JP2021092464A - 電池データの調整方法及びバッテリマネージメントユニットの製造方法並びにバッテリマネージメントユニット及びサーバー - Google Patents

電池データの調整方法及びバッテリマネージメントユニットの製造方法並びにバッテリマネージメントユニット及びサーバー Download PDF

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Abstract

【課題】バッテリマネージメントユニットにおけるパラメータの推定値の遅れを解消し、バッテリマネージメントユニットに記録される電池の充電率の精度を劣化に対応するように維持する。【解決手段】電池とバッテリマネージメントユニットとを有する一個又は二個以上の機器と、機器とデータの送受信をするサーバーと、を用いて、電池のデータを調整する方法であって、バッテリマネージメントユニットは、電池のパラメータを記録するテーブルを有し、サーバーは、データベースを有し、バッテリマネージメントユニットからサーバーに電池のパラメータを送信する工程と、送信されたパラメータを用いて、サーバーにより、データベースに蓄積されているバッテリマネージメントユニットのテーブルに対応するデータを更新する工程と、その更新されたデータをバッテリマネージメントユニットに転送する工程と、を含む。【選択図】図1

Description

本発明は、電池データの調整方法及びバッテリマネージメントユニットの製造方法並びにバッテリマネージメントユニット及びサーバーに関する。
自動車、無停電電源装置(UPS)、スマートフォン、パーソナルコンピュータ(PC)等の蓄電池には、バッテリマネージメントユニット(Battery Management Unit:BMU)が取り付けられ、電池の充電率(SOC)、劣化度等が計算されるようになっている。BMUには、工場出荷時における電池のパラメータを記録したテーブルが埋め込まれている。BMUは、このテーブルに記録されたパラメータを基に、充電率を計算する。ここで、電池のパラメータは、電池の定常開放電圧(OCV)と充電率との関係、抵抗、分極抵抗、分極時定数、満充電容量等であり、電池の劣化に伴って値が変化する。このため、テーブルに記録された電池のパラメータは、定期的に値の更新又は補正をする必要がある。
特許文献1には、電池の遅い応答部分をも考慮して電池の過電圧の推定精度を向上させることで、電池の内部状態を精度よく推定できるようにすることを目的として、電池の等価回路モデルのうち早い応答部分のみで逐次パラメータ推定を行い、電池の遅い応答部分(拡散抵抗)には予め実験で決定した定数を用いて、パラメータおよび定数に充放電電流値を掛けて加算する手段が開示されている。特許文献1においては、定数として、等価回路モデルの遅い応答部分における抵抗とコンデンサ容量を表すものを設定している。特許文献1に記載の電池の状態推定装置は、例えば電気自動車に搭載され、駆動モータ等に電力を供給可能な実電池(リチウム・イオン・バッテリ等の二次電池)に接続されている。すなわち、特許文献1に記載の電池の状態推定装置は、上記のBMU内に設けられたものである。
非特許文献1には、カルマンフィルタの理論が記載されている。
非特許文献2には、蓄電池内部パラメータ推定として、同じ入力を現実システムと数学モデルに与えた結果出力と仮想出力の誤差を最小化するように蓄電池等価回路モデルパラメータを算出する方法が記載されている。非特許文献2においては、蓄電池等価回路モデルにおける蓄電池の各パラメータがSOC、温度、充放電電流、劣化によって変化することを考慮し、パラメータを時変パラメータと見なして同定するために、忘却機能付き逐次最小二乗法(Recursive Least−Squares method)を用いている。忘却機能付き逐次最小二乗法の評価関数においては、時間と指数関係がある重みλをつけている。ここで、λは忘却係数である。
また、BMUにおいては、一台の車又は機器の情報しか扱えないため、使用している環境温度及び充電率の範囲での値しか同定できないという課題がある。
この課題に対応する例として特許文献2がある。
特許文献2には、この例として、電池データ及び電池の劣化度に関するデータを採集し、電池の劣化度に関するパラメータを取得すると共に、パラメータを順次に劣化パラメータ履歴表に記憶するデータ採集装置と、取得された電池の劣化度に関するパラメータを用いて電池劣化度モデルを構築すると共に、電池の劣化度に関するパラメータを用いて電池の劣化度モデルを更新する劣化度モデル構築/更新装置と、電池劣化度モデル及び電池の劣化度に関するパラメータを用いて電池の劣化度を算出する劣化度算出装置とを備える、電池の劣化度を取得するシステムが開示されている。また、特許文献2には、電池の劣化度パラメータ履歴表データを電池応用管理センターに伝送するステップと、電池応用管理センターが、劣化度パラメータ履歴表データをデータベースに記録すると共に、劣化度パラメータ履歴表データを用いて電池の劣化度モデルを更新するステップと、データベースから、電池に対応する劣化度モデルデータ項目をサーチし、電池に対応する劣化度モデルデータ項目が無ければ、電池劣化度関連パラメータ及び新たに算出された劣化度数値に基づいて電池劣化度モデルを更新し、対応するデータ項目を生成するステップとを含む電池劣化度モデルの生成/更新方法が開示されている。また、特許文献2には、DCLモジュールは、電池使用箇所、例えば電気自動車から電池劣化度に関するパラメータを採集し、採集されたパラメータを電池情報データベースに記憶させておくことも開示されている。
特許文献3には、内部情報として正極及び負極の状態(放電カーブ)を求める処理(再現計算処理)が記載されている。
非特許文献3には、電池の満充電容量の求め方が記載されている。
特許第5291845号公報 特表2013−516614号公報 特開2009−080093号公報
