JPH1020003A - モデルベース電池残存容量計 - Google Patents
モデルベース電池残存容量計Info
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- JPH1020003A JPH1020003A JP8190067A JP19006796A JPH1020003A JP H1020003 A JPH1020003 A JP H1020003A JP 8190067 A JP8190067 A JP 8190067A JP 19006796 A JP19006796 A JP 19006796A JP H1020003 A JPH1020003 A JP H1020003A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Abstract
して実用上必要な精度を維持できるモデルベース電池残
存容量計を提供する。 【解決手段】予定値きざみの離散値残存容量をパラメ−
タとした当該電池の端子電圧電流特性曲線群を記憶する
電池モデルを準備し、被測定電池の端子電圧および放電
電流をサンプリングし、あるサンプリング時点での端子
電圧値(または電流値)を、直前サンプリング時点での
残存容量に対応する電池モデルの端子電圧電流特性曲線
および少なくともその一方側に隣接する、少なくとも1
つの端子電圧電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧値(ま
たは電流値)の期待値を読取り、この端子電圧値(また
は電流値)の期待値とその実測値との差の評価値を各端
子電圧電流特性曲線ごとに演算し、前記評価値が最小と
なる期待値に対応する残存容量を求め、これを前記サン
プリング時点における電池の残存容量として出力する。
Description
使用中の電池の残存容量を計測するモデルベース電池残
存容量計に関する。
の開発が進んで実用化され始め、その外にも電池を利用
した搬送車、カートなど、電池電源を利用するシステム
や装置が年々増加している。これらの電池システムを有
効かつ適切に運用するには、これらに使用される電池の
運用状態、特に現時点における電池の残存容量が常に的
確に把握されていることが必要である。したがってこの
ような技術分野で信頼性が高くて低廉な電池の残存容量
計は不可欠のものである。
下、単に「残存容量計」と言う)のなかでも、最も高精
度の残存容量計として、例えば、特願平4−32148
2号に示すようなモデルベース残存容量計が提案されて
いる。このモデルベース残存容量計は、一般に電池の端
子電圧が、そのときの放電電流と電池の残存容量との関
数であること、および電池の物理的諸性質を考慮し、あ
る時刻における電池モデルを2次式(図示せず)で代表
させ、図5に示すように、横軸を放電電流A、縦軸を端
子電圧Vとし、残存容量θをパラメータとした電圧電流
特性群をもった電池のモデルを予め作成しておき、図6
に示すようなアルゴリズムで電池残存容量を演算する。
2(例えば、電気自動車の駆動用モ−タなど)が接続さ
れ、負荷電流すなわち電池1の放電電流iが電流計3で
検出される。負荷2の大きさが負荷制御部4(例えば、
電気自動車のアクセルペダル)によって制御されると、
放電電流iが変化し、これに応じて電池1の端子電圧v
も変化する。電圧vは電圧計10で測定される。電池モ
デル5としては、電池1の推定端子電圧Vesと、そのと
きの放電電流iおよび電池1の残存容量θ(モデルのパ
ラメ−タとなる)の間の関係式(図示説明は省略)が予
め決定されて用いられる。具体的には、検出された放電
電流iの値が前記モデルの式(図5のグラフ)に代入さ
れて推定端子電圧Vesが演算される。
給されて実測端子電圧vと比較される。比較器6の出力
すなわち、推定端子電圧Vesと実測端子電圧vとの差が
電池モデル5の電池1に対する近似度すなわち収束度合
いを表わすことは明らかである。したがって、前記差を
収束判定部7に転送してこれが閾値以下に十分収束して
いるか否かを判定し、収束していないときは、残存容量
修正部8で前記差が小さくなるように電池モデル5のパ
ラメ−タすなわち残存容量θを修正する。電池モデル5
では、修正された残存容量θと実測電流値iを用いて推
定端子電圧Vesを演算し直す。一方、推定端子電圧Ves
と実測端子電圧vとの差が十分小さくなったときは、電
池モデル5が電池1の実態を代表していると考えられる
