充电率推断方法以及充电率推断装置制造方法
【专利摘要】一种充电率推断方法以及充电率推断装置。在充电率推断方法中，针对充放电结束时的二次电池的充电率与充放电结束时的二次电池的温度的每一组合，预先测定从使二次电池的充放电结束直至开路电压的变化收敛为止的电压变化收敛时间τ。在实际的使用中在使二次电池的充放电结束的情况下，选出与基于充放电结束时的累计电流值的充电率以及温度对应的电压变化收敛时间τ，并将选出的电压变化收敛时间τ应用于电压特性表达式。
【专利说明】充电率推断方法以及充电率推断装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及推断二次电池的充电率的充电率推断方法以及充电率推断装置。
【背景技术】
[0002]作为以往使用的这种充电率推断方法，例如可举出下述的专利文献I等示出的充电率推断方法。即，在现有方法中，通过电压特性表达式对充放电结束后的二次电池的开路电压的时间变化进行近似，根据电压特性表达式计算二次电池的稳定时的开路电压并推断二次电池的充电率。具体而言，在充放电结束后的规定的数据取得期间多次测定二次电池的开路电压。然后，将这些测定的开路电压用于电压特性表达式，从而求出电压特性表达式所包含的参数，进而计算稳定时的开路电压。
[0003]专利文献1:日本特开2008-96328号公报
[0004]本
【发明者】对各种二次电池研究充放电特性，发现针对基于利用累计电流值、或者闭路电压而求出的推断开路电压推断的充放电结束时的二次电池的充电率、充放电结束时的二次电池的温度的每一组合，从使二次电池的充放电结束直至开路电压的变化收敛为止的电压变化收敛时间τ采用恒定值。在现有方法中，仅将测定的开路电压应用于电压特性表达式，电压变化收敛时间τ未利用针对充放电结束时的二次电池的充电率以及温度的每一组合采用恒定值的情况，因此需要更多的开路电压的测定值，从而使充电率的推断所需要的时间较长。此外，利用闭路电压求出的推断开路电压是基于闭路电压、电流推断的开路电压。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于提供一种能够以更少数的开路电压的测定值推断充电率，从而能够缩短充电率的推断所需要的时间的充电率推断方法以及充电率推断装置。
[0006]本发明的充电率推断方法是通过电压特性表达式近似充放电结束后的二次电池的开路电压的时间变化，并根据电压特性表达式计算二次电池的稳定时的开路电压，来推断二次电池的充电率的充电率推断方法，针对充放电结束时的二次电池的充电率与充放电结束时的二次电池的温度的每一组合，预先测定从使二次电池的充放电结束直至开路电压的变化收敛为止的电压变化收敛时间τ，在使二次电池的充放电结束的情况下，选出与充放电结束时的充电率以及温度对应的电压变化收敛时间τ，并将选出的电压变化收敛时间τ应用于电压特性表达式。
[0007]另外，本发明的充电率推断装置是根据对充放电结束后的二次电池的开路电压的时间变化进行了近似的电压特性表达式计算二次电池的稳定时的开路电压，来推断二次电池的充电率的充电率推断装置，充电率推断装置具备:存储部，其针对充放电结束时的二次电池的充电率与充放电结束时的二次电池的温度的每一组合，对从使二次电池的充放电结束直至开路电压的变化收敛为止的电压变化收敛时间τ进行存储；和运算部，其在二次电池的充放电结束的情况下，从存储部选出与充放电结束时的充电率以及温度对应的电压变化收敛时间τ，并将选出的电压变化收敛时间τ应用于电压特性表达式。
[0008]根据本发明的充电率推断方法以及充电率推断装置，针对充放电结束时的二次电池的充电率与充放电结束时的二次电池的温度的每一组合，预先测定从使二次电池的充放电结束直至开路电压的变化收敛为止的电压变化收敛时间τ，在使二次电池的充放电结束的情况下，选出与充放电结束时的充电率以及温度对应的电压变化收敛时间τ，并将选出的电压变化收敛时间τ应用于电压特性表达式，因此能够以更少数的开路电压的测定值推断充电率，从而能够缩短充电率的推断所需要的时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是表示充电结束后的二次电池的开路电压的变化的说明图。
[0010]图2是表示放电结束后的二次电池的开路电压的变化的说明图。
[0011]图3是表示包含基于本实施方式的充电率推断方法而预先测定的多个电压变化收敛时间τ的图表的说明图。
[0012]图4是表示图3的图表制成后的充电率推断方法的流程图。
[0013]图5是表示用于实施本实施方式的充电率推断方法的充电率推断装置的框图。
【具体实施方式】
[0014]以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。
[0015]实施方式1.
