JP2004521365A

JP2004521365A - 電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法

Info

Publication number: JP2004521365A
Application number: JP2003510976A
Authority: JP
Inventors: エバーハルト　ショッホ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-07-15
Also published as: EP1417503B1; US6876175B2; US20040032264A1; WO2003005052A1; EP1417503A1

Abstract

推定を用いて電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法が説明される。この方法では、推定の際に、エネルギー蓄積器の少なくとも２つの異なる作動点において得られる情報が考慮される。推定は、電荷蓄積器の現時点及び／又は将来時点の充電状態及び／又は将来時点の電力に関して行われる。この方法は、通常、制御装置のプロセッサにおいて実行される。

Description

【０００１】
技術の状況
文献から、電気エネルギー蓄積器、とりわけ自動車分野では通例の鉛蓄電池の充電状態及び電力を求める様々な方法が公知である。これらの方法の大部分においては、充電状態は、無負荷状態の鉛蓄電池において測定された静止電圧から求められる。というのも、静止電圧は充電状態の広い範囲において電解液比重に比例しているからである（静止電圧法）。所定の負荷電流ないし負荷電力に関連したエネルギー蓄積器の電力ないし負荷容量を推定するためには、静止電圧ないし充電状態の他に、内部抵抗も必要とされる。なお、この内部抵抗は、スタータバッテリにおいて、理想的にはエンジンスタートの際の大電流負荷の間に測定された電圧値及び電流値の微分商から計算される。このようにしてバッテリの充電状態を求める方法は、例えばＤＥ−Ｐ１９８４７６４８から公知である。
【０００２】
例えばステアバイワイヤシステムないしブレーキバイワイヤシステムのような安全性が重要な自動車内の電気負荷を使用する場合、またバッテリシステム及び負荷管理システムにとっても、エネルギー蓄積器の充電状態と電力とに関する連続的な情報が必要であり、そのため、充電期間及び／又は放電期間においても静止電圧ないし充電状態を求め、そして大電流負荷が行われない場合にも内部抵抗を求めなければならない。そのために、充電状態はたいてい電流積分による電荷得失量によって外挿され、内部抵抗は充電状態とバッテリ温度とに依存した安定した特性曲線に従って外挿される。しかしながら、この方法では、エネルギー蓄積器が静止期間ないし大電流負荷なしで比較的長時間動作する場合、ならびに特性曲線では考慮されない経年変化の影響のゆえに、充電状態及び電力の推定に誤りが生じうる。
【０００３】
この誤りを防止するために、文献においては、エネルギー蓄積器の数学的モデルの状態量及びパラメータを、電圧、電流及び温度の連続的測定によって、つねに実際の状態量及びパラメータに合わせるモデルベースの推定方法が提案されている。このようなモデルベースの推定方法は、例えばＤＥ−Ｐ１９９５９０１９．２から公知である。エネルギー蓄積器の充電状態と電力は、公知の方法では、このようにして求められた状態量及びパラメータから計算される。これらの方法の不利な点は、放電／充電電流の範囲、充電状態、温度及び劣化作用に関してエネルギー蓄積器の全作動域をカバーするために、推定すべき多くの状態量及びパラメータを有する通常は非線形の複雑なエネルギー蓄積器モデルが必要とされ、高いコストをかけないと推定ができないという点である。
【０００４】
しかし、バッテリのただ１つの作動点だけ、例えば放電のときだけをカバーする簡単な代替的モデルによれば、この作動点においてだけ、充電状態及び電力の正確な算出を行えばよいという利点がもたらされる。このような簡単なモデルは、例えばＤＥ−Ｐ１００５６９６９に記載されている。
【０００５】
発明の課題
本発明の課題は、電荷蓄積器の充電状態ないし電力のできるだけ正確な算出を広い作動域にわたって高いコストをかけずに可能にすることである。この課題は請求項１に記載された特徴を備えた方法によって解決される。本発明によるこの方法は、電圧、電流及び温度の連続的測定を用いた、エネルギー蓄積器の異なる作動点において作用する少なくとも２つの方法から推定される状態量及びパラメータの加重補正により、エネルギー蓄積器、とりわけ自動車の鉛蓄電池の広い作動域にわたって、単一の方法と比べて、実際及び将来の充電状態ならびに電力のより正確な推定を可能にする。
