二次電池狀態檢測裝置及二次電池狀態檢測方法
2023-09-19 08:52:40 2
二次電池狀態檢測裝置及二次電池狀態檢測方法
【專利摘要】本發明能夠準確檢測二次電池的惡化程度，並且也能夠準確判定是否能夠起動發動機。在檢測被搭載於車輛中的二次電池的狀態的二次電池狀態檢測裝置(1)中具有：測定單元(電壓傳感器11、電流傳感器12、CPU10a)，其在發動機停止時測定二次電池的內部電阻的值；估計單元(CPU10a)，其在發動機起動時向起動電動機供給電力，由此估計起因於在二次電池的電解液中產生的離子擴散的擴散電阻的值；以及計算單元(CPU10a)，其將由測定單元測定出的內部電阻的值與由估計單元估計出的擴散電阻的值相加，根據相加得到的電阻值、在起動發動機時流過的起動電流、和二次電池的起動前電壓，計算發動機起動所需的電壓即起動電壓。
【專利說明】二次電池狀態檢測裝置及二次電池狀態檢測方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及二次電池狀態檢測裝置及二次電池狀態檢測方法。
【背景技術】
[0002]在專利文獻I中公開了這樣的技術，使二次電池進行大致矩形形狀的脈衝放電，對此時的響應電壓進行採樣，將其展開為正交的矩形波成分，根據所得到的係數和電流值計算二次電池的準阻抗(pseudo impedance),根據該準阻抗判定二次電池的惡化。
[0003]現有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2006 - 284537號公報
【發明內容】
[0006]發明要解決的問題
[0007]在專利文獻I公開的技術中，如果長時間持續脈衝放電，將導致二次電池的充電電平下降。並且，為了進行長時間放電而需要使用容量較大的電阻元件，因而導致裝置的尺寸變大。基於這些原因，脈衝放電的時間被限制在短時間內。
[0008]可是，在二次電池的電阻中存在如圖6所示類型的電阻。即，導體電阻、正/負極反應電阻、和擴散電阻。其中，導體電阻和正/負極反應電阻隨著二次電池的惡化而增加。擴散電阻不受二次電池的惡化的影響。
[0009]測定二次電池的內部電阻的最重要的目的在於檢測二次電池的惡化程度。通過將測定內部電阻時的放電時間設定為圖6所示的適合於惡化判定的範圍，能夠實現高精度的惡化程度檢測。
[0010]另一方面，在起動發動機時，放電時間將持續比測定內部電阻時長的時間(圖6所示的發動機起動時的放電時間)，因而如圖6所示內部電阻增加擴散電阻的量。
[0011]以估計發動機起動電壓為目的，提出了根據發動機起動時的電流、電壓響應來測定內部電阻的多種方法，但是存在不能準確檢測電池的惡化程度、在發動機起動時以外的情況下不能測定內部電阻等問題。
[0012]本發明的目的在於，提供一種二次電池狀態檢測裝置及二次電池狀態檢測方法，能夠準確檢測二次電池的惡化程度，並且也能夠準確判定是否能夠起動發動機。
[0013]用於解決問題的手段
[0014]為了達到上述目的，本發明的二次電池狀態檢測裝置檢測被搭載於車輛中的二次電池的狀態，其特徵在於，該二次電池狀態檢測裝置具有:測定單元，其在發動機停止時測定所述二次電池的內部電阻的值；估計單元，其在所述發動機起動時向起動電動機供給電力，由此估計起因於在所述二次電池的電解液中產生的離子擴散的擴散電阻的值；以及計算單元，其將由所述測定單元測定出的所述內部電阻的值與由所述估計單元估計出的所述擴散電阻的值相加，根據相加得到的電阻值、在起動所述發動機時流過的起動電流、和所述二次電池的起動前電壓，計算所述發動機起動所需的電壓即起動電壓。
[0015]根據這種結構，能夠準確檢測二次電池的惡化程度，並且也能夠準確判定是否能夠起動發動機。