馬場厚志:モデルに基づくリチウムイオン二次電池の充電率推定に関する研究,2013年度慶應義塾大学大学院理工学研究科博士論文 林磊,石崎龍,鷹羽浄嗣,福井正博:リチウムイオン蓄電池特性の動的抽出に関する一検討,信学技報114(466),7-12,2015-02-27 Lei Lin, Hironori Ono, Masahiro Fukui, and Kiyotsugu Takaba: An In Situ Full Charge Capacity Estimation Algorithm for Li-ion Batteries Using Recursive Least-Squares Identification with Adaptive Forgetting Factor Tuning, ECS Transactions, 75 (20) 111-119 (2017)
特許文献1においては、テーブルとして直流抵抗と満充電容量の値は既に劣化度として計算されており、BMU内での計算としては問題がない。満充電容量は、同定遅れがあるが、一回の走行や使用では値が変わらないため、問題はない。
しかしながら、分極抵抗及び分極時定数は、同定しても、遅れが生じる。例えば、カルマンフィルタや再帰最小二乗法で同定した分極抵抗は、極端に言えば、例えば100秒前の値を示すことになる。このため、分極抵抗及び分極時定数は、その場での補正で対応することは困難となる。
このため、同定した電池パラメータを記憶しておき、例えば100秒後や電池の使用が終了した後に、遅れを補正して、テーブルを更新する必要がある。
特許文献2においては、DCLモジュールと電気自動車との通信についての記載はあるが、遅れが生じる場合の対策に関しては、改善の余地がある。
本発明の目的は、バッテリマネージメントユニットにおけるパラメータの推定値の遅れを解消し、バッテリマネージメントユニットに記録される電池の充電率の精度を劣化に対応するように維持することにある。
本発明の電池データの調整方法は、電池とバッテリマネージメントユニットとを有する一個又は二個以上の機器と、機器とデータの送受信をするサーバーと、を用いて、電池のデータを調整する方法であって、バッテリマネージメントユニットは、電池のパラメータを記録するテーブルを有し、サーバーは、データベースを有し、バッテリマネージメントユニットからサーバーに電池のパラメータを送信する工程と、送信されたパラメータを用いて、サーバーにより、データベースに蓄積されているバッテリマネージメントユニットのテーブルに対応するデータを更新する工程と、その更新されたデータをバッテリマネージメントユニットに転送する工程と、を含む。
本発明によれば、バッテリマネージメントユニットにおけるパラメータの推定値の遅れを解消し、バッテリマネージメントユニットに記録される電池の充電率の精度を劣化に対応するように維持することができる。
第1の実施形態に係る電池管理システムの一例を示す模式構成図である。 BMUのテーブルの例を示す概略図である。 機器からサーバーへの通信フォーマットの例を示す概略図である。 データベースのデータセット群の記憶フォーマットの例を示す概略図である。 容量/SOHR時系列のフォーマットの例を示す概略図である。 OCV時系列のフォーマットの例を示す概略図である。 再現計算処理によるOCVの同定の考え方を示すグラフである。 放電曲線解析に用いる正極材料及び負極材料のそれぞれの電位カーブを示す概略図である。 BMUにおける処理工程をまとめて示すフローチャートである。 サーバーにおける処理工程をまとめて示すフローチャートである。 第2の実施形態に係る中古電池売買システムを示す概念図である。 第3の実施形態に係るBMU設計システムを示す概念図である。 BMUとサーバーとの連携による遅れ補償の工程を示す概略図である。
本発明は、電池のサーバー連携によるBMUの管理システムに関する。
本発明の電池管理システムは、複数個のBMUとサーバーで構成され、サーバーとBMU間を通信で繋ぎ、BMUではパラメータ(特に分極抵抗、分極時定数、もしくは開放電圧)の同定(推定)をし、そのときに遅れを同定できる数値を定期的にサーバーに転送し、サーバーでは遅れ補償をして、データベースに蓄え、同一電池種で同一の劣化の電池データより、分極時定数、分極抵抗、開放電圧を関数近似(引数は充電率と温度)し、その関数近似した値を定期的にBMUに転送する。
最初に、本発明の原理について説明する。
電池のSOCを求める方法としては、カルマンフィルタが用いられる。カルマンフィルタの原理については、非特許文献1において説明されている。
カルマンフィルタを電池のSOC推定に用いる場合の一例としては、状態方程式(外部に観測されないSOCの更新)と観測方程式(直接観測できる電池電圧の推定値)で構成されるものがある。
SOCは、電流積分のため、SOCの微分は、電流となる。そして、電池電圧の推定値Vは、次の式で表される。
Ve=OCV(SOC)+IR(SOC,temp)+ip(I;τp(SOC,temp))×rp(SOC,temp)
ここで、Iは電流、Rは直流抵抗のテーブル関数、τは分極抵抗のテーブル関数、tempは温度、rは分極抵抗のテーブル関数である。また、iは、分極抵抗に流れる電流を示し、Iとexp(−t/τ)/τとのコンボリューションである。
そして、次の式を基に、SOCの値を更新する。
err=(電池電圧計測値)−vp
以上のように、カルマンフィルタは、OCV、直流抵抗、分極抵抗及び分極時定数といったパラメータの関数テーブルを用意する必要がある。ここで、各パラメータは、電池の劣化に伴い、値が変化する。しかしながら、テーブルを更新しなければ、電池の推定電圧の精度が低下し、結果としてSOCの推定値の精度も低下することになる。
SOCと共に、パラメータをカルマンフィルタもしくは再帰最小二乗法を用いて推定することで対応することも考えられる。
非特許文献2には、上述のとおり、忘却機能付き逐次最小二乗法が記載されている。
