JP2016167357A - ２次電池制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２次電池の劣化の影響を反映させて等価回路のパラメータを同定することができ、車載マイコンへ実装することが可能な演算手段を有する２次電池制御装置を提供する。【解決手段】２次電池制御装置１０は、２次電池３２の実際の出力である実出力値と等価回路の出力である等価出力値とを比較した比較結果である推定誤差に基づいて等価回路のパラメータを同定する演算部１２を備える。演算部１２は、予め定められたパラメータの微少変化量と、比較結果を用いて求めた評価関数と、に基づいて、評価関数の傾きを数値的に求め、その傾きに基づいてパラメータを更新する。【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも電動機を駆動源とする車両に搭載される２次電池を制御する２次電池制御装置に関する。

２次電池の状態を推定し２次電池を制御する装置として、例えば下記特許文献１に記載されているものが知られている。下記特許文献１に記載されている制御装置は、１つの直流抵抗とＲＣ等価回路とで構成された電池モデル（以降、１ＲＣ等価回路モデルと記載）に基づいて、２次電池の電流−電圧特性の非線形領域を含む電池状態を推定するものである。

この従来技術によると、１ＲＣ等価回路モデルは非線形領域の特性を表現できる構成にはなっていない。このため、非線形領域の信号を減衰させ、線形領域のデータだけを使って演算するようにフィルタを設定することで非線形特性に対応している。ここで、２次電池の電流−電圧の非線形特性は、２次電池が低温になるほど支配的になっていくことが知られており、特に０℃以下の領域では、非線形特性は無視することができない。このため、上記技術によると、０℃以下の温度域になると演算に使用できるデータが少なくなり、正しい演算ができなくなり、２次電池の状態推定精度が低下する懸念があった。この懸念に対応するため、２次電池の低温時においても、２次電池の状態を高精度に推定する制御装置が考えられる。

特開２０１２−１５９４１４号公報

上述したような、２次電池の低温時においてもその状態を高精度に推定する技術として、拡散抵抗の抵抗及びキャパシタのパラメータを、予め測定しておいた温度と関係付けて算出することが考えられる。しかしながら、このような固定値を用いる算出方法では、２次電池の劣化等によるパラメータ変化を反映することができない。

２次電池の劣化等の影響を考慮するためには、パラメータをリアルタイムで同定する必要がある。例えば、適応フィルタでは、評価関数である誤差２乗和の傾きを求めて、その傾きが最小となる点を探すことでパラメータをリアルタイムで同定することができる。しかしながらこの方法では、評価関数の傾きを求める際に偏微分の計算が必要となる。そのため、特にサンプリング数が増えるほど偏微分の計算が複雑になり、演算量の観点から車載マイコンへの実装が難しい。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、２次電池の劣化の影響を反映させて等価回路のパラメータを同定することができ、車載マイコンへ実装することが可能な演算手段を有する２次電池制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る２次電池制御装置は、少なくとも電動機（３０）を駆動源とする車両に搭載される２次電池（３２）を制御する２次電池制御装置（１０）であって、前記２次電池を表現した等価回路と、前記２次電池の実際の出力である実出力値と前記等価回路の出力である等価出力値とを比較した比較結果である推定誤差に基づいて前記等価回路のパラメータを同定する演算部（１２）と、を備える。前記演算部は、予め定められた前記パラメータの微少変化量と、前記比較結果を用いて求めた評価関数と、に基づいて、前記評価関数の傾きを数値的に求め、前記傾きに基づいて前記パラメータを更新する。

本発明では、予め定められたパラメータの微少変化量と、比較結果である推定誤差を用いて求めた評価関数と、に基づいて、評価関数の傾きを数値的に求め、傾きに基づいてパラメータを更新するので、偏微分の計算を行わず評価関数の傾きを計算することでパラメータを更新することができる。従って、演算部の演算量を少なくすることができるので、車載マイコンへの実装も可能である。

本発明によれば、２次電池の劣化の影響を反映させて等価回路のパラメータを同定することができ、車載マイコンへ実装することが可能な演算手段を有する２次電池制御装置を提供することができる。

