an upcoming prediction horizon, by executing an MPC algorithm, the charging currents being determined depending on the additional conditions determined by executing the constraints algorithm and while minimizing a cost function of the MPC algorithm' takes place.

Description

Die Erfindung betrifft eine modelbasierte prädiktive Regelung eines Ladevorgangs einer Batterie, insbesondere einer Batterie für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei die Batterie mittels einer häuslichen Ladeeinheit geladen wird. Beansprucht werden in diesem Zusammenhang insbesondere ein Verfahren und eine Prozessoreinheit.The invention relates to a model-based predictive control of a charging process of a battery, in particular a battery for a drive train of a motor vehicle, wherein the battery is charged using a domestic charging unit. What is required in this context is, in particular, a method and a processor unit.

Bei modernen Elektrofahrzeugen werden vermehrt die positiven und negativen Auswirkungen von bestimmten Fahrmanövern auf die Effizienz des Fahrzeugs betrachtet und entsprechende Betriebs- und Fahrstrategien abgeleitet. Ein stark wachsender Ansatz hierbei ist die Trajektorien-Planung mit modelprädiktiver Regelung. Im Falle der Fahrmanöverplanung wird eine Vielzahl von Trajektorien über einem virtuellen Horizont hinsichtlich der Erfüllung einer Zielfunktion (z.B. „Minimiere den Energiebedarf“) und dem Einhalten der geltenden Einschränkungen bzw. „Constraints“ (z.B. Geschwindigkeitslimits, Mindestgeschwindigkeit) bewertet, die optimale Trajektorie ausgewählt und letztlich umgesetzt.In modern electric vehicles, the positive and negative effects of certain driving maneuvers on the efficiency of the vehicle are increasingly being considered and corresponding operating and driving strategies are derived. A rapidly growing approach here is trajectory planning with model predictive control. In the case of driving maneuver planning, a large number of trajectories are evaluated over a virtual horizon with regard to the fulfillment of a target function (e.g. "minimize the energy requirement") and compliance with the applicable restrictions or "constraints" (e.g. speed limits, minimum speed), the optimal trajectory is selected and ultimately implemented.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine verbesserte Regelung auch für das Laden einer Batterie eines Elektro-Kraftfahrzeugs bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.An object of the present invention can be seen in providing an improved control system for charging a battery of an electric motor vehicle. The task is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims, the following description and the figures.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, unter der Annahme, dass ein ausführendes Steuergerät oder aber eine häusliche Ladeeinheit mit entsprechender CPU sowie mindestens ein häuslicher Energielieferant verfügbar ist, einen MPC-Ansatz auch auf das häusliche Laden der Batterie anzuwenden. Dazu werden eine neue Zielfunktion sowie Constraints bzw. Nebenbedingungen formuliert. Die Methode der modelbasierten prädiktiven Regelung (MPC) basiert auf einem Systemmodell, welches das Verhalten des Systems beschreibt. Weiterhin basiert die MPC-Methode auf einer Zielfunktion bzw. auf einer Kostenfunktion, die ein Optimierungsproblem beschreibt und bestimmt, welche Zustandsgrößen minimiert werden sollen. Dabei werden das passende Optimierungsproblem und der entsprechend anwendbare Lösungsraum identifiziert und eine Zielfunktion inklusive Constraints bzw. Nebenbedingungen abgeleitet, so dass anschließend die Verwendung eines MPC-Solvers zur Lösung des Optimierungsproblems möglich ist.According to the present invention, it is proposed, assuming that an executive control device or a domestic charging unit with a corresponding CPU as well as at least one domestic energy supplier is available, to apply an MPC approach to domestic charging of the battery. For this purpose, a new target function as well as constraints or secondary conditions are formulated. The model-based predictive control (MPC) method is based on a system model that describes the behavior of the system. Furthermore, the MPC method is based on an objective function or a cost function that describes an optimization problem and determines which state variables should be minimized. The appropriate optimization problem and the corresponding applicable solution space are identified and a target function including constraints or side conditions is derived, so that it is then possible to use an MPC solver to solve the optimization problem.

Insbesondere wird eine Kombination aus einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (englischsprachiger Fachbegriff: Human-Machine-Interface; abgekürzt: HMI), einem Prädiktionsmodell, einem Constraint Handler, sowie einem MPC-Solver vorgeschlagen. Gegenstand der Erfindung ist hierbei insbesondere die Ableitung der geltenden Constraints aus den HMI-Inputs sowie die Identifikation einer optimalen Ladekurve anhand einer Prädiktion des zu erwartenden häuslichen Energiebedarfs mittels MPC-Solver. Vorausgesetzt wird dabei insbesondere, dass ein vorhandener Energielieferant nicht zu den geltenden Entnahmekonditionen ins Netz einspeisen kann, da es sich in diesem Fall nicht um ein mehrdimensionales Optimierungsproblem handeln würde und sich die Verwendung des MPC-Ansatz erübrigen würde. Im Fall des Vorhandenseins eines wie oben beschriebenen Energielieferanten ergibt sich ein typisches häusliches Szenario, bei dem das Zusammenspiel zwischen Elektrofahrzeug, lokalem Energielieferant und Hausstrombedarf prädiktiv optimiert werden kann.In particular, a combination of a human-machine interface (English-language technical term: human-machine interface; abbreviated: HMI), a prediction model, a constraint handler, and an MPC solver is proposed. The subject of the invention is in particular the derivation of the applicable constraints from the HMI inputs as well as the identification of an optimal charging curve based on a prediction of the expected domestic energy requirement using an MPC solver. In particular, this assumes that an existing energy supplier cannot feed into the grid at the applicable withdrawal conditions, since in this case it would not be a multi-dimensional optimization problem and the use of the MPC approach would be unnecessary. In the case of the presence of an energy supplier as described above, a typical domestic scenario results in which the interaction between the electric vehicle, local energy supplier and household electricity demand can be optimized predictively.

In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur modelbasierten prädiktiven Regelung eines Ladevorgangs einer Batterie für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mittels einer häuslichen Ladeeinheit vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

  • - Ermitteln von Nebenbedingungen durch Ausführen eines Nebendingungs-Algorithmus', wobei die Nebenbedingungen in Abhängigkeit von Ladezustandsinformationen der Batterie und Zeitinformationen ermittelt werden, und
  • - Ermitteln von Ladeströmen, mittels welcher die Batterie durch die häusliche Ladeeinrichtung innerhalb eines vorausliegenden Prädiktionshorizonts zu N diskreten Zeitpunkten geladen werden soll, durch Ausführen eines MPC-Algorithmus', wobei das Ermitteln der Ladeströme in Abhängigkeit von den durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus` ermittelten Nebenbedingungen und unter Minimierung einer Kostenfunktion des MPC-Algorithmus' erfolgt.
In this sense, according to a first aspect of the invention, a method for model-based predictive control of a charging process of a battery for a drive train of a motor vehicle by means of a domestic charging unit is proposed. The procedure includes in particular the following steps:
  • - Determining secondary conditions by executing a secondary condition algorithm, whereby the secondary conditions are determined depending on the battery charge status information and time information, and
  • - Determining charging currents by means of which the battery should be charged by the domestic charging device at N discrete times within a prediction horizon, by executing an MPC algorithm, the charging currents being determined depending on those determined by executing the secondary condition algorithm Additional conditions and minimizing a cost function of the MPC algorithm are carried out.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Prozessoreinheit zur modelbasierten prädiktiven Regelung eines Ladevorgangs einer Batterie für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mittels einer häuslichen Ladeeinheit bereitgestellt. Die Prozessoreinheit ist insbesondere dazu eingerichtet,

  • - Nebenbedingungen durch Ausführen eines Nebendingungs-Algorithmus' zu ermitteln, wobei die Nebenbedingungen in Abhängigkeit von Ladezustandsinformationen der Batterie und Zeitinformationen ermittelt werden, und
  • - durch Ausführen eines MPC-Algorithmus' Ladeströme zu ermitteln, mittels welcher die Batterie durch die häusliche Ladeeinrichtung innerhalb eines vorausliegenden Prädiktionshorizonts zu N diskreten Zeitpunkten geladen werden soll, wobei das Ermitteln der Ladeströme in Abhängigkeit von den durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus` ermittelten Nebenbedingungen und unter Minimierung einer Kostenfunktion des MPC-Algorithmus' erfolgt. Die Prozessoreinheit kann dabei insbesondere in eine Ladeeinheit eines Hauses oder in ein Kraftfahrzeug integriert sein, insbesondere in ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs. Die folgenden Ausführungen gelten gleichermaßen für das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und für die Prozessoreinheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
According to a second aspect of the invention, a processor unit for model-based predictive control of a charging process of a battery for a drive train of a motor vehicle is provided by means of a domestic charging unit. The processor unit is designed in particular to
  • - Determine secondary conditions by executing a secondary condition algorithm, whereby the secondary conditions are determined depending on the charge status information of the battery and time information, and
  • - to determine charging currents by executing an MPC algorithm, by means of which the battery is to be charged by the domestic charging device at N discrete times within an upcoming prediction horizon, the charging currents being determined depending on the secondary conditions determined by executing the constraints algorithm and while minimizing a cost function of the MPC algorithm. The processor unit can be integrated in particular in a charging unit of a house or in a motor vehicle, in particular in a control unit of the motor vehicle. The following statements apply equally to the method according to the first aspect of the invention and to the processor unit according to the second aspect of the invention.

