CN1237653C - 二次电池的更换方法 - Google Patents
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Abstract
提供了能以低成本进行电池更换且在电池更换后可以最大限度地发挥电池组总体性能的二次电池更换方法。在把多个二次电池导电地串联或并联构成的组电池中检测出性能不良的一部分二次电池与一个以上的更换用电池进行更换的更换方法中，对于构成组电池的二次电池，通过按预定的电压检测块检测电压Vi(n)，以电压检测块为单位判断二次电池的性能不良(S21)，以电压检测块为单位把判断为性能不良的更换对象电池与更换用电池进行更换。
Description
技术领域
本发明涉及一种二次电池的更换方法，在所述二次电池导电地串联或者并联而构成的电池组中，一部分二次电池性能恶化、达到寿命或发生了故障；本发明特别涉及搭载在电动汽车(PEV)或者混合型车辆(HEV)中的二次电池的更换方法。
背景技术
在二次电池中，有铅-酸电池，镍-镉(Ni-Cd)电池，镍-氢(Ni-MH)电池，锂离子电池等。这些电池具有在电力消耗后能够通过与外部电源相连接以便流过预定的电流来进行充电这样的性质。利用这样的性质，这些电池一直在各种装置中使用。例如，为了向发动机的火花塞进行供电，电池通常被安装在车辆中。
最近，在电动汽车(PEV)或者具备发动机和电动机的所谓混合型车辆(HEV)中，作为驱动电动机时的主电源，从其高能量密度(即能够紧密地存储能量)和高输出密度的观点出发，主要使用Ni-MH电池。在这样的PEV或者PEV中，把多个单独的电池串联或者并联组合起来构成一个电池组，用作为电池组，使得能够向电动机输出充分的电力。
这样结合多个电池组并搭载在PEV或者HEV中的Ni-MH电池如果其使用环境适宜则能够使用很长时间，然而由于二次电池中的单个电池性能较差或者构成二次电池的部件的不理想，一般电池组中的某一个将会发生异常或者达到寿命。电池组中的一个二次电池异常或者达到寿命时，就不能够发挥电池组原来的性能，并且极有可能引起系统的不正常，因此以往提出了很多对于二次电池的异常、故障或者恶化的检测方法。
例如，根据电池输出电压的降低进行恶化判断，可在铅-酸电池的情况下根据电解液的比重进行恶化判断，可根据电池内阻的上升引起的电压-电流特性的变化进行判断(特开平4-341769号公报)，可在预先存储电池的使用时间在达到了预定时间时进行恶化判断(特开平11-89101号公报)，另外可使用电池的温升进行恶化判断(特开平9-827495号公报)等等，这些方法已为人们所知。
另一方面，作为更换电池组整体的以往方式，有便携电话机、笔记本电脑、摄像机的电池，作为更换电池组一部分的以往方式，如特开平8-203567号公报中所记载的那样，监视构成电池组的各个铅二次电池中的各个端子电压，在成为预先设定的电压设定值以下时判断为恶化，此时将点亮电压降低显示LED。
另外，在特开平2-101937号公报中，记载了作为二次电池使用Ni-Cd二次电池时的例子，这是使用电压检测装置，顺序地检测多个电池单元的各个输出电压，使用显示装置，识别并且显示检测出的输出电压成为基准值以下的电池单元，并且催促人们对其进行更换。
然而，在更换电池组的一部分的上述以往方式中，并没有提到进行更换后新装入到电池组中的二次电池与原来正在使用的电池组中的电池的特性差异。
在铅-酸电池的情况下，在更换后如果进行恒压充电，则能够消除更换后的各电池中的剩余容量(SOC)的分散性，使电池组总体成为满充电状态，然而在Ni-MH电池或者Ni-Cd电池的情况下，由于在恒压充电中有可能成为过充电，因此不能够消除新更换的电池与原来的电池组中的SOC分散性，存在着不能够最大限度地发挥电池效率的问题。
另外，在更换电池的容量小于电池组的平均容量的情况下，在重视电池组容量的用途中，不能够维持更换前的电池组的性能。
特别是，像HEV那样，在不把二次电池进行满充电，剩余容量处于中间区域而长时使用的用途中，
(1)由于电池剩余容量的分散性，在放电一侧因剩余容量小的电池受到限制，在充电一侧因剩余容量大的电池受到限制，因而不能够充分使用电池的容量，
(2)由于电池自放电特性的分散性，放电一侧因自放电大的电池受到限制，充电一侧因自放电小的电池受到限制，因此导致剩余容量的分散性，
(3)由于电池内阻的分散性，例如如果把内阻大的更换用电池组装到电池组中，则根据容量判断的方式对于实际的容量将产生误差，将会有不能够充分地发挥电池性能的可能性。
