专利名称：充电状态推定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及进行反复进行充电和放电的例如锂离子二次电池等电池的充电状态值(S0C:State Of Charge)的推定的充电状态推定装置。
背景技术：
在汽车、铁道车辆系统中，在将电池作为电力缓冲器而进行车辆运行时的向驱动马达的电力供给、减速或停止时的电能量回收的蓄电系统中，需要正确把握车辆运行时的电池的充电状态。以往，作为推定充电状态值的方式，已知从充放电电流值的累计值进行计算的方式以及从电池的开路电压进行推定的方式，在并用这些的现有技术中，采用通过在电池充放电时由电流累计推定充电状态值、在待机时推定开路电压而推定充电状态值的这一方法(例如下述专利文献I)。另外，虽然能从开路电压推定充电状态值，但需要在正进行充放电 的闭路中预测开路电压的技术。对此，存在着从闭路时的通电电流和电池电压的测定值使用电池的等效电路模型而算出内阻的方法(例如下述专利文献1、2、3)。专利文献
专利文献I :日本特开2008 - 199723号公报；
专利文献2 :日本特开平8 - 140270号公报；
专利文献3 :日本特开2003 - 75518号公报。
发明内容
由于能从充电状态值推定搭载有蓄电系统的铁道车辆等的可行驶距离，所以蓄电系统中的电池充电状态值的正确把握使设备的高效运用成为可能。在推定由串并联的多个电池构成的电力储存装置的充电状态值的情况下，优选测定或推定构成电力储存装置的电池的所有的电压、电流、充电状态值。而且，由于电池的充电状态一般与开路电压是一对一的关系，所以能从开路电压进行推定。专利文献I存在着这一课题，即在推定开路电压时使用电池的简单化等效电路模型，但通过运算来求取开路电压，所以虽然除电压、电流以外还使用温度、电阻、静电容等控制信息以及表示电池特性的参数的信息，但由于在恒压控制和恒流控制中利用同一电池参数，所以不能够应对所有的控制条件。关于专利文献2、3也同样如此，虽然能够从测定电流和电压使用等效电路模型而从开路电压推定充电状态值，但对推定的充电状态值的精度影响较大的内阻由对电流、电压示出非线性特性的扩散电阻、电极反应电阻构成，所以难以利用采用线性电阻记述的现有的等效电路模型而推定充电状态值。本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，获得能精度良好地推定电池的充电状态及退化状态的充电状态推定装置。为了解决上述课题并达到上述目的，本发明是一种充电状态推定装置，与连接多个电池的电力储存装置连接，推定表示所述电力储存装置的残留容量的充电状态值，其特征在于，具备第一运算部，将基于电池容量、所述充电状态推定值的前次值、以及在控制所述电力储存装置的充放电量的电流控制装置与所述电力储存装置之间流入流出的电流值而运算的充电状态推定值的本次值作为第一充电状态推定值算出；第二运算部，在采用恒定的电流充电所述电力储存装置的恒流控制时，将基于所述电池的等效电路模型和所述电池的电压值而运算的充电状态推定值作为第二充电状态推定值的本次值算出，另一方面，在采用恒定的电压充电所述电力储存装置的恒压控制时，将基于所述电池的等效电路模型和所述电池的电压值并考虑电池的电阻变化而运算的充电状态推定值的本次值作为第二充电状态推定值算出；以及修正运算部，采用第二充电状态推定值来定期修正所述第一充电状态推定值。依据本发明，从恒压控制时包含非线性电阻的等效电路模型推定起源于通电时的温度、电流变化、电压变化的电池的开路电压及充电状态，所以起到能够精度良好地推定电 池的充电状态及退化状态这一效果。
