JP2018063115A - Charged state estimation system for secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、二次電池の充電状態推定システムに関する。 The present disclosure relates to a charging state estimation system for a secondary battery.
車両に搭載される二次電池は、車両走行に伴う充放電が頻繁に生じるので、その残容量または充電状態であるSOC(State Of Charge)の推定が重要である。推定方法の1つは、二次電池の開放回路電圧(Voltage of Open Circuit:VOC)とSOCとの関係を予め求めてマップ化しておき、VOCに対応するSOCを求める方法である。もう1つは、初期状態からの二次電池の充放電電流を積算し、これをSOCの初期値に加算する方法である。 Since the secondary battery mounted on the vehicle is frequently charged and discharged as the vehicle travels, it is important to estimate the remaining capacity or the state of charge (SOC) that is in a charged state. One of the estimation methods is a method in which the relationship between the open circuit voltage (Voltage of Open Circuit: VOC) of the secondary battery and the SOC is obtained in advance and mapped, and the SOC corresponding to the VOC is obtained. The other is a method in which the charge / discharge current of the secondary battery from the initial state is integrated and added to the initial value of the SOC.
特許文献1では、オリビン鉄系リチウムイオン電池は、コバルト系の電極材料を用いるリチウムイオン電池に比べコストが安く安全性が高く、電池電圧がSOCに対しほぼ一定のプラトー領域を広く取れることを述べている。プラトー領域が広いとVOCの変化が少ない領域が広くなり、VOCによるSOCの推定が困難である。したがって、車両走行において通常は充放電電流の積算によるSOC推定を行うこととするが、充放電電流の積算が続くとその積算誤差が大きくなる。そこで、充放電電流の積算期間が所定の制限期間を超えると、積算誤差の補正のためにSOCを高めまたは低めに移動させて、誤差の少ないVOCによるSOCの推定を行うことを開示している。
SOCを推定する方法において、VOCによる方法は、二次電池を開放状態にする必要があり、また、二次電池の電流電圧特性にはヒステリシスがあるので、充電状態か放電状態かで、VOCに対応するSOCが異なることがある。充放電電流の積算による方法は、二次電池を充放電しつつ行えるが、長期に渡る充放電電流の積算では、SOCの推定に誤差が生じ得る。充放電電流の積算が長期に渡る場合に、VOCによる方法で適宜補正しようとしても、車両に搭載される二次電池は過充電や過放電を防止するため、SOCが所定の範囲になるように充放電が制限されるので、プラトー領域の外側での充放電が困難なことがある。そこで、プラトー領域の広い二次電池についても適切にSOCを推定できる二次電池の充電状態推定システムが望まれる。 In the method for estimating the SOC, the VOC method requires the secondary battery to be in an open state, and the current-voltage characteristics of the secondary battery have hysteresis, so whether the VOC is charged or discharged. The corresponding SOC may be different. Although the method by integrating the charging / discharging current can be performed while charging / discharging the secondary battery, the integration of the charging / discharging current over a long period may cause an error in the estimation of the SOC. When charging / discharging current integration is performed over a long period of time, even if an attempt is made to correct appropriately by the VOC method, the secondary battery mounted on the vehicle is prevented from being overcharged or overdischarged so that the SOC is within a predetermined range. Since charging / discharging is limited, charging / discharging outside the plateau region may be difficult. Therefore, a secondary battery charge state estimation system that can appropriately estimate the SOC of a secondary battery having a wide plateau region is desired.
本開示に係る二次電池の充電状態推定システムは、二次電池に関する充放電電流、端子間電圧、及び電池温度を検出する電池状態検出部と、二次電池の内部抵抗と充電状態との間の関係を第1充電状態特性として、電池温度毎の第1充電状態特性を記憶する記憶部と、二次電池の充電状態を推定する推定装置と、を備え、推定装置は、予め定めた所定の取得時期において電池状態検出部から二次電池に関する充放電電流、端子間電圧、及び電池温度を取得し、取得した二次電池の充放電電流と端子間電圧とから二次電池の内部抵抗を算出し、算出された二次電池の内部抵抗を検索キーとして記憶部を検索し、対応する電池温度の第1充電状態特性における対応充電状態を取得し、取得した対応充電状態が1つである第1の場合は、その対応充電状態を二次電池の充電状態と推定し、取得した対応充電状態が2つである第2の場合は、所定の取得時期の直前において予め定めた時間範囲の間で充放電電流を取得しその積算値を求め、積算値の増加と共に内部抵抗が増加するかまたは減少するかに基づいて2つの対応充電状態の内のいずれか1を二次電池の充電状態と推定する。 A charging state estimation system for a secondary battery according to the present disclosure includes a battery state detection unit that detects a charging / discharging current, a voltage between terminals, and a battery temperature related to the secondary battery, and an internal resistance and a charging state of the secondary battery. The first charging state characteristic is a storage unit that stores the first charging state characteristic for each battery temperature, and an estimation device that estimates the charging state of the secondary battery. At the acquisition time, the battery state detection unit acquires the charge / discharge current, the voltage between terminals, and the battery temperature related to the secondary battery, and determines the internal resistance of the secondary battery from the acquired charge / discharge current and the voltage between the terminals. The storage unit is searched using the calculated internal resistance of the secondary battery as a search key, the corresponding charging state in the first charging state characteristic of the corresponding battery temperature is acquired, and the acquired corresponding charging state is one. In the first case, the response In the second case where the state is estimated as the charge state of the secondary battery and the two corresponding charge states are acquired, the charge / discharge current is acquired during a predetermined time range immediately before the predetermined acquisition time. An integrated value is obtained, and one of the two corresponding charged states is estimated as the charged state of the secondary battery based on whether the internal resistance increases or decreases as the integrated value increases.
上記構成によれば、積算誤差が生じ得る充放電電流の積算による充電状態(SOC)の推定を行わずに、充放電時の電流と電圧とから二次電池の内部抵抗を算出し、内部抵抗とSOCとの間の関係を利用して、SOCを推定する。充放電時の電圧変動は静止時の電圧変動よりも大きいので、開放回路電圧であるVOCを用いて充電状態を推定する方法に比べ、電圧検出手段の誤差の影響を受けにくく、SOCの推定精度が向上する。 According to the above configuration, the internal resistance of the secondary battery is calculated from the current and voltage at the time of charge / discharge without estimating the state of charge (SOC) by integrating the charge / discharge current that may cause an integration error. The SOC is estimated using the relationship between the SOC and the SOC. Since the voltage fluctuation at the time of charging / discharging is larger than the voltage fluctuation at rest, compared to the method of estimating the state of charge using VOC which is an open circuit voltage, the estimation accuracy of the SOC is less affected by the error of the voltage detection means. Will improve.