发明内容
本发明是鉴于这样的问题而产生的，其目的在于提供能够以低成本进行电池更换的同时，在电池更换后能够最大限度地发挥作为电池组总体的性能的二次电池的更换方法。
本发明的另一个目的在于提供把电池特性作为性能不良判断的进一步判断基准，通过再次使用可恢复的二次电池，能够降低更换用电池的价格的同时，大幅度地降低废弃物的二次电池的更换方法。
为了达到上述目的，本发明提出了一种二次电池的更换方法，将多个二次电池导电地串联或者并联连接，构成搭载在电动汽车或者混合型汽车中的电池组，将检测出性能不良的一部分二次电池与一个以上的更换用电池进行更换，其特征在于，将多个上述二次电池导电地串联或者并联连接来构成块，将多个块导电地串联或者并联连接从而构成上述电池组，至少以块为单位检测块电压，并根据上述块电压计算出充电状态，同时，根据上述块电压以上述块为单位判断上述二次电池的性能不良，并以上述块为单位把判断为性能不良的更换对象电池与更换用电池进行更换，并且，在上述更换对象电池中，对根据充电量分散性幅度以及规定时间放置后的自放电量分散性幅度而未被判断为性能不良的二次电池进行再使用。
如果依据该方法，则不需要把电池组总体进行更换，另外，不需要确定构成电池组的所有的二次电池中哪个是性能不良电池，通过以已有的结构按照检测控制电池电压的电压检测块单位进行更换，不添加用于检测性能不良电池的硬件而仅变更软件就可以进行处理，从而能够降低更换用电池自身的成本以及伴随检测性能不良电池而产生的成本。
在上述更换方法中，作为上述更换用电池，最好使用构成上述电池组的电池群中最大容量等级的二次电池。
如果这样做，则电池组的容量不会受到更换用电池的限制，能够维持更换前的电池组的性能。
另外，配置在上述更换对象电池附近的构成电池组的二次电池最好与检测出了性能不良的更换对象电池一起与更换用电池进行更换。这里，最好通过检测上述更换对象电池的周围温度，判断配置在上述更换对象电池附近的构成电池组的二次电池是否也要进行更换。
如果这样做，则在性能不良电池附近局部温度上升的情况下或者由于性能不良电池自身的放热其周围的电池温度升高的情况下，在电池组中显著出现故障之前，通过更换配置在性能不良电池附近的电池，能够预先防止预测将来可能发生的故障。
另外，作为更换用电池，最好使用激活的二次电池。作为激活二次电池的方法，最好通过进行周期充放电，特别是，使充放电周期中的充放电电量的总和成为电池容量的450％以上那样进行周期充放电。
图5示出了车辆的行走距离与搭载在车辆中的电池组的内阻之间的关系。如从图5所示，在行走的初始阶段电池组的内阻下降，然后几乎维持一定水平。而且，示出在电池组的寿命末期内阻增大这样的变化。
图6示出对于更换用电池把初始值取为1时进行了周期充放电时的电池内阻的变化。由图6可知，在初始状态下电池内阻的变化大，而如果实施了大约电池容量450％以上的充放电，则能够达到相对于初始状态的内阻大约为70％的内阻。从而，对于更换用电池，如果实施充放电周期中的充放电电量总和成为电池容量的450％以上的周期充放电，则在组装到电池组中的情况下，能够根据已经使用的历史，修正与内阻变化的其它电池的分散性，能够充分地发挥电池组的性能。
进而，作为使更换用二次电池激活的其它方法，最好把电池温度维持在50℃以上并且放置5天以上。通过至少在50℃以上放置5天以上，能够有效地去除电池内部活性物质表面的氧化物皮膜。由此，能够不进行周期性充放电，以比较廉价的设备使内阻降低。如果把由上述激活方法激活的电池组装到电池组中，则能够修正与其它电池的分散性，能够充分地发挥电池组的性能。
另外，为了达到上述目的，最好把更换用电池冷藏保管。
图7对于更换用电池示出了以温度为参数相对于保管日数的剩余容量。如从图7所知，如果在高温状态保管，则由于自放电因此剩余容量减少，作为更换用二次电池不能够直接组装到电池组中。但如果把更换用电池冷藏保存，则抑制电池内部的自放电引起的剩余容量的减少，即使组装到电池组中也能够防止由于过放电引起的电池故障。冷藏温度最好是15℃以下，更理想的是0℃～10℃的范围。
另外，在更换了一部分的二次电池以后，对于电池组，例如以0.3C以下的速率进行电池容量的100％以上的充电，然后供给使用，则在可以消除电池组内的剩余容量分散性而且可以抑制电池温度的显著上升方面很理想。
由此，通过以低速率把包括更换了的电池的电池组进行过充电，能够消除更换了的电池与电池组的不均衡，能够使电池组总体的剩余容量一致。进而，即使在更换了的电池于更换之前具有长期放置历史，内阻暂时性地增大的情况下，也能够通过过充电使内阻值恢复到原来的水平。
