JP6035028B2 - 蓄電池特性導出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電池の等価回路定数を導出する蓄電池特性導出装置に関する。
図7は、蓄電池の内部インピーダンスを測定する装置の構成を示すブロック図である。図7に示す装置では、蓄電池に交流信号(「摂動信号」ともいう)が供給され、このとき蓄電池を流れる電流と端子電圧に基づいて当該蓄電池の内部インピーダンスを算出する。当該装置には交流信号を供給するための構成が必要であるため、小型化が困難であり、その使用場所又は設置場所も限定される。例えば、部品を搭載するためのスペースが限定された車両等に当該装置を搭載することは現実的ではない。しかし、EV(Electric Vehicle:電気自動車)やHEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)等の車両は蓄電池を備え、当該車両において蓄電池の特性又は状態を管理することは非常に重要である。
図8は、蓄電池の内部インピーダンス特性の一例を示すナイキスト線図である。また、図9は、蓄電池の等価回路を示す図である。図8に示すように、蓄電池の内部インピーダンス特性は周波数毎に異なる。図8には、1kHz以上の周波数ではインダクタンス成分が支配的であり、1Hz〜1kHzの周波数ではコンダクタンス成分が支配的であり、1Hz以下の周波数ではCPE(Constant Phase Element)に応じた特性が示されている。特許文献1に記載の電池特性評価装置は、交流信号発生器を備えず、蓄電池の電流−電圧特性に基づき、等価回路モデルに対する回路定数を同定する。
特開2011−141228号公報
しかし、蓄電池の内部インピーダンス特性を導出するために、当該蓄電池から得られる過渡応答波形の出力値からその蓄電池の等価回路モデルに対する回路定数を推定しても、その推定値は全周波数帯域で均一に最適化された値でしかない。すなわち、周波数によっては蓄電池の内部インピーダンス特性の推定精度が低い場合がある。図10は、蓄電池の5秒間のパルス放電時の電流波形と端子間電圧の応答波形の一例を示す図である。また、図11は、十字点で示す蓄電池の実際の内部インピーダンス特性と、実線で示す推定された内部インピーダンス特性との差異を示すナイキスト線図である。
図11に示す例では、2つの時定数による円弧が実際の特性と推定された特性とで異なるため、1Hz以降の高周波帯の内部インピーダンス特性が実値と推定値とで異なっている。当該相違は、時定数が小さい特性、すなわち、変化が顕著にみられる微小時間に対して、はるかに長い時間波形でフィッティングしているためである。すなわち、図10に示した例では、10秒間の波形データでフィッティングしているため、時間サンプル数の多い0.1Hz〜1Hz近辺の特性が重点的にフィッティングされている一方、1Hz以降の高周波側は相対的に誤差が大きくなるためである。その結果、蓄電池の等価回路定数の推定値の精度が下がる。
本発明の目的は、蓄電池の等価回路定数を精度良く導出可能な蓄電池特性導出装置を提供することである。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項1に記載の発明の蓄電池特性導出装置は、蓄電池の等価回路定数を導出する蓄電池特性導出装置であって、前記蓄電池のパルス状の過渡応答時の充放電電流の波形を解析する電流波形解析部と、前記電流波形解析部が解析した充放電電流の波形が第1の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データから得られたナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の第1の等価回路定数を導出し、前記電流波形解析部が解析した充放電電流の波形が第2の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データから得られたナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の第2の等価回路定数を導出する定数導出部と、を備え、前記蓄電池の等価回路定数は、前記第1の条件を満たすときの過渡応答時の周波数で関与するCPE定数およびCPE指数を含む第1定数と、前記第2の条件を満たすときの過渡応答時の周波数で関与する抵抗値および容量値を含む第2定数と、を含み、前記第1の条件を満たすときの過渡応答時のパルス幅及びパルス周波数は、前記第2の条件を満たすときの過渡応答時のパルス幅及びパルス周波数とそれぞれ異なっており、前記第1の条件を満たすときのパルス周波数は、前記第2の条件を満たすときのパルス周波数より低く、前記定数導出部は、前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データを周波数変換して得られた値から前記蓄電池のナイキスト線図を導出し、当該導出したナイキスト線図に対するカーブフィッティングに基づいて、前記蓄電池の等価回路定数を導出したことを特徴とする。
