JP2012063244A - Charging rate estimation device of battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気自動車等のバッテリの充電率を推定するバッテリの充電率推定装置に関する。 The present invention relates to a battery charge rate estimation device that estimates a battery charge rate of an electric vehicle or the like.
たとえば、電気自動車やハイブリッド電気自動車などでは、これらの車両を駆動するのに用いられる電気モータへ電力を供給(放電)したり、制動時のエネルギを発電機として機能させる電気モータから、あるいは地上に設置した電源から充電して電気エネルギを蓄積したりするため、リチャージャブル・バッテリ(二次電池)が用いられる。 For example, in an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, electric power is supplied (discharged) to an electric motor used to drive these vehicles, or an electric motor that causes braking energy to function as a generator or on the ground. A rechargeable battery (secondary battery) is used to store electric energy by charging from an installed power source.
この場合、長期にわたってバッテリを最適な状態に保つためには、バッテリの状態、とりわけ充電率(SOC: State of Charge)を常にモニタしてバッテリ・マネージメントを行う必要がある。ところが、バッテリを用いる場合、その充放電・蓄電が化学的作用によるので、間接的にバッテリの状態を推定せざるを得ない。この場合、温度変化の影響等も大きく、バッテリの状態は使用環境や使用履歴で絶えず変化するので、充電率の推定は大変である。そこで、従来から種々のバッテリの充電率を推定する方法が提案されてきている。 In this case, in order to keep the battery in an optimum state for a long period of time, it is necessary to perform battery management by constantly monitoring the state of the battery, particularly the state of charge (SOC). However, when a battery is used, the charge / discharge / storage is due to chemical action, so the state of the battery must be estimated indirectly. In this case, the influence of the temperature change is large, and the state of the battery constantly changes depending on the usage environment and usage history. Therefore, various methods for estimating the charging rate of various batteries have been proposed.
従来のバッテリの充電率推定装置は、バッテリの電流値と端子電圧値とを計測して、これらの計測値から、適応ディジタル・フィルタを用いて、抵抗とコンデンサからなるバッテリ等価回路モデルのパラメータを推定して回路電圧値(開放電圧値)を求め、この回路電圧値から、予め求めた回路電圧値と充電率との関係に基づいて、充電率を推定するようにしている(例えば、特許文献1参照)。 The conventional battery charge rate estimation device measures the battery current value and the terminal voltage value, and uses these adaptive values to calculate the parameters of the battery equivalent circuit model consisting of a resistor and a capacitor using an adaptive digital filter. The circuit voltage value (open circuit voltage value) is obtained by estimation, and the charging rate is estimated from the circuit voltage value based on the relationship between the previously obtained circuit voltage value and the charging rate (for example, Patent Documents). 1).
また、別の従来のバッテリの充電率推定装置は、バッテリの電流値と端子電圧値とを計測して、これらの計測値から、カルマン・フィルタを用いて、抵抗とコンデンサからなるバッテリ等価回路モデルに基づき開放電圧値を推定し、予め求めた回路電圧値と充電率との関係に基づいて充電率を推定するようにしている(例えば、非特許文献1参照)。 Another conventional battery charge rate estimation device measures a battery current value and a terminal voltage value, and uses a Kalman filter from these measured values to form a battery equivalent circuit model composed of a resistor and a capacitor. The open-circuit voltage value is estimated based on the above, and the charge rate is estimated based on the relationship between the circuit voltage value obtained in advance and the charge rate (see, for example, Non-Patent Document 1).
しかしながら、上記従来のバッテリの充電率推定装置には以下に説明するような問題がそれぞれある。
まず、前者の従来のバッテリの充電率推定装置にあっては、適応ディジタル・フィルタによる、等価回路モデルのパラメータ推定精度は、充放電電流の特性によって異なり、一般的に一定電流の場合は推定精度が低下してしまう。このようにパラメータの推定精度が低下すると、開放電圧値の算出精度も低下してしまうことから、この値に基づいて決める充電率の推定精度も悪くなってしまうといった問題がある。
However, the above-described conventional battery charge rate estimation apparatus has problems as described below.
First, in the former conventional battery charge rate estimation device, the parameter estimation accuracy of the equivalent circuit model by the adaptive digital filter differs depending on the characteristics of the charge / discharge current, and generally the estimation accuracy for a constant current Will fall. If the parameter estimation accuracy decreases in this manner, the calculation accuracy of the open circuit voltage value also decreases, so that there is a problem that the estimation accuracy of the charging rate determined based on this value also deteriorates.
また、後者の従来のバッテリの充電率推定装置にあっては、バッテリ等価回路の開放電圧発生部としてコンデンサで表したバッテリ等価回路モデルに基づいてカルマン・フィルタで開放電圧を推定しているが、この際、上記開放電圧発生部コンデンサの値を一定値として推定演算を行っている。しかしながら、開放電圧発生部コンデンサの値は、開放電圧の値により変化するため、開放電圧値が変化すると、充電率の演算精度も悪化してしまうといった問題がある。 Further, in the latter conventional battery charge rate estimation device, the open-circuit voltage is estimated by a Kalman filter based on a battery equivalent circuit model represented by a capacitor as an open-circuit voltage generation unit of the battery equivalent circuit. At this time, the estimation calculation is performed with the value of the open-circuit voltage generator capacitor as a constant value. However, since the value of the open-circuit voltage generation unit capacitor varies depending on the open-circuit voltage value, there is a problem that when the open-circuit voltage value changes, the calculation accuracy of the charging rate also deteriorates.
