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Die vorliegende Offenbarung geht aus von einem Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit sowie einer entsprechenden Vorrichtung, einem entsprechenden Computerprogramm, einem entsprechenden maschinenlesbaren Speichermedium sowie einer entsprechenden Einheit.
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Stand der Technik
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Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung, insbesondere von Kraftfahrzeugen, kommt elektrischen Energiespeichereinheiten eine immer größer werdende Bedeutung zu. Dabei gibt es unterschiedliche Stufen der Elektrifizierung. Es gibt beispielsweise rein elektrisch angetriebenen Fahrzeuge sowie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, bei denen ein Elektromotor den Antrieb des Fahrzeugs nur zeitweise übernimmt beziehungsweise den Verbrennungsmotor unterstützt. Diese unterschiedlichen Ausprägungen der Elektrifizierung weisen typischerweise unterschiedliche Spannungsniveaus und unterschiedliche Ausgestaltungen der verwendeten elektrischen Energiespeichereinheiten auf.
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Gemein ist dabei allen Ausführungsformen, dass die dabei eingesetzten elektrischen Energiespeichereinheiten Alterungseffekten ausgesetzt sind, was sich beispielsweise durch eine Änderung eines Innenwiderstandes der elektrischen Energiespeichereinheiten ausdrückt. Daher sind zu einem vordefinierten Zeitpunkt aufgenommene Innenwiderstandswerte für eine elektrische Energiespeichereinheit, welche beispielsweise die elektrische Energiespeichereinheit direkt nach ihrer Herstellung beziehungsweise vor dem eigentlichen Einsatz als Energiespeicher kennzeichnen, nach einer gewissen Zeit nicht mehr aktuell. Weiterhin gibt es produktionsbedingt Unterschiede zwischen elektrischen Energiespeichereinheiten, welche sich in unterschiedlichen Widerstandswerten der elektrischen Energiespeichereinheiten niederschlagen. Zwar sind diese Unterschiede meist nicht sonderlich stark ausgeprägt, können jedoch dennoch die Leistungsfähigkeit eines entsprechenden elektrischen Energiespeichersystems, in dem sie eingesetzt werden, beeinflussen. Dies kann zum einen zu Problemen bei der Prädiktion der von der elektrischen Energiespeichereinheit abrufbaren elektrischen Leistung führen, wenn nämlich die abrufbare Leistung überschätzt wird, als auch einen rechtzeitigen Ersatz einer elektrischen Energiespeichereinheit verhindern, wenn diese entgegen der Realität im System noch als funktionsfähig beziehungsweise ausreichend leistungsfähig vermerkt ist.
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Die Druckschrift
US 2018/0143257 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung von Parameterwerten eines Batteriemodells, welches eine Batterie mathematisch abbildet.
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Die Druckschrift
CN 102520361 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungskoeffizienten, wobei dabei ein Innenwiderstand einer Batterie ermittelt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Offenbart wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Dabei wird in dem Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit mindestens eine vordefinierte erste Bedingung überprüft, die eine Benutzung der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder eine Genauigkeit eines mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert. Insbesondere kann eine Benutzung der elektrischen Energiespeichereinheit beispielsweise durch den Ladezustand, ihr Alter oder ihre Temperatur abgebildet werden. Die Genauigkeit eines mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit kann beispielsweise durch Vergleich mit entsprechenden Messwerten, beispielsweise Spannungsmesswerte, ermittelt werden. Das mathematische Modell kann beispielsweise in einem Datenspeicher abgespeichert sein. Das mathematische Modell kann beispielsweise Differentialgleichungen oder Differenzengleichungen oder algebraische Gleichungen umfassen. Weiterhin kann auch ein datenbasiertes Kennfeld Bestandteil des mathematischen Modells sein.
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Wenn die vordefinierte erste Bedingung erfüllt ist, wird mindestens ein Wert eines Parameters des mathematischen Modells ermittelt und anschließend dieser Parameterwert in dem mathematischen Modell geändert. Somit wird das mathematische Modell an geänderte Eigenschaften der elektrischen Energiespeichereinheit angepasst, die sich beispielsweise durch Alterungseffekte ergeben können.
