CN110197931B - 电池的充电/放电控制方法及电池系统 - Google Patents

电池的充电/放电控制方法及电池系统 Download PDF

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Abstract

一种由电池系统的充电/放电控制器执行的电池的充电/放电控制方法，其包括：获取电池温度，该电池温度作为电池温度传感器的测量值；获取进气温度，该进气温度作为进气温度传感器的测量值；获取电流，该电池作为电流传感器的测量值；通过参考预定图，计算电池模块的内部温度以及限定直到达到内部温度时的时间的时间常数，内部温度和时间常数对应于所获取的进气温度和所获取的电流；至少基于内部温度和时间常数，校正预定的控制图，该预定的控制图限定相对于电池温度的充电/放电电力的极限值；以及基于所获取的电池温度和校正后的控制图，对电池模块进行充电/放电控制。

Description

电池的充电/放电控制方法及电池系统
技术领域
本发明涉及电池的充电/放电控制方法、以及搭载在车辆等中的电池系统。
背景技术
对于搭载在车辆等中的电池，优选抑制温度上升，以便抑制电池的劣化并确保安全性。鉴于此，例如，日本未经审查的专利申请公开第2007-221885号(JP 2007-221885A)描述了一种控制装置，其配置为使得：制备控制图，该控制图限定相对于电池温度的放电电力和充电电力的极限值；随着电池温度接近预定的极限温度，加强对放电电力和充电电力的限制；以及当电池温度达到极限温度时，停止充电/放电。
图6示出了这样的控制图的示例。控制图的横轴表示电池的内部温度，且纵轴表示充电电力和放电电力。在该示例中，电池的内部温度的极限温度是110℃。该控制图设定为使得可进行充电/放电的最大温度为极限温度或低于极限温度，并且电池的内部温度设定为使得只要在控制图示出的极限值内进行充电/放电，就不超出极限温度。由此，相对于内部温度来设定电池的极限温度，并且相对于内部温度来初始设定控制图。然而，在实践中，难以测量电池的内部温度，因此，例如，相对于附接于电池单体表面的电池温度传感器的测量值来设定控制图，使得将电池温度传感器的测量值增加预定偏移量而获得的值作为内部温度。图7是将图6中的控制图的横轴替换为电池温度传感器的测量值而获得的控制图。由于空气冷却等的散热的影响，电池温度传感器的测量值通常低于内部温度，并且图7示出的控制图从图6示出的控制图沿着温度轴向低温方向仅偏移该偏移量(>0)。在图7的示例中，该偏移量为110-58＝52(℃)。
发明内容
在使用图7示出的控制图的控制中，当保持使用将预定的固定值作为初始偏移量的初始控制图时，在根据实际内部温度和电池温度传感器的测量值之间的差值的起伏来确定内部温度高于或低于实际值的状态下，进行控制。尤其在大电流流过电池并且发热量较大，但由于空气冷却效果高而使电池单体的表面被有效地冷却，且因此电池的实际内部温度与其表面温度的差值较大的情况下，将内部温度确定为低于实际值。如果保持使用初始控制图，则内部温度可能超出极限温度。
能够根据作为供应至电池用于冷却的空气的温度的进气温度、和由电池的电流值的平方表示的电流负载来估计电池的内部温度。鉴于此，传统上认为，在基于估计值能够确定内部温度和电池温度传感器的测量值之间的差值大于初始偏移量的情况下，做出将控制图自初始偏移量向进一步的低温方向偏移的校正，以便避免将内部温度确定为低于实际温度的控制。图8示出初始控制图和通过执行此校正而获得的控制图。在校正后的控制图中该偏移量为70℃，并且比初始偏移量52℃大了18℃。
