JP6700996B2 - 電池状態推定装置および電池状態推定方法 - Google Patents
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Description
に関する。
SOC−OCVカーブは、電池の劣化状態や個体差等により変化する。そこで、従来技術として、劣化状態や固体差、温度によるSOC−OCVカーブをマップとして格納しておき、得られたデータから最適なSOC−OCVカーブを選択することが行われる。この場合、SOC−OCVカーブを充放電装置などの理想状態で事前に取得しておき車両データ設定しておくことが一般的である。ただし、上記に示した方法では、大量生産によるSOC−OCVカーブのバラつきや劣化によるSOC−OCVカーブの変化に対して、対応できず、SOC推定精度の悪化に繋がる。
また、多数のマップを用意するものではないので、膨大な記憶装置の容量を必要とせずに様々な生産バラつき、劣化状態に対応することができる。また、電池特性の異なるバッテリに対しても容易に状態推定を行うことができる。
(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る電池状態推定装置の構成を示す図である。本実施形態の電池状態推定装置は、例えば、当該電池状態推定装置が電池状態を推定する二次電池とともに、EVやHEV等の車両に搭載される。このように車両に搭載された場合には、電池状態推定装置はバッテリECU(Electric Control Unit)として機能する。
図1に示すように、電池状態推定装置100は、電流検出部101(電流検出手段)、電圧検出部102(電圧検出手段)、温度検出部103(温度検出手段)、抵抗算出部110、OCV算出部120(推定OCV算出手段)、SOC算出部130(推定SOC算出手段)、容量算出部140、SOC−OCV算出部150(SOC−OCVカーブ算出手段)を備える。
図2は、SOC−OCV算出部150が算出するSOC−OCVカーブを示す図である。
電流検出部101は、二次電池1への充電電流および二次電池からの放電電流の少なくとも一方の電流(以下、充放電電流ともいう)Iを検出する。
電圧検出部102は、二次電池1の端子間電圧Vを検出する。
温度検出部103は、二次電池1の温度Tを検出する。
抵抗算出部110は、検出した二次電池1の電流と端子間電圧から抵抗Rを算出する。詳細には、抵抗算出部110は、電流検出部101により検出された電流(以下、実電流ともいう)の微分値dIと電圧検出部102により検出された電圧(以下、実電圧ともいう)の微分値dVとから次式(1)に従って抵抗Rを算出する。
R=dV/dI …(1)
図3は、二次電池に電流を入力したときの二次電池の充放電電流の計測値と二次電池の電圧の計測値を示す図、図4は、図3の二次電池の等価回路モデル(コンデンサ成分は一次成分のみ図示)を示す図である。
二次電池の電圧および電流の計測値から内部抵抗とSOCを求める場合には、以下の関係式(式(2))が成り立つことを前提としている。
V(電圧計測値)=OCV(開路電圧)−K(内部抵抗)×I(電流計測値)
…(2)
上記内部抵抗Kを求めるために、式(2)の一次式を二次電池の簡易モデルとして内部抵抗のパラメータを含むパラメータ推定を行っている。一次式の近似手法としては逐次最小二乗法が知られているが、この手法のみでは二次電池の内部抵抗推定を正確に行うことはできない。
OCV算出部120は、検出値(電流I、端子間電圧CCV)および算出した抵抗(充電時と放電時の内部抵抗)から次式(3)に従ってOCV(推定OCV)を算出する。
OCV=CCV+IR …(3)
ここで、OCV(推定OCV)は、式(3)に示すように、OCV=CCV+IRで算出されるので、推定にSOC−OCVカーブ情報は必要ない。
SOC算出部130は、SOC−OCVマップ130aを有する。SOC−OCVマップ130aは、初期値を参照する場合に用いられる。
SOC算出部130は、算出したOCV(推定OCV)および電流積算値を用いて次式(4)に従ってSOC(推定SOC)を算出する。SOC(推定SOC)は、式(5)に示すように温度およびOCV(推定OCV)の関数fSOCで表される。
容量算出部140は、Ah(電流量)の微分値dAhとSOC(推定SOC)の微分値dSOCとから次式(6)に従って容量Capを算出する。
Cap=dAh/dSOC …(6)
SOC−OCV算出部150は、算出したOCV(推定OCV)、SOC(推定SOC)および検出した温度Tに基づいて、次式(7)に従ってSOC−OCVカーブを算出する。SOC−OCVカーブ算出の具体的手法については、後記する。
OCV=f(SOC,T) …(7)
また、SOC−OCV算出部150は、算出した推定OCVおよび推定SOCを記憶する記憶手段151を有する。
上記基準SOCは、二次電池1が使用される範囲で複数個設けられる場合がある。この場合、SOC−OCV算出部150は、各基準SOCのデータ蓄積後に前記SOC−OCVカーブを算出する。
SOC−OCV算出部150は、算出した前記SOC−OCVカーブを満充電時のSOCおよびOCVを基準としてオフセットさせる(後記図5参照)。
