JP2011064471A - 蓄電デバイスの状態推定方法及び状態推定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】オンライン状態で蓄電デバイスの状態を推定する状態推定装置において、電池10の電流及び端子電圧を計測する電圧/電流計測手段20と、電流の変化率が変化率設定値を超える範囲の電流データと当該電流データに対応する電圧データとを抽出するデータ抽出手段40と、抽出した電流データ及び電圧データを用いて電池10の等価モデルの回路定数を同定する等価モデル定数同定手段43と、同定した回路定数と抽出した電流データ及び電圧データを用いて電池10の開放電圧を推定し、SOCを推定する状態推定演算手段44と、を備える。
【選択図】図1
Description
このような蓄電デバイスを有効に活用するためには、蓄電デバイスのSOCや劣化状態(SOH)等を正確に把握することが必要となる。
図11は、この第1の従来技術を示す構成図である。同図において、10は診断対象である電池(二次電池)であり、内部インピーダンス11及び電圧源12(その起電力は開放電圧にほぼ等しい)からなる等価モデルとして示してある。また、13は状態推定を行うための矩形波信号を生成する電流源、14,15は切替スイッチ、16は負荷を示す。
図11において、電池の状態推定を行なう場合には、まず、電池10を電源とする装置の運転を停止して切替スイッチ15をオフし、電池10と負荷16とを切り離す(すなわち、オフラインにする)。次に、切替スイッチ14をオンし、電流源13により入力信号(矩形波電流)を電池10に供給する。この状態で電圧/電流計測手段20を動作させ、電流検出手段21、電圧検出手段22により電池10に流れる電流ib(入力)と電池10の端子電圧vb(出力)とを計測する。
この種の従来技術としては、例えば特許文献1に開示された電池状態診断装置及び電池状態診断方法が知られている。
図12における26は第1の状態推定演算手段であり、等価モデル定数同定手段24により同定した回路定数に基づいて電池10の開放電圧を推測して状態推定を行う。また、27は第2の状態推定演算手段であり、電池10に流れる電流ibの積算値に基づいて状態推定を行う。
更に、30は第3の状態推定演算手段であり、上記計算ウェイトwを用いて、第1,第2の状態推定演算手段26,27による演算結果にそれぞれ(1−w),wを乗算して合成し、最終的な推定結果を出力するように構成されている。
この回路定数に基づき、第1の状態推定演算手段26が電池10の開放電圧を推測して状態推定演算を行なう。これと同時に、第2の状態推定演算手段27が計測データ23から電流積算値を算出し、状態推定演算を行なう。
この種の従来技術としては、例えば特許文献2に開示されたバッテリの劣化度推定装置が知られている。
この従来技術は、データベースに格納されたバッテリ情報を用い、任意の時刻間でのバッテリ電圧から求めた残存容量(SOC)の変化量とバッテリ電流の積算値から求めた残存容量の変化量とに基づいてバッテリの電流容量を算出し、算出した電流容量の初期値に対する変化割合を、バッテリの劣化状態を表す電流容量変化率として算出することによりバッテリの劣化状態を算出するようにしたものである。この従来技術では、上記電流容量変化率に加えて、バッテリのインピーダンスの初期値に対する変化割合としてのインピーダンス変化率を電流容量変化率との相関関係に基づいて算出し、このインピーダンス変化率を電流容量変化率と共に用いて劣化状態を算出することも可能にしている。
これに対し、図12に示した第2の従来技術では、オンライン状態で電池10の状態推定を行なうことが可能である。しかし、状態推定の精度を向上させるために、電池10の等価モデルの回路定数を同定して推測した開放電圧に基づき状態推定する第1の推定方法と、電池10の電流積算値から状態推定する第2の推定方法とを併用して同時に演算を行ない、その演算結果を合成する方法を採っているため、演算処理が複雑化し、処理時間や使用メモリ容量が増大するおそれがある。
前記蓄電デバイスの電流及び端子電圧を計測する工程と、
前記電流の変化率が所定の変化率設定値を超える範囲の電流データと当該電流データに対応する電圧データとを抽出する工程と、
抽出した電流データ及び電圧データを用いて前記蓄電デバイスの等価モデルの回路定数を同定する工程と、
同定した前記回路定数を少なくとも用いて前記蓄電デバイスの状態を推定する工程と、を有するものである。
前記蓄電デバイスの電流及び端子電圧を計測する電圧/電流計測手段と、
前記電流の変化率が所定の変化率設定値を超える範囲の電流データと当該電流データに対応する電圧データとを抽出するデータ抽出手段と、
前記データ抽出手段により抽出した電流データ及び電圧データを用いて前記蓄電デバイスの等価モデルの回路定数を同定する等価モデル定数同定手段と、
前記等価モデル定数同定手段により同定した前記回路定数を少なくとも用いて前記蓄電デバイスの状態を推定する状態推定演算手段と、を備えたものである。
