JP2018205188A

JP2018205188A - 電池状態推定装置および電池コントローラ

Info

Publication number: JP2018205188A
Application number: JP2017112011A
Authority: JP
Inventors: 吉広枝本; Yoshihiro Edamoto
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2018-12-27

Abstract

【課題】二次電池の内部パラメータに基づく内部抵抗値を安定的且つ即応的に推定する。
【解決手段】電池状態推定装置１３は複数のパラメータ演算部を有する。パラメータ演算部は二次電池１５の充放電電流および端子電圧のリセット時から現在時までの間における測定値に基づいて等価回路モデルのパラメータを推定する。パラメータ演算部は内部パラメータの推定値に基づいて二次電池の内部抵抗値を算出する。複数のパラメータ演算部各々は異なる時に周期的にリセットする。電池状態推定装置１３は複数のパラメータ演算部による算出結果に基づく内部抵抗値を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池状態推定装置および電池コントローラに関するものである。

従来から充放電可能な二次電池が、車両に採用されている。車両に採用される二次電池に対して、内部抵抗などの内部パラメータを高精度で推定することが求められている。例えば、車両の停車中にエンジンを停止させるアイドルストップ機能を有する車両においては、エンジンの再始動のための電力が蓄電されているかを正確に判別するために電池の内部抵抗を高精度で推定する必要がある。また、ハイブリッド車のように回生蓄電機能を有する車両においては、出力可能電力および蓄電可能電力を正確に把握するために電池の内部抵抗を高精度で推定する必要がある。

内部抵抗などの二次電池の内部パラメータを推定する方法として、二次電池の充放電電流値と端子間電圧を検出し、検出値から二次電池の等価回路モデルに基づき内部パラメータを推定する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２００５−２０１７４３号公報

内部パラメータは、二次電池の環境、電池残量、電流、および自己発熱などにより変化する一方で、等価回路モデルに基づく推定方法では、内部パラメータの収束後に実際の内部パラメータの変化への追従が困難である。そのため、変化する内部パラメータを安定的且つ即応的に推定することは困難である。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、二次電池の内部パラメータに基づく内部抵抗値を安定的且つ即応的に推定する電池状態推定装置および電池コントローラ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の第１の観点に係る電池状態推定装置は、
等価回路モデルで表現可能な二次電池の充放電電流および端子電圧の、リセット時から現在時までの間における測定値に基づいて前記等価回路モデルの内部パラメータを推定し、前記内部パラメータの推定値に基づく前記二次電池の内部抵抗値を算出し、各々が異なる時に周期的にリセットする複数のパラメータ演算部を備え、
前記複数のパラメータ演算部による算出結果に基づく内部抵抗値を出力する
ことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る電池コントローラは、
等価回路モデルで表現可能な二次電池の充放電電流および端子電圧の、リセット時から現在時までの間における測定値に基づいて前記等価回路モデルの内部パラメータを推定し、前記内部パラメータの推定値に基づく前記二次電池の内部抵抗値を算出し、各々が異なる時に周期的にリセットする複数のパラメータ演算部を備え、前記複数のパラメータ演算部による算出結果に基づく内部抵抗値を出力する電池状態推定装置と、
前記電池状態推定装置から出力される内部抵抗値に基づいて、停車時のエンジン停止の可否を判別する制御部と、を備える
ことを特徴とする。

本発明の第３の観点に係るハイブリッド車用の電池コントローラは、
等価回路モデルで表現可能な二次電池の充放電電流および端子電圧の、リセット時から現在時までの間における測定値に基づいて前記等価回路モデルの内部パラメータを推定し、前記内部パラメータの推定値に基づく前記二次電池の内部抵抗値を算出し、各々が異なる時に周期的にリセットする複数のパラメータ演算部を備え、前記複数のパラメータ演算部による算出結果に基づく内部抵抗値を出力する電池状態推定装置と、
前記電池状態推定装置から出力される内部抵抗値に基づいて、前記二次電池の充放電を制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする。

