充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統的製作方法

2023-05-06 20:02:11

專利名稱：充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於充電率推斷方法及充電率推斷裝置的技術領域，且該充電率推斷方法及充電率推斷裝置用於推斷向負載提供電力的二次電池的充電率。
背景技術：
現有技術中一直有正確獲知搭載於汽車等之上的鉛蓄電池等二次電池的剩餘充電率方面的要求。在二次電池中，一般而言，充電率與穩定時的開路電壓(OCV: OpenCircuit Voltage)之間有相關,故求得開路電壓即能推斷充電率。但,二次電池的開路電壓不但需要在不進行充電或放電的狀態下進行，而且待充電或放電結束後開路電壓穩定之時需要很長一段時間。因此，提出了使用對開路電壓的時間特性進行近似的函數(電壓特性 式)來求取開路電壓的收斂值的方法(例如專利文獻I至3)。上述現有技術的方法中，開路電壓的電壓特性式全都具有調整參數，使用短時間測量到的開路電壓的測量值確定該調整參數。接著，採用運用了所確定的調整參數的電壓特性式來求取開路電壓的收斂值。以上述現有技術的方法求取二次電池的開路電壓的收斂值時，其精度依賴於電壓特性式的精度。一般而言，電壓特性式中會用到多項式函數和對數函數等，但這些函數難以對二次電池的開路電壓的時間特性進行高精度的近似，因而開路電壓的收斂值的誤差增大。對此，專利文獻4中將4次以上的指數衰減函數用於二次電池的開路電壓的近似計算，由此能高精度地近似開路電壓，並能高精度地推斷充電率。在將4次以上的指數衰減函數這樣的複雜非線性函數用於二次電池的開路電壓的近似計算的情況下，當使用電壓測量值最優化調整參數時，需要進行高斯-牛頓法、麥夸特法這樣的逐次運算或卡爾曼濾波運算這樣的濾波運算求得最小二乘法的最優解。即便是採用上述最優化調整參數的任一方法，也需要設置調整參數的初始值。根據其初始值，可能存在計算發散而無法得到調整參數的收斂值的可能性、或即使得到收斂值但花費相當長時間的問題。專利文獻4中提議了一種短時間內穩定確定調整參數的收斂值的方法。先行技術文獻專利文獻專利文獻I :特開平7-98367號公報專利文獻2 :特開2002-234408號公報專利文獻3 :特開2003-75518號公報專利文獻4 :特開2008-96328號公報但，上述現有技術的二次電池的充電率推斷方法中存在下述問題。專利文獻4的方法中只採用數據獲取期間的初期電壓測量值和即將結束前的電壓測量值來唯一地確定調整參數的初始值。因此，存在不合適的值被設為初始值的情況，此時，會導致調整參數的最優化計算無法收斂。即，如果二次電池停止充放電後的開路電壓的變化是在預先設想的電壓分布(緩慢下降或上升)範圍內，則調整參數的最優化是可能的，但因實際上車輛的充放電歷史是多種多樣的，有時會呈現設想範圍外的電壓曲線。作為一例，如圖9所示，存在電壓測量期間的途中發生電壓測量值的變化反轉的情況。專利文獻4的方法在這樣的電壓曲線的情況下也是根據數據獲取期間的初始電壓測量值和即將結束前的電壓測量值來確定調整參數的初始值，故調整參數的最優化無法收斂。

發明內容
因此，本發明為解決這些問題而形成，目的在於提供通過適當地設置能對二次電池的開路電壓的時間變化進行高精度近似的電壓特性式的調整參數的初始值、從而能夠在 短時間內穩定地確定調整參數的收斂值並推斷充電率的充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統。本發明的充電率推斷方法的第一形式以具有調整參數的電壓特性式對充放電結束後的二次電池的開路電壓(OCV :0pen Circuit Voltage)的時間變化進行近似,從所述電壓特性式計算所述二次電池的穩定時的開路電壓，從而推斷所述二次電池的充電率，其特徵在於，在所述二次電池的充放電結束後的規定的數據獲取期間中按規定的周期獲取m個(m為自然數)所述二次電池的開路電壓的測量值(下稱「電壓測量值」)，從所述m個電壓測量值中選擇規定的選擇定時下的電壓測量值作為選擇電壓測量值，基於所述選擇電壓測量值和所述選擇定時計算所述調整參數的初始值，從所述初始值開始逐步修正所述調整參數，使通過所述電壓特性式算出的開路電壓與所述m個電壓測量值的誤差最小的同時，計算其收斂值，將所述調整參數的收斂值用於所述電壓特性式，計算所述穩定時的開路電壓，從所述穩定時的開路電壓推斷所述二次電池的充電率。本發明的充電率推斷方法的另一形式其特徵在於，設所述調整參數為(Ai }(i=l n)、( Bi } (i=l n)、及Vc，n為4以上的整數，t為充放電結束後所經過的時間時，所述電壓特性式由V (t) = A1 exp (B1 t)) +A2 exp (B2 t) + +An exp(Bn t) +Vc提供,設(IDi } (i=l (n-1))為滿足I < Id1 < b2< Iv1且事先設為對應所述選擇定時的整數序列時，用由所述整數序列(h } (i=l (n-1))確定的所述選擇定時下的所述選擇電壓測量值計算所述調整參數(Ai } (i=l n)、{ Bi } (i=l n)、及Vc各自的所述初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi } (i=l n)、及VOc。本發明的充電率推斷方法的另一形式其特徵在於，所述整數序列(匕} (i = l (n-1))滿足(b「l) < Od2-Id1) < < (bn_「bn_2) < (m-D。本發明的充電率推斷方法的另一形式其特徵在於，設所述電壓測量值為(VMj }(j = I m)、所述電壓測量值的獲取周期為A t、C為事先設好的實數時，選擇所述數據獲取期間的最先獲得的電壓測量值VM1、以所述整數序列(匕} (i=l (n-1))為所述選擇定時的電壓測量值(VMk } (k=bi;i=l (n-1))及在數據獲取期間的最後獲得的選擇電壓測量值VMm作為所述選擇電壓測量值，並按照AO1 = VM1-VMk (k = b)
