CN102447140B - 锂离子电池的控制装置 - Google Patents

Abstract

为了提供一种锂离子电池，即使在为了防止锂电结晶引起的容量劣化而预先设定上限电压的情况下，也能抑制SOC的使用区域的减少。锂离子电池的控制装置，其中该锂离子电池构成为能在与负载之间接收发送电力，且对应所述锂离子电池的容量劣化，升高上限电压。

Description

锂离子电池的控制装置

技术领域

本发明涉及锂离子电池的控制装置，特别涉及能抑制因锂离子电池的劣化而引起的容量以及输出下降的锂离子电池的控制装置。

背景技术

在EV(Electric Vehicle：电动车)或HEV(HybridElectrical Vehicle：混合动力电动车)等车辆中，搭载有对电动机等供给电力的蓄电器。在蓄电器中设置有多个蓄电池。

尽管搭载于EV或HEV的蓄电池追求规定的输出，但一般而言，若中长期地放置蓄电池，则因电极的表面被氧化膜覆盖而输出特性下降。若像这样蓄电池的输出下降，则判断为电池劣化，一般会进行控制使得降低蓄电池的输出。这是由于，在不管蓄电池是否劣化而要求蓄电池劣化前的输出的情况下，蓄电池会成为超载状态，从而加速蓄电池的寿命劣化。

为了消除蓄电池的劣化，需要通过对蓄电池进行规定的放电处理，即所谓的刷新处理，来进行蓄电池的激活，但没有设想以搭载于混合动力车或电动车的状态来进行蓄电池的激活。

另外，在专利文献1中，公开了在铅蓄电池的劣化时使SOC的使用域上升的技术。

另一方面，近年，锂离子电池作为蓄电池而受到关注。锂离子电池由于重量轻且能获得高能量密度，因此，优选用作车辆搭载用高输出电源是值得期待的。

专利文献1：JP特开2001-339864号公报

然而，众所周知的是锂离子电池因电结晶而产生容量劣化，因此要进行控制使得在预先设定的上限电压的范围内进行充电。在此，电结晶是指，通过对锂离子进行电还原，在电极表面形成锂金属而析出。因此，若电池劣化，则会产生与新品时相比充电量或再生输出减少，行驶距离变短的问题。

专利文献1以铅蓄电池为对象，而且具体如何增大SOC使用域是不明确的。

发明内容

本发明鉴于上述事实而提出，其目的在于，提供一种即使在为了防止锂电结晶引起的容量劣化而预先设定上限电压的情况下，也能抑制SOC的使用区域的减少的锂离子电池。

为了达成上述目的，涉及第一方面的发明是构成为在与负载(例如，后述实施方式的电动机·发电机2)之间能收发电力的锂离子电池(例如，后述实施方式的蓄电池23)的控制装置(例如，后述实施方式的电动机ECU26、蓄电池ECU30)，特征在于，其对应所述锂离子电池的容量劣化，升高上限电压。

为了达成上述目的，涉及第二方面的发明是具有正极和负极的锂离子电池(例如，后述实施方式的蓄电池23)的控制装置(例如，后述实施方式的电动机ECU26、蓄电池ECU30)，特征在于，其通过对应在负极产生的容量劣化使正极的电位上升，来升高上限电压。

涉及第三方面的发明是在第一方面或者第二方面的构成的基础上，特征在于，在电解液的迁移率变低的温度以下的温度，推定劣化状态，来升高上限电压。

涉及第四方面的发明是在第三方面的构成的基础上，特征在于，在摄氏0℃以下的温度，升高上限电压。

涉及第五方面的发明是在第三方面的构成的基础上，特征在于，在锂电结晶电压为上限开路电压以下时，升高上限电压。

涉及第六方面的发明是在第一方面或者第二方面的构成的基础上，特征在于，通过检测所述锂离子电池的内部电阻来判断所述锂离子电池的容量劣化。

涉及第七方面的发明是在第一方面或者第二方面的构成的基础上，特征在于，所述负载是电动机(例如，后述实施方式的电动机·发电机2)，所述控制装置对应容量劣化来计算上限电压，并比较所述锂离子电池的电压(例如，后述实施方式的上限开路电压)和所述上限电压，且根据比较结果来给出充电输出限制指令。

