二次电池的状态推定装置的制作方法

专利名称：二次电池的状态推定装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种二次电池的状态推定装置，更具体地说，涉及一种按照能够动态 地推定二次电池内部状态的电池模型的二次电池的状态推定装置。
背景技术：
现在使用一种电源系统利用可充放电的二次电池将电源提供给负载，并且根据 需要在该负载的运转中也能够对该二次电池进行充电。代表性的是，具备由二次电池驱动 的电动机作为驱动力源的混合动力汽车、电动汽车装载了这种电源系统。在这种电源系统中，除了二次电池的储存电力被使用于作为驱动力源的电动机的 驱动电力以外，通过该电动机进行再生发电时的发电电力、随着发动机的旋转而发电的发 电机的发电电力等对该二次电池进行充电。在这种电源系统中，对二次电池的状态推定装 置，代表性的是要求准确地求出相对于满充电状态的充电率(S0C:state of charge) 0艮口， 需要在充放电期间、紧接着充放电之后准确地依次推定二次电池的充电率，限制二次电池 的过量充放电。另外，当随着二次电池的使用而二次电池的状态逐渐发生变化(二次电池 劣化)时，二次电池的电池参数(内部电阻、满充电容量等)发生变化。因而，要求与这样 的经年变化对应地高精度地推定二次电池的状态。例如在日本特开2005-37230号公报(专利文献1)中公开了一种劣化检测装置以 及方法，即，通过将根据测量出的电池电流的累计值求出的实测SOC与根据推定出的电池 电流的累计值求出的推定SOC之间的差，与预定量进行比较，来检测电池的劣化。例如在日本特开2003-2M901号公报(专利文献2)中公开了一种电池容量管理 方法，即，根据无负载状态的电池的开路电压算出电池的S0C，并且算出直到无负载状态为 止的负载状态的电池放电电流累计量，根据所算出的SOC和放电电流累计量来算出电池的 总实力容量(总满充电容量)。例如在日本特开2005-269760号公报(专利文献3)中公开了一种用于能够提高 剩余容量的算出精度的充电电池。根据该文献，充电电池具备累计放电量算出单元，其在 充电电池处于放电状态时算出累计放电量而进行存储；元件数据存储单元，其存储充电电 池的等效电路的电路元件的数据；推定放电特性算出单元，其根据元件数据存储单元的数 据和当前放电电流值得到与充电率相应的推定放电特性；充电率算出单元，其根据开始放 电时的充电电池的剩余容量以及之后由累计放电量算出单元算出的累计量来算出；以及放 电特性校正单元，其算出当前充电率的充电电池的电压值与满充电时的电压值之间的差和 根据与当前充电率对应的推定放电特性得到的电压值与满充电时的电压值之间的差的比 率，根据比率来校正推定放电特性。充电电池根据校正后的推定放电特性得到上述开始放 电时的充电电池的剩余容量。专利文献1 日本特开2005-37230号公报专利文献2 日本特开2003-2M901号公报专利文献3 日本特开2005-269760号公报

发明内容
在日本特开2005-37230号公报(专利文献1)中，示出根据实测SOC和推定SOC 来判定电池的劣化这一点，但是没有特别示出与劣化的电池有关的其它信息、例如用于算 出开路电压特性或者满充电容量等的技术。根据日本特开2003-2M901号公报(专利文献2)所公开的方法，需要测量无负载 状态下的开路电压。但是，在构成为能够对二次电池进行充放电的电源系统中，有可能产生 这种无负载状态的机会少。另外，即便在产生无负载状态的情况下，也会由电池内部的反应 参与物质的扩散而产生电压变化，因此为了高精度地测量开路电压，需要该无负载状态长 时间持续。例如在上述混合动力汽车或者电动汽车中，被认为产生这种无负载状态的机会 少并且无负载状态的持续时间也短。因而，被认为在混合动力汽车、电动汽车中，通过该方 法来推定电池容量的机会少。另外，在日本特开2003-2M901号公报(专利文献2)所公开 的方法中，以该电池的相对容量值由电池的放电后的开路电压唯一地确定为前提条件，但 是在电池劣化的情况下有时开路电压与相对容量值的关系发生变化，在这种情况下有可能 无法正确地推定总实力容量。日本特开2005-269760号公报(专利文献3)所公开的方法是以放电期间的电流 值为固定的情况为前提的方法。但是，在负载状态发生大变化的情况下，电流值发生大的变 化，因此难以应用该方法。例如在混合动力汽车、电动汽车中，负载状态根据车辆的行驶状 态来发生大的变化，因此电流值也发生大变化。因而，在混合动力汽车、电动汽车中难以应 用该方法。本发明是为了解决这样的问题点而完成的，本发明的目的在于，在按照电池模型 推定二次电池的状态量的二次电池的状态推定装置中，防止由与电池状态的变化对应的参 数值变化的影响而引起的推定精度的恶化，实现确保与电池的经年变化对应的电池模型的 推定精度。本发明的二次电池的状态推定装置具备检测部、电池状态推定部以及参数推定 部。检测部检测二次电池的电池电压、电池电流以及电池温度。电池状态推定部构成为基 于电池温度的检测值、以及作为电池电压和电池电流中的一方的第一状态量的检测值，按 照电池模型公式，依次推定二次电池的充电率、二次电池的开路电压以及作为电池电压和 电池电流中的另一方的第二状态量。参数推定部构成为基于第二状态量的检测值和推定 值，算出表示第二状态量的检测值和推定值之间的差异的推定误差，并且基于充电率和开 路电压中的任一方以及推定误差，推定电池模型公式中使用的参数群中的根据二次电池的 状态变化而变化的预定参数。