WO2014029563A1 - Nutzungsverfahren für elektrische energiespeicher, anordnung zur ausführung eines solchen nutzungsverfahrens, batterie und kraftfahrzeug mit einer solchen batterie - Google Patents

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Christian Korn
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Robert Bosch GmbH
Samsung SDI Co Ltd
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    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a utilization method for electrical
  • Usage-related aging can affect the electrical storage
  • Driving and charging strategy, thermal conditioning or the like can be greatly influenced.
  • thresholds for a variety of histograms have been agreed between a manufacturer of storage systems and vehicle manufacturers that must not be exceeded as a result of use.
  • Individual histograms map the most important critical factors influencing aging. Compliance with the thresholds is usually tracked in the battery control unit.
  • a particular advantage of the invention is that storage capacity and performance of electrical energy storage devices can be obtained over a longer period of time. This ensures in particular that the electrical energy storage over the entire warranty period the
  • the states may be defined, for example, by considering parameters that govern the state of the electrical energy storage, in particular its aging, and specifically the
  • Cargo throughput AQ or the like defined. These influencing factors span the space of the states of the electric energy storage, that is, the states can be represented as points in this space whose components are formed by the influencing factors. In particular, the states describe the aging of one or more electrical
  • the states are generated by evaluating usage profiles for the electrical energy store.
  • the states thus calculated are supplemented and / or corrected by states which are determined in field tests.
  • the states determined in field tests can replace or supplement states which have been determined model-based.
  • the invention further provides for the marked states in the room to be separated from one another by a separating surface, so that two subspaces are created, of which a first subspace contains only states which correspond to the states
  • the definition of the envelope takes place as offline training.
  • the states assumed by the at least one electrical energy store are determined and checked as to whether the strategy for operating the at least one electrical energy store needs to be changed. This phase of state determination and application of the
  • a preferred embodiment provides that a profile of the use of the electrical energy store (usage profile) is determined from the states assumed in the first period. The state of the electrical energy storage to the first predetermined
  • Time is estimated on condition that the determined
  • the Usage profile is maintained.
  • the estimate is preferably an extrapolation.
  • the electric energy storage changed. Specifically, the usage is changed when the test indicates that the condition for the first predetermined (future) time is the
  • a preferred embodiment provides that at a second predetermined time, in particular at the end of the first period, an estimate of at least one future state, in particular an estimate of at least one state to the
  • Target subspace is located.
  • Utilization strategy of the at least one electrical energy storage such that when changed use at the predetermined times
  • An arrangement according to the invention comprises at least one
  • Data processing unit such.
  • a processor an electronic module or a chip, and is arranged such that a method for using an electrical energy storage device is executable, wherein the
  • the arrangement is realized as part of a battery control device and / or a vehicle control device.
  • Another aspect of the invention relates to a battery that is combined with an arrangement, wherein the arrangement has at least one data processing unit, and wherein the arrangement is configured such that a method for using an electrical energy store is executable, wherein the
  • the battery is a lithium-ion battery or the battery includes electrochemical cells, which are known as
  • Lithium-ion battery cells are formed. There are several
  • Lithium-ion battery cells to be combined in each case an electro-chemical module.
  • the invention is not limited to lithium-ion batteries, but includes all electrical energy storage, which are subjected to a temporal and / or use-related aging, which is noticeable within the usually estimated period of use.
  • the electrical energy store may also be a lithium-air battery.
  • Another aspect of the invention relates to a motor vehicle having an electric drive motor for driving the motor vehicle and a battery connected or connectable to the electric drive motor according to the invention aspect described in the preceding paragraph.
  • the battery is not limited to such use, but may be used in other electrical systems.
  • the invention defines a common threshold value for all essential influencing factors in the form of an envelope in a multidimensional space, wherein the multidimensional space is spanned by the functions of said influencing factors.
  • the individual usage profile is depicted in the form of a trajectory in this room.
  • the invention provides a method which influences the use of a battery system at an early stage in such a way that the common threshold value of all of them is exceeded over the entire warranty period
  • Embodiment the method of the support vectors (Support Vector Machine) used, which is integrated for the classification and tracking of use and the adaptation of the operating strategy, for example, in a vehicle control unit.
  • Support vectors Small Vector Machine
  • the minimum set of functions (T n , P n , D n ) is formed here by the following sums: AF (ASOC i ) AQ i .
  • Another essential aspect of the invention is a method for determining whether or not the battery system will meet the warranty requirements based on a current usage profile as this usage profile continues.
  • Another essential aspect of the invention consists in a method in which by adapting a usage profile, by changing a
  • FIG. 1 shows an illustration of an exemplary classification space with a separation area and a trajectory describing the battery states while maintaining an initial operating strategy
  • FIG. 2 shows an illustration of an exemplary classification space with a separation area and a trajectory describing the battery states with a changed initial operating strategy.
  • the usage step is marked with the label +1. If a usage step no longer meets the warranty requirements, this and the (subsequent) usage steps are marked with the label -1.
  • the provided usage profiles in a preferred embodiment will be further related to other possible ones
  • a suitable separating surface 100 can be determined by using the Support Vector Machine.
  • the interface 100 may be a parting plane.
  • operating conditions in the vicinity of the boundary between operating states which meet the warranty requirements and those which do not meet the warranty requirements are regarded as relevant operating states.