然而，基于进气温度和电流负载估计的内部温度是在进气温度和电流负载持续了较长时间且内部温度收敛至给定值之后的饱和值，并且无法迅速地达到如此估计的内部温度。因此，如果进行基于图8示出的校正后的控制图的控制，则进行将内部温度确定为高于实际温度的控制。该控制不是优选的，并且可能导致不必要地限制充电/放电且阻碍电池的有效使用的问题。
本发明提供电池的充电/放电控制方法和电池系统，充电/放电控制方法和电池系统中的每一者都能够在不超出电池的极限温度的情况下进行有效的充电/放电控制。
本发明的第一方面涉及电池的充电/放电控制方法。该充电/放电控制方法由电池系统的充电/放电控制器执行。该电池系统包括：电池模块；电池温度传感器，其配置为测量电池模块的温度；电流传感器，其配置为测量流入和流出电池模块的电流；冷却管；进气温度传感器，其设置在冷却管中，并且配置为测量进气温度，该进气温度为供应至电池模块的空气的温度；以及充电/放电控制器，其配置为控制电池模块的充电/放电电力。充电/放电控制方法包括：获取电池温度，该电池温度是电池温度传感器的测量值；获取进气温度，该进气温度是进气温度传感器的测量值；获取电流，该电流是所述电流传感器的测量值；通过参考预定图，计算电池模块的内部温度以及限定直到达到内部温度时的时间的时间常数，该内部温度和该时间常数对应于所获取的进气温度和所获取的电流；至少基于内部温度和时间常数，校正预定的控制图，该预定的控制图限定相对于电池温度的充电/放电电力的极限值；以及基于所获取的电池温度和校正后的控制图，对电池模块进行充电/放电控制。
因此，通过使用时间常数适当地校正了用于对充电/放电进行限制的控制图。由此，在控制充电/放电以使得电池的内部温度不超出极限温度时，能够在不超过必要地限制充电/放电的情况下实现电池的有效使用。
进一步地，当内部温度大于预定的极限温度时，充电/放电控制器可以基于内部温度和时间常数计算电池模块中的温度的预测增量，并且通过将预定的控制图向相对于电池温度的低温侧仅偏移计算出的预测增量来校正预定的控制图。该预测增量为预测在预定时间期间将实现的增量。
由此，能够仅通过特别适当的校正量来校正控制图。
本发明的第二方面涉及电池系统，该电池系统包括电池模块、电池温度传感器、电流传感器、冷却管、进气温度传感器和充电/放电控制器。电池温度传感器配置为测量电池模块的温度。电流传感器配置为测量流入和流出电池模块的电流。进气温度传感器设置在冷却管中，并且配置为测量进气温度，该进气温度为供应至电池模块的空气的温度。充电/放电控制器配置为控制电池模块的充电/放电电力。充电/放电控制器获取电池温度、进气温度和电流，该电池温度为电池温度传感器的测量值，该进气温度为进气温度传感器的测量值，该电流为电流传感器的测量值。充电/放电控制器通过参考预定图，计算电池模块的内部温度以及限定直到达到内部温度时的时间的时间常数，该内部温度和该时间常数对应于所获取的进气温度和所获取的电流。充电/放电控制器至少基于内部温度和时间常数，校正预定的控制图，该预定的控制图限定相对于电池温度的充电/放电电力的极限值。充电/放电控制器基于所获取的电池温度和校正后的控制图，对电池模块进行充电/放电控制。
因此，通过使用时间常数适当地校正了用于对充电/放电进行限制的控制图。由此，在控制充电/放电以使得电池的内部温度不超出极限温度时，能够在不超过必要地限制充电/放电的情况下实现电池的有效使用。
根据本发明的各方面，通过使用如上所述的时间常数能够适当地校正用于对充电/放电进行限制的控制图。特别地，在不使用内部温度收敛之后的估计值的情况下，通过由时间常数计算的经过预定时间之后的估计值来校正控制图。因此，能够提供电池的充电/放电控制方法和电池系统，电池的充电/放电控制方法和电池系统中的每一者都能够在不超出电池的极限温度且不超过必要地限制充电/放电的情况下进行有效的充电/放电控制。
附图说明
