JP5946436B2 - バッテリのパラメータ推定装置及びパラメータ推定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリの等価回路モデルのパラメータをカルマンフィルタで逐次推定可能なバッテリのパラメータ推定装置及びパラメータ推定方法に関する。
従来のバッテリの内部状態・パラメータ推定装置としては、例えば特許文献1に記載のものが知られている。この従来のバッテリのパラメータ推定装置は、バッテリの充放電電流および端子電圧を検出し、これらを入力として、バッテリの等価回路モデルを用いてカルマンフィルタでそのパラメータやバッテリの内部状態量、開放電圧値を推定(算出)する。バッテリの等価回路モデルとして、例えばフォスタ型RC梯子回路等が用いられる。
特開2012−58089号公報
しかしながら、バッテリの作用は複雑な化学反応で行われることから、単純化した等価回路モデルでは推定値が真値からずれてしまうことがある。推定値の精度向上のため、抵抗やコンデンサの数を増やした等価回路モデルを用いようとすると、推定すべきパラメータの数が増大し、演算負荷が増大する。このため、フォスタ型RC梯子回路において2次以上の等価回路モデルを用いて推定を行うことは困難であった。
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、演算負荷を低減してバッテリの等価回路モデルのパラメータを推定するバッテリのパラメータ推定装置およびパラメータ推定方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、第1の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置は、
バッテリの充放電電流値を検出する充放電電流検出部と、
前記バッテリの端子電圧値を検出する端子電圧検出部と、
前記充放電電流値及び前記端子電圧値に基づいて、前記バッテリのワールブルグインピーダンスを近似したバッテリ等価回路モデルにおけるパラメータを推定する推定部と、
を備えることを特徴とする。ここで、推定すべきバッテリのパラメータとは、内部抵抗R、n次の抵抗R〜R、n次の容量C〜Cを含み、後述するワールブルグインピーダンスを近似する場合、推定すべきパラメータは内部抵抗R、拡散抵抗R、拡散容量Cd、健全度SOH、充電率SOCを含む。
また、第2の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置は、
前記推定部は、少なくとも前記ワールブルグインピーダンスの近似による拡散抵抗R及び拡散容量Cを推定することを特徴とする。
また、第3の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置は、
前記等価回路モデルは、n次フォスタ型等価回路モデルであり、
前記推定部は、以下の数式により前記パラメータを算出することを特徴とする。
Figure 0005946436
また、第4の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置は、
前記等価回路モデルは、n次カウエル型等価回路モデルであり、
前記推定部は、以下の数式により前記パラメータを算出することを特徴とする。
Figure 0005946436
また、第5の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置は、
前記推定部は、前記等価回路モデルにおけるパラメータと同時に、前記バッテリの内部状態量を推定することを特徴とする。
また、第6の発明に係るバッテリのパラメータ推定方法は、
バッテリの充放電電流値を検出するステップと、
前記バッテリの端子電圧値を検出するステップと、
前記充放電電流値及び前記端子電圧値に基づいて、前記バッテリのワールブルグインピーダンスを近似したバッテリ等価回路モデルにおけるパラメータを推定するステップと、
を含むことを特徴とする
第1の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置によれば、バッテリのワールブルグインピーダンスZを近似するため、ワールブルグインピーダンスZを時間領域に変換可能となり、バッテリ等価回路モデルのパラメータを推定可能である。