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、充放電電流が一定電流であっても、また開放電圧が変化しても、いずれの場合にもより精度の高い充電率を得ることができるようにしたバッテリの充電率推定装置を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to provide more accurate in any case even when the charge / discharge current is a constant current or the open-circuit voltage changes. An object of the present invention is to provide a battery charge rate estimation device capable of obtaining a high charge rate.
この目的のため本発明によるバッテリの充電率推定装置は、
バッテリの充放電電流値を検出する充放電電流検出手段と、
バッテリの端子電圧値を検出する端子電圧検出手段と、
抵抗と開放電圧発生部コンデンサからなる、バッテリのバッテリ等価回路モデルに基づいて、充放電電流検出手段で検出した充放電電流値と端子電圧検出手段で検出した端子電圧値からバッテリの開放電圧推定値を推定する開放電圧推定手段と、
開放電圧推定手段で推定した開放電圧推定値から、開放電圧値とバッテリの充電率の関係データに基づいて充電率を算出する充電率算出手段と、
開放電圧推定手段で求めた開放電圧推定値の1つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値を得る遅延手段と、
1つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値を用いて開放電圧発生部コンデンサの容量を算出する開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段と、
を備え、
開放電圧推定手段が、開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段で得た開放電圧発生部コンデンサ容量をバッテリのバッテリ等価回路モデルに用いてバッテリの開放電圧推定値を推定する
ことを特徴とする。
For this purpose, the battery charging rate estimation device according to the present invention is:
Charge / discharge current detection means for detecting a charge / discharge current value of the battery;
Terminal voltage detection means for detecting the terminal voltage value of the battery;
Based on the battery equivalent circuit model of the battery consisting of a resistor and an open-circuit voltage generator capacitor, the estimated open-circuit voltage of the battery from the charge / discharge current value detected by the charge / discharge current detection means and the terminal voltage value detected by the terminal voltage detection means An open-circuit voltage estimating means for estimating
From the open circuit voltage estimated value estimated by the open circuit voltage estimating means, the charge rate calculating means for calculating the charge rate based on the relationship data between the open circuit voltage value and the battery charge rate,
Delay means for obtaining an open-circuit voltage estimated value obtained at the time of sampling immediately before the open-circuit voltage estimated value obtained by the open-circuit voltage estimating means;
An open-circuit voltage generating unit capacitor capacity calculating means for calculating the capacity of the open-circuit voltage generating unit capacitor using the open-circuit voltage estimated value obtained at the time of the previous sampling;
With
The open-circuit voltage estimating means estimates the open-circuit voltage estimated value of the battery using the open-circuit voltage generating section capacitor capacity obtained by the open-circuit voltage generating section capacitor capacity calculating means for the battery equivalent circuit model of the battery.
本発明のバッテリの充電率推定装置にあっては、バッテリのバッテリ等価回路モデルの開放電圧発生部コンデンサの容量に、開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段で算出した、1つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値から求めた開放電圧発生部コンデンサ容量を用いて、本来逐次変化していくバッテリ等価回路モデルの開放電圧発生部コンデンサの容量に合わせてこれを可変となるようにしたので、充放電電流が一定電流であっても開放電圧が変化しても、従来技術のものより精度の高い充電率を得ることができる。 In the battery charging rate estimation device of the present invention, the capacity of the open-circuit voltage generation unit capacitor of the battery equivalent circuit model of the battery was obtained at the time of the previous sampling calculated by the open-circuit voltage generation unit capacitor capacity calculation means. Using the open-circuit voltage generation unit capacitor capacity obtained from the open-circuit voltage estimated value, it was made variable according to the open-circuit voltage generation unit capacitor capacity of the battery equivalent circuit model that originally changes sequentially. Even if the current is constant or the open-circuit voltage changes, a charging rate with higher accuracy than that of the prior art can be obtained.
以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on examples shown in the drawings.
