JP2013538343A - 再充電可能バッテリの少なくとも1つのバッテリユニットの性能を推定するための方法および装置 - Google Patents

再充電可能バッテリの少なくとも1つのバッテリユニットの性能を推定するための方法および装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、選択可能な動作点において、再充電可能なバッテリ(14)の少なくとも1つのバッテリユニット(12)の充電状態(SOC)と、このバッテリユニットの経年変化状態(SOH)を表すこのバッテリユニットの少なくとも1つの量(Cakt,Ri,DC,B,akt)とを、このバッテリ(14)または少なくともバッテリユニット(12)のモデル(22)を用いて、殊に数学モデルを用いて推定する方法に関しており、ここではまず充電状態(SOC)を推定する。上記の経年変化状態(SOH)を表す量は、バッテリユニット(12)の実際の電荷容量(Cakt)であり、この電荷容量は、上記の動作点におけるバッテリユニットの負荷電流(IB)と、このバッテリユニット(12)の前に推定した充電状態(SOC)の時間微分の逆数とから推定される。本発明はさらに、再充電可能なバッテリ(14)のバッテリユニット(12)の充電状態を推定する相応の装置(10)に関する。

Description

本発明は、再充電可能なバッテリの少なくとも1つのバッテリユニットの充電状態と、このバッテリユニットの経年変化状態を表すバッテリユニットの少なくとも1つの量とを、選択可能な動作点においてバッテリまたは少なくとも1つのバッテリユニットのモデルを用いて、殊に数学モデルを用いて推定する方法に関しており、ここではまず上記の充電状態を推定する。本発明はさらに、再充電可能なバッテリの少なくとも1つのバッテリユニットの充電状態と、このバッテリユニットの経年変化状態を表すバッテリユニットの少なくとも1つの量とを選択可能な動作点において上記のバッテリユニットおよびこの装置の計算装置に実現される、バッテリまたは少なくとも1つのバッテリユニットのモデルによって、殊に数学モデルによって推定する装置に関しており、ここでは第1状態推定器により、上記のモデルが用いられて、まず上記の充電状態が推定される。
従来の技術
自動車の(ローカルな)放出を低減するため、今日ではハイドブリッド駆動コンセプトまたは純粋に電気的な駆動コンセプトがますます発展している。これらのような駆動コンセプトのモータ動作およびジェネレータ動作における電気機械の動作において前提とされているのは、車両における再充電可能なバッテリなどの少なくとも1つの電気エネルギ蓄積器である。別のバッテリシステムに比べてエネルギ密度が高いことに起因して、電気エネルギの移動式および固定式蓄積器に対して、すなわち電気エネルギ蓄積器に対してリチウムイオンセルが優勢となっている。備わった蓄積性能および蓄積容量をできる限りフルに利用するため、所定の負荷プロフィールの下で、すなわち相応する充電電流および放電電流の下で、バッテリないしはバッテリユニットの入出力特性を数学モデルによって予想する。これはふつう、上記の測定しかつシミュレーションした量のいわゆる状態推定器によって比較することによって行われ、ここから、例えば、実際の充電状態(SOC:State of Charge)が計算される。しかしながらこのような手法では、蓄積器の性能およびキャパシタンスに関連する劣化作用が考慮されないままになってしまうのである。
EP 01 231 476 A3からは、再充電可能なバッテリのバッテリユニットの充電状態と、このバッテリユニットの経年変化状態を表すバッテリユニットの少なくとも1つの量とを、選択可能な動作点において、バッテリまたは少なくとも1つのバッテリユニットのモデルを用いて推定する、冒頭に述べた形態の方法および相応する装置が公知であり、ここではまず上記の充電状態が推定される。この方法では、実際の充電状態(SOC)の他に、実際の性能ないしは実際の経年変化状態(SOH:State of Health)を表す別の量も推定される。
発明の開示
