CN1720461A - 二次电池更换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及二次电池更换方法。该更换方法在通过串联或并联地电连接多个电池模块形成的电池组件中用一更换新电池模块更换一要被更换的电池模块。该方法包括为所述新电池模块充电使得所述新电池模块的充电量小于除了所述要被更换的电池模块以外的电池模块的充电量的5～20％的步骤(S110)，和用所充电的新电池模块更换所述要被更换的电池模块的步骤(S120)。

Description

二次电池更换方法

技术领域

本发明涉及一种在通过串联或并联地电连接多个二次电池而形成的电池组件中，当一个或多个二次电池已经退化(老化)(包括满充电(全充电)容量的减小，积累记忆效应等)或当一个或多个二次电池达到使用寿命或出现故障时，用于更换所述的一个或多个二次电池的二次电池更换方法。更具体地说，本发明涉及一种用于更换安装在纯电动车(PEV)或混合动力电动车(HEV)中的二次电池的方法。

背景技术

二次电池的示例包括铅酸电池，镍镉(Ni-Cd)电池，镍金属氢化物(Ni-MH)电池，锂离子电池等。每种二次电池具有一特征，即电量耗尽时，可通过将电池连接到外部电源并为该电池供应一预定电流而为电池充电。根据此特征，二次电池已经被用在各种应用中。例如，二次电池被安装于常规机动车内以便给发动机的火花塞提供电力。

近来，在许多电动车(PEV)和配备有内燃机和电动机的统称的混合动力电动车(HEV)中，Ni-MH电池由于其高能量密度(如能量的紧密存储)及其高输出密度而被用作一驱动电动机的主电源。对于在PEV和HEV中的使用，每个电池组件都是通过串联或并联地结合多个单元电池而形成的，并且作为一个电池组使用，以便为电动机供应充足的电力。

对于以相连接的多个电池组件形式安装在PEV和HEV中的这种Ni-MH二次电池，如果使用条件适宜其使用寿命可能较长。然而，在一般情况下，电池组件会由于二次电池的个体差异或者二次电池的组成部分的缺陷而每次一个地出现故障或者达到使用寿命。如果在电池组件中存在出现异常的二次电池或者达到使用寿命的二次电池，则电池组件不能执行其正常功能，并且很容易导致系统故障。因此，日本专利公报No.2002-15781公开了一种允许电池组件在更换电池组件的一个或多个二次电池之后作为一个整体提供其全部性能的二次电池更换方法。

日本专利公报No.2002-15781中公开的更换方法是一种用更换电池来更换一个或多个串联或并联地电连接以便形成一电池组件的二次电池一如果所述一个或多个二次电池出现故障的话一的方法。该更换方法包括以下步骤：检测形成电池组件的二次电池的预定电压检测块中的每一个检测块的电压；逐块确定电压检测块是否具有任何故障电池；以及用更换电池来更换包括由所述确定步骤发现的故障电池的电压检测块的二次电池。

根据日本专利公报No.2002-15781公开的方法，没有必要更换整个电池组件并且没有必要识别哪一个二次电池为故障电池。相反，包括故障电池的二次电池是以为现有结构中的电池电压的检测和控制设置的电压检测块为一个单位而更换的。这样，能够仅通过改变软件而不必添加检测故障电池的硬件配置来实施该方法。因此，该方法使得更换电池的成本降低并且使得与故障电池的检测有关的成本降低。此外，在该方法中，如果将形成一个电池组件的二次电池组中的最高容量等级的二次电池用作更换电池，电池组件的容量不会被更换电池限制，这样电池组件的性能可保持在与更换前同样高的水平。

特别地，在HEV的二次电池没有满充电而是通常以剩余容量的中间量使用的应用中，会出现下列问题：(1)由于电池组件的二次电池不同的剩余容量，电池组件的放电操作会受到具有较小剩余容量的电池限制，并且放电操作会受到具有较大剩余容量的电池限制，因此整个电池组件的容量不能被充分利用；(2)由于电池组件的二次电池不同的自放电特性，电池组件的放电操作会受到具有大自放电特性的电池限制，并且放电会受到具有小自放电特性的电池限制，因此会导致不同的剩余容量；以及(3)由于电池组件的二次电池不同的内阻，例如，在将具有大内阻的更换电池结合入电池组件的情况下，根据所采用的确定方法，容量的确定会相对于实际容量产生误差，因此电池组件不能提供令人满意的性能。

