JP2016126999A - Battery and power prediction device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2次電池の出力可能電力及び入力可能電力のうち少なくとも一方を予測対象値とし、前記2次電池の電池モデルに基づいて、現在から規定時間経過後の前記予測対象値を予測する電池電力予測装置に関する。 The present invention uses at least one of the output power and input power of the secondary battery as a prediction target value, and predicts the prediction target value after the lapse of a specified time from the current time based on the battery model of the secondary battery. The present invention relates to a battery power prediction apparatus.
この種の装置としては、例えば下記特許文献1に見られるように、1つの直流抵抗とRC等価回路とで構成された電池モデル(以降、1RC等価回路モデルと記載)に基づいて、現在から所定時間持続できる最大入出力可能電力を予測するものが知られている。この装置について、2次電池の放電時を例にして説明すると、まず、1RC等価回路モデルの各パラメータを、適用デジタルフィルタを用いて一括推定する。そして、推定された各パラメータに基づいて、所定時間放電した後の2次電池の端子間電圧を推定し、推定された端子間電圧がその最小可能電圧となる場合の最大出力電流を算出する。そして、最大出力電流と最小可能電圧との乗算値として、最大出力可能電力を予測する。 As this type of device, for example, as can be seen in Patent Document 1 below, a predetermined model from the present is based on a battery model (hereinafter referred to as a 1RC equivalent circuit model) composed of one DC resistor and an RC equivalent circuit. What predicts the maximum input / output power that can be sustained for a long time is known. This device will be described by taking the case of discharging a secondary battery as an example. First, each parameter of the 1RC equivalent circuit model is collectively estimated using an applicable digital filter. Then, based on the estimated parameters, the inter-terminal voltage of the secondary battery after discharging for a predetermined time is estimated, and the maximum output current when the estimated inter-terminal voltage becomes the minimum possible voltage is calculated. Then, the maximum output possible power is predicted as a multiplication value of the maximum output current and the minimum possible voltage.
上記1RC等価回路モデルでは、時定数が小さいため電解液抵抗と電荷移動抵抗及び電気2重容量とを1つの直流抵抗で模擬し、拡散抵抗を抵抗体R及びキャパシタCの並列回路で表現する構成としている。ここで、この電池モデルは、2次電池の電流−電圧の非線形領域の特性を表現できる構成にはなっていない。これは、2次電池の電流−電圧の非線形特性が、2次電池が低温になるほど支配的になっていくためであり、特に0℃以下の領域では、非線形特性が無視できないためである。したがって、1RC等価回路モデルを用いた上記特許文献1に記載の装置では、2次電池の低温時において最大入出力可能電力の予測精度が低下するおそれがある。 In the 1RC equivalent circuit model, since the time constant is small, the electrolyte resistance, the charge transfer resistance, and the electric double capacitance are simulated by one DC resistance, and the diffusion resistance is expressed by a parallel circuit of the resistor R and the capacitor C. It is said. Here, this battery model is not configured to express the current-voltage non-linear characteristics of the secondary battery. This is because the non-linear characteristic of current-voltage of the secondary battery becomes more dominant as the secondary battery becomes colder, and the non-linear characteristic cannot be ignored particularly in the region of 0 ° C. or lower. Therefore, in the apparatus described in Patent Document 1 using the 1RC equivalent circuit model, there is a risk that the prediction accuracy of the maximum input / output power can be reduced when the secondary battery is at a low temperature.
本発明は、2次電池の低温時においても、2次電池の出力可能電力及び入力可能電力のうち少なくとも一方を高精度に予測できる電池電力予測装置を提供することを主たる目的とする。 The main object of the present invention is to provide a battery power prediction device capable of predicting at least one of the output power and the input power of the secondary battery with high accuracy even at a low temperature of the secondary battery.
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。 Hereinafter, means for solving the above-described problems and the operation and effects thereof will be described.
本発明は、2次電池(20a)の出力可能電力及び入力可能電力のうち少なくとも一方を予測対象値とし、前記2次電池の電池モデルに基づいて、現在から規定時間経過後の前記予測対象値を予測する電池電力予測装置において、前記電池モデルは、前記2次電池の直流抵抗(Rs)を表す直流抵抗モデルと、前記2次電池の反応抵抗を表すモデルであって、バトラーボルマー式から導かれ、交換電流密度と相関のある反応抵抗パラメータ(β)を含む反応抵抗モデルと、抵抗とキャパシタとの並列接続体を含むRC等価回路モデルであって、前記2次電池の拡散抵抗を表す拡散抵抗モデルとから構成され、前記RC等価回路モデルの回路定数を含む式であって、前記拡散抵抗モデルの現在の分極電圧を算出する離散式に基づいて、前記現在の分極電圧を算出する第1分極電圧演算手段と、前記回路定数を含む式であって、前記現在の分極電圧が時間経過とともに減少して現在から前記規定時間経過後に残る前記分極電圧である残電圧を予測する連続時間式に、前記現在の分極電圧を入力することにより前記残電圧を予測する残電圧予測手段と、現在から前記規定時間経過後に新たに生じる前記拡散抵抗モデルの将来の分極電圧を予測する連続時間式に基づいて、前記将来の分極電圧を予測する第2分極電圧演算手段と、前記残電圧と前記将来の分極電圧との合計値、前記直流抵抗モデルにおける電位差、及び前記反応抵抗モデルにおける電位差に基づいて、現在から前記規定時間経過後の前記予測対象値を予測する電力予測手段とを備えることを特徴とする。 In the present invention, at least one of the output power and the input power of the secondary battery (20a) is set as a prediction target value, and the prediction target value after elapse of a specified time from the current time based on the battery model of the secondary battery. The battery model includes a DC resistance model representing the DC resistance (Rs) of the secondary battery and a model representing the reaction resistance of the secondary battery, wherein the Butler-Volmer equation is used. A reaction resistance model including a reaction resistance parameter (β) that is derived and correlated with an exchange current density, and an RC equivalent circuit model including a parallel connection body of a resistor and a capacitor, and represents a diffusion resistance of the secondary battery. An equation including a circuit constant of the RC equivalent circuit model, and based on a discrete equation for calculating a current polarization voltage of the diffusion resistor model, A first polarization voltage calculating means for calculating a polarization voltage, and an equation including the circuit constant, wherein the current polarization voltage decreases with time and the remaining voltage is the polarization voltage remaining after the specified time has elapsed. A residual voltage predicting means for predicting the residual voltage by inputting the current polarization voltage in a continuous time formula for predicting the future polarization voltage of the diffusion resistance model newly generated after the lapse of the specified time from the present time. A second polarization voltage calculating means for predicting the future polarization voltage based on a predicted continuous time formula; a total value of the residual voltage and the future polarization voltage; a potential difference in the DC resistance model; and the reaction resistance And a power prediction unit that predicts the prediction target value after the lapse of the specified time from the current time based on a potential difference in the model.
2次電池の内部抵抗は、直流抵抗、反応抵抗、及び拡散抵抗に大きく分けられる。このため、上記発明では、電池モデルを、直流抵抗モデル、反応抵抗モデル、及び拡散抵抗モデルから構成している。 The internal resistance of the secondary battery is roughly divided into a direct current resistance, a reaction resistance, and a diffusion resistance. For this reason, in the said invention, the battery model is comprised from the direct current | flow resistance model, the reaction resistance model, and the diffusion resistance model.
ここで、2次電池の低温時には、反応抵抗に起因する電流−電圧の非線形特性が支配的となる。このため、上記発明では、反応抵抗モデルを、電気化学におけるバトラーボルマー式から導かれ、2次電池の非線形特性を表現するモデルとする。詳しくは、このモデルは、バトラーボルマー式の交換電流密度に相当するパラメータであって、2次電池の温度と相関を持たせた反応抵抗パラメータを含む。反応抵抗パラメータが2次電池の温度に依存することから、電池モデルに反応抵抗パラメータを含む反応抵抗モデルを含むことにより、例えば上記特許文献1に記載された技術では表現できなかった低温時における電流−電圧の非線形特性を精度よく表すことができる。そして、上記発明では、反応抵抗モデルにおける電位差を現在から規定時間経過後の上記予測対象値の予測に用いるため、予測対象値を低温時においても高精度に予測することができる。 Here, when the secondary battery is at a low temperature, the non-linear characteristic of current-voltage due to the reaction resistance becomes dominant. Therefore, in the above invention, the reaction resistance model is a model derived from the Butler-Volmer equation in electrochemistry and expressing the non-linear characteristics of the secondary battery. Specifically, this model includes a parameter corresponding to a Butler-Volmer exchange current density and a reaction resistance parameter correlated with the temperature of the secondary battery. Since the reaction resistance parameter depends on the temperature of the secondary battery, by including the reaction resistance model including the reaction resistance parameter in the battery model, for example, the current at a low temperature that cannot be expressed by the technique described in Patent Document 1 above. -The non-linear characteristic of voltage can be expressed accurately. In the above invention, the potential difference in the reaction resistance model is used for prediction of the prediction target value after the lapse of a specified time from the present time, so that the prediction target value can be predicted with high accuracy even at low temperatures.
