JP2014535038A - バッテリーの充電状態を決定するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1.直接的方法、すなわちクーロン計数法。
2.間接的方法、すなわちバッテリー特性すなわちSOC対OCVおよびバッテリー回路モデルを使用する方法。
手法1:バッテリーが動作しているときはいつでも直接的方法のみを使用する。この手法は、バッテリーを休止させた後開放電圧を測定するときにSOC対OCV特性から得られる、SOCの初期値を必要とする。
メータの推定は、特にバッテリー電流が高い間、およびバッテリー電流が略一定である間にも、不正確さを免れない。
時には使用されず、バッテリー電流状態によって交互にまたは条件付きで使用されるようにし、システムの始動、最小二乗法を用いたバッテリーの健康状態(SOH)の決定およびバッテリー容量の決定の後に、DCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化し、それによってバッテリーの正確な充電状態(SOC)の決定中にモデリング誤差およびパラメータ推定誤差を補償する方法およびシステムを開示する。
1)バッテリーの充電状態(SOC)は、バッテリーが保持できる最大電荷に対するバッテリーに蓄積された電荷の比である。SOCはしばしば百分率で表現される。
2)バッテリーの健康状態(SOH)は、定格または未使用のバッテリー容量に対する実際のバッテリー容量の比である。それは、理想的な状態と比較したバッテリーの状態の性能指数でもある。SOHはしばしば百分率で表現される。
3)OCVは開放電圧を表す。それは、外部負荷が接続されていないとき、すなわち開回路状態のときの装置の2つの端子間の電位差である。
4)「T」はサンプリング周期を表す。それはサンプル間の時間である。
5)「I」はアンペア単位で表現される計測電流である。
6)「d」はアンペア単位で表現されるオフセット電流である。
7)「C」はクーロン単位で表現されるバッテリー容量を表す。それは、蓄積することのできる電荷の量である。
8)Rはオーム単位で表現される抵抗を表す。
直接的方法:
定義により、SOCは、バッテリーの容量に対しバッテリーに残留している電荷の比である。標準的常法ではSOCを百分率で表現する。バッテリーのSOCは充電によって増大し、放電によって低下する。
SOCとバッテリー電流(充電または放電)間の関係は、次の方程式で表される。
---方程式1
式中、
SOC(t2)は時間t2におけるバッテリーのSOCである。
SOC(t1)は時間t1におけるバッテリーのSOCであり、ここでt2>t1である。
i(t)は測定されたアンペア単位のバッテリー電流である。
Cはクーロン単位で表現されるバッテリー容量である。
dは電流オフセットである。
---方程式2
式中、
SOC(n)はn番目のサンプル時間のSOCである。
SOC(n−1)は(n−1)番目のサンプル時間のSOCである。
ΔTはサンプリング周期(典型的には1秒)である。
I[n]はバッテリー電流である。
Cはバッテリー容量(クーロン単位で表現される)である。
dは電流オフセットである。
リチウムイオンバッテリーのOCVがバッテリーのSOCのみに依存し、温度、バッテリー容量またはバッテリーの負荷もしくは充電プロファイルの履歴のような他の因子には依存しないことは、充分に確立された経験的事実である。OCVとSOCとの間の関係は通常非線形であり、それを図2に示す。バッテリーのOCVが分かれば、バッテリーのSOCは、バッテリー特性またはOCV対SOCの補間付きルックアップテーブルを参照することによって見出すことができる。
---方程式3
に従って、バッテリー端子電圧Vbおよびバッテリー電流Ibの知識はACインピーダン
スZの知識と共に、OCVを求めるのに充分である。OCVが決定されると、図2に示した関係から対応するSOCを推定することができる。
1.電流の大きさが小さい(閾値より低い)とき。
2.バッテリーが定常(または静的)状態に達した(または緩和した)とき。
上記の状態のため、ACインピーダンスの代わりに単純な抵抗モデルを利用することができる。電流が小さいので、Z(またはR)の推定の誤差は、方程式3の通りOCVの推定に対する影響が小さい。
1.前回のサンプル時間にSOCが推定されたとき。
2.バッテリー電流の大きさが閾値すなわちTH_3より高いとき。
3.バッテリーが過渡状態にあるとき、すなわちそれがまだ緩和されていないとき。
方程式3に従って、OCVを求めるために、Z(またはR)、Vb、およびIbを知る必要がある。定常状態の状況中にだけ間接的方法が使用されるので、ACインピーダンスZは抵抗Rに置き換えられる。
方程式3は、時間領域において離散化形式で次のように書き換えられる。
---方程式4
バッテリー抵抗Rのオンライン推定のための方程式は、方程式4から次のように導出される。
この方程式は(n−1)番目のサンプル用である。