AOi = VMkk-VMk(kk = I^1、k = bj ；i = 2 (n_l))AOn = VMk-VMm (k = DBOi = -I/ (Xbi-I) XAtX C)(i = I (n_l))BOn =-l/((m_l) X A tXC)VOc = VMm 計算所述初始值(AOi } (i==l n)、( BOi } (i= = I n)、及 VOc。本發明的充電率推斷方法的另一形式其特徵在於，當所述電壓測量值(VMj } Cj==I m)在所述數據獲取期間中具有最大或最小的峰值時，由所述整數序列(匕} (i=l (n-1))求得最接近於所述峰值的時點jp的選擇定時bp並將所述選擇定時匕置換為所述峰值的時點jp來改變所述整數序列(h } (i=l (n-1))，用所述改變後的整數序列(匕} (i=l (n-1))計算所述初始值(AOi } (i=l n)及(BOi } (i=l n)。本發明的充電率推斷方法的另一形式其特徵在於，設所述電壓測量值為(VMj }(j=l m)、所述電壓測量值的獲取周期為At、C為事先設好的實數，所述電壓測量值(VMj} (j=l m)在所述數據獲取期間中具有最大或最小的峰值VM#時，選擇所述峰值的電壓
測量值VMjp、以使所述整數序列(匕} (i=l (n-1))改變(jp-1)後的整數序列(IAi }=(bj+jp-1 } (i=l (n-1))為所述選擇定時的電壓測量值(VMk } (k=bbi ；i=l (n-1))及在數據獲取期間的最後獲得的選擇電壓測量值VMm作為所述選擇電壓測量值，並按照AO1 = VMjp-VMk (k = b b:)AOi = VMkk-VMk(kk = bbj^> k = bbj ;i = 2 (n-1))AOn = VMk-VMm (k = UBOi = -I/ ((bbj-1) X A t X C) (i = I (n_l))BOn =-l/((m_l) X A tXC)VOc = VMm 計算所述初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi } (i=l n)、及 VOc。本發明的充電率推斷方法的另一形式其特徵在於，設所述電壓測量值為(VMj }(j = I m)、所述電壓測量值的獲取周期為A t、C為事先設好的實數，所述電壓測量值(VMj } (j = I m)在所述數據獲取期間中具有最大或最小的峰值VM#(j = jp)時，選擇所述峰值的電壓測量值VM#、以使所述整數序列(匕} (i=l (n-1))大體保持整數序列的間隔比率地在jp至m間移動後的整數序列(bq } = ( [ Cbi-I) X (m-jp)/ (m_l)+jp]的整數部} (i=l (n-1))為所述選擇定時的電壓測量值(VMk } (k=bCi ；i=l (n_l))及在數據獲取期間的最後獲得的選擇電壓測量值VMm作為所述選擇電壓測量值，並按照AO1 = VMjp-VMk (k = Idc1)AOi = VMkk-VMk(kk = k = bci ;i = 2 (n-1))AOn = VMk-VMm (k =BOi = -I/ ((bcj-1) XAtX C)(i = I (n_l))BOn = -l/((m-l) X A tXC)VOc = VMm 計算所述初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi } (i=l n)、及 VOc。 本發明的充電率推斷方法的另一形式其特徵在於，在使用了所述調整參數的所述收斂值的所述電壓特性式中代入預設的規定時間，從而計算所述二次電池穩定時的所述開路電壓。本發明的充電率推斷裝置的第一形式用於推斷二次電池的充電率，其特徵在於，包括電壓傳感器，推斷所述二次電池的電壓；控制部，執行並控制用於採用具有調整參數的電壓特性式推斷所述充電率的運算；以及存儲部，存儲所述電壓傳感器測量的電壓測量值和所述控制部在所述運算中使用的數據，所述控制部在所述二次電池的充放電結束後的規定的數據獲取期間中按規定的周期獲取m個(m為自然數)所述二次電池的開路電壓的測量值(下稱「電壓測量值」)，從所述m個電壓測量值中選擇規定的選擇定時下的電壓測量值作為選擇電壓測量值，基於所述選擇電壓測量值和所述選擇定時計算所述調整參數的初始值，從所述初始值開始逐步修正所述調整參數，使通過所述電壓特性式算出的開路電壓與所述m個電壓測量值的誤差最小的同時，計算其收斂值，將所述調整參數的收斂值用於所述電壓特性式，計算所述穩定時的開路電壓，並從所述穩定時的開路電壓推斷所述二次電池的充電率。本發明的充電率推斷裝置的另一形式其特徵在於，所述控制部在設所述調整參數為(Ai } (i=l n)、( Bi } (i=l n)、及Vc, n為4以上的整數,且t為充放電結束後所經過的時間時，用
V (t) = A1 exp (B1 t)) +A2 exp (B2 t) + +An exp (Bn t) +Vc 作為所述電壓特性式，並在設(h } (i=l (n-1))為滿足I < Id1 < b2〈…< Iv1且事先設為對應所述選擇定時的整數序列時，用由所述整數序列(h } (i=l (n-1))確定的所述選擇定時下的所述選擇電壓測量值計算所述調整參數(Ai } (i=l n)、{ Bi } (i=l n)、及Vc各自的所述初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi } (i=l n)、及VOc。本發明的二次電池電源系統的第一形式的特徵在於，包括二次電池；對所述二次電池進行充電的充電電路；及推斷所述二次電池的充電率的根據權利要求9或10所述的充電率推斷裝置。根據本發明，能夠提供通過適當地設置能對二次電池的開路電壓的時間變化進行高精度近似的電壓特性式的調整參數的初始值、從而能夠在短時間內穩定地確定調整參數的收斂值並推斷充電率的充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統。


