專利名稱：二次電池的充電狀態(tài)推定裝置與充電狀態(tài)推定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及推定二次電池的充電狀態(tài)的裝置和方法，具體而言，涉及這樣的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置和方法:其逐次計(jì)算表示二次電池剩余容量(充電率)的SOC (充電狀態(tài))。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)化為從可再充電二次電池向負(fù)載設(shè)備提供電力以及允許甚至在負(fù)載設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中對(duì)二次電池充電的電源系統(tǒng)已被使用。這樣的電源系統(tǒng)被典型地安裝在將由二次電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)用作車(chē)輛驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源之一的混合動(dòng)力車(chē)或電氣車(chē)輛上。
在混合動(dòng)力車(chē)的電源系統(tǒng)中，存儲(chǔ)在二次電池中的電力被用作用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電力，二次電池由電動(dòng)機(jī)再生出的電力或由在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力充電。在這樣的電源系統(tǒng)中，有必要知道二次電池的充電狀態(tài)(代表性地，表示相對(duì)于滿充電的充電率的S0C)，并防止可能導(dǎo)致電池劣化的過(guò)酷使用狀態(tài)。具體而言，有必要基于剩余容量的推定值限制從二次電池接收輸出的驅(qū)動(dòng)車(chē)輛用電動(dòng)機(jī)的輸出，并產(chǎn)生對(duì)二次電池進(jìn)行充電的請(qǐng)求或禁止充電/放電的指令，因此，剩余容量的高度準(zhǔn)確推定是必要的。
然而，以安裝在混合動(dòng)力車(chē)上時(shí)的情況為代表，二次電池的輸出與使用條件在大范圍內(nèi)變化，在充電/放電以相對(duì)較高的功率密度重復(fù)進(jìn)行的使用狀態(tài)下，通常難以推定剩余容量。因此，推定準(zhǔn)確度的改進(jìn)成為難題。
有鑒于上，除了基于輸入/輸出電流的積分逐次計(jì)算剩余容量變化量的最基本過(guò)程以外，已經(jīng)提出了高準(zhǔn)確度推定剩余容量的多種過(guò)程。
舉例而言，日本特開(kāi)N0.2000-306613 (下面稱為專利文獻(xiàn)I)公開(kāi)了一種電池狀態(tài)監(jiān)視裝置，其中，由在電池使用過(guò)程中測(cè)量的電池電流(充電/放電電流)與電池電壓(端子之間的電壓)間的關(guān)系計(jì)算二次電池的內(nèi)阻，使用電池電流/電壓以及計(jì)算的內(nèi)阻計(jì)算開(kāi)路電壓(OCV )，并由開(kāi)路電壓推定電池容量(SOC )。另外，在電池狀態(tài)監(jiān)視裝置中，如果電池電流在規(guī)定范圍外或脫離規(guī)定范圍，通過(guò)將偏離后電池電流積分值加到剛好偏離之前的電池容量(S0C)來(lái)推定電池容量(S0C)。具體而言，根據(jù)專利文獻(xiàn)I，依賴于電池電流的范圍改變推定方法I，以便改進(jìn)推定準(zhǔn)確度。
類似地，日本特開(kāi)N0.2000-150003 (下面稱為專利文獻(xiàn)2)公開(kāi)了一種支持基于電池電流積分的SOC計(jì)算過(guò)程以及其他SOC計(jì)算過(guò)程的充電量計(jì)算裝置。在充電量計(jì)算裝置中，在基于電池電流積分的SOC計(jì)算過(guò)程與其他過(guò)程之間的差異的基礎(chǔ)上確定將要使用的SOC計(jì)算過(guò)程。
在專利文獻(xiàn)I所公開(kāi)的電池狀態(tài)監(jiān)視裝置中，使用在充電/放電過(guò)程中測(cè)量的多組電池電壓與電池電流的傾斜度(inclination)來(lái)計(jì)算隨同充電/放電一起連續(xù)變化的內(nèi)阻。
然而，已經(jīng)知道，充電/放電過(guò)程中二次電池的電池電壓(端子之間的電壓)變化從電池電流變化滯后。具體而言，當(dāng)恒定電池電流開(kāi)始流動(dòng)或當(dāng)電池電流停止時(shí)，電池電壓不處于穩(wěn)定狀態(tài)而是發(fā)生波動(dòng)，一直到被稱為緩和時(shí)間的規(guī)定時(shí)間段之后。因此，如果在緩和時(shí)間過(guò)去后測(cè)量電池電壓，不能測(cè)得二次電池的準(zhǔn)確輸出電壓。
另外，根據(jù)內(nèi)阻的直線性出現(xiàn)在電池電流與電池電壓之間的范圍也依賴于二次電池的溫度范圍而變化。舉例而言，在鋰離子二次電池中，由于電極表面離子交換電流密度的降低，電池電流與電池電壓之間的直線性很少出現(xiàn)在低溫范圍內(nèi)。
在這種連接中，盡管專利文獻(xiàn)I公開(kāi)了根據(jù)電池電流范圍而切換基于內(nèi)阻計(jì)算的推定過(guò)程以及基于電池電流積分的推定過(guò)程，沒(méi)有進(jìn)行著眼于二次電池溫度條件或電池電流持續(xù)時(shí)間的SOC推定。因此，開(kāi)路電壓的推定可能包含來(lái)源于內(nèi)阻推定中的誤差的誤差，且因此二次電池剩余容量(SOC)的推定可能包含來(lái)源于內(nèi)阻推定中的誤差的誤差。
