CN116455012A - 半导体装置及对电池充电的控制方法 - Google Patents

半导体装置及对电池充电的控制方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种半导体装置以及对电池充电的控制方法。提供一种能够稳定地估计电池的内部温度的半导体装置。耦合到电池的半导体装置通过使用电池的充电电流以及电池在预定时间之前的时间处的内部温度来计算电池在预定时间处的熵热，根据电池的充电电流来计算电池的发热量，基于在预定时间之前的时间处的内部温度与电池的表面温度之间的温度差来计算电池的热辐射量，并且使用熵热、发热量和热辐射量来估计电池在预定时间处的内部温度。

Description

半导体装置及对电池充电的控制方法
相关申请的交叉引用
于2022年1月17日提交的日本专利申请号2022-005141的公开内容(包括说明书、附图和摘要)通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及对电池充电的半导体装置和控制方法，并且例如，涉及对诸如锂离子电池等电池(二次电池)充电的半导体装置和对电池充电的控制方法。
背景技术
例如，下面列出了一种公开的技术。
[专利文献1]国际专利公开号WO 2016/038658
专利文献1描述了一种用于测量电池的表面温度以及电池所在的外部环境的温度(环境温度)并且控制电池充电的技术。
发明内容
例如，如专利文献1中所示，当电池的表面温度与环境温度之间的温度差较大时，使用环境温度来估计电池的内部温度是有效的。然而，就电池的结构而言，电池的表面温度与环境温度之间的温度差通常很小，并且环境温度对电池的内部温度的这种估计没有贡献。因此，可以设想使用表面温度来估计电池的内部温度，并且基于表面温度和估计的内部温度来控制电池的充电。然而，在这种情况下，例如，根据电池的使用，表面温度有时变得高于环境温度，并且有时难以通过表面温度准确地估计电池的内部温度。
专利文献1既没有描述也没有建议在不使用环境温度的情况下准确地估计电池的内部温度。
下面将简要描述本申请中公开的实施例中的表示的概要。
即，一种耦合到电池的半导体装置包括控制单元和存储器，控制单元被提供有电池的充电电流、电池的电压和电池的表面温度并且估计电池的内部温度，存储器存储由控制单元估计的内部温度。这里，控制单元使用所提供的充电电流和在预定时间之前的时间处的内部温度来计算电池在预定时间处的熵热，内部温度存储在存储器中；根据所提供的充电电流计算电池的发热量；获取存储在存储器中的在预定时间之前的时间处的内部温度与所提供的表面温度之间的温度差，并且根据温度差计算电池的热辐射量；并且使用所计算的熵热、所计算的发热量和所计算的热辐射量来估计电池在预定时间处的内部温度。
此外，在根据另一实施例的一种半导体装置中，电池充电时的充电电流基于估计的内部温度来确定。
根据说明书中的描述和附图，其他目的和新颖特征将清楚。
根据一个实施例，不使用不确定的电池的环境温度，而是使用电池的表面温度，这样可以稳定地估计电池的内部温度。
附图说明
图1是用于说明根据第一实施例的内部温度估计过程的流程图；
图2是示出根据第一实施例的电池组的示例的局部透视图；
图3是示出在根据第一实施例的内部温度估计过程中使用的公式的视图；
图4是示出根据第二实施例的充电系统的配置的框图；
图5是用于说明根据第二实施例的充电系统的总体操作的流程图；
图6是示出根据第二实施例的充电系统的操作的流程图；
图7是示出比较示例1中的充电期间的特性的特性图；
图8是示出比较示例2中的充电期间的特性的特性图；
图9是示出比较示例3中的充电期间的特性的特性图；
图10是示出比较示例4中的充电期间的特性的特性图；
图11是示出根据第二实施例的充电系统的特性的特性图；以及
图12是示出根据第三实施例的充电系统的操作的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图给出本发明的各个实施例的描述。注意，本公开仅仅是一个示例，并且本发明的适当改变自然地被包括在本发明的范围内，这些改变保持了本发明的精神并且是本领域技术人员容易想到的。
此外，在一些情况下，在本说明书和相应附图中，相同的附图标记被分配给与以上关于已经讨论的附图而提及的元素类似的元素，并且其详细描述被适当地省略。
第一实施例
在第一实施例中，将描述基于电池的表面温度来估计电池的内部温度的过程(内部温度估计过程)。
内部温度估计过程在与电池一起封装在电池组中的半导体装置中执行。关于半导体装置，稍后将描述其示例(在第二实施例中)，并且因此，这里将省略半导体装置的详细描述，并且将仅主要描述第一实施例的描述中所需要的部分。
图1是用于说明根据第一实施例的内部温度估计过程的流程图。图2是示出根据第一实施例的电池组的示例的局部透视图。此外，图3是示出在根据第一实施例的内部温度估计过程中使用的公式的视图。
在图2中，附图标记BTP表示电池组。电池组BTP设置有由一个或多个电池单元BTC组成的电池、以及其上封装有半导体装置等的基板Sub。图2示出了由一个电池单元BTC构成的电池的示例；然而，电池不限于此。当电池由多个电池单元BTC组成时，多个电池组BTC例如彼此串联连接，并且相应电池单元BTB耦合到封装在基板Sub上的半导体装置。当电池组BTP耦合到电子仪器时，电池组BTP中的电池的放电电压作为电源被提供给电子仪器。
