JP2015125036A - Battery internal state estimation device - Google Patents

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田邊 圭樹
Yoshiki Tanabe
圭樹 田邊
近藤 暢宏
Nobuhiro Kondo
暢宏 近藤
山田 純一
Junichi Yamada
純一 山田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery internal state estimation device that suppresses the increase in calculation load and can accurately estimate the internal state of a battery while reflecting the temperature distribution of cells constituting the battery.SOLUTION: The estimation device creates an equivalent circuit model that uses the temperature distribution of cells 11a constituting the battery 11 as a standard deviation and models the same standard deviation with a smaller number of cells (number of equivalent circuits). Inter-terminal voltage V1 is estimated using the equivalent circuit model, and the inter-terminal voltage of the whole battery is determined on the basis of each obtained estimation value and is applied to the control of a motor 3 and the cooling control of the battery 11.

Description

本発明はバッテリ内部状態推定装置に関する。   The present invention relates to a battery internal state estimation device.

従来からの走行用動力源としてエンジンを搭載したエンジン車両の効率を改善するために、エンジンに加えて走行用動力源としてモータを搭載したハイブリッド電気自動車、或いはエンジンに代えてモータを搭載した電気自動車等(以下、電気自動車と総称する場合もある)が実用化されている。
このような電気自動車ではモータの電源としてバッテリを搭載しており、バッテリの特性、例えば入出力可能な最大電流等はバッテリの充電率(SOC:State Of Charge)等の諸条件に依存して大きく変動することが判っている。このためバッテリへの過大な入出力を防止した上で、限りあるバッテリ容量をモータ駆動に最大限に利用するには、これらの諸条件に応じて刻々と変化するバッテリの内部状態を考慮する必要がある。
In order to improve the efficiency of an engine vehicle equipped with an engine as a conventional driving power source, a hybrid electric vehicle equipped with a motor as a driving power source in addition to the engine, or an electric vehicle equipped with a motor instead of the engine Etc. (hereinafter may be collectively referred to as an electric vehicle).
In such an electric vehicle, a battery is mounted as a power source of the motor, and the characteristics of the battery, for example, the maximum current that can be input and output are large depending on various conditions such as the state of charge (SOC) of the battery. It is known to fluctuate. Therefore, to prevent excessive input / output to / from the battery and to utilize the limited battery capacity to the maximum extent to drive the motor, it is necessary to consider the internal state of the battery that changes momentarily according to these conditions. There is.

そこで、バッテリの主要な構成要素を抵抗やインダクタンス等の各パラメータに置き換えた電気的な等価回路を生成し、この等価回路に基づきバッテリの端子間電圧やSOC等を予測してモータ側の制御に適用する技術が提案されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1の技術では、生成した等価回路に基づき端子間電圧やSOC等を推定すると共に、これと並行して実際の端子間電圧やSOCを検出している。そして、これらの推定値と実測値との比較結果に基づき等価回路の各パラメータを逐次合わせ込んで最適化しながら、推定値を逐次モータ側の制御に適用している。   Therefore, an electrical equivalent circuit is created by replacing the main components of the battery with parameters such as resistance and inductance. Based on this equivalent circuit, the voltage between the terminals of the battery, the SOC, etc. are predicted to control the motor side. The technique to apply is proposed (for example, refer patent document 1). In the technique of Patent Document 1, the inter-terminal voltage, the SOC, and the like are estimated based on the generated equivalent circuit, and the actual inter-terminal voltage and the SOC are detected in parallel therewith. The estimated values are successively applied to the motor-side control while the parameters of the equivalent circuit are sequentially matched and optimized based on the comparison result between the estimated values and the actually measured values.

国際公開第2011/118080号International Publication No. 2011/118080

ところで、等価回路の抵抗やインダクタンスはバッテリのSOCのみならず、バッテリを構成する各セルの温度によっても変化する。しかしながら、特許文献1の技術では等価回路に、実測値との比較結果に基づき等価回路の各パラメータを逐次合わせ込む形で、セル温度を反映させているが、バッテリ内の温度ばらつきは反映させていないため、結果としてバッテリの内部状態に則した適切な推定値を導き出せないという問題があった。   Incidentally, the resistance and inductance of the equivalent circuit change not only with the SOC of the battery but also with the temperature of each cell constituting the battery. However, in the technique of Patent Document 1, the cell temperature is reflected in the equivalent circuit by sequentially matching each parameter of the equivalent circuit based on the comparison result with the actual measurement value, but the temperature variation in the battery is reflected. As a result, there is a problem that an appropriate estimated value in accordance with the internal state of the battery cannot be derived.

さらに、バッテリパック内で多数のセルは水や空気により冷却されているが、全てのセルが均等に冷却されることはなく必ずセル間で温度格差が生じる。この点を考慮して、全てのセルに対応して等価回路を生成すると、それらの等価回路での演算処理のために演算負荷が増大し、高度の演算能力や大容量のメモリが必要になってしまう。また演算処理の簡略化のために、各セルの温度を平均化した単一の代表値に基づき等価回路から推定値を導き出した場合には、例えば低温側のセルや高温側のセルに対して推定値が不適切なものとなり、適切なモータ制御が望めないという問題が生じる。   In addition, many cells in the battery pack are cooled by water or air, but all the cells are not evenly cooled, and there is always a temperature difference between the cells. Considering this point, if equivalent circuits are generated for all cells, the calculation load increases due to the calculation processing in those equivalent circuits, and a high calculation capacity and a large capacity memory are required. End up. In order to simplify the calculation process, when an estimated value is derived from an equivalent circuit based on a single representative value obtained by averaging the temperatures of each cell, for example, for a low temperature side cell or a high temperature side cell, There is a problem that the estimated value becomes inappropriate and appropriate motor control cannot be expected.

