JP2010500539A

JP2010500539A - 容量に依存したパラメータに基づくバッテリ容量検出方法

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Publication number: JP2010500539A
Application number: JP2009523218A
Authority: JP
Inventors: ショッホエーバーハルト; イスケブルクハルト; メルクレミヒャエル
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2010-01-07
Also published as: US20100066377A1; WO2008017530A1; KR20090045227A; CN101501518A; DE102006036784A1; EP2052271A1

Abstract

本発明は、バッテリ量（Qe,U_Cmin）、とりわけバッテリ（３）の容量（Qe）を、状態量・パラメータ推定装置（１）を用いて検出するための方法に関し、
前記状態量・パラメータ推定装置（１）は、エネルギ蓄積器（３）の動作量（U_Batt、I_Batt、T_Batt）から、数学的エネルギ蓄積器モデルの状態量（Z）およびパラメータ（P）を計算する。
エネルギ蓄積器（３）の求めるべきバッテリ量（Qe）を、容量に依存した少なくとも１つのパラメータ（R_k025、Vgr25）の関数として計算すれば、バッテリ（３）の容量（Qe）を、バッテリの通常稼働中にも非常に精確に検出することができる。

Description

従来技術
本発明は、エネルギ蓄積器のバッテリ量、とりわけエネルギ蓄積器の容量を検出するための、請求項１の上位概念に記載の方法に関する。また本発明は、請求項１１の上位概念に記載の相応の装置に関する。

自動車の車両搭載電源網において、電気的負荷には、通常はバッテリおよび発電機によって電力が供給される。車両運転中は基本的に、エネルギおよび負荷のマネージメントが実施される。このマネージメントにおいては、例えば電力不足に反応できるように、もしくは所定の機能を実行することができるように、個々の負荷は必要に応じて自動的にオン・オフされる。このようなエネルギおよび負荷のマネージメントの範囲において、バッテリの状態を知ることは非常に重要である。

バッテリの状態を推定するために、エネルギ蓄積器の電気的特性および物理的特性を記述した数学的バッテリモデルを使用することが公知である。数学的バッテリモデルを使用して、例えば性能（SOF）、充電状態（SOC）、または容量ないし取り出し可能な電荷（Qe）等を推定することができる。

従来技術から公知のバッテリモデルは、一連の状態量およびパラメータを含む。これらの状態量およびパラメータは、車両搭載電源網が稼働しているときには、常にバッテリの目下の状態に適合される。しかし例えば放電終了時（U_c0min）における最小開路電圧などといった、バッテリモデルの所定のパラメータは、バッテリの充電状態が非常に低いときにしか、すなわち典型的には取り出し可能な電荷の約５０％未満であるときにしか、精確に検出することができない。しかしこのような深放電は、自動車の車両搭載電源網においては滅多に発生しない。それどころかこのような深放電は、自動車の始動可能性を妨げることがないように、また度重なる充放電の繰り返しによるバッテリの劣化を最小限に留めるために、車両のエネルギマネージメントによって阻止されるのである。

発明の開示
したがって本発明の課題は、バッテリ量、とりわけバッテリの容量を検出するための方法を提供し、この方法を用いて、深放電状態ではない場合にも、とりわけバッテリの通常稼働においても、求めるべきバッテリ量を高精度で検出できるようにすることである。それだけでなく本発明の方法は、とりわけ例えばエンジンスタートにおいて生じるような付加的な励起を必要とせず、車両搭載電源網の通常稼働時に生じる起電力において実施できるようにしたい。

この課題は、本発明によれば、請求項１ならびに請求項１１記載の特徴的構成によって解決される。本発明の別の実施形態は、従属請求項の対象となっている。

本発明の基本的な概要は、求めるべきバッテリ量を、容量に依存した少なくとも１つのパラメータの関数として計算することである。このとき本発明の基礎となる認識によれば、種々異なるバッテリパラメータは、バッテリ稼働時には初期状態に対して変化するため、このパラメータないしこのパラメータの変化が、バッテリ状態、とりわけバッテリ容量（損失した容量またはまだ使用可能な容量）の尺度となる。したがって求めるべきバッテリ量を、容量に依存した少なくとも１つのパラメータを考慮することによって非常に簡単かつ精確に検出することができるのである。それだけではなく、計算を行うために、車両搭載電源網の稼働時に通常生じる励起の他には、付加的なバッテリの励起、例えば能動的にトリガされる充電または放電の電流パルス等は必要ない。

