專利名稱：組電池容量控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種組電池容量控制系統(tǒng)和一種組電池容量控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，已出現(xiàn)了其上安裝有作為驅(qū)動電源的組電池的電動車(electrical vehicle)和混合動力車(hybrid vehicle)的研發(fā)，其中該組電池由串聯(lián)的一組單電池(simplex cell)組成。該組電池具有組電池容量控制系統(tǒng)，用于其容量調(diào)整以防止單個電池的過度充電和過度放電。
日本特開公報No.2004-31012提出了一種組電池容量控制系統(tǒng)，其檢測各個電池的SOC(state of charge，充電狀態(tài))、確定全部電池的平均SOC、判斷該平均SOC是否位于特定的電池開路電壓Vo對SOC的特性曲線具有大于規(guī)定值的斜率(ΔVo/ΔSOC)的SOC范圍內(nèi)。如果平均SOC位于該SOC范圍內(nèi)，則根據(jù)被確定為各個電池的容量控制條件的SOC控制時間和放電容量來對組電池的單個電池進行SOC控制。

發(fā)明內(nèi)容
然而，對于進行SOC控制的電池數(shù)目增加的組電池，由于自熱放電電阻器導致的散熱量增加，從而，對于高密集致密ECU(electric control unit，電子控制單元)，鑒于目標瞄準包括控制器在內(nèi)的最小化的組電池的當前動向，散熱不容忽視，從而需要諸如通過增加冷卻效用或額外的冷卻工具來加強冷卻。
鑒于上述問題提出了本發(fā)明。因而本發(fā)明的目的是提供一種組電池容量控制系統(tǒng)和組電池容量控制方法，每個在組電池的容量調(diào)整中都適于減少散熱量以允許降低諸如冷卻的成本，以及適于在欲小型化的相關(guān)聯(lián)的電路的布置上增加致密性。
為了實現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種組電池容量控制系統(tǒng)，其包括控制器，其被配置來以散熱方式個別地控制電池集合的第一子集的電池容量；推算器，其被配置來推算電池集合的散熱程度；以及中斷器，其被配置來中斷對依賴于所推算的散熱程度而確定的屬于電池第一子集的第二子集的電池容量的控制。
為了實現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種組電池容量控制方法，該方法包括以散熱方式個別地控制電池集合的第一子集的電池容量；推算電池集合的散熱程度；中斷對依賴于所推算的散熱程度而確定的屬于電池第一子集的第二子集的電池容量的控制。


從下面的詳細說明并且當結(jié)合附圖來閱讀該詳細說明時，本發(fā)明的上述和其他目的以及新穎性特征將更清楚，在所述附圖中圖1是包括包含組電池的車輛系統(tǒng)、和電池控制單元的電動車控制系統(tǒng)的框圖；圖2是電池控制單元的容量控制器的框圖；圖3是用于組電池的SOC推算的流程圖；圖4是電池組(battery)電壓對SOC的特性曲線圖；圖5是用于電池SOC控制和控制中斷的流程圖；圖6是電池電壓的分布圖；以及圖7是電池減少數(shù)目的圖；具體實施方式
下面將描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其應(yīng)用于電動車(EV)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)用于控制就“串聯(lián)單電池組”(下文稱其為“組電池(cell set)”或“電池組(battery)”)的充電狀態(tài)(State of charge，SOC)而言的容量，為使說明易于理解，現(xiàn)在假設(shè)該組電池作為EV的電池組，但是該組電池也可以是用于混合動力車、發(fā)動機驅(qū)動(engine-driven)車或者可應(yīng)用范圍內(nèi)的任何其它裝置的電池組。
(EV控制系統(tǒng)ECS)圖1以框圖形式示出了EV控制系統(tǒng)ECS的整體，對于組電池10該EV控制系統(tǒng)ECS包括適合對組電池10進行充電-放電控制的電池控制單元20和車輛系統(tǒng)30，該車輛系統(tǒng)30覆蓋了為使EV行駛所必須的各種控制。在圖1的圖中，實線(除了方框外)表示的是強電流或弱電流線，虛線(broken line)是信號線，點線(dotted line)是相關(guān)聯(lián)的基板(substrate)、封裝(package)或空間的邊界。
組電池10具有總數(shù)為J(J規(guī)定的整數(shù))的蓄電池(secondary cell)Cj(j從1到J的任意整數(shù))，這些蓄電池Cj串聯(lián)連接并且被封在封裝11(在圖11中用組電池10四側(cè)的點線來限定)中。
