CN103917885B - 二次电池状态检测装置及二次电池状态检测方法 - Google Patents

二次电池状态检测装置及二次电池状态检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明能够准确检测二次电池的恶化程度，并且也能够准确判定是否能够起动发动机。在检测被搭载于车辆中的二次电池的状态的二次电池状态检测装置(1)中具有：测定单元(电压传感器11、电流传感器12、CPU10a)，其在发动机停止时测定二次电池的内部电阻的值；估计单元(CPU10a)，其在发动机起动时向起动电动机供给电力，由此估计起因于在二次电池的电解液中产生的离子扩散的扩散电阻的值；以及计算单元(CPU10a)，其将由测定单元测定出的内部电阻的值与由估计单元估计出的扩散电阻的值相加，根据相加得到的电阻值、在起动发动机时流过的起动电流、和二次电池的起动前电压，计算发动机起动所需的电压即起动电压。

Description

二次电池状态检测装置及二次电池状态检测方法
技术领域
本发明涉及二次电池状态检测装置及二次电池状态检测方法。
背景技术
在专利文献1中公开了这样的技术，使二次电池进行大致矩形形状的脉冲放电，对此时的响应电压进行采样，将其展开为正交的矩形波成分，根据所得到的系数和电流值计算二次电池的准阻抗(pseudoimpedance)，根据该准阻抗判定二次电池的恶化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006－284537号公报
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1公开的技术中，如果长时间持续脉冲放电，将导致二次电池的充电电平下降。并且，为了进行长时间放电而需要使用容量较大的电阻元件，因而导致装置的尺寸变大。基于这些原因，脉冲放电的时间被限制在短时间内。
可是，在二次电池的电阻中存在如图6所示类型的电阻。即，导体电阻、正/负极反应电阻、和扩散电阻。其中，导体电阻和正/负极反应电阻随着二次电池的恶化而增加。扩散电阻不受二次电池的恶化的影响。
测定二次电池的内部电阻的最重要的目的在于检测二次电池的恶化程度。通过将测定内部电阻时的放电时间设定为图6所示的适合于恶化判定的范围，能够实现高精度的恶化程度检测。
另一方面，在起动发动机时，放电时间将持续比测定内部电阻时长的时间(图6所示的发动机起动时的放电时间)，因而如图6所示内部电阻增加扩散电阻的量。
以估计发动机起动电压为目的，提出了根据发动机起动时的电流、电压响应来测定内部电阻的多种方法，但是存在不能准确检测电池的恶化程度、在发动机起动时以外的情况下不能测定内部电阻等问题。
本发明的目的在于，提供一种二次电池状态检测装置及二次电池状态检测方法，能够准确检测二次电池的恶化程度，并且也能够准确判定是否能够起动发动机。
用于解决问题的手段
为了达到上述目的，本发明的二次电池状态检测装置检测被搭载于车辆中的二次电池的状态，其特征在于，该二次电池状态检测装置具有：测定单元，其在发动机停止时测定所述二次电池的内部电阻的值；估计单元，其在所述发动机起动时向起动电动机供给电力，由此估计起因于在所述二次电池的电解液中产生的离子扩散的扩散电阻的值；以及计算单元，其将由所述测定单元测定出的所述内部电阻的值与由所述估计单元估计出的所述扩散电阻的值相加，根据相加得到的电阻值、在起动所述发动机时流过的起动电流、和所述二次电池的起动前电压，计算所述发动机起动所需的电压即起动电压。
根据这种结构，能够准确检测二次电池的恶化程度，并且也能够准确判定是否能够起动发动机。
另外，其它发明的特征在于，在上述发明的基础上，所述估计单元根据所述发动机起动时的放电电流、放电时间和所述二次电池的温度，估计所述扩散电阻的值。
根据这种结构，能够使用这三个参数准确求出扩散电阻。
另外，其它发明的特征在于，在上述发明的基础上，所述估计单元将所述放电电流、所述放电时间及所述二次电池的温度中至少一个参数设为固定值，将其它参数设为可变值来估计所述扩散电阻的值，根据被设为所述固定值的参数来校正所得到的扩散电阻的值。
根据这种结构，通过将至少一个参数设为固定值，能够利用简单的关系式或者表求出扩散电阻。
