鋰離子二次電池的控制裝置及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種控制裝置，其與鋰離子二次電池的耐熱溫度對應(yīng)地進(jìn)行充放電。在對鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制的控制裝置中，具有取得鋰離子二次電池的溫度的溫度傳感器、以及控制器?？刂破鲗︿囯x子二次電池的充放電進(jìn)行控制，以維持在利用溫度傳感器取得的溫度與鋰離子二次電池所容許的上限溫度相比更低的狀態(tài)。另外，控制器對鋰離子二次電池中的鋰元素的析出量進(jìn)行推斷，與析出量的增加對應(yīng)地使上限溫度降低。
【專利說明】鋰離子二次電池的控制裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種對鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制的控制裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在專利文獻(xiàn)I所記載的技術(shù)中，與二次電池的溫度對應(yīng)地設(shè)定容許二次電池的充放電的上限電力。并且，以使得二次電池的電力不會(huì)超過上限電力的方式，對二次電池的充放電進(jìn)行控制。
[0003]專利文獻(xiàn)1:日本特開2003-219510號公報(bào)
[0004]專利文獻(xiàn)2:日本特開2010-086901號公報(bào)
[0005]專利文獻(xiàn)3:日本特開2010-108750號公報(bào)
[0006]專利文獻(xiàn)4:日本特開2010-137807號公報(bào)
[0007]專利文獻(xiàn)5:日本特開2010-273492號公報(bào)
[0008]在專利文獻(xiàn)I所記載的技術(shù)中，如果二次電池的溫度大于或等于規(guī)定溫度，則將上限電力設(shè)定為0[kW]，不進(jìn)行二次電池的充放電。在這里，規(guī)定溫度是預(yù)先確定的固定值。
[0009]在鋰離子二次電池中，電池的耐熱溫度隨著鋰元素的析出量而變化。為了保護(hù)鋰離子二次電池，只要使鋰離子二次電池的溫度不超過耐熱溫度即可。在專利文獻(xiàn)I中，由于規(guī)定溫度為固定值，所以有時(shí)會(huì)不必要地限制鋰離子二次電池的充放電。
[0010]根據(jù)鋰元素的析出量，有可能耐熱溫度超過規(guī)定溫度。為了最大限度地發(fā)揮二次電池的性能，并不優(yōu)選不必要地限制二次電池的充放電，因此，優(yōu)選與耐熱溫度對應(yīng)而適當(dāng)?shù)卦O(shè)定規(guī)定溫度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本申請的第I發(fā)明為一種控制裝置，其對鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制，其具有取得鋰離子二次電池的溫度的溫度傳感器、以及控制器。控制器對鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制，以維持在利用溫度傳感器取得的溫度與鋰離子二次電池所容許的上限溫度相比更低的狀態(tài)。另外，控制器對鋰離子二次電池中的鋰元素的析出量進(jìn)行推斷，與析出量的增加對應(yīng)地使上限溫度降低。
[0012]根據(jù)本申請的第I發(fā)明，能夠使上限溫度與鋰元素的析出量對應(yīng)地進(jìn)行變化。由于與鋰元素的析出量對應(yīng)地，鋰離子二次電池的耐熱溫度變化，所以能夠使上限溫度與耐熱溫度的變化對應(yīng)地進(jìn)行變化。由此，能夠與耐熱溫度對應(yīng)地進(jìn)行充放電，更易于發(fā)揮鋰離子二次電池的性能。
[0013]控制器能夠使用表示析出量與上限溫度之間的對應(yīng)關(guān)系的信息，確定與推斷出的析出量對應(yīng)的上限溫度。表示析出量及上限溫度的對應(yīng)關(guān)系的信息可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。