ので、収束判定部7は出力制御部9を制御してそのとき
の電池モデル5のパラメ−タを残存容量θとして出力す
る。
ら求まる電池モデルの電圧Ves(i,θ)とその時に実
測した電池の電圧Vとの差{Ves(i,θ)−V}を最
小化するように電池モデルの残存容量θを調整する。こ
うして求められたθがその時の実測電圧、電流を発生し
ている状態の電池の残存容量θの推定値となる。前記
{Ves(i,θ)−V}を最小化する具体的方法として
は、図7に示した(1)式を評価函数として導入して、
これを最小化するようにしている。上述のようにして、
残存容量θの導入過程を残存容量計の中で行う場合に
は、電池モデルを図7の(2)式で表現し、実測電圧、
電流V(τ),i(τ)を用いて前記(1)式による積
分値を最小化することによって残存容量θが求められ
る。その具体的演算手法については前記特許出願明細書
に詳述されている。
容量計を、例えば車両ごとに搭載できるように広く普及
させ、実用化するためには、その低価格化が必要であ
る。しかし従来の電池残存容量計では、残存容量算出の
演算アルゴリズムが高度で複雑であるために、高精度が
得られるという利点がある一方、演算量が膨大であるた
めにマイコンなど計算機の負担が大きく、そのハード構
成も複雑化してコスト高となることが避けられず、実用
化と普及の妨げになるという問題がある。このために、
低コストで実用上必要十分な精度や信頼性を維持したま
まで、コストを低減した電池残存容量計の開発が望まれ
ている。
電池残存容量計の原理を適用して実用上必要な精度を維
持しながら、一方では、処理アルゴリズムを簡略化し
て、ハード構成の簡略化と低コスト化を共に実現できる
モデルベース電池残存容量計を提供することにある。
に、本発明のモデルベース電池残存容量計では、予定値
きざみの離散値残存容量をパラメ−タとした当該電池の
端子電圧電流特性曲線群を記憶する電池モデルを準備し
ておき、被測定電池の端子電圧および放電電流をサンプ
リングし、あるサンプリング時点での端子電圧値(また
は電流値)を、直前サンプリング時点での残存容量に対
応する電池モデルの端子電圧電流特性曲線および少なく
ともその一方側に隣接する、少なくとも1つの端子電圧
電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧値(または電流値)
の期待値を読取り、この端子電圧値(または電流値)の
期待値とその実測値との差の評価値を各端子電圧電流特
性曲線ごとに演算し、前記評価値が最小となる期待値に
対応する残存容量を求め、これを前記サンプリング時点
における電池の残存容量として出力するようにした。
残存容量としては、各サンプリング時点ごとの評価値を
累算、平均化したときに最小値を与える特性曲線や、最
少となる回数が最大となった特性曲線を取ったりする事
ができる。またサンプリング時間間隔、利用する隣接端
子電圧電流特性曲線の個数、端子電圧電流特性曲線群の
予定きざみ値の大きさなどを所望検出精度、電池の残存
容量、残存容量変化速度などに応じて変化させても良
い。
実施例を詳細に説明する。まず電池モデルとして、図2
のように、電池の残存容量値の0%〜100%の間をα
%きざみで離散化して、残存容量毎の電圧電流特性をテ
ーブルとして記憶しておく。すなわち、残存容量θ=θ
(0) 、θ(1) 、θ(2) ……θ(j-1)、θ(j) ……θ(M)
毎に、予め複数の電圧電流特性曲線を準備しておく。こ
こで、θ(0) は残存容量0%に相当し、θ(M) は残存容
量100%に相当する。また各残存容量θの値の間には
θ(i) =θ(i-1 )+α、θ(i+1 )=θ(i) +αの関
係を持たせておく。
施例の構成および残存容量の表示方法を説明する。図3
に明示したように、本実施例では、T時間ごとに電池残
存容量を演算して表示する。すなわち、時刻t(i+1) に
おける残存容量θ(ti+1)は、その直前のT時間すなわ
ち時刻t(i) からt(i+1) までのT時間の間に、Ts(=
T/N)時間間隔のサンプリングで得られたデータに予
定の演算処理(これについては後述する)を施すことに
よって得られ、この値θ(ti+1)が前記時刻での電池残
存容量として出力、表示される。
それぞれ被測定電池の端子電圧および放電電流を測定す
る。これらの測定値はそれぞれLPF(ローパスフィル
タ)22a、bやサンプルホールド回路23a、bを介
