CN104054214A - 蓄电系统 - Google Patents
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Abstract
在并联连接有多个蓄电元件的蓄电块中,确定各蓄电元件所包含的电流切断器的工作数(切断数)。蓄电系统具有多个蓄电块和判别各蓄电块的状态的控制器。多个蓄电块串联连接,各蓄电块具有并联连接的多个蓄电元件。各蓄电元件具有将蓄电元件的内部的电流路径切断的电流切断器。控制器取得各蓄电块的内部电阻和满充电容量的至少一方的参数,使用取得的参数与基准值之间的变化率,在各蓄电块中确定处于切断状态的电流切断器的数量(切断数)。基准值是指不包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块的参数的值。
Description
技术领域
本发明涉及在并联连接有分别具有电流切断器的多个蓄电元件的蓄电块中对电流切断器的工作状态进行判别的蓄电系统。
背景技术
在专利文献1所记载的集合电池中,在将多个电池并联连接而成的结构中,将熔断器(fuse)与并联连接的各单电池连接。熔断器在流过了过大的电流时熔断,从而切断电流路径。另外,在专利文献2所记载的技术中,基于电池的内部电阻的变化来检测电池所包含的电流切断机构的工作。
现有技术文献
专利文献1:日本特开平05-275116号公报
专利文献2:日本特开2008-182779号公报
专利文献3:日本特开2011-135657号公报
发明内容
发明要解决的问题
在多个电池并联连接而成的结构中,在电流切断器未工作的电池中流动的电流值根据电流切断器的工作数而变化。具体而言,若电流切断器的工作数增加,则在电流切断器未工作的电池流动的电流值会上升,相对于电池的电流负载会增加。
虽然限制电池的充放电即可抑制相对于电池的电流负载增加,但若不确定电流切断器的工作数,则无法高效地进行电池的充放电控制。即,若仅检测电流切断器的工作状态,则有时会过度地限制电池的充放电。因此,为了防止电池的充放电被过度地制限,需要掌握电流切断器的工作数。在专利文献2所记载的技术中,仅检测电流切断器的工作状态,无法确定电流切断器的工作数。
用于解决问题的方法
作为本申请第1发明的蓄电系统,具有多个蓄电块以及对各蓄电块的状态进行判别的控制器。多个蓄电块串联连接,各蓄电块具有并联连接的多个蓄电元件。各蓄电元件具有切断蓄电元件的内部的电流路径的电流切断器。控制器取得各蓄电块的内部电阻和满充电容量中的至少一方的参数。控制器使用取得的参数与基准值之间的变化率,在各蓄电块中,确定处于切断状态的电流切断器的数(切断数)。基准值是,不包括处于切断状态的电流切断器的、蓄电块中的参数的值。
若通过电流切断器切断电流路径,则与处于切断状态的电流切断器的数量相应地,参数的变化率变化。例如,当电流切断器工作时,包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块的内部电阻高于不包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块的内部电阻(基准值)。并且,内部电阻的变化率与处于切断状态的电流切断器的数量相应地变化。另外,当电流切断器工作时,包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块的满充电容量低于不包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块的满充电容量(基准值)。并且,满充电容量的变化率与处于切断状态的电流切断器的数量相应地变化。
因而,如果算出参数(内部电阻和/或满充电容量)的变化率,则能够根据变化率确定切断数。通过确定切断数,能够确定在各蓄电块的蓄电元件流动的电流值,能够对蓄电块的充放电进行控制,以使对蓄电元件的电流负载不会增加。在各蓄电块中,多个蓄电元件并联连接,所以切断数越增加,在蓄电元件流动的电流值越上升。因而,为了抑制对蓄电元件的电流负载的增加,需要把握切断数。
使用当前的参数与作为基准值的过去的参数之间的变化率,能够确定切断数。过去的参数是,不包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块的参数。随着时间的经过,持续取得各蓄电块的参数,使用过去和当前的参数,能够算出参数的变化率。
作为基准值,可以使用其他的蓄电块中的参数。多数情况下,在多个蓄电块中,混有包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块(称为第1蓄电块)、和不包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块(称为第2蓄电块)。因而,通过使用根据第1蓄电块的参数与第2蓄电块的参数算出的变化率,能够确定切断数。
作为基准值,可以使用与蓄电块的劣化相应地变化的、预先确定的参数。伴随蓄电块的劣化的参数的变化能够通过实验预先确定。包括处于工作状态的电流切断器的蓄电块的参数偏离与蓄电块的劣化相应地变化的参数。因而,通过使用这些参数而算出变化率,能够确定切断数
取得各蓄电块的内部电阻,在取得的内部电阻高于伴随蓄电块的劣化的内部电阻时,能够确定切断数。包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块的内部电阻高于伴随劣化的内部电阻,因此在确认了这些内部电阻的关系的基础上,能够确定切断数。
另外,取得各蓄电块的满充电容量,在取得的满充电容量低于伴随蓄电块的劣化的满充电容量时,能够确定切断数。包括处于切断状态的电流切断器的蓄电块的满充电容量低于伴随劣化的满充电容量,因此在确认了这些满充电容量的关系的基础上,能够确定切断数。
作为内部电阻的值,可以使用与各蓄电块的内部电阻的变化相应地变化的电压变化量的值。多个蓄电块串联连接,因此在各蓄电块流动的电流值相等。因而,各蓄电块的内部电阻与各蓄电块的电压变化量成比例关系,能够代替内部电阻而使用电压变化量。