下面将结合附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术及工业显著性，其中相同的附图标记表示相同的元件，且其中：
图1为根据本发明的一实施例的电池系统的功能框图；
图2为示出根据一实施例的充电/放电控制器的处理的流程图；
图3为示出根据本发明的一实施例的初始控制图的视图；
图4为示出根据本发明的一实施例的对应于初始控制图的可允许上限温度值的电池内部温度的上升模型的视图；
图5为示出根据本发明的一实施例的校正后的控制图的示例的视图；
图6为示出现有技术的控制图的视图；
图7为示出现有技术的控制图的视图；以及
图8为示出现有技术的校正后的控制图的视图。
具体实施方式
概要
在根据本发明的电池的充电/放电控制方法中，通过使用限定相对于电池温度传感器值的放电电力和充电电力的极限值的控制图，进行充电/放电控制，使得电池的内部温度不超出极限温度。基于内部温度的估计值来校正控制图，基于进气温度和电流负载来确定该估计值。在不使用如现有技术在收敛之后的估计值的情况下，通过基于预定的时间常数计算出的经过预定时间之后的估计值来确定校正量。这使得能够抑制超过必要的充电/放电控制。
实施例
下面结合附图详细地描述本发明的一实施例。
配置
图1是根据本实施例的电池系统100的功能框图。作为一示例，电池系统100包括电池模块10、多个电压传感器3、多个电池温度传感器4、电流传感器5、冷却管11、进气温度传感器14和电池监控ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)20。作为一示例，电池模块10包括串联连接的多个(n个)并联电路2(2_(1) 至2_(n))。每个并联电路2包括并联连接的多个(m个)单体电池1(1_(1,1)至1_(1,m),……,1_(n,1)至1_(n, m))。多个电压传感器3(3_(1)至3_(n))测量多个并联电路2各自的电压。每个电池温度传感器4(4_(1)至 4_(n))例如设置在对应的并联电路2中的多个单体电池1中的任何一个单体电池的表面上，位于能够获取多个单体电池1的最大表面温度的位置，以便于测量对应的并联电路2的温度。可以在一个并联电路2中设置多个电池温度传感器4。电流传感器5测量电池模块10的电流。进一步地，冷却管11吸入用于冷却的进气，并将进气供应至电池模块10。进气温度传感器14测量进气温度。电池模块10的配置为一示例，并且单体电池1的数量和单体电池1的布置结构没有被特别地限制。进一步地，可以省略电压传感器3。
作为一示例，电池监控ECU20是配置为控制电池模块10的电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)。电池监控ECU 20包括：充电/放电控制器21，其配置为从电压传感器3、电池温度传感器4、电流传感器5和进气温度传感器14获取测量值，以便基于测量值进行电池模块10的充电/放电控制。此外，电池监控ECU 20 可以包括用于控制电池模块10的各种功能的其他控制器。
处理
下面描述由电池系统100的充电/放电控制器21执行的充电/放电控制处理。图2为描述该充电/放电控制处理的流程图。例如，在车辆开始运行且电池模块10的充电/放电开始时，开始该处理。
步骤S101
作为一示例，充电/放电控制器21从多个电池温度传感器4获取多个传感器值，并且将这些传感器值中的最大值设定为电池温度传感器值TB。进一步地，充电/放电控制器21从进气温度传感器14获取进气温度传感器值TC。进一步地，充电/放电控制器21从电流传感器5获取电流传感器值I。
步骤S102
