JP2006105821A - Apparatus for estimating charge capacity of secondary cell and its method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、二次電池の充電容量（残存容量：ＳＯＣ（States Of Charge））を算出する技術に関し、特に、適応デジタルフィルタを用いてＳＯＣを推定する技術に関する。 The present invention relates to a technique for calculating a charge capacity (remaining capacity: SOC (States Of Charge)) of a secondary battery, and particularly to a technique for estimating SOC using an adaptive digital filter.
エンジン（たとえば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの公知の機関を用いることが考えられる。）と電気モータとを組合せたハイブリッドシステムと呼ばれるパワートレインを搭載した車両が開発され、実用化されている。このような車両においては、運転者のアクセル操作量に関係なく、エンジンによる運転と電気モータとによる運転とが自動的に切換えられて、最も効率が良くなるように制御される。たとえば、エンジンが、定常状態で運転されて二次電池（以下、バッテリや電池と記載するが全て同義である）を充電する発電機を回すために運転される場合、あるいは二次電池のＳＯＣなどに応じて走行中に間欠的に運転される場合などは、運転者によるアクセルの操作量とは無関係にエンジンの運転および停止を繰返す。つまりエンジンと電気モータとをそれぞれ単独、または協同して動作させることにより、燃料消費向上や排気ガスを大幅に抑制することが可能になる。 A vehicle equipped with a power train called a hybrid system combining an engine (for example, a known engine such as a gasoline engine or a diesel engine) and an electric motor has been developed and put into practical use. In such a vehicle, regardless of the amount of accelerator operation by the driver, the operation by the engine and the operation by the electric motor are automatically switched and controlled so as to obtain the highest efficiency. For example, when the engine is operated in a steady state to operate a generator that charges a secondary battery (hereinafter referred to as a battery or a battery, all of which are synonymous), or the SOC of a secondary battery, etc. When the vehicle is intermittently driven during traveling, the engine is repeatedly operated and stopped regardless of the amount of accelerator operation by the driver. That is, by operating the engine and the electric motor individually or in cooperation, it becomes possible to improve fuel consumption and significantly reduce exhaust gas.
このように、ハイブリッド車両のエンジンは、走行中においても間欠駆動が行なわれることになり、頻繁に停止制御が行なわれるようになる。エンジンの停止制御を行なう場合、エンジンの回転エネルギ（運動エネルギ）をジェネレータに与えて、ジェネレータにより電気エネルギに変換して、車両を停止させることがある。このときに発電された電力は二次電池を充電するために用いられる。この二次電池のＳＯＣが高いときに充電を許可すると過充電となり二次電池の温度上昇を招き、二次電池の寿命を縮めることになりかねない。そこで、二次電池のＳＯＣをできる限り正確に推定することが求められる。また、制動時に回生制動を行なう時にも、回収した電力を二次電池に充電できるか否かを判断するためにもＳＯＣをできる限り正確に推定することが求められる。このようなことは、走行用の二次電池を有する、ハイブリッド車両、電気自動車、燃料電池車のいずれにも共通する。 As described above, the engine of the hybrid vehicle is intermittently driven even during traveling, and the stop control is frequently performed. When engine stop control is performed, engine rotational energy (kinetic energy) may be applied to a generator and converted to electrical energy by the generator to stop the vehicle. The electric power generated at this time is used to charge the secondary battery. If charging is permitted when the SOC of the secondary battery is high, overcharging occurs and the secondary battery temperature rises, which may shorten the life of the secondary battery. Therefore, it is required to estimate the SOC of the secondary battery as accurately as possible. Also, when regenerative braking is performed during braking, it is required to estimate the SOC as accurately as possible in order to determine whether or not the recovered power can be charged into the secondary battery. This is common to any hybrid vehicle, electric vehicle, and fuel cell vehicle having a secondary battery for traveling.
非特許文献１は、二次電池の内部状態量（ＳＯＣを含む）を電池の端子電圧、電流温度などを用いて推定する際における、電池の過渡特性の影響による推定精度の悪化を改善するために適応デジタルフィルタを適用した、電池内部状態量の推定手法を開示する。
この電池内部状態量の推定手法は、リチウムイオン電池などの二次電池の電流と端子電圧との関係を、線形パラメータ可変（ＬＰＶ（Linear Parameter Varying））モデルで記述することにより、「電池内部状態量の推定手法」を、「適応デジタルフィルタによるモデルパラメータ逐次推定問題」に帰着させている。特に、物理的な意味を持つ連続時間形式電池モデルのパラメータを、適応デジタルフィルタで直接同定する「ハイブリッド同定方式」を適用し、また、常に変化するモデルパラメータを精度良く逐次推定する必要性から、パラメータ同定方法として特に「両限トレースゲイン型最小二乗法」を適用している。このようにして、動作条件（ＳＯＣ、温度、劣化度など）によって常に変動する電池モデルパラメータ（内部抵抗、時定数など）と、電池内部状態量の一例である、開路電圧（開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）と同じ）、ＳＯＣ、入出力可能パワーを精度良く逐次推定できる推定システムを実現している。
しかしながら、上述した文献に開示された電池内部状態量の推定手法においては、適応デジタルフィルタを用いて逐次計算するため初期の推定結果は真値から離れている。すなわち、計算開始からある時間内においては、計算結果が真値から離隔して電池の内部状態量の推定精度が悪い。 However, in the estimation method of the battery internal state quantity disclosed in the above-mentioned document, the initial estimation result is far from the true value because the calculation is performed sequentially using the adaptive digital filter. That is, within a certain time from the start of calculation, the calculation result is far from the true value, and the estimation accuracy of the internal state quantity of the battery is poor.
