CN102089956A - 电池的充放电控制装置以及具备该装置的混合动力汽车 - Google Patents

Abstract

电池的充放电控制装置20具备输入许可电力调整单元40，该输入许可电力调整单元具有：容许输入电流值算出单元42，其使用检测出的时间t时的电池电流值和电池温度值以及推定出的充电容量值，求出充电时的每单位时间的容许输入电流值减少量和每单位时间的因放置不管产生的容许电流量恢复量，基于上次算出的上次算出容许输入电流值I_lim(t-1)或仅初次设定容许输入电流值I_lim(0)，算出对电池的容许输入电流值I_lim(t)；和输入电力限制值算出单元44，其以使基于容许输入电流值I_lim(t)求出的输入电流限制目标值变得比实际的电池电流值大的方式，算出电池输入电力限制值；所述输入许可电力调整单元40基于电池输入电力限制值调整对电池10的输入许可电力。

Description

电池的充放电控制装置以及具备该装置的混合动力汽车

技术领域

本发明涉及电池(蓄电池)的充放电控制装置以及具备该装置的混合动力汽车。

背景技术

在电动车辆中，通过再生制动力对与由电池驱动的电动机连接的驱动轮进行制动。此时，电动机发电产生的电力被充电至电池而进行回收。但是，若超过限度地通过由再生得到的电力对电池进行充电时，电池会变为过充电状态。为了防止这种情况，提出了如下的电池充电控制装置，该电池充电控制装置对电池电压与电池电压界限进行比较，以使电池电压不会超过电池电压界限的方式控制电池的充电(例如专利文献1)。

专利文献1：日本特开平6-153314号公报

发明内容

一般而言，锂离子二次电池的能量密度高，与其他的二次电池相比，锂离子二次电池的初始开路电压和平均工作电压更高。因此，在需要大电池容量、高电压的混合动力汽车用电源系统中是优选的。另外，锂离子二次电池因为库仑效率(coulomb efficiency)接近100％故而充放电效率高，因此与其他的二次电池相比，还具有可以进行能量的有效利用这一优点。

然而，锂离子二次电池，在使用方式(例如，以高速率进行充电、从高充电状态(高SOC)进行的充电、长时间持续充电、低温下的充电(电阻高的状态下的充电))中，有在锂离子二次电池的负极表面析出锂(Li)金属的危险，结果恐怕会导致锂离子二次电池的过热或性能降低。

因此，希望抑制负极中的锂金属的析出。

本发明的电池的充放电控制装置以及具备该装置的混合动力汽车具有以下的特征。

(1)所述充放电控制装置具有输入许可电力调整单元，该输入许可电力调整单元在充放电时基于充电履历，以使由锂离子二次电池构成的电池的负极电位不降低到锂基准电位的方式，调整对所述电池的输入许可电力。

(2)所述输入许可电力调整单元，基于作为在负极不析出金属锂的最大电流而设定的容许充电电流，决定所述输入许可电力，以与充电持续时间相应地减少所述容许充电电流、与放电持续时间相应地增加容许充电电流的方式，改变所述输入许可电力。

(3)所述输入许可电力调整单元，基于使所述容许充电电流偏移预定量得到的输入电流限制目标值，决定所述输入许可电力。

(4)所述充放电控制装置还具有：检测电池电流的电池电流检测单元；检测电池温度的电池温度检测单元；以及推定所述电池的充电状态的充放电推定单元，所述输入许可电力调整单元具备：容许输入电流值算出单元，其使用检测出的时间t时的电池电流值和电池温度值以及推定出的充电容量值，求出充电时的每单位时间的容许输入电流值减少量或放电时的每单位时间的容许输入电流值恢复量，并且求出每单位时间的因放置不管产生的容许电流量恢复量，基于上次算出的上次算出容许输入电流值I_lim(t-1)或仅初次设定容许输入电流值I_lim(0)，算出对电池的容许输入电流值I_lim(t)；和输入电力限制值算出单元，其算出基于所得到的容许输入电流值I_lim(t)求出的电池输入电力限制值，所述输入许可电力调整单元基于所得到的电池输入电力限制值来调整对所述电池的输入许可电力。

(5)所述输入电力限制值算出单元，基于将所述容许输入电流值I_lim(t)减小预定量得到的输入电流限制目标值，算出电池输入电力限制值。

(6)所述容许输入电流值算出单元，进一步算出对所得到的容许输入电流值I_lim(t)考虑了锂离子二次电池劣化状态而得到的对电池的容许输入电流值I_lim’(t)，所述输入电力限制值算出单元，基于所得到的容许输入电流值I_lim’(t)，算出电池输入电力限制值。

(7)在所述输入电力限制值算出单元中，对所得到的对电池的容许输入电流值I_lim(t)考虑锂离子二次电池劣化状态，求出输入电流限制目标值。

(8)在所述输入电力限制值算出单元中，对所得到的对电池的容许输入电流值I_lim’(t)考虑锂离子二次电池劣化状态，求出输入电流限制目标值。

(9)在所述输入电力限制值算出单元中，根据与所述输入电流限制目标值和实际的电池电流值之间的差量相应的电力值、与预先设定的电池输入电力限制规定值SW_in(t)之间的差量，算出电池输入电力限制值W_in(t)。

(10)所述充放电控制装置还具备上限电压控制单元，该上限电压控制单元以使锂离子二次电池的上限电压不超过预先设定的上限电压的方式进行控制。

(11)所述输入许可电力调整单元，算出流过所述容许充电电流时的电池的输入电力，基于算出的输入电力来决定所述输入许可电力。

(12)所述输入许可电力调整单元，进一步求出在将所述输入电流限制目标值I_tag(t)设为了充电电流时的电池电压V_tag(t)，根据输入电流限制目标值I_tag(t)和电压V_tag(t)来算出基础电力SW_in’(t)，基于该基础电力SW_in’(t)、以及输入电流限制目标值I_tag(t)与实际的电池电流值之间的差，决定电池的输入许可电力。

