专利名称：电池的充放电控制装置以及具备该装置的混合动力汽车的制作方法
技术领域：
本发明涉及电池(蓄电池)的充放电控制装置以及具备该装置的混合动力汽车。
背景技术：
在电动车辆中，通过再生制动力对与由电池驱动的电动机连接的驱动轮进行制 动。此时，电动机发电产生的电力被充电至电池而进行回收。但是，若超过限度地通过由再 生得到的电力对电池进行充电时，电池会变为过充电状态。为了防止这种情况，提出了如下 的电池充电控制装置，该电池充电控制装置对电池电压与电池电压界限进行比较，以使电 池电压不会超过电池电压界限的方式控制电池的充电(例如专利文献1)。专利文献1 日本特开平6-153314号公报
发明内容
一般而言，锂离子二次电池的能量密度高，与其他的二次电池相比，锂离子二次电 池的初始开路电压和平均工作电压更高。因此，在需要大电池容量、高电压的混合动力汽车 用电源系统中是优选的。另外，锂离子二次电池因为库仑效率(coulomb efficiency)接近 100%故而充放电效率高，因此与其他的二次电池相比，还具有可以进行能量的有效利用这 一优点。然而，锂离子二次电池，在使用方式(例如，以高速率进行充电、从高充电状态(高 S0C)进行的充电、长时间持续充电、低温下的充电(电阻高的状态下的充电))中，有在锂离 子二次电池的负极表面析出锂(Li)金属的危险，结果恐怕会导致锂离子二次电池的过热 或性能降低。因此，希望抑制负极中的锂金属的析出。本发明的电池的充放电控制装置以及具备该装置的混合动力汽车具有以下的特 征。(1)所述充放电控制装置具有输入许可电力调整单元，该输入许可电力调整单元 在充放电时基于充电履历，以使由锂离子二次电池构成的电池的负极电位不降低到锂基准 电位的方式，调整对所述电池的输入许可电力。(2)所述输入许可电力调整单元，基于作为在负极不析出金属锂的最大电流而设 定的容许充电电流，决定所述输入许可电力，以与充电持续时间相应地减少所述容许充电 电流、与放电持续时间相应地增加容许充电电流的方式，改变所述输入许可电力。(3)所述输入许可电力调整单元，基于使所述容许充电电流偏移预定量得到的输 入电流限制目标值，决定所述输入许可电力。(4)所述充放电控制装置还具有检测电池电流的电池电流检测单元；检测电池 温度的电池温度检测单元；以及推定所述电池的充电状态的充放电推定单元，所述输入许 可电力调整单元具备容许输入电流值算出单元，其使用检测出的时间t时的电池电流值 和电池温度值以及推定出的充电容量值，求出充电时的每单位时间的容许输入电流值减少量或放电时的每单位时间的容许输入电流值恢复量，并且求出每单位时间的因放置不管产 生的容许电流量恢复量，基于上次算出的上次算出容许输入电流值Ilim(t-i)或仅初次设定 容许输入电流值Ilim(O),算出对电池的容许输入电流值Ilim(t)；和输入电力限制值算出单 元，其算出基于所得到的容许输入电流值Ilim(t)求出的电池输入电力限制值，所述输入许 可电力调整单元基于所得到的电池输入电力限制值来调整对所述电池的输入许可电力。(5)所述输入电力限制值算出单元，基于将所述容许输入电流值Ilim(t)减小预定 量得到的输入电流限制目标值，算出电池输入电力限制值。(6)所述容许输入电流值算出单元，进一步算出对所得到的容许输入电流值 Iliffl(t)考虑了锂离子二次电池劣化状态而得到的对电池的容许输入电流值Ilim’(t)，所述 输入电力限制值算出单元，基于所得到的容许输入电流值Ilim’(t)，算出电池输入电力限制值。(7)在所述输入电力限制值算出单元中，对所得到的对电池的容许输入电流值 Iliffl(t)考虑锂离子二次电池劣化状态，求出输入电流限制目标值。(8)在所述输入电力限制值算出单元中，对所得到的对电池的容许输入电流值 Ilim’ (t)考虑锂离子二次电池劣化状态，求出输入电流限制目标值。(9)在所述输入电力限制值算出单元中，根据与所述输入电流限制目标值和实际 的电池电流值之间的差量相应的电力值、与预先设定的电池输入电力限制规定值SWin (t) 之间的差量，算出电池输入电力限制值Win⑴。(10)所述充放电控制装置还具备上限电压控制单元，该上限电压控制单元以使锂 离子二次电池的上限电压不超过预先设定的上限电压的方式进行控制。