JP5495560B2 - 蓄電池の既定値を認識する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載された特徴を備えた、蓄電池の既定値を認識する方法に関する。とりわけ、自動車向けの電気エネルギー蓄積器または電荷蓄積器の既定値が求められる。なお、ここで、既定値とは蓄電池の可能出力、蓄積能力、または種類をも包摂するものである。

従来技術
例えば電気エネルギー管理の枠内では、一般に、自動車電気系統内の蓄電池の可能出力および／または蓄積能力を監視するために、使用される蓄電池に関するある程度の事前知識を利用する方法が使用される。このような方法は例えばＤＥ １９９ ５９ ０１９に記載されている。使用される蓄電池に関するそのような知識としては、求められるべき値、すなわち可能出力と蓄積能力を得るために、例えば、定格容量やコールドスタート電流が利用される。

ある車両の種類に関して、例えば搭載されているエンジンまたは負荷に応じてバッテリ量が異なることが問題となる場合、エネルギー蓄積器の取付または交換の際に事前データがバッテリ状態診断部に通知されなければならない。工場では適切なコーディングによってこれを行うことができるが、最終顧客がバッテリ交換をする場合には実際的でない。加えて、コーディングのエラーを完全に排除することはできない。別のアプローチは、可能出力ないし蓄積能力に関連するパラメータを、例えば、エネルギー蓄積器の電流、電圧、および温度を連続的に測定することによって、独立して適応させるモデルベースの適応的なバッテリ状態診断方法を提供することである。製造者による電気系統への積極的な介入は許されていないため、あるいはコストがかかり過ぎ、したがって高価に過ぎるため、これらの方法は求められたパラメータの迅速な適応をエネルギー蓄積器の十分な動特性とサイクル特性とに頼っている。

しかし、電気系統の十分な動特性はつねに存在しているわけではなく、例えば高速道路走行時には存在せず、また、高すぎるサイクル特性はバッテリ寿命を縮めてしまうため不所望である。このため、状況によっては、バッテリ状態診断が交換されたバッテリのパラメータを適応させ終わるまでに、数日から数週までかかることがありうる。このことは、とりわけ、現在の方法によって適応を行う場合に定格容量の２０−３０％を超す充放電行程が必要とされるようなバッテリ容量に関して当てはまる。もう１つの側面として、通常、可能出力および蓄積能力に関連するパラメータのすべてを適応させるようにすると、方法のコストが高くなりすぎるため、これらパラメータはすべてが適応させられるというわけではない。電流、電圧、温度といった測定量では不十分である、あるいは、エネルギー蓄積器は、自動車では通常生じることのない動作点において、例えば過充電や低充電状態において動作しなければならない。

発明の利点
請求項１に記載された特徴を備えた本発明による蓄電池の既定値を認識する方法は、蓄積器の種類および蓄積器の種類のパラメータの迅速な認識を可能にし、可能出力および／または蓄積能力を求めることに関連したパラメータの適応を行うという利点を有している。本方法は、特に、自動車電気系統内の蓄電池、例えば鉛蓄電池への適用に適しており、蓄積器の種類ないしバッテリの種類の調整または電気系統の能動的なシミュレーションをせずに、電流、電圧、および温度の連続的な測定だけで済ますことができる。