(13)所述充放电控制装置具有使用期间存储单元，该使用期间存储单元存储从电池安装时起累积计数得到的使用期间，所述容许输入电流值算出单元，根据从使用期间存储单元得到的电池的使用期间，改变所述锂离子二次电池劣化状态。

(14)一种混合动力汽车，其具备电动机和发动机，并通过所述电动机和发动机的至少一方的驱动力进行行驶，所述混合动力汽车具备：电池，其由向所述电动机供给电力并且进行再生能量的蓄电的锂离子二次电池构成；和上述的电池的充放电控制装置。

根据本发明，即使例如长时间持续充电，也能够与电池的状态相应地调整被输入的电力，能够抑制对由锂离子二次电池构成的电池的过充电，能够避免电池的过热和/或性能降低。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的电池的充放电控制装置的构成、混合动力汽车的构成以及便携终端的充放电构成的概况的构成图。

图2是说明锂离子二次电池中充电时间和正极电位及负极电位的推移的图。

图3是表示锂离子二次电池的构成的一例的示意图。

图4是用于说明在算出容许输入电流值时因二次电池的放置不管而产生的电流恢复量的图。

图5是用于说明本发明中的求出输入电力限制值的式(VI)的构成的图。

图6是说明本发明的一个实施方式的电池的充放电控制的流程图。

图7是用于说明本发明中进行前馈控制、使用I_tag来求出输入电力限制值的构成的图。

图8是说明本发明的另一实施方式的电池的充放电控制的流程图。

图9是用于说明对于锂离子二次电池的劣化程度的输入电力限制的图。

图10是表示由锂离子二次电池的使用期间为0年时的放电产生的电流累计值(SOC[Ah])与电动势电压[V]之间的关系的一例的图。

图11是表示由锂离子二次电池的使用期间为15年时的充放电产生的电流累计值(SOC[Ah])与电动势电压[V]之间的关系的一例的图。

图12是说明基于相对于与锂离子二次电池的使用期间对应的一定电流累计变动的电动势电压变动量来使劣化度参数D规格化的情况的图。

图13是对与锂离子二次电池的充放电过程同步检测出的电流和电压进行了绘图的一例的图。

图14是说明基于相对于锂离子二次电池的使用期间的锂离子二次电池的内部电阻算出值来使劣化度参数D规格化的情况的图。

图15是对满充电容量推定值和锂离子二次电池的使用期间进行了绘图的一例的图。

图16是说明基于相对于锂离子二次电池的使用期间的锂离子二次电池的满充电容量推定值来使劣化度参数D规格化的情况的图。

图17是说明基于劣化参数D来算出修正系数η的方法的一例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1中示出用于混合动力汽车的本实施方式的电池的充放电控制装置的构成的一例。在此，本说明书中的电池为锂离子二次电池，本说明书中的“锂离子二次电池”以包括作为电解质使用了电解液的锂离子二次电池、以及作为电解质使用了高分子凝胶的锂聚合物电池的意思而使用。

如图1所示，本实施方式的电池的充放电控制装置20包括：监视电池10的状态的电池用电子控制单元22(以下称为“电池ECU22”)；推定电池10的充电状态的SOC推定单元24；驱动控制电动机52的电动机用电子控制单元28(以下称为“电动机ECU28”)；发动机用电子控制单元26(以下称为“发动机ECU26)，其被输入来自检测发动机58的运行状态的各种传感器的信号，并且对发动机58进行燃料喷射控制、点火控制、吸入空气量调节控制等运行控制；控制动力输出装置整体的混合动力用电子控制单元30(以下称为“HVECU30”)；以及输入许可电力调整单元40，其在充放电时基于充放电履历，以使由锂离子二次电池构成的电池的负极电位不降低到锂基准电位的方式，调整对所述电池的输入许可电力。

如图2所示，作为电池10使用的锂离子二次电池，随着持续充电，正极平均电位上升，而负极平均电位下降，由此正负极之间的电位差(Vav)变大。在此，已知若负极电位变为Li基准电位以下，则在负极表面析出Li金属。因此，以往以来在对锂离子二次电池充电时，通过将正负极之间的平均电位的电位差即正负极之间的端子电压抑制在预定电位(例如4.1V)以内，从而避免负极表面的Li金属的析出。

然而，发明者们发现了如下情况：由于在电池的单元电池(cell)内部(正负极表面)存在反应不均，所以如图2中的时间t1以后所示，即使例如正负极平均电位的电位差(Vav)处于预定电位(Vlim)以内，作为负极的局部部位的负极电位(称为负极局部电位)，有时也变为Li基准电位(0V)以下，在该负极表面析出金属Li。另外，发明者们同时也发现了如下情况：在以高速率(例如20C以上)的充电、从高充电状态(高SOC)进行的充电、长时间的持续充电、低温(电池单元的内部电阻高的状态)下的充电等中，容易发生这样的Li金属的析出过程。

如图3所示，单元电池电位为锂离子二次电池的单元电池的正极74与负极76之间的电位差，负极电位为负极76与Li基准电极78(电位0V)之间的电位差，另外，正极电位为正极74与Li基准电极78(电位0V)之间的电位差。另外，虽然也考虑了以不会变为Li基准电位以下的方式来拉低正极平均电位，但在该情况下，会产生不能满足对电池的要求性能的情况。

于是，本实施方式的电池的充放电控制装置20，为了也对局部负极电位达到Li基准电位0V进行抑制，具备输入许可电力调整单元40，

另外，本实施方式的电池的充放电控制装置20，如后述那样，为了通过输入许可电力调整单元40算出能够输入到电池的电力值，还具有图1所示的检测电池电流的电流传感器14、和设置在电池10内并检测电池温度的温度传感器12。

