JP2007240308A - バッテリーの制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリーの状態を正確に推定し、これに基づいてバッテリーを精度良く制御すること。
【解決手段】NN回路10によりバッテリーの状態を学習する学習手段と、所定時刻におけるバッテリー状態量の目標値の入力を受けて、所定時刻に達するまでの間におけるバッテリーの充放電量を決定する充放電量決定手段と、決定されたバッテリーの充放電量に基づいて、バッテリー状態量を目標値に制御する制御手段と、を備える。実機のバッテリーの状態をNN回路10で学習することができるため、バッテリー状態量の目標値に対して、バッテリーの充放電量を最適に制御することが可能となる。
【選択図】図1

Description

この発明は、バッテリーの制御装置に関する。
従来、例えば特開平5−314288号公報には、ニューラルネットワーク回路による学習機能を用いて、温度、電源電圧等の外的な要因に基づく出力誤差を許容範囲内に保つ技術が開示されている。
特開平5−314288号公報 特開平9−243716号公報 特開2005−23863号公報 特開2004−162582号公報
特開平5−314288号公報に記載された技術によれば、外的な要件に基いて温度、電源電圧等の外的な要因に基づく出力誤差を許容範囲内に保つことができる。しかしながら、同公報に記載された技術は、バッテリー(電源電圧)状態を特定しておらず、その学習精度に改善の余地がある。
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、バッテリーの状態を正確に推定し、これに基づいてバッテリーを精度良く制御することを目的とする。
第1の発明は、上記の目的を達成するため、NN回路によりバッテリーの状態を学習する学習手段と、所定時刻におけるバッテリー状態量の目標値の入力を受けて、前記所定時刻に達するまでの間におけるバッテリーの充放電量を決定する充放電量決定手段と、決定された前記バッテリーの充放電量に基づいて、前記バッテリー状態量を前記目標値に制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
第2の発明は、第1の発明において、前記学習手段は、NN回路からの出力と、実機のバッテリーからの出力を表す教師信号とを比較することにより、バッテリーの状態を学習することを特徴とする。
第3の発明は、第1の発明において、前記充放電量決定手段は、前記所定時刻に達するまでの間の複数のタイミングで前記バッテリーの充放電量を決定することを特徴とする。
第4の発明は、第1〜第3の発明のいずれかにおいて、前記学習手段は、前記NN回路の結合係数を可変することでバッテリーの状態を学習し、前記結合係数に基づいて、バッテリーの劣化を判定する劣化判定手段を更に備えたことを特徴とする。
第5の発明は、第1〜第4の発明のいずれかにおいて、前記バッテリー状態量は、バッテリーの充電状態量及びバッテリー電圧の少なくとも1つを含むことを特徴とする。
第1の発明によれば、実機のバッテリーの特性をNN回路を用いて学習することができるため、バッテリー状態量の目標値に対して、バッテリーの充放電量を最適に制御することが可能となる。従って、非線形要素の特性を有するバッテリーを最適に制御することが可能となる。
第2の発明によれば、NN回路からの出力と、実機のバッテリーからの出力を表す教師信号とを比較することにより、バッテリーの特性を学習することが可能となる。
第3の発明によれば、所定時刻に達するまでの間の複数のタイミングにおいて、バッテリーの充放電量を決定するため、バッテリー状態量を緻密に制御して目標値に到達させることが可能となる。
第4の発明によれば、バッテリーの特性を学習する際に、NN回路の結合係数を可変するため、結合係数に基づいてバッテリーの劣化を判定することが可能となる。
第5の発明によれば、バッテリー状態量は、バッテリーの充電状態量及びバッテリー電圧の少なくとも1つを含むため、バッテリー充電状態量、バッテリー電圧の少なくとも1つを目標値に制御することが可能となる。
