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DE10328055A1 - State quantity and parameter estimators with several partial models for an electrical energy storage - Google Patents

State quantity and parameter estimators with several partial models for an electrical energy storage Download PDF

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DE10328055A1
DE10328055A1 DE10328055A DE10328055A DE10328055A1 DE 10328055 A1 DE10328055 A1 DE 10328055A1 DE 10328055 A DE10328055 A DE 10328055A DE 10328055 A DE10328055 A DE 10328055A DE 10328055 A1 DE10328055 A1 DE 10328055A1
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DE
Germany
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batt
model
sub
parameter
state
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10328055A
Other languages
German (de)
Inventor
Eberhard Schoch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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.)
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US10/544,097 priority patent/US7518339B2/en
Priority to EP04706603A priority patent/EP1590679B1/en
Priority to DE502004007884T priority patent/DE502004007884D1/en
Priority to JP2005518297A priority patent/JP4473823B2/en
Priority to PCT/DE2004/000144 priority patent/WO2004068157A1/en
Publication of DE10328055A1 publication Critical patent/DE10328055A1/en
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    • GPHYSICS
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zustandsgrößen- und Parameterschätzer (1) zum Bestimmen von Zustandsgrößen und Parametern eines mathematischen Energiespeichermodells, insbesondere eines Batteriemodells, der aus Betriebsgrößen (U¶Batt¶, I¶Batt¶, T¶Batt¶) eines Energiespeichers (3) die Zustandsgrößen (Z) und Parameter (P) des mathematischen Energiespeichermodells berechnet. Eine besonders einfache Abschätzung der Zustandsgrößen und Parameter kann durchgeführt werden, wenn der Zustandsgrößen- und Parameterschätzer (1) mehrere mathematische Teilmodelle (4, 5) umfasst, die für unterschiedliche Arbeits- und/oder Frequenzbereiche des Energiespeichers (3) gelten.The invention relates to a state variable and parameter estimator (1) for determining state variables and parameters of a mathematical energy storage model, in particular a battery model, which consists of operating quantities (U¶Batt¶, I¶Batt¶, T¶Batt¶) of an energy store (3) State variables (Z) and parameters (P) of the mathematical energy storage model are calculated. A particularly simple estimation of the state variables and parameters can be carried out if the state quantity and parameter estimator (1) comprises several mathematical sub-models (4, 5) which apply to different working and / or frequency ranges of the energy store (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen von Zustandsgrößen und Parametern eines mathematischen Energiespeichermodells, insbesondere eines Batteriemodells, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie einen Zustandsgrößen- und Parameterschätzer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.The invention relates to a method for determining state variables and Parameters of a mathematical energy storage model, in particular a battery model, according to the preamble of claim 1, and a state quantity and parameter estimator according to the preamble of claim 9.

In elektrischen Netzen, wie beispielsweise Kfz-Bordnetzen, werden i.d.R. mehrere elektrische Verbraucher von einem elektrischen Energiespeicher, wie z.B. einer Batterie mit Leistung versorgt. Zur Durchführung eines Energie- und Verbrauchermanagements, bei dem Verbraucher je nach Bedarf automatisch zu- und abgeschaltet werden können, ist die Kenntnis der Leistungsfähigkeit des Energiespeichers von wesentlicher Bedeutung. Bei Kenntnis der Leistungsfähigkeit des Energiespeichers, insbesondere der noch entnehmbaren Ladung bis zur Unterschreitung einer geforderten Mindestleistungsfähigkeit z.B. für einen Motorstart, können noch vor Eintritt einer Unterversorgung verbrauchsmindernde oder leistungserhöhende Maßnahmen, wie z.B, das Abschalten bestimmter Verbraucher, eingeleitet und somit ein Ausfall der elektrischen Versorgung verhindert werden.In electrical networks, such as Vehicle electrical systems, are usually several electrical consumers from an electrical energy storage, e.g. a battery with Power supplied. To carry out of energy and consumer management, in which consumers can be switched on and off automatically as required knowledge of performance of energy storage is essential. With knowledge of capacity of the energy store, in particular the charge that can still be removed until the required minimum capacity is undershot e.g. For an engine start, can still measures to reduce consumption or increase performance before an undersupply occurs, such as switching off certain consumers, initiated and thus a failure of the electrical supply can be prevented.

Zur Abschätzung der Leistungsfähigkeit des Energiespeichers, ist es bekannt, mathematische Modelle zu verwenden, welche die elektrischen Eigenschaften des Energiespeichers beschreiben. Mit Hilfe der mathematischen Modelle kann unter Berücksichtigung aktueller Betriebsgrößen des Energiespeichers, wie z.B. einer aktuellen Batteriespannung UBatt, dem aktuellen Batteriestrom IBatt und der aktuellen Batterietemperatur TBatt, die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers abgeschätzt werden. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Bestimmung der aus einem Energiespeicher entnehmbaren Ladung ist in 1 dargestellt.To estimate the performance of the energy store, it is known to use mathematical models that describe the electrical properties of the energy store. With the aid of the mathematical models, the performance of the energy store can be estimated, taking into account current operating parameters of the energy store, such as, for example, a current battery voltage U Batt , the current battery current I Batt and the current battery temperature T Batt . A device known from the prior art for determining the charge which can be removed from an energy store is shown in 1 shown.

1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung der aus einem Energiespeicher, insbesondere aus einer Fahrzeugbatterie, bis zu einem vorgegebenen Entladeschlusskriterium entnehmbaren Ladung. Die Vorrichtung umfasst einen Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1, sowie einen Ladungsprädiktor 2, in dem das mathematische Energiespeichermodell hinterlegt ist. Der Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 dient dazu, aus den aktuellen Betriebsgrößen der Batterie, nämlich der Batteriespannung UBatt, dem Batteriestrom IBatt und der Batterietemperatur TBatt Zustandsgrößen Z und/oder Parameter P zu berechnen, auf deren Grundlage der Ladungsprädiktor 2 die gewünschte Information, wie z.B. die aus der Batterie entnehmbare Ladung Qe, oder andere Größen, wie beispielsweise die Zeit te bis zum Erreichen eines Entladeschlusskriteriums oder den Ladezustand SOC berechnet. Dem Ladungsprädiktor 2 kann ferner ein Entladestromverlauf IBatt,Entl, sowie ein Temperaturverlauf TBatt,Entl zugeführt werden. 1 shows a device for determining the charge that can be removed from an energy store, in particular from a vehicle battery, up to a predetermined discharge termination criterion. The device comprises a state quantity and parameter estimator 1 , as well as a charge predictor 2 , in which the mathematical energy storage model is stored. The state quantity and parameter estimator 1 is used to calculate state variables Z and / or parameters P from the current operating variables of the battery, namely the battery voltage U Batt , the battery current I Batt and the battery temperature T Batt , on the basis of which the charge predictor 2 calculates the desired information, such as the charge Q e that can be taken from the battery, or other variables, such as the time t e until a discharge criterion is reached or the state of charge SOC. The charge predictor 2 A discharge current profile I Batt, Entl and a temperature profile T Batt, Entl can also be supplied.

