CN106133994B - 二次电池状态检测装置以及二次电池状态检测方法 - Google Patents

二次电池状态检测装置以及二次电池状态检测方法 Download PDF

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Abstract

准确地对更换了二次电池的情况进行检测。一种二次电池状态检测装置(1)，其对搭载于车辆中的二次电池(14)的状态进行检测，具有：学习单元(控制部(10))，其根据二次电池(14)的电压和电流，学习二次电池(14)的等效电路的元件值；以及判定单元(控制部(10))，其对由学习单元通过不同时机的学习获得的元件值进行比较，在至少1个元件值变化了规定的阈值以上的情况下，判定为更换了二次电池(14)。

Description

二次电池状态检测装置以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以及二次电池状态检测方法。
背景技术
近年来，有一种车辆，其为了改善车辆的燃料消耗率，具有例如在等待信号灯等时停止空转的怠速停止功能、在减速过程中使交流发电机的发电电压上升而利用再生电力来充电二次电池的功能。为了有效地利用这些功能，需要准确地检测二次电池的状态，并根据所检测出的状态来判定可否执行怠速停止功能，或者进行发电电压的调整。以往，作为检测二次电池的状态的技术，例如有专利文献1所公开的技术。在专利文献1所公开的技术中，测定二次电池的电压和电流，并通过傅里叶变换将所测定的电压值和电流值转换成频域，求出复阻抗。而且，根据所获得的复阻抗求出等效电路，并根据该等效电路检测二次电池的状态。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-221487号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在搭载于车辆的二次电池中，有时因寿命等而更换成了新的二次电池。在更换成了新的二次电池的情况下，为了准确地执行状态检测，需要重新更新等效电路的元件值，并且更新二次电池的累积电流值等使用历史。可是，有如下问题：以往不存在准确地检测二次电池的更换的技术。
本发明的目的在于提供能够准确地对更换了二次电池的情况进行检测的二次电池状态检测装置以及二次电池状态检测方法。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明为一种二次电池状态检测装置，其对搭载于车辆中的二次电池的状态进行检测，其特征在于，该二次电池状态检测装置具有：学习单元，其根据所述二次电池的电压和电流，学习所述二次电池的等效电路的元件值；以及判定单元，其对由所述学习单元通过不同时机的学习获得的元件值进行比较，在至少1个元件值变化了规定的阈值以上的情况下，判定为更换了所述二次电池。
根据这样的结构，能够准确地对更换了二次电池的情况进行检测。
另外，本发明的特征在于，在构成所述等效电路的电双层电容变化了规定的阈值以上且反应电阻的变化是规定的阈值以下的情况下，所述判定单元判定为更换成了劣化程度不同的相同种类的二次电池。
根据这样的结构，能够准确地判定已劣化的二次电池更换成了相同种类的新品的二次电池的情况。
另外，本发明的特征在于，在构成所述等效电路的反应电阻变化了规定的阈值以上的情况下，所述判定单元判定为更换成了不同种类的二次电池。
根据这样的结构，能够准确地判定被驾驶员更换成了不同种类的二次电池的情况。
另外，本发明的特征在于，具有删除单元，在由所述判定单元判定为更换了所述二次电池的情况下，该删除单元删除过去学习的存储于存储装置中的所述等效电路的元件值。
根据这样的结构，通过删除元件值，来置换成新的二次电池的等效电路，能够准确地对更换后的二次电池的状态进行检测。
另外，本发明的特征在于，在由所述判定单元判定为更换了所述二次电池的情况下，所述删除单元删除所述存储装置中存储的表示所述二次电池的使用历史的信息。
根据这样的结构，通过删除使用历史，能够准确地控制新的二次电池。
另外，本发明的特征在于，所述等效电路的元件值被校正成基准温度和基准SOC下的元件值。
根据这样的结构，能够与温度和SOC的值无关地准确地判定是否进行了更换。
另外，本发明为一种二次电池状态检测方法，对搭载于车辆中的二次电池的状态进行检测，其特征在于，该二次电池状态检测方法具有：学习步骤，根据所述二次电池的电压和电流，学习所述二次电池的等效电路的元件值；以及判定步骤，对在所述学习步骤中通过不同时机的学习获得的元件值进行比较，在至少1个元件值变化了规定的阈值以上的情况下，判定为更换了所述二次电池。
根据这样的方法，能够准确地对更换了二次电池的情况进行检测。
发明效果
根据本发明，可提供能够准确地对更换了二次电池的情况进行检测的二次电池状态检测装置以及二次电池状态检测方法。
