JP4833788B2 - Battery voltage prediction method, program, state monitoring device, and power supply system - Google Patents
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Description
本発明は、バッテリーの電圧予測方法、これを実現させるためのプログラム、電圧予測装置、及び電源システムに関するものである。 The present invention relates to a battery voltage prediction method, a program for realizing the method, a voltage prediction apparatus, and a power supply system.
自動車の走行に必要な電装品等が正常に機能するためには、車両に搭載されたバッテリーから負荷電流が流されたときの端子間電圧が、所定の電圧値以上に維持されることが必要となる。そのため、バッテリーの任意の充放電状態における端子間電圧の変化を予測できる技術が強く望まれている。 In order for electrical components, etc., required for running an automobile to function properly, the voltage between terminals when a load current is passed from a battery mounted on the vehicle must be maintained at a predetermined voltage value or higher. It becomes. Therefore, there is a strong demand for a technique that can predict a change in the voltage between terminals in an arbitrary charge / discharge state of the battery.
バッテリーの端子間電圧の変化を予測する従来の技術として、例えば非特許文献1では、図10に示すような等価回路101を用いてバッテリーを電気的な回路として模擬しており、等価回路101の端子A−B間の電圧の挙動を算出して、バッテリーの端子間電圧を予測する技術を提案している。等価回路を構成している各回路素子のパラメータは、等価回路から算出されるインピーダンス周波数特性が、実際のバッテリーに交流電流を流したときの電圧変動から得られるインピーダンス周波数特性に一致するように決定される。
As a conventional technique for predicting a change in the voltage between terminals of a battery, for example, in Non-Patent
また、バッテリーの状態に応じて端子間電圧の計算方法を変更するようにした従来技術も既に知られている。それは、過充電状態では、通常の充放電の場合とは異なった物理過程が支配的になることを考慮したものである。例えば、非特許文献1では、通常は図10の等価回路を用いて端子間電圧を計算するが、バッテリーが過充電の状態では上記の等価回路を用いず、水の電気分解反応のモデルを用いて端子間電圧を計算するようにしている。
Further, a conventional technique in which the calculation method of the voltage between terminals is changed according to the state of the battery is already known. This is because the physical process different from that in the case of normal charge / discharge becomes dominant in the overcharged state. For example, in
同様の考え方に基づき、特許文献1では、OCV(Open Circuit Voltage)や充電状態(SOC;State Of Charge)、及び劣化状態(SOH;State Of Health)といった状態量の予測方法が提案されており、バッテリーの稼動状態に応じて端子間電圧の算出方法を選択する方法が開示されている。
Based on the same concept,
さらに、特許文献2〜4では、充放電終了後の電流が0の状態を対象に電圧変動を予測する方法が提案されている。具体的には、充放電終了直後から所定時間内において端子間電圧を複数測定し、この複数の測定電圧を調整パラメータを含む所定の関数でフィッティングして調整パラメータを決定するようにしている。調整パラメータが決定された後は、この関数を用いてOCVを推定している。
しかしながら、従来のバッテリーの電圧予測方法では、以下のような課題があった。非特許文献1に示される図10の等価回路によってバッテリーの端子間電圧を予測した例を用いて以下に説明する。車載用バッテリーからいずれかの電装品に、例えば図11に示すような時間波形の電流102を供給する必要がある場合を説明する。図11に示す電流波形102は、給電開始後の時間をtとすると、0<t≦328.5secの間だけ電流が流され、t>328.5secにおいては電流が0となっている。
However, the conventional battery voltage prediction method has the following problems. This will be described below using an example in which the voltage between the terminals of the battery is predicted by the equivalent circuit of FIG. 10 shown in Non-Patent
車載用バッテリーから図11に示す電流を供給したときの端子間電圧の変化量(以下では電圧変化という)を図12に示す。同図では、電圧変化の測定値を103で示しており、図10に示す等価回路101を用いて予測した電圧変化の予測値を104で示している。但し、図11に示す電流が供給される直前の電圧変化は0であったとしている。図12において、電流が供給されている 0<t≦328.5secの時間域では、電圧変化の測定値103と予測値104とが良い一致を示しているのに対し、電流が0となるt>328.5secの時間域では両者のズレが大きくなっている。
FIG. 12 shows the amount of change in voltage between terminals when the current shown in FIG. 11 is supplied from the vehicle battery (hereinafter referred to as voltage change). In the figure, a measured value of the voltage change is indicated by 103, and a predicted value of the voltage change predicted by using the
バッテリー内部の物理現象として、電流が流されている間は活性化分極と濃度分極が発生しているのに対し、電流が0になると濃度分極が支配的となる。つまり、電流が流されているときと流されていないときとでバッテリー内部で発生する物理現象が異なる。非特許文献1では図10に示す等価回路について、電流が0でないときに発生する活性化分極と濃度分極の両方の物理現象を含めて最適化していると考えられ、電流が0のときも等価回路を用いて端子間電圧を予測するようにしている。そのため、電流が0となった後の電圧変化に対しては、大きなズレが生じてしまう。
As a physical phenomenon inside the battery, activation polarization and concentration polarization are generated while a current is flowing, whereas concentration polarization becomes dominant when the current becomes zero. That is, the physical phenomenon that occurs inside the battery differs depending on whether current is flowing or not. In
また、上記のような問題に関して、特許文献1には、電流が0となった時点以降の端子間電圧を計算する具体的な方法が記述されていないため、正確な端子間電圧の予測を実現するのが困難であった。
In addition, regarding the above problems,
また、特許文献2〜4でフィッティングに用いられている関数も、濃度分極の物理現象に基づいて作成されることは示されていない。
Also, the functions used for fitting in
そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、電流が0のときの端子間電圧を濃度分極に基づいて予測するバッテリーの電圧予測方法、プログラム、状態監視装置、及び電源システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve these problems, a battery voltage prediction method, a program, a state monitoring device, and a power source for predicting the voltage between terminals when the current is 0 based on the concentration polarization. The purpose is to provide a system.
