二次電池溫度推定裝置和方法

專利名稱：二次電池溫度推定裝置和方法
技術領域：
本發明涉及用于推定二次電池的溫度的二次電池溫度推定裝置，具體而言，涉及用于在不使用溫度傳感器的情況下精確地推定二次電池的溫度的技術。
背景技術：
通常，在以鋰離子電池和鎳氫電池為代表的二次電池中，充電和放電特性隨溫度降低而劣化。當電池的溫度低時，需要迅速升高電池溫度。日本專利申請公開H11-3^516(JP-A-11-329516)描述了用于升高電池溫度的裝置。在該升溫裝置中，通過跨電池連接由電感器、電容器以及交流電源構成的串聯電路而形成諧振電路。通過使交流電源產生該諧振電路的諧振頻率下的交流電壓而使電池的溫度升
尚ο在該升溫裝置中，在諧振期間，幾乎所有電力都消耗在內阻中，因而通過自發熱而升高電池的溫度。據稱該升溫裝置能夠以最小電力消耗有效地升高電池的溫度(參見 JP-A-I1-329516)。為了安全并精確地將二次電池的溫度升高到目標溫度，精確地確定二次電池的溫度是重要的。然而，溫度傳感器測量電池的表面溫度，因此，檢測結果不能精確地反映電池內部的實際溫度。此外，使用溫度傳感器導致成本增加。JP-A-11-329516僅僅公開了升高電池溫度的技術，上述公開不包括關于在使電池溫度升高的同時精確地推定電池溫度的方法的教導。

發明內容
本發明提供了一種能夠在不使用溫度傳感器的情況下精確地推定二次電池的溫度的二次電池溫度推定裝置。根據本發明的第一方面的二次電池溫度推定裝置包括紋波生成部、電流檢測部、 電壓檢測部、阻抗推定部以及溫度推定部。所述紋波生成部被連接到所述二次電池并適用于使預定頻率的紋波電流在所述二次電池中流動。所述電流檢測部檢測所述二次電池的充電或放電電流。所述電壓檢測部檢測所述二次電池的電壓。所述阻抗推定部基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電流檢測部檢測的電流和由所述電壓檢測部檢測的電壓而推定所述二次電池的阻抗。所述溫度推定部通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與所述二次電池的阻抗之間的關系并基于由所述阻抗推定部推定的阻抗而推定所述二次電池的溫度。在第一方面中，可以采用這樣的配置，其中，基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電流檢測部檢測的電流和由所述電壓檢測部檢測的電壓，所述阻抗推定部推定在所述預定頻率下所述二次電池的交流阻抗；以及，通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與在所述預定頻率下所述二次電池的交流阻抗之間的關系并基于由所述阻抗推定部推定的交流阻抗，所述溫度推定部推定所述二次電池的溫度。
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在第一方面中，可以采用這樣的配置，其中，所述阻抗推定部包括偏移電流計算部、偏移電壓計算部以及直流電阻推定部。所述偏移電流計算部基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電流檢測部檢測的電流而計算由所檢測的電流的平均值表示的偏移電流。所述偏移電壓計算部基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電壓檢測部檢測的電壓而計算偏移電壓，所述偏移電壓為所述二次電池的開路電壓與所檢測的電壓的平均值之間的差。所述直流電阻推定部基于所述偏移電流和所述偏移電壓而推定所述二次電池的直流電阻。通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與所述二次電池的所述直流電阻之間的關系并基于由所述直流電阻推定部推定的所述直流電阻，所述溫度推定部推定所述二次電池的溫度。在第一方面中，所述電流檢測部和所述電壓檢測部中的每一個可以包括獲取檢測值的峰值的峰值獲取部。根據本發明的第二方面的二次電池溫度推定裝置包括紋波生成部、電流檢測部、 充電狀態(SOC)推定部、損失推定部以及溫度推定部。所述紋波生成部被連接到所述二次電池并適用于使預定頻率的紋波電流在所述二次電池中流動。所述電流檢測部檢測所述二次電池的充電或放電電流。所述SOC推定部基于由所述電流檢測部檢測的電流而推定所述二次電池的S0C。所述損失推定部基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時推定的所述S0C，推定所述二次電池的能量損失。所述溫度推定部基于由所述損失推定部推定的所述二次電池的所述能量損失而推定所述二次電池的溫度的改變量，并基于所推定的溫度的改變量而推定所述二次電池的溫度。在第二方面中，所述SOC推定部可以包括偏移電流計算部、放電量推定部以及改變量推定部。所述偏移電流計算部基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電流檢測部檢測的電流而計算由所檢測的電流的平均值表示的偏移電流。 所述放電量推定部推定通過對所述偏移電流積分而獲得的所述二次電池的放電量。所述改變量推定部通過將由所述放電量推定部推定的所述二次電池的放電量除以所述二次電池的容量而推定所述二次電池的所述SOC的改變量。在第二方面中，所述電流檢測部可以包括獲取檢測值的峰值的峰值獲取部。