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、演算負荷の増大を抑制した上で、バッテリを構成する各セルの温度分布を反映してバッテリの内部状態を高精度で推定することができるバッテリ内部状態推定装置を提供することにある。   The present invention has been made to solve such a problem, and the object of the present invention is to suppress an increase in calculation load and reflect the temperature distribution of each cell constituting the battery. An object of the present invention is to provide a battery internal state estimation device capable of estimating an internal state with high accuracy.

上記の目的を達成するため、本発明のバッテリ内部状態推定装置は、バッテリを構成する複数のセルの温度分布に基づき、温度分布をより少ないセル数で表現した複数の等価回路からなる等価回路モデルを保有する等価回路モデル手段と、等価回路モデル保有手段の等価回路モデルを用いて得られた各推定値に基づきバッテリ全体の内部状態を推定する内部状態推定手段とを備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, an internal battery state estimation device of the present invention is based on the temperature distribution of a plurality of cells constituting a battery, and an equivalent circuit model composed of a plurality of equivalent circuits expressing the temperature distribution with a smaller number of cells. Equivalent circuit model means, and internal state estimation means for estimating the internal state of the entire battery based on each estimated value obtained using the equivalent circuit model of the equivalent circuit model possessing means. .

本発明によれば、演算負荷の増大を抑制した上で、バッテリを構成する各セルの温度分布を反映してバッテリの内部状態を高精度で推定することができる。   According to the present invention, it is possible to estimate the internal state of the battery with high accuracy by reflecting the temperature distribution of each cell constituting the battery while suppressing an increase in calculation load.

実施形態のバッテリ内部状態推定装置が搭載されたハイブリッド型トラックを示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a hybrid truck on which a battery internal state estimating device of an embodiment is mounted. バッテリの全セルの温度分布(左側)、及び温度分布をモデル化した等価回路モデル(右側)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the temperature distribution (left side) of all the cells of a battery, and the equivalent circuit model (right side) which modeled temperature distribution. 等価回路の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of an equivalent circuit. 等価回路モデルに基づく推定処理からモータ制御までの処理フローを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the processing flow from the estimation process based on an equivalent circuit model to motor control.

以下、本発明をハイブリッド型トラックのバッテリ内部状態推定装置に具体化した一実施形態を説明する。
図1は本実施形態のバッテリ内部状態推定装置が搭載されたハイブリッド型トラックを示す全体構成図である。
ハイブリッド型トラック1は所謂パラレル型ハイブリッド車両として構成されており、以下の説明では、車両と称する場合もある。車両1には走行用動力源としてディーゼルエンジン(以下、エンジンという)2、及び例えば永久磁石式同期電動機のように発電機としても作動可能なモータ3が搭載されている。エンジン2の出力軸にはクラッチ4が連結され、クラッチ4にはモータ3の回転軸を介して自動変速機5の入力側が連結されている。自動変速機5の出力側にはプロペラシャフト6を介して差動装置7が連結され、差動装置7には駆動軸8を介して左右の駆動輪9が連結されている。
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a hybrid truck battery internal state estimating device will be described.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a hybrid truck on which the battery internal state estimating device of this embodiment is mounted.
The hybrid truck 1 is configured as a so-called parallel hybrid vehicle, and may be referred to as a vehicle in the following description. A vehicle 1 is equipped with a diesel engine (hereinafter referred to as an engine) 2 as a driving power source and a motor 3 that can also operate as a generator such as a permanent magnet synchronous motor. A clutch 4 is connected to the output shaft of the engine 2, and an input side of the automatic transmission 5 is connected to the clutch 4 via a rotating shaft of the motor 3. A differential device 7 is connected to the output side of the automatic transmission 5 via a propeller shaft 6, and left and right drive wheels 9 are connected to the differential device 7 via a drive shaft 8.

自動変速機5は一般的な手動変速機をベースとしてクラッチ4の断接操作及び変速段の切換操作を自動化したものであり、本実施形態では、前進12速後退1速の変速段を有している。当然ながら、変速機5の構成はこれに限るものではなく任意に変更可能であり、例えば手動式変速機として具体化してもよいし、2系統の動力伝達系を備えたいわゆるデュアルクラッチ式自動変速機として具体化してもよい。   The automatic transmission 5 automates the connection / disconnection operation of the clutch 4 and the switching operation of the shift stage based on a general manual transmission. In this embodiment, the automatic transmission 5 has a shift stage of 12 forward speeds and 1 reverse speed. ing. Of course, the configuration of the transmission 5 is not limited to this, and can be arbitrarily changed. For example, the transmission 5 may be embodied as a manual transmission, or a so-called dual clutch automatic transmission having two power transmission systems. It may be embodied as a machine.

