JP6153528B2

JP6153528B2 - 電池監視のためのシステムおよび方法

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Publication number: JP6153528B2
Application number: JP2014532553A
Authority: JP
Inventors: ゴヴィンドバイドヤ，ヴィナイ; カンチャーラ，タラン
Original assignee: ケーピーアイティテクノロジーズリミテッド
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: CN103797374B; JP2014535037A; KR20140082750A; US20140232411A1; CN103797374A; WO2013072927A3; WO2013072927A2; EP2761316A2

Description

本発明の分野は一般的に、電池（バッテリー）の健全性の決定に関し、さらに詳しくは、電池の充電状態および電池劣化の決定に関する。

電池管理システムは、電池の充電状態（ＳＯＣ）および健康状態（ＳＯＨ）を決定するために使用される。電池のＳＯＨは、電池の劣化百分率を示す。電池（バッテリー）のＳＯＣは電池または電池パックの燃料計に相当し、電池容量を提供する。換言すると、ＳＯＣは、電池が保持できる最大電荷に対して電池に蓄積された電荷の比である。ＳＯＣは通常百分率で表現される。様々な用途に対し電池のＳＯＣを決定することは極めて有用である。電池のＳＯＣは推定されたときに、どれだけの電荷が電池に残っているか、そしてそれを特定の用途に対しどれだけ長く使用できるかの指標を提供する。

電池のＳＯＣは、電池の電荷（Ｑ）に直接関係する。当業界で周知の物理学の基本方程式にある通り、電流は次式によって得られる電荷の流れである。
Ｉ＝ｄＱ／ｄｔ

所与の時間に蓄積される総電荷は、ある期間にわたって時間積分を取り、次式によって得られる。
Ｑ＝∫Ｉｄｔ

したがって、理論的に、電池の充電状態（ＳＯＣ）の変化は、時間「ｔ」にわたって電池から引き出されるかあるいは電池に投入される電流に比例する。しかし、電池は様々な種類があり、電池の特性はその種類によって異なる。内部抵抗、放電曲線、容量等のような電池特性は、電池の経年数、電池使用法、温度等のような様々なパラメータに依存する。電池特性は、電池パラメータの変化のみならず、外的条件の変化によっても変化する。

既存の方法は、経年数、使用法等により変化する電池のパラメータに依存する方法であるので、正確なＳＯＣ推定をもたらさない。さらに、ＳＯＣ推定に使用される方程式における定数および誤差は考慮も補償もされず、不正確なＳＯＣ推定を導いている。電池のＳＯＨ推定のための既存の方法は、電池の経年数または電池劣化を決定することに備えていない。したがって、ＳＯＣ推定における誤差を補正することのできる方法が必要とされている。

本発明は、電池の充放電サイクル中に、電池の温度および電池の劣化に依存する関数ならびにバッテリー電流およびバッテリー温度に依存する指数因子を利用する補正機構と補正ループとを交互に使用することを含む、電池の正確な充電状態（ＳＯＣ）および健康状態（ＳＯＨ）を推定するための方法およびシステムを開示する。前記方法およびシステムは、電池パラメータおよび電池の経年数決定のため発生する累積誤差を補正／補償する補正ループを含む。

本発明の目的は、電池の充電状態および電池劣化をある期間にわたって正確に決定するためのシステムおよび方法を提供することである。本発明のシステムおよび方法は、電池のＳＯＣおよび電池劣化を、電池が使用されている間の実行時に、または電池が休止して
いる間にオフラインで、いずれでも決定するために使用することができる。

本発明の別の目的は、時間および使用と共に変化する電池特性を考慮し、したがって正確なＳＯＣ推定をもたらす、電池の充電状態を決定するためのシステムおよび方法を提供することである。本発明の方法は、経年数の変化、内部抵抗の変化、外部温度の変化等と共に変化ししたがって推定ＳＯＣに影響を及ぼすパラメータに起因する誤差を補償する。本発明の方法により、あらゆる種類の電池についてＳＯＣを決定することができる。

