专利名称：电池组控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池组控制设备。本发明尤其是涉及用于检测构成电池组的多个单元电池或电池模块中的至少一个电池的异常发热的电池组控制设备。
日本特许公开No.10-270094公开了一种检测电池异常发热的设备。按所公开的检测电池异常发热的设备，其电阻值随温度升高而迅速升高的温度传感器从外部安装到多个单元电池中的每一个单元电池上，并测量串联连接的所有这些温度传感器的电阻值，由此便能检测出单元电池的异常发热。从安全的角度考虑，必需对单元电池的异常发热的进行检测。
但是，上述日本特许公开No.10-270094所公开的的电池异常发热检测设备需要在多个单元电池中的每个电池上安装温度传感器，以便检测该单元电池的异常发热，因此，花费不合算。
而且，该日本公开特许所公开的设备不能根据单元电池异常发热的检测来控制电池组的输入/输出。
由于有与单元电池数相同数目的串联连接的温度传感器，因此，用于整个电池组的所有传感器的电阻值等于每个温度传感器的电阻值乘以单元电池的数量。
因此，为能够用以下方式检测任一单元电池的异常发热，必须采用在拐点的电阻值呈现急剧变化的温度传感器。该方式为该异常发热不会被整个电池组响应于温度变化的内阻变化所掩盖。
如果每个单元电池温度的增高相对较小，那么，相关温度传感器的电阻值不会达到拐点，从而温度升高会被通过整个电池组的温度传感器的电阻变化所掩盖。因此，不可能按对单元电池的阻值微小变化的检测实现对每个单元电池的输入/输出进行步进式控制。
按本发明，提供一种控制电池组输入或输出用的电池组控制设备，其中，电池组包括多个串联单元块；每个单元块包括多个串联电池，电池组控制设备包括用于控制电池组的电池功率的输入和输出的电池功率输入/输出部件；用于检测多个单元块中的每个单元块的单元块电压用的单元块电压检测部件；用于检测电池组的电池电流的电池电流检测部件；按单元块电压和电池电流检测多个电池中的至少一个电池的异常发热用的异常发热检测部件；基于异常发热检测部件检测的异常发热检测结果来控制电池功率输入/输出部件用的运送装置控制部件(vehicle controlling section)，其中，异常发热检测部件包括按单元块电压和电池电流来计算多个单元块的每个单元块的内阻用的内阻计算部件，且其中异常发热检测部件按多个单元块的每个单元块的内阻和预定的阈值检测多个电池中的至少一个电池的异常发热。
按本发明的一个实施例，电池组控制设备还包括检测电池组的电池温度用的电池温度检测部件；异常发热检测部件还包括基于电池组的电池温度来设定预定阈值用的阈值设定部件，和根据多个单元块的每个单元块的内阻和由阈值设定组件设定的预定阈值来检测多个电池中的至少一个电池的异常发热用的异常发热检测部件。
按本发明的另一实施例，运送装置控制部件基于异常发热检测部件检测到的异常发热检测结果以步进方式控制电池功率的输入/输出部件。
按本发明的又一实施例，异常发热检测部件还包括用于计算多个单元块的单元块电压的平均值和方差σ2的方差计算部件；基于多个单元块的每个单元块的单元块电压、单元块电压平均值和方差σ2检测多个电池中的至少一个电池的内电阻异常升高用的方差异常发热检测部件，其中，运送装置控制部件按方差异常发热检测部件检测到的异常升温结果控制电池功率输入/输出部件。
按本发明的又一实施例，方差异常发热检测部件，在电充时刻，当至少一个单元块电压等于或大于预定值时，或在放电时刻，至少一个单元块电压等于或小于预定值时，确定多个电池中的至少一个电池内阻异常升高。
按本发明的又一实施例，方差计算部件计算代表在第一时间的单元块电压与第二时间的单元块电压之间的压差平均值的平均电压差值，以及代表电压差的方差的电压差的方差值，方差异常发热部件按电压差、平均电压差值和电压差的方差值检测多个电池中的至少一个电池的内阻的异常升高。
按本发明的另一实施例，第一时间包括电池电流检测部件检测到的电池电流基本上为0的时间点。
按本发明的另一实施例，异常发热检测部件包括现存容量异常发热检测部件，它按对多个单元块中的各个单元块的高现存容量诊断和低现存容量诊断来检测多个电池中的至少一个电池的内阻的异常升高，运送装置控制部件按现存容量异常发热检测部件检测到的异常升高的结果来控制电池功率输入/输出部件。
因此，这里所述的发明使以下优点成为可能，(1)提供一种不需要为多个单元电池的每个单元电池安装温度传感器的经济的电池组控制设备；(2)提供一种能响应单元电池的温度升高来控制电池组的输入和输出以防止单元电池处于异常状态下的电池组控制设备；(3)提供一种能控制单元电池温度升高，使整个电池组能持续更长的使用周期的电池组控制设备。
参照附图阅读和理解了下面所作的详细说明后，本领域的技术人员将会明白本发明的这些优点和其它优点。