以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の一実施形態にかかるバッテリーモデルの構造を説明するための図である。バッテリーモデルは、実機のバッテリーの充電状態を表す充電状態量、バッテリーの電圧(電池電圧)などの状態量を検知するためのモデルである。バッテリーモデルは、実機のバッテリーとともに自動車に車載され、自動車が備えるECU内に構築される。
本実施形態において、図1のバッテリーモデルは、ニューラルネットワーク回路10(神経回路;以下、NN回路10という)から構成されている。NN回路10は、複数入力、複数出力への対応が可能であり、非線形モデルの近似に適しているため、非線形要素を有するバッテリー特性の近似に特に適している。従って、NN回路10からなるバッテリーモデルによれば、実機のバッテリーの状態を、様々な運転モードで判定することができる。
図1に示すように、バッテリーモデル10は、充電状態量SOC(k)、電池電圧Vb(k)、電池電流Ib(k)を入力として、充電状態量SOC(k+1)、電池電圧Vb(k+1)を出力する。
図1において、kは時刻を表すパラメータである。本実施形態では、kの値が1つ増加すると、所定の時間ステップ(Δt)が経過するものとする。すなわち、電池電圧Vb(k)が現在の時刻における電池電圧を表すものとすると、電池電圧Vb(k+1)は時間Δtが経過した後の電池電圧を表している。同様に、充電状態量SOC(k)が現在の時刻における充電状態量を表すものとすると、充電状態量SOC(k+1)は時間Δtが経過した後の充電状態量を表している。
図1に示すように、電池電圧Vb(k+1)は、NN回路10からの出力と、時刻kにおける電池電圧Vb(k)を加算することで算出される。また、充電状態量SOC(k+1)は、NN回路10からの出力と、時刻kにおける充電状態量SOC(k)を加算することで算出される。すなわち、NN回路10は、現在の時刻から時間Δtが経過した際の電池電圧Vb、充電状態量SOCの変化量を算出するものである。
従って、NN回路10によれば、現在の時刻における充電状態量SOC(k)、電池電圧Vb(k)、及び電池電流Ib(k)に基づいて、時間Δtが経過した後の充電状態量SOC(k+1)、電池電圧Vb(k+1)を算出することができる。
電池電圧Vb、充電状態量SOCの変化量の算出は、電池電流Ibに基づいて行われる。電池電流Ib(k)が正の値の場合にバッテリーから電流Ib(k)が放電されるものとすると、この場合、放電された電流Ib(k)によってSOC及びVbの値は減少する。また、電池電流Ib(k)が負の値の場合にバッテリーへ電流Ib(k)が充電されるものとすると、充電された電流Ib(k)によってSOC及びVbの値は増加する。従って、NN回路10によれば、時刻kにおける電池電流Ib(k)に基づいて、充電状態量SOC、電池電圧Vbの変化量を算出することができる。
図2は、図1に示すNN回路10を簡易的に構成した例を示す模式図である。図2のNN回路10では、充電状態量SOCをNN回路10内に保持しており、電池電圧SOC(k)、および電池電流Ib(k)を入力として、電池電圧Vb(k+1)が出力される。図2のNN回路10によれば、後述するNN回路10の学習およびNN回路10による制御を簡易的に行うことができる。なお、以下の説明では、NN回路10が図1に示すものであるとして説明を行う。
図3は、バッテリーモデルを構成するNN回路10の内部構造を詳細に示す模式図である。図3に示すように、NN回路10は、充電状態量SOC(k)、電池電圧Vb(k)、電池電流Ib(k)が入力される入力要素12,14,16、および充電状態量SOC(k+1)、電池電圧Vb(k+1)が出力される出力要素18,20を備えている。また、NN回路10は、入力要素12,14,16と出力要素18,20との間に、複数の要素22,24,26,28,30を備えている。
図3に示すように、入力要素12,14,16と各要素22,24,26,28,30は所定の結合関係で結合されている。同様に、各要素22,24,26,28,30と出力要素18,20は、所定の結合関係で結合されている。
入力要素12,14,16と各要素22,24,26,28,30との結合においては、結合毎に重み付け(結合係数(ウェイト))が設定されている。例えば、入力要素12と要素22は、結合係数W11で結合している。また、入力要素14と要素26は、結合係数W22で結合している。
