DE102015117171B4

DE102015117171B4 - Batteriezustandsabschätzvorrichtung

Info

Publication number: DE102015117171B4
Application number: DE102015117171.6A
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Kawai; Keiichi Kato; Yuuji Koike
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2035-10-09
Also published as: US20160103184A1; US10527677B2; DE102015117171A1

Abstract

Eine Batteriezustandsabschätzvorrichtung schätzt einen Zustand einer Sekundärbatterie basierend auf einem Batteriemodell davon ab. Das Batteriemodell umfasst ein DC-Widerstandsmodell, ein Reaktionswiderstandsmodell und ein Diffusionswiderstandsmodell. Die Vorrichtung umfasst eine DC-Informationenspeichersektion, die Informationen über den DC-Widerstand bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert, eine Reaktionsinformationenspeichersektion, die Informationen über den Reaktionswiderstandsparameter bezüglich der Temperatur speichert, eine Diffusionsinformationenspeichersektion, die Informationen über sowohl den ersten als auch den zweiten Parameter bezüglich der Temperatur speichert, und eine Zustandsabschätzsektion, die den DC-Widerstand, den Reaktionswiderstandsparameter, sowie den ersten und den zweiten Parameter aus den gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur als Eingabe berechnet, und den Zustand der Sekundärbatterie basierend auf dem DC-Widerstand, dem Reaktionswiderstandsparameter, sowie dem ersten und zweiten Parameter abschätzt.

Description

HINTERGRUND
(Technisches Gebiet)
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Akkumulator- bzw. Batteriezustandsabschätzvorrichtung, die einen Zustand einer Sekundärbatterie basierend auf einem Batteriemodell der Sekundärbatterie abschätzt.
(Stand der Technik)
Wie in der JP 2012-159414 A veröffentlicht ist, ist ein Gerätetyp bekannt, der einen Batteriezustand umfassend einen nichtlinearen Bereich von Strom-Spannungs-Eigenschaften einer Sekundärbatterie basierend auf einem Batteriemodell (nachstehend als ein 1RC-Äquivalenzschaltungsmodell bezeichnet), das durch einen DC-Widerstand und eine RC-Äquivalenzschaltung konfiguriert ist, abschätzt. Insbesondere, weil die Zeitkonstante klein ist, werden ein Elektrolytwiderstand und sowohl ein Ladungstransferwiderstand als auch eine elektrische Doppelkapazität durch einen DC-Widerstand simuliert, und ein Diffusionswiderstand wird durch eine Parallelschaltung eines Widerstands R und einer Kapazität C ausgedrückt.
Gemäß dem vorstehenden Stand der Technik weist das 1RC-Äquivalenzschaltungsmodell keine Konfiguration zum Ausdrücken von Eigenschaften eines nichtlinearen Bereichs auf. Daher ist ein Filter eingestellt, um ein Signal des nichtlinearen Bereichs abzuschwächen und eine Berechnung durch Verwenden lediglich von Daten eines linearen Bereichs durchzuführen, um dem nichtlinearen Bereich zu begegnen. Es ist bekannt, dass nichtlineare Strom-Spannungs-Eigenschaften einer Sekundärbatterie dominant werden, wenn die Temperatur der Sekundärbatterie niedriger wird. Insbesondere kann in einem Bereich, in dem die Temperatur 0° oder weniger beträgt, der nichtlineare Bereich nicht ignoriert werden. Daher wird gemäß der vorstehenden Technologie die Datenmenge, die für eine Berechnung verwendet werden kann, in einem Temperaturbereich von 0° oder weniger kleiner, was die Berechnung ungenau macht. Dies verursacht die Besorgnis, dass die Genauigkeit der Zustandsabschätzung der Sekundärbatterie abnimmt. Ferner wird bezüglich des Stands der Technik auf die EP 2 618 168 B1 verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Ausführungsbeispiel stellt eine Batteriezustandsabschätzvorrichtung bereit, die einen Zustand einer Sekundärbatterie mit hoher Genauigkeit bei niedriger Temperatur abschätzen kann.
Gemäß einem Aspekt des Ausführungsbeispiels schätzt eine Batteriezustandsabschätzvorrichtung einen Zustand einer Sekundärbatterie basierend auf einem Batteriemodell der Sekundärbatterie ab. Das Batteriemodell umfasst: ein DC-Widerstandsmodell, das einen DC-Widerstand der Sekundärbatterie ausdrückt; ein Reaktionswiderstandsmodell, das einen Reaktionswiderstand der Sekundärbatterie ausdrückt und aus einer Butler-Volmer-Gleichung abgeleitet wird, und das einen Reaktionswiderstandsparameter umfasst, der mit einer Austauschstromdichte korreliert; und ein Diffusionswiderstandsmodell, das ein Äquivalenzschaltungsmodell ist, in dem eine Vielzahl von parallelen Verbindungen eines Widerstands und einer Kapazität in Reihe verbunden sind und einen Diffusionswiderstand der Sekundärbatterie ausdrückt, wobei der Diffusionswiderstand einen gemeinsamen ersten Parameter, der einen Widerstandswert von jedem der Widerstände und Kapazitätswerten von jedem der Kapazitäten bestimmt, und einen gemeinsamen zweiten Parameter, der die Kapazitätswerte von jedem der Kapazitäten bestimmt, umfasst. Die Vorrichtung umfasst: eine DC-Informationenspeichersektion, die Informationen über den DC-Widerstand bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; eine Reaktionsinformationenspeichersektion, die Informationen über den Reaktionswiderstandsparameter bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; eine Diffusionsinformationenspeichersektion, die Informationen über den ersten Parameter und den zweiten Parameter bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; und eine Zustandsabschätzsektion, die den DC-Widerstand, den Reaktionswiderstandsparameter, den ersten Parameter und den zweiten Parameter aus den in der DC-Informationenspeichersektion, der Reaktionsinformationenspeichersektion und der Diffusionsinformationenspeichersektion durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und den Zustand der Sekundärbatterie basierend auf dem berechneten DC-Widerstand, Reaktionswiderstandsparameter, ersten Parameter und zweiten Parameter abschätzt.
Figurenliste
In den anhängenden Zeichnungen gilt:

1 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Akkumulator- bzw. Batteriepacks gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
2 ist eine Blockdarstellung, die einen Prozess einer Batterie-ECU zeigt;
3 ist eine Darstellung, die ein Batteriemodell zeigt;
4 ist eine Blockdarstellung, die einen Prozess einer Batterieparameterberechnungssektion zeigt;
5 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem DC-Widerstand und der Batterietemperatur zeigt;
6 ist eine Darstellung, die eine Beziehung zwischen einem Reaktionswiderstandsparameter und der Batterietemperatur zeigt;
7 ist eine Darstellung, die eine Temperaturabhängigkeit von Strom-Spannungs-Eigenschaften eines Reaktionswiderstands zeigt;
8A und 8B sind Darstellungen, die Beziehungen zwischen ersten und zweiten Parametern und der Batterietemperatur zeigen;
9 ist eine Blockdarstellung, die einen Prozess einer Spannungsabschätzsektion zeigt;
10A und 10B sind Zeitdiagramme, die Anpassungsergebnisse der ersten und zweiten Parameter zeigen;
11 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Prozedur eines Stromabschätzprozesses zeigt;
12A, 12B und 12C sind Darstellungen, die ein Beispiel eines Aspekts einer Stromabschätzung unter Verwendung einer Suche nach einer goldenen Sektion bzw. einem goldenen Schnitt zeigen;
13A und 13B sind Zeitdiagramme, die Ergebnisse einer Stromabschätzung zeigen;
14 ist ein Zeitdiagramm, das ein Abschätzergebnis eines absoluten SOC zeigt;
15A und 15B sind Zeitdiagramme, die einen SOC-Fehlerreduktionseffekt zeigen;
16 ist eine Blockdarstellung, die einen Prozess der Batterie-ECU gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt; und
17 ist eine Blockdarstellung, die einen Prozess der Spannungsabschätzsektion einer DC-Widerstandssektion zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Nachstehend wird eine Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung beispielsweise bei einem Fahrzeug umfassend eine drehende Elektromaschine (Motorgenerator), die als eine fahrzeuginterne Traktionseinheit dient, oder einem Fahrzeug, das eine fahrzeuginterne Hilfseinheitsbatterie für beispielsweise ein Leerlaufstoppsystem verwendet, angewendet.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Batteriepack 10 eine zusammengesetzte bzw. montierte Batterie 20 und eine Batterie-ECU (elektronische Steuereinheit) 30. Die zusammengesetzte Batterie 20 ist durch eine Reihenschaltung einer Vielzahl von Akkumulator- bzw. Batteriezellen 20a konfiguriert und liefert oder empfängt elektrische Energie zu oder von einem Motorgenerator oder dergleichen, der nicht gezeigt ist. Die Batteriezellen 20a sind Sekundärbatterien. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel werden Lithiumionensekundärbatterien verwendet.
Das Batteriepack 10 umfasst Spannungssensoren 21, einen Temperatursensor 22 und einen Stromsensor 23. Die Spannungssensoren 21 sind Spannungserfassungsmittel zum Erfassen einer Spannung über die Anschlüsse von jeder der Batteriezellen 20a. Der Temperatursensor 22 ist ein Temperaturerfassungsmittel zum Erfassen der Temperatur der zusammengesetzten Batterie 20 (Batteriezellen 20a). Der Stromsensor 23 ist ein Stromerfassungsmittel zum Erfassen eines Lade- und Entladestroms, der durch die zusammengesetzte Batterie 20 fließt.
Die Batterie-ECU 30 ist als Computer umfassend eine CPU 31, einen Speicher 32 (Speichervorrichtung) und eine I/O, die nicht gezeigt ist, konfiguriert. Die Batterie-ECU 30 empfängt Erfassungswerte der Spannungssensoren 21 und des Temperatursensors 22.
Als Nächstes wird mit Bezugnahme auf 2 ein durch die Batterie-ECU 30 (CPU 31) durchgeführter Prozess beschrieben. Die Batterie-ECU 30 umfasst eine OCV-(Leerlaufspannung; „Open Circuit Voltage“) Abschätzsektion 33, eine Batterieparameterberechnungssektion 34, eine Spannungsabschätzsektion 35 für einen Diffusionsbereich, eine Stromabschätzsektion 36 und eine SOC- (Ladezustand; „State of Charge“) Abschätzsektion 37.