さらに、請求項2に記載の発明の蓄電池特性導出装置は、蓄電池の等価回路定数を導出する蓄電池特性導出装置であって、前記蓄電池のパルス状の過渡応答時の充放電電流の波形を解析する電流波形解析部と、前記電流波形解析部が解析した充放電電流の波形が第1の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データから得られたナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の第1の等価回路定数を導出し、前記電流波形解析部が解析した充放電電流の波形が第2の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データから得られたナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の第2の等価回路定数を導出する定数導出部と、を備え、前記蓄電池の等価回路定数は、前記第1の条件を満たすときの過渡応答時の周波数で関与するCPE定数およびCPE指数を含む第1定数と、前記第2の条件を満たすときの過渡応答時の周波数で関与する抵抗値および容量値を含む第2定数と、を含み、前記第1の条件を満たすときの過渡応答時のパルス幅及びパルス周波数は、前記第2の条件を満たすときの過渡応答時のパルス幅及びパルス周波数とそれぞれ異なっており、前記第1の条件を満たすときのパルス周波数は、前記第2の条件を満たすときのパルス周波数より低く、前記定数導出部は、前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データを周波数変換して得られた値から前記蓄電池のナイキスト線図を導出し、当該導出したナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の等価回路定数を導出し、前記定数導出部は、前記第1の条件に対応して導出した前記第1定数を固定値としたまま、前記第2の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データを周波数変換して得られた値ならびに前記ナイキスト線図に基づいて前記第2定数を導出する、もしくは前記第2の条件に対応して導出した前記第2定数を固定値としたまま、前記第1の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データを周波数変換して得られた値ならびに前記ナイキスト線図に対するカーブフィッティングに基づいて前記第1定数を導出することを特徴とする。
請求項1〜3に記載の発明の蓄電池特性導出装置によれば、蓄電池の等価回路定数を精度良く導出できる。
車両に搭載された蓄電池と電気駆動系の一部との関係を示すブロック図 セルインピーダンス演算部の内部構成を示すブロック図 第1の条件を満たす電流I及び同期した端子間電圧Vの各波形を示すグラフ 十字点で示す蓄電セルの実際の内部インピーダンス特性と、図3に示す電流Iと端子間電圧Vに基づいて算出された実線で示す内部インピーダンス特性とを示すナイキスト線図 第2の条件を満たす電流I及び同期した端子間電圧Vの各波形を示すグラフ 十字点で示す蓄電セルの実際の内部インピーダンス特性と、図4に実線で示した内部インピーダンス特性の低周波側と図5に示す電流Iと端子間電圧Vに基づいて算出された内部インピーダンス特性の高周波側を合成した内部インピーダンス特性とを示すナイキスト線図 蓄電池の内部インピーダンスを測定する装置の構成を示すブロック図 蓄電池の内部インピーダンス特性の一例を示すナイキスト線図 蓄電池の等価回路を示す図 蓄電池の5秒間のパルス放電時の電流波形と端子間電圧の応答波形の一例を示す図 十字点で示す蓄電池の実際の内部インピーダンス特性と、実線で示す推定された内部インピーダンス特性との差異を示すナイキスト線図
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、車両に搭載された蓄電池と電気駆動系の一部との関係を示すブロック図である。EV(Electric Vehicle:電気自動車)又はHEV(Hybrid Electrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)等の車両には、図1に示す系が設けられている。当該系では、組電池11からインバータINVを介して電動機MOTに電力が供給される。組電池11は、直列に接続された複数の蓄電セルC1,C2,…Cnを有する。また、当該系には、複数の蓄電セルの各々に対応するセルインピーダンス演算部131,132,…13nと、各セルインピーダンス演算部から得られた情報に基づいて組電池11の状態を管理する組電池状態管理部15とが設けられている。