[0016]另外，其它發明的特徵在於，在上述發明的基礎上，所述估計單元根據所述發動機起動時的放電電流、放電時間和所述二次電池的溫度，估計所述擴散電阻的值。
[0017]根據這種結構，能夠使用這三個參數準確求出擴散電阻。
[0018]另外，其它發明的特徵在於，在上述發明的基礎上，所述估計單元將所述放電電流、所述放電時間及所述二次電池的溫度中至少一個參數設為固定值，將其它參數設為可變值來估計所述擴散電阻的值，根據被設為所述固定值的參數來校正所得到的擴散電阻的值。
[0019]根據這種結構，通過將至少一個參數設為固定值，能夠利用簡單的關係式或者表求出擴散電阻。
[0020]另外，其它發明的特徵在於，在上述發明的基礎上，所述估計單元將所述溫度設為固定值，將所述放電電流和所述放電時間設為可變值，根據規定的溫度時的所述放電電流和所述放電時間估計所述擴散電阻的值，並且根據實測的所述二次電池的溫度校正所估計出的擴散電阻的值。
[0021]根據這種結構，通過將變動比較大的溫度設為固定的參數，能夠容易求出擴散電阻。
[0022]另外，本發明的二次電池狀態檢測方法用於檢測被搭載於車輛中的二次電池的狀態，其特徵在於，該二次電池狀態檢測方法包括:測定步驟，在發動機停止時測定所述二次電池的內部電阻的值；估計步驟，在所述發動機起動時向起動電動機供給電力，由此估計起因於在所述二次電池的電解液中產生的離子擴散的擴散電阻的值；以及計算步驟，將在所述測定步驟中測定的所述內部電阻的值與在所述估計步驟中估計出的所述擴散電阻的值相加，根據相加得到的電阻值、在起動所述發動機時流過的起動電流、和所述二次電池的起動前電壓，計算所述發動機起動所需的電壓即起動電壓。
[0023]根據這種方法，能夠準確檢測二次電池的惡化程度，並且也能夠準確判定是否能夠起動發動機。
[0024]發明效果
[0025]根據本發明，能夠提供一種二次電池狀態檢測裝置及二次電池狀態檢測方法，能夠準確檢測二次電池的惡化程度，並且也能夠準確判定是否能夠起動發動機。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是表示本發明的實施方式的二次電池狀態檢測裝置的結構例的圖。
[0027]圖2是表示圖1所示的控制部的具體結構例的框圖。
[0028]圖3是用於說明表示恆定擴散的關係的菲克第一定律的圖。
[0029]圖4是表示放電定律及放電時間與擴散電阻之間的關係的圖。
[0030]圖5是說明在圖1所示的實施方式中執行的處理的一例的流程圖。
[0031]圖6是表示各種內部電阻的基於放電時間的變化的圖。【具體實施方式】
[0032]下面，說明本發明的實施方式。
[0033](A)實施方式的結構的說明
[0034]圖1是表示具有本發明的實施方式的二次電池狀態檢測裝置的車輛的電源系統的圖。在該圖中，二次電池狀態檢測裝置I將控制部10、電壓傳感器11、電流傳感器12、溫度傳感器13、放電電路15作為主要的構成要素，檢測二次電池14的狀態。其中，控制部10參照來自電壓傳感器11、電流傳感器12、溫度傳感器13的輸出，檢測二次電池14的狀態。電壓傳感器11檢測二次電池14的端子電壓並通知控制部10。電流傳感器12檢測流過二次電池14的電流並通知控制部10。溫度傳感器13檢測二次電池14自身或者周圍的環境溫度並通知控制部10。放電電路15例如由被串聯連接的半導體開關和電阻元件等構成，通過由控制部10對半導體開關進行導通/截止控制，使二次電池14間斷地放電。控制部10根據在執行間斷式放電時的電壓和電流求出二次電池14的內部電阻。