また、第2の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置によれば、推定した拡散抵抗R及び拡散容量Cを用いて、バッテリ等価回路モデルの他のパラメータ(抵抗R、コンデンサC)を算出可能である。このため、バッテリ等価回路モデルの次数が増えても、推定すべきパラメータ数は変化せず、演算負荷を低減可能である。
また、第3の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置によれば、n次フォスタ型回路をバッテリ等価回路モデルとして用いる場合、推定した拡散抵抗R及び拡散容量Cを用いて他のパラメータを算出可能である。
また、第4の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置によれば、n次カウエル型回路をバッテリ等価回路モデルとして用いる場合、推定した拡散抵抗R及び拡散容量Cを用いて他のパラメータを算出可能である。
また、第5の発明に係るバッテリのパラメータ推定装置によれば、バッテリ等価回路モデルのパラメータと同時にバッテリの内部状態量を推定するため、内部状態量の推定精度を向上可能である。
また、第6の発明に係るバッテリのパラメータ推定方法によれば、バッテリのワールブルグインピーダンスZを近似するため、ワールブルグインピーダンスZを時間領域に変換可能となり、バッテリ等価回路モデルのパラメータを推定可能である。
バッテリに接続した本発明の実施の形態に係るバッテリのパラメータ推定装置の機能ブロックを示す図である。 バッテリの等価回路モデルを説明する図である。 バッテリの開放電圧と充電率との関係を示す図である。 ワールブルグインピーダンスを近似したn次のフォスタ型RC梯子回路を示す図である。 3次のフォスタ型バッテリ等価回路モデルを示す図である。 ワールブルグインピーダンスを近似したn次のカウエル型RC梯子回路を示す図である。 3次のカウエル型バッテリ等価回路モデルを示す図である。 電気自動車で実際走行した際の電流および電圧、また充電率の計測データを示す図である。 ワールブルグインピーダンスZを近似していない1次のフォスタ型のバッテリ等価回路モデルを使用した場合における推定充電率及び推定誤差を示す図である。 ワールブルグインピーダンスZを近似した3次のフォスタ型のバッテリ等価回路モデルを使用した場合における推定充電率及び推定誤差を示す図である。 図10の場合におけるパラメータの推定値を示す図である。 ワールブルグインピーダンスZを近似した3次のカウエル型のバッテリ等価回路モデルを使用した場合における推定充電率及び推定誤差を示す図である。 図11の場合におけるパラメータの推定値を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
(実施の形態)
以下、実施の形態のバッテリのパラメータ推定装置につき、添付の図面を参照しながら説明する。実施の形態のバッテリのパラメータ推定装置は、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両に用いられる。このような車両には、車両を駆動する電気モータ、バッテリ、これらのコントローラなどが搭載され、電気モータへの電力の供給(放電)や制動時における電気モータからの制動エネルギの回生、地上充電設備からのバッテリへの電力回収(充電)が行われる。このような充放電電流のバッテリへの出入りがあると、バッテリ内部の状態が変化していき、この内部状態をバッテリのパラメータ推定装置で推定しながらモニタしていくことで、バッテリの残量など必要な情報を収集している。
図1に示すように、バッテリ1のパラメータ推定装置は、電圧センサ(端子電圧検出部)2と、電流センサ(充放電電流検出部)3と、推定部4と、電荷量算出部5と、充電率算出部6と、健全度算出部7と、を備える。推定部4、電荷量算出部5、充電率算出部6、及び健全度算出部7は、例えば車載のマイクロ・コンピュータで構成される。
