二次電池的充電狀態推定裝置與充電狀態推定方法

專利名稱：二次電池的充電狀態推定裝置與充電狀態推定方法
技術領域：
本發明涉及推定二次電池的充電狀態的裝置和方法，具體而言，涉及
這樣的推定二次電池充電狀態的裝置和方法其逐次計算表示二次電池剩 余容量(充電率)的SOC (充電狀態)。
背景技術：
結構化為從可再充電二次電池向負栽設備提供電力以及允許甚至在負 載設備運行過程中對二次電池充電的電源系統已被使用。這樣的電源系統 4皮典型地安裝在將由二次電池驅動的電動機用作車輛驅動動力源之一的混 合動力車或電氣車輛上。
在混合動力車的電源系統中，存儲在二次電池中的電力被用作用于驅 動車輛的電動才幾的驅動電力，二次電池由電動才幾再生出的電力或由在發動 機旋轉時產生電力的發電機產生的電力充電。在這樣的電源系統中，有必 要知道二次電池的充電狀態(代表性地，表示相對于滿充電的充電率的 soc)，并防止可能導致電池劣化的過酷使用狀態。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動車輛用電動機的輸 出，并產生對二次電池進行充電的請求或禁止充電/放電的指令，因此，剩 余容量的高度準確推定是必要的。
然而，以安裝在混合動力車上時的情況為代表，二次電池的輸出與使 用條件在大范圍內變化，在充電/放電以相對較高的功率密度重復進行的使 用狀態下，通常難以推定剩余容量。因此，推定準確度的改進成為難題。
有鑒于上，除了基于輸入/輸出電流的積分逐次計算剩余容量變化量的 最基本過程以外，已經提出了高準確度推定剩余容量的多種過程。
舉例而言，日本特開No.2000-306613 (下面稱為專利文獻1)公開了一種電池狀態監視裝置，其中，由在電池使用過程中測量的電池電流(充 電M文電電流)與電池電壓(端子之間的電壓)間的關系計算二次電池的內
阻，使用電池電流/電壓以及計算的內阻計算開路電壓(ocv)，并由開路 電壓推定電池容量(soc)。另外，在電池狀態監視裝置中，如果電池電
流在規定范圍外或脫離規定范圍，通過將偏離后電池電流積分值加到剛好 偏離之前的電池容量(soc)來推定電池容量(soc)。具體而言，根據
專利文獻l，依賴于電池電流的范圍改變推定方法1，以便改進推定準確度。
類似地，日本特開No.2000-150003 (下面稱為專利文獻2 )公開了一 種支持基于電池電流積分的SOC計算過程以及其他SOC計算過程的充電 量計算裝置。在充電量計算裝置中，在基于電池電流積分的SOC計算過程 與其他過程之間的差異的基礎上確定將要使用的SOC計算過程。
在專利文獻l所公開的電池狀態監視裝置中，使用在充電/放電過程中 測量的多組電池電壓與電池電流的傾斜度(inclination)來計算隨同充電/ 放電 一起連續變化的內阻。
然而，已經知道，充電/放電過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，當恒定電池電流開始流動或 當電池電流停止時，電池電壓不處于穩定狀態而;l^生波動， 一直到被稱 為緩和時間的規定時間段之后。因此，如果在緩和時間過去后測量電池電 壓，不能測得二次電池的準確輸出電壓。
另外，才艮據內阻的直線性出現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 少出現在低溫范圍內。
在這種連接中，盡管專利文獻1公開了根據電池電流范圍而切換基于 內阻計算的推定過程以及基于電池電流積分的推定過程，沒有進行著眼于 二次電池溫度條件或電池電流持續時間的SOC推定。因此，開路電壓的推 定可能包含來源于內阻推定中的誤差的誤差，且因此二次電池剩余容量 (SOC)的推定可能包含來源于內阻推定中的誤差的誤差。
另外，在專利文獻2所公開的混合動力車用充電量計算裝置中，基于 電池電流范圍以瓦基于電池電流積分計算的SOC值與通過其他過程計算 的SOC值之間的差來決定多種SOC計算過程之間的切換。因此，由與關
于專利文獻l所介紹的相同的原因，盡管基于電池電流積分的soc計算過 程可在電池電流變低時立即切換到其他soc計算過程，在大電流在內阻高 的低溫下流動之后，由于內阻推定中的誤差，不可否認存在soc推定中的 大誤差的可能。另外，沒有充分考慮與soc推定有關的、二次電池的溫度 條件以及電池電流的持續時間。因此，剩余容量(soc)的推定可能包含
誤差。

發明內容
做出本發明以解決上面描述的問題，本發明的目的在于在考慮二次電
池使用狀態的情況下應用適當的soc推定方法，并由此提高推定準確度。
本發明提供了一種用于推定二次電池充電狀態的裝置，所述二次電池 具有能夠檢測輸"輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測器，所述裝置 包含特性存儲裝置、穩定狀態判斷裝置以及第一充電狀態推定裝置。特性 存儲裝置存儲二次電池的開路電壓與剩余容量之間的特性。穩定狀態判斷
裝置判斷是否為輸入/輸出電流保持為不高于根據電池溫度"i殳置的限制電
流至少達根據電池溫度設置的電壓穩定時間段的穩定狀態。當判斷為穩定 狀態時，第一充電狀態推定裝置用于將輸出電壓視為開路電壓，基于存儲 在特性存儲裝置中的特性推定二次電池的剩余容量。
本發明提供了一種推定二次電池充電狀態的方法，所述二次電池具有 能夠檢測輸"輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測器，所述方法包含 穩定狀態判斷步驟以及第一充電狀態推定步驟。在穩定狀態判斷步驟中， 判斷是否為輸入/輸出電流保持為不高于根據電池溫度設置的限制電流至
