EP4017759A1 - Verfahren zum abgleichen von daten einer ersten steuereinheit mit einer zweiten steuereinheit zur bestimmung präziser vorhersagewerte - Google Patents

Verfahren zum abgleichen von daten einer ersten steuereinheit mit einer zweiten steuereinheit zur bestimmung präziser vorhersagewerte

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Publication number
EP4017759A1
EP4017759A1 EP20745137.8A EP20745137A EP4017759A1 EP 4017759 A1 EP4017759 A1 EP 4017759A1 EP 20745137 A EP20745137 A EP 20745137A EP 4017759 A1 EP4017759 A1 EP 4017759A1
Authority
EP
European Patent Office
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energy storage
control unit
voltage
electrical energy
data
Prior art date
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Pending
Application number
EP20745137.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Woll
Volker Doege
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Definitions

  • the invention is based on a method for comparing data from a first control unit for controlling an electrical energy storage unit with a plurality of electrochemical energy stores with a second control unit for determining precise prediction values, a device for operating an electrical energy storage unit and a use of the method according to the preamble of independent claims.
  • the software program version of a battery management system (BMS) of today's battery control unit (BCU) contains not only functions for operating the battery but also associated initial data.
  • the data are threshold values for current or temperature, parameters of a battery model, various characteristics, maps, factors. Since its "historical behavior" also plays a decisive role in the precise description of the state of the battery, the data for an electrochemical model is very important laborious. In particular, the data is based on extensive laboratory and vehicle measurements that take into account different aging conditions and aging processes, in particular to be able to predict the most accurate possible state of charge (SoC) and thus an accurate vehicle range.
  • SoC state of charge
  • Document CN 104816813 discloses a battery management redundancy control system for a marine lithium battery pack.
  • the battery management redundancy control system includes a main control device, an auxiliary control device, a standby main control device, a battery pack module, a ZIGBEE wireless redundancy module, a top computer background monitoring module, and an independent line redundancy module. If a bus is healthy, the main control device and the auxiliary control device communicate over the bus. The main control device and the auxiliary control device are in contact while running through signs of life; if the bus is error-free, the main control device in standby mode and the auxiliary control device are in communication via the bus.
  • the ZIGBEE radio redundancy module records the status key parameters of the battery module and uploads the recorded data to the main control unit or to the main control unit in standby mode.
  • the top computer background monitor module is used to monitor battery parameters and download control instructions, and the independent line redundancy module is used to direct or emergency control of the battery pack module through the top computer background monitor module.
  • Document DE 10 2013 209 443 A1 discloses a method for authenticating measurement data from a battery which comprises at least one battery module with an associated module control device and a central control device, has the following steps: a) the module control device acquires measurement data from battery units; b) Determination of at least one additional information carrier, which is set up for an authentication of the measurement data, by the module control device; c) transmitting the measurement data and the additional information carrier from the module control device to the central control device; d) Validation of the measurement data using the additional information carrier by the central control unit.
  • a data structure, a computer program and a battery management system are also specified, which are set up to carry out the method, as well as a battery and a motor vehicle whose drive system is connected to such a battery.
  • the method according to the invention for comparing data of a first control unit for controlling an electrical energy storage unit with a plurality of electrochemical energy stores with a second control unit for determining precise prediction values with the characterizing features of the independent claims advantageously has the following steps: a) providing a large number of data of an electrochemical model of the electrical energy storage unit in groups for different aging stages of the electrical energy storage unit by means of a memory of the second control unit; b) providing at least one of the groups of data by means of a memory of the first control unit; c) Detecting first voltage variables which represent an electrical voltage of the electrochemical energy store; d) forming a mean value of the detected first voltage variables; e) Wireless comparison of at least one group of data from the memory of the first control unit with a group of data from the memory of the second control unit if there is a voltage difference between the mean value of the detected first voltage variables and a group of data provided by the memory of the first control unit calculated model voltage value exceeds a predetermined threshold value;
  • data of an electrochemical model for example battery model parameters
  • a memory of the second control unit can be provided by means of a memory of the second control unit, whereby different degrees of aging of a battery can be described very precisely.
  • the data are stored in the memory of the second control unit, for example in a cloud, and are assigned to the memory of the first control unit under certain conditions.
  • a memory of a control unit does not have to be expanded, only a wireless data connection to a cloud has to be integrated.
  • step c the electrical voltage of the electrochemical energy storage should not change (highly) dynamically, since this leads to an increased measurement inaccuracy of the voltage values.
  • the conditions for detecting electrical voltages are best.
  • An electrical energy storage unit in the sense of the present invention is to be understood as an energy storage unit with a plurality of electrochemical energy storage devices from which electrical energy can either be drawn or supplied and drawn.
  • the electrical energy store is designed as a charge store and / or as a magnetic energy store and / or electrochemical energy store.
  • An electrochemical energy store is in particular a rechargeable battery or an accumulator.