さらに上記発明では、現在の分極電圧を入力として、連続時間式に基づいて残電圧を算出する。また、連続時間式に基づいて将来の分極電圧を算出する。連続時間式による算出手法によれば、予測対象値の予測に用いる残電圧及び将来の分極電圧のそれぞれの演算負荷を大きく低減でき、ひいては予測対象値を予測する場合の演算負荷を低減することができる。 Furthermore, in the above invention, the remaining voltage is calculated based on the continuous time formula using the current polarization voltage as an input. Further, the future polarization voltage is calculated based on the continuous time formula. According to the calculation method based on the continuous time formula, it is possible to greatly reduce the calculation load of each of the remaining voltage and the future polarization voltage used for prediction of the prediction target value, and consequently to reduce the calculation load when predicting the prediction target value. it can.
以下、本発明にかかる電池電力予測装置を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、上記装置を、例えば、車載主機としての回転電機(モータジェネレータ)を備える車両や、アイドリングストップシステムなど車載補機電池を活用する車両に適用する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment in which a battery power prediction apparatus according to the invention is embodied will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the above-described device is applied to, for example, a vehicle including a rotating electrical machine (motor generator) as an in-vehicle main machine, or a vehicle that uses an in-vehicle auxiliary battery such as an idling stop system.
図1に示すように、電池パック10は、組電池20と、電池ECU30とを備えている。組電池20は、複数の電池セル20aの直列接続体から構成され、図示しないモータジェネレータ等と電力の授受を行う。電池セル20aは、2次電池であり、本実施形態では、リチウムイオン2次電池を用いている。 As shown in FIG. 1, the battery pack 10 includes an assembled battery 20 and a battery ECU 30. The assembled battery 20 is composed of a series connection body of a plurality of battery cells 20a, and exchanges power with a motor generator or the like (not shown). The battery cell 20a is a secondary battery, and a lithium ion secondary battery is used in this embodiment.
電池パック10は、電圧センサ21、温度センサ22、及び電流センサ23を備えている。電圧センサ21は、各電池セル20aの端子間電圧を検出する電圧検出手段である。温度センサ22は、組電池20(各電池セル20a)の温度を検出する温度検出手段である。電流センサ23は、組電池20(各電池セル20a)に流れる充放電電流を検出する電流検出手段である。 The battery pack 10 includes a voltage sensor 21, a temperature sensor 22, and a current sensor 23. The voltage sensor 21 is voltage detection means for detecting the voltage between the terminals of each battery cell 20a. The temperature sensor 22 is temperature detection means for detecting the temperature of the assembled battery 20 (each battery cell 20a). The current sensor 23 is current detection means for detecting a charge / discharge current flowing through the assembled battery 20 (each battery cell 20a).
電池ECU30は、CPU、メモリ31(記憶装置)、及び図示しないI/O等を備えるコンピュータとして構成されている。CPUは、複数の電池セル20aのそれぞれに対応した単セル演算部32と、電力予測部33とを含む。本実施形態では、CPU(単セル演算部32,電力予測部33)の1処理周期が0.1秒に設定されている。電池ECU30には、電圧センサ21、温度センサ22及び電流センサ23の検出値が入力される。 The battery ECU 30 is configured as a computer including a CPU, a memory 31 (storage device), an I / O (not shown), and the like. The CPU includes a single cell calculation unit 32 and a power prediction unit 33 corresponding to each of the plurality of battery cells 20a. In the present embodiment, one processing cycle of the CPU (single cell calculation unit 32, power prediction unit 33) is set to 0.1 second. Detection values of the voltage sensor 21, the temperature sensor 22, and the current sensor 23 are input to the battery ECU 30.
電池ECU30は、組電池20の許容出力電力及び許容入力電力のそれぞれを予測する処理を行う。以下、この予測処理について、単セル演算部32及び電力予測部33の順に説明する。 The battery ECU 30 performs a process of predicting each of the allowable output power and the allowable input power of the assembled battery 20. Hereinafter, this prediction process will be described in the order of the single cell calculation unit 32 and the power prediction unit 33.
<1.単セル演算部32の処理>
図2を用いて、各単セル演算部32(CPU)のそれぞれが行う処理の概要について説明する。単セル演算部32は、直流抵抗電位差算出部34、反応抵抗電位差算出部35、分極電圧算出部36、及びSOC変換部37等を備えている。
<1. Processing of Single Cell Operation Unit 32>
With reference to FIG. 2, an outline of processing performed by each single cell arithmetic unit 32 (CPU) will be described. The single cell calculation unit 32 includes a DC resistance potential difference calculation unit 34, a reaction resistance potential difference calculation unit 35, a polarization voltage calculation unit 36, an SOC conversion unit 37, and the like.
各算出部34〜36は、図3に示す電池セル20aの各パラメータを推定する。ここで、図3は、内部インピーダンス等を表現する電池モデルを示す。本実施形態において、電池モデルは、直流抵抗モデル、反応抵抗モデル、及び拡散抵抗モデルの直列接続体として表されている。図3において、「Rs」は、溶液中や電極の通電抵抗を表す直流抵抗を示し、「Vs」は直流抵抗Rsにおける電位差(以下、直流抵抗電位差)を示す。「ΔV」は、正極及び負極における電極界面反応を表す反応抵抗における電位差(以下、反応抵抗電位差)を示す。「Rw1,Rw2,Rw4,Rw4」は、活物質中や溶液中のイオン拡散を表す拡散抵抗における抵抗成分項を示し、「Cw1,Cw2,Cw3,Cw4」は、経過時間とともに抵抗が変化することを表現するための容量成分項を示し、「Vw1,Vw2,Vw3,Vw4」は、各拡散抵抗における分極電圧を示す。本実施形態において、拡散抵抗は、抵抗成分及び容量成分の並列接続体が複数個(本実施形態では4個)直列に接続された構成とする。抵抗成分と容量成分の並列接続による等価回路は、フォスター型等価回路と呼ばれる。 Each calculation part 34-36 estimates each parameter of the battery cell 20a shown in FIG. Here, FIG. 3 shows a battery model expressing internal impedance and the like. In the present embodiment, the battery model is represented as a series connection body of a DC resistance model, a reaction resistance model, and a diffusion resistance model. In FIG. 3, “Rs” represents a direct current resistance representing the current resistance of the solution or the electrode, and “Vs” represents a potential difference in the direct current resistance Rs (hereinafter referred to as a direct current resistance potential difference). “ΔV” indicates a potential difference in reaction resistance (hereinafter, reaction resistance potential difference) representing an electrode interface reaction between the positive electrode and the negative electrode. “Rw1, Rw2, Rw4, Rw4” indicates a resistance component term in diffusion resistance representing ion diffusion in the active material or solution, and “Cw1, Cw2, Cw3, Cw4” indicates that the resistance changes with time. , “Vw1, Vw2, Vw3, Vw4” indicates the polarization voltage at each diffused resistor. In the present embodiment, the diffusion resistor has a configuration in which a plurality of parallel connection bodies of resistance components and capacitance components (four in this embodiment) are connected in series. An equivalent circuit in which a resistance component and a capacitance component are connected in parallel is called a Foster-type equivalent circuit.
なお、本実施形態において、図3に示す反応抵抗モデルは、便宜的に直流抵抗のみで表され、モデルにおける時定数が無視されている。これは、本実施形態において、単セル演算部32(CPU)の1処理周期が、反応抵抗における時定数よりも十分長く設定されているためである。 In the present embodiment, the reaction resistance model shown in FIG. 3 is represented only by DC resistance for convenience, and the time constant in the model is ignored. This is because in this embodiment, one processing cycle of the single cell calculation unit 32 (CPU) is set sufficiently longer than the time constant in the reaction resistance.
まず、図4を用いて、直流抵抗電位差算出部34について説明する。 First, the DC resistance potential difference calculation unit 34 will be described with reference to FIG.
直流抵抗電位差算出部34において、Rs算出部34aは、温度センサ22によって検出された電池温度Tsに基づいて、直流抵抗Rsを算出する。直流抵抗Rsの算出に電池温度Tsを用いるのは、直流抵抗Rsが電池セル20aの温度に依存するためである。本実施形態では、直流抵抗Rs及び電池温度Tsが予め関係付けられたRsマップを用いて、直流抵抗Rsを算出する。本実施形態では、電池温度Tsが高いほど、直流抵抗Rsが低くなるようにRsマップが適合されている。本実施形態において、Rsマップは、メモリ31に記憶されている。 In the DC resistance potential difference calculation unit 34, the Rs calculation unit 34 a calculates the DC resistance Rs based on the battery temperature Ts detected by the temperature sensor 22. The reason why the battery temperature Ts is used for calculating the DC resistance Rs is that the DC resistance Rs depends on the temperature of the battery cell 20a. In the present embodiment, the DC resistance Rs is calculated using an Rs map in which the DC resistance Rs and the battery temperature Ts are related in advance. In the present embodiment, the Rs map is adapted such that the higher the battery temperature Ts, the lower the DC resistance Rs. In the present embodiment, the Rs map is stored in the memory 31.