少達根據電池溫度i殳置的電壓穩定時間段的穩定狀態。在第一充電狀態推 定步驟中，當判斷為穩定狀態時，將輸出電壓視為二次電池的開路電壓， 基于二次電池的開路電壓與剩余容量之間的特性推定二次電池的剩余容
量。在第二充電狀態推定步驟中，當判斷為并非穩定狀態時，基于與第一 充電狀態推定步驟的過程不同的過程來推定二次電池的剩余容量。
根據上面介紹的對二次電池的充電狀態進行推定的裝置和方法，當二 次電池的輸出電壓穩定且內阻的電壓變化小時(穩定狀態)，輸出電壓被
視為開路電壓，二次電池的soc參照開路電壓-剩余容量(soc)特性來
推定。這里，上面提到的穩定狀態在考慮緩和時間(電壓穩定化時間)和 內阻取決于溫度的變化的情況下判斷。因此，特別是在具有開路電壓與剩 余容量間的強相互關系的二次電池中，在穩定狀態下，可以通過簡單且可
靠的方法以高準確度推定soc，誤差處于規定范圍內。
優選為，根據本發明的用于推定二次電池充電狀態的裝置還包含第二 充電狀態推定裝置，其用于在穩定狀態判斷裝置判斷為并非穩定狀態時推 定二次電池的剩余容量。第二充電狀態推定裝置通過基于輸入/輸出電流的 積分值逐次計算剩余容量的變化量的過程或通過基于將輸入/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程來推定二次電池的剩余容量。
優選為，根據本發明的推定二次電池充電狀態的方法還包含第二充電 狀態推定步驟，其在穩定狀態判斷步驟中判斷為并非穩定狀態時推定二次 電池的剩余容量。在第二充電狀態推定步驟中，通過基于輸入/輸出電流的 積分值逐次計算剩余容量的變化量的過程或通過基于將輸入/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程來推定二次電池的剩余容量。
根據上面介紹的推定二次電池的充電狀態的裝置或方法，在穩定狀態
以外，可以通過基于電池模型表達式(expression)的過程或基于電流積分 的過程以高準確度推定二次電池的SOC。
更為優選的是，在根據本發明的用于推定二次電池充電狀態的裝置中， 第二充電狀態推定裝置包含第一推定裝置，其用于通過基于輸入/輸出電 流的積分值計算剩余容量的變化量來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,型來推定二次電池的剩余容量；計時器裝置，其用于測量由第一 推定裝置進行的剩余容量推定的連續執行持續時間。另外，第二充電狀態 推定裝置通過在所述連續執行持續時間在第 一限制時間段內時選擇第 一推 定裝置來推定剩余容量，并且，通過在所述連續執行持續時間超過第一限 制時間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規定范圍內時選擇第二 推定裝置來推定剩余容量。
另外，更為優選的是，在根據本發明的推定二次電池充電狀態的方法 中，第二充電狀態推定步驟包含第一推定步驟，其通過基于輸入/輸出電 流的積分值計算剩余容量的變化量來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 池模型來推定二次電池的剩余容量；時間測量步驟，其測量由第一推定步 驟進行的剩余容量推定的連續執行持續時間。在第二充電狀態推定步驟中， 通過在所述連續執行持續時間在第 一限制時間段內時選擇第 一推定步驟來 推定所述剩余容量，并且，通過在所述連續執行持續時間超過第一限制時 間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規定范圍內時選擇第二推定 步驟來推定剩余容量。
根據上面介紹的推定二次電池充電狀態的裝置或方法，當連續有限時 間段(第一限制時間段)或更長執行基于電流積分的SOC推定時，可進行 基于電池模型的剩余容量推定，假設輸入/輸出電流屬于允許使用電流模型 的范圍。因此，可以防止由于電流傳感器的檢測誤差(偏移)而引起的、
由于長時間的基于電流積分的連續soc推定導致的soc推定誤差的增
大。另外，當輸入/輸出電流在允許使用電池模型的范圍外時，不強制選擇 基于電池模型的soc推定。因此，可避免通過選擇不適當的soc推定方
法引起的推定誤差的增大。
更為優選的是，在根據本發明的用于推定二次電池充電狀態的裝置中， 當連續執行持續時間超過長于第 一限制時間段的第二限制時間段時，無論 輸入/輸出電流如何，第二充電狀態推定裝置通過選擇第二推定裝置來推定 剩余容量。
根據上面介紹的推定二次電池充電狀態的裝置，當基于電流積分的
soc推定持續超過限制值(第二限制時間段)時，可以暫時執行基于電池 模型的soc推定。因此，可執行soc推定，使得來源于電流傳感器的檢 測誤差(偏移)的soc推定誤差不超過可容忍的值。
特別地，在4艮據本發明的用于推定二次電池充電狀態的裝置中，當所 述連續執行持續時間超過所述第 一 限制時間段且輸入/輸出電流在允許使 用電池模型的規定范圍外時，第二充電狀態推定裝置通過選擇第一推定裝 置來推定剩余容量。
根據上面介紹的用于推定二次電池的充電狀態的裝置，當基于電流積
分的soc推定持續超過限制時間段(第一限制時間段)時，僅在輸入/輸
出電流屬于允許使用電池模型的范圍內時執行基于電池模型表達式的
