JP6240369B2 - バッテリーの充電状態を決定するためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Description
1.直接的方法、すなわちクーロン計数法。
2.間接的方法、すなわちバッテリー特性すなわちSOC対OCVおよびバッテリー回路モデルを使用する方法。
手法1:バッテリーが動作しているときはいつでも直接的方法のみを使用する。この手法は、バッテリーを休止させた後開放電圧を測定するときにSOC対OCV特性から得られる、SOCの初期値を必要とする。
メータの推定は、特にバッテリー電流が高い間、およびバッテリー電流が略一定である間にも、不正確さを免れない。
時には使用されず、バッテリー電流状態によって交互にまたは条件付きで使用されるようにし、システムの始動、最小二乗法を用いたバッテリーの健康状態(SOH)の決定およびバッテリー容量の決定の後に、DCオフセット電流およびバッテリーキャパシタンス誤差を最小化し、それによってバッテリーの正確な充電状態(SOC)の決定中にモデリング誤差およびパラメータ推定誤差を補償する方法およびシステムを開示する。
1)バッテリーの充電状態(SOC)は、バッテリーが保持できる最大電荷に対するバッテリーに蓄積された電荷の比である。SOCはしばしば百分率で表現される。
2)バッテリーの健康状態(SOH)は、定格または未使用のバッテリー容量に対する実際のバッテリー容量の比である。それは、理想的な状態と比較したバッテリーの状態の性能指数でもある。SOHはしばしば百分率で表現される。
3)OCVは開放電圧を表す。それは、外部負荷が接続されていないとき、すなわち開回路状態のときの装置の2つの端子間の電位差である。
4)「T」はサンプリング周期を表す。それはサンプル間の時間である。
5)「I」はアンペア単位で表現される計測電流である。
6)「d」はアンペア単位で表現されるオフセット電流である。
7)「C」はクーロン単位で表現されるバッテリー容量を表す。それは、蓄積することのできる電荷の量である。
8)Rはオーム単位で表現される抵抗を表す。
直接的方法:
定義により、SOCは、バッテリーの容量に対しバッテリーに残留している電荷の比である。標準的常法ではSOCを百分率で表現する。バッテリーのSOCは充電によって増大し、放電によって低下する。
SOCとバッテリー電流(充電または放電)間の関係は、次の方程式で表される。
---方程式1
式中、
SOC(t2)は時間t2におけるバッテリーのSOCである。
SOC(t1)は時間t1におけるバッテリーのSOCであり、ここでt2>t1である。
i(t)は測定されたアンペア単位のバッテリー電流である。
Cはクーロン単位で表現されるバッテリー容量である。
dは電流オフセットである。
---方程式2
式中、
SOC(n)はn番目のサンプル時間のSOCである。
SOC(n−1)は(n−1)番目のサンプル時間のSOCである。
ΔTはサンプリング周期(典型的には1秒)である。
I[n]はバッテリー電流である。
Cはバッテリー容量(クーロン単位で表現される)である。
dは電流オフセットである。
リチウムイオンバッテリーのOCVがバッテリーのSOCのみに依存し、温度、バッテリー容量またはバッテリーの負荷もしくは充電プロファイルの履歴のような他の因子には依存しないことは、充分に確立された経験的事実である。OCVとSOCとの間の関係は通常非線形であり、それを図2に示す。バッテリーのOCVが分かれば、バッテリーのSOCは、バッテリー特性またはOCV対SOCの補間付きルックアップテーブルを参照することによって見出すことができる。
---方程式3
に従って、バッテリー端子電圧Vbおよびバッテリー電流Ibの知識はACインピーダン
スZの知識と共に、OCVを求めるのに充分である。OCVが決定されると、図2に示した関係から対応するSOCを推定することができる。
1.電流の大きさが小さい(閾値より低い)とき。
2.バッテリーが定常(または静的)状態に達した(または緩和した)とき。
上記の状態のため、ACインピーダンスの代わりに単純な抵抗モデルを利用することができる。電流が小さいので、Z(またはR)の推定の誤差は、方程式3の通りOCVの推定に対する影響が小さい。
1.前回のサンプル時間にSOCが推定されたとき。
2.バッテリー電流の大きさが閾値すなわちTH_3より高いとき。
3.バッテリーが過渡状態にあるとき、すなわちそれがまだ緩和されていないとき。
方程式3に従って、OCVを求めるために、Z(またはR)、Vb、およびIbを知る必要がある。定常状態の状況中にだけ間接的方法が使用されるので、ACインピーダンスZは抵抗Rに置き換えられる。
方程式3は、時間領域において離散化形式で次のように書き換えられる。
---方程式4
バッテリー抵抗Rのオンライン推定のための方程式は、方程式4から次のように導出される。
この方程式は(n−1)番目のサンプル用である。