根據本發明的第三方面的二次電池溫度推定方法包括使預定頻率的紋波電流在所述二次電池中流動；檢測所述二次電池的充電或放電電流；檢測所述二次電池的電壓； 基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電流和電壓，推定所述二次電池的阻抗；以及通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與所述二次電池的阻抗之間的關系并基于所推定的阻抗，推定所述二次電池的溫度。在第三方面中，可以采用這樣的模式，其中，在推定阻抗時，基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電流和電壓，推定在所述預定頻率下所述二次電池的交流阻抗；以及在推定溫度時，通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與在所述預定頻率下所述二次電池的所述交流阻抗之間的關系并基于所推定的交流阻抗，推定所述二次電池的溫度。在第三方面中，可以采用這樣的模式，其中，推定阻抗包括基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電流，計算由所檢測的電流的平均值表示的偏移電流； 基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電壓，計算偏移電壓，所述偏移電壓為所述二次電池的開路電壓與所檢測的電壓的平均值之間的差；以及基于所述偏移電流和所述偏移電壓，推定所述二次電池的直流電阻，并且，在推定溫度時，通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與所述二次電池的所述直流電阻之間的關系并基于所推定的直流電阻，推定所述二次電池的溫度。根據本發明的第四方面的二次電池溫度推定方法包括使預定頻率的紋波電流在所述二次電池中流動；檢測所述二次電池的充電或放電電流；基于所檢測的電流，推定所述二次電池的充電狀態(SOC)；基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時推定的所述S0C，推定所述二次電池的能量損失；以及基于所推定的所述二次電池的能量損失而推定所述二次電池的溫度的改變量，并基于所推定的溫度的改變量而推定所述二次電池的溫度。在第四方面中，推定所述SOC可以包括基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電流，計算由所檢測的電流的平均值表示的偏移電流；推定通過對所述偏移電流的積分獲得的所述二次電池的放電量；以及通過將所推定的所述二次電池的放電量除以所述二次電池的容量，推定所述二次電池的所述SOC的改變量。在本發明中，通過使預定頻率的紋波電流在二次電池中流動而升高二次電池的溫度。基于當使紋波電流在二次電池中流動時檢測的二次電池的電流和電壓，推定二次電池的阻抗。通過使用預先獲得的二次電池的溫度與二次電池的阻抗之間的關系并基于所推定的阻抗，推定二次電池的溫度。在本發明中，基于所檢測的電流而推定二次電池的S0C，且基于當使紋波電流在二次電池中流動時推定的SOC而推定二次電池的能量損失。然后基于所推定的能量損失而推定二次電池的溫度改變量，且基于所推定的溫度改變量而推定二次電池的溫度。由此，根據本發明，可以在不使用溫度傳感器的情況下精確地推定二次電池的溫度。


通過對示例性實施例的以下描述并參考附圖，本發明的上述和其他目的、特征以及優點將被變得明顯，其中相似的標號用于表示相似的要素，且其中圖1為作為根據本發明的第一實施例的二次電池溫度推定裝置的應用實例給出的電動車輛的整體的框圖；圖2為示出了圖1中所示的電動車輛的一部分的系統配置的圖，該部分涉及對二次電池的紋波升溫操作；圖3為示出了二次電池的電壓的細目(breakdown)的圖；圖4為示出了二次電池的阻抗特性(絕對值)的波特(Bode)圖；圖5為示出了二次電池的阻抗特性(相位)的波特圖；圖6為示出了在跨二次電池內阻產生的電壓為約束條件(constraint)的情況下在極低溫條件下可在二次電池中流動的紋波電流的峰值的圖；圖7為示出了在跨二次電池內阻產生的電壓為約束條件的情況下在極低溫條件下可在二次電池中產生的平均熱量的圖；圖8為在紋波升溫操作期間在二次電池中的電流和電壓的波形圖9為圖2中示出的狀態推定部的功能框圖；圖10為示出了第二實施例的狀態推定部的功能框圖；圖11為示出了第三實施例的狀態推定部的功能框圖；圖12為示出了在圖11中示出的充電狀態(SOC)推定部的更詳細的功能框圖；圖13為示出了紋波電流的周期與傳感器的取樣周期之間的關系的圖；圖14為這樣的圖，其中在特定時刻的取樣之后的一個周期的紋波波形與在N個周期之后的相同相位的紋波波形彼此疊加(superimpose)；以及圖15為其中繪制了多個取樣點的圖。