モータ3にはインバータ10を介してバッテリ11が接続されている。バッテリ11に蓄えられた直流電力はインバータ10により交流電力に変換されてモータ3に供給され(力行制御)、モータ3が発生した駆動力は自動変速機5で変速された後に駆動輪9に伝達されて車両1を走行させる。また、例えば車両1の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪9側からの逆駆動によりモータ3が発電機として作動する(回生制御)。モータ3が発生した負側の駆動力は制動力として駆動輪9側に伝達されると共に、モータ3が発電した交流電力がインバータ10で直流電力に変換されてバッテリ11に充電される。   A battery 11 is connected to the motor 3 via an inverter 10. The DC power stored in the battery 11 is converted into AC power by the inverter 10 and supplied to the motor 3 (power running control), and the driving force generated by the motor 3 is transmitted to the drive wheels 9 after being shifted by the automatic transmission 5. The vehicle 1 is made to travel. For example, when the vehicle 1 decelerates or travels on a downhill road, the motor 3 operates as a generator by reverse driving from the drive wheel 9 side (regenerative control). The negative driving force generated by the motor 3 is transmitted to the driving wheel 9 side as a braking force, and the AC power generated by the motor 3 is converted into DC power by the inverter 10 and charged to the battery 11.

このようなモータ3が発生する駆動力は上記クラッチ4の断接状態に関わらず駆動輪9側に伝達され、これに対してエンジン2が発生する駆動力はクラッチ4の接続時に限って駆動輪9側に伝達される。従って、クラッチ4の切断時には、上記のようにモータ3が発生する正側または負側の駆動力が駆動輪9側に伝達されて車両1が走行する。また、クラッチ4の接続時には、エンジン2及びモータ3の駆動力が駆動輪9側に伝達されたり、或いはエンジン2の駆動力のみが駆動輪側に伝達されたりして車両1が走行する。   The driving force generated by the motor 3 is transmitted to the driving wheel 9 regardless of the state of connection / disconnection of the clutch 4, and the driving force generated by the engine 2 is driven only when the clutch 4 is connected. 9 side. Therefore, when the clutch 4 is disengaged, the positive or negative driving force generated by the motor 3 as described above is transmitted to the driving wheel 9 side, and the vehicle 1 travels. When the clutch 4 is connected, the driving force of the engine 2 and the motor 3 is transmitted to the driving wheel 9 side, or only the driving force of the engine 2 is transmitted to the driving wheel side, so that the vehicle 1 travels.

車両ECU13は車両全体を統合制御するための制御回路である。そのために車両ECU13には、アクセルペダル14の操作量θaccを検出するアクセルセンサ15、ブレーキペダル16の踏込操作を検出するブレーキスイッチ17、車両1の速度Vを検出する車速センサ18、エンジン2の回転速度Neを検出するエンジン回転速度センサ19、及びモータ3の回転速度Nmを検出するモータ回転速度センサ20等の各種センサ・スイッチ類が接続されている。
また、車両ECU13には、図示はしないがクラッチ4を断接操作するアクチュエータ、及び自動変速機5を変速操作するアクチュエータ等が接続されると共に、エンジン制御用のエンジンECU22、インバータ制御用のインバータECU23、及びバッテリ11を管理するバッテリECU24が接続されている。
The vehicle ECU 13 is a control circuit for integrated control of the entire vehicle. For this purpose, the vehicle ECU 13 includes an accelerator sensor 15 that detects the operation amount θacc of the accelerator pedal 14, a brake switch 17 that detects the depression operation of the brake pedal 16, a vehicle speed sensor 18 that detects the speed V of the vehicle 1, and the rotation of the engine 2. Various sensors and switches such as an engine rotation speed sensor 19 for detecting the speed Ne and a motor rotation speed sensor 20 for detecting the rotation speed Nm of the motor 3 are connected.
The vehicle ECU 13 is connected with an actuator (not shown) for connecting / disconnecting the clutch 4, an actuator for operating the automatic transmission 5 and the like, and an engine ECU 22 for engine control and an inverter ECU 23 for inverter control. And a battery ECU 24 for managing the battery 11 are connected.

車両ECU13は、運転者によるアクセル操作量θacc等に基づき車両1を走行させるために必要な要求トルクを算出し、その要求トルクやバッテリ11のSOC等に基づき車両1の走行モードを選択する。本実施形態では走行モードとして、エンジン2の駆動力のみを用いるE/Gモード、モータ3の駆動力のみを用いるEVモード、及びエンジン2及びモータ3の駆動力を共に用いるHEVモードが設定されており、その何れかの走行モードを車両ECU13が選択するようになっている。   The vehicle ECU 13 calculates a required torque necessary for the vehicle 1 to travel based on the accelerator operation amount θacc by the driver, and selects a travel mode of the vehicle 1 based on the required torque, the SOC of the battery 11, and the like. In this embodiment, an E / G mode that uses only the driving force of the engine 2, an EV mode that uses only the driving force of the motor 3, and an HEV mode that uses both the driving force of the engine 2 and the motor 3 are set as the traveling mode. The vehicle ECU 13 selects one of the travel modes.