[0035]二次電池14例如由液體式鉛蓄電池等構成，其正極(陽極板)使用二氧化鉛，負極(陰極板)使用海綿狀的鉛，電解液使用稀硫酸，通過交流發電機16進行充電，並且驅動起動電動機18而使發動機17起動，同時向負荷19供給電力。交流發電機16通過由發動機17進行驅動而產生交流電力，通過整流電路被轉換為直流電力，對二次電池14進行充電。
[0036]發動機17例如由汽油發動機或柴油發動機等往復式發動機、或者旋轉式發動機等構成，由起動電動機18進行驅動,通過變送器(transmission)對驅動輪進行驅動並對車輛提供推進力，並且通過驅動交流發電機16而產生電力。起動電動機18例如由直流電動機構成，藉助由二次電池14供給的電力產生旋轉力並起動發動機17。負荷19例如由電動轉向電機、除霧器、點火線圈、車載音頻、和車輛導航器等構成，藉助來自二次電池14的電力而進行動作。
[0037]圖2是表示圖1所示的控制部10的具體結構例的框圖。如該圖所示，控制部10具有 CPU (Central Processing Unit:中央處理單兀)10a、R0M (Read Only Memory:只讀存儲器)1 Ob、RAM (Random Access Memory:隨機存取存儲器)10c、定時器10d、通信部10e、I/F(Interface) IOf。其中，CPUlOa根據在ROMlOb中存儲的程序IOba控制各部分。ROMlOb由半導體存儲器等構成，存儲程序IOba等。RAMlOc由半導體存儲器等構成，存儲在執行程序IOba時生成的參數10ca。定時器IOd計時時間並進行輸出。通信部IOe通過通信線與其它裝置(例如，未圖示的E⑶(EngineControl Unit))等連接，與其它裝置之間傳遞信息。I/F10f將從電壓傳感器11、電流傳感器12、溫度傳感器13供給的信號轉換為數位訊號並讀取，並且向放電電路15供給驅動電流並對其進行控制。
[0038](B)實施方式的概略的動作的說明
[0039]下面，參照圖3?5說明實施方式的概略的動作。在本實施方式中，求出能夠起動發動機17的二次電池14的電壓即起動電壓。另外，起動電壓能夠根據下面的式(I)求出。
[0040]起動電壓=起動前電壓+起動電流X內部電阻......(I)
[0041]其中，起動前電壓是指對起動電動機18通電前的二次電池14的電壓，起動電流是指在起動電動機18旋轉時流過的電流，內部電阻是指二次電池14的內部的電阻成分。另夕卜,例如在發動機17停止時，通過放電電路15使二次電池14間斷地進行脈衝放電，將根據此時的電壓和電流而測定出的值、與利用後述的方法求出的擴散電阻相加，由此能夠得到內部電阻。並且，作為起動電流，優選採用在發動機17的轉動動力輸出軸(cranking)中除突入電流之外電壓最低的點、即起動電動機18的轉矩最大的點(下面稱為「最大轉矩點」)。另外，最大轉矩點例如能夠通過檢測電流的極小值來求出。
[0042]可是，在內部電阻中存在如圖6所示的導體電阻、正/負反應電阻和擴散電阻。其中，導體電阻是與電極板的電子傳導相關的電阻。正/負反應電阻是指在電解液和活性物質界面中的電荷的移動電阻。另外，擴散電阻是指二次電池的電解液中的離子(對於鉛蓄電池指硫酸離子)參與到充放電反應中，在放電時離子被活性物質消耗，電解液濃度下降，相反在充電時被釋放出來，電解液濃度上升。因此，在電極附近形成離子的濃度梯度(concentration gradient),由於該濃度梯度而產生的就是擴散電阻。如前面所述,在發動機17起動時擴散電阻增加，因而相比根據脈衝放電而測定出的內部電阻，內部電阻值增加擴散電阻的量。因此，在不考慮擴散電阻的情況下，基於內部電阻的電壓下降增大了擴散電阻的量，儘管在基於起動電壓Vs的判定中判定為能夠起動發動機17，但是產生不能起動發動機17的情況。