SOCが大きくなると内部抵抗がどのように変化するかについては、内部抵抗の単純増加または単純減少のみではなく、内部抵抗が一旦増加しその後減少する場合や、これとは逆に、内部抵抗はいったん減少しその後増加する場合がある。単純な増加及び単純な減少でない場合には、1つの内部抵抗について2つの対応SOCがあることになり、内部抵抗の算出のみではSOCを1つに特定できない。SOCは充放電電流の積算値と密接に関連するので、充放電電流の積算値が増加するときに内部抵抗が増加する場合は、SOCが増加するときに内部抵抗が増加することに相当する。逆に、充放電電流の積算値が増加するときに内部抵抗が減少する場合は、SOCが増加するときに内部抵抗が減少することに相当する。この関係を利用して、1つの内部抵抗について2つの対応SOCがあるときは、積算値の増加と共に内部抵抗が増加するかまたは減少するかに基づいて2つの対応SOCの内のいずれか1を二次電池のSOCと推定する。これにより、プラトー領域の広い二次電池についても適切にSOCを推定できる。 As for how the internal resistance changes as the SOC increases, it is not only a simple increase or decrease in the internal resistance, but also when the internal resistance increases once and then decreases. May decrease and then increase. If it is not a simple increase and a simple decrease, there will be two corresponding SOCs for one internal resistance, and it is not possible to specify one SOC only by calculating the internal resistance. Since the SOC is closely related to the integrated value of the charging / discharging current, when the internal resistance increases when the integrated value of the charging / discharging current increases, it corresponds to the increase of the internal resistance when the SOC increases. Conversely, when the internal resistance decreases when the integrated value of the charge / discharge current increases, this corresponds to a decrease in the internal resistance when the SOC increases. Using this relationship, when there are two corresponding SOCs for one internal resistance, one of the two corresponding SOCs is set based on whether the internal resistance increases or decreases as the integrated value increases. Estimated as the SOC of the secondary battery. Thereby, SOC can be estimated appropriately also about a secondary battery with a wide plateau area.
また、本開示に係る二次電池の充電状態推定システムにおいて、記憶部は、二次電池の初期値からの充放電電流の積算値と充電状態との間の関係を第2充電状態特性として、電池温度毎の第2充電状態を記憶し、推定装置は、第1充電状態特性に基づいて推定された第1推定充電状態と、第2充電状態特性に基づいて推定された第2推定充電状態とについて、充放電電流、電池温度、内部抵抗の変化率の内のいずれか1に基づいて定めた重み係数を第1推定充電状態に乗算した第1項に、(1−重み係数)を第2推定充電状態に乗算した第2項を加算して、二次電池の充電状態と推定する。 Further, in the charging state estimation system for the secondary battery according to the present disclosure, the storage unit uses the relationship between the integrated value of the charging / discharging current from the initial value of the secondary battery and the charging state as the second charging state characteristic, The second charging state for each battery temperature is stored, and the estimation device estimates the first estimated charging state estimated based on the first charging state characteristic and the second estimated charging state estimated based on the second charging state characteristic. For the first term obtained by multiplying the first estimated charge state by a weighting factor determined based on any one of the charge / discharge current, the battery temperature, and the change rate of the internal resistance, 2 The second term multiplied by the estimated charge state is added to estimate the charge state of the secondary battery.
上記構成によれば、内部抵抗に基づいて推定される第1推定充電状態と、充放電電流の積算値に基づいて推定される第2推定充電状態とを併用して、二次電池のSOCを推定する。内部抵抗に基づくSOCの推定は、充放電時の電圧変動が大きい状態のときに推定精度が比較的高くなると考えられる。充放電時の電圧変動は、充放電電流が大きいほど、電池温度が低いほど、内部抵抗の変化率が大きいほど、大きくなる。そこで、充放電時の電圧変動が大きくなる条件の下では、第1推定充電状態の寄与率を第2推定充電状態の寄与率よりも高くなる重み係数を用いることで、SOCの推定精度をさらに向上できる。 According to the above configuration, the SOC of the secondary battery is calculated by using both the first estimated charge state estimated based on the internal resistance and the second estimated charge state estimated based on the integrated value of the charge / discharge current. presume. The estimation of the SOC based on the internal resistance is considered to have a relatively high estimation accuracy when the voltage fluctuation during charging and discharging is large. The voltage fluctuation during charging / discharging increases as the charging / discharging current increases, the battery temperature decreases, and the rate of change of internal resistance increases. Therefore, under the condition that the voltage fluctuation at the time of charging / discharging becomes large, by using a weighting factor that makes the contribution rate of the first estimated charge state higher than the contribution rate of the second estimated charge state, the SOC estimation accuracy is further increased. Can be improved.
本開示に係る二次電池の充電状態推定システムは、プラトー領域の広い二次電池についても適切にSOCを推定できる。 The secondary battery charge state estimation system according to the present disclosure can appropriately estimate the SOC even for a secondary battery having a wide plateau region.