(11)所述输入许可电力调整单元，算出流过所述容许充电电流时的电池的输入电 力，基于算出的输入电力来决定所述输入许可电力。(12)所述输入许可电力调整单元，进一步求出在将所述输入电流限制目标值 Itag(t)设为了充电电流时的电池电压vtag(t)，根据输入电流限制目标值Itag(t)和电压 Vtag(t)来算出基础电力swin’(t)，基于该基础电力swin’(t)、以及输入电流限制目标值 Itag(t)与实际的电池电流值之间的差，决定电池的输入许可电力。(13)所述充放电控制装置具有使用期间存储单元，该使用期间存储单元存储从电 池安装时起累积计数得到的使用期间，所述容许输入电流值算出单元，根据从使用期间存 储单元得到的电池的使用期间，改变所述锂离子二次电池劣化状态。(14) 一种混合动力汽车，其具备电动机和发动机，并通过所述电动机和发动机的 至少一方的驱动力进行行驶，所述混合动力汽车具备电池，其由向所述电动机供给电力并 且进行再生能量的蓄电的锂离子二次电池构成；和上述的电池的充放电控制装置。根据本发明，即使例如长时间持续充电，也能够与电池的状态相应地调整被输入 的电力，能够抑制对由锂离子二次电池构成的电池的过充电，能够避免电池的过热和/或 性能降低。
图1是表示本发明的一个实施方式的电池的充放电控制装置的构成、混合动力汽 车的构成以及便携终端的充放电构成的概况的构成图。
图2是说明锂离子二次电池中充电时间和正极电位及负极电位的推移的图。图3是表示锂离子二次电池的构成的一例的示意图。图4是用于说明在算出容许输入电流值时因二次电池的放置不管而产生的电流 恢复量的图。图5是用于说明本发明中的求出输入电力限制值的式(VI)的构成的图。图6是说明本发明的一个实施方式的电池的充放电控制的流程图。图7是用于说明本发明中进行前馈控制、使用1_来求出输入电力限制值的构成 的图。图8是说明本发明的另一实施方式的电池的充放电控制的流程图。图9是用于说明对于锂离子二次电池的劣化程度的输入电力限制的图。图10是表示由锂离子二次电池的使用期间为0年时的放电产生的电流累计值 (SOCtAh])与电动势电压[V]之间的关系的一例的图。图11是表示由锂离子二次电池的使用期间为15年时的充放电产生的电流累计值 (SOCtAh])与电动势电压[V]之间的关系的一例的图。图12是说明基于相对于与锂离子二次电池的使用期间对应的一定电流累计变动 的电动势电压变动量来使劣化度参数D规格化的情况的图。图13是对与锂离子二次电池的充放电过程同步检测出的电流和电压进行了绘图 的一例的图。图14是说明基于相对于锂离子二次电池的使用期间的锂离子二次电池的内部电 阻算出值来使劣化度参数D规格化的情况的图。图15是对满充电容量推定值和锂离子二次电池的使用期间进行了绘图的一例的 图。图16是说明基于相对于锂离子二次电池的使用期间的锂离子二次电池的满充电 容量推定值来使劣化度参数D规格化的情况的图。图17是说明基于劣化参数D来算出修正系数η的方法的一例的图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1中示出用于混合动力汽车的本实施方式的电池的充放电控制装置的构成的 一例。在此，本说明书中的电池为锂离子二次电池，本说明书中的“锂离子二次电池”以包 括作为电解质使用了电解液的锂离子二次电池、以及作为电解质使用了高分子凝胶的锂聚 合物电池的意思而使用。如图1所示，本实施方式的电池的充放电控制装置20包括监视电池10的状态的 电池用电子控制单元22 (以下称为“电池E⑶22 ”)；推定电池10的充电状态的SOC推定单元 24 ；驱动控制电动机52的电动机用电子控制单元观(以下称为“电动机ECU^”)；发动机用 电子控制单元沈(以下称为“发动机EC似6)，其被输入来自检测发动机58的运行状态的各 种传感器的信号，并且对发动机58进行燃料喷射控制、点火控制、吸入空气量调节控制等 运行控制；控制动力输出装置整体的混合动力用电子控制单元30 (以下称为“HVECU30”)； 以及输入许可电力调整单元40，其在充放电时基于充放电履历，以使由锂离子二次电池构成的电池的负极电位不降低到锂基准电位的方式，调整对所述电池的输入许可电力。如图2所示，作为电池10使用的锂离子二次电池，随着持续充电，正极平均电位上 升，而负极平均电位下降，由此正负极之间的电位差(Vav)变大。