図1は、本発明の第1実施形態に係る状態推定装置の構成図であり、図11,図12と同一機能の構成要素には同一の番号を付してある。
図1において、10は状態推定の対象となる蓄電デバイスとしての電池(二次電池)であり、前記同様に内部インピーダンス11及び電圧源12からなる等価モデルとして示してある。ここで、図2に示すように、内部インピーダンス11は、正負電極に相当する抵抗R1及びコンデンサC1の並列回路と、電解質に相当する抵抗R2との直列回路によって構成されるものとする(以後、R1,R2は抵抗値としても用い、C1は容量値としても用いることとする)。この電池10の両端には、図1に示す如く負荷16が接続されている。
40は、電流変化率演算手段41と必要データ判別手段42とからなるデータ抽出手段である。ここで、電流変化率演算手段41は電流検出手段21により検出した電流ibの変化率(dib/dt)を検出して必要データ判別手段42に送り、必要データ判別手段42は、電流ib及び電圧vbのすべての計測データ23の中から、上記電流変化率(dib/dt)が所定の設定値を超える範囲の電流データ、電圧データを必要データと判別し、これらのデータを抽出して出力するように構成されている。
ここで、電池10の回路定数を同定するために用いる電流、電圧のデータは、電流がある程度の傾きで変化しているときのデータでなくてはならない。これは、電流が常に一定値であると、回路定数としての抵抗値や容量値を推定することができず、特に、容量値については、電流の変化率がある程度大きくないと推定不可能なためであり、この条件を満たさないデータを使用して同定された回路定数は精度が低く、結果的にSOC等の推定精度も低いものとなる。
すなわち、電流ib及び電圧vbが図3のように変化している場合、dib/dt>di0/dtが成立している範囲の電流データとこれに対応する範囲の電圧データとを有効データとして同定に用い、それ以外を無効データとして同定には用いないこととする。
なお、状態推定演算手段44によるSOCの推定方法については後述する。また、電池10の劣化状態は、内部抵抗の増加率から推定することができる。
この実施形態は、第1実施形態よりも同定精度を向上させることを目的として、電池10の回路定数を同定するために用いるデータの抽出条件を二つ設け、第1の条件としては、第1実施形態と同様に電流変化率(dib/dt)が変化率設定値(di0/dt)を超えることとし、新たな第2の条件としては、電流ibの所定の基準値からの変化量(Δib)が変化量設定値(Δi0)を超えることとしたものである。
本実施形態では、第1実施形態における電流変化率(dib/dt)と変化率設定値(di0/dt)との比較に加えて、電流ibの変化量(Δib)を変化量設定値(Δi0)と比較するアルゴリズムを追加している。
例えば、電流ib及び電圧vbが図5のように変化している場合、dib/dt>di0/dtが成立し、かつ、Δib>Δi0が成立している範囲の電流データとこれに対応する範囲の電圧データのみを有効データとして同定に用い、それ以外を無効データとして同定には用いないこととする。なお、図5において、変化量設定値(Δi0)は所定の基準値に対する電流ibの最大値等により設定される。
図4における等価モデル定数同定手段43及び状態推定演算手段44の動作は、第1実施形態と同様である。
まず、図6は、比較例として、電池10の電流、端子電圧のすべての計測データを用いて電池10のSOCを推定する場合のフローチャートである。例えば、T秒ごとにN個ずつ電圧vb及び電流ibを取得し(ステップS1)、これらすべての取得データを用いて電池10の内部インピーダンス(図2における抵抗値R1,R2及び容量値C1)を同定すると共に(ステップS2)、これらの値とvb,ibとを用いて開放電圧vocを計算し(ステップS3)、更にこの開放電圧vocから電池10の残存容量SOCを計算する(ステップS4)。
また、ステップS3における開放電圧vocの計算には以下の数式1を用い(C1の影響は無視する)、ステップS4におけるSOCの計算には、予め実験的に求めた数式2の近似式を用いた。
[数1]
voc=vb+ib(R1+R2)
[数2]
SOC=5.03exp(0.25voc−10.8)−7.96
第2実施形態では、まず、ステップS1により得た電流ibのN個の取得データを用いて、変化量Δibを計算する(ステップS1A)。ここで、変化量Δibは、例えばN個の取得データの最大値から最小値を減算して求めることができる。
次に、変化量Δibが変化量設定値Δi0より大きいか否かを判断し(ステップS1B)、大きい場合にはステップS1Cに進み、小さい場合にはステップS3にジャンプする。なお、変化量Δibが変化量設定値Δi0より小さい場合(ステップS1B NO)には、内部インピーダンスを同定せずに、それ以前のサイクルで同定した内部インピーダンスを用いて開放電圧vocを計算する(ステップS3)。
そして、max(dib/dt)が変化率設定値(di0/dt)より小さい場合(ステップS1D NO)には、内部インピーダンスを同定せずにステップS3にジャンプし、それ以前のサイクルで同定した内部インピーダンスを用いて開放電圧vocを計算する。