在与内部电阻相关的变化率和与满充电容量相关的变化率相乘得到的值包含于以1为基准的容许范围内时,能够确定切断数。在电流切断器工作时,与内部电阻相关的变化率和与满充电容量相关的变化率成倒数的关系,因此若将与内部电阻和满充电容量相关的变化率相乘,则为1。因而,通过将变化率相乘后得到的值与1进行比较,能够对电流切断器是否在工作进行判别。在此,考虑与内部电阻和满充电容量相关的变化率的误差,能够设定以1为基准的容许范围。
作为电流切断器,可以使用熔断器、PTC元件、或电流切断阀。熔断器通过熔断来切断电流路径。PTC元件通过伴随温度上升的电阻的上升来切断电流路径。电流切断阀与蓄电元件的内压的上升相应地变形,并切断电流路径。
本申请第2发明是,对串联连接的多个蓄电块的状态进行判别的方法,该多个蓄电块分别具有并联连接的多个蓄电元件。各蓄电元件具有切断蓄电元件的内部的电流路径的电流切断器。取得各蓄电块的内部电阻和满充电容量中的至少一方的参数。然后,使用取得的参数与基准值之间的变化率,在各蓄电块中,确定处于切断状态的电流切断器的数(切断数)。在本申请第2发明中,也能够获得与本申请第1发明相同的效果。
附图说明
图1是表示电池系统的结构的图。
图2是表示电池组的结构的图。
图3是表示单电池的结构的图。
图4是表示在实施例1中确定切断数的处理的流程图。
图5是对算出电池块的内部电阻的方法进行说明的图。
图6是表示伴随电池块的损耗劣化的内部电阻的历时变化与伴随电流切断器的工作的内部电阻的关系的图。
图7是表示伴随电池块的损耗劣化的满充电容量的历时变化与伴随电流切断器的工作的满充电容量的关系的图。
图8是表示在实施例2中确定切断数的处理的流程图。
具体实施方式
以下,对本发明的实施例进行说明。
实施例1
使用图1,对作为本发明实施例1的电池系统(相当于蓄电系统)进行说明。图1是表示电池系统的结构的图。本实施例的电池系统搭载于车辆。
作为车辆,存在混合动力汽车和/或电动汽车。混合动力汽车除了后述的电池组之外还具备发动机或燃料电池作为使车辆行驶的动力源。电动汽车仅具备后述的电池组作为使车辆行驶的动力源。
在与电池组10的正极端子连接的正极线PL上设置有系统主继电器SMR-B。系统主继电器SMR-B通过接收来自控制器40的控制信号而在接通与断开之间切换。在与电池组10的负极端子连接的负极线NL上设置有系统主继电器SMR-G。系统主继电器SMR-G通过接收来自控制器40的控制信号而在接通与断开之间切换。
系统主继电器SMR-G并联连接有系统主继电器SMR-P和电流制限电阻R。系统主继电器SMR-P与电流制限电阻R串联连接。系统主继电器SMR-P通过接收来自控制器40的控制信号而在接通与断开之间切换。电流制限电阻R用于在将电池组10与负载(具体而言,后述的升压电路32)连接时抑制冲击电流的流动。
在将电池组10与负载连接时,控制器40将系统主继电器SMR-B、SMR-P从断开切换为接通。由此,能够使电流在电流制限电阻R中流动,能够抑制冲击电流的流动。
接着,控制器40将系统主继电器SMR-G从断开切换为接通,然后将系统主继电器SMR-P从接通切换为断开。由此,电池组10和负载的连接完成,图1所示的电池系统成为启动状态(Ready-On)。另一方面,在将电池组10和负载的连接切断时,控制器40将系统主继电器SMR-B、SMR-G从接通切换为断开。由此,图1所示的电池系统停止动作。
升压电路32对电池组10的输出电压进行升压,并向变换器33输出升压后的电力。另外,升压电路32能够对变换器33的输出电压进行降压,并向电池组10输出降压后的电力。升压电路32接收来自控制器40的控制信号而进行动作。虽然在本实施例的电池系统中使用了升压电路32,但也可以省略升压电路32。
变换器33将从升压电路32输出的直流电力变换为交流电力,并向电动发电机34输出交流电力。另外,变换器33将电动发电机34所生成的交流电力变换为直流电力,并向升压电路32输出直流电力。作为电动发电机34,例如可以使用三相交流电动机。
电动发电机34接受来自变换器33的交流电力而生成用于使车辆行驶的动能。在使用电池组10的输出电力使车辆行驶时,由电动发电机34生成的动能被传递给车轮。
在使车辆减速或停止时,电动发电机34将在车辆的制动时产生的动能变换为电能(交流电力)。变换器33将电动发电机34所生成的交流电力变换为直流电力,并向升压电路32输出直流电力。升压电路32将来自变换器33的电力向电池组10输出。由此,能够将再生电力蓄积在电池组10中。
图2表示电池组10的结构。电池组10具有串联连接的多个电池块(相当于蓄电块)11。通过将多个电池块11串联连接,能够确保电池组10的输出电压。在此,电池块11的数量可以考虑对电池组10要求的电压而适当设定。
各电池块11具有并联连接的多个单电池(相当于蓄电元件)12。通过将多个单电池12并联连接,能够增加电池块11(电池组10)的满充电容量,能够延长使用电池组10的输出使车辆行驶时的距离。构成各电池块11的单电池12的数量可以考虑对电池组10要求的满充电容量而适当设定。
由于多个电池块11串联连接,所以在各电池块11中流动相等的电流。在各电池块11中,由于多个单电池12并联连接,所以在各单电池12中流动的电流值是将在电池块11中流动的电流值除以构成电池块11的单电池12的数量(总数)而得到的电流值。具体而言,在构成电池块11的单电池12的总数为N个、且在电池块11中流动的电流值为Is时,在各单电池12中流动的电流值为Is/N。在此,假设在构成电池块11的多个单电池12中没有产生内部电阻的不均。
作为单电池12,可以使用镍氢电池和/或锂离子电池等二次电池。另外,可以代替二次电池而使用双电层电容器。例如,作为单电池12,可以使用18650型电池。18650型电池是所谓的圆筒型电池,直径为18[mm],长度为65.0[mm]。在圆筒型电池中,电池外壳形成为圆筒状,在电池外壳的内部收容有进行充放电的发电元件。关于发电元件的结构,在以后进行叙述。
