DE102015011745B3 - Charge state determination in a motor vehicle battery - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands (8) einer elektrischen Batterie (2) in einem Kraftfahrzeug (1), wobei in aufeinanderfolgenden Messzyklen (k) jeweils ein jeweiliger Messwert (5) zumindest einer Betriebsgröße (UBATT, IBATT, T) der Batterie (2) gemessen wird und durch eine Kalman-Filtereinrichtung (9) in einem Korrekturschritt (29) ein aktueller Zustandsvektor aus einem vorangegangenen Zustandsvektor und eine aktuelle Kovarianz eines Schätzfehlers aus einer vorangegangenen Kovarianz des Schätzfehlers berechnet werden und in einem Prädiktionsschritt (30) aus dem aktuellen Zustandsvektor ein prädizierter Zustandsvektor (33) und aus der aktuellen Kovarianz eine prädizierte Kovarianz berechnet wird, und in einem Ausgabeschritt ein in dem neuen prädizierten Zustandsvektor (33) enthaltener geschätzter Ladezustandswert (SOC) als der Ladezustand (8) ausgegeben wird. Die Schätzung des Ladezustandswerts (SOC) soll robust sein. Die Erfindung sieht vor, dass vor dem Korrekturschritt (29) in dem vorangegangenen Zustandsvektor oder vor dem Prädiktionsschritt (30) in dem aktuellen Zustandsvektor der Ladezustandswert durch einen Schätzwert ersetzt wird, der durch eine von der Kalman-Filtereinrichtung (9) unabhängige Schätzeinrichtung (10) für den Ladezustand ermittelt wird.The invention relates to a method for determining a state of charge (8) of an electric battery (2) in a motor vehicle (1), wherein in successive measuring cycles (k) a respective measured value (5) of at least one operating variable (UBATT, IBATT, T) of the Battery (2) is measured and calculated by a Kalman filter device (9) in a correction step (29) a current state vector from a previous state vector and a current covariance of an estimation error from a previous covariance of the estimation error and in a prediction step (30) a predicted state vector (33) is calculated from the current state vector, and a predicted covariance is calculated from the current covariance, and in an output step, an estimated state of charge value (SOC) included in the new predicted state vector (33) is output as the state of charge (8). The estimation of the state of charge value (SOC) should be robust. The invention provides that prior to the correction step (29) in the preceding state vector or before the prediction step (30) in the current state vector, the state of charge value is replaced by an estimated value determined by an estimation device (10) independent of the Kalman filter device (9) ) is determined for the state of charge.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands einer elektrischen Batterie in einem Kraftfahrzeug. Bei dem Verfahren wird in aufeinanderfolgenden Messzyklen jeweils ein jeweiliger Messwert zumindest einer Betriebsgröße der Batterie gemessen und durch eine Kalman-Filtereinrichtung jeweils ein Zustandsvektor prädiziert, der als ein Vektoreintrag einen geschätzten Ladezustandswert enthält, der als Ladezustand ausgegeben wird. Zu der Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Schließlich gehört zu der Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches die Vorrichtung aufweist.The invention relates to a method for determining a state of charge of an electric battery in a motor vehicle. In the method, a respective measured value of at least one operating variable of the battery is measured in successive measuring cycles and a state vector is predicted by a Kalman filter device, which contains as an input vector an estimated state of charge value, which is output as the state of charge. The invention also includes an apparatus for carrying out the method. Finally, the invention includes a motor vehicle having the device.
Die exakte Ermittlung des Ladezustands einer Kraftfahrzeug-Batterie, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, stellt eine Herausforderung für die Signalverarbeitung dar. Die Anforderungen an die Genauigkeit des ermittelten Ladezustands sind insbesondere im automobilen Anwendungsbereich von großer Bedeutung, um in einem Kraftfahrzeug einen sicheren und effizienten Betrieb des elektrochemischen Energiespeichers, das heißt der Batterie, gewährleisten zu können.The exact determination of the state of charge of a motor vehicle battery, in particular a lithium-ion battery, presents a challenge for the signal processing. The requirements for the accuracy of the determined state of charge are of great importance, in particular in the automotive field of application, in order to ensure safe and secure operation in a motor vehicle efficient operation of the electrochemical energy store, that is the battery, to be able to guarantee.