  • additional field conditions are recorded in field tests and according to the fulfillment of the warranty requirements, as above described, marked with the label +1 or -1 respectively.
  • a condition determined from the field tests there is a condition that has been evaluated with the aid of the aging model and which has the
  • the interface 100 is continuously adjusted in an exemplary embodiment using the concept of the Support Vector Machine.
  • the classification space contains, as a subset, a separation area 100, wherein the separation area 100 contains the battery states which are the
  • Classification space a trajectory.
  • the trajectory consists of a first part, which describes the detected operating conditions 106, and a second part, which describes the coming battery states 108, which are assumed when the initial usage parameters, which are the basis of the estimation, are maintained.
  • the trajectory may be a vector. The estimate will be valid until the end of 1 10 of the warranty period or until the end of the
  • the trajectory can also be subdivided into a first region 1 12 within the envelope 100, which the
  • Factors influencing compliance with the warranty agreement have significant meaning. Accordingly, additional dimensions with functions of the corresponding influencing factors can be added to the classification space or the existing functions with regard to the influencing factors can be extended, such as, for example, As follows:
  • AF (Xi) and AF (Y,) describe the stressors that are used by the
  • Influencing factors X, or Y depend. c) If the separation surface 100 is created and validated, the current usage in the classification space is plotted as a trajectory during operation of the battery system.
  • the use of the starting point (beginning of use 102) up to a given time of use 104 can be represented by a trajectory, for example a vector, in the classification space. This part of the trajectory forms the first part, which describes the detected operating states 106. To generate the second part of the trajectory is off
  • the battery state at the end of the agreed use will be estimated by a corresponding extension of the first part of the trajectory.
  • the end 1 10 of the agreed use can be specified for example by a period of use and / or a mileage.
  • the operating strategy will be influenced in a preferred embodiment by an adapted cooling concept for adaptation. Preferably, the influence takes place automatically. Alternatively or in addition to the preferably automatic adaptation of the cooling concept, the operating strategy can also be influenced indirectly, for example by feedback functions to the user.
  • the invention is not limited in its embodiment to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nutzungsverfahren für elektrische Energiespeicher, eine Anordnung zur Ausführung eines solchen Nutzungsverfahrens, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie. Bei dem Verfahren zur Nutzung eines elektrischen Energiespeichers werden eine Menge von Zuständen des elektrischen Energiespeichers und mindestens eine Trennfläche (100) definiert, welche erste von zweiten oder weiteren Zuständen des elektrischen Energiespeichers trennt. Es werden Zustände (106) erfasst, die der elektrische Energiespeicher bei seiner Nutzung annimmt. Auf Basis der erfassten Zustände (106) wird mindestens ein Zustand des elektrischen Energiespeichers geschätzt, den er bei fortgesetzter Nutzung zu mindestens einem vorgegebenen Zeitpunkt (110) annimmt. Es wird geprüft, ob der Zustand für den vorgegebenen Zeitpunkt (110) in einem vorgegebenen Teilraum liegt. Abhängig vom Prüfungsergebnis wird die Nutzung des Energiespeichers derart geändert, dass der mindestens eine bei geänderter Nutzung angenommene Zustand zu dem mindestens einen vorgegebenen Zeitpunkt (110) in mindestens einem vorgegebenen Teilraum liegt.

Description

Beschreibung Titel
Nutzungsverfahren für elektrische Energiespeicher, Anordnung zur Ausführung eines solchen Nutzungsverfahrens, Batterie und Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nutzungsverfahren für elektrische
Energiespeicher, eine Anordnung zur Ausführung eines solchen
Nutzungsverfahrens, eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen
Batterie, welche insbesondere einsetzbar sind, um eine Alterung von elektrischen Energiespeichern, insbesondere von Lithium-Ionen-Batterien, zu verzögern.
Stand der Technik
In Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb werden zunehmend Akkumulatoren auf Basis von Lithium-Ionen-Technologie eingesetzt. Infolge zeitlicher und
nutzungsbedingter Alterung kann die elektrische Speicher- und
Leistungsfähigkeit dieser Akkumulatoren deutlich abnehmen. Da der
Fahrzeugnutzer in hybridischen Fahrzeugen einen Treibstoffverbrauch bzw. im Elektrofahrzeug eine Reichweite wie auch eine definierte Leistung seines
Fahrzeugs erwartet, sind ein Mindestmaß an Speicherfähigkeit und Leistung üblicherweise Teil der Gewährleistungsvereinbarung für diese Fahrzeuge.
Auf der anderen Seite hängt die tatsächliche Alterung des elektrischen Speichers sehr stark von einer Vielzahl von Nutzungsparametern ab, die sowohl durch den Fahrer als auch durch die Fahrzeugbetriebsstrategie, wie beispielsweise die
Fahr- und Ladestrategie, thermische Konditionierung oder dergleichen, stark beeinflusst werden kann.