図1に、実施例1のバッテリ1の充電率推定装置およびこの装置が接続されるバッテリ1の構成関係およびそれらの信号の流れを示す。
実施例1のバッテリ1の充電率推定装置は、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両に用いられる。このような車両には、車両を駆動する図示しない電気モータ、バッテリ1、これらのコントローラ(図示せず)が搭載され、車両駆動時にはバッテリ1から電気モータへ電力を供給(放電)したり、制動時には電気モータを発電機として機能させそのとき得た制動エネルギを電気エネルギとしてバッテリ1へ回収(充電)したり、あるいは地上に設置した電源からバッテリ1に充電したりする。このような充放電電流のバッテリ1への出入りをバッテリ1の充電率推定装置でモニタし、バッテリ1の状態の一つである充電率を推定するものである。
FIG. 1 shows a configuration relationship of the charging rate estimation device for the
The charging rate estimation device for the
まず、バッテリ1の充電率推定装置の全体構成につき説明する。
実施例1のバッテリ1の充電率推定装置は、図1に示すように、電圧センサ2、電流センサ3、開放電圧推定部4、充電率算出部5、遅延器6、および開放電圧発生部コンデンサ容量算出部7を有し、電圧センサ2および電流センサ3を介してバッテリ1に接続される。なお、開放電圧推定部4、充電率算出部5、遅延器6、および開放電圧発生部コンデンサ容量算出部7は、車載のマイクロ・コンピュータで構成する。
First, the overall configuration of the charging rate estimation device for the
As shown in FIG. 1, the
バッテリ1は、本実施例にあっては、リチャージャブル・バッテリ、たとえばリチウム・イオン・バッテリを用いるが、これに限られることはなく、ニッケル・水素バッテリ等、他の種類のバッテリを用いてもよいことは言うまでもない。
In this embodiment, the
電流センサ2はバッテリ1から電気モータ等へ電力を供給する場合の放電電流の大きさ、および制動時に電気モータを発電機として機能させて制動エネルギの一部を回収したり地上の電源設備から充電したりする場合の充電電流の大きさを検出するもので、たとえば、シャント抵抗等を使ってバッテリ1に流れる電流値Iを検出する。検出した充放電電流値Iは、入力信号として開放電圧推定部4へ入力される。
電圧センサ3は、バッテリ1の端子間の電圧を検出するものであり、この検出した端子電圧値Vは開放電圧推定部4へ入力される。
なお、電流センサ2、電圧センサ3は、種々の構造・形式を有するものを適宜採用でき、それぞれ本発明の充放電電流検出手段、端子電圧検出手段に相当する。
The
The
Note that the
開放電圧推定部4は、バッテリ等価回路モデル4A、状態量推定部4Bおよびカルマン・ゲイン算出部4Cを有するもので、電流センサ2で検出した充放電電流値Iと電圧センサ3で検出した端子電圧値Vから、バッテリ等価回路モデル4Aのパラメータを推定し、状態量である開放電圧OCV^を求める。なお、開放電圧推定部4は、本発明の開放電圧推定検出手段に相当する。
The open-circuit
本実施例で用いるバッテリ等価回路モデル4Aを図2に示す。この等価回路モデル4Aとしては、本実施例では図2に示すフォスタ型RC梯子回路(ただし1段のみ)を用いる。すなわち、この回路は、バッテリ1の電解液抵抗と結線によるオーム抵抗等の直流成分を設定するバスク抵抗(R0)に、抵抗(R1:ファラデー・インピーダンスでありバッテリ1中の電荷移動過程における動的振る舞いを表す反応抵抗として設定)とコンデンサ(C1:非ファラデー・インピーダンスであり電気二重層を表わすものとして設定)の並列回路を接続したものである。また、同図中には、開放電圧部を表わす開放電圧部コンデンサ(COCV)の開放電圧値をOCV、端子電圧値をV、上記並列回路で発生する過電圧値をV1でそれぞれ表示してある。端子電圧値Vは、開放電圧値OCVと過電圧値V1との合計に等しくなる。なお、R0およびR1は上記各抵抗の抵抗値を表わし、C1およびCOCVは上記各コンデンサの容量を表わす。
A battery
状態量推定部4Bは、本実施例ではカルマン・フィルタを用いてバッテリ等価回路モデル4Aに基づきこの状態量を推定する。すなわち、この状態量推定部4Bでは、バッテリ等価回路モデル4Aの状態方程式(離散化して用いる)を用いて、入力を充放電電流値I、出力を端子電圧値V^、状態量を開放電圧推定値OCV^として、同じ入力に対するバッテリ等価回路モデル4Aの推定出力値V^と実際のバッテリ1の出力値Vとの誤差εに、カルマン・ゲイン算出部4Cで算出したカルマン・ゲインLを掛けたものをフィードバックして誤差が最小になるようにバッテリ等価回路モデル4Aを修正していき、そのときのパラメータを求めていく。この詳細構成については、後で説明する。状態量推定部4Bで推定した開放電圧推定値OCV^は充電率算出部5と遅延器6へそれぞれ入力する。なお、記号^は、推定を表わすが、明細書中では図中の記号とは異なり便宜上右側へずらして記載する。
In this embodiment, the state
カルマン・ゲイン算出部4Cは、バッテリ等価回路モデル4Aの推定出力(電圧推定値V^)とバッテリ1の出力(端子電圧V)との誤差εを、フィードバックするに当たっての重みづけとなるカルマン・ゲインLを決めるためのもので、その詳細構成については後で説明する。
The Kalman
充電率算出部5は、バッテリの種類ごとにあらかじめ実験等で測定した開放電圧値OCVと充電率SOCとの関係データを記憶する開放電圧値(OCV)と充電率(SOC)との関係データを記憶する関係データ記憶部5Aを有する。この関係データの例を図3に示す。したがって、バッテリ1の開放電圧が推定されれば、この推定値OCV^から関係データに基づき充電率SOCを求めることが可能となる。この充電率SOCは、バッテリ・マネージメントに利用される。
The charging
遅延器6は、上記バッテリ等価回路モデル4Aの離散化した状態方程式を用いて状態量推定部4Bで得られたk番目の開放電圧推定値OCV^に1/z(zはz変換を示す)を掛けて、このk番目の1つ前であるk−1番目の開放電圧推定値OCV^−を得るものである。この1つ前であるk−1番目の開放電圧推定値OCV^−は、開放電圧部コンデンサ容量算出部7に入力される。なお、遅延器6は、本発明の遅延手段に相当する。
The delay unit 6 uses 1 / z (z indicates z conversion) to the kth open-circuit voltage estimated value OCV ^ obtained by the state
