JP6737490B2 - System identification method and system identification device - Google Patents
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Description
本開示は、システム同定方法及びシステム同定装置に関する。 The present disclosure relates to a system identification method and a system identification device.
バッテリのモデルを表すシステムのパラメータを同定する装置が知られている(例えば特許文献1参照)。 An apparatus for identifying a system parameter representing a battery model is known (for example, refer to Patent Document 1).
バッテリは、自動車に搭載されている場合、自動車が動作のために必要とする電流を供給するために放電する。放電電流が増大する場合、バッテリの過電圧の増大によって、バッテリの端子電圧が低下する。バッテリの端子電圧が低下した場合、バッテリは、自動車が必要とする電流を供給できないことがある。バッテリが自動車から要求される電流を供給できるか判定するために、バッテリの放電開始時の過電圧を高精度で推定することが求められる。 When installed in a vehicle, the battery discharges to provide the current the vehicle needs to operate. When the discharge current increases, the overvoltage of the battery increases and the terminal voltage of the battery decreases. If the terminal voltage of the battery drops, the battery may not be able to supply the current required by the vehicle. In order to determine whether the battery can supply the current required by the vehicle, it is necessary to estimate the overvoltage at the start of discharging the battery with high accuracy.
かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、バッテリの放電開始時の過電圧を高精度で推定できるシステム同定方法及びシステム同定装置を提供することにある。 An object of the present disclosure made in view of such circumstances is to provide a system identification method and a system identification device that can accurately estimate an overvoltage at the start of discharge of a battery.
上記課題を解決するために、第1の観点に係るシステム同定方法は、バッテリに流れる電流を入力とし、前記バッテリの過電圧を出力とするシステムの応答を推定するシステム同定装置によって実行される。前記システム同定方法は、前記バッテリに流れる電流、及び、前記バッテリの過電圧それぞれの、所定期間内における時系列データに基づいて、前記システムにFIRモデルとARXモデルとを含む前記バッテリのモデルを適用することによって前記システムを同定する第1ステップを含む。前記システム同定方法は、前記第1ステップで同定した前記システムに、入力開始時刻より前に電流が入力されず、且つ、前記入力開始時刻以降に電流が入力される場合における、前記入力開始時刻より後の推定対象時刻に前記システムが出力する前記バッテリの過電圧を、前記第1ステップで前記システムを同定するために適用された前記バッテリのモデルに基づいて推定する第2ステップを含む。前記時系列データのうち、前記FIRモデルに適用されるデータの数は、前記入力開始時刻から前記推定対象時刻までの時間をサンプリング周期で除した数に1を加えた数以上の数である。 In order to solve the above problems, the system identification method according to the first aspect is executed by a system identification device that estimates a response of a system that receives a current flowing in a battery as an input and outputs an overvoltage of the battery as an output. The system identification method applies a model of the battery including an FIR model and an ARX model to the system based on time series data of a current flowing through the battery and an overvoltage of the battery within a predetermined period. A first step of identifying the system by. In the system identification method, when no current is input to the system identified in the first step before the input start time and a current is input after the input start time, the system identification method is performed after the input start time. A second step of estimating an overvoltage of the battery output by the system at a later estimation target time based on the model of the battery applied to identify the system in the first step. Of the time series data, the number of data applied to the FIR model is equal to or more than a number obtained by adding 1 to the number obtained by dividing the time from the input start time to the estimation target time by the sampling period.
上記課題を解決するために、第2の観点に係るシステム同定装置は、バッテリに流れる電流を入力とし、前記バッテリの過電圧を出力とするシステムの応答を推定する応答推定部を備える。前記応答推定部は、前記バッテリに流れる電流、及び、前記バッテリの過電圧それぞれの、所定期間内における時系列データに基づいて、前記システムにFIRモデルとARXモデルとを含む前記バッテリのモデルを適用することによって前記システムを同定する。前記応答推定部は、同定した前記システムに入力開始時刻より前に電流が入力されず、且つ、前記入力開始時刻以降に電流が入力される場合に、前記入力開始時刻より後の推定対象時刻に前記システムが出力する前記バッテリの過電圧を、前記システムを同定するために適用された前記バッテリのモデルに基づいて推定する。前記時系列データのうち、前記FIRモデルに適用されるデータの数は、前記入力開始時刻から前記推定対象時刻までの時間をサンプリング周期で除した数に1を加えた数以上の数である。 In order to solve the above problems, a system identification device according to a second aspect includes a response estimation unit that estimates a response of a system in which a current flowing in a battery is input and an overvoltage of the battery is output. The response estimation unit applies a model of the battery including an FIR model and an ARX model to the system based on time series data of a current flowing in the battery and an overvoltage of the battery within a predetermined period. Thereby identifying the system. In the case where no current is input to the identified system before the input start time and a current is input after the input start time, the response estimation unit sets the estimated target time after the input start time. An overvoltage of the battery output by the system is estimated based on a model of the battery applied to identify the system. Of the time series data, the number of data applied to the FIR model is equal to or more than a number obtained by adding 1 to the number obtained by dividing the time from the input start time to the estimation target time by the sampling period.
第1の観点に係るシステム同定方法によれば、バッテリの放電開始時の過電圧が高精度で推定されうる。 According to the system identification method of the first aspect, the overvoltage at the start of discharging the battery can be estimated with high accuracy.
第2の観点に係るシステム同定装置によれば、バッテリの放電開始時の過電圧が高精度で推定されうる。 According to the system identification device of the second aspect, the overvoltage at the start of discharging the battery can be estimated with high accuracy.
図1に示されるように、一実施形態に係るシステム同定装置1は、オブザーバ10と、応答推定部20と、演算器25とを備える。
As shown in FIG. 1, the