將電池控制單元20配置為由微機(microcomputer)組成的ECU(electroniccontrol unit，電子控制單元)，因此包括下述必要組件電池電壓檢測器21，用于檢測組電池10的各個電池Cj(j＝1到J)上的電壓Vj(j＝1到J，參見圖2)；散熱容量控制器22，用于控制任意電池Cj的充電容量(下文中有時稱其為SOCj，j＝1到J)，從而J個電池Cj具有可能的平衡容量SOCj；CPU(中央處理單元)23，用于單元20的總體控制；以及存儲器(或存儲器組)24，用于存儲為單元20的總體控制所必需的程序和數(shù)據(jù)。
控制單元20具有作為單片基板(monolithic substrate)25的電路板(在圖1中由該單元20四側(cè)的點線限定)，其上以空間密集條件(spatially densecondition)建構(gòu)和安裝了單元組件(內(nèi)含檢測器21、控制器22、CPU 23、存儲器24)，從而它們(單元組件和基板)從控制器22接收消散的熱量。單元20的基板25位于組電池10的封裝11的熱交互臨近區(qū)(thermally interactive vicinity)內(nèi)，反之亦然。
如圖2所示，經(jīng)由容量控制器22將電池電壓檢測器21與組電池10的J個電池Cj電連接，從而可由檢測器21個別地檢測電流周期(current cycle)中該J個電池Cj的開路電壓Vj。將檢測到的電壓Vj順序取樣以讀到CPU 23中，在CPU 23中，處理它們的數(shù)據(jù)以將它們的數(shù)據(jù)作為電壓代表性數(shù)據(jù)存儲在存儲器24中。
配置容量控制器22以在CPU 23的控制下使得所選擇的電池Cj放電以便由此抑制作為整體的J個電池Cj之間的容量變化，從而以容量變化校正方式或者以容量平衡方式在它們(Cj)之間實現(xiàn)容量調(diào)整，稍后將對此進行詳細描述。
CPU 23從電池電壓檢測器21讀取J個電池Cj的電壓數(shù)據(jù)，并且處理它們以校驗在組電池10中J個電池的電壓Vj是如何分布的(參見圖6)，以便在指定參考容量的每次充電和放電之后檢查相對于車輛系統(tǒng)30的(空載)啟動的初始條件而言電壓Vj的分布中的變化。然后，基于此校驗結(jié)果，CPU 23向容量控制器22輸出容量控制命令，該容量控制命令指示進行適當?shù)娜萘空{(diào)整的必要條件。車輛系統(tǒng)30可以進入空閑(off)狀態(tài)，基于該空閑狀態(tài)，當CPU23將對于每個電池Cj的剩余容量控制條件存儲在存儲器24中時控制容量控制器22來中斷對組電池10的容量調(diào)整。容量控制條件包括電池Cj的放電容量及其容量控制周期(放電時間)。
存儲器24可以是適于存儲從CPU 23提供的各種數(shù)據(jù)的RAM(隨機訪問存儲器)和非易失存儲器。由來自CPU 23的請求可以讀取所存儲的數(shù)據(jù)。
如下配置車輛系統(tǒng)30為了檢測組電池10的工作狀況，具有電流傳感器31，用于檢測流向或者來自組電池10的充電或放電電流Is(此后有時統(tǒng)稱其為“組電池電流”或“電池組電流”)，因為該電流是通過連接到組電池10的強電流電路HC傳導的再生(regenerative)或累積的電能的流動，電壓傳感器32，用于檢測組電池10上的組電池端電壓(此后有時稱其為“電池組電壓”)Vs，以及溫度傳感器33，用于檢測組電池溫度(此后有時稱其為“電池組溫度”)Ts作為組電池10的代表溫度；為了驅(qū)動EV，具有驅(qū)動電動機34，用于產(chǎn)生EV的驅(qū)動動力以及用于提供再生的動力給組電池10，輔助系統(tǒng)35，作為配備給EV的輔助器械和工具的整體并提供有來自組電池10的動力，以及一對主繼電器36a、36b，用于接通和斷開經(jīng)由組電池10與驅(qū)動電動機34和輔助系統(tǒng)35的并行組合之間的強電流電路HC的電源；以及為了控制EV，具有車輛系統(tǒng)CPU 37，其與所包含的電池控制單元20的CPU 23一起管理車輛系統(tǒng)30的整體，告警燈38，用于向EV的駕駛員或乘客發(fā)出警告，
作為備用電源的輔助電池39，用于依據(jù)相關(guān)聯(lián)的電源開關(guān)(SW)41的狀態(tài)為CPU 23和CPU 37提供輔助動力，以及鍵控開關(guān)40，用于產(chǎn)生鍵控信號以控制來自輔助電池39的電源。
溫度傳感器33通過檢測組電池溫度(或電池組溫度)Ts(Ts被采樣以讀到CPU 23中)用于在組電池10放電時監(jiān)控熱量的產(chǎn)生。