圖I是用於說明本發明第一實施方式的充電率推斷方法的流程圖。圖2是本發明第一實施方式涉及的充電率推斷裝置及二次電池電源系統的大致結構框圖。圖3是表示充放電停止後的一例二次電池的開路電壓的曲線圖。圖4是用於說明調整參數的初始值確定方法的表示二次電池的開路電壓的變化的示意圖。圖5是用於說明根據本發明第二實施方法的充電率推斷方法的調整參數初始值計算方法的說明圖。圖6是用於說明本發明第二實施方式的充電率推斷方法的流程圖。圖7是用於說明根據本發明第三實施方法的充電率推斷方法的調整參數初始值計算方法的說明圖。圖8是用於說明本發明第三實施方式的充電率推斷方法的流程圖。圖9是表示電壓測量期間的途中發生電壓測量值反轉的一例的曲線圖。
具體實施例方式參照附圖，對本發明優選實施方式中的充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統的結構進行詳細說明。此外，為簡化圖示和說明，對於具有同一功能的各組成部分標註同一附圖標記。下面，對將本發明應用於搭載在汽車等車輛上的二次電池的情況進行描述，但並不局限於此。採用圖2說明本發明實施方式涉及的充電率推斷裝置及二次電池電源系統。圖2是表示本實施方式涉及的充電率推斷裝置101及二次電池電源系統100的大致結構的框圖。二次電池電源系統100可由二次電池110和用於推斷二次電池110的充電率的充電率推斷裝置101構成。充電率推斷裝置101包括測量二次電池110的電壓的電壓傳感器12 0、從電壓傳感器120輸入電壓測量值並推斷二次電池110的充電率的控制部130、及存儲控制部130所進行的運算中所用的數據等的存儲部140。電壓傳感器120用於在充放電結束後按規定周期測量二次電池110的開路電壓。控制部130在充放電結束後的規定的數據獲取期間中按規定周期從電壓傳感器120獲取開路電壓並將其保存在存儲部140。 二次電池電源系統100還可以構成為控制部130基於由控制部130所推斷的充電率進一步控制二次電池110的充電。圖2中示出構成為二次電池電源系統100還包括充電電路150、控制部130基於所推斷的充電率控制充電電路150進行二次電池110的充電的一例。將電機等負載10連接於像上述這樣構成的二次電池電源系統100上，從二次電池110向負載10供電。在汽車等車輛的情況下，例如採用鉛蓄電池作為二次電池110。控制部130由進行運算處理的CPU等構成，其在規定的定時下執行後述的用於推斷充電率的運算處理。連接於控制部130的存儲部140包括用於事先存儲控制程序等各種程序的ROM、用於存儲在控制部130的處理中用到的各種數據的RAM等。下面，對本發明第一實施方式的充電率推斷方法進行說明。本實施方式的充電率推斷方法用於在充電率推斷裝置101的控制部130中推斷二次電池110的充電率。一般而言，二次電池的充電率與二次電池穩定時的開路電壓具有強的相關關係，故一旦求出穩定時的開路電壓(下稱「穩定開路電壓」)，則可根據其推斷二次電池的充電率。但是，像搭載於車輛上的二次電池這樣，一旦頻繁地反覆充放電，則充電結束後開路電壓保持穩定的情況較少。進行充放電時二次電池內部產生極化，其在充放電結束後緩慢消失。待極化消失、二次電池穩定之時通常需要十幾個小時至數天的相當長的時間。因此，再次開始充放電多在二次電池充分穩定之前，二次電池的穩定開路電壓的測量變得相當困難。圖3中示出充放電結束後二次電池110的開路電壓的時間變化的一例。該圖中，橫軸表示充放電結束後所經過的時間t，縱軸表示二次電池110的開路電壓。同圖中，附圖標記11表示的開路電壓在充放電結束後單純下降，但經過了 30分鐘也未達到穩定開路電壓。因此，為測量穩定開路電壓，還需要等待充放電長時間停止後開路電壓變為穩定。此外，附圖標記12 15表不的開路電壓具有在充放電結束後暫時上升、待達到峰值之後再緩慢下降的趨勢，其仍然是經過了 30分鐘也未達到穩定開路電壓。如圖3所示，充放電結束後開路電壓的變化是多種多樣的，隨著那時的充放電狀態而不同。尤其，若充放電結束前二次電池進行了大的放電，則如圖3所示的表示開路電壓變化的附圖標記12 15這樣，存在充放電剛結束之後開路電壓暫時上升等趨勢。這時，開路電壓的峰值時點隨著充放電狀態而不同。因此，本實施方式的充電率推斷方法中，在控制部130中採用了能對充放電結束後二次電池110的開路電壓隨時間的變化進行高精度近似的電壓特性式。通過採用在充放電結束後的規定的數據獲取期間獲得的電壓測量值使電壓特性式進行最優近似，從而無需等待二次電池110穩定即可高精度推斷穩定開路電壓。圖3中的附圖標記20表示數據獲取期間的一例。數據獲取期間TD與充放電結束後開路電壓變為穩定所需的時間相比十分短，例如可設為30分鐘左右。下面，用VM^ (j = I m，m為自然數)表示在數據獲取期間TD中從電壓傳感器120獲得的電壓測量值。為了能夠採用充放電結束後一定期間(數據獲取期間TD)的電壓測量值VMj來高精度推斷二次電池110穩定時的穩定開路電壓，可用包含4次以上的指數衰減函數的下述近似式作為電壓特性式。此外，在以所要精度進行推斷即可等情況下，還可以採用2次、3次·指數衰減函數作為電壓特性式。.V (t) = A1 exp (B1 t)) +A2 exp (B2 t) + +An exp (Bn t) +Vc (I)在此，n是表示式(I)的指數衰減函數的次數的4以上的整數，t為充放電結束後所經過的時間，(Ai } (i=l n)、{ Bi } (i=l n)、且Vc為調整參數(擬合參數)。