另外，在專利文獻(xiàn)2所公開(kāi)的混合動(dòng)力車(chē)用充電量計(jì)算裝置中，基于電池電流范圍以及基于電池電流積分計(jì)算的SOC值與通過(guò)其他過(guò)程計(jì)算的SOC值之間的差來(lái)決定多種SOC計(jì)算過(guò)程之間的切換。因此，由與關(guān)于專利文獻(xiàn)I所介紹的相同的原因，盡管基于電池電流積分的SOC計(jì)算過(guò)程可在電池電流變低時(shí)立即切換到其他SOC計(jì)算過(guò)程，在大電流在內(nèi)阻高的低溫下流動(dòng)之后，由于內(nèi)阻推定中的誤差，不可否認(rèn)存在SOC推定中的大誤差的可能。另外，沒(méi)有充分考慮與SOC推定有關(guān)的、二次電池的溫度條件以及電池電流的持續(xù)時(shí)間。因此，剩余容量(SOC)的推定可能包含誤差。發(fā)明內(nèi)容
做出本發(fā)明以解決上面描述的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于在考慮二次電池使用狀態(tài)的情況下應(yīng)用適當(dāng)?shù)腟OC推定方法，并由此提高推定準(zhǔn)確度。
本發(fā)明提供了 一種用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，所述二次電池具有能夠檢測(cè)輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測(cè)器，所述裝置包含特性存儲(chǔ)裝置、穩(wěn)定狀態(tài)判斷裝置以及第一充電狀態(tài)推定裝置。特性存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)二次電池的開(kāi)路電壓與剩余容量之間的特性。穩(wěn)定狀態(tài)判斷裝置判斷是否為輸入/輸出電流保持為不高于根據(jù)電池溫度設(shè)置的限制電流至少達(dá)根據(jù)電池溫度設(shè)置的電壓穩(wěn)定時(shí)間段的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)判斷為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，第一充電狀態(tài)推定裝置用于將輸出電壓視為開(kāi)路電壓，基于存儲(chǔ)在特性存儲(chǔ)裝置中的特性推定二次電池的剩余容量。
本發(fā)明提供了一種推定二次電池充電狀態(tài)的方法，所述二次電池具有能夠檢測(cè)輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測(cè)器，所述方法包含穩(wěn)定狀態(tài)判斷步驟以及第一充電狀態(tài)推定步驟。在穩(wěn)定狀態(tài)判斷步驟中，判斷是否為輸入/輸出電流保持為不高于根據(jù)電池溫度設(shè)置的限制電流至少達(dá)根據(jù)電池溫度設(shè)置的電壓穩(wěn)定時(shí)間段的穩(wěn)定狀態(tài)。在第一充電狀態(tài)推定步驟中，當(dāng)判斷為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將輸出電壓視為二次電池的開(kāi)路電壓，基于二次電池的開(kāi)路電壓與剩余容量之間的特性推定二次電池的剩余容量。在第二充電狀態(tài)推定步驟中，當(dāng)判斷為并非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，基于與第一充電狀態(tài)推定步驟的過(guò)程不同的過(guò)程來(lái)推定二次電池的剩余容量。
根據(jù)上面介紹的對(duì)二次電池的充電狀態(tài)進(jìn)行推定的裝置和方法，當(dāng)二次電池的輸出電壓穩(wěn)定且內(nèi)阻的電壓變化小時(shí)(穩(wěn)定狀態(tài))，輸出電壓被視為開(kāi)路電壓，二次電池的SOC參照開(kāi)路電壓-剩余容量(SOC)特性來(lái)推定。這里，上面提到的穩(wěn)定狀態(tài)在考慮緩和時(shí)間(電壓穩(wěn)定化時(shí)間)和內(nèi)阻取決于溫度的變化的情況下判斷。因此，特別是在具有開(kāi)路電壓與剩余容量間的強(qiáng)相互關(guān)系的二次電池中，在穩(wěn)定狀態(tài)下，可以通過(guò)簡(jiǎn)單且可靠的方法以高準(zhǔn)確度推定S0C，誤差處于規(guī)定范圍內(nèi)。
優(yōu)選為，根據(jù)本發(fā)明的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置還包含第二充電狀態(tài)推定裝置，其用于在穩(wěn)定狀態(tài)判斷裝置判斷為并非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)推定二次電池的剩余容量。第二充電狀態(tài)推定裝置通過(guò)基于輸入/輸出電流的積分值逐次計(jì)算剩余容量的變化量的過(guò)程或通過(guò)基于將輸入/輸出電流、輸出電壓與電池溫度用作輸入變量的電池模型的過(guò)程來(lái)推定二次電池的剩余容量。
優(yōu)選為，根據(jù)本發(fā)明的推定二次電池充電狀態(tài)的方法還包含第二充電狀態(tài)推定步驟，其在穩(wěn)定狀態(tài)判斷步驟中判斷為并非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)推定二次電池的剩余容量。在第二充電狀態(tài)推定步驟中，通過(guò)基于輸入/輸出電流的積分值逐次計(jì)算剩余容量的變化量的過(guò)程或通過(guò)基于將輸入/輸出電流、輸出電壓與電池溫度用作輸入變量的電池模型的過(guò)程來(lái)推定二次電池的剩余容量。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池的充電狀態(tài)的裝置或方法，在穩(wěn)定狀態(tài)以外，可以通過(guò)基于電池模型表達(dá)式(expression)的過(guò)程或基于電流積分的過(guò)程以高準(zhǔn)確度推定二次電池的SOC。