图1是说明按本发明的实施例1的电池组控制设备100的典型结构的方框图；图2是说明按本发明的实施例1的电池组10的控制过程的流程图；图3是说明按本发明的实施例1的电池组10的控制过程中获得每个单元块的电压，电流和温度的过程的流程图；图4是说明按本发明的实施例1的电池组10的控制过程中的内阻温度校正处理过程的流程图；图5是说明按本发明的实施例1的电池组10的控制过程中电池输入/输出限制信号计算处理过程的流程图；图6是说明按本发明的实施例1的电池的内阻与表面温度之间的关系曲线图；图7是表示按本发明的实施例1的正常电池组的电池单元块电压的典型运行记录曲线图；图8是表示按本发明的实施例1的正常电池组的内阻的典型运行记录曲线图；图9是表示按本发明的实施例1的包括有异常电阻的单元电池的电池组的电池单元块电压的典型运行记录曲线图；图10是表示按本发明的实施例1的包括有异常电阻的单元电池的电池组的内阻的典型运行记录曲线图；图11是表示按本发明的实施例1的包括有异常电阻的单元电池的电池组的电池单元块电压的另一典型运行记录曲线图；图12是说明按本发明的实施例2的电池组10的控制过程中的电池输入/输出限制信号计算处理的过程流程图；图13是说明按本发明的实施例3的电池组10的控制过程中的异常发热处理的过程的流程图；图14是说明按本发明的实施例3的电池组10的控制过程中的变量初始化处理过程流程图；图15是说明按本发明的实施例3的电池组10的控制过程中的电池异常确定处理流程图；图16是表示按本发明的实施例3的正常电池组的电池单元块电压的典型运行记录曲线图；图17是表示按本发明的实施例3的包括有不正常电阻的单元电池的电池组的电池单元块电压的典型运行记录曲线图；图18是说明按本发明的实施例4的检测内组异常升高的方法的曲线图；图19是说明如何发生内阻异常升高的错误检测的曲线图；图20是说明内阻异常升高的检测故障(或“漏检”)的曲线图；图21是说明按本发明的实施例4按电压差检测内阻异常升高的方法的曲线图；图22是说明按本发明的实施例4按电压差检测内阻异常升高的方法的曲线图；图23是说明按本发明的实施例4的电池组10的控制过程中异常发热检测处理过程的流程图；图24是说明按本发明的实施例4的电池组10的控制过程中变量初始化处理过程的流程图；图25是说明按本发明的实施例4的电池组10的控制过程中的电池异常确定处理过程的流程图；图26是说明按本发明的实施例5的正常电池组中单元电池的现存容量分布的曲线图；图27是说明按本发明的实施例5的包括有异常电阻的单元电池的电池组中的单元电池的现存容量分布的曲线图；图28是说明现存容量(SOC)与单元块电压(VB)之间的关系曲线图；图29是说明电池电流(IB)与单元块电压(VB)之间的关系曲线图。
电池组控制设备100包括用于控制电池组10的电池功率的输入/输出的电池功率输入/输出部1，多个单元块电压检测部件2，其中每个单元块电压检测部件检测相关的单元块10A的单元块电压；电池电流检测部件3，用于检测电池组10的电池电流；异常发热检测部件4，用它按单元块电压和电池电流检测单元电池10B的异常发热；运送装置控制部件5，用它按异常发热检测部件4检测到的异常发热检测结果来控制电池功率输入/输出部件1；和用于检测电池组10的温度的电池温度检测部件6。
异常发热检测部件4包括内电阻计算组件4A，用它按单元块电压和电池电流来计算每个单元块10A的内电阻值；阈值电压设定组件4B，用它按电池组10的温度来设定阈值；方差计算组件4C，用于计算多个单元块10A的单元块电压的平均值和方差σ2；方差异常发热检测组件4D，用于按每个单元块10A的单元块电压10A以及单元块电压的平均值和方差σ2检测一个或一个以上的单元电池10B的异常发热；和现存容量异常发热检测组件4E，用它按每个单元块10A的现存容量检测一个或一个以上的单元电池10B的异常发热。
电池功率输入/输出部件1包括转换器1A和混合运送装置的马达/发电机1B。马达/发电机1B通过传动装置11驱动引擎12。引擎控制组件13按运送装置控制部件5的输出控制引擎12。运送装置控制部件5耦合到加速踏板7、制动踏板8、换档手柄9及现存电池容量检测组件14上。
异常发热检测部件4按每个单元块10A的内阻和阈值设定组件4B设定的阈值来检测一个或一个以上的单元电池10B的异常发热。
运送装置控制部件5按异常发热检测部件4检测到的异常发热检测结果来控制电池功率输入/输出部件1。运送装置控制部件5按加速踏板7的输出，制动踏板8的输出，换档手柄9的输出和现存电池容量检测组件14的输出来控制加到转换器1A上的电流量。通过控制加到转换器1A的电流量和控制作为马达或作为发电机的马达/发电机1B，运送装置控制部件5控制电池组10的充电和放电。
每个单元块电压检测组件2将每个单元块10A的单元块电压进行A/D(模/数)转换。异常发热检测部件4按每个单元块10A的内阻和预定的阈值来检测一个或一个以上的单元电池10B的异常发热。电池温度检测部件6用热敏电阻器测量电池组10的温度，并将测到的电池温度进行A/D转换，并将经转换过的电池温度值输出到异常发热检测部件4。
根据构成单元电池10B的材料或与单元电池10B接触的任何材料是否适用于电池组10的给定温度，可用阈值设定组件4B设定阈值。特别是阈值应设定成使每个单元电池10B的任何给出的零部件处于其特性曲线的拐点或拐点以下，由此会防止具有升高的IR(内阻)值的单元电池10B加速损坏。结果能延长电池组的寿命。
或者，根据有升高的IR值的单个电池(即单元电池10B)发出的总热量(即反应热和焦耳热之和)、单元电池10B的热容量和扩散进周围环境中的热量，计算出由阈值设定组件4B设定的阈值。用阈值设定组件4B设定的阈值也可以按设计的任意单元电池由经验获得，以便提供较大的IR值。一旦确定了阈值，则所确定的阈值就会在IR确定阈值图或输出限制图中反映出来。
方差异常发热检测组件4D根据是否有至少一个单元块电压等于或大于充电时的预定值，或是否有至少一个单元块电压等于或小于放电时的预定值，来检测一个或一个以上的单元电池10B的异常发热。运送装置控制部件5根据方差异常发热检测组件4D检测到的异常发热检测结果来控制电池功率输入/输出部件1。
