CN111092463A - 二次电池系统及二次电池的充电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供二次电池系统及二次电池的充电控制方法，ECU执行包括如下步骤的处理：当处于充电中时(S100为“是”)取得电池温度TB的步骤(S102)、设定第一目标值Ita的步骤(S104)、取得SOC的步骤(S106)、设定第二目标值Itb的步骤(S108)、设定目标确定值Itc的步骤(S110)及执行电流控制的步骤(S112)。

Description

二次电池系统及二次电池的充电控制方法
技术领域
本公开涉及二次电池的充电控制。
背景技术
近年来，作为在考虑了环境的电动车辆等上搭载的蓄电装置，例如，有时使用包含电解液的二次电池。然而，在这样的二次电池中，在低温环境下电解液的粘度增大，通过抑制离子的移动而内部电阻增大，二次电池的充放电性能有时会下降。
针对这样的问题，例如，日本特开平11-341698号公报公开了如下技术：包含电解液的二次电池的温度越低则越使充电电流下降，并通过向电池内部通电而产生的焦耳热进行加热，二次电池越升温则越使充电电流逐级增大。
发明内容
然而，当上述那样的二次电池的温度环境成为电解液冻结的程度的低温环境时，离子的移动完全停止，成为充电电流不流动的状态。因此，需要另行设置加热器等而抑制电解液的冻结，并进行充电。由于加热器等的使用而来自供给源的电力以充电以外的用途被消耗，存在充电时间长期化或充电效率下降的情况。
本公开的目的在于提供在低温环境下抑制充电时间的长期化及充电效率的下降的二次电池系统及二次电池的充电控制方法。
本公开的一方面的二次电池系统具备：二次电池，在正极与负极之间的离子的移动中使用固体的电解质；充电装置，构成为对二次电池进行充电；及控制装置，使用充电装置来控制二次电池的充电电流。控制装置以二次电池的温度越高则值越增大、二次电池的温度越低则值越减小的方式设定充电电流的第一目标值。控制装置以二次电池的SOC(State Of Charge：荷电状态)越低则值越增大、SOC越高则值越减小的方式设定充电电流的第二目标值。控制装置按照第一目标值和第二目标值中的低的一方来控制充电电流。
在正极与负极之间的离子的移动中使用固体的电解质的二次电池中，与使用电解液的二次电池相比，即使在电解液冻结的程度的低温环境下也难以抑制离子的移动，能够使充电电流流动。因此，即使在二次电池的温度环境为低温环境的情况下也能够将适当的值设定为第一目标值。此外，按照第一目标值和根据二次电池的SOC而设定的第二目标值中的低的一方来控制充电电流，因此除了二次电池的温度之外，能够按照与SOC相应的适当的目标值进行二次电池的充电。因此，即使在低温环境下也能够不用另行设置加热器等地进行充电。由此，能够抑制充电时间的长期化及充电效率的下降。
在一实施方式中，二次电池的温度与第一目标值的关系具有线性的对应关系。
在正极与负极之间的离子的移动中使用固体的电解质的二次电池中，与使用电解液的二次电池相比，即使在电解液冻结的程度的低温环境下也难以抑制离子的移动，能够使二次电池的温度与第一目标值的关系成为线性的对应关系。
在又一实施方式中，SOC与第二目标值的关系具有线性的对应关系。
在正极与负极之间的离子的移动中使用固体的电解质的二次电池中，无论是高SOC区域的情况还是低SOC区域的情况都能够使SOC与第二目标值的关系成为线性的对应关系。
本公开的另一方面的二次电池的充电控制方法是控制在正极与负极之间的离子的移动中使用固体的电解质的二次电池的充电时的充电电流的充电控制方法。该充电控制方法包括以下步骤：以二次电池的温度越高则值越增大、二次电池的温度越低则值越减小的方式设定充电电流的第一目标值；以二次电池的SOC越低则值越增大、SOC越高则值越减小的方式设定充电电流的第二目标值；及按照第一目标值和第二目标值中的低的一方来控制充电电流。
本发明的上述及其他的目的、特征、方面及优点根据与附图关联理解的关于本发明的如下的详细的说明而明确。
附图说明
图1是概略性地表示本实施方式的车辆的整体结构的框图。
图2是表示液系电池的内部电阻与温度的关系的图。
图3是表示通过ECU执行的处理的一例的流程图。
图4是表示第一目标值与电池温度的关系的图。
图5是表示第二目标值与SOC的关系的图。
图6是表示作为全固体电池的蓄电池中的内部电阻与温度的关系的图。
具体实施方式