此外，在汽車等車輛上，即便是停止狀態放電也基本不會完全停止，持續為有極小電流、即暗電流流通的狀態。因此，無法測量嚴格意義上的開路電壓，將有暗電流流通狀態的電壓視為開路電壓。因充放電結束後的開路電壓如圖3所示呈現多樣的變化，所以為了具有4次以上指數衰減函數的電壓特性式(I)能對二次電池110的開路電壓的變化進行高精度近似，採用在充放電結束後的規定數據獲取期間中獲得的二次電池110的開路電壓的測量值來對式(I)的調整參數進行最優調整。然而，充放電結束後的開路電壓的變化因那時的充放電狀態而不同，尤其存在開路電壓呈現單純變化的情況和呈現具有峰值的變化的情況。因此，有時會發生調整參數的擬合計算發散，收斂需要花費很長時間。為了用不同變化趨勢的電壓測量值使式(I)的電壓特性式在短時間內高精度擬合，適當地選用式(I)中用到的調整參數的初始值是重要的。本實施方式的充電率推斷方法中，為適當確定調整參數的初始值，從電壓測量值{ VMj } (j = I m)中選出合適的測量定時下的電壓測量值(下稱「選擇電壓測量值」)並用其算出調整參數的初始值。除了將在數據獲取期間TD的最先獲得的電壓測量值VM1和在數據獲取期間TD的最後獲得的電壓測量值VMm用作選擇電壓測量值之外，還將由規定的整數序列(h } (i=l (n-1))指定的電壓測量值(VMk } (k=bi ；i=l (n_l))用作選擇電壓測量值。整數序列(bi } (i=l (n-1))是預設的整數序列，且為滿足下式的單純增加的整數。I < b: < b2 < < V1 < m(2)這時,通過下式計算調整參數A1 An各自的初始值AO1 A0n。
AO1 = VM1-VMk (k = b:)AO2 = VMkk-VMk(kk = k = b2) (3)AOn = VMk-VMm (k = D並且，通過下式計算調整參數B1 Bn各自的初始值BO1 B0n。BO1 = -I/((b「l) X A t X C)BO2 = -I/((b2-l) X A t X C) (4)
BOlri = -1/( (bn_「l) X A t X C)BOn = -I/(m-1) X A t X C)在此，C為事先設定的實數。進而，通過下式計算調整參數Vc的初始值VOc。VOc = VMm (5)下面，出於簡化的目的，將充放電結束後的開路電壓的電壓特性式設為含有下式的4次指數衰減函數的近似式。V (t) = A1 exp (B1 t)) +A2 exp (B2 t) +A3 exp (B3 t)) +A4 exp (B4 t) +Vc (6)這時，由下式給出調整參數A1 ApB1 B4、及Vc的初始值。AO1 = VM1-VMb1AO2 = VMb1-VMb2AO3 = VMb2-VMb3AO4 = VMb3-VMm (7)BO1 = -1/( (b「l) XAtXC)BO2 = -1/( (b2-l) X A t X C)BO3 = -1/( (b3-l) X A t X C)BO4 = -I/((m-1) XAt XC)VOc = VMm本實施方式中，將整數序列(匕} (i=l (n-1))設為還滿足下式。(bj-1) < (Id2-Id1) < < (bn_「bn_2) < OiHv1) (8)上式表示選擇電壓測量值的選擇定時的間隔在數據獲取期間TD的初期短，然後再慢慢延長。下面用圖4說明選擇電壓測量值的選擇定時。圖4是用於說明選擇電壓測量值的選擇定時的表示二次電池110的開路電壓的變化的示意圖。在此，放大顯示附圖標記20表示的數據獲取期間TD。並且，用附圖標記21表示開路電壓，用附圖標記22的〇標記表示用於調整參數的初始值計算的選擇電壓測量值。選擇電壓測量值22的選擇定時的間隔從數據獲取期間TD的初期開始向後期慢慢延長。優選選擇電壓測量值22的選擇定時對應開路電壓21的變化的大小(變化率)設置。即，如圖4所示，開路電壓21在數據獲取期間TD的初期有大的變化，越往後期變化越小。因此，在開路電壓21的變化大的數據獲取期間TD的初期將選擇電壓測量值22的選擇定時的間隔設置得小，隨著開路電壓21的變化變小，將選擇電壓測量值22的選擇定時的間隔延長即可。式(8)表示的是按上述這樣設置選擇電壓測量值22的選擇定時的間隔。當將次數n設為4時，整數序列(匕} (i=l 3)滿足下式。(b「l) < (Id2-Id1) < (b3_b2) < (m_b3) (9)如上所述，電壓特性式為4次(n=4)時，預先設置整數序列(匕} (i=l 3)，以在數據獲取期間TD的最先的電壓測量值VM1與最後的電壓測量值VMm之間選擇3 (=n-l)點的電壓測量值(VMk } (k=bi ;i=l 3)。由此，最先的電壓測量值VM1、電壓測量值(VMk }(k=b, ;i=l 3)、以及最後的電壓測量值￥1^這5點選擇電壓測量值(電壓區間為4)被用於調整參數A1 A4、B1 B4、及Vc的初始值的計算。此外，上面提到在無需以特別高的精度推斷充電率時，可將電壓特性式的次數設 為2次或3次，這時，可將整數序列(匕} (i=l (n-1))減至I點或2點(電壓區間分別為2或3)。採用滿足式(8)(次數n為4時是式(9))的選擇定時下選擇的電壓測量值VMp {VMk } (k=bi ;i=l (n-1))、以及VMm，由式(3) (5)(次數n為4時是式(7))計算調整參數的初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi } (i=l n)、及VOc。接著，從上述初始值開始逐步修正調整參數，以使式(I)(次數n為4時是式(6))的開路電壓V (t)與電壓測量值(VMj.} (j = I m)的誤差最小，從而算出調整參數的收斂值。將上述這樣算出的調整參數的收斂值用於電壓特性式(I)(次數n為4時是式
