电池控制装置的制作方法

1.本发明涉及面向移动体的蓄电装置、系统互连稳定化用蓄电装置、紧急用蓄电装置这样的内置有多个电池的电池控制装置。


背景技术：

2.为了发挥电池控制装置的性能，必须适当地确定电池的充电状态(soc)、电池的劣化状态(soh)、能够充放电的最大电流(允许电流值)等。电池控制装置为了计算最大电流，需要电池的开路电压(ocv)、内部电阻等电池的内部状态、参数。特别是，在面向始终流过不规则的电流的移动体、系统互联稳定化用蓄电装置中，不仅是带来在电池中流过电流的瞬间产生的电压变化的内部电阻(直流电阻)的影响大，带来持续流过电流的情况下的电压变化的内部电阻(极化电阻)的影响也很大。
3.直流电阻、极化电阻等参数根据电池的soc和温度而变化。因此，电池控制器在各种soc和温度下，作为直流电阻和极化电阻等参数成为怎样的值的数据表、或者其函数来保持。然后，电池控制器基于从单电池控制器发送来的信息来推算soc，在此基础上，根据数据表或函数来确定参数的值。
4.然而，这些参数在电池的初始状态下被确定，所以如果电池劣化，则会从数据表或函数输出与实际值不同值的参数的值，无法正确地计算soc、电池电压值、允许电流值等。
5.电池控制器为了校正电池的劣化造成的影响，根据电池的soh确定电阻上升率，对电池的初始状态的直流电阻和极化电阻乘以电阻上升率来确定劣化后的直流电阻和极化电阻。在将多个单电池串联或并联连接而成的电池模块或电池组中，确定全部的单电池的soh，使用劣化最严重的单电池的电阻上升率，计算电池模块或电池组的允许电流值。
6.提出了与电池的劣化相应地更新直流电阻成分和极化电阻成分的数据表。例如，在专利文献1中公开了一种用于劣化管理系统的学习型的算法，其保存有初始状态的直流电阻和扩散系数的数据表，另一方面，根据充放电中的电池电压波形的测量值和通过基于规定的电池模型的计算而确定的直流电阻和扩散系数的值，更新与测量出的soc和温度对应的部位的数据表。
7.现有技术文献
8.专利文献
9.专利文献1：日本特开2013-44598号公报。


技术实现要素：

10.发明要解决的问题
11.电池劣化的情况下的直流电阻和极化电阻并非在所有的soc中一律上升，在某soc中，伴随着电池的劣化，直流电阻或极化电阻有时会降低。电池的直流电阻和极化电阻源自构成电池的正极和负极的直流电阻和极化电阻。正极、负极的直流电阻或极化电阻具有对正极、负极各自的soc的依赖性，电池的直流电阻或极化电阻的soc依赖性由正极、负极的
soc的对应关系确定。
12.另一方面，正极、负极的soc的对应关系随着电池的劣化而变化。由此，电池的直流电阻或极化电阻的soc依赖性发生变化，根据soc的不同，直流电阻或极化电阻因劣化而降低。因此，如果与劣化最严重的单电池相应地确定允许电流值，则有时会脱离劣化不严重的单电池的允许电流，单电池的劣化被加速。
13.本发明的目的在于提供一种电池控制装置，即使多个劣化度不同的单电池串联连接，也能够对于全部的单电池防止电流和电压从规定范围脱离，抑制电池劣化。
14.用于解决问题的方法
15.为了实现上述目的，本发明是一种电池控制装置，其包括电池模块和电池控制器，其中，所述电池控制器包括：存储器；和控制电路，其执行记录在所述存储器中的程序，来控制所述电池模块的电池的工作，所述存储器存储有电池数据，该电池数据包含直流电阻成分与充电状态的关系以及极化电阻成分与充电状态的关系，所述控制电路推算所述电池的劣化状态，并参照所述电池数据，基于推算出的电池的当前的劣化状态，提取直流电阻成分与充电状态的关系以及极化电阻成分与充电状态的关系，来控制所述电池。
16.发明效果
17.本发明能够提供一种电池控制装置，即使多个劣化度不同的单电池串联连接，也能够对于全部的单电池防止电流和电压从规定范围脱离，抑制电池劣化。
附图说明
18.图1是用于电动车辆等的、本发明的实施方式的电池系统的硬件框图的一例。
19.图2是电池控制器的功能框图的一例。
20.图3a是表示对电池施加矩形波电流时的电池的电压行为的一例的曲线图，表示对电池施加的矩形波电流i。