以下，关于本公开的实施方式，参照附图进行详细说明。需要说明的是，对于图中相同或相当部分，标注同一附图标记而不重复其说明。
以下，关于本公开的实施方式的车辆，以电动车辆的结构为一例进行说明。
图1是概略性地表示本实施方式的车辆1的整体结构的框图。车辆1具备电动发电机(MG：Motor Generator)10、动力传递齿轮20、驱动轮30、电力控制单元(PCU：PowerControl Unit)40、系统主继电器(SMR：System Main Relay)50、充电继电器(以下，记载为CHR)60、充电装置70、进口80、连接开关82、蓄电池100、电压传感器210、电流传感器220、温度传感器230、电子控制单元(ECU：Electronic Control Unit)300。
MG10是例如三相交流旋转电机，具有作为电动机(马达)的功能和作为发电机(generator)的功能。MG10的输出扭矩经由包含减速器及差动装置等而构成的动力传递齿轮20向驱动轮30传递。
在车辆1的制动时，通过驱动轮30来驱动MG10，MG10作为发电机进行动作。由此，MG10也作为进行将车辆1的运动能量转换成电力的再生制动的制动装置发挥功能。通过MG10的再生制动力而产生的再生电力蓄积于蓄电池100。
PCU40是在MG10与蓄电池100之间双方向地转换电力的电力转换装置。PCU40包含例如基于来自ECU300的控制信号而动作的逆变器和转换器。
转换器在蓄电池100的放电时，对于从蓄电池100供给的电压进行升压而向逆变器供给。逆变器将从转换器供给的直流电力转换成交流电力而对电动发电机10进行驱动。
另一方面，逆变器在蓄电池100的充电时，将通过电动发电机10发电产生的交流电力转换成直流电力而向转换器供给。转换器将从逆变器供给的电压降压成适合于蓄电池100的充电的电压而向蓄电池100供给。
另外，PCU40基于来自ECU300的控制信号而使逆变器及转换器的动作停止，由此使充放电休止。需要说明的是，PCU40可以是省略了转换器的结构。
SMR50电连接于将蓄电池100与PCU40连结的电力线。SMR50根据来自ECU300的控制信号而闭合(即，为导通状态)的情况下，在蓄电池100与PCU40之间能进行电力的交接。另一方面，在SMR50根据来自ECU300的控制信号而打开(即，为隔断状态)的情况下，蓄电池100与PCU40之间的电连接被隔断。
CHR60电连接于蓄电池100与充电装置70之间。在CHR60根据来自ECU300的控制信号而闭合(即，为导通状态)且在后述的进口80安装有作为外部电源的系统电源160的连接器150的情况下，成为使用了充电装置70的能进行蓄电池100的充电的状态。另一方面，在CHR60根据来自ECU300的控制信号而打开(即，为隔断状态)的情况下，蓄电池100与充电装置70之间的电连接被隔断。
进口80与口盖等盖(未图示)一起设置于车辆1的外装部分。进口80具有能够将后述的连接器150机械连接的形状。在进口80及连接器150这双方内置有接点。如果在进口80安装连接器150，则接点彼此接触，进口80与连接器150被电连接。
连接器150经由充电线缆170而连接于系统电源160。因此，在连接器150连接于车辆1的进口80的情况下，成为来自系统电源160的电力经由充电线缆170、连接器150及进口80能向车辆1供给的状态。
充电装置70经由CHR60而电连接于蓄电池100，并电连接于进口80。充电装置70根据来自ECU300的控制信号，将从系统电源160供给的交流电力转换成直流电力而向蓄电池100输出。充电装置70例如在进口80安装有连接器150的情况下，使用从系统电源160供给的电力对蓄电池100进行充电。以下，将这样的使用了系统电源160的充电有时记载为“外部充电”。
蓄电池100是蓄积用于驱动MG10的电力的蓄电装置。蓄电池100是能够再充电的直流电源，例如，将多个单电池110串联连接而构成。单电池110是在正极与负极之间的离子的移动中使用了固体的电解质的二次电池，是所谓全固体电池。全固体电池例如包含全固体锂离子电池。
电压传感器210检测多个单电池110各自的端子间的电压Vb。电流传感器220检测相对于蓄电池100输入输出的电流Ib。温度传感器230检测多个单电池110各自的温度Tb。各传感器将其检测结果向ECU300输出。
连接开关82构成为，在连接器150连接于进口80的情况下将接通信号Cn向ECU300输出，在连接器150从进口80拆下的情况下停止接通信号Cn的输出。