請求項1に記載した特徴的構成を有する本発明の方法により、上記のバッテリユニットの経年変化状態を表す量の上記の推定が、瞬時(瞬間)かつ負荷条件に依存しないこの量の算出になるという利点が得られる。
このために本発明では、上記の経年変化状態を表す量をバッテリユニットの実際の充電容量Caktとし、この充電容量は、上記の動作点におけるバッテリユニットの負荷電流IBと、前に推定したこのバッテリユニットの充電状態(SOC:State of Charge)の時間微分の逆数とから推定される。
このようなコンセプトによって可能になるのは、新品状態を基準にして状態推定器の上記の推定した状態量から直接、電気エネルギ蓄積器の、殊に蓄電池の出力負荷能力および残留容量を求めることである。これによって各時点に上記の蓄積器の実際の経年変化状態(SOH:State of Health)を特徴的なパラメタに基づいて求めることができる。したがって初期容量C0が既知の場合には時間インターバルΔtにおいて続いている2つの時間ステップkおよびk+1だけで十分であり、これにより、微分商:dSOC/dt=(SOC(k+1)−SOC(k))/Δtを用いて上記の前に推定した充電状態の時間微分が求められる。
有利には、上記の実際の電荷容量Caktを式
akt=k1・IB・1/(dSOC/dt)
にしたがって推定する。ここでk1は、バッテリタイプに固有の定数である。
上記の残余容量に対する尺度として、電荷経年変化状態SOHQを定める。すなわち、
SOHQ=Cakt/C0
であり、C0は新しいセルの容量であり、Caktは、観察時点における経年変化したセルの容量である。
一般的にはこの方法により、任意の電気(エネルギ)蓄積器の蓄積ユニットの充電状態と、この蓄積ユニットの経年変化状態を表す少なくとも1つの量を推定することができる。この電気蓄積器は、殊に上記の再充電可能なバッテリ、すなわち、蓄電池または電気エネルギを電気化学プロセスによって蓄積する素子であるか、または、純粋に容量性の蓄積器、有利には蓄積コンデンサまたは二重層コンデンサである。
一般的には上記のバッテリユニットは、個別のバッテリセルか、互いに並列接続および/または直列接続されたバッテリセルの装置か、またはバッテリ全体とすることが可能である。しかしながら殊に上記のバッテリユニットはバッテリセルである。したがって有利には個々のバッテリセルの性能は別々に推定される。
本発明の有利な実施形態では、上記の経年変化状態を表す別の1つの量は、上記のバッテリユニットの実際の内部抵抗Ri,DC,B,aktであり、この内部抵抗は、上記の動作点におけるバッテリユニットの負荷電流IBと、求めた過電位UOVとから推定される。動作点は、実際に要求される負荷電流IBと、バッテリユニットの実際の充電状態(英語 State of Charge=SOC)と、周囲温度Tと、バッテリユニットそのものの温度Tとによって定められる。
ここで有利には、上記のバッテリユニットの実際の内部抵抗Ri,DC,B,aktを式
i,DC,B,akt=UOV,B/(q3・IB)
にしたがって推定する。ここでq3は、オフラインパラメトライズから得られる既知のパラメタであり、このパラメタは、上記の所定のバッテリユニットに対して特徴的なパラメタである。
本発明の別の有利な実施形態によれば、上記の動作点におけるバッテリユニットの負荷電流IBと、求めた温度Tの時間微分と、上記の熱伝導を表すバッテリユニットの関数f(T)とから、上記のバッテリユニットの過電位UOVを推定する。この過電位UOVを用いれば、(上で述べたように)上記の実際の内部抵抗Ri,DC,B,aktを、上記の経年変化状態を表す別の量として求めることができる。この実際の内部抵抗Ri,DC,B,aktの代わりに、上記の性能に対する尺度として、求めた負荷電流において発生する過電位UOVを使用することもできる。相応する出力経年変化状態SOHPは、
SOHP=(Ri,DC,akt/Ri,DC,0)-1またはSOHP=(UOV,akt/UOV,0)-1
と定義される。
殊に上記の過電位UOVは、式
