CN106716162A - 电池状态推定装置以及电源装置 - Google Patents

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Abstract

电池状态推定装置具备：SOC判定部，判定基于电池的满充电容量或可放电容量中的哪一个来推定电池的充电率；满充电容量推定部，推定满充电容量；放电容量推定部，推定可放电容量；以及电流累计推定部，基于满充电容量或可放电容量推定电池的充电率。

Description

电池状态推定装置以及电源装置
技术领域
本公开涉及电池状态推定装置以及电源装置。
背景技术
近年来，混合动力车(HEV；Hybrid Electric Vehicle)、插电式混合动力车(PHEV；Plug-in Hybrid Electric Vehicle)、电动汽车(EV；ElectricVehicle)开始普及。在这些车中作为关键器件搭载有二次电池。作为车载用二次电池，主要普及有镍氢电池和锂离子电池。
车载用二次电池、大型蓄电系统与笔记本式个人计算机、便携式电话等相比，要求严格的安全管理和电池容量的有效利用。作为其前提，要求高精度的SOC(充电率)推定。作为代表性的SOC推定方法，有OCV(Open Circuit Voltage：开路电压)法、电流累计法(也称为电量计法)(例如，参照专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-182579号公报
专利文献2：日本特开2011-43513号公报
发明内容
发明要解决的课题
电池的放电会在SOC＝0％或达到放电停止电压的情况下停止。
如果是劣化的程度小的电池，则在电池的端子电压达到放电停止电压的定时，SOC≈0％。随着电池逐渐劣化，电池的内部电阻上升。当电池的内部电阻上升时，会产生电压降，使电池的放电停止。虽然电池的放电由于电压降而停止，但是电池本身仍存在未完全放电的残存容量，因此SOC≠0％。
例如，在基于SOC显示电动汽车等的燃料计、大型蓄电系统等蓄电装置的燃料计(容量计)的情况下，与燃料计基于SOC≠0％进行显示无关，电池的端子电压有可能由于电压降而达到放电停止电压，从而使电动汽车等的行驶停止。
另外，在引用文献2中，对基于电负载(外部设备)的设备停止电压、二次电池的周围温度以及放电率来算出可放电容量的方法等进行了记载。但是，在引用文献2中，在算出电池的可放电容量时，并未考虑由于二次电池的劣化而产生电压降的情况。
本公开的目的在于，提供一种在不会对针对负载的电力供给造成障碍的情况下将SOC修正为适合电池的实际的放电性能的电池状态推定装置和电源装置。
用于解决课题的技术方案
本公开涉及的电池状态推定装置具备：SOC判定部，判定基于电池的满充电容量或可放电容量中的哪一个来推定电池的充电率；满充电容量推定部，推定满充电容量；放电容量推定部，推定可放电容量；以及电流累计推定部，基于满充电容量或可放电容量来推定电池的充电率。
发明效果
根据本公开，能够提供一种在不会对针对负载的电力供给造成障碍的情况下将SOC修正为适合电池的实际的放电性能的电池状态推定装置和电源装置。
附图说明
图1是用于说明实施方式涉及的蓄电池系统的图。
图2是示出实施方式涉及的电池状态推定装置的构成例的图。
图3是示出实施方式涉及的存储部的构成例的图。
图4是示出放电时的放电区间容量与SOC_FULL的关系的图。
图5是示出实施方式涉及的温度修正表和电流修正表的图。
图6是示出实施方式涉及的FCC、放电速率以及可放电容量的对应关系的概念图。
图7是示出电压降、SOC_Full以及SOC_Usable的关系的概念图。
图8是由实施方式涉及的电池状态推定装置进行的SOC修正处理的流程图。
图9是由实施方式涉及的电池状态推定装置进行的SOC修正处理的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式的例子进行具体说明。在所参照的各图中，有时会省略对实质上相同的结构的重复说明。