電流傳感器31檢測從為驅(qū)動電動機34和輔助系統(tǒng)35的并行組合提供電源的組電池10放電流出的電流量，作為組電池電流(或電池組電流)Is，Is被采樣以讀到CPU 23中。電壓傳感器32在從組電池10向驅(qū)動電動機34和輔助系統(tǒng)35的并行組合提供電力時檢測在組電池10的正極電極10a和負極電極10b之間產(chǎn)生的電勢差來作為組電池電壓(或電池組電壓)Vs，Vs被采樣以讀到CPU 23中。
成對的主繼電器36a、36b分別被安裝在使組電池10與驅(qū)動電動機34、輔助系統(tǒng)35兩者的并行組合互相連接的強電流電路HC的火線和地線上，并且由來自CPU 23的命令來同步操縱，以對在組電池10與驅(qū)動電動機34、輔助系統(tǒng)兩者的并聯(lián)之間的電流傳導進行開關(guān)控制。
驅(qū)動電動機34在EV被加電以行駛時用作驅(qū)動電源，以通過消耗組電池10中所積累的電能來為EV提供驅(qū)動動力。在EV加電后行駛期間，打開主繼電器36a、36b，由此將dc(直流電)動力從電池組10提供給驅(qū)動電動機34、輔助系統(tǒng)35兩者的并行組合，其中通過沒有示出的換流器(inverter)將該直流電動力轉(zhuǎn)變成ac(交流電)動力以供給驅(qū)動電動機34。在EV再生條件下諸如在減速中或者當駛下山坡時，驅(qū)動電動機34再生ac動力，該ac動力被轉(zhuǎn)換成dc動力并且經(jīng)由主繼電器36a、36b被充到組電池10中。
輔助系統(tǒng)35包括利用從組電池10提供的電力來運轉(zhuǎn)的空調(diào)、燈、刮水器等等。
車輛系統(tǒng)CPU 37適于控制驅(qū)動電動機34以控制EV的行駛以及控制輔助系統(tǒng)35以控制輔助器械和工具的操作。然后CPU 37計算驅(qū)動電動機34和輔助系統(tǒng)35處各自所需的電量。然后，通過與CPU 23通信，即CPU 37控制該CPU 23來操縱主繼電器36a、36b，從而為驅(qū)動電動機34和輔助系統(tǒng)35兩者的并行組合提供必要的電量。
告警燈38由CPU 37控制來發(fā)光或閃爍以在車輛系統(tǒng)30出麻煩時向EV的駕駛員或乘客發(fā)出警告。
輔助電池39適于用作備用電源，用于根據(jù)鍵控開關(guān)40產(chǎn)生的鍵控信號來驅(qū)動CPU 23和CPU 37。即，為輔助電池39提供了電源開關(guān)41，電源開關(guān)在駕駛員和乘客操縱鍵控開關(guān)40時打開，從而輔助電池39進入導通狀態(tài)以提供電力來驅(qū)動CPU 23和CPU 37，用于EV啟動。
(容量控制器22)圖2以框圖形式示出了容量控制器22的配置。如圖2所示，容量控制器22配置有總數(shù)為J的級聯(lián)容量控制電路Dj(j＝1到J)，其中第j個并行連接到組電池10的串聯(lián)的J個電池Cj中的第j個電池Cj。第j個容量控制電路Dj被配置為放電電阻器Rj和控制開關(guān)SWj的串聯(lián)，并且具有用于檢測控制開關(guān)SWj上的電壓Vmj(j＝1到J)的開關(guān)監(jiān)控電壓傳感器Vcj以監(jiān)控開關(guān)SWj的工作狀況。
通過從CPU 23控制開關(guān)SWj，由電阻器Rj和開關(guān)SWj組成的第j個容量控制電路Dj適于用來經(jīng)由電阻器Rj釋放為組電池10的容量調(diào)整所需的相應(yīng)的電池Cj的充電電能量以控制SOCj?？刂崎_關(guān)SWj用作對電池Cj的放電和其中斷進行切換的開關(guān)，并且可以是半導體開關(guān)元件，諸如TFT(Thin-FilmTransistor，薄膜晶體管)或FET(Field Effect Transistor，場效應(yīng)晶體管)或繼電器，如果可適用的話。
為了對組電池10進行容量調(diào)整，CPU 23輸出接通命令(on-command)以控制與被選擇作為受SOC控制的對象的那些電池Cj并聯(lián)的開關(guān)SWj，以便接通開關(guān)SWj，即使開關(guān)導通，由此使得在要受SOC控制的每個對象電池Cj中到那時為止的充電電能經(jīng)由導通的控制開關(guān)SWj流出，并作為流過放電電阻器Rj并在其中被消耗的受限電流，從而對象電池Cj使得它的SOCj放電從而減少與所消耗的電能量相當?shù)谋壤?br> CPU 23控制該控制開關(guān)SWj接通(導通)和斷開(開路)，從而通過調(diào)節(jié)負載期(duty period)(即，加載時間)與負載周期(duty cycle)(即，加載時間+空載時間)的比率來進行負載控制(即，加載時間控制)。用于負載控制的負載比率(dutyratrio)取決于用于對象電池Cj的SOC控制的可用放電時間和待放電的容量。