本発明のバッテリーの電圧予測方法の第1の態様は、バッテリーに内蔵されている電解液の濃度の時間変化を表す関数をc(t)とし、経過時間tにおける前記バッテリーの端子間電圧のOCV(Open Circuit Voltage)からの変動分をη(t)とし、別に定められるパラメータをαとするとき、前記関数c(t)は時間tの経過とともに所定の電解液の濃度ceqに収束する関数であり、前記関数c(t)を含んで前記変動分η(t)を算出する次式
本発明のバッテリーの電圧予測方法の他の態様は、前記関数c(t)は、前記電解液の濃度に係る所定の拡散方程式の解であることを特徴とする。 Another aspect of the battery voltage prediction method of the present invention is characterized in that the function c (t) is a solution of a predetermined diffusion equation relating to the concentration of the electrolytic solution.
本発明のバッテリーの電圧予測方法の他の態様は、前記関数c(t)は、実測して得られた前記電解液の濃度を用いて作成されることを特徴とする。 Another aspect of the battery voltage prediction method of the present invention is characterized in that the function c (t) is created by using the concentration of the electrolytic solution obtained by actual measurement.
本発明のバッテリーの電圧予測方法の他の態様は、前記関数c(t)は、所定の電気化学的モデルで算出された前記電解液の濃度を用いて作成されることを特徴とする。 Another aspect of the battery voltage prediction method of the present invention is characterized in that the function c (t) is created using the concentration of the electrolytic solution calculated by a predetermined electrochemical model.
本発明のバッテリーの電圧予測方法の他の態様は、前記関数c(t)は、前記バッテリーから負荷に流される電流が0または予め設定された一定電流値となった時点以降で前記変動分η(t)が単調に減少して0に漸近するように作成されていることを特徴とする。 In another aspect of the battery voltage predicting method of the present invention, the function c (t) is calculated as follows: the current flowing from the battery to the load becomes 0 or a preset constant current value, and the variation η It is characterized in that (t) is monotonously decreased and asymptotically approaches zero.
本発明のバッテリーの電圧予測方法の他の態様は、前記バッテリーから負荷に流される電流が0または予め設定された一定電流値となった時の経過時間をt0とし、A及びBを事前に定められるパラメータとするとき、前記変動分η(t)を、次式
本発明のバッテリーの電圧予測方法の他の態様は、バッテリーから放電を開始する前にOCVを測定し、前記バッテリーから放電を開始すると前記測定されたOCVを初期値として前記バッテリーの端子間電圧を所定の電気的等価回路を用いて算出し、前記バッテリーの電流が0または予め設定された一定電流値になると、その時の経過時間をt 0 とし、前記バッテリーの充電率及び温度に基づいてパラメータA、Bを決定し、前記パラメータA、Bを用いて前記OCVからの前記端子間電圧の変動分η(t)を、次式
本発明によれば、電流が0のときの端子間電圧を濃度分極に基づいて予測するバッテリーの電圧予測方法及びこれを計算機で実現するプログラムを提供することができる。また、この電圧予測方法を用いた電圧予測装置及び電源システムを提供することができる。本発明によるバッテリーの電圧予測方法では、電流が0のときに支配的となる濃度分極の物理現象に基づく計算方式を用いていることから、端子間電圧を高精度で予測することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the voltage prediction method of the battery which estimates the voltage between terminals when an electric current is 0 based on concentration polarization, and the program which implement | achieves this with a computer can be provided. Moreover, the voltage prediction apparatus and power supply system using this voltage prediction method can be provided. In the battery voltage prediction method according to the present invention, the calculation method based on the physical phenomenon of concentration polarization that is dominant when the current is 0 is used, so that the voltage between terminals can be predicted with high accuracy. .
本発明の好ましい実施の形態におけるバッテリーの電圧予測方法、プログラム、電圧予測装置、及び電源システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
本発明のバッテリーの電圧予測方法では、バッテリーの電流が0の時には濃度分極に基づいて端子間電圧を予測するのを特徴としている。
A battery voltage prediction method, a program, a voltage prediction apparatus, and a power supply system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, about each structural part which has the same function, the same code | symbol is attached | subjected and shown for simplification of illustration and description.
The battery voltage prediction method according to the present invention is characterized in that when the battery current is zero, the terminal voltage is predicted based on the concentration polarization.
