CN103329388A

CN103329388A - 二次电池的输出控制装置

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Publication number: CN103329388A
Application number: CN2011800660364A
Authority: CN
Inventors: 远藤康浩; 武内博明; 峰泽幸弘
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2011-02-03
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-02-03
Also published as: CN103329388B; WO2012105020A1; US8760111B2; JP5344047B2; JPWO2012105020A1; US20130038270A1

Abstract

一种并联连接有多个二次电池的***中的输出控制装置。在电池温度及充电状态（SOC）较低且不能满足要求输出的情况下，电池ECU（16）使蓄电电荷从一方的二次电池（10a）全部移动到另一方的二次电池（10b）。二次电池（10b）的SOC通过蓄电电荷的移动而增大，获得用于满足要求输出的输出。另外，利用蓄电电荷的移动产生的热能对二次电池进行加热。

Description

二次电池的输出控制装置

技术领域

本发明涉及二次电池的输出控制装置，特别是涉及并联连接有多个二次电池的***中的输出控制。

背景技术

在混合动力汽车或电动汽车中，搭载有镍氢电池或锂离子电池等二次电池作为电力源，将来自二次电池的电力通过逆变器电路转换为驱动用电力并供给到电动机，或者利用再生电力对二次电池进行充电。

二次电池在冬季等低温环境下，与常温时相比，可取出的电量明显降低。因此，在二次电池低温时如何高效地从二次电池取出电力就成为重要的课题。

在下述的专利文献1中，公开有一种电源装置的温度调节装置，其由并联连接的多个蓄电要素构成，各蓄电要素相邻配置，其中，具备控制部，该控制部在由温度传感器检测出的电源装置的温度为内部电阻上升而充放电性能降低的低温度的情况下，进行集中于多个蓄电装置中的至少一个蓄电要素的充放电控制。使被集中充放电控制的蓄电要素迅速地升温，同时利用该集中控制的蓄电要素的发热使相邻配置的其它蓄电要素升温，以使并联***的二次电池整体迅速地升温。

专利文献1：日本特开2010-44895号公报

发明内容

但是，若集中于并联连接的多个蓄电要素中的至少一个蓄电要素进行充放电控制，有时该蓄电要素的充电状态（SOC）比其它蓄电要素明显降低，有不能确保需要的输出的可能性。因此，正在寻求一种控制多个蓄电要素的技术，其不仅在低温时迅速地进行升温，而且可避免特定的蓄电要素成为显著的低SOC而导致输出不足。

本发明的目的在于提供一种控制技术，在并联连接有多个二次电池的***中，即使在电池温度及充电状态（SOC）相对较低的情况下，也能够确保需要的输出。

本发明提供一种控制装置，其控制相互并联连接的多个二次电池的输出，其特征在于，所述多个二次电池至少包含第一二次电池及第二二次电池，该控制装置具备：检测单元，检测所述第一二次电池及所述第二二次电池的状态；控制单元，以如下方式进行控制：按照检测出的所述第一二次电池的状态及所述第二二次电池的状态和要求输出，使所述第一二次电池的蓄电电荷移动到所述第二二次电池，并从所述第二二次电池输出。

在本发明的一个实施方式中，在使所述第一二次电池的蓄电电荷移动到所述第二二次电池后的输出大于所述第一二次电池及所述第二二次电池的输出且满足所述要求输出的情况下，所述控制单元使所述第一二次电池的蓄电电荷移动到所述第二二次电池。

另外，在本发明的其它实施方式中，所述检测单元检测所述第一二次电池及所述第二二次电池各自的温度和充电状态，所述控制单元基于检测出的所述第一二次电池及所述第二二次电池各自的温度和充电状态，使所述第一二次电池的蓄电电荷移动到所述第二二次电池。

另外，在本发明的其它实施方式中，还具备与所述第一二次电池及所述第二二次电池连接的升降压电路，所述控制单元通过利用所述升降压电路使所述第一二次电池的电压升压或者降压，而使蓄电电荷移动到所述第二二次电池。