具體實施例方式以下將參考附圖詳細描述本發明的實施例。注意，附圖中的相同或相應的部分由相同的參考標號指示，并且不重復對其的描述。(第一實施例)圖1是作為根據本發明的第一實施例的用于二次電池的二次電池溫度推定裝置的應用實例給出的電動車輛的整體的框圖。參考圖1，電動車輛100包括二次電池10、升壓轉換器22、電容器CH、逆變器30、電動發電機40以及驅動輪50。電動車輛100還包括電子控制單元(ECU) 60、電流傳感器72以及電壓傳感器74和76。二次電池10為以鋰離子電池或鎳氫電池為代表的可再充電電池。二次電池10的正端子和負端子被分別連接到正極線PLl和負極線NL。升壓轉換器22包括功率半導體開關器件(switching device)(下文中，也可僅稱為“開關器件”)Ql和Q2、二極管Dl和D2以及電抗器L。開關器件Ql和Q2被串聯連接在正極線PL2與負極線NL之間。開關器件Ql的集電極被連接到正極線PL2，且開關器件Q2 的發射極被連接到負極線NL。二極管Dl和D2分別被反并聯地(in anti-parallel)連接到開關器件Ql和Q2。電抗器L的一個端子連接到正極線PL1，而其另一端子連接到開關器件Ql和Q2之間的節點ND。作為上述開關器件Ql和Q2，例如可以使用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、功率金屬氧化物半導體(M0Q晶體管等等。升壓轉換器22能夠基于來自E⑶60的控制信號PWMC而將正極線PL2和負極線 NL之間的電壓(下文中，也稱為“系統電壓”)升高到二次電池10的輸出電壓或更高。當系統電壓低于希望的電壓時，通過增大開關器件Q2的占空因子，使電流從正極線PLl流到正極線PL2，從而可以升高系統電壓。另一方面，當系統電壓高于希望的電壓時，通過增大開關器件Ql的占空因子，使電流從正極線PL2流到正極線PL1，從而可以降低系統電壓。升壓轉換器22和電容器CH形成將稍后描述的紋波生成部20。升壓轉換器22基于來自E⑶60的控制信號PWMC而使預定頻率的紋波電流在二次電池10中流動，由此從其內部升高二次電池10的溫度(這樣的升溫操作在下文中也稱為“紋波升溫操作”)。具體而言，在升壓轉換器22中，根據來自E⑶60的控制信號PWMC，開關器件Ql和Q2互補地開通和關斷，從而升壓轉換器22依賴于開關器件Ql和Q2的開關頻率而使紋波電流在二次電池10中流動。稍后將詳細說明紋波升溫操作。電容器CH被連接在正極線PL2與負極線NL之間，以使正極線PL2與負極線NL之間的電壓平滑。使用電容器CH作為電力緩沖器，當對二次電池10進行紋波升溫操作時，該電力緩沖器暫時存儲從二次電池10輸出的電力。逆變器30基于來自E⑶60的控制信號PWMI而將從正極線PL2和負極線NL供給的直流電力轉變為三相交流，并將該三相交流輸出到電動發電機40以驅動電動發電機40。 在車輛的制動期間，逆變器30基于控制信號PWMI而將由電動發電機40產生的三相交流轉變為直流，以將該直流輸出到正極線PL2和負極線NL。電動發電機40為交流電動機，該交流電動機例如為具有其中嵌入有永磁體的轉子的三相交流電動機。電動發動機40被機械地連接到驅動輪50并產生用于驅動車輛的扭矩。此外，電動發動機40從驅動輪50接收車輛的動能以在車輛制動期間產生電力。電流傳感器72檢測輸入到二次電池10和從二次電池10輸出的電流I，并且檢測值被輸出到ECU 60。下文中，當電流I沿使二次電池10充電的方向流動時，電流I的符號為正。電壓傳感器74檢測與二次電池10的輸出電壓對應的正極線PLl與負極線NL之間的電壓V，并將檢測值輸出到E⑶60。電壓傳感器76檢測正極線PL2與負極線NL之間的電壓VH，并將檢測值輸出到E⑶60。E⑶60基于分別從電壓傳感器74和76提供的電壓V和VH的檢測值而產生用于驅動升壓轉換器22的脈沖寬度調制(PWM)信號。所產生的PWM信號作為控制信號PWMC而被輸出到升壓轉換器22。當滿足用于對二次電池10進行紋波升溫操作的預定條件時，E⑶60產生用于使預定頻率的紋波電流在二次電池10中流動的控制信號PWMC，并且所產生的控制信號PWMC 被輸出到升壓轉換器22。作為實例，ECU 60將載波信號的頻率設定為預定頻率(下文中， 也稱為“紋波頻率”)并產生用于以該紋波頻率開通和關斷升壓轉換器22的開關器件Ql和 Q2的控制信號P麗C。此外，基于當使紋波電流在二次電池10中流動時由電流傳感器72檢測并提供的電流I的值和由電壓傳感器74檢測并提供的電壓V的值，E⑶60推定二次電池10的溫度。稍后將詳細描述在紋波升溫操作期間基于電流I和電壓V的檢測值而通過由升壓轉換器22和電容器CH形成的紋波生成部20對二次電池10進行的紋波升溫操作以及推定二次電池10的溫度的方法。E⑶60產生用于驅動電動發電機40的控制信號PWMI，并將所產生的控制信號 PWMI輸出到逆變器30。圖2為示出了圖1中所示的電動車輛100的一部分的系統配置的圖，該部分涉及對二次電池10的紋波升溫操作。參考圖2，二次電池10包括內阻12。如稍后描述的，內阻 12具有溫度依賴性并還依賴于在電池中流動的電流的頻率而顯著變化。如上所述，紋波生成部20由圖1中示出的升壓轉換器22和電容器CH(未在圖2中示出)形成。在紋波生成部20中，開關器件Ql和Q2(未在圖2中示出)根據來自E⑶60 的控制信號PWMC而互補地開通和關斷，從而紋波生成部20產生依賴于開關器件Ql和Q2 的開關頻率的紋波電流。E⑶60包括狀態推定部62和紋波控制部64。狀態推定部62基于當紋波生成部 20使紋波電流在二次電池10中流動時檢測的電流I和電壓V的值而推定二次電池10的溫度T。更具體而言，狀態推定部62基于電流I和電壓V的檢測值而推定二次電池10的阻抗，并且，通過使用預先準備的限定了二次電池10的溫度與阻抗之間的關系的圖(map)并基于所推定的阻抗而推定二次電池10的溫度T。狀態推定部62然后將所推定的溫度T輸出到紋波控制部64。紋波控制部64基于從狀態推定部62接收的二次電池10的溫度T而控制紋波生成部20，以通過使紋波電流在二次電池10中流動而從二次電池10的內部升高二次電池10 的溫度。