專利名稱：二次電池的控制系統(tǒng)以及裝載有該控制系統(tǒng)的混合動(dòng)力車輛的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二次電池的控制系統(tǒng)以及裝載有該控制系統(tǒng)的混合動(dòng)力車 輛，更具體地說涉及使用了能夠動(dòng)態(tài)地推定出電池的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型 的二次電池的充放電控制。
背景技術(shù)：
以往使用通過能夠進(jìn)行充放電的二次電池向負(fù)載設(shè)備提供電源、并且 能夠根據(jù)需要對(duì)該二次電池進(jìn)行充電的電源系統(tǒng)。代表性的是將通過二次 電池而被驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力源的混合動(dòng)力車輛或電動(dòng)車輛等裝載有 該電源系統(tǒng)。例如，電動(dòng)車輛使用該二次電池所蓄積的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 并驅(qū)動(dòng)車輛。另外，混合動(dòng)力車輛使用該二次電池所蓄積的電力來驅(qū)動(dòng)電 動(dòng)機(jī)并驅(qū)動(dòng)車輛，或者通過電動(dòng)機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛。燃料電池車輛 使用燃料電池的電力來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)并驅(qū)動(dòng)車輛，或者除了該燃料電池的電 力之外還使用二次電池所蓄積的電力來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)并驅(qū)動(dòng)車輛。
特別是在能夠通過裝載在車輛上的內(nèi)燃機(jī)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)而產(chǎn)生電力并 通過該電力對(duì)二次電池進(jìn)行充電的方式的混合動(dòng)力車輛中，為了使二次電 池能夠接收再生電力、并且如果有要求的話二次電池能夠直接向電動(dòng)機(jī)供
電，需要將二次電池的充電量(SOC: State of Charge)控制在滿充電的狀 態(tài)(100%)與完全未充電的狀態(tài)(0%)的大致中間附近(50 60%)。
另外， 一旦二次電池進(jìn)行了過充電或過放電的話，電池性能會(huì)劣化并 導(dǎo)致壽命縮短。因此，在如上所述將中間的SOC作為控制目標(biāo)而反復(fù)地進(jìn) 行充放電的二次電池的使用方式中，需要進(jìn)行逐次地掌握二次電池的充電 量并限制過度的充放電的充放電控制。
因此，在日本專利文獻(xiàn)特開2003—346919號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)1)、特 開2000 — 100479號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)、特開平11—204149號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)3)、以及特開2000—268886號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)4)中提出了以下 控制方式不僅通過充放電電流和輸出電壓(端子間電壓)等來宏觀地掌 握電池狀態(tài)，而且根據(jù)對(duì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的動(dòng)態(tài)推定來掌握電池狀 態(tài)，其中最主要的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)是形成二次電池的活性物質(zhì)內(nèi)的離 子濃度分布。特別是對(duì)于鋰離子電池，在"W.B. Gu and C.Y. Wang，
"THERMAL-ELECTROCHEMICAL COUPLED MODELING OF A LITHIUM-ION CELL" ， ECS Proceedings Vol.99 —25 (1 ) ， pp 743-762
(以下稱為非專利文獻(xiàn)1)"中公開了能夠推定出電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng) 的電池模型式。

發(fā)明內(nèi)容
為了動(dòng)態(tài)地推定出上述二次電池的內(nèi)部狀態(tài)，需要分析電極(活性物 質(zhì))和離子導(dǎo)體(代表性地為電解液)的界面處的電化學(xué)反應(yīng)并分析通過 該電化學(xué)反應(yīng)形成的物質(zhì)(或離子)在電極和離子傳導(dǎo)體的內(nèi)部的物質(zhì)遷 移(擴(kuò)散現(xiàn)象)。
在進(jìn)行該分析時(shí)，在上述專利文獻(xiàn)1 4和非專利文獻(xiàn)1中，用于分
析物質(zhì)遷移的擴(kuò)散方程式的邊界條件被設(shè)定成使得物質(zhì)遷移的驅(qū)動(dòng)力由 于濃度差而產(chǎn)生，具體地說即作為分析對(duì)象的物質(zhì)(或離子)濃度的空間 方向的微分與通過界面處的電極反應(yīng)而產(chǎn)生的反應(yīng)電流成比例。
但是，在該邊界條件下，界面處的反應(yīng)量由濃度差決定，與現(xiàn)實(shí)中的 電池運(yùn)行情況不符。特別是在充分地遲豫了電池而不存在濃度差的狀態(tài) 下，根據(jù)采用了上述邊界條件的電池模型，不產(chǎn)生電流，因此需要在算法 上進(jìn)行隨意的處理。因此，會(huì)導(dǎo)致對(duì)電池內(nèi)部狀態(tài)的分析產(chǎn)生隨意性，其 分析精度可能會(huì)產(chǎn)生問題。
本發(fā)明是為了解決該問題而完成的，其目的在于提供一種能夠根據(jù)恰 當(dāng)?shù)卦O(shè)定了邊界條件的電池模型來執(zhí)行恰當(dāng)?shù)某浞烹娍刂频亩坞姵氐目?制系統(tǒng)以及裝載有該控制系統(tǒng)的混合動(dòng)力車輛。
本發(fā)明提供一種二次電池的控制系統(tǒng)，所述二次電池構(gòu)成為能夠在該 二次電池與負(fù)載之間授受電力，所述控制系統(tǒng)包括電池狀態(tài)推定部、電池信息生成部、負(fù)載控制部。二次電池包括第一電極和第二電極，分別包 括活性物質(zhì)，該活性物質(zhì)包括以固相存在的預(yù)定物質(zhì)；以及離子導(dǎo)體，設(shè) 置在第一電極與第二電極之間。離子導(dǎo)體構(gòu)成為在電極之間傳導(dǎo)離子化了 的預(yù)定物質(zhì)。電池狀態(tài)推定部構(gòu)成為根據(jù)設(shè)置在二次電池中的傳感器的 檢測(cè)值，按照能夠動(dòng)態(tài)地推定出二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型，逐次計(jì) 算出表示電池狀態(tài)的狀態(tài)推定值。電池信息生成部構(gòu)成為根據(jù)由電池狀 態(tài)推定部計(jì)算出的狀態(tài)推定值，生成用于二次電池的充放電限制的電池信 息。負(fù)載控制部構(gòu)成為根據(jù)對(duì)負(fù)載的動(dòng)作要求，考慮由電池信息生成部 生成的電池信息，生成對(duì)負(fù)載的動(dòng)作指令，使得能夠避免二次電池的過充 電和過放電。并且，電池狀態(tài)推定部包括第一至第四模型部和邊界條件設(shè) 定部。第一模型部構(gòu)成為推定在各電極中的活性物質(zhì)與離子導(dǎo)體的界面 處的預(yù)定物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)。第二模型部構(gòu)成為根據(jù)擴(kuò)散方程式來推定 出各電極內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)的濃度分布。第三模型部構(gòu)成為根據(jù)擴(kuò)散方程式 來推定出離子導(dǎo)體內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)的離子濃度分布。第四模型部構(gòu)成為根 據(jù)電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)電流來推定出按照在各電極和離子導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電流 分布而形成的電位分布。邊界條件設(shè)定部構(gòu)成為根據(jù)預(yù)定物質(zhì)的濃度的 時(shí)間微分和反應(yīng)電流之間的預(yù)定的關(guān)系式來設(shè)定在第二模型部中使用的擴(kuò) 散方程式的界面的邊界條件。
優(yōu)選的是，當(dāng)通過球狀模型表示的活性物質(zhì)內(nèi)的各點(diǎn)處的預(yù)定物質(zhì)的 濃度為&、各點(diǎn)與中心之間的距離為r、活性物質(zhì)的半徑為V活性物質(zhì)的 體積分率為、、時(shí)間為t、反應(yīng)電流為ju、活性物質(zhì)的表面積為as、法拉 第常數(shù)為F時(shí)，預(yù)定的關(guān)系式由下式表示
^1 =丄 (r=rs)，
其中所述球狀模型假定了預(yù)定物質(zhì)的濃度在周向上是均勻的。 根據(jù)上述二次電池的控制系統(tǒng)，能夠按照以下方式用公式來表示電極
界面處的邊界條件物質(zhì)遷移的驅(qū)動(dòng)力(時(shí)間軸上)不是由于位置性(空 間性)的物質(zhì)濃度差而產(chǎn)生的，而是由于與電化學(xué)平衡狀態(tài)之間的偏差而 產(chǎn)生的。因此，即使當(dāng)從充分地遲豫了電池而不存在濃度差的狀態(tài)開始產(chǎn)生充放電電流時(shí)，也能夠在不進(jìn)行隨意的處理的情況下動(dòng)態(tài)地推定出二次 電池的內(nèi)部狀態(tài)。結(jié)果，能夠提高通過電池模型進(jìn)行的對(duì)二次電池的內(nèi)部 狀態(tài)的推定的精度，并使用作為該電池模型的計(jì)算結(jié)果的狀態(tài)推定值來執(zhí) 行恰當(dāng)?shù)某浞烹娍刂啤?br> 優(yōu)選的是，電池信息包括二次電池能夠進(jìn)行輸入輸出的上限功率。并 且，電池信息生成部根據(jù)二次電池內(nèi)部的各部位的狀態(tài)推定值的分布來設(shè) 定上限功率，負(fù)載控制部在小于等于由電池信息生成部設(shè)定了的上限功率 的范圍內(nèi)生成對(duì)負(fù)載的動(dòng)作指令。
通過如上構(gòu)成，能夠通過電池模型推定出二次電池的內(nèi)部反應(yīng)、即電 池內(nèi)各部位的活性物質(zhì)的利用度分布和溫度分布，從而能夠設(shè)定二次電池 的可輸入輸出功率。因此，能夠恰當(dāng)?shù)叵拗贫坞姵氐某浞烹?，使得能?避免會(huì)導(dǎo)致局部的電池劣化的現(xiàn)象。
另外，優(yōu)選的是，二次電池的控制系統(tǒng)還包括參數(shù)確定模型部和參數(shù) 管理部。參數(shù)確定模型部構(gòu)成為根據(jù)傳感器的檢測(cè)值來確定在電池模型 中使用的參數(shù)。參數(shù)管理部構(gòu)成為在由傳感器檢測(cè)出的、表示二次電池 的實(shí)際的運(yùn)行情況的檢測(cè)值與基于電池狀態(tài)預(yù)測(cè)部的預(yù)測(cè)值而得到的運(yùn)行 情況的預(yù)測(cè)值的差大于預(yù)定值的情況下，對(duì)于由參數(shù)確定模型部確定了的 參數(shù)，將在電池模型中使用的參數(shù)值更新為通過參數(shù)確定模型部得到的確 定值。
通過如上構(gòu)成，在二次電池的實(shí)際的運(yùn)行情況與通過電池模型得到的 預(yù)測(cè)的偏差大的情況下，能夠逐次地更新電池模型的參數(shù)。由此，能夠更 加準(zhǔn)確地掌握電池的內(nèi)部狀態(tài)，因此能夠最大限度地利用當(dāng)時(shí)時(shí)點(diǎn)的電池 性能。另外，能夠進(jìn)行進(jìn)一步防止了局部劣化和熱失控的充放電限制。
并且，優(yōu)選的是，參數(shù)管理部在更新參數(shù)值時(shí)，通過對(duì)進(jìn)行更新的參 數(shù)值和預(yù)先求出的、伴隨著二次電池的使用而形成的該參數(shù)值的劣化特性 進(jìn)行比較來進(jìn)行對(duì)二次電池的劣化推定。
通過如上構(gòu)成，能夠隨著參數(shù)更新來進(jìn)行二次電池的剩余壽命判定并 通知給使用者。由此，能夠有效地利用二次電池并提高了使用者的使用方 便性。
11或者，優(yōu)選的是，電池信息生成部根據(jù)由電池狀態(tài)推定部推定出的當(dāng) 前的狀態(tài)推定值，作為電池信息而預(yù)測(cè)出二次電池從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始能夠持 續(xù)地輸入輸出預(yù)定功率的時(shí)間。并且，負(fù)載控制部考慮作為電池信息而預(yù) 測(cè)出的能夠持續(xù)地輸入輸出預(yù)定功率的時(shí)間，生成對(duì)負(fù)載的動(dòng)作指令，使 得能夠避免二次電池的過充電和過放電。
通過如上構(gòu)成，能夠使用通過上述電池模型計(jì)算出的當(dāng)前的狀態(tài)推定 值來預(yù)測(cè)出從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始能夠持續(xù)地以預(yù)定功率進(jìn)行充放電的可輸入輸 出時(shí)間。結(jié)果，能夠根據(jù)當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)求出對(duì)于輸入輸 出功率的可輸入輸出時(shí)間的特性。因此，能夠根據(jù)該特性來進(jìn)行階段性地 設(shè)定了充放電限制的充放電控制，使得能夠避免過充電和過放電并最大限 度地發(fā)揮電池性能。
另外，優(yōu)選的是，電池信息生成部根據(jù)由電池狀態(tài)推定部推定出的當(dāng) 前時(shí)點(diǎn)的狀態(tài)推定值，作為電池信息而預(yù)測(cè)出在二次電池從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始 持續(xù)地輸入輸出了預(yù)定功率的情況下的該二次電池的劣化率。并且，負(fù)載 控制部考慮作為電池信息而預(yù)測(cè)出的劣化率，生成對(duì)負(fù)載的動(dòng)作指令。
通過如上構(gòu)成，能夠使用通過上述電池模型計(jì)算出的當(dāng)前的狀態(tài)推定 值而求出在以預(yù)定功率持續(xù)地進(jìn)行了充放電的情況下的預(yù)測(cè)劣化率。因 此，能夠恰當(dāng)?shù)胤从吵龈鲿r(shí)點(diǎn)的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)，考慮使劣化不會(huì)由 于二次電池的過充電或過放電而急劇加劇來進(jìn)行二次電池的充放電限制。