上記のように構成された本発明に係るパラメータ推定装置および電池コントローラによれば、二次電池の変化する内部パラメータに基づく内部抵抗値が安定的且つ即応的に推定され得る。

一実施形態の電池状態推定装置を含む電池コントローラの概略構成を示す機能ブロック図である。図１の第１の電池状態推定部の概略構成を示す機能ブロック図である。図１の二次電池の等価回路モデルの一例を示す回路図である。図１の電池状態推定部の動作を説明するためのタイミングチャートである。図１の制御部が実行するエンジン停止の可否判別の制御を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明を適用した電池状態推定装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態に係る電池状態推定装置を含む電池コントローラは、例えば、車両に設けられ、車両に搭載される二次電池の監視または制御を行なう。図１に示すように、電池コントローラ１０は、電圧センサ１１、電流センサ１２、電池状態推定装置１３、および制御部１４を備えている。電池状態推定装置１３および制御部１４は、例えばマイクロコンピュータで構成される。

電圧センサ１１は、二次電池１５の端子電圧値を検出する。二次電池１５は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池などである。電圧センサ１１は、検出した端子電圧値を電池状態推定装置１３に出力する。

電流センサ１２は、二次電池１５の充放電電流値を検出する。電流センサ１２は、検出した充放電電流値を電池状態推定装置１３に出力する。

電池状態推定装置１３は、電圧センサ１１および電流センサ１２それぞれから入力される二次電池１５の端子電圧および充放電電流の測定値に基づいて、二次電池１５の充電率（ＳＯＣ: ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）および内部抵抗値を推定する。電池状態推定装置１３による推定について、電池状態推定装置１３の構成とともに、以下に説明する。

電池状態推定装置１３は、複数の電池状態推定部１６、１７、切替器１８、およびフィルタ１９を有している。複数の電池状態推定部１６、１７は、２つ以上であればよい。本実施形態では、複数の電池状態推定部は、第１の電池状態推定部１６および第２の電池状態推定部１７を含む。

電池状態推定装置１３は、後述する複数の電池状態推定部１６、１７それぞれが有するパラメータ演算部による算出結果に基づく内部抵抗値を出力する。さらに詳細には、電池状態推定装置１３は、複数の電池状態推定部１６、１７それぞれが有するパラメータ演算部の中で、リセット時からの第１の時間の経過時点が最近であるパラメータ演算部が、最近である経過時点から次のリセット時までの間に算出する、内部抵抗値および充電率ＳＯＣを出力する。パラメータ演算部、リセット、および第１の時間については、後に詳細に説明する。

図２に示すように、第１の電池状態推定部１６は、パラメータ演算部２０、減算器２１、および変換部２２を含む。

パラメータ演算部２０は、二次電池１５を表現する等価回路モデルを用いて、等価回路モデルの内部パラメータを推定する。等価回路モデルは、例えば、ｎ次のフォスタ型ＲＣ梯子回路、またはｎ次のカウエル型ＲＣ梯子回路などである。図３に示すように、本実施形態において、等価回路モデル２３は、例えば、１次のフォスタ型ＲＣ梯子回路である。

本実施形態における等価回路モデル２３では、１次の内部抵抗Ｒ_１と１次の内部容量Ｃ_１とは並列に接続されている。電圧発生部と０次の内部抵抗Ｒ_０と１次の内部抵抗Ｒ_１および内部容量Ｃ_１の組とは、直列に接続されている。

パラメータ演算部２０は、二次電池１５の端子電圧および充放電電流の、演算開始時およびリセット時の中で最近の時期から現在時までの間における測定値に基づいて、等価回路モデル２３の内部パラメータを推定する。

パラメータ演算部２０は、例えば、端子電圧および充放電電流の現時刻の測定値および１時刻前の推定値に基づいて、内部パラメータを逐次推定する。言換えると、パラメータ演算部２０は、演算開始時およびリセット時の中で最近の時期以後から１時刻前までの各時刻における端子電圧および充放電電流の測定値に基づく内部パラメータの推定値と、現時刻の測定値とに基づいて、現時刻の内部パラメータを推定する。

