CN101346636A - 二次电池的充电状态推定装置与充电状态推定方法 - Google Patents

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Abstract

当电池电流(Ib)不大于依赖于电池温度(Tb)设置的限制电流(|Ijd|)且连续流动依赖于电池温度(Tb)设置的预定时间或更长时，做出二次电池(10)处于稳定状态的决定。当二次电池(10)处于稳定状态时，电池电压(Vb)被考虑为等于开路电压(OCV)，SOC推定基于开路电压－SOC特性来进行。通过设置与内阻温度依赖性相关联的限制电流(|Ijd|)，当使得二次电池的内阻与限制电流(|Ijd|)的乘积基本恒定(恒定电压)时，在稳定状态下，推定误差可被保持在预定范围内，即使SOC推定在将电池电压(Vb)被假设为开路电压(OCV)时进行。因此，SOC可在稳定状态下通过简单且可靠的系统用预定误差范围内的高精度推定。

Description

二次电池的充电状态推定装置与充电状态推定方法
技术领域
本发明涉及推定二次电池的充电状态的装置和方法，具体而言，涉及这样的推定二次电池充电状态的装置和方法：其逐次计算表示二次电池剩余容量(充电率)的SOC(充电状态)。
背景技术
结构化为从可再充电二次电池向负载设备提供电力以及允许甚至在负载设备运行过程中对二次电池充电的电源系统已被使用。这样的电源系统被典型地安装在将由二次电池驱动的电动机用作车辆驱动动力源之一的混合动力车或电气车辆上。
在混合动力车的电源系统中，存储在二次电池中的电力被用作用于驱动车辆的电动机的驱动电力，二次电池由电动机再生出的电力或由在发动机旋转时产生电力的发电机产生的电力充电。在这样的电源系统中，有必要知道二次电池的充电状态(代表性地，表示相对于满充电的充电率的SOC)，并防止可能导致电池劣化的过酷使用状态。具体而言，有必要基于剩余容量的推定值限制从二次电池接收输出的驱动车辆用电动机的输出，并产生对二次电池进行充电的请求或禁止充电/放电的指令，因此，剩余容量的高度准确推定是必要的。
然而，以安装在混合动力车上时的情况为代表，二次电池的输出与使用条件在大范围内变化，在充电/放电以相对较高的功率密度重复进行的使用状态下，通常难以推定剩余容量。因此，推定准确度的改进成为难题。
有鉴于上，除了基于输入/输出电流的积分逐次计算剩余容量变化量的最基本过程以外，已经提出了高准确度推定剩余容量的多种过程。
举例而言，日本特开No.2000-306613(下面称为专利文献1)公开了一种电池状态监视装置，其中，由在电池使用过程中测量的电池电流(充电/放电电流)与电池电压(端子之间的电压)间的关系计算二次电池的内阻，使用电池电流/电压以及计算的内阻计算开路电压(OCV)，并由开路电压推定电池容量(SOC)。另外，在电池状态监视装置中，如果电池电流在规定范围外或脱离规定范围，通过将偏离后电池电流积分值加到刚好偏离之前的电池容量(SOC)来推定电池容量(SOC)。具体而言，根据专利文献1，依赖于电池电流的范围改变推定方法1，以便改进推定准确度。
类似地，日本特开No.2000-150003(下面称为专利文献2)公开了一种支持基于电池电流积分的SOC计算过程以及其他SOC计算过程的充电量计算装置。在充电量计算装置中，在基于电池电流积分的SOC计算过程与其他过程之间的差异的基础上确定将要使用的SOC计算过程。
在专利文献1所公开的电池状态监视装置中，使用在充电/放电过程中测量的多组电池电压与电池电流的倾斜度(inclination)来计算随同充电/放电一起连续变化的内阻。
然而，已经知道，充电/放电过程中二次电池的电池电压(端子之间的电压)变化从电池电流变化滞后。具体而言，当恒定电池电流开始流动或当电池电流停止时，电池电压不处于稳定状态而是发生波动，一直到被称为缓和时间的规定时间段之后。因此，如果在缓和时间过去后测量电池电压，不能测得二次电池的准确输出电压。
另外，根据内阻的直线性出现在电池电流与电池电压之间的范围也依赖于二次电池的温度范围而变化。举例而言，在锂离子二次电池中，由于电极表面离子交换电流密度的降低，电池电流与电池电压之间的直线性很少出现在低温范围内。
在这种连接中，尽管专利文献1公开了根据电池电流范围而切换基于内阻计算的推定过程以及基于电池电流积分的推定过程，没有进行着眼于二次电池温度条件或电池电流持续时间的SOC推定。因此，开路电压的推定可能包含来源于内阻推定中的误差的误差，且因此二次电池剩余容量(SOC)的推定可能包含来源于内阻推定中的误差的误差。
另外，在专利文献2所公开的混合动力车用充电量计算装置中，基于电池电流范围以及基于电池电流积分计算的SOC值与通过其他过程计算的SOC值之间的差来决定多种SOC计算过程之间的切换。因此，由与关于专利文献1所介绍的相同的原因，尽管基于电池电流积分的SOC计算过程可在电池电流变低时立即切换到其他SOC计算过程，在大电流在内阻高的低温下流动之后，由于内阻推定中的误差，不可否认存在SOC推定中的大误差的可能。另外，没有充分考虑与SOC推定有关的、二次电池的温度条件以及电池电流的持续时间。因此，剩余容量(SOC)的推定可能包含误差。
发明内容
做出本发明以解决上面描述的问题，本发明的目的在于在考虑二次电池使用状态的情况下应用适当的SOC推定方法，并由此提高推定准确度。