非特許文献3には、電池の満充電容量Qmaxの求め方が記載されている。
maxは、SOC及び温度が変わっても値が一つであり、劣化が遅く一回の走行では変化がないため、毎回の電池使用終了時に更新すればよい。直流抵抗は同定遅れがほとんどないため、直流抵抗を同定した値を基に、SOCを計算してもよい。
しかしながら、τ、r及びOCVについては、同定自体が困難である。特に、τ及びrは、同定遅れが大きい。このため、同定した値を基にカルマンフィルタを実行することが困難となる。また、同定した値をBMUに蓄積したとしても、BMU一台の使用状況や温度範囲に規定されるため、テーブルを更新しても部分的となる。
そこで、本発明では、サーバー連携にて、これらの課題を解決する。
以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。例えば、以下に説明するシステムは、電気自動車、太陽光、風力併設蓄電池、ピークカットシステムのみならず、HEMS(Home Energy Management System)、BEMS(Building Energy Management System)、FEMS(Factory Energy Management System)、鉄道、スマートフォン、ノートPC(ノート型パーソナルコンピュータ)にも適用できる。
なお、本明細書においては、SOC、後述のSOH等を電池の「内部状態」という。
(1)第1の実施形態
本実施形態は、テーブルを自動で更新(UPDATE)する場合である。
図1は、電池管理システムの一例を示す構成図である。
本図に示すように、電池管理システムは、複数の機器100と、サーバー104と、で構成されている。機器100は、電池パック101と、電池パック101付属の電池管理ユニット102(BMU)と、通信装置103と、を有している。サーバー104は、同定遅れ補償部105と、電池の同定されたパラメータを蓄積しているデータベース106(電池パラメータDB)と、テーブル関数近似部107と、通信部108と、を有している。通信装置103は、サーバー104との通信により、BMUのデータを送信し、サーバー104のデータを受信する。
本実施例においては、機器100は、電気自動車(Electric Vehicle、以下「EV」と略称する。)である。なお、機器100は、EVに限らず、例えばノートPC等であってもよい。また、電池パック101は、充電可能な二次電池の複数個含む集合体であるが、一個の電池であってもよい。
BMUは、SOC推定部109と、パラメータ同定部110と、テーブル111と、を有している。なお、サーバー104に接続される機器100は、一個である場合も考えられるが、通常は複数個である。
二次電池としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池、ニッケル亜鉛電池、キャパシタ、リチウムイオンキャパシタなどが挙げられる。電池パックは、装置内で二次電池が直並列されている。
電池パック101からBMUに各二次電池(セル)の電圧、電流及び温度のデータを送る。二次電池が直列接続されている場合は、電流は1点、二次電池が並列接続されている場合には、直列接続された二次電池それぞれの電流を計測し、BMUに送る。温度については、すべての二次電池を計測し、BMUに送る場合もあるが、代表的ないくつかの二次電池を計測し、BMUに送る場合もある。
BMUは、PLC(Programmable Logic Controller)及び組み込みマイコン(Microcomputer)のいずれか又はこれらを組み合わせた構成を有する。サーバー104は、PCでもよいが、大規模な演算処理及び大量のデータの保存が可能なコンピュータであることが望ましい。BMUは、電池パック101から送られたデータを用いて、BMU内でSOCを計算し、機器100の中に設けられたECU(Electric Control Unit)に送信する。
また、BMUは、電池の劣化度(電池の満充電容量を電池の初期満充電容量で割った値であり、「SOH」と略称する。)を出力する場合もある。機器100がEVの場合、EV側では、残走行距離の目安であるSOCと電池の交換目安であるSOHとをパネルに表示してもよい。
SOCは、BMU内のSOC推定部109にて電池のパラメータを用いて推定する。この電池パラメータを保存するのがテーブル111である。SOCの算出には、例えばカルマンフィルタを用いてもよい。カルマンフィルタでは、電池の電圧vの計測値とモデルで推定される電池電圧Vとの誤差εにカルマンゲインGをかけて、SOCを補正する。この場合に用いる式の一例は、下記式(1)で表される。なお、カルマンゲインの計算方法については、非特許文献1に記載されている。
Figure 2021092464
式中、tは時間のインデックスであり、I(t)は、tにおける電流であり、Vは、計測した電池の電圧であり、G(t)は、tにおけるカルマンゲインである。
ここで、Vは、下記式(2)で表されるように、OCV、直流抵抗R、分極抵抗r及び分極時定数τの関数である。下記式(2)では、分極を一つとしたが、モデル誤差を小さくするために分極の数を増やしてもよい。
Figure 2021092464
式中、I(t)は、電池電流[A]であり、充電側を正としている。また、tempは、電池温度[℃]である。記号*は、Convolutionを表す。
OCV、R、r及びτは、SOCの関数若しくはSOC及びtempの関数であり、この関数についてのデータは、図1のテーブル111に記録されている。
図2は、図1のテーブル111に記録されているデータの例を示したものである。図中、上段はR、r及びτのデータの例であり、下段はOCVのデータの例である。また、図中の数値は、仮のものである。
図2では、点データの集合となっているが、関数として使用する場合には、補間して使用する。補間には、線形補間やスプライン補間を使用してもよい。
次に、SOHの求め方について述べる。