バッテリ1は、例えばリチャージャブル・バッテリ(二次電池)である。バッテリ1は、本実施の形態においてリチウム・イオン・バッテリであるものとして説明するが、他の種類のバッテリを用いてもよい。
端子電圧検出部2は、例えば電圧センサであって、バッテリ1の端子電圧値vを検出する。端子電圧検出部2は、検出した端子電圧値vを推定部4へ入力する。
充放電電流検出部3は、例えば電流センサであって、バッテリ1の充放電電流値iを検出する。充放電電流検出部3は、検出した充放電電流値iを推定部4へ入力する。
推定部4は、バッテリ1のバッテリ等価回路モデル41と、カルマンフィルタ42と、を有する。推定部4は、カルマンフィルタ42を用いて、バッテリ等価回路モデル41のパラメータ値と、バッテリ1の開放電圧OCV(Open Circuit Voltage)と、バッテリ1の内部状態量と、を推定(算出)可能である。本実施の形態において、推定部4は、端子電圧検出部2からの端子電圧v及び充放電電流検出部3からの充放電電流iに基づいて、パラメータ値及び内部状態量を同時に推定し、推定したパラメータ値に基づいて開放電圧OCVを算出する。推定部4が行う推定・算出の処理の詳細については後述する。また、推定部4は、算出した開放電圧OCVを、充電率算出部6と健全度算出部7へ入力する。
バッテリ等価回路モデル41は、後述するように、抵抗とコンデンサとの並列回路を接続した、無限級数の和による近似で表されるフォスタ型RC梯子回路や、直列接続した抵抗間をコンデンサで接地した、連分数展開による近似で表されるカウエル型RC梯子回路等で構成する。なお、抵抗やコンデンサは、バッテリ等価回路モデル41のパラメータとなる。
カルマンフィルタ42では、対象となるシステムのモデル(本実施の形態の場合、バッテリ等価回路モデル41)を設計し、このモデルと実システムに同一の入力信号を入力し、その場合の両者の出力を比較してそれらに誤差があれば、この誤差にカルマン・ゲインをかけてモデルへフィードバックすることで、両者の誤差が最小になるようにモデルを修正する。これを繰り返すことで、モデルのパラメータを推定する。
電荷量算出部5は、充放電電流検出部3で検出したバッテリ1の充放電電流値iが入力され、この値を逐次積算していくことでバッテリ1から出入りした電荷量を求める。電荷量算出部5は、出入りした電荷量を、逐次積算演算前に記憶した残存電荷量から減算することで、現在のバッテリ1が有する電荷量Qを算出する。この電荷量Qは、健全度算出部7へ出力される。
充電率算出部6は、開放電圧値と充電率との関係が温度やバッテリ1の劣化に影響されにくいことから、これらの関係を予め実験等で求めて得た関係データを、例えば特性表として記憶している。そして、この特性表に基づき、推定部4で推定した開放電圧推定値からそのときの充電率SOC(State of Charge)を推定する。この充電率SOCは、バッテリ1のバッテリ・マネージメントに利用される。
健全度算出部7は、所定幅で区分けした健全度SOH(State of Health)ごとに電荷量Qと開放電圧OCVの関係を表わす特性表を有する。この特性表の詳細については、例えば、本出願人の出願による特開2012−57956号公報に開示されている。健全度算出部7には、推定部4で推定した開放電圧OCVと電荷量算出部5で算出した電荷量Qとが入力されて、これらが上記特性表のいずれの健全度SOHの範囲に入るのかが算出されて、当てはまる健全度SOHが出力される。
ここで、バッテリ1の等価回路モデル41について説明する。一般に、バッテリの電極反応には、電解液と活物質との界面における電荷移動過程と、電解液又は活物質におけるイオンの拡散過程と、が含まれる。例えばリチウム・イオン・バッテリ等の物理過程(non-Faradaic process)バッテリ、即ち拡散現象が支配的なバッテリにおいて、拡散過程に起因するインピーダンスであるワールブルグインピーダンスの影響が支配的となる。
はじめに、図2に示すように、バッテリのモデルとして、開放電圧(開回路電圧)OCVを有し、内部抵抗RとワールブルグインピーダンスZとが直列に接続される開回路を想定する。
開放電圧OCVは、図3に示すような充電率SOCの非線形関数となる。充電率SOCは、充放電電流値iと満充電容量FCC(Full Charge Capacity)を用いて、式(1)で表される。