Aus der
Aus der Publikation von Zhang und Lee (2011, A review on prognostics and health monitoring of Li-ion battery, Journal of power sources, 196 (15), S. 6007 bis 6014) ist ein Überblick über gängige Verfahren gegeben, einen Ladezustand einer Batterie zu bestimmen. Unter anderem wird dabei die Verwendung von einem „extended Kalman filter” angesprochen.From the publication by Zhang and Lee (2011, A review on prognostics and health monitoring of Li-ion battery, Journal of power sources, 196 (15), pp. 6007-6014) there is given an overview of common methods, a state of charge of a To determine battery. Among other things, the use of an "extended Kalman filter" is addressed.
Bereits bekannte, auf einem elektrischen Ersatzschaltbild basierende Verfahren, wie das Kalman-Filter, das Extended-Kalman-Filter oder der Zustandsbeobachter, stoßen hierbei an ihre Grenzen. Grund hierfür sind zwei wesentliche Punkte, die insbesondere bei der Lithium-Eisenphosphat-Technologie eine Rolle spielen: Zum einen das sehr flache Plateau der Ruhespannungs-Kennlinie im mittleren Ladezustandsbereich und zum anderen die Genauigkeit des elektrischen Ersatzschaltbilds bezüglich der Netzwerkparameter, die zur Berechnung der Ruhespannung aus der Klemmenspannung zugrundegelegt werden. So kann bei den ruhespannungsbasierten Verfahren die Ladezustandsermittlung im mittleren Bereich mit Genauigkeiten im einstelligen Prozentbereich nur mit sehr großem messtechnischen Aufwand realisiert werden.Already known methods based on an equivalent electrical circuit diagram, such as the Kalman filter, the extended Kalman filter or the condition observer, are reaching their limits here. The reason for this are two important points that play a role, in particular in lithium iron phosphate technology: on the one hand the very flat plateau of the quiescent voltage characteristic in the middle state of charge and on the other hand the accuracy of the electrical equivalent circuit with respect to the network parameters used to calculate the quiescent voltage be based on the terminal voltage. Thus, in the case of the rest-voltage-based methods, the state of charge determination in the middle range with accuracies in the single-digit percentage range can only be realized with very great metrological effort.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ladezustand einer Kraftfahrzeug-Batterie zu ermitteln.The invention has for its object to determine a state of charge of a motor vehicle battery.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben.The object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous developments of the invention are given by the features of the dependent claims.
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Ladezustands einer elektrischen Batterie in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt. Unter Batterie ist im Zusammenhang mit der Erfindung ein elektrochemischer Akkumulator zu verstehen, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie. Bei dem Verfahren wird in aufeinanderfolgenden Messzyklen jeweils ein jeweiliger Messwert zumindest einer Betriebsgröße der Batterie gemessen. Durch eine Kalman-Filtereinrichtung werden die folgenden, an sich bekannten Schritte durchgeführt. In einem Updateschritt oder Korrekturschritt werden ein aktueller Zustandsvektor aus einem vorangegangenen Zustandsvektor, die jeweils einen Ladezustandswert des Ladezustands enthalten, und eine aktuelle Kovarianz eines Schätzfehlers der Kalman-Filtereinrichtung aus einer vorangegangenen Kovarianz des Schätzfehlers berechnet. Der aktuelle Zustandsvektor kann in an sich bekannter Weise aus einem prädizierten Zustandsvektor des unmittelbar vorangegangenen Messzyklus ermittelt werden, der also den vorangegangenen Zustandsvektor darstellt. Genauso kann die aktuelle Kovarianz aus einer prädizierten Kovarianz des unmittelbar vorangegangenen Messzyklus ermittelt werden, die also die vorangegangene Kovarianz darstellt.The invention provides a method for determining a state of charge of an electric battery in a motor vehicle. Under battery is to be understood in the context of the invention, an electrochemical accumulator, in particular a lithium-ion battery. In the method, a respective measured value of at least one operating variable of the battery is measured in successive measuring cycles. By a Kalman filter device, the following, known per se steps are performed. In an update step or correction step, a current state vector from a previous state vector each containing a state of charge load state value and a current covariance of an estimation error of the Kalman filter device are calculated from a previous covariance of the estimation error. The current state vector can be determined in a manner known per se from a predicted state vector of the immediately preceding measurement cycle, which thus represents the preceding state vector. In the same way, the current covariance can be determined from a predicted covariance of the immediately preceding measurement cycle, which thus represents the preceding covariance.