また、計測された電圧から適応デジタルフィルタを用いて開路電圧を算出し、開路電圧からＳＯＣを算出しているが、電池の電流波形に依存して推定精度が変動するという問題点を有する。たとえば、その理由は明確ではないが、電池の電流波形が正弦波や単調増加電流である場合には、電池の内部状態量の推定精度が悪化する。 Further, the open circuit voltage is calculated from the measured voltage using an adaptive digital filter, and the SOC is calculated from the open circuit voltage. However, there is a problem that the estimation accuracy varies depending on the current waveform of the battery. For example, although the reason is not clear, when the battery current waveform is a sine wave or a monotonically increasing current, the estimation accuracy of the internal state quantity of the battery deteriorates.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、このような推定精度の悪化を回避することができる、適応デジタルフィルタを用いた二次電池の充電容量を推定する装置およびその方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to reduce the charge capacity of a secondary battery using an adaptive digital filter that can avoid such deterioration in estimation accuracy. An apparatus and method for estimation are provided.
第１の発明に係る推定装置は、電池モデルを用いた適応デジタルフィルタ演算で開路電圧を推定して、その開路電圧から二次電池の充電容量を推定する。この推定装置は、二次電池の電流値を検知するための検知手段と、検知された電流値が入力され、パラメータを逐次推定する、電池モデルを用いた適応デジタルフィルタと、適応デジタルフィルタにより推定されたパラメータに基づいて、開路電圧推定値を算出するための算出手段と、予め定められた関係と開路電圧推定値とに基づいて、充電容量を推定するための推定手段と、予め定められた条件に従って、電流積算により算出された充電容量および推定手段により推定された充電容量のいずれかを選択するための選択手段とを含む。 The estimation apparatus according to the first aspect of the invention estimates an open circuit voltage by an adaptive digital filter calculation using a battery model, and estimates a charge capacity of the secondary battery from the open circuit voltage. This estimation device includes a detection means for detecting a current value of a secondary battery, an adaptive digital filter using a battery model that receives the detected current value and sequentially estimates parameters, and is estimated by an adaptive digital filter. A calculation means for calculating an open circuit voltage estimated value based on the determined parameters, an estimation means for estimating the charge capacity based on a predetermined relationship and the open circuit voltage estimated value, and a predetermined Selection means for selecting one of the charge capacity calculated by current integration and the charge capacity estimated by the estimation means according to the conditions.
また、第６の発明に係る推定方法は、電池モデルを用いた適応デジタルフィルタ演算で開路電圧を推定して、その開路電圧から二次電池の充電容量を推定する。この推定方法は、二次電池の電流値を検知するステップと、パラメータを逐次推定する、電池モデルを用いた適応デジタルフィルタに、検知された電流値を入力するステップと、適応デジタルフィルタにより推定されたパラメータに基づいて、開路電圧推定値を算出するステップと、予め定められた関係と開路電圧推定値とに基づいて、充電容量を推定するステップと、予め定められた条件に従って、電流積算により算出された充電容量および推定された充電容量のいずれかを選択する選択ステップとを含む。 According to a sixth aspect of the present invention, an open circuit voltage is estimated by an adaptive digital filter calculation using a battery model, and a charge capacity of the secondary battery is estimated from the open circuit voltage. The estimation method includes a step of detecting a current value of a secondary battery, a step of inputting a detected current value to an adaptive digital filter using a battery model that sequentially estimates parameters, and an estimation by an adaptive digital filter. A step of calculating an open circuit voltage estimated value based on the determined parameters, a step of estimating the charge capacity based on a predetermined relationship and the open circuit voltage estimated value, and a current integration according to a predetermined condition. And selecting a selected charging capacity and an estimated charging capacity.
これらの発明によると、予め定められた条件に従って、電流積算により算出された充電容量（ＳＯＣ）および推定された充電容量（推定ＳＯＣ）のいずれかが選択される。たとえば、イグニッションスイッチがオンされて推定演算が始まってから予め定められた時間が経過するまでは電流積算によるＳＯＣを選択して、その後は、たとえば、二次電池の電圧の計測値と推定電圧値との誤差が収束すると適応デジタルフィルタを用いた推定ＳＯＣを選択する。その結果、推定精度の悪化を回避することができる、適応デジタルフィルタを用いた二次電池の充電容量を推定する装置およびその方法を提供することができる。 According to these inventions, either the charge capacity (SOC) calculated by current integration or the estimated charge capacity (estimated SOC) is selected according to a predetermined condition. For example, the SOC by current integration is selected until a predetermined time elapses after the ignition switch is turned on and the estimation calculation is started. Thereafter, for example, the measured value and the estimated voltage value of the secondary battery voltage are selected. When the error of the error converges, the estimated SOC using the adaptive digital filter is selected. As a result, it is possible to provide an apparatus and a method for estimating the charge capacity of a secondary battery using an adaptive digital filter, which can avoid deterioration in estimation accuracy.
第２の発明に係る推定装置においては、第１の発明の構成に加えて、選択手段は、推定開始から予め定められた時間が経過するまでは、電流積算により算出された充電容量を選択するための手段を含み、第７の発明に係る推定方法においては、第６の発明の構成に加えて、選択ステップは、推定開始から予め定められた時間が経過するまでは、電流積算により算出された充電容量を選択するステップを含む。 In the estimation device according to the second invention, in addition to the configuration of the first invention, the selection means selects the charge capacity calculated by current integration until a predetermined time has elapsed from the start of estimation. In the estimation method according to the seventh aspect of the invention, in addition to the configuration of the sixth aspect of the invention, the selection step is calculated by current integration until a predetermined time elapses from the start of estimation. Selecting a charged capacity.