システム同定装置1は、例えばプロセッサ又はマイクロコンピュータ等で構成されてよい。システム同定装置1が備える各構成部の機能は、プログラムをプロセッサ等で実行することによって実現されてもよいし、特定の処理に特化した専用のプロセッサによって実現されてもよい。システム同定装置1は、記憶部を含んでよい。記憶部は、例えば半導体メモリ又は磁気記憶装置等で構成されてよい。システム同定装置1は、その処理において取り扱うデータ又は情報等を記憶部に格納してよい。
The
システム同定装置1は、電流センサ2及び電圧センサ3を介してバッテリ4に接続される。システム同定装置1は、電流センサ2又は電圧センサ3を含んでもよい。
The
バッテリ4は、例えば二次電池であってよい。二次電池は、リチャージャブル・バッテリともいう。バッテリ4は、本実施形態においてリチウム・イオン・バッテリであるとする。バッテリ4は、他の種類のバッテリであってよい。
The
電流センサ2は、バッテリ4に流れる充放電電流を測定する。本実施形態において、時刻はtで表されるとする。充放電電流は、時刻の関数としてu(t)で表されるとする。電流センサ2は、充放電電流の測定値をシステム同定装置1に対して出力する。
The
電圧センサ3は、バッテリ4の端子電圧を測定する。本実施形態において、端子電圧は、時刻の関数としてy(t)で表されるとする。電圧センサ3は、端子電圧の測定値をシステム同定装置1に対して出力する。
The
バッテリ4の端子電圧は、バッテリ4の開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)と、バッテリ4の内部で発生する過電圧との和として表される。OCVは、バッテリ4の電気化学的平衡状態における電極間の電位差である。OCVは、バッテリ4に充放電電流が流れない場合のバッテリ4の端子電圧に対応する。過電圧は、内部インピーダンスで生じる電圧降下の大きさに対応する。内部インピーダンスは、バッテリ4の内部の電気化学反応の反応速度に応じて決定される。
The terminal voltage of the
バッテリ4の端子電圧は、バッテリ4に充放電電流が流れることによって変化する。バッテリ4がシステムとして表される場合、バッテリ4に流れる充放電電流は、システムへの入力に対応する。バッテリ4の端子電圧は、システムの出力に対応する。システム同定装置1は、バッテリ4を表すシステムのパラメータを同定する。
The terminal voltage of the
バッテリ4の状態は、バッテリ4のOCVと、バッテリ4の内部で発生する過電圧とをパラメータとして含むモデルによって表されうる。バッテリ4の状態を表すモデルは、図2に例示されるバッテリ等価回路4aで近似されるとする。バッテリ等価回路4aで近似されたモデルは、バッテリモデルともいう。バッテリ等価回路4aの入力は、バッテリ4に流れる充放電電流u(t)に対応する。充放電電流u(t)が矢印の向きに流れる場合に、バッテリ4が充電されるとする。つまり、矢印の向きは、バッテリ4を充電する電流の向きを表す。バッテリ4を充電する電流が流れる場合、u(t)は正の値であるとする。バッテリ4から放電電流が流れる場合、u(t)は負の値であるとする。バッテリ等価回路4aの出力は、バッテリ4の端子電圧y(t)に対応する。y(t)の符号は矢印の向きによって特定されるとする。図2において、矢印の先端側に位置する端子41aの電位が矢印の末端側に位置する端子41bの電位よりも高い場合に、y(t)は正の値であるとする。端子41a及び41bはそれぞれ、バッテリ4の正極端子及び負極端子に対応する。
The state of the
バッテリ4のOCVは、バッテリ等価回路4aにおいて電圧源42が出力する電圧として表される。電圧源42が出力する電圧は、時刻の関数としてOCV(t)で表される。OCV(t)の符号は、矢印の向きで特定されるとする。図2において、矢印の先端側の電位が矢印の末端側の電位よりも高い場合にOCV(t)は正の値であるとする。OCV(t)は、バッテリ4に充放電電流が流れない場合のバッテリ4の端子電圧に対応する。バッテリ4に充放電電流が流れない場合は、u(t)=0である場合ともいえる。u(t)=0である場合、y(t)=OCV(t)が成立する。
The OCV of the
バッテリ4の過電圧は、バッテリ等価回路4aにおいて内部インピーダンス44の両端の電圧として表される。バッテリ4の過電圧は、時刻の関数としてη(t)で表される。η(t)の符号は、矢印の向きで特定されるとする。図2において、矢印の先端側の電位が矢印の末端側の電位よりも高い場合にη(t)は正の値であるとする。u(t)が正の値である場合、η(t)は、正の値である。
The overvoltage of the
バッテリ4の端子電圧は、バッテリ4のOCVと過電圧との和で表される。つまり、y(t)=OCV(t)+η(t)が成り立つ。バッテリ4を充電する電流が流れる場合、つまり、u(t)が正の値である場合、η(t)は正の値となる。この場合、y(t)>OCV(t)が成立する。バッテリ4から放電電流が流れる場合、つまり、u(t)が負の値である場合、η(t)は負の値となる。この場合、y(t)<OCV(t)が成立する。
The terminal voltage of the
内部インピーダンス44は、例えば、図3に示されているように、抵抗R1〜R4及び容量C1〜C4を含むワールブルグインピーダンスと、抵抗R0とを直列に接続した回路によって表されてよい。抵抗R0は、バッテリ4の電解液内での泳動過程等に起因する抵抗を表す。ワールブルグインピーダンスは、バッテリ4内のイオンの拡散過程等に起因するインピーダンスを表す。バッテリ4の過電圧は、バッテリ等価回路4aに流れる電流によってバッテリ4の内部インピーダンス44で発生する電圧降下として表される。図3において、端子41cと端子41dとの間の電位差が過電圧に相当する。
The
ワールブルグインピーダンスは、4次のフォスタ型回路として表されている。4次のフォスタ型回路は、抵抗とコンデンサとが並列に接続されている4個の並列回路を含む。各並列回路は、直列に接続されている。4次のフォスタ型回路に含まれる4個の抵抗及び4個のコンデンサはそれぞれ、R1〜R4、及び、C1〜C4として表されている。内部インピーダンス44を表すフォスタ型回路の次数は、4次に限られず、3次以下であってもよいし、5次以上であってもよい。内部インピーダンス44は、フォスタ型回路に限られず、カウエル型回路で表されてもよいし、他の線形伝達関数モデルで表されてもよい。
The Warburg impedance is represented as a fourth-order Foster-type circuit. The quartic Foster-type circuit includes four parallel circuits in which a resistor and a capacitor are connected in parallel. Each parallel circuit is connected in series. The four resistors and the four capacitors included in the fourth-order Foster-type circuit are represented as R1 to R4 and C1 to C4, respectively. The order of the Foster-type circuit that represents the
各並列回路における電圧降下は、時刻の関数としてv1(t)〜v4(t)で表されるとする。抵抗R0における電圧降下は、R0×u(t)として表される。この場合、η(t)=R0×u(t)+v1(t)+v2(t)+v3(t)+v4(t)が成り立つ。 The voltage drop in each parallel circuit is represented by v 1 (t) to v 4 (t) as a function of time. The voltage drop across the resistor R0 is represented as R0×u(t). In this case, η(t)=R0×u(t)+v 1 (t)+v 2 (t)+v 3 (t)+v 4 (t).
バッテリ4を近似するバッテリ等価回路4aのパラメータは、ワールブルグインピーダンスを構成している抵抗R1〜R4の抵抗値と、容量C1〜C4の容量値と、抵抗R0の抵抗値とを含む。本実施形態において、バッテリ等価回路4aのパラメータは、予め設定されているとする。バッテリ等価回路4aのパラメータは、カルマンフィルタ等によって逐次推定されてもよい。
The parameters of the battery equivalent circuit 4a approximating the
バッテリ4のOCVは、バッテリ4の充電率(SOC:State Of Charge)の関数として表される。つまり、バッテリ4の状態は、バッテリ4のSOCと過電圧とによって表される。SOCは、バッテリ4の充電容量に対する充電量の比として表される。SOCとOCVとの間の関係は、SOC−OCV特性といわれる。SOC−OCV特性は、例えば図4に示されるグラフで表されうる。図4の横軸及び縦軸はそれぞれ、SOC及びOCVを示す。SOC−OCV特性は、予め実験等によって求められうる。オブザーバ10は、バッテリ4のSOC推定値と、バッテリ4のSOC−OCV特性とに基づいてバッテリ4のOCVを推定できる。オブザーバ10によるOCVの推定結果は、OCV推定値と称される。
The OCV of the
オブザーバ10は、バッテリ4のSOCと過電圧とを推定することによって、バッテリ4の状態を推定する。オブザーバ10によるSOC及び過電圧それぞれの推定結果は、SOC推定値及び過電圧推定値と称される。SOCは、時刻の関数としてSOC(t)で表されるとする。バッテリ4のモデルがバッテリ等価回路4aで近似される場合、システムの状態変数は、v1(t)〜v4(t)を含む。つまり、オブザーバ10は、SOC(t)と、v1(t)〜v4(t)とを推定する。
The
バッテリ4のSOCと過電圧とは、バッテリ4のモデルを表すシステムの状態変数に含まれる。つまり、オブザーバ10は、システムの状態変数を推定することによって、バッテリ4の状態を推定する。オブザーバ10は、状態推定器ともいう。オブザーバ10は、状態変数の少なくとも一部を直接観測できない場合に、入力と出力とに基づいて、直接観測できない状態変数を推定する。
The SOC and overvoltage of the
オブザーバ10は、バッテリ4の状態変数に含まれるSOC推定値に基づいて、バッテリ4のOCV推定値を算出できる。オブザーバ10は、バッテリ4のOCV推定値と、バッテリ4の過電圧推定値とに基づいて、バッテリ4の端子電圧を推定できる。オブザーバ10は、バッテリ4の端子電圧の測定値を取得し、端子電圧の測定値と端子電圧の推定値との差を推定誤差として算出する。オブザーバ10は、推定誤差に基づいて、バッテリ4を表すシステムの状態変数の推定値にフィードバックするパラメータを算出する。状態変数の推定値にフィードバックするパラメータは、状態変数補正値ともいう。オブザーバ10は、状態変数補正値として推定誤差と所定の係数行列との積を算出する。所定の係数行列は、オブザーバゲインともいう。オブザーバゲインの各要素は、バッテリに流れる充放電電流の関数であってもよいし、定数であってもよい。オブザーバゲインは、バッテリ4を表す等価回路のパラメータに基づいて、予め設定されている。
The
オブザーバ10は、状態変数推定部11と、OCV算出部12と、フィードバック部13とを備える。フィードバック部13は、端子電圧算出部14と、比較器15と、状態変数補正値算出部16とを備える。
The
状態変数推定部11は、電流センサ2から取得したバッテリ4に流れる充放電電流の測定値u(t)に基づいて、バッテリ4を表すシステムの状態変数としてバッテリ4のSOCと過電圧とを推定する。状態変数推定部11は、SOC推定値をOCV算出部12に出力し、過電圧推定値を端子電圧算出部14に出力する。SOC推定値は、SOC(t)の上に記号^を付した項として表されている。SOC(t)の上に記号^を付した項は、SOC^(t)と表されるとする。過電圧推定値は、過電圧を表すη(t)の上に記号^を付して表されている。η(t)の上に記号^を付した項は、η^(t)と表されるとする。
The state