附图说明
图1是示出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是示出图1的控制部的详细的结构例的框图。
图3是在本发明的实施方式中使用的二次电池的等效电路的一例。
图4是示出不同种类的二次电池和各自的等效电路的元件值的图。
图5是示出种类相同且不同的劣化状态的二次电池和各自的等效电路的元件值的图。
图6是用于说明在本发明的实施方式中执行的处理的一例的流程图。
图7是用于说明图6的步骤S12的处理的细节的流程图。
具体实施方式
接着，对本发明的实施方式进行说明。
(A)实施方式的结构的说明
图1是示出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以控制部10、电压传感器11、电流传感器12、温度传感器13以及放电电路15为主要的结构要素，该二次电池状态检测装置1检测二次电池14的状态。在此，控制部10参照来自电压传感器11、电流传感器12以及温度传感器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，并通知给控制部10。电流传感器12检测流过二次电池14的电流，并通知给控制部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，并通知给控制部10。放电电路15例如由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对半导体开关进行接通/断开控制而使二次电池14间歇地放电。
二次电池14例如由铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池或者锂离子电池等构成，由交流发电机16对该二次电池14进行充电，且该二次电池14驱动起动马达18来起动发动机，并且向负载19提供电力。由发动机17驱动交流发电机16，该交流发电机16产生交流电并通过整流电路转换成直流电，且对二次电池14进行充电。
发动机17例如由汽油发动机以及柴油发动机等往复式发动机或者转子发动机等构成，由起动马达18起动该发动机17，该发动机17经由变速器对驱动轮进行驱动来对车辆施加推进力，并且驱动交流发电机16来产生电力。起动马达18例如由直流电动机构成，该起动马达18借助从二次电池14提供的电力而产生旋转力来起动发动机17。负载19例如由电动转向马达、除雾器、点火线圈、汽车音响以及汽车导航等构成，该负载19利用来自二次电池14的电力而进行动作。
图2是示出图1所示的控制部10的详细的结构例的图。如该图所示，控制部10具有CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)10a、ROM(Read Only Memory：只读存储器)10b、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)10c、通信部10d以及I/F(Interface：接口)10e。在此，CPU 10a根据储存于ROM 10b中的程序10ba，对各部件进行控制。ROM 10b由半导体存储器等构成，该ROM 10b储存有程序10ba等。RAM 10c由半导体存储器等构成，该RAM10c储存在执行程序10ba时所生成的数据和后述的表或者数学式等的参数10ca。通信部10d与上层装置的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)等之间进行通信，而向上层装置通知所检测出的信息。I/F 10e将从电压传感器11、电流传感器12以及温度传感器13提供的信号转换成数字信号而取入，并且向放电电路15提供驱动电流而对其进行控制。
(B)实施方式的动作原理的说明
接着，参照附图，对本发明的实施方式的动作原理进行说明。在本实施方式中，通过学习处理来求出二次电池14的具有图3所示的结构的等效电路。而且，每次执行学习处理都对新求出的元件值与过去求出的元件值进行比较，在元件值不连续地变化的情况下，判定为更换了二次电池14。
图4示出大致相同尺寸的不同种类的二次电池的等效电路的元件值。在本例中，示出A公司型号A、B公司型号A、C公司型号A以及A公司型号B的4种二次电池，关于各个种类的二次电池，示出1～3的3个个体作为样本。此外，右端的“SOH”表示测定各个二次电池时的SOH。如该图4所示，溶液电阻Rohm几乎不会根据二次电池的种类而变化。关于电双层电容C，B公司型号A的值稍微不同，但除此之外几乎没有变化。另一方面，关于反应电阻Rct，个体所产生的变化较少，但是，根据二次电池的种类而发生较大的变化。因此，通过观测反应电阻的变化，能够检测更换成了不同种类的二次电池。