【０００６】
発明の利点
請求項１に記載された特徴を備えた本発明による方法は、静止電圧法の利点、すなわち、無負荷のバッテリと同相の静止電圧ないし充電状態の正確な測定と大電流負荷（例えばエンジンスタート）の際の内部抵抗の正確な測定の利点と、静止電圧及び内部抵抗ならびにオプションとして別の状態量及びパラメータを静止期間及び大電流負荷のない作動時にも推定できるという単純なモデルベースの推定方法の利点を結び付け、コストのかかるバッテリモデルなしで、バッテリの広い作動域にわたって、単一の方法と比べて、実際及び将来の充電状態ならびに電力のより正確な推定を可能にする。
【０００７】
本発明の別の利点は従属請求項に示されている特徴により達成される。充電状態及び電力の計算のために少なくとも必要とされる量、静止電圧及び内部抵抗ならびにオプションとして別の状態量及びパラメータは、有利には、単一方法の値からの加重補正により計算される。その際、単一方法の値の重みは、バッテリのその時点の作動点におけるそれらの値の信頼度に応じて選択される。
【０００８】
充電状態及び温度に関する推定された現在の状態量及びパラメータを後の時点に外挿することにより、将来の電力の診断が可能となり、その結果、上記方法により、例えば複数日にわたって停止していた車両内のバッテリの起動能力も推定することができる。
【０００９】
説明
図１は、バッテリの異なる作動点において作用する２つの状態／パラメータ推定方法を用いたバッテリ状態識別の基本的構造を示している。使用される方法の数は必ずしも２つに限定されない。しかしながら、少なくとも１つの方法はモデルベースで動作する。すなわち、バッテリモデルの状態量及びパラメータは、例えば、再帰的な最小２乗推定量、例えば拡張カルマンフィルタを介して実際値に適応させられる。
【００１０】
状態／パラメータ推定は、バッテリ電圧Ｕ_Ｂａｔｔ、バッテリ電流Ｉ_Ｂａｔｔ及びバッテリ温度Ｔ_Ｂａｔｔから、バッテリの充電状態及び電力の判定に必要な状態量ｚ（例えば静止電圧Ｕ_００）とパラメータｐ（例えば内部抵抗Ｒ_ｉ）を求める。充電状態計算は状態量ベクトルｚと現時点のバッテリ温度Ｔ_Ｂａｔｔとから充電状態ｓｏｃ（ｓｔａｔｅｏｆｃｈａｒｇｅ）を判定する。その一方で、バッテリの現時点の電力は、状態ベクトルｚ及びパラメータｐにより初期化されたバッテリモデルの電圧応答Ｕ_{Ｂａｔｔ，ｐｒａｅｄ}（ｔ）を介して、所定の負荷電流曲線Ｉ_Ｌａｓｔ（ｔ）に基づいて判定される。
【００１１】
将来時点のバッテリ電力に関心がある場合には、例えば複数日にわたる車両の停止時間の後にバッテリの起動能力を調べるときには、現時点の状態量ｚ及びパラメータｐならびに現時点のバッテリ温度が、将来時点に期待される値ｚ’、ｐ’及びＴ_Ｂａｔｔ’に外挿される。とりわけ、このためには、車両の停止時間に依存して充電状態の低下を前もって計算することができるように、停止中の車両内の静止電流曲線Ｉ_Ｒｕｈｅ（ｔ）が既知でなければならない。
【００１２】
ここでは静止電圧法と呼ばれる方法Ａにより、無負荷のバッテリと同相の静止電圧Ｕ_００が求められ、大電流負荷（例えばエンジンスタート）の間にはバッテリの内部抵抗Ｒ_ｉが求められる。さらに、例えば（電解液）容量Ｑ_０のような別の量を、測定量である電流Ｉ_Ｂａｔｔ、電圧Ｕ_Ｂａｔｔ及び温度Ｔ_Ｂａｔｔ、又は計算された量であるＵ_００及びＲ_ｉから導出してもよい。方法Ａにより求められた状態量は状態ベクトルｚ _Ａにまとめられ、パラメータはベクトルｐ _Ａにまとめられる。方法Ｂはモデルベースであり、同様に少なくとも静止電圧Ｕ_００と内部抵抗Ｒ_ｉを推定するが、方法Ａに比べると、他のないしは付加的なバッテリ作動点（例えば放電）も推定する。方法Ｂにより求められた状態量は状態ベクトルｚ _Ｂにまとめられ、パラメータはベクトルｐ _Ｂにまとめられる。
【００１３】
各計算ステップｋにおいて、状態ベクトルｚ _ｋ＋１は、開始値ｚ _ｋ＝０＝ｚ _０から始めて加重差ｚ _Ａ，ｋ−ｚ _ｋ、ｚ _Ｂ，ｋ−ｚ _ｋを用いて計算され、ベクトルｐ _ｋ＋１は、開始値ｐ _ｋ＝０＝ｐ _０から始めて加重差ｐ _Ａ，ｋ−ｐ _ｋ、ｐ _Ｂ，ｋ−ｐ _ｋを用いて計算される：
【００１４】
【数１】

