JP2016152208A - シミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】時間間隔の異なる２つのシミュレーションを実行することができるシミュレーション装置を提供する。
【解決手段】発明の実施形態のシミュレーション装置１は、次の様な特徴を有する。
（１）所定の時間間隔で前記蓄電池の状態を推定する第１のシミュレーション部を備える。
（２）時間間隔とは異なる間隔で前記蓄電池の状態を推定する第２のシミュレーション部を備える。
（３）いずれかの一方のシミュレーション部で推定した前記蓄電池の第１特性の変化に基づいて、他方のシミュレーション部の起動を判定する起動判定部を備える。
（４）前記他方のシミュレーション部が起動時の前記蓄電池の条件から推定される前記蓄電池の第２特性を記憶する蓄電池の特性記憶部１１を備える。
（５）シミュレーション装置１は、前記蓄電池の第１特性に対応する前記蓄電池の第２特性を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、蓄電池のシミュレーションを行うシミュレーション装置に関する。

蓄電池システムにおいて、蓄電池の制御アルゴリズムを用いて、そのアルゴリズムの妥当性確認、性能確認を行うことは重要である。しかしながら、蓄電池のばらつきに関する制御アルゴリズムの評価において、実機で評価することは非常に困難である。実機を使用し、蓄電池のさまざまなばらつき状態を実際に設定するためには、膨大な手間と時間が必要になる。

そのため、実機での制御アルゴリズムの評価に替えて、そこで、蓄電池のシミュレーションが行われる。このシミュレーションでは、充電率ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、電圧、温度などといった項目についてのシミュレーションを行う。充電率ＳＯＣ、電圧、温度といった項目では、ミリ秒、秒、分といった短い間隔の離散シミュレーションを行う。また、劣化に関する、容量、内部抵抗といった項目では、時間、日、月といった長い間隔でのシミュレーションが行われる。

正確なシミュレーションを行うためには、短い間隔の離散シミュレーションと長い間隔でのシミュレーションを行う必要がある。しかしながら、２つのシミュレーションを同じシミュレーションとして行うと、非常に短い間隔で、長い時間のシミュレーションが必要となる。さらに大量のセルを具備するシステムを対象として、シミュレーションを行う場合には、その大量のセルに対応する演算量、時間が必要となる。

特開２００３−２４３０１７号公報

２つのシミュレーションにおいて、時間間隔が大きく異なるため、短い間隔の離散シミュレーションと長い間隔でのシミュレーションを別々に行う方法も知られている。しかしながら、２つのシミュレーションを別々に行った場合には、ＳＯＣ、電圧、温度等の項目向けに時間間隔を短くし、劣化に関する項目向けに長い時間のシミュレーションを行っている。この状態では、すべての劣化状態に対応する充電率ＳＯＣ、電圧、温度のシミュレーションを行う必要があり、演算量、演算時間が増大してしまう。

本発明の実施形態は以上の問題点を解決するために提案されたものであり、シミュレーション間隔とシミュレーション内容を動的に変更することにより、時間間隔の異なる２つのシミュレーションを実行することができるシミュレーション装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の実施形態のシミュレーション装置は、次の様な特徴を有する。
（１）所定の時間間隔で前記蓄電池の状態を推定する第１のシミュレーション部を備える。
（２）前記時間間隔とは異なる間隔で前記蓄電池の状態を推定する第２のシミュレーション部を備える。
（３）いずれかの一方のシミュレーション部で推定した前記蓄電池の第１特性の変化に基づいて、他方のシミュレーション部の起動を判定する起動判定部を備える。
（４）前記他方のシミュレーション部が起動時の前記蓄電池の条件から推定される前記蓄電池の第２特性を記憶する蓄電池の特性記憶部を備える。
（５）シミュレーション装置は、前記蓄電池の第１特性に対応する前記蓄電池の第２特性を推定する。

第１の実施形態のシミュレーション装置の概略を示す概略図である。 第１の実施形態のシミュレーション装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に蓄電池の寿命に関するシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態に蓄電池の出力に関するシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態におけるシミュレーション装置の動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に蓄電池に関するシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態のシミュレーション装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態のシミュレーション装置について、図１〜７を参照して具体的に説明する。

１．第１の実施形態
［１．構成］
（１）概要
第１の実施形態に係るシミュレーション装置１を図１を参照しつつ、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るシミュレーション装置１を示すブロック図である。