車両ECU13は選択した走行モードに基づき、要求トルクをエンジン2やモータ3が出力すべきトルク指令値に換算する。例えばHEVモードでは要求トルクをエンジン2側及びモータ3側に配分した上で、その時点の変速段に基づきエンジン2及びモータ3のトルク指令値を算出する。また、E/Gモードでは要求トルクを変速段に基づきエンジン2へのトルク指令値に換算し、EVモードでは要求トルクを変速段に基づきモータ3へのトルク指令値に換算する。   The vehicle ECU 13 converts the required torque into a torque command value to be output by the engine 2 or the motor 3 based on the selected travel mode. For example, in the HEV mode, the required torque is distributed to the engine 2 side and the motor 3 side, and torque command values for the engine 2 and the motor 3 are calculated based on the gear position at that time. In the E / G mode, the required torque is converted into a torque command value for the engine 2 based on the gear position, and in the EV mode, the required torque is converted into a torque command value for the motor 3 based on the gear speed.

そして、車両ECU13は選択した走行モードを実行すべく、EVモードでは上記クラッチ4を切断し、E/Gモード及びHEVモードではクラッチ4を接続した上で、エンジンECU22及びインバータECU23にトルク指令値を適宜出力する。また、車両1の走行中において車両ECU13は、アクセル操作量θaccや車速V等に基づき図示しないシフトマップから目標変速段を算出し、この目標変速段を達成すべく、アクチュエータによりクラッチ4の断接操作及び変速段の切換操作を実行する。   Then, the vehicle ECU 13 disconnects the clutch 4 in the EV mode and connects the clutch 4 in the E / G mode and HEV mode in order to execute the selected travel mode, and then sends a torque command value to the engine ECU 22 and the inverter ECU 23. Output as appropriate. While the vehicle 1 is traveling, the vehicle ECU 13 calculates a target gear position from a shift map (not shown) based on the accelerator operation amount θacc, the vehicle speed V, and the like, and the actuator 4 connects and disconnects the clutch 4 to achieve this target gear position. Executes operation and gear change operation.

一方、エンジンECU22は、車両ECU13から入力された走行モード及びトルク指令値を達成するように噴射量制御や噴射時期制御を実行する。例えばE/GモードやHEVモードでは、正側のトルク指令値に対してエンジン2に駆動力を発生させ、負側のトルク指令値に対してエンジンブレーキを発生させる。また、EVモードの場合には、燃料噴射の中止によりエンジン2を停止保持状態、またはアイドル運転状態とする。   On the other hand, the engine ECU 22 executes injection amount control and injection timing control so as to achieve the travel mode and torque command value input from the vehicle ECU 13. For example, in the E / G mode and the HEV mode, the driving force is generated in the engine 2 with respect to the positive torque command value, and the engine brake is generated with respect to the negative torque command value. In the EV mode, the engine 2 is brought into a stopped holding state or an idle operation state by stopping fuel injection.

また、インバータECU23は、車両ECU13から入力された走行モード及びトルク指令値を達成するように、インバータ10を介してモータ3を制御する。例えばEVモードやHEVモードでは、正側のトルク指令値に対してモータ3を力行制御して正側の駆動力を発生させ、負側のトルク指令値に対してはモータ3を回生制御して負側の駆動力を発生させる。また、E/Gモードの場合には、モータ3の駆動力を0に制御する。また、バッテリECU24は、バッテリ11の温度、バッテリ11の電圧、インバータ10とバッテリ11との間に流れる電流等を検出し、これらの検出結果からバッテリ11のSOCを逐次算出して車両ECU13に出力する。   Further, the inverter ECU 23 controls the motor 3 via the inverter 10 so as to achieve the travel mode and the torque command value input from the vehicle ECU 13. For example, in the EV mode or HEV mode, the motor 3 is controlled by powering the positive torque command value to generate a positive driving force, and the motor 3 is regeneratively controlled to the negative torque command value. Generate negative driving force. In the E / G mode, the driving force of the motor 3 is controlled to zero. Further, the battery ECU 24 detects the temperature of the battery 11, the voltage of the battery 11, the current flowing between the inverter 10 and the battery 11, etc., and sequentially calculates the SOC of the battery 11 from these detection results and outputs it to the vehicle ECU 13. To do.

ところで、[背景技術]で述べたように、バッテリ11の入出力可能な最大電流等は、SOCやバッテリ11を構成する各セルの温度等の諸条件に依存して大きく変動する。最大電流を超えた過大な入出力はバッテリ11の早期劣化を引き起こし、逆に入出力を過剰に制限することは限りあるバッテリ容量をモータ駆動に有効利用できないことを意味する。
このため車両ECU13がモータ3のトルク指令値を算出する際には、SOCやセル温度等に応じて変化するバッテリ特性を反映させる必要がある。そこで、本実施形態では、特許文献1の技術と同様に、バッテリ11の内部状態を模擬した電気的な等価回路を生成し、この等価回路に基づきバッテリ11の端子間電圧やSOCを推定してモータ3のトルク指令値の算出処理に適用している。
By the way, as described in [Background Art], the maximum current that can be input and output from the battery 11 greatly varies depending on various conditions such as the SOC and the temperature of each cell constituting the battery 11. Excessive input / output exceeding the maximum current causes early deterioration of the battery 11, and conversely limiting the input / output excessively means that a limited battery capacity cannot be effectively used for driving the motor.
For this reason, when the vehicle ECU 13 calculates the torque command value of the motor 3, it is necessary to reflect the battery characteristics that change according to the SOC, the cell temperature, and the like. Therefore, in the present embodiment, as in the technique of Patent Document 1, an electrical equivalent circuit that simulates the internal state of the battery 11 is generated, and the terminal voltage and SOC of the battery 11 are estimated based on the equivalent circuit. This is applied to the calculation process of the torque command value of the motor 3.

