JP2004245627A - Charging rate prediction device for secondary battery - Google Patents

Charging rate prediction device for secondary battery Download PDF

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JP2004245627A JP2003033530A JP2003033530A JP2004245627A JP 2004245627 A JP2004245627 A JP 2004245627A JP 2003033530 A JP2003033530 A JP 2003033530A JP 2003033530 A JP2003033530 A JP 2003033530A JP 2004245627 A JP2004245627 A JP 2004245627A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charging rate prediction device for a secondary battery capable of accurately predicting a charging rate step SOC. <P>SOLUTION: This device comprises a parameter predicting means 1 which performs adoptive digital filter calculation by using the battery model of a continuous time system shown in formula 1 and collectively predicts parameters corresponding to the coefficients of A(s), B(s), and C(s) by using the measured currents I and terminal voltages V, an open circuit voltage calculation means 2 calculating an open circuit voltage Vo by substituting the currents I, terminal voltages V, and the predicted parameters in the formula 1, and a charging rate predicting means 3 predicting a charging rate from a relation between the open circuit voltage Voand the charging rate step SOC by using the predicted open circuit voltage Vo. When a current is cut off, the measured current values and terminal voltage values tend to be easily affected by noise and a parameter predicting accuracy is deteriorated. To prevent this problem, when the current is cut off (when the absolute value of current is below a specified value), the predicted values of the parameters are held at the previous calculated values. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充電率(SOC)を推定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2000−323183号公報
【特許文献2】特開2000−268886号公報
【非特許文献1】「論文“適応デジタルフィルタを用いた鉛電池の開路電圧と残存容量の推定”四国総研、四国電力、湯浅電池 T.IEEE Japan Vol.112−C,No.4 1992」
二次電池の充電率SOC(充電状態とも言う)は開路電圧V(通電遮断時の電池端子電圧であり、起電力、開放電圧とも言う)と相関があるので、開路電圧Vを求めれば充電率を推定することが出来る。しかし、二次電池の端子電圧は、通電を遮断(充放電を終了)した後も安定するまでに時間を要するので、正確な開路電圧Vを求めるには、充放電を終了してから所定の時間が必要である。したがって充放電中や充放電直後では、正確な開路電圧Vを求めることが出来ないので、上記の方法で充電率SOCを求めることが出来ない。そのため、従来は、たとえば上記非特許文献1に記載のような方法を用いて開路電圧Vを推定している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のごとき従来例においては、実際の電池の物理特性とは全く異なる「非回帰型の電池モデル(出力値が入力値の現在値および過去値だけで決るモデル)」に「適応デジタルフィルタ(逐次型のモデルパラメータ同定アルゴリズム)」を用いて開路電圧を算出し、この値から充電率SOCを算出している。そのため、実際の電池特性(入力:電流、出力:電圧)に応用した場合、電池特性によっては推定演算が全く収束しなかったり、真値に収束しないため、正確な充電率SOCを推定することが困難である、という問題があった。
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、充電率SOCおよびその他のパラメータを正確に推定することの出来る二次電池の充電率推定装置を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、前記(数1)式に示す連続時間系の電池モデルを用いて、適応デジタルフィルタ演算を行い、前記の計測した電流Iと端子電圧Vを用いて過渡項であるA(s)、B(s)、C(s)の係数に対応するパラメータを一括推定するパラメータ推定手段と、計測した電流Iと端子電圧Vおよび前記パラメータ推定手段で推定したパラメータを前記(数1)式に代入することで開路電圧Vを算出する開路電圧演算手段と、推定した開路電圧Vを用いて、予め求めた開路電圧Vと充電率SOCの関係から充電率を推定する充電率推定手段と、を備えるように構成している。
また、電池モデル式によってパラメータを推定して二次電池の充電状態を検出する二次電池の充電率推定装置においては、通常の充放電時には、電流および端子電圧の測定値に対してノイズの値は微小であるため、影響を受けないが、電流遮断時(電流が略0の微小電流時)には計測した電流値および端子電圧値がノイズの影響を受け易く、パラメータ推定精度が悪化する可能性がある。本発明においては、上記の問題を防止するため、電流遮断時(略0の微小電流時:つまり電流の絶対値が所定値以下の場合)にはパラメータの推定値を前回の演算値に保持するように構成している。
【0005】
【発明の効果】
二次電池の電流Iと端子電圧Vと開路電圧Vの関係を、(数1)式のような伝達関数で近似する構成であるため、最小二乗法等の適応デジタルフィルタ(公知の推定アルゴリズム)を適用することが可能になる。その結果、式中のパラメータ(オフセット項である開路電圧Vおよび多項式A(s)、B(s)、C(s)の係数)を一括推定することが可能になる。これらのパラメータは充電率や温度や劣化度などに影響され、時々刻々と変化するものであるが、適応デジタルフィルタにより精度良く逐次推定することが可能である。そして開路電圧Vと充電率の一意的な相関を記憶しておけば、推定した開路電圧から充電率に換算できる。そのため、充電率についても式中のパラメータ同様に、精度良く逐次推定することが可能である。