SOHは、電池の満充電容量Qmaxに対応する。このため、Qmaxをパラメータとして同定する。パラメータとしては、他に上記のOCV、R、r及びτがある。
以下、これらのパラメータを同定するアルゴリズムについて述べる。このアルゴリズムには、カルマンフィルタや再帰最小二乗法が挙げられる。このアルゴリズムは、図1のパラメータ同定部110で計算する。
カルマンフィルタでパラメータを同定する場合には、状態変数として、別途OCV、R、r、τ及びQmaxを追加することになる。このカルマンフィルタは、前述したカルマンフィルタと同じにするとSOCの値が不安定になるため、別のプログラムとしてもよい。また、図1ではBMUで計算することになっているが、サーバー104に電流、電圧及び温度の時系列を転送して、サーバー104側でパラメータを計算してもよい。
maxは、上記式(1)に記載されているカルマンフィルタの変数として入れておいてもよいし、電流を観測値として、上記式(1)で求めたSOCを入力値とし、電流の推定値を3600×Qmax×d(SOC)/dtとして、カルマンフィルタで別途計算してもよい。
は、上記式(1)に記載されているカルマンフィルタの定数として入れておいてもよいし、別のカルマンフィルタプログラムにより推定してもよい。この場合には、下記式(3)により電圧の推定値Vを算出する。Iは、電流であり、R及びVは、カルマンフィルタの状態変数とする。
Figure 2021092464
次に、r及びτの現時刻における値を同定する方法について述べる。
上記式(2)に記載されているOCVの値は、テーブルで設定された値による関数、直流抵抗Rの値は、前述したカルマンフィルタでの出力値を用い、状態変数をr及びτに限定することで対応する。なお、Rの値は、テーブルで設定された値による関数を用いてもよい。
最後に、OCVを求める方法について述べる。
OCVは、次の式に示すように、電圧より、分極電圧とI×Rの電圧分を引いた値としてもよい。
OCV=計測電圧−電流×R(SOC)−分極電圧
また、1段分極モデルで、下記式(4)としてカルマンフィルタでV、R、r及びτを推定し、残りRからτの値を無視して、VをOCVとしてもよい。ここで、下記式(4)の計算に用いるR、r及びτは、テーブルの値とせず、カルマンフィルタの状態変数とする。
Figure 2021092464
次に、パラメータ同定の方法について詳しく述べる。
パラメータ同定の方法には、カルマンフィルタ、再帰最小二乗、確率的勾配降下法、一般逆行列を用いて計算する方法(一般逆行列法)がある。
また、パラメータ同定の方法には、一般逆行列の代わりに、固有値の逆数にリミタを設ける方法もある。これは、下記式(5)として表現できる。この式(5)は、一般逆行列に一般逆行列の直交成分を加えたものと数学的に等価になる。この式(5)を用いる方法は、「固有値リミタ法」と呼ぶことにする。
Figure 2021092464
θは、パラメータを示すベクトルであり、前述した直流抵抗、分極抵抗、分極時定数、OCVの例では、次の式で表される。
θ=(R,r,τ,V
yは、計測した電池の電圧であり、fは、電圧推定値(上記式(2)に対応する。)を示す。上記式(5)においては、fは、現在のパラメータの値θと電流で計算されるため、次のように表現している。
f(Θ(t);I(t))
Gは、各パラメータ同定の手法により変わる値である。Gの表現をパラメータ同定の手法毎に以下説明する。
カルマンフィルタを用いる場合には、Gはカルマンゲインであり、非特許文献1に記載されているため省略する。
再帰最小二乗では、前述したように電圧の推定誤差二乗にλという重みづけをかけた総和が最小になるようにした結果、G(t)=S−1(t)w(t)として計算する。wは、fのθによる勾配(電圧推定関数の勾配)を示すベクトルである。Sは、下記式(6)で表される。逐次的に計算するならば、下記式(6)は、下記式(7)と等価である。
Figure 2021092464
Figure 2021092464
再帰最小二乗では、Sの逆行列を計算するに、逆行列の補題による公式を用いたものである。この方法では、Sの逆行列が存在しない場合には、パラメータθが発散する。このため、Sの更新式である上記式(7)の代わりに、下記式(8)を用いて、Sの行列式を0にしないようにしてもよい。
Figure 2021092464
よって、一般逆行列法は、上記式(7)又は(8)のSの一般逆行列にwをかけてカルマンゲインとする方法であるということができる。
以下に示すパラメータ同定方法は、Sの逆行列が存在しない場合の方法となる。上記式(8)は、Sの更新で微小なノイズ行列Lを加えたものである。Lの一例としては、diag(q,…,q)というwの誤差の見積もりである正の定数qを加えるものがある。
一般逆行列を用いる方法は、再帰最小二乗でSの逆行列が存在しない場合に、Sの逆行列の代わりにSのMoore−Penrose型一般逆行列Sを用いて、次の式とする方法である。
G(t)=S(t)w(t)
この一般逆行列の計算と定義の文献例は、「田辺国士:一般逆行列(1),日本オペレーションズ・リサーチ学会,1976年4月」である。
確率的勾配降下法では、G(t)=定数×wとする。wは、前述したように、fのθによる勾配を示すベクトルである。確率的勾配降下法の文献例には「谷萩隆嗣:カルマンフィルタと適応信号処理,コロナ社,2005年12月28日」がある。
一般逆行列代わりに固有値の逆数にリミタを設ける方法は、次のとおりである。
Sの逆行列が存在しない場合、一般逆行列Sの代わりに、次の式とする。
(t)+M(I−S(t)S(t))
そして、次の式とする。
G(t)={S(t)+M(I−S(t)S(t))}w(t)
これは、次の方法と同じである。
Sを次のように固有値分解する。
Vdiag(μ,…,μ)V
このとき、Sの逆行列の代わりに、固有値の逆数に上限を用いた次の行列とする。
Vdiag(max(M,μ),…,max(M,μ))V そして、次の式とする。