soc推定。因此，可防止作為強制執行基于電g型的soc推定的結果 的、達到大的值的soc誤差。
優選為，在才艮據本發明的用于推定二次電池充電狀態的裝置中，穩定 狀態判斷裝置中的限制電流隨著所述電池溫度的上升而被設置得相對較 大。
優選為，在才艮據本發明的推定二次電池充電狀態的方法中，穩定狀態 判斷步驟中的限制電流隨著所述電池溫度的上升而被設置得相對較大。
根據上面介紹的推定二次電池充電狀態的裝置或方法，將二次電池的 內阻隨著電池溫度上升而降低以及相反地內阻隨著電池溫度降低而增大的 事實考慮在內，故限制電流可被設置為使得穩定狀態中內阻引起的電壓變 化不超過規定范圍。因此，可將把二次電池輸出電壓視為開路電壓的soc 推定中涉及的推定誤差約束在規定范圍內。
優選為，在才艮據本發明的用于推定二次電池充電狀態的裝置中，穩定
狀態判斷裝置中的電壓穩定化時間段隨著所述電池溫度的上升而被設置得 相對較短。
優選為，在才艮據本發明的推定二次電池充電狀態的方法中，穩定狀態 判斷步驟中的電壓穩定化時間段隨著電池溫度的上升而被設置得相對較短。
才艮據上面介紹的推定二次電池充電狀態的裝置或方法，直到二次電池 輸出電壓穩定的緩和時間隨著電池溫度上升而變得較短且隨著電池溫度下 降而變得較長的事實得到反映，故可執行在輸出電壓穩定的狀態中端子之
間的電壓4皮視為開路電壓的SOC推定。
根據另一布置，本發明提供了一種用于推定二次電池充電狀態的裝置， 所述二次電池具有能夠檢測輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測 器，所述裝置包含第一推定裝置、第二推定裝置、計時器裝置以及選擇裝 置。第一推定裝置通過基于輸入/輸出電流的積分值計算剩余容量的變化量 來推定二次電池的剩余容量。第二推定裝置基于將輸^/輸出電流、輸出電 壓以及電池溫度用作輸入變量的電,型來推定二次電池的剩余容量。計 時器裝置測量由第 一推定裝置進行的剩余容量推定的連續執行持續時間。 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定范圍內的判 斷以及基于由計時器裝置獲得的所述連續執行持續時間來選擇用于推定剩 余容量的第一與第二推定裝置中的一個。
根據另一實施形態，本發明提供了一種推定二次電池充電狀態的方法， 所述二次電池具有能夠檢測輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測 器，所述方法包含第一推定步驟、第二推定步驟、時間測量步驟以及選擇 步驟。在第一推定步驟中，通過基于輸入/輸出電流的積分值計算剩余容量 的變化量來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才莫型推定二次電池 的剩余容量。在時間測量步驟中，測量由第一推定步驟進行的剩余容量推 定的連續執行持續時間。在選擇步驟中，基于輸入/輸出電流是否在允許使 用電池模型的規定范圍內的判斷以瓦基于由時間測量步驟獲得的所述連續 執行持續時間來選擇推定剩余容量的第 一與第二推定步驟中的 一個。
根據上面介紹的推定二次電池充電狀態的裝置或方法，可有選擇地使 用基于電流積分的soc推定和基于電池^f莫型的soc推定來推定soc,將
基于電流積分的soc推定的連續執行時間以及輸"輸出電流是否在保證
電池模型獲得的推定準確度的、允許使用電池才莫型的范圍內考慮在內。因
此，在通過在上面介紹的兩種推定方法之間切換而執行的soc推定的布置 中，可防止選擇不適當的soc推定方法導致的推定誤差的增大，并可提高
soc推定準確度。
優選為，在根據本發明另一布置的用于推定二次電池充電狀態的裝置 中，選擇裝置通過在所述連續執行持續時間在第一限制時間段內時選擇第 一推定裝置來推定剩余容量，并且，通過在所述連續執行持續時間超過第 一限制時間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規定范圍內時選擇 第二推定裝置來推定剩余容量。
優選為，在才艮據本發明另一實施形態的推定二次電池充電狀態的方法 中，在選擇步驟中，通過在所述連續執行持續時間在第一限制時間段內時 選擇第一推定步驟來推定剩余容量，并且，通過在所述連續執行持續時間
超過第 一限制時間段且輸入/輸出電流在允許使用電池模型的規定范圍內 時選擇第二推定步驟來推定剩余容量。
根據上面介紹的推定第二電池充電狀態的裝置或方法，如果基于電池
積分的soc推定連續執行超過限制時間段(第一限制時間段)，可以進行
基于電池模型的剩余容量推定，假設輸入/輸出電流處于允許使用電池模型 的范圍內。因此，可以防止由于電流傳感器檢測誤差(偏移)引起的、長 時間連續的基于電流積分的soc推定引起的soc推定誤差增大。另外， 當輸入/輸出電流在允許使用電池模型的范圍外時，不強制選擇基于電M 型的soc推定。因此，可避免選擇不適當的soc推定方法導致的推定誤
差的增大。
更為優選的是，在根據本發明另一布置的用于推定二次電池充電狀態 的裝置中，當所述連續執行持續時間超過長于第 一 限制時間段的第二限制 時間段時，無論輸入/輸出電流如何，選擇裝置通過選擇第二推定裝置來推 定剩余容量。
根據上面介紹的推定二次電池充電狀態的裝置，當基于電流積分的
soc推定持續超過限制值(第二限制時間段)時，可以暫且執行基于電池模型的soc推定。因此，可以執行soc推定，使得來源于電流傳感器的 檢測誤差(偏移)的soc推定誤差不超過可容忍的值。
