CN1314182C - 电池组的充电*** - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提供一种充电***，该充电***可以防止随着充电发热造成的电池性能降低，同时在满电量充电或接近满电量充电的状态下可对电池充电。电池组的充电***(1)包括：检测电池温度的温度检测机构(15)；充电机构(12)；以及根据电池温度来控制充电机构(12)的控制机构(13)；控制机构(13)进行以“依赖于温度的量”(ΔT/Δt)作为目标值(Y)的温度反馈充电。由此，可以防止随着充电发热造成的电池性能降低，同时在满电量充电或接近满电量充电的状态下可对电池充电。

Description

电池组的充电***
技术领域
本发明涉及装载于以电动汽车为代表的电动车辆等中的电池的充电技术，特别涉及可以防止随着充电发热造成的电池性能降低，同时在满电量充电或接近满电量充电的状态下可对电池充电的充电***。
背景技术
如图1所示，现有的电动汽车的充电***9包括：电池组91；对该电池组91充电的充电机构92；控制机构93；检测电池组91的充电电流的充电电流检测机构94；检测电池组91的温度的电池温度检测机构95；以及检测构成电池组91的单电池的端电压的充电电压检测机构96。
如图2所示，电池组91由多个模块M1、M2、…、Mn1构成，而各模块由多个单电池C1、C2、…、Cn2构成。
充电机构92由AC/DC转换部921和电流供给部922构成。AC/DC转换部921连接商用电源(这里为单相100[V]电源)GAC。电流供给部922根据来自下述控制机构93的控制信号(充电电流指令CCref)，从AC/DC转换部921的直流输出中生成规定占空率的脉冲IP，将其供给电池组91来进行充电。
控制机构93参照充电电流检测机构94检测出的充电电流IC的值，向充电机构92输出所述控制信号(充电电流指令CCref)，以使充电电流IC成为规定值(允许的最大电流值)。
此外，控制机构93根据充电电压检测机构96检测出的充电电压VC的ΔV峰值(后述)来判断是否满电量充电，或根据电池温度检测机构95检测出的电池组91的温度T的时间变化率(ΔT/Δt)来判断是否满电量充电。如图3例示，通过检测多个模块的串联电压，充电电压检测机构96可便利地估计每个单电池的充电电压。
电池温度检测机构95由传感器951和AD转换器952构成。一般地，在充电开始条件下，通常对电池温度TB规定上限(例如，充电开始被限制在初始温度45℃以上)。因此，需要监视电池温度TB。
图4表示用于电动汽车的镍-金属氢化物(Ni-MH)等通常的二次电池从空电量充电状态至满电量充电的充电电压VC和充电电流IC及电池温度TB之间关系的曲线图。
随着充电开始(参照图4的t1)，变成充电电压VC上升(将该上升产生的倾斜称为“第1倾斜”)的状态，经过该第1倾斜后(参照图4的t2)，充电电压VC和电池温度TB成为若干渐增状态。
继续对电池组91的充电，如果接近满电量充电(比如，如果充电到满电量充电的80～90％左右)，则充电电压VC开始上升(参照图4的t3：将该上升产生的倾斜称为“第2倾斜”)，电池温度TB稍迟地开始上升(参照图4的t4)。进而进行充电，充电电压VC达到称为“ΔV峰值”的峰值(参照图4的t5)。
在现有的充电***9中，通常检测ΔV峰值，在该峰值后的电压下降量(该下降量用“-ΔV”表示)达到规定值时，结束充电(参照图4的t6)。另外，也进行不依赖ΔV峰值的检测，在电池温度TB的时间变化(ΔTB/Δt)超过规定值时，结束充电这样的形式。