本実施形態のシミュレーション装置１は、図１に示す様に、入力インターフェース２と、出力手段３と連結される。シミュレーション装置１に対しては、ユーザが入力インターフェース２を使用し、シミュレーションを行うための条件を入力する。ここで、シミュレーションを行うための条件とは、対象となる蓄電池の特性や、残量に対する電池の使用条件等の蓄電池特性や、後述する短期シミュレータの起動条件である。

シミュレーション装置１は、入力された蓄電池特性や短期シミュレータ起動条件に基づいて、対象となる蓄電池モデルに対して寿命を推定するための長い時間間隔での長期シミュレーションと、出力を推定するための短い時間間隔での短期シミュレーションの実行をする。シミュレーション装置１は、蓄電池モデルの寿命を推定するための長期シミュレーション部６と、蓄電池モデルの出力を推定するための短期シミュレーション部９とを備える。長期シミュレーション部６は、寿命として、容量や内部抵抗といった項目に対して時間、日、月といった長い間隔でシミュレーションを行う。また、短期シミュレーション部９では、ＳＯＣや電圧、温度といった項目についてミリ秒、秒、分といった短い間隔でシミュレーションを行う。シミュレーション装置１は、出力手段３を備え、蓄電池モデルの寿命に対応する蓄電池モデルの出力をシミュレーション結果として出力する。

（２）シミュレーション装置の構成
図２は、本実施形態のシミュレーション装置１の構成を模式的に示す図である。シミュレーション装置は、蓄電池の状態を模擬する蓄電池モデル４とシミュレーション部５とを備え、蓄電池モデル４の状態をシミュレーション部５において模擬的に再現若しくは予測する。

蓄電池モデル１は、電池パックであり、内部に蓄電モジュールを備える。蓄電モジュールは、充電を行うことにより電気を蓄え、繰り返し使用することが出来るモジュールである。蓄電モジュール内には、セルが収容される。

蓄電池モデル４は、各セルの情報を各種の項目ごとに記憶する情報テーブル４１を備える。情報テーブル４１は、ユーザが入力した蓄電池の特性が入力され、その特性を有する蓄電池モデル４として動作する。また、情報テーブル４１には、充放電サイクルに対する容量の推移、ある容量におけるＳＯＣと温度と電力量との関係とが関連づけて記憶される結果記憶領域が設けられる。

シミュレーション部５は、蓄電池モデル４に基づいて、その蓄電池モデル４の寿命と出力の項目についてのシミュレーションを行う。寿命とは、容量や内部抵抗であり、出力とは、ＳＯＣや電圧、温度である。シミュレーション部５でのシミュレーション結果は、情報テーブル４１の結果記憶領域に保存される。シミュレーション部５は、長期シミュレーション部６、短期シミュレーション起動判定部７、起動条件記憶部８、短期シミュレーション部９、特性記憶部１１、シミュレーション再開許可部１２とから構成される。

長期シミュレーション部６は、第一のシミュレーション部として、情報テーブル４１に記録された蓄電池モデル４の情報に基づいて、長期シミュレーションを行う。長期シミュレーションでは、寿命すなわち充放電サイクルに対する容量の推移の推定を行う。長期シミュレーション部６では、１時間、1日間、１か月といった時間間隔の長いシミュレーションを行う。長期シミュレーション部６でのシミュレーション結果は、前述の通り、情報テーブル４１の結果記憶領域に記憶される。

短期シミュレーション起動判定部７では、長期シミュレーション部６で推定した蓄電池モデル４の寿命の変化に基づいて、短期シミュレーション部９の起動の判定をする。また、短期シミュレーション起動判定部７は、短期シミュレーション部９の起動の判定の判定をした場合に、長期シミュレーション部６に対してシミュレーションの停止指令を出力する。短期シミュレーション起動判定部７は、起動条件記憶部８と接続されその内容を参照可能に構成する。

起動条件記憶部８には、短期シミュレーション部９を起動するための起動条件が記憶される。起動条件は、蓄電池モデル４の寿命に応じた条件である。蓄電池モデル４では、充放電に伴ってその容量が減少する。そこで、起動条件として、減少する蓄電池モデル４の寿命に対してトリガーを単数あるいは複数設定する。例えば、図３では、蓄電池モデル４の容量が満充電である１００％から１０％減少した地点Ｐ_１を第１のトリガー、２０％減少した地点Ｐ_２を第２のトリガー、３０％減少した地点Ｐ_３を第３のトリガーとする。短期シミュレーション起動判定部７は、起動条件記憶部８に記憶されたトリガーを短期シミュレーション部９の起動条件とする。

