CN109313239A - 管理装置以及蓄电系统 - Google Patents

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Abstract

电压检测部检测蓄电部的两端电压。电流检测部检测流过蓄电部的电流。控制部基于由电压检测部检测到的电压，通过OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)法来估计蓄电部的SOC(State OfCharge，荷电状态)，并基于通过电流检测部检测到的电流通过电流累计法估计蓄电部的SOC。控制部比较通过OCV法估计的SOC和通过电流累计法估计的SOC来判定蓄电部有无微小短路。

Description

管理装置以及蓄电系统
技术领域
本发明涉及用于管理蓄电部的管理装置以及蓄电系统。
背景技术
近年来，锂离子电池和镍氢电池等二次电池使用在各种用途中。例如使用在以对EV(Electric Vehicle，电动车辆)、HEV(Hybrid Electric Vehicle，混合动力电动车辆)、PHV(Plug-in Hybrid Vehicle，插电式混合动力车辆)的行驶用电动机提供电力为目的的车载用途、以峰值位移(ピ一クシフト)、备份为目的的蓄电用途、以系统的频率稳定化为目的的FR(Frequency Regulation，频率调整)用途等中。
在锂离子电池等二次电池中，有时会以隔板的偏离引起的正极与负极的接触、异物混入到电池内引起的导电路径的产生等为原因，在电池内产生微小短路。微小短路有成为过热的原因的危险性。另外在多个电池串联连接的情况下，会在电池间产生电压偏差。在产生微小短路的电池中，与被串联连接的其他正常的电池比较，由于会在内部额外消耗电流，因此会在产生了微小短路的电池与其他正常的电池之间产生电位差。
另外二次电池随着充放电次数增加而不断劣化。若劣化，则满充电容量减少，充电时的电压上升以及放电时的电压降低变快。因此，在被串联连接的电池间产生劣化偏差的情况下也会在电池间产生电位差。特别在由于一部分的电池更换而旧的电池和新的电池混合存在的情况下，劣化偏差变大。
通常在被串联连接的多个锂离子电池中测定各电池的电压，在有偏差的情况下执行均等化控制(例如参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2000-92732号公报
发明内容
在被串联连接的电池间产生电压偏差的情况下，难以立即确定其要因。有电池间的劣化偏差引起的情况，有检测器的测量误差引起的情况，有微小短路引起的情况，还有这些要因叠加的情况。特别在和微小短路一起产生劣化偏差以及/或者测量误差的情况下，难以根据多个电池间的电压差正确地判定有无微小短路。
本公开鉴于这样的状况而提出，其目的在于，提供能高精度地判定有无微小短路的技术。
为了解决上述课题，本公开的某方案的管理装置具备：检测蓄电部的两端电压的电压检测部；检测流过蓄电部的电流的电流检测部；和判定蓄电部有无微小短路的控制部。控制部基于通过电压检测部检测到的电压，通过OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)法来估计蓄电部的SOC(State Of Charge，荷电状态)，并基于通过电流检测部检测到的电流，通过电流累计法来估计蓄电部的SOC，比较通过OCV法估计的SOC和通过电流累计法估计的SOC来判定蓄电部有无微小短路。
另外，将以上的构成要素的任意的组合、本公开的表现在方法、装置、系统等之间变换而得到的方案也作为本公开的方案是有效的。
根据本公开，能高精度地判定有无微小短路。
附图说明
图1A是用于说明未产生微小短路的状态的电池单元的图。
图1B是用于说明产生微小短路的状态的电池单元的图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的蓄电系统的结构例的图。
