JP5307908B2 - Battery state estimation device - Google Patents
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Description
本発明は、電池の内部状態を精度よく推定可能な電池の状態推定装置に関する。 The present invention relates to a battery state estimation device capable of accurately estimating an internal state of a battery.
電池のうちリチャージブルな二次電池は、たとえば電気自動車等に採用される。この場合、その電池での走行可能距離、充放電可能な電流値などを知る必要があるが、これらを把握するため、電池の内部状態量である電池の充電率(SOC: State of Charge)や健全度(SOH: State of Health)等を検出する必要がある。しかしながら、これらの内部状態量は直接検出できないため、充放電電流値を時系列で検出して内部状態を推定する電流積算法(クーロン・カウント法、あるいはブック・キーピング法とも言われる)や、電池モデルを構築し実電池との間で入出力を比較してカルマン・フィルタ等の適応フィルタでそれらの差を小さくするようにして電池モデルの逐次パラメータを推定し、電池の開放電圧を推定することで充電率を推定する開放電圧推定法がよく用いられる 。 Among the batteries, a rechargeable secondary battery is employed in, for example, an electric vehicle. In this case, it is necessary to know the distance that can be traveled by the battery, the current value that can be charged and discharged, etc. In order to grasp these, the battery state of charge (SOC), which is the internal state quantity of the battery, It is necessary to detect the state of health (SOH). However, since these internal state quantities cannot be directly detected, a current integration method (also called a coulomb count method or book keeping method) that detects charge / discharge current values in time series to estimate the internal state, a battery, Establish the battery model's sequential parameters and estimate the open-circuit voltage of the battery by constructing a model and comparing the input / output with the actual battery and reducing the difference with an adaptive filter such as Kalman filter. The open-circuit voltage estimation method for estimating the charging rate is often used.
上記電流積算法は、短時間での充電率の推定には優れているものの、誤差が集積して基に戻りにくい、また常時観測が必要などの欠点がある。一方、逐次パラメータ法は、入出力の両方を観測するため常時観測が不要で誤差の集積がないものの、短時間の充電率の推定精度はよくないといった欠点がある。
そこで、これら両方法を組み合わせて充電率を推定することが行われている。
このような従来技術としては、特許文献1に記載のものが知られている。
Although the current integration method is excellent for estimating the charging rate in a short time, there are drawbacks that errors are accumulated and it is difficult to return to the base, and that constant observation is required. On the other hand, the sequential parameter method does not require constant observation because both input and output are observed and does not accumulate errors, but has a drawback that the estimation accuracy of the charging rate in a short time is not good.
Therefore, the charging rate is estimated by combining these two methods.
As such a prior art, the thing of
すなわち、特許文献1に記載の二次電池の充電率推定装置は、電池モデルを構築し、適応デジタル・フィルタを用いて逐次パラメータ推定を行って第1充電率を推定演算する第1充電率推定手段と、適応デジタル・フィルタを用いての充電率の推定が困難な電流状態において電流積算法を用いて第2充電率を推定演算する第2充電率推定手段と、第1充電率と第2充電率の一方を適宜選択する最終充電率推定値選択手段と、を備える。この場合、上記最終充電率推定値選択手段は、電流の正負の符号が反転したら第1充電率を選択し、その時点から充電率のみまたは放電のみが予め設定した第1の所定時間以上継続したら、第2充電率を選択するように構成されている。
That is, the secondary battery charging rate estimation device described in
しかしながら、上記従来の充電率推定装置には、以下に説明するような問題がある。
すなわち、逐次パラメータ法を採用するにあたっては、電池の界面でのインピーダンスや電解質各部でのインピーダンス等で表した電池の等価回路モデルを用いる。
この場合、電池には、電荷移動過程が行われる界面での速い応答部分(たとえば時定数が数マイクロ秒〜数百ミリ秒)と、電解質界面とバルク領域との間にある拡散層での拡散過程となる遅い応答部分(たとえば時定数が1秒〜数時間)と、があるため、電池の等価回路モデルもそれらを表す数学モデルを用いることになる。
However, the above-described conventional charging rate estimation device has the problems described below.
That is, when adopting the sequential parameter method, an equivalent circuit model of the battery expressed by the impedance at the interface of the battery, the impedance at each part of the electrolyte, or the like is used.
In this case, the battery has a fast response part at the interface where the charge transfer process takes place (for example, a time constant of several microseconds to several hundred milliseconds) and diffusion in a diffusion layer between the electrolyte interface and the bulk region. Since there is a slow response part (for example, a time constant of 1 second to several hours) that becomes a process, an equivalent circuit model of the battery uses a mathematical model that represents them.
この場合、電池の速い応答部分については、S/N比や可観測性の観点から逐次パラメータ法にて容易に電池の内部状態を表すパラメータを推定できる。
これに対し、遅い応答部分については、S/N比が小さく、また可観測性の観点から逐次パラメータ法では正確にパラメータを推定することは困難となる。
In this case, for the fast response part of the battery, a parameter representing the internal state of the battery can be easily estimated by the sequential parameter method from the viewpoint of S / N ratio and observability.
On the other hand, for the slow response part, the S / N ratio is small, and it is difficult to accurately estimate the parameters by the sequential parameter method from the viewpoint of observability.
ハイブリッド車両(HEV: Hybrid Electric Vehicle)のように、電池の速い応答を中心に使用する環境下では、逐次パラメータ推定を行った場合でも過電圧分を正確に計算することができ、開放電圧、したがって電池の充電率を正確に演算推定することが可能となる。
これに対し、電気自動車(EV: Electric Vehicle)のように電池の遅い応答部分まで使用する環境下においては、逐次パラメータ推定を行った場合、電池の遅い応答部分のパラメータ推定精度が悪くなって過電圧分に誤差が生じ、この結果、開放電圧や充電率といった電池の状態量の推定精度が悪化してしまうという問題が生じてしまう。
In an environment where the fast response of the battery is used as in a hybrid vehicle (HEV: Hybrid Electric Vehicle), the overvoltage component can be accurately calculated even when successive parameter estimation is performed. It is possible to accurately calculate and estimate the charging rate.