紋波控制部64基于二次電池10的阻抗的頻率特性而控制紋波生成部20，以使在這樣的范圍內的頻率的紋波電流在二次電池10中流動，在該范圍內，二次電池10的阻抗的絕對值被相對減小。下面將提供對紋波升溫操作的簡要描述，然后將詳細描述推定二次電池10的溫度的狀態推定部62的配置。(對紋波升溫操作的簡要描述)圖3為示出了二次電池10的電壓的細目的圖。在圖3中，為了簡單起見，內阻僅具有實部而不存在由L、C等引起的虛部。參考圖3，通過向開路電壓OCV增加在通電期間跨內阻12產生的電壓Δ V或從開路電壓OCV減去該電壓Δ V而獲得在二次電池10的端子之間產生的電壓V。具體而言，當充電電流流動時，V = 0CV+AV，而當放電電流流動時，V = OCV- Δ V ( Δ V > 0)。當內阻12的電阻值為R時，通過下式表達當電流I在二次電池10中流動時產生的熱量Q Q=I2XR (1)=IXAV (2)= AV2/R (3)這些式(1)到( 彼此等價。根據式(1)，似乎通過增大利用紋波生成部20產生的紋波電流I可以有效地升高二次電池10的溫度。然而，實際上，從安全性和耐久性角度， 對于二次電池10的電壓V而言，需要符合上限和下限電壓。具體而言，在極低溫條件下，內阻12的電阻值R增大且電壓M因此而增大，從而存在出現以下情況的可能性不可能在將二次電池10的電壓V約束在上限和下限之間的范圍內的同時使得用于產生熱的足夠的紋波電流I流動。具體而言，在其中內阻12的電阻值R增大的低溫條件下(特別地，在超低溫條件下)，存在出現以下情況的可能性電壓ΔΥ成為限制(restriction)，從而不可能使紋波電流I在二次電池10中流動，這阻止了二次電池10的溫度的有效升高。因而，關注式(3)和二次電池10的阻抗的頻率特性，并且，通過紋波生成部20使得在這樣的范圍內的頻率下的紋波電流流動，在該范圍內，二次電池的阻抗的絕對值(內阻12的電阻值R)與該范圍之外的頻率情況下的相同阻抗的絕對值相比相對較低。以該方式，二次電池10中的發熱量Q增大，因而可以有效地升高二次電池10的溫度。圖4和5為示出了二次電池10的阻抗特性的波特圖。作為分析二次電池的電特性的方法，已知電化學阻抗譜(EIS)。波特圖通過EIS的使用而示出了二次電池10的阻抗特性。圖4示出了阻抗Z的絕對值|Z|的頻率特性。圖5示出了阻抗Z的相位θ的頻率特性。在圖4和5中，對數標度的水平軸表示在二次電池10中產生的交流(紋波電流)
10的頻率。在圖4中，對數標度的垂直軸表示阻抗Z的絕對值|Z|。在圖5中，垂直軸表示阻抗Z的相位θ。如圖4所示，在需要升高二次電池10的溫度的低溫條件下，與非低溫條件下相比， 阻抗ζ的絕對值Izl增大。然而，當紋波電流的頻率低時，該增大是顯著的。具體而言，在 IkHz的頻率附近，阻抗Z的絕對值|Ζ|小于當頻率遠離該頻率范圍(約IkHz)時阻抗Z的絕對值|ζ|。此外，即使在極低溫條件下，該絕對值也至多為非低溫條件下(例如，在室溫下)的三倍(圖4中的部分Δ)。此外，如圖5所示，在該頻率范圍(約IkHz)，阻抗Z的相位θ接近零，因此功率因子為1，這意味著良好的效率。因而，基于二次電池10的阻抗的頻率特性，通過紋波生成部20產生在這樣的范圍 (例如，基于圖4，約IkHz)內的頻率下的紋波電流，在該范圍內，二次電池10的阻抗Z的絕對值|Ζ|相對低。以該方式，即使在跨二次電池10的內阻12產生的電壓ΔΥ所施加的限制下，也可以有效地使紋波電流在二次電池10中流動，從而有效地升高二次電池10的溫度。圖6為示出了在跨二次電池10的內阻12產生的電壓Δ V為約束條件的情況下在極低溫條件下能夠在二次電池10中流動的紋波電流的峰值的圖。參考圖6，水平軸表示紋波電流的頻率，垂直軸表示在電壓Δν的約束條件下可在二次電池10中流動的紋波電流 (假設為正弦)的峰值。注意，通過實例示出了以下情況電壓八￥等于0.5￥，并且二次電池10的溫度T等于-30°C (極低溫)。如圖6所示，在其中二次電池10的阻抗的絕對值相對小的頻率范圍(約IkHz)內， 能夠在二次電池10中流動的電流增大。當頻率低或電流為直流時，則幾乎不可能使電流在二次電池10中流動以升高二次電池的溫度。圖7為示出了在跨二次電池10的內阻12產生的電壓Δ V為約束條件的情況下在極低溫條件下可在二次電池中產生的平均熱量的圖。參考圖7，水平軸表示紋波電流的頻率，垂直軸表示在一個紋波循環中在二次電池10中產生的平均熱量。注意，同樣在圖7中， 通過實例示出了以下情況電壓八￥等于0.5￥，且二次電池10的溫度11等于-301(極低溫)。如圖7所示，在二次電池10的阻抗的絕對值相對低的頻率范圍(約IkHz)內，由二次電池10產生的熱量增加。當頻率低或電流為直流時，在約束條件(電壓Δν = 0. 5V) 下則幾乎不可能使電流在二次電池10中流動來升高二次電池的溫度。如上所述，基于二次電池10的阻抗的頻率特性，通過紋波生成部20使得在二次電池10的阻抗的絕對值相對低的范圍(例如，約IkHz)內的頻率下的紋波電流流動。以該方式，可以增加二次電池的發熱量Q，并可以有效地升高二次電池10的溫度。圖8為在紋波升溫操作期間二次電池10中的電流I和電壓V的波形圖。參考圖 8，在紋波升溫操作期間，紋波生成部20 (升壓轉換器2 的載波信號CR的頻率被設定為紋波頻率f (例如，約IkHz)。當載波信號CR在時刻tl超過占空命令值d( = 0.5)時，上臂的開關器件Ql被關斷而下臂的開關器件Q2被開通。當出現該情況時，在二次電池10中流動的電流I (當電池正被充電時為正)被反轉并沿負方向增大。