CN1187860C - 控制二次电池充电的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种将二次电池的内阻产生的热和过充电时的化学发热分开，能可靠地检测过充电的装置及方法。温度梯度运算部(14)根据从电池温度检测部(12)每隔第一规定时间检测的二次电池(10)的温度，每隔比第一规定时间长的第二规定时间，计算每单位时间的温升即温度梯度。在温度梯度判断部(16)中，在判断为温度梯度连续N次(N是自然数)对应于二次电池的充电状态比预先规定的温度梯度阈值大的情况下，便检测出二次电池的充电状态呈满充电状态。

Description

控制二次电池充电的装置及方法
技术领域
本发明涉及控制二次电池充电的技术，特别是涉及控制在未达到满充电的状态下反复进行充放电用的二次电池的充电，防止该二次电池的过充电的技术。
背景技术
在二次电池中有铅蓄电池或镍镉(Ni-Cd)蓄电池、镍氢(Ni-MH)蓄电池、锂离子蓄电池等。这些蓄电池具有这样的性质：如果电力被消耗，则连接在外部电源上，流过规定的电流能充电。迄今这些蓄电池利用这样的性质，能被用于各种机器中。例如，迄今蓄电池也被安装在车辆中，用来向引擎点火的火花塞供电。最近，在备有引擎和电动机的所谓的混合型车辆(HEV)中，也作为驱动电动机时的主电源用。
蓄电池能被充电的电能的大小随各种蓄电池的不同而有不同的界限。因此，有必要控制充电量，以便在不超过可充电容量的范围内进行充电。在超过这样的界限进行充电(过充电)的情况下，有可能降低蓄电池的寿命。另外，为了确保车辆行驶中的动力，过充电的检测也是不可缺少的。
迄今，作为检测蓄电池的过充电的方法，一般是检测充电过程中蓄电池的温度变化、每单位时间的温度变化、即在温度梯度急剧增加的时刻，断定蓄电池达到了满充电。
可是，例如在混合型车辆中安装的蓄电池的情况下，车辆在行驶中蓄电池有时反复进行充放电。在混合型车辆中，行驶所需要的动力多半从引擎输出的情况下，用剩余的动力驱动发电机，进行蓄电池的充电。反之，在来自引擎的输出小的情况下，用蓄电池的电力驱动电动机，输出不足部分的动力。在此情况下，蓄电池进行充放电。对应于车辆的行驶状态、蓄电池的充电状态、以及驾驶员的操作情况，反复进行这样的充放电。
一般说来蓄电池充放电时，电池的内阻(DC-IR)产生的损失变成焦耳热，而且这种发热与电流的有效值的二次方成正比。因此，在将蓄电池安装在混合型车辆中反复进行充放电的情况下，蓄电池即使未达到满充电的状态，温度梯度也会急剧地变化，所以会错误地断定为蓄电池达到了满充电状态，而中止充电。其结果，不能充分地进行蓄电池的充电，蓄电池有可能发生停止工作等故障。
作为解决上述问题的方法，例如在特开平11-299124号公报中公开了这样的方法：检测每单位时间的温升即温度梯度中与充电相关产生的充电时的温度梯度，或者检测从每单位时间的温升即温度梯度减去由于放电产生的温度梯度的修正量而算出的充电时的温度梯度，在该温度梯度对应于二次电池的充电状态比预先规定的温度梯度大的情况下，中止二次电池的充电。
可是，在混合型车辆或电气车辆的使用环境中，由于二次电池的充电及放电的电流值大，所以二次电池的内阻(DC-IR)产生的发热量大。另外，由于充电和放电的电流瞬时变化，同时发热时产生时间差，所以不能根据电流的瞬时值特定发热的原因。由于这些理由，将DC-IR产生的发热除外，求出单纯地由于过充电时的化学放热反应产生的温度梯度，难以进行过充电的检测。
发明内容
本发明就是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种将二次电池的内阻产生的热和过充电时的化学发热分开，能可靠地检测过充电的充电控制装置及方法。