第1乗算部34bは、Rs算出部34aによって算出された直流抵抗Rsと、電流センサ23によって検出された電流(以下、検出電流Is)との乗算値として、直流抵抗電位差Vsを算出する。ちなみに本実施形態では、電池セル20aの放電電流を負の値で表し、充電電流を正の値で表すこととする。このため本実施形態において、直流抵抗電位差Vsは、電池セル20aの放電時において負の値となり、充電時において正の値となる。 The first multiplication unit 34b calculates a DC resistance potential difference Vs as a multiplication value of the DC resistance Rs calculated by the Rs calculation unit 34a and the current detected by the current sensor 23 (hereinafter, detected current Is). Incidentally, in this embodiment, the discharge current of the battery cell 20a is represented by a negative value, and the charging current is represented by a positive value. For this reason, in this embodiment, the DC resistance potential difference Vs becomes a negative value when the battery cell 20a is discharged, and becomes a positive value when the battery cell 20a is charged.
続いて、図5を用いて、反応抵抗電位差算出部35について説明する。 Next, the reaction resistance potential difference calculation unit 35 will be described with reference to FIG.
反応抵抗電位差算出部35において、β算出部35aは、電池温度Tsに基づいて、反応抵抗に係るパラメータである反応抵抗パラメータβを算出する。反応抵抗パラメータβの算出に電池温度Tsを用いるのは、反応抵抗パラメータβが電池セル20aの温度に依存するためである。本実施形態では、反応抵抗パラメータβの自然対数「lnβ」と電池温度Ts(絶対温度)とが予め関係付けられたβマップを用いて、反応抵抗パラメータβを算出する。以下、反応抵抗パラメータβについて説明する。 In the reaction resistance potential difference calculation unit 35, the β calculation unit 35a calculates a reaction resistance parameter β, which is a parameter related to the reaction resistance, based on the battery temperature Ts. The battery temperature Ts is used to calculate the reaction resistance parameter β because the reaction resistance parameter β depends on the temperature of the battery cell 20a. In the present embodiment, the reaction resistance parameter β is calculated using a β map in which the natural logarithm “lnβ” of the reaction resistance parameter β and the battery temperature Ts (absolute temperature) are related in advance. Hereinafter, the reaction resistance parameter β will be described.
電気化学におけるバトラーボルマー式は、下式(eq1)で表される。 The Butler-Volmer equation in electrochemistry is represented by the following equation (eq1).
上式(eq1)において、簡素化のために正負極を等価(すなわち、充放電効率が同一)として「a=αs=1−αs」とすると、上式(eq1)は下式(eq2)となる。 In the above equation (eq1), for the sake of simplicity, assuming that the positive and negative electrodes are equivalent (that is, the charge / discharge efficiency is the same) and “a = αs = 1−αs”, the above equation (eq1) is the following equation (eq2): Become.
ここで、交換電流密度ioが電池温度Tに依存することから、反応抵抗パラメータβも電池温度Tに依存する。このため、本実施形態では、アレニウスプロットに従って、反応抵抗パラメータβの自然対数を、電池温度Tsの逆数、又は電池温度Tsに対する1次式となる形で適合したβマップをメモリ31に記憶させている。ここで、図6には、反応抵抗パラメータβの自然対数を、電池温度Tsの逆数に対する1次式となる形で適合したβマップを例示した。 Here, since the exchange current density io depends on the battery temperature T, the reaction resistance parameter β also depends on the battery temperature T. For this reason, in the present embodiment, according to the Arrhenius plot, a β map in which the natural logarithm of the reaction resistance parameter β is adapted to be the inverse of the battery temperature Ts or a linear expression with respect to the battery temperature Ts is stored in the memory 31. Yes. Here, FIG. 6 illustrates a β map in which the natural logarithm of the reaction resistance parameter β is adapted in the form of a linear expression with respect to the reciprocal of the battery temperature Ts.
β算出部35aによって算出された反応抵抗パラメータβは、電位差算出部35bに入力される。電位差算出部35bは、反応抵抗パラメータβと検出電流Isとを入力として、上式(eq8)に基づいて、反応抵抗電位差ΔVを算出する。上式(eq8)は、図7に示すように、低温になると電流に対して反応抵抗電位差ΔVが非線形になる式である。電池セルの温度が低い場合には、反応抵抗パラメータβを用いることにより、電流−電圧の非線形特性を精度よく表現した反応抵抗電位差ΔVを算出することができる。 The reaction resistance parameter β calculated by the β calculator 35a is input to the potential difference calculator 35b. The potential difference calculator 35b receives the reaction resistance parameter β and the detected current Is as input, and calculates the reaction resistance potential difference ΔV based on the above equation (eq8). As shown in FIG. 7, the above equation (eq8) is an equation in which the reaction resistance potential difference ΔV becomes nonlinear with respect to the current when the temperature becomes low. When the temperature of the battery cell is low, the reaction resistance potential difference ΔV that accurately represents the current-voltage nonlinear characteristic can be calculated by using the reaction resistance parameter β.
続いて、図8を用いて、分極電圧算出部36について説明する。分極電圧算出部36は、拡散抵抗に係るパラメータを算出する。以下、拡散抵抗に係るパラメータについて説明した後、分極電圧の算出手法について説明する。 Next, the polarization voltage calculation unit 36 will be described with reference to FIG. The polarization voltage calculator 36 calculates a parameter related to the diffusion resistance. Hereinafter, after describing parameters related to the diffusion resistance, a method for calculating the polarization voltage will be described.
電気化学における拡散方程式に基づいて、拡散抵抗に係るワールブルグインピーダンスZを導出する。ここで、インピーダンスZを下式(eq9)によって表す。 Based on the diffusion equation in electrochemistry, the Warburg impedance Z relating to the diffusion resistance is derived. Here, the impedance Z is expressed by the following equation (eq9).
上式(eq9)を整理すると、下式(eq10)が導かれる。 By arranging the above equation (eq9), the following equation (eq10) is derived.
分極電圧算出部36において、Rd算出部36aは、上述したRdマップと電池温度Tsとを用いて、第1パラメータRdを算出する。τd算出部36bは、上述したτdマップと電池温度Tsとを用いて、第2パラメータτdを算出する。 In the polarization voltage calculation unit 36, the Rd calculation unit 36a calculates the first parameter Rd using the Rd map and the battery temperature Ts described above. The τd calculation unit 36b calculates the second parameter τd using the τd map and the battery temperature Ts described above.
抵抗成分算出部36cは、第1パラメータRdに基づいて、拡散抵抗を構成する第1〜第4抵抗の各抵抗値Rw1〜Rw4を下式(eq22)によって算出する。 Based on the first parameter Rd, the resistance component calculation unit 36c calculates the resistance values Rw1 to Rw4 of the first to fourth resistances constituting the diffusion resistance by the following equation (eq22).
第1電圧算出部36eは、検出電流Isと、抵抗成分算出部36cによって算出された第1抵抗値Rw1と、容量成分算出部36dによって算出された第1容量Cw1とに基づいて、拡散抵抗における第1分極電圧Vw1を算出する。本実施形態では、拡散抵抗モデルを構成する抵抗とキャパシタとの並列回路を表す伝達関数を離散化した式に基づいて、第1分極電圧Vw1を逐次算出する。具体的には、本実施形態では、前回の処理周期で算出された第1分極電圧Vw1,検出電流Isと、現在(今回の処理周期)の検出電流Isとを入力として、下式(eq24)を用いて、第1分極電圧Vw1を算出する。 The first voltage calculation unit 36e is based on the detection current Is, the first resistance value Rw1 calculated by the resistance component calculation unit 36c, and the first capacitance Cw1 calculated by the capacitance component calculation unit 36d. A first polarization voltage Vw1 is calculated. In the present embodiment, the first polarization voltage Vw1 is sequentially calculated based on an expression obtained by discretizing a transfer function representing a parallel circuit of a resistor and a capacitor constituting the diffusion resistance model. Specifically, in the present embodiment, the first polarization voltage Vw1, the detection current Is calculated in the previous processing cycle, and the current (current processing cycle) detection current Is are input, and the following equation (eq24) Is used to calculate the first polarization voltage Vw1.
先の図2の説明に戻り、第1加算部38は、各電圧算出部36e〜36hによって算出された各分極電圧Vw1〜Vw4の加算値として、合計分極電圧Vw0を算出する。第2加算部39は、直流抵抗電位差Vs、反応抵抗電位差ΔV、及び合計分極電圧Vw0の加算値を算出する。開放端電圧算出部40は、電圧センサ21によって検出された電池セル20aの端子間電圧CCVから第2加算部39の出力値を減算することで、電池セル20aの開放端電圧OCVを算出する。 Returning to the description of FIG. 2, the first addition unit 38 calculates the total polarization voltage Vw0 as an addition value of the polarization voltages Vw1 to Vw4 calculated by the voltage calculation units 36e to 36h. The second addition unit 39 calculates an addition value of the DC resistance potential difference Vs, the reaction resistance potential difference ΔV, and the total polarization voltage Vw0. The open end voltage calculation unit 40 calculates the open end voltage OCV of the battery cell 20a by subtracting the output value of the second addition unit 39 from the inter-terminal voltage CCV of the battery cell 20a detected by the voltage sensor 21.