与整个电池组10的异常发热相反，以下列出了小量(包括一个)单元电池10B的异常发热的几种可能的情况(1)单元电池10B的内部短路单元电池10B中的电极相互短路时出现的单元电池10B的内部短路。因此，即使外部检测出单元电池的内部短路、输入/输出断开，也无法防止内部短路加剧。
(2)单元电池10B过度充电当多个单元电池10B的自放电程度变化极大时会发生单元电池10B的过度充电。但是，通常极少有电池组中只有一个单元电池具有好的充电效率的情况。通常根据整个电池组10在充电时的I-V(电流-电压)特性，单元块10A的过度充电是可以检测的。
(3)缺少电解质的电池的焦耳发热可能是单元电池10B的过放电或过充电或电池体损坏的结果。
(4)因长期使用或不用而使电极板的活性下降，和电池的正负电极之间的隔板中的电解质的量的减少而退化的电池的焦耳发热。
上述情况中的(3)和(4)可以用要求在每个单元电池上安装温度传感器的常规的异常发热检测部件检测，且能通过断开电池的输入或输出来避免其加剧。
对情况(3)和(4)而言，通过检测单元电池10B的IR值增大来实现其中一个功能。
内阻计算组件4A根据运送装置在运行过程中的每个单元块10A的电池电流与单元块电压的I-V特性，用最小平方法计算出每个单元块10A的IR(梯度)。阈值设定组件4B按温度检测部件6检测到的电池组10的温度设定阈值。
若由内阻计算组件4A计算出的每个单元块10A的IR值等于或大于由阈值设定组件4B设定的阈值，那么，异常发热检测部件4把限制电池组10输入或输出的信号输出到运送控制部件5。
以下将参照图2至6说明按本发明的实施例1的电池组10的控制过程。图2是按本发明的实施例1的电池组10的控制流程的流程图，其中，示出每秒钟执行的多个步骤。图3是电池组10的控制中获得每个单元块的电压，电流和温度的流程图。图4是内阻温度校正处理过程的流程图。图5是电池输入/输出限制信号计算处理过程的流程图。图6是电池的内阻与表面温度之间的关系曲线图。
变量TB_BUF表示TB值输入/输出缓冲器。变量ISUM[n]表示在60秒中的周期中n个单元块的电流之和。变量I2SUM[n]表示在60秒钟的周期中n个单元块上的电流的平方之和。变量TB[i]表示从程序开始计算的在i秒(i是1到60的整数)的电池组10的温度。电池组10的典型温度是用如图1和3所示的电池温度检测部件6获得的。变量VSUM[n]表示在60秒钟的周期中的单元块电压之和。变量V[n,i]表示从流程开始计算的i秒钟时的n个单元块的单元块电压，(n是从1到10的整数；i是从1到60的整数)。变量IVSUM[n]表示在60秒钟的周期中n个单元块的电流与电压之间的乘积之和。
更新了定时器变量i之后(S201)，与每个单元块10A相关的单元块电压检测部件2检测那个单元块10A的电压，电池电流检测部件3检测电池组10中流动的电流，电池温度检测部件6检测电池组10的温度(S202)。
如果定时器变量i在60之下，过程终止(从S203继续“是”路径)。如果定时器变量i等于或大于60(从S203继续“否”路径)，之后，用“0”代替定时器变量i，单元块数计数器n和变量TB_BUF(S204)。
之后，更新单元块数计数器n(S205)。如果单元块数计数器n的更新值等于或小于10(从S206继续“是”路径)，之后，用“0”代替变量ISUM[n]，变量I2SUM[n]，变量VSUM[n]，变量IVSUM[n]和内阻IR[n](S207)。
单元块数计数器n清0之后(S208)，更新单元块数计数器n(S209)。如果更新的单元块数计数器n等于或小于10(从S210继续“是”路径)，之后，将变量TB[i]加到变量TB_BUF上；变量I[i]加到变量ISUM[n]上；变量I[i]加到变量22SUM[n](S211)上。
更新定时器变量i(S212)，确定定时器变量i是否等于或小于60(S213)。如果定时器变量i不等于或小于60，控制返回到S209。
如果定时器变量i等于或小于60，则将变量V[n,i]加到变量VSUM[n]上；(变量I[i]·变量V[n,i])加到变量IVSUM[n](S214)h；控制返回到S212。
如果更新的单元块数计数器n不等于或小于10(从S210继续“否”路径)，之后，用“0”替代单元块数计数器n(变量TB_BUF)/10替代变量TB(S215)。
之后，更新单元块数计数器n(S216)。如果更新的单元块数n等于或小于10(从S217继续“是”路径)，之后，按变量ISUM，变量VSUM，变量IVSUM和变量I2SUM计算内阻IR[n](S218)。之后，控制返回到S216。
如果更新的单元块数计数器n不等于或小于10(从S217继续“否”路径)，定时器变量i清0(S219)，执行内阻温度校正处理(以后说明)(S220)。
如果现存电池容量不大于30％且不小于80％(从S221继续“否”路径)，过程终止。如果现存电池容量大于30％并小于80％(从S221继续“是”路径)，执行电池输入/输出限制信号计算处理(S222)。异常发热检测部件4输出电池输入/输出值IMAX给运送装置控制部件5(S223)，并终止该过程。
参见图3，将详细说明对每个单元块执行的电压/电流/温度获取处理(S202)。首先，单元块数计数器n清0(S301)。用一个单元块电压检测部件2检测到的单元块电压代替变量V[n,i]，并更新单元块数计数器n(S302)。如果单元块数计数器n等于或小于10(从S303继续“是”路径)，之后重复S302。
