JP5324196B2 - バッテリの劣化推定方法及び装置 - Google Patents
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Description
また、内部インピーダンスを用いるものでは、精度よく時間応答に遅れがある成分を含めて内部抵抗を測定するが、バッテリの動作時に測定を行うことは困難であった。
図1は実施例1のバッテリの劣化推定方法を用いたバッテリ装置の構成を示すブロック図である。
実施例1のバッテリ装置1は、バッテリコントローラ2、電圧センサ3、電流センサ4、温度センサ5、バッテリ6、負荷7を備えた構成としている。
バッテリコントローラ2は、バッテリ6の全体の容量(バッテリ容量)や、バッテリ充電量であるSOC、入出力可能電力などを計算する。
電圧センサ3は、バッテリ6から出力されるバッテリ電圧を測定する。
電流センサ4は、バッテリ6から出力されるバッテリ電流を測定する。
温度センサ5は、バッテリ6のバッテリ温度を測定する。
バッテリ6は、単位電池セルを複数接続してバッテリとしたものであり、以下本明細書では、バッテリ6として説明する。実施例1では、リチウムイオン電池を例とする。
図2に示すのは、実施例1のバッテリの劣化推定方法を用いたバッテリ装置のバッテリ容量の劣化推定に関する制御ブロック図である。
バッテリコントとローラ2は、等価回路パラメータ推定部21、劣化推定部22、開放電圧SOC算出部23、電流積算SOC算出部24、平均化演算部25、入出力電力演算部26を備えている。
劣化推定部22は、等価回路パラメータ推定部21からの等価回路パラメータと、温度センサ5で測定されたバッテリ温度から、バッテリ容量の劣化量を推定し、バッテリ6の容量維持率を出力する。
開放電圧SOC算出部23は、等価回路パラメータ推定部21からの等価回路パラメータに基づいて、バッテリ6の開放電圧をSOC−v(%)として算出し、出力する。
平均化演算部25は、開放電圧SOC算出部23からのSOC−v、電流積算SOC算出部24からのSOC−iを平均化する演算を行い、SOC(%)を演算し、出力する。
入出力電力演算部26は、平均化演算部25からのSOC(%)に基づいて、バッテリ6が入出力可能な電力を演算し、出力する。この出力は、例えば、バッテリコントローラ2の内部の他の制御及び外部へ出力される。
図3は実施例1の等価回路パラメータ推定部の制御ブロック図である。
等価回路パラメータ推定部21は、適応デジタルフィルタであり、バッテリ演算部211、バッテリモデル212、適応機構213、減算器214を備えている。そして、内部のパラメータを自己修正するフィルタである。
バッテリ演算部211は、この制御系への入力となる測定されるバッテリ電流(等価回路パラメータ推定部21の内部ではi(k)とする)を入力とし、測定されるバッテリ電圧(等価回路パラメータ推定部21の内部ではV(k)とする)を出力するように、適応デジタルフィルタに設定される演算部分である。このバッテリ演算部211は実値を扱うものとして設定されたものである。
適応機構213は、減算器214で演算される偏差に応じて、バッテリモデル212の演算内容を修正する出力を行う。
減算器214は、バッテリ演算部211の出力、つまり測定されるバッテリ電圧V(k)と、電圧モデル推定値V^(k)の偏差を演算する。(V^は、Vの推定値を表し、実際はVの上に^がある表記になる)
図4は実施例1のバッテリモデルの等価回路構成を示す図である。
バッテリモデル212の等価回路は、図4に示すように、開放電圧OCV、抵抗R0,R1,R2、コンデンサ容量C1,C2を備えている。
そして、開放電圧OCV、抵抗R0、抵抗R1とコンデンサ容量C1の並行接続部分、抵抗R2とコンデンサ容量C2の並行接続部分を直列接続した構成にする。 ここで、抵抗R0は、バッテリ6における電解液の抵抗として設けたものである。抵抗R1,C1はバッテリ6における電極反応抵抗として設けたものである。また、抵抗R2,C2はバッテリ6における拡散抵抗として設けたものである。