(6))，由此計算二次電池110的穩定開路電壓。穩定開路電壓由式(I)中將經過時間t設為無窮大時的值Vc提供。或者，也可以將預設的規定的電池電壓的穩定所需要的時間代入式(I)的t來計算穩定開路電壓。算出穩定開路電壓後，根據事先預置的穩定開路電壓與充電率的關係推斷與算出的穩定開路電壓相應的充電率。接著，用圖I所示的流程圖說明本實施方式的控制部130中所執行的二次電池110的充電率推斷方法的處理流程。圖I所示的運算處理主要是控制部130基於保存在存儲部140中的控制程序所執行的處理，其在二次電池電源系統100中二次電池110的充放電剛結束之後或結束後的規定定時下開始執行。在控制部130中，若請求充放電結束後進行充電率的推斷處理，則首先在步驟Sll中設置運算處理所需的參數。作為運算處理所需的參數，有從電壓傳感器120獲取電壓測量值時的採樣間隔A t、採樣獲取數m、用於計算電壓特性式(I)的調整參數的初始值的整數序列(h } (i=l (n-1))、以及用於計算調整參數(Bi } (i=l n)的初始值的實數C0步驟S 12中，按上述採樣間隔At從電壓傳感器120獲取電壓測量值(VMj }(j=l m)直至達到採樣獲取數m。將獲取的電壓測量值(VMj } (j=l m)依次存儲於存儲部140。步驟S 13中，從電壓測量值(VMj } (j=l m)中選擇調整參數(Ai } (i=l n)的初始值計算中所用的選擇電壓測量值VMp { VMk } (k=bi ;i=l (n-1))、以及VMm。步驟S 14中，採用選擇電壓測量值VM1' { VMk } (k=bi ;i=l (n-1))及VMni，由式
(3)計算調整參數(Ai } (i=l n)的初始值(AOi } (i=l n)。並且，步驟S 15中，採用整數序列(bi } (i=l (n-1))和實數C,由式(4)計算調整參數(Bi } (i=l n)的初始值(BOi } (i=l n)。進而，步驟S 16中，由式(5)計算調整參數Vc的初始值VOc。採用步驟S 14 S 16中確定的調整參數的初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi }(i=l n)及VOc，在接下來的步驟S 17中進行調整參數(Ai } (i=l n)、( Bi } (i=l n)及Vc的最優化。本實施例中以通過最小二乘法的最優化為前提加以描述，但用卡爾曼濾波運算等也完全沒有問題。步驟S17中，從步驟S14 S16中求得的初始值逐次更新調整參數(Ai } (i=l n)、{ Bi } (i=l n)及Vc,以使式(I)的電壓特性式(V Cti) } (j=l m)與步驟S12中從電壓傳感器120獲取的電壓測量值(VMj } (j=l m)的誤差分散最小。上述誤差分散由下式提供。其中，tj是與VMj對應的充放電結束後所經過的時間。S=E [V (tj) -VMj]2 (式 10)
步驟S 18中，使存儲部140保存通過步驟S17的最小二乘法求得的調整參數的收斂值(Ai } (i=l n)、{ Bi } (i=l n)及Vc,使其能夠用於電壓特性式(I)的計算。最後的步驟S19中，用最優化的調整參數Vc推斷二次電池110的充電率。當用電壓特性式(I)計算穩定開路電壓時，若在式(I)中增大t，則指數衰減項收斂為0，故穩定開路電壓與式(I)的常數項Vc相等。這樣，當採用式(I)作為二次電池110的電壓特性式時，可由式(I)的常數項Vc直接得到穩定時的開路電壓。並且，作為另一方法，也可以通過將預設的規定的電池電壓的穩定所需的時間代入已代入了最優化的調整參數的電壓特性式(I)來計算穩定開路電壓。綜上所述，在本實施方式中，通過在開路電壓的變化大的數據獲取期間的初期將選擇電壓測量值的選擇定時的間隔設置得短，並隨著開路電壓的變化變小而延長選擇電壓測量值的選擇定時的間隔，從而能在短時間內穩定地確定調整參數的收斂值。本發明的第二實施方式所涉及的充電率推斷方法用圖5來加以說明。圖5是用於說明本實施方式的充電率推斷方法中計算電壓特性式(I)的調整參數的初始值的方法的說明圖，其示意性示出二次電池110的開路電壓的變化。第一實施方式中將確定選擇電壓測量值的選擇定時的整數序列(h } (i=l (n-1))固定為事先設好的值加以使用，但本實施方式中與電壓測量值(VMj } (j = I m)的變化相一致地來調整(匕} (i=l (n-1))。本實施方式中，在取得電壓測量值(VMj } (j = I m)後，判斷(VMj } (j =I m)是單純地變化，還是呈現出在中途形成最大或最小的峰值的變化。若電壓測量值(VMj } (j = I m)是單純地變化，則與第一實施方式同樣，用事先設好的整數序列(匕}(i=l (n-1))計算調整參數(Ai } (i=l n)、{ Bi } (i=l n)的初始值。相對地，當{ VMj } (j = I m)呈現出形成峰值的變化時,如下述這樣調整整數序列(IDi } (i=l (n-1))。求取(VMj } (j = I m)為峰值時的電壓測量值VMj的j，將其設為jp。接著，從整數序列(h } (i=l (n-1))求得最接近於」？的匕，將其置換為jp。將像這樣調整後的整數序列設為{ hat } (i=l (n-1))。此外，除最接近於jp的h以外,仍設I^bai。採用該整數序列(ha! } (i=l (n-1)),從電壓測量值{VM」} (j = I m)中選擇選擇電壓測量值{ VMk } (k=bai ；i=l (n_l))。接著，在式(3)中,用選擇電壓測量值(VMk } (k=bai ;i=l (n-1))代替選擇電壓測量值(VMk } (k=bi ；i=l (n-1)),從而計算調整參數(Ai } (i=l n)的初始值(AOi } (i=l n)。