本発明のさらなる目的は、電池劣化を推定するための方法を提供することである。

ＳＯＣ推定のための方法を示す。ＳＯＨ推定のための方法を示す。本発明のシステムのブロック図を示す。電池の開放電圧（ＯＣＶ）と充電状態（ＳＯＣ）との間の典型的な関係を示す。電池のインピーダンスモデル表現を示す。

本発明は、補正機構および補正ループの組合せを使用し、電圧および電流測定値の差に対応する。本発明は、ＳＯＣ値を算出するために補正機構方法を使用する。しかし、それは経時的に誤差を累積し、したがって累積補正ループが使用される。累積補正ループはＳＯＣ推定の誤差を補正し、かつ電池特性に基づく。両方の手法が同時にまたは所与の瞬間に使用されることはなく、補正機構または補正ループのいずれかが使用されることに注目されたい。

電池のＳＯＣは電池の電荷（Ｑ）に直接関係する。当業界で周知の物理学の基本方程式にある通り、電流は次式によって得られる電荷の流れである。
Ｉ＝ｄＱ／ｄｔ

したがって、理論的に、電池の充電状態（ＳＯＣ）の変化は、時間「ｔ」にわたって電池から引き出されるかあるいは電池に投入される電流に比例する。しかし、電池は様々な種類があり、電池の特性はその種類によって異なる。内部抵抗、放電曲線、容量等のような電池特性は、電池の経年数、電池使用法等のような様々なパラメータに依存する。電池特性は、電池パラメータの変化によって変化する。

基本的電荷および電流方程式に基づいて、本発明の方法は、バッテリー電流、バッテリー温度、および電池劣化のような電池特性を考慮することによって様々な誤差に対応する補正機構を使用してＳＯＣを推定する。

本発明の方法では、ＳＯＣ推定は次式によって得られる。
---方程式１
式中、ＳＯＣ（ｔ）およびＳＯＣ（ｔ−１）は瞬間ｔおよびｔ−１のＳＯＣであり、Ｉ（ｔ）はｔ番目の瞬間の電流であり、
は瞬間の間の時間間隔であり、ｋ＝ｆ（θ，％劣化）であり、λ＝ｆ（θ）であり、これは下に定義する通りであり、θは温度であり、％劣化は電池のＳＯＨによって得られる。

ｋおよびλの一般方程式は次の通りである。
式中、ｂ_１、ｂ_２、ｂ_３、ｂ_４はバイアス定数であり、ｃ_１、ｃ_２、ｃ_３、ｃ_４は比例定数である。

これらの定数の値は実験によって決定され、電池毎に異なる。例えば、実験中の電池（１２Ｖ５．３Ａｈのリチウムイオン電池）の場合、得られた定数は下に掲げる通りである。

異なる定数の値は、実験段階中に得られたＳＯＣと基準ＳＯＣとの間の誤差を最小化することによって得られる。標準最適化技術のいずれかを使用して、定数を得ることができる。

電流が非常に低い場合、通常は休止時、または充放電サイクルの最後に、累積補正ループを使用して累積誤差を補正する。

補正ループは次の状態のときに使用される。
＊電圧の急激な低下または上昇がある。それは、電流が突然ゼロになったとき、または電流がゼロから急上昇したときに発生する。このような瞬間に、抵抗が推定され、開放電圧ＯＣＶはＳＯＣ＝ｆ（ＯＣＶ）から算出される。
＊連続する瞬間に対する
および
は両方ともゼロに近いので、電池は休止中であるとみなされる。

ＳＯＣ推定：
以下のステップはＳＯＣの推定方法を記載する：

ステップ１：最初に、瞬間「ｔ」の電圧、電流、および温度が得られる。すなわちＶ（ｔ）、Ｉ（ｔ）、およびθ（ｔ）の読み値が得られる。

ステップ２：初回の場合、前回の記録から初期ＳＯＣを得、ＳＯＣ対ＯＣＶ特性からのＳＯＣを、ＳＯＣ（ｔ）＝ｆ（ＯＣＶ（ｔ））［ｔ＝０のとき、ＯＣＶ（ｔ）＝Ｖ（ｔ）］として算出する。