短期シミュレーション部９は、第２のシミュレーション部として、起動時の蓄電池モデル４の条件即ちトリガーとなった蓄電池モデル４の充電率に基づいて、短期シミュレーションを行う。短期シミュレーションでは、充電率に対する各温度ごとの電力量の推定を行う。短期シミュレーション部９では、ミリ秒、秒、分といった時間間隔が短いシミュレーションを行う。例えば、短期シミュレーション部９が、第１のトリガーにより起動した場合には、蓄電池モデル４の容量が９０％となった場合の充電率に対する各温度ごとの電力量の推定を行う。この電力量は図３の地点Ｐ１における充電率である。図４は、地点Ｐ１における充電率に対する各温度ごとの電力量を示す図である。図４に示すように、短期シミュレーション部９は、温度を０℃、２０℃、４０℃、充電量を５％から１００％とした場合の電力量Ａ（0,100）［Ｗ］〜Ａ（40,5）［Ｗ］を求める。短期シミュレーション部９での短期シミュレーションの結果は、短期シミュレーション部９が備える一時記憶部１０に記憶される。

一時記憶部１０に記憶された短期シミュレーションの結果は、短期シミュレーション部９でのシミュレーションの終了を待って、特性記憶部１１に転送される。一時記憶部１０はいわゆる揮発性のメモリであり、特性記憶部１１は、不揮発性のROMである。一時記憶部１０の容量は、特性記憶部１１と比較して小さく、且つ、１つのトリガーで起動した短期シミュレーションのシミュレーション結果を記憶するのに十分な容量とする。１度の短期シミュレーションが終了すると、その内容は一時記憶部１０の内容を転送される。その転送後、一時記憶部１０はメモリを開放し、記憶内容は破棄される。

シミュレーション再開許可部１２は、一時記憶部１０の状態を記憶し、一時記憶部１０が解放された場合に、第１のシミュレーション部に対してシミュレーション再開指令を出力する。

［２．作用］
本実施形態のような構成を有するシミュレーション装置１では、以下の行程によりシミュレーションを実行する。
（１）蓄電池モデルの一定量の特性変化量の推定
（２）蓄電池モデルのシミュレーション

（１）の蓄電池モデル４の一定量の特性変化量の推定は、長期シミュレーション部６の結果をトリガーとして、短期シミュレーション部９を起動させて、特性変化量の推定を行う。すなわち、寿命の推移に対する出力の推定を行う。

蓄電池モデル４の一定量の特性変化量の推定では、初めに、長期シミュレーション部６により１回蓄電池モデル４を充放電させて、その場合の寿命である充電率の推定をする（STEP101）。そして、短期シミュレーション部９の起動条件が充電率の一定量の低下である場合には、長期シミュレーション部６で推定した蓄電池モデル４の充電率が、短期シミュレーション部９の起動条件以上であるかの判定を行う（STEP102）。

起動条件以上である場合には、１回蓄電池モデル４を充放電する回数を１増加させて、改めて、長期シミュレーションを行う（STEP102のYES）。一方、起動条件以下である場合（STEP102のNO）には、長期シミュレーションを停止する（STEP103）。長期シミュレーションを停止することで、短期シミュレーションの動作時間の確保をすることが可能となる。

長期シミュレーションの停止後、短期シミュレーションの実施を行う。短期シミュレーションでは、起動時の蓄電池モデル４の充電率に基づいて、短期シミュレーションを行う。短期シミュレーションでは、充電率に対する各温度ごとの電力量の推定を行う（STEP104）。短期シミュレーションの結果は、短期シミュレーション部９が備える一時記憶部１０に記憶される（STEP105）。

一時記憶部１０に記憶された短期シミュレーションの結果は、短期シミュレーション部９でのシミュレーションの終了を待って、特性記憶部１１に転送される（STEP106）。その転送後、一時記憶部１０は一時記憶部１０を開放し、記憶内容は破棄される（STEP107）。一時記憶部１０が解放されると、一時記憶部１０を監視していたシミュレーション再開許可部１２は、第１のシミュレーション部に対してシミュレーション再開指令を出力する（STEP108）。

上記（STEP101〜108）の行程を蓄電池モデル４の特性変化量の推定が終了するまで継続する。特性変化量の推定が終了は、ユーザが定める充放電の回数、若しくは、寿命の値を基準とする。