更為優(yōu)選的是，在根據(jù)本發(fā)明的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置中，第二充電狀態(tài)推定裝置包含:第一推定裝置，其用于通過(guò)基于輸入/輸出電流的積分值計(jì)算剩余容量的變化量來(lái)推定二次電池的剩余容量；第二推定裝置，其用于基于將輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度用作輸入變量的電池模型來(lái)推定二次電池的剩余容量；計(jì)時(shí)器裝置，其用于測(cè)量由第一推定裝置進(jìn)行的剩余容量推定的連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間。另外，第二充電狀態(tài)推定裝置通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間在第一限制時(shí)間段內(nèi)時(shí)選擇第一推定裝置來(lái)推定剩余容量，并且，通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)第一限制時(shí)間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)選擇第二推定裝置來(lái)推定剩余容量。
另外，更為優(yōu)選的是，在根據(jù)本發(fā)明的推定二次電池充電狀態(tài)的方法中，第二充電狀態(tài)推定步驟包含:第一推定步驟，其通過(guò)基于輸入/輸出電流的積分值計(jì)算剩余容量的變化量來(lái)推定二次電池的剩余容量；第二推定步驟，其基于將輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度用作輸入變量的電池模型來(lái)推定二次電池的剩余容量；時(shí)間測(cè)量步驟，其測(cè)量由第一推定步驟進(jìn)行的剩余容量推定的連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間。在第二充電狀態(tài)推定步驟中，通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間在第一限制時(shí)間段內(nèi)時(shí)選擇第一推定步驟來(lái)推定所述剩余容量，并且，通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)第一限制時(shí)間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)選擇第二推定步驟來(lái)推定剩余容量。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置或方法，當(dāng)連續(xù)有限時(shí)間段(第一限制時(shí)間段)或更長(zhǎng)執(zhí)行基于電流積分的SOC推定時(shí)，可進(jìn)行基于電池模型的剩余容量推定，假設(shè)輸入/輸出電流屬于允許使用電池模型的范圍。因此，可以防止由于電流傳感器的檢測(cè)誤差(偏移)而引起的、由于長(zhǎng)時(shí)間的基于電流積分的連續(xù)SOC推定導(dǎo)致的SOC推定誤差的增大。另外，當(dāng)輸入/輸出電流在允許使用電池模型的范圍外時(shí)，不強(qiáng)制選擇基于電池模型的SOC推定。因此，可避免通過(guò)選擇不適當(dāng)?shù)腟OC推定方法引起的推定誤差的增大。
更為優(yōu)選的是，在根據(jù)本發(fā)明的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置中，當(dāng)連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)長(zhǎng)于第一限制時(shí)間段的第二限制時(shí)間段時(shí)，無(wú)論輸入/輸出電流如何，第二充電狀態(tài)推定裝置通過(guò)選擇第二推定裝置來(lái)推定剩余容量。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，當(dāng)基于電流積分的SOC推定持續(xù)超過(guò)限制值(第二限制時(shí)間段)時(shí)，可以暫時(shí)執(zhí)行基于電池模型的SOC推定。因此，可執(zhí)行SOC推定，使得來(lái)源于電流傳感器的檢測(cè)誤差(偏移)的SOC推定誤差不超過(guò)可容忍的值。
特別地，在根據(jù)本發(fā)明的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置中，當(dāng)所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)所述第一限制時(shí)間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規(guī)定范圍外時(shí)，第二充電狀態(tài)推定裝置通過(guò)選擇第一推定裝置來(lái)推定剩余容量。
根據(jù)上面介紹的用于推定二次電池的充電狀態(tài)的裝置，當(dāng)基于電流積分的SOC推定持續(xù)超過(guò)限制時(shí)間段(第一限制時(shí)間段)時(shí)，僅在輸入/輸出電流屬于允許使用電池模型的范圍內(nèi)時(shí)執(zhí)行基于電池模型表達(dá)式的SOC推定。因此，可防止作為強(qiáng)制執(zhí)行基于電池模型的SOC推定的結(jié)果的、達(dá)到大的值的SOC誤差。