[0016]图1是表示充电结束后的二次电池的开路电压的变化的说明图，图2是表示放电结束后的二次电池的开路电压的变化的说明图。如图1以及图2所示，充放电结束后的二次电池的开路电压I在从充放电结束时经过了规定时间后收敛于恒定值。此处，将从使二次电池的充放电结束至开路电压I的变化收敛为止的时间称为电压变化收敛时间τ。此外，开路电压I的变化收敛是指成为能够看作开路电压I的单位时间的变化(dVrev/dt)等于O的状态。另外，如图1以及图2明确示出那样，充电结束时的电压变化收敛时间τ与放电结束时的电压变化收敛时间τ相互不同。
[0017]本
【发明者】们针对各种二次电池研究了充放电特性后，得出电压变化收敛时间τ如图1以及图2所示地根据充放电结束时的二次电池的温度而变化。另外，虽未图示，但还可知电压变化收敛时间τ也取决于基于利用累计电流值、或者闭路电压求出的推断开路电压(以下，累计电流值等)而推断的充放电结束时的二次电池的充电率。此外，充电率能够通过根据充放电中的累计电流值求出充电率的变化率，并针对充放电前的充电率加上或者减去充放电中的变化率而推断。
[0018]可知通过电压特性表达式近似充放电结束后的二次电池的开路电压I的时间变化，根据该电压特性表达式计算二次电池的稳定时的开路电压1，并且能够根据该开路电压I推断二次电池的充电率。本
【发明者】们发现，将上述那样的电压变化收敛时间τ用于电压特性表达式，从而能够以更少数的开路电压的测定值推断充电率。以下，对将电压变化收敛时间τ用于电压特性表达式的充电率推断方法更具体地进行说明。
[0019]图3是表示包含基于本实施方式的充电率推断方法预先测定的多个电压变化收敛时间τ的图表的说明图。如上述那样，电压变化收敛时间τ取决于基于累计电流值等推断的充放电结束时的二次电池的充电率、和充放电结束时的二次电池的温度。在本实施方式的充电率推断方法中，对基于累计电流值等推断的充放电结束时的二次电池的充电率、与充放电结束时的二次电池的温度的每一组合，预先通过实验测定电压变化收敛时间T1-!...χ-γ，制成图3所示那样的图表。
[0020]接下来，图4是表示图3的图表制成后的充电率推断方法的流程图。在使二次电池的充放电结束的情况下，在充放电结束时对二次电池的开路电压I进行测定(步骤SI)，并且从图表中选出与基于充放电结束时的累计电流值等的二次电池的充电率以及温度对应的电压变化收敛时间τ (步骤S2)。接下来，例如以数微秒?数秒程度的规定的测定间隔，至少测定一次充放电结束后的二次电池的开路电压I (步骤S3)。
[0021]在至少测定一次充放电结束后的二次电池的开路电压I后，根据电压特性表达式计算二次电池的稳定时的开路电压I (步骤S4)，根据计算出的开路电压I推断二次电池的充电率(步骤S5)。
[0022]此处，对根据电压特性表达式计算二次电池的稳定时的开路电压I的过程更具体地进行说明。作为电压特性表达式的方式可以考虑各种方式，但在本实施方式中，用以下的
(I)式表示电压特性表达式。
[0023]Vocv (t) = Apxp (― B1!:)+...+An+1exp ( — Bn+1t) +Vc
[0024]...(!)式
[0025]在(I)式中，t是从充放电结束时的经过时间，η是充放电结束后的开路电压I的测定次数，A1*...η+1、V。是构成电压特性表达式的参数。此外，与(I)式的右边的时间有关的项(yc以外的项)近似充放电结束后的开路电压I的变化。另外，⑴式的右边的Vc表示二次电池的稳定时的开路电压I。与时间有关的项的数量根据充放电结束后的开路电压的测定次数而增减。该与时间有关的项的数量越多，根据电压特性表达式计算的开路电压I的精度越高。
[0026](I)式的微分表达式通过下述的(2)式表示。
[0027]V' ocv(t) =— B1Apxp ( — B^) —...— Bn+1An+1exp ( — Bn+1t)
[0028]...(2)式
[0029]将步骤S2中选出的电压变化收敛时间τ代入(I)，从而得到下述的(3)。