Herkömmlicherweise werden zwischen einem Hersteller von Speichersystemen und Fahrzeugherstellern Schwellwerte für eine Vielzahl von Histogrammen vereinbart, die infolge der Nutzung nicht überschritten werden dürfen. In den einzelnen Histogrammen werden die wichtigsten kritischen Einflussfaktoren der Alterung abgebildet. Die Einhaltung der Schwellwerte wird üblicherweise im Batteriesteuergerät verfolgt. Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung von Histogrammen für
Gewährleistungsvereinbarungen besteht darin, dass die Wechselwirkung der einzelnen Einflussfaktoren nicht berücksichtigt werden kann. Das bedeutet, dass ein Einfluss, dem ein Batteriesystem übermäßig ausgesetzt ist, nicht durch Vermeidung eines anderen Einflusses kompensiert werden kann. Hierfür müssten die einzelnen Schwellwerte in den Histogrammen je nach
Befüllungsgrad der anderen Histogramme dynamisch angepasst werden. Die Einführung solcher Regeln ist sehr kompliziert und im Sinn einer
Gewährleistungsvereinbarung nicht ausreichend transparent. Offenbarung der Erfindung
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Speicherfähigkeit und Leistung von elektrischen Energiespeichern über einen längeren Zeitraum erhalten werden können. Dadurch wird insbesondere erreicht, dass der elektrische Energiespeicher über den gesamten Gewährleistungszeitraum die
Gewährleistungsbedingungen erfüllt. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, eine Menge von Zuständen zu definieren, welche der elektrische
Energiespeicher annehmen kann. Die Zustände können beispielsweise definiert werden, indem Parameter betrachtet werden, die den Zustand des elektrischen Energiespeichers, insbesondere dessen Alterung und speziell die
Speicherfähigkeit oder Leistung des elektrischen Energiespeichers beeinflussen. Aus diesen Parametern können Einflussfaktoren gebildet werden, wie beispielsweise eine Temperaturcharakteristik Tn, eine Parkcharakteristik Pn, eine Fahrcharakteristik Dn oder dergleichen. Die Einflussfaktoren werden
vorzugsweise als Funktionen von Parametern wie Temperatur T,
Ladungsdurchsatz AQ oder dergleichen definiert. Diese Einflussfaktoren spannen den Raum der Zustände des elektrischen Energiespeichers auf, das heißt, die Zustände lassen sich als Punkte in diesem Raum darstellen, deren Komponenten von den Einflussfaktoren gebildet werden. Insbesondere beschreiben die Zustände die Alterung eines oder mehrerer elektrischer
Energiespeicher. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass alle oder ein Teil solcher Zustände erfasst wird, die nur irreversibel verlassen werden können und daher eine zeitliche Abfolge definieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zustände erzeugt werden durch Auswertung von Nutzungsprofilen für den elektrischen Energiespeicher. Dabei werden beispielsweise die Funktionen der
Einflussfaktoren an diskreten Stellen t, ausgewertet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zustände dahin gehend bewertet werden, ob ein Zustand Gewährleistungsanforderungen erfüllt oder nicht. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Bewertung wird ein Zustand markiert, beispielsweise mit +1 oder -1 . Die Zustände werden somit zwei Klassen zugeordnet, die durch die Markierung +1 bzw. -1 gekennzeichnet sind. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Zustände des elektrischen Energiespeichers auf Basis eines Alterungsmodells des elektrischen
Energiespeichers berechnet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die so berechneten Zustände durch Zustände ergänzt und/oder korrigiert werden, die in Feldversuchen bestimmt werden. Die in Feldversuchen ermittelten Zustände können Zustände, die modellbasiert bestimmt wurden, ersetzen oder ergänzen.
Die Erfindung sieht weiter vor, die markierten Zustände in dem Raum durch eine Trennfläche voneinander zu trennen, so dass zwei Teilräume entstehen, von denen ein erster Teilraum nur Zustände enthält, welche die
Gewährleistungsanforderungen erfüllen, und ein zweiter Teilraum nur Zustände enthält, welche die Gewährleistungsanforderungen nicht erfüllen. In
höherdimensionalen Zustandsräumen handelt es sich bei der Trennfläche um eine Hyperfläche. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Trennfläche (auch als Hüllfläche oder Hüllkurve bezeichnet, mit Hilfe des Verfahrens der Stützvektoren (Support Vector Machine) ermittelt wird. Solche markierten Zustandsräume können für eine ganze Klasse von elektrischen Energiespeichern oder für jeden elektrischen Energiespeicher einzeln erstellt werden. Zustandsräume, in denen Zustände markiert sind, werden auch als Klassifizierungsräume bezeichnet.
Vorzugsweise erfolgt die Festlegung der Hüllkurve als Offline-Training. Nachdem die eine Hüllkurve festgelegt ist, werden im Betrieb des mindestens einen elektrischen Energiespeichers die von dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher angenommenen Zustände ermittelt und geprüft, ob die Strategie zum Betrieb des mindestens einen elektrischen Energiespeichers geändert werden muss. Diese Phase der Zustandsermittlung und Anwendung der
Betriebsstrategie wird nachfolgend näher beschrieben.