SOC変換部37は、第2加算部40によって算出された開放端電圧OCVに基づいて、電池セル20aの充電率(SOC)を算出する。本実施形態では、開放端電圧OCV及びSOCが予め関係付けられたSOCマップを用いて、SOCを算出する。本実施形態において、SOCマップは、メモリ31に記憶されている。 The SOC conversion unit 37 calculates the charging rate (SOC) of the battery cell 20a based on the open end voltage OCV calculated by the second addition unit 40. In the present embodiment, the SOC is calculated using an SOC map in which the open-circuit voltages OCV and SOC are related in advance. In the present embodiment, the SOC map is stored in the memory 31.
続いて、上述した電池モデルによる電池セル20aの電圧推定精度を関連技術と比較しつつ説明する。関連技術とは、1つの直流抵抗及び1RC等価回路の直列接続体からなる電池モデルのことである。図9は関連技術にかかる電池セルの端子間電圧の推定結果を示し、図10は本実施形態にかかる電池セルの端子間電圧の推定結果を示す。ここで図中、推定値とは、第2加算値39の出力値に開放端電圧を加えた値に相当する。この開放端電圧は、例えば、SOC変換部37によって算出されたSOCに基づいて算出される。また、図9及び図10は、電流−電圧特性に非線形が現れる低温度(例えば−15℃)における試験結果である。 Subsequently, the voltage estimation accuracy of the battery cell 20a based on the above-described battery model will be described in comparison with related technology. The related technology is a battery model including a series connection body of one DC resistance and 1RC equivalent circuit. FIG. 9 shows the estimation result of the inter-terminal voltage of the battery cell according to the related art, and FIG. 10 shows the estimation result of the inter-terminal voltage of the battery cell according to the present embodiment. Here, in the figure, the estimated value corresponds to a value obtained by adding the open-ended voltage to the output value of the second addition value 39. This open end voltage is calculated based on the SOC calculated by the SOC conversion unit 37, for example. 9 and 10 show test results at a low temperature (for example, −15 ° C.) at which nonlinearity appears in the current-voltage characteristics.
図9に示すように、関連技術では、電池セル20aの充放電電流の大きさによって電圧実測値と電圧推定値とにずれが生じる。これに対し、本実施形態では、図10に示すように、電圧実測値と電圧推定値とのずれが大きく低減されている。これは、反応抵抗モデルにおいて、電池セルに流れる電流に対して非線形な式が含まれていることにより、非線形特性を精度よく表現できているためである。したがって、本実施形態にかかる反応抵抗モデルを含む電池モデルによれば、許容出力電力及び許容入力電力の予測精度を向上させることができる。 As shown in FIG. 9, in the related art, a deviation occurs between the measured voltage value and the estimated voltage value depending on the magnitude of the charge / discharge current of the battery cell 20a. On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 10, the deviation between the actually measured voltage value and the estimated voltage value is greatly reduced. This is because the reaction resistance model includes a nonlinear expression with respect to the current flowing through the battery cell, thereby accurately expressing the nonlinear characteristic. Therefore, according to the battery model including the reaction resistance model according to the present embodiment, the prediction accuracy of the allowable output power and the allowable input power can be improved.
<2.電力予測部33の処理>
続いて、電力予測部33が行う許容出力電力Wout及び許容入力電力Winの予測処理について説明する。
<2. Processing of Power Prediction Unit 33>
Subsequently, a prediction process of the allowable output power Wout and the allowable input power Win performed by the power prediction unit 33 will be described.
まず、許容出力電力Woutの予測処理について説明する。この処理は、現在から放電側規定時間Tdff経過するまでの期間に渡って、組電池20が継続して放電可能な最大電力を許容出力電力Woutとして予測する処理である。本実施形態において、放電側規定時間Tdffは、10秒に設定されている。許容出力電力予測処理は、例えば、車両の加速時において車載主機としてのモータジェネレータに電力を供給する組電池の出力性能が十分であるか、又はアイドリングストップシステムにおいて、エンジン再始動用のスタータに電力を供給する補機電池の出力性能が十分であるかを予測するために用いられる。 First, the prediction process of the allowable output power Wout will be described. This process is a process for predicting, as the allowable output power Wout, the maximum power that the assembled battery 20 can continuously discharge over the period from the current time until the discharge side specified time Tdff elapses. In the present embodiment, the discharge side specified time Tdff is set to 10 seconds. In the allowable output power prediction process, for example, the output performance of the assembled battery that supplies power to the motor generator as the in-vehicle main engine at the time of acceleration of the vehicle is sufficient, or power is supplied to the starter for engine restart in the idling stop system. Is used to predict whether the output performance of the auxiliary battery supplying the battery is sufficient.
図11及び図12を用いて、予測処理の概要について説明する。この処理では、図11に示すように、まず、各電池セル20aのそれぞれについて、現在から放電側規定時間Tdff経過するまでの期間に渡って電池セル20aに所定の放電電流Ipを流すと仮定した場合における現在から放電側規定時間Tdff経過するタイミングの電池セル20aの端子間電圧Vffを予測する。このとき、各電池セル20aの端子間電圧Vffの最小値が、電池セル20aの許容下限電圧VLlimitと一致する場合は、予測された各電池セル20aのそれぞれの端子間電圧Vffの総和と、所定の放電電流Ipとの乗算値を上記許容出力電力Woutとして予測することができる。ここで、端子間電圧Vffの予測には、図12に示すように、合計残電圧Vwrが用いられる。合計残電圧Vwrは、拡散抵抗における現在の分極電圧が時間経過とともに減少し、現在から放電側規定時間Tdff経過するタイミングに残る分極電圧のことである。つまり、拡散抵抗モデルを構成する第mキャパシタに現在電荷が蓄積されている場合、拡散抵抗における現在の分極電圧の影響は、放電側規定時間Tdff経過後においても残る。このため、合計残電圧Vwrを算出しておくことで、第mキャパシタの蓄積電荷量の影響を加味することができ、許容出力電力Woutの予測精度の向上を図ることができる。 The outline of the prediction process will be described with reference to FIGS. 11 and 12. In this process, as shown in FIG. 11, first, it is assumed that a predetermined discharge current Ip is supplied to the battery cell 20a for each battery cell 20a over a period from the current time until the discharge-side specified time Tdff elapses. In this case, the inter-terminal voltage Vff of the battery cell 20a at the timing when the discharge side specified time Tdff elapses from the present is predicted. At this time, if the minimum value of the inter-terminal voltage Vff of each battery cell 20a matches the allowable lower limit voltage VLlimit of the battery cell 20a, the predicted sum of the respective inter-terminal voltages Vff of each battery cell 20a and a predetermined value Can be predicted as the allowable output power Wout. Here, as shown in FIG. 12, the total remaining voltage Vwr is used to predict the inter-terminal voltage Vff. The total residual voltage Vwr is a polarization voltage remaining at a timing when the current polarization voltage in the diffusion resistance decreases with time and the discharge side specified time Tdff elapses from now. That is, when the current charge is stored in the m-th capacitor constituting the diffusion resistance model, the influence of the current polarization voltage on the diffusion resistance remains even after the discharge-side specified time Tdff has elapsed. For this reason, by calculating the total residual voltage Vwr, it is possible to take into account the effect of the amount of charge accumulated in the m-th capacitor, and to improve the prediction accuracy of the allowable output power Wout.
図13に、本実施形態にかかる許容出力電力Woutの予測処理の手順を示す。この処理は、電力予測部33(CPU)によって例えば所定の処理周期で繰り返し実行される。 FIG. 13 shows a procedure for predicting the allowable output power Wout according to the present embodiment. This process is repeatedly executed by the power prediction unit 33 (CPU), for example, at a predetermined processing cycle.
この一連の処理では、まずステップS10において、各電池セル20aのそれぞれについて、下式(eq25)にて表される連続時間式に基づいて、現在から放電側規定時間Tdff経過するタイミングにおける合計残電圧Vwrを予測する。 In this series of processes, first, in step S10, for each battery cell 20a, the total remaining voltage at the timing when the discharge-side specified time Tdff elapses from the current time based on the continuous time expression expressed by the following expression (eq25). Predict Vwr.
続くステップS11では、電池セル20aの仮想動作電流Ipをその許容上限放電電流Idlimit(<0)に設定する。続くステップS12では、現在から放電側規定時間Tdff経過するまでの期間に渡って仮想動作電流Ip(許容上限放電電流Idlimit)を流すと仮定した場合において、各電池セル20aのそれぞれについて、現在から放電側規定時間Tdff経過するタイミングにおける電池セル20aの端子間電圧Vffを下式(eq26)に基づいて予測する。 In subsequent step S11, the virtual operating current Ip of the battery cell 20a is set to the allowable upper limit discharge current Idlimit (<0). In the subsequent step S12, when it is assumed that the virtual operating current Ip (allowable upper limit discharge current Idlimit) flows through the period from the present to the discharge side specified time Tdff, the discharge from the present is performed for each battery cell 20a. The inter-terminal voltage Vff of the battery cell 20a at the timing when the side specified time Tdff elapses is predicted based on the following equation (eq26).