ステップ３：電圧および電流測定値の変化が約０である場合、すなわち、
かつ
である場合、ＯＣＶは次の方程式を用いて算出される。
式中、αは温度に依存する定数である。

ステップ４：通常、充放電サイクルの開始中または終了中に発生する、電圧の急激な低下または上昇が存在する場合、抵抗が計算される。この期間中、ＯＣＶは一定のままであると想定されるので、電流の変化はあまり高くなく／極小である。抵抗はＲ＿ｅｓｔ＝ａｂｓ（Ｖ（ｔ）−Ｖ（ｔ−１））／（Ｉ（ｔ）−Ｉ（ｔ−１））から推定され、次いでＯＣＶは次の方程式を用いて算出される。

低温で休止するのに掛かる時間は、高温の場合と比較して長いので、パラメータαは温度に依存する。考慮中の電池の場合、α＝１／２００＊ｅｘｐ（−０．０７＊θ）となる。

ステップ５：ステップ３および４の条件が満たされない場合には、方程式３を用いてＳＯＣが更新される。

ステップ６：周期的に、ＳＯＨが計算されたときにｋの値は更新される。

ステップ７：得られた新しいサンプルに対し、ステップ２ないし６が繰り返される。

ＳＯＨ推定：
ＳＯＨは、定格（未使用）電池容量に対する実際の電池容量の比である。標準的常法では、ＳＯＨは百分率（比に１００を乗算する）で表される。このパラメータは電池の健全性を示す。典型的には、電池は、それが定格容量の７０％に達するまで、車両で作動することができる。電池は、健全性が７０％未満に低下すると、交換しなければならない。

ＳＯＨの推定は、方程式１から得られるＳＯＣの変化および電荷移動の知識から計算される、現在の電池容量の推定の後に行なわれる。
方程式１から、
式中、ｋは劣化の関数である。

電池容量は未知であると仮定され、ｋの値は次の通り推定される。
---方程式４
式中、
ＳＯＣ（ｔ_１）およびＳＯＣ（ｔ_２）は、電池が適切に休止しているとき、２つの異なる瞬間に記録されたＳＯＣである。

ｋ_ｅｓｔはｋの推定値である。

これらの場合に、ＳＯＣはＯＣＶの関数として得られる。

ｋの推定値から、電池劣化は次のように算出される。
---方程式５
---方程式６

ＳＯＨのより正確な結果のために、ｋ_ｅｓｔの値は、２つの瞬間の間に得られたＳＯＣの差が充分である場合、例えば４０である場合にだけ算出すべきである。ＳＯＨは緩やかに変動するパラメータであり、値がかなり変化するには複数の充放電サイクルを必要とするので、ＳＯＨの正確な値を得るには、複数のサイクルにわたって得られる劣化の平均を得る必要がある。

ステップ１：瞬間ｔ１におけるＯＣＶ対ＳＯＣ特性を用いたＳＯＣ（ＳＯＣ＿ｓｔ）は、電池が適切に休止しているときに算出される。

ステップ２：累積和を計算する。

ステップ３：別の瞬間ｔ２におけるＳＯＣ（ＳＯＣ＿ｅｎｄ）は、電池が休止しているときに算出される。

ステップ４：
である場合、方程式４を用いてｋ_ｅｓｔを計算する。そうでない場合はステップ１を繰り返す。

ステップ５：電池の％劣化を次の通り計算する

ステップ６：複数のサイクル（例えばｎサイクル）にわたる％劣化の平均を次の通り算出する。

ステップ７：ＳＯＨを次の通り算出する。

したがって、電池の正確な充電状態（ＳＯＣ）および健康状態（ＳＯＨ）を推定するための方法およびシステムは、電池の充放電サイクル中に、電池の温度および電池の劣化に依存する関数ならびにバッテリー電流（電池電流）およびバッテリー温度（電池温度）に依存する指数因子を利用する補正機構と累積補正ループとを交互に使用することを含み、前記方法およびシステムは、電池パラメータおよび電池の経年数決定のため生じる累積誤差を補正／補償する補正ループを含む。