如图3所示,单电池12具有发电元件12a和电流切断器12b。发电元件12a和电流切断器12b收容在构成单电池12的外装的电池外壳。发电元件12a是进行充放电的元件,具有正极板、负极板、以及配置在正极板与负极板之间的隔板。正极板具有集电板和在集电板的表面形成的正极活性物质层。负极板具有集电板和在集电板的表面形成的负极活性物质层。正极活性物质层含有正极活性物质和/或导电剂等,负极活性物质层含有负极活性物质和/或导电剂等。
在使用锂离子二次电池作为单电池12时,例如可以用铝形成正极板的集电板,用铜形成负极板的集电板。另外,作为正极活性物质,例如可以使用LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2,作为负极活性物质,例如可以使用碳。在隔板、正极活性物质层以及负极活性物质层渗入有电解液。也可以代替使用电解液而在正极板与负极板之间配置固体电解质层。
电流切断器12b用于切断单电池12的内部的电流路径。即,通过电流切断器12b工作,单电池12的内部的电流路径被切断。作为电流切断器12b,例如可以使用熔断器、PTC(Positive Temperature Coefficient:正温度系数)元件或者电流切断阀。这些电流切断器12b既可以单独使用又可以同时使用。
作为电流切断器12b的熔断器根据在熔断器中流动的电流而熔断。通过使熔断器熔断,能够机械地切断单电池12的内部的电流路径。由此,能够防止在发电元件12a中流动过大的电流从而保护单电池12(发电元件12a)。作为电流切断器12b的熔断器既可以收容在电池外壳又可以设置在电池外壳的外部。即使在将熔断器设置在电池外壳的外部的情况下,也对各单电池12设置熔断器,熔断器与各单电池12串联连接。
作为电流切断器12b的PTC元件配置在单电池12的电流路径上,根据PTC元件的温度上升而使电阻增加。若在PTC元件中流动的电流增加,则PTC元件的温度因焦耳热而上升。根据PTC元件的温度上升,PTC元件的电阻增加,从而能够在PTC元件中切断电流。由此,能够防止在发电元件12a中流动过大的电流从而保护单电池12(发电元件12a)。
作为电流切断器12b的电流切断阀根据单电池12的内压上升而变形,断开与发电元件12a的机械连接,从而能够切断单电池12的内部的电流路径。单电池12的内部形成为密闭状态,当由于过充电等而从发电元件12a产生气体时,单电池12的内压上升。在从发电元件12a产生气体时,单电池12(发电元件12a)成为异常状态。通过根据单电池12的内压上升使电流切断阀变形,能够断开与发电元件12a的机械连接。由此,能够阻止充放电电流在处于异常状态的发电元件12a中流动从而保护单电池12(发电元件12a)。
图1所示的监视单元20检测各电池块11的电压,并向控制器40输出检测结果。电流传感器31检测在电池组10中流动的电流值,并向控制器40输出检测结果。例如,在使电池组10放电时,可以使用正的值作为由电流传感器31检测出的电流值。另外,在对电池组10充电时,可以使用负的值作为由电流传感器31检测出的电流值。电流传感器31只要能够检测在电池组10中流动的电流值即可,也可以不设置在正极线PL而是设置在负极线NL上。另外,也可以使用多个电流传感器31。此外,若考虑成本和/或体积等,则优选如本实施例那样对1个电池组10设置1个电流传感器31。
控制器40内置有存储器41,存储器41存储有用于使控制器40动作的程序和/或特定的信息。存储器41也可以设置在控制器40的外部。
接着,使用图4所示的流程图,对本实施例的电池系统中的一部分处理进行说明。图4所示的处理以预定的周期进行,且由控制器40执行。图4所示的处理针对各电池块11进行。
在步骤S101中,控制器40取得各电池块11的内部电阻或满充电容量。与取得的内部电阻或满充电容量相关的信息存储在存储器41。作为取得电池块11的内部电阻或满充电容量的方法,可以适当使用公知的方法。
对取得电池块11的内部电阻的方法(一例)进行说明。
首先,取得多个电池块11的电流值与电压值的关系。控制器40能够基于电流传感器31的输出取得电池块11的电流值。另外,控制器40能够基于监视单元20的输出取得电池块11的电压值。如图5所示,在横轴为电流值、纵轴为电压值的坐标系中,描绘所取得的电流值与电压值的关系。然后,基于描绘出的多个点算出近似直线L。近似直线L的斜率为电池块11的内部电阻。
在此,在取得电池块11的电流值和电压值时,优选,电池块11的SOC(State of Charge:充电状态)为大致恒定。SOC表示当前的充电容量相对于电池块11的满充电容量的比例。在电池块11的SOC大致恒定时,电流值与电压值的关系如图5所示那样成为直线关系。若在取得电流值和电压值的期间电池块11的SOC发生变化,则电流值与电压值的关系不会成为直线关系,从而会难以确定直线L的斜率、即电池块11的内部电阻。
接着,对取得电池块11的满充电容量的方法(一例)进行说明。
首先,在彼此不同的定时算出(推定)电池块11的SOC。在此,将在靠前的定时算出的SOC称为开始SOC,将在靠后的定时算出的SOC称为结束SOC。作为算出SOC的方法,可以适当使用公知的方法。例如,SOC和OCV(Open Circuit Voltage:开路电压)具有对应关系,因此,只要预先确定该对应关系即可根据OCV来确定SOC。
作为算出OCV的方法,可以适当使用公知的方法。例如,若放置电池组10,换言之,若不进行电池组10的充放电,则能够消除单电池12的极化状态。因此,只要取得消除了极化状态时的电池块11的电压,即可将该电压值视为OCV。具体而言,在放置电池组10之后启动电池系统时,在刚启动电池系统之后,通过监视单元20来检测电池块11的电压。可以将监视单元20的检测电压视为电池块11的OCV。
另一方面,在电池块11的SOC从开始SOC变化为结束SOC的期间内,对在电池块11中流动的电流值进行累计,并算出累计值Ie。在电池块11中流动的电流值能够通过电流传感器31来取得。控制器40能够基于下述式(1)算出电池块11的满充电容量。
Smax=Ie/|SOC(1)-SOC(2)|×100 …(1)
在式(1)中,Smax表示电池块11的满充电容量,Ie表示电流累计值。SOC(1)表示开始SOC,SOC(2)表示结束SOC。