そして、
この方程式はn番目のサンプル用である。
(n−1)番目および次のn番目のサンプル時間中は一定として処理される。すると上の2つの方程式は次のように書き換えられる。
および、
したがって抵抗は次式によって算出される。
ステップ1:システムの始動が行われる。キーオン後に、キーオフ直前にEEPROMに保存された様々な状態が読み出される。例えば、前回に算出されたバッテリー容量「C」、DC電流オフセット「d」、差分SOC(Ak)値、および荷電移動(Bk)値がこの瞬間に読み出される。バッテリー容量の推定およびSOHの算出に最小平均二乗(LMS)点が使用される。
るSOCの変化は低くなる。したがってTH_2はバッテリー容量に比例する。TH_2が小さければ、Rの推定の精度は改善されるが、時間的に変化するバッテリー抵抗Rの更新率は低下する。
一般的に百分率で表されるSOHは、定格または未使用のバッテリー容量に対する実際のバッテリー容量の比である。このパラメータはバッテリーの健全性を示す。典型的には、バッテリーは、バッテリーがその定格容量の70%(すなわち80%SOH)に達するまで、車両で機能することができる。バッテリーは、健全度が70%未満に低下すると、交換しなければならない。
または
式中、AはSOCの差であり、Bは測定された電流すなわち測定された電荷移動の累積である。
Cおよびdは未知である。
X=[(A1,1),(A2,1),...(An,1)]Tはn×2の行列である。
Y=[B1,B2,..,Bn]Tはn×1の行列である。
SOHを決定するステップ:
X=[(A1,1),(A2,1),...(An,1)]Tはn×2の行列である。
Y=[B1,B2,..,Bn]Tはn×1の行列である。
[C,d]T=(XTX)−1XTY
Cはバッテリー容量であり、dはDC電流測定オフセットである。
ら整数値だけ減分されるときに、瞬間「n」に直接的方法を呼び出すことを含む。
こと、図式法を用いてバッテリーのSOCを推定することを含む。
Claims (15)
- バッテリーが過渡状態にあり、バッテリーの電流の大きさが予め定められた第1の閾値より大きい場合に、直接的方法を使用して前記バッテリーの充電状態(SOC)を決定するステップであって、前記直接的方法は、前記バッテリーの前回のSOC、計測されたバッテリーの電流、電流オフセットおよび前記バッテリーの容量に基づいて前記SOCを決定することを特徴とするステップと、
前記バッテリーが定常状態にあり、前記バッテリーの電流の大きさが予め定められた第2の閾値より低い場合に、間接的方法を使用して前記バッテリーのSOCを決定するステップであって、前記間接的方法は、バッテリーモデルおよびバッテリーの開放電圧(OCV)とバッテリーの充電状態(SOC)との相関関係に基づいてSOCを決定することを特徴とし、さらに、前記直接的方法および前記間接的方法は同時に使用されないステップと、
前記バッテリーに関連するシステムの始動後、最小二乗法を使用して前記バッテリーの健康状態(SOH)および前記バッテリーの推定容量を決定するステップと、
(a)最初に、前記間接的方法による推定SOCの助けを得て最小二乗法を用いて前記バッテリーの容量およびSOHを決定するステップと、
(b)瞬間「n」に前記バッテリーの電圧、電流、および温度をサンプリングするステップと、
(c)前記バッテリーの電流の大きさの変化が予め定められた第3の閾値より大きい場合、および前記バッテリーの電流の大きさが予め定められた第4の閾値より低い場合に、瞬間「n」の前記バッテリーの抵抗値を決定するステップと、
(d)前記バッテリーが前記定常状態に到達しておらず、かつ前記バッテリーの電流の大きさが、前記予め定められた第1の閾値より大きい場合に前記直接的方法、または
前記バッテリーの電流の大きさが前記予め定められた第1の閾値より低く、かつ緩和カウンタが設定値から整数値だけ減分される場合に前記直接的方法、または、
前記バッテリーが定常状態に到達し、前記バッテリーの電流の大きさが前記予め定められた第2の閾値より低い場合に前記間接的方法、
のうち、少なくとも1つを使用して、瞬間「n」の前記SOCを決定するステップと、
(e)最小平均二乗法によって前記SOCを用いて前記バッテリーの推定容量を算出するステップと、
(f)前記決定されたSOCを使用して前記バッテリーの前記SOHを決定するステップと、
(g)ステップ(b)から(f)を繰り返し、前記SOCに関連する1つまたはそれ以上の新しい変数を測定するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 前記バッテリーの電流の大きさは前記予め定められた第1の閾値より大きく、かつ前記バッテリーがまだ緩和カウンタを設定するための前記定常状態に到達しておらず、
さらに、前記直接的方法を使用して前記SOCを決定するステップは、
