专利名称：电池组容量调整装置及其容量调整方法
技术领域：
本发明涉及一种与由多个电池构成的电池组结合使用的容量调整装置和容量调整方法。
背景技术：
相关技术中已知存在一种为构成电池组的多个电池执行容量调整的装置，该调整是通过检测各电池的开路电压以及基于所检测的开路电压的电压分布分别对电池进行放电来进行的(参见日本公开专利，公开号No.H10-322925)。
发明内容
然而，在相关技术中的容量调整装置存在这样一个问题，即，需要微计算机通过算术运算来确定各电池电压的电压分布，这种容量调整装置的成本肯定是显著的。
本发明提供一种用于通过串联连接多个电池构成的电池组的电池组的容量调整装置，包括检测在多个电池中的电池电压的电池电压检测装置；第一电压判断装置，其进行有关在由电池电压检测装置检测的电池电压中是否存在电压低于预定低电压判断电压的电池的判断；第二电压判断装置，其进行有关基于各电池的电压确定的电压值是否高于预定门限值的判断；和，容量调整判断装置，其用于如果第一电压判断装置确定存在电压低于预定低电压判断电压的电池并且第二电压判断装置确定基于各电池电压确定的电压值高于预定门限值，则确定需要对多个电池进行容量调整。
本发明还提供一种用于通过串联连接多个电池构成的电池组的电池组容量调整方法，包括步骤检测多个电池中的电池电压；进行有关在已经检测的电池电压中是否存在电压低于预定低电压判断电压的电池的判断；进行有关基于各电池的电压确定的电压值是否高于预定门限值的判断；和，如果判断存在电压低于该预定低电压判断电压的电池，并且判断基于各电池电压确定的电压值高于该预定门限值，则确定需要对多个电池进行容量调整。
图1显示了根据本发明的电池组容量调整装置用于混合车辆时的
具体实施例方式
图1显示了根据本发明的电池组容量调整装置用于混合车辆时的实施例的系统结构图。电池组1是通过串联连接n(n正整数)个电池C1～Cn构成的。通过在逆变器4变换电池组1的直流电压而获得的交流电压应用于作为车辆行驶驱动源的三相交流电动机5。包括CPU 3a、ROM 3b和RAM 3c的控制单元3通过控制逆变器4来对电池组进行充电和放电。电压传感器6检测电池组1的总电压Vbat并将检测的总电压输出到控制单元3。
分别相应于电池C1～Cn的每一个提供的容量调整电路A1～An在相应电池的电压超过预定旁路接合电压(bypass engaging voltage)时各自对相应电池进行放电，从而，完成对各电池的容量调整。分别相应于电池C1～Cn的每一个提供的低电池电压检测电路B1～Bn各自检查相应电池的电压以检测电压降低到等于或小于预定低电压判断电压Vc1的电平。OR电路8对从任意一个低电池电压检测电路B1～Bn输出的低电压检测信号执行OR运算并将OR(“或”)运算的结果输出到控制单元3。
图2详细显示了在包括图1所示容量调整电路A1～An、低电池电压检测电路B1～Bn和OR电路8的电路中所采用的结构。为了简化解释，假设电池组1由八个电池C1～C8构成。容量调整电路A1～A8分别包括旁路电阻R1～R8、开关SW1～SW8、电压比较器IC1～IC8和电压检测电路Vt1～Vt8。
电压比较器IC1～IC8分别比较由电压检测电路Vt1～Vt8检测的电池电压和预定旁路接合电压(门限电压)，并将比较结果输出到相应开关SW1～SW8。如果从电压比较器IC1～IC8的任何一个输出指示电池电压高于旁路接合电压的信号，那么相应的开关SW1～SW8就进入ON状态。如果，例如，开关SW1被接通，那么电流就从电池C1流过与开关SW1串联连接的旁路电阻R1。也就是，如果一个电池电压超过旁路接合电压，那么该电池就通过相应的旁路电阻放电。从而，降低了各电池电压中的变化程度。
低电池电压检测电路B1～Bn分别包括电压比较器IC9～IC16和电压检测电路Vt1～Vt8。电压比较器IC9～IC16分别比较在电压检测电路Vt1～Vt8检测的电池电压与预定低电压判断电压Vc1，并且如果判断相应电池电压等于或低于低电压判断电压Vc1，那么各自输出指示低电池电压的信号。如果从低电池电压检测电路B1～B8的任何一个输入指示电池电压等于或低于低电压判断电压Vc1的信号，那么OR电路8就输出低电压信号到控制单元3。