在步骤S102中,控制器40基于分别在时刻t1、t2在步骤S101中取得的内部电阻,算出电阻变化率。电阻变化率能够基于下述式(2)算出。或者,控制器40基于分别在时刻t1、t2在步骤S101中取得的满充电容量,算出容量变化率。容量变化率能够基于下述式(3)算出。
Rr=R2/R1 …(2)
Sr=S2/S1 …(3)
在式(2)中,Rr表示电阻变化率。R1表示在时刻t1取得的内部电阻,R2表示在时刻t2取得的内部电阻。在式(3)中,Sr表示容量变化率。S1表示在时刻t1取得的满充电容量,S2表示在时刻t2取得的满充电容量。
时刻t1、t2是彼此不同的定时。作为时刻t2,可以设为取得了内部电阻或满充电容量时的本次的定时。作为时刻t1,可以设为取得了内部电阻或满充电容量时的上次的定时。即,时刻t1是比时刻t2靠前的定时。
时刻t1可以是相对于时刻t2最近的定时,也可以是比最近的定时靠前的定时。时刻t1只要是比时刻t2靠前的定时即可,可以适当设定。与在比时刻t1靠前的定时取得的内部电阻或满充电容量相关的信息可以从存储器41删除。通过删除不需要的信息,能够确保存储器41的容量。
在步骤S103中,控制器40对时刻t1、t2的间隔是否为预定期间T以内进行判别。预定期间T可以基于电池块11的劣化发展的速度来决定。以下,对决定预定期间T的方法进行说明。
电池块11(单电池12)劣化时的内部电阻的变化和/或满充电容量的变化能够通过实验预先取得。作为电池块11的劣化,可以考虑由损耗引起的劣化。损耗劣化是指因构成电池块11(单电池12)的部件(特别是发电元件12a)损耗而引起的劣化。
通过对电池块11进行反复进行预定的充放电的实验等,能够预先取得内部电阻的历时变化。内部电阻的历时变化能够作为图6所示的曲线C1而取得。如图6所示,随着时间的经过,换言之,随着电池块11的损耗劣化的发展,电池块11的内部电阻上升。
另外,通过对电池块11进行反复进行预定的充放电的实验等,能够预先取得满充电容量的历时变化。满充电容量的历时变化能够作为图7所示的曲线C2而取得。如图7所示,随着时间的经过,换言之,随着电池块11的损耗劣化的发展,电池块11的满充电容量降低。
在仅产生了电池块11(单电池12)的损耗劣化时,分别在时刻t1、t2取得的内部电阻在图6中会位于表示内部电阻的历时变化的曲线C1上。在此,在电流切断器12b进行了工作时,在包括处于工作状态的电流切断器12b的单电池12中不会流动电流,因此,在电流切断器12b刚进行了工作之后,电池块11的内部电阻上升。即,电流切断器12b进行了工作时的电池块11的内部电阻比相当于损耗劣化的内部电阻高。
若使用图6所示的曲线C1,则能够预先确定内部电阻由于电池块11的损耗劣化而相对于时刻t1的内部电阻上升预定量时的期间。在时刻t2的内部电阻在比该期间短的期间内相对于时刻t1的内部电阻上升了预定量时,能够判别为在电池块11中不仅产生了由损耗劣化引起的内部电阻的上升,还产生了伴随电流切断器12b的工作的内部电阻的上升。
在损耗劣化中,电池块11的内部电阻逐渐上升,与此相对,在电流切断器12b进行了工作时,电池块11的内部电阻急剧上升。因此,在比电池块11的内部电阻由于损耗劣化而上升了预定量的期间短得多的期间内电池块11的内部电阻上升了预定量时,能够判别为电流切断器12b进行了工作。通过监视该时间间隔,能够判别电流切断器12b是否进行了工作。
例如,在仅损耗劣化发展了时,基于图6所示的曲线C1,假设在从时刻t1起经过了半年时,电池块11的内部电阻变为1.1倍。在此,在尽管图6所示的时刻t1与时刻t2的间隔为一个月以内、但电池块11的内部电阻在时刻t1与时刻t2之间变为了1.1倍时,能够判别为电流切断器12b进行了工作。
另一方面,在仅产生了电池块11(单电池12)的损耗劣化时,分别在时刻t1、t2取得的满充电容量在图7中会位于表示满充电容量的历时变化的曲线C2上。在此,在电池块11中,由于多个单电池12并联连接,所以电池块11的满充电容量成为多个单电池12的满充电容量的总和。
当电流切断器12b工作时,在包括处于工作状态的电流切断器12b的单电池12中不再流动电流,因此,电池块11的满充电容量按电流不再流动的单电池12的量降低。即,电流切断器12b进行了工作时的电池块11的满充电容量比相当于损耗劣化的满充电容量低。
在此,构成电池块11的单电池12的数量越少,则各单电池12的满充电容量相对于电池块11的满充电容量所占的比例越高。因此,构成电池块11的单电池12的数量越少,则在电池块11中伴随电流切断器12b的工作的满充电容量的降低量越大。
若使用图7所示的曲线C2,则能够预先确定满充电容量由于电池块11的损耗劣化而相对于时刻t1的满充电容量降低预定量时的期间。在时刻t2的满充电容量在比该期间短的期间内相对于时刻t1的满充电容量降低了预定量时,能够判别为在电池块11中不仅产生了由损耗劣化引起的满充电容量的降低,还产生了伴随电流切断器12b的工作的满充电容量的降低。
在损耗劣化中,电池块11的满充电容量逐渐降低,与此相对,在电流切断器12b进行了工作时,电池块11的满充电容量急剧降低。因此,在比电池块11的满充电容量由于损耗劣化而降低了预定量的期间短得多的期间内、电池块11的满充电容量降低了预定量时,能够判别为电流切断器12b进行了工作。通过监视该时间间隔,能够判别电流切断器12b是否进行了工作。
例如,在仅损耗劣化发展时,基于图7所示的曲线C2,假设在从时刻t1起经过了半年时,电池块11的满充电容量变为0.9倍。在此,在尽管图7所示的时刻t1与时刻t2的间隔为1个月以内、但电池块11的满充电容量在时刻t1与时刻t2之间变为了0.9倍时,能够判别为电流切断器12b进行了工作。
在步骤S103中,在时刻t1、t2的间隔比预定期间T长时,结束图4所示的处理。预定期间T是指在步骤S102中取得的电阻变化率或容量变化率仅由于损耗劣化而产生时的期间。具体而言,预定期间T是产生了时刻t1~时刻t2的期间的内部电阻的上升率(在步骤S102中取得的电阻变化率)的期间,是根据图6所示的曲线C1确定的期间。另外,预定期间T是产生了时刻t1~时刻t2的期间的满充电容量的降低率(在步骤S102中取得的容量变化率)的期间,是根据图7所示的曲线C2确定的期间。
