JP4623448B2 - 二次電池の残存容量演算方法 - Google Patents

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Description

この発明は、ニューラルネットを用いた車両用蓄電装置の内部状態(特にその蓄電状態)の検出技術の改良に関する。
たとえば鉛蓄電池のような二次電池では劣化の程度により、電池の電圧又は電流に関連する電気量(たとえば電圧、開路電圧、内部抵抗など)とSOCや残存容量(SOH)との相関関係がばらつくために、劣化の進行とともにSOCやSOHの検出精度が悪化するという問題や電池ごとのSOCやSOHのばらつきなどがあり、大量生産される二次電池のSOCやSOHを個別に高精度に検出することは困難とされていた。このため、安全性の観点からこれらばらつきを含んで二次電池の使用可能充放電範囲を狭く設定せざるを得ないという問題もあった。
この問題を改善するため、被測定対象の特性ばらつきに柔軟に対応可能なニューラルネットワークを用いてSOCやSOHを検出する方法(以下、ニューラルネット式電池状態検出技術)が提案されている(特許文献1、2)。
更に詳しく説明すると、特許文献1は、少なくとも開路電圧OCV、放電開始直後電圧VO及び内部抵抗Rを入力パラメータとして、既に学習済みニューラルネットにより演算して残存容量Teを検出することを提案している。
また、特許文献2は、バッテリ電圧、電流、内部インピーダンス(交流法による検出)及び温度を学習済みの第1のニューラルネットに導入してバッテリ劣化情報を演算し、このバッテリ劣化情報とバッテリ電圧、電流、内部インピーダンスとを学習済みの第2のニューラルネットに導入して電池の残存容量を演算することを提案している。
特開平9-243716号公報 特開2003-249271号公報
しかしながら、上記した特許文献1、2によるニューラルネット式電池状態検出技術を用いたSOCやSOHなどの判定は、ニューラルネット演算を行わない残存容量検出方法に比べて回路規模や演算規模の負担が格段に大きいにもかかわらず、残存容量検出精度の誤差がなお大きく、実用化のために更なる検出精度向上が必要となっていた。また、このニューラルネットを用いる演算方法の検出精度向上を回路規模や演算規模の増大を抑止しつつ行うことも要望されていた。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、過重な演算負担を回避しつつ残存容量情報をニューラルネット演算により高精度に抽出可能な二次電池の残存容量演算方法を提供することをその目的としている。
本発明の二次電池の残存容量演算方法は、二次電池から検出した電池状態データを用いた演算により得た演算値又は前記電池状態データを入力パラメータとして前記二次電池の蓄電状態量をニューラルネットを用いて演算する二次電池の残存容量演算方法において、前記入力パラメータは、前記二次電池の分極量に影響を与える直近の所定期間の充放電電流に関連する電気量である分極関連量と、前記二次電池の電圧Vと、電流Iとを含み、前記分極関連量は、kを現時点から遠ざかるにつれて値が小さくなる重み係数とする場合に、k・Iを直近の所定期間の間積分した値であることを特徴としている。
なお、上記で言う蓄電状態量は残存容量(SOH)や残存容量率(SOC)を含む。入力パラメータとして用いる二次電池の電圧(端子電圧)や電流としては、ノイズ低減などのためにその直流成分をローパスフィルタで抽出したり、直近の所定期間における平均値を演算したりすることが好適である。
すなわち、本発明は入力パラメータとして二次電池の分極関連量を採用するという演算負荷の増大が少ない解決手段の採用により、この分極関連量を入力パラメータとしない場合に比べて格段に蓄電状態量の演算精度を向上できることを見いだした。これは、ニューラルネット演算の入力パラメータとしての二次電池の電圧が分極に影響を受けるため、この分極関連量を更にこのニューラルネットに入力パラメータとして追加することにより、出力パラメータとしての蓄電状態量にとって無効である電圧V内の分極電圧成分を、この追加の入力パラメータとしての分極関連量によりニューラルネット演算を用いてキャンセルできるためと推定される。