Wenn ein elektrischer Energiespeicher genutzt wird, vorzugsweise von Beginn der Nutzung an, werden die bei der Nutzung entstehenden Einflussfaktoren bestimmt, beispielsweise indem die Funktionen Temperaturcharakteristik Tn,
Parkcharakteristik Pn, Fahrcharakteristik Dn oder dergleichen berechnet werden. Mit Hilfe der Einflussfaktoren werden die zugehörigen Zustände bestimmt, die der elektrische Energiespeicher bei der Nutzung annimmt, und zumindest ein Teil der angenommenen Zustände in den Klassifizierungsraum als Trajektorie eingetragen. Wenn die Menge der angenommenen Zustände groß genug ist, wird eine Schätzung von Zuständen, die von dem elektrischen Energiespeicher voraussichtlich angenommen werden, vorgenommen. Vorzugsweise wird hierzu zumindest ein Teil der angenommenen Zustände, vorzugsweise alle
angenommenen Zustände ausgewertet, die während eines ersten Zeitraums angenommen wurden. Der erste Zeitraum kann beispielsweise ca. ein Jahr betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schätzung die Ermittlung mindestens eines Zustande zu mindestens einem ersten vorgegebenen (zukünftigen) Zeitpunkt umfasst. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten vorgegebenen Zeitpunkt um das Ende des
Gewährleistungszeitraums. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass aus den in dem ersten Zeitraum angenommenen Zuständen ein Profil der Nutzung des elektrischen Energiespeichers (Nutzungsprofil) bestimmt wird. Der Zustand des elektrischen Energiespeichers zu dem ersten vorgegebenen
Zeitpunkt wird geschätzt unter der Voraussetzung, dass das ermittelte
Nutzungsprofil beibehalten wird. Bei der Schätzung handelt es sich vorzugsweise um eine Extrapolation.
Die Erfindung sieht weiter eine Prüfung vor, ob der zukünftige Zustand zu dem ersten vorgegebenen Zeitpunkt die Gewährleistungsanforderungen erfüllt oder nicht. Da die Zustände, die während des ersten Zeitraums angenommen wurden, zumindest aber der Zustand zu Beginn der Nutzung des elektrischen Energiespeichers die Gewährleistungsanforderungen erfüllen, besteht in einer bevorzugten Ausführungsform die Prüfung darin, zu bestimmen, ob der Zustand zu dem ersten vorgegebenen Zeitpunkt und zumindest ein Teil der während des ersten Zeitraums angenommenen Zustände, insbesondere der Zustand zu Beginn der Nutzung, in ein und demselben Teilraum liegen. Liegen der Zustand zu dem ersten vorgegebenen Zeitpunkt und zumindest ein Teil der während des ersten Zeitraums angenommenen Zustände in demselben Teilraum, so erfüllt auch der zu dem ersten vorgegebenen Zeitpunkt angenommen Zustand die Gewährleistungsanforderungen. Werden der Zustand für den ersten
vorgegebenen Zeitpunkt und zumindest einem Teil der erfassten für den ersten
Zeitraum erfassten Zustände durch die Trennebene getrennt, so erfüllt der zu dem ersten vorgegebenen Zeitpunkt angenommen Zustand die
Gewährleistungsanforderungen nicht. In Abhängigkeit des Prüfungsergebnisses wird die Nutzung, insbesondere die
Betriebsstrategie, des elektrischen Energiespeichers geändert. Im Einzelnen wird die Nutzung dann geändert, wenn die Prüfung ergibt, dass der Zustand für den ersten vorgegebenen (in der Zukunft liegenden) Zeitpunkt die
Gewährleistungsanforderungen nicht erfüllt. Andernfalls kann die bisherige Nutzungsstrategie beibehalten werden. Die Betriebsstrategie wird also so gewählt, dass der Zustand zu dem in der Zukunft liegenden ersten vorgegebenen Zeitpunkt noch im„gutartigen" Teilraum des Merkmalsraums liegt.
Die Änderung besteht insbesondere darin, die Nutzung dahin gehend zu ändern, dass der Zustand für den ersten vorgegebenen Zeitpunkt die
Gewährleistungsanforderungen erfüllt, wenn der elektrische Energiespeicher mit der geänderten Nutzung betrieben wird. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass zu einem zweiten vorgegebenen Zeitpunkt, insbesondere am Ende des ersten Zeitraums, eine Schätzung von mindestens einem zukünftigen Zustand, insbesondere eine Schätzung von mindestens einem Zustand zu dem
mindestens einen ersten vorgegebenen Zeitpunkt, vorgenommen wird, wobei der Schätzung die geänderte Nutzung zugrunde gelegt wird. Diese Schätzung ergibt eine neue Trajektorie, die die Zustände beschreibt, die angenommen werden, wenn der elektrische Energiespeicher mit der geänderten Nutzung betrieben wird. Die der Schätzung zugrunde gelegte Nutzung wird so lange geändert, bis der Zustand für den ersten vorgegebenen Zeitpunkt die Gewährleistungsanforderungen erfüllt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in vorgebbaren Zeitabschnitten nach dem zweiten Zeitpunkt zumindest ein Teil der in der Vergangenheit angenommenen Zustände ausgewertet wird, um den Zustand für den ersten vorgegebenen Zeitpunkt zu ermitteln und zu prüfen, ob der mit der neuen Schätzung ermittelte Zustand die
Gewährleistungsanforderungen erfüllt oder nicht. In Abhängigkeit des
Prüfungsergebnisses wird die Nutzung des elektrischen Energiespeichers gegebenenfalls erneut geändert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Änderung eine Änderung der Kühlung und/oder eine Änderung des Ladevorgangs gegenüber der durch das anfängliche Nutzungsprofil beschriebenen Kühlung und/oder dem durch das anfängliche Nutzungsprofil beschriebenen Ladevorgang umfasst. Alternativ oder parallel dazu kann die Änderung der Nutzung dadurch bewirkt werden, dass über eine optische oder akustische Schnittstelle, oder allgemein über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, Handlungsanweisungen an einen Nutzer des elektrischen Energiespeichers ausgegeben werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in der Trainingsphase die Zustände in mehr als zwei Klassen unterteilt werden. Beträgt die Anzahl der Klassen N, so können bis zu (N-1 )*N/2 Trennflächen definiert werden.