图1是用于说明实施方式涉及的蓄电池系统40的图。图2是示出实施方式涉及的电池状态推定装置422的构成例的图。图3是示出实施方式涉及的存储部4226的构成例的图。在本实施方式中，设想蓄电池系统40作为HEV、PHEV、EV等的动力源而搭载于车辆的情况。将具备蓄电池系统40和显示电池的剩余容量的燃料计的结构称为电源装置。
行驶用电动机10例如是三相交流同步电动机。电力变换器20经由继电器30与蓄电池系统40连接。在动力运行时，电力变换器20将从蓄电池系统40供给的直流电力变换为交流而供给到行驶用电动机10。此外，在再生时，电力变换器20将从行驶用电动机10供给的交流电力变换为直流电力而供给到蓄电池系统40。
继电器30通过来自控制部50的继电器控制信号控制为开状态或闭状态。在闭状态的情况下，继电器30连接电力变换器20和蓄电池系统40，从而形成充放电路径。此外，在开状态的情况下，继电器30切断电力变换器20与蓄电池系统40的充放电路径。
控制部50对车辆整体进行电子控制。控制部50基于用户的加速器操作量、车速、来自蓄电系统的信息等设定对行驶用电动机10的力矩要求值。控制部50对电力变换器20进行控制，使得行驶用电动机10按照该力矩要求值进行工作。例如，当力矩要求值增大时，控制部50对电力变换器20进行控制，使得将与其程度相应的电力供给到行驶用电动机10。此外，当力矩要求值减小时，控制部50对电力变换器20进行控制，使得将以减速能作为能源由行驶用电动机10发电的电力供给到蓄电池系统40。
蓄电池系统40包括电池模块410、电池管理装置420、电压传感器430、电流传感器440以及温度传感器450。
电池模块410由一个以上的电池(也称为二次电池)构成。在本实施方式中，设想作为电池模块410包含的电池而使用了锂离子二次电池的情况。虽然在图1中由串联连接的多个电池构成电池模块410，但是构成电池模块410的电池的个数也可以是一个。电池模块410包含的电池的一部分或全部也可以彼此并联连接。另外，在本实施方式中，只要没有特别说明，电池就是指单电池。
电池模块410经由继电器30与电力变换器20连接。在行驶用电动机10作为电力源工作时(再生时)，电池模块410能够经由电力变换器20接受充电电力的供给。此外，在行驶用电动机10作为负载工作时(动力运行时)，电池模块410能够经由电力变换器20供给放电电力。
蓄电池系统40内的电池通过外部充电以及电力变换器20的动力运行/再生控制而被充放电。为了避免过充电和过放电，要求控制部50准确地识别电池的SOC。即，电池的充放电由控制部50进行控制。另外，控制部50为了避免过充电和过放电而掌握的电池的SOC是指，后面说明的SOC_Full。电压传感器430分别对构成电池模块410的多个电池中的每一个的端子电压(电池各自的正极与负极间的电位差)的电压值Vd进行检测。电压传感器430将检测的各电池的电压值Vd输出到电池管理装置420。
电流传感器440配置在电池模块410与电力变换器20之间，测定流过电池模块410的电流的电流值Id。电流传感器440将检测的电流值Id输出到电池管理装置420。
温度传感器450检测电池模块410的温度Td(例如，电池模块410的表面温度)。电池模块410将检测的温度Td输出到电池管理装置420。
电池管理装置420包括电池状态推定装置422和通信部424。电池状态推定装置422使用包括电流值Id、电压值Vd以及温度Td的电池状态数据来推定SOC(State Of Charge：充电状态，也称为充电率)等电池状态。
通信部424将由电池状态推定装置422推定的SOC等与电池状态相关的信息发送到控制部50。电池管理装置420与控制部50之间通过CAN(Controller Area Network：控制器局域网络)等网络进行连接。
电池状态推定装置422具备FCC推定部(也称为满充电推定部)4221、电流累计推定部4222、SOC判定部4223、平均电流值算出部4224、放电容量推定部4225、以及存储部4226。
存储部4226包括SOC-OCV表61、修正表62、FCC保持部63。修正表62是记载了由后面说明的SOC修正处理和/或后面说明的FCC(Full Charge Capacity：满充电容量)修正处理使用的修正系数的表。FCC保持部63对FCC进行临时保持。
