CN102576053B - 电池状态推断方法及电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了能够减少由重复放电引起的响应电压的过渡性变化并高精度地推断电池的劣化度或放电能力的电池状态推断方法及电源系统。在本实施方式的电池状态推断方法中，放电后的恢复时间随着放电次数的增加而延长，使用指数函数近似表示放电次数与恢复时间的关系。使用根据该近似式求出的恢复时间形成如图1所示的放电图样，按照该放电图样进行电池的放电，从而能够获得大致恒定的响应电压。然后，根据所测量的响应电压与放电电流计算出亚稳态时的阻抗，据此判断电池的劣化度或放电能力。

Description

电池状态推断方法及电源系统

技术领域

本发明涉及对向负载供给电力的电池的劣化度或放电能力等状态进行推断的电池状态推断方法及电源系统的技术领域，特别是涉及通过推断电源的阻抗来推断劣化度或放电能力的电池状态推断方法等技术领域。

背景技术

一直以来，公知有对安装在汽车等上的电池的劣化度或放电能力进行推断的技术，例如存在有专利文献1所述的技术。

一般地，电池的阻抗与电池的劣化度或放电能力具有较强的相关性，因此只要能够检测电池的阻抗，使用所检测的阻抗就能够推断电池的劣化度或放电能力。通过推断电池的劣化度或放电能力，能够判断电池是否正在进行劣化或者放电能力是否正在降低，当正在进行劣化或者放电能力正在降低时，能够促使使用者更换电池。

在具有电池的电源系统中，作为推断该电池的劣化度或放电能力的方法，一直以来公知有在电池中使规定的充电电流或放电电流流动、测量此时的电流及电压、根据所测量的电流及电压通过规定的运算来计算出阻抗的方法。

电池的阻抗成为在实验室等条件完备的环境中准确地表示电池的劣化度或放电能力的指标，但是在实际使用的环境，作为代表性例子安装用于汽车的环境中，汽车用电池的阻抗测量是在暴露于由电气设备等产生的噪声中的环境下进行的。为此，例如在专利文献1所述的电池的劣化测量方法中，提出了通过使电池以恒定的周期放电来流出恒定频率的放电电流、对放电电流的电流波形及电压波形进行傅立叶变换并求出阻抗的方法。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第3367320号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，在上述以往的阻抗测量方法中，存在有如下问题。电池的阻抗不仅受到噪声等的影响，也因电池的充电状态或极化状态而受到影响。为了消除这种影响并高精度地求出阻抗，例如如图2所示，优选以充电电量与放电电量相等的方式使电流流动。在实验室等的环境中能够容易地实现使这样的电流在电池中流动，但是在实际的安装在车辆上的电池中，不能够通入如图2所示的正/负交替变化的电流。为了通入这样的电流，需要将所谓的双极电源安装在车辆上，成本增高。

因此，在安装在车辆上的电池中，一般广泛地使用对仅由如图3所示的放电引起的电流·电压响应情况进行测量、根据测量的电流·电压计算出阻抗的方法。公知当根据仅由这种放电引起的响应来计算阻抗时，针对电池仅重复进行放电，因此其响应电压范围如图4所示逐渐降低。当电压范围表示这种响应时，单纯靠响应电压除以施加电流而计算出的阻抗随着响应电压的变化而变化。因而，根据如此求出的阻抗，不能够准确地推断电池的劣化度或放电能力。

解决问题的手段

因此，本发明就是为了解决这种问题而做成的，其目的在于提供能够减少由重复放电引起的响应电压的过渡性变化并高精度地推断电池的劣化度或放电能力的电池状态推断方法及电源系统。

为了解决上述问题，本发明的电池状态推断方法的第1技术方案是一种电池状态推断方法，其根据以规定的放电图样使电池放电时的上述电池的电流值与响应电压来推断上述电池的阻抗，使用该阻抗来判断上述电池的劣化度或放电能力，其特征在于，以上述放电时的响应电压成为大致恒定的方式形成上述放电图样。

本发明的电池状态推断方法的其他技术方案的特征在于，将放电的电流范围及时间范围设为恒定，以上述放电时的响应电压成为大致恒定的方式来调整使上述放电停止的恢复时间并形成上述放电图样。

本发明的电池状态推断方法的其他技术方案的特征在于，以上述放电时的响应电压成为大致恒定的方式依次延长上述恢复时间并形成上述放电图样。

本发明的电池状态推断方法的其他技术方案的特征在于，在将放电次数设为N、将调整参数设为A及B、将直至开始第N次放电的上述恢复时间设为Th(N)时，利用下式

Th(N)＝A+B×exp(N)

计算出上述恢复时间Th(N)。

本发明的电池状态推断方法的其他技术方案的特征在于，在将放电次数设为N、将调整参数设为C及D、将直至开始第N次放电的上述恢复时间设为Th(N)时，当放电次数N为规定次数以下时，利用下式

Th(N)＝C+D×N

计算出上述恢复时间Th(N)。

本发明的电源系统的第1技术方案的特征在于，该电源系统具有：电池；放电电路，其用于以规定的电流值使上述电池放电；电流传感器，其测量上述电池的电流；电压传感器，其测量上述电池的电压；控制部件，其控制上述放电电路；上述控制部件以使用上述电压传感器测量出的放电时的响应电压成为大致恒定的方式控制上述放电电路。

本发明的电源系统的其他技术方案的特征在于，上述控制部件在每个规定的恢复时间向上述放电电路输出将放电电流范围及时间范围设为恒定的放电请求信号。

本发明的电源系统的其他技术方案的特征在于，上述控制部件一边依次延长上述恢复时间一边向上述放电电路输出上述放电请求信号。

本发明的电源系统的其他技术方案的特征在于，在将放电次数设为N、将调整参数设为A及B、将直至开始第N次放电的上述恢复时间设为Th(N)时，上述控制部件利用下式

Th(N)＝A+B×exp(N)

确定上述恢复时间Th(N)并向上述放电电路输出上述放电请求信号。

本发明的电源系统的其他技术方案的特征在于，在将放电次数设为N、将调整参数设为C及D、将直至开始第N次放电的上述恢复时间设为Th(N)时，上述控制部件在放电次数N为规定次数以下时利用下式

Th(N)＝C+D×N

确定上述恢复时间Th(N)并向上述放电电路输出上述放电请求信号。

发明的效果

采用本发明，能够提供能够减少由重复放电引起的响应电压的过渡性变化并高精度地推断电池的劣化度或放电能力的电池状态推断方法及电源系统。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的电池状态推断方法所使用的放电图样的一个例子的图示；

图2是表示以充电电量与放电电量相等的方式形成的放电图样的一个例子的图示；

图3是表示以往的仅由放电形成的放电图样的一个例子的图示；

图4是表示使用了以往的仅由放电形成的放电图样时的响应电压的图示；

图5是表示恒定的脉冲放电后的恢复时间的图示；

图6是表示随着放电次数的增加而延长了恢复时间的施加电流图案的图示；

图7是表示使用了随着放电次数的增加而延长了恢复时间的放电图样时的响应电压的图示；

图8是表示第1实施方式的电池状态推断方法的处理流程的流程图；

图9是表示本发明的第2实施方式的电池状态推断方法所使用的放电图样的一个例子的图示；

图10是表示本发明的实施方式的电源系统的概略结构的框图。

具体实施方式

参照附图详细说明本发明的优选实施方式中的电池状态推断方法及电源系统。关于具有相同功能的各个构成部，为了简化图示及说明，标记相同的符号并示出。

第1实施方式

使用图1、图5至图8说明本发明的第1实施方式的电池状态推断方法。说明了当针对电池仅重复进行放电时，响应电压范围如图4所示逐渐降低的情况，但这是由电池内部的极化、叠层等影响引起的情况，这种影响减少并直至恢复到稳定的状态，花费了规定的时间。另外，直至恢复到稳定的状态所需的时间具有越增加放电次数时间越长这样的特性。作为一个例子，图5中示出了在进行了恒定的脉冲放电之后测量直至恢复到原来的电压所需的恢复时间而得到的结果。如该图所示可知，放电次数越增加，放电后的恢复时间越长，而且当放电次数增多时，恢复时间的增加量呈加速度增大。

因此，在本实施方式的电池状态推断方法中，考虑到如图5所示的电池的恢复时间的特性，随着放电次数的增加而延长从电池放电的时间间隔。作为施加电流，如图6所示，在将进行施加的时间范围(以下，设为T1)及电流范围(以下，设为I1)设为恒定时，当随着放电次数的增加而适当地延长进行施加的间隔时，如图7所示，能够使响应电压成为大致恒定。

如上所述，当相对于恒定的施加电流(施加时间范围T1及电流范围I1恒定)获得恒定的响应电压时，通过响应电压除以施加电流，作为阻抗能够获得恒定值。在该情况下，电池未成为消除了极化、叠层等的稳定的状态，因此未成为稳定时的阻抗。因此，以下，将如上计算出的阻抗称作亚稳态时的阻抗。在稳定时的阻抗与电池的劣化度或放电能力之间存在有一对一的关系，使用该关系根据稳定时的阻抗能够检测电池的劣化度或放电能力。

但是，在本实施方式的电池状态推断方法中，由于相对于恒定的施加电流能够获得恒定的响应电压，因此在此时的亚稳态时的阻抗与电池的劣化度或放电能力之间一对一的关系也是成立的。因此，在本实施方式的电池状态推断方法中，事先求出亚稳态时的阻抗与电池的劣化度或放电能力的关系，使用该关系根据亚稳态时的阻抗来检测电池的劣化度或放电能力。作为亚稳态时的阻抗与电池的劣化度或放电能力的关系，以下使用事先制作的关系式F(X)(X是亚稳态时的阻抗)来推断电池的劣化度或放电能力。

在本实施方式的电池状态推断方法中，利用下式近似表示图5所示的放电次数与直至放电开始的恢复时间的关系。

Th(N)＝A+B×exp(N)(1)

其中，N表示放电次数，Th(N)表示直至开始第N次放电的恢复时间。在本实施方式中，使用指数函数来近似表示图5所示的恢复时间的变化，使用图5的恢复时间数据来最佳近似表示式(1)，从而确定式(1)的参数A、B。图1中示出了使用式(1)确定了恢复时间Th(N)的放电图样的一个例子。

通过使用图1所示的放电图样10进行电池的放电，所测量的响应电压成为大致恒定值。而且，根据所测量的响应电压与图1所示的放电电流能够计算出亚稳态时的阻抗X。由此，能够使用关系式F(X)判断电池的劣化度或放电能力。

使用图8所示的流程图详细说明本实施方式的电池状态推断方法。在此，事先制作式(1)的放电次数与直至放电开始的恢复时间的关系式Th(N)以及亚稳态时的阻抗X与电池的劣化度或放电能力的关系式F(X)，使用该关系式进行电池的状态推断。

当开始检测电池状态时，首先在步骤S1中将放电次数N初始化为1。在接下来的步骤S2中，以放电范围I1针对电池进行放电时间范围T1的放电。在步骤S3中，测量在步骤S2中进行的放电期间中的响应电压。在步骤S4中，将在步骤S2的放电期间中测量的响应电压保存到规定的存储器等中。作为所保存的响应电压，在图7所示的响应电压例子中，例如能够选择最低的响应电压。或者，也能够使用放电期间中的测量电压的平均值。在使用任意响应电压的情况下，均需要与此对应地事先制作阻抗X与电池的劣化度或放电能力的关系式F(X)。

在步骤S5中，判断放电次数N是否达到目标次数(设为Nmax)，当未达到目标次数时，进入步骤S6。在步骤S6中将放电次数N加1，在接下来的步骤S7中计算出直至开始第N次放电的恢复时间Th(N)。然后，在步骤S8，等待经过恢复时间Th(N)。当经过恢复时间Th(N)时，再次返回步骤S2，重复进行直至步骤S4的处理。

另一方面，在步骤S5中，当判断为放电次数N达到目标次数Nmax时，接下来进入步骤S9，读出在步骤S4中保存的所有的响应电压。然后，在步骤S10，计算所读出的响应电压的平均值Va。在本实施方式的状态推断方法中，与放电次数N无关地能够获得几乎恒定的响应电压，但是在此，为了减少响应电压的测量值的偏差而计算出其平均值。当响应电压的测量值的偏差非常小时，未必必须进行步骤S10的处理，只要使用任意的响应电压即可。

进而，在步骤S11中，根据在步骤S10中计算出的响应电压Va与放电范围I1，利用下式计算出阻抗。

X＝Va/T1    (2)

使用利用上式计算出的阻抗X，在步骤S12中判断F(X)(与规定的阀值的比较)并判断电池的劣化度或放电能力。

另外，在上述处理流程中，在步骤S11的阻抗X的计算中使用了放电范围I1，但是也能够代而使用电流测量值。在该情况下，在步骤S3中与响应电压一起也测量电流，在步骤S4中与响应电压一起将电流测量值也保存到存储器中。由此，在步骤S11中，能够使用保存在存储器中的电流测量值计算出阻抗X。

如上所述，采用本实施方式的电池状态推断方法，能够减少由重复放电引起的响应电压的过渡性变化并将其设为大致恒定，能够使用该响应电压高精度地推断电池的劣化度或放电能力。

第2实施方式

使用图9说明本发明的第2实施方式的电池状态推断方法。在本实施方式的电池状态推断方法中，取代第1实施方式的式(1)而使用下述式(3)表示放电次数N与直至放电开始的恢复时间的关系。

Th(N)＝C+D×N    (N≤Nb时)(3)

或者

Th(N)＝A+B×exp(N)(N＞Nb时)(4)

式(3)在放电次数N为规定的次数Nb以下时利用放电次数N的一次式近似计算出恢复时间Th(N)。当放电次数N大于规定的次数Nb时，与第1实施方式一样，利用式(4)所示的放电次数N的指数函数计算出恢复时间Th(N)。图9中示出了在本实施方式的电池状态推断方法中所使用的放电图样的一个例子。在该图中，开始放电的初始的放电图样20a是使用上述式(3)计算出恢复时间的放电图样，放电图样20b是使用上述式(4)计算出恢复时间的放电图样。