SOC−OCV算出部150は、算出したOCV(推定OCV)とSOC(推定SOC)からSOC−OCVカーブ(図2参照)を逐次推定することで、SOC−OCVカーブを学習する。ここで、上記推定OCVは、CCV−IRで算出されるため、推定にSOC−OCVカーブ情報は必要ない。また、上記推定SOCは、電流積算ベースのSOC算出を行っているため、SOC−OCVカーブの影響は少ない(初期容量が既知である)。上記推定OCVと推定SOCを使用することにより、SOC−OCVカーブが逐次推定可能になる。
また、SOC−OCVカーブおよび容量値は、長い年月をかけて初期値からゆっくりゆっくり変化していくような制御セッティングする必要がある。ちなみに、SOC−OCVカーブにヒステリシスがある場合は、原理的に、ヒステリシスも含んだOCV最頻値をSOC毎に推定する。
次に、SOC−OCVカーブのオフセット発生とその補正について説明する。
推定SOCは、電流積算ベースのSOCを用いる。ただし、初期値に関しては、SOC−OCVカーブから推定する必要がある。SOC−OCVカーブには、原理的にSOC−OCVカーブのオフセットが発生する。
図5は、SOC−OCVカーブのオフセット発生を説明する図であり、縦軸にOCVをとり、横軸にSOCをとる。図5(a)は、キャリブレーション値と真値を示し、図5(b)は、さらに推定値を重ねて示している。
SOC−OCVカーブのキャリブレーション値と真のSOC−OCVカーブが異なっている場合、初期推定SOCには上記2つのSOC−OCVカーブの差による誤差が発生する。この誤差を有したままにしておくと、SOC−OCVカーブの学習期は、SOC−OCVカーブを学習することになるため、学習した後のSOC−OCVカーブは真のSOC−OCVカーブと比較すると、オフセット誤差が生じた状態となる。そのため、SOC−OCVカーブの学習後にこのオフセット誤差を補正する必要がる。
図6(b)は、説明の便宜上、図5(b)を再掲したものである。図6(b)に示すように、初期値に関してSOC−OCVカーブのオフセットが発生する。このオフセット発生に対して、SOCが100%のOCVを用いてオフセット補正する。具体的には、図6(b)の推定値のSOCが100%のOCVを基点に、オフセット補正する。これにより、図6(c)に示すように、推定値は真値に対してオフセット補正される。
<中心極限定理>
図7および図8は、中心極限定理の概要を説明する図である。図7は、SOCが40%の場合の推定OCVと推定SOCのデータ点数を示す図、図8は、図7のデータ点数を積算した推定OCVSOCを示す図である。
図7において、±αは例えば0.5%である。SOC−OCV算出部150(図1参照)は、SOCが40%±αのデータを、SOCが40%のデータとして処理する。
SOC−OCV算出部150は、推定値のデータ点数とOCV値を積算していく。ここでは、SOC−OCV算出部150は、図7に示すデータ点数から次式(8)に従って推定値のデータ点数N40とOCV値OCV40を積算する。
SUM_OCV40=ΣOCV40 …(8)
ここで、どの程度のN数でOCV値が収束するかは、あらかじめ実行したテストから判断し、キャリブレーション値として設定できる仕様とする。また、OCV値の更新については、Gradient Descent法(勾配降下法)を用いる。
勾配降下法に基づく数式の一例は、次式(9)で表される。勾配降下法によれば、キャリブレーション値と学習値の差が大きい時は大きく動き、差が小さい時は小さく動くことになる。
OCVSOC=OCVSOC−α(OCVSOC−推定OCVSOC) …(9)
SOC−OCV算出部150(図1参照)は、各SOC毎にOCVSOCを算出する。
図9は、各SOC毎に算出したOCVSOCを示す図である。
図9に示すように、SOC−OCV算出部150は、最終的なSOC−OCVカーブの推定を行う。上述したSOC−OCVカーブのオフセット補正は、この時に行う。
図10は、電池状態推定装置100(図1参照)の電池状態推定方法を示すフローチャートである。
まず、ステップS11で各検出手段は、電流情報I、電圧情報CCV、温度情報Tを取得する。すなわち、電流検出部101は、電流情報Iを取得し、電圧検出部102は、電圧情報CCVを取得し、温度検出部103は、温度情報Tを取得する。
ステップS12でOCV算出部120は、検出値(電流I、端子間電圧CCV)および算出した抵抗から次式(2)に従ってOCV(推定OCV)を算出する。
ステップS13でSOC算出部130は、算出したOCV(推定OCV)および電流積算値を用いてSOC(推定SOC)を算出する。
ステップS14でSOC−OCV算出部150は、算出したOCV(推定OCV)とSOC(推定SOC)を取得する。
ステップS15のループ端でSOC−OCV算出部150は、使用SOC範囲におけるOCVが所定数得られるまでループする。
SOCが規定範囲内の場合(ステップS16:YES)、ステップS17でSOC−OCV算出部150は、そのSOCに対するOCVSOCを記憶手段151(図1参照)に蓄積する。
SOCが規定範囲外の場合(ステップS16:NO)、ステップS18でSOC−OCV算出部150は、SOCが規定範囲内か否かを判別する。
SOCが規定範囲内の場合(ステップS18:YES)、ステップS19でSOC−OCV算出部150は、そのSOCに対するOCVSOCを記憶手段151に蓄積する。
SOCが規定範囲外の場合(ステップS18:NO)、ステップS20でSOC−OCV算出部150は、使用範囲のSOC分について、SOCに対するOCVSOCを記憶手段151に蓄積する。