そして、[発明が解決しようとする課題]で述べたように、バッテリパック内に温度分布が存在するにも拘わらず,特許文献1の技術では実測値のセル温度を等価回路に反映さているため,適切な推定値を導き出せないという問題がある。また、仮にバッテリ11を構成する各セルの温度を考慮して、全てのセルに対応して等価回路を生成すると演算負荷が増大し、逆に演算処理の簡略化のために各セルの温度を平均化した単一の代表値を等価回路に適用すると推定値が不適切になってしまう。   As described in [Problems to be Solved by the Invention], the technique of Patent Document 1 reflects the measured cell temperature in the equivalent circuit even though the temperature distribution exists in the battery pack. Therefore, there is a problem that an appropriate estimated value cannot be derived. Also, if the equivalent circuit is generated corresponding to all cells in consideration of the temperature of each cell constituting the battery 11, the calculation load increases. Conversely, the temperature of each cell is set to simplify the calculation process. If an averaged single representative value is applied to an equivalent circuit, the estimated value becomes inappropriate.

このような不具合を鑑みて本発明者は、バッテリ11を構成する各セルの温度分布をモデル化することにより、等価回路に基づく推定値の演算処理を簡略化できることを見出した。
図2の左側はバッテリ11の全セルの温度分布を示す説明図であり、右側は温度分布をモデル化した複数の等価回路から構成される等価回路モデルの説明図である。左側の図に示すように、バッテリ11を構成する多数のセル11aはバッテリパック内の冷却媒体(水や空気)による冷却状態に応じた温度分布で分散しており、この場合には、セル数に対応する数の等価回路が存在することになる。このような実際の全セル11aの温度分布を標準偏差として捉え、同一の標準偏差をより少ないセル数(セル11bの数=等価回路の数)で表現するようにモデル化したものが右側の図である。図2に示すように、セル11bの数は、全セル11aの数よりも少ない。
In view of such a problem, the present inventor has found that the calculation process of the estimated value based on the equivalent circuit can be simplified by modeling the temperature distribution of each cell constituting the battery 11.
The left side of FIG. 2 is an explanatory diagram showing the temperature distribution of all cells of the battery 11, and the right side is an explanatory diagram of an equivalent circuit model composed of a plurality of equivalent circuits modeling the temperature distribution. As shown in the figure on the left side, a large number of cells 11a constituting the battery 11 are distributed in a temperature distribution according to the cooling state by the cooling medium (water or air) in the battery pack. In this case, the number of cells There will be a number of equivalent circuits corresponding to. The figure on the right side shows such a model in which the temperature distribution of all the cells 11a is regarded as a standard deviation and the same standard deviation is expressed by a smaller number of cells (number of cells 11b = number of equivalent circuits). It is. As shown in FIG. 2, the number of cells 11b is smaller than the number of all cells 11a.

この例では、セル数を10に設定すると共に温度域を5つに区分し、各セル11aを温度域毎にグループ分けしている。結果として平均値に相当する中央の温度域には4つのグループ化したセル11bが所属し、その両側の温度域にはそれぞれ2つのセル11bが所属し、さらに両側の温度域にはそれぞれ1つセル11bが所属している。なお、本実施形態では標準偏差を指標として等価回路モデルを生成したが、各セル11aの温度分布を表す指標であればこれに限ることはなく、任意に別の指標に変更してもよい。   In this example, the number of cells is set to 10, and the temperature range is divided into five, and the cells 11a are grouped for each temperature range. As a result, four grouped cells 11b belong to the central temperature range corresponding to the average value, two cells 11b belong to the temperature ranges on both sides, and one to each temperature range. Cell 11b belongs. In the present embodiment, the equivalent circuit model is generated using the standard deviation as an index. However, the present invention is not limited to this as long as it is an index representing the temperature distribution of each cell 11a, and may be arbitrarily changed to another index.

各温度域に所属する各セル11aの温度変化に対する挙動は共通するため、各温度域に対応して計5つの等価回路が生成される。本実施形態では、事前の試験によりバッテリ11の全セル11aの温度分布を特定し、温度分布から予め等価回路モデルを生成してバッテリECU24に記憶させており、その等価回路モデルに基づきバッテリECU24が推定処理を実施するようになっている(等価回路モデル保有手段、内部状態推定手段)。   Since the behavior with respect to the temperature change of each cell 11a belonging to each temperature range is common, a total of five equivalent circuits are generated corresponding to each temperature range. In the present embodiment, the temperature distribution of all the cells 11a of the battery 11 is specified by a prior test, an equivalent circuit model is generated in advance from the temperature distribution and stored in the battery ECU 24, and the battery ECU 24 is based on the equivalent circuit model. An estimation process is performed (equivalent circuit model holding means, internal state estimation means).