电池状态推定部使参数推定部的预定参数的推定结果反映到 电池模型公式，由此校正正极开路电位和负极开路电位，并且基于经校正的正极开路电位 和负极开路电位来推定开路电压。根据上述二次电池的状态推定装置，检测出电池状态推定部所推定的第二状态量 的推定值与检测部所检测出的第二状态量的检测值之间的差异(推定误差)，根据该推定 误差和充电率来推定使用于电池模型公式的参数群中的根据二次电池的状态变化而变化 的预定的参数。在由于电池劣化而开路电压特性发生变化的情况下，在由电池状态推定部 算出的开路电压的推定值与电池的实际开路电压之间产生差异。在这种情况下，在由电池状态推定部推定出的第二状态量的推定值与由检测部检测出的第二状态量的检测值之间 也产生推定误差。根据该推定误差和充电率来校正用于电池模型的预定参数，由此校正正 极开路电位和负极开路电位，因此能够校正电池模型的开路电压特性。其结果是，能够高精 度地推定由二次电池的劣化弓I起变化的开路电压特性。优选参数推定部以使得推定误差相对于充电率的变化率变得最小的方式推定预 定的参数。通过设为这种构成，能够将由电池状态推定部推定出的开路电压特性校正为与实 际电池的开路电压特性一致。推定误差相对于充电率的变化率最小(例如变化率为0)意 味着由电池状态推定部推定出的第二状态量的推定值最接近由检测部检测出的第二状态 量的检测值。因而，以使得推定误差相对于充电率的变化率变得最小的方式推定预定的参 数，由此能够高精度地推定开路电压特性。优选第一状态量和第二状态量分别为电池电压和电池电流。推定误差为电池电流 的检测值的累计结果与电池电流的推定值的累计结果之间的差。通过设为这种构成，将检测出的电池温度和电池电压输入到电池模型而能够得到 电池电流的推定值。根据该电池电流推定值以及由检测部检测出的电池电流的检测值，能 够得到电池电流的检测值的累计结果与电池电流的推定值的累计结果之间的差，作为电池 状态推定部的推定误差。由此能够高精度地推定由二次电池的劣化而变化的开路电压特 性。优选第一状态量和第二状态量分别为电池电流和电池电压。推定误差为电池电压 的检测值与电池电压的推定值之间的差。 通过设为这种构成，将检测出的电池温度和电池电流输入到电池模型而能够得到 电池电压的推定值。并且，能够得到该电池电压推定值与由检测部检测出的电池电压的检 测值之间的差作为电池状态推定部的推定误差。由此能够高精度地推定由二次电池的劣化 而变化的开路电压特性。优选参数推定部以使得推定误差相对于开路电压的变化变得最小的方式推定预 定的参数。通过设为这种构成，能够将由电池状态推定部推定出的开路电压特性校正为与实 际电池的开路电压特性一致。相对于开路电压的变化的推定误差最小(例如推定误差为0) 是表示由电池状态推定部推定出的第二状态量的推定值最接近由检测部检测出的第二状 态量的检测值。因而，以使得相对于开路电压的推定误差变得最小的方式推定预定的参数， 由此能够高精度地推定由劣化而变化的开路电压特性。优选推定误差为对开路电压从第一开路电压变化到第二开路电压所需的电池电 流的累计值进行推定而得到的结果与开路电压从第一开路电压变化到第二开路电压时的 电池电流的检测值的累计结果的差。通过设为这种构成，能够高精度地推定由劣化而变化的开路电压特性。并非累计 充电率的变化期间的推定电流而是根据两个开路电压的值来推定电流累计值，由此例如能 够降低推定错误的电池电流的可能性。由此能够高精度地推定电池容量。优选参数推定部，在充电率的推定值在预定的第一范围内且二次电池是缓和的状 态的情况下，开始电池电流的检测值的累计，在充电率的推定值在预定的第二范围内且电池是缓和的状态的情况下，结束电池电流的检测值的累计。。通过设为这种构成，能够高精度地推定由劣化而变化的开路电压特性。如果二次 电池缓和，就能够结束电流值的累计，因此例如也可以不持续电流值的累计直到使用电池 模型得到的开路电压达到实际开路电压。于是，不容易产生由电流传感器的检测误差累计 而引起的推定误差，因此能够提高开路电压特性的推定精度。优选参数推定部使用二分法来推定预定的参数。通过设为这种构成，能够通过实验等预先求出预定参数的范围，通过一次的推定 来求出其最佳值。优选状态推定装置还具备满充电容量推定部。满充电容量推定部构成为对电池 状态推定部所推定的开路电压从与二次电池(10)的完全放电状态对应的第一电压成为与 二次电池的满充电状态对应的第二电压的期间内的每单位极板面积的满充电容量进行推 定。满充电容量推定部构成为将该推定出的满充电容量乘以二次电池的极板面积来推定 二次电池的满充电容量。通过设为这种构成，能够推定由劣化而变化的电池满充电容量。电池的满充电容 量，由电池的开路电压从定义完全放电的电压(例如3. 0V)变化为定义满充电状态的电压 (例如4. IV)为止的所需电流累计量来定义。根据本发明的二次电池的状态推定装置，如上 所述，能够推定劣化后的电池的开路电压特性，因此能够使用电池模型来算出在电池的开 路电压从定义完全放电的电压变化为定义满充电状态的电压的期间从正极移动到负极的 反应参与物质量。在对电池进行充放电时在各电极中进行反应的反应参与物质量与电荷量 之间成立某一种关系式，因此使用该关系式来算出满充电所需的电荷量，由此能够算出电 池的满充电容量。优选状态推定装置还具备劣化判定部。