図1は、本発明の実施の形態に係るバッテリーの電圧予測方法を説明するための模式図である。本実施形態のバッテリーの電圧予測方法は、OCVからの電圧変化を予測する計算方式として、等価回路計算方式10と濃度分極計算方式20の2種類を有している。バッテリーの端子間電圧30は、いずれかの計算方式で計算された電圧変化をOCV40に加算することで算出される。等価回路計算方式10と濃度分極計算方式20のいずれの計算方式を用いるかの選択は、バッテリーの電流50に基づいて決定されるようにしており、電流50が0のときは濃度分極計算方式20を選択し、それ以外のときは等価回路計算方式10を選択するようにしている。
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a battery voltage prediction method according to an embodiment of the present invention. The battery voltage prediction method of the present embodiment has two types of calculation methods for predicting a voltage change from the OCV: an equivalent
濃度分極計算方式20の計算方法の一例を以下に説明する。バッテリーの端子間電圧と電解液(硫酸)の濃度との間には、Nernst式で表わされる関係式が成り立つことが知られている。時刻tにおける端子間電圧のOCVからの変化量、すなわち電圧変化をη(t)とし、電解液の濃度をc(t)としたとき、電圧変化η(t)は、
バッテリー内の電解液濃度c(t)は、電極面からの距離をxとすると、下記の式(5)に示す拡散方程式に従って変化する。
c(x, t=t0) = c1 (一定値) at 0≦x≦d
c(x, t=t0) = ceq (一定値) at x>d
The electrolyte concentration c (t) in the battery changes according to the diffusion equation shown in the following equation (5), where x is the distance from the electrode surface.
c (x, t = t0) = c1 (constant value) at 0 ≦ x ≦ d
c (x, t = t0) = ceq (constant value) at x> d
上記の初期条件で式(5)を解いたとき、電解液濃度c(t)は下記の式(6)で与えられる。
式(3)に含まれるc(t)は上記式(7)のc(0,t)に相当することから、これを式(3)に代入することにより、電圧変化η(t)を次式のような時間tの関数として表わすことができる。
ここで、A、Bは、初期条件や拡散係数D等から決まるパラメータである。
Since c (t) included in equation (3) corresponds to c (0, t) in equation (7) above, by substituting this into equation (3) , voltage change η (t) It can be expressed as a function of time t as in the equation.
Here, A and B are parameters determined from the initial conditions, the diffusion coefficient D, and the like.
式(4)を用いることにより、端子間電圧の時間的な変化を、電圧変化η(t)から算出することができる。従って、式(4)を用いてバッテリーの電流が0となった後の端子間電圧を予測することが可能となる。なお、式(4)は拡散方程式の解として式(6)を用いて導出したものであるが、式(5)の拡散方程式の解は初期条件、境界条件、拡散の性質(通常拡散か異常拡散か)等によって異なることから、式(6)以外の式(5)の拡散方程式の解を用いてもよい。 By using Equation (4), the temporal change in the voltage between the terminals can be calculated from the voltage change η (t). Therefore, it is possible to predict the voltage between the terminals after the battery current becomes zero using Equation (4). The equation (4) is derived using the equation (6) as a solution of the diffusion equation, but the solution of the diffusion equation of the equation (5) is the initial condition, boundary condition, and the nature of the diffusion (normal diffusion or abnormal) Since it differs depending on whether it is diffusion) or the like, the solution of the diffusion equation of equation (5) other than equation (6) may be used.
尚、式(3)におけるc(t)を拡散方程式を用いて求めることに代えて、電解液濃度の実測値に基づき求めることとしてもよい。また、前記c(t)を他の計算方法で求めることとしてもよい。例えば、電気化学モデルに基づいた精密な計算をする方法等がある。 In addition, it is good also as calculating | requiring based on the measured value of electrolyte solution concentration instead of calculating | requiring c (t) in Formula (3) using a diffusion equation. The c (t) may be obtained by another calculation method. For example, there is a method for performing precise calculation based on an electrochemical model.
上記説明の通り、濃度分極計算方式20の計算方法として、例えば式(4)を用いることができる。本実施形態のバッテリーの電圧予測方法では、電流50の状態に従って等価回路計算方式10または濃度分極計算方式20を選択して電圧変化を予測し、予測された電圧変化をOCVに加算することで、バッテリーの端子間電圧を予測するようにしている。このように、濃度分極が支配的となる電流50が0のときには、濃度分極の時間的な変化を精度よく予測できる濃度分極計算方式20が選択されることから、電流50が0のときにも電圧変化を高精度に予測することが可能となる。
As described above, for example, equation (4) can be used as the calculation method of the concentration
式(4)で用いられるパラメータA、Bは、バッテリーを所定の条件下で測定して得られたデータを基に、事前に値を決定して用いることができる。例えば、充放電終了後の電圧の変化を測定して電圧曲線を求め、これを基にパラメータA、Bを決定することができる。また、測定時のバッテリーの充電率や温度等に対応させてパラメータA、Bを複数設定し、予測時のバッテリーの充電率や温度等からパラメータA、Bを決定して用いるようにしても良い。 The parameters A and B used in the equation (4) can be determined and used in advance based on data obtained by measuring the battery under predetermined conditions. For example, a voltage curve can be obtained by measuring a change in voltage after the end of charging / discharging, and parameters A and B can be determined based on this. Also, a plurality of parameters A and B may be set in correspondence with the charging rate and temperature of the battery at the time of measurement, and the parameters A and B may be determined and used from the charging rate and temperature of the battery at the time of prediction. .
さらに、充電率や温度等が所定の範囲を超える場合には、電流が0になるまでの充放電条件に依存してパラメータA、Bを決定するようにするのが好ましいことがある。この場合には、充電率、温度に加えて充放電条件に依存する物性値(例えば、η(t0)等)に対応させてパラメータA、Bを決定するようにするのがよい。 Furthermore, when the charging rate, temperature, or the like exceeds a predetermined range, it may be preferable to determine the parameters A and B depending on the charge / discharge conditions until the current becomes zero. In this case, it is preferable to determine the parameters A and B in correspondence with physical property values (for example, η (t0)) depending on the charging / discharging conditions in addition to the charging rate and temperature.