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Die elektrische Energiespeichereinheit wird anschließend mit dem geänderten mathematischen Modell betrieben. Dies umfasst beispielsweise eine Ladezustandsbestimmung und eine Prädiktion der abrufbaren elektrischen Leistung, welche typischerweise mittels des mathematischen Modells auf einer elektronischen Steuereinheit ablaufen.
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Somit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass eine Änderung des mathematischen Modells nur bei Erfüllen der mindestens einen Bedingung erfolgt, wodurch die Genauigkeit bei der Ermittlung des Parameterwertes erhöht wird und zusätzlich Robustheit, d. h. Unempfindlichkeit gegenüber Modellfehlern des mathematischen Modells sowie Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen, beispielsweise Temperatureinflüssen, erzielt wird. Dies steigert die Qualität der ermittelten Parameterwerte und erlaubt ein besseres und sichereres Betreiben des elektrischen Energiespeichersystems. Weiterhin kann die Lebensdauer der elektrischen Energiespeichereinheit erhöht werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßigerweise wird eine elektrische Stromgröße ermittelt, wobei die Stromgröße einen elektrischen Strom repräsentiert, welcher in die oder aus der elektrischen Energiespeichereinheit fließt. Weiterhin wird eine erste Spannungsgröße, die eine elektrische Spannung repräsentiert, welche zwischen zwei Polanschlüssen der elektrischen Energiespeichereinheit herrscht, ermittelt. Beides kann durch entsprechende Sensoren erfolgen.
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Weiterhin wird eine zweite Spannungsgröße, die eine elektrische Spannung repräsentiert und sich aus dem mathematischen Modell der elektrischen Energiespeichereinheit ergibt, ermittelt. Dabei wird das mathematische Modell mit ermittelten Stromgröße beaufschlagt, so als Ausgangsgröße die zweite Spannungsgröße zu liefern. Das mathematische Modell umfasst dabei einen Widerstandsparameter, welcher einen Widerstand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert und dem ein vordefinierter Wert zugewiesen ist. Der Wert des Widerstandsparameter kann dabei eine Temperaturabhängigkeit aufweisen, insbesondere von der Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit abhängen.
Dies ist vorteilhaft, da dadurch beispielsweise auf einfache Weise die Ermittlung der Genauigkeit des mathematischen Modells möglich ist.
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Zweckmäßigerweise wird die erste Spannungsgröße und/oder die zweite Spanungsgröße gefiltert. Dies ist vorteilhaft, da so der Einfluss störender Frequenzen, die beispielsweise durch hochfrequentes Rauschen auftreten, verringert wird, was die Qualität des ermittelten Widerstandsparameterwertes stark verbessert. Beispielsweise ist der Einsatz eines Bandpassfilters denkbar, durch den gezielt bestimmte Frequenzbereich ausgefiltert werden und nur relevante Frequenzanteile in den Spannungsgrößen verbleiben, beispielsweise um einen Gleichspannungsanteil herauszufiltern.
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Zweckmäßigerweise wird ein Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, wobei der Ladezustand die Benutzung der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert. Dies ist vorteilhaft, da der mindestens eine Parameter in einem vordefinierten Bereich des Ladezustands, welcher durch die vordefinierte erste Bedingung überprüft werden kann, eine geringe Abhängigkeit vom Ladezustand aufweisen kann und somit in diesem Bereich genauer bestimmt werden kann, da er unempfindlich gegenüber Änderungen des Ladezustandes ist.
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Zweckmäßigerweise wird eine Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, wobei die Temperatur die Benutzung der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert. Dies Ist vorteilhaft, da der mindestens eine Parameter in einem vordefinierten Bereich der Temperatur, welche durch die vordefinierte erste Bedingung überprüft werden kann, eine geringe Abhängigkeit von der dem Motto aufweisen kann und somit in diesem Bereich genau bestimmt werden kann, da er unempfindlich gegenüber Änderungen der Temperatur ist.