【００１５】
加重行列Ｇ _ｚ，Ａ，Ｇ _ｚ，Ｂ，Ｇ _ｐ，Ａ及びＧ _ｐ，Ｂは２次の対角行列であり、それらの対角要素ｇ_{ｚ，Ａ，ｉ＝１‥ｎ}、ｇ_{ｚ，Ｂ，ｉ＝１‥ｎ}、ｇ_{ｐ，Ａ，ｉ＝１‥ｎ}、ｇ_{ｐ，Ａ，ｉ＝１‥ｎ}は、ｎ個の状態量及びｍ個のパラメータの補正の度合いを規定し、列ｚ _ｋ＝０、ｚ _ｋ＝１、ｚ _ｋ＝２…及びｐ _ｋ＝０、ｐ _ｋ＝１、ｐ _ｋ＝２…が収束するように、つぎの条件を満たさなければならない：
【００１６】
【数２】

【００１７】
重みは、その時点の作動点において他方の方法によるよりも正確に求められた状態量ないしパラメータが相応してより強く補正に寄与するように、選択される。例えば、モデルベースの方法の推定量は、推定アルゴリズムが定常状態にあり、推定量が一意的に識別可能であり（観察可能性）、バッテリが基礎的なモデルによっても記述される作動点において動作する（例えば放電）場合にのみ、補正に導入されるようにしてもよい。他のすべてのケースでは、相応の重みｇ_{ｚ，Ｂ，ｉ}及びｇ_{ｐ，Ｂ，ｉ}＝０が設定されなければならない。
【００１８】
以下では、自動車内の鉛蓄電池の電力予測のためのバッテリ状態識別の特別な変形実施形態の１つの例をより詳細に説明する。
【００１９】
予測子モデル
電力推定のために、例えば典型的には電気式ブレーキシステム及びステアリングシステムの作動時ならびに自動車のエンジンスタート時のような短時間の負荷の際に、鉛蓄電池にはＩ_Ｌａｓｔ≦−１００Ａ（計測の方向：放電の場合はＩ＜０Ａ）のオーダーの電流が生じる。その際、図２に示されている以下の簡単な予測モデルを使用してもよい：
この予測モデルは以下の等価回路要素を有している：
Ｉ_Ｌａｓｔ＝電力を調べるための所定の負荷電流
Ｕ_００＝静止電圧
Ｒ_ｉ＝オーム性内部抵抗
ダイオード＝電荷移動分極の非線形抵抗
Ｕ_ｏｈｍ＝Ｒ_ｉ＊Ｉ_Ｌａｓｔ＝所定の電流曲線Ｉ_Ｌａｓｔにおけるオーム性電圧降下
Ｕ_Ｄ＝ｆ（Ｉ_Ｌａｓｔ，Ｔ_Ｂａｔｔ）＝所定の電流曲線Ｉ_Ｌａｓｔ及びバッテリ温度Ｔ_Ｂａｔｔにおける定常的な電荷移動電圧降下の特性曲線
測定から求められる数式：
【００２０】
【数３】