Als Zustandsgrößen Z gelten in dieser Beschreibung insbesondere interne Spannungen U, die sich aus dem jeweiligen Ersatzschaltbild des Energiespeichers bzw. dem zugrundeliegenden mathematischen Modell ergeben. Bei den genannten Parametern handelt es sich um konstante Werte, wie z.B. Widerstände R und Kapazitäten C im Ersatzschaltbild bzw. mathematischen Energiespeichermodell.In this description, state variables Z apply in particular internal voltages U resulting from the respective equivalent circuit diagram of the energy store or the underlying mathematical model result. The parameters mentioned are constant Values such as resistors R and capacities C in the equivalent circuit or mathematical energy storage model.

Die vom Ladungsprädiktor 2 durchgeführte Ladungsberechnung erfolgt ausgehend vom aktuellen Zustand des Energiespeichers. Die im Ladungsprädiktor 2 hinterlegten mathematischen Modelle werden daher zunächst auf den aktuellen Betriebszustand des Energiespeichers initialisiert. Hierzu liefert der Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 die entsprechenden Anfangswerte. Als Zustandsgrößen- und Parameterschätzer kann beispielsweise ein bekanntes Kalman-Filter verwendet werden. Ausgehend vom Initialisierungszustand kann der Ladungsprädiktor 2 z.B. die aus dem Energiespeicher entnehmbare Ladung Qe für einen vorgegebenen Entladestrom und ein aktuelle Batterietemperatur berechnen.The charge predictor 2 The charge calculation carried out is based on the current state of the energy store. The one in the charge predictor 2 stored mathematical models are therefore initially initialized to the current operating state of the energy store. The state variable and parameter estimator provides this 1 the corresponding initial values. A known Kalman filter, for example, can be used as the state variable and parameter estimator. Based on the initialization state, the charge predictor 2 For example, calculate the charge Q e that can be taken from the energy store for a given discharge current and a current battery temperature.

2 zeigt ein Beispiel eines Ersatzschaltbildes für den Entladebetrieb eines Bleiakkumulators (IBatt < 0A, UDp < 0V, UDn < 0V). Die einzelnen Ersatzschaltbildgrößen sind dabei wie folgt, von links nach rechts:
R (UC0, Ue, TBatt) Ohmscher Innenwiderstand, abhängig von der Ruhespannung UC0, der Elektrolytspannung Ue und der Säuretemperatur TBatt
URi ohmscher Spannungsabfall
C0 Säurekapazität
UC0 Ruhespannung
Rk(UC0, TBatt) Säurediffusionswiderstand, abhängig von der Ruhespannung UC0 (Entladegrad) und der Säuretemperatur TBatt
tauk = Rk·Ck (Zeitkonstante der Säurediffusion) wird als konstant in der Größenordnung von l0 min angenommen
Uk Konzentrationspolarisation
Ue = UcC0 + Uk (Elektrolytspannung)
UD (IBatt, TBatt) Stationäre Durchtrittspolarisation an der positiven Elektrode der Batterie (UDp) und der negativen Elektrode (UDn), abhängig vom Batteriestrom IBatt und der Säuretemperatur TBatt
UBatt Klemmenspannung der Batterie
2 shows an example of an equivalent circuit diagram for the discharge operation of a lead accumulator (I Batt <0A, U Dp <0V, U Dn <0V). The individual equivalent circuit diagram sizes are as follows, from left to right:
R (U C0 , U e , T Batt ) Ohmic internal resistance, depending on the open circuit voltage U C0 , the electrolyte voltage U e and the acid temperature T Batt
U Ri ohmic voltage drop
C 0 acid capacity
U C0 open circuit voltage
R k (U C0 , T Batt ) acid diffusion resistance, depending on the open circuit voltage U C0 (degree of discharge) and the acid temperature T Batt
tau k = R k · C k (time constant of acid diffusion) is assumed to be constant in the order of 10 minutes
U k concentration polarization
U e = Uc C0 + U k (electrolyte voltage)
U D (I Batt , T Batt ) Stationary passage polarization at the positive electrode of the battery (U Dp ) and the negative electrode (U Dn ), depending on the battery current I Batt and the acid temperature T Batt
U Batt terminal voltage of the battery

Die einzelnen Ersatzschaltbildgrößen sind zurückzuführen auf verschiedene physikalische Effekte der Batterie, die dem Fachmann aus der einschlägigen Literatur bekannt sind.The individual equivalent circuit diagram sizes are attributed to different physical effects of the battery, the expert from the relevant Literature are known.

Für den ohmschen Innenwiderstand Ri kann beispielsweise folgende Beziehung angesetzt werden: Ri(UC0, Ue, TBatt) = Ri0(TBatt)·(1 + RI,fakt·(UC0max – UC0)/(Ue – Ue,grenz)), Ri0(TBatt) = Ri025/(1 + TKLfakt)·(TBatt – 25°C))dabei sind:
Ri025 ohmscher Innenwiderstand bei Vollladung und TBatt = 25°C
TKLfakt Temperaturkoeffizient des Batterieleitwerts
RIfakt Kennfeldparameter
UC0max maximale Ruhespannung der vollgeladenen Batterie
Ue,grenz Elektrolytspannung bei Entladeschluss (alterungsabhängig)
The following relationship can be used for the ohmic internal resistance R i : R i (U C0 , U e , T Batt ) = R i0 (T Batt ) · (1 + R I, fakt · (U C0max - U C0 ) / (U e - U e, cross- )), R i0 (T Batt ) = R I025 / (1 + TK Lfact ) * (T Batt - 25 ° C)) are:
R i025 ohmic internal resistance at full charge and T Batt = 25 ° C
TK Lfact Temperature coefficient of the battery conductance
R Ifakt map parameters
U C0max maximum open circuit voltage of the fully charged battery
U e, limit electrolyte voltage at the end of discharge ( depending on age)

Für andere Ersatzschaltbildgrößen (z.B. UD, Uk) umfasst der Ladungsprädiktor 2 entsprechend andere geeignete mathematische Ansätze. Das mathematische Modell des Energiespeichers umfasst wenigstens für den Innenwiderstand Ri, den Säurediffusionswiderstand Rk und eine Durchtrittspolarisation UD mathematische Ansätze.For other equivalent circuit diagram sizes (eg U D , U k ), the charge predictor includes 2 accordingly other suitable mathematical approaches. The mathematical model of the energy store comprises mathematical approaches at least for the internal resistance R i , the acid diffusion resistance R k and a passage polarization U D.

Die Zustandsgrößen liefern die Information über den Energieinhalt der Energiespeicher eines Systems. Sie entsprechen im Ersatzschaltbild den Spannungen an den Kapazitäten, also UC0 und Uk. Zur modellbasierten Bestimmung der Leistungsfähigkeit des Energiespeichers müssen außer den Zustandsgrößen auch die Modell-Parameter bekannt sein. Insbesondere müssen stark alterungsveränderliche Parameter wie die Parameter Ri025 und Ue,grenz der Kennlinie des ohmschen Innenwiderstands adaptiert werden.The state variables provide information about the energy content of a system's energy stores. In the equivalent circuit diagram, they correspond to the voltages at the capacitors, i.e. U C0 and U k . In addition to the state variables, the model parameters must also be known for the model-based determination of the performance of the energy store. In particular, parameters that vary greatly in age, such as parameters R i025 and U e, must be adapted to the characteristic of the ohmic internal resistance.