OCV算出部12は、状態変数推定部11から取得したSOCの推定値と、SOC−OCV特性とに基づいて、OCV推定値を算出する。OCV推定値は、OCV(t)の上に記号^を付した項として表されている。OCV(t)の上に記号^を付した項は、OCV^(t)と表されるとする。OCV算出部12は、OCV推定値を端子電圧算出部14に出力する。
The
端子電圧算出部14は、OCV推定値と、過電圧推定値とに基づいて、端子電圧推定値を算出する。端子電圧推定値は、y(t)の上に記号^を付した項として表されている。y(t)の上に記号^を付した項は、y^(t)と表されるとする。端子電圧算出部14は、端子電圧推定値を比較器15に出力する。
The terminal
比較器15は、電圧センサ3から取得したバッテリ4の端子電圧の測定値y(t)と、端子電圧算出部14から取得した端子電圧推定値y^(t)とに基づいて、推定誤差を算出する。推定誤差は、y(t)の上に記号~を付した項として表されている。y(t)の上に記号~を付した項は、y~(t)と表されるとする。この場合、y~(t)=y(t)−y^(t)が成り立つ。比較器15は、推定誤差を状態変数補正値算出部16に出力する。
The
状態変数補正値算出部16は、推定誤差とオブザーバゲインとに基づいて、状態変数補正値を算出し、状態変数推定部11に出力する。状態変数推定部11は、状態変数補正値にさらに基づいて状態変数を推定することによって、状態変数の推定値に推定誤差をフィードバックし、状態変数の推定値を状態変数の真値に近づけることができる。
The state variable correction
オブザーバ10は、推定誤差のフィードバックによって、バッテリ4のOCVの推定値OCV^(t)を真値に近づけることができる。オブザーバ10は、OCV^(t)を演算器25に出力する。演算器25は、バッテリ4の端子電圧の測定値y(t)と、OCV^(t)との差をバッテリ4の過電圧として算出する。演算器25が算出した過電圧は、過電圧算出値と称されるとする。過電圧算出値は、ηc(t)と表されるとする。演算器25は、過電圧算出値ηc(t)を応答推定部20に出力する。応答推定部20は、バッテリ4の充放電電流の測定値u(t)、及び、バッテリ4の過電圧算出値ηc(t)それぞれを時系列データとして取得する。時系列データは、所定周期でサンプリングされたデータを含んでよい。所定周期は、適宜設定されてよい。応答推定部20は、u(t)及びηc(t)の時系列データに基づいて、バッテリ4を表すシステムのパラメータを同定する。応答推定部20は、同定したパラメータに基づいて、バッテリ4に所定電流が入力された場合のシステムの応答として、バッテリ4が出力する端子電圧を推定する。
The
図5に示されるように、一実施形態に係るシステム同定装置1は、車両100に搭載されるとする。車両100は、ガソリン又はディーゼル等を燃料として駆動するエンジンによって走行する自動車を含んでよいし、電気モータを動力として走行する自動車を含んでもよい。
As shown in FIG. 5, it is assumed that the
車両100は、バッテリ4をさらに搭載している。バッテリ4は、エンジンを始動させるセルモータ、又は、車両100の動力となる駆動モータ等のモータに、放電電流を供給する。バッテリ4は、車両100の制動時に電気モータが回生する電力、エンジンに取り付けられているオルタネータが発電する電力、又は、地上充電設備が供給する電力等を充電してよい。
The
車両100は、ECU(Engine Control Unit)等のコントローラ110を備えてよい。コントローラ110は、車両100の走行状態に応じてエンジン又はモータを制御する。コントローラ110は、システム同定装置1と別個に構成されてよい。この場合、コントローラ110は、システム同定装置1からバッテリ4のモデルを表すシステムの同定結果等の種々の情報を取得してよい。コントローラ110は、その機能の一部として、システム同定装置1の機能を実現してもよい。本実施形態において、コントローラ110がシステム同定装置1の機能を実現すると仮定する。
The
車両100は、表示部70をさらに備えてよい。コントローラ110は、車両100に関する種々の情報を表示部70に表示させてよい。表示部70は、例えば、バッテリ4の状態に関する情報を表示してよい。このようにすることで、車両100は、運転者に種々の情報を知らせることができる。
The
コントローラ110は、車両100の発進又は停止等の動作に応じて、バッテリ4に放電させたり、バッテリ4を充電したりする。つまり、バッテリ4の充放電電流は、車両100の動作に応じて変化する。バッテリ4の充放電電流が変化する場合、バッテリ4の内部インピーダンス44における電圧降下を表す過電圧が変化する。バッテリ4の内部インピーダンス44は、バッテリ4のモデルを表すシステムのパラメータに含まれる。つまり、バッテリ4の過電圧は、バッテリ4のモデルを表すシステムのパラメータと、バッテリ4の充放電電流とに基づいて決定される。
The
バッテリ4は、例えばセルモータが自動車のエンジンを始動させることができるようにセルモータに対してその駆動に必要な電流を供給する。この場合、バッテリ4が放電する電流が急激に増大するとともに、バッテリ4の過電圧が高くなる。バッテリ4が放電する場合において、バッテリ4の端子電圧は、開回路電圧から過電圧を差し引いた電圧として表される。つまり、バッテリ4の端子電圧は、放電電流の増大によって低下する。バッテリ4の端子電圧の低下によって、バッテリ4は、セルモータの駆動のために必要とされる電流を供給できなくなることがある。
The
コントローラ110は、車両100の停止時にエンジンをアイドリングストップさせることがある。コントローラ110は、アイドリングストップ後にエンジンを再始動できるか判定し、エンジンを再始動できると判定した場合にエンジンをアイドリングストップさせてよい。コントローラ110は、バッテリ4の状態に基づいてエンジンを再始動できるか判定してよい。つまり、コントローラ110は、バッテリ4の状態に基づいて、エンジンをアイドリングストップさせるか判定してよい。
The
バッテリ4が放電し始めた時のバッテリ4の内部抵抗が大きい場合、バッテリ4は、エンジンを再始動させるために必要とされる電流を供給できないことがある。コントローラ110は、所定電流の入力に応じた過電圧の出力を推定してよい。コントローラ110は、バッテリ4がエンジンを再始動させるために供給する電流を所定電流としてシステムに入力し、システムの応答としての過電圧を推定し、推定結果に基づいて所定電流を供給できるか判定してよい。
If the internal resistance of
コントローラ110は、バッテリ4が放電し始めたときのバッテリ4の内部抵抗を推定することによって、エンジンを再始動できるか判定してよい。コントローラ110は、バッテリ4が放電し始めた時刻からt秒後の時刻におけるバッテリ4の内部抵抗に基づいて、エンジンを再始動できるか判定してよい。バッテリ4が放電し始めた時刻からt秒後の時刻におけるバッテリ4の内部抵抗は、t秒値抵抗と称される。コントローラ110は、t秒値抵抗が判定基準値未満である場合に、エンジンを再始動できると判定してもよい。判定基準値は、バッテリ4が供給できる電流の大きさに基づいて設定されてよい。判定基準値は、この例に限られず適宜設定されてよい。
The
例えば、バッテリ4は、少なくとも、エンジンがアイドリングストップから再始動する際にクランキングを行うための時間分、モータを駆動するための電流を放電する必要がある。エンジンがクランキングを行うための時間は、クランキング時間とも称される。クランキング時間は、例えば0.1秒に設定される。この場合、コントローラ110は、クランキング時間をt秒として設定した場合のt秒値抵抗が判定基準値未満である場合にエンジンがアイドリングから再始動できると判定してもよい。
For example, the
例えば、エンジンとモータとを搭載する車両は、エンジン走行中に必要に応じてモータを駆動してエンジンをアシストすることがある。このような車両は、パラレル式ハイブリッド車両とも称される。パラレル式ハイブリッド車両において、加速走行時又は登坂走行時等のエンジン負荷が大きい場合に、バッテリ4は、モータがエンジンをアシストする時間分、モータを駆動するための電流を放電する必要がある。モータがエンジンをアシストする時間は、アシスト時間とも称される。アシスト時間は、例えば10秒に設定される。この場合、コントローラ110は、アシスト時間をt秒として設定した場合のt秒値抵抗が判定基準値未満である場合にモータがエンジンをアシストできると判定してもよい。コントローラ110は、t秒値抵抗が判定基準値未満となる条件を満たすようにtの値を算出することによって、モータがエンジンをアシストできる時間を算出してもよい。コントローラ110は、アシスト時間に対応するt秒値抵抗を逐次更新することによって、モータによるアシストが可能となる時間を継続的に推定できる。
For example, a vehicle equipped with an engine and a motor may drive the motor as needed while the engine is running to assist the engine. Such a vehicle is also called a parallel hybrid vehicle. In a parallel hybrid vehicle, when the engine load is large during acceleration traveling or uphill traveling, the
例えば、エンジンとモータとを搭載する車両は、モータによって走行しつつ、エンジンが発電してモータへの電力供給とバッテリ4の充電とを行うことがある。このような車両は、シリーズ式ハイブリッド車両とも称される。シリーズ式ハイブリッド車両は、バッテリ4の電力だけでモータを駆動して走行するEVモードと、バッテリ4の電力とエンジンが発電する電力とモータを駆動して走行するハイブリッドモードとを、走行モードとして有する。シリーズ式ハイブリッド車両において、エンジンが発電する電力をできるだけ減らすために、走行モードを優先的にEVモードにすることがある。バッテリ4は、車両がEVモードで走行する時間分、モータを駆動するための電流を放電する必要がある。車両がEVモードで走行する時間は、EV走行時間とも称される。EV走行時間は、例えば10秒に設定される。この場合、コントローラ110は、EV走行時間をt秒として設定した場合のt秒値抵抗が判定基準値未満である場合に車両がEVモードで走行できると判定してもよい。コントローラ110は、t秒値抵抗が判定基準値未満となる条件を満たすようにtの値を算出することによって、車両がEVモードで走行できる時間を算出してもよい。コントローラ110は、EV走行時間に対応するt秒値抵抗を逐次更新することによって、車両がEVモードで走行できる時間を継続的に推定できる。
For example, in a vehicle equipped with an engine and a motor, the engine may generate electric power to supply electric power to the motor and charge the
コントローラ110は、バッテリ4のモデルを表すシステムに所定電流を入力した場合にシステムが出力するバッテリ4の端子電圧を取得してよい。コントローラ110は、システムに所定電流を入力し始めた時刻からt秒後の時刻におけるバッテリ4の端子電圧と所定電流との比を、t秒値抵抗として算出してよい。
The
コントローラ110は、バッテリ4のt秒値抵抗を高精度で算出することによって、エンジンを再始動できるか否かを高精度で判定できる。その結果、コントローラ110は、エンジンをアイドリングストップさせるか否かを高精度で判定できる。コントローラ110は、エンジンをアイドリングストップさせるか否かの判定結果を、表示部70に表示させてもよい。
The
本実施形態において、コントローラ110は、バッテリ4にステップ電流を入力した場合に出力される過電圧を推定する。ステップ電流は、所定時刻より前に流れず、所定時刻以降に一定値で流れる電流として表される。ステップ電流の入力に対する応答として出力される過電圧は、ステップ応答と称される。仮に一定値が1アンペアである場合、t秒後のステップ応答は、t秒値抵抗を表す。
In the present embodiment, the