そして、
この方程式はn番目のサンプル用である。
(n−1)番目および次のn番目のサンプル時間中は一定として処理される。すると上の2つの方程式は次のように書き換えられる。
および、
したがって抵抗は次式によって算出される。
ステップ1:システムの始動が行われる。キーオン後に、キーオフ直前にEEPROMに保存された様々な状態が読み出される。例えば、前回に算出されたバッテリー容量「C」、DC電流オフセット「d」、差分SOC(Ak)値、および荷電移動(Bk)値がこの瞬間に読み出される。バッテリー容量の推定およびSOHの算出に最小平均二乗(LMS)点が使用される。
るSOCの変化は低くなる。したがってTH_2はバッテリー容量に比例する。TH_2が小さければ、Rの推定の精度は改善されるが、時間的に変化するバッテリー抵抗Rの更新率は低下する。
一般的に百分率で表されるSOHは、定格または未使用のバッテリー容量に対する実際のバッテリー容量の比である。このパラメータはバッテリーの健全性を示す。典型的には、バッテリーは、バッテリーがその定格容量の70%(すなわち80%SOH)に達するまで、車両で機能することができる。バッテリーは、健全度が70%未満に低下すると、交換しなければならない。
または
式中、AはSOCの差であり、Bは測定された電流すなわち測定された電荷移動の累積である。
Cおよびdは未知である。
X=[(A1,1),(A2,1),...(An,1)]Tはn×2の行列である。
Y=[B1,B2,..,Bn]Tはn×1の行列である。
SOHを決定するステップ:
X=[(A1,1),(A2,1),...(An,1)]Tはn×2の行列である。
Y=[B1,B2,..,Bn]Tはn×1の行列である。
[C,d]T=(XTX)−1XTY
Cはバッテリー容量であり、dはDC電流測定オフセットである。
ら整数値だけ減分されるときに、瞬間「n」に直接的方法を呼び出すことを含む。
こと、図式法を用いてバッテリーのSOCを推定することを含む。
Claims (14)
- 直接的方法および間接的方法を含み、前記直接的方法および間接的方法は、同時には使用されず、バッテリー電流の状態によって交互にまたは条件付きで使用されるようにし、
システムが始動し、最小二乗法を用いたバッテリーの健康状態(SOH)の決定およびバッテリー容量の決定後に、
DCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化し、それによってバッテリーの正確な充電状態(SOC)の決定中にモデリング誤差およびパラメータ推定誤差を補償する方法およびシステム。 - バッテリーが過渡状態にあり、あるいはバッテリー電流の大きさが予め定められた閾値TH_3より大きく、緩和カウンタが設定値から整数値だけ減分される瞬間「n」に直接的方法を呼び出すことを含む、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。
- バッテリーが充分に緩和されており、バッテリー電流の大きさが予め定められた閾値TH_4より低い瞬間「n」に間接的方法を呼び出すことを含む、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。
- a.最初に、間接的方法による推定SOCの助けを得て最小二乗法を用いてバッテリー容量およびバッテリーの健康状態(SOH)を周期的に決定するステップと、
b.瞬間「n」に変数すなわち電圧、電流、および温度をサンプリングするステップと、c.バッテリー電流の大きさの変化が予め定められた閾値(TH_1)より大きい場合、およびバッテリー電流の大きさが予め定められた閾値TH_2より低い場合に、瞬間「n」の抵抗「R」の値を決定するステップと、
d.バッテリーがまだ充分に緩和されておらず、バッテリー電流の大きさが閾値TH_3より大きい場合に、直接的方法によって瞬間「n」のSOCを決定するか、
代替的に、バッテリー電流の大きさが前記閾値TH_3より低く、かつ緩和カウンタが設定値から整数値だけ減分される場合に、直接的方法によって瞬間「n」のSOCを決定するか、
あるいは、バッテリーが充分に緩和され、バッテリー電流の大きさが閾値TH_4より低い場合に、間接的方法によってSOCを決定するステップと、
e.最小平均二乗法によって推定SOCを用いてバッテリー容量「C」を算出するステップと、
f.最小化されたDCオフセット電流および最小化されたバッテリーキャパシタンス誤差によりSOCを算出した直後に、バッテリーの健康状態(SOH)を決定するステップと、
g.SOCの新しい変数を測定するためにステップ「b」から「f」を繰り返すステップと、
を含む、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。 - バッテリー電流の大きさが前記閾値TH_3より大きく、かつバッテリーがまだ緩和カウンタを設定するほど充分に緩和されていない場合に、