以下进一步对上述的各构成进行详细说明。向电池ECU22输入并存储管理电池10所需要的信号，例如来自设置于电池10的端子间的未图示的电压传感器的端子间电压、来自安装于与电池10的输出端子连接的电力线的电流传感器14的充放电电流(以下也称为“电池电流”)、来自安装于电池10的温度传感器12的电池温度Tb等。另外，在SOC推定单元24中，还对输入到电池ECU22中的由电流传感器14实测到的电池电流值IB(t)进行累计来推定出充电状态(SOC、剩余容量)。在累计中，优选使用通过实测出的电池温度值TB(t)修正后的推定电流值，能够利用电池电动势电压(electromotive voltage)等其他的信息，采用更正确的SOC推定。

HVECU30作为以CPU32为中心的微处理器而构成，除CPU32以外还具备存储处理程序的ROM34、暂时存储数据的RAM36、以及未图示的输入输出端口以及通信端口。HVECU30接收来自未图示的点火开关的点火信号、来自未图示的加速器传感器的信号、来自其他传感器的信号，被输入加速器开度、制动器踏下量、车速等信息。在此，基于加速器开度、制动器踏下量、车速等信息，在HVECU30中决定转矩指令，将转矩指令从HVECU30输出到电动机ECU28、发动机ECU26，以相应于该转矩指令的方式控制电动机52和发动机58的驱动。另外，HVECU30经由通信端口与发动机ECU26和/或电动机ECU28、电池ECU22连接，与发动机ECU26和/或电动机ECU28、电池ECU22进行各种控制信号和/或数据的授受。另外，在ROM34中存储有在后述的输入许可电力调整单元40中算出的容许输入电流值I_lim(t)、I_lim’(t)以及用于算出电池输入电力限制值W_in(t)的程序，另一方面，在RAM36中暂时存储从电池ECU22输出的电池电流值以及电池温度值，并且也暂时存储在输入许可电力调整单元40中算出的容许输入电流值I_lim(t)、I_lim’(t)以及电池输入电力限制值W_in(t)，并且存储各种运算所需要的数据。

另外，输入许可电力调整单元40具备容许输入电流值算出单元42和输入电力限制值算出单元44。例如每隔100msec基于得到的电池输入电力限制值W_in(t)来调整对电池10的输入许可电力。

容许输入电流值算出单元42，使用从电池ECU22输出并在暂时存储在HVECU30的RAM36中的、时间t时的电池电流值IB(t)(以下也称为“IB[t]”)和电池温度值TB(t)(以下也称为“TB[t])、以及在SOC推定单元24中推定出的时间t时的充电容量值SOC(t)，基于存储在HVECU30的ROM34中的程序，求出充电时的每单位时间的容许输入电流值减少量F或f、或放电时的每单位时间的容许输入电流值恢复量F’或f’(与后述的式(I’)中的F和(II’)中的f相当)，并且求出每单位时间的因放置不管产生的容许电流量恢复量G或g，基于此算出对电池的容许输入电流值I_lim(t)。在此，容许输入电流值I_lim(t)是基于上次算出的上次算出容许输入电流值I_lim(t-1)算出的，但也可以使用仅初次设定容许输入电流值I_lim(0)。该仅初次设定容许输入电流值I_lim(0)，是在从没有充放电履历的影响的状态进行了充电、作为在单位时间以内不析出Li金属的最大电流值而求出的。

在本实施方式中，在充电中，容许输入电流值算出单元42使用以下所示的式来算出容许输入电流值I_lim(t)(以下也称为“I_lim[T]”、“I_lim[t]”)。首先，在没有充放电履历的情况下即仅初次时，通过以下的式(I)来求出。即，从没有充放电履历的状态下的容许输入电流值I_lim(0)，减去由于持续充放电产生的减少量或恢复量F、F’、因放置不管产生的恢复量G。

[数学式1]

$I_{\lim }\left[T\right]=I_{\lim }\left[0\right]-{\∫}_0^{T}F\left(\mathrm{IB}\right[t],\mathrm{TB}[t],\mathrm{SOC}[t\left]\right)\mathrm{dt}-{\∫}_0^{T}G(t,\mathrm{TB}[t],\mathrm{SOC}[t\left]\right)\mathrm{dt}$

但I_lim[0]≤I_lim[T]＜0              ...(I)

在式(I)中，如以下所述。

[数学式2]

I_lim[0]：在从没有充放电履历的影响的状态进行了充电时，在单位时间以内不析出Li金属的最大电流值；

由于从无履历的状态到时间T持续进行的充电而产生的容许电流值减少项；

因时间产生的恢复项。

另外，在充电中，在存在充电履历的情况下，通过以下的式(II)来求出。

[数学式3]

$I_{\lim }\left[t\right]=I_{\lim }[t-1]-f\left(\mathrm{IB}\right[t],\mathrm{TB}[t],\mathrm{SOC}[t\left]\right)\×\mathrm{dt}-g\left(\mathrm{TB}\right[t],\mathrm{SOC}[t\left]\right)\×\frac{I_{\lim }\left[0\right]-I_{\lim }[t-1]}{I_{\lim }\left[0\right]}\×\mathrm{dt}$

                                  ...(II)

式中，I_lim[T]以及I_lim[t]表示时间T、t时的容许输入电流值；IB[t]表示时间t时的电池电流值；TB[t]表示时间t时的电池温度值；SOC[t]表示时间t时的电池SOC值；f()函数表示每单位时间的由充电产生的容许电流减少项；g()函数表示因放置不管产生的每单位时间的容许电流恢复项。

I_lim[t]＝0时表示二次电池的负极活性物质中的Li离子为饱和状态，因此I_lim[0]-I_lim[t]表示二次电池的负极活性物质中的Li离子量。另一方面，如图4所示，因时间产生的容许输入电流值的恢复量，通过负极活性物质中的Li离子减少而获得，其大小与Li离子的量成比例。因此，单位时间(dt)前的时间(t-1)时的I_lim[t-1]的关系，与I_lim[0]和I_lim[t-1]之间的差成比例，而且能够通过为了使该差无因次化而使其除以I_lim[0]来获得。

另一方面，在放电中的情况下，分别将上述式(I)和(II)的式中的F()函数和f()函数中的符号从正变为负，成为如下这样。

[数学式4]

