CN103630843B - 电池状态推测装置及推测方法、电池控制装置、电池*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种推测电池的充电状态的技术，其目的在于，与电池温度所致的充电特性的变化，尤其是低温时的充电特性的变化相对应地，高精度地推测电池的充电状态。本发明的电池状态推测装置对基于电池电压计算出的充电状态和通过累计电池电流计算出的充电状态进行加权求和运算，在电池温度为规定的温度阈值以下且电池电流为规定的电流阈值以下的情况下，增大通过累计电池电流而计算出的充电状态的比重。

Description

电池状态推测装置及推测方法、电池控制装置、电池***

技术领域

本发明涉及推测电池的充电状态的技术。

背景技术

在使用有锂二次电池、镍氢电池、铅电池、双电层电容器等蓄电单元的装置中，例如在电池***、分散型电力储藏装置、电动汽车中，为了安全且有效地使用蓄电单元，而使用检测蓄电单元的状态的状态检测装置。作为蓄电单元的状态，有表示已充电到何种程度或者表示还剩余多少能够放电的电荷量的充电状态（SOC：State of Charge，荷电状态）、表示已劣化到何种程度的健康状态（SOH：State of Health）等。

便携设备用、电动汽车等的电池***的SOC能够通过对自满充电起的放电电流进行累计，并且计算蓄电单元所剩余的电荷量（残存容量）与能够最大限度充电的电荷量（全部容量）之比来检测。另外，也能够通过预先在数据表等中定义好电池的两端电压（开路电压）与电池的残存容量的关系，并参照其来计算现在的残存容量。而且，也能够组合这些方法求出充电状态。

下述专利文献1记载了求出充电状态的方法，该方法为：对根据充电电流求得的充电特性和根据电池电压求得的充电特性进行加权求和运算，并且基于根据蓄电单元的输出获得的电流值和内部电阻决定此时的权重，从而求出充电状态。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011－85592号公报

发明内容

发明需要解决的技术问题

在上述专利文献1所记载的技术中，根据蓄电单元的电流和内部电阻改变权重，因此难以应对温度的变化所致的充电特性的变化。例如，在电池温度低的情况下，存在内部电阻根据电池电流而较大地变化的情况，因此根据电池电压求得的充电特性的计算精度容易下降。尤其是在电池温度低且电池电流小的情况下，运算结果不稳定的趋势显著。

本发明是鉴于如上所述的技术问题而完成的，其目的在于，与由电池温度引起的充电特性的变化，尤其是低温时的充电特性的变化对应地，高精度地推测电池的充电状态。

用于解决问题的技术方案

本发明的电池状态推测装置对基于电池电压计算出的充电状态和通过对电池电流进行累计而计算出的充电状态进行加权求和运算，在电池温度为规定的温度阈值以下且电池电流为规定的电流阈值以下的情况下，增大通过对电池电流进行累计而计算出的充电状态的比重。

发明效果

根据本发明的电池状态推测装置，在电池温度低且电池电流小的情况下，也能够高精度地推测电池的充电状态。

附图说明

图1是表示实施方式1的电池***1000的结构的框图。

图2是表示电池状态推测装置110的细节的功能框图。

图3是电池400的等效电路图。

图4是表示电池400的开路电压OCV与SOC的关系的图。

图5是表示电池400的内部电阻R随电池温度T变化的情形的图。

图6是表示存储部120所存储的对应表的数据例的图。

附图标记的说明

100：电池控制装置、110：电池状态推测装置、111：SOCv运算部、112：SOCi运算部、113：IR运算部、114：权重运算部、120：存储部、200：测量部、300：输出部、400：电池、1000：电池***。

具体实施方式

<实施方式1：***结构>

图1是表示本发明的实施方式1的电池***1000的结构的框图。电池***1000是将电池400所存储的电荷作为电力供给至外部装置的***，并且包括电池控制装置100、测量部200、输出部300。作为电池***1000供给电力的对象，例如可以考虑电动汽车、混合动力汽车、电动列车等。

电池400是例如锂离子二次电池等可充电电池。另外，本发明也能够适用于镍氢电池、铅电池、双电层电容器等具有电力储藏功能的设备。电池400既可以由单电池单元构成，也可以是将多个单电池单元组合而得到的模块结构。

测量部200是测量电池400的物理特性例如电池400的两端电压V、流经电池400的电流I、电池400的温度T、电池400的内部电阻R等的功能部，由测量各值的传感器、必要的电路等构成。对于内部电阻R，后述的电池状态推测装置110也可以利用其它的测量参数间接测量。在本实施方式1中以后者作为前提。也就是说，对于本实施方式1的“电阻测量部”，电池状态推测装置110本身与此相当。

