JP4910300B2 - 二次電池の満充電容量推定装置 - Google Patents
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Description
実際には、例えば充電開始直前(時刻ta)の充電率がSOCaで、充電終了直後(時刻tb)の充電率がSOCbの場合、充電終了直後の充電率から充電開始直前の充電率を減算した「差充電率(SOCb−SOCa)」は、充電中に二次電池に供給された充電電流Iを積分することにより得られる電気量だけ充電されたことにより生じるものである。したがって下記(数7)式に示すように、充電中に二次電池に供給された電気量の積算値を差充電率で除算することにより、満充電時における満充電容量Qmaxが、充電を満充電状態まで継続することなく算出できる。
本発明は上記のごとき問題を解決するためになされたものであり、電流センサ計測値にオフセットが生じた場合でも、高精度で満充電容量推定値の演算を行うことの出来る満充電容量推定装置を提供することを目的とする。
を備え、充電率推定手段は、二次電池の充放電中の開路電圧V0を推定する手段と、予め測定した二次電池の充電率−開路電圧特性から開路電圧推定値V0に基づいて充電率SOCを推定演算する手段と、を有し、かつ、充電率−開路電圧特性を微分可能な関数SOC=f(V0)で近似し、充放電中の充電率SOCの微分値を、充電率−開路電圧特性の近似関数SOC=f(V0)の導関数df(V0)/d(V0)と、開路電圧推定値V0の時間微分dV0/dtの積として求めるように構成している。
図1は、本発明の一実施例の構成を示す機能ブロック図である。
図1において、二次電池に充放電される電流と電池の端子電圧とを定期的に検出する電流計測部1と電圧計測部2、および検出された電流と電圧から当該電池の充電率を推定する充電率推定部3と、充電率微分値演算部4と、位相遅れ処理部5と、位相遅れ処理された電流と充電率微分値との比から当該電池の満充電容量を推定する満充電容量演算部6からなる。
なお、ここでは充電率は充電率推定部3で推定する構成としたが、充電率が直接計測できる場合には、その計測値を用いても同様に実現できる。
図2において、11は二次電池、12はモータ等の負荷、13は二次電池の満充電容量を推定する電子制御ユニットで、ブログラムを演算するCPUやプログラムや演算結果を記憶するROMや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ている。14は電池から充放電される電流を検出する電流センサ、15は電池の端子電圧(以下、単に電圧ともいう)を検出する電圧センサであり、それぞれ電子制御ユニット13に接続されている。上記の電子制御ユニット13は前記図1の充電率推定部3、充電率微分値演算部4、位相遅れ処理部5、および満充電容量演算部6の部分に相当する。また、電流センサ14は電流計測部1に、電圧センサ15は電圧計測部2に、それぞれ相当する。
図3は、上記先行技術に記載の充電率推定装置の機能ブロック図である。図3の構成は、電流と電圧のローパスフィルタ処理および1階微分値および2階微分値を演算する前処理フィルタ部21と、前処理フィルタ部21の出力を入力として、電池パラメータを推定する適応デジタルフィルタ処理部22と、適応デジタルフィルタ処理部22で同定された電池パラメータ(K
T1 T2)と前処理フィルタ部21の出力とから開路電圧V0を推定する開路電圧推定部23と、予め取得した当該電池の充電率−開路電圧特性に基づいて、上記の推定された開路電圧V0から充電率SOCを演算する充電率演算部24から構成されている。
図4は、上記の推定に用いる電池モデルを示す回路図である。図4において、モデルヘの入力は電流I[A](正値:充電、負値:放電)、出力は端子電圧V[V]、開路電圧V0[V](起電力または開放電圧とも言う)であり、R1は電荷移動抵抗、R2は純抵抗、C1は電気二重層容量である。
この電池モデルは(数8)式で表現できる。なお、sはラプラス演算子である。
y=V2 ,ωT[V3
I3 I2 I1],θT=[−T1 K・T2 K d]
さらに、上記(数20)式で示した開路電圧推定値の定義式を整理すると下記(数21)式(=数5式の後半部)になる。
電池の開路電圧V0と充電率SOCには、例えば後記図6に示すような相関関係があるので、図6に示すような充電率−開路電圧特性を予め求めておけば、上記のようにして求めた開路電圧V0から充電率SOCを算出することができる。
図5は満充電容量推定演算の処理手順を示すフローチャートである。以下このフローチャートに基づいて実施例の動作を説明する。なお、この処理は所定の制御周期(例えば50msec)で実行される。
step2では、電圧センサ15の信号に基づいて二次電池の端子電圧Vを検出する。
step3では、下記(数24)式に示すように、電流Iおよび電圧Vにローパスフィルタおよびバンドパスフィルタで構成される前処理フィルタ処理を施し、I1〜I3およびV1〜V3を算出する。
ただし、y=V2 ,ωT[V3 I3
I2 I1],θT=[−T1
K・T2 K d]
step5では、図6に示す予め計測した当該電池の充電率−開路電圧特性に基づいてstep4で推定された開路電圧V0から充電率SOCを算出する。
実際の電池による充電率−開路電圧特性の実験の結果は、図6に示すように、横軸に開路電圧V0、縦軸に充電率SOCを取った場合、高充電率側で傾きが急峻になっている。これはつまり、開路電圧推定値がノイズの影響により推定誤差を含む場合には、高充電率側ではその推定誤差の影響が充電率推定値に現れやすいという性質を表している。従って、step5で推定された充電率に基づいて、図7に示すように、充電率−開路電圧特性の傾き大の時には後述する微分器のハイパスフィルタの時定数Thを大きく設定する。逆に、充電率−開路電圧特性の傾き小の時には微分器のハイパスフィルタの時定数Thを小さく設定する。
