CN106471668A - 电池劣化程度估计装置以及电池劣化程度估计方法 - Google Patents

电池劣化程度估计装置以及电池劣化程度估计方法 Download PDF

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Abstract

电池劣化程度估计装置具有：总劣化程度检测部(110)，其检测电池的当前的总劣化程度；循环劣化估计部(120)，其估计因电池的充放电而引起的将来的循环劣化程度；保存劣化估计部(130)，其估计在电池的内部随时间经过而产生的将来的保存劣化程度；以及电池劣化估计部(140)，其基于当前的总劣化程度、将来的循环劣化程度以及将来的保存劣化程度来估计将来的电池劣化程度。

Description

电池劣化程度估计装置以及电池劣化程度估计方法
技术领域
本发明涉及一种电池劣化程度估计装置以及电池劣化程度估计方法。
背景技术
电池(二次电池)以与使用环境相应的速度劣化。随着劣化，满充电时的充电量(以下适当地称为“满充电容量”)减少且放电特性降低。如果搭载于车辆的电池劣化，则行驶性能会降低。因此，期望的是，事先估计出电池能够发挥规定的性能的期间(剩余寿命)。在JP2007-195312A所记载的技术中，通过与总行驶距离的平方根相对应地估计电池的劣化程度来预测剩余寿命。
发明内容
然而，本申请发明人意识到即使通过JP2007-195312A所公开的方法来估计电池劣化程度误差也大这样的问题。
本发明是着眼于这种现有的问题点而完成的。本发明的目的在于提供一种能够精度良好地估计电池劣化程度的技术。
本发明通过以下这种解决方案来解决上述问题。
本发明的一个方式中的电池劣化程度估计装置具有：总劣化程度检测部，其检测电池的当前的总劣化程度；循环劣化估计部，其估计因所述电池的充放电而引起的将来的循环劣化程度；以及保存劣化估计部，其估计在所述电池的内部随时间经过而产生的将来的保存劣化程度。而且，该电池劣化程度估计装置还基于所述当前的总劣化程度、所述将来的循环劣化程度以及所述将来的保存劣化程度来估计将来的电池劣化程度。
附图说明
图1是示出本发明的电池劣化程度估计装置的第1实施方式的控制内容的框图。
图2是说明循环劣化特性的设定方法的图。
图3是示出保存劣化特性的一例的图。
图4是示出将来的电池劣化程度的估计结果的一例的图。
图5是示出总劣化程度检测部110的控制内容的框图。
图6是电池劣化程度估计装置的控制器所执行的寿命预测例程的流程图。
图7是电池劣化程度估计装置的控制器所执行的行驶距离和使用时间存储例程的流程图。
图8是示出控制器所存储的行驶距离与使用时间之间的相关关系的一例的图。
图9是电池劣化程度估计装置的控制器所执行的行驶距离和使用时间存储例程的流程图。
图10是说明第2实施方式的概念的图。
图11是示出本发明的电池劣化程度估计装置的第2实施方式的控制内容的框图。
图12是说明第3实施方式的概念的图。
图13是说明第4实施方式的概念的图。
图14是示出本发明的电池劣化程度估计装置的第4实施方式的控制内容的框图。
图15是说明第5实施方式的概念的图。
图16是说明第6实施方式的概念的图。
图17是示出本发明的电池劣化程度估计装置的第6实施方式的控制内容的框图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。
(基本的概念)
如上述那样，期望的是，尽可能准确地估计电池的剩余寿命。然而，只是与总行驶距离的平方根相对应地估计电池的劣化程度，误差大。发明人对此反复进行专门研究，发现电池的劣化中存在保存劣化和循环劣化。保存劣化是在电池的内部随时间经过产生的、主要因化学反应而引起的劣化。保存劣化例如由于电池的电极与电解质之间的化学反应而加剧。该保存劣化的加剧程度与时间的平方根相对应。与此相对，循环劣化是因反复进行电池的充电和放电而引起的劣化。循环劣化由于电极等的摩擦等而主要以机械的方式加剧，该电极等的摩擦等是在电池进行充电放电时因电池内部膨胀收缩而产生的。循环劣化的加剧程度与充电和放电的次数(循环)相对应。因此，通过只是与总行驶距离的平方根相对应地估计电池的劣化程度的方法，能够粗略地进行估计，但误差大，难以准确地进行估计。发明人基于这种见解而完成了发明。以下，说明详细内容。