max(dib/dt)が変化率設定値(di0/dt)より大きい場合(ステップS1D YES)には、図6の場合と同様の方法によって抵抗値R1,R2及び容量値C1を同定する(ステップS2)。以下のステップS3,S4は、図6と同様である。
なお、図7において、ステップS1A,S1BはステップS1C,S1Dの後に設けても良い。つまり、電流変化率によるデータ抽出処理を電流変化量によるデータ抽出処理よりも先に行っても良い。
図6の比較例による推定方法を用いた場合の誤差を図9に示し、図7の第2実施形態による推定方法を用いた場合の誤差を図10に示す。
図9及び図10の比較から明らかなように、精度低下の原因となるようなデータを事前に排除した第2実施形態(図10)の方が比較例(図9)より誤差が少なく、SOCを高精度に推定できていることがわかる。
結果として、図9の比較例では分散S2が4.11であるのに対し、図10の第2実施形態では0.759と1/5以下に減少しており、明らかに誤差が小さくなっている。
11:内部インピーダンス
12:電圧源
16:負荷
20:電圧/電流計測手段
21:電流検出手段
22:電圧検出手段
23:計測データ
40,40A:データ抽出手段
41:電流変化率演算手段
41A:電流変化率及び電流変化量演算手段
42,42A:必要データ判別手段
43:等価モデル定数同定手段
44:状態推定演算手段
50:電池
51:電圧センサ
52:電流センサ
53:コントローラ
54:電動機
55:PCカード
56:ノートパソコン
Claims (6)
- 蓄電デバイスを電源とする装置の運転中に前記蓄電デバイスの状態を推定する状態推定方法において、
前記蓄電デバイスの電流及び端子電圧を計測する工程と、
前記電流の変化率が所定の変化率設定値を超える範囲の電流データと当該電流データに対応する電圧データとを抽出する工程と、
抽出した電流データ及び電圧データを用いて前記蓄電デバイスの等価モデルの回路定数を同定する工程と、
同定した前記回路定数を少なくとも用いて前記蓄電デバイスの状態を推定する工程と、
を有することを特徴とする蓄電デバイスの状態推定方法。 - 蓄電デバイスを電源とする装置の運転中に前記蓄電デバイスの状態を推定する状態推定方法において、
前記蓄電デバイスの電流及び端子電圧を計測する工程と、
前記電流の変化率が所定の変化率設定値を超え、かつ、前記電流の変化量が所定の変化量設定値を超える範囲の電流データと当該電流データに対応する電圧データとを抽出する工程と、
抽出した電流データ及び電圧データを用いて前記蓄電デバイスの等価モデルの回路定数を同定する工程と、
同定した前記回路定数を少なくとも用いて前記蓄電デバイスの状態を推定する工程と、
を有することを特徴とする蓄電デバイスの状態推定方法。 - 請求項1または2に記載した蓄電デバイスの状態推定方法において、
同定した前記回路定数と、抽出した電流データ及び電圧データを用いて前記蓄電デバイスの開放電圧を推定し、この開放電圧に基づいて前記蓄電デバイスのエネルギー残量を推定することを特徴とする蓄電デバイスの状態推定方法。 - 蓄電デバイスを電源とする装置の運転中に前記蓄電デバイスの状態を推定する状態推定装置において、
前記蓄電デバイスの電流及び端子電圧を計測する電圧/電流計測手段と、
前記電流の変化率が所定の変化率設定値を超える範囲の電流データと当該電流データに対応する電圧データとを抽出するデータ抽出手段と、
前記データ抽出手段により抽出した電流データ及び電圧データを用いて前記蓄電デバイスの等価モデルの回路定数を同定する等価モデル定数同定手段と、
前記等価モデル定数同定手段により同定した前記回路定数を少なくとも用いて前記蓄電デバイスの状態を推定する状態推定演算手段と、
を備えたことを特徴とする状態推定装置。 - 蓄電デバイスを電源とする装置の運転中に前記蓄電デバイスの状態を推定する状態推定装置において、
前記蓄電デバイスの電流及び端子電圧を計測する電圧/電流計測手段と、
前記電流の変化率が所定の変化率設定値を超え、かつ、前記電流の変化量が所定の変化量設定値を超える範囲の電流データと当該電流データに対応する電圧データとを抽出するデータ抽出手段と、
前記データ抽出手段により抽出した電流データ及び電圧データを用いて前記蓄電デバイスの等価モデルの回路定数を同定する等価モデル定数同定手段と、
前記等価モデル定数同定手段により同定した前記回路定数を少なくとも用いて前記蓄電デバイスの状態を推定する状態推定演算手段と、
を備えたことを特徴とする状態推定装置。 - 請求項4または5に記載した蓄電デバイスの状態推定装置において、
前記状態推定演算手段は、前記等価モデル定数同定手段により同定した前記回路定数と、前記データ抽出手段により抽出した電流データ及び電圧データとを用いて前記蓄電デバイスの開放電圧を推定し、この開放電圧に基づいて前記蓄電デバイスのエネルギー残量を推定することを特徴とする状態推定装置。
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