如上所述，在電池控制單元20中，通過引導為組電池10的容量調(diào)整所需要的SOC控制電流流過相關(guān)聯(lián)的放電電阻器Rj，CPU 23適用于來獲得SOC控制的對象電池Cj的容量平衡。與SOC控制一起，CPU 23監(jiān)控控制開關(guān)SWj的工作狀況以核實對象電池Cj的SOC控制的平衡。對于每個電池Cj或每個對象電池Cj，控制電壓傳感器Vcj以檢測控制開關(guān)SWj上的電壓Vmj，并且對結(jié)果的數(shù)據(jù)進行采樣以讀到CPU 23中。
更具體地，在容量控制器22中，在每個容量控制電路Dj處，控制開關(guān)SWj由晶體管組成，該晶體管的集電極和發(fā)射極連接到電壓傳感器Vcj，從而檢測晶體管的發(fā)射極到集電極的電壓作為電壓Vmj。當晶體管斷開時，發(fā)射極到集電極的電壓Vmj被保持到電池Cj上的端電壓Vj，而當晶體管被CPU23導通時，發(fā)射極到集電極的電壓下降到近似零，即0[V]。這樣CPU 23適于從電壓傳感器Vcj檢測到的電壓Vmj來核實晶體管的工作狀況，即相關(guān)聯(lián)的對象電池Cj的SOC控制狀態(tài)。
這樣，容量控制器22適于對組電池10的J個電池Cj進行個別地SOC控制，從而允許防止任何電池Cj處的過度充電或放電，否則該任何電池Cj處的過度充電或放電可能導致組電池10容量的不適當使用。
EV控制系統(tǒng)ECS可以僅僅具有電池電壓檢測器21或用于組電池10的電壓檢測的組電池電壓傳感器32。為覆蓋這種情況，存儲器24之中存儲了Vb(電池組電壓)_SOC(充電狀態(tài)中的容量)特性表，從而CPU 23可以參考該特性表來確定電池組或組電池的SOC，其中，該特性表代表電池組或組電池10的SOC[％]和電池組或組電池開路電壓Vb[V]之間的關(guān)系，該電池組或組電池開路電壓定義如下由電池電壓檢測器21檢測的J個電池開路電壓Vj的總和(∑Vj)；或者由電壓傳感器32檢測到的組電池端電壓Vs。通過直接檢測組電池開路電壓Vb來給出組電池電壓Vs。將對利用電池電壓Vj推算組電池SOC進行描述。
(通過電池電壓Vj推算組電池SOC)圖3以流程圖形式示出了CPU 23檢測J個電池Cj的開路電壓Vj并且推算組電池10的SOC的程序控制過程。
在步驟S1，在操縱鍵控開關(guān)40接通的條件下，接通輔助電源開關(guān)41以從輔助電池39提供電力，由此包括車輛系統(tǒng)30和電池控制單元20在內(nèi)的EV控制系統(tǒng)ECS啟動，從而CPU 23進入隨后的步驟S2。
在步驟S2，在接通主繼電器36a、36b之前，CPU 23控制電池電壓檢測器21檢測J個電池Cj的開路電壓Vj，并且計算檢測到的電壓Vj的總和作為組電池開路電壓Vb。
在隨后的步驟S3，基于在步驟S2中計算得到的電壓Vb，CPU 23進入組電池SOC的推算的階段。換言之，通過將步驟S2中的Vb(＝∑Vj)與從存儲器24讀取的Vb-SOC特性表進行匹配，CPU 23確定組電池10的SOC作為推算的初始值。該表是作為組電池10的Vb[V]對SOC[％]特性曲線的映射而準備的。
圖4圖示了對于由一組串聯(lián)的J個鋰離子蓄電池(Cj)組成的電池組(10)的典型的Vb對SOC的特性曲線。如圖4所示，組電池開路電壓Vb依賴于組電池SOC而變化，且對于約在30％以下的低組電池SOC范圍以及對于約超過95％的高組電池SOC范圍具有增加的斜率，而對于從約30％到約95％的中等組電池SOC范圍具有減少的斜率。
在隨后的步驟S4，CPU 23控制電池電壓檢測器21來檢測J個電池Cj的開路電壓Vj，并且控制電流傳感器31來檢測組電池10的放電電流Is?；跈z測到的電壓Vj和電流Is的相關(guān)性，CPU 23計算組電池10的開路電壓Vb作為J個電壓Vj的總和，并將開路電壓Vb與Vb-SOC特性表進行匹配。
然后，在步驟S5，基于步驟S4中的匹配結(jié)果，CPU 23更新組電池SOC的值。
在判定步驟S6，類似于步驟S1中那樣，CPU 23做出是否關(guān)閉EV控制系統(tǒng)ECS或車輛系統(tǒng)30的判斷。如果關(guān)閉該系統(tǒng)(即Yes)，則控制流程前進到終止步驟。否則不關(guān)閉(即No)，則流程前進到步驟S4以從該處重復步驟。
在EV控制系統(tǒng)ECS中，即使驅(qū)動電動機34或輔助系統(tǒng)35在使用中以及在容量調(diào)整期間，也作為循環(huán)重復步驟S4到S6，由此在每個控制循環(huán)更新組電池SOC。
(電池Cj的SOC控制)作為圖3的并行過程，圖5以流程圖形式示出了CPU 23執(zhí)行組電池10的容量調(diào)整的程序控制過程。
通過在CPU 23的控制下平衡電池Cj的SOC，即通過控制電池Cj的放電從而減少或者最小化電池Cj之間的SOC變化(或者分散度)，沿著圖5的控制流程實現(xiàn)對組電池10的容量調(diào)整。如果電池控制單元20的基板25具有超過閾值(規(guī)定的外表溫度Tα)的溫度(在本實施例中是表面或外表溫度To)，則中斷對于屬于電池集合(10)Cj的SOC變化(或分散度)較小的子集的SOC控制，由此減少從相關(guān)聯(lián)的放電電阻器Rj的熱量消散。