Figure 0005946436
また、ワールブルグインピーダンスZの伝達関数は、式(2)により表される。
Figure 0005946436
ただし、sはラプラス演算子、拡散抵抗RはZ(s)の低周波極限(ω→0)である。また、拡散時定数τは、拡散反応の速度を意味する。拡散抵抗Rおよび拡散時定数τを用いて、式(3)により拡散容量Cを定義する。
Figure 0005946436
式(2)において、ラプラス演算子sの平方根が存在するため、そのままではワールブルグインピーダンスZを時間領域へ変換することは困難である。このため、ワールブルグインピーダンスZの近似を考える。ワールブルグインピーダンスZは、例えば、無限級数の和による近似、又は連分数展開による近似が可能である。
まず、無限級数の和による近似について説明する。ワールブルグインピーダンスZは、式(4)に示すように、無限級数の和として表すことができる。
Figure 0005946436
ただし、
Figure 0005946436
である。上述の近似式を回路図で表すと、抵抗とコンデンサとの並列回路がn個直列に接続されたn次フォスタ型回路である(図4参照)。式(5)及び式(6)から明らかなように、ワールブルグインピーダンスZを近似したn次のフォスタ型等価回路モデルによれば、拡散容量C及び拡散抵抗Rを用いて、等価回路の他のパラメータ(抵抗R、コンデンサC)を算出可能である。
以下において、3次のフォスタ型回路で近似した場合のバッテリ等価回路モデル41について説明する(図5参照)。同図中、Rは抵抗、Cはコンデンサであり、それぞれ添字でそれらの次数を表す。状態変数をx、入力をu、出力をyとすると、
Figure 0005946436
となる。ただし、v〜vは、それぞれ添字に対応したコンデンサでの電圧降下、iは回路全体を流れる電流、vは回路全体の電圧降下である。また、行列の上の添字Tは、その転置行列を表す。
このとき、状態空間は、
Figure 0005946436
である。なお、上記の式(10)は状態方程式、式(11)は出力方程式である。
次に、連分数展開による近似について説明する。ワールブルグインピーダンスZは、式(15)に示すように、連分数展開により表すことができる。
Figure 0005946436
ただし、
Figure 0005946436
である。上述の近似式を回路図で表すと、並列接続されたn個の抵抗Rのそれぞれが、直列接続されたn個のコンデンサCの間に接続されたn次カウエル型回路である(図6参照)。式(16)及び式(17)から明らかなように、ワールブルグインピーダンスZを近似したn次のカウエル型等価回路モデルによれば、拡散容量C及び拡散抵抗Rを用いて、回路の他のパラメータ(抵抗R、コンデンサC)を算出可能である。
以下において、3次のカウエル型回路で近似した場合のバッテリ等価回路モデル41について説明する(図7参照)。同図中、Rは抵抗、Cはコンデンサであり、それぞれ添字でそれらの次数を表す。状態変数をx、入力をu、出力をyとすると、
Figure 0005946436
となる。ただし、v〜vは、それぞれ添字に対応したコンデンサでの電圧降下、iは回路全体を流れる電流、vは回路全体の電圧降下である。
このとき、状態空間は、
Figure 0005946436
である。なお、上記の式(21)は状態方程式、式(22)は出力方程式である。
次に、推定部4の処理について、以下に詳しく説明する。本実施の形態において、推定部4は、上記フォスタ型及びカウエル型の何れかのバッテリ等価回路モデル41において、カルマンフィルタ42を用いてバッテリの内部状態量とパラメータ値とを同時に推定する。本実施の形態において、カルマンフィルタ42には無香料カルマンフィルタ(UKF: Unscented Kalman Filter)を用いるが、他のものでもよい。UKFは、シグマ・ポイントという重み付きサンプル点を使って、確率分布を近似し、それぞれの重み付き遷移を計算する。具体的には、シグマ・ポイントごとに遷移後の平均値と分散を計算し、それらを重みに従って加算する。このようにすることで、遷移後の確率分布をより真値に近く、また計算量も増え過ぎない近似を行うことができる。また、システムを近似するのではなく、確率分布をシグマ・ポイントで近似しているので、システムの非線形性について制約がない。