在電抗器L中存儲的能量已經被放出(discharge)的時刻，電流I的符號從正變為負。電壓V減小。當載波信號CR在時刻t2下降到低于占空命令值d時，上臂的開關器件Ql開通而下臂的開關器件Q2關斷。于是，電流I反轉并沿正方向增大。在電抗器L中存儲的能量已經被放出的時刻，電流I的符號從負變為正。電壓V增大。當載波信號CR在時刻t3再次超過占空命令值d時，開關器件Ql和Q2被分別關斷和開通。電流被再次反向并沿負方向增大，且電壓降低。以該方式，電流I和電壓V在紋波頻率f下變化。( 二次電池10的溫度的推定)接下來，將描述使用在紋波升溫操作期間測量的數據推定二次電池10的溫度的方法。首先，使用圖8中示出的波形圖來定義將在用于推定二次電池10的溫度的計算中使用的一些參數。當假設電流I的正側峰值為充電最大電流Δ Il (> 0)且電流I的負側峰值為放電最大電流Δ 12 (< 0)時，電流I的振幅(amplitude)，即，紋波電流的振幅Δ I由下式表示Δ I = Δ Il-Δ 12 (4)由于在紋波生成部20 (升壓變換器2 中出現損耗，電流I的平均值偏移到放電側。當偏移量為AIos時，偏移電流AIos由下式表示Δ Ios = (Δ 11+Δ 12)/2 (5)當電壓V的最大峰值為最大電壓Vl且電壓V的最小峰值為最小電壓V2時，電壓 V的振幅，即，紋波電壓的振幅M由下式表示AV = V1-V2 (6)電壓V的平均值Vave以及相對于該平均值Vave的充電側的振幅Δ Vl和放電側的振幅Δ V2可以由下式表示Vave = (Vl+V2)/2(7)AVl = Vl-Vave = (Vl+V2)/2 (8)= AV2當電流在二次電池10中流動時，電壓V的平均值Vave從二次電池10的開路電壓 OCV偏移。當偏移量為AVos時，偏移電壓AVos可以由下式表示AVos = OCV-Vave = OCV-(V1+V2)/2 (9)圖9為圖2中示出的狀態推定部62的功能框圖。參考圖9，狀態推定部62包括峰值保持電路(peak hold circuit) 102和104、交流阻抗推定部106以及溫度推定部108。峰值保持電路102從電流傳感器72(圖幻接收電流I的檢測值。峰值保持電路 102保持電流I的峰值，以輸出充電最大電流Δ Il和放電最大電流Δ 12 (圖8)。峰值保持電路104從電壓傳感器74(圖幻接收電壓V的檢測值。峰值保持電路104保持電壓V的峰值，以輸出最大電壓Vl和最小電壓V2(圖8)。注意，作為峰值保持電路102和104，可以使用例如其中時間常數或復位間隔被設定為等于或大于幾十秒的公眾可得的電路。交流阻抗推定部106基于當紋波生成部20 (圖幻使紋波電流在二次電池10中流動時從峰值保持電路102接收的充電最大電流△ Il和放電最大電流△ 12以及從峰值保持電路104接收的最大電壓Vl和最小電壓V2而推定在該紋波頻率下二次電池10的交流阻抗他。具體而言，交流阻抗推定部106使用下式中的一個推定交流阻抗Mi Rh = Δ V/ Δ I (10)Rh = Δ Vl/Δ Il (11)
Rh= Δ V2/Δ 12 (12)。注意，分別基于上式(6)、(4)和⑶計算AV、AI、AV1(AV2)。交流阻抗推定部 106將所推定的交流阻抗Mi輸出到溫度推定部108。溫度推定部108基于從交流阻抗推定部106接收的交流阻抗Mi而推定二次電池 10的溫度Τ。更具體而言，溫度推定部108通過使用預先準備的限定了二次電池10的溫度與在紋波頻率下二次電池10的交流阻抗之間的關系的圖并基于由交流阻抗推定部106推定的交流阻抗他，推定二次電池10的溫度Τ。例如，基于圖4中示出的二次電池10的阻抗特性而產生該示出了二次電池10的溫度與在紋波頻率下二次電池10的交流阻抗之間的關系的圖。具體而言，圖4中的部分A 示出了溫度與紋波頻率下的阻抗之間的關系。可以通過從圖4的波特圖提取該部分的數據來產生上述圖。如上所述，在第一實施例中，通過使用紋波電流生成部20，使紋波電流在二次電池 10中流動而升高二次電池10的溫度。基于當使紋波電流在二次電池10中流動時發生的二次電池10的電流I和電壓V，推定在紋波頻率下二次電池10的交流阻抗Μι。然后，使用預先獲得的二次電池10的溫度與紋波頻率下的交流阻抗之間的關系并基于所推定的交流阻抗Mi而推定二次電池10的溫度。由此，根據第一實施例，可以在不使用溫度傳感器的情況下精確地推定二次電池10的溫度。(第二實施例)在上述第一實施例中，推定在紋波頻率下二次電池10的交流阻抗Mi，并基于所推定的交流阻抗Mi而推定二次電池10的溫度T。然而，在第二實施例中，推定二次電池10的直流電阻，并基于所推定的直流電阻而推定二次電池10的溫度。根據第二實施例的系統的總體配置與圖1和2中示出的系統相同。圖10為示出了第二實施例的狀態推定部62A的功能框圖。參考圖10，狀態推定部 62A包括峰值保持電路102和104、偏移電流計算部116、偏移電壓計算部118、直流電阻推定部120以及溫度推定部22。基于當紋波生成部20(圖幻使紋波電流在二次電池10中流動時從峰值保持電路 102接收的充電最大電流Δ Il和放電最大電流Δ 12并利用上式(5)，偏移電流計算部116 計算偏移電流AIos。基于當紋波生成部20使紋波電流在二次電池10中流動時從峰值保持電路104接收的最大電壓Vl和最小電壓V2并利用上式(9)，偏移電壓計算部118計算偏移電壓AVos。