同様に、各要素22,24,26,28,30と出力要素18,20との結合においても、結合毎に結合係数が設定されている。例えば、要素22と出力要素18は、結合係数X11で結合している。また、要素22と出力要素20は、結合係数X12で結合している。
このように構成されたNN回路10は、結合係数W、結合係数Xを可変することにより、実機のバッテリーの状態に応じて、入力である充電状態量SOC(k)、電池電圧Vb(k)、電池電流Ib(k)と、出力である充電状態量SOC(k+1)、電池電圧Vb(k+1)との関係を規定することができる。
例えば、新品状態のバッテリーと、使用が継続されて経年変化が生じたバッテリーとでは、特性が異なる。NNモデル10によれば、実機のバッテリーの特性を学習し、結合係数W、結合係数Xを最適値に設定することで、実機のバッテリーの特性を正確に表現することが可能である。
図4は、NN回路10の学習を行っている状態を示す模式図である。NN回路10で構成されるバッテリーモデルは、その動作時に、図4に示されるようなn個の単位NN回路(1)〜(n)を多段に連結させた繰り返し構造と実質的に等価の構造をなす。ここで、各単位NN回路(1)〜(n)の構造は、図1及び図3で説明した単一のNN回路10と同様である。
この場合、各単位NN回路(1)〜(n)は、それぞれ運動時間の各時間ステップに対応しており、運動時間=n×Δtとなる。そして、図4からわかるように、学習モードにおいて、NN回路10は、各単位NN回路(1)〜(n)の出力と、実機のバッテリーからの実測値から与えられる教師信号の値との誤差の2乗和を最小にするバックプロパゲーションアルゴリズムにより各要素12〜30間の結合係数W,Xを修正し、実機のバッテリーの特性を学習する。
ここで、k番目の単位NN回路(k)が出力する充電状態量SOC(k)、電池電圧Vb(k)の推定値をベクトル化し、
Z(k)=[SOC(k),Vb(k)]
として表すとともに、k番目の単位NN回路(k)に与えられる教師信号をベクトル化し、
T(k)=[t_SOC(k),t_Vb(k)]
として表す。この場合、単位NN回路(k)の出力(推定値)と、実機のバッテリーから与えられる教師信号との誤差関数Eは、両者の2乗和をとることにより、以下の数式で定義される。
Figure 2007240308
そして、このような誤差関数Eの最急降下方向にNN回路10の結合係数Wを変化させる場合、その変化量ΔWは、誤差関数EをWで偏微分することにより、
ΔW=−ε(∂E/∂W)
と表される。ただし、εは学習係数であり、十分に小さな正の値とされる。
このようなバックプロパゲーションアルゴリズムを採用するNN回路10の単位NN回路(1)に、時刻k=0における充電状態量SOC(0)および電池電圧Vb(0)、すなわち、充電状態量SOCおよび電池電圧Vbの初期値と、時刻k=0における電池電流Ib(0)、すなわち、電池電流Ibの初期値とが与えられると、1番目の単位NN回路(1)からは時系列データの入力時(k=0)よりも単位時間ステップ(Δt)だけ進んだ時刻k=1における動作状態の推定値SOC(1)およびVb(1)が出力される。
そして、単位NN回路(1)から出力された時刻k=1における動作状態の推定値SOC(1)およびVb(1)と、教師信号に示される実測値t_SOC(1)およびt_Vb(1)との誤差関数Eから結合係数W,Xの修正量が求められ、単位NN回路(1)の結合係数W,Xが修正されることになる。
また、単位NN回路(1)から出力された時刻k=1における動作状態の推定値SOC(1),Vb(1)は、時刻k=1における電池電流Ibの操作量を示すデータIb(1)とともに、単位NN回路(2)ヘ入力される。これにより、単位NN回路(2)からは、時系列データの入力時よりも単位時間ステップ(Δt)だけ進んだ時刻k=2における動作状態の推定値SOC(2)およびVb(2)が出力される。そして、単位NN回路(2)から出力された時刻k=2における動作状態の推定値SOC(2)およびVb(2)と、実機のバッテリーから得られた教師信号に示される実測値t_SOC(2)およびt_Vb(2)との評価関数Eから結合係数W,Xの修正量が求められ、単位NN回路(2)の結合係数W,Xが更に修正される。