Aus dem aktuellen Zustandsvektor wird in einem Prädiktionsschritt ein neuer prädizierter Zustandsvektor und aus der aktuellen Kovarianz eine neue prädizierte Kovarianz berechnet. Die für den Korrekturschritt und den Prädiktionsschritt nötigen Berechnungen sind an sich aus der Theorie für das Kalman-Filter bekannt. In dem neuen prädizierten Zustandsvektor ist ein geschätzter Ladezustandswert enthalten. Dieser geschätzte Ladezustandswert wird in einem Ausgabeschritt als der aktuelle Ladezustand ausgegeben.From the current state vector, a new predicted state vector is calculated in a prediction step, and a new predicted covariance is calculated from the current covariance. The calculations necessary for the correction step and the prediction step are known per se from the theory for the Kalman filter. The new predicted state vector contains an estimated state of charge value. This estimated state of charge value is output in an output step as the current state of charge.
Um nun die beschriebenen Unzulänglichkeiten oder Nachteile des Kalman-Filters bei einem flachen Plateau der Ruhespannung zu kompensieren, sieht die Erfindung vor, dass vor dem Korrekturschritt (
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Ladezustandswert des aktuellen Zustandsvektors und der korrespondierende Ladezustandswert des prädizierten Zustandsvektors dahingehend entkoppelt werden, dass zwei unterschiedliche Schätzeinrichtungen, nämlich zum einen die Kalman-Filtereinrichtung und zum anderen die von der Kalman-Filtereinrichtung unabhängige Schätzeinrichtung, verwendet werden. Hierdurch kann die Kovarianz des Schätzfehlers insbesondere in einem flachen Plateau der Ruhespannungskennlinie verringert oder stabilisiert werden.The advantage of the invention is that the state of charge state value of the current state vector and the corresponding state state vector state of charge value are decoupled in that two different estimators are used, firstly the Kalman filter device and the second estimation device independent of the Kalman filter device become. As a result, the covariance of the estimation error can be reduced or stabilized, in particular in a flat plateau of the quiescent voltage characteristic.
Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also includes optional developments, by the characteristics of which additional benefits.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die zumindest eine Betriebsgröße, die für die Schätzung zugrundegelegt wird, eine Klemmenspannung der Batterie und/oder einen Batteriestrom der Batterie und/oder eine Temperatur der Batterie. Diese Betriebsgrößen sind in vorteilhafter Weise von außen messbar, das heißt sie stellen geeignete Beobachtungsgrößen dar. Der innere Betriebszustand, nämlich insbesondere der Ladezustand der Batterie, wird dann mittels der Kalman-Filtereinrichtung und der Schätzeinrichtung aus diesen Betriebsgrößen ermittelt.According to a development, the at least one operating variable that is used for the estimation comprises a terminal voltage of the battery and / or a battery current of the battery and / or a temperature of the battery. These operating variables are advantageously measurable from the outside, that is they represent suitable observation variables. The internal operating state, namely in particular the state of charge of the battery, is then determined from these operating variables by means of the Kalman filter device and the estimating device.