直流電阻推定部120基于由偏移電流計算部116計算的偏移電流Δ Ios和由偏移電壓計算部118計算的偏移電壓AVos而推定二次電池10的直流電流Rd。具體而言，直流電阻推定部120通過使用下式推定直流電阻Rd Rd = Δ Vos/I Δ Ios | (13)溫度推定部22基于由直流電阻推定部120推定的直流電路Rd而推定二次電池10 的溫度Τ。更具體而言，溫度推定部22通過使用預先準備的限定了二次電池10的溫度與二次電池10的直流電阻之間的關系的圖并基于從直流電阻推定部120接收的直流電阻Rd而推定二次電池10的溫度Τ。例如，基于在圖4中示出的二次電池10的阻抗特性而產生該限定了二次電池10的溫度與二次電池10的直流電阻之間的關系的圖。具體地，可以說圖4中的極低頻區域基本上示出了在直流情況下的溫度與阻抗之間的關系，因此，通過從圖4提取極低頻區域中的數據，可以產生上述圖。如上所述，在第二實施例中，基于當使紋波電流在二次電池10中流動時的偏移電流AI0s和偏移電壓八￥08，推定二次電池10的直流電阻1 (1。然后，使用預先獲得的二次電池10的溫度與直流電阻之間的關系并基于所推定的直流電阻Rd，推定二次電池10的溫度。由此，第二實施例同樣可以在不使用溫度傳感器的情況下精確地推定二次電池10的溫度。此外，從圖4可以看出，在極低頻區域中的阻抗比在紋波頻率(其為高頻)下的阻抗更依賴于溫度。因此，存在可以以更高的精確度推定二次電池10的溫度的可能性。(第三實施例)在第三實施例中，推定二次電池10的因紋波升溫操作導致的能量損失，并基于該推定的能量損失而推定二次電池10的溫度。根據第三實施例的系統的總體配置與圖1和2中示出的系統相同。圖11為示出了第三實施例的狀態推定部6 的功能框圖。參考圖11，狀態推定部 62B包括SOC推定部132、能量損失推定部134以及溫度推定部136。SOC推定部132推定當紋波生成部20(圖幻使紋波電流在二次電池10中流動時二次電池10的剩余容量(下文中，也稱為“S0C”，其是“充電狀態(state of charge) ”的縮寫)。圖12為示出了圖11中示出的SOC推定部132的更詳細的功能框圖。參考圖12， SOC推定部132包括峰值保持電路102、偏移電流計算部116、放電量推定部142以及ASOC 推定部144。放電量推定部142通過對由偏移電流計算部116計算的偏移電流Δ Ios進行積分而推定在紋波升溫操作期間的放電量AAh。AAh = / (Alos)dt (14)Δ SOC推定部144通過將由放電量推定部142推定的放電量AAh除以二次電池 10的容量C而推定在紋波升溫操作期間的SOC的變化量Δ SOC0Δ SOC = Δ Ah/C (15)然后，通過將所推定的SOC的變化量Δ SOC加到進行紋波升溫操作之前的SOC來計算二次電池10的S0C。再次參考圖11，SOC推定部132向能量損失推定部134輸出所推定的SOC和在計算過程中推定的在紋波升溫操作期間的放電量AAh。能量損失推定部134使用預先準備的SOC-OCV(開路電壓)圖并基于由SOC推定部132推定的SOC而推定二次電池10的0CV。然后，因為OCV和放電量AAh的乘積與伴隨紋波升溫操作的二次電池10的能量損失AWh對應，因此能量損失推定部134基于所推定的OCV和放電量AAh而推定伴隨紋波升溫操作的二次電池10的能量損失AWh，其中所推定的OCV是基于由SOC推定部132推定的SOC而推定的，而放電量Δ Ah是由SOC推定部 132推定的。溫度推定部136基于由能量損失推定部134推定的能量損失AWh而推定二次電池10的溫度T。更具體而言，溫度推定部136通過將能量損失AWh除以二次電池10的熱容量并使所產生的值乘以效率η而推定二次電池10的溫度變化量ΔΤ。然后，將所推定的溫度變化量Δ T加到進行紋波升溫操作之前的溫度，由此推定二次電池10的溫度Τ。如上所述，在第三實施例中，基于在紋波升溫操作期間的二次電池10的電流I而推定二次電池10的S0C，并基于所推定的SOC而推定二次電池10的能量損失AWh。隨后， 通過基于所推定的能量損失AWh而推定二次電池10的溫度變化量，來推定二次電池10的溫度。由此，第三實施例同樣可以在不使用溫度傳感器的情況下精確地推定二次電池10的溫度。(第四實施例)為了在通過使頻率為約IkHz的紋波電流流動而升高二次電池10的溫度的紋波升溫操作期間測量二次電池10的充電最大電流ΔΙ1和放電最大電流ΔΙ2以及最大電壓 Vl和最小電壓V2，使用在上述實施例中使用的峰值保持電路或使用高速傳感器是簡單的方式，然而這卻導致了成本的增加。由此，在第四實施例中，示出了一種使用常規電壓傳感器和常規電流傳感器(例如，其取樣周期為約10毫秒的傳感器)精確地測量充電最大電流 Δ Il和充電最小電流△ 12以及最大電壓Vl和最小電壓V2的方法。圖13為示出了紋波電流的周期與傳感器的取樣周期之間的關系的圖。雖然在以下描述中將代表性地描述電流傳感器，但該描述同樣適用于電壓傳感器。參考圖13，周期 τr為紋波電流的周期，周期τ s為電流傳感器的電流取樣周期。時間τ a被如下定義is= τ r X N+ τ a (16)其中0< τ&< τ r，N為自然數。將使用圖14描述時間τ a。圖14為這樣的圖，其中，在特定時刻的取樣之后的一個周期的紋波波形與在N個周期之后的相同相位的紋波波形彼此疊加。參考圖14，點Pl為在特定時刻的取樣點，點P2 為隨后的取樣點。點Pl與點P2之間的間隔為由式(16)定義的時間Ta。