本发明提供了一种用于推定二次电池充电状态的装置，所述二次电池具有能够检测输入/输出电流、输出电压以及电池温度的检测器，所述装置包含特性存储装置、稳定状态判断装置以及第一充电状态推定装置。特性存储装置存储二次电池的开路电压与剩余容量之间的特性。稳定状态判断装置判断是否为输入/输出电流保持为不高于根据电池温度设置的限制电流至少达根据电池温度设置的电压稳定时间段的稳定状态。当判断为稳定状态时，第一充电状态推定装置用于将输出电压视为开路电压，基于存储在特性存储装置中的特性推定二次电池的剩余容量。
本发明提供了一种推定二次电池充电状态的方法，所述二次电池具有能够检测输入/输出电流、输出电压以及电池温度的检测器，所述方法包含稳定状态判断步骤以及第一充电状态推定步骤。在稳定状态判断步骤中，判断是否为输入/输出电流保持为不高于根据电池温度设置的限制电流至少达根据电池温度设置的电压稳定时间段的稳定状态。在第一充电状态推定步骤中，当判断为稳定状态时，将输出电压视为二次电池的开路电压，基于二次电池的开路电压与剩余容量之间的特性推定二次电池的剩余容量。在第二充电状态推定步骤中，当判断为并非稳定状态时，基于与第一充电状态推定步骤的过程不同的过程来推定二次电池的剩余容量。
根据上面介绍的对二次电池的充电状态进行推定的装置和方法，当二次电池的输出电压稳定且内阻的电压变化小时(稳定状态)，输出电压被视为开路电压，二次电池的SOC参照开路电压-剩余容量(SOC)特性来推定。这里，上面提到的稳定状态在考虑缓和时间(电压稳定化时间)和内阻取决于温度的变化的情况下判断。因此，特别是在具有开路电压与剩余容量间的强相互关系的二次电池中，在稳定状态下，可以通过简单且可靠的方法以高准确度推定SOC，误差处于规定范围内。
优选为，根据本发明的用于推定二次电池充电状态的装置还包含第二充电状态推定装置，其用于在稳定状态判断装置判断为并非稳定状态时推定二次电池的剩余容量。第二充电状态推定装置通过基于输入/输出电流的积分值逐次计算剩余容量的变化量的过程或通过基于将输入/输出电流、输出电压与电池温度用作输入变量的电池模型的过程来推定二次电池的剩余容量。
优选为，根据本发明的推定二次电池充电状态的方法还包含第二充电状态推定步骤，其在稳定状态判断步骤中判断为并非稳定状态时推定二次电池的剩余容量。在第二充电状态推定步骤中，通过基于输入/输出电流的积分值逐次计算剩余容量的变化量的过程或通过基于将输入/输出电流、输出电压与电池温度用作输入变量的电池模型的过程来推定二次电池的剩余容量。
根据上面介绍的推定二次电池的充电状态的装置或方法，在稳定状态以外，可以通过基于电池模型表达式(expression)的过程或基于电流积分的过程以高准确度推定二次电池的SOC。
更为优选的是，在根据本发明的用于推定二次电池充电状态的装置中，第二充电状态推定装置包含：第一推定装置，其用于通过基于输入/输出电流的积分值计算剩余容量的变化量来推定二次电池的剩余容量；第二推定装置，其用于基于将输入/输出电流、输出电压以及电池温度用作输入变量的电池模型来推定二次电池的剩余容量；计时器装置，其用于测量由第一推定装置进行的剩余容量推定的连续执行持续时间。另外，第二充电状态推定装置通过在所述连续执行持续时间在第一限制时间段内时选择第一推定装置来推定剩余容量，并且，通过在所述连续执行持续时间超过第一限制时间段且输入/输出电流在允许使用电池模型的规定范围内时选择第二推定装置来推定剩余容量。
另外，更为优选的是，在根据本发明的推定二次电池充电状态的方法中，第二充电状态推定步骤包含：第一推定步骤，其通过基于输入/输出电流的积分值计算剩余容量的变化量来推定二次电池的剩余容量；第二推定步骤，其基于将输入/输出电流、输出电压以及电池温度用作输入变量的电池模型来推定二次电池的剩余容量；时间测量步骤，其测量由第一推定步骤进行的剩余容量推定的连续执行持续时间。在第二充电状态推定步骤中，通过在所述连续执行持续时间在第一限制时间段内时选择第一推定步骤来推定所述剩余容量，并且，通过在所述连续执行持续时间超过第一限制时间段且输入/输出电流在允许使用电池模型的规定范围内时选择第二推定步骤来推定剩余容量。
根据上面介绍的推定二次电池充电状态的装置或方法，当连续有限时间段(第一限制时间段)或更长执行基于电流积分的SOC推定时，可进行基于电池模型的剩余容量推定，假设输入/输出电流属于允许使用电流模型的范围。因此，可以防止由于电流传感器的检测误差(偏移)而引起的、由于长时间的基于电流积分的连续SOC推定导致的SOC推定误差的增大。另外，当输入/输出电流在允许使用电池模型的范围外时，不强制选择基于电池模型的SOC推定。因此，可避免通过选择不适当的SOC推定方法引起的推定误差的增大。
更为优选的是，在根据本发明的用于推定二次电池充电状态的装置中，当连续执行持续时间超过长于第一限制时间段的第二限制时间段时，无论输入/输出电流如何，第二充电状态推定装置通过选择第二推定装置来推定剩余容量。
根据上面介绍的推定二次电池充电状态的装置，当基于电流积分的SOC推定持续超过限制值(第二限制时间段)时，可以暂时执行基于电池模型的SOC推定。因此，可执行SOC推定，使得来源于电流传感器的检测误差(偏移)的SOC推定误差不超过可容忍的值。