Die OCV-Abschätzsektion 33 berechnet eine Leerlaufspannung OCV der Batteriezellen 20a basierend auf einem absoluten SOC, der durch eine später beschriebene SOC-Abschätzsektion 37 berechnet wird. Der absolute SOC wird während der letzten Verarbeitungsperiode der Batterie-ECU 30 berechnet. Zusätzlich wird im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel die Leerlaufspannung OCV durch Verwenden eines OCV-Kennfelds berechnet, in dem ein absoluter SOC sowie eine Leerlaufspannung OCV zuvor miteinander in Bezug gebracht wurden. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist das OCV-Kennfeld im Speicher 32 gespeichert. Es sei angemerkt, dass der absolute SOC ein Verhältnis der gegenwärtigen Ladungsmenge zur Nennkapazität Ah0 der Batteriezellen 20a ist. Wenn eine entladbare Kapazität der Batteriezellen 20a als vollständige Ladungskapazität Ahf, wenn die Batteriezellen 20a bei der gegenwärtigen Temperatur von einem Zustand voller Ladung entladen werden, definiert ist, ist die Nennkapazität Ah0 der Maximalwert der vollständigen Ladungskapazität Ahf. Die Nennkapazität Ah0 hängt von der Temperatur der Batteriezellen 20a ab.
Die Batterieparameterberechnungssektion 34 und die Spannungsabschätzsektion 35 für einen Diffusionsbereich schätzen jeweils Parameter der in 3 gezeigten Batteriezellen 20a ab. 3 zeigt ein Batteriemodell, das einen Innenwiderstand und dergleichen ausdrückt. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird das Batteriemodell als eine Reihenschaltung eines DC-Widerstandsmodells, eines Reaktionswiderstandsmodells und eines Diffusionswiderstandsmodells ausgedrückt. In 3 ist Rs ein DC-Widerstand, der einen Leitungswiderstand in einer Lösung oder von Elektroden angibt, und Vs ist eine Potentialdifferenz über den DC-Widerstand Rs. ΔV ist eine Potentialdifferenz über einen Reaktionswiderstand, der eine Elektrodenschnittstellenreaktion an der positiven Elektrode und der negativen Elektrode angibt. Rw1, Rw2, Rw3 und Rw4 sind Widerstandskomponenten des Diffusionswiderstands, der eine Ionendiffusion in einem aktiven Material oder einer Lösung angibt. Cw1, Cw2, Cw3 und Cw4 sind Kapazitätskomponentenbenennungen zum Ausdrücken einer Widerstandsschwankung mit verstrichener Zeit. Vw1, Vw2, Vw3 und Vw4 sind Potentialdifferenzen über jeden Diffusionswiderstand. Der Diffusionswiderstand ist durch Verbinden einer Vielzahl von parallelen Verbindungen einer Widerstandskomponente und einer Kapazitätskomponente in Reihe konfiguriert. Die durch Verbinden der Widerstandskomponente und der Kapazitätskomponente gebildete Äquivalenzschaltung wird als eine Äquivalenzschaltung des Foster-Typs bezeichnet.
Es sei angemerkt, dass im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel das in 3 gezeigte Reaktionswiderstandsmodell lediglich durch DC-Widerstände ausgedrückt ist, und jegliche Zeitkonstante des Modells ignoriert wird. Dies liegt daran, dass im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel eine Prozessperiode der Batterie-ECU 30 (CPU 31) derart eingestellt ist, um ausreichend länger als die Zeitkonstante des Reaktionswiderstands zu sein.
Zurück zu der Erläuterung von 2 berechnet die Stromabschätzsektion 36 einen Abschätzwert (nachstehend als Abschätzstrom Iest bezeichnet) eines Lade- und Entladestroms, der durch die zusammengesetzte Batterie 20 fließt, basierend auf einer Spannung über die Anschlüsse CCV von jeder der Batteriezellen 20a, die durch den Spannungssensor 21 erfasst wird, der durch den Temperatursensor 22 erfassten Batterietemperatur Ts, der durch die OCV-Abschätzsektion 33 berechneten Leerlaufspannung OVC und jedem durch die Spannungsabschätzsektion 35 für den Diffusionsbereich berechneten Parameter. Es sei angemerkt, dass weil die Batteriezellen 20a in Reihe verbunden sind, der Abschätzstrom Iest ein gemeinsamer Lade- und Entladestrom ist, der durch jede der Batteriezellen 20a fließt.
Die SOC-Abschätzsektion 37, berechnet einen absoluten SOC und einen effektiven SOC. Der effektive SOC ist ein Verhältnis der gegenwärtigen Ladungsmenge zu der vollständigen Ladungskapazität Ahf. Die SOC-Abschätzsektion 37 berechnet den absoluten SOC [%] basierend auf einem Ausgangs-SOCO, der ein Ausgangswert des SOC ist, einem integrierten Wert der durch die Stromabschätzsektion 36 abgeschätzten Ströme von dem Zeitpunkt, wenn der absolute SOC der Ausgangs-SOCO ist, und der Nennkapazität Ah0. Insbesondere wird der absolute SOC durch den folgenden Ausdruck (eq1) berechnet. $\begin{array}{l} Absoluter SOC = \\ S O C 0 + \frac{\sum I s \cdot d t}{A h 0} \times 100 \end{array}$
Es sei angemerkt, dass der Ausgangs-SOCO beispielsweise wie folgt berechnet werden kann. Insbesondere gilt unter der Bedingung, dass ein Laden und Entladen der zusammengesetzten Batterie 20 gestoppt ist, dass eine Spannung über die Anschlüsse der Batteriezelle 20a durch den Spannungssensor 21 als die Leerlaufspannung bzw. Spannung des offenen Endes OCV erfasst wird. Anschließend wird der Ausgangs-SOCO durch Verwenden des OCV-Kennfelds durch Verwenden der erfassten Leerlaufspannung OCV als Eingabe berechnet.
Die SOC-Abschätzsektion 37 berechnet den effektiven SOC [%] basierend auf dem Ausgangs-SOCO, dem integrierten Wert der Abschätzströme Iest, die von dem Zeitpunkt, wenn der absolute SOC der Ausgangs-SOCO ist, erhalten werden, und der vollständigen Ladungskapazität Ahf. Insbesondere wird der effektive SOC durch den folgenden Ausdruck (eq2) berechnet. $\begin{array}{l} Effektiver SOC = \\ S O C 0 + \frac{\sum I s \cdot d t}{A h f} \times 100 \end{array}$
Die vollständige Ladungskapazität Ahf kann beispielsweise basierend auf der Batterietemperatur Ts oder der Batterietemperatur Ts und einem Verschleißzustand der Batteriezellen 20a berechnet werden. Wenn beispielsweise der Verschleiß der Batterie berücksichtigt wird, kann die Nennkapazität Ah0 als vollständige Ladungskapazität bei Raumtemperatur von 25°C definiert sein. Die durch die vorstehenden Verfahren berechneten absoluter SOC und effektiver SOC werden für verschiedene Berechnungen bezüglich der Batteriezellen 20a, die durch die Batterie-ECU 30 durchgeführt werden, verwendet, oder an eine höhere Steuerung (z.B. zentralisierte Fahrzeugsteuerung) über ein Kommunikationsnetzwerk wie etwa CAN oder LIN ausgegeben.
Als Nächstes werden die Batterieparameterberechnungssektion 34, die Spannungsabschätzsektion 35 und die Stromabschätzsektion 36 detailliert erläutert.
Zunächst wird die Batterieparameterberechnungssektion 34 mit Bezugnahme auf 4 erläutert.
Die Batterieparameterberechnungssektion 34 umfasst eine Rs-Berechnungssektion 34a, eine β-Berechnungssektion 34b, eine Rd-Berechnungssektion 34c, eine Widerstandskomponentenberechnungssektion 34d, eine τd-Berechnungssektion 34e und eine Kapazitätskomponenteberechnungssektion 34f.
Die Rs-Berechnungssektion 34a berechnet einen DC-Widerstand Rs basierend auf der Batterietemperatur Ts. Der Grund, warum die Batterietemperatur Ts zum Berechnen des DC-Widerstands Rs verwendet wird, ist, dass der DC-Widerstand Rs von der Temperatur der Batteriezellen 20a abhängt. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird der DC-Widerstand Rs durch Verwenden eines Rs-Kennfelds berechnet, in dem der DC-Widerstand Rs und die Batterietemperatur Ts zuvor miteinander in Bezug gebracht wurden. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel, wie in 5 gezeigt ist, wird das Rs-Kennfeld derart angepasst, dass je höher die Batterietemperatur Ts ist, desto niedriger der TC-Widerstand Rs wird. In 5 wird der DC-Widerstand Rs durch Verwenden einer Impedanzanalyseeinrichtung gemessen. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist das Rs-Kennfeld im Speicher 32 gespeichert. Es sei angemerkt, dass im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel die Rs-Berechnungssektion 34a einer DC-Informationenspeichereinrichtung (Sektion) entspricht.
Die β-Berechnungssektion 34b berechnet einen Reaktionswiderstandsparameter β, der ein Parameter bezüglich eines Reaktionswiderstands ist, basierend auf der Batterietemperatur Ts. Der Grund, warum die Batterietemperatur Ts zum Berechnen des Reaktionswiderstandsparameters β verwendet wird, ist, dass der Reaktionswiderstandsparameter β von der Temperatur der Batteriezellen 20a abhängt. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel entspricht die β-Berechnungssektion 34b einer Reaktionsinformationenspeichereinrichtung (Sektion). Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird der Reaktionswiderstandsparameter β durch Verwenden eines β-Kennfelds berechnet, in dem ein natürlicher Logarithmus 1nβ des Reaktionswiderstandsparameters β und ein Kehrwert 1/Ts der Batterietemperatur Ts (absolute Temperatur) zuvor miteinander in Bezug gebracht wurden. Nachstehend wird ein Verfahren zum Erzeugen des β-Kennfelds erläutert.
Die Butler-Volmer-Gleichung wird in der Elektrochemie durch den folgenden Ausdruck (eq3) ausgedrückt. $i = i o {exp (\frac{α_{s} n F η}{R T}) - exp (\frac{- (1 - α_{s}) n F η}{R T})}$
Im vorstehenden Ausdruck (eq3) ist i eine Stromdichte, io ist eine Austauschstromdichte, αs ist ein Übergangs- bzw. Transferkoeffizient einer Elektrodenreaktion (Oxidationsreaktion), n ist die Chargennummer, F ist die Faradaysche Konstante, η ist eine Überspannung, R ist die Gaskonstante und T ist die absolute Temperatur.