開放電圧部コンデンサ容量算出部7では、入力されたk−1番目の開放電圧推定値OCV^−から開放電圧部コンデンサの容量COCVを算出し、開放電圧推定部4に入力して、バッテリ等価回路モデル4Aにおける開放電圧部コンデンサの容量COCVを絶えず更新して行く。
In the open-circuit voltage section capacitor capacity calculation section 7, the capacity C OCV of the open-circuit voltage section capacitor is calculated from the inputted (k−1) th open-circuit voltage estimated value OCV ^ −, and is input to the open-circuit
以上が、本実施例のバッテリの充電率推定装置の主な構成である。次に、この開放電圧推定部4にカルマン・フィルタを適用するにあたって、その考え方につき以下に説明する。
The above is the main configuration of the battery charging rate estimation apparatus of the present embodiment. Next, the concept of applying the Kalman filter to the open-circuit
まず、カルマン・フィルタの設計にあたっては、推定対象となるシステムを以下の状態方程式で表現しなければならない。
dx/dt = Ax + Bu (式1)
y = Cx + Du (式2)
ここで、xはシステムの状態ベクトル(パラメータである状態量を表わす)、uはシステムへの入力ベクトル、yは出力ベクトル、A、B,C,Dはシステムのダイナミックスを記述する行列であり、それぞれシステム行列、入力行列、出力行列、伝達行列であり、d/dtは時間微分である。
First, in designing the Kalman filter, the system to be estimated must be expressed by the following equation of state.
dx / dt = Ax + Bu (Formula 1)
y = Cx + Du (Formula 2)
Here, x is a system state vector (representing a state quantity as a parameter), u is an input vector to the system, y is an output vector, and A, B, C, and D are matrices describing system dynamics. Are a system matrix, an input matrix, an output matrix, and a transfer matrix, respectively, and d / dt is a time derivative.
また、図2に示したバッテリ等価回路モデル4Aでは、上記(式1)、(式2)における行列A,B,C,Dの値は次のようになる。
ここで、上記状態方程式の(式1)、(式2)は連続系で記述してあるので、これらを、以下のように、サンプリング時間をTとして0次ホールドで離散化する。
なお、以下の式において、添え字kはサンプリングの順番の番号、ukはk番目における入力データ(本実施例では検出電流値I)、ykはk番目における出力データ(本実施例では推測端子電圧V^)、Σ^x〜,kはk番目における推定誤差共分散値、Lkはk番目におけるカルマン・ゲイン、ΣVはプロセス・ノイズ、ΣWは観測ノイズ、^は推定値、_は時前推定、+は時後推定、εkはk番目における検出出力と推定出力の差(すなわち、本実施例では端子電圧検出値と端子電圧予測値の差)を、それぞれ表す。ただし、カルマン・フィルタを用いるにあたって、εkは平均値0、正規性白色雑音であり、またプロセス・ノイズと観測ノイズは互いに独立であると仮定してある。なお、上記記号中、^、 〜、 _、 + の各記号については、記載上、明細書では図中での使用とは異なり、右側へずらした位置に記載する。
Here, since (Equation 1) and (Equation 2) of the above state equation are described in a continuous system, they are discretized with a 0th-order hold with sampling time T as follows.
In the following equations, the subscript k is a sampling of the order of numbers, u k is inputted in the k-th data (detected current value I in this embodiment), y k guess the output data (the example in the k-th terminal voltage V ^), sigma ^ x ~, k is the estimated error covariance value of the k-th, L k is the Kalman gain in the k-th, sigma V process noise, sigma W is measurement noise, ^ is the estimated value, _ Represents the pre-time estimation, + represents the post-time estimation, and ε k represents the difference between the detected output and the estimated output at the k-th (that is, the difference between the terminal voltage detected value and the terminal voltage predicted value in this embodiment). However, when using the Kalman filter, it is assumed that ε k is an average value of 0, normal white noise, and that process noise and observation noise are independent of each other. In addition, in the above symbols, the symbols ^, ˜ , _, + are described at the positions shifted to the right in the description, unlike the use in the drawings.