また、上式(eq26)において、「Vws」は、拡散抵抗モデルを構成する各キャパシタCwmに電荷の蓄積がないと仮定した場合において、現在から放電側規定時間Tdff経過するタイミングにおいて新たに生じる将来の分極電圧(以下、将来分極電圧)を示す。将来分極電圧Vwsは、下式(eq27)にて表される連続時間式に基づいて予測する。 Further, in the above equation (eq26), “Vws” is a future newly generated at the timing when the discharge side specified time Tdff elapses from the present when it is assumed that no charge is accumulated in each capacitor Cwm constituting the diffusion resistance model. The polarization voltage (hereinafter, the future polarization voltage) is shown. The future polarization voltage Vws is predicted based on the continuous time expression expressed by the following expression (eq27).
さらに、上式(eq26)において、ΔOCVは、現在から放電側規定時間Tdff経過するまでの期間に渡って電池セル20aに仮想動作電流Ipを流すと仮定した場合における開放端電圧OCVの変化量(以下、開放端電圧変化量)を示す。開放端電圧変化量ΔOCVは、例えば、開放端電圧算出部40によって算出された現在の開放端電圧OCVに基づいて算出すればよい。具体的には例えば、まず、現在から放電側規定時間Tdff経過するまでの期間に渡って仮想動作電流Ipを流すと仮定した場合において、各電池セル20aのそれぞれについて、現在から放電側規定時間Tdff経過するまでの期間におけるSOCの変化分を算出する。上記SOCの変化分は、放電時において負の値となる。そして、SOC変換部37によって算出された現在のSOCに上記SOCの変化分を加算し、この加算値をSOCマップを用いて開放端電圧に変換する。そして、変換された開放端電圧から現在の開放端電圧OCVを減算することで、開放端電圧変化量ΔOCVを算出する。 Furthermore, in the above equation (eq26), ΔOCV is the amount of change in the open-circuit voltage OCV when it is assumed that the virtual operating current Ip flows through the battery cell 20a over the period from the current time until the discharge side specified time Tdff elapses ( Hereinafter, an open-circuit voltage change amount) is shown. The open circuit voltage change amount ΔOCV may be calculated based on the current open circuit voltage OCV calculated by the open circuit voltage calculator 40, for example. Specifically, for example, when it is assumed that the virtual operating current Ip flows for a period from the current time until the discharge side specified time Tdff elapses, for each battery cell 20a, the discharge side specified time Tdff from the current time. The amount of change in SOC in the period until it elapses is calculated. The change in the SOC is a negative value during discharge. Then, the change in the SOC is added to the current SOC calculated by the SOC conversion unit 37, and the added value is converted into an open-circuit voltage using an SOC map. Then, the open circuit voltage change amount ΔOCV is calculated by subtracting the current open circuit voltage OCV from the converted open circuit voltage.
ちなみに、ステップS12で算出された端子間電圧Vffに対する開放端電圧変化量ΔOCVの割合は、本実施形態では放電側規定時間Tdffを10秒に設定したため小さい。このため、上式(eq26)の右辺から開放端電圧変化量ΔOCVの項を除去してもよい。 Incidentally, the ratio of the open-circuit voltage change amount ΔOCV to the inter-terminal voltage Vff calculated in step S12 is small because the discharge-side specified time Tdff is set to 10 seconds in the present embodiment. For this reason, the term of the open circuit voltage change amount ΔOCV may be removed from the right side of the above equation (eq26).
続くステップS13では、ステップS12において算出された各電池セル20aの端子間電圧Vffの最小値Vminを選択し、選択された最小値Vminが電池セル20aの許容下限電圧VLlimit未満であるか否かを判断する。ここで、図14には、本ステップにおいて否定判断される状況の一例を示した。なお、図14では、便宜上、電池セルの数を3つとしている。 In subsequent step S13, the minimum value Vmin of the inter-terminal voltage Vff of each battery cell 20a calculated in step S12 is selected, and whether or not the selected minimum value Vmin is less than the allowable lower limit voltage VLlimit of the battery cell 20a. to decide. Here, FIG. 14 shows an example of a situation in which a negative determination is made in this step. In FIG. 14, for convenience, the number of battery cells is three.
ステップS13において否定判断した場合には、各電池セル20aのそれぞれの端子間電圧Vff全てが許容下限電圧VLlimit以下であると判断し、ステップS14に進む。ステップS14では、ステップS12において予測した各電池セル20aの端子間電圧Vffの総和と、許容上限放電電流Idlimitとの乗算値を、現在から放電側規定時間Tdff経過後における許容出力電力Woutとして予測する。 If a negative determination is made in step S13, it is determined that all the inter-terminal voltages Vff of each battery cell 20a are equal to or lower than the allowable lower limit voltage VLlimit, and the process proceeds to step S14. In step S14, the product of the sum of the inter-terminal voltages Vff predicted in step S12 and the allowable upper limit discharge current Idlimit is predicted as the allowable output power Wout after the discharge side specified time Tdff has elapsed from the present. .
一方、ステップS13において肯定判断した場合には、ステップS15に進み、現在から放電側規定時間Tdff経過後の各電池セル20aのそれぞれの端子間電圧の最小値Vminを許容下限電圧VLlimitとする放電電流を、最大放電電流として算出する。最大放電電流の大きさは、許容上限放電電流Idlimitの大きさ以下の値であり、最大放電電流の算出には、所定の探索法が用いられる。本実施形態では、所定の探索法として、2分法が用いられる。最大放電電流は、電流制限範囲及び電圧制限範囲の双方を満足する放電電流の最大値である。そして、探索した最大放電電流を仮想動作電流Ipとして設定する。本実施形態では、2分法による探索範囲を、0から許容上限放電電流Idlimitまでの範囲としている。ここで、図15には、電池セル20aの放電時において設定される仮想動作電流Ipの一例を示した。なお、図15では、便宜上、電池セルの数を2つとしている。 On the other hand, if an affirmative determination is made in step S13, the process proceeds to step S15, in which the discharge current having the minimum value Vmin of the voltage between the terminals of each battery cell 20a after the lapse of the discharge side specified time Tdff from the present as the allowable lower limit voltage VLlimit. Is calculated as the maximum discharge current. The magnitude of the maximum discharge current is a value equal to or less than the magnitude of the allowable upper limit discharge current Idlimit, and a predetermined search method is used to calculate the maximum discharge current. In this embodiment, a bisection method is used as the predetermined search method. The maximum discharge current is the maximum value of the discharge current that satisfies both the current limit range and the voltage limit range. Then, the searched maximum discharge current is set as the virtual operating current Ip. In the present embodiment, the search range by the bisection method is a range from 0 to the allowable upper limit discharge current Idlimit. Here, FIG. 15 shows an example of the virtual operating current Ip set when the battery cell 20a is discharged. In FIG. 15, for convenience, the number of battery cells is two.
続くステップS16では、各電池セル20aのそれぞれについて、現在から放電側規定時間Tdff経過するまでの期間に渡って電池セル20aの放電電流が仮想動作電流Ip(最大放電電流)であると仮定した場合における現在から放電側規定時間Tdff経過するタイミングの電池セル20aの端子間電圧Vffを予測する。続くステップS14では、ステップS16において予測された各電池セル20aのそれぞれの端子間電圧Vffの総和と、ステップS15において探索された最大放電電流との乗算値を、現在から放電側規定時間Tdff経過後における許容出力電力Woutとして予測する。 In the subsequent step S16, for each battery cell 20a, it is assumed that the discharge current of the battery cell 20a is the virtual operating current Ip (maximum discharge current) over the period from the current time until the discharge side specified time Tdff elapses. The inter-terminal voltage Vff of the battery cell 20a at the timing when the discharge side specified time Tdff elapses from the present is predicted. In subsequent step S14, the product of the sum of the respective inter-terminal voltages Vff predicted in step S16 and the maximum discharge current searched in step S15 is obtained after the discharge side specified time Tdff has elapsed from the present. Is estimated as the allowable output power Wout.
続いて、許容入力電力Winの予測処理について説明する。この処理は、現在から充電側規定時間Tcff経過するタイミングまでの期間において、組電池20に継続して充電可能な最大電力を予測するための処理である。本実施形態において、充電側規定時間Tcffは、基本的には、電力予測部33(CPU)の1処理周期(0.1秒)に設定されている。 Next, a process for predicting the allowable input power Win will be described. This process is a process for predicting the maximum power that can be continuously charged in the assembled battery 20 in the period from the present to the timing when the charging side specified time Tcff elapses. In the present embodiment, the charging side specified time Tcff is basically set to one processing cycle (0.1 second) of the power prediction unit 33 (CPU).