特别地，在根据本发明的用于推定二次电池充电状态的装置中，当所述连续执行持续时间超过所述第一限制时间段且输入/输出电流在允许使用电池模型的规定范围外时，第二充电状态推定装置通过选择第一推定装置来推定剩余容量。
根据上面介绍的用于推定二次电池的充电状态的装置，当基于电流积分的SOC推定持续超过限制时间段(第一限制时间段)时，仅在输入/输出电流属于允许使用电池模型的范围内时执行基于电池模型表达式的SOC推定。因此，可防止作为强制执行基于电池模型的SOC推定的结果的、达到大的值的SOC误差。
优选为，在根据本发明的用于推定二次电池充电状态的装置中，稳定状态判断装置中的限制电流随着所述电池温度的上升而被设置得相对较大。
优选为，在根据本发明的推定二次电池充电状态的方法中，稳定状态判断步骤中的限制电流随着所述电池温度的上升而被设置得相对较大。
根据上面介绍的推定二次电池充电状态的装置或方法，将二次电池的内阻随着电池温度上升而降低以及相反地内阻随着电池温度降低而增大的事实考虑在内，故限制电流可被设置为使得稳定状态中内阻引起的电压变化不超过规定范围。因此，可将把二次电池输出电压视为开路电压的SOC推定中涉及的推定误差约束在规定范围内。
优选为，在根据本发明的用于推定二次电池充电状态的装置中，稳定状态判断装置中的电压稳定化时间段随着所述电池温度的上升而被设置得相对较短。
优选为，在根据本发明的推定二次电池充电状态的方法中，稳定状态判断步骤中的电压稳定化时间段随着电池温度的上升而被设置得相对较短。
根据上面介绍的推定二次电池充电状态的装置或方法，直到二次电池输出电压稳定的缓和时间随着电池温度上升而变得较短且随着电池温度下降而变得较长的事实得到反映，故可执行在输出电压稳定的状态中端子之间的电压被视为开路电压的SOC推定。
根据另一布置，本发明提供了一种用于推定二次电池充电状态的装置，所述二次电池具有能够检测输入/输出电流、输出电压以及电池温度的检测器，所述装置包含第一推定装置、第二推定装置、计时器装置以及选择装置。第一推定装置通过基于输入/输出电流的积分值计算剩余容量的变化量来推定二次电池的剩余容量。第二推定装置基于将输入/输出电流、输出电压以及电池温度用作输入变量的电池模型来推定二次电池的剩余容量。计时器装置测量由第一推定装置进行的剩余容量推定的连续执行持续时间。选择装置基于输入/输出电流是否在允许使用电池模型的规定范围内的判断以及基于由计时器装置获得的所述连续执行持续时间来选择用于推定剩余容量的第一与第二推定装置中的一个。
根据另一实施形态，本发明提供了一种推定二次电池充电状态的方法，所述二次电池具有能够检测输入/输出电流、输出电压以及电池温度的检测器，所述方法包含第一推定步骤、第二推定步骤、时间测量步骤以及选择步骤。在第一推定步骤中，通过基于输入/输出电流的积分值计算剩余容量的变化量来推定二次电池的剩余容量。在第二推定步骤中，基于将输入/输出电流、输出电压以及电池温度用作输入变量的电池模型推定二次电池的剩余容量。在时间测量步骤中，测量由第一推定步骤进行的剩余容量推定的连续执行持续时间。在选择步骤中，基于输入/输出电流是否在允许使用电池模型的规定范围内的判断以及基于由时间测量步骤获得的所述连续执行持续时间来选择推定剩余容量的第一与第二推定步骤中的一个。
根据上面介绍的推定二次电池充电状态的装置或方法，可有选择地使用基于电流积分的SOC推定和基于电池模型的SOC推定来推定SOC，将基于电流积分的SOC推定的连续执行时间以及输入/输出电流是否在保证电池模型获得的推定准确度的、允许使用电池模型的范围内考虑在内。因此，在通过在上面介绍的两种推定方法之间切换而执行的SOC推定的布置中，可防止选择不适当的SOC推定方法导致的推定误差的增大，并可提高SOC推定准确度。
优选为，在根据本发明另一布置的用于推定二次电池充电状态的装置中，选择装置通过在所述连续执行持续时间在第一限制时间段内时选择第一推定装置来推定剩余容量，并且，通过在所述连续执行持续时间超过第一限制时间段且输入/输出电流在允许使用电池模型的规定范围内时选择第二推定装置来推定剩余容量。
优选为，在根据本发明另一实施形态的推定二次电池充电状态的方法中，在选择步骤中，通过在所述连续执行持续时间在第一限制时间段内时选择第一推定步骤来推定剩余容量，并且，通过在所述连续执行持续时间超过第一限制时间段且输入/输出电流在允许使用电池模型的规定范围内时选择第二推定步骤来推定剩余容量。
根据上面介绍的推定第二电池充电状态的装置或方法，如果基于电池积分的SOC推定连续执行超过限制时间段(第一限制时间段)，可以进行基于电池模型的剩余容量推定，假设输入/输出电流处于允许使用电池模型的范围内。因此，可以防止由于电流传感器检测误差(偏移)引起的、长时间连续的基于电流积分的SOC推定引起的SOC推定误差增大。另外，当输入/输出电流在允许使用电池模型的范围外时，不强制选择基于电池模型的SOC推定。因此，可避免选择不适当的SOC推定方法导致的推定误差的增大。
更为优选的是，在根据本发明另一布置的用于推定二次电池充电状态的装置中，当所述连续执行持续时间超过长于第一限制时间段的第二限制时间段时，无论输入/输出电流如何，选择装置通过选择第二推定装置来推定剩余容量。
根据上面介绍的推定二次电池充电状态的装置，当基于电流积分的SOC推定持续超过限制值(第二限制时间段)时，可以暂且执行基于电池模型的SOC推定。因此，可以执行SOC推定，使得来源于电流传感器的检测误差(偏移)的SOC推定误差不超过可容忍的值。