Der MPC-Algorithmus kann neben der Kostenfunktion insbesondere ein Lademodell enthalten, welches das Laden der Batterie beschreibt. Wenn der MPC-Algorithmus ausgeführt wird, insbesondere mittels der Prozessoreinheit, dann wird basierend auf dem Lademodell ein Ladevorgang der Batterie ermittelt bzw. prädiziert. Dabei wird ein möglicher Lösungsraum durch die Nebenbedingungen beschnitten und die übrigen möglichen Lösungen mittels der Kostenfunktion bewertet.In addition to the cost function, the MPC algorithm can in particular contain a charging model that describes the charging of the battery. If the MPC algorithm is executed, in particular by means of the processor unit, then a charging process of the battery is determined or predicted based on the charging model. A possible solution space is limited by the additional conditions and the remaining possible solutions are evaluated using the cost function.

Physikalisch werden durch das Ausführen des MPC-Algorithmus` insbesondere Ladeströme berechnet bzw. vorgegeben. Durch die häuslich verfügbare Ladespannung (i.d.R. 230V oder 400V) ergibt sich aus dem Produkt von Ladestrom und Ladespannung eine Ladeleistung. Die geplante Ladekurve entspricht der Ladeleistung an den N verschiedenen Diskretisierungspunkten über dem Ladehorizont. Der Ladehorizont ist insbesondere als derjenige Zeitraum definiert, der sich von einem jeweils aktuellen Zeitpunkt bis zu einem Endzeitpunkt erstreckt, zu dem die Batterie mit einem gewünschten Energieinhalt aufgeladen ist. In diesem Sinne wird der Prädiktionshorizont in einer Ausführungsform als ein zeitlicher Ladehorizont definiert, welcher den Zeitraum zwischen einem Ladeendzeitunkt und einer aktuellen Uhrzeit repräsentiert.Physically, charging currents in particular are calculated or specified by executing the MPC algorithm. Due to the charging voltage available at home (usually 230V or 400V), the product of the charging current and charging voltage results in a charging power. The planned charging curve corresponds to the charging power at the N different discretization points above the charging horizon. The charging horizon is defined in particular as the period of time that extends from a current point in time to an end point in time at which the battery is charged with a desired energy content. In this sense, the prediction horizon is defined in one embodiment as a temporal loading horizon, which represents the period between a loading end time and a current time.

Die Diskretisierung des Ladehorizonts erfolgt dabei insbesondere in N-1 gleichverteilten Zeitabschnitten. Bei gleichbleibendem N werden diese Abschnitte mit fortlaufender Ladedauer also kleiner und das Optimierungsergebnis entsprechend genauer. In diesem Sinne wird bzw. ist der Ladehorizont gemäß einer Ausführungsform in N-1 gleichverteilte Zeitabschnitte eingeteilt.The discretization of the charging horizon takes place in particular in N-1 equally distributed time periods. If N remains the same, these sections become smaller as the loading time increases and the optimization result becomes correspondingly more precise. In this sense, according to one embodiment, the charging horizon is or is divided into N-1 equally distributed time periods.

Um eine Optimierung der Ladekurve durchführen zu können, enthält der MPC-Algorithmus ein Optimierungsziel in Form der Kostenfunktion, die insbesondere eine stetig differenzierbare Minimierungsfunktion sein kann. Grundsätzlich gilt hierfür das Ziel der Kostenminimierung. Da die Kosten sich in diesem Fall auf die anfallenden Stromkosten des Haushalts und des Ladevorgangs beziehen, kann für die zu minimierende Kostenfunktion insbesondere festgelegt werden, dass die zu minimierende Kostenfunktion einen ersten positiven Term, einen zweiten positiven Term und einen dritten negativen Term enthält, wobei der erste Term den Ladestrom repräsentiert, mittels welchem die Batterie durch die häusliche Ladeeinrichtung innerhalb einer der Zeitabschnitte geladen werden soll. Der zweite Term repräsentiert einen mittleren häuslichen Strombedarf, der innerhalb des Zeitabschnitts in einem Haus anfällt, zu dem die häusliche Ladeeinheit gehört. Der häusliche Strombedarf beschreibt insbesondere den mittleren Strombedarf des Hauses, der zum Zeitpunkt i für die Dauer des folgenden Diskretisierungsabschnitts anfällt. Der dritte Term repräsentiert einen mittleren Abgabestrom, der durch einen Stromlieferanten an das Haus abgegeben wird. Der Abgabestrom beschreibt insbesondere einen gemittelten Strom, der von einem Stromlieferanten im gleichen Zeitraum an den Haushalt bzw. and das Haus und die damit zusammenhänge, häusliche Ladeeinheit geliefert werden kann. Der Stromlieferant kann ein von dem Haus getrennter Stromanbieter sein, der dem Haus über eine Stromleitung Strom bereitstellt. Alternativ kann der Stromlieferant auch zu dem Haus gehören, z.B. in Form einer Photovoltaikanlage.In order to be able to optimize the charging curve, the MPC algorithm contains an optimization goal in the form of the cost function, which can in particular be a continuously differentiable minimization function. The basic goal here is to minimize costs. Since the costs in this case relate to the electricity costs incurred by the household and the charging process, it can be specified for the cost function to be minimized in particular that the cost function to be minimized contains a first positive term, a second positive term and a third negative term, where the first term represents the charging current by which the battery is to be charged by the domestic charging device within one of the time periods. The second term represents an average domestic electricity demand that occurs in a house within the time period to which the domestic charging unit belongs. The domestic electricity demand describes in particular the average electricity demand of the house that occurs at time i for the duration of the following discretization section. The third term represents an average output current that is delivered to the house by an electricity supplier. The delivery current describes in particular an averaged current that can be delivered by an electricity supplier to the household or the house and the associated domestic charging unit over the same period of time. The electricity supplier may be an electricity provider separate from the house that provides electricity to the house via a power line. Alternatively, the electricity supplier can also be part of the house, e.g. in the form of a photovoltaic system.

Sowohl der mittlere häusliche Strombedarf als auch der mittlere Abgabestrom sind das Ergebnis eines Prädiktionsmodells, das sich über den Ladehorizont erstreckt. Als eine Stromstärken-Nebenbedingung für die drei vorstehend genannten Stromstärken kann weiterhin festgelegt werden, dass die Summe aus dem Ladestrom und dem mittleren häuslichen Strombedarf abzüglich des mittleren Abgabestroms einen Stromgrenzwert nicht überschreitet, der die maximal technisch einstellbare Stromstärke eines Stromanschlusses des Hauses darstellt. Mit Hilfe der Kostenfunktion kann der MPC-Algorithmus jegliche mögliche Ladekurven hinsichtlich deren Kostenoptimalität abtesten. Der Optimierungsraum wird mathematisch durch die Nebenbedingungen beschnitten, wodurch sichergestellt wird, dass die gefundene optimale Ladekurve sowohl physikalisch korrekt wie auch logisch umsetzbar ist.Both the average domestic electricity demand and the average output current are the result of a prediction model that extends over the charging horizon. As a current intensity secondary condition for the three current intensities mentioned above, it can also be specified that the sum of the charging current and the average domestic electricity requirement minus the average output current does not exceed a current limit value which represents the maximum technically adjustable current intensity of a power connection in the house. With the help of the cost function, the MPC algorithm can test any possible charging curves with regard to their cost optimality. The optimization space is mathematically trimmed by the secondary conditions, which ensures that the optimal charging curve found is both physically correct and logically feasible.

Was die Ermittlung der Ladezustand-Nebenbedingung angeht, so können die dazu notwendigen Ladezustandsinformationen einerseits einen Zielladezustand beschreiben, bis zu dem die Batterie aufgeladen werden soll. Weiterhin können die Ladezustandsinformationen auch einen aktuellen Ladezustand beschreiben, welcher einen aktuellen Ladzustand der Batterie repräsentiert. Mittels dieser Informationen kann durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus` eine erste Ladezustand-Nebenbedingung ermittelt werden, welche die Differenz zwischen dem Zielladezustand und dem aktuellen Ladezustand der Batterie repräsentiert. Die erste Ladezustand-Nebenbedingung beschreibt einen Energiegehalt, welcher der Batterie mindestens zugeführt werden muss und entspricht einem Nettoenergiewert. Zusätzlich kann eine zweite Ladezustand-Nebenbedingung vorgegeben werden, gemäß welcher der aktuelle Ladezustand einen maximal möglichen Ladezustand der Batterie nicht überschreiten darf.As far as determining the state of charge secondary condition is concerned, the necessary state of charge information can, on the one hand, describe a target state of charge up to which the battery should be charged. Furthermore, the state of charge information can also describe a current state of charge, which represents a current state of charge of the battery. Using this information, a first state of charge constraint can be determined by executing the constraint algorithm, which represents the difference between the target state of charge and the current state of charge of the battery. The first charge state secondary condition describes an energy content that must be supplied to the battery as a minimum and corresponds to a net energy value. In addition, a second state of charge secondary condition can be specified, according to which the current state of charge must not exceed a maximum possible state of charge of the battery.