Die vom Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 ermittelten Zustandsgrößen Z und Parameter P können beispielsweise zur Bestimmung des Ladungszustands der Batterie, einer aktuellen oder zukünftigen Leistungsfähigkeit, sowie z.B. der aus dem Energiespeicher entnehmbaren Ladung genutzt werden.The state quantity and parameter estimator 1 Determined state variables Z and parameters P can be used, for example, to determine the state of charge of the battery, a current or future performance, and for example the charge that can be removed from the energy store.

Herkömmliche Prädiktoren (Schätzvorrichtungen), wie z.B. der in 1 gezeigte Ladungsprädiktor 2, umfassen meist sehr aufwändige Modelle mit vielen Zustandsgrößen und Parametern, die das Verhalten des Energiespeichers über einen großen Arbeitsbereich abdecken. Die Berechnung der Zustandsgrößen und Parameter ist dementsprechend aufwändig und kompliziert. Andere Prädiktoren umfassen dagegen einfache Modelle mit wenigen Zustandsgrößen und Parametern, die das Verhalten des Energiespeichers jedoch nur in bestimmten Arbeitspunkten oder bei bestimmten Frequenzen beschreiben.Conventional predictors, such as the one in 1 charge predictor shown 2 , usually include very complex models with many state variables and parameters that cover the behavior of the energy storage over a large working area. The calculation of the state variables and parameters is accordingly complex and complex. Other predictors, on the other hand, include simple models with few state variables and parameters, which, however, only describe the behavior of the energy store at certain operating points or at certain frequencies.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und schnelles Verfahren zur Abschätzung von Zustandsgrößen und/oder Parametern für ein mathematisches Energiespeichermodell zu schaffen, das im wesentlichen über den gesamten Arbeitsbereich und Frequenzbereich des Energiespeichers gültig ist.It is therefore the task of the present Invention, a simple and quick method for estimating State variables and / or Parameters for to create a mathematical energy storage model that is essentially about the entire working range and frequency range of the energy storage is valid.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den Patentansprüchen 1 und 9 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved according to the invention by the in the claims 1 and 9 specified features. Further refinements of the invention result from the subclaims.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, im Zustandsgrößen- und Parameterschätzer mehrere mathematische Teilmodelle zur Abschätzung von Zustandsgrößen und/oder Parametern vorzusehen, die für unterschiedliche Arbeits- und/oder Frequenzbereiche des Energiespeichers gelten. Die Arbeits- und/oder Frequenzbereiche der einzelnen Teilmodelle können sich dabei überlappen. Insgesamt decken die Teilmodelle im wesentlichen den gesamten Frequenz- und Arbeitsbereich des Energiespeichers ab.The main idea of the invention consists in the state quantity and Parameter estimator several mathematical sub-models to estimate state variables and / or To provide parameters for different work and / or Frequency ranges of the energy storage apply. The working and / or The frequency ranges of the individual sub-models can overlap. Overall, the sub-models essentially cover the entire frequency and working area of the energy storage.

Somit ist eine kontinuierliche Schätzung von Zustandsgrößenund Parametern im gesamten Arbeits- und Frequenzbereich des Energiespeichers möglich. Durch die Nutzung der erfindungsgemäßen Teilmodelle kann die Anzahl der zu schätzenden Zustandsgrößen und Parameter klein gehalten und damit die Gefahr einer mehrdeutigen Schätzung minimiert werden. Ferner ist durch die Aufteilung in Teilmodelle eine effektivere Nutzung der Prozessorleistung möglich: „Langsame" Teilmodelle mit großen Zeitkonstanten können unabhängig von „schnellen" Teilmodellen mit kleiner Abtastrate abgearbeitet werden.Thus, a continuous estimate of State variables and parameters possible in the entire working and frequency range of the energy storage. By the use of the partial models according to the invention can the number of estimates State variables and Parameters kept small and thus the risk of ambiguous estimate be minimized. Furthermore, due to the division into sub-models more efficient use of processor performance possible: "Slow" sub-models with large time constants can be used independently of "fast" sub-models be processed at a lower sampling rate.

Den Teilmodellen wird vorzugsweise ein Strom (IBatt) oder eine Spannung (UBatt) des Energiespeichers zugeführt, wobei der Strom (IBatt) oder die Spannung (UBatt) durch ein Filter auf den für das jeweilige Teilmodell gültigen Frequenzbereich eingeschränkt wird. Den Teilmodellen können somit Hochpass-, Tiefpass- oder Bandpassfilter vorgeschaltet sein.A current (I Batt ) or a voltage (U Batt ) of the energy store is preferably supplied to the sub-models, the current (I Batt ) or the voltage (U Batt ) being restricted by a filter to the frequency range valid for the respective sub-model. The sub-models can thus be preceded by high-pass, low-pass or band-pass filters.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Fehler zwischen einer Betriebsgröße (UBatt, IBatt) des Energiespeichers und einer von einem Teilmodell berechneten Betriebsgröße (UBatt^, IBatt^) ermittelt und in das jeweilige Teilmodell zurückgekoppelt (Selbstrückkopplung). Durch die Selbstrückkopplung können die zu berechnenden Zustandsgrößen und Parameter an den Ist-Zustand des Energiespeichers angepasst werden.According to a preferred embodiment of the invention, an error between an operating variable (U Batt , I Batt ) of the energy store and an operating variable (U Batt ^ , I Batt ^ ) calculated by a partial model is determined and fed back into the respective partial model (self-feedback). Through self feedback the state variables and parameters to be calculated can be adapted to the actual state of the energy store.

Wahlweise kann der Fehler auch in ein anderes Teilmodell rückgekoppelt werden (Fremdrückkopplung). Durch die Fremdrückkopplung können die Zustandsgrößen und Parameter, die von mehreren Teilmodellen gleichzeitig berechnet werden, gegeneinander abgeglichen werden.Optionally, the error can also be found in another partial model fed back become (external feedback). Through external feedback can the state variables and Parameters calculated by several sub-models at the same time be compared against each other.

Die Fehler, die einem Teilmodell durch Selbstrückkopplung oder Fremdrückkopplung zugeführt werden, werden vorzugsweise mit einem Gewichtungsfaktor gewichtet. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit eines Teilmodells gegenüber unterschiedlichen Fehlern eingestellt werden.The mistakes made by a sub-model through self-feedback or external feedback supplied are preferably weighted with a weighting factor. In this way, the sensitivity of a sub-model to different Errors can be set.

Zustandsgrößen und/oder Parameter, die von einem Teilmodell geschätzt wurden und auch in einem anderen Teilmodell enthalten sind, werden vorzugsweise auch dem anderen Teilmodell zugeführt. Dort können sie als Startwert, als Fixwert oder als Korrekturwert für die Schätzung dienen.State variables and / or parameters that estimated from a sub-model were and are also included in another sub-model preferably also fed to the other sub-model. There you can use it as a starting value, as Fixed value or as a correction value for the estimation serve.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Stimulationsvorrichtung vorgesehen, mit der eine den Teilmodellen zugeführte Betriebsgröße (Strom oder Spannung) in einen für das Teilmodell gültigen Arbeits- oder Frequenzbereich gebracht werden kann.According to a preferred embodiment The invention provides a stimulation device with which one supplied to the sub-models Company size (electricity or tension) into one for the submodel is valid Working or frequency range can be brought.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention is illustrated below the attached Exemplary drawings closer explained. Show it:

1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Berechnung der aus einem Energiespeicher entnehmbaren Ladung. 1 a device known from the prior art for calculating the charge that can be removed from an energy store.