充电/放电控制器21基于表示为电流传感器值I的平方的电流负载I2和进气温度传感器值TC，计算每个单体电池1中的估计饱和内部温度值TS。估计饱和内部温度值TS例如是当每个单体电池1的表面温度均为可允许上限温度值TBMAX_INT(稍后描述)，并且内部温度在给定的电流负载I2和给定的进气温度传感器值TC下收敛至给定值时的估计值。例如可以参考下面的表1中示出的表格来计算估计饱和内部温度值TS，该表1通过测量等预先制备。注意，表1中示出的值为示例。
表1
Figure BDA0001972440490000041
Figure BDA0001972440490000051
步骤S103
充电/放电控制器21确定估计饱和内部温度值TS是否大于极限温度TL。极限温度TL是每个单体电池1的内部温度的可允许上限值。当估计饱和内部温度值TS高于极限温度TL时，处理进入步骤S105，而当估计饱和内部温度值TS为极限温度TL或低于极限温度TL时，处理进入步骤S104。
步骤S104
充电/放电控制器21通过使用预定的初始控制图来进行对电池模块10的充电/放电控制。如图3所示，初始控制图是限定相对于电池温度传感器值TB的放电电力和充电电力的极限值的控制图。在初始控制图中，例如在电池模块10的一般使用状态下，给定了临时的初始偏移量，以使得对应于可允许上限温度值 TBMAX_INT的内部温度成为极限温度TL或者成为低于极限温度TL但靠近极限温度TL的值，该可允许上限温度值TBMAX_INT是可进行充电/放电的电池温度传感器值的上限值。在该步骤中，因为估计饱和内部温度值TS是极限温度TL或低于极限温度TL，所以充电/放电控制器21基于初始控制图持续进行充电/放电控制。然后，处理返回步骤S101。
步骤S105
充电/放电控制器21确定估计饱和内部温度值TS是否正在增加、减少或者不变。如稍后将描述的，重复进行该处理。因此，在第二次或之后执行该处理时，通过比较最新的估计饱和内部温度值TS和紧接在前的估计饱和内部温度值TS来做出确定。例如，在第一次执行时，确定估计饱和内部温度值TS正在增加。当估计饱和内部温度值TS正在增加时，处理进行至步骤S106。当估计饱和内部温度值TS正在减少时，处理进行至步骤S109。当估计饱和内部温度值TS不变时，处理进行至步骤S112。
步骤S106
充电/放电控制器21基于电流负载I2和进气温度传感器值TC来计算温度上升时的时间常数KUP。该时间常数KUP是基于电流负载I2和进气温度传感器值TC限定直到对应于初始图中可允许上限温度值TBMAX_INT的内部温度上升且达到估计饱和内部温度值TS时的时间的常数。例如，能够计算时间常数KUP，以使得例如通过测量等预先制备如下面的表2所示的表格，并且参考该表格。注意，表2中示出的值为示例。
表2
Figure BDA0001972440490000052
步骤S107
充电/放电控制器21计算估计饱和内部温度值TS和极限温度TL之间的差值ΔT＝TS-TL。基于该差值和时间常数KUP，充电/放电控制器21计算经过预定时间之后对应于可允许上限温度值TBMAX_INT的内部温度自极限温度TL的增量的预测值ΔTUP。如图4示出的温度上升模型所示，该预测值ΔTUP为小于内部温度收敛时的增加量ΔT的值。该预测值ΔTUP表示当电流负载I2和进气温度传感器值TC在通过初始控制图进行的充电/ 放电控制下持续时，经过预定时间之后对应于可允许上限温度值TBMAX_INT的内部温度自极限温度TL的超出量。
步骤S108