根据日本专利公报No.2002-15781所公开的关于镍金属氢化物电池的电池组件的更换方法，容量等级高于非更换(不被更换)的电池组件的任何一个电池模块的容量等级的更换电池模块，即在结合入电池组件时处于最高容量等级的更换电池模块被从低温运输和保存的电池模块中选出。非更换电池由于使用中造成的退化或记忆效应在充电量高的区域(高SOC区域)具有低放电效率，如图7A所示。另一方面，更换电池模块是比其它电池模块具有更大充电容量的新模块，并且在一个与未被更换的电池模块的低放电效率区域等效的区域中提供正常放电效率。如果由具有如上所述不同放电效率的二次电池组合形成的电池组件进行反复充放电循环而没有任何特殊过程，如均衡过程或类似过程，则电池的不同放电效率会造成不同的充电状态(SOC)。因此，当电池ECU(电子控制单元)计算每个电池模块的SOC时，新电池与未被更换的电池之间的SOC的差异变大，因此电池ECU判定“SOC变化异常”作为诊断结果以保护电池，如图7B所示。还有新电池在高SOC区域中过度充电的可能性。

发明内容

本发明为解决前述问题而实施。本发明的一个目的在于提供一种二次电池更换方法，在更换电池组件的电池模块后使作为一个整体的该电池组件的性能最大化，同时避免电池异常的错误检测，而无需在更换之后进行一个特殊过程例如均衡过程或类似过程。

根据本发明的第一方面的二次电池更换方法中，在通过串联或并联地电连接多个二次电池而形成的电池组件中用一更换的新二次电池来更换一要被更换的二次电池。该方法包括如下步骤：为新二次电池充电使得所述新二次电池的充电量小于电池组件中的除了所述要被更换的二次电池以外的二次电池的充电量；以及用在充电步骤中被充电的所述新二次电池更换所述要被更换的二次电池。

根据本发明的第一方面，当由多个二次电池组成的电池组件中的二次电池用新二次电池更换时，新二次电池被充电使得新二次电池的充电量小于电池组件中的除了要被更换的二次电池以外的二次电池的充电量。例如，如果安装于HEV中的电池组件的15个二次电池中的一个在诊断出电池异常后将被更换，新二次电池被充电使得新二次电池的充电量小于电池组件中的除了要被更换的二次电池以外的14个二次电池的充电量(如，14个电池的充电量的平均值)的5～20％。当新二次电池的这种状态，即，新二次电池的充电量不等于但稍小于与14个二次电池有关的充电量的状态被维持时，将新二次电池结合入电池组件并与14个二次电池结合。这样重建的电池组件被反复充电和放电相当于具有低满充电容量的二次电池。因此，新二次电池不会退化，并且由于新二次电池不具有记忆效应，新二次电池的工作区域逐渐转向高SOC区域。在本发明中，因为结合入电池组件前新二次电池的充电量小于电池组件中非更换二次电池的充电量，前述向高SOC区域的转移相对延迟。新电池随着使用时间的增长逐渐退化并且积累记忆效应，因此其工作区域转向低SOC区域。这样，新电池具有与其它仅经过充放电循环的电池基本相同的容量。因此，根据本发明，能够提供一种二次电池更换方法，在用新二次电池更换电池组件的二次电池后，能够使作为一个整体的电池组件的性能达到最高，同时避免电池异常的错误检测或者避免新电池的过度充电，而无需在更换之后进行一个特殊过程例如均衡过程或类似过程。

在本发明的第一方面中，所述要被更换的二次电池可为具有减小的满充电容量的二次电池或具有记忆效应的二次电池。在这种情况下，能够提供一种二次电池更换方法，通过更换具有减小的满充电容量的二次电池或具有记忆效应的二次电池，使作为一个整体的电池组件的性能达到最高。

此外，在本发明的第一方面中，更换步骤包括将所充电的新电池结合入电池组件中温度高的那一部分。该结合步骤会加速电池组件的二次电池的性能均衡，因为新二次电池由于温度效应退化更快。