これらの発明によると、十分に放置された後にイグニッションスイッチがオンされたときには、正確なＯＣＶに基づいて算出されたＳＯＣ初期値から電流積算することにより、高い精度でＳＯＣを算出できる。その後は、たとえば、二次電池の電圧の計測値と推定電圧値との誤差が収束すると適応デジタルフィルタを用いた推定ＳＯＣを選択する。このようにすると、長時間に亘って電流積算によるＳＯＣを算出すると、電流の誤差が積算されてＳＯＣの真値から乖離するが、適応デジタルフィルタを用いた推定ＳＯＣを選択すると、このような電流積算による誤差の影響を回避できる。 According to these inventions, when the ignition switch is turned on after being sufficiently left unattended, the SOC can be calculated with high accuracy by integrating the current from the SOC initial value calculated based on the accurate OCV. Thereafter, for example, when the error between the measured value of the voltage of the secondary battery and the estimated voltage value converges, the estimated SOC using the adaptive digital filter is selected. In this way, when the SOC by current integration over a long time is calculated, current errors are integrated and deviate from the true value of the SOC. However, when the estimated SOC using the adaptive digital filter is selected, such current The effect of error due to integration can be avoided.
第３の発明に係る推定装置においては、第１の発明の構成に加えて、選択手段は、計測された二次電池の電圧と二次電池の内部状態量から演算される電圧値との差が収束すると、推定手段により推定された充電容量を選択するための手段を含み、第８の発明に係る推定方法においては、第６の発明の構成に加えて、選択ステップは、計測された二次電池の電圧と二次電池の内部状態量から演算される電圧値との差が収束すると、推定された充電容量を選択するステップを含む。 In the estimation apparatus according to the third invention, in addition to the configuration of the first invention, the selection means includes a difference between the measured voltage of the secondary battery and a voltage value calculated from the internal state quantity of the secondary battery. When the convergence is completed, it includes means for selecting the charging capacity estimated by the estimation means. In the estimation method according to the eighth aspect of the invention, in addition to the configuration of the sixth aspect, the selection step includes two measured values. When the difference between the voltage of the secondary battery and the voltage value calculated from the internal state quantity of the secondary battery converges, the method includes a step of selecting the estimated charge capacity.
これらの発明によると、二次電池の電圧の計測値と推定電圧値との誤差が収束すると、適応デジタルフィルタを用いた推定ＳＯＣを選択され、電流の誤差が積算されてＳＯＣの真値から乖離する電流積算ＳＯＣが選択されないので、正確にＳＯＣを算出できる。 According to these inventions, when the error between the measured value of the voltage of the secondary battery and the estimated voltage value converges, the estimated SOC using the adaptive digital filter is selected, and the current error is integrated to deviate from the true value of the SOC. Since the current integration SOC to be selected is not selected, the SOC can be accurately calculated.
第４の発明に係る推定装置においては、第１の発明の構成に加えて、選択手段は、推定開始から予め定められた時間が経過して、かつ、二次電池の電流積算値が予め定められた値に到達すると、推定手段により推定された充電容量を選択するための手段を含み、第９の発明に係る推定方法においては、第６の発明の構成に加えて、選択ステップは、推定開始から予め定められた時間が経過して、かつ、二次電池の電流積算値が予め定められた値に到達すると、推定された充電容量を選択するステップを含む。 In the estimation apparatus according to the fourth aspect of the invention, in addition to the configuration of the first aspect, the selection means has a predetermined time elapsed from the start of estimation, and the current integrated value of the secondary battery is predetermined. When the estimated value is reached, the estimation method includes means for selecting the charge capacity estimated by the estimation means. In the estimation method according to the ninth invention, in addition to the configuration of the sixth invention, the selection step includes The method includes a step of selecting an estimated charging capacity when a predetermined time has elapsed from the start and when the current integrated value of the secondary battery reaches a predetermined value.
これらの発明によると、推定開始から予め定められた時間が経過して、かつ、二次電池の電流積算値が予め定められた値に到達すると、適応デジタルフィルタを用いた推定ＳＯＣが選択され、電流の誤差が積算されてＳＯＣの真値から乖離する電流積算ＳＯＣが選択されないので、正確にＳＯＣを算出できる。 According to these inventions, when a predetermined time elapses from the start of estimation and the current integrated value of the secondary battery reaches a predetermined value, the estimated SOC using the adaptive digital filter is selected, Since the current integration SOC in which the current error is integrated and deviates from the true value of the SOC is not selected, the SOC can be calculated accurately.
第５の発明に係る推定装置においては、第１の発明の構成に加えて、選択手段は、二次電池の電流値の波形が正弦波または単調増加であると、電流積算により算出された充電容量を選択するための手段を含み、第１０の発明に係る推定方法においては、第６の発明の構成に加えて、選択ステップは、二次電池の電流値の波形が正弦波または単調増加であると、電流積算により算出された充電容量を選択するステップを含む。 In the estimation device according to the fifth aspect of the invention, in addition to the configuration of the first aspect, the selection means may calculate the charge calculated by integrating the current when the waveform of the current value of the secondary battery is a sine wave or monotonically increasing. In the estimation method according to the tenth aspect of the invention, including the means for selecting the capacity, in addition to the configuration of the sixth aspect of the invention, the selection step includes: a waveform of the current value of the secondary battery is a sine wave or monotonically increasing If there is, a step of selecting a charging capacity calculated by current integration is included.