Gemäß einer Weiterbildung wird durch die Schätzeinrichtung zusätzlich ein Varianzwert der Schätzvarianz ermittelt. Vor dem Korrekturschritt in einer die vorangegangene Kovarianz beschreibenden Kovarianzmatrix oder vor dem Prädiktionsschritt wird in einer die aktuelle Kovarianz des Schätzfehlers beschreibenden Kovarianzmatrix dieser Varianzwert als Matrixeintrag gespeichert. Mit anderen Worten wird vor dem Korrekturschritt oder vor dem Prädiktionsschritt nicht nur der Ladezustandswert überschrieben oder ersetzt, sondern auch der Wert für die Kovarianz. Hierdurch ergibt sich eine genauere Anpassung der Kalman-Verstärkung oder des Kalman-Gains, die dann auf der Varianz des von der unabhängigen Schätzeinrichtung ermittelten Schätzwerts des Ladezustands beruht.According to a development, the estimation device additionally determines a variance value of the estimation variance. Before the correction step in a covariance matrix describing the preceding covariance or before the prediction step, this variance value is stored as a matrix entry in a covariance matrix describing the current covariance of the estimation error. In other words, before the correction step or before the prediction step, not only is the charge state value overwritten or replaced, but also the value for the covariance. This results in a more accurate fit of the Kalman gain or Kalman gain, which is then based on the variance of the state of charge estimate as determined by the independent estimator.
Um eine geeignete alternative Schätzung des Ladezustandswerts mittels der Schätzeinrichtung zu erreichen, wird gemäß einer Weiterbildung durch die Schätzeinrichtung auf der Grundlage der Messwerte mehrerer Messzyklen eine jeweilige Zeitreihe für die zumindest eine Betriebsgröße gebildet. Es kann also eine Zeitreihe für die Klemmenspannung und/oder eine Zeitreihe für den Batteriestrom gebildet werden. Mittels einer Frequenzanalyse, beispielsweise einer Fourier-Transformation, wird eine frequenzabhängige Impedanz der Batterie aus der zumindest einen Zeitreihe ermittelt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass einerseits mittels der Kalman-Filtereinrichtung eine Ladezustandsschätzung auf der Grundlage eines Signals im Zeitbereich und mittels der unabhängigen Schätzeinrichtung eine Schätzung des Ladezustands auf der Grundlage eines Signals im Frequenzbereich ermittelt wird. Dies resultiert in einer besonders robusten Schätzung des Ladezustands.In order to achieve a suitable alternative estimation of the state of charge value by means of the estimation device, a respective time series for the at least one operating variable is formed by the estimation device on the basis of the measured values of a plurality of measurement cycles. Thus, a time series for the terminal voltage and / or a time series for the battery current can be formed. By means of a frequency analysis, for example a Fourier transformation, a frequency-dependent impedance of the battery is determined from the at least one time series. This results in the advantage that on the one hand by means of the Kalman filter means a charge state estimation on the basis of a signal in the time domain and by means of the independent estimator an estimate of the state of charge is determined on the basis of a signal in the frequency domain. This results in a particularly robust estimation of the state of charge.
Gemäß einer Weiterbildung wird durch die Schätzeinrichtung mittels einer Support-Vector-Machine durch Klassieren der Messwerte oder von daraus hergeleiteten Werten eine aus mehreren vorbestimmten Klassen ausgewählt, wobei jede Klasse einen Ladezustand repräsentiert. Die hergeleiteten Werte können z. B. die beschriebene frequenzabhängige Impedanz der Batterie umfassen. Die ausgewählte Klasse legt dann also den Schätzwert der Schätzeinrichtung für den Ladezustand fest, der dann in den aktuellen Zustandsvektor eingetragen wird. Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass keine integrierende Zustandsschätzung zugrundegelegt wird, wie sie bei der Kalman-Filtereinrichtung nötig ist, die auf einem Zustandsraummodell basiert, das eine Amperestunden-Integration vorsieht. Dagegen ist mittels der Support-Vector-Machine durch die Klassierung der Messwerte direkt ein Schätzwert für den Ladezustand durch Ermitteln oder Auswählen der aktuellen Klasse bereitgestellt.According to a further development, one of a plurality of predetermined classes is selected by the estimating device by means of a support vector machine by classifying the measured values or values derived therefrom, each class representing a state of charge. The derived values can, for. B. include the described frequency-dependent impedance of the battery. The selected class then determines the estimated value of the estimator for the state of charge, which is then entered into the current state vector. This development has the advantage that it does not use an integrating state estimation, as is necessary in the case of the Kalman filter device, which is based on a state space model which provides ampere-hour integration. By contrast, by means of the support vector machine, the classification of the measured values provides an estimate of the state of charge directly by determining or selecting the current class.