[バッテリの劣化状態、SOC、電力の処理]
図5に示すのは、実施例1のバッテリの劣化推定方法を用いたバッテリ容量SOC、電力の演算処理の流れを示すフローチャートで、バッテリコントローラ2で実行される。以下各ステップについて説明する。
さらに、バッテリ温度による温度係数を算出し、これを抵抗値R1,R2に乗じる補正を行う。なお、バッテリ温度と温度係数の関係については、予め実験等を行い用意しておく。
図6はバッテリの電流と電圧の特性を示す図である。
図6において、右側が充電時、左側が放電時となる。例えば、車両の駆動に用いるバッテリの場合、充放電が繰り返されることになる。
その場合のバッテリ6の電流−電圧特性は図6のようになり、劣化により内部抵抗が高くなるため、端子電圧が低くなり、性能が低下する。つまり傾きが増加する。さらに、電池全体の容量が減少する。
線101、線102の比較から傾きが劣化により増加することがわかる。
このようにバッテリの劣化は、バッテリ容量の減少と内部抵抗の増加として表れ、バッテリ容量の減少は電流を積算して求めるSOCの計算において重要である。
本実施例1では、バッテリの劣化を精度よく推定する。
なお、以下に説明するバッテリの劣化の推定に用いられるバッテリ電圧、バッテリ電流、バッテリ温度は、ステップS1の処理として、バッテリコントローラ2がセンサ値を入力しておく。
等価回路パラメータ推定部21では、バッテリモデル212で図4に示す等価回路を設けていることにため、バッテリ6の過渡的を含め、より実際の状態に近いモデルで演算がされる。特に、バッテリ6が劣化した場合に影響が大きくあらわれる抵抗R1,R2が設定されることが、劣化の推定精度を向上させる。
そして、等価回路パラメータ推定部21では、実値のものとして設定されるバッテリ演算部211の出力として測定されるバッテリ電圧V(k)と、電圧モデル推定値V^(k)の偏差が小さくなるように、適応機構213がバッテリモデル212のパラメータを変更する。これは、演算中で逐次、変更されるため、逐次状態推定となり、バッテリモデル212のパラメータは、実際の劣化状態を非常によく捉えたものとなる。(V^は、Vの推定値を表し、実際はVの上に^がある表記になる)
このバッテリモデル212のパラメータが出力され、その後の演算を行うことにより、バッテリ6の劣化状態を推定精度がさらに向上する。なお、等価回路パラメータ推定部21の処理はステップS2の処理として行われる。
図7は実施例1における開放電圧とSOC−vの関係を示すグラフ図である。
次に、劣化を推定するために、等価回路のパラメータと共に実施例1で必要とするSOC−vを算出する。
劣化推定部22では、等価回路パラメータ推定部21からのパラメータR0〜R2,C1,C2と、バッテリ電圧、バッテリ電流から開放電圧OCVを算出する。
そして、開放電圧OCVから図7の関係を用いてSOC−vを算出する。図7は予め実験等で求めたものである。
次に、このようにして算出された等価回路パラメータ推定部21のパラメータとSOC−vに基づいて、劣化推定部22が、ステップS4〜S7の処理として、劣化の度合いを示す容量維持率の推定値を算出する。以下に説明する。
図8は実施例1における抵抗R1の補正係数とバッテリ充電量の関係を示すグラフ図である。図9は実施例1における抵抗R2の補正係数とバッテリ充電量の関係を示すグラフ図である。図10は実施例1における温度と抵抗値の温度係数の関係を示すグラフ図である。
内部抵抗である抵抗R1,R2は、SOCの状態により変化するため、この特性を図8、図9のように予め求めておき、算出された抵抗R1,R2の抵抗値に対して、SOC−vの値から図8、図9に示す関係から補正係数を算出する。そして、その補正係数で抵抗R1,R2の抵抗値を除する(割る)(ステップS4)。
例えば、25℃を温度係数の基準にした場合、温度係数は以下の式で計算する。
(数式1)
温度係数=exp(-U/kT)/exp(-U/k×298)