これらの発明によると、二次電池の電流値の波形が正弦波または単調増加であると、ＳＯＣを推定するときに用いる開路電圧推定値の精度を悪化させる。このため、このような場合には、電流積算により算出された充電容量を選択して推定ＳＯＣを算出することができる。 According to these inventions, if the waveform of the current value of the secondary battery is a sine wave or monotonically increasing, the accuracy of the open circuit voltage estimated value used when estimating the SOC is deteriorated. For this reason, in such a case, the estimated SOC can be calculated by selecting the charge capacity calculated by current integration.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same parts are denoted by the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
まず、図１〜５を参照して本発明の前提となる適応デジタルフィルタについて説明する。なお、以下の説明ではＳＯＣのみならず入出力可能パワーについての推定を含めて説明する。 First, an adaptive digital filter which is a premise of the present invention will be described with reference to FIGS. In the following description, not only the SOC but also the estimation of power that can be input / output will be described.
図１は、未知プラントが以下の式（１）で表わされるモデルである。 FIG. 1 is a model in which an unknown plant is represented by the following equation (1).
式（１）において、ｙは計測可能なプラント出力、ωは計測可能なプラント入力ｕと、入力ｕと出力ｙをフィルタに通した出力からなるベクトル、θは計測不可能なパラメータベクトルである。これらの信号は離散時間または連続時間信号である。 In equation (1), y is a measurable plant output, ω is a measurable plant input u, a vector composed of an input u and an output y passed through a filter, and θ is a parameter vector that cannot be measured. These signals are discrete time or continuous time signals.
プラント出力ｙと、モデルを用いたプラント出力の推定値ｙ'との誤差が０に近づくように、式（１）で示すモデルのパラメータ推定値ベクトルθ'を、最小二乗法などを用いて逐次的に調整する方法が「適応デジタルフィルタ（逐次型モデルパラメータ同定）である。計測可能なプラント入力ｕ、出力ｙ、プラントモデルの構造情報（次数など）だけで、プラントの特性変化に容易に対応できる。 The model parameter estimated value vector θ ′ represented by the equation (1) is sequentially generated using the least square method or the like so that the error between the plant output y and the estimated value y ′ of the plant output using the model approaches 0. "Adaptive digital filter (sequential model parameter identification) is a method to adjust automatically. Easily respond to changes in plant characteristics with only measurable plant input u, output y, and plant model structure information (order, etc.) it can.
二次電池の電流と端子電圧との関係を、電池構造をもとに図２に示す簡易モデルで表現する。充放電電流Ｉ（ｔ）、開路電圧ＶO（ｔ）と端子電圧Ｖ（ｔ）との関係は式（２）または式（３−１）で表わされる。 The relationship between the current of the secondary battery and the terminal voltage is expressed by a simple model shown in FIG. 2 based on the battery structure. The relationship among the charge / discharge current I (t), the open circuit voltage V O (t), and the terminal voltage V (t) is expressed by the equation (2) or the equation (3-1).
ここで、ｓは微分オペレータ、Ｋは内部抵抗、Ｔ1およびＴ2は時定数であり、式（３−２）のように与えられる。 Here, s is a differential operator, K is an internal resistance, T 1 and T 2 are time constants, and are given as in Expression (3-2).
さらに、式中の開路電圧は、充放電電流の積算値に相関が深く、実験結果から式（４）で近似する。ただし、ｈは開路電圧用定数である。 Furthermore, the open circuit voltage in the equation has a deep correlation with the integrated value of the charge / discharge current, and is approximated by the equation (4) from the experimental results. However, h is a constant for open circuit voltage.
式（４）を式（３）に代入して式（５）が得られる。 By substituting equation (4) into equation (3), equation (5) is obtained.
以上のように、電流を入力、端子電圧を出力として電池をモデル化している。なお、電池内部で起こる現象を詳細に記述したモデルではなく、特定の動作条件（ＳＯＣ，温度，劣化度など）での入出力関係を線形モデルで近似したものである。したがって各モデルパラメータ（内部抵抗Ｋ，時定数Ｔ1，Ｔ2，開路電圧用定数ｈ）は固定値ではなく、動作条件の変化に応じて常に変化することが前提である。つまり、線形パラメータ可変（ＬＰＶ）システムとして定義することで問題を簡略化している。上記モデルは離散化すれば、当然回帰型モデルとなる。 As described above, the battery is modeled with the current input and the terminal voltage output. It is not a model that describes in detail the phenomenon that occurs inside the battery, but an input / output relationship under specific operating conditions (SOC, temperature, deterioration degree, etc.) is approximated by a linear model. Accordingly, it is assumed that each model parameter (internal resistance K, time constants T 1 , T 2 , open circuit voltage constant h) is not a fixed value but always changes according to changes in operating conditions. In other words, the problem is simplified by defining as a linear parameter variable (LPV) system. If the above model is discretized, it will naturally be a regression model.
図３に、開路電圧とＳＯＣとの定常的な相関特性を示す。一般に、この特性は電池固有の特性であって、温度や劣化度には影響されないとされている。 FIG. 3 shows a steady correlation characteristic between the open circuit voltage and the SOC. In general, this characteristic is characteristic of a battery and is not affected by temperature or the degree of deterioration.
連続時間形式で記述された式（５）の電池モデルを、離散化せず、適応したデジタルフィルタ（逐次型モデルパラメータ同定）にダイレクトに帰着させるハイブリッド同定方式を適用する。これは、１）連続時間系モデルのパラメータが物理的な意味をもち、推定精度が把握しやすいこと、２）離散時間同定法の方が一般的にパラメータの収束性がよいこと、３）さらに同定のための信号として入出力信号のフィルタ出力を用いるための観測ノイズの影響を緩和できるからである。 A hybrid identification method is applied in which the battery model of the formula (5) described in the continuous time format is not discretized but directly results in an adaptive digital filter (sequential model parameter identification). This is because 1) the parameters of the continuous-time system model have a physical meaning and the estimation accuracy is easy to grasp, 2) the discrete-time identification method generally has better parameter convergence, and 3) This is because the influence of observation noise for using the filter output of the input / output signal as the signal for identification can be mitigated.