Bezüglich der Ermittlung der Ladezeit-Nebenbedingung können die dazu notwendigen Zeitinformationen einerseits einen Ladeendzeitpunkt beschreiben, zu dem die Batterie bis zu dem Zielladezustand aufgeladen sein soll. Weiterhin können die Zeitinformationen auch eine aktuelle Uhrzeit beschreiben. Mittels dieser Informationen kann durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus` eine Ladezeit-Nebenbedingung ermittelt werden, welche den Zeitraum zwischen dem Ladeendzeitunkt und der aktuellen Uhrzeit repräsentiert. Die Ladezeit-Nebenbedingung beschreibt somit denjenigen Zeitraum, der für das Aufladen der Batterie auf das vorgegebene Niveau maximal verwendet werden darf.With regard to the determination of the charging time secondary condition, the time information required for this can, on the one hand, describe a charging end time at which the battery should be charged up to the target state of charge. Furthermore, the time information can also describe a current time. Using this information, a loading time constraint can be determined by executing the constraint algorithm, which represents the period between the loading end time and the current time. The charging time secondary condition therefore describes the maximum period of time that may be used to charge the battery to the specified level.

Der Zielladezustand und der Ladeendzeitpunkt können insbesondere mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle vorgegeben bzw. eingegeben werden. Unter einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) kann allgemein eine Funktion oder Komponente eines bestimmten Geräts oder einer bestimmten Softwareanwendung verstanden werden, mit der Menschen Maschinen bedienen und mit ihnen interagieren können. Einige Beispiele für übliche HMI-Geräte sind Touchscreens, Tastaturen oder Sprachsteuerungen.The target charging state and the charging end time can be specified or entered in particular using a human-machine interface. A human-machine interface (HMI) can generally be understood as a function or component of a specific device or software application that allows humans to operate and interact with machines. Some examples of common HMI devices are touchscreens, keyboards or voice controls.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden der aktuelle Ladezustand und die aktuelle Uhrzeit mittels einer Erfassungseinheit des Kraftfahrzeugs ermittelt. Dies ist besonders effizient, da die Erfassungseinheit des Kraftfahrzeugs ohnehin typischerweise den Ladezustand und/oder die aktuelle Uhrzeit erfasst.According to a further embodiment, the current charge status and the current time are determined using a detection unit of the motor vehicle. This is particularly efficient since the detection unit of the motor vehicle typically detects the charging status and/or the current time anyway.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt

  • 1 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs mit einer Batterie, eines Hauses mit einer Ladeeinheit sowie eines System zur modelbasierten prädiktiven Regelung,
  • 2 einen Ablauf eines Verfahrens zur modelbasierten prädiktiven Regelung eines Ladevorgangs der Batterie mittels der Ladeeinheit nach 1 und
  • 3 einen Prädiktionshorizont der modelbasierten prädiktiven Regelung.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the schematic drawing, with the same or similar elements being provided with the same reference numerals. This shows
  • 1 a side view of a motor vehicle with a battery, a house with a charging unit and a system for model-based predictive control,
  • 2 a sequence of a method for model-based predictive control of a charging process of the battery using the charging unit 1 and
  • 3 a prediction horizon of model-based predictive control.

1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, z.B. ein Personenkraftfahrwagen, ein Haus 2 mit einer häuslichen Ladeeinheit 3 sowie ein System 4 zur modelbasierten prädiktiven Regelung (im Folgenden kurz als „MPC System 4“ bezeichnet). 1 shows a motor vehicle 1, for example a passenger car, a house 2 with a domestic charging unit 3 and a system 4 for model-based predictive control (hereinafter referred to as “MPC System 4”).

Das Kraftfahrzeug 1 umfasst einen Antriebsstrang 5, der eine elektrische Maschine 6, die als Motor und als Generator betrieben werden kann, und eine Batterie 7 aufweist. Die elektrische Maschine 6 kann im Motorbetrieb Räder des Kraftfahrzeugs 1 über ein Getriebe 8 des Antriebsstrangs 5 antreiben, wobei das Getriebe 8 beispielsweise eine konstante Übersetzung aufweisen kann. Die dazu notwendige elektrische Energie kann die Batterie 7 bereitstellen. Die Batterie 7 kann durch die elektrische Maschine 6 aufgeladen werden, wenn die elektrische Maschine 6 im Generatorbetrieb betrieben wird (Rekuperation). Die Batterie 7 kann auch an der häuslichen Ladeeinheit 3 aufgeladen werden. Ebenfalls kann der Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs 1 optional einen Verbrennungskraftmotor 9 aufweisen, welcher zusätzlich zu der elektrischen Maschine 6 das Kraftfahrzeug 1 antreiben kann. Der Verbrennungskraftmotor 9 kann auch die elektrische Maschine 6 antreiben, um die Batterie 7 aufzuladen. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin eine Erfassungseinheit 13 zur Erfassung von das Kraftfahrzeug 1 betreffenden Zustandsdaten. Die Erfassungseinheit 13 kann aktuelle Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs 1 messen, entsprechende Daten aufnehmen und dem MPC System 4 zur Verfügung stellen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung sind dies insbesondere aktuelle Ladezustände der Batterie 7 sowie aktuelle Uhrzeiten. Die Prozessoreinheit 3 kann auf diese Informationen beispielsweise über eine Kommunikations-Schnittstelle zugreifen.The motor vehicle 1 includes a drive train 5, which has an electric machine 6, which can be operated as a motor and as a generator, and a battery 7. During engine operation, the electric machine 6 can drive wheels of the motor vehicle 1 via a gearbox 8 of the drive train 5, the gearbox 8 being able to have a constant ratio, for example. The battery 7 can provide the electrical energy required for this. The battery 7 can be charged by the electrical machine 6 when the electrical machine 6 is operated in generator mode (recuperation). The battery 7 can also be charged on the home charging unit 3. The drive train of the motor vehicle 1 can also optionally have an internal combustion engine 9, which can drive the motor vehicle 1 in addition to the electric machine 6. The internal combustion engine 9 can also drive the electric machine 6 to charge the battery 7. The motor vehicle 1 further comprises a detection unit 13 for recording status data relating to the motor vehicle 1. The detection unit 13 can measure current state variables of the motor vehicle 1, record corresponding data and make it available to the MPC system 4. In the context of the present invention, these are in particular current charge states of the battery 7 and current times. The processor unit 3 can access this information, for example via a communication interface.

Das MPC System 4 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Prozessoreinheit 10, eine Speichereinheit 11 und eine Kommunikations-Schnittstelle 12. Auf der Speichereinheit 11 kann ein Computerprogrammprodukt 14 gespeichert sein. Das Computerprogrammprodukt 14 kann auf der Prozessoreinheit 10 ausgeführt werden, wozu die Prozessoreinheit 10 und die Speichereinheit 11 mittels der Kommunikations-Schnittstelle 12 miteinander verbunden sind. Wenn das Computerprogrammprodukt 14 auf der Prozessoreinheit 10 ausgeführt wird, leitet es die Prozessoreinheit 10 an, die im Zusammenhang mit der Zeichnung beschriebenen Funktionen zu erfüllen bzw. Verfahrensschritte auszuführen. Das MPC System 4 ist in 1 als eine vom dem Kraftfahrzeug 1 und von der häuslichen Ladeeinheit 3 getrennte Einheit dargestellt. Dies ist jedoch rein beispielhaft. Das MPC System 4 kann ebenso in das Kraftfahrzeug 1 integriert sein oder in die häusliche Ladeeinheit 3.In the exemplary embodiment shown, the MPC system 4 comprises a processor unit 10, a memory unit 11 and a communication interface 12. A computer program product 14 can be stored on the memory unit 11. The computer program product 14 can be executed on the processor unit 10, for which purpose the processor unit 10 and the memory unit 11 are connected to one another by means of the communication interface 12. When the computer program product 14 is executed on the processor unit 10, it instructs the processor unit 10 to fulfill the functions described in connection with the drawing or to carry out method steps. The MPC System 4 is in 1 shown as a unit separate from the motor vehicle 1 and from the domestic charging unit 3. However, this is purely an example. The MPC system 4 can also be integrated into the motor vehicle 1 or into the domestic charging unit 3.

Das Computerprogrammprodukt 14 enthält einen MPC-Algorithmus 15 zur modelbasierten prädiktiven Regelung eines Ladevorgangs der Batterie 7 mittels der häuslichen Ladeeinheit 3. Das Computerprogrammprodukt 14 enthält weiterhin einen Nebendingungs-Algorithmus 27 zum Ermitteln von Nebenbedingungen für den MPC-Algorithmus 15, wobei durch Ausführen des Nebenbedingungs-Algorithmus 27 Nebenbedingungen für den MPC-Algorithmus 15 ermittelt werden. Die Berechnung der Nebenbedingungen erfolgt dabei in Abhängigkeit von Ladezustandsinformationen der Batterie und in Abhängigkeit von Zeitinformationen, wie weiter unten näher beschrieben wird.The computer program product 14 contains an MPC algorithm 15 for model-based predictive control of a charging process of the battery 7 using the domestic charging unit 3. The computer program product 14 further contains a secondary condition algorithm 27 for determining secondary conditions for the MPC algorithm 15, by executing the secondary condition -Algorithm 27 additional conditions for the MPC algorithm 15 are determined. The calculation of the additional conditions takes place depending on the charge status information of the battery and depending on time information, as will be described in more detail below.