劣化判定部构成为根据二次电池的初始 状态下的二次电池的满充电容量以及推定得到的二次电池的满充电容量之间的差，来判定 二次电池的电池容量的劣化。通过设为这种构成，能够将初始状态(例如二次电池的新品时)的满充电容量与 当前满充电容量之间的差作为电池劣化的程度而使用，因此能够判定二次电池的电池容量 的劣化。优选状态推定装置还具备劣化判定部。劣化判定部构成为根据二次电池的初始 状态下的二次电池的满充电容量以及推定得到的二次电池的满充电容量之比，来判定二次 电池的电池容量的劣化。通过设为这种构成，能够将初始状态(例如二次电池的新品时)的满充电容量与 当前满充电容量之比作为电池劣化的程度而使用，因此能够判定二次电池的电池容量的劣 化。优选预定的参数包括正极中的单极容量的维持率；负极中的单极容量的维持 率；以及由正极活性物质内部的平均充电率与负极活性物质内部的平均充电率之间的对应 关系的初始状态起的变化引起的二次电池的电池容量的变动量(正负极组成对应偏差容
量)O通过设为这种构成，仅决定三个参数，就能够在电池模型上表现电池的容量劣化。优选状态推定装置还具备存储部。该存储部构成为存储对正极活性物质表面上的局部充电率与正极开路电位的关系以及负极活性物质表面上的局部充电率与负极开路 电位的关系进行定义的开路电位特性数据。电池状态推定部根据由参数推定部推定得到的 预定参数的推定结果，来校正正极和负极的局部充电率，根据该校正后的局部充电率和开 路电位特性数据，来校正正极开路电位和负极开路电位。通过设为这种构成，能够根据推定出的(校正后)预定参数、即正极中的单极容量 的维持率、负极中的单极容量的维持率以及正负极组成对应偏差容量来校正正极开路电位 和负极开路电位。优选正极的活性物质内部的平均充电率，由正极活性物质内的反应参与物质的平 均浓度相对于在正极活性物质中反应参与物质能够取得的最大浓度之比表示。负极的活性 物质内部的平均充电率，由负极活性物质内的反应参与物质的平均浓度相对于在负极活性 物质中反应参与物质能够取得的最大浓度之比表示。通过设为这种构成，能够高精度地推定由劣化而产生正极和负极的容量减少以及 正负极间的相对组成对应的偏差的情况下的正极开路电位和负极开路电位。由此，能够高 精度地推定由二次电池的劣化引起的开路电压特性的变化以及满充电容量的降低。优选电池状态推定部根据正极开路电位与负极开路电位的电位差来推定开路电压。通过设为这种构成，能够高精度地推定由二次电池的劣化引起的开路电压特性的变化。优选电池模型公式为示出每单位极板面积的电池模型的公式。通过设为这种构成，能够使电池模型公式相对于二次电池的设计容量一般化。优选二次电池由充放电控制装置进行充放电，充放电控制装置，基于充电率的当 前值以及充电率的目标值，控制二次电池的充放电量使得充电率接近目标值。状态推定装 置还具备推定执行判定部和目标充电率设定部。推定执行判定部构成为判定用于执行 由电池状态推定部进行的二次电池的状态的推定的推定执行条件是否成立，并且在判定为 推定执行条件成立的情况下，使电池状态推定部开始推定二次电池的状态。目标充电率设 定部构成为在由推定执行判定部判定为推定执行条件成立的情况下，设定目标值。通过设为这种构成，能够可靠地推定开路电压特性或者满充电容量。在推定上述 开路电压特性和满充电容量的情况下，为了高精度地推定开路电压特性和满充电容量，需 要使充电率变化足够的幅度。然而，例如在将二次电池装载于混合动力汽车、电动汽车等电 动车辆的情况下，通常以其电池的充电率接近预定的控制目标值的方式控制电池的充放电 电力量。其结果是，一般认为除了车辆行驶负载变大的情况以外充电率的变化量不会变大。 根据该构成，以使得接近目标充电率的方式控制充电率，由此能够积极地使充电率变化。由 此，能够创造机会高精度地推定开路电压特性和满充电容量。优选在从电池状态推定部的二次电池的状态的推定结束起所经过的时间在预定 期间以上的情况下，推定执行判定部判定为推定执行条件成立。通过设为这种构成，能够以一定时间间隔来推定满充电容量，因此算出由二次电 池的劣化引起的满充电容量的减少速度变得容易。另外，能够根据电池的劣化速度以适当 的频率来进行推定。另外，能够以适当的频率推定开路电压特性，因此能够减小产生电池模 型的开路电压特性与实际电池的开路电压特性之间的差异的可能性。
优选充放电控制装置包括电动机，该电动机使车辆行驶。在电池状态推定部的二 次电池的状态的推定结束之后车辆的行驶距离在预定距离以上的情况下，推定执行判定部 判定为推定执行条件成立。通过设为这种构成，能够按每一定行驶距离来推定满充电容量，因此算出由二次 电池的劣化引起的满充电容量的减少速度变得容易。另外，能够根据电池的劣化速度以适 当的频率来进行推定。另外，能够以适当的频率推定开路电压特性，因此能够减小产生电池 模型的开路电压特性与实际电池的开路电压特性之间的差异的可能性。优选推定执行判定部从电池状态推定部获取充电率和推定误差，在充电率变化预 定量时的推定误差在预定值以上的情况下，判定为推定执行条件成立。通过设为这种构成，能够可靠地掌握电池的容量劣化来执行推定。在由于劣化而 电池的容量减少以及开路电压特性发生变化的情况下，充电率变化预定量期间的电流累计 推定误差也变大。在这种情况下，能够推定开路电压特性、满充电容量，因此能够可靠地掌 握电池的容量劣化来执行推定。优选目标充电率设定部以使得由充放电控制装置对二次电池放电的方式设定目 标值。