OV,B(Ri,DC,B,IB)=1/IB・(dT/dt+k2・f(T))
にしたがって推定される。ただしk2は、バッテリタイプ固有の別の定数である。
本発明の別の有利な実施形態によれば、上記のバッテリユニットの負荷に依存する過電位UOVと、経年変化状態に依存する静止電位U0との和から、上記の動作点におけるこのバッテリユニットの充電状態SOCBを表す量を求めることができる。すなわち、
SOCB=1/q2・((y2・UOV(Ri,DC,B,akt,IB))−q1)
である。
ここでq1,q2は別の2つのパラメタであり、これらはオフラインパラメトライズの枠内で推定される。
本発明の別の有利な実施形態では、上記のバッテリモデルにより、以下の量および関数的な関係が表される。すなわち、
(a) (物理的な)充電状態SOC、
(b) 充電状態SOCの関数としての静止電位U0
(c) バッテリユニットの温度T、
(d) 負荷時の過電位UOV
(e) 静止電位および過電位からなる和としてのバッテリユニットの端子電圧UKlが表される。
本発明による方法の別の有利な実施形態では、状態推定器に用いて上記の充電状態SOCを推定する。殊にこの状態推定器は、カルマンによる状態推定器であるかまたはルーエンバーガーによる状態観測器である。(カルマンフィルタの)カルマンによるアプローチは、システム状態の動的特性と、測定のプロセスとの間で明に異なる状態空間モデリングに基づいている。ここではシステムの状態ベクトルとして、このシステムを十分な精度で表す、特性要素の最小の集合とすることが多く、また上記のモデル形成の枠内では、相応する動的な式を有する、すなわちいわゆる状態空間モデルを有する多次元ベクトルの形態で表される。ルーエンバーガーのアプローチは、上記のカルマンのアプローチと同様に状態推定器の出力量と、制御区間の出力量とを比較することに基づいている。ここでは上記の区間の測定値と、観測器の推定した出力値との間の差分が上記のモデルに戻される。上記の観測器は、上記の区間のモデルと補正項とから得られ、ここでこの補正項は、区間出口と、上記のモデルの推定した出口との比較により、上記の状態ベクトルを上記の区間の真の状態ベクトルに導くものである。フィードバック増幅とも称されるこの補正項は、カルマンによれば測定ノイズおよびプロセスノイズの仮定を介した統計的なアプローチにより、またはルーエンバーガーによれば決定論的なアプローチによって求めることができる。基本となる制御構造は2つのケースにおいて同じである。これによって上記の観測器/状態推定器は、障害ならびに測定ノイズおよびプロセスノイズ、場合によってモデルの不確実さを補償することができ、上記のモデルの状態ベクトルは、上記の区間の状態ベクトルに収束するのである。
請求項9に示した特徴的構成を有する本発明の装置によって得られる利点は、容量経年変化状態SOHQと、出力経年変化状態SOHPとからなる、バッテリユニットの経年変化状態を表す量の推定が、瞬時の(瞬間の)また負荷に依存しないこの量の計算になることである。
本発明では上記の装置において、上記の容量経年変化状態SOHQを表す量が、上記のバッテリユニットの実際の電荷容量Caktでありまた上記の装置が、経年変化状態推定器(SOH推定器)を有するようにし、ここでこの経年変化状態推定器は、上記の電荷容量Caktが、上記の動作点におけるバッテリユニットの負荷電流IBと、バッテリタイプ固有の定数と、前に推定したこのバッテリユニットの充電状態SOCの時間微分の逆数とから推定されるように構成されている。
有利にはさらに、出力経年変化状態SOHPを表す量は、バッテリユニットの過電位UOV,Bかまたは実際の内部抵抗Ri,DC,B,aktであるようにする。さらに上記の経年変化状態推定器は、バッテリユニットの過電位UOVが、上記の動作点におけるこのバッテリユニットの負荷電流IBと、求めた温度Tの時間微分と、このバッテリユニットの熱伝導を表す関数f(T)とから推定されるように構成される。この過電位UOVにより、(上で述べたように)経年変化状態を表す別の量として実際の内部抵抗Ri,DC,B,aktを求めることができる。上記の実際の内部抵抗Ri,DC,B,aktの代わりに、所定の負荷電流時に発生する過電位UOVを上記の性能に対する尺度して使用することも可能である。