在对电池组BTP中的电池充电时，封装在基板Sub上的半导体装置将与耦合到其的电池相关的状态信息(电池状态信息)提供给充电设备(未示出)。充电设备基于向其提供的状态信息来对电池充电。在下文中，在本说明书中，包括电池组BTP和充电设备的系统也将被称为充电系统。
在图2中，附图标记Tin表示电池(电池单元BTC)的内部温度，并且附图标记Ts表示电池的表面温度(电池单元BT)。此外，附图标记Rin表示电池的温度电阻(温度阻抗)，并且附图标记Ta表示存在的电池的外部(电池组BTP的内部)的环境温度。表面温度Ts与环境温度Ta之间的差异在于，虽然表面温度Ts是电池表面上的温度，但是环境温度Ta是电池组BTP中空气中预定位置处的温度。
在第一实施例中，表面温度Ts由安装在电池表面上的温度传感器(未示出)测量，并且被报告给半导体装置。
半导体装置包括存储器、处理器核等。存储器存储诸如在预定时间(例如，当前时间Tp)之前的时间(过去时间To)处电池的内部温度、电池的熵和电池的温度电阻等数据。使用存储在存储器中的数据、由温度传感器测量的当前时间(Tp)处的表面温度Ts、充电电流等，半导体装置执行图1所示的内部温度估计过程，并且估计电池在当前时间(Tp)处的内部温度Tin。
接下来，将参考图1描述电池的内部温度估计过程。内部温度估计过程以如下方式实现，该方式使得内置在半导体装置中的处理器核在使用同样内置在半导体装置中的存储器的同时执行程序。即，执行该程序，由此由处理器核执行图1中的步骤S0至S5。内部温度估计过程在步骤S0中开始，接着执行步骤S1、S2、S3。在根据第一实施例的内部温度估计过程中，步骤S1至S3彼此同时执行，但不限于此。
在步骤S1中，基于存储在存储器中的过去时间(To)的内部温度Tin_To、当前时间(Tp)的电池的熵Ent、和充电电流Crt来计算电池的熵热Qe。在第一实施例中，存储器将与电池的充电状态(SOC)相对应的多条熵Ent存储为表(熵表)。
步骤S1由步骤S1_0和步骤S1_1组成。在步骤S1_0中，从熵表中获取与电池在当前时间处的充电状态(SOC)相对应的熵Ent。即，根据电池的充电状态，计算与其相对应的熵Ent。在下一步骤S1_1中使用所计算的熵Ent。熵Ent是与电池的充电状态相对应的系数。用户预先获取与彼此不同的充电状态相对应的多条熵Ent，并且如上所述，将多条熵作为熵表存储在存储器中。
在步骤S1_1中，计算熵热Qe。用于计算熵热Qe的公式如图3中的等式(1)所示。如图3所示的等式(1)所示，电池的熵热Qe是充电电流Crt、过去时间处的内部温度Tin_To和熵Ent的乘积。
在步骤S2中，计算电池的发热量(焦耳热)Qj。用于计算发热量Qj的公式如图3中的等式(2)或等式(3)所示。发热量Qj可以通过等式(2)来计算，或者可以通过等式(3)来计算。在等式(2)中，附图标记Rcel表示电池在当前时间(Tp)的内部电阻。此外，在等式(3)中，附图标记OCV表示电池在当前时间(Tp)的开路电压，并且附图标记Vced表示电池在当前时间(Tp)的电压。
在等式(2)的情况下，发热量Qj变为充电电流Crt与电池的内部电阻Rcel的平方的乘积。此外，在等式(3)的情况下，发热量Qj成为通过将开路电压OCV与电池电压Vced之间的差值乘以充电电流Crt而获取的乘积。即，发热量Qj基于充电电流Crt来计算。
在步骤S3中，计算电池的热辐射量Qout。用于计算热辐射量Qout的公式如图3中的等式(4)所示。在等式(4)中，附图标记Ts_Tp表示电池在当前时间(Tp)的表面温度，并且附图标记Rin_TP应用于电池的温度电阻Rin，并且表示当前时间(Tp)的温度电阻值。如图3中的等式(4)所示，热辐射量Qout以如下方式计算，该方式使得当前时间处的表面温度Ts_Tp与过去时间(To)的内部温度Tin_To之间的温度差除以温度电阻Rin_TP。即，热辐射量Qout基于当前的表面温度与过去的内部温度之间的温度差来计算。
在步骤S1至S3中计算的熵热Qe、发热量Qj和热辐射量Qout被提供给步骤S4。在步骤S4中，处理器核使用这些来计算电池在当前时间处的内部温度Tin。用于计算当前时间(Tp)的内部温度Tin的公式如图3中的等式(5)和等式(6)所示。在等式(5)和等式(6)中，附图标记Hcp表示电池的热容。此外，附图标记Δt表示过去时间(To)与当前时间(Tp)之间的时间差，并且附图标记ΔTin表示在时间差Δt期间变化的内部温度Tin的变化。
如从图3中的等式(5)所示，通过从熵热Qe和发热量Qj的总和中减去热辐射量Qout而获取的值除以热容Hcp，由此可以计算在时间差Δt期间内部温度Tin的变化。因此，如等式(6)所示，变化ΔTin乘以时间差Δt，并且过去时间(To)的内部温度Tin_To与这样获取的乘积相加，由此可以计算当前时间(Tp)的内部温度Tin_Tp。这样计算的内部温度Tin_Tp存储在存储器中，并且在下一内部温度估计过程中用作内部温度Tin_To。此外，所计算的内部温度Tin_Tp被用作当前时间(Tp)的估计的内部温度Tin，以用于电池充电时的充电控制。
在步骤S5中，内部温度估计过程结束。重复步骤S1至S5，将估计电池的内部温度Tin，其随着时间而变化。
根据根据第一实施例的电池的内部温度估计过程，电池的内部温度可以不使用电池的环境温度而是仅使用电池的表面温度来估计。即，根据第一实施例，电池的内部温度可以在不使用不确定的环境温度的情况下估计，并且内部温度的估计值可以稳定。