通过设为这种构成，在对装载于混合动力汽车或者电动汽车等电动车辆的二次电 池进行上述充电率控制(使充电率积极地变化的控制)的情况下，能够以使得尽可能不会 产生乘坐的感觉恶化(在混合动力汽车的情况下还需要考虑燃料消耗)的方式进行充电率 控制。在通过对二次电池充电来接近目标充电率的情况下，在车辆的行驶条件、例如加速多 的行驶、爬坡等车辆所需的功率(power，动力)较大的行驶条件下，成为二次电池放电的倾 向，因此存在接近目标充电率时费时这种问题。通过使电池放电而降低充电率，来使充电率 接近目标值，由此能够避免这些问题。优选目标充电率设定部，在满充电容量维持率为预定值以下的情况下，以使得与 满充电容量维持率大于预定值的情况相比充电率的变化幅度变大的方式，设定目标值，满 充电容量维持率是二次电池的当前的满充电容量相对于初始状态下的满充电容量之比。通过设为这种构成，在满充电容量大幅减少的电池中也能够充分扩大充电率的变 化幅度，因此能够高精度地推定使用于电池模型的预定的参数。优选推定执行判定部在二次电池的充放电电力超过基准值的情况下，中止由电池 状态推定部推定二次电池的状态。通过设为这种构成，能够使充电率可靠地移动到目标值。若在电池负载大时继续 进行充电率控制，则有可能难以使充电率可靠地移动到目标值。在这种情况下中止充电率 控制，由此能够避免上述问题。根据本发明的二次电池的状态推定装置，通过推定(更新)电池模型公式中的参 数，能够实现确保与电池的经年变化对应的电池模型的推定精度，因此能够高精度地推定 随着电池的经年变化而变化的满充电容量或者开路电压特性。另外，将推定出的开路电压 特性使用于充电率的推定，由此能够高精度地推定充电率。


图1是表示应用了本发明的实施方式的二次电池的状态推定装置的将二次电池作为电源的电源系统的概要构成的框图。图2是说明通过电池模型表现的二次电池10的内部构成的概要的概念图。图3是表示示出开路电压相对于局部SOC的变化的变化特性的映射的构成例的概 念图。图4是表示扩散系数相对于电池温度的变化的变化特性的概念图。图5是说明使用了本发明的实施方式的电池模型公式的充电率(SOC)的推定方法 的流程图。图6是表示示出活性物质模型内的平均锂浓度与充电率的关系的映射的构成例 的概念图。图7是表示二次电池的初始状态以及劣化后的、从满充电状态起开路电压相对于 放电时间的变化特性的一例的图。图8是表示随着单极容量的减少而产生的单极开路电位的变化的示意图。图9是表示正负极间的组成对应的偏差的示意图。图10是说明由劣化引起的正负极组成的对应偏差的示意图。图11是用于说明在正极活性物质内部的平均充电率θ lare与负极活性物质内部的 平均充电率θ 2■之间成立的关系式的图。图12是说明实施方式1的电池的容量劣化的推定构成的框图。图13是说明图12示出的构成的电池的容量劣化的推定定时的图。图14是表示用于推定容量劣化参数的SOC推定值的条件的概念图。图15是表示二次电池劣化了的情况下的实际电流累计值Si和推定电流累计值Sie 相对于SOC推定值的关系的图。图16是表示基于图15的电流累计推定误差ASi与SOC的关系的图。图17是说明参数推定部130的容量劣化参数的推定处理的流程图。图18是说明由电池状态推定部110在电池模型的初始化中执行的使容量劣化参 数反映到电池模型的处理的流程图。图19是表示在反复进行容量劣化参数的推定与向电池模型反映容量劣化参数时 的电流累计推定误差Δ Si相对于SOC推定值的变化的图。图20是表示反复推定正负极组成对应偏差容量ΔΑ而得到的结果的图。图21是表示没有进行容量劣化参数的学习的情况下的SOC推定值的时间推移的 图。图22是表示基于图21的SOC推定误差的图。图23是表示进行了容量劣化参数的学习的情况下的SOC推定值的时间推移的图。图M是表示基于图23的SOC推定误差的图。图25是表示在进行了二次电池的加速劣化试验时的满充电容量维持率dQrate的推 定结果的图。图沈是说明实施方式2的电池的容量劣化的推定构成的框图。图27是说明根据电池电流Λ和电池温度Tb来算出电池的充电率推定值和电池 电压推定值\的方法的流程图。图28是表示电池电压推定值与电池电压测量值的误差Δ V相对于SOC的变化量ASOC的关系的示意图。图四是说明参数推定部130A的容量劣化参数的推定处理的流程图。图30是说明图1示出的电源系统中的SOC移动控制的框图。图31是用于推定容量劣化参数的SOC移动控制的概念图。图32是说明实施方式3的容量劣化参数的推定以及SOC移动控制的框图。图33是表示实施方式3的SOC移动控制的第一变形例的框图。图34是表示实施方式3的SOC移动控制的第二变形例的框图。图35是表示实施方式3的SOC移动控制的第三变形例的框图。图36是表示实施方式3的SOC移动控制的第四变形例的框图。图37是表示本实施方式的推定容量劣化参数用的SOC移动控制的实验数据的示 例的图。图38是表示实施方式4的电池的容量劣化的推定构成的框图。图39是说明参数推定部130B的容量劣化参数的推定处理的流程图。图40是详细说明图39示出的步骤S285的搜索处理的流程图。图41是作为开路电压从OCVl变化到0CV2时的开路电压而示出算出的开路电压 特性以及劣化了的实际的二次电池的开路电压特性的图。附图标记说明10 二次电池；12 负极；13,16 集电器(current collector) ；14 分隔件；15 正 极；18 活性物质；20 电流传感器；30 电压传感器；40 温度传感器；50 负载；60 负载控 制装置；100 :E⑶；110、IlOA 电池状态推定部；115 电池模型部；120 参数特性映射存储 部；130、130A、130B 参数推定部；150 满充电容量推定部；160 劣化判定部；170 推定执 行条件判定部；175 计数器；180 目标值设定部；200 容量劣化推定部；210 车辆ECU。