根据本发明的控制装置，即使在二次电池的电池温度及充电状态（SOC）相对较低的情况下，也能够利用蓄电电荷的移动确保需要的输出。

附图说明

图1是表示实施方式的基本原理的说明图；

图2是表示实施方式的电池温度和总输出的关系的坐标图；

图3是第一实施方式的电路构成图；

图4是第一实施方式的处理流程图；

图5是第二实施方式的电路构成图；

图6是表示第三实施方式的充电状态的说明图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明。但是，下面的实施方式仅仅是示例，本发明不限定于下面的实施方式。

1、基本构成及基本原理

首先，对本实施方式的基本构成及基本原理进行说明。本实施方式的二次电池是将多个二次电池或蓄电要素并联连接而构成的。图1表示本实施方式的二次电池10的构成。二次电池10例如是将两个二次电池10a、10b并联连接而构成的。二次电池10a、10b为镍氢电池或锂离子电池等。二次电池10a、10b分别处于特定的充电状态（SOC），设二次电池10a的SOC为SOCa，设二次电池10b的SOC为SOCb。从并联连接的两个二次电池10a、10b同时供给电力时，二次电池10的总输出为二次电池10a的输出和二次电池10b的输出之和，假设其为x（kW）。

现在，如果二次电池10被要求的输出为x（kW）以下，则在该状态下也能够供给需要的输出，但在被要求的输出超过x（kW）的情况下则不能应对。因此，在本实施方式中，在这种情况下，从一方的二次电池向另一方的二次电池移动蓄电电荷。例如，如图所示，将二次电池10a的蓄电电荷全部移动到二次电池10b。于是，二次电池10a的SOC成为0％，而二次电池10b的SOC成为SOCa＋SOCb。SOC为SOCa＋SOCb的输出P已预先确定，二次电池10的整体输出为P／2。而且，如果P／2能够满足要求输出，则从二次电池10a向二次电池10b移动蓄电电荷具有意义，另一方面，如果P／2不能满足要求输出，则从二次电池10a向二次电池10b移动蓄电电荷失去意义。

在本实施方式中，判定通过这样从一方的二次电池向另一方的二次电池移动蓄电电荷是否能满足要求电力，在能满足时，执行蓄电电荷的移动，在不能满足时，不执行蓄电电荷的移动。而且，通过这种蓄电电荷的移动，即使在低温时及低SOC时，也可高效地确保输出。

另外，在本实施方式的蓄电电荷的移动中，还有二次电池10升温的附属效果。即，在使蓄电电荷移动的情况下，随着蓄电电荷的移动，一些蓄电电荷转换为热能，因此，可利用该热能使二次电池10的温度上升。

图2中将二次电池的SOC作为参数表示两个二次电池的电池温度和总输出的关系。图中，横轴为电池温度（℃），纵轴为两个并联二次电池的电池总输出（kW）。

通常，当电池温度上升时，总输出增大。另外，如果是同一电池温度，则SOC越大，总输出越大。

在此，着眼于电池温度为﹣20℃、SOC为20％的两个二次电池。由曲线可知，SOC=20％时的总输出为x=20（kW）。此时的要求输出为27kW的情况下，在该状态下不能满足要求输出。

因此，将蓄电电荷从一方的二次电池全部移动到另一方的二次电池。于是，一方的二次电池成为SOC=0％，另一方的二次电池成为SOC=20％＋20％=40％。另外，由于存在一些电力损失，因此，准确地说，不会成为40％，但在此将其忽略。于是，在同一电池温度下，SOC=40％的输出为60（kW），两个二次电池整体的总输出成为60／2=30（kW），可满足要求输出27（kW）。因此，根据本实施方式，在该情况下，执行将蓄电电荷从一方的二次电池全部移动到另一方的二次电池的处理。

另一方面，着眼于电池温度为﹣30℃、SOC为10％的两个二次电池。由曲线可知，SOC=10％时的总输出为x=5（kW）。此时的要求输出为27kW时，在该状态下不能满足要求输出。

