專利名稱：二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，特別是涉及依照基于電化學(xué)反 應(yīng)可估計(jì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置。
背景技術(shù)：
被構(gòu)成為通過可充電的二次電池向負(fù)荷提供電源并根據(jù)需要在該負(fù)荷 的運(yùn)行當(dāng)中也能夠?qū)υ摱坞姵剡M(jìn)行充電的電源系統(tǒng)正被使用。作為代表 性例子，將通過二次電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)用作驅(qū)動(dòng)力源的混合動(dòng)力汽車或電 動(dòng)汽車安裝了這樣的電源系統(tǒng)。在這些電源系統(tǒng)中，除了二次電池的儲(chǔ)存 電能被用作作為驅(qū)動(dòng)力源的電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電力之外，該二次電池還通過由 該電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電時(shí)的發(fā)電電力或隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)而發(fā)電的發(fā)電機(jī)的發(fā) 電電力而充電。在這樣的電源系統(tǒng)中，要求二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置正確
地求出代表性的相對(duì)于充滿狀態(tài)的充電率(SOC: State of Charge,荷電狀
態(tài))。
特別是在混合汽車中，為了使二次電池可接收再生電力、并且只要有 要求就能夠立刻向電動(dòng)機(jī)供應(yīng)電力，需要將該二次電池的充電率控制在充 滿狀態(tài)(100%)和完全未充電狀態(tài)(0%)的大致中間附近(50% 60%)。
另外，如果二次電池進(jìn)行過放電或過充電，則有可能導(dǎo)致電池性能劣
化，壽命變短。因此，在如上述那樣以中間的soc作為控制目標(biāo)而重復(fù)執(zhí)
行充放電的二次電池的使用方式中，從進(jìn)行逐次把握二次電池的充電量以 限制過度的充放電的充放電控制的觀點(diǎn)來說，也很有必要正確地進(jìn)行二次 電池的狀態(tài)估計(jì)。
關(guān)于作為二次電池的狀態(tài)估計(jì)而具代表性的充電率估計(jì)，例如如專利
文獻(xiàn)1 (日本專利文獻(xiàn)特開2005-37230號(hào)公報(bào))所公開的那樣，采用了基于電池電流的累積值來估計(jì)SOC的變化的方法。特別是在專利文獻(xiàn)1中， 與通過電流傳感器進(jìn)行的電池電流的測(cè)量并行地執(zhí)行估計(jì)充放電電流的運(yùn)
算，并一方面通過計(jì)算電池電流來求出實(shí)測(cè)soc，另一方面通過累積估計(jì) 充放電電流來求出估計(jì)soc。并且，累積作為估計(jì)soc和實(shí)測(cè)soc之差 的soc差的經(jīng)時(shí)變化來求出累計(jì)soc值，并在該累計(jì)soc值與初始值比
較大于等于預(yù)定值時(shí)檢測(cè)出電池的劣化。
但是，在專利文獻(xiàn)1中，估計(jì)充放電電流是按照基于內(nèi)部電阻、電池 電壓以及電池輸入之間的歐姆法則的關(guān)系式而求出的。因此，難以基于電 化學(xué)反應(yīng)來正確地估計(jì)電池的內(nèi)部狀態(tài)。
另外，在專利文獻(xiàn)2 (日本專利文獻(xiàn)特開2004-178848號(hào)公報(bào))中， 公開了二次電池的充電率估計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)使用適用的數(shù)字濾波器根據(jù)二 次電池的電流以及端子電壓的測(cè)量值來估計(jì)開路電壓(OCV)，并基于預(yù) 先求出的開路電壓與充電率的關(guān)系來估計(jì)充電率。
但是，在上述二次電池的充電率估計(jì)裝置中，由于使用低通濾波器作 為二次電池的內(nèi)部等效電路模型，因此難以正確地估計(jì)由有助于電化學(xué)反 應(yīng)的反應(yīng)參與物質(zhì)的擴(kuò)散引起的二次電池的內(nèi)部舉動(dòng)。
因此，在非專利文獻(xiàn)1 (W.B. Gu and C.Y. Wang， THERMAL-ELECTROCHEMICAL COUPLED MODELING OF A LITHIUM-ION CELL, ECS Proceedings Vol.99-25 (1)， 2000, ECS, p748-762)中，對(duì)使用了鋰電池 內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)式的電池模型進(jìn)行了研究，并匯報(bào)了通過與實(shí)際電池進(jìn) 行比較能夠精度高地表現(xiàn)出特性。特別是在對(duì)比文件1中指出了以下情
況二次電池的開路電壓依賴于電極的電解液界面(活性物質(zhì)表面)上的 局部SOC，從而緩和時(shí)的電池電壓受到依賴于活性物質(zhì)內(nèi)鋰濃度分布的鋰 擴(kuò)散的支配。特別是公開了以下內(nèi)容活性物質(zhì)內(nèi)的反應(yīng)參與物質(zhì)(鋰) 的擴(kuò)散受到將活性物質(zhì)作為球來處理的球坐標(biāo)的擴(kuò)散方程式的支配，并且 擴(kuò)散過程中的物質(zhì)擴(kuò)散速度受擴(kuò)散系數(shù)的支配。
如上所述，在專利文獻(xiàn)1和2所示的二次電池的狀態(tài)估計(jì)中，由于通 過將二次電池的電池電壓和電池電流作為輸入輸出的宏觀等效模型來估計(jì) 二次電池的內(nèi)部狀態(tài)，因此難以基于伴有反應(yīng)參與物質(zhì)的擴(kuò)散的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)來進(jìn)行高精度的估計(jì)。
另一方面，如非專利文獻(xiàn)1公開的那樣，當(dāng)基于電池內(nèi)部的電化學(xué)反 應(yīng)使用擴(kuò)散方程式來表現(xiàn)反應(yīng)參與物質(zhì)的擴(kuò)散、并且認(rèn)定電池的開路電壓
依賴于依賴與電極-電解液界面(活性物質(zhì)表面)的局部soc時(shí)，雖然電
池模型是非線性的，但能夠以更高精度估計(jì)電池狀態(tài)。但是，當(dāng)按照非專 利文獻(xiàn)1所公開的模型進(jìn)行解析時(shí)，運(yùn)算量非常大，因此難以實(shí)現(xiàn)例如安 裝在實(shí)際設(shè)備上并在使用二次電池時(shí)在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述問題而作出的，其目的在于，提供一種二次電池 的狀態(tài)估計(jì)裝置，該二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置使用了能夠基于電化學(xué)反應(yīng) 來估計(jì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)并減少了計(jì)算量的電池模型，適于安裝在實(shí)際 設(shè)備上。
根據(jù)本發(fā)明的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置是一種二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝
置，其中二次電池包括包含活性物質(zhì)的第一電極和第二電極，其中在所
述活性物質(zhì)的內(nèi)部包含有助于電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物質(zhì)；以及用于在第一電