また、複数の蓄電セルC1,C2,…Cnの各々には電圧センサー171,172,…17nが並列に設けられている。電圧センサー171,172,…17nは、対応する蓄電セルの端子間電圧V1,V2,…Vnを検出する。また、組電池11からインバータINVへの電流経路上には電流センサー19が設けられている。電流センサー19は、組電池11からインバータINVへの経路を流れる放電電流(以下、単に「電流」という)Iを検出する。各電圧センサーが検出した端子間電圧を示す情報及び電流センサー19が検出した電流を示す情報は、対応するセルインピーダンス演算部に入力される。セルインピーダンス演算部131,132,…13nは、対応する蓄電セルの等価回路定数を演算によって求めることで、当該蓄電セルの内部インピーダンスを算出する。
図2は、セルインピーダンス演算部の内部構成を示すブロック図である。図2に示すように、セルインピーダンス演算部13は、ローパスフィルタ(LPF)101v,101iと、ADコンバータ(ADC)103v,103iと、クロック発生部105と、制御部107と、条件記憶部109と、等価回路定数演算部111とを有する。LPF101vは、対応する電圧センサーが検出した端子間電圧Vを示す信号の低周波成分のみを出力する。ADC103vは、LPF101vが出力した信号をAD変換して、等価回路定数演算部111に出力する。また、LPF101iは、電流センサー19が検出した電流Iを示す信号の低周波成分のみを出力する。ADC103iは、LPF101iが出力した信号をAD変換して、等価回路定数演算部111に出力する。なお、ADC103v,103iは、クロック発生部105が発生したクロック信号に応じて、当該クロック信号が入力されている間だけAD変換を行う。
制御部107は、組電池状態管理部15から動作開始命令を受け取ると、所定のサンプルレートのクロック信号を発生するようクロック発生部105に指示する。また、制御部107は、動作開始命令を受け取ると、ADC103iから出力された電流Iを示す信号が示す波形の解析を行うよう等価回路定数演算部111に指示する。なお、制御部107がクロック発生部105に指示するクロック信号のサンプルレートは、等価回路定数演算部111が行った電流Iの解析結果によって異なっても良い。例えば、制御部107は、電流Iの放電パルス幅が5秒以上であり放電遮断後の状態が5秒以上続く場合はサンプルレートを1kHz以上に設定し、電流Iの放電パルス幅が50±10m秒であり放電遮断後の状態が50±10m秒である場合はサンプルレートを10kHz以上に設定しても良い。
条件記憶部109は、制御部107がクロック発生部105に指示するクロック信号のサンプルレートの条件を記憶する。また、条件記憶部109は、等価回路定数演算部111が蓄電セルの等価回路定数の演算を行う際の条件を記憶する。等価回路定数の演算を行う際の条件は、電流Iの放電パルス幅が5秒以上であり放電遮断後の状態が5秒以上続く低周波のパルス形状である第1の条件と、電流Iの放電パルス幅が50±10m秒であり放電遮断後の状態が50±10m秒の高周波のパルス形状である第2の条件とから構成される。
等価回路定数演算部111は、電流波形解析部121と、データ記憶部123と、演算部125とを有する。電流波形解析部121は、制御部107から得られた解析指示に応じて、ADC103iから出力された電流Iを示す信号の波形を解析する。さらに、電流波形解析部121は、解析結果によって示される波形が条件記憶部109に格納されている上記説明した第1の条件及び第2の条件のいずれかを満たせば、演算部125に動作を指示する。なお、図1に示した系が搭載された車両のイグニッションスイッチがオンされた直後、組電池11は異なる周波数でパルス放電するよう制御される。したがって、第1の条件及び第2の条件は車両のイグニッションスイッチがオンされた直後に異なるタイミングで得られる。
データ記憶部123は、ADC103vから出力された端子間電圧VのデータとADC103iから出力された電流Iのデータを時系列に同期した状態で記憶する。演算部125は、データ記憶部123に格納された端子間電圧V及び電流Iのデータから、蓄電セルの等価回路定数を算出する。
以下、演算部125による蓄電セルの等価回路定数の算出方法について、図3〜図6を参照して詳細に説明する。
演算部125は、まず、第1の条件を満たしている間の端子間電圧Vのデータと電流Iのデータをデータ記憶部123から読み出し、端子間電圧V及び電流Iの各データに対して離散フーリエ変換を行う。さらに、演算部125は、離散フーリエ変換によって得られた複数の周波数毎に内部インピーダンス(Z=V/I)を算出する。
図3は、第1の条件を満たす電流I及び同期した端子間電圧Vの各波形を示すグラフである。図3に示す電流Iは、放電パルス幅が約5秒であり、放電遮断後の状態が約5秒続く、比較的低周波数のパルス波である。当該パルス波は、第1項が約0.1Hzの正弦波とした複合正弦波によって構成されているため、0.1Hz付近の低周波で正確な内部インピーダンスを求めることができる。