此外，在根据第一实施例的内部温度估计过程中，不需要执行与环境温度相关的过程，并且因此，可以缩短处理时间。缩短了内部温度估计过程的处理时间，由此可以加速对电池充电时的电池状态的突然变化(例如，对表面温度的突然变化)的响应。
第二实施例
接下来，将参考附图描述采用第一实施例中描述的内部温度估计过程的充电系统。
图4是示出根据第二实施例的充电系统的配置的框图。在图4中，附图标记1表示充电系统。充电系统1包括电池组BTP和充电设备CHU，该充电设备CHU对电池组BTP中的电池BT充电。电池组BTP通过电源线VL(+)和VL(-)以及信号线SL耦合到充电设备CHU。充电设备CHU例如耦合到商用电源(AC100V)2。
在对电池BT充电时，电池BT的状态信息通过信号线SL从电池组BTP提供给充电设备CHU。例如，充电设备CHU降低从商用电源2输出的电源电压，并且根据电池BT的状态信息来向电源线VL(+)和VL(-)提供电压和电流。电池BT用从充电设备CHU提供的电压和电流来充电。
电池组BTP的配置
电池组BTP包括电池BT、电池管理半导体装置3、充电/放电晶体管(充电/放电FET)4、电流传感器(电流测量电阻器)5和温度传感器(电池温度感测电路)6。电池管理半导体装置3、充电/放电晶体管4和电流传感器5被封装在图2所示的基板Sub上。此外，温度传感器6设置在电池BT的表面上。
在图4中，电池BT没有特别限制，而是由彼此串联连接的n个电池单元BTC1至BTCn组成。电池BT的正极通过充电/放电晶体管4连接到电源线VL(+)，并且电池BT的负极通过电流传感器5连接到电源线VL(-)。此外，电池单元BTC1至BTCn的正极和负极个体地连接到半导体装置3。设置在电池BT的表面上的温度传感器6也连接到半导体装置3。
在对电池BT充电时，半导体装置3控制充电/放电晶体管4，使得电压和电流从充电设备CHU通过电源线VL(+)提供给电池BT。同时当电池组BTP连接到电子设备(未示出)并且电力从电池组BTP提供给电子设备时，半导体装置3控制充电/放电晶体管4，使得从电池BT提供的电压和电流从电池组BTP输出。
在对电池BT充电时，电流传感器5测量流过电源线VL(-)的充电电流，并且将测量结果提供给半导体装置3。虽然没有特别限制，但电流传感器5由连接在电源线VL(-)与电池组BTP的负极之间的分流电阻器组成。与流过分流电阻器的充电电流相对应的电压作为充电电流的值(测量结果)被提供给半导体装置3。
温度传感器6将电池的所测量的表面温度提供给半导体装置3。
电池管理半导体装置3
半导体装置3包括多个电路块，但图4仅示出了描述本实施例所需要的电路块。在图4中，附图标记20表示连接到电池BT、充电/放电晶体管4和电流传感器5并且主要执行模拟过程的模拟电路块(模拟块)。此外，附图标记10表示连接到模拟块20和信号线SL的处理器电路块(在下文中也称为处理器单元)。
模拟块20包括选择电路20_1、电流感测电路20_2、电流测量电路20_3、电压/温度测量电路20_4、数据处理电路20_5和充电/放电晶体管控制电路(充电/放电FET控制电路)20_6。
选择电路20_1被提供有来自电池BT和电池单元BTC1至BTCn的电压信息以及由温度传感器6感测的温度信息。从所提供的电压信息和温度信息中，选择电路20_1顺序地选择电压信息和温度信息，并且将所选择的电压信息和温度信息提供给电压/温度测量电路20_4。电压/温度测量电路20_4根据所提供的电压信息来测量电池BT和电池单元BTC的电压，并且根据所提供的温度信息来测量电池BT的表面温度。电池BT和电池单元BTC1至BTCn的电压以及电池的表面温度(该电压和表面温度由电压/温度测量电路20_4测量)被提供给数据处理电路20_5。
电流感测电路20_2连接到电流传感器5，并且基于来自电流传感器5的测量结果来感测充电电流是否流动。当充电电流流动时，电流测量电路20_3测量流动的充电电流的值。由电流测量电路20_3测量的充电电流的值被提供给数据处理电路20_5。
数据处理电路20_5向充电/放电晶体管控制电路20_6通知电池BT是要充电还是要放电。根据这样的通知，如上所述，充电/放电晶体管控制电路20_6控制充电/放电晶体管4。此外，数据处理电路20_5对电池BT(包括电池单元BTC1至BTCn)的所提供的电压值以及电池BT的所提供的表面温度和充电电流值执行预定处理，并且将处理后的电压值、表面温度和放电电流值提供给处理器单元10。
处理器单元10包括处理器核(下文中也称为控制单元)10_2、通信电路10_3和存储器(存储电路)10_1。
根据程序(未示出)，处理器核10_2在使用存储在存储器10_1中的数据的同时执行充电过程，该充电过程包括在第一实施例中描述的内部温度估计过程。通过在处理器核10_2中执行充电过程而产生的电池BT的状态信息由通信电路10_3通过信号线SL提供给充电设备CHU。
此外，虽然没有特别限制，但从充电设备CHU到电池组BTP的指令通过信号线SL被提供给通信电路10_3，并且被提供给处理器核10_2。根据所提供的指令，处理器核10_2例如控制数据处理电路20_5。
充电设备的配置
充电设备CHU包括控制对电池的充电的充电控制半导体装置7、充电晶体管(充电FET)8、电流传感器(电流测量电阻器)9和交流/直流转换电路(AC-DC转换电路)VADC。
根据来自半导体装置7的指令，交流/直流转换电路VADC将从商用电源2提供的交流电压转换成直流电压，并且输出如此转换得到的直流电流。