Der MPC-Algorithmus 13 enthält ein Lademodell 16 für die Batterie 7 und eine zu minimierende Kostenfunktion 17. Die Prozessoreinheit 10 führt den MPC-Algorithmus 15 aus und prädiziert dabei einen Ladevorgang der Batterie 7 basierend auf dem Lademodell 16, wobei die Kostenfunktion 17 minimiert wird. Als Output der Optimierung durch den MPC-Algorithmus 15 ergeben sich von der Batterie 7 aufgenommene optimierte Ladeströme bzw. Ladeleistungen für N berechnete Punkte innerhalb eines jeweiligen Vorausschauhorizonts der modelbasierten prädiktiven Regelung. Die Prozessoreinheit 10 kann die häusliche Ladeeinheit 3 basierend auf den berechneten Ladeströmen bzw. Ladeleistungen steuern. Weiterhin kann dies jedoch auch durch eine Steuerungseinheit 18 der häuslichen Ladeeinheit 3 erfolgen.The MPC algorithm 13 contains a charging model 16 for the battery 7 and a cost function 17 to be minimized. The processor unit 10 executes the MPC algorithm 15 and thereby predicts a charging process of the battery 7 based on the charging model 16, with the cost function 17 being minimized . The output of the optimization by the MPC algorithm 15 results in optimized charging currents or charging powers recorded by the battery 7 for N calculated points within a respective forecast horizon of the model-based predictive control. The processor unit 10 can control the domestic charging unit 3 based on the calculated charging currents or charging powers. However, this can also be done by a control unit 18 of the domestic charging unit 3.

Die häusliche Ladeeinheit 3 umfasst ausgangsseitig ein elektrisches Ladekabel 19, das elektrisch mit einem elektrischen Ladeanschluss 20 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden werden kann. Der Ladeanschluss 20 ist elektrisch mit der Batterie 7 verbunden, sodass die Batterie 7 über das Ladekabel 19 mit Strom der häuslichen Ladeeinheit 3 aufgeladen werden kann. Die häusliche Ladeeinheit 3 umfasst weiterhin eingangsseitig einen Stromeingangsanschluss 21, über welchen die häusliche Ladeeinheit 3 mit Strom bzw. Spannung versorgt wird, die durch eine Stromleitung 22 bereitgestellt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel fließt durch die Stromleitung 22 ein Strom, der durch einen Stromanbieter bereitgestellt wird, der Strom zentral erzeugt und durch die Stromleitung 22 leitet. Alternativ kann der Strom auch durch eine dazu eingerichtete Stromerzeugungsanlage 23 (z.B. eine Photovoltaikanlage) des Hauses 2 erzeugt und durch die Stromleitung 22 geleitet werden. Über die Stromleitung 22 kann beispielsweise eine Spannung an dem Stromeingangsanschluss 21 angelegt werden, die 230V oder 400V beträgt, was einer üblichen häuslich verfügbaren Spannung entspricht.The domestic charging unit 3 includes an electrical charging cable 19 on the output side, which can be electrically connected to an electrical charging connection 20 of the motor vehicle 1. The charging connection 20 is electrically connected to the battery 7, so that the battery 7 can be charged with electricity from the domestic charging unit 3 via the charging cable 19. The domestic charging unit 3 further comprises a power input connection 21 on the input side, via which the domestic charging unit 3 is supplied with current or voltage, which is provided by a power line 22. In the exemplary embodiment shown, a current flows through the power line 22, which is provided by an electricity provider that generates electricity centrally and passes it through the power line 22. Alternatively, the electricity can also be generated by a power generation system 23 set up for this purpose (e.g. a photovoltaic system) in the house 2 and passed through the power line 22. For example, a voltage can be applied to the power input connection 21 via the power line 22, which is 230V or 400V, which corresponds to a usual voltage available at home.

Über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 24 kann ein Nutzer 25 Vorgaben bezüglich des Ladens der Batterie 7 eingeben. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 24 ist mit dem MPC System 4 kommunikativ verbunden. Bei der Mensch-Maschine-Schnittstelle 24 kann es sich, wie dies durch 1 gezeigt ist, um ein von dem MPC-System 4, dem Kraftfahrzeug 1 und der häuslichen Ladeeinheit 3 getrennten Computer (z.B. Desktop PC, Laptop, Tablet oder Smartphone) mit einer Eingabeeinheit handeln, z.B. einer Tastatur. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 24 kann alternativ in das MPC-System 4 oder in das Kraftfahrzeug 1 oder in die häusliche Ladeeinheit 3 integriert sein, z.B. in Form einer Tastatur, eines Touchscreens oder einer Spracheingabeeinheit.A user 25 can enter specifications regarding the charging of the battery 7 via a human-machine interface 24. The human-machine interface 24 is communicatively connected to the MPC system 4. The human-machine interface 24 can do this as follows 1 shown is a computer (eg desktop PC, laptop, tablet or smartphone) that is separate from the MPC system 4, the motor vehicle 1 and the domestic charging unit 3 and has an input unit, for example a keyboard. The human-machine interface 24 can alternatively be integrated into the MPC system 4 or into the motor vehicle 1 or into the domestic charging unit 3, for example in the form of a keyboard, a touchscreen or a voice input unit.

Der Nutzer 25 gibt in einem ersten Verfahrensschritt 100 über die Mensch-Maschine-Schnittstelle 24 einen Zielladezustand SOCtarget und einen Ladeendzeitpunkt ttarget ein. Mit dem Zielladezustand SOCtarget gibt der Nutzer 25 an, wie hoch der Ladezustand nach Abschluss des Ladevorgangs sein soll. Der Ladezustand (im Englischen: State of Charge oder abgekürzt SoC) kann allgemein der momentane Energieinhalt der elektrischen Batterie 7 im Verhältnis zu ihrem maximalen Energieinhalt sein. Der Zielladezustand SOCtarget beschreibt somit einen Energiewert, mit welchem die Batterie nach Abschluss des Ladevorgangs aufgeladen sein soll. In einem zur Illustration gewählten Beispiel gibt der Nutzer 25 ein, dass der Zielladezustand SOCtarget 95% des maximalen Energieinhalts der Batterie 7 betragen soll. Angenommen, der maximale Energieinhalt der Batterie läge bei 50 kWh, dann entspräche der von dem Nutzer 25 eingegebene Zielladezustand SOCtarget von 95% einem Energieinhalt von 47,5 kWh (= 0,95* 50 kWh).In a first method step 100, the user 25 enters a target charging state SOC target and a charging end time t target via the human-machine interface 24. With the target state of charge SOC target , the user 25 indicates how high the state of charge should be after the charging process has been completed. The state of charge (in English: State of Charge or SoC for short) can generally be the current energy content of the electric battery 7 in relation to its maximum energy content. The target state of charge SOC target therefore describes an energy value with which the battery should be charged after the charging process has been completed. In an example chosen for illustration, the user 25 enters that the target state of charge SOC target should be 95% of the maximum energy content of the battery 7. Assuming that the maximum energy content of the battery is 50 kWh, then the target state of charge SOC target of 95% entered by the user 25 would correspond to an energy content of 47.5 kWh (= 0.95 * 50 kWh).

Der Ladeendzeitpunkt ttarget beschreibt, wann dieser Zielladezustand SOCtarget erreicht sein soll, indem der Ladeendzeitpunkt ttarget einen spätesten Zeitpunkt festlegt, zu dem die Batterie 7 bis zu dem Zielladezustand SOCtarget aufgeladen sein soll. Der Ladeendzeitpunkt ttarget kann beispielsweise in Form eines Datums samt Uhrzeit angegeben werden. In einem zur Illustration gewählten Beispiel gibt der Nutzer 25 ein, dass der Zielladezustand SOCtarget der Batterie 7 an dem folgenden Morgen erreicht sein soll, z.B. am 19. Januar 2022 um 06:00 Uhr.The charging end time t target describes when this target state of charge SOC target should be reached, in that the charging end time t target determines a latest time at which the battery 7 should be charged up to the target state of charge SOC target . The loading end time t target can, for example, be specified in the form of a date and time. In an example chosen for illustration, the user 25 enters that the target state of charge SOC target of the battery 7 should be reached the following morning, for example on January 19, 2022 at 6:00 a.m.

In einem zweiten Verfahrensschritt 200 werden ein aktueller Ladezustand SOCcurrent und eine aktuelle Uhrzeit tcurrent ermittelt. Für den aktuellen Ladezustand SOCcurrent kann sich dabei z.B. ein Wert von 40% ergeben. Angenommen, der maximale Energieinhalt der Batterie läge wieder bei 50 kWh, dann entspräche der ermittelte aktuelle Ladezustand von 40% einem Energieinhalt von 20 kWh (= 0,40* 50 kWh). Die aktuelle Uhrzeit tcurrent kann wieder beispielsweise in Form eines Datums samt Uhrzeit angegeben werden. Beispielhaft kann ermittelt werden, dass die aktuelle Uhrzeit 20:00 Uhr am 18. Januar 2022 ist. Das Ermitteln des aktueller Ladezustands SOCcurrentund der aktuellen Uhrzeit tcurrent kann beispielsweise durch die Erfassungseinheit 13 des Kraftfahrzeugs 1 erfolgen. Der zweite Verfahrensschritt 200 kann nach dem ersten Verfahrensschritt 100 oder aber zu Beginn auch insbesondere zeitgleich oder parallel zu dem ersten Verfahrensschritt 100 ablaufen (wie durch 2 exemplarisch dargestellt). Der Zielladezustand SOCtarget und der aktuelle Ladezustand SOCcurrent stellen Ladezustandsinformationen der Batterie 7 dar. Der Ladeendzeitpunkt ttarget und die aktuelle Uhrzeit stellen Zeitinformationen dar.In a second method step 200, a current charge state SOC current and a current time t current are determined. For example, the current charge level SOC current can result in a value of 40%. Assuming that the maximum energy content of the battery was again 50 kWh, then the determined current charge level of 40% would correspond to an energy content of 20 kWh (= 0.40*50 kWh). The current time t current can again be specified, for example, in the form of a date and time. As an example, it can be determined that the current time is 8:00 p.m. on January 18, 2022. Determining the current state of charge SOC current and the current time t current can be done, for example, by the detection unit 13 of the motor vehicle 1. The second method step 200 can take place after the first method step 100 or at the beginning, in particular at the same time or in parallel with the first method step 100 (as shown by 2 shown as an example). The target state of charge SOC target and the current state of charge SOC current represent state of charge information of the battery 7. The end of charge time t target and the current time represent time information.