如果由于对电池进行充电或放电而使电池劣化，则在SOC为低值时，与SOC≠0％无关，有时电池的放电也会停止。这是因为，由于电池的劣化而使电池的内部电阻增加，从而产生了电压降。在停止放电的电池中，存在由于电压降而未被放电的残存容量。即，劣化的电池能够放电的容量不是满充电容量FCC，而是从满充电容量FCC减去残存容量的可放电容量(Discharge Capacity：也称为DC)。对修正SOC使得在由于电压降而使电池的放电停止的定时SOC≈0％的方法进行说明。
电流累计推定部4222通过对由电流传感器440检测的流过电池的电流值Id进行累计来推定电池的SOC。具体地，使用下述(式1)或(式2)来推定SOC。
SOC_FuII＝SOC0±(Q/FCC)×100…(式1)
SOC_Usable＝SOC0-(Q/DC)×100…(式2)
SOC0表示开始充电或放电之前的SOC，Q表示电流累计值(单位Ah)，FCC表示满充电容量，DC表示可放电容量。+表示充电，-表示放电。
SOC_Full是使用满充电容量来推定的SOC。SOC_Usable是使用可放电容量推定的SOC。
可放电容量根据FCC和放电速率(单位C)来算出。
FCC推定部4221基于由电流累计推定部4222推定的SOC_FULL的变化值和该变化所需的期间中的电流累计值来推定电池的FCC。FCC能够利用下述(式3)来推定。
FCC＝(Qt/ΔSOC)×100…(式3)
ΔSOC表示SOC_FULL的变化值，Qt表示ΔSOC所需的区间容量(单位Ah)。以下，将放电时的区间容量称为放电区间容量，将充电时的区间容量称为充电区间容量。
图4是示出放电区间容量与SOC_FULL的关系的图。随着放电区间容量增大，SOC_FULL的值降低。充电时与此相反，随着充电区间容量增大，SOC_FULL的值上升。当由电流累计推定部4222推定的SOC_FULL降低了设定值(例如，10％)的量时，FCC推定部4221确定该变化所需的区间中的放电区间容量，并使用上述(式3)推定FCC。放电区间容量能够根据电流累计值来确定。伴随着FCC的推定，FCC推定部4221根据新推定的FCC对保持在FCC保持部63的FCC进行更新。
另外，在推定FCC时，也可以对区间容量Qt进行修正。例如，可以对利用所检测的电流值的时间积分算出的区间容量Qt实施温度修正和/或电流修正。FCC推定部4221使用下述(式4)、(式5)算出修正后的区间容量Qt’。
Qt’＝Qt×αt…(式4)
Qt’＝Qt×αi…(式5)
αt表示温度修正系数，αi表示电流修正系数。图5是示出温度修正表62a和电流修正表62b的图。温度修正表62a和电流修正表62b是包含在修正表62的数据。温度修正表62a是记载了由温度传感器450检测的温度Td与温度修正系数αt的对应关系的表。电流修正表62b是记载了由电流传感器440检测的电流值Id与电流修正系数αi的对应关系的表。
FCC推定部4221基于检测的温度Td，参照温度修正表62a来确定温度修正系数αt。此外，基于检测的电流值Id，参照电流修正表62b来确定电流修正系数αi。将两个修正系数与区间容量Qt相乘的顺序是任意的。
平均电流值算出部4224算出SOC_FULL变化了设定值的量时的平均电流值，并算出该期间中的放电速率(C)。
放电容量推定部4225根据更新的FCC和算出的放电速率(C)来推定可放电容量。在此，图6是示出FCC、放电速率(C)以及可放电容量的对应关系的概念图。在放电容量推定部4225推定可放电容量时，将更新的FCC和放电速率(C)与图6的概念图进行对照，从而推定可放电容量。图6的概念图存储在存储部4226。
在图6的概念图中，X轴表示FCC，Y轴表示可放电容量，并在曲线图内部描绘了放电速率(C)。X轴与Y轴的交点为(X，Y)＝(FCC0，0)。Y轴与各放电速率的交点为(X，Y)≈(FCC0，DC0)。
