JP2013507628A - バッテリの最大可能出力を決定および／または予測する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、バッテリのモデルを利用し、等価回路図を基にしてバッテリの最大可能出力を予測する工程から成る、バッテリの最大可能出力を決定および／または予測する方法に関する。そこでは前記バッテリの最大出力が、所定の予測時間に対し、充・放電動作に関して異なる動作モード別に、そして最大許容動作電圧および最大許容動作電流に配慮しながら予測される。

Description

本発明は、電気的等価回路図を有するバッテリのモデルを利用してバッテリの可能出力を予測する工程から成る、バッテリの可能出力を決定および／または予測する方法に関する。

そのような方法は特許文献１から知られている。
この公知である方法により、バッテリ、特に車両用の始動バッテリの最大電流容量を予測できるとしている。しかしこの始動能力の予測結果自体から、始動時以外のバッテリ動作の間のバッテリ可能出力に関して何らかの言明を下すことは不可能である。そのような言明は、電気自動車および／またはハイブリッドカーに搭載されるバッテリの動作にとっては欠かせぬものである。そのような車両では、電圧および電流の所定の限界値を侵さないような出力をバッテリが短期的に提供可能であることが予測される場合に初めて、バッテリを使用することが可能となっている。

負荷がかかった状態にあるときのバッテリの電圧を示す様々な特性マップを使用して、バッテリの可能出力を決定することが知られている。これらの電圧特性マップの入力パラメータは、充電量または放電量がある一定の値をとるときには、その時々のバッテリ状態（温度、パルス幅、充電状態、および／または開路電圧）となる。これについては非特許文献１も参照されたい。これらの出力データは続いて例えばハイブリッドカーまたはバッテリーカーのエネルギーマネージメントシステムの使用に供されるようになっている。

さらに別の公知である方法（特許文献２）は、所定の予測時間の間のバッテリの等価内部抵抗値を特性マップ内に保存して、またはバッテリの等価内部抵抗値を動作中にそれぞれ決定して、そこから、瞬間開路電圧および定電流の仮想負荷に配慮しながら電圧の落ち込み幅を計算して、これを所定の限界値と比較する工程から成っている。

上述の公知である方法では、最大充電電圧および最小放電電圧に関するその時々のバッテリタイプに依存した限界値について、いずれも配慮していない。
特性マップに保存される出力データには、バッテリの動的挙動が反映されていない。その結果、所定の予測時間にわたり低過ぎるおよび／または高過ぎる出力値が生じることになる。前者の場合はバッテリに過負荷が生じることになり、後者の場合はバッテリに不要な過大サイズをもたらすことになる。それに加えてさらに、例えばマイクロプロセッサの計算時には、この予測が回を重ねるごとに、所要記憶場所がその回数に直接比例して増大することになる。

さらにその上に、予測開始時点におけるモデルのバッテリ負荷状況の既往歴の影響を記述した内部状態にも、そこでは配慮していない。

ＤＥ １０３３７０６４ Ｂ４ ＤＥ １０２０５１２０ Ａ

会議レポート、O.Bohlen, J.B.Gerschler, D.U.Sauer, P.Birke及びM.Keller：「Robust algorithms for a reliable battery diagnosis - managing batteries in hybrid electric vehicles」、ＥＶＳ、国際電気自動車シンポジウム（Internat. Electric Vehicle Symp）、22, 2006、p.2010〜2021

本発明の課題は、バッテリにより最大限使用に供することができる出力／容量の現実的な予測をもたらす冒頭に記した種類の方法を提示することにある。

この課題は、本発明により請求項１に記載の手段によって解決される。本発明にしたがった方法では、次に示す計四通りのケースの間に区別をつけている。
１）電圧を制限して行われる充電
２）電流を制限して行われる充電
３）電圧を制限して行われる放電
４）電流を制限して行われる放電
ここで電流／電圧を制限してとは、その時々の電気負荷に関するバッテリタイプに依存した最大値（電流または電圧）への配慮であると解釈されるものである。