Im vorstehenden Ausdruck (eq3) wird zur Vereinfachung, angenommen, dass positive und negative Elektroden äquivalent sind (das heißt, dass die Lade- und Entladeeffizienz gleich sind), und dass a = αs = 1 - αs, der vorstehende Ausdruck (eq3) auf den folgenden Ausdruck (eq4) modifiziert. $i = i o {exp (\frac{a n F η}{R T}) - exp (\frac{- a n F η}{R T})}$
Durch Verwenden der Beziehung zwischen einer hyperbolischen Sinusfunktion und einer Exponentialfunktion wird der vorstehende Ausdruck (eq4) auf den folgenden Ausdruck (eq5) modifiziert. $i = 2 \cdot i o \cdot sinh (\frac{a n F η}{R T})$
Eine Bestimmung der Überspannung η aus dem vorstehenden Ausdruck (eq5) führt zum folgenden Ausdruck (eq6). $η = \frac{R N}{a n F} {sinh}^{- 1} (\frac{1}{2 \cdot i o} i)$
Indessen wird die Beziehung zwischen der Überspannung η und der Potentialdifferenz ΔV über einen Reaktionswiderstand als der folgenden Ausdruck (eq7) durch Verwenden einer Proportionalitätskonstanten γ ausgedrückt. Zusätzlich wird die Beziehung zwischen der Stromdichte i und dem durch die Batteriezellen fließenden Strom I durch den folgenden Ausdruck (eq8) durch Verwenden der Proportionalitätskonstanten γ ausgedrückt. $η = γ \cdot Δ V$
$i = γ \cdot I$
Ein Substituieren der vorstehenden Ausdrücke (eq7) und (eq8) in den vorstehenden Ausdruck (eq6) führt zum folgenden Ausdruck (eq9). $γ \cdot Δ V = \frac{R T}{a n F} {sinh}^{- 1} (\frac{1}{2 \cdot i o} γ \cdot I)$
Der vorstehende Ausdruck (eq9) wird in den folgenden Ausdruck (eq10) umgestellt. $Δ V = \frac{α}{γ} T \cdot {sinh}^{- 1} (β \cdot γ \cdot I)$
wobei $\begin{matrix} α = \frac{R}{a n F}, & β = \frac{1}{2 \cdot i o} \end{matrix}$
Es sei angemerkt, dass ein Substituieren der vorstehenden Ausdrücke (eq7) und (eq8) in den vorstehenden Ausdruck (eq5) zu dem folgenden Ausdruck (eq11) führt. $I = \frac{1}{γ \cdot β} sinh (\frac{γ}{α} \cdot \frac{1}{T} Δ V)$
In den vorstehenden Gleichungen (eq10) und (eq11) ist β der Reaktionswiderstandsparameter. Die vorstehenden Gleichungen (eq10) und (eq11) geben an, dass der durch die Batteriezellen fließende Lade- und Entladestrom I und die Potentialdifferenz ΔV über den Reaktionswiderstand miteinander über den Reaktionswiderstandsparameter β in Bezug gebracht werden können. Wie aus dem vorstehenden Ausdruck (eq11) ersichtlich wird, ist der aus der Butler-Volmer-Gleichung abgeleitete Reaktionswiderstandsparameter β ein Koeffizient, der die Beziehung zwischen der hyperbolischen Sinusfunktion sinh und einer abhängigen Variablen I in einer hyperbolischen Sinusfunktion, deren unabhängige Variable eine Potentialdifferenz ΔV über einen Reaktionswiderstand ist, und deren abhängige Variable ein durch die Batteriezellen fließender Strom ist, definiert.
Weil die Austauschstromdichte io von der Batterietemperatur T abhängt, hängt der Reaktionswiderstandsparameter β ebenso von der Batterietemperatur T ab. 6 zeigt ein Messergebnis der Abhängigkeit. 6 ist eine Darstellung, die den natürlichen Logarithmus des Reaktionswiderstandsparameters β und den Kehrwert der Batterietemperatur T gemäß einem Arrhenius-Plot zeigt. Insbesondere wird im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel der Reaktionswiderstandsparameter β durch den folgenden Ausdruck (eq12) basierend auf dem Messergebnis des Reaktionswiderstandsparameters β (siehe die durchgezogene Linie in 6) angepasst. $ln β = c 1 \cdot \frac{1}{T} + c 2$
Im vorstehenden Ausdruck (eq12) sind c1 und c2 Konstanten. Die β-Berechnungssektion 34b berechnet den Reaktionswiderstandsparameter β durch Verwenden des β-Kennfelds basierend auf dem vorstehenden Ausdruck (eq12). 7 zeigt eine Beziehung zwischen der Potentialdifferenz ΔV über den Reaktionswiderstand und dem Lade- und Entladestrom I in einem Fall, in dem der wie vorstehend beschrieben angepasste Reaktionswiderstandsparameter β verwendet wird. Wie durch Messwerte in 7 gezeigt ist, wenn die Temperatur der Batteriezellen niedriger ist, tendieren nichtlineare Strom-Spannungs-Eigenschaften dazu, dominant zu sein. Wie durch in 7 gezeigte adaptive Werte gezeigt ist, kann ein Verwenden des Reaktionswiderstandsparameters β die Tendenz akkurat darstellen.
In dem vorstehenden Ausdruck (eq12) wird eine Anpassung durch einen primären Ausdruck eines Kehrwerts der Batterietemperatur T durchgeführt. Jedoch, wie im folgenden Ausdruck (eq13) gezeigt ist, kann eine Anpassung durch einen primären Ausdruck der Batterietemperatur T gemacht werden. $ln β = d 1 \cdot T + d 2$
Im vorstehenden Ausdruck (eq13) sind d1 und d2 Konstanten. In beiden Fällen des vorstehenden Ausdrucks (eq12) als auch dem vorstehenden Ausdruck (eq13) können nichtlineare Eigenschaften bei niedriger Temperatur durch den Reaktionswiderstandsparameter β dargestellt werden.
Zurück zu der Erläuterung von 4 berechnen die Rd-Berechnungssektion 34c, die Widerstandskomponentenberechnungssektion 34d, die τd-Berechnungssektion 34e und die Kapazitätskomponentenberechnungssektion 34f Parameter bezüglich eines Diffusionswiderstands. Nachstehend, nachdem die Parameter bezüglich des Diffusionswiderstands erläutert wurden, werden Prozesse der Berechnungssektionen 34c, 34d, 34e und 34f erläutert. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel entsprechen die Rd-Berechnungssektion 34c und die τd-Berechnungssektion 34e einer Diffusionsinformationenspeichereinrichtung (Sektion).
Basierend auf einer Diffusionsgleichung der Elektrochemie wird die Warburg-Impedanz Z bezüglich des Diffusionswiderstands hergeleitet. Die Impedanz Z wird durch den folgenden Ausdruck (eq14) ausgedrückt. $Z = \frac{Δ ν}{Δ i} = \frac{\frac{R T}{n F} \cdot \frac{Δ C |_{x = 0}}{C o}}{- n F D {\frac{\partial Δ C}{\partial x} |}_{x = 0}}$
Im vorstehenden Ausdruck (eq14) basiert der Zähler auf der Nernst-Gleichung, die darstellt, dass eine elektromotive Kraft proportional zu einem natürlichen Logarithmus einer Oberflächenkonzentration einer Substanz ist. Im Zähler ist Co eine mittlere bzw. Durchschnittskonzentration, ΔC ist eine Konzentrationsänderung bezüglich der Durchschnittskonzentration Co und × ist eine Distanz von der Elektrode. Der Nenner basiert auf dem ersten Fick'schen Gesetz, das darstellt, dass die Menge einer durch eine Einheitsfläche durchlaufenden Substanz pro Zeiteinheit proportional zu einem Konzentrationsgradienten verläuft. Im Nenner ist D ein Diffusionskoeffizient.