本実施形態のバッテリーの電圧予測方法を、図2に示す流れ図を用いて、さらに詳細に説明する。バッテリーの端子間電圧の予測を開始するのに先立って、まずステップS1でバッテリーの初期状態量を入力する。初期状態量として、例えばバッテリーから負荷に放電される前の充電率、バッテリー温度、OCV等がある。続いてステップS2において、端子間電圧の予測計算を行うための計算条件を入力する。計算条件として、予測期間の時間長さT、予測時間間隔Δt等がある。 The battery voltage prediction method of this embodiment will be described in more detail with reference to the flowchart shown in FIG. Prior to starting the prediction of the voltage between the terminals of the battery, the initial state quantity of the battery is first input in step S1. The initial state quantity includes, for example, a charging rate before being discharged from the battery to the load, a battery temperature, and an OCV. Subsequently, in step S2, calculation conditions for performing prediction calculation of the inter-terminal voltage are input. As calculation conditions, there are a time length T of a prediction period, a prediction time interval Δt, and the like.
次にステップS3において、予測期間における負荷電流パターンI(ti)を入力する。負荷電流パターンI(ti)は、例えば負荷毎に事前に作成して記憶部に記憶させておき、ステップS3でこの記憶部から入力させるようにすることができる。ここで、時刻tiは、予測時間間隔Δtから下記の式で与えられる離散時刻である。
ti = (i-1)*Δt i = 1,2,3,…,N
tN = (N-1)*Δt = T
Next, in step S3, the load current pattern I (ti) in the prediction period is input. The load current pattern I (ti) can be generated in advance for each load, for example, and stored in the storage unit, and input from the storage unit in step S3. Here, the time ti is a discrete time given by the following equation from the predicted time interval Δt.
ti = (i-1) * Δt i = 1,2,3, ..., N
tN = (N-1) * Δt = T
ステップS4では、予測計算開始の初期設定としてi=1を設定する。ステップ5以降は、ステップS3で入力した負荷電流パターンI(ti)に対する端子間電圧の時間変化を、予測期間Tの最後まで予測時間間隔Δt毎に順次予測していく。
In step S4, i = 1 is set as an initial setting for starting the prediction calculation. From
ステップS5において、まず負荷電流パターンの電流値I(ti)が0か否かを判定し、端子間電圧の予測計算方式の選択を行う。すなわち、電流値I(ti)が0の場合には、ステップS6aの濃度分極計算方式を選択する一方、電流値I(ti)が0でない場合には、ステップS6bの等価回路計算方式を選択する。ステップS5の判定により濃度分極計算方式が選択された場合には、ステップS6aで例えば式(4)を記憶部から読み込む。また、ステップS5の判定により等価回路計算方式が選択された場合には、ステップS6bで等価回路に基づく計算式を記憶部から読み込む。 In step S5, it is first determined whether or not the current value I (ti) of the load current pattern is 0, and a prediction calculation method for the voltage between terminals is selected. That is, when the current value I (ti) is 0, the concentration polarization calculation method of step S6a is selected, while when the current value I (ti) is not 0, the equivalent circuit calculation method of step S6b is selected. . When the concentration polarization calculation method is selected by the determination in step S5, for example, equation (4) is read from the storage unit in step S6a. If the equivalent circuit calculation method is selected by the determination in step S5, a calculation formula based on the equivalent circuit is read from the storage unit in step S6b.
続いてステップS7aに進んだ場合には、濃度分極計算式で用いられているパラメータ、例えば式(4)のパラメータA、B、をバッテリーの充電率や温度等に基づいて決定する。また、ステップ7bに進んだ場合には、等価回路に用いられている回路定数を決定する。 Subsequently, when the process proceeds to step S7a, parameters used in the concentration polarization calculation formula, for example, parameters A and B in formula (4) are determined based on the battery charge rate, temperature, and the like. When the process proceeds to step 7b, the circuit constant used in the equivalent circuit is determined.
ステップS7aまたはS7bで端子間電圧の計算式に用いられているパラメータが決定されると、ステップS8aまたはS8bで時刻tiにおける端子間電圧V(ti)を算出する。ステップS9では、ステップS8aまたはS8bで算出された端子間電圧V(ti)を所定の記憶部に記憶する。 When the parameter used in the formula for calculating the inter-terminal voltage is determined in step S7a or S7b, the inter-terminal voltage V (ti) at time ti is calculated in step S8a or S8b. In step S9, the inter-terminal voltage V (ti) calculated in step S8a or S8b is stored in a predetermined storage unit.
ステップS10では、計算ステップiが最後の計算ステップNに到達している(i=N)か否かを判定する。計算ステップiが最後の計算ステップNに到達していない場合には、ステップS11で計算ステップを進め、再びステップS5からの処理を進める。一方、ステップS10で計算ステップiが最後の計算ステップNに到達していると判定された場合には、すべての予測計算を終了する。このとき、予測期間の時間長さTまでの予測が完了し、予測された端子間電圧V(ti)(i=1〜N)が所定の記憶部に記憶されている。 In step S10, it is determined whether the calculation step i has reached the last calculation step N (i = N). If the calculation step i has not reached the final calculation step N, the calculation step is advanced in step S11, and the processing from step S5 is advanced again. On the other hand, if it is determined in step S10 that the calculation step i has reached the last calculation step N, all prediction calculations are terminated. At this time, the prediction up to the time length T of the prediction period is completed, and the predicted inter-terminal voltage V (ti) (i = 1 to N) is stored in a predetermined storage unit.