  • the method according to the invention further comprises the following steps: f) acquisition of second voltage variables which represent an electrical voltage of the electrochemical energy store; g) forming a mean value of the detected second voltage variables; h) generating a signal as a function of a voltage difference between the mean value formed of the detected second voltage variables and a model voltage variable calculated by means of the adjusted group of data;
  • the generated signal is advantageously an error signal when the voltage difference exceeds a predetermined threshold value. If there is a discrepancy between the mean value formed of the recorded second voltage variables and a model voltage variable calculated by means of the matched group of data, which exceeds a predetermined threshold value, the electrical energy storage unit appears to have an error.
  • a user of the electrical energy storage unit for example a driver of an electrically drivable vehicle with the electrical energy storage unit, can be informed of the error by an electrical, optical, acoustic and / or haptic error signal in order to bring the electrical energy storage unit to a workshop for checking.
  • the method according to the invention further comprises the following steps: c.l) comparing a determined usage variable, which represents a cyclic aging and / or a calendar aging of the electrical energy storage unit and / or the electrochemical energy storage, with a predetermined threshold value; and / or c.2) checking whether the electrical energy storage unit is working properly; c.3) performing step c) if the determined usage value exceeds the predetermined threshold value and / or the electrical energy storage unit is working properly;
  • step c) Since a cell of the electrochemical energy store does not age abruptly, it is sufficient if a comparative measurement according to step c) after a certain number of journeys by an electrically driven vehicle with the electrical energy storage unit, for example after every 20 trips, and / or after a predetermined period of time, for example after two weeks, is executed. As a result, both cyclical and calendar aging are taken into account equally.
  • the method according to the invention further comprises the following steps: d.l) discarding outliers of the recorded stress variables;
  • the electrical energy storage unit of an electric vehicle consists of approx. 100 electrochemical energy storage devices which are connected to one another in series and / or in parallel. All electrical voltage quantities that represent an electrical voltage of the individual electrochemical energy stores are measured, for example, by means of voltage sensors. After all the voltage variables are available, a check is carried out to determine whether there are voltage outliers, since these are not included in the calculation of the mean value of the electrochemical energy storage devices. This enables more precise forecast values.
  • the method according to the invention further comprises the following steps: d.2) comparing a degree of dispersion of the detected voltage variables with a predetermined threshold value; d.3) performing step d) if the degree of dispersion does not exceed the predetermined threshold value;
  • the method according to the invention further comprises the following steps: e.l) checking a current operating state of the electrical energy storage unit; e.2) performing step e) when the electrical energy storage unit is out of operation;
  • At least one group of data from the memory of the first control unit is advantageously compared with a group of data from the memory of the second control unit when the electrical energy storage unit is out of operation, for example immediately after an electrically drivable vehicle has finished driving.
  • the memory of the second control unit also contains data for various types of electrical energy storage units, which can be accessed by further first control units.
  • Data for new electrochemical energy storage units are also advantageously in the memory of the second control unit, so that correct data for a corresponding electrochemical model are available for comparing data even when the electrical energy storage unit is changed. If a state of the electrical energy storage unit changes due to the fact that it ages more than calculated by the electrochemical model, for example, new parameters can be made available. Furthermore, individual driving behavior and / or applied charging strategies for power and vehicle range predictions can be better taken into account.
  • the data of the electrochemical model of the electrochemical energy store include one- or multi-dimensional characteristic maps and / or parameters, in particular temperature, current, state of charge, state of health.
  • the method according to the invention is advantageously used in electrical energy storage systems for electric vehicles, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles, aircraft, pedelecs or e-bikes, for portable devices for telecommunications or data processing, for electric hand tools or kitchen machines, and in stationary storage systems for storage, in particular regenerative generated electrical energy.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 shows an exemplary representation of a group of data
  • FIG. 3a shows a schematic representation of a first electrochemical model
  • FIG. 3b shows a schematic representation of a second electrochemical model
  • FIG. 4 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention.
  • An electrically drivable vehicle 100 comprises a first control unit 101 with a store, an electrical energy storage unit 102 with a plurality of electrochemical energy stores 103 (1), 103 (2), 103 (n), the control unit 101 communicating wirelessly with a second control unit 105, for example by means of a radio link.
  • the second control unit 105 with a memory is spatially separated from the vehicle, for example in an IT infrastructure 104 (cloud computing) available via the Internet.
  • IT infrastructure 104 cloud computing
  • data of an electrochemical model of the electrical energy storage unit 102 and / or the electrochemical energy stores 103 (1), 103 (2), 103 (n) are stored. These data are maps that are dependent on temperature, current, state of charge and other physical variables, i.e. multi-dimensional maps and therefore very memory-intensive.
  • FIG. 2 shows an exemplary representation of a group of data 200.
  • the data are grouped (clusters) according to different battery aging levels (SoH) from a new condition through different degrees of aging to the condition in which the electrical energy storage unit due to its insufficient residual capacity, for example 80%, should be exchanged.
  • SoH battery aging levels
  • the group results from the difference between the model voltage variable calculated by means of the electrochemical model and the detected voltage variable, for example electrical voltage of the electrical energy storage unit measured by means of a voltage sensor. If there is a certain voltage difference between the two voltage variables, which is greater than the measurement accuracy of the voltage sensor and a signal-processing A / D converter, a comparison can be made from a next group.
  • the granularity of the grouping, the conditions under which a comparison measurement has to be carried out and the frequency of the comparison measurement determine the quality of the method according to the invention.