Der vorstehende Ausdruck (eq14) wird in den folgenden Ausdruck (eq15) umgestellt. $Z = \frac{R T}{n^{2} F^{2} D C o} \cdot \frac{Δ C |_{x = 0}}{- {\frac{\partial Δ C}{\partial x} |}_{x = 0}}$
In einem Fall, in dem an die Elektrode eine AC-Spannung angelegt wird, wird angenommen, dass wenn sich die Spannung in der Form einer sinusförmigen Welle ändert, sich die Konzentration ebenso in der Form einer sinusförmigen Welle ändert. In diesem Fall wird die Konzentrationsänderung ΔC durch den folgenden Ausdruck (eq16) durch Verwenden eines imaginären j und einer Winkelgeschwindigkeit ω ausgedrückt. $\begin{matrix} Δ ν = | Δ ν | exp (j ω t), & Δ C = | Δ C | exp (j ω t) \end{matrix}$
Im vorstehenden Ausdruck (eq16) sind |ΔV| und |ΔC| komplexe Amplitude. Das zweite Fick'sche Gesetz wird durch den folgenden Ausdruck (eq17) ausgedrückt. $\frac{\partial Δ C}{\partial t} = \frac{\partial^{2} Δ C}{\partial x^{2}}$
Die linke Seite des vorstehenden Ausdrucks (eq17) ist ein Zeitdifferentialwert, und wird dadurch jωΔC. Daher wird eine allgemeine Lösung des vorstehenden Ausdrucks (eq17) durch den folgenden Ausdruck (eq18) durch Verwenden von Konstanten k1 und k2 ausgedrückt. $Δ C = k 1 \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D} x}) + k 2 \cdot exp (- \sqrt{\frac{j ω}{D} x})$
L ist als eine Diffusionslänge definiert. Unter der Bedingung, dass die Konzentrationsänderung ΔC 0 beträgt, wenn x = L, wird der vorstehende Ausdruck (eq18) auf den folgenden Ausdruck (eq19) modifiziert. $\begin{matrix} 0 = k 1 \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D} L}) + k 2 \cdot exp (- \sqrt{\frac{j ω}{D} L}) \\ \to k 2 = - k 1 \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D} 2 L}) \end{matrix}$
Daher wird die Konzentrationsänderung ΔC durch den folgenden Ausdruck (eq20) ausgedrückt. $\begin{matrix} Δ C = k 1 \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D} x}) - k 1 \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D} 2 L}) \cdot exp (- \sqrt{\frac{j ω}{D} x}) \\ = k 1 \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D} L}) {exp (\sqrt{\frac{j ω}{D}} (x - L)) - exp (- \sqrt{\frac{j ω}{D}} (x - L)} \\ = 2 \cdot k 1 \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D}} L) \cdot sinh (\sqrt{\frac{j ω}{D}} (x - L)) = k \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D}} L) \cdot sinh (\sqrt{\frac{j ω}{D}} (x - L) \end{matrix}$
Ein partielles Differenzieren des vorstehenden Ausdrucks (eq20) nach x führt zu dem folgenden Ausdruck (eq21). $\frac{\partial Δ C}{\partial x} = \sqrt{\frac{j ω}{D}} \cdot k \cdot exp (\sqrt{\frac{j ω}{D}} L) \cdot cosh (\sqrt{\frac{j ω}{D}} (x - L))$
Ein Substituieren der vorstehenden Ausdrücke (eq20) und (eq21) in den vorstehenden Ausdruck (eq15) wird zum folgenden Ausdruck (eq22), der ein Teil des vorstehenden Ausdrucks (eq15) ist. $\frac{Δ C |_{x = 0}}{- {\frac{\partial Δ C}{\partial x} |}_{x = 0}} = \frac{k \cdot sinh (- \sqrt{\frac{j ω}{D}} L)}{- \sqrt{\frac{j ω}{D}} \cdot k \cdot cosh (- \sqrt{\frac{j ω}{D}} L)} = \sqrt{\frac{D}{j ω}} \cdot tanh (\sqrt{\frac{j ω}{D}} L)$
Daher kann die Warburg-Impedanz Z des vorstehenden Ausdrucks (eq15) durch den folgenden Ausdruck (eq22) durch Verwenden eines Laplace-Operanden s (= j × ω) ausgedrückt werden. $\begin{matrix} Z = \frac{R T}{n^{2} F^{2} D C o} \cdot \sqrt{\frac{D}{j ω}} tanh (\sqrt{\frac{j ω}{D}} L) = \frac{R T L}{n^{2} F^{2} D C o} \cdot \frac{1}{\sqrt{\frac{L^{2}}{D}} s} tanh (\sqrt{\frac{L^{2}}{D}} s) \\ = \frac{R d}{\sqrt{τ d \cdot s}} tanh (\sqrt{τ d \cdot s}) \end{matrix}$
wobei $\begin{matrix} R d = \frac{R T}{n^{2} F^{2} D C o}, & τ d = \frac{L^{2}}{D} \end{matrix}$
Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird Rd als ein erster Parameter bezeichnet und τd wird als ein zweiter Parameter bezeichnet. Der Diffusionskoeffizient D wird durch den folgenden Ausdruck (eq24) ausgedrückt. $D = D o \cdot exp (- \frac{E}{R T})$
Im vorstehenden Ausdruck (eq24) ist Do eine Konstante, die nicht von der Temperatur abhängt und E ist eine Aktivierungsenergie. Durch Verwenden des vorstehenden Ausdrucks (eq24) können der erste und der zweite Parameter Rd und τd durch den folgenden Ausdruck (eq25) ausgedrückt werden. $\begin{matrix} R d = \frac{R T L}{n^{2} F^{2} C o} \cdot \frac{1}{D o} exp (\frac{E}{R T}), & τ d = \frac{L^{2}}{D o} exp (\frac{E}{R T}) \end{matrix}$
Der vorstehende Ausdruck (eq25) stellt dar, dass der erste und der zweite Parameter Rd und τd von der Temperatur T abhängen. Ein Feststellen des natürlichen Logarithmus des vorstehenden Ausdrucks (eq25) führt zum folgenden Ausdruck (eq26). $\begin{matrix} I n (R d) = \frac{E}{R} \cdot \frac{1}{T} + I n (\frac{R T L}{n^{2} F^{2} C o} \cdot \frac{1}{D o}), & I n (τ d) = \frac{E}{R} \cdot \frac{1}{T} + I n (\frac{L^{2}}{D o}) \end{matrix}$
8A und 8B zeigen Messergebnisse, die darstellen, dass der erste und der zweite Parameter Rd und τd Temperaturabhängigkeiten aufweisen. 8A und 8B sind Darstellungen, die Beziehungen zwischen den natürlichen Logarithmen des ersten und des zweiten Parameters Rd und τd sowie einen Kehrwert der Batterietemperatur T gemäß einem Arrhenius-Plot zeigen. Die Temperaturabhängigkeiten des ersten und des zweiten Parameters Rd und τd stimmen mit der Tendenz der Temperaturabhängigkeit einer theoretischen Formel überein. Daher wird im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel jeder der Parameter Rd und τd basierend auf dem Messergebnis der Parameter Rd und τd durch einen primären Ausdruck eines Kehrwerts der Batterietemperatur T, wie in den in den 8A und 8B gezeigten durchgezogenen Linien gezeigt ist, angepasst. Gemäß dem Anpassungsergebnis werden ein Rd-Kennfeld und ein τd-Kennfeld erzeugt.
Zurück zu der Erläuterung von 4 verwendet die Rd-Berechnungssektion 34c das Rd-Kennfeld basierend auf dem vorstehenden Ausdruck (eq26), um den ersten Parameter Rd zu berechnen. Das Rd-Kennfeld ist im Speicher 32 gespeichert. Die τd-Berechnungssektion 34e berechnet den zweiten Parameter τd durch Verwenden des τd-Kennfelds basierend auf dem vorstehenden Ausdruck (eq26). Das τd-Kennfeld ist im Speicher 32 gespeichert.
Die Widerstandskomponentenberechnungssektion 34d berechnet Widerstandswerte Rw1 bis Rw4 des ersten bis vierten Widerstands, die den Diffusionswiderstand konfigurieren, durch den folgenden Ausdruck (eq27) basierend auf dem ersten Parameter Rd. $R w m = \frac{8 \cdot R d}{{(2 m - 1)}^{2} π^{2}}$
Im vorstehenden Ausdruck (eq27) ist m eine positive Ganzzahl (im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel, m = 1, 2, 3, 4). Die Kapazitätskomponentenberechnungssektion 34f berechnet Kapazitäten Cw1 bis Cw4 des ersten bis vierten Kondensators, die den Diffusionswiderstand konfigurieren, durch den folgenden Ausdruck (eq28) basierend auf dem ersten und dem zweiten Parameter Rd und τd. $C w m = \frac{τ d}{2 \cdot R d}$
Der Widerstandswert Rwm des m-ten Widerstands und die Kapazität Cwm des m-ten Kondensators können durch die vorstehenden Ausdrücke (eq27) und (eq28) basierend auf den Ergebnissen von Forschungen von Äquivalenzschaltungen, die mit der durch den vorstehenden Ausdruck (eq23) ausgedrückten Warburg-Impedanz übereinstimmen, und dem Gesetz von Konstanten einer Reihe von Äquivalenzschaltungen, die äquivalent zu der Warburg-Impedanz sind, basierend auf der Literatur und dergleichen, berechnet werden. Insbesondere gilt gemäß der Äquivalenzschaltung des Foster-Typs, dass wenn die Warburg-Impedanz durch den folgenden Ausdruck (eq29) ausgedrückt wird, der Widerstandswert Rwm des m-ten Widerstands der Äquivalenzschaltung des Foster-Typs und die Kapazität Cwm der m-ten Kapazität durch die folgenden Ausdrücke (eq30) und (eq31) ausgedrückt werden. $Z w (s) = \frac{q 2}{\sqrt{s}} tanh (\frac{q 1}{q 2} \sqrt{s})$
$R w m = \frac{8 \cdot q 1}{{(2 m - 1)}^{2} π^{2}}$
$C w m = \frac{q 1}{2 \cdot q 2^{2}}$
Durch Vergleichen der vorstehenden Ausdrücke (eq29) und (eq23) miteinander werden q1 und q2 des vorstehenden Ausdrucks (eq29) bestimmt. Als ein Ergebnis werden der erste und der zweite Parameter Rd und τd wie durch die vorstehenden Ausdrücke (eq27) und (eq28) gezeigt angeführt. Es sei angemerkt, dass die vorstehende Literatur "Modelling Ni-mH battery using Causer and Foster structures. E.Kuhn et al. JOURNAL of Power Sources 158 (2006)" umfasst.
Als Nächstes wird mit Bezugnahme auf 9 die Spannungsabschätzsektion 35 für den Diffusionsbereich beschrieben.
Die Spannungsabschätzsektion 35 für den Diffusionsbereich umfasst eine erste, zweite, dritte und vierte Spannungsberechnungssektion 35a, 35b, 35c und 35d. Die erste Spannungsberechnungssektion 35a berechnet die erste Potentialdifferenz Vw1 des Diffusionswiderstands basierend auf dem durch die Stromabschätzsektion 36 berechneten Abschätzstrom Iest, dem durch die Batterieparameterberechnungssektion 34 berechneten Widerstandswert Rw1 und der Kapazität Cw1. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird die erste Potentialdifferenz Vw1 basierend auf einem durch Diskretisieren einer Transferfunktion, die eine Parallelschaltung eines Widerstands und eines Kondensators darstellt und ein Reaktionswiderstandsmodell konfiguriert, erhaltenen Ausdruck berechnet. Insbesondere wird die erste Potentialdifferenz Vw1 durch den folgenden Ausdruck (eq32) durch Erhalten der ersten Potentialdifferenz Vw1 und des während der vorhergehenden bzw. letzten Verarbeitungsperiode berechneten Abschätzstroms Iest sowie des während der gegenwärtigen Verarbeitungsperiode berechneten Abschätzstroms Iest berechnet. $V w 1 (t) = a 1 \cdot V w 1 (t - 1) + b 1 \cdot I e s t (t) + b 1 \cdot I e s t (t - 1)$
wobei $\begin{matrix} a 1 = \frac{Δ T - 2 \cdot R w 1 \cdot C w 1}{Δ T + 2 \cdot R w 1 \cdot C w 1}, & b 1 = \frac{Δ T \cdot R w 1}{Δ T + 2 \cdot R w 1 \cdot C w 1} \end{matrix}$
Im vorstehenden Ausdruck (eq32) ist ΔT eine Verarbeitungsperiode. Es sei angemerkt, dass die zweite, dritte und die vierte Spannungsberechnungssektion 35b, 35c und 35d ebenso, wie im Fall der ersten Spannungsberechnungssektion 35a, die zweite, dritte und die vierte Potentialdifferenz Vw2, Vw3 und Vw4 basierend auf den Widerstandswerten Rw2, Rw3 und Rw4 sowie den Kapazitäten Cw2, Cw3 und Cw4 berechnen.