图5示出相同种类的新品的二次电池和劣化的二次电池的等效电路的元件值。在此，新品编号1～编号3表示新品的二次电池。硫酸盐化劣化编号1～编号3表示在SOC较低的状态下长时间放置而产生了硫酸盐化劣化的二次电池。深度充放电循环劣化编号1～编号3表示由于重复满充电状态和低SOC状态的深度充放电循环而劣化的二次电池。怠速停止循环劣化编号1～编号3表示通过基于电池工业协会标准的SBA S 0101的试验而劣化的二次电池。此外，从图右开始第2个SOH(Ah)表示由Ah所示的SOH，右端的SOH表示基于百分比的SOH。如该图5所示，当二次电池劣化时，与新品时相比，电双层电容C发生较大的变化。因此，通过观测电双层电容的变化，能够对更换成了劣化程度不同的相同种类的二次电池的情况进行检测。
即，在本发明的实施方式中，例如在发动机17停止之后经过了规定的时间时、或者在对二次电池状态检测装置1执行上电复位时，CPU 10a执行学习二次电池14的等效电路的处理，求出元件值。当通过学习处理求出了元件值时，CPU 10a获取通过过去的处理求出的储存于RAM 10c中的元件值，并与新求出的元件值进行比较。更详细而言，CPU 10a判定通过过去的处理获得的反应电阻Rctm与新求出的反应电阻Rctl之间的差分的绝对值即|Rctm-Rctl|是否比规定的阈值Th1大，在判定为比规定的阈值Th1大的情况下，判定为更换成了不同种类的二次电池14。而且，在判定为更换成了不同种类的二次电池14的情况下，删除RAM10c中存储的过去的元件值，并且从RAM 10c中删除二次电池14的使用历史。此外，使用历史是例如二次电池14的累积充放电电流、使用时间、环境温度历史以及行驶距离等信息。CPU10a从RAM 10c中删除这些使用历史。
接着，CPU 10a判定通过过去的处理获得的电双层电容Cm与新求出的电双层电容Cl之间的差分的绝对值即|Cm-Cl|是否比规定的阈值Th2大，在判定为比规定的阈值Th2大的情况下，判定为更换成了相同种类的二次电池14。而且，在判定为更换成了相同种类的二次电池14的情况下，删除RAM 10c中存储的过去的元件值，并且从RAM 10c中删除二次电池14的使用历史。此外，使用历史与上述的情况相同。
以上是关于二次电池14更换成了不同种类或相同种类的二次电池14的情况的动作，例如，在未更换二次电池14而执行了上电复位的情况下，因为等效电路的元件值没有变化，因此不删除等效电路的元件值和使用历史。
根据以上的处理，因为根据等效电路的元件值的变化对更换了二次电池14的情况进行检测，因此能够准确地对二次电池14的更换进行检测。另外，能够根据变化的元件值的种类来识别更换成了相同种类或不同种类的二次电池14的情况。因此，例如，在更换成了不同种类的二次电池14的情况下，与相同种类的二次电池14相比，因为有可能状态检测的精度降低，因此能够稍大地设定控制时的余量而进行充电控制等。
接着，参照图6和图7，对本发明的实施方式的详细的动作进行说明。图6是用于说明在图1所示的实施方式中执行的处理的一例的流程图。在开始了该流程图时，执行以下的步骤。
在步骤S10中，CPU 10a判定是否执行了上电复位，在判定为执行了上电复位的情况下(步骤S10：是)，进入步骤S12，在除此之外的情况下(步骤S10：否)，进入步骤S11。此外，上电复位是指切断了二次电池状态检测装置1与二次电池14之间的连接后，通过重新连接来重新开始电力的供给，从而产生基于上电的复位。
在步骤S11中，CPU 10a例如利用电流传感器12参照流过二次电池14的充电电流，并判定发动机17是否停止，在判定为停止的情况下(步骤S11：是)，进入步骤S12，在除此以外的情况下(步骤S11：否)，结束处理。
在步骤S12中，CPU 10a执行二次电池14的等效电路(参照图3)的学习处理。此外，后面参照图7说明步骤S12的处理的细节。
在步骤S13中，CPU 10a判定是否在RAM 10c中已经存储完等效电路的元件值，在存储完的情况下(步骤S13：是)，进入步骤S14，在除此以外的情况下(步骤S13：否)，进入步骤S24。例如，当在组装线上刚刚组装车辆之后的情况下，因为在RAM10c中未存储等效电路的元件值，因此在该情况下判定为“否”并进入步骤S24。
在步骤S14中，CPU 10a获取RAM 10c中存储的(过去计算的)等效电路的反应电阻Rctm。
在步骤S15中，CPU 10a获取通过步骤S12中的学习处理获得的反应电阻Rctl。
在步骤S16中，CPU 10a判定过去的反应电阻Rctm与新的反应电阻Rctl之间的差分的绝对值即|Rctm-Rctl|是否比规定的阈值Th1大，在|Rctm-Rctl|＞Th1成立的情况下(步骤S16：是)，进入步骤S17，在除此之外的情况下(步骤S16：否)，进入步骤S18。例如，在更换成了不同种类的二次电池14的情况下，因为|Rctm-Rctl|＞Th1成立，因此在该情况下进入步骤S17。