In einem dritten Verfahrensschritt 300 führt die Prozessoreinheit 10 den Nebendingungs-Algorithmus 27 aus. Der Zielladezustand SOCtarget und der aktuelle Ladezustand SOCcurrent dienen dabei als Eingabewerte, um als Ausgabewert eine erste Ladezustand-Nebenbedingung CSOC1 zu ermitteln. Dabei wird eine Differenz zwischen dem Zielladezustand SOCtarget und dem aktuellen Ladezustand SOCcurrent der Batterie 7 gebildet. Diese Differenz entspricht einem Energiewert, welche der Batterie 7 über die häusliche Ladeeinheit 3 mindestens zugeführt werden muss, um den Energieinhalt der Batterie 7 von ihrem jetzigen Wert SOCcurrent auf den geforderten Wert SOCtarget zu erhöhen. In dem vorstehend beschriebenen Beispiel beträgt die Rechnung CSOC1 = SOCtarget - SOCcurrent = 47,5 kWh - 20 kWh = 27,5 kWh.In a third method step 300, the processor unit 10 executes the constraints algorithm 27. The target state of charge SOC target and the current state of charge SOC current serve as input values in order to determine a first state of charge secondary condition C SOC1 as the output value. A difference is formed between the target state of charge SOC target and the current state of charge SOC current of the battery 7. This difference corresponds to an energy value which must at least be supplied to the battery 7 via the domestic charging unit 3 in order to increase the energy content of the battery 7 from its current value SOC current to the required value SOC target . In the example described above, the calculation is C SOC1 = SOC target - SOC current = 47.5 kWh - 20 kWh = 27.5 kWh.

Weiterhin wird in einem vierten Verfahrensschritt 400 eine zweite Ladezustand-Nebenbedingung CSOC2 vorgegeben, gemäß welcher der aktuelle Ladezustand SOCcur- rent den maximalen Energieinhalt der Batterie SOCmax (=100%; in dem gewählten Ausführungsbeispiel entspricht dies 50 kWh) nicht überschreiten darf. Diese zweite Ladezustand-Nebenbedingung CSOC2 kann insbesondere einmalig vorgegeben und fortlaufend bei jeder Ausführung des MPC-Algorithmus` 15 neu berechnet bzw. geprüft werden. In einer Formel ausgedrückt, bedeutet die zweite Ladezustand-Nebenbedingung CSOC2: SOCcurrent ≤ SOCmax = 100% = 50 kWh. In dem gewählten Beispiel ist diese Nebenbedingung erfüllt (SOCcurrent = 20 kwH < 50 kWh bzw. 40% < 100 %).Furthermore, in a fourth method step 400, a second charge state secondary condition C SOC2 is specified, according to which the current charge state SOC current may not exceed the maximum energy content of the battery SOC max (=100%; in the selected exemplary embodiment this corresponds to 50 kWh). This second charge state secondary condition C SOC2 can in particular be specified once and continuously recalculated or checked each time the MPC algorithm 15 is executed. Expressed in a formula, the second state of charge condition C means SOC2 : SOC current ≤ SOC max = 100% = 50 kWh. In the example chosen, this additional condition is fulfilled (SOC current = 20 kwH < 50 kWh or 40% < 100%).

Analog für die Ladezeit führt die Prozessoreinheit 10 in einem fünften Verfahrensschritt 500 ebenfalls den Nebendingungs-Algorithmus` 27 aus. Der Ladeendzeitpunkt ttargetund die aktuelle Uhrzeit tcurrent dienen dabei als Eingabe-Werte, um als Ausgabewert eine Ladezeit-Nebenbedingung Cduration zu ermitteln. Dabei wird eine Differenz zwischen dem Ladeendzeitpunkt ttargetund der aktuellen Uhrzeit tcurrent gebildet. Diese Differenz entspricht einer Dauer bzw. einem maximal geduldeten Zeitraum, innerhalb welchem die Batterie 7 über die häusliche Ladeeinheit 3 derart aufgeladen werden soll, sodass der Energieinhalt der Batterie 7 von ihrem jetzigen Wert SOCcurrent auf den geforderten Wert SOCtarget erhöht ist. In dem vorstehend beschriebenen Beispiel beträgt die Rechnung Cduration = ttarget- tcurrent = (19. Januar 2022, 06:00) - (18. Januar 2022, 20:00) = 10 h. Mit anderen Worten beschreibt die erste Ladezustand-Nebenbedingung CSOC1 den Energiegehalt, welcher der Batterie 7 mindestens zugeführt werden muss. Dieser Energiegehalt bzw. Energieinhalt entspricht einem Nettoenergiewert Echarge,min. Die Ladezeit-Nebenbedingung Cduration beschreibt die Zeit, die dafür maximal verwendet werden darf. Der fünfte Verfahrensschritt 400 kann dabei insbesondere zeitgleich oder parallel zu dem dritten Verfahrensschritt 300 ablaufen. Weiterhin kann auch durch ein einmaliges Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus` 27 sowohl die erste Ladezustand-Nebenbedingung CSOC1 als auch die erste Ladezeit-Nebenbedingung Cduration ermittelt werden.Analogously to the loading time, the processor unit 10 also executes the secondary condition algorithm 27 in a fifth method step 500. The loading end time t target and the current time t current serve as input values in order to determine a loading time secondary condition C duration as the output value. A difference is formed between the loading end time t target and the current time t current . This difference corresponds to a duration or a maximum tolerated period within which the battery 7 should be charged via the domestic charging unit 3 in such a way that the energy content of the battery 7 is increased from its current value SOC current to the required value SOC target . In the example described above, the calculation is C duration = t target - t current = (January 19, 2022, 6:00 a.m.) - (January 18, 2022, 8:00 p.m.) = 10 h. In other words, the first charge state secondary condition C SOC1 describes the energy content that must at least be supplied to the battery 7. This energy content or energy content corresponds to a net energy value E charge,min . The loading time constraint C duration describes the maximum time that may be used for this. The fifth method step 400 can in particular take place at the same time or in parallel with the third method step 300. Furthermore, by executing the constraint algorithm 27 once, both the first charge state constraint C SOC1 and the first charging time constraint C duration can be determined.

Aus den oben beschriebenen Nebenbedingungen CSOC1, CSOC2 und Cduration lässt sich ableiten, dass für eine Summe von N-1 zeitlichen, gleich langen Ladeabschnitten 28 eines zeitlich vorausliegenden Prädiktionshorizonts zwischen N Diskretisierungspunkten 29 (veranschaulicht in 3) weiterhin folgende Ladezustand-Nebenbedingungen gelten müssen:

  • CSOC3: i = 1 N I L o a d , i U L o a d t t a r g e t t c u r r e n t N E C h a r g e , m i n 100 %- S O C c u r r e n t S O C t a r g e t S O C c u r r e n t ;
    Figure DE102022202373A1_0001
  • CSOC4: i = 1 N I L o a d , i U L o a d t t a r g e t t c u r r e n t N E C h a r g e , m i n .
    Figure DE102022202373A1_0002
From the additional conditions C SOC1 , C SOC2 and C duration described above, it can be deduced that for a sum of N-1 temporal, equally long loading sections 28 of a prediction horizon ahead in time between N discretization points 29 (illustrated in 3 ) the following charge state additional conditions must still apply:
  • C SOC3 : i = 1 N I L O a d , i U L O a d t t a r G e t t c u r r e n t N E C H a r G e , m i n 100 %- S O C c u r r e n t S O C t a r G e t S O C c u r r e n t ;
    Figure DE102022202373A1_0001
  • C SOC4 : i = 1 N I L O a d , i U L O a d t t a r G e t t c u r r e n t N E C H a r G e , m i n .
    Figure DE102022202373A1_0002

Die dritte Ladezustand-Nebenbedingung CSOC3 unterbindet (wie die zweite Ladezustand-Nebenbedingung CSOC2), dass ein Ladestand von über 100% erreicht wird. Die dritte Ladezustand-Nebenbedingung CSOC3 kann zusätzlich oder alternativ zu der zweiten Ladezustand-Nebenbedingung CSOC2 vorgegeben werden. Durch die dritte Ladezustand-Nebenbedingung CSOC3 wird der MPC-Algorithmus 15 dahingehend eingeschränkt, die Batterie 7 nicht zu „überladen“. Die vierte Ladezustand-Nebenbedingung CSOC4 beschreibt, dass innerhalb des Ladehorizonts 30 mit der Dauer ttarget-tcurrent mindestens der vorstehend beschriebene Nettoenergiewert ECharge,min in die Batterie 7 geladen wird.The third state of charge secondary condition C SOC3 prevents (like the second state of charge secondary condition C SOC2 ) a charge level of over 100% from being reached. The third state of charge secondary condition C SOC3 can be specified in addition to or as an alternative to the second state of charge secondary condition C SOC2 . The third state-of-charge condition C SOC3 restricts the MPC algorithm 15 from “overcharging” the battery 7. The fourth state of charge secondary condition C SOC4 describes that within the charging horizon 30 with the duration t target -t current at least the net energy value E Charge,min described above is charged into the battery 7.