G(t)=Vdiag(max(M,μ),…,max(M,μ))Vw(t)
ここで、Mは、正の定数である。
以上がGの説明である。すなわち、一般逆行列の代わりに、固有値分解をして、固有値の逆数に上限を用いた上記の行列にw(t)をかけた値をカルマンゲインとする方法である固有値リミタ法である。
しかしながら、パラメータ同定には、Ridge回帰を用いてもよい。Ridge回帰は、電圧の推定誤差二乗にλという重みづけをかけた総和にパラメータθの二乗和を足したものを評価値として、この評価値を最小にするようにしたものである。更新式は、下記式(9)で表される。
Figure 2021092464
式中、βは、正の定数である。
Ridge回帰の文献例としては、「吉田光雄:重回帰分析における多重共線性とRidge回帰について,大阪大学人間科学部紀要,13,P.227−242」がある。
(伝達関数を使わない同定遅れ補償)
伝達関数を求めずにパラメータの同定遅れを補償する方法について説明する。
まず、遅れ時間の第i成分Dを求める式は、概念的に下記式(10)で表される。
Figure 2021092464
式中、θ(t)は、現在のパラメータの真値の第i成分であり、Θ(t)は、パラメータの推定値の第i成分である。iは、1からnまでの整数である。nは、θの次元である。argminは、最小となるインデックスを返す関数である。
よって、上記式(10)は、現在推定したパラメータとD時間前のパラメータの真値との差を示している。
しかし、上記式(10)において、パラメータの真値θは不明である。このため、真値θの推定値として、f(Θ(t);I(t−D))を用いることにする。この場合、関数argminの対象となる上記の差は、下記式(11)で表される。
Figure 2021092464
式中、G(t)は、カルマンゲインの第i成分であり、f(θ;I(t))は、電圧推定関数であり、I(t)は、電流関数であり、y(t)は、計測電圧の時系列である。f(Θ(t);I(t−D))は、時刻t−Dに、現在のパラメータの推定値Θ(t)を入れた場合の電圧推定である。この考え方は、算出した現在の電池のパラメータの推定値がD前の電池パラメータであるとの仮定である。ここでは、まだf(Θ(t);I(t−D))の計算で、電流Iの時系列が必要であり、サーバーで計算をするためには、電流の時系列データを全てBMUからサーバーに送る必要があり、通信量の観点より好ましくない。もしBMUで計算するとしても、Dの値をいくつか振る必要があり、組み合わせの面でBMUでの計算負荷が大きい。
そこで、下記式(12)で表される更なる近似式を用いる。下記式(12)においては、fを微分で近似している。
Figure 2021092464
上記式(12)を用いて、パラメータ遅れ時間Dを下記式(13)で計算する。
Figure 2021092464
今、パラメータθの第i成分のみが遅れたと仮定した場合には、下記式(14)となる。
Figure 2021092464
ここで、時間刻みがΔtの場合には、上記式(14)の両辺にΔtをかけて、実際の遅れ時間とみなす。
argminの計算を実行する際、Dは、例えば5秒刻み毎でよく、また、G、Θ、ε及びwは、BMUで計算している値であるため、これらを例えば5秒毎にサーバーに転送すればよいことになる。なお、各G、Θ、ε及びwは、値が変動するため、5秒間の平均値を転送する。サーバー側では、5秒置きのデータが保管されるため、過去のG、Θ、ε及びwのデータを検索してargminを計算すればよいことになる。
図13は、上述のBMUとサーバーとの連携による遅れ補償の工程を示したものである。
また、現在の誤差を見積もり、その誤差が閾値以内かどうかの信頼性フラグを用いて信頼性フラグが1(誤差が閾値を超える)なら該当パラメータを棄却してもよい。この信頼性フラグは、BMUで計算してもよいし、サーバー側で計算してもよい。
次に、アンセッティッドカルマンフィルタの考え方による勾配を求める式について説明する。ここで、電池電圧の推定値Vの関数である上記式(2)をf(x)と置き、x=(R,r,τ,V)とすると、下記式(15)〜(26)を用いて、Gが計算できることになる(VはOCV)。
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
Figure 2021092464
上記式(17)〜(23)において、下付きのiは、行列の第iベクトルを表す。
上記式(26)においては、iの範囲は、不等式1≦i≦2nで表される。nは、xの次元を表す(ここでは4である。)。
すなわち、勾配w(t)を下記式(27)により計算したと解釈することができる。これにより、前述した遅れ同定及び誤差評価と同じ議論となる。
Figure 2021092464
以上で計算したパラメータは、時間間引き(例えば10秒毎)や、SOCが1%変化した場合、温度が1℃変化した場合のオア、アンドのいずれかの条件でBMUに記憶し、通信装置103でサーバー104に送信される(図1参照)。この通信タイミングとしては、通信がつながる時で、定期的(例えば1時間おき)でもよいし、電池の使用終了時(例えばEVならばキーオフ)の時でもよい。
図3は、この通信に用いるフォーマット(通信フォーマット)の例を示したものである。
本図においては、機器100(ここではEV)を認証するID(識別番号)、時刻、忘却係数λ、行列P、同定した値xの間引いたデータ、SOC及び温度から構成される。ここでは、同定したxとして、R、r、τ及びOCVの4つとしているが、この例に限らず、例えば複数の分極を追加してもよいし、Rやτを除いた情報でもよい。また、現在のSOHQ、SOHRと、電池の正極負極情報をも付加して転送する。SOHQは、同定したQmaxを初期Qmaxで割った値であり、SOHRは、現在の抵抗の25℃換算、かつ、例えばSOC50%での換算値を、電池初期状態での抵抗25℃、SOC50%時の値で割った値とする。この劣化の指標は、サーバー104(図1)にて、似たような劣化の電池データを集めて、テーブルを再集計する際に使用するためである。なお、Qmaxに関しては最後の値を1つ転送するだけでよい。ここで、全ての時間ステップ毎のデータを全て転送してもよいが、データ量が多くなるため、数個おき(例えば10個や100個おき)として転送してもよいし、SOCが例えば1%変化したときや、温度が1℃変化した場合として転送してもよい。