于是，将蓄电电荷从一方的二次电池全部移动到另一方的二次电池。于是，一方的二次电池成为SOC=0％，另一方的二次电池成为SOC=20％，此时的输出为10（kW），二次电池整体的总输出为10／2=5（kW），几乎没有改变。因此，根据本实施方式，即使使蓄电电荷移动，也不能满足要求输出，因此不执行移动蓄电电荷的处理。

如以上所述，本实施方式中，由于是在并联连接多个（例如两个）二次电池而构成的***的总输出不能满足要求输出的情况下，并且仅当将全部蓄电电荷从一方的二次电池移动到另一方的二次电池时总输出变高并且判定为满足要求输出的情况下执行蓄电电荷的移动处理，所以能够可靠地保证低温时且低SOC时的要求输出。

图2的映射能够通过预先对于两个二次电池在各种温度条件及各种SOC条件下测定总输出而获得。图2的映射能够作为规定电池温度、总输出和SOC的关系的表，或作为以SOC为参数的电池温度和总输出的函数存储在存储器中。通过适当参照存储于存储器的表或函数，能够唯一地确定移动蓄电电荷是否有效。

下面，以搭载于混合动力汽车或电动汽车等车辆的情况为例，对本实施方式更具体地进行说明。

2、第一实施方式

图3表示本实施方式的驱动电路的电路构成。该驱动电路是使来自二次电池的电力通过升降压电路（或转换器）升压并供给到逆变器电路，通过逆变器电路将直流电转换为交流电并供给到电动发电机的电路。电动发电机与车辆的驱动轮连接。二次电池由作为第一二次电池的二次电池（A）10a和作为第二二次电池的二次电池（B）10b构成。二次电池（A）10a、二次电池（B）10b为同一种类的电池，例如为镍氢电池或锂离子电池。

在二次电池（A）10a的正极端子上连接继电器M1的一端，在二次电池（B）10b的正极端子连接继电器M2的一端。二次电池（A）10a和二次电池（B）10b的负极端子相互连接并与继电器M3的一端连接。

在继电器M1的另一端连接电抗器L1的一端，电抗器L1的另一端与相互串联连接的两个开关元件Q1、Q2的连接节点连接。另外，在继电器M2的另一端连接电抗器L2的一端，电抗器L2的另一端与相互串联连接的两个开关元件Q3、Q4的连接节点连接。继电器M3的另一端与负极线102连接。

升降压电路（或转换器）由升降压斩波电路构成，电抗器L1、开关元件Q1、Q2、二极管D1、D2构成一组，并且，电抗器L2、开关元件Q3、Q4、二极管D3、D4构成另一组。开关元件Q1、Q2串联连接在正极线100和负极线102之间。在开关元件Q1、Q2的集电极及发射极之间，以使电流从发射极流向集电极的方式分别连接有反向并联二极管D1、D2。向开关元件Q1、Q2的栅极供给来自电池ECU16的栅极控制信号，响应该栅极信号对开关元件Q1、Q2进行接通／切断控制。开关元件例如由IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）构成。通过对开关元件Q1、Q2进行接通／切断控制，二次电池（A）10a的电压VA被升压而供给到逆变器电路12。根据开关元件Q1、Q2的接通时间比即占空比来确定升压比。

同样地，开关元件Q3、Q4也串联连接在正极线100和负极线102之间。在开关元件Q3、Q4的集电极及发射极之间，以使电流从发射极流向集电极的方式分别连接反向并联二极管D3、D4。向开关元件Q3、Q4的栅极供给来自电池ECU16的栅极控制信号，响应该栅极信号对开关元件Q3、Q4进行接通／切断控制。通过对开关元件Q3、Q4进行接通／切断控制，二次电池（B）10b的电压VB被升压而供给到逆变器电路12。

另外，在再生时，升降压电路将再生后的电压降压并送回到二次电池（A）10a、二次电池（B）10b。

向电池ECU16供给：来自检测二次电池（A）10a及二次电池（B）10b各自的温度的温度传感器20的温度数据；来自检测各自的端子电压VA、VB的电压传感器22的电压数据；来自检测各自的充放电电流IA、IB的电流传感器24的电流数据。另外，如后所述，在车辆驾驶席设有供用户即司机操作的模式选择开关26，来自该模式选择开关的模式信号也被供给到电池ECU16。电池ECU16按照这些数据及模式信号控制继电器M1～M3及开关元件Q1～Q4的接通／切断，向逆变器电路12供给二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的电力，或使蓄电电荷（或电力）从二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的任一方移动到另一方。