極和第二電極之間傳導(dǎo)離子化的反應(yīng)物質(zhì)的離子導(dǎo)體，所述二次電池的狀 態(tài)估計(jì)裝置包括電壓檢測(cè)器、擴(kuò)散估計(jì)部、開路電壓估計(jì)部、電流估計(jì) 部、以及邊界條件設(shè)定部。電壓檢測(cè)器檢測(cè)第一電極和第二電極之間的電 池電壓。擴(kuò)散估計(jì)部按照活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式來估計(jì)反應(yīng)物質(zhì)的濃度 分布，所述活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式基于給定的邊界條件來規(guī)定在性物質(zhì) 的內(nèi)部中的反應(yīng)物質(zhì)的濃度分布。開路電壓估計(jì)部基于由擴(kuò)散估計(jì)部估計(jì) 出的、活性物質(zhì)的與電解液的界面處的反應(yīng)物質(zhì)的濃度，來估計(jì)第一電極 和第二電極間的開路電壓。電流估計(jì)部按照基于電化學(xué)反應(yīng)的電壓電流關(guān) 系模型表達(dá)式來估計(jì)二次電池的電池電流密度。該電壓電流關(guān)系模型表達(dá) 式表示開路電壓、根據(jù)二次電池的電池電流密度而計(jì)算出的過電壓、根據(jù) 電池電流密度而產(chǎn)生的電壓降、以及電池電壓之間的關(guān)系。特別是電流估 計(jì)部通過將由電壓檢測(cè)器檢測(cè)出的電池電壓、由開路電壓估計(jì)部估計(jì)出的 開路電壓、以及二次電池的參數(shù)值代入電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式中來計(jì)算電池電流密度。邊界條件設(shè)定部基于由電流估計(jì)部估計(jì)出的電池電流密度 計(jì)算界面處的反應(yīng)電流密度，并根據(jù)計(jì)算出的反應(yīng)電流密度來設(shè)定擴(kuò)散估 計(jì)模型表達(dá)式的界面處的邊界條件。
根據(jù)上述二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，通過按照活性物質(zhì)擴(kuò)散模型來估 計(jì)活性物質(zhì)內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)(代表性的是鋰電池中的鋰)的擴(kuò)散，并利用經(jīng) 簡(jiǎn)化的電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式和活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式的組合，能夠 估計(jì)反應(yīng)物質(zhì)的濃度分布，所述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式使用基于估計(jì)出 的活性物質(zhì)的與電解液的界面處的反應(yīng)物質(zhì)濃度而估計(jì)的開路電壓
(ocv)、測(cè)出的電池電壓、以及預(yù)先求得的二次電池的參數(shù)值來估計(jì)二
次電池的電池電流密度。從而，能夠?qū)崿F(xiàn)在通過采用簡(jiǎn)化后的電壓電流關(guān) 系模型表達(dá)式而降低運(yùn)算負(fù)荷的基礎(chǔ)上基于電化學(xué)反應(yīng)而高精度地估計(jì)出 二次電池的內(nèi)部狀態(tài)的電池模型表達(dá)式。
優(yōu)選如下二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括溫度檢測(cè)器以及至少根據(jù) 電池溫度來可變地設(shè)定參數(shù)值的參數(shù)值設(shè)定部。溫度檢測(cè)器檢測(cè)二次電池 的電池溫度。參數(shù)值設(shè)定部還至少根據(jù)電池溫度來可變地設(shè)定活性物質(zhì)擴(kuò) 散模型表達(dá)式中的表示擴(kuò)散速度的參數(shù)值。
由此，由于根據(jù)二次電池的溫度能夠可變地設(shè)定在電池模型表達(dá)式中 使用的參數(shù)值，因此能夠反映電池參數(shù)的溫度依賴性，并還能高精度地進(jìn) 行二次電池的狀態(tài)估計(jì)。
另外，優(yōu)選如下電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式由線性近似表達(dá)式構(gòu)成， 所述線性近似表達(dá)式表示從開路電壓中減去電池電流密度與作為參數(shù)值的 電極每單位面積的電阻的乘積而得的電壓等于電池電壓。參數(shù)值設(shè)定部根 據(jù)由擴(kuò)散估計(jì)部估計(jì)出的界面處的反應(yīng)物質(zhì)的濃度以及由溫度檢測(cè)器檢測(cè) 出的電池溫度來可變地設(shè)定電阻。
由此，通過應(yīng)用線性近似表達(dá)式，在從電池電壓估計(jì)電池電流密度的 電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式的運(yùn)算中不需要進(jìn)行收斂計(jì)算。從而，能夠減少 基于電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式的運(yùn)算的負(fù)荷并使得該運(yùn)算穩(wěn)定，因此能夠 實(shí)現(xiàn)適于安裝到實(shí)際設(shè)備上的電池模型表達(dá)式。
另外，優(yōu)選如下二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括電流運(yùn)算部。電流運(yùn)算部將總的電池電流密度分離為有助于電化學(xué)反應(yīng)的第一電流密度和由 在二次電池內(nèi)部所產(chǎn)生的雙電荷層電容成分產(chǎn)生的第二電流密度。并且， 邊界條件設(shè)定部基于由電流運(yùn)算部計(jì)算出的第一電流密度來計(jì)算界面處的 反應(yīng)電流密度，并在電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式中，基于第一電流密度來計(jì) 算過電壓。
通過如上構(gòu)成，由于能夠從整個(gè)二次電池中的電池電流成分中分離不 助于電化學(xué)反應(yīng)的流經(jīng)雙電荷層電容的電流，來執(zhí)行活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表 達(dá)式和電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式的運(yùn)算，因此能夠提高估計(jì)精度。
并且，優(yōu)選如下二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括溫度檢測(cè)器，所述 溫度檢測(cè)器檢測(cè)出二次電池的電池溫度；以及參數(shù)值設(shè)定部，所述參數(shù)值 設(shè)定部用于至少根據(jù)電池溫度來可變地設(shè)定參數(shù)值。并且，電壓電流關(guān)系 模型表達(dá)式包括線性近似表達(dá)式；所述線性近似表達(dá)式表示第一電流密 度與作為參數(shù)值的電極每單位面積上的第一電阻的乘積等于電池電壓；以 及表示作為參數(shù)值的、流過電極每單位面積上的電容的第二電流密度是與 電池電壓隨時(shí)間的變化量成比例的值的表達(dá)式。并且，參數(shù)值設(shè)定部根據(jù) 由擴(kuò)散估計(jì)部估計(jì)出的界面處的反應(yīng)物質(zhì)的濃度以及由溫度檢測(cè)器檢測(cè)出 的電池溫度來可變地設(shè)定第一電阻，并且根據(jù)電池溫度來可變地設(shè)定電極 每單位面積上的電容量。
由此，通過應(yīng)用線性近似表達(dá)式，在從電池電壓估計(jì)出電池電流密度 的電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式的運(yùn)算中不需要進(jìn)行收斂計(jì)算。從而，能夠減 少基于電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式的運(yùn)算的負(fù)荷并使得運(yùn)算穩(wěn)定，因此能夠 實(shí)現(xiàn)適于安裝到實(shí)際設(shè)備上的電池模型表達(dá)式。
優(yōu)選如下擴(kuò)散估計(jì)部針對(duì)第一電極和第二電極的每一個(gè)而具有通過 極坐標(biāo)表示的活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式。
通過如上構(gòu)成，由于通過對(duì)第一電極和第二電極的每一個(gè)建立不同的 活性物質(zhì)擴(kuò)散模型而能夠按照每個(gè)電極對(duì)反應(yīng)物質(zhì)(例如，鋰)的擴(kuò)散進(jìn) 行建模，因此能夠提高估計(jì)精度。