パラメータ演算部２０は、例えば、線形カルマンフィルタ、非線形カルマンフィルタ、無香料カルマンフィルタ（ＵｎｓｃｅｎｔｅｄＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒ）などの適応フィルタを用いて、内部パラメータを逐次推定する。

なお、リセットとは、例えば適応フィルタを用いて逐次推定する場合において、状態推定値および共分散行列等を演算開始時の設定値に戻すことである。パラメータ演算部２０は、リセットを行うことにより、リセット前の推定の結果に依存せずに内部パラメータの演算を行い得る。

図２において、パラメータ演算部２０は、推定した内部パラメータを用いて、過電圧の電圧値および過電圧を生じさせる内部抵抗の内部抵抗値を推定値として算出する。図４に示すように（“第１の電池状態推定部のパラメータ演算部”欄参照）、パラメータ演算部２０は、リセット時から第１の時間の経過時点から、次のリセット時までの間に、過電圧の電圧値を減算器２１に出力し、内部抵抗値を切替器１８に出力する。第１の時間は、リセット後の内部パラメータの推定の安定までにかかる時間であって、パラメータ演算部２０において調整された、パラメータ同定の収束時間である。なお、パラメータ演算部２００において調整される第１の時間は、二次電池１５の温度に応じて変えられてもよい。パラメータ演算部２０は、次のリセット時から、さらに第１の時間が経過するまでの間、出力を停止する。

パラメータ演算部２０は、周期的にリセットする。例えば、パラメータ演算部２０は、第１の時間より長い、所定の周期でリセットする。所定の周期は、例えば、６０秒から１２０秒の範囲で定められている。なお、所定の周期は、二次電池１５の温度に応じて変えられてよい。

図２において、減算器２１は、電圧センサ１１から取得する端子電圧から、パラメータ演算部２０から取得する過電圧を減じることにより、二次電池１５の開放電圧ＯＣＶ（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ）を算出する。減算器２１は、算出した二次電池１５の開放電圧ＯＣＶを変換部２２に出力する。

変換部２２は、減算器２１から取得した開放電圧ＯＣＶに基づいて、開放電圧ＯＣＶに相当する充電率ＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）を決定する。変換部２２は、あらかじめ実験で得られた開放電圧ＯＣＶおよび充電率ＳＯＣの関係を表すデータをルック・アップ・テーブルとして記憶している。変換部２２は、ルック・アップ・テーブルを参照して、開放電圧ＯＣＶに相当する充電率ＳＯＣを決定する。変換部２２は、充電率ＳＯＣを切替器１８に出力する。

第２の電池状態推定部１７の構成および機能は、第１の電池状態推定部１６と同じである。図４に示すように（“第２の電池状態推定部のパラメータ演算部”欄参照）、第２の電池状態推定部１７のパラメータ演算部は、第１の電池状態推定部１６のパラメータ演算部２０とは異なる時点で、周期的にリセットする。さらに、本実施形態において、第２の電池状態推定部１７のパラメータ演算部は、第１の電池状態推定部１６のパラメータ演算部２０と同じ所定の周期でリセットする。さらに、本実施形態において、第２の電池状態推定部１７のパラメータ演算部のリセット時期は、第１の電池状態推定部１６のパラメータ演算部２０のリセット時期から、半周期だけずれている。

したがって、第１の電池状態推定部１６のパラメータ演算部２０のリセット時期から第２の電池状態推定部１７のパラメータ演算部のリセット時期までの間隔と、第２の電池状態推定部１７のパラメータ演算部のリセット時期から第１の電池状態推定部１６のパラメータ演算部２０のリセット時期までの間隔とは、等間隔である。