On the other hand, in an environment where the battery's slow response part is used, such as an electric vehicle (EV), when parameter estimation is performed sequentially, the parameter estimation accuracy of the battery's slow response part deteriorates, resulting in overvoltage. As a result, there is a problem that the estimation accuracy of the state quantity of the battery such as the open circuit voltage and the charging rate is deteriorated.
上記の場合、電池の遅い応答部分を求めようとするには、任意の波形を入力することが可能であり、かつ電池の開放電圧を精度よく求めることが可能な条件が揃えば、たとえば以下の方法で電池の遅い部分のパラメータ推定を精度よく行うことが可能となる。 In the above case, in order to obtain the slow response portion of the battery, it is possible to input an arbitrary waveform, and if the conditions for accurately obtaining the open circuit voltage of the battery are aligned, for example, the following This method makes it possible to accurately estimate the parameters of the slow part of the battery.
すなわち、精度のよい電圧センサを用いて電池の端子電圧値Vt(k)を測定する一方、電池シャント抵抗型の精度の良い電流センサを用いて電池に出入りする充放電電流を測定しクーロン・カウント法を用いて充電率SOC(k)を演算し、あらかじめ実験で計測して得た充電率と開放電圧との関係データを表すルック・アップ・テーブルを用いて上記充電率SOC(k)に相当する開放電圧値OCV(k)を得る。次いで、減算器で端子電圧値Vt(k)から開放電圧値OCV(k)を減算することで、過電圧η(k)を得る。 In other words, the terminal voltage value Vt (k) of the battery is measured using an accurate voltage sensor, while the charge / discharge current flowing into and out of the battery is measured using an accurate current sensor of the battery shunt resistance type to measure the coulomb count. The charge rate SOC (k) is calculated using the method, and it corresponds to the charge rate SOC (k) using a look-up table that shows the relationship data between the charge rate and the open circuit voltage obtained by experimentation in advance. An open circuit voltage value OCV (k) is obtained. Next, an overvoltage η (k) is obtained by subtracting the open circuit voltage value OCV (k) from the terminal voltage value Vt (k) by a subtractor.
そして、電流を入力、過電圧を出力として用い、過電圧部分の等価回路モデルを構築する。この過電圧部分の等価回路モデルは、フォスター型等価回路モデルなどの拡散方程式等、電池内部を表す数学モデルであれば良い。
このようにして、電池の遅い応答部分のパラメータ推定を実験等で求めることは一応可能であるが、実際に電池が使用される環境を考慮すると、たとえばEVなどにあっては、任意の波形を入力することはほとんどなく、また開放電圧を精度よく求めることが困難な条件・状況となることがほとんどである。
したがって、実際に電池が使用される状況下にあっては、電池の遅い応答部分のパラメータ推定は非常に困難であり、この結果、電池の開放電圧や充電率といった電池の内部状態を推定精度よく推定することは困難であるといった問題がある。
Then, an equivalent circuit model of the overvoltage part is constructed using the current as input and the overvoltage as output. The equivalent circuit model of the overvoltage portion may be a mathematical model representing the inside of the battery, such as a diffusion equation such as a Foster-type equivalent circuit model.
In this way, it is possible to estimate the parameter of the slow response part of the battery by experiment etc., but considering the environment where the battery is actually used, for example, in the case of EV, an arbitrary waveform can be obtained. There is almost no input, and it is almost the condition / situation where it is difficult to obtain the open-circuit voltage with high accuracy.
Therefore, under the situation where the battery is actually used, it is very difficult to estimate the parameters of the slow response part of the battery, and as a result, the internal state of the battery such as the open circuit voltage and the charging rate of the battery is estimated with high accuracy. There is a problem that it is difficult to estimate.
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、電池の遅い応答部分をも考慮して電池の過電圧の推定精度を向上させることで、電池の内部状態を精度よく推定できるようにした電池の状態推定装置を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to improve the estimation accuracy of the battery overvoltage in consideration of the slow response part of the battery, thereby accurately determining the internal state of the battery. It is an object of the present invention to provide a battery state estimation device that can be well estimated.
この目的のため、請求項1に記載の本発明による電池の状態推定装置は、
電池の充放電電流値を検出する充放電電流検出手段と、
電池の端子電圧値を検出する端子電圧検出手段と、
電池の速い応答部分と遅い応答部分とを有する等価回路モデルと、
充放電電流検出手段から入力された充放電電流値と端子電圧検出手段から入力されたる端子電圧値とに基づき、等価回路モデルのうち速い応答部分のみを用いて逐次パラメータ推定を行う逐次パラメータ推定手段と、
充放電電流検出手段から入力された充放電電流値と端子電圧検出手段から入力されたる端子電圧値とに基づき、等価回路モデルの遅い応答部分を用いて遅い応答部分の過電圧値を推定する状態量推定手段と、
逐次パラメータ推定手段で推定したパラメータに充放電電流値を乗算することで速い応答部分の過電圧値を得る乗算手段と、
乗算手段で得た速い応答部分の過電圧値と状態量推定手段で得た遅い応答部分の過電圧値とを加算して電池の過電圧値を得る過電圧検出手段と、
を備えたことを特徴とする。
For this purpose, the battery state estimation device according to the present invention as set forth in
Charge / discharge current detection means for detecting the charge / discharge current value of the battery;
A terminal voltage detecting means for detecting a terminal voltage value of the battery;
An equivalent circuit model having a fast response portion and a slow response portion of the battery;
Sequential parameter estimation means for performing sequential parameter estimation using only the fast response portion of the equivalent circuit model based on the charge / discharge current value input from the charge / discharge current detection means and the terminal voltage value input from the terminal voltage detection means When,
A state quantity that estimates the overvoltage value of the slow response part using the slow response part of the equivalent circuit model based on the charge / discharge current value input from the charge / discharge current detection means and the terminal voltage value input from the terminal voltage detection means An estimation means;
Multiplication means for obtaining the overvoltage value of the fast response part by multiplying the parameter estimated by the sequential parameter estimation means by the charge / discharge current value;
Overvoltage detection means for adding the overvoltage value of the fast response part obtained by the multiplication means and the overvoltage value of the slow response part obtained by the state quantity estimation means to obtain the battery overvoltage value;
It is provided with.