通信装置103とは、スマートフォン(例えばBluetooth(登録商標)経由でBMUと接続)でもよいし、Wi−Fi(登録商標)やZigBee(登録商標)でもよいし、専用の無線端末でもよい。また、有線として、例えばEVならば、定期的に駐車場やディーラー、充電器にEVが寄った時に有線接続してもよい。通信装置103は通信回線を介して、サーバー104の通信部108と接続されることになる。
サーバー104は、大容量ストレージとCPU(Central Processing Unit)ないしCPU及びGPU(Graphics Processing Unit)との組み合わせによるコンピュータで構成され、例えば専用業者のビルの中に設置される。
同定遅れ補償部105は、サーバー104のコンピュータ内のプログラムに従って演算処理をする部分であり、機器100からの通信を受信したときに起動する。この遅れ同定補償は、前述した遅れ補償、ないし値を信頼してよいフラグを計算し、データベース106に値を保管する。ここで、もし同定遅れDが計算した後、データベース106には、例えば分極抵抗rの場合、(SOC(t−D),temp(t−D),r(t))のデータセットを記憶させる。この記憶は、電池IDの記憶領域内にSOHQ及びSOHRと一緒に記憶させる。
同定遅れ補償部は、サーバー側としているが、BMUのCPUの能力が高ければBMU側にあってもよい。その場合には、遅れ同定したパラメータのセットをサーバーに送る。
データベース106は、大容量ストレージであり、前述したデータセット群を記憶している。
図4は、このデータセット群の記憶フォーマットの例を示したものである。
本図に示すように、データセットは、電池IDごとに記憶領域を確保している。過去に電池パラメータデータを受信した分の前述したデータセットが記憶されている。そして、接続されているBMUに対応する記憶領域が確保されている。データセットは、容量/SOHR時系列、OCV時系列、直流抵抗時系列、分極抵抗時系列及び分極時定数時系列を含むものである。
さらに、それぞれの時系列について述べる。
図5は、容量/SOHR時系列の例を示したものである。
本図においては、容量/SOHR時系列は、サーバーで集計した日時と、これに対応するSOHR及びSOHQ(どちらも百分率であるが、割合であってもよい。)並びに容量、正極容量、負極容量及び正負極の容量ずれと、を含む。これは、一走行(一回の受信)で一つのデータとする。この理由は、容量やSOHRの変化が非常に小さいためである。また、正極容量、負極容量及び正負極の容量ずれの同定方法については、後述する。
図6は、OCV時系列の例を示したものである。
本図においては、機器100がキーオンになって運用を停止するまでの再帰最小二乗法またはカルマンフィルタで同定したV(OCV)を遅れ補償した分のデータセットが保存される。直流抵抗時系列、分極抵抗時系列及び分極時定数時系列は、OCVの項目に更に温度の時系列を付加して同様に保存する。
テーブル関数近似部107は、同じ電池種、同じ劣化度合いの電池データをデータベース106から取得し、そのデータを基に関数近似をする。
まず、R、r及びτについて述べる。
ここでの関数近似としては、三層のニューラルネットワークを使用してもよいし、四層以上のニューラルネットワークであるディープラーニングを使用してもよい。ニューラルネットワークを使用した場合には、前述したテーブルは点データより、ニューラルネットワーク関数をSOC0%から一定刻みで100%までと、温度を例えば−30℃から60℃まで刻み、その格子点にて値をリサンプリングしたものを通信部108を介して機器100のテーブル111に転送してもよい。関数近似の学習タイミングとしては、定期的としてよい。
次に、テーブルを転送するタイミングとしては、機器100がオンになった時に送ってもよいし、定期的に送ってもよい。この時の転送する通信フォーマットは、図2に示すテーブルとなる。なお、ニューラルネット及びディープラーニングの例としては、「斎藤康毅:ゼロから作るDeep Learning−Pythonで学ぶディープラーニングの理論と実装、オライリージャパン(2016/9/24)」を参照することができる。
次に、ニューラルネットワークの入力の設定のパターンをいくつか述べる。
一番単純な方法としては、同じ劣化度、同じ電池種のデータ群を集め(例えばここではR)、その入力に温度及びSOCの2入力とし、出力をRとすればよい。
次に、同じ電池種のデータ群だけを集めた場合、入力には劣化度(SOHR、SOHQ)、温度、SOCの4つとして、出力をRとすればよい。この場合では、未知のSOHQ、SOHRが入力されたとしても、対応が可能となる。
次に、電池種にこだわらない場合、電池種のダミーデータを入れる必要がある。この場合、正極の種類(m通りの01変数)、負極の種類(n通りの01変数)、正極容量、負極容量、正負極容量ずれ、温度、正極開始時からの放電容量[Ah](後述する)を入力変数とし、Rを出力変数とする。正極と負極の未知の組み合わせ(例えば、正極A、負極1の組み合わせと、正極Bと負極2の組み合わせの電池データはあるが、正極Aと負極2の電池データがない場合)に対応できることになる。r、τでも同様にすればよい。そして、あるBMUにテーブルを転送する場合には、該BMUの担当する電池種、劣化度の入力をニューラルネットに入れ、温度とSOCを格子状に値を振ってリサンプリングした値とする。