[0030]Vocv ( τ ) = Apxp ( — B1 τ ) +...+An+!exp ( — Βη+1 τ ) +Vc = Vc
[0031]...(3)式
[0032](3)式的解为V。是因为在从充放电结束时经过电压变化收敛时间τ的情况下，开路电压收敛于V。。
[0033]另外，将步骤S2中选出的电压变化收敛时间τ代入(2)式，从而得到下述的(4)式。
[0034]V' ocv ( τ ) = — B1Apxp ( — B1 τ ) —...— Bn+1An+1exp ( — Βη+1 τ ) = 0
[0035]...(4)式
[0036]S卩，如上述那样电压变化收敛时间τ是直至成为能够认为使二次电池的充放电结束后单位时间的变化(dV^y/dt)等于O的状态为止的时间，因此在本实施方式中，假设向电压特性表达式的微分表达式代入电压变化收敛时间τ时微分表达式的解为0，根据电压特性表达式计算上述二次电池的稳定时的开路电压。
[0037]并且，通过充放电结束时(t = O)测定的已知的开路电压Vs以及⑴式得到下述的(5)式。
[0038]Vs = Vocv (O) = A1+...+An+1+Vc
[0039]...(5)式
[0040]而且，另外，通过在充放电结束后的时间^第m次(m为I以上且η以下的整数)测定的开路电压Vrev(tm)以及(I)式，得到仅与测定次数η对应的次数的下述的(6 — m)式。[0041 ] Vocv (tm) = A!exp ( — B1O +...+An+1exp ( — Bn+1tm) +Vc
[0042]...(6 — m)式
[0043]另外，对在充放电结束时(t = O)测定的开路电压Vs以及η个开路电压V(^ani)中的测定顺序相邻的两个开路电压间的变化的比例V’ocv(tffl)进行计算，并且通过该V’ocv(tffl)以及(2)式，得到仅与测定次数η对应的次数的下述的(7 — m)式。
[0044]V，ocv(tm) =— B1Apxp ( — B1O —...— Bn+1An+1.exp ( — Bn+1tm)
[0045]...(7 — m)式
[0046]而且，通过计算(3)式、(4)式、(5)式、(6 — m)式以及(7 — m)式的方程组的解，能够决定参数A1*..%+1、V。。即，通过计算该方程组的解，来计算与二次电池的稳定时的开路电压对应的参数\。
[0047]假设，在测定次数η为一次的情况下，(I)式以及(2)式如以下那样表示。
[0048]Vocv (t) = A^xp ( — B11:) +A2exp ( — B2t) +Vc
[0049]...(I)式
[0050]V，ocv (t) = — B1Apxp ( — B11:) — B2A2exp ( — B2t)
[0051]...(2)式
[0052]另外，⑶?(5)式如以下那样表示。
[0053]Vocv ( τ ) = A^xp ( — B1 τ ) +A2exp ( — B2 τ ) +Vc = Vc
[0054]...(3)式
[0055]V' ocv ( τ ) = — B1A1Gxp ( — B1 τ ) — B2A2exp ( — B2 τ ) = O
[0056]...(4)式
[0057]Vs = Vocv (O) = A1+A2+Vc
[0058]...(5)式
[0059]另外，在测定次数η为一次的情况下，作为上述的(6 — m)式以及(7 — m)式，各得到一个下述的(6 -1)式以及(7 -1)式。
[0060]Vocv U1) = Apxp (― E^t1)+A2exp (― E^t1)+Vc
[0061]...(6 — I)式
[0062]V，ocv(tl) = {Vocv(ti) — Vj/ti =— B1Apxp ( — B^1) — B2A2.exp ( — BJ1)
[0063]...(7 — I)式
