JP4103569B2

JP4103569B2 - Secondary battery charge rate estimation device

Info

Publication number: JP4103569B2
Application number: JP2002357705A
Authority: JP
Inventors: 大次郎湯本; 英夫中村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-12-10
Also published as: JP2004191113A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充電率（ＳＯＣ）を推定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２０００−３２３１８３号公報
【特許文献２】
特開２０００−２６８８８６号公報
【非特許文献１】
「論文“適応デジタルフィルタを用いた鉛電池の開路電圧と残存容量の推定”四国総研、四国電力、湯浅電池 T.IEEE Japan Vol.112-C,No.4 1992」
二次電池の充電率ＳＯＣ（充電状態とも言う）は開路電圧Ｖ_０（通電遮断時の電池端子電圧であり、起電力、開放電圧とも言う）と相関があるので、開路電圧Ｖ_０を求めれば充電率を推定することが出来る。しかし、二次電池の端子電圧は、通電を遮断（充放電を終了）した後も安定するまでに時間を要するので、正確な開路電圧Ｖ_０を求めるには、充放電を終了してから所定の時間が必要である。したがって充放電中や充放電直後では、正確な開路電圧Ｖ_０を求めることが出来ないので、上記の方法で充電率ＳＯＣを求めることが出来ない。そのため、従来は、たとえば上記非特許文献１に記載のような方法を用いて開路電圧Ｖ_０を推定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のごとき従来例においては、実際の電池の物理特性とは全く異なる「非回帰型の電池モデル（出力値が入力値の現在値および過去値だけで決るモデル）」に「適応デジタルフィルタ（逐次型のモデルパラメータ同定アルゴリズム）」を用いて開路電圧を算出し、この値から充電率ＳＯＣを算出している。そのため、実際の電池特性（入力：電流、出力：電圧）に応用した場合、電池特性によっては推定演算が全く収束しなかったり、真値に収束しないため、正確な充電率ＳＯＣを推定することが困難である、という問題があった。
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、充電率ＳＯＣおよびその他のパラメータを正確に推定することの出来る二次電池の充電率推定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては、前記（数１）式に示す連続時間系の電池モデルの開路電圧Ｖ_０を、前記（数２）式で近似することで前記（数３）式とし、（数３）式と等価な前記（数４）式を用いて適応デジタルフィルタ演算を行い、（数４）式から係数パラメータＡ(ｓ）、Ｂ(ｓ）、Ｃ(ｓ）および変数ｈを推定するパラメータ推定手段と、充放電の極性が変化した場合には、前記推定したパラメータのうちの内部抵抗に関するパラメータを、少なくとも充放電の極性に基づいて予め定められた比率に応じて補正する補正手段と、補正後の係数パラメータを（数２）式と等価な（数５）式に代入してＶ _０／Ｇ _２ ( ｓ）を算出し、これを開路電圧Ｖ_０の代用とする開路電圧演算手段と、上記の推定した開路電圧Ｖ_０を用いて、予め求めた開路電圧Ｖ_０と充電率ＳＯＣの関係から充電率を推定する充電率推定手段と、を備えるように構成している。
なお、上記補正手段における「充放電の極性が変化する」とは、充電から放電へ、または放電から充電へ切り替わることを意味する。
【０００５】
【発明の効果】
二次電池の電流Ｉと端子電圧Ｖの関係を示す（数１）式を、（数４）式のように近似することで開路電圧Ｖ_０（オフセット項）を含まない構成であるため、計測可能な電流Ｉと端子電圧Ｖを各々フィルタ処理した値と、未知パラメータ（係数パラメータＡ（ｓ）、Ｂ(ｓ）、Ｃ(ｓ）及びｈ）の積和式が得られるので、通常の適応デジタルフィルタを連続時間系のまま適用することが可能になり、未知パラメータを精度良く推定できる。そして推定した係数パラメータを（数５）式に代入することで、開路電圧Ｖ_０の推定値を容易に算出できる。これら未知パラメータは、ＳＯＣや温度や劣化度などに影響され時々刻々と変化することが分かっているけれども、適応デジタルフィルタにより精度良く逐次推定できる。そして、開路電圧Ｖ_０と充電率ＳＯＣの間には一定の関係（図４）があるため、これを予め記憶しておけば開路電圧Ｖ_０の推定値から充電率ＳＯＣを推定できる。
【０００６】
また、電池の種類によっては充電側と放電側で、内部抵抗が無視できないほど異なる場合があり、その結果、充電側と放電側で内部抵抗が実際に変化する場合に、推定パラメータに遅れが生じるため、開路電圧の推定精度が悪化するおそれがあるが、本発明では、充電側と放電側が切り替わった場合に、係数パラメータ推定値の中から内部抵抗に関するパラメータを、充電時と放電時とで予め定めた比率に基づいて補正するように構成しているので、充電側と放電側とに切り替わる時の推定誤差を小さくでき、開路電圧の推定精度を良好にすることが出来るという効果がある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施例を機能ブロックで表した図である。図１において、１はパラメータ推定手段であり、開路電圧Ｖ_０(ｋ）をオフセット項とする電池モデルに基づいたものである。また、２は充放電の極性が変化した場合に、推定したパラメータのうちの内部抵抗に関するパラメータを、少なくとも充放電の極性に基づいて予め定められた比率に応じて補正する補正手段、３は開路電圧Ｖ_０(ｋ）演算手段、４は開路電圧から充電率を演算する充電率推定手段である。また、５は電池から充放電される電流を検出する電流Ｉ(ｋ）計測手段、６は電池の端子電圧を検出する端子電圧Ｖ(ｋ）計測手段である。
【０００８】
図２は、本実施例の具体的な構成を示すブロック図である。この実施例は、二次電池でモータ等の負荷を駆動したり、モータの回生電力で二次電池を充電するシステムに、二次電池の充電率推定装置を設けた例を示す。
図２において、１０は二次電池（単に電池とも言う）、２０はモータ等の負荷、３０は電池の充電状態を推定するバッテリーコントローラ（電子制御ユニット）で、プログラムを演算するＣＰＵやプログラムを記憶したＲＯＭや演算結果を記憶するＲＡＭから成るマイクロコンピュータと電子回路等で構成される。４０は電池から充放電される電流を検出する電流計、５０は電池の端子電圧を検出する電圧計、６０は電池の温度を検出する温度計であり、それぞれバッテリーコントローラ３０に接続される。上記のバッテリーコントローラ３０は前記図１のパラメータ推定手段１、補正手段２、開路電圧Ｖ_０(ｋ）演算手段３および充電率推定手段４の部分に相当する。また、電流計４０は電流Ｉ(ｋ）計測手段５に、電圧計５０は端子電圧Ｖ(ｋ）計測手段６に、それぞれ相当する。
【０００９】
まず、本実施例で用いる「電池モデル」を説明する。図３は、二次電池の等価回路モデルを示す図であり、下記（数７）式（＝前記数６式）で表わすことが出来る。
【００１０】
【数７】

ただし、モデル入力は電流Ｉ［Ａ］（正値は充電、負値は放電）、モデル出力は端子電圧Ｖ［Ｖ］、Ｖ_０［Ｖ］は開路電圧、Ｋは内部抵抗、Ｔ_１〜Ｔ_３は時定数、ｓはラプラス演算子である。
本モデルは、正極、負極を特に分離していないリダクションモデル（一次）であるが、実際の電池の充放電特性を比較的正確に示すことが可能である。（数７）式は前記（数１）式において、Ａ(ｓ）＝Ｔ_１・ｓ＋１、Ｂ(ｓ）＝Ｋ・(Ｔ_２・ｓ＋１、Ｃ(ｓ）＝Ｔ_３・ｓ＋１と置いたものである。
【００１１】
以下、前記（数７）式の電池モデルから適応デジタルフィルタまでの導出を、最初に説明する。
開路電圧Ｖ_０は、電流Ｉに可変な効率Ａを乗じた値を、或る初期状態から積分したものと考えれば、（数８）式で書ける。
【００１２】
【数８】

なお、（数８）式は前記（数２）式におけるｈを上記Ａに置き替えたものに相当する。
（数８）式を（数７）式に代入すれば（数９）式になる。
【００１３】
【数９】

なお、（数９）式は前記（数３）式に相当するものであり、（数３）式中のＡ(ｓ）、Ｂ(ｓ）、Ｃ(ｓ）について前記（数７）式と同様に下記の式を代入したものである。
Ａ(ｓ）＝Ｔ_１・ｓ＋１
Ｂ(ｓ）＝Ｋ・（Ｔ_２・ｓ＋１）
Ｃ(ｓ）＝Ｔ_３・ｓ＋１
つまり、（数３）式が一般式であり、それを一次モデルに適用したものが（数９）式である。
上記の（数９）式を整理すれば（数１０）式になる。
【００１４】
【数１０】