Eine Weiterbildung berücksichtigt, dass die Kalman-Filtereinrichtung einerseits und die davon unabhängige Schätzeinrichtung andererseits für unterschiedliche Betriebssituationen unterschiedlich genau sein können. Bei dieser Weiterbildung wird der Ladezustandswert durch den Schätzwert der Schätzeinrichtung nur ersetzt, falls in zumindest einem vorangegangenen Messzyklus der ermittelte Ladezustand in einem vorbestimmten Ladezustandsbereich liegt. Hierdurch kann beispielsweise das beschriebene flache Plateau der Ruhespannungskennlinie abgegrenzt werden, für welches dann die Schätzeinrichtung verwendet wird, während der Ladezustand der Batterie außerhalb des Ladezustandsbereichs, also bei vollgeladener oder nahezu vollgeladener Batterie einerseits und nahezu entladener oder entladener Batterie andererseits ausschließlich die Kalman-Filtereinrichtung verwendet werden kann.A further development takes into account that the Kalman filter device on the one hand and the estimating device independent of it on the other hand can be differently accurate for different operating situations. In this development, the state of charge value is only replaced by the estimated value of the estimating device if, in at least one preceding measuring cycle, the determined state of charge lies in a predetermined state of charge state. In this way, for example, the described flat plateau of the quiescent voltage characteristic can be delimited, for which then the estimator is used while the state of charge of the battery outside the state of charge, ie fully charged or nearly fully charged battery on the one hand and almost discharged or discharged battery on the other hand exclusively uses the Kalman filter device can be.
Eine Weiterbildung sieht in diesem Zusammenhang vor, die Auswahl zwischen der Kalman-Filtereinrichtung und der unabhängigen Schätzeinrichtung von der aktuellen Schätzgüte abhängig zu machen. Bei dieser Weiterbildung wird der Ladezustandswert durch den Schätzwert der Schätzeinrichtung nur ersetzt, falls die vorangegangene oder die aktuelle Kovarianz ein vorbestimmtes Gütekriterium verletzt. Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass unabhängig vom aktuellen Ladezustand die Auswahl in Abhängigkeit von der aktuellen Schätzgüte erfolgt. Das Gütekriterium kann beispielsweise einen Grenzwert oder ein Werteintervall für die Kovarianz vorsehen. Unterhalb des Grenzwerts beziehungsweise innerhalb des Werteintervalls wird dann nur die Kalman-Filtereinrichtung verwendet, während oberhalb des Grenzwerts beziehungsweise außerhalb des Werteintervalls dann in der beschriebenen Weise mittels der Schätzeinrichtung der zusätzliche Schätzwert ermittelt wird, der dann in den aktuellen Zustandsvektor eingesetzt wird.A further development in this connection provides for making the selection between the Kalman filter device and the independent estimator dependent on the current estimation quality. In this development, the state of charge state is only replaced by the estimated value of the estimator if the preceding or the current covariance violates a predetermined quality criterion. This development has the advantage on that regardless of the current state of charge, the selection takes place in dependence on the current estimation quality. The quality criterion may, for example, provide for a limit value or a value interval for the covariance. Below the limit value or within the value interval, only the Kalman filter device is then used, while above the limit value or outside of the value interval the additional estimated value is then determined in the manner described by means of the estimation device, which is then inserted into the current state vector.