另外，優(yōu)選的是，二次電池的控制系統(tǒng)還包括劣化度推定部。劣化度 推定部構(gòu)成為根據(jù)傳感器的檢測(cè)值推定出二次電池的劣化度或剩余壽 命。并且，負(fù)載控制部考慮由劣化度推定部推定出的劣化度或剩余壽命而 求出在當(dāng)前時(shí)點(diǎn)被允許的劣化率范圍，并且限制在使得作為電池信息而預(yù) 測(cè)出的劣化率處于劣化率范圍內(nèi)的二次電池的充放電功率的范圍內(nèi)來生成 對(duì)負(fù)載的動(dòng)作指令。
通過如上構(gòu)成，能夠根據(jù)當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的二次電池的劣化度或剩余壽命而 改變被允許的劣化率的范圍。因此，能夠反映出當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的二次電池的劣 化度，考慮使得劣化不會(huì)急劇加劇、電池壽命不會(huì)縮短來進(jìn)行二次電池的 充放電限制。優(yōu)選的是，在本發(fā)明的二次電池的控制系統(tǒng)中，二次電池由鋰離子電 池構(gòu)成，預(yù)定物質(zhì)為鋰。
通過如上構(gòu)成，由于以輸出特性根據(jù)電極內(nèi)部的鋰濃度分布狀態(tài)而不 同的鋰離子電池為控制對(duì)象，因此通過如本發(fā)明那樣在通過電池模型推定 出電池的內(nèi)部反應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行充放電控制，能夠避免過充電和過放電并 最大限度地發(fā)揮電池性能。
本發(fā)明的混合動(dòng)力車輛包括內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)，分別構(gòu)成為能夠產(chǎn)生 車輛的驅(qū)動(dòng)力；控制裝置，決定由內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別輸出的驅(qū)動(dòng)力，使 得能夠確保車輛整體的要求驅(qū)動(dòng)力；二次電池，構(gòu)成為能夠在該二次電池 與電動(dòng)機(jī)之間授受電力；以及二次電池的充放電控制裝置。并且，二次電 池包括第一電極和第二電極，分別包括活性物質(zhì)，該活性物質(zhì)包括以固 相存在的預(yù)定物質(zhì)；以及離子導(dǎo)體，設(shè)置在第一電極與第二電極之間，用 于在電極之間傳導(dǎo)離子化了的預(yù)定物質(zhì)。充放電控制裝置包括電池狀態(tài)推 定部和電池信息生成部。電池狀態(tài)推定部構(gòu)成為二次電池中的傳感器的 檢測(cè)值，按照能夠動(dòng)態(tài)地推定出二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型，逐次計(jì) 算出表示電池狀態(tài)的狀態(tài)推定值。電池信息生成部構(gòu)成為根據(jù)電池狀態(tài) 推定部計(jì)算出的狀態(tài)推定值，生成用于二次電池的充放電限制的電池信 息。并且，電池狀態(tài)推定部包括第一至第四模型部和邊界條件設(shè)定部。第 一模型部構(gòu)成為推定在各電極中的活性物質(zhì)與離子導(dǎo)體的界面處的預(yù)定 物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)。第二模型部構(gòu)成為根據(jù)擴(kuò)散方程式來推定出各電極 內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)的濃度分布。第三模型部構(gòu)成為根據(jù)擴(kuò)散方程式來推定出 離子導(dǎo)體內(nèi)的預(yù)定物質(zhì)的離子濃度分布。第四模型部構(gòu)成為根據(jù)電化學(xué) 反應(yīng)的反應(yīng)電流來推定出按照在各電極和離子導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電流分布而形 成的電位分布。邊界條件設(shè)定部構(gòu)成為根據(jù)預(yù)定物質(zhì)的濃度的時(shí)間微分 和反應(yīng)電流之間的預(yù)定的關(guān)系式來設(shè)定在第二模型部中使用的擴(kuò)散方程式 的界面的邊界條件。
優(yōu)選的是，當(dāng)通過球狀模型表示的活性物質(zhì)內(nèi)的各點(diǎn)處的預(yù)定物質(zhì)的
濃度為&、各點(diǎn)與中心之間的距離為r、活性物質(zhì)的半徑為rs、活性物質(zhì)的 體積分率為e s、時(shí)間為t、反應(yīng)電流為f、活性物質(zhì)的表面積為as、法拉
13第常數(shù)為F時(shí)，預(yù)定的關(guān)系式由下式表示-，=丄 (r = rs)，
其中所述球狀模型假定了預(yù)定物質(zhì)的濃度在周向上是均勻的。
另外，優(yōu)選的是，在混合動(dòng)力車輛中，電池信息包括二次電池能夠進(jìn) 行輸入輸出的上限功率。并且，電池信息生成部根據(jù)二次電池內(nèi)部的各部 位的狀態(tài)推定值的分布來設(shè)定所述上限功率，控制裝置在小于等于由電池 信息生成部設(shè)定了的上限功率的范圍內(nèi)生成電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令值。
或者，優(yōu)選的是，在混合動(dòng)力車輛中，充放電控制裝置還包括參數(shù)確 定模型部和參數(shù)管理部。參數(shù)確定模型部構(gòu)成為根據(jù)傳感器的檢測(cè)值來 確定在電池模型中使用的參數(shù)。參數(shù)管理部構(gòu)成為在由傳感器檢測(cè)出 的、表示二次電池的實(shí)際的運(yùn)行情況的檢測(cè)值與基于電池狀態(tài)預(yù)測(cè)部的預(yù) 測(cè)值而得到的運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)值的差大于預(yù)定值的情況下，對(duì)于由參數(shù)確 定模型部確定了的參數(shù)，將在電池模型中使用的參數(shù)值更新為通過參數(shù)確 定模型部得到的確定值。
并且，優(yōu)選的是，在混合動(dòng)力車輛中，參數(shù)管理部在更新參數(shù)值時(shí)， 通過對(duì)進(jìn)行更新的參數(shù)值和預(yù)先求出的、伴隨著二次電池的使用而形成的 該參數(shù)值的劣化特性進(jìn)行比較來進(jìn)行對(duì)二次電池的劣化推定。
另外，優(yōu)選的是 ，在混合動(dòng)力車輛中，電池信息生成部根據(jù)由電池狀 態(tài)推定部推定出的當(dāng)前的狀態(tài)推定值，作為電池信息而預(yù)測(cè)出二次電池從 當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始能夠持續(xù)地輸入輸出預(yù)定功率的時(shí)間。并且，控制裝置考慮 作為電池信息而預(yù)測(cè)出的能夠持續(xù)地輸入輸出預(yù)定功率的時(shí)間，生成電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令值，使得能夠避免二次電池的過充電和過放電。
或者，優(yōu)選的是，在混合動(dòng)力車輛中，電池信息生成部根據(jù)由電池狀 態(tài)推定部推定出的當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的狀態(tài)推定值，作為電池信息而預(yù)測(cè)出在二次 電池從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始持續(xù)地輸入輸出了預(yù)定功率的情況下的該二次電池的 劣化率。并且，控制裝置考慮作為電池信息而預(yù)測(cè)出的劣化率，生成電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令值。
另外，優(yōu)選的是，在混合動(dòng)力車輛中，充放電控制裝置還包括根據(jù)傳感器的檢測(cè)值推定出二次電池的劣化度或剩余壽命的劣化度推定部。并 且，控制裝置考慮由劣化度推定部推定出的劣化度或剩余壽命而求出在當(dāng) 前時(shí)點(diǎn)被允許的劣化率范圍，并且限制在使得作為電池信息而預(yù)測(cè)出的劣 化率處于劣化率范圍內(nèi)的二次電池的充放電功率的范圍內(nèi)來生成電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩指令值。
優(yōu)選的是，在混合動(dòng)力車輛中，二次電池由鋰離子電池構(gòu)成，預(yù)定物 質(zhì)為鋰。
根據(jù)上述混合動(dòng)力車輛，通過裝載上述二次電池的充放電系統(tǒng)，能夠 在對(duì)以電動(dòng)機(jī)為負(fù)載的二次電池進(jìn)行充放電限制以使二次電池不會(huì)進(jìn)行過 充電、過放電或者發(fā)生急速的劣化的加劇的基礎(chǔ)上，確保車輛整體的要求 驅(qū)動(dòng)力。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定可動(dòng)態(tài)地推定出二次電池 的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型式的邊界條件而能夠根據(jù)該電池模型來進(jìn)行恰當(dāng)?shù)?充放電控制的二次電池的控制系統(tǒng)以及裝載有該控制系統(tǒng)的混合動(dòng)力車 輛。


圖1是說明由本發(fā)明的實(shí)施方式的二次電池的控制系統(tǒng)控制的電源系 統(tǒng)的構(gòu)成的簡要的框圖2是二次電池的簡要的構(gòu)成圖3是說明電池模型部中的對(duì)二次電池的建模的概念圖； 圖4是說明電池模型部的簡要構(gòu)成的框圖5是表示在構(gòu)成電池模型部的電池模型式中使用的變量和常數(shù)的列 表的圖6是說明球狀的活性物質(zhì)的鋰濃度分析模型的概念圖； 圖7是說明正極和負(fù)極的電位關(guān)系的概念圖8是說明著眼于二次電池內(nèi)部的鋰離子濃度分布的充放電限制的第 一圖9是說明著眼于二次電池內(nèi)部的鋰離子濃度分布的充放電限制的第
15二圖10是說明著眼于二次電池內(nèi)部的鋰離子濃度分布的充放電限制的
第三圖11是說明著眼于二次電池內(nèi)部的溫度分布的充放電限制的第一
圖12是說明著眼于二次電池內(nèi)部的溫度分布的充放電限制的第二
圖13是說明著眼于二次電池內(nèi)部的電位分布的充放電限制的框圖； 圖14是說明著眼于根據(jù)二次電池內(nèi)部的電位分布得到的預(yù)測(cè)端子間 電壓的充放電限制的圖15是說明實(shí)施方式二的充放電控制的流程圖16是說明實(shí)施方式三的電池ECU的功能構(gòu)成的框圖n是說明診斷模式下的二次電池的動(dòng)作的概念圖18是說明實(shí)施方式三的二次電池的剩余壽命診斷的概念圖； 圖19是說明實(shí)施方式三的診斷模式的流程圖20是說明實(shí)施方式三的變形例的電池ECU的功能構(gòu)成的框圖； 圖21是表示圖20所示的參數(shù)確定模型部的在線參數(shù)確定的一個(gè)例子 的概念圖22是說明實(shí)施方式四的電池ECU的功能構(gòu)成的簡要的框圖23是說明實(shí)施方式四的二次電池的充放電控制中的電池模型部和 電池信息生成部的動(dòng)作定時(shí)的概念圖24是說明實(shí)施方式四的電池信息生成部周期性地執(zhí)行的運(yùn)行情況 預(yù)測(cè)例程的流程圖25是說明電池輸出電壓的運(yùn)行情況預(yù)測(cè)與可輸入輸出時(shí)間的關(guān)系 的概念圖26是表示在實(shí)施方式四的二次電池的充放電控制中使用的預(yù)測(cè)信 息的結(jié)構(gòu)示例的概念圖27是說明實(shí)施方式四的變形例一的電池ECU的功能構(gòu)成的簡要的 框圖；圖28是表示在實(shí)施方式四的變形例一的二次電池的充放電控制中使 用的預(yù)測(cè)信息的結(jié)構(gòu)示例和充放電限制的概念圖29是說明實(shí)施方式四的變形例一的二次電池的充放電控制的流程
圖30是說明實(shí)施方式四的變形例二的二次電池的充放電控制的功能 構(gòu)成的簡要的框圖31是表示在實(shí)施方式四的變形例二的二次電池的充放電控制中使 用的預(yù)測(cè)信息的結(jié)構(gòu)示例和充放電限制的概念圖32是說明實(shí)施方式四的變形例二的二次電池的充放電控制的流程
圖33是說明本發(fā)明的實(shí)施方式五的混合動(dòng)力車輛的構(gòu)成示例的框
圖34是說明裝載有本實(shí)施方式的二次電池的控制系統(tǒng)的混合動(dòng)力車 輛中的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的動(dòng)作指令值設(shè)定的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖來詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施方式。以下，對(duì)圖中相同 或相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)注同一標(biāo)號(hào)，作為原則不重復(fù)進(jìn)行說明。實(shí)施方式一
圖1是說明由本發(fā)明的實(shí)施方式的二次電池的控制系統(tǒng)控制的電源系 統(tǒng)的構(gòu)成的簡要的框圖。
參照?qǐng)Dl，電源系統(tǒng)5包括二次電池IO、負(fù)載20、 二次電池的冷卻 扇40、以及由電子控制單元(ECU: Electronic Control Unit)構(gòu)成的電池 ECU50和控制裝置80。各ECU代表性地包括用于執(zhí)行預(yù)先被編為程序的 預(yù)定序列和預(yù)定計(jì)算的微機(jī)和存儲(chǔ)器(RAM: Random Access Memory, ROM: Read Only Memory等)。通過電池ECU50和控制裝置80來實(shí)現(xiàn)執(zhí) 行以下說明的充放電限制的"控制系統(tǒng)"。
作為能夠進(jìn)行充放電的二次電池10，代表性地使用鋰離子電池。鋰離 子電池由于其輸出特性根據(jù)電池內(nèi)部、特別是電極內(nèi)部的鋰離子濃度的分
17布狀態(tài)而不同，因此適于應(yīng)用本發(fā)明。
在二次電池10中設(shè)置有測(cè)定電池溫度Tb的溫度傳感器30、測(cè)定二 次電池10的輸入輸出電流Ib (以下也稱為電池電流Ib)的電流傳感器
32、以及測(cè)定正極與負(fù)極之間的端子間電壓Vb (以下也稱為電池輸出電 壓Vb)的電壓傳感器34。
冷卻扇40經(jīng)由冷媒通路41與二次電池10連接，向冷媒通路41供應(yīng) 作為"冷媒"的冷卻風(fēng)。雖然未進(jìn)行圖示，但是在二次電池10中適當(dāng)?shù)?設(shè)置有冷媒路徑以能夠通過經(jīng)由冷媒通路41供應(yīng)的冷卻風(fēng)45來冷卻二次 電池10的各單元。冷卻扇40的動(dòng)作/停止、以及動(dòng)作時(shí)的冷媒供應(yīng)量由電 池ECU50控制。