離散化したカルマン・フィルタの状態方程式は、以下のように表わすことができる。
上記(式3)、(式4)中のAk,Bk,Ck,Dkは、それぞれ以下のようになる。
したがって、カルマン・フィルタの状態方程式は、以下のように表される。
これらの式により、カルマン・フィルタを用いる開放電圧推定部4は、図4のブロック線図にて表わすことができる。このブロック線図については後で説明する。
Therefore, the state equation of the Kalman filter is expressed as follows.
From these equations, the open-circuit
また、このときk番目の事前推定、事後推定での推定誤差共分散値およびカルマン・ゲインは以下の式で表わされる。
以上のように、カルマン・フィルタKFを用いた状態量の推定は、(式9)〜(式15)と図2のバッテリ等価モデル4Aの状態方程式(式2)により、状態量算出部4Bとカルマン・ゲイン算出部4Cにて行う。
図4に示すように、状態量推定部4Bには電流センサ3で測定された充放電電流値Iと開放電圧部コンデンサ容量算出部7で算出された開放電圧部コンデンサ容量COCVとが入力され、後で説明する演算によって、バッテリ等価回路モデル4Aにおける状態量として開放電圧推定値OCV^と端子電圧推定値V^を出力する。この端子電圧推定値V^は、減算器109に入力されて、ここで、電圧センサ3にて測定されたバッテリ1の端子電圧知値Vから減算されることにより、これらの誤差εが得られる。
この誤差εは、カルマン・ゲイン算出部4Cで算出したカルマン・ゲインLが乗算器108で掛けられて、この乗算値L・εが状態量推定部4Bにフィードバックされる。
As described above, the estimation of the state quantity using the Kalman filter KF is performed by the state
As shown in FIG. 4, the state
The error ε is multiplied by the Kalman gain L calculated by the Kalman
次に、カルマン・ゲイン算出部4Cにおけるカルマン・ゲインLの推定は、(式13)〜(式15)により行なわれ、そのブロック線図を図5に示す。
同図に示すように、加算器110には、プロセス・ノイズΣVに、遅延器112の出力であるk番目の一つ前(k-1番目)の推定誤差共分散値Σx 〜 ,k−1 +に係数倍器113、114にてAk、Ak Tを掛けた値が加算され、k番目の時前推定としての推定誤差共分散値Σx 〜 ,k −として出力される(式13)。
Next, the estimation of the Kalman gain L in the Kalman
As shown in the figure, the
乗算器111では、減算器115で充放電電流検出値Iからカルマン・ゲインLkに行列Ckを掛けた積算値が減算されて得た減算値に、加算器110から出力された推定誤差共分散値Σx 〜 ,k −が、掛け合わされ、k番目の時後推定としての推定誤差共分散値Σx 〜 ,k +が得られる(式14)。この推定誤差共分散値Σx 〜 ,k +は、Z変換による遅延器12(Z−1を掛ける)でk番目の一つ前(k-1番目)の推定誤差共分散値Σx 〜 ,k−1 −を得る。この推定誤差共分散値Σx 〜 ,k−1 −は、上記のように係数倍器113、114で、それぞれ行列Akおよびこの転置行列Ak Tが掛けられた後、この乗算値が加算器110に入力される。
In the
一方、加算器110の出力であるk番目の時前推定としての推定誤差共分散値Σx 〜 ,k −は、係数倍器116にて転置行列Ck Tが掛けられて除算器117に入力されるとともに、係数倍器118にて行列Ckが掛けられて得た積算値が加算器119に入力される。この積算値は、加算器119で観測ノイズΣWと加算された後、この加算値が除算器117に入力される。除算器117では、係数倍器116からの出力を加算器119からの出力で割算してカルマン・ゲインLkとして出力する(式15)。なお、このカルマン・ゲインLkは、上述したように、係数倍器120にて行列Ckが掛けられて減算器115に入力される。
On the other hand, the estimation error covariance values Σ x ˜ , k − as the k-th pre-estimation output from the
次に、状態量算出部4Aにおける状態量算出は、状態量(式9)〜(式12)により行なわれ、そのブロック図を図6に示す。
同図において、入力uk(=充放電電流検出値I)は、Z変換による遅延器122にてZ−1を掛けることでk番目の一つ前の(k−1)番目の入力uk−1が得られる。この入力uk−1は乗算器123に入力され、ここで、入力uk−1に行列Bkが掛けられてBkuk−1が得られる。このBkuk−1は加算器124に入力される。
Next, the state quantity calculation in the state
In the figure, an input u k (= charge / discharge current detection value I) is multiplied by Z −1 by a