したがって、本発明によればわずか一つの入力パラメータを追加するという演算負担増加や回路規模増加がほとんどない解決手段により、高精度の蓄電状態量の検出が可能となった。
二次電池の分極量は、たとえば直近の5〜10分といった所定の短期間における充放電電流積算量に強い相関をもち、また、充放電により発生した分極は時間経過とともに減衰する。したがって、分極関連量を、kを現時点から遠ざかるにつれて値が小さくなる重み係数とする場合に、k・Iを直近の所定期間の間積分した値(時間減衰重み付け電流積算量とも言う)とすることによって、簡単な演算により、実際の分極量に強い相関をもつ分極関連量を算出することができる。
好適な態様において、前記入力パラメータとしての前記電圧V及び前記電流Iは、直近の所定期間における電圧履歴及び電流履歴であり、入力パラメータは、該二次電池の開路電圧Voを更に含む。このようにすれば、電池劣化関連量としての開路電圧Voを入力パラメータとするので、電池劣化のばらつきによる蓄電状態量の演算精度の低下を防止することができるとともに、これら開路電圧Voの算出過程にて開路電圧Voに導入される分極関連量の影響も低減して、一層の蓄電状態量検出精度の向上を図ることができることがわかった。
開路電圧Voは、過去の電圧・電流データから従来通り近似的に演算することができる。更に説明すると、二次電池は劣化度合いにより放電可能量が変動し、劣化度合いは開路電圧Voに相関を有するため、蓄電状態量の算出において劣化度合いの影響を加味するため、開路電圧Voをニューラルネット演算の入力パラメータとすることは好ましいと考えられる。つまり、この態様によれば、電池の電圧、電流を入力パラメータとし、更にこの電圧、電流に含まれる電池劣化関連状態量としての開路電圧Voを入力パラメータとし、更にこれら電圧V、開路電圧Voに含まれる分極量に関連する分極関連量を更なる入力パラメータとするため、電池劣化及び分極の両方の影響を相殺した電圧・電流と蓄電状態量との相関をニューラルネット演算により抽出できたものと推定される。
なお、開路電圧Voに加えて内部抵抗Rも劣化関連状態量としてニューラルネット演算の入力パラメータとしてもよい。この内部抵抗Rをその演算に際して分極関連量が混入する結果、内部抵抗Rは分極に相関をもつため、本発明の分極関連量を入力パラメータとしたことにより、内部抵抗R内の分極相関成分をキャンセルするのに有効となる。
なお、上記したニューラルネットへの入力パラメータとしての電圧V、開路電圧Voは、それぞれそれらを線形変換した関数を包含するものとする。たとえば、K1、K2を定数とする時、電圧Vの代わりに、K1・V+K2を用いてもよい。入力パラメータVと、入力パラメータ(K1・V+K2)との間の出力誤差はニューラルネット演算により容易に収束させることができる。
また、上記した電圧V、開路電圧Vo、内部抵抗Rは、それらの満充電時の値に対する相対値すなわち比の形式(以下、満充電比とも言う)で入力パラメータとしてもよい。このようにすれば、ニューラルネットの学習時や蓄電状態量演算時における電池の容量ばらつきの影響を低減することができる。たとえば、電圧Vの満充電比とは満充電時の電圧Vfを分母、電圧の今回値を分子とする比であり、上記した開路電圧Voの満充電比とは満充電時の開路電圧Vofを分母、開路電圧Voの今回値を分子とする比であり、内部抵抗Rの満充電比とは、満充電時の内部抵抗Rを分母、内部抵抗Rの今回値を分子とする比を言うものとする。このような満充電比を採用することにより、異なる電池間の比較が適切となるため検出精度が向上することがわかった。
本発明の二次電池の残存容量演算方法を実施例を参照して図面に沿って具体的に説明する。
(回路構成)
実施例1の車両用蓄電装置のニューラルネットを用いる演算方法について以下に説明する。まず、装置の回路構成を図1に示すブロック図を参照して説明する。