图I是应用本发明的实施方式所涉及的充电状态推定装置的电力储存装置的结构图。图2是应用本发明的实施方式所涉及的充电状态推定装置的电力储存系统的结构图。图3是用于说明利用本发明的实施方式所涉及的充电状态推定装置的SOC推定处理的流程图。图4是本实施方式所涉及的第一运算部的结构图。图5是示出能应用本实施方式所涉及的第二运算的蓄电器件的分布常数类等效电路模型的图。图6是示出能应用本实施方式所涉及的第二运算的蓄电器件的集中常数类等效电路模型的图。图7 — I是示出第二运算部31和数据库202的关系的图。图7 — 2是用于说明利用第二运算部31的第二推定处理的动作的图。图8 — I不出退化量算出部35的结构。图8 — 2是用于说明电压仿真部231及电阻/容量算出部232的动作的图。图9是用于说明电阻和电容器的静电容之积与电池容量的关系的图。图10是用于说明本实施方式所涉及的电阻值算出部的动作的图。图11是用于说明在恒压控制时电阻的变化的图。图12是示出退化的电池中的SOC运算精度的图。
具体实施例方式以下，基于附图对本发明所涉及的充电状态推定装置的实施方式进行详细说明。此外，并非由该实施方式限定本发明。实施方式图I是应用本发明的实施方式所涉及的充电状态推定装置的电力储存装置I的结构图。电力储存装置I构成为具有串联连接k个单电池的电池模块11 一 I In — m。例如，电池�？�11 一 I是第一列第一个电池�？椋恿说サ绯豂 一 I I 一 k。以下同样如此，电池�？�12 - I是第一列第二个电池�？椋绯啬？镮n - I是第一列第η个电池�？�。电池�？�11 一 2是第二列第一个电池�？椋绯啬？�12 — 2是第二列第二个电池�？椋绯啬？镮n - 2是第二列第η电池�？�。电池�？�11 一 m是第m列第一个电池�？椋绯啬？�12 — m是第m列第二个电池�？椋绯啬？镮n — m是第m列第η个电池�？�。因此，单电池的总数为nXmXk个。各单电池I 一 I I 一 k是锂离子二次电池等能反复充放电的蓄电器件，能从开路电压值观测充电状态值。镍氢电池、铅蓄电池、电双层电容器、锂离子电容器等也能用作构成本电力储存装置的蓄电器件。有时电力储存装置I中还设置有断路器、电池监视装置 等，但在此省略。以电力储存装置整体的端子间电压为总电压Vall，充放电电流的总电流为Iall，以充电方向为正。此外，将起因于充放电中端子间的连接所使用的导体、电缆的电阻成分的电压与Vall相加。为了求取未通电的充放电前的充电状态值，以电流为零时的电压为开路电压。在锂离子二次电池等蓄电器件中，在一定的温度环境下，开路电压与SOC是一对一的关系，SOC关于开路电压一般示出单调增加函数。以下，在说明使用电力储存装置I的电力储存系统的基础上，说明本实施方式所涉及的充电状态推定装置的结构。图2是应用本发明的实施方式所涉及的充电状态推定装置的电力储存系统的结构图。由电流控制装置3基于来自控制器2的指令来控制电力储存装置I。该控制器2构成为具有A/D转换器203、数据库202以及参数运算部201。此外，控制器2是本实施方式所涉及的充电状态推定装置。A/D转换器203将从电力储存系统内的总电压传感器4a、总电流检测传感器4b及温度传感器4c送出的模拟信号、以及从电力储存装置I内的各电池电压传感器(未图示)送出的模拟信号4d转换为数字信号。在数据库202中，存放电池数据，并且存放记述开路电压和SOC的关系的式，或者表示该关系的数据表等。由于开路电压和SOC的关系随着使用的蓄电器件的种类、正极、负极的电极材料种类而不同，所以预先通过测定求取是否输入。作为求取方法，在管理为一定的温度的环境中，使已知的恒流通电一定时间而取得使SOC以一定间隔变化时的开路电压数据。优选在将电流为零的状态保持几小时左右后测定开路电压。另外，开路电压也能从将电力储存装置I装入系统的状态进行求�。材茏钕戎葱锌刂瞥绦颍蚶贸て诘奈词褂闷诩�、维护期间而按手册进行程序的执行。关于求取开路电压与SOC的关系的方法，存在着从完全放电状态进行求取的方法以及从满充电状态进行求取的方法。