现在参考图3解释用来设定低电压判断电压Vc1的方法。图3显示了在电池SOC和电池开路电压之间的关系。当在后面详述的常规充/放电模式中电池组1的目标充电率(目标SOC)为50％，并且任何具有充电率40％的电池被判断为异常时，就为低电压判断电压Vc1设定相应于充电率40％的开路电压(3.60V)。
图4显示了在旁路接合电压被设定为低值(3.4V)时，各电池容量调整前电压变化和容量调整后的电压变化。由于当电池组1在常规充/放电模式中以50％的目标充电率进行充/放电时电池开路电压为3.75V(参见图3)，所以所有电池的电压都超过了旁路接合电压。因此，当旁路接合电压被设定为低值时，各电池的电压就被调整为一致电平，但是需要释放太多的电能，导致了显著的能量损失。
因此，在本实施例的电池组容量调整装置中，旁路接合电压被设定为相对高的值。在该例子中，该电压被设定为高于通过以常规充/放电模式参考目标充电率(50％)对电池进行充电所获得的电池电压(3.75V)的值(例如，3.9V)。
图5显示了由该实施例中的电池组容量调整装置执行的容量调整过程的流程图。该处理过程在键开关(没有示出)被接通时开始于步骤S10，并由在控制单元3中的CPU 3a来执行。
在步骤S10进行判断指示电池电压等于或低于低电压判断电压Vc1的信号刚好在车辆启动之后而电池组1处于非负载状态时是否已经立即通过OR电路8被输入。如果确定已经输入了指示电池电压等于或低于低电压判断电压Vc1的信号并且存在具有电压降低的电池，那么操作转到步骤S40，否则，操作转到步骤S20。
在步骤S20和S30中执行的处理是常规充/放电模式处理。在步骤S20，电池组1的目标充电率被设定为50％，接着操作处理转到步骤S30。在步骤S30，进行有关键开关(没有示出)是否已经被断开的判断。如果确定键开关已经被断开，那么就结束整个处理过程，而如果判断键开关没有被断开，那么就继续执行常规充/放电模式。
在步骤S40，用电压传感器6检测在无负载状态下电池组1的总电压Vbat。一旦检测出在无负载状态下电池组1的总电压Vbat，操作就转到步骤S50。在步骤S50，进行有关各电池的电压是否出现电压变化差错的判断。首先，如下面(1)所指示的那样，计算电压变化ΔV。
ΔV＝(Vbat/n)-Vc1(1)如表达式(1)所指示的，电压变化ΔV是各电池C1～Cn中的平均电压与低电压判断电压Vc1之间的差。应该注意“n”代表电池的数量。
如果按照表达式(1)的指示所计算的电压变化ΔV等于或大于预定值(例如，0.1V)，那么就判断已经产生电压变化差错。换句话说，如果各电池的平均电压(Vbat/n)等于或大于预定门限值(Vc1+0.1)，则确定已发生电压变化差错。
也就是，如果存在其电压等于或低于低电压判断电压Vc1的电池并且各电池中的平均电压等于或大于该预定门限值，那么本实施例中的电池组容量调整装置就判断已经产生了电压变化差错。如果确定已经产生了电压变化差错，那么操作转到步骤S60，而如果确定没有发生电压变化差错，那么操作转到步骤S20。
在步骤S60，计算执行容量调整所需的时间Tx的长度。现在参考图6解释计算容量调整时间Tx所采用的方法。图6显示了在电池开路电压(V)和电池容量(Ah)之间的关系。首先如下面(2)所指示的那样来确定旁路电流Ibps。(2)中所示R代表旁路电阻，Vbps代表旁路接合电压。
Ibps(A)＝Vbps(V)/R(Ω)(2)接着，基于在步骤S40确定的电压变化ΔV和图6所示开路电压容量特性来确定容量调整所需程度CAPAH。然后，基于容量调整所需的程度CAPAH和如表达式(2)所指示那样确定的旁路电流Ibps，如下面(3)所指示的那样计算容量调整时间Tx。
Tx(min)＝CAPAH(Ah)/Ibps(A)×60(min) (3)在步骤S70到S130中执行的处理是容量调整模式处理。在步骤S70，电池组1的目标充电率被设定为65％，其高于以常规充/放电模式中设定的目标充电率(50％)。通过使用图3中的SOC开路电压曲线来确定相应于电池开路电压3.9V的充电率，以便确保在给电池组1充/放电时电池电压达到旁路接合电压电平(3.9V)。