涉及第八方面的发明是在第七方面的构成的基础上，特征在于，所述锂离子电池是车辆用的蓄电池。

涉及第九方面的发明是一种电动车，具备：电动机；锂离子电池，其构成为能在与所述电动机之间接收发送电力；和劣化检测装置，其检测或推定所述锂离子电池的劣化程度，特征在于，根据所述锂离子电池的劣化程度，升高再生时所述锂离子电池的上限电压。

根据第一、第二以及第九方面的发明，虽然锂离子电池一般会因劣化而导致负极电位的容量下降，且若直接以下降后的容量来进行使用，则SOC的使用区域会减少，但通过升高上限电压，能确保SOC的使用区域。

根据第三方面的发明，由于锂析出引起的电压降在低温状态下大，因此通过由与电量的增减对应的上限开路电压(以下，也称作OCV(OpenCircuit Voltage))和温度来改变校正量，从而能确保SOC的使用区域。

根据第四方面的发明，特别是在电解液的活性差的摄氏0℃以下，锂电结晶变多，SOC的使用区域变少，因此特别有效。

根据第五方面的发明，在锂电结晶电压高于上限开路电压时，不需要升高上限电压，若达到电池自身的上限则终止校正，从而能抑制劣化。

根据第六方面的发明，由于内部电阻随电池劣化加剧而上升，因此能通过对内部电阻进行检测而能容易地判断锂离子电池的容量劣化。

根据第七方面的发明，能恰当地管理充电输出。

根据第八方面的发明，由于在作为车辆用蓄电池使用的情况下，不能自由地进行与刷新操作等车辆行驶不同的控制，因此通过利用该控制来不管电池是否劣化地升高上限电压，能确保SOC的使用区域。

附图说明

图1是说明由本发明的一实施方式的锂离子电池的控制装置所控制的电源系统的构成的概略框图。

图2是表示恒定电流充电时的电池电压和电池容量之间的关系的曲线图。

图3是表示恒定电流充电时的正极·负极的电位和电池容量之间的关系的曲线图。

图4是计算新品以及劣化时的再生输出的曲线图。

图5是表示控制流程的流程图。

图6是表示Li电结晶电压的温度依赖性的图。

(符号说明)

2：电动机·发电机(负载)

23：蓄电池(锂离子电池)

24：PDU

26：电动机ECU(控制装置)

27：电压传感器

28：电流传感器

29：温度传感器

30：蓄电池ECU(控制装置)

33：劣化检测器

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的电动车的驱动装置的实施方式。此外，在符号的方向观察附图。

图1是说明由本发明的一实施方式的锂离子二次电池(以下，称作锂离子电池)的控制装置所控制的电源系统的构成的概略框图。该锂离子电池的控制装置特别用于电动车或混合动力车等车辆。

参照图1，在电源系统5中，将作为负载的电动机·发电机2经由功率驱动电路(以下，称作PDU)24与作为电源的蓄电池23连接，并经由PDU24在与蓄电池23之间能收发电力(电动机M的动力运行(力行)动作时的供给电力或再生动作时的再生电力)。

蓄电池23由锂离子电池构成。

在此，关于锂离子电池的模型，若以将正极设为锂钴氧化物的锂离子电池为例，则基本的充放电反应如下。

正极反应：

${\mathrm{Li}}_{1-x}{\mathrm{CoO}}_2+{\mathrm{xxLi}}^{+}+{\mathrm{xe}}^{-}\⇔{\mathrm{LiCoO}}_2---\left(1\right)$

负极反应：

${\mathrm{Li}}_{x}C\⇔C+\mathrm{xLi}+{\mathrm{xe}}^{-}---\left(2\right)$

电池整体反应：

${\mathrm{Li}}_{1-x}{\mathrm{CoO}}_2+{\mathrm{Li}}_{x}C\⇔{\mathrm{LiCoO}}_2+C---\left(3\right)$

在该蓄电池23中，在放电时，通过在负极的电极反应，锂原子Li因电子e^-的释放而成为锂离子Li⁺，并被释放到隔膜中的电解液中。另一方面，在正极的电极反应中，电解液中的锂离子Li⁺被吸入，从而吸收电子e^-。由此，在正极的内部锂原子Li被吸入。相反，在充电时，通过在负极的电极反应，电解液中的锂离子Li⁺被吸入，而在正极的电极反应中，向电解液释放锂离子Li⁺。

在电动机·发电机2，具备为了检测电动机·发电机2的动作状态而检测电动机·发电机2的转速NM的转速传感器等传感器，另外，为了进行电动机·发电机2的动作控制，还具备由包含CPU等的电子电路构成的电动机控制器(以下，称作电动机ECU)26。对该电动机ECU26输入来自转速传感器的输出信号等。然后，电动机ECU26基于来自转速传感器的输出信号(输入数据)或预先规定的处理等，经由PDU24对所请求的动作，控制电动机·发电机2的发电、驱动。

另外，在蓄电池23具备：分别检测蓄电池23的端子间的电压V以及电流A(以下，分别称作蓄电池电压V、蓄电池电流A)的电压传感器27、电流传感器28；和检测蓄电池23的温度T(以下，称作蓄电池温度T)的温度传感器29，而且，为了监测蓄电池23的状态，还具备：蓄电池控制器(以下，称作蓄电池ECU)30，其由包含CPU等的电子电路构成；和劣化检测器33，其检测蓄电池23的劣化量。对该蓄电池ECU30和劣化检测器33输入电压传感器27、电流传感器28、温度传感器29的输出信号等。然后，蓄电池ECU30基于来自各传感器的输出信号(输入数据)和根据劣化量而预先规定的处理，进行蓄电池23的剩余容量(SOC：State of charge(充电状态))的计算、涉及蓄电池23的寿命等的劣化判定处理等。

将电动机ECU26和蓄电池ECU30设为经由总线彼此连接，且能彼此收发各自从各传感器27～29获取的各检测数据、在控制处理时生成的数据。通过该电动机ECU26和蓄电池ECU30，构成了本发明的控制装置。

劣化检测器33计算蓄电池23的内部电阻值，并根据该内部电阻值来进一步计算蓄电池23的寿命，从而判定劣化的程度即劣化量D。随着蓄电池23的劣化加剧，如图2所示，电池电压下的容量会下降。因此，若在相同的上限电压的范围内进行充电，则与新品时相比，产生充电容量的下降。

在此，蓄电池ECU30根据从劣化检测器33输出的劣化量D来判断劣化状态，并在劣化量D超过规定值情况下进行控制，使得通过升高上限电压来增加充电(再生)电压的使用域。然后，将充电(再生)输出限制值作为指令值输出给电动机ECU26。

此外，现有技术的锂离子电池需要在负极Li不电结晶的电位范围内进行使用，因此能将上限电压限制于作为在负极Li不电结晶的电位范围的正·负极间电压，但根据本发明者的锐意研究的结果可知，如图3所示，在负极Li不电结晶的电位范围内的正极电位，在劣化时会上升。因此，在蓄电池23的劣化时，能将可使用的正·负极间电压取得较宽。参照图2，在如此充电(再生)时，若是与新品时相同的上限电压(新品时上限电压)，则只能使用容量A，但通过将上限电压升高到劣化后上限电压，则能将可使用域增加到容量B，通过增加SOC的可使用域，能实现燃油效率的提高。

另外，在规定的电压下改变电流值的等级来进行恒定电流充放电，求取其近似直线，并将其倾斜度设为内部电阻(R)，Y轴上坐标设为起始开路电压(起開回路電压)(E₀)，则电池的最大再生输出成为V＝E₀-I×R。利用由该结果求取的E₀和R来计算到上限电压为止的输出值，并将最大输出(W)设为W＝上限电压×(E₀-上限电压)/R。参照图4可知，在固定上限电压的情况下，新品时W₀{W₀＝V₀×(E₀-V₀)/R₀}的输出劣化后，下降到W₁{W₁＝V₀×(E₀-V₀)/R₁}，但通过对应劣化来升高上限电压，能改善到W₂{W₂＝V₁×(E₀-V₁)/R₁}。因此，蓄电池性能寿命将延长，车辆总行驶距离将变长。