[0043]因此，在本實施方式中，估計擴散電阻，並將該擴散電阻與內部電阻相加，根據相加得到的值求出起動電壓。由此，能夠得到準確的起動電壓，因而能夠準確判定可否起動。
[0044]圖3是用於說明表示恆定擴散的關係的菲克第一定律的圖。在該圖中，橫軸表示位置，縱軸表示濃度。在該圖中，J表示擴散束或者流束(flux)，被定義為每單位時間在單位面積中通過的某種性質的量。例如，在質量通過的情況下，利用[Mm來賦值維數。D表示擴散係數，維數表示為[L-2T-1]，c表示濃度，維數為[ML—3]，X表示位置，維數為[L]。其中，擴散係數D根據溫度來確定，濃度斜率dc/dx根據放電時間和放電電流來確定。因此，在本實施方式中，根據發動機17起動時的二次電池14的放電電流、放電時間和溫度求出擴散電阻。
[0045]圖4是表示規定的溫度時的放電時間及放電電流與擴散電阻的關係的圖。如該圖4所示，擴散電阻在放電時間越長時越大，並且在電流越小時越大。在本實施方式中，例如求出過去數次起動時的放電電流的平均值和放電時間的平均值，根據這些平均值，從如圖4所示的曲線圖求出規定的溫度(例如25°C)時的擴散電阻，根據二次電池14的溫度校正該求出的擴散電阻，並且將通過校正而得到的擴散電阻的值與在發動機17停止時根據基於放電電路15的脈衝放電而求出的內部電阻的值相加，將相加得到的值代入前述的式(1)，由此求出準確的起動電壓。
[0046]下面，參照圖5說明本發明的實施方式的具體動作。圖5是說明在圖1所示的實施方式中執行的處理的一例的流程圖。在發動機17停止時按照規定的周期(例如每數小時或者每數日)執行圖5所示的流程。在執行該流程的處理時執行以下的步驟。
[0047]在步驟SI，CPUlOa通過I/F10f對放電電路15進行導通/截止控制，由此使二次電池14進行脈衝放電。具體地講，例如使二次電池14按照具有毫秒級的脈衝寬度的矩形脈衝進行放電。當然，也可以是除此以外的脈衝寬度。
[0048]在步驟S2，CPU10a通過電壓傳感器11和電流傳感器12取得脈衝放電時的電壓V和電流I。
[0049]在步驟S3，CPUlOa判定是否執行了規定的次數的脈衝放電，在判定為執行了規定的次數的脈衝放電的情況下(步驟S3:是)，進入步驟S4，在除此以外的情況下(步驟S3:否)，返回到步驟Si，反覆與前述情況時相同的處理。例如，在反覆了數十次脈衝放電的情況下，進入步驟S4。當然，也可以是除此以外的次數。
[0050]通過以上的步驟SI?S3的處理，通過放電電路15使二次電池14進行規定的次數的脈衝放電，並且通過電壓傳感器11和電流傳感器12測定此時的電壓V和電流I。
[0051]在步驟S4，CPUlOa根據在步驟SI?S3的反覆處理中測定出的脈衝放電時的二次電池14的電壓V和電流I，求出二次電池14的內部電阻R。另外，這樣求出的內部電阻R對應於圖6所示的導體電阻和正/負反應電阻的電阻。
[0052]在步驟S5，CPUlOa取得起動時放電電流Id。在此，起動時放電電流例如是指在發動機17起動時從二次電池14供給起動電動機18的電流的平均值。CPUlOa在發動機17起動時通過電流傳感器12測定起動時放電電流，並作為RAMlOc的參數IOca進行存儲。並且，在步驟S5，CPUlOa取得被存儲在RAMlOc中的起動時放電電流Id。另外，關於起動時放電電流Id，也可以使用數次起動的放電電流的平均值。
[0053]在步驟S6，CPUlOa取得起動時放電時間Td。在此，起動時放電時間Td例如是指在發動機17起動時從二次電池14向起動電動機18供給電流的時間。具體地講，CPUlOa在發動機17起動時通過定時器IOd測定起動時放電時間，並作為RAMlOc的參數IOca進行存儲。並且，在步驟S6，CPUlOa取得被存儲在RAMlOc中的起動時放電時間Td。另外，關於起動時放電時間Td，也可以使用數次起動的起動時間的平均值。