図16に、許容入力電力Winの予測処理の手順を示す。この処理は、電力予測部33(CPU)によって例えば所定の処理周期で繰り返し実行される。 FIG. 16 shows a procedure for predicting the allowable input power Win. This process is repeatedly executed by the power prediction unit 33 (CPU), for example, at a predetermined processing cycle.
この一連の処理では、まずステップS20において、現在から充電側規定時間Tcff経過するタイミングにおける合計残電圧Vwrを予測する。ここでは、上式(eq25)の放電側規定時間Tdffを充電側規定時間Tcffに変更して合計残電圧Vwrを算出すればよい。 In this series of processing, first, in step S20, the total remaining voltage Vwr at the timing when the charge side specified time Tcff elapses from the present is predicted. Here, the total remaining voltage Vwr may be calculated by changing the discharge side specified time Tdff in the above equation (eq25) to the charge side specified time Tcff.
続くステップS21では、電池セル20aの仮想動作電流Ipをその許容上限充電電流Iclimit(>0)に設定する。続くステップS22では、現在から充電側規定時間Tcff経過するまでの期間に渡って仮想動作電流Ip(許容上限充電電流Iclimit)を流すと仮定した場合において、各電池セル20aのそれぞれについて、現在から充電側規定時間Tcff経過するタイミングにおける電池セル20aの端子間電圧Vffを予測する。ここでは、上式(eq26),(eq27)の放電側規定時間Tdffを充電側規定時間Tcffに変更して端子間電圧Vffを予測すればよい。 In the following step S21, the virtual operating current Ip of the battery cell 20a is set to the allowable upper limit charging current Ilimit (> 0). In the subsequent step S22, when it is assumed that the virtual operating current Ip (allowable upper limit charging current Ilimit) is passed over the period from the current time until the charging side specified time Tcff elapses, charging is performed for each battery cell 20a from the present time. The inter-terminal voltage Vff of the battery cell 20a at the timing when the side specified time Tcff elapses is predicted. Here, the terminal-side voltage Vff may be predicted by changing the discharge-side specified time Tdff in the equations (eq26) and (eq27) to the charge-side specified time Tcff.
続くステップS23では、ステップS22において予測された各電池セル20aの端子間電圧Vffの最大値Vmaxを選択し、選択された最大値Vmaxが電池セル20aの許容上限電圧VHlimitを超えているか否かを判断する。ここで、先の図14には、本ステップにおいて否定判断される状況の一例を示した。 In subsequent step S23, the maximum value Vmax of the inter-terminal voltage Vff of each battery cell 20a predicted in step S22 is selected, and whether or not the selected maximum value Vmax exceeds the allowable upper limit voltage VHlimit of the battery cell 20a. to decide. Here, FIG. 14 shows an example of a situation in which a negative determination is made in this step.
ステップS23において否定判断した場合には、ステップS24に進み、ステップS22において予測した各電池セル20aの端子間電圧Vffの総和と、許容上限充電電流Iclimitとの乗算値を、現在から充電側規定時間Tcff経過後における許容入力電力Winとして予測する。 If a negative determination is made in step S23, the process proceeds to step S24, and the product of the sum of the inter-terminal voltages Vff of each battery cell 20a predicted in step S22 and the allowable upper limit charging current Ilimit is determined from the current charge side specified time. Predicted as allowable input power Win after Tcff has elapsed.
一方、ステップS23において肯定判断した場合には、ステップS25に進み、まず、充電側規定時間Tcffを、0.1秒から放電側規定時間Tdffと同じ10秒に変更する。そして、現在から充電側規定時間Tcff経過するタイミングの各電池セル20aのそれぞれの端子間電圧の最大値Vmaxを許容上限電圧VHlimitとする充電電流を、最大充電電流として算出する。最大充電電流の大きさは、許容上限充電電流Iclimitの大きさ以下の値であり、最大充電電流の算出には、所定の探索法が用いられる。本実施形態では、2分法が用いられる。最大充電電流は、電流制限範囲及び電圧制限範囲の双方を満足する充電電流の最大値である。そして、探索した最大充電電流を仮想動作電流Ipとして設定する。本実施形態では、2分法による探索範囲を、0から許容上限充電電流Iclimitまでの範囲としている。ここで、先の図15には、充電時において設定される仮想動作電流Ipの一例を示した。 On the other hand, when an affirmative determination is made in step S23, the process proceeds to step S25, and first, the charging side specified time Tcff is changed from 0.1 seconds to 10 seconds, which is the same as the discharging side specified time Tdff. Then, the charging current having the maximum value Vmax of the inter-terminal voltage of each battery cell 20a at the timing when the charging side specified time Tcff elapses from the present as the allowable upper limit voltage VHlimit is calculated as the maximum charging current. The magnitude of the maximum charging current is a value less than or equal to the magnitude of the allowable upper limit charging current Ilimit, and a predetermined search method is used to calculate the maximum charging current. In this embodiment, a bisection method is used. The maximum charging current is the maximum value of the charging current that satisfies both the current limiting range and the voltage limiting range. Then, the searched maximum charging current is set as the virtual operating current Ip. In the present embodiment, the search range by the bisection method is a range from 0 to the allowable upper limit charging current Ilimit. Here, FIG. 15 shows an example of the virtual operating current Ip set at the time of charging.
続くステップS26では、各電池セル20aのそれぞれについて、現在から充電側規定時間Tcff経過するまでの期間に渡って電池セル20aの充電電流が仮想動作電流Ip(最大充電電流)であると仮定した場合における現在から充電側規定時間Tcff経過するタイミングの電池セル20aの端子間電圧Vffを予測する。続くステップS24では、ステップS26において予測された各電池セル20aのそれぞれの端子間電圧Vffの総和と、ステップS25において探索された最大充電電流との乗算値を、現在から充電側規定時間Tcff経過するタイミングにおける許容入力電力Winとして予測する。 In subsequent step S26, for each of the battery cells 20a, when it is assumed that the charging current of the battery cell 20a is the virtual operating current Ip (maximum charging current) over the period from the current charging time Tcff has elapsed. The inter-terminal voltage Vff of the battery cell 20a at the timing when the charging side specified time Tcff elapses from the present is predicted. In subsequent step S24, a charging side specified time Tcff elapses from the present value by multiplying the sum of the inter-terminal voltages Vff of each battery cell 20a predicted in step S26 by the maximum charging current searched in step S25. Predicted as allowable input power Win at the timing.
ここで、先のステップS23における判断結果に応じて充電側規定時間Tcffの長さを変更する理由を、放電時の許容出力電力Woutの予測と比較しつつ以下に説明する。まず、組電池20の放電時について説明する。ここでは、端子間電圧及び充放電電流にて電池セル20aの動作点が定められる図14に示す図をIV図と称すこととする。先の図14に示したように、許容出力電力Woutの予測に用いる放電電流が許容上限放電電流Idlimitである場合、時間が経過するごとに電池セル20aの端子間電圧は刻々と低下して放電電力は小さくなる。このため、放電側規定時間Tdff経過後の動作点から許容出力電力Woutを演算し、現在の動作点から演算した許容出力電力Woutで放電側規定時間Tdff放電し続けても、放電電流が許容上限放電電流Idlimitを超えることはない。 Here, the reason why the length of the charging-side specified time Tcff is changed according to the determination result in the previous step S23 will be described below in comparison with the prediction of the allowable output power Wout during discharging. First, the discharge time of the assembled battery 20 will be described. Here, the diagram shown in FIG. 14 in which the operating point of the battery cell 20a is determined by the voltage between terminals and the charge / discharge current is referred to as an IV diagram. As shown in FIG. 14, when the discharge current used for predicting the allowable output power Wout is the allowable upper limit discharge current Idlimit, the voltage between the terminals of the battery cell 20a decreases every time and discharges. Electric power is reduced. For this reason, even if the allowable output power Wout is calculated from the operating point after the discharge side specified time Tdf has elapsed, and the discharge side specified time Tdiff continues to be discharged at the allowable output power Wout calculated from the current operating point, the discharge current remains within the allowable upper limit. The discharge current Idlimit is not exceeded.