（２）の蓄電池モデル４のシミュレーションでは、蓄電池モデル４の特性変化量の推定の終了後に改めて、長期シミュレーションを行う。（２）のシミュレーション結果としては、図６に示す様に、充放電回数により下がる充電率と、充電率が一定の値の場合の蓄電池モデル４の出力値Ｐ１〜Ｐ６が推定される。このシミュレーションにおいては、蓄電池モデル４の寿命に対する出力は、特性記憶部１１に記憶されているため、寿命に対する出力を推定する場合には、特性記憶部１１を参照することで、推定が可能となる。

［３．効果］
以上のような、本実施形態のシミュレーション装置１では、シミュレーション間隔とシミュレーション内容を動的に変更することにより、２つのシミュレーションを高速に実行することができる。

また、本実施形態では以下のような効果を奏することができる。

（１）電池の寿命に合わせ、その条件に合う出力を推定している。そのため、必要のない出力の推定をする必要が無く、演算量、演算時間の劇的に削減することができる。

（２）推定した蓄電池モデル４の出力を一時的に記憶する一時記憶部１０と、一時記憶部１０に記憶した蓄電池モデル４の出力を記憶する特性記憶部１１とを備える。一時記憶部１０は、所謂揮発性のメモリであり、多数の項目のシミュレーション結果を早いスピードで記憶することができるが、大容量のデータの記憶には向かない。そのため、１回の短期シミュレーションが終了した後に、特性記憶部１１にデータを転送することで、演算速度を確保しつつ、保存容量を確保することが可能となった。

（３）短期シミュレーションの起動条件を蓄電池モデル４の寿命の減少に伴って複数設定する。この起動条件は、蓄電池モデル４の容量が満充電から一定量減少した場合とするだけでなく、減少率が一定以上とすることもできる。これにより、蓄電池モデル４の寿命が急激に減少している場所の、蓄電池４の出力のシミュレーションを行うことができる。

（４）長期シミュレーションで推定する寿命は、蓄電池モデル４の内部抵抗または容量とすることができる。寿命を内部抵抗とした場合には、例えばトリガーを内部抵抗の値または変化量とすることができる。

（５）本実施形態では、長期シミュレーションにおいて蓄電池モデル全体の寿命を推定したが、これだけでなく、蓄電池モデル４を構成する１つのセルや任意の数のセルの寿命の推定を行うこともできる。この場合には、１つのセル若しくは、任意のセルの寿命に基づいて短期シミュレーション部９を起動させる。そして、それぞれのセルの出力を推定しても良い。

２．第２の実施形態
［１．構成］
第２の実施形態に係るシミュレーション装置１は、蓄電池モデル４のセルのモデルを複数生成し、それぞれのセルの寿命に基づいてそれぞれのセルの出力の推定を行う。そして、算出した各セルの出力に対してばらつきを与えるばらつき付加部１４と、ばらつき付加部１４のパラメータ生成部１５とを備える。

図７に示す様に、本実施形態のシミュレーション装置１は、第一の実施形態の構成に加えて、算出した各セルの出力に対してばらつきを与えるばらつき付加部１４と、ばらつき付加部１４のパラメータ生成部１５とを備える。

長期シミュレーション部６には、セル指定部１３が接続され、ユーザが指定したセルの数や、セルの位置を受け付ける。長期シミュレーション部６では、セル指定部１３で指定されたセルに対して長期シミュレーションを行う。

短期シミュレーション部９は、それぞれのセルの寿命の値をトリガーとして、各セルの出力の推定を行い、その結果を一時記憶部１０に記憶する。

ばらつき付加部１４は、ばらつきパラメータ生成部１５で生成したパラメータに従って、一時記憶部１０に記憶される各セルの出力の推定値に対してばらつきを付加する。

［２．作用効果］
単純なセル電圧シミュレーションを行う場合は、生成するセルモデルは１つでよい。しかし、内部抵抗ばらつきを生じさせ、セルバランスの崩れ等をシミュレーションする場合には、セルモデルを複数生成し、シミュレーションを行うことが好ましい。

しかし、複数のセルに対して、寿命と出力を推定するのでは、膨大な負荷がかかる。しかしながら、第２のシミュレーション出力後、そのシミュレーション結果を特性記憶部１１に記憶し、一時記憶部１０内のシミュレーション結果を破棄する。これにより、演算量、メモリ量を削減する。