在时刻t1、t2的间隔比预定期间T长时,控制器40判别为在电池块11中电流切断器12b没有进行工作。另一方面,在时刻t1、t2的间隔为预定期间T以内时,进入步骤S104的处理。即,在时刻t1、t2的间隔为预定期间T以内时,控制器40判别为在电池块11中电流切断器12b进行了工作。
在步骤S104中,控制器40基于在步骤S102中算出的电阻变化率Rr或容量变化率Sr,确定处于工作状态的电流切断器12b的数量(称为切断数)。
若将电流切断器12b工作之前的电池块11的内部电阻设为Ra,将电流切断器12b工作之后的电池块11的内部电阻设为Rb,则内部电阻Ra、Rb具有下述式(4)所示的关系。另一方面,若将电流切断器12b工作之前的电池块11的满充电容量设为Sa,将电流切断器12b工作之后的电池块11的满充电容量设为Sb,则满充电容量Sa、Sb具有下述式(5)所示的关系。
Rb=Ra×N/(N-m) …(4)
Sb=Sa×(N-m)/N …(5)
在式(4)和式(5)中,N表示构成各电池块11的单电池12的数量,换言之,表示并联连接的单电池12的数量。m表示在各电池块11中处于工作状态的电流切断器12b的总数(切断数)。由于电流切断器12b设置在各单电池12,所以切断数m成为具有处于工作状态的电流切断器12b的单电池12的总数。在电池块11中,在所有电流切断器12b均未进行工作时,切断数m为0。
当电流切断器12b工作时,电池块11的内部电阻根据处于工作状态的电流切断器12b的数量而上升。即,如式(4)所示,电流切断器12b工作之后的电池块11的内部电阻Rb相对于电流切断器12b工作之前的电池块11的内部电阻Ra为N/(N-m)倍。由于“N/(N-m)”的值是大于1的值,所以内部电阻Rb比内部电阻Ra高。
另一方面,当电流切断器12b工作时,电池块11的满充电容量根据处于工作状态的电流切断器12b的数量而降低。即,如式(5)所示,电流切断器12b工作之后的电池块11的满充电容量Sb相对于电流切断器12b工作之前的电池块11的满充电容量Sa为(N-m)/N倍。由于“(N-m)/N”的值是小于1的值,所以满充电容量Sb比满充电容量Sa低。
若将式(4)和式(5)变形,则能够以式(6)和式(7)来表示。
Rb/Ra=N/(N-m) …(6)
Sb/Sa=(N-m)/N …(7)
式(6)所示的“Rb/Ra”的值相当于式(2)所示的“Rr(=R1/R2”)的值。即,在步骤S102中算出的电阻变化率Rr与“N/(N-m)”的值相等。因此,能够基于电阻变化率Rr和数量(既定值)N算出切断数m。
在此,在电阻变化率Rr含有误差时,能够预先设定容许误差的范围(容许值α1),考虑容许值α1来算出切断数m。具体而言,一边变更数量m,一边算出“N/(N-m)”的值。然后,对电阻变化率Rr是否处于容许范围内进行判别。在此,可以将对算出值“N/(N-m)”加上容许值α1而得到的值作为容许范围的上限值,将从算出值“N/(N-m)”减去容许值α1而得到的值作为容许范围的下限值。
在电阻变化率Rr处于容许范围内时,能够将此时的数量m作为处于工作状态的电流切断器12b的总数。容许值α1能够根据数量N来变更。即,可以是,数量N越多,则使容许值α1越小。换言之,可以是,数量N越少,则使容许值α1越大。
数量N在构成电池组10时预先设定,因此基于数量N预先决定容许值α1即可。
式(7)所示的“Cb/Ca”的值相当于式(3)所示的“Sr(=S1/S2”)的值。即,在步骤S102中算出的容量变化率Sr与“(N-m)/N”的值相等。因此,能够基于容量变化率Sr和数量(既定值)N算出切断数m。
在此,在容量变化率Sr含有误差时,能够预先设定容许误差的范围(容许值α2),考虑容许值α2来算出切断数m。具体而言,一边变更数量m,一边算出“(N-m)/N”的值。然后,对容量变化率Sr是否处于容许范围内进行判别。在此,可以将对算出值“(N-m)/N”加上容许值α2而得到的值作为容许范围的上限值,将从算出值“(N-m)/N”减去容许值α2而得到的值设为容许范围的下限值。
在容量变化率Sr处于容许范围内时,能够将此时的数量m作为处于工作状态的电流切断器12b的总数。容许值α2能够根据数量N来变更。即,可以是,数量N越多,则使容许值α2越小。换言之,可以是,数量N越少,则使容许值α2越大。
数量N在构成电池组10时预先设定,因此基于数量N预先决定容许值α2即可。
在图4所示的处理中,既可以考虑电阻变化率Rr和容量变化率Sr的任一方,也可以考虑电阻变化率Rr和容量变化率Sr的双方。
在本实施例中,根据在时刻t1、t2取得的内部电阻R1、R2算出电阻变化率Rr,根据电阻变化率Rr算出切断数m,但不限于此。
例如,可以根据在预定时刻取得的电池块11的内部电阻、和根据预先求出的内部电阻的历时变化(图6的曲线C1)而确定的在预定时刻的内部电阻来算出电阻变化率Rr。即,在步骤S101的处理中,取得电池块11的内部电阻,并且根据图6的曲线C1来确定与进行步骤S101的处理时相同时刻的内部电阻。
在算出电阻变化率Rr时,可以使用根据图6的曲线C1确定的内部电阻作为式(2)所示的R1。另外,可以使用在步骤S101的处理中取得的内部电阻作为式(2)所示的R2。若能够算出电阻变化率Rr,则能够利用本实施例中说明的方法来算出切断数m。
另外,在本实施例中,根据在时刻t1、t2取得的满充电容量S1、S2算出容量变化率Sr,根据容量变化率Sr算出切断数m,但不限于此。
例如,可以根据在预定时刻取得的电池块11的满充电容量、和根据预先求出的满充电容量的历时变化(图7的曲线C2)而确定的在预定时刻的满充电容量来算出容量变化率Sr。即,在步骤S101的处理中,取得电池块11的满充电容量,并且根据图7的曲线C2来确定与进行步骤S101的处理时相同时刻的满充电容量。
在算出容量变化率Sr时,可以使用根据图7的曲线C2确定的满充电容量作为式(3)所示的S1。另外,可以使用在步骤S101的处理中取得的满充电容量作为式(3)所示的S2。若能够算出容量变化率Sr,则能够利用本实施例中说明的方法算出切断数m。