In dieser speziellen Ausführungsform wird geprüft, ob der Zustand für den vorgegebenen, in der Zukunft liegenden Zeitpunkt durch eine oder mehrere
Trennflächen von zumindest einem Teil der bei der Nutzung bestimmten Zustände getrennt ist, das heißt ob der Zustand für den vorgegebenen Zeitpunkt in einem vorgegebenen Teilraum (Zielteilraum) liegt oder nicht, in Abhängigkeit des Ergebnisses dieser Prüfung wird die Nutzung des elektrischen
Energiespeichers derart geändert, dass der bei geänderter Nutzung zu dem vorgegebenen Zeitpunkt angenommene Zustand in dem vorgegebenen
Zielteilraum liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine stufenweise Prüfung erfolgt in dem Sinne, dass Zustände für mehrere vorgegebene
Zeitpunkte approximiert werden. Es erfolgt dann eine Prüfung, ob der approximierte Zustand zu den vorgegebenen Zeitpunkten in einem
vorgegebenen Zielteilraum liegt. Wenn einer der approximierten Zustände nicht in dem vorgegebenen Zielteilraum liegt, erfolgt eine Änderung der
Nutzungsstrategie des mindestens einen elektrischen Energiespeichers derart, dass die bei geänderter Nutzung zu den vorgegebenen Zeitpunkten
angenommenen Zustände jeweils in dem vorgegebenen Zielteilraum liegen.
Eine Anordnung nach der Erfindung weist mindestens eine
Datenverarbeitungseinheit, wie z. B. einen Prozessor, einen elektronischen Baustein oder einen Chip, auf und ist derart eingerichtet, dass ein Verfahren zur Nutzung eines elektrischen Energiespeichers ausführbar ist, wobei das
Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst:
- Definieren einer Menge von Zuständen des elektrischen Energiespeichers, wobei die Zustände durch vorgebbare Einflussfaktoren beschrieben werden,
- Definieren mindestens einer Trennfläche, welche einen Teilraum von ersten Zuständen des elektrischen Energiespeichers von mindestens einem Teilraum von zweiten oder weiteren Zuständen des elektrischen Energiespeichers trennt,
- bei einer Nutzung des elektrischen Energiespeichers Erfassen von zumindest einem Teil der Einflussfaktoren und Bestimmung von bei der Nutzung
angenommenen Zuständen des elektrischen Energiespeichers,
- Schätzen mindestens eines bei zukünftiger Nutzung des elektrischen
Energiespeichers zu mindestens einem vorgegebenen Zeitpunkt angenommenen Zustandes durch Auswerten von zumindest einem Teil der erfassten
Einflussfaktoren,
- Prüfen, ob der mindestens eine Zustand für den mindestens einen
vorgegebenen Zeitpunkt in einem vorgegebenen Teilraum liegt, und
- in Abhängigkeit des Ergebnisses der Prüfung Ändern der Nutzung des elektrischen Energiespeichers derart, dass der mindestens eine bei geänderter Nutzung angenommene Zustand zu dem mindestens einen vorgegebenen Zeitpunkt in mindestens einem vorgegebenen Teilraum liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anordnung als Teil eines Batteriesteuergeräts und/oder eines Fahrzeugsteuergeräts realisiert ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Batterie, die mit einer Anordnung kombiniert ist, wobei die Anordnung zumindest eine Datenverarbeitungseinheit aufweist, und wobei die Anordnung derart eingerichtet ist, dass ein Verfahren zur Nutzung eines elektrischen Energiespeichers ausführbar ist, wobei das
Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst:
- Definieren einer Menge von Zuständen des elektrischen Energiespeichers, wobei die Zustände durch vorgebbare Einflussfaktoren beschrieben werden,
- Definieren mindestens einer Trennfläche, welche einen Teilraum von ersten Zuständen des elektrischen Energiespeichers von mindestens einem Teilraum von zweiten oder weiteren Zuständen des elektrischen Energiespeichers trennt,
- bei einer Nutzung des elektrischen Energiespeichers Erfassen von zumindest einem Teil der Einflussfaktoren und Bestimmung von bei der Nutzung
angenommenen Zuständen des elektrischen Energiespeichers,
- Schätzen mindestens eines bei zukünftiger Nutzung des elektrischen
Energiespeichers zu mindestens einem vorgegebenen Zeitpunkt angenommenen
Zustandes durch Auswerten von zumindest einem Teil der erfassten
Einflussfaktoren,
- Prüfen, ob der mindestens eine Zustand für den mindestens einen
vorgegebenen Zeitpunkt in einem vorgegebenen Teilraum liegt, und
- in Abhängigkeit des Ergebnisses der Prüfung Ändern der Nutzung des elektrischen Energiespeichers derart, dass der mindestens eine bei geänderter Nutzung angenommene Zustand zu dem mindestens einen vorgegebenen Zeitpunkt in mindestens einem vorgegebenen Teilraum liegt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Batterie um eine Lithium-Ionen-Batterie oder die Batterie umfasst elektro-chemische Zellen, die als
Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind. Dabei können mehrere
Lithium-Ionen-Batteriezellen zu jeweils einem elektro-chemischen Modul zusammengefasst sein. Die Erfindung ist dabei nicht auf Lithium-Ionen-Batterien beschränkt, sondern bezieht sämtliche elektrische Energiespeicher ein, die einer zeitlichen und/oder nutzungsbedingten Alterung unterworfen sind, welche sich innerhalb des üblicherweise veranschlagten Nutzungszeitraums bemerkbar macht. Insbesondere kann es sich bei dem elektrischen Energiespeicher auch um eine Lithium-Luft-Batterie handeln. Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batterie gemäß dem im voranstehenden Absatz beschriebenen Erfindungsaspekt. Die Batterie ist jedoch nicht auf einen solchen Einsatzzweck eingeschränkt, sondern kann auch in anderen elektrischen Systemen eingesetzt werden.