另外，在本发明的第一方面中，充电步骤包括为新二次电池充电使得新二次电池的充电量小于电池组件中的除了要被更换的二次电池以外的二次电池的充电量的5～20％。该充电步骤避免了充电量的大于20％的差异，并且因此避免了电池ECU的电池检测异常。该充电步骤还避免了充电量的小于5％的差异，并且因此避免了均衡故障。

此外，二次电池可为镍金属氢化物电池。

附图说明

图1为示出根据本发明一实施例的电池更换过程例程的流程图；

图2为示出充电量与模块电压之间关系的曲线图(第一曲线图)；

图3为示出充电量与模块电压之间关系的曲线图(第二曲线图)；

图4为示出充电量与模块电压之间关系的曲线图(第三曲线图)；

图5为电池内发生的化学反应的简述；

图6A和6B示出新模块结合时以及结合后的模块状态；以及

图7A和7B示出常规更换方法的问题。

具体实施方式

接下来参照附图说明本发明的优选实施例。在下面的说明中，相同的部件用相同的附图标记表示。这些相同部件具有相同的名称，并且执行相同的功能。对于相同部件的详述不再赘述。

本发明的“二次电池”指的是由单个单元电池或通过内接多个单元电池形成为电池组件的单块型电池模块。本发明中的“二次电池”不局限于电池组件中的串联或并联地电连接的二次电池，还包括电池组件系统中的串联或并联地结合的二次电池。

结合本发明的一个实施例说明Ni-MH二次电池，即一种碱性二次电池。该实施例中作为Ni-MH二次电池的一个示例的是这样一种电池(下文中，称为“电池模块”)，其中二次电池瓶系统由在其短侧表面一体地连接六个矩形平行六面体形二次电池瓶而形成，并且每个二次电池瓶的上表面开口用一个盖子一体地封闭，在二次电池瓶的相邻短侧表面的上端部处彼此相邻的单元电池是内接的。

假定一个“(电池)块(block)”是由两个各具有六个二次电池瓶(每个二次电池瓶称为“单元”)的模块(module)形成，可逐“块”进行更换。但是，接下来的描述是基于可逐“模块”进行更换的假定作出的。

因为每个单元的额定电压为1.2V，一个块的额定电压为14.4V。混合动力电动车(HEV)配备有通过串联地连接大约15个块形成的电池组件(电池组件的额定电压为216V)。

下面参照图1说明用于更换以上述方式形成的二次电池模块的方法。

参照图1，在步骤(下文中，简称“S”)100中，选择要被更换的电池模块。在该步骤中，要被更换的电池模块的选择是基于在每个模块上检测到的OCV(开路电压)，SOC，放电状态，内阻值，满充电容量，自放电状态等。例如，具有增加的内阻值的电池模块或具有减小的满充电容量的电池模块被选择作为要被更换的电池模块。

在S110中，预更换过程是在更换电池模块即新电池模块上进行的，之后将新电池模块结合入电池组件。在预更换过程中，更换电池模块被充电使得更换电池模块的充电量小于与非更换电池模块有关的检测到的充电量的5～20％，如图2所示。例如，如果非更换电池模块的充电量为3.0Ah，则更换电池模块被充电到2.4～2.85Ah，如图2所示。相反，在常规技术中，如果非更换电池模块的充电量为3.0Ah，则更换电池模块的充电量也要被充电到3.0Ah，如图3所示。

在S120中，要被更换的电池模块被更换电池模块所更换。在该步骤中，更换电池模块可结合在电池组件中温度最高的那个位置处。电池组件中温度最高的那个位置例如是设置在组件中多个电池模块的中间的电池模块的位置，或不太可能接收冷却气流的电池模块的位置。

将说明通过以前述方式用更换电池模块更换更换物电池模块重建电池组件的操作。

重建的电池组件经过一个与性能基本被均衡的非更换电池模块对应的充放电过程。在该过程中，电池ECU控制充放电状态。如图4所示，Ni-MH二次电池在高SOC区域中具有低放电效率区域。这一点将在下面进行解释。

参照图5，说明发生在Ni-MH二次电池内的化学反应。在普通反应状态下的充电过程中，下面提到的反应(1)发生在正极侧，反应(2)发生在负极侧。在作为一个整体的电池中，发生反应(3)。在放电过程中，所述反应沿反方向发生。在下列式中，“M”代表氢存储合金。