具体实施例方式以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，对以下图中相同或相当的部分 标记相同的附图标记而原则上不进行重复说明。(整体构成)图1是表示应用了本发明的实施方式的二次电池的状态推定装置的将二次电池 作为电源的电源系统的概要构成的框图。参照图1，二次电池10提供负载50的驱动电力。负载50例如由装载于电动汽车、 混合动力汽车等的行驶用电动机构成。并且，负载50利用电动机的再生电力对二次电池10 进行充电。二次电池10代表性的是由锂离子电池构成。在二次电池10中设置有用于测量电池电流的电流传感器20、用于测量电池电压 的电压传感器30以及用于测量电池温度的温度传感器40。下面，将由电流传感器20测量 得到的测量值记载为电池电流Ib，将由电压传感器30测量得到的测量值记载为电池电压 Vb，将由温度传感器40测量得到的测量值记载为电池温度Tb。将由传感器20 40测量得到的电池电流lb、电池电压Vb以及电池温度Tb传输 到电子控制装置(E⑶)100。与本发明的实施方式的二次电池的状态推定装置对应的ECU 100包括未图示的微处理器、存储器、A/D变换器以及D/A变换器等，构成为通过执行预先保存在存储器中的 预定程序，使用来自传感器等的输入信号/数据执行预定的运算处理，根据运算处理结果 来生成输出信号/数据。在本实施方式中，ECU 100根据由电流传感器20、电压传感器30 以及温度传感器40检测出的电池数据(将lb、Vb、Tb总括地记载)，按照后述的电池模型 来动态地推定二次电池10的内部状态，推定充电率(SOC)。并且，E⑶100通过进行后述的 推定处理对随着二次电池10的经年劣化而变化的二次电池10的满充电容量以及开路电压 特性进行推定学习。ECU 100使用该推定出的满充电容量来推定定义为满充电容量的减少 率、减少量的电池劣化程度，并且使用推定出的开路电压特性来推定充电率。特别是，E⑶100能够根据利用二次电池10来运转负载50中、即利用二次电池10 的供给电力来驱动负载50时、利用来自负载50的再生电力对二次电池10进行充电时的实 际的负载运转中的电池数据，根据后述的电池模型公式，来进行电池模型公式中的参数推 定。因而，如果设为根据该参数推定结果求出二次电池10的劣化状态(劣化程度)的构成， 则能够根据实际运转负载50的联机(on-line)中的电池数据来推定电池劣化程度。即，即 便不为了推定电池的劣化状态而停止负载50的运转或者以特别的充放电模式使二次电池 10充放电或者从负载50断开二次电池10，也能够推定电池劣化度。根据本实施方式，即使SOC的变化比较小也能够推定二次电池10的满充电容量， 因此能够高精度地推定二次电池10的劣化程度。在电动汽车或者混合动力汽车中，难以使 二次电池成为完全的放电状态或者完全的充电状态，因此这一点变得重要。另外，在本实施方式中，通过将参数推定结果依次反映给电池模型，能够与参数值 的经年变化对应地确保电池模型的推定精度。具体地说，不仅高精度地推定电池的满充电 容量，还能够高精度地推定开路电压特性。通过将推定出的开路电压特性使用于充电率推 定，在劣化后的电池中也能够高精度地推定充电率。将由E⑶100求出的充电率(SOC)等电池信息传输到负载控制装置60。负载控制 装置60根据电池信息产生控制负载50的驱动状态用的控制指令。例如在二次电池10的 充电率低于预先确定的下限值的情况下，生成限制负载50的使用电力的控制指令。相反， 在二次电池10的充电率大于预先确定的上限值的情况下，生成抑制由负载50产生再生电 力的控制指令。此外，负载50和负载控制装置60构成充放电控制装置，该充放电控制装置 控制二次电池10的充放电量。(电池模型公式的说明)接着，说明使用于二次电池10的状态推定的电池模型的一例。下面说明的电池模 型是以下那样构筑的，即，包括非线形模型使得考虑二次电池内部的电化学反应来能够动 态地推定内部动作。图2是说明通过电池模型表现的二次电池10的内部构成的概要的概念图。参照图2，二次电池10包括负载12、分隔件14以及正极15。分隔件14通过使电 解液浸透到设置于负载12与正极15之间的树脂而构成。负载12与正极15分别由球状的活性物质18的集合体构成。在二次电池10放电 时，在负载12的活性物质18的界面上，进行放出锂离子Li+和电子e_的化学反应。另一方 面，在正极15的活性物质18的界面上进行吸收锂离子Li+和电子e_的化学反应。此外，在 二次电池10的充电时，关于电子e_的放出和吸收，进行与上述反应相反的反应。