如图5所示，充电/放电控制器21通过将初始控制图向低温侧仅偏移ΔTUP来生成校正后的控制图。在校正后的控制图中，经过预定时间之后对应于可允许上限温度值TBMAX的内部温度为处于最大值的极限温度 TL。充电/放电控制器21基于电池温度传感器值TB和由此生成的校正后的控制图进行充电/放电控制。由此，比当基于初始控制图控制充电/放电时更加严格地限制了充电/放电，以使得抑制每个单体电池1的内部温度的增加，并且使得从当前经过预定时间之后内部温度变成极限温度TL或低于极限温度TL。然后，处理返回步骤S101。图5示出通过将初始控制图仅偏移差值ΔT而获得的控制图，该差值ΔT为估计饱和内部温度值TS和极限温度TL之间的差值。这和如图8所示的现有技术中的校正后的控制图相同。如图5所示，在根据本实施例的校正后的控制图中，用于校正的图偏移量相比于现有技术中的用于校正的图偏移量得到了降低。因此，不会超过必要地限制充电/放电，并且能够进行电池的有效使用。
步骤S109
充电/放电控制器21基于电流负载I2和进气温度传感器值TC来计算温度下降时的时间常数KDOWN。类似于KUP，时间常数KDOWN是基于电流负载I2和进气温度传感器值TC，规定直到对应于初始图中的可允许上限温度值TBMAX_INT的内部温度上升且达到估计饱和内部温度值TS时的时间的常数。例如，能够类似于KUP来计算时间常数KDOWN，以使得预先制备表格且参考该表格。注意，即使在相同的电流负载I2和相同的进气温度传感器值TC处，直到内部温度达到估计饱和内部温度值TS时，估计饱和内部温度值TS正在减少的情况和估计饱和内部温度值TS正在增加的情况通常具有不同的速度。因此，尽管在此没有示出，但是KDOWN的值和KUP的值不同。
步骤S110
类似于步骤S107，充电/放电控制器21计算估计饱和内部温度值TS和极限温度TL之间的差值ΔT＝TS- TL。基于该差值ΔT和时间常数KDOWN，充电/放电控制器21计算从当前经过预定时间之后对应于可允许上限温度值TBMAX_INT的内部温度自极限温度TL的增量的预测值ΔTDOWN。尽管在此没有示出，但是类似于预测值ΔTUP，预测值ΔTDOWN是小于当内部温度收敛时的增加量ΔT的值。
步骤S111
类似于步骤S108，充电/放电控制器21通过将初始控制图向低温侧仅偏移ΔTDOWN来生成校正后的控制图。在校正后的控制图中，经过预定时间之后对应于可允许上限温度值TBMAX的内部温度为处于最大值的极限温度TL。充电/放电控制器21基于电池温度传感器值TB和由此生成的校正后的控制图进行充电/放电控制。由此，比初始控制图更加严格地限制了充电/放电，以使得抑制每个单体电池1的内部温度的增加，并且使得经过预定时间之后的内部温度为极限温度TL或低于极限温度TL。然后，处理返回步骤S101。尽管在此没有示出，但类似于步骤S108中的校正后的控制图，在该步骤中的校正后的控制图中，用于校正的图偏移量相比于现有技术中的用于校正的图偏移量得到了降低。因此，不会超过必要地限制充电/放电，并且能够进行电池的有效使用。
步骤S112
在该步骤中，由于估计饱和内部温度值TS自先前的值保持不变，因此可以将自初始控制图的偏移量设定为与步骤S107中计算的ΔTUP或步骤S110中计算的ΔTDOWN相同。因此，在该步骤中，充电/放电控制器21 基于电池温度传感器值TB和在先前的控制中使用的校正后的控制图来进行充电/放电控制。由此，与先前的控制相同程度地、比初始控制图更加严格地限制了充电/放电，以使得抑制每个单体电池1的内部温度的增加，并且经过预定时间之后的内部温度成为极限温度TL或者低于极限温度TL。然后，处理返回步骤S101。进一步地，类似于步骤S108、S111，不会超过必要地限制充电/放电，并且能够进行电池的有效使用。
如上所述，例如，在电池模块10的充电/放电期间，重复进行该处理。循环周期优选比用于ΔTUP和ΔTDOWN的计算的预定时间短，以使得能够以比预定时间短的周期来更新控制图的偏移量。进一步地，在以上示例中两种类型的时间常数KUP和KDOWN被用作时间常数。然而，本发明并不限于此，可以基于其他条件适当地使用一时间常数或不同的时间常数。