Der Nutzer 25 des Fahrzeugs 1 kann einen minimalen SOC vorgeben, insbesondere den Zielladezustand SOCtarget, den er bei der nächsten Abfahrt vorfinden möchte („Wunsch bezüglich Abfahrtszustand“). Dieser minimal erwartete SOCtarget korrespondiert mit der minimal zuzuführenden Energie Echarge,min. Die Dauer zwischen dem Start der Ladung und der nächsten Abfahrt entspricht ttarget- tcurrent. Die vierte Ladezustand-Nebenbedingung CSOC4 besagt also, dass der MPC-Algorithmus 15 den Ladevorgang so planen muss, dass innerhalb von ttarget- tcurrent mindestens die Energiemenge Echarge,min geladen wird, sodass der oben genannte Wunsch des Nutzers erfüllt wird.The user 25 of the vehicle 1 can specify a minimum SOC, in particular the target state of charge SOCt arget , which he would like to find at the next departure (“desire regarding departure state”). This minimum expected SOC target corresponds to the minimum energy to be supplied E charge,min . The duration between the start of the charge and the next departure corresponds to t target - t current . The fourth state of charge secondary condition C SOC4 therefore states that the MPC algorithm 15 must plan the charging process in such a way that at least the amount of energy E charge,min is charged within t target - t current , so that the user's wish mentioned above is fulfilled.

Die dritte Ladezustand-Nebenbedingung CSOC3 und die vierte Ladezustand-Nebenbedingung CSOC4 werden bei jeder Ausführung des MPC-Algorithmus 15 berücksichtigt. Das bedeutet auch, dass sie jeweils neu durch den Nebenbedingungs-Algorithmus 27 berechnet werden müssen. So kann es sein, dass der aktuelle Ladezustand SOC-current in einer vorherigen Planung bei 50% lag, in einer aktuellen aber nunmehr bei 51% liegt. Demnach müssen die Formeln durch den Nebenbedingungs-Algorithmus 27 neu gelöst werden und die numerischen Ergebnisse als Beschränkung für den MPC-Algorithmus 15 vorliegen.The third state of charge constraint C SOC3 and the fourth state of charge constraint C SOC4 are taken into account each time the MPC algorithm 15 is executed. This also means that they each have to be recalculated by the constraint algorithm 27. It may be that the current SOC current charge level was 50% in a previous plan, but is now 51% in a current plan. Accordingly, the formulas must be re-solved by the constraint algorithm 27 and the numerical results must be available as a constraint for the MPC algorithm 15.

Nachdem die Ladezustand-Nebenbedingungen CSOC1, CSOC2, CSOC3 und CSOC4 sowie die Ladezeit-Nebenbedingung Cduration festgelegt worden sind, führt die Prozessoreinheit 10 in einem sechsten Verfahrensschritt 600 den MPC-Algorithmus 15 aus. Dabei werden die Ladezustand-Nebenbedingungen CSOC1, CSOC2, CSOC3 und CSOC4 und die Ladezeit-Nebenbedingung Cduration als Beschränkungen des Lösungsraums prädizierter Ladevorgänge genutzt. Der MPC-Algorithmus 15 folgt dabei einem Gradientenbasierten Optimierungsprinzip und plant in der vorliegenden Anwendung eine Ladekurve der Batterie 7. Physikalisch bedeutet dies, dass der MPC-Algorithmus 15 einen Ladestrom ILoad der Batterie 7 vorgibt. Durch die häuslich verfügbare Spannung ULoad (i.d.R. 230V oder 400V, s.o.) ergibt sich aus dem Produkt von Ladestrom ILoad und Ladespannung ULoaddie Ladeleistung PLoad. Die Ladespannung ULoadliegt dabei an dem Ladekabel 19 an, sodass durch das Ladekabel 19 der Ladestrom ILoad fließt.After the charge state secondary conditions C SOC1 , C SOC2 , C SOC3 and C SOC4 as well as the charging time secondary condition C duration have been determined, the processor unit 10 executes the MPC algorithm 15 in a sixth method step 600. The charge state constraints C SOC1 , C SOC2 , C SOC3 and C SOC4 and the charging time constraint C duration are used as restrictions on the solution space of predicted charging processes. The MPC algorithm 15 follows a gradient-based optimization principle and plans a charging curve for the battery 7 in the present application. Physically, this means that the MPC algorithm 15 specifies a charging current I Load for the battery 7. Due to the voltage U Load available at home (usually 230V or 400V, see above), the product of the charging current I Load and the charging voltage U Load results in the charging power P Load . The charging voltage U Load is applied to the charging cable 19, so that the charging current I Load flows through the charging cable 19.

Indem die Prozessoreinheit 10 den MPC-Algorithmus 15 ausführt, werden die Ladeströme ILoad ermittelt bzw. prädiziert. Mittels der prädizierten Ladeströme ILoad soll die Batterie 7 innerhalb eines zeitlich vorausliegenden Prädiktionshorizonts 30 zu N diskreten Zeitpunkten geladen werden. Der Prädiktionshorizont 30 setzt sich aus den einzelnen Ladeabschnitten 28 zusammen. Der Prädiktionshorizont 30 erstreckt sich bei jedem Aufruf des MPC-Algorithmus 15 jeweils zeitlich zwischen dem Ladeendzeitunkt ttarget und der jeweils aktuellen Uhrzeit tcurrent. Mit fortschreitender Zeit verkleinert sich der Prädiktionshorizont 30 somit stetig, womit auch die Frequenz der Diskretisierungspunkte 29 steigt und die zeitliche Länge der Ladeabschnitte 28 sinkt.By the processor unit 10 executing the MPC algorithm 15, the charging currents I Load are determined or predicted. Using the predicted charging currents I Load , the battery 7 is to be charged at N discrete times within a prediction horizon 30 in advance. The prediction horizon 30 is made up of the individual loading sections 28. Each time the MPC algorithm 15 is called, the prediction horizon 30 extends in time between the loading end time t target and the current time t current . As time progresses, the prediction horizon 30 decreases steadily, which means that the frequency of the discretization points 29 also increases and the time length of the loading sections 28 decreases.

Das Ermitteln bzw. Prädizieren der Ladeströme ILoad erfolgt in Abhängigkeit von den durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus` 14 ermittelten Nebenbedingungen CSOC1, CSOC3 und CSOC4 und Cduration, der vorgegebenen zweiten Ladezustand-Bedingung CSOC2, sowie unter Minimierung der Kostenfunktion 17 des MPC-Algorithmus' 15. Die geplante Ladekurve entspricht der Ladeleistung an den N verschiedenen Diskretisierungspunkten 29 über dem Prädiktionshorizont 30, bei dem es sich in dem vorliegenden Beispiel um einen Ladehorizont handelt. Der Ladehorizont 30 ist in dem gewählten Beispiel als der Zeitraum der Ladung definiert, d.h. er entspricht der Ladezeit-Nebenbedingung Cduration = ttarget- tcurrent. Die Diskretisierung des Ladehorizonts 30 erfolgt dabei in N-1 gleichverteilten Zeitabschnitten 28. Bei gleichbleibendem N werden diese Zeitabschnitte 28 mit fortlaufender bzw. fortschreitender Ladedauer also kleiner und das Optimierungsergebnis entsprechend genauer.The charging currents I Load are determined or predicted depending on the secondary conditions C SOC1 , C SOC3 and C SOC4 and C duration determined by executing the constraint algorithm 14, the predetermined second state of charge condition C SOC2 , and while minimizing the cost function 17 of the MPC algorithm 15. The planned charging curve corresponds to the charging power at the N different discretization points 29 above the prediction horizon 30, which in the present example is a charging horizon. The charging horizon 30 is defined in the selected example as the period of charging, ie it corresponds to the charging time secondary condition C duration = t target - t current . The discretization of the charging horizon 30 takes place in N-1 equally distributed time periods 28. If N remains the same, these time periods 28 become smaller as the charging duration continues and the optimization result becomes correspondingly more precise.

Um eine Optimierung der Ladekurve durchführen zu können, enthält der MPC-Algorithmus 15 ein Optimierungsziel in Form der Kostenfunktion 17, die eine stetig differenzierbare Minimierungsfunktion ist. Grundsätzlich gilt hierfür das Ziel der Kostenminimierung. Da die Kosten sich in diesem Fall auf die anfallenden Stromkosten des Haushalts und des Ladevorgangs beziehen, gilt für die zu minimierende Kostenfunktion 17 bzw. fmin Folgendes: f m i n = i = 1 N I L o a d , i U L o a d t t a r g e t t c u r r e n t N + I h o u s e , d e m a n d , i U L o a d I s u p p l y , i U L o a d .

Figure DE102022202373A1_0003
In order to be able to optimize the charging curve, the MPC algorithm 15 contains an optimization goal in the form of the cost function 17, which is a continuously differentiable minimization function. The basic goal here is to minimize costs. Since in this case the costs are incurred the electricity costs of the household and the charging process, the following applies to the cost function 17 or f min to be minimized: f m i n = i = 1 N I L O a d , i U L O a d t t a r G e t t c u r r e n t N + I H O u s e , d e m a n d , i U L O a d I s u p p l y , i U L O a d .
Figure DE102022202373A1_0003

Die Größe Ihouse,demand,i beschreibt hierbei den mittleren Strombedarf des Hauses 2, der zum Zeitpunkt i für die Dauer eines folgenden Diskretisierungsabschnitts anfällt. Die Größe Isupply,i beschreibt den mittleren Strom, der von einem oben genannten Stromlieferanten im gleichen Zeitraum geliefert werden kann. Beide dieser Größen sind das Ergebnis eines Prädiktionsmodells, das sich üben den Ladehorizont ttarget- tcurrent erstreckt.The size I house,demand,i describes the average electricity requirement of house 2, which occurs at time i for the duration of a subsequent discretization section. The quantity I supply,i describes the average current that can be supplied by an above-mentioned electricity supplier in the same period of time. Both of these variables are the result of a prediction model that extends over the charging horizon t target - t current .