2a ein Ersatzschaltbild für einen Bleiakkumulator während eines Entladevorgangs bei niedrigen Frequenzen; 2a an equivalent circuit diagram for a lead accumulator during a discharge process at low frequencies;

2b ein Ersatzschaltbild für einen Bleiakkumulator bei hohen Frequenzen; 2 B an equivalent circuit diagram for a lead accumulator at high frequencies;

3a den Aufbau eines Zustandsgrößen- und Parameterschätzers mit mehreren Teilmodellen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung und 3b gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; 3a the structure of a state quantity and parameter estimator with several partial models according to a first embodiment of the invention and 3b according to a second embodiment of the invention;

4 ein Flussdiagramm zur Darstellung der Funktion eines Stimulators; und 4 a flowchart showing the function of a stimulator; and

5 den Aufbau eines Zustandsgrößen- und Parameterschätzers zur Berechnung des Innenwiderstands einer Batterie. 5 the construction of a state quantity and parameter estimator for calculating the internal resistance of a battery.

Bezüglich der Erläuterung der 1 und 2a wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.Regarding the explanation of the 1 and 2a reference is made to the introduction to the description.

3a zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Zustandsgrößenund Parameterschätzers 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Wie zu erkennen ist, umfasst der Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 mehrere Teilmodelle 4, 5, die jeweils nur in einem bestimmten Frequenz- und/oder Arbeitsbereich (f1,A1 bzw. f2,A2) gelten und die dadurch sehr einfach gehalten werden können. Die Teilmodelle 4, 5 decken in ihrer Gesamtheit aber den gesamten Frequenz- und Arbeitsbereich des Energiespeichers 3 ab. 3a shows the basic structure of a state variable and parameter estimator 1 according to a first embodiment of the invention. As can be seen, the state variable and parameter estimator includes 1 several sub-models 4 . 5 which only apply in a certain frequency and / or working range (f1, A1 or f2, A2) and which can therefore be kept very simple. The sub-models 4 . 5 In their entirety, however, they cover the entire frequency and working range of the energy store 3 from.

Die Frequenzbereiche f1,f2, ... als auch die Arbeitsbereiche A1,A2, ... können sich teilweise überlappen. Die Gesamtheit der Teilmodelle 4, 5 sollte im günstigsten Fall den gesamten, zumindest jedoch einen möglichst großen Arbeits- A und Frequenzbereich f des Energiespeichers abdecken.The frequency ranges f1, f2, ... as well as the working ranges A1, A2, ... can partially overlap. The entirety of the sub-models 4 . 5 In the best case scenario, it should cover the entire, at least the largest possible working range A and frequency range f of the energy store.

Der Arbeitsbereich eines Teilmodells 4, 5 wird durch vorgegebene Bedingungen für den Batteriestrom IBatt, die Batteriespannung UBatt, die Batterietemperatur TBatt. Zustandgrößen Z und Batterieparameter P definiert.The working area of a sub-model 4 . 5 is determined by predetermined conditions for the battery current I Batt , the battery voltage U Batt , the battery temperature T Batt . State variables Z and battery parameters P defined.

Einzelne Zustandsgrößen Z und Parameter P können gleichzeitig in mehreren Teilmodellen 4, 5 auftreten und geschätzt werden.Individual state variables Z and parameter P can be used in several sub-models at the same time 4 . 5 occur and be valued.

Der in 1 dargestellte Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 erhält an seinem Eingang kontinuierlich gemessene Batteriewerte, im vorliegenden Fall den Batteriestrom IBatt (wahlweise kann auch die Batteriespannung UBatt zugeführt werden) und die Batterietemperatur TBatt Der Batteriestrom IBatt wird durch geeignete Tiefpass-, Hochpass- oder Bandpassfilter 6, 7, 8, 9 jeweils auf den Frequenzbereich f1, f2 eingeschränkt, in dem das jeweilige Teilmodell 4, 5 gültig ist. Ein Teilmodell 4, 5 (z.B. das Teilmodell 4), das z.B. in einem Frequenzbereich f1 von mehr als 1 kHz gültig ist, hat im vorliegenden Fall einen vorgeschalteten Hochpassfilter 6. Dem Teilmodell 5 kann z.B. ein Tiefpassfilter 7, 9 vorgeschaltet sein. Deckt ein Teilmodell 4, 5 den gesamten Frequenzbereich f ab, können die Eingangsfilter 6, 9 für Strom und Spannung entfallen.The in 1 shown state quantity and parameter estimators 1 receives continuously measured battery values at its input, in the present case the battery current I Batt (optionally the battery voltage U Batt can also be supplied) and the battery temperature T Batt The battery current I Batt is determined by suitable low-pass, high-pass or band-pass filters 6 . 7 . 8th . 9 each limited to the frequency range f1, f2 in which the respective sub-model 4 . 5 is valid. A partial model 4 . 5 (e.g. the sub-model 4 ), which is valid, for example, in a frequency range f1 of more than 1 kHz, has an upstream high-pass filter in the present case 6 , The sub-model 5 can, for example, a low pass filter 7 . 9 be upstream. Covers a sub-model 4 . 5 the entire frequency range f, the input filter 6 . 9 for current and voltage.

Die Teilmodelle 4, 5 berechnen aus den zugeführten Größen jeweils eine Batterie-Zustandsgröße (IBatt^ oder UBatt^). Der entsprechende Istwert (IBatt oder UBatt) wird dem Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 als Messwert von außen zugeführt. Die Schätzwerte UBatt ,1^ UBatt,2^ bzw. daraus abgeleitete Größen (Fehlersignale) werden in das jeweilige Teilmodell 4, 5 rückgekoppelt.The sub-models 4 . 5 calculate a battery state variable (I Batt ^ or U Batt ^ ) from the quantities supplied. The corresponding actual value (I Batt or U Batt ) becomes the state variable and parameter estimator 1 supplied as a measured value from outside. The estimated values U Batt , 1 ^ U Batt, 2 ^ or quantities derived therefrom (error signals) are included in the respective sub-model 4 . 5 fed back.

Der Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 umfasst Differenzknoten 17, 18, an denen ein Fehler (Differenzsignal) aus der geschätzten Batterie-Zustandsgröße UBatt ,1^, UBatt,2^ und der jeweils gemessenen Batterie-Zustandsgröße UBatt ,1, UBatt,2 gebildet wird. Die ermittelten Fehler (UBatt ,1 – UBatt,1^, UBatt,2 – UBatt,2^, ...) werden dann jeweils einer Gewichtungseinheit 10, 12 zugeführt und an Addierknoten 14, 15 geleitet.The state quantity and parameter estimator 1 includes difference nodes 17 . 18 , at which an error (difference signal) is formed from the estimated battery state variable U Batt , 1 ^ , U Batt, 2 ^ and the battery state variable U Batt , 1 , U Batt, 2 measured in each case. The errors determined (U Batt , 1 - U Batt, 1 ^ , U Batt, 2 - U Batt, 2 ^ , ...) then each become a weighting unit 10 . 12 fed and at adding nodes 14 . 15 directed.