続いて、組電池20の充電時について説明する。図14に示したように、許容入力電力Winの予測に用いる充電電流が許容上限充電電流Iclimitである場合、許容上限充電電流Iclimitで充電を継続すると、各電池セル20aのそれぞれの電圧は上昇して充電電力値は大きくなる。すなわち、許容上限充電電流Iclimit到達時の充電電力より充電側規定時間Tcff後の充電電力が大きいため、充電側規定時間Tcff経過後の動作点から求めた許容充電電力Winで動作させた場合、許容上限充電電流Iclimitを超える動作点を経由した後、予測された許容入力電力Winに対応する動作点に移行し得る。これは、充電時においては、将来分極電圧Vwsが時々刻々と収束値「Ip×Rwm」に向かって上昇することにより、電池セル20aの端子間電圧が時々刻々と上昇するためである。特に、充電側規定時間Tcffが長くなると、充電電流が許容上限充電電流Iclimitを超える懸念が大きくなる。このため、許容入力電力Winの予測に用いる充電電流が許容上限充電電流Iclimitである場合には、充電側規定時間Tcffを1処理周期である0.1秒に設定する。 Then, the time of charge of the assembled battery 20 is demonstrated. As shown in FIG. 14, when the charging current used for predicting the allowable input power Win is the allowable upper limit charging current Ilimit, when the charging is continued at the allowable upper limit charging current Ilimit, the respective voltages of the battery cells 20a increase. As a result, the charging power value increases. That is, since the charging power after the charging side specified time Tcff is larger than the charging power at the time when the allowable upper limit charging current Ilimit is reached, the operation is allowed when operated with the allowable charging power Win obtained from the operating point after the charging side specified time Tcff has elapsed. After passing the operating point exceeding the upper limit charging current Ilimit, the operating point corresponding to the predicted allowable input power Win can be shifted. This is because at the time of charging, the future polarization voltage Vws increases toward the convergence value “Ip × Rwm” every moment, so that the voltage between the terminals of the battery cell 20a increases every moment. In particular, when the charging side specified time Tcff becomes longer, there is a greater concern that the charging current exceeds the allowable upper limit charging current Ilimit. For this reason, when the charging current used for prediction of the allowable input power Win is the allowable upper limit charging current Ilimit, the charging-side specified time Tcff is set to 0.1 seconds, which is one processing cycle.
一方、図15に示したように、許容入力電力Winの予測に用いる充電電流が許容上限充電電流Iclimit以下である場合、IV図において、予測に用いる充電電流と許容上限充電電流Iclimitとが離れる傾向にある。このため、IV図において、各電池セル20aのそれぞれについて、現在の動作点から、予測された許容入力電力Winに対応する動作点に移行するまでの途中において、充電電流が許容上限充電電流Iclimitを超える懸念が小さい。したがって、許容入力電力Winの予測に用いる充電電流が許容上限充電電流Iclimit以下である場合、充電電流が許容上限充電電流Iclimitを超える事態を回避するために充電側規定時間Tcffを短く設定することを要しない。よって、充電側規定時間Tcffを0.1秒から10秒に変更する。 On the other hand, as shown in FIG. 15, when the charging current used for prediction of the allowable input power Win is equal to or lower than the allowable upper limit charging current Ilimit, the charging current used for prediction and the allowable upper limit charging current Ilimit tend to be separated in FIG. It is in. Therefore, in the IV diagram, for each of the battery cells 20a, the charging current is set to the allowable upper limit charging current Ilimit during the transition from the current operating point to the operating point corresponding to the predicted allowable input power Win. There is little concern to exceed. Therefore, when the charging current used for prediction of the allowable input power Win is equal to or less than the allowable upper limit charging current Ilimit, the charging side specified time Tcff should be set short in order to avoid a situation where the charging current exceeds the allowable upper limit charging current Ilimit. I don't need it. Therefore, the charging side specified time Tcff is changed from 0.1 second to 10 seconds.
以上説明したように、本実施形態では、直流抵抗モデル及び拡散抵抗モデルに加えて、反応抵抗パラメータβを用いた反応抵抗モデルによって電池モデルを構成した。電池モデルに反応抵抗パラメータを含む反応抵抗モデルを含むことにより、上記特許文献1に記載された技術では表現できなかった低温時における電流−電圧の非線形特性を精度よく表すことができる。このため、本実施形態によれば、低温時においても、組電池20の許容入出力電力Win,Woutを高精度に予測することができる。 As described above, in this embodiment, the battery model is configured by the reaction resistance model using the reaction resistance parameter β in addition to the DC resistance model and the diffusion resistance model. By including the reaction resistance model including the reaction resistance parameter in the battery model, it is possible to accurately represent the current-voltage non-linear characteristics at low temperatures that could not be expressed by the technique described in Patent Document 1. For this reason, according to this embodiment, the allowable input / output powers Win and Wout of the assembled battery 20 can be predicted with high accuracy even at low temperatures.
さらに本実施形態では、上式(eq25)にて表される連続時間式に基づいて合計残電圧Vwrを算出し、上式(eq27)にて表される連続時間式に基づいて将来分極電圧Vwsを予測した。連続時間式による演算手法によれば、許容入出力電力Win,Woutの予測に用いる合計残電圧Vwr及び将来分極電圧Vwsのそれぞれを1回の演算で算出することができる。このため、許容入出力電力Win,Woutを予測する場合の演算負荷を好適に低減することもできる。 Further, in the present embodiment, the total remaining voltage Vwr is calculated based on the continuous time formula expressed by the above formula (eq25), and the future polarization voltage Vws is calculated based on the continuous time formula expressed by the above formula (eq27). Predicted. According to the calculation method based on the continuous time formula, it is possible to calculate each of the total remaining voltage Vwr and the future polarization voltage Vws used for prediction of the allowable input / output powers Win and Wout by one calculation. For this reason, the calculation load in predicting the allowable input / output powers Win and Wout can also be suitably reduced.
(その他の実施形態)
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
(Other embodiments)
The above embodiment may be modified as follows.
・所定の探索法としては、2分法に限らず、黄金分割法等、他の探索法であってもよい。 The predetermined search method is not limited to the bisection method, and other search methods such as the golden section method may be used.
・放電側規定時間Tdffとしては、10秒に限らず、例えば2秒,5秒,30秒等、数秒〜数十秒に設定してもよい。なお、先の図16のステップS25において、変更された後の充電側規定時間Tcffについても同様である。 The discharge side specified time Tdff is not limited to 10 seconds, and may be set to several seconds to several tens of seconds, for example, 2 seconds, 5 seconds, 30 seconds, and the like. The same applies to the charge-side specified time Tcff after being changed in step S25 of FIG.
・拡散抵抗モデルとしては、抵抗とキャパシタとの並列接続体が4つ直列接続されたRC等価回路モデルに限らず、上記並列接続体が複数(4つ以外)接続されたRC等価回路モデルであってもよい。また、拡散抵抗モデルとしては、抵抗とキャパシタとの並列接続体が複数接続されたRC等価回路に限らず、簡素化のために上記並列接続体が1つのRC等価回路であってもよい。 -The diffusion resistance model is not limited to an RC equivalent circuit model in which four parallel connection bodies of resistors and capacitors are connected in series, but is an RC equivalent circuit model in which a plurality of the parallel connection bodies (other than four) are connected. May be. The diffusion resistance model is not limited to an RC equivalent circuit in which a plurality of parallel connection bodies of resistors and capacitors are connected, and the parallel connection body may be a single RC equivalent circuit for simplification.
・2次電池としては、リチウムイオン2次電池に限らず、ニッケル水素電池等、他の2次電池であってもよい。 The secondary battery is not limited to a lithium ion secondary battery, but may be another secondary battery such as a nickel metal hydride battery.
・上記各実施形態において、各処理に用いる電池温度としては、温度センサ22の検出値に限らず、何らかの手法によって推定された電池温度であってもよい。 In each of the above embodiments, the battery temperature used for each process is not limited to the detection value of the temperature sensor 22, and may be a battery temperature estimated by some method.
・本発明の適用対象としては、車両に限らない。 -The application object of this invention is not restricted to a vehicle.
20a…電池セル、30…電池ECU。 20a ... battery cell, 30 ... battery ECU.