まず、バッテリ等価回路モデル41のパラメータ及びバッテリ1の内部状態量を同時に推定するために、バッテリ等価回路モデル41を拡大系のモデルに書き換える。即ち、新しく拡大系の状態変数をz、出力をyとして、
Figure 0005946436
と定義する。ここで、パラメータR、R、Cに加えて、充放電電流値iも状態変数として扱う。
このとき、フォスタ型のバッテリ等価回路モデル41の場合、状態空間は、
Figure 0005946436
である。
また、カウエル型のバッテリ等価回路モデル41の場合、状態空間は、
Figure 0005946436
である。
上述の拡大系モデルをオイラー法やルンゲ=クッタ法等を用いて離散化し、UKFを用いてバッテリ等価回路モデル41のパラメータとバッテリ1の内部状態量を同時に推定可能である。また、推定したパラメータに基づいて開放電圧OCVを算出可能である。
次に、実際の電気自動車の走行データを用いてシミュレーションした結果について説明する。電気自動車で実際に走行した際の電流および電圧、また充電率SOCの計測データを図8に示す。これらの電流と電圧のデータをそのまま用いてパラメータと充電率SOCを同時推定する。
以下の3パターンの推定手法を比較した。
(シミュレーション1) ワールブルグインピーダンスZを近似していない1次のフォスタ型のバッテリ等価回路モデルを用いたUKFによる推定結果を、図9に示す。図9(a)は、推定された充電率SOCと、参照値(真値)とを示す。図9(b)は、充電率SOCの誤差を示す。
(シミュレーション2) ワールブルグインピーダンスZを近似した3次のフォスタ型のバッテリ等価回路モデル41を用いたUKFによる推定結果を、図10及び図11に示す。図10(a)は、推定された充電率SOCと、参照値(真値)とを示す。図10(b)は、充電率SOCの誤差を示す。図11(a)は経過時間に対するパラメータRの変化を示し、図11(b)はRの変化を示し、図11(c)はCの変化を示す。
(シミュレーション3) ワールブルグインピーダンスZを近似した3次のカウエル型のバッテリ等価回路モデル41を用いたUKFによる推定結果を、図12及び図13に示す。図12(a)は、推定された充電率SOCと、参照値(真値)とを示す。図12(b)は、充電率SOCの誤差を示す。図13(a)は経過時間に対するパラメータRの変化を示し、図13(b)はRの変化を示し、図13(c)はCの変化を示す。
上記のシミュレーション1において、1次のフォスタ型等価回路について推定すべきパラメータはR,R,Cの3個である。シミュレーション2及び3では、ワールブルグインピーダンスZを近似しているため、3次のフォスタ型(又はカウエル型)等価回路について推定すべきパラメータは、R,R,Cの3個である。このように、シミュレーション1〜3において推定すべきパラメータの数は同一である。
以上の結果および上記以外の走行パターンでのシミュレーション結果を見ると、以下のことが分かる。
シミュレーション1において、図9から明らかなように、推定された充電率SOCは、推定誤差(ノイズ)が大きい。一方、シミュレーション2及び3において推定された充電率SOCは、シミュレーション1の結果と比較して参照値に近い値が推定できていることが分かる(図10及び図12参照)。
一方、シミュレーション2と3との比較において、シミュレーション2では、推定充電率SOCの所々にスパイク状の大きな推定誤差が発生しており(図10(a)参照)、これがシミュレーション3と比較して推定精度を低下させる原因となっている。
このように、本実施の形態のバッテリのパラメータ推定装置によれば、バッテリ1のワールブルグインピーダンスZを近似するため、ワールブルグインピーダンスZを時間領域に変換可能となり、バッテリ等価回路モデル41のパラメータを推定可能である。