なお、（数１０）式の最後の式においては、パラメータを下記（数１１）式に示すように書き直している。
【００１５】
【数１１】

安定なローパスフィルタＧ_１(ｓ）を（数１０）式の両辺に導入して、整理すれば（数１２）式になる。
【００１６】
【数１２】

つまり、（数１０）式において、前記（数７）式と逆に
Ｔ_１・ｓ＋１＝Ａ(ｓ）
Ｋ・（Ｔ_２・ｓ＋１）＝Ｂ(ｓ）
Ｔ_３・ｓ＋１＝Ｃ(ｓ）
を代入すると、
ｓ・Ａ(ｓ）・Ｃ(ｓ）・Ｖ＝Ｂ(ｓ）・Ｃ(ｓ）・ｓ・Ｉ＋Ａ・Ａ(ｓ）・Ｉ
となり、これを変形すると、
ｓ・Ａ(ｓ）・Ｃ(ｓ）・Ｖ＝〔Ｂ(ｓ）・Ｃ(ｓ）・ｓ＋Ａ・Ａ(ｓ）〕・Ｉ
となる。上式の両辺にローパスフィルタＧ_１(ｓ）を導入すると前記（数４）式となる。つまり、（数４）式が一般式であり、それを一次モデルに適用したものが（数１２）式である。
【００１７】
実際に計測可能な電流Ｉや端子電圧Ｖを、ローパスフィルタやバンドパスフィルタで処理した値を下記（数１３）式のように定義する。ただし、ｐ_１は、Ｇ_１(ｓ）の応答性を決める定数である。
【００１８】
【数１３】

上記（数１３）式に示した変数を用いて（数１２）式を書き直せば（数１４）式になり、変形すれば、（数１５）式になる。
【００１９】
【数１４】

【００２０】
【数１５】

（数１５）式は、計測可能な値と未知パラメータの積和式になっているので、一般的な適応デジタルフィルタの標準形（数１６）式と一致する。
なお、ω^Ｔは、ベクトルωの行と列を入れ替えた転置ベクトルを意味する。
【００２１】
【数１６】

ただし、（数１６）式において、ｙ、ω^Ｔ、θはそれぞれ下記（数１７）式で示される。
【００２２】
【数１７】

したがって、電流Ｉと端子電圧Ｖにフィルタ処理を施した信号を、適応デジタルフィルタ演算に用いることで、未知パラメータベクトルθを推定することが出来る。
本実施例では、単純な「最小二乗法による適応デジタルフィルタ」の論理的な欠点（一度推定値が収束すると、その後パラメータが変化しても再度正確な推定ができないこと）を改善した「両限トレースゲイン方式」を用いる。前記（数１６）式を前提にした未知パラメータベクトルθを推定するためのパラメータ推定アルゴリズムは（数１８）式に示すようになる。ただし、ｋ時点のパラメータ推定値をθ(ｋ）とする。
【００２３】
【数１８】

ただし、λ_１、λ_３(ｋ）、γ_Ｕ、γ_Ｌは初期設定値で、ｂ＜λ_１＜１、０＜λ_３(ｋ）＜∞とする。Ｐ(０）は十分大きな値、θ(０）は非ゼロの十分小さな値を初期値とする。ｔｒａｃｅ｛Ｐ｝は行列Ｐのトレースを意味する。
以上が、電池モデルから適応デジタルフィルタまでの導出である。
【００２４】
図５は、バッテリーコントローラ３０のマイクロコンピュータが行う処理のフローチャートであり、同図のルーチンは一定周期Ｔ_０毎に実施される。例えば、Ｉ(ｋ）は今回の値、Ｉ(ｋ−１）は１回前の値を意味する。
ステップＳ１０では、電流Ｉ(ｋ）、端子電圧Ｖ(ｋ）を計測する。
ステップＳ２０では、二次電池の遮断リレーのオン・オフ判断を行う。つまりバッテリーコントローラ３０は二次電池の遮断リレーの制御も行っており、リレー遮断時（電流Ｉ＝０）はステップＳ３０へ進む。リレー締結時はステップＳ４０へ進む。
ステップＳ３０では、端子電圧Ｖ(ｋ）を端子電圧初期値Ｖ_iniとして記憶する。
ステップＳ４０では、端子電圧差分値△Ｖ(ｋ）を算出する。
ただし、△Ｖ(ｋ）＝Ｖ(ｋ）−Ｖ_ini
これは、適応デジタルフィルタ内の推定パラメータの初期値を約０としているので、推定演算開始時に推定パラメータが発散しないように、入力を全て０とするためである。リレー遮断時はステップＳ３０を通るので、Ｉ＝０かつ△Ｖ(ｋ）＝０のため、推定パラメータは初期状態のままである。
【００２５】
ステップＳ５０では、電流Ｉ(ｋ）と端子電圧差分値△Ｖ(ｋ）に、（数１３）式に基づきローパスフィルタ、バンドパスフィルタのフィルタ処理を施し、Ｉ_０(ｋ）〜Ｉ_３(ｋ）およびＶ_１(ｋ）〜Ｖ_３(ｋ）を（数１９）式から算出する。
この際、（数１８）式のパラメータ推定アルゴリズムの推定精度を良くするために、観測ノイズを低減するようローパスフィルタＧ_１(ｓ）の応答性を遅く設定する。ただし、電池の応答特性（時定数Ｔ_１の概略値は既知である）よりも速い特性でないと、電池モデルの各パラメータを精度良く推定できない。（数１９）式のｐ_１は、Ｇ_１(ｓ）の応答性を決める定数である。
【００２６】
【数１９】

ステップＳ６０では、ステップＳ５０で算出したＩ_０(ｋ）〜Ｉ_３(ｋ）およびＶ_１(ｋ）〜Ｖ_３(ｋ）を（数１８）式に代入する。そして適応デジタルフィルタでのパラメータ推定アルゴリズムである（数１８）式を実行し、パラメータ推定値θ(ｋ）を算出する。ただし、ｙ(ｋ）、ω^Ｔ(ｋ）、θ(ｋ）は下記（数２０）式で示される。
【００２７】
【数２０】