21.图3b是表示对电池施加矩形波电流时的电池的电压行为的一例的曲线图，表示电池的电压v。
22.图4是表示电池的等效电路模型的一例的图。
23.图5是表示电池数据表的一例的图。
24.图6a是表示温度为25℃，电流为1c，soh为100％，并且为83％时的电池的直流电阻r0的soc依赖性的曲线图。
25.图6b是表示温度为25℃，电流为1c，soh为100％，并且为83％时的电池的极化电阻rp的soc依赖的曲线图。(a)(b)是表示多个soh中的电池的直流电阻r0和极化电阻rp的soc依赖性的曲线图。
具体实施方式
26.参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是用于电动车辆等的电池系统100的硬件框图的一例。电池系统100包括电池控制装置1、逆变器2、电动机等负载3、上级控制器4。
27.电池控制装置1的输出电压是根据电池的剩余容量、输出电流等而变动的直流电压，所以有时不适合向负载3直接供给电力。因此，通过逆变器2将电池控制装置1的输出电
压转换为三相交流后供给到负载3。
28.上级控制器4控制电池控制装置1和逆变器2。在向负载3供给直流电压、其他的多相交流、单相交流的情况下，电池控制装置1也是同样构成的。
29.在负载3输出电力的情况下，通过将逆变器2设为双向逆变器，能够将负载3输出的电力储存于电池控制装置1内的电池模块11。通过与逆变器2并联地连接充电系统，能够根据需要对电池模块11进行充电。
30.电池控制装置1将充电率(soc)和劣化率(soh)、能够流过电池的最大充放电电流(允许电流值)、电池温度、电池异常的有无等作为与对逆变器2、负载3的控制有用的电池的状态有关的信息发送到上级控制器4。上级控制器4基于这些信息进行能量管理、异常检测等。上级控制器4在判断为应将电池控制装置1从逆变器2或负载3断开的情况下，对电池控制装置1发送切断指示。
31.电池控制装置1包括：电池模块11；执行监视、推算电池的状态等的控制的电池控制器12；使电池控制装置1的输出断续的继电器13；测量流过电池模块11的电流的电流传感器14；测量电池模块11的电压的电压传感器15；测量电池控制装置1与地线之间的绝缘电阻的漏电传感器16；测量电池温度的温度传感器17；和根据电池控制装置1的输出电压而导通断开的断路器18。电池控制装置1包括经由断路器18串联连接的多个(2个)电池模块11。
32.电池控制器12包括进行各种运算的cpu(控制电路)121、存储有后述的数据表(数据结构)的存储部(存储器)122。
33.电池模块11具有多个单位电池(单电池)，包括测量电池模块11内部的温度的电路、测量单位电池的电压的电路、和根据需要进行每个单位电池的充放电的电路。因此，能够进行每个单位电池的电压监视、电压调整。电池控制器12能够基于单位电池的温度信息进行电池状态的推算、判定或判断。
34.多个电池模块11串联连接，并且电流传感器14与一对继电器13串联连接。电流传感器14测量电池控制器12监视、推算电池模块11的状态所需的电流值。
35.电池控制器12通过基于上级控制器4的指令控制一对继电器13的开闭，能够切断或连接电池控制装置1的输出。
36.为了防备电池模块11成为高电压(例如100v)，也可以与继电器13串联地追加用于通过人力强制地切断向电池控制装置1的电力输入输出的开关。由此，在电池控制装置1的组装时、解体时、装载有电池控制装置1的装置的事故应对时，例如能够防止短路。
37.对于并联连接有多个电池模块11的结构，也可以在各列设置继电器13、开关、电流传感器14。或者，也可以仅在电池控制装置1的输出部分设置继电器13、开关、电流传感器14。进而，也可以在各列和电池控制装置1的输出部这两者设置继电器13、开关、电流传感器14。
38.继电器13可以由1台构成，也可以由主继电器和预充电继电器、电阻的组构成。在后者的结构中，与预充电继电器串联地配置电阻，将它们与主继电器并联连接即可。