[0064]而且，通过计算五个式((3)式?(7 — I)式)的方程组的解，计算五个参数Al、A2、B1、B2、VC，从而根据计算出的V。(开路电压)推断二次电池的充电率。
[0065]即，在本实施方式中，通过将选出的电压变化收敛时间τ应用于电压特性表达式，得到(3)式以及(4)式。通过与未应用电压变化收敛时间τ的情况相比得到更多的式，能够以更少数的开路电压的测定值推断充电率，从而能够缩短充电率的推断所需要的时间。理所当然，在应用与未应用电压变化收敛时间τ的情况数目相同的开路电压的测定值的情况下，与未应用电压变化收敛时间τ的情况相比，能够以更高的精度推断充电率。
[0066]在推断出二次电池的充电率后，对是否从充放电结束时经过电压变化收敛时间τ的情况进行判定(步骤S6)，在判定为未经过电压变化收敛时间τ的情况下，通过将从充放电结束时直至充放电结束后最后测定二次电池的开路电压I时的经过时间与电压变化收敛时间τ比较，计算推断出的充电率的可靠度(步骤S7)。具体而言，在将从充放电结束时直至充放电结束后最后测定二次电池的开路电压时的经过时间设为tUST的情况下，进行tLAST/ τ的运算，从而计算充电率的可靠度。这是基于如下情况而考虑的，即、由于若经过电压变化收敛时间τ则开路电压I收敛，因此也能够可靠推断出的充电率。
[0067]在计算出可靠度后，直至经过电压变化收敛时间τ，反复进行根据上述的电压特性表达式计算稳定时的开路电压、推断充电率、计算可靠度的工序(步骤S3?S7)。与此相对地，在通过步骤S6判定为经过电压变化收敛时间τ的情况下，结束本实施方式的充电率推断方法。每次电池的充放电结束都进行该充电率推断方法。此外，在经过电压变化收敛时间τ之前充放电再次开始的情况下，即使在反复进行步骤S3?S7的中途也将充电率推断方法结束，将至此之前推断出的充电率作为本实施方式的充电率推断方法所推断出的充电率。
[0068]接下来，图5是表示用于实施本实施方式的充电率推断方法的充电率推断装置的框图。在图中，充电率推断装置2与二次电池3连接。例如，充电率推断装置2由搭载于车辆的计算机构成，二次电池3由搭载于车辆的锂离子电池等构成。
[0069]在充电率推断装置2设置有存储部20和运算部21。存储部20例如由RAM或者ROM等构成，且针对基于累计电流值等推断出的充放电结束时的二次电池3的充电率与充放电结束时的二次电池3的温度的每一组合，存储上述的电压变化收敛时间τ^.?。运算部21例如由CPU等构成，且根据规定的程序执行上述的充电率推断方法。即，运算部21的动作如上述图4的说明那样。
[0070]在这样的充电率推断方法以及充电率推断装置中，针对基于累计电流值等推断的充放电结束时的二次电池的充电率与充放电结束时的二次电池的温度的每一组合，预先测定使二次电池的充放电结束之后直至开路电压I的变化收敛为止的电压变化收敛时间τ，在使二次电池的充放电结束的情况下，选出与基于充放电结束时的累计电流值等的充电率以及温度对应的电压变化收敛时间τ，并将选出的电压变化收敛时间τ应用于电压特性表达式，因此能够以更少数的开路电压的测定值推断出充电率，从而能够缩短充电率的推断所需要的时间。此外，在应用与未应用电压变化收敛时间τ的情况数目相同的开路电压的测定值的情况下，与未应用电压变化收敛时间τ的情况相比，能够以更高的精度推断充电率。
[0071]另外，在向电压特性表达式的微分表达式代入上述电压变化收敛时间τ时，利用微分表达式的解为O的情况，根据电压特性表达式计算上述二次电池的稳定时的开路电压，因此更多地得到电压特性表达式的式，从而能够以更少数的开路电压的测定值推断出充电率。
[0072]另外，进一步利用测定的上述二次电池的开路电压、以及测定的上述二次电池的开路电压间的开路电压的变化的比例，根据电压特性表达式计算二次电池的稳定时的开路电压，因此能够更可靠地计算稳定时的开路电压。
[0073]而且，另外，经由实施方式所说明的过程计算与二次电池的稳定时的开路电压对应的参数\，因此能够更可靠地计算稳定时的开路电压。