$I_{\lim }\left[T\right]=I_{\lim }\left[0\right]+{\∫}_0^{T}F\left(\mathrm{IB}\right[t],\mathrm{TB}[t],\mathrm{SOC}[t\left]\right)\mathrm{dt}-{\∫}_0^{T}G(t,\mathrm{TB}[t],\mathrm{SOC}[t\left]\right)\mathrm{dt}$

但I_lim[0]≤I_lim[T]＜0              ...(I’)

[数学式5]

$I_{\lim }\left[t\right]=I_{\lim }[t-1]+f\left(\mathrm{IB}\right[t],\mathrm{TB}[t],\mathrm{SOC}[t\left]\right)\×\mathrm{dt}-g\left(\mathrm{TB}\right[t],\mathrm{SOC}[t\left]\right)\×\frac{I_{\lim }\left[0\right]-I_{\lim }[t-1]}{I_{\lim }\left[0\right]}\×\mathrm{dt}$

                                   ...(II’)

式中，F()函数和f()函数表示每单位时间的由于放电产生的容许电流恢复项，除此以外与上述同样，因此在此省略说明。

而且，在本实施方式中，在容许输入电流值算出单元42中，考虑到因使用引起性能降低，进而，为了经时地抑制Li金属析出，对通过上述式得到的I_lim[T]以及I_lim[t]乘以劣化系数η，求出考虑了二次电池的经时劣化的I_lim’[T]以及I_lim’[t]。

[数学式6]

I_lim′[T]＝I_lim[T]×η或I_lim′[t]＝I_lim[t]×η  ...(III)

式中，η表示劣化系数。

上述劣化系数η可以为一定的值，也可以根据由预先存储在HVECU30的RAM36中的二次电池的充放电频度与劣化系数之间的关系形成的映射图而为多个。

另外，本实施方式的输入电力限制值算出单元44，以防止由于反馈控制的控制延迟等引起电池电流IB超过I_lim’[t]而流动为目的，算出电池输入限制值W_in(t)。即，基于从电池ECU22输出并暂时存储在HVECU30的RAM36中的时间t时的电池电流值IB(t)和在容许输入电流值算出单元42中算出的容许输入电流值I_lim’[t]，例如以从I_lim[t]偏移预定量的方式暂时算出输入电流限制目标值I_tag(参照图5)。并且，基于所得到的I_tag，通过下式(IV)来算出电池输入限制值W_in(t)。

输入电力限制值算出单元44，如图5所示那样，通过以式(IV)求出的输入电力限制值W_in(t)对充电进行控制，由此使得充电电流IB处于I_lim’[t]以下，能够抑制在负极析出Li金属。

[数学式7]

W_in(t)＝SW_in(t)-K_p×{IB(t)-I_tag1(t)}-K_i×∫{IB(t)-I_tag2(t)}dt   ...(IV)

式中，W_in(t)表示时刻t时的电池输入电力限制值(W)；SW_in(t)表示预先设定的电池输入电力限制规定值(例如，根据电池温度确定的电池的基础输入电力限制规定值)；K_p表示P项反馈增益；Ki表示i项反馈增益；I_tag1(t)表示因p项反馈控制产生的电流限制目标值；I_tag2(t)表示因i项反馈控制产生的电流限制目标值；IB(t)表示时间t时的电池电流值。另外，W_in(t)例如通过预先设定的、表示电池的温度等与输入电力限制规定值之间的关系的映射图来求得。

另外，上述I_tag1(t)和I_tag2(t)通过以下的式(V)来求得。

[数学式8]

I_tag1(t)＝F_p(I_lim′(t))和I_tag2(t)＝F_i(I_lim′(t))  ...(V)

在式(V)中，I_tag1(t)和I_tag2(t)是作为如上所述对I_lim’(t)分别偏移预定量得到的量而求得的。因此，将I_tag1(t)、I_tag2(t)与I_lim’(t)的关系作为映射预先存储在HVECU30的RAM36中，可以参照该映射求出I_tag1(t)、I_tag2(t)。另外，考虑到二次电池的劣化和/或二次电池的控制来制作映射，由此还能够抑制由于局部的负极电位降低引起的Li金属析出。

另外，本实施方式的电池的充放电控制装置20，为了抑制因电池的使用引起的性能降低，可以设为还具有上限电压控制单元，该上限电压控制单元以使锂离子二次电池的上限电压不超过预先设定的上限电压的方式进行控制。作为上限电压控制单元，例如，在HVECU30中对预先设定的上限电压值与从未图示的电压传感器输出的实际的电池电压值进行比较，来控制充电量。如此，通过对充电电压设定上限值，从而能够防止不当地对单元电池施加大电压的情况。

接着，以下使用图1对具有上述的本实施方式的电池的充放电控制装置20的混合动力汽车的构成进行说明。在此，本说明书中，作为“混合动力汽车”是指搭载输出用于发电的动力的发动机和行驶用的电动机这两方的混合动力汽车(HV：Hybrid Vehicle)，也包括所谓的电动汽车(EV：Electric Vehicle)、燃料电池车(FCEV：Fuel Cell Electric Vehicle)。

如图1所示，混合动力汽车(HV)100具有上述的温度传感器12、电流传感器14以及电池的充放电控制装置20，还具有：发动机58；与发动机58的输出轴连接的3轴式的动力分配统合机构56；与动力分配统合机构56连接并驱动驱动轮60并且能够进行发电的电动机52；与动力分配统合机构56连接并用于发电的发电机54；电池10，其由能够进行充放电的锂离子二次电池构成，所述电池10向电动机52供给电力并且进行来自发电机54的发电电力和再生能力的蓄电；升压转换器兼逆变器50，其连接电池10与电动机52以及发电机54，并且从电动机ECU28接收转矩指令。在此，电动机52经由升压转换器兼逆变器50与电池10进行电力的授受。另外，电动机ECU28与HVECU30进行通信，根据来自HVECU30的控制信号来控制升压转换器兼逆变器50并驱动控制电动机52，并且根据需要将关于电动机52的运行状态的数据输出到HVECU30。升压转换器是控制逆变器输入电压的装置，控制与电动机52的输出转矩等相应的逆变器输入电压。逆变器控制对电动机52的驱动电流，并且还进行再生制动的控制。发电机54的发电电力经由升压转换器兼逆变器50供给到电池10。电动机52、发电机54不一定要分别设置。

