专利名称：电池监视装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电池监视装置，详细地说，涉及一种在实际使用电池的汽车和设备等的现场中，将实际负载控制成期望的负载状态，同时可以实时地对电池的状态进行测定监视的电池监视装置。
背景技术：
反复进行充电的二次电池，作为混合动力汽车和电动汽车等行驶电动机驱动电源而使用，并且，从不依赖于石油燃料的太阳能发电或风力发电等的对环境负荷较少且可以储存能量的观点出发，也在工业、公共机关和一般家庭等中广泛应用起来。一般地，上述二次电池，通过将规定数量的电池单元串联连接，从而构成为可以得 到期望的输出电压的电池模块，通过将可获得期望的输出电压的规定数量的电池模块并联连接，从而构成为可以得到期望的电流容量(AH)的电池组件。在汽车中作为行驶电动机驱动电源而搭载的二次电池，从充电时间、续航距离等的便利性出发，目前认为锂离子电池为主流。图32是表示使用现有的二次电池的电池系统的一个例子的框图。在图32中，电池模块10是将多个电池单元11广Iln和电流传感器12串联连接而成，与负载L并联连接。电池监视装置20由下述部分构成多个A/D转换器21 21n+1，其与构成电池模块10的多个电池单元Il1 Iln和电流传感器12分别对应地设置；以及处理装置23，其经由内部母线22，输入上述A/D转换器 21n+1的输出数据。电池模块10的各电池单元11广I In的输出电压和电流传感器12的检测信号，向各自对应的A/D转换器21广21n+1输入并变换为数字信号，上述A/D转换器21广21n+1的输出数据经由内部母线22向处理装置23输入。处理装置23基于A/D转换器21r21n+1的输出数据，例如求出各电池单元11广Iln的内部阻抗值，并且根据上述的内部阻抗值推定流出期望电流的情况下的电压下降量，将上述的数据经由外部母线30向上位的电池系统控制部40输送。电池系统控制部40基于从电池监视装置20输入的数据，对电池模块10以及负载装置L进行控制，以可以以当前的电池模块10的输出电压稳定地驱动负载装置L。对构成如上所述的电池模块10的二次电池的性能进行评价的指标之一，为图33以及图34所示的内部阻抗特性。图33是将充满电的电池放置于高温状态的情况下的阻抗特性例图，图34是在高温状态下反复进行充放电的情况下的阻抗特性例图。另外，在图33以及图34中，左图表示将基于交流阻抗测定结果的复数阻抗向复数坐标中绘制的科尔-科尔图，右图是表示该阻抗频率特征的伯德图。图33的左图，表示随着放置期间例如I年、2年、……变长，交流阻抗不断变大的过程。图34的左图表示随着充放电例如50次、100次、……反复进行，交流阻抗不断变大的过程。如果阻抗变大，则输出电流时的电池电压降变大，无法获得足够的输出电压。各右图的频率较低的部分，相当于较长时间持续踩踏汽车的加速器的情况。根据上述的数据，频率较低的部分处阻抗变大，因此可以推测出电压降持续不断地变大。即，与电池的老化相伴，输出特性发生变化，无法获得足够的输出。图35是表示测定二次电池的交流阻抗的现有的测定电路的一个例子的框图，对于与图32相同的部分,标注相同的标号。在图35中,在电池10和电流传感器12的串联电路的两端，连接有扫描信号发生器50。该扫描信号发生器50将在包含图33以及图34的右图所示的频率特性区域在内的范围内输出频率扫描变化的交流信号，向电池10和电流传感器12的串联电路输出。交流电压监视器60测定电池10两端的交流电压，并向阻抗运算装置80输入。交流电流监视器70测定流向电流传感器12的交流电流，并向阻抗运算装置80输入。阻抗运算装置80计算出在扫描信号发生器50的输出信号的各频率下交流电压监视器60的测定电压与交流电流监视器70的测定电流的比、即电池10的复数阻抗 。