なお、電池状態推定部が３つ以上である構成においては、各電池状態推定部のパラメータ演算部は異なる時点でリセットする。また、当該構成において、全パラメータ演算部は同じ所定の周期でリセットしてよい。また、当該構成において、各パラメータ演算部は、当該所定の周期を、パラメータ演算部の数で除した時間毎に、順次リセットする。したがって、各電池状態推定部のパラメータ演算部のリセット時に直近する、別の電池状態推定部のパラメータ演算部のリセット時の間隔は等間隔である。

図１において、切替器１８は、内部抵抗値および充電率ＳＯＣ入力を、複数の電池状態推定部１６、１７の中で、リセット時から第１の時間の経過時点が最近である電池状態推定部のパラメータ演算部に切替える。したがって、本実施形態においては、切替器１８は、電池状態推定部のパラメータ演算部をリセットする周期と同じ周期で、入力を切替える。

図４に示すように（“切替器入力”欄参照）、切替器１８は、任意の時点である、例えばタイミングｔ１において、リセット時から第１の時間の経過時点が最近である、第１の電池状態推定部１６のパラメータ演算部２０が算出する内部抵抗値および充電率ＳＯＣを入力する。切替器１８は、入力した内部抵抗値および充電率ＳＯＣをフィルタ１９に出力する。

図１におけるフィルタ１９は、図４に示すように（“フィルタ出力”欄参照）、少なくとも、リセット時から第１の時間の経過時点が最近の経過時点であるフィルタリング始期から、第２の時間が経過するフィルタリング終期までの間、内部抵抗値を平滑化する。なお、第２の時間は、出力する内部抵抗値の急激な切替えを緩和し得る所定の時間である。

平滑化する内部抵抗値は、切替器１８に入力しているパラメータ演算部が算出した内部抵抗値と、最近の切替前に切替器１８に入力していたパラメータ演算部が算出した内部抵抗値である。言換えると、リセット時からの第１の時間の経過時点が最近であるパラメータ演算部（タイミングｔ１における第１の電池状態推定部のパラメータ演算部）、およびリセット時からの第１の時間の経過時点が２番目に最近であるパラメータ演算部（タイミングｔ１における第２の電池状態推定部のパラメータ演算部）がそれぞれ算出する内部抵抗値が、平滑化に用いられる。

フィルタ１９は、リセット時からの第１の時間の経過時点が最近であるパラメータ演算部が算出する内部抵抗値として、当該パラメータ演算部が出力した最近の内部抵抗値（タイミングｔ１に対して、“第１の電池状態推定部のパラメータ演算部”欄の破線円形領域参照）を平滑化に用いる。したがって、フィルタ１９は、パラメータ演算部の出力中には、パラメータ演算部が算出している内部抵抗値を平滑化に用いる。また、フィルタ１９は、パラメータ演算部の出力の停止中には、出力停止直前に算出した内部抵抗値を平滑化に用いる。

フィルタ１９は、リセット時からの第１の時間の経過時点が２番目に最近であるパラメータ演算部が算出する内部抵抗値として、当該パラメータ演算部が当該２番目に最近である経過時点の次のリセット時に算出した内部抵抗値（タイミングｔ１に対して、“第２の電池状態推定部のパラメータ演算部”欄の破線円形領域参照）を平滑化に用いる。

フィルタ１９は、例えば、平滑化の実行中、経過時間に応じてリセット時からの第１の時間の経過時点が最近であるパラメータ演算部が算出する内部抵抗値への重付けが大きくなるように、平滑化を行う。フィルタ１９は、例えば、移動平均フィルタである。フィルタ１９は、平滑化した内部抵抗値を出力する。

なお、フィルタ１９は、フィルタリング終期から次のフィルタリング始期までの間、リセット時からの第１の時間の経過時点が最近であるパラメータ演算部が出力した最近の内部抵抗値（タイミングｔ１に対して、“第１の電池状態推定部のパラメータ演算部”欄の破線円形領域参照）を、平滑化せずに出力する。