また、電池の種類によっては充電側と放電側で、内部抵抗が無視できないほど異なる場合がある。適応デジタルフィルタは本来、変化するパラメータでも継続して推定する性質を持つが、ノイズが存在する実際の環境では、適応デジタルフィルタの推定速度を遅く設定する必要がある。その結果、充電側と放電側で内部抵抗が実際に変化する場合に、推定パラメータに遅れが生じるため開路電圧の推定精度が悪化してしまうおそれがある。そのため本実施例においては、充電側と放電側での内部抵抗特性を予め解析しておき、充電側と放電側が切り替わってから所定時間、実際の内部抵抗特性に合うように、内部抵抗に関する推定パラメータを補正するように構成している。図５のステップＳ７０〜Ｓ３３０は上記の補正を行うステップ（前記図１の補正手段２における処理）であり、その内容の詳細は図６〜図８に示す。
【００２８】
図６〜図８に示すフローチャートでは、充放電が切り替わる場合、所定時間だけ内部抵抗に関係するパラメータを補正している。以下、詳細に説明する。
ステップＳ７０では、充電、放電状態とオープン状態（不感帯内にある微小通電状態）とを区別するため、電流の絶体値｜Ｉ(ｋ）｜を所定値と比較する。その結果、正の所定値より小さい場合（不感帯）はステップＳ９０へ進む。その他の場合はステップＳ８０へ進む。
ステップＳ８０では、電流の正負で充電、放電を区別する。Ｉ(ｋ）＞０の場合（充電時）はステップＳ１００へ進む。その他の場合（放電時）はステップＳ１１０へ進む。
【００２９】
ステップＳ９０では、電流が不感帯内にあるためオープン状態として、以下の処理を行う。ただし、ＭＯＤＥ(ｋ）は充電、放電、オープン状態を区別する変数（モード）、ＣＮＴＪ(ｋ）は充電状態にある時間を示すカウンタ、ＣＮＴＨ(ｋ）は放電状態にある時間を示すカウンタ、、ＣＮＴＯＰ(ｋ）はオープン状態にある時間を示すカウンタである。初期値は全て０とする。
ＭＯＤＥ(ｋ）＝０
ＣＮＴＯＰ(ｋ）＝ＣＮＴＯＰ(ｋ−１）＋１
ＣＮＴＨ(ｋ）＝０
ＣＮＴＪ(ｋ）＝０
ステップＳ１００では、充電状態として以下の処理を行う。
ＭＯＤＥ(ｋ）＝１
ＣＮＴＯＰ(ｋ）＝０
ＣＮＴＪ(ｋ）＝ＣＮＴＪ(ｋ−１）＋１
ＣＮＴＨ(ｋ）＝０
ステップＳ１１０では、放電状態として以下の処理を行う。
ＭＯＤＥ(ｋ）＝−１
ＣＮＴＯＰ(ｋ）＝０
ＣＮＴＪ(ｋ）＝０
ＣＮＴＨ(ｋ）＝ＣＮＴＨ(ｋ−１）＋１
ステップＳ１２０では、現在のモードが前回の演算時から切り替わったか否かを判断する。ＭＯＤＥ(ｋ）＝ＭＯＤＥ(ｋ−１）の場合、つまり前回の演算におけるモードと替わらない場合はステップＳ２５０へ進む。その他の場合、つまりモードが切り替わった場合にはステップＳ１３０へ進む。ステップＳ１３０〜２４０はモードが切り替わった場合に限り実行される。
【００３０】
ステップＳ１３０では、切り替わる１回前のモードＭＯＤＥ１(ｋ）、２回前のモードＭＯＤＥ２(ｋ）を書き替える。初期値は全て０とする。
ＭＯＤＥ２(ｋ）＝ＭＯＤＥ１(ｋ−１）
ＭＯＤＥ１(ｋ）＝ＭＯＤＥ(ｋ−１）
ステップＳ１４０では、現在のモードがオープン状態であるか否かを判断する。ＭＯＤＥ(ｋ）＝０の場合（オープン状態）はステップＳ１５０へ進む。その他の場合はステップＳ１６０へ進む。
【００３１】
ステップＳ１５０では、現在のモードがオープン状態なので、推定パラメータを補正する必要が無いため、ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝０とする。ＨＯＳＥＩ(ｋ）は充放電補正を示すモードであり、初期値は０とする。
ステップＳ１６０では、現在のモードが充電状態であるか否かを判断する。ＭＯＤＥ(ｋ）＝１の場合（充電状態）はステップＳ１８０へ進む。その他の場合はステップＳ１７０へ進む。
【００３２】
ステップＳ１８０では、現在のモードが充電状態であるため、切り替わる１回前のモードが放電であるか否かを判断する。ＭＯＤＥ１(ｋ）＝−１の場合（１回前が放電状態）は、ステップＳ２２０へ進む。その他の場合はステップＳ１９０へ進む。
【００３３】
ステップＳ１９０では、現在のモードが充電状態であり、かつ１回前のモードがオープン状態であるため、切り替わる２回前のモードが放電であるか否かを判断する。ＭＯＤＥ２(ｋ）＝−１の場合（２回前が放電状態）は、ステップＳ２２０へ進む。その他の場合はステップＳ２１０へ進む。
ステップＳ２１０では、放電から充電に切り替わってないので、推定パラメータを補正する必要が無いため、ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝０とする。
ステップＳ２２０では、放電から充電に切り替わったので、推定パラメータを充電側に補正する必要があるため、ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝１とする。
【００３４】
ステップＳ１７０では、現在のモードが放電状態であるため、切り替わる１回前のモードが充電であるか否かを判断する。ＭＯＤＥ(ｋ）＝１の場合（１回前が充電状態）は、ステップＳ２３０へ進む。その他の場合はステップＳ２００へ進む。
【００３５】
ステップＳ２００では、現在のモードが放電状態であり、かつ１回前のモードがオープン状態であるため、切り替わる２回前のモードが充電であるか否かを判断する。ＭＯＤＥ２(ｋ）＝１の場合（２回前が充電状態）は、ステップＳ２３０へ進む。その他の場合はステップＳ２４０へ進む。
ステップＳ２３０では、充電から放電に切り替わったので、推定パラメータを放電側に補正する必要があるため、ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝−１とする。
ステップＳ２４０では、充電から放電に切り替わってないので、推定パラメータを補正する必要が無いため、ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝０とする。
ステップＳ２５０では、補正の有無を判断する。ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝０の場合、補正は必要無いためステップＳ３３０へ進む。その他の場合はステップＳ２６０へ進む。
ステップＳ２６０では、充電側補正の有無を判断する。ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝１の場合は充電側補正を必要とするためステップＳ２８０へ進む。その他の場合は放電側補正を必要とするためステップＳ２７０へ進む。
【００３６】
ステップＳ２８０では、充電モードに入ってからの時間を判断する。これは充電側補正を、切り替わった時点から所定時間に限定するためである。ＣＮＴＪ(ｋ）＜所定値の場合（所定時間内）は、ステップＳ３００へ進む。その他の場合はステップＳ２９０へ進む。
ステップＳ２９０では、切り替わった時点から所定時間を経過したため、充電側補正を終了し、ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝０とする。
【００３７】
ステップＳ３００では、ステップＳ６０で算出したパラメータ推定値θ(ｋ）の中から、内部抵抗に関係するパラメータｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）（前記数２０式参照）に充電側補正を行う。この補正の内容は、充電側と放電側の内部抵抗の差異を予め解析しておき、放電側から見た充電側の所定比率を決めておく。補正方法はｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）に、この所定比率を乗じて、パラメータ推定値と充電側真値との誤差を小さくする。つまり補正前のパラメータをｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）とし、補正後のパラメータをｃ_１(ｋ）、ｄ_１(ｋ）、ｅ_１(ｋ）とすれば、
ｃ_１(ｋ）＝ｃ(ｋ）×所定比率
ｄ_１(ｋ）＝ｄ(ｋ）×所定比率
ｅ_１(ｋ）＝ｅ(ｋ）×所定比率
である。
【００３８】
ステップＳ２７０では、放電モードに入ってからの時間を判断する。これは放電側補正を、切り替わった時点から所定時間に限定するためである。ＣＮＴＨ(ｋ）＜所定値の場合（所定時間内）は、ステップＳ３１０へ進む。その他の場合はステップＳ３２０へ進む。
【００３９】
ステップＳ３１０では、ステップＳ６０で算出したパラメータ推定値θ(ｋ）の中から、内部抵抗に関係するパラメータｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）に放電側補正を行う。この補正の内容は、充電側と放電側の内部抵抗の差異を予め解析しておき、充電側から見た放電側の所定比率を決めておく。補正方法はｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）に、この所定比率を乗じて、パラメータ推定値と放電側真値の誤差を小さくする。つまり補正前のパラメータをｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）とし、補正後のパラメータをｃ_１(ｋ）、ｄ_１(ｋ）、ｅ_１(ｋ）とすれば、
ｃ_１(ｋ）＝ｃ(ｋ）×所定比率
ｄ_１(ｋ）＝ｄ(ｋ）×所定比率
ｅ_１(ｋ）＝ｅ(ｋ）×所定比率
である。
【００４０】
ステップＳ３２０では、切り替わった時点から所定時間を経過したため、放電側補正を終了し、ＨＯＳＥＩ(ｋ）＝０とする。
ステップＳ３３０では、補正終了後の切り替わりで推定値と補正値に段差が生じないように非補正処理を行う。公知の方法を用いて、ステップＳ３００またはステップＳ３１０で乗じた所定比率を緩やかに１にする。ここでは、所定比率を１に戻した状態として、非補正処理を下記に記す。
【００４１】
ｃ_１(ｋ）＝ｃ(ｋ）
ｄ_１(ｋ）＝ｄ(ｋ）
ｅ_１(ｋ）＝ｅ(ｋ）
図９は、上記の補正処理の一例のタイムチャートである。
図９に示すように、充電から放電、または放電から充電へ切り替わってから所定時間の間は、内部抵抗に関係するパラメータｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）が補正されることにより、内部抵抗推定値が真値に一致するように補正される。
【００４２】
次に、図５に戻り、ステップＳ３４０では、ステップＳ６０で算出したパラメータ推定値θ(ｋ）の中からａ〜ｂと、補正処理をしたｃ_１(ｋ）、ｄ_１(ｋ）、ｅ_１(ｋ）を（数２２）式に代入する。
【００４３】
（数２２）式は電池モデルである前記（数７）式を変形した式であり、開路電圧Ｖ_０の代用としてＶ_０’を算出する。開路電圧Ｖ_０は変化が緩やかなので、Ｖ_０’で代用できる。ただし、ここで求まるのは推定演算開始時からの開路電圧推定値の変化分△Ｖ_０(ｋ）である。なお、（数２２）式中のｃ、ｄ、ｅは、補正処理をしたｃ_１(ｋ）、ｄ_１(ｋ）、ｅ_１(ｋ）である。
【００４４】
ここで、下記（数２１）式中の〔１／Ｇ_２(ｓ）]Ｉ等を下記（数２４）式に示すように置き換えたものが（数２２）式に相当する。また、（数２２）式の導出において、（数２１）式のＫと（数２２）式のｅは厳密には異なるけれども、物理的にＫ》Ａ・Ｔ_１であるため、ｅ≒Ｋと近似している。また、（数２２）式中の各係数ａ〜ｅは下記（数２３）式に示す内容である。
【００４５】
【数２１】