以下、適応デジタルフィルタが適用可能なモデル標準形への定式化を示す。まず、式（５）を式（６）のように書き換える。 In the following, formulation into a model standard form to which an adaptive digital filter can be applied is shown. First, Equation (5) is rewritten as Equation (6).
ここで、ローパスフィルタ１／Ｇlp（ｓ）は、式（６）の両辺が厳密にプロパーとなるように式（７）のように選ぶ（τは時定数）。
Here, the low-
電流および電圧のフィルタ出力を式（８）で定義する。 The current and voltage filter outputs are defined by equation (8).
このように定義すると、式（６）は式（９）のように書ける。 If it defines in this way, Formula (6) can be written like Formula (9).
式（９）は、適応デジタルフィルタのモデル標準形であり適応デジタルフィルタが適用可能である。なお、θは未知パラメータであり、それ以外は計測不可能な信号をもとに式（８）のフィルタ処理で得られる値である。 Expression (9) is a model standard form of the adaptive digital filter, and the adaptive digital filter can be applied. Note that θ is an unknown parameter, and other values are values obtained by the filter processing of Expression (8) based on signals that cannot be measured.
パラメータ推定値をθ'、パラメータ推定値θ'を用いて推定される出力推定値をｙ'とすると、式（１０）に示す誤差方程式が得られる。 If the parameter estimated value is θ ′ and the output estimated value estimated using the parameter estimated value θ ′ is y ′, an error equation shown in Expression (10) is obtained.
式（１０）の誤差方程式に対して、逐次型のパラメータ同定アルゴリズムを適用する。特に、変動する未知パラメータθを精度良く推定するために、最小二乗法を発展させた両限トレースゲイン方式を用いた、離散時間形式で記述されたアルゴリズムを式（１１）に示す。ただし、λ3，α1は、０＜λ3＜１，０＜α1＜∞の範囲で設定する適応推定の重みであり、γU，γLは、適応推定の上下限を設定する値である。 A sequential parameter identification algorithm is applied to the error equation of equation (10). In particular, in order to accurately estimate the fluctuating unknown parameter θ, an algorithm described in a discrete time format using the limit trace gain method developed from the least square method is shown in Equation (11). Where λ 3 and α 1 are adaptive estimation weights set in the range of 0 <λ 3 <1, 0 <α 1 <∞, and γ U and γ L are values that set the upper and lower limits of adaptive estimation. It is.
適応デジタルフィルタにより逐次推定されたパラメータθ'（ｔ）から開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）を算出する。ただし、適応デジタルフィルタで用いた式（４）から算出すると、誤差が積分的に溜まるので、式（４）ではなく、積分器を含まない式（３）の電池モデルを直接用いて開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）を算出する。前述の処理と同様に、電池モデルを表わす式（３）の分母多項式を払い、両辺に式（７）のローパスフィルタを乗じて整理すると式（１２）が得られる。 An open circuit voltage estimated value V ′ 0 (t) is calculated from the parameter θ ′ (t) sequentially estimated by the adaptive digital filter. However, since the error accumulates in an integral manner when calculated from the equation (4) used in the adaptive digital filter, the open circuit voltage estimation is performed directly using the battery model of the equation (3) not including the integrator instead of the equation (4). The value V ′ 0 (t) is calculated. Similarly to the above-described processing, when the denominator polynomial of the expression (3) representing the battery model is given and both sides are multiplied by the low pass filter of the expression (7), the expression (12) is obtained.
式（１２）の左辺は、開路電圧Ｖ0（ｔ）にローパスフィルタ処理を施した値であるが、開路電圧Ｖ0（ｔ）は、変化が比較的緩やかであるため、これを開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）とみなす。さらにＫ等のパラメータを適応デジタルフィルタで算出される連続時間系モデルの推定パラメータθ'（ｔ）すなわち、Ｋ'（ｔ），Ｔ1'（ｔ），Ｔ2'（ｔ）に置き換えて、式（８）に示すフィルタ処理後の電流Ｉ1（ｔ），Ｉ2（ｔ）および端子電圧Ｖ1（ｔ），Ｖ2（ｔ）を式（１２）に代入して、式（１３）のように開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）を算出する。なお、同定機構を図４に示す。 The left-hand side of equation (12) is a value obtained by performing low-pass filtering the open circuit voltage V 0 (t), open circuit voltage V 0 (t), since the change is relatively slow, this open-circuit voltage estimated Consider the value V ′ 0 (t). Further, parameters such as K are replaced with estimated parameters θ ′ (t) of the continuous-time system model calculated by the adaptive digital filter, that is, K ′ (t), T 1 ′ (t), T 2 ′ (t), Substituting the filtered currents I 1 (t) and I 2 (t) and terminal voltages V 1 (t) and V 2 (t) shown in equation (8) into equation (12), equation (13) The open circuit voltage estimated value V ′ 0 (t) is calculated as follows. The identification mechanism is shown in FIG.
適応デジタルフィルタにより逐次推定された電池モデルパラメータθ'（ｔ）と、既に算出された内部状態量である開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）から、充電率（ＳＯＣ）推定値Ｓ'OC（ｔ），入出力可能パワー推定値Ｐ'IN（ｔ），Ｐ'OUT（ｔ）を算出する。充電率推定値Ｓ'OC（ｔ）は、予め計測した開路電圧ＶO（ｔ）とＳＯＣとの相関特性マップ（図３）を用いて、逐次推定された開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）から換算する。入出力パワーは、逐次推定された開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）と内部抵抗推定値Ｋ'（ｔ）から電流Ｉ（ｔ）と端子電圧Ｖ（ｔ）の定常特性である式（１４）を用いて算出する。 From the battery model parameter θ ′ (t) sequentially estimated by the adaptive digital filter and the open circuit voltage estimated value V ′ 0 (t) which is the already calculated internal state quantity, the charging rate (SOC) estimated value S ′ OC ( t), input / output possible power estimation values P ′ IN (t), P ′ OUT (t) are calculated. Charging rate estimated value S 'OC (t), using the previously measured open circuit voltage V O (t) and the correlation characteristic map of SOC (FIG. 3), sequentially estimated open circuit voltage estimated value V' 0 (t ) The input / output power is an equation (14) that is a steady-state characteristic of the current I (t) and the terminal voltage V (t) from the sequentially estimated open circuit voltage estimated value V ′ 0 (t) and the internal resistance estimated value K ′ (t). ) To calculate.