输出部300是对外部装置（例如电动汽车所具备的车辆控制装置等的上级装置）输出电池控制装置100的输出的功能部。

电池控制装置100是控制电池400的工作的装置，包括电池状态推测装置110和存储部120。

电池状态推测装置110基于测量部200所测量到的各测量值（两端电压V、电池电流I、电池温度T）和存储部120所存储的电池400的特性信息（电池400的极化电压Vp、内部电阻R等，后面详述），计算电池400的SOC。计算方法在后面详细描述。

存储部120存储有电池400的内部电阻R、极化电压Vp、充电效率、允许电流、全部容量等能够预先得知的电池400的特性信息。该信息可以按充电、放电的动作分别将值个别存储，也可以按每个充电状态、温度等电池400的状态将值个别存储，也可以存储在电池400的所有状态中共用的一个值。另外，存储部120存储后述的图6中说明的对应表。

电池控制装置100和电池状态推测装置110可以利用实现其功能的电路设备等硬件构成，也可以通过CPU（Central Processing Unit：中央处理器）等运算装置执行安装有该功能的软件而构成。采用后者的情况下，该软件例如能够存储在存储器120中。

存储部120利用闪存、EEPROM（Electrically Erasable ProgrammableRead Only Memory：电可擦可编程只读存储器）、磁盘（Magnetic Disk）等存储装置构成。存储部120既可以设置在电池状态推测装置110的外部，也可以作为配置于电池状态推测装置110的内部的存储装置而实现。存储部120也可以设置成能够拆卸。在能够拆卸的情况下，通过替代存储部120，能够简单地变更特性信息和软件。另外，存储部120具有多个，通过将特性信息和软件分散存储在可替代的存储部120中，能够对每个小单位更新特性信息和软件。

图2是表示电池状态推测装置110的细节的功能框图。电池状态推测装置110包括SOCv运算部111、SOCi运算部112、IR运算部113、权重运算部114，并且输出作为推测电池400的充电状态的结果的充电状态SOCw。在后面叙述其他的运算器。

SOCv运算部111利用测量部200测量到的电池400的两端电压V来计算电池400的SOC。以下将其设为SOCv。SOCi运算部112通过对测量部200测量到的电池400的电池电流I进行累计来计算电池400的SOC。以下将其设为SOCi。SOCv和SOCi的计算方法在后面叙述。IR运算部113将电池电流I与内部电阻R相乘。求出内部电阻R的方法在后面叙述。权重运算部114计算用于对SOCv和SOCi进行加权求和运算的权重W。W的计算方法在后面叙述。

乘法器MP1将SOCv与权重W相乘而求出W×SOCv。减法器DF求出（1－W）。乘法器MP2将SOCi与（1－W）相乘而求出（1－W）×SOCi。加法器AD将它们相加求出SOCw。也就是说，SOCw表示为下述式1。

SOCw=W×SOCv＋（1－W）×SOCi……式1

<实施方式1：SOCv运算部111的工作>

图3是电池400的等效电路图。电池400能够通过阻抗Z与电容成分C的并联连接对、内部电阻R、开路电压OCV的串联连接表示。当对电池400施加电池电流I时，电池400的端子间电压（闭路电压：CCV）表示为下述式2。Vp是极化电压，同阻抗Z与电容成分C的并联连接对的两端电压相当。

CCV=OCV＋I·R＋Vp……式2

如后所述，开路电压OCV用于求出SOC，但是在电池400充放电的期间无法直接测量。于是，SOCv运算部111按下述式3由闭路电压CCV减去IR电压降和极化电压Vp求出开路电压OCV。

OCV=CCV－IR－Vp……式3

内部电阻R和极化电压Vp能够作为特性信息预先存储在存储部120中。内部电阻R和极化电压Vp根据电池400的充电状态、温度等而不同，因此能够按每个它们的组合将个别的值存储于存储部120。定义内部电阻R与电池温度T的对应关系的特性信息与本实施方式1的“电阻表”对应。

图4是表示电池400的开路电压OCV与SOC的关系的图。该对应关系由电池400的特性决定，因此能够预先在存储部120中存储定义该对应关系的数据。该数据与本实施方式1的“SOC表”相当。SOCv运算部111利用上述的式3计算开路电压OCV，通过以其为关键参量参照SOC表，能够计算出电池400的SOCv。