【００２１】
この数式は以下の温度に依存した電荷移動パラメータを有している：
【００２２】
【数４】

【００２３】
Ｕ_{Ｂａｔｔ，ｐｒａｅｄ}＝Ｕ_００＋Ｒ_ｉ＊Ｉ_Ｌａｓｔ＋Ｕ_Ｄ（Ｉ_Ｌａｓｔ，Ｕ_Ｄ０）＝バッテリ電流Ｉ_Ｌａｓｔのもとで予測された電圧応答
予測モデルが適用可能であるためには、以下の前提が満たされていなければならない：
所定の電流曲線Ｉ_Ｌａｓｔ（ｔ）による電荷の放出はバッテリ容量と比べれば無視できる。すなわち、静止電圧Ｕ_００は一定と仮定される；
電荷移動電圧は、電流Ｉ_Ｌａｓｔ（ｔ）の負荷の間、特性曲線Ｕ_Ｄ＝ｆ（Ｉ_Ｌａｓｔ，Ｔ_Ｂａｔｔ）により予め定められた定常的な終端値へと遷移する。すなわち、負荷は十分な長さないしは十分な大きさ（時定数はＵ_Ｄ〜１／Ｉ_Ｌａｓｔ）である；
バッテリ内の電解液比重の差に起因する、モデルにおいて考慮されない濃度過電圧は無視できる；
必要に応じて本来のバッテリ容量以外の付加的な容量（例えば電極と電解液との間の２重層コンデンサ）に蓄積される電荷は考慮されない（最悪のケースの考察）。
【００２４】
これらの前提は、Ｔ_Ｂａｔｔ＞およそ０°Ｃのバッテリ温度に対してはｓｏｃ＞およそ３０％の充電状態領域における規定の負荷に関して満たされ、Ｔ_Ｂａｔｔ＜およそ０°Ｃに対してはｓｏｃ＞およそ５０％で満たされる。
【００２５】
予測モデルの状態量及びパラメータの算出は以下の考察に基づいて行われる：
予測モデルの状態量Ｕ_００ならびにパラメータＲ_ｉ及びＵ_Ｄ０は２つの異なる方法により求められる：
方法Ａは、無負荷状態のバッテリの開路電圧測定からＵ_００，Ａを求め、エンジンスタート時に測定された電圧値及び電流値の微分商の評価によりＲ_ｉ，Ａを求める。一方、電荷移動パラメータＵ_Ｄ０，Ａは方法Ａによっては推定されず、上記の特性曲線に基づいて計算される。
【００２６】
さらに、方法Ａは２つの静止電圧測定Ｕ_{００，Ａ，１}及びＵ_{００，Ａ，２}とその間における電流積分（電荷得失量）ｑ＝∫Ｉ_Ｂａｔｔｄｔとからバッテリ（電解液）容量を求める：
【００２７】
【数５】

【００２８】
Ｑ_０，Ａ、現時点の電荷得失量ｑ_ｋ及び現時点のバッテリ温度Ｔ_{Ｂａｔｔ，ｋ}を用いて、方法Ａは、静止期間において求められた静止電圧Ｕ_００，０を作動中の各時間区間において以下の式に従って導く：
【００２９】
【数６】

【００３０】
同様に、スタート時に求められた内部抵抗Ｒ_ｉは、作動中に特性曲線に基づいて現時点の静止電圧Ｕ_{００，Ａ，ｋ}及び測定された現時点のバッテリ温度Ｔ_{Ｂａｔｔ，ｋ}に依存して導かれる：
【００３１】
【数７】

【００３２】
方法Ｂは、適切なバッテリモデルの調整により、放電領域（Ｉ_Ｂａｔｔ＜０Ａ）において、静止電圧Ｕ_００，Ｂ、内部抵抗Ｒ_ｉ、電荷移動パラメータＵ_Ｄ０，Ｂ及びバッテリ容量Ｑ_０，Ｂを推定する。加重補正により、方法Ａ及びＢにより求められた状態量及びパラメータから、充電状態及び電力を求めるのに必要な量が計算される。この際、個々の時間区間に対して０．０１秒の一定サンプリング速度が仮定されている。
【００３３】
【数８】

【００３４】
すなわち、方法Ａにより静止期間から求められた開始値Ｕ_００，０＝Ｕ_{００，Ａ，０}は、電荷得失量の絶対値｜ｑ_ｋ｜が増大するにつれて、車両動作中に方法Ｂにより求められた値Ｕ_{００，Ｂ，ｋ}によっていっそう強く補正される。
【００３５】
【数９】

【００３６】
すなわち、エンジンスタート時に方法Ａにより求められた開始値Ｒ_ｉ，０＝Ｒ_{ｉ，Ａ，０}は、車両動作中に一定の重みｇ_Ｒｉ，Ｂ＝１．ｅ−３を用いて、方法Ｂにより求められる値Ｒ_{ｉ，Ｂ，ｋ}へと補正される。
【００３７】
【数１０】

【００３８】
すなわち、方法Ａにより特性曲線Ｕ_Ｄ０（Ｔ_Ｂａｔｔ）に基づいて設定された電荷移動パラメータＵ_Ｄ０，Ａは、一定の重みｇ_{ＵＤ０，Ｂ}＝１．ｅ−３を用いて、車両動作中に方法Ｂにより推定される値Ｕ_{Ｄ０，Ｂ，ｋ}へと補正される。
【００３９】
容量Ｑ_０は電力の予測のためには必要ではないが、方法Ａにより静止期間から求められた値Ｑ_{０，Ａ，０}は、車両動作中に方法Ｂにより推定される値Ｑ_{０，Ｂ，ｋ}により改善することができる。値Ｑ_{０，Ｂ，ｋ}の精度は電荷得失量の絶対値｜ｑ_ｋ｜の増大とともに上がるので、重みはこの値に比例して選択されている。
【００４０】
【数１１】

【００４１】
現時点充電状態の計算：
相対的充電状態ｓｏｃは、現時点の求められた静止電圧Ｕ_００（状態量）と現時点のバッテリ温度Ｔ_Ｂａｔｔ（測定量）とから計算される：
【００４２】
【外１】