優(yōu)選為，在根據(jù)本發(fā)明的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置中，穩(wěn)定狀態(tài)判斷裝置中的限制電流隨著所述電池溫度的上升而被設(shè)置得相對(duì)較大。
優(yōu)選為，在根據(jù)本發(fā)明的推定二次電池充電狀態(tài)的方法中，穩(wěn)定狀態(tài)判斷步驟中的限制電流隨著所述電池溫度的上升而被設(shè)置得相對(duì)較大。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置或方法，將二次電池的內(nèi)阻隨著電池溫度上升而降低以及相反地內(nèi)阻隨著電池溫度降低而增大的事實(shí)考慮在內(nèi)，故限制電流可被設(shè)置為使得穩(wěn)定狀態(tài)中內(nèi)阻引起的電壓變化不超過(guò)規(guī)定范圍。因此，可將把二次電池輸出電壓視為開(kāi)路電壓的SOC推定中涉及的推定誤差約束在規(guī)定范圍內(nèi)。
優(yōu)選為，在根據(jù)本發(fā)明的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置中，穩(wěn)定狀態(tài)判斷裝置中的電壓穩(wěn)定化時(shí)間段隨著所述電池溫度的上升而被設(shè)置得相對(duì)較短。
優(yōu)選為，在根據(jù)本發(fā)明的推定二次電池充電狀態(tài)的方法中，穩(wěn)定狀態(tài)判斷步驟中的電壓穩(wěn)定化時(shí)間段隨著電池溫度的上升而被設(shè)置得相對(duì)較短。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置或方法，直到二次電池輸出電壓穩(wěn)定的緩和時(shí)間隨著電池溫度上升而變得較短且隨著電池溫度下降而變得較長(zhǎng)的事實(shí)得到反映，故可執(zhí)行在輸出電壓穩(wěn)定的狀態(tài)中端子之間的電壓被視為開(kāi)路電壓的SOC推定。
根據(jù)另一布置，本發(fā)明提供了一種用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，所述二次電池具有能夠檢測(cè)輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測(cè)器，所述裝置包含第一推定裝置、第二推定裝置、計(jì)時(shí)器裝置以及選擇裝置。第一推定裝置通過(guò)基于輸入/輸出電流的積分值計(jì)算剩余容量的變化量來(lái)推定二次電池的剩余容量。第二推定裝置基于將輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度用作輸入變量的電池模型來(lái)推定二次電池的剩余容量。計(jì)時(shí)器裝置測(cè)量由第一推定裝置進(jìn)行的剩余容量推定的連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間。選擇裝置基于輸入/輸出電流是否在允許使用電池模型的規(guī)定范圍內(nèi)的判斷以及基于由計(jì)時(shí)器裝置獲得的所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間來(lái)選擇用于推定剩余容量的第一與第二推定裝置中的一個(gè)。
根據(jù)另一實(shí)施形態(tài)，本發(fā)明提供了一種推定二次電池充電狀態(tài)的方法，所述二次電池具有能夠檢測(cè)輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測(cè)器，所述方法包含第一推定步驟、第二推定步驟、時(shí)間測(cè)量步驟以及選擇步驟。在第一推定步驟中，通過(guò)基于輸入/輸出電流的積分值計(jì)算剩余容量的變化量來(lái)推定二次電池的剩余容量。在第二推定步驟中，基于將輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度用作輸入變量的電池模型推定二次電池的剩余容量。在時(shí)間測(cè)量步驟中，測(cè)量由第一推定步驟進(jìn)行的剩余容量推定的連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間。在選擇步驟中，基于輸入/輸出電流是否在允許使用電池模型的規(guī)定范圍內(nèi)的判斷以及基于由時(shí)間測(cè)量步驟獲得的所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間來(lái)選擇推定剩余容量的第一與第二推定步驟中的一個(gè)。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置或方法，可有選擇地使用基于電流積分的SOC推定和基于電池模型的SOC推定來(lái)推定S0C，將基于電流積分的SOC推定的連續(xù)執(zhí)行時(shí)間以及輸入/輸出電流是否在保證電池模型獲得的推定準(zhǔn)確度的、允許使用電池模型的范圍內(nèi)考慮在內(nèi)。因此，在通過(guò)在上面介紹的兩種推定方法之間切換而執(zhí)行的SOC推定的布置中，可防止選擇不適當(dāng)?shù)腟OC推定方法導(dǎo)致的推定誤差的增大，并可提高SOC推定準(zhǔn)確度。
優(yōu)選為，在根據(jù)本發(fā)明另一布置的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置中，選擇裝置通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間在第一限制時(shí)間段內(nèi)時(shí)選擇第一推定裝置來(lái)推定剩余容量，并且，通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)第一限制時(shí)間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)選擇第二推定裝置來(lái)推定剩余容量。