負(fù)載20通過來自二次電池IO的輸出電力而被驅(qū)動(dòng)。另外，未圖示的 發(fā)電、供電部件設(shè)置成被包括在負(fù)載20中或者與負(fù)載20相獨(dú)立，二次電 池10能夠通過來自該發(fā)電、供電部件的充電電流而進(jìn)行充電。因此，在 二次電池10進(jìn)行放電時(shí)電池電流lb>0，在二次電池10充電時(shí)電池電流 lb<0。
電池ECU50包括電池模型部60和電池信息生成部70。這里，電池模 型部60和電池信息生成部70例如分別相當(dāng)于通過由電池ECU50執(zhí)行預(yù)定 的程序而實(shí)現(xiàn)的功能模塊。電池模型部60根據(jù)來自設(shè)置在二次電池10中 的傳感器組30、 32、 34的檢測(cè)值并按照能夠動(dòng)態(tài)地推定出二次電池10的 內(nèi)部狀態(tài)的電池模型而以預(yù)定的周期逐次計(jì)算出表示電池狀態(tài)的狀態(tài)推定 值。
電池信息生成部70根據(jù)由電池模型部60計(jì)算出的狀態(tài)推定值而生成 用于二次電池的充放電限制的電池信息。代表性地，電池信息包括表示相 對(duì)于滿充電狀態(tài)(100%)的充電量(剩余容量)的SOC (0% 100 %)、作為當(dāng)前允許的充電功率的上限值的可輸入功率Win和作為放電功 率的上限值的可輸出功率Wout。
控制裝置80根據(jù)對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作要求，并在考慮來自電池ECU50的 電池信息而進(jìn)行了使二次電池10不會(huì)發(fā)生過充電或過放電的充放電限制 的基礎(chǔ)上生成對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令。例如，控制裝置80進(jìn)行限制以使得二次電池10的輸入輸出功率小于等于可輸入輸出功率Win、 Wout并生成 對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令。另外，在二次電池IO的SOC變?yōu)榱诵∮诘扔谙孪?值的情況下，禁止負(fù)載20的電力消耗動(dòng)作或者強(qiáng)制性地起動(dòng)負(fù)載20的發(fā) 電動(dòng)作(二次電池IO的充電動(dòng)作)。相反，在二次電池IO的SOC變?yōu)榱?大于等于上限值的情況下，強(qiáng)制性地禁止負(fù)載20的發(fā)電動(dòng)作。
接著，詳細(xì)地說明二次電池的構(gòu)成及其模型。圖I所示的二次電池IO 作為連接了多個(gè)電池單元10#的電池組而構(gòu)成。
參照?qǐng)D2，構(gòu)成二次電池10的各電池單元10#包括負(fù)極12、隔膜 14、正極15。隔膜14通過使設(shè)置在負(fù)極12與正極15之間的樹脂浸透電 解液而構(gòu)成。
負(fù)極12和正極15分別由球狀的活性物質(zhì)18的集合體構(gòu)成。在負(fù)極 12的活性物質(zhì)18的界面上進(jìn)行釋放出鋰離子Li+和電子e—的化學(xué)反應(yīng)。 另一方面，在正極15的活性物質(zhì)18的界面上進(jìn)行吸收鋰離子Li+和電子e —的化學(xué)反應(yīng)。
在負(fù)極12上設(shè)置有吸收電子e—的集電器13，在正極15上設(shè)置有釋放 出電子e—的集電器16。負(fù)極的集電器13代表性地由銅構(gòu)成，正極的集電 器16代表性地由鋁構(gòu)成。在集電器13上設(shè)置有負(fù)極端子lln，在集電器 16上設(shè)置有正極端子llp。通過經(jīng)由隔膜14來傳送鋰離子Li+，在電池單 元10#中進(jìn)行充放電，產(chǎn)生充電電流Ib (〉0)或放電電流Ib (<0)。 圖3是說明電池模型部60中的二次電池的建模的概念圖。 參照?qǐng)D3，在電池模型式中，在各電池單元IO井的負(fù)極12和正極15 中，可以假定各活性物質(zhì)18的變動(dòng)情況是相同的，對(duì)于負(fù)極12和正極 15，可以代表性地設(shè)想各一個(gè)的活性物質(zhì)18n和18p。或者，在圖2所示 的負(fù)極12和正極15中，也可以分別獨(dú)立地分析多個(gè)活性物質(zhì)18n和多個(gè) 活性物質(zhì)18p的變動(dòng)情況并求出各電極內(nèi)的狀態(tài)推定值的位置性(空間 性)分布。
在放電時(shí)，通過負(fù)極活性物質(zhì)18n的表面的電極反應(yīng)，活性物質(zhì)18n 內(nèi)的鋰原子Li由于釋放出電子e—而變?yōu)殇囯x子Li+并被釋放到隔膜14中 的電解液中。另一方面，在正極活性物質(zhì)18p的表面的電極反應(yīng)中，電解
19液中的鋰離子Li+被攝入并吸收電子e—。由此，鋰原子Li被攝入到正極活 性物質(zhì)18p的內(nèi)部。通過從負(fù)極活性物質(zhì)18n釋放出鋰離子Li+和正極活 性物質(zhì)18p攝入鋰離子Li+，電流從正極集電器16向負(fù)極集電器13流 動(dòng)。
相反，在二次電池充電時(shí)，通過負(fù)極活性物質(zhì)18n的表面的電極反 應(yīng)，電解液中的鋰離子Li+被攝入，在正極活性物質(zhì)18p的表面的電極反 應(yīng)中，向電解液中釋放出鋰離子Li+。
在電池模型式中，對(duì)充放電時(shí)的活性物質(zhì)18p、 18n的表面的電極反 應(yīng)、活性物質(zhì)18p、 18n內(nèi)部的鋰的擴(kuò)散(徑向)和電解液中的鋰離子的 擴(kuò)散(以下統(tǒng)稱為鋰的擴(kuò)散、濃度分布)、各部位的電位分布和溫度分布 進(jìn)行建模。
以下，使用圖4 圖7來詳細(xì)地說明電池模型部60。
電池模型部60由下述的電池模型式(Ml) (M15)構(gòu)成，其功能 構(gòu)成由圖4的框圖表示。另外，在圖5中表示了在電池模型式(Ml) (M15)中使用的變量和常數(shù)的列表。圖5所示的電池溫度T (電池內(nèi) 部)、各電位、鋰濃度等變量對(duì)應(yīng)于本發(fā)明中的"狀態(tài)推定值"。
參照?qǐng)D4，電池模型部60包括電極反應(yīng)模型部61、電解液中鋰濃 度分布模型部62、活性物質(zhì)內(nèi)鋰濃度分布模型部63、電流/電位分布模型 部64、熱擴(kuò)散模型部65、邊界條件設(shè)定部66。
電極反應(yīng)模型部61由下述的(Ml) (M3)式構(gòu)成。
…(Ml)
V,) 廣aF 、
exp
丄〃
i r 乂
7
V燈乂—
;;，_(De _"一 …(M2)
"=C/。+(r —r。)蕓 ...(M3)
式(Ml) (M3)是被稱為巴物勒伏爾默公式的、表示電極反應(yīng)的 式子。在式(Ml)中，交換電流密度io通過活性物質(zhì)18的界面處的鋰濃 度的函數(shù)而給出(詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)參照非專利文獻(xiàn)1)。在式(M2)中表示 了式(Ml)中的ri的詳細(xì)內(nèi)容，在式(M3)中表示了式(M2)中的U的
20詳細(xì)內(nèi)容。
電解液中鋰濃度分布模型部62由下述的(M4) (M6)式構(gòu)成。
=V(￡)f Vce) +
1-^
力'
z.義
化^
(M4)
(M5) (M6)
在式(M4) (M6)中表示了電解液中的鋰離子守恒定律。在式 (M5)中表示了電解液中的有效擴(kuò)散系數(shù)的定義，在式(M6)中表示了 反應(yīng)電流f由電極的每單位體積的活性物質(zhì)表面積^與式(Ml)中所表 示的傳輸電流密度/inj的積給出。反應(yīng)電流fi的電極整體的體積積分對(duì)應(yīng) 于電池電流Ib。
活性物質(zhì)內(nèi)鋰濃度分布模型部63由下述的(M7) 、 (M8)式構(gòu)成。 如圖6所示，可以假定在周向上鋰濃度Cs是均勻的而將各活性物質(zhì)
18p、 18n內(nèi)的鋰濃度表示為半徑方向上的坐標(biāo)r (r:各點(diǎn)到中心的距離，
rs:活性物質(zhì)的半徑)的函數(shù)。
32c, 2 7 + -
廠&
"。=
(M7)
(M8)
在式(M7)和(M8)中表示了固相中的鋰守恒定律。在式(M7)中 表示了在為球體的活性物質(zhì)18中的擴(kuò)散方程式(擴(kuò)散系數(shù)Ds)，在式 (M8)中表示了電極的每單位體積的活性物質(zhì)表面積as。
電流/電位分布模型部64由下述的(M9) (M13)式構(gòu)成。 V(/ce#VO)e) + V #Vlnce) + /'=0 …(M9)<formula>formula see original document page 22</formula>
(Mil)
在式(M9) (Mil)中，根據(jù)電解液中的電荷守恒定律導(dǎo)出了表示 電解液中的電位的式子。
在式(M10)中表示了有效離子電導(dǎo)率^#，在式(Mil)中表示了電 解液中的擴(kuò)散電導(dǎo)系數(shù)vf。
V(cr,^)-/' =0 …(M12)
C^-^CT …(M13)
在式(M12)和(M13)中表示了根據(jù)活性物質(zhì)中的電荷守恒定律求 出固相中的電位的式子。
熱擴(kuò)散模型部65由下述的(M14) 、 (M15)式構(gòu)成。
=v;ivr+《 …(M14)
, &/、
乂
(M15)
在式(M14)和(M15)中表示了熱能守恒定律。由此，能夠分析出 由于充放電現(xiàn)象而導(dǎo)致的二次電池內(nèi)部的局部的溫度變化。
由于這些電池模型式(Ml) (M15)是基于上述非專利文獻(xiàn)1的式 子，因此關(guān)于各模型式的詳細(xì)的說明，援引非專利文獻(xiàn)l。
在通過電池動(dòng)作產(chǎn)生電池電流的情況下，反應(yīng)電流fi對(duì)應(yīng)于表示電池
電流的傳感器值Ib來確定，并且式(Ml)的傳輸電流密度/inj按照式
(M6)而被規(guī)定。
或者，在電池電流lb=0的情況下，如圖6所示，與正極中的固相電 位O s和負(fù)極中的固相電位O s的電位差相對(duì)應(yīng)的端子間電壓由電池電壓Vb規(guī)定。
22根據(jù)這些被規(guī)定的電流條件和/或電壓條件，電極反應(yīng)模型部61按照
巴物勒伏爾默公式來分析活性物質(zhì)18p、 18n與電解液之間的鋰的插入
(還原反應(yīng))、解附(離子化反應(yīng))。
通過逐次求解在活性物質(zhì)18p、 18n和電解液中的各點(diǎn)對(duì)式(Ml) (M15)的電池模型式適當(dāng)?shù)卦O(shè)定了邊界條件而得到的差分方程式，能夠 逐次計(jì)算出圖4所示的各變量、即二次電池10的狀態(tài)推定值，并推定出 反映了 二次電池的內(nèi)部反應(yīng)的電池狀態(tài)的時(shí)間推移。
在本實(shí)施方式中，邊界條件設(shè)定部66通過下述的(Cl) 、 (C2)式 來設(shè)定式(M7)的邊界條件。
^ =丄 (r=rs) …(Cl)
& = 0 (r=0) …(C2)
如圖7所示，在電化學(xué)平衡狀態(tài)下，在負(fù)極12中，由負(fù)極活性物質(zhì) 18n界面和電解液中的鋰濃度決定的負(fù)極OCP (開路電壓)Ul ( e )與電 解液中的電位Oe和負(fù)極活性物質(zhì)18n的固相電位0^的電位差相等。但 是， 一旦在兩者間產(chǎn)生了電位差(過電壓il)，則認(rèn)為會(huì)根據(jù)與和電化學(xué) 平衡狀態(tài)的偏差相當(dāng)?shù)倪^電壓H而在界面處發(fā)生鋰的釋放、攝入。同樣， 在正極15中，界面處的電化學(xué)反應(yīng)也按照通過正極OCP (開路電壓)U2 (e)、電解液中的電位^e、正極活性物質(zhì)18p的固相電位①s求出的過 電壓n來進(jìn)行。
為了用公式表示該現(xiàn)象，設(shè)定上述(Cl) 、 (C2)式的邊界條件。由 此，能夠得到按照以下方式用公式表示了電極界面處的邊界條件的電池模 型界面處的反應(yīng)量不是由位置性(空間性)的物質(zhì)濃度差決定的，由于 與電化學(xué)平衡狀態(tài)之間的偏差而在界面處產(chǎn)生鋰濃度的時(shí)間性變化、即物 質(zhì)遷移的驅(qū)動(dòng)力(時(shí)間軸上)。
結(jié)果，即使當(dāng)從充分地遲豫了電池而不存在濃度差的狀態(tài)開始產(chǎn)生充
23放電電流時(shí)，也不會(huì)進(jìn)行隨意的算法處理，從而能夠更加準(zhǔn)確地表示現(xiàn)實(shí) 中的電池運(yùn)行情況，提高對(duì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的推定的精度。
于是，通過根據(jù)由這樣構(gòu)成的電池模型部60計(jì)算出的狀態(tài)推定值而
生成用于二次電池的充放電限制的電池信息(SOC、 Win、 Wout等)，可 以執(zhí)行能夠在防止了過充電和過放電的發(fā)生的基礎(chǔ)上最大限度地發(fā)揮電池 性能的恰當(dāng)?shù)某浞烹娍刂啤?br> 在上述電池模型中，根據(jù)負(fù)極活性物質(zhì)18n內(nèi)的鋰原子數(shù)求出SOC。 另外，通過推定出活性物質(zhì)18p、 18n內(nèi)部的鋰離子濃度的分布，能夠預(yù) 測(cè)出反映了過去的充放電歷史的電池狀態(tài)。例如，即使當(dāng)前的SOC相同， 與通過放電而變?yōu)榱水?dāng)前SOC之后再進(jìn)行放電的情況相比，在通過充電而 變?yōu)榱水?dāng)前SOC之后再進(jìn)行放電的情況下，輸出電壓相對(duì)地難以下降，但 是能夠進(jìn)行該現(xiàn)象的預(yù)測(cè)。具體地說，在剛進(jìn)行充電后負(fù)極活性物質(zhì)18n 內(nèi)的鋰濃度在表面?zhèn)认鄬?duì)較高，另一方面在放電時(shí)負(fù)極活性物質(zhì)18n內(nèi)的 鋰濃度在表面?zhèn)认鄬?duì)較低，因此通過反映出活性物質(zhì)內(nèi)的鋰濃度分布而能 夠進(jìn)行上述預(yù)測(cè)。實(shí)施方式二
在實(shí)施方式二之后的說明中，依次例示基于通過在實(shí)施方式一中說明 了的電池模型計(jì)算出的狀態(tài)推定值的充放電控制。首先，在實(shí)施方式二 中，說明反映了由電池模型部60計(jì)算出的狀態(tài)推定值在二次電池10內(nèi)的 分布的充放電控制。
(根據(jù)鋰濃度的內(nèi)部分布而進(jìn)行的充放電控制)
圖8 圖IO是說明作為二次電池的內(nèi)部狀態(tài)而著眼于鋰濃度的內(nèi)部分 布的充放電限制的圖。
在圖8中，橫軸表示二次電池內(nèi)部的位置性擴(kuò)展(例如，圖2所示的 電池模型坐標(biāo)內(nèi)的x方向、y方向的擴(kuò)展)?？v軸表示活性物質(zhì)18中的鋰 濃度分布。即，在圖8中表示了通過電池模型對(duì)某時(shí)點(diǎn)的二次電池10的 內(nèi)部的鋰濃度進(jìn)行的分布預(yù)測(cè)。隨著伴隨著充放電的時(shí)間經(jīng)過，逐次更新 該分布預(yù)測(cè)。關(guān)于局部的鋰濃度，預(yù)先確定上限管理值Mmax和下限管理值Mmin。