另外，其它发明的特征在于，在上述发明的基础上，所述估计单元将所述温度设为固定值，将所述放电电流和所述放电时间设为可变值，根据规定的温度时的所述放电电流和所述放电时间估计所述扩散电阻的值，并且根据实测的所述二次电池的温度校正所估计出的扩散电阻的值。
根据这种结构，通过将变动比较大的温度设为固定的参数，能够容易求出扩散电阻。
另外，本发明的二次电池状态检测方法用于检测被搭载于车辆中的二次电池的状态，其特征在于，该二次电池状态检测方法包括：测定步骤，在发动机停止时测定所述二次电池的内部电阻的值；估计步骤，在所述发动机起动时向起动电动机供给电力，由此估计起因于在所述二次电池的电解液中产生的离子扩散的扩散电阻的值；以及计算步骤，将在所述测定步骤中测定的所述内部电阻的值与在所述估计步骤中估计出的所述扩散电阻的值相加，根据相加得到的电阻值、在起动所述发动机时流过的起动电流、和所述二次电池的起动前电压，计算所述发动机起动所需的电压即起动电压。
根据这种方法，能够准确检测二次电池的恶化程度，并且也能够准确判定是否能够起动发动机。
发明效果
根据本发明，能够提供一种二次电池状态检测装置及二次电池状态检测方法，能够准确检测二次电池的恶化程度，并且也能够准确判定是否能够起动发动机。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的二次电池状态检测装置的结构例的图。
图2是表示图1所示的控制部的具体结构例的框图。
图3是用于说明表示恒定扩散的关系的菲克第一定律的图。
图4是表示放电定律及放电时间与扩散电阻之间的关系的图。
图5是说明在图1所示的实施方式中执行的处理的一例的流程图。
图6是表示各种内部电阻的基于放电时间的变化的图。
具体实施方式
下面，说明本发明的实施方式。
(A)实施方式的结构的说明
图1是表示具有本发明的实施方式的二次电池状态检测装置的车辆的电源系统的图。在该图中，二次电池状态检测装置1将控制部10、电压传感器11、电流传感器12、温度传感器13、放电电路15作为主要的构成要素，检测二次电池14的状态。其中，控制部10参照来自电压传感器11、电流传感器12、温度传感器13的输出，检测二次电池14的状态。电压传感器11检测二次电池14的端子电压并通知控制部10。电流传感器12检测流过二次电池14的电流并通知控制部10。温度传感器13检测二次电池14自身或者周围的环境温度并通知控制部10。放电电路15例如由被串联连接的半导体开关和电阻元件等构成，通过由控制部10对半导体开关进行导通/截止控制，使二次电池14间断地放电。控制部10根据在执行间断式放电时的电压和电流求出二次电池14的内部电阻。
二次电池14例如由液体式铅蓄电池等构成，其正极(阳极板)使用二氧化铅，负极(阴极板)使用海绵状的铅，电解液使用稀硫酸，通过交流发电机16进行充电，并且驱动起动电动机18而使发动机17起动，同时向负荷19供给电力。交流发电机16通过由发动机17进行驱动而产生交流电力，通过整流电路被转换为直流电力，对二次电池14进行充电。
发动机17例如由汽油发动机或柴油发动机等往复式发动机、或者旋转式发动机等构成，由起动电动机18进行驱动，通过变送器(transmission)对驱动轮进行驱动并对车辆提供推进力，并且通过驱动交流发电机16而产生电力。起动电动机18例如由直流电动机构成，借助由二次电池14供给的电力产生旋转力并起动发动机17。负荷19例如由电动转向电机、除雾器、点火线圈、车载音频、和车辆导航器等构成，借助来自二次电池14的电力而进行动作。
图2是表示图1所示的控制部10的具体结构例的框图。如该图所示，控制部10具有CPU(CentralProcessingUnit：中央处理单元)10a、ROM(ReadOnlyMemory：只读存储器)10b、RAM(RandomAccessMemory：随机存取存储器)10c、定时器10d、通信部10e、I/F(Interface)10f。其中，CPU10a根据在ROM10b中存储的程序10ba控制各部分。ROM10b由半导体存储器等构成，存储程序10ba等。RAM10c由半导体存储器等构成，存储在执行程序10ba时生成的参数10ca。定时器10d计时时间并进行输出。通信部10e通过通信线与其它装置(例如，未图示的ECU(EngineControlUnit))等连接，与其它装置之间传递信息。I/F10f将从电压传感器11、电流传感器12、温度传感器13供给的信号转换为数字信号并读取，并且向放电电路15供给驱动电流并对其进行控制。