【００４６】
【数２２】

【００４７】
【数２３】

【００４８】
【数２４】

（数２４）式のｐ_２はＧ_２(ｓ）の応答性を決める定数である。電池パラメータのＴ_１は概略値が数秒と判っているため、（数２４）式中のＴ_１’はＴ_１に近い値に設定する。それにより（数２２）式中の分子に残る「Ｔ_１・ｓ＋１」を相殺できるため、開路電圧Ｖ_０の推定精度を向上できるからである。
なお、（数２１）式は前記（数５）式に相当する。つまり、（数２１）式は、
(Ｔ_１・ｓ＋１)・Ｖ_０＝ (Ｔ_１・ｓ＋１)(Ｔ_３・ｓ＋１)・Ｖ−Ｋ・(Ｔ_２・ｓ＋１)(Ｔ_３・ｓ＋１)・Ｉ
から導出されており、この式に前記（数１０）式と同様に、
Ｔ_１・ｓ＋１＝Ａ(ｓ）
Ｋ・（Ｔ_２・ｓ＋１）＝Ｂ(ｓ）
Ｔ_３・ｓ＋１＝Ｃ(ｓ）
を代入すると、
Ａ(ｓ)・Ｖ_０＝Ａ(ｓ)・Ｃ(ｓ)・Ｖ−Ｂ(ｓ)・Ｃ(ｓ)・Ｉ
となる。これを変形すると、
Ｖ_０＝Ｃ(ｓ)・Ｖ−Ｂ(ｓ)・Ｃ(ｓ)・Ｉ／Ａ(ｓ)
Ｖ_０＝Ｃ(ｓ)・〔Ｖ−Ｂ(ｓ)・Ｉ／Ａ(ｓ)〕
となり、この両辺にローパスフィルタＧ_２(ｓ)を導入すると（数５）式になる。つまり、（数５）式が一般式であり、それを一次モデルに適用したものが（数２１）式である。
【００４９】
ステップＳ３５０では、ステップＳ３４０で算出した△Ｖ_０(ｋ）はパラメータ推定アルゴリズム開始時からの開路電圧の変化分であるから、開路電圧初期値すなわち端子電圧初期値Ｖ_iniを加算して開路電圧推定値Ｖ_０(ｋ）を下記（数２５）式から算出する。
Ｖ_０(ｋ）＝△Ｖ_０(ｋ）十Ｖ_ini …（数２５）
ステップＳ３６０では、図４に示す開路電圧と充電率の相関マップを用いて、ステップＳ３５０で算出したＶ_０(ｋ）から充電率ＳＯＣ(ｋ）を算出する。
なお、図４において、Ｖ_ＬはＳＯＣ＝０％に、Ｖ_ＨはＳＯＣ＝１００％に相当する開路電圧である。
ステップＳ３７０では、次回演算に必要な数値を保存して、今回演算を終了する。以上を、実施例の動作の説明とする。
【００５０】
（第２の実施例）
第２の実施例は、前記図１の補正手段２における補正において、充放電の極性に加えて電池温度による補正を加味したものである。
以下、図５〜図８に示したフローチャートにおいて、前記第１の実施例と異なる部分だけを説明する。
まず、図５のステップＳ１０では、電流Ｉ(ｋ）、端子電圧Ｖ(ｋ）、温度Ｔ(ｋ）を計測する。
また、図８のステップＳ３００では、ステップＳ６０で算出したパラメータ推定値θ(ｋ）の中から、内部抵抗に関係するパラメータｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）に充電側補正を行う。このとき充電側と放電側の内部抵抗の差異を温度毎に予め解析しておき、放電側から見た充電側の所定比率を温度毎にマップ化しておく。そして温度Ｔ(ｋ）でマップ引きすることにより所定比率を決定する。補正方法はｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）に、この所定比率を乗じて、パラメータ推定値と充電側真値の誤差を小さくする。
【００５１】
また、図８のステップＳ３１０では、ステップＳ６０で算出したパラメータ推定値θ(ｋ）の中から、内部抵抗に関係するパラメータｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）に放電側補正を行う。このとき充電側と放電側の内部抵抗の差異を温度毎に予め解析しておき、充電側から見た放電側の所定比率を温度毎にマップ化しておく。そして温度Ｔ(ｋ）でマップ引きすることにより所定比率を決定する。補正方法はｃ(ｋ）、ｄ(ｋ）、ｅ(ｋ）に、この所定比率を乗じて、パラメータ推定値と放電側真値の誤差を小さくする。
なお、充放電極性に応じて異なる内部抵抗特性は、電池温度が低温であるほど顕著である。そのため低温になるほど上記の所定比率を大きくするように補正する。その他の部分は第１の実施例と同様である。以上が第２の実施例の内容である。
【００５２】
以上、説明したごとく、第１の実施例においては、二次電池の電流Ｉと端子電圧Ｖの関係（数１）式を、（数４）式のように近似することで開路電圧Ｖ_０（オフセット項）を含まない構成であるため、計測可能な電流Ｉと端子電圧Ｖを各々フィルタ処理した値と、未知パラメータ（多項式の係数パラメータＡ（ｓ）、Ｂ(ｓ）、Ｃ(ｓ）及びｈ）の積和式が得られるので、通常の適応デジタルフィルタ（最小二乗法などで、公知のパラメータ推定アルゴリズム）を連続時間系のまま適用することが可能になり、未知パラメータを精度良く推定できという効果がある。その結果、未知パラメータを一括推定することができ、推定した係数パラメータを（数５）式に代入することで、開路電圧Ｖ_０の推定値を容易に算出できる。これら未知パラメータは、ＳＯＣや温度や劣化度などに影響され時々刻々と変化することが分かっているけれども、適応デジタルフィルタにより精度良く逐次推定できる。そして、図４に示すように、開路電圧Ｖ_０と充電率ＳＯＣの関係は一定の関係があるため、これを予め記憶しておけば開路電圧Ｖ_０の推定値から充電率ＳＯＣを推定できる。
【００５３】
また、電池の種類によっては充電側と放電側で、内部抵抗が無視できないほど異なる場合がある。適応デジタルフィルタは本来、変化するパラメータでも継続して推定する性質を持つが、ノイズが存在する実際の環境では、適応デジタルフィルタの推定速度を遅く設定する必要がある。その結果、充電側と放電側で内部抵抗が実際に変化する場合に、推定パラメータに遅れが生じるため、開路電圧の推定精度が悪化するおそれがある。しかし、第１の実施例においては、充電側と放電側が切り替わってから所定時間、係数パラメータ推定値の中から内部抵抗に関するパラメータを、充電時と放電時で比較した際の内部抵抗比率（予め解析しておく）を基に補正するように構成しているので、充電側と放電側で切り替わる時の推定誤差を小さくすることが出来、開路電圧の推定精度を良好にすることが出来るという効果がある。
【００５４】
また、充放電極性に応じて異なる内部抵抗特性は、電池温度が低温であるほど顕著である。そのため第２の実施例に示すように、充放電極性に応じた比率を電池温度に応じて変更するように構成することにより、低温でも開路電圧の推定精度を良好にすることができるという効果がある。
また、電池モデルを（数６）式（＝数７式）に限定することにより、演算時間やプログラム容量を必要最小限に抑えることが出来るという効果がある。
【００５５】
以下、図１０、図１１に基づいてパラメータ推定のシミュレーション結果について説明する。図１０は本発明の補正をしない場合、図１１は充放電を繰り返す電流パターンにおいて、充電と放電が切り替わる場合に、所定時間だけ内部抵抗推定値を補正している場合の結果を示す。
シミュレーションに用いた電池モデルの内部抵抗特性として、放電側は充電側に対して２０％大きく設定している。図１０に示した補正しない場合には、充電と放電が切り替わる時、内部抵抗推定値は真値への収束が遅い（図１０の▲１▼▲２▼）ため、開路電圧推定値からマップ換算するＳＯＣ推定値は真値との誤差が大きい。しかし、本発明によって補正した場合には、充電と放電が切り替わる時、内部抵抗推定値は真値への収束が早い（図１１の▲１▼▲２▼）ため、ＳＯＣ推定値は真値との誤差が小さい。
上記のように本発明は、充放電の極性が切り替わってから所定時間、係数パラメータ推定値の中から内部抵抗に関するパラメータを、極性に応じた比率を基に補正する構成であるため、充電側と放電側で切り替わり時の推定誤差を小さくでき、開路電圧の推定精度を良好にする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を機能ブロックで表した図。
【図２】実施例の具体的な構成を示すブロック図。
【図３】二次電池の等価回路モデルを示す図。
【図４】開路電圧と充電率の相関マップ。
【図５】バッテリーコントローラ３０のマイクロコンピュータが行う処理のフローチャート。
【図６】補正処理部分の詳細を示すフローチャートの一部。
【図７】補正処理部分の詳細を示すフローチャートの他の一部。
【図８】補正処理部分の詳細を示すフローチャートの他の一部。
【図９】電流Ｉと端子電圧Ｖを適応デジタルフィルタに入力して、各パラメータを推定したシミュレーション結果を示す図。
【図１０】パラメータ推定のシミュレーション結果を示す図であり、補正なしの場合を示す。
【図１１】パラメータ推定のシミュレーション結果を示す図であり、補正ありの場合を示す。
【符号の説明】
１…パラメータ推定手段２…補正手段
３…開路電圧Ｖ_０(ｋ）演算手段４…充電率推定手段
５…電流Ｉ(ｋ）計測手段６…端子電圧Ｖ(ｋ）計測手段
１０…二次電池２０…負荷
３０…バッテリーコントローラ４０…電流計
５０…電圧計６０…温度計[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for estimating a charging rate (SOC) of a secondary battery.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
JP 2000-323183 A
[Patent Document 2]
JP 2000-268886 A
[Non-Patent Document 1]
"Paper" Estimation of open circuit voltage and remaining capacity of lead battery using adaptive digital filter "Shikoku Research Institute, Shikoku Electric Power, Yuasa Battery T.IEEE Japan Vol.112-C, No.4 1992"
The charge rate SOC (also called charge state) of the secondary battery is the open circuit voltage V₀(It is the battery terminal voltage when the power is cut off, and is also referred to as electromotive force or open voltage).₀Can be estimated. However, since the terminal voltage of the secondary battery takes time to stabilize even after the energization is cut off (charging / discharging is completed), the accurate open circuit voltage V₀Is required for a predetermined time after the end of charging and discharging. Therefore, an accurate open circuit voltage V during charging / discharging or immediately after charging / discharging.₀Therefore, the charging rate SOC cannot be obtained by the above method. Therefore, conventionally, for example, the open circuit voltage V using the method described in Non-Patent Document 1 is used.₀Is estimated.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional example as described above, “adaptive digital filter” is different from “non-regressive battery model (model whose output value is determined only by the current value and the past value of the input value)” which is completely different from the actual physical characteristics of the battery. The open circuit voltage is calculated using “(Sequential model parameter identification algorithm)”, and the charging rate SOC is calculated from this value. Therefore, when applied to actual battery characteristics (input: current, output: voltage), the estimation calculation does not converge at all or does not converge to a true value depending on the battery characteristics, so that an accurate charging rate SOC can be estimated. There was a problem that it was difficult.