電池信息生成部70對(duì)于負(fù)極12的范圍內(nèi)的活性物質(zhì)內(nèi)鋰濃度求出作 為最大值與上限管理值Mmax的差的上限裕值Mnu、以及作為最小值與下 限管理值Mmin的差的下限裕值Mnl。同樣，電池信息生成部70對(duì)于正極 15的區(qū)域內(nèi)求出活性物質(zhì)內(nèi)鋰濃度的上限裕值Mpu和下限裕值Mpl。
參照?qǐng)D9，電池信息生成部70根據(jù)電池內(nèi)部的活性物質(zhì)內(nèi)鋰濃度相對(duì) 于下限管理值Mmin的局部的下限裕度Mlmin (即，相當(dāng)于圖8中的Mnl 和Mpl的最小值)來設(shè)定可輸出功率Wout。
在局部下限裕度Mlmin小于等于判定值11的情況下，為了防止由于 局部的過放電而導(dǎo)致的劣化，設(shè)定為Wout = 0，禁止從二次電池10放 電。
另一方面，在局部下限裕度Mlmin被確保為大于等于判定值12的情 況下，不根據(jù)鋰濃度的局部分布來進(jìn)行放電限制，按照通常的方式來設(shè)定 可輸出功率Wout。例如，通過基于一般的SOC (整體SOC)而進(jìn)行設(shè)定 的一般的方法來設(shè)定通常時(shí)的可輸出功率Wout，所述整體SOC用于宏觀 地評(píng)價(jià)二次電池10整體的狀態(tài)。關(guān)于整體SOC， 一般來說根據(jù)充放電電 流的積分求出，或者通過根據(jù)電池溫度等傳感器檢測(cè)值來修正該積分值而 求出。
在局部下限裕度Mlmin處于判定值11 12之間的情況下，與通常時(shí)相 比進(jìn)一步限制放電。S口，可輸出功率Wout被設(shè)定為比局部下限裕度 Mlmin被確保為大于等于判定值12的情況時(shí)小。在該情況下，優(yōu)選的是根 據(jù)局部下限裕度Mlmin來連續(xù)地或階段性地設(shè)定可輸出功率Wout。
并且，如圖10所示，電池信息生成部70還根據(jù)鋰濃度的局部分布來 設(shè)定可輸入功率Win。
參照?qǐng)D10，電池信息生成部70根據(jù)電池內(nèi)部的活性物質(zhì)內(nèi)鋰濃度相 對(duì)于上限管理值Mmax的局部的上限裕度Mlmax (即，相當(dāng)于圖5中的 Mnu和Mpu的最大值)來設(shè)定可輸入功率Win。
在局部上限裕度Mlmax小于等于判定值13的情況下，為了防止由于 局部的過放電而導(dǎo)致的劣化，設(shè)定為Win=0，禁止對(duì)二次電池10充電。
25另一方面，在局部上限裕度Mlmax被確保為大于等于判定值14的情況 下，不根據(jù)鋰濃度的局部分布來進(jìn)行充電限制，按照通常的方式來設(shè)定可 輸入功率Win。例如，與可輸出功率Wout同樣地根據(jù)整體SOC來設(shè)定通 常時(shí)的可輸入功率Win。
并且，在局部上限裕度Mlmax處于判定值13 14之間的情況下，與通 常時(shí)相比進(jìn)一步限制充電，可輸入功率Win被設(shè)定為比局部上限裕度 Mlmax被確保為大于等于判定值14的情況時(shí)小。在該情況下，優(yōu)選的是根 據(jù)局部上限裕度Mlmax來連續(xù)地或階段性地設(shè)定可輸入功率Win。
這樣，根據(jù)反映了電池內(nèi)部的電極反應(yīng)的電池模型式，能夠在可能會(huì) 發(fā)生局部的鋰濃度的上升或下降的情況下限制可輸入功率Win或可輸出功 率Wout。結(jié)果，能夠防止由于二次電池內(nèi)部的電極活性物質(zhì)的利用度產(chǎn) 生了差異而導(dǎo)致局部的鋰濃度上升(過充電)或下降(過放電)至超過界 限并造成發(fā)生局部的劣化。
在未發(fā)生鋰濃度的局部的上升、下降的通常時(shí)，雖然也可以嚴(yán)格地根 據(jù)鋰濃度的內(nèi)部分布來設(shè)定可輸入輸出功率Win、 Wout，但也可以通過根 據(jù)被廣泛地使用的一般的整體SOC來設(shè)定的方式，在確保了某種程度的控 制穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上簡化關(guān)于可輸入輸出功率Win、 Wout的計(jì)算處理。 (根據(jù)內(nèi)部溫度分布進(jìn)行的充放電控制)
在圖11中與圖8同樣地表示了通過電池模型部進(jìn)行的某時(shí)點(diǎn)的二次 電池10內(nèi)部的溫度分布預(yù)測(cè)。關(guān)于局部的內(nèi)部溫度，也預(yù)先確定上限管 理值Tj 。
參照?qǐng)D11，電池信息生成部70求出負(fù)極12內(nèi)的局部的最高溫度 Tnmax、以及正極15內(nèi)的局部的最高溫度Tpmax。
參照?qǐng)D12，電池信息生成部70根據(jù)電池內(nèi)的局部的最高溫度Tmax (即相當(dāng)于圖11的Tnmax和Tpmax的最大值)來設(shè)定可輸入輸出功率 Win、 Wout。
電池信息生成部70在局部最高溫度Tmax小于等于判定值Tx的情況 下，不根據(jù)溫度分布來進(jìn)行充放電限制，而是與通過圖9和圖IO說明了 的相同，例如根據(jù)整體SOC來進(jìn)行通常的可輸入輸出功率設(shè)定。
26另一方面，在局部最高溫度Tmax大于等于上限管理值Tj的情況下， 為了防止電池的局部的劣化和熱失控而禁止充放電，設(shè)定為Win = Wout=0。
另外，在局部最高溫度Tmax處于判定值Tx Tj之間的情況下，與通 常時(shí)相比進(jìn)一步限制充放電，與局部最高溫度Tmax小于等于判定值Tx的 情況相比進(jìn)一步限制可輸入輸出功率Win、 Wout。在該情況下，優(yōu)選的是 根據(jù)局部最高溫度Tmax來連續(xù)地或階段性地設(shè)定可輸入輸出功率Win、 Wout。
這樣，根據(jù)反映了電池內(nèi)部的電極反應(yīng)的電池模型式，能夠在可能會(huì) 發(fā)生局部的溫度上升的情況下限制可輸入功率Win和可輸出功率Wout。 結(jié)果，能夠防止由于二次電池內(nèi)部的電極活性物質(zhì)的利用度產(chǎn)生了差異而 導(dǎo)致局部的溫度上升并造成發(fā)生局部的劣化或熱失控。
在充放電被限制或被禁止的TmaX>Tx的范圍內(nèi)，根據(jù)從圖1所示的 ECU50向冷卻扇40發(fā)出的控制指令，使停止?fàn)顟B(tài)的冷卻扇40動(dòng)作，或者 使動(dòng)作狀態(tài)的冷卻扇40的供應(yīng)冷媒量(冷卻風(fēng)量)增加。特別優(yōu)選的是 進(jìn)行以下設(shè)定根據(jù)局部最高溫度Tmax的上升而連續(xù)地或階段性地使冷 卻扇40動(dòng)作時(shí)的冷卻風(fēng)量增加。
(根據(jù)端子間電壓而進(jìn)行的充放電控制)
并且，電池信息生成部70如圖13和圖14所示那樣根據(jù)由電池模型部 60預(yù)測(cè)出的、作為內(nèi)部狀態(tài)的電位分布cK、 c^來設(shè)定可輸入輸出功率 Win、 Wout。
參照?qǐng)D13，電池信息生成部70包括端子間電壓計(jì)算部71和可輸入輸 出功率設(shè)定部72。
端子間電壓計(jì)算部71根據(jù)由電池模型部60預(yù)測(cè)出的二次電池內(nèi)部的 局部的電位分布小e、小s而計(jì)算出預(yù)測(cè)端子間電壓Vb# (或預(yù)測(cè)電動(dòng)勢(shì) OCP)?？奢斎胼敵龉β试O(shè)定部72根據(jù)由端子間電壓計(jì)算部71計(jì)算出的 預(yù)測(cè)端子間電壓Vb# (或預(yù)測(cè)電動(dòng)勢(shì)OCP)計(jì)算出可輸入輸出功率 Win、 Wout。
參照?qǐng)D14，可輸入輸出功率設(shè)定部72根據(jù)預(yù)測(cè)端子間電壓Vb弁與判定值VI V4的比較來設(shè)定可輸入輸出功率。
可輸入輸出功率設(shè)定部72在預(yù)測(cè)端子間電壓過度下降了的情況下 (Vb#<Vl的范圍)，為了禁止進(jìn)一步的放電而設(shè)定為可輸出功率Wout =0。另一方面，電池信息生成部70在預(yù)測(cè)端子間電壓的下降幅度不太大 的情況下(Vb#〉V2的范圍)，不由于端子間電壓的下降而進(jìn)行放電限 帝U，而是與通過圖6和圖7說明了的相同，例如根據(jù)整體SOC來進(jìn)行通常 的可輸出功率設(shè)定。并且，在VK Vb弁〈V2的范圍內(nèi)，雖然放電在受到 限制的情況下被允許(Wout〉0)，但是可輸出功率Wout被限制為小于通 常時(shí)(Vbtt〉V2的范圍)。
同樣，可輸入輸出功率設(shè)定部72在預(yù)測(cè)端子間電壓過度上升了的情 況下(Vb弁〉V4)，為了禁止進(jìn)一步的充電而設(shè)定為可輸入功率Win二 0。另一方面，在預(yù)測(cè)端子間電壓未大幅上升的情況下(Vb#<V3的范 圍)，不由于端子間電壓的上升而進(jìn)行放電限制，而是與上述同樣地例如 根據(jù)整體SOC來進(jìn)行通常的可輸入功率設(shè)定。并且，在V3< Vb#<V4 的范圍內(nèi)，雖然充電在受到限制的情況下被允許(Win〉0)，但是可輸入 功率Win被限制為小于通常時(shí)(Vb井〈V3的范圍)。
由此，能夠根據(jù)電池內(nèi)部的局部的電位分布來控制二次電池的充放 電，使得端子間電壓(即電動(dòng)勢(shì))不會(huì)上升(過充電)或下降(過放電) 至超過界限。
(整體的充放電控制)
圖15是說明實(shí)施方式二的充放電控制的流程圖。
參照?qǐng)D15，電池ECU50在步驟S100中通過來自二次電池10所使用 的傳感器組30、 32、 34的檢測(cè)值(傳感器值)來掌握電池外部條件(電 池溫度Tb、電池電流Ib、電池電壓Vb)。
電池ECU50在步驟S110中通過電池模型部60的功能，通過反映了 傳感器值的基于電池模型(式(Ml) (M15) 、 (Cl) 、 (C2))的 數(shù)值計(jì)算，計(jì)算出二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的預(yù)測(cè)值。如前所述，該內(nèi)部狀態(tài) 包括局部的鋰離子濃度分布(cs、 ce)、局部的電位分布(4)e、小s)、以 及局部的溫度分布(T)。電池ECU50在步驟S130中根據(jù)電池內(nèi)部的鋰濃度分布，按照?qǐng)D8 圖10所示的方法計(jì)算出可輸入輸出功率Win (1) 、 Wout (1)。同樣， 電池ECU50在步驟S140中根據(jù)電池內(nèi)部的溫度分布，按照?qǐng)D11、圖12 所示的方法計(jì)算出可輸入輸出功率Win (2) 、 Wout (2)。另外，電池 ECU50在步驟S150中根據(jù)使用局部的電位分布4)e、 4>3計(jì)算出的預(yù)測(cè)端子 間電壓，按照?qǐng)D13、圖14所示的方法計(jì)算出可輸入輸出功率Win (3)、 Wout (3)。
并且，電池ECU50在步驟S160中，將在步驟S130 步驟S150中分 別根據(jù)鋰濃度分布、溫度分布、基于電位分布得到的端子間電壓而計(jì)算出 的可輸入功率Win (1) Win (3)中的最小值作為最終的可輸入功率 Win。并且，將在步驟S130 步驟S150中分別計(jì)算出的可輸出功率Wout (1) Wout (3)中的最小值作為最終的可輸出功率Wout。 g卩，步驟 S130 步驟S160的處理對(duì)應(yīng)于電池信息生成部70的功能。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式二的二次電池的充放電控制，能夠 通過電池模型推定出二次電池的內(nèi)部反應(yīng)、即電池各區(qū)域的局部的活性物 質(zhì)的利用度，恰當(dāng)?shù)叵拗贫坞姵?0的充放電而避免會(huì)導(dǎo)致局部的電池 劣化的現(xiàn)象。
在圖15中，說明了考慮鋰離子濃度分布(S130)、溫度分布 (S140)、基于電位分布得到的端子間電壓(S150)的三個(gè)內(nèi)部分布來進(jìn) 行充放電控制的方法，但是也可以使用這三個(gè)內(nèi)部分布中的一部分來進(jìn)行 充放電控制?；蛘?，也可以根據(jù)由電池模型部60推定出的其他的內(nèi)部狀 態(tài)分布或者根據(jù)此前例示的內(nèi)部分布中的至少一部分與其他的內(nèi)部分布的 組合來進(jìn)行充放電控制。實(shí)施方式三
通過實(shí)施方式一所示的電池模型得到的電池內(nèi)部狀態(tài)的預(yù)測(cè)精度受電 池模型所使用的常數(shù)(參數(shù))的精度的影響。在實(shí)施方式三中，說明電池 模型部60中的參數(shù)的更新和伴隨著參數(shù)更新的剩余壽命推定。 圖16是說明實(shí)施方式三的電池ECU的功能構(gòu)成的框圖。 參照?qǐng)D16，實(shí)施方式三的電池ECU50包括電池模型部60、參數(shù)確定模型部68、端子間電壓計(jì)算部71、比較部75、以及參數(shù)管理部77。
在實(shí)施方式三中，關(guān)于二次電池IO，設(shè)置有圖17所示的診斷模式。
參照?qǐng)D17，在診斷模式時(shí)，二次電池10進(jìn)行在從時(shí)刻t0至t2的期間 內(nèi)以脈沖狀輸出恒定電流的診斷動(dòng)作。通過該診斷動(dòng)作，電池電壓Vb響 應(yīng)于脈沖狀電流的輸出而在脈沖電流被關(guān)斷后(即，在時(shí)刻t2之后)逐漸 地恢復(fù)。該電壓運(yùn)行情況由電壓傳感器34檢測(cè)，電池電壓Vb被輸入到比 較部75。優(yōu)選的是從二次電池的使用結(jié)束后經(jīng)過了預(yù)定時(shí)間(30分鐘 左右)、二次電池的內(nèi)部狀態(tài)變?yōu)榱遂o態(tài)之后執(zhí)行該診斷模式。
另一方面，在電池模型部60中，按照電池模型來預(yù)測(cè)該診斷模式下 的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)。結(jié)果，通過端子間電壓計(jì)算部71計(jì)算出預(yù)測(cè)端 子間電壓Vb #并輸入比較部75 。
參數(shù)確定模型部68構(gòu)成為能夠根據(jù)診斷模式動(dòng)作時(shí)的二次電池運(yùn)行 情況來確定電池模型所使用的參數(shù)的一部分。例如，能夠根據(jù)脈沖狀電流 輸出時(shí)的電壓運(yùn)行情況而推定出交換電流密度iQ。另外，能夠根據(jù)脈沖電 流關(guān)斷后的電壓運(yùn)行情況而推定出正極的擴(kuò)散系數(shù)Ds。通過在參數(shù)確定模 型部68中準(zhǔn)備的確定模型來決定作為確定對(duì)象的參數(shù)。
比較部75對(duì)由電壓傳感器34檢測(cè)出的實(shí)際的電池電壓Vb和基于電 池模型部60的預(yù)測(cè)而得到的預(yù)測(cè)端子間電壓Vb井進(jìn)行比較，在兩者的差 大的情況下通知參數(shù)管理部77。
參數(shù)管理部77在通過比較部75判斷出電壓運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)誤差大的 情況下，對(duì)于由參數(shù)確定模型部68確定出的參數(shù)，將電池模型所使用的 參數(shù)值更新為通過參數(shù)確定模型部68得到的參數(shù)確定值。
接著，使用圖18來說明伴隨著上述參數(shù)更新而進(jìn)行的二次電池的剩 余壽命診斷。