作為替代或作為優選的是，在根據本發明另一布置的推定二次電池充 電狀態的裝置中，當所述連續執行持續時間超過所述第 一 限制時間段且輸 入/輸出電流在允許使用電池模型的規定范圍外時，選擇裝置通過選擇第一 推定裝置來推定剩余容量。
根據上面介紹的推定二次電池充電狀態的裝置，當基于電流積分的
soc推定持續超過限制時間段(第一限制時間段)時，基于電池模型表達
式的SOC推定僅在輸^/輸出電流處于允許使用電JiM莫型的范圍時執行。
因此，可防止作為強制執行基于電池模型的soc推定的結果的、達到大的
值的soc誤差。
優選為，在本發明的應用中，二次電池為鋰離子電池。 根據上面介紹的推定二次電池充電狀態的裝置，可以以高的準確度推
定具有開路電壓與剩余容量之間的高相互關系的鋰離子電池的剩余容量
(soc)。
因此，通過根據本發明的推定二次電池充電狀態的裝置或方法，可根
據二次電池的使用狀態應用合適的soc推定方法，由此可提高推定準確度。


圖l為一原理框圖，其示出了包括二次電池的電源系統的構造，該二
次電池的剩余容量(soc)由才艮據本發明一實施例的推定二次電池充電狀 態的裝置或方法推定；
圖2為圖l所示SOC推定單元的功能框圖3示出了"^殳置穩定的電流范圍的概念；
圖4示出了設置電壓穩定化時間的概念；
圖5示出了二次電池內阻的溫度依賴性的概念； 圖6示出了二次電池緩和時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推定過程； 圖8為一電路圖，其示出了電 tM莫型的實例；
圖9示出了計算圖8所示電池模型中的電路常數的示例性過程； 圖IO為第一流程圖，其示出了根據本發明一實施例的SOC推定; 圖ll為第二流程圖，其示出了根據本發明一實施例的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置。
具體實施例方式
下面將參照附圖詳細介紹本發明的實施例。在下文中，附圖中相同或 對應的部分將用同樣的參考標號表示，基本上不再重復對其進行介紹。
圖l為一原理框圖，其示出了包括二次電池的電源系統的構造，該二 次電池的剩余容量(SOC)由根據本發明一實施例推定二次電池充電狀態 的方法或裝置來推定。
參照圖l，電源系統5包含二次電池10和負栽20。
典型地將鋰離子電池用作可再充電的二次電池IO。然而，二次電池的 類型和形式不受特別限制。注意，鋰離子電池具有開路電壓(OCV)與剩 余容量(SOC)之間的強相互關系，因此，本發明可穩定地應用。
在二次電池10上，設置測量電池溫度Tb的溫度傳感器30、測量電流 Ib (作為二次電池的輸入/輸出充電/i文電電流，下面也稱為電池電流Ib) 的電流傳感器32、測量正負極端子之間的電壓Vb (下面也稱為電池電壓 Vb)的電壓傳感器34。
負載20受到來自二次電池10的輸出電力的驅動。假i殳未示出的發電/ 饋電元件被設置在負載20內部或與負載20分離，且二次電池10可由來自 發電/饋電元件的充電電流進行充電。因此，當二次電池10受到放電時， 電池電流lb〈0，當二次電池10^皮充電時，電池電流IbX)。
電子控制單元(ECU) 50包含SOC推定單元60——其對應于"充電 狀態推定裝置，，一一以及控制單元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/放電或產生二次電池10的充電 請求。ECU 50典型地被構成為包含為用于執行預先編程的規定序列和規 定操作的微計算機和存儲器(RAM、 ROM等)。設置在二次電池10上的 傳感器組30、 32、 34檢測的值被輸入到ECU50。
在本發明的實施例中，遵循圖2的功能框圖，通過根據二次電池10 的狀態有選擇地在多個SOC推定過程中進行切換，SOC推定單元60推定
soc。
參照圖2， SOC推定單元60包含SOC推定塊IOO、 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。根據二次電池10 的輸入狀態量，SOC推定塊100-120通過不同的過程推定SOC。由選擇切 換單元130指定的SOC推定塊100-120中的一個的輸出被輸出為SOC推 定單元60的推定的剩余容量(SOC )。
在下文中，將要依次介紹相應的SOC推定塊100-120的SOC推定過程。
SOC推定塊100具有圖(map) 102,其存儲預先測量的二次電池10 的開路電壓OCV和SOC ( % )的特征關系，并通過將電池電壓Vb——其 為二次電池10的端子之間的電壓——^L為開路電壓OCV參照圖102來推 定二次電池10的SOC。
當電池電流Ib屬于圖3所示的穩定電流范圍105中且保持連續至少達 如圖4所示的電壓穩定化時間段Ts時(下面稱為穩定狀態)，選擇切換單 元130選擇SOC推定塊100。
參照圖3，穩定電流范圍105被定義為電池電流IIbHIjdl的范圍，其中， IIjdl為根據電池溫度Tb設置的限制電流。當電池溫度相對增大時，限制電 流IIjdl被設置得較大，并在電池溫度Tb相對減小時被設置得較小。
這反映了這樣的事實二次電池10的內阻rd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，才艮據內阻rb的溫度依賴性，隨著電池溫度Tb上升，限制電 流IIjdl被設置得相對較大，隨著電池溫度相對降低，限制電流IIjdl被設置得 相對較小，由此，內阻rb與電流限制值IIjdl的乘積可近似保持為恒定(恒