Eine Additionssektion 35e berechnet eine Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vw als einen Additionswert der Potentialdifferenzen Vw1 bis Vw4, die durch die Spannungsberechnungssektionen 35a bis 35d berechnet werden. Die 10A und 10B zeigen, dass die Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt mit größter Genauigkeit durch den ersten und den zweiten Parameter Rd und τd berechnet werden kann. Es sei angemerkt, dass in 10 Übergänge der Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt in Fällen, in denen die Parameter Rd und τd von adaptiven Werten davon erhöht oder verringert sind, ebenso gezeigt sind.
Als Nächstes wird mit Bezugnahme auf 11 der Prozess der Stromabschätzsektion 36 beschrieben. 11 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Prozedur des Stromabschätzprozesses basierend auf einem Verfahren gemäß dem Goldenen Schnitt (GSM-Verfahren) zeigt. Dieser Prozess wird wiederholt beispielsweise zu vorbestimmten Intervallen durch die Stromabschätzsektion 36 (CPU 31) durchgeführt.
In dem Prozess setzt die Stromabschätzsektion 36 in Schritt S10 den Wert eines Zählers CNT auf 0. Im darauffolgenden Schritt S11 berechnet die Stromabschätzsektion 36 eine Sollspannung Vtgt durch Verwenden des folgenden Ausdrucks (eq33). $V t g t = V s + Δ V = C C V (t) - O C V (t) - V w t (t - 1)$
Im vorstehenden Ausdruck (eq33) werden die während der gegenwärtigen Verarbeitungsperiode erfasste Spannung über die Anschlüsse CCV (t), die während der gegenwärtigen Verarbeitungsperiode durch die OCV-Abschätzsektion 33 berechnete Leerlaufspannung OCV (t) und die während der letzten bzw. vorhergehenden Verarbeitungsperiode durch die Spannungsabschätzsektion 35 für einen Diffusionsbereich berechnete Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt (t-1) verwendet. Die Sollspannung Vgt entspricht einem zusätzlichen Wert der Potentialdifferenz Vs über den DC-Widerstand Rs und der Potentialdifferenz ΔV über den Reaktionswiderstand.
Es sei angemerkt, dass bei iterativen Prozessen des Verfahrens gemäß dem Goldenen Schnitt, wenn jede der Potentialdifferenzen Vw1 bis Vw4 der Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt berechnet werden, eine Berechnungslast in der Batterie-ECU 30 signifikant ansteigt. Um diese Situation zu verhindern, wird im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel unter der Bedingung, dass das Änderungsausmaß der Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt während einer Verarbeitungsperiode im Wesentlichen 0 ist, weil sich die Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt langsam ändert, der Wert während der vergangenen bzw. letzten Verarbeitungsperiode als die Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt verwendet wird, und die Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt wird nicht in iterativen Prozessen berechnet.
Im darauffolgenden Schritt S12 berechnet die Stromabschätzsektion 36 vier erste Evaluierungsfehler VerrA, VerrB, VerrC und VerrD, die in dem folgenden Ausdruck (eq34) gezeigt sind, basierend auf der Sollspannung Vtgt, dem DC-Widerstand Rs, der Batterietemperatur Ts und dem Reaktionswiderstandsparameter β. Bei Berechnen der ersten Evaluierungsfehler werden Werte in einem Intervall [IA, ID] umfassend den Minimalwert einer Zielfunktion und eines goldenen Verhältnisses r verwendet, um IC und ID als Punkte zu berechnen, die intern das Intervall bei dem goldenen Verhältnis r aufteilen. Insbesondere ist im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel IA auf den maximalen Ladestromwert (z.B. 300A) der Batteriezellen 20a eingestellt, und ID ist auf den maximalen Entladestromwert (z.B. -300A) der Batteriezellen 20a eingestellt. Insbesondere sind im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel die Absolutwerte von IA Und ID gleich. IB ist ein Wert (z.B. 70,82A) entsprechend dem goldenen Verhältnis r und IC ist ein Wert (z.B. -70,82A) entsprechend dem goldenen Verhältnis r. $\begin{array}{l} V e r r A = V t g t - {R s \cdot I A + \frac{α}{γ} T s \cdot {sinh}^{- 1} (β \cdot γ \cdot I A} \\ V e r r B = V t g t - {R s \cdot I B + \frac{α}{γ} T s \cdot {sinh}^{- 1} (β \cdot γ \cdot I B} \\ V e r r C = V t g t - {R s \cdot I C + \frac{α}{γ} T s \cdot {sinh}^{- 1} (β \cdot γ \cdot I C} \\ V e r r D = V t g t - {R s \cdot I D + \frac{α}{γ} T s \cdot {sinh}^{- 1} (β \cdot γ \cdot I D} \end{array}}$
Als Nächstes, in Schritt S13, bestimmt die Stromabschätzsektion 36, ob der Absolutwert des zweiten Evaluierungsfehlers VerrB kleiner als der absolute Wert des dritten Evaluierungsfehlers VerrC ist. Wenn in Schritt S13 bestimmt wird, dass dieser kleiner ist (z.B. in einem in 12A veranschaulichten Fall), fährt der Prozess zu Schritt S14 fort, in dem die Stromabschätzsektion 36 einen neuen Evaluierungspunkt durch Verwenden des folgenden Ausdrucks (eq35) berechnet. $I X = I A - (I A - I C) \times b$
Im vorstehenden Ausdruck (eq35) beträgt die Konstante b b ≈ 0,381. 12B veranschaulicht einen neuen Evaluierungspunkt IX. Es sei angemerkt, dass in 12B a = 1 gilt.
Wenn indessen in Schritt S13 eine negative Bestimmung getroffen wird, fährt der Prozess zu Schritt S15 fort, in dem die Stromabschätzsektion 36 einen neuen Evaluierungspunkt durch Verwenden des folgenden Ausdrucks (eq36) berechnet. $I X = I D + (I B - I C) \times b$
Nachdem die Prozesse der Schritte S14 und S15 abgeschlossen sind, fährt der Prozess zu Schritt S16 fort, in dem ein neuer Evaluierungsfehler VerrX durch Verwenden des folgenden Ausdrucks (eq37) berechnet wird. $V e r r X = V t g t - {R s \cdot I X + \frac{α}{γ} T s \cdot {sinh}^{- 1} (β \cdot γ \cdot I X)}$
Im anschließenden Schritt S17 bestimmt die Stromabschätzsektion 36, ob der Absolutwert des zweiten Abschätzfehlers VerrB kleiner ist als der Absolutwert des dritten Abschätzfehlers VerrC. Wenn in Schritt S17 bestimmt wird, dass dieser kleiner ist, fährt der Prozess zu Schritt S18 fort, in dem der Evaluierungspunktpunkt und der Evaluierungsfehler aktualisiert werden. Insbesondere wird der zweite Evaluierungspunkt auf IX gesetzt, der dritte Evaluierungspunkt wird auf IB gesetzt und der vierte Evaluierungspunkt wird auf IC gesetzt. Zusätzlich wird der zweite Evaluierungsfehler auf VerrX gesetzt, der dritte Evaluierungsfehler auf VerrB gesetzt und der vierte Evaluierungsfehler wird auf VerrC gesetzt. In diesem Fall werden der erste Evaluierungspunkt IA und der erste Evaluierungsfehler VerrA nicht aktualisiert. Es sei angemerkt, dass eine Aktualisierungsweise in Schritt S18 in 12C veranschaulicht ist.
Wenn in Schritt S17 eine negative Bestimmung getroffen wird, fährt der Prozess zu Schritt S19 fort, in dem die Stromabschätzsektion 36 den Evaluierungspunkt und den Evaluierungsfehler aktualisiert. Insbesondere wird der erste Evaluierungspunkt auf IB gesetzt, der zweite Evaluierungspunkt wird auf IC gesetzt und der dritte Evaluierungspunkt wird auf IX gesetzt. Zusätzlich wird der erste Evaluierungsfehler auf VerrB gesetzt, der zweite Evaluierungsfehler wird auf VerrC gesetzt und der dritte Evaluierungsfehler wird auf VerrX gesetzt. In diesem Fall werden der vierte Evaluierungspunkt ID und der vierte Evaluierungsfehler VerrD nicht aktualisiert.
Nachdem die Prozesse der Schritte S18 und S19 abgeschlossen sind, fährt der Prozess zu Schritt S20 fort, wobei die Stromabschätzsektion 36 bestimmt, ob der Wert des Zählers CNT gleich oder höher einen spezifischen Wert Nα (z.B. 19) ist oder nicht. Wenn in Schritt S20 eine negative Bestimmung getroffen wird, inkrementiert in Schritt S21 die Stromabschätzsektion 36 den Zähler CNT um eins, anschließend kehrt der Prozess zu Schritt 13 zurück.
Wenn in Schritt S20 eine positive Bestimmung getroffen wird, fährt der Prozess zu Schritt S22 fort, in dem die Stromabschätzsektion 36 einen Abschätzstrom Iest berechnet. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird der Evaluierungspunkt, der dem kleinsten Absolutwert des Evaluierungsfehlers unter den Absolutwerten |VerrA| bis |VerrD| der ersten bis vierten Evaluierungsfehler entspricht, als ein Abschätzstrom Iest (t) berechnet. Es sei angemerkt, dass eine Impedanz des Diffusionswiderstands durch Teilen der Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt durch den berechneten Abschätzstrom Iest berechnet werden kann.
Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird der Abschätzstrom Iest durch Verwenden des Verfahrens gemäß dem Goldenen Schnitt berechnet, weil der Reaktionswiderstand eine Stromabhängigkeit aufweist. Das heißt, dass in einem Zustand, in dem ein Lade- und Entladestrom unbekannt ist, ein Reaktionswiderstand nicht berechnet werden kann. Dadurch kann der Abschätzstrom nicht unter Verwenden des Ohmschen Gesetzes berechnet werden. Demzufolge wird der Abschätzstrom Iest durch Suchen eines Evaluierungspunkts, an dem der Evaluierungsfehler ein Wert nahe einer Sollspannung ist, durch Ändern eines Lade- und Entladestromwerts berechnet. Es sei angemerkt, dass bei der Berechnung des Abschätzstroms Iest nicht nur das vorstehend beschriebene Verfahren des Goldenen Schnittes, sondern ebenso andere Suchverfahren wie etwa ein Bisektionsverfahren verwendet werden kann.
Als Nächstes werden Vorteile des gegenwärtigen Ausführungsbeispiels beschrieben.