してA/D変換器24a、bに転送され、実測電圧値V
r および電流値Ir として演算処理部30に供給され
る。前記演算処理の方法を、時刻t(i+1) における残存
容量θ(ti+1)を求める場合を例にとって説明する。
1) =t(i) +T]の間のT時間をN区間に等分割して
Ts =T/N時間毎に、実測電圧、電流値をサンプリン
グする。電池の運転中の各サンプリング時点{t(i) +
kTs }(但し、k=1〜N)で得られた電流、電圧の
実測データIr 、Vr を、 i{t(i) +Ts }、i{t(i) +2Ts }………i
{t(i+1) } V{t(i) +Ts }、V{t(i) +2Ts }………V
{t(i+1) }とする。
すなわち図1の演算処理部30の出力がθ(j) であった
と仮定する。この場合、図1の特性曲線選択手段31は
電池モデル(特性曲線テーブル)32から、図2の特性
曲線群中の残存容量曲線θ(j) およびその直近両側に隣
接する2曲線θ(j+1),θ(j-1) [但しθ(j+1) =θ(j)
+α、θ(j-1) =θ(j)−α]を選択し、これらに各実
測電流値Ir を当て嵌めて3種の期待電圧Ves{i(t
i+kTs ),θ(j+1) }, Ves{i(ti+kTs ),θ
(j) }、Ves{i(ti+kTs ),θ(j-1) }を読出
す。
圧Vesと実測電圧Vr (ti+kTs)との差をそれぞれ
求める。この差を実測値と電池モデルとの「距離」と定
義し、この関係を図4に示す。図4は、図2の一部を拡
大して示したものである。この図から容易に理解できる
ように、前記「距離」は、直前の残存容量演算時点t
(i) での残存容量θ(j) 、それよりも1ステップ減少
(−α%)した残存容量θ(j-1) および1ステップ増加
(+α%)した残存容量θ(j+1) にそれぞれに対応する
3本の電圧電流特性曲線から得られる各期待電圧Vesと
現時点{t(i) +kTs }での実測電圧Vr との差に相
当するものである。
残存容量θ(j+1),θ(j),θ(j-1) の中のどの電圧電流特
性曲線に、最も近い距離にあるかを求める。このため
に、前記各距離の自乗を指標とする評価式として、つぎ
の各式 J'{ti+kTs,θ(j+1)}= [Vr (ti+kTs )−Ves
{i(ti+kTs )、θ(j+1) }] 2 J'{ti+kTs,θ(j)}= [Vr (ti+kTs )−Ves
{i(ti+kTs )、θ(j) }] 2 J'{ti+kTs,θ(j-1)}= [Vr (ti+kTs )−Ves
{i(ti+kTs )、θ(j-1) }] 2 を2乗回路35a〜cでそれぞれ算出する。
価値を与える特性曲線すなわち残存容量を求める。具体
的にいえば、J(ti+kTs,θk)= min[J'{ti+k
Ts,θ(j+1)}、J'{ti+kTs,θ(j)}、J'{ti+kTs,
θ(j-1)}]の関係にしたがって、{t(i) +kTs }時
点で最も近い距離にある残存容量θk を求め、これを時
刻t(i+1) における当該電池の残存容量として出力す
る。
出力を累算回路37a〜cで累算する。以上のようにし
てサンプリング時間Ts 毎に求められたN個の各評価式
の値J' をパラメータとしての前記残存容量θ(j+1),θ
(j),θ(j-1) ごとに累算し、最小値選択回路38で累算
値または平均値が最少となる残存容量θを求め、これを
時刻t(i+1) における当該電池の残存容量として出力す
る。なお上記評価式として、前記距離の自乗の代わりに
絶対値を指標として用いても、実用上有効な残存容量を
求めることができる。このようにすれば、演算量をより
一層低減することができる。
1) までのT時間内に、サンプリング時間Ts 毎に得ら
れたN個の評価値J' をそれぞれの残存容量θ(j+1),θ
(j),θ(j-1) 毎に累算(さらに平均)する代わりに、残
存容量θ(j+1),θ(j),θ(j-1)のそれぞれに対応させて
3つのカウンタC1 、C2、C3(図示せず)を準備し
ておき、サンプリング時間Ts 毎に求められた3個の評
価式の値が最少となる残存容量J(ti+kTs,θm )
(ただし、θm =j+1,j,j-1)に相当する残存容量θm の
カウンタに1を加算する。そして、k=1〜NのT時間
内で得られた積算値が最大となったカウンタに相当する
残存容量θm をt(i+1) 時刻での残存容量と決定するこ
ともできる。つまり、Ck =max(C1 、C2 、C3