在步骤S17中，CPU 10a判定为更换成了不同种类的二次电池14，并进入步骤S22。此外，也可以为，例如经由通信部10d向上层装置通知判定为更换成了不同种类的二次电池14，上层装置将该判定结果显示在显示部等来通知给用户。
在步骤S18中，CPU 10a获取RAM 10c中存储的(过去计算的)等效电路的电双层电容Cm。
在步骤S19中，CPU 10a获取通过步骤S12中的学习处理获得的电双层电容Cl。
在步骤S20中，CPU 10a判定过去的电双层电容Cm与新的电双层电容Cl之间的差分的绝对值即|Cm-Cl|是否比规定的阈值Th2大，在|Cm-Cl|＞Th2成立的情况下(步骤S20：是)，进入步骤S21，在除此之外的情况下(步骤S20：否)，进入步骤S24。例如，在更换成了相同种类的二次电池14的情况下，因为|Cm-Cl|＞Th2成立，因此在该情况下进入步骤S21。
在步骤S21中，CPU 10a判定为更换成了相同种类的二次电池14，并进入步骤S22。此外，也可以为，例如经由通信部10d向上层装置通知判定为更换成了相同种类的二次电池14，上层装置将该判定结果显示在显示部等来通知给用户。
在步骤S22中，CPU 10a删除RAM 10c中存储的等效电路的元件值(溶液电阻Rohm、反应电阻Rct以及电双层电容C)。
在步骤S23中，CPU 10a删除RAM 10c中存储的使用历史。此外，作为使用历史，具有累积充放电电流、使用时间、环境温度历史以及行驶距离，CPU 10a从RAM10c中删除这些信息。
在步骤S24中，CPU 10a将通过步骤S12所示的学习处理新求出的等效电路的元件值储存于RAM 10c中，并结束处理。此外，在执行了步骤S24的处理时，之后在步骤S13中判定为“是”，并进入步骤S14。
接着，参照图7，对图6所示的步骤S12的处理的细节进行说明。在执行图7所示的处理时，执行以下的步骤。
在步骤S30中，CPU 10a控制放电电路15，以规定的频率和规定的电流值使二次电池14进行脉冲放电。
在步骤S31中，CPU 10a参照电压传感器11、电流传感器12以及温度传感器13的输出，测定放电过程中的二次电池14的电压V、电流I以及温度T。
在步骤S32中，CPU 10a执行二次电池14的等效电路的学习处理。例如，CPU 10a基于卡尔曼滤波器或支持向量机等算法，根据在步骤S31中测定的电压V和电流I，求出图3所示的等效电路的元件值。
在步骤S33中，CPU 10a将在步骤S32中求出的等效电路的元件值校正成基准温度(例如25℃)下的元件值。此外，为了实现校正处理，例如能够在RAM 10c中存储表示基于温度的各元件值的变化的表或数学式，根据在步骤S31中测定的温度T和这些表或数学式，校正成基准温度下的元件值。
在步骤S34中，CPU 10a将在步骤S32中求出的等效电路的元件值校正成基准SOC(例如100％)下的元件值。此外，为了实现校正处理，例如能够在RAM 10c中存储表示基于SOC的各元件值的变化的表或数学式，根据在此时的SOC的值和这些表或数学式，校正成基准SOC下的元件值。当完成基于温度和SOC的校正处理时，返回(return)到图6的处理。
如以上说明那样，根据本发明的实施方式，因为根据等效电路的元件值的变化来判定是否进行了二次电池14的更换，因此能够准确地判定二次电池14的更换。
另外，在本实施方式中，因为根据反应电阻Rct和电双层电容C的变化来识别更换成了相同种类或不同种类的二次电池14的情况，因此，能够通过执行与更换后的二次电池14的种类对应的控制(例如充电控制)来防止二次电池14的短寿命化，并且能够通过最佳的控制来实现燃料消耗率的改善。
另外，在本实施方式中，在更换了二次电池14的情况下，因为删除等效电路的元件值，因此，能够通过进行学习处理的初始化，在短时间内进行二次电池14的等效电路的最佳化。
另外，在本实施方式中，在更换了二次电池14的情况下，因为删除使用历史，因此能够根据新的使用历史来执行状态检测和控制。
另外，在本实施方式中，即使在执行了上电复位的情况下，当判定为未更换二次电池14时也不删除等效电路的元件值和使用历史。因此，例如当在重新装配电气部件时卸下二次电池14的端子的情况下，能够防止等效电路的元件值和使用历史被误删除。
(D)变形实施方式的说明
以上的实施方式是一例，本发明当然不仅限于如上所述的情况。例如，在以上的实施方式中，分别使用反应电阻Rct和电双层电容C来判定二次电池14的更换，例如也可以通过比较由下式(1)获得的值K与阈值而判定是否进行了二次电池14的更换。此外，W1、W2、W3是权重系数，被设定为与相同种类和不同种类无关地只要更换了二次电池14时使K的变化最大。
K＝W1×Rohm+W2×Rct+W3×C···(1)