加算器124では、さらに、係数倍器126からの出力である推定値Akxk−1^+が入力されて加算され、k番目の時前推定の状態量xk^−が得られる(式9)。なお、上記推定値Akxk−1^+は、加算器127から出力されたk番目の時後推定の状態量xk^+(=開放電圧推定値OCV^)に遅延器125でz−1が掛けられることで得られた一つ前の状態量xk−1^+に、上記のように係数倍器126で、行列Akが掛けることで得られる。
The
加算器124での推定状態量xk^−は、加算器127で、カルマン・ゲイン算出部4Bと乗算器108とで得られた積算値Lk・εkが加算されて、推定状態量xk^+(=開放電圧推定値OCV^)が得られる(式10)。この開放電圧推定値OCV^は充電率算出部5および遅延器6に入力される。
The estimated state quantity x k ^ − in the
一方、加算器124からの出力xk^−は、係数倍器128にも入力されて行列Ckが掛けられてCkxk^−が得られる。このCkxk^−は加算器130に入力される。この加算器130には、さらに、係数倍器129で入力uk(=充放電電流検出値I)に行列Dkが掛けられて得たDkukが入力されて加算され、状態量Ckxk^−+Dkuk、すなわちyk^(=端子電圧推定値V^)が得られる(式12)。この端子電圧推定値V^は図4の減算器109に入力され、ここで端子電圧検出値Vから端子電圧推定値V^が減算されて端子電圧差εkが得られる。
On the other hand, the output x k ^ − from the
開放電圧推定部4は以上のように構成されるが、次に、開放電圧部コンデンサ容量算出部7における開放電圧部コンデンサ容量の算出方法につき、図7〜図9の模式図を用いて以下に説明する。
The open-circuit
開放電圧部コンデンサ容量算出部7では、推定した1つ前のサンプリング時に得られた開放電圧値OCV−を用いて、バッテリ1の性質に基づいた開放電圧の式と、バッテリ等価回路モデル4Aに基づいた開放電圧の式とが等価であることから、以下能のように開放電圧部コンデンサ容量COCVを導出する。
The open-circuit voltage unit capacitor capacity calculation unit 7 uses the open-circuit voltage value OCV − obtained at the time of the previous sampling estimated and uses the open-circuit voltage equation based on the characteristics of the
バッテリ1の性質に基づいて算出する開放電圧OCV1は、図7に示すように、まず充放電電流Iを時間積分して、この積分値をバッテリ1の設計容量FCCで割算し、次いで百分率(%)にするため100を掛けることで充電率SOCが算出する。この充電率SOCから、関係データ記憶部5A内に記憶した充電率−開放電圧の関係データを基に開放電圧OCV1を推定する。
As shown in FIG. 7, the open-circuit voltage OCV1 calculated based on the properties of the
バッテリ等価回路モデル4Aを用いて算出する開放電圧OCV2は、開放電圧部コンデンサの電圧であることから、充放電電流値Iを積分して得た積分値(電荷量に相当)を開放電圧部コンデンサ容量COCVで割算することで得られる。
Since the open circuit voltage OCV2 calculated using the battery
これら開放電圧OCV1、OCV2が等価であるので、これらを求める両式から、以下の関係式が得られる。
COCV=FCC/{100×(1つ前のサンプリング時に得られた開放電圧値OCV−のときの、充放電率に対する開放電圧の傾きSL)}
Since these open-circuit voltages OCV1 and OCV2 are equivalent, the following relational expression is obtained from both equations for obtaining them.
COCV = FCC / {100 × (inclination SL of open-circuit voltage with respect to charge / discharge rate when open-circuit voltage value OCV − obtained at the previous sampling)}
この式から、開放電圧部コンデンサ容量算出部7のブロック線図は、図9に示すようになる。
すなわち、1つ前のサンプリング時に得られた開放電圧値OCV−が入力されて、この開放電圧値OCV−から、予め実験で測定した開放電圧OCV−SL(1つ前のサンプリング時に得られた開放電圧値OCV−のときの、充放電率に対する開放電圧の傾き)の関係データを基に、傾きSLを得る。この傾きSLは乗算器で100倍され、除算器にてバッテリ1の設計容量を100×SLの値で割算することで開放電圧部コンデンサ容量COCVが算出される。
From this equation, a block diagram of the open-circuit voltage section capacitor capacity calculation section 7 is as shown in FIG.