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Zweckmäßigerweise wird ein Alter der elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt, wobei das Alter die Benutzung der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert. Das Alter kann beispielsweise über die vergangene Zeit seit Herstellung der elektrischen Energiespeichereinheit oder über die vergangene Zeit seit Einbau der elektrischen Energiespeichereinheit in ein größeres elektrisches Energiespeichersystem ermittelt werden. Dies ist vorteilhaft, da darüber festgestellt werden kann, ob die elektrische Energiespeichereinheit noch am Anfang ihres Lebenszyklus steht. Da zum Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit meist Durchschnittswerte der Parameter des mathematischen Modells verwendet werden, welche jedoch leicht von den tatsächlichen Werten der betreffenden elektrischen Energiespeichereinheit abweichen können, ist es vorteilhaft, am Anfang ihres Lebenszyklus eine entsprechende Korrektur vorzunehmen. Somit können in vorteilhafter Weise Alterungseffekte, die die Parameterwerte beeinflussen, zuverlässig vernachlässigt werden. Dies erhöht die Modellgenauigkeit des mathematischen Modells trägt somit zu einem sichereren Betrieb der elektrischen Energiespeichereinheit mit erhöhter Lebensdauer bei.
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Zweckmäßigerweise wird die Genauigkeit des mathematischen Modells ermittelt, wobei die Genauigkeit beispielsweise durch einen Abgleich von Modellwerten zu Messwerten, beispielsweise von Spannungswerten, ermittelt werden kann. Dies ist vorteilhaft, da dadurch sichergestellt ist, dass das mathematische Modell das reale Verhalten der elektrischen Energiespeichereinheit mit guter Genauigkeit widergibt. Alternativ oder zusätzlich kann überprüft werden, ob der Modellfehler des mathematischen Modells, das heißt die betragsmäßige Abweichung der Modellwerte von Messwerte, einen konvergenten Zustand erreicht hat. Das Erreichen des konvergenten Zustandes kann beispielsweise dadurch überprüft werden, ob für einen vordefinierten Zeitraum vor dem aktuellen Zeitpunkt, beispielsweise 1 Minute, eine vordefinierte betragsmäßige Abweichung der Modellwerte von Messwerten nicht überschritten wurde.
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Zweckmäßigerweise umfasst die vordefinierte erste Bedingung bei Repräsentation der Benutzung durch den Ladezustand einen Ladezustandswert im Bereich von 30 % bis 80 %, insbesondere von 40 % bis 70 %. Je nach Art der elektrischen Energiespeichereinheit ist in diesem Ladezustandsbereich die Abhängigkeit der Parameter beziehungsweise des Parameters des mathematischen Modells vom Ladezustand gering, was eine genauere Parameterwertbestimmung erleichtert und verbessert.
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Zweckmäßigerweise umfasst die vordefinierte erste Bedingung bei Repräsentation der Benutzung durch die Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit einen Temperaturwert über 20 °C, insbesondere über 30 °C. Je nach Art der elektrischen Energiespeichereinheit ist in diesem Temperaturbereich die Abhängigkeit der Parameter beziehungsweise des Parameters des mathematischen Modells von der Temperatur gering, was eine genauere Parameterwertbestimmung erleichtert und verbessert.
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Zweckmäßigerweise umfasst die vordefinierte erste Bedingung bei Repräsentation der Benutzung durch das Alter der elektrischen Energiespeichereinheit einen Alterswert von weniger als 180 Tagen, insbesondere weniger als 90 Tagen. Dies ist vorteilhaft, da Alterungseffekte der Batterie zu vernachlässigen sind, was eine genauere Parameterwertbestimmung erleichtert und verbessert.
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Zweckmäßigerweise umfasst die vordefinierte erste Bedingung bei Repräsentation der Genauigkeit des mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit eine betragsmäßige Abweichung des mathematischen Modells von einem Messwert von weniger als 20 mV, insbesondere weniger als 10 mV. Weiterhin kann die erste Bedingung eine Überprüfung umfassen, ob der Modellfehler des mathematischen Modells einen Konvergenzzustand erreicht hat, das heißt gegen einen festen Wert konvergiert ist. Dies ist vorteilhaft, um die Genauigkeit des mathematischen Modells zu bewerten, was eine genauere Parameterwert Bestimmung erleichtert und verbessert.