(X，Y)≈(FCC0，DC0)表示电池未劣化的状态。FCC0表示电池未劣化的状态的满充电容量。DC0表示电池未劣化的状态的可放电容量。在X轴上，越往右，表示电池的劣化越严重的状态。在Y轴上，越往下，表示电池的劣化越严重的状态。在图6的概念图中，表示在某个劣化状态下，越是以大的放电速率(C)进行放电，可放电容量就越小。在图6的概念图中，表示越是以小的放电速率(C)进行放电，即使在电池发生劣化的状态下，可放电容量也越大。
另外，图6的概念图可通过事先的实验或仿真根据二次电池从初始状态起逐渐劣化时获取的FCC和可放电容量的数据来生成。在事先进行实验或仿真时，以多个放电速率对二次电池进行放电，对各种劣化程度的二次电池获取FCC和可放电容量。
电流累计推定部4222利用上述(式1)或(式2)来推定电池的SOC。在电池的劣化的影响大的情况下，电流累计推定部4222将SOC_Usable推定为电池的SOC。“对SOC进行修正”是指，“将SOC_Usable推定为电池的SOC”。
图7是示出电压降、SOC_Full以及SOC_Usable的关系的概念图。在产生电压降而使电池的放电停止的定时，SOC_Full≠0％，相对于此，SOC_Usable≈0％。
关于是否有必要对SOC进行修正，由SOC判定部4223进行判定。
例如，能够做成为如下的结构，即，在电池的放电时，在利用上述(式1)算出的SOC_Full与利用OCV法推定的SOC_OCV之差小于给定值的情况下，SOC判定部4223判定为采用SOC_Full作为SOC，在SOC_Full与SOC_OCV之差大于给定值的情况下，SOC判定部4223判定为采用SOC_Usable作为SOC。OCV法是如下的方法，即，推定电池的开路电压(OCV)，并参照存储在存储部4226的SOC-OCV表61来确定与推定的OCV对应的SOC。SOC-OCV表61是记载了电池的SOC与电池的OCV(开路电压)的关系的表。SOC-OCV表61可通过事先的实验或仿真根据从电池单元的充电率为0％的状态起逐渐进行充电时获取的SOC和OCV的数据来生成。此外，SOC-OCV表61能够通过事先的实验或仿真根据从电池单元的充电率为100％的状态起逐渐进行放电时获取的SOC和OCV的数据来生成。
此外，作为由SOC判定部4223进行的判定方法，在电池的放电时利用上述(式1)算出的SOC_Full为给定值以下(例如，SOC_Full为30％以下)的情况下继续放电的情况下，能够判定为采用SOC_Usable作为SOC。
接着，使用图8和图9的流程图对由基于以上的结构的电池状态推定装置422进行的SOC修正处理进行说明。图8是对通过SOC_Full与SOC_OCV之差是否为给定值以上来判定由SOC判定部4223进行的是否采用SOC_Usable作为SOC的判定的情况进行说明的图。图9是对通过SOC_Full是否为给定值以下来判定由SOC判定部4223进行的是否采用SOC_Usable作为SOC的判定的情况进行说明的图。
基于图8的流程图对SOC的修正进行说明。
通过控制部50对电池的充放电进行控制(步骤1)。
在电池的充电时，电流累计推定部4222利用(式1)推定SOC_Full，并将推定的SOC_Full推定为电池的SOC(步骤30)。
在电池的放电时，推定SOC_Full和SOC_OCV(步骤20)。SOC判定部4223计算SOC_Full与SOC_OCV之差(步骤21)。在SOC_Full与SOC_OCV之差大于给定值的情况下，SOC判定部4223判定为将SOC_Usable推定为电池的SOC(步骤21)。在SOC_Full与SOC_OCV之差为给定值以下的情况下，SOC判定部4223判定为将SOC_Full推定为电池的SOC(步骤21)。
在SOC判定部4223判定为将SOC_Full推定为电池的SOC的情况下，电流累计推定部4222利用(式1)推定SOC_Full，并将所推定的SOC_Full推定为电池的SOC(步骤30)。
在SOC判定部4223判定为将SOC_Usable推定为电池的SOC的情况下，放电容量推定部4225推定可放电容量(步骤40)。然后，电流累计推定部4222利用(式2)推定SOC_Usable，并将推定的SOC_Usable推定为电池的SOC(步骤40)。