首先，在步驟S11，利用從輔助電池39提供的電力，如步驟S1那樣啟動EV控制系統(tǒng)ECS。
然后，在步驟S12，依賴于在電流循環(huán)中由溫度傳感器33檢測到的組電池溫度Ts，將電池控制單元20的基板25的外表溫度To確定為它的初始值。
請注意，基板25用作電池控制單元20的底部，其上安裝了電池電壓檢測器21、容量控制器22、CPU 23、存儲器24，并且具有通過輻射、對流、熱傳導、或熱傳遞的很高的散熱趨勢。在組電池10的封裝11的熱交互臨近區(qū)內(nèi)布置基板25，從而CPU 23可以根據(jù)由溫度傳感器33檢測到的組電池10的溫度(Ts)來確定基板25的溫度(To)，而不需要將另一溫度傳感器安裝在基板25的表面上。這樣CPU 23適于用作檢測器，用于依賴于組電池10的封裝11的大氣溫度(或內(nèi)表溫度或外表溫度)Ts檢測(通過計算)諸如關(guān)于CPU 23的基板25的外表溫度To。CPU 23可以通過下述步驟來確定基板25的外表溫度To從溫度傳感器33檢測到的溫度Ts中減去諸如由于基板25的傳熱系數(shù)而確定的指定值；采用諸如經(jīng)驗數(shù)據(jù)的映射表，該映射表描述組電池10或封裝11的代表溫度Ts和基板25的代表溫度To之間的關(guān)系；或者使用數(shù)值算式。
在隨后的步驟S13，CPU 23依據(jù)由電池電壓檢測器21檢測到的電池電壓Vj來計算組電池10的電池Cj之間的SOC變化(或者其分散度)。圖6示出了在J個電池Cj中電池電壓Vj相對于控制的目標電壓(在該示例中是V4)的變化dj(j＝1到J)的分散度(dispersion)。在圖6中，橫坐標軸代表電池Cj的標識符j，縱坐標軸代表電池電壓Vj。
給定這樣一組檢測到的電池電壓Vj，CPU 23確認具有最低電壓Vj(j＝4)的電池電壓Cj(j＝4)，并且將其設(shè)置為目標電池Ct(即，將控制目標的標識符“j”設(shè)置為“t”，在本示例中是4)，由此將其SOCt設(shè)置為SOC控制的目標。CPU 23由此適用于識別相對于目標電池Ct(t＝4)電壓差(d5)較小(例如，d5＝V5-V4)的特定電池Cj(例如，在本示例中j＝5)作為相對于目標SOCtSOC變化較小的電池Cj，而識別相對于目標電池Ct(t＝4)電壓差(d1)較大(即，d1＝V5-V4)的特定電池Cj(例如，在本示例中j＝1)作為相對于目標SOCtSOC變化較大的電池Cj。請注意，組電池10可以具有兩個或多個目標電池Ct，因為這些{Ct}具有相等的或者實質(zhì)上相等的電壓Vt。
CPU 23選擇除一個或多個目標電池Ct外的全體電池Cf(f＝1到3，5到J)作為電池{Cj}集合10的第一子集{Cf}(即，{Cf}＝{Cj}-{Ct})，該全體電池Cf是電池SOC控制的對象電池Cf。請注意，如這里所使用的，{}表示其中描述的元素的集合。然后，控制流程前進到隨后的步驟S14以啟動電池SOC控制。
在步驟S14，CPU 23接通對象電池Cf(f＝1到3，5到J)的各自的控制開關(guān)SWf(f＝1到3，5到J)，由此控制這些電池Cf經(jīng)由相應(yīng)的放電電阻器Rf(f＝1到3，5到J)放電，由此它們的電池SOC控制啟動。隨同這些SOC控制一起，電阻器Rf被其中所消耗的電能加熱，使得電池控制單元20的基板25的外表溫度To開始上升。
至此，在判定步驟S15，CPU 23判斷代替基板25的外表溫度To的推算值是否達到規(guī)定的許可上限Tα。如果達到該極限Tα，則控制流程前進到隨后的判定步驟S16，該判定步驟S16是電池Cf的第一子集{Cf}的第二子集{Cs}的SOC控制的稍后將描述的中斷(在步驟S17)的入口，因為第二子集{Cs}的電池Cs具有相對于SOC控制的目標電池Ct的較小的SOC變化。
如果沒有達到該極限Tα，則流程重復步驟S15，從而重復相關(guān)聯(lián)的推算操作。
換言之，在電流推算循環(huán)中，在每個經(jīng)重復的步驟S15，CPU 23都將基板外表溫度To從先前推算的值推算的上升值，作為相關(guān)聯(lián)的放電電阻器Rf(f＝1到3，5到J)的放電電流、放電電阻、放電時間的乘積的和。
更明確地，設(shè)To(n-1)是先前的第(n-1)個推算中的基板外表溫度To的推算值，To(n)是當前第n個推算中的基板外表溫度To的推算值，ΔT是從To(n-1)到To(n)的推算上升值，CPU 23通過表達式(1)推算該上升ΔT，這樣 其中對各個相關(guān)聯(lián)的j(在圖6的情況中為f＝1到3以及5到J)取關(guān)于j的和，k是用于從電能到溫度的轉(zhuǎn)換考慮到相關(guān)聯(lián)的熱量的平衡和電池控制單元20的基板的熱容量而指定的系數(shù)(k＞0)，p、q、r是以適合對象(object-fit)方式指定的可變的冪。