定電壓)。恒定電壓與通過使用圖102將可容忍的SOC推定誤差轉換為開 路電壓OCV獲得的電壓對應地設置。
因此，在穩定電流范圍105中，可以考慮內阻的電壓變化rb . llbl為 恒定量或更小。因此，在穩定電流范圍105之內，SOC推定誤差可被約束 在可由限制電流!Ijdl的設置把握的規定范圍(可容忍誤差范圍)內，即使 是在將電池電壓Vb視為開路電壓OCV執行基于圖102的SOC推定的時 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 定的延遲，電池電壓Vb在被稱為緩和時間的規定時間段過去后穩定。已 經知道，緩和時間具有溫度依賴性。具體而言，如圖6所示，隨著電池溫 度Tb達到相對較高的溫度區域(T1 —T2 —T3)，緩和時間變得較短，如 果其達到相對較低的溫度區域(T3 —T2 —Tl),緩和時間變得較長。
根據如上所述的緩和時間的溫度依賴性，電池穩定化時間段Tst隨著 電池溫度Tb上升而設置得相對較短，并隨著電池溫度Tb相對降低而被設 置得相對較長。因此，如果電池電流Ib持續至少達電壓穩定化時間段Tst， 該時間點上的電池電壓Vb可被j見為具有不變的穩定值。
因此，在電池電流Ib屬于穩定電流范圍105 (圖3)的穩定狀態內并 保持達電壓穩定化時間段Tst (圖4)或更長時，可以將SOC推定誤差保 持在可容忍的范圍內，即使使用將電池電壓Vb視為開路電壓OCV的簡單 推定過程(SOC推定塊100 )。
再度參照圖2， SOC推定塊110通過將SOC變化量ASOC加到上次 計算得到的SOC值來逐次推定二次電池10的SOC,其中，SOC變化量 △ SOC為電流傳感器32檢測到的電池電流Ib的積分值Elb。
在基于電流積分的SOC推定中，可以以高的準確度推定短時間段內的 SOC變化量。然而，如果SOC推定持續長時間段，由于電流傳感器32的 測量誤差(特別是偏移)，類似偏置(bias-like)的誤差可能在SOC推定 中產生。因此，必要不長時間進行基于電流積分的連續SOC推定。
如同將在下面介紹的那樣，通過將由傳感器檢測的二次電池10的狀態量用作輸入變量基于預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soc。下面介紹的電池模型表達式僅僅是一個舉例，soc
推定塊120可使用任何電池模型，假設該電,型被配置為允許將二次電 池10的狀態量(Tb、 Vb、 Ib等)用作輸入變量計算開路電壓和/或SOC。
在本實施例中，如圖7所示，SOC推定塊120將二次電池10的狀態 量(Tb， Vb， Ib)用作輸入變量推定二次電池10的內阻的電壓變化AV， 并推定在該時間點上的開路電壓(OCV-Vb-厶V)。另外，其使用推定的 開路電壓(圖7的Va、 Vb),基于類似于圖102的開路SOC特性推定二 次電池IO的SOC。
參照圖8， SOC推定塊120中使用的等效電路模型150為RC串聯-并聯電路模型，其用于計算開路電壓OCV與電池電壓Vb之間的電壓差△ V=Vb-OCV。在等效電路模型150中，Rs表示電解質電阻，Cl-C3表示電 氣雙層電容，Rl-R3表示反應電阻。
作為電解質電阻的DC電阻分量的電阻Rs具有溫度依賴性。因此，優 選為構造將電池溫度Tb作為參數尋找電解質電阻Rs的圖(未示出)，以 便逐次尋找電解質電阻Rs 。
類似地，反應電阻Rl與R3也具有溫度依賴性和SOC依賴性。因此， 優選為，預先構造將在該時間點上的推定SOC值和電池溫度Tb作為參數 的二維圖(未示出)，并通過參照該圖來尋找反應電阻R1-R3。類似地， 電氣雙層電容Cl-C3也具有溫度依賴性和SOC依賴性。因此，優選為， 預先構造將該時間點上的推定SOC值和電池溫度Tb作為參數的二維圖 (未示出)，并通過參照該圖來尋找電氣雙層電容C1-C3。
等效電路模型150中的電氣雙層電容Cl-C3和反應電阻Rl-R3可預先 通過作為評估二次電池的一般過程的、對AC阻抗響應的測量來尋找。在 AC阻抗測量中，不同頻率的AC信號如圖9所示地輸入，繪制阻抗的實 軸分量ReZ和虛軸分量ImZ。由結果得到的繪制波形，可獲得作為AC電 路常數的反應電阻R1-R3和電氣雙層電容C1-C3。
在圖8所示的等效電路才莫型150中，下面的公式(l)成立。
<formula>complex formula see original document page 20</formula> (1)
RC并聯電路中的電壓變化AV1、厶V2、 AV3可通過下面的方法來才莫擬。 在RC并聯電路中的電流I(對應于等效電路模型150中的電池電流Ib ) 與電壓V (—^示AV1-厶V3)間，存在用下面的公式(2)表示的關系， 其中，R表示電阻值( 一般表示R1-R3 )，C表示電容器電敘 一般表示Cl-C3 )。
<formula>complex formula see original document page 20</formula> (2)
當在線解算時，差分公式(2)在計算機上施加高負荷。因此，使用下 面的模擬。
通過將dV/dt-AV/At輸入到公式(2)，獲得下面的公式(3)，其 中，AV表示短時間段內的電壓V中的變化，At表示時間變化。
<formula>complex formula see original document page 20</formula>(3)