演算部125は、図4に実線で示される先に算出した内部インピーダンス特性を有する蓄電セルの等価回路定数をカーブフィッティングによって推定する。なお、カーブフィッティングによる等価回路定数の推定は、勾配法、発見法又は直接法等といった最適解探索アルゴリズムに基づいて行われる。
蓄電セルの等価回路は、図9に示したように、抵抗R1,R2,R3とキャパシタC2,C3とCPEとによって構成される。なお、CPEのインピーダンスは、1/T(jω)によって表される。したがって、演算部125がカーブフィッティングを行うことによって、等価回路定数R1,R2,R3,C2,C3,T(CPE定数),p(CPE指数)が推定される。なお、定数の初期値は任意である。但し、蓄電セルの劣化前の特性における定数を用いることが望ましい。
図4は、十字点で示す蓄電セルの実際の内部インピーダンス特性と、図3に示す電流Iと端子間電圧Vに基づいて算出された実線で示す内部インピーダンス特性とを示すナイキスト線図である。図4に示されているように、低周波側の内部インピーダンスは高い精度で算出されているが、高周波側の内部インピーダンスの算出精度は低い。このため、本実施形態では、演算部125が、続いて、第2の条件を満たしている間の端子間電圧Vのデータと電流Iのデータをデータ記憶部123から読み出し、端子間電圧V及び電流Iの各データに対して離散フーリエ変換を行う。さらに、演算部125は、離散フーリエ変換によって得られた複数の周波数毎に内部インピーダンス(Z=V/I)を算出する。
図5は、第2の条件を満たす電流I及び同期した端子間電圧Vの各波形を示すグラフである。図5に示す電流Iは、放電パルス幅が約0.05秒(=50m秒)であり、放電遮断後の状態が約0.95秒続いている。演算部125は、高周波側の内部インピーダンス特性を導出するために、先頭から0.1秒分のデータを抽出する。抽出されたデータが示す比較的高周波数のパルス波は、第1項が10Hzの正弦波とした複合正弦波によって構成されているため、10Hz付近の高周波で正確な内部インピーダンスを求めることができる。したがって、演算部125は、先に算出した低周波側の内部インピーダンスと今回算出した高周波側の内部インピーダンスとを合成する。図6は、十字点で示す蓄電セルの実際の内部インピーダンス特性と、図4に実線で示した内部インピーダンス特性の低周波側と図5に示す電流Iと端子間電圧Vに基づいて算出された内部インピーダンス特性の高周波側を合成した内部インピーダンス特性とを示すナイキスト線図である。
上述したように、1Hz以下の周波数の内部インピーダンスはCPEの変数の成分が支配的である。演算部125は、図6に実線で示される先に算出した内部インピーダンス特性を有する蓄電セルの等価回路定数の内、CPEの定数に係るTとpは先の推定値に固定したまま、R1,R2,R3,C2,C3をカーブフィッティングによって再度推定する。演算部125は、このようにして推定した蓄電セルの等価回路定数R1,R2,R3,C2,C3,T,pを組電池状態管理部15に送る。
以上説明したように、本実施形態によれば、蓄電セルの内部インピーダンス特性が、低周波のパルス放電時に得られた電流I及び端子間電圧Vに基づいて導出され、また、高周波のパルス放電時に得られた電流I及び端子間電圧Vに基づいても導出される。また、蓄電セルの内部インピーダンス特性が示す曲線にフィッティングする等価回路定数を推定する際には、低周波側で支配的に関与しているCPEに係る定数(T,p)と高周波側で支配的に関与している定数(R1,R2,R3,C2,C3)を段階的に特定する。このように、蓄電セルの等価回路定数の推定値は、適当な周波数帯における内部インピーダンス特性から導出される。その結果、蓄電セルの等価回路定数を精度良く推定することができる。
なお、上記説明では、まず、低周波のパルス放電時に得られた電流I及び端子間電圧Vに基づいて内部インピーダンス特性を求めた上で推定した蓄電セルの等価回路定数の内、CPEに係る定数(T,p)を特定した後、先に説明した合成した内部インピーダンス特性に基づいて、残りの定数(R1,R2,R3,C2,C3)を特定している。しかし、まず、高周波のパルス放電時に得られた電流I及び端子間電圧Vに基づいて内部インピーダンス特性を求めた上で推定した蓄電セルの等価回路定数の内、一部の定数(R1,R2,R3,C2,C3)を特定した後、先に説明した合成した内部インピーダンス特性に基づいて、CPEに係る定数(T,p)を特定しても良い。
また、上記説明では、蓄電セルの内部インピーダンスを算出する際に、低周波のパルス放電時及び高周波のパルス放電時の端子間電圧V及び電流Iの各データに対してそれぞれ離散フーリエ変換を行うことで周波数変換を行っているが、低周波のパルス放電時及び高周波のパルス放電時の端子間電圧V及び電流Iの各データをそれぞれラプラス変換して蓄電セルの等価回路定数を推定しても良い。
また、上記説明では、電流センサー19が検出する電流Iとして放電電流を例に説明したが、組電池11への充電電流が電流Iであっても良い。
INV インバータ
MOT 電動機
C1,C2,…Cn 蓄電セル
11 組電池