The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a secondary battery charge rate estimation device capable of accurately estimating the charge rate SOC and other parameters. And
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, the open-circuit voltage V of the continuous-time battery model shown in the equation (1)₀Is approximated by the equation (2) to obtain the equation (3), an adaptive digital filter operation is performed using the equation (4) equivalent to the equation (3), and the equation (4) Parameter estimating means for estimating the coefficient parameters A (s), B (s), C (s) and the variable h from the parameters, and the parameters relating to the internal resistance among the estimated parameters when the charge / discharge polarity changes Is corrected according to a predetermined ratio based at least on the charge / discharge polarity, and the corrected coefficient parameter is substituted into (Equation 5), which is equivalent to (Equation 2).V ₀ / G ₂ ( s)And calculate this as the open circuit voltage V₀Open circuit voltage calculation means as a substitute for the above and the estimated open circuit voltage V₀The open circuit voltage V obtained in advance using₀Charging rate estimating means for estimating the charging rate from the relationship between the charging rate SOC and the charging rate SOC.
Note that “the charge / discharge polarity changes” in the correction means means switching from charge to discharge or from discharge to charge.
[0005]
【The invention's effect】
The open circuit voltage V can be obtained by approximating the equation (1) showing the relationship between the current I and the terminal voltage V of the secondary battery to the equation (4).₀Since the configuration does not include (offset term), a value obtained by filtering each of the measurable current I and the terminal voltage V, and unknown parameters (coefficient parameters A (s), B (s), C (s), and h ) Is obtained, it is possible to apply a normal adaptive digital filter as it is in a continuous time system, and to estimate unknown parameters with high accuracy. Then, by substituting the estimated coefficient parameter into the equation (5), the open circuit voltage V₀Can be easily calculated. Although these unknown parameters are known to change from moment to moment depending on the SOC, temperature, deterioration degree, and the like, they can be successively estimated with high accuracy by an adaptive digital filter. And the open circuit voltage V₀Since there is a certain relationship between the charging rate SOC and the charging rate SOC (FIG. 4), if this is stored in advance, the open circuit voltage V₀The charging rate SOC can be estimated from the estimated value.
[0006]
Also, depending on the type of battery, the internal resistance may not be negligible between the charge side and the discharge side, and as a result, the estimated parameter is delayed when the internal resistance actually changes between the charge side and the discharge side. Therefore, although the estimation accuracy of the open circuit voltage may be deteriorated, in the present invention, when the charging side and the discharging side are switched, the parameter relating to the internal resistance is preliminarily set between the coefficient parameter estimated values at the time of charging and discharging. Since the correction is made based on the determined ratio, the estimation error when switching between the charging side and the discharging side can be reduced, and the estimation accuracy of the open circuit voltage can be improved.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a functional block diagram showing the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes parameter estimation means, which is an open circuit voltage V₀This is based on a battery model having (k) as an offset term. Further, 2 is a correcting means for correcting a parameter relating to the internal resistance among the estimated parameters when the polarity of the charging / discharging is changed according to at least a predetermined ratio based on the polarity of the charging / discharging. Voltage V₀(k) Calculation means 4 is a charge rate estimation means for calculating the charge rate from the open circuit voltage. Reference numeral 5 denotes current I (k) measuring means for detecting the current charged / discharged from the battery, and reference numeral 6 denotes terminal voltage V (k) measuring means for detecting the terminal voltage of the battery.
[0008]
FIG. 2 is a block diagram showing a specific configuration of the present embodiment. This embodiment shows an example in which a secondary battery charge rate estimation device is provided in a system that drives a load such as a motor with a secondary battery or charges a secondary battery with regenerative power of the motor.
In FIG. 2, 10 is a secondary battery (also referred to simply as a battery), 20 is a load such as a motor, and 30 is a battery controller (electronic control unit) that estimates the state of charge of the battery. This is composed of a microcomputer composed of a ROM and a RAM for storing calculation results and an electronic circuit. Reference numeral 40 denotes an ammeter that detects current charged / discharged from the battery, 50 denotes a voltmeter that detects the terminal voltage of the battery, and 60 denotes a thermometer that detects the temperature of the battery, each connected to the battery controller 30. The battery controller 30 includes the parameter estimation unit 1, the correction unit 2, and the open circuit voltage V shown in FIG.₀(k) Corresponds to the calculation means 3 and the charging rate estimation means 4. The ammeter 40 corresponds to the current I (k) measuring means 5, and the voltmeter 50 corresponds to the terminal voltage V (k) measuring means 6.
[0009]
First, the “battery model” used in the present embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit model of the secondary battery, which can be expressed by the following formula (7) (= formula 6).
[0010]
[Expression 7]