39.在电池控制器12连接继电器13时，首先连接预充电继电器。由于流过预充电继电器的电流被串联连接的电阻限制，所以能够限制在前者的结构中可能产生的浪涌电流。然后，在流过预充电继电器的电流变得足够小之后连接主继电器。主继电器连接的时刻可以以流过预充电继电器的电流为基准，也可以以施加于电阻的电压、主继电器的端子间电压
为基准。或者，也可以将从连接预充电继电器起经过的时间作为基准。
40.电压传感器15测量电池控制器12监视、推算电池模块11的状态所需的电压值。电压传感器15与1台或多台电池模块11并联连接。
41.在电池模块11上连接有漏电传感器16，检测在发生漏电之前可能发生漏电的状态、即绝缘电阻降低的状态，预防事故的发生。
42.电流传感器14、电压传感器15、温度传感器17和漏电传感器16分别将测量值发送到电池控制器12。电池控制器12基于接收到的测量值，监视、推算电池模块11的电池状态，其结果是，能够控制电池模块。“控制”例如包括用于使各单位电池的电压均等化的每个单位电池的充放电、各传感器的电源的控制、各传感器的寻址、与电池控制器12连接的继电器13的控制等。cpu121进行电池状态的监视、推算和上述控制所需的运算。
43.在电池控制装置1中也可以包含系统冷却用的风扇，有时也由电池控制器12进行其控制。通过电池控制装置1进行冷却，能够削减与上级控制器4的通信量。
44.在图1所示的例子中，通过将电压传感器15、漏电传感器16设为与电池控制器12不同的部件而具有自由度，但也可以构成为在电池控制器12中内置电压传感器15、漏电传感器16。由此，与准备单独的传感器的情况相比，能够减少线束的根数，削减传感器安装的工作量。但是，有时也会限定通过内置传感器而能够应对的电池控制装置1的规模(最大输出电压、电流等)，所以在这样的情况下优选设为其他部件。
45.图2是电池控制器12的功能框图的一例。cpu121通过执行存储部122中记录的程序，实现作为功能组件的劣化状态推算部1201、充电状态推算部1202、允许电流运算部1204。也可以将“部”改称为功能、手段、组件、单元、单位、电路、步骤等。也可以通过半导体电路等硬件来实现功能组件。存储部122包括电池数据表1205。
46.劣化状态推算部1201和充电状态推算部1202分别从电流传感器、电压传感器、温度传感器等传感器组输入电流、电压、温度的各值。劣化状态推算部1201基于电流i、电压v和温度t来推算电池的劣化状态。也可以将“推算”改称为设定、判定、判断或判别。这对于充电状态推算部1202也是相同的。
47.劣化状态推算部1201例如可以采用电池的容量减少作为表示电池的劣化状态的指标。作为推算电池的容量减少的方法，例如有以下的方法。
48.劣化状态推算部1201对从时间点a至另一时间点b的充放电量q_ab进行积分。然后，计算时刻a的ocv_a和时刻b的ocv_b，参照初始状态的电池数据表，求出与ocv_a对应的充放电量q_ab和与ocv_b对应的充放电量q'_ab。在此基础上，将q'_ab/q_ab作为容量减少率。将该容量减少率设为soh。
49.充电状态推算部1202基于电流i、电压v和温度t和电池(单电池)的等效电路模型来推算电池的充电状态。图3是表示对电池施加矩形波电流时的电池的电压行为的一例的图。图4是电池的等效电路模型的一例。图3a表示对电池施加的矩形波电流i，图3b表示电池的电压v。横轴均为经过时间。
50.当对电池施加例如图3a的曲线31所示的矩形波的电流i时，电池的电压v、即电池的ccv(闭路电压)如图3b的曲线32所示那样变化。该电压的变化大致分为直流电压成分i
×
r0、极化电压成分vp、ocv变动成分δocv这3个成分。r0是直流电阻成分。
51.作为第一个成分的直流电压成分i
×
r0对电流i的变化瞬间响应。即，与电流i的上
升沿相应地瞬间上升，在以一定的电平推移后，与电流i的下降沿一起消失。
52.作为第二个成分的极化电压成分vp相对于电流i的变化延迟地变动。即，在电流i的上升沿后逐渐上升，在电流i的下降沿后逐渐下降。
53.作为第三个成分的δocv相当于作为充电开始前的ocv值的ocv1与作为充电开始后的ocv值的ocv2之差。δocv对应于与充放电量相应的电池的充电状态的变化量。
