JP4923462B2 - 二次電池の充電率推定装置 - Google Patents
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Description
下記特許文献1に記載された二次電池の充電率推定装置は、二次電池の電流Iと端子電圧Vから適応デジタルフィルタを用いて開路電圧V0を推定し、予め計測したデータに基づき上記の推定した開路電圧V0から充電率SOCを推定するものである。
しかし、上記のように適応デジタルフィルタを用いた推定方法と他の推定方法とを切り替えて使用する場合、例えばリチウムイオン電池のように比較的大電流での放電を継続して内部抵抗が増大している期間は他の方法で充電率を推定し、その後、電流が変化したことを検知した際に直ちに適応デジタルフィルタを用いた推定方法に切り替えてしまうと、未だ適応デジタルフィルタのパラメータ推定値が真値に追従する前に切替が行われるおそれがあり、そのような場合にはパラメータ推定値が真値に追従するまでの間、充電率を誤推定してしまう、という問題があった。
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、適応デジタルフィルタを用いた推定方法と他の推定方法とを切り替えて使用する場合に、両方法の切替時においても充電率の推定誤差を低減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。
図1は、本発明の一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は二次電池(以下、単に電池と記載)の電流Iを検出する電流検出手段、2は電池の端子電圧Vを検出する端子電圧検出手段、3は前処理フィルタ演算手段、4はパラメータ推定演算手段、5は開路電圧演算手段、6は開路電圧から充電率SOCを演算する第1充電率推定手段(ADFSOC推定)、7は適応デジタルフィルタ以外の方法、例えば電流積算方法で充電率を推定する第2充電率推定手段(電流積算SOC推定:詳細後述)、8は電流検出手段1で検出した電流値の状態およびパラメータ推定演算手段の推定誤差に応じてADFSOC(適応デジタルフィルタによって推定した充電率)と電流積算SOCの何れかを選択して出力する最終充電率推定値選択手段(詳細後述)である。上記の前処理フィルタ演算手段3は後述するローパスフィルタやバンドパスフィルタからなる。
図2において、10は二次電池(単に電池ともいう)、20はモータ等の負荷、30は電池の充電状態を推定する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であり、それぞれ電子制御ユニット30に接続される。上記の電子制御ユニット30は前記図1の前処理フィルタ演算手段3、パラメータ推定演算手段4、開路電圧演算手段5、第1充電率推定手段6、第2充電率推定手段7および最終充電率推定値選択手段8の部分に相当する。また、電流計40は電流検出手段1に、電圧計50は端子電圧検出手段2に、それぞれ相当する。
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、二次電池の電池モデルは下記(数8)式で示される。
(数8)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。
(数8)式を変形すると(数9)式になる。
開路電圧V0は、電流Iに可変な効率hを乗じたものを、ある初期状態から積分したものと考えれば、(数10)式で書ける。
A(s)=T1・s+1
B(s)=K(T2・s+1)
ただし、T1=C1・R1、T2=(C1・R1・R2)/(R1+R2)、K=R1+R2
とおけば、前記(数1)式は(数8)式と等しくなり、前記(数3)式は(数13)式に等しくなる。
θT=[−T1,K・T2,K,h]
従って、電流Iと端子電圧Vにフィルタ処理した信号を、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。
(数17)式を前提に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下記(数18)式となる。ただし、k時点のパラメータ推定値をθ(k)とする。
まず、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判断する。電子制御ユニット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S40では、端子電圧差分値△V(k)を演算する。
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なので、推定パラメータは初期状態のままである。
△I(k)=|I(k)−I(k−1)|