通过将该计算出的复数阻抗向复数平面绘制，从而可以得到如图33和图34所示的科尔-科尔图。根据如上所述制成的科尔-科尔图，可以推定例如如图36所示的电池10的等价电路的各参数。另外，图36的等价电路串联连接有直流电源E、阻抗Rl、阻抗R2和电容器C2的并联电路、阻抗R3和电容器C3的并联电路、阻抗R4和电感L4的并联电路。对于根据上述的交流法进行的阻抗的测定，也包含自动测定方法在内，在专利文献I中详细地记载。另一方面，以对搭载在汽车上的锂离子电池的状态进行监视，将用于最大限度地发挥电池性能的信息向上位系统提供，并且万一电池引起危及用户这样的异常时可以使系统安全地停止为目的，开发并应用如非专利文献I中记载所示的控制器。专利文献I :日本特开2003 - 4780号公报非专利文献I :日置慎二郎、外5名、「f >> Λ 4才f U —>卜口一7 乃開発」、CALSONI C KANSEI TECHNICAL REVIEW、 八株式会社、vol. 72010p. 6-10
发明内容
如上所述，通过测定电池的内部阻抗特性，从而可以得到电池的各种信息，因此，在实际使用电池的汽车、发电设备设备以及家庭用蓄电系统等的现场中，如果可以测定电池的内部阻抗特性，则基于上述信息，掌握电池的现状，并且可以以与电池的现状相对应总是最大限度有效地使用的方式进行控制。 但是，在图32所示的现有的系统结构中，虽然可以求出各电池单元11广I In的内部阻抗值，但由于间歇地进行处理装置23和电池系统控制部40之间的数据通信，因此各电池单元11广I In的电压数据成为周期例如为大于或等于IOOms的离散数据。其结果，虽然能够参照由瞬时或者一定时间积分平均的电压、电流、温度等构成的表格，检测各电池单元11广Iin的状态，但无法测定需要大量信息的各电池单元11广11 的内部阻抗特性。另外，根据图35所示的现有的测定电路，扫描信号发生器50是必须的，但由于成本、空间制约，对于现场的各单元安装图35所示的测定电路是难以实现的。本发明是解决上述课题的技术方案，其目的在于，提供一种电池监视装置，其在实际使用电池的汽车、发电设备以及家庭同蓄电系统等的现场中，将实际负载控制为期望的负载状态，同时测定电池的内部阻抗特性，可以实时地对电池的状态进行监视。为了实现如上所述的课题，本发明中技术方案I记载的发明为一种电池监视装置，其对电池模块实时地进行测定监视，该电池模块是将多个电池单元串联连接而成，以发生包含高频域在内的负载变动的状态对实际负载进行驱动，其特征在于，由以下部分构成多个电力/阻抗运算部，其对所述各电池单元分别设置，从所述各电池单元输入电压信号以及电流信号，对所述各电池单元的瞬时电力以及内部阻抗特性进行测定；以及电池模块状态管理部，其经由内部母线，输入上述电力/阻抗运算部的输出数据。技术方案2的发明为一种电池监视装置，其对电池模块实时地进行测定监视，该电池模块是将多个电池元件串联连接而成，以发生包含高频域的负载变动的状态对实际负·载进行驱动，其特征在于，由以下部分构成多个电力/阻抗运算部，其对所述各电池单元分别设置，从所述各电池单元输入电压信号以及电流信号，对所述各电池单元的瞬时电力以及内部阻抗特性进行测定；电池模块状态管理部，其经由内部母线，输入上述电力/阻抗运算部的输出数据；以及加速器工作监视部，其对构成作为所述电池模块的负载装置的汽车驱动系统的加速器的动作进行监视，其检测信号向所述电力/阻抗运算部和所述电池模块状态管理部输入。技术方案3的发明的特征在于，在技术方案I或者技术方案2记载的电池监视装
置中，所述电力/阻抗运算部进行离散傅里叶变换或者高速傅里叶变换，根据其结果，推定表示期望的频域中的电池内部阻抗特性的等价电路常数。技术方案4的发明的特征在于，在技术方案I或者技术方案2记载的电池监视装