入力可能パワー推定値Ｐ'IN（ｔ）は、電池の上限端子電圧ＶMAXに至る限界値と定義すれば式（１５）で算出できる。 The input power estimation value P ′ IN (t) can be calculated by Expression (15) if it is defined as a limit value that reaches the upper limit terminal voltage V MAX of the battery.
出力可能パワー推定値Ｐ'OUT（ｔ）は、電池の下限端子電圧ＶMINに至る限界値と定義すれば式（１６）で算出できる。 The output possible power estimated value P ′ OUT (t) can be calculated by Expression (16) if it is defined as a limit value reaching the lower limit terminal voltage V MIN of the battery.
内部状態量の算出方法を図示すると図５のようになる。本実施の形態においては、サンプリング周期を５０ｍｓ、演算周期を２００ｍｓとした。また、誤差関数は、式（１０）のe(t)を一次遅れフィルタ（時定数１０秒）で処理する関数を示す。これが、０に収束したか否かにより、電流積算ＳＯＣか適応デジタルフィルタを用いた内部状態量から推定した推定ＳＯＣのいずれを選択するのかが決定される。 A method for calculating the internal state quantity is illustrated in FIG. In the present embodiment, the sampling period is 50 ms and the calculation period is 200 ms. The error function is a function for processing e (t) in Expression (10) with a first-order lag filter (time constant 10 seconds). Depending on whether or not this has converged to 0, it is determined which of the current integrated SOC and the estimated SOC estimated from the internal state quantity using the adaptive digital filter is selected.
このような構成を有する本実施の形態に係る二次電池内部状態推定装置が適用される車両について図６を用いて説明する。 A vehicle to which the secondary battery internal state estimation device according to the present embodiment having such a configuration is applied will be described with reference to FIG.
この車両は、エンジン（ＥＮＧ）とモータとを車両の走行源として搭載する。エンジン（ＥＮＧ）から変速機（ＡＭＴ）を介して駆動輪（たとえば前輪）を駆動するとともに、バッテリからインバータ（ＩＮＶ２）を介してモータに電力が供給され、モータから発生するトルクによりエンジン（ＥＮＧ）をアシストする。また、エンジン（ＥＮＧ）により３相発電機が駆動されて発電された電力がインバータ（ＩＮＶ１）または整流器を介して直流変換されて、その変換された電力によりバッテリが充電される。 This vehicle is equipped with an engine (ENG) and a motor as a traveling source of the vehicle. The engine (ENG) drives drive wheels (for example, front wheels) via a transmission (AMT) and power is supplied from the battery to the motor via an inverter (INV2), and the engine (ENG) is driven by torque generated from the motor. Assist. Further, the electric power generated by driving the three-phase generator by the engine (ENG) is DC-converted via the inverter (INV1) or the rectifier, and the battery is charged with the converted electric power.
なお、このような構成を有する車両に限定して、本発明の実施の形態にかかる二次電池ＳＯＣ推定装置が適用されるものではない。たとえば、このようなハイブリッド車両ではなく、エンジンを有さない車両（電気自動車）であっても、エネルギ源としてのエンジンの代わりに燃料電池を有する車両であってもよい。 Note that the secondary battery SOC estimation apparatus according to the embodiment of the present invention is not limited to the vehicle having such a configuration. For example, instead of such a hybrid vehicle, a vehicle without an engine (electric vehicle) or a vehicle having a fuel cell instead of an engine as an energy source may be used.
このような構成を有する本実施の形態に係る二次電池ＳＯＣ推定装置における、精度向上を実現するプログラムの制御構造についてフローチャートを用いて説明する。なお、二次電池ＳＯＣ推定装置は、たとえば電池ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により実現される。 A control structure of a program that realizes an improvement in accuracy in the secondary battery SOC estimation apparatus according to the present embodiment having such a configuration will be described using a flowchart. Note that the secondary battery SOC estimation device is realized by, for example, a battery ECU (Electronic Control Unit).