Zunächst, mit Bezugnahme auf die 13A und 13B, wird die Genauigkeit der Stromabschätzung bei einer niedrigen Temperatur von -15°C beschrieben. In den 13A und 13B stellt der Stand der Technik einen DC-Widerstand und einen Reaktionswiderstand eines Batteriemodells als einen DC-Widerstand dar und stellt einen Diffusionswidertand durch eine Äquivalenzschaltung dar, die durch eine Parallelverbindung eines Widerstands und einer Kapazität konfiguriert ist. Bei niedriger Temperatur weisen Batterien nichtlineare Eigenschaften auf. Daher, wie in den 13A und 13B gezeigt ist, kann gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel der Lade- und Entladestrom, der durch die Batteriezellen 20a fließt, mit hoher Genauigkeit als im Vergleich zum Stand der Technik, in dem nichtlineare Eigenschaften nicht berücksichtigt werden, abgeschätzt werden.
Als Nächstes wird mit Bezugnahme auf 14 eine Genauigkeit des Abschätzens des absoluten SOC beschrieben. In 14 ist der Stand der Technik eine Technologie zum Berechnen des absoluten SOC basierend auf einem integrierten Wert von Lade- und Entladeströmen, die durch den Stromsensor erfasst werden.
Wie in 14 gezeigt ist, gemäß dem Stand der Technik, weil Erfassungsfehler des Stromsensors akkumuliert werden, weicht der absolute SOC basierend auf dem Wert des Integrals des Erfassungswerts des Stromsensors von dem wahren Wert im Laufe der Zeit ab. Im Gegensatz dazu kann gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel, ohne den Einfluss des Erfassungsfehlers, der absolute SOC mit hoher Genauigkeit als im Vergleich mit dem Stand der Technik abgeschätzt werden.
Als Nächstes, mit Bezugnahme auf 15, wird die Genauigkeit des Abschätzens des absoluten SOC weiterhin erläutert. 15 zeigt, dass gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel, auch wenn ein Fehler in dem ersten SOC0 erzeugt wird, der Fehler reduziert werden kann. Dies liegt daran, weil eine Rückkopplung des durch die SOC-Abschätzsektion 37 abgeschätzten absoluten SOC zu der OCV-Abschätzsektion 33 einen Fehler des Abschätzstroms Iest in jener Richtung erzeugt, in der der Fehler des absoluten SOC reduziert wird. Daher nähert sich in 15 der Fehler des absoluten SOC einem Wert nahe 0 an.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen gegenwärtigen Ausführungsbeispiel können die folgenden Vorteile erhalten werden.
(1) Das Reaktionswiderstandsmodell umfassend den Reaktionswiderstandsparameter β wird zum Berechnen des Abschätzstroms Iest verwendet. Gemäß der Konfiguration können nichtlineare Strom-Spannungs-Eigenschaften bei niedriger Temperatur mit hoher Genauigkeit ausgedrückt werden. Daher können ein Lade- und Entladestrom der Batteriezellen 20a und ein SOC mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden.
Zusätzlich wird ein natürlicher Logarithmus des Reaktionswiderstandsparameters β in einer Form eines primären Ausdrucks für die Batterietemperatur Ts angepasst. Daher kann ein Erzeugen des β-Kennfelds vereinfacht werden.
(2) Das Diffusionswiderstandsmodell durch Verwenden des ersten und zweiten Parameters Rd und τd wird zum Berechnen des Abschätzstroms Iest verwendet. Gemäß der Konfiguration können Batterieeigenschaften bezüglich des Diffusionswiderstands durch den ersten und den zweiten Parameter Rd und τd mit hoher Genauigkeit ausgedrückt werden. Daher kann ein Lade- und Entladestrom der Batteriezellen 20a mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden.
Zusätzlich werden die natürlichen Logarithmen des ersten und des zweiten Parameters Rd und τd in einer Form eines primären Ausdrucks für die Batterietemperatur Ts angepasst. Daher kann ein Erzeugen der Rd- und τd-Kennfelder vereinfacht werden.
(3) Der Abschätzstrom Iest wird durch das Verfahren des Goldenen Schnitts berechnet. Daher, auch wenn der Reaktionswiderstand eine Stromabhängigkeit aufweist, kann der Abschätzstrom Iest genau berechnet werden.
(4) Der absolute SOC wird basierend auf dem integrierten Wert der Abschätzströme Iest berechnet. Daher, auch wenn ein Fehler temporär in dem Abschätzstrom Iest aufgrund eines Einflusses einer Störung oder dergleichen verursacht wird, kann der Einfluss der Störung oder dergleichen, die einen Einfluss auf die Genauigkeit der Berechnung des absoluten SOC hat, unterbunden werden. Zusätzlich kann der absolute SOC, der nicht von dem Erfassungsfehler des Stromsensors abhängt, berechnet werden.
(5) Der absolute SOC, der basierend auf dem integrierten Wert des Abschätzstroms Iests berechnet wird, wird als ein Eingangswert der OCV-Abschätzsektion 33 rückgekoppelt. Gemäß der Konfiguration, auch wenn ein Fehler in der Ausgangs-SOCO verursacht wird, kann der Fehler reduziert werden. Daher kann der SOC mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Nachstehend wird das zweite Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei der Fokus auf den Unterschieden zum ersten Ausführungsbeispiel liegt. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist der durch die Batterie-ECU 30 durchgeführte Prozess modifiziert.
Der durch die Batterie-ECU 30 durchgeführte Prozess wird mit Bezugnahme auf 16 beschrieben. Es sei angemerkt, dass in 16 die gleichen Prozesse wie jene, die in 2 gezeigt sind, aus praktischen Gründen mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Die Batterie-ECU 30 umfasst die Batterieparameterberechnungssektion 34, die Spannungsabschätzsektion 35 für einen Diffusionsbereich, eine Spannungsabschätzsektion 38 für eine DC-Widerstandssektion, eine OCV-Berechnungssektion 39, eine SOC-Konvertierungssektion 40, eine SOC-Korrekturumfangsberechnungssektion 41 und eine SOC-Abschätzsektion 42.
Die Spannungsabschätzsektion 35 berechnet die Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt basierend auf den Parametern Rw1, Rw2, Rw3, Rw4, Cw1, Cw2, Cw3, Cw4, die durch die Batterieparameterberechnungssektion 34 berechnet werden, und dem Strom (nachstehend als Erfassungsstrom Is bezeichnet), der durch den Stromsensor 23 erfasst wird. Es sei angemerkt, dass die Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt durch Ändern des Abschätzstroms Iest auf den Erfassungsstrom Is in der in 9 gezeigten Blockdarstellung berechnet wird.
Die Spannungsabschätzsektion 38 berechnet die Potentialdifferenz Vs über den DC-Widerstand Rs und die Potentialdifferenz ΔV über den Reaktionswiderstand basierend auf dem DC-Widerstand Rs und dem Reaktionswiderstandsparameter β, der durch die Batterieparameterberechnungssektion 34 berechnet wird, der Batterietemperatur Ts und dem Erfassungsstrom Is. Insbesondere, wie in 17 gezeigt ist, berechnet eine Vs-Berechnungssektion 38a die Potentialdifferenz Vs über einen DC-Widerstand als einen Wert, der durch Multiplizieren des DC-Widerstands Rs mit dem Erfassungsstrom Is erhalten wird. Eine ΔV-Berechnungssektion 38b empfängt den Erfassungsstrom Is, die Batterietemperatur Ts und den Reaktionswiderstandsparameter β, um die Potentialdifferenz ΔV über den Reaktionswiderstand durch Verwenden des vorstehenden Ausdrucks (eq10) zu berechnen.
Zurück zu der Erläuterung von 16 empfängt die OCV-Berechnungssektion 39 die Diffusionswiderstandspotentialdifferenz Vwt, die durch die Spannungsabschätzsektion 35 berechnet wird, die Potentialdifferenzen Vs und ΔV, die durch die Spannungsabschätzsektion 38 berechnet werden, und die Spannung über die Anschlüsse CCV von jeder der Batteriezellen 20a, um die Leerlaufspannung OCV durch Verwenden des nachfolgenden Ausdrucks (eq38) zu berechnen. $O C V (t) = C C V (t) - V s (t) - Δ V (t) - V w t (t)$
Die SOC-Konvertierungssektion 40 berechnet einen ersten absoluten SOC1 basierend auf der Leerlaufspannung OCV, die durch die OCV-Berechnungssektion 39 berechnet wird. Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird der erste absolute SOC1 durch Verwenden eines Kennfelds berechnet, in dem die Leerlaufspannung OCV und der erste absolute SOC1 zuvor miteinander in Bezug gebracht wurden.
Die SOC-Korrekturumfangsberechnungssektion 41 berechnet einen Korrekturumfang ΔSOC basierend auf dem ersten absoluten SOC1, der durch die SOC-Konvertierungssektion 40 berechnet wird, und einem zweiten absoluten SOC2, der durch eine später beschriebene SOC-Abschätzsektion 42 berechnet wird. Der Korrekturumfang ΔSOC wird derart berechnet, dass die Abweichung zwischen dem zweiten absoluten SOC2 und dem ersten absoluten SOC1 0 wird. Das Korrekturausmaß ΔSOC kann beispielsweise durch eine proportional-integrale Regelung basierend auf der Abweichung zwischen dem ersten absoluten SOC1 und dem zweiten absoluten SOC2 berechnet werden.
Die SOC-Abschätzsektion 42 berechnet den zweiten absoluten SOC2 durch Verwenden des nachfolgenden Ausdrucks (eq39) basierend auf dem Erfassungsstrom Is, dem Ausgangs-SOCO, der Nennkapazität Ah0 und dem Korrekturausmaß ΔSOC. $\begin{array}{l} Zweiter absoluter SOC2 = \\ S O C 0 + \frac{\sum I s \cdot d t + Δ S O C}{A h 0} \times 100 \end{array}$
Zusätzlich berechnet die SOC-Abschätzsektion 42 den effektiven SOC durch Verwenden des nachfolgenden Ausdrucks (eq40) basierend auf dem Erfassungsstrom Is, dem Ausgangs-SOCO, der vollständigen Ladungskapazität Ahf und den Korrekturausmaßen ΔSOC. $\begin{array}{l} Effectiver SOC = \\ S O C 0 + \frac{\sum I s \cdot d t + Δ S O C}{A h f} \times 100 \end{array}$
Ein Verwenden des Korrekturausmaßes ΔSOC kann verhindern, dass der zweite absolute SOC2 oder der effektive SOC von dem wahren Wert abweicht. Es sei angemerkt, dass die durch die SOC-Abschätzsektion 42 berechneten SOCs beispielsweise an eine höhere Steuerung ausgegeben werden.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen gegenwärtigen Ausführungsbeispiel können der absolute SOC und der effektive SOC der Batteriezellen 20a mit hoher Genauigkeit abgeschätzt werden.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Es sei angemerkt, dass die vorstehenden Ausführungsbeispiele wie folgt modifiziert werden können.