本発明にしたがって電流が制限されるケースと電圧が制限されるケースとの間で区別することにより初めて、それぞれのバッテリモデルから、予測時間の全体にわたり予想されるバッテリの最大可能出力に関する現実的な言明がもたらされることになる。

充電動作時に最大充電電流と最大充電電圧とに配慮しながら可能出力の計算を同時に実行する場合は通例、最大可能出力に関して二つの異なる値が得られることになる。本発明の有利な展開構成形態の一例では、これらの二つの値の内、絶対値が小さい方の値が使用されるようになっている。それにより、バッテリのこれらの許容動作限度をいずれも超えることがないようにしている。これは放電動作についてもいえる。

本発明のさらにもう一つの改良例では、出力電圧値を利用してバッテリの既往歴に配慮するようにしている。充電期が長引いた後には、電気二重層が形成されて、バッテリは一定の静電容量を既に持っていることになる。この場合は、バッテリがそれまでに休止状態にあった場合や放電していた場合と比べると、充電電圧が同じであっても、バッテリ充電量が少なくなることがある。これは放電のケースについてもいえる。

バッテリの短時間の可能出力にとり決定的な動的挙動は、受動的な電気素子（オーム抵抗、インダクタンス、コンデンサ）の組み合せによりモデル化されて再現される。そのようなモデルの一例を図１に示すが、これについては後ほど詳細に説明する。モデルパラメータの値は通例、温度、充電状態、電流の向き（充電／放電）、さらにはアンペア数に依存する。これらの値は、バッテリマネージメントシステム内に、特性マップの中の値として保存されているか、または動作中にそれ自体としては公知である詳細には説明しない推定方案により算出できるようになっている。

最終的にはバッテリモデルの各パラメータが、何らかのパラメータ推定法により提供される、および／またはパラメータ特性マップを利用して得られるようにするとよい。それにより可能出力予測精度をさらに向上することができる。

最大限可能な充放電量の予測計算には、この電気的なモデル以外にも、負荷下における電流の限界値とあわせ、最大充電電圧もしくは最小放電電圧も算入されるようになっている。
この最小放電電圧は、メーカにより定義された放電工程の終了時にバッテリ端子にかかっている電圧を指す。これは、放電終了を定義付ける時間基準ではなく電圧基準である。

計算の開始時点には、前回の予測時間が確実に終了していることになる。例えば１０秒間の予測値、すなわち、現時点から起算して１０秒間にわたり電圧または電流の限界値を超過することなく使用に供することができる出力値が、絶え間なく計算される。

その際には既述のように次に示す計四通りのケースの間に区別をつけるようになっている。
１）電圧を制限して行われる充電
２）電流を制限して行われる充電
３）電圧を制限して行われる放電
４）電流を制限して行われる放電

電流が制限された充電容量特性(ケース２）を表す図２のグラフ（左）に示されるように、可用出力は時間の経過に伴い増大しており、また最低出力値はｔ＝０時の値となっている。その他のケース（ケース１，３，４、図２の右側部分のグラフ）についてはいずれも、負荷の継続時間の増大に伴い可用出力が低下しており、したがってｔ_ｘ秒間の時間内の最低出力値は、ｔ＝ｔ_ｘ時の値となっている。

上述の電圧または電流の限界値により充放電が制限されるかどうかは、先験的に確定できることではないために、電圧・電流の両方のケースについて、最大可用出力の予測値が計算されるようにしている。絶対値が小さい方の出力が、実際に使用に供される最大出力に当該する。バッテリの動作時には、最大許容充電出力もまた最大許容放電出力も計算されるために、上述の四通りのケースが生じることになる。

出力予測値は、バッテリモデル（図１）を記述している微分方程式の解を、上述の四通りのケースについて、初期条件に明確に配慮しながら計算することにより決定される。
図１に示すモデルを記述した微分方程式の解は、次の通りである。