在此，已知若负极电位变 为Li基准电位以下，则在负极表面析出Li金属。因此，以往以来在对锂离子二次电池充电 时，通过将正负极之间的平均电位的电位差即正负极之间的端子电压抑制在预定电位(例 如4. IV)以内，从而避免负极表面的Li金属的析出。然而，发明者们发现了如下情况由于在电池的单元电池(cell)内部(正负极表 面)存在反应不均，所以如图2中的时间tl以后所示，即使例如正负极平均电位的电位差 (Vav)处于预定电位(Vlim)以内，作为负极的局部部位的负极电位(称为负极局部电位)， 有时也变为Li基准电位(OV)以下，在该负极表面析出金属Li。另外，发明者们同时也发 现了如下情况在以高速率(例如20C以上)的充电、从高充电状态(高S0C)进行的充电、 长时间的持续充电、低温(电池单元的内部电阻高的状态)下的充电等中，容易发生这样的 Li金属的析出过程。如图3所示，单元电池电位为锂离子二次电池的单元电池的正极74与负极76之 间的电位差，负极电位为负极76与Li基准电极78 (电位0V)之间的电位差，另外，正极电 位为正极74与Li基准电极78 (电位0V)之间的电位差。另外，虽然也考虑了以不会变为 Li基准电位以下的方式来拉低正极平均电位，但在该情况下，会产生不能满足对电池的要 求性能的情况。于是，本实施方式的电池的充放电控制装置20，为了也对局部负极电位达到Li基 准电位OV进行抑制，具备输入许可电力调整单元40，另外，本实施方式的电池的充放电控制装置20，如后述那样，为了通过输入许可电 力调整单元40算出能够输入到电池的电力值，还具有图1所示的检测电池电流的电流传感 器14、和设置在电池10内并检测电池温度的温度传感器12。以下进一步对上述的各构成进行详细说明。向电池E⑶22输入并存储管理电池10 所需要的信号，例如来自设置于电池10的端子间的未图示的电压传感器的端子间电压、来 自安装于与电池10的输出端子连接的电力线的电流传感器14的充放电电流(以下也称为 “电池电流”)、来自安装于电池10的温度传感器12的电池温度Tb等。另外，在SOC推定单 元M中，还对输入到电池E⑶22中的由电流传感器14实测到的电池电流值IB (t)进行累计 来推定出充电状态(S0C、剩余容量)。在累计中，优选使用通过实测出的电池温度值TB(t) 修正后的推定电流值，能够利用电池电动势电压(electromotive voltage)等其他的信息， 采用更正确的SOC推定。HVE⑶30作为以CPU32为中心的微处理器而构成，除CPU32以外还具备存储处理 程序的R0M34、暂时存储数据的RAM36、以及未图示的输入输出端口以及通信端口。HVE⑶30 接收来自未图示的点火开关的点火信号、来自未图示的加速器传感器的信号、来自其他传 感器的信号，被输入加速器开度、制动器踏下量、车速等信息。在此，基于加速器开度、制动 器踏下量、车速等信息，在HVECU30中决定转矩指令，将转矩指令从HVECU30输出到电动机 ECU^、发动机EC似6，以相应于该转矩指令的方式控制电动机52和发动机58的驱动。另 外，HVE⑶30经由通信端口与发动机EOT^和/或电动机EOT^、电池E⑶22连接，与发动 机EC似6和/或电动机EC似8、电池ECU22进行各种控制信号和/或数据的授受。另外，
7在R0M34中存储有在后述的输入许可电力调整单元40中算出的容许输入电流值Ilim(t)、 Ilim’⑴以及用于算出电池输入电力限制值Win(t)的程序，另一方面，在RAM36中暂时存储 从电池ECU22输出的电池电流值以及电池温度值，并且也暂时存储在输入许可电力调整单 元40中算出的容许输入电流值Ilim⑴、Ilim’⑴以及电池输入电力限制值Win(t)，并且存 储各种运算所需要的数据。另外，输入许可电力调整单元40具备容许输入电流值算出单元42和输入电力限 制值算出单元44。例如每隔100msec基于得到的电池输入电力限制值Win(t)来调整对电 池10的输入许可电力。容许输入电流值算出单元42，使用从电池E⑶22输出并在暂时存储在HVE⑶30的 RAM36中的、时间t时的电池电流值IB(t)(以下也称为“IB[t]”)和电池温度值TB(t)(以 下也称为“TB[t])、以及在SOC推定单元M中推定出的时间t时的充电容量值SOC (t)，基 于存储在HVECU30的R0M34中的程序，求出充电时的每单位时间的容许输入电流值减少量F 或f、或放电时的每单位时间的容许输入电流值恢复量F’或f’(与后述的式(I’ )中的F 和(II’)中的f相当)，并且求出每单位时间的因放置不管产生的容许电流量恢复量G或 g，基于此算出对电池的容许输入电流值Ilim(t)。