另外，優(yōu)選如下；擴(kuò)散估計(jì)部具有被第一電極和第二電極共用的通過 極坐標(biāo)表示的活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式。通過如上構(gòu)成，由于采用被第一電極和第二電極共用的活性物質(zhì)擴(kuò)散模型，因此通過進(jìn)一步減少運(yùn)算負(fù)荷，能夠?qū)崿F(xiàn)更適于安裝到實(shí)際設(shè)備上的電池模型表達(dá)式。
或者優(yōu)選如下電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式基于電壓方程式以及電化學(xué)反應(yīng)式而被導(dǎo)出，電壓方程式表示活性物質(zhì)和電解液的平均電位、隨著界面處的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的過電壓的平均值、以及開路電壓之間的關(guān)系，電化學(xué)反應(yīng)式表示電池電流密度以及過電壓的平均值之間的關(guān)系。
進(jìn)一步優(yōu)選如下在第一電極和第二電極的每一個(gè)中，通過假定電極中的電化學(xué)反應(yīng)不具有位置依賴性而相同來將電極中的活性物質(zhì)和電解液的電位分布簡(jiǎn)化為二次函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上求出活性物質(zhì)和電解液的平均電位，由此導(dǎo)出電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式。
通過如上構(gòu)成，由于基于表示活性物質(zhì)和電解液的平均電位、隨著電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的過電壓的平均值、以及開路電壓之間的關(guān)系的電壓方程式，并且還基于表示電池電流密度以及過電壓的平均值之間的關(guān)系電化學(xué)反應(yīng)式來導(dǎo)出上述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式，因此能夠簡(jiǎn)化電化學(xué)反應(yīng)模型表達(dá)式，同時(shí)不會(huì)導(dǎo)致估計(jì)精度顯著降低。
優(yōu)選如下二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括平均濃度計(jì)算部和第一充電率估計(jì)部。平均濃度計(jì)算部基于由擴(kuò)散估計(jì)部估計(jì)出的反應(yīng)物質(zhì)的濃度分布來計(jì)算活性物質(zhì)內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)的平均濃度。第一充電率估計(jì)部按照預(yù)先求出的平均濃度和二次電池的充電率的對(duì)應(yīng)關(guān)系并基于由平均濃度計(jì)算部算出的平均濃度來估計(jì)充電率。
通過如上構(gòu)成，由于根據(jù)電極的活性物質(zhì)內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì)的平均濃度來估計(jì)二次電池的充電率，因此能夠通過基于二次電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)的狀態(tài)估計(jì)來高精度地估計(jì)充電率。
并且，優(yōu)選如下二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括電流檢測(cè)部、第二充電率估計(jì)部、以及第三充電率估計(jì)部。電流檢測(cè)部檢測(cè)二次電池的電池電流。第二充電率估計(jì)部基于電池電流的累計(jì)來估計(jì)二次電池的充電率變化量。第三充電率估計(jì)部基于第一充電率估計(jì)部和第二充電率估計(jì)部的估計(jì)結(jié)果來逐次更新二次電池的充電率估計(jì)值。并且，第三充電率估計(jì)部通過在充電率估計(jì)值的前次值上反映由第二充電率估計(jì)部估計(jì)出的相對(duì)于前次值的充電率變化量、以及由第一充電率估計(jì)部估計(jì)出的當(dāng)前充電率與前次值之間的充電率誤差，來計(jì)算充電率估計(jì)值的當(dāng)前值。特別是使用比充電率誤差的反映相對(duì)小的時(shí)間常數(shù)來反映所述充電率變化量。
通過如上構(gòu)成，通過組合對(duì)短時(shí)間內(nèi)的估計(jì)精度高的基于電流測(cè)量值的積累所進(jìn)行的充電率估計(jì)和基于上述電池模型的充電率估計(jì)，能夠高精度地估計(jì)二次電池的充電率。
另外，進(jìn)一步優(yōu)選如下二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括電流檢測(cè)器、第二充電率估計(jì)部、以及第三充電率估計(jì)部。電流檢測(cè)器檢測(cè)二次電池的電池電流。第二充電率估計(jì)部基于第二電流的累積來估計(jì)二次電池的充電率變化量。第三充電率估計(jì)部基于由第一充電率估計(jì)部和第二充電率估計(jì)部估計(jì)出的估計(jì)結(jié)果來逐次更新二次電池的充電率估計(jì)值。并且，第三充電率估計(jì)部通過在充電率估計(jì)值的前次值上反映由第二充電率估計(jì)部估計(jì)出的相對(duì)于前次值的充電率變化量、以及由第一充電率估計(jì)部估計(jì)出的當(dāng)前充電率與前次值之間的充電率誤差，來計(jì)算充電率估計(jì)值的當(dāng)前值。特別是第三充電率估計(jì)部在電池電流的絕對(duì)值大于預(yù)定值時(shí)或者在二次電池的電池溫度低于預(yù)定溫度時(shí)，中止充電率誤差的反映并計(jì)算充電率估計(jì)值的當(dāng)前值。
由此，在將利用電流測(cè)量值的累積的充電率估計(jì)和基于上述電池模型的充電率估計(jì)進(jìn)行組合的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)由電池模型引起的估計(jì)誤差下降的大電流和/或低溫時(shí)，能夠防止由于電池模型的估計(jì)誤差而導(dǎo)致充電率的估計(jì)精度下降。
并且，優(yōu)選如下二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括偏移估計(jì)部。偏移估計(jì)部基于由電流估計(jì)部估計(jì)出的電池電流密度來計(jì)算電池電流的估計(jì)值，并基于電池電流的估計(jì)值與電流檢測(cè)器的檢測(cè)值的誤差來估計(jì)電流檢測(cè)器的偏移誤差。并且，第二充電率估計(jì)部使用由偏移估計(jì)部估計(jì)出的偏移誤差來修正由電流檢測(cè)器檢測(cè)出的電池電流的檢測(cè)值，并且基于修正后的檢測(cè)值的累計(jì)來估計(jì)二次電池的充電率的變化量。
或者優(yōu)選如下二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括電流檢測(cè)器、偏移估計(jì)部、以及充電率估計(jì)部。電流檢測(cè)器檢測(cè)二次電池的電池電流。偏移估計(jì)部基于由電流估計(jì)部估計(jì)出的電池電流密度來計(jì)算電池電流的估計(jì)值，并基于電池電流的估計(jì)值和電流檢測(cè)器的檢測(cè)值的誤差來估計(jì)電流檢測(cè)器的偏移誤差。充電率估計(jì)部使用由偏移估計(jì)部估計(jì)出的偏移誤差來修正由電流檢測(cè)器檢測(cè)出的電池電流的檢測(cè)值，并且基于修正后的檢測(cè)值的累計(jì)來估計(jì)二次電池的充電率的變化量。
通過如上構(gòu)成，通過基于由電池模型估計(jì)出的電池電流來估計(jì)電流檢測(cè)器的偏移并對(duì)修正偏移后的電流測(cè)量值進(jìn)行累積，能夠提高基于電流累積的充電率估計(jì)的精度。
因此，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)使用了電池模型的適于安裝到實(shí)際設(shè)備上的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中電池模型可基于電化學(xué)反應(yīng)來估計(jì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)，并減少了運(yùn)算負(fù)荷。


