用于监测卡尔曼滤波器的稳定收敛行为的方法和设备技术

本发明专利技术涉及一种用于监测卡尔曼滤波器(KF)的稳定收敛行为的方法，所述方法估计能量存储系统(特别是电池单元(BZ))的状态和/或参数，其中，将由所述卡尔曼滤波器(KF)提供的关于所述能量存储系统的至少一个状态和/或一个参数的协方差行为与所述状态和/或参数的对应目标协方差行为进行比较，针对所述能量存储系统的具有超过所述对应目标协方差行为的协方差行为的每个状态和/或每个参数将所述卡尔曼滤波器(KF)自动停用。

Method and equipment for monitoring the stable convergence behavior of Kalman filter

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于监测卡尔曼滤波器的稳定收敛行为的方法和设备本专利技术涉及一种用于监测卡尔曼滤波器的稳定收敛行为的方法和设备，其估计能量存储系统(特别是电池单元)的状态和/或参数。电池管理系统用于确保存储在能量存储器或电池中的能量的最佳使用。电池管理系统还主要用于保护电池免受例如由于充电过程执行得太快而造成的损坏。电池管理系统包括电子闭环控制电路，其监测和控制可充电电池和电池的充电和放电。例如，可以在电动车辆或光伏装置中设置电池管理系统，以便使用电能存储器并以最佳方式保护其免受损坏。常规电池管理系统部分地使用卡尔曼滤波器来估计电池的状态。电池具有至少一个电池单元。通过电池模型来复制电池单元的行为。可以通过电等效电路图来复制电池的动态行为。此外，电池的建模可以例如通过所谓的黑盒模型来实现。图1示出例如锂离子电池单元的电等效电路图以及包含在等效电路中的部件的相关阻抗级数。因此，图1所示的等效电路形成电池单元的电池模型，利用该电池模型可以确定电池单元的行为，例如频率行为。在根据图1的电池模型中，电感L、内阻Ri、诸如扩散电容的电容连接在两个连接端子之间。随着频率的变化，等效电路或电池模型的复阻抗Z的虚部和实部发生变化。由于等效电路中的部件数目还规定了系统的必要状态的数目，所以在常规电池模型的情况下实现了简化。例如，使用仅包括内阻Ri、内阻Ri与组合RC构件的组合或内阻Ri与用于模拟kHz频率范围的第一RC构件和用于模拟Hz频率范围的另一RC构件的组合在内的等效电路。常规电池模型BM仅允许估计状态，例如电池单元的荷电状态SoC。电池单元参数，例如内阻或电池单元电容在广义上假设为恒定的，所以不考虑电池单元参数的动态变化。因此，在常规方法的情况下，不能观察到电池单元的电池单元参数。例如，在常规方法的情况下，电池单元参数(例如电池单元的内阻)的变化不能被检测到或者需要复杂的测量。其原因主要在于自适应系统的非确定性行为。这会导致常规电池管理系统发散并且在不确定的时间段之后变得不稳定。卡尔曼滤波器KF可用于估计能量存储系统(例如，电池单元)的状态和/或参数。然而，该卡尔曼滤波器KF不能以不稳定的方式操作。因此，本专利技术的目的在于提供一种能够监测卡尔曼滤波器的稳定性的方法和设备。根据本专利技术，该目的通过具有权利要求1所述特征的方法实现。因此，本专利技术提供了一种用于监测卡尔曼滤波器的稳定收敛行为的方法，该方法估计能量存储系统(特别是电池单元)的状态和/或参数，其中，将由所述卡尔曼滤波器提供的关于所述能量存储系统的至少一个状态和/或参数的协方差行为与所述状态和/或参数的相应期望协方差行为进行比较，其中，针对所述能量存储系统的所述协方差行为超过所述相应期望协方差行为的每个状态和/或每个参数，自动将所述卡尔曼滤波器停用。根据另一方面，本专利技术还提供一种具有权利要求13所述特征的稳定性监测设备。根据另一方面，本专利技术提供了一种用于检测至少一个电池单元的电池单元状态和电池单元参数的方法，所述方法包括以下步骤：确定双卡尔曼滤波器的状态估计器的噪声分量，并且基于所述电池单元的与所述电池单元的至少一个电池单元特性变量相关的特性参数行为来确定所述双卡尔曼滤波器的参数估计器的噪声分量，以及基于所确定的噪声分量，通过所述双卡尔曼滤波器来使所述电池单元状态和所述电池单元参数适应于所述电池单元的指定电池模型。在一个可能的实施方式中，通过根据本专利技术的方法，所确定的噪声分量被用于适配或估计所述电池单元状态和所述电池单元参数。这允许所述电池单元状态和/或所述电池单元参数的动态和自适应估计。因此，基于可测量的噪声分量来调谐或调整所述双卡尔曼滤波器。在根据本专利技术的所述方法的一个可能实施方式的情况下，所述电池单元状态包括所述电池单元的荷电状态和/或动态电池单元状态，特别是所述电池单元的扩散电压。