以降、単位NN回路(k)(k番目の単位NNモデル、但し、k=2,3,・・・,n−1から出力された時刻kにおける動作状態の推定値SOC(k)およびVb(k)は、時刻kにおける電池電流Ibの操作量を表すデータIb(k)とともに、単位NN回路(k+1)(k+1番目の単位NN回路)に繰り返し入力され、バックプロパゲーションにより単位NN回路(k+1)の結合係数W,Xが更に修正される。これにより、時間の経過とともに、NN回路10における各要素12〜30間の結合係数W,Xが、バックプロパゲーションアルゴリズムによって修正されていくことになり、NN回路10で構成されるバッテリーモデルは、実機のバッテリーの特性を良好に学習することになる。
学習の際には、バッテリーでの様々な充放電のパターンに応じて教師信号t_SOC,t_Vbの値が取得され、学習に用いられる。このような手法によれば、通常使用されない充放電のモードを含めて学習を行うことができるため、バッテリーの特性を非常に高い精度で学習させることができる。
次に、図5に基づいて、学習が完了したNN回路10を用いて、実機のバッテリーを制御する方法を説明する。ここでは、時刻k=nにおける実機の充電状態量を目標値target_SOC(n)に制御し、時刻k=nにおける実機の電池電圧を目標値target_Vb(n)に制御するものとする。図5は、目標値target_SOC(n), target_Vb(n)に基づいて、時刻k=0, 1, 2, 3, …, n―1における最適な電池電流の値Ib(0), Ib(1), Ib(2), … , Ib(n―1)を算出する手法を示す模式図である。
図5に示すように、NN回路10に対して、運動時間n×Δtの後に充電状態量SOCおよび電池電圧Vbを目標値target_SOC(n)およびtarget_Vb(n)にすべき旨の目標信号が与えられると、NN回路10は、バッテリー制御モードに移行し、図5に示されるようにして動作する。
すなわち、NN回路10は、目標値への制御を開始する時刻k=0の段階で目標値target_SOC(n)およびtarget_Vb(n)を受け取るとともに、その段階で充電状態量SOCおよび電池電圧Vbの初期値SOC(0)および電池電流Ib(0)を受け取る。そして、学習モード時にNN回路10に与えられていた各時間ステップにおけるバッテリーの時系列データと教師信号との入力が完全に抑制される。
図5に示すように、NN回路10をn個の単位NN回路(1)〜(n)が連結された繰り返し構造とすると、充電状態量SOC、電池電圧Vbの時系列データの初期値SOC(0),Vb(0)は、1番目の単位NN回路(1)に与えられ、目標値target_SOC(n)およびtarget_Vb(n)は、運動時間n×Δtに対応しているn番目の単位NN回路(n)に与えられるものとみなすことができる。
そして、単位NN回路(1)に初期値が与えられると、学習済みのNN回路10により、各単位NN回路(1)〜(n)から運動時間n×Δtの後における充電状態量SOC、電池電圧Vbが出力される。この場合、充電状態量および電池電圧の推定値SOC(n),Vb(n)は、実質的に、k番目の単位NN回路(k)の出力をk+1番目の単位NN回路(k+1)(但し、k=1〜n−1)に繰り返し入力させる前向き計算により求められる。なお、バッテリーを制御するモードでは、学習モード時のように結合係数W,Xの更新は行われない。
NN回路10から出力される運動時間n×Δtの後における充電状態量、電池電圧の推定値SOC(n)およびVb(n)は、目標値target_SOC(n)およびtarget_Vb(n)と比較される。そして、NN回路10による推定値SOC(n),Vb(n)と目標値target_SOC(n),target_Vb(n)との偏差が、誤差信号としてNN回路10に逆伝搬(バックプロパゲーション)され、運動時間n×Δtが経過した際に、実機のバッテリーの動作状態を目標値target_SOC(n)およびtarget_Vb(n)にするための電池電流Ib(k)が各時間ステップ毎に出力される(但し、k=0〜n−1である)。
従って、図5に示すような単位NN回路(1)〜(n)が連結された繰り返し構造によれば、目標値target_SOC(n)およびtarget_Vb(n)に基づいて、電池電流Ib(0), Ib(1), Ib(2), … , Ib(n―1)を各時間ステップ毎に逆読みすることができる。