为了达到上述目的，本发明的充电控制装置是一种控制在未达到满充电的状态下反复进行充放电用的二次电池的充电的充电控制装置，其特征在于：备有每隔第一规定时间(t1)对上述二次电池检测温度的电池温度检测部；根据由上述电池温度检测部检测的上述温度，每隔比上述第一规定时间(t1)长的第二规定时间(t2)，计算每单位时间的温升即温度梯度的温度梯度运算部；以及对应于上述二次电池的充电状态，判断由上述温度梯度运算部运算的温度梯度是否大于预先规定的温度梯度阈值的温度梯度判断部，在上述温度梯度判断部中，在判断为上述运算的温度梯度连续N次(N为自然数)比上述规定的温度梯度阈值大的情况下，便检测出上述二次电池的充电状态达到了满充电状态。
如果采用该充电控制装置，则由于由温度梯度运算部根据每隔第一规定时间检测的温度，每隔比上述第一规定时间(t1)长的第二规定时间(t2)，计算温度梯度，在温度梯度判断部中，在运算的温度梯度连续N次(N为自然数)超过规定的温度梯度阈值的情况下，检测出二次电池处于满充电状态，所以能消除混合型车辆等行驶时由二次电池反复进行的充电及放电产生的瞬时发热的影响，将二次电池的内阻产生的热和过充电时的化学发热分开，能可靠地检测过充电。
因此，能防止由过充电产生的二次电池的劣化和寿命缩短，同时能在充电电平高的区域使用二次电池，容易确保车辆行驶中的动力。
在上述充电控制装置中，上述温度梯度运算部最好在上述二次电池的平均负载电流为充电电流的情况下，使运算结果有效。
如果采用该结构，则在二次电池的平均负载电流表示充电方向的情况下，由于将运算的温度梯度用于过充电检测，所以更可靠的过充电检测成为可能。
另外，在上述充电控制装置中，作为上述规定的温度梯度阈值，最好使用与上述二次电池的平均负载电流的大小及上述二次电池的冷却强度两者中的至少一者对应的温度梯度阈值。
如果采用该结构，则由于设定与二次电池的平均负载电流的大小及上述二次电池的冷却强度两者中的至少一者对应的温度梯度阈值，所以更精确的过充电检测成为可能。
另外，上述平均负载电流最好是每隔上述第一规定时间(t1)检测的负载电流在每隔上述第二规定时间(t2)的平均值。
另外，在上述充电控制装置中，上述第二规定时间(t2)最好比每个上述第一规定时间(t1)检测的上述二次电池的充电及放电引起的负载电流的变化时间长。
如果采用该结构，则由于能消除混合型车辆等行驶时由二次电池反复进行的充电及放电产生的瞬时发热的影响，将二次电池的内阻产生的热和过充电时的化学发热分开，能可靠地检测过充电。
另外，在上述充电控制装置中，上述温度梯度运算部最好通过移动平均运算求上述温度梯度。
如果采用该结构，则由于不是单纯平均而是通过移动平均求温度梯度，所以更精确的过充电检测成为可能。
为了达到上述目的，本发明的充电控制方法是一种控制在未达到满充电的状态下反复进行充放电用的二次电池的充电的充电控制方法，其特征在于：每隔第一规定时间(t1)对上述二次电池检测温度，根据检测的上述温度，每隔比上述第一规定时间(t1)长的第二规定时间(t2)，计算每单位时间的温升即温度梯度，对应于上述二次电池的充电状态，判断所运算的温度梯度是否大于预先规定的温度梯度阈值，在判断为上述运算的温度梯度连续N次(N为自然数)比上述规定的温度梯度阈值大的情况下，便检测出上述二次电池的充电状态达到了满充电状态。
如果采用该充电控制方法，则由于根据每隔第一规定时间检测的温度，每隔比上述第一规定时间(t1)长的第二规定时间(t2)，计算温度梯度，在运算的温度梯度连续N次(N为自然数)超过规定的温度梯度阈值的情况下，检测出二次电池处于满充电状态，所以能消除混合型车辆等行驶时由二次电池反复进行的充电及放电产生的瞬时发热的影响，将二次电池的内阻产生的热和过充电时的化学发热分开，能可靠地检测过充电。
因此，能防止由过充电产生的二次电池的劣化和寿命缩短，同时能在充电电平高的区域使用二次电池，容易确保车辆行驶中的ドラビリ。
在上述充电控制方法中，最好在上述二次电池的平均负载电流为充电电流的情况下，使上述温度梯度的运算结果有效。
如果采用该方法，则在二次电池的平均负载电流表示充电方向的情况下，由于将运算的温度梯度用于过充电检测，所以更可靠的过充电检测成为可能。
另外，在上述充电控制方法中，作为上述规定的温度梯度阈值，最好使用与上述二次电池的平均负载电流的大小及上述二次电池的冷却强度两者中的至少一者对应的温度梯度阈值。