对于从完全放电状态进行求取的方法，存在着以放电到电池的下限电压的完全放电时的充电状态值为零，以恒定SOC间隔进行充电而对SOC求取开路电压的方法。另外，从满充电状态的方法是以采用恒流恒压充电到电池的上限电压的状态的SOC为100%，采用恒定SOC间隔放电，使SOC变化的方法。比较两者时，从充电状态进行测定的一方能获得稳定的状态，并且数据精度高。电流控制装置3利用来自控制器2内的参数运算部201的指令而控制电力储存装置I的充放电量。在电力不足的情况下，电流控制装置3将从交流电网7经由电力转换装置6供给的电力以及电力储存装置I所储存的电力一并向马达5输出。另外，电流控制装置3将采用马达/发电机5发电的电力储存于电力储存装置I，关于超过电力储存装置I的容量的电力，经由电力转换装置6使其再现于交流电网7。此外，交流电网7例如是向铁道车辆供给电力的交流电力供给网。如图2所示，参数运算部201构成为具有第一运算部30、第二运算部31及修正运算部32。第一运算部30基于电池容量(Ah)和电池充放电时的通电电量的累计值而运算第一充电状态推定值(以下简称为“(第一 S0C)”)。第二运算部31使用从具有电阻成分和电容器成分的等效电路模型算出的开路电压以及开路电压与充电状态推定值的关系而运算第二充电状态推定值(以下简称为“(第二 S0C)”)。具体而言，第二运算部31执行以下处 理，即在电流为零的状态下推定充电状态推定值的第二推定处理、在电压变化的恒流控制时从开路电压推定充电状态推定值的第三推定处理、以及在采用恒定的电压进行控制的恒压控制时从开路电压推定充电状态推定值的第四推定处理。修正运算部32采用第二运算部31所推定的SOC来定期修正第一运算部30所推定的S0C。接着，使用图3，概述采用参数运算部201执行的SOC的推定动作。图3是用于说明利用本发明的实施方式所涉及的充电状态推定装置进行的SOC推定处理的流程图。以与取得数据的间隔相同的时间间隔反复进行图3所示的流程图。此时间间隔意味着电流、电压、温度等各数据的取得间隔，从毫秒间隔到数分钟间隔是适当的。数据库202中记录有例如采用前一个计算流程获得的S0C(N — I)、电子/离子电阻RO (N - I)、电极反应电阻R (N - I)以及静电容成分C (N 一 I)等(步骤S10)。第二运算部31首先根据是恒流控制时还是恒压控制时而切换第二 第四推定处理方法。例如，在电流为零的开路状态下(步骤S12，否 S13，是)，第二运算部31执行第二推定处理(步骤S14)。另外，在电压变化的恒流控制时(步骤S12，否 S13，否)，第二运算部31执行第三推定处理(步骤S15)。并且，在采用恒定的电压进行控制的恒压控制时(步骤S12，是)，第二运算部31执行第四推定处理(步骤S16)。修正运算部32采用第二 SOC来修正第一 S0C。在数据库202中记录有采用第一运算部30及第二运算部31运算出的SOC(N)、电子/离子电阻RO (N)、电极反应电阻R (N)及静电容成分C (N)(步骤S18)。接着，使用图4 图11，详细说明第一运算部30及第二运算部31的结构及动作。首先，说明第一运算部30的结构及动作。图4是本实施方式所涉及的第一运算部30的结构图。作为主要的结构，第一运算部30构成为具有平均电流算出部211、通电电量算出部212、SOC变化量算出部213及SOC算出部214。将流经电力储存装置I的总电流Iall输入至平均电流算出部211，在平均电流算出部211中，对总电流Iall乘以既定增益而求取电流平均值。S卩，通过总电流Iall除以电池�？�11 一 I In — m的并联数量m，获得电流的平均值。通电电量算出部212将运算周期设为At，对充电及放电时的通电电流进行积分，算出恒定时间通电后的电量。