次に、パラメータ同定によるOCVから、劣化パラメータを同定する方法について述べる。
パラメータ同定によるOCVから、劣化パラメータを同定する際には、特許文献3に記載の再現計算処理を用いて、正極電位及び負極電位の曲線を求め、これらの差をOCV候補としてもよい(放電曲線解析)。
図7は、OCVの同定の考え方を示すグラフである。横軸に正極満充電からの放電量、縦軸に電位をとっている。
本図においては、再現計算処理により求めた正極電位及び負極電位の2つの曲線が示されている。
正極電位と負極電位との差がOCV候補となる。開始位置としては、正極満充電からの放電量[Ah]が0となる位置である。これは、OCVが4.2Vとなる位置としてもよい。ここがSOC100%に該当する。そして、SOC0%は、正極電位の急低下若しくは負極電位の急上昇した場合の所定の電位、又はOCVが所定の電位、例えば3Vに低下した状態を基準として設定する。SOC100%からSOC0%までの容量がQmaxとなる。
また、本図に示すように、一般に、正極容量と負極容量とでは、放電可能な範囲は一致しない。
本図においては、正極電位の関数は、正極材料が与えられたときには一意に定まり、横軸方向の有効な正極容量[Ah]の範囲が拡大・縮小する。言い換えると、正極材料の容量により、横軸の有効な正極容量の範囲が拡大・縮小する。これを、正極容量の任意性と呼ぶことにする。そして、このことは、負極においても同様であり、負極容量[Ah]にも任意性がある。結果として、正負極容量ずれ[Ah]にも任意性がある。したがって、正負極の電位関数が与えられたときに、正極容量、負極容量及び正負極ずれの3つのパラメータを前述したOCVに合うように最小二乗法で求める。
次に、そのパラメータにより、正負極電位からOCVを再構成することになる。ここまでは正負極の材料が判っている場合であるが、正負極の材料が不明であっても、正極材料及び負極材料の電位関数を全てサーバーで記憶して、全ての組み合わせをテストすれば、材料を同定できる。
図8は、材料毎の正極及び負極それぞれについての電位カーブのデータの例を示したものである。
なお、以上はOCVであるが、分極抵抗及び時定数も正負極に分離できるため、前述したOCVと同じように同定してもよい。
そして、同定したOCVテーブル、分極抵抗テーブル、分極時定数テーブル及び直流抵抗テーブルは、BMUの次の起動時もしくは、定期的にサーバーからBMUに転送する。転送フォーマットは、図2となる。
図9は、BMUにおける処理工程をまとめて示すフローチャートである。
本図においては、キーオン(S100)を検知した際、分極及び直流抵抗(DCR)のテーブルをサーバーから受信する(S110)。
受信したテーブルを用いてSOCを更新(推定)する(S120)。言い換えると、BMUにより電池の内部状態を更新(推定)する工程である。そして、電池のパラメータを推定する(S130)。
そして、サーバーへの送信のタイミングかどうかを判定する(S140)。送信のタイミングとして適切であれば、更新したSOC及び電池のパラメータをサーバーに送信する(S150)。送信のタイミングとして不適切であれば、再度送信のタイミングを待つ。そして、キーオフを検知した場合は、処理を終了する(S160)。キーオフをしていない場合は、再度SOCの更新に戻る。
図10は、サーバーにおける処理工程をまとめて示すフローチャートである。
本図においては、サーバーは、いずれかのBMUとの通信を試みる(S210)。そのBMUに接続した場合、分極及びDCRのテーブルを送信する(S220)。そのBMUからSOC及び電池のパラメータを受信する(S230)。この際、忘却係数λは変化するため、λを積算した値Πλも受信する。そのBMUとの通信を切断してよいかどうか判定する(S240)。切断した後、電池のパラメータ(推定値)の遅れ補償の計算を行う(S250)。所定のデータセットを同じ種類の電池についてのデータとしてデータベースに保存する(S260)。言い換えると、S260は、遅れ補償の計算の結果をデータベースに蓄積する工程である。異常なデータについては除去する(S270)。データベースに保存された同じ種類の電池のデータについて関数近似の処理を行う(S280)。言い換えると、S280は、データベースのデータに基いてテーブルに対応するデータを作成する工程である。
その後、別のBMUとの通信を試みる(S210)。
なお、本図においては、異常データ除去処理(S270)を追加しているが、これはなくともよい。この手法は、データのクラスタリングにより、孤立したデータを削除する方法を用いてもよい。
本実施形態によれば、電池が劣化しても、SOCの精度を保つことができる。
(2)第2の実施形態
本実施形態は、中古電池を含む電池の流通市場における情報を集計し売買するシステム又は方法に関するものである。
第1の実施形態は、実際に電池を使用する場合についてのものである。しかしながら、電池を中古として出荷する際に電池の劣化情報及び電池のテーブルを既に劣化に合わせて更新しているならば、新たな付加価値となる。
図11は、中古電池売買システムの構成の例を示す概念図である。
本図においては、中古電池売買システムは、複数のBMUと、前述したサーバー(クラウドBMUサーバー)と、中古電池調達用のサーバー(中古電池を調達したいユーザーがアクセスできるようにしたもの)と、を含む。すなわち、これらが通信可能となっている。中古電池調達サーバーとクラウドBMUサーバーとは、一体であってもよい。
本実施形態によれば、中古電池の再利用又は再販をする際に、人手でテーブルを更新する手間が省ける。
(3)第3の実施形態
本実施形態は、電池の設計をする際に、実際の電池使用に応じた劣化電池をテストする際にサーバーのデータベースを使用する方法に関するものである。
図12は、BMU設計システムの構成の例を示す概念図である。
新規にBMUを製造する際には、前述したサーバーのテーブルを用いれば、大幅に工数が削減できる。また、電池の劣化に伴う、機器の劣化補償シミュレーションを実施できる。