本発明の有利な実施形態によれば、求めるべきバッテリ量は、最小開路電圧の関数として計算される。この最小開路電圧そのものは、容量に依存した少なくとも１つのパラメータの関数である。

容量に依存したパラメータとして、とりわけバッテリの酸拡散抵抗（R_k）のパラメータ（例えばR_k025）、および／または、バッテリの電解質と電極との間の電荷移動抵抗（R_dp）のパラメータ（例えばVgr25）が考慮される。とりわけ上述のパラメータの利点は、これらのパラメータが、損失容量の増加に対して相対的に大きく変化すること、すなわち相対的に敏感であることであり、さらにこれらのパラメータを、自動車の車両搭載電源網稼働時に、付加的な能動的励起なしに精確に検出できることである。

求めるべきバッテリ量は、有利には、容量に依存した１つまたは複数のパラメータと、基準値、とりわけバッテリの初期状態における初期値との偏差の関数として計算される。基準値からの偏差の程度は、バッテリの損失容量に対する尺度である。

本発明の有利な実施形態によれば、容量に依存した少なくとも１つのパラメータは、所定の係数によって重み付けされる。この所定の係数は、有利には、このパラメータを検出した際の誤差分散に依存している。状態量・パラメータ推定装置の種類の多くは、個々の量ないしパラメータの他に、これらの状態量ないしパラメータを推定した際の誤差分散も出力する。これらの値は、容量に依存したパラメータを重み付けるために利用することができる。

例えばバッテリ容量などといった求めるべきバッテリ量は、有利には、完全に充電されたバッテリの最大開路電圧の関数として計算される。この最大開路電圧は、有利には適応アルゴリズムによって、充電状態が高い場合において学習される。

この計算は、有利には拡張カルマンフィルタによって実施される。

図の簡単な説明
本発明を、以下図に基づいて例として詳細に説明する。

バッテリの状態量、とりわけバッテリから取り出し可能な電荷を計算するための装置を示す。鉛蓄電池の等価回路を示す。

本発明の実施形態
図１は、例えばバッテリから取り出し可能な電荷Qe（容量）等のバッテリ量を検出するための装置を示す。この装置は、状態量・パラメータ推定装置１と電荷予測装置２とを実施的に含んでおり、この電荷予測装置には、数学的エネルギ蓄積器モデルがファイルされている。

状態量・パラメータ推定装置１は、バッテリ３の目下の動作量、すなわちバッテリ電圧U_Battと、バッテリ電流I_Battと、バッテリ温度T_Battとから、状態量Zおよび／またはパラメータPを計算する。これらの動作量に基づいて、電荷予測装置２は、求めるべきバッテリ状態量Qe、または、バッテリの充電状態SOCまたは性能SOFなどの別の量を計算する。バッテリ３は、本実施例では鉛蓄電池である。

ここでは状態量Zとして、図２に図示したバッテリの等価回路から生じる内部電圧Uが相当する。とりわけ上述したパラメータは、例えば抵抗Rおよび容量Cなどといった等価回路の素子であるか、もしくは数学的バッテリモデルの関数に見られる種々異なる値である。

バッテリ容量Qeは、エネルギ蓄積器の目下の状態から計算される。したがって電荷予測装置２にファイルされている数学的モデルは、まずこのエネルギ蓄積器３の目下の動作状態にまで初期化される。このために状態量・パラメータ推定装置１は、相応の初期値を供給する。状態量・パラメータ推定装置として、例えば公知のカルマンフィルタを使用することができる。バッテリの稼働時には、状態量ZおよびパラメータPは、常に新しく目下の状態に適合され、これによりバッテリモデルの関数が適合される。

図２は、鉛蓄電池３の等価回路を示す。個々のパラメータは、以下のとおりである：
動作量：
I_Batt バッテリ電流
U_Batt バッテリの端子電圧
T_Batt 酸温度