That is, the open circuit voltage value OCV − obtained at the previous sampling is input, and the open circuit voltage OCV−SL (the open circuit voltage obtained at the previous sampling is measured in advance from the open circuit voltage value OCV − ). voltage OCV - when the, on the basis of the relationship data of the slope) of the open circuit voltage for the charge and discharge rate, to obtain the slope SL. This slope SL is multiplied by 100 by a multiplier, and the open circuit voltage section capacitor capacity COCV is calculated by dividing the design capacity of the
以上のように構成した本実施例の充電率推定装置につき、バッテリ1の充放電電流値Iと端子電圧値Vの入力データを用いて充電率の推定を行った実験結果につき説明する。
With respect to the charging rate estimation device of the present embodiment configured as described above, the experimental results of estimating the charging rate using the input data of the charge / discharge current value I and the terminal voltage value V of the
図10はバッテリ1と本実施例の充電率推定装置とに入力した充放電電流Iと電圧値Vを示しており、図10(a)は横軸に時間を、また縦軸に充放電電流Iを表わし、また同図(b)は横軸に時間を、また縦軸に端子電圧Vを表わしている。これらの入力を、上記で挙げた適応ディジタル・フィルタを用いた第1従来例、開放電圧部コンデンサ容量一定のバッテリ等価回路モデルにカルマン・フィルタを用いた第2従来例、および本実施例の充電率推定装置に、それぞれ入れて、そのとき得られた充電率を比較するようにした。
なお、充電率の真値を知るため、本実験では、車載するには高価すぎるが測定精度が非常に高い電流センサを用いて、バッテリ1の充放電電流を測定し、クーロン・カウント法(電流値を積算し、この積算値を満充電容量で割算して充電率を算出する方法)により充電率を推定し、これを充電率の真値とした。
FIG. 10 shows the charge / discharge current I and the voltage value V input to the
In order to know the true value of the charging rate, in this experiment, the charge / discharge current of the
この実験結果を図11に示す。図11(a)に、充電率の真値(実線で示す)に対する、本実施例での充電率推定値(点線で示す)、第1従来例(図では従来例1と表記)での充電率推定値(鎖線で示す)、および第2従来例(図では従来例2と表記)での充電率推定値(一点鎖線で示す)を示す。
また、図11(b)に、本実施例での充電率推定誤差(点線で示す)、第1従来例での充電率推定誤差(鎖線で示す)、および第2従来例での充電率推定誤差(一点鎖線で示す)を示す。
The result of this experiment is shown in FIG. FIG. 11 (a) shows a charge rate estimated value (indicated by a dotted line) in the present embodiment for the true value of the charge rate (indicated by a solid line), and charging in a first conventional example (indicated as conventional example 1 in the figure). A rate estimation value (indicated by a chain line) and a charge rate estimation value (indicated by a one-dot chain line) in a second conventional example (denoted as conventional example 2 in the figure) are shown.
FIG. 11B shows the charging rate estimation error in this embodiment (shown by a dotted line), the charging rate estimation error in the first conventional example (shown by a chain line), and the charging rate estimation in the second conventional example. An error (indicated by a dashed line) is shown.
図11から分かるように、第1従来例では、入力電流Iの変化が少なくなる、約5,000秒〜約10,000秒の区間、約15,000秒〜約20,000秒の区間、および約25,000秒〜約30,000秒の区間では、充電率推定の精度が、入力電流の変化が大きくなるそれ以外の区間での充電率推定値に比べ、悪化していることが分かる。 As can be seen from FIG. 11, in the first conventional example, the change of the input current I is reduced, the interval of about 5,000 seconds to about 10,000 seconds, the interval of about 15,000 seconds to about 20,000 seconds, and about 25,000 seconds to about 30,000 seconds. It can be seen that the accuracy of the charge rate estimation is worse in the section of, compared with the charge rate estimation value in the other sections where the change in the input current is large.
また、第2従来例では、バッテリ等価回路モデルの開放電圧部コンデンサの容量を一定とみなしているため、この前提と合わない開放電圧が大きく変化するような入力電流の区間では、充電率推定の精度が良くないことが分かる。 In the second conventional example, the capacity of the open-circuit voltage section capacitor of the battery equivalent circuit model is regarded as constant. Therefore, in the input current section where the open-circuit voltage largely does not meet this assumption, the charge rate estimation is performed. It turns out that the accuracy is not good.
このように、図11から、これら従来例に比較して、本実施例のバッテリの充電率推測装置では、入力される電流が一定電流であっても、またバッテリ1の開放電圧が変化しても、そのバッテリ1の充電率をより精度高く検出できることが示されていることが分かる。
Thus, from FIG. 11, compared with these conventional examples, in the battery charge rate estimation device of this embodiment, even when the input current is a constant current, the open-circuit voltage of the
以上のように、実施例1にあっては、以下の効果を得ることができる。
(1)実施例1のバッテリの充電率推定装置は、バッテリ等価回路モデル4Aの開放電圧部コンデンサの容量COCVを可変として実際のバッテリの特性に近付けたので、入力される電流が一定電流であっても、またバッテリ1の開放電圧が変化しても、そのバッテリ1の充電率をより精度高く検出できる。
As described above, the following effects can be obtained in the first embodiment.
(1) Since the battery charging rate estimation apparatus of the first embodiment approaches the characteristics of the actual battery by changing the capacitance COCV of the open-circuit voltage section capacitor of the battery
(2)また、開放電圧部コンデンサの容量COCVを、開放電圧発生部コンデンサ容量算出部7で算出した1つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値OCV^−から求めた開放電圧発生部コンデンサ容量を用いるようにしたので、簡単かつ精度よく開放電圧部コンデンサ容量COCVを求めることができる。 (2) Also, the open-circuit voltage generation unit capacitor capacity obtained from the open-circuit voltage estimated value OCV ^ − obtained at the previous sampling calculated by the open-circuit voltage generation unit capacitor capacity calculation unit 7 Therefore, the open-circuit voltage section capacitor capacitance COCV can be obtained easily and accurately.
(3)開放電圧推定部4にカルマン・フィルタを用いたので、簡単かつ精度よくその時々の開放電圧を推定でき、より高い充電率推定の精度が得られる。
(3) Since a Kalman filter is used for the open-circuit
本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。 Although the present invention has been described based on each of the above embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention, it is included in the present invention.