圖1是說明電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例的概要框圖，在該電源系統(tǒng)中應(yīng)用依照本發(fā)明實(shí)施方式的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置；圖2是二次電池的概要結(jié)構(gòu)圖3是示出在電池模型內(nèi)使用的變量和常量的一覽的圖4是說明根據(jù)本實(shí)施方式的二次電池的建模的概要的概念圖5是示出以極坐標(biāo)表示的活性物質(zhì)模型的概念圖6是示出二次電池的端子電壓和各平均電位的關(guān)系的概念圖7是說明擴(kuò)散系數(shù)的溫度依賴性的概念圖8A和圖8B是示出開路電壓和局部SOC的關(guān)系的概念圖；圖9是說明根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的概要結(jié)構(gòu)的框圖IO是說明根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的SOC估計(jì)結(jié)構(gòu)的框圖ll是示出活性物質(zhì)內(nèi)鋰平均濃度和充電率(SOC)的關(guān)系的圖；圖12是說明依照實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的電池狀態(tài)估計(jì)以及SOC估計(jì)的一系列處理的流程圖13是說明由依照實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置進(jìn)行的SOC估計(jì)誤差的自我修正的概念圖14是說明由依照實(shí)施方式2的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置進(jìn)行的SOC估計(jì)的框圖15是示出電池電流的傳感器測(cè)量值與模型估計(jì)值的關(guān)系的概念性波形圖16是示出電流傳感器的偏移誤差的概念性波形圖；圖17是用于在電池ECU中實(shí)現(xiàn)按照?qǐng)D14所示的實(shí)施方式2的SOC估計(jì)的流程圖18是說明按照實(shí)施方式2的變形例的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置所進(jìn)行的SOC估計(jì)的框圖19是用于通過電池ECU來實(shí)現(xiàn)按照?qǐng)D18所示的實(shí)施方式2的變形例的SOC估計(jì)的流程圖20是示出考慮了雙電荷層電容的二次電池的等效電路模型的概要電路圖21是說明根據(jù)實(shí)施方式3的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的概要結(jié)構(gòu)的框圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。下面，對(duì)于圖中相同或相當(dāng)?shù)牟糠謽?biāo)注相同的標(biāo)號(hào)，并且其說明原則上不進(jìn)行重復(fù)。(實(shí)施方式1)
圖1是說明電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例的概要框圖，在該電源系統(tǒng)中應(yīng)用按照本發(fā)明實(shí)施方式的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置。
參考圖l，電源系統(tǒng)5包括二次電池IO、負(fù)荷20、以及由電子控制單元(ECU: Electronic Control Unit)構(gòu)成的、電池ECU 50和控制裝置60。各ECU代表性地由用于執(zhí)行預(yù)先已編程的預(yù)定程序和預(yù)定運(yùn)算的微型計(jì)算機(jī)以及存儲(chǔ)器(RAM: Random Access Memory,隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器；ROM: Read Only Memory,只讀存儲(chǔ)器等)構(gòu)成。
作為可充放電的二次電池10代表性地使用鋰離子電池。鋰離子電池 由于其輸出特性隨著電池內(nèi)部、特別是電極的活性物質(zhì)內(nèi)部的反應(yīng)物質(zhì) (鋰)濃度的分布狀態(tài)而變化，因此適于應(yīng)用本發(fā)明。
二次電池10設(shè)置有測(cè)量電池溫度Tb的溫度傳感器30、測(cè)量二次電池 10的輸入輸出電流lb (下面也稱為電池電流lb)的電流傳感器32、以及 測(cè)量正極和負(fù)極間的端子間電壓Vb (下面也稱為電池電壓Vb)的電壓傳 感器34。
負(fù)荷20通過來自二次電池10的輸出電力而被驅(qū)動(dòng)。另外，假定圖中 沒有示出的發(fā)電/供電元素被設(shè)置在負(fù)荷20中，或者與負(fù)荷20分開單獨(dú)設(shè) 置，二次電池10可通過來自該發(fā)電/供電元素的充電電流進(jìn)行充電。從而 當(dāng)二次電池IO放電時(shí)，電池電流為正(>0)，當(dāng)二次電池IO充電時(shí)，電 池電流為負(fù)(<0)。
電池ECU 50基于來自設(shè)置在二次電池10中的傳感器群30、 32、 34 的檢測(cè)值，并按照電池模型來每隔預(yù)定周期逐次計(jì)算表示電池狀態(tài)的狀態(tài) 估計(jì)值，該電池模型可基于電化學(xué)反應(yīng)來估計(jì)二次電池10的內(nèi)部狀態(tài)， 對(duì)此將在下面進(jìn)行詳細(xì)說明。
并且，電池ECU 50基于計(jì)算出的狀態(tài)估計(jì)值來生成用于限制二次電 池的充放電的電池信息。作為代表性的，電池信息包含表示相對(duì)于充滿 狀態(tài)(100%)的充電量(剩余容量)的SOC (0% 100%)、作為當(dāng)前允 許的充電電力的上限值的可輸入電力Win以及作為放電電力的上限值的可 輸出電力Wout。
控制裝置60相應(yīng)向負(fù)荷20的動(dòng)作請(qǐng)求，并且在考慮來自電池ECU 50的電池信息進(jìn)行充放電限制以避免二次電池10發(fā)生過充電或過放電地 的基礎(chǔ)上，生成負(fù)荷20的動(dòng)作指令。例如，控制裝置60限制二次電池10 的輸入輸出電力以使其在可輸入輸出電力Win、 Wout以下，并生成負(fù)荷 20的動(dòng)作指令。另外，當(dāng)二次電池10的SOC變到下限值以下時(shí)，禁止負(fù) 荷20的電力消耗動(dòng)作，或者強(qiáng)制啟動(dòng)負(fù)荷20的發(fā)電動(dòng)作(二次電池10的 充電動(dòng)作)。相反地，當(dāng)二次電池10的SOC達(dá)到上限值以上時(shí)，強(qiáng)制禁止負(fù)荷20的發(fā)電動(dòng)作。
(二次電池的結(jié)構(gòu)及其電池模型)
圖2是二次電池的概要結(jié)構(gòu)圖。
參考圖2， 二次電池10包括負(fù)極12、隔離部件14、以及正極15。 隔離部件14通過使電解液滲透到設(shè)置在負(fù)極12和正極15之間的樹脂中來 構(gòu)成，對(duì)應(yīng)于本發(fā)明中的"離子導(dǎo)體"。另外，橫坐標(biāo)軸x表示電極厚度 方向上的位置。
負(fù)極12和正極15分別由球形的活性物質(zhì)18的集合體構(gòu)成。當(dāng)放電 時(shí)，在負(fù)極12的活性物質(zhì)18的界面上進(jìn)行釋放鋰離子Li+和電子e加化學(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f的電流集電器13，在正極15上設(shè)置有 釋放電子e—的電流集電器16。負(fù)極的電流集電器13代表性地由銅構(gòu)成， 正極的電流集電器16代表性地由鋁構(gòu)成。在電流集電器13上設(shè)置有負(fù)極 端子lln，在電流集電器16上設(shè)置有正極端子llp。通過經(jīng)由隔離部件14 進(jìn)行的鋰離子Li+的提供和接受，二次電池IO進(jìn)行充放電，產(chǎn)生充電電流 Ib (>0)或放電電流Ib (<0)。
首先，對(duì)應(yīng)用于圖2所示的概要電池模型的在非專利文獻(xiàn)1中公開的 電池模型表達(dá)式進(jìn)行說明。
按照本發(fā)明實(shí)施方式的二次電池的充電裝置所使用的基礎(chǔ)的電池模型 表達(dá)式通過由下面的式(1) (11)構(gòu)成的基礎(chǔ)方程式表示。另外，圖3 示出了在電池模型內(nèi)使用的變量和常量的一覽表。