图3是表示单元的充电时在OCV与CCV的关系的图。
图4是表示正常的单元的SOC-V与SOC-I的关系、和产生微小短路的单元的SOC-V与SOC-I的关系的图。
图5是表示产生微小短路的单元的SOC-V和SOC-I的推移例1的图。
图6是表示产生微小短路的单元的SOC-V和SOC-I的推移例2的图。
图7是表示用于判定单元有无微小短路的处理例的流程图。
图8是表示本发明的实施方式所涉及的蓄电系统的其他结构例的图。
具体实施方式
图1A、图1B是用于说明微小短路的图。图1A表示未产生微小短路的状态的电池单元S1，图1B表示产生微小短路的状态的电池单元S1。电池单元S1包含电动势部E以及内部电阻R1，电池单元S1的两端与负载2的两端连接。
如图1B所示那样，微小短路在电池单元S1的内部的电动势部E的两端产生。例如在电动势部E的两端因灰尘、杂质等异物混入而接触的情况下，电动势部E的两端的绝缘被打破，电动势部E的两端经由微小短路电阻R2而导电。
微小短路与电池单元S1的两端短路的外部短路不同，是在电池单元S1的内部产生，但在微小短路电阻R2小的情况下，会产生与大的发热相伴的大电流。在微小短路电阻R2大的情况下，虽然不会流过大电流，但伴随微小短路电阻R2的电流消耗而电池单元S1的容量会慢慢不断降低。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的蓄电系统1的结构例的图。蓄电系统1与负载2的两端连接。本说明书中，负载2设为包含发电机、系统等电源的概念。另外在负载2是交流负载的情况下，在蓄电系统1与负载2之间插入逆变器(未图示)。该逆变器将从负载2提供的交流电变换成直流电并提供到蓄电系统1，将从蓄电系统1提供的直流电变换成交流电并提供到负载2。
蓄电系统1具备单元S1、分流电阻Rs以及管理装置10。在单元S1中能使用锂离子电池单元、镍氢电池单元、双电层电容器单元、锂离子电容器单元等。以下在本说明书中假设使用锂离子电池单元(标称电压：3.6-3.7V)的示例。
分流电阻Rs与单元S1串联连接。分流电阻Rs作为电流检测元件发挥功能。另外也可以使用霍尔元件来取代分流电阻Rs。
管理装置10具备电压检测部11、电流检测部12、控制部13、存储部14。电压检测部11检测单元S1的两端电压并输出到控制部13。电流检测部12包括与分流电阻Rs的两端连接的误差放大器，误差放大器检测分流电阻Rs的两端电压。电流检测部12基于该两端电压来检测在单元S1流动的电流并将其输出到控制部13。
控制部13基于由电压检测部11、电流检测部12检测到的单元S1的电压、电流来管理单元S1。控制部13的结构能通过硬件资源和软件资源的协作、或仅通过硬件资源实现。作为硬件资源，能利用微型计算机、DSP、FPGA、其他LSI。作为软件资源，能利用固件等程序。
存储部14包含OCV-SOC表格14a以及内部电阻表格14b。存储部14能以ROM以及RAM实现。
控制部13基于由电压检测部11检测的电压，通过OCV法来估计单元S1的SOC。在锂离子电池中，在SOC与OCV之间有稳定的关系。因此，能通过测定单元S1的OCV来估计单元S1的SOC。设计人员将规定了单元S1的OCV-SOC特性的OCV-SOC表格14a登记到存储部14。控制部13参考OCV-SOC表格14a，基于由电压检测部11检测到的电压来估计SOC。
OCV法由于使用开路电压，因此需要在电流流过单元S1的状态(充放电中)下补正由电压检测部11检测到的电压。在充放电中使用下述的(式1)来将闭路电压(CCV：ClosedCircuit Voltage)变换成开路电压(OCV)。
OCV＝CCV±I×R (式1)
CCV：由电压检测部11检测到的电压值
I：由电流检测部12检测到的电流值
R：内部电阻