However, the model input is current I [A] (positive value is charging, negative value is discharging), and model output is terminal voltage V [V], V₀[V] is the open circuit voltage, K is the internal resistance, T₁~ T₃Is a time constant, and s is a Laplace operator.
Although this model is a reduction model (primary) in which the positive electrode and the negative electrode are not particularly separated, it is possible to show the actual charge / discharge characteristics of the battery relatively accurately. (Equation 7) is the above equation (Equation 1), and A (s) = T₁・ S + 1, B (s) = K ・ (T₂S + 1, C (s) = T₃・ It is set as s + 1.
[0011]
Hereinafter, the derivation from the battery model of the formula (7) to the adaptive digital filter will be described first.
Open circuit voltage V₀Assuming that the value obtained by multiplying the current I by the variable efficiency A is integrated from a certain initial state, it can be written by the equation (8).
[0012]
[Equation 8]

In addition, (Formula 8) is equivalent to what replaced h in said (Formula 2) Formula with said A.
If Expression (8) is substituted into Expression (7), Expression (9) is obtained.
[0013]
[Equation 9]

Note that (Equation 9) corresponds to the above (Equation 3), and A (s), B (s), and C (s) in (Equation 3) Similarly, the following formula is substituted.
A (s) = T₁・ S + 1
B (s) = K · (T₂・ S + 1)
C (s) = T₃・ S + 1
In other words, (Equation 3) is a general equation, and (Equation 9) is obtained by applying it to the primary model.
If the above equation (9) is arranged, the following equation (10) is obtained.
[0014]
[Expression 10]

In the last equation of (Equation 10), the parameters are rewritten as shown in the following (Equation 11).
[0015]
[Expression 11]

Stable low-pass filter G₁If (s) is introduced into both sides of Equation (10) and rearranged, Equation (12) is obtained.
[0016]
[Expression 12]

In other words, in the formula (10), in contrast to the formula (7),
T₁・ S + 1 = A (s)
K ・ (T₂・ S + 1) = B (s)
T₃・ S + 1 = C (s)
Substituting
s * A (s) * C (s) * V = B (s) * C (s) * s * I + A * A (s) * I
And when this is transformed,
s * A (s) * C (s) * V = [B (s) * C (s) * s + A * A (s)] * I
It becomes. Low-pass filter G on both sides of the above equation₁When (s) is introduced, the above equation (4) is obtained. In other words, (Equation 4) is a general equation, and (Equation 12) is obtained by applying it to the primary model.
[0017]
A value obtained by processing the current I and the terminal voltage V that can be actually measured with a low-pass filter or a band-pass filter is defined as the following equation (13). However, p₁Is G₁It is a constant that determines the response of (s).
[0018]
[Formula 13]

If the equation (12) is rewritten using the variables shown in the equation (13), the equation (14) is obtained, and if it is modified, the equation (15) is obtained.
[0019]
[Expression 14]

[0020]
[Expression 15]

Since the equation (15) is a product-sum equation of a measurable value and an unknown parameter, it agrees with a standard form (equation 16) of a general adaptive digital filter.
Ω^TMeans a transposed vector in which the rows and columns of the vector ω are exchanged.
[0021]
[Expression 16]

However, in equation (16), y, ω^T, Θ are represented by the following (Equation 17).
[0022]
[Expression 17]

Therefore, the unknown parameter vector θ can be estimated by using a signal obtained by filtering the current I and the terminal voltage V in the adaptive digital filter calculation.
In this example, the logical disadvantage of a simple “adaptive digital filter based on the least square method” (because once the estimated value converges, accurate estimation cannot be performed again even if the parameter changes) is improved. "Trace gain method" is used. A parameter estimation algorithm for estimating the unknown parameter vector θ based on the equation (16) is as shown in the equation (18). However, it is assumed that the parameter estimation value at time k is θ (k).
[0023]
[Expression 18]

Where λ₁, Λ₃(k), γ_U, Γ_LIs the default setting, b <λ₁<1, 0 <λ₃(k) <∞. P (0) is a sufficiently large value, and θ (0) is a non-zero sufficiently small value. trace {P} means the trace of the matrix P.
The above is the derivation from the battery model to the adaptive digital filter.
[0024]
FIG. 5 is a flowchart of processing performed by the microcomputer of the battery controller 30, and the routine of FIG.₀Performed every time. For example, I (k) means the current value, and I (k-1) means the previous value.
In step S10, current I (k) and terminal voltage V (k) are measured.
In step S20, the secondary battery cutoff relay is turned on / off. That is, the battery controller 30 also controls the secondary battery cutoff relay, and when the relay is cut off (current I = 0), the process proceeds to step S30. When the relay is engaged, the process proceeds to step S40.
In step S30, the terminal voltage V (k) is stored as the terminal voltage initial value V_ini.
In step S40, a terminal voltage difference value ΔV (k) is calculated.
However, ΔV (k) = V (k) −V_ini
This is because the initial value of the estimation parameter in the adaptive digital filter is set to about 0, so that all the inputs are set to 0 so that the estimation parameter does not diverge when the estimation calculation starts. Since the process goes through step S30 when the relay is cut off, I = 0 and ΔV (k) = 0, so that the estimation parameters remain in the initial state.
[0025]
In step S50, the current I (k) and the terminal voltage difference value ΔV (k) are subjected to filter processing of a low-pass filter and a band-pass filter based on the equation (13).₀(k) to I₃(k) and V₁(k) to V₃(k) is calculated from Equation (19).
At this time, in order to improve the estimation accuracy of the parameter estimation algorithm of Equation (18), the low-pass filter G is used to reduce the observation noise.₁Set the response of (s) slower. However, battery response characteristics (time constant T₁Each parameter of the battery model cannot be estimated with high accuracy unless the characteristic is faster than the known value. P in equation (19)₁Is G₁It is a constant that determines the response of (s).
[0026]
[Equation 19]

In step S60, I calculated in step S50.₀(k) to I₃(k) and V₁(k) to V₃Substitute (k) into Equation (18). Then, equation (18), which is a parameter estimation algorithm in the adaptive digital filter, is executed to calculate a parameter estimation value θ (k). Where y (k), ω^T(k) and θ (k) are expressed by the following equation (20).
[0027]
[Expression 20]