なお、(数25)式の分母次数nは1次以上であればよいが、本実施例ではn=2に設定している。
図8において、充電率推定部31は、前記図1の充電率推定部3に相当する。また、32はハイパスフィルタである。
分母の次数は1次以上であれば良いが、本実施例では次数n=2に設定する。
開路電圧V0は前記(数19)式で示され、開路電圧推定値V0 ^は前記(数20)式で示されるので、開路電圧推定値V0 ^の微分値は、前記(数20)式のB(s)をC(s)と表記し、両辺を微分することによって得られる(数29)式(=数6式)で求める。
なお、(数32)式において、次数nは前記(数25)式における次数に等しいものとする。本実施例ではn=2とした。
また、充電率微分値を前記第三の方法で求めた場合には、充電率微分値を演算する際に新たな遅れ要素を含まないため、電流の位相を遅らせる必要はなく、step8の処理は必要としない。
図10の特性は、満充電容量真値3.53[Ah]の電池を想定(図10に実線で示した特性)し、充放電電流として図11に示すような振幅+3[A]〜−5[A]を持つパターン入力を与えた。さらに、電流センサの計測オフセットとして、+0.1[A]の定常オフセットを想定した。また、電流センサおよび電圧センサには観測ノイズのない理想状態を想定した。
充電率の変化率と充放電電流の積分値の比から演算する従来方法では、積分演算における電流センサの計測オフセット値の蓄積により、満充電容量推定値が時間とともに増加していく(図10に破線で示した特性)。しかし、充電率の微分値と充放電電流の比から演算する本発明の方法では、誤差が蓄積しないため満充電容量推定値は真値をほぼ正しく推定することができる(図10に点線で示した特性)。
3…充電率推定部 4…充電率微分値演算部
5…位相遅れ処理部 6…満充電容量演算部
11…二次電池 12…負荷
13…電子制御ユニット 14…電流センサ
15…電圧センサ
21…前処理フィルタ部 22…適応デジタルフィルタ処理部
23…開路電圧推定部 24…充電率推定部
31…充電率推定部 32…ハイパスフィルタ
41…開放電圧微分値演算部 42…開放電圧−充電率特性導関数演算部
43…乗算部
Claims (6)
- 二次電池の充放電中の電流Iを計測する電流計測手段と、
充放電中の二次電池の充電率SOCを推定する充電率推定手段と、
前記計測された電流Iと、前記推定された充電率SOCの微分値との比から下記(数1)式に基づいて二次電池の満充電容量Qmaxを演算する満充電容量演算手段と、
を備え、
前記充電率推定手段は、二次電池の充放電中の開路電圧V0を推定する手段と、予め測定した二次電池の充電率−開路電圧特性から前記開路電圧推定値V0に基づいて充電率SOCを推定演算する手段と、を有し、かつ、前記充電率−開路電圧特性を微分可能な関数SOC=f(V0)で近似し、
前記充放電中の充電率SOCの微分値を、前記充電率−開路電圧特性の近似関数SOC=f(V0)の導関数df(V0)/d(V0)と、前記開路電圧推定値V0の時間微分dV0/dtの積として下記(数2)式の基づいて求めることを特徴とする二次電池の満充電容量推定装置。
- 前記充放電中の充電率SOCの微分値または開路電圧推定値V0の微分値を、下記(数3)式の伝達特性で表される1次以上の近似微分処理により演算することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の満充電容量推定装置。
- 前記近似微分を用いて充電率SOCの微分値を算出する際に生じる位相遅れと同等の位相遅れを前記計測された電流Iに施す手段を有することを特徴とする請求項2に記載の二次電池の満充電容量推定装置。
- 前記充放電中の充電率SOCの微分値または開路電圧推定値V0の微分値を演算するフィルタの時定数を、当該二次電池の充電率−開路電圧特性(△SOC/△V0)が急峻な領域では大きな値に設定し、充電率−開路電圧特性(△SOC/△V0)が前記よりも緩やかな領域では小さな値に設定することを特徴とする請求項2に記載の二次電池の満充電容量推定装置。
- 前記充電率−開路電圧特性の近似関数SOC=f(V0)を下記(数4)式に示す微分可能な所定の次数の多項式で近似することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の満充電容量推定装置。
- 二次電池の充放電中の電流Iを計測する電流計測手段と、
充放電中の二次電池の充電率SOCを推定する充電率推定手段と、
前記計測された電流Iと、前記推定された充電率SOCの微分値との比から下記(数1)式に基づいて二次電池の満充電容量Qmaxを演算する満充電容量演算手段と、
二次電池の端子電圧Vを計測する電圧計測手段と、を備え、
前記充電率推定手段は、
計測された前記電流Iと前記端子電圧Vに、ローパスフィルタ処理を施し、かつ電流Iと端子電圧Vの1階微分値と2階微分値とを求める前処理フィルタと、
前記前処理フィルタの出力から適応デジタルフィルタを用いて電池パラメータを推定する適応デジタルフィルタ処理手段と、
推定された電池パラメータと前記前処理フィルタの出力から下記(数5)式に基づいて開路電圧V0を推定する開路電圧推定手段と、
前記推定された開路電圧V0から充電率−開路電圧特性に基づいて充電率SOCを推定する充電率演算手段と、を有し、
かつ、開路電圧推定値V0の微分値を、前記前処理フィルタの出力である電流Iと電圧Vの1階微分値と2階微分値から下記(数6)式に基づいて演算することを特徴とする二次電池の満充電容量推定装置。
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