如果单元块数计数器n不等于或小于10(从S303继续“否”路径)，之后，用电池电流检测部件3检测到的电池组10的电流值代替变量I[i]；用电池温度检测部件6检测到的电池组10的典型温度代替变量TB[i](S304)；并终止对各个单元块的电压/电流/温度的获取处理。
参见图4和6，将详细说明内阻温度校正处理(S220)。首先，单元块数计数器n清0(S401)，更新单元块数计数器n之后(S402)，根据内阻一温度特性的逼近函数f(TB)和f(20)校正内阻IR[n](S403)。
因为如图6所示，内阻随电池温度变化而变化，所以用内阻-温度特性逼近函数f(TB)来校正内阻。如果单元块数计数器n等于或小于10(从S404继续“是”路径)，之后，控制返回到S402。如果单元块数计数器n不等于或小于10(从S404继续“否”路径)，之后，终止内阻温度校正处理。
参见图5，将详细说明电池输入/输出限制信号计算处理(S217)。单元块数计数器n清0(S501)。更新单元块数计数器n之后，若内阻IR[n]不大于120(从S503继续“否”路径)，确定单元块数计数器n是否等于或小于10(S504)。
若单元块数计数器n等于或小于10(从S04继续“是”路径)，控制返回到S502。若单元块数计数器n不等于或小于10(从S504继续“否”路径)，用“1”代替变量FLAG_CHG和变量FLAG_DCHG，以指示无电池输入/输出限制信号输出(S505)，并终止电池输入/输出限制信号计算处理。
若内阻IR[n]大于120，(从S503继续“是”路径)，用“0”代替FLAG_CHG和变量FLAD_DCHG，以指示有电池输入/输出限制信号输出(S506)，并终止电池输入/输出限制信号计算处理。
图7是按本发明实施例1的正常(即正常工作)的电池组的电池单元块电压的典型运行记录曲线图。图8是正常电池组的内阻的典型运行记录曲线图。图9是按本发明实施例1的包括有异常电阻的单元电池的电池组的电池单元块电压的典型运行记录曲线图。图10是包括有异常电阻的电池的电池组的内阻的典型运行记录曲线图。
参见图7和9，在正常电池组情况下，与8个单元块10A相关的单元块电压VB1到VB8基本相同，如图7所示。另一方面，在包括有异常电阻值的电池的正常电池组的情况下，如图9所示，与包括有异常电阻值的单元电池的单元块(例如，图9所示例中的单元块7)相关的单元块电压VB7与不包括有异常电阻的任何电池的单元块(例如图9所示例中的单元块1至6和单元块8到10)相关的单元块电压VB1到VB6和VB8到VB10的值不同。
参见图8和10，将说明正常电池组和那些包括有异常电阻的电池的电池组的各个单元块内阻。在正常电池组10的情况下，与各个单元块10A相关的内阻IR1到IR10基本相同，如图8所示。另一方面，在包括有异常电阻的电池的异常电池组的情况下，如图10所示，与包括有异常电阻的电池的单元块(例如，图10所示例中的单元块7)相关的内阻IR7与不包括有异常电阻值的任何电池的单元块(例如图10所示例中的单元块1到6和单元块8到10)相关的内阻(IR1到IR6和IR8到IR10)的值不同。
图11示出包括有异常电阻的电池的电池组的电池单元块电压的另一典型运行记录曲线。如图9所示运行记录情况下，与包括有异常电阻的电池的单元块(例如图11所示例中的单元块7)相关的单元块电压VB7与不包括有异常电阻的任何电池的单元块(例如图11所示例中的单元块1到6和单元块8到10)相关的单元块电压VB1到VB6和VB8到VB10的值不同。
因此，按实施例1，异常发热检测部件4按多个单元块10A的各个内阻值和阈值检测一个或一个以上的单元电池10B的异常发热，并且，运送装置控制部件5按异常发热检测部件4检测到的异常发热的检测结果控制电池功率输入/输出部件1。因此，不需要在多个单元电池每个单元电池10B上安装温度传感器，因此，可以用经济的方法控制电池组10。
图12是按本发明实施例2，说明在电池组10的控制过程中电池输入/输出限制信号计算处理过程的流程图。按实施例2的电池组10的控制过程与参照图2到5所述的实施例1中的过程相同，只是电池输入/输出限制信号计算处理不同。除电池输入/输出限制信号计算处理之外，其余的处理与实施例1中相应的处理相同，因此这里不再描述。
参见图12，通过从步骤S1203至S1212的处理，计算出依据内阻(IR)的最大电流值。通过从步骤S1203到步骤S1212的处理，选出最大电流值ICHGMAX[1]到ICHGMAX[n]中的最小值MIN和最大电流值IDCHGMAX[1]到IDCHGMAX[n]中的最小值MIN。
确定单元电池是否之前已被确定为有故障(S1201)。如果确定单元电池在之前没有被定为有故障(从S1201，继续“否”路径)，之后，用“255”替代变量ICHGMAX和变量IDCHGMAX(S1202)。
如果确定单元电池是早已被确定为有故障，(从S1201继续“是”路径)，或，如果“255”已代替了变量ICHGMAX和变量IDCHGMAX(S1202)，则单元块数计数器n清0(S1203)。
更新单元块数计数器n之后，“255”代替变量ICHGMAX和变量IDCHGMAX(S1204)。确定内阻IR[n]是否大于140(S1205)。若内阻IR[n]大于140，则变量ICHGMAX[n]和变量IDCHGMAX[n]清0(S1208)。
若内阻IR[n]等于或小于140，确定内阻IR[n]是否大于120(S1206)，若内阻IR[n]大于120，则用“5”代替变量ICHGMAX[n]，和“-5”代替变量IDCHGMAX[n](S1209)。