特に有利な点は、公知のモデルベースの方法に比べて、蓄電池の種類およびパラメータを明らかに速く求めることができることである。このため、本発明の方法によれば、すでに第１の動作フェーズの数分間のうちに、交換された蓄電池の可能出力および蓄積能力に関する信頼のできる報告が可能である。これにより、交換されたエネルギー蓄積器ないし交換されたエネルギーがこのアプリケーションに許容されるか否か、要求された可能出力ないし蓄積能力がそもそも可能か否かといったことが可能な限り迅速に認識されるが、このことは特にｘ−ｂｙ−ｗｉｒｅアプリケーションのようなセーフティクリティカルなアプリケーションにとって重要なことである。
これらの利点は、例えば自動車バッテリなどの蓄電池の既定値を認識する方法において、種々のパラメータを求めることにより達成される。これらのパラメータとは、数秒または数分以内に迅速に適応変化するパラメータと、数時間または数日以内に緩慢に適応変化するパラメータである。このような緩慢に適応変化するパラメータとはバッテリ容量である。迅速に適応変化するパラメータは緩慢に適応変化するパラメータと相関しているので、後者は、特にバッテリ容量は、所定の推定ルーチンと推定誤差とを考慮して、迅速に適応変化するパラメータから推定される。使用されているバッテリの種類は求められたパラメータを記憶されているパラメータと比較することで識別することができる。

本発明のさらなる利点は従属請求項に記載された手段により得られる。ここで特に有利なことは、本発明の方法によれば、エネルギー蓄積器の交換がそもそも行われたのか否かも、または、古くなったバッテリが別の目的で、例えば電気系統内の充電器の再充電のために切断されたのか否かも識別されるということである。

迅速に適応変化するパラメータとして、有利には、蓄電池の既定の抵抗と容量とから構成されるＲＣ回路の数秒から数分の範囲の時定数、または蓄電池のオーム性内部抵抗が選択される。緩慢に適応変化するパラメータとしては、例えば、蓄電池の等価容量が選択される。

迅速に適応変化するパラメータおよび緩慢に適応変化するパラメータと記憶されているパラメータとの比較から、可能出力および／または蓄積能力を、または、エネルギー蓄積が許可されるエネルギー蓄積器であるか否か、蓄積器の交換が成功したか否かを、信頼性をもって推定することができる。

特に有利な点は、適応されたパラメータと適応されていないパラメータから距離尺度が求められ、既定値の認識のために、この距離尺度が記憶されているパラメータと比較され、その比較結果から既定値が、特に蓄積器の種類が推定されることである。距離尺度は事前設定されたパラメータの二乗誤差または絶対値に依存するものであってよい。推定されたパラメータのその時点での精度と特定の蓄積器の種類に対する重要度とに依存して、事前設定されたパラメータまたはパラメータセットの相対二乗誤差を求めてもよい。ただし、重要度は重み付け係数を用いて考慮される。これに関して有利なことは、迅速に適応変化するパラメータの方が、誤差分散が長いあいだ高いレベルに留まる緩慢に適応変化するパラメータよりも大きく距離尺度に寄与するということである。有利には、パラメータは様々な蓄積器の種類を区別するために重要度に応じて重み付けされ、蓄積器の種類に、特にバッテリの種類に、関する相対分散が最大であるパラメータが最も重く重み付けされ、蓄積器の種類に関する相対分散が最小であるパラメータは最も軽く重み付けされる。

図面
本発明の実施例を図面に示し、以下の説明で詳しく解説する。図１には、実質的に鉛蓄電池の等価回路図が示されており、図２には、蓄電池の既定値を認識する装置の本発明による構成要素が示されている。図３には、基本的な方法ステップを持つフローチャートが示されている。

実施例の説明
本発明が依拠する基本的思想は次の通りである。すなわち、例えば鉛蓄電池などの蓄電池の所定のパラメータは電気系統が正常に励起されると比較的迅速（数秒から数分）に適応可能であるが、このような迅速に適応変化するパラメータは、バッテリ容量のようなより緩慢（数時間から数日）に適応変化するパラメータと相関しているため、迅速に適応変化するパラメータの過渡現象の後に早くも、緩慢に適応変化するパラメータを推定することができるというものである。