僅對于所涉及到的推算，k可以是經(jīng)驗系數(shù)或者1，p可以是2、1或0，q可以是1或0，r可以是1或0。在特別的情況下(例如，對于電壓變化df的分散度較小的情況)，可以對于代表性的單個f取j。
然后，對于表達式(2)的第n個推算值，有To(n)＝To(n-1)+ΔT ...(2)CPU 23判斷是否滿足表達式(3)的不等式，即To(n)≥Tα ...(3)其中，許可的上限Tα代表到達代替實際基板外表溫度To的推算值To(n)的臨界范圍的過渡區(qū)域的較低端，而臨界范圍以及到其的過渡區(qū)域是考慮到關(guān)于電池控制單元20的冷卻效果的設(shè)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)而預先確定的，從而，在該臨界范圍中，基板25在預期的期間將被加熱到可能給其上的任一組件帶來損害的程度，而該過度區(qū)域具有充足的寬度以確保無故障運行。
在步驟S15，如果不滿足不等式(3)，則重復步驟S15。當滿足不等式(3)時，控制流程前進到步驟S16。
在步驟S15，CPU 23可以對于過渡區(qū)域的中間值(或閾值)Tβ判斷是否滿足不等式(4)，即To(n)＞Tβ ...(4)在這種情況下，如果不滿足不等式(4)則重復步驟S15。當滿足該不等式時，則控制流程前進到步驟S16。
請注意，該推算并不是實際檢測(具有固定的比例)，而是為了判定而虛構(gòu)的操作(是比例自由(scale-free)的至少是比例可變(scale--flexible)的)。因此，在步驟S15，判定可能依賴于用于容量控制的過去的時間(即，放電時間)，這意味著，在表達式(1)中，k＝1、p＝0、q＝0、r＝1，并且對于電池Cj的集合10的第一子集{Cf}的代表性的單個f取j。
例如，CPU 23可以采用表達式(4)，并且由于基板外表溫度To的初始值(在步驟S12確定)較大，作為用于步驟S15處的判定的閾值Tβ，將放電時間設(shè)置得較短。在這種情況下，CPU 23在超過閾值Tβ時做出應(yīng)該已達到確定的許可的上限Tα的判斷。
在步驟S16，CPU 23讀取關(guān)于組電池10的SOC的最近數(shù)據(jù)，這是因為SOC的數(shù)據(jù)是在每個控制周期都由圖3的電荷容量推算過程更新的，并且CPU 23判斷最近的組電池的SOC是否過度了，即是否大于參考值，該參考值可以是90％或接近90％。組電池的SOC的參考值是作為閾值預先設(shè)置的用于判斷來假定組電池10的當前SOC如此高以致如果被供以諸如來自驅(qū)動電動機34的最大量的再生電能則組電池10可能會被過度充電。如上所述，圖3的SOC推算過程是與圖5的SOC調(diào)整過程并行執(zhí)行的，從而在步驟S16讀取的組電池的SOC數(shù)據(jù)被更新為最近的。
基于組電池SOC大于參考值的判斷，CPU 23重復步驟S16，從而對于所有的當前對象電池Cf(即，電池第一子集{Cf})，繼續(xù)SOC控制而不中斷?？紤]這種SOC控制的繼續(xù)以使得作為結(jié)果的放電量來用作防止過度充電的界限。在步驟S14啟動的電池SOC控制包括一定量的放電的能量，由此逐漸減少組電池SOC(而不過度放電)，從而防止過度充電。
但是，基于組電池SOC不大于參考值的判斷，CPU 23進入隨后的步驟S17。
然后，在步驟S17，CPU 23選擇要中斷其SOC控制的那些電池Cs(即，電池第二子集{Cs})，這是因為通過推算電池控制單元20的基板外表溫度To已經(jīng)達到了許可的上限Tα。
為了選擇電池Cs，CPU 23首先計算基板外表溫度To的初始值To(0)與推算中的許可上限Tα之間的溫度差dT(＝Tα-To(0))，以了解中間進行的SOC控制的度或程度如何。
然后，CPU 23通過將溫度差dT與用來描述溫度差dT(作為已進行的SOC控制的程度)與要減少的電池數(shù)目(用于中斷SOC控制)之間關(guān)系的表映射進行匹配，來確定要從作為當前SOC控制對象的電池第一子集{Cf}中削減或減少的電池Cs的數(shù)目(以中斷它們的SOC控制)。
從說明此關(guān)系的圖7可以看出，隨著溫度差dT(即，規(guī)定的Tα-可變的To(0))減少，即，隨著基板外表溫度To的初始值To(0)變高，電池減少數(shù)目增加。根據(jù)如此確定的電池減少數(shù)目，CPU 23順序選擇要減少的電池Cs(作為電池第二子集{Cs}的元素)，優(yōu)先選擇變化較小并且接近目標電池SOCt的電池SOC，接著CPU 23控制相關(guān)聯(lián)的開關(guān)SWs斷開。
通過從SOC控制的對象電池Cf中減少電池Cs，從組電池10的J個放電電阻器Rj的散熱總量也相稱地減少，從而降低了電池控制單元20的基板外表溫度To。