即，在通常状态下，电池ECU16将继电器M1、M2、M3全部接通并以并联连接来使用二次电池10a、10b。来自二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的直流电压通过升降压电路升压而供给到逆变器电路12，通过逆变器电路12将直流电转换为交流电并供给到电动发电机（MG）14。

另外，电池ECU16中，在当前的电池温度及SOC下不能满足要求输出的情况下，为了满足要求输出而使蓄电电荷从二次电池（A）10a向二次电池（B）10b移动时，接通继电器M1，使开关晶体管Q1、Q2通断而使二次电池（A）10a的电压VA升压至VH，且接通继电器M2而使开关晶体管Q3、Q4通断，使VH降压至VB。其中，VH＞VA、VB。通过该一系列的升压动作及降压动作，二次电池（A）10a的蓄电电荷向二次电池（B）10b移动。当然，也可以同样地，使二次电池（B）10b的蓄电电荷移动到二次电池（A）10a。

图4表示本实施方式的处理流程图。是在车辆行驶中或停止中、或车辆启动时执行的处理。首先，利用温度传感器20检测二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的温度，并且，电池ECU16分别计算二次电池（A）10a和二次电池（B）10b的SOC。然后，接受用户的模式选择开关26的输入（S101），如果是车辆则所述用户为司机。二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的SOC基于各自的电压、充放电电流及电流累计来计算。例如，基于电压和充放电电流计算二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的电动势，由预先确定的电动势和SOC的关系计算SOC。另外，通过累计充放电电流并与上次的SOC值相加，计算当前的SOC。模式选择开关26具有输出优先模式和行驶距离优先模式两种模式。用户选择任一种模式输入。输出优先模式是优先满足要求输出的模式，行驶距离优先模式是使行驶距离优先于输出的模式。通过将输出抑制得较低，来相应地增大行驶距离。

电池ECU16判定模式选择开关的输入是否为输出优先（S102）。模式选择开关不是输出优先模式的情况下，即，为行驶距离优先模式的情况下，不执行蓄电电荷（或电力）的移动（S106）。

另一方面，在模式选择开关的输入为输出优先的情况下，电池ECU16参照预先存储于存储器的映射，判定以当前的SOC及电池温度是否能取出最大输出的50％（S103）。最大输出的50％为一个例子，也可以是最大输出的40％或60％。如图2所示，映射是以SOC为参数规定电池温度和电池总输出的关系的映射。该映射预先根据实验而定并存储在电池ECU16的内置存储器或外部存储器。在S101中检测出的电池温度及计算出的SOC的条件下，参照映射，在不能取出最大输出的50％的情况下，不执行蓄电电荷的移动。

在能取出最大输出的50％的情况下，接着判定蓄电电荷的移动是否有效果（S104）。对于该判定，如已经说明的那样，在通过从一方向另一方的蓄电电荷的移动而总输出增大的情况下，判定为蓄电电荷的移动有效果。在该情况下，电池ECU16设定二次电池（A）10a、二次电池（B）10b各自的目标SOC，执行蓄电电荷的移动（S105）。具体而言，在例如二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的移动前的SOC都为20％的情况下，将二次电池（A）10a的目标SOC设定为0％，并且将二次电池（B）10b的目标SOC设定为40％。在二次电池（A）10a的SOC和二次电池（B）10b的SOC不同的情况下，在从二次电池（A）10a向二次电池（B）10b移动蓄电电荷时和从二次电池（B）10b向二次电池（A）10a移动蓄电电荷时将总输出进行比较，选择总输出高的一方而设定目标SOC。例如在从二次电池（B）10b向二次电池（A）10a移动蓄电电荷时的总输出高的情况下，将二次电池（B）10b的目标SOC设定为0％。而且，接通或切断开关晶体管Q1～Q4，使蓄电电荷移动，直到二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的SOC达到各自的目标SOC。在S104中判定为NO（否）、即没有效果的情况下，电池ECU16不执行蓄电电荷的移动（S106）。

