JP2018084549A - 二次電池の状態推定装置及び二次電池の状態推定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】バッテリの状態推定装置は、端子電圧を検出する電圧センサ4と、電流を検出する電流センサ3と、電圧センサ4の検出値、電流センサ3の検出値、及びバッテリにおける開放電圧OCVと充電率SOCとの関係を規定した関数g(SOC)を用いることにより、正極容量維持率Cc及び負極容量維持率Ca、組成相対ずれ容量ΔQc−ΔQa、正極劣化生成物量dc、及び充電率SOCの推定値を算出するパラメータ推定部7と、正極容量維持率Cc、負極容量維持率Ca、組成相対ずれ容量ΔQc−ΔQa、及び正極劣化生成物量dcの推定値を用いることによって関数g(SOC)を設定する劣化変動モデル設定部8と、を備える。
【選択図】図5
Description
以下、本発明の第1実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係るバッテリ1及びその状態を推定する状態推定装置2の構成を示す図である。これらバッテリ1及び状態推定装置2は、電気自動車、ハイブリッド車両、及び燃料電池車両など、電気エネルギを用いて走行する車両(図示せず)に搭載される。
電池状態推定部5では、状態空間モデルを構築するにあたり、例えば図2に示すようなバッテリシステムの等価回路モデルを定義する。図2に示すような抵抗値R0の第1内部抵抗と、抵抗値R1の第2内部抵抗及び静電容量値C1の内部コンデンサから成るRC並列回路とを直列に接続して構成される等価回路モデルによれば、バッテリ及び負荷Rを流れる電流をIとすると、バッテリの端子電圧CCVは、バッテリの開放電圧OCVから、第1内部抵抗における第1電圧降下(R0I)と、RC並列回路における第2電圧降下(VC)とを減算したもので表される(下記式(1−1)参照)。またこの第2電圧降下VCは、通電時間をtとすると、下記式(1−2)によって表される。また図2の等価回路モデルにおける各種物理量のうち、端子電圧CCVは電圧センサによって観測可能であり、電流Iは電流センサによって観測可能である。
電池状態推定部5では、状態空間モデルを構築するにあたり、上記等価回路モデルに加えて、バッテリの劣化による特性変化を模したバッテリ劣化モデルを定義する。バッテリは、充放電や放置等を繰り返すと劣化し、これによりバッテリの開放電圧OCVの特性に変化が表れる。バッテリ劣化モデルは、この開放電圧OCVの特性及びその電池容量の劣化による変化を、以下で説明するように複数のパラメータを用いることによって再現するものである。
電池状態推定部5では、バッテリシステムを上記のような等価回路モデル及びバッテリ劣化モデルで表現するとともに、時刻kにおけるバッテリシステムの状態を下記式(5−1)〜(5−3)で表される11成分のシステムパラメータベクトルz[k]によって表現する。なお以下では、現在の時刻を“k”で表し、現在に対し1つ前の周期を“k−1”で表し、現在に対し1つ次の周期を“k+1”で表す。また式(5−1)に示すように、以下では便宜上システムパラメータベクトルz[k]を、式(5−2)で定義される2成分の状態ベクトルx[k]と、式(5−3)で定義される9成分のパラメータベクトルθ[k]と、に分けて扱う。
SOC[k](第1成分)…バッテリの充電率[%]
VC[k](第2成分)…図2の等価回路モデルにおける第2電圧降下[V]
R0[k](第1成分)…図2の等価回路モデルにおける第1内部抵抗の抵抗値[Ω]
R1[k](第2成分)…図2の等価回路モデルにおける第2内部抵抗の抵抗値[Ω]
C1[k](第3成分)…図2の等価回路モデルにおける内部コンデンサの静電容量値[F]
δI[k](第4成分)…電流オフセット誤差[A]
δV[k](第5成分)…電圧オフセット誤差[V]
Cc[k](第6成分)…正極容量維持率[%]
Ca[k](第7成分)…負極容量維持率[%]
ΔQc[k]−ΔQa[k](第8成分)…組成相対ずれ容量[Ah]