Das Diffusionswiderstandsmodell kann nicht nur ein Äquivalenzschaltungsmodell sein, in dem vier parallele Verbindungen eines Widerstands und einer Kapazität in Reihe verbunden sind, sondern ebenso ein Äquivalenzschaltungsmodell, in dem die mehreren (unterschiedlich von vier) parallelen Verbindungen verbunden sind. Zusätzlich kann das Diffusionswiderstandsmodell nicht nur eine Äquivalenzschaltung sein, in dem eine Vielzahl von parallelen Verbindungen eines Widerstands und einer Kapazität verbunden sind, sondern ebenso eine Äquivalenzschaltung mit einer der parallelen Verbindungen.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen wird das Kennfeld, in dem der DC-Widerstand Rs bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie spezifiziert ist, in einem Speicher als Informationen über den DC-Widerstand gespeichert. Beispielsweise kann ein Ausdruck, der den DC-Widerstand Rs bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie spezifiziert, in dem Speicher als Informationen über den DC-Widerstand gespeichert sein.
Zusätzlich ist in den vorstehenden Ausführungsbeispielen das Kennfeld, in dem der Reaktionswiderstandsparameter β bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie spezifiziert ist, in einem Speicher als Informationen über den Reaktionswiderstand gespeichert. Jedoch kann beispielsweise ein Ausdruck, der den Reaktionswiderstandsparameter β bezüglich der Temperatursekundärbatterie spezifiziert, in dem Speicher als Informationen über den Reaktionswiderstand gespeichert sein. Auch in diesem Fall kann ein Anpassen des natürlichen Logarithmus des Reaktionswiderstandsparameters β in einer Form eines primären Ausdrucks für die Batterietemperatur Ts oder der Kehrwert der Batterietemperatur Ts ein Erzeugen des Ausdrucks vereinfachen.
Weiterhin ist in den vorstehenden Ausführungsbeispielen das Kennfeld, in dem der erste und der zweite Parameter Rd und τd bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie spezifiziert ist, in einem Speicher als Informationen über den Diffusionswiderstand gespeichert. Beispielsweise kann ein Ausdruck, der den ersten und den zweiten Parameter Rd und τd bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie spezifiziert, in dem Speicher als Informationen über den Diffusionswiderstand gespeichert sein. Auch in diesem Fall kein ein Anpassen des natürlichen Logarithmus des ersten und des zweiten Parameters Rd und τd in einer Form eines primären Ausdrucks für den Kehrwert der Batterietemperatur Ts das Erzeugen des Ausdrucks vereinfachen.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen kann der Reaktionswiderstandsparameter β nicht nur in einer Form eines primären Ausdrucks für die Batterietemperatur oder den Kehrwert der Batterietemperatur angepasst sein, sondern ebenso beispielsweise in einer Form einer quadratischen Gleichung oder eines höheren Ausdrucks für den Kehrwert der Batterietemperatur.
Die Sekundärbatterie kann nicht nur eine Lithiumionensekundärbatterie sein, sondern ebenso eine andere Sekundärbatterie, wie etwa eine Nickelhybridbatterie.
Im vorstehenden ersten Ausführungsbeispiel kann der vorstehend beschriebene Stromabschätzprozess als eine Ausfallsicherheit bzw. „Fail-Safe“ des Stromsensors bei dem Ereignis einer Fehlfunktion durchgeführt werden. Zusätzlich kann im vorstehenden ersten Ausführungsbeispiel der Batteriepack 10 nicht mit dem Batteriesensor 23 ausgestattet sein.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen kann die in jedem der Prozesse verwendete Batterietemperatur nicht nur der Erfassungswert des Temperatursensors 22 sein, sondern ebenso die durch ein beliebiges Verfahren abgeschätzte Batterietemperatur.
Um den Zustand der Sekundärbatterie abzuschätzen, können nicht nur der Lade- und Endladestrom, sondern ebenso beispielsweise der Innenwiderstand (DC-Widerstand + Reaktionswiderstand + Diffusionswiderstand) der Sekundärbatterie abgeschätzt werden. Beispielsweise, wie in 6 gezeigt ist, kann der Reaktionswiderstand als eine Steigung der Änderung der Potentialdifferenz ΔV bezüglich der Änderung des Lade- und Endladestroms I berechnet werden. In diesem Fall kann beispielsweise ein Verschleiß der Sekundärbatterie basierend auf dem abgeschätzten Innenwiderstand diagnostiziert werden.
Die Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist nicht auf eine Anwendung an einem Fahrzeug beschränkt.
Nachstehend werden Aspekte der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele zusammengefasst.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel schätzt eine Batteriezustandsabschätzvorrichtung einen Zustand einer Sekundärbatterie (20a) basierend auf einem Batteriemodell der Sekundärbatterie ab. Das Batteriemodell umfasst: ein DC-Widerstandsmodell, das einen DC-Widerstand (Rs) der Sekundärbatterie ausdrückt; ein Reaktionswiderstandsmodell, das einen Reaktionswiderstand der Sekundärbatterie ausdrückt und aus einer Butler-Volmer-Gleichung abgeleitet wird, und das einen Reaktionswiderstandsparameter (β) umfasst, der mit einer Austauschstromdichte korreliert ist; und ein Diffusionswiderstandsmodell, das ein Äquivalenzschaltungsmodell ist, in dem eine Vielzahl von parallelen Verbindungen eines Widerstands und einer Kapazität in Reihe verbunden sind, und einen Diffusionswiderstand der Sekundärbatterie ausdrückt, wobei der Diffusionswiderstand einen gemeinsamen ersten Parameter (Rd), der einen Widerstandswert (Rw1, Rw2, Rw3, Rw4) von jedem der Widerstände und Kapazitätswerte (Cw1, Cw2, Cw3, Cw4) von jedem der Kapazitäten bestimmt, und einen gemeinsamen zweiten Parameter (τd), der den Kapazitätswert von jeder der Kapazitäten bestimmt, umfasst. Die Vorrichtung umfasst: eine DC-Informationenspeichersektion, die Informationen über den DC-Widerstand bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; eine Reaktionsinformationenspeichersektion, die Informationen über den Reaktionswiderstandsparameter bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; eine Diffusionsinformationenspeichersektion, die Informationen über sowohl den ersten Parameter als auch den zweiten Parameter bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; und eine Zustandsabschätzsektion, die den DC-Widerstand, den Reaktionswiderstandsparameter, den ersten Parameter und den zweiten Parameter aus den in der DC-Informationenspeichersektion, der Reaktionsinformationenspeichersektion und der Diffusionsinformationenspeichersektion gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und den Zustand der Sekundärbatterie basierend auf dem berechneten DC-Widerstand, dem Reaktionswiderstandsparameter, dem ersten Parameter und dem zweiten Parameter abschätzt.
Ein Innenwiderstand der Sekundärbatterie ist weitgehend in einen DC-Widerstand, einen Reaktionswiderstand und einen Diffusionswiderstand aufgeteilt. Daher ist in den vorstehenden Ausführungsbeispielen das Batteriemodell durch das DC-Widerstandsmodell, das Reaktionswiderstandsmodell und das Diffusionswiderstandsmodell konfiguriert.
In der Sekundärbatterie werden bei niedriger Temperatur nichtlineare Strom-Spannungs-Eigenschaften aufgrund des Reaktionswiderstands dominant. Daher wird gemäß den Ausführungsbeispielen ein Reaktionswiderstandsmodell aus der Butler-Volmer-Gleichung der Elektrochemie hergeleitet und drückt die nichtlinearen Eigenschaften der Sekundärbatterie aus. Insbesondere ist das Modell ein Parameter entsprechend einer Austauschstromdichte der Butler-Volmer-Gleichung und umfasst einen Reaktionswiderstandsparameter mit einer Korrelation bezüglich der Temperatur. Der Reaktionswiderstandsparameter hängt von der Temperatur der Sekundärbatterie ab. Daher kann ein Ändern eines Werts des Reaktionswiderstandsparameters gemäß der Temperatur die nichtlinearen Strom-Spannungs-Eigenschaften bei niedriger Temperatur mit hoher Genauigkeit ausdrücken, was durch den Stand der Technik nicht ausgedrückt werden kann.
Zusätzlich wird das Diffusionswiderstandsmodell durch ein Äquivalenzschaltungsmodell ausgedrückt, in dem eine Vielzahl von parallelen Verbindungen eines Widerstands und einer Kapazität in Reihe verbunden sind. Der erste und der zweite Parameter bestimmen einen Widerstandswert von jedem Widerstand sowie einen Kapazitätswert jeder Kapazität in Abhängigkeit von der Temperatur der Sekundärbatterie. Daher kann ein Ändern der Werte des ersten und des zweiten Parameters gemäß der Temperatur die Genauigkeit des Batteriemodells erhöhen. Insbesondere kann gemäß den gegenwärtigen Ausführungsbeispielen der Widerstandswert jedes Widerstands durch den gemeinsamen ersten Parameter bestimmt werden, und der Kapazitätswert jeder Kapazität kann durch den gemeinsamen ersten und den zweiten Parameter bestimmt werden. Daher kann das Batteriemodell durch eine kleinere Anzahl von Parametern ausgedrückt werden.
In den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist jeder der vorstehend beschriebenen Parameter in jeder der Speichersektionen in einem Zustand gespeichert, in dem die Parameter mit der Temperatur in Bezug gebracht werden. Der Zustand der Sekundärbatterie bei niedriger Temperatur kann mit hoher Genauigkeit durch die Zustandsabschätzsektion basierend auf den in jeder der Speichersektionen gespeicherten Informationen abgeschätzt werden.
Es sollte verstanden sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Konfigurationen beschränkt ist, sondern jegliche und alle Modifikationen, Variationen oder Äquivalente, die dem Fachmann ersichtlich sind, in Betracht gezogen werden sollten, um innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung zu liegen.