另外，在上述更换方法中，上述二次电池性能不良的判断最好根据上述更换对象电池的充电量分散性幅度以及规定时间放置后的自放电量分散性幅度进行。
由此，更换对象电池的充电量分散性幅度例如是2.0Ah以内，在把其更换对象电池放置规定时间，例如数周～2个月以后其自放电量分散性幅度例如是0.5Ah时，通过并不是废弃更换对象电池，而是实施了预定的处置后供给再次使用，由此能够不把更换对象电池变换为新电池，能够实现材料水平的反复循环，不但能够降低更换用电池的价格，还能够大幅度地降低废弃物。
附图说明
图1示出使用了本发明一实施形态的二次电池更换方法的电池组系统的结构框图。
图2是示出本发明一实施形态的二次电池的恶化检测子程序的流程图。
图3是示出本发明实施形态的二次电池的更换处理子程序的流程图。
图4是示出本发明一实施形态的更换对象电池组件的恢复子程序的流程图。
图5示出车辆的行走距离与搭载在车辆中的电池组内阻之间的关系。
图6示出对于更换用电池实施了周期充放电时的电池内阻的变化。
图7示出以温度为参数更换用电池的相对于保管天数的剩余容量。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的理想实施形态。
图1是示出使用了本发明一实施形态的二次电池更换方法的电池组系统的结构框图。
图1中，1是搭载在混合型车辆等中的由二次电池例如镍-氢电池构成的电池组。该电池组1通常为了得到电机8的预定的输出，采用把多个镍-氢电池电气地串联连接的第1电池组件11，第2电池组件12，第3电池组件13，第4电池组件14，第5电池组件15，并且进一步把这些多个电池组件电气地串联连接的结构。按照在后面叙述的检测电池电压单位分开评价各个电池组件11，12，13，14，15。
2是对于电池组1的电压检测用开关，由开关21、22、23、24、25构成，这些开关用于把从第1～第5电池组件11、12、13、14、15的各个电池电压作为以时间序列按照预定时间抽样的抽样电压V1(n)、V2(n)、V3(n)、V4(n)、V5(n)检测出来。
3是电池组1的温度检测用开关，由开关31、32、33、34、35构成，这些开关用于把由分别与第1～第5电池组件11、12、13、14、15进行温度耦合而配置的温度传感器41、42、43、44、45测定的各个电池温度作为以时间序列按照预定时间抽样的抽样温度T1(n)、T2(n)、T3(n)、T4(n)、T5(n)检测出来。
5是电流检测单元，配置在电池组1的负输出端子与电机8的负输入端子之间，按照每个预定时间对从电流传感器(未图示)输出的电池组1的充放电电流进行抽样，获得抽样电流I(n)，检测电流的大小，同时，还根据其符号检测是充电还是放电的充放电方向的C/D。
6是电池控制器，根据按照时间序列根据控制信号VC把电压检测用开关21、22、23、24、25置为导通状态而取得的抽样电压V1(n)、V2(n)、V3(n)、V4(n)、V5(n)，按照时间序列根据控制信号TC把温度检测用开关31、32、33、34、35置为导通道状态而取得的抽样温度T1(n)、T2(n)、T3(n)、T4(n)、T5(n)，以及来自电流检测单元5的抽样电流I(n)，通过运算求电池组1的剩余容量。
另外，电池控制器6根据所取得的抽样电压V1(n)、V2(n)、V3(n)、V4(n)、V5(n)和同样取得的抽样温度T1(n)、T2(n)、T3(n)、T4(n)、T5(n)，判断各个电池组件11、12、13、14、15的恶化状态。以下详细地说明这一点。
7是电池输入输出控制单元，根据由电池控制器6运算的当前时刻的剩余容量水平，进行剩余容量控制使得电池的剩余容量范围在预定范围内，同时，根据运行者的电池输入输出要求，例如加速以及减速操作，对于电池组1进行放电量以及充电量的控制，用来进行发动机9的功率助推以及再生制动。
其次，参照图2以及图3说明这样构成的电池组系统的恶化检测以及更换处理过程。
图2是示出本发明一实施形态的二次电池的恶化检测子程序的流程图。
图2中，首先，为了判断在第1电池组件11中是否发生了恶化，把表示电池组1中的第i电池组件的变量i设定为1(S20)。接着，判断从第1电池组件11经过电压检测用开关21得到的抽样电压V1(n)(Vi(n)，i＝1)是否低于表示电池恶化的预定的电压阈值VT(S21)。在步骤S21中的判断结果是V1(n)低于VT时(是)，判断为在第1电池组件11中发生了恶化，把第1电池组件11设定为更换对象(S22)，然后进入到下一个步骤S23中。