(a)最小二乗法を用いて前記バッテリーの推定容量および前記バッテリーのSOHを周期的に決定し、かつ前記直接的方法で使用される前記推定容量およびDCオフセットを更新するステップと、
(b)瞬間「n」に前記バッテリーの前記電圧、電流および温度をサンプリングするステップと、
(c)前回の瞬間「n−1」の前記SOCを決定するステップと、
(d)「n−1」と「n」の間の変動サンプリング周期で前記バッテリーの電流をサンプリングするステップと、
(e)前記容量およびDCオフセット値を測定するステップと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記バッテリーの電流の大きさが前記予め定められた第1の閾値より大きく、かつ緩和カウンタが設定値から減分され、
さらに、前記直接的方法を用いた前記SOCの決定は、
(a)最小二乗法を用いて前記バッテリーの推定容量および前記バッテリーのSOHを周期的に決定するステップと、
(b)瞬間「n」に前記バッテリーの前記電圧、電流および温度をサンプリングするステップと、
(c)前記バッテリーの電流の大きさが予め定められた第3の閾値より大きい場合、または、前記バッテリーの電流の大きさが予め定められた第4の閾値より低い場合に、瞬間「n」の前記バッテリーの抵抗値を決定するステップと、
(d)前回の瞬間「n−1」の前記SOCを決定するステップと、
(e)「n−1」と「n」の間の変動サンプリング周期で前記バッテリーの電流をサンプリングするステップと、
(f)前記推定容量およびDCオフセット値を測定するステップと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記バッテリーは前記定常状態に到達し、前記バッテリーの電流の大きさが前記予め定められた第2の閾値より低く、
前記間接的方法を用いた前記SOCの決定は、
(a)最小二乗法を用いて前記バッテリーの容量および前記バッテリーの前記SOHを周期的に決定するステップと、
(b)瞬間「n」に前記バッテリーの前記電圧、電流および温度をサンプリングするステップと、
(c)前記バッテリー端子電圧、バッテリーの電流、およびバッテリーの抵抗性インピーダンスを測定することにより、前記バッテリーの開放電圧(OCV)を決定するステップと、
(d)前記開放電圧(OCV)とバッテリーのSOCとの相関関係から、前記バッテリーの開放電圧(OCV)に対応するバッテリーのSOCを推定するステップとを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 瞬間「n」と前回の瞬間「n−1」の間の、バッテリーの電流の変化の大きさが、閾値
より大きいときに前記バッテリーの抵抗を決定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。 - 前回の瞬間「n−1」の前記バッテリーの電流または瞬間「n」の前記バッテリーの電流のいずれかが閾値より低い場合、前記バッテリーの抵抗を決定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。
- 緩和カウンタを前記バッテリーの温度および前記バッテリーの電流の大きさに基づく緩和時間に対応する整数値に設定するために、前記バッテリーを前記定常状態にしないように決定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。
- 前記バッテリーの電流の大きさが前記予め定められた第1の閾値より低いときに、緩和カウンタがファクタ1だけ減少され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SOHの決定は、
(a)様々な瞬間に前記間接的方法によって前記SOCをサンプリングするステップであって、2つの連続するSOC間の差の大きさは予め定められた第5の閾値より大きいステップと、
(b)2つの連続するサンプルの間に累積された電流または電荷移動を算出するステップと、
(c)ステップaおよびbで推定された1つまたはそれ以上のパラメータを用いて最小二乗法によって、前記容量を算出するステップと、
(d)ステップcで算出された前記容量を用いて前記SOHを算出するステップと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記2つの連続するSOC間の差の大きさが、前記予め定められた第5の閾値より大きいときに、前記容量が決定されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 前記バッテリーがリチウム系バッテリーであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 処理装置を含むシステムであって、前記処理装置は、