また、推定部4は、推定した拡散抵抗R及び拡散容量Cを用いて、バッテリ等価回路モデル41の他のパラメータ(抵抗R、コンデンサC)を算出可能である。このため、バッテリ等価回路モデル41の次数が増えても、推定すべきパラメータ数は変化せず、演算負荷を低減可能である。例えば、n次のフォスタ型等価回路モデルにおいて、ワールブルグインピーダンスを近似しない場合、推定すべきパラメータは2n+1個(R、R〜R、C〜C)である。一方、ワールブルグインピーダンスを近似する場合、推定すべきパラメータの数は3個(R、R、C)である。
また、n次フォスタ型回路をバッテリ等価回路モデル41として用いる場合、式(5)及び式(6)により他のパラメータを算出可能である。
また、n次カウエル型回路をバッテリ等価回路モデル41として用いる場合、式(16)及び式(17)により他のパラメータを算出可能である。
(変形例)
次に、実施の形態の変形例について説明する。変形例に係るバッテリのパラメータ推定装置は、推定部4が行う処理が上述の実施の形態と異なる。
推定部4は、上述の実施の形態と同様に、バッテリ等価回路モデル41のパラメータを推定する。一方、推定部4は、推定したパラメータを用いて、バッテリ1の内部状態量を演算により算出する点が上述の実施の形態と異なる。
詳細には、推定部4は、状態変数xの遷移について、カルマンフィルタ42を用いず、式(36)にしたがって算出する。
Figure 0005946436
一方、パラメータの推定については、状態方程式及び出力方程式を
Figure 0005946436
として、カルマンフィルタ42を適用する。ただし、3次のカウエル型回路で近似する場合、状態空間は、
Figure 0005946436
である。
このように、実施の形態の変形例に係るバッテリのパラメータ推定装置は、カルマンフィルタを用いてバッテリ等価回路モデル41のパラメータのみを推定する場合にも適用可能である。
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を1つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。
例えば、上述の実施の形態において、ワールブルグインピーダンスZを無限級数展開又は連部数展開により近似したが、任意の方法で近似してもよい。例えば、無限乗積展開を用いて近似することが考えられる。
1 バッテリ
2 電圧センサ(端子電圧検出部)
3 電流センサ(充放電電流検出部)
4 推定部
41 バッテリ等価回路モデル
42 カルマンフィルタ
5 電荷量算出部
6 充電率算出部
7 健全度算出部

Claims (6)

  1. バッテリの充放電電流値を検出する充放電電流検出部と、
    前記バッテリの端子電圧値を検出する端子電圧検出部と、
    前記充放電電流値及び前記端子電圧値に基づいて、前記バッテリのワールブルグインピーダンスを近似したバッテリ等価回路モデルにおけるパラメータを推定する推定部と、
    を備えるバッテリのパラメータ推定装置。
  2. 前記推定部は、少なくとも前記ワールブルグインピーダンスの近似による拡散抵抗R及び拡散容量Cを推定する、請求項1に記載のバッテリのパラメータ推定装置。
  3. 前記等価回路モデルは、n次フォスタ型等価回路モデルであり、
    前記推定部は、以下の数式(1)により前記パラメータを算出する、請求項2に記載のバッテリのパラメータ推定装置。
    Figure 0005946436
  4. 前記等価回路モデルは、n次カウエル型等価回路モデルであり、
    前記推定部は、以下の数式(2)により前記パラメータを算出する、請求項2に記載のバッテリのパラメータ推定装置。
    Figure 0005946436
  5. 前記推定部は、前記等価回路モデルにおけるパラメータと同時に、前記バッテリの内部状態量を推定する、請求項1乃至4の何れか一項に記載のバッテリのパラメータ推定装置。
  6. バッテリの充放電電流値を検出するステップと、
    前記バッテリの端子電圧値を検出するステップと、
    前記充放電電流値及び前記端子電圧値に基づいて、前記バッテリのワールブルグインピーダンスを近似したバッテリ等価回路モデルにおけるパラメータを推定するステップと、
    を含むバッテリのパラメータ推定方法。
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