バッテリ4のt秒値抵抗を高精度で推定するために、バッテリモデルを表すシステムに電流を入力した場合にシステムが出力するバッテリ4の過電圧を高精度で推定することが求められる。システム同定装置1は、システムの入力と出力との関係を特定する入出力モデルをシステムに適用するとともに、適用する入出力モデルのパラメータを同定することによって、所定の入力に対するシステムの出力を高精度で推定できる。
In order to estimate the t-second value resistance of the
本実施形態において、バッテリモデルを表すシステムは、離散時間システムとみなされるとする。離散時間システムにおけるサンプリング周期は、Tsで表されるとする。連続時間システムにおける入力及び出力はそれぞれ、時刻tを用いて、u(t)及びy(t)と表されている。離散時間システムにおける入力及び出力はそれぞれ、u[k]及びy[k]と表されるとする。この場合、kは、サンプリングのステップ数を表しているとする。また、t=kTsが成り立っているとする。このシステムに対して、k=0に対応する時刻(t=0)で電流の入力が開始するとする。t=0は、入力開始時刻とも称される。第kステップの出力y[k]が推定される場合、第kステップに対応する時刻(t=kTs)は、推定対象時刻と称される。推定対象時刻は、入力開始時刻より後の時刻である。 In the present embodiment, the system representing the battery model is considered to be a discrete time system. The sampling period in a discrete time system is represented by Ts. The inputs and outputs in the continuous time system are denoted u(t) and y(t), respectively, using time t. It is assumed that the input and the output in the discrete-time system are represented by u[k] and y[k], respectively. In this case, k represents the number of sampling steps. Further, it is assumed that t=kTs holds. It is assumed that the current starts to be input to the system at time (t=0) corresponding to k=0. t=0 is also referred to as an input start time. When the output y[k] of the kth step is estimated, the time (t=kTs) corresponding to the kth step is referred to as the estimation target time. The estimation target time is a time after the input start time.
本実施形態において、入出力モデルは、所定のモデルで近似されるとする。所定のモデルは、線形の伝達関数で表されるとする。システム同定装置1は、所定のモデルを表す伝達関数のパラメータを特定することによって、t秒後の応答を推定できる。
In this embodiment, the input/output model is assumed to be approximated by a predetermined model. It is assumed that the predetermined model is represented by a linear transfer function. The
<ARXモデル>
入出力モデルを近似する所定のモデルとして、ARX(Auto Regressive eXogenous)モデルが適用されると仮定する。ARXモデルは、有限個のパラメータによってシステムを表現できる。
<ARX model>
It is assumed that an ARX (Auto Regressive eXogenous) model is applied as a predetermined model that approximates the input/output model. The ARX model can represent a system with a finite number of parameters.
ARXモデルは、以下の式(1)で表されている差分方程式によって記述される。
ARXモデルのパラメータベクトルθ及びデータベクトルψはそれぞれ、以下の式(2)及び式(3)で表されるとする。
式(1)に式(2)及び式(3)を適用することによって、式(1)は、以下の式(4)のように変形される。
式(4)が表しているモデルは、線形回帰モデルと称される。システム同定装置1は、システムの入力データと出力データとを最小二乗法等の手法で解析することによって、線形回帰モデルのパラメータベクトルθを推定できる。システム同定装置1は、推定したパラメータを適用したARXモデルに基づくシステムの応答としてt秒値抵抗を算出できる。ARXモデルにおけるパラメータの推定は、伝達関数のパラメータの推定に対応する。
The model represented by equation (4) is called a linear regression model. The
ARXモデルにおいて、パラメータの数は、ARXモデルの次数を表している。ARXモデルの次数が真のシステムの次数と異なっている場合、パラメータの推定誤差が大きくなる。その結果、システムの応答として算出されるt秒値抵抗の推定誤差が大きくなる。 In the ARX model, the number of parameters represents the order of the ARX model. If the order of the ARX model is different from the order of the true system, the parameter estimation error will be large. As a result, the estimation error of the t-second value resistance calculated as the response of the system becomes large.
<FIRモデル>
入出力モデルを近似する所定のモデルとして、FIR(Finite Impulse Response)モデルが適用されると仮定する。FIRモデルは、開始時刻からt秒後の時刻までの間のサンプリング時刻におけるインパルス応答の和として、t秒後の応答を表すことができる。t秒値抵抗は、抵抗値を推定する時刻からt秒前までさかのぼる間の各時刻における入力に対するインパルス応答の和として表される。システム同定装置1は、FIRモデルを適用することによって、t秒値抵抗を容易に算出できる。
<FIR model>
It is assumed that a FIR (Finite Impulse Response) model is applied as a predetermined model that approximates the input/output model. The FIR model can represent the response after t seconds as the sum of the impulse responses at the sampling time between the start time and the time after t seconds. The t-second value resistance is expressed as the sum of impulse responses to the input at each time during the time from the time when the resistance value is estimated to the time t seconds before. The
FIRモデルは、以下の式(5)で表されている差分方程式によって記述される。
FIRモデルは、ARXモデルと同様に線形回帰モデルで表される。システム同定装置1は、システムの入力データと出力データとを最小二乗法等の手法で解析することによって、線形回帰モデルのパラメータを推定できる。システム同定装置1は、t≦Ts・nfが成立するようにFIRモデルの項数を表すnfを設定することによって、FIRモデルのパラメータとして算出されたインパルス応答に基づいてt秒値抵抗を算出できる。FIRモデルにおけるインパルス応答の推定は、伝達関数のパラメータの推定に対応する。
The FIR model is represented by a linear regression model like the ARX model. The
仮に雑音が存在しない場合、FIRモデルのインパルス応答g[k]は、以下の式(6)のように表される。
つまり、FIRモデルのパラメータbiは、システムのインパルス応答g[k]のiステップ後の値を表すg[i]と等しい。式(5)に式(6)を適用することによって、式(5)は、以下の式(7)のように変形される。式(7)は、FIRモデルを適用した場合にシステムの出力として算出される値を表している。
システム同定装置1は、システムの次数にかかわらず、FIRモデルのパラメータとしてインパルス応答を推定することによって、システムの出力を推定できる。
The
一方で、システムの真の出力は、以下の式(8)に示されている、システムのインパルス応答g[k]と入力u[k]との畳み込みによって表される。
式(8)によれば、システムの真の出力は、無限個のインパルス応答の和として記述される。一方で式(7)によれば、FIRモデルによって表されているシステムの出力は、(nf+1)個の有限個のインパルス応答で打ち切られている。つまり、FIRモデルによって表されているシステムの出力は、システムの真の出力に対して、少なくとも打ち切られた項に起因する誤差を含む。システム同定装置1は、nfの数を大きくすることによって誤差を低減しうる。しかし、nfの数が大きくなるほど、システム同定装置1が同定すべきパラメータの数が多くなる。パラメータの数の増加は、システム同定装置1の負荷の増大を引き起こす。
According to equation (8), the true output of the system is described as the sum of an infinite number of impulse responses. On the other hand, according to equation (7), the output of the system represented by the FIR model is truncated with a finite number of (n f +1) impulse responses. That is, the output of the system represented by the FIR model contains at least the error due to the truncated terms with respect to the true output of the system. The
<μ−マルコフモデル>
本実施形態において、入出力モデルを近似する所定のモデルとして、μ−マルコフモデルが適用される。μ−マルコフモデルは、ARXモデルと、FIRモデルとを組み合わせたモデルとして表される。
<μ-Markov model>
In the present embodiment, the μ-Markov model is applied as a predetermined model that approximates the input/output model. The μ-Markov model is represented as a model that combines the ARX model and the FIR model.