ステップS22でSOC−OCV算出部150は、データ点のリセットを行って本フローの処理を終了する。
また、多数のマップを用意するものではないので、膨大な記憶装置の容量を必要とせずに様々な生産バラつき、劣化状態に対応することができる。また、電池特性の異なるバッテリに対しても容易に状態推定を行うことができる。
例えば、電池特性推定方法、電池特性推定装置及びプログラムは、計算機能を独立したハードでもよいし、電池システムにおけるソフトウェアでもよい。したがって、電池特性推定方法、電池特性推定装置及びプログラムの計算、演算処理はコンピュータのプログラムでなくとも、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等を用いてもよい。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、図1及び図4に示すように、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、IC(Integrated Circuit)カード、SD(Secure Digital)カード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。また、本明細書において、時系列的な処理を記述する処理ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理(例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理)をも含むものである。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
101 電流検出部(電流検出手段)
102 電圧検出部(電圧検出手段)
103 温度検出部(温度検出手段)
110 抵抗算出部
120 OCV算出部(推定OCV算出手段)
130 SOC算出部(推定SOC算出手段)
130a SOC−OCVマップ
140 容量算出部
150 SOC−OCV算出部(SOC−OCVカーブ算出手段)
151 記憶手段
Claims (9)
- 電池の充放電電流を検出する電流検出手段と、
前記電池の端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
検出された前記電池の電流および電圧と、充電時と放電時の内部抵抗とに基づいて推定OCVを算出する推定OCV算出手段と、
算出した前記推定OCVおよび電流積算値に基づいて、前記推定OCVの関数で表される推定SOCを算出する推定SOC算出手段と、
算出した前記推定OCVおよび前記推定SOCを記憶する記憶手段と、
前記記憶手段に前記推定OCVおよび前記推定SOCのデータが、所定条件で蓄積された場合、蓄積された前記推定SOCのデータを用いて、SOC−OCVカーブを算出する
SOC−OCVカーブ算出手段と、
を備えることを特徴とする電池状態推定装置。 - 前記所定条件は、
基準SOC近傍の前記推定OCVのデータが所定数蓄積されたことである
ことを特徴とする請求項1記載の電池状態推定装置。 - 前記基準SOCは、前記電池が使用される範囲で複数個設けられており、
前記SOC−OCVカーブ算出手段は、
各前記基準SOCのデータ蓄積後に前記SOC−OCVカーブを算出する
ことを特徴とする請求項2記載の電池状態推定装置。 - 前記SOC−OCVカーブ算出手段は、
算出した前記推定OCVおよび前記推定SOCを基に、前記SOC−OCVカーブを逐次推定し、推定した前記SOC−OCVカーブを自動学習する
ことを特徴とする請求項1記載の電池状態推定装置。 - 前記SOC−OCVカーブ算出手段は、
所定数以上の前記推定OCVおよび前記推定SOCのデータを用いて前記SOC−OCVカーブを算出する
ことを特徴とする請求項1記載の電池状態推定装置。 - 前記SOC−OCVカーブ算出手段は、
算出した前記SOC−OCVカーブを満充電時のSOCおよびOCVを基準としてオフセットさせる
ことを特徴とする請求項1記載の電池状態推定装置。 - 前記電池の温度を検出する電池温度検出手段を備え、
前記推定SOC算出手段は、
検出した前記温度と前記推定OCVの関数で表される前記推定SOCを算出する
ことを特徴とする請求項1記載の電池状態推定装置。 - 前記電池の温度を検出する電池温度検出手段を備え、
前記SOC−OCVカーブ算出手段は、
算出した前記推定OCV、前記推定SOCおよび検出した前記温度に基づいて、前記SOC−OCVカーブを算出する
ことを特徴とする請求項1記載の電池状態推定装置。 - 電池の充放電電流を検出する電流検出工程と、
前記電池の端子間電圧を検出する電圧検出工程と、
検出された前記電池の電流および電圧と、充電時と放電時の内部抵抗とに基づいて推定OCVを算出する推定OCV算出工程と、
算出した前記推定OCVおよび電流積算値に基づいて、前記推定OCVの関数で表される推定SOCを算出する推定SOC算出工程と、
算出した前記推定OCVおよび前記推定SOCを記憶する記憶工程と、
前記記憶工程で記憶した前記推定OCVおよび前記推定SOCのデータが、所定条件で蓄積された場合、蓄積された前記推定SOCのデータを用いて、SOC−OCVカーブを算出するSOC−OCVカーブ算出工程と、
を有することを特徴とする電池状態推定方法。
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