通过以上处理，对于输出优先模式的情况，在并联连接两个二次电池（A）10a、二次电池（B）10b进行输出的情况下，即使电池温度及SOC低而不能直接得到要求输出时，通过使蓄电电荷从一方全部移动到另一方，也能够满足要求输出。

3、第二实施方式

在第一实施方式中，通过两组升降压电路（或转换器）使二次电池（A）10a的电压VA升压且降压，由此使蓄电电荷向二次电池（B）10b移动，但升降压电路也可以只是一组。

在本实施方式中，对该情况下的构成进行说明。图5表示本实施方式的电路构成。在二次电池（A）10a的正极端子连接继电器M1的一端，继电器M1的另一端与电抗器L的一端连接。二次电池（A）10a的负极端子与二次电池（B）10b的负极端子连接，并且与继电器M3的一端连接。继电器M3的另一端与负极线102连接。

电抗器L的另一端与串联连接于正极线100和负极线102之间的开关元件Q1、Q2的连接节点连接。在开关元件Q1、Q2的集电极及发射极之间，分别连接反向并联二极管D1、D2。

二次电池（B）10b的正极端子与正极线100连接。

升降压电路（或转换器）由升降压斩波电路构成，由电抗器L、开关元件Q1、Q2、二极管D1、D2构成。向开关元件Q1、Q2的栅极供给来自电池ECU16的栅极控制信号，响应该栅极信号而对开关元件Q1、Q2进行接通／切断控制。通过对开关元件Q1、Q2进行接通／切断控制，将二次电池（A）10a的电压VA升压并供给到逆变器电路12。

向电池ECU16供给：来自检测二次电池（A）10a及二次电池（B）10b各自的温度的温度传感器20的温度数据；来自检测各自的端子电压VA、VB的电压传感器22的电压数据；来自检测各自的充放电电流IA、IB的电流传感器24的电流数据。另外，来自模式选择开关的模式信号也被供给到电池ECU16。电池ECU16根据这些数据及模式信号而控制继电器M1～M3及开关元件Q1～Q4的接通／切断，将二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的电力向逆变器电路12供给，或者，使蓄电电荷（或电力）从二次电池（A）10a、二次电池（B）10b的任一方移动到另一方。

即，在通常状态下，电池ECU16将继电器M1、M2、M3全部接通且以并联连接使用二次电池10a、10b。来自二次电池（A）10a的直流电压通过升降压电路升压并供给到逆变器电路12，通过逆变器电路12将直流电转换为交流电并供给到电动发电机（MG）14。

另外，电池ECU16在温度数据为规定温度以下即为低温时，且由电流数据等计算出的SOC为规定值以下即为低SOC时的情况下，为了满足要求输出，在使蓄电电荷从二次电池（A）10a向二次电池（B）10b移动时，接通继电器M1，使开关晶体管Q1、Q2通断而使二次电池（A）10a的电压VA升压，接通继电器M2，使二次电池（A）10a的蓄电电荷向二次电池（B）10b移动。

在本实施方式中，也不是简单地在低温时且低SOC时使蓄电电荷移动，而是仅在使用预先存储于存储器的映射判断为使蓄电电荷移动从而能够满足要求输出的情况下执行蓄电电荷的移动，由此，能够进行高效的输出控制。

4、第三实施方式

在上述的各实施方式中，为了满足要求输出，使全部蓄电电荷从一方的二次电池向另一方的二次电池移动，但在本实施方式中，对执行这种蓄电电荷的移动后的再生时的充电控制进行说明。在再生时，例如在图3的构成中，来自电动发电机（MG）14的电力可通过逆变器电路12转换为直流电并供给到二次电池（A）10a、二次电池（B）10b。此时，在本实施方式中如下进行充电控制。

即，首先，如图6（a）所示，电池ECU16使蓄电电荷全部移动而对SOC成为0%的二次电池10a进行充电。该充电持续进行直到成为该二次电池的老化程度变大的SOC为止。老化程度变大的SOC例如为接近充满电状态的80％。图6（b）表示二次电池10a的SOC成为该状态的情况。