当該方法およびシステムで呼び出される前記補正ループは、連続する瞬間におけるバッテリー電流がゼロに近く、電圧が一定のままであるとき、または電流が急激にゼロに低下するかあるいはゼロから急激に上昇したときに、使用される。使用される補正ループは電池の抵抗を計算する。

補正ループが使用されていないとき、電池のＳＯＣの推定中に、当該方法は電池の温度および電池の劣化に依存する関数（ｋ）、ならびにバッテリー電流およびバッテリー温度に依存する補正指数因子を利用する。

好適な実施形態では、図１に示す通り、当該方法は、電池の電流、電圧、および温度の初期値を測定するステップと、以前の記録から電池ＳＯＣの初期値を決定するか、あるいは前回の記録が無い場合、代替的に既知の対応するＯＣＶ値からＳＯＣを算出するステップと、連続する瞬間のバッテリー電流が閾値ＴＨ＿１より低く、それがゼロに近い場合には、補正ループを使用することによって瞬間「ｔ」のＳＯＣを決定するステップと、充放電サイクルの開始中または終了中に電圧の急激な低下または上昇があった場合には、補正ループを使用し、こうして抵抗を計算し、ＯＣＶが一定であり、よってバッテリー電流の変化が極小であると仮定することによって、瞬間「ｔ」のＳＯＣを決定するステップと、記載した条件が満たされない場合には補正ループを使用してＳＯＣを更新するステップと、電池の健康状態（ＳＯＨ）を計算し、それによって電池の温度および電池の劣化に依存する関数ｋの値を周期的に更新するステップとを含む。この手順は、得られた新しいサンプルに対して繰り返される。

図３に示す通り、本発明で開示するシステムは、第１入力装置（１）、第２入力装置（２）、プロセッサ（３）、および出力装置（４）から構成される。プロセッサ（４）は、提供された入力値に基づいて電池ＳＯＣを計算する。

図２に示す通り、ＳＯＨを算出するためのステップは、電池が適切に休止（停止）しているときにｋ_ｅｓｔを計算するステップと、電池の劣化百分率を計算するステップと、複数のサイクルにわたる劣化百分率の平均を算出するステップと、前に算出された値を用いてＳＯＨを算出するステップとを含む。

前記ＳＯＨの算出中にｋ_ｅｓｔを計算するためのステップは、電池が適切に休止しているときに瞬間ｔ１における既知の対応するＯＣＶ値を用いて初期電池ＳＯＣを算出するステップと、累積和を計算するステップと、別の瞬間ｔ２の最終電池ＳＯＣを算出するステップと、初期および最終電池ＳＯＣ間の差が４０より大きい場合にはｋ_ｅｓｔを計算し、そうでない場合には前のステップを繰り返すステップとを含む。初期ＳＯＣを算出するためのＳＯＣとＯＣＶとの間の関係を図４に示す一方、図５は電池のインピーダンスモデル表現を示す。

本発明の方法およびシステムは、様々な種類の電池および様々な用途のＳＯＣを決定するために利用することができる。ハイブリッド自動車の電池、電気自動車の電池、インバータの電池等のように、様々な用途に使用される電池に対し、ＳＯＣを決定することができる。さらに、電池ＳＯＣは、電池が使用されているときにオンラインで、あるいは電池が休止しているときにオフラインで、どちらでも決定することができる。上記の実施例は本発明の実施を解説するのに役立ち、特定の詳細は、本発明の好適な実施形態を分かり易く説明することを目的に、例として示したものであって、発明の範囲を限定するものではないと理解される。