状態量：
U_C0 開路電圧
U_k 濃度分極
U_Dp 正極の電荷移動分極
U_Dn 負極の電荷移動分極

パラメータ：
R_i (U_C0,U_k,T_Batt, R_i025,U_C0min,U_C0max)
開路電圧U_C0と、濃度分極U_kと、酸温度T_Battと、２５℃でかつ完全に充電された状態における内部抵抗R_i025と、放電終了時の最小開路電圧U_C0minと、完全充電時の最大開路電圧U_C0maxとに依存した、オーム性内部抵抗

C₀ 酸容量

R_k (U_C0,T_Batt,R_k025,U_C0max)
開路電圧U_C0と、正極の電荷移動分極U_Dpと、酸温度T_Battと、２５℃でかつ完全に充電された状態における酸拡散抵抗R_k025と、完全充電時の最大開路電圧U_C0maxとに依存した、酸拡散抵抗

C_k 酸拡散容量

R_Dp (U_C0,U_Dp,T_Batt,I_Dp,V_gr25,U_C0max)
開路電圧U_C0と、正極の電荷移動分極U_Dpと、酸温度T_Battと、正極の電荷移動電流I_Dpと、２５℃における電荷移動分極の飽和電圧V_gr25と、完全充電時の最大開路電圧U_C0maxとに依存した、正極と電解質との間の電荷移動抵抗

C_Dp 正極と電解質との間の２重層容量

R_Dn (U_Dn,T_Batt,I_Dn)
負極の電荷移動分極U_Dnと、酸温度T_Battと、負極の電荷移動電流I_Dnとに依存した、負極と電解質との間の電荷移動抵抗

C_Dn 負極と電解質との間の２重層容量

これら個々の等価回路図のパラメータは、バッテリ３の、当業者にとっては関連文献から周知の種々異なる物理的作用に基づくことができる。

酸拡散抵抗R_kに関しては、例えば以下の関数を立てることができる：
R_k = f (U_C0, T_Batt, R_k025, U_C0max)

ここでRk025は、２５℃における酸と完全に充電されたバッテリとの拡散抵抗である。RK025は、容量に依存したパラメータである。

鉛蓄電池３の電解質と正極との間の電荷移動抵抗RDpに関しては、例えば以下の関数を立てることができる：
R_Dp = f (U_C0, U_Dp, T_Batt, I_Dp, V_gr25, U_C0max)

ここでV_gr25は、放電電流が大きく、かつ２５℃であるときの正極の分極電圧である。V_gr25は、容量に依存したパラメータである。

別の状態量（例えばU_Dp,U_Dn,U_k等）および別のパラメータ（例えばR_Dn,C₀,R_i等）に関しては、電荷予測装置２が別の数式を相応に含む。

エネルギ蓄積器の容量Qeに関しては、基本的に以下の関係式が当てはまる。
Qe = C₀(U_C0max−U_C0min)

ここでC0はバッテリ３の酸容量であり、U_C0maxはバッテリが完全に充電されているときの開路電圧であり、U_C0minは放電終了時の開路電圧である。

バッテリ３の容量Qeに関して充分精確な結果を得るためには、パラメータC₀と、U_C0minと、UC_0maxとを充分精確に検出する必要がある。パラメータC₀およびU_C0maxについては、通常のバッテリ稼働（ほぼ完全な充電状態）において、簡単に、充分精確に検出することができる。しかしパラメータU_C0minは、充電状態が５０％より低い場合にしか精確に計算することはできない。このような動作状態は非常にまれにしか起こらないため、容量計算の所期の精度はめったに得られない。したがってパラメータU_C0minを、バッテリ３の容量に依存しているパラメータR_k025およびV_gr25に基づいて計算することが提案される。これによりバッテリ３の使用可能な容量Qeは、車両搭載電源網の通常稼働において、付加的にバッテリを励起させることなく検出することが可能となり、またバッテリを低い充電状態にまで放電させる必要がなくなるのである。

放電終了時のバッテリ３の開路電圧U_C0minに関しては、例えば以下の関係式を立てることができる：
U_{C0min_corr}= U_C0min＋g1・ΔR_k25− g2・ΔV_gr25

ここでΔR_k25およびΔV_gr25は、相応する基準値、とりわけバッテリ３の新規状態に対する、パラメータR_k25ないしV_gr25の変化量である。係数g1とg2は重み付け係数である。