dc[k](第9成分)…正極劣化生成物相対量[%]
電池状態推定部5では、式(5−1)〜(5−3)によって定められたシステムパラメータベクトルzの離散時刻kからk+1への遷移を、下記式(6)で定義される状態方程式によって表す。下記式(6)において、“v[k]”はシステム雑音でありスカラ量である。“g”はシステム雑音の係数ベクトルであり11成分ベクトルである。また“f(・)”は、2成分ベクトル関数であり、時刻kにおける状態ベクトルx[k]、電流I[k]、及びパラメータベクトルθ[k]の非線形関数である。なお、電流I[k]の具体的な値には、時刻kにおける電流センサの検出値が用いられる。以下では、下記式(6)に示すように、2成分ベクトル非線形関数f(・)及び9成分パラメータベクトルθを成分とする11成分のベクトル非線形関数を“F(・)”と表記する。
電池状態推定部5では、上記状態方程式(6)に従って遷移するシステムパラメータベクトルzと、電圧センサによって観測可能なデータである端子電圧CCVとの関係を記述する観測方程式として、例えば上記等価回路モデルにおける端子電圧CCVに対する式(1−1)に基づいて導出される下記式(8)が用いられる。下記観測方程式(8)において、“w[k]”は観測雑音でありスカラ量である。
また電池状態推定部5では、上記観測方程式(8)の右辺のうち開放電圧OCVについては、システムパラメータベクトルzを、バッテリ1の所定のSOC−OCVモデルに入力することによって得られた値を用いる。ここでSOC−OCVモデルとは、バッテリにおける開放電圧OCVと充電率SOCとの対応関係を規定したものである。このSOC−OCVモデルには、バッテリシステムにおいて用いられるバッテリ1の充電率と開放電圧との関係について予め実験を行うことによって構築されたマップや多変数近似関数等が用いられる。以下では、SOC−OCVモデルを多変数近似関数によって具現化した例について説明するが、SOC−OCVモデルは、マップによって具現化してもよい。
図12Aは、上記状態推定装置2によるSOC−OCVモデルの推定結果を示す図である。図12Aにおいて、破線は初期状態におけるバッテリのSOC−OCVモデルを示し、一点鎖線は実際に搭載されているバッテリの充電率SOCと開放電圧OCVとの関係を示す。また図12Aにおいて、実線は、上記状態推定装置2において複数回にわたり図6〜図11に示す演算を繰り返し行った後に得られる近似関数g(SOC)を示す。
図12Bは、上段から順に充電率SOCが20%、40%、60%の部分における開放電圧OCVの値の変化を示す図である。
図12Cは、上段から順に正極容量維持率Cc、負極容量維持率Ca、組成相対ずれ容量ΔQc−ΔQa、及び正極劣化生成物相対量dcの推定値の変化を示す図である。
(1)パラメータ推定部7は、電圧センサ4及び電流センサ3の検出値とSOC−OCVモデルを表した近似関数g(SOC)とを用いることによって、充電率SOCの推定値と、バッテリ1の劣化態様を特定するパラメータである正極容量維持率Cc、負極容量維持率Ca、組成相対ずれ容量ΔQc−ΔQa、並びに正極劣化生成物相対量dcの推定値と、を算出する。また劣化変動モデル設定部8では、パラメータ推定部7によって算出された正極容量維持率Cc、負極量維持率Ca、組成相対ずれ容量ΔQc−ΔQa、及び正極劣化生成物相対量dcの推定値を用いることによって、上述の近似関数g(SOC)を設定する。したがって本実施形態の状態推定装置2によれば、充放電や放置等を繰り返すことによりバッテリ1の正極の結晶構造が初期状態から変化し、その充電率SOCと開放電圧OCVとの対応関係が初期状態から変化した場合であっても、この変化を劣化生成物相対量dcの増加としてとらえ、これに応じて適切な近似関数g(SOC)を設定できるので、これにより充電率SOCを精度良く推定することができる。