若内阻IR[n]等于或小于120，则确定内阻IR[n]是否大于110(S1207)。若内阻IR[n]大于110，则用“10”代替变量ICHGMAX[n]，“-10”代替变量IDCHGMAX[n](S1210)。
若变量ICHGMAX[n]和变量IDCHGMAX[n]已经清0(S1208)，或者，若“5”已经代替变量ICHGMAX[n]和“-5”代替变量IDCHGMAX[n](S1209)，或者，若“10”已经代替变量ICHGMAX[n]和“-10”代替变量IDCHGMAX[n](S1210)，则确定单元电池为发生了故障(S1211)。
若确定单元电池为有故障(S1211)，或者，若内阻IR[n]等于或小于110(从S1207继续“否”路径)，之后，确定单元块数计数器n是否等于或小于10(S1212)。
若单元块数计数器n等于或小于10，则控制返回到S1203。若单元块数计数器n不等于或小于10，则单元块数计数器n清0(S1213)。
更新单元块数计数器n之后(S1214)，确定变量ICHGMAX是否大于变量ICHGMAX[n](S1215)。若变量ICHGMAX大于变量ICHGMAX[n]，则用变量ICHGMAX[n]代替ICHGMAX(S1216)。
若变量ICHGMAX不大于变量ICHGMAX[n]，或者，若变量ICHGMAX[n]已经代替了变量ICHGMAX，则确定变量IDCHGMAX是否小于变量IDCHGMAX[n](S1217)。若变量IDCHGMAX小于变量IDCHGMAX[n]，则用变量IDCHGMAX[n]代替变量IDCHGMAX(S1218)。
若变量IDCHGMAX不小于变量IDCHGMAX[n]，或者，若变量IDCHGMAX[n]已经代替了变量IDCHGMAX，则确定单元块数计数器n是否等于或小于10(S1219)。
若单元块数计数器n等于或小于10，则控制返回到S1214。若单元块数计数器n不等于或小于10，则按变量ICHGMAX和IDCHGMAX输出一个信号(S1220)，并终止电池输入/输出限制信号计算处理。
按实施例2，可按IR的增大以步进方式限制充电或放电电流。由此，除仅防止单元电池10B的异常发热外，还能获得以下效果；(1)即使单元电池10B的内阻IR升高到异常大小，也可以控制单元电池10B，把单元电池10B的温度限制到适合于在单元电池10B中的元件的温度或该温度以下。通过检测单元电池10B的IR的异常升高来限制单元电池10B的输入或输出，可使电池组10在低于或处于某一温度上使用，在高于此温度的情况下，会因单元电池10B的活性材料性质改变而导致单元电池10B的性能加速退化。由此，能延长电池组10的使用寿命。
通过保证电池组10在低于或处于每个单元电池10B的正电极与负电极之间的隔板的软化温度下使用，可以降低单元电池10B的正极与负极之间的内部短路的可能性。
(2)通过检测单元电池10B的内阻IR的异常升高来限制单元电池10B的输入或输出，可连续使用电池组10且能防止单元电池10B达到异常温度。
常规的异常发热检测设备在单元电池10B达到预定的高温时只能检测单元电池的异常性。因此，这些电池用在混合运送装置中时，由于电池组10要为运送装置提供适当的动力，因此，当检测到异常状况时，必须立即断开电池组10。
按本发明实施例2，不可能直接测试单元电池10B的温度升高，但可根据单元电池10B的内阻IR值推断单元电池10B的这种温度的升高，因而能以步进方式相应地限制电池组10的输入或输出。这就允许在延长了的时间周期连续使用电池组10。
如图6所示，镍-金属混合电池或类似物的IR有随温度升高而减少的趋势，这种趋势对具有因有故障而有升高了的IR值的电池也很常见。这对于确定电池的可靠性带来了困难。因为，即使当运送装置运行一段时间之后，这些单元电池的IR值降低，这种降低也可能是由单元电池的温度升高造成的。按该例，在图12所示的过程开始之后，保证那些早已确定为有故障的单元电池不再回复到它的输入/输出状态，由此能排除错误检测。
按实施例3，单元块10A的单元块电压的变化经统计处理，并把基本上落入其它区域外的任何单元块10A确定为有故障，由此限制电池组10的输入或输出。
如果单元块10A的单元块电压中的至少一个在充电时等于或大于+2.5σ2，或在放电时等于或小于-2.5σ2，方差异常发热检测部件将限制电池组10的输入或输出的信号输出到运送控制部件5。
按实施例3，根据在理论上单元电池10B一定具有相同特性来确定有故障的电池。该技术优于加标准化的阈值的技术，特别是，当这种阈值必须通过考虑相当复杂需要大量数据的因素，如电池温度，现存电池容量，电池退化和IR值在低温时的波动来确定的情况下，本技术有明显的优点。要想确定该多种因素会增加要求用于获得电池特性数据的实验费用和计算数据的CPU的负担。
图13是按本发明实施例3的电池组10的控制过程中的异常发热检测处理过程的流程图。图14是电池组10控制过程中变量初始化处理过程的流程图。图15是电池异常性确定处理过程的流程图。
参见图13，对内部变量sum_v、sum_v2，和定时器变量i进行初始化处理(S1301)。将变量V_i加到内部变量sum_v上；(Vi×Vi)加到内部变量sum_v2；并更新定时器变量i(S1302)。若定时器变量i不等于10，(从S1303继续“否”路径)，重复S1302的处理。
若定时器变量i等于10(从S1303继续“是”路径)，用10除内部变量sum_v得到的数值代替变量ave_v，作为内部变量sum_v和内部变量sum-v2的函数计算出的值代替变量s1；作为变量s1的函数计算出的值代替变量s_v(S1304)。变量Vn的最大值代替变量max_v；变量Vn的最小值代替变量min_v(S1305)。