但是，一般地，已知在二次电池中，充电时的过度的电池温度的上升，会对其性能和寿命产生不良影响。在图1所示的现有的充电***9中，如图4所示，从Δ峰值(t5)到不久的时间(t6)就结束充电，所以在曲线图上，构成电池组91的单电池不会达到成为性能降低原因的电池温度(以下称为“危险温度”)。此外，在充电***9中，由电池温度检测机构95检测电池温度TB，所以看来单电池(或模块)不会达到危险温度。
但是，如上所述，不一定对各个单电池(或各个模块)检测ΔV峰值。因此，比如因单电池(或模块)的制造上的容量的偏差、或基于充电开始时的温度差(这是因将单电池配置在电池组整体的哪个地方而产生)而产生的容量偏差，存在以下问题。
即，容易产生未成为测定对象的单电池(或模块)已经达到ΔV峰值，而成为传感器951的测定对象的单电池(或模块)还未达到ΔV峰值的情况。
此外，将多个单电池(或模块)串联连接来检测ΔV峰值的情况下，也容易产生下述情况，即尽管成为传感器951的测定对象的单电池(或模块)的一部分早已超过ΔV峰值，但作为单电池(或模块)的串联连接整体还未达到ΔV峰值的情况。如果一个一个观察单电池(或模块)，则只要超过ΔV峰值，其端子电压下降，所以这样的情况更容易产生。
此外，实际的单电池的温度还依赖于该单电池是否处于容易冷却的场所，但各个单电池(或各个模块)的温度不一定被电池温度检测机构95检测。在单电池中，还存在实际的温度比电池温度检测机构95检测出的温度高的情况。
而且，如图4所示，在现有的充电***中，在充电结束时(图4的t6)，电池温度TB从初始温度起比如升高10～40℃左右。
从这样的情况来看，存在若干单电池在充电结束前超过危险温度的情况。
特别是在电动汽车中，电池组由串联连接多个单电池来构成，所以一部分的单电池的故障(恶化)大多直接导致电动汽车本身的功能极度下降，而在产生这种功能下降的情况下，不容易知道哪个单电池发生了故障。
如果使进行充电电压检测的模块组(模块的串联连接)的数目为两个或两个以上(即，如果将充电电压检测机构设置多个)，多少可以消除上述的问题。在该解决方法中，用于检测的AD转换器的个数也仅需要充电电压检测机构的个数。
“-ΔV”的值在每一个单电池中小至几微伏特左右，所以作为AD转换器，不得不使用价格高的AD转换器(精度高的AD转换器)。
在现有的电源装置中，如何降低充电机构的制造成本也是一个研究课题。因此，上述的将进行充电电压检测的模块组的数为两个或两个以上的方法，因AD转换器的个数增加，使充电***的成本上升不现实。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种电池组的充电***，包括：检测电池温度的温度检测机构；充电机构；以及根据所述电池温度来控制所述充电机构的控制机构，所述控制机构以温度的时间变化率作为目标值，连续地控制所述充电机构的输出电流值，进行温度反馈充电，其中，所述控制机构包括ΔT/Δt计算部和充电速率运算部，所述ΔT/Δt计算部对电池温度的所述时间变化率进行运算，所述充电速率运算部根据所述时间变化率和所述目标值的偏差，将充电电流指令输出到所述充电机构。
在本发明的上述电池组的充电***中，所述控制机构在所述温度反馈的控制中进行以下控制：控制所述充电机构，使得所述充电电流降低到某一值时，充电电流变成零；控制所述充电机构，使得所述充电电流降低到某一值后经过规定时间时，充电电流变成零；控制所述充电机构，使得所述电池温度达到某一值时，充电电流变成零；或控制所述充电机构，使得所述电池温度达到某一值后以规定量上升时，充电电流变成零。
在本发明的上述电池组的充电***中，在基于所述温度反馈的控制时，进行以下控制：控制所述充电机构，使得所述充电电流降低到某一值时进行低电流充电；控制所述充电机构，使得所述充电电流降低到某一值后经过规定时间(T0)时进行低电流充电；控制所述充电机构，使得所述电池温度达到某一值时进行低电流充电；或控制所述充电机构，使得所述电池温度达到某一值后以规定量上升时进行低电流充电。