In addition, depending on the type of battery, the internal resistance may be different between the charge side and the discharge side. The adaptive digital filter originally has the property of continuously estimating even changing parameters, but in an actual environment where noise exists, the adaptive digital filter needs to be set at a low estimation speed. As a result, when the internal resistance actually changes between the charge side and the discharge side, there is a possibility that the estimation accuracy of the open circuit voltage is deteriorated because a delay occurs in the estimation parameter. For this reason, in this embodiment, the internal resistance characteristics on the charge side and the discharge side are analyzed in advance, and the estimated parameter related to the internal resistance is adjusted so that it matches the actual internal resistance characteristics for a predetermined time after the charge side and the discharge side are switched. Is configured to correct. Steps S70 to S330 in FIG. 5 are steps for performing the above correction (processing in the correction means 2 in FIG. 1), and details of the contents are shown in FIGS.
[0028]
In the flowcharts shown in FIGS. 6 to 8, when charging / discharging is switched, parameters related to the internal resistance are corrected for a predetermined time. Details will be described below.
In step S70, the absolute value | I (k) | of the current is compared with a predetermined value in order to distinguish between the charged / discharged state and the open state (small energized state in the dead zone). If the result is smaller than the positive predetermined value (dead zone), the process proceeds to step S90. In other cases, the process proceeds to step S80.
In step S80, charging and discharging are distinguished depending on whether the current is positive or negative. If I (k)> 0 (during charging), the process proceeds to step S100. In other cases (during discharging), the process proceeds to step S110.
[0029]
In step S90, since the current is in the dead zone, the following processing is performed as an open state. Where MODE (k) is a variable (mode) for distinguishing between charging, discharging, and open states, CNJ (k) is a counter indicating the time in the charging state, CNTH (k) is a counter indicating the time in the discharging state, CNTOP (k) is a counter indicating the time in the open state. The initial values are all 0.
MODE (k) = 0
CNTOP (k) = CNTOP (k−1) +1
CNTH (k) = 0
CNTJ (k) = 0
In step S100, the following processing is performed as the state of charge.
MODE (k) = 1
CNTOP (k) = 0
CNTJ (k) = CNTJ (k-1) +1
CNTH (k) = 0
In step S110, the following process is performed as a discharge state.
MODE (k) =-1
CNTOP (k) = 0
CNTJ (k) = 0
CNTH (k) = CNTH (k−1) +1
In step S120, it is determined whether or not the current mode has been switched since the previous calculation. If MODE (k) = MODE (k−1), that is, if the mode in the previous calculation is not changed, the process proceeds to step S250. In other cases, that is, when the mode is switched, the process proceeds to step S130. Steps S130 to S240 are executed only when the mode is switched.
[0030]
In step S130, the mode MODE1 (k) one time before switching and the mode MODE2 (k) two times before are rewritten. The initial values are all 0.
MODE2 (k) = MODE1 (k-1)
MODE1 (k) = MODE (k-1)
In step S140, it is determined whether or not the current mode is an open state. If MODE (k) = 0 (open state), the process proceeds to step S150. In other cases, the process proceeds to step S160.
[0031]
In step S150, since the current mode is an open state, it is not necessary to correct the estimation parameter, so that HOSEI (k) = 0. HOSEI (k) is a mode indicating charge / discharge correction, and the initial value is 0.
In step S160, it is determined whether or not the current mode is a charged state. If MODE (k) = 1 (charged state), the process proceeds to step S180. In other cases, the process proceeds to step S170.
[0032]
In step S180, since the current mode is the charging state, it is determined whether or not the mode immediately before switching is discharging. If MODE1 (k) = − 1 (the previous time is the discharge state), the process proceeds to step S220. In other cases, the process proceeds to step S190.
[0033]
In step S190, since the current mode is the charging state and the previous mode is the open state, it is determined whether or not the previous mode to be switched is discharging. When MODE2 (k) = − 1 (the second time is in the discharge state), the process proceeds to step S220. In other cases, the process proceeds to step S210.
In step S210, since it is not switched from discharging to charging, it is not necessary to correct the estimation parameter, so that HOSEI (k) = 0.
In step S220, since switching from discharging to charging, it is necessary to correct the estimation parameter to the charging side, so HOSEI (k) = 1.
[0034]
In step S170, since the current mode is a discharge state, it is determined whether or not the mode immediately before switching is charging. If MODE (k) = 1 (the charge state is one time before), the process proceeds to step S230. In other cases, the process proceeds to step S200.
[0035]
In step S200, since the current mode is the discharge state and the previous mode is the open state, it is determined whether or not the second previous mode to be switched is charging. If MODE2 (k) = 1 (charged two times before), the process proceeds to step S230. In other cases, the process proceeds to step S240.
In step S230, since the charging is switched to discharging, it is necessary to correct the estimation parameter to the discharging side, so that HOSEI (k) = − 1.
In step S240, since charging is not switched to discharging, it is not necessary to correct the estimation parameter, so that HOSEI (k) = 0.
In step S250, the presence / absence of correction is determined. If HOSEI (k) = 0, no correction is necessary and the process proceeds to step S330. In other cases, the process proceeds to step S260.
In step S260, it is determined whether or not charging side correction is performed. If HOSEI (k) = 1, charging-side correction is required and the process proceeds to step S280. In other cases, since the discharge side correction is required, the process proceeds to step S270.
[0036]
In step S280, the time after entering the charging mode is determined. This is to limit the charging side correction to a predetermined time from the time of switching. If CNTJ (k) <predetermined value (within a predetermined time), the process proceeds to step S300. In other cases, the process proceeds to step S290.
In step S290, since a predetermined time has elapsed from the time of switching, the charging side correction is terminated and HOSEI (k) = 0 is set.
[0037]
In step S300, parameters c (k), d (k), e (k) (see the above equation 20) related to the internal resistance are selected from the parameter estimated values θ (k) calculated in step S60. Make corrections. The contents of this correction are obtained by analyzing the difference between the internal resistances on the charge side and the discharge side in advance and determining the predetermined ratio on the charge side as viewed from the discharge side. The correction method multiplies c (k), d (k), and e (k) by this predetermined ratio to reduce the error between the parameter estimated value and the charge side true value. That is, the parameters before correction are c (k), d (k), e (k), and the parameters after correction are c₁(k), d₁(k), e₁If (k),
c₁(k) = c (k) × predetermined ratio
d₁(k) = d (k) × predetermined ratio
e₁(k) = e (k) × predetermined ratio
It is.
[0038]
In step S270, the time after entering the discharge mode is determined. This is because the discharge side correction is limited to a predetermined time from the time of switching. If CNTH (k) <predetermined value (within a predetermined time), the process proceeds to step S310. In other cases, the process proceeds to step S320.
[0039]
In step S310, discharge side correction is performed on the parameters c (k), d (k), and e (k) related to the internal resistance from the parameter estimated value θ (k) calculated in step S60. The content of this correction is that the difference between the internal resistances on the charge side and the discharge side is analyzed in advance, and the predetermined ratio on the discharge side as viewed from the charge side is determined. The correction method multiplies c (k), d (k), and e (k) by this predetermined ratio to reduce the error between the parameter estimated value and the discharge side true value. That is, the parameters before correction are c (k), d (k), e (k), and the parameters after correction are c₁(k), d₁(k), e₁If (k),
c₁(k) = c (k) × predetermined ratio
d₁(k) = d (k) × predetermined ratio
e₁(k) = e (k) × predetermined ratio
It is.
[0040]
In step S320, since a predetermined time has elapsed from the time of switching, the discharge side correction is terminated and HOSEI (k) = 0 is set.
In step S330, non-correction processing is performed so that there is no step between the estimated value and the correction value due to switching after completion of the correction. Using a known method, the predetermined ratio multiplied in step S300 or step S310 is gradually set to 1. Here, the non-correction process is described below with the predetermined ratio being returned to 1.
[0041]
c₁(k) = c (k)
d₁(k) = d (k)
e₁(k) = e (k)
FIG. 9 is a time chart of an example of the above correction processing.
As shown in FIG. 9, the parameters c (k), d (k), and e (k) related to the internal resistance are corrected for a predetermined time after switching from charging to discharging or from discharging to charging. Thus, the internal resistance estimated value is corrected to match the true value.
[0042]
Next, returning to FIG. 5, in step S340, the parameter estimation value θ (k) calculated in step S60 is corrected with a to b and c corrected.₁(k), d₁(k), e₁Substitute (k) into equation (22).
[0043]
(Expression 22) is an expression obtained by modifying Expression (7), which is a battery model, and the open circuit voltage V₀As a substitute for V₀'Is calculated. Open circuit voltage V₀Changes slowly so V₀'Can be substituted. However, what is found here is the change ΔV in the estimated open circuit voltage from the start of the estimation calculation.₀(k). Note that c, d, and e in the equation (22) are c after correction processing.₁(k), d₁(k), e₁(k).
[0044]
Here, [1 / G in the following equation (21)₂(s)] I or the like replaced as shown in the following (Expression 24) corresponds to (Expression 22). Further, in the derivation of the equation (22), K in the equation (21) and e in the equation (22) are strictly different, but physically K >> A · T₁ Therefore, it is approximated as e≈K. Further, the coefficients a to e in the equation (22) are the contents shown in the following equation (23).
[0045]
[Expression 21]

[0046]
[Expression 22]

[0047]
[Expression 23]

[0048]
[Expression 24]