进而，对混合动力汽车的构成进行详细说明。发动机58是利用汽油或轻油等碳水系的燃料来输出动力的内燃机，通过被从检测发动机58的运行状态的各种传感器输入信号的发动机ECU26来接受燃料喷射控制和/或点火控制、吸入空气量调节控制等运行控制。发动机ECU26与HVECU30进行通信，通过来自HVECU30的控制信号来运行控制发动机58，并且根据需要将关于发动机58的运行状态的数据输出到HVECU30。

接着，以下参照图1和图6，对具有本实施方式的电池的充放电控制装置20的混合动力汽车100的电池的充放电控制的工作进行说明。首先，通过温度传感器12来测量时间t时的电池温度，通过电流传感器14来测量电池电流(S110)。电池ECU22存储从温度传感器12输出的时间t时的电池温度值、和从电流传感器14输出的时间t时的电池电流值，并且向SOC推定单元24输出时间t时的电池温度值和电池电流值，然后将时间t时的电池温度值和电池电流值输出到HVECU30。HVECU30的RAM36暂时存储输入来的时间t时的电池温度值和电池电流值。在SOC推定单元24中，基于输入来的时间t时的电池温度值和电池电流值，推定时间t时的充电容量SOC(t)(S112)。

接着，在HVECU30根据加速器开度、制动器踏下量、车速等判定为处于再生中的情况下(S114)，为了利用再生能量进行蓄电而开始充电，在容许输入电流值算出单元42中，使用上述的式(I)或式(II)来算出容许输入电流值I_lim(t)(S118)，然后，使用式(III)来算出考虑了二次电池的经时劣化的容许输入电流值I_lim’(t)(S120)。

然后，在输入电力限制值算出单元44中，基于从容许输入电流值算出单元42输出的容许输入电流值I_lim’(t)和时刻t时的实际的电池电流值IB，使用式(IV)和式(V)，算出输入电力限制值W_in(t)(S122)。即，更新由于持续充电产生的容许输入电流值I_lim(t)的减少量(由F项产生的减少量)。然后，将对电池10的输入电力限制为所算出的输入电力限制值W_in(t)(S124)。即，HVECU30决定电动机转矩指令，经由电动机ECU28来控制升压转换器兼逆变器50，而以使此时对电池10的输入电力变为W_in(t)以下的方式，调整电动机转矩指令(用于进行充电的负的转矩指令)。

另外，在不处于再生中，但基于电池10的SOC产生了充电要求的情况下，也进行上述的S118至S124的工作。在该情况下，通常来自发电机54的发电电力被供给到电池10。

另外，在不处于再生中、行驶时电池10不处于充电中的情况下，在容许输入电流值算出单元42中，使用上述的式(I’)或式(II’)来算出容许输入电流值I_lim(t)(S126)，然后使用式(III)来算出考虑了二次电池的经时劣化的容许输入电流值I_lim’(t)(S128)。即，更新由于持续放电产生的容许输入电流值I_lim(t)的恢复量(由F项产生的恢复量)或因放置不管产生的增加量(由G项产生的恢复量)。

另外，在输入电力限制值算出单元44中，基于从容许输入电流值算出单元42输出的、放电时或放置不管时进行了更新的容许输入电流值I_lim’(t)和时刻t时的实际的电池电流值IB，使用式(IV)和式(V)，算出输入电力限制值W_in(t)(S122)。然后，基于算出的输入电力限制值W_in(t)来限制对电池10的输入许可电力(S124)。在此，因为放电时或放置不管时不进行对电池10的充电，所以仅更新输入电力限制值W_in(t)，与输入电力限制值W_in(t)无关地进行电动机的驱动(输出转矩)控制。

通过上述那样进行控制，对电池10的输入电力，相对于作为输入电力限制规定值的基础电力值的SW_in(t)，进行了与电池电流值IB相应的反馈控制。并且，在该反馈控制中，是与I_tag1(t)或I_tag2(t)相应的，所述I_tag1(t)和I_tag2(t)是通过对用于使金属锂不析出的容许输入电流值I_lim(t)或对其考虑了电池劣化的I_lim’(t)付与了预定的偏移量(控制空白(margin))而得到的，能够有效地防止由于反馈控制的控制延迟等引起电池电流IB超过I_tag1(t)或I_tag2(t)的情况。而且，I_tag1(t)(或I_tag2(t))考虑了充放电的履历。即，如式(I)(II)(I’)(II’)(III)所示，考虑了基于充放电持续时间的容许输入电流的减少、恢复、和/或放置不管时容许输入电流的恢复。因此，能够实现与此时的电池10的状态相应地防止金属锂的析出。

(前馈控制)

在此，如图7所示，HVECU30基于上述的反馈控制用电池输入电力限制值W_in(t)，通过电动机ECU28来控制升压转换器兼逆变器50，调整对电池10的输入许可电力，但是在对电池10的充放电电流的变动较大的情况下，若不追加控制，则存在对电池的充放电电流值变为容许输入电流值I_lim(t)或I_lim’(t)以下的可能性(图7由波线(虚线)所包围的部分)。

于是，在图1所示的本实施方式的电池的充放电控制装置20中，在输入许可电力调整单元40中还设置有前馈控制用电池输入电力限制值算出单元46。在该前馈控制用电池输入电力限制值算出单元46中，将作为目标的输入电力限制值即SW_in(t)变更为基于前馈控制的基础电力W_in-nb(t)。

即，将在将上述的输入电流限制目标值I_tag(t)设为了电池电流时的电池输入电力即W_in-nb(t)设定为目标输入电力，进行基于此时的电池电流IB的反馈控制。由此，有效地防止了电池电流IB的绝对值变得比容许输入电流值I_lim(t)或I_lim’(t)的绝对值大的情况。