請求項2に記載の本発明による電池の状態推定装置は、
請求項1に記載の電池の状態推定装置において、
端子電圧検出手段で得た端子電圧値から端子電圧検出手段で得た過電圧値を減算して電池の開放電圧値を得る減算手段と、
減算手段で得た開放電圧値に基づき電池の充電率を求める開放電圧―充電率推定手段と、
を有することを特徴とする
The battery state estimation device according to the present invention as set forth in
The battery state estimation device according to
Subtracting means for subtracting the overvoltage value obtained by the terminal voltage detecting means from the terminal voltage value obtained by the terminal voltage detecting means to obtain the open-circuit voltage value of the battery;
An open-circuit voltage-charge rate estimating means for obtaining a charge rate of the battery based on the open-circuit voltage value obtained by the subtracting means;
It is characterized by having
請求項3に記載の本発明による電池の状態推定装置は、
請求項1又は請求項2に記載の電池の状態推定装置において、
端子電圧検出手段で得た端子電圧のうち遅い応答部分の分を取り除いて逐次パラメータ推定手段へ入力するフィルタ処理手段を有する、
ことを特徴とする。
The battery state estimation apparatus according to the present invention as set forth in
In the battery state estimation device according to
It has a filter processing means for removing the slow response portion of the terminal voltage obtained by the terminal voltage detection means and sequentially inputting it to the parameter estimation means.
It is characterized by that.
請求項4に記載の本発明による電池の状態推定装置は、
請求項3に記載の電池の状態推定装置において、
フィルタ処理手段が、充放電電流検出手段で得た充放電電流のうち遅い応答部分の分を取り除いて逐次パラメータ推定手段へ入力する、
ことを特徴とする。
The battery state estimation apparatus according to the present invention as set forth in
In the battery state estimation device according to
The filter processing means removes the slow response portion from the charge / discharge current obtained by the charge / discharge current detection means and sequentially inputs it to the parameter estimation means.
It is characterized by that.
請求項1に記載の本発明による電池の状態推定装置にあっては、電池の等価回路モデルの速い応答部分を用いて逐次パラメータ推定を行い、かつ電池の遅い応答部分について状態量推定を行うことで、電池の過電圧の推定精度を向上させることができ、したがって、電池の内部状態を精度よく推定することができる。 In the battery state estimation apparatus according to the first aspect of the present invention, sequential parameter estimation is performed using a fast response portion of an equivalent circuit model of the battery, and state quantity estimation is performed for a slow response portion of the battery. Therefore, the estimation accuracy of the battery overvoltage can be improved, and therefore the internal state of the battery can be estimated with high accuracy.
請求項2に記載の本発明による電池の状態推定装置にあっては、端子電圧値から過電圧値を減算して電池の開放電圧値を精度よく得ることができ、この開放電圧値を用いてこれに対応する充電率を決定するので、電池の内部状態の一つである充電率も精度よく推定することができる。 In the battery state estimating apparatus according to the second aspect of the present invention, the overvoltage value can be subtracted from the terminal voltage value to accurately obtain the open circuit voltage value of the battery. Therefore, the charging rate, which is one of the internal states of the battery, can be accurately estimated.
請求項3に記載の本発明による電池の状態推定装置にあっては、フィルタ処理部を設けて端子電圧のうち遅い応答部分の分を取り除いて逐次パラメータ推定部へ入力するようにしたので、端子電圧に基づく遅い応答部分と速い応答部分での過電圧値の重複計算を容易かつ確実に取り除くことができる。 In the battery state estimation device according to the third aspect of the present invention, since the filter processing unit is provided to remove the slow response portion of the terminal voltage and input to the sequential parameter estimation unit, the terminal It is possible to easily and reliably remove the overvoltage value overlap calculation in the slow response portion and the fast response portion based on the voltage.
請求項4に記載の本発明による電池の状態推定装置にあっては、フィルタ処理部が充放電電流のうち遅い応答部分の分を取り除いて逐次パラメータ推定部へ入力するので、逐次パラメータ推定においてその分の演算が容易になる。 In the battery state estimation apparatus according to the fourth aspect of the present invention, the filter processing unit removes the slow response portion from the charge / discharge current and inputs it to the sequential parameter estimation unit. Calculation of minutes becomes easy.
以下、本発明の実施の形態を、添付した図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail based on examples shown in the accompanying drawings.
まず、実施例1の電池の状態推定装置の全体構成を説明する。
この実施例1の電池の状態推定装置は、例えば電気自動車に搭載され、図示しない駆動モータ等に電力を供給可能な実電池(リチウム・イオン・バッテリ等の二次電池)1に接続されており、電流センサ2と、電圧センサ3と、逐次パラメータ推定部4と、乗算器5と、第1減算器6と、状態量推定部7、加算器8と、第2減算器9と、開放電圧−充電率変換部10と、を備えている。
First, the overall configuration of the battery state estimation device of Example 1 will be described.
The battery state estimation apparatus according to the first embodiment is connected to an actual battery (secondary battery such as a lithium ion battery) 1 that is mounted on, for example, an electric vehicle and can supply power to a drive motor (not shown). ,
電流センサ2は、実電池1から駆動モータ等へ電力を供給する場合の放電電流の大きさ、および車両制動時に電気モータを発電機として機能させて制動エネルギの一部を回収したり地上の電源設備から充電したりする場合の充電電流の大きさを検出するもので、ここで検出した充放電電流値Iaは、充電時を+、放電時を−とした入力信号として逐次パラメータ推定部4、乗算器5、および状態量推定部7へそれぞれ出力される。
なお、電流センサ22は、種々の構造・形式を有するものを適宜採用でき、本発明の充放電電流検出手段に相当する。
The
In addition, what has various structures and forms can be employ | adopted for the current sensor 22 suitably, and is equivalent to the charging / discharging electric current detection means of this invention.