锂离子电池的内部电阻并非恒定，根据状况而变化。主要受到温度、SOC、电流、劣化度(SOH：State Of Health)的影响。具体地，锂离子电池在温度低时，在SOC少时，在电流大时，在劣化进展时，内部电阻增加。设计人员将温度、SOC、电流、劣化度的至少1个作为输入参数，来作成以内部电阻为输出参数的内部电阻表格14b，登记到存储部14。内部电阻表格14b根据基于实验或仿真导出的值而作成。
另外，在采用温度作为输入参数的情况下，需要在单元S1的近旁设置温度传感器(例如热敏电阻)，该温度传感器将检测到的温度输出到控制部13。
图3是表示单元S1的充电时的OCV与CCV的关系的图。充电时通过在OCV上加上I×R而得到CCV。反过来，放电时通过从OCV减去I×R而得到CCV。
控制部13用该OCV法估计单元S1的SOC，并基于由电流检测部12检测到的电流，用电流累计法来估计单元S1的SOC。具体地，以充电电流为正，以放电电流为负，控制部13以初始SOC为基准，对应于由电流检测部12检测到的电流值而使SOC变化。
以下，将用OCV法估计的SOC标记为SOC-V，将用电流累计法估计的SOC标记为SOC-I。SOC-V和SOC-I虽然会因运算算法不同而产生若干的运算误差，但只要其他条件为理想的条件，SOC-V的值和SOC-I的值就一致。实际上受到电压检测部11、电流检测部12、温度传感器(未图示)的测量误差的影响。以下，本说明书中为了易于理解说明，忽略SOC的估计算法带来的运算误差、各种检测器的测量误差来考虑。
在单元S1中发生微小短路的情况下，由于在单元S1内部产生电流消耗，因此单元S1的SOC慢慢不断降低。该电压降低的影响始终反映在SOC-V。另一方面，在SOC-I中仅反映初始值，在此之后不反映。因此，初始状态下SOC-V的值和SOC-I的值一致，但随着时间经过而SOC-V的值变得小于SOC-I的值，该两者的背离不断变大。因此，控制部13能通过比较SOC-V和SOC-I来判定有无微小短路。
图4是表示正常的单元S1的SOC-V与SOC-I的关系、和发生微小短路的单元S1的SOC-V与SOC-I的关系的图。在正常的单元S1的情况下，SOC-V的值和SOC-I的值一致。另一方，在发生微小短路的单元S1的情况下，SOC-V的值变得小于SOC-I的值。
图5是表示发生微小短路的单元S1的SOC-V和SOC-I的推移例1的图。推移例1是因微小短路引起的电流消耗而在停止中单元S1的SOC成为零，初始状态的SOC为零的示例。在负载2的启动后，开始向单元S1的充电，单元S1的SOC慢慢不断上升。若比较SOC-V和SOC-I，则由于SOC-I是不反映微小短路引起的电流消耗的值，因此SOC-I始终成为高于SOC-V的值。另外，随着时间经过而两者的差不断扩大。
图6是表示发生微小短路的单元S1的SOC-V与SOC-I的推移例2的图。推移例2是微小短路引起的电流消耗小、或从前次的停止起仅经过短时间的情况的示例，是初始状态的SOC高的状态的示例。是如下那样的示例：在负载2的启动后，从单元S1向负载2放电，隔着待机时间，从负载2对单元S1充电。即使在推移例2那样不规则地发生充放电的情况下，SOC-I也始终成为高于SOC-V的值。另外随着时间经过而两者的差不断扩大。
因此在理论上，若处于SOC-I＞SOC-V的关系，就能判断为在单元S1发生了微小短路。但实际上有上述的运算误差、测量误差。另外还考虑ESD(Electro Static Discharge，静电放电)噪声引起的误差。为此，在(SOC-I)-(SOC-V)大于给定值(正值)时判定为发生了微小短路，在(SOC-I)-(SOC-V)为给定值(正值)以下时判定为未发生微小短路。
另外，由于从启动时起经过时间越长，SOC-I与SOC-V的背离就越大，因此虽然有无微小短路的判定精度提升，但微小短路的检测定时变迟。设计人员能通过调整给定值以及/或者判定定时(从启动时起的经过时间)来调整有无微小短路的判定精度和微小短路的检测定时。
