JP5291845B1 - 電池の状態推定装置 - Google Patents
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Abstract
電池の状態推定装置は、充放電電流検出部と、端子電圧検出部と、電池の早い応答部分と遅い応答部分とを有する等価回路モデルと、充放電電流値と端子電圧値とに基づき応答部分のうち早い応答部分のみを用いて逐次パラメータ推定を行う逐次パラメータ推定部と、等価回路モデルの遅い応答部分における抵抗とコンデンサ容量を表す定数を設定する定数設定部と、逐次パラメータ推定部で推定したパラメータおよび定数に充放電電流値をそれぞれ乗算する複数の乗算部と、これら乗算値を加算することで電池の過電圧値を得る加算部と、を備える。
Description
そこで、これら両方法を組み合わせて充電率を推定することが行われている。
このような従来技術としては、特許文献1に記載のものが知られている。
すなわち、逐次パラメータ法を採用するにあたっては、電池の界面でのインピーダンスや電解質各部でのインピーダンス等で表した電池の等価回路モデルを用いる。
この場合、電池には、電荷移動過程が行われる界面での早い応答部分(たとえば時定数が数マイクロ秒〜数百ミリ秒)と、電解質界面とバルク領域との間にある拡散層での拡散過程となる遅い応答部分(たとえば時定数が1秒〜数時間)と、がある。そのため、電池の等価回路モデルもそれらを表す数学モデルを用いることになる。
これに対し、遅い応答部分については、S/N比が小さく、また可観測性の観点から逐次パラメータ法では正確にパラメータを推定することは困難となる。
これに対し、電気自動車(EV: Electric Vehicle)のように電池の遅い応答部分まで使用する環境下においては、逐次パラメータ推定を行った場合、電池の遅い応答部分のパラメータ推定精度が悪くなって過電圧分に誤差が生じてしまう。この結果、開放電圧や充電率といった電池の状態量の推定精度が悪化してしまうという問題が生じる。
このようにして、電池の遅い応答部分のパラメータ推定を実験等で求めることは一応可能である。しかし、実際に電池が使用される環境を考慮すると、たとえばEVなどにあっては、任意の波形を入力することはほとんどなく、また開放電圧を精度よく求めることが困難な条件・状況となることがほとんどである。
したがって、実際に電池が使用される状況下にあっては、電池の遅い応答部分のパラメータ推定は非常に困難であり、この結果、電池の開放電圧や充電率といった電池の内部状態を精度よく推定することは困難であるといった問題がある。
電池の充放電電流値を検出する充放電電流検出部と、
電池の端子電圧値を検出する端子電圧検出部と、
電池の早い応答部分と遅い応答部分とを有する等価回路モデルと、
充放電電流検出部から入力された充放電電流値と端子電圧検出部から入力された端子電圧値とに基づき、等価回路モデルの応答部分のうち早い応答部分のみを用いて逐次パラメータ推定を行う逐次パラメータ推定部と、
等価回路モデルの遅い応答部分における抵抗とコンデンサ容量を表す定数を設定する定数設定部と、
逐次パラメータ推定部で推定したパラメータに充放電電流値を乗算することで早い応答部分の過電圧値を得る第1乗算部と、
定数設定部で設定した定数に充放電電流値を乗算することで遅い応答部分の過電圧値を得る第2乗算部と、
第1乗算部で得た早い応答部分の過電圧値と第2乗算部で得た遅い応答部分の過電圧値とを加算して電池の過電圧値を得る加算部と、
を備えたことを特徴とする。
請求項1に記載の電池の状態推定装置において、
端子電圧検出部で得た端子電圧値から加算部で得た過電圧値を減算して電池の開放電圧値を得る減算部と、
減算部で得た開放電圧値に基づき電池の充電率を求める開放電圧−充電率推定部と、
を有することを特徴とする。
請求項1又は請求項2に記載の電池の状態推定装置において、
端子電圧検出部で得た端子電圧値のうち遅い応答部分の分を取り除いて逐次パラメータ推定部へ入力するフィルタ処理部を有する、
ことを特徴とする。
請求項3に記載の電池の状態推定装置において、
フィルタ処理部が、充放電電流検出部で得た充放電電流値のうち遅い応答部分の分を取り除いて逐次パラメータ推定部へ入力する、
ことを特徴とする。
この実施例1の電池の状態推定装置は、例えば電気自動車に搭載され、図示しない駆動モータ等に電力を供給可能な実電池(リチウム・イオン・バッテリ等の二次電池)1に接続されている。この状態推定装置は、電流センサ2と、電圧センサ3と、フィルタ処理部4と、逐次パラメータ推定部5と、第1乗算器6と、第2乗算器7と、加算器8と、減算器9と、開放電圧−充電率変換部10と、定数設定部11と、を備えている。
なお、電流センサ2は、種々の構造・形式を有するものを適宜採用でき、本発明の充放電電流検出部に相当する。
なお、電圧センサ3は、種々の構造・形式を有するものを適宜採用でき、本発明の端子電圧検出部に相当する。
逐次パラメータ推定部5で推定されたパラメータである抵抗値(R0、R1、R2)およびコンデンサ容量(C1、C2)は、第1乗算器6へ出力される。
なお、第1乗算器6は、本発明の第1乗算部に相当する。
なお、第2乗算器7は、本発明の第2乗算部に相当する。
なお、加算器8は、本発明の加算部に相当する。
なお、減算器9は、本発明の減算部に相当する。
なお、開放電圧−充電率変換部10は、本発明の開放電圧−充電率推定部に相当する。