有利には上記の状態推定器も、経年変化状態推定器(SOH推定器)も共に上記の装置の計算装置に実現される。
本発明による装置の有利な1つの実施形態によれば、上記の状態推定器は、カルマンによる状態推定器かまたはルーエンバーガーによる状態観察器である。カルマンによる状態推定器は有利には状態変数フィルタである。択一的に上記の状態推定器は、別の方法にしたがって、例えば、「アンセンテッド変換」法にしたがって機能し、すなわちUKF(Unscented Kalman Filter)として機能する。
以下では変形実施形態の図に基づき、本発明を詳しく説明する。
再充電可能なバッテリとして構成された電気蓄積器の充電状態および経年変化状態を推定する、本発明の有利な実施形態の装置を略示する図である。
この図には、少なくとも1つの再充電可能なバッテリ14のバッテリユニット12の充電状態と、バッテリユニット12の経年変化状態を表すバッテリユニット12の少なくとも1つの量とを推定するための装置10のブロック回路図が示されている。装置10は、バッテリユニット12の他に計算装置16を有しており、この計算装置16には状態推定器18および経年変化状態推定器(SOH推定器)20が実現されている。状態推定器18は一般的に充電状態推定器(SOC推定器)として構成されている。経年変化推定器20は、状態推定器18に後置接続されている。状態推定器18は、バッテリユニット12のモデルを有しており、このモデルは、少なくともつぎの量に関係する。すなわち、(物理的な)充電状態SOCと、内部抵抗Ri,DC,Bおよび負荷電流Iの関数としての負荷時の過電位UOVと、バッテリユニットの温度Tと、充電状態SOCの関数としての静止電位U0とに関係するのである。
バッテリユニット12および対応するモデル22の入力量は、負荷電流Iである。バッテリユニット12およびモデル22の相応する出力量y=[T UKl]Tは、比較器24によって比較され、この比較結果は、フィードバック増幅部(補正項)26を介して別の入力値としてモデル22に供給される。ここで閉制御ループが形成される。
上記の状態推定器の出力量は、(i)温度Tおよび(ii)端子電圧UKlである。内部状態量としてのSOCと、出力量温度Tならびに(過電位UOVを推定する上記の式による)過電位UOVは、経年変化推定器20に供給される。経年変化推定器20内では量である充電状態SOCおよび温度Tが(時間離散的な)微分器28によって時間微分される。充電状態SOCおよび温度Tのこの時間微分の結果は、(過電位UOVと同様に)経年変化推定器20内で、上記のモデルの逆行列を計算し場合によっては最小二乗法(LSQ Least-Square)を実行するために装置30に供給される。装置30は、ここからバッテリユニット12の経年変化状態SOHを表す量Caktおよび/またはRi,DC,B,aktを求める。
一般的に有利であるのは、量dSOC/dtおよびdT/dtを、複数の時間ステップからなりかつIが一定である時間インターバルにわたって平均し、この値から上記の値Caktおよび/またはRi,DC,B,aktをはじめて求めることである。モデル構造に応じて、Caktおよび/またはRi,DC,B,aktを直接計算するかまたは最小二乗法(LSQ=Least Square)によって求める。
以下では再充電可能なバッテリの、例えば、Liイオンバッテリの、バッテリセルとして構成されたバッテリユニット12の例で上記の関係を検討する。すなわち
電気化学バッテリセルのまだ存在する出力および容量に対する尺度として、例えば、容量Cおよび内部抵抗Ri,DCを取り入れる。後者により、種々異なる作用の純粋に抵抗的な寄与分が観察される。ここでこれらの作用は、負荷時のセルの端子電圧UKlの電圧の落ち込みに結びつく。Liイオンセルでは安全上の理由から、上限および下限のブレーク電圧をつねに維持しなればならないため、Ri,DCによって生じる電圧の落ち込みは、バッテリ14の性能特性に特徴的である。択一的には所定の負荷電流において発生する過電位U0を上記の性能観察に使用することも可能である。