次に、本発明の第2実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお以下の説明において、第1実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図14は、充電率の推定値について、本実施形態の状態推定装置2Aと第1実施形態の状態推定装置2とを比較した図である。図14において、破線は第1実施形態の状態推定装置2のパラメータ同定器71によって算出された充電率の推定値(より具体的には、充電率の事後推定値SOC_h+[k])を示し、実線は本実施形態のSOC推定部9Aによって算出された充電率の推定値SOC´[k]を示す。図14において横軸は時間であり、縦軸は充電率SOCの真値と各実施形態による充電率の推定値との誤差である。
次に、本発明の第3実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお以下の説明において、第2実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図15は、要因(D)の劣化に起因する開放電圧の特性及び電池容量の変化を模式的に示す図である。充放電や放置を繰り返すと負極にはリチウムが析出し、これによって開放電圧の特性や電池容量が変化する場合がある。このように負極にリチウムの析出が生じると、バッテリの負極電位曲線は、初期状態を示す実線の曲線から破線の曲線へ、図15に示すように、単極容量Qに対し一様でない態様で変化する。この要因(D)の劣化に起因する負極電位曲線の変化は、要因(C)の劣化に起因する正極電位曲線の変化(図3D参照)と同様、所定の初期状態に対する単純なリスケール操作や平行移動操作では追跡することができない。
図18は、上段から順に正極容量維持率Cc、負極容量維持率Ca、組成相対ずれ容量ΔQc−ΔQa、及び負極劣化生成物相対量daの推定値の変化を示す図である。
2,2A,2B…状態推定装置
3…電流センサ
4…電圧センサ
5,5A,5B…電池状態推定部
6…負荷
7,7B…パラメータ推定部
71,71B…パラメータ同定器
72…端子電圧演算部
73…推定誤差演算部
74…ゲインベクトル演算部
8,8B…劣化変動モデル(モデル設定部)
81,81B…劣化後正極電位演算部
82,82B…劣化後負極電位演算部
83…Q−OCVモデル設定部
84…電池容量推定部
85…SOC−OCVモデル設定部
9A…SOC推定部
91A…電荷量収支演算部
92A…初期SOC演算部
93A…SOC演算部(充電率推定部)
Claims (9)
- 二次電池の端子電圧を検出する電圧センサと、
前記二次電池を流れる電流を検出する電流センサと、を備え、前記電圧センサ及び前記電流センサの検出値を用いることによって前記二次電池の状態を推定する二次電池の状態推定装置であって、
前記電圧センサの検出値と、前記電流センサの検出値と、前記二次電池における開放電圧と充電率との関係を規定したSOC−OCVモデルと、を用いることにより、前記二次電池の正極容量維持率及び負極容量維持率、前記二次電池の組成相対ずれ容量、前記二次電池の正極及び負極の何れかにおける劣化生成物量、及び前記充電率の推定値を算出するパラメータ推定部と、
前記正極容量維持率、前記負極容量維持率、前記組成相対ずれ容量、及び前記劣化生成物量の推定値を用いることによって前記SOC−OCVモデルを設定するモデル設定部と、を備えることを特徴とする二次電池の状態推定装置。 - 前記劣化生成物量は、前記正極の結晶構造の初期状態からの変化量に相当することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の状態推定装置。
- 前記モデル設定部は、
前記正極容量維持率、前記組成相対ずれ容量、及び前記劣化生成物量の推定値を用いることによって、前記二次電池の正極電位と単極容量との関係を規定した正極電位モデルを設定する劣化後正極電位演算部と、
前記負極容量維持率の推定値を用いることによって、前記二次電池の負極電位と単極容量との関係を規定した負極電位モデルを設定する劣化後負極電位演算部と、を備えることを特徴とする請求項2に記載の二次電池の状態推定装置。 - 前記二次電池は、リチウムイオンバッテリであり、