54.在图4中，通过对直流电阻成分r0施加电流i来求出直流电压成分。rp表示极化电阻成分，cp表示极化容量成分，根据这些值、电流i和充放电时间t求出极化电压成分vp。极化电压成分vp基于时间常数rpcp表示指数函数的变动。
55.作为第一方式，充电状态推算部1202根据通过基于等效电路模型解析电池的ccv而求出的电池的ocv，参照表示电池的soc与ocv的关系的后述的电池数据表来运算soc。作为第二方式，也可以基于对电流i进行累计而得到的充放电电量δq，根据δq与soc的关系来运算soc。也可以组合两种方式来运算soc。
56.图5是电池数据表1205的一例。表格的项目包含soh(％)、温度t(℃)、soc(％)、电流i(a)、ocv(v)、直流电阻ro(ω)、极化电阻rp(ω)和极化容量cp(f)(或者极化时间常数τp(s))。代替电池数据表，也可以是表示数据的函数。
57.电池数据表1205分别对于处于规定的范围的温度t、soc、soh和电流i，包括针对它们的规定的组合的各自的直流电阻ro(ω)、极化电阻rp(ω)、极化容量cp(f)。即，在电池数据表中，对于电池容量减少率(soh)、电池温度(t)、电池充电率(soc)和电池电流(i)分别为规定的值的多个组合的每一个，设定电池直流电阻ro(ω)、极化电阻rp(ω)和极化容量cp(f)各自的值。在图5中，表示soh为n水准、soc为m水准、温度为l水准、电流为k水准的情况。ocv、直流电阻、极化电阻、极化容量的组合数为n
×m×
l
×
k。
58.图5的电池数据表是预先通过实验、模拟来确定的。例如，将电池组的单电池中的soh为m水准中的任一个(例如soh_1)的单电池在设定为l水准的温度中的任一个(例如t_1)的恒温槽内与充放电装置连接，将soc调整为n水准中的任一个(例如soc_1)后，将电流设为k水准中的任一个(例如i_1)而充电或放电一定时间，对所得到的ccv的行为进行解析而确定直流电阻ro、极化电阻rp、极化容量cp。由此，能够确定与soh_1、t_1、soc_1、i_1对应的ro、极化电阻rp、极化容量cp。通过对m
×n×
l
×
k个水准的组合进行该流程，能够实现图5的电池数据表。电池数据表不需要针对各个单电池的每一个而设置，只要针对单电池的每个规格(按制造商、按模型、按类型等)而设置一个电池表即可。
59.也可以用函数来置换数据表的一部分或全部。例如，关于rp的温度依赖性，也能够将a、b设为适当的常数，用rp＝a
×
exp(b/(t 273))这样的指数函数进行近似，置换数据表的一部分。关于soh、soc、电流，只要能够将实验数据的倾向近似为适当的函数，也能够同样地置换数据表的一部分。
60.图6a是表示温度为25℃，电流为1c，soh为100％且为83％时的电池的直流电阻r0的soc依赖性的曲线图。图6b是表示温度为25℃，电流为1c，soh为100％，并且为83％时的电池的极化电阻rp的soc依赖的曲线图。电流1c是指在1小时内对电池的总容量进行放电的电流值。
61.允许电流运算部1204根据当前的电池的温度、soc、soh，参照存储在电池数据表1205中的电池的直流电阻、极化电阻、极化容量，运算电池的允许电流。允许电流运算部
1204作为防止电池的过电压的安全功能的一部分，以不超过允许电流值的方式限制电流，由此在维持电池控制装置1的安全性的同时，抑制电池的急剧劣化。关于用于此的允许电流，以下表示用于求出该允许电流的运算的一例。
62.i cmax＝(v max-ocv)/r
···
(式1)
63.icmax是充电允许电流，vmax是上限电压，r是电池的内部电阻。
64.放电允许电流使用以下的式(2)来计算。
65.i dmax＝(ocv-v min)/r
···
(式2)
66.idmax是放电允许电流，vmin是下限电压，r是电池的内部电阻。
67.r例如使用以下的式(3)来计算。
68.r＝ro rp(1-e-t/rpcp
)
···
(式3)