本实施方式的电池的充放电控制装置20，如图1所示，还具备测量电池10的端子间电压的电压传感器16。接着，以下使用图1和图8，对使用了前馈控制用电池输入电力限制值算出单元46的电池的充放电控制装置20中的电池的充放电控制工作进行说明。

首先，通过温度传感器12来测量时间t时的电池温度，通过电流传感器14来测量电池电流IB(t)(S110)。电池ECU22存储从温度传感器12输出的时间t时的电池温度值、和从电流传感器14输出的时间t时的电池电流值IB(t)，并且向SOC推定单元24输出时间t时的电池温度值和电池电流值，然后将时间t时的电池温度值和电池电流值输出到HVECU30。HVECU30的RAM36暂时存储输入来的时间t时的电池温度值和电池电流值。在SOC推定单元24中，基于输入来的时间t时的电池温度值和电池电流值，推定时间t时的充电容量SOC(t)(S112)。然后，通过电压传感器16测量时间t时的电池端子间电压V(t)，电池ECU22存储从电压传感器16输出的时间t时的电池端子间电压V(t)。然后，在前馈控制用电池输入电力限制值算出单元46中，基于存储在电池ECU22中的时间t时的电池温度值，例如每隔200msec，求出时间t时的电池内部电阻R(t)(S130)，基于存储在电池ECU22中的时间t时的电池端子间电压V(t)、电池电流IB(t)、以及电池内部电阻R(t)，基于以下的式(VI)，算出开路端电压Vo(t)(S132)。

[数学式9]

V(t)＝Vo(t)-IB(t)×R(t)             ...(VI)

接着，在前馈控制用电池输入电力限制值算出单元46中，使用上述式(V)求出输入电流限制目标值I_tag(t)(S134)。在此，输入电流限制目标值I_tag(t)为包括上述I_tag1(t)和I_tag2(t)的意思。接着，基于以下的式来求出将输入电流限制目标值I_tag(t)设为了最大充电电流时的电压V_tag(t)(S136)。

[数学式10]

V_tag(t)＝Vo(t)-R(t)×I_tag(t)         ...(VII)

然后，在前馈控制用电池输入电力限制值算出单元46中，使用电流限制目标值I_tag(t)和电压V_tag(t)，使用以下的式，求出前馈控制用基础电力W_in-nb(t)(S138)。在说明书和附图中将“前馈控制”简记为“F/F控制”。

[数学式11]

W_in-nb(t)＝V_tag(t)×I_tag(t)         ...(VIII)

接着，使用将在上述的反馈控制中使用的式(IV)中的基础电力SW_in(t)置换为通过上述式(VIII)求出的前馈控制用基础电力W_in-nb(t)而得到的以下的式，求出反映了前馈控制项的输入电力限制值W_in’(t)。

[数学式12]

W_in′(t)＝W_in-nb-K_p×{IB(t)-I_tag1(t)}-K_i×∫{IB(t)-I_tag2(t)}dt  ...(IX)

式中，W_in’(t)表示时刻t时的由前馈控制产生的电池输入电力限制值(W)；W_in-nb(t)表示时间t时的基础电力值；K_p表示P项反馈增益；Ki表示i项反馈增益；I_tag1(t)表示因p项反馈控制产生的电流限制目标值；I_tag2(t)表示因i项反馈控制产生的电流限制目标值；IB(t)表示时间t时的电池电流值。

然后，HVECU30，基于算出的前馈项的输入电力限制值W_in’(t)来决定电动机转矩指令，通过电动机ECU28来控制升压转换器兼逆变器50(S142)，以使此时对电池10的输入电力变为W_in’(t)以下的方式，调整电动机转矩指令(用于进行充电的负的转矩指令)。

在将根据温度等算出的电池输入电力限制规定值即基础电压SW_in(t)设为目标值的电池的输入电力限制中，在充电电流(电池电流IB)的变动较大的情况下，会产生充电电流超过容许输入电流值I_lim(t)或I_lim’(t)、Li析出等问题。但是，根据本实施方式，作为充电电流，将根据使可以避免Li析出等的容许输入电流值I_lim(t)或I_lim’(t)偏移预定量得到的输入电力限制目标值I_tag(t)算出的前馈控制用基础电力W_in-nb(t)作为目标值，与电池电流IB和电流限制目标值之间的差相应地对电池输入电力限制值W_in’(t)进行反馈控制(换言之，限制“电池输入电力”)。在此，在反馈控制中考虑了抑制充电电流的超过的情况下，考虑充分增大反馈增益等。但是，若过度增大反馈增益，则恐怕会使控制稳定性受损、还会损害作为车辆的驾驶性能。另外，也设想了如下情况：即使增大反馈增益，在充电电流的变动较大的情况下充电电流也会超过输入电流限制目标值I_tag(t)。因此，附加于或先行于上述反馈控制，将基于设想的充电电流的最大电流即输入电流限制目标值I_tag(t)、和以该最大电流充电时的电压V_tag(t)算出的前馈控制用基础电力W_in-nb(t)，与根据温度算出的电池输入电力限制规定值W_in(t)置换，将控制的目标值限制为电池输入电力限制值W_in’(t)来进行控制。从而，上述输入电流限制目标值I_tag(t)为比对电池的容许输入电流值I_lim(t)或I_lim’(t)大(作为绝对值而言小)的电流值，通过以基于此求出的基础电力SW’(t)作为目标值来对电池进行充电，能够有效地防止电池的负极中的锂金属的析出。

(劣化系数η)

如上所述，在图1所示的容许输入电流值算出单元42中，考虑到因使用引起的电池10的性能降低，在上述式(III)中，对通过式(I)、(II)、(I’)、(II’)得到的I_lim[T]和I_lim[t]乘以劣化系数η，求出考虑了二次电池的经时劣化的I_lim’[T]和I_lim’[t]。在此，锂离子二次电池等电池伴随经年使用，其劣化程度发生变化。因此，为了最大限度地活用锂离子二次电池的输入输出、同时如图9所示那样与劣化程度相应地抑制锂金属的析出，优选改变上述的W_in控制量。

于是，在本实施方式中，基于以下所示的电池劣化度算出方法，求出劣化参数D，与该劣化参数D相应地，使用预先存储在HVECU30的ROM34中的映射图来求出劣化系数η，使用求出的劣化系数η，求出考虑了二次电池的经时劣化的I_lim’[T]和I_lim’[t]，考虑电池的经年劣化。即，在劣化度小的新品电池的情况下，持续充电时的电池输入电力限制值W_in的上升程度可以为图9的左图所示那样的程度，但在劣化度大的电池的情况下，如图9的右图所示，将电池输入电力限制值W_in设定为接近0的值，希望将充电电流限制得较小。在以下所示的电池劣化度算出方法中，由HVECU30的计时器38从电池安装时起对使用期间进行累计计数。考虑到部件替换等，从计时器信息的共用化的观点出发，例如在设置于电池ECU22和/或发动机ECU26的计时器中，可以对从电池10安装时起的使用期间进行累计计数，在多个位置进行计数也是优选的。

(电池劣化度算出方法)

以下参照图1和图10至图17对电池劣化度算出方法的三个例子进行说明。

(i)根据电动势电压的电池劣化度算出方法

图10中示出了电池新品时、即使用期间为0年时因放电产生的电流累计值(SOC[Ah])与电动势电压[V]之间的关系的一例，另外，图11中示出了电池的使用期间为15年时因充放电产生的电流累计值(SOC[Ah])与电动势电压[V]之间的关系的一例。在本实施方式中，作为上述电动势电压使用无负载时的电池电压、或有负载时从电池电压减去了因内部电阻和分极引起的电压变动量得到的电压值。另外，上述电动势电压在电池ECU22中求出，另一方面，因充放电产生的电流累计值在SOC推定单元24中求出。

如图10、图11所示，随着电池劣化，相对于因充放电产生的电流累计值(SOC[Ah])的同一电流累计变动ΔAHR的电动势电压变动ΔOCV和电动势电压变动ΔOCV’不同(由于电池劣化，相对于SOC变动的电动势电压变动变大)。因此，使用从HVECU30的计时器38输出的电池的使用期间、在电池ECU22中求出的电动势电压、和在SOC推定单元24中求出的因充放电产生的电流累计值，算出电池劣化度。即，在容许输入电流值算出单元42中，如图12所示，在使用期间超过了预定的年数(例如10年)的情况下，设定为电池劣化度依次上升。在图12的例子中，根据使用期间0年的相对于一定电流累计量(一定SOC变动量)的电动势电压变动量即ΔOCV/ΔAHR、和使用期间15年的电动势电压变动量/一定电流累计量即ΔOCV’/ΔAHR，对使用期间0年的劣化度参数D0和使用期间15年的劣化度参数D15进行规格化，算出电池劣化度D。

(ii)根据内部电阻的电池劣化度算出方法

在容许输入电流值算出单元42中，将通过电流传感器14和电压传感器16在充放电中同步检测出的电流和电压示出在图13中，以此进行绘图，根据以最小二乘法求出的直线的斜度来算出电池的内部电阻R。

在电池的通常损耗劣化中，电池内部电阻的上升与电池容量降低具有相关关系，因此，式：电池容量劣化ΔCap＝F(内部电阻的上升度ΔR)的关系成立。因此，使用从HVECU30的计时器38输出的电池的使用期间、和求出的电池的内部电阻示出在来算出电池劣化度。即，在该例中，在容许输入电流值算出单元42中，如图14所示，在使用期间超过了预定的年数(例如10年)的情况下，设定为电池劣化度依次上升。在图14的例子中，根据使用期间0年的内部电阻R0、和使用期间15年的内部电阻R15，对使用期间0年的劣化度参数D0和使用期间15年的劣化度参数D15进行规格化，算出电池劣化度D。

(iii)根据满充电容量的电池劣化度算出方法

因为电池的劣化与电池的容量降低有相关关系，所以在容许输入电流值算出单元42中，将在SOC推定单元24中推定出的满充电容量推定值[Ah]、和从HVECU30的计时器38输出的电池的使用期间，如图15所示绘图而制作映射图，推定容量劣化度。即，在该例中，在容许输入电流值算出单元42中，如图16所示，在使用期间超过了预定的年数(例如10年)的情况下，设定为电池劣化度依次上升。在图16的例子中，根据使用期间0年的满充电容量推定值C0、和使用期间15年的满充电容量推定值C15，对使用期间0年的劣化度参数D0和使用期间15年的劣化度参数D15进行规格化，算出电池劣化度D。

并且，在容许输入电流值算出单元42中，使用根据从上述的(i)到(ii)所述的电池劣化度算出方法的至少一种方法得到的劣化参数D，如图17所示，算出修正系数η。在本实施方式中，如图17所示，例如使用期间从0年到10年的劣化参数D0到D10使用同一值。这是因为电池是以能够维持例如10年的一定的功能为前提而使用的，通过使用同一劣化度直到10年，进行稳定的控制。在该例中，使用一定的修正系数η＝0.7。10年以后(例如图17所示从10年到25年)，与电池的劣化程度相应地，使修正系数η适当从例如0.7向0.5变化，进而在25年以后，为了防止电池的充放电控制出问题，如图17所示，即使电池仍在劣化，也将修正系数η维持为例如0.5而进行下限保护。但是，在相关情况下，可以另外显示催促作为电池的锂离子二次电池的替换的信息等，采取防止使用超过25年的锂离子二次电池的单元(方法)。图17的方法为一个例子，但并不限定于此，可以与劣化参数D相应地算出即时修正系数η。作为劣化参数D，在将D0～D10设为1.0时，在超过了D10的情况下，可以设为D＝1.0-((2/7)/15)×(使用年数-10年)，对修正系数η乘以该时间点的D来算出。由此变为D25＝1-(2/7)，乘以使用年数25年的劣化参数D得到的修正系数η为η＝0.7-0.2＝0.5。实际上，可以将与使用年数相应的劣化参数D作为映射进行存储。而且，也可以存储乘以D得到的修正系数η。