另一方面,在本实施例中,通过判别时刻t1、t2的间隔是否为预定期间T以内来判别电流切断器12b是否进行了工作,但不限于此。
例如,取得电池块11的内部电阻,在取得的内部电阻比相当于电池块11的损耗劣化的内部电阻高时,能够判别为电流切断器12b处于工作状态。换言之,在取得的内部电阻相对于相当于损耗劣化的内部电阻的曲线(图6所示的曲线C1)向电阻高的一侧偏离时,能够判别为电流切断器12b处于工作状态。
另外,取得电池块11的满充电容量,在取得的满充电容量比相当于电池块11的损耗劣化的满充电容量低时,能够判别为电流切断器12b处于工作状态。换言之,在取得的满充电容量相对于相当于损耗劣化的满充电容量的曲线(图7所示的曲线C2)向容量低的一侧偏离时,能够判别为电流切断器12b处于工作状态。
在确定了切断数m之后,控制器40能够基于切断数m来控制电池组10的充放电。
在电池块11中,当电流切断器12b工作时,在具有处于工作状态的电流切断器12b的单电池12中不会流动电流。另外,在与具有处于工作状态的电流切断器12b的单电池12并联连接的其他单电池12中会流动预定要在具有处于工作状态的电流切断器12b的单电池12中流动的电流。在此,在不对在电池组10(电池块11)中流动的电流值Is进行限制时,在其他单电池12中流动的电流值变为Is/(N-m)。由于“N-m”的值小于“N”的值,所以在其他单电池12中流动的电流值会上升。
若在单电池12中流动的电流值上升,换言之,若相对于单电池12的电流负载增加,则有可能会变得容易产生高速劣化。所谓高速率劣化,是指通过以高速率进行充电或放电而使单电池12的电解液中的盐浓度向一方(正极侧或负极侧)偏移从而引起的劣化。若盐浓度向一方偏移,则在正极与负极之间离子的移动受到限制,因此,单电池12的输入输出性能会降低而成为单电池12的劣化。
另外,在使用锂离子二次电池作为单电池12时,有可能会变得容易析出锂。当析出锂时,在正极与负极之间移动的锂离子减少,结果单电池12的满充电容量会降低。进而,若在单电池12中流动的电流值上升,则电流切断器12b可能会变得容易工作。
在确定了切断数m时,控制器40能够基于该切断数m来决定对电池组10的充放电进行控制的电流指令值。具体而言,作为电流指令值,控制器40根据切断数m的增加而使电池组10的充放电电流降低。控制器40能够基于下述式(8)来设定电流指令值。
Is(2)=Is(1)×(N-m)/N ···(8)
在式(8)中,Is(1)是电流切断器12b工作之前的电流指令值,Is(2)是电流切断器12b工作之后的电流指令值。根据式(8)可知,由于“(N-m)/N”的值是小于1的值,所以电流指令值Is(2)小于电流指令值Is(1)。
控制器40能够基于电流指令值Is(2)来控制电池组10的充放电。具体而言,控制器40基于电流指令值Is(2),使容许电池组10的充电的上限电力降低,或者使容许电池组10的放电的上限电力降低。在使上限电力降低时,可以对降低前的上限电力乘以“(N-m)/N”的值。通过使容许电池组10的充放电的上限电力降低,能够限制在电池组10(单电池12)中流动的电流值。
在切断数m为“N”时,在构成电池块11的所有单电池12中电流切断器12b均进行了工作,无法使电流在电池组10流动。因此,在切断数m为“N”时,控制器40可以使电池组10不进行充放电。具体而言,控制器40可以将容许电池组10的充放电的上限电力设定为0[kW]。另外,控制器40可以使系统主继电器SMR-B、SMR-G、SMR-P断开。
此外,可以在切断数m接近了“N”时使电池组10不进行充放电。在此,使电池组10不进行充放电时的切断数m的数量可以基于确保车辆行驶的观点等而适当设定。
电池组10的充放电控制不仅在图1所示的电池系统启动时进行,在向电池组10供给外部电源的电力时和/或在向外部设备供给电池组10的电力时也能够进行。外部电源是指设置在车辆的外部的电源,作为外部电源,例如可以使用商用电源。外部设备是指配置在车辆的外部的电子设备,且是接受来自电池组10的电力而进行动作的电子设备。作为外部设备,例如可以使用家电产品。
在向电池组10供给外部电源的电力时,可以使用充电器。充电器能够将来自外部电源的交流电力变换为直流电力,并向电池组10供给直流电力。充电器既可以搭载于车辆,又可以在车辆的外部与车辆分开设置。另外,考虑到外部电源的电压和电池组10的电压,充电器能够变换电压值。控制器40能够通过控制充电器的动作来使电池组10的电流值(充电电流)降低。
在向外部设备供给电池组10的电力时,可以使用供电装置。供电装置能够将来自电池组10的直流电力变换为交流电力,并向外部设备供给交流电力。另外,考虑到电池组10的电压和外部设备的动作电压,供电装置能够变换电压值。控制器40能够通过控制供电装置的动作来使电池组10的电流值(放电电流)降低。
通过根据切断数m来限制在电池组10中流动的电流值,能够抑制相对于单电池12的电流负载的上升。另外,也能够限制在没有进行工作的电流切断器12b中流动的电流值,能够抑制电流切断器12b变得容易工作。
在本实施例中,由于能够根据切断数m来控制电池组10的充放电,所以能够高效地进行电池组10的充放电控制。若仅检测电流切断器12b的工作状态,则电池组10的充放电有时会过度地受到限制。与此相对,通过掌握切断数m,能够根据切断数m来限制电池组10的充放电,能够抑制电池组10的充放电过度地受到限制。
实施例2
对作为本发明实施例2的电池系统进行说明。对于具有与实施例1中说明的部件相同的功能的部件,使用相同的标号而省略详细说明。以下,主要对与实施例1不同的方面进行说明。
图8是表示在本实施例中确定处于工作状态的电流切断器12b的数量的处理的流程图。图8所示的处理以预定的周期进行,且由控制器40执行。图8所示的处理针对各电池块11进行。
在图8中,对与实施例1(图4)中说明的处理相同的处理使用相同的标号。在图8的步骤S101中,控制器40取得各电池块11的内部电阻和满充电容量。在步骤S102中,控制器40基于在步骤S101中取得的内部电阻算出电阻变化率Rr,并且基于在步骤S101中取得的满充电容量算出容量变化率Sr。电阻变化率Rr和容量变化率Sr可以利用实施例1中说明的方法算出。