[0014]控制器能夠與上限溫度對應(yīng)地，設(shè)定容許鋰離子二次電池的充放電的上限電力。通過與上限溫度對應(yīng)地設(shè)定上限電力，能夠?qū)囯x子二次電池的溫度維持在與上限溫度相比較低的狀態(tài)。控制器能夠在與上限電力相比較低的電力的條件下，進(jìn)行鋰離子二次電池的充放電。
[0015]本申請的第2發(fā)明為對鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制的控制方法，其中，取得鋰離子二次電池的溫度，對鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制，以維持在所取得的溫度與鋰離子二次電池所容許的上限溫度相比更低的狀態(tài)。另外，對鋰離子二次電池中的鋰元素的析出量進(jìn)行推斷，與析出量的增加對應(yīng)地使上限溫度降低。在本申請的第2發(fā)明中，也可以得到與本申請的第I發(fā)明相同的效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是表示電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。
[0017]圖2是表示鋰元素的析出量的變化的圖。
[0018]圖3是表示鋰元素的析出量與耐熱溫度之間的關(guān)系的圖。
[0019]圖4是表示上限溫度的變化的圖。
[0020]圖5是表示對電池組的充放電進(jìn)行控制的處理的流程圖。
[0021]圖6是表示與局部的SOC變化對應(yīng)的開路電壓變化特性的圖。
[0022]圖7是表示伴隨著單極容量減少的單極的開路電位變化的圖。
[0023]圖8是說明正極及負(fù)極之間的組分對應(yīng)偏差的圖。
[0024]圖9是說明由于劣化導(dǎo)致的組分對應(yīng)偏差的圖。
[0025]圖10是表示對鋰元素的析出量進(jìn)行推斷的處理的流程圖。
[0026]圖11是表示電池容量及開路電壓的關(guān)系的圖。
[0027]圖12是表示僅發(fā)生損耗劣化的情況下的正極容量維持率、負(fù)極容量維持率及組分對應(yīng)的偏差容量之間的關(guān)系的圖。
[0028]圖13是表示電池溫度及上限電力的關(guān)系的圖。
[0029]圖14是表示對電池組的充放電進(jìn)行控制的處理的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下，對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說明。
[0031]實(shí)施例1
[0032]利用圖1，說明作為本發(fā)明的實(shí)施例1的電池系統(tǒng)。圖1是表示電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。本實(shí)施例的電池系統(tǒng)可以搭載于車輛上。
[0033]本實(shí)施例的電池系統(tǒng)具有電池組10。電池組10具有串聯(lián)連接的多個(gè)單電池11。單電池11使用鋰離子二次電池。單電池11的數(shù)量可以基于所需要的輸出等而適當(dāng)?shù)卦O(shè)定。在本實(shí)施例中，多個(gè)單電池11串聯(lián)連接，但電池組10中也可以含有并聯(lián)連接的多個(gè)單電池11。
[0034]電壓傳感器21檢測電池組10的端子間電壓，并將檢測結(jié)果向控制器30輸出。另一方面，也可以使用電壓傳感器對各個(gè)單電池11的電壓進(jìn)行檢測，或者對至少包含2塊單電池11在內(nèi)的電池塊的電壓進(jìn)行檢測。電流傳感器22對流過電池組10的電流進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果向控制器30輸出。
[0035]溫度傳感器23對電池組10 (單電池11)的溫度進(jìn)行檢測，并將檢測結(jié)果向控制器30輸出。溫度傳感器23的數(shù)量可以適當(dāng)設(shè)定。在使用多個(gè)溫度傳感器23時(shí)，可以在相互處于不同位置的單電池11處配置溫度傳感器23。
[0036]控制器30具有存儲(chǔ)器30a。存儲(chǔ)器30a存儲(chǔ)有用于使控制器30進(jìn)行規(guī)定處理的各種信息。在本實(shí)施例中，存儲(chǔ)器30a內(nèi)置在控制器30中，但也可以在控制器30的外部設(shè)置存儲(chǔ)器30a。