置中，所述电力/阻抗运算部，以能够与电池内部的反应时间常数相对应而最佳地推定该时间常数的时间分辨率和时间间隔，取得测定数据，对被认为是支配性地与该时间常数相关的等价电路常数进行推定。技术方案5的发明的特征在于,在技术方案I至技术方案4中任一项记载的电池监视装置中，向所述电力/阻抗运算部附加所述各电池单元的温度信息。技术方案6的发明的特征在于,在技术方案I至技术方案5中任一项记载的电池监视装置中，在所述实际负载中不存在高频率成分时，与所述实际负载并联连接产生包含有高频域的负载的模拟负载装置。技术方案7的发明的特征在于,在技术方案I至技术方案6中任一项记载的电池监视装置中，设置有负载控制部，其按照预先设定的规定的负载程序，对所述实际负载进行驱动控制。发明的效果根据如上所述，在实际使用电池的汽车和设备等的现场中，将实际负载控制为期望的负载状态，同时可以测定电池的内部阻抗，可以对电池状态实时地进行监视。
图I是表示本发明的一个实施例的框图。图2是表示电力/阻抗运算部24的具体例子的框图。图3是表示图2的等价电路参数测定部24c的具体例子的框图。
图4是电池的阻抗特性例图。图5是针对图36的等价电路的常数推定阻抗特性例图。图6是表示图2的等价电路参数测定部24c的其它具体例子的框图。图7是a = 4的相关系数Corr (i)的曲线。图8是采样阻抗特性例图。图9是其它的采样阻抗特性例图。图10是其它的采样阻抗特性例图。图11是矩形波脉冲f (t)的特性例图。图12是表示加权的具体例子的说明图。图13是表示由加权常数推定出的结果例的说明图。图14是表示图2的等价电路参数测定部24c的其它具体例子的框图。图15是定电流脉冲的响应测定例图。图16是尼奎斯特曲线例图。图17是图36的等价电路中的各电路常数的测定结果和基于该测定结果计算出的拟合用的阻抗特性曲线的说明图。图18是根据有无检测出尖峰的采样阻抗特性的对比例图。图19是示图2的等价电路参数测定部24c的其它具体例子的框图。图20是说明用于对电感L成分进行校正的处理流程的流程图。图21是对以图20的流程图的顺序校正后的存在尖峰的波形数据进行等价电路拟合后的结果例的说明图。图22是表示电力/阻抗运算部24的其它具体例子的框图。图23是表示本发明的其它实施例的框图。图24是表示本发明的其它实施例的框图。图25是表示图2的等价电路参数测定部24c的其它具体例子的框图。图26是电池的阻抗特性例图。图27是图26的电池的等价电路例图。图28是较宽的拟合对象区间的说明图。图29是基于推定常数的阻抗特性例图。图30是较窄的拟合对象区间的说明图。图31是基于再次推定出的常数的阻抗特性例图。
图32是表示利用现有的二次电池的电池系统的一个例子的框图。图33是将充满电的电池放置于高温状态的情况下的阻抗特性例图。图34是在高温状态下反复进行充放电的情况下的阻抗特性例图。图35是表示对二次电池的交流阻抗进行测定的现有的测定电路的一个例子的框图。 图36是电池的等价电流例图。图37是示出根据本实施例的电池监视装置的硬件构造的示意图。
具体实施方式
下面，利用附图，详细说明本发明的实施方式。图I是表示本发明的一个实施例的框图，对于与图32相同的部分，标注相同的标号。在图I中，电池监视装置20由以下部分构成作为多个的η个电力/阻抗运算部24广24η，其与构成电池模块10的作为多个的η个各电池单元11广I In相对应地设置；电池模块状态管理部26，其经由内部母线25输入上述电力/阻抗运算部24广24η的输出数据；以及加速器工作监视部27，其对构成作为负载装置L的汽车的驱动系统的加速器LI的动作进行监视。作为负载装置的汽车的驱动系统，实质上加速器LI、逆变器L2和电动机L3串联连接。逆变器L2与电池模块10串联连接，从电池模块10供给用于旋转驱动电动机L3所需的驱动电力。