  • the sensors plus electronics have an accuracy of approx. +/- 25mV, ie the measuring accuracy of the cell voltage measurement is approx. 50mV. Only when the difference between the calculated model voltage and the recorded voltage is greater than this 50mV can a Deviation of the electrical voltage can be assumed.
  • a finer granularity is advantageously possible with additional effort in the aging measurements of the electrochemical energy stores 103 (1), 103 (2), 103 (n) and the determination of the parameters of the electrochemical energy stores.
  • FIG. 3a shows a schematic representation of a first electrochemical model 300a.
  • the electrochemical model 300a of the electrical energy storage unit 102 is the first in the battery management system
  • Control unit 101 is usually shown as an equivalent circuit diagram model in the form of an open circuit voltage source and an R-RC element.
  • Further versions are electrochemical models 300b with several RC elements connected in series with the previous RC elements, as shown in Figure 3b.
  • the parameters for these electrochemical models are thus an open circuit voltage (UOCV), two resistance values (Ri and RI) and a capacitor capacity (CI).
  • FIG. 4 shows a flow chart of an embodiment of the method according to the invention for comparing data of a first control unit 101 for controlling an electrical energy storage unit 102 with a plurality of electrochemical energy storage devices 103 (1), 103 (2), 103 (n) with a second control unit 105 for Determination of precise predictive values.
  • the method is started in step 400.
  • step 401 a large number of data of an electrochemical model of the electrical energy storage unit 102 are provided in groups for different aging stages of the electrical energy storage unit 102 by means of a memory of the second control unit 105.
  • Step 402 comprises comparing a determined usage variable, which represents a cyclical aging and / or a calendar aging of the electrical energy storage unit 102 and / or the electrochemical energy storage 103 (1), 103 (2), 103 (n), with a predetermined threshold value. Furthermore, step 402 includes checking whether the electrical energy storage unit 102 is operating properly. If the determined usage value exceeds the predefined threshold value and / or the electrical energy storage unit 102 is working properly, first voltage variables are recorded which represent an electrical voltage of the electrochemical energy stores 103 (1), 103 (2), 103 (n).
  • step 402 comprises discarding outliers of the detected stress variables and comparing a degree of dispersion of the detected stress variables with a predefined threshold value. If that If the degree of dispersion does not exceed the predefined threshold value, a mean value of the detected first voltage variables is formed in step 403.
  • step 404 it is checked whether a voltage difference between the mean value formed of the detected first voltage variables and a model voltage variable calculated by means of the group of data provided by the memory of the first control unit 101 exceeds a predetermined threshold value. If the threshold value is exceeded, at least one group of data from the memory of the first control unit 101 is compared wirelessly with a group of data from the memory of the second control unit 105 in step 405; otherwise the method is continued in step 402.
  • the threshold is specified according to the granularity of the groups of data.
  • step 406 a comparison measurement is carried out.
  • second voltage variables which represent an electrical voltage of the electrochemical energy stores 103 (1), 103 (2), 103 (n), are recorded and a mean value of the recorded second voltage variables is formed.
  • Step 407 comprises generating a signal as a function of a voltage difference between the mean value formed of the detected second voltage variables and a group of data that is adjusted using the adjusted group calculated model stress quantity. If the voltage difference exceeds a predetermined threshold value, an error signal is generated in step 408.
  • the method is ended in step 409 or continued in step 402 and repeated cyclically.
  • the method according to the invention is advantageously suitable for practically every electrochemical energy store and in principle for every automotive component that has a connection to an external storage medium, for example a connection to cloud computing.

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Abstract

Verfahren zum Abgleichen von Daten einer ersten Steuereinheit zur Steuerung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern mit einer zweiten Steuereinheit zur Bestimmung präziser Vorhersagewerte.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Abgleichen von Daten einer ersten Steuereinheit mit einer zweiten Steuereinheit zur Bestimmung präziser Vorhersagewerte
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Abgleichen von Daten einer ersten Steuereinheit zur Steuerung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern mit einer zweiten Steuereinheit zur Bestimmung präziser Vorhersagewerte, einer Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit sowie einer Verwendung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Im Software-Programmstand eines Batteriemanagementsystems (BMS) eines heutigen Batteriesteuergeräts (BCU) sind neben Funktionen zum Betreiben der Batterie auch eine dazugehörige Erst-Bedatung enthalten. Bei den Daten handelt es sich um Schwellwerte für Strom oder Temperatur, Parameter eines Batteriemodells, diverse Kennlinien, Kennfelder, Faktoren. Da bei der genauen Zustandsbeschreibung der Batterie auch deren „historisches Verhalten“ eine entscheidende Rolle spielt, ist die Bedatung eines elektrochemischen Modells sehr aufwändig. Insbesondere basieren die Daten auf umfangreichen Labor- und Fahrzeugmessungen, die unterschiedliche Alterungszustände und Alterungsverfahren berücksichtigen, um insbesondere einen möglichst genauen Ladezustand (SoC) und damit eine genaue Fahrzeugreichweite Vorhersagen zu können. Die hierfür erforderlichen Daten sind heute nur rudimentär in dem Batteriesteuergerät hinterlegt, beispielsweise werden anstelle erforderlicher Kennfelder der Einfachheit halber Faktoren verwendet, da die riesige Datenmenge im Batteriesteuergerätespeicher zu viel Speicherplatz belegen würde. Dies hat jedoch eine ungenaue prädizierte Fahrzeugreichweite zur Folge.