図3は等価回路の一例を示す模式図であり、バッテリ11が有する定常的な内部抵抗の要素をRsに置き換え、過渡的な内部抵抗の要素をR1,C1に置き換え、負荷を0としたときの開回路に相当する電圧の要素をVocvに置き換えている。これらのRs,R1,C1,Vocvの各パラメータがバッテリ11のSOC及びセル温度Tに応じて変化するものと仮定し、それぞれのパラメータをSOC及びセル温度Tの関数として設定した上で、この等価回路からセル11aの端子間電圧V1(以下、単にセル電圧という)を逐次推定している。
バッテリ全体の端子間電圧(以下、単にバッテリ電圧という)に対して、各温度域の等価回路から推定したセル電圧V1の寄与度はその温度域に所属するセル数に応じて相違する。このため、セル数に応じた重み付けに基づき各等価回路のセル電圧V1からバッテリ電圧を算出している。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of an equivalent circuit when the element of the steady internal resistance of the battery 11 is replaced with Rs, the element of the transient internal resistance is replaced with R1, C1, and the load is set to zero. The voltage element corresponding to the open circuit is replaced with Vocv. It is assumed that these parameters Rs, R1, C1, and Vocv change according to the SOC of the battery 11 and the cell temperature T, and each parameter is set as a function of the SOC and the cell temperature T. A voltage V1 between terminals of the cell 11a (hereinafter simply referred to as a cell voltage) is sequentially estimated from the circuit.
The contribution of the cell voltage V1 estimated from the equivalent circuit in each temperature range to the inter-terminal voltage of the entire battery (hereinafter simply referred to as the battery voltage) differs depending on the number of cells belonging to that temperature range. For this reason, the battery voltage is calculated from the cell voltage V1 of each equivalent circuit based on the weighting according to the number of cells.

そして、本実施形態においても特許文献1の技術と同様に、逐次推定される各セル11aの電圧V1やSOCを実測値と比較し、比較結果に基づき等価回路の各パラメータを逐次合わせ込むことにより最適化を図っている。そのために、図示はしないがバッテリパック内で各セル11aには電圧センサがそれぞれ備えられ、各電圧センサにより検出されるセル電圧V1の実測値が同一セル11aの推定値と逐次比較されて合わせ込まれる。   Also in the present embodiment, as in the technique of Patent Document 1, the voltage V1 and SOC of each cell 11a that are sequentially estimated are compared with actual measurement values, and each parameter of the equivalent circuit is sequentially adjusted based on the comparison result. We are trying to optimize. For this purpose, although not shown, each cell 11a is provided with a voltage sensor in the battery pack, and the measured value of the cell voltage V1 detected by each voltage sensor is sequentially compared with the estimated value of the same cell 11a. It is.

図4は等価回路モデルに基づく推定処理からモータ制御までの処理フローを示す説明図である。以上の等価回路モデルに基づくバッテリ電圧の算出処理がバッテリECU24によって実行され、これと並行してバッテリ電圧等に基づくSOCの算出処理も実行され、それらの推定値が車両ECU13に入力される。車両ECU13には運転者の要求トルク等の各種情報も入力され、これらの情報から求めたエンジン2側及びモータ3側のトルク指令値がエンジンECU22やインバータECU23に出力されて各制御に適用される。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing a processing flow from estimation processing based on an equivalent circuit model to motor control. A battery voltage calculation process based on the above equivalent circuit model is executed by the battery ECU 24, and simultaneously, an SOC calculation process based on the battery voltage and the like is also executed, and these estimated values are input to the vehicle ECU 13. Various information such as a driver's required torque is also input to the vehicle ECU 13, and torque command values on the engine 2 side and the motor 3 side obtained from the information are output to the engine ECU 22 and the inverter ECU 23 and applied to each control. .

このとき、バッテリECU24で推定されるバッテリ電圧に応じてバッテリ11が出力可能な最大電流も定まり、その最大電流の範囲内でモータ3側へのトルク指令値が決定される。さらに逐次推定されるバッテリ電圧の変化状態に基づき、この先の出力可能な最大電流の変化を予測できるため、例えばいち早く電流制限してバッテリ11の過剰な発熱等のトラブルを防止することもできる。なお、車両ECU13とバッテリECU24との役割分担はこれに限るものではなく、例えばバッテリECU24と車両ECU13とを統合して単一の制御回路として構成してもよい。   At this time, the maximum current that can be output by the battery 11 is also determined according to the battery voltage estimated by the battery ECU 24, and the torque command value to the motor 3 side is determined within the range of the maximum current. Further, since the change in the maximum current that can be output can be predicted based on the state of change in the battery voltage that is sequentially estimated, for example, the current can be quickly limited to prevent troubles such as excessive heat generation of the battery 11. Note that the division of roles between the vehicle ECU 13 and the battery ECU 24 is not limited to this. For example, the battery ECU 24 and the vehicle ECU 13 may be integrated to form a single control circuit.