但し、Tはバッテリ温度(K)、Uは電極材料の活性化エネルギー(eV)、1eVは1.602×10-19(J)、k=1.380×10-23(J/K)として温度係数を計算する。
なお、電極反応抵抗である抵抗R1は、温度の影響が大きい。そのため、このように温度係数による補正が行われることにより、精度がさらに向上する。
抵抗R1,R2の抵抗値は、逐次推定され、複数の値となる。また、SOC範囲で変化するため双方で求めた値の平均化を行う(ステップS5)。
図11は実施例1における抵抗R1とSOCの関係を示すグラフ図である。図12は実施例1における抵抗R2とSOCの関係を示すグラフ図である。
抵抗R1,R2の抵抗値は、SOCによって変化するため、SOC−vが正確に測定できる場合には、図11、図12に示すように、劣化の影響をよく捉えることができるため、内部抵抗値の大きい範囲A(図11,図12)で推定し、補正を行った後の抵抗R1,R2を加重平均により重みが大きくなるようにする。
例えば、範囲Aで3点、範囲Bで3点抽出し、範囲A:範囲B=3:2などである。
例えば、範囲Aで3点、範囲Bで3点抽出し、範囲A:範囲B=2:3などである。
さらに使用されるSOCの範囲が限定される場合は、範囲Bを分割して頻度の高いSOCの範囲で推定してもよい。
図13は実施例1における抵抗R1とバッテリの容量維持率の関係を示すグラフ図である。図14は実施例1における抵抗R2とバッテリの容量維持率の関係を示すグラフ図である。
図13、図14のデータは、充放電サイクル数の異なるバッテリ6で、温度とSOCを一定にした状態で、交流インピーダンス測定や図4の等価回路をモデルとしてシステム同定を行い、等価回路の抵抗R1,R2を求め、それぞれの容量維持率と抵抗R1,R2の関係を図13、図14のように作成する。
図13、図14では、SOCが50%、温度が25℃のものを示す。このSOCと温度は一例である。
このように、バッテリ6の劣化の影響を大きく受ける抵抗R1,R2の抵抗値を切り離して算出できるため、より正確にこの関係を決定できるため、容量維持率の推定精度が向上する。
そして、容量維持率から電流積算によりSOC−iを算出する。これは電流積算SOC算出部24で、ステップS8の処理で行う。
図15は実施例1における電流積算によるSOC−iを算出する状態の説明図である。
電流積算量は、電流センサ4で測定した電流から算出する。図15を参照して説明すると、水平軸よりプラス側を充電、マイナス側を放電とし、横軸を時間とする。そして、充電範囲201の時間と充電した電流値、次に放電範囲202の時間と放電した電流値、次に充電範囲203の時間と充電した電流値、次に放電範囲204の時間と放電した電流値というように積算を行い、電流積算量を算出する。
つまり、下式の演算を行う。
バッテリ6のフル容量はバッテリ6の仕様により決まる値であるので、容量維持率が正確に推定できれば、SOC−iを精度良く算出できる。
具体的には、SOC−iは次の式から算出する。
この平均化においては、その値の信頼できる値に差がある場合には、加重平均を行ってもよい。
このように精度よく推定されたSOC、電力は、バッテリコントローラ2のバッテリの制御や車両におけるドライバへの走行可能距離の表示などに用いられると非常に有用である。
図16はバッテリの等価回路例を示す説明図である。図17はバッテリの電流と電圧の特性例を示す説明図である。図18は内部抵抗と容量維持率の例を示す説明図である。
劣化を考慮したSOCの推定を行うには、図16に示すような等価回路を設定することが考えられる。そして、図17に示すように決められた電流範囲で電流と電圧をいくつか測定し、傾きを求めて内部抵抗とし、図18のような内部抵抗と容量維持率の関係を算出しておき、劣化後のバッテリ容量を推定することが考えられる。
実施例1では、内部抵抗を精度よく推定でき、容量維持率を精度良く推定できる点が有利である。