上記の残留容量に対する尺度としては、冒頭にすでに述べたように容量−経年変化状態SOHQを定める。すなわち、
SOHQ=Cakt/C0 (1)
であり、ここでC0は、新しいセルの容量であり、Caktは、観察時点における経年変化したセルの容量である。
同様に上記の性能経年変化状態SOHPは、
SOHP=(Ri,DC,akt/Ri,DC,0)-1 (2)
または
SOHP=(UOV,akt/UOV,0)-1 (2')
として定義される。
以下では簡単な物理的な蓄積器モデル22に対して上記の量CaktおよびUOV,aktないしはRi,DC,aktの計算を例示的に行なう。この手法は図に略示されている。
このために蓄積器モデル(アキュムレータモデル)22をつぎのように観察する。すなわち入力量uは、負荷電流Iであり、これにより、状態空間モデルは、この場合に
dSOC/dt=k1・(1/C)・I (3)
dT/dt=−k2・f(T)+UOV(Ri,DC,I)・I (4)
となる。
モデル22の出力量は、
y1 温度T および
y2 端子電圧UKl=U0(SOC)+U0(Ri,DC,I)
である。
ここで定数k1およびk2は、バッテリタイプ固有の2つの定数であり、関数f(T)は、(例えば、自由な対流、放射、熱伝導による)熱の放出を表す関数である。Cは容量であり、またRi,DCは、再充電可能なバッテリの内部抵抗である。温度Tは直接測定可能であるため、これに対する観察作業は明らかである。一般的に状態推定器18(図1のSOC推定部)により、u,y1,y2から上記の(内部的な)量SOCおよびTが求められる。
ここで持ち上がる問題は、既存の測定情報から容量Cおよび内部抵抗Ri,DCが一義的に求められるか否かである。これに対して以下の仮定を行なう。すなわち、
新しいバッテリユニットに対する、殊にバッテリセルに対するモデルを含めたパラメトライゼーション{C0,Ri,DC,0}は、既知であり、状態推定器(SOC状態推定器)18は収束し、すなわち、推定した状態は、真のシステムの状態に漸近して、上記の動作点(IB,TB,SOCB,Ri,DC,B)における第2出力量y2の線形化が行われる。すなわち、
y2B=−q1+q2・SOCB+q3・Ri,DC,B・IB (5)
である。
この場合に上記の求めるべき量{Cakt,Ri,DC,akt)は、つぎの方式で求めることができる。
1.y1の定義から上記の過電位を直接求める。すなわち、
OV,B(Ri,DC,B,IB)=1/IB・(dT/dt+k2・f(T)) (6)
である。
2.ここから上記の実際の内部抵抗が、
i,DC,B,akt=UOV,B/(q3・IB) (7)
にしたがって得られる。
3. 同様に(5)の(6)から充電状態が得られる。すなわち、
SOCB=1/q2・((y2−UOV(Ri,DC,B,akt,IB))−q1) (8)
である。
4. 最後に上記のバッテリユニット(殊にセル)の実際のキャパシタンスを(3)から求めることができる。すなわち、
akt=k1・IB・1/(dSOC/dt) (9)
である。
上記のステップ1ないし4によれば、既存の情報からパラメタ対{Cakt,Ri,DC,akt}を一意に求めることができる。

Claims (10)

  1. 選択可能な動作点において、再充電可能なバッテリ(14)の少なくとも1つのバッテリユニット(12)の充電状態(SOC)と、当該バッテリユニットの経年変化状態(SOH)を表す当該バッテリユニットの少なくとも1つの量(Cakt,Ri,DC,B,akt)とを、当該バッテリ(14)または少なくともバッテリユニット(12)のモデル(22)を用いて、殊に数学モデルを用いて推定し、まず充電状態(SOC)を推定する、方法において、
    前記経年変化状態(SOH)を表す量は、前記バッテリユニット(12)の実際の電荷容量(Cakt)であり、