また、電流遮断状態のように電流が微小な値を継続する場合には、各パラメータ推定値として前回の演算値を保持する構成であるため、電流遮断中の推定演算がノイズの影響を受けて、適応デジタルフィルタによるパラメータ推定精度が悪化するのを防止することができる、という効果がある。
【0006】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は、本発明の実施例を機能ブロックで表した図である。図1において、1はパラメータ推定手段であり、開路電圧V(k)をオフセット項とする電池モデルに基づいたものである。また、2は開路電圧V(k)演算手段、3は開路電圧から充電率を演算する充電率推定手段である。また、4は電池から充放電される電流を検出する電流I(k)計測手段、5は電池の端子電圧を検出する端子電圧V(k)計測手段である。
【0007】
図2は、実施例の具体的な構成を示すブロック図である。この実施例は、二次電池でモータ等の負荷を駆動したり、モータの回生電力で二次電池を充電するシステムに、二次電池の充電率推定装置を設けた例を示す。
図2において、10は二次電池(単に電池とも言う)、20はモータ等の負荷、30は電池の充電状態を推定するバッテリーコントローラ(電子制御ユニット)で、プログラムを演算するCPUやプログラムを記憶したROMや演算結果を記憶するRAMから成るマイクロコンピュータと電子回路等で構成される。40は電池から充放電される電流を検出する電流計、50は電池の端子電圧を検出する電圧計、60は電池の温度を検出する温度計であり、それぞれバッテリーコントローラ30に接続される。上記のバッテリーコントローラ30は前記図1のパラメータ推定手段1、開路電圧V(k)演算手段2および充電率推定手段3の部分に相当する。また、電流計40は電流I(k)計測手段4に、電圧計50は端子電圧V(k)計測手段5に、それぞれ相当する。
【0008】
まず、本実施例で用いる「電池モデル」を説明する。図3は、二次電池の等価回路モデルを示す図であり、下記(数5)式(=前記数4式)で表わすことが出来る。
【0009】
【数5】

Figure 2004245627
ただし、モデル入力は電流I[A](正値は充電、負値は放電)、モデル出力は端子電圧V[V]、V[V]は開路電圧、Kは内部抵抗、T〜Tは時定数、sはラプラス演算子である。
本モデルは、正極、負極を特に分離していないリダクションモデル(一次)であるが、実際の電池の充放電特性を比較的正確に示すことが可能である。(数5)式は前記(数1)式において、A(s)=T・s+1、B(s)=K・(T・s+1、C(s)=T・s+1と置いたものである。
【0010】
以下、前記(数5)式の電池モデルから適応デジタルフィルタまでの導出を、最初に説明する。
開路電圧Vは、電流Iに可変な効率Aを乗じた値を、或る初期状態から積分したものと考えれば、(数6)式で書ける。
【0011】
【数6】
Figure 2004245627
なお、(数6)式は前記(数2)式におけるhを上記Aに置き換えたものに相当する。
(数6)式を(数5)式に代入すれば(数7)式になる。
【0012】
【数7】
Figure 2004245627
なお、(数7)式は前記(数3)式に相当するものであり、(数3)式中のA(s)、B(s)、C(s)について前記(数5)式と同様に下記の式を代入したものである。
A(s)=T・s+1
B(s)=K・(T・s+1)
C(s)=T・s+1
つまり、(数3)式が一般式であり、それを一次モデルに適用したものが(数7)式である。
上記の(数7)式を整理すれば(数8)式になる。
【0013】
【数8】
Figure 2004245627
なお、(数8)式の最後の式においては、パラメータを下記(数9)式に示すように書き直している。
【0014】
【数9】
Figure 2004245627
安定なローパスフィルタG(s)を(数8)式の両辺に導入して、整理すれば(数10)式になる。
【0015】
【数10】
Figure 2004245627
(数8)式において、前記(数5)式と逆に
・s+1=A(s)
K・(T・s+1)=B(s)
・s+1=C(s)
を代入すると、
s・A(s)・C(s)・V=B(s)・C(s)・s・I+A・A(s)・I
となり、これを変形すると、
s・A(s)・C(s)・V=〔B(s)・C(s)・s+A・A(s)〕・I
となる。
つまり、一般式を一次モデルに適用したものが(数10)式である。
【0016】
実際に計測可能な電流Iや端子電圧Vを、ローパスフィルタやバンドパスフィルタで処理した値を下記(数11)式のように定義する。ただし、pは、G(s)の応答性を決める定数である。
【0017】
【数11】
Figure 2004245627
上記(数11)式に示した変数を用いて(数10)式を書き直せば(数12)式になり、変形すれば、(数13)式になる。
【0018】
【数12】
Figure 2004245627
【0019】
【数13】
Figure 2004245627
(数13)式は、計測可能な値と未知パラメータの積和式になっているので、一般的な適応デジタルフィルタの標準形(数14)式と一致する。
なお、ωは、ベクトルωの行と列を入れ替えた転置ベクトルを意味する。
【0020】
【数14】
Figure 2004245627
ただし、(数14)式において、y、ω、θはそれぞれ下記(数15)式で示される。
【0021】
【数15】
Figure 2004245627
したがって、電流Iと端子電圧Vにフィルタ処理を施した信号を、適応デジタルフィルタ演算に用いることで、未知パラメータベクトルθを推定することが出来る。
本実施例では、単純な「最小二乗法による適応フィルタ」の論理的な欠点(一度推定値が収束すると、その後パラメータが変化しても再度正確な推定ができないこと)を改善した「両限トレースゲイン方式」を用いる。前記(数14)式を前提にした未知パラメータベクトルθを推定するためのパラメータ推定アルゴリズムは(数16)式に示すようになる。ただし、k時点のパラメータ推定値をθ(k)とする。
【0022】
【数16】
Figure 2004245627
ただし、λ、λ(k)、γ、γは初期設定値で、b<λ<1、0<λ(k)<∞とする。P(0)は十分大きな値、θ(0)は非ゼロの十分小さな値を初期値とする。trace{P}は行列Pのトレースを意味する。
以上が、電池モデルから適応デジタルフィルタまでの導出である。
【0023】
図5および図6は、バッテリーコントローラ30のマイクロコンピュータが行う処理のフローチャートであり、同図のルーチンは一定周期T(例えば10msec)毎に実施される。例えば、I(k)は今回の値、I(k−1)は1回前の値を意味する。
まず、図5において、ステップS10では、電流I(k)、端子電圧V(k)を計測する。
ステップS20では、二次電池の遮断リレーのオン・オフ判断を行う。つまりバッテリーコントローラ30は二次電池の遮断リレーの制御も行っており、リレー遮断時(電流I=0)はステップS30へ進む。リレー締結時はステップS40へ進む。
ステップS30では、端子電圧V(k)を端子電圧初期値V_iniとして記憶する。
ステップS40では、端子電圧差分値△V(k)を算出する。
ただし、△V(k)=V(k)−V_ini
これは、適応デジタルフィルタ内の推定パラメータの初期値を約0としているので、推定演算開始時に推定パラメータが発散しないように、入力を全て0とするためである。リレー遮断時はステップS30を通るので、I=0かつ△V(k)=0のため、推定パラメータは初期状態のままである。
【0024】
ステップS50では、計測した電流値が不感帯(微小範囲)内にあるか否かを、電流の絶対値|I(k)|で判定する。そして|I(k)|<所定値の場合はステップS60へ進む。その他の場合はステップS100へ進む。
ステップS60では、カウンタCNT1(k)をインクリメントしてステップS70へ進む。