Bei der Fehlerrückkopplung kann zwischen Selbstrückkopplung und Fremdrückkopplung unterschieden werden. Im ersteren Fall wird der Schätzfehler eines Teilmodells (4) dem selben Teilmodell (4) zugeführt, im anderen Fall wird der Schätzfehler eines Teilmodells (4) einem anderen Teilmodell (5) zugeführt. An den Addierknoten 14, 15 wird aus den einzelnen (gewichteten) Schätzfehlern ein Gesamtfehler erzeugt und dem jeweiligen Teilmodell 4, 5 zugeführt.In the case of error feedback, a distinction can be made between self-feedback and external feedback. In the former case, the estimation error of a partial model ( 4 ) the same sub-model ( 4 ), otherwise the estimation error of a partial model ( 4 ) another sub-model ( 5 ) fed. At the adding node 14 . 15 an overall error is generated from the individual (weighted) estimation errors and the respective sub-model 4 . 5 fed.

Eine Fremdrückkopplung wird vorzugsweise nur dann realisiert, wenn bestimmte Zustandsgrößen Z oder Parameter P parallel in mehreren Teilmodellen auftreten. In diesem Fall können die Zustandsgrößen Z und Parameter P mit den anderen Teilmodellen abgeglichen werden.External feedback is preferred only realized if certain state variables Z or parameter P are in parallel occur in several sub-models. In this case, the State variables Z and Parameter P can be compared with the other sub-models.

Für eine Zustandsgröße Z1,j im j-ten Teilmodell, die außerdem in den Teilmodellen i = j + 1, ..., j + n vorkommt, ergibt sich folgende Differenzengleichung:

Figure 00100001
The following difference equation results for a state variable Z 1, j in the j-th sub-model, which also occurs in the sub-models i = j + 1, ..., j + n:
Figure 00100001

Dabei ist f(Zj,k, Pj,k, IBatt,j,k, TBatt,k) die rechte Seite einer Zustandsdifferenzengleichung für die Zustandsgröße Z1,j des j-ten Teilmodells mit den Eingangsgrößen: Gefilterter Batteriestrom IBatt,j,k und Batterietemperatur TBatt,k sowie dem Parametervektor Pj,k im k-ten Zeitschritt.Here, f (Z j, k , P j, k , I Batt, j, k , T Batt, k ) is the right-hand side of a state difference equation for the state variable Z 1, j of the jth sub-model with the input variables: Filtered battery current I Batt, j, k and battery temperature T Batt, k as well as the parameter vector P j, k in the k-th time step.

Für einen konstanten Parameter P1,j im j-ten Teilmodell, der außerdem in den Teilmodellen i = j + 1, ..., j + n vorkommt, ergibt sich:

Figure 00100002
For a constant parameter P 1, j in the jth sub-model, which also occurs in the sub-models i = j + 1, ..., j + n, the following results:
Figure 00100002

Die Verstärkungen ki,j der Gewichtungseinheiten 10–13 können bei einem Teilmodell 4, 5 entsprechend einem Luneberger-Beobachter durch Polvorgabe und bei Verwendung eines Kalman-Filters für die Teilmodelle 4, 5 durch Minimierung eines Gütekriteriums, wie z.B. der minimalen Schätzfehlervarianz, ermittelt werden.The gains k i, j of the weighting units 10-13 can with a partial model 4 . 5 corresponding to a Luneberger observer by means of pole specification and when using a Kalman filter for the partial models 4 . 5 by minimizing a quality criterion, such as the minimal estimation error variance.

Wenn sich der aktuelle Arbeitsbereich und/oder Frequenzbereich außerhalb des gültigen Arbeits- und/oder Frequenzbereichs eines Teilmodells 4, 5 befindet, darf keine Fehlerrückkopplung von einem solchen Teilmodell (z.B. Teilmodell 5) zu einem anderen Teilmodell erfolgen. Daher werden in einem solchen Fall vorzugsweise die Gewichtungsfaktoren ki,j der entsprechenden Gewichtungseinheiten (z.B. Gewichtungseinheit 11) auf Null gesetzt. Das heißt, ki,j = 0, falls der Arbeitsbereich des i-ten Teilmodells verlassen wird.If the current working range and / or frequency range is outside the valid working and / or frequency range of a sub-model 4 . 5 error feedback from such a partial model (e.g. partial model 5 ) to another sub-model. In such a case, therefore, the weighting factors k i, j of the corresponding weighting units (for example weighting unit 11 ) set to zero. That is, k i, j = 0 if the working area of the i-th sub-model is left.

Bei der in 3a dargestellten Anordnung wird dem Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 der Batteriestrom Isatt zugeführt. Gemäß einer anderen Ausführungsform nach 3b kann den Teilmodellen 4, 5 auch eine (gefilterte) Batteriespannung UBatt als Eingangsgröße zugeführt werden. Die Teilmodelle 4, 5 würden in diesem Fall einen Batteriestrom IBatt^ abschätzen. Der Abgleich der Teilmodelle erfolgt über die Batteriespannung UBatt,1, UBatt,2, ..., über die Batterieströme IBatt,1, IBatt,2, ..., wenn die Batteriespannung als Eingangsgröße und der Batteriestrom als Ausgangsgröße der Teilmodelle definiert wird.At the in 3a arrangement shown is the state quantity and parameter estimator 1 the battery current Isatt supplied. According to another embodiment 3b can the sub-models 4 . 5 a (filtered) battery voltage U Batt can also be supplied as an input variable. The sub-models 4 . 5 would estimate a battery current I Batt ^ in this case. The sub-models are compared via the battery voltage U Batt, 1 , U Batt, 2 , ..., via the battery currents I Batt, 1 , I Batt, 2 , ... if the battery voltage is the input variable and the battery current is the output variable Sub-models is defined.

Zustandsgrößen und/oder Parameter, die von einem Teilmodell (4) geschätzt wurden und auch in einem anderen Teilmodell (5) enthalten sind, werden vorzugsweise auch dem anderen Teilmodell (5) zugeführt. Hierzu sind Verbindungsleitungen 30, 31 vorgesehen. Im anderen Teilmodell (5) können die Werte als Startwert, als Fixwert oder als Korrekturwert für die Schätzung dienen.State variables and / or parameters derived from a partial model ( 4 ) were estimated and also in another sub-model ( 5 ) are preferably included in the other sub-model ( 5 ) fed. There are connecting lines for this 30 . 31 intended. In the other sub-model ( 5 ) the values can serve as a starting value, as a fixed value or as a correction value for the estimate.

Die Teilmodelle 4, 5 liefern neben den Zustandsgrößen Z und Parametern P auch die Fehlervarianzen (var1, var2, ...) der Größen. Damit kann z.B. beurteilt werden, ob die Genauigkeit der Schätzgrößen Z, P für nachfolgende Berechnungen des Ladezustands, der Leistungsfähigkeit und/oder der aus der Batterie entnehmbaren Ladung ausreicht.The sub-models 4 . 5 supply not only the state variables Z and parameters P but also the error variances (var 1 , var 2 , ...) of the variables. This can be used, for example, to assess whether the accuracy of the estimated variables Z, P is sufficient for subsequent calculations of the state of charge, the performance and / or the charge that can be drawn from the battery.