バッテリーが過渡状態であり、バッテリーの電流の大きさが予め定められた第1の閾値より大きい場合、直接的方法を使用して前記バッテリーの充電状態(SOC)を決定し、前記直接的方法は、前記バッテリーの前回のSOC値、測定されたバッテリーの電流、電流オフセットおよび前記バッテリーの容量に基づいて、前記SOCを決定することを特徴とし、
前記バッテリーが定常状態であり、前記バッテリーの電流の大きさが予め定められた第2の閾値より低い場合、間接的方法を使用して前記バッテリーのSOCを決定し、前記間接的方法は、バッテリーモデルおよびバッテリーの開放電圧(OCV)とバッテリーの充電状態(SOC)との相関関係に基づいて、前記SOCを決定し、さらに、前記直接的方法および前記間接的方法は同時に使用されないことを特徴とし、
最小二乗法を使用して、前記バッテリーの健康状態(SOH)および前記バッテリーの推定容量を決定することを特徴とし、
前記処理装置が、
(a)最初に、前記間接的方法による推定SOCの助けを得て、周期的に最小二乗法を用いてバッテリーの容量およびバッテリーの健康状態(SOH)を決定し、
(b)瞬間「n」に前記バッテリーの前記電圧、電流および温度をサンプリングし、
(c)前記バッテリーの電流の大きさの変化が予め定められた第3の閾値より大きく、
かつ前記バッテリーの電流の大きさが予め定められた第4の閾値より低い場合に、瞬間「n」の前記バッテリーの抵抗値を決定し、
(d)前記バッテリーが前記定常状態に到達しておらず、前記バッテリーの電流の大きさが、前記予め定められた第1の閾値より大きい場合は前記直接的方法を、または
前記バッテリーの電流の大きさが前記予め定められた第1の閾値より低く、かつ緩和カウンタが設定値から整数値だけ減分される場合は前記直接的方法を、または、
前記バッテリーが充分に緩和され、前記バッテリーの電流の大きさが前記予め定められた第2の閾値より低い場合は前記間接的方法を使用して、
瞬間「n」に、前記SOCを決定し、
(e)最小二乗法によって前記SOCを用いて前記バッテリーの容量を算出し、
(f)前記決定されたSOCを使用して前記バッテリーのSOHを決定し、
(g)ステップ(b)から(f)を繰り返し、前記SOCに関連する1つまたはそれ以上の新しい変数を計測するように構成されることを特徴とするシステム。 - 前記バッテリーの電流の大きさは前記予め定められた第1の閾値より大きく、前記バッテリーは緩和カウンタを設定するための前記定常状態にまだ到達しておらず、前記処理装置は、
(a)最小二乗法を用いて前記バッテリーの前記容量およびSOHを周期的に決定するとともに、前記直接的方法で使用される前記容量とDCオフセットを更新し、
(b)瞬間「n」に前記バッテリーの前記電圧、電流および温度をサンプリングし、
(c)前回の瞬間「n−1」の前記SOCを決定し、
(d)「n−1」と「n」の間での変動サンプリング周期で前記バッテリーの電流をサンプリングし、
(e)前記推定容量およびDCオフセット値を測定することによって、前記直接的方法を使用して前記SOCを決定するように構成されることを特徴とする請求項12に記載のシステム。 - 前記バッテリーの電流の大きさは前記予め定められた第1の閾値より大きく、緩和カウンタは設定値から減分され、
前記処理装置は、
(a)最小二乗法を用いて前記バッテリーの前記推定容量およびSOHを周期的に決定し、
(b)瞬間「n」に前記バッテリーの前記電流、電圧および温度をサンプリングし、
(c)前記バッテリーの電流の大きさが予め定められた第2の閾値より大きい場合、または、前記バッテリーの電流の大きさが予め定められた第3の閾値より低い場合に、瞬間「n」の前記バッテリーの抵抗値を決定し、
(d)前回の瞬間「n−1」の前記SOCを決定し、
(e)「n−1」と「n」の間での変動サンプリング周期で前記バッテリーの電流をサンプリングし、
(f)前記推定容量およびDCオフセット値を測定することによって、前記直接的方法を使用して前記SOCを決定するように構成されることを特徴とする請求項12に記載のシステム。 - 前記バッテリーは前記定常状態に到達し、前記バッテリーの電流の大きさは前記予め定められた第2の閾値より低いことを特徴とし、
前記処理装置は、
(a)周期的に最小二乗法を使用して、前記バッテリーの前記容量およびSOHを決定し、
(b)瞬間「n」に前記バッテリーの前記電流、電圧および温度をサンプリングし、
(c)前記バッテリーの電流、バッテリー端子電圧、およびバッテリーの抵抗性インピ
ーダンスを測定することにより、前記バッテリーの開放電圧(OCV)を決定し、
(d)前記開放電圧(OCV)とバッテリーのSOCとの相関関係から、前記バッテリーの開放電圧(OCV)に対応するバッテリーの前記SOCを推定することによって、前記間接的方法を使用して前記SOCを決定するように構成されることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
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