本发明并不限于以上实施例，并且可以通过适当的修改来进行。例如，如果当确定电池的内部温度和电池温度传感器值的差值增加时，能够基于时间常数计算具有适当的差值的预测增量，并且可以进行校正以将预定的控制图在电池温度传感器轴上向低温侧仅偏移对应于预测增量的适当的量，则可以适当地改变步骤。
效果
根据本发明，通过使用时间常数可以较好地校正用于对充电/放电进行限制的控制图。特别地，在不使用内部温度收敛后获得的估计值的情况，通过经过预定时段之后的估计值来校正控制图。因此，在控制充电/放电以使得电池的内部温度不超出极限温度时，可以在不超过必要地限制充电/放电的情况下实现电池的有效使用。
注意，本发明不仅可以视为电池的充电/放电控制方法，还可以视为由计算机、或电池系统、或包括该计算机的车辆执行的充电/放电控制程序。
本发明可用于设置有电池的车辆等。

Claims (3)

1.一种电池的充电/放电控制方法，所述充电/放电控制方法由电池系统的充电/放电控制器执行，所述电池系统包括：
电池模块；
电池温度传感器，其配置为测量所述电池模块的温度；
电流传感器，其配置为测量流入和流出所述电池模块的电流；
冷却管；
进气温度传感器，其设置在所述冷却管中，并且配置为测量进气温度，该进气温度为供应至所述电池模块的空气的温度；以及
所述充电/放电控制器，其配置为控制所述电池模块的充电/放电电力，
其特征在于，所述充电/放电控制方法包括：
获取电池温度，该电池温度是所述电池温度传感器的测量值；
获取进气温度，该进气温度是所述进气温度传感器的测量值；
获取电流，该电流是所述电流传感器的测量值；
通过参考预定图，计算所述电池模块的内部温度以及限定直到达到所述内部温度时的时间的时间常数，所述内部温度和所述时间常数对应于所获取的进气温度和所获取的电流；
至少基于所述内部温度和所述时间常数，校正预定的控制图，该预定的控制图限定相对于所述电池温度的充电/放电电力的极限值；以及
基于所获取的电池温度和校正后的控制图，对所述电池模块进行充电/放电控制。
2.根据权利要求1所述的充电/放电控制方法，其特征在于，当所述内部温度大于预定的极限温度时，所述充电/放电控制器基于所述内部温度和所述时间常数来计算所述电池模块中的温度的预测增量，并且通过将所述预定的控制图向相对于所述电池温度的低温侧仅偏移计算出的预测增量来校正所述预定的控制图，该预测增量为预测在预定时间期间将达到的增量。
3.一种电池系统，其特征在于，包括：
电池模块；
电池温度传感器，其配置为测量所述电池模块的温度；
电流传感器，其配置为测量流入和流出所述电池模块的电流；
冷却管；
进气温度传感器，其设置在所述冷却管中，并且配置为测量进气温度，该进气温度为供应至所述电池模块的空气的温度；以及
充电/放电控制器，其配置为控制所述电池模块的充电/放电电力，其中，
所述充电/放电控制器获取电池温度、进气温度和电流，该电池温度为所述电池温度传感器的测量值，该进气温度为所述进气温度传感器的测量值，该电流为所述电流传感器的测量值；
所述充电/放电控制器通过参考预定图，计算所述电池模块的内部温度以及限定直到达到所述内部温度时的时间的时间常数，所述内部温度和所述时间常数对应于所获取的进气温度和所获取的电流；
所述充电/放电控制器至少基于所述内部温度和所述时间常数，校正预定的控制图，该预定的控制图限定相对于所述电池温度的充电/放电电力的极限值；以及
所述充电/放电控制器基于所获取的电池温度和校正后的控制图，对所述电池模块进行充电/放电控制。
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