在隨后的步驟S18，CPU 23首先從關(guān)于下述熱平衡的經(jīng)驗數(shù)據(jù)推算基板25的正在下降的外表溫度To應(yīng)該飽和的飽和溫度Ts，所述熱平衡是電池第一子集{Cf}減去電池第二子集{Cs}的差集{Cd}中的剩余電池Cf{下文中稱其為Cd}處產(chǎn)生的熱與電池控制單元20的基板25釋放的熱之間的熱平衡；以及推算從斷開開關(guān)SWs時的電池數(shù)目減少的時刻起計算的基板外表溫度To飽和的飽和時間。
然后，CPU 23判斷是否經(jīng)過了所推算的飽和時間，由此檢查基板外表溫度To是否飽和。當經(jīng)過了飽和時間這么長時間時，CPU 23假定基板外表溫度To飽和了，并且進入步驟S19，在步驟S19中CPU 23停止電池差集{Cd}的SOC控制，從而在控制流程再次前進到步驟S12以進入圖5中流程的下一輪控制循環(huán)之前完全停止了組電池10的SOC控制。
在該步驟S12，在重新進入步驟S13以及后續(xù)等步驟，即重新確定電池集合{Cj}中的目標SOCt、電池第一子集{Cf}、以及定義相對于第一子集的電池差集{Cd}的電池第二子集{Cs}的序列之前，CPU 23將在前一輪控制循環(huán)中的步驟S18處推算得到的飽和溫度Ts設(shè)置作為當前控制循環(huán)中的基板外表溫度To的初始值To(0)。
從所描述的實施例中可見，在EV控制系統(tǒng)ECS的組電池10的SOC調(diào)整中，當推算中達到了電池控制單元20的基板外表溫度To的許可上限Ta時，為了選擇具有相對小SOC變化的組電池10的電池Cs，中斷了它們的SOC控制，由此控制系統(tǒng)ECS成功地減少了從放電電阻器Rj的散熱量。
根據(jù)實施例可見，一種組電池容量控制系統(tǒng)ECS適于控制組電池10的電池Cj的控制電荷容量SOCj，并且包括控制器(作為電池控制單元20的容量控制器22、CPU 23、存儲器24的示例性組合)，被配置來以散熱的方式個別地控制電池集合{Cj}的第一子集{Cf}的電池容量SOCf(通過使用傳導電池第一子集{Cf}中充電后的電能的流動的放電電阻器Rj)；推算器(作為車輛系統(tǒng)30的電流傳感器31、電壓傳感器32、溫度傳感器33與電池控制單元20的電池電壓檢測器21和電壓傳感器Vcj的示例性組合)，被配置來推算電池集合{Cj}的散熱程度(通過使用表達式(1)、(2)、(3)或(4)以及由CPU 23執(zhí)行的步驟S1-S6、S11-S16、S18-S19的組合)；以及中斷器(作為控制開關(guān)SWj和由CPU 23執(zhí)行的步驟S17的示例性組合)，被配置來中斷對電池第一子集{Cf}的依賴于散熱的推算程度而確定的第二子集{Cs}的電池容量SOCs的控制。
(實施例的有利效果)
根據(jù)實施例，設(shè)To(n-1)是先前的第(n-1)個推算中的基板外表溫度To的推算值，To(n)是當前第n個推算中的基板外表溫度To的推算值，ΔT是從To(n-1)到To(n)的推算上升值，CPU 235通過表達式(1)推算該上升ΔT，這樣 其中對各個相關(guān)聯(lián)的j或代表性的單個j取關(guān)于j的和，k是可變的系數(shù)(k＞0)，p、q、r是以適合對象(object-fit)方式指定的可變的冪，從而允許不按比例或者比例可變地廣度應(yīng)用于被提供了需要考慮熱平衡進行SOC調(diào)整的組電池的各種裝置，而不管組電池中各個電池如何連接(串聯(lián)，并聯(lián)，或串并聯(lián))。
根據(jù)實施例，在電池集合{Cj}之中，至少一個具有最小SOCt的電池被選擇作為目標電池Ct，而在電池集合{Cj}的第一子集{Cf}之中，選擇相對于目標電池Ct具有相對小SOC變化的第二子集{Cs}來停止SOC控制，這允許考慮各個電池的電池容量的變化和質(zhì)量下降以及溫度特性來逐個電池(cell-wise)地執(zhí)行組電池{Cj}的適當SOC調(diào)整。
根據(jù)實施例，容量控制器22被配置來當組電池10具有大于參考值的SOC時繼續(xù)電池SOC控制而不中斷，由此允許容量控制功能構(gòu)成用于防止過度的組電池SOC的過度充電防護器。
根據(jù)實施例，隨著基板25的外表溫度To的初始值To(0)變高，來自受容量控制器22的SOC控制的Cf中的用于控制中斷的減少的電池Cs的數(shù)目增加，從而即使初始值To(0)高，也抑制基板外表溫度To防止其在短時間內(nèi)到達許可上限Tα，從而允許考慮到基板外表溫度To來總是控制電池Cf數(shù)目適當。
根據(jù)實施例，根據(jù)在中斷電池Cs的控制之后受SOC控制的剩余電池Cd的數(shù)目來推算基板外表溫度To的飽和溫度Ts，并且一旦在當前的控制循環(huán)中溫度To飽和，則就在下一輪的控制循環(huán)中設(shè)置飽和溫度Ts作為溫度To的初始值To(0)，該溫度To的初始值To(0)是用于新確定目標SOCt和選擇要中斷SOC控制的電池Cs的基礎(chǔ)，從而允許在啟動車輛系統(tǒng)30之后在類似的判定條件下連續(xù)地執(zhí)行組電池SOC調(diào)整。