在本实施方式的电池状态推断方法中，当放电次数较少时，使用式(3)所示的一次式计算出恢复时间，从而能够减轻在计算恢复时间Th(N)时所使用的运算处理装置的负载。

以下，使用图10说明本发明的电源系统的实施方式。图10是表示本实施方式的电源系统100的结构的框图。电源系统100具有电池101、对电池101进行充电的交流发电机102、以规定的放电电流从电池101进行放电的放电电路103、进行电池101的状态推断的电池状态推断装置110。另外，在电池101上连接有负载105。

另外，电池状态推断装置110具有电流传感器111、电压传感器112、控制部件113、存储器114。第1实施方式及第2实施方式的电池状态推断方法使用控制部件113进行处理。即，从控制部件113向放电电路103输出放电范围I1、放电时间范围T1的放电请求信号并使其放电，分别使用电流传感器111及电压传感器112测量之间的电流及响应电压。另外，利用控制部件113计算出直至放电开始的恢复时间，在达到恢复时间的时刻再次向放电电路103输出放电请求信号并使其放电。利用电流传感器111及电压传感器112测量的电流及响应电压被保存到存储器114中，在所有的放电结束后用于计算阻抗X。

在如上构成的本实施方式的电源系统中，使用第1实施方式及第2实施方式的电池状态推断方法能够高精度地进行电池101的状态推断，能够向使用者适当地通知电池101的劣化度或放电能力。

另外，本实施方式中的记载是表示本发明的电池状态推断方法及电源系统的一个例子，并不限定于此。关于本实施方式中的电池状态推断方法等的详细结构及具体动作等，在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当地进行变更。

附图标记说明

100、电源系统；

101、电池；

102、交流发电机；

103、放电电路；

105、负载；

110、电池状态推断装置；

111、电流传感器；

112、电压传感器；

113、控制部件；

114、存储器。

Claims (8)

1.一种电池状态推断方法，其根据以规定的放电图样使电池放电时的上述电池的电流值与响应电压推断上述电池的阻抗，使用该阻抗来判断上述电池的劣化度或放电能力，其特征在于，

以上述放电时的响应电压成为大致恒定的方式形成上述放电图样；

将放电的电流范围及时间范围设为恒定，以上述放电时的响应电压成为大致恒定的方式调整使上述放电停止的恢复时间并形成上述放电图样。

2.根据权利要求1所述的电池状态推断方法，其特征在于，

以上述放电时的响应电压成为大致恒定的方式依次延长上述恢复时间并形成上述放电图样。

3.根据权利要求1或2所述的电池状态推断方法，其特征在于，

在将放电次数设为N、将调整参数设为A及B、将直至开始第N次放电的上述恢复时间设为Th(N)时，利用下式

Th(N)＝A+B×exp(N)

计算出上述恢复时间Th(N)。

4.根据权利要求3所述的电池状态推断方法，其特征在于，

在将放电次数设为N、将调整参数设为C及D、将直至开始第N次放电的上述恢复时间设为Th(N)时，当放电次数N为规定次数以下时，利用下式

Th(N)＝C+D×N

计算出上述恢复时间Th(N)。

5.一种电源系统，其特征在于，该电源系统具有：

电池；

放电电路，其用于以规定的电流值使上述电池放电；

电流传感器，其测量上述电池的电流；

电压传感器，其测量上述电池的电压；

控制部件，其控制上述放电电路；

上述控制部件以使用上述电压传感器测量出的放电时的响应电压成为大致恒定的方式控制上述放电电路；

上述控制部件在每个规定的恢复时间向上述放电电路输出将放电电流范围及时间范围设为恒定的放电请求信号。

6.根据权利要求5所述的电源系统，其特征在于，

上述控制部件一边依次延长上述恢复时间一边向上述放电电路输出上述放电请求信号。

7.根据权利要求5或6所述的电源系统，其特征在于，

在将放电次数设为N、将调整参数设为A及B、将直至开始第N次放电的上述恢复时间设为Th(N)时，上述控制部件利用下式

Th(N)＝A+B×exp(N)

计算出上述恢复时间Th(N)并向上述放电电路输出上述放电请求信号。

8.根据权利要求7所述的电源系统，其特征在于，

在将放电次数设为N、将调整参数设为C及D、将直至开始第N次放电的上述恢复时间设为Th(N)时，上述控制部件在放电次数N为规定次数以下时利用下式

Th(N)＝C+D×N

计算出上述恢复时间Th(N)并向上述放电电路输出上述放电请求信号。