Durch die Erfindung wird ein gemeinsamer Schwellwert für alle wesentlichen Einflussfaktoren in Form einer Hüllkurve in einem multidimensionalen Raum definiert, wobei der multidimensionale Raum durch die Funktionen der genannten Einflussfaktoren aufgespannt wird. Das individuelle Nutzungsprofil wird in Form einer Trajektorie in diesem Raum abgebildet.
Darüber hinaus wird durch die Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, welches die Nutzung eines Batteriesystems frühzeitig so beeinflusst, dass über den gesamten Gewährleistungszeitraum der gemeinsame Schwellwert aller
Einflussfaktoren nicht überschritten wird.
Die Erfindung lässt sich folgendermaßen zusammenfassen:
Einen wesentlichen Aspekt bildet die Verwendung eines geeigneten
n-dimensionalen Klassifizierungsverfahrens für die Erfassung und Festlegung von Gewährleistungsvereinbarungen. Hierfür wird in einer bevorzugten
Ausführungsform das Verfahren der Stützvektoren (Support Vector Machine) genutzt, welches für die Einordnung und Verfolgung der Nutzung sowie die Anpassung der Betriebsstrategie beispielsweise in ein Fahrzeugsteuergerät integriert ist.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Wahl der Funktionen, die den
Klassifizierungsraum aufspannen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Mindestmenge an Funktionen (Tn, Pn, Dn) hierbei durch folgende Summen gebildet:
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0002
AF(ASOCi) AQi .
Die Funktionen können als Temperaturcharakteristik Tn, Parkcharakteristik Pn und Fahrcharakteristik Dn bezeichnet werden, wobei T, die Temperatur zum Zeitpunkt t = i, At, ein Zeitspanne bzw. Zeitschritt, AQ, den Ladungsdurchsatz und die Größen AF(SOCi) bzw. AF(ASOCi) Stressfaktoren, die vom Ladungszustand SOCi (State Of Charge) des elektrischen Energiespeichers bzw. von der
Änderung des Ladungszustands ASOC, zum Zeitpunkt t, abhängen, beschreiben.
Ein anderer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Feststellung, ob aufgrund eines aktuellen Nutzungsprofils bei Fortsetzung dieses Nutzungsprofils das Batteriesystem die Gewährleistungsanforderungen erfüllen wird oder nicht.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht in einem Verfahren, bei dem durch Anpassung eines Nutzungsprofils, durch Änderung einer
Betriebsstrategie und/oder durch konkrete Anforderungen an einen Nutzer die Gewährleistungsanforderungen erfüllt werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Veranschaulichung eines beispielhaften Klassifizierungsraums mit einer Trennfläche und einer die Batteriezustände beschreibenden Trajektorie bei Beibehaltung einer anfänglichen Betriebsstrategie, und Figur 2 eine Veranschaulichung eines beispielhaften Klassifizierungsraums mit einer Trennfläche und einer die Batteriezustände beschreibenden Trajektorie mit geänderter anfänglicher Betriebsstrategie.