当达到该状态时，如图6（c）所示，电池ECU16以不对二次电池10a充电而是对二次电池10b充电的方式进行控制，对二次电池10b进行充电直到二次电池10a和二次电池10b的SOC变得均等为止。

当二次电池10a、10b的SOC变得均等时，如图6（d）所示，电池ECU16之后以对两个二次电池10a、10b同时充电的方式进行控制。

通过以上的充电控制，可抑制二次电池10a、10b的老化，同时将二次电池10a、10b的SOC维持为均等的状态。

5、变形例

在本实施方式中，是使用规定图2所示的映射的表或函数，来确定是否使蓄电电荷从一方的二次电池向另一方的二次电池移动的，但也可以以以下方式进行控制：在二次电池的电池温度在规定值以上或二次电池的SOC在规定值以上的情况下，一律不进行这种蓄电电荷的移动。换言之，也可以只在电池温度为规定温度以下且SOC为规定值以下的情况下，执行使一方的二次电池的蓄电电荷向另一方移动的处理。

另外，在本实施方式中，作为多个二次电池示例了两个二次电池的情况，但同样也可以适用于并联连接三个或三个以上的二次电池的情况。在该情况下，将相互并联连接的三个二次电池设定为第一二次电池、第二二次电池、第三二次电池，在不能直接满足要求输出的情况下，分别使第一二次电池的蓄电电荷及第二二次电池的蓄电电荷向第三二次电池移动。当然，如果可能，也可以只将第一二次电池的蓄电电荷移动到第二二次电池或第三二次电池。总之，在移动蓄电电荷后的总输出高于移动蓄电电荷前的总输出的情况下，执行蓄电电荷的移动即可。也可以选择可能的移动组合的总输出中的总输出最高的移动组合来执行。

另外，在本实施方式中，使用规定图2的映射的表或函数确定蓄电电荷的移动，但由于图2的映射会根据二次电池的老化程度而变化，因此也可以设定为如下构成，即，在存储器中存储多个规定图2的映射的表或函数，根据二次电池的老化程度适当切换表或函数。二次电池的老化程度可用二次电池过去的履历进行评价。也可以使用车辆的行驶距离间接性地评价二次电池的老化程度并切换表或函数。也可以用二次电池的充放电电流的累计值评价二次电池的老化程度。

标号说明

10二次电池、12逆变器电路、14电动发电机、16电池ECU、20温度传感器、22电压传感器、24电流传感器、26模式选择开关。

Claims

1.一种二次电池的输出控制装置，其控制相互并联连接的多个二次电池的输出，其特征在于，

所述多个二次电池至少包含第一二次电池及第二二次电池，

所述二次电池的输出控制装置具备：

检测单元，检测所述第一二次电池及所述第二二次电池的状态；

控制单元，以如下方式进行控制：按照检测出的所述第一二次电池的状态及所述第二二次电池的状态和要求输出，使所述第一二次电池的蓄电电荷移动到所述第二二次电池，并从所述第二二次电池输出。

2.如权利要求1所述的二次电池的输出控制装置，其特征在于，

在使所述第一二次电池的蓄电电荷移动到所述第二二次电池后的输出大于所述第一二次电池及所述第二二次电池的输出且满足所述要求输出的情况下，所述控制单元使所述第一二次电池的蓄电电荷移动到所述第二二次电池。

3.如权利要求2所述的二次电池的输出控制装置，其特征在于，

所述检测单元检测所述第一二次电池及所述第二二次电池各自的温度和充电状态，

所述控制单元基于检测出的所述第一二次电池及所述第二二次电池各自的温度和充电状态，使所述第一二次电池的蓄电电荷移动到所述第二二次电池。

4.如权利要求1所述的二次电池的输出控制装置，其特征在于，

还具备与所述第一二次电池及所述第二二次电池连接的升降压电路，

所述控制单元通过利用所述升降压电路使所述第一二次电池的电压升压或者降压，而使蓄电电荷移动到所述第二二次电池。