ステップS70では、電流値が不感帯内の値を継続している時間を判定する。そしてCNT1(k)>所定値(例えば50秒)の場合、つまり不感帯内の値を所定値以上継続している場合はステップS80へ進む。その他の場合はステップS90へ進む。
ステップS80では、適応フィルタ保持フラグFHOJI(k)=1とする。ステップS90では、適応フィルタ保持フラグFHOJI(k)=0とする。ステップS100では、適応フィルタ保持フラグFHOJI(k)=0、およびCNT1(k)=0とする。ステップS80、ステップS90、ステップS100で上記の処理を行った後は、それぞれ図6のステップS110へ進む。
【0025】
以下、図6において、ステップS110では、電流I(k)と端子電圧差分値△V(k)に、(数11)式に基づきローパスフィルタ、バンドパスフィルタのフィルタ処理を施し、I(k)〜I(k)およびV(k)〜V(k)を(数17)式から算出する。
この際、(数16)式のパラメータ推定アルゴリズムの推定精度を良くするために、観測ノイズを低減するようローパスフィルタG(s)の応答性を遅く設定する。ただし、電池の応答特性(時定数Tの概略値は既知である)よりも速い特性でないと、電池モデルの各パラメータを精度良く推定できない。(数17)式のpは、G(s)の応答性を決める定数である。
【0026】
【数17】
Figure 2004245627
次に、ステップS120では、適応フィルタでの推定演算を実行するか、停止して内部変数を全て保持するかを、適応フィルタ保持フラグFHOJI(k)で判断する。FHOJI(k)=1の場合、推定演算を保持するためステップS140へ進む。その他の場合は推定演算を実行(前回値を保持しない)するためステップS130へ進む。
ステップS130では、ステップS110で算出したI(k)〜I(k)およびV(k)〜V(k)を(数16)式に代入する。そして適応フィルタでのパラメータ推定アルゴリズムである(数16)式を実行し、パラメータ推定値θ(k)を算出する。y(k)、ω(k)、θ(k)は下記(数18)式で示される。
【0027】
【数18】
Figure 2004245627
ステップS140では、前回の演算値またはステップS130で算出したパラメータ推定値θ(k)の中からa〜eを、電池モデルである前記(数5)式を変形した下記(数20)式に代入して、開路電圧Vの代用としてV’を算出する。開路電圧Vは変化が緩やかなので、V’で代用できる。ただし、ここで求まるのは推定演算開始時からの開路電圧推定値の変化分△V(k)である。
ここで、下記(数19)式中の〔1/G(s)]I等を下記(数22)式に示すように置き換えたものが(数20)式に相当する。また、(数20)式の導出において、(数19)式のKと(数20)式のeは厳密には異なるけれども、物理的にK》A・Tであるため、e≒Kと近似している。また、(数20)式中の各係数a〜eは下記(数21)式に示す内容である。
【0028】
【数19】
Figure 2004245627
【0029】
【数20】
Figure 2004245627
【0030】
【数21】
Figure 2004245627
【0031】
【数22】
Figure 2004245627
(数22)式のpはG(s)の応答性を決める定数である。電池パラメータのTは概略値が数秒と判っているため、(数22)式中のT’はTに近い値に設定する。それにより(数20)式中の分子に残る「T・s+1」を相殺できるため、開路電圧Vの推定精度を向上できるからである。
ステップS150では、ステップS140で算出した△V(k)はパラメータ推定アルゴリズム開始時からの開路電圧の変化分であるから、開路電圧初期値すなわち端子電圧初期値V_iniを加算して開路電圧推定値V(k)を下記(数23)式から算出する。
(k)=△V(k)十V_ini …(数23)
ステップS160では、図4に示す開路電圧と充電率の相関マップを用いて、ステップS150で算出したV(k)から充電率ステップSOC(k)を算出する。
なお、図4において、VはステップSOC=0%に、VはステップSOC=100%に相当する開路電圧である。
ステップS170では、次回演算に必要な数値を保存して、今回演算を終了する。以上を、実施例の動作の説明とする。
【0032】
(1)上記のように、二次電池の電流Iと端子電圧Vと開路電圧Vの関係を、一般式では(数1)式、実施例では(数5)式(=数4式)のような伝達関数で近似する構成であるため、最小二乗法等の適応デジタルフィルタ(公知の推定アルゴリズム)を適用することが可能になる効果がある。その結果、式中のパラメータ(オフセット項である開路電圧Vおよび多項式A(s)、B(s)、C(s)の係数)を一括推定することが可能になる。そして推定したパラメータを(数1)式に代入することで、開路電圧Vの推定値を容易に算出できる。これらのパラメータは充電率や温度や劣化度などに影響され、時々刻々と変化するものであるが、適応デジタルフィルタにより精度良く逐次推定することが可能である。そして図4に示したような開路電圧Vと充電率の一意的な相関を記憶しておけば、推定した開路電圧から充電率に換算できる。そのため、充電率についても式中のパラメータ同様に、精度良く逐次推定することが可能である。
【0033】
(2)また、電流遮断状態のように電流値が微小な値を継続する場合には、各パラメータ推定値の前回演算値を保持する構成であるため、電流遮断中の推定演算がノイズの影響を受けて、適応デジタルフィルタによるパラメータ推定精度が悪化するのを防止できる効果がある。
【0034】
(3)二次電池の電流Iと端子電圧Vの関係式である(数1)式を、(数2)式のように近似した場合には、開路電圧V(オフセット項)を含まない構成になるため、計測可能な電流Iと端子電圧Vを各々フィルタ処理した値と、未知パラメータ(多項式A(s)、B(s)、C(s)の係数パラメータおよびh)との積和式が得られるので、通常の適応デジタルフィルタ(最小二乗法などで、公知のパラメータ推定アルゴリズム)を連続時間系のまま適用することが可能になるという効果がある。
【0035】
(4)二次電池の電流Iと端子電圧Vの関係式である(数1)式を、(数4)式のように近似した場合には、上記(3)と同様の効果が得られると共に、演算時間やプログラム容量を必要最小限に抑えることができるという効果がある。
【0036】
図7および図8は、実施例に基づいたパラメータ推定のシミュレーション結果を示す図である。図7は、電流遮断状態が長時間継続(500〜800秒)している間も、適応デジタルフィルタの演算を継続して各パラメータ推定値を保持しない(本発明の構成を用いない)場合の状態を示し、図8は適応デジタルフィルタの演算を一時停止して、各パラメータ推定値を前回の演算値に保持する場合(本発明の構成)の状態を示す。なお、シミュレーションの際、電池モデルは(数5)式を用い、1次遅れの時定数に関しては、T1≪T3に設定している。これは、鉛酸電池などを想定した設定である。
【0037】
図7においては、電流遮断中でも各パラメータ推定値を保持しない構成であるため、ノイズの影響を受けてパラメータ推定値は真値から乖離し(図中▲2▼〜▲3▼)、充放電を再開した際にステップSOC推定値に不連続な部分(図中▲1▼)が生じ、推定精度が悪化する。
図8においては、電流遮断中、各パラメータ推定値を前回の演算値に保持する構成であるため、パラメータ推定値は真値と一致し続け(図中▲2▼〜▲3▼)、充放電を再開した際にステップSOC推定値は連続性(図中▲1▼)を有し、推定精度が良好であることが判る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を機能ブロックで表した図。
【図2】実施例の具体的な構成を示すブロック図。
【図3】二次電池の等価回路モデルを示す図。
【図4】開路電圧と充電率の相関マップ。
【図5】バッテリーコントローラ30のマイクロコンピュータが行う処理のフローチャートの一部。
【図6】バッテリーコントローラ30のマイクロコンピュータが行う処理のフローチャートの他の一部。