である。ただし、I(k)は今回の電流計測値、I(k−1)は前回の電流計測値
(1) △I(k)が所定時間tsのあいだ連続して所定値β以下となった場合は、つまり電流の変動が小さい場合は、選択フラグf_SOCSWをセットする(電流積算SOC推定値を選択)。
また、前述した所定時間tsを電流(絶対値)に応じて変化させるように設定してもよい。つまり、電流の絶対値が大きくなるにつれて所定時間tsを小さくするように設定する。
なお、電流が一定状態で、かつ前記適応デジタルフィルタの電池パラメータが変化する状態でも充電率推定が可能な方法としては、上記の電流積分(積算)に基づく方法の他に、開放電圧(I−V特性)に基づく方法、カルマンフィルタを用いる方法、などがあるが、ここでは電流積算による充電率SOCの推定方法を用いる場合を例として説明する。
SOCi’(k)=SOCa(k−1)
なお、下記(数19)式に示すようなオフセット値を決めて初期化することも出来る。
SOCi:第2充電率推定値(電流積算による推定値)
ステップS80では、後述する総容量推定値Qmaxを用いて下記(数20)式に基づいて電流を積算(積分)することにより電流積算SOC推定値SOCi’を演算する。
実際には、タスティン近似などで離散化して得られた漸化式を用いて演算する。
ステップS100では、電流I(k)と端子電圧差分値△V(k)に、下記(数23)式に基づいてローパスフィルタ、バンドパスフィルタの処理を施し、I1〜I3およびV1〜V3を演算する。
ただし、y=V2、 ωT=[V3,I3,I2,I1]
θT=[−T1,K・T2,K,h]
ステップS120では、ステップS110で演算したパラメータ推定値θ(k)の中からT1、K・T2、Kと、(数23)式で演算したI1〜I2およびV1〜V2を(数24)式に代入し、開路電圧△V0’を演算する。
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△V0(k)であるため、後段のステップS130で初期値を加算する。
V0(k)=△V0’(k)+V_ini
ステップS140では、図5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S130で算出したV0(k)からADFSOC推定値SOCa(k)を算出する。なお、図5のVLはSOC=0%に、VHはSOC=100%に相当する開路電圧である。
図6は最終SOC推定値の演算方法を示すフローチャートである。
図6において、まず、ステップS1501では、選択フラグf_SOCSWがセットされているか否かを判定する。そしてクリアされている場合にはステップS1502へ、セットされている場合にはステップS1511へ進む。
Ksocsw=Ksocsw_ic+Ksocsw_e
Ksocsw_max=Ksocsw_ic_max+Ksocsw_e_max
ステップS1508では、SOC切替終了フラグをセットするか否かを判定する。つまり各切替係数Ksocsw_e、Ksocsw_icがいずれも十分小さくなった場合にはステップS1509へ進んでSOC切替終了フラグをセットし、それ以外の場合には今回の演算を終了する。
ステップS1510では、ADFSOC推定値SOCa(k)を最終SOC推定値SOCest(k)として出力し、今回の演算を終了する。
ステップS1511では、電流積算SOC推定値SOCi(k)を最終SOC推定値SOCest(k)として出力する。
ステップS1512では、SOC切替終了フラグならびに前記カウンタCNT1をクリアし、今回の演算を終了する。
なお、上記の説明では、第1切替係数と第2切替係数の両方による判断によって出力を切り替える場合を主として説明したが、前記(数27)式、(数28)式に示したように、それぞれ一方のみの判断に応じて切り替えるように構成してもよい。
図8〜図11は本発明の効果を示すシミュレーションの一例を示す図であり、図8は電流値が変化した場合に直ちに電流積算SOC推定値からADFSOC推定値に切り替えるように構成した場合、図9〜図11は本発明の結果を示している。
3…前処理フィルタ演算手段 4…パラメータ推定演算手段
5…開路電圧演算手段 6…第1充電率推定手段
7…第2充電率推定手段 8…最終充電率推定値選択手段
10…二次電池 20…負荷
30…電子制御ユニット 40…電流計
50…電圧計
Claims (7)
- 二次電池の電流と端子電圧をそれぞれ計測する手段と、
前記計測した二次電池の電流と端子電圧とを入力し、適応デジタルフィルタを用いて前記電流と端子電圧の計測値から開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて前記開路電圧推定値から第1充電率推定値を演算する第1充電率推定手段と、
電流が一定状態で、かつ前記適応デジタルフィルタの電池パラメータが変化する状態でも充電率推定が可能な方法で第2充電率推定値を演算する第2充電率推定手段と、