優(yōu)選為，在根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施形態(tài)的推定二次電池充電狀態(tài)的方法中，在選擇步驟中，通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間在第一限制時(shí)間段內(nèi)時(shí)選擇第一推定步驟來(lái)推定剩余容量，并且，通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)第一限制時(shí)間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)選擇第二推定步驟來(lái)推定剩余容量。
根據(jù)上面介紹的推定第二電池充電狀態(tài)的裝置或方法，如果基于電池積分的SOC推定連續(xù)執(zhí)行超過(guò)限制時(shí)間段(第一限制時(shí)間段)，可以進(jìn)行基于電池模型的剩余容量推定，假設(shè)輸入/輸出電流處于允許使用電池模型的范圍內(nèi)。因此，可以防止由于電流傳感器檢測(cè)誤差(偏移)引起的、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的基于電流積分的SOC推定引起的SOC推定誤差增大。另外，當(dāng)輸入/輸出電流在允許使用電池模型的范圍外時(shí)，不強(qiáng)制選擇基于電池模型的SOC推定。因此，可避免選擇不適當(dāng)?shù)腟OC推定方法導(dǎo)致的推定誤差的增大。
更為優(yōu)選的是，在根據(jù)本發(fā)明另一布置的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置中，當(dāng)所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)長(zhǎng)于第一限制時(shí)間段的第二限制時(shí)間段時(shí)，無(wú)論輸入/輸出電流如何，選擇裝置通過(guò)選擇第二推定裝置來(lái)推定剩余容量。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，當(dāng)基于電流積分的SOC推定持續(xù)超過(guò)限制值(第二限制時(shí)間段)時(shí)，可以暫且執(zhí)行基于電池模型的SOC推定。因此，可以執(zhí)行SOC推定，使得來(lái)源于電流傳感器的檢測(cè)誤差(偏移)的SOC推定誤差不超過(guò)可容忍的值。
作為替代或作為優(yōu)選的是，在根據(jù)本發(fā)明另一布置的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置中，當(dāng)所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)所述第一限制時(shí)間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規(guī)定范圍外時(shí)，選擇裝置通過(guò)選擇第一推定裝置來(lái)推定剩余容量。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，當(dāng)基于電流積分的SOC推定持續(xù)超過(guò)限制時(shí)間段(第一限制時(shí)間段)時(shí)，基于電池模型表達(dá)式的SOC推定僅在輸入/輸出電流處于允許使用電池模型的范圍時(shí)執(zhí)行。因此，可防止作為強(qiáng)制執(zhí)行基于電池模型的SOC推定的結(jié)果的、達(dá)到大的值的SOC誤差。
優(yōu)選為，在本發(fā)明的應(yīng)用中，二次電池為鋰離子電池。
根據(jù)上面介紹的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，可以以高的準(zhǔn)確度推定具有開(kāi)路電壓與剩余容量之間的高相互關(guān)系的鋰離子電池的剩余容量(S0C)。
因此，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置或方法，可根據(jù)二次電池的使用狀態(tài)應(yīng)用合適的SOC推定方法，由此可提高推定準(zhǔn)確度。


圖1為一原理框圖，其示出了包括二次電池的電源系統(tǒng)的構(gòu)造，該二次電池的剩余容量(SOC)由根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的推定二次電池充電狀態(tài)的裝置或方法推定；
圖2為圖1所示SOC推定單元的功能框圖3示出了設(shè)置穩(wěn)定的電流范圍的概念；
圖4示出了設(shè)置電壓穩(wěn)定化時(shí)間的概念；
圖5示出了二次電池內(nèi)阻的溫度依賴性的概念；
圖6示出了二次電池緩和時(shí)間的溫度依賴性的概念；
圖7示出了基于電池模型的示例性SOC推定過(guò)程；
圖8為一電路圖，其示出了電池模型的實(shí)例；
圖9示出了計(jì)算圖8所示電池模型中的電路常數(shù)的示例性過(guò)程；
圖10為第一流程圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的SOC推定；
圖11為第二流程圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的SOC推定；
圖12示出了允許基于電池模型的SOC推定的電流范圍的設(shè)置。
具體實(shí)施方式
下面將參照附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的實(shí)施例。在下文中，附圖中相同或?qū)?yīng)的部分將用同樣的參考標(biāo)號(hào)表示，基本上不再重復(fù)對(duì)其進(jìn)行介紹。