在步骤30或步骤40之后电池的端子电压达到放电停止电压的情况下，电池的放电结束(步骤50)。在步骤30或步骤40之后电池的端子电压未达到放电停止电压的情况下，返回到步骤10(步骤50)。电池的端子电压是否达到放电停止电压，由控制部50进行判定。
在图9的流程图所示的SOC的修正处理中，在SOC_Full为给定值以下(例如，30％以下)的情况下，SOC判定部4223判定为将SOC_Usable推定为电池的SOC(步骤22)。在基于图9的流程图的处理中，除了由SOC判定部4223进行的判定以外，进行与图8的流程图所示的SOC的修正处理同样的处理。
只在通过步骤21或步骤22判断为将SOC_Usable推定为SOC的情况下进行由电流累计推定部4222进行的SOC_Usable的算出和由放电容量推定部4225进行的可放电容量的推定即可。将SOC_Usable推定为SOC那样的情况是指，例如燃料计基于SOC显示电池的剩余容量那样的情况。SOC_Usable是考虑了由于电压降而达到放电停止电压的情况的值，因此通过将SOC_Usable推定为SOC，从而能够调整电池的剩余容量，使得在达到放电停止电压的定时燃料计的显示为零。
另外，与图8和图9的流程图所示的SOC的修正处理独立地，在对电池进行充放电的期间以给定的间隔定期地进行由电流累计推定部4222进行的SOC_Full的算出和由FCC推定部4221进行的FCC的推定。这是因为，控制部50根据作为实际的充电率的SOC_Full在不会成为过充电、过放电的范围对电池的充放电进行控制的缘故。
虽然在以上的实施方式中以用作电动汽车等的电动机驱动用的电源的电池的电池状态推定装置为例进行了说明，但是对于用作家庭用或工业用的电源的电池的电池状态推定装置，也能够进行本公开涉及的SOC的修正。
产业上的可利用性
本公开涉及的电池状态推定装置以及电源装置对电动汽车等的电动机驱动用的电源、备用电源等是有用的。
附图标记说明
10：行驶用电动机；
20：电力变换器；
30：继电器；
40：蓄电池系统；
410：电池模块；
420：电池管理装置；
422：电池状态推定装置；
4221：FCC推定部；
4222：电流累计推定部；
4223：SOC判定部；
4224：平均电流值算出部；
4225：放电容量推定部；
4226：存储部；
424：通信部；
430：电压传感器；
440：电流传感器；
450：温度传感器；
50：控制部；
61：SOC-OCV表；
62：修正表；
62a：温度修正表；
62b：电流修正表；
63：FCC保持部。

Claims (5)

1.一种电池状态推定装置，推定电池的充电率，所述电池状态推定装置具备：
SOC判定部，判定基于所述电池的满充电容量或可放电容量中的哪一个来推定所述电池的充电率；
满充电容量推定部，推定所述满充电容量；
放电容量推定部，推定所述可放电容量；以及
电流累计推定部，基于所述满充电容量或所述可放电容量来推定所述电池的充电率。
2.根据权利要求1所述的电池状态推定装置，其中，
在所述电池被放电的情况下，且在基于所述满充电容量推定的所述电池的充电率降低至给定值以下的情况下，所述SOC判定部判定为基于所述可放电容量来推定所述电池的充电率。
3.根据权利要求1所述的电池状态推定装置，其中，
在所述电池被放电的情况下，且在算出基于所述满充电容量推定的所述电池的充电率与基于所述电池的开路电压推定的充电率之差并且所述差大于给定值的情况下，所述SOC判定部判定为基于所述可放电容量来推定所述电池的充电率。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电池状态推定装置，其中，
所述放电容量推定部根据由所述满充电容量推定部推定的满充电容量和所述电池的放电速率来推定所述可放电容量。
5.一种电源装置，具备权利要求1至4中任一项所述的电池状态推定装置和燃料计，其中，
所述燃料计基于由所述电池状态推定装置推定的所述电池的充电率显示所述电池的剩余容量。
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