フィルタ処理部4は、逐次パラメータ推定部5が、電池の早い応答部分(結線抵抗+電解液抵抗+電荷移動抵抗)と遅い応答部分(拡散抵抗)とで過電圧部分が重複して演算されないように、パラメータ推定を行うことができるようにするため、充放電電流値Iaおよび端子電圧値Vaに対しフィルタリングを行うものである。
同図において、ロー・パス・フィルタは、端子電圧値Vaから、充放電電流値Iaを用いて演算して得た遅い応答部分の電圧値Vcを減算して早い応答部分の電圧値であるフィルタ処理電圧値Vbを算出することで、遅い応答部分の電圧分を取り除く。
減算器16は、端子電値圧Vaから遅い応答部分の電圧値Vcを減算して早い応答部分の電圧値Vbを得る。
電流センサ2は、実電池1において充放電される充放電電流値Iaを検出し、この値を、フィルタ処理部4および第2乗算器7にそれぞれ入力する。
一方、電圧センサ3は、実電池1の端子電圧値Vaを検出し、この値を、フィルタ処理部4および減算器9にそれぞれ入力する。
減算器9では、電圧センサ3から入力された端子電圧値Vaから、加算器8から入力された過電圧値V0を減算することで、電池の開放電圧OCVを得る。この開放電圧OCVは、開放電圧−充電率変換部10に入力される。
実施例1の電池の状態推定装置は、フィルタ処理部4で遅い応答部分が除去されたフィルタ処理電流値Ibおよびフィルタ処理電圧値Vbを用い、電池の早い応答部分の等価回路モデルを用いて逐次パラメータ推定を行う。そして、状態推定装置は、逐次パラメータ推定により得られたパラメータ(早い応答部分の抵抗値およびコンデンサ)に充放電電流値Iaを掛けて第1過電圧値V01を得る。また、電池の遅い応答部分については、状態推定装置は、予め実験で求めた定数(電池の固有値)に充放電電流値Iaを掛けて第2過電圧値V02を得る。これら第1過電圧値V01と第2過電圧値V02を加算することで電池の過電圧値V0を精度よく、しかも簡単に得ることができるようになる。したがって、電池の実際での使用環境下にあっては逐次パラメータ法では困難な電池の遅い応答部分までも考慮して、電池の内部状態を精度よく推定することが可能となる。
そこで、実施例2では、逐次パラメータ推定部5に、サンプリング周期を変えるようにして電池の早い応答部分と遅い応答部分とを分けるフィルタ処理機能を持たせるようにしている。
一方、サンプリング周期を0.1秒で逐次パラメータ推定を行った場合には、電池の早い応答部分の帯域では一致しているものの、電池の遅い応答部分では一致していないことが示されている。
なお、サンプリング周期は、電池の早い応答部分と遅い応答部分との境目によって決定することができ、この境目は電池の使用条件、たとえば充電率、放電電流、健全度などによって可変するものとし、遅い応答部分に関しては図4で示したように事前に求めた値を用いる。
電池の等価回路モデルはフォスター型に限られず、拡散方程式等の電池の内部を表す数学モデルであれば他のものであってもよい。
2 電流センサ(充放電電流検出部)
3 電圧センサ(端子電圧検出部)
4 フィルタ処理部
5 逐次パラメータ推定部
6 第1乗算器(第1乗算部)
7 第2乗算器(第2乗算部)
8 加算器(加算部)
9 減算器(減算部)
10 開放電圧−充電率変換部(開放電圧−充電率推定部)
11 定数設定部
12、13、14 伝達関数
15 加算器
16 減算器
Claims (4)
- 電池の充放電電流値を検出する充放電電流検出部と、
前記電池の端子電圧値を検出する端子電圧検出部と、
前記電池の早い応答部分と遅い応答部分とを有する等価回路モデルと、
前記充放電電流検出部から入力された前記充放電電流値と前記端子電圧検出部から入力された前記端子電圧値とに基づき、前記等価回路モデルの応答部分のうち前記早い応答部分のみを用いて逐次パラメータ推定を行う逐次パラメータ推定部と、
前記等価回路モデルの前記遅い応答部分における抵抗とコンデンサ容量を表す定数を設定する定数設定部と、
前記逐次パラメータ推定部で推定したパラメータに前記充放電電流値を乗算することで前記早い応答部分の過電圧値を得る第1乗算部と、
前記定数設定部で設定した前記定数に前記充放電電流値を乗算することで前記遅い応答部分の過電圧値を得る第2乗算部と、
前記第1乗算部で得た前記早い応答部分の前記過電圧値と前記第2乗算部で得た前記遅い応答部分の前記過電圧値とを加算して前記電池の過電圧値を得る加算部と、
を備えた電池の状態推定装置。 - 請求項1に記載の電池の状態推定装置において、
前記端子電圧検出部で得た前記端子電圧値から前記加算部で得た前記過電圧値を減算して前記電池の開放電圧値を得る減算部と、
該減算部で得た前記開放電圧値に基づき前記電池の充電率を求める開放電圧−充電率推定部と、
を有する、
ことを特徴とする電池の状態推定装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の電池の状態推定装置において、
前記端子電圧検出部で得た前記端子電圧値のうち前記遅い応答部分の分を取り除いて前記逐次パラメータ推定部へ入力するフィルタ処理部を有する、
ことを特徴とする電池の状態推定装置。 - 請求項3に記載の電池の状態推定装置において、
前記フィルタ処理部は、前記充放電電流検出部で得た前記充放電電流値のうち前記遅い応答部分の分を取り除いて前記逐次パラメータ推定部へ入力する、
ことを特徴とする電池の状態推定装置。
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