電圧センサ3は、電池1の端子間の電圧値を検出するもので、ここで検出した端子電圧値Vaは逐次パラメータ推定部4、第1減算器6、および第2減算器9へそれぞれ出力される。
なお、電圧センサ3は、種々の構造・形式を有するものを適宜採用でき、本発明の端子電圧検出手段に相当する。
The
As the
逐次パラメータ推定部4は、図4に示す電池の等価回路モデルのうち速い応答部分(R0と、R1およびC1、R2およびC2で構成される1次、2次の抵抗−コンデンサ並列回路との部分)を用いて、電流センサ2から得た充放電電流値Iaおよび電圧センサ3から得た端子電圧値Vaを入力信号として、例えばカルマン・フィルタを用いて、実電池1の出力値(電圧センサ3から得た端子電圧値Va)と電池等価回路モデルの速い応答部分の出力値(推定した端子電圧値)とを比較してこれらの出力値差が小さくなるように、上記モデルの状態方程式のパラメータを逐次調整していくことで、上記速い応答部分のパラメータを推定していく。なお、カルマン・フィルタによるパラメータ推定の詳細については、本出願人の特願2011−007874に説明してある。
逐次パラメータ推定部4で推定されたパラメータである抵抗値(R0、R1、R2)およびコンデンサ容量(C1、C2)は、乗算器5へ出力される。
なお、逐次パラメータ推定部4は、本発明の逐次パラメータ推定手段に相当する。
The
The resistance values (R 0 , R 1 , R 2 ) and the capacitor capacities (C 1 , C 2 ), which are parameters estimated by the sequential
The sequential
乗算器5は、電流センサ2で検出された充放電電流値Iaと、逐次パラメータ推定部4で推定された抵抗値(R0、R1、R2)およびコンデンサ容量(C1、C2)とを、掛け合わされて、第1過電圧値V01を得る。この第1過電圧値V01は、第1減算器6および加算器8へそれぞれ出力される。
なお、乗算器5は、本発明の乗算手段に相当する。
The
The
第1減算器6は、電圧センサ3で検出された端子電圧値Vaから乗算器5で得られた第1過電圧値V01を減算して、第1開放電圧値OCV1を得、これを状態量推定部7へ出力する。
The
状態量推定部7は、電流センサ2で検出された充放電電流値Iaと、第1減算器6で得られた第1開放電圧値OCV1と、に基づき状態量を推定して第2過電圧値V02を得、これを加算器8へ出力する。なお、状態量推定部7での第2過電圧値V02の推定については、後で詳しく説明する。
また、状態量推定部7は、本発明の状態量推定に相当する。
The state quantity estimation unit 7 estimates the state quantity based on the charge / discharge current value Ia detected by the
The state quantity estimation unit 7 corresponds to the state quantity estimation of the present invention.
加算器8は、乗算器5で得られた電池の速い応答分の第1過電圧値V01と、状態量推定部7で得られた電池の遅い応答部分の第2過電圧値V02とを加算して電池の過電圧値V0を得、これを第2減算器9へ出力する。
なお、加算器8は、本発明の加算手段に相当する。
The
The
第2減算器9は、電圧センサ3で検出した端子電圧Vaから加算器8で得た過電圧値V0を減算して電池の第2開放電圧値OCV2を得、これを開放電圧−充電率変換部10へ出力する。
開放電圧−充電率変換部10は、あらかじめ実験で得た開放電圧と充電率との関係を表すデータがルック・アップ・テーブルとして記憶されており、第2減算器9で得られた第2開放電圧値OCV2が入力されてこれに相当する充電率SOCOCVが出力される。
なお、開放電圧−充電率変換部10は、本発明の開放電圧−充電率変換手段に相当する。
The open-circuit voltage-charge
The open-circuit voltage-charge
次に、電池の遅い応答部分の状態量を推定する上記状態量推定部7の構成につき、図2および図3を用いて説明する。
状態量推定部7は、状態xが直接観測できないとき、入力uと出力yとから状態xを推定する機構、すなわちオブザーバであり、本実施例では、電池の遅い応答部分を示す図3の等価回路モデルおよび図2に示すカルマン・フィルタを用いる。
Next, the configuration of the state quantity estimation unit 7 that estimates the state quantity of the slow response portion of the battery will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
The state quantity estimation unit 7 is a mechanism for estimating the state x from the input u and the output y when the state x cannot be observed directly, that is, an observer. In this embodiment, the state quantity estimation unit 7 is equivalent to FIG. A circuit model and the Kalman filter shown in FIG. 2 are used.