电动机L3与驾驶员例如进行踏板操作的加速器LI的动作相对应，对向逆变器L2供给的驱动电量进行控制，从而进行缓急控制，从而以驾驶员期望的旋转速度进行旋转。与驾驶员的踏板操作相伴的加速器LI的动作，由加速器工作监视部27连续地进行监视检测，其检测信号经由电池模块状态管理部26以及内部母线25，向各电力/阻抗运算部24广24η输入。相对于电力/阻抗运算部24广24η，从与其相对应的各电池单元11广Iln输入电压信号，并且，从电流传感器12输入电流信号。在这里，与驾驶员的踏板操作相伴的加速器LI的动作，是在各电池单元11广I In的输出电压波形以及电流传感器12的输出电流波形中，施加包含有宽带域的频率成分在内的阶梯波状的上升和下降的变化而成的。在本发明中，包含上述宽带域的频率成分在内的波形数据，由电力/阻抗运算部24! 24η进行离散傅里叶变换(DFT)或者高速傅里叶变换(FFT)，根据其结果，推定期望的频率区域中的等价电路常数。由此，在实际使用电池的汽车或机械设备等的现场中，可以测定电池的内部阻抗特性，可以实时地对电池状态进行监视。电池模块状态管理部26，取得由各电力/阻抗运算部2七 24 测定的构成电池模块10的各电池单元Il1 Iln的瞬时电力信息以及内部阻抗信息，并且将上述的数据经由外部母线30向上位的电池系统控制部40输送。电池系统控制部40基于从电池监视装置20输入的数据，控制电池模块10以及负载装置L，以使得可以以当前的电池模块10的输出电压稳定地驱动负载装置L，并且基于各电池单元11广Iln的瞬时电量的变化动向和内部阻抗信息的变化动向等，掌握各电池单元11广Iln的性能的推移状况，发出提醒充电的警报，或者解析性能恶化的倾向，输出电池模块10的更换时间预测数据等。图2是表示电力/阻抗运算部24的具体例子的框图。在图2中，各电池单元Il1 Iln的电压信号V经由抗混叠滤波器24a向A/D转换器24b输入，将A/D转换器24b的输出数据向等价电路参数测定部24c输入。来自电流传感器12的电流信号I，经由抗混叠滤波器24d向A/D转换器24e输入，A/D转换器24e的输出数据向等价电路参数测定部24c输入。A/D转换器24b、24e由可变时钟系统进行驱动，该可变时钟系统由电池模块状态管理部26 —加速器变化量检测部24f —时钟控制部24g —可变时钟发生部24h构成，基于从加速器工作监视部27检测输出的加速器变化信号而生成可变时钟。由此,生成起步、力口速、高速行驶、低速行驶、减速、停止、后退以及它们的缓急等的、基于驾驶员的加速器工作的时钟，并将各个状态的电压信号V以及电流信号I变换为数字数据。·
另外，A/D转换器24b、24e的采样时钟频率也可以与要测定各电池单元Il1 Iln的内部阻抗的频带相对应进行变更。例如测定IkHz为止的内部阻抗的情况下，将采样时钟频率设为2Ksample/s,将抗混叠滤波器24a、24d的低通频带设为小于或等于1kHz。等价电路参数测定部24c与等价电路信息存储部24i连接，该等价电路信息存储部24i存储要测定的各电池单元Il1 Iln的等价电路参数等的等价电路的信息。由等价电路参数测定部24c测定出的等价电路的各参数，经由内部母线25，被电池模块状态管理部26获得。A/D转换器24b、24e的输出数据，也向电力测定部24j输入。由此，电力测定部24j测定各电池单元11广I In的瞬时电力，并将测定结果存储在电力信息存储部24k中。在电力信息存储部24k中存储的电力信息，经由内部母线25，被电池模块状态管理部26获得。图3是表示图2的等价电路参数测定部24c的具体例子的框图。A/D转换器24b、24e的输出数据依次存储在波形数据存储部Cl中。DFT运算部c2对依次存储在波形数据存储部cl中的波形数据进行离散傅里叶变换，通过电压信号的离散傅里叶变换结果除以电流信号的离散傅里叶变换结果，从而计算阻抗，将计算出的阻抗数据存储在阻抗数据存储部c3中。