図１には、本発明にとって重要な、例えば鉛バッテリないし鉛蓄電池などの、蓄電池のパラメータないし値が示されている。
ここで、鉛蓄電池の等価回路図より、以下の関係が明らかである：
動作量：
Ｉ_Batt＝バッテリ電流（放電の場合には、＜０）
Ｕ_Batt＝バッテリ電圧
Ｔ_Batt＝バッテリ温度
状態量：
Ｕ_C0＝開路電圧
Ｕ_k＝濃度分極
Ｕ_Dp＝正電極の遷移分極
Ｕ_Dn＝負電極の遷移分極
パラメータ：
Ｒ_i＝オーム性内部抵抗（鉛格子＋酸）
Ｃ₀＝バッテリの等価容量
Ｒ_k，Ｃ_k＝酸拡散の抵抗および容量
Ｒ_Dp，Ｃ_Dp＝正電極の二重層の抵抗および容量
Ｒ_Dn，Ｃ_Dn＝負電極の二重層の抵抗および容量
スタータバッテリの場合、バッテリの等価容量Ｃ₀は一般に１５００００Ｆ−３５００００Ｆの範囲の大きさである。すなわち、バッテリクリップで測定可能な電圧変化から容量Ｃ₀を求めることができるためには、定格容量の２０−３０％に当たる大幅な電荷減少ないし電荷増加が必要である。なお、車両の電気系統では、定格容量は存続したとしてもそもそも数時間ないし数日間のみである。酸拡散の容量Ｃ_kと、電極と電解質の間の二重層の容量Ｃ_DpないしＣ_Dnは、近似的に、少なくとも等価容量Ｃ₀を有する新しいバッテリに対してスケーラブルである。これらの容量はそれぞれの並列抵抗Ｒ_kおよびＲ_Dp，Ｒ_Dnとともに数秒から数分の範囲の時定数を有するＲＣ回路を形成するため、充放電電流が十分に大きければ、Ｃ_kおよびＣ_Dp，Ｃ_Dnは等価容量Ｃ₀よりも明らかに速く適応可能である。また、少なくともバッテリが新しく、充電状態と温度が一定ならば、オーム性内部抵抗Ｒ_iも等価容量に関する示唆を提供することができる。なぜならば、オーム性内部抵抗はバッテリ容量の増大につれて低下するからである。

こうした問題点に前提として、本発明による方法は以下に示される手掛かりから出発する。なお、本発明による方法の基本的なステップは図３に示されている。本方法はまず、ある特定の車両で考察されるｎ個のとりわけ新しいバッテリのすべてについて、そのパラメータセットが不揮発性メモリに記憶されている（ｐ _Batt1，ｐ _Batt2，...，ｐ _Battn）と仮定する。パラメータの適応はステップＳ１で表される。付加的に、バッテリ交換が行われたか否か、またはバッテリが切断されているか否かを識別するために、前回に適応されたバッテリパラメータも不揮発に記憶される（ｐ _Batt0）。さらに、パラメータはエネルギー蓄積器の温度および充電状態の固定値（例えば、Ｔｂａｔｔ＝２５°Ｃ、ＳＯＣ＝１００％）に関係しているため、新しいバッテリの場合には、バッテリの種類にしか依存しないことが前提される。パラメータは適応させられたパラメータと適応させられていないパラメータとに分けられる：p _Batt ^T = [p _Batt.ad ^T p _Batt,noad ^T]
バッテリの種類の識別のため、または、記憶されているパラメータセットｐ _Batt1，ｐ _Batt2，...，ｐ _Battnのうちのどれが現在取り付けられているバッテリのパラメータセットｐ _Battと最も一致するかを識別するために、適応させられたパラメータには以下の「距離尺度」が使用される：

二乗誤差の代わりに、例えば絶対値を用いてもよい。個々のパラメータの相対二乗誤差は、推定されたパラメータの現時点での精度と特定のバッテリの種類に対しての重要度とに依存して、パラメータセットのｍ個のパラメータの各々に対して個別に係数ｇｅｗ_i=i...mで重み付けされる。パラメータがカルマンフィルタを用いて推定される場合、カルマンフィルタは各パラメータに関してその誤差分散Ｐ_p1...m,Battも出すので、重み付け係数には次の式が適している：