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Zweckmäßigerweise werden zur Ermittlung der Stromgröße mittels eines Stromsensors Strommessdaten der elektrischen Energiespeichereinheit erfasst und oder werden zur Ermittlung der ersten Spannungsgröße mittels eines Spannungssensors Spannungsmessdaten der elektrischen Energiespeichereinheit erfasst. Dies ist vorteilhaft, da in den entsprechenden Sensoren die vorgenannten Filteroperationen integriert werden können und somit eine weniger aufwendigere Umsetzung des Verfahrens gegeben ist.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit, umfassend mindestens ein Mittel, welches eingerichtet ist, alle Schritte des offenbarten Verfahrens auszuführen. Das mindestens eine Mittel kann beispielsweise ein Batteriemanagementsteuergerät und eine entsprechende Leistungselektronik, beispielsweise einen Wechselrichter, sowie Stromsensoren und/oder Spannungssensoren und/oder Temperatursensoren umfassen. Auch eine elektronische Steuereinheit, insbesondere in der Ausprägung als Batteriemanagementsteuergerät, kann solch ein Mittel sein. Unter einer elektronischen Steuereinheit kann insbesondere ein elektronisches Steuergerät, welches beispielsweise einen Mikrocontroller und/oder einen applikationsspezifischen Hardwarebaustein, z.B. einen ASIC, umfasst, verstanden werden, aber ebenso kann darunter ein Computer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung fallen. Somit können die oben genannten Vorteile realisiert werden.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Computerprogramm, welches Befehle umfasst, die bewirken, dass die offenbarte Vorrichtung alle Schritte des offenbarten Verfahrens ausführt. Somit können die oben genannten Vorteile realisiert werden.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das offenbarte Computerprogramm gespeichert ist. Dadurch können die oben genannten Vorteile realisiert werden.
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Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein elektrisches Energiespeichersystem, umfassend mindestens eine elektrische Energiespeichereinheit und die offenbarte Vorrichtung. Somit können die oben genannten Vorteile realisiert werden. Unter einer elektrischen Energiespeichereinheit kann insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-lonen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium-Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein. Auch ein Kondensator ist als elektrische Energiespeichereinheit möglich.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt.
- 1 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte.
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1 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Dabei wird in einem ersten Schritt S11 mindestens eine vordefinierte erste Bedingung, die eine Benutzung der elektrischen Energiespeichereinheit und oder eine Genauigkeit eines mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert, überprüft. Die mindestens eine Bedingung kann beispielsweise umfassen, dass sich ein Ladezustandswert im Bereich von 30 % bis 80 % Ladezustand befindet und/oder eine Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit mindestens 20 °C, insbesondere mindestens 30 °C, beträgt und/oder eine Genauigkeit des mathematischen Modells der elektrischen Energiespeichereinheit im Vergleich mit entsprechenden Messwerten für die elektrische Spannung betragsmäßig maximal 10 mV beträgt. Besonders bevorzugt werden alle der genannten beispielhaften Bedingungen erfüllt.
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Unter der Annahme, dass die mindestens eine erste Bedingung erfüllt ist, wird in einem zweiten Schritt S12 mindestens ein Wert eines Parameters des mathematischen Modells ermittelt und der ermittelte mindestens eine Parameterwert innerhalb des mathematischen Modells eingesetzt, das heißt, das mathematische Modell beziehungsweise dessen Parametrisierung mit numerischen Werten wird entsprechend geändert.
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In einem dritten Schritt S13 wird die elektrische Energiespeichereinheit mit dem geänderten mathematischen Modell betrieben. Dies bedeutet beispielsweise, dass in einer elektronischen Steuereinheit, in der das offenbarte Verfahren in computerimplementierter Form, d.h. als Computerprogramm, abläuft, mit dem geänderten Parameterwert gearbeitet wird. Von der elektronischen Steuereinheit ausgesandte Steuerungskommandos basieren somit gegebenenfalls auf dem geänderten Parameterwert. Dies ist beispielsweise für eine Leistungsprädiktion der elektrischen Energiespeichereinheit relevant, um das gegenwärtige Leistungsvermögen der elektrischen Energiespeichereinheit korrekt abzubilden.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des offenbarten Verfahrens zum Betrieb einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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In einem ersten Schritt S21 wird eine Stromgröße ermittelt, wobei die Stromgröße einen elektrischen Strom repräsentiert, welche in die oder aus der elektrischen Energiespeichereinheit fließt. Dies kann beispielsweise mittels Messung durch einen Stromsensor erfolgen.
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In einem zweiten Schritt S22 wird eine erste Spannungsgröße ermittelt, die eine elektrische Spannung repräsentiert, welche zwischen zwei Polanschlüssen der elektrischen Energiespeichereinheit herrscht. Dies kann beispielsweise mittels Messung durch einen Spannungssensor erfolgen.