根据本发明的上述电池组的充电***，在所述电池组由多个单电池构成的电池组的充电***中，所述温度检测机构在所述多个单电池中根据一部分单电池来进行所述电池温度的检测。
根据本发明的上述电池组的充电***，在所述电池组由多个模块构成，而且，所述模块由多个单电池构成的电池组的充电***中，所述温度检测机构将多个所述模块中一个模块的温度、或多个所述单电池中一个单电池的温度作为所述电池温度来检测，或者将多个所述模块中基于两个以上模块的温度求出的温度、或多个所述单电池中基于两个以上的单电池的温度求出的温度作为所述电池温度来检测。
在本发明的上述电池组的充电***中，所述温度检测机构将多个所述模块中两个以上的模块的平均温度、或多个所述单电池中两个以上的单电池的平均温度作为所述电池温度来检测，或将多个所述模块的最大温度、或多个所述单电池的最大温度作为所述电池温度来检测。
根据本发明的上述电池组的充电***装载于电动车辆等中。
附图说明
图1是表示现有的充电***的说明图。
图2是表示在图1的充电***中使用的电池的图。
图3是通过图1的充电***的充电电流检测机构来检测每一个单电池的充电电压的电池模块的连接图。
图4是表示图1的充电***的从空电量充电状态至满电量充电的充电电流、电池温度和充电电压的关系曲线图。
图5是表示本发明的充电***的一实施例的说明图。
图6是表示图5的充电***的实施例中使用的电池组的图。
图7是图5的充电***的温度反馈充电模式的控制方框图。
图8是表示图5的充电***的从空电量充电状态至满电量充电的充电电流、电池温度和充电电压的关系曲线图。
图9是表示温度反馈充电模式中的充电电流、充电电压和电池温度的测定结果的曲线图。
具体实施方式
下面通过图5～图9来说明本发明的电池组的一实施例。
图5是表示本实施例的整体的说明图，在图中，充电***1包括：电池组11、对该电池组11供给充电电流的充电机构12、控制充电机构12的控制机构13、检测电池组11的充电电流的充电电流检测机构14、测定电池组11的温度的电池温度检测机构15、以及充电电压检测机构16。
如图6所示，电池组11由多个模块M1、M2、…、Mn1构成，而各模块由多个单电池C1、C2、…、Cn2构成。在本实施例中，作为单电池，使用镍-金属氢化物(Ni-MH)。
充电机构12由AC/DC转换部121和电流供给部122构成。在本实施例中，AC/DC转换部121连接商用电源(这里为单相100[V]电源)GAC。电流供给部122根据来自控制机构13的控制信号(充电电流指令CCref)，从AC/DC转换部121的直流输出中生成规定占空率的脉冲IP，将该脉冲供给电池组11来进行充电。
控制机构13包括ΔT/Δt计算部131、充电速率运算部132、平均值运算机构133，作为控制模式，具有温度反馈充电模式TFBCM和低电流充电模式TCL_CM，按照各模式，将充电电流指令CCref输出到充电机构12。控制机构13在温度反馈充电模式TFB_CM时通过以温度的时间变化率作为目标值的反馈控制来控制充电机构12。在本实施例中，“温度的时间变化率”是表示电池组11的温度TB的时间变化率(ΔT/Δt)的值。在本实施例中，平均值运算机构133计算N个模块的温度平均值，将其作为电池温度TB。
图7表示充电***1的温度反馈充电模式TFB_CM中的控制方框图。
首先，由电池温度检测机构15检测电池温度TB，该电池温度TB被传送到控制机构13。