圖1為一原理框圖，其示出了包括二次電池的電源系統(tǒng)的構(gòu)造，該二次電池的剩余容量(SOC)由根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例推定二次電池充電狀態(tài)的方法或裝置來(lái)推定。
參照?qǐng)D1,電源系統(tǒng)5包含二次電池10和負(fù)載20。
典型地將鋰離子電池用作可再充電的二次電池10。然而，二次電池的類型和形式不受特別限制。注意，鋰離子電池具有開(kāi)路電壓(OCV)與剩余容量(SOC)之間的強(qiáng)相互關(guān)系，因此，本發(fā)明可穩(wěn)定地應(yīng)用。
在二次電池10上，設(shè)置測(cè)量電池溫度Tb的溫度傳感器30、測(cè)量電流Ib (作為二次電池的輸入/輸出充電/放電電流，下面也稱為電池電流Ib)的電流傳感器32、測(cè)量正負(fù)極端子之間的電壓Vb (下面也稱為電池電壓Vb)的電壓傳感器34。
負(fù)載20受到來(lái)自二次電池10的輸出電力的驅(qū)動(dòng)。假設(shè)未示出的發(fā)電/饋電元件被設(shè)置在負(fù)載20內(nèi)部或與負(fù)載20分離，且二次電池10可由來(lái)自發(fā)電/饋電元件的充電電流進(jìn)行充電。因此，當(dāng)二次電池10受到放電時(shí)，電池電流lb〈0，當(dāng)二次電池10被充電時(shí)，電池電流lb>0。
電子控制單元(EOT) 50包含SOC推定單元60——其對(duì)應(yīng)于“充電狀態(tài)推定裝置”——以及控制單元70。基于由SOC推定單元60推定的SOC (%)，控制單元70限制/禁止充電/放電或產(chǎn)生二次電池10的充電請(qǐng)求。ECU50典型地被構(gòu)成為包含為用于執(zhí)行預(yù)先編程的規(guī)定序列和規(guī)定操作的微計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)器(RAM、ROM等)。設(shè)置在二次電池10上的傳感器組30、32、34檢測(cè)的值被輸入到E⑶50。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，遵循圖2的功能框圖，通過(guò)根據(jù)二次電池10的狀態(tài)有選擇地在多個(gè)SOC推定過(guò)程中進(jìn)行切換，SOC推定單元60推定S0C。
參照?qǐng)D2，SOC推定單元60包含SOC推定塊100、110、120以及在SOC推定塊100-120之間切換選擇的選擇切換單元130。根據(jù)二次電池10的輸入狀態(tài)量，SOC推定塊100-120通過(guò)不同的過(guò)程推定S0C。由選擇切換單元130指定的SOC推定塊100-120中的一個(gè)的輸出被輸出為SOC推定單元60的推定的剩余容量(SOC)。
在下文中，將要依次介紹相應(yīng)的SOC推定塊100-120的SOC推定過(guò)程。
SOC推定塊100具有圖(map) 102，其存儲(chǔ)預(yù)先測(cè)量的二次電池10的開(kāi)路電壓OCV和SOC (%)的特征關(guān)系，并通過(guò)將電池電壓Vb——其為二次電池10的端子之間的電壓——視為開(kāi)路電壓OCV參照?qǐng)D102來(lái)推定二次電池10的S0C。
當(dāng)電池電流Ib屬于圖3所示的穩(wěn)定電流范圍105中且保持連續(xù)至少達(dá)如圖4所示的電壓穩(wěn)定化時(shí)間段Ts時(shí)(下面稱為穩(wěn)定狀態(tài))，選擇切換單元130選擇SOC推定塊100。
參照?qǐng)D3，穩(wěn)定電流范圍105被定義為電池電流Ib|〈|ljd的范圍，其中，Ijd為根據(jù)電池溫度Tb設(shè)置的限制電流。當(dāng)電池溫度相對(duì)增大時(shí)，限制電流Iijdl被設(shè)置得較大，并在電池溫度Tb相對(duì)減小時(shí)被設(shè)置得較小。
這反映了這樣的事實(shí):二次電池10的內(nèi)阻rb具有溫度依賴性，并在高溫范圍具有低的電阻、在低溫范圍具有高電阻，如圖5所示。具體而言，如圖3所示，根據(jù)內(nèi)阻rb的溫度依賴性，隨著電池溫度Tb上升，限制電流Iljdl被設(shè)置得相對(duì)較大，隨著電池溫度相對(duì)降低，限制電流I Ijdl被設(shè)置得相對(duì)較小，由此，內(nèi)阻rb與電流限制值I Ijd|的乘積可近似保持為恒定(恒定電壓)。恒定電壓與通過(guò)使用圖102將可容忍的SOC推定誤差轉(zhuǎn)換為開(kāi)路電壓OCV獲得的電壓對(duì)應(yīng)地設(shè)置。
因此，在穩(wěn)定電流范圍105中，可以考慮內(nèi)阻的電壓變化rb.Ib為恒定量或更小。因此，在穩(wěn)定電流范圍105之內(nèi)，SOC推定誤差可被約束在可由限制電流Iljdl的設(shè)置把握的規(guī)定范圍(可容忍誤差范圍)內(nèi)，即使是在將電池電壓Vb視為開(kāi)路電壓OCV執(zhí)行基于圖102的SOC推定的時(shí)候。
另外，如圖6所示，跟隨電池電流Ib變化的電池電壓Vb變化具有規(guī)定的延遲，電池電壓Vb在被稱為緩和時(shí)間的規(guī)定時(shí)間段過(guò)去后穩(wěn)定。已經(jīng)知道，緩和時(shí)間具有溫度依賴性。具體而言，如圖6所示，隨著電池溫度Tb達(dá)到相對(duì)較高的溫度區(qū)域(Tl — T2 — T3)，緩和時(shí)間變得較短，如果其達(dá)到相對(duì)較低的溫度區(qū)域(T3 — T2 — Tl)，緩和時(shí)間變得較長(zhǎng)。