離散時間システムにおけるμ−マルコフモデルは、以下の式(9)に示される形式で記述される。
式(9)の右辺第1項は、FIRモデルを表している。hi(i∈{0、・・・、μ})は、システムのインパルス応答を表している。この場合、インパルス応答で記述される項数は、(μ+1)である。仮にバッテリ4のモデルが直達項を有しない場合、h0=0が成立する。式(9)の右辺第2項及び第3項は、ARXモデルを表している。a’i及びb’i(i∈{(μ+1)、・・・、μ+p})は、ARXモデルのパラメータである。pは、ARXモデルの次数を表している。w[k]は、u[k]と独立であり、且つ、その平均値が0となる白色雑音である。
The first term on the right side of Expression (9) represents the FIR model. h i (iε{0,..., μ}) represents the impulse response of the system. In this case, the number of terms described in the impulse response is (μ+1). If the model of the
μ−マルコフモデルは、ARXモデル又はFIRモデルと同様に線形回帰モデルで表される。システム同定装置1は、システムの入力データと出力データとを最小二乗法等の手法で解析することによって、線形回帰モデルのパラメータを推定できる。
The μ-Markov model is represented by a linear regression model like the ARX model or FIR model. The
μ−マルコフモデルは、第kステップから第(k−μ)ステップまでさかのぼる期間に含まれる(μ+1)個の入力と、第(k−μ−1)ステップから第(k−μ−p)ステップまでの期間に含まれるp個の入力及び出力とに基づいて、第kステップの出力y[k]を決定する。つまり、バッテリ4を表すシステムのパラメータは、入力及び出力の、所定期間内における時系列データに基づいて同定される。入力及び出力はそれぞれ、バッテリ4に流れる電流、及び、バッテリ4の過電圧に対応する。所定期間は、第kステップから第(k−μ−p)ステップまでの期間に対応する。
The μ-Markov model is composed of (μ+1) inputs and (k-μ-1) to (k-μ-p) steps included in a period starting from the k-th step to the (k-μ)-th step. The output y[k] of the k-th step is determined based on the p inputs and outputs included in the period up to. That is, the system parameter representing the
第kステップから第(k−μ)ステップまでの期間の(μ+1)個の入力は、μ−マルコフモデルに含まれるFIRモデルの項に基づいて出力y[k]に反映される。第kステップから第(k−μ)ステップまでの期間は、第1期間と称される。つまり、システム同定装置1は、推定対象時刻から過去にさかのぼる第1期間における入力をFIRモデルに適用することによって推定した値に基づいて、推定対象時刻における過電圧を推定する。
The (μ+1) inputs in the period from the k-th step to the (k-μ)-th step are reflected in the output y[k] based on the terms of the FIR model included in the μ-Markov model. The period from the k-th step to the (k-μ)-th step is referred to as the first period. That is, the
第(k−μ−1)ステップから第(k−μ−p)ステップまでの期間のp個の入力及び出力は、μ−マルコフモデルに含まれるARXモデルの項に基づいて出力y[k]に反映される。第(k−μ−1)ステップから第(k−μ−p)ステップまでの期間は、第2期間と称される。つまり、システム同定装置1は、第1期間からさらに過去にさかのぼる第2期間における入力をARXモデルに適用することによって推定した値に基づいて、推定対象時刻における過電圧を推定する。μ−マルコフモデルにおいて、システムにFIRモデルの適用によって生じる出力の推定誤差は、ARXモデルの適用によって補正される。
The p inputs and outputs in the period from the (k−μ−1)th step to the (k−μ−p)th step are output y[k] based on the terms of the ARX model included in the μ-Markov model. Reflected in. The period from the (k-μ-1)th step to the (k-μ-p)th step is referred to as a second period. That is, the
ここで、図6を参照して、μ−マルコフモデルの概念を説明する。図6に示されているグラフは、推定対象時刻におけるシステムの出力の推定値を、過去の各時刻における入力に対するインパルス応答の成分を積分することによって算出する概念を表している。グラフの横軸は、離散時間システムにおけるステップを表している。ステップ数が大きいほど、推定対象時刻から過去に長い時間さかのぼったステップに対応している。グラフの縦軸は、インパルス応答の信号強度を表している。出力の推定値は、各ステップにおいてインパルス応答の信号強度とサンプリング周期Tsとの積を算出し、各ステップで算出した値を積算することによって算出される。 Here, the concept of the μ-Markov model will be described with reference to FIG. The graph shown in FIG. 6 represents the concept of calculating the estimated value of the output of the system at the estimation target time by integrating the components of the impulse response to the input at each past time. The horizontal axis of the graph represents steps in a discrete time system. A larger number of steps corresponds to a step that is traced back a long time in the past from the estimation target time. The vertical axis of the graph represents the signal strength of the impulse response. The estimated value of the output is calculated by calculating the product of the signal strength of the impulse response and the sampling period Ts in each step and integrating the values calculated in each step.
出力の推定値は、過去に無限にさかのぼったステップにおける入力に対するインパルス応答の成分まで積分することによって真値に近づけられる。図6のグラフにおいて、右上がり斜線のハッチングを付した部分の面積は、推定対象時刻における出力の真値を表している。しかし、FIRモデルは、積分するステップを有限個で打ち切っている。FIRモデルで積分される成分は、破線の矩形によって表されている。FIRモデルにおいて、推定対象時刻から4ステップさかのぼったインパルス応答が積分される。各ステップにおける入力に対するインパルス応答の信号強度は、b1〜b4で表されている。FIRモデルで積分される成分は、FIRモデルに基づく推定に寄与する成分ともいえる。 The estimated value of the output is approximated to the true value by integrating up to the component of the impulse response to the input at steps that were traced infinitely in the past. In the graph of FIG. 6, the area of the hatched portion with the diagonal line rising to the right represents the true value of the output at the estimation target time. However, the FIR model breaks the integration step into a finite number. The component integrated by the FIR model is represented by the dashed rectangle. In the FIR model, the impulse response that is four steps back from the estimation target time is integrated. The signal strength of the impulse response to the input at each step is represented by b 1 ~b 4. It can be said that the component integrated by the FIR model contributes to the estimation based on the FIR model.
積分するステップが有限個で打ち切られる場合、打ち切ったステップよりさらに過去にさかのぼるステップにおける入力に対するインパルス応答の成分は、FIRモデルで積分されず、出力の推定値に反映されない。図6において、FIRモデルで出力の推定値に反映されない成分は、二点鎖線の矩形によって表されている。二点鎖線の矩形で表されている成分は、FIRモデルで積分されるステップの数を増やした場合に出力の推定値に反映される。つまり、FIRモデルで積分されるステップの数を増やすほど、システムの出力は、真値により一層近い値として算出される。以上説明してきたように、システムの入力データと出力データとに基づいてμ−マルコフモデルのパラメータが推定される際にFIRモデルを表す項だけでパラメータを推定することによって、FIRモデルのパラメータの推定誤差が生じる。つまり、FIRモデルのパラメータの推定誤差は、FIRモデルが有限の項数で打ち切られていることに起因している。 When a finite number of integrating steps are cut off, the components of the impulse response to the input at the steps going back to the past before the cut-off step are not integrated by the FIR model and are not reflected in the estimated value of the output. In FIG. 6, the components that are not reflected in the estimated output value in the FIR model are represented by the two-dot chain rectangle. The component represented by the two-dot chain line rectangle is reflected in the estimated value of the output when the number of steps integrated in the FIR model is increased. That is, as the number of steps integrated in the FIR model is increased, the output of the system is calculated as a value closer to the true value. As described above, when the parameters of the μ-Markov model are estimated based on the input data and the output data of the system, the parameters of the FIR model are estimated only by estimating the parameters of the FIR model. There is an error. That is, the estimation error of the parameters of the FIR model is due to the FIR model being cut off with a finite number of terms.