Ausführungsformen der Erfindung
An einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung soll zunächst ein beispielhaftes n-dimensionales Klassifizierungsverfahren für die Erfassung und Festlegung der Gewährleistungsvereinbarung beschrieben werden: a) Fahrzeughersteller stellen herkömmlicherweise typische Nutzungsprofile zur Verfügung. Für diese Nutzungsprofile werden Funktionen, wie z. B. die oben erwähnten Funktionen Tn, Pn und Dn, diskret in Abhängigkeit von Zeitschritten t, und dem Energiedurchsatz AQ, berechnet. Die Stressfaktoren AF(SOCi) und AF(ASOCi) (AF = Accelerating Factor) werden in entsprechenden Testverfahren bestimmt. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Stressfaktoren als Kennfelder abgelegt, beispielsweise in Speichermitteln des Batteriesteuergeräts oder des Fahrzeugsteuergeräts. Erfüllt ein Batteriesystem zum Nutzungsschritt n entsprechend der aktuellen Alterungsmodellierung des Batteriesystems die Gewährleistungsanforderungen, so wird der Nutzungsschritt mit dem Label +1 markiert. Erfüllt ein Nutzungsschritt die Gewährleistungsanforderungen nicht mehr, so werden dieser und die (zeitlich) folgenden Nutzungsschritte mit dem Label -1 markiert. Die bereitgestellten Nutzungsprofile werden in einer bevorzugten Ausführungsform weiter in Bezug auf weitere mögliche
Betriebszustände zusätzlich variiert, so dass alle oder zumindest alle
maßgeblichen möglichen Betriebszustände im Klassifizierungsraum mit einem Label versehen sind und sich durch Verwendung der Support Vector Machine eine geeignete Trennfläche 100 bestimmen lässt. In speziellen Fällen kann es sich bei der Trennfläche 100 um eine Trennebene handeln. Als maßgebliche Betriebszustände werden insbesondere Betriebszustände in der Umgebung der Grenze zwischen Betriebszuständen, welche die Gewährleistungsanforderungen erfüllen, und solchen, die die Gewährleistungsanforderungen nicht erfüllen, angesehen. In einem nächsten Schritt werden in Feldversuchen zusätzlich Zustände erfasst und entsprechend der Erfüllung der Gewährleistungsanforderungen, wie oben beschrieben, mit dem Label +1 bzw. -1 markiert. Befindet sich in unmittelbarer Umgebung eines aus den Feldversuchen ermittelten Zustandes ein Zustand, welcher mit Hilfe des Alterungsmodells bewertet wurde und welcher den
Felderfahrungen widerspricht, so wird das mit dem Modell geschätzte Label gelöscht. Die Trennfläche 100 wird in einer beispielhaften Ausführungsform mit Hilfe des Konzepts der Support Vector Machine kontinuierlich angepasst.
Im Ergebnis enthält der Klassifikationsraum als Teilmenge eine Trennfläche 100, wobei die Trennfläche 100 die Batteriezustände, welche die
Gewährleistungsanforderungen erfüllen, von den Batteriezuständen trennt, welche die Gewährleistungsanforderungen nicht erfüllen (vgl. Figur 1 ). Während der Nutzung des Batteriesystems werden die Batteriezustände erfasst und aufgezeichnet. Die Batteriezustände werden vom Beginn der Nutzung 102 des Batteriesystems an in den Klassifizierungsraum abgebildet. An einem
vorgegebenen Zeitpunkt 104 während der Nutzung werden aus den
vergangenen Batteriezuständen die voraussichtlichen künftigen Batteriezustände geschätzt, beispielsweise durch Extrapolation. Damit erhält man im
Klassifizierungsraum eine Trajektorie. Die Trajektorie besteht aus einem ersten Teil, welcher die erfassten Betriebszustände 106 beschreibt, und einem zweiten Teil, welcher die kommenden Batteriezustände 108 beschreibt, die angenommen werden, wenn die anfänglichen Nutzungsparameter, welche die Basis der Schätzung darstellen, beibehalten werden. In speziellen Fällen kann es sich bei der Trajektorie um einen Vektor handeln. Die Schätzung wird bis zum Ende 1 10 des Gewährleistungszeitraums bzw. bis zum Ende der
Gewährleistungskilometerleistung berechnet. Typische Grenzen für das Ende des Gewährleistungszeitraums sind beispielsweise 10 Jahre oder ca. 160.00 km (bzw. 100.000 Meilen). Die Trajektorie (Vektor) kann außerdem unterteilt werden in einen ersten Bereich 1 12 innerhalb der Hüllkurve 100, welcher die
Batteriezustände beschreibt, welche die Gewährleistungsanforderungen erfüllen, und einen zweiten Bereich 1 12, welcher die Batteriezustände beschreibt, welche die Gewährleistungsanforderungen nicht mehr erfüllen. Bei der in Figur 1 dargestellten Nutzung würden die Gewährleistungsanforderungen am Ende 1 10 des Gewährleistungszeitraums nicht mehr erfüllt werden. b) Je nach Design des Gesamtsystems ergeben sich in der Regel weitere
Einflussfaktoren, die für die Einhaltung der Gewährleistungsvereinbarung eine wesentliche Bedeutung haben. Demnach können dem Klassifizierungsraum zusätzliche Dimensionen mit Funktionen der entsprechenden Einflussfaktoren hinzugefügt oder die bestehenden Funktionen in Bezug auf die Einflussfaktoren erweitert werden, wie z. B. folgendermaßen:
(Pn) = ^ AF(SOCt) - AF(Xt) - AF(Xt ^t ,
i=l wobei AF(Xi) und AF(Y,) die Stressfaktoren beschreiben, die von den
Einflussfaktoren X, bzw. Y, abhängen. c) Ist die Trennfläche 100 erstellt und validiert, so wird im Betrieb des Batteriesystems die aktuelle Nutzung im Klassifizierungsraum als Trajektorie aufgetragen. Die Nutzung vom Startpunkt (Beginn der Nutzung 102) bis zu einem gegebenen Nutzungszeitpunkt 104 kann durch eine Trajektorie, beispielsweise einen Vektor, im Klassifizierungsraum dargestellt werden. Dieser Teil der Trajektorie bildet den ersten Teil, welcher die erfassten Betriebszustände 106 beschreibt. Zur Generierung des zweiten Teils der Trajektorie wird aus
Nutzungsdaten, die innerhalb einer vorgebbaren Zeitdauer (beispielsweise innerhalb eines Jahres) ab der ersten Nutzung erfasst wurden, eine
voraussichtliche Nutzung für die Zukunft geschätzt, z. B. extrapoliert. Unter der Prämisse, dass das Nutzungsverhalten beibehalten wird, wird durch eine entsprechende Verlängerung des ersten Teils der Trajektorie der Batteriezustand am Ende 1 10 der vereinbarten Nutzung abgeschätzt werden. Das Ende 1 10 der vereinbarten Nutzung kann beispielsweise durch eine Zeitdauer der Nutzung und/oder eine Kilometerleistung vorgegeben werden.
