JP2010019705A

JP2010019705A - バッテリの状態推定方法及び電源装置

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Publication number: JP2010019705A
Application number: JP2008180687A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Ikuta; 勝也生田
Original assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd; AutoNetworks Technologies Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Wiring Systems Ltd; AutoNetworks Technologies Ltd; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: JP5073601B2

Abstract

【課題】時間的変動を考慮したバッテリの特性を知ることができるバッテリの状態推定方法の提供。
【解決手段】バッテリの内部抵抗値を、バッテリの電流値及び電圧値を時系列的にサンプリング（Ｓ３）して推定する（Ｓ１３）バッテリの状態推定方法。相前後する２回のサンプリング（Ｓ３）の内、前の電圧値及び電流値と後の電流値とをそれぞれ変数とし、後の電圧値を表す関数を作成し、作成した関数に基づくカルマンフィルタを作成しておき、サンプリングしたバッテリの電圧値及び電流値（Ｓ３）をカルマンフィルタに逐次適用させる（Ｓ５，９，１１）ことにより、前記関数の各係数を逐次推定し（Ｓ７）、逐次推定された各係数に基づき、バッテリの内部抵抗値を逐次推定する（Ｓ１３）。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両等に使用されるバッテリの内部抵抗値を、バッテリの電流値及び電圧値を時系列的にサンプリングして推定するバッテリの状態推定方法及び電源装置に関するものである。

特許文献１には、車両用エンジンの始動期間中のクランキング期間に電圧値・電流値のペアを複数採取し、採取した電圧値・電流値のペア群から回帰直線を求め、その傾きより内部抵抗値を算出し、擬似開放電圧値を求め、エンジン始動前後の擬似開放電圧値の差を算出し、この差に基づき内部抵抗値を補正するバッテリの状態量演算装置が開示されている。
特開２００７−２２３５３０号公報

特許文献１に開示されたバッテリの状態量演算装置では、バッテリ電圧をＶ＝Ｖo −ＲＩ（Ｖo ；開放電圧値、Ｒ；内部抵抗値、Ｉ；電流値）の式で表しているが、この式では時間的変動を考慮したバッテリの特性を表すことはできないという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１発明では、時間的変動を考慮したバッテリの特性を知ることができるバッテリの状態推定方法を提供することを目的とする。
第２発明では、時間的変動を考慮したバッテリの特性を知ることができる電源装置を提供することを目的とする。

第１発明に係るバッテリの状態推定方法は、バッテリの内部抵抗値を、前記バッテリの電流値及び電圧値を時系列的にサンプリングして推定するバッテリの状態推定方法において、相前後する２回のサンプリングの内、前の電圧値及び電流値と後の電流値とをそれぞれ変数とし、後の電圧値を表す関数を作成し、作成した関数に基づくカルマンフィルタを作成しておき、サンプリングしたバッテリの電圧値及び電流値を前記カルマンフィルタに逐次適用させることにより、前記関数の各係数を逐次推定し、逐次推定された各係数に基づき、前記バッテリの内部抵抗値を逐次推定することを特徴とする。

第２発明に係る電源装置は、バッテリの内部抵抗値を、前記バッテリの電流値及び電圧値を時系列的にサンプリングして推定する電源装置において、相前後する２回のサンプリングの内、前の電圧値及び電流値と後の電流値とをそれぞれ変数とし、後の電圧値を表す関数を記憶する手段と、該手段が記憶する関数に基づき作成されたカルマンフィルタを記憶する手段と、サンプリングしたバッテリの電圧値及び電流値を前記カルマンフィルタに逐次適用して、前記関数の各係数を逐次推定する手段と、該手段が逐次推定した各係数により、前記バッテリの内部抵抗値を逐次推定する手段とを備えることを特徴とする。