たとえば、バッテリ等価回路モデルとしては、実施例のモデルに限られず開放電圧部にコンデンサを用いるものであれば良く、フォスタ型RC梯子回路で拡散過程における動的振る舞いを表すものとして、抵抗とコンデンサの並列回路をさらに複数段直列接続したものを用いてもよい。あるいは、フォスタ型RC梯子回路とは異なるバッテリ等価回路モデル、たとえばカウエル型梯子回路を用いてもよい。 For example, the battery equivalent circuit model is not limited to the model of the embodiment as long as it uses a capacitor in the open-circuit portion, and the Foster RC ladder circuit represents the dynamic behavior in the diffusion process. A parallel circuit in which a plurality of stages are connected in series may be used. Alternatively, a battery equivalent circuit model different from the Foster type RC ladder circuit, for example, a Cowell type ladder circuit may be used.
また、開放電圧推定部4での開放電圧推定にあたっては、カルマン・フィルタに限られず、他の方法、たとえば逐次最小二乗法などを用いてもよい。
The open-circuit voltage estimation in open-circuit
また、本発明のバッテリの充電率推定装置は、リチウム・イオン・バッテリに限らず他の種類のバッテリを対象とすることもでき、また、バッテリも電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両のみならず、地上や構造物に使用するバッテリの充電率推定にも利用できる。 In addition, the battery charge rate estimation device of the present invention is not limited to a lithium ion battery, and can also be applied to other types of batteries, and the battery is not limited to vehicles such as electric vehicles and hybrid electric vehicles. It can also be used to estimate the charging rate of batteries used on the ground and structures.
1 バッテリ
2 電流センサ(充放電電流検出手段)
3 電圧センサ(端子電圧検出手段)
4 開放電圧推定部(開放電圧推定手段)
4A バッテリ等価回路モデル
4B 状態量推定部
4C カルマン・ゲイン算出部
5 充電率算出部
5A 充電率−開放電圧関係データ記憶部
6 遅延器
7 開放電圧発生部コンデンサ
108,111,123 乗算器
109,115 減算器
110,119,124,127,130 加算器
112,122,125 遅延器
117 除算器
113,114,116,118,120,126,128,129 係数倍器
1
3 Voltage sensor (terminal voltage detection means)
4 Open-circuit voltage estimation unit (open-circuit voltage estimation means)
4A Battery
Claims (2)
前記バッテリの端子電圧値を検出する端子電圧検出手段と、
抵抗と開放電圧発生部コンデンサからなる、前記バッテリのバッテリ等価回路モデルに基づいて、前記充放電電流検出手段で検出した充放電電流値と前記端子電圧検出手段で検出した端子電圧値から前記バッテリの開放電圧推定値を推定する開放電圧推定手段と、
該開放電圧推定手段で推定した開放電圧推定値から、開放電圧値と前記バッテリの充電率の関係データに基づいて充電率を算出する充電率算出手段と、
前記開放電圧推定手段で求めた開放電圧推定値の1つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値を得る遅延手段と、
該遅延手段で1つ前のサンプリング時に得た開放電圧推定値を用いて前記開放電圧発生部コンデンサの容量を算出する開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段と、
を備え、
前記開放電圧推定手段が、前記開放電圧発生部コンデンサ容量算出手段で得た開放電圧発生部コンデンサ容量を前記バッテリのバッテリ等価回路モデルに用いて前記バッテリの開放電圧推定値を推定する、
ことを特徴とするバッテリの充電率推定装置。 Charge / discharge current detection means for detecting a charge / discharge current value of the battery;
Terminal voltage detection means for detecting a terminal voltage value of the battery;
Based on the battery equivalent circuit model of the battery, which is composed of a resistor and an open-circuit voltage generating capacitor, the charge / discharge current value detected by the charge / discharge current detection means and the terminal voltage value detected by the terminal voltage detection means An open-circuit voltage estimating means for estimating an open-circuit voltage estimated value;
A charging rate calculating means for calculating a charging rate based on the relationship between the open voltage value and the charging rate of the battery from the open voltage estimated value estimated by the open voltage estimating means;
Delay means for obtaining an open-circuit voltage estimated value obtained at the time of sampling immediately before the open-circuit voltage estimated value obtained by the open-circuit voltage estimating means;
An open-circuit voltage generation unit capacitor capacity calculation unit for calculating the capacitance of the open-circuit voltage generation unit capacitor using the open-circuit voltage estimation value obtained at the time of the previous sampling by the delay unit;
With
The open-circuit voltage estimating means estimates the open-circuit voltage estimated value of the battery using the open-circuit voltage generating section capacitor capacity obtained by the open-circuit voltage generating section capacitor capacity calculating means in the battery equivalent circuit model of the battery;
An apparatus for estimating a charging rate of a battery.
前記開放電圧推定手段は、カルマン・フィルタである、
ことを特徴とするバッテリの充電率推定装置。 The battery charge rate estimation apparatus according to claim 1,
The open-circuit voltage estimation means is a Kalman filter.
An apparatus for estimating a charging rate of a battery.
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