       ...(1)

                ...(2)

             ...(3)

在过度充电过程中，下面提到的反应(4)发生在正极侧，反应(5)和(6)发生在负极侧，这些反应与上述化学反应一起发生。

          ...(4)

                ...(5)

                  ...(6)

过度充电(其中SOC高于或等于80％)期间的反应也部分地发生在正常充电过程中。在过度充电过程中，只发生过度充电时间反应。

如果在保持过度充电状态的同时关闭电池组件的主重放(replay)，则发生再化合反应。对于发生在二次电池内的再化合反应，用式(7)和(8)来表示。

              ...(7)

                   ...(8)

从式(7)和(8)中可理解，存储在氢存储合金内的氢减少了氧气，氢存储合金由于合金的斥水性会在二次电池内存储氢。对于再化合反应，是指发生在作为一个整体的电池内的放热反应(9)。

(产生的热量)      ...(9)

这种热量产生发生在超过80％的SOC区域内。也就是说，用于为二次电池充电的一部分电能没有被存储而是转化为热能。因此，充电效率降低。因此，一般地，设定充放电区域，以便避免SOC区域超过80％。

这种用于避免低充电效率区域的设定是对应于具有低满充电容量的二次电池(非更换电池模块)确定的。通过带有前述设定的充放电循环，新二次电池不再退化，并且新电池模块不具有记忆效应。因此，新电池模块的工作区域逐渐转向高SOC区域。由于S110中的预更换过程，新电池模块比充放电过程开始时的非更换电池模块的充电量小，前述向高SOC区域的转移相对延迟。因此，充电效率没有降低，并且可实现作为一个整体的电池组件的最高性能。

新电池模块随着使用时间的增加逐渐退化并且积累记忆效应，使得其工作区域转向低SOC区域。也就是说，在充放电过程的重复循环后，新电池模块具有与其它电池模块相同的容量。

如图6A所示，电池组件中的更换(新)电池模块的充电状态比电池组件重建时的非更换电池模块的充电状态低5～20％。这种新电池模块被作为设置在电池中温度高的中央位置处或其附近的电池模块结合。在以反复充放电循环运行HEV一定时间后，由于退化和记忆效应，新电池模块的工作区域从初始期的高SOC侧转移至低SOC侧，因此电池模块的容量被适当均衡，如图6B所示。如果在结合入电池组件时更换电池模块的充电状态与非更换电池模块相同(也就是说，模块的充电量相同)，则更换电池模块更快地转向充电效率低的高SOC区域，因此电池模块不能取得适当的均衡。

虽然，在该实施例中的预更换过程中，要结合的更换电池模块的充电量被设定为比非更换电池模块的充电量低5～20％，但该过程中的基准还可改为SOC。

应理解，上述公开的实施例在任何方面仅为说明性的而非限定性的。本发明的范围不由上述说明而是由后附的权利要求限定，并且所有修正及其类似变型均落在权利要求及其等效物的范围内。

Claims (6)

1、一种用于在通过串联或并联地电连接多个二次电池而形成的电池组件中用一更换的新二次电池来更换一要被更换的二次电池的二次电池更换方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

为所述新二次电池充电使得所述新二次电池的充电量小于所述电池组件中的除了所述要被更换的二次电池以外的二次电池的充电量；和

用在充电步骤中被充电的所述新二次电池更换所述要被更换的二次电池。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述要被更换的二次电池是具有减小的满充电容量的二次电池或者具有记忆效应的二次电池。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述更换步骤包括将所充电的新二次电池结合入所述电池组件中温度高的那一部分的步骤。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述充电步骤包括为所述新二次电池充电使得所述新二次电池的充电量小于除了所述要被更换的二次电池以外的二次电池的充电量的5～20％的步骤。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述二次电池是镍金属氢化物电池。

6、一种二次电池更换方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

在通过串联或并联地电连接多个二次电池而形成的电池组件中选择一个二次电池作为一要被更换的二次电池；

为新二次电池充电使得所述新二次电池的充电量小于所述电池组件中的除了所述要被更换的二次电池以外的二次电池的充电量；和

用在充电步骤中被充电的所述新二次电池更换所述要被更换的二次电池。

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