Das Dokument CN 104816813 offenbart ein Batteriemanagement- Redundanzsteuersystem für ein Marine-Lithiumbatteriepaket. Das Batteriemanagement- Redundanzsteuersystem umfasst eine Hauptsteuervorrichtung, eine Hilfssteuervorrichtung, eine Standby- Hauptsteuervorrichtung, ein Batteriepackmodul, ein drahtloses ZIGBEE- Redundanzmodul, ein oberes Computer-Hintergrundüberwachungsmodul und ein unabhängiges Leitungsredundanzmodul. Wenn ein Bus fehlerfrei ist, kommunizieren das Hauptsteuergerät und das Hilfssteuergerät über den Bus. Das Hauptsteuergerät und das Hilfssteuergerät sind während des Laufens durch Lebenszeichen in Kontakt; wenn der Bus fehlerfrei ist, stehen die Hauptsteuervorrichtung im Standby- Modus und die Hilfssteuervorrichtung über den Bus in Verbindung. Bei Busfehlern erfasst das ZIGBEE-Funkredundanzmodul die Statusschlüsselparameter des Akkumoduls und lädt die erfassten Daten zum Hauptsteuergerät oder zum Hauptsteuergerät im Standby-Modus hoch. Das obere Computer- Hintergrundüberwachungsmodul wird zur Überwachung der Batterieparameter und zum Herunterladen von Steueranweisungen verwendet, und das unabhängige Leitungsredundanzmodul wird zur direkten Steuerung oder Notfallsteuerung des Batteriepackmoduls durch das obere Computer-Hintergrundüberwachungsmodul verwendet. Das Dokument DE 10 2013 209 443 Al offenbart ein Verfahren zur Authentifizierung von Messdaten einer Batterie, die zumindest ein Batteriemodul mit einem zugeordneten Modulsteuergerät und ein zentrales Steuergerät umfasst, weist die folgenden Schritte auf: a) Erfassen von Messdaten von Batterieeinheiten durch das Modulsteuergerät; b) Ermitteln zumindest eines zusätzlichen Informationsträgers, der zu einer Authentifizierung der Messdaten eingerichtet ist, durch das Modulsteuergerät; c) Übermitteln der Messdaten und des zusätzlichen Informationsträgers von dem Modulsteuergerät an das zentrale Steuergerät; d) Validieren der Messdaten anhand des zusätzlichen Informationsträgers durch das zentrale Steuergerät. Es werden außerdem eine Datenstruktur, ein Computerprogramm und ein Batteriemanagementsystem angegeben, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sind, sowie eine Batterie und ein Kraftfahrzeug, dessen Antriebssystem mit einer derartigen Batterie verbunden ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abgleichen von Daten einer ersten Steuereinheit zur Steuerung einer elektrischen Energiespeichereinheit mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern mit einer zweiten Steuereinheit zur Bestimmung präziser Vorhersagewerte mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist vorteilhafterweise folgende Schritte auf: a) Bereitstellen einer Vielzahl von Daten eines elektrochemischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit in Gruppen für unterschiedliche Alterungsstufen der elektrischen Energiespeichereinheit mittels eines Speichers der zweiten Steuereinheit; b) Bereitstellen mindestens einer der Gruppen von Daten mittels eines Speichers der ersten Steuereinheit; c) Erfassen von ersten Spannungsgrößen, die eine elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher repräsentieren; d) Bilden eines Mittelwerts der erfassten ersten Spannungsgrößen; e) Kabelloses Abgleichen mindestens einer Gruppe von Daten des Speichers der ersten Steuereinheit mit einer Gruppe von Daten des Speichers der zweiten Steuereinheit, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem gebildeten Mittelwert der erfassten ersten Spannungsgrößen und einer mittels der durch den Speicher der ersten Steuereinheit bereitgestellten Gruppe von Daten berechneten Modell-Spannungsgröße einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet;
Dadurch können Daten eines elektrochemischen Models, beispielsweise Batteriemodellparameter, mittels eines Speichers der zweiten Steuereinheit bereitgestellt werden, wodurch sich unterschiedliche Alterungsgrade einer Batterie sehr genau beschreiben lassen. Die Daten sind in dem Speicher der zweiten Steuereinheit, beispielsweise in einer Cloud abgelegt, und werden dem Speicher der ersten Steuereinheit unter bestimmten Bedingungen zugewiesen. Vorteilhafterweise muss ein Speicher einer Steuereinheit nicht erweitert werden, lediglich eine kabellose Datenanbindung an eine Cloud ist zu integrieren.
Während Schritt c) sollten sich die elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher nicht (hoch)dynamisch ändern, da dies zu einer erhöhten Messungenauigkeit der Spannungswerte führt. Bei einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug mit der elektrischen Energiespeichereinheit sind bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit die Bedingungen zum Erfassen der elektrischen Spannungen am besten.
Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Energiespeichereinheit mit einer Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern zu verstehen, denen entweder elektrische Energie entnommen werden kann oder zugeführt und entnommen werden kann. Der elektrische Energiespeicher ist als Ladungsspeicher und/oder als magnetischer Energiespeicher und/oder elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Ein elektrochemischer Energiespeicher ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie beziehungsweise ein Akkumulator.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgende Schritte: f) Erfassen von zweiten Spannungsgrößen, die eine elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher repräsentieren; g) Bilden eines Mittelwerts der erfassten zweiten Spannungsgrößen; h) Erzeugen eines Signals in Abhängigkeit einer Spannungsdifferenz zwischen dem gebildeten Mittelwert der erfassten zweiten Spannungsgrößen und einer mittels der abgeglichenen Gruppe von Daten berechneten Modell-Spannungsgröße;
Durch eine Vergleichsmessung mit den Schritten f) bis h), beispielsweise in einem folgenden Fahrzyklus, kann festgestellt werden, ob nach einem Abgleich der Daten weiterhin eine Abweichung zwischen dem gebildeten Mittelwert der erfassten zweiten Spannungsgrößen und einer mittels der abgeglichenen Gruppe von Daten berechneten Modell-Spannungsgröße aufweist. Dadurch können Fehler in der elektrischen Energiespeichereinheit frühzeitig festgestellt werden. Wird keine relevante Abweichung festgestellt, kann die elektrische Energiespeichereinheit mit der abgeglichenen Gruppe von Daten weiter betrieben werden.
Vorteilhafterweise ist das erzeugte Signal ein Fehlersignal, wenn die Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Tritt eine Abweichung zwischen dem gebildeten Mittelwert der erfassten zweiten Spannungsgrößen und einer mittels der abgeglichenen Gruppe von Daten berechneten Modell-Spannungsgröße auf, die einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, scheint die elektrische Energiespeichereinheit einen Fehler aufzuweisen. Durch ein elektrisches, optisches, akustisches und/oder haptisches Fehlersignal kann ein Benutzer der elektrischen Energiespeichereinheit, beispielsweise ein Fahrer eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs mit der elektrischen Energiespeichereinheit, auf den Fehler hingewiesen werden, um die elektrische Energiespeichereinheit zur Überprüfung in eine Werkstatt zu bringen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgende Schritte: c.l) Vergleichen einer ermittelten Benutzungsgröße, die eine zyklische Alterung und/oder eine kalendarische Alterung der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder der elektrochemischen Energiespeicher repräsentiert, mit einem vorgegebenen Schwellenwert; und/oder c.2) Prüfen, ob die elektrische Energiespeichereinheit fehlerfrei arbeitet; c.3) Durchführen von Schritt c), wenn die ermittelte Benutzungsgröße den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder die elektrische Energiespeichereinheit fehlerfrei arbeitet;
Da eine Zelle der elektrochemischen Energiespeicher nicht schlagartig altert, ist es ausreichend, wenn eine Vergleichsmessung gemäß Schritt c) nach einer bestimmten Anzahl von Fahrten eines elektrisch antreibbares Fahrzeugs mit der elektrischen Energiespeichereinheit, beispielsweise nach jeweils 20 Fahrten, und/oder nach einer vorgegebenen Zeitspanne, beispielsweise nach zwei Wochen, ausgeführt wird. Dadurch werden sowohl die zyklische und die kalendarische Alterung gleichermaßen berücksichtigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgende Schritte: d.l) Verwerfen von Ausreißern der erfassten Spannungsgrößen;
Die elektrische Energiespeichereinheit eines Elektrofahrzeugs besteht aus ca. 100 elektrochemischen Energiespeichern, welche seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sind. Alle elektrischen Spannungsgrößen, die eine elektrische Spannung der einzelnen elektrochemischen Energiespeicher repräsentieren, werden beispielsweise mittels Spannungssensoren gemessen. Nachdem alle Spannungsgrößen vorliegen erfolgt eine Überprüfung, ob Spannungs-Ausreißer vorliegen, da diese nicht in die Bildung des Mittelwerts der elektrochemischen Energiespeicher aufgenommen werden. Dadurch werden präzisiere Vorhersagewerte ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgende Schritte: d.2) Vergleichen eines Streuungsmaßes der erfassten Spannungsgrößen mit einem vorgegebenen Schwellenwert; d.3) Durchführen von Schritt d), wenn das Streuungsmaß den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet;
Wenn die Streuung der Spannungsgrößen einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, ist ein Ladezustandsausgleich (Balancing) zwischen den elektrochemischen Energiespeichern erforderlich. Durch die Überprüfung kann ein korrekter Vergleich mit dem berechneten Wert des Modell-Spannungsgröße erfolgen, wodurch präzisiere Vorhersagewerte ermöglicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgende Schritte: e.l) Prüfen eines aktuellen Betriebszustands der elektrischen Energiespeichereinheit; e.2) Durchführen von Schritt e), wenn die elektrische Energiespeichereinheit außer Betrieb ist;
Vorteilhafterweise wird ein Abgleichen mindestens einer Gruppe von Daten des Speichers der ersten Steuereinheit mit einer Gruppe von Daten des Speichers der zweiten Steuereinheit durchgeführt, wenn die elektrische Energiespeichereinheit außer Betrieb ist, beispielsweise unmittelbar nach Fahrtende eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs.