【図7】電流Iと端子電圧Vを適応フィルタに入力して、各パラメータを推定したシミュレーション結果を示す図。
【図8】本発明の構成において電流Iと端子電圧Vを適応フィルタに入力して、各パラメータを推定したシミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
1…パラメータ推定手段 2…開路電圧V(k)演算手段
3…充電率推定手段 4…電流I(k)計測手段
5…端子電圧V(k)計測手段 10…二次電池
20…負荷 30…バッテリーコントローラ
40…電流計 50…電圧計
60…温度計[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for estimating a state of charge (SOC) of a secondary battery.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-323183 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-268886 [Non-Patent Document 1] "Paper" Estimation of open circuit voltage and remaining capacity of lead battery using adaptive digital filter " Shikoku Research Institute, Shikoku Electric Power, Yuasa Battery T. IEEE Japan Vol.112-C, No.4 1992 "
Since the charging rate SOC (also referred to as a charged state) of the secondary battery is correlated with the open circuit voltage V 0 (which is a battery terminal voltage when power is cut off, also referred to as an electromotive force and an open circuit voltage), if the open circuit voltage V 0 is obtained, The charging rate can be estimated. However, the terminal voltage of the secondary battery, it takes time to be stabilized after the de-energized (Exit charge and discharge), in order to determine an accurate open-circuit voltage V 0, predetermined from the end charge and discharge Time is needed. Thus immediately after the charge and discharge or during charging and discharging, since it can not obtain an accurate open circuit voltage V 0, it is impossible to obtain the charging rate SOC by the above method. Therefore, conventionally, for example by estimating the open-circuit voltage V 0 using methods such as described in Non-patent Document 1.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional example as described above, the “adaptive digital filter” is different from the “non-regressive battery model (model in which the output value is determined only by the current value and the past value of the input value)” which is completely different from the physical characteristics of the actual battery. (Sequential model parameter identification algorithm) ", and the SOC is calculated from this value. Therefore, when applied to actual battery characteristics (input: current, output: voltage), the estimation calculation does not converge at all or does not converge to a true value depending on the battery characteristics. There was a problem that it was difficult.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and has as its object to provide an apparatus for estimating a state of charge of a secondary battery capable of accurately estimating the state of charge SOC and other parameters. And
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, an adaptive digital filter operation is performed using the continuous time battery model shown in the above equation (1), and the measured current I and terminal voltage V are used. Parameter estimating means for collectively estimating parameters corresponding to the coefficients of A (s), B (s) and C (s), which are transient terms, and the measured current I, terminal voltage V and the parameter estimating means. An open-circuit voltage calculating means for calculating the open-circuit voltage V 0 by substituting the parameters into the above equation (Equation 1), and a relationship between the open-circuit voltage V 0 and the SOC SOC obtained in advance using the estimated open-circuit voltage V 0. And a charging rate estimating means for estimating the charging rate.