本実施形態のバッテリーの電圧予測方法を用いて、端子間電圧を予測した一実施例を以下に説明する。第1の実施例として、負荷電流パターンI(ti)に図11に示した電流値102を用い、濃度分極計算方式20における電圧変化の計算式に式(4)を用いた場合を説明する。図11に示した負荷電流パターン102は、放電が開始される時刻t0を0とし、放電開始後328.5secの間電流が放電され、328.5sec以降は電流が0とされている。
An example in which the voltage between terminals is predicted using the battery voltage prediction method of this embodiment will be described below. As a first embodiment, a case will be described in which the
放電が終了して電流が0となる時刻をt0=tk(1<k<N)とすると、0≦ti≦tk(1≦i≦k)の間は等価回路計算方式10を用い、tk<ti≦tN(k≦i≦N)の間は濃度分極計算方式20を用いる。本実施例では、濃度分極計算方式20による予測に式(4)を用いている。式(4)に含まれる各項のうちη(t0) は、等価回路計算方式10で最後に算出された端子間電圧V(tk)から算出して用いる。本実施例では、η(t0)=−0.330Vとなる。
If the time when the discharge ends and the current becomes 0 is t0 = tk (1 <k <N), the equivalent
式(4)に含まれるパラメータのうち、AとBは以下のようにして決定される。パラメータAは、充電率と温度に対応して事前に設定された値を用いるものとしており、ここではバッテリーが充電率98%、温度25℃で一定に保持されていると仮定して、Aの値を6.71としている。また、パラメータBは、η(t0)に依存して決定される次式から算出される値を用いている。本実施例では、B=0.643となる。
パラメータBは、式(8)のように、電流が0になったときの電圧変化η(t0)に依存して決定されるようにすることができる。本実施例では、パラメータBを事前に設定するにあたり、充電率98%、温度25℃の条件下で、複数の異なる電流波形でそれぞれ放電を行った後に電流を0とし、電流が0となった後の電圧曲線をそれぞれ測定している。測定した電圧曲線を式(4)でフィッティングすることにより、パラメータBを算出している。 The parameter B can be determined depending on the voltage change η (t0) when the current becomes 0 as shown in the equation (8). In this example, when setting the parameter B in advance, the current was set to 0 after discharging with a plurality of different current waveforms under the conditions of a charging rate of 98% and a temperature of 25 ° C. Each subsequent voltage curve is measured. The parameter B is calculated by fitting the measured voltage curve with the equation (4).
上記のようにして算出されたパラメータBを、電流が0になったときの電圧変化η(t0)に対してプロットした例を図3に示す。同図より、パラメータBが電圧変化η(t0)に依存して変化することがわかる。式(8)は、図3に示すパラメータBを−1/η(t0)で直線近似して求めた関係式である。本実施例では、パラメータBを式(8)から算出するようにしたが、例えば、図3に示すパラメータBを平均し、この平均値をη(t0)に依存しないパラメータBの値とすることも可能である。 FIG. 3 shows an example in which the parameter B calculated as described above is plotted against the voltage change η (t0) when the current becomes zero. From the figure, it can be seen that the parameter B changes depending on the voltage change η (t0). Expression (8) is a relational expression obtained by linearly approximating the parameter B shown in FIG. 3 with −1 / η (t0). In this embodiment, the parameter B is calculated from the equation (8). For example, the parameter B shown in FIG. 3 is averaged, and this average value is set as the value of the parameter B independent of η (t0). Is also possible.
本実施例において、バッテリーの電圧変化η(t)を予測した結果を図4に示す。同図に示すように、本実施例における電圧変化の予測値61は、測定値103と比較して極めてよい一致を示している。従来の等価回路のみで算出した予測値104では、電流が0となるtk<ti≦tN(k≦i≦N)の間で測定値103とのズレが大きくなっていたのに対し、本実施例の予測結果61では、tk<ti≦tN(k≦i≦N)の間でも測定値103に極めてよく一致している。
FIG. 4 shows the result of predicting the voltage change η (t) of the battery in this example. As shown in the figure, the predicted value 61 of the voltage change in this example shows a very good match with the measured
本発明のバッテリーの電圧予測方法の別の実施形態を以下に説明する。上記第1の実施形態では、端子間電圧のOCVからの変化を、式(3)のNernst式と式(5)の拡散方程式から導出した式(4)の電圧変化η(t)を用いて算出していた。これに代えて、本実施形態では式(4)の変化特性と同様の特性を持つ別の関数を用いるようにしている。すなわち、以下の変化特性を有する関数を用いている。
(1)t>t0において単調変化
(2)t→∞で0に収束
Another embodiment of the battery voltage prediction method of the present invention will be described below. In the first embodiment, the change from the OCV of the inter-terminal voltage is calculated using the voltage change η (t) in the equation (4) derived from the Nernst equation in the equation (3) and the diffusion equation in the equation (5). It was calculated. Instead, in this embodiment, another function having the same characteristic as the change characteristic of Expression (4) is used. That is, a function having the following change characteristics is used.