參照?qǐng)D18，對(duì)于作為參數(shù)管理部77的參數(shù)更新對(duì)象的參數(shù)(在圖18 中，例示性地記載了 X、 Y)，預(yù)先求出與二次電池的使用度相對(duì)應(yīng)的參 數(shù)值的變化、即劣化特性。作為二次電池的使用度，例如采用使用期間 (時(shí)間)或充放電電流積分值。特別是在根據(jù)本發(fā)明而被進(jìn)行充放電控制 的二次電池被裝載在混合動(dòng)力車輛等車輛上的情況下，作為電池的使用
30度，可以采用行駛距離或使用期間。
如圖18所示，關(guān)于作為更新對(duì)象的參數(shù)X，預(yù)先求出劣化特性線
200，關(guān)于參數(shù)Y，預(yù)先求出劣化特性線210。
關(guān)于劣化特性線200、 210，預(yù)先求出該參數(shù)的界限值，在參數(shù)值超過 界限值而變化(降低或上升)了的情況下，判定為處于壽命區(qū)域。
在參數(shù)更新時(shí)，能夠根據(jù)更新時(shí)點(diǎn)的參數(shù)值與上述界限值的差而推定 出二次電池的關(guān)于使用度的剩余壽命。另外，能夠根據(jù)參數(shù)值的自初始值 的變化量而推定出劣化度。
圖19是說明實(shí)施方式三的診斷模式的流程圖。
參照?qǐng)D19，電池ECU50在步驟S200中確認(rèn)診斷模式的起動(dòng)條件是否 成立。診斷模式的起動(dòng)條件每當(dāng)經(jīng)過了一定的期間或者每當(dāng)裝載有二次電 池的車輛行駛了一定的距離時(shí)成立?；蛘?，也可以另外求出作為由電池模 型部60求出的鋰離子濃度分布的平均值的平均SOC，并根據(jù)與整體SOC 之間的偏差而使診斷模式的起動(dòng)條件成立，所述整體SOC是根據(jù)電池電流 Ib的積分值而求出的。
電池ECU50在診斷模式起動(dòng)條件為不起動(dòng)的情況下(在步驟S200中 判定為NO時(shí))，不執(zhí)行以下的步驟而結(jié)束處理。
電池ECU50在診斷模式起動(dòng)條件成立時(shí)(在步驟S200中判定為YES 時(shí))，通過步驟S210指示執(zhí)行圖17所示的診斷模式放電。
電池ECU50在步驟S220中根據(jù)診斷模式時(shí)的電池電壓Vb的運(yùn)行情 況來判斷是否需要更新參數(shù)。該處理相當(dāng)于圖16中的比較部75的動(dòng)作。 并且，電池ECU50在步驟S230中根據(jù)需要來進(jìn)行參數(shù)更新。該處理相當(dāng) 于圖16所示的參數(shù)管理部77和參數(shù)確定模型部68的參數(shù)更新動(dòng)作。
電池ECU50在步驟S240中，在參數(shù)更新時(shí)通過更新了的參數(shù)值與預(yù) 先求出的劣化特性(圖18的劣化特性線200、 210)的比較而推定出通過 圖18說明了的二次電池的剩余壽命和/或劣化度。關(guān)于推定出的剩余壽命 和/或劣化度，可以通過顯示在預(yù)定的畫面上等而通知給駕駛者或維修人 員。
通過該構(gòu)成，能夠在二次電池10的實(shí)際的運(yùn)行情況與通過電池模型進(jìn)行的預(yù)測(cè)的偏差大的情況下逐次地更新電池模型式的參數(shù)。由此，能夠 更加準(zhǔn)確地掌握電池的內(nèi)部狀態(tài)，因此能夠最大限度地利用該時(shí)點(diǎn)的電池 性能。另外，對(duì)于在實(shí)施方式一中說明了的充放電控制，也能夠更加可靠 地防止局部的劣化和熱失控。
并且，能夠隨著參數(shù)更新來進(jìn)行二次電池的剩余壽命判定并通知給駕 駛者。由此，能夠有效地利用二次電池并提高駕駛者的使用方便性。實(shí)施方式三的變形例
在實(shí)施方式三的變形例中說明以下構(gòu)成方式不執(zhí)行特別的診斷模 式，而是根據(jù)二次電池10使用時(shí)的數(shù)據(jù)來進(jìn)行參數(shù)更新。
圖20是說明實(shí)施方式三的變形例中的電池ECU的功能構(gòu)成的框圖。
參照?qǐng)D20，實(shí)施方式三的變形例的電池ECU50包括電池模型部60、 參數(shù)確定模型部68#、整體SOC計(jì)算部69、以及參數(shù)管理部77。
參數(shù)確定模型部68#接收由傳感器組30 34檢測(cè)出的在線檢測(cè)值 (電池溫度Tb、電池電流Ib、電池電壓Vb)并與電池模型部60并行動(dòng) 作。即，將實(shí)際使用時(shí)的二次電池10的在線檢測(cè)值作為輸入，通過在線 方式來確定電池模型部60的電池模型式中的參數(shù)。
有些種類的在電池模型式中使用的參數(shù)能夠進(jìn)行該在線方式的參數(shù)確 定。例如，如圖21所示，通過描繪出電池電流Ib和電池電壓Vb的關(guān)系 的在線特性點(diǎn)250的集合而求出Vb相對(duì)于Ib的斜率，由此能夠確定出電 池模型式中的界面直流電阻Rf。
在預(yù)定的參數(shù)更新條件成立時(shí)，參數(shù)管理部77對(duì)于由參數(shù)確定模型 部68#在線確定出的參數(shù)，將在電池模型中使用的參數(shù)值更新為通過參數(shù) 確定模型部68#得到的參數(shù)確定值。
預(yù)定的參數(shù)更新條件例如在作為由電池模型部60求出的鋰離子濃度 分布的平均值的平均SOC與整體SOC計(jì)算部69根據(jù)電池電流Ib的積分 值求出的整體SOC的偏差大于等于預(yù)定值時(shí)、或者在發(fā)生上述偏差的頻度 大于等于預(yù)定值時(shí)成立。
通過該構(gòu)成，對(duì)于能夠進(jìn)行在線確定的參數(shù)，能夠逐次地更新電池模 型式的參數(shù)。由此，能夠更加準(zhǔn)確地掌握電池的內(nèi)部狀態(tài)，因此能夠最大
32限度地利用該時(shí)點(diǎn)的電池性能。另外，對(duì)于在線推定的參數(shù)，通過預(yù)先設(shè)
定與圖18的劣化特性線200、 210同樣的劣化特性線(未圖示)，也能夠
作為剩余壽命和/或劣化度推定的對(duì)象。實(shí)施方式四
在實(shí)施方式四中說明以下控制方式將使用由電池模型部60計(jì)算出
的狀態(tài)推定值而得到的預(yù)定的預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果作為電池信息并向控制裝置80輸出。
圖22是說明實(shí)施方式四的電池ECU的功能構(gòu)成的簡要的框圖。
參照?qǐng)D22，電池ECU50包括電池模型部60和電池信息生成部70。 電池模型部60如在實(shí)施方式一中說明的那樣動(dòng)態(tài)地推定出二次電池10的 內(nèi)部狀態(tài)并逐次地更新該狀態(tài)推定值。
在實(shí)施方式四中，電池信息生成部70通過使用由電池模型部60計(jì)算 出的狀態(tài)推定值的預(yù)定的預(yù)測(cè)計(jì)算，將以預(yù)定的功率使二次電池10持續(xù) 地進(jìn)行了充放電的情況下的預(yù)測(cè)信息作為電池信息輸出給控制裝置80。該 預(yù)測(cè)信息表示從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始以某預(yù)定功率持續(xù)地進(jìn)行了輸入(充電)或 輸出(放電)時(shí)的、所預(yù)測(cè)的可輸入輸出時(shí)間。控制裝置80考慮來自電 池信息生成部70的預(yù)測(cè)信息(輸入輸出功率一可輸入輸出時(shí)間)而生成 對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令。
圖23是說明實(shí)施方式四的二次電池的充放電控制中的電池模型部60 和電池信息生成部70的動(dòng)作定時(shí)的概念圖。
參照?qǐng)D23，電池模型部60以預(yù)定的周期進(jìn)行動(dòng)作，根據(jù)來自傳感器 組30、 32、 34的檢測(cè)值，按照上述電池模型式逐次計(jì)算出狀態(tài)推定值。 實(shí)際上，計(jì)算出自上次推定計(jì)算時(shí)的差分，更新狀態(tài)推定值。由此，二次 電池的狀態(tài)推定值根據(jù)表示二次電池的使用狀況的來自傳感器組30、 32、 34的檢測(cè)值并以初始值為起點(diǎn)而逐次被更新。
這樣，在逐次推定出二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的過程中，由電池信息生成 部70以預(yù)定的周期Tc來執(zhí)行運(yùn)行情況預(yù)測(cè)例程。該預(yù)定的周期Tc被設(shè) 定為大于等于電池模型部的動(dòng)作周期。
例如，如圖23所示，在時(shí)刻ta，使用該時(shí)點(diǎn)的電池模型60的狀態(tài)推定值并按照?qǐng)D24所示的運(yùn)行情況預(yù)測(cè)例程來進(jìn)行運(yùn)行情況預(yù)測(cè)。如上所
述，電池信息生成部70預(yù)測(cè)出從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始以某預(yù)定功率持續(xù)地進(jìn)行 了輸入(充電)或輸出(放電)時(shí)的可輸入輸出時(shí)間。以預(yù)定的周期Tc 來執(zhí)行對(duì)可輸入輸出時(shí)間的預(yù)測(cè)，在圖23的例子中，在從時(shí)刻ta經(jīng)過了 Tc后的時(shí)刻tb、以及又經(jīng)過了 Tc后的時(shí)刻tc使用各時(shí)點(diǎn)的電池模型部60 的狀態(tài)推定值來執(zhí)行對(duì)可輸入輸出時(shí)間的預(yù)測(cè)。
圖24是說明電池信息生成部70周期地執(zhí)行的運(yùn)行情況預(yù)測(cè)例程的流 程圖。通過以預(yù)定的周期(Tc)來執(zhí)行預(yù)先存儲(chǔ)在電池ECU50內(nèi)的程 序，圖24所示的流程圖作為電池信息生成部70的功能而被實(shí)現(xiàn)。
參照?qǐng)D24，電池信息生成部70在步驟S300中取得由電池模型部60 按照電池模型式逐次推定出的該時(shí)點(diǎn)的狀態(tài)推定值。例如，作為在步驟 S300中考慮的狀態(tài)推定值，可以列舉出該時(shí)點(diǎn)的SOC、內(nèi)部溫度、鋰離 子濃度分布、電位分布等。然后，電池信息生成部70通過步驟S310來預(yù) 測(cè)從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始以預(yù)定的功率持續(xù)地進(jìn)行了充電或放電時(shí)的電池輸出電 壓的運(yùn)行情況。
如圖25所示，按照預(yù)先建立的模型計(jì)算出從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始持續(xù)地以 對(duì)負(fù)載的最大輸出功率Womax、來自負(fù)載的最大輸入功率Wimax、以及 當(dāng)前的輸入輸出電壓Wc進(jìn)行了充放電的情況下的電池電壓Vb的預(yù)測(cè) 值。作為該電池電壓運(yùn)行情況預(yù)測(cè)模型，例如可以使用認(rèn)為輸入輸出功率 恒定而簡化了上述電池模型式(Ml) (M15)的式子。或者，也可以另 外定義將在步驟S100中求出的狀態(tài)推定值和被充放電的預(yù)定功率作為變 量的、預(yù)測(cè)電池電壓運(yùn)行情況(例如dVb/dt:每單位時(shí)間的電池電壓變化 量)的函數(shù)式。
根據(jù)如上所述的電池電壓運(yùn)行情況預(yù)測(cè)模型，求出在以二次電池10 的輸入輸出電壓Womax (最大輸出功率放電)、Wimax (最大輸入功 率充電)、以及當(dāng)前的輸入輸出功率Wc持續(xù)地進(jìn)行了輸入輸出時(shí)電池 電壓Vb達(dá)到下限電壓Vmin的時(shí)間(放電時(shí))、或者達(dá)到上限電壓Vmax 的時(shí)間(充電時(shí))。此時(shí)的達(dá)到下限電壓Vmin或上限電壓Vmax所需要 的時(shí)間T1 T3是在從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始持續(xù)地從二次電池IO輸出了或向二次
34電池10輸入了 Womax、 Wimax、 Wc時(shí)所預(yù)測(cè)的可輸入輸出時(shí)間。這 里，按照二次電池10的最高額定電壓和最低額定電壓、或負(fù)載的可工作 (保證)電壓等來決定上限電壓Vmax和下限電壓Vmin。
艮口，輸入輸出時(shí)間Tl表示從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始能夠在電池電壓Vb未下降 至下限電壓Vmin的情況下持續(xù)地以最大輸出功率Womax進(jìn)行放電的最長 時(shí)間。同樣，輸入輸出時(shí)間T2表示從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始能夠在電池電壓Vb未 上升至上限電壓Vmax的情況下持續(xù)地以最大輸入功率Wimax進(jìn)行充電的 最長時(shí)間。另外，輸入輸出時(shí)間T3表示從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始能夠?qū)㈦姵仉妷?Vb維持在上限電壓Vmax 下限電壓Vmin的范圍內(nèi)而以當(dāng)前的輸入輸出 功率對(duì)二次電池10持續(xù)地進(jìn)行充放電的最長時(shí)間。這樣，電池信息生成 部70能夠在各時(shí)點(diǎn)預(yù)測(cè)出對(duì)于預(yù)定輸入輸出功率的可輸入輸出時(shí)間。
特別是如圖26所示，通過對(duì)包括最大輸出功率Womax、最大輸入功 率Wimax、當(dāng)前的輸入輸出功率Wc、或者其他預(yù)定功率的多種預(yù)定功率 分別預(yù)測(cè)出可輸入輸出時(shí)間，能夠以映射形式取得輸入輸出功率一 可輸入 輸出時(shí)間特性。
再次參照?qǐng)D24，電池信息生成部70在步驟S320中利用圖25所示的 電池電壓運(yùn)行情況預(yù)測(cè)與上限電壓Vmax和下限電壓Vmin的比較來預(yù)測(cè) 可輸入輸出時(shí)間。然后，電池信息生成部70在步驟S330中將表示如圖26 所示的輸入輸出功率一可輸入輸出時(shí)間特性的預(yù)測(cè)信息作為電池信息輸出 給控制裝置80。
在控制裝置80中，按照對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作要求并考慮由電池信息生成 部70求出的輸入輸出功率一可輸入輸出時(shí)間特性來生成對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作 指令，使得將二次電池10的充放電限制在避免了二次電池的過充電或過 放電的范圍內(nèi)。特別是通過使用表示對(duì)于充放電功率的持續(xù)的可輸入輸出 時(shí)間的信息而不單是來自二次電池10的可輸出功率(放電功率上限值) Wout和可輸入功率(充電功率上限值)Win，能夠事先就避免過充電和過 放電，并且能夠進(jìn)行可最大限度地發(fā)揮電池性能的充放電限制。