充电晶体管8连接在电源线VL(+)与交流/直流转换电路VADC之间，并且根据来自半导体装置7的指令，在对电池BT充电时将从交流/直流转换电路VADC输出的直流电压提供给电源线VL(+)。
电流传感器9具有与电流传感器5类似的配置，并且连接在电源线VL(-)与交流/直流转换电路VADC之间。在对电池BT充电时，电流传感器9测量流过电源线VL(-)的电流，并且向半导体装置7通知测量结果。
与半导体装置3一样，半导体装置7也由多个电路块组成，但图4仅示出了描述本实施例所需要的电路块。半导体装置7包括处理器单元30、输出电压测量电路31、电流感测电路32、电流测量电路33、电源控制电路34和充电晶体管控制电路(电荷FET控制电路)35。
电流感测电路32基于来自电流传感器9的测量结果来感测充电电流是否流动。当电流感测电路32感测到充电电流正在流动时，电流测量电路33基于电流传感器9的测量结果来测量充电电流值。这样测量的充电电流值被提供给电源控制电路34。
输出电压测量电路31测量电源线VL(+)和VL(-)之间的电压，即，充电设备CHU的输出电压，并且将如此测量的电压值输出给电源控制电路34。
处理器单元30包括处理器核(控制单元)30_2、存储器(存储电路)30_1和通信电路30_3。根据程序(未示出)，处理器核30_2在使用存储器30_1和通信电路30_3的同时执行预定操作。例如，在对电池BT充电时，处理器核引起通信电路30_3接收通过信号线SL提供的电池BT的状态信息。根据由通信电路30_3接收的电池BT的状态信息，处理器核30_2将充电电流的值等设置到电源控制电路34。
电源控制电路34基于来自电流测量电路33的电流值、来自输出电压测量电路31的电压值和由处理器核30_2设置的值来控制交流/直流转换电路VADC中的转换。此外，在对电池BT充电时，使用充电晶体管控制电路35，电源控制电路34控制交流/直流转换电路VADC的输出以通过充电晶体管8提供给电源线VL(+)。
充电系统的整体操作
图5是用于说明根据第二实施例的充电系统的总体操作的流程图。将参考图4和图5描述根据第二实施例的充电系统1的总体操作。在根据第二实施例的充电系统1中，通过以恒定充电电流充电的快速恒流充电(FastCC)和以恒定充电电压充电的快速恒压充电(FastCV)对电池BT充电。即，在开始时，通过快速恒流充电对电池BT充电，此后，充电切换到快速恒压充电，并且通过快速恒压充电对电池BT充电。
注意，在本说明书中，该操作将使用采用快速充电(快速恒压充电和快速恒流充电)的示例来描述；然而，术语“快速”并不表示充电电流和充电电压被限制在特定范围内。因此，具有不同值的充电电流和充电电压是适用的。
在步骤SC0中，充电系统1开始操作。下一步骤SC1是主要在电池管理半导体装置3中执行的步骤。
首先，在步骤SC1_0中，电压/温度测量电路204和电流测量电路203测量电池BT和电池单元BTC1至BTCn的电压、电池BT的充电电流和电池BT的表面温度。
接下来，基于在步骤SC1_0中测量的电池BT的电压、充电电流和表面温度，在步骤SC2_1中，由处理器核10_2计算当电池BT处于开路(OCV)状态时可检索的电池的理想容量(Qmax)、电池剩余容量(RC)和电池的可放电容量(FCC)。
在下一步骤SC1_2中，由处理器核10_2使用在步骤SC1_1中计算的电池的理想容量(Qmax)、电池剩余容量(RC)和可放电容量(FCC)并且使用在实际上可以对电池BT放电的放电终点处的充电状态(SOC_Fin)来计算电池BT的充电状态(SOC)。用于计算充电状态SOC的公式的示例是以下等式(7)和等式(8)。
FCC＝Qmax×((100-SOC_Fin)/100) 等式(7)
SOC(％)＝RC/FCC×100 等式(8)
在步骤SC1_2之后，执行步骤SC1_3。步骤SC1_3由步骤SFV和步骤SFC这两个步骤组成，并且在步骤SC1_3中，由处理器核10_2计算在执行快速充电时的充电电流和电压等。即，在步骤SFV中，由处理器核10_2计算通过快速恒压充电(FastCV)进行充电时的电压值等，并且在步骤SFC中，由处理核10_2计算通过快速恒流充电(FastCC)进行充电时的充电电流值等。
在步骤SC1_4中，将在步骤SC1_3中计算的快速恒压充电(FastCV)和快速恒流充电(FastCC)的值提供给通信电路10_3，并且由处理器核10_2将该值设置到通信电路10_3。
在步骤SC1_4中，设置到通信电路10_3的快速恒压充电(FastCV)和快速恒流充电(FastCC)的值作为电池BT的状态信息通过信号线SL提供给充电设备CHU中的通信电路30_3，并且通信电路30_3获取电池BT的状态信息。
在步骤SC2中，处理器单元30将由通信电路30_3获取的电池BT的状态信息设置到电源控制电路34。
为了能够根据设置的状态信息(电池BT的充电电流值和电压值等)对电池BT充电，电源控制电路34控制交流/直流转换电路VADC，并且通过充电晶体管控制电路35来控制充电晶体管8。
当电池BT的充电完成时，充电系统1的充电在步骤SC3中结束。
由于在第一实施例中描述的内部温度估计过程在步骤SC1_3中执行，因此接下来将参考附图描述步骤SC1_3。
快速恒流充电和快速恒压充电
图6是示出根据第二实施例的充电系统的操作的流程图。