第１発明に係るバッテリの状態推定方法及び第２発明に係る電源装置では、バッテリの内部抵抗値を、バッテリの電流値及び電圧値を時系列的にサンプリングして推定する。相前後する２回のサンプリングの内、前の電圧値及び電流値と後の電流値とをそれぞれ変数とし、後の電圧値を表す関数を記憶し、記憶する関数に基づき作成されたカルマンフィルタを記憶しておく。サンプリングしたバッテリの電圧値及び電流値を、記憶しているカルマンフィルタに逐次適用して、記憶している関数の各係数を逐次推定し、逐次推定した各係数により、バッテリの内部抵抗値を逐次推定する。

第１発明に係るバッテリの状態推定方法によれば、時間的変動を考慮したバッテリ特性を逐次知ることができ、バッテリ特性に基づきバッテリの内部抵抗値を逐次知ることができるバッテリの状態推定方法を実現することができる。

第２発明に係る電源装置によれば、時間的変動を考慮したバッテリ特性を逐次知ることができ、バッテリ特性に基づきバッテリの内部抵抗値を逐次知ることができる電源装置を実現することができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るバッテリの状態推定方法及び電源装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。
この電源装置が内部抵抗値を推定する対象は車両用のバッテリ２である。バッテリ２及びオルタネータ（車載発電機、交流発電機）３は、電気負荷であるエアコン（エアコンディショナ）／ヒータ１０、ヘッドライト１１、フォグランプ１２及びデフォガ１３等に、イグニッションスイッチ７（ここでは、アクセサリスイッチも含むものとする）を通じて電力を供給する。

バッテリ２は、例えば鉛蓄電池であって、一方の端子はイグニッションスイッチ７に接続され、他方の端子は接地されている。オルタネータ３は、車両のエンジン４に連動して、バッテリ２を適宜充電する。
バッテリ状態推定部１は、マイクロコンピュータで構成されており、電圧検出部６が検出したバッテリ２の両極間の電圧値Ｖ、及び電流検出部５が検出したバッテリ２を流れる電流値Ｉが与えられ、時系列的にサンプリングする。
バッテリ状態推定部１が推定した内部抵抗値は、バッテリ２の残容量の指標として表示部９に表示される。

バッテリ状態推定部１は、記憶部１ａを備えており、記憶部１ａは、バッテリ２の電圧値及び電流値の相前後する２回のサンプリングの内、前の電圧値及び電流値と後の電流値とをそれぞれ変数とし、後の電圧値を表す関数（バッテリの特性式）を記憶している。この関数は、例えば式（１）のように表される。
Ｖ_t ＝ａＶ_t-1 ＋ｂＩ_t ＋ｃＩ_t-1＋ｄ（１）
尚、２回のサンプリングは、時系列的に隣合う必要はなく、例えば、３サンプリング周期離れた状態で、１サンプリング周期ずつ移動して行くような形態も含むものとする。

また、式（１）の係数から下記により内部抵抗値を求められることが分かっている。
動的内部抵抗値＝ｂ（電流通流時）
静的内部抵抗値＝−ｃ／ａ（電流非通流時）

記憶部１ａは、また、式（１）に示す関数に基づき作成されたカルマンフィルタを記憶している。
式（１）に示す関数は、式（２）に示す行列Ｈ_t と式（３）に示す行列ｘ_t との乗算により、式（４）に示すように表現することができる。
Ｈ_t ＝（Ｖ_t-1 ，Ｉ_t ，Ｉ_t-1，１）（２）
ｘ_t ＝（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）^T （３）
（Ｔ；転置行列）

ここで、観測量（検出したバッテリ２の電圧値Ｖ_t ）をｙ_t とすると、記憶部１ａが記憶しているカルマンフィルタの観測方程式は、式（５）で示される。
ｙ_t ＝Ｈ_t ｘ_t ＋ｖ_t （５）
式（５）に示すｖ_t は、共分散行列Ｒ及び０平均のガウス分布に従う雑音である。Ｒは、時間により変化する行列を示す。