對(duì)于以下說明的模型表達(dá)式中的變量和常量，下標(biāo)e表示是電解液中 的值，下標(biāo)S表示是活性物質(zhì)中的值。特別是下標(biāo)j用于區(qū)分正極和負(fù) 極，j==l表示正極中的值，j二2表示負(fù)極中的值。當(dāng)概括表述正極和負(fù)極 中的變量或者常量時(shí)，省略下標(biāo)j進(jìn)行記載。另外，關(guān)于表示是時(shí)間函數(shù) 的(t)的記載、表示電池溫度依賴性的(T)的記載、或者表示局部SOC 依賴依賴性的(e )的記載等，在說明書中有時(shí)也省略記載。此外，添加 在變量或常量上的記號(hào)#表示平均值。<formula>formula see original document page 18</formula>上述式(1) 、 (2)是表示電極(活性物質(zhì))中電化學(xué)反應(yīng)的式子， 被稱為巴物勒-伏爾默(Butler-Volmer)公式。
另外，作為與電解液中的鋰離子濃度守恒法則有關(guān)的式子，有式 (3)成立。另一方面，作為與活性物質(zhì)內(nèi)的鋰離子濃度守恒法則有關(guān)的 式子，應(yīng)用式(4)的擴(kuò)散方程式、以及由式(5)和式(6)示出的邊界 條件式。式(5)表示活性物質(zhì)中心部的邊界條件，式(6)表示活性物質(zhì) 的與電解液的界面(下面也簡(jiǎn)稱為"界面")處的邊界條件。
這里，活性物質(zhì)界面中的局部的鋰離子濃度分布、即局部SOC0j由式 (7)定義。式(7)中的Csej如式(8)所示，表示正極和負(fù)極的活性物質(zhì)
界面處的鋰離子濃度。另外，Csj,n^表示活性物質(zhì)內(nèi)的界限鋰濃度。
<formula>formula see original document page 18</formula>并且，作為與電解液中的電荷守恒法則有關(guān)的式子，由式(9)成 立，作為與活性物質(zhì)中的電荷守恒法則相關(guān)的式子，有式(10)成立。另 外，作為活性物質(zhì)界面上的電化學(xué)反應(yīng)式，有表示電流密度I (t)和反應(yīng) 電流密度jjU的關(guān)系的式(11)成立。
V.[Kf"/風(fēng)々K》，/)Vln (;c,/)+力"(;cA，0-0 …(9) ▽ (工,V) = 0 …(10)
(本實(shí)施方式中的電池模型表達(dá)式的簡(jiǎn)化) 上述式(1) (11)的基礎(chǔ)方程式已在非專利文獻(xiàn)1公開，但由于 ECU (電池ECU 50)的運(yùn)算量和運(yùn)算時(shí)間的制約，很難將這些電池模型 表達(dá)式直接應(yīng)用到安裝在實(shí)際設(shè)備上以聯(lián)機(jī)狀態(tài)估計(jì)二次電池的狀態(tài)的狀 態(tài)估計(jì)裝置中。因此，在本實(shí)施方式中，執(zhí)行如下說明的電池模型表達(dá)式 的簡(jiǎn)化。
參考圖4，在本實(shí)施方式中，假定負(fù)極12和正極15的各電極中的電 化學(xué)反應(yīng)是相同的。即、假定在各電極12、 15中，在x方向上反應(yīng)均勻 地發(fā)生。另外，假定在負(fù)極12和正極15的各電極內(nèi)，各活性物質(zhì)的反應(yīng) 是均勻的，因此在負(fù)極12和正極15的每個(gè)電極中設(shè)定一個(gè)活性物質(zhì)模 型。其結(jié)果是，圖2所示的二次電池的概要結(jié)構(gòu)被建模為圖4所示。
當(dāng)放電時(shí)，通過負(fù)極活性物質(zhì)模型18n表面上的電極反應(yīng)，活性物質(zhì) 模型18n內(nèi)的鋰原子Li通過釋放電子e—而變?yōu)殇囯x子Li+，并被釋放到隔 離部件14中的電解液中。另一方面，在正極活性物質(zhì)模型18p表面上的 電極反應(yīng)中，獲取電解液中的鋰離子Li+并吸收電子e-。由此，鋰原子被 送入正極活性物質(zhì)模型18p的內(nèi)部。通過從負(fù)極活性物質(zhì)18n釋放鋰離子 Li+以及正極活性物質(zhì)模型18p接收鋰離子Li+，電流從正極電流隔離部件 16向負(fù)極電流隔離部件13流動(dòng)。相反地，當(dāng)二次電池充電時(shí)，通過負(fù)極活性物質(zhì)模型18n表面上的電 極反應(yīng)而獲取電解液中的鋰離子Li+，通過正極活性物質(zhì)模型18p表面上 的電極反應(yīng)而向電解液釋放鋰離子Li+。在電池模型表達(dá)式中，對(duì)充放電 時(shí)的活性物質(zhì)模型18p (j = l)和活性物質(zhì)模型18n (j = 2)的表面上的電 極反應(yīng)、活性物質(zhì)模型18p、 18n內(nèi)部中的鋰的擴(kuò)散(徑向)和電解液中 的鋰離子的擴(kuò)散(濃度分布)、以及各部位上的電位分布和溫度分布進(jìn)行 建模。
如圖5所示，各活性物質(zhì)模型18p、 18n內(nèi)的鋰濃度Cs假定在圓周方 向上不具有位置依賴性，能夠以半徑方向的坐標(biāo)r (r:各點(diǎn)距中心的距 離，rs:活性物質(zhì)半徑)上的函數(shù)來表示。該活性物質(zhì)的模型用于估計(jì)隨 著界面上的電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)內(nèi)部的鋰擴(kuò)散現(xiàn)象，沿徑向N分割 (N:大于等于2的自然數(shù))而得的各區(qū)域(k=l N)的鋰濃度cs,k (t)按照后述的擴(kuò)散方程式來估計(jì)。
作為這些假定的結(jié)果，非專利文獻(xiàn)1中的基礎(chǔ)方程式(1) (6)以 及式(8)被簡(jiǎn)化為下述式(r) (6，)、式(8')。
<formula>formula see original document page 20</formula>特別是在式(3')中，通過假定電解液濃度相對(duì)于時(shí)間不變，而假定 Cej (t)為固定值。另外，針對(duì)就各電極12、 15分別定義一個(gè)的活性物質(zhì)
模型18n、 18p，擴(kuò)散方程式(4) (6)僅考慮極坐標(biāo)方向上的分布而變
形為擴(kuò)散方程式(4，) (6，)。式(8，)中的物質(zhì)界面處的鋰濃度Csej對(duì)
應(yīng)于圖5所示的N分割區(qū)域中的最外周區(qū)域處的鋰濃度Q (t)。
并且，與電解液中的電荷守恒法則有關(guān)的式(9)利用假定了電極中 的電化學(xué)反應(yīng)均勻并且電解液濃度相對(duì)于時(shí)間不變的式(3')，被簡(jiǎn)化為
下述式(12) 。
S卩，電解液的電位0ej通過X的二次函數(shù)來近似。并且，用
于計(jì)算過電壓^#的電解液中的平均電位0^通過下述式(13)來求出，式
(13)是用電極厚度Lj對(duì)式(12)進(jìn)行積分的式子。
關(guān)于負(fù)極12，由于從式(12)有下述式(14)成立，因此用下述式
(15)來表示電解液的平均電位062#和與隔離部件14的邊界處的電解液電 位的電位差。同樣地，關(guān)于正極15，用下述式(16)來表示電解液的平均 電位061#和與隔離部件14的邊界處的電解液電位的電位差。
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w一，—，4，"2
(12)
(13)
(14)
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(15)
(16)
同樣地，與活性物質(zhì)中的電荷守恒法則有關(guān)的式(10)也被簡(jiǎn)化為下述式(17) 。
g卩，活性物質(zhì)的電位^j也通過X的二次函數(shù)來近似。并且，
用于計(jì)算過電壓r^的活性物質(zhì)中的平均電位&#通過下述式(18)來求 出，式(18)是用電極厚度Lj對(duì)式(12)進(jìn)行積分的式子。因此與電解液 中的電位同樣地，正極15中的活性物質(zhì)平均電位<^#和與集電體(電流集 電器16)的邊界處的活性物質(zhì)電位的電位差通過下述式(19)來表示。關(guān) 于負(fù)極12也同樣，有下式(20)成立。
^ () 2。/ 必 …(18)
(mw-((v)--^^^ ."(19)
圖6示出了二次電池的端子電壓V(t)與如上求出的各平均電位的關(guān) 系。另外，在圖6中，由于在隔離部件14中反應(yīng)電流密度為_]',=0，因 此，隔離部件14處的電壓降與電流密度I(t)成比例，為LA嚴(yán)"I(t)。
并且，如上所述，通過假定各電極中的電化學(xué)反應(yīng)均勻，在極板每單 位面積的電流密度I(t)和反應(yīng)電流密度(鋰離子生成量)jjLi之間，由下述 式(21)成立。
/(o--乂"(《，oa=乂2"(《，0^ …(2l)
因此，根據(jù)圖6所示的電位關(guān)系以及上述式(21)，關(guān)于電池電壓 V(t),有下述式(22)成立。式(22)是以圖6所示的式(23)的電位關(guān) 系式為前提的。
