CN104937431A - 充电率估计装置及充电率估计方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种充电率估计装置和充电率估计方法，其以良好精确性对电池的充电率进行估计，该电池具有较大极化，需要长时间用于去极化并且在SOC-OCV特性中具有较大充放电滞后性。该充电率估计装置包括：用于测量电池的闭路电压的电压测量单元；用于使用所测量的闭路电压、参考充电模式信息并且估计充电模式下的充电率的充电估计单元，在该充电模式信息中使当充电器正以恒定电流充电时的电池的充电率和闭路电压相互关联；以及用于使用所测量的闭路电压、参考放电模式信息并且估计放电模式下的充电率的放电估计单元，在该放电模式信息中使用通过利用确定的致动模式致动车辆而获得的电池的放电模式而生成的闭路电压和充电率相互关联。

Description

充电率估计装置及充电率估计方法
技术领域
本发明涉及充电率估计装置及对充电率进行估计的充电率估计方法。
背景技术
测量闭路电压(CCV)并且通过利用所测量的闭路电压来估计开路电压(OCV)以通过利用开路电压来估计充电率(state of charge(充电状态)，SOC)是一种用于估计电池的充电率的已知方法。
然而，对于需要长时间直至极化消除的二次电池，因为电池在其SOC-OCV特性中具有大的充电/放电时的滞后性，所以难以根据开路电压准确地估计充电率。使用例如SiO(一氧化硅)用于负电极的二次电池是一种需要长时间直至极化消除的已知二次电池。
此外，对可再充电电池中的剩余容量进行准确检测的剩余可再充电电池容量检测装置是一种用于估计充电率的已知技术。参见例如专利文件1。
专利文件1：日本公开特许公报第2001-281306号
发明内容
鉴于上面描述的问题完成本发明，本发明的目的是提供一种充电率估计装置及对电池中的充电率进行准确估计的充电率估计方法，所述电池具有大的极化，需要长时间用于去极化，并且在其SOC-OCV特性中具有大的充电/放电滞后性。
根据本发明的一个方面，一种充电率估计装置包括电压测量单元、充电估计单元和放电估计单元。电压测量单元对电池的闭路电压进行测量。
充电估计单元使用所测量的闭路电压、参考充电模式信息来估计充电模式下的充电率，该充电模式信息将当用充电器进行恒定电流充电时电池的闭路电压与充电率相关联。
放电估计单元通过使用所测量的闭路电压、参考放电模式信息来估计放电模式下的充电率，该放电模式信息将利用通过以预定操作模式操作车辆而获得的电池的放电模式而生成的闭路电压与电池的充电率相关联。
根据本发明的实施方式，提供了以下优点：对具有大极化、需要长时间用于去极化并且在电池的SOC-OCV特性中具有大的充电/放电滞后性的电池中的充电率进行准确估计。
附图说明
图1是充电/放电装置的示例。
图2是表示充电/放电时的SOC-OCV特性的示例的一组曲线图。
图3是表示充电/放电时的SOC-CCV特性的示例的曲线图。
图4是表示根据第一实施方式的操作的示例的流程图。
图5是表示充电模式信息和放电模式信息的数据结构的示例的一组表格。
图6是表示根据第二实施方式的操作的示例的流程图。
图7是表示根据第二实施方式的充电模式信息的数据结构的示例的表。
图8是表示根据第三实施方式的操作的示例的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图详细描述本发明的实施方式。
现在将描述第一实施方式。
图1是充电/放电装置的示例。图1中的充电/放电装置1具有充电率估计装置并且包括例如电池2、电压测量单元3、控制单元4、存储器5、充电器6以及开关SW1和SW2。图1中的负载7是能够通过从充电/放电装置1接收电力而操作的装置。例如，可操作的装置可以是装配在车辆上的马达。
充电率估计装置包括例如电压测量单元3、控制单元4、存储器5以及开关SW1和SW2。
电池2是例如具有大的极化、需要长时间用于去极化并且具有大的充电/放电滞后性的二次电池。二次电池可以是例如使用SiO负电极作为负电极的锂离子二次电池。然而，二次电池不限于使用SiO作为负电极的锂离子二次电池。
现在将描述根据本实施方式的二次电池，其具有大的极化、需要长时间用于去极化并且具有大的充电/放电滞后性。图2是表示充电/放电时的SOC-OCV特性的示例的一组曲线图。图2中纵坐标为开路电压(OCV[V])并且横坐标为充电率(SOC[％])的曲线图201和202表示自从断电(de-energizing)已在25℃处经过了3个小时的状态。由曲线203来表示充电时的SOC-OCV特性，并且由曲线204来表示放电时的SOC-OCV特性。