フィルタ１９は、充電率ＳＯＣに対しても、内部抵抗値と同様に、フィルタリング始期からフィルタリング終期までの間、平滑化を行う。また、フィルタ１９は、充電率ＳＯＣに対しても、内部抵抗値と同様に、フィルタリング終期から次のフィルタリング始期までの間、平滑化を行わすに出力する。

制御部１４は、フィルタ１９から取得する内部抵抗値および充電率ＳＯＣに基づいて、二次電池１５の制御および二次電池１５の状態を外部機器への出力を実行する。

例えば、電池コントローラ１０がアイドルストップ機能を有する車両用である場合には、制御部１４は、電池状態推定装置１３から取得する内部抵抗値に基づいて、停車中のエンジン停止の可否を判別する。制御部１４は、エンジン停止の可否を判別するために、二次電池１５の開放電圧ＯＣＶを取得する。制御部１４は、開放電圧ＯＣＶを電池状態推定部の減算器２１から切替器１８を介して取得してもよいし、例えば、電流積分法により開放電圧ＯＣＶを算出する演算器から取得してもよい。制御部１４は、取得した開放電圧ＯＣＶから、エンジンを再始動するためのセルモータに流す電流値と取得する内部抵抗値との積を減じた差を、放電電圧として算出する。制御部１４は、放電電圧が許容下限値未満であるとき、停車時のエンジン停止を不可と判別する。制御部１４は、判別結果を例えば、エンジンＥＣＵなどに出力する。

また、例えば、電池コントローラ１０がエンジンおよびモータを駆動源とするハイブリッド車両（ＨｙｂｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）用である場合には、制御部１４は、電池状態推定装置１３から取得する内部抵抗値に基づいて、二次電池１５の充放電を制御する。制御部１４は二次電池１５の充放電の制御のために、二次電池１５の開放電圧ＯＣＶを取得する。なお、制御部１４は、上述と同様に開放電圧ＯＣＶを取得してよい。例えば、制御部１４は、開放電圧ＯＣＶ、内部抵抗値、および車両で要求される電流に基づいて、放電の可否を判別する。なお、車両で要求される電流は、例えば、アクセルペダルの踏込み量、現在の車速、ギヤ比などに基づいて定まるモータに流す電流値などである。また、例えば、制御部１４は、充電率ＳＯＣに基づいて充電可能と判別するとき、取得した開放電圧ＯＣＶおよび内部抵抗値に基づいて、充電時の電流値を決定する。制御部１４は、決定した電流値で電流するように、例えば、二次電池１５の充電電流を調整する。

次に、本実施形態において、制御部１４が実行するエンジン停止の可否判別の制御について、図５のフローチャートを用いて説明する。制御部１４は、エンジンの駆動中に車両が停止するとき、エンジン停止の可否判別の制御を開始する。

ステップＳ１００において、制御部１４は、電池状態推定装置１３から二次電池１５の内部抵抗値を取得する。また、制御部１４は、二次電池１５の開放電圧ＯＣＶを取得する。内部抵抗値および開放電圧ＯＣＶを取得すると、プロセスはステップＳ１０１に進む。

ステップＳ１０１では、制御部１４は、ステップＳ１００において取得した内部抵抗値および開放電圧ＯＣＶ、ならびにセルモータに流す電流値に基づいて、放電電圧を算出する。放電電圧を算出すると、プロセスはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、制御部１４は、ステップＳ１０１において算出した放電電圧が二次電池１５の許容下限値を超えるか否かを判別する。放電電圧が許容下限値を超えるとき、プロセスはステップＳ１０３に進む。放電電圧が許容下限値を超えないとき、プロセスはステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０３では、制御部１４は、二次電池１５の停止を許可することを、エンジンＥＣＵに出力する。出力後、エンジン停止の可否判別の制御が終了する。