接著計(jì)算平均過電壓7/# (t)。如果設(shè)j,i為固定，并在巴物勒-伏爾默關(guān)系式中設(shè)0^ = % = 0.5 (即充放電效率相同)，則有下式(24)成立, 通過對(duì)式(24)進(jìn)行逆變換，平均過電壓7/# (t)由下式(25)求出。
3,
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然后，根據(jù)圖6求出平均電位081和(^2，并將平均電位081和032帶入 式(22)中，并將由式(25)求出的平均過電壓化# (t)以及r/2# (t)代
入式(22)中。其結(jié)果是，基于作為被簡(jiǎn)化的電化學(xué)反應(yīng)式的式(r)、
(21)以及電壓關(guān)系式(2')，導(dǎo)出依照電化學(xué)反應(yīng)模型表達(dá)式的下述的 電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mla)。
并且，通過鋰濃度守恒法則(擴(kuò)散方程式)的式(4')和邊界條件式
(5，) 、 (6，)，求出關(guān)于正極15和負(fù)極12各自中的活性物質(zhì)模型18p、 18n的活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式(M2a)。，="吼0 — "，2力
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(M2a)
模型表達(dá)式(Mla)的右邊第一項(xiàng)表示通過活性物質(zhì)表面上的反應(yīng)物 質(zhì)(鋰)濃度而確定的開路電壓(OCV)，右邊第二項(xiàng)表示過電壓(ih# 一7/2#)，右邊第三項(xiàng)表示由電池電流引起的電壓降。即，二次電池的直流 純電阻用式(Mla)中的Rd (T)表示。
另外，在式(M2a)中，由于被用作規(guī)定作為反應(yīng)物質(zhì)的鋰的擴(kuò)散速
度的參數(shù)的擴(kuò)散系數(shù)Dsi和Ds2具有溫度依賴性，因此，作為相對(duì)于由溫度
傳感器30檢測(cè)出的電池溫度T而可變地設(shè)定的可變參數(shù)，例如按照如圖7 所示的映射圖來設(shè)定。如圖7所示，擴(kuò)散系數(shù)D^和Ds2具有隨著電池溫度 降低而相對(duì)變小，另一方面隨著溫度上升而相對(duì)變大。因此，反應(yīng)這樣的 溫度依賴性并根據(jù)基于溫度傳感器30的檢測(cè)值Tb而檢測(cè)的電池溫度T， 預(yù)先生成將式(M2a)中的擴(kuò)散系數(shù)Dd和Ds2設(shè)定為電池參數(shù)值的映射 圖。
另外，擴(kuò)散系數(shù)D^和Ds2根據(jù)需要不僅具有溫度依賴性，還可以具有 局部SOC0依賴性，此時(shí)，根據(jù)檢測(cè)的電池溫度T和估計(jì)的局部SOC0，
預(yù)先生成將這些擴(kuò)散系數(shù)設(shè)定為參數(shù)值的二維映射圖。
同樣地，如圖8A和圖8B所示，式(Mla)中的開路電壓Ui和U2也 具有隨著局部SOC0的降低而上升或降低的依賴性。從而，反應(yīng)這樣的局 部SOC依賴性并根據(jù)估計(jì)的局部SOC0，預(yù)先設(shè)定對(duì)式(Mla)的開路電壓"和112進(jìn)行設(shè)定的映射圖。圖8A示出了正極(j = l)的開路電壓Ui
的局部SOC0依賴性，圖8B示出了負(fù)極(j = 2)的開路電壓U2的局部 SOC0依賴性。
另外，雖圖中沒有示出，但式(Mla)中的交換電流密度i(n和&2也 對(duì)局部SOC0和電池溫度T具有依賴性，因此預(yù)先準(zhǔn)備將0和T作為自變 量的二維映射圖，并根據(jù)當(dāng)前的局部SOC0和電池溫度T來確定交換電流 密度iQ1和i。2作為電池參數(shù)值。
同樣地，直流純阻抗Rd也具有溫度依賴性，因此反應(yīng)溫度依賴性并 按照溫度傳感器30的檢測(cè)值Tb所檢測(cè)的電池溫度T，預(yù)先生成將直流純 阻抗Rd設(shè)定為電池參數(shù)的映射圖。
上述的映射圖群可基于對(duì)二次電池10進(jìn)行公知的交流阻抗測(cè)量等而 得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來生成，關(guān)于這一點(diǎn)進(jìn)行明確記載。
(電池模型表達(dá)式的變形例l:活性物質(zhì)模型的共用化)
代替圖4所示的對(duì)負(fù)極12和正極15分別使用個(gè)別的活性物質(zhì)模型的 方法，也可以對(duì)負(fù)極12和正極15應(yīng)用共用的活性物質(zhì)模型來進(jìn)行進(jìn)一步 降低運(yùn)算負(fù)荷的建模。在此情況下，由于將負(fù)極12和正極15的活性物質(zhì) 模型18n、 18p共同處理為單獨(dú)的元件，因此需要進(jìn)行如下式(26)這樣 的式子的替換。在式(26)中刪除了用于區(qū)別正極和負(fù)極的下標(biāo)j。<formula>formula see original document page 25</formula>
其結(jié)果是，作為進(jìn)一步簡(jiǎn)化了模型表達(dá)式(Mla)和(M2a)的模 型，可得到下述式(Mlb)和(M2b)。另外，在如上應(yīng)用了將正極和負(fù)極共用化的活性物質(zhì)模型的電池模型表達(dá)式中，電流密度I(t)與反應(yīng)電流 密度j,i的關(guān)系式采用式(21，)以代替式(21)。
<formula>formula see original document page 26</formula>(電池模型表達(dá)式的變形例2:極化電壓項(xiàng)的線性近似)
在上述式(Mla)中，由于在表示過電壓的右邊第二項(xiàng)中存在arcsinh 項(xiàng)，所以產(chǎn)生了求解非線性方程式的必要。因此，在式(Mla)的運(yùn)算中 需要重復(fù)計(jì)算，從而除運(yùn)算量增大之外，還有可能損害運(yùn)算的穩(wěn)定性。因 此，導(dǎo)出對(duì)式(Mla)中的arcsinh項(xiàng)進(jìn)行一次近似(線性近似)的電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mlc)。
<formula>formula see original document page 26</formula>在式(M1C)中，進(jìn)行線性近似的結(jié)果，右邊第二項(xiàng)也使用電流密度
I (t)和反應(yīng)電阻Rr之積來表示。如上述式(27)所示，反應(yīng)電阻Rr對(duì) 有關(guān)交換電流密度101、 i02的局部SOC0和電池溫度T具有依賴性。因 此，當(dāng)使用電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mlc)時(shí)，對(duì)于反應(yīng)電阻Rr (0i， T),也基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果等來預(yù)先生成反應(yīng)了對(duì)局部SOC0和電池溫度T的依 賴性的映射圖，并參考映射圖適當(dāng)?shù)卦O(shè)定反應(yīng)電阻，以作為電池的一個(gè)參 數(shù)。
其結(jié)果是，電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mlc)如上述式(28)所示， 可通過在電池電壓V(t)、電池電流密度I (t)、作為電池參數(shù)的Rr (0， T)和Rd (T)、以及開路電壓Up U2之間成立的線性模型表達(dá)式來表
同樣地，對(duì)于上述的式(Mlb)，也通過對(duì)右邊的arcsinh項(xiàng)進(jìn)行線性 近似來得到下述式(Mld)。式(Mld)也與式(Mlc) —樣可以線性模 型表達(dá)式來表示。
(根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)) 接著，對(duì)通過上述電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mla) (Mld)中的 任一個(gè)以及與其對(duì)應(yīng)的活性物質(zhì)擴(kuò)散模型(M2a)或(M2b)的組合而實(shí) 現(xiàn)的、根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說 明。假定下面說明的狀態(tài)估計(jì)裝置基本上通過由圖1所示的電池ECU 50 執(zhí)行的程序處理來實(shí)現(xiàn)。