如果采用该方法，则由于设定与二次电池的平均负载电流的大小及上述二次电池的冷却强度两者中的至少一者对应的温度梯度阈值，所以更精确的过充电检测成为可能。
另外，上述平均负载电流最好是每隔上述第一规定时间检测的负载电流在每隔上述第二规定时间(t2)的平均值。
另外，在上述充电控制方法中，上述第二规定时间(t2)最好比每隔上述第一规定时间(t1)检测的上述二次电池的充电及放电引起的负载电流的变化时间长。
如果采用该方法，则由于能消除混合型车辆等行驶时由二次电池反复进行的充电及放电产生的瞬时发热的影响，将二次电池的内阻产生的热和过充电时的化学发热分开，能可靠地检测过充电。
另外，在上述充电控制方法中，最好通过移动平均运算求上述温度梯度。
如果采用该方法，则由于不是单纯平均而是通过移动平均求温度梯度，所以更精确的过充电检测成为可能。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施例的充电控制装置的结构框图。
图2是表示本发明的第一实施例的二次电池充电控制程序的流程图。
图3是表示本发明的第二实施例的充电控制装置的结构框图。
图4是表示对平均负载电流Iave和冷却强度CP设定的温度梯度阈值TH的图。
图5是表示在平均负载电流Iave为低充电速度(IL)和高充电速度(IH)的情况下，对应于充电容量的电池温度和温度梯度的曲线图。
图6是表示在二次电池的冷却强度为弱、中、强的情况下，对应于时间流逝的温度梯度的曲线图。
图7是表示本发明的第二实施例的二次电池充电控制程序的流程图。
具体实施方式
以下，用附图说明本发明的实施例。
(第一实施例)
图1是表示本发明的第一实施例的充电控制装置的结构框图。
在图1中，10是安装在混合型车辆等中的例如镍-氢蓄电池构成的二次电池。该二次电池10为了获得规定的功率，通常由多个单电池组合而成的电池组构成的电池组合件构成。12是电池温度检测部，每隔第一规定时间t1、例如每0.1秒，对由配置在二次电池10内的规定位置的温度传感器(图中未示出)测定的电池温度进行取样，取得电池温度试样T(n)。
14是温度梯度运算部，将第二规定时间t2、例如20秒作为单位时间，对从电池温度检测部12输出的电池温度试样T(n)计算每单位时间的温升即温度梯度dT(n)/dt(＝K)。该第二规定时间t2设定得比电池温度的取样时间即第一规定时间t1长，而且比混合型车辆等行驶时二次电池10反复充电及放电引起的负载电流的变化时间长。
另外，在温度梯度运算部14中，求温度梯度用的运算不是取单纯平均的运算，而是采用取移动平均的运算。该移动平均例如取某时刻t1和从该时刻t1开始经过了规定时间(20秒)后的时刻t1+20之间的温度梯度Ki，其次，取从时刻ti开始经过了第一规定时间(0.1秒)后的时刻ti+0.1和从该时刻ti+0.1开始经过了第二规定时间(20秒)后的时刻ti+20.1之间的温度梯度Ki+1，依次计算Ki和Ki+1的平均值。
这里，第二规定时间t2越长，越能消除二次电池10的内阻(DC-IR)产生的热的影响，但由于运算变慢，所以二次电池10容易进入过充电状态。
16是温度梯度判断部，判断从温度梯度运算部14依次输出的温度梯度dT(n)/dt对应于二次电池10的充电状态是否比预先规定的温度梯度阈值TH大，在连续N次、例如连续3次超过了温度梯度阈值TH的情况下，断定二次电池10呈满充电状态，输出通知满充电状态的信号FC。
其次，说明这样构成的第一实施例的控制过程。
图2是表示本发明的第一实施例的二次电池充电控制程序的流程图。
首先，每隔第一规定时间t1对电池温度T(n)进行取样(S20)。根据取得的电池温度试样T(n)，在第二规定时间t2内，通过移动平均运算求温度梯度dT(n)/dt(S21)。
其次，判断在步骤S21中求得的温度梯度dT(n)/dt是否超过了规定的温度梯度阈值TH(S22)。在步骤S22中判断的结果表明温度梯度dT(n)/dt在温度梯度阈值TH以下的情况下，返回步骤S20，继续电池温度试样T(n)的取得。