ステップＳ１０４では、制御部１４は、二次電池１５の停止を禁止することを、エンジンＥＣＵに出力する。出力後、エンジン停止の可否判別の制御が終了する。

以上のような構成の電池状態推定装置１３では、複数のパラメータ演算部を備え、各パラメータ演算部を異なる時に周期的にリセットし、複数のパラメータ演算部による算出結果に基づく内部抵抗値を出力している。このような構成により、電池状態推定装置１３では、周期的にリセットが行われ且つ複数のパラメータ演算部を有するので収束した内部抵抗値の出力までにかかる時間をパラメータ演算部の数に対して反比例して短縮させ得る。したがって、電池状態推定装置１３では、内部抵抗値の実際の変化に即応的に追従可能でありながら、安定した内部抵抗値を出力し得る。

また、本実施形態の電池状態推定装置１３では、リセット時からの第１の時間の経過時点が最近であるパラメータ演算部が最近である経過時点から次のリセット時までの間に算出する内部抵抗値を出力している。このような構成により、電池状態推定部１３は、パラメータ演算部による安定した推定値に基づく内部抵抗値を出力し得る。したがって、電池状態推定部１３は、高い精度で推定された内部抵抗値を出力し得る。

また、本実施形態の電池状態推定装置１３は、リセット時が最近であるパラメータ演算部が出力する内部抵抗値と、当該パラメータ演算部以外のパラメータ演算部が出力した内部抵抗値とを平滑化して出力するフィルタ１９を備えている。このような構成により、電池状態推定装置１３は、切替器１８の切替えにより生じ得る、出力される内部抵抗値の急激な変化を緩和し得る。

また、本実施形態の電池状態推定装置１３を含む電池コントローラ１０は、電池状態推定装置１３が出力する内部抵抗値に基づいて、二次電池１５の制御および二次電池１５の状態報告を実行する。このような構成により、電池コントローラ１０は、より安全に、かつより高い効率での二次電池１５の使用、および車両の駆動を実行し得る。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１０電池コントローラ
１１電圧センサ
１２電流センサ
１３電池状態推定装置
１４制御部
１５二次電池
１６第１の電池状態推定部
１７第２の電池状態推定部
１８切替器
１９フィルタ
２０パラメータ演算部
２１減算器
２２変換部
２３等価回路モデル

Claims

等価回路モデルで表現可能な二次電池の充放電電流および端子電圧の、リセット時から現在時までの間における測定値に基づいて前記等価回路モデルの内部パラメータを推定し、前記内部パラメータの推定値に基づく前記二次電池の内部抵抗値を算出し、各々が異なる時に周期的にリセットする複数のパラメータ演算部を備え、
前記複数のパラメータ演算部による算出結果に基づく内部抵抗値を出力する
電池状態推定装置。
請求項１に記載の電池状態推定装置において、
リセット時からの第１の時間の経過時点が最近であるパラメータ演算部が、最近である前記経過時点から次のリセット時までの間に算出する、内部抵抗値を出力する
電池状態推定装置。
請求項２に記載の電池状態推定装置において、
前記最近である経過時点から、さらに第２の時間が経過するまでの間、前記経過時点が最近であるパラメータ演算部が前記最近である経過時点から次のリセット時までの間に算出する内部抵抗値と、リセット時からの第１の時間の経過時点が２番目に最近であるパラメータ演算部が前記２番目に最近である経過時点の次のリセット時に算出した内部抵抗値とを平滑化して出力するフィルタを、さらに備える
電池状態推定装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の電池状態推定装置において、
前記複数のパラメータ演算部それぞれのリセット時に直近する、別のパラメータ演算部のリセット時までの間隔は等間隔である
電池状態推定装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の電池状態推定装置と、
前記電池状態推定装置から出力される内部抵抗値に基づいて、停車時のエンジン停止の可否を判別する制御部と、を備える
電池コントローラ。
請求項１から４のいずれか１項に記載の電池状態推定装置と、
前記電池状態推定装置から出力される内部抵抗値に基づいて、前記二次電池の充放電を制御する制御部と、を備える
ハイブリッド車用の電池コントローラ。