一方、以上のセル電圧V1を推定する等価回路モデルとは別に、セル温度Tを推定するための等価回路モデルも予め生成されてバッテリECU24に記憶されている。等価回路モデルを構成する各等価回路の内容は図3に示したものと同様のため図示はしないが、それらの等価回路に基づきバッテリECU24は各セル11aの温度Tを逐次推定している。また、推定されたセル温度Tを同一セル11aの実測値と比較することにより、等価回路の各パラメータを逐次合わせ込む点についても同様であり、そのために各セル11aにはそれぞれ温度センサが備えられている。   On the other hand, apart from the equivalent circuit model for estimating the cell voltage V1, the equivalent circuit model for estimating the cell temperature T is also generated in advance and stored in the battery ECU 24. Since the contents of the equivalent circuits constituting the equivalent circuit model are the same as those shown in FIG. 3 and are not shown, the battery ECU 24 sequentially estimates the temperature T of each cell 11a based on those equivalent circuits. The same applies to the point that each parameter of the equivalent circuit is sequentially adjusted by comparing the estimated cell temperature T with the actual measurement value of the same cell 11a. For this purpose, each cell 11a is provided with a temperature sensor. ing.

双方の等価回路により推定されるセル電圧V1とセル温度Tとは、共通するセル11aを対象として相互利用されており、逐次推定されるセル電圧V1は同一セル11aを対象としたセル温度Tの推定処理に利用され、逆に逐次推定されるセル温度Tは同一セル11aを対象としたセル電圧V1の推定処理に利用される。このような推定値の相互利用を繰り返すことにより推定精度の向上が図られている。   The cell voltage V1 and the cell temperature T estimated by both equivalent circuits are mutually used for the common cell 11a, and the sequentially estimated cell voltage V1 is the cell temperature T for the same cell 11a. The cell temperature T, which is used for the estimation process and sequentially estimated, is used for the cell voltage V1 estimation process for the same cell 11a. By repeating such mutual use of estimated values, the estimation accuracy is improved.

以上のように本実施形態では、バッテリ11のセル温度Tを等価回路に反映させるだけでなく、全セル11aの温度分布を標準偏差として捉え、同一の標準偏差をより少ないセル数で表現するように複数の等価回路からなる等価回路モデルを生成している。このため、全てのセル11aに対応して等価回路を生成する必要がなくなり、等価回路の減少に伴ってバッテリ電圧等の推定処理に要する演算負荷を大幅に低減することができる。   As described above, in this embodiment, not only the cell temperature T of the battery 11 is reflected in the equivalent circuit, but also the temperature distribution of all the cells 11a is regarded as a standard deviation, and the same standard deviation is expressed by a smaller number of cells. An equivalent circuit model composed of a plurality of equivalent circuits is generated. For this reason, it is not necessary to generate an equivalent circuit corresponding to all the cells 11a, and the calculation load required for the estimation process of the battery voltage and the like can be significantly reduced as the equivalent circuit decreases.

また、各セル11aの温度Tを平均化した単一の代表値に基づきバッテリ電圧等の推定値を導き出す場合に比較すると、格段に正確な推定値を算出でき、ひいてはモータ3側の制御を一層適切に実行できる。即ち、モデル化した全ての温度域の等価回路から推定されるセル電圧V1に基づきバッテリ電圧が算出されるため、得られたバッテリ電圧は全温度域を反映した推定値となる。そして、バッテリ電圧から導き出された最大電流に基づきモータ3側へのトルク指令値が適宜制限されることから、厳しい温度条件下にある両極端の温度域(低温側及び高温側)に所属するセル11aでも入出力可能な最大限の電流、換言すると過不足のない適切な電流をモータ制御に適用できる。   Compared with the case where an estimated value such as a battery voltage is derived based on a single representative value obtained by averaging the temperature T of each cell 11a, a much more accurate estimated value can be calculated, and the control on the motor 3 side is further increased. It can be done properly. That is, since the battery voltage is calculated based on the cell voltage V1 estimated from the equivalent circuit in all temperature ranges modeled, the obtained battery voltage is an estimated value reflecting the entire temperature range. And since the torque command value to the motor 3 side is appropriately limited based on the maximum current derived from the battery voltage, the cell 11a belonging to both extreme temperature ranges (low temperature side and high temperature side) under severe temperature conditions. However, the maximum current that can be input and output, in other words, the appropriate current without excess or deficiency can be applied to the motor control.

単一の代表値からバッテリ電圧等の推定値を導き出した場合には、両極端のセル11aに対して適切な電流値であるという確証がないため、必然的にバッテリ11の過剰な発熱防止のために、安全を見込んで早期にモータ3への電流制限を開始してしまう。これはモータ3やバッテリ11の能力を最大限に活用できずに燃費悪化等の要因になるが、本実施形態によれば、このような事態を防止することができる。
また、結果としてバッテリ11の高温に曝される時間が最小限に抑止されるため、バッテリ11を長寿命化できると共に、劣化を想定したバッテリ容量の余裕を削減して小型軽量化、低コスト化を達成することができる。
When an estimated value such as a battery voltage is derived from a single representative value, there is no confirmation that the current value is appropriate for both extreme cells 11a. In addition, the current limit to the motor 3 is started early in anticipation of safety. This is a factor such as deterioration in fuel efficiency because the capabilities of the motor 3 and the battery 11 cannot be utilized to the maximum, but according to the present embodiment, such a situation can be prevented.
Further, as a result, the time during which the battery 11 is exposed to a high temperature is suppressed to a minimum, so that the battery 11 can be extended in life, and the battery capacity that is assumed to be deteriorated can be reduced to reduce the size and weight and reduce the cost. Can be achieved.