また、例えば実施例1における制御ブロック構成は、回路(ハード)で構成されても、プログラム(ソフト)で構成されても、また、組み合わせたものであってもよい。
2 バッテリコントローラ
21 等価回路パラメータ推定部
211 バッテリ演算部
212 バッテリモデル
213 適応機構
214 減算器
22 劣化推定部
23 開放電圧SOC算出部
24 電流積算SOC算出部
25 平均化演算部
26 入出力電力演算部
3 電圧センサ
4 電流センサ
5 温度センサ
6 バッテリ
7 負荷
Claims (6)
- 複数の単位電池で構成したバッテリの劣化推定方法であって、
前記バッテリの内部抵抗成分に電極反応と拡散反応を考慮したパラメータを有する等価回路を設定し、
前記バッテリの状態を測定し、
前記バッテリの状態と前記等価回路に基づき、前記等価回路のパラメータを逐次推定し、
前記バッテリの状態と前記パラメータに基づき、開放電圧の算出を介して、開放電圧に基づくSOC推定値を算出し、
電極反応を考慮して設定されたパラメータの推定値と拡散反応を考慮して設定されたパラメータの推定値をそれぞれ、開放電圧に基づくSOC推定値で補正し、
電極反応を考慮して設定されたパラメータの補正された推定値と拡散反応を考慮して設定されたパラメータの補正された推定値のそれぞれから前記バッテリの容量維持率を推定し、両推定値を平均化して前記バッテリの容量維持率を推定した、
ことを特徴とするバッテリの劣化推定方法。 - 請求項1に記載のバッテリの劣化推定方法において、
開放電圧に基づくSOC推定値に対する前記パラメータの補正された推定値の変化を、急な領域と緩やかな領域に分け、それぞれの領域で補正した前記パラメータの値を平均化して前記パラメータの補正とする、
ことを特徴とするバッテリの劣化推定方法。 - 請求項2に記載のバッテリの劣化推定方法において、
開放電圧に基づくSOC推定値に対する前記パラメータの補正された推定値の変化が急な領域と緩やかな領域とで重み付けした加重平均を行い、前記パラメータの補正とする、
ことを特徴とするバッテリの劣化推定方法。 - 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のバッテリの劣化推定方法において、
前記バッテリの状態の測定として電池温度を測定し、
少なくとも電極反応を考慮して設定されたパラメータの推定値に対して、温度補正を行った、
ことを特徴とするバッテリの劣化推定方法。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の劣化推定方法によって、推定した前記バッテリの容量維持率と、電流の充放電を積算して求めた電流積算量に基づいて、電流積算に基づくSOC推定値を算出し、
開放電圧に基づくSOC推定値と、電流積算に基づくSOC推定値を平均化してSOCを推定した、
ことを特徴とするバッテリの残量推定方法。 - 複数の単位電池で構成したバッテリの劣化推定装置であって、
前記バッテリの状態を測定する電池状態測定手段と、
前記バッテリの内部抵抗成分に電極反応と拡散反応を考慮したパラメータを有する等価回路が設定され、前記バッテリの状態と前記等価回路に基づき、前記等価回路のパラメータを逐次推定する等価回路パラメータ推定手段と、
前記バッテリの状態と前記パラメータに基づき、開放電圧の算出を介して、開放電圧に基づくSOC推定値を算出する手段と、
電極反応を考慮して設定されたパラメータの推定値と拡散反応を考慮して設定されたパラメータの推定値をそれぞれ、開放電圧に基づくSOC推定値で補正する手段と、
電極反応を考慮して設定されたパラメータの補正された推定値と拡散反応を考慮して設定されたパラメータの補正された推定値のそれぞれから前記バッテリの容量維持率を推定する容量維持率推定手段と、
両推定値を平均化して前記バッテリの容量維持率を推定する平均化手段と、
を備えた、
ことを特徴とするバッテリの劣化推定装置。
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