本発明の実施形態である電子制御装置が適用されるシステム構成を示す図である。 ２次電池の等価回路モデルの一例を示す図である。 適応フィルタの基本形を示す図である。 推定誤差を求めるまでのブロック図である。 図２に示す等価回路モデルが１次であるとした場合のフローチャートである。 本実施形態の効果を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、本発明の実施形態である電子制御装置１０（２次電池制御装置）が適用されるシステムは、電子制御装置１０に加えて、電流値測定部２０と、電圧値測定部２２と、負荷３０と、２次電池３２と、を備えている。

２次電池３２は、充電状態（以下、ＳＯＣともいう。ＳＯＣは、Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅの略である。）の把握対象となるリチウムイオン電池等の２次電池である。電流値測定部２０は、２次電池３２の電流値を測定し、電子制御装置１０に出力する部分である。電圧値測定部２２は、２次電池３２の電圧値（実出力値）を測定し、電子制御装置１０に出力する部分である。負荷３０は、２次電池３２に繋がっている主機モータ等の負荷である。

電子制御装置１０は、演算部１２を有している。演算部１２は、電流値測定部２０から出力される電流値及び電圧値測定部２２から出力される電圧値に基づいて、２次電池３２の等価回路のパラメータを同定し、ＳＯＣを推定する部分である。演算部１２は、マイクロコントローラとして実装される。

続いて、図２及び図３を参照しながら、演算部１２の処理について説明する。図２に示されるように、等価回路モデルは、直流抵抗Ｒｓと、バトラー・ボルマーの式から導かれる非線形特性を持つ反応抵抗Ｒと、抵抗Ｒｗ１，Ｒｗ２及びキャパシタＣｗ１，Ｃｗ２の並列接続体が複数直列に接続された拡散抵抗と、によって構成されている。

図３に示される適応フィルタの基本形は、一般的に式（ｆ１）、式（ｆ２）によって表される。

式（ｆ１）及び式（ｆ２）における各項は次の通りである。尚、本実施形態においては、式中の太い文字はベクトルを表し、式中の通常の文字はスカラを表している。Ｗ，▽がベクトル、ｋ，μ，Ｊはスカラである。
Ｗ（ｋ）：フィルタのパラメータベクトル
ｋ：サンプリング数
μ：ステップサイズ
Ｊ：評価関数

この場合において、Ｗは等価回路モデル（図２参照）における拡散抵抗のパラメータであり、
Ｗ＝［Ｒｗ１ Ｒｗ２・・・Ｒｗｎ Ｃｗ１ Ｃｗ２・・・Ｃｗｎ］
ｎ：ＲＣ並列回路の次数
となる。以下の説明では、簡略化のためｎ＝１として説明する。また、以下の説明では、図２におけるＷに該当する部分のみを考える。尚、直流抵抗Ｒｓ及びバトラー・ボルマーの式から導かれる非線形性を持つ反応抵抗Ｒについては、別の方法で求めることができる。直流抵抗Ｒｓ及び反応抵抗ＲとＯＣＶとを合わせて考慮することで、電圧値測定部２２で測定した２次電池３２の電圧値（実出力値）から拡散抵抗部分の電圧を抜き出すことができる。

ここで、誤差ｅ、評価関数Ｊを式（ｆ３）、式（ｆ４）のように定義し、式（ｆ４）に式（ｆ３）を代入し、更にその代入したものを式（ｆ２）に代入すると、式（ｆ５）になる。ｄ（ｋ）は、電圧値測定部２２が測定する２次電池３２の電圧値である。ｙ（ｋ）は、電流値測定部２０が測定する２次電池３２の電流値に対するデジタルフィルタの出力（等価回路モデルの電圧値）である。