在控制机构13中，ΔT/Δt计算部131对电池温度TB的时间变化率(ΔT/Δt)T＝TB进行运算。充电速率运算部132根据该时间变化率(ΔT/Δt)T＝TB和目标值Y的偏差E，将充电电流指令CCref输出到充电机构12。充电机构12根据充电电流指令CCref将充电电流IC供给电池组11。
在低电流充电模式TCL_CM时，控制机构13对充电机构12进行控制，使得以规定的维持电流ITC进行充电。另外，有关从温度反馈充电模式TFB_CM向低电流充电模式TCL_CM的转移条件将后述。
电池温度检测机构15包括温度传感器151和AD转换器152。
充电电压检测机构16对电池组11进行充电电压VC的检测，但与图1～图4中说明的现有技术不同，不进行ΔV峰值或-ΔV的检测。如上所述，ΔV峰值或-ΔV的检测需要精度高的(即价格高的)AD转换器，而在本实施例中，则不需要这样的AD转换器，所以作为构成充电电压检测机构16的AD转换器，可以使用价格低的AD转换器。另外，在本实施例中，充电电压检测机构16用于电池组11的下限电压、上限电压的监视、管理。
图8是表示图5所示的充电***1的从空电量充电状态至满电量充电中的充电电流IC、电池温度TB、及充电电压VC之间关系的曲线图。
如果电池组11的充电开始(参照图8的t1)，则充电电压VC开始上升，经过第1倾斜(参照图8的t2)后，充电电压VC大致成为稳定状态。此时，电池温度TB也大致成为稳定状态(另外，在图8中电池温度TB的初始值与该稳定状态时的电池温度TB大致相同)。
继续对电池组11的充电，接近满电量充电时(比如，充电至满电量充电的80％左右)，电池温度TB开始上升(参照图8的t3)。
控制机构13在温度反馈充电模式TFB_CM中也如图7中说明得那样，将Y作为目标值对充电机构12进行控制。此时，如图7所示，充电速率运算部132可以将使充电电流(充电速率)IC成为如下值的充电电流指令CCref输出到充电机构12。
IC＝IS×[1-(Gp·E+Gi·∫Edt+Gd·ΔE)]        …(1)
其中：
IC：充电电流
IS：额定电流
E：偏差(＝Y-(ΔT/Δt)T＝TB)
ΔE：偏差差
Gp：比例增益
Gi：积分增益
Gd：微分增益
经过峰值后，充电电流IC缓慢地下降。在本实施例中，如果充电电流变成ITC(参照图8的t5)，则转移到低电流充电模式TCL_CM。
图9表示温度反馈充电模式TFB_CM中的充电电流IC、充电电压VC、及电池温度TB的测定结果。另外，在该测定中，不进行低电流充电模式TCL_CM的控制。
这里，在上述式(1)中，设IS(额定电流)＝5[A]，Y(目标值)＝0.1[℃/分]，Gp(比例增益)＝5.0，Gi(积分增益)＝0.5，Gd(微分增益)＝0。
此外，设温度的时间变化率(ΔT/Δt)T＝TB的计算、偏差E的更新、偏差积分∫Edt的更新、偏差差ΔE的更新时的各周期为10[秒]，时间常数为1[分]，充电电流IC的下限值为0.5[A]。
充电结束条件为充电电流IC的值最初下降1[A]后的30分钟。
从图9可知，对于目标值Y＝0.1[℃/分]，可以设电池温度TB＝0.12[℃/分]，从充电开始至结束的温度上升幅度TW＝7[℃]，从空电量充电状态至充电结束的时间TTotal＝110min。
此外，充电结束后，进行放电试验求出的电池容量与现有的充电***进行的充电情况大致相同。
此外，在上述测定中，无论电池组11的充电初始温度如何(无论外部气温如何)，上述温度上升幅度TW为7℃左右。此外，在充电中外部气温急剧上升的情况下，充电速率(充电电流指令CCref)暂时下降。在本发明中，对充电机构12进行控制来使得电池组11的温度的时间变化率ΔT/Δt为固定值(Y)，所以上述下降的充电速率再次恢复。