另一方面，在步骤S21中的判断结果是V1(n)为VT以上时(否)，判断为第1电池组件11正常，为了进行对于下一个第2电池组件12的恶化判断，进入到步骤S25。
在步骤S23中，判断从与第1电池组件11温度耦合而配置的温度传感器41经过温度检测用开关31得到的抽样温度T1(n)(Ti(n)，i＝1)是否高于预定的温度阈值TT。在步骤S23中的判断结果是T1(n)高于TT时(是)，由于第1电池组件11局部温升，或者其自身的发热，配置在第1电池组件11附近的第2电池组件12(第(i+1)电池组件)将来有可能发生恶化，把第2电池组件12也设定为更换对象(S24)。
另一方面，在步骤S23中的判断结果是T1(n)为TT以下时(否)，判断为第2电池组件12将来不可能发生恶化，为了进行对于下一个第2电池组件12的恶化判断，进入到步骤S25。
在步骤S25中，根据变量i是否小于电池组件数L(图1所示的例中，L＝5)，当前由于变量是1，结束了对于第1电池组件11的恶化判断，因此把变量i的设定值(即「1」)仅增加1(S26)，对于第2电池组件12，与上述相同，重复步骤S21～25。
另外，对于第2电池组件12，在步骤S21中判断为恶化，在步骤S23中判断为温度高于预定值时，把位于第2电池组件12附近的第1电池组件11和第3电池组件13也设定为更换对象。
这样，在步骤S25中，判断为结束了直到第5电池组件15的恶化判断时(否)，退出电池恶化检测子程序。
其次，参照图3说明对于在图2所示的步骤S21以及23中设定为更换对象的电池组件的更换处理过程。
图3是示出本发明一实施形态的二次电池的更换处理子程序的流程图。
图3中，首先，作为更换用电池组件，从冷藏运输保管的电池组件中，选择比所有不是更换对象的电池组件容量等级大的、即组装时成为最大容量等级的电池组件(S30)。其次，对于选定的更换用电池组件实施电池更换前处理(S31)。在该电池更换前处理S31中，出厂前，对于更换用电池组件，实施周期充放电，例如充放电周期中的充放电电量总和为电池容量的450％以上，以及在温度50℃以上的环境中至少放置5天以上这两者中的至少一种处理，使更换用电池组件激活。通过该激活处理，对于处于未使用状态的更换用电池组件，通过有意识地使自放电特性或者内阻在初始状态下发生很大变化，能够获得与处于使用状态的其它电池组件的自放电特性或者内阻的匹配性。
其次，选出施加了电池更换前处理S31的更换用电池组件，与更换对象电池组件更换(S32)，对于电池组全体实施电池更换后处理(S33)。在该电池更换后处理S33中，进行电池容量的100％以上的过充电，使更换了的电池组件与其它电池组件的剩余容量一致，同时，使更换用电池组件因长时间放置而增大的内阻值恢复，使得能够充分地发挥作为电池组总体的性能。
另外，在更换对象电池组件中，有特定为由于微小短路等引起异常的组件，还有通过使电池特性恢复而能够再次使用的电池组件，把该能够再次使用的更换对象电池组件再次作为电池组进行组装(恢复)，出厂与新产品相当(再生)的产品，由此能够谋求降低更换用电池组价格和废弃物的大幅度降低。以下说明这一点。
图4是示出本发明一实施形态的更换对象电池恢复子程序的流程图。
图4中，首先，判断更换对象电池组件的充电量分散性幅度(CV)，例如判断是否超过了2.0Ah(大约为满充电量的20％)(S40)，如果充电量分散性幅度CV在2.0Ah以内(否)，则由于具有作为再用品的可能性，因此进行均匀充电(S41)。另一方面，如果步骤S40中的判断结果是充电量分散性幅度CV超过2.0Ah(是)，则由于该更换对象电池组件没有作为再用品的可能性，因此判断为异常组件(S51)，进行废弃处理等预定的处置。
接着，进入到步骤S41，进行了均匀充电以后，测定更换对象电池组件的满充电容量(FC)，判断测定的满充电容量FC例如是否没有达到相当于新电池标准的6.5Ah(S42)，如果满充电容量FC是6.5Ah以上(否)，则由于具有作为再用品的可能性，因此进行规定量充电(例如50％)(S43)。另一方面，如果在步骤S42中的判断结果是满充电容量FC不足6.5Ah(是)，则由于该更换对象电池组件没有作为再用品的可能性，因此判定为异常组件(S51)，进行废弃处理等预定的处置。