在通过快速恒流充电和快速恒压充电对电池BT充电的情况下，正常充电系统监测电池BT的电压和充电电流，并且使用通过监测而获取的电压和放电电流作为参数来控制充电。在根据第二实施例的充电系统中，如第一实施例中所述，估计的内部温度也用于控制充电。即，作为用于充电控制的参数，除了电池的电压和充电电流这两个之外，还添加了估计的内部温度。
在第二实施例中，在用于快速恒流充电(FastCC)的控制(图5中的步骤SFC)中，添加估计的内部温度作为参数。即，将第一实施例中描述的内部温度估计过程添加到快速恒流充电的过程中。
在图6中，附图标记SFC表示与图5中的相同附图标记所表示的步骤SFC相对应的快速恒流充电(FastCC)的步骤(过程)，并且附图标记SFV表示与图5中的相同附图标记所表示的步骤SFV相对应的快速恒压充电(FastCV)的步骤(过程)。尽管没有特别限制，但是步骤SFC和步骤SFV由图4所示的半导体装置3中提供的处理器单元10执行。在这种情况下，处理器单元10彼此同时执行步骤SFC和步骤SFV。
首先，将描述快速恒压充电的步骤SFV。步骤SFV从步骤SFV0开始。在下一步骤SFV1中，计算在快速恒压充电等时施加到电池BT的电压值。在步骤SFV1中计算的这样的电压值FastCV_V被提供给快速恒流充电的步骤SFC。此外，在步骤SFV2中，将在步骤SFV1等中计算的电压值确定为用于快速恒压充电的电压值。此后，步骤SFV在步骤SFV3中结束。
快速恒流充电过程
接下来，将描述快速恒流充电的步骤SFC。步骤SFC由步骤SFC0至步骤SFC5组成。当步骤SFC在步骤SFC00中开始时，步骤SFC1和步骤SFC4彼此同时开始。
由于步骤SFC1与根据第一实施例的图1中描述的流程图(步骤S1至S4)相同，因此将省略其描述。如第一实施例中所述，在步骤S4中，基于存储在存储器中的电池BT的表面温度和过去时间处的内部温度来估计电池在当前时间处的内部温度。注意，在第二实施例中，图4所示的存储器10_1被用作存储过去时间处的内部温度等的存储器。
在步骤SFC2中，使用通过步骤SFC1中的计算而获取的电池BT在当前时间处的内部温度、和电池的预设内部温度(下文中也称为目标温度)来执行PID控制。在PID控制中，由处理器核10_2计算减小估计的内部温度与目标温度之间的温度差的PID系数。注意，例如，目标温度在存储器10_1(图4)中预设。
在步骤SFC3中，处理器核10_2基于在步骤SFC2中计算的PID系数来计算充电电流FastCC_I作为PID控制结果。用于步骤SFC3中的算术运算的公式的示例是以下等式(9)。在等式(9)中，附图标记MaxFCC表示快速恒流充电时的最大电流值。
FastCC_I＝PID coefficient*MaxFCC 等式(9)
在步骤SFC4中，使用在步骤SFV1中计算的快速恒压充电的电压值FastCV_V，处理器核10_2计算在控制快速恒压充电时的充电电流(恒压充电电流)FastCV_I的值。充电电流FastCV_I的值可以例如通过将通过从电压值FastCV_V中减去电池BT的电流电压(闭合电压)而获取的值除以电池组BTP的内部电阻(内部阻抗)等来计算。
在根据第二实施例的充电系统1中，在步骤SFC5中，将在步骤SFC3中计算的充电电流FastCC_I的值与在步骤SFC4中计算的充电电流FastCV_I的值彼此比较，并且选择具有较低值的充电电流，并且设置所选择的充电电流以对电池BT充电。即，在步骤SFC5中，处理器核10_2将与快速恒流充电相关的充电电流FastCC_I和与快速恒压充电相关的充电电流FastCV_I彼此比较，并且选择具有较小电流值的充电电流。电池BT用这样选择的充电电流来充电。
此后，步骤SFC在步骤SFC6中结束。
重复执行图6所示的步骤SFC和SFV，并且将在步骤SFC5中设置的这种充电电流值作为电池BT的状态信息提供给充电设备CHU。
添加估计的内部温度作为参数的新问题
如上所述，正常充电系统使用电池的电压和充电电流作为参数来控制充电。例如，在快速恒流充电(FastCC)在其中被执行的区域(下文中也称为CC区域)中，电池的充电电流已经被用作主参数，并且在快速恒压充电(FastCV)在其中被执行的区域(下文中也称为CV区域)中，电池的电压已经被用作主参数，由此可以在彼此区分CC区域和CV区域的同时切换充电控制方法。
当图6所示的流程图被应用于这种正常充电系统时，步骤SFC4和SFC5不再是必要的。在这种情况下，会出现下面要提到的新问题。
即，在CV区域中，充电电流不再受到估计的内部温度的限制，并且因此，认为电池BT可能被过度充电。同时，当在整个区域(包括CC区域和CV区域的区域)中使用在步骤SFC3中计算的充电电流FastCC_I对电池BT充电而不将CC区域和CC区域彼此区分时，温度范围不能被充分利用，充电电流被限制，并且电池BT的充电时间被延长，并且设想发生充电时间损失。
在第二实施例中，在快速恒流充电和快速恒压充电两者中执行步骤SFC和SFV。即，在整个区域中计算充电电流FastCC_I和FastCV_I两者，并且通过所计算的充电电流FastCC_I和FastCV_I之间的较小充电电流来确定对电池BT充电的充电电流的值。因此，当充电电流FastCC_I的值在CV区域中较小时，对电池BT充电的充电电流受到内部温度的限制，并且电池BT可以避免被过度充电。
此外，当充电电流FastCV_I的值较小时，可以用不受内部温度限制的充电电流对电池BT充电，并且因此，可以用如下这样的充电电流的值对电池BT充电，该充电电流使得其中温度范围被充分利用到其上限，并且可以使充电效率最大化。