図７を参照して、ステップＳ１００にて、電池ＥＣＵは、適応観測器（適応デジタルフィルタ）での状態推定が良好であるか否かを判断する。このとき、たとえば、
１）誤差評価関数である、式（１０）における｛（計測バッテリ電圧ｙ（ｔ））−（適応デジタルフィルタにより推定された内部状態量を用いて推定された推定バッテリ電圧ｙ（ｔ−Δｔ）｝の一次遅れフィルタ処理の結果が０に収束し、かつ、電池の内部状態量が収束したとき（前回計算結果と今回計算結果との差に基づいて判断）
２）適応制御開始後、予め定められた時間が経過し、かつ電流の積分値が予め定められた値に到達したとき
３）バッテリ電流が正弦波でもなく単調増加でもないとき
に適応観測器（適応デジタルフィルタ）での状態推定が良好であると判断する。なお、これらの条件は単独であってもよいし、適宜組合せてもよい。またこれ以外の条件であってもよい。適応観測器（適応デジタルフィルタ）での状態推定が良好であると（ステップＳ１００にてＹＥＳ）、処理はステップＳ２００へ移される。もしそうでないと（ステップＳ１００にてＮＯ）、処理は、ステップＳ３００へ移される。
Referring to FIG. 7, in step S100, battery ECU determines whether or not the state estimation by the adaptive observer (adaptive digital filter) is good. At this time, for example,
1) {(Measured battery voltage y (t))-(Estimated battery voltage y (t−Δt) estimated using the internal state quantity estimated by the adaptive digital filter] in Equation (10), which is an error evaluation function } When the result of the first-order lag filtering process converges to 0 and the internal state quantity of the battery converges (determined based on the difference between the previous calculation result and the current calculation result)
2) When a predetermined time has elapsed after the start of adaptive control and when the integral value of the current reaches a predetermined value 3) When the battery current is neither a sine wave nor a monotonous increase It is determined that the state estimation in the adaptive digital filter is good. In addition, these conditions may be individual and may be combined suitably. Other conditions may also be used. If the state estimation by the adaptive observer (adaptive digital filter) is good (YES in step S100), the process proceeds to step S200. If not (NO in step S100), the process proceeds to step S300.
ステップＳ２００にて、電池ＥＣＵは、適応観測器により推定された電池内部状態量に基づく推定ＳＯＣを選択する。この推定ＳＯＣとは、具体的には、式（１３）の開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）を用いて推定されたＳＯＣである（図５参照）。 In step S200, the battery ECU selects an estimated SOC based on the battery internal state quantity estimated by the adaptive observer. Specifically, the estimated SOC is an SOC estimated using the open circuit voltage estimated value V ′ 0 (t) of Expression (13) (see FIG. 5).
なお、この代わりに、カルマンフィルタを用いて電流積分の値に重み付け平均したＳＯＣとしてもよい。これは、重みをｗとすると、最終演算ＳＯＣ＝｛ｗ×（開路電圧推定値Ｖ'0（ｔ）を用いて推定されたＳＯＣ）＋（１−ｗ）×電流積算ＳＯＣ｝であって、この重みｗを算出するためにカルマンフィルタ理論が用いられる。なお、重みｗは、最終演算ＳＯＣ，電流積算ＳＯＣ，ＯＣＶ推定ＳＯＣの関数である。 Instead of this, an SOC obtained by weighted averaging of current integration values using a Kalman filter may be used. This is the final calculation SOC = {w × (SOC estimated using the open circuit voltage estimated value V ′ 0 (t)) + (1−w) × current integration SOC}, where w is the weight. Kalman filter theory is used to calculate the weight w. The weight w is a function of the final calculation SOC, the current integration SOC, and the OCV estimation SOC.
ステップＳ３００にて、電池ＥＣＵは、電流積算により算出されたＳＯＣ（電流積分演算ＳＯＣ）を選択する。このＳＯＣは、十分に放置されたバッテリのＯＣＶから推定されたＳＯＣを初期値として電流積分からＳＯＣの変化分を計算してＳＯＣを推定するものである。 In step S300, the battery ECU selects an SOC (current integration calculation SOC) calculated by current integration. This SOC is to estimate the SOC by calculating the amount of change in the SOC from the current integration with the SOC estimated from the OCV of a sufficiently left battery as the initial value.
以上のような構造およびフローチャートを有する二次電池ＳＯＣ推定装置の動作について説明する。 The operation of the secondary battery SOC estimation device having the above structure and flowchart will be described.
図８に本実施の形態に係る二次電池ＳＯＣ推定装置を用いた場合（すなわち、微小電流変化処理を行なった場合）の時間変化を示す。なお、図８においては、１００秒後に突然バッテリの温度変化などでモデル（係数、パラメータ）が変化した場合の同定性能を評価するための図である。１００秒よりも前が「Model１」であって、それより後が「Model２」である。なお、太線が推定演算した開路電圧ＯＣＶ（式（１３）のＶ'O（ｔ））を示し、細線がe(t)＝y-y_hを一次遅れ処理（時定数：１０秒）した演算結果である「適応推定誤差」を示す。
FIG. 8 shows a time change when the secondary battery SOC estimation apparatus according to the present embodiment is used (that is, when a minute current change process is performed). In addition, in FIG. 8, it is a figure for evaluating the identification performance when a model (a coefficient, a parameter) changes suddenly by the temperature change of a battery etc. 100 seconds after. The time before 100 seconds is “
図８の３段目左欄に示すように、細線で示される「適応推定誤差」が大きく０からずれている「誤差が大きい領域」が存在する。これは、計算開始直後の場合や１００秒後に突然バッテリの温度変化などでモデルが変化した場合には、適応推定誤差が大きい。これを用いてＳＯＣを推定すると、推定されたＳＯＣの値はＳＯＣの真値から大きく乖離する。このため、このような領域においては、電流積分演算ＳＯＣを用いるようにする。 As shown in the left column of the third row in FIG. 8, there is an “area with a large error” in which the “adaptive estimation error” indicated by the thin line is greatly deviated from zero. This is because the adaptive estimation error is large when the model is changed immediately after the start of the calculation or when the model changes suddenly after 100 seconds due to a change in battery temperature or the like. When the SOC is estimated using this, the estimated SOC value greatly deviates from the true value of the SOC. For this reason, the current integration calculation SOC is used in such a region.