このカルマンフィルタの、時点ｔにおける状態ｘ_t を１サンプリング前の時点ｔ−１の状態ｘ_t-1 により表現する状態方程式は、式（６）で示される。
ｘ_t ＝Ｆｘ_t-1 ＋Ｇｗ_t （６）
式（６）に示すｗ_t は、共分散行列Ｑ及び０平均のガウス分布に従う雑音であり、Ｆ，Ｇ，Ｑは、時間により変化する行列を示す。

ここで、式（３）のｘ_t が収束するとき、ｘ_t ，ｘ_t-1の各最尤値は等しく、Ｇ＝０であるので、式（６）からＦは式（７）に示すような単位行列になる。

このカルマンフィルタの初期条件は、状態ｘ_t については式（８）のように設定され、誤差の共分散行列Σ_t|t-1については式（９）のように設定されている。

以下に、このような構成の電源装置のバッテリ状態推定部１の動作を、それを示す図２のフローチャートを参照しながら説明する。
バッテリ状態推定部１は、先ず、所定時間（例えば数百ミリ秒間）待機した（Ｓ１）後、電圧検出部６で検出したバッテリ２の電圧値Ｖ（＝観測値ｙ_t ）と、電流検出部５で検出したバッテリ２を流れる電流値Ｉ（Ｉ_t）とを読込む（Ｓ３）。次いで、このサンプリング（Ｓ３）が初回であるなら（Ｓ４）、再度、所定時間待機した（Ｓ１）後、バッテリ２の電圧値Ｖ（＝観測値ｙ_t）と電流値Ｉ（Ｉ_t ）とを読込む（Ｓ３）。

バッテリ状態推定部１は、このサンプリング（Ｓ３）が初回でなければ（Ｓ４）、直近の２回のサンプリングの内、前の電圧値Ｖ_t-1 及び電流値Ｉ_t-1 と後の電流値Ｉ_t（ＨＩ_t-1 ）を使用して、式（１０）により最適カルマンゲインＫ_t を算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ５）。

尚、式（１０）の式（１１）に示す部分は、観測残差（イノベーション）の共分散行列である。

バッテリ状態推定部１は、次に、読込んだ観測値ｙ_t （Ｓ３）、及び算出した最適カルマンゲイン（Ｓ５）を使用して式（１２）を演算し、式（１）に示す関数の各係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの推定値を算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ７）。

バッテリ状態推定部１は、次に、算出した最適カルマンゲイン（Ｓ５）を使用して式（１３）を演算し、誤差行列Σ_t|t を算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ９）。

バッテリ状態推定部１は、次に、算出した誤差行列Σ_t|t （Ｓ９）を使用して式（１４）を演算し、更新された誤差行列Σ_t+1|tを算出して、記憶部１ａに記憶する（Ｓ１１）。更新された誤差行列Σ_t+1|tは、次回のサンプリング時に、式（１０）による最適カルマンゲインＫ_tの算出（Ｓ５）に使用される。
尚、式（３）のｘ_t が収束するとき、式（１４）において、Ｆ＝Ｆ^T ＝１，Ｇ＝Ｇ^T＝０である。

バッテリ状態推定部１は、次に、式（１）に示す関数の算出した各係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの推定値（Ｓ７）を使用して、動的内部抵抗値＝ｂ、静的内部抵抗値＝−ｃ／ａを算出し、記憶部１ａに記憶する（Ｓ１３）。次いで、所定時間待機して（Ｓ１）、上述した処理（Ｓ３〜１３）を繰返す。

また、バッテリ状態推定部１は、算出した動的内部抵抗値ｂ（Ｓ１３）を使用して、ＣＣＡ（Cold Cranking Ampere）により下記のようにバッテリ２の劣化度（健全度）を判定することができる。ＣＣＡは、バッテリが満充電の状態で−１８℃のとき、放電開始から３０秒後の最終電圧値が７．２Ｖとなるような放電電流値である。
先ず、バッテリ状態推定部１は、次式により、動的内部抵抗値ｂを−１８℃のときの動的内部抵抗値に換算する。
ｒ（−１８）＝ｂ＋ｆ（Ｔ）（Ｔは現状の測定温度）