並且，在式(4)中，用整數序列(b&i } (i=l (n_l))代替整數序列(bj } (i=l (n-1)),從而計算調整參數(Bi } (i=l n)的初始值(BOi } (i=l n)。下面，與第一實施方式同樣地最優化式(1)，用最優化的式(I)計算穩定開路電壓。進而，根據算出的穩定開路電壓推斷二次電池110的充電率。圖6中示出本實施方式的充電率推斷方法的處理流程圖。下面，圍繞著與示出第一實施方式的充電率推斷方法的處理流程的圖I不同的點進行說明。本實施方式的充電率推斷方法的處理流程中增加了步驟S21 S24。首先，在步驟S21中判斷電壓測量值(VM^ } (j = I m)是否具有峰值，具有峰值時進入步驟S22，反之，不具有峰值時進入步驟S13。步驟S22中，求取(VM^ } (j = I m)為峰值時的電壓測量值VMj的j，將其設為jp。接著，在步驟S23中從整數序列(匕} (i=l (n-1))求得最接近於」口的\，將其置換為jp，並將其設為整數序列(} (i=l (n-1))。此外，除最接近於jp的h以夕卜,仍設bfbap在步驟S24中，選擇電壓測量值(VMk } Ck^ai ；i=l (n-1))。下面，與第一實施方式同樣地依次執行步驟S14 S19的處理來推斷二次電池110的充電率。本實施方式中，因整數序列(b&i } (i=l (n-1))中任一個均被調整為與電壓測量值(VMj } (j = I m)的峰值一致，故可按電壓測量值VM^具有增加趨勢和減少趨勢劃分電壓特性式(I)的各指數衰減項使其最優化。結果，可在短時間內穩定地確定調整參數的收斂值。本發明的第三實施方式所涉及的充電率推斷方法用圖7來加以說明。圖7是用於說明本實施方式的充電率推斷方法中計算電壓特性式(I)的調整參數的初始值的方法的說明圖，其示意性示出二次電池HO的開路電壓的變化。本實施方式也與第二實施方式同樣，與電壓測量值(VMj } (j = I m)的變化相一致地來調整(匕} (i=l (n-1))。當(VMj } (j = I m)呈現出形成峰值的變化時,首先,與第二實施方式同樣,求取(VMj } (j = I m)為峰值時的電壓測量值VMj的j，將其設為jp。接著，在本實施方式中，求取使整數序列(bj } (i=l (n-1))移動(jp-1)後的整數序列(bj+jp-1 } (i=l (n-1))，將其設為整數序列(IAi } (i=l (n-1))。本實施方式中，用上述整數序列(IAi } (i=l (n-1))，從電壓測量值(VMj }
(j=l m)中選擇選擇電壓測量值(VMk } (k=bbi ;i=l (n-1))。接著,在式(3)中，用選擇電壓測量值VMjp、VMk (k=bbi ；i=l (n-1))代替選擇電壓測量值VM^ VMk Ck^i ；i=l(n-1)),從而計算調整參數(Ai } (i=l n)的初始值(AOi } (i=l n)。並且,在式(4)中，用整數序列(bbi } (i=l (n-1))代替整數序列(IDi } (i=l (n_l)),從而計算調整參數(Bi } (i=l n)的初始值(BOi } (i=l n)。下面，與第一實施方式同樣地最優化式(1)，用最優化的式(I)計算穩定開路電壓。進而，根據算出的穩定開路電壓推斷二次電池110的充電率。圖8中示出本實施方式的充電率推斷方法的處理流程圖。下面，圍繞著與示出第一實施方式的充電率推斷方法的處理流程的圖I不同的點進行說明。本實施方式的充電率推斷方法的處理流程中增加了步驟S31 S34。首先，在步驟S31中判斷電壓測量值(VM^ } (j=l m)是否具有峰值，具有峰值時進入步驟S32，反之，不具有峰值時進入步驟S 13。步驟S32中，求取(VM^ } (j=l m)為峰值時的電壓測量值VMj的j，將其設為jp。接著，在步驟S33中求取使整數序列(匕} (i=l (n-1))移動(jp-1)後的整數序列(bbj } (i=l (n-1))。在步驟S34中，從電壓測量值(VM^ } (j=l m)中選擇V#作為第一選擇電壓測量值的同時，選擇選擇電壓測量值VMk (k=bbi ；i=l (n-1))及VMm。步驟S37中，從步驟S14 S16中求得的初始值逐次更新調整參數(Ai } (i=l n)、{ Bi } (i=l n)及Vc，以使式(I)的電壓特性式V (t)與步驟S12中從電壓傳感器120獲取的電壓測量值(VMj } (j = jp m)的誤差分散最小。上述誤差分散由下式提供。S = E [V(tj) -VMj]2 (j = jp m)下面，與第一實施方式同樣地依次執行步驟S18 S19的處理來推斷二次電池110的充電率。 本實施方式中，從電壓測量值(VM^ } (j = I m)變為峰值的時點以後的單純減少時的電壓測量值中選擇用於調整參數的初始值計算的選擇電壓測量值。由此，只用單純減少的電壓測量值即可最優化電壓特性式(I)的各指數衰減項。其結果，可在短時間內簡單且穩定地確定調整參數的收斂值。下面將描述從電壓測量值(VMj } (j = I m)變為峰值VMjp的時點以後的單純減少時的電壓測量值中選擇用於調整參數的初始值計算的選擇電壓測量值的另一實施方式。上述第三實施方式中，為了從峰值時點以後的單純減少時的電壓測量值中選擇用於調整參數的初始值計算的電壓測量值，求取使整數序列(h } (i=l (n-1))移動(jp-1)後的整數序列(叫} (i=l (n-1))。這時，若bn-l與m的間隔小(差小)則bbn-l可能超出m0因此，本實施方式中，求取大體保持整數I與m間分布的整數序列(匕} (i=l (n-1))的間隔的比率(b「l) : Cb^b1)…(IiHv1)且在整數jp與m間分布的整數序列(bCi }。