<实施方式1：SOCi运算部112的工作>

SOCi运算部112通过按下述式4将电池400所充放电的电池电流I进行累计，求出电池400的SOCi。Qmax是电池400的满充电容量，其能够预先存储于存储部120中。SOCold是前一次计算出的SOC值。

SOCi=SOCold＋100×∫I/Qmax……式4

<实施方式1：权重运算部114的工作>

图5是表示电池400的内部电阻R随电池温度T变化的情形的图。如图5所示，电池400一般而言，在低SOC状态下内部电阻R高，且在低温状态下内部电阻R的值大。因此，此时，可以考虑优选使用SOCi而不是易受内部电阻R的误差影响的SOCv。另外，当电池电流I小时，因电流传感器的微小的测量误差而受到影响，因此可以考虑优选使用SOCv而不是SOCi。

基于以上描述，权重运算部114按如下方式求出权重W，即在电池电流I小时主要利用SOCv计算SOCw，而在电池电流I大时主要利用SOCi计算SOCw。同样，按如下方式求出权重，即在内部电阻R小时主要利用SOCv计算SOCw，而在内部电阻R大时主要利用SOCi计算SOCw。也就是说，电池电流I越小，SOCv所占的权重W就越大，内部电阻R越小，SOCv所占的权重W就越大。例如能够按下述式5计算权重W。

W=1/（1＋R·I）……式5

根据上述方法，在低SOC时、低温时、发生劣化时、电流大时，W减小，因此SOCi的比重增大，在高SOC时、高温时、电流小时，W增大，因此SOCv的比重增大。

<实施方式1：权重W的修正>

权重运算部114原则上如上所述求出权重W，但发明人发现，在电池温度T低且电池电流I小时，出于以下原因需要对权重W进行修正。

电池温度T越处于低温，内部电阻R根据此时流经的电池电力I发生大的变化。尤其是，本申请发明人发现，在电池电流I小且电池温度T小的情况下，内部电阻R发生极端剧烈的变化，预先求出的内部电阻R与电池温度T的对应关系不一致的趋势显著。

在电池电流I小的情况下，根据上述式5，权重W增大，因此原则上应增大SOCv的比重。但是，对于电池电流I小且电池温度T低的情况，如上所述，内部电阻R的值极不准确，因此，不应利用易受内部电阻R的误差的影响的SOCv。于是，在该情况下，对权重W进行修正，使得主要利用SOCi。

图6是表示存储部120所存储的对应表的数据例的图。对应表是定义电池温度T、电池电流I、用于对权重W进行修正的系数Wgain的对应关系的数据表。权重运算部114利用从测量部200获取的电池温度T和电池电流I来参照对应表，从而获取系数Wgain，并按下述式6对权重W进行修正。

W=1/（1＋R·I）/Wgain……式6

根据上述式6和图6所示的数据例，电池温度T越小且电池电流I越小，Wgain的值越大，因此，权重W变小。也就是说，在电池温度T为规定阈值以下且电池电流I为规定阈值以下的情况下，通过将作为小于1的系数的1/Wgain与权重W相乘，能够减小权重W，增大SOCi的比重。

要在对应表中定义的Wgain的值根据电池400的特性而不同，因此优选预先调查电池400的特性之后求出合适的阈值。另外，在图6中，电池温度T以10℃幅度定义，电池电流I以10A幅度定义，但该定义幅度也同样根据电池400特性适当确定即可。

<实施方式1：总结>

如上所述，本实施方式1的电池状态推测装置110在电池温度T小于规定阈值且电池电流小于规定阈值的情况下，对权重W进行修正，以增大SOCi的比重。由此，在低温且电流小的状况下，能够将由于难以预测的内部电阻R所导致的误差放大的影响抑制到最小限度，从而高精度地推测SOC。

<实施方式2>

在实施方式1中说明的是按图6所示的对应表决定系数Wgain的方法，而对应表中没有定义的电池温度T或电池电流I所对应的Wgain的值则可以通过权重运算部114实施线性插值等插值运算求出。

例如在电池温度T=5℃、电池电流I=0A时，可以取T=0℃处的Wgain=50和T=10℃处的Wgain=1的中间值，得出Wgain=25.5。同样，在电池温度T=－40℃、电池电流I=5A时，可以取I=－10A处的Wgain=1和I=0A处的Wgain=100的中间值，得出Wgain=50.5。

Claims (9)