根據公式(3),通過對于每個電壓變化AV1-AV3在每個規定周期對 電池電流Ib進行采樣，從上一次的計算到當前計算的電壓變化量可使用電 路常數Cl-C3以及Rl-R3基于公式(3 )來獲得。
因此，公式(1)中的AV1-AV3可根據下面的公式(4) - (6)獲得。 在公式(4)-(6)中，At表示計算周期，
<formula>complex formula see original document page 20</formula>(4)
<formula>complex formula see original document page 20</formula>(5)
<formula>complex formula see original document page 20</formula>(6)
以這樣的方式，通過以規定的周期進行基于等效電路模型150的s計 算，相對于電池電壓Vb的內阻的電壓變化AV可根據公式(1)進行推定。 因此，可以推定該時間點上的開路電壓(OCV-Vb-AV)，并基于開路電壓 -S0C特性來推定S0C。
然而，在基于電池才莫型的SOC推定中，如果電池電流Ib過大，可能 發生大的推定誤差。因此，優選為，基于電M型的SOC推定在電池電流
網""(上次的值)+ {1-AVK:隨)〉.f A^A"(上次的值W卜AV2(上R"值、.嘗 禍=網(上次的值)+ {1-AV3(上J的值V蕓 Ib屬于規定范圍的M下進行。
接下來，將參照圖10和11詳細介紹根據本發明的實施例的SOC推定。 假設圖10和11的流程圖由SOC推定單元60根據規定的程序以規定周期 執行。
參照圖10，在根據本實施例的SOC推定程序中，SOC推定單元60 在步驟S100中判斷電池電流Ib是否在圖3所示的穩定電流范圍105內且 保持流動至少達圖4所示的電壓穩定化時間段Tst。
當步驟S100中的判斷為是時，SOC推定單元60判斷為二次電池10 處于穩定狀態。在穩定狀態中，SOC推定誤差屬于可容忍的范圍，即使 SOC推定在將電池電壓Vb視為開路電壓OCV的情況下進行。因此，當 二次電池10處于穩定狀態時，SOC推定單元60在步驟S110中進4亍考慮 電池電壓Vb-開路電壓OCV的SOC推定。具體而言，SOC推定塊100 被選擇切換單元130選擇。
當SOC推定由SOC推定塊100執行時，SOC推定單元60在步驟S120 中復位用于對電流積分的持續時間進行計數的計時器值Tcnt (Tcnt=0)， 其表示當執行由SOC推定塊110進行的基于電流積分的SOC推定時，基 于電流積分的SOC推定連續執行的時間段。
如果在步驟S100中判斷為否，也就是說，當二次電池10并非處于穩 定狀態時，SOC推定單元60根據圖11的流程圖進行基于電流積分的SOC 推定(SOC推定塊110 )或基于電池才莫型的SOC推定(SOC推定塊120)，
以便推定soc。
參照圖ll，SOC推定單元60在步驟S150中判斷通過電流積分的SOC 推定是否被執行超過限制時間段Tlmtl。具體而言，在步驟S1S0中，判斷 是否有計時器值Tcnt<Tlmtl。
如果電流積分的持續時間在限制時間段Tlmtl內(在步驟S150中的 判斷為是)，SOC推定單元60在步驟S200中優先執行由SOC推定塊110 進行的基于電流積分的SOC計算(步驟S200)。另外，當基于電流積分 的SOC推定執行時，在步驟S210中，SOC推定單元60更新(增大)計 時器值Tcnt。
相反，當在步驟S150中的判斷是否時，也就是說，當基于電流積分的 SOC推定已被連續執行長于限制時間段Tmtl時，根據步驟S160和S170 中的判斷，SOC推定單元60判斷為基于電池模型的SOC (SOC推定塊 120 )是否將代替基于電流積分的SOC推定執行，或者基于電流積分的SOC 推定(SOC推定塊llO)是否將繼續。
SOC推定單元60在步驟S160中判斷電池電流Ib是否屬于允許使用 圖12所示電流模型的范圍125。
參照圖12，允許使用電流模型的范圍125是在考慮內阻溫度依賴性的 情況下設置的。具體而言，在內阻相對較高且基于電池模型的推定誤差可 能發生的低溫范圍內，允許使用電流模型的范圍125被設置為僅對于極低 電流范圍允許4吏用基于電池才莫型的SOC推定。相反，在內阻相對較低且期 望基于電池模型的推定誤差不大可能發生的高溫范圍中，允許使用電流模 型的范圍125被設置為如果電池電流屬于正常使用范圍，允許基于電池 模型的SOC推定。
再度參照圖11，如果步驟S160中的判斷為是，也就是說，當電池電 流Ib屬于允許使用電池^^莫型的范圍時，SOC推定單元60在步驟S220中
執行基于電,型的soc推定(soc推定塊120)。當基于電';^M莫型的
SOC推定執行時，SOC推定單元60在步驟S230中將表示電流積分持續 時間的計數器值Tcnt復位(Tcnt=0)。
相反，如果步驟S160中的判斷為否，也就是說，當電池電流Ib在允 許使用電池模型(圖12)的范圍外時，SOC推定單元60執行步驟S170， 并判斷電流積分的持續時間是否在最終限制時間段Tlmt2內 (Tlmt2>Tlmtl)。
限制時間段Thntl和最終限制時間段Tlmt2可由預先掌握的電流傳感 器32的最大偏移誤差與SOC推定的可容忍誤差之間的關系預先獲得。另 夕卜，代替電流積分的持續時間的是，可以執行步驟S150和S170的判斷， 使得放電操作的次數或放電時間不超過限制值。