Further, in a secondary battery charging rate estimating apparatus that estimates a parameter by a battery model equation and detects a state of charge of a secondary battery, during normal charging and discharging, a value of noise with respect to a measured value of a current and a terminal voltage is used. Is small, so it is not affected. However, when the current is interrupted (when the current is a very small current of approximately 0), the measured current value and terminal voltage value are easily affected by noise, and the parameter estimation accuracy may deteriorate. There is. In the present invention, in order to prevent the above-mentioned problem, the estimated value of the parameter is held at the last calculated value when the current is interrupted (when the current is almost zero: when the absolute value of the current is equal to or less than a predetermined value). It is configured as follows.
[0005]
【The invention's effect】
Since the relationship between the current I of the secondary battery, the terminal voltage V, and the open-circuit voltage V 0 is approximated by a transfer function as represented by the following equation (1), an adaptive digital filter such as a least-squares method (a known estimation algorithm) is used. ) Can be applied. As a result, the parameters (the open-circuit voltage V 0 as an offset term and the coefficients of the polynomials A (s), B (s), and C (s)) in the equation can be collectively estimated. These parameters are affected by the charging rate, the temperature, the degree of deterioration, etc., and change every moment, but can be accurately and sequentially estimated by an adaptive digital filter. If the unique correlation between the open-circuit voltage V 0 and the charging rate is stored, the estimated open-circuit voltage can be converted into the charging rate. Therefore, the charging rate can be accurately and sequentially estimated similarly to the parameters in the equation.
Further, when the current continues to be a minute value as in the current cutoff state, since the previous calculation value is held as each parameter estimation value, the estimation calculation during the current cutoff is affected by noise. In addition, there is an effect that the parameter estimation accuracy by the adaptive digital filter can be prevented from being deteriorated.
[0006]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Example 1)
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention by functional blocks. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a parameter estimating means, which is based on a battery model having an open-circuit voltage V 0 (k) as an offset term. Reference numeral 2 denotes an open circuit voltage V 0 (k) calculating means, and reference numeral 3 denotes a charging rate estimating means for calculating a charging rate from the open circuit voltage. Reference numeral 4 denotes a current I (k) measuring means for detecting a current charged / discharged from the battery, and reference numeral 5 denotes a terminal voltage V (k) measuring means for detecting a terminal voltage of the battery.
[0007]
FIG. 2 is a block diagram illustrating a specific configuration of the embodiment. This embodiment shows an example in which a system for driving a load such as a motor with a secondary battery or charging a secondary battery with regenerative electric power of a motor is provided with a charging rate estimating device for the secondary battery.
In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a secondary battery (also simply referred to as a battery), reference numeral 20 denotes a load such as a motor, and reference numeral 30 denotes a battery controller (electronic control unit) for estimating the state of charge of the battery. It is composed of a microcomputer composed of a read-only ROM and a RAM for storing the calculation results, an electronic circuit, and the like. Reference numeral 40 denotes an ammeter for detecting a current charged / discharged from the battery, reference numeral 50 denotes a voltmeter for detecting a terminal voltage of the battery, and reference numeral 60 denotes a thermometer for detecting the temperature of the battery. The battery controller 30 corresponds to the parameter estimating means 1, the open circuit voltage V 0 (k) calculating means 2 and the charging rate estimating means 3 in FIG. The ammeter 40 corresponds to the current I (k) measuring means 4, and the voltmeter 50 corresponds to the terminal voltage V (k) measuring means 5, respectively.
[0008]
First, a “battery model” used in the present embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit model of the secondary battery, which can be represented by the following (Equation 5) (= Equation 4).
[0009]
(Equation 5)
Figure 2004245627
However, model input is current I [A] (positive value is charged, negative value is discharged), model output is terminal voltage V [V], V 0 [V] is open circuit voltage, K is internal resistance, T 1 to T 1 3 is a time constant, and s is a Laplace operator.
Although this model is a reduction model (primary) in which the positive electrode and the negative electrode are not particularly separated, it is possible to relatively accurately show the actual charge / discharge characteristics of the battery. (5) formula in the above equation (1), A (s) = T 1 · s + 1, B (s) = K · (T 2 · s + 1, C (s) = T 3 · s + 1 and those placed It is.
[0010]
Hereinafter, the derivation from the battery model of Equation (5) to the adaptive digital filter will be described first.
Open-circuit voltage V 0 is a value obtained by multiplying a variable efficiency A current I, considering the the integral from a certain initial state, written by equation (6).
[0011]
(Equation 6)
Figure 2004245627
The expression (6) is equivalent to the expression (2) in which h is replaced with A.
By substituting equation (6) into equation (5), equation (7) is obtained.
[0012]
(Equation 7)
Figure 2004245627
The expression (7) is equivalent to the expression (3), and A (s), B (s), and C (s) in the expression (3) are the same as the expression (5). Similarly, the following equation is substituted.
A (s) = T 1 · s + 1
B (s) = K · (T 2 · s + 1)
C (s) = T 3 · s + 1
That is, equation (3) is a general equation, and equation (7) is applied to the primary model.
If the above equation (7) is rearranged, the equation (8) is obtained.
[0013]
(Equation 8)
Figure 2004245627
In the last expression of the expression (8), the parameters are rewritten as shown in the following expression (9).
[0014]
(Equation 9)
Figure 2004245627
A stable low-pass filter G 1 (s) is introduced into both sides of the equation (8) and rearranged into the equation (10).
[0015]
(Equation 10)
Figure 2004245627
In the equation (8), T 1 · s + 1 = A (s), which is opposite to the equation (5).
K · (T 2 · s + 1) = B (s)
T 3 · s + 1 = C (s)
Substituting
s · A (s) · C (s) · V = B (s) · C (s) · s · I + A · A (s) · I
And transforming this,
s · A (s) · C (s) · V = [B (s) · C (s) · s + A · A (s)] · I
It becomes.