ここで、ARXモデルを表す項が考慮されることによって、FIRモデルのパラメータの推定誤差が減少する。つまりFIRモデルのパラメータの推定値が真値に近づけられる。図6において、二点鎖線の矩形で表されている、FIRモデルで出力の推定値に反映されなかった成分は、ARXモデルを表す項として、出力の推定値に反映される。つまり、ARXモデルに基づく推定がFIRモデルで出力の推定値に反映されなかった成分を補完できる。このようにすることで、システム同定装置1は、FIRモデルのパラメータの推定値を、有限個の項で構成されているARXモデルに基づいて真値に近づけることができる。その結果、μ−マルコフモデルを適用して推定されたインパルス応答に基づくシステムの出力は、FIRモデルだけを適用して推定されたインパルス応答に基づくシステムの出力よりも、真値に近づけられる。言い換えれば、FIRモデルにおいて打ち切られた、無限に続くはずだった項が、ARXモデルを構成する有限個の項で代替される。これによって、FIRモデルの項数を無限に増やすことなく、パラメータの推定結果が真値に近づけられうる。言い換えれば、システム同定装置1は、FIRモデルとARXモデルとを適用してシステムを同定することによって、システムを高精度で同定できる。
Here, the estimation error of the parameters of the FIR model is reduced by considering the term representing the ARX model. That is, the estimated values of the parameters of the FIR model are brought close to the true values. In FIG. 6, components represented by a two-dot chain line rectangle that are not reflected in the output estimated value in the FIR model are reflected in the output estimated value as terms representing the ARX model. In other words, the estimation based on the ARX model can complement the components that are not reflected in the estimated value of the output by the FIR model. By doing so, the
システム同定装置1は、システムにμ−マルコフモデルを適用することによって、システムの真の次数にかかわらず、有限時間のインパルス応答を高精度で推定できる。t秒値抵抗は、有限時間のインパルス応答の和に基づいて算出される。したがって、システム同定装置1は、バッテリ4のモデルを表すシステムにμ−マルコフモデルを適用することによって、バッテリ4のt秒値抵抗をシステムの応答として高精度で推定できる。システム同定装置1は、推定対象時刻における過電圧推定値と、推定対象時刻に入力される所定電流との比として、t秒値抵抗を算出できる。
By applying the μ-Markov model to the system, the
<バッテリ推定の実施例>
本実施例において、システム同定装置1は、図2及び図3に示されているバッテリモデルを表すシステムにμ−マルコフモデルを適用することによって、システムのパラメータを同定する。
<Example of battery estimation>
In the present embodiment, the
式(9)は、インパルス応答を表す(μ+1)個のパラメータ(h0〜hμ)と、ARXモデルに含まれる2p個のパラメータ(aμ+1〜aμ+p、及び、bμ+1〜bμ+p)とを含む。システム同定装置1は、(μ+2p+1)個のパラメータを推定することによって、システムを同定できる。
Equation (9) represents the impulse response and (mu + 1) number of parameters (h 0 ~hμ), 2p number of parameters included in the ARX model (aμ +1 ~aμ + p, and, bμ +1 ~bμ + p ) and. The
システム同定装置1は、u(t)とηc(t)とを対応づけたデータセットから導出される方程式に基づいて、システムのパラメータを推定できる。未知のパラメータがQ個存在する場合、各パラメータは、少なくともQ本の方程式を含む連立方程式に基づいて解析的に算出されうる。μ−マルコフモデルは、(μ+2p+1)個の未知のパラメータを有する。したがって、μ−マルコフモデルの各パラメータが解析的に算出されるために、少なくとも(μ+2p+1)本の方程式が必要とされる。1本の方程式は、u(t)とηc(t)とを対応づけた1つのデータセットに基づいて導出される。したがって、少なくとも(μ+2p+1)個のデータセットが必要とされる。
The
システム同定装置1は、例えば、システムの入力と出力とが対応づけられているデータセットを(μ+2p+1)個以上取得してよい。システム同定装置1は、(μ+2p+1)個以上のデータセットを取得した場合、少なくとも(μ+2p+1)個のパラメータを未知数として含む方程式を設定できる。システム同定装置1は、その方程式を解くことによって(μ+2p+1)個のパラメータを解析的に算出できる。システム同定装置1は、(μ+2p+1)個以上のデータを取得することによって、システムのパラメータを高精度で算出できる。
The
システム同定装置1は、T秒間にわたってシステムに入力される電流の測定値u(t)と、入力された電流に対応する過電圧算出値ηc(t)とを所定のタイミングでサンプリングすることによって取得してよい。仮に、システム同定装置1がサンプリング周期Tsでu(t)とηc(t)とを取得する場合、データを取得する期間を表すTは、Tsと、システム同定のために必要とされるデータ数である(μ+2p+1)個との積より大きい値に設定される。
The
システム同定装置1は、u(t)及びηc(t)を多く取得するほど、インパルス応答を表すμ個のパラメータの推定値を、真値に近づけることができる。つまり、FIRモデルのパラメータは、真値に対して漸近的に推定されうる。一方で、ARXモデルに含まれる2p個のパラメータの推定値は、u(t)及びηc(t)のデータ数にかかわらず、真値に近づかないことがある。つまり、ARXモデルのパラメータは、真値に対して所定値以上の誤差を有する可能性がある。
The more the u(t) and the ηc(t) are acquired, the
システム同定装置1は、所定電流が入力されたシステムが応答として出力する過電圧を、同定したμ−マルコフモデルのパラメータに基づいて算出する。本実施形態において、入力開始時刻より前に電流が入力されず、且つ、入力開始時刻以降に所定電流が入力されるとする。つまり、第1ステップより前にシステムに電流が入力されず、第1ステップ以降にシステムに所定電流が入力されるとする。この場合、システム同定装置1は、システムの応答として過電圧を算出できる。システム同定装置1は、μ−マルコフモデルのパラメータに基づいて過電圧を算出することによって、高精度で過電圧を算出できる。その結果、バッテリ4の放電開始時の過電圧が高精度で推定される。
The
システム同定装置1は、入力開始時刻から推定対象時刻までのt秒間にわたって所定電流をシステムに入力した場合に、推定対象時刻における過電圧と、推定対象時刻においてバッテリ4に入力される所定電流とに基づいて、t秒値抵抗を算出できる。システム同定装置1は、過電圧と所定電流との比をt秒値抵抗として算出してよい。システム同定装置1は、過電圧を高精度で算出することによって、t秒値抵抗を高精度で算出できる。システム同定装置1が車両100に搭載されている場合、システム同定装置1がt秒値抵抗を高精度で算出することによって、コントローラ110は、エンジンをアイドリングストップさせるか否かを高精度で判定できる。
When a predetermined current is input to the system for t seconds from the input start time to the estimation target time, the
仮に、入力開始時刻以降に入力される所定電流が一定値の電流である場合、システム同定装置1は、システムのステップ応答として過電圧を算出できる。システム同定装置1は、t秒間にわたって一定値の電流をシステムに入力した場合の過電圧をt秒値抵抗として算出できる。つまり、t秒後のステップ応答として過電圧が算出される場合、算出された過電圧がt秒値抵抗とみなされる。このようにすることで、システム同定装置1は、t秒値抵抗を容易に算出できる。
If the predetermined current input after the input start time is a constant current, the
インパルス応答で記述される項数(μ+1)に関して、μ≧t/Tsが満たされている場合、システム同定装置1は、インパルス応答のパラメータだけに基づいてt秒値抵抗を算出できる。言い換えれば、時系列データのうちFIRモデルに適用されるデータの数が入力開始時刻から推定対象時刻までの時間をサンプリング周期で除した数(t/Tsに対応する)に1を加えた数(t/Ts+1に対応する)以上の数である場合、システム同定装置1は、インパルス応答のパラメータだけに基づいてt秒値抵抗を算出できる。さらに言い換えれば、第1期間の長さが入力開始時刻から推定対象時刻までの期間の長さ以上となるように設定される場合、システム同定装置1は、インパルス応答のパラメータだけに基づいてt秒値抵抗を算出できる。具体的には、システム同定装置1は、上述の式(9)でFIRモデルを表す右辺第1項の係数hiをi=0〜μの範囲で加算した値として、t秒値抵抗を算出してよい。言い換えれば、システム同定装置1は、推定対象時刻におけるバッテリ4の内部抵抗として、システムを同定するために適用されたFIRモデルの、入力開始時刻から推定対象時刻までの期間に含まれる各項の係数の和を算出してもよい。FIRモデルの各項の係数は、インパルス応答のパラメータに対応する。さらに言い換えれば、システム同定装置1は、推定対象時刻におけるバッテリ4の内部抵抗として、システムを同定するために適用されたバッテリ4のモデルのうち、推定対象時刻における入力に対応する項から、入力開始時刻における入力に対応する項までの各項の係数の和を算出してもよい。
When μ≧t/Ts is satisfied for the number of terms (μ+1) described in the impulse response, the
システム同定装置1は、インパルス応答のパラメータだけに基づいてt秒値抵抗を算出することによって、真値に対して所定値以上の誤差を有する可能性があるARXモデルのパラメータに基づかずにt秒値抵抗を算出できる。その結果、システム同定装置1は、ARXモデルのパラメータの推定精度にかかわらず、t秒値抵抗を高い精度で推定できる。