Letztlich gilt folgende Constraint bzw. Nebenbedingung für die drei Stromstärken: ILoad,i + Ihouse,demand,i - Isupply ≤ x. Der Wert x beschreibt dabei einen Stromgrenzwert, der die maximal technisch einstellbare Stromstärke eines Stromanschlusses des Hauses 2 darstellt. Diese Stromstärken-Nebenbedingung kann als weitere Nebenbedingung bei der Ermittlung der Ladekurve berücksichtigt werden.Ultimately, the following constraint or additional condition applies to the three current levels: I Load,i + I house,demand,i - I supply ≤ x. The value x describes a current limit value, which represents the maximum technically adjustable current strength of a power connection in the house 2. This current intensity secondary condition can be taken into account as a further secondary condition when determining the charging curve.

Mit Hilfe der oben beschriebenen Kostenfunktion 17, kann der MPC-Solver nun jegliche mögliche Ladekurven hinsichtlich deren Kostenoptimalität abtesten. Der Optimierungsraum wird mathematisch durch die beschriebenen Constraints bzw. Nebenbedingungen beschnitten, wodurch sichergestellt wird, dass die gefundene optimale Ladekurve sowohl physikalisch korrekt als auch logisch umsetzbar ist. Die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte (ohne das Eingeben der Daten mittels der Mensch-Maschine-Schnittstelle 24) werden dabei fortlaufend und zyklisch wiederholt.With the help of the cost function 17 described above, the MPC solver can now test any possible charging curves with regard to their cost optimality. The optimization space is mathematically limited by the constraints or additional conditions described, which ensures that the optimal charging curve found is both physically correct and logically implementable. The method steps described above (without entering the data using the human-machine interface 24) are repeated continuously and cyclically.

BezugszeichenReference symbols

CSOC1CSOC1
erste Ladezustand-Nebenbedingungfirst state of charge secondary condition
CSOC2CSOC2
zweite Ladezustand-Nebenbedingungsecond state of charge secondary condition
CdurationCduration
Ladezeit-NebenbedingungLoading time constraint
ILoadILoad
Ladestromcharging current
SOCcurrentSOCcurrent
aktueller Ladezustandcurrent charging status
SOCtargetSOCtarget
ZielladezustandTarget state of charge
SOCmaxSOC max
maximaler Ladezustandmaximum charge level
tcurrenttcurrent
aktueller Zeitpunktcurrent time
ttargetttarget
LadeendzeitpunktLoading end time
ULoadULoad
Ladespannung charging voltage
11
Fahrzeugvehicle
22
HausHouse
33
häusliche Ladeeinheitdomestic charging unit
44
System zur modelbasierten prädiktiven RegelungSystem for model-based predictive control
55
AntriebsstrangDrivetrain
66
elektrische Maschineelectric machine
77
Batteriebattery
88th
Getriebetransmission
99
VerbrennungskraftmotorInternal combustion engine
1010
ProzessoreinheitProcessor unit
1111
SpeichereinheitStorage unit
1212
Kommunikations-SchnittstelleCommunication interface
1313
ErfassungseinheitAcquisition unit
1414
ComputerprogrammproduktComputer program product
1515
MPC-AlgorithmusMPC algorithm
1616
Lademodellcharging model
1717
KostenfunktionCost function
1818
SteuerungseinheitControl unit
1919
elektrisches Ladekabelelectric charging cable
2020
elektrischer Ladeanschlusselectrical charging port
2121
StromeingangsanschlussPower input connection
2222
Stromleitungpower line
2323
StromerzeugungsanlageElectricity generating plant
2424
Mensch-Maschine-SchnittstelleHuman-machine interface
2525
NutzerUser
2727
Nebenbedingungs-AlgorithmusConstraint Algorithm
2828
Ladeabschnitteloading sections
2929
DiskretisierungspunktDiscretization point
3030
Prädiktionshorizont Prediction horizon
100100
erster Verfahrensschrittfirst step of the process
200200
zweiter Verfahrensschrittsecond procedural step
300300
dritter Verfahrensschrittthird step of the process
400400
vierter Verfahrensschrittfourth step of the process
500500
fünfter Verfahrensschrittfifth procedural step
600600
sechster Verfahrensschrittsixth procedural step

Claims (13)