13,131,132,…13n セルインピーダンス演算部
15 組電池状態管理部
171,172,…17n 電圧センサー
19 電流センサー
101v,101i ローパスフィルタ(LPF)
103v,103i ADコンバータ(ADC)
105 クロック発生部
107 制御部
109 条件記憶部
111 等価回路定数演算部
121 電流波形解析部
123 データ記憶部
125 演算部

Claims (2)

  1. 蓄電池の等価回路定数を導出する蓄電池特性導出装置であって、
    前記蓄電池のパルス状の過渡応答時の充放電電流の波形を解析する電流波形解析部と、
    前記電流波形解析部が解析した充放電電流の波形が第1の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データから得られたナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の第1の等価回路定数を導出し、前記電流波形解析部が解析した充放電電流の波形が第2の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データから得られたナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の第2の等価回路定数を導出する定数導出部と、
    を備え、
    前記蓄電池の等価回路定数は、前記第1の条件を満たすときの過渡応答時の周波数で関与するCPE定数およびCPE指数を含む第1定数と、前記第2の条件を満たすときの過渡応答時の周波数で関与する抵抗値および容量値を含む第2定数と、を含み、
    前記第1の条件を満たすときの過渡応答時のパルス幅及びパルス周波数は、前記第2の条件を満たすときの過渡応答時のパルス幅及びパルス周波数とそれぞれ異なっており、前記第1の条件を満たすときのパルス周波数は、前記第2の条件を満たすときのパルス周波数より低く、
    前記定数導出部は、前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データを周波数変換して得られた値から前記蓄電池のナイキスト線図を導出し、当該導出したナイキスト線図に対するカーブフィッティングに基づいて、前記蓄電池の等価回路定数を導出したことを特徴とする蓄電池特性導出装置。
  2. 蓄電池の等価回路定数を導出する蓄電池特性導出装置であって、
    前記蓄電池のパルス状の過渡応答時の充放電電流の波形を解析する電流波形解析部と、
    前記電流波形解析部が解析した充放電電流の波形が第1の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データから得られたナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の第1の等価回路定数を導出し、前記電流波形解析部が解析した充放電電流の波形が第2の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データから得られたナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の第2の等価回路定数を導出する定数導出部と、
    を備え、
    前記蓄電池の等価回路定数は、前記第1の条件を満たすときの過渡応答時の周波数で関与するCPE定数およびCPE指数を含む第1定数と、前記第2の条件を満たすときの過渡応答時の周波数で関与する抵抗値および容量値を含む第2定数と、を含み、
    前記第1の条件を満たすときの過渡応答時のパルス幅及びパルス周波数は、前記第2の条件を満たすときの過渡応答時のパルス幅及びパルス周波数とそれぞれ異なっており、前記第1の条件を満たすときのパルス周波数は、前記第2の条件を満たすときのパルス周波数より低く、
    前記定数導出部は、前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データを周波数変換して得られた値から前記蓄電池のナイキスト線図を導出し、当該導出したナイキスト線図に基づいて、前記蓄電池の等価回路定数を導出し、
    前記定数導出部は、
    前記第1の条件に対応して導出した前記第1定数を固定値としたまま、前記第2の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データを周波数変換して得られた値ならびに前記ナイキスト線図に基づいて前記第2定数を導出する、もしくは前記第2の条件に対応して導出した前記第2定数を固定値としたまま、前記第1の条件を満たすときの前記蓄電池の充放電電流及び両端電圧の各データを周波数変換して得られた値ならびに前記ナイキスト線図に対するカーブフィッティングに基づいて前記第1定数を導出することを特徴とする蓄電池特性導出装置。
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