在根据本专利技术的所述方法的一个可能实施方式的情况下，所述电池单元参数包括所述电池单元的内阻、所述电池单元的额定电容和/或电阻动态分量，特别是所述电池单元的扩散电阻和/或电容动态分量，特别是所述电池单元的扩散电容。在根据本专利技术的所述方法的一个可能实施方式的情况下，所述电池单元具有所述电池单元的特性变量、所述电池单元的负载特性变量、所述电池单元的温度和/或所述电池单元的老化特性变量。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，所确定的噪声分量具有过程噪声和/或测量噪声。在根据本专利技术的所述方法的一个可能实施方式的情况下，所述过程噪声包括所述电池单元状态的过程噪声和/或所述电池单元参数的过程噪声。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，所述双卡尔曼滤波器的所述状态估计器的状态向量包括所述电池单元的所述电池单元状态，并且所述双卡尔曼滤波器的所述参数估计器的状态向量具有所述电池单元的所述电池单元参数。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，基于检测到的电池单元状态和检测到的电池单元参数来控制所述电池单元的负载。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，由所述双卡尔曼滤波器的状所述态估计器适配的所述电池单元的所述电池单元状态和由所述双卡尔曼滤波器的所述参数估计器适配的所述电池单元的所述电池单元参数被输出到用于控制连接到所述电池单元的负载和/或用于控制连接到所述电池单元的电流源的控制单元。所连接的负载可以是例如电动机。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，从数据存储器中读出所述电池单元的所述特性参数行为。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，所述电池单元的所述特性参数行为针对每个电池单元参数指示其关于每个电池单元状态和/或基于通过传感器检测的所述电池单元的测量变量的平均值和/或方差。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，基于通过传感器检测的测量变量来确定所存储的所述电池单元的特性参数行为。在根据本专利技术的所述方法的一个可能实施方式的情况下，通过传感器检测的所述测量变量包括相关电池单元的端子电流、端子电压和/或温度。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，电池单元参数的过程噪声根据其关于电池单元状态的读出特性参数行为和/或基于通过传感器检测的测量变量，并且根据该电池单元状态随时间的变化和/或基于通过传感器检测的测量变量来确定。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，电池单元状态的过程噪声根据其关于至少一个电池单元参数的读出参数行为来确定。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，对于通过传感器检测的每个测量变量，基于相应测量变量传感器的噪声行为相对于从数据存储器读出的所述测量变量的平均值和/或方差来计算其测量变量噪声。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，对所有测量变量的计算出的测量变量噪声求和，以便确定测量噪声。在根据本专利技术的所述方法的另一可能实施方式的情况下，监测所述双卡尔曼滤波器的稳定性，并且一旦识别出所述双卡尔曼滤波器的不稳定性威胁，就暂停所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于监测卡尔曼滤波器(KF)的稳定收敛行为的方法，该方法估计能量存储系统(特别是电池单元(BZ))的状态和/或参数，其中，将由所述卡尔曼滤波器提供的关于所述能量存储系统的至少一个状态和/或参数的协方差行为与所述状态和/或参数的相应期望协方差行为进行比较，其中，针对所述能量存储系统的所述协方差行为超过所述相应期望协方差行为的每个状态和/或每个参数，自动将所述卡尔曼滤波器(KF)停用，其中，所述期望协方差行为具有随时间推移减小的漏斗函数TF(t)，其中，TF(t)＝a·e