即，根据第二实施例，即使在执行充电控制时将估计的内部温度添加为新参数，也可以防止电池被过度充电，并且还可以防止发生充电时间损失。
依照根据第二实施例的充电系统1，可以在使用快速恒流充电和快速恒压充电实现快速充电的同时使充电效率最大化，并且因此，还可以减少总损耗。此外，可以防止电池BT过热或温度过高，并且因此，可以抑制电池BT的劣化。
此外，还可以设想使用电池BT的表面温度代替估计的内部温度来计算充电电流FastCC_I；然而，由于在电池BT内部生成的热量传递到电池BT的表面之前存在时滞，因此充电电流FastCC_I的响应性降低。此外，当电池BT的内部突然生成热量时，由于存在时滞，其感测将被延迟。在根据第二实施例的充电系统1中，使用电池BT的估计的内部温度，并且因此，可以提高这种对热量生成的响应性。
充电过程中的特性
接下来，将使用比较示例详细描述根据第二实施例的充电系统1的效果。
图7至图10是示出比较示例1至4中的充电期间的特性的特性图，图11是示出根据第二实施例的充电系统的特性的特性图。图7至图11是基于本发明的发明人实现的模拟结果而绘制的。
在图7至图11中的每个中，横轴表示时间，图中左侧的纵轴表示电池BT的充电电流，而图中右侧的纵轴表示电池BT的充电电压和温度。
此外，在每个图中，由格线包围的每个方格表示充电容量，并且400个方格相当于电池被100％充电的满充电容量。写在方格上的数字指示在此之前充电的充电容量。例如，在图7中，数字“320”表示从时间t0到时间t_CCV被充电的充电容量等于320个方格。从时间t_CCV到时间t_CED被充电的充电容量由写在方格上的数字之和表示。
比较示例1
图7示出了根据比较示例1的充电系统的特性。在该比较示例1中，电池的充电在时间t0开始，并且电池的充电在时间t_CED结束。电池的充电按照恒流充电(CC)和恒压充电(CV)的顺序来执行。即，在时间t_CCV附近，充电从恒流充电切换到恒压充电。
在图7中，虚线V_CH指示电池的电压，而实线I_CH指示提供给电池的充电电流。此外，单个虚线Ts指示电池的表面温度。在比较示例1中，充电电流I_CH的最大电流值限制为2安培(A)，并且环境温度设置为25℃。此外，双点划线V_MX指示电池的最大充电电压值。
如图7所示，在比较示例1中，当电池的表面温度保持较低时，直到电池的充电完成时的时间t_CED的时间段长达约54分钟，因此充电所需要的充电时间较长。
比较示例2
图8示出了根据比较示例2的充电系统的特性。比较示例2与比较示例1类似。比较示例2与比较示例1不同之处在于，充电电流I_CH的最大电流值被限制为3安培(A)。此外，在图8中，双点划线T_LU指示充电温度的上限(充电温度上限)，而双点划线T_R指示重新开始充电的充电重新开始温度。在比较示例2中，执行控制，使得当电池的表面温度达到充电温度上限T_LU时，充电停止，并且使得当电池的表面温度下降至充电重新开始温度以下时，充电重新开始。
在比较示例2中，由于充电电流I_CH的电流值较高(3安培)，因此可以在短时间内增加充电容量。然而，充电电流I_CH较高，并且因此，如图8所示，电池的表面温度Ts升高以达到充电温度上限T_LU，其中充电停止(充电电流I_CH降低)。此后，表面温度Ts降低到充电重新开始温度T_R以下，由此充电重新开始。因此，在比较示例2中，不执行快速恒流充电的这种时间段频繁发生。
比较示例3
图9示出了根据比较示例3的充电系统的特性。根据比较示例3的充电系统被配置为根据电池的环境温度来估计电池的内部温度Tin，并且基于估计的内部温度Tin来执行充电的控制(温度控制)。即，充电系统不执行快速恒流充电或快速恒压充电，而是基于估计的内部温度来控制充电电流I_CH的值。在图9所示的示例中，当电池的内部温度Tin(估计的内部温度)较低(42℃以下)时，充电电流I_CH被设置为高电流值(3安培)，而当内部温度Tin为标准温度(42℃至43℃)时，充电电流I_CH被设置为标准电流值(2安培)，而当内部温度Tin为高温(43℃至44℃)时，充电电流I_CH被设置为低电流值(1安培)。
如图9所示，当电池的内部温度Tin为充电温度上限T_LU以下时，充电电流I_CH的值根据温度而改变。通过充电电流I_CH进行的充电继续进行，由此电池的电压V_CH升高，并且如图9所示，电压V_CH超过最大充电电压值V_MX。当电池的电压V_CH超过最大充电电压值V_MX时，电池被过充电，并且应当理解，当电池被过充电超过这样的极限时，可能发生气体喷射、点火等。
比较示例4
图10示出了根据比较示例4的充电系统的特性。比较示例4是将比较示例2和比较示例3彼此组合的充电系统。即，在充电开始时，执行比较示例3中提及的基于内部温度Tin来控制充电电流I_CH的温度控制T_CNT，并且当电池的电压V_CH达到电池内部温度控制禁止区域A_Tci(时间t_TED)时，控制切换到比较示例2中提及的快速恒流充电和快速恒压充电(快速充电控制CCV)。在快速充电控制CCV中，与比较示例2不同，充电电流I_CH的最大电流被设置为2安培。
在温度控制T_CNT中，当充电电流I_CH的值根据内部温度Tin改变时，电池被充电。在比较示例4中，即使内部温度Tin不超过充电温度上限T_LU，当电池的电压V_CH达到电池内部温度控制禁止区域A_Tci时，控制转移到快速充电控制CCV，其中最大电流被设置为2安培。由于最大电流为2安培，当控制转移到快速充电控制CCV时，电池的电压V_CH下降。此后，充电在时间t_CCV从快速恒流充电切换到快速恒压充电，并且因此，可以防止电池的电压V_CH超过最大充电电压V_MX。