次に、バッテリ状態推定部１は、次式により現状（但し−１８℃と仮定）のバッテリ２のＣＣＡ値であるＣＣＡ_now を算出する。
ＣＣＡ_now ＝（ａＶ_now ＋ｃＩ_now＋ｄ−７．２）／ｒ（−１８）
バッテリ状態推定部１は、算出した現状のバッテリ２のＣＣＡ_now 値と基準のＣＣＡ値との割合ＣＣＡ_now ／ＣＣＡを算出し、算出した割合がＣＣＡ_now／ＣＣＡ＞０．７を満たすか否かを判定する。バッテリ状態推定部１は、判定した結果がＣＣＡ_now ／ＣＣＡ＞０．７を満たしていれば、バッテリ２の健全度は良好とし、満たしていなければ、バッテリ２への充電を促進する充電制御、使用する負荷を制限する負荷制御等を実行する。

また、式（１）の各係数を推定することにより、現在の状態で大電流負荷△Ｉが掛かったときのバッテリ２の電圧値を推定することができる。現在のバッテリ２の電圧値及び電流値をＶ_m ，Ｉ_m とすれば、大電流負荷時のバッテリ２の推定電圧値は、
Ｖ_n ＝ａＶ_m ＋ｂ（Ｉ_m ＋△Ｉ）＋ｃＩ_m＋ｄ
で算出でき、大電流作動時に負荷を制限する負荷制御に使用することができる。
また、バッテリ２の内部抵抗値を推定できれば、既知であるハーネス抵抗等を使用して、バッテリの現状でエンジンを始動させることができるか否かを推定することができる。

図３は、車両の走行パターン２（具体的な記述は省略）におけるバッテリ２の電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリ２の電圧値の各推移を示すグラフである。
図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、車両の走行パターン２の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。図３のａ，ｂ，ｃ，ｄの各値は、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移後の収束値を示す。
図３，４によれば、例えば１８秒付近の電圧値及び電流値の急変に対応して係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが推移しており、カルマンフィルタを適用することにより、特性式（１）による電圧値がバッテリ２の電圧値を精度良く再現できていることが分かる。

図５は、車両の走行パターン４（具体的な記述は省略）におけるバッテリ２の電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリ２の電圧値の各推移を示すグラフである。
図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、車両の走行パターン４の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。図５のａ，ｂ，ｃ，ｄの各値は、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移後の収束値を示す。
図５，６によれば、例えば５８秒付近の電圧値及び電流値の急変に対応して係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが推移しており、カルマンフィルタを適用することにより、特性式（１）による電圧値がバッテリ２の電圧値を精度良く再現できていることが分かる。

図７は、車両の走行パターン５２（具体的な記述は省略）におけるバッテリ２の電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリ２の電圧値の各推移を示すグラフである。
図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、車両の走行パターン５２の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。図７のａ，ｂ，ｃ，ｄの各値は、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移後の収束値を示す。
図７，８によれば、例えば１８秒付近の電圧値の急変及び５０秒付近の電流値の変化に対応して係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが推移しており、カルマンフィルタを適用することにより、特性式（１）による電圧値がバッテリ２の電圧値を精度良く再現できていることが分かる。

図９は、車両の走行パターン５３（具体的な記述は省略）におけるバッテリ２の電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリ２の電圧値の各推移を示すグラフである。
図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、車両の走行パターン５３の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。図９のａ，ｂ，ｃ，ｄの各値は、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移後の収束値を示す。
図９，１０によれば、例えば１８秒付近の電圧値及び電流値の急変及び６０秒付近の電流値の変化に対応して係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが推移しており、カルマンフィルタを適用することにより、特性式（１）による電圧値がバッテリ２の電圧値を精度良く再現できていることが分かる。