Claims

電池の充電状態（ＳＯＣ）および健康状態（ＳＯＨ）を推定するための方法であって、前記方法は、
前記電池の温度および前記電池の劣化に依存する関数、ならびに前記電池の電流および前記電池の温度に依存する指数因子を利用する補正機構を適用するステップと、
１つまたは複数の累積誤差を補償するための累積補正ループを適用するステップであって、前記累積誤差は、前記電池の経年数を含む１つまたは複数の電池パラメータの変化によって生じるステップとを含み、
前記補正機構および前記累積補正ループは、異なる時間に適用され、同時に適用されることがないことを特徴とする方法。
前記累積補正ループは、
電圧の変化および電流の変化が１つまたは複数の連続する瞬間に対して一定である場合、
電流がゼロに低下する場合、または
電流がゼロから上昇する場合、という条件のうち、１つまたは複数の条件の間に適用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記累積補正ループは、前記電流がゼロに低下する場合、または前記電流がゼロから上昇する場合に適用される方法であって、前記方法は、前記電池の抵抗を計算することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記累積補正ループが適用されない場合、前記補正機構が前記電池のＳＯＣを推定するために適用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記方法が、
（ｉ）前記電池の電流、温度、および電圧の各初期値を測定するステップと、
（ｉｉ）前記ＳＯＣの以前の記録値が使用可能である場合、前記以前の記録値から電池のＳＯＣの初期値を決定し、前記ＳＯＣの以前の記録値が使用不可能である場合、既知の対
応する開放電圧（ＯＣＶ）値から前記ＳＯＣの初期値を算出するステップと、
（ｉｉｉ）１つまたは複数の連続する瞬間の前記電流が、ゼロである閾値電流より低い場合には、前記累積補正ループを適用することによって瞬間「ｔ」のＳＯＣを決定するステップと、
（ｉｖ）抵抗を計算すること、および、前記ＯＣＶが一定で電池の電流の変化が極小であると仮定することによって、充放電サイクルの開始時または終了時に電圧の低下または上昇があった場合に前記累積補正ループを適用することにより、瞬間「ｔ」の前記ＳＯＣを決定するステップと、
（ｖ）ステップ（ｉｉｉ）および（ｉｖ）の条件が満たされない場合には、前記補正機構を適用して前記ＳＯＣを更新するステップと、
（ｖｉ）前記電池の健康状態（ＳＯＨ）を計算し、前記電池の温度および前記電池の劣化に依存する前記関数の１つまたは複数のパラメータを周期的に更新するステップと、
（ｖｉｉ）新たに得られた１つまたは複数のサンプルに対してステップ（ｉｉ）から（ｖｉ）を繰り返すステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
１つまたは複数の入力装置から受信された、１つまたは複数の入力値に基づいて、前記ＳＯＣを計算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記電池が休止しているとき、前記電池の劣化の推定値を計算し、
前記電池の劣化百分率を計算し、
複数サイクルにおける劣化百分率の平均を算出し、および、
前記劣化の推定値、前記劣化百分率、または複数サイクルにおける前記劣化百分率の平均の少なくとも１つを使用して前記ＳＯＨを算出することによって、前記ＳＯＨを算出するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記電池の劣化の推定値を算出するステップが、
（ｉ）前記電池が休止しているときに瞬間ｔ１の既知の対応するＯＣＶ値を使用して前記ＳＯＣの初期値を算出するステップと、
（ｉｉ）累積和を計算するステップと、
（ｉｉｉ）前記瞬間ｔ１とは別の瞬間ｔ２の、前記ＳＯＣの最終値を算出するステップと、
（ｉｖ）前記ＳＯＣの初期値および最終値の差が４０％より大きい場合には、前記電池の劣化の推定値を計算し、そうでない場合にはステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
電池の充電状態（ＳＯＣ）および健康状態（ＳＯＨ）を推定するためのシステムであって、前記システムは、
前記電池の温度および前記電池の劣化に依存する関数、ならびに前記電池の電流および前記電池の温度に依存する指数因子を利用する補正機構を適用し、および、