a.最小二乗法を用いてバッテリー容量およびバッテリーのSOHを周期的に決定し、かつ直接的方法で使用される式の容量およびDCオフセットを更新するステップと、
b.瞬間「n」に変数すなわち電圧、電流、および温度をサンプリングするステップと、c.前回の瞬間「n−1」のSOCを決定するステップと、
d.「n−1」から「n」の間の変動サンプリング周期ΔTでバッテリー電流をサンプリ
ングするステップと、
e.正確なバッテリー容量「C」およびDCオフセット電流「d」を測定するステップと、
を含む、
請求項1に記載の直接的方法によってSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。 - バッテリー電流の大きさが前記閾値TH_3より低く、かつ緩和カウンタが前記設定値から減分される場合に、さらに、
a.最初に、最小二乗法を用いてバッテリー容量およびバッテリーのSOHを周期的に決定するステップと、
b.瞬間「n」に変数すなわち電圧、電流、および温度をサンプリングするステップと、c.バッテリー電流の大きが閾値TH_1より大きい場合、またはバッテリー電流の大きさが閾値TH_2より低い場合に、瞬間「n」の抵抗「R」の値を決定するステップと、d.前回の瞬間「n−1」のSOCを決定するステップと、
e.「n−1」から「n」の間の変動サンプリング周期ΔTでバッテリー電流をサンプリングするステップと、
f.正確なバッテリー容量「C」およびDCオフセット電流「d」を測定するステップと、
を含む、直接的方法によって請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。 - バッテリーが充分に緩和され、バッテリー電流の大きさが閾値TH_4より低い場合に、
a.最小二乗法を用いてバッテリー容量およびバッテリーのSOHを周期的に決定するステップと、
b.瞬間「n」に変数すなわち電圧、電流、および温度をサンプリングするステップと、c.バッテリー端子電圧(Vb)、バッテリー電流(Ib)、および抵抗性インピーダンス(R)を測定することによって、バッテリーの開放電圧(OCV)を決定するステップと、
d.バッテリーのSOCを図式法によって推定するステップと、
を含む、間接的方法によって請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。 - バッテリー電流間の差の大きさすなわちabs[Ib(n)−Ib(n−1)]が、閾値すなわちTH_1より大きいときに抵抗「R」が決定される、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。
- 前回の状態のバッテリー電流すなわちIb(n−1)または現在の状態のバッテリー電流すなわちIb(n)のいずれかが、閾値すなわちTH_2より低いときに、抵抗「R」が決定される、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。
- バッテリーがまだ、緩和カウンタを温度およびバッテリー電流の大きさに基づく緩和時間に対応する整数値に設定するほど充分に緩和されていない場合に、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。
- バッテリー電流の大きさが前記閾値TH_3より低いときに、前記緩和カウンタがファ
クタ1だけ低減される、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。 - 前記SOHを決定する方法が、
a.2つの連続するSOC間の差(Ak)の大きさが予め定められた閾値TH_5より大きい場合に、様々な瞬間に前記間接的方法により推定されたSOCをタッピングするステップと、
b.2つの連続するサンプルの間に蓄積された電流または電荷移動Bkを算出するステップと、
c.ステップaおよびステップbで推定されたパラメータを用いて最小平均二乗法によってバッテリー容量「C」を算出するステップと、
d.ステップbで算出された前記バッテリー容量「C」を用いてSOHを算出するステップと、
を含む、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。 - SOC間の差の大きさすなわちAkが、閾値すなわちTH_5より大きいときに、バッテリー容量「C」が決定される、請求項1に記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。
- 前記バッテリーがリチウム系バッテリーである、請求項1ないし13のいずれかに記載のSOCの決定中にDCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化する方法およびシステム。
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