在现有的充电***中，如图4所示，因为温度上升幅度TW都有12℃左右，所以某个单电池达到危险温度的可能性高。因此，在现有的充电***中，比如准备多个电池温度检测机构，需要及早发现达到危险温度的单电池(或模块)，在充电时，初始温度高时不需要开始充电。
在本实施例中，所有的单电池能够以比危险温度足够低的温度进行充电，所以可以降低某个单电池达到危险温度的可能性，相反，在充电时，初始温度高到某个程度时，即使开始充电，也可以使所有的单电池不达到危险温度。
产业上的利用可能性
任一单电池都不发生或难以发生因充电而达到危险温度这样的情况，任一单电池都不会被施加无用的压力或被施加无用的压力的可能性低。因此，可期待延长单电池(或模块)的寿命，以及可以使构成电池组的各单电池(或模块)的寿命均匀。
由于可以应用于使用具有充电末期温度上升特性的二次电池的***，所以除了电动汽车以外，还可以应用于使用二次电池的各种设备。
由于不检测ΔV峰值，所以作为在充电电压检测机构中使用的AD转换器可以使用价格低的AD转换器。由此，可以实现***整体的成本下降。
如以上说明，本发明的目的在于避免或降低构成电池组的所有单电池达到危险温度的危险性，并且价格便宜地提供能够以满电量充电状态进行充电的充电***，具有以下良好的实施例。
在现有的充电***中，第2倾斜后电池温度急剧地上升的原因在于，在经过该第2倾斜时，电池组的充电大致(具体地说80％左右)结束，注入的电流被作为热而消耗(充电效率下降)。
此外，在单电池中，有达到危险温度的单电池的原因在于，根据特征性表示满电量充电的ΔV峰值(或根据电池温度的时间变化率)来决定充电结束。
本发明人着眼于这些因素，通过使电池温度和充电电流相关联，发现：
(1)可以避免充电电压的急剧上升，并且
(2)即使不基于ΔV峰值，对于任一单电池也没有达到危险温度的可能性，或可以降低该可能性，而且，能够按以往进行满电量充电的状态、或与其相类似的状态可靠地进行充电，从而完成了本发明。
本发明是一种充电***，该充电***包括检测电池温度的温度检测机构、充电机构、控制充电机构的控制机构，其特征在于，控制机构根据电池温度来控制充电机构。
电动汽车的电池组由多个单电池构成。比如，电池组由多个模块构成，而各模决由多个单电池构成。
温度检测机构将有代表性地表示构成电池组的模块的温度、或单电池的温度的值作为“电池温度”来检测。温度检测机构可以在多个模块中将一个模块的温度作为电池温度来检测，也可以将两个以上的模决的各温度的比如平均值作为电池温度来检测。此外，温度检测机构可以在多个单电池中将一个单电池的温度作为电池温度来检测，也可以将两个以上的单电池的各温度的比如平均值作为电池温度来检测。
具体地说，温度检测机构包含温度传感器和AD转换器，例如，在将两个以上的模块的温度的平均值作为电池温度来检测的情况下，还可以包括平均值运算机构。另外，平均值运算机构的功能可以由合适的处理器(例如，控制机构的CPU)担当。另外，这在实质上是相同的(即，只是在如何定义“温度检测机构”上有所不同)，也可以在温度检测机构中不包括平均值运算机构，而在控制机构中具有该平均值运算机构。
控制机构可以通过以“温度T的时间变化率(ΔT/Δt)”作为目标值的温度反馈来控制充电机构。即，通过缩小充电电流来使得温度T的时间变化率不达到某个固定值以上，由此提高可以抑制构成电池组的所有单电池的急剧的温度上升(即，可以防止各单电池达到危险温度)的可能性。
在现有的充电***中，在电池温度TB的时间变化率(ΔT/Δt)超过了规定值时结束充电的情况下，在因外部温度的上升等造成错误检测“本来的ΔT/Δt”的情况下，尽管没有满电量充电，但也会结束充电，而在本发明的充电***中，在因外部温度的上升等造成错误检测“本来的ΔT/Δt”的情况下，控制机构通过温度反馈来控制充电机构，所以暂时使充电温度降低。然后，如果ΔT/Δt下降，则可以再次使充电电流增加。