如果步驟S170中的判斷為否，也就是說，如果電流積分的持續時間長 于限制時間段Tlmtl 、但不長于最終限制時間段Tlmt2 ， SOC推定單元60 判斷基于電池模型的SOC推定中的誤差大于由連續電流積分引起的SOC 推定誤差，并在步驟S200中繼續基于電流積分的SOC推定的執行。此時， SOC推定單元60在步驟S210中更新(增大)計時器值Tcnt。
另一方面，如果步驟S170中的判斷為是，也就是說，如果電池電流在 允許使用電池模型的范圍之外，同時，電流積分的持續時間超過最終限制 時間段Tlmt2， SOC推定單元60在步驟S220中執行基于電池模型的SOC 推定(SOC推定塊120)。因此，在考慮連續的基于電流積分的SOC推 定引起的誤差增大的情況下，基于電池模型的SOC推定在此時間點上暫時 執行。這里，SOC推定單元60在步驟S230中對表示電流積分持續時間的 計時器值Tcnt復位(Tcnt=0 )。
由于這種控制結構，如果內阻的電壓變化不高于對應于SOC推定的可 容忍誤差的規定電壓(即在穩定狀態中)，二次電池10的SOC可以在不 使用電池模型等等的情況下用更為簡單和更為可靠的方式以可容忍的誤差 推定。
另外，通過根據依賴于電池溫度的電池電流限制的電池模型使用限制 和將電流傳感器偏移誤差考慮在內的電流積分持續時間限制，可選擇使用 基于電池模型的SOC推定和基于電流積分的SOC推定，以便不增大各自 的誤差因素。
另外，在開路電壓和soc間的相互關系不是非常強的二次電池等等之 中，圖10的流程圖所示的過程可被忽略，soc推定可通過選擇基于電池 模型的soc推定和基于電流積分的soc推定來執行。
本發明適用于例如推定安裝在混合動力車或電氣車輛上的二次電池的 充電狀態。然而，在安裝在電氣車輛上的二次電池中， 一旦其充分充電(soc 100%)，通常不進行將soc保持在規定目標值的充電/放電控制，并且， 需要放電過程所導致的soc降低的正確推定，以便檢測再次充電的必要
性。相反，在安裝在混合動力車上的二次電池中，需要充電/放電控制以便 將SOC保持在規定目標值(例如60%)，以便保持再生制動時對再生電 力進行充電的規定裕量。因此，在混合動力車中，與電氣車輛相比，頻繁 重復進行二次電池的充電/放電，且推定誤差的發生是值得注意的。因此， 沖艮據本發明的推定充電狀態的裝置和方法更適合用于混合動力車。
這里將介紹當前實施例與本發明的關系。圖2所示的圖對應于本發明 的"特性存儲裝置"，圖10的步驟S100對應于本發明的"穩定狀態判斷 裝置(穩定狀態判斷步驟)"。另外，步驟S110對應于本發明的"第一充 電狀態推定裝置(第一充電狀態推定步驟)"，圖11的步驟S200和S220 對應于本發明的"第二充電狀態推定裝置(笫二充電狀態推定步驟)"。 具體而言，步驟S200對應于本發明的"第一推定裝置(第一推定步驟)"， 步驟S220對應于本發明的"第二推定裝置(第二推定步驟)"。另外，圖 11的步驟S120、 S210和S230對應于本發明的"時間測量裝置(時間測量 步驟)，，，步驟S160和步驟S170對應于本發明的"選擇裝置(選擇步驟)"。
這里已經介紹的實施例僅僅是實例，不應解釋為是限制性的。本發明 的范圍在適當考慮實施例的書面描述的情況下由各項權利要求確定，并包 含屬于權利要求的含義或與之等同的范圍的變型。
權利要求
1.一種用于推定二次電池充電狀態的裝置，所述二次電池具有能夠檢測輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測器，所述裝置包含特性存儲裝置，其用于存儲所述二次電池的開路電壓與剩余容量之間的特性；穩定狀態判斷裝置，其用于判斷是否為所述輸入/輸出電流保持為不高于根據所述電池溫度設置的限制電流至少達根據所述電池溫度設置的電壓穩定時間段的穩定狀態；以及第一充電狀態推定裝置，當判斷為所述穩定狀態時，該裝置用于將所述輸出電壓視為所述開路電壓，基于存儲在所述特性存儲裝置中的特性推定所述二次電池的剩余容量。
2. 根據權利要求l的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其還包含 第二充電狀態推定裝置，其用于在所述穩定狀態判斷裝置判斷為并非所述穩定狀態時推定所述二次電池的剩余容量；其中，所述第二充電狀態推定裝置通過基于所述輸入/輸出電流的積分值逐 次計算所述剩余容量的變化量的過程或通過基于將所述輸入/輸出電流、所 述輸出電壓與所述電池溫度用作輸入變量的電池模型的過程來推定所述二 次電池的剩余容量。
3. 根據權利要求2的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中， 所述第二充電狀態推定裝置包含第一推定裝置，其用于通過基于所述輸入/輸出電流的積分值計算所述 剩余容量的變化量來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推定所述二次電池的剩余容量， 以及計時器裝置，其用于測量由所述第 一推定裝置進行的剩余容量推定的連續執行持續時間；且所述第二充電狀態推定裝置通過在所述連續執行持續時間在第 一限制時間段內時選擇所述第一推定裝置來推定所述剩余容量，并通過在所述連續執行持續時間超過所述第一限制時間段且所述輸入/輸出電流在允許使用所述電池模型的規定范圍內時選擇所述第二推定裝置來推定所述剩余容量.