[0037]電池組10的正極端子連接有系統(tǒng)主繼電器SMR-B。系統(tǒng)主繼電器SMR-B通過接收來自控制器30的控制信號，從而切換接通及斷開。電池組10的負(fù)極端子連接有系統(tǒng)主繼電器SMR-G。系統(tǒng)主繼電器SMR-G通過接收來自控制器30的控制信號，從而切換接通及斷開。
[0038]系統(tǒng)主繼電器SMR-P及限流電阻24與系統(tǒng)主繼電器SMR-G并聯(lián)連接。系統(tǒng)主繼電器SMR-P通過接收來自控制器30的控制信號，從而切換接通及斷開。限流電阻24用于在將電池組10與逆變器31連接時(shí)，抑制流過沖擊電流。
[0039]在將電池組10與逆變器31連接時(shí)，控制器30將系統(tǒng)主繼電器SMR-B從斷開切換為接通，并且將系統(tǒng)主繼電器SMR-P從斷開切換為接通。由此，在限流電阻24中流過電流。然后，控制器30在將系統(tǒng)主繼電器SMR-G從斷開切換為接通后，將系統(tǒng)主繼電器SMR-P從接通切換為斷開。
[0040]由此，電池組10及逆變器31的連接完成。另一方面，在斷開電池組10及逆變器31之間的連接時(shí)，控制器30將系統(tǒng)主繼電器SMR-B、SMR-G從接通切換為斷開。
[0041]逆變器31將來自電池組10的直流電力變換為交流電力，并將交流電力向電動(dòng)機(jī).發(fā)電機(jī)32輸出。作為 電動(dòng)機(jī).發(fā)電機(jī)32,例如能夠使用三相交流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)32接收來自逆變器31的交流電力，并生成用于使車輛行駛的動(dòng)能。由電動(dòng)機(jī).發(fā)電機(jī)32產(chǎn)生的動(dòng)能傳遞至車輪。
[0042]在使車輛減速或停止時(shí)，電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)32將車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能變換為電能(交流電力)。逆變器31將電動(dòng)機(jī)?發(fā)電機(jī)32產(chǎn)生的交流電力變換為直流電力，并將直流電力向電池組10輸出。由此，電池組10能夠存儲(chǔ)再生電力。在本實(shí)施例的電池系統(tǒng)中，能夠在將電池組10與逆變器31進(jìn)行連接的電流通路上設(shè)置升壓電路。如果使用升壓電路，則能夠?qū)㈦姵亟M10的輸出電壓進(jìn)行升壓。
[0043]在本實(shí)施例的電池系統(tǒng)中，控制器30對單電池11中的鋰元素的析出量進(jìn)行推斷，與推斷出的析出量對應(yīng)地，設(shè)定單電池11所容許的溫度的上限值(稱為“上限溫度”)。
[0044]如果單電池11的劣化不斷進(jìn)行，則如圖2所示，隨著時(shí)間經(jīng)過，鋰元素的析出量可能不斷增加。在圖2中，橫軸為時(shí)間，縱軸為鋰元素的析出量。在圖2的縱軸中，越朝向上偵牝鋰元素的析出量就越增加。例如如果對單電池11進(jìn)行過充電，則有可能鋰元素析出而使得單電池11劣化。鋰元素的析出量能夠通過后述的方法進(jìn)行推斷。
[0045]如圖3所示，鋰元素的析出對單電池11的耐熱溫度產(chǎn)生影響。圖3的橫軸表示鋰元素的析出量，越朝向右側(cè)，鋰元素的析出量越增加。圖3的縱軸表示單電池11的耐熱溫度，越朝向上側(cè)，耐熱溫度越高。如果單電池11的溫度高于耐熱溫度，則例如有可能使得單電池11的內(nèi)部加速氣體產(chǎn)生。
[0046]如圖3所示，鋰元素的析出量越增加，單電池11的耐熱溫度就越低。因此，單電池11的耐熱溫度越低，就需要將上限溫度設(shè)置得越低。
[0047]在本實(shí)施例中，控制器30如圖4所示，隨著時(shí)間經(jīng)過而使得上限溫度降低。圖4的縱軸表示上限溫度，越朝向上側(cè)，上限溫度越高。圖4的橫軸表示時(shí)間。圖4所示的上限溫度的推移是與圖2所示的鋰元素的析出量對應(yīng)的。在圖2中，由于隨著時(shí)間經(jīng)過而鋰元素的析出量增加，所以對于上限溫度，如圖4所示隨著時(shí)間經(jīng)過而使其降低。