定電流での充放電(ケース２および４）については、負荷の接続（充電または放電）後の電圧応答の経時特性が次式で与えられる。

式中、ＯＣＶはバッテリの開路電圧を表し、Ｉ_ｌｉｍは電流限界値（定電流充電に関する値）を、Ｒ_ｓはバッテリの直列抵抗を、Ｒ_ｐはバッテリインピーダンスの並列抵抗を、Ｃ_ｐはバッテリインピーダンスの並列コンデンサを表す（図１を参照）。Ｕ_Ｃ０は、この等価回路図のコンデンサＣ_ｐのバイアス電圧を記述するが、これは動作の間にリアルタイムモデルにより計算されるとよい。

そのようなリアルタイムモデルは、唯一の図に示される電気的等価回路図であるとよい。その場合はコンデンサを通る電圧Ｕ_ｃを、任意の時点における電流特性から決定することができる。時点ｔ＝０（予測値が計算される時点）におけるこのＵ_ｃの値は、Ｕ_ｃ0と等しくなっている。Ｕ_ｃ0への配慮がなされておらず、そのためにＵ_ｃ0＝０であると暗示的に想定している従来の他の方法に対する長所は、この電圧に配慮することによってより正確な予測が可能となる点にある。

定電圧による充放電（ケース１および３）については、次の電流応答が成立する。

式中、Ｕ_ｌｉｍは電流限界値、すなわち最大許容定電圧による充電に関する値を表す。

そこから、電流と電圧の積と等しい、互いに対して対比されるそれぞれの出力値が求められる、具体的には、電流が制限されるケース（２および４）については、Ｐ_ｐｒｏｇ＝ｕ（ｔ）・Ｉ_ｌｉｍが、電圧が制限されるケース（１および３）については、Ｐ_ｐｒｏｇ＝ｕ（ｔ）・Ｕ_ｌｉｍが求められる。

瞬間動作状態を表すそれぞれのモデルパラメータＲ_ｓ、Ｒ_ｐおよびＣ_ｐは、それ自体としては公知である何らかのパラメータ推定法および／または同様に広く一般に使用されるパラメータ特性マップにより提供される。開路電圧の値ＯＣＶは、それ自体としては公知であるように、状態推定法により、または特性マップから提供されるようになっている。コンデンサＣ_ｐのバイアス電圧の値Ｕ_Ｃ０は、リアルタイムで計算されるモデルに基づき決定される。そこから電流および電圧が制限された充放電ケース（ケース１〜４）について、予測時点ｔ_ｐｒｏｇに関する電圧値および電流値が計算される（電圧を制限して行われる充電の特殊ケース：ｔ_ｐｒｏｇ＝０に関する計算）。

既述のように電流限界値で行われる充電時には、残りの三つのケースとは反対に、負荷の継続時間が長引くほど出力値が増大する（図２、一番左側のグラフ）。
それにより、基礎として用いるバッテリモデルでは、バッテリの諸特性が、特に初期条件（Ｕ_ＣＯ）および様々な周辺条件（電流および電圧制限）を含めて、明示的に配慮されることになるために、任意の予測時間の間の最大出力を連続的に優れた精度で明示的に計算することが可能となる。

必要な計算・記憶容量は、予測時間の回数に依存するが、それにより最小限のアプリケーションパラメータを用いてバッテリの可能出力を最善の形で利用する可能性がもたらされることになる。

出力予測値の具体的な計算にあたっては、次のような特殊ケースに配慮する必要がある。
バッテリを充電する場合は、充電出力が電流値の増大に伴い連続的に増大するが、これは電圧もまた相応に上昇するからである。しかし放電時には放電電流値の増大に伴い電圧が低下するために、放電出力は、一旦は増大するものの、所定のアンペア数以上では、負荷がかかり電圧がバッテリの開路電圧の二分の一未満に低下すると、再び減少してしまう。

ケース４（上記参照）では、電圧予測値が開路電圧の二分の一（ＯＣＶ／２）未満に低下すると、それに付属する出力値は、最大可用放電出力を下回るために、棄却される。ケース３では、その代わりに出力予測値だけが計算されるが、その際にはＯＣＶ／２が所定の電圧限界値を下回る（すなわちＵｌｉｍ≧ＯＣＶ／２）場合は、これが所定の電圧限界値の代わりに使用されるようになっている。
以下ではこれを実施例に基づき説明する。