在步骤S22中判断的结果表明温度梯度dT(n)/dt超过温度梯度阈值TH的情况下，进入步骤S23，判断是否连续N次超过。在步骤S23中，在温度梯度dT(n)/dt连续N次未超过温度梯度阈值TH的情况下，断定没有满充电状态下的化学发热产生的温升，仍然返回步骤S20，继续电池温度试样T(n)的取得。
在步骤S23中判断的结果表明温度梯度dT(n)/dt连续N次超过温度梯度阈值TH的情况下，断定有满充电状态下的化学发热产生的温升，检测出现在呈满充电状态，继续充电将成为过充电(S24)，退出二次电池充电控制程序。
(第二实施例)
图3是表示本发明的第二实施例的充电控制装置的结构框图。本实施例与第一实施例不同的地方在于：在本实施例中根据二次电池的平均负载电流及冷却强度，可变地设定温度梯度阈值。另外，电池温度检测部12、温度梯度运算部14、以及温度梯度判断部16的结构及功能与第一实施例相同，所以说明从略。
在图3中，32是检测二次电池的充电及放电引起的负载电流用的电流传感器，由电流传感器32检测的负载电流被供给平均负载电流测定部34。平均负载电流测定部34在每隔第一实施例中说明的对电池温度取样的第一规定时间、例如0.1秒，对负载电流取样(I(n))，取第二规定时间、例如20秒的平均值，作为平均负载电流Iave输出。
另外，36是由冷却风扇构成的二次电池冷却装置，为了防止二次电池的性能劣化，由冷却强度设定部38根据二次电池的温度，设定冷却强度CP、例如设定冷却风扇的转速。
从平均负载电流测定部34输出的平均负载电流Iave和从冷却强度设定部38输出的冷却强度CP被供给温度梯度阈值设定部30。温度梯度阈值设定部30根据输入的平均负载电流Iave和冷却强度CP的大小，确定温度梯度阈值TH，对温度梯度判断部16设定该温度梯度阈值TH。
图4是表示对平均负载电流Iave和冷却强度CP设定的温度梯度阈值TH表的图。在图4中，冷却强度CP越强，满充电状态下的温度梯度越小，所以温度梯度阈值TH变小，另外，越是在平均负载电流Iave呈高充电速度的情况下，满充电状态下的温度梯度变得越大，所以温度梯度阈值TH变大。
图5是表示在平均负载电流Iave为低充电速度(IL)和高充电速度(IH)的情况下，对应于充电容量的电池温度和温度梯度的曲线图。
图6是表示在二次电池的冷却强度为弱、中、强的情况下，对应于时间流逝的温度梯度的曲线图。
其次，说明这样构成的本实施例的控制过程。
图7是表示本发明的第二实施例的二次电池充电控制程序的流程图。
首先，每隔第一规定时间t1对电池温度T(n)及负载电流I(n)进行取样(S70)。根据取得的电池温度试样T(n)，在第二规定时间t2内通过移动平均运算求温度梯度dT(n)/dt，同时根据取得的负载电流试样I(n)，求第二规定时间t2内的平均负载电流Iave(S71)。
其次，判断在步骤S71中求得的平均负载电流Iave是否表示充电方向(比零大)(S72)。在步骤S72中的判断结果、平均负载电流Iave不表示充电方向(放电方向)的情况下，返回步骤S70，继续电池温度试样T(n)及负载电流试样I(n)的取得。
在步骤S72中判断的结果表明平均负载电流Iave表示充电方向(比零大)的情况下，进入步骤S73，根据平均负载电流Iave的大小和冷却强度，设定最佳温度梯度阈值TH。
其次，判断在步骤S71中求得的温度梯度dT(n)/dt是否超过了设定的温度梯度阈值TH(S74)。在步骤S74中判断的结果表明温度梯度dT(n)/dt在温度梯度阈值TH以下的情况下，返回步骤S70，继续电池温度试样T(n)及负载电流试样I(n)的取得。
在步骤S74中判断的结果表明温度梯度dT(n)/dt超过温度梯度阈值TH的情况下，进入步骤S75，在温度梯度dT(n)/dt连续N次未超过温度梯度阈值TH的情况下，断定没有在满充电状态下的化学发热产生的温升，仍然返回步骤S70，继续电池温度试样T(n)及负载电流试样I(n)的取得。
在步骤S75中判断的结果表明温度梯度dT(n)/dt连续N次超过温度梯度阈值TH的情况下，断定是满充电状态下的化学发热产生的温升，检测出现在呈满充电状态，继续充电将成为过充电(S76)，退出二次电池充电控制程序。