紋波波形上的點 Pl與點P2之間的相位差Δ θ由下式表示Δ θ = τ a/ τ rX360° (17)當使用式(16)和(17)并基于預先已知的取樣周期τ s和紋波周期τ r而計算時間τa或相位差Δ θ，并且從前一取樣點移動時間τa或相位Δ θ而依次繪制取樣點時， 獲得圖15中示出的數據。基于紋波生成部20的配置和由紋波生成部20進行的控制而預先確定紋波波形的形狀(三角波形或鋸齒波形)，并由此基于圖15中示出的數據而推定紋波波形。基于所推定的紋波波形，可以計算充電最大電流△ Il和放電最大電流ΔΙ2以及最大電壓Vl和最小電壓V2。時間與紋波周期τι·相比越短，可以將圖15中示出的數據獲取間隔設定得越短。然而，在該情況下，獲取紋波波形的一個周期的數據所花費的時間增加。由此，可以根據預定的希望精確度確定在紋波波形的一個周期期間獲取的數據數目Μ，并可以利用下式確定紋波周期τΓ與時間τ a之間的關系，以使用上式(16)設定紋波周期τ r和/或取樣周期τ s τι·/Ta = M且余數為 L (18)其中M為自然數，0≥L< 1。
當基于式(18)而限定紋波周期τΓ與時間τ a之間的關系時，需要(TsXM)的時間周期以獲取紋波波形的一個周期的數據，基于依賴于電池的所需精確度(即，例如，二次電池10中的電壓超出上限和低于下限、過電流等的檢測周期及其控制周期)而確定該時間周期(即，M的值)。當式(18)中L為零時，在進行M次取樣后進行相同相位點的取樣。為了更精確地推定紋波波形，優選在進行了 M次取樣之后移動取樣點的相位。由此，式(18)被修改為下式τι·/Ta = M且余數為 p/q (19)其中ρ和q各自為自然數，p/q為不可約分數。以該方式，可以將在相同相位點再次進行取樣的間隔設定到(τ sXMXq)。因此， 優選紋波周期τΓ和/或取樣周期τ s被設定為使式(19)中的q最大化。這使得可以增加紋波波形上的不同相位處的取樣點，因而提高推定紋波波形的精度。此外，通過將(τ sXMXq)秒(或(tSXM)秒)的間隔的取樣時機(sampling timing)改變0與τ a秒之間的量(不包括0和τ a秒)，可以在(τ sXMXq)秒(或 (τ sXM)秒)之后移動取樣點的相位。取樣時機移動的時長被設定為不同于LX τ a并優選不同于前一移動時長。備選地，可以通過0與τ a之間的隨機數(不包括0和來確定取樣時機移動的時長。如上所述，根據第四實施例，可以使用常規電壓傳感器和常規電流傳感器(例如， 其取樣周期為約10毫秒的傳感器)精確地測量充電最大電流△ Il和放電最大電流Δ 12 以及最大電壓Vl和最小電壓V2。結果，可以低成本地進行二次電池10的溫度推定。在上述實施例中，電動車輛100可以為其中僅僅電動發電機40為行駛動力源的電動車輛，或者可以為其上附加地安裝有引擎作為行駛動力源的混合動力車輛。此外，電動車輛100可以為燃料電池車輛，在該燃料電池車輛上除了二次電池10之外還安裝有燃料電池作為直流電源。在第一到第三實施例中，替代峰值保持電路102和104，例如可以設置用于選擇由模數轉換電路取樣的電流值和電壓值的最大值和最小值的裝置。電流傳感器72和峰值保持電路102為本發明的“電流檢測部”的實例。電壓傳感器74和峰值保持電路104為本發明的“電壓檢測部”的實例。交流阻抗推定部106為本發明的“阻抗推定部”的實例。峰值保持電路102和104為本發明的“峰值獲取部”的實例。 能量損失推定部134為本發明的“損失推定部”的實例。應理解，上述實施例僅僅用于示例目的而不是限制性的。本發明的范圍不是由對實施例的以上描述限定而是由權利要求限定，并且旨在包括落入權利要求及其等價物的范圍內的所有修改。
1權利要求
1.一種用于推定二次電池的溫度的二次電池溫度推定裝置，包括紋波生成部，其被連接到所述二次電池并適用于使預定頻率的紋波電流在所述二次電池中流動；電流檢測部，其檢測所述二次電池的充電或放電電流；電壓檢測部，其檢測所述二次電池的電壓；阻抗推定部，基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電流檢測部檢測的電流和由所述電壓檢測部檢測的電壓，所述阻抗推定部推定所述二次電池的阻抗；以及溫度推定部，通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與所述二次電池的阻抗之間的關系并基于由所述阻抗推定部推定的阻抗，所述溫度推定部推定所述二次電池的溫度。
2.根據權利要求1的二次電池溫度推定裝置，其中基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電流檢測部檢測的電流和由所述電壓檢測部檢測的電壓，所述阻抗推定部推定在所述預定頻率下所述二次電池的交流阻抗；以及通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與在所述預定頻率下所述二次電池的交流阻抗之間的關系并基于由所述阻抗推定部推定的交流阻抗，所述溫度推定部推定所述二次電池的溫度。
3.根據權利要求1的二次電池溫度推定裝置，其中，所述阻抗推定部包括偏移電流計算部，基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電流檢測部檢測的電流，所述偏移電流計算部計算由所檢測的電流的平均值表示的偏移電流；偏移電壓計算部，基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電壓檢測部檢測的電壓，所述偏移電壓計算部計算偏移電壓，所述偏移電壓為所述二次電池的開路電壓與所檢測的電壓的平均值之間的差； 以及直流電阻推定部，其基于所述偏移電流和所述偏移電壓而推定所述二次電池的直流電阻，并且其中，通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與所述二次電池的所述直流電阻之間的關系并基于由所述直流電阻推定部推定的所述直流電阻，所述溫度推定部推定所述二次電池的溫度。