[0074]另外，通过从充放电结束时直至充放电结束后最后测定上述二次电池的开路电压时的经过时间与电压变化收敛时间τ的比较，计算推断出的充电率的可靠度，因此针对能够以怎样程度可靠推断出的充电率，能够得到大体的推测。
【权利要求】
1.一种充电率推断方法，其是通过以电压特性表达式对充放电结束后的二次电池的开路电压的时间变化进行近似，并根据所述电压特性表达式计算所述二次电池的稳定时的开路电压，来推断所述二次电池的充电率的充电率推断方法， 所述充电率推断方法的特征在于， 针对充放电结束时的所述二次电池的充电率与充放电结束时的所述二次电池的温度的每一组合，预先测定从使所述二次电池的充放电结束直至所述开路电压的变化收敛为止的电压变化收敛时间τ， 在使所述二次电池的充放电结束的情况下，选出与充放电结束时的所述充电率以及所述温度对应的所述电压变化收敛时间τ，并将选出的所述电压变化收敛时间τ应用于所述电压特性表达式。
2.根据权利要求1所述的充电率推断方法，其特征在于， 向所述电压特性表达式的微分表达式代入所述电压变化收敛时间τ，计算所述二次电池的稳定时的开路电压。
3.根据权利要求2所述的充电率推断方法，其特征在于， 在充放电结束时测定所述二次电池的开路电压，并且至少测定一次充放电结束后的所述二次电池的开路电压， 进一步利用测定的所述二次电池的开路电压、以及测定的所述二次电池的开路电压间的开路电压的变化的比例，根据所述电压特性表达式计算所述二次电池的稳定时的开路电压。
4.根据权利要求3所述的充电率推断方法，其特征在于， 所述电压特性表达式在将从充放电结束时开始的经过时间设为t，将充放电结束后的所述开路电压的测定次数设为η的情况下，通过包含参数A1...η+1、V。的下述的(I)式表不，
Vocv (t) = A^xp ( — B^) +...+An+1exp ( — Bn+1t) +Vc ?..(I)式 所述微分表达式通过下述的(2)式表示，
V，ocv (t) =— B1A1SXP ( — Bit) —...— Bn+1An+1exp ( — Bn+1t) --?⑵式 通过向所述⑴式以及所述⑵式代入τ，得到下述的(3)式以及(4)式，
Vocv ( τ ) = A!exp ( — B1 τ ) +...+An+1exp ( — Bn+1 τ ) +Vc = Vc ?..⑶式
V’ OCV ( τ ) = — B1Apxp ( — B1 τ ) —...— Bn+1An+1exp ( — Βη+1 τ ) = O --?⑷式 通过在充放电结束时(t = O)测定的已知的开路电压Vs以及所述(I)式得到下述的(5)式，
Vs = Vocv (O) = A1+...+An+1+Vc ?..(5)式 通过在充放电结束后的时间乜第!11次(m为I以上且η以下的整数)测定的开路电压Vocv (tffl)以及所述(I)式，得到与所述测定次数η对应的数量的下述的(6 — m)式，
Vocv (tm) = A!exp ( — B1O +...+An+1exp ( — Bn+1tm) +Vc
?..(6 — m)式 通过所述开路电压Vs以及η个所述开路电压Vrev(tm)中测定顺序相邻的两个开路电压间的变化的比例V’rev(tm)以及所述(2)式，得到与所述测定次数η对应的数量的下述的(7 — m)式，
V' OCV (tm) =— B1Apxp ( — B1O —...— Bn+1An+1.exp ( - Bn+1tm)
?..(7 — m)式 通过解出所述⑶式、所述⑷式、所述(5)式、所述(6 — m)式以及所述(7 — m)式的方程组的解，计算与所述二次电池的稳定时的开路电压对应的所述参数\。
5.根据权利要求3或4所述的充电率推断方法，其特征在于， 以规定的测定间隔进行充放电结束后的所述二次电池的开路电压的测定， 通过从充放电结束时直至充放电结束后最后测定所述二次电池的开路电压时为止的经过时间与所述电压变化收敛时间τ的比较，计算推断出的充电率的可靠度。