Zu der Erfindung gehört auch eine Vorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mittels welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung kann beispielsweise als Steuergerät, insbesondere als Batteriesteuergerät, ausgestaltet sein. Die Vorrichtung weist einen Messeingang zum Empfangen von jeweiligen Messwerten zumindest einer Betriebsgröße der Batterie auf. Des Weiteren ist eine Recheneinrichtung bereitgestellt, die beispielsweise mittels eines Mikrocontrollers oder eines Mikroprozessors realisiert sein kann. Die Recheneinrichtung umfasst eine Kalman-Filtereinrichtung zum Schätzen eines Ladezustands einer Batterie des Kraftfahrzeugs sowie eine von der Kalman-Filtereinrichtung unabhängige Schätzeinrichtung zum Erzeugen eines Schätzwerts für den Ladezustand. Die Kalman-Filtereinrichtung und die Schätzeinrichtung können beispielsweise auf der Grundlage eines oder mehrerer Programmmodule für die Recheneinrichtung realisiert sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu ausgelegt, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.The invention also includes a device for a motor vehicle, by means of which the method according to the invention can be carried out. The device can be configured, for example, as a control device, in particular as a battery control device. The device has a measuring input for receiving respective measured values of at least one operating variable of the battery. Furthermore, a computing device is provided which can be realized, for example, by means of a microcontroller or a microprocessor. The computing device comprises a Kalman filter device for estimating a state of charge of a battery of the motor vehicle as well as an estimation device independent of the Kalman filter device for generating an estimate for the state of charge. The Kalman filter device and the estimation device can be realized, for example, on the basis of one or more program modules for the computing device. The device according to the invention is designed to carry out an embodiment of the method according to the invention.
Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie auf. Des Weiteren ist eine Messeinrichtung zum Messen von Messwerten zumindest einer Betriebsgröße der Batterie vorgesehen. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Klemmenspannung der Batterie und/oder einen Batteriestrom der Batterie und/oder eine Temperatur der Batterie. Schließlich ist in dem Kraftfahrzeug eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt, die mit der Messeinrichtung gekoppelt ist.Finally, the invention also includes a motor vehicle. The motor vehicle has a battery, in particular a lithium-ion battery. Furthermore, a measuring device is provided for measuring measured values of at least one operating variable of the battery. This is in particular a terminal voltage of the battery and / or a battery current of the battery and / or a temperature of the battery. Finally, an embodiment of the device according to the invention is provided in the motor vehicle, which is coupled to the measuring device.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger car.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreiben. Dabei zeigt:In the following an embodiment of the invention is described. Showing:
Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the exemplary embodiment, the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also each independently further develop the invention and thus also individually or in a different combination than the one shown as part of the invention. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures, functionally identical elements are each provided with the same reference numerals.
Dies ist in
Die Kalman-Filtereinrichtung
Als Eingangsvektor uk kann die aktuelle Strommessung für den Batteriestrom IBatt verwendet werden:
Als Systemausgangsgröße yk kann beispielsweise die ermittelte Klemmenspannung UBatt verwendet werden.For example, the determined terminal voltage U Batt can be used as the system output variable y k .
Die in
In diesem Updateschritt oder Korrekturschritt wird auch die Kalman-Verstärkung kk berechnet. Diese ist im Gegensatz zur Verstärkung des Zustandsbeobachters kein fester Pol, sondern wird mit jedem Zeitschritt oder Messzyklus k über stochastische Ansätze mit der Kovarianz des Schätzfehlers Pk gemäß der folgenden Gleichung (3) und der Kovarianz des Systemrauschens Rk (fest vorgegeben) neu berechnet beziehungsweise korrigiert, wie in der folgenden Gleichung (1) beschrieben ist, um eine optimale Ausregung der Differenz mit hoher Dynamik gewährleisten zu können. Auf diese Weise kann das Mess- und Systemrauschen optimal unterdrückt werden.
In einem Prädiktionsschritt berechnet das Kalman-Filter den zukünftigen Systemzustand, wie durch die folgende Gleichung (4) beschrieben. Die Korrektur der Kovarianz Pk+1 des Schätzfehlers für die nächste Berechnung der Kalman-Verstärkung beschreibt dabei die folgende Gleichung (5) über die Kovarianz des Messrauschens Qk (fest vorgegeben).