通过上述充放电控制，能够抑制因作为电池使用的锂离子二次电池的使用引起的性能降低，能够稳定地从电池得到输出。在上述的实施方式中，对车辆的电池的充放电控制进行了叙述，但也可以适用于其他用途的锂离子二次电池。

本发明可以在将锂离子二次电池用作电池的领域进行利用，也可以在例如车辆的制造等中进行利用。

附图标记的说明

10电池、12温度传感器、14电流传感器、16电压传感器、20电池的充放电控制装置、22电池用电子控制单元、24SOC推定单元、26发动机用电子控制单元、28电动机用电子控制单元、30混合动力用电子控制单元、40输入许可电力调整单元、42容许输入电流值算出单元、44输入电力限制值算出单元、46前馈控制用电池输入电力限制值算出单元、50升压转换器兼逆变器、52电动机、54发电机、56动力分配统合机构、58发动机、60驱动轮、100混合动力汽车。

Claims (14)

1.一种电池的充放电控制装置，

具有输入许可电力调整单元，该输入许可电力调整单元在充放电时基于充电履历，以使由锂离子二次电池构成的电池的负极电位不降低到锂基准电位的方式，调整对所述电池的输入许可电力。

2.根据权利要求1所述的电池的充放电控制装置，其中，

所述输入许可电力调整单元，基于作为在负极不析出金属锂的最大电流而设定的容许充电电流，决定所述输入许可电力，以与充电持续时间相应地减少所述容许充电电流、与放电持续时间相应地增加容许充电电流的方式，改变所述输入许可电力。

3.根据权利要求2所述的电池的充放电控制装置，其中，

所述输入许可电力调整单元，基于使所述容许充电电流偏移预定量得到的输入电流限制目标值，决定所述输入许可电力。

4.根据权利要求1所述的电池的充放电控制装置，其中，还具有：

检测电池电流的电池电流检测单元；

检测电池温度的电池温度检测单元；以及

推定所述电池的充电状态的充放电推定单元，

所述输入许可电力调整单元具备：

容许输入电流值算出单元，其使用检测出的时间t时的电池电流值和电池温度值以及推定出的充电容量值，求出充电时的每单位时间的容许输入电流值减少量或放电时的每单位时间的容许输入电流值恢复量，并且求出每单位时间的因放置不管产生的容许电流量恢复量，基于上次算出的上次算出容许输入电流值I_lim(t-1)或仅初次设定容许输入电流值I_lim(0)，算出对电池的容许输入电流值I_lim(t)；和

输入电力限制值算出单元，其算出基于所得到的容许输入电流值I_lim(t)求出的电池输入电力限制值，

所述输入许可电力调整单元基于所得到的电池输入电力限制值来调整对所述电池的输入许可电力。

5.根据权利要求4所述的电池的充放电控制装置，其中，

所述输入电力限制值算出单元，基于将所述容许输入电流值I_lim(t)减小预定量得到的输入电流限制目标值，算出电池输入电力限制值。

6.根据权利要求4所述的电池的充放电控制装置，其中，

所述容许输入电流值算出单元，进一步算出对所得到的容许输入电流值I_lim(t)考虑了锂离子二次电池劣化状态而得到的对电池的容许输入电流值I_lim’(t)，

所述输入电力限制值算出单元，基于所得到的容许输入电流值I_lim’(t)，算出电池输入电力限制值。

7.根据权利要求4所述的电池的充放电控制装置，其中，

在所述输入电力限制值算出单元中，对所得到的对电池的容许输入电流值I_lim(t)考虑锂离子二次电池劣化状态，求出输入电流限制目标值。

8.根据权利要求5所述的电池的充放电控制装置，其中，

在所述输入电力限制值算出单元中，对所得到的对电池的容许输入电流值I_lim’(t)考虑锂离子二次电池劣化状态，求出输入电流限制目标值。

9.根据权利要求5所述的电池的充放电控制装置，其中，

在所述输入电力限制值算出单元中，根据与所述输入电流限制目标值和实际的电池电流值之间的差量相应的电力值、与预先设定的电池输入电力限制规定值SW_in(t)之间的差量，算出电池输入电力限制值W_in(t)。

10.根据权利要求1所述的电池的充放电控制装置，其中，

所述充放电控制装置还具备上限电压控制单元，该上限电压控制单元以使锂离子二次电池的上限电压不超过预先设定的上限电压的方式进行控制。

11.根据权利要求3所述的电池的充放电控制装置，其中，

所述输入许可电力调整单元，算出流过所述容许充电电流时的电池的输入电力，基于算出的输入电力来决定所述输入许可电力。

12.根据权利要求5所述的电池的充放电控制装置，其中，

所述输入许可电力调整单元，进一步求出在将所述输入电流限制目标值I_tag(t)设为了充电电流时的电池电压V_tag(t)，根据输入电流限制目标值I_tag(t)和电压V_tag(t)来算出基础电力SW_in’(t)，基于该基础电力SW_in’(t)、以及输入电流限制目标值I_tag(t)与实际的电池电流值之间的差，决定电池的输入许可电力。

13.根据权利要求7所述的电池的充放电控制装置，其中，

所述充放电控制装置具有使用期间存储单元，该使用期间存储单元存储从电池安装时起累积计数得到的使用期间，

所述容许输入电流值算出单元，根据从使用期间存储单元得到的电池的使用期间，改变所述锂离子二次电池劣化状态。

14.一种混合动力汽车，其具备电动机和发动机，并通过所述电动机和发动机的至少一方的驱动力进行行驶，所述混合动力汽车具备：

电池，其由向所述电动机供给电力并且进行再生能量的蓄电的锂离子二次电池构成；和

权利要求1所述的电池的充放电控制装置。

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