在负极12上设置吸收电子e_的集电器13，在正极15上设置放出电子e_的集电 器16。负极的集电器13代表性地由铜构成，正极的集电器16代表性地由铝构成。在集电 器13上设置有负极端子，在集电器16上设置有正极端子。通过分隔件14交换锂离子Li+， 从而在二次电池10中进行充放电，产生充电电流或者放电电流。S卩，二次电池内部的充放电状态根据电极(负极12和正极15)的活性物质18内 的锂浓度分布不同而不同。该锂相当于锂离子电池中的反应参与物质。负极12和正极15对于电子e_的移动的纯电气性的电阻(纯电阻)Rd以及在活 性物质界面中的产生反应电流时等效地作为电阻而起作用的电荷移动电阻(反应电阻)Rr 合起来的电阻，相当于宏观观察二次电池10的情况下的直流电阻。下面，将该宏观直流电 阻还表示为直流电阻Ra。另外，活性物质18内的锂Li的扩散由扩散系数Ds支配。接着，说明ECU 100使用的电池模型的一例。此外，在在此所说明的电池模型公式 中，考虑到常温时的双电层电容器的影响小，构筑了忽视该影响的电池模型。并且，将电池 模型定义为电极的每单位极板面积的模型。通过使用电极的每单位极板面积的模型，能够 使该模型相对于设计容量一般化。首先，对于作为二次电池10的输出电压的电池电压V，使用了电池温度T、电池电 流I、开路电压OCV以及上述二次电池10整体的宏观直流电阻Ra的以下公式(1)成立。在 此，电池电流I表示每单位极板面积的电流值。即，当将流过正负极端子的电池电流(能够 利用电流表测量的电流值)设为Λ而将电池的双面极板面积设为S时，通过I = rt/S来 定义电池电流I。下面，只要没有特别说明，在电池模型中所说的“电流”和“电流推定值”， 就指上述每单位极板面积的电流。[数学式1]V = OOKei, θ 2)-Ra( θ θ 2, τ) XI=^(6^-^(02)-^(0^ Θ2,Τ)ΧΙ...(1)θ工以及θ 2分别表示正极活性物质表面上的局部SOC以及负极活性物质表面上的 局部S0C。开路电压OCV作为正极开路电位U1与负极开路电位U2的电位差而表示。如图3 所示，正极开路电位U1和负极开路电位U2分别具有依赖于局部SOC θ i和局部SOC θ 2而变 化的特性。因而，能够通过在二次电池10的初始状态下测量局部SOC θ i与正极开路电位 U1的关系以及局部SOC θ 2与负极开路电位U2的关系，制作特性映射(map，映射图)，该特性 映射预先存储相对于局部SOC θ i的变化的正极开路电位U1 (θ i)的变化特性以及相对于局 部SOC θ 2的变化的负极开路电位U2(θ 2)的变化特性。另外，直流电阻Ra具有根据局部S0C( θ J、局部S0C( θ 2)以及电池温度T的变化 而变化的特性。即，直流电阻Ra表示为局部SOCO1, θ2)以及电池温度T的函数。因而， 能够基于二次电池10的初始状态下的实测实验结果，，制作特性映射(直流电阻映射)，该 特性映射与局部SOCO1, θ2)以及电池温度T的组合对应地决定直流电阻Ra的值。如上所述，在负极12和正极15各自的球状活性物质模型中，活性物质表面(与电 解液的界面)上的局部SoceiG = 1,2)利用以下公式(2)来定义。此外，与局部SOC Gi 同样地，在以下说明中，定义为以i表示的下标在1的情况下表示正极，在2的情况下表示 负极。[数学式2]
14
^=-^^-0- = 1,2)…(2)
.ν,/,max在公式⑵中，Csea为活性物质界面上的锂平均浓度，C^max为活性物质中的临界 锂浓度。以球状模型处理的活性物质内，锂浓度Csa在半径方向上具有分布。即，假设为球 状的活性物质内的锂浓度分布通过以下公式C3)示出的极坐标系的扩散方程式来规定。[数学式3]
dc .d2c . 2 d c .=^ +0'= U)…⑶
ator r orv ‘在公式(3)中，Ds,i为活性物质中的锂的扩散系数。如图4所示，扩散系数Ds,i具 有依赖于电池温度而发生变化的特性。因而，与上述直流电阻Ra同样地，对于扩散系数Ds, i也能够根据二次电池10的初始状态下的实测结果，作成特性映射(扩散系数映射)，该特 性映射预先存储图4示出的特性相对于电池温度变化的扩散系数Ds, i (T)的变化特性。另外，以下公式(4)、(5)那样设定公式(3)的扩散方程式的边界条件。[数学式4] Qc—^i = 0(r = 0,/ = 1,2)…⑷
drv ‘
dc . dc .iLi
-(5)
S,I S,ι在公式中，示出活性物质中心的浓度梯度为0。在公式(5)中，意味着活性 物质的电解液界面中的锂浓度变化随着锂从活性物质表面出入而变化。在公式(5)中I^i表示活性物质半径，ε 表示活性物质的体积分数，表示每 电极单位体积的活性物质表面积。根据通过各种电化学测量法测量得到的结果来决定这些 值。另外，F为法拉第常数。并且，公式(5)中的j"为每单位体积/时间的锂生成量，方便起见，假设为在电极 厚度方向上反应均勻，则使用电极厚度Li以及每单位极板面积的电池电流I利用以下公式 (6)示出。[数学式5]/ = XiZ2=-^Z1…(6)将电池电流I或者电池电压V作为输入，使这些公式⑴ (6)联立来求解，由此 能够算出电压推定值或者电流推定值，并且推定二次电池10的内部状态，推定充电率。通过使用该电池模型，能够将电池电压V作为输入来推定二次电池的充电率。在 输入电池电压V的情况下，使用表示活性物质模型内的平均锂浓度与充电率的关系的映射 (图6)来算出充电率。下面，首先说明以下方法，S卩，将由传感器测量得到的电池电压Vb和电池温度Tb 作为输入使用上述电池模型来算出电池的充电率(SOC)推定值以及电流推定值。图5是说明使用了本发明的实施方式的电池模型公式的充电率(SOC)的推定方法的流程图。