Eine Batteriezustandsabschätzvorrichtung schätzt einen Zustand einer Sekundärbatterie basierend auf einem Batteriemodell davon ab. Das Batteriemodell umfasst ein DC-Widerstandsmodell, ein Reaktionswiderstandsmodell und ein Diffusionswiderstandsmodell. Die Vorrichtung umfasst eine DC-Informationenspeichersektion, die Informationen über den DC-Widerstand bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert, eine Reaktionsinformationenspeichersektion, die Informationen über den Reaktionswiderstandsparameter bezüglich der Temperatur speichert, eine Diffusionsinformationenspeichersektion, die Informationen über sowohl den ersten als auch den zweiten Parameter bezüglich der Temperatur speichert, und eine Zustandsabschätzsektion, die den DC-Widerstand, den Reaktionswiderstandsparameter, sowie den ersten und den zweiten Parameter aus den gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur als Eingabe berechnet, und den Zustand der Sekundärbatterie basierend auf dem DC-Widerstand, dem Reaktionswiderstandsparameter, sowie dem ersten und zweiten Parameter abschätzt.

Claims

Batteriezustandsabschätzvorrichtung, die einen Zustand einer Sekundärbatterie basierend auf einem Batteriemodell der Sekundärbatterie abschätzt, wobei das Batteriemodell aufweist: ein DC-Widerstandsmodell, das einen DC-Widerstand der Sekundärbatterie ausdrückt; ein Reaktionswiderstandsmodell, das einen Reaktionswiderstand der Sekundärbatterie ausdrückt und aus einer Butler-Volmer-Gleichung abgeleitet wird, und das einen Reaktionswiderstandsparameter umfasst, der mit einer Austauschstromdichte korreliert; und ein Diffusionswiderstandsmodell, das ein Äquivalenzschaltungsmodell ist, in dem eine Vielzahl von parallelen Verbindungen eines Widerstands und einer Kapazität in Reihe verbunden sind und einen Diffusionswiderstand der Sekundärbatterie ausdrückt, wobei der Diffusionswiderstand einen gemeinsamen ersten Parameter, der einen Widerstandswert von jedem der Widerstände sowie einen Kapazitätswert von jeder der Kapazitäten bestimmt, und einen gemeinsamen zweiten Parameter, der den Kapazitätswert von jeder der Kapazitäten bestimmt, umfasst, die Vorrichtung aufweist: eine DC-Informationenspeichersektion, die Informationen über den DC-Widerstand bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; eine Reaktionsinformationenspeichersektion, die Informationen über den Reaktionswiderstandsparameter bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; eine Diffusionsinformationenspeichersektion, die Informationen über sowohl den ersten Parameter als auch den zweiten Parameter bezüglich der Temperatur der Sekundärbatterie speichert; und eine Zustandsabschätzsektion, die den DC-Widerstand, den Reaktionswiderstandsparameter, den ersten Parameter und den zweiten Parameter aus den in der DC-Informationenspeichersektion, der Reaktionsinformationenspeichersektion und der Diffusionsinformationenspeichersektion gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und den Zustand der Sekundärbatterie basierend auf dem berechneten DC-Widerstand, dem Reaktionswiderstandsparameter sowie dem ersten Parameter und dem zweiten Parameter abschätzt.
Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Reaktionswiderstandsparameter den folgenden Ausdruck erfüllt: $I = \frac{1}{γ \cdot β} sinh (\frac{γ}{α} \cdot \frac{1}{T} Δ V)$
wobei α und γ Konstanten sind, I ein durch die Sekundärbatterie fließender Strom ist, T eine Temperatur der Sekundärbatterie ist, und ΔV eine Potentialdifferenz des Reaktionswiderstands ist.
Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Reaktionsinformationenspeichersektion die Informationen über den Reaktionswiderstandsparameter als Informationen über einen primären Ausdruck speichert, in dem ein Logarithmus des Reaktionswiderstandsparameters eine unabhängige Variable ist, und ein Kehrwert der Temperatur der Sekundärbatterie oder die Temperatur der Sekundärbatterie eine unabhängige Variable ist.
Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei in dem Diffusionswiderstandsmodell ein Widerstandswert des Widerstands der m-ten (m ist eine positive Ganzzahl) Parallelverbindung durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt wird: $R w m = \frac{8 \cdot R d}{{(2 m - 1)}^{2} π^{2}}$
wobei Rwm ein Widerstandswert des Widerstands der m-ten Parallelverbindung ist, die die Äquivalenzschaltung konfiguriert, Cwm ein Kapazitätswert der Kapazität ist, Rd der erste Parameter ist, und τd der zweite Parameter ist, und der Kapazitätswert der Kapazität der m-ten Parallelverbindung durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt wird: $C w m = \frac{τ d}{2 \cdot R d}$
Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Diffusionsinformationenspeichersektion die Informationen über den ersten Parameter als Informationen über einen primären Ausdruck speichert, in dem ein Logarithmus des ersten Parameters eine abhängige Variable ist, und ein Kehrwert der Temperatur der Sekundärbatterie eine unabhängige Variable ist, und die Informationen über den zweiten Parameter als Informationen über einen primären Ausdruck speichert, in dem ein Logarithmus des zweiten Parameters eine abhängige Variable ist, und ein Kehrwert der Temperatur der Sekundärbatterie eine unabhängige Variable ist.
Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin mit: einer Erfassungssektion einer Spannung über Anschlüsse, die eine Spannung über Anschlüsse der Sekundärbatterie erfasst; und einer Leerlaufabschätzsektion, die eine Leerlaufspannung der Sekundärbatterie abschätzt, wobei die Zustandsabschätzsektion umfasst: eine DC-Spannungsberechnungssektion, die den DC-Widerstand aus den in der DC-Informationenspeichersektion gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und eine Potentialdifferenz über den DC-Widerstand basierend auf dem berechneten DC-Widerstand berechnet; eine Diffusionsspannungsberechnungssektion, die den ersten Parameter und den zweiten Parameter aus den in der Diffusionsinformationenspeichersektion gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und eine Potentialdifferenz über den Diffusionswiderstand basierend auf dem berechneten ersten Parameter und zweiten Parameter berechnet; eine Reaktionsspannungsberechnungssektion, die den Reaktionswiderstandsparameter aus den in der Reaktionsinformationenspeichersektion gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und eine Potentialdifferenz über den Reaktionswiderstand basierend auf dem berechneten Reaktionswiderstandsparameter berechnet; eine Sollspannungsberechnungssektion, die eine Sollspannung durch Subtrahieren eines Additionswerts der Leerlaufspannung, die durch die Leerlaufspannungsabschätzsektion abgeschätzt wird, und der Potentialdifferenz über den Diffusionswiderstand, der durch die Diffusionsspannungsberechnungssektion berechnet wird, von der Spannung über den Anschlüssen, die durch die Erfassungssektion der Spannung über Anschlüsse erfasst wird; und eine Stromabschätzsektion, die einen durch die Sekundärbatterie fließenden Strom abschätzt, durch den Strom, bei dem eine Differenz zwischen der Sollspannung und einem Additionswert der Potentialdifferenz über den DC-Widerstand, der durch die DC-Spannungsberechnungssektion berechnet wird, und einer Potentialdifferenz über den Reaktionswiderstand, der durch die Reaktionsspannungsberechnungssektion berechnet wird, 0 wird.
Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Stromabschätzsektion einen durch die Sekundärbatterie fließenden Strom durch den Strom, bei dem die Differenz minimal wird, gemäß einem vorbestimmten Suchverfahren sucht, und den gesuchten Strom als den durch die Sekundärbatterie fließenden Strom abschätzt.
Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Zustandsabschätzsektion eine SOC-Berechnungssektion umfasst, die einen SOC der Sekundärbatterie basierend auf einem integrierten Wert der durch die Stromabschätzsektion abgeschätzten Ströme berechnet, und die Leerlaufspannungsabschätzsektion die Leerlaufspannung basierend auf dem durch die SOC-Berechnungssektion berechneten SOC abschätzt.
Batteriezustandsabschätzvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin mit: einer Erfassungssektion einer Spannung über Anschlüsse, die eine Spannung über Anschlüsse der Sekundärbatterie erfasst; und einer Stromerfassungssektion, die einen durch die Sekundärbatterie fließenden Strom erfasst, wobei die Zustandsabschätzsektion umfasst: eine DC-Spannungsberechnungssektion, die den DC-Widerstand aus den in der DC-Informationenspeichersektion gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und eine Potentialdifferenz über den DC-Widerstand basierend auf dem berechneten DC-Widerstand berechnet; eine Diffusionsspannungsberechnungssektion, die den ersten Parameter und den zweiten Parameter aus den in der Diffusionsspeichersektion gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und eine Potentialdifferenz über den Diffusionswiderstand basierend auf dem berechneten ersten Parameter und zweiten Parameter berechnet; eine Reaktionsspannungsberechnungssektion, die den Reaktionswiderstandsparameter aus den in der Reaktionsinformationenspeichersektion gespeicherten Informationen durch Verwenden der Temperatur der Sekundärbatterie als Eingabe berechnet, und eine Potentialdifferenz über den Reaktionswiderstand basierend auf dem berechneten Reaktionswiderstandsparameter berechnet; eine Leerlaufspannungsberechnungssektion, die eine Leerlaufspannung der Sekundärbatterie durch Subtrahieren eines Additionswerts einer Potentialdifferenz über den Diffusionswiderstand, der durch die Diffusionsspannungsberechnungssektion berechnet wird, einer Potentialdifferenz über den DC-Widerstand, der durch die DC-Spannungsberechnungssektion berechnet wird, und einer Potentialdifferenz über den Reaktionswiderstand, der durch die Reaktionsspannungsberechnungssektion berechnet wird, von der Spannung über Anschlüsse, die durch die Erfassungssektion einer Spannung über Anschlüsse erfasst wird; eine erste SOC-Berechnungssektion, die einen ersten SOC der Sekundärbatterie basierend auf der durch die Leerlaufspannungsberechnungssektion berechneten Leerlaufspannung berechnet; eine zweite SOC-Berechnungssektion, die einen zweiten SOC der Sekundärbatterie basierend auf einem integrierten Wert der durch die Stromerfassungssektion erfassten Ströme berechnet; eine Korrekturumfangsberechnungssektion, die einen Korrekturumfang berechnet, durch den eine Differenz zwischen dem durch die zweite SOC-Berechnungssektion berechneten zweiten SOC und dem durch die erste SOC-Berechnungssektion berechneten ersten SOC 0 wird; und eine Korrektursektion, die den durch die zweite SOC-Berechnungssektion berechneten zweiten SOC um den durch die Korrekturumfangsberechnungssektion berechneten Korrekturumfang korrigiert.