The
時系列データのうちFIRモデルに適用されるデータの数は、入力開始時刻から推定対象時刻までの時間をサンプリング周期で除した数(μに対応する)に1を加えた数(μ+1に対応する)と同じ数であってよい。言い換えれば、システム同定装置1は、第1期間の長さが入力開始時刻から推定対象時刻までの期間の長さに一致するように、第1期間の長さを設定してよい。このようにすることで、t秒値抵抗がインパルス応答のパラメータだけに基づいて算出される範囲内において、FIRモデルのパラメータの数が減少する。パラメータ数の減少は、パラメータを推定する負荷を低減させる。
The number of data applied to the FIR model in the time series data corresponds to the number (μ+1) obtained by dividing the time from the input start time to the estimation target time by the sampling period (corresponding to μ) (μ+1). ) May be the same number. In other words, the
システム同定装置1、並びに、システム同定装置1に含まれるオブザーバ10及び応答推定部20は、例えば図7に示されるフローチャートの手順を含むシステム同定方法を実行してもよい。
The
オブザーバ10は、バッテリ4に流れる電流の測定値u(t)と、バッテリ4の端子電圧の測定値y(t)とを取得する(ステップS1)。オブザーバ10は、電流センサ2からu(t)を取得する。バッテリ4に流れる電流は、バッテリ4が放電によって出力する電流、及び、バッテリ4を充電するために入力される電流の少なくとも一方を含む。オブザーバ10は、電圧センサ3からy(t)を取得する。
The
オブザーバ10は、u(t)及びy(t)に基づいて、バッテリモデルを表すシステムの状態変数を推定する(ステップS2)。オブザーバ10は、状態変数推定部11でSOC推定値SOC^(t)を算出し、OCV算出部12でOCV推定値OCV^(t)を算出する。システム同定装置1は、演算器25で、OCV^(t)とy(t)との差を、過電圧算出値ηc(t)として算出する。システム同定装置1は、u(t)とηc(t)とを組み合わせたデータを保持する。システム同定装置1は、データを記憶部に格納してもよい。
The
システム同定装置1は、T秒間にわたる期間のデータを取得したか判定する(ステップS3)。Tは、サンプリング周期Tsとシステム同定のために必要とされるデータ数との積より大きい値であるとする。
The
システム同定装置1は、T秒間にわたる期間のデータを取得していない場合(ステップS3:NO)、ステップS1の手順に戻る。
When the
システム同定装置1は、T秒間にわたる期間のデータを取得した場合(ステップS3:YES)、応答推定部20で、バッテリモデルを表すシステムのパラメータを同定する(ステップS4)。応答推定部20は、取得したT秒間のデータに基づいてシステムを同定する。応答推定部20は、取得したT秒間のデータに基づいて、システムを表すμ−マルコフモデルのパラメータを同定する。
When the
応答推定部20は、同定したシステムに所定電流を入力した場合の応答を推定する(ステップS5)。応答推定部20は、システムの応答としてバッテリ4の過電圧を算出してよい。応答推定部20は、電流の入力開始時刻からt秒後の時刻までの間の各サンプリング時刻のインパルス応答と所定電流の瞬時値との積を積算した値を過電圧として算出できる。システムに入力される所定電流が一定値である場合、応答推定部20は、各サンプリング時刻のインパルス応答の和をt秒値抵抗として算出できる。
The
システム同定装置1は、図2及び図3に例示されているバッテリ4のモデルを対象システムとして、バッテリ4のt秒値抵抗を推定できる。図2及び図3に例示されているモデルの次数は、4次である。よって、対象システムの次数は4次である。システム同定装置1は、例えばtを1に設定することによって、1秒値抵抗を算出できる。
The
一例として、図3に示されているバッテリ4の内部インピーダンス44の各パラメータが、以下に示されている値に設定されているとする。
R0=3.6mΩ
R1=2.19mΩ
R2=0.243mΩ
R3=8.75×10-2mΩ
R4=4.47×10-2mΩ
C1〜C4=6.72kF
また、サンプリング周期Tsは、0.1秒に設定されているとする。この場合、μが10以上に設定されることによって、1秒値抵抗がインパルス応答のパラメータだけに基づいて算出される。
As an example, it is assumed that the parameters of the
R0=3.6mΩ
R1=2.19mΩ
R2=0.243 mΩ
R3=8.75×10 -2 mΩ
R4=4.47×10 -2 mΩ
C1 to C4=6.72 kF
The sampling period Ts is set to 0.1 second. In this case, by setting μ to 10 or more, the one-second resistance is calculated based on only the impulse response parameter.
対象システムへの入力信号にゼロ次ホールドを仮定して対象システムを離散化した場合、離散時間伝達関数として、以下の式(10)が導出された。
以上のように仮定された対象システムにμ−マルコフモデル、ARXモデル及びFIRモデルをそれぞれ適用することによって、各モデルにおける1秒値抵抗の推定結果が算出されうる。1秒値抵抗の真値は、3.9699mΩであるとする。 By applying the μ-Markov model, ARX model, and FIR model to the target system assumed as described above, the estimation result of the one-second resistance in each model can be calculated. The true value of the one-second value resistor is 3.9699 mΩ.
Case1として、ARXモデルの次数p、及び、μ−マルコフモデルに含まれるARXモデルの次数pは、真のシステムの次数である4次に設定されるとする。FIRモデルのインパルス応答の項数を表すnf、及び、μ−マルコフモデルに含まれるインパルス応答の項数を表すμはそれぞれ、10に設定されるとする。また、対象システムのパラメータを同定するために用いられるデータは、対象システムの出力を表すバッテリ4の端子電圧の測定値に、観測雑音として平均値0且つ分散1.0×10-7の正規性白色雑音が加えられるとする。
As
1000通りの異なる雑音が加えられる条件で、各モデルのパラメータが同定された。各モデルにおいて、同定されたパラメータに基づいて、1秒値抵抗が推定された。1000回分の1秒値抵抗の推定結果は、以下の通りであった。単位は、mΩであるとする。
μ−マルコフモデル:平均値3.9686、標準偏差±3.6892×10-3
ARXモデル:平均値4.0131、標準偏差±5.7713×10-3
FIRモデル:平均値3.9609、標準偏差±2.9357×10-3
The parameters of each model were identified under the condition that 1000 different noises were added. In each model, the one second resistance was estimated based on the identified parameters. The estimation result of the 1 second resistance for 1000 times was as follows. The unit is mΩ.
μ-Markov model: mean 3.9686, standard deviation ±3.6892×10 -3
ARX model: average value 4.0131, standard deviation ±5.7713×10 -3
FIR model: average value 3.9609, standard deviation ±2.9357×10 -3
また、Case2として、ARXモデルの次数p、及び、μ−マルコフモデルに含まれるARXモデルの次数pが、真のシステムの次数である4次とは異なる2次に設定されるとする。Case2における、1000回分の1秒値抵抗の推定結果は以下の通りであった。単位は、mΩであるとする。
μ−マルコフモデル:平均値3.9691、標準偏差±3.6603×10-3
ARXモデル:平均値3.9887、標準偏差±6.4469×10-3
FIRモデル:平均値3.9609、標準偏差±2.9357×10-3
Further, as
μ-Markov model: average value 3.9691, standard deviation ±3.6603×10 -3
ARX model: average value 3.9887, standard deviation ±6.4469×10 −3
FIR model: average value 3.9609, standard deviation ±2.9357×10 -3
以上の結果によれば、μ−マルコフモデルが適用された場合の1秒値抵抗の推定値は、ARXモデル及びFIRモデルが適用された場合の1秒値抵抗の推定値よりも真値に近い。つまり、μ−マルコフモデルが適用された場合の1秒値抵抗の推定精度は、ARXモデル及びFIRモデルが適用された場合の1秒値抵抗の推定精度よりも高い。 According to the above results, the estimated value of the 1-second value resistance when the μ-Markov model is applied is closer to the true value than the estimated value of the 1-second value resistance when the ARX model and the FIR model are applied. .. That is, the estimation accuracy of the one-second resistance when the μ-Markov model is applied is higher than the estimation accuracy of the one-second resistance when the ARX model and the FIR model are applied.