图5示出的处理在ECU 100中按每预定的运算周期调用来执行。此外，为了便 于说明，图5的流程图示出没有考虑二次电池劣化的影响而根据电池温度和电池电压推定 二次电池的充电率的方法。参照图5，在步骤SlOO中，E⑶100利用电压传感器30测量电池电压Vb。测量出 的电池电压Vb被使用作电池模型公式中的电池电压V。进而，在步骤SllO中，ECU利用温 度传感器40测量电池温度Tb。测量出的电池温度Tb被使用作模型公式中的电池温度T。在步骤S120中，E⑶100利用公式( 根据前一次运算时的锂浓度分布cse,i来算 出活性物质表面的局部SoceiO1* θ2)。然后，在步骤S130中，E⑶100根据图3示出 那样的开路电位Ui (θ i)相对于局部SOC θ i的特性映射算出开路电位Ui(U1和U2)，作为该 算出的开路电位仏和U2的电位差，算出开路电压推定值u#。进而，在步骤S140中，E⑶100根据所算出的局部SOC θ ,以及测量出的电池温度 Τ，按照预先存储的直流电阻映射来算出直流电阻Ra。然后，在步骤S150中，E⑶100使用 测量出的电池电压Vb、所算出的开路电压推定值U#以及直流电阻Ra基于以下公式(7)算 出电池电流的推定值Ite。[数学式6]
权利要求
1.一种二次电池(10)的状态推定装置，具备检测部(20、30、40)，其用于检测二次电池(10)的电池电压、电池电流以及电池温度；电池状态推定部(110、110A)，其构成为基于上述电池温度的检测值、以及作为上述 电池电压和上述电池电流中的一方的第一状态量的检测值，按照电池模型公式，依次推定 上述二次电池(10)的充电率、上述二次电池(10)的开路电压以及作为上述电池电压和上 述电池电流中的另一方的第二状态量；以及参数推定部(130、130A、130B)，其构成为基于上述第二状态量的检测值和推定值，算 出表示上述第二状态量的检测值和推定值之间的差异的推定误差，并且基于上述充电率和 上述开路电压中的任一方以及上述推定误差，推定上述电池模型公式中使用的参数群中的 根据上述二次电池(10)的状态变化而变化的预定参数，上述电池状态推定部(110、110A)，使上述参数推定部(130、130A、130B)的上述预定参 数的推定结果反映到上述电池模型公式，由此校正正极开路电位和负极开路电位，并且基 于经校正的正极开路电位和经校正的负极开路电位来推定上述开路电压。
2.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述参数推定部(130、130A)以使得上述推定误差相对于上述充电率的变化率成为最 小的方式推定上述预定参数。
3.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述第一状态量和上述第二状态量分别为上述电池电压和上述电池电流，上述推定误差为上述电池电流的检测值的累计结果与上述电池电流的推定值的累计 结果的差。
4.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述第一状态量和上述第二状态量分别为上述电池电流和上述电池电压，上述推定误差为上述电池电压的检测值与上述电池电压的推定值的差。
5.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述参数推定部(130B)以使得相对于上述开路电压的上述推定误差成为最小的方式 推定上述预定参数。
6.根据权利要求5所述的二次电池的状态推定装置，上述推定误差为对上述开路电压从第一开路电压变化到第二开路电压所需的上述电 池电流的累计值进行推定而得到的结果与上述开路电压从上述第一开路电压变化到上述 第二开路电压时的上述电池电流的检测值的累计结果的差。
7.根据权利要求6所述的二次电池的状态推定装置，上述参数推定部(130B)，在上述充电率的推定值在预定的第一范围内且上述二次电池 (10)是缓和的状态的情况下，开始上述电池电流的检测值的累计，在上述充电率的推定值 在预定的第二范围内且上述电池是缓和的状态的情况下，结束上述电池电流的检测值的累 计。
8.根据权利要求5所述的二次电池的状态推定装置，上述参数推定部(130B)使用二分法来推定上述预定参数。
9.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述状态推定装置还具备满充电容量推定部(150)，该满充电容量推定部(150)构成为对上述电池状态推定部(110、110A)所推定的上述开路电压从与上述二次电池(10)的 完全放电状态对应的第一电压成为与上述二次电池(10)的满充电状态对应的第二电压的 期间内的每单位极板面积的满充电容量进行推定，并且将该推定出的满充电容量乘以上述 二次电池(10)的极板面积来推定上述二次电池(10)的满充电容量。
10.根据权利要求9所述的二次电池的状态推定装置，上述状态推定装置还具备劣化判定部(160)，该劣化判定部(160)构成为基于上述二 次电池(10)的初始状态下的上述二次电池(10)的满充电容量与推定出的上述二次电池 (10)的满充电容量的差，判定上述二次电池(10)的电池容量的劣化。
11.根据权利要求9所述的二次电池的状态推定装置，上述状态推定装置还具备劣化判定部(160)，该劣化判定部(160)构成为基于上述二 次电池(10)的初始状态下的上述二次电池(10)的满充电容量与推定出的上述二次电池 (10)的满充电容量之比，判定上述二次电池(10)的电池容量的劣化。