图5是表示控制装置的控制流程的流程图。

首先，蓄电池ECU30根据劣化量D是否超过规定值来检测劣化的有无。然后，若劣化量D为规定值以下，则判定为无劣化并再次检测劣化有无。另外，在劣化量D超过规定值而判定为有劣化的情况下，对电动机ECU26发出输出指令以升高蓄电池23的上限电压。

另外，锂电结晶受电池，更具体而言受电解液的温度影响。图6是表示Li电结晶电压的温度依赖性的图。

如图6所示，在锂离子电池中，在比电解液的迁移率变低的0℃更低的温度域，Li电结晶电压急剧下降。因此，若电池温度为0℃以下，则进行控制以升高上限电压，通过升高上限电压能增加SOC的可使用域。此外，0℃仅是一例，还能对应电解液的种类等来适宜选择升高上限电压的温度。

另外，此时，考虑Li电结晶电压的温度依赖性，比较在该温度下的开路电压和Li电结晶电压，可以仅在开路电压为Li电结晶电压以上的情况下升高上限电压，由此增加SOC的可使用域。

例如，若开路电压是V₃，则开路电压始终高于Li电结晶电压，因此进行控制以升高上限电压，若开路电压是V₄，则在开路电压高于Li电结晶电压的0度以下，进行控制以升高上限电压，并在开路电压高于Li电结晶电压的比0度更高的温度区域，维持迄今为止的上限电压。

以上，如说明那样，根据本实施方式，通过对应锂离子电池的容量劣化而升高上限电压，能确保SOC的使用区域。即，在负极不电结晶锂的电位范围内的正极电位在劣化时呈现上升的情况，若直接以下降的容量进行使用，则SOC的使用区域会减少，但通过升高上限电压，能确保SOC的使用区域。

另外，根据本实施方式，在电解液的迁移率变低的温度即摄氏0℃以下推定劣化状态，来升高上限电压，由此即使在电解液的活性差的摄氏0℃以下，也能够抑制SOC的使用区域减少。

另外，根据本实施方式，在锂电结晶电压为开路电压以下时，通过升高上限电压，即使在充放电中产生劣化，也能抑制SOC的使用区域减少。另外，在锂电结晶电压高于开路电压时，不需要升高上限电压，若达到电池自身的上限则终止校正，从而能抑制劣化。

另外，根据本实施方式，锂离子电池的容量劣化能通过检测锂离子电池的内部电阻来进行判断，因此能容易地判断锂离子电池的容量劣化。当然，还能通过直接检测任意的SOC范围内的电容量的变化来检测容量劣化。如图2所示，由于劣化时的上限电压的倾斜度与新品时不同，因此，在规定的值之间即SOC范围内的容量也不同。一般而言，新品的容量更多，且随着劣化，容量变少，因此能由此判断劣化状态。

此外，本发明不限定于前述实施方式，能适宜变形、改良等。

Claims (2)

1.一种锂离子电池的控制装置，该锂离子电池构成为能在与电动机之间接收发送电力，并且具有正极和负极，

该锂离子电池的控制装置的特征在于，

通过检测所述锂离子电池的内部电阻来推定劣化状态，在判定为有劣化时，起因于锂在负极不发生电结晶的电位范围内的正极电位在劣化时上升，而将正负极间电压的上限电压升高到大于新品时上限电压的劣化后上限电压。

2.一种电动车，具备：

电动机；

锂离子电池，其构成为能在与所述电动机之间接收发送电力，并且具有正极和负极；和

劣化检测装置，其通过检测所述锂离子电池的内部电阻来推定劣化状态，

所述电动车的特征在于，

通过检测所述锂离子电池的内部电阻来推定劣化状态，在判定为有劣化时，起因于锂在负极不发生电结晶的电位范围内的正极电位在劣化时上升，而将正负极间电压的上限电压升高到大于新品时上限电压的劣化后上限电压。