101は車載蓄電装置(以下、バッテリとも呼ぶ)、102はこの車載蓄電装置を充電する車載発電機、103は車載蓄電装置101から給電される車載電気負荷をなす電気装置、104は車載蓄電装置101の充放電電流を検出する電流センサ、105は車載蓄電装置101の状態を検出する電子回路装置である蓄電池状態検知装置、106は前段処理回路、107は前段処理回路106から入力される後述の入力パラメータをニューラルネット演算して所定の蓄電状態量(この実施例ではSOC)を出力するニューラルネット部、108はニューラルネット部107などから読み込んだ信号に基づいて車載発電機102の発電量を制御する発電機制御装置である。前段処理回路106及びニューラルネット部107はマイコン装置によるソフトウエア演算により実現されるが、専用のハードウエア回路により構成されてよいことはもちろんである。
前段処理回路106は、車載蓄電装置101の電圧Vと電流センサ104からの電流Iとのペアを一定時間ごとに同時にサンプリングして読み込み、直近の所定期間の電圧・電流ペアを所定個数記憶し、これらをニューラルネット演算の入力パラメータとしての電圧・電流履歴としてニューラルネット部107に出力する。また、前段処理回路106は、これら電圧・電流ペアに基づいて後述のニューラルネット部107にて入力パラメータとして用いるための開路電圧Voを演算する。なお、このような電圧・電流履歴に代えて直近の所定期間における二次電池101の電圧Vの平均値及び充放電電流Iの平均値を採用してもよい。また、開路電圧Voに加えて、内部抵抗Rも算出してニューラルネット演算の入力パラメータとしてもよい。
開路電圧Vo及び内部抵抗Rを演算する方法を図2を用いて説明する。図2は、所定インタバルでサンプリングし記憶している電圧Vと電流Iとのペアの二次元分布を示す電圧ー電流分布図である。各電圧・電流ペアから最小自乗法により電圧Vと電流Iとの関係を示す直線近似式Lを演算、創成し、この直線近似式Lにより切片(開路電圧Vo)及び/又は傾斜(内部抵抗R)を電圧Vと電流Iとのペアが入力されるごとに演算して開路電圧Vo(好適には内部抵抗Rも)を算出する。この種の最小自乗法を用いた直線近似式Lの創成と、この直線近似式Lを用いた開路電圧Voや内部抵抗Rの抽出自体は公知事項であるため、更なる説明は省略する。その後、今回採用した新規な入力パラメータとしての直近の電流積算量Qxが算出される。この直近の電流積算量Qxは、本発明で言う分極関連量であって、直近の所定時間(たとえば直近の5分間)における充放電電流の積分値であり、検出した電流値を積算して求めればよい。
次に、電圧電流履歴をなす各電圧・電流ペア、開路電圧Vo及び直近の電流積算量Qxがニューラルネットに入力パラメータとして入力され、ニューラルネットを運転することにより残存容量率(SOC)が演算され、演算された残存容量率(SOC)が出力される。いままで説明した残存容量率(SOC)のニューラルネット演算のフローを図3に示す。ニューラルネット部107は、入力された各入力パラメータを用いて残存容量率(SOC)をニューラルネット演算し、算出した残存容量率(SOC)を外部に出力する。なお、これら5つの入力パラメータ以外にたとえば内部抵抗Rなどの好適な入力パラメータを適宜追加してもよい。
次に、上記したニューラルネット演算について図4に示すブロック図を参照して説明する。学習済みのニューラルネットワーク部107は3階層のフィードフォワード型で誤差逆伝播方法により学習する形式であるが、この形式に限定されるものではない。ニューラルネット部107は、入力層201、中間層202及び出力層203により構成されている。ただし、ニューラルネット部107は、実際には所定の演算インタバルで実施されるソフトウエア処理により構成される。つまり、ニューラルネット部107は、実際にはマイコン回路のソフトウエア演算により構成されるため、図1に示す回路構成は機能的なものにすぎない。各入力セルは入力パラメータを個別に受け取り、入力データとして中間層202の各演算セルすべてに出力する。中間層202の各演算セルは、入力層201の各入力セルから入力される各入力データに後述するニューラルネット演算を行い、演算結果を出力層203の出力セルに出力する。出力層203の出力セルは、この実施例では充電率(SOC)を出力する。