12.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述预定参数包括正极中的单极容量的维持率；负极中的单极容量的维持率；以及由上述正极的活性物质内部的平均充电率与上述负极的活性物质内部的平均充电率 之间的对应关系的初始状态起的变化引起的上述二次电池(10)的电池容量的变动量。
13.根据权利要求12所述的二次电池的状态推定装置，上述状态推定装置还具备存储部(120)，该存储部(120)构成为存储对上述正极的活 性物质表面上的局部充电率与上述正极开路电位之间的关系、以及上述负极的活性物质表 面上的局部充电率与上述负极开路电位之间的关系进行定义的开路电位特性数据，上述电池状态推定部(110、110A)，基于由上述参数推定部(130、130A、130B)的上述预 定参数的上述推定结果，校正上述正极和上述负极的局部充电率，基于该经校正的局部充 电率和上述开路电位特性数据，校正上述正极开路电位和上述负极开路电位。
14.根据权利要求12所述的二次电池的状态推定装置，上述正极的活性物质内部的平均充电率，由正极活性物质内的反应参与物质的平均浓 度相对于在上述正极活性物质中上述反应参与物质能够取得的最大浓度之比表示，上述负极的活性物质内部的平均充电率，由负极活性物质内的上述反应参与物质的平 均浓度相对于在上述负极活性物质中上述反应参与物质能够取得的最大浓度之比表示。
15.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述电池状态推定部(110、110A)，基于上述正极开路电位与上述负极开路电位的电位 差，推定上述开路电压。
16.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述电池模型公式为示出每单位极板面积的电池模型的公式。
17.根据权利要求1所述的二次电池的状态推定装置，上述二次电池(10)由充放电控制装置(50、60)进行充放电，上述充放电控制装置(50、 60)，基于上述充电率的当前值以及上述充电率的目标值，控制上述二次电池(10)的充放 电量使得上述充电率接近上述目标值，上述状态推定装置还具备推定执行判定部(170)，其构成为判定用于执行由上述电池状态推定部(110)进行的 上述二次电池(10)的状态的推定的推定执行条件是否成立，并且在判定为上述推定执行 条件成立的情况下，使上述电池状态推定部(110)开始推定上述二次电池(10)的状态；以 及目标充电率设定部(180)，其构成为在由上述推定执行判定部(170)判定为上述推定 执行条件成立的情况下，设定上述目标值。
18.根据权利要求17所述的二次电池的状态推定装置，上述推定执行判定部(170)，在从由上述电池状态推定部(110)进行的上述二次电池 (10)的状态的推定结束起经过的时间为预定期间以上的情况下，判定为上述推定执行条件成立。
19.根据权利要求17所述的二次电池的状态推定装置，上述充放电控制装置包括用于使车辆行驶的电动机，上述推定执行判定部(170)，在由上述电池状态推定部(110)进行的上述二次电池 (10)的状态的推定结束之后上述车辆的行驶距离为预定距离以上的情况下，判定为上述推 定执行条件成立。
20.根据权利要求17所述的二次电池的状态推定装置，上述推定执行判定部(170)，从上述电池状态推定部(110)获取上述充电率和上述推 定误差，在上述充电率变化预定量时的上述推定误差为预定值以上的情况下，判定为上述 推定执行条件成立。
21.根据权利要求17所述的二次电池的状态推定装置，上述目标充电率设定部(180)设定上述目标值，使得上述二次电池(10)由上述充放电 控制装置放电。
22.根据权利要求17所述的二次电池的状态推定装置，上述目标充电率设定部(180)，在满充电容量维持率为预定值以下的情况下，以使得与 上述满充电容量维持率大于上述预定值的情况相比上述充电率的变化幅度变大的方式，设 定上述目标值，上述满充电容量维持率是上述二次电池(10)的当前的满充电容量相对于 初始状态下的满充电容量之比。
23.根据权利要求17所述的二次电池的状态推定装置，上述推定执行判定部(170)，在上述二次电池(10)的充放电电力超过基准值的情况 下，使由上述电池状态推定部(110)进行的上述二次电池(10)的状态的推定中止。
全文摘要
电池状态推定部(110)按照电池模型公式按每个运算周期推定二次电池内部状态，根据推定结果来推定充电率(SOC)和电池电流。参数推定部(130)获取由传感器测量得到的电池电流(Ib)、以及由电池状态推定部(110)推定得到的充电率(SOC)和电池电流(Ite)。参数推定部(130)以使得实际电流的累计值与推定电流的累计值的误差(推定误差)相对于充电率(SOC)的变化率变得最小的方式推定容量劣化参数。容量劣化参数的推定结果通过电池状态推定部(110)反映给电池模型。
文档编号G01R31/36GK102144169SQ20098013408
公开日2011年8月3日 申请日期2009年8月28日 优先权日2008年9月2日
发明者天野也寸志, 户村修二, 梅野孝治, 渊本哲矢, 竹本毅, 芳贺伸烈, 西勇二 申请人:丰田自动车株式会社