确定变量IB是否等于或大于0(S1306)。若变量IB等于或大于0，则确定用变量s_v除(ave_v-min_v)得到的值是否大于2.5(S1307)。若变量IB小于0，则确定用变量s_v除(max_v-ave_v)得到的值是否大于2.5(S1308)。
若变量s_v除(ave_v-min_v)得到的值大于2.5，或者，若变量s_v除(max_v-ave_v)得到的值大于2.5，则更新校正变量flag_v(S1309)。
若变量s_v除(ave_v-min_v)得到的值不大于2.5，或者，若变量s_v除(max_v-ave_v)得到的值不大于2.5，或者，若flag_v己被更新，则更新变量count(S1310)。若变量count是60(从S1311继续“是”路径)，则确定单元电池为异常(S1312)。若变量count不是60(从S1311继续“否”路径)，或者，若单元电池已确定为异常，则终止异常发热检测处理。
参见图14，说明变量初始化处理。对变量flag_v和count进行初始化处理(S1401)，及终止变量初始化处理。
参见图15，说明单元电池异常性确定处理。确定变量flag_v是否等于或大于48(S1501)。若变量flag_v等于或大于48，则进行故障处理(S1502)。若变量flag_v不等于或大于48，或者，若已经进行了故障处理，则对变量flag_v和count进行初始化处理(S1503)，并终止单元电池的异常性确定处理。
图16是按本发明实施例3的正常电池组的电池单元块电压的典型运行记录曲线图。图17是按本发明的实施例3的包括有异常电阻的电池的电池组的电池单元块电压的典型运行记录曲线图。
参见图16和17，可根据估算值HC检测单元电池10B的异常发热，而该估算值HC又基于多个单元块10A的单元块电压的平均值和方差σ2而得。这里，估算HC相当于上述参见图13的异常发热检测处理的步骤S1307中用的(ave_v-min_v)/s_v或(max_v-ave_v)/s_v。单元块10A的单元块电压平均值相当于变量ave_v。单元块10A的单元块电压的方差σ2相当于变量s_v。
注意，用新电池替换有故障的电池时，新电池具有致使其单元块电压在充电时不大于-2.5σ2的小IR值。但是，按该例，能在充电时确定为是有故障的电池，只是那些其中至少一个单元块10A的单元块电压等于或大于+2.5σ2的电池。因此消除了错误检测的可能性。
因此，按实施例3，方差计算组件4C计算多个单元块10A的单元块电压的平均值和方差σ2，方差异常发热检测组件4D根据多个单元块10A的单元块电压的平均值和方差σ2检测一个或一个以上的单元电池的异常发热。结果，能使与温度补偿相关的误差降到最小，从而提高了对有异常电阻的电池的检测精度。
在低温条件下电池组10不可能有输入功率或输出功率的情况下，或电池电流只经受小变化的情况下，(如在小负载或恒定电流充电/放电情况下)，按本发明实施例3的方法能得到令人满意的检测结果，而最小平方法不能获得高水准的异常电池检测精度。
按实施例4，对第一时间与第二时间之间的各个单元块电压的电压差进行统计处理，把基本上落在其它范围外的任何单元块10A确定为有故障的单元块，由此限制电池组10的输入或输出。
图18是按本发明实施例4的内阻异常升高的检测方法曲线图。图9是展示为什么会出现内阻异常升高的错误检测的曲线图。图20是展示内阻异常升高的检测故障(或“漏检”)的曲线图。
按实施例4，如图18所示，单元块电压经过统计处理，以使与曲线1801对应的任何单元电池10B的内阻被确定为在异常值。因为单元块电压1803基本上落在其它单元块电压分布图形1802之外，该曲线在电流为I1和t1时刻将例如单元块电压1803对应显示在纵轴上。
但是，在电流为I1的t1时刻，处理单元块电压的瞬间值容易受单元电池10B的现存容量的波动的影响。结果，OCV(开路电压在纵轴(V)上的交叉点，在该点电流是0(I=0))可能从单元块电压到单元块电压波动，如图19所示。该情况下，与曲线1901对应的单元块中的一个或一个以上的单元电池10B可能会被误定为有异常高的内阻，而其本身不是这种情况(误检)。
检测单元块电压的瞬时值容易受到未能检测实际上有异常高的内阻的单元电池10B，例如与图20中所示曲线2001对应出的单元电池10B(“检测故障”或“漏检”)的影响。
图21和22是按本发明的实施例4的根据电压差检测内阻的异常升高的检测方法的曲线图。按实施例4，如图21和22所示，可根据在电流为I1的时刻t1的多个单元块10A的各个单元块电压与在电流为I2的时刻t2该多个的单元块10A的各个单元块电压之间的电压差的平均值，以及电压差的方差检测一个或一个以上的单元电池10B的内阻的异常升高。
按实施例4，根据在电流为I1的时刻t1的多个单元块10A的各个单元块电压与在电流为I2的时刻t2的该多个单元块10A的各个单元块电压之间的电压差来检测一个或一个以上的单元电池10B的内阻的异常升高，如图21所示。因此，与图19所示例不同，曲线1901被确定为正常的，由此能防止错误检测。
按实施例4，根据在电流为I1的时刻t1的多个单元块10A的各个单元块电压与在电流为I2的时刻t2的该多个单元块10A的各个单元块电压之间的电压差，检测一个或一个以上的单元电池10B的内阻的异常升高，如图22所示。因此，与图20所示例不同，曲线2001被确定为异常，由此能防止错误检测。