具有大的极化的二次电池是例如以下的二次电池，该二次电池的极化与其中使用碳负电极作为负电极的常规二次电池的极化相比较大。
如在曲线图202的示例中所看到的，如果使用具有SiO负电极的二次电池，则在点A与点B之间的充电率的差(滞后性)在充电/放电时的开路电压指示3.3[V]时是15.5±7.5[％]。这意味着：曲线203上的点A与曲线204上的点B的充电率是与点A和B的平均充电率15.5[％]偏离7.5[％]。另外，针对具有碳负电极的二次电池，在自从断电已在25℃处经过了3个小时的状态中，假定当充电/放电时的开路电压指示3.3[V]时，作为测量充电率(滞后性)之差的结果获得4.4±0.2[％]。在该情况下，具有SiO负电极的二次电池的充电率之差与具有碳负电极的二次电池的充电率之差相比较大，因此具有SiO负电极的二次电池具有大的极化。根据本实施方式，当充电/放电时的开路电压指示3.3[V]时所获得的充电率之差被用来进行比较，但是当充电率的差变成最大时的开路电压不限于3.3[V]。
需要长时间用于去极化的二次电池是例如以下二次电池，该二次电池需要的用于去极化的时间与其中使用碳负电极作为负电极的常规的二次电池所需要的用于去极化的时间相比较长。如果具有碳负电极的二次电池的极化例如在10分钟内消除，则在经过大于10分钟后极化仍未消除的二次电池是需要长时间用于去极化的二次电池。更具体地，如果在经过大于10分钟后极化仍未消除并且从SOC-OCV特性获得的充电率不小于±1[％]，则该二次电池是需要长时间用于去极化的二次电池。这是以下情况：充电时的曲线上的点与放电时的曲线上的点的充电率是偏离每个点的平均充电率大于或等于1[％]。
图1描述了使用一个电池的示例，但是它不限于一个电池，并且可以使用多个电池。
电压测量单元3对电池2中的电压进行测量。电压测量单元3可以是例如电压表。由电压测量单元3所测量的数据被输出至控制单元4。
可以使用CPU(中央处理单元)、多核CPU、可编程装置(现场可编程门阵列FPGA)和/或PLD(可编程逻辑装置)来配置控制单元4(诸如计算机)。
存储装置5可以是存储器或者硬盘，诸如只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。存储器5可以在其上存储诸如参数值和变量值的数据，或者可以在执行时用作工作区。当控制单元4具有存储装置时可以不使用存储装置5。
充电器6是从电源装置接收电力以对电池2进行充电的装置。
开关SW1和SW2根据来自控制单元4的指令来对充电和放电进行切换，在控制单元4中例如可以使用继电器。根据本实施方式，使用两个开关SW1和SW2来在充电与放电之间进行切换，但是实施方式不限于图1中所示出的电路。
现在将描述控制单元。
控制单元4具有充电估计单元8，所述充电估计单元8利用由电压测量单元3所测量的电池2中的闭路电压通过参考充电模式信息来估计充电模式下的充电率。充电模式是通过充电器6从外面对电池2正进行充电的模式。充电模式信息是将当由充电器6执行恒流充电时的电池2中的闭路电压与充电率相关联的信息。
此外，控制单元4具有放电估计单元9，所述放电估计单元9利用所测量的闭路电压通过参考放电模式信息来估计放电模式的充电率。放电模式是车辆正在移动的模式。放电模式信息是将电池中的闭路电压与充电率相关联的信息，该闭路电压是利用通过以预定操作模式操作例如车辆而获得的电池2的放电模式而生成。
存储器5可以在其上存储充电模式信息和放电模式信息。
现在将描述在充电模式信息和放电模式信息下的闭路电压与充电率之间的关系。
图3是表示充电/放电时的SOC-CCV特性的示例的曲线图。表示SOC-CCV特性的图3中的曲线图301中的曲线302示出了当由充电器6执行恒流充电时的电池2中的闭路电压与充电率之间的关系。通过例如实验或者模拟来获得充电模式下的闭路电压与充电率之间的关系。
曲线图301中的曲线303表示了闭路电压与充电率之间的关系，该闭路电压是利用通过以预定操作模式操作例如车辆而获得的电池2的放电模式而生成。
预定操作模式可以是例如JC-08模式或LA#4模式，该预定操作模式是当车辆是电动车辆(EV)或者插电式混合动力车辆(PHV)时用于通过行进模式来测量燃料效率的方法。当车辆是铲车时，可以使用预定行进模式或工作模式。
放电模式是当在行进模式或工作模式下操作车辆时装备于车辆上的诸如电池2的电池中放电时的闭路电压的模式。由实验或模拟通过利用放电时的闭路电压来获得放电模式下的闭路电压与充电率之间的关系。
现在将描述对控制单元的操作。
图4是表示根据第一实施方式的操作的示例的流程图。在步骤S401中，控制单元4从电压测量单元3获得闭路电压。在步骤S402中，控制单元4确定模式是放电模式还是充电模式。当该模式是放电模式(是)时，该过程进行至步骤S403，并且当该模式是充电模式(否)时，该过程进行至步骤S404。