図4に示すニューラルネット部107の学習について以下に説明する。
ニューラルネット部107の入力層201のj番目のセルの入力データをINj、入力層201のj番目と中間層202のk番目のセルの結合係数をWjkとすると中間層のk番目のセルへの入力信号は、
INPUTk(t)=Σ( Wjk * INj ) ( j = 1 to 2m+3 )
となる。中間層のk番目のセルからの出力信号は、
OUTk(t)=f(x)=f( INPUTk(t) + b )
で表される。bは定数である。f( INPUTk(t) + b) は INPUTk(t) +bを入力変数とするいわゆるシグモイド関数と呼ばれる非線形関数であり、
f (INPUTk(t) + b )=1/(1+exp(−( INPUTk(t) + b)))
で定義される関数である。中間層202のk番目のセルと出力層203のセルとの結合係数をWkとすれば、出力層への入力信号は同様に、
INPUTo(t)=Σ Wk * OUTk(t)
k=1 to Q
で表される。 Qは中間層202のセル数である。時刻tにおける出力信号は、
OUT(t)=L * INPUTo(t)
となる。Lは線形定数である。
この明細書で言う学習過程とは、時刻tにおける最終出力OUT(t)と、あらかじめ測定した後述の教師信号(即ち真値tar(t))との間の誤差を最小にするように各セル間の結合係数を最適化することである。なお、出力OUT(t)は、出力層203が出力すべき出力パラメータであり、ここでは時点tにおけるSOCである。
次に各結合係数の更新方法について説明する。
中間層のk番目のセルと出力層のセル間の結合係数Wkの更新は、
Wk = Wk + △Wk
で行われる。ここで△Wkは以下で定義される。
△Wk = −η*∂Ek/∂Wk η;定数
= η* [ OUT(t) − tar(t) ]* [ ∂OUT(t)/∂Wk ]
= η* [ OUT(t) − tar(t) ]* L *[ ∂INPUTo(t)/∂Wk ]
= η* L* [ OUT(t) − tar(t) ] * OUTk(t)
で表される。Ekは教師データとネットワーク出力の誤差を表す量で次の式で定義される。
Ek=[ OUT(t) − tar(t) ]×[ OUT(t) − tar(t) ]/2
次に、中間層202のk番目のセルと入力層201のj番目のセルの結合係数Wjkの更新ルールを説明する。結合係数Wjkの更新は以下の式で実現される。
Wjk = Wjk + △Wjk
ここで△Wjkは以下で定義される。
△Wjk = −η*∂Ek/∂Wjk
= −η*[∂Ek/∂INPUTk(t) ] * [∂INPUTk(t)/∂Wjk ]
= −η*[∂Ek/∂OUTk(t) ] *[∂OUTk(t)/∂INPUTk(t) ] * INj
= −η*[∂Ek/∂OUT(t) ] * [∂OUT(t)/∂INPUTo] *
[∂INPUTo/OUTk(t) ] * f’(INPUTk(t)+b)* INj
= −η*( OUT(t)−tar(t)) *L* Wk *f’(INPUTk(t)+b)* INj
= −η* L * Wk * INj * ( OUTsoc(t)−tar(t))* f’(INPUTk(t)+b)
ここで、f’(INPUTk(t)+b)は伝達関数fの微分値である。
こうして更新された新たな結合係数 Wk、Wjk で再び出力OUT(t)すなわち時点tにおけるSOCを計算し、誤差関数Ekが所定の微小値以下になるまで結合係数を更新しつづける。このように誤差関数Ekを所定値以下になるよう結合係数を更新してゆくことにより、ニューラルネット部107は学習を行う。
上記学習過程のフローチャートを図5に示す。ただし、ニューラルネット部107が出力するべき蓄電装置の出力パラメータとしての蓄電状態量はSOC(充電率)とするが、残存容量(SOH)でもよい。