以下に図面を用いて実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システムにつき、詳細に説明する。以下では、ハイブリッド車両に搭載される二次電池について述べるが、これは説明のための例示であって、充放電状態が頻繁に生じる二次電池であればよく、例えば、据置型の二次電池であってもよい。以下では、二次電池として、SOCの変化に対するVOCの変化が少ないプラトー領域が広い特性を有する種類のリチウムイオン電池を述べるが、これは説明のための例示である。過充電や過放電を防止するためのSOC制御範囲がプラトー領域にある動作を行う二次電池であればよい。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, a charged state estimation system for a secondary battery according to an embodiment will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, a secondary battery mounted on a hybrid vehicle will be described. However, this is an example for explanation, and any secondary battery in which a charge / discharge state frequently occurs may be used. For example, a stationary secondary battery It may be. Hereinafter, as a secondary battery, a lithium ion battery of a type in which a plateau region with a small change in VOC with respect to a change in SOC has a wide characteristic will be described, but this is an illustrative example. Any secondary battery that performs an operation in which the SOC control range for preventing overcharge and overdischarge is in the plateau region may be used. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the same element in all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システム10の構成図である。二次電池の充電状態推定システム10は、ハイブリッド車両に搭載される二次電池20の充電状態を推定するシステムである。以下では、特に断らない限り、ハイブリッド車両を、単に車両と呼び、二次電池の充電状態推定システム10を、推定システム10と呼ぶ。推定システム10は、二次電池20と、推定装置30と、記憶部40とを含む。
FIG. 1 is a configuration diagram of a secondary battery charge
充電状態は、SOCと呼ばれるので、以下では、「充電状態」と「SOC」とを同義語として、適宜使い分けて述べる。例えば、「推定充電状態」は「推定SOC」と同義語であり、「対応充電状態」は「対応SOC」と同じである。但し、「充電状態特性」についてはそのまま用いて「SOC特性」とは呼ばない。 Since the state of charge is referred to as SOC, in the following, “charged state” and “SOC” will be used as synonyms and described appropriately. For example, “estimated state of charge” is synonymous with “estimated SOC”, and “corresponding state of charge” is the same as “corresponding SOC”. However, the “charge state characteristics” are used as they are and are not called “SOC characteristics”.
図1では、推定システム10の構成要素ではないが、二次電池20の負荷としてのインバータ12と、MGと示す回転電機14とが図示される。インバータ12は、二次電池20と回転電機14との間に設けられる交流直流電力変換回路である。インバータ12は、車両が走行中のとき、二次電池20が放電する直流電力を交流電力に変換して回転電機14に供給し、車両が制動中のとき、回転電機14の回生エネルギである交流電力を直流電力に変換して二次電池20を充電する。回転電機14は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータであって、ハイブリッド車両が走行中は電動機として作用し、車両が制動中は発電機として作用する三相同期型回転電機である。
In FIG. 1, although not a component of the
二次電池20は、複数の電池セル22を組み合わせた組電池である。電池セル22としては、リチウムイオン電池セルが用いられ、二次電池20は、リチウムイオン組電池である。1つの電池セル22の端子間電圧であるセル電圧vは、約3〜4V程度で、二次電池20は、これを複数個組み合わせて、所定の高電圧、大電流を出力可能にした高電圧電池である。二次電池20の端子間電圧の一例は、約200〜300Vである。図1では、複数の電池セル22を直列接続した二次電池20を示したが、出力される高電圧、大電流の仕様に応じ、直列接続と並列接続とを適宜組み合わせた二次電池20であってよい。
The
図2は、二次電池20のSOCとVOCとの関係を示す特性図である。横軸はSOCで、縦軸はVOCである。二次電池20は、SOC=0%のときにVOC=0Vであるが、SOC=0%から増加するに連れてVOCも増加し、やがてVOCが飽和する。その後は、SOCが増加してもVOCはほとんど変化せず、プラトー領域と呼ばれる領域になる。プラトー領域を越えてさらにSOCが増加するとVOCも増加を始め、SOC=100%のときに最大のVOCとなる。ハイブリッド車両は、二次電池20が過充電や過放電とならないように、車両走行中の二次電池20の充放電を制御し、SOCが所定の制御範囲となるようにする。SOC制御範囲の一例を挙げると、約30%から80%である。図2に、SOC制御範囲を示すが、プラトー領域は、SOC制御範囲よりも広い。プラトー領域では、VOCに基づいてSOCを推定することができない。そこで充放電電流の積算法によってSOCを推定することになるが、車両走行中におけるSOC制御範囲はプラトー領域に含まれているので、車両走行中はずっと充放電電流の積算法でSOCを推定することになる。長期に渡る積算は誤差も累積するので、適宜VOCで補正したいが、プラトー領域の両側でVOC法が使える領域はSOC制御範囲の外側である。換言すると、車両が走行中でSOC制御範囲にあるときは、VOCでの補正が困難である。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the SOC and VOC of the
車両のSOC制御範囲を含むような広いプラトー領域を有する特性の二次電池20としては以下のリチウムイオン電池が知られている。それは、正極活物質にリン酸鉄リチウム(LiFePO4)や、マンガン酸ニッケル酸リチウム(LiMn1.5Ni0.5O4)を用い、負極活物質にグラファイトやチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)を用いるものである。
The following lithium ion batteries are known as the
図1に戻り、セル電圧検出部23は、各電池セル22のそれぞれのセル電圧vを検出する複数の電圧検出手段の集合体である。電圧検出部24は、二次電池20の端子間電圧Vを検出する電圧検出手段で、1つの組電池である二次電池20の正極側母線と負極側母線との間に設けられる。電池温度検出部26は、各電池セル22のそれぞれの電池温度θを検出する温度検出手段である。電池温度検出部26は、各電池セル22毎に設けるものとしたが、場合によっては、二次電池20の全体に渡って所定の個数で設けてもよい。例えば、二次電池20の両端部と中間部の3カ所に設けてもよい。充放電電流検出部28は、二次電池20の充放電電流Iを検出する電流検出手段で、二次電池20の負極側母線に設けられる。
Returning to FIG. 1, the cell
セル電圧検出部23、電圧検出部24、電池温度検出部26、充放電電流検出部28は、二次電池20についての電池状態検出部と呼ぶことができる。セル電圧検出部23が検出するセル電圧v、電圧検出部24が検出する二次電池20の端子間電圧V、電池温度検出部26が検出する電池温度θ、充放電電流検出部28が検出する充放電電流Iは、それぞれ適当な信号線を介して推定装置30に伝送される。
The cell
推定装置30は、図2のような広いプラトー領域を有する二次電池20のSOCを推定する演算装置である。かかる推定装置30としては、車両搭載に適したコンピュータが用いられる。推定装置30は、独立の装置としてもよいが、車両に搭載される他の制御装置に含ませてもよい。例えば、車両の駆動制御装置、車両の統合制御装置等に、推定装置30を含ませてもよい。
The