整數序列(bCi }如下式所示。{ bci } = { [ (bi-1) X (m-jp) / (m-1) +jp]的整數部} (i=l (n_l))上述整數序列(bq }分布於整數jp與m之間，不會超出m,故能選擇初始值計算所需的(n-1)個(包含jp與m在內則為(n+1)個)電壓測量值。用上述整數序列(bCi }，按照AO1 = VMjp-VMk (k = Idc1)AOi = VMkk-VMk(kk = k = bci ;i = 2 (n-1))AOn = VMk-VMm (k = bCn—)BOi = -I/ ((bcj-1) XAtX C)(i = I (n-1))BOn = -I/ ((m-1) X A t X C)VOc = VMm 計算初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi } (i=l n)及 VOc。上述各實施方式中，以電壓特性式(式I)包含4項指數衰減函數為例進行了說明，但不限於4項，也可以包含4項以上的指數衰減函數。並且，可對應二次電池的特性、劣化程度等適當變更二次電池的充放電結束後所進行的獲取電壓測量值等的個數和採樣間隔等。進而，對於作為事先設置的常數的整數序列(h } (i=l (n-1))和實數C，也可以根據二次電池的種類、溫度、劣化程度等進行選擇或計算。
綜上所述，根據本發明，能夠提供通過適當地設置能對二次電池的開路電壓的時間變化進行高精度近似的電壓特性式的調整參數的初始值、從而能夠在短時間內穩定地確定調整參數的收斂值並推斷充電率的充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統。並且，對於各種電壓曲線，能在短時間內(少的重複次數)使逐次計算收斂。由此，即便是例如計算處理能力有限的嵌入式軟體也能執行計算。此外，本實施方式中的描述展示的是本發明涉及的充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統的一個例子，其並不局限 於此。對於本實施方式中的充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統的詳細結構及詳細操作等，可在不脫離本發明的主旨的範圍內進行適當變更。附圖標記說明10 負載100 二次電池電源系統101充電率推斷裝置110 二次電池120電壓傳感器130控制部140存儲部150充電電路
權利要求
1.一種充電率推斷方法，以具有調整參數的電壓特性式對充放電結束後的二次電池的開路電壓(OCV :Open Circuit Voltage)的時間變化進行近似,從所述電壓特性式計算所述二次電池的穩定時的開路電壓，從而推斷所述二次電池的充電率，所述充電率推斷方法的特徵在於， 在所述二次電池的充放電結束後的規定的數據獲取期間中按規定的周期獲取m個(m為自然數)所述二次電池的開路電壓的測量值(下稱「電壓測量值」)， 從所述m個電壓測量值中選擇規定的選擇定時下的電壓測量值作為選擇電壓測量值， 基於所述選擇電壓測量值和所述選擇定時計算所述調整參數的初始值， 從所述初始值開始逐步修正所述調整參數，使通過所述電壓特性式算出的開路電壓與所述m個電壓測量值的誤差最小的同時，計算其收斂值， 將所述調整參數的收斂值用於所述電壓特性式，計算所述穩定時的開路電壓， 從所述穩定時的開路電壓推斷所述二次電池的充電率。
2.根據權利要求I所述的充電率推斷方法，其特徵在於， 設所述調整參數為(Ai } (i=l n)、( Bi } (i=l η)、及Vc, η為4以上的整數，t為充放電結束後所經過的時間時，所述電壓特性式由V (t) = A1 · exp (B1 · t)) +A2 · exp (B2 · t) + · ·+An · exp (Bn · t)+Vc 提供，設(IDi } (i=l (n_l))為滿足 I < Id1 < b2 < …< bn_i且事先設為對應所述選擇定時的整數序列時，用由所述整數序列(K } (i=l (η-l))確定的所述選擇定時下的所述選擇電壓測量值計算所述調整參數(Ai } (i=l n)、{ Bi }(i=l η)、及Vc各自的所述初始值(AOi } (i=l n)、( BOi } (i=l η)、及VOc。
3.根據權利要求2所述的充電率推斷方法，其特徵在於， 所述整數序列{ bi } (i=l (η-l))滿足(Id1-I) < Od2Hd1) < · · · < (bn_「bn_2)< (m-b^i)。
4.根據權利要求2或3所述的充電率推斷方法，其特徵在於， 設所述電壓測量值為(VMj } (j=l m)、所述電壓測量值的獲取周期為At、C為事先設好的實數時，選擇所述數據獲取期間的最先獲得的電壓測量值VM1、以所述整數序列(h} (i=l (η-l))為所述選擇定時的電壓測量值{ VMk } (k=bi ；i=l (n_l))及在數據獲取期間的最後獲得的選擇電壓測量值VMm作為所述選擇電壓測量值，並按照AO1 = VM1-VMk (k = bi)AOi = VMkk-VMk(kk = k = IDi ;i = 2 (n_l))AOn = VMk-VMm (k = V1)BOi = -I/ (Xbi-I) X AtXC) (i = I (n_l)BOn = -l/((m-l) X Δ t X C)VOc = VMm 計算所述初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi } (i=l η)、及VOc。