在进行了步骤S102的处理之后,控制器40进行步骤S105的处理。在步骤S105中,控制器40将电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘,对相乘后的值是否为1进行判别。
如实施例1中说明的那样,当在电池块11中电流切断器12b进行了工作时,电阻变化率Rr与“N/(N-m)”的值相等。另外,容量变化率Sr与“(N-m)/N”的值相等。在此,将电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘相当于将“N/(N-m)”与“(N-m)/N”的值相乘,相乘后的值为1。
在此,考虑到电阻变化率Rr和容量变化率Sr的误差,可以设定容许误差的范围(容许值β)。控制器40能够对电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值是否处于容许范围内进行判别。可以将对1加上容许值β后的值作为容许范围的上限值,将从1减去容许值β后的值作为容许范围的下限值。
在电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值处于容许范围内时,进入步骤S103的处理。在电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值不处于容许范围内时,结束图8所示的处理。步骤S103、步骤S104的处理与实施例1(图4的步骤S103、S104)中说明的处理是同样的。
在电流切断器12b进行了工作时,不仅电阻变化率Rr变为“N/(N-m)”的值,容量变化率Sr也变为“(N-m)/N”的值。因此,通过确认电阻变化率Rr与容量变化率Sr这两者的关系,能够对电流切断器12b是否进行了工作进行判别。通过考虑电阻变化率Rr和容量变化率Cr的双方,与仅考虑电阻变化率Rr和容量变化率Cr的一方的情况相比,能够提高对电流切断器12b的工作状态进行判别的精度。
电池块11的劣化不仅包括损耗劣化,有时也包括上述高速率劣化。另外,在单电池12为锂离子二次电池时,电池块11的劣化有时会包括由锂的析出而引起的劣化。
当产生高速劣化时,电池块11的内部电阻会上升而比相当于损耗劣化的内部电阻(图6所示的曲线C1)高。另一方面,当析出锂时,电池块11的满充电容量会降低而比相当于损耗劣化的满充电容量(图7所示的曲线C2)低。在实施例1中,由于仅考虑了损耗劣化,所以在产生高速劣化时,电池块11的内部电阻有时会从图6所示的曲线C1偏离。另外,当析出锂时,电池块11的满充电容量有时会从图7所示的曲线C2偏离。在该情况下,在对电流切断器12b的工作状态进行判别时有可能会进行误判。
在本实施例中,由于对电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值是否处于容许范围内进行判别,所以能够在排除了高速劣化和/或锂的析出的影响的基础上对电流切断器12b的工作状态进行判别。产生高速劣化时的时间常数和产生锂的析出时的时间长数通常容易彼此不同。换言之,高速劣化和锂的析出难以在相同的定时发生。
若仅产生高速劣化,则只有电池块11的内部电阻(电阻变化率Rr)变化,电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值会从容许范围偏离。另外,若仅产生锂的析出,则只有电池块11的满充电容量(容量变化率Sr)变化,电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值会从容许范围偏离。另一方面,在电流切断器12b进行了工作时,电池块11的内部电阻和满充电容量均发生变化,因此,电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值会处于容许范围内。因此,只要对电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值是否处于容许范围内进行判别,即可在排除了高速劣化和/或锂的析出的影响的状态下仅对电流切断器12b的工作状态进行判别。
实施例3
对作为本发明实施例3的电池系统进行说明。对于具有与实施例1中说明的部件相同的功能的部件,使用相同的标号而省略详细的说明。以下,主要对与实施例1不同的方面进行说明。
在实施例1、2中,根据在时刻t1、t2取得的内部电阻算出电阻变化率Rr,根据电阻变化率Rr算出切断数m。在本实施例中,通过将多个电池块11的内部电阻相互进行比较来算出切断数m。对这一点进行具体说明。
当在构成电池组10的多个电池块11中的任一电池块11中电流切断器12b工作时,包括处于工作状态的电流切断器12b的电池块11的内部电阻变得比所有电流切断器12b均未工作的电池块11的内部电阻高。在此,假设构成电池组10的所有单电池12的内部电阻相等。换言之,假设构成电池组10的所有电池块11的内部电阻相等。
在所有电池块11中电流切断器12b在相同的正时工作的情况基本不存在,在电池组10中,同时存在包括处于工作状态的电流切断器12b的电池块11和所有电流切断器12b均未工作的电池块11。
因此,若将任意2个电池块11的内部电阻进行比较,则能够确定内部电阻较高一侧的电池块11。换言之,通过将所有电流切断器12b均未工作的电池块11的内部电阻与包括处于工作状态的电流切断器12b的电池块11的内部电阻进行比较,能够确定包括处于工作状态的电流切断器12b的电池块11。各电池块11的内部电阻可以利用实施例1中说明的方法取得。
通过将各电池块11的内部电阻与其他电池块11的内部电阻进行比较,能够算出切断数m。具体而言,基于各电池块11的内部电阻和其他电池块11的内部电阻,算出电阻变化率Rr。在实施例1中,根据时刻t1、t2的内部电阻算出电阻变化率Rr,但在本实施例中,代替时刻t1、t2的内部电阻而使用2个电池块11的内部电阻。