カルマン・フィルタでは、対象となるシステムのモデル(本実施例では電池の遅い応答部分の等価回路モデル)を設計し、このモデルと実システム(本実施例では実電池1)に同一の入力信号(本実施例では電流センサ2で検出した充放電電流Ia)を入力し、その場合の両者での出力(本実施例では過電圧分)を比較して、それらに誤差があれば、この誤差にカルマン・ゲインKを掛けてモデルへフィードバックすることで、両者の誤差が最小となるように上記モデルを修正する。これを繰り返すことで、真の内部状態量を推定する。
In the Kalman filter, a model of a target system (in this embodiment, an equivalent circuit model of a slow response part of a battery) is designed, and the same input signal (in this embodiment, an actual battery 1) is input to the same system (the
状態量推定部7を示す図2において上方の破線で囲んだ部分BTは実電池1に相当する部分、下方の破線で囲んだ部分BMは図3の電池の遅い応答部分に相当する部分である。なお、この電池の遅い応答部分に相当する電池の等価回路モデルについては後で詳しく説明する。
実部分BTは、第1係数器71と、第1加算器72と、第1積分器73と、第2係数器74と、第3係数器75と、を備えている。
一方、モデル部分BMは、実部分BTと同様な構成、すなわち第4係数器81と、第2加算器82と、第2積分器83と、第5係数器84と、第6係数器85と、を備えている。
状態量推定部7は、さらに実部分BTの出力値y(t)からモデル部分BMの出力値w(t)を引いた減算値を得る減算器86と、この減算器86で得た減算値にカルマン・ゲインKを乗算して第2加算器82に入力する乗算器87と、を備えている。
In FIG. 2 showing the state quantity estimation unit 7, the part BT surrounded by the upper broken line is a part corresponding to the
The real part BT includes a
On the other hand, the model part BM has the same configuration as the real part BT, that is, the
The state quantity estimation unit 7 further includes a
図2において、入力u(t)は、本実施例の場合は充放電電流値Iaであり、この入力信号は実部分BTの第1係数器71およびモデル部分BMの第4係数器81にそれぞれ入力される。
第1係数器71では、入力u(t)に係数Bが掛けてこの値を第1加算器72に入力する。第1加算器72では、第1係数器71からの出力値と第3係数器75からの出力値とを加算してこの加算値を第1積分器73に入力する。第1積分器73では、入力された加算値を時間積分して、この積分値を第2係数器74と第3係数器75に入力する。第2係数器74は、第1積分器73で得た積分値に係数Cを掛けて出力値y(t)を得る。本実施例では、出力値y(t)は実電池の遅い応答部分の過電圧値である。なお、電流は充電時を+、放電時を−とする。
一方、第3係数器75は、積分器73で得た積分値に係数Aを掛けてこの値を第1加算器72に入力する。
In FIG. 2, the input u (t) is the charge / discharge current value Ia in this embodiment, and this input signal is supplied to the
The
On the other hand, the
第4係数器81では、入力値u(t)に係数Bを掛けてこの値を第2加算器82に入力する。第2加算器82では、第4係数器81からの出力値と第6係数器85からの出力値と乗算器87で得た出力値とを加算して、この加算値を第2積分器83に入力する。第2積分器83では、入力された加算値を時間積分して、この積分値を第5係数器84と第6係数器85に入力する。第4係数器84は、第2積分器83で得た積分値に係数Cを掛けて出力値w(t)を得る。本実施例では、出力値w(t)は電池等価回路モデルの遅い応答部分の過電圧値である。
一方、第6係数器85は、第2積分器83で得た積分値に係数Aを掛けてこの値を第2加算器82に入力する。
The
On the other hand, the
ここで、上記電池等価回路モデルの遅い応答部分は、図4で示した電池等価回路モデルと若干異なっており、図3に示す回路モデルを用いる。
すなわち、このモデルは、図3に示すように、図4中の電池の速い答部分に相当する等価回路モデル部分である抵抗R0、および1次〜2次の抵抗−コンデンサ並列回路(R1、C1、R2、C2)が削除された残りの3次〜第5次の抵抗−コンデンサ並列回路(R3、C3、R4、C4、R5、C5)と、これに直列接続された電池の開放電圧(COCV)と、で構成される。
Here, the slow response part of the battery equivalent circuit model is slightly different from the battery equivalent circuit model shown in FIG. 4, and the circuit model shown in FIG. 3 is used.
That is, as shown in FIG. 3, this model is equivalent to a resistor R 0 , which is an equivalent circuit model portion corresponding to the fast answer portion of the battery in FIG. 4, and a primary-secondary resistor-capacitor parallel circuit (R 1). , C 1 , R 2 , C 2 ) are removed, and the remaining third to fifth resistor-capacitor parallel circuits (R 3 , C 3 , R 4 , C 4 , R 5 , C 5 ) and this And the open circuit voltage (C OCV ) of the battery connected in series.
そして、状態量推定部7では、開放電圧値COCVと、R3、C3での電圧値V3と、R4、C4での電圧値V4と、R5、C5での電圧値V5と、を状態量xとしてオブザーバで状態量推定を行うことで、電池の遅い応答部分での過電圧分w(t)(=V3+V4+V5)を推定する。 Then, in the state quantity estimation unit 7, the open circuit voltage value C OCV , the voltage value V3 at R 3 and C 3 , the voltage value V4 at R 4 and C 4 , and the voltage value V5 at R 5 and C 5 Then, the state quantity is estimated by the observer using the state quantity x to estimate the overvoltage w (t) (= V3 + V4 + V5) in the slow response part of the battery.
図3の電池の遅い応答部分の等価回路モデルでは、電池の速い応答部分との間で、過電圧値分が重複しないように逐次パラメータ推定を行う必要がある。このため、本実施例では、逐次パラメータ推定のところでサンプリング周期を変えることで、等価回路モデルを速い応答部分と遅い応答部分とに分ける。
本実施例では、図4に示すように、過電圧の電池等価回路モデルに対して異なるサンプリング周期(10秒と0.1秒)でパラメータ推定した場合に、どの周波数帯域のパラメータが得られるかを検討した。この時得られたボード線図を図5に示す。
In the equivalent circuit model of the slow response part of the battery in FIG. 3, it is necessary to perform sequential parameter estimation so that the overvoltage value does not overlap with the fast response part of the battery. For this reason, in this embodiment, the equivalent circuit model is divided into a fast response portion and a slow response portion by changing the sampling period in the sequential parameter estimation.
In this embodiment, as shown in FIG. 4, when parameters are estimated at different sampling periods (10 seconds and 0.1 seconds) for an overvoltage battery equivalent circuit model, which frequency band parameters can be obtained is examined. . The Bode diagram obtained at this time is shown in FIG.
図5のボード線図(横軸に周波数、縦軸に振幅)において、破線は電流センサ2で検出された充放電電流値Iaおよび電圧センサ3で得られた端子電圧値Vaに対しフィルタ処理をしなかった場合、一点鎖線は上記充放電電流値Iaおよび端子電圧値Vaに対し高周波カットのフィルタ処理を行い10秒間隔でサンプリングを行った場合、実線は同様のフィルタ処理を行い0.1秒間隔でサンプリングを行った場合、のそれぞれのシステム同定結果を示す。
In the Bode diagram of FIG. 5 (frequency on the horizontal axis and amplitude on the vertical axis), the broken line is a filter process for the charge / discharge current value Ia detected by the
図5から分かるように、サンプリング周期を10秒で逐次パラメータ推定を行った実験の場合には、遅い応答部分の帯域で一致することが示されている。しかしながら、実際には、サンプリング周期を10秒にて逐次パラメータを行った場合、電池の遅い応答部分はS/N比が小さく可観測性の観点から逐次パラメータ推定が困難である。
一方、サンプリング周期を0.1秒で逐次パラメータ推定を行った場合には、電池の速い応答部分の帯域では一致しているものの、電池の遅い応答部分では一致していないことが示されている。
As can be seen from FIG. 5, in the case of the experiment in which the parameter estimation is performed sequentially with a sampling period of 10 seconds, it is shown that the matching is achieved in the band of the slow response part. However, in actuality, when the sequential parameters are performed at a sampling period of 10 seconds, the slow response part of the battery has a small S / N ratio and it is difficult to estimate the parameters sequentially from the viewpoint of observability.