作为替代或作为优选的是，在根据本发明另一布置的推定二次电池充电状态的装置中，当所述连续执行持续时间超过所述第一限制时间段且输入/输出电流在允许使用电池模型的规定范围外时，选择装置通过选择第一推定装置来推定剩余容量。
根据上面介绍的推定二次电池充电状态的装置，当基于电流积分的SOC推定持续超过限制时间段(第一限制时间段)时，基于电池模型表达式的SOC推定仅在输入/输出电流处于允许使用电池模型的范围时执行。因此，可防止作为强制执行基于电池模型的SOC推定的结果的、达到大的值的SOC误差。
优选为，在本发明的应用中，二次电池为锂离子电池。
根据上面介绍的推定二次电池充电状态的装置，可以以高的准确度推定具有开路电压与剩余容量之间的高相互关系的锂离子电池的剩余容量(SOC)。
因此，通过根据本发明的推定二次电池充电状态的装置或方法，可根据二次电池的使用状态应用合适的SOC推定方法，由此可提高推定准确度。
附图说明
图1为一原理框图，其示出了包括二次电池的电源系统的构造，该二次电池的剩余容量(SOC)由根据本发明一实施例的推定二次电池充电状态的装置或方法推定；
图2为图1所示SOC推定单元的功能框图；
图3示出了设置稳定的电流范围的概念；
图4示出了设置电压稳定化时间的概念；
图5示出了二次电池内阻的温度依赖性的概念；
图6示出了二次电池缓和时间的温度依赖性的概念；
图7示出了基于电池模型的示例性SOC推定过程；
图8为一电路图，其示出了电池模型的实例；
图9示出了计算图8所示电池模型中的电路常数的示例性过程；
图10为第一流程图，其示出了根据本发明一实施例的SOC推定；
图11为第二流程图，其示出了根据本发明一实施例的SOC推定；
图12示出了允许基于电池模型的SOC推定的电流范围的设置。
具体实施方式
下面将参照附图详细介绍本发明的实施例。在下文中，附图中相同或对应的部分将用同样的参考标号表示，基本上不再重复对其进行介绍。
图1为一原理框图，其示出了包括二次电池的电源系统的构造，该二次电池的剩余容量(SOC)由根据本发明一实施例推定二次电池充电状态的方法或装置来推定。
参照图1，电源系统5包含二次电池10和负载20。
典型地将锂离子电池用作可再充电的二次电池10。然而，二次电池的类型和形式不受特别限制。注意，锂离子电池具有开路电压(OCV)与剩余容量(SOC)之间的强相互关系，因此，本发明可稳定地应用。
在二次电池10上，设置测量电池温度Tb的温度传感器30、测量电流Ib(作为二次电池的输入/输出充电/放电电流，下面也称为电池电流Ib)的电流传感器32、测量正负极端子之间的电压Vb(下面也称为电池电压Vb)的电压传感器34。
负载20受到来自二次电池10的输出电力的驱动。假设未示出的发电/馈电元件被设置在负载20内部或与负载20分离，且二次电池10可由来自发电/馈电元件的充电电流进行充电。因此，当二次电池10受到放电时，电池电流Ib＜0，当二次电池10被充电时，电池电流Ib＞0。
电子控制单元(ECU)50包含SOC推定单元60--其对应于“充电状态推定装置”--以及控制单元70。基于由SOC推定单元60推定的SOC(％)，控制单元70限制/禁止充电/放电或产生二次电池10的充电请求。ECU 50典型地被构成为包含为用于执行预先编程的规定序列和规定操作的微计算机和存储器(RAM、ROM等)。设置在二次电池10上的传感器组30、32、34检测的值被输入到ECU 50。
在本发明的实施例中，遵循图2的功能框图，通过根据二次电池10的状态有选择地在多个SOC推定过程中进行切换，SOC推定单元60推定SOC。
参照图2，SOC推定单元60包含SOC推定块100、110、120以及在SOC推定块100-120之间切换选择的选择切换单元130。根据二次电池10的输入状态量，SOC推定块100-120通过不同的过程推定SOC。由选择切换单元130指定的SOC推定块100-120中的一个的输出被输出为SOC推定单元60的推定的剩余容量(SOC)。
在下文中，将要依次介绍相应的SOC推定块100-120的SOC推定过程。
SOC推定块100具有图(map)102，其存储预先测量的二次电池10的开路电压OCV和SOC(％)的特征关系，并通过将电池电压Vb--其为二次电池10的端子之间的电压--视为开路电压OCV参照图102来推定二次电池10的SOC。
当电池电流Ib属于图3所示的稳定电流范围105中且保持连续至少达如图4所示的电压稳定化时间段Ts时(下面称为稳定状态)，选择切换单元130选择SOC推定块100。
参照图3，稳定电流范围105被定义为电池电流|Ib|＜|Ijd|的范围，其中，|Ijd|为根据电池温度Tb设置的限制电流。当电池温度相对增大时，限制电流|Ijd|被设置得较大，并在电池温度Tb相对减小时被设置得较小。
这反映了这样的事实：二次电池10的内阻rd具有温度依赖性，并在高温范围具有低的电阻、在低温范围具有高电阻，如图5所示。具体而言，如图3所示，根据内阻rb的温度依赖性，随着电池温度Tb上升，限制电流|Ijd|被设置得相对较大，随着电池温度相对降低，限制电流|Ijd|被设置得相对较小，由此，内阻rb与电流限制值|Ijd|的乘积可近似保持为恒定(恒定电压)。恒定电压与通过使用图102将可容忍的SOC推定误差转换为开路电压OCV获得的电压对应地设置。
因此，在稳定电流范围105中，可以考虑内阻的电压变化rb·|Ib|为恒定量或更小。因此，在稳定电流范围105之内，SOC推定误差可被约束在可由限制电流|Ijd|的设置把握的规定范围(可容忍误差范围)内，即使是在将电池电压Vb视为开路电压OCV执行基于图102的SOC推定的时候。
另外，如图6所示，跟随电池电流Ib变化的电池电压Vb变化具有规定的延迟，电池电压Vb在被称为缓和时间的规定时间段过去后稳定。已经知道，缓和时间具有温度依赖性。具体而言，如图6所示，随着电池温度Tb达到相对较高的温度区域(T1→T2→T3)，缓和时间变得较短，如果其达到相对较低的温度区域(T3→T2→T1)，缓和时间变得较长。
根据如上所述的缓和时间的温度依赖性，电池稳定化时间段Tst随着电池温度Tb上升而设置得相对较短，并随着电池温度Tb相对降低而被设置得相对较长。因此，如果电池电流Ib持续至少达电压稳定化时间段Tst，该时间点上的电池电压Vb可被视为具有不变的稳定值。
因此，在电池电流Ib属于稳定电流范围105(图3)的稳定状态内并保持达电压稳定化时间段Tst(图4)或更长时，可以将SOC推定误差保持在可容忍的范围内，即使使用将电池电压Vb视为开路电压OCV的简单推定过程(SOC推定块100)。
再度参照图2，SOC推定块110通过将SOC变化量ΔSOC加到上次计算得到的SOC值来逐次推定二次电池10的SOC，其中，SOC变化量ΔSOC为电流传感器32检测到的电池电流Ib的积分值∑Ib。
在基于电流积分的SOC推定中，可以以高的准确度推定短时间段内的SOC变化量。然而，如果SOC推定持续长时间段，由于电流传感器32的测量误差(特别是偏移)，类似偏置(bias-like)的误差可能在SOC推定中产生。因此，必要不长时间进行基于电流积分的连续SOC推定。
如同将在下面介绍的那样，通过将由传感器检测的二次电池10的状态量用作输入变量基于预先形成的电池模型的在线推定，SOC推定块120推定二次电池10的SOC。下面介绍的电池模型表达式仅仅是一个举例，SOC推定块120可使用任何电池模型，假设该电池模型被配置为允许将二次电池10的状态量(Tb、Vb、Ib等)用作输入变量计算开路电压和/或SOC。
在本实施例中，如图7所示，SOC推定块120将二次电池10的状态量(Tb，Vb，Ib)用作输入变量推定二次电池10的内阻的电压变化ΔV，并推定在该时间点上的开路电压(OCV＝Vb-ΔV)。另外，其使用推定的开路电压(图7的Va、Vb)，基于类似于图102的开路SOC特性推定二次电池10的SOC。
参照图8，SOC推定块120中使用的等效电路模型150为RC串联-并联电路模型，其用于计算开路电压OCV与电池电压Vb之间的电压差ΔV＝Vb-OCV。在等效电路模型150中，Rs表示电解质电阻，C1-C3表示电气双层电容，R1-R3表示反应电阻。
作为电解质电阻的DC电阻分量的电阻Rs具有温度依赖性。因此，优选为构造将电池温度Tb作为参数寻找电解质电阻Rs的图(未示出)，以便逐次寻找电解质电阻Rs。
类似地，反应电阻R1与R3也具有温度依赖性和SOC依赖性。因此，优选为，预先构造将在该时间点上的推定SOC值和电池温度Tb作为参数的二维图(未示出)，并通过参照该图来寻找反应电阻R1-R3。类似地，电气双层电容C1-C3也具有温度依赖性和SOC依赖性。因此，优选为，预先构造将该时间点上的推定SOC值和电池温度Tb作为参数的二维图(未示出)，并通过参照该图来寻找电气双层电容C1-C3。
等效电路模型150中的电气双层电容C1-C3和反应电阻R1-R3可预先通过作为评估二次电池的一般过程的、对AC阻抗响应的测量来寻找。在AC阻抗测量中，不同频率的AC信号如图9所示地输入，绘制阻抗的实轴分量ReZ和虚轴分量ImZ。由结果得到的绘制波形，可获得作为AC电路常数的反应电阻R1-R3和电气双层电容C1-C3。
在图8所示的等效电路模型150中，下面的公式(1)成立。
ΔV＝Ib·Rs+ΔV1+ΔV2+ΔV3(1)
RC并联电路中的电压变化ΔV1、ΔV2、ΔV3可通过下面的方法来模拟。
在RC并联电路中的电流I(对应于等效电路模型150中的电池电流Ib)与电压V(一般表示ΔV1-ΔV3)间，存在用下面的公式(2)表示的关系，其中，R表示电阻值(一般表示R1-R3)，C表示电容器电容(一般表示C1-C3)。
1 C ( I - V R ) = dV dt - - - ( 2 )
当在线解算时，差分公式(2)在计算机上施加高负荷。因此，使用下面的模拟。
通过将dV/dt＝ΔV/Δt输入到公式(2)，获得下面的公式(3)，其中，ΔV表示短时间段内的电压V中的变化，Δt表示时间变化。
1 C ( I - V R ) = ΔV Δt
ΔV = 1 C ( I - V R ) · Δt - - - ( 3 )
根据公式(3)，通过对于每个电压变化ΔV1-ΔV3在每个规定周期对电池电流Ib进行采样，从上一次的计算到当前计算的电压变化量可使用电路常数C1-C3以及R1-R3基于公式(3)来获得。
因此，公式(1)中的ΔV1-ΔV3可根据下面的公式(4)-(6)获得。在公式(4)-(6)中，Δt表示计算周期。
Figure A20068004926300204
Figure A20068004926300205