すなわち、パラメータの推定誤差分散の低下または精度の上昇は該当する誤差の重みを増大させるが、分散閾値をＰ_{Schwelle,i..m}とすれば、誤差の重みは最大値１に限定される。
このため、迅速に適応変化するパラメータの方が、誤差分散が長いあいだ高いレベルに留まる緩慢に適応変化するパラメータよりも大きく距離尺度に寄与することとなる。これに加えて、パラメータは種々のバッテリの種類を区別するためにその重要度に応じて重み付けされる、すなわち、最大の相対分散を有するパラメータはバッテリの種類に関して最も重く重み付けされ、最小の相対分散を有するパラメータはバッテリの種類に関して最も軽く重み付けされる。

これらをまとめると、「距離尺度」が得られる：

迅速に適応変化するパラメータの過渡現象が消え、ステップＳ２においてこのことが認識されれば、ステップＳ３において、距離尺度の最小値を求めることにより、推定されたパラメータセットに最も近いパラメータセットを選び、緩慢に適応変化するパラメータまたは適応されていないパラメータを選ばれたパラメータセットのパラメータで置換することができる。さらに、そもそもバッテリ交換があったのか否か、また、記憶されているパラメータセットへの距離が大きすぎる場合には、使用目的では予定されていないバッテリが交換されたのか否かを判定してもよい：
k=Index(min(D² _0..n))
ケース１：
ステップＳ４において、min(D² _0..n)＜D² _maxであるか否か、条件を検査する。
検査結果が否定ならば、
min(D² _0..n)＞D² _max
=> 予定されていないバッテリ。すなわち、ステップＳ５において、予定されていないバッテリが投入されたことが認識される。
ケース２：
ステップＳ４において肯定の判定が出た場合には、ステップＳ６において、ｋ＞０であるか否か検査する。
検査結果が否定ならば、
ｋ＝０かつmin(D² _0..n)≦D² _max
=> バッテリは交換されていない（ステップＳ７）。
ケース３：
ステップＳ４およびＳ６で肯定の判定が出れば、
ｋ＝１..ｎかつmin(D² _0..n)≦D² _max
=> バッテリの種類は一意に識別された（ステップＳ８）。

ケース１のように、適切なパラメータセットが求められない場合、ＤＥ １０３ ０１ ８２３ ＡまたはＤＥ １０３ ２８ ７２１ Ａに示されているように、エネルギー蓄積器の可能出力および／または蓄積能力に関する予測量を用いて、迅速に適応変化するパラメータを基礎として、個々の使用目的に対する有用性に関する基本的な報告を行ってもよい。

有利な発展形態も含めて、主請求項による本発明の方法は評価装置により実行される。なお、この評価装置は、とりわけ、計算装置またはバッテリ制御装置や電気系統制御装置などの制御装置であり、適切なプロセッサの他に記憶手段も有する。本方法の実行に必要な値は、例えばセンサなどの適切な手段を用いて測定され、評価装置に供給され、場合によっては前処理を経てさらに評価装置により処理される。図２には、本発明にとって必須の評価装置の手段が図示されている。これらの手段とは、本発明による方法が行われるプロセッサＰと、初期値が記憶される１つまたは複数のメモリＳＰであり、プロセッサＰはメモリＳＰに記憶されている初期値にアクセスすることができる。また、メモリＳＰが継続的に測定値を受け入れるようにしてもよい。例えばＩ_Batt＝バッテリ電流（放電の場合は＜０）、Ｕ_Batt＝バッテリ電圧、およびＴ_Batt＝バッテリ温度などの測定値は、適切な手段によって、とりわけセンサＳｅｎによって測定され、プロセッサＰに供給される。ディスプレイＡは求められた充電状態またはバッテリの種類等を表示することができる。