這樣，在實(shí)施方式四的二次電池的控制系統(tǒng)中，通過基于可動(dòng)態(tài)地推 定出二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型式而進(jìn)行的對(duì)電池狀態(tài)的推定，能夠以預(yù)定的周期預(yù)測(cè)出對(duì)于預(yù)定功率的可輸入輸出時(shí)間。并且，由于反映該 運(yùn)行情況預(yù)測(cè)來生成用于在與二次電池10之間傳輸電力的對(duì)負(fù)載20的動(dòng) 作指令，因此能夠進(jìn)行可靠地避免了二次電池10的過充電和過放電的充 放電限制。
并且，通過對(duì)多個(gè)階段的輸入輸出功率預(yù)測(cè)可輸入輸出時(shí)間并反映于
對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令，與僅單純地設(shè)定充放電功率的上限值的控制方式
相比，能夠執(zhí)行階段性的充放電限制，從而能夠獲得在避免了過充電和過 放電的同時(shí)最大限度地發(fā)揮了當(dāng)時(shí)時(shí)點(diǎn)的電池性能的二次電池。實(shí)施方式四的變形例一
在實(shí)施方式四的變形例一中說明以下構(gòu)成方式通過基于電池信息生 成部的運(yùn)行情況預(yù)測(cè)部來評(píng)價(jià)與當(dāng)時(shí)時(shí)點(diǎn)的充放電條件(輸入輸出功率) 相對(duì)應(yīng)的劣化程度，由此來限制二次電池的充放電。
圖27是說明實(shí)施方式四的變形例一的電池ECU的功能構(gòu)成的簡要的框圖。
參照?qǐng)D27，電池ECU50與圖22 (實(shí)施方式四)所示的情況相同，包 括電池模型部60和電池信息生成部70。電池模型部60如在實(shí)施方式一中 說明的那樣動(dòng)態(tài)地推定出二次電池10的內(nèi)部狀態(tài)并逐次地更新該狀態(tài)推 定值。
在實(shí)施方式四的變形例一中，電池信息生成部70通過使用由電池模 型部60計(jì)算出的狀態(tài)推定值的預(yù)定的預(yù)測(cè)計(jì)算來評(píng)價(jià)以預(yù)定的功率持續(xù) 地對(duì)二次電池10進(jìn)行了充放電的情況下的劣化率。并且，電池信息生成 部70將表示輸入輸出功率一劣化率的特性的預(yù)測(cè)信息作為電池信息輸出 給控制裝置80?？刂蒲b置80考慮來自電池信息生成部70的電池信息(輸 入輸出功率一劣化率特性的預(yù)測(cè)信息)而生成對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令。劣 化率是表示每單位時(shí)間的電池劣化的發(fā)展程度的參數(shù)，劣化率越大表示電 池劣化越容易加劇的狀態(tài)。
例如，如圖28所示，電池信息生成部70在最大輸出功率Womax 最 大輸入功率Wimax的范圍內(nèi)求出當(dāng)前的電池狀態(tài)下的、輸入輸出了多種預(yù) 定功率時(shí)的預(yù)測(cè)劣化率。反映當(dāng)時(shí)時(shí)點(diǎn)的電池模型部60的狀態(tài)推定值中的至少電池溫度T、輸入輸出功率Ib來設(shè)定用于預(yù)測(cè)劣化率的模型式。由 于能夠任意地設(shè)定該模型式，因此省略詳細(xì)的說明。
電池信息生成部70與在實(shí)施方式四中說明的情況同樣地以預(yù)定的周 期來執(zhí)行用于求出上述預(yù)測(cè)信息(輸入輸出功率一劣化率特性)的運(yùn)行情 況預(yù)測(cè)例程(未圖示)。
圖29是說明實(shí)施方式四的變形例一的二次電池10的充放電控制的流 程圖。實(shí)施方式四的變形例一的充放電控制主要針對(duì)反映了電池ECU50 (電池信息生成部70)的劣化率預(yù)測(cè)的、由控制裝置80進(jìn)行的動(dòng)作指令 的生成。
參照?qǐng)D29，控制裝置80在步驟S400中作為電池信息而從電池 ECU50取得當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的充放電條件(輸入輸出功率) 一預(yù)測(cè)劣化率特性。 然后，控制裝置80在步驟S410中計(jì)算出使得一定期間內(nèi)的劣化率的積分 值或平均值進(jìn)入到預(yù)定的范圍內(nèi)的、在當(dāng)前時(shí)點(diǎn)被允許的上限劣化率 DRmax。例如，在到目前為止持續(xù)地進(jìn)行了劣化度大的條件下的電池動(dòng)作 的情況下，為了限制急劇的電池劣化的發(fā)展而將上限劣化率DRmax設(shè)定 為相對(duì)低的值。然后，控制裝置80按照計(jì)算出的上限劣化率Drmax來進(jìn) 行充放電限制。
再次參照?qǐng)D28，按照計(jì)算出的上限劣化率DRmax和通過電池信息生 成部70得到的輸入輸出功率一預(yù)測(cè)劣化率特性，求出根據(jù)當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的電 池狀態(tài)預(yù)測(cè)出的劣化率達(dá)到上限劣化率DRmax時(shí)的上限輸出功率Wo弁和 上限輸入功率Wi弁。
再次參照?qǐng)D29，控制裝置80在步驟S420中，限制在通過步驟S410 設(shè)定了的輸入輸出功率的范圍內(nèi)，即進(jìn)行關(guān)于充電將Wift作為上限、關(guān) 于放電將Wo弁作為上限的充放電限制，生成對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令。并 且，控制裝置80在步驟S430中根據(jù)圖28所示的預(yù)測(cè)信息取得與在步驟 S420中設(shè)定了的對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令相對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)劣化率并存儲(chǔ)該預(yù)測(cè) 劣化率。由此，下次計(jì)算時(shí)的一定期間內(nèi)的劣化率(積分值或平均值)的 評(píng)價(jià)被更新。
通過該構(gòu)成，根據(jù)實(shí)施方式四的變形例一的二次電池的控制系統(tǒng)，能
37夠進(jìn)行以下充放電控制在基于按照電池模型進(jìn)行的對(duì)二次電池的內(nèi)部狀 態(tài)的推定而逐次預(yù)測(cè)出與各時(shí)點(diǎn)的使用功率(輸入輸出功率)相對(duì)應(yīng)的劣 化度的基礎(chǔ)上，限制在二次電池IO的劣化不會(huì)顯著地發(fā)展的范圍內(nèi)。
也可以采用以下方式組合實(shí)施方式四和變形例一，將與對(duì)于輸入輸 出功率的可輸入輸出時(shí)間和劣化率這兩者相關(guān)的預(yù)測(cè)作為電池信息，從電
池ECU50輸出給控制裝置80，進(jìn)行對(duì)二次電池IO的充放電控制。在該情 況下，考慮可輸入輸出時(shí)間和劣化率這兩者，通過控制裝置80生成對(duì)負(fù) 載20的動(dòng)作指令，使得能夠避免二次電池10的過充電和過放電、以及劣 化的急劇發(fā)展。
實(shí)施方式四的變形例二
圖30是說明實(shí)施方式四的變形例二的二次電池的充放電控制的功能 構(gòu)成的框圖。
參照?qǐng)D30，在實(shí)施方式四的變形例二中，電池ECU50除了與圖27相 同的電池模型部60和電池信息生成部70以外還包括劣化度推定部78。
劣化度推定部78具有推定所謂的電池的劣化狀態(tài)(SOH: State of Health)的功能，根據(jù)傳感器組30、 32、 34的檢測(cè)值Tp、 Ib、 Vb來推定 二次電池10的劣化度和/或剩余壽命。由劣化度推定部78推定出的二次電 池10的劣化度和/或剩余壽命被輸出給控制裝置80 (或者也同時(shí)被輸出給 電池信息生成部70#)。例如，劣化度推定部78能夠通過在實(shí)施方式二 (特別是圖18)中說明了的方法推定出當(dāng)時(shí)時(shí)點(diǎn)的二次電池10的劣化度 和/或剩余壽命。
圖31是表示在實(shí)施方式四的變形例二的二次電池的充放電控制中使 用的預(yù)測(cè)信息的結(jié)構(gòu)示例和充放電限制的概念圖。
參照?qǐng)D31，電池信息生成部70與圖28所示的情況同樣地根據(jù)當(dāng)時(shí)時(shí) 點(diǎn)的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)而預(yù)測(cè)出對(duì)于輸入輸出功率的二次電池10的劣 化率并將輸入輸出功率一劣化率特性的預(yù)測(cè)信息作為電池信息輸出給控制 裝置80。
在實(shí)施方式四的變形例二中，控制裝置80按照由劣化度推定部78推 定出的劣化度和/或剩余壽命來設(shè)定在當(dāng)前時(shí)點(diǎn)被允許的上限劣化率DRmax。例如，在劣化度大的情況下，剩余壽命越短，將上限劣化率 DRmax設(shè)定為相對(duì)越低的值。
這樣，根據(jù)由電池信息生成部70求出的預(yù)測(cè)信息(圖31中的虛線 270)求出劣化率達(dá)到上限劣化率DRmax時(shí)的上限輸出功率Wo弁和輸入 功率Wi弁。并且，控制裝置80限制在關(guān)于充電將Wi弁作為上限、關(guān)于放 電將Woft作為上限的范圍內(nèi)而生成對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令。
圖32是說明實(shí)施方式四的變形例二的二次電池的充放電控制的流程圖。
參照?qǐng)D32，控制裝置80在步驟S400中作為電池信息而從電池 ECU50取得當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的充放電條件(輸入輸出功率) 一預(yù)測(cè)劣化率特性。 然后，控制裝置80在步驟S402中取得由劣化度推定部78推定出的劣化 度和/或剩余壽命，并且在步驟S404中按照當(dāng)前的劣化度和/或剩余壽命來 設(shè)定允許劣化率范圍(即上限劣化率DRmax)。
然后，控制裝置80在步驟S410弁中按照在步驟S404中設(shè)定了的允許 劣化率范圍來設(shè)定輸入輸出功率限制。具體地說，如圖31所示，求出劣 化率達(dá)到上限劣化率DRmax時(shí)的上限輸出功率Wo弁和上限輸入功率Wi # ，所述劣化率是按照根據(jù)當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的劣化度和/或剩余壽命設(shè)定了的上限 劣化率DRmax和通過電池信息生成部70得到的輸入輸出功率一預(yù)測(cè)劣化 率特性并根據(jù)當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的電池狀態(tài)而預(yù)測(cè)出的劣化率。也可以構(gòu)成為由 電池信息生成部70執(zhí)行對(duì)該輸入輸出功率限制的設(shè)定，將上限輸出功率 Wo弁和上限輸入功率Witt包括在預(yù)測(cè)信息內(nèi)而從電池信息生成部70逐次 發(fā)送給控制裝置80。
控制裝置80在步驟S420中限制在通過步驟S410弁設(shè)定了的輸入輸出 功率的范圍內(nèi)，即進(jìn)行關(guān)于充電將Wift作為上限、關(guān)于放電將Wo弁作為 上限的充放電限制而生成對(duì)負(fù)載20的動(dòng)作指令。
根據(jù)該構(gòu)成，通過實(shí)施方式四的變形例二的二次電池的控制系統(tǒng)，除 了實(shí)施方式四的變形例一的效果以外，還能夠按照各時(shí)點(diǎn)的預(yù)測(cè)劣化度和/ 或推定剩余壽命來設(shè)定在該時(shí)點(diǎn)被允許的劣化率。由此，通過按照二次電 池的劣化狀態(tài)來適當(dāng)?shù)卦O(shè)定充放電限制范圍，能夠進(jìn)一步防止二次電池的急劇的劣化并實(shí)現(xiàn)長壽命化。
也可以采用以下方式組合實(shí)施方式四和實(shí)施方式四的變形例二，將 對(duì)于輸入輸出功率的可輸入輸出時(shí)間和劣化率這兩者作為預(yù)測(cè)信息并考慮 預(yù)測(cè)劣化度和/或推定剩余壽命來進(jìn)行二次電池10的充放電控制。在該情 況下，也考慮可輸入輸出時(shí)間、劣化度和劣化率而由控制裝置80生成對(duì) 負(fù)載20的動(dòng)作指令，使得能夠避免二次電池10的過充電和過放電、以及 由于急劇的劣化的發(fā)展而導(dǎo)致的電池壽命的縮短。實(shí)施方式五
在實(shí)施方式五中，說明將以上說明了的實(shí)施方式一 實(shí)施方式四及其 變形例的二次電池的控制系統(tǒng)應(yīng)用于混合動(dòng)力車輛的情況。
圖33是說明本發(fā)明的實(shí)施方式五的混合動(dòng)力車輛的構(gòu)成示例的框圖。
參照?qǐng)D33，混合動(dòng)力車輛500包括發(fā)動(dòng)機(jī)510、行駛用電池520、 電池ECU525、逆變器530、車輪540a、與變速箱連成一體的驅(qū)動(dòng)橋 550、以及控制混合動(dòng)力車輛500的整體動(dòng)作的電子控制單元(HV — ECU) 590。
在圖33所示的混合動(dòng)力車輛500中，行駛用電池520和電池ECU525 分別對(duì)應(yīng)于實(shí)施方式一 實(shí)施方式四及其變形例中的二次電池10和電池 ECU50 (圖1)。艮卩，電池ECU52對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的混合動(dòng)力車輛中的"充 放電控制裝置"。另外，HV—ECU590對(duì)應(yīng)于實(shí)施方式一 實(shí)施方式四及 其變形例的變形例中的控制裝置80 (圖l)。
另外，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1和MG2對(duì)應(yīng)于實(shí)施方式一 實(shí)施方式四及其 變形例中的負(fù)載20 (圖l)。主要是車輛驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生用的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2 對(duì)于行駛用電池520來說是進(jìn)行電力的輸入輸出的負(fù)載。
發(fā)動(dòng)機(jī)510以汽油等燃料的燃燒能量為能源來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。行駛用電 池520向電線551供應(yīng)直流電力。行駛用電池520代表性地由鋰離子二次 電池構(gòu)成，由本發(fā)明的實(shí)施方式的二次電池的控制系統(tǒng)來控制其充放電。
逆變器530將從行駛用電池520供應(yīng)的直流電力轉(zhuǎn)換為交流電力并向 電線553輸出?；蛘?，逆變器530將供應(yīng)給電線552、 553的交流電力轉(zhuǎn)換
40為直流電力并向電線551輸出。