)によって残存容量θm を求めるものである。
C2 の積算値が最大であれば、Ck=C2 となり、(t1
+1 )時刻での残存容量θ(t1+1)をθj と決定する。T
時間が満了したら、各カウンタC1 、C2 、C3 を0に
リセットする。また電池の満充電後に放電を開始する時
点(t=0)においては、残存容量θk =θM =100
%としておく。
みに離散化され、処理および残量表示の単位時間をT時
間毎としたため、その表示も時間的に離散化される。そ
れ故に、残量演算、表示の要求精度に応じて離散化幅
α、すなわち分解能を決めることができ、用途ごとに最
適な精度を最小限の演算で得ることができる。このため
には、分解能αを異ならせた図2や図4のような特性曲
線群を予め準備しておくか、前記(2)式の係数a0
(θ) 、a1(θ) などを適宜修正変更できるようにして
おくことが必要である。
れた複雑な積分演算や繰り返し収束計算が不要となり、
簡単な計算で処理プロセスが格段に簡略化される。この
結果、演算用マイコンのハード構成やソフトが、著しく
簡単となり、製品のコストを大幅に低減することができ
る。
Tを予め固定的に与えて残存容量の推定を行なったが、
この時間間隔Tは必ずしも固定である必要はない。電池
の運用状態、例えば、残存容量の変化速度(減少または
増加速度)に応じて、変化速度が大きいときには、時間
Tを短くして残存容量計の応答速度を上げ、反対に、変
化速度が遅いときには、時間Tを長くするなど、適切に
前記時間間隔Tを可変にするアルゴリズムを組み入れる
こともできる。
をみるのに、現時点の残存容量θ(j) を中心に、1ステ
ップ上および下の直近残存容量θ(j+1) 、θ(j-1) を用
いて推定したが、この場合も同様に、残存容量の変化速
度に応じて減少速度の速い時には、現状の残存容量θ
(j) に対して1ステップ下の残存容量θ(j-1) の他に、
2ステップ下のθ(j-2) を取り込み、さらには3ステッ
プ下のθ(j-3) までも取り込むなど、取込み数を適切に
可変調整するアルゴリズムを組み入れることもできる。
一方である事実に着目し、現時点の残存容量θ(j) およ
び少なくとも1きざみ下側の残存容量θ(j-1) を用いて
推定するようにすることもでき、これによっても実用上
十分な結果が得られる。仮に電力回生操作などによっ
て、運用中に電池が充電されることがあっても実用に耐
え得る残存容量計が提供できる。なお必要に応じて、運
用中の電池充電を検知し、充電が検知されたならば現時
点よりも上側の直近残存容量θ(j+1) をも加えて推定演
算を行なうようにすることもできる。
当て嵌めて端子電圧の期待値を求めたが、反対に、実測
電圧値から期待電流値を求めて同様に演算することので
きる。さらに、残留容量演算時間Tとサンプリング時間
間隔Ts とを等しくしてサンプリング時点ごとの演算結
果を出力表示しても良い。
状態に応じて、推定演算を実行する時間間隔や計算に使
用するパラメータの数を変更するアルゴリズムを組み入
れることによって必要最小限の計算負荷によって電池の
充放電状態や残存容量の変化状態に適切に応答する極め
て合理的、経済的な電池残存容量計を実現することがで
きる。
る。
イムチャートである。
る。
る。
…LPF 23a、b…サンプルホールド回路 24
a、b…A/D変換器 30…演算処理部 31…特性
曲線選択手段 32…電池モデル 35a〜c…2乗回
路 37a〜c…累算回路 38…最小値選択回路
Claims (8)
- 【請求項1】被測定電池の端子電圧を測定する端子電圧
センサと、 前記電池の電流を測定する電流センサと、 予定値きざみの離散値残存容量をパラメ−タとした当該
電池の端子電圧電流特性曲線群を記憶する電池モデル
と、 あるサンプリング時点で測定された端子電圧値および電
流値の一方を、直前サンプリング時点での残存容量に対
応する電池モデルの端子電圧電流特性曲線および少なく
ともその一方側に隣接する、少なくとも1つの端子電圧
電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧値および電流値の他
方の期待値を導出する手段と、 前記のように導出された端子電圧値および電流値の他方
の期待値とその実測値との差の評価値を各端子電圧電流
特性曲線ごとに演算する手段と、 前記評価値が最小となる期待値に対応する残存容量を前
記あるサンプリング時点における電池の残存容量として