On the other hand, when the parameter estimation is performed sequentially with a sampling period of 0.1 seconds, it is shown that the fast response part bands of the battery are identical, but the slow response part of the battery is not identical.
すなわち、電池の速い応答部分の帯域では、電池の遅い応答部分とは異なって、S/N比や可観測性の観点から容易に逐次パラメータ推定ができる。したがって、サンプリング周期を0.1秒に設定して逐次パラメータ推定を行えば、速い応答部分のみのパラメータを算出することができ、この結果、これらパラメータを用いることで、速い応答部分のみの過電圧を演算することができるようになる。 That is, in the band of the fast response part of the battery, different from the slow response part of the battery, the sequential parameter estimation can be easily performed from the viewpoint of S / N ratio and observability. Therefore, if parameter estimation is performed with the sampling period set to 0.1 seconds, it is possible to calculate parameters for only the fast response part. As a result, using these parameters, the overvoltage for only the fast response part is calculated. Will be able to.
次に、上記のように構成した実施例1の電池の内部状態推定装置の作用につき、説明する。
電流センサ2は、実電池1へ充放電される充放電電流値Iaを検出し、この値を、乗算器5と、逐次パラメータ推定部4と、状態量推定部7、とに入力する。
一方、電圧センサ3は、実電池1の端子電圧値Vaを検出し、この値を、逐次パラメータ推定部4と、第1減算器6と、第2減算器9と、に入力する。
Next, the operation of the battery internal state estimating device of Example 1 configured as described above will be described.
The
On the other hand, the
逐次パラメータ推定部4は、入力された充放電電流Iaと端子電圧Vaとに基づき、図4中の電池の速い応答部分の等価回路モデル(図4の抵抗R0と第1次および第2次の抵抗−コンデンサ並列回路、R1、C1、R2、C2)を用いてカルマン・フィルタで速い応答部分のパラメータである抵抗値(R0、R1、R2)およびコンデンサ容量(C1、C2)を推定する。これらの抵抗値は乗算器5に入力されて、同じく電流センサ2から入力された充放電電流値Iaと掛け合わされて第1過電圧値V01が得られる。この第1過電圧値V01は、加算器8と第1減算器6とに入力される。
The sequential
第1減算器6では、端子電圧値Vaから第1過電圧値V01を減算して第1開放電圧値OCV1を得、この第1開放電圧値OCV1を状態量推定部7に入力する。
状態量推定部7では、入力された充放電電流値Iaと第1開放電圧値OCV1と、に基づき、図3の電池の遅い応答部分の等価回路モデル(第3次〜第5次の抵抗−コンデンサ並列回路、R3、C3、R4、C4、R5、C5)を用いてカルマン・フィルタで遅い応答部分の状態量(COCV、V3、V4、V5)から第2過電圧値V02(=V3+V4+V5)を推定する。この第2過電圧値V02は、加算器8に入力される。
In the
The state quantity estimation unit 7 is based on the input charge / discharge current value Ia and the first open-circuit voltage value OCV1, and is equivalent circuit model (third-order to fifth-order resistance − Capacitor parallel circuit, R 3 , C 3 , R 4 , C 4 , R 5 , C 5 ) using the Kalman filter and the slow response part state quantity (C OCV , V3, V4, V5) to the second overvoltage value Estimate V 02 (= V3 + V4 + V5). The second overvoltage value V 02 is input to the
加算器8は、入力された第1過電圧値V01と第2過電圧値V02とを加算して電池の過電圧値分V0を得る。この過電圧値分V0は、第2減算器9に入力される。第2減算器9は、端子電圧Vaから過電圧値分V0を減算して第2開放電圧値OCV2を得、開放電圧−充電率変換部10に入力される。
The
開放電圧−充電率変換部10は、開放電圧−充電率のルック・アップ・テーブルを用いて、入力された第2開放電圧値OCV2に相当する充電率SOCOCVを得、この値をたとえば走行可能距離演算部(図示せず)などの必要演算部へ出力する。
The open-circuit voltage-charge
ここで、実施例1の電池の状態推定装置の効果を確認するため、実電池を用いて行った実験結果を図6に示す。同図は、横軸に計測時間(秒)を、また縦軸に充電率を表す。実線は充電率の真値を、一点鎖線は従来技術による方式を、また破線は本実施例による方式をそれぞれ示す。
図6から明らかなように、従来技術の方式で求めた充電率は、真値に比べ大きい誤差を有しているのに対し、本実施例による方式で求めた充電率は、真値とほぼ同等の値となり、充電率の推定精度が高いことが分かる。
Here, in order to confirm the effect of the battery state estimation apparatus of Example 1, the result of an experiment performed using an actual battery is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the measurement time (seconds), and the vertical axis represents the charging rate. The solid line indicates the true value of the charging rate, the alternate long and short dash line indicates the method according to the prior art, and the broken line indicates the method according to the present embodiment.
As is clear from FIG. 6, the charging rate obtained by the method of the prior art has a larger error than the true value, whereas the charging rate obtained by the method according to the present embodiment is almost equal to the true value. It turns out that it becomes an equivalent value and the estimation accuracy of a charging rate is high.
以上の説明から分かるように、実施例1の電池の状態推定装置は、以下の効果を有する。
実施例1の電池の状態推定装置では、電池の速い応答部分の等価回路モデルを用いて逐次パラメータ推定を行って得たパラメータと電流値Iaとを乗算することで電池の速い応答分の第1過電圧値V01を計算し、電池の遅い応答部分については状態量推定を行って電池の遅い応答部分の第2過電圧値V02を計算して、これら第1、第2過電圧値V01、V02を加算して得た過電圧値V0を用いて、第2開放電圧値OCV2を演算し、電池の内部状態(充電率SOCOCVなど)を推定するようにしたので、電池の実際での使用環境下にあっては逐次パラメータ法では困難な電池の遅い応答部分までも考慮して、電池の内部状態を精度よく推定することが可能となる。
As can be seen from the above description, the battery state estimation device of Example 1 has the following effects.