That is, equation (10) is obtained by applying the general equation to the primary model.
[0016]
A value obtained by processing the actually measurable current I and terminal voltage V with a low-pass filter or a band-pass filter is defined as in the following equation (11). Here, p 1 is a constant that determines the response of G 1 (s).
[0017]
[Equation 11]
Figure 2004245627
Rewriting equation (10) using the variables shown in equation (11) yields equation (12), and transforms equation (13) into equation (13).
[0018]
(Equation 12)
Figure 2004245627
[0019]
(Equation 13)
Figure 2004245627
The expression (13) is a product-sum expression of a measurable value and an unknown parameter, and therefore matches the standard expression (expression 14) of a general adaptive digital filter.
Note that ω T means a transposed vector obtained by exchanging the row and column of the vector ω.
[0020]
[Equation 14]
Figure 2004245627
However, in the expression (14), y, ω T , and θ are each represented by the following expression (15).
[0021]
(Equation 15)
Figure 2004245627
Therefore, the unknown parameter vector θ can be estimated by using the signal obtained by performing the filtering process on the current I and the terminal voltage V for the adaptive digital filter operation.
In the present embodiment, the logical drawback of the simple "adaptive filter based on the least squares method" (that once the estimation value converges, accurate estimation cannot be performed again even if the parameter changes thereafter) is improved. Gain method ”is used. A parameter estimation algorithm for estimating the unknown parameter vector θ based on the above equation (14) is as shown in the following equation (16). Note that the parameter estimation value at the time point k is θ (k).
[0022]
(Equation 16)
Figure 2004245627
Here, λ 1 , λ 3 (k), γ U , and γ L are initial setting values, and b <λ 1 <1, 0 <λ 3 (k) <∞. P (0) is a sufficiently large value, and θ (0) is a sufficiently small non-zero value as an initial value. trace {P} means a trace of the matrix P.
The above is the derivation from the battery model to the adaptive digital filter.
[0023]
FIGS. 5 and 6 are flowcharts of processing performed by the microcomputer of the battery controller 30. The routine of FIG. 5 is performed at regular intervals T 0 (for example, every 10 msec). For example, I (k) means the current value, and I (k-1) means the previous value.
First, in FIG. 5, in step S10, the current I (k) and the terminal voltage V (k) are measured.
In step S20, it is determined whether the cutoff relay of the secondary battery is on or off. That is, the battery controller 30 also controls the cutoff relay of the secondary battery, and when the relay is cut off (current I = 0), the process proceeds to step S30. When the relay is engaged, the process proceeds to step S40.
In step S30, the terminal voltage V (k) is stored as the terminal voltage initial value V_ini.
In step S40, a terminal voltage difference value △ V (k) is calculated.
Where △ V (k) = V (k) −V_ini
This is because, since the initial value of the estimation parameter in the adaptive digital filter is set to about 0, all inputs are set to 0 so that the estimation parameter does not diverge at the start of the estimation calculation. When the relay is cut off, the process proceeds to step S30, so that the estimation parameter remains in the initial state because I = 0 and ΔV (k) = 0.
[0024]
In step S50, it is determined whether or not the measured current value is within the dead zone (small range) based on the absolute value of the current | I (k) |. If | I (k) | <predetermined value, the process proceeds to step S60. In other cases, the process proceeds to step S100.
In step S60, the counter CNT1 (k) is incremented, and the process proceeds to step S70.
In step S70, a time during which the current value continues to be within the dead zone is determined. If CNT1 (k)> predetermined value (for example, 50 seconds), that is, if the value in the dead zone has continued for a predetermined value or more, the process proceeds to step S80. Otherwise, the process proceeds to step S90.
In step S80, the adaptive filter holding flag FHOJI (k) is set to 1. In step S90, the adaptive filter holding flag FHOJI (k) = 0 is set. In step S100, the adaptive filter holding flag FHOJI (k) = 0 and CNT1 (k) = 0. After performing the above processing in step S80, step S90, and step S100, the process proceeds to step S110 in FIG. 6, respectively.
[0025]
Hereinafter, in FIG. 6, in step S110, the current I (k) and the terminal voltage difference value ΔV (k) are subjected to low-pass filter and band-pass filter processing based on Expression 11 to obtain I 0 (k). ) To I 3 (k) and V 1 (k) to V 3 (k) are calculated from Expression (17).
At this time, in order to improve the estimation accuracy of the parameter estimation algorithm of Expression (16), the response of the low-pass filter G 1 (s) is set to be slow so as to reduce observation noise. However, if not faster characteristics than the response characteristics of the battery (approximate value of the time constant T 1 is known) can not be accurately estimated parameters of the battery model. In Equation (17), p 1 is a constant that determines the response of G 1 (s).
[0026]
[Equation 17]
Figure 2004245627
Next, in step S120, it is determined based on the adaptive filter holding flag FHOJI (k) whether to perform the estimation operation with the adaptive filter or stop and hold all the internal variables. If FHOJI (k) = 1, the process proceeds to step S140 to hold the estimation calculation. In other cases, the process proceeds to step S130 to execute the estimation calculation (do not hold the previous value).
In step S130, I 0 (k) to I 3 (k) and V 1 (k) to V 3 (k) calculated in step S110 are substituted into equation (16). Then, Expression (16), which is a parameter estimation algorithm in the adaptive filter, is executed to calculate a parameter estimation value θ (k). y (k), ω T (k), and θ (k) are expressed by the following (Equation 18).
[0027]
(Equation 18)
Figure 2004245627
In step S140, a to e are substituted from the previous calculation values or the parameter estimation values θ (k) calculated in step S130 into the following equation (20) obtained by modifying the equation (5), which is the battery model. Then, V 0 ′ is calculated as a substitute for the open circuit voltage V 0 . Since the open circuit voltage V 0 changes slowly, it can be substituted by V 0 ′. However, what is obtained here is a change ΔV 0 (k) of the open circuit voltage estimated value from the start of the estimation calculation.