另外，如上所述，本发明的特征在于，控制机构基本上通过温度反馈来控制充电机构，控制机构在温度T的时间变化率(ΔT/Δt))超过规定值之前，进行输出电流为恒定电流充电的控制，在超过了该规定值之后，也可以通过温度反馈来控制充电机构。
控制机构在基于温度反馈的控制中，在充电电流降低到某个值时，可以控制充电机构以使充电电流变为零或进行低电流充电。
这里，低电流充电指按照不对电池寿命产生不良影响的电流值进行的充电。
此外，从充电电流降低到某个值开始经过了规定时间时，也可以控制充电机构以使充电电流变为零或进行低电流充电。而且，在电池温度达到了某个值时，也可以控制充电机构以使充电电流变为零或进行低电流充电。或者，在电池温度达到某个值后规定量上升时，也可以控制充电机构以使充电电流变为零或进行低电流充电。

Claims (7)

1.一种电池组的充电***，包括：检测电池温度的温度检测机构；充电机构；以及根据所述电池温度来控制所述充电机构的控制机构，
所述控制机构以温度的时间变化率作为目标值，连续地控制所述充电机构的输出电流值，进行温度反馈充电，其特征在于，
所述控制机构包括ΔT/Δt计算部和充电速率运算部，所述ΔT/Δt计算部对电池温度的所述时间变化率进行运算，所述充电速率运算部根据所述时间变化率和所述目标值的偏差，将充电电流指令输出到所述充电机构。
2.如权利要求1所述的电池组的充电***，其特征在于，所述控制机构在所述温度反馈的控制中进行以下控制：
控制所述充电机构，使得所述充电电流降低到某一值时，充电电流变成零；
控制所述充电机构，使得所述充电电流降低到某一值后经过规定时间时，充电电流变成零；
控制所述充电机构，使得所述电池温度达到某一值时，充电电流变成零；或
控制所述充电机构，使得所述电池温度达到某一值后以规定量上升时，充电电流变成零。
3.如权利要求1或2所述的电池组的充电***，其特征在于，在基于所述温度反馈的控制时，进行以下控制：
控制所述充电机构，使得所述充电电流降低到某一值时进行低电流充电；
控制所述充电机构，使得所述充电电流降低到某一值后经过规定时间(T0)时进行低电流充电；
控制所述充电机构，使得所述电池温度达到某一值时进行低电流充电；或
控制所述充电机构，使得所述电池温度达到某一值后以规定量上升时进行低电流充电。
4.如权利要求1所述的电池组的充电***，其特征在于，在所述电池组由多个单电池构成的电池组的充电***中，所述温度检测机构在所述多个单电池中根据一部分单电池来进行所述电池温度的检测。
5.如权利要求1所述的电池组的充电***，其特征在于，在所述电池组由多个模块构成，而且，所述模块由多个单电池构成的电池组的充电***中，所述温度检测机构将多个所述模块中一个模块的温度、或多个所述单电池中一个单电池的温度作为所述电池温度来检测，或者
将多个所述模块中基于两个以上模块的温度求出的温度、或多个所述单电池中基于两个以上的单电池的温度求出的温度作为所述电池温度来检测。
6.如权利要求4或5所述的电池组的充电***，其特征在于，所述温度检测机构将多个所述模块中两个以上的模块的平均温度、或多个所述单电池中两个以上的单电池的平均温度作为所述电池温度来检测，或
将多个所述模块的最大温度、或多个所述单电池的最大温度作为所述电池温度来检测。
7.如权利要求1所述的电池组的充电***，其特征在于，该***装载于电动车辆等中。
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