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In einem dritten Schritt S23 wird eine zweite Spannungsgröße ermittelt, die eine elektrische Spannung repräsentiert und sich aus dem mathematischen Modell der elektrischen Energiespeichereinheit ergibt, wobei das mathematische Modell dazu mit der ermittelten Stromgröße beaufschlagt wird. Dies bedeutet beispielsweise, dass als Eingangswerte für das mathematische Modell entsprechende Werte der Stromgröße verwendet werden, woraus sich als Ausgangsgröße des mathematischen Modells entsprechende Spannungswerte ergeben. Dabei umfasst das mathematische Modell einen Widerstandsparameter, welcher einen Widerstand der elektrischen Energiespeichereinheit repräsentiert und dem ein vordefinierter Wert zugewiesen ist. Dieser vordefinierte Wert kann beispielsweise zuvor aus Labormessungen ermittelt worden sein.
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In einem vierten Schritt S24 wird anschließend durch Vergleich der ersten Spannungsgröße mit der zweiten Spannungsgröße die Genauigkeit des mathematischen ermittelt. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder eine Temperatur der elektrischen Energiespeichereinheit und/oder ein Alter einer elektrischen Energiespeichereinheit ermittelt werden. Mittels der so ermittelten Genauiggkeit wird in einem fünften Schritt S25 überprüft, ob das mathematischen Modell eine vordefinierte Genauigkeit erfüllt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Benutzung der elektrischen Energiespeichereinheit überprüft werden mittels der vorstehend genannten Größen.
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Unter der Annahme das die Überprüfung erfolgreich war, das somit eine vordefinierte Genauigkeit erfüllt wird, wird in einem sechsten Schritt S26 mindestens ein Wert eines Parameters des mathematischen Modells, insbesondere ein Wert eines Widerstandsparameters, ermittelt und das Modell beziehungsweise der Modellparameterwert innerhalb des Modell geändert. Die Ermittlung kann beispielsweise mittels eines Beobachters, einer aus der Regelungstechnik bekannten Struktur, oder eines Kalmanfilters erfolgen. Auch der Einsatz der Methode der kleinsten Quadrate, um das mathematische Modell bestmöglich an entsprechende Werte der ersten Spannungsgröße anzupassen durch Änderung des Parameterwerts, ist möglich.
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In einem siebten Schritt S27 wird die elektrische Energiespeichereinheit mit dem geänderten mathematischen Modell betrieben. Dies bedeutet beispielsweise, dass in einer elektronischen Steuereinheit, in der das offenbarte Verfahren in computerimplementierter Form, d.h. als Computerprogramm, abläuft, mit dem geänderten Parameterwert gearbeitet wird. Von der elektronischen Steuereinheit ausgesandte Steuerungskommandos basieren somit gegebenenfalls auf dem geänderten Parameterwert. Dies ist beispielsweise für eine Leistungsprädiktion der elektrischen Energiespeichereinheit relevant, um das gegenwärtige Leistungsvermögen der elektrischen Energiespeichereinheit korrekt abzubilden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung des offenbarten elektrischen Energiespeichersystems 30 gemäß einer Ausführungsform. Das elektrische Energiespeichersystem 30 umfasst dabei mindestens eine hier nicht dargestellte elektrische Energiespeichereinheit, Sensoren 31, eine Vorrichtung 32 und eine leistungselektronisches Bauteil 33.
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Dabei kann die Vorrichtung 32 mit den angeschlossenen Sensoren 31, beispielsweise Spannungs- und Stromsensoren, Daten austauschen. Auch ein nur unidirektionaler Empfang von Daten der angeschlossenen Sensoren 31 ist möglich. Weiterhin kann die Vorrichtung 32 das angeschlossene leistungselektronische Bauteil 33 ansteuern, damit beispielsweise Stromgrenzen eingehalten werden. Das leistungselektronische Bauteil 33 kann beispielsweise ein Wechselrichter sein.
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Die Vorrichtung 32 umfasst dabei beispielsweise eine elektronische Steuereinheit, welche in 3 nicht gesondert dargestellt ist. Die Vorrichtung 32 kann auch weitere elektronische Steuereinheiten umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0143257 [0004]
- CN 102520361 [0005]