SOC变化量算出部213算出采用通电电量算出部212所获得的电量(库伦)除以电池容量(Ah)及3600 (S)，并乘以100的变化量ASOC (%)。SOC算出部214在充电时将变化量Λ SOC与采用前一个计算流程所获得的SOC(N - I)相加，在放电时从SOC (N - I)减去变化量AS0C，由此获得充电状态值的本次值SOC (N)0此外，SOC (N — I)存放在数据库202，SOC算出部214使用来自数据库202的SOC (N — I)推定SOC (N)0虽然这是求取SOC的最简单的方法，但是包含电流测定值的误差的情况较多。另外，由于电池的长期使用所导致的退化，SOC的100%容量值的下降也成为误差重要因素，所以将电池容量(Ah)的当前值信息变更输入到数据库202。此外，运算周期At可以在参数运算部201的内部生成，也可以在参数运算部201的外部生成。接着，关于第二运算部31进行说明。图5是示出能应用于本实施方式所涉及的第二运算部31的蓄电器件的分布常数类等效电路模型的图。第二运算部31基于等效电路模型而推定S0C、电阻、电容器的静电容。严格而言，第二运算部31通过使电流的计测值及电压的计测值拟合到基于图5所示的分布常数类等效电路而离散化的数值模型来求取开路电压。计算式包含图5所示的分布常数类等效电路模型的负极端子的电阻8a、正极端·子的电阻8b、负极电极层的电子电阻9a、正极电极层的电子电阻9b、负极界面的电容器的静电容10a、正极界面的电容器的静电容10b、负极界面的电阻成分11a、正极界面的电阻成分lib、产生于负极界面的电位差12a、产生于正极界面的电位差12b、负极内电解质的电阻13a、正极内电解质的电阻13b以及隔离器(separator)内电解液的电阻14。通过使实际计测的电流值及电压的时间变化实测数据与计算值拟合而求取多个电阻值、静电容值及开路电压。负极界面的电容器的静电容IOa及正极界面的电容器的静电容IOb基于在电极活性物质和电解液界面形成的电双层，采用法拉的单位表示。负极界面的电容器的静电容IOa及正极界面的电容器的静电容IOb与电极活性物质的表面积成比例，也随电解液的性状、电极电位而变化。负极界面的电阻成分Ila及正极界面的电阻成分Ilb是从离子到电子、从电子到离子的电荷载流子变化时的电阻，是产生于电极和电解液界面的电阻，包含电荷移动电阻和扩散电阻。依据这样的分布常数类等效电路模型，能进行严格的计算，但存在着模型规模变大这一缺点，所以产生延长计算周期的必要，难以对电流、电压的变速变化进行响应。另外，也产生需要较多计算资源这一问题。此外，图5所示的分布常数类等效电路模型示出了图I所示的一个单电池(例如I 一 1)，流动于该分布常数类等效电路模型的电流I是总电流Iall除以电池模块11 一 I In — m的并联数量的值。另一方面，图6示出能够缩短计算周期、节约计算资源的集中常数类等效电路模型。图6是示出能应用于本实施方式所涉及的第二运算部31的蓄电器件的集中常数类等效电路模型的图。集中常数类等效电路模型是图5的分布常数类等效电路模型的简化，与上述同样，流动于该集中常数类等效电路模型的电流I是总电流Iall除以电池模块11 -I In — m的并联数量的值。该模型中的各元件按照以下方式构成。即，图6所示的集中常数类等效电路模型具有与电极反应有关的电阻15(以下简称为“电阻15”)、产生于电极界面的电容器的静电容18 (以下简称为“静电容18”)、与电子/离子有关的电阻16 (以下简称为“电阻16”)、相当于开路电压的电动势部17，并且电阻15与静电容18并联连接。以电阻15的值为R，静电容18的静电容值为C，电阻16的值为RO (电子/离子电阻)。流经电阻15的电流为II，流经静电容18的电流为12时，这些之和为电流I。施加于电容器(静电容18)的电压等于电流Il流经的电阻15的两端电压，另外，储存于电容器(静电容18)的电荷Q的时间变化相当于电流12，所以获得(I)式的关于电荷Q的微分方程式。[数学式I]