Here, [1 / G 2 (s)] I or the like in the following (Equation 19) corresponds to the following (Equation 20) in which the following expression (Equation 22) is substituted. Further, in the derivation of equation (20), (Expression 19) of K and (number 20) of the e is but strictly different, because it is physically K "A · T 1, and e ≒ K Approximate. The coefficients a to e in the equation (20) have the contents shown in the following equation (21).
[0028]
[Equation 19]
Figure 2004245627
[0029]
(Equation 20)
Figure 2004245627
[0030]
(Equation 21)
Figure 2004245627
[0031]
(Equation 22)
Figure 2004245627
P 2 in the equation (22) is a constant that determines the response of G 2 (s). Since the approximate value of the battery parameter T 1 is known to be several seconds, T 1 ′ in Expression (22) is set to a value close to T 1 . This is because “T 1 · s + 1” remaining in the numerator in Expression (20) can be canceled out, and the estimation accuracy of the open-circuit voltage V 0 can be improved.
In step S150, since ΔV 0 (k) calculated in step S140 is a change in the open circuit voltage from the start of the parameter estimation algorithm, the open circuit voltage initial value, that is, the terminal voltage initial value V_ini is added to open circuit voltage estimated value. V 0 (k) is calculated from the following equation (23).
V 0 (k) = △ V 0 (k) tens V_ini (23)
In step S160, a charge rate step SOC (k) is calculated from V 0 (k) calculated in step S150 using the correlation map between the open circuit voltage and the charge rate shown in FIG.
In FIG. 4, VL is an open circuit voltage corresponding to step SOC = 0%, and VH is an open circuit voltage corresponding to step SOC = 100%.
In step S170, the numerical values required for the next calculation are saved, and the current calculation ends. The above is the description of the operation of the embodiment.
[0032]
(1) As described above, the relationship between the current I and terminal voltage V and the open-circuit voltage V 0 which the secondary battery, in the general formula (Equation 1) where, in the embodiment (5) Formula (= Formula 4) Since the configuration is approximated by a transfer function as described above, there is an effect that an adaptive digital filter (known estimation algorithm) such as a least squares method can be applied. As a result, the parameters (the open-circuit voltage V 0 as an offset term and the coefficients of the polynomials A (s), B (s), and C (s)) in the equation can be collectively estimated. Then the estimated parameters by substituting the equation (1), can easily calculate the estimated value of the open-circuit voltage V 0. These parameters are affected by the charging rate, the temperature, the degree of deterioration, etc., and change every moment, but can be accurately and sequentially estimated by an adaptive digital filter. And by storing the open circuit voltage V 0 as shown in FIG. 4 a unique correlation charging rate can be converted to the charging rate from the estimated open-circuit voltage. Therefore, the charging rate can be accurately and sequentially estimated similarly to the parameters in the equation.
[0033]
(2) Further, when the current value continues to be a minute value as in the current cutoff state, since the previous calculation value of each parameter estimation value is held, the estimation calculation during the current cutoff is affected by noise. Accordingly, there is an effect that the parameter estimation accuracy by the adaptive digital filter can be prevented from being deteriorated.
[0034]
(3) When Expression (1), which is a relational expression between the current I of the secondary battery and the terminal voltage V, is approximated as Expression (2), the open circuit voltage V 0 (offset term) is not included. Because of the configuration, the sum of products of the values obtained by filtering the measurable current I and the terminal voltage V and unknown parameters (coefficient parameters of polynomials A (s), B (s), and C (s) and h) Since the equation is obtained, there is an effect that it is possible to apply a normal adaptive digital filter (a known parameter estimation algorithm using a least squares method or the like) in a continuous time system.
[0035]
(4) When the equation (1), which is the relational expression between the current I and the terminal voltage V of the secondary battery, is approximated as the equation (4), the same effect as in the above (3) can be obtained. In addition, the operation time and the program capacity can be minimized.
[0036]
7 and 8 are diagrams illustrating simulation results of parameter estimation based on the embodiment. FIG. 7 shows the case where the operation of the adaptive digital filter is continued and the parameter estimation values are not held (the configuration of the present invention is not used) even while the current interruption state continues for a long time (500 to 800 seconds). FIG. 8 shows a state in which the operation of the adaptive digital filter is temporarily stopped and each parameter estimation value is held at the previous operation value (configuration of the present invention). In the simulation, the equation (5) is used for the battery model, and the time constant of the first-order lag is set to T1≪T3. This is a setting assuming a lead-acid battery or the like.
[0037]
In FIG. 7, since the parameter estimation values are not held even during current interruption, the parameter estimation values deviate from the true values due to the influence of noise ((2) to (3) in the figure), and charging and discharging are stopped. When the process is restarted, a discontinuous portion ((1) in the figure) occurs in the step SOC estimated value, and the estimation accuracy is deteriorated.
In FIG. 8, during the current interruption, each parameter estimation value is held at the last calculated value, so that the parameter estimation value continues to match the true value ((2) to (3) in the figure), and charging / discharging is performed. When the process is restarted, the step SOC estimation value has continuity ((1) in the figure), and it can be seen that the estimation accuracy is good.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention by functional blocks.
FIG. 2 is a block diagram showing a specific configuration of the embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit model of a secondary battery.
FIG. 4 is a correlation map between an open circuit voltage and a charging rate.
FIG. 5 is a part of a flowchart of a process performed by a microcomputer of the battery controller 30;
FIG. 6 is another part of the flowchart of the process performed by the microcomputer of the battery controller 30.
FIG. 7 is a diagram showing a simulation result of estimating each parameter by inputting a current I and a terminal voltage V to an adaptive filter.
FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of estimating each parameter by inputting a current I and a terminal voltage V to an adaptive filter in the configuration of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... parameter estimation section 2 ... open circuit voltage V 0 (k) computing means 3 ... charging rate estimating means 4 ... current I (k) measuring section 5 ... terminal voltage V (k) measuring section 10 ... secondary battery 20 ... load 30 ... battery controller 40 ... ammeter 50 ... voltmeter 60 ... thermometer

Claims (4)

二次電池の電流Iと端子電圧Vとを計測し、適応デジタルフィルタを用いて、前記電流Iと端子電圧Vの計測値から開路電圧Vを推定し、予め求めた開路電圧Vと充電率SOCとの関係に基づいて充電率を推定する充電率推定装置において、
(数1)式に示す連続時間系の電池モデルを用いて、適応デジタルフィルタ演算を行い、前記の計測した電流Iと端子電圧Vを用いて過渡項であるA(s)、B(s)、C(s)の係数に対応するパラメータを一括推定するパラメータ推定手段と、
前記の計測した電流Iと端子電圧Vおよび前記パラメータ推定手段で推定したパラメータを前記(数1)式に代入することで開路電圧Vを算出する開路電圧演算手段と、
前記の推定した開路電圧Vを用いて、予め求めた開路電圧Vと充電率SOCの関係から充電率を推定する充電率推定手段と、
を備え、かつ、前記パラメータ推定手段は、計測した電流Iの絶対値が所定値以下の場合には適応デジタルフィルタの演算を停止し、各パラメータ推定値を前回の演算値に保持するように構成したことを特徴とする二次電池の充電率推定装置。
Figure 2004245627
なお、sはラプラス演算子
The current I and the terminal voltage V of the secondary battery are measured, and the open circuit voltage V 0 is estimated from the measured values of the current I and the terminal voltage V using an adaptive digital filter, and the open circuit voltage V 0 and the charging obtained in advance are determined. In a charging rate estimating device that estimates a charging rate based on a relationship with a charging rate SOC,
An adaptive digital filter operation is performed using the continuous-time battery model shown in Expression (1), and the transient terms A (s) and B (s) are obtained using the measured current I and terminal voltage V. , C (s), parameter estimation means for collectively estimating parameters corresponding to coefficients of:
Open-circuit voltage calculating means for calculating the open-circuit voltage V 0 by substituting the measured current I, terminal voltage V, and parameters estimated by the parameter estimating means into the equation (1);
A charging rate estimating means for estimating a charging rate from a relationship between a previously determined open circuit voltage V 0 and a charging rate SOC using the estimated open circuit voltage V 0 ,
And the parameter estimating means is configured to stop the operation of the adaptive digital filter when the measured absolute value of the current I is equal to or less than a predetermined value, and to hold each parameter estimated value at the previous calculated value. An apparatus for estimating a charge rate of a secondary battery, comprising:
Figure 2004245627
Where s is the Laplace operator
前記パラメータ推定手段は、計測した電流Iの絶対値が所定値以下の値を所定時間以上継続した場合に適応デジタルフィルタの演算を停止し、各パラメータ推定値を前回の演算値に保持することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の充電率推定装置。The parameter estimating means stops the operation of the adaptive digital filter when the measured absolute value of the current I is equal to or less than a predetermined value for a predetermined time or more, and holds each parameter estimated value at the previous calculated value. The charging rate estimating device for a secondary battery according to claim 1. 前記(数1)式に示した連続時間系の電池モデルの開路電圧Vを、(数2)式で近似することで(数3)式とし、前記(数3)式を用いて適応デジタルフィルタ演算を行い、前記の計測した電流Iと端子電圧Vを用いて過渡項であるA(s)、B(s)、C(s)の係数に対応するパラメータおよび変数hを一括推定し、その結果として推定したパラメータおよび前記の計測した電流Iと端子電圧Vを前記(数1)式に代入することで開路電圧Vを算出し、求めたVを用いて、予め求めた開路電圧Vと充電率SOCの関係から充電率を推定することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の充電率推定装置。
Figure 2004245627
Figure 2004245627
The open-circuit voltage V 0 of the continuous-time battery model shown in the expression (1) is approximated by the expression (2) to obtain the expression (3), and the adaptive digital is calculated using the expression (3). A filter operation is performed, and parameters and variables h corresponding to coefficients of A (s), B (s), and C (s), which are transient terms, are collectively estimated using the measured current I and terminal voltage V, As a result, the open-circuit voltage V 0 is calculated by substituting the estimated parameters, the measured current I and the terminal voltage V into the above equation (1), and using the obtained V 0 , the open-circuit voltage obtained in advance. V 0 charging rate estimating device for a secondary battery according to claim 1, characterized in that for estimating the charging rate from the relationship between the charging rate SOC.
Figure 2004245627
Figure 2004245627
連続時間系の電池モデルとして前記(数1)式の代わりに(数4)式を用い、開路電圧Vを前記(数2)式で近似することで(数3)式とし、前記(数3)式を用いて適応デジタルフィルタ演算を行い、その結果として推定したパラメータおよび前記の計測した電流Iと端子電圧Vを前記(数4)式に代入することで開路電圧Vを算出し、求めたVを用いて、予め求めた開路電圧Vと充電率SOCの関係から充電率を推定することを特徴とする請求項2に記載の二次電池の充電率推定装置。
Figure 2004245627
(Equation 4) is used as a continuous-time battery model instead of (Equation 1), and the open circuit voltage V 0 is approximated by (Equation 2) to obtain (Equation 3). An adaptive digital filter operation is performed by using the expression (3), and as a result, the open circuit voltage V 0 is calculated by substituting the estimated parameters and the measured current I and the terminal voltage V into the expression (4). using the V 0 obtained, previously determined charging rate estimating device for a secondary battery according to claim 2, characterized in that for estimating the charging rate and the open circuit voltage V 0 from the relationship of the SOC was.
Figure 2004245627
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