ECU300包括CPU(Central Processing Unit)301、存储器(ROM(Read OnlyMemory)及RAM(Random Access Memory))302、输入输出缓存(未图示)。ECU300基于从各传感器接受的信号以及存储于存储器302的映射及程序等信息，以使车辆1成为所希望的状态的方式控制各设备。
蓄电池100的蓄电量通常通过以百分率表示当前的蓄电量相对于充满电容量的比例的SOC来管理。ECU300具有基于电压传感器210、电流传感器220及温度传感器230的检测值而依次算出蓄电池100的SOC的功能。作为SOC的算出方法，可以采用例如基于电流值累计(库仑计)的手法、或者基于开路电压(OCV：Open Circuit Voltage)的推定的手法等各种公知的手法。
在车辆1的运转中，通过基于MG10的再生电力或放电电力，对蓄电池100进行充电或放电。ECU300以从MG10输出用于产生从驾驶员要求的车辆的驱动力(根据加速器开度而设定的要求驱动力)或制动力(根据制动踏板踏入量或车速而设定的要求减速力)的动力的方式控制MG10的输出。
另一方面，在车辆1为停止状态且在进口80连接有连接器150的情况下，ECU300使CHR60为接通状态并使充电装置70动作而使用来自系统电源160的电力对蓄电池100进行充电。
ECU300例如继续充电至蓄电池100的SOC成为预先设定(或者，根据蓄电池100的劣化状态而设定)的上限值为止，当蓄电池100的SOC到达上限值时，结束充电。
在具有以上那样的结构的车辆1上搭载的蓄电池100例如在正极与负极之间的离子的移动中包含液体的电解质(以下，记载为电解液)的情况下，在低温环境下电解液的粘度增大，通过抑制离子的移动而内部电阻增大，二次电池的充放电性能有时会下降。特别是，当二次电池的温度环境成为电解液冻结的程度的低温环境时，离子的移动完全停止，成为充电电流不流动的状态。在以下的说明中，有时将包含电解液的二次电池记载为“液系电池”。
图2是表示液系电池中的内部电阻与温度的关系的图。图2的纵轴表示液系电池的内部电阻(即，离子的移动的困难度)。图2的横轴表示液系电池的温度。
如图2所示，液系电池的内部电阻与温度具有在比0℃高的温度环境下温度越高则内部电阻越下降、温度越低则内部电阻越增大的实质上线性的关系。并且，在0℃以下的低温环境下，电解液的粘度增大，离子的移动被显著抑制，因此越从0℃下降，则内部电阻的增大量越大，内部电阻与温度具有非线性的关系。并且，当液系电池的温度下降至电解液的凝固点T(0)时，电解液冻结，成为离子的移动完全停止的状态。其结果是，成为充电电流不流动的状态。
因此，为了即使在这样的低温环境下也能对液系电池进行充电，需要另行设置加热器等而抑制电解液的冻结并进行充电。由于加热器等的使用而来自供给源的电力以充电以外的用途被消耗，存在充电时间长期化或充电效率下降的情况。
因此，在本实施方式中，使用全固体电池作为蓄电池100，并且ECU300如以下那样动作。即，ECU300以蓄电池100的温度越高则值越增大、蓄电池100的温度越低则值越减小的方式设定充电电流的第一目标值。ECU300以蓄电池100的SOC越低则值越增大、蓄电池100的SOC越高则值越减小的方式设定充电电流的第二目标值。ECU300按照第一目标值和第二目标值中的低的一方来控制充电电流。
在全固体电池中，与使用电解液的二次电池相比，即使在电解液冻结的程度的低温环境下也难以抑制离子的移动，能够使充电电流流动。因此，即使在蓄电池100的温度环境为低温环境的情况下也能够将适当的值设定为第一目标值。此外，按照第一目标值和根据蓄电池100的SOC而设定的第二目标值中的低的一方来控制充电电流，因此除了蓄电池100的温度之外也能够按照与蓄电池100的SOC相应的适当的目标值进行蓄电池100的充电。因此，即使在低温环境下也能够不用另行设置加热器等地进行充电。由此，能够抑制蓄电池100的劣化并抑制充电时间的长期化及充电效率的下降。
以下，参照图3，说明例如在外部充电时控制蓄电池100的充电电流的处理。图3是表示通过ECU300执行的处理的一例的流程图。该流程图所示的处理通过图1所示的ECU300以预定的处理周期反复执行。
在步骤(以下，将步骤记载为S)100中，ECU300判定蓄电池100是否为充电中。ECU300例如在从连接开关82接收到接通信号的情况、充电装置70为工作中的情况及基于从电流传感器220接收的电流而阈值以上的充电电流向蓄电池100流动的情况中的至少任一情况下，可以判定为蓄电池100处于充电中。在判定为蓄电池100处于充电中的情况下(S100为“是”)，处理向S102转移。