(B)实施方式的概略的动作的说明
下面，参照图3～5说明实施方式的概略的动作。在本实施方式中，求出能够起动发动机17的二次电池14的电压即起动电压。另外，起动电压能够根据下面的式(1)求出。
起动电压＝起动前电压+起动电流×内部电阻……(1)
其中，起动前电压是指对起动电动机18通电前的二次电池14的电压，起动电流是指在起动电动机18旋转时流过的电流，内部电阻是指二次电池14的内部的电阻成分。另外，例如在发动机17停止时，通过放电电路15使二次电池14间断地进行脉冲放电，将根据此时的电压和电流而测定出的值、与利用后述的方法求出的扩散电阻相加，由此能够得到内部电阻。并且，作为起动电流，优选采用在发动机17的转动动力输出轴(cranking)中除突入电流之外电压最低的点、即起动电动机18的转矩最大的点(下面称为“最大转矩点”)。另外，最大转矩点例如能够通过检测电流的极小值来求出。
可是，在内部电阻中存在如图6所示的导体电阻、正/负反应电阻和扩散电阻。其中，导体电阻是与电极板的电子传导相关的电阻。正/负反应电阻是指在电解液和活性物质界面中的电荷的移动电阻。另外，扩散电阻是指二次电池的电解液中的离子(对于铅蓄电池指硫酸离子)参与到充放电反应中，在放电时离子被活性物质消耗，电解液浓度下降，相反在充电时被释放出来，电解液浓度上升。因此，在电极附近形成离子的浓度梯度(concentrationgradient)，由于该浓度梯度而产生的就是扩散电阻。如前面所述，在发动机17起动时扩散电阻增加，因而相比根据脉冲放电而测定出的内部电阻，内部电阻值增加扩散电阻的量。因此，在不考虑扩散电阻的情况下，基于内部电阻的电压下降增大了扩散电阻的量，尽管在基于起动电压Vs的判定中判定为能够起动发动机17，但是产生不能起动发动机17的情况。
因此，在本实施方式中，估计扩散电阻，并将该扩散电阻与内部电阻相加，根据相加得到的值求出起动电压。由此，能够得到准确的起动电压，因而能够准确判定可否起动。
图3是用于说明表示恒定扩散的关系的菲克第一定律的图。在该图中，横轴表示位置，纵轴表示浓度。在该图中，J表示扩散束或者流束(flux)，被定义为每单位时间在单位面积中通过的某种性质的量。例如，在质量通过的情况下，利用[ML-2T-1]来赋值维数。D表示扩散系数，维数表示为[L-2T-1]，c表示浓度，维数为[ML-3]，x表示位置，维数为[L]。其中，扩散系数D根据温度来确定，浓度斜率dc/dx根据放电时间和放电电流来确定。因此，在本实施方式中，根据发动机17起动时的二次电池14的放电电流、放电时间和温度求出扩散电阻。
图4是表示规定的温度时的放电时间及放电电流与扩散电阻的关系的图。如该图4所示，扩散电阻在放电时间越长时越大，并且在电流越小时越大。在本实施方式中，例如求出过去数次起动时的放电电流的平均值和放电时间的平均值，根据这些平均值，从如图4所示的曲线图求出规定的温度(例如25℃)时的扩散电阻，根据二次电池14的温度校正该求出的扩散电阻，并且将通过校正而得到的扩散电阻的值与在发动机17停止时根据基于放电电路15的脉冲放电而求出的内部电阻的值相加，将相加得到的值代入前述的式(1)，由此求出准确的起动电压。
下面，参照图5说明本发明的实施方式的具体动作。图5是说明在图1所示的实施方式中执行的处理的一例的流程图。在发动机17停止时按照规定的周期(例如每数小时或者每数日)执行图5所示的流程。在执行该流程的处理时执行以下的步骤。
在步骤S1，CPU10a通过I/F10f对放电电路15进行导通/截止控制，由此使二次电池14进行脉冲放电。具体地讲，例如使二次电池14按照具有毫秒级的脉冲宽度的矩形脉冲进行放电。当然，也可以是除此以外的脉冲宽度。
在步骤S2，CPU10a通过电压传感器11和电流传感器12取得脉冲放电时的电压V和电流I。
在步骤S3，CPU10a判定是否执行了规定的次数的脉冲放电，在判定为执行了规定的次数的脉冲放电的情况下(步骤S3：是)，进入步骤S4，在除此以外的情况下(步骤S3：否)，返回到步骤S1，反复与前述情况时相同的处理。例如，在反复了数十次脉冲放电的情况下，进入步骤S4。当然，也可以是除此以外的次数。