在步骤S403中，控制单元4通过参考放电模式信息来获得与从电压测量单元3所获得的闭路电压对应的充电率。在步骤S404中，控制单元4通过参考充电模式信息来获得与从电压测量单元3所获得的闭路电压对应的充电率。在步骤S405中，控制单元4确定充电率。
图5是表示充电模式信息与放电模式信息的数据结构的示例的一组表格。充电模式信息501包括：针对充电时的闭路电压的存储在“充电时的CCV”中的信息；以及针对与闭路电压对应的充电率的存储在“充电率SOC[％]”中的信息。根据本实施方式，“充电时的CCV”在其中存储了表示闭路电压“cm00”、“cm01”、“cm02”、“cm03”、“cm04”、“cm05”、“cm06”...“cm17”、“cm18”、“cm19”和“cm20”的信息。根据本实施方式，“充电率SOC[％]”在其中与闭路电压相关联地存储表示充电率“0”、“5”、“10”、“15”、“20”、“25”、“30”...“85”、“90”、“95”和“100”的信息。
放电模式信息502包括：针对放电时的闭路电压的存储在“放电时的CCV”中的信息；以及针对与闭路电压对应的充电率的存储在“充电率SOC[％]”中的信息。根据本实施方式，“放电时的CCV”在其中存储了表示闭路电压“dm00”、“dm01”、“dm02”、“dm03”、“dm04”、“dm05”、“dm06”...“dm17”、“dm18”、“dm19”和“dm20”的信息。根据本实施方式，“充电率SOC[％]”在其中与闭路电压相关联地存储表示充电率“0”、“5”、“10”、“15”、“20”、“25”、“30”...“85”、“90”、“95”和“100”的信息。
根据第一实施方式，提供了以下优点：通过改变用于在充电与放电之间进行估计的信息来准确地估计电池中的充电率，所述电池具有大的极化，需要长时间用于去极化并且在电池的SOC-OCV特性中具有大的充电/放电滞后性。
现在将描述第二实施方式。
在第二实施方式中，针对每个充电方法提供充电模式信息。图6是表示根据第二实施方式的操作的示例的流程图。在步骤S601中，控制单元4从电压测量单元3获得闭路电压。在步骤S602中，控制单元4获得充电方法信息。所述充电方法信息表示充电方法并且包括表示例如以100V充电、以200V充电和快速充电的信息。当以100V充电时，控制单元4获得包括表示以100V充电的信息的充电方法信息。
在步骤S603中，控制单元4确定模式是放电模式还是充电模式。当该模式是放电模式(是)时，该过程进行至步骤S604，并且当该模式是充电模式(否)时，该过程进行至步骤S605。
在步骤S604中，控制单元4通过参考在第一实施方式中使用的放电模式信息来获得与从电压测量单元3所获得的闭路电压对应的充电率。在步骤S605中，控制单元4通过参考待在第二实施方式中使用的充电模式信息来获得与从电压测量单元3所获得的闭路电压对应的充电率。在步骤S606中，控制单元4确定充电率。
图7是表示根据第二实施方式的充电模式信息的数据结构的示例的表格。充电模式信息701包括：针对充电时的闭路电压的存储在“充电时的CCV”中的信息；以及针对与闭路电压对应的充电率的存储在“充电率SOC[％]”中的信息。“充电时的CCV”包括“100V”，该“100V”在其中存储当以100V充电时的闭路电压；“200V”，该“200V”在其中存储当以200V充电时的闭路电压；以及“快速充电”，该“快速充电”在其中存储当快速地充电时的闭路电压。
根据本实施方式，“100V”在其中存储表示闭路电压“cm00”、“cm01”、“cm02”、“cm03”、“cm04”、“cm05”、“cm06”...“cm17”、“cm18”、“cm19”和“cm20”的信息。“200V”在其中存储表示闭路电压“cn00”、“cn01”、“cn02”、“cn03”、“cn04”、“cn05”、“cn06”...“cn17”、“cn18”、“cn19”和“cn20”的信息。“快速充电”在其中存储表示闭路电压“cr00”、“cr01”、“cr02”、“cr03”、“cr04”、“cr05”、“cr06”...“cr17”、“cr18”、“cr19”和“cr20”的信息。根据本实施方式，“充电率SOC[％]”与表示存储在“100V”、“200V”和“快速充电”的每一个中的闭路电压的信息相关联地、在其中存储表示充电率“0”、“5”、“10”、“15”、“20”、“25”、“30”...“85”、“90”、“95”和“100”的信息。