在此，容许输入电流值Ilim(t)是基于上次 算出的上次算出容许输入电流值Ilim(t-Ι)算出的，但也可以使用仅初次设定容许输入电流 值Ilim(O)。该仅初次设定容许输入电流值Ilim(O)，是在从没有充放电履历的影响的状态进 行了充电、作为在单位时间以内不析出Li金属的最大电流值而求出的。在本实施方式中，在充电中，容许输入电流值算出单元42使用以下所示的式来算 出容许输入电流值Ilim(t)(以下也称为“Ilim[T]”、“Ilim[t]”)。首先，在没有充放电履历的 情况下即仅初次时，通过以下的式(I)来求出。即，从没有充放电履历的状态下的容许输入 电流值Ilim(O),减去由于持续充放电产生的减少量或恢复量F、F’、因放置不管产生的恢复 量G0[数学式1]/lim [Π = /lim
- I F{IB[t}, TB [t], SOC [t])dt - ζ G{t,TB [t], SOC [t])dt但Ilim
彡 Ilim[T] < 0. .. (I)在式(I)中，如以下所述。[数学式2]Iliffl在从没有充放电履历的影响的状态进行了充电时，在单位时间以内不析 出Li金属的最大电流值；[ F(IB[t],TB[t],SOC[t])dt)由于从无履历的状态到时间T持续进行的充电而产
生的容许电流值减少项；[G(t,TB[t],SOC[t])dt)因时间产生的恢复项。另外，在充电中，在存在充电履历的情况下，通过以下的式(II)来求出。[数学式3]
hm M = hm [t-n-f{IB[tlTB[tl SOC[t]) X dt — g(TB[t],χ /lim[W —1] x dt
…(II)式中，Ilim[T]以及IliJt]表示时间T、t时的容许输入电流值；IB[t]表示时间t 时的电池电流值；TB[t]表示时间t时的电池温度值；S0C[t]表示时间t时的电池SOC值； f()函数表示每单位时间的由充电产生的容许电流减少项；g()函数表示因放置不管产生 的每单位时间的容许电流恢复项。Iliffl[t] = 0时表示二次电池的负极活性物质中的Li离子为饱和状态，因此 Ilim
-Ilim[t]表示二次电池的负极活性物质中的Li离子量。另一方面，如图4所示，因时 间产生的容许输入电流值的恢复量，通过负极活性物质中的Li离子减少而获得，其大小与 Li离子的量成比例。因此，单位时间(dt)前的时间(t-Ι)时的Ilim[t-1]的关系，与Ilim
和Ilim[t_l]之间的差成比例，而且能够通过为了使该差无因次化而使其除以Ilim
来获 得。另一方面，在放电中的情况下，分别将上述式(I)和(II)的式中的FO函数和f() 函数中的符号从正变为负，成为如下这样。[数学式4]
权利要求
1.一种电池的充放电控制装置，具有输入许可电力调整单元，该输入许可电力调整单元在充放电时基于充电履历，以 使由锂离子二次电池构成的电池的负极电位不降低到锂基准电位的方式，调整对所述电池 的输入许可电力。
2.根据权利要求1所述的电池的充放电控制装置，其中，所述输入许可电力调整单元，基于作为在负极不析出金属锂的最大电流而设定的容许 充电电流，决定所述输入许可电力，以与充电持续时间相应地减少所述容许充电电流、与放 电持续时间相应地增加容许充电电流的方式，改变所述输入许可电力。
3.根据权利要求2所述的电池的充放电控制装置，其中，所述输入许可电力调整单元，基于使所述容许充电电流偏移预定量得到的输入电流限 制目标值，决定所述输入许可电力。
4.根据权利要求1所述的电池的充放电控制装置，其中，还具有检测电池电流的电池电流检测单元；检测电池温度的电池温度检测单元；以及推定所述电池的充电状态的充放电推定单元，所述输入许可电力调整单元具备容许输入电流值算出单元，其使用检测出的时间t时的电池电流值和电池温度值以及 推定出的充电容量值，求出充电时的每单位时间的容许输入电流值减少量或放电时的每单 位时间的容许输入电流值恢复量，并且求出每单位时间的因放置不管产生的容许电流量恢 复量，基于上次算出的上次算出容许输入电流值Ilim(t_l)或仅初次设定容许输入电流值 Ilim(O),算出对电池的容许输入电流值Ilim(t)；和输入电力限制值算出单元，其算出基于所得到的容许输入电流值Ilim(t)求出的电池输 入电力限制值，所述输入许可电力调整单元基于所得到的电池输入电力限制值来调整对所述电池的 输入许可电力。