圖9是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的概要 結(jié)構(gòu)的框圖，圖9所示的各方框基本上通過由電池ECU 50執(zhí)行的程序處 理來實(shí)現(xiàn)。
/ r _/(/)參考圖9，狀態(tài)估計(jì)裝置50#包括擴(kuò)散估計(jì)部100、開路電壓估計(jì)部
110、電流估計(jì)部120、電池參數(shù)值設(shè)定部130、以及邊界條件設(shè)定部 140。
擴(kuò)散估計(jì)部100利用活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式(M2a)或(M2b)， 并基于由邊界條件設(shè)定部140根據(jù)式(5')和式(6')設(shè)定的邊界條件， 通過例如微分公式來逐次計(jì)算活性物質(zhì)內(nèi)部的鋰濃度分布?；谟蓴U(kuò)散估 計(jì)部100估計(jì)出的鋰濃度分布，將最外周區(qū)域中的鋰濃度作為物質(zhì)界面處 的鋰濃度Csej，按照式(7)來設(shè)定局部SOC0。
開路電壓估計(jì)部110按照?qǐng)D8A和圖8B所示的反映了特性的映射圖， 求出正極和負(fù)極各自的開路電壓、或者將正極和負(fù)極合成了的開路電壓。 在圖9中，將這些開路電壓概括記載為開路電壓U (0)。
電池參數(shù)值設(shè)定部130根據(jù)按照溫度傳感器30的檢測(cè)值Tb而檢測(cè)的 電池溫度T、以及基于擴(kuò)散估計(jì)部100的估計(jì)的當(dāng)前的局部SOC0來設(shè)定 要使用的電池模型表達(dá)式中的電池參數(shù)。如上所述，被用在擴(kuò)散估計(jì)部 100中的、模型表達(dá)式(M2a) 、 (M2b)中的擴(kuò)散常數(shù)Dsi、 Ds2、 Ds根據(jù) 電池溫度T而被設(shè)定，另外，模型表達(dá)式(Mla) (Mld)中的直流純 電阻Rt、或者模型表達(dá)式(Mla) 、 (Mlb)中的交換電流密度iQ1、 i02、 或者模型表達(dá)式(Mlc) 、 (Mid)中的反應(yīng)電阻Rr等由電池參數(shù)值設(shè)定 部130進(jìn)行設(shè)定。
電流估計(jì)部120基于上述式(Mla) (Mld)，按照用于計(jì)算電池 電流密度I (t)的下式(M3a) (M3d)中的任一個(gè)，并代入由開路電 壓估計(jì)部110估計(jì)出的開路電壓U (0)和按照電壓傳感器34的檢測(cè)值Vb 而檢測(cè)的當(dāng)前的電池電壓V(t)來計(jì)算電池電流密度I(t)。
<formula>formula see original document page 28</formula>例如，式(M3a)相當(dāng)于關(guān)于電池電流密度I (t)求解式(Mla)而 得的式子。當(dāng)使用牛頓法等來解作為非線性方程式的式(M3a)時(shí)，可通 過如下來求解假定I (t)的初始值，代入電池電壓V(t)、開路電壓U(。 以及電池參數(shù)值來計(jì)算I(t)，并反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，直到算出的I(t)與假定的I(t)
一致為止。
同樣地，在使用(Mlb)式的電池模型表達(dá)式中，通過利用與求解式 (M3a)的方法相同的方法來求解下式(M3b)，能夠計(jì)算出電池電流密 度I(t)。
<formula>formula see original document page 29</formula>
另外，在線性近似后的式(Mlc) 、 (Mld)的電池模型表達(dá)式中， 使用下式(M3c) 、 (M3d)，能夠在不進(jìn)行如非線性方程式那樣的反復(fù) 計(jì)算的情況下代入電池電壓V (t)、開路電壓U (0)以及電池參數(shù)值來 唯一地計(jì)算出電池電流密度I(t)。由此，可減輕運(yùn)算負(fù)荷并提高運(yùn)算的穩(wěn) 定性。
<formula>formula see original document page 29</formula>
接著，邊界條件設(shè)定部140使用上述式(21)或式(21，)，將算出的 電流密度I(t)換算成反應(yīng)電流密度(鋰生成量)jju，并按照式(6')來更新活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式(M2a) 、 (M2b)的邊界條件。
因此，在根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置中，將基于電壓 傳感器34的測(cè)量值的電池電壓V (t)以及基于溫度傳感器30的測(cè)量值的 當(dāng)前的電池溫度T作為輸入，并基于活性物質(zhì)中的反應(yīng)物質(zhì)(鋰)的擴(kuò)散 模型表達(dá)式(M2a) 、 (M2b)式來進(jìn)行估計(jì)，并且通過與根據(jù)電化學(xué)反 應(yīng)模型表達(dá)式的簡(jiǎn)化了的電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mla) (Mld)進(jìn) 行組合，來估計(jì)活性物質(zhì)中的反應(yīng)物質(zhì)(鋰)的濃度分布，并基于該濃度 分布，能夠高精度地估計(jì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)。由此能夠?qū)崿F(xiàn)通過采用簡(jiǎn) 化的電化學(xué)反應(yīng)模型表達(dá)式來減輕運(yùn)算負(fù)荷、同時(shí)基于電化學(xué)反應(yīng)來高精 度地估計(jì)二次電池內(nèi)部狀態(tài)的、適于安裝在實(shí)際設(shè)備上的電池模型表達(dá) 式。
在根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置中，基于估計(jì)出的二次 電池的內(nèi)部狀態(tài)，能夠進(jìn)一步估計(jì)二次電池IO的充電率(SOC)。
圖IO示出了根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置所執(zhí)行的 SOC估計(jì)。
參考圖10，根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包含平均濃 度計(jì)算部160和SOC估計(jì)部200。
平均濃度計(jì)算部160通過下式(29)，求出由擴(kuò)散估計(jì)部100估計(jì)出 的、正極活性物質(zhì)模型18p內(nèi)的鋰平均濃度c^e (t)。并且，SOC估計(jì)部 200通過下式(30)生成二次電池IO整體的SOC估計(jì)值SOCe。
c卿W-IX"(O.手 …(29)
如上所述，式(29)中的鋰濃度csl,k (t) 、 (k=l N)是如圖5所 示那樣沿徑向?qū)钚晕镔|(zhì)模型表達(dá)式18p進(jìn)行N分割而得的各區(qū)域的鋰濃 度，通過擴(kuò)散模型表達(dá)式(M2a) 、 (M2b)來估計(jì)。另外，AVk表示各個(gè)分割區(qū)域的體積，V表示活性物質(zhì)全體的體積。
另外，當(dāng)在正負(fù)極間共用了活性物質(zhì)模型時(shí)，通過與式(29)同樣地 求出被共用后的活性物質(zhì)模型內(nèi)的各區(qū)域的鋰濃度cs,k (t) 、 (k二l
N)的平均值，能夠求出鋰平均濃度C，e (t)。
在圖11中作為一個(gè)例子示出了正極15的活性物質(zhì)鋰平均濃度與SOC 估計(jì)值SOCe的關(guān)系。如圖11所示，SOC隨著正極活性物質(zhì)內(nèi)鋰平均濃 度的上升而降低。因此，預(yù)先求出充滿電時(shí)(SOC=100%)的鋰平均濃度 Cf和完全放電時(shí)(SOC=0%)的鋰平均濃度CO，通過在兩者之間進(jìn)行線 性插值，能夠按照上述式(30)來估計(jì)SOC。
圖12是說明根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置所進(jìn)行的電 池狀態(tài)估計(jì)以及SOC估計(jì)的一系列處理的流程圖。在電池ECU 50中每隔 預(yù)定計(jì)算周期調(diào)出圖12所示的一系列處理來執(zhí)行。