Weiter liegen in dem Speicher der zweiten Steuereinheit Daten für verschiedene Typen von elektrischen Energiespeichereinheiten, auf die weitere erste Steuereinheiten zugreifen können. Vorteilhafterweise liegen auch Daten für neue elektrochemische Energiespeichereinheiten, beispielsweise mit einer anderen Zellchemie, in dem Speicher der zweiten Steuereinheit, wodurch auch bei einem Wechsel der elektrischen Energiespeichereinheit korrekte Daten für ein entsprechendes elektrochemisches Modell für einen Abgleich von Daten zur Verfügung stehen. Verändert sich ein Zustand der elektrischen Energiespeichereinheit dadurch, dass diese beispielsweise stärker altert als vom elektrochemischen Modell berechnet, so können neue Parameter zur Verfügung gestellt werden. Weiter können individuelles Fahrverhalten und/oder angewandten Ladestrategien zur Leistungs- und Fahrzeugreichweitenvorhersagen besser berücksichtigt werden. Die Daten des elektrochemischen Modells der elektrochemischen Energiespeicher umfassen ein- oder mehrdimensionale Kennfelder und/oder Parameter, insbesondere Temperatur, Strom, Ladezustand, Gesundheitszustand.
Dadurch können Daten des elektrochemischen Modells aktuell gehalten werden, wodurch eine Leistungsvorhersage und eine prädizierte Fahrzeugreichweite präziser möglich wird, wodurch mehr Fahrspaß mit elektrisch antreibbaren Fahrzeugen erreicht wird und eine höhere Fahrzeugreichweite erreicht werden kann.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit umfasst eine Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern, mindestens einen Sensor zum Erfassen von elektrischen Größen der elektrochemischen Energiespeicher sowie mindestens ein Mittel, insbesondere eine erste Steuereinheit zur Steuerung der elektrischen Energiespeichereinheit, welche eingerichtet sind, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet vorteilhafterweise Anwendung in elektrischen Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug- In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
Kurzbeschreibung der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Figur 2 eine beispielhafte Darstellung einer Gruppe von Daten;
Figur 3a eine schematische Darstellung eines ersten elektrochemischen Modells;
Figur 3b eine schematische Darstellung eines zweiten elektrochemischen Modells
Figur 4 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein elektrisch antreibbares Fahrzeug 100 umfasst eine erste Steuereinheit 101 mit einem Speicher, eine elektrische Energiespeichereinheit 102 mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern 103(1), 103(2), 103(n), wobei die Steuereinheit 101 mit einer zweiten Steuereinheit 105 kabellos kommuniziert, beispielsweise mittels einer Funkverbindung. Die zweite Steuereinheit 105 mit einem Speicher befindet sich räumlich von dem Fahrzeug getrennt, beispielsweise in einer über das Internet zur Verfügung stehenden IT- Infrastruktur 104 (Cloud-Computing). In dem Speicher der ersten Steuereinheit 101 sind u.a. Daten eines elektrochemischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit 102 und/oder der elektrochemischen Energiespeicher 103(1), 103(2), 103(n) abgelegt. Diese Daten sind Kennfelder, welche von Temperatur, Strom, Ladezustand und weiterer physikalische Größen abhängig sind, also mehrdimensionale Kennfelder und damit sehr speicherintensiv.
Figur 2 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Gruppe von Daten 200. Die Daten werden gruppiert (Cluster) nach unterschiedlichen Batteriealterungsstufen (SoH) von einem Neuzustand über verschiedene Grade der Alterung bis hin zum Zustand, in dem die elektrische Energiespeichereinheit aufgrund ihrer zu geringen Restkapazität, beispielsweise 80%, ausgetauscht werden soll.
Die Gruppe ergibt sich aus der Differenz der mittels des elektrochemischen Modells berechneten Modell-Spannungsgröße zu der erfassten Spannungsgröße, beispielsweise mittels Spannungssensor gemessene elektrische Spannung der elektrischen Energiespeichereinheit. Liegt eine bestimmte Spannungsdifferenz aus beiden Spannungsgrößen vor, welche größer als die Messgenauigkeit des Spannungssensors und eines signalverarbeitenden A/D-Wandlers ist, so kann ein Abgleich aus einer nächsten Gruppe erfolgen. Die Granularität der Gruppierung, die Bedingungen unter welchen eine Vergleichsmessung zu erfolgen hat und die Häufigkeit der Vergleichsmessung, bestimmen die Güte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Sensorik plus Elektronik haben eine Genauigkeit von ca. +/- 25mV, d.h. die Messgenauigkeit der Zell-Spannungsmessung beträgt ca. 50m V. Erst wenn zwischen berechneter Modell-Spannungsgröße und erfasster Spannungsgröße die Differenz größer als diese 50mV ist, kann sicher von einer Abweichung der elektrischen Spannung ausgegangen werden.