変化量ΔR_k25およびΔV_gr25は、パラメータR_k25およびV_gr25を状態量・パラメータ推定装置１によって推定した際の精度に比例して重み付けられる。このために、カルマンフィルタないし状態量・パラメータ推定装置１は、相応の誤差分散Pを供給し、この誤差分散Pは重み付け係数g1およびg2に組み込まれる。これらの重み付け係数g1およびg2は、例えば以下のように表すことができる：
g₁ 〜 (P₀ (R_k025) − P (R_k025)) / P₀(R_k025)
g₂ 〜 (P₀ (V_gr25) − P (V_gr25)) / P₀(V_gr25)

ここでP₀ (R_k025)およびP₀ (V_gr25)は、相応のパラメータの初めの誤差分布であり、またP (R_k025)およびP (V_gr25)は、カルマンフィルタ１によって推定されたパラメータP₀(R_k025)およびP₀(V_gr25)の目下の誤差分布である。

ΔR_k25ないしΔV_gr25の偏差のかわりに、選択的または付加的に、正極と電解質の間の２重層容量C_Dpのパラメータを利用することもできる。

充電状態が低い場合、とりわけ５０％より低い場合、内部抵抗ないし内部抵抗の変化量のパラメータR_i025を、放電終了時の開路電圧U_Cminの計算に組み込むこともできる。

Claims

エネルギ蓄積器（３）のバッテリ量、とりわけ容量（Qe）を、状態量・パラメータ推定装置（１）を用いて検出するための方法であって、
前記状態量・パラメータ推定装置（１）は、エネルギ蓄積器（３）の動作量（U_Batt、I_Batt、T_Batt）から、数学的エネルギ蓄積器モデルの状態量（Z）およびパラメータ（P）を計算する
方法において、
エネルギ蓄積器（３）の求めるべきバッテリ量（Qe）を、容量に依存した少なくとも１つのパラメータ（R_k025、Vgr25）の関数として計算する、
ことを特徴とする方法。
求めるべきバッテリ量（Qe）を、最小開路電圧（U_C0min）の関数として計算し、
該最小開路電圧（U_C0min）を、容量に依存した少なくとも１つのパラメータ（R_k025、Vgr25）の関数として計算する、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
求めるべきバッテリ量（Qe）を、エネルギ蓄積器（３）の酸拡散抵抗（R_k）の容量に依存したパラメータ（R_k025）の関数として計算する、
ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。
求めるべきバッテリ量（Qe）を、エネルギ蓄積器（３）の電解質と電極の間の電荷移動抵抗（R_Dp）の容量に依存したパラメータ（Vgr25）の関数として計算する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の方法。
求めるべきバッテリ量（Qe）を、容量に依存した少なくとも１つのパラメータ（R_k025、Vgr25）と基準値との偏差の関数として計算する、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
前記パラメータ（R_k025、Vgr25）の偏差を、所定の係数（g）によって重み付けする、
ことを特徴とする請求項５記載の方法。
求めるべきバッテリ量（Qe）を、内部抵抗（R_i）の容量に依存したパラメータ（R_i025）の関数として計算する、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の方法。
エネルギ蓄積器（３）の求めるべきバッテリ量（Qe）を、最大開路電圧（U_C0max）の関数として計算し、
該最大開路電圧（U_C0max）は、学習アルゴリズム（カルマンフィルタ）によって適合される、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の方法。
前記計算は、カルマンフィルタによって実施される、
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載の方法。
求めるべきバッテリ量（Qe）を、正極と電解質の間の２重層容量（C_Dp）の容量に依存したパラメータの関数として計算する、
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載の方法。
エネルギ蓄積器（３）のバッテリ量、とりわけ容量（Qe）を検出するための装置であって、
該装置は、状態量・パラメータ推定装置（１）を含み、
該状態量・パラメータ推定装置（１）は、エネルギ蓄積器（３）の動作量（U_Batt、I_Batt、T_Batt）から、数学的エネルギ蓄積器モデルの状態量（Z）およびパラメータ（P）を計算する、
形式の装置において、
ユニット（２）が設けられており、
該ユニット（２）によって、求めるべきバッテリ量（Qe）が、容量に依存したパラメータ（R_k025、Vgr25）の関数として計算される、
ことを特徴とする装置。