推定装置30は、電池状態検出部から二次電池20に関する充放電電流I、端子間電圧V、及び電池温度θを取得する電池状態取得部32と、充放電電流Iと端子間電圧Vとから二次電池20の内部抵抗Rを算出する内部抵抗算出部34を含む。さらに、内部抵抗Rに基づいて、二次電池20のSOCを推定する充電状態推定部36を含む。推定装置30のこれらの機能は、推定装置30がソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、推定装置30が充電状態推定処理プログラムの各処理手順を実行することで実現される。上記機能の一部をハードウェアで実現してもよい。
The
推定装置30に接続される記憶部40は、推定装置30において用いられるプログラムを格納し、また、データ処理の結果を一時的に記憶するメモリである。ここでは、SOCを推定するために用いられる幾つかのファイルを記憶する。第1ファイル42は、内部抵抗RとSOCとの間の関係を第1充電状態特性として、電池温度θ毎に第1充電状態特性をマップ化したファイルである。第2ファイル44は、充放電電流の積算値ΣIとSOCとの間の関係を第2充電状態特性として、電池温度θ毎に第1充電状態特性をマップ化したファイルである。第3ファイル46は、第1充電状態特性に基づき推定される第1推定SOCと、第2充電状態特性に基づき推定される第2推定SOCとを用いて充電状態を推定するときの第1推定SOCと第2推定SOCとの間の重み係数をマップ化したファイルである。
The
上記では、第1ファイル42、第2ファイル44、第3ファイル46をマップ化したファイルとした。マップ化ファイルの例は、ルックアップテーブル形式の関係マップである。マップ化ファイルの他に、数式化ファイルであってもよい。あるいは、内部抵抗R、充放電電流の積算値ΣI等を入力するとSOCの推定値が出力されるROM形式を用いてもよい。
In the above description, the
上記構成の作用、特に、推定装置30の各機能と、記憶部40に記憶される各ファイルの内容について、図3〜図9を用いてさらに詳細に説明する。
The operation of the above configuration, in particular, each function of the
図3は、推定システム10における二次電池20のSOC推定の手順を示すフローチャートである。各手順は、充電状態推定処理プログラムの各処理手順に対応する。二次電池20は広いプラトー領域を有するので、VOCに基づくSOC推定が行うことができず、SOC制御範囲はプラトー領域に含まれるので、充放電電流の積算に基づくSOC推定を行うと、積算誤差が生じ得、これを補正するためのVOCを用いにくい。そこで、二次電池20の内部抵抗RとSOCとの間の関係を利用してSOCを推定する。この方法によれば、充放電時の電圧変動は静止時の電圧変動よりも大きいので、開放回路電圧であるVOCを用いてSOCを推定する方法に比べ、電圧検出手段の誤差の影響を受けにくく、SOCの推定精度が向上する。
FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for estimating the SOC of the
二次電池20の内部抵抗Rを利用するSOC推定の手順の最初は、充放電電流I、端子間電圧V、及び電池温度θの取得である(S10)。この処理手順は、推定装置30の電池状態取得部32の機能によって実行される。具体的には、充放電電流検出部28から伝送されてくる充放電電流I、電圧検出部24から伝送されてくる二次電池20の端子間電圧V、電池温度検出部26から伝送されてくる電池温度θを取得する。二次電池20は、複数の電池セル22で構成されているので、セル電圧検出部23から伝送されてくる各電池セル22のセル電圧vを取得することが好ましいが、以下では、端子間電圧Vに各電池セル22のセル電圧vを代表させることとする。
The first of the SOC estimation procedures using the internal resistance R of the
S10は、予め定めた所定の取得時期に行われる。所定の取得時期は、予め定めた取得周期毎の時期である。取得周期は、車両のSOC制御の周期に基づいて定められる。常に最新の推定SOCに基づいてSOC制御を行うときは、SOC制御周期とS10の取得周期は同じである。他の例として、SOCの10制御周期毎にSOCの推定値を更新するときは、S10の取得周期は、SOC制御周期の10倍である。上記の取得周期の長さは例示であって、これらと異なる長さであってもよい。 S10 is performed at a predetermined acquisition time. The predetermined acquisition time is a time for each predetermined acquisition cycle. The acquisition cycle is determined based on the SOC control cycle of the vehicle. When SOC control is always performed based on the latest estimated SOC, the SOC control cycle and the acquisition cycle of S10 are the same. As another example, when the estimated value of SOC is updated every 10 control cycles of SOC, the acquisition cycle of S10 is 10 times the SOC control cycle. The length of the above acquisition cycle is an example, and may be a length different from these.
S10の次に、取得した二次電池20の充放電電流Iと端子間電圧Vとから二次電池20の内部抵抗Rを算出する(S12)。この処理手順は、推定装置30の内部抵抗算出部34の機能によって実行される。具体的には、内部抵抗R={(端子間電圧V)/(充放電電流I)}の式を用いて内部抵抗Rを算出する。以下では、場合に応じて、内部抵抗Rを単にRと示す。
After S10, the internal resistance R of the
算出された内部抵抗RをR1とすると、R=R1を検索キーとして記憶部40の第1ファイル42の第1充電状態特性を検索する(S14)。そして、対応する電池温度θにおける対応SOCを取得する。第1充電状態特性は、Rの変化に対するSOCの変化を示す特性である。二次電池20は電池の種類が異なる場合や、同じ種類であっても経時変化が異なる場合等によって、第1充電状態特性が異なってくる。
Calculated internal resistance R when the R 1, searches the first state of charge characteristics of the
第1充電状態特性の代表例を図4と図5(a)に示す。これらの図の横軸はSOC、縦軸はRである。図4の特性50は、SOCの増加に対し、Rが単純増加する特性である。図5(a)の特性52は、SOCの増加に対し、Rは減少した後増加に転じ、R−SOC平面で下側凸の関数形を有する特性である。なお、特性50,52は、電池温度θによって異なるが、図4、図5(a)では、S10で取得した電池温度θの条件の下の特性50,52を示す。以下においても、特に断らないが、第1充電状態特性等の充電状態特性、及び、推定されたSOCは、S10で取得した電池温度θの下におけるものである。
Representative examples of the first charge state characteristics are shown in FIGS. 4 and 5A. In these figures, the horizontal axis is SOC, and the vertical axis is R. A characteristic 50 in FIG. 4 is a characteristic in which R simply increases as the SOC increases. A characteristic 52 in FIG. 5A is a characteristic having an upward convex function shape in the R-SOC plane, with R increasing and then increasing as the SOC increases. Although the
S12で算出された内部抵抗R=R1であるので、図4において、R=R1の直線を引くと、特性50と交わるのは、点Aの1つだけで、点Aにおける対応SOCは、SOC(A)である。これに対し、図5(a)について、R=R1の直線を引くと、特性52と交わるのは、点Bと点Cの2つである。点Bにおける対応SOCは、SOC(B)であり、点Cにおける対応SOCは、SOC(B)である。 Since the internal resistance R = R 1 calculated in S12 is shown, when a straight line R = R 1 is drawn in FIG. 4, only one of the points A intersects with the characteristic 50, and the corresponding SOC at the point A is , SOC (A). On the other hand, with respect to FIG. 5A, when a straight line of R = R 1 is drawn, two points B and C intersect with the characteristic 52. The corresponding SOC at point B is SOC (B), and the corresponding SOC at point C is SOC (B).