4.根據權利要求1到3中任一項的二次電池溫度推定裝置，其中，所述電流檢測部和所述電壓檢測部中的每一個包括獲取檢測值的峰值的峰值獲取部。
5.一種用于推定二次電池的溫度的二次電池溫度推定裝置，包括紋波生成部，其被連接到所述二次電池并適用于使預定頻率的紋波電流在所述二次電池中流動；電流檢測部，其檢測所述二次電池的充電或放電電流；充電狀態(SOC)推定部，其基于由所述電流檢測部檢測的電流而推定所述二次電池的SOC ；損失推定部，基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時推定的所述S0C，所述損失推定部推定所述二次電池的能量損失；以及溫度推定部，其基于由所述損失推定部推定的所述二次電池的所述能量損失而推定所述二次電池的溫度的改變量，并基于所推定的溫度的改變量而推定所述二次電池的溫度。
6.根據權利要求5的二次電池溫度推定裝置，其中所述SOC推定部包括偏移電流計算部，基于當所述紋波生成部使所述紋波電流在所述二次電池中流動時由所述電流檢測部檢測的電流，所述偏移電流計算部計算由所檢測的電流的平均值表示的偏移電流；放電量推定部，其推定通過對所述偏移電流積分而獲得的所述二次電池的放電量；以及改變量推定部，通過將由所述放電量推定部推定的所述二次電池的放電量除以所述二次電池的容量，所述改變量推定部推定所述二次電池的所述SOC 的改變量。
7.根據權利要求5或6的二次電池溫度推定裝置，其中所述電流檢測部包括獲取檢測值的峰值的峰值獲取部。
8.一種用于推定二次電池的溫度的二次電池溫度推定方法，包括使預定頻率的紋波電流在所述二次電池中流動；檢測所述二次電池的充電或放電電流；檢測所述二次電池的電壓；基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電流和電壓，推定所述二次電池的阻抗；以及通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與所述二次電池的阻抗之間的關系并基于所推定的阻抗，推定所述二次電池的溫度。
9.根據權利要求8的二次電池溫度推定方法，其中在推定阻抗時，基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電流和電壓， 推定在所述預定頻率下所述二次電池的交流阻抗；在推定溫度時，通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與在所述預定頻率下所述二次電池的所述交流阻抗之間的關系并基于所推定的交流阻抗，推定所述二次電池的溫度。
10.根據權利要求8的二次電池溫度推定方法，其中，推定阻抗包括基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電流，計算由所檢測的電流的平均值表示的偏移電流；基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電壓，計算偏移電壓，所述偏移電壓為所述二次電池的開路電壓與所檢測的電壓的平均值之間的差；以及基于所述偏移電流和所述偏移電壓，推定所述二次電池的直流電阻，并且其中，在推定溫度時，通過使用預先獲得的所述二次電池的溫度與所述二次電池的所述直流電阻之間的關系并基于所推定的直流電阻，推定所述二次電池的溫度。
11.一種用于推定二次電池的溫度的二次電池溫度推定方法，包括使預定頻率的紋波電流在所述二次電池中流動；檢測所述二次電池的充電或放電電流；基于所檢測的電流，推定所述二次電池的充電狀態(SOC)；基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時推定的所述S0C，推定所述二次電池的能量損失；以及基于所推定的所述二次電池的能量損失而推定所述二次電池的溫度的改變量，并基于所推定的溫度的改變量而推定所述二次電池的溫度。
12.根據權利要求11的二次電池溫度推定方法，其中推定所述SOC包括基于當使所述紋波電流在所述二次電池中流動時檢測的電流，計算由所檢測的電流的平均值表示的偏移電流；推定通過對所述偏移電流的積分獲得的所述二次電池的放電量；以及通過將所推定的所述二次電池的放電量除以所述二次電池的容量，推定所述二次電池的所述SOC的改變量。
全文摘要
基于當紋波生成部使紋波電流在二次電池中流動時檢測的二次電池的電流(I)和電壓(V)，交流阻抗推定部(106)推定二次電池的交流阻抗(Rh)。通過使用預先獲得的二次電池的溫度(T)與在紋波頻率下二次電池的交流阻抗(Rh)之間的關系并基于由所述交流阻抗推定部(106)推定的交流阻抗(Rh)，溫度推定部(108)推定二次電池的溫度(T)。
文檔編號G01R31/36GK102472796SQ201080030438
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月7日 優先權日2009年7月8日
發明者松坂正宣, 海田啟司, 田澤正俊, 西勇二, 高橋秀典 申請人:豐田自動車株式會社