Verfahren zur modelbasierten prädiktiven Regelung eines Ladevorgangs einer Batterie (7) für einen Antriebsstrang (5) eines Kraftfahrzeugs (1) mittels einer häuslichen Ladeeinheit (3), das Verfahren umfassend die Schritte: - Ermitteln von Nebenbedingungen (CSOC1, Cduration) durch Ausführen eines Nebendingungs-Algorithmus' (27), wobei die Nebenbedingungen (CSOC1, Cduration) in Abhängigkeit von Ladezustandsinformationen (SOCtarget, SOCcurrent) der Batterie (7) und Zeitinformationen (ttarget, tcurrent) ermittelt werden, und - Ermitteln von Ladeströmen (ILoad,i), mittels welcher die Batterie (7) durch die häusliche Ladeeinrichtung (3) innerhalb eines vorausliegenden Prädiktionshorizonts (30) zu N diskreten Zeitpunkten (29) geladen werden soll, durch Ausführen eines MPC-Algorithmus' (15), wobei das Ermitteln der Ladeströme (ILoad,i) in Abhängigkeit von den durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus' (27) ermittelten Nebenbedingungen (CSOC1, Cduration) und unter Minimierung einer Kostenfunktion (17) des MPC-Algorithmus' (15) erfolgt.Method for model-based predictive control of a charging process of a battery (7) for a drive train (5) of a motor vehicle (1) using a domestic charging unit (3), the method comprising the steps: - Determining secondary conditions (C SOC1 , C duration ) by executing a constraints algorithm (27), whereby the constraints (C SOC1 , C duration ) are determined depending on the state of charge information (SOC target , SOC current ) of the battery (7) and time information (t target , t current ), and - determining of charging currents (I Load,i ), by means of which the battery (7) is to be charged by the domestic charging device (3) within an upcoming prediction horizon (30) at N discrete times (29), by executing an MPC algorithm (15 ), whereby the determination of the charging currents (I Load,i ) depending on the secondary conditions (C SOC1 , C duration ) determined by executing the constraints algorithm (27) and while minimizing a cost function (17) of the MPC algorithm ( 15) takes place. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Prädiktionshorizont (30) als ein zeitlicher Ladehorizont definiert wird, welcher den Zeitraum zwischen einem Ladeendzeitunkt (ttarget) und einer aktuellen Uhrzeit (tcurrent) repräsentiert.Procedure according to Claim 1 , where the prediction horizon (30) is defined as a temporal charging horizon, which represents the period between a charging end time (t target ) and a current time (t current ). Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Ladehorizont (30) in N-1 gleichverteilte Zeitabschnitte (28) eingeteilt ist.Procedure according to Claim 2 , whereby the charging horizon (30) is divided into N-1 equally distributed time periods (28). Verfahren nach Anspruch 3, wobei - die zu minimierende Kostenfunktion (17) einen ersten positiven Term, einen zweiten positiven Term und einen dritten negativen Term enthält, wobei - der erste Term den Ladestrom (ILoad,i) repräsentiert, mittels welchem die Batterie (7) durch die häusliche Ladeeinrichtung (3) innerhalb einer der Zeitabschnitte (28) geladen werden soll, - der zweite Term einen mittleren häuslichen Strombedarf repräsentiert, der innerhalb des Zeitabschnitts (28) in einem Haus (2) anfällt, zu dem die häusliche Ladeeinheit (3) gehört, und - der dritte Term einen mittleren Abgabestrom repräsentiert, der durch einen Stromlieferanten an das Haus (3) abgegeben wird.Procedure according to Claim 3 , whereby - the cost function (17) to be minimized contains a first positive term, a second positive term and a third negative term, whereby - the first term represents the charging current (I Load,i ), by means of which the battery (7) is powered by the domestic charging device (3) is to be charged within one of the time periods (28), - the second term represents an average domestic electricity requirement within the time period (28) occurs in a house (2) to which the domestic charging unit (3) belongs, and - the third term represents an average output current that is delivered to the house (3) by an electricity supplier. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ladezustandsinformationen - einen Zielladezustand (SOCtarget) beschreiben, bis zu dem die Batterie (7) aufgeladen werden soll, und - einen aktuellen Ladezustand (SOCcurrent) beschreiben, welcher einen aktuellen Ladzustand der Batterie (7) repräsentiert.Method according to one of the preceding claims, wherein the state of charge information - describes a target state of charge (SOCt arget ), up to which the battery (7) is to be charged, and - describes a current state of charge (SOC current ), which describes a current state of charge of the battery (7 ) represents. Verfahren nach Anspruch 5, wobei durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus' (27) eine erste Ladezustand-Nebenbedingung (CSOC1) ermittelt wird, welche die Differenz zwischen dem Zielladezustand (SOCtarget) und dem aktuellen Ladezustand (SOCcurrent) der Batterie (7) repräsentiert.Procedure according to Claim 5 , wherein by executing the constraint algorithm (27), a first state of charge constraint (C SOC1 ) is determined, which represents the difference between the target state of charge (SOCt arget ) and the current state of charge (SOC current ) of the battery (7). Verfahren nach Anspruch 6, wobei zusätzlich eine zweite Ladezustand-Nebenbedingung (CSCO2) vorgegeben wird, gemäß welcher der aktuelle Ladezustand (SOCcur- rent) einen maximal möglichen Ladezustand (SOCmax) der Batterie (7) nicht überschreiten darf.Procedure according to Claim 6 , whereby a second state of charge secondary condition (C SCO2 ) is additionally specified, according to which the current state of charge (SOC current ) must not exceed a maximum possible state of charge (SOC max ) of the battery (7). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zeitinformationen - einen Ladeendzeitpunkt (ttarget) beschreiben, zu dem die Batterie (7) bis zu dem Zielladezustand (SOCtarget) aufgeladen sein soll, und - eine aktuelle Uhrzeit (tcurrent) beschreiben.Method according to one of the preceding claims, wherein the time information - describes a charging end time (t target ) at which the battery (7) should be charged up to the target state of charge (SOCt arget ), and - describes a current time (t current ). Verfahren nach Anspruch 8, wobei durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus' (27) eine Ladezeit-Nebenbedingung (Cduration) ermittelt wird, die den Zeitraum (30) zwischen dem Ladeendzeitunkt (ttarget) und der aktuellen Uhrzeit (tcurrent) repräsentiert.Procedure according to Claim 8 , whereby by executing the constraint algorithm (27), a loading time constraint (C duration ) is determined which represents the period (30) between the loading end time (t target ) and the current time (t current ). Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Zielladezustand (SOCtarget) und der Ladeendzeitpunkt (ttarget) mittels einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (24) vorgegeben werden.Procedure according to Claim 9 , whereby the target charging state (SOCtarget) and the charging end time (t target ) are specified by means of a human-machine interface (24). Verfahren nach Anspruch 10, wobei der aktuelle Ladezustand (SOCcurrent) und die aktuelle Uhrzeit (tcurrent) mittels einer Erfassungseinheit (13) des Kraftfahrzeugs (1) ermittelt werden.Procedure according to Claim 10 , whereby the current state of charge (SOC current ) and the current time (t current ) are determined by means of a detection unit (13) of the motor vehicle (1). Prozessoreinheit (10) zur modelbasierten prädiktiven Regelung eines Ladevorgangs einer Batterie für einen Antriebsstrang (5) eines Kraftfahrzeugs (1) mittels einer häuslichen Ladeeinheit (3), wobei die Prozessoreinheit (10) dazu eingerichtet ist, - Nebenbedingungen (CSOC1, Cduration) durch Ausführen eines Nebendingungs-Algorithmus' (27) zu ermitteln, wobei die Nebenbedingungen (CSOC1, Cduration) in Abhängigkeit von Ladezustandsinformationen (SOCtarget, SOCcurrent) der Batterie (7) und Zeitinformationen (ttarget, tcurrent) ermittelt werden, und - durch Ausführen eines MPC-Algorithmus` (15) Ladeströme (ILoad,i) zu ermitteln, mittels welcher die Batterie (7) durch die häusliche Ladeeinrichtung (3) innerhalb eines vorausliegenden Prädiktionshorizonts (30) zu N diskreten Zeitpunkten (29) geladen werden soll, wobei das Ermitteln der Ladeströme (ILoad,i) in Abhängigkeit von den durch Ausführen des Nebendingungs-Algorithmus' (27) ermittelten Nebenbedingungen (CSOC1, Cduration) und unter Minimierung einer Kostenfunktion (17) des MPC-Algorithmus' (15) erfolgt.Processor unit (10) for model-based predictive control of a charging process of a battery for a drive train (5) of a motor vehicle (1) by means of a domestic charging unit (3), the processor unit (10) being set up to - additional conditions (C SOC1 , C duration ) by executing a constraint algorithm (27), the constraints (C SOC1 , C duration ) being determined depending on the state of charge information (SOC target , SOC current ) of the battery (7) and time information (t target , t current ). , and - by executing an MPC algorithm (15) to determine charging currents (I Load,i ), by means of which the battery (7) is charged by the domestic charging device (3) within a preceding prediction horizon (30) at N discrete times (29 ) is to be charged, with the determination of the charging currents (I Load,i ) depending on the secondary conditions (C SOC1 , C duration ) determined by executing the constraints algorithm (27) and while minimizing a cost function (17) of the MPC Algorithm' (15) takes place. Prozessoreinheit (10) nach Anspruch 12, wobei die Prozessoreinheit (10) in eine Ladeeinheit (3) eines Hauses (2) oder in ein Kraftfahrzeug (1) integriert ist.Processor unit (10). Claim 12 , wherein the processor unit (10) is integrated into a charging unit (3) of a house (2) or into a motor vehicle (1).
DE102022202373.0A 2022-03-10 2022-03-10 Model-based predictive control of a battery charging process Pending DE102022202373A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022202373.0A DE102022202373A1 (en) 2022-03-10 2022-03-10 Model-based predictive control of a battery charging process

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022202373.0A DE102022202373A1 (en) 2022-03-10 2022-03-10 Model-based predictive control of a battery charging process

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022202373A1 true DE102022202373A1 (en) 2023-09-14

Family

ID=87759888

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022202373.0A Pending DE102022202373A1 (en) 2022-03-10 2022-03-10 Model-based predictive control of a battery charging process

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022202373A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019126806A1 (en) 2017-12-22 2019-06-27 The Regents Of The University Of California Design and control of electric vehicle charging infrastructure
US20190217739A1 (en) 2018-01-12 2019-07-18 Johnson Controls Technology Company Building energy optimization system with battery powered vehicle cost optimization
WO2019153305A1 (en) 2018-02-11 2019-08-15 Abb Schweiz Ag Charging station and method and device for controlling charging station
CN111884214A (en) 2020-07-28 2020-11-03 国网浙江省电力有限公司 Hierarchical optimization scheduling method and device suitable for park energy router cluster
DE102019219233A1 (en) 2019-12-10 2021-06-10 Zf Friedrichshafen Ag MPC-based trajectory determination for a first vehicle using trajectory information about a second vehicle

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019126806A1 (en) 2017-12-22 2019-06-27 The Regents Of The University Of California Design and control of electric vehicle charging infrastructure
US20190217739A1 (en) 2018-01-12 2019-07-18 Johnson Controls Technology Company Building energy optimization system with battery powered vehicle cost optimization
WO2019153305A1 (en) 2018-02-11 2019-08-15 Abb Schweiz Ag Charging station and method and device for controlling charging station
DE102019219233A1 (en) 2019-12-10 2021-06-10 Zf Friedrichshafen Ag MPC-based trajectory determination for a first vehicle using trajectory information about a second vehicle
CN111884214A (en) 2020-07-28 2020-11-03 国网浙江省电力有限公司 Hierarchical optimization scheduling method and device suitable for park energy router cluster

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. Diaz, A. Mazza, F. Ruiz, D. Patino and G. Chicco, "Understanding Model Predictive Control for Electric Vehicle Charging Dispatch," 2018 53rd International Universities Power Engineering Conference (UPEC), 2018, pp. 1-6

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102020103102A1 (en) SYSTEM AND PROCEDURE FOR CHARGING A FLEET OF BATTERY ELECTRIC VEHICLES
DE102006026404A1 (en) Energy coordinator for an electrical network
DE102008047380B4 (en) Method for the management of torque inputs in an electromechanical transmission
DE102014222059A1 (en) OPTIMUM ELECTRIC AND HYBRID ELECTRIC VEHICLE CONTROL WITH ROUTINE FORECASTING IN THE SPACE DOMAIN
DE102015203280A1 (en) Hybrid powertrain mode determination based on spatial link segmentation
DE102008017556A1 (en) A charge / discharge control device for a hybrid vehicle and a control program device therefor
DE102019206186A1 (en) Electric vehicle reservation charging system and method
DE102014222007A1 (en) PHEV power management control with trip-oriented energy consumption planning
DE102012000442A1 (en) Method and device for managing electrical power in a vehicle
DE112010001966T5 (en) Method and system for generating revenue using an energy system
DE102005058676A1 (en) Device and method for power control for an electrical system of a vehicle
EP2884620B1 (en) Method for the charging of batteries and converter for charging
WO2019243276A1 (en) Method for ascertaining an advisory speed for an electrically driven vehicle
DE102018103196A1 (en) CONTROLLING A REDUNDANT PERFORMANCE ARCHITECTURE FOR A VEHICLE
DE102015100283A1 (en) Interference injection for the identification of battery parameters
DE102013014667A1 (en) Method for the application of the control of the drive of a hybrid vehicle
DE102015224089A1 (en) System and method for controlling torque distribution of a hybrid electric vehicle
DE102015115097A1 (en) Prediction of the distance to recharge for vehicles
DE102018127472A1 (en) Method for preparing to charge a battery
DE102022202373A1 (en) Model-based predictive control of a battery charging process
DE102013213253A1 (en) Method and system for minimizing power losses in an energy storage device
DE102017123033A1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING ELECTRIC VEHICLES
DE102017212659A1 (en) Method for operating an electrical overall on-board network, control unit and motor vehicle
DE102017204163A1 (en) Method for operating a motor vehicle with a hybrid drive system and control device for a drive system and a drive system
DE102020215635A1 (en) METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING CHARGING OF A VEHICLE BATTERY

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication