CN102934314B - 电池包 - Google Patents

Abstract

抑制在并联了多个电池组时循环电流超过电池组的容许电流的情况。包含并联的多个电池组（10-1~10-X）的电池包（100），各个电池组具有电连接的多个单电池（11）。各个电池组的循环电流，根据如下要素计算：根据串联的单电池的数量（N1～Nx）而变化的电池组的开路电压、表示根据并联的单电池的数量（M1~Mx）而变化的电池组的充电状态的值、和电池组的内部电阻。各个电池组中，并联的单电池的数量和串联的单电池的数量，是在循环电流不超过电池组的容许电流值的条件下决定的数量。

Description

电池包

技术领域

本发明关于电并联有多个电池组的电池包。

背景技术

存在电并联有多个电池组的电池包。例如，在专利文献1中，公开了电并联有特性相互不同的两种电池组的电池包。此处，作为电池组的特性，存在示出相对于SOC（StateOfCharge：充电状态）的减少、开路电压降低倾向的特性。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2008-260346号公报

专利文献2：日本特开2004-328902号公报

专利文献3：日本特开2004-111242号公报

专利文献4：日本特开平05-240890号公报

专利文献5：日本特开2001-297801号公报

专利文献6：日本特开2009-004349号公报

发明内容

发明解决的问题

在电并联多个电池组时，存在在电池组中流动循环电流的情况。此处，由于电池包的结构，存在着在电池组中会流动超过电池组的容许电流值的循环电流的担忧。

用于解决问题的技术方案

本申请的第一发明，是包含并联的多个电池组的电池包，各个电池组，具有电连接的多个单电池。各个电池组的循环电流，根据如下要素计算：根据串联的单电池的数量而变化的电池组的开路电压、表示根据并联的单电池的数量而变化的电池组的充电状态的值、和电池组的内部电阻。各个电池组中，并联的单电池的数量和串联的单电池的数量，是在循环电流不超过电池组的容许电流值的条件下决定的数量。

电池包的电力，能够用于循环电流的计算。此处，电池包的电力，能够设为比要求电力高的电力。在使用电池包的输出使电子设备工作的系统中，要求电力是为了使电子设备进行期望的工作所需要的电池包的电力。

作为电子设备，例如，能够使用电动发电机。此处，电动发电机，能够将从电池包输出的电能量变换为用于使车辆行驶的运动能量。并且，作为要求电力，能够设为对应于预先设定的车辆的行驶模式的电力。

表示充电状态的值，可以设定为在用于电池组的充放电控制的上限值以及下限值之间。表示充电状态的值即SOC（StateOfCharge）（%）是剩余容量（Ah）相对于满充电容量（Ah）的比例。

本申请的第二发明，是电池包的制造方法，该电池包具有分别包含多个单电池，相互并联的多个电池组，该制造方法包含：第一步骤到第三步骤。第一步骤中，根据如下要素计算各个电池组的循环电流：根据串联的单电池的数量而变化的电池组的开路电压、表示根据并联的单电池的数量而变化的电池组的充电状态的值、和电池组的内部电阻。第二步骤中，在循环电流不超过电池组的容许电流值的条件下，确定各个电池组中并联的单电池的数量和串联的单电池的数量。第三步骤中，使用在第二步骤中确定的数量的单电池，安装各个电池组。

发明效果

根据本申请的第一发明以及第二发明，即使并联多个电池组，也能够抑制在电池组流动超过容许电流值的循环电流。

附图说明

图1是表示电池系统的结构的图。

图2是表示电池包的结构的图。

图3是表示电池组的结构的图。

具体实施方式

以下，关于本发明的实施例进行说明。

实施例一

关于作为本发明的实施例一的电池系统，使用图1进行说明。本发明的电池系统，能够搭载于车辆。

电池包100，经由继电器21、22，和变换器30连接。继电器21、22，接受来自控制器（未图示）的控制信号，在接通状态以及断开状态之间切换。继电器21、22为接通状态时，将从电池包100输出的电力供给到变换器30，或将从变换器30输出的电力供给到电池包100。

本实施例中，虽然是将电池包100的电力供给到变换器30，但是不限于此。例如，在电池包100以及变换器30之间，能够配置升压电路。可以是：升压电路将电池包100的输出电压升压，将升压后的电力供给到变换器30。并且，可以是：升压电路将变换器30的输出电压降压，将降压后的电力供给到电池包100。

变换器30，将从电池包100输出的直流电力变换为交流电力，向电动发电机40输出。作为电动发电机40，能够使用三相交流马达。电动发电机40，接受来自变换器30的交流电力，生成用于使车辆行驶的运动能量。由电动发电机40生成的运动能量被传递到车轮。

在使车辆减速，或者使车辆停止时，电动发电机40将车辆制动时产生的运动能量变换为电能量。由电动发电机40生成的交流电力，供给到变换器30，变换器30将交流电力变换为直流电力。电池包100能够接受来自变换器30的直流电力，并储存再生能量。

图2是表示电池包的结构的图。电池包100包含X个的电池组10-1~10-X，这些电池组10-1~10-X电并联。电池组的数量X是2个以上的整数。图3是表示电池组的结构的图。

第一电池组10-1能够由电串联的单电池11和电并联的单电池11构成。作为单电池11，能够使用镍氢电池和/或锂离子电池这样的二次电池。单电池11的形式能够适当设定。

在所谓的圆筒型的单电池11中，在形成为圆筒状的电池壳的内部，容纳发电要素。所谓方形的单电池11中，在沿着长方体形成的电池壳的内部，容纳发电要素。发电要素是进行充放电的要素。发电要素，能够由正极板、负极板、在正极板以及负极板之间配置的间隔体（包含电解液）构成。正极板包含集电板和在集电板的表面形成的正极活性物质层。负极板包含集电板和在集电板的表面形成的负极活性物质层。

第一电池组10-1中，将并联的单电池11的数量设为M1，将串联的单电池11的数量设为N1。M1、N1是1以上的整数。如果M1为1，则第一电池组10-1仅仅由串联的单电池11构成。并且，如果N1为1，则第一电池组10-1仅仅由并联的单电池11构成。如果M1以及N1都为1，则第一电池组10-1由1个单电池11构成。

与第一电池组10-1同样地，第二电池组10-2能够由电串联的单电池11和电并联的单电池11构成。第二电池组10-2中，将并联的单电池11的数量设为M2，将串联的单电池11的数量设为N2。M2、N2是1以上的整数。

与第一电池组10-1同样地，第X电池组10-X能够由电串联的单电池11和电并联的单电池11构成。第X电池组10-X中，将并联的单电池11的数量设为Mx，将串联的单电池11的数量设为Nx。Mx、Nx是1以上的整数。

各电池组10-1~10-X中的单电池11的数量M1~Mx、N1～Nx，可以由后述的方法确定。

在图2所示的结构中，电池包100的电力W（kW），由下述式（1）表示。此处，将电池包100的放电（输出）设为正值，将电池包100的充电（输入）设为负值。

【式1】

W(t)＝V(t)×I(t)

＝V(t)×(I1(t)+I2(t)+…+Ix(t))...(1)

式（1）中，W（t）是时刻t的电池包100的电力。V（t）是时刻t的电池包100的端子间电压，I（t）是在时刻t在电池包100中流动的电流值。I1（t）～Ix（t）分别表示在时刻t各电池组10-1~10-X中流动的电流值。

电池包100的电压V（t），由下述式（2）表示。

【数2】

V(t)＝Vol(t)-I1(t)×R1(TB1(t)，t)

＝Vo2(t)-I2(t)×R2(TB2(t)，t)

＝Vox(t)-Ix(t)×Rx(TBx(t)，t)...(2)

式（2）中，Vo1（t）～Cox（t）分别表示时刻t的各电池组10-1~10-X的电动势（开路电压）。各电池组10-1~10-X的电动势Vo1（t）～Vox（t），根据串联的单电池11的数量N1～Nx和串联的各个单电池11的电动势（开路电压）之积来求出。

R1~Rx分别表示时刻t的电池组10-1~10-X的内部电阻。内部电阻R1~Rx能够表示为时刻t以及温度TB1（t）~TBx（t）的函数。温度TB1（t）~TBx（t）分别表示时刻t的电池组10-1~10-X的的温度。通过确定时刻t以及温度TB1（t）~TBx（t），能够确定内部电阻R1~Rx。内部电阻R1~Rx以及温度TB1~TBx的关系，能够预先确定。

将式（2）变形，代入式（1），能够得到下述式（3）。

【数3】

$W=(\mathrm{VO}1-I1\×\×R1)\×\{I1+\frac{(\mathrm{Vo}2-\mathrm{Vo}1+I1\×R1)}{R2}+\frac{(\mathrm{Vox}-\mathrm{Vo}1+I1\×R1)}{\mathrm{Rx}}\}...\left(3\right)$

在式（3）中，省略了时刻t的变量。以下说明的式中，也省略了时刻t的变量。

式（3）可以由下述式（4）表示。

【数4】

$W=(\mathrm{Vo}1-I1\×R1)\×[R1\×(\frac{1}{R1}+\frac{1}{R2}+\·\·\·+\frac{1}{\mathrm{Rx}})\×I1+\{\frac{(\mathrm{Vo}2-\mathrm{Vo}1)}{R2}+\·\·\·\frac{(\mathrm{Vox}-\mathrm{Vo}1)}{\mathrm{Rx}}\left\}\right]$

$=(\mathrm{Vo}1-I1\×R1)\×\{R1\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}}\×I1+(\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Voi}}{\mathrm{Ri}}-\mathrm{Vo}1\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}})\}...\left(4\right)$

在式（4）中，下标i是1～x的值，对应于电池组10-1~10-X。将式（4）作为I1的函数表示时，得到下述式（5）。

【数5】

$R1^2\×\left(\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}}\right)\×I1^2$

$-R1\×\{\mathrm{Vo}1\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}}-(\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Voi}}{\mathrm{Ri}}-\mathrm{Vo}1\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}})\}\×I1$

$+\{W-\mathrm{Vo}1\×(\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Voi}}{\mathrm{Ri}}-\mathrm{Vo}1\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}})\}=0...\left(5\right)$

此处，如下述式（6）所示，设定α、β以及γ。

【数6】

$\mathrm{\α}=R1^2\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}}$

$\mathrm{\β}=-R1\×\{\mathrm{Vo}1\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}}-(\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Voi}}{\mathrm{Ri}}-\mathrm{Vo}1\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}})\}$

$\mathrm{\γ}=W-\mathrm{Vo}1\×(\mathrm{\Σ}\frac{\mathrm{Voi}}{\mathrm{Ri}}-\mathrm{Voi}\×\mathrm{\Σ}\frac{1}{\mathrm{Ri}})...\left(6\right)$

将式（6）代入式（5），得到下述式（7）。

【数7】

α×I1^2+β×I1+γ＝0...(7)

根据式（7），求解I1的解时，得到式（8）。

【数8】

$I1=\frac{\{\mathrm{\β}-(\mathrm{\β}^2-4\mathrm{\α\γ})^0.5\}}{2\mathrm{\α}}...\left(8\right)$

将式（2）表示的关系式代入式（8）时，得到下述式（9）。

【数9】

$\mathrm{Ix}=\frac{[\mathrm{Vox}-\mathrm{Vo}1+\frac{\{\mathrm{\β}-(\mathrm{\β}^2-4\mathrm{\α\γ})^0.5\}\×R1}{2\mathrm{\α}}]}{\mathrm{Rx}}...\left(9\right)$

如果使用式（9），则能够确定各电池组10-1~10-X的电流值。式（9）中，在X为1时，得到式（8）。

各电池组10-1~10-X的内部电阻R1~Rx，能够通过确定电池包100的温度而确定。如式（2）中所说明，因为内部电阻R1~Rx能够表示为温度TB1~TBx的函数，所以通过预先确定温度TB1~TBx，能够确定内部电阻R1~Rx。电池组10-1~10-X的温度TB1~TBx，能够考虑电池100的使用环境来适当确定。如果能够确定内部电阻R1~Rx，则能够基于式（6），算出α。

并且，通过确定各个电池组10-1~10-X的SOC（StateOfCharge），能够确定各个电池组10-1~10-X的电动势Vo1～Vox。因为SOC以及电动势存在对应关系，如果预先求得表示SOC以及电动势的对应关系的数据，则能够根据SOC确定电动势。如果能够确定各个电池组10-1~10-X的SOC以及电动势Vo1～Vox，则基于式（6），能够算出β。

并且，各个电池组10-1~10-X的SOC1（t）~SOCx（t），能够基于下述式（10）算出。

【数10】

$\mathrm{SOCi}(t+\mathrm{\Δt})=\mathrm{SOCi}\left(t\right)-\mathrm{Ii}\left(t\right)\×\frac{\mathrm{\Δt}}{3600}\×\frac{100}{\mathrm{CAPi}\×\mathrm{Mi}\×\mathrm{\μi}}...\left(10\right)$

式（10）中，下标i是1～x的值，对应于电池组10-1~10-X。SOCi（t），是时刻t的电池组的SOC。SOCi（t+Δt）是经过了时间Δt之后的电池组的SOC。CAPi表示电池组的满充电容量，Mi是在各个电池组10-1~10-X中，并联的单电池11的数量。μ是决定各个电池组10-1~10-X的劣化状态（具体的是容量劣化）的劣化系数。劣化系数μ是例如0~1之间的值，能够基于试验等预先确定。

式（10）中，如果确定了初始状态（时刻t为0）的各个电池组10-1~10-X的SOC1（0）~SOCx（0），则能够算出经过了任意的时间Δt之后的各个电池组10-1~10-X的SOC1（t）~SOCx（t）。式（10）中包含变量Mi，基于式（10）算出的SOC，根据并联的单电池11的数量Mi而变化。

电池组10-1~10-X的充放电控制中，控制电池组10-1~10-X的充放电，使得电池组10-1~10-X的SOC在预先确定的上限值以及下限值的范围内变化。因此，在设定电池组10-1~10-X的SOC时，需要在上限值以及下限值的范围内设定SOC。

另一方面，式（6）中，如果设定电池包100的电力W，则能够确定γ的值。电池包100的电力W，是电池组10-1~10-X的电力W1～Wx的总和。

需要电池包100的电力（具体的，输出）W比预先确定的要求电力（要求输出）高。要求输出基于预先确定的车辆行驶模式（称为目标行驶模式）确定。目标行驶模式表示车速相对于时间轴的变化。如果预先确定目标行驶模式，则能够确定与目标行驶模式对应的电池包100的电力（要求输出）。为了达成目标行驶模式下的行驶，需要电池包100的电力（输出）W比电池包100的要求输出高。

并且，需要满足要求输出的电池包100的电力（输出）W比输出限制值低。电池包100的输出限制值，是各个电池组10-1~10-X的输出限制值的总和。各个电池组10-1~10-X的输出限制值WOUT1～WOUTx，如下式（11）所示，能够使用预先确定的映射WOUT_MAP确定。映射能够针对各个电池组10-1~10-X设置。

【数11】

WOUTi(t)＝WOUT_MAPi(TBi(t)，SOCi(t))...(11)

式（11）中，下标i是1～x的值，对应于电池组10-1~10-X。电池组10-1~10-X的输出限制值WOUT1～WOUTx，依赖于电池组10-1~10-X的温度TB1~TBx以及SOC1~SOCx。因此，如果确定温度TB1~TBx以及SOC1~SOCx，则能够使用映射WOUT_MAP确定各个电池组10-1~10-X的输出限制值WOUT1～WOUTx。

将α、β以及λ的值、和各个电池组10-1~10-X的内部电阻R1~Rx以及电动势Vo1～Vox代入式（9）时，能够算出各个单电池10-1~10-X的电流值I1~Ix。

在电池包100的总电流的值为0时，在电池包100中流动的循环电流是在电池组10-1~10-x中流动的电流。循环电流具有下式（12）的关系。

【数12】

Ik＝-∑Ii(i＝1～k-1，k+1～x)...(12)

在式（12）中，Ik表示在特定的电池组中流动的电流。式（12）的右边表示：在除了特定的电池组的其他所有的电池组中流动的电流的总和。

基于式（12），能够具体地确定满足式（12）的条件的电流值I1~Ix。关于具体确定的电流值I1~Ix，因为存在多个组合，所以从多个组合中，确定各个电流值I1~Ix的最大值以及最小值。例如，关于电流值Ix，因为可以取得多个数值，能够从这些多个数值中，确定最大值以及最小值。

各电流值的I1~Ix的最大值以及最小值，具有下式（13）所示的关系。

【数13】

Ii_max≤Idi_lim...(13)

在式（13）中，下标i是1～x的值，对应于电池组10-1~10-X。Ii_max是在电流值Ii可以取得多个值时，这些值中的最大值。Idi_lim是各个电池组10-1~10-X的连续容许放电电流。连续容许放电电流，根据电池组10-1~10-X的结构（特别是并联的单电池11的数量）而不同。

并且，各个电流值I1～Ix的最小值，具有下式（14）所示的关系。

【数14】

Ii_min≥Ici_lim...(14)

在式（14）中，下标i是1～x的值，对应于电池组10-1~10-X。Ii_min是在电流值Ii可以取得多个值时，这些值中的最小值。Ici_lim是各个电池组10-1~10-X的连续容许充电电流。连续容许充电电流，根据电池组10-1~10-X的结构（特别是并联的单电池11的数量）而不同。

在式（14）中，最小值Ii_min以及连续容许充电电流Ici_lim为负值时，式（14）能够由下述式（15）表示。

【数15】

|Ii_min|≤|Ici_lim|...(15)

能够确定电池组的电流值Ii，使得最大值Ii_max比连续容许放电电流Idi_lim小，并且最小值Ii_min比连续容许充电电流Ici_lim大。换言之，能够设定电流值Ii的可取得值，使得各个电池组的放电电流不超过各个电池组的连续容许放电电流，并且各个电池组的充电电流不超过各个电池组的连续容许充电电流。通过使得最大值Ii_max比连续容许放电电流Idi_lim小、最小值Ii_min比连续容许充电电流Ici_lim大，能够抑制在各个电池组10-1~10-X中流动超过容许值的电流。

如果确定各个电池组10-1~10-X的电流值I1～Ix，使得满足式（13）以及式（14），则基于式（10），能够确定电并联的单电池11的数量M1~Mx。此处，作为M1~Mx，可以取得多个值。

并且，如果确定了各个电池组10-1~10-X的电动势Vo1～Vox，则能够确定各个电池组10-1~10-X中电串联的单电池11的数量N1～Nx。也就是说，因为能够预先测定单电池11的电动势，所以将各个电池组10-1~10-X的电动势Vo1～Vox除以单电池11的电动势，就能够算出电串联的单电池11的数量N1～Nx。

关于电并联的单电池11的数量M1~Mx和电串联的单电池11的数量N1～Nx，当存在多个组合时，能够考虑电池包100的结构，确定单电池11的数量M1~Mx、N1～Nx。此处，如果在单电池11的数量M1~Mx、N1～Nx中选择最少的值，则能够降低电池包100的成本。

如果确定了M1~Mx和N1～Nx，则基于M1~Mx和N1～Nx，能够确定各个电池组10-1~10-X的结构。例如，在安装电池组10-1时，并联M1个单电池11，并且串联N1个单电池11。为了电连接多个单电池11，能够使用总线和/或电缆。

算出M1~Mx以及N1～Nx的处理，能够通过计算机执行。也就是说，通过将为了算出M1~Mx以及N1～Nx所需要的参数输入到计算机，能够得到M1~Mx以及N1～Nx。