このように、第1充電状態特性が特性50のように、SOCの増加に対しRが単純増加する特性の場合には、R=R1を与えたときの対応SOCは1つだけなので、SOCが推定できる。特性50とは逆に、第1充電状態特性がSOCの増加に対しRが単純減少する特性の場合も同じである。これに対し、第1充電状態特性が特性52のように、R−SOC平面で下側凸の関数形を有する特性の場合には、R=R1を与えると対応SOCが2つ現われ、そのままではSOCの推定ができない。この場合、2つの対応SOCのいずれが適切な推定SOCかの特定をする必要がある。特性52とは逆に、第1充電状態特性がR−SOC平面で上側凸の関数形を有する特性の場合も同じである。 Thus, when the first charge state characteristic is a characteristic in which R is simply increased with respect to an increase in SOC, such as characteristic 50, since there is only one corresponding SOC when R = R 1 is given, the SOC Can be estimated. Contrary to the characteristic 50, the same applies to the case where the first charge state characteristic is a characteristic in which R simply decreases as the SOC increases. On the other hand, in the case where the first charge state characteristic is a characteristic having a downward convex function shape in the R-SOC plane, such as the characteristic 52, if R = R 1 is given, two corresponding SOCs appear. Then, the SOC cannot be estimated. In this case, it is necessary to specify which of the two corresponding SOCs is an appropriate estimated SOC. Contrary to the characteristic 52, the same applies to the case where the first state-of-charge characteristic has an upward convex function shape on the R-SOC plane.
図3に戻り、S14でR=R1を検索キーとして第1充電状態特性を検索した後、検索された対応SOCは1つでなく2つか否かが判定される(S16)。判定が否定されるときは、検索された対応SOCは1つで、その対応SOCを二次電池20のSOCと推定する。これは図4の例に相当し、検索された1つの対応SOCであるSOC(A)が二次電池20のSOCと推定される。推定されたSOCは、第1充電状態特性によって推定されたSOCであるので、第1推定SOCと呼ぶ(S20)。
Returning to FIG. 3, after searching for the first state-of-charge characteristic using R = R 1 as a search key in
S16の判定が肯定されると、2つの対応SOCのいずれが適切な推定SOCかの特定をするために、直前の充放電電流の積算値ΣIと、Rとの間の関係を確認する(S18)。SOCは充放電電流の積算値ΣIと密接に関連するので、充放電電流の積算値ΣIが増加するときに内部抵抗Rが増加する場合は、SOCが増加するときに内部抵抗Rが増加することに相当する。逆に、充放電電流の積算値ΣIが増加するときに内部抵抗Rが減少する場合は、SOCが増加するときに内部抵抗Rが減少することに相当する。この関係を利用して、1つの内部抵抗R=R1について2つの対応SOCがあるときは、充放電電流の積算値ΣIの増加と共に内部抵抗Rが増加するかまたは減少するかに基づいて2つの対応SOCの内のいずれか1を二次電池20のSOCと推定する。
If the determination in S16 is affirmative, in order to identify which of the two corresponding SOCs is an appropriate estimated SOC, the relationship between the previous charge / discharge current integrated value ΣI and R is confirmed (S18). ). Since the SOC is closely related to the integrated value ΣI of the charge / discharge current, if the internal resistance R increases when the integrated value ΣI of the charge / discharge current increases, the internal resistance R increases when the SOC increases. It corresponds to. Conversely, when the internal resistance R decreases when the integrated value ΣI of the charge / discharge current increases, this corresponds to a decrease in the internal resistance R when the SOC increases. Using this relationship, when there are two corresponding SOCs for one internal resistance R = R 1 , 2 is determined based on whether the internal resistance R increases or decreases with an increase in the integrated value ΣI of the charge / discharge current. Any one of the two corresponding SOCs is estimated as the SOC of the
図5において、2つの対応SOCであるSOC(B)とSOC(C)のそれぞれについて、直前のΣIとRとの関係を図5(b)と(c)に示す。図5(b)、(c)の横軸はΣI、縦軸はRである。直前のΣIとは、S10でI,V,θを取得した取得時期の直前において予め定めた時間範囲の間で充放電電流Iを取得し、それを積算した値である。I,V,θを取得するのは、取得周期で繰り返されるので、予め定めた時間範囲は、予め定めた取得周期の数に相当する時間範囲となる。図6の例におけるΣIは、S10でI,V,θを取得した取得時期から6取得周期分を遡り、そこからS10でI,V,θを取得した取得時期までの期間における充放電電流Iを取得し、それを積算した値となる。6取得周期分遡るのは、説明のための例示であり、積算誤差があまり大きくならない範囲で、遡る取得周期の数を定めることができる。一例を挙げると、5取得周期から10取得周期の範囲とできる。長期に渡るΣIは、積算誤差が大きくなるが、S18におけるΣIは、例えば取得周期の5〜10倍程度の短期間であるので、積算誤差がほとんど生じない。 FIG. 5B and FIG. 5C show the relationship between the immediately preceding ΣI and R for each of the two corresponding SOCs, SOC (B) and SOC (C). 5B and 5C, the horizontal axis is ΣI, and the vertical axis is R. The immediately preceding ΣI is a value obtained by acquiring and integrating the charge / discharge current I during a predetermined time range immediately before the acquisition timing at which I, V, θ is acquired in S10. Since the acquisition of I, V, and θ is repeated at the acquisition cycle, the predetermined time range is a time range corresponding to the predetermined number of acquisition cycles. ΣI in the example of FIG. 6 goes back six acquisition cycles from the acquisition time at which I, V, θ was acquired at S10, and from there until the acquisition time at which I, V, θ was acquired at S10. Is obtained and the value obtained by integrating it. Going back six acquisition cycles is an example for explanation, and the number of acquisition cycles going back can be determined within a range where the integration error does not become so large. As an example, it can be in the range of 5 acquisition cycles to 10 acquisition cycles. ΣI over a long period has a large integration error. However, since ΣI in S18 is a short period of, for example, about 5 to 10 times the acquisition cycle, there is almost no integration error.