在比较示例4中，为了在充电温度控制T_CNT中设置电池内部温度控制禁止区域A_Tci，充电电流I_CH被控制，使得该温度范围比应当自然允许的内部温度范围窄。即，为了将控制从充电温度控制T_CNT切换到快速充电控制CCV，必须确保余量，并且直到充电结束的充电时间被延长。
第二实施例的特性示例
根据根据第二实施例的充电系统1，如图11所示，充电电流I_CH的值根据电池BT的内部温度Tin而小幅度地改变。即，在不执行快速恒流充电的同时，可以消除如比较示例2中提及的这样的时间段。此外，由于该内部温度Tin是基于电池BT的表面温度Tp来计算的，因此可以估计令人满意地跟随电池BT的温度变化的这种内部温度Tin。此外，可以使充电电流I_CH更令人满意地跟随内部温度Tin的变化。
此外，在第二实施例中，在快速恒流充电和快速恒压充电两者中，充电电流FastCC_I根据估计的内部温度Tin来计算，并且充电电流FastCV_I在快速恒压充电时计算。基于在所计算的充电电流FastCC_I和FastCV_I之间具有较小电流值的充电电流的电流被用作对电池BT充电的充电电流I_CH，并且因此，可以防止发生如比较示例3中提及的过充电。此外，即使不提供如比较示例4中提及的这样的裕度，也可以将充电从快速恒流充电切换到快速恒压充电。结果，在根据第二实施例的充电系统1中，如图11所示，充电时间可以缩短到大约43分钟。在根据第二实施例的充电系统1中，与比较示例1相比，充电时间自然也缩短。
第三实施例
在第三实施例中，将描述当电池BT由如图4所示的多个电池单元BTC1至BTCn组成时有效的充电控制方法。
图12是示出根据第三实施例的充电系统的操作的流程图。由于图12类似于图6，因此将主要描述图12与图6的区别。图12与图6之间的主要区别在于，在图12中，步骤SFC7至SFC10被添加到与快速恒流充电相关的步骤SFC，并且步骤SFC5(图6)被改变为步骤SFC11。
构成电池BT的电池单元BTC1至BTCn有时具有彼此不同的特性。当特性因此彼此不同时，电池单元在充电状态(例如，每个电池单元的电压)方面彼此不同，例如在充电时，从而导致发生故障。步骤SFC7至SFC10是为了均衡电池单元之间的充电状态而执行的步骤。
在步骤SFC7中，将电池单元(例如，图4中的BTC1)经受快速恒压充电时的最大电压Max_FastCV与电池单元BTC1在当前时间处的电压MaxV进行比较。当当前时间处的电压MaxV小于最大电压Max_FastCV(Y)时，执行步骤SFC9。相反，当当前时间处的电压MaxV等于或大于最大电压Max_FastCV(N)时，执行步骤SFC8。
在步骤SFC8中，从当前时间处的充电电流值中减去预定电流值(阶跃值)。同时，在步骤SFC9中，将预定电流值(阶跃值)与当前时间处的充电电流值相加。基于在步骤SFC8或SFC9中获取的充电电流的值，在步骤SFC10中计算基于电池单元的电压MaxV的控制(MaxV控制)的充电电流FastMV_I的值。
在步骤SFC11中，将在步骤SFC3中计算的充电电流FastCC_I、在步骤SFC4中计算的充电电流FastCV_I和在步骤SFC10中计算的充电电流FastMV_I彼此比较，并且选择具有最小值的充电电流。这样选择的充电电流被设置为对电池BT充电的充电电流。
在第三实施例中，当电池由多个电池单元组成时，可以减少由于充电而导致的电池单元的电压彼此不同的现象。
此外，在步骤SFC11中，具有最小电流值的充电电流被设置为对电池BT充电的这样的电流。因此，当充电电流FastMV_I小于充电电流FastCC_I和FastCV_I时，电池BT将以充电电流FastMVP_I被充电。结果，根据第三实施例，可以减少来自电池单元之间的特性变化的影响，同时防止电池的过充电以及充电时间损失的发生，如第二实施例中提及的。
补充说明
在本说明书中，除了在权利要求范围内描述的发明之外，还描述了其他发明。下面将列出代表性发明。
(A)一种充电系统，包括：
包括电池的电池组，和耦合到所述电池的半导体装置；以及
充电设备，耦合到所述电池组并且被配置为基于与所述电池相关的电池状态信息对所述电池充电，所述电池状态信息是从所述半导体装置提供的，
其中所述半导体装置包括：
控制单元，被配置为被提供有所述电池的充电电流、所述电池的电压和所述电池的表面温度，并且估计所述电池的内部温度；以及
存储器，被配置为存储由所述控制单元估计的所述内部温度，以及
其中所述控制单元：
通过使用所提供的充电电流和在预定时间之前的时间处的内部温度来计算所述电池在所述预定时间处的熵热，所述内部温度存储在所述存储器中；
根据所提供的充电电流计算所述电池的发热量；
获取被存储在所述存储器中的在所述预定时间之前的时间处的所述内部温度与所提供的表面温度之间的温度差，并且根据所述温度差计算所述电池的热辐射量；以及
通过使用所计算的熵热、所计算的发热量和所计算的热辐射量来估计所述电池在所述预定时间处的内部温度。
(A-1)根据(A)所述的充电系统，
其中所述半导体装置基于所估计的内部温度来确定对所述电池充电的所述充电电流，并且将所确定的充电电流作为所述电池状态信息提供给所述充电设备。
(A-2)根据(A-1)所述的充电系统，
其中所述电池组还包括：
温度传感器，设置在所述电池的表面上；以及
分流电阻器，耦合在所述电池与所述充电设备之间，以及