In the battery state estimation apparatus according to the first embodiment, the first parameter corresponding to the fast response of the battery is obtained by multiplying the parameter obtained by the successive parameter estimation using the equivalent circuit model of the fast response part of the battery and the current value Ia. The overvoltage value V 01 is calculated, the state quantity is estimated for the slow response part of the battery, the second overvoltage value V 02 of the slow response part of the battery is calculated, and these first and second overvoltage values V 01 , V Using the overvoltage value V 0 obtained by adding 02 , the second open-circuit voltage value OCV2 is calculated to estimate the internal state of the battery (charge rate SOC OCV, etc.). In the environment, it is possible to accurately estimate the internal state of the battery in consideration of the slow response part of the battery, which is difficult with the sequential parameter method.
電池の充電率を求めるには、端子電圧値Vaから上記過電圧値V0を減算して第2開放電圧値OCV2を求め、開放電圧−充電率の関係データを用いて第2開放電圧値OCV2に相当する充電率SOCOCVを得るので、簡単な演算で充電率を精度よく得ることができる。 To determine the charging rate of the battery, determine the second open-circuit voltage value OCV2 from the terminal voltage value Va by subtracting said over-voltage value V 0, open circuit voltage - the second open-circuit voltage value by using the relationship data of the charging rate OCV2 Since the corresponding charge rate SOC OCV is obtained, the charge rate can be obtained with a simple calculation.
逐次パラメータ推定および状態量推定では、フォスター型などの電池の等価回路モデルが使用でき、この場合、電池の速い応答部分では、入力される充放電電流値Iaと端子電圧値Vaの波形をもとに、電池の等価回路モデルのうち応答の遅い部分(状態量推定で得られたパラメータで発生している電流および電圧の成分)を除いた部分に逐次パラメータ推定を用いることができるようになる。
すなわち、逐次パラメータのところでサンプリング周期を変えることで速い応答部分と遅い応答部分とを分ける。したがって、電池の速い応答部分の過電圧値と遅い部分の過電圧値とが重複して演算されるのを防ぐことができる。
In sequential parameter estimation and state quantity estimation, an equivalent circuit model of a battery such as a Foster type can be used. In this case, the fast response part of the battery is based on the waveform of the input charge / discharge current value Ia and the terminal voltage value Va. In addition, it is possible to use sequential parameter estimation in a portion excluding a slow response portion (current and voltage components generated by parameters obtained by state quantity estimation) in the equivalent circuit model of the battery.
That is, the fast response portion and the slow response portion are separated by changing the sampling period at the sequential parameter. Therefore, it is possible to prevent the overvoltage value of the fast response part and the overvoltage value of the slow part of the battery from being calculated redundantly.
次に、他の実施例について説明する。この他の実施例の説明にあたっては、前記実施例1と同様の構成部分については図示を省略し、もしくは同一の符号を付けてその説明を省略し、相違点についてのみ説明する。 Next, another embodiment will be described. In the description of the other embodiments, the same components as those of the first embodiment are not shown, or the same reference numerals are given and the description thereof is omitted, and only the differences are described.
実施例2の電池の内部状態推定装置は、図7に示すように、電流センサ2および電圧センサ3と逐次パラメータ推定部4との間にフィルタ処理部11を設けた点が実施例1の電池の内部状態推定装置(図1に示す)と異なる。なお、フィルタ処理部11は、本発明のフィルタ処理手段に相当する。
As shown in FIG. 7, the battery internal state estimation apparatus according to the second embodiment is provided with a
フィルタ処理部11は、少なくとも電圧センサ3から入力された端子電圧値Vaのうち遅い応答(拡散抵抗)分を取り除き、速い応答(結線抵抗+電解液抵抗+電荷移動抵抗)分を、フィルタ処理電圧値Vbとして逐次パラメータ推定部4に入力する。
The
フィルタ処理部11は、本実施例では、ロー・パス・フィルタで構成する。このロー・パス・フィルタの例を図8に示す
ここでは、端子電圧値Vaから、充放電電流値Iaを用いて演算して得た遅い応答部分の電圧値Vcを減算して速い応答部分の電圧値であるフィルタ処理電圧値Vbを算出する。
すなわち、遅い応答部分の電圧値Vcは、ラプラス変換の変数をsとして、図3の電池の遅い応答部分の等価回路モデルにおける3次のR3、C3に対応する伝達関数12と、4次のR4、C4に対応する伝達関数13と、5次のR5、C5に対応する伝達関数14に、充放電電流値Iaを入力して、それぞれの過電圧値を得、これらの過電圧値を加算器15で加算して遅い応答部分の電圧値Vcを得る。
減算器16では端子電値圧Vaから遅い応答部分の電圧値Vcを減算して速い応答部分の電圧値Vbを得る。
In this embodiment, the
That is, the voltage value Vc of the slow response portion is represented by the
The
一方、電流に関しては、フィルタ処理部11で処理を行わずそのまま逐次パラメータ推定部4に入力しても良いし、あるいはハイ・パス・フィルタを用いて遅い応答部分を取り除いてフィルタ処理電流値Ibとして逐次パラメータ推定部4に入力してもよい。
その他の構成は、実施例1と同様である。
On the other hand, the current may be input to the
Other configurations are the same as those of the first embodiment.
この結果、実施例2の電池の内部状態推定装置では、逐次パラメータ推定部4には電池の遅い応答部分を除いた速い応答部分の電圧のみが入力されるので、遅い応答分での過電圧値と重複して演算されるのを避けることが可能となる。
As a result, in the battery internal state estimating device of Example 2, since only the voltage of the fast response part excluding the slow response part of the battery is input to the sequential
以上のように、実施例2の電池の内部状態推定装置は、実施例1と同様に、電池の内部状態を精度よく推定することができる。
また、フィルタ処理部11を設けることで、容易に逐次パラメータ推定部4への入力信号から遅い応答部分の分を除くことが可能となる。
As described above, the battery internal state estimating apparatus according to the second embodiment can accurately estimate the internal state of the battery, similarly to the first embodiment.