これにより、算出した電池電流Ib(0), Ib(1), Ib(2), … , Ib(n―1)に基づいて、実機のバッテリーの充放電を行うことで、k=nにおける充電状態量SOC(n)、電池電圧Vb(n)を目標値target_SOC(n), target_Vb(n)へ制御することが可能となる。
次に、NN回路10を用いて、実機のバッテリーの劣化を判定する手法を説明する。図6は、新品状態のバッテリー、劣化状態が限界値に達しているバッテリー(劣化限度品)、異常品などのそれぞれについて、判定基準となる結合係数W,Xを示す模式図である。図6に示す結合係数W,Xの値は、新品状態、劣化限度品、異常品など様々な特性のバッテリーで学習を行った場合に得られた値である。
実機のバッテリーの劣化判定を行う際には、実機のバッテリーから検出された教師信号に基づいて、図4の手法でNN回路10の学習を行う。そして、学習により得られた結合係数W,Xが、図6の新品状態の判定基準の値に適合する場合は、実機のバッテリーが新品状態であると判定される。
また、学習により得られた結合係数W,Xが、図6の劣化限度品の判定基準の値に適合する場合は、実機のバッテリーの劣化状態が限界値に達していると判定される。また、学習により得られた結合係数W,Xが、図6の異常品の判定基準の値に適合する場合は、実機のバッテリーが異常であると判定される。このように、実機のバッテリーの出力を教師信号としてNN回路10の学習を行い、予め設定された判定基準と比較することで、実機のバッテリーの劣化状態を判定することが可能となる。
従って、実機のバッテリーの使用を継続する過程で、自動車の車両走行距離が所定値に到達した場合など任意のタイミングで学習を行うことで、そのタイミングでバッテリーの劣化が許容レベルであるか否か、およびバッテリーの交換時期が到来したか否かなどを判定することができる。
以上説明したように本実施形態によれば、実機のバッテリーの特性をNN回路10に学習させることができるため、充電状態量、電池電圧などの目標値に対して、バッテリーを最適に制御することが可能となる。従って、非線形要素の特性を有するバッテリーの状態量を最適に制御することが可能となる。
本発明の一実施形態にかかるバッテリーモデルの構造を説明するための図である。 図1に示すNN回路10を簡易的に構成した例を示す模式図である。 バッテリーモデルを構成するNN回路の内部構造を詳細に示す模式図である。 NN回路の学習を行っている状態を示す模式図である。 学習が完了したNN回路を用いて実機のバッテリーを制御する方法を説明するための模式図である。 新品状態のバッテリー、劣化状態が限界値に達しているバッテリー(劣化限度品)、異常品などのそれぞれについて、判定基準となる結合係数W,Xを示す模式図である。
符号の説明
10 NN回路
12,14,16,18,20,22,24,26,28,30 結合係数

Claims (5)

  1. NN回路を用いてバッテリーの特性を学習するバッテリー特性学習手段と、
    所定時刻におけるバッテリー状態量の目標値の入力を受けて、前記所定時刻に達するまでの間におけるバッテリーの充放電量を決定する充放電量決定手段と、
    決定された前記充放電量に基づいて、前記バッテリー状態量を前記目標値に制御する制御手段と、
    を備えたことを特徴とするバッテリーの制御装置。
  2. 前記バッテリー特性学習手段は、前記NN回路からの出力と、実機のバッテリーからの出力を表す教師信号とを比較することにより、バッテリーの特性を学習することを特徴とする請求項1記載のバッテリーの制御装置。
  3. 前記充放電量決定手段は、前記所定時刻に達するまでの間の複数のタイミングにおいて、前記バッテリーの充放電量を決定することを特徴とする請求項1記載のバッテリーの制御装置。
  4. 前記バッテリー特性学習手段は、前記NN回路の結合係数を可変することでバッテリーの特性を学習し、
    前記結合係数に基づいて、バッテリーの劣化を判定する劣化判定手段を更に備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載のバッテリーの制御装置。
  5. 前記バッテリー状態量は、バッテリーの充電状態量及びバッテリー電圧の少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載のバッテリーの制御装置。
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