(1) Monotonic change at t> t0 (2) Convergence to 0 at t → ∞
(1)の特性は、t≦t0において放電電流が流れていた場合には単調増加となり、充電電流が流れていた場合には単調減少となる。このような関数の一実施例として、次式の関数を用いることができる。
本実施形態のバッテリーの電圧予測方法の一実施例として、式(1)を用いた第2の実施例を以下に説明する。電流が0となる時刻t0における電圧変化η(t0) は、第1の実施例と同様に、等価回路計算方式10で計算された時刻t0における電圧変化η(t0)を用いることができる。本実施例では、η(t0) の値は−0.330Vである。
As an example of the battery voltage prediction method of the present embodiment, a second example using Equation (1) will be described below. As the voltage change η (t0) at time t0 when the current becomes 0, the voltage change η (t0) at time t0 calculated by the equivalent
式(1)のパラメータAは、充電率及び温度に依存して決定されるようにすることができ、これらが所定の値に維持されているとして、本実施例ではパラメータAの値を−5.30としている。パラメータBについては、第1の実施例と同様に、複数の異なる電流波形で測定した電圧曲線を基に設定するようにしている。一例として、充電率98%、温度25℃の条件下で、複数の異なる電流波形でそれぞれ放電を行った後に電流を0とし、電流が0となった後の電圧曲線をそれぞれ測定している。 The parameter A in the equation (1) can be determined depending on the charging rate and temperature, and assuming that these are maintained at predetermined values, in this embodiment, the value of the parameter A is set to −5.30. It is said. The parameter B is set based on voltage curves measured with a plurality of different current waveforms, as in the first embodiment. As an example, under the conditions of a charging rate of 98% and a temperature of 25 ° C., the discharge is performed with a plurality of different current waveforms, the current is set to 0, and the voltage curve after the current becomes 0 is measured.
測定した電圧曲線を式(1)でフィッティングすることにより、パラメータBを算出した結果を図5に示す。本実施例では、算出されたパラメータBのうち楕円の範囲62で囲まれたデータの平均値をパラメータBの値に用いており、B=0.0928としている。このようなパラメータ値を用いて電圧変化η(t)を予測した結果を、図6の予測値63で示す。ここでも、負荷電流パターンとして図11に示すものを用いている。第1の実施例と同様本実施例でも、従来の等価回路計算方式のみによる予測結果に比べて予測精度が大幅に改善されている。 FIG. 5 shows the result of calculating the parameter B by fitting the measured voltage curve with the equation (1). In this embodiment, the average value of the data surrounded by the ellipse range 62 among the calculated parameters B is used as the value of the parameter B, and B = 0.0928. The result of predicting the voltage change η (t) using such parameter values is indicated by a predicted value 63 in FIG. Again, the load current pattern shown in FIG. 11 is used. Similar to the first embodiment, this embodiment also greatly improves the prediction accuracy compared to the prediction result obtained only by the conventional equivalent circuit calculation method.
上記実施例では、パラメータBをη(t0)に依存しない一定値としたが、第1の実施例と同様に、η(t0)に依存して決定されるようにしてもよい。すなわち、図7に示すように、パラメータBをη(t0)の一次式で近似することができ、次式のように表わすことができる。
式(9)に基づいて算出したパラメータBの値を用いて予測した結果を、図8の予測値64で示す。ここでも、負荷電流パターンとして図11に示すものを用いている。上記各実施例と同様本実施例でも、従来の等価回路計算方式のみによる予測結果に比べて予測精度が大幅に改善されている。
A result of prediction using the value of the parameter B calculated based on the equation (9) is indicated by a predicted
本発明による電圧予測手法は、コンピュータで実行可能なプログラムとすることができる。本発明の電圧予測プログラムの一実施例として、図2に示す流れ図の各ステップをコンピュータ上で実行するようプログラムを作成する。この場合、ステップS1において入力するバッテリー初期状態量、ステップS2で入力する計算条件、及びステップS3で入力する負荷電流パターンは、例えばコンピュータに接続された記憶装置に事前に記憶させておくようにすることができる。あるいは、コンピュータ外部から入力するようにしてもよい。例えば、コンピュータ上のGUI(Graphical User Interface)などから入力する。 The voltage prediction method according to the present invention can be a computer-executable program. As an embodiment of the voltage prediction program of the present invention, a program is created so that each step of the flowchart shown in FIG. 2 is executed on a computer. In this case, the initial battery state quantity input in step S1, the calculation conditions input in step S2, and the load current pattern input in step S3 are stored in advance in a storage device connected to the computer, for example. be able to. Or you may make it input from the outside of a computer. For example, it is input from a GUI (Graphical User Interface) on the computer.
また、ステップS7a、S7bにおいて、各計算式のパラメータを決定するのに用いられるデータも、事前に記憶装置に記憶させるようにすることができる。
さらに、ステップS9において、予測された端子間電圧V(ti)についても記憶装置に記憶させるようにすることができる。
In addition, in steps S7a and S7b, data used to determine parameters of each calculation formula can also be stored in the storage device in advance.
Furthermore, in step S9, the predicted inter-terminal voltage V (ti) can also be stored in the storage device.
上記説明のいずれかの本発明の電圧予測方法を用いて、バッテリーの放電能力を監視する本発明の電源システム及び状態監視装置について以下に説明する。
図9は、本発明の実施の形態に係る電源システム及び状態監視装置の構成を示すブロック図である。電源システム70はバッテリー1と状態監視装置71とから構成されており、状態監視装置71は、バッテリー1に備えられた電圧計2、電流計3、及び温度センサ4からそれぞれ端子間電圧、電流、及び温度を入力する制御部72と、制御部72に接続された記憶部73と、利用者等に情報を提供するためのディスプレイ74及びブザー75とから構成されている。また、バッテリー1は、負荷となる電装品5と接続されている。
The power supply system and state monitoring apparatus of the present invention that monitors the discharge capability of the battery using any one of the voltage prediction methods of the present invention described above will be described below.