ここで、ｎ＝１の場合のｙ（＝Ｖ：電圧）を具体的に計算する。ＲＣ並列回路のインピーダンスは、式（ｆ６）によって求められる。

式（ｆ７）を用いて後退オイラー法によって離散化すると、式（ｆ８）が得られる。

式（ｆ８）からＶ（ｋ＋１）を求めると式（ｆ９）のようになる。

式（ｆ９）によると、Ｖの現在値を算出するためにはＶの過去値（式（ｆ９）における下線部）が必要となり、入れ子状態となるため再帰計算が必要となる。そのため、ｋが大きくなればなるほど、式が複雑になる。したがって、数式的に偏微分を求めるために式（ｆ１０）の破線枠ｙ（ｋ）に式（ｆ９）を代入して数式的に偏微分を求めることが困難となる。また、サンプリング数が多いほどデータを記憶するためのＲＡＭ容量が必要となる。

そこで本実施形態では、パラメータの微少変化量ｄＷを固定値（定数）とし、数値的に傾きを求める手法を採用する。具体的には、サンプリングタイム毎に、パラメータＷで誤差積和演算（誤差２乗和）を算出した結果と、予め決めておいたパラメータの微小変化量ｄＷだけパラメータをずらしパラメータをＷ＋ｄＷとしたときの誤差積和演算（誤差２乗和）を同時に算出しておき、同定タイミング（ｋ＝Ｎ）のときにパラメータＷ＋ｄＷのときの誤差２乗和をＮで割ったものからパラメータＷのときの誤差２乗和をＮで割ったものを引いたものをｄＷで割ることで▽を求める。このようにすることで、Ｒ，Ｃを変数としたままにする必要がなくなり、上述したような入れ子状態になることを防ぐことができ、計算が簡略化される。具体的には、式（ｆ１１）に示されるように、ｄＷを予め決めた上でｄＪを求め、ｄＪをｄＷで割ることで傾きを求める。

このようにすることで、偏微分のためにＲ，Ｃを変数のまま残しておく必要が無く、具体的な値を代入した状態で計算できるため、上述したような入れ子の問題が解消される。

更に、データを記憶するためのＲＡＭ容量を少なくするため、下記式（ｆ１２）、式（ｆ１３）、式（ｆ１４）、式（ｆ１５）の計算をサンプリングタイミング毎に行う。具体的には、式（ｆ１１）を一括で行う場合は計算に必要な全データを記憶しておく必要があるが、式（ｆ１２）、式（ｆ１３）、式（ｆ１４）、式（ｆ１５）の計算をサンプリングタイミング毎に行うことで全データ記憶する必要がなくなり、一括で行う場合に比べてＲＡＭ容量を少なくすることができる。

式（ｆ１２）、式（ｆ１３）誤差ｅを求める計算をブロック図に表わすと、図４のようになる。式（ｆ１２）は、パラメータＷの微少変化後の実出力値ｄ（ｋ）と等価出力値ｙ（ｋ）との比較結果を変化後推定誤差として算出するための式である。式（ｆ１３）は、パラメータＷの微少変化前の実出力値ｄ（ｋ）と等価出力値ｙ（ｋ）との比較結果を変化前推定誤差として算出するための式である。

続いて、等価回路モデルが１次（ｎ＝１）の場合のフローチャートである図５を参照しながら、パラメータの同定方法について説明する。図５に示されるフローチャートにおいて、ｋ，ｐの初期値は１であるものとする。また、パラメータの微少変化量ｄＷは、図５に示されるフローチャートの処理開始前に予め決定されているものとする。

ステップＳ０１では、電流値測定部２０及び電圧値測定部２２からの出力値に基づいて、データのサンプリングが行われる。ステップＳ０１に続くステップＳ０２では、上述した式（ｆ１２）、式（ｆ１３）を用いて、実出力値と等価出力値との差分を算出する。

ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、ステップＳ０２の算出結果及び式（ｆ１４）、式（ｆ１５）を用いて、誤差２乗和を求める。ステップＳ０３に続くステップＳ０４では、同定タイミング（ｋ＝Ｎ）となったか否かを判断する。同定タイミング（ｋ＝Ｎ）となっていればステップＳ０５の処理に進み、同定タイミング（ｋ＝Ｎ）となっていなけれればステップＳ１０の処理に進む。ステップＳ１０では、ｋをｋ＋１とし、処理を終了する。