[0054]在步驟S7，CPUlOa根據在步驟S5、S6取得的起動時放電電流Id和起動時放電時間Td，計算擴散電阻Rd。具體地講，將圖4所示的表示規定的溫度(例如25°C )時的放電電流及放電時間與擴散電阻之間的關係的表或者關係式，作為RAMlOc的參數IOca進行存儲，根據表或者關係式取得與在步驟S5、S6取得的起動時放電電流Id和起動時放電時間Td對應的擴散電阻Rd的值。
[0055]在步驟S8，CPUlOa通過溫度傳感器13取得二次電池14自身或者其周圍的溫度Tc。
[0056]在步驟S9，CPUlOa根據在步驟S8取得的溫度Tc，校正在步驟S7計算出的擴散電阻Rd的值。具體地講，將表示溫度Tc與擴散電阻Rd的關係的表或者關係式作為RAMlOc的參數IOca進行存儲，根據在步驟S8取得的溫度Tc，校正在步驟S7求出的擴散電阻Rd的值。
[0057]在步驟S10，CPUlOa將在步驟S4求出的內部電阻R的值與在步驟S9進行了溫度校正的擴散電阻Rd的值相加，將相加得到的值作為內部電阻R重新進行存儲。由此，內部電阻R成為被加算了擴散電阻Rd的值。
[0058]在步驟Sll，CPUlOa取得起動前電壓Vb。在此，起動前電壓是指在起動發動機17以前的二次電池14的電壓。CPUlOa通過電壓傳感器11測定在發動機17起動前的電壓，並作為RAMlOc的參數IOca進行存儲。並且，在步驟Sll，CPUlOa取得被存儲在RAMlOc中的起動前電壓Vb。另外，關於起動前電壓，例如也能夠採用最近的放電電流大致為OA的時刻的電壓或者穩定電壓估計值。
[0059]在步驟S12，CPUlOa根據在步驟Sll取得的起動前電壓Vb、在步驟SlO被加算了校正後的擴散電阻Rd的內部電阻R、在步驟S5取得的起動時放電電流Id，求出起動電壓Vs ( = Vb+RXId)。另外，根據這樣求出的起動電壓Vs和二次電池14的電壓，能夠判定是否能夠起動發動機17或者是否需要更換二次電池14。這樣得到的判定結果例如能夠通過通信部IOe發送給未圖示的上位的裝置即E⑶等。
[0060]通過以上的處理，將由於在起動時流過起動電動機18的電流而產生的擴散電阻Rd與內部電阻R相加，根據相加得到的內部電阻R的值求出起動電壓Vs，因而能夠準確求出起動電壓Vs。
[0061 ] 並且，在以上的處理中，將變動比較大的溫度作為固定值，根據變動較小的起動時放電電流和起動時放電時間求出擴散電阻，根據實測的溫度校正所求出的擴散電阻，因而能夠使計算簡化，從而使處理高速化。
[0062]另外，在以上的實施方式中，求出將圖6所示的不受二次電池14的惡化的影響的擴散電阻Rd去除後的內部電阻R，並且根據該內部電阻R，基於與擴散電阻之和(R+Rd)而計算適合於估計起動電壓的內部電阻。由此，能夠一併做到通過使用前者的內部電阻R能夠準確進行二次電池14的惡化檢測，並且通過使用考慮了擴散電阻Rd的後者的內部電阻(R+Rd)能夠估計準確的起動電壓。
[0063](C)變形實施方式的說明
[0064]以上的實施方式僅是一例，當然本發明不限於如上所述的情況。例如，在以上的實施方式中根據脈衝放電來求出內部電阻R，但是也可以利用除此以外的方法求出。具體地講，例如能夠使交流電流流過二次電池14，根據此時的電壓求出內部電阻。