(第1实施方式)
图1是示出本发明的电池劣化程度估计装置的第1实施方式的控制内容的框图。
电池劣化程度估计装置100具有总劣化程度检测部110、循环劣化估计部120、保存劣化估计部130以及电池劣化估计部140。
总劣化程度检测部110对将循环劣化和保存劣化这两者相加所得到的当前的电池总劣化程度进行检测。在后面记述详细内容。
循环劣化估计部120估计因电池的充电和放电而引起的将来的循环劣化程度。如上述那样，循环劣化是由于电极等的摩擦等而以机械的方式加剧的劣化，该电极等的摩擦等是在电池进行充电放电时因电池内部膨胀收缩而产生的。因此，循环劣化估计部120基于固定期间(单位期间)内的电池的充电放电次数(以下也称为循环)，预测将来的充电放电次数，来估计将来的循环劣化。此外，能够将固定期间内的电池的充电放电次数考虑为输出特性(例如电力或电流)的在固定期间内的累积值。因而，在本实施方式中，基于输出特性的累积值来估计将来的循环劣化。循环劣化估计部120具有输出特性累积值存储部121、输出特性累积值预测部122以及循环劣化程度估计部123。
输出特性累积值存储部121存储由输出特性检测部检测出的输出特性(例如电力或电流)的在最近的每固定期间(单位期间)内的累积值。如上述那样，能够将固定期间(单位期间)内的电池的充电放电次数考虑为输出特性的在固定期间内的累积值。因此，输出特性累积值存储部121存储固定期间内的电池的充电放电次数。在此，输出特性检测部具体地说是指检测电池的电流的电流传感器或检测电压的电压传感器。利用这种传感器检测输入输出的电流值和电压值并且检测电力。作为输出特性累积值，可以是充电电力的累积值[kWh]、放电电力的累积值[kWh]、充电电力和放电电力的绝对值的累积值[kWh]、充电电流的累积值[Ah]、放电电流的累积值[Ah]、充电电流和放电电流的绝对值的累积值[Ah]中的任一个。通过适当地进行选择，不花费成本就能够提高估计精度。另外，能够任意地设定进行存储的单位期间。但是，与短期间相比，长期间更为理想。原因在于，如果是短期间，则有可能包含噪声。另外，期望的是，例如在车辆所有人变更的情况下进行重置。原因在于，如果车辆所有人变更，则累积电力的状态会改变。
输出特性累积值预测部122通过对输出特性的在每单位期间内的累积值乘以期望的期间，来运算(预测)期望的期间后的输出特性的累积值(将来值)。
循环劣化程度估计部123基于期望的期间后的输出特性的累积值和预先设定的循环劣化特性，来估计期望的期间后的循环劣化变化量(相对于当前的劣化程度的变化量)。此外，循环劣化特性是图2所示的特性，预先被存储于控制器具备的存储介质中。在此，参照图2来说明循环劣化特性的设定方法。进行对电池反复充电放电的电池评价的一般的循环试验，绘制循环与劣化程度之间的关系。此外，在该循环试验中也同样，保存劣化由于电池的电极与电解质之间的化学反应而加剧。因此，重要的是，如图2所示那样以去除循环试验中的保存劣化部分的方式设定循环劣化特性。当以这样的方式绘制循环劣化特性时，可知容量维持率随着循环增多而降低。即，可知循环劣化与循环成比例地加剧。
保存劣化估计部130估计在电池的内部随时间经过产生的、主要因化学反应而引起的将来的保存劣化程度。如上述那样，保存劣化是例如由于电池的电极与电解质之间的化学反应而随时间经过加剧的劣化，并且从电极与电解质接触的时间点起随着时间的经过而加剧。因此，保存劣化估计部130计测从电极与电解质接触起经过的经过期间，基于该期间求出当前的保存劣化程度，并且求出期望的期间后的保存劣化程度，来估计期望的期间后的保存劣化变化量(相对于当前的劣化程度的变化量)。保存劣化估计部130具有保存劣化程度计算部131和保存劣化程度估计部132。