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170726 EP 17183313.01.一种用于监测卡尔曼滤波器(KF)的稳定收敛行为的方法，该方法估计能量存储系统(特别是电池单元(BZ))的状态和/或参数，其中，将由所述卡尔曼滤波器提供的关于所述能量存储系统的至少一个状态和/或参数的协方差行为与所述状态和/或参数的相应期望协方差行为进行比较，其中，针对所述能量存储系统的所述协方差行为超过所述相应期望协方差行为的每个状态和/或每个参数，自动将所述卡尔曼滤波器(KF)停用，其中，所述期望协方差行为具有随时间推移减小的漏斗函数TF(t)，其中，TF(t)＝a·ebt+c具有可配置系数a、b、c。


2.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)基于形成为电池单元(BZ)的所述能量存储系统相对于所述电池单元(BZ)的至少一个电池单元特性变量BZK的特性参数行为来确定双卡尔曼滤波器(2)的形成为卡尔曼滤波器的状态估计器(2A)的噪声分量(n、v)，并且确定所述双卡尔曼滤波器(2)的形成为卡尔曼滤波器的参数估计器(2B)的噪声分量；以及
(b)基于所确定的噪声分量(n、v)，通过所述双卡尔曼滤波器(2)来使所述电池单元状态BZZ和所述电池单元参数BZP适应于形成为电池单元(BZ)的所述能量存储系统的指定电池模型(BM)。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，形成为电池单元(BZ)的所述能量存储系统的所述电池单元状态BZZ具有所述电池单元(BZ)的荷电状态SoC和所述电池单元(BZ)的扩散电压Ud，其中，所述电池单元参数BZP具有所述电池单元(BZ)的内阻Ri、所述电池单元(BZ)的额定电容Cn、所述电池单元(BZ)的扩散电阻Rd以及所述电池单元(BZ)的扩散电容CD，并且其中，所述电池单元特性变量BZK具有所述电池单元(BZ)的负载特性变量、所述电池单元(BZ)的温度T和/或所述电池单元(BZ)的老化特性变量。


4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所确定的噪声分量(n、v)具有过程噪声(v)和/或测量噪声(n)，
其中，所述过程噪声(v)包括所述电池单元状态BZZ的过程噪声(vBZZ)、和/或所述电池单元参数BZP的过程噪声(vBZP)。


5.根据前述权利要求2至4中任一项所述的方法，其中，所述双卡尔曼滤波器(2)的所述状态估计器(2A)的状态向量具有所述电池单元(BZ)的所述电池单元状态(xBZZ)，并且所述双卡尔曼滤波器(2)的所述参数估计器(2B)的状态向量具有所述电池单元(BZ)的所述电池单元参数(xBZP)，其中，基于检测到的电池单元状态BZZ和检测到的电池单元参数BZP来控制所述电池单元(BZ)的负载，
其中，由所述双卡尔曼滤波器(2)的所述状态估计器(2A)适配的所述电池单元(BZ)的所述电池单元状态BZZ和由所述双卡尔曼滤波器(2)的所述参数估计器(2B)适配的所述电池单元(BZ)的所述电池单元参数BZP被输出到控制单元(5)，用于控制连接到所述电池单元(BZ)的负载(6)，特别是电动机，和/或用于控制连接到所述电池单元(BZ)的电流源(7)。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，形成为电池单元(BZ)的所述能量存储系统的所述特性参数行为针对每个电池单元参数BZP指示其平均值μBZP和/或其相对于所述电池单元(BZ)的每个电池单元状态BZZ的方差σBZP，
其中，所存储的所述电池单元(BZ)的特性参数行为是基于通过传感器检测到的测量变量MG而确定的，所述测量变量MG包括所述电池单元(BZ)的端子电流(IKL)、端子电压(UKL)和/或温度(T)。


7....

【专利技术属性】
技术研发人员：格奥尔格·瓦尔德，
申请(专利权)人：因维诺克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE