CN102027653B - 二次电池的放电控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种二次电池的放电控制装置，该二次电池的放电控制装置(100)具有：检测部(110)，对通过预定电平以上的脉冲进行的二次电池的充电进行检测；以及放电控制部(130)，在检测到通过所述脉冲进行的二次电池的充电的情况下，进行使所述二次电池放出电平与所述脉冲的电平大致相同的1个以上的脉冲的控制。由此，能够防止或减轻因通过过大的脉冲进行的充电而导致的二次电池的劣化。

Description

二次电池的放电控制装置
技术领域
本发明涉及对二次电池的放电进行控制的二次电池的放电控制装置。
背景技术
针对锂离子等的二次电池，提出了各种技术(例如参照专利文献1～4)。
在专利文献1中记载了在混合动力汽车中用于在发生了打滑(slip)时防止向电池输入超过电池的限制的电力的技术。具体而言，记载了以下技术：在检测到由于驱动轮的空转而产生的打滑的情况下，对内燃机、电力转换动力传递单元、电动机进行驱动控制，使得在电池的输入限制的范围内向驱动轴输出抑制打滑的动力。
在专利文献2中记载了以下技术：在混合动力汽车中，在执行确定电池的剩余容量的处理的期间，至少在恒压充电时和恒压放电时的任一方，执行交替地重复充电和放电的脉冲充放电。另外，在专利文献2中记载了以下内容：通过在恒压充电时或恒压放电时进行脉冲充放电，能够消除在电池中产生的可恢复的暂时的劣化，能够促进电池的电极活性化。
在专利文献3中记载了以下技术：在非水系电解液二次电池的制造方法中，在组装了未充电的二次电池后，注入电解液进行初次充电(primarycharging)，之后维持为高温，然后进行二次充电(secondary charging)并继其后进行放电，由此防止锂向负极表面析出。
在专利文献4中记载了用于以短时间来测定铅电池的剩余容量的技术。在该技术中，为了求出与放电深度相对应的电压，在放电了一定的放电量之后停止，数次测定刚刚停止之后和经过预定时间之后的开路电压，然后在充电了与之前的一定的放电量大致相同的充电量之后停止，数次测定刚刚停止之后和经过预定时间之后的开路电压。
专利文献1：日本特开2005-51887号公报。
专利文献2：日本特开2004-236381号公报。
专利文献3：日本特开平11-26020号公报。
专利文献4：日本特开平4-363679号公报。
发明内容
在二次电池中，当发生过充电时，则电池性能会劣化。例如，在锂离子二次电池中，当变为过充电状态时，则锂金属会从负极电位为锂基准电位0[V]的点析出到负极表面，会发生满充电容量下降等不良情况。
在此，作为二次电池变为过充电状态的原因之一，有通过过大的脉冲进行的二次电池的充电。例如在混合动力车、电动汽车等中，会在打滑之后的恢复抓地(grip)时发生该通过过大的脉冲进行的充电。具体而言，在通过电机来驱动驱动轮的电动车辆中，当在驱动轮发生打滑后恢复了抓地时，在电机中会产生过大的电流脉冲，该过大的电流脉冲被输入到二次电池，由此使二次电池变为过充电状态。
因此，本发明提供一种能够防止或减轻因通过过大的脉冲进行的充电而导致的二次电池的劣化的二次电池的放电控制装置。
本发明的二次电池的放电控制装置的特征在于，具有：检测单元，对通过预定电平以上的脉冲进行的二次电池的充电进行检测；以及放电控制单元，在检测到通过所述脉冲进行的二次电池的充电的情况下，进行使所述二次电池放出电平与所述脉冲的电平大致相同的1个以上的脉冲的控制。
在本发明的一个方式中，所述放电控制单元在检测到通过所述脉冲进行的二次电池的充电的情况下，进行使所述二次电池放出电平及时间与所述脉冲的电平及时间大致相同的脉冲的控制。
另外，在本发明的一个方式中，在所述二次电池连接有通过所述二次电池的电力驱动的电机，所述放电控制单元通过进行所述电机的相位控制，使所述二次电池向所述电机放出所述脉冲。
另外，本发明的一个方式中，所述二次电池为锂离子二次电池。
根据本发明，能够防止或减轻因通过过大的脉冲进行的充电而导致的二次电池的劣化。
附图说明
图1是表示包括实施方式的二次电池的放电控制装置的混合动力车辆的结构的概略结构图。
图2是表示二次电池的放电控制装置的功能构成的一个例子的框图。
图3是表示二次电池的放电控制装置的工作程序的一个例子的流程图。
图4是表示第一充放电方式的图。
图5是表示第二充放电方式的图。
图6是表示满充电容量维持率的测定结果的图。
图7是表示满充电容量维持率的测定结果的图。
图8是表示对锂离子二次电池施加了脉冲电流的情况下的电压波形的一部分的图。
标号说明：
20混合动力车辆；22发动机；23a曲轴位置传感器；23b进气温度传感器；23c负压检测传感器；23d节气门；23e节气门位置传感器；23f冷却水温度传感器；24发动机用电子控制单元(发动机ECU)；26曲轴；28减震器；30动力分配合并机构；31太阳齿轮；32齿圈；32a齿圈轴；33小齿轮；34齿轮架；35减速齿轮；40电机用电子控制单元(电机ECU)；41、42变换器；43、44旋转位置检测传感器；50电池；51温度传感器；52电池用电子控制单元(电池ECU)；54电力线；55电压传感器；56电流传感器；60齿轮机构；62差速齿轮；63a、63b驱动轮；70混合动力用电子控制单元(混合动力ECU)；80点火开关；81变速杆；82档位传感器；83加速踏板；84加速踏板位置传感器；85制动踏板；86制动踏板位置传感器；88车速传感器；MG1、MG2电机；100放电控制装置；110检测部；120存储部；130放电控制部。
具体实施方式
以下，基于附图来说明本发明的实施方式。
图1是表示包括本实施方式的二次电池的放电控制装置的混合动力车辆20的结构的概略图。如图所示，该混合动力车辆20具有：发动机22；三轴式动力分配合并机构30，经由减震器28与作为发动机22的输出轴的曲轴26连接；电机MG1，与动力分配合并机构30连接；减速齿轮35，安装在与动力分配合并机构30连接的、作为驱动轴的齿圈轴32a上；电机MG2，与该减速齿轮35连接；以及混合动力用电子控制单元(以下称为混合动力ECU)70，对上述部件的整体进行控制。
发动机22是利用汽油或轻油等烃系燃料输出动力的内燃机。该发动机22从发动机用电子控制单元(以下称为“发动机ECU”)24接受燃料喷射量控制、点火控制、进气空气量调节控制等运行控制。来自检测发动机22的运行状态的各种传感器的信号被输入到该发动机ECU24。具体而言，来自安装于曲轴26的曲轴位置传感器23a的曲轴角θ、来自安装于进气系统的进气温度传感器23b的进气温度Ta、来自负压检测传感器23c的进气压力Va、来自节气门位置传感器23e的节气门23d的开度(节气门开度)SP、来自安装于发动机22的冷却系统的冷却水温度传感器23f的冷却水温Tw等被输入到发动机ECU24。另外，发动机ECU24与混合动力ECU70进行通信，根据来自混合动力ECU70的控制信号对发动机22进行运行控制，并根据需要将与发动机22的运行状态相关的数据输出给混合动力ECU70。
动力分配合并机构30包括：外齿齿轮的太阳齿轮31；内齿齿轮的齿圈32，与该太阳齿轮31配置在同心圆上；多个小齿轮33，与太阳齿轮31啮合并与齿圈32啮合；以及齿轮架34，以多个小齿轮33能够自由自转并能够自由公转的方式保持多个小齿轮33，该动力分配合并机构30构成为将太阳齿轮31、齿圈32、齿轮架34作为旋转要素而进行差动作用的行星齿轮机构。在动力分配合并机构30中，在行星齿轮架34连结有发动机22的曲轴26，在太阳齿轮31连结有电机MG1，在齿圈32经由齿圈轴32a连结有减速齿轮35，当电机MG1作为发电机发挥功能时，动力分配合并机构30将从齿轮架34输入的、来自发动机22的动力根据其齿轮比分配给太阳齿轮31侧和齿圈32侧，当电机MG1作为电动机发挥功能时，动力分配合并机构30对从齿轮架34输入的、来自发动机22的动力和从太阳齿轮31输入的、来自电机MG1的动力进行合并后输出给齿圈32侧。输出给齿圈32的动力从齿圈轴32a经由齿轮机构60和差速齿轮62最终被输出给车辆的驱动轮63a、63b。
电机MG1和电机MG2均构成为能够作为发电机进行驱动并能够作为电动机进行驱动的公知的同步发电电动机，经由变换器41、42与电池50交换电力。连接变换器41、42和电池50的电力线54包括各变换器41、42共用的正极母线和负极母线，由电机MG1、MG2中的一个发电产生的电力可以由另一个电机消耗。因此，电池50基于从电机MG1、MG2中的一个产生的电力或不足的电力而进行充放电。如果通过电机MG1、MG2取得了电力收支的平衡，则电池50也可以不进行充放电。电机MG1、MG2均由电机用电子控制单元(以下称为电机ECU)40驱动控制。驱动控制电机MG1、MG2所需要的信号、例如来自检测电机MG1、MG2的转子的旋转位置的旋转位置检测传感器43、44的信号、通过未图示的电流传感器检测的施加给电机MG1、MG2的相电流等被输入到电机ECU40，从电机ECU40向变换器41、42输出开关(switching)控制信号。电机ECU40与混合动力ECU70进行通信，根据来自混合动力ECU70的控制信号来控制变换器41、42，并且根据需要将与电机MG1、MG2的运行状态相关的数据输出给混合动力ECU70。
电池50由电池用电子控制单元(以下称为电池ECU)52管理。管理电池50所需要的信号、例如来自设置在电池50的端子间的、检测电池50的端子间电压的电压传感器55的检测电压值、来自安装于与电池50的输出端子连接的电力线54的、检测电池50的充放电电流的电流传感器56的检测电流值、来自检测电池50的温度的温度传感器51的电池温度Tb等被输入到电池ECU52。电池ECU52根据需要将与电池50的状态相关的数据通过通信输出给混合动力ECU70。另外，电池ECU52具有求出电池50的剩余容量(SOC)的功能。在此，电池50的剩余容量通过适当的方法求出即可，例如可以基于由电流传感器56检测到的充放电电流的累计值来进行运算。
来自点火开关80的点火信号、来自检测变速杆81的操作位置的档位传感器82的档位SP、来自检测加速踏板83的踩下量的加速踏板位置传感器84的加速器开度Acc、来自检测制动踏板85的踩下量的制动踏板位置传感器86的制动踏板位置BP、来自车速传感器88的车速V等被输入到混合动力ECU70。混合动力ECU70以能够进行通信的方式与发动机ECU24、电机ECU40、电池ECU52连接，与发动机ECU24、电机ECU40、电池ECU52交换各种控制信号和/或数据。
在这样构成的混合动力车辆20中，基于加速器开度Acc和车速V计算出应向作为驱动轴的齿圈轴32a输出的要求转矩，对发动机22、电机MG1和电机MG2进行运行控制，使得将与该要求转矩对应的要求动力输出给齿圈轴32a。作为发动机22、电机MG1和电机MG2的运行控制包括转矩转换运行模式、充放电运行模式、电机运行模式等，在转矩转换运行模式下，对发动机22进行运行控制，使得从发动机22输出与要求动力相应的动力，并且对电机MG1和电机MG2进行驱动控制，使得将从发动机22输出的全部动力通过动力分配合并机构30、电机MG1、电机MG2进行转矩转换并输出给齿圈轴32a；在充放电运行模式下，对发动机22进行运行控制，使得从发动机22输出与要求动力和电池50的充放电所需要的电力之和相应的动力，并且对电机MG1和电机MG2进行驱动控制，使得伴随着电池50的充放电将从发动机22输出的全部动力或者其中的一部分动力通过动力分配合并机构30、电机MG1和电机MG2进行转矩转换，并与此相伴地将要求动力输出给齿圈轴32a；在电机运行模式下，执行运行控制以停止发动机22的运行，从电机MG2向齿圈轴32a输出与要求动力相应的动力。
在上述混合动力车辆20中，当在驱动轮63a、63b发生了打滑后驱动轮63a、63b的抓地恢复时，在电机MG2中会产生过大的电流脉冲，该过大的电流脉冲被输入到电池50。如前所述，通过该过大的电流脉冲进行的电池50的充电成为导致电池50过充电的原因，会导致锂金属析出，进而导致电池性能下降。
也可能因为紧急制动等打滑、抓地以外的原因而发生通过过大的电流脉冲进行的电池50的充电。
在本实施方式中，从防止或减轻因通过过大的电流脉冲进行的充电而导致的电池50的劣化的观点出发，在混合动力车辆20设置有二次电池的放电控制装置100。
在一个方式中，放电控制装置100通过硬件资源与软件的协作来实现，例如为计算机。具体地说，放电控制装置100的功能通过记录在记录介质上的程序被读出到主存储器中并被CPU(Central Processing Unit，中央控制单元)执行来实现。上述程序既可以通过记录在计算机能够读取的记录介质中来提供，也可以作为数据信号通过通信来提供。放电控制装置100也可以仅通过硬件来实现。另外，放电控制装置100既可以通过物理上的一个装置来实现，也可以通过物理上的多个装置来实现。例如，放电控制装置100通过电机ECU40、电池ECU52以及混合动力ECU70来实现。
图2是表示二次电池的放电控制装置100的功能构成的一个例子的框图。以下，参照图2来说明放电控制装置100的功能构成。
在图2中，放电控制装置100具有检测部110、存储部120以及放电控制部130。
检测部110对通过预定电平以上的脉冲进行的电池50的充电(以下称为“大电流脉冲充电”)进行检测。
在一个方式中，检测部110检测是否发生了通过预定电流值以上的电流脉冲进行的电池50的充电。例如，检测部110监视电流传感器56的检测值，在具有预定阈值以上的峰值电流值的电流脉冲被输入到了电池50的情况下，判定为发生了大电流脉冲充电。在一个方式中，上述预定阈值通过将电池50的剩余容量和电池50的温度作为变量的函数来表示，检测部110基于电池50的剩余容量和电池50的温度算出上述阈值。
检测部110也可以通过上述方法以外的方法来检测大电流脉冲充电。例如，检测部110也可以在具有预定阈值以上的峰值电压值或峰值电力值的脉冲被输入到了电池50的情况下判断为发生了大电流脉冲充电。
存储部120存储表示与大电流脉冲充电对应的脉冲的脉冲信息。例如，在由检测部110检测到大电流脉冲充电时，存储部120基于来自检测部110的指示存储表示与该大电流脉冲充电对应的脉冲的脉冲信息。
上述脉冲信息例如包括脉冲的峰值和脉冲的时间(duration)。例如，脉冲的波形为大致三角形状，上述脉冲的峰值为脉冲的高度(height)，上述脉冲的时间为脉冲的底边的长度。在一个例子中，脉冲的峰值大约为80～200[A]，脉冲的时间大致为100～300[ms]。脉冲信息是能够用于后述的放电控制部130的控制的信息即可，例如也可以是表示脉冲的波形的电流值的时间序列数据。
在由检测部110检测到通过预定电平以上的脉冲进行的电池50的充电的情况下，放电控制部130进行使电池50放出电平与该脉冲的电平大致相同的1个以上的脉冲的控制。即，在由检测部110检测到大电流脉冲充电的情况下，充电控制部130进行以下控制：使电池50放出电平与对应于该大电流脉冲充电的脉冲的电平大致相同的1个以上的脉冲。
具体而言，放电控制部130基于存储在存储部120中的脉冲信息来进行放出上述脉冲的控制。
在优选的方式中，放电控制部130使电池放出1个以上的脉冲，使得充电的脉冲的电力量与放电的脉冲的总电力量大致相同、或者充电的脉冲的累计电流量与放电的脉冲的累计电流量大致相同。在更加优选的方式中，放电控制部130进行以下控制：使电池50放出电平及时间与充电的脉冲的电平及时间大致相同的脉冲。放电控制部130也可以使电池50放出波形与充电的脉冲的波形大致相同的脉冲。