まず、ニューラルネット部107の各結合係数の適当な初期値を設定する(ステップ302)。これは例えば乱数などにより適当に決定すればよい。次に、学習用の入力信号をニューラルネット部107の入力層201の各セルに個別に入力し(ステップ303)、この入力信号を上記した結合係数の初期値を用いてニューラルネット演算することにより出力パラメータとしてのSOCを算出する(ステップ304)。次に、上記した方法で誤差関数Ekを算出し(ステップ305)、この誤差関数が所定の微小値thより小さいか否か判定する(ステップ306)。誤差関数Ekが微小値thより大きければ、前記学習過程で定義された各結合係数の更新量△Wを計算し(ステップ307)、各結合係数を更新する(ステップ308)。次に、再び学習用の入力信号を入力層201の各セルに入力してSOCを計算する。次に、誤算関数Ekを評価してそれが微小値thを下回れば学習を完了したと判定して(ステップ309)、この学習課程を終了する。誤差関数Ekが微小値を下回ってなければ、結合係数を再び更新してSOC計算し、誤差関数Ekの評価を実施し、誤差関数Ekがこの微小値を下回るまでこのプロセスを繰り返す。
それぞれ代表的な充放電パターンをもつ幾つかの電池種類につき製品の出荷前に上記した学習プロセスを実行することにより、ニューラルネット部107に学習させておけば、各車両に個別に搭載される各車載電池の製造ばらつきにもかかわらず、その後を走行中の車載蓄電池のSOCのニューラルネット演算により高精度にSOCを算定することができる。
(試験結果)
実際に、容量・劣化度合いが異なる5つのバッテリ(図6参照)で10.15モード走行中の電流・端子電圧を計測し、ニューラルネットワークの開路電圧Vo及び直近の電流積算量Qxを算出し、これらの入力パラメータとあらかじめ算出してあるSOCの真値(電流積算値より算出)を教師信号として学習を行った。
次に、この学習済みニューラルネットワークを用いて新たな劣化バッテリのSOCを演算し、電流積算法により演算したSOCの真値と比較した。この結果を図7〜図12に示す。図7〜図9は、3つの試験バッテリのSOCを、上記説明した入力パラメータを用いて演算した結果を示し、図10〜図12は、同じ3つの試験バッテリのSOCを、直近の電流積算量Qxを用いず、その他の上記入力パラメータを用いてニューラルネット演算した結果を示す。この直近の電流積算量Qxの波形を図13に示す。図7〜図12から直近の電流積算量Qxを入力パラメータとして追加するだけで優れたSOC演算精度の向上を図ることができることが判明した。
更に、上記使用バッテリについて、直近の電流積算量と開路電圧Voの変化分(分極の影響)との相関を調べた。その結果を図14に示す。開路電圧Voの変化分が直近の電流積算量Qxに対して強い相関をもつことがわかる。したがって、単に開路電圧Voのみを入力パラメータとして用いるのではなく、開路電圧Voと直近の電流積算量Qxとを入力パラメータとすることにより、開路電圧Voに含まれる直近の電流積算量Qxすなわち分極量の影響を低減できることが推定される。
同様に、内部抵抗Rも直近の電流積算量Qxと強い相関をもつ。したがって、内部抵抗Rを入力パラメータとして用いる場合においても、単に内部抵抗Rのみを入力パラメータとして用いるのではなく、内部抵抗Rと直近の電流積算量Qxとを入力パラメータとすることにより、内部抵抗Rに含まれる直近の電流積算量Qxすなわち分極量の影響を低減できることが推定される。
実施例2の二次電池の残存容量演算方法について以下に説明する。回路構成及び演算方法は本質的に実施例1と同じであるが、入力パラメータとして、内部抵抗Rを追加した点が異なっている。
(試験結果)
実際に、容量・劣化度合いが異なる5つのバッテリ(図6参照)で10.15モード走行中の電流・端子電圧を計測し、ニューラルネットワークの開路電圧Vo、内部抵抗R及び直近の電流積算量Qxを算出し、これらの入力パラメータとあらかじめ算出してあるSOCの真値(電流積算値より算出)を教師信号として学習を行った。