図5(b)は、SOCが増加するときに内部抵抗Rが減少する点Bに関するので、充放電電流の積算値ΣIの増加と共に内部抵抗Rが減少している。(c)は、SOCが増加するときに内部抵抗Rが増加する点Cに関するので、充放電電流の積算値ΣIの増加と共に内部抵抗Rが増加している。この関係を用い、R=R1を与えたときに対応SOCが2つ現われるときは、その直前の充放電電流の積算値ΣIと、Rとの間の関係を確認し、図5(b)の関係であるときは、点Bに対応するSOC(B)が適切な推定SOCとなる。逆に、確認された積算値ΣIとRとの間の関係が図5(c)の関係であるときは、点Cに対応するSOC(C)が適切な推定SOCとなる。このようにして、2つの対応SOCの内の1つが適切な推定SOCと特定される。推定されたSOCは、第1充電状態特性に基づいて推定されたSOCであるので、第1推定SOCである(S20)。 Since FIG. 5B relates to the point B where the internal resistance R decreases when the SOC increases, the internal resistance R decreases as the integrated value ΣI of the charge / discharge current increases. (C) relates to the point C at which the internal resistance R increases when the SOC increases, so that the internal resistance R increases as the integrated value ΣI of the charge / discharge current increases. Using this relationship, when two corresponding SOCs appear when R = R 1 is given, the relationship between the charge / discharge current integrated value ΣI and R immediately before that is confirmed, and FIG. If so, the SOC (B) corresponding to the point B is an appropriate estimated SOC. On the contrary, when the relationship between the confirmed integrated value ΣI and R is the relationship of FIG. 5C, the SOC (C) corresponding to the point C is an appropriate estimated SOC. In this way, one of the two corresponding SOCs is identified as an appropriate estimated SOC. Since the estimated SOC is the SOC estimated based on the first charge state characteristic, it is the first estimated SOC (S20).
第1充電状態特性の他にもSOCを推定する方法があるので、それらによって推定されたSOCを考慮して第1推定SOCを適切に補正して二次電池20のSOCの推定精度を向上させることができる。そこで、S20の次に、SOCの推定精度をさらに向上させるか否かの判定が行われる(S22)。この判定は、ユーザが行ってもよいが、推定装置30が予め定めた判定基準を用いて行うことがよい。例えば、各取得周期毎に推定される第1推定SOCの推移に基づき、推移の変化量が所定変化量を超えるときに、S22の判定を肯定する。
Since there is a method for estimating the SOC in addition to the first charge state characteristic, the first estimated SOC is appropriately corrected in consideration of the SOC estimated by them to improve the estimation accuracy of the SOC of the
S22の判定が否定されるときは、第1推定SOCの推定精度がSOC制御にとって十分な場合であるので、第1推定SOCを、二次電池20のSOCと推定する(S32)。S22の判定が肯定されるときは、第1充電状態特性の他のSOC推定方法を用いて、第1推定SOCとは別の推定SOCを求める。第1充電状態特性の他のSOC推定方法としては、VOCに基づく方法があるが、図2で説明したように、プラトー領域が広い二次電池20については余り適切ではない。もう1つの方法は、充放電電流の積算値ΣIに基づいてSOCを推定する方法である。ここでは、充放電電流の積算値ΣIとSOCとの間の関係を第2充電状態特性として、これに基づいて推定されるSOCを用いる。
When the determination in S22 is negative, since the estimation accuracy of the first estimated SOC is sufficient for the SOC control, the first estimated SOC is estimated as the SOC of the secondary battery 20 (S32). When the determination in S22 is affirmative, an estimated SOC different from the first estimated SOC is obtained using another SOC estimation method of the first charge state characteristic. As another SOC estimation method of the first charge state characteristic, there is a method based on VOC, but as described with reference to FIG. 2, the
図6は、第2充電状態特性の例を示す図である。横軸は充放電電流の積算値ΣIで、縦軸はSOCである。特性54は、初期状態のSOCであるSOC0を初期値として、初期状態からのΣIが増加するに連れて、SOCが次第に増加する。第2充電状態特性は、予め求められて、記憶部40の第2ファイル44に記憶される。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the second charge state characteristic. The horizontal axis is the integrated value ΣI of the charge / discharge current, and the vertical axis is the SOC. The characteristic 54 has SOC 0 that is the SOC in the initial state as an initial value, and the SOC gradually increases as ΣI from the initial state increases. The second charge state characteristic is obtained in advance and stored in the
初期値のSOC0は、車両の運行開始時点のSOCとすることができる。例えば、車両においてイグニッションスイッチ等の始動スイッチをオンした時点の二次電池20のVOCに基づいてSOCを推定し、これをSOC0とする。この時点からS10は定められた取得周期でI,V,θの取得を行う。取得したI,V,θは、記憶部40の図示しない電池状態データファイルに逐次記憶されるので、そのデータを用いて、それぞれの取得周期におけるΣIを算出する(S24)。
The initial value SOC 0 can be the SOC at the start of vehicle operation. For example, the SOC is estimated based on the VOC of the
算出された充放電電流の積算値を(ΣI)1とすると、ΣI=(ΣI)1を検索キーとして記憶部40の第2ファイル44の第2充電状態特性を検索する(S26)。そして、対応する電池温度θにおける対応SOCを取得する。図6の特性54を用いると、ΣI=(ΣI)1の直線を引いて特性54と交わる点DのSOCが対応SOC(D)である。これを第2充電状態特性に基づく推定SOCとして、第2推定SOCと呼ぶ(S28)。
If the calculated integrated value of the charge / discharge current is (ΣI) 1 , the second charge state characteristic of the
第2推定SOCが求められると、次に、第1推定SOCとの間で重みづけ加算を行い(S30)、その結果を二次電池20の推定SOCとする(S32)。 When the second estimated SOC is obtained, next, weighted addition is performed with the first estimated SOC (S30), and the result is set as the estimated SOC of the secondary battery 20 (S32).