Claims (8)
前記電池モデルは、
前記2次電池の直流抵抗(Rs)を表す直流抵抗モデルと、
前記2次電池の反応抵抗を表すモデルであって、バトラーボルマー式から導かれ、交換電流密度と相関のある反応抵抗パラメータ(β)を含む反応抵抗モデルと、
抵抗とキャパシタとの並列接続体を含むRC等価回路モデルであって、前記2次電池の拡散抵抗を表す拡散抵抗モデルとから構成され、
前記RC等価回路モデルの回路定数を含む式であって、前記拡散抵抗モデルの現在の分極電圧を算出する離散式に基づいて、前記現在の分極電圧を算出する第1分極電圧演算手段と、
前記回路定数を含む式であって、前記現在の分極電圧が時間経過とともに減少して現在から前記規定時間経過後に残る前記分極電圧である残電圧を予測する連続時間式に、前記現在の分極電圧を入力することにより前記残電圧を予測する残電圧予測手段と、
現在から前記規定時間経過後に新たに生じる前記拡散抵抗モデルの将来の分極電圧を予測する連続時間式に基づいて、前記将来の分極電圧を予測する第2分極電圧演算手段と、
前記残電圧と前記将来の分極電圧との合計値、前記直流抵抗モデルにおける電位差、及び前記反応抵抗モデルにおける電位差に基づいて、現在から前記規定時間経過後の前記予測対象値を予測する電力予測手段とを備えることを特徴とする電池電力予測装置。 A battery that uses at least one of the outputable power and the inputable power of the secondary battery (20a) as a prediction target value, and predicts the prediction target value after a lapse of a specified time from the current time based on the battery model of the secondary battery. In the power prediction device,
The battery model is
A DC resistance model representing the DC resistance (Rs) of the secondary battery;
A model representing a reaction resistance of the secondary battery, the reaction resistance model including a reaction resistance parameter (β) derived from a Butler-Volmer equation and correlated with an exchange current density;
An RC equivalent circuit model including a parallel connection body of a resistor and a capacitor, and a diffusion resistance model representing a diffusion resistance of the secondary battery;
A formula including circuit constants of the RC equivalent circuit model, the first polarization voltage calculating means for calculating the current polarization voltage based on a discrete expression for calculating the current polarization voltage of the diffusion resistance model;
An equation including the circuit constant, wherein the current polarization voltage decreases to a continuous time equation for predicting a residual voltage, which is the polarization voltage remaining after the lapse of the specified time from the present, and the current polarization voltage. A residual voltage predicting means for predicting the residual voltage by inputting
Second polarization voltage calculation means for predicting the future polarization voltage based on a continuous time formula for predicting the future polarization voltage of the diffusion resistance model newly generated after the lapse of the specified time from the present time;
Based on the total value of the residual voltage and the future polarization voltage, the potential difference in the DC resistance model, and the potential difference in the reaction resistance model, power prediction means for predicting the prediction target value after the lapse of the specified time from the present A battery power prediction apparatus comprising:
前記電力予測手段は、
前記規定時間を放電側規定時間とし、前記2次電池のそれぞれについて、現在から前記放電側規定時間経過するまでの期間に渡って前記2次電池の放電電流をその許容上限放電電流にしたと仮定した場合における現在から前記放電側規定時間経過後の前記2次電池の端子間電圧を予測する第1放電時予測手段と、
前記第1放電時予測手段によって予測された前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の最小値がその許容下限電圧以上となる場合、前記第1放電時予測手段によって予測された前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の総和と、前記許容上限放電電流とに基づいて、現在から前記放電側規定時間経過後の前記出力可能電力を予測する第1出力電力予測手段と、
前記第1放電時予測手段によって予測された前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の最小値が前記許容下限電圧未満となる場合、現在から前記放電側規定時間経過後の前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の最小値を前記許容下限電圧とする前記2次電池の放電電流であって、前記許容上限放電電流以下の放電電流である最大放電電流を所定の探索法に従って探索する放電電流探索手段と、
前記2次電池のそれぞれについて、現在から前記放電側規定時間経過するまでの期間に渡って前記2次電池の放電電流を前記最大放電電流にしたと仮定した場合における現在から前記放電側規定時間経過後の前記2次電池の端子間電圧を予測する第2放電時予測手段と、
前記第2放電時予測手段によって予測された前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の総和と、前記最大放電電流とに基づいて、現在から前記放電側規定時間経過後の前記出力可能電力を予測する第2出力電力予測手段とを含む請求項1又は2記載の電池電力予測装置。 The secondary battery is each of a plurality of battery cells connected in series,
The power prediction means includes
Assuming that the specified time is the discharge-side specified time, and the discharge current of the secondary battery is set to the allowable upper limit discharge current over the period from the current time until the discharge-side specified time elapses for each of the secondary batteries. First discharge time prediction means for predicting the voltage between the terminals of the secondary battery after the discharge side specified time has elapsed from the present when
When the minimum value of the voltage between the terminals of the secondary battery predicted by the first discharge time prediction unit is equal to or higher than the allowable lower limit voltage, the secondary battery predicted by the first discharge time prediction unit First output power predicting means for predicting the output possible power after elapse of the discharge side specified time from the current time based on the sum of the voltages between the terminals and the allowable upper limit discharge current;
When the minimum value of the inter-terminal voltage of the secondary battery predicted by the first discharge time prediction unit is less than the allowable lower limit voltage, each of the secondary batteries after the lapse of the discharge side specified time from the present time A discharge current search for searching for a maximum discharge current that is a discharge current of the secondary battery having a minimum value of the inter-terminal voltage of the battery as the allowable lower limit voltage and that is equal to or lower than the allowable upper limit discharge current according to a predetermined search method. Means,
For each of the secondary batteries, the discharge side specified time elapses from the present when it is assumed that the discharge current of the secondary battery is set to the maximum discharge current over a period from the current time until the discharge side specified time elapses. Second discharge time prediction means for predicting the voltage across the terminals of the secondary battery later;
Based on the sum of the inter-terminal voltages of the secondary battery predicted by the second discharge time prediction means and the maximum discharge current, the output possible power after the discharge side specified time has elapsed is predicted The battery power prediction apparatus according to claim 1, further comprising: a second output power prediction unit that performs the operation.
前記電力予測手段は、
前記規定時間を当該電池電力予測装置の1処理周期とし、前記2次電池のそれぞれについて、現在から前記1処理周期経過するまでの期間に渡って前記2次電池の充電電流をその許容上限充電電流にしたと仮定した場合における現在から前記1処理周期後の前記2次電池の端子間電圧を予測する第1充電時予測手段と、
前記第1充電時予測手段によって予測された前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の最大値がその許容上限電圧以下となる場合、前記第1充電時予測手段によって予測された前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の総和と、前記許容上限充電電流とに基づいて、現在から前記1処理周期後の前記入力可能電力を予測する第1入力電力予測手段と、
前記第1充電時予測手段によって予測された前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の最大値が前記許容上限電圧を超える場合、前記規定時間を前記1処理周期よりも長い所定時間とし、現在から前記所定時間経過後の前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の最大値を前記許容上限電圧とする前記2次電池の充電電流であって、前記許容上限充電電流以下の充電電流である最大充電電流を所定の探索法に従って探索する充電電流探索手段と、
前記2次電池のそれぞれについて、現在から前記所定時間経過するまでの期間に渡って前記2次電池の充電電流を前記最大充電電流にしたと仮定した場合における現在から前記所定時間経過後の前記2次電池の端子間電圧を予測する第2充電時予測手段と、
前記第2充電時予測手段によって予測された前記2次電池のそれぞれの端子間電圧の総和と、前記最大充電電流とに基づいて、現在から前記所定時間経過後の前記入力可能電力を予測する第2入力電力予測手段とを含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の電池電力予測装置。 The secondary battery is each of a plurality of battery cells connected in series,
The power prediction means includes
The specified time is defined as one processing cycle of the battery power prediction device, and the charging current of the secondary battery is set to the allowable upper limit charging current over the period from the present to the passage of the one processing cycle for each of the secondary batteries. First charging time prediction means for predicting the voltage across the terminals of the secondary battery after the one processing cycle from the present when it is assumed that
When the maximum value of the inter-terminal voltage of the secondary battery predicted by the first charging time prediction unit is equal to or lower than the allowable upper limit voltage, the secondary battery predicted by the first charging time prediction unit First input power predicting means for predicting the input possible power after the one processing cycle from the present based on the sum of the voltages between the terminals and the allowable upper limit charging current;
When the maximum value of the voltage between the terminals of the secondary battery predicted by the first charging time prediction unit exceeds the allowable upper limit voltage, the specified time is set to a predetermined time longer than the one processing cycle, The charging current of the secondary battery having the maximum value of the voltage between the terminals of the secondary battery after the lapse of the predetermined time as the allowable upper limit voltage, wherein the charging current is equal to or lower than the allowable upper limit charging current. Charging current search means for searching for current according to a predetermined search method;
For each of the secondary batteries, the 2nd battery after the predetermined time elapses from the present when it is assumed that the charging current of the secondary battery is set to the maximum charging current over a period from the present to the elapse of the predetermined time. A second charging time prediction means for predicting a voltage between terminals of the secondary battery;
Based on the sum of the voltages across the terminals of the secondary battery predicted by the second charging time prediction means and the maximum charging current, the input possible power after the predetermined time has elapsed is predicted from the present time. The battery power prediction apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a two-input power prediction unit.
前記拡散抵抗モデルにおいて、前記RC等価回路モデルを構成するm番目(mは正の整数)の前記並列接続体の前記抵抗の抵抗値をRwm、前記キャパシタの容量をCwmと定義し、
前記残電圧予測手段は、前記規定時間をTff、前記現在の分極電圧をVwmと定義すると、前記残電圧Vwrを
前記第2分極電圧演算手段は、現在から前記規定時間経過するまでの期間に渡って前記2次電池に流す電流をIpと定義すると、前記将来の分極電圧Vwsを
In the diffusion resistance model, the resistance value of the resistor of the m-th (m is a positive integer) constituting the RC equivalent circuit model is defined as Rwm, and the capacitance of the capacitor is defined as Cwm.
The residual voltage prediction means defines the residual voltage Vwr by defining the specified time as Tff and the current polarization voltage as Vwm.
The second polarization voltage calculating means defines the future polarization voltage Vws as Ip when a current flowing through the secondary battery over a period from the present to the lapse of the specified time is defined as Ip.
前記電力予測手段は、前記開放端電圧の変化量をさらに用いて、現在から前記規定時間経過後の前記予測対象値を予測する請求項1〜7のいずれか1項に記載の電池電力予測装置。 For each of the secondary batteries, further comprising OCV change prediction means for predicting the amount of change in the open-circuit voltage of the secondary battery in the period from the present to the lapse of the specified time,
The battery power prediction apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the power prediction unit predicts the prediction target value after the lapse of the specified time from the present time by further using a change amount of the open-circuit voltage. .
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