另外，根据波形数据的形态，通过取代DFT运算部c2而使用FFT运算部，可以实现运算处理的高速化。电路常数推定运算部c4，基于存储在阻抗数据存储部c3中的阻抗数据，利用预先指定的等价电路模型进行常数拟合。由电路常数推定运算部c4推定运算出的电路常数，在例如图36所示的等价电路的情况下，将R4和L4存储在不变电路常数存储部c5中，将其它的R1、R2、C2、R3、C3存储在电路常数存储部c6中。阻抗推定运算部c7输出任意频率下的阻抗。在阻抗数据实际存在的频域中，将存储在阻抗数据存储部c3中的阻抗数据直接输出。在阻抗数据没有实际存在的频域中，基于存储在不变电路常数存储部c5以及电路常数存储部c6中的电路常数，进行推定运算，并输出其运算结果。从外部向解析条件存储部c8存储解析条件。解析条件主要表示各运算部中的运算条件，但也包含基准测定或系统搭载时测定的信息。近年来，积极进行下述研究，S卩，对于电池，在定电压或定电流下施加正弦波，求出阻抗特性，推定充放电的温度特性、充电剩余量以及性能恶化的程度等，掌握电池的状态。
在电池组装入汽车等系统之前的单体的状态下，在所配置的测定环境下进行阻抗测定，但如果组装入系统中，则由于系统上的制约等，存在无法进行充分的阻抗测定的情况。特别地，在作为汽车的驱动源搭载的情况下，认为系统侧的采样率不充分，较高频率区域无法采样。在该情况下，无法进行相当于预先测定的测定范围的比较。图4是电池的阻抗特性例图，(A)表示以频率范围IHf 2. 5kHz进行正弦波扫描，并且在各测定频率点一边确保充分的采样率一边测定出的结果。以下，以(A)作为基准特性。(B)是从(A)的基准特性中提取出频率范围广50Hz的结果。其根据将电池例如搭载在汽车系统中的情况下的制约，假设无法测定高频域的情况。(A)中所示的虚轴的+侧(曲线的下半部分)，是包含电池的L (电感)信息的区域，但在(B)中该部分完全缺失。对于电池的电感，为构造上的特性，认为不会由于电极或电解溶液的老化等而随时间变化。如果基于该想法，则从(A)的基准特性中预先求出等价电路常数，对于不会随时 间变化的常数，在将电池进行系统搭载后，也可以使用上述常数。(C)是阻抗特性曲线，其是基于图36的等价电路模型，对(A)的基准特性进行常数拟合而求出Rl、R2、R3、C2、C3、L4、R4，根据这些参数而导出的。拟合可以基于公知的运算式进行。(D)是阻抗特性曲线，其是利用在(B)中推定出的电路常数R1、R2、R3、C2、C3和预先取得的L4、R4，根据基于图36的等价电路模型进行常数拟合求出的结果而导出的。(D)的阻抗特性曲线与(C)的阻抗特性曲线大致相等。即，通过利用由(B)推定出的电路常数Rl、R2、R3、C2、C3和预先取得的L4、R4，从而可以推定与(A)的基准特性相当的频率范围中的阻抗特性。在上述实施例中是通过向等价电路模型中施加不变电路常数，从而进行阻抗推定的，但也可以不向等价电路上施加不变电路常数，而是根据不变电路常数生成时间序列数据，并将其向测定出的时间序列数据中添加后，推定其它的电路常数。另外，上述实施例是在L成分在较低的频域中不受影响的前提下进行常数推定。由此，在常数推定时的等价电路模型中不包含不变电路常数L4、R4，仅在阻抗推定时使用不变电路常数L4、R4。但是，根据电池的特性，存在L成分在较低的频域中也受到影响的可能性。在该情况下，也可以在常数推定时的等价电路中包含不变电路常数L4、R4而进行常数推定。在选择电池的等价电路模型时，如果没有预先在识别出作为测定对象的电池固有的特性和测定频率范围的基础上选择适当的等价电路模型，则如图5的阻抗特性例图所示，存在成为与实物相差悬殊的常数推定结果的情况。