在步骤S80，进行有关容量调整电路A1～An是否进行工作的判断。该判断是基于由电压传感器6检测的电池组1的总电压Vbat做出的。也就是，如果满足在下面的(4)中所表达的关系，那么就确定容量调整电路A1～An正进行工作，而如果不满足表达式(4)中的关系，那么就确定容量调整电路A1～An没有进行工作。
Vbat≥Vbps×n(n电池数量)(4)如果确定容量调整电路A1～An进行工作，那么操作转到步骤S90，而如果确定它们没有进行工作，那么操作就转到步骤S100。
在步骤S90，定时器3d开始计数旁路接合时间长度Tbps。在开始计数旁路接合时间长度Tbps之后，操作转到步骤S100。在步骤S100，进行有关在步骤S90开始计数的旁路接合时间长度Tbps是否已经等于或大于在步骤S60中计算的容量调整时间Tx的判断。如果确定Tbps≥Tx为真，那么操作转到步骤S110来判断是否已经完成电池组1的容量调整。在步骤S110，重新设定旁路接合时间长度Tbps，然后操作转到步骤S20来执行常规充/放电模式处理。
如果，另一方面，在步骤S100确定旁路接合时间长度Tbps小于容量调整时间Tx，那么操作转到步骤S120。在步骤S120，进行有关键开关(没有示出)是否已经断开的判断。如果确定键开关已经被断开，那么操作转到步骤S130，而如果确定键开关还没有被断开，那么操作就返回到步骤S80。在步骤S130，重新设定旁路接合时间长度Tbps，并结束整个处理过程。
图7显示了当通过在该实施例中的电池组容量调整装置执行容量调整时出现在各电池的电压中的变化。由于在容量调整之前存在其电池电压等于或低于低电压判断电压Vc1(3.6V)并且如表达式(1)所指示那样计算的电压变化ΔV等于或大于预定值(0.1V)，所以电池组1的目标充电率被设定为65％，这高于常规目标充电率(在图5所示流程图中的步骤S10和S40到S70)。结果，各电池的电压超过旁路接合电压的电平(3.9V)。随后，参考旁路接合电压由容量调整电路A1～An来调整各电池的容量。
图8显示了电池组1总电压Vbat和目标充电率随时间产生的变化之间的关系。在键开关(没有示出)保持ON状态时，电池组1中的总电压Vbat随着电池组1被充/放电而波动。由于旁路接合电压Vbps如先前所描述的那样被设定为相对高的值，所以只有电压超过旁路接合电压Vbps的电池才通过旁路电阻进行放电，并且具有低电压的电池不在常规充/放电模式下进行容量调整。
如参考图5所示流程图解释的那样，如果存在其电压低于预定低电压判断电压Vc1的电池，并且各电池中的电压变化ΔV等于或大于预定值，那么就判断需要进行容量调整，从而以容量调整模式来进行容量调整。也就是，在常规充/放电模式中被设定为50％的目标充电率被提高到65％。结果，电池组1的总电压Vbat达到旁路接合电压范围的频率就增加。从而，各电池C1～Cn中的电压超过旁路接合电压Vbps，并且因此，容量调整电路A1～An将所有电池的电压调整到旁路接合电压Vbps的电平。
如果确定存在其电压低于预定低电压判断电压的电池并且还确定电池中的平均电压高于预定门限值，那么该实施例中的电池组容量调整装置就判断需要对各电池执行容量调整，并且从而，执行容量调整以便使各电池的电压均衡。这样，就可以通过简单的结构高度可靠地进行有关是否需要电池容量调整的判断。
此外，如果判断需要进行容量调整，那么目标充电率就被设定为高于为常规充/放电模式中的目标充电率设定的值(50％)的值，并使得各电池的电压超过旁路接合电压的电平。结果，可以高度可靠地对各电池执行容量调整。
另外，在该实施例中的电池组容量调整装置基于预定低电压判断电压和电池之间的平均电压来计算执行容量调整所需的时间长度，并维持电池组的较高目标充电率以便保证在如此计算的容量调整时间期间在所述多个电池中的电压超过预定旁路接合电压。结果，只有在需要最小化由于容量调整而产生的能量损失程度的时候，才提高目标充电率。
本发明并不局限于上面所解释的实施例。例如，虽然上面以电池组容量调整装置用于混合车辆的例子来给出解释，但是它也可以应用于电动车或车辆以外的系统中。