保存劣化程度计算部131基于从电极与电解质接触的时间点起经过的经过时间和预先设定的保存劣化特性，来求出当前的保存劣化程度。此外，保存劣化特性例如是图3所示的特性，被预先存储于控制器具备的存储介质中。这种特性能够通过电池评价的一般的保存试验来获取。根据图3可知，保存劣化是与时间的平方根成比例地加剧的特性。计时部是搭载于车辆的计时器。因而，在电池制造过程中，无法对从电极与电解质接触的时间点起到利用车辆计时器开始计时为止的时间进行计时。因此，将从电极与电解质接触的时间点起到利用车辆计时器开始计时为止的时间设为固定时间来管理，并且对计时器计测出的计时时间加上该固定时间即可。此外，从电极与电解质接触的时间点起到利用车辆计时器开始计时为止的时间与电池的寿命相比是极小的，因此还能够忽略该时间。
保存劣化程度估计部132基于保存劣化特性来求出期望的期间后的保存劣化程度，并且估计期望的期间后的保存劣化变化量。
电池劣化估计部140基于当前的总劣化程度、期望的期间后的循环劣化变化量以及期望的期间后的保存劣化变化量，来估计将来的电池劣化程度。估计结果例如为图4所示那样。
图5是示出总劣化程度检测部110的控制内容的框图。
总劣化程度检测部110对将循环劣化和保存劣化这两者相加所得到的、当前时间点的电池总劣化程度进行检测。总劣化程度检测部110具有循环劣化计算部111、保存劣化计算部112以及总劣化计算部113。
循环劣化计算部111计算因电池的充电和放电而引起的当前时间点的循环劣化程度。循环劣化计算部111具有总输出特性累积值存储部1111和循环劣化程度计算部1112。
总输出特性累积值存储部1111对到目前为止由输出特性检测部检测出的输出特性的累积值进行存储。此外，输出特性检测部具体地说是指检测电池的电流的电流传感器或检测电压的电压传感器。利用这种传感器来检测输入输出的电流值和电压值并且检测电力。另外，作为输出特性累积值，可以是充电电力的累积值[kWh]、放电电力的累积值[kWh]、充电电力和放电电力的绝对值的累积值[kWh]、充电电流的累积值[Ah]、放电电流的累积值[Ah]、充电电流和放电电流的绝对值的累积值[Ah]中的任一个。
循环劣化程度计算部1112基于总输出特性累积和预先设定的循环劣化特性来计算当前时间点的循环劣化程度。此外，循环劣化特性为上述的那样。
保存劣化计算部112计算在电池的内部与充放电无关地随时间经过产生的、主要因化学反应而引起的当前时间点的保存劣化程度。保存劣化计算部112具有保存劣化程度计算部1121。
保存劣化程度计算部1121基于从电极与电解质接触的时间点起经过的经过时间和预先设定的保存劣化特性，来求出当前时间点的保存劣化程度。此外，保存劣化特性为上述的那样。
总劣化计算部113基于当前时间点的循环劣化程度和当前时间点的保存劣化程度来计算当前的总劣化程度。
图6是电池劣化程度估计装置的控制器所执行的寿命预测例程的流程图。控制器反复执行该例程。
在步骤S210中，控制器一边逐渐延长期间一边估计规定期间后的劣化程度。具体来说，例如估计一个月后、两个月后、三个月后之类的期间后的劣化程度。
在步骤S220中，控制器判定规定期间后的劣化程度是否超过了使用界限劣化程度。如果判定结果为否定，则控制器暂时退出处理。如果判定结果为肯定，则控制器执行步骤S230的处理。
在步骤S230中，控制器将步骤S210中估计出的劣化程度第一次超过使用界限劣化程度时的期间预测为剩余寿命。
此外，也可以预测到达剩余寿命为止的行驶距离来代替求出电池的剩余寿命(期间)。具体地说，如以下这样。
图7是电池劣化程度估计装置的控制器所执行的行驶距离和使用时间存储例程的流程图。
在步骤S310中，控制器存储到当前为止的行驶距离与使用时间之间的相关关系。
图8是示出控制器所存储的行驶距离与使用时间之间的相关关系的一例的图。
通过步骤S310，例如图8所示的数据被存储到控制器中。粗略地说，行驶距离与使用时间成比例。