根據(jù)如上所述的緩和時(shí)間的溫度依賴性，電池穩(wěn)定化時(shí)間段Tst隨著電池溫度Tb上升而設(shè)置得相對(duì)較短，并隨著電池溫度Tb相對(duì)降低而被設(shè)置得相對(duì)較長(zhǎng)。因此，如果電池電流Ib持續(xù)至少達(dá)電壓穩(wěn)定化時(shí)間段Tst，該時(shí)間點(diǎn)上的電池電壓Vb可被視為具有不變的穩(wěn)定值。
因此，在電池電流Ib屬于穩(wěn)定電流范圍105 (圖3)的穩(wěn)定狀態(tài)內(nèi)并保持達(dá)電壓穩(wěn)定化時(shí)間段Tst (圖4)或更長(zhǎng)時(shí)，可以將SOC推定誤差保持在可容忍的范圍內(nèi)，即使使用將電池電壓Vb視為開(kāi)路電壓OCV的簡(jiǎn)單推定過(guò)程(S0C推定塊100)。
再度參照?qǐng)D2，SOC推定塊110通過(guò)將SOC變化量Λ SOC加到上次計(jì)算得到的SOC值來(lái)逐次推定二次電池10的S0C，其中，SOC變化量Λ SOC為電流傳感器32檢測(cè)到的電池電流Ib的積分值Σ Ib。
在基于電流積分的SOC推定中，可以以高的準(zhǔn)確度推定短時(shí)間段內(nèi)的SOC變化量。然而，如果SOC推定持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間段，由于電流傳感器32的測(cè)量誤差(特別是偏移)，類似偏置(bias-like)的誤差可能在SOC推定中產(chǎn)生。因此，必要不長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行基于電流積分的連續(xù)SOC推定。
如同將在下面介紹的那樣，通過(guò)將由傳感器檢測(cè)的二次電池10的狀態(tài)量用作輸入變量基于預(yù)先形成的電池模型的在線推定，SOC推定塊120推定二次電池10的S0C。下面介紹的電池模型表達(dá)式僅僅是一個(gè)舉例，SOC推定塊120可使用任何電池模型，假設(shè)該電池模型被配置為允許將二次電池10的狀態(tài)量(Tb、Vb、Ib等)用作輸入變量計(jì)算開(kāi)路電壓和/或SOCo
在本實(shí)施例中，如圖7所示，SOC推定塊120將二次電池10的狀態(tài)量(Tb，Vb, Ib)用作輸入變量推定二次電池10的內(nèi)阻的電壓變化AV，并推定在該時(shí)間點(diǎn)上的開(kāi)路電壓(OCV=Vb-AV)0另外，其使用推定的開(kāi)路電壓(圖7的Va、Vb)，基于類似于圖102的開(kāi)路SOC特性推定二次電池10的S0C。
參照?qǐng)D8，SOC推定塊120中使用的等效電路模型150為RC串聯(lián)-并聯(lián)電路模型，其用于計(jì)算開(kāi)路電壓OCV與電池電壓Vb之間的電壓差Λ V=Vb-0CV。在等效電路模型150中，Rs表示電解質(zhì)電阻，C1-C3表示電氣雙層電容，R1-R3表示反應(yīng)電阻。
作為電解質(zhì)電阻的DC電阻分量的電阻Rs具有溫度依賴性。因此，優(yōu)選為構(gòu)造將電池溫度Tb作為參數(shù)尋找電解質(zhì)電阻Rs的圖(未示出)，以便逐次尋找電解質(zhì)電阻Rs。
類似地，反應(yīng)電阻Rl與R3也具有溫度依賴性和SOC依賴性。因此，優(yōu)選為，預(yù)先構(gòu)造將在該時(shí)間點(diǎn)上的推定SOC值和電池溫度Tb作為參數(shù)的二維圖(未示出)，并通過(guò)參照該圖來(lái)尋找反應(yīng)電阻R1-R3。類似地，電氣雙層電容C1-C3也具有溫度依賴性和SOC依賴性。因此，優(yōu)選為，預(yù)先構(gòu)造將該時(shí)間點(diǎn)上的推定SOC值和電池溫度Tb作為參數(shù)的二維圖(未示出)，并通過(guò)參照該圖來(lái)尋找電氣雙層電容C1-C3。
等效電路模型150中的電氣雙層電容C1-C3和反應(yīng)電阻R1-R3可預(yù)先通過(guò)作為評(píng)估二次電池的一般過(guò)程的、對(duì)AC阻抗響應(yīng)的測(cè)量來(lái)尋找。在AC阻抗測(cè)量中，不同頻率的AC信號(hào)如圖9所示地輸入，繪制阻抗的實(shí)軸分量ReZ和虛軸分量ImZ。由結(jié)果得到的繪制波形，可獲得作為AC電路常數(shù)的反應(yīng)電阻R1-R3和電氣雙層電容C1-C3。
在圖8所示的等效電路模型150中，下面的公式(I)成立。
ΔV=Ib.Rs+ ΔVl+ ΔV2+ ΔV3 (I)
RC并聯(lián)電路中的電壓變化AV1、AV2、ΛV3可通過(guò)下面的方法來(lái)模擬。
在RC并聯(lián)電路中的電流I (對(duì)應(yīng)于等效電路模型150中的電池電流Ib)與電壓V(一般表不Δ Vl-Δ V3)間,存在用下面的公式(2)表不的關(guān)系,其中，R表不電阻值(一般表示R1-R3)，C表示電容器電容(一般表示C1-C3)。
權(quán)利要求
1.一種用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，所述二次電池具有能夠檢測(cè)輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測(cè)器，所述裝置包含: 第一推定裝置，其用于通過(guò)基于所述輸入/輸出電流的積分值計(jì)算所述剩余容量的變化量來(lái)推定所述二次電池的剩余容量； 第二推定裝置，其用于基于將所述輸入/輸出電流、所述輸出電壓以及所述電池溫度用作輸入變量的電池模型來(lái)推定所述二次電池的剩余容量； 計(jì)時(shí)器裝置，其用于測(cè)量由所述第一推定裝置進(jìn)行的剩余容量推定的連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間；以及 