Für eine elektrische Energiespeichereinheit 102 mit Lithium-Ionen-Energiespeichern 103(1), 103(2), 103(n), welche im Spannungsbereich von 4,2V bis ca. 3V betrieben wird, ergeben sich theoretisch ca. 20 Gruppierungen. Eine merkliche Ladezustandsminderung von ca. 10% ergibt sich andererseits erst bei einem Spannungsunterschied von 70mV, woraus sich ca. 10 Gruppierungen ergeben. Die elektrische Energiespeichereinheit 102 wird vom Neuzustand, mit einer Ladekapazität von 100%, bis zum gealterten Zustand, mit einer Ladekapazität von 80%, betrieben. Bei einer gleichmäßigen Aufteilung dieses Bereichs ergeben sich 5%-Schritte und somit vier Gruppierungen 201, 202, 203, 204, die für heute verfügbare Lithium-Ionen- Energiespeicher ausreichend sind.
Eine feinere Granularität ist vorteilhafterweise mit Mehraufwand bei den Alterungsmessungen der elektrochemischen Energiespeicher 103(1), 103(2), 103(n) und der Bestimmung der Parameter der elektrochemischen Energiespeicher möglich.
Figur 3a zeigt eine schematische Darstellung eines ersten elektrochemischen Modells 300a. Das elektrochemische Modell 300a der elektrischen Energiespeichereinheit 102 ist im Batteriemanagementsystem der ersten Steuereinheit 101 meist als Ersatzschaltbildmodell in Form einer Leerlaufspannungsquelle und eines R-RC-Gliedes abgebildet. Weitere Ausprägungen sind elektrochemische Modelle 300b mit mehreren RC-Gliedern in serieller Verschaltung zu den vorangegangenen RC-Gliedern, wie in Abbildung 3b dargestellt. Die Parameter für diese elektrochemischen Modelle sind somit eine Leerlaufspannung (UOCV), zwei Widerstandswerte (Ri und RI) sowie eine Kondensatorkapazität (CI).
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abgleichen von Daten einer ersten Steuereinheit 101 zur Steuerung einer elektrischen Energiespeichereinheit 102 mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern 103(1), 103(2), 103(n) mit einer zweiten Steuereinheit 105 zur Bestimmung präziser Vorhersagewerte. In Schritt 400 wird das Verfahren gestartet. In Schritt 401 werden eine Vielzahl von Daten eines elektrochemischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit 102 in Gruppen für unterschiedliche Alterungsstufen der elektrischen Energiespeichereinheit 102 mittels eines Speichers der zweiten Steuereinheit 105 bereitgestellt.
Schritt 402 umfasst ein Vergleichen einer ermittelten Benutzungsgröße, die eine zyklische Alterung und/oder eine kalendarische Alterung der elektrischen Energiespeichereinheit 102 und/oder der elektrochemischen Energiespeicher 103(1), 103(2), 103(n) repräsentiert, mit einem vorgegebenen Schwellenwert. Ferner umfasst Schritt 402 ein Prüfen, ob die elektrische Energiespeichereinheit 102 fehlerfrei arbeitet. Wenn die ermittelte Benutzungsgröße den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder die elektrische Energiespeichereinheit 102 fehlerfrei arbeitet werden erste Spannungsgrößen erfasst, die eine elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher 103(1), 103(2), 103(n) repräsentieren.
Ferner umfasst Schritt 402 ein Verwerfen von Ausreißern der erfassten Spannungsgrößen und ein Vergleichen eines Streuungsmaßes der erfassten Spannungsgrößen mit einem vorgegebenen Schwellenwert. Wenn das Streuungsmaß den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet, wird in Schritt 403 ein Mittelwert der erfassten ersten Spannungsgrößen gebildet.
In Schritt 404 wird geprüft, ob eine Spannungsdifferenz zwischen dem gebildeten Mittelwert der erfassten ersten Spannungsgrößen und einer mittels der durch den Speicher der ersten Steuereinheit 101 bereitgestellten Gruppe von Daten berechneten Modell-Spannungsgröße einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Wird der Schwellenwert überschritten, erfolgt ein kabelloses Abgleichen mindestens einer Gruppe von Daten des Speichers der ersten Steuereinheit 101 mit einer Gruppe von Daten des Speichers der zweiten Steuereinheit 105 in Schritt 405, ansonsten wird das Verfahren in Schritt 402 fortgesetzt. Der Schwellenwert wird entsprechend der Granularität der Gruppen der Daten vorgegeben.
Durch den Abgleich der Daten werden präzisere Vorhersagen für Restreichweite und entnehmbarer Leistung ermöglicht. Weiter wird eine einfache Anpassung an bauvariantenspezifischen Anpassungen und neue elektrische Energiespeichereinheiten ermöglicht.
In Schritt 406 wird eine Vergleichsmessung durchgeführt. Dazu werden in Schritt 406 zweite Spannungsgrößen, die eine elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher 103(1), 103(2), 103(n) repräsentieren, erfasst und ein Mittelwert der erfassten zweiten Spannungsgrößen gebildet.