また、上述した構成については、本発明の要旨を超えない範囲において、適宜変更したり、組み替えたり、組み合わせたり、省略したりしてもよい。
本実施形態によれば、大幅に工数を削減できる。
以下、本発明の下位概念についてまとめて説明する。
電池データの調整方法においては、サーバーは、二個以上のバッテリマネージメントユニットから送信されたパラメータを用いて、バッテリマネージメントユニットのテーブルに対応するデータを更新することが望ましい。
電池データの調整方法においては、サーバーは、バッテリマネージメントユニットから送信されたパラメータとサーバーに蓄積されているデータとを用いて、バッテリマネージメントユニットのテーブルに対応するデータを更新することが望ましい。
電池データの調整方法においては、バッテリマネージメントユニットにより電池の内部状態を推定する工程と、パラメータの推定をする工程と、パラメータの推定値の遅れ補償の計算をする工程と、遅れ補償の計算の結果をデータベースに蓄積する工程と、データベースのデータに基いてテーブルに対応するデータを作成する工程と、計算の結果に基いて内部状態の推定値に対応するパラメータを更新する工程と、を更に含むことが望ましい。
電池データの調整方法においては、パラメータの推定は、バッテリマネージメントユニットにより行うことが望ましい。
電池データの調整方法においては、パラメータの推定は、再帰最小二乗法によるものとし、バッテリマネージメントユニットからサーバーに送信するデータは、誤差の分散共分散行列、忘却係数、電池の充電率及び電池の温度を含むことが望ましい。
電池データの調整方法においては、推定されたパラメータは、所定の時間間隔で、又は充電率若しくは温度が所定値以上変化した場合に、バッテリマネージメントユニットからサーバーに送信することが望ましい。
電池データの調整方法においては、パラメータの更新は、データベースに保存された同じ種類の電池のデータについての関数近似により行うことが望ましい。
バッテリマネージメントユニットは、電池データの調整方法で用いられるサーバーのデータベースに蓄積されているデータを用いて製造されることが望ましい。
100:機器、101:電池パック、102:電池管理ユニット、103:通信装置、104:サーバー、105:同定遅れ補償部、106:データベース、107:テーブル関数近似部、108:通信部、109:SOC推定部、110:パラメータ同定部、111:テーブル。

Claims (11)

  1. 電池とバッテリマネージメントユニットとを有する一個又は二個以上の機器と、前記機器とデータの送受信をするサーバーと、を用いて、前記電池のデータを調整する方法であって、
    前記バッテリマネージメントユニットは、前記電池のパラメータを記録するテーブルを有し、
    前記サーバーは、データベースを有し、
    前記バッテリマネージメントユニットから前記サーバーに前記電池の前記パラメータを送信する工程と、
    送信された前記パラメータを用いて、前記サーバーにより、前記データベースに蓄積されている前記バッテリマネージメントユニットの前記テーブルに対応するデータを更新する工程と、
    その更新されたデータを前記バッテリマネージメントユニットに転送する工程と、を含む、電池データの調整方法。
  2. 前記サーバーは、二個以上の前記バッテリマネージメントユニットから送信された前記パラメータを用いて、前記バッテリマネージメントユニットの前記テーブルに対応する前記データを更新する、請求項1記載の電池データの調整方法。
  3. 前記サーバーは、前記バッテリマネージメントユニットから送信された前記パラメータと前記サーバーに蓄積されているデータとを用いて、前記バッテリマネージメントユニットの前記テーブルに対応する前記データを更新する、請求項1記載の電池データの調整方法。
  4. 前記バッテリマネージメントユニットにより前記電池の内部状態を推定する工程と、
    前記パラメータの推定をする工程と、
    前記パラメータの推定値の遅れ補償の計算をする工程と、
    前記遅れ補償の前記計算の結果を前記データベースに蓄積する工程と、
    前記データベースのデータに基いて前記テーブルに対応するデータを作成する工程と、
    前記計算の結果に基いて前記内部状態の推定値に対応する前記パラメータを更新する工程と、を更に含む、請求項1記載の電池データの調整方法。
  5. 前記パラメータの前記推定は、前記バッテリマネージメントユニットにより行う、請求項4記載の電池データの調整方法。
  6. 前記パラメータの前記推定は、再帰最小二乗法、Ridge回帰、カルマンフィルタ、確率的勾配降下法、一般逆行列法又は固有値リミタ法によるものとし、
    前記バッテリマネージメントユニットから前記サーバーに送信するデータは、誤差の分散共分散行列、忘却係数、前記電池の充電率及び前記電池の温度を含む、請求項5記載の電池データの調整方法。
  7. 推定された前記パラメータは、所定の時間間隔で、又は前記充電率若しくは前記温度が所定値以上変化した場合に、前記バッテリマネージメントユニットから前記サーバーに送信する、請求項6記載の電池データの調整方法。
  8. 前記パラメータの前記更新は、前記データベースに保存された同じ種類の電池のデータについての関数近似により行う、請求項7記載の電池データの調整方法。
  9. 請求項1記載の電池データの調整方法で用いられる前記サーバーの前記データベースに蓄積されている前記データを用いて、前記バッテリマネージメントユニットを製造する、バッテリマネージメントユニットの製造方法。
  10. 請求項1記載の電池データの調整方法に用いられる、バッテリマネージメントユニット。
  11. 請求項1記載の電池データの調整方法に用いられる、サーバー。
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