图23是按本发明的实施例4，在电池组10的控制过程中的异常发热检测处理过程的流程图。图24是电池组10的控制过程中变量初始化处理的流程图，图25是单元电池异常性确定处理的流程图。
如上所述，按实施例4，采用在预定时间周期(例如1秒钟)出现的单元块电压之间的差的统计处理，而不用瞬间单元块电压值。按该方法，能消除OCV波动带来的影响，如从以下的等式(1)、(2)和(3)看到的。
Vn(t)=OCVn+I(t)·IRn(1)Vn(t+Δt)=OCVn+I(t+Δt)·IRn(2)Vn(t+Δt)-Vn(t)=IRn·[I(t+Δt)-I(t)] (3)
由等式(3)可以看到，OCV的波动带来的影响已消除。
可以测出在电流满足I1=0的时刻的单元块电压，例如在整个控制开始时。
参见图23，算出相互相差一秒钟的单元块电压Vi(t)与Vi(t-1)之间的电压差Vdi(S2101)。对内部变量sum _v和sum_v2，和定时器变量i进行初始化处理(S2102)，变量Vd_i加到内部变量sum_v；(Vdi×Vdi)加到内部变量sum_v2；并校正定时器变量i(S2103)。若定时器变量i不等于19(从S2104继续“否”路径)，重复S2103处理。
若定时器变量i等于19(从S2104继续“是”路径)。用20除内部变量sum_v得到的值代替变量ave_v；作为内部变量sum_v和内部变量sum_v2的函数计算出的值代替变量s1；作为变量s1的函数算出的值代替变量s_v(S2105)。变量Vdn的最大值代替变量max_v，变量Vdn的最小值代替变量min_v(S2106)。
确定变量IB是否等于或大于0(S2107)。若变量IB等于或大于0，则用变量VAR_V除(ave_v-min_v)的平方得到的值代替变量HENSA2(S2108)。
确定(ave_v-min_v)2的值是否大于16×(变量VAR_V)(S2109)。
若变量IB小于0，则用(max_v-ave_v)2/(变量VAR_V)的值代替变量HENSA2(S2110)。
确定(max_v-ave_v)2是否大于(16×变量VAR_V)(S2111)。
若(ave_v-min_v)2大于16×(变量VAR_V)，或者，若(max_v-ave_v)2大于16×(变量VAR_V)，则更新校正变量flag_V(S2112)。
若(ave_v-min_v)2不大于16×(变量VAR_V)，或者，(max_v-ave_v)2不大于16×(变量VAR_V)，或者，若变量flag_v已更新，则，更新变量count(S2113)。若变量count是60(从S2114继续“是”路径)，则确定单元电池为异常(S2115)。若变量“count”不是60(从2114继续“否”路径)，或者，若单元电池已确定为异常，则终止异常发热检测处理。
参见图24，说明变量初始化处理。对变量flag_v和count进行初始化处理(S2201)，并终止变量初始化处理。
参见图25，说明单元电池的异常性确定处理。确定变量flag_v是否等于或大于48(S2301)。若变量flag_v等于或大于48，则进行故障处理(S2302)。若变量flag_v不等于或大于48，或者，若已经进行了故障处理，则对变量flag_v和count进行初始化处理(S2303)。并终止单元电池的异常性确定处理。
因此，按本发明的实施例4，方差计算组件4C计算每个代表在第一时刻测得的多个单元块10A中的一个单元的单元块电压值与在第二时刻测到的该单元块10A的单元块电压值之间的电压差的平均值的平均电压差值；以及代表电压差的方差的电压差方差值，并且，方差异常发热检测组件4D根据电压差，平均电压差和压差方差值检测一个或一个以上单元电池10B的内阻的异常升高。结果，即使在单元电池10B的现存容量和OCV变化的情况下也能防止错误检测和检测故障。
现存容量异常发热检测组件4E按每个单元块10A的现存容量检测一个或一个以上的单元电池10B的异常发热。运送装置控制部件5按现存容量异常发热检测组件4E检测到的异常发热检测结果控制电池功率输入/输出部件1。
图26是按本发明实施例5的正常电池组中的单元电池的现存容量分布曲线图，图27是包括有异常电阻的电池的电池组中的单元电池的现存容量分布曲线图。具体地说，图26和27分别是电池组10在一范围使用时，包括正常(图26)或异常(图27)单元电池10B的单元块的现存容量分布图形，在该范围内，每个单元块10A的最小现存容量等于或大于10％且每个单元块10A的最大现存容量等于或小于90％。
当只根据放电时的电池电流与电池电压之间的关系来确定电池的现存容量时，如图26所示，会对正常电池组的各个不同的单元块给出高现存容量和低现存容量诊断。另一方面，在电池组包括异常电池的情况下，如图27所示，会对同一单元块既给出高现存容量诊断也给出低现存容量诊断。
图28是现存容量(SOC)与单元块电压(VB)之间的关系曲线图。图29是电池电流(IB)与单元块电压(VB)之间的关系曲线图。从图28可见，电池的单元块电压随其现存容量(SOC)的减小而减小。
见图28和29，其中，在现存容量的中间区，电池电流和单元块电压的变化如图29中的LM线所示。与中间区的情况相比，高SOC区中的单元块电压(VB)和内阻都增大；因此，电池电流与单元块电压的变化如图29中的LH线所示，与中间区的情况相比，在低SOC区中的单元块电压(VB)下降而内阻升高；因此，用图29中的LL线指示电池电流和单元块电压变化。