前記劣化生成物量は、前記負極におけるリチウム析出量に相当することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の状態推定装置。 - 前記モデル設定部は、
前記正極容量維持率、及び前記組成相対ずれ容量の推定値を用いることによって、前記二次電池の正極電池と単極容量との関係を規定した正極電位モデルを設定する劣化後正極電位演算部と、
前記負極容量維持率、及び前記劣化生成物量の推定値を用いることによって、前記二次電池の負極電位と単極容量との関係を規定した負極電位モデルを設定する劣化後負極電位演算部と、を備えることを特徴とする請求項4に記載の二次電池の状態推定装置。 - 前記モデル設定部は、
前記正極電位モデル及び前記負極電位モデルを用いることによって、前記二次電池の開放電圧と単極容量との関係を規定したQ−OCVモデルを設定するQ−OCVモデル設定部と、
前記Q−OCVモデルを用いることによって、前記SOC−OCVモデルを設定するSOC−OCVモデル設定部と、をさらに備えることを特徴とする請求項3又は5に記載の二次電池の状態推定装置。 - 前記モデル設定部は、前記Q−OCVモデルを用いることによって、前記二次電池の電池容量の推定値を算出する電池容量推定部をさらに備え、
前記パラメータ推定部は、
前記電流センサの検出値と前記電池容量の推定値とを用いることによって、前記正極容量維持率、前記負極容量維持率、前記組成相対ずれ容量、前記劣化生成物量、前記充電率、及び前記二次電池の等価回路モデルに含まれる1つ以上のモデルパラメータの推定値を算出する同定器と、
前記モデルパラメータの推定値、及び前記充電率の推定値を前記SOC−OCVモデルに入力することで得られる前記開放電圧の推定値を用いることによって前記端子電圧の推定値を算出する端子電圧演算部と、を備え、
前記同定器は、前記端子電圧の推定値と前記電圧センサの検出値との誤差が小さくなるように前記正極容量維持率、前記負極容量維持率、前記組成相対ずれ容量、前記劣化生成物量、前記充電率、及び前記モデルパラメータの推定値を算出することを特徴とする請求項6に記載の二次電池の状態推定装置。 - 前記パラメータ推定部及び前記モデル設定部における演算の開始時点から現時点までの前記電流センサの検出値を積算することにより前記開始時点から前記現時点までの間に前記二次電池に出入りした電荷量の収支の推定値を算出する電荷量収支演算部と、
前記開始時点における前記電圧センサの検出値と前記SOC−OCVモデルとを用いることによって、前記開始時点における前記充電率の推定値を算出する初期SOC演算部と、
前記開始時点における前記充電率の推定値と前記電荷量の収支の推定値とを用いることによって前記現時点における前記充電率の推定値を算出する充電率推定部と、をさらに備えることを特徴とする請求項1から7の何れかに記載の二次電池の状態推定装置。 - 二次電池の端子電圧を検出する電圧センサの検出値、及び前記二次電池を流れる電流を検出する電流センサの検出値を用いることによって前記二次電池の状態を推定する二次電池の状態推定方法であって、
前記電圧センサの検出値と、前記電流センサの検出値と、前記二次電池における開放電圧と充電率との関係を規定したSOC−OCVモデルと、を用いることにより、前記二次電池の正極容量維持率及び負極容量維持率、前記二次電池の組成相対ずれ容量、前記二次電池の正極及び負極の何れかにおける劣化生成物量、及び前記充電率の推定値を算出するパラメータ推定ステップと、
前記正極容量維持率、前記負極容量維持率、前記組成相対ずれ容量、及び前記劣化生成物量の推定値を用いることによって前記SOC−OCVモデルを設定するモデル設定ステップと、を交互に行うことを特徴とする二次電池の状態推定方法。
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