以这样的方式，通过以规定的周期进行基于等效电路模型150的s计算，相对于电池电压Vb的内阻的电压变化ΔV可根据公式(1)进行推定。因此，可以推定该时间点上的开路电压(OCV＝Vb-ΔV)，并基于开路电压-SOC特性来推定SOC。
然而，在基于电池模型的SOC推定中，如果电池电流Ib过大，可能发生大的推定误差。因此，优选为，基于电池模型的SOC推定在电池电流Ib属于规定范围的条件下进行。
接下来，将参照图10和11详细介绍根据本发明的实施例的SOC推定。假设图10和11的流程图由SOC推定单元60根据规定的程序以规定周期执行。
参照图10，在根据本实施例的SOC推定程序中，SOC推定单元60在步骤S100中判断电池电流Ib是否在图3所示的稳定电流范围105内且保持流动至少达图4所示的电压稳定化时间段Tst。
当步骤S100中的判断为是时，SOC推定单元60判断为二次电池10处于稳定状态。在稳定状态中，SOC推定误差属于可容忍的范围，即使SOC推定在将电池电压Vb视为开路电压OCV的情况下进行。因此，当二次电池10处于稳定状态时，SOC推定单元60在步骤S110中进行考虑电池电压Vb＝开路电压OCV的SOC推定。具体而言，SOC推定块100被选择切换单元130选择。
当SOC推定由SOC推定块100执行时，SOC推定单元60在步骤S120中复位用于对电流积分的持续时间进行计数的计时器值Tcnt(Tcnt＝0)，其表示当执行由SOC推定决110进行的基于电流积分的SOC推定时，基于电流积分的SOC推定连续执行的时间段。
如果在步骤S100中判断为否，也就是说，当二次电池10并非处于稳定状态时，SOC推定单元60根据图11的流程图进行基于电流积分的SOC推定(SOC推定块110)或基于电池模型的SOC推定(SOC推定块120)，以便推定SOC。
参照图11，SOC推定单元60在步骤S150中判断通过电流积分的SOC推定是否被执行超过限制时间段Tlmt1。具体而言，在步骤S150中，判断是否有计时器值Tcnt＜Tlmt1。
如果电流积分的持续时间在限制时间段Tlmt1内(在步骤S150中的判断为是)，SOC推定单元60在步骤S200中优先执行由SOC推定块110进行的基于电流积分的SOC计算(步骤S200)。另外，当基于电流积分的SOC推定执行时，在步骤S210中，SOC推定单元60更新(增大)计时器值Tcnt。
相反，当在步骤S150中的判断是否时，也就是说，当基于电流积分的SOC推定已被连续执行长于限制时间段Tmt1时，根据步骤S160和S170中的判断，SOC推定单元60判断为基于电池模型的SOC(SOC推定决120)是否将代替基于电流积分的SOC推定执行，或者基于电流积分的SOC推定(SOC推定块110)是否将继续。
SOC推定单元60在步骤S160中判断电池电流Ib是否属于允许使用图12所示电流模型的范围125。
参照图12，允许使用电流模型的范围125是在考虑内阻温度依赖性的情况下设置的。具体而言，在内阻相对较高且基于电池模型的推定误差可能发生的低温范围内，允许使用电流模型的范围125被设置为仅对于极低电流范围允许使用基于电池模型的SOC推定。相反，在内阻相对较低且期望基于电池模型的推定误差不大可能发生的高温范围中，允许使用电流模型的范围125被设置为：如果电池电流属于正常使用范围，允许基于电池模型的SOC推定。
再度参照图11，如果步骤S160中的判断为是，也就是说，当电池电流Ib属于允许使用电池模型的范围时，SOC推定单元60在步骤S220中执行基于电池模型的SOC推定(SOC推定块120)。当基于电池模型的SOC推定执行时，SOC推定单元60在步骤S230中将表示电流积分持续时间的计数器值Tcnt复位(Tcnt＝0)。
相反，如果步骤S160中的判断为否，也就是说，当电池电流Ib在允许使用电池模型(图12)的范围外时，SOC推定单元60执行步骤S170，并判断电流积分的持续时间是否在最终限制时间段Tlmt2内(Tlmt2＞Tlmt1)。
限制时间段Tlmt1和最终限制时间段Tlmt2可由预先掌握的电流传感器32的最大偏移误差与SOC推定的可容忍误差之间的关系预先获得。另外，代替电流积分的持续时间的是，可以执行步骤S150和S170的判断，使得放电操作的次数或放电时间不超过限制值。
如果步骤S170中的判断为否，也就是说，如果电流积分的持续时间长于限制时间段Tlmt1、但不长于最终限制时间段Tlmt2，SOC推定单元60判断基于电池模型的SOC推定中的误差大于由连续电流积分引起的SOC推定误差，并在步骤S200中继续基于电流积分的SOC推定的执行。此时，SOC推定单元60在步骤S210中更新(增大)计时器值Tcnt。
另一方面，如果步骤S170中的判断为是，也就是说，如果电池电流在允许使用电池模型的范围之外，同时，电流积分的持续时间超过最终限制时间段Tlmt2，SOC推定单元60在步骤S220中执行基于电池模型的SOC推定(SOC推定块120)。因此，在考虑连续的基于电流积分的SOC推定引起的误差增大的情况下，基于电池模型的SOC推定在此时间点上暂时执行。这里，SOC推定单元60在步骤S230中对表示电流积分持续时间的计时器值Tcnt复位(Tcnt＝0)。
由于这种控制结构，如果内阻的电压变化不高于对应于SOC推定的可容忍误差的规定电压(即在稳定状态中)，二次电池10的SOC可以在不使用电池模型等等的情况下用更为简单和更为可靠的方式以可容忍的误差推定。