此外，也可以为，调整权重系数W1、W2、W3，设定为在更换成了相同种类的二次电池14的情况下使K最大，或者设定为在更换成了不同种类的二次电池14的情况下使K最大，由此能够识别二次电池14更换成了相同种类或不同种类的情况。
另外，在图6所示的流程图中，等效电路的学习处理被设为在发动机17的停止之后进行，但也可以在除此以外的时机执行学习处理。
另外，在图6所示的流程图中，当在步骤S16和步骤S20的处理中有1次判断为满足条件时，判定为更换了二次电池14，但是，例如也可以在相同的判断连续多次的情况下，判定为更换了二次电池14。根据这样的方法，能够防止根据计算的误差等产生误判断。
另外，也可以为，例如使显示部显示图6所示的流程图的步骤S17和步骤S21的判断结果，并且使用户确认该判断是否正确，并根据确认的结果删除元件值和使用历史。根据这样的方法，能够防止由于误判断而删除元件值和使用历史。
另外，也可以为，能够根据用户的指示来删除RAM 10c中存储的等效电路的元件值和使用历史。即，也可以为，在用户从上层装置指示删除例如等效电路的元件值的情况下，删除RAM 10c中储存的元件值。对使用历史也同样。根据这样的结构，能够根据用户的意愿来删除等效电路的元件值或使用历史。
另外，在上述的实施方式中，装配放电电路15，通过使用了放电电路15的脉冲放电，求出了二次电池14的等效电路的元件值，但是，也可以不具有放电电路15，而根据流过负载的电流和那时的电压变动来求出等效电路的元件值。根据这样的结构，能够省去放电电路15，并且能够避免为了求出元件值所进行的放电造成的二次电池14的充电量的降低。另外，也可以不是根据放电电流而是根据充电电流来求出二次电池14的等效电路的元件值。
标号说明
1：二次电池状态检测装置；10：控制部；10a：CPU(学习单元、判定单元、删除单元)；10b：ROM；10c：RAM(存储装置)；10d：通信部；10e：I/F；11：电压传感器；12：电流传感器；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：起动马达；19：负载。

Claims (7)

1.一种二次电池状态检测装置，其对搭载于车辆中的二次电池的状态进行检测，其特征在于，
该二次电池状态检测装置具有：
学习单元，其根据所述二次电池的电压和电流，学习所述二次电池的等效电路的元件值；以及
判定单元，其对由所述学习单元通过不同时机的学习获得的元件值进行比较，在至少1个元件值变化了规定的阈值以上的情况下，判定为更换了所述二次电池，
所述学习单元将所述等效电路具有的溶液电阻和反应电阻分别作为独立的要素进行学习，
判定单元利用所述溶液电阻和所述反应电阻中的至少1个判定是否更换了所述二次电池。
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，
在构成所述等效电路的所述溶液电阻或电双层电容变化了规定的阈值以上且所述反应电阻的变化是规定的阈值以下的情况下，所述判定单元判定为更换成了劣化程度不同的相同种类的所述二次电池。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池状态检测装置，其特征在于，
在构成所述等效电路的所述反应电阻变化了规定的阈值以上的情况下，所述判定单元判定为更换成了不同种类的所述二次电池。
4.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，
该二次电池状态检测装置具有删除单元，在由所述判定单元判定为更换了所述二次电池的情况下，该删除单元删除过去学习的存储于存储装置中的所述等效电路的元件值。
5.根据权利要求4所述的二次电池状态检测装置，其特征在于，
在由所述判定单元判定为更换了所述二次电池的情况下，所述删除单元删除所述存储装置中存储的表示所述二次电池的使用历史的信息。
6.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，
所述等效电路的元件值被校正成基准温度和基准SOC下的元件值。
7.一种二次电池状态检测方法，对搭载于车辆中的二次电池的状态进行检测，其特征在于，
该二次电池状态检测方法具有：
学习步骤，根据所述二次电池的电压和电流，学习所述二次电池的等效电路的元件值；以及
判定步骤，对在所述学习步骤中通过不同时机的学习获得的元件值进行比较，在至少1个元件值变化了规定的阈值以上的情况下，判定为更换了所述二次电池，
所述学习步骤将所述等效电路具有的溶液电阻和反应电阻分别作为独立的要素进行学习，
判定单元利用所述溶液电阻和所述反应电阻中的至少1个判定是否更换了所述二次电池。
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