权利要求
1.一种充电状态推定装置，与连接多个电池的电力储存装置连接，并推定表示所述电力储存装置的残留容量的充电状态值，其特征在于，具备 第一运算部，将基于电池容量、所述充电状态推定值的前次值、以及在控制所述电力储存装置的充放电量的电流控制装置与所述电力储存装置之间流入流出的电流而运算出的充电状态推定值的本次值作为第一充电状态推定值算出； 第二运算部，在采用恒定的电流充电所述电力储存装置的恒流控制时，将基于所述电池的等效电路模型与所述电池的电压而运算出的充电状态推定值作为第二充电状态推定值的本次值算出，另一方面，在采用恒定的电压充电所述电力储存装置的恒压控制时，将基于所述电池的等效电路模型与所述电池的电压、并考虑电池的电阻变化而运算出的充电状态推定值的本次值作为第二充电状态推定值算出；以及 修正运算部，采用第二充电状态推定值来定期修正所述第一充电状态推定值。
2.如权利要求I所述的充电状态推定装置，其特征在于，所述电池的等效电路模型由具有一个并联电路而成的等效电路模型或具有多个并联电路而成的等效电路模型构成，该并联电路是电容器和非线性电阻的并联电路。
3.如权利要求I所述的充电状态推定装置，其特征在于，所述第二运算部基于所述电容器所储存的电荷、所述电容器的静电容值、所述电池的电阻值以及所述电池的电压而算出所述第二充电状态推定值。
4.如权利要求I所述的充电状态推定装置，其特征在于，所述第二运算部具有退化量算出部，所述退化量算出部计算所述静电容值及所述电阻值，直至在电流变化后计测的连续的多个电压计测值、与基于所述电荷、所述静电容值和所述电阻值而算出的电压计算值之差的总和为既定值为止，将所述电压计测值与所述电压计算值之差的总和与所述既定值一致时的所述电容器的静电容和所述电池的电阻值作为推定电池的退化状态的指标输出。
5.如权利要求4所述的充电状态推定装置，其特征在于，所述退化量算出部基于所述电容器的静电容与所述电池的电阻值之积而算出电池容量。
6.如权利要求I所述的充电状态推定装置，其特征在于，所述第二运算部具有电阻算出部，所述电阻算出部基于可动锂离子浓度和锂离子的活性物质内的扩散常数而算出所述恒压控制时的电池的电阻值。
7.如权利要求I所述的充电状态推定装置，其特征在于，所述第二运算部使用所述退化量算出部所算出的静电容及电阻值而算出第二充电状态推定值。
8.如权利要求I所述的充电状态推定装置，其特征在于，所述第二运算部使用所述扩散电阻算出部所算出的电池的电阻值而算出所述第二充电状态推定值。
全文摘要
充电状态推定装置具备第一运算部(30)，将基于电池容量、充电状态推定值的前次值、以及在控制电力储存装置(1)的充放电量的电流控制装置(3)与电力储存装置(1)之间流入流出的电流而运算出的充电状态推定值的本次值作为第一充电状态推定值算出；第二运算部(31)，在恒流控制时，将基于电池的等效电路模型与电池的电压而运算出的充电状态推定值作为第二充电状态推定值的本次值算出，另一方面，在恒压控制时，将基于电池的等效电路模型与电池的电压并考虑电池的电阻变化而运算出的充电状态推定值的本次值作为第二充电状态推定值算出；以及修正运算部(32)，采用第二充电状态推定值来定期修正第一充电状态推定值。
文档编号G01R31/36GK102918411SQ201080067268
公开日2013年2月6日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者吉冈省二, 田渕朗子, 畠中启太, 北中英俊 申请人:三菱电机株式会社
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