图9是电池劣化程度估计装置的控制器所执行的行驶距离和使用时间存储例程的流程图。
在步骤S410中，控制器基于步骤S310中存储的相关关系来将剩余寿命转换为行驶预测距离。
此外，如图8所示，行驶距离与使用时间之间的相关关系根据用户的不同而不同的情形多。因此，优选的是，在用户改变的定时，将数据重置来再次重新存储相关关系。
如以上那样，在本实施方式中，并非只是与总行驶距离的平方根相对应地估计电池的劣化程度。在本实施方式中，将劣化区分为主要由于电池的电极与电解质之间的化学反应而随时间经过加剧的保存劣化、以及由于电极等的摩擦等而以机械的方式加剧的循环劣化，并估计各个劣化，其中，该电极等的摩擦等是在电池进行充电放电时因电池内部膨胀收缩而产生的。通过这样，能够准确地估计电池从此开始几年后成为哪种程度的劣化程度、电池的剩余寿命还有多长、或者之后还能够进行何种程度的行驶。
另外，在本实施方式中，通过图5中记载的方法，对将循环劣化和保存劣化这两者相加所得到的当前时间点的电池总劣化程度进行检测。由此，不需要特别的装置，就能够检测当前的电池的总劣化程度。
(第2实施方式)
图10是说明第2实施方式的概念的图。
如上述那样，保存劣化的加剧程度与时间的平方根相对应，但是除此之外还对温度具有灵敏度。例如，如图10所示，温度越高，则劣化越容易加剧。此外，纵轴的劣化系数是与容量维持率相乘的系数。劣化系数越小，则容量维持率越小、即劣化程度越大。在本实施方式中，还考虑到此为止的温度历史(温度的产生频度)来计算保存劣化。参照图11来说明具体的结构。
图11是示出本发明的电池劣化程度估计装置的第2实施方式的控制内容的框图。
此外，以下对实现与上述同样的功能的部分附加相同的附图标记，并适当地省略重复的说明。
在本实施方式中，保存劣化估计部130除了具有第1实施方式的结构以外，还具有保存时温度频度存储部133。保存时温度频度存储部133基于温度检测部(电池温度传感器)所输出的温度信息和计时部的时间信息，将到此为止的温度的频度以固定期间为单位进行存储。此外，车辆用电池为电池组，因此温度检测部最好是对劣化迅速加剧的温度最高的部位进行测定。作为温度检测部，使用热敏电阻等即可。
而且，保存劣化程度计算部131和保存劣化程度估计部132使用保存时温度频度存储部133中存储的温度信息来校正保存劣化程度。具体地说，例如使用所存储的温度的发生频度信息，求出处于该温度下的时间来累积劣化程度，校正保存劣化程度。
通过这样，能够应用成为电池的保存劣化的重要因素的温度灵敏度，因此能够进一步高精度地估计电池保存劣化程度。结果，能够更加准确地估计电池的剩余寿命。此外，根据电池的特性，还有时能够忽略温度灵敏度，因此本实施方式只要根据电池的特性适当地应用即可。另外，本实施方式的考虑方法也可以应用于总劣化程度检测部110的保存劣化计算部112的保存劣化程度计算部1121。
(第3实施方式)
图12是说明第3实施方式的概念的图。
电池温度依赖于外部气温而推移。因此，如图12所示，通过考虑过去一年的温度推移，来考虑以一年为一个周期的基于季节变动的温度变化。由此，能够进一步高精度地估计电池保存劣化程度，从而能够更加准确地估计电池的剩余寿命。
(第4实施方式)
图13是说明第4实施方式的概念的图。
如上述那样，保存劣化的加剧程度与时间的平方根相对应，但是除此之外还对电池剩余容量SOC(State Of Charge)具有灵敏度。例如，如图13所示，SOC越大，则劣化越容易加剧。因此，在本实施方式中，还考虑到此为止的SOC历史(SOC的发生频度)来计算保存劣化。参照图14来说明具体的结构。
图14是示出本发明的电池劣化程度估计装置的第4实施方式的控制内容的框图。
在本实施方式中，保存劣化估计部130除了具有第1实施方式的结构以外，还具有保存时SOC频度存储部134。保存时SOC频度存储部134基于SOC检测部输出的SOC信息和计时部的时间信息，将到此为止的SOC的频度以固定期间为单位来进行存储。此外，关于SOC的检测方法，通过在没有由于通电而产生极化的状态下测定电压并根据电压与SOC之间的关系来计算当前的SOC的方法、或者根据由电流计等测定出的通电量计算SOC的方法等一般的方法进行检测即可。