在本申请的说明书中，“大致相同”是包括相同的概念，在一个方式中，放电控制部130使电池50放出电流值和时间与对应于大电流脉冲充电的电流脉冲的电流值和时间相同的电流脉冲。
在一个方式中，放电控制部130通过控制电机MG1或MG2的相位而使电池50向电机MG1或MG2放出上述脉冲。例如，放电控制部130对变换器42进行开关控制，使得从电池50向电机MG2放出电流值和时间与对应于大电流脉冲充电的电流脉冲的电流值和时间大致相同的电流脉冲，并从电机MG2输出根据加速器开度等决定的电机MG2的目标转矩。即，放电控制部130通过时电机MG2的相电流的相位移动(displaces)而在不影响车辆行驶所要求的转矩的情况下使电池50向电机MG2放出脉冲。
图3是表示二次电池的放电控制装置100的工作程序的一个例子的流程图。以下，参照图3来说明放电控制装置100的工作。
放电控制装置100基于电流传感器56的输出来判断是否向电池50输入了具有预定阈值以上的峰值电流值的电流脉冲(以下称为“大电流脉冲”)(S1)。在此，放电控制装置100将上述阈值取为基于电池50的剩余容量和电池50的温度预先算出并存储的数值。另外，上述阈值的算出是以适当的定时来执行并更新的。
放电控制装置100重复进行步骤S1的判断处理，直至判断为向电池50输入了大电流脉冲。
当在步骤S1中判断为向电池50输入了大电流脉冲时，放电控制装置100使存储部120存储该大电流脉冲的峰值电流值和时间来作为该大电流脉冲的脉冲信息(S2)。
然后，放电控制装置100基于存储在存储部120中的脉冲信息来控制电机MG2的相位，由此使电池50向电机MG2放出电流值和时间与上述大电流脉冲的电流值和时间大致相同的脉冲(S3)。在此，放电的脉冲是将存储在存储部120中的脉冲的峰值电流值作为高度、将存储在存储部120中的脉冲的时间作为底边的长度的三角脉冲。
根据以上说明的本实施方式，可以获得以下效果。
(1)在检测到通过预定电平以上的脉冲进行的二次电池的充电的情况下，本实施方式的二次电池的放电控制装置进行使二次电池放出电平与该脉冲的电平大致相同的1个以上的脉冲的控制。由此，能够防止或减轻因通过过大的脉冲进行的充电而导致的二次电池的劣化。
例如，在上述二次电池为锂离子二次电池的情况下，通过上述控制，能够缓和或抑制锂金属的析出，能够防止或减轻满充电容量的下降等电池性能的劣化。
(2)在一个方式中，在二次电池连接有通过该二次电池的电力进行驱动的电机，放电控制装置通过控制电机的相位而使二次电池放出上述脉冲。根据该方式，能够通过简单的结构放出脉冲。
本发明不限于上述实施方式，可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更。
例如，在上述实施方式中，以通过电机的相位控制使二次电池向电机放出脉冲的结构为例进行了说明，但是也可以通过该方法以外的方法使之放出脉冲。例如，也可以在二次电池连接放电电阻，使之向该放电电阻放出脉冲。
另外，在上述实施方式中，以将本发明应用于混合动力车辆的情况为例进行了说明，但是本发明也可以应用于混合动力车辆以外的电动车辆。进一步，本发明不限于电动车辆，可以广泛地应用于在二次电池连接有电路的系统。
实施例
以下，说明满充电容量维持率的测定结果。在本实施例中，使用了锂离子二次电池。
图4是表示第一充放电方式的图。图5是表示第二充放电方式的图。图6是表示满充电容量维持率的测定结果的图。图7是表示满充电容量维持率的测定结果的图。
第一充放电方式是依次进行脉冲充电、脉冲放电以及停止的方式。在此，脉冲充电涉及的脉冲是峰值电流量为190[A]、时间为0.1[sec]的三角脉冲。另外，脉冲放电涉及的脉冲是峰值电流量为1.9[A]、时间为10[sec]的三角脉冲。停止时间为29.9[sec]。第一充放电方式的合计时间为40[sec]。