次に、この学習済みニューラルネットワークを用いて新たな劣化バッテリのSOCを演算し、電流積算法により演算したSOCの真値と比較した。この結果を図15〜図20に示す。図15〜図17は、3つの試験バッテリのSOCを、上記説明した入力パラメータを用いて演算した結果を示し、図18〜図20は、同じ3つの試験バッテリのSOCを、直近の電流積算量Qxを用いず、その他の上記入力パラメータを用いてニューラルネット演算した結果を示す。この直近の電流積算量Qxの波形は実施例1と同じであり、図13に示される。図15〜図20から直近の電流積算量Qxを入力パラメータとして追加するだけで優れたSOC演算精度の向上を図ることができることが判明した。
実施例1の装置の回路構成を示すブロック図である。 実施例1において開路電圧と内部抵抗とを演算するための近似式の例を示す図である。 実施例1におけるSOC演算処理を示すフローチャートである。 ニューラルネットワーク部の構成を示すブロック図である。 図4のニューラルネット部の学習過程のフローチャートである。 学習用に用いたバッテリの特性図である。 実施例1の第1試験バッテリのSOC演算結果を示す図である。 実施例1の第2試験バッテリのSOC演算結果を示す図である。 実施例1の第3試験バッテリのSOC演算結果を示す図である。 実施例1の第1試験バッテリの参考SOC演算結果を示す図である(直近の電流積算量Qxを用いない場合)。 実施例1の第2試験バッテリの参考SOC演算結果を示す図である(直近の電流積算量Qxを用いない場合)。 実施例1の第3試験バッテリの参考SOC演算結果を示す図である(直近の電流積算量Qxを用いない場合)。 開路電圧Voと直近の電流積算量Qxとの相関性を示す特性図である。 直近の電流積算量と開路電圧Voの変化分(分極の影響)との相関図である。 実施例2の第1試験バッテリのSOC演算結果を示す図である。 実施例2の第2試験バッテリのSOC演算結果を示す図である。 実施例2の第3試験バッテリのSOC演算結果を示す図である。 実施例2の第1試験バッテリの参考SOC演算結果を示す図である(直近の電流積算量Qxを用いない場合)。 実施例2の第2試験バッテリの参考SOC演算結果を示す図である(直近の電流積算量Qxを用いない場合)。 実施例2の第3試験バッテリの参考SOC演算結果を示す図である(直近の電流積算量Qxを用いない場合)。
符号の説明
101 車載蓄電装置
102 車載発電機
104 電流センサ
105 蓄電池状態検知装置(演算手段)
106 前段処理回路部
107 ニューラルネットワーク部(ニューラルネット部)
108 発電機制御装置
109 補正信号発生部
201 入力層
202 中間層
203 出力層

Claims (4)

  1. 二次電池から検出した電池状態データを用いた演算により得た演算値又は前記電池状態データを入力パラメータとして前記二次電池の蓄電状態量をニューラルネットを用いて演算する二次電池の残存容量演算方法において、
    前記入力パラメータは、前記二次電池の分極量に影響を与える直近の所定期間の充放電電流に関連する電気量である分極関連量と、前記二次電池の電圧Vと、電流Iとを含み、
    前記分極関連量は、kを現時点から遠ざかるにつれて値が小さくなる重み係数とする場合に、k・Iを直近の所定期間の間積分した値であることを特徴とする二次電池の残存容量演算方法
  2. 前記入力パラメータとしての前記電圧V及び前記電流Iは、直近の所定期間における電圧履歴及び電流履歴であり、該入力パラメータは、該二次電池の開路電圧Voを更に含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池の残存容量演算方法
  3. 前記入力パラメータとしての前記電圧V及び前記電流Iは、直近の所定期間における電圧平均値及び電流平均値であり、該入力パラメータは、該二次電池の開路電圧Voを更に含むことを特徴とする請求項1記載の二次電池の残存容量演算方法
  4. 前記入力パラメータは、前記二次電池の内部抵抗Rを更に含むことを特徴とする請求項2又は3記載の二次電池の残存容量演算方法
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