另外，通过根据依赖于电池温度的电池电流限制的电池模型使用限制和将电流传感器偏移误差考虑在内的电流积分持续时间限制，可选择使用基于电池模型的SOC推定和基于电流积分的SOC推定，以便不增大各自的误差因素。
另外，在开路电压和SOC间的相互关系不是非常强的二次电池等等之中，图10的流程图所示的过程可被忽略，SOC推定可通过选择基于电池模型的SOC推定和基于电流积分的SOC推定来执行。
本发明适用于例如推定安装在混合动力车或电气车辆上的二次电池的充电状态。然而，在安装在电气车辆上的二次电池中，一旦其充分充电(SOC≈100％)，通常不进行将SOC保持在规定目标值的充电/放电控制，并且，需要放电过程所导致的SOC降低的正确推定，以便检测再次充电的必要性。相反，在安装在混合动力车上的二次电池中，需要充电/放电控制以便将SOC保持在规定目标值(例如60％)，以便保持再生制动时对再生电力进行充电的规定裕量。因此，在混合动力车中，与电气车辆相比，频繁重复进行二次电池的充电/放电，且推定误差的发生是值得注意的。因此，根据本发明的推定充电状态的装置和方法更适合用于混合动力车。
这里将介绍当前实施例与本发明的关系。图2所示的图对应于本发明的“特性存储装置”，图10的步骤S100对应于本发明的“稳定状态判断装置(稳定状态判断步骤)”。另外，步骤S110对应于本发明的“第一充电状态推定装置(第一充电状态推定步骤)”，图11的步骤S200和S220对应于本发明的“第二充电状态推定装置(第二充电状态推定步骤)”。具体而言，步骤S200对应于本发明的“第一推定装置(第一推定步骤)”，步骤S220对应于本发明的“第二推定装置(第二推定步骤)”。另外，图11的步骤S120、S210和S230对应于本发明的“时间测量装置(时间测量步骤)”，步骤S160和步骤S170对应于本发明的“选择装置(选择步骤)”。
这里已经介绍的实施例仅仅是实例，不应解释为是限制性的。本发明的范围在适当考虑实施例的书面描述的情况下由各项权利要求确定，并包含属于权利要求的含义或与之等同的范围的变型。

Claims (20)

1.一种用于推定二次电池充电状态的装置，所述二次电池具有能够检测输入/输出电流、输出电压以及电池温度的检测器，所述装置包含：
特性存储装置，其用于存储所述二次电池的开路电压与剩余容量之间的特性；
稳定状态判断装置，其用于判断是否为所述输入/输出电流保持为不高于根据所述电池温度设置的限制电流至少达根据所述电池温度设置的电压稳定时间段的稳定状态；以及
第一充电状态推定装置，当判断为所述稳定状态时，该装置用于将所述输出电压视为所述开路电压，基于存储在所述特性存储装置中的特性推定所述二次电池的剩余容量。
2.根据权利要求1的用于推定二次电池充电状态的装置，其还包含：
第二充电状态推定装置，其用于在所述稳定状态判断装置判断为并非所述稳定状态时推定所述二次电池的剩余容量；其中，
所述第二充电状态推定装置通过基于所述输入/输出电流的积分值逐次计算所述剩余容量的变化量的过程或通过基于将所述输入/输出电流、所述输出电压与所述电池温度用作输入变量的电池模型的过程来推定所述二次电池的剩余容量。
3.根据权利要求2的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
所述第二充电状态推定装置包含：
第一推定装置，其用于通过基于所述输入/输出电流的积分值计算所述剩余容量的变化量来推定所述二次电池的剩余容量，
第二推定装置，其用于基于将所述输入/输出电流、所述输出电压以及所述电池温度用作输入变量的电池模型来推定所述二次电池的剩余容量，以及
计时器装置，其用于测量由所述第一推定装置进行的剩余容量推定的连续执行持续时间；且
所述第二充电状态推定装置通过在所述连续执行持续时间在第一限制时间段内时选择所述第一推定装置来推定所述剩余容量，并通过在所述连续执行持续时间超过所述第一限制时间段且所述输入/输出电流在允许使用所述电池模型的规定范围内时选择所述第二推定装置来推定所述剩余容量。
4.根据权利要求3的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
当所述连续执行持续时间超过长于所述第一限制时间段的第二限制时间段时，无论所述输入/输出电流如何，所述第二充电状态推定装置通过选择所述第二推定装置来推定所述剩余容量。
5.根据权利要求3的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
当所述连续执行持续时间超过所述第一限制时间段且所述输入/输出电流在允许使用所述电池模型的所述规定范围外时，所述第二充电状态推定装置通过选择所述第一推定装置来推定所述剩余容量。
6.根据权利要求1的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
所述稳定状态判断装置中的所述限制电流随着所述电池温度的上升而被设置得相对较大。
7.根据权利要求1的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
所述稳定状态判断装置中的所述电压稳定时间段随着所述电池温度的上升而被设置得相对较短。
8.一种用于推定二次电池充电状态的装置，所述二次电池具有能够检测输入/输出电流、输出电压以及电池温度的检测器，所述装置包含：