4. 根據權利要求3的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中，當所述連續執行持續時間超過長于所述第 一限制時間段的第二限制時間段時，無論所述輸入/輸出電流如何，所述第二充電狀態推定裝置通過選擇所述第二推定裝置來推定所述剩余容量。
5. 根據權利要求3的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中，當所述連續執行持續時間超過所述第 一限制時間段且所述輸入/輸出電流在允許使用所述電池模型的所述規定范圍外時，所述第二充電狀態推定裝置通過選擇所述第一推定裝置來推定所述剩余容量。
6. 根據權利要求l的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中， 所述穩定狀態判斷裝置中的所述限制電流隨著所述電池溫度的上升而被設置得相對較大。
7. 根據權利要求l的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中， 所述穩定狀態判斷裝置中的所述電壓穩定時間段隨著所述電池溫度的上升而被設置得相對較短。
8. —種用于推定二次電池充電狀態的裝置，所述二次電池具有能夠檢測輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測器，所述裝置包含第一推定裝置，其用于通過基于所述輸入/輸出電流的積分值計算所述剩余容量的變化量來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推定所述二次電池的剩余容量；計時器裝置，其用于測量由所述笫一推定裝置進行的剩余容量推定的連續執行持續時間；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定范圍內的判斷以及基于由所述計時器裝置獲得的所述連續執行持 續時間來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。
9. 根據權利要求8的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中， 所述選擇裝置通過在所述連續執行持續時間在第一限制時間段內時選擇所述第一推定裝置來推定所述剩余容量，并通過在所述連續執行持續時 間超過所述第一限制時間段且所述輸入/輸出電流在允許使用所述電池才莫 型的所述規定范圍內時選擇所述第二推定裝置來推定所述剩余容量。
10. 根據權利要求9的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中，當所述連續執行持續時間超過長于所述第 一限制時間段的第二限制時 間段時，無論所述輸入/輸出電流如何，所述選擇裝置通過選擇所述第二推 定裝置來推定所述剩余容量。
11. 根據權利要求9的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中，當所述連續執行持續時間超過所述第 一限制時間段且所述輸入/輸出 電流在允許使用所述電池模型的所述規定范圍外時，所述選擇裝置通過選 擇所述第 一推定裝置來推定所述剩余容量。
12. 根據權利要求l-ll中任意一項的用于推定二次電池充電狀態的裝置，其中，所述二次電池為鋰離子電池。
13. —種推定二次電池充電狀態的方法，所述二次電池具有能夠檢測 輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測器，所述方法包含穩定狀態判斷步驟，其判斷是否為所述輸入/輸出電流保持為不高于根 據所述電池溫度i殳置的限制電流至少達才艮據所述電池溫度設置的電壓穩定 時間段的穩定狀態；以及第一充電狀態推定步驟，當判斷為所述穩定狀態時，該步驟將所述輸 出電壓視為所述二次電池的開路電壓，基于所述二次電池的開路電壓與剩 余容量之間的特性推定所述二次電池的剩余容量。
14. 根據權利要求13的推定二次電池充電狀態的方法，其還包含第二充電狀態推定步驟，其在所述穩定狀態判斷步驟中判斷為并非所述穩定狀態時推定所述二次電池的剩余容量；其中，在所述第二充電狀態推定步驟中，通過基于所述輸入/輸出電流的積分 值逐次計算所述剩余容量的變化量的過程或通過基于將所述輸入/輸出電 流、所述輸出電壓與所述電池溫度用作輸入變量的電池模型的過程來推定 所述二次電池的剩余容量。
15. 根據權利要求14的推定二次電池充電狀態的方法，其中， 所述第二充電狀態推定步驟包含第一推定步驟，其通過基于所述輸^/輸出電流的積分值計算所述剩余 容量的變化量來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來推定所述二次電池的剩余容量，以及時間測量步驟，其測量由所述第一推定步驟進行的剩余容量推定的連 續執行持續時間；且在所述第二充電狀態推定步驟中，通過在所述連續執行持續時間在第 一限制時間段內時選擇所述第一推定步驟來推定所述剩余容量，并通過在 所述連續執行持續時間超過所述第 一限制時間段且所述輸入/輸出電流在 允許使用所述電池模型的規定范圍內時選擇所述第二推定步驟來推定所述 剩余容量。
16. 根據權利要求13的推定二次電池充電狀態的方法，其中， 所述穩定狀態判斷步驟中的所述限制電流隨著所述電池溫度的上升而凈皮設置得相對較大。
17. 根據權利要求13的推定二次電池充電狀態的方法，其中， 所迷穩定狀態判斷步驟中的所述電壓穩定時間段隨著所述電池溫度的上升而被設置得相對較短。
18. —種推定二次電池充電狀態的方法，所述二次電池具有能夠檢測 輸入/輸出電流、輸出電壓以及電池溫度的檢測器，所述方法包含第一推定步驟，其通過基于所述輸^/輸出電流的積分值計算所述剩余容量的變化量來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；時間測量步驟，其測量由所述第一推定步驟進行的剩余容量推定的連續執行持續時間；以及選捧步驟，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定范圍內的判斷以及基于由所述時間測量步驟獲得的所述連續執行持續 時間來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。
19. 根據權利要求18的推定二次電池充電狀態的方法，其中， 在所述選擇步驟中，通過在所述連續執行持續時間在第一限制時間段內時選擇所述第一推定步驟來推定所述剩余容量，并通過在所述連續執行 持續時間超過所述第 一限制時間段且所述輸入/輸出電流在允許使用所述 電池模型的所述規定范圍內時選擇所述第二推定步驟來推定所述剩余容
20. 根據權利要求13-19中任意一項的推定二次電池充電狀態的方法， 其中，所述二次電池為鋰離子電池。
全文摘要
當電池電流(Ib)不大于依賴于電池溫度(Tb)設置的限制電流(|Ijd|)且連續流動依賴于電池溫度(Tb)設置的預定時間或更長時，做出二次電池(10)處于穩定狀態的決定。當二次電池(10)處于穩定狀態時，電池電壓(Vb)被考慮為等于開路電壓(OCV)，SOC推定基于開路電壓-SOC特性來進行。通過設置與內阻溫度依賴性相關聯的限制電流(|Ijd|)，當使得二次電池的內阻與限制電流(|Ijd|)的乘積基本恒定(恒定電壓)時，在穩定狀態下，推定誤差可被保持在預定范圍內，即使SOC推定在將電池電壓(Vb)被假設為開路電壓(OCV)時進行。因此，SOC可在穩定狀態下通過簡單且可靠的系統用預定誤差范圍內的高精度推定。
文檔編號G01R31/36GK101346636SQ20068004926
公開日2009年1月14日 申請日期2006年11月30日 優先權日2005年12月27日
發明者土屋憲司 申請人:豐田自動車株式會社