图5是对于图36的等价电路，从相同阻抗数据中提取出不同频率范围的数据，进行常数推定的结果。(A)是提取出大于或等于O. IHz的结果，通过常数拟合导出的阻抗特性曲线、和实际的阻抗特性一致。与此相对，(B)是提取出大于或等于I. OHz的结果，与通过常数拟合导出的阻抗特性曲线相差很大。其与实物是否包含沃伯格元件无关，由于在数据中没有明显地表现出该特性，因此可以推测出落入局部解中。如上所述，即使是相同的等价电路模型，如果在常数推定中使用的阻抗的频率范围不同，则可能得到完全不同的结果。上述问题，可以通过使用如图6所示构成的等价电路参数测定部24c，基于阻抗数据的特征，选择最佳的等价电路|旲型而避免，实现电路常数推定精度的提闻。图6是表示等价电路参数测定部24c的其它具体例子的框图，对于与图3相同的部分，标注相同的标号。在图6中，电路模型选择部c9，基于由DFT运算部c2推定并存储在阻抗数据存储部c3中的阻抗数据的特征，选择最佳的等价电路模型。电路常数推定运算部c4，基于存储在阻抗数据存储部c3中的阻抗数据以及由电路模型选择部c9选择出的最佳的等价电路模型，进行各电路常数的推定运算。通常使用的电池的等价电路模型，由η段的RC并联电路、I段的LR并联电路、和沃伯格元件构成。因此，电路模型选择部c9针对上述的等价电路模型的具体的结构，以下述的顺序依次决定。(I)有无沃伯格元件(2)有无LR并联电路(3) RC并联电路的段数(I)首先，对于沃伯格元件，使用低频侧的阻抗实轴·虚轴的相关系数，判断有无。例如，如果为Corr <-O. 99，则判定为存在沃伯格元件。相关系数由下式计算出。
权利要求
1.一种电池监视装置，其对电池模块实时地进行测定监视，该电池模块具有串联连接的多个电池单元，对实际负载进行驱动，其特征在于，具有 多个电力/阻抗运算部，其对所述各电池单元分别设置，从所述各电池单元输入电压信号以及电流信号，对所述各电池单元的瞬时电力以及内部阻抗特性进行测定；以及电池模块状态管理部，其经由内部母线，输入上述电力/阻抗运算部的输出数据， 所述电力/阻抗运算部，以能够与电池内部的反应时间常数相对应而最佳地推定该时间常数的时间分辨率和时间间隔，取得测定数据，使用所取得的测定数据，对被认为是支配性地与该时间常数相关的等价电路常数进行推定。
2.根据权利要求I所述的电池监视装置，其特征在于， 所述电力/阻抗运算部取得所述各电池单元的温度信息。
3.根据权利要求I或2所述的电池监视装置，其特征在于， 具有模拟负载装置，其与所述实际负载并联连接，产生包含有高频成分的波形。
4.根据权利要求I或2所述的电池监视装置，其特征在于， 设置有负载控制部，其按照负载程序对所述实际负载进行驱动控制。
5.根据权利要求3所述的电池监视装置，其特征在于， 设置有负载控制部，其按照负载程序对所述实际负载进行驱动控制。
全文摘要
本发明实现一种电池监视装置，其在实际使用电池的汽车、发电设备以及家庭用蓄电系统等的现场中，将实际负载控制在期望的负载状态下，同时测定电池的内部阻抗特性，可以实时地监视电池的状态。该电池监视装置，将多个电池单元串联连接，对电池模块实时地测定监视，所述电池模块在发生包含高频域的负载变动的状态下，对实际负载进行驱动，其特征在于，由以下部分构成多个电力/阻抗运算部，其分别设置在所述各电池单元上，从所述各电池单元输入电压信号以及电流信号，对所述各电池单元的瞬时电力以及内部阻抗特性进行测定；以及电池模块状态管理部，其经由内部母线，输入上述电力/阻抗运算部的输出数据。
文档编号G01R31/36GK102901930SQ20121026904
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月30日 优先权日2011年7月29日
发明者冈田修平, 吉武哲 申请人:横河电机株式会社