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the power supply system and state monitoring apparatus according to the embodiment of the present invention. The
バッテリー1として、例えば鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池が挙げられる。制御部72は、各センサから入力した測定データを基に、バッテリー1の電圧変化を予測し、負荷が正常に動作するのに必要な電圧が確保されているかを監視する。そのために、制御部72では上記いずれかの電圧予測方法を用いて端子間電圧を予測する。
Examples of the
例えば、図2に示す電圧予測方法を用いてバッテリー1の状態監視を行う場合について、制御部72による処理の流れを以下に説明する。まず、ステップS1のバッテリー初期状態量の入力では、各センサから端子間電圧、電流、及び温度を入力する。これらの測定データを基に、端子間電圧の予測に必要なOCV及び充電率を算出する。充電率としては、バッテリー1から負荷に放電される前の値を求めておく。
For example, the flow of processing by the
図2に示すステップS2の計算条件の入力では、電圧予測の計算に用いる予測期間の時間長さTや予測時間間隔Δt等の計算条件を記憶部73から入力する。また、ステップS3の負荷電流パターンの入力では、負荷毎の電流パターンをあらかじめ記憶部73に記憶させておき、これから起動負荷の電流パターンを選択して入力する。
In the input of the calculation conditions in step S2 shown in FIG. 2, calculation conditions such as the time length T of the prediction period and the prediction time interval Δt used for the voltage prediction calculation are input from the
ステップS4以降の予測計算では、ステップS7a又はS7bの計算式のパラメータ決定において、ステップS1で入力又は算出したバッテリー温度や充電率等から、例えば式(5)のパラメータA、Bの値を決定する。パラメータA、Bの値は、バッテリー温度や充電率等に依存する関数、又は表の形式で記憶部73に事前に記憶させておいたものを用いて算出させるようにすることができる。
In the prediction calculation after step S4, in the parameter determination of the calculation formula of step S7a or S7b, for example, the values of parameters A and B of formula (5) are determined from the battery temperature, charge rate, etc. input or calculated in step S1. . The values of the parameters A and B can be calculated using a function depending on the battery temperature, the charging rate, etc., or a function stored in advance in the
ステップS9における端子間電圧V(t)の記憶では、算出された端子間電圧V(t)を、記憶部73の所定の位置に時系列的に記憶させる。このようにして、予測された端子間電圧V(t)を記憶部73に一括して記憶させるようにすることにより、予測計算をすべて終了した後に、予測された端子間電圧V(t)を一括して記憶部73から読み出し、これをディスプレイ74に表示して監視することができる。
In the storage of the inter-terminal voltage V (t) in step S9, the calculated inter-terminal voltage V (t) is stored in a predetermined position in the
本実施形態の状態監視装置70による監視として、上記の端子間電圧V(t)の予測結果を用いて、負荷の稼動に必要な電圧が確保されるかをチェックし、必要な電圧以下に端子間電圧が低下している場合には、例えばディスプレイ74に警報を表示したり、ブザー75を鳴らすようにすることができる。また、必要な電圧が維持されている場合であっても、ディスプレイ74に予測された端子間電圧V(t)のグラフを表示させるようにしてもよい。
As monitoring by the
本実施形態の状態監視装置70は、様々な用途に用いられる各種バッテリーに適用することが可能である。一例として、自動車に搭載される電池、コンピュータの電源用電池、携帯電話用電池、UPS(Uninterruptible Power Supply System;無停電電源装置)に用いられる電源、情報通信システム用電池等に適用することができる。
The
上記説明の本発明の電圧予測方法及び状態監視装置では、端子間電圧の予測に用いる計算式(例えば式(4)や式(1))のパラメータを、事前に作成された関係式あるいは表等から決定するようにしていた。これに対し、本発明の電圧予測方法又は状態監視装置の別の実施形態として、上記パラメータを測定データから決定するようにすることも可能である。 In the voltage prediction method and the state monitoring apparatus of the present invention described above, the parameters of the calculation formula (for example, the formula (4) and the formula (1)) used for the prediction of the inter-terminal voltage are used as the relational expressions or tables created in advance. I was going to decide from. On the other hand, as another embodiment of the voltage predicting method or the state monitoring apparatus of the present invention, it is possible to determine the parameter from the measurement data.
例えば、充放電終了後の所定時間内において端子間電圧を複数回測定し、測定した電圧を式(4)又は式(1)でフィッティングすることで、式(4)又は式(1)のパラメータA、Bの値を決定する。このようにして決定されたパラメータ値を用いて、それ以降の電圧変化を式(4)又は式(1)で予測させるようにすることができる。 For example, by measuring the voltage between terminals a plurality of times within a predetermined time after the end of charging / discharging, and fitting the measured voltage with Equation (4) or Equation (1), the parameters of Equation (4) or Equation (1) The values of A and B are determined. By using the parameter value determined in this way, the subsequent voltage change can be predicted by the equation (4) or the equation (1).