在S102中，ECU300取得蓄电池100的电池温度TB。ECU300例如基于从温度传感器230接收的多个单电池110的温度Tb来取得电池温度TB。ECU300例如可以取得多个单电池110的温度Tb的平均值作为电池温度TB，也可以取得多个单电池110的温度Tb中的最低的温度作为电池温度TB。
在S104中，ECU300设定充电电流的第一目标值Ita。具体而言，ECU300使用取得的蓄电池100的电池温度TB来设定第一目标值Ita。ECU300使用取得的电池温度TB和预定的第一映射来设定第一目标值Ita。预定的第一映射表示第一目标值Ita与电池温度TB的关系，通过实验等使其适合，并预先存储于ECU300的存储器302。
图4是表示第一目标值Ita与电池温度TB的关系的图。图4的纵轴表示第一目标值Ita。图4的横轴表示电池温度TB。
如图4所示，第一目标值Ita与电池温度TB的关系设定为，电池温度TB越高，则第一目标值Ita越增大，电池温度TB越低，则第一目标值Ita越减小。如图4所示，第一目标值Ita与电池温度TB的关系具有线性的对应关系。
因此，例如，在电池温度TB为TB(0)时，设定Ita(0)作为第一目标值Ita。而且，在电池温度TB为比TB(0)高的TB(1)时，设定比Ita(0)大的Ita(1)作为第一目标值Ita。
返回图3，在S106中，ECU300取得蓄电池100的SOC。关于蓄电池100的SOC的推定方法，如上所述，因此不重复其详细的说明。
在S108中，ECU300设定充电电流的第二目标值Itb。具体而言，ECU300使用取得的蓄电池100的SOC来设定第二目标值Itb。ECU300使用取得的SOC和预定的第二映射来设定第二目标值Itb。预定的第二映射表示第二目标值Itb与SOC的关系，通过实验等使其适合，并预先存储于ECU300的存储器302。
图5是表示第二目标值Itb与SOC的关系的图。图5的纵轴表示第二目标值Itb。图5的横轴表示蓄电池100的SOC。
如图5所示，第二目标值Itb与SOC的关系设定为，SOC越高则第二目标值Itb越减小，SOC越低则第二目标值Itb越增大。如图5所示，第二目标值Itb与SOC的关系具有线性的对应关系。
因此，例如，在SOC为SOC(0)时，设定Itb(0)作为第二目标值Itb。而且，在SOC为比SOC(0)高的SOC(1)时，设定比Itb(0)小的Itb(1)作为第二目标值Itb。
返回图3，在S110中，ECU300设定充电电流的目标确定值Itc作为最终的充电电流的目标值。具体而言，ECU300将在S104中设定的第一目标值Ita和在S108中设定的第二目标值Itb中的小的一方设定为目标确定值Itc。
在S112中，ECU300以使充电电流成为设定的目标确定值Itc的方式执行电流控制。ECU300例如以使外部充电时的充电电流成为目标确定值Itc的方式控制充电装置70。
说明基于以上那样的构造及流程图的ECU300的动作。
例如，当通过使用者将连接器150安装于车辆1的进口80时，执行外部充电。因此，蓄电池100成为充电中(S100为“是”)，因此取得电池温度TB(S102)。然后，使用取得的电池温度TB和第一映射来设定第一目标值Ita(S104)。
而且，取得蓄电池100的SOC(S106)，使用取得的SOC和第二映射来设定第二目标值Itb(S108)。将设定的第一目标值Ita和第二目标值Itb中的小的一方设定为目标确定值Itc(S110)。因此，以使充电电流成为目标确定值Itc的方式执行电流控制(S112)。
如以上所述，根据本实施方式的二次电池系统及二次电池的充电控制方法，在全固体电池中，与液系电池相比，即使在电解液冻结的程度的低温环境下也难以抑制离子的移动，能够使充电电流流动。
图6是表示作为全固体电池的蓄电池100中的内部电阻与温度的关系的图。图6的纵轴表示蓄电池100的内部电阻。图6的横轴表示蓄电池100的电池温度TB。