通过以上的步骤S1～S3的处理，通过放电电路15使二次电池14进行规定的次数的脉冲放电，并且通过电压传感器11和电流传感器12测定此时的电压V和电流I。
在步骤S4，CPU10a根据在步骤S1～S3的反复处理中测定出的脉冲放电时的二次电池14的电压V和电流I，求出二次电池14的内部电阻R。另外，这样求出的内部电阻R对应于图6所示的导体电阻和正/负反应电阻的电阻。
在步骤S5，CPU10a取得起动时放电电流Id。在此，起动时放电电流例如是指在发动机17起动时从二次电池14供给起动电动机18的电流的平均值。CPU10a在发动机17起动时通过电流传感器12测定起动时放电电流，并作为RAM10c的参数10ca进行存储。并且，在步骤S5，CPU10a取得被存储在RAM10c中的起动时放电电流Id。另外，关于起动时放电电流Id，也可以使用数次起动的放电电流的平均值。
在步骤S6，CPU10a取得起动时放电时间Td。在此，起动时放电时间Td例如是指在发动机17起动时从二次电池14向起动电动机18供给电流的时间。具体地讲，CPU10a在发动机17起动时通过定时器10d测定起动时放电时间，并作为RAM10c的参数10ca进行存储。并且，在步骤S6，CPU10a取得被存储在RAM10c中的起动时放电时间Td。另外，关于起动时放电时间Td，也可以使用数次起动的起动时间的平均值。
在步骤S7，CPU10a根据在步骤S5、S6取得的起动时放电电流Id和起动时放电时间Td，计算扩散电阻Rd。具体地讲，将图4所示的表示规定的温度(例如25℃)时的放电电流及放电时间与扩散电阻之间的关系的表或者关系式，作为RAM10c的参数10ca进行存储，根据表或者关系式取得与在步骤S5、S6取得的起动时放电电流Id和起动时放电时间Td对应的扩散电阻Rd的值。
在步骤S8，CPU10a通过温度传感器13取得二次电池14自身或者其周围的温度Tc。
在步骤S9，CPU10a根据在步骤S8取得的温度Tc，校正在步骤S7计算出的扩散电阻Rd的值。具体地讲，将表示温度Tc与扩散电阻Rd的关系的表或者关系式作为RAM10c的参数10ca进行存储，根据在步骤S8取得的温度Tc，校正在步骤S7求出的扩散电阻Rd的值。
在步骤S10，CPU10a将在步骤S4求出的内部电阻R的值与在步骤S9进行了温度校正的扩散电阻Rd的值相加，将相加得到的值作为内部电阻R重新进行存储。由此，内部电阻R成为被加算了扩散电阻Rd的值。
在步骤S11，CPU10a取得起动前电压Vb。在此，起动前电压是指在起动发动机17以前的二次电池14的电压。CPU10a通过电压传感器11测定在发动机17起动前的电压，并作为RAM10c的参数10ca进行存储。并且，在步骤S11，CPU10a取得被存储在RAM10c中的起动前电压Vb。另外，关于起动前电压，例如也能够采用最近的放电电流大致为0A的时刻的电压或者稳定电压估计值。
在步骤S12，CPU10a根据在步骤S11取得的起动前电压Vb、在步骤S10被加算了校正后的扩散电阻Rd的内部电阻R、在步骤S5取得的起动时放电电流Id，求出起动电压Vs(＝Vb+R×Id)。另外，根据这样求出的起动电压Vs和二次电池14的电压，能够判定是否能够起动发动机17或者是否需要更换二次电池14。这样得到的判定结果例如能够通过通信部10e发送给未图示的上位的装置即ECU等。
通过以上的处理，将由于在起动时流过起动电动机18的电流而产生的扩散电阻Rd与内部电阻R相加，根据相加得到的内部电阻R的值求出起动电压Vs，因而能够准确求出起动电压Vs。
并且，在以上的处理中，将变动比较大的温度作为固定值，根据变动较小的起动时放电电流和起动时放电时间求出扩散电阻，根据实测的温度校正所求出的扩散电阻，因而能够使计算简化，从而使处理高速化。
另外，在以上的实施方式中，求出将图6所示的不受二次电池14的恶化的影响的扩散电阻Rd去除后的内部电阻R，并且根据该内部电阻R，基于与扩散电阻之和(R+Rd)而计算适合于估计起动电压的内部电阻。由此，能够一并做到通过使用前者的内部电阻R能够准确进行二次电池14的恶化检测，并且通过使用考虑了扩散电阻Rd的后者的内部电阻(R+Rd)能够估计准确的起动电压。