図１１は、車両の走行パターン６３（具体的な記述は省略）におけるバッテリ２の電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリ２の電圧値の各推移を示すグラフである。
図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、車両の走行パターン６３の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。図１１のａ，ｂ，ｃ，ｄの各値は、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移後の収束値を示す。
図１１，１２によれば、例えば１５秒付近の電圧値の急変及び２８秒付近の電圧値及び電流値の変化に対応して係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが推移しており、カルマンフィルタを適用することにより、特性式（１）による電圧値がバッテリ２の電圧値を精度良く再現できていることが分かる。

図１３は、車両の走行パターン７２（具体的な記述は省略）におけるバッテリ２の電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリ２の電圧値の各推移を示すグラフである。
図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、車両の走行パターン７２の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。図１３のａ，ｂ，ｃ，ｄの各値は、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移後の収束値を示す。
図１３，１４によれば、例えば５秒付近の電流値の急変、１５秒付近の電圧値の急変及び３２，３秒付近の電圧値及び電流値の変化に対応して係数ａ，ｂ，ｃ，ｄが推移しており、カルマンフィルタを適用することにより、特性式（１）による電圧値がバッテリ２の電圧値を精度良く再現できていることが分かる。

本発明に係るバッテリの状態推定方法及び電源装置の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。本発明に係る電源装置の動作の例を示すフローチャートである。車両の走行パターン２におけるバッテリの電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリの電圧値の各推移を示すグラフである。車両の走行パターン２の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。車両の走行パターン４におけるバッテリの電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリの電圧値の各推移を示すグラフである。車両の走行パターン４の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。車両の走行パターン５２におけるバッテリの電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリの電圧値の各推移を示すグラフである。車両の走行パターン５２の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。車両の走行パターン５３におけるバッテリの電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリの電圧値の各推移を示すグラフである。車両の走行パターン５３の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。車両の走行パターン６３におけるバッテリの電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリの電圧値の各推移を示すグラフである。車両の走行パターン６３の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。車両の走行パターン７２におけるバッテリの電圧値、電流値、及びカルマンフィルタを適用した特性式（１）によるバッテリの電圧値の各推移を示すグラフである。車両の走行パターン７２の場合にカルマンフィルタを特性式（１）に適用したときの、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄの各推移を示すグラフである。

符号の説明

１バッテリ状態推定部
１ａ記憶部
２バッテリ
３オルタネータ
５電流検出部
６電圧検出部
７イグニッションスイッチ
９表示部

Claims

バッテリの内部抵抗値を、前記バッテリの電流値及び電圧値を時系列的にサンプリングして推定するバッテリの状態推定方法において、
相前後する２回のサンプリングの内、前の電圧値及び電流値と後の電流値とをそれぞれ変数とし、後の電圧値を表す関数を作成し、作成した関数に基づくカルマンフィルタを作成しておき、サンプリングしたバッテリの電圧値及び電流値を前記カルマンフィルタに逐次適用させることにより、前記関数の各係数を逐次推定し、逐次推定された各係数に基づき、前記バッテリの内部抵抗値を逐次推定することを特徴とするバッテリの状態推定方法。
バッテリの内部抵抗値を、前記バッテリの電流値及び電圧値を時系列的にサンプリングして推定する電源装置において、
相前後する２回のサンプリングの内、前の電圧値及び電流値と後の電流値とをそれぞれ変数とし、後の電圧値を表す関数を記憶する手段と、該手段が記憶する関数に基づき作成されたカルマンフィルタを記憶する手段と、サンプリングしたバッテリの電圧値及び電流値を前記カルマンフィルタに逐次適用して、前記関数の各係数を逐次推定する手段と、該手段が逐次推定した各係数により、前記バッテリの内部抵抗値を逐次推定する手段とを備えることを特徴とする電源装置。