S30の重みづけ加算は、重み係数kを用い、次のようにして行う。重み係数kは、0から1の間の値である。すなわち、S20の第1推定SOCにkを乗算して第1項とし、S28の第2推定SOCに(1−k)を乗算して第2項とし、第1項と第2項とを加算する。加算した結果が二次電池20の推定SOCとなる。
The weighted addition in S30 is performed as follows using the weighting factor k. The weighting factor k is a value between 0 and 1. That is, the first estimated SOC of S20 is multiplied by k to be the first term, the second estimated SOC of S28 is multiplied by (1-k) to be the second term, and the first and second terms are added. To do. The added result is the estimated SOC of the
重み係数kは、内部抵抗Rに基づくSOCの推定の特質に基づいて定めることができる。内部抵抗Rに基づくSOCの推定においては、充放電時の電圧変動が大きい状態のときに推定精度が比較的高くなると考えられる。充放電時の電圧変動は、充放電電流Iが大きいほど、電池温度θが低いほど、内部抵抗Rの変化率ΔRが大きいほど、大きくなる。そこで、充放電時の電圧変動が大きくなる条件の下では、第1推定SOCの寄与率を第2推定SOCの寄与率よりも高くなるように重み係数kを定める。 The weighting factor k can be determined based on the characteristics of the SOC estimation based on the internal resistance R. In the estimation of the SOC based on the internal resistance R, it is considered that the estimation accuracy is relatively high when the voltage fluctuation during charging / discharging is large. The voltage fluctuation during charging / discharging increases as the charging / discharging current I increases, the battery temperature θ decreases, and the change rate ΔR of the internal resistance R increases. Therefore, the weighting factor k is determined so that the contribution rate of the first estimated SOC is higher than the contribution rate of the second estimated SOC under the condition that the voltage fluctuation during charging / discharging becomes large.
図7は、充放電電流Iの大小に関する重み係数kの関数形の4つの例を示す図である。これらの図において、横軸は充放電電流Iで、縦軸は重み係数kである。図7(a)において、重み係数kの関数形f1は、充放電電流Iの増減に対し線形で増減する。(b)の関数形f2は、充放電電流Iの増減に対し、2乗で増減する。(c)の関数形f3は、充放電電流Iの増減に対し、指数関数的に増減する。(d)の関数形f4は、充放電電流Iの増減に対し、階段状に増減する。いずれの関数形が適切かは、実験等によって定めることができる。いずれの関数形も、充放電電流Iが増加するほど、重み係数kが増大し、二次電池20の推定SOCにおける第1推定SOCの寄与率が高まる。
FIG. 7 is a diagram showing four examples of the function form of the weighting coefficient k relating to the magnitude of the charging / discharging current I. In these figures, the horizontal axis is the charge / discharge current I, and the vertical axis is the weighting factor k. In FIG. 7A, the function form f1 of the weighting coefficient k increases and decreases linearly with respect to the increase and decrease of the charge / discharge current I. The function form f2 of (b) increases / decreases by a square to the increase / decrease of the charge / discharge current I. The function form f3 of (c) increases and decreases exponentially with the increase and decrease of the charge / discharge current I. The function form f4 of (d) increases or decreases stepwise with respect to the increase / decrease of the charge / discharge current I. Which function form is appropriate can be determined by experiments or the like. In any function form, the weight coefficient k increases as the charge / discharge current I increases, and the contribution rate of the first estimated SOC in the estimated SOC of the
図8は、電池温度θの高低に関する重み係数kの関数形の4つの例を示す図である。これらの図において、横軸は電池温度θで、縦軸は重み係数kである。図8(a)において、重み係数kの関数形g1は、電池温度θが低温になるに連れて線形で大きくなる。(b)の関数形g2は、電池温度θが低温になるに連れて反比例的に大きくなる。(c)の関数形g3は、電池温度θが低温になるに連れ、指数関数的に大きくなる。(d)の関数形g4は、電池温度θが低温になると、階段状に大きくなる。いずれの関数形が適切かは、実験等によって定めることができる。いずれの関数形も、電池温度θが低温になるに連れ、重み係数kが増大し、二次電池20の推定SOCにおける第1推定SOCの寄与率が高まる。
FIG. 8 is a diagram illustrating four examples of the function form of the weight coefficient k relating to the level of the battery temperature θ. In these figures, the horizontal axis is the battery temperature θ, and the vertical axis is the weighting factor k. In FIG. 8A, the function form g1 of the weighting factor k increases linearly as the battery temperature θ decreases. The function form g2 of (b) increases inversely as the battery temperature θ decreases. The function form g3 in (c) increases exponentially as the battery temperature θ decreases. The function form g4 of (d) increases stepwise when the battery temperature θ becomes low. Which function form is appropriate can be determined by experiments or the like. In any function form, the weight coefficient k increases as the battery temperature θ decreases, and the contribution rate of the first estimated SOC in the estimated SOC of the
図9は、内部抵抗Rの変化率ΔRに関する重み係数kの関数形の例を示す図である。横軸は内部抵抗Rの変化率ΔRで、縦軸は重み係数kである。図8の関数形h1は、ΔRが大きくなるに連れて大きくなる。すなわち、内部抵抗Rの変化率が大きいほど、重み係数kが増大し、二次電池20の推定SOCにおける第1推定SOCの寄与率が高まる。
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a function form of the weighting coefficient k regarding the change rate ΔR of the internal resistance R. The horizontal axis is the rate of change ΔR of the internal resistance R, and the vertical axis is the weighting factor k. The function form h1 in FIG. 8 increases as ΔR increases. That is, as the change rate of the internal resistance R is larger, the weighting coefficient k is increased, and the contribution rate of the first estimated SOC in the estimated SOC of the
このように、第1推定SOCと第2推定SOCの併用において、適切な重み係数kを用いることで、二次電池20のSOCの推定精度がさらに向上する。