第一推定装置，其用于通过基于所述输入/输出电流的积分值计算所述剩余容量的变化量来推定所述二次电池的剩余容量；
第二推定装置，其用于基于将所述输入/输出电流、所述输出电压以及所述电池温度用作输入变量的电池模型来推定所述二次电池的剩余容量；
计时器装置，其用于测量由所述第一推定装置进行的剩余容量推定的连续执行持续时间；以及
选择装置，其用于基于所述输入/输出电流是否在允许使用所述电池模型的规定范围内的判断以及基于由所述计时器装置获得的所述连续执行持续时间来选择用于推定所述剩余容量的所述第一与第二推定装置中的一个。
9.根据权利要求8的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
所述选择装置通过在所述连续执行持续时间在第一限制时间段内时选择所述第一推定装置来推定所述剩余容量，并通过在所述连续执行持续时间超过所述第一限制时间段且所述输入/输出电流在允许使用所述电池模型的所述规定范围内时选择所述第二推定装置来推定所述剩余容量。
10.根据权利要求9的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
当所述连续执行持续时间超过长于所述第一限制时间段的第二限制时间段时，无论所述输入/输出电流如何，所述选择装置通过选择所述第二推定装置来推定所述剩余容量。
11.根据权利要求9的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
当所述连续执行持续时间超过所述第一限制时间段且所述输入/输出电流在允许使用所述电池模型的所述规定范围外时，所述选择装置通过选择所述第一推定装置来推定所述剩余容量。
12.根据权利要求1-11中任意一项的用于推定二次电池充电状态的装置，其中，
所述二次电池为锂离子电池。
13.一种推定二次电池充电状态的方法，所述二次电池具有能够检测输入/输出电流、输出电压以及电池温度的检测器，所述方法包含：
稳定状态判断步骤，其判断是否为所述输入/输出电流保持为不高于根据所述电池温度设置的限制电流至少达根据所述电池温度设置的电压稳定时间段的稳定状态；以及
第一充电状态推定步骤，当判断为所述稳定状态时，该步骤将所述输出电压视为所述二次电池的开路电压，基于所述二次电池的开路电压与剩余容量之间的特性推定所述二次电池的剩余容量。
14.根据权利要求13的推定二次电池充电状态的方法，其还包含：
第二充电状态推定步骤，其在所述稳定状态判断步骤中判断为并非所述稳定状态时推定所述二次电池的剩余容量；其中，
在所述第二充电状态推定步骤中，通过基于所述输入/输出电流的积分值逐次计算所述剩余容量的变化量的过程或通过基于将所述输入/输出电流、所述输出电压与所述电池温度用作输入变量的电池模型的过程来推定所述二次电池的剩余容量。
15.根据权利要求14的推定二次电池充电状态的方法，其中，
所述第二充电状态推定步骤包含：
第一推定步骤，其通过基于所述输入/输出电流的积分值计算所述剩余容量的变化量来推定所述二次电池的剩余容量，
第二推定步骤，其基于将所述输入/输出电流、所述输出电压以及所述电池温度用作输入变量的电池模型来推定所述二次电池的剩余容量，以及
时间测量步骤，其测量由所述第一推定步骤进行的剩余容量推定的连续执行持续时间；且
在所述第二充电状态推定步骤中，通过在所述连续执行持续时间在第一限制时间段内时选择所述第一推定步骤来推定所述剩余容量，并通过在所述连续执行持续时间超过所述第一限制时间段且所述输入/输出电流在允许使用所述电池模型的规定范围内时选择所述第二推定步骤来推定所述剩余容量。
16.根据权利要求13的推定二次电池充电状态的方法，其中，
所述稳定状态判断步骤中的所述限制电流随着所述电池温度的上升而被设置得相对较大。
17.根据权利要求13的推定二次电池充电状态的方法，其中，
所述稳定状态判断步骤中的所述电压稳定时间段随着所述电池温度的上升而被设置得相对较短。
18.一种推定二次电池充电状态的方法，所述二次电池具有能够检测输入/输出电流、输出电压以及电池温度的检测器，所述方法包含：
第一推定步骤，其通过基于所述输入/输出电流的积分值计算所述剩余容量的变化量来推定所述二次电池的剩余容量；
第二推定步骤，其基于将所述输入/输出电流、所述输出电压以及所述电池温度用作输入变量的电池模型推定所述二次电池的剩余容量；
时间测量步骤，其测量由所述第一推定步骤进行的剩余容量推定的连续执行持续时间；以及
选择步骤，其基于所述输入/输出电流是否在允许使用所述电池模型的规定范围内的判断以及基于由所述时间测量步骤获得的所述连续执行持续时间来选择推定所述剩余容量的所述第一与第二推定步骤中的一个。
19.根据权利要求18的推定二次电池充电状态的方法，其中，
在所述选择步骤中，通过在所述连续执行持续时间在第一限制时间段内时选择所述第一推定步骤来推定所述剩余容量，并通过在所述连续执行持续时间超过所述第一限制时间段且所述输入/输出电流在允许使用所述电池模型的所述规定范围内时选择所述第二推定步骤来推定所述剩余容量。
20.根据权利要求13-19中任意一项的推定二次电池充电状态的方法，其中，
所述二次电池为锂离子电池。
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