１つまたは複数の累積誤差を補償するための累積補正ループを適用するように構成されたプロセッサであって、前記累積誤差は、前記電池の経年数を含む１つまたは複数の電池パラメータの変化によって生じることを特徴とするプロセッサを備え、
前記補正機構および前記累積補正ループは、異なる時間に適用され、同時に適用されることがないことを特徴とするシステム。
前記プロセッサは、
前記累積補正ループが、
電圧の変化および電流の変化が１つまたは複数の連続する瞬間に対して一定である場合、
電流がゼロに低下する場合、または
電流がゼロから上昇する場合、という条件のうち、１つまたは複数の条件の間に適用されるように構成されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記プロセッサは、前記電流がゼロに低下する場合、または前記電流がゼロから上昇する場合に前記累積補正ループが適用されるように構成され、前記プロセッサは、前記電池の抵抗を計算するようにさらに構成されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記累積補正ループが適用されない場合、前記プロセッサは、前記電池のＳＯＣを推定するために前記補正機構を適用するように構成されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記プロセッサは、
（ｉ）前記電池の電流、温度、および電圧の各初期値を測定し、
（ｉｉ）前記ＳＯＣの以前の記録値が使用可能である場合、前記以前の記録値から電池のＳＯＣの初期値を決定し、前記ＳＯＣの以前の記録値が使用不可能である場合、既知の対応する開放電圧（ＯＣＶ）値から前記ＳＯＣの初期値を算出し、
（ｉｉｉ）１つまたは複数の連続する瞬間の前記電流が、ゼロである閾値電流より低い場合には、前記累積補正ループを適用することによって瞬間「ｔ」のＳＯＣを決定し、
（ｉｖ）抵抗を計算すること、および、前記ＯＣＶが一定で電池の電流の変化が極小であると仮定することによって、充放電サイクルの開始時または終了時に電圧の低下または上昇があった場合に前記累積補正ループを適用することにより、瞬間「ｔ」の前記ＳＯＣを決定し、
（ｖ）ステップ（ｉｉｉ）および（ｉｖ）の条件が満たされない場合には、前記補正機構を適用して前記ＳＯＣを更新し、
（ｖｉ）前記電池の健康状態（ＳＯＨ）を計算し、前記電池の温度および前記電池の劣化に依存する前記関数の１つまたは複数のパラメータを周期的に更新し、
（ｖｉｉ）新たに得られた１つまたは複数のサンプルに対してステップ（ｉｉ）から（ｖｉ）を繰り返すように、さらに構成されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
第1入力装置、第２入力装置および出力装置をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記第1入力装置および前記第２入力装置から受信された、１つまたは複数の入力値に基づいて、前記ＳＯＣを計算するようにさらに構成されることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
前記プロセッサは、
前記電池が休止しているとき、前記電池の劣化の推定値を計算し、
前記電池の劣化百分率を計算し、
複数サイクルにおける劣化百分率の平均を算出し、および、
前記劣化の推定値、前記劣化百分率、または複数サイクルにおける前記劣化百分率の平均の少なくとも１つを使用して前記ＳＯＨを算出することによって、前記ＳＯＨを算出するように構成されることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
前記プロセッサは、
（ｉ）前記電池が休止しているときに瞬間ｔ１の既知の対応するＯＣＶ値を使用して前記ＳＯＣの初期値を算出し、
（ｉｉ）累積和を計算し、
（ｉｉｉ）前記瞬間ｔ１とは別の瞬間ｔ２の、前記ＳＯＣの最終値を算出し、
（ｉｖ）前記ＳＯＣの初期値および最終値の差が４０％より大きい場合には、前記電池の劣化の推定値を計算し、そうでない場合にはステップ（ｉ）から（ｉｉｉ）を繰り返すことによって、前記電池の劣化の推定値を計算するように構成されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。