根據(jù)所描述的實施例(ECS)的一種修改，當電池控制單元20的基板25具有相對于閾值Tβ而言推算中的過度的外表溫度To時，對于SOC變化小的所選擇的電池Cs，中斷它們的SOC控制由此減少在放電電阻器Rj處熱量產(chǎn)生的總量，從而允許與按比例地縮減系統(tǒng)的冷卻性能以及所采用的組件、電路的緊密匹配、緊縮封裝。
根據(jù)實施例的一種修改，當在實際的SOC控制時間期間，經(jīng)過了基于基板外表溫度To的初始值To(0)而推算到的控制時間時，則假定已經(jīng)達到了基板外表溫度To的許可上限Tα，從而在SOC控制期間放電電流基本上不變，這允許從并行電池的數(shù)目計算得到自熱(self-heating)放電電阻器Rj處的散熱量。因此，可以不需一直監(jiān)控電池控制單元20的基板外表溫度To來做出控制判定。
于2004年9月2日提交的日本專利申請2004-255759的內(nèi)容在此引作參考。
雖然使用特定術(shù)語描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是這樣的描述僅用于說明的目的，并且應(yīng)該理解可以進行各種修改和改變而不背離所附權(quán)利要求的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種組電池容量控制系統(tǒng)，包括控制器，其被配置來以散熱方式個別地控制電池集合的第一子集的電池容量；推算器，其被配置來推算電池集合的散熱程度；以及中斷器，其被配置來中斷對依賴于所推算的散熱程度而確定的屬于電池第一子集的第二子集的電池容量的控制。
2.如權(quán)利要求1所述的組電池容量控制系統(tǒng)，其中所述控制器包括被配置來控制電池集合的電池容量的控制元件集合和被配置來安裝該控制元件集合的基板，所述推算器被配置來依據(jù)基板溫度的升高來推算散熱程度，以及所述中斷器適用于，對于溫度的升高超過其閾值的情況，中斷對電池第二子集的電池容量的控制，因為電池第二子集在電池第一子集中具有相對小的電池容量。
3.如權(quán)利要求2所述的組電池容量控制系統(tǒng)，其中所述控制器適用于隨著基板溫度具有較高的初始值而使得電池第二子集在電池數(shù)目上增加。
4.如權(quán)利要求2所述的組電池容量控制系統(tǒng)，其中所述控制器適用于對于電池集合的容量超過閾值的情況使得電池第二子集等同于電池第一子集。
5.如權(quán)利要求2所述的組電池容量控制系統(tǒng)，其中所述推算器被配置來根據(jù)經(jīng)過了的時間來推算溫度的升高，以及所述中斷器適用于對于經(jīng)過了的時間超過閾值的情況假定溫度的升高超過了其閾值。
6.如權(quán)利要求2所述的組電池容量控制系統(tǒng)，其中所述電池集合包括串聯(lián)的蓄電池集合，所述控制元件集合包括以逐個電池方式連接到蓄電池集合的放電電路集合，以及所述中斷器包括安裝在該放電電路集合中的開關(guān)集合。
7.如權(quán)利要求2所述的組電池容量控制系統(tǒng)，其中所述控制器適用于將基板的飽和溫度設(shè)置為基板溫度的初始值，以及所述推算器適用于依賴于電池第二子集的電池的數(shù)目來推算飽和溫度。
8.如權(quán)利要求2所述的組電池容量控制系統(tǒng)，其中所述控制器被配置來在優(yōu)先選擇相對于組電池中最低電池容量的變化較小的電池容量條件下選擇電池第二子集。
9.一種組電池容量控制方法，包括以散熱方式個別地控制電池集合的第一子集的電池容量；推算電池集合的散熱程度；和中斷對依賴于所推算的散熱程度而確定的屬于電池第一子集的第二子集的電池容量的控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種組電池容量控制系統(tǒng)，其中，電池控制單元(20)通過使用放電電阻器(Rj)以散熱方式個別地控制電池集合(Cj)的第一子集(Cf)的電池容量(SOC)，推算元件集合(21，31－33，S1－S6，S11－S16，S18－S19)依據(jù)電池控制單元(20)的基板(25)的溫度升高(To(n)－To(0))來推算電池集合(Cj)的散熱程度，以及中斷元件集合(SWj，S17)中斷對依賴于所推算的溫度升高(To(n)－To(0))而確定的屬于電池第一子集(Cf)的第二子集(Cs)的電池容量(SOC)的控制。
文檔編號H01M10/48GK1744374SQ20051009980
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月2日
發(fā)明者杉本智永 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社