In einer weiteren Variante findet der Abgleich der Teilmodelle zusätzlich über die Batteriespannungen UBatt,1, UBatt,2, ..., statt, d.h. die Stuktur nach 3a oder 3b wird gleichzeitig zweimal benutzt, einmal mit nach der Batteriespannung und einmal mit nach dem Batteriestrom aufgelösten Teilmodellen. Die gleichzeitig geschätzten Zustandsgrößen und Parameter aus den einzelnen Teilmodellen der beiden Strukturen können dann z.B. gewichtet mit ihrer Fehlervarianz zu einer Schätzgröße verknüpft werden, entsprechend der bereits beschriebenen Weise zur Verknüpfung der in verschiedenen Teilmodellen parallel geschätzten Größen.In a further variant, the sub-models are additionally compared via the battery voltages U Batt, 1 , U Batt, 2 , ..., ie the structure according to 3a or 3b is used twice at the same time, once with sub-models based on the battery voltage and once with partial models after the battery current. The simultaneously estimated state variables and parameters from the individual partial models of the two structures can then, for example, be weighted and linked with their error variance to form an estimated variable, in accordance with the manner already described for linking the variables estimated in parallel in different partial models.

Zur optimalen Ausnutzung sämtlicher Teilmodelle 4, 5 sollten die Betriebsgrößen der Batterie 3 im Laufe der Berechnung sämtliche Arbeits- und Frequenzbereiche der Teilmodelle 4, 5 durchlaufen. Liefert das elektrische Netz, an dem die Batterie 3 angeschlossen ist, zu wenig Anregungen (z.B. Lastschwankungen), können die Größen nicht genau genug geschätzt werden. Sind die Anregungen im Netz gering, kann z.B. der Innenwiderstand Ri der Batterie 3 nur sehr ungenau geschätzt werden. Bei geringer Anregung über einen längeren Zeitraum können insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen Probleme auftreten, da keine genaue Aussage über die Leistungsfähigkeit der Batterie getroffen werden kann.For optimal use of all sub-models 4 . 5 should be the operating sizes of the battery 3 in the course of the calculation, all working and frequency ranges of the sub-models 4 . 5 run through. Returns the electrical network to which the battery is connected 3 connected, too few suggestions (e.g. load fluctuations), the sizes cannot be estimated precisely enough. If the excitations in the network are low, the internal resistance R i of the battery, for example 3 can only be estimated very imprecisely. If there is little excitation over a longer period of time, problems can arise, particularly in safety-critical applications, since no precise statement can be made about the performance of the battery.

Der Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 umfasst daher einen Stimulator 16, der in der Lage ist, aktiv in das elektrische Netz einzugreifen und den Arbeits- und/oder Frequenzbereich der Batterie 3 bzw. des Netzes in gewünschter Weise einzustellen. Der Stimulator 16 greift aktiv in das elektrische Netz ein, wenn die Fehlervarianz var vorgegebener Zustandsgrößen Z oder Parameter P für eine vorgegebene Zeitdauer zu groß ist. Dem Stimulator 16 werden die von den einzelnen Teilmodellen 4, 5 berechneten Varianzen var als Eingangsgrößen zugeführt.The state quantity and parameter estimator 1 therefore includes a stimulator 16 who is able to actively intervene in the electrical network and the working and / or frequency range of the battery 3 or the network in the desired manner. The stimulator 16 intervenes actively in the electrical network if the error variance var of predefined state variables Z or parameter P is too large for a predefined period of time. The stimulator 16 are those of the individual sub-models 4 . 5 Calculated variances fed as input variables.

Der Eingriff in das elektrische Netz durch den Stimulator 16 erfolgt z.B. durch Vorgabe einer neuen Generator-Sollspannung UGen,soll (bei einem Fahrzeuggenerator), einer Load-Response-Zeitkonstanten tauGen eines Generatorreglers und/oder durch geeignete Verbraucher-Zu- oder Abschaltung. Hierdurch kann ein für die Schätzung der jeweiligen Zustandsgröße Z oder des jeweiligen Parameters P geeigneter Batteriestromverlauf IBatt, Spannungsverlauf UBatt und/oder Frequenzverlauf eingeprägt werden. Idealerweise wird der gewünschte Batteriestromverlauf IBatt (oder ein Spannungsverlauf UBatt) so vorgegeben, dass er die Batterie 3 in einen Arbeitsbereich A überführt und in einem Frequenzbereich f anregt, in dem eines der Teilmodelle (z.B. Teilmodell 5) das die Schätzgröße enthält, besonders genau ist und somit die Schätzgröße sehr genau bestimmt werden kann. Dabei müssen natürlich der Abstand dieses neuen Arbeitsbereichs zum aktuellen Arbeitsbereich A der Batterie 3 und die maximal zulässigen Amplituden der Steuergrößen UGen,soll, tauGen, ILast sowie die maximal erlaubte Dauer des Steuereingriffs berücksichtigt werden.Intervention in the electrical network by the stimulator 16 takes place, for example, by specifying a new generator set voltage U Gen, set (in the case of a vehicle generator), a load response time constant tau Gen of a generator regulator and / or by means of suitable consumer connection or disconnection. In this way, a battery current profile I Batt , voltage profile U Batt and / or frequency profile suitable for estimating the respective state variable Z or the respective parameter P can be impressed. Ideally, the desired battery current curve I Batt (or a voltage curve U Batt ) is specified so that it is the battery 3 transferred to a working area A and excited in a frequency range f in which one of the sub-models (e.g. sub-model 5 ) that contains the estimate, is particularly accurate and thus the estimate can be determined very precisely. The distance from this new work area to the current work area A of the battery must of course be used 3 and the maximum permissible amplitudes of the control variables U Gen, should , tau Gen , I Last and the maximum permissible duration of the control intervention are taken into account.

Die Arbeitsweise des Stimulators 16 von 1 ist beispielhaft in 4 dargestellt. Das Verfahren beginnt in Schritt 20 mit der Initialisierung der Zeiten tp und tstim auf die Werte tp = 0, tstim = 0. Dabei bezeichnet tp eine Zeit, in der ein Parameter P überwacht wird, und tstim eine Stimulationszeit.How the stimulator works 16 of 1 is exemplary in 4 shown. The method begins in step 20 with the initialization of the times t p and t stim to the values t p = 0, t stim = 0. Here, t p denotes a time in which a parameter P is monitored, and t stim a stimulation time.

In Schritt 22 wird überprüft, ob die Fehlervarianz varp größer ist als eine maximale Fehlervarianz varp ,mam. Falls Nein (N) bleibt der Stimulator 16 deaktiviert. Bleibt die Fehlervarianz varp für eine Zeitdauer tp größer tp, max (Schritt 23) dagegen größer als varp,max, wird ein dem Parameter P zugeordneter Stromverlauf IBatt,soll,p eingeprägt (Schritt 24 und 26). Dies erfolgt so lange, bis die Varianz varp des Parameters P kleiner oder gleich der maximalen Varianz varp,max dieses Parameters P ist oder die Stimulationsdauer tstim größer ist als eine vorgegebene maximale Dauer tstim,max (Überprüfung in Schritt 27). Die Variable tstim für die Stimulationsdauer wird in Schritt 25 iterativ um jeweils eine Abtastperiode TAb erhöht.In step 22 it is checked whether the error variance var p is greater than a maximum error variance var p , mam . If no (N), the stimulator remains 16 disabled. If the error variance var p remains greater than var p, max for a period of time t p greater than t p, max (step 23), a current profile I Batt, soll, p assigned to the parameter P is impressed (steps 24 and 26). This is done until the variance var of the parameter P p less than or equal to the maximum variance var p, max of this parameter P is or the stimulation period t stim greater than a predetermined maximum duration t stim, max (check in step 27). The variable t stim for the stimulation duration is increased iteratively in step 25 by one sampling period T Ab each.