在图5、图6所示那样在单元S1发生了微小短路的情况下，随着时间经过而SOC-I与SOC-V的背离不断变大。为此，在比较第1时刻下的SOC-I与SOC-V的背离和第2时刻下的SOC-I与SOC-V的背离而背离扩大时，判定为发生了微小短路，在未扩大时判定为未发生微小短路。在此，第1时刻是与第2时刻相比过去的时刻，第1时刻包括启动时的时刻。
图7是表示用于判定单元S1的有无微小短路的处理例的流程图。控制部13在第1时刻分别算出SOC-I1和SOC-V1(S10)。算出的SOC-I1和SOC-V1暂时保存在工作区。控制部13在第2时刻分别算出SOC-I2和SOC-V2(S11)。
控制部13判定从SOC-I2减去SOC-V2所得到的差值是否大于给定值(正值)(S12)。在差值为给定值以下的情况下(S12“否”)，控制部13判定为未发生微小短路(S15)。在差值大于给定值的情况下(S12“是”)，控制部13判定从SOC-I2减去SOC-V2所得到的第2差值是否大于从SOC-I1减去SOC-V1所得到的第1差值(S13)。在第2差值大于第1差值的情况下(S13“是”)，控制部13判定为发生了微小短路(S14)，在第2差值为第1差值以下的情况下(S13“否”)，判定为未发生微小短路(S15)。
另外在上述步骤S12，省略判定从SOC-I1减去SOC-V1所得到的第1差值是否大于给定值(正值)的处理，但在第1时刻是启动时以外的情况下，可以追加该比较判定。在该情况下，在从SOC-I1减去SOC-V1所得到的第1差值和从SOC-I2减去SOC-V2所得到的第2差值的至少一方为给定值以下的情况下，控制部13判定为未发生微小短路(S15)。在第1差值和第2差值两方大于给定值的情况下，过渡到步骤S13。
在图6中示出在放电时单元S1的SOC单调减少的示例，但实际上由于负载2的变动而放电电流不规则地变动的情况较多。在该情况下，SOC的减少曲线也变得不规则。另一方面，充电时单元S1的SOC单调地增加的情况较多。负载2与单元S1间的逆变器(未图示)通常以给定的充电速率对单元S1进行恒电流(CC)充电的情况较多。
有无微小短路的判定处理在SOC单调变化时执行的一方，精度会变高。因此优选在充电中执行该判定处理。例如优选在图5的时刻t0与时刻t1之间、图5的时刻t1与时刻t2之间、图6的时刻t2与时刻t3之间执行。
到此为止说明了单元S1是1个单纯的蓄电系统1，但实际上将大量单元串并联连接来形成大容量高电压的蓄电部的情况较多。特别在车载用途、蓄电用途、FR用途中构成大规模的蓄电系统1。
图8是表示本发明的实施方式所涉及的蓄电系统1的其他结构例的图。在图8中，将多个单元S11-S1n并联连接来构成1个电池组，将m个电池组串联连接来形成电池包。电压检测部111-11m针对m个电池组分别设置，电压检测部111-11m将检测到的电压分别输出到控制部13。控制部13按每个电池组来判定有无微小短路。另外，在有无微小短路的判定处理中，基本上不会比较不同的电池组间的电压。分别独立地比较SOC-I和SOC-V来分别独立地判定有无微小短路。
如以上说明的那样，根据本实施方式，能通过比较SOC-I和SOC-V来高精度地判定有无微小短路。另外由于不需要在多个单元间或多个电池组间比较电压，因此即使在多个单元间或多个电池组间发生劣化偏差，也能不受其影响地准确判定有无微小短路。因此，即使在新品电池和劣化电池混合存在的蓄电系统中，也能准确地判定各电池有无微小短路。由此大幅提升蓄电系统的维护性。
以上根据实施方式说明了本发明。实施方式是例示，这些各构成要素、各处理工艺的组合中能有各种变形例，另外本领域技术人员应当理解这样的变形例也处于本发明的范围。