第二充放电方式是依次进行脉冲充电、脉冲放电以及停止的方式。这里，脉冲充电涉及的脉冲是峰值电流量为190[A]、时间为0.1[sec]的三角脉冲。另外，脉冲放电涉及的脉冲是峰值电流量为190[A]、时间为0.1[sec]的三角脉冲。停止时间为39.8[sec]。第二充放电方式的合计时间为40[sec]。
对于锂离子二次电池，进行了三次如下的实验：将第一充放电方式重复进行10000次，测定10000次时刻的满充电容量维持率。该实验的结果如图6、图7所示，满充电容量维持率为40.4％、39.6％、39.1％。
对于规格与上述锂离子二次电池相同的锂离子二次电池，进行了一次如下的实验：将第二充放电方式重复进行15000次，测定10000次时刻和15000次时刻的满充电容量维持率。该实验的结果如图6、图7所示，满充电容量维持率在1000次时刻为86.1％，在15000次时刻为79.0％。
根据上述测定结果可知，与以比充电时小且长的脉冲进行放电的方式相比，以与充电时相同的脉冲进行放电的方式的满充电容量的下降更小。
图8是表示向锂离子二次电池施加了脉冲电流的情况下的电压波形的一部分的图。
如图8所示，在大电流、短时间的充电中，电压的大部分为直流电阻成分，因此即使通过在放电时使之长时间放出小的电流而使累计电流量与充电时相同，在低电流下直流电阻成分小，即便通过长时间的放电而获得了极化成分，电压也不会变为与充电时相同。因此，认为在以比充电时小且长的脉冲进行充电的情况下，无法谋求抑制锂金属析出，满充电容量会下降。
另一方面，在以与充电时相同的脉冲进行放电的情况下，能够实现与充电时大致相同的电压，因此能够谋求抑制锂金属析出，能够抑制满充电容量的下降。另外，认为在分为数次地实施了与充电时相同的峰值电流下的放电以使充电时的累计电流量与放电时的累计电流量相同的情况下，也能够实现与充电时大致相同的电压，因此能够谋求抑制锂金属析出，能够谋求抑制满充电容量下降。

Claims (6)

1.一种锂离子二次电池的放电控制装置，其特征在于，具有：
检测单元，对用于所述二次电池的充电的脉冲的电平是否为预定的过充电电平以上进行检测，所述预定的过充电电平是作为所述二次电池因锂金属析出而发生劣化的电平而预先确定的；以及
放电控制单元，在所述检测单元检测到用于所述二次电池的充电的脉冲的电平为所述预定的过充电电平以上的情况下，进行从所述二次电池放出电平实质上与用于所述二次电池的充电的脉冲的电平相同的1个以上的脉冲的放电的控制。
2.根据权利要求1所述的二次电池的放电控制装置，其特征在于，
所述放电控制单元在所述检测单元检测到用于所述二次电池的充电的脉冲的电平为所述预定的过充电电平以上的情况下，进行使所述二次电池放出电平及时间与用于所述二次电池的充电的脉冲的电平及时间相同的脉冲的控制。
3.根据权利要求1所述的二次电池的放电控制装置，其特征在于，
在所述二次电池连接有通过所述二次电池的电力驱动的电机，
所述放电控制单元通过进行所述电机的相位控制，使所述二次电池向所述电机放出所述脉冲。
4.根据权利要求2所述的二次电池的放电控制装置，其特征在于，
在所述二次电池连接有通过所述二次电池的电力驱动的电机，
所述放电控制单元通过进行所述电机的相位控制，使所述二次电池向所述电机放出所述脉冲。
5.根据权利要求1所述的二次电池的放电控制装置，其特征在于，
放电的脉冲具有与用于所述二次电池的充电的脉冲的脉冲高度相同的脉冲高度。
6.根据权利要求1所述的二次电池的放电控制装置，其特征在于，
放电的脉冲具有与用于所述二次电池的充电的脉冲的峰值电流值相同的峰值电流值。
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