上記では、図1に示す濃度分極計算方式20を、電流が0のときの端子間電圧の予測にのみ適用してきたが、本発明の電圧予測方法及び状態監視装置のさらに別の実施例として、所定の条件の下で電流が流れている場合にも適用できるようにすることも可能である。すなわち、電流が一定値に保持されて所定時間以上経過すると、活性化分極がほぼ定常状態に至るため、その後の電圧変化を濃度分極のみで評価することが可能となる。
In the above, the concentration
濃度分極計算方式20を電流が流れている場合にも適用する実施例では、図1に示す電圧予測方法において、電流50が所定時間以上一定値を保持しているか否かを判定させるようにする。その結果、電流50が所定時間以上一定値を保持していると判定された場合には、濃度分極計算方式20を選択させ、それ以外の場合には等価回路計算方式10を選択させる。これにより、電流50が0又は所定時間以上一定値の場合には、濃度分極計算方式20を用いて端子間電圧の変化を精度良く予測することが可能となる。
In an embodiment applied to the case where the concentration
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るバッテリーの電圧予測方法、プログラム、状態監視装置、及び電源システムの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるバッテリーの電圧予測方法、プログラム、状態監視装置、及び電源システムの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
更に、本発明に係るバッテリーの電圧予測方法及びプログラムを応用して、バッテリーの設計、製造、保守などに応用することも可能である。
Note that the description in the present embodiment shows an example of a battery voltage prediction method, a program, a state monitoring device, and a power supply system according to the present invention, and the present invention is not limited to this. The detailed configuration and detailed operation of the battery voltage prediction method, the program, the state monitoring device, and the power supply system in the present embodiment can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
Furthermore, the battery voltage prediction method and program according to the present invention can be applied to battery design, manufacture, maintenance, and the like.
1 バッテリー
2 電圧計
3 電流計
4 温度センサ
5 電装品
10 等価回路計算方式
20 濃度分極計算方式
30 端子間電圧
40 OCV
50 電流
61、63、64 電圧変化予測値
62 データ範囲
70 電源システム
71 状態監視装置
72 制御部
73 記憶部
74 ディスプレイ
75 ブザー
101 等価回路
102 電流波形
103 電圧変化測定値 104 電圧変化予測値
1
10 Equivalent
50 Current 61, 63, 64 Voltage change predicted value 62 Data range 70 Power supply system 71
Claims (7)
前記バッテリーから放電を開始する前に前記OCVを測定し、
前記バッテリーから放電を開始すると前記測定されたOCVを初期値として前記端子間電圧を所定の電気的等価回路を用いて算出し、
前記バッテリーの電流が0または予め設定された一定電流値になると、前記式(3)を用いて前記変動分η(t)を予測し、
前記変動分η(t)を前記初期値OCVに加算することで前記端子間電圧を予測する
ことを特徴とするバッテリーの電圧予測方法。 The function representing the time variation of the concentration of the electrolyte incorporated in the battery as c (t), the variation from the OCV (Open Circuit Voltage) of the terminal voltage of the battery at the elapsed time t and eta (t) When the separately defined parameter is α, the function c (t) converges to a predetermined electrolyte concentration c eq over time t, and includes the function c (t). The following formula to calculate η (t)
Measure the OCV before starting to discharge from the battery,
When discharging from the battery is started, the measured OCV is used as an initial value to calculate the inter-terminal voltage using a predetermined electrical equivalent circuit,
When the current of the battery reaches 0 or a preset constant current value, the variation η (t) is predicted using the equation (3),
A battery voltage prediction method , wherein the terminal voltage is predicted by adding the variation η (t) to the initial value OCV .
ことを特徴とする請求項1に記載のバッテリーの電圧予測方法。 2. The battery voltage prediction method according to claim 1 , wherein the function c (t) is a solution of a predetermined diffusion equation related to the concentration of the electrolytic solution.
ことを特徴とする請求項1に記載のバッテリーの電圧予測方法。 The battery voltage prediction method according to claim 1 , wherein the function c (t) is created using a concentration of the electrolytic solution obtained by actual measurement.
ことを特徴とする請求項1に記載のバッテリーの電圧予測方法。 The battery voltage prediction method according to claim 1 , wherein the function c (t) is created using a concentration of the electrolytic solution calculated by a predetermined electrochemical model.
ことを特徴とする請求項1に記載のバッテリーの電圧予測方法。 The function c (t) is such that the variation η (t) monotonously decreases and gradually approaches 0 after the time when the current flowing from the battery to the load becomes 0 or a preset constant current value. The battery voltage prediction method according to claim 1 , wherein
ことを特徴とする請求項1または2に記載のバッテリーの電圧予測方法。 When the elapsed time when the current flowing from the battery to the load becomes 0 or a preset constant current value is t 0 and A and B are predetermined parameters, the variation η (t) The following formula
前記バッテリーから放電を開始すると前記測定されたOCVを初期値として前記バッテリーの端子間電圧を所定の電気的等価回路を用いて算出し、
前記バッテリーの電流が0または予め設定された一定電流値になると、その時の経過時間をt 0 とし、前記バッテリーの充電率及び温度に基づいてパラメータA、Bを決定し、前記パラメータA、Bを用いて前記OCVからの前記端子間電圧の変動分η(t)を、次式
前記変動分η(t)を前記初期値OCVに加算することで前記端子間電圧を予測する
ことを特徴とするバッテリーの電圧予測方法。 Measure OCV before starting to discharge from the battery,
When discharging from the battery is started, the measured OCV is used as an initial value to calculate the terminal voltage of the battery using a predetermined electrical equivalent circuit,
When the current of the battery reaches 0 or a preset constant current value, the elapsed time at that time is set to t 0 , parameters A and B are determined based on the charging rate and temperature of the battery, and the parameters A and B are The variation η (t) of the inter-terminal voltage from the OCV is expressed by the following equation:
A battery voltage prediction method , wherein the terminal voltage is predicted by adding the variation η (t) to the initial value OCV .
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