バッテリモデルを示すバッテリの等価回路図である。

図示されないバッテリマネージメントシステムにおいては、電圧、電流、および電圧などの量が常時測定され、場合によっては充電状態および劣化状態などそれ以外のバッテリ量も算出されるようになっている。

同様にバッテリの電圧および電流の限界値（Ｕ_ｌｉｍ、Ｉ_ｌｉｍ）が（例えば一つの表から定数として、または、充電状態、および／または温度、および／または劣化率、および／または負荷歴の関数として）時点を問わずに決定されるようになっている。その際には出力予測に援用される限界値が、それぞれの誤差限界に係数を乗じて、または誤差限界から偏差を差し引いて計算されるようにするとよい。その場合は、それぞれの限界値までの幅が通例はより狭くなる（すなわち充電時にはより低くなり、放電時にはより高くなる）ために、実際の値からの電圧または電流の予測値の差異が、モデル精度および／または測定精度に起因したほんの僅かなものである場合は、誤り応答が一切行われないことになる。

図１に示されるバッテリモデルのパラメータＲ_ｓ、Ｒ_ｐ、Ｃ_ｐも同様に、これらを一つの表から充電状態、および／または温度、および／または劣化率、および／または負荷歴、および／または電流値の関数として読み出すことによって、または、何らかの推定法により、またはこの両者を組み合わせたものからこれらを決定することによって、連続的に決定されるようになっている。

これらの値から、上述の方法により、バッテリ可用出力の予測値Ｐ_ｐｒｏｇが充放電工程別に計算される。これらの予測値は、様々な予測対象期間に関して決定されるとよい、例えば常に短期予測値（例えば予測対象期間：１秒）と長期予測値（例えば予測対象期間：１０秒）とが計算されるようにするとよい。

これらの出力予測値は、同様に図示されない動作戦略設定装置に伝送される。動作戦略設定装置は、例えば電気機械の閉ループ制御を行うために、加速および／または減速時に電気出力および機械出力を分割するために、および／または各種電装品をオンオフするために、これらの値を援用できるようになっている。

特に出力予測値は、パワーフローの先を見越した制御のために使用されるとよい。可用出力が最初から分かっているために、パワーフローへの極めて急速でしかも唐突な制御介入を不可欠とするような事態を回避することができる。さもなければそのような制御介入により、望まざる走行結果（例えば加速時のジャークや、感じ取れるまたは聞き取れるパワーの落ち込み等）を来すことになる。

例えば加速工程の間に、１０秒間にわたり使用可能な可用出力の予測値が、短時間の可用出力を下回る場合は、パワーが実感できるほど落ち込むのを回避するために、出力が最初から短時間使用可能な可用出力よりも低い値に制限されるか、または、運転者が気付かない、そのため不快に感じることもない程度に、出力が連続的に低下されるようにするとよい。出力限界値に達する前に、それよりも低い目標値に適時に達することになる。

Ｃ コンデンサ
ＯＣＶ 開路電圧
Ｒ 抵抗
Ｕ 電圧

Claims (5)

1. バッテリの最大可能出力を決定および／または予測する方法であって、バッテリのモデルを利用し、電気的等価回路図を基にしてバッテリの最大可能出力を予想する工程から成る方法において、前記バッテリの最大出力を、所定の予測時間に対し、充・放電動作に関して異なる動作モード別に、そして最大許容動作電圧および最大許容動作電流に配慮しながら予測することを特徴とする、方法。
2. 前記バッテリの可能出力Ｐ_ｐｒｏｇが、充・放電動作別に、前記最大許容充放電電流および前記最大許容充・放電電圧に関して同時に算出される最大出力値のうち、絶対値が小さい方の値に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 計算されたバイアス電圧の値Ｕ_ｃ０を使用して、前記バッテリの負荷状況の既往歴に配慮することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記バッテリモデルの各パラメータを、パラメータ推定法により提供することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記バッテリモデルの各パラメータを、パラメータ特性マップを用いて得ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。

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