而且，保存劣化程度计算部131和保存劣化程度估计部132使用保存时SOC频度存储部134中存储的SOC信息来校正保存劣化程度。具体来说，例如使用所存储的SOC的发生频度信息，求出电池处于该SOC下的时间来累积劣化程度，校正保存劣化程度即可。
通过这样，能够应用成为电池的保存劣化的重要因素的SOC灵敏度，因此能够进一步高精度地估计电池保存劣化程度。由此，能够更加准确地估计电池的剩余寿命。此外，根据电池的特性，还有时能够忽略SOC灵敏度。因而，本实施方式只要根据电池的特性适当地应用即可。另外，本实施方式的考虑方法也可以应用于总劣化程度检测部110的保存劣化计算部112的保存劣化程度计算部1121。
(第5实施方式)
图15是说明第5实施方式的概念的图。
该第5实施方式是将第2实施方式与第4实施方式组合而得到的实施方式。如图15所示，事先将温度和SOC的发生频度图形化后进行存储。然后，保存劣化程度计算部131和保存劣化程度估计部132使用所存储的温度和SOC的发生频度信息，求出电池处于该温度、SOC下的时间来累积劣化程度，校正保存劣化程度。
通过这样，能够应用成为电池的保存劣化的重要因素的温度和SOC灵敏度，因此能够进一步高精度地估计电池保存劣化程度。由此，能够更加准确地估计电池的剩余寿命。此外，根据电池的特性，还有时能够忽略温度灵敏度、SOC灵敏度。因而，本实施方式只要根据电池的特性适当地应用即可。另外，本实施方式的考虑方法也可以应用于总劣化程度检测部110的保存劣化计算部112的保存劣化程度计算部1121。
(第6实施方式)
图16是说明第6实施方式的概念的图。
如上述那样，循环劣化的加剧程度与充电和放电的次数(循环)相对应，但是除此之外还对温度具有灵敏度。例如，如图16所示，温度越高，则劣化越容易加剧。此外，能够将电池的充电放电次数考虑为输出特性的累积值，因此通过与输出特性的累积值之间的关系来估计循环劣化。因此，在本实施方式中，还考虑到此为止的温度历史(温度的发生频度)来计算循环劣化。参照图17来说明具体的结构。
图17是示出本发明的电池劣化程度估计装置的第6实施方式的控制内容的框图。
在本实施方式中，循环劣化估计部120除了具有第1实施方式的结构以外，还具有循环时温度频度存储部124。循环时温度频度存储部124基于温度检测部(电池温度传感器)输出的温度信息和计时部的时间信息，将到此为止的温度的频度以固定期间为单位来进行存储。然后，循环劣化程度估计部123使用循环时温度频度存储部124中存储的温度信息来校正循环劣化程度。即，以高温频度越多则循环劣化越加剧的方式进行校正。
通过这样，能够应用成为电池的循环劣化的重要因素的温度灵敏度，因此能够进一步高精度地估计电池循环劣化程度。结果，能够更加准确地估计电池的剩余寿命。此外，根据电池的特性，还有时能够忽略温度灵敏度。因而，本实施方式只要根据电池的特性适当地应用即可。另外，本实施方式的考虑方法也可以应用于总劣化程度检测部110的循环劣化计算部111的循环劣化程度计算部1112。
以上，说明了本发明的实施方式，但上述实施方式只不过示出了本发明的应用例的一部分，并不是意图将本发明的技术范围限定为上述实施方式的具体的结构。
上述实施方式能够适当地组合。
本申请以2014年7月1日向日本专利局申请的日本特愿2014-136070为优先权主张基础，该申请的全部内容作为参照而被引入本说明书中。

Claims (13)

1.一种电池劣化程度估计装置，具有：
总劣化程度检测部，其检测电池的当前的总劣化程度；
循环劣化估计部，其估计因所述电池的充放电而引起的将来的循环劣化程度；
保存劣化估计部，其估计在所述电池的内部随时间经过而产生的将来的保存劣化程度；以及
电池劣化估计部，其基于所述当前的总劣化程度、所述将来的循环劣化程度以及所述将来的保存劣化程度来估计将来的电池劣化程度。