5 zeigt eine spezielle Ausgestaltung eines Zustandsgrößen- und Parameterschätzers 1 zur Bestimmung des ohmschen Innenwiderstandes Ri eines Bleiakkumulators 3. Der Innenwiderstand Ri der Batterie 3 ist eine entscheidende Größe bei der Bestimmung eines Batteriezustands, wie z.B. der Leistungsfähigkeit der Batterie 3 oder der noch entnehmbaren Ladung. 5 shows a special embodiment of a state quantity and parameter estimator 1 for determining the ohmic internal resistance R i of a lead accumulator 3 , The internal resistance R i of the battery 3 is a decisive factor in determining a battery condition, such as the performance of the battery 3 or the still removable charge.

Der Zustandsgrößen- und Parameterschätzer 1 umfasst zwei mathematische Teilmodelle 4, 5, von denen das erste Gültigkeit im gesamten Frequenzbereich hat und das zweite Teilmodell 5 nur bei Frequenzen größer gleich 1 kHz gültig ist. Entsprechend ist dem ersten Teilmodell 4 kein Filter und dem zweiten Teilmodell 5 ein Hochpassfilter 7 vorgeschaltet.The state quantity and parameter estimator 1 comprises two mathematical sub-models 4 . 5 , of which the first is valid in the entire frequency range and the second sub-model 5 is only valid for frequencies greater than or equal to 1 kHz. Corresponds to the first sub-model 4 no filter and the second sub-model 5 a high pass filter 7 upstream.

Das erste Teilmodell 4 umfasst eine mathematische Modellbeschreibung des Ersatzschaltbildes von 2a. Dagegen umfasst das zweite Teilmodell 5 eine mathematische Beschreibung des Ersatzschaltbildes von 2b, das im wesentlichen nur aus dem Innenwiderstand Ri der Batterie 3 besteht. Beschränkt man sich nämlich auf einen Frequenzbereich in der Größenordnung von 1 kHz und betrachtet nur hochfrequente Wechselanteile von Strom IBatt und Spannung UBatt, so können die Kapazitäten des Ersatzschaltbildes von 2a als kurzgeschlossen betrachtet werden. Die einzig verbleibende Komponente ist in diesem Fall der Innenwiderstand Ri der Batterie.The first sub-model 4 includes a mathematical model description of the equivalent circuit diagram of 2a , In contrast, the second sub-model includes 5 a mathematical description of the equivalent circuit diagram of 2 B , which essentially only from the internal resistance R i of the battery 3 consists. If you restrict yourself to a frequency range of the order of 1 kHz and consider only high-frequency alternating components of current I Batt and voltage U Batt , the capacities of the equivalent circuit diagram of 2a are considered short-circuited. The only remaining component in this case is the internal resistance R i of the battery.

Das erste Teilmodell 4 hat im folgenden Fall nur Gültigkeit für den Entladebetrieb, da sich der Innenwiderstand Ri der Batterie 3 im Ladebetrieb nur schwer aus den wenigen Messgrößen Strom IBatt, Spannung UBatt und Temperatur TBatt abschätzen lässt.The first sub-model 4 has only validity for the discharge operation in the following case, since the internal resistance R i of the battery 3 in the charging operation is difficult to estimate from the few measured variables current I batt , voltage U batt and temperature T batt .

Für das erste Teilmodell 4, dem die Schätzfehler UBatt – UBatt^ bzw. UBatts – UBatts^ zugeführt werden, gilt: Ri,k+1 = Ri,k + k11(UBatt – UBatt^) + k21(UBatt~ – UBatt~^) For the first partial model 4, to which the estimation errors U Batt - U Batt ^ or U Batts - U Batts ^ are applied, the following applies: R i, k + 1 = R i, k + k 11 (U Batt - U Batt ^ ) + k 21 (U Batt ~ - U Batt ~ ^ )

Für das zweite Teilmodell 5 gilt: Ri,k+1 = Ri,k For the second sub-model 5 applies: R i, k + 1 = R i, k

Der vom ersten Teilmodell 4 berechnete Wert für den Innenwiderstand Ri der Batterie 3 wird dem zweiten Teilmodell 5 zugeführt und kann dort z.B. als Startwert verwendet werden. Die Gewichtungseinheiten für das zweite Teilmodell 5 mit den Gewichtungsfaktoren k22 und k12 können in diesem Fall entfallen. Die Gewichtungseinheiten 10, 11 für die Fehlerrückkopplung in das Teilmodell 4 bleiben dagegen bestehen.The one from the first sub-model 4 calculated value for the internal resistance R i of the battery 3 becomes the second sub-model 5 supplied and can be used there as a starting value, for example. The weighting units for the second sub-model 5 with the weighting factors k 22 and k 12 can be omitted in this case. The weighting units 10 . 11 for the feedback of errors in the partial model 4 remain on the other hand.

Es ist zu beachten, dass im Ladebetrieb der Gewichtungsfaktor k11 auf Null zu setzen ist, da das erste Teilmodell 4 im Ladebetrieb nicht gültig ist. Die Gewichtungsfaktoren k11 und k21 können z.B. über einen Beobachterentwurf nach Luenberger oder Kalman bestimmt werden.It should be noted that the weighting factor k 11 must be set to zero in the loading mode, since the first partial model 4 is not valid in charging mode. The weighting factors k 11 and k 21 can be determined, for example, using an observer design according to Luenberger or Kalman.

11
Zustandsgrößen- und ParameterschätzerState variables and parameter estimates
22
Ladungsprädiktorcharge predictor
33
Batteriebattery
44
erstes Teilmodellfirst submodel
55
zweites Teilmodellsecond submodel
6–96-9
Filterfilter
10–1310-13
Gewichtungseinheitenweighting units
14,1514.15
Addierknotenadding node
1616
Stimulatorstimulator
17,1817.18
Addierknotenadding node
20–2720-27
Verfahrensschrittesteps
30,3130.31
Verbindungsleitungeninterconnectors

Claims (14)