実質的に鉛蓄電池の等価回路図を示す。 蓄電池の既定値を認識する装置の本発明による構成要素を示す。 基本的な方法ステップを持つフローチャートを示す。

Claims (17)

1. 蓄電池の既定値を認識する方法において、
   蓄電池の迅速に適応変化するパラメータと、緩慢に適応変化するパラメータと、を求め、
   その際、緩慢に適応変化するパラメータは迅速に適応変化するパラメータから求められ、求められたパラメータは記憶されているパラメータと比較され、
   迅速に適応変化するパラメータは、数秒から数分以内に適応変化するパラメータであり、
   緩慢に適応変化するパラメータは、適応変化が数時間から数日まで続くパラメータであり、
   迅速に適応変化するパラメータおよび緩慢に適応変化するパラメータと記憶されているパラメータとの前記比較から蓄電池の既定値が認識される、
   ことを特徴とする方法。
2. 蓄電池の負荷が正常または通常通りの状態であるときにパラメータを求める、請求項１記載の方法。
3. 迅速に適応変化するパラメータの過渡現象の後に、迅速に適応変化するパラメータから緩慢に適応変化するパラメータを推定する、請求項１または２記載の方法。
4. パラメータセットを不揮発メモリに記憶する、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 蓄電池としてバッテリが車両内に設けられており、ある特定の車両で考察されるすべてのバッテリのパラメータセットが不揮発性メモリに記憶されている、請求項１から４のいずれか１項記載の方法。
6. 迅速に適応変化するパラメータとして、少なくとも、蓄電池の既定の抵抗と容量とから構成されるＲＣ回路の数秒から数分の範囲の時定数、または蓄電池のオーム性内部抵抗が選択される、請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 緩慢に適応変化するパラメータとして、少なくとも容量Ｃ _０ が選択される、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 迅速に適応変化するパラメータおよび緩慢に適応変化するパラメータと記憶されているパラメータとの比較から、可能出力および／または蓄積能力を推定する、請求項１から７のいずれか１項記載の方法。
9. 迅速に適応変化するパラメータおよび緩慢に適応変化するパラメータと記憶されているパラメータとの比較から、エネルギー蓄積器が許可されるエネルギー蓄積器であるか否かを推測する、請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
10. 迅速に適応変化するパラメータおよび緩慢に適応変化するパラメータと記憶されているパラメータとの比較から、蓄積器の交換が行われたか否かを推測する、請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
11. 適応変化したパラメータと適応変化していないパラメータから距離尺度を求め、蓄電池の既定値を認識するために、この距離尺度を記憶されているパラメータと比較し、比較結果から既定値を推定する、請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
12. 距離尺度は既定のパラメータの二乗誤差または絶対値と推定されたパラメータの重み係数とに依存する、請求項１１記載の方法。
13. 推定されたパラメータのその時点での精度と特定の蓄積器の種類に関する相対分散の大きさとに基づいて、既定のパラメータまたはパラメータセットの相対二乗誤差を求める、請求項１１または１２記載の方法。
14. 前記相対分散の大きさに依存して重み付け係数の大きさを決定する、請求項１３記載の方法。
15. 誤差分散が長いあいだ高いレベルに留まる緩慢に適応変化するパラメータよりも迅速に適応変化するパラメータの方が大きく距離尺度に寄与するような重み付け係数を使用する、請求項１１から１４のいずれか１項記載の方法。
16. 様々な蓄積器の種類を区別するために蓄積器の種類に関する相対分散の大きさに応じてパラメータを重み付けし、蓄積器の種類に関する相対分散が最大であるパラメータを最も重く重み付けし、蓄積器の種類に関する相対分散が最小であるパラメータを最も軽く重み付けする、請求項１１から１５のいずれか１項記載の方法。
17. 請求項１から１６のいずれか１項記載の方法を実行するための装置において、計算手段と記憶手段とを有しており、特に制御装置の構成要素であることを特徴とする装置。

Images