根据第二实施方式，提供了以下优点：通过改变用于在充电与放电之间进行估计的信息来准确地估计电池中的充电率，所述电池具有大的极化，需要长时间用于去极化并且在电池的SOC-OCV特性中具有大的充电/放电滞后性。
如果二次电池针对每种充电方法具有不同的放电时SOC-OCV特性，则可以针对每种充电方法存储闭路电压、以使用将所存储的闭路电压与充电率相关联的放电模式信息。
现在将描述第三实施方式。
在第三实施方式中，对测量的闭路电压的偏差进行校正以提高对充电率进行估计的准确度。提供闭路电压的偏差的因子包括电流负荷、电池2的温度或者电池2周围的温度、电池容量以及电池2的劣化。
图8是表示根据第三实施方式的操作的示例的流程图。在步骤S801中，控制单元4从电压测量单元3获得闭路电压。在步骤S802中，控制单元4获得因子信息。因子信息包括表示电流负荷、电池2或者电池2周围的温度、电池容量以及电池2的劣化的信息。在步骤S803中，控制单元4获得与被包括在因子信息中的每个信息分别对应的校正系数，以通过利用校正系数来校正所测量的闭路电压。例如，当电流负荷发生变化时，获得与存储在例如存储器5上的电流负荷对应的校正系数，并且将所测量的闭路电压乘以校正系数以对所测量的闭路电压进行校正。
在步骤S804中，控制单元4确定节点是放电模式还是充电模式。当该模式是放电模式(是)时，该过程进行至步骤S805，并且当该模式是充电模式(否)时，该过程进行至步骤S806。
在步骤S805中，控制单元4通过参考在第一实施方式中使用的放电模式信息来获得与所校正的闭路电压对应的充电率。在步骤S806中，控制单元4通过参考在第一实施方式中使用的充电模式信息来获得与所校正的闭路电压对应的充电率。在步骤S807中，控制单元4确定充电率。
根据第三实施方式，提供了以下优点：通过改变用于在充电与放电之间进行估计的信息，来准确地估计电池中的充电率，所述电池具有大的极化，需要长时间用于去极化并且在电池的SOC-OCV特性中具有大的充电/放电滞后性。
如果二次电池针对每种充电方法具有不同的放电时SOC-OCV特性，则可以针对每种充电方法存储闭路电压、以使用将所存储的闭路电压与充电率相关联的放电模式信息。
本发明不限于上面描述的实施方式，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明作出各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种充电率估计装置，包括：
电压测量单元，被配置成测量电池的闭路电压；
充电估计单元，被配置成使用测量的闭路电压、参考充电模式信息来估计充电模式下的充电率，所述充电模式信息将用充电器进行恒定电流充电时所述电池的闭路电压与所述充电率相关联；以及
放电估计单元，被配置成通过使用所测量的闭路电压、参考放电模式信息来估计放电模式下的充电率，所述放电模式信息将所述电池的利用以预定操作模式操作车辆而获得的所述电池的放电模式而生成的闭路电压与充电率相关联。
2.根据权利要求1所述的充电率估计装置，其中，
所述充电估计单元通过获得包括充电方法的充电方法信息并且参考与表示在所获得的充电方法信息中包括的充电方法的信息对应的所述充电模式信息、来估计充电率。
3.根据权利要求1所述的充电率估计装置，包括：
获得提供所测量的闭路电压的偏差的因子信息；
获得与所获得的因子信息对应的用于校正所述闭路电压的校正系数；并且
通过利用所述校正系数来对所述闭路电压进行校正。
4.根据权利要求1所述的充电率估计装置，其中，所述电池是具有SiO负电极的锂离子二次电池。
5.一种能够由计算机执行的充电率估计方法，所述方法包括：
获得电池的闭路电压；
使用测量的闭路电压、参考充电模式信息来对充电模式下的充电率进行充电估计，所述充电模式信息将用充电器进行恒定电流充电时所述电池的闭路电压与所述充电率相关联；以及
通过使用所测量的闭路电压、参考放电模式信息来对放电模式下的充电率进行放电估计，所述放电模式信息将所述电池的利用以预定操作模式操作车辆而获得的所述电池的放电模式而生成的闭路电压与充电率相关联。
6.根据权利要求5所述的能够由计算机执行的充电率估计方法，所述方法包括：
通过获得包括充电方法的充电方法信息并且参考与表示在所获得的充电方法信息中包括的充电方法的信息对应的所述充电模式信息、来估计充电率。
7.根据权利要求5所述的能够由计算机执行的充电率估计方法，所述方法包括：
获得用于提供所测量的闭路电压的偏差的因子信息；
获得与所获得的因子信息对应的用于校正所述闭路电压的校正系数；并且
通过利用所述校正系数来对所述闭路电压进行校正。
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