Schritt 407 umfasst ein Erzeugen eines Signals in Abhängigkeit einer Spannungsdifferenz zwischen dem gebildeten Mittelwert der erfassten zweiten Spannungsgrößen und einer mittels der abgeglichenen Gruppe von Daten berechneten Modell-Spannungsgröße. Überschreitet die Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Schwellenwert, wird in Schritt 408 ein Fehlersignal erzeugt.
Das Verfahren wird in Schritt 409 beendet oder in Schritt 402 fortgesetzt und zyklisch wiederholt.
Vorteilhafterweise eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für praktisch jeden elektrochemischen Energiespeicher und prinzipiell für jede automobile Komponente, welche über eine Anbindung an ein externes Speichermedium, beispielsweise eine Anbindung an Cloud-Computing, verfügt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Abgleichen von Daten (200) einer ersten Steuereinheit (101) zur Steuerung einer elektrischen Energiespeichereinheit (103) mit einer Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern (103(1), 103(2), 103(n)) mit einer zweiten Steuereinheit (105) zur Bestimmung präziser Vorhersagewerte umfassend folgende Schritte: a) (400) Bereitstellen einer Vielzahl von Daten (200) eines elektrochemischen Modells (300a, 300b) der elektrischen Energiespeichereinheit (103) in Gruppen (200) für unterschiedliche Alterungsstufen der elektrischen Energiespeichereinheit (102) mittels eines Speichers der zweiten Steuereinheit (105); b) (401) Bereitstellen mindestens einer der Gruppen (201, 202, 203, 204) von Daten (200) mittels eines Speichers der ersten Steuereinheit (101); c) (402) Erfassen von ersten Spannungsgrößen, die eine elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher repräsentieren; d) (403) Bilden eines Mittelwerts der erfassten ersten Spannungsgrößen; e) (405) Kabelloses Abgleichen mindestens einer Gruppe von Daten des Speichers der ersten Steuereinheit (101) mit einer Gruppe von Daten (200) des Speichers der zweiten Steuereinheit (105), wenn eine Spannungsdifferenz zwischen dem gebildeten Mittelwert der erfassten ersten Spannungsgrößen und einer mittels der durch den Speicher der ersten Steuereinheit (101) bereitgestellten Gruppe von Daten berechneten Modell-Spannungsgröße einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet;
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: f) (406) Erfassen von zweiten Spannungsgrößen, die eine elektrische Spannung der elektrochemischen Energiespeicher (103(1), 103(2), 103(n)) repräsentieren; g) (406) Bilden eines Mittelwerts der erfassten zweiten Spannungsgrößen; h) (408) Erzeugen eines Signals in Abhängigkeit einer Spannungsdifferenz zwischen dem gebildeten Mittelwert der erfassten zweiten Spannungsgrößen und einer mittels der abgeglichenen Gruppe von Daten berechneten Modell- Spannungsgröße; 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erzeugte Signal ein Fehlersignal ist, wenn die
Spannungsdifferenz einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgende Schritte: c.l) Vergleichen einer ermittelten Benutzungsgröße, die eine zyklische Alterung und/oder eine kalendarische Alterung der elektrischen Energiespeichereinheit (102) und/oder der elektrochemischen Energiespeicher (103(1), 103(2), 103(n)) repräsentiert, mit einem vorgegebenen Schwellenwert; und/oder c.2) Prüfen, ob die elektrische Energiespeichereinheit (102) fehlerfrei arbeitet; c.3) Durchführen von Schritt c), wenn die ermittelte Benutzungsgröße den vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder die elektrische Energiespeichereinheit (102) fehlerfrei arbeitet;
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgende Schritte: d.l) Verwerfen von Ausreißern der erfassten Spannungsgrößen;
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgende Schritte: d.2) Vergleichen eines Streuungsmaßes der erfassten Spannungsgrößen mit einem vorgegebenen Schwellenwert; d.3) Durchführen von Schritt d), wenn das Streuungsmaß den vorgegebenen Schwellenwert nicht überschreitet;
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgende Schritte: e.l) Prüfen eines aktuellen Betriebszustands der elektrischen Energiespeichereinheit (102); e.2) Durchführen von Schritt e), wenn die elektrische Energiespeichereinheit (102) außer Betrieb ist;
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Daten des elektrochemischen Modells der elektrochemischen Energiespeicher (103(1), 103(2), 103(n)) ein- oder mehrdimensionale Kennfelder und/oder Parameter umfassen, insbesondere Temperatur, Strom, Ladezustand, Gesundheitszustand.
9. Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit (102), umfassend eine Mehrzahl an elektrochemischen Energiespeichern (103(1), 103(2), 103(n)), mindestens einen Sensor zum Erfassen von elektrischen Größen der elektrochemischen Energiespeicher (103(1), 103(2), 103(n)) sowie mindestens ein Mittel, insbesondere eine erste Steuereinheit (101) zur Steuerung der elektrischen Energiespeichereinheit (102), welche eingerichtet sind, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.
10. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in elektrischen Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In- Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
EP20745137.8A 2019-08-20 2020-07-21 Verfahren zum abgleichen von daten einer ersten steuereinheit mit einer zweiten steuereinheit zur bestimmung präziser vorhersagewerte Pending EP4017759A1 (de)

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