出力する手段とを具備したモデルベース電池残存容量
計。 - 【請求項2】被測定電池の端子電圧を測定する端子電圧
センサと、 前記電池の電流を測定する電流センサと、 予定値きざみの離散値残存容量をパラメ−タとした当該
電池の端子電圧電流特性曲線群を記憶する電池モデル
と、 1残留容量演算時間に含まれる連続した複数のサンプリ
ング時点で測定された各端子電圧値および電流値の一方
を、各サンプリング時点ごとに、直前の残留容量演算時
点での残存容量に対応する電池モデルの端子電圧電流特
性曲線および少なくともその一方側に隣接する、少なく
とも1つの端子電圧電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧
値および電流値の他方の期待値をそれぞれ導出する手段
と、 各サンプリング時点ごとに、前記のように導出された端
子電圧値および電流値の他方の期待値とその実測値との
差の評価値を各端子電圧電流特性曲線ごとに演算する手
段と、 各サンプリング時点ごとに、前記評価値が最小となる期
待値に対応する端子電圧電流特性曲線を決定する手段
と、 1残留容量演算時間内において、前記評価値が最小とな
った回数が最大である期待値に対応する端子電圧電流特
性曲線が表わす離散値電池残存容量を、今回残留容量演
算時点における電池の残存容量として出力する手段とを
具備したモデルベース電池残存容量計。 - 【請求項3】被測定電池の端子電圧を測定する端子電圧
センサと、 前記電池の電流を測定する電流センサと、 予定値きざみの離散値残存容量をパラメ−タとした当該
電池の端子電圧電流特性曲線群を記憶する電池モデル
と、 1残留容量演算時間に含まれる連続した複数のサンプリ
ング時点で測定された各端子電圧値および電流値の一方
を、各サンプリング時点ごとに、直前の残留容量演算時
点での残存容量に対応する電池モデルの端子電圧電流特
性曲線および少なくともその一方側に隣接する、少なく
とも1つの端子電圧電流特性曲線に当て嵌めて端子電圧
値および電流値の他方の期待値をそれぞれ導出する手段
と、 各サンプリング時点ごとに、前記のように導出された端
子電圧値および電流値の他方の期待値とその実測値との
差の評価値を各端子電圧電流特性曲線ごとに演算する手
段と、 各サンプリング時点ごとに演算された前記評価値を、各
端子電圧電流特性曲線ごとに、1残留容量演算時間に亘
って累算または平均化する手段と、 前記累算または平均値が最小となった期待値に対応する
端子電圧電流特性曲線が表わす離散値電池残存容量を、
今回残留容量演算時点における電池の残存容量として出
力する手段とを具備したモデルベース電池残存容量計。 - 【請求項4】前記評価値は、前記期待値とその実測値と
の距離およびその自乗のいずれかである請求項1ないし
3のいずれかに記載のモデルベース電池残存容量計。 - 【請求項5】端子電圧電流特性曲線群の残存容量の離散
値きざみ幅を、電池残存容量の要求精度に応じて異なら
せる手段をさらに具備した請求項1ないし4のいずれか
に記載のモデルベース電池残存容量計。 - 【請求項6】電池モデルが、残存容量の離散値きざみ幅
を異ならせた複数組の端子電圧電流特性曲線群を予め記
憶し、 電池残存容量の要求精度に応じて、1組の端子電圧電流
特性曲線群を選択する手段とをさらに具備した請求項1
ないし5のいずれかに記載のモデルベース電池残存容量
計。 - 【請求項7】残留容量演算時間は、電池の残存容量変化
速度が速いほど短くされる請求項1ないし6のいずれか
に記載のモデルベース電池残存容量計。 - 【請求項8】期待値の算出に用いられる端子電圧電流特
性曲線の本数は、電池の残存容量変化速度が速いほど増
加される請求項1ないし7のいずれかに記載のモデルベ
ース電池残存容量計。
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---|---|---|---|
JP19006796A JP3695610B2 (ja) | 1996-07-01 | 1996-07-01 | モデルベース電池残存容量計 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH1020003A true JPH1020003A (ja) | 1998-01-23 |
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