69.ro、rp、cp从电池数据表1205得到。t为时间(秒)。为了从数据库中选择ro、rp、cp，需要指定电流。因此，例如有使用规定的电流下的ro、rp、cp来简单地计算允许电流的方法。另外，例如，也有一边变更指定的电流一边反复进行ro、rp、cp的提取和式(1)至式(3)的计算，探索式(1)至式(3)不矛盾地成立的允许电流的方法。
70.允许电流运算部1204基于存储在电池数据表1205中的电池的直流电阻、极化电阻、极化容量，运算电池的允许输入、允许输出。
71.允许输入根据以下的式(4)计算。
72.i cmax*v max
···
(式4)
73.允许输出由以下的式(5)计算。
74.i dmax*v min
···
(式5)
75.接着，对电池控制装置的动作进行说明。在电池的初始状态下，在图5所示的电池数据表中，电池的直流电阻成分、极化电阻成分和极化容量成分分别与温度、soc、soh和电流相对应。
76.之后，从电池的初始状态起使用电池，例如，在发动机启动时、基于外部电源的电池充电时、或者定期检查时，劣化状态推算部1201更新当前的电池的soh。以后，使用与更新后的soh对应的等效电路参数表。
77.充电状态推算部1202基于对由电流传感器14检测出的电流i进行累计而得到的充放电电量δq，基于充放电电量与soc的关系来运算soc。或者，基于休止中求出的电池的ocv、soc与ocv的关系来运算soc。或者，使用通过等效电路模型对电流传感器14和电压传感器15的检测值进行解析而得到的ocv、直流电阻、极化电阻、极化容量中的任一个来运算soc。或者，将这些运算方法的多个组合来运算soc。
78.接着，允许电流运算部1204基于存储在电池数据表1205中的电池的直流电阻、极化电阻、极化容量，使用式(1)～(3)来运算电池的充电允许电流、放电允许电流。另外，使用式(4)、(5)来运算允许输入iin、允许输出iout。
79.允许电流运算部1204对构成电池模块(电池组)的所有单电池执行上述的允许电流和允许输入输出的运算。此时，由于各个单电池的温度、soc、soh不同，所以每个单电池的允许电流和允许输入输出不同。允许电流运算部1204选择电池模块(电池组)中串联连接的一组单电池的允许电流中的绝对值最小的电流，作为该串联单电池组的允许电流。
80.根据以上说明的实施方式，能够得到以下的作用效果。电池控制装置(1)针对多个
劣化状态的电池，从包含直流电阻成分与充电状态的关系、极化电阻成分与充电状态的关系的电池数据表推算当前的电池的劣化状态的劣化状态推算部(1201)，和根据由劣化状态推算部(1201)推算出的当前的电池的劣化状态，从包含直流电阻成分与充电状态的关系、极化电阻成分与充电状态的关系的电池数据表中提取包含当前时刻的电池的直流电阻成分与极化电阻成分的参数，并基于这些参数来运算单电池的允许电流。
81.将构成串联组的单电池的允许电流中的最小值设为串联组整体的允许电流。由此，在劣化度不同的单电池串联连接的情况下，能够防止电流和电压相对于全部的单电池从规定范围脱离，能够抑制电池劣化。
82.另外，在电池模块具有将由多个单电池串联连接而成的组并联连接多个而成的构造的方式中，允许电流运算部1204对多个组分别设定允许电流，将各组的允许电流的总和设为电池模块的允许电流。
83.本发明并不限定于上述的实施方式，只要不损害本发明的特征，在本发明的技术思想的范围内考虑的其他方式也包含在本发明的范围内。
84.符号的说明
[0085]1ꢀꢀꢀ
电池控制装置
[0086]2ꢀꢀꢀ
逆变器
[0087]3ꢀꢀꢀ
负载
[0088]4ꢀꢀꢀ
上级控制器
[0089]
11
ꢀꢀ
电池模块
[0090]
12
ꢀꢀ
电池控制器
[0091]
13
ꢀꢀ
继电器
[0092]
14
ꢀꢀ
电流传感器
[0093]
15
ꢀꢀ
电压传感器
[0094]
16
ꢀꢀ
漏电传感器
[0095]
17
ꢀꢀ
温度传感器
[0096]
18
ꢀꢀ
断路器
[0097]
100 电池系统
[0098]
121 cpu
[0099]
122 存储部