さらに、正確なセル温度Tを推定可能な点は、無駄のないバッテリ11のクーリング制御につながり、例えば冷却媒体である水や空気の流量制御をきめ細かく実行可能となる。このため、クーリングに費やすエネルギ、例えばポンプやファンの駆動電力等を必要最小限に節約でき、結果として一層の燃費低減を達成することができる。   Furthermore, the point at which the accurate cell temperature T can be estimated leads to the cooling control of the battery 11 without waste, and for example, the flow rate control of water or air as a cooling medium can be finely executed. For this reason, energy consumed for cooling, for example, driving power of a pump or a fan, can be saved to the minimum necessary, and as a result, further reduction in fuel consumption can be achieved.

ところで、上記のように本実施形態では、事前の試験によりバッテリ11の全セル11aの温度分布から等価回路モデルを生成して予めバッテリECU24に記憶させたが、これに限定されるものではない。
バッテリ11の各セル11aには温度センサが備えられているため、これらの温度センサからの検出情報に基づき、車両の運行中であっても各セル11aの温度分布をリアルタイムで特定可能である。そこで、特定した各セル11aの温度分布に基づき、車両の運行中に等価回路モデルを逐次生成してセル電圧V1の推定処理に適用してもよい。各セル11aの温度分布はバッテリパック内での冷却条件(例えば水や空気の流通状態等)によって変化するが、それに対応する適切な等価回路モデルに基づきセル温度Tを推定できる。よって、この場合には冷却条件等の外的要因に影響されることなく、より高精度の推定処理を実現することができる。
As described above, in the present embodiment, an equivalent circuit model is generated from the temperature distribution of all the cells 11a of the battery 11 and stored in the battery ECU 24 in advance by a preliminary test. However, the present invention is not limited to this.
Since each cell 11a of the battery 11 is provided with a temperature sensor, the temperature distribution of each cell 11a can be specified in real time even during operation of the vehicle based on detection information from these temperature sensors. Therefore, an equivalent circuit model may be sequentially generated during vehicle operation based on the identified temperature distribution of each cell 11a and applied to the cell voltage V1 estimation process. Although the temperature distribution of each cell 11a varies depending on the cooling conditions in the battery pack (for example, the flow state of water or air), the cell temperature T can be estimated based on a corresponding equivalent circuit model. Therefore, in this case, a more accurate estimation process can be realized without being affected by external factors such as cooling conditions.

また、実施形態のように予め等価回路モデルを生成・記憶させておく場合には、バッテリパック内の異なる冷却条件に応じて等価回路モデルを切り換えるように構成してもよい。この場合には、予め冷却条件に対応する複数の等価回路モデルを生成・記憶させておき、その時点の冷却条件に対応する等価回路モデルを選択して推定処理に適用すればよい。   Further, when an equivalent circuit model is generated and stored in advance as in the embodiment, the equivalent circuit model may be switched according to different cooling conditions in the battery pack. In this case, a plurality of equivalent circuit models corresponding to the cooling condition may be generated and stored in advance, and an equivalent circuit model corresponding to the cooling condition at that time may be selected and applied to the estimation process.

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ハイブリッド型トラックのバッテリ内部状態推定装置に具体化したが、走行用動力源としてモータのみを搭載した電気自動車のバッテリ内部状態推定装置としてもよいし、風力発電システムや太陽光発電システムに備えられた定置型のバッテリの内部状態推定装置として具体化してもよい。
また上記実施形態では、セル電圧V1の推定処理と並行してセル温度Tの推定処理を実行したが、これに限ることはなく、例えばセル温度Tの推定処理を省略してもよい。
This is the end of the description of the embodiment, but the aspect of the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the above embodiment, the battery internal state estimation device for a hybrid truck is embodied, but the battery internal state estimation device for an electric vehicle equipped with only a motor as a driving power source may be used. You may embody as an internal state estimation apparatus of the stationary battery with which the electric power generation system was equipped.
Moreover, in the said embodiment, although the estimation process of the cell temperature T was performed in parallel with the estimation process of the cell voltage V1, it is not restricted to this, For example, the estimation process of the cell temperature T may be abbreviate | omitted.

11 バッテリ
11a、11b セル
24 バッテリECU(等価回路モデル保有手段、内部状態推定手段)
11 battery 11a, 11b cell 24 battery ECU (equivalent circuit model holding means, internal state estimating means)

Claims (1)

バッテリを構成する複数のセルの温度分布に基づき、該温度分布をより少ないセル数で表現した複数の等価回路からなる等価回路モデルを保有する等価回路モデル保有手段と、
上記等価回路モデル保有手段の等価回路モデルを用いて得られた各推定値に基づき上記バッテリ全体の内部状態を推定する内部状態推定手段と
を備えたことを特徴とするバッテリ内部状態推定装置。
Based on the temperature distribution of a plurality of cells constituting the battery, an equivalent circuit model holding means for holding an equivalent circuit model composed of a plurality of equivalent circuits expressing the temperature distribution with a smaller number of cells;
An internal battery state estimation device comprising: internal state estimation means for estimating an internal state of the entire battery based on estimated values obtained using an equivalent circuit model of the equivalent circuit model holding means.
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