本例において、μ−マルコフモデルのインパルス応答の項数を表すμが10に設定されていることによって、μ−マルコフモデルに基づく1秒値抵抗は、0ステップから10ステップまでのインパルス応答の和として算出されている。つまり、1秒値抵抗は、ARXモデルのパラメータに基づかずに算出されている。これによって、μ−マルコフモデルに基づく1秒値抵抗の推定精度は、ARXモデルの次数が真のシステムの次数と一致する場合(Case1)又は一致しない場合(Case2)のいずれの場合であるかにかかわらず決定される。その結果、μ−マルコフモデルに基づく1秒値抵抗の推定精度は、ARXモデルに基づく1秒値抵抗の推定精度よりも高くなっている。 In this example, since μ representing the number of terms of the impulse response of the μ-Markov model is set to 10, the one-second resistance based on the μ-Markov model is the sum of the impulse responses from 0 step to 10 steps. Is calculated as That is, the one second resistance is calculated without being based on the parameters of the ARX model. As a result, whether the 1-second value resistance estimation accuracy based on the μ-Markov model is the case when the order of the ARX model matches the order of the true system (Case 1) or does not match (Case 2). Determined regardless. As a result, the estimation accuracy of the 1-second value resistance based on the μ-Markov model is higher than the estimation accuracy of the 1-second value resistance based on the ARX model.
上述のCase2において、観測雑音として平均値0且つ分散5.0×10-8の正規性白色雑音が加えられる場合(Case3)に、図8のグラフに例示されるように、過電圧のステップ応答が算出された。図8のグラフの横軸は、時間を表している。時間の単位は、秒である。図8のグラフの縦軸は、過電圧を表している。過電圧の単位はmVである。図8のグラフは、1秒後までの過電圧のステップ応答の算出結果を表す。サンプリング周期Tsが0.1秒に設定され、且つ、μ−マルコフモデルのインパルス応答の項数を表すμが10に設定されていることによって、図8のグラフで表されている1秒後の過電圧のステップ応答に対応する1秒値抵抗は、インパルス応答のパラメータだけに基づいて算出される。
In
上述のCase3において、μ−マルコフモデルのインパルス応答の項数を表すμが100に設定される場合(Case4)に、図9のグラフに例示されるように、過電圧のステップ応答が算出された。図9のグラフの横軸は、時間を表している。時間の単位は、秒である。図9のグラフの縦軸は、過電圧を表している。過電圧の単位はmVである。図9のグラフは、10秒後までの過電圧のステップ応答の算出結果を表す。サンプリング周期Tsが0.1秒に設定され、且つ、μ−マルコフモデルのインパルス応答の項数を表すμが100に設定されていることによって、図9のグラフで表されている10秒後の過電圧のステップ応答に対応する10秒値抵抗は、インパルス応答のパラメータだけに基づいて算出される。
In
図8及び図9のグラフにおいて、真値は、実線で表されている。Case3及びCase4においてμ−マルコフモデルに基づくステップ応答の算出結果は、破線で表される上限及び下限の範囲内に収まった。一方で、Case3及びCase4においてFIRモデルに基づくステップ応答の算出結果は、一点鎖線で表される上限及び下限の範囲内に収まった。ARXモデルに基づくステップ応答の算出結果は、二点鎖線で表される上限及び下限の範囲内に収まった。図8及び図9を参照して、μ−マルコフモデルに基づくステップ応答の算出結果は、FIRモデル及びARXモデルに基づくステップ応答の算出結果よりも真値に近づけられている。また、μ−マルコフモデルに基づくステップ応答の算出結果のばらつきは、FIRモデル及びARXモデルに基づくステップ応答の算出結果のばらつきよりも小さくなっている。つまり、システム同定装置1は、μ−マルコフモデルに基づいてシステムを同定することによって、ステップ応答の推定精度を高めることができる。また、入力開始時刻から時間が経過するほど、ステップ応答の推定誤差が大きくなっている。しかし、μ−マルコフモデルに基づくステップ応答の推定値は、例えば0.5秒が経過した以降においても真値から乖離しにくいといえる。
In the graphs of FIGS. 8 and 9, the true value is represented by a solid line. In
本開示に係る実施形態について諸図面及び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又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部又は各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部及びステップ等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 Although the embodiments according to the present disclosure have been described based on the drawings and the examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various variations or modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations or modifications are included in the scope of the present disclosure. For example, the functions included in each constituent unit or each step can be rearranged so as not to logically contradict, and a plurality of constituent units and steps can be combined or divided into one. Is.
1 システム同定装置
2 電流センサ
3 電圧センサ
4 バッテリ
4a バッテリ等価回路
41a〜41d 端子
42 電圧源
44 内部インピーダンス
10 オブザーバ
11 状態変数推定部
12 OCV算出部
13 フィードバック部
14 端子電圧推定部
15 比較器
16 状態変数補正値算出部
20 応答推定部
25 演算器
70 表示部
100 車両
110 コントローラ
1
Claims (9)
前記バッテリに流れる電流、及び、前記バッテリの過電圧それぞれの、所定期間内における時系列データに基づいて、前記システムにFIRモデルとARXモデルとを含む前記バッテリのモデルを適用することによって前記システムを同定する第1ステップと、
前記第1ステップで同定した前記システムに、入力開始時刻より前に電流が入力されず、且つ、前記入力開始時刻以降に電流が入力される場合における、前記入力開始時刻より後の推定対象時刻に前記システムが出力する前記バッテリの過電圧を、前記第1ステップで前記システムを同定するために適用された前記バッテリのモデルに基づいて推定する第2ステップと
を含み、
前記時系列データのうち、前記FIRモデルに適用されるデータの数は、前記入力開始時刻から前記推定対象時刻までの時間をサンプリング周期で除した数に1を加えた数以上の数である、
システム同定方法。 A system identification method executed by a system identification device that estimates the response of a system that receives a current flowing in a battery as an input and outputs the overvoltage of the battery,
The system is identified by applying a model of the battery including an FIR model and an ARX model to the system based on time series data of a current flowing in the battery and an overvoltage of the battery within a predetermined period. The first step to do,
In the system identified in the first step, when the current is not input before the input start time and the current is input after the input start time, at the estimated target time after the input start time. A second step of estimating an overvoltage of the battery output by the system based on a model of the battery applied to identify the system in the first step,
Of the time series data, the number of data applied to the FIR model is a number equal to or larger than the number obtained by dividing the time from the input start time to the estimation target time by the sampling period by one,
System identification method.
前記応答推定部は、
前記バッテリに流れる電流、及び、前記バッテリの過電圧それぞれの、所定期間内における時系列データに基づいて、前記システムにFIRモデルとARXモデルとを含む前記バッテリのモデルを適用することによって前記システムを同定し、
同定した前記システムに入力開始時刻より前に電流が入力されず、且つ、前記入力開始時刻以降に電流が入力される場合に、前記入力開始時刻より後の推定対象時刻に前記システムが出力する前記バッテリの過電圧を、前記システムを同定するために適用された前記バッテリのモデルのパラメータに基づいて推定し、
前記時系列データのうち、前記FIRモデルに適用されるデータの数は、前記入力開始時刻から前記推定対象時刻までの時間をサンプリング周期で除した数に1を加えた数以上の数である、
システム同定装置。 A response estimation unit that estimates the response of the system that receives the current flowing in the battery as an input and outputs the overvoltage of the battery,
The response estimation unit,
The system is identified by applying a model of the battery including an FIR model and an ARX model to the system based on time series data of a current flowing through the battery and an overvoltage of the battery within a predetermined period. Then
When no current is input to the identified system before the input start time, and when a current is input after the input start time, the system outputs the estimated target time after the input start time. Estimating the overvoltage of the battery based on the parameters of the model of the battery applied to identify the system,
Of the time series data, the number of data applied to the FIR model is a number equal to or larger than the number obtained by dividing the time from the input start time to the estimation target time by the sampling period by one,
System identification device.
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