與變速箱連成一體的驅(qū)動(dòng)橋550作為一體構(gòu)造而包括變速器和車軸， 具有動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)560、減速器570、電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1、電動(dòng)發(fā)電機(jī) MG2。動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)560能夠?qū)⒂砂l(fā)動(dòng)機(jī)510產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力分配給經(jīng)由加 速器570向用于驅(qū)動(dòng)車輪540a的驅(qū)動(dòng)軸545傳遞的路徑和向電動(dòng)發(fā)電機(jī) MG1傳遞的路徑。
電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1通過經(jīng)由動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)560傳遞過來的來自發(fā)動(dòng)機(jī) 510的驅(qū)動(dòng)力而旋轉(zhuǎn)并發(fā)電。由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1發(fā)出的電力經(jīng)由電線552 被供應(yīng)給逆變器530，并被用作行駛用電池520的充電電力或電動(dòng)發(fā)電機(jī) MG2的驅(qū)動(dòng)電力。
電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2通過從逆變器530供應(yīng)給電線553的交流電力而被 驅(qū)動(dòng)并旋轉(zhuǎn)。由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由減速器570被傳遞給 驅(qū)動(dòng)軸545。另外，在當(dāng)進(jìn)行再生制動(dòng)動(dòng)作時(shí)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2隨著車輪 540a的減速而被旋轉(zhuǎn)的情況下，在電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)(交 流電力)被供應(yīng)給電線553。在該情況下，逆變器530將供應(yīng)給電線553 的交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力并輸出給電線551，由此行駛用電池520被充 電。
電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1、 MG2各自既能夠作為發(fā)電機(jī)而發(fā)揮功能，也能夠 作為電動(dòng)機(jī)而發(fā)揮功能，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1大體上來說作為發(fā)電機(jī)而動(dòng)作 的情況多，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2主要是作為電動(dòng)機(jī)而動(dòng)作的情況多。HV — ECU590控制裝載在車輛上的設(shè)備、電路組的整體動(dòng)作以使混合動(dòng)力車輛 500按照駕駛者的指示而運(yùn)行。
如上所述，在混合車輛500中，通過由發(fā)動(dòng)機(jī)510產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和以 來自行駛用電池520的電能為能源而由電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力的 組合來進(jìn)行改善了耗油率的車輛運(yùn)行。
例如，在起動(dòng)時(shí)和低速行駛時(shí)、或者在下緩坡時(shí)等輕負(fù)荷時(shí)，混合動(dòng) 力車輛500為了避開發(fā)動(dòng)機(jī)效率低的區(qū)域而基本上在不使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)作的情 況下僅通過電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的驅(qū)動(dòng)力來行駛。
在通常行駛時(shí)，從發(fā)動(dòng)機(jī)510輸出的驅(qū)動(dòng)力通過動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)560被
41分為車輪540a的驅(qū)動(dòng)力和電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1的發(fā)電用驅(qū)動(dòng)力。電動(dòng)發(fā)電機(jī) MG1的發(fā)電電力被用于電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的驅(qū)動(dòng)。因此，在通常行駛時(shí)， 通過電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的驅(qū)動(dòng)力輔助發(fā)動(dòng)機(jī)510的驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)車輪 540a。 ECU590控制發(fā)動(dòng)機(jī)510與電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2之間的驅(qū)動(dòng)力分配比
在全油門加速時(shí)，通過進(jìn)一步將來自行駛用電池520的供應(yīng)電力用于 第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的驅(qū)動(dòng)，能夠進(jìn)一步增大對(duì)車輪540a的驅(qū)動(dòng)力。
在減速和制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2通過產(chǎn)生與車輪540a的旋轉(zhuǎn)相反 方向的轉(zhuǎn)矩而作為進(jìn)行再生發(fā)電的發(fā)電機(jī)發(fā)揮作用。通過電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2 的再生發(fā)電而被回收的電力經(jīng)由電線553、逆變器530、以及電線551被 用于行駛用電池520的充電。并且，在車輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)510自動(dòng)地停 止。
這樣，按照運(yùn)行狀況來決定針對(duì)車輛整體的要求驅(qū)動(dòng)力的、發(fā)動(dòng)機(jī)51 與電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2之間的分配。具體地說，HV—ECU590從耗油率的方 面出發(fā)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)510的效率并根據(jù)運(yùn)行狀況來決定上述分配。
圖34是說明本實(shí)施方式的裝載有二次電池的控制系統(tǒng)的混合動(dòng)力車 輛500中的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的動(dòng)作指令值設(shè)定的流程圖。圖34所示的流 程圖通過以預(yù)定的周期執(zhí)行預(yù)先存儲(chǔ)在HV—ECU590內(nèi)的程序而實(shí)現(xiàn)。
參照?qǐng)D34， HV—ECU590通過步驟S500，根據(jù)當(dāng)前的車速和駕駛者 的踏板操作等計(jì)算出車輛整體所需要的車輛驅(qū)動(dòng)力和車輛制動(dòng)力。
HV — ECU590通過步驟S510，與按照實(shí)施方式一 實(shí)施方式四及其 變形例而設(shè)定了的行駛用電池520 (二次電池10)的充放電限制相對(duì)應(yīng)地 來設(shè)定電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的輸入輸出允許值(功率)。
并且，HV—ECU590考慮在步驟S510中設(shè)定了的MG2的輸入輸出允 許值和混合動(dòng)力車輛500整體的效率，具體地說考慮使發(fā)動(dòng)機(jī)510的運(yùn)行 區(qū)域?yàn)楦咝实倪\(yùn)行區(qū)域來決定發(fā)動(dòng)機(jī)510與電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2之間的驅(qū) 動(dòng)力的輸出分配(步驟S520)。由此，避免了如行駛用電池520變?yōu)檫^充 電或過放電這樣的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的運(yùn)行(具體地說即產(chǎn)生車輛驅(qū)動(dòng)力 的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作或用于發(fā)電的再生制動(dòng)動(dòng)作)。然后，HV — ECU590在步驟S530中按照在步驟S520中決定了的 MG2的輸出來決定電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩指令值。電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的 轉(zhuǎn)矩指令值一般來說在產(chǎn)生車輛驅(qū)動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)作時(shí)被設(shè)定為正轉(zhuǎn) 矩，在利用車輛驅(qū)動(dòng)力的再生制動(dòng)時(shí)被設(shè)定為負(fù)轉(zhuǎn)矩。
另外，在混合動(dòng)力車輛500中，對(duì)包括驅(qū)動(dòng)輪540a在內(nèi)的車輪設(shè)定未 圖示的液壓制動(dòng)器，進(jìn)行控制以通過這些液壓制動(dòng)器的產(chǎn)生制動(dòng)力和伴隨 著電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的再生制動(dòng)發(fā)電而產(chǎn)生的制動(dòng)力的和來確保在步驟 S500中計(jì)算出的車輛整體所需要的制動(dòng)力。S卩，在嚴(yán)格地進(jìn)行充電控制、 不允許電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的再生發(fā)電的情況下，也通過未圖示的液壓制動(dòng) 來確保車輛整體的制動(dòng)力。另一方面，在行駛用電池520的充電限制的范 圍內(nèi)通過電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2來進(jìn)行再生制動(dòng)動(dòng)作，由此能夠有效地回收電 力。
如上所述的通過圖34所示的步驟S500 S530的處理而實(shí)現(xiàn)的HV— ECU590的功能的一部分對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的混合動(dòng)力車輛中的"控制裝 置"。
這樣，通過將本發(fā)明的實(shí)施方式一 實(shí)施方式四及其變形例的二次電 池的控制系統(tǒng)裝載在混合動(dòng)力車輛上，即使對(duì)于重復(fù)地進(jìn)行充電動(dòng)作和放 電動(dòng)作的使用方式的行駛用電池520來說，也能夠避免過充電和過放電、 以及劣化的急劇發(fā)展，并且能夠進(jìn)行可充分地發(fā)揮其電池性能的充放電控 制而使車輛驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生用的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2動(dòng)作。
在實(shí)施方式五中，著重于發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的車輛驅(qū)動(dòng)力的輸出分 配而說明了應(yīng)用于能夠通過動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分配、傳遞給車 軸(驅(qū)動(dòng)軸)和發(fā)電機(jī)的串行/并行型混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用示例。但是，本 發(fā)明的應(yīng)用不限于這樣的情況，通過基于運(yùn)行情況預(yù)測(cè)生成對(duì)負(fù)荷的動(dòng)作 指令而實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的二次電池的充放電控制對(duì)于負(fù)載沒有特殊的限定， 可以應(yīng)用于任意的設(shè)備或系統(tǒng)等。
另外，本發(fā)明也可以應(yīng)用于僅從二次電池向負(fù)載供應(yīng)電力(放電)或 者僅從負(fù)載向二次電池供應(yīng)電力(充電)的情況等僅進(jìn)行放電限制或充電 限制中的一者的情況。應(yīng)認(rèn)為此次公開的實(shí)施方式在所有方面均為例示而不具有限制作用。 本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書而非上述說明來表示，與權(quán)利要求書等同的含 義和范圍內(nèi)的所有變更均包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
本發(fā)明的二次電池的控制系統(tǒng)代表性地能夠應(yīng)用在裝載在電動(dòng)車輛或 混合動(dòng)力車輛上的二次電池(例如鋰離子電池)的充放電控制中。
權(quán)利要求
1. 一種二次電池的控制系統(tǒng)，所述二次電池構(gòu)成為能夠在該二次電池與負(fù)載之間授受電力，所述二次電池包括第一電極和第二電極，分別包括活性物質(zhì)，該活性物質(zhì)包括以固相存在的預(yù)定物質(zhì)；以及離子導(dǎo)體，設(shè)置在所述第一電極與所述第二電極之間，用于在所述電極之間傳導(dǎo)離子化了的所述預(yù)定物質(zhì)；所述控制系統(tǒng)包括電池狀態(tài)推定部，用于根據(jù)設(shè)置在所述二次電池中的傳感器的檢測(cè)值，按照能夠動(dòng)態(tài)地推定出所述二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型，逐次計(jì)算出表示電池狀態(tài)的狀態(tài)推定值；電池信息生成部，用于根據(jù)由所述電池狀態(tài)推定部計(jì)算出的所述狀態(tài)推定值，生成用于所述二次電池的充放電限制的電池信息；以及負(fù)載控制部，用于根據(jù)對(duì)所述負(fù)載的動(dòng)作要求，考慮由所述電池信息生成部生成的所述電池信息，生成對(duì)所述負(fù)載的動(dòng)作指令，使得能夠避免所述二次電池的過充電和過放電；所述電池狀態(tài)推定部包括第一模型部，用于推定在各所述電極中的所述活性物質(zhì)與所述離子導(dǎo)體的界面處的所述預(yù)定物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)；第二模型部，用于根據(jù)擴(kuò)散方程式來推定出各所述電極內(nèi)的所述預(yù)定物質(zhì)的濃度分布；第三模型部，用于根據(jù)擴(kuò)散方程式來推定出所述離子導(dǎo)體內(nèi)的所述預(yù)定物質(zhì)的離子濃度分布；第四模型部，用于根據(jù)所述電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)電流來推定出按照在各所述電極和所述離子導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電流分布而形成的電位分布；以及邊界條件設(shè)定部，用于根據(jù)所述預(yù)定物質(zhì)的濃度的時(shí)間微分和所述反應(yīng)電流之間的預(yù)定的關(guān)系式來設(shè)定在所述第二模型部中使用的所述擴(kuò)散方程式的所述界面的邊界條件。