在上述的实施方式中，说明了基于第1时刻和第2时刻这2点的SOC-I和SOC-V来判定SOC-I与SOC-V的差是否背离。关于这点，也可以基于3点以上的SOC-I和SOC-V来判定SOC-I与SOC-V的差是否背离。在该情况下，能更加提高判定精度。
另外，实施方式可以通过以下的项目确定。
[项目1]
管理装置(10)具备：电压检测部(11)，其检测蓄电部(S1)的两端电压；电流检测部(12)，其检测流过所述蓄电部(S1)的电流；和控制部(13)，其基于通过所述电压检测部(11)检测到的电压，通过OCV(Open Circuit Voltage，开路电压)法来估计所述蓄电部(S1)的SOC(State OfCharge，荷电状态)，并基于通过所述电流检测部(12)检测到的电流通过电流累计法来估计所述蓄电部(S1)的SOC，对通过所述OCV法估计的SOC和通过所述电流累计法估计的SOC进行比较，来判定所述蓄电部(S1)有无微小短路。
据此，能高精度地判定蓄电部(S1)有无微小短路。
[项目2]
根据项目1记载的管理装置(1)，在自所述蓄电部(S1)的启动开始起给定期间后的通过所述OCV法估计的SOC与通过所述电流累计法估计的SOC的差为给定值以上时，所述控制部(13)判定为所述蓄电部(S1)有微小短路。
据此，能基于伴随时间经过产生的通过OCV法估计的SOC与通过电流累计法估计的SOC的差，来判定蓄电部(S1)有无微小短路。
[项目3]
根据项目1记载的管理装置(10)，通过所述OCV法估计的SOC与通过所述电流累计法估计的SOC的差在从第1时刻经过给定时间后的第2时刻比该第1时刻扩大时，所述控制部(13)判定为所述蓄电部有微小短路。
据此，能更高精度地判定蓄电部(S1)有无微小短路。
[项目4]
根据项目1～3中任一项记载的管理装置(10)，所述控制部(13)在所述蓄电部(S1)的充电中执行所述蓄电部(S1)有无微小短路的判定处理。
据此，能基于稳定的测量值来判定蓄电部(S1)有无微小短路。
[项目5]
蓄电系统(1)，具备蓄电部(S1)和项目1～4中任一项所述的管理装置(10)。
据此，能高精度地判定蓄电系统(1)中的蓄电部(S1)有无微小短路。
产业上的可利用性
本发明能利用在管理装置以及蓄电系统中。
附图标记的说明
1 蓄电系统
2 负载
S1 单元
R1 内部电阻
R2 微小短路电阻
E 电动势部
Rs 分流电阻
10 管理装置
11 电压检测部
12 电流检测部
13 控制部
14 存储部
14a OCV-SOC表格
14b 内部电阻表格。

Claims (5)

1.一种管理装置，具备：
电压检测部，其检测蓄电部的两端电压；
电流检测部，其检测流过所述蓄电部的电流；和
控制部，其基于通过所述电压检测部检测到的电压，通过OCV法估计所述蓄电部的SOC，并基于通过所述电流检测部检测到的电流，通过电流累计法来估计所述蓄电部的SOC，对通过所述OCV法估计的SOC和通过所述电流累计法估计的SOC进行比较来判定所述蓄电部有无微小短路，
其中，OCV为开路电压，SOC为荷电状态。
2.根据权利要求1所述的管理装置，其中，
在自所述蓄电部的启动开始起给定期间后的通过所述OCV法估计的SOC与通过所述电流累计法估计的SOC的差为给定值以上时，所述控制部判定为所述蓄电部有微小短路。
3.根据权利要求1所述的管理装置，其中，
通过所述OCV法估计的SOC与通过所述电流累计法估计的SOC的差在从第1时刻起经过给定时间后的第2时刻比该第1时刻扩大时，所述控制部判定为所述蓄电部有微小短路。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的管理装置，其中，
所述控制部在所述蓄电部的充电中执行所述蓄电部有无微小短路的判定处理。
5.一种蓄电系统，具备：
蓄电部；和
权利要求1～4中任一项所述的管理装置。
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