Thus, in the combined use of the first estimated SOC and the second estimated SOC, by using an appropriate weighting factor k, the SOC estimation accuracy of the
本実施の形態に係る二次電池の充電状態推定システム10は、二次電池20に関する充放電電流I、端子間電圧V、及び電池温度θを検出する電池状態検出部を備える。さらに、二次電池20の内部抵抗Rと充電状態であるSOCとの間の関係を第1充電状態特性として、電池温度θ毎の第1充電状態特性を記憶する記憶部40と、二次電池20の充電状態であるSOCを推定する推定装置30とを備える。推定装置30は、電池状態検出部から二次電池20に関する充放電電流I、端子間電圧V、及び電池温度θを取得し、取得した二次電池20の充放電電流Iと端子間電圧Vとから二次電池の内部抵抗Rを算出する。そして、算出された二次電池20の内部抵抗Rを検索キーとして記憶部40を検索し、対応する電池温度θの第1充電状態特性において対応充電状態である対応SOCを取得する。取得した対応充電状態が1つである第1の場合は、その対応充電状態を二次電池20の充電状態であるSOCと推定する。取得した対応充電状態である対応SOCが2つである第2の場合は、その時点から予め定めた時間範囲の間で充放電電流Iを取得しその積算値ΣIを求める。そして、積算値ΣIの増加と共に内部抵抗Rが増加するかまたは減少するかに基づいて2つの対応充電状態の内のいずれか1を二次電池20の充電状態であるSOCと推定する。
The secondary battery charge
10 (二次電池の充電状態)推定システム、12 インバータ、14 回転電機、20 二次電池、22 電池セル、23 セル電圧検出部、24 電圧検出部、26 電池温度検出部、28 充放電電流検出部、30 推定装置、32 電池状態取得部、34 内部抵抗算出部、36 充電状態推定部、40 記憶部、42 第1ファイル、44 第2ファイル、46 第3ファイル、50,52,54 特性。 10 (charged state of secondary battery) estimation system, 12 inverter, 14 rotating electrical machine, 20 secondary battery, 22 battery cell, 23 cell voltage detector, 24 voltage detector, 26 battery temperature detector, 28 charge / discharge current detection Unit, 30 estimation device, 32 battery state acquisition unit, 34 internal resistance calculation unit, 36 charge state estimation unit, 40 storage unit, 42 first file, 44 second file, 46 third file, 50, 52, 54 characteristics.
Claims (2)
前記二次電池の内部抵抗と充電状態との間の関係を第1充電状態特性として、前記電池温度毎の第1充電状態特性を記憶する記憶部と、
前記二次電池の前記充電状態を推定する推定装置と、
を備え、
前記推定装置は、
予め定めた所定の取得時期において前記電池状態検出部から前記二次電池に関する前記充放電電流、前記端子間電圧、及び前記電池温度を取得し、
取得した前記二次電池の前記充放電電流と前記端子間電圧とから前記二次電池の前記内部抵抗を算出し、
算出された前記二次電池の前記内部抵抗を検索キーとして前記記憶部を検索し、対応する前記電池温度の前記第1充電状態特性における対応充電状態を取得し、
取得した前記対応充電状態が1つである第1の場合は、その該対応充電状態を前記二次電池の前記充電状態と推定し、
取得した前記対応充電状態が2つである第2の場合は、前記所定の取得時期の直前において予め定めた時間範囲の間で前記充放電電流を取得しその積算値を求め、該積算値の増加と共に前記内部抵抗が増加するかまたは減少するかに基づいて2つの前記対応充電状態の内のいずれか1を前記二次電池の前記充電状態と推定する、二次電池の充電状態推定システム。 A battery state detection unit for detecting a charge / discharge current, a voltage between terminals, and a battery temperature related to the secondary battery;
A storage unit that stores a first charge state characteristic for each of the battery temperatures, with a relationship between an internal resistance and a charge state of the secondary battery as a first charge state characteristic;
An estimation device for estimating the state of charge of the secondary battery;
With
The estimation device includes:
Obtaining the charge / discharge current, the voltage between the terminals, and the battery temperature related to the secondary battery from the battery state detection unit at a predetermined acquisition time set in advance;
The internal resistance of the secondary battery is calculated from the charge / discharge current of the acquired secondary battery and the inter-terminal voltage,
Search the storage unit using the calculated internal resistance of the secondary battery as a search key, and obtain a corresponding charge state in the first charge state characteristic of the corresponding battery temperature;
In the first case where the acquired corresponding charging state is one, the corresponding charging state is estimated as the charging state of the secondary battery,
In the second case where the acquired two corresponding charging states are obtained, the charge / discharge current is acquired during a predetermined time range immediately before the predetermined acquisition time, and the integrated value is obtained. A charging state estimation system for a secondary battery, wherein one of two corresponding charging states is estimated as the charging state of the secondary battery based on whether the internal resistance increases or decreases with increasing.
前記二次電池の初期値からの前記充放電電流の前記積算値と前記充電状態との間の関係を第2充電状態特性として、前記電池温度毎の前記第2充電状態を記憶し、
前記推定装置は、
前記第1充電状態特性に基づいて推定された第1推定充電状態と、前記第2充電状態特性に基づいて推定された第2推定充電状態とについて、前記充放電電流、前記電池温度、前記内部抵抗の変化率の内のいずれか1に基づいて定めた重み係数を前記第1推定充電状態に乗算した第1項に、(1−重み係数)を前記第2推定充電状態に乗算した第2項を加算して、前記二次電池の前記充電状態と推定する、請求項1に記載の二次電池の充電状態推定システム。 The storage unit
The relationship between the integrated value of the charge / discharge current from the initial value of the secondary battery and the state of charge is a second state of charge characteristic, the second state of charge for each battery temperature is stored,
The estimation device includes:
For the first estimated charge state estimated based on the first charge state characteristic and the second estimated charge state estimated based on the second charge state characteristic, the charge / discharge current, the battery temperature, the internal A first term obtained by multiplying the first estimated charging state by a weighting factor determined based on any one of the resistance change rates, and a second term obtained by multiplying the second estimated charging state by (1-weighting factor). The charging state estimation system of the secondary battery according to claim 1, wherein the charging state of the secondary battery is estimated by adding the terms.
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