如图6所示，蓄电池100的内部电阻与温度和图2所示的液系电池中的内部电阻与温度的关系不同，无论是在比0℃高的温度环境下还是在0℃以下的低温环境下，都具有温度越高则内部电阻越下降、温度越低则内部电阻越增大的实质上线性的关系。因此，如图4所示在蓄电池100中基于使用温度环境而设想的温度范围内，能够以与电池温度TB具有线性的对应关系的方式设定第一目标值Ita。因此，即使在蓄电池100的温度环境为低温环境的情况下也能够将适当的值设定为第一目标值Ita。此外，按照第一目标值Ita和根据蓄电池100的SOC而设定的第二目标值Itb中的低的一方来控制充电电流，因此除了蓄电池100的电池温度TB之外，能够按照与蓄电池100的SOC相应的适当的目标确定值Itc进行蓄电池100的充电。因此，即使在低温环境下也能够不用另行设置加热器等地进行充电。由此，能够抑制充电时间的长期化及充电效率的下降。因此，能够提供在低温环境下抑制充电时间的长期化及充电效率的下降的二次电池系统及二次电池的充电控制方法。
此外，能够将第一目标值Ita与蓄电池100的电池温度TB的关系设定为具有线性的对应关系。因此，与设为非线性的对应关系的情况相比，能够减少映射的生成工时或减少运算负荷。
此外，能够将第二目标值Itb与蓄电池100的SOC的关系设定为具有线性的对应关系。因此，与设为非线性的对应关系的情况相比，能够减少映射的生成工时或减少运算负荷。
以下，记载变形例。
在上述的实施方式中，将车辆1作为电动车辆进行了说明，但是车辆1只要是至少搭载有在行驶中或停车中使用发电机或外部电源能够充电的全固体电池的车辆即可，没有特别限定为电动车辆。车辆1可以是例如搭载有驱动用电动机和发动机的混合动力车辆(包括插电式混合动力车)。
此外，在上述的实施方式中，说明了使用蓄电池100的电池温度TB设定第一目标值Ita的情况，但是也可以使用多个单电池110的温度Tb来设定与各单电池对应的充电电流的目标值，并使用设定的多个目标值来设定第一目标值Ita。ECU300例如可以将设定的多个目标值中的最小值或平均值设定为第一目标值Ita。或者，在通过预定数的单电池来设定模块并通过多个模块构成蓄电池100的情况下，可以取得多个模块各自的温度，使用取得的温度来设定多个模块各自的目标值，使用设定的多个目标值来设定第一目标值Ita。
此外，在上述的实施方式中，说明了使用第一映射来设定第一目标值Ita、使用第二映射来设定第二目标值Itb的情况，但是例如也可以取代映射而使用数学式或表等来设定第一目标值Ita或第二目标值Itb。
此外，在上述的实施方式中，在外部充电时的蓄电池100为充电中，说明了根据电池温度TB来设定第一目标值Ita、根据蓄电池100的SOC来设定第二目标值Itb的情况，但是例如在基于MG10中产生的再生电力的蓄电池100的充电中，也可以根据电池温度TB来设定第一目标值Ita，根据蓄电池100的SOC来设定第二目标值Itb。
需要说明的是，上述的变形例可以将其全部或一部分适当组合实施。
虽然说明了本发明的实施方式，但是应考虑的是本次公开的实施方式所有方面是例示而不是限制性的。本发明的范围由权利要求书公开，并包含与权利要求书等同含义及范围内的全部变更。

Claims (4)

1.一种二次电池系统，具备：
二次电池，在正极与负极之间的离子的移动中使用固体的电解质；
充电装置，构成为对所述二次电池进行充电；及
控制装置，使用所述充电装置来控制所述二次电池的充电电流，
所述控制装置以所述二次电池的温度越高则值越增大、所述二次电池的温度越低则值越减小的方式设定所述充电电流的第一目标值，
所述控制装置以所述二次电池的SOC越低则值越增大、所述SOC越高则值越减小的方式设定所述充电电流的第二目标值，
所述控制装置按照所述第一目标值和所述第二目标值中的低的一方来控制所述充电电流。
2.根据权利要求1所述的二次电池系统，其中，
所述二次电池的温度与所述第一目标值的关系具有线性的对应关系。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池系统，其中，
所述SOC与所述第二目标值的关系具有线性的对应关系。
4.一种二次电池的充电控制方法，控制在正极与负极之间的离子的移动中使用固体的电解质的二次电池充电时的充电电流，
所述二次电池的充电控制方法包括以下步骤：
以所述二次电池的温度越高则值越增大、所述二次电池的温度越低则值越减小的方式设定所述充电电流的第一目标值；
以所述二次电池的SOC越低则值越增大、所述SOC越高则值越减小的方式设定所述充电电流的第二目标值；及
按照所述第一目标值和所述第二目标值中的低的一方来控制所述充电电流。
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