Die Güte der Prädiktion in Form der Kovarianz des Schätzfehlers und damit eine wesentliche Eigenschaft des Kalman-Filters wird somit für die nächste Korrektur neu berechnet. The quality of the prediction in the form of the covariance of the estimation error and thus an essential property of the Kalman filter is thus recalculated for the next correction.
Im Folgenden ist anhand von
Die Schätzeinrichtung
In
Die Ladezustandsklassen c1, c2, ..., cn werden, wie in
Um alle Ladezustandsklassen c1, c2, ..., cn voneinander zu trennen, muss jede Ladezustandsklasse zu ihrer nächstgelegenen von einer Hyperebene
Die gesamte Klassierung ist durch
Hierdurch ergibt sich ein Suchalgorithmus nach dem Prinzip „teile und herrsche”, der nun in der Lage ist, eine gemessene Impedanz Z einer Ladezustandsklasse c1, c2, ..., cn eindeutig zuzuordnen. Bei diesem Verfahren müssen nicht einmal alle Hyperebenen ausgewertet werden.This results in a search algorithm according to the principle "divide and rule", which is now able to unambiguously assign a measured impedance Z to a state of charge class c 1 , c 2 ,..., C n . Not even all hyperplanes need to be evaluated in this procedure.
Soll eine gemessene Impedanz Z klassiert werden, entscheidet die SVM anhand der relevanten Hyperebene und des Medians der Hyperebenen der jeweiligen Potenzmenge (Wurzel/Knoten), ob die Impedanz zur ober- oder unterhalb der Hyperebene gelegenen Potenzmenge gehört. Jede Kante
Die Verwendung der SVM zum Schätzen des Ladezustands ist auch in einer Veröffentlichung von Jansen et al. (P. Jansen, D. Vergossen, D. Renner, W. John, J. Götze, „Impedance spectra classification for determining the state of charge on a litium iron phosphate cell using a support vector machine”, Advances in Radio Science, Volume 13, 2015, doi: 10.5194/ars-13-1-2015, www.adv-radio-sci-net/13/1/2015) beschrieben.The use of SVM to estimate the state of charge is also disclosed in a paper by Jansen et al. (P. Jansen, D. Vergossen, D. Renner, W. John, J. Götze, "Impedance spectra classification for determining the state of charge on a lithium iron phosphate cell using a support vector machine", Advances in Radio Science,
Die Impedanz Z kann aus den Messwerten
Für eine hybride Ladezustandsbestimmung erfolgt eine Kopplung der beiden Methoden, das heißt der Kalman-Filtereinrichtung
Hierzu ist in
Wie in der Darstellung von
Danach kann der Prädiktionsschritt
Auf diese Weise kann die wechselseitige Rekursion oder Iteration des Kalman-Filters und die Messung beeinflusst werden, damit in der darauffolgenden Prädiktion des Zustandsvektors durch das Kalman-Filter auf Grundlage der überschriebenen Kovarianzmatrix die Schätzung des Kalman-Filters verworfen wird.In this way, the mutual recursion or iteration of the Kalman filter and the measurement may be affected so that in the subsequent prediction of the state vector by the Kalman filter based on the overwritten covariance matrix, the estimate of the Kalman filter is discarded.
Hierbei kann optional durch eine Überprüfungseinrichtung
Insgesamt können auf diese Weise Informationen über den Ladezustand der Batterie
Für die Verarbeitung im Frequenzbereich mittels SVM werden Batterieimpedanzwerte spezifischer Frequenzen auf der Grundlage der Verbraucheranregung im Bordnetz identifiziert. Dies kann beispielsweise durch die beschriebene schnelle Fourier-Transformation FFT geschehen.For frequency domain processing by SVM, battery impedance values of specific frequencies are identified based on consumer excitation in the vehicle electrical system. This can be done, for example, by the fast Fourier transformation FFT described.
Die Kopplung der Kalman-Filtereinrichtung
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine hybride Ladezustandsbestimmung von Batterien mittels gekoppelter Informationen aus dem Frequenzbereich und dem Zeitbereich bereitgestellt werden kann.Overall, the example shows how the invention can provide a hybrid charge state determination of batteries by means of coupled information from the frequency range and the time range.
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