这样，如果采用本实施例，则由于根据平均负载电流Iave，对呈充电方向时的温度梯度和平均负载电流Iave的大小和与二次电池的冷却强度对应的最佳的温度梯度阈值TH进行比较，所以与第一实施例相比，能实现精度更高的满充电状态检测。
另外，在本发明的实施例中，虽然将对电池温度取样的第一规定时间t1设定为0.1秒，将运算温度梯度的第二规定时间t2设定为20秒，将温度梯度的阈值超过次数N设定为3，但本发明不限于这些数值，例如能根据二次电池的规格、车辆负载特性、车辆的行驶模式等进行变更。

Claims (12)

1.一种充电控制装置，是控制在未达到满充电的充电状态下反复进行充放电用的二次电池的充电的充电控制装置，其特征在于：
备有每隔第一规定时间(t1)对上述二次电池检测温度的电池温度检测部；
根据由上述电池温度检测部检测的上述温度，每隔比上述第一规定时间(t1)长的第二规定时间(t2)，计算每单位时间的温升即温度梯度的温度梯度运算部；以及
对应于上述二次电池的充电状态，判断由上述温度梯度运算部运算的温度梯度是否大于预先规定的温度梯度阈值的温度梯度判断部，
在上述温度梯度判断部中，在判断为上述运算的温度梯度连续作为自然数的N次并比上述规定的温度梯度阈值大的情况下，便检测出上述二次电池的充电状态达到了满充电状态。
2.根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于：上述温度梯度运算部在上述二次电池的平均负载电流为充电电流的情况下，使运算结果有效。
3.根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于：作为上述规定的温度梯度阈值，使用与上述二次电池的平均负载电流的大小及上述二次电池的冷却强度两者中的至少一者对应的温度梯度阈值。
4.根据权利要求2或3所述的充电控制装置，其特征在于：上述平均负载电流是每隔上述第一规定时间(t1)检测的负载电流在每隔上述第二规定时间(t2)的平均值。
5.根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于：上述第二规定时间(t2)比每隔上述第一规定时间(t1)检测的上述二次电池的充电及放电引起的负载电流的变化时间长。
6.根据权利要求1所述的充电控制装置，其特征在于：上述温度梯度运算部通过移动平均运算求出上述温度梯度。
7.一种充电控制方法，是控制在未达到满充电的充电状态下反复进行充放电用的二次电池的充电的充电控制方法，其特征在于：
每隔第一规定时间(t1)对上述二次电池检测温度，
根据检测的上述温度，每隔比上述第一规定时间(t1)长的第二规定时间(t2)，计算每单位时间的温升即温度梯度，
对应于上述二次电池的充电状态，判断所运算的上述温度梯度是否大于预先规定的温度梯度阈值，
在判断为上述运算的温度梯度连续作为自然数的N次并比上述规定的温度梯度阈值大的情况下，便检测出上述二次电池的充电状态达到了满充电状态。
8.根据权利要求7所述的充电控制方法，其特征在于：在上述二次电池的平均负载电流为充电电流的情况下，使上述温度梯度的运算结果有效。
9.根据权利要求7所述的充电控制方法，其特征在于：作为上述规定的温度梯度阈值，使用与上述二次电池的平均负载电流的大小及上述二次电池的冷却强度两者中的至少一者对应的温度梯度阈值。
10.根据权利要求8或9所述的充电控制方法，其特征在于：上述平均负载电流是每隔上述第一规定时间(t1)检测的负载电流在每隔上述第二规定时间(t2)的平均值。
11.根据权利要求7所述的充电控制方法，其特征在于：上述第二规定时间(t2)比每隔上述第一规定时间(t1)检测的上述二次电池的充电及放电引起的负载电流的变化时间长。
12.根据权利要求7所述的充电控制方法，其特征在于：通过移动平均运算求出上述温度梯度。
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