また、セル指定部１３で任意の数のセルの指定を可能とする。これにより、１つのセルの指定だけでなく、蓄電池モデル４のすべてのセル、蓄電池モデル４内のセルのうち充放電の回数経過に伴う容量の減少量が最も大きなセルや、蓄電池モデル４内のセルのうち充放電の回数経過に伴う内部抵抗の悪化が最も大きなセルを指定することができる。

また、ばらつきパラメータ生成部１５で、各セルに対するばらつきを設定することが可能となる。これにより、出力値に任意のばらつきを持ったセルによるシミュレーションを実行することが可能となる。

３．他の実施形態
なお、本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。例えば、長期シミュレーション部６において推定した蓄電池の寿命をトリガーとして、短期シミュレーション部９を起動させて蓄電池の出力値の推定を行ったが、逆に短期シミュレーション部９において推定した蓄電池の出力値をトリガーとして、長期シミュレーション部６を起動させて蓄電池の寿命の推定を行うこともできる。

以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…シミュレーション装置
２…入力インターフェース
３…出力手段
４…蓄電池モデル
４１…情報テーブル
５…シミュレーション部
６…長期シミュレーション部
７…短期シミュレーション起動判定部
８…起動条件記憶部
９…短期シミュレーション部
１０…一時記憶部
１１…特性記憶部
１２…シミュレーション再開許可部
１３…セル指定部
１４…ばらつき付加部
１５…ばらつきパラメータ生成部

Claims (7)

1. 蓄電池の状態の推定を行うシミュレーション装置であって、
   所定の時間間隔で前記蓄電池の状態を推定する第１のシミュレーション部と、
   前記時間間隔とは異なる間隔で前記蓄電池の状態を推定する第２のシミュレーション部と、
   いずれかの一方のシミュレーション部で推定した前記蓄電池の第１特性の変化に基づいて、他方のシミュレーション部の起動を判定する起動判定部と、
   前記他方のシミュレーション部の起動時の前記蓄電池の条件から推定される前記蓄電池の第２特性を記憶する蓄電池の特性記憶部と、を備え、
   前記蓄電池の第１特性に対応する前記蓄電池の第２特性を推定することを特徴とするシミュレーション装置。
2. 前記特性記憶部は、
   推定した前記蓄電池の第２特性を一時的に記憶する一時記憶部と、
   前記一時記憶部に記憶した前記蓄電池の第２特性を記憶するテーブルと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション装置。
3. 蓄電池の状態の推定を行うシミュレーション装置であって、
   前記蓄電池の寿命を推定する第１のシミュレーション部と、
   前記蓄電池の出力を推定する第２のシミュレーション部と、
   前記第１のシミュレーション部で推定した前記蓄電池の寿命の変化に基づいて、前記第２のシミュレーション部の起動を判定する起動判定部と、
   前記第２のシミュレーション部が起動時の前記蓄電池の条件から推定される前記蓄電池の出力を記憶する蓄電池の特性記憶部と、
   を備え、
   前記蓄電池の寿命に対応する前記蓄電池の出力を推定することを特徴とするシミュレーション装置。
4. 前記特性記憶部は、
   推定した前記蓄電池の出力を一時的に記憶する一時記憶部と、
   前記一時記憶部に記憶した前記蓄電池の出力を記憶するテーブルと、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載のシミュレーション装置。
5. 前記起動判定部なおける前記第２のシミュレーション部の起動の判定基準を、前記蓄電池の寿命の減少に伴って複数設定することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のシミュレーション装置。
6. 前記寿命は、蓄電池の出力電力、内部抵抗または容量であることを特徴とする請求項２または請求項３乃至５のいずれか１項に記載のシミュレーション装置。
7. 複数のセルからなる蓄電池の状態の推定を行うシミュレーション装置であって、
   前記セルの中の任意の数のセルについて寿命を推定する第１のシミュレーション部と、
   寿命を推定したそれぞれのセルの出力を推定する第２のシミュレーション部と、
   前記第１のシミュレーション部で推定した前記セルごとの寿命の変化に基づいて、前記第２のシミュレーション部の起動を判定する起動判定部と、
   前記第２のシミュレーション部は、起動時の前記セルの条件から推定される前記セルごとの出力を記憶する蓄電池の特性記憶部と、
   前記セルの出力に対してばらつきを加えるばらつき付加部と、
   前記ばらつきのパラメータを生成するパラメータ生成部と、
   を備え、
   前記セルの寿命に対応する前記セルの出力を推定することを特徴とするシミュレーション装置。

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