6.一种充电率推断装置，其是根据对充放电结束后的二次电池的开路电压的时间变化进行了近似的电压特性表达式计算所述二次电池的稳定时的开路电压，来推断所述二次电池的充电率的充电率推断装置， 所述充电率推断装置的特征在于，具备: 存储部，其针对充放电结束时的所述二次电池的充电率与充放电结束时的所述二次电池的温度的每一组合，对从使所述二次电池的充放电结束直至所述开路电压的变化收敛为止的电压变化收敛时间τ进行存储；和 运算部，其在所述二次电池的充放电结束的情况下，从所述存储部选出与充放电结束时的所述充电率以及所述温度对应的所述电压变化收敛时间τ，并将选出的所述电压变化收敛时间τ应用于所述电压特性表达式。
7.根据权利要求6所述的充电率推断装置，其特征在于， 所述运算部向所述电压特性表达式的微分表达式代入所述电压变化收敛时间τ，计算所述二次电池的稳定时的开路电压。
8.根据权利要求7所述的充电率推断装置，其特征在于， 所述运算部在充放电结束时测定所述二次电池的开路电压，并且至少测定一次充放电结束后的所述二次电池的开路电压， 所述运算部进一步利用测定的所述二次电池的开路电压、以及测定的所述二次电池的开路电压间的开路电压的变化的比例，根据所述电压特性表达式计算所述二次电池的稳定时的开路电压。
9.根据权利要求8所述的充电率推断装置，其特征在于， 所述电压特性表达式在将从充放电结束时开始的经过时间设为t，将充放电结束后的所述开路电压的测定次数设为η的情况下，通过包含参数A1...η+1、V。的下述的(I)式表不，
Vocv (t) = A^xp ( — B^) +...+An+1exp ( — Bn+1t) +Vc ?..(I)式 所述微分表达式通过下述的(2)式表示，
V，ocv (t) =— B1A1SXP ( — Bit) —...— Bn+1An+1exp ( — Bn+1t) --?⑵式 通过向所述⑴式以及所述⑵式代入τ，得到下述的(3)式以及(4)式，
Vocv ( τ ) = A!exp ( — B1 τ ) +...+An+1exp ( — Bn+1 τ ) +Vc = Vc ?..⑶式
V’ OCV ( τ ) = — B1Apxp ( — B1 τ ) —...— Bn+1An+1exp ( — Βη+1 τ ) = O --?⑷式 通过在充放电结束时(t = O)测定的已知的开路电压Vs以及所述(I)式得到下述的(5)式，
Vs = Vocv (O) = A1+...+An+1+Vc ?..(5)式 通过在充放电结束后的时间乜第!11次(m为I以上且η以下的整数)测定的开路电压Vocv (tffl)以及所述(I)式，得到与所述测定次数η对应的数量的下述的(6 — m)式，
Vocv (O = A!exp ( — B1O +...+An+1exp ( — Bn+1tm) +Vc
?..(6 — m)式 通过所述开路电压Vs以及η个所述开路电压Vrev(tm)中测定顺序相邻的两个开路电压间的变化的比例V’rev(tm)以及所述(2)式，得到与所述测定次数η对应的次数的下述的(7 — m),
V' OCV (tm) =— B1Apxp ( — B1O —...— Bn+1An+1.exp ( - Bn+1tm)
?..(7 — m)式 通过解出所述⑶式、所述⑷式、所述(5)式、所述(6 — m)式以及所述(7 — m)式的方程组的解，计算与所述二次电池的稳定时的开路电压对应的所述参数\。
10.根据权利要求8或9所述的充电率推断装置，其特征在于， 以规定的测定间隔进行充放电结束后的所述二次电池的开路电压的测定， 所述运算部通过从充放电结束时直至充放电结束后最后测定所述二次电池的开路电压测定时为止的经过时间与所述电压变化收敛时间τ的比较，计算推断出的充电率的可靠度。
【文档编号】G01R31/36GK104335058SQ201380029180
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月27日 优先权日:2012年6月5日
【发明者】安谷屋皓子, 小林贡, 都竹隆广 申请人:株式会社丰田自动织机