    前記動作点における前記バッテリユニットの負荷電流(IB)と、前に推定した当該バッテリユニット(12)の充電状態(SOC)の時間微分の逆数とから前記電荷容量(Cakt)を推定する、
    ことを特徴とする方法。
  2. 請求項1に記載の方法において、
    前記バッテリユニットは、1つのバッテリセルである、
    ことを特徴とする方法。
  3. 請求項1または2に記載の方法において、
    前記経年変化状態を表す量(Cakt,Ri,DC,B,akt)の別の1つの量は、前記バッテリユニットの実際の内部抵抗(Ri,DC,B,akt)であり、
    当該内部抵抗(Ri,DC,B,akt)を、前記動作点における前記バッテリユニット(12)の前記負荷電流(IB)および求めた過電位(UOV)から推定する、
    ことを特徴とする方法。
  4. 請求項3に記載の方法において、
    前記動作点における前記バッテリユニット(12)の前記負荷電流(IB)と、求めた温度(T)の時間微分と、熱伝導を表す当該バッテリユニット(12)の関数(f(T))とから前記バッテリユニット(12)の前記過電位(UOV)を推定する、
    ことを特徴とする方法。
  5. 請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法において、
    前記動作点における前記バッテリユニット(12)の前記充電状態(SOCB)を表す量を、当該バッテリユニット(12)の負荷に依存する過電位(UOV)と、経年変化状態に依存する静止電位(U0)との和からなる量から得る、
    ことを特徴とする方法。
  6. 請求項5に記載の方法において、
    前記バッテリモデル(22)は、つぎの量および機能的な関係を表す、すなわち、
    − 物理的な充電状態(SOC)、
    − 前記充電状態(SOC)の関数としての前記静止電位(U0)、
    − 前記バッテリセルの前記温度(T)、
    − 負荷時の前記過電位(UOV)、および、
    − 静止電位(U0)と過電位(UOV)との和としての端子電圧(UKl)を表す、
    ことを特徴とする方法。
  7. 請求項1から6までのいずれか1項に記載の方法において、
    前記充電状態(SOC)の前記推定を状態推定器(18)によって行なう、
    ことを特徴とする方法。
  8. 請求項7に記載の方法において、
    前記状態推定器(18)は、カルマンによる状態推定器であるか、またはルーエンバーガーによる状態観測器である、
    ことを特徴とする方法。
  9. 選択可能な動作点において、再充電可能なバッテリ(14)の少なくとも1つのバッテリユニット(12)の充電状態(SOC)と、当該バッテリユニット(12)の経年変化状態(SOH)を表す当該バッテリユニット(12)の少なくとも1つの量(Cakt,Ri,DC,B,akt)とを、前記バッテリユニット(12)および前記バッテリ(14)または少なくとも1つのバッテリユニット(12)の装置(10)の計算装置(16)に実装されたモデルによって、殊に数学モデルによって推定する装置であって、状態推定器(18)により、前記モデル(22)が用いられてまず前記充電状態(SOC)が推定される、装置において、
    前記経年変化状態(SOH)を表す前記量は、前記バッテリユニットの前記実際の電荷容量(Cakt)であり、前記装置(10)は、経年変化状態推定器(20)を有しており、
    当該経年変化状態推定器(20)は、前記動作点における前記バッテリユニットの前記負荷電流(IB)と、バッテリタイプ固有の定数(k1)と、前に推定した当該バッテリユニットの前記充電状態(SOC)の時間微分の逆数とから前記電荷容量(Cakt)を推定するように構成されている、
    ことを特徴とする装置。
  10. 請求項9に記載の装置において、
    前記状態推定器(18)は、カルマンによる状態推定器であるかまたはルーエンバーガーによる状態観測器である、
    ことを特徴とする装置。
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