2.根据权利要求1所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
所述循环劣化估计部求出输出特性的在单位期间内的累积值，基于求出的累积值来预测将来的累积值，并且基于预测出的累积值和预先存储的循环劣化特性来估计将来的循环劣化程度。
3.根据权利要求2所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
所述输出特性的累积值是充电电力的累积值、放电电力的累积值、充电电力和放电电力的绝对值的累积值、充电电流的累积值、放电电流的累积值以及充电电流和放电电流的绝对值的累积值中的任一个。
4.根据权利要求2或3所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
所述循环劣化特性是循环劣化程度与所述电池的充放电次数成比例地增加的特性。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
所述保存劣化估计部基于从基准定时到当前为止的时间和预先存储的保存劣化特性来计算当前的保存劣化程度，并且基于所述保存劣化特性和计算出的当前的保存劣化程度来估计将来的保存劣化程度。
6.根据权利要求5所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
所述保存劣化特性是保存劣化程度与从基准定时起经过的时间的平方根成比例地增加的特性。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
所述总劣化程度检测部求出从基准定时到当前为止的总输出特性累积值，基于求出的总输出特性累积值和预先存储的循环劣化特性来计算当前的循环劣化程度，基于从基准定时到当前为止的时间和预先存储的保存劣化特性来计算当前的保存劣化程度，并且基于当前的循环劣化程度和当前的保存劣化程度来检测电池的当前的总劣化程度。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
还具有寿命预测部，该寿命预测部计算由所述电池劣化估计部估计出的将来的电池劣化程度达到预先决定的使用界限劣化程度为止的时间。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，还具有：
存储部，其存储车辆的行驶距离与达到该行驶距离为止的使用时间之间的相关关系；以及
转换部，其基于所述相关关系来将时间转换为行驶距离。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
还具有温度存储部，该温度存储部存储规定时间内的电池温度的频度，
根据所述电池温度的频度校正所述保存劣化特性和所述循环劣化特性中的至少一方。
11.根据权利要求10所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
所述温度存储部将所述电池的过去一年的温度的频度与发生时期一起按时间序列进行存储，
考虑与发生时期一起存储的电池温度的频度校正所述保存劣化特性和所述循环劣化特性中的至少一方。
12.根据权利要求1～11中的任一项所述的电池劣化程度估计装置，其特征在于，
还具备剩余容量存储部，该剩余容量存储部存储规定时间内的电池剩余容量的频度，
根据所述电池剩余容量的频度校正所述保存劣化特性。
13.一种电池劣化程度估计方法，包括以下步骤：
检测电池的当前的总劣化程度；
估计因所述电池的充放电而引起的将来的循环劣化程度；
估计在所述电池的内部随时间经过而产生的将来的保存劣化程度；以及
基于所述当前的总劣化程度、所述将来的循环劣化程度以及所述将来的保存劣化程度来估计将来的电池劣化程度。
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