1.一种推测可充电电池的充电状态的电池状态推测装置，其特征在于，包括：

SOCv运算部，利用所述电池的两端电压来计算所述电池的充电状态；

SOCi运算部，对流经所述电池的电流进行累计，来计算所述电池的充电状态；

SOCw运算部，对所述SOCv运算部计算出的所述电池的充电状态和所述SOCi运算部计算出的所述电池的充电状态进行加权求和运算；和

权重运算部，计算在所述SOCw运算部实施所述加权求和运算时使用的、与所述SOCv运算部计算出的所述充电状态相关联的第一权重和与所述SOCi运算部计算出的所述充电状态相关联的第二权重，

所述SOCw运算部在所述电池的温度为规定的温度阈值以下且流经所述电池的电流为规定的电流阈值以下的情况下，在所述加权求和运算中，使所述SOCi运算部计算出的所述电池的充电状态的比重大于其他的情况下的比重，

所述权重运算部计算所述第一权重，使得流经所述电池的电流越小，所述第一权重就越大，并且所述电池的内部电阻越小，所述第一权重就越大，

在所述电池的温度为规定的温度阈值以下且流经所述电池的电流为规定的电流阈值以下的情况下，通过进一步将小于1的系数与所述第一权重相乘，使所述第一权重减小，使所述第二权重增大。

2.如权利要求1所述的电池状态推测装置，其特征在于：

所述电池状态推测装置具备存储部，所述存储部存储定义有所述电池的温度、流经所述电池的电流和所述系数的对应关系的对应表，

所述权重运算部以所述电池的温度和流经所述电池的电流为关键参量来参照所述对应表，计算所述第一权重。

3.如权利要求2所述的电池状态推测装置，其特征在于：

在所述权重运算部中，对于所述对应表未定义的所述温度，通过对所述对应表所定义的所述温度与所述第一权重的对应关系进行线性插值计算，来计算所述第一权重。

4.如权利要求3所述的电池状态推测装置，其特征在于：

在所述权重运算部中，对于所述对应表未定义的所述电流，通过对所述对应表所定义的所述电流与所述第一权重的对应关系进行线性插值计算，来计算所述第一权重。

5.如权利要求1至4中任一项所述的电池状态推测装置，其特征在于：

所述电池状态推测装置具备电阻表，所述电阻表定义有所述电池的温度与所述电池的内部电阻的对应关系，

以所述电池的温度为关键参量来参照所述电阻表，计算所述电池的内部电阻。

6.如权利要求1至4中任一项所述的电池状态推测装置，其特征在于：

所述电池状态推测装置具备SOC表，所述SOC表定义有所述电池的开路电压与所述电池的充电状态的对应关系，

所述SOCv运算部以所述电池的开路电压为关键参量来参照所述SOC表，计算所述电池的充电状态。

7.一种电池控制装置，其特征在于：

包括权利要求1至6中任一项所述的电池状态推测装置，

利用所述电池状态推测装置推测出的所述电池的充电状态来控制所述电池。

8.一种电池***，其特征在于，包括：

权利要求7所述的电池控制装置；和

所述电池控制装置所控制的电池。

9.一种对可充电电池的充电状态进行推测的电池状态推测方法，其特征在于，具有：

SOCv运算步骤，利用所述电池的两端电压来计算所述电池的充电状态；

SOCi运算步骤，对流经所述电池的电流进行累计，来计算所述电池的充电状态；

SOCw运算步骤，对在所述SOCv运算步骤中计算出的所述电池的充电状态和在所述SOCi运算步骤中计算出的所述电池的充电状态进行加权求和运算；和

权重运算步骤，计算在所述SOCw运算步骤中实施所述加权求和运算时使用的、与在所述SOCv运算步骤计算出的所述充电状态相关联的第一权重和与在所述SOCi运算步骤计算出的所述充电状态相关联的第二权重，

在所述SOCw运算步骤中，在所述电池的温度为规定的温度阈值以下且流经所述电池的电流为规定的电流阈值以下的情况下，在所述加权求和运算中，在所述SOCi运算步骤中计算出的所述电池的充电状态的比重大于其他的情况下的比重，

在所述权重运算步骤中计算所述第一权重，使得流经所述电池的电流越小，所述第一权重就越大，并且所述电池的内部电阻越小，所述第一权重就越大，

在所述电池的温度为规定的温度阈值以下且流经所述电池的电流为规定的电流阈值以下的情况下，通过进一步将小于1的系数与所述权重相乘，使所述第一权重减小，使所述第二权重增大。