ステップＳ０５では、式（ｆ１１）を用いて誤差２乗和をＮで割ってｅを求めると共に、▽を求める。

ステップＳ０５に続くステップＳ０６では、
Ｗ（ｐ＋１）＝Ｗ（ｐ）−μ・▽（ｋ）
を計算することでパラメータ同定を実行する。

ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、ｋを１とする。ステップＳ０８では、ｐをｐ＋１とし処理を終了する。

上述した本実施形態におけるＲＡＭ容量削減効果について、図６を参照しながら説明する。図６では、本実施形態のサンプリング態様と、比較例としてのサンプリング態様とを示している。また、矢印はサンプリング区間を示しており、サンプリング個数Ｎは３の例を示している。データをＮ個サンプリングした後に一括して計算する場合、Ｎ個全てのデータを記憶しておく必要がある。一方、本実施形態では、誤差２乗和を逐次計算していく方式を採用しているので、Ｎ個全てのデータを記憶しておく必要がない。更に、逐次計算を実行しているので、１回の計算量も少なくて済むという利点もある。従って、データを記憶するためのＲＡＭ容量を削減できるという効果に加えて、計算が簡略化されるという効果も奏する。

ただし、本実施形態ではデータをＮ個サンプリングした後に一括して計算するのではなく過去のサンプリングデータを保持せず捨ててしまうため、図６の比較例として記載された部分のように、パラメータ同定をパイプラインで処理することができない。換言すれば、サンプリングタイミング毎のパラメータ同定をすることができない。しかしながら、本実施形態の拡散抵抗はパラメータの変化速度が遅いため、図６で記載されたような計算方法でも特に問題が発生しない。

なお、上記実施形態は、ハイブリッド車に限らず、例えば電気自動車等、少なくとも電動機を駆動源とする車両に搭載された二次電池の制御装置に適用することが可能である。

本発明は上記の具体例に限定されるものではない。すなわち、上記の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置や条件等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０：電子制御装置（２次電池制御装置）
１２：演算部
３０：負荷（電動機）
３２：２次電池

Claims (4)

1. 少なくとも電動機（３０）を駆動源とする車両に搭載される２次電池（３２）を制御する２次電池制御装置（１０）であって、
   前記２次電池を表現した等価回路と、
   前記２次電池の実際の出力である実出力値と前記等価回路の出力である等価出力値とを比較した比較結果である推定誤差に基づいて前記等価回路のパラメータを同定する演算部（１２）と、を備え、
   前記演算部は、予め定められた前記パラメータの微少変化量と、前記比較結果を用いて求めた評価関数と、に基づいて、前記評価関数の傾きを数値的に求め、前記傾きに基づいて前記パラメータを更新する、ことを特徴とする２次電池制御装置。
2. 前記等価回路は、直流抵抗と、バトラー・ボルマーの式から導かれる非線形特性を持つ反応抵抗と、抵抗及びキャパシタの並列接続体が複数直列に接続された拡散抵抗と、によって構成されており、
   前記パラメータは、前記拡散抵抗のパラメータである、ことを特徴とする請求項１に記載の２次電池制御装置。
3. 前記演算部は、サンプリングタイミング毎に、
   前記パラメータの微少変化前の前記実出力値と前記等価出力値との比較結果を変化前推定誤差として算出するとともに、前記パラメータの微少変化後の前記実出力値と前記等価出力値との比較結果を変化後推定誤差として算出し、
   前記変化前推定誤差を用いて前記パラメータの微少変化前の変化前誤差２乗和を算出するとともに、前記変化後推定誤差を用いて前記パラメータの微少変化前の変化後誤差２乗和を算出する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の２次電池制御装置。
4. 前記演算部は、Ｎ（Ｎは２以上の整数）回の前記サンプリングタイミング毎における同定タイミングにおいて、
   前記変化後誤差２乗和を前記Ｎで割ったものから前記変化前誤差２乗和を前記Ｎで割ったものを引き、前記パラメータの微少変化量で割ることで前記パラメータの更新量を決定し前記パラメータを更新する、ことを特徴とする請求項３に記載の２次電池制御装置。

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