選擇裝置，其用于基于所述輸入/輸出電流是否在允許使用所述電池模型的規(guī)定范圍內(nèi)的判斷以及基于由所述計(jì)時(shí)器裝置獲得的所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間來(lái)選擇用于推定所述剩余容量的所述第一與第二推定裝置中的一個(gè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，其中， 所述選擇裝置通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間在第一限制時(shí)間段內(nèi)時(shí)選擇所述第一推定裝置來(lái)推定所述剩余容量，并通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)所述第一限制時(shí)間段且所述輸入/輸出電流在允許使用所述電池模型的所述規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)選擇所述第二推定裝置來(lái)推定所述剩余容量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，其中， 當(dāng)所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)長(zhǎng)于所述第一限制時(shí)間段的第二限制時(shí)間段時(shí)，無(wú)論所述輸入/輸出電流如何，所述選擇裝置通過(guò)選擇所述第二推定裝置來(lái)推定所述剩余容量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，其中， 當(dāng)所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí) 間超過(guò)所述第一限制時(shí)間段且所述輸入/輸出電流在允許使用所述電池模型的所述規(guī)定范圍外時(shí)，所述選擇裝置通過(guò)選擇所述第一推定裝置來(lái)推定所述剩余容量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)的用于推定二次電池充電狀態(tài)的裝置，其中， 所述二次電池為鋰離子電池。
6.一種推定二次電池充電狀態(tài)的方法，所述二次電池具有能夠檢測(cè)輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測(cè)器，所述方法包含: 第一推定步驟，其通過(guò)基于所述輸入/輸出電流的積分值計(jì)算所述剩余容量的變化量來(lái)推定所述二次電池的剩余容量； 第二推定步驟，其基于將所述輸入/輸出電流、所述輸出電壓以及所述電池溫度用作輸入變量的電池模型推定所述二次電池的剩余容量； 時(shí)間測(cè)量步驟，其測(cè)量由所述第一推定步驟進(jìn)行的剩余容量推定的連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間；以及 選擇步驟，其基于所述輸入/輸出電流是否在允許使用所述電池模型的規(guī)定范圍內(nèi)的判斷以及基于由所述時(shí)間測(cè)量步驟獲得的所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間來(lái)選擇推定所述剩余容量的所述第一與第二推定步驟中的一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的推定二次電池充電狀態(tài)的方法，其中， 在所述選擇步驟中，通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間在第一限制時(shí)間段內(nèi)時(shí)選擇所述第一推定步驟來(lái)推定所述剩余容量，并通過(guò)在所述連續(xù)執(zhí)行持續(xù)時(shí)間超過(guò)所述第一限制時(shí)間段且所述輸入/輸出電流在允許使用所述電池模型的所述規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)選擇所述第二推定步驟來(lái)推定所述剩余容量。
8.根據(jù)權(quán)利要求6-7中任意一項(xiàng)的推定二次電池充電狀態(tài)的方法，其中， 所述二次電池為鋰離子電池。`
全文摘要
本發(fā)明涉及二次電池的充電狀態(tài)推定裝置與充電狀態(tài)推定方法。當(dāng)電池電流(Ib)不大于依賴于電池溫度(Tb)設(shè)置的限制電流(|Ijd|)且連續(xù)流動(dòng)依賴于電池溫度(Tb)設(shè)置的預(yù)定時(shí)間或更長(zhǎng)時(shí)，做出二次電池(10)處于穩(wěn)定狀態(tài)的決定。當(dāng)二次電池(10)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電池電壓(Vb)被考慮為等于開(kāi)路電壓(OCV)，SOC推定基于開(kāi)路電壓-SOC特性來(lái)進(jìn)行。通過(guò)設(shè)置與內(nèi)阻溫度依賴性相關(guān)聯(lián)的限制電流(|Ijd|)，當(dāng)使得二次電池的內(nèi)阻與限制電流(|Ijd|)的乘積基本恒定(恒定電壓)時(shí)，在穩(wěn)定狀態(tài)下，推定誤差可被保持在預(yù)定范圍內(nèi)，即使SOC推定在將電池電壓(Vb)被假設(shè)為開(kāi)路電壓(OCV)時(shí)進(jìn)行。因此，SOC可在穩(wěn)定狀態(tài)下通過(guò)簡(jiǎn)單且可靠的系統(tǒng)用預(yù)定誤差范圍內(nèi)的高精度推定。
文檔編號(hào)G01R31/36GK103163474SQ201310037528
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者土屋憲司 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社