P in equation (24)₂Is G₂It is a constant that determines the response of (s). Battery parameter T₁Since the approximate value is known to be several seconds, T in (Expression 24)₁‘T’₁Set to a value close to. As a result, “T” remaining in the numerator in the equation (22)₁Since s + 1 ”can be canceled, the open circuit voltage V₀This is because the estimation accuracy can be improved.
The equation (21) corresponds to the equation (5). In other words, (Expression 21) is
(T₁・ S + 1) ・ V₀= (T₁・ S + 1) (T₃・ S + 1) ・ V−K ・ (T₂・ S + 1) (T₃・ S + 1) ・ I
In the same way as the above equation (10),
T₁・ S + 1 = A (s)
K ・ (T₂・ S + 1) = B (s)
T₃・ S + 1 = C (s)
Substituting
A (s) ・ V₀= A (s) · C (s) · V-B (s) · C (s) · I
It becomes. If this is transformed,
V₀= C (s), V-B (s), C (s), I / A (s)
V₀= C (s) · [V−B (s) · I / A (s)]
And low-pass filter G on both sides₂When (s) is introduced, equation (5) is obtained. That is, Equation (5) is a general equation, and Equation (21) is obtained by applying it to the primary model.
[0049]
In step S350, ΔV calculated in step S340.₀Since (k) is the change in the open circuit voltage from the start of the parameter estimation algorithm, the open circuit voltage initial value V_ini is added to the open circuit voltage initial value V_ini to add the open circuit voltage estimated value V₀(k) is calculated from the following (Equation 25).
V₀(k) = △ V₀(k) Ten V_ini (Equation 25)
In step S360, using the correlation map between the open circuit voltage and the charging rate shown in FIG.₀The charging rate SOC (k) is calculated from (k).
In FIG. 4, V_LIs SOC = 0%, V_HIs an open circuit voltage corresponding to SOC = 100%.
In step S370, numerical values necessary for the next calculation are stored, and the current calculation is terminated. The above is the description of the operation of the embodiment.
[0050]
(Second embodiment)
In the second embodiment, correction by the battery temperature is taken into account in addition to the polarity of charge / discharge in the correction in the correction means 2 of FIG.
Hereinafter, only the parts different from those of the first embodiment in the flowcharts shown in FIGS.
First, in step S10 in FIG. 5, current I (k), terminal voltage V (k), and temperature T (k) are measured.
In step S300 in FIG. 8, the charging side correction is applied to the parameters c (k), d (k), and e (k) related to the internal resistance from the parameter estimated value θ (k) calculated in step S60. Do. At this time, the difference in internal resistance between the charge side and the discharge side is analyzed in advance for each temperature, and the predetermined ratio on the charge side as viewed from the discharge side is mapped for each temperature. Then, a predetermined ratio is determined by drawing a map with the temperature T (k). The correction method multiplies c (k), d (k), and e (k) by this predetermined ratio to reduce the error between the parameter estimated value and the charge side true value.
[0051]
In step S310 in FIG. 8, the discharge side correction is applied to the parameters c (k), d (k), and e (k) related to the internal resistance from the parameter estimated value θ (k) calculated in step S60. Do. At this time, the difference in internal resistance between the charge side and the discharge side is analyzed in advance for each temperature, and the predetermined ratio on the discharge side as viewed from the charge side is mapped for each temperature. Then, a predetermined ratio is determined by drawing a map with the temperature T (k). The correction method multiplies c (k), d (k), and e (k) by this predetermined ratio to reduce the error between the parameter estimated value and the discharge side true value.
Note that the internal resistance characteristics that differ depending on the charge / discharge polarity are more conspicuous as the battery temperature is lower. For this reason, the predetermined ratio is corrected to increase as the temperature decreases. Other parts are the same as those of the first embodiment. The above is the contents of the second embodiment.
[0052]
As described above, in the first embodiment, the open circuit voltage V is obtained by approximating the relationship (Equation 1) between the current I and the terminal voltage V of the secondary battery as shown in Equation (4).₀Since the configuration does not include (offset term), a value obtained by filtering each of the measurable current I and the terminal voltage V and unknown parameters (polynomial coefficient parameters A (s), B (s), C (s) And h), it is possible to apply a normal adaptive digital filter (a known parameter estimation algorithm such as a least squares method) in a continuous time system, and accurately estimate unknown parameters. There is an effect that can be done. As a result, unknown parameters can be estimated at once, and the open circuit voltage V can be calculated by substituting the estimated coefficient parameters into Equation (5).₀Can be easily calculated. Although these unknown parameters are known to change from moment to moment depending on the SOC, temperature, deterioration degree, and the like, they can be successively estimated with high accuracy by an adaptive digital filter. Then, as shown in FIG.₀Since the relationship between the charging rate SOC and the charging rate SOC is constant, if this is stored in advance, the open circuit voltage V₀The charging rate SOC can be estimated from the estimated value.
[0053]
In addition, depending on the type of battery, the internal resistance may be different between the charge side and the discharge side. The adaptive digital filter originally has the property of continuously estimating even changing parameters, but in an actual environment where noise exists, the adaptive digital filter needs to be set at a low estimation speed. As a result, when the internal resistance actually changes between the charge side and the discharge side, a delay occurs in the estimation parameter, and there is a possibility that the estimation accuracy of the open circuit voltage is deteriorated. However, in the first embodiment, the internal resistance ratio (preliminarily analyzed) is compared with the parameter related to the internal resistance among the coefficient parameter estimated values for a predetermined time after the charge side and the discharge side are switched. Therefore, it is possible to reduce the estimation error when switching between the charge side and the discharge side, and to improve the estimation accuracy of the open circuit voltage. is there.
[0054]
Also, the internal resistance characteristics that differ depending on the charge / discharge polarity are more conspicuous as the battery temperature is lower. Therefore, as shown in the second embodiment, by configuring the ratio according to the charge / discharge polarity to change according to the battery temperature, there is an effect that the open circuit voltage estimation accuracy can be improved even at a low temperature. is there.
Further, by limiting the battery model to (Equation 6) (= Equation 7), there is an effect that the calculation time and the program capacity can be minimized.
[0055]
Hereinafter, simulation results of parameter estimation will be described with reference to FIGS. FIG. 10 shows the result when the correction of the present invention is not performed, and FIG. 11 shows the result when the estimated internal resistance is corrected for a predetermined time when charging and discharging are switched in a current pattern in which charging and discharging are repeated.
As the internal resistance characteristics of the battery model used for the simulation, the discharge side is set to be 20% larger than the charge side. When the correction shown in FIG. 10 is not performed, the estimated internal resistance slowly converges to the true value when charging and discharging are switched ((1) and (2) in FIG. 10). The estimated SOC value has a large error from the true value. However, when the correction is made according to the present invention, the estimated value of the internal resistance quickly converges to the true value when charging and discharging are switched ((1) and (2) in FIG. 11), so the estimated SOC value is the true value. The error is small.
As described above, the present invention is configured to correct the parameter relating to the internal resistance from the coefficient parameter estimated value based on the ratio according to the polarity for a predetermined time after the charge / discharge polarity is switched. The estimation error at the time of switching on the discharge side can be reduced, and the estimation accuracy of the open circuit voltage is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a functional block diagram illustrating an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a specific configuration of the embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing an equivalent circuit model of a secondary battery.
FIG. 4 is a correlation map between an open circuit voltage and a charging rate.
FIG. 5 is a flowchart of processing performed by the microcomputer of the battery controller 30;
FIG. 6 is a part of a flowchart showing details of a correction processing portion.
FIG. 7 is another part of a flowchart showing details of the correction processing part.
FIG. 8 is another part of a flowchart showing details of the correction processing part.
FIG. 9 is a diagram showing a simulation result in which each parameter is estimated by inputting a current I and a terminal voltage V to an adaptive digital filter.
FIG. 10 is a diagram showing a simulation result of parameter estimation, showing a case without correction.
FIG. 11 is a diagram showing a simulation result of parameter estimation, showing a case with correction.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Parameter estimation means 2 ... Correction means
3 ... Open circuit voltage V₀(k) Calculation means 4 ... Charging rate estimation means
5 ... Current I (k) measuring means 6 ... Terminal voltage V (k) measuring means
10 ... secondary battery 20 ... load
30 ... Battery controller 40 ... Ammeter
50 ... Voltmeter 60 ... Thermometer

Claims

The current I and terminal voltage V of the secondary battery is measured by using an adaptive digital filter, said current estimates the open-circuit voltage V ₀ from the measured value of I and the terminal voltage V, the charging and the open circuit voltage V ₀ previously determined In the charging rate estimation device that estimates the charging rate based on the relationship with the rate SOC,
The open circuit voltage V ₀ of the continuous-time battery model shown in the following (Expression 1) is approximated by the following (Expression 2) to obtain the following (Expression 3), which is equivalent to the following (Expression 3) ( A parameter estimation means for performing an adaptive digital filter operation using the equation (4) and estimating the coefficient parameters A (s), B (s), C (s) and the variable h from the equation (4);
When the polarity of charging / discharging changes, the correction means for correcting the parameter related to the internal resistance among the estimated parameters according to a ratio determined in advance based on at least the polarity of charging / discharging,
Said coefficient parameter corrected by substituting in equation 2 equivalent following equation (5) V 0 _/ G calculating ₂ (s), open-circuit voltage calculation that this substitute of open circuit voltage V ₀ Means,
Charge rate estimation means for estimating the charge rate from the relationship between the previously determined open circuit voltage V ₀ and the charge rate SOC using the estimated open circuit voltage V ₀ ;
A charging rate estimation device for a secondary battery, comprising:

Where s is a Laplace operator, A (s), B (s) and C (s) are polynomial functions of s, h is a variable, 1 / G ₁ (s) and 1 / G ₂ (s) are low-pass filters. Characteristic transfer function

The secondary battery charging rate estimation apparatus according to claim 1, wherein the predetermined ratio in the correcting means is a ratio determined in advance based on battery temperature in addition to charge / discharge polarity.

The secondary battery charge rate estimation apparatus according to claim 1 or 2, wherein the correction by the correction means is performed only for a predetermined time after the charge / discharge polarity changes.

4. The secondary battery charging rate estimation apparatus according to claim 1, wherein the battery model is calculated as the following equation (6).

Where K is the internal resistance and T ₁ , T ₂ , and T ₃ are time constants