Um die Gewährleistungsvereinbarung am Ende 1 10 der Nutzung erfüllen zu können, kann es erforderlich sein, dass die anfängliche Betriebsstrategie angepasst werden muss, wenn sich durch die Schätzung ergibt, dass ein Beibehalten der anfänglichen Betriebsstrategie zu einer Verletzung der
Gewährleistungsvereinbarung führen würde. Die Anpassung wird so
vorgenommen, dass die angepasste Trajektorie 1 16 der Schätzung bis zum Ende 1 10 der vereinbarten Nutzungsdauer stets innerhalb der Hüllkurve
(Trennfläche 100) liegt (vgl. Figur 2). Die Betriebsstrategie wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch ein angepasstes Kühlungskonzept zur Anpassung beeinflusst werden. Vorzugsweise erfolgt die Beeinflussung automatisch. Alternativ oder zusätzlich zu der vorzugsweise automatischen Anpassung des Kühlungskonzepts kann die Betriebsstrategie auch indirekt, beispielsweise durch Feedback-Funktionen an den Nutzer, beeinflusst werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführungsform nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von
Varianten denkbar, die von dem erfindungsgemäßen Verfahren, der
erfindungsgemäßen Anordnung, der erfindungsgemäßen Batterie und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug auch bei grundsätzlich andersgearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Ansprüche
1 . Nutzungsverfahren für elektrische Energiespeicher, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Definieren einer Menge von Zuständen des elektrischen
Energiespeichers, wobei die Zustände durch vorgebbare Einflussfaktoren beschrieben werden,
Definieren mindestens einer Trennfläche (100), welche einen Teilraum von ersten Zuständen des elektrischen Energiespeichers von mindestens einem Teilraum von zweiten oder weiteren Zuständen des elektrischen Energiespeichers trennt,
bei einer Nutzung des elektrischen Energiespeichers Erfassen von zumindest einem Teil der Einflussfaktoren und Bestimmung von bei der Nutzung angenommenen Zuständen (106) des elektrischen
Energiespeichers,
Schätzen mindestens eines bei zukünftiger Nutzung des elektrischen Energiespeichers zu mindestens einem vorgegebenen Zeitpunkt (1 10) angenommenen Zustandes durch Auswerten von zumindest einem Teil der erfassten Einflussfaktoren,
Prüfen, ob der mindestens eine Zustand für den mindestens einen vorgegebenen Zeitpunkt (1 10) in einem vorgegebenen Teilraum liegt, und in Abhängigkeit des Ergebnisses der Prüfung Ändern der Nutzung des elektrischen Energiespeichers derart, dass der mindestens eine bei geänderter Nutzung angenommene Zustand zu dem mindestens einen vorgegebenen Zeitpunkt (1 10) in mindestens einem vorgegebenen Teilraum liegt.
2. Nutzungsverfahren nach Anspruch 1 , wobei geprüft wird, ob der mindestens eine Zustand für den mindestens einen vorgegebenen Zeitpunkt (1 10) durch mindestens eine Trennfläche (100) von zumindest einem Teil der bei der Nutzung bestimmten Zustände (106) getrennt ist, und/oder wobei in Abhängigkeit des Ergebnisses der Prüfung die Nutzung des elektrischen Energiespeichers derart geändert wird, dass die bei der Nutzung bestimmten Zustände (106) und der mindestens eine bei geänderter Nutzung angenommene Zustand zu dem mindestens einen vorgegebenen Zeitpunkt (1 10) im selben Teilraum liegen.
Nutzungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei aus zumindest einem Teil der erfassten Zustände (106) ein Nutzungsprofil erstellt wird.
Nutzungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Änderung eine Änderung der Betriebsstrategie umfasst.
Nutzungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Änderung eine Änderung der Kühlung und/oder eine Änderung des
Ladevorgangs gegenüber der durch das Nutzungsprofil beschriebenen Kühlung und/oder dem durch das Nutzungsprofil beschriebenen
Ladevorgang umfasst.
Nutzungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei durch eine Mensch-Maschine-Schnittstelle Informationen ausgegeben werden für eine geänderte Nutzung des elektrischen Energiespeichers.
Nutzungsverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die erfassten Zustände (106) als Trajektorie in dem Raum der Zustände des elektrischen Energiespeichers dargestellt werden und der Zustand für den vorgegebenen Zeitpunkt (1 10) durch Extrapolation der Trajektorie geschätzt wird.
Anordnung umfassend mindestens eine Datenverarbeitungseinheit, wobei die Anordnung derart eingerichtet ist, dass ein Nutzungsverfahren für elektrische Energiespeicher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführbar ist.
Batterie, die mit einer Anordnung gemäß Anspruch 8 kombiniert ist.
10. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsmotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs und einer mit dem elektrischen Antriebsmotor verbundenen oder verbindbaren Batterie gemäß Anspruch 9.
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