[0048]鋰元素的析出量及上限溫度的對應(yīng)關(guān)系能夠通過實(shí)驗(yàn)而預(yù)先決定。具體地說，首先求出鋰元素的析出量及耐熱溫度之間的關(guān)系。對單電池11中析出規(guī)定量的鋰元素時(shí)的單電池11的耐熱溫度進(jìn)行測定，使鋰元素的析出量各不相同并測定相應(yīng)的耐熱溫度。由此，能夠求出鋰元素的析出量及耐熱溫度之間的關(guān)系。然后，能夠考慮耐熱溫度而決定上限溫度。上限溫度可以設(shè)定為與耐熱溫度相比較低的溫度。如果上限溫度與耐熱溫度相比過低，則如后述所示，有可能不必要地限制了電池組10的輸入輸出。需要考慮這一點(diǎn)而決定上限溫度及耐熱溫度之差。
[0049]鋰元素的析出量及上限溫度之間的對應(yīng)關(guān)系可以準(zhǔn)備為映射圖或運(yùn)算式。可以將表示鋰元素的析出量及上限溫度之間的對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)(映射圖或運(yùn)算式)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器30a中?？刂破?0在推斷出鋰元素的析出量后，能夠使用表示鋰元素的析出量及上限溫度之間的對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)，確定與所推斷出的析出量相對應(yīng)的上限溫度?？刂破?0能夠基于上限溫度，控制電池組10的輸入輸出。對電池組10的輸入輸出進(jìn)行控制的方法在后面記述。
[0050]在本實(shí)施例中，使用圖5所示的流程圖，說明對電池組10的充放電進(jìn)行控制的處理。圖5所示的處理是由控制器30執(zhí)行的。
[0051]在步驟SlOl中，控制器30對單電池11中的鋰元素的析出量進(jìn)行推斷。對鋰元素的析出量進(jìn)行推斷的方法在后面記述。在步驟S102中，控制器30基于在步驟SlOl中推斷出的鋰元素的析出量，設(shè)定上限溫度。在步驟S103中，控制器30基于在步驟S102中所設(shè)定的上限溫度，控制電池組10的輸入輸出。對電池組10的輸入輸出進(jìn)行控制的方法在后面記述。
[0052]下面，說明對鋰元素的析出量進(jìn)行推斷的方法(一個(gè)例子)。對鋰元素的析出量進(jìn)行推斷的方法并不限定于以下所說明的方法。即，只要是能夠?qū)︿囋氐奈龀隽窟M(jìn)行推斷，以便根據(jù)鋰元素的析出量及上限溫度之間的對應(yīng)關(guān)系確定上限溫度，即可。
[0053]單電池11由負(fù)極、含有電解液的隔板、以及正極構(gòu)成。也可以取代隔板而使用固體電解質(zhì)。負(fù)極及正極各自由球狀的活性物質(zhì)的集合體構(gòu)成。在單電池11放電時(shí)，在負(fù)極的活性物質(zhì)的表面上，進(jìn)行釋放鋰離子Li+及電子e-的化學(xué)反應(yīng)。另一方面，在正極的活性物質(zhì)的表面上，進(jìn)行吸收鋰離子Li+及電子e-的化學(xué)反應(yīng)。在單電池11充電時(shí)，進(jìn)行與上述反應(yīng)相反的反應(yīng)。
[0054]在負(fù)極中，設(shè)置有在單電池11放電時(shí)吸收電子的集電板。在正極中，設(shè)置有在單電池11放電時(shí)釋放電子的集電板。負(fù)極的集電板例如由銅形成，與負(fù)極端子連接。正極的集電板例如由鋁形成，與正極端子連接。通過隔著隔板在正極及負(fù)極之間進(jìn)行鋰離子的釋放、吸收,從而進(jìn)行單電池11的充放電。
[0055]單電池11內(nèi)部的充電狀態(tài)，根據(jù)正極及負(fù)極各自的活性物質(zhì)中的鋰元素濃度分布而不相同。該鋰元素對單電池11充放電時(shí)的反應(yīng)產(chǎn)生影響。
[0056]單電池11的輸出電壓V(CCV:CLosed Circuit VoLtage)由下述算式(I)示出。
[0057][算式I][0058]V = 0CV( θ 1； Θ 2)-RX1...(I)