【００４３】
現時点電力の計算
現時点電力は、所定の負荷電流Ｉ_Ｌａｓｔのもとで、予測モデルならびに推定された現時点の状態量及びパラメータを用いて計算されたバッテリ電圧Ｕ_{Ｂａｔｔ，ｐｒａｅｄ}を介して求められる：
【００４４】
【数１２】

【００４５】
エネルギー蓄積器の電力に対する絶対的尺度（ＳＯＨ＝ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）としては、予測されたバッテリ電圧の最小値から下限電圧Ｕ_{Ｂａｔｔ，ｇｒｅｎｚ}までの間隔を使用することができる。この間隔においては、エネルギー蓄積器は考察中の負荷（例えば電気式ステアリング、ブレーキ、スタータ…）の動作に必要な電力をまだ即座に供給できる：
【００４６】
【数１３】

【００４７】
ＳＯＨ_ａｂｓを好都合なケース、つまりバッテリの新たな全負荷時及び高温時に得られる差と比べれば、相対的尺度
【００４８】
【数１４】

【００４９】
が得られる。
【００５０】
将来時点電力の計算
将来時点電力は、将来時点においてバッテリ温度及び充電状態に関して外挿される状態量（Ｕ_００’）及びパラメータ（Ｒ_ｉ’，Ｕ_Ｄ０’）を予測方程式に入れることにより、推定することができる。期待される温度Ｔ_Ｂａｔｔ’は、例えば最近１０〜１４日のバッテリ温度の平均値をとることにより求められる。最悪の場合の考察のためには、この値をさらに１０Ｋ減じる。
【００５１】
車両のｘ日にわたる停止時間後に期待される静止電圧は、静止電流Ｉ_Ｒｕｈｅの放電に起因する充電状態の低下をふまえて求められる：
【００５２】
【数１５】

【００５３】
内部抵抗Ｒ_ｉ’は特性マップＲ_ｉ’＝ｆ（Ｒ_ｉ，Ｕ_００’，Ｔ_Ｂａｔｔ’）を用いて外挿され、一方、電荷移動パラメータＵ_Ｄ０’は特性曲線Ｕ_Ｄ０（Ｔ_Ｂａｔｔ）に基づいて計算される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
バッテリの異なる作動点において作用する２つの状態／パラメータ推定方法を用いたバッテリ状態識別の基本的構造を示す。
【図２】
簡単な予測モデルを示す。

Claims

推定を利用して電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法において、
前記推定の際に、エネルギー蓄積器の少なくとも２つの異なる作動点において得られる情報を考慮することを特徴とする、電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
少なくとも２つの方法、例えば静止電圧法とモデルベースの推定方法とを実行し、得られたそれぞれの情報を充電状態判定の際に考慮する、請求項１記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
前記情報から重み付け可能な補正量を算出する、請求項１記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
電荷蓄積器の現在及び／又は将来の充電状態、及び／又は、電荷蓄積器の現在及び／又は将来の電力に関する推定を行う、請求項１から３のいずれか１項に記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
電荷蓄積器の将来の充電状態及び／又は将来の電力に関する推定を予測子を使用して行う、請求項３記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
前記両作動状態は電荷蓄積器の静止状態と電荷蓄積器の活動状態である、請求項１から５のいずれか１項に記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
状態／パラメータ推定を行う、請求項１から６のいずれか１項に記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
前記状態／パラメータ推定のために、静止電圧法とモデルベースの推定方法とを実行する、請求項１から７のいずれか１項に記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
所定の量の考慮の下で、プロセッサにおいて処理可能な計算モデルを構築する、請求項１から８のいずれか１項に記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
例えば静止電圧法である第１の方法Ａによる測定量、バッテリ電圧、バッテリ電流及びバッテリ温度から状態量及びパラメータを決定し、
第２のモデルベースの方法Ｂにより、別の状態量及びパラメータを決定し、
前記状態量及びパラメータから補正量を求め、
前記状態量を充電状態の計算に使用し、
前記状態量及びパラメータを電荷蓄積器の電力の予測及び予め設定されるバッテリ電圧の設定に使用する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための方法。
例えば、必要な情報が供給される制御装置の構成部分である少なくとも１つのプロセッサを備えていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための少なくとも１つの方法を実行する装置。
状態／パラメータ推定のための手段と、充電状態計算のための手段と、電力予測のための手段とが設けられており、前記手段が相互に接続されている、請求項１１記載の電荷蓄積器の充電状態及び／又は電力を求めるための装置。