算出电阻变化率Rr的方法与实施例1中说明的方法是同样的。具体而言,可以使用实施例1中说明的式(2)算出电阻变化率Rr。在式(2)中,可以使用一方的电池块11的内部电阻作为内部电阻R1,使用另一方的电池块11的内部电阻作为内部电阻R2。通过根据2个电池块11的内部电阻算出电阻变化率Rr,能够与实施例1同样地根据电阻变化率Rr算出切断数m。
另一方面,也可以基于多个电池块11的满充电容量算出切断数m。具体而言,取得各电池块11的满充电容量,基于各电池块11的满充电容量和其他电池块11的满充电容量算出容量变化率Sr。在实施例1中,根据时刻t1、t2的满充电容量算出容量变化率Sr,但在本实施例中,代替时刻t1、t2的满充电容量而使用2个电池块11的满充电容量。
算出容量变化率Sr的方法与实施例1中说明的方法是同样的。具体而言,可以使用实施例1中说明的式(3)算出容量变化率Sr。在式(3)中,可以使用一方的电池块11的满充电容量作为满充电容量S1,使用另一方的电池块11的满充电容量作为满充电容量S2。通过根据2个电池块11的满充电容量算出容量变化率Sr,能够与实施例1同样地根据容量变化率Sr算出切断数m。
在此,如实施例2中说明的那样,通过将电阻变化率Rr与容量变化率Sr相乘后的值与1进行比较,能够确认电流切断器12b是否处于工作状态。
另一方面,不仅能够基于各电池块11的内部电阻算出切断数m,还能够基于各电池块11的电压变化量ΔV算出切断数m。各电池块11的电压变化量ΔV能够基于下述式(9)算出。
ΔV=I×R …(9)
在式(9)中,I是在各电池块11中流动的电流值,R是各电池块11的内部电阻。
在电池组10中,由于多个电池块11串联连接,所以在各电池块11中流动的电流值I相等。因此,若各电池块11的内部电阻发生变化,则各电池块11的电压变化量ΔV也会根据内部电阻的变化而变化。因此,通过代替使用2个电池块11的内部电阻之比(电阻变化率Rr)而使用2个电池块11的电压变化量ΔV之比,能够算出切断数m。
在此,电池块11的内部电阻依赖于电池块11的温度和/或SOC。因此,在使用电压变化量ΔV算出切断数m时,优选,在多个电池块11中温度和/或SOC是均等的。
通过对多个电池块11进行均等化处理,能够在多个电池块11中使SOC均等化。在均等化处理中,检测各电池块11的电压,并使电压较高一侧的电池块11放电,从而能够使多个电池块11的电压均等化。通过使多个电池块11中的电压均等化,能够使SOC均等化。
另一方面,通过向各电池块11供给热交换介质而调节各电池块11的温度,能够使多个电池块11中的温度均等化。若对多个电池块11配置多个温度传感器,则能够根据多个温度传感器的检测结果来确认多个电池块11的温度是否已均等化。
电压变化量ΔV是从由监视单元20检测出的各电池块11的电压(CCV;Closed Circuit Voltage:闭路电压)减去各电池块11的OCV而得到的值。取得电池块11的OCV的方法与实施例1中说明的方法是同样的。
通过基于根据电池块11的CCV和OCV算出的电压变化量ΔV来算出切断数m,在算出切断数m时也可以不使用电流传感器31的检测值。由此,能够忽略电流传感器31的检测误差。
在本实施例中,由于仅将2个电池块11的内部电阻(或电压变化量)和/或满充电容量进行比较,所以也可以不用如实施例1中说明的那样将与过去的内部电阻和/或满充电容量相关的信息存储在存储器41。由此,能够减少存储在存储器41的信息量。
Claims (10)
1.一种蓄电系统,其特征在于,具有:
串联连接的多个蓄电块,其分别具有并联连接的多个蓄电元件;和
控制器,其判别所述各蓄电块的状态,
所述各蓄电元件具有将所述蓄电元件的内部的电流路径切断的电流切断器,
所述控制器,
取得所述各蓄电块的内部电阻和满充电容量的至少一方的参数,
使用取得的所述参数与不包括处于切断状态的所述电流切断器的所述蓄电块的所述参数的基准值之间的变化率,在所述各蓄电块中确定处于切断状态的所述电流切断器的数量即切断数。
2.根据权利要求1所述的蓄电系统,其特征在于,
所述控制器使用当前的所述参数与作为所述基准值的过去的所述参数之间的变化率来确定所述切断数。
3.根据权利要求1所述的蓄电系统,其特征在于,
所述基准值是其他的所述蓄电块的所述参数。
4.根据权利要求1所述的蓄电系统,其特征在于,
所述基准值是根据所述蓄电块的劣化而变化、且预先确定的所述参数。
5.根据权利要求4所述的蓄电系统,其特征在于,
所述控制器取得所述各蓄电块的内部电阻,在取得的内部电阻比伴随所述蓄电块的劣化的内部电阻高时进行所述切断数的确定。
6.根据权利要求4所述的蓄电系统,其特征在于,
所述控制器取得所述各蓄电块的满充电容量,在取得的满充电容量比伴随所述蓄电块的劣化的满充电容量低时进行所述切断数的确定。
7.根据权利要求1~4中任一项所述的蓄电系统,其特征在于,
所述控制器使用根据所述各蓄电块的内部电阻的变化而变化的电压变化量的值作为所述内部电阻的值。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的蓄电系统,其特征在于,
所述控制器在将与所述内部电阻相关的所述变化率和与所述满充电容量相关的所述变化率相乘而得到的值处于以1为基准的容许范围内时进行所述切断数的确定。
9.根据权利要求1~8中任一项所述的蓄电系统,其特征在于,
所述电流切断器是通过熔断来切断所述电流路径的熔断器、通过伴随温度上升的电阻的上升来切断所述电流路径的PTC元件、或者根据所述蓄电元件的内压上升而变形从而切断所述电流路径的电流切断阀。
10.一种判别方法,对串联连接的多个蓄电块的状态进行判别,所述多个蓄电块分别具有并联连接的多个蓄电元件,其特征在于,
所述各蓄电元件具有将所述蓄电元件的内部的电流路径切断的电流切断器,
在所述判别方法中,
取得所述各蓄电块的内部电阻和满充电容量的至少一方的参数,
使用取得的所述参数与不包括处于切断状态的所述电流切断器的所述蓄电块的所述参数的基准值之间的变化率,在所述各蓄电块中确定处于切断状态的所述电流切断器的数量即切断数。
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