包括有异常高的内阻的任何异常单元电池的单元块中，电池电流和单元块电压的变化如图29中的LX所示，线LX在P2点与LH线相交，LX线在P1点与LL线相交。
因此，认为包括具有异常高的内阻的任何异常单元电池的单元块可以用作在高SOC区和低SOC区中的电池。因此，根据电池电流(IB)和单元块电压(VB)来识别包括有异常高内阻的任何异常单元电池的单元块的现存容量有可能导致错误检测。
若对各不相同的单元块给出高的现存容量诊断和低的现存容量诊断，那么，现存容量异常发热检测组件4E确定电池组是正常的。
另一方面，如果对同一单元块既给出了高的现存容量诊断又给出了低的现存容量诊断，那么，现存容量异常发热检测组件4E确定在该单元块中包括的单元电池10B有异常发热。
因此，按实施例5，现存容量异常发热检测组件4E根据多个单元块10A的高现存容量诊断和低的现存容量诊断检测一个或一个以上的单元电池的异常发热。运送装置检测部件5根据现存容量异常发热检测组件4E检测到的异常发热检测结果控制电池功率输入/输出部件1。因此，不需要在每个单元电池10B上安装温度传感器，因此能用节省的方式控制电池组10。
尽管在上述实施例中以包括多个单元电池10B为例进行说明，但是多个单元块10A中的每个单元块也可以由多个单元模块组合替代。
因此，按本发明，提供了一种不需要在多个单元电池中的每个单元电池上安装温度传感器的经济的电池组控制设备。
而且，按本发明提供了一种可以随着单元电池的温度升高来控制电池组的输入和输出的电池组控制设备，以防止单元电池处于异常状态。
而且，按本发明，提供一种电池组控制设备，它能控制单元电池的温度升高，因此能延长整个电池组的使用寿命。
对本行业的技术人员而言，在不脱离本发明精神和范围的情况下还会有各种其它的容易做到的修改，相应地，权利要求的范围并不是限制在本说明书的描述中，而是可以更广泛地去理解。
权利要求
1．用于控制电池组输入或输出的电池组控制设备，其中该电池组包括多个串联连接的单元块；和该多个单元块中的每个单元块包括多个串联连接的电池；该电池组控制设备包括用于控制输入到电池组的电池和从电池组输出的电池功率的电压功率输入/输出部件；用于检测所述多个单元块中每个单元块的单元块电压的单元块电压检测部件；用于检测所述电池组的电池电流的电池电流检测部件；异常发热检测部件，它根据单元块电压和电池电流检测多个电池中的至少一个电池的异常发热；和运送装置控制部件，它根据由异常发热检测部件检测到的异常发热检测结果控制电池功率输入/输出部件；其中，异常发热检测部件包括内阻计算组件，它按单元块电压和电池电流计算多个单元块中的每个单元块的内阻；且其中，异常发热检测部件根据多个单元块中的每个单元块的内阻和预定的阈值，检测多个电池中的至少一个电池的异常发热。
2．按权利要求1的电池组控制设备，其中，电池组控制设备还包括电池温度检测部件，用于检测电池组的电池温度；异常发热检测部件还包括阈值设定部件，它根据电池组的电池温度装置预定的阈值，且异常发热检测部件根据多个单元块中的每个单元块的内阻和由阈值设定部件装置的预定阈值检测多个电池中的至少一个电池的异常发热。
3．按权利要求1的电池组控制设备，其中，运送装置控制部件根据由异常发热检测部件检测到的异常发热检测结果以步进方式控制电池功率输入/输出部件。
4．按权利要求1的电池组控制设备，其中，异常发热检测部件还包括方差计算部件，用于计算多个单元块的单元块电压的平均值和方差σ2，和方差异常发热检测部件，它根据多个单元块中的每个单元块的单元块电压、平均值和方差σ2，检测多个电池中的至少一个电池的内阻的异常升高；且其中，运送装置控制部件根据由方差异常发热检测部件检测到的异常升高检测结果来控制电池功率输入/输出部件。
5．按权利要求4的电池组控制设备，其中，方差异常发热检测部件当在充电时刻至少一个单元块电压等于或大于预定值，或在放电时刻至少一个单元块电压等于或小于预定值时，确定多个电池中的至少一个电池的内阻异常升高。
6．按权利要求4的电池组控制设备，其中，方差计算部件计算表示在第一时刻的单元块电压与第二时刻的单元块电压之间的电压差的平均值的平均电压差值，以及表示电压差的方差的电压差方差，且其中，方差异常发热检测部件根据电压差、平均电压差值和电压差的方差检测多个电池中至少一个电池的内阻的异常升高。
7．按权利要求6的电池组控制设备，其中，第一时刻包括由电池电流检测部件检测到的电流基本上为0的那一时刻点。
8．按权利要求1的电池组控制设备，其中，异常发热检测部件包括现存容量异常发热检测组件，它根据对多个单元块中各个单元块的高现存容量诊断和低现存容量诊断检测多个电池中的至少一个电池的内阻的异常升高，和其中，运送装置控制部件，根据由现存容量异常发热检测部件检测到的异常升高的检测结果来控制电池功率输入/输出部件。
全文摘要
提供了控制电池组的输入或输出用的电池组控制设备。电池组包括多个串联连接的单元块。电池组控制设备包括:控制电池组的电池功率输入和输出的电池功率输入和输出部件;检测每个单元块的单元块电压用的单元块电压检测部件;检测电池组的电池电流用的电池电流检测部件;按单元块电压和电池电流检测至少一个电池的异常发热用的异常发热检测部件;和按异常发热检测部件的检测结果控制电池功率输入/输出部件用的运送装置控制部件。
文档编号B60L11/18GK1305240SQ0013715
公开日2001年7月25日 申请日期2000年10月25日 优先权日1999年10月25日
发明者中西利明, 高田雅弘, 石原广隆乾究, 金丸邦郎, 菊池义晃 申请人:松下电器产业株式会社, 丰田自动车株式会社