電流の変化率もしくは変化幅が所定時間連続して所定値未満の場合には、前記第1充電率推定値から前記第2充電率推定値に切り替え、電流の変化率もしくは変化幅が前記所定値以上変化し、かつ、前記適応デジタルフィルタの推定誤差が所定値以下となった場合には、前記第2充電率推定値から前記第1充電率推定値に切り替える充電率推定値選択手段と、を備えたことを特徴とする二次電池の充電率推定装置。 - 前記第1充電率推定手段は、
(数1)式に示す電池モデルに開路電圧と電流の関係が積分特性であると仮定することにより得られる(数2)式を代入し、さらに両辺にフィルタ処理を施すことにより得られる(数3)式のパラメータを適応デジタルフィルタを用いて一括推定するパラメータ推定手段と、
前記(数2)式に前記と同様のフィルタ処理を施すことにより得られる(数4)式に基づいて、電流および端子電圧の計測値と前記パラメータ推定値から開路電圧推定値を演算する開路電圧演算手段と、
予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて、前記開路電圧推定値から第1充電率推定値を演算する充電率演算手段と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の二次電池の充電率推定装置。
GLPF(s):ローパスフィルタの伝達特性(次数差はn+1以上) - 前記第2充電率推定手段は、
電流を積算することにより第2充電率推定値を演算することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の二次電池の充電率推定装置。 - 二次電池の電流と端子電圧をそれぞれ計測する手段と、
前記計測した二次電池の電流と端子電圧とを入力し、適応デジタルフィルタを用いて前記電流と端子電圧の計測値から開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて前記開路電圧推定値から第1充電率推定値を演算する第1充電率推定手段と、
電流が一定状態で、かつ前記適応デジタルフィルタの電池パラメータが変化する状態でも充電率推定が可能な方法で第2充電率推定値を演算する第2充電率推定手段と、
所定時間以内に電流の変化率もしくは変化幅が所定値以上変化した回数を演算し、前記所定時間以内に電流の変化率もしくは変化幅が所定値以上変化しない場合には、前記第1充電率推定値から前記第2充電率推定値に切り替え、前記所定時間以内に電流の変化率もしくは変化幅が所定値以上変化した場合には変化した回数を積算し、積算した回数が所定回数以上となった場合には、前記第2充電率推定値から前記第1充電率推定値に切り替える充電率推定値選択手段と、を備えたことを特徴とする二次電池の充電率推定装置。 - 二次電池の電流と端子電圧をそれぞれ計測する手段と、
前記計測した二次電池の電流と端子電圧とを入力し、適応デジタルフィルタを用いて前記電流と端子電圧の計測値から開路電圧を推定し、予め求めた開路電圧と充電率との関係に基づいて前記開路電圧推定値から第1充電率推定値を演算する第1充電率推定手段と、
電流が一定状態で、かつ前記適応デジタルフィルタの電池パラメータが変化する状態でも充電率推定が可能な方法で第2充電率推定値を演算する第2充電率推定手段と、
電流の変化率もしくは変化幅が所定時間連続して所定値未満の場合には、前記第1充電率推定値から前記第2充電率推定値に切り替え、前記所定時間以内に電流の変化率もしくは変化幅が所定値以上変化した場合には変化した回数を積算し、前記所定時間以内に電流の変化率もしくは変化幅が前記所定値以上変化し、かつ、前記適応デジタルフィルタの推定誤差が所定値以下で、積算した回数が所定回数以上となった場合には、前記第2充電率推定値から前記第1充電率推定値に切り替えるとともに、前記所定時間以内に電流の変化率もしくは変化幅が前記所定値以上変化し、かつ、前記適応デジタルフィルタの推定誤差が所定値を超える場合、または、積算した回数が所定回数未満の場合には、(数7)式に基づいて充電率推定値を演算する充電率推定値選択手段と、を備えたことを特徴とする二次電池の充電率推定装置。
Ksocsw=Ksocsw_ic+Ksocsw_e
Ksocsw_max=Ksocsw_ic_max+Ksocsw_e_max
Ksocsw_e:前記適応デジタルフィルタの推定誤差に基づいて設定される第1切替係数
Ksocsw_e_max:第1切替係数の上限値
Ksocsw_ic:前記電流の変化率もしくは変化幅が所定値以上変化した回数に基づいて設定される第2切替係数
Ksocsw_ic_max:第2切替係数の上限値
SOCa:第1充電率推定値
SOCi:第2充電率推定値
SOC:最終充電率推定値
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