虽然在容量调整模式中设定的第二目标充电率(在该实施例中为65％)相应于电池开路电压3.9V，但是也可以假定其为相应于高于旁路接合电压(在该实施例中为3.9V)的电压的值。在这种情况下，随着电池组1被以第二目标充电率进行充电，其电压超过旁路接合电压的电池数量进一步增加，从而，可以使用甚至更高程度的效率来执行容量调整。然而，如果第二目标充电率被设定为过高的值，那么在容量调整期间放电的电荷的量就会增加，为此，更希望将其值设定为稍微高于相应于旁路接合电流的充电率的值。
下面的在先申请公开在此包括作为参考2004年3月23日申请的日本专利申请No.2004-84587。
权利要求
1.一种用于通过串联连接多个电池构成的电池组的电池组容量调整装置，包括检测多个电池的电池电压的电池电压检测装置；第一电压判断装置，用于进行有关在由电池电压检测装置所检测的电池电压中是否存在任何电压低于预定低电压判断电压的电池的判断；第二电压判断装置，用于进行有关基于各电池电压确定的电压值是否高于预定门限值的判断；和容量调整判断装置，用于如果第一电压判断装置确定存在电压低于预定低电压判断电压的电池并且第二电压判断装置确定基于各电池电压确定的电压值高于预定门限值，则确定需要对所述多个电池进行容量调整。
2.根据权利要求1的电池组容量调整装置，进一步包括计算所述多个电池之间的平均电压的平均电压计算装置，其中基于各电池电压确定的电压值是由所述平均电压计算装置计算的平均电压。
3.根据权利要求2的电池组容量调整装置，进一步包括检测在无负载状态下电池组总电压的总电压检测装置，其中所述平均电压计算装置基于由总电压检测装置检测的电池组总电压来计算所述多个电池之间的平均电压。
4.根据权利要求1的电池组容量调整装置，进一步包括容量调整电路，其每一个相应于所述多个电池中的一个提供，用于当相应电池的电压超过预定旁路接合电压时通过放电该相应电池来进行容量调整；和充/放电控制装置，用于如果容量判断装置确定需要进行容量调整则控制所述电池组的充/放电，以便保证所述多个电池的电压超过该预定旁路接合电压。
5.根据权利要求4的电池组容量调整装置，进一步包括容量调整时间计算装置，用于基于预定低电压判断电压和各电池之间的平均电压来计算执行容量调整所需的时间长度，其中所述充/放电控制装置控制所述电池组的充/放电，以便保证所述多个电池的电压至少在已经由容量调整时间计算装置所计算的执行容量调整所需的时间长度中超过预定旁路接合电压。
6.根据权利要求4的电池组容量调整装置，其中所述充/放电控制装置将用于电池组的目标充电率从第一目标充电率提高到第二目标充电率，以便保证所述多个电池的电压超过所述预定旁路接合电压。
7.根据权利要求6的电池组容量调整装置，其中所述预定旁路接合电压高于通过以第一目标充电率充/放电该电池组所获得的各电池之间的平均电压，并且等于或低于通过以第二目标充电率充/放电该电池组所获得的各电池之间的平均电压。
8.一种用于通过串联连接多个电池构成的电池组的电池组容量调整装置，包括检测多个电池的电池电压的电池电压检测装置；第一电压判断装置，用来进行有关在由电池电压检测装置检测的电池电压中是否存在电压低于预定低电压判断电压的电池的判断；第二电压判断装置，用来进行有关基于各电池电压确定的电压值是否高于预定门限值的判断；和容量调整判断装置，用于如果第一电压判断装置确定存在电压低于预定低电压判断电压的电池并且第二电压判断装置确定基于各电池电压确定的电压值高于预定门限值时，则确定需要对所述多个电池进行容量调整。
9.一种用于通过串联连接多个电池构成的电池组的电池组容量调整方法，包括步骤检测多个电池的电池电压；进行有关在已经被检测的电池电压中是否存在电压低于预定低电压判断电压的电池的判断；进行有关基于各电池电压确定的电压值是否高于预定门限值的判断；和如果判断存在电压低于预定低电压判断电压的电池并且判断基于各电池电压确定的电压值高于预定门限值，则确定需要对所述多个电池进行容量调整。
全文摘要
如果任意一电池的电压变得等于或低于低电压判断电压Vc1，并且基于电池组总电压计算的电池之间的平均电压高于预定电压电平，那么就确定在各电池之间已经发生了电压变化，并且需要进行容量调整。
文档编号H02J7/00GK1674401SQ20051005606
公开日2005年9月28日 申请日期2005年3月23日 优先权日2004年3月23日
发明者中田祐志 申请人:日产自动车株式会社