5.根據權利要求4所述的充電率推斷方法，其特徵在於， 當所述電壓測量值(VMj } (j=l m)在所述數據獲取期間中具有最大或最小的峰值時，由所述整數序列(h } (i=l (η-l))求得最接近於所述峰值的時點jp的選擇定時bi,並將所述選擇定時置換為所述峰值的時點jp來創建所述整數序列(bai } (i=l (η-l)), 用所述 整數序列(bai } (i=l (η-l))計算所述初始值(AOi } (i=l η)及(BOi} (i=l η)。
6.根據權利要求2或3所述的充電率推斷方法，其特徵在於， 設所述電壓測量值為(VMj } (j=l m)、所述電壓測量值的獲取周期為At、C為事先設好的實數，所述電壓測量值(VMj } (j=l m)在所述數據獲取期間中具有最大或最小的峰值，選擇所述峰值的電壓測量值VM#、以使所述整數序列(h } (i=l (η-l))改變(jp-Ι)後的整數序列(bbi } = ( bi+jp-1 } (i=l (η-l))為所述選擇定時的電壓測量值(VMk } (k=bbi ;i=l (η-l))及在數據獲取期間的最後獲得的選擇電壓測量值VMm作為所述選擇電壓測量值，並按照AO1 = VMjp-VMk (k = bb) AOi = VMkk-VMk(kk = k = bbj ;i = 2 (η-l)) AOn = VMk-VMm (k = UBOi = -I/ ((bbj-1) X Δ t X C) (i = I (n_l))BOn = -l/((m-l) X Δ t X C) VOc = VMm 計算所述初始值(AOi } (i=l n)、{ BOi } (i=l η)、及 VOc。
7.根據權利要求2或3所述的充電率推斷方法，其特徵在於， 設所述電壓測量值為(VMj } (j=l m)、所述電壓測量值的獲取周期為At、C為事先設好的實數，所述電壓測量值(VMj } (j=l m)在所述數據獲取期間中具有最大或最小的峰值，選擇所述峰值的電壓測量值VM#、以使所述整數序列(h } (i=l (η-l))大體保持整數序列的間隔比率地在jp至m間移動後的整數序列(bCi } = (〔 Cbi-D X(m-jp) / (m-1) +jp )的整數部} (i=l (n_l))為所述選擇定時的電壓測量值(VMk }(k=bCi ；i=l (η-l))及在數據獲取期間的最後獲得的選擇電壓測量值Vl作為所述選擇電壓測量值，並按照AO1 = VMjp-VMk (k = be) AOi = VMkk-VMk(kk = k = bci ;i = 2 (η-l))AOn = VMk-VMm (k = bcn)BOi = -I/ ((bcj-1) X Δ t X C) (i = I (η_1))BOn = -I/((m-1) X Δ tXC) VOc = VMm 計算所述初始值(AOi } (i=l η)、{ BOi } (i=l η)、及 VOc。
8.根據權利要求2至7中任一項所述的充電率推斷方法，其特徵在於， 在使用了所述調整參數的所述收斂值的所述電壓特性式中代入預設的規定時間，從而計算所述二次電池穩定時的所述開路電壓。
9.一種充電率推斷裝置，用於推斷二次電池的充電率，其特徵在於，包括 電壓傳感器，推斷所述二次電池的電壓； 控制部，執行並控制用於採用具有調整參數的電壓特性式推斷所述充電率的運算；以及 存儲部，存儲所述電壓傳感器測量的電壓測量值和所述控制部在所述運算中使用的數據， 所述控制部在所述二次電池的充放電結束後的規定的數據獲取期間中按規定的周期獲取m個(m為自然數)所述二次電池的開路電壓的測量值(下稱「電壓測量值」)，從所述m個電壓測量值中選擇規定的選擇定時下的電壓測量值作為選擇電壓測量值，基於所述選擇電壓測量值和所述選擇定時計算所述調整參數的初始值，從所述初始值開始逐步修正所述調整參數，使通過所述電壓特性式算出的開路電壓與所述m個電壓測量值的誤差最小的同時，計算其收斂值，將所述調整參數的收斂值用於所述電壓特性式，計算所述穩定時的開路電壓，並從所述穩定時的開路電壓推斷所述二次電池的充電率。
10.根據權利要求9所述的充電率推斷裝置，其特徵在於， 所述控制部在設所述調整參數為(Ai } (i=l n)、( Bi } (i=l η)、及Vc, η為4以上的整數，且t為充放電結束後所經過的時間時，用 V (t) = A1 · exp (B1 · t)) +A2 · exp (B2 · t) + · · +An*exp(Bn*t)+Vc作為所述電壓特性式,並在設(IDi } (i=l (n_l))為滿足I < Id1<132<唚< Iv1且事先設為對應所述選擇定時的整數序列時，用由所述整數序列(匕}(i=l (η-l))確定的所述選擇定時下的所述選擇電壓測量值計算所述調整參數(Ai }(i=l n)、{ Bi } (i=l η)、及 Vc 各自的所述初始值(AOi } (i=l η)、{ BOi } (i=l η)、及 VOc。
11.一種二次電池電源系統，其特徵在於，包括 二次電池； 對所述二次電池進行充電的充電電路；及 推斷所述二次電池的充電率的根據權利要求9或10所述的充電率推斷裝置。
全文摘要
本發明提供通過適當地設置能對二次電池的開路電壓的時間變化進行高精度近似的電壓特性式的調整參數的初始值、從而能夠在短時間內穩定地確定調整參數的收斂值並推斷充電率的充電率推斷方法、充電率推斷裝置及二次電池電源系統。步驟S 14中，採用選擇電壓測量值V1、VMbi((i=1～(n-1))及VMm計算調整參數Ai﹜(i=1～n的初始值AOi(i=1～n)。並且，步驟S 15中，採用整數序列bi(i=1～(n-1))和實數C計算調整參數Bi(i=1～n)的初始值BOi(i=1～n)。進而，步驟S16中，計算調整參數Vc的初始值VOc。
文檔編號G01R31/36GK102803980SQ20118001444
公開日2012年11月28日 申請日期2011年2月21日 優先權日2010年3月30日
發明者佐藤悅藏, 巖根典靖 申請人:古河電氣工業株式會社, 古河As株式會社