以上のようにして、本実施の形態に係る二次電池ＳＯＣ推定装置によると、適応デジタルフィルタにより算出された電池の内部状態量を用いてＳＯＣを常に推定すると、適応推定誤差が大きく０から乖離している領域において算出されたＳＯＣは著しくＳＯＣの真値から乖離する。そのため、このような領域においては、電流積分演算により算出されたＳＯＣを選択する。その結果、ＳＯＣの推定精度の悪化を回避することができる。 As described above, according to the secondary battery SOC estimation device according to the present embodiment, if the SOC is always estimated using the internal state quantity of the battery calculated by the adaptive digital filter, the adaptive estimation error greatly deviates from 0. The SOC calculated in the region that is being markedly deviates from the true value of the SOC. Therefore, in such a region, the SOC calculated by the current integration calculation is selected. As a result, it is possible to avoid deterioration of the SOC estimation accuracy.
＜変形例＞
なお、ステップＳ１００にて、電池ＥＣＵは、計算精度の悪い電流波形であるか否かに基づいて電流積分演算ＳＯＣを選択するか否かを判断するようにしてもよい。
<Modification>
In step S100, the battery ECU may determine whether or not to select the current integration calculation SOC based on whether or not the current waveform has poor calculation accuracy.
バッテリの内部状態の推定開始後に全く電流が流れないときを含めて、特定の正弦波の波形を有する電流、特にオフセットのない正弦波形状の負荷電流の場合に、適応デジタルフィルタを用いた電池内部状態量の誤差が大きくなる傾向を有する。これを以下のようにして検知する。たとえば、
１）バッテリ電流に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）処理を行ない、周波数分散の急峻度により
２）ＦＦＴで最大振幅の基本波振幅を抽出し、その振幅２乗の時間平均と信号全体の２乗値時間平均と比率（歪率）により
３）特定の周波数の正弦波電流が大きい場合（ＦＦＴ処理）は、時定数の長い１次遅れフィルターを通して、オフセット成分を抽出して、抽出されたオフセットの大きさにより
計算精度の悪い電流波形であるか否かを判断する。計算精度の悪い電流波形であると判断されると、処理をステップＳ２００へ移して、電流積分演算ＳＯＣを選択するようにする。
Battery current using an adaptive digital filter in the case of current with a specific sine wave shape, especially when there is no offset current, including when no current flows after estimation of the internal state of the battery There is a tendency that the error of the state quantity becomes large. This is detected as follows. For example,
1) Perform FFT (Fast Fourier Transform) processing on the battery current, and 2) extract the fundamental amplitude of the maximum amplitude by FFT based on the steepness of frequency dispersion, time average of the square of the amplitude and the square of the whole signal 3) When the sine wave current of a specific frequency is large (FFT process), the offset component is extracted through a first-order lag filter with a long time constant, and the extracted offset It is determined whether or not the current waveform has poor calculation accuracy depending on the size. If it is determined that the current waveform has poor calculation accuracy, the process proceeds to step S200, and the current integration calculation SOC is selected.
このようにしても、バッテリ電流の波形が計算精度の悪い波形である場合には、適応デジタルフィルタにより算出された電池の内部状態量を用いて算出されたＳＯＣは著しくＳＯＣの真値から乖離する。そのため、このような波形のバッテリ電流である場合においては、電流積分演算により算出されたＳＯＣを選択する。その結果、ＳＯＣの推定精度の悪化を回避することができる。 Even in this case, when the waveform of the battery current is a waveform with poor calculation accuracy, the SOC calculated using the internal state quantity of the battery calculated by the adaptive digital filter is significantly different from the true value of the SOC. . Therefore, when the battery current has such a waveform, the SOC calculated by the current integration calculation is selected. As a result, it is possible to avoid deterioration of the SOC estimation accuracy.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
Claims (10)
前記二次電池の電流値を検知するための検知手段と、
前記検知された電流値が入力され、パラメータを逐次推定する、電池モデルを用いた適応デジタルフィルタと、
前記適応デジタルフィルタにより推定されたパラメータに基づいて、開路電圧推定値を算出するための算出手段と、
予め定められた関係と前記開路電圧推定値とに基づいて、前記充電容量を推定するための推定手段と、
予め定められた条件に従って、電流積算により算出された充電容量および前記推定手段により推定された充電容量のいずれかを選択するための選択手段とを含む、推定装置。 An apparatus for estimating an open circuit voltage by an adaptive digital filter operation using a battery model and estimating a charge capacity of a secondary battery from the open circuit voltage,
Detection means for detecting a current value of the secondary battery;
An adaptive digital filter using a battery model that receives the detected current value and sequentially estimates parameters;
Calculation means for calculating an open circuit voltage estimated value based on the parameter estimated by the adaptive digital filter;
An estimation means for estimating the charge capacity based on a predetermined relationship and the open circuit voltage estimated value;
An estimation device comprising: a selection unit for selecting either a charge capacity calculated by current integration and a charge capacity estimated by the estimation unit according to a predetermined condition.
前記二次電池の電流値を検知するステップと、
パラメータを逐次推定する、電池モデルを用いた適応デジタルフィルタに、前記検知された電流値を入力するステップと、
前記適応デジタルフィルタにより推定されたパラメータに基づいて、開路電圧推定値を算出するステップと、
予め定められた関係と前記開路電圧推定値とに基づいて、前記充電容量を推定するステップと、
予め定められた条件に従って、電流積算により算出された充電容量および推定された充電容量のいずれかを選択する選択ステップとを含む、推定方法。 A method of estimating an open circuit voltage by an adaptive digital filter operation using a battery model and estimating a charge capacity of a secondary battery from the open circuit voltage,
Detecting a current value of the secondary battery;
Inputting the detected current value to an adaptive digital filter using a battery model that sequentially estimates parameters;
Calculating an open circuit voltage estimated value based on the parameter estimated by the adaptive digital filter;
Estimating the charge capacity based on a predetermined relationship and the open circuit voltage estimate;
And a selection step of selecting one of a charge capacity calculated by current integration and an estimated charge capacity in accordance with a predetermined condition.
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