其中由所述温度传感器测量的温度被提供作为所述电池的所述表面温度，并且流过所述分流电阻器的电流作为所述电池的电流被提供给所述半导体装置。
(A-3)根据(A-1)所述的充电系统，
其中所述半导体装置计算在所述电池以恒定电压被充电时的恒压充电电流，将所计算的恒压充电电流与基于所估计的内部温度而确定的充电电流彼此比较，并且将具有较小值的充电电流作为所述电池状态信息提供给所述充电设备。
尽管已经基于本发明的实施例具体描述了本发明的发明人所做的发明，但不用说，本发明不限于上述实施例，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下以各种方式在范围内进行修改。例如，在本说明书中，已经描述了采用快速充电(快速恒压充电和快速恒流充电)的示例；然而，术语“快速”并不表示充电电流和充电电压被限制在特定范围内。

Claims (12)

1.一种用于控制电池充电的半导体装置，包括：
控制单元，被配置为被提供有所述电池的充电电流、所述电池的电压和所述电池的表面温度，并且估计所述电池的内部温度；以及
存储器，被配置为存储由所述控制单元估计的所述内部温度，
其中所述控制单元：
通过使用所提供的充电电流以及在预定时间之前的时间处的内部温度，来计算所述电池在所述预定时间处的熵热，所述内部温度被存储在所述存储器中；
根据所提供的充电电流计算所述电池的发热量；
获取被存储在所述存储器中的、在所述预定时间之前的时间处的所述内部温度与所提供的表面温度之间的温度差，并且根据所述温度差计算所述电池的热辐射量；以及
通过使用所计算的熵热、所计算的发热量和所计算的热辐射量，来估计所述电池在所述预定时间处的内部温度。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中所述存储器存储多条熵，所述多条熵中的每条熵对应于所述电池的充电状态，并且
其中所述控制单元从被存储在所述存储器中的所述多条熵中选择熵，所述熵对应于所述电池在所述预定时间处的充电状态，并且通过使用所选择的熵来计算所述电池的所述熵热。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，
其中所述存储器存储所述电池的内部电阻，并且
其中所述控制单元通过使用所述内部电阻来计算所述电池的所述发热量。
4.根据权利要求2所述的半导体装置，
其中所述存储器存储所述电池的开路电压，并且
其中所述控制单元通过使用所述开路电压来计算所述电池的所述发热量。
5.根据权利要求3所述的半导体装置，
其中所述存储器存储所述电池的温度电阻，并且
其中所述控制单元通过使用所述温度电阻来计算所述电池的所述热辐射量。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，
其中对所述电池充电的所述充电电流基于所述电池的所述内部温度来确定，所述内部温度由所述控制单元估计。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，
其中对所述电池充电的所述充电电流基于设定目标温度与所述电池的所述内部温度之间的温度差来确定，所述内部温度由所述控制单元估计。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，
其中对所述电池充电的所述充电电流由PID控制使用所述目标温度以及所述电池的经估计的内部温度作为输入来确定。
9.根据权利要求6所述的半导体装置，
其中在以恒定电压对所述电池充电时，所述控制单元计算流过所述电池的恒压充电电流，并且
其中所述控制单元将通过使用所述电池的经估计的内部温度而确定的所述充电电流与所计算的恒压充电电流彼此进行比较，并且选择具有较小值的所述充电电流作为对所述电池充电的所述充电电流。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，
其中所述电池包括多个电池单元，
其中基于所述电池单元的最大电压，所述控制单元计算在对所述电池充电时的所述充电电流，并且
其中所述控制单元将通过使用所述电池的经估计的内部温度而确定的所述充电电流、所述恒压充电电流以及基于所述电池单元的最大电压而计算的所述充电电流彼此进行比较，并且选择具有最小值的所述充电电流作为对所述电池充电的所述充电电流。
11.一种对电池充电的控制方法，所述控制方法包括：
将所述电池在预定时间之前的时间处的内部温度存储在存储器中；
通过使用所述电池在所述预定时间处的电流以及所述电池的内部温度，来计算所述电池在所述预定时间处的熵热，所述内部温度被存储在所述存储器中；
通过使用所述电池在所述预定时间处的所述电流来计算所述电池的发热量；
获取被存储在所述存储器中的所述电池的所述内部温度与所述电池在所述预定时间处的表面温度之间的温度差，并且根据所获取的温度差来计算热辐射量；以及
通过使用所计算的熵热、所计算的发热量和所计算的热辐射量来估计所述电池的内部温度。
12.根据权利要求11所述的对电池充电的控制方法，
其中对所述电池充电的充电电流基于所述电池的经估计的内部温度来确定。
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JP6162884B2 (ja) 2014-09-08 2017-07-12 株式会社東芝 電池パック、制御回路および制御方法

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