[0059]在算式(I)中，OCV(OpenCircuitVoLtage)為單電池11的開路電壓，R為單電池11的內(nèi)部電阻，I為流過單電池11的電流值。電阻R含有多種電阻成分。第I電阻成分為在負(fù)極及正極中的電子移動(dòng)所產(chǎn)生的純電阻成分。第2電阻成分是在活性物質(zhì)表面上產(chǎn)生反應(yīng)電流時(shí)，作為等價(jià)電阻而起作用的電阻成分(電荷移動(dòng)電阻)。
[0060]Θ i為正極活性物質(zhì)表面的局部SOC(State Of Charge)。Θ 2為負(fù)極活性物質(zhì)表面的局部S0C。電阻R隨著局部SOC Θ P θ2及電池溫度的變化而變化。換句話說，電阻R能夠表不為局部soc O1^e2及電池溫度的函數(shù)。
[0061]局部SOC Θ 1、Θ 2由下述算式⑵示出。
[0062][算式2]
【權(quán)利要求】
1.一種控制裝置，其對鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制， 其特征在于，具有: 溫度傳感器，其取得所述鋰離子二次電池的溫度，以及 控制器，其對所述鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制，以維持在利用所述溫度傳感器取得的溫度與所述鋰離子二次電池所容許的上限溫度相比更低的狀態(tài)； 所述控制器對所述鋰離子二次電池中的鋰元素的析出量進(jìn)行推斷，與所述析出量的增加對應(yīng)地使所述上限溫度降低。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制裝置，其特征在于， 所述控制器使用表示所述析出量與所述上限溫度之間的對應(yīng)關(guān)系的信息，確定與推斷出的所述析出量對應(yīng)的所述上限溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制裝置，其特征在于， 所述控制器與所述上限溫度對應(yīng)地設(shè)定容許進(jìn)行所述鋰離子二次電池的充放電的上限電力。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制裝置，其特征在于， 所述控制器在與所述上限電力相比較低的電力的情況下，進(jìn)行所述鋰離子二次電池的充放電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的控制裝置，其特征在于， 隨著所述析出量的增加，所述鋰離子二次電池的耐熱溫度降低。
6.一種控制方法，其對鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制， 其特征在于， 取得所述鋰離子二次電池的溫度， 對所述鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行控制，以維持在所取得的溫度與所述鋰離子二次電池所容許的上限溫度相比更低的狀態(tài)， 對所述鋰離子二次電池中的鋰元素的析出量進(jìn)行推斷，與所述析出量的增加對應(yīng)地，使所述上限溫度降低。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于， 使用表示所述析出量與所述上限溫度之間的對應(yīng)關(guān)系的信息，確定與推斷出的所述析出量對應(yīng)的所述上限溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的控制方法，其特征在于， 與所述上限溫度對應(yīng)地，設(shè)定容許進(jìn)行所述鋰離子二次電池的充放電的上限電力。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的控制方法，其特征在于， 在與所述上限電力相比較低的電力的情況下，進(jìn)行所述鋰離子二次電池的充放電。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的控制方法，其特征在于， 隨著所述析出量的增加，所述鋰離子二次電池的耐熱溫度降低。
【文檔編號】H01M10/48GK104011930SQ201180075793
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月20日
【發(fā)明者】高橋賢司 申請人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社