Verfahren zum Bestimmen von Zustandsgrößen und Parametern eines mathematischen Energiespeichermodells, insbesondere eines Batteriemodells, mit Hilfe eines Zustandsgrößen- und Parameterschätzers (1), der aus Betriebsgrößen (UBatt, IBatt, TBatt) eines Energiespeichers (3) die Zustandsgrößen (Z) und Parameter (P) des mathematischen Energiespeichermodells berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsgrößenund Parameterschätzer (1) mehrere mathematische Teilmodelle (4, 5) umfasst, die für unterschiedliche Arbeits- und/oder Frequenzbereiche des Energiespeichers (3) gelten.Method for determining state variables and parameters of a mathematical energy storage model, in particular a battery model, with the aid of a state variable and parameter estimator ( 1 ), which consists of operating variables (U Batt , I Batt , T Batt ) of an energy store ( 3 ) calculates the state variables (Z) and parameters (P) of the mathematical energy storage model, characterized in that the state variables and parameter estimator ( 1 ) several mathematical sub-models ( 4 . 5 ) includes, for different working and / or frequency ranges of the energy storage ( 3 ) be valid. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Teilmodellen (4, 5) ein Strom (IBatt) oder eine Spannung (UBatt) des Energiespeichers (3) zugeführt wird, wobei der Strom (IBatt) oder die Spannung (UBatt) durch ein Filter (6, 7) auf den für ein Teilmodell (4, 5) gültigen Frequenzbereich eingeschränkt wird.A method according to claim 1, characterized in that the partial models ( 4 . 5 ) a current (I Batt ) or a voltage (U Batt ) of the energy store ( 3 ) is supplied, the current (I Batt ) or the voltage (U Batt ) through a filter ( 6 . 7 ) for a partial model ( 4 . 5 ) valid frequency range is restricted. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehler zwischen einer Betriebsgröße (UBatt, IBatt) des Energiespeichers und einer von einem Teilmodell (4, 5) berechneten Betriebsgröße (UBatt^, IBatt^) ermittelt und in das jeweilige Teilmodell (4, 5) zurückgekoppelt wird.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that an error between an operating variable (U Batt , I Batt ) of the energy store and one of a partial model ( 4 . 5 ) calculated operating size (U Batt ^ , I Batt ^ ) determined and into the respective sub-model ( 4 . 5 ) is fed back. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehler zwischen einer Betriebsgröße (UBatt, IBatt) des Energiespeichers (3) und der von einem Teilmodell (4, 5) berechneten Betriebsgröße (UBatt^, IBatt^) in ein anderes Teilmodell (5) zurückgekoppelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the error between an operating variable (U Batt , I Batt ) of the energy store ( 3 ) and that of a partial model ( 4 . 5 ) calculated farm size (U Batt ^ , I Batt ^ ) in another sub-model ( 5 ) is fed back. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehler mittels eines Faktors (k) gewichtet wird.A method according to claim 3 or 4, characterized in that the error is weighted using a factor (k). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einem Teilmodell (4, 5) berechnete Zustandsgröße (Z) und/oder ein berechneter Parameter (P) einem anderen Teilmodell (5) zugeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that one of a partial model ( 4 . 5 ) calculated state variable (Z) and / or a calculated parameter (P) of another partial model ( 5 ) is supplied. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsgrößen (Z) oder Parameter (P) gewichtet rückgekoppelt werden.A method according to claim 6, characterized in that the state variables (Z) or weighted parameter (P) fed back become. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stimulator (16) vorgesehen ist, um den Strom (IBatt) oder die Spannung (UBatt), der bzw. die den Teilmodellen (4, 5) zugeführt wird, in einen gewünschten Arbeitsbereich oder Frequenzbereich zu bringen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a stimulator ( 16 ) is provided in order to measure the current (I Batt ) or the voltage (U Batt ) that the submodels ( 4 . 5 ) is brought into a desired working range or frequency range. Zustandsgrößen- und Parameterschätzer (1) zum Bestimmen von Zustandsgrößen (Z) und Parametern (P) eines mathematischen Energiespeichermodells, insbesondere eines Batteriemodells, der aus Betriebsgrößen (UBatt, IBatt, TBatt) eines Energiespeichers (3) die Zustandsgrößen (Z) und Parameter (P) des mathematischen Energiespeichermodells berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustandsgrößenund Parameterschätzer (1) mehrere Teilmodelle (4, 5) umfasst, die für unterschiedliche Arbeits- und/oder Frequenzbereiche des Energiespeichers (3) gelten.State quantity and parameter estimators ( 1 ) for determining state variables (Z) and parameters (P) of a mathematical energy storage model, in particular a battery model, which is made up of operating variables (U Batt , I Batt , T Batt ) of an energy store ( 3 ) calculates the state variables (Z) and parameters (P) of the mathematical energy storage model, characterized in that the state variables and parameter estimator ( 1 ) several sub-models ( 4 . 5 ) includes, for different working and / or frequency ranges of the energy storage ( 3 ) be valid. Zustandsgrößen- und Parameterschätzer (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem der Teilmodelle (4, 5) ein Filter (6, 7) vorgeschaltet ist, um die dem Teilmodell (4, 5) zugeführte Betriebsgröße (UBatt, IBatt) des Energiespeichers (3) auf den für das Teilmodell (4, 5) gültigen Frequenzbereich einzuschränken.State quantity and parameter estimators ( 1 ) according to claim 9, characterized in that at least one of the partial models ( 4 . 5 ) a filter ( 6 . 7 ) is connected upstream by which the submodel ( 4 . 5 ) supplied operating size (U Batt , I Batt ) of the energy store ( 3 ) on the for the sub-model ( 4 . 5 ) valid frequency range zuschränken. Zustandsgrößen- und Parameterschätzer (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsgrößen- und Parameterschätzer (1) derart gestaltet ist, dass ein Fehler zwischen einer Betriebsgröße (UBatt, IBatt) des Energiespeichers (3) und einer von einem Teilmodell (4, 5) berechneten Betriebsgröße (UBatt, IBatt) ermittelt und in das jeweilige Teilmodell (4, 5) zurückgekoppelt wird.State quantity and parameter estimators ( 1 ) according to claim 9 or 10, characterized in that the operating variable and parameter estimator ( 1 ) is designed such that an error between an operating variable (U Batt , I Batt ) of the energy store ( 3 ) and one of a partial model ( 4 . 5 ) calculated operating size (U Batt , I Batt ) determined and into the respective sub-model ( 4 . 5 ) is fed back. Zustandsgrößen- und Parameterschätzer (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsgrößen- und Parameterschätzer (1) derart gestaltet ist, dass ein Fehler zwischen einer Betriebsgröße (UBatt, IBatt) des Energiespeichers (3) und einer von einem Teilmodell ( 4 , 5) berechneten Betriebsgröße (UBatt^, IBatt^) in ein anderes Teilmodell (5) zurückgekoppelt wird.State quantity and parameter estimators ( 1 ) according to one of claims 9 to 11, characterized in that the operating variable and parameter estimator ( 1 ) is designed in such a way that an error between an operating variable (U Batt , I Batt ) of the energy store ( 3 ) and one of a partial model ( 4 . 5 ) calculated farm size (U Batt ^ , I Batt ^ ) in another sub-model ( 5 ) is fed back. Zustandsgrößen- und Parameterschätzer nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (1013) zum Gewichten des rückgekoppelten Fehlers vorgesehen ist.State quantity and parameter estimator according to one of Claims 9 to 12, characterized in that a device ( 10 - 13 ) is provided for weighting the feedback error. Zustandsgrößen- und Parameterschätzer (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stimulator (16) vorgesehen ist, um den Strom- oder Spannungsverlauf (IBatt, UBatt), der den Teilmodellen (4, 5) zugeführt wird, in einen gewünschten Arbeits- oder Frequenzbereich zu bringen.State quantity and parameter estimators ( 1 ) according to one of claims 9 to 13, characterized in that a stimulator ( 16 ) is provided to determine the current or voltage curve (I Batt , U Batt ) that corresponds to the submodels ( 4 . 5 ) is brought into a desired working or frequency range.
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