Further, by providing the
以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。 The present invention has been described based on the above embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and is included in the present invention even when there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention. .
たとえば、フィルタ処理部11で用いるロー・パス・フィルタやハイ・パス・フィルタは実施例のものに限られず、これ以外の種々のものを用いてもよい。
電池の等価回路モデルはフォスター型に限られず、拡散方程式等の電池の内部を表す数学モデルであれば他のものであってもよい。
For example, the low-pass filter and the high-pass filter used in the
The equivalent circuit model of the battery is not limited to the Foster type, and may be any other mathematical model representing the inside of the battery, such as a diffusion equation.
また、本発明の電池の内部状態推定装置は、電気自動車等の車両に限られず、二次電池の内部状態を推測するものであれば、いかなる装置に適用してもよい。 Moreover, the battery internal state estimating device of the present invention is not limited to a vehicle such as an electric vehicle, and may be applied to any device as long as it can estimate the internal state of a secondary battery.
1 実電池
2 電流センサ(充放電電流検出手段)
3 電圧センサ(端子電圧検出手段)
4 逐次パラメータ推定部(逐次パラメータ推定手段)
5 乗算器(乗算手段)
6 第1減算器
7 状態量推定部(状態量推定手段)
71 第1係数器
72 第1加算器
73 第1積分器
74 第2係数器
75 第3係数器
81 第4係数器
82 第2加算器
83 第2積分器
84 第5係数器
85 第6係数器
86 減算器
87 乗算器
8 加算器(加算手段)
9 第2減算器(減算手段)
10 開放電圧−充電率変換部(開放電圧―充電率推定手段)
11 フィルタ処理部(フィルタ処理手段)
12、13、14 伝達関数
15 加算器
16 減算器
1
3 Voltage sensor (terminal voltage detection means)
4 Sequential parameter estimation unit (sequential parameter estimation means)
5 Multiplier (multiplication means)
6 first subtractor 7 state quantity estimation unit (state quantity estimation means)
71
9 Second subtractor (subtraction means)
10 Open-circuit voltage-charge rate converter (open-circuit voltage-charge rate estimation means)
11 Filter processing section (filter processing means)
12, 13, 14
Claims (4)
前記電池の端子電圧値を検出する端子電圧検出手段と、
前記電池の速い応答部分と遅い応答部分とを有する等価回路モデルと、
前記充放電電流検出手段から入力された充放電電流値と前記端子電圧検出手段から入力されたる端子電圧値とに基づき、前記等価回路モデルの応答部分のうち速い応答部分のみを用いて逐次パラメータ推定を行う逐次パラメータ推定手段と、
前記充放電電流検出手段から入力された充放電電流値と前記端子電圧検出手段から入力されたる端子電圧値とに基づき、前記等価回路モデルの遅い応答部分を用いて遅い応答部分の過電圧値を推定する状態量推定手段と、
前記逐次パラメータ推定手段で推定したパラメータに前記充放電電流値を乗算することで前記速い応答部分の過電圧値を得る乗算手段と、
該乗算手段で得た前記速い応答部分の過電圧値と前記状態量推定手段で得た前記遅い応答部分の過電圧値とを加算して前記電池の過電圧値を得る過電圧検出手段と、
を備えたことを特徴とする電池の状態推定装置。 Charge / discharge current detection means for detecting the charge / discharge current value of the battery;
Terminal voltage detecting means for detecting a terminal voltage value of the battery;
An equivalent circuit model having a fast response portion and a slow response portion of the battery;
Based on the charging / discharging current value input from the charging / discharging current detection means and the terminal voltage value input from the terminal voltage detection means, sequential parameter estimation is performed using only the fast response portion of the response portions of the equivalent circuit model. Sequential parameter estimation means for performing
Based on the charge / discharge current value input from the charge / discharge current detection means and the terminal voltage value input from the terminal voltage detection means, the overvoltage value of the slow response portion is estimated using the slow response portion of the equivalent circuit model. State quantity estimating means to perform,
Multiplication means for obtaining an overvoltage value of the fast response portion by multiplying the charge / discharge current value by the parameter estimated by the sequential parameter estimation means;
An overvoltage detection means for adding the overvoltage value of the fast response portion obtained by the multiplication means and the overvoltage value of the slow response portion obtained by the state quantity estimation means to obtain an overvoltage value of the battery;
A battery state estimation device comprising:
前記端子電圧検出手段で得た端子電圧値から前記端子電圧検出手段で得た過電圧値を減算して前記電池の開放電圧値を得る減算手段と、
該減算手段で得た開放電圧値に基づき前記電池の充電率を求める開放電圧―充電率推定手段と、
を有する、
ことを特徴とする電池の状態推定装置。 The battery state estimation device according to claim 1,
Subtracting means for subtracting the overvoltage value obtained by the terminal voltage detecting means from the terminal voltage value obtained by the terminal voltage detecting means to obtain the open-circuit voltage value of the battery;
An open-circuit voltage-charge rate estimating means for obtaining a charge rate of the battery based on the open-circuit voltage value obtained by the subtracting means;
Having
A battery state estimation device.
前記端子電圧検出手段で得た端子電圧のうち前記遅い応答部分の分を取り除いて前記逐次パラメータ推定手段へ入力するフィルタ処理手段を有する、
ことを特徴とする電池の状態推定装置。 In the battery state estimation device according to claim 1 or 2,
Filter processing means for removing the slow response portion of the terminal voltage obtained by the terminal voltage detection means and inputting the voltage to the sequential parameter estimation means.
A battery state estimation device.
前記フィルタ処理手段は、前記充放電電流検出手段で得た充放電電流のうち前記遅い応答部分の分を取り除いて前記逐次パラメータ推定手段へ入力する、
ことを特徴とする電池の状態推定装置。 In the battery state estimation device according to claim 3,
The filter processing means removes the slow response portion from the charge / discharge current obtained by the charge / discharge current detection means and inputs it to the sequential parameter estimation means.
A battery state estimation device.
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