(C)变形实施方式的说明
以上的实施方式仅是一例，当然本发明不限于如上所述的情况。例如，在以上的实施方式中根据脉冲放电来求出内部电阻R，但是也可以利用除此以外的方法求出。具体地讲，例如能够使交流电流流过二次电池14，根据此时的电压求出内部电阻。
并且，在以上的实施方式中，将温度Tc固定为规定的值，根据所取得的起动时放电电流Id和起动时放电时间Td求出扩散电阻Rd，但也可以是，将起动时放电电流Id或者起动时放电时间Td中一方固定为规定的值，根据表示它们中的另一方与温度Tc的关系的表或者关系式求出扩散电阻Rd，然后根据被设为固定值的参数进行校正。更具体地讲，也可以是，将起动时放电电流Id固定为规定的值，根据表示起动时放电时间Td与温度Tc的关系的表或者关系式求出扩散电阻Rd，根据起动时放电电流Id的测定值校正所求出的值。或者，将起动时放电时间Td固定为规定的值，根据表示起动时放电电流Id与温度Tc的关系的表或者关系式求出扩散电阻Rd，根据起动时放电时间Td的测定值校正所求出的值。另外，以上是将一个参数固定，但也可以是，例如将两个参数固定为规定的值来求出扩散电阻Rd，根据固定的参数的实测值校正扩散电阻Rd。
并且，关于起动时放电电流和起动时放电时间，也可以采用在各车辆中假定的最大的电流和时间。在这种情况下，能够进一步简化处理。
标号说明
1二次电池状态检测装置；10控制部；10aCPU(测定单元、估计单元、计算单元)；10bROM；10cRAM；10d定时器；10e通信部；10fI/F；11电压传感器(测定单元)；12电流传感器(测定单元)；13温度传感器；14二次电池；15放电电路；16交流发电机；17发动机；18起动电动机；19负荷。

Claims (5)

1.一种二次电池状态检测装置，该二次电池状态检测装置检测被搭载于车辆中的二次电池的状态，其特征在于，该二次电池状态检测装置具有：
测定单元，其在发动机停止时测定所述二次电池的内部电阻的值；
存储单元，其关于多个放电电流值，存储表示由于放电电流而在所述二次电池的电解液中产生的离子扩散导致的扩散电阻的时间变化的信息；
估计单元，其测定在所述发动机起动时流过起动电动机的电流和起动所述发动机所需的时间，将所述时间应用于所述存储单元所存储的关于对应的放电电流值的信息，由此估计扩散电阻的值；以及
计算单元，其将由所述测定单元测定出的所述内部电阻的值与由所述估计单元估计出的所述扩散电阻的值相加，根据相加得到的电阻值、在起动所述发动机时流过的起动电流、和所述二次电池的起动前电压，计算所述发动机起动所需的电压即起动电压。
2.根据权利要求1所述的二次电池状态检测装置，其特征在于，所述估计单元根据所述发动机起动时的放电电流、放电时间和所述二次电池的温度，估计所述扩散电阻的值。
3.根据权利要求2所述的二次电池状态检测装置，其特征在于，所述估计单元将所述放电电流、所述放电时间及所述二次电池的温度中至少一个参数设为固定值，将其它参数设为可变值来估计所述扩散电阻的值，根据所述被设为固定值的参数来校正所得到的扩散电阻的值。
4.根据权利要求3所述的二次电池状态检测装置，其特征在于，所述估计单元将所述温度设为固定值，将所述放电电流和所述放电时间设为可变值，根据规定的温度时的所述放电电流和所述放电时间来估计所述扩散电阻的值，并且根据实测的所述二次电池的温度来校正所估计出的扩散电阻的值。
5.一种二次电池状态检测方法，用于检测被搭载于车辆中的二次电池的状态，其特征在于，该二次电池状态检测方法包括：
测定步骤，在发动机停止时测定所述二次电池的内部电阻的值；
存储步骤，关于多个放电电流值，存储表示由于放电电流而在所述二次电池的电解液中产生的离子扩散导致的扩散电阻的时间变化的信息；
估计步骤，测定在所述发动机起动时流过起动电动机的电流和起动所述发动机所需的时间，将所述时间应用于所述存储步骤中存储的关于对应的放电电流值的信息，由此估计扩散电阻的值；以及
计算步骤，将在所述测定步骤中测定出的所述内部电阻的值与在所述估计步骤中估计出的所述扩散电阻的值相加，根据相加得到的电阻值、在起动所述发动机时流过的起动电流、和所述二次电池的起动前电压，计算所述发动机起动所需的电压即起动电压。
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