2.如權(quán)利要求1所述的二次電池的控制系統(tǒng)，其中，當(dāng)通過球狀模型表示的所述活性物質(zhì)內(nèi)的各點(diǎn)處的所述預(yù)定物質(zhì)的濃度為&、所述各點(diǎn)與中心之間的距離為r、所述活性物質(zhì)的半徑為rs、所述活性物質(zhì)的體積分率為e s、時(shí)間為t、所述反應(yīng)電流為f 、所述活性物質(zhì)的表面積為&、法拉第常數(shù)為F時(shí)，所述預(yù)定的關(guān)系式由下式表示其中所述球狀模型假定了所述預(yù)定物質(zhì)的濃度在周向上是均勻的。
3. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的控制系統(tǒng)，其中，所述電池信息包括所述二次電池能夠進(jìn)行輸入輸出的上限功率，所述電池信息生成部根據(jù)所述二次電池內(nèi)部的各部位的所述狀態(tài)推定值的分布來設(shè)定所述上限功率，所述負(fù)載控制部在小于等于由所述電池信息生成部設(shè)定了的所述上限功率的范圍內(nèi)生成對(duì)所述負(fù)載的動(dòng)作指令。
4. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的控制系統(tǒng)，其中，還包括參數(shù)確定模型部，根據(jù)所述傳感器的檢測(cè)值來確定在所述電池模型中使用的參數(shù)；以及參數(shù)管理部，在由所述傳感器檢測(cè)出的、表示所述二次電池的實(shí)際的運(yùn)行情況的檢測(cè)值與基于所述電池狀態(tài)預(yù)測(cè)部的預(yù)測(cè)值而得到的所述運(yùn)行情況的預(yù)測(cè)值的差大于預(yù)定值的情況下，對(duì)于由所述參數(shù)確定模型部確定了的參數(shù)，將在所述電池模型中使用的參數(shù)值更新為通過所述參數(shù)確定模型部得到的確定值。
5. 如權(quán)利要求4所述的二次電池的控制系統(tǒng)，其中，所述參數(shù)管理部在更新所述參數(shù)值時(shí)，通過對(duì)進(jìn)行更新的參數(shù)值和預(yù)先求出的、伴隨著所述二次電池的使用而形成的該參數(shù)值的劣化特性進(jìn)行比較來進(jìn)行對(duì)所述二次電池的劣化推定。
6. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的控制系統(tǒng)，其中，所述電池信息生成部根據(jù)由所述電池狀態(tài)推定部推定出的當(dāng)前的所述狀態(tài)推定值，作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出所述二次電池從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始能夠持續(xù)地輸入輸出預(yù)定功率的時(shí)間，所述負(fù)載控制部考慮作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出的所述能夠持續(xù)地輸入輸出預(yù)定功率的時(shí)間，生成對(duì)所述負(fù)載的動(dòng)作指令，使得能夠避免所述二次電池的過充電和過放電。
7. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的控制系統(tǒng)，其中，所述電池信息生成部根據(jù)由所述電池狀態(tài)推定部推定出的當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的所述狀態(tài)推定值，作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出在所述二次電池從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始持續(xù)地輸入輸出了預(yù)定功率的情況下的該二次電池的劣化率，所述負(fù)載控制部考慮作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出的劣化率，生成對(duì)所述負(fù)載的動(dòng)作指令。
8. 如權(quán)利要求7所述的二次電池的控制系統(tǒng)，其中，還包括根據(jù)所述傳感器的檢測(cè)值推定出所述二次電池的劣化度或剩余壽命的劣化度推定部，所述負(fù)載控制部考慮由所述劣化度推定部推定出的所述劣化度或所述剩余壽命而求出在當(dāng)前時(shí)點(diǎn)被允許的劣化率范圍，并且限制在使得作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出的劣化率處于所述劣化率范圍內(nèi)的所述二次電池的充放電功率的范圍內(nèi)來生成對(duì)所述負(fù)載的動(dòng)作指令。
9. 如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的二次電池的控制系統(tǒng)，其中，所述二次電池由鋰離子電池構(gòu)成，所述預(yù)定物質(zhì)為鋰。
10. —種混合動(dòng)力車輛，包括內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)，分別構(gòu)成為能夠產(chǎn)生車輛的驅(qū)動(dòng)力；控制裝置，決定由所述內(nèi)燃機(jī)和所述電動(dòng)機(jī)分別輸出的驅(qū)動(dòng)力，使得能夠確保所述車輛整體的要求驅(qū)動(dòng)力；二次電池，構(gòu)成為能夠在該二次電池與所述電動(dòng)機(jī)之間授受電力；以及所述二次電池的充放電控制裝置；所述二次電池包括第一電極和第二電極，分別包括活性物質(zhì)，該活性物質(zhì)包括以固相存在的預(yù)定物質(zhì)；以及離子導(dǎo)體，設(shè)置在所述第一電極與所述第二電極之間，用于在所述電極之間傳導(dǎo)離子化了的所述預(yù)定物質(zhì)；所述充放電控制裝置包括電池狀態(tài)推定部，用于根據(jù)設(shè)置在所述二次電池中的傳感器的檢測(cè)值，按照能夠動(dòng)態(tài)地推定出所述二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型，逐次計(jì)算出表示電池狀態(tài)的狀態(tài)推定值；以及電池信息生成部，用于根據(jù)由所述電池狀態(tài)推定部計(jì)算出的所述狀態(tài)推定值，生成用于所述二次電池的充放電限制的電池信息；所述電池狀態(tài)推定部包括第一模型部，用于推定在各所述電極中的所述活性物質(zhì)與離子導(dǎo)體的界面處的所述預(yù)定物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)；第二模型部，用于根據(jù)擴(kuò)散方程式來推定出各所述電極內(nèi)的所述預(yù)定物質(zhì)的濃度分布；第三模型部，用于根據(jù)擴(kuò)散方程式來推定出所述離子導(dǎo)體內(nèi)的所述預(yù)定物質(zhì)的離子濃度分布；第四模型部，用于根據(jù)所述電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)電流來推定出按照在各所述電極和所述離子導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電流分布而形成的電位分布；以及邊界條件設(shè)定部，用于根據(jù)所述預(yù)定物質(zhì)的濃度的時(shí)間微分和所述反應(yīng)電流之間的預(yù)定的關(guān)系式來設(shè)定在所述第二模型部中使用的所述擴(kuò)散方程式的所述界面的邊界條件；所述控制裝置考慮由所述電池信息生成部生成的所述電池信息來生成所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令值，使得能夠避免所述二次電池的過充電和過放電。
11.如權(quán)利要求IO所述的混合動(dòng)力車輛，其中，當(dāng)通過球狀模型表示的所述活性物質(zhì)內(nèi)的各點(diǎn)處的所述預(yù)定物質(zhì)的濃度為4、所述各點(diǎn)與中心之間的距離為r、所述活性物質(zhì)的半徑為rs、所述活性物質(zhì)的體積分率為es、時(shí)間為t、所述反應(yīng)電流為jU、所述活性物質(zhì) 的表面積為&、法拉第常數(shù)為F時(shí)，所述預(yù)定的關(guān)系式由下式表示，=丄 "=rs)，其中所述球狀模型假定了所述預(yù)定物質(zhì)的濃度在周向上是均勻的。
12. 如權(quán)利要求IO所述的混合動(dòng)力車輛，其中， 所述電池信息包括所述二次電池能夠進(jìn)行輸入輸出的上限功率， 所述電池信息生成部根據(jù)所述二次電池內(nèi)部的各部位的所述狀態(tài)推定值的分布來設(shè)定所述上限功率，所述控制裝置在小于等于由所述電池信息生成部設(shè)定了的所述上限功 率的范圍內(nèi)生成所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令值。
13. 如權(quán)利要求IO所述的混合動(dòng)力車輛，其中， 所述充放電控制裝置還包括參數(shù)確定模型部，根據(jù)所述傳感器的檢測(cè)值來確定在所述電池模型中 使用的參數(shù)；以及參數(shù)管理部，在由所述傳感器檢測(cè)出的、表示所述二次電池的實(shí)際的 運(yùn)行情況的檢測(cè)值與基于所述電池狀態(tài)預(yù)測(cè)部的預(yù)測(cè)值而得到的所述運(yùn)行 情況的預(yù)測(cè)值的差大于預(yù)定值的情況下，對(duì)于由所述參數(shù)確定模型部確定 了的參數(shù)，將在所述電池模型中使用的參數(shù)值更新為通過所述參數(shù)確定模 型部得到的確定值。
14. 如權(quán)利要求13所述的混合動(dòng)力車輛，其中，所述參數(shù)管理部在更新所述參數(shù)值時(shí)，通過對(duì)進(jìn)行更新的參數(shù)值和預(yù) 先求出的、伴隨著所述二次電池的使用而形成的該參數(shù)值的劣化特性進(jìn)行 比較來進(jìn)行對(duì)所述二次電池的劣化推定。
15. 如權(quán)利要求IO所述的混合動(dòng)力車輛，其中，所述電池信息生成部根據(jù)由所述電池狀態(tài)推定部推定出的當(dāng)前的所述 狀態(tài)推定值，作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出所述二次電池從當(dāng)前時(shí)點(diǎn)開始能 夠持續(xù)地輸入輸出預(yù)定功率的時(shí)間，所述控制裝置考慮作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出的所述能夠持續(xù)地輸入輸出預(yù)定功率的時(shí)間，生成所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令值，使得能夠避免所述 二次電池的過充電和過放電。
16. 如權(quán)利要求10所述的混合動(dòng)力車輛，其中，所述電池信息生成部根據(jù)由所述電池狀態(tài)推定部推定出的當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的 所述狀態(tài)推定值，作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出在所述二次電池從當(dāng)前時(shí)點(diǎn) 開始持續(xù)地輸入輸出了預(yù)定功率的情況下的該二次電池的劣化率，所述控制裝置考慮作為所述電池信息而預(yù)測(cè)出的劣化率，生成所述電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令值。
17. 如權(quán)利要求16所述的混合動(dòng)力車輛，其中，所述充放電控制裝置還包括根據(jù)所述傳感器的檢測(cè)值推定出所述二次 電池的劣化度或剩余壽命的劣化度推定部，所述控制裝置考慮由所述劣化度推定部推定出的所述劣化度或所述剩 余壽命而求出在當(dāng)前時(shí)點(diǎn)被允許的劣化率范圍，并且限制在使得作為所述 電池信息而預(yù)測(cè)出的劣化率處于所述劣化率范圍內(nèi)的所述二次電池的充放 電功率的范圍內(nèi)來生成所述電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩指令值。
18. 如權(quán)利要求10至17中任一項(xiàng)所述的混合動(dòng)力車輛，其中， 所述二次電池由鋰離子電池構(gòu)成， 所述預(yù)定物質(zhì)為鋰。
全文摘要
電池模型部(60)包括基于巴物勒伏爾默公式的電極反應(yīng)模型部(61)、通過擴(kuò)散方程式來分析電解液中的鋰離子濃度分布的電解液中Li濃度分布模型部(62)、通過擴(kuò)散方程式來分析活性物質(zhì)內(nèi)的固相的離子濃度分布的活性物質(zhì)內(nèi)Li濃度分布模型部(63)、用于按照電荷守恒定律求出電位分布的電流/電位分布模型部(64)、熱擴(kuò)散模型部(65)、以及邊界條件設(shè)定部(66)。邊界條件設(shè)定部(66)將電極界面的邊界條件設(shè)定為界面處的反應(yīng)量不是由位置性的物質(zhì)濃度差決定的，界面處的鋰濃度的時(shí)間性變化、即物質(zhì)遷移的驅(qū)動(dòng)力(時(shí)間軸上)由于與電化學(xué)平衡狀態(tài)之間的偏差而產(chǎn)生。由此，能夠根據(jù)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)定了邊界條件的電池模型而進(jìn)行恰當(dāng)?shù)某浞烹娍刂啤?br> 文檔編號(hào)H01M10/36GK101512827SQ20078003202
公開日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2007年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月31日
發(fā)明者竹本毅, 西勇二 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社