接着，进入到步骤S43，进行了规定量充电(例如50％)以后，放置规定时间(例如数周～2个月)(S44)，判断自放电量分散性幅度(SDV)是否超过了例如相当于新电池的实际值的0.5Ah(S45)，如果自放电量分散性幅度SDV在0.5Ah以内(否)，则与异常组件更换(S46)，构成为电池组(S47)后再次进行均匀充电(S48)。另一方面，如果步骤S45中的判断结果是自放电量分散性幅度SDV超过了0.5Ah(是)，则由于该更换对象电池组件没有作为再用品的可能性，因此判断为异常组件(S51)，进行废弃处理等预定的处置。
最后，作为出厂检查，测定每个电池组的组件的内阻值(IR)，判断组件单位的内阻值IR是否例如超过20mΩ(S49)，如果超过(是)，则判断为其电池组是不合格品(S52)而不出厂。另一方面，当步骤S49中的判断结果是组件单位的内阻值IR为20mΩ以下时(否)，判断为该电池组相当于新产品而出厂(S50)。
这样，检查更换对象电池组件的放电量分散性幅度以及规定时间、例如数周～2个月放置后的自放电量分散性幅度，如果这些特性值在预定的范围内，则不废弃更换对象电池组件，而在进行了预定的处置以后再次供给使用，由此不把更换对象电池组件与新的更换用电池组件更换，而与相当于新产品的更换对象电池组件进行更换，或者通过把组装了相当于新产品的更换对象电池组件的电池组作为更换用电池组出厂，则仅需要少量的电池组件的成本以及检查、更换的费用，能够降低更换用电池组的价格，不仅如此，还由于能够再次使用大部分的电池组件、组件电极夹、电池组外壳，因此能够大量减少废弃物。
Claims (11)
1.一种二次电池的更换方法，将多个二次电池导电地串联或者并联连接，构成搭载在电动汽车或者混合型汽车中的电池组，将检测出性能不良的一部分二次电池与一个以上的更换用电池进行更换，其特征在于：
将多个上述二次电池导电地串联或者并联连接来构成块，将多个块导电地串联或者并联连接从而构成上述电池组，至少以块为单位检测块电压，并根据上述块电压计算出充电状态，同时，根据上述块电压以上述块为单位判断上述二次电池的性能不良，并以上述块为单位把判断为性能不良的更换对象电池与更换用电池进行更换，并且，在上述更换对象电池中，对根据充电量分散性幅度以及规定时间放置后的自放电量分散性幅度而未被判断为性能不良的二次电池进行再次使用。
2.如权利要求1中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
作为上述更换用电池，采用构成上述电池组的电池群中的最大容量等级的二次电池。
3.如权利要求1中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
构成电池组的二次电池是镍-氢电池。
4.如权利要求1中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
配置在上述更换对象电池附近并且构成电池组的二次电池和检测出性能不良的更换对象电池一起与更换用电池进行更换。
5.如权利要求4中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
通过检测上述更换对象电池的周围温度，判断配置在上述更换对象电池附近并且构成电池组的二次电池是否也进行更换。
6.如权利要求1中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
作为更换用电池，使用激活的二次电池。
7.如权利要求6中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
为了激活二次电池，进行周期充放电。
8.如权利要求7中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
为了激活二次电池而进行的充放电周期中的充放电电量的总和是电池容量的450％以上。
9.如权利要求6中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
为了激活二次电池，使电池温度维持在50℃以上并且放置5天以上。
10.如权利要求1中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
冷藏保管更换用电池。
11.如权利要求1中所述的二次电池的更换方法，其特征在于：
在更换了一部分二次电池以后，对于电池组进行电池容量的100％以上的充电，然后供给使用。
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