5.根据权利要求4所述的电池的充放电控制装置，其中，所述输入电力限制值算出单元，基于将所述容许输入电流值Ilim (t)减小预定量得到的 输入电流限制目标值，算出电池输入电力限制值。
6.根据权利要求4所述的电池的充放电控制装置，其中，所述容许输入电流值算出单元，进一步算出对所得到的容许输入电流值Ilim (t)考虑了 锂离子二次电池劣化状态而得到的对电池的容许输入电流值Ilim’(t)，所述输入电力限制值算出单元，基于所得到的容许输入电流值Ilim’(t)，算出电池输入 电力限制值。
7.根据权利要求4所述的电池的充放电控制装置，其中，在所述输入电力限制值算出单元中，对所得到的对电池的容许输入电流值Ilim (t)考虑 锂离子二次电池劣化状态，求出输入电流限制目标值。
8.根据权利要求5所述的电池的充放电控制装置，其中，在所述输入电力限制值算出单元中，对所得到的对电池的容许输入电流值Ilim’ (t)考 虑锂离子二次电池劣化状态，求出输入电流限制目标值。
9.根据权利要求5所述的电池的充放电控制装置，其中，在所述输入电力限制值算出单元中，根据与所述输入电流限制目标值和实际的电池电 流值之间的差量相应的电力值、与预先设定的电池输入电力限制规定值SWin(t)之间的差 量，算出电池输入电力限制值Win⑴。
10.根据权利要求1所述的电池的充放电控制装置，其中，所述充放电控制装置还具备上限电压控制单元，该上限电压控制单元以使锂离子二次 电池的上限电压不超过预先设定的上限电压的方式进行控制。
11.根据权利要求3所述的电池的充放电控制装置，其中，所述输入许可电力调整单元，算出流过所述容许充电电流时的电池的输入电力，基于 算出的输入电力来决定所述输入许可电力。
12.根据权利要求5所述的电池的充放电控制装置，其中，所述输入许可电力调整单元，进一步求出在将所述输入电流限制目标值Itag(t)设为了 充电电流时的电池电压Vtag(t)，根据输入电流限制目标值和电压Vtag(t)来算出基 础电力SWin’⑴，基于该基础电力SWin’⑴、以及输入电流限制目标值Itag(t)与实际的电 池电流值之间的差，决定电池的输入许可电力。
13.根据权利要求7所述的电池的充放电控制装置，其中，所述充放电控制装置具有使用期间存储单元，该使用期间存储单元存储从电池安装时 起累积计数得到的使用期间，所述容许输入电流值算出单元，根据从使用期间存储单元得到的电池的使用期间，改 变所述锂离子二次电池劣化状态。
14.一种混合动力汽车，其具备电动机和发动机，并通过所述电动机和发动机的至少一 方的驱动力进行行驶，所述混合动力汽车具备电池，其由向所述电动机供给电力并且进行再生能量的蓄电的锂离子二次电池构成；和权利要求1所述的电池的充放电控制装置。
全文摘要
电池的充放电控制装置20具备输入许可电力调整单元40，该输入许可电力调整单元具有容许输入电流值算出单元42，其使用检测出的时间t时的电池电流值和电池温度值以及推定出的充电容量值，求出充电时的每单位时间的容许输入电流值减少量和每单位时间的因放置不管产生的容许电流量恢复量，基于上次算出的上次算出容许输入电流值Ilim(t-1)或仅初次设定容许输入电流值Ilim(0)，算出对电池的容许输入电流值Ilim(t)；和输入电力限制值算出单元44，其以使基于容许输入电流值Ilim(t)求出的输入电流限制目标值变得比实际的电池电流值大的方式，算出电池输入电力限制值；所述输入许可电力调整单元40基于电池输入电力限制值调整对电池10的输入许可电力。
文档编号B60W20/00GK102089956SQ20098012650
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月10日 优先权日2008年7月11日
发明者泉纯太, 町田清仁, 石下晃生, 葛谷孝史, 酒井仁, 野崎耕 申请人:丰田自动车株式会社