本实施例中，根据单电池11的种类，电池组10-1~10-X和/或电池包100的特性会变化。因此，能够根据单电池11的种类，预先求出M1~Mx以及N1～Nx的值。然后，将单电池11的种类和M1~Mx、N1～Nx的值在建立对应的状态下存储到存储器中。如此，如果确定了单电池11的种类，则通过参照存储器中存储的信息，能够容易地确定M1~Mx、N1～Nx的值。

Claims (6)

1.一种电池包，包含并联的多个电池组，其特征在于：

各个所述电池组，具有电连接的多个单电池，

各个所述电池组的循环电流，是在所述电池包的总电流为零时在各个所述电池组中流动的电流，根据如下算式计算：

$\mathrm{\β}=-Rl\×\left\{Vol\×\Σ\frac{l}{Ri}-\left(\Σ\frac{Voi}{Ri}-Vol\×\Σ\frac{l}{Ri}\right)\right\}$

$\mathrm{\γ}=W-Vol\×(\Σ\frac{Voi}{Ri}-Voi\×\Σ\frac{l}{Ri})$

Ik＝-ΣIi(i＝1～k-1，k+1～x)

其中，I是各个所述电池组的循环电流，Vo是根据串联的所述单电池的数量而变化的各个所述电池组的开路电压、R是各个所述电池组的内部电阻，W是并联连接的所述多个电池组的电力的总和，比预先确定的要求电力高，

所述内部电阻R和所述开路电压Vo的下标1、i、x以及所述循环电流I的下标x、k、i是分配给所述多个电池组的值，

各个所述电池组中，并联的所述单电池的数量和串联的所述单电池的数量，是在确定所述各循环电流I1～Ix以使各个所述循环电流I1～Ix的最大值小于所述电池组的连续容许放电电流值、且各个所述循环电流I1～Ix的最小值大于所述电池组的连续容许充电电流的条件下决定的数量。

2.如权利要求1所述的电池包，其特征在于：各个所述电池组，输出用于车辆行驶的能量。

3.如权利要求1所述的电池包，其特征在于：各个所述电池组，输出用于车辆行驶的能量；

所述要求电力是与预先设定的所述车辆的行驶模式对应的电力。

4.一种电池包的制造方法，该电池包具有分别包含多个单电池且并联的多个电池组，所述电池包的制造方法的特征在于，包含：

第一步骤，根据如下算式计算在所述电池包的总电流为零时在各个所述电池组中流动的循环电流：

$\mathrm{\β}=-Rl\×\left\{Vol\×\Σ\frac{l}{Ri}-\left(\Σ\frac{Voi}{Ri}-Vol\×\Σ\frac{l}{Ri}\right)\right\}$

$\mathrm{\γ}=W-Vol\×(\Σ\frac{Voi}{Ri}-Voi\×\Σ\frac{l}{Ri})$

Ik＝-ΣIi(i＝1～k-1，k+1～x)

其中，I是各个所述电池组的循环电流，Vo是根据串联的所述单电池的数量而变化的各个所述电池组的开路电压、R是各个所述电池组的内部电阻，W是并联连接的所述多个电池组的电力的总和，比预先确定的要求电力高，

所述内部电阻R和所述开路电压Vo的下标1、i、x以及所述循环电流I的下标x、k、i是分配给所述多个电池组的值，

第二步骤，在确定所述循环电流I1～Ix以使各个所述循环电流I1～Ix的最大值小于所述电池组的连续容许放电电流值、且各个所述循环电流I1～Ix的最小值大于所述电池组的连续容许充电电流的条件下，确定所述各个电池组中并联的所述单电池的数量和串联的所述单电池的数量，

第三步骤，使用在所述第二步骤中确定的数量的所述单电池，安装各个所述电池组。

5.如权利要求4所述的电池包的制造方法，其特征在于：各个所述电池组，输出用于车辆行驶的能量。

6.如权利要求4所述的电池包的制造方法，其特征在于：各个所述电池组，输出用于车辆行驶的能量；

所述要求电力，是与预先设定的所述车辆的行驶模式对应的电力。