[0065]並且，在以上的實施方式中，將溫度Tc固定為規定的值，根據所取得的起動時放電電流Id和起動時放電時間Td求出擴散電阻Rd，但也可以是，將起動時放電電流Id或者起動時放電時間Td中一方固定為規定的值,根據表不它們中的另一方與溫度Tc的關係的表或者關係式求出擴散電阻Rd，然後根據被設為固定值的參數進行校正。更具體地講，也可以是，將起動時放電電流Id固定為規定的值，根據表示起動時放電時間Td與溫度Tc的關係的表或者關係式求出擴散電阻Rd，根據起動時放電電流Id的測定值校正所求出的值。或者，將起動時放電時間Td固定為規定的值，根據表示起動時放電電流Id與溫度Tc的關係的表或者關係式求出擴散電阻Rd，根據起動時放電時間Td的測定值校正所求出的值。另夕卜，以上是將一個參數固定，但也可以是，例如將兩個參數固定為規定的值來求出擴散電阻Rd，根據固定的參數的實測值校正擴散電阻Rd。
[0066]並且，關於起動時放電電流和起動時放電時間，也可以採用在各車輛中假定的最大的電流和時間。在這種情況下，能夠進一步簡化處理。
[0067]標號說明
[0068]I 二次電池狀態檢測裝置；10控制部；10a CPU(測定單元、估計單元、計算單元);IOb ROM5IOc RAM;10d定時器；IOe通信部；IOf I/F ; 11電壓傳感器(測定單元)；12電流傳感器(測定單元)；13溫度傳感器；14 二次電池；15放電電路；16交流發電機；17發動機；18起動電動機；19負荷。
【權利要求】
1.一種二次電池狀態檢測裝置，該二次電池狀態檢測裝置檢測被搭載於車輛中的二次電池的狀態，其特徵在於，該二次電池狀態檢測裝置具有: 測定單元，其在發動機停止時測定所述二次電池的內部電阻的值； 估計單元，其在所述發動機起動時向起動電動機供給電力，由此估計由所述二次電池的電解液中產生的離子擴散導致的擴散電阻的值；以及 計算單元，其將由所述測定單元測定出的所述內部電阻的值與由所述估計單元估計出的所述擴散電阻的值相加，根據相加得到的電阻值、在起動所述發動機時流過的起動電流、和所述二次電池的起動前電壓，計算所述發動機起動所需的電壓即起動電壓。
2.根據權利要求1所述的二次電池狀態檢測裝置，其特徵在於，所述估計單元根據所述發動機起動時的放電電流、放電時間和所述二次電池的溫度，估計所述擴散電阻的值。
3.根據權利要求2所述的二次電池狀態檢測裝置，其特徵在於，所述估計單元將所述放電電流、所述放電時間及所述二次電池的溫度中至少一個參數設為固定值，將其它參數設為可變值來估計所述擴散電阻的值，根據所述被設為固定值的參數來校正所得到的擴散電阻的值。
4.根據權利要求3所述的二次電池狀態檢測裝置，其特徵在於，所述估計單元將所述溫度設為固定值，將所述放電電流和所述放電時間設為可變值，根據規定的溫度時的所述放電電流和所述放電時間來估計所述擴散電阻的值，並且根據實測的所述二次電池的溫度來校正所估計出的擴散電阻的值。
5.—種二次電池狀態檢測方法，用於檢測被搭載於車輛中的二次電池的狀態，其特徵在於，該二次電池狀態檢測方法包括: 測定步驟，在發動機停止時測定所述二次電池的內部電阻的值； 估計步驟，在所述發動機起動時向起動電動機供給電力，由此估計起因於由所述二次電池的電解液中產生的離子擴散導致的擴散電阻的值；以及 計算步驟，將在所述測定步驟中測定出的所述內部電阻的值與在所述估計步驟中估計出的所述擴散電阻的值相加，根據相加得到的電阻值、在起動所述發動機時流過的起動電流、和所述二次電池的起動前電壓，計算所述發動機起動所需的電壓即起動電壓。
【文檔編號】G01R31/36GK103917885SQ201380003751
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年3月1日 優先權日:2012年3月3日
【發明者】佐藤悅藏, 杉村竹三, 渡邊勇一 申請人:古河電氣工業株式會社, 古河As株式會社