參考圖12，電池ECU 50在步驟S100中基于電壓傳感器34的檢測(cè)值 Vb來獲取電池電壓V (t)，在步驟S110中基于溫度傳感器30的檢測(cè)值 Tb來獲取當(dāng)前的電池溫度T。
并且，電池ECU50在步驟S120中，基于擴(kuò)散模型表達(dá)式(M2a)、 (M2b)的上一次計(jì)算時(shí)的鋰濃度分布，并基于活性物質(zhì)表面上的鋰濃度 來計(jì)算局部的SOC0。
并且，電池ECU 50在步驟S130中，參考根據(jù)圖8所示的特性的映射 圖，針對(duì)負(fù)極12和正極15的每一個(gè)或者正負(fù)極雙方，根據(jù)局部的SOC0 來計(jì)算開路電壓U (0)值。g卩，步驟S130的處理相當(dāng)于圖9中的開路電 壓估計(jì)部110的功能。
并且，電池ECU50在步驟S140中，通過圖9所示的電流估計(jì)部120 的功能，根據(jù)電池電壓V (t)、開路電壓U (0)、以及根據(jù)電池溫度T 設(shè)定的電池參數(shù)值，利用電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mla) (Mlb)中 的任一個(gè)來計(jì)算電池電流密度I (t)的估計(jì)值。
并且，電池ECU 50在步驟S150中，基于式(21)或(21')從所估 計(jì)的電池電流密度I (t)計(jì)算出反應(yīng)電流密度(鋰生成量)j嚴(yán)，并且使用 計(jì)算出的反應(yīng)電流密度來設(shè)定擴(kuò)散模型方程式(M2a) 、 (M2b)的活性物質(zhì)界面處的邊界條件(活性物質(zhì)界面)。即，步驟S150的處理相當(dāng)于
圖9中的邊界條件設(shè)定部140的功能。
并且，電池ECU 50在步驟S160中，使用擴(kuò)散方程式模型(M2a)、
(M2b)，計(jì)算就負(fù)極12和正極15的每一個(gè)或者正負(fù)極雙方而設(shè)定的活性物質(zhì)模型內(nèi)的鋰濃度分布，并更新各區(qū)域的鋰濃度估計(jì)值。即，步驟S160的處理相當(dāng)于圖9的擴(kuò)散估計(jì)部IOO的功能。如上所述，此時(shí)算出的最外周的分割區(qū)域中的鋰濃度在執(zhí)行下一次的計(jì)算時(shí)用于計(jì)算活性物質(zhì)表面的局部的SOC0。
作為進(jìn)一步的處理，電池ECU 50通過步驟S170能夠基于在步驟S100 S160求出的二次電池內(nèi)部狀態(tài)來估計(jì)二次電池10整體的充電率
(SOC)。
例如，步驟S170包括基于在步驟S160中求出的活性物質(zhì)內(nèi)的鋰濃度分布來計(jì)算鋰平均濃度c,e的步驟S171、以及基于在步驟S171中求出的鋰平均濃度c^e來計(jì)算二次電池的充電率的步驟S172。步驟S171的處理相當(dāng)于圖10的平均濃度計(jì)算部160的功能，步驟S172的處理相當(dāng)于圖10的SOC估計(jì)部200的處理。
如上所述，根據(jù)涉及實(shí)施方式1的二次電池的充電估計(jì)裝置，將電池電壓V (t)作為輸入來估計(jì)電池電流(電池電流密度I (t))，并基于此估計(jì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)。由此，如下面使用圖13進(jìn)行說明的那樣，具有即使產(chǎn)生模型誤差也可自我修正的功能。
參考圖13，例如從上述電池模型表達(dá)式(Mla)等可知，當(dāng)進(jìn)行充電時(shí)，將在二次電池10的電池電壓V (t)和開路電壓OCV之間產(chǎn)生如圖13所示的極化電壓AV。并且，從線性近似后的式(Mlc) 、 (Mld)可知，該極化電壓為與電池電流密度I相對(duì)應(yīng)的值。
因此，當(dāng)假設(shè)在電池模型中發(fā)生了計(jì)算誤差，從而開路電壓相對(duì)于真實(shí)值被過小地估計(jì)時(shí)，OCV (估計(jì))<OCV (真實(shí)值)，并且SOC (估計(jì))<SOC (真實(shí)值)，從而極化AV (估計(jì))>AV (真實(shí)值)。于是，電池電流密度I (t)相對(duì)于真實(shí)值被過大地估計(jì)。其結(jié)果是，通過根據(jù)式(21)、式(21')，反應(yīng)電流密度jjLi也被過大地估計(jì)，因此，在下一個(gè)計(jì)算周期中將過大地估計(jì)soc的上升量，從而與SOC有關(guān)的模型誤差將被自我修正。同樣地，在開路電壓相對(duì)于真實(shí)值被過大地估計(jì)時(shí)，與soc
有關(guān)的模型誤差也能夠朝著與上述相反的方向自我修正。
艮口，在根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的充電估計(jì)裝置中，由于能夠在以后的計(jì)算中對(duì)一時(shí)發(fā)生的模型估計(jì)誤差進(jìn)行自己修正，因此電池模型誤差
不被累積，能夠高精度地估計(jì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)以及充電率(soc)。
(實(shí)施方式2)
在實(shí)施方式2中，對(duì)基于根據(jù)實(shí)施方式1的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)估計(jì)結(jié)果來估計(jì)SOC的另一方法進(jìn)行說明。
圖14是說明根據(jù)實(shí)施方式2的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的SOC估計(jì)的框圖。
參考圖14，實(shí)施方式2的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置包括偏移估計(jì)部170、電流累積部180、以及SOC估計(jì)部210。
偏移估計(jì)部170基于由電流估計(jì)部120估計(jì)的電池電流密度I (t)以及由電流傳感器32測(cè)出的電池電流Ib (t)，通過下式(31)計(jì)算電流傳感器32的偏移誤差I(lǐng)of。在式(31)中，模型電池電流Im (t)通過由電流估計(jì)部120估計(jì)的電池電流密度I (t)和電極表面積的相乘來求出。如式(31)所示，偏移估計(jì)部170對(duì)模型電池電流Im (t)和由電流傳感器32測(cè)出的電池電流Ib (t)的偏差進(jìn)行累積，并通過將該累積值除以累積時(shí)間來計(jì)算電流偏移誤差I(lǐng)of。
然后，運(yùn)算部175從由電流傳感器32檢測(cè)出的電池電流Ib (t)減去由偏移估計(jì)部170估計(jì)的偏移誤差I(lǐng)of，從而求出修正電池電流Ibc (t)。
…加
…(32)…(33)電流累積部180求出由運(yùn)算部175算出的修正電池電流Ibc (t)的累積值2Ibc。并且SOC估計(jì)部210按照上式(32)并根據(jù)修正電池電流Ibc(t)的累積值2Ibc，求出SOC變化量ASOCi。 SOC變化量ASOCi表示從上次的SOC估計(jì)運(yùn)算之后至當(dāng)前為止的SOC的變化量。并且，SOC估計(jì)部210通過上述式(33)求出在上次的估計(jì)運(yùn)算中獲得的SOC估計(jì)值SOCe (0)和通過式(32)求出的SOC變化量ASOCi之和，由此計(jì)算當(dāng)前的SOC估計(jì)值SOCe。
這里如圖15所示，電池模型所引起的電流估計(jì)誤差通常不具有偏移性(offset)，并顯示出如果進(jìn)行長時(shí)間積分則接近于0的特性。與此相對(duì)，如圖16所示，電流傳感器32的偏移誤差被維持在固定值，因此作為傳感器測(cè)量值的電池電流Ib (t)和模型估計(jì)值Im (t)的偏差總是具有固定的直流量。因此，通過在偏移估計(jì)部170中基于上式(31)進(jìn)行運(yùn)算，能夠算出電流傳感器32的偏移誤差I(lǐng)of。
圖17是用于通過電池ECU 50來實(shí)現(xiàn)圖14所示的實(shí)施方式2的SOC估計(jì)的流程圖。如上所述的SOC估計(jì)處理通過用圖17所示的步驟S173 S175替換圖12中的步驟S170來實(shí)現(xiàn)。
參考圖17，電池ECU 50在步驟S173中通過對(duì)基于電池電流密度I(t)的電池電流模型估計(jì)值Im (t)和電流傳感器32的檢測(cè)值Ib (t)的偏差進(jìn)行累積來計(jì)算偏移誤差I(lǐng)of，其中所述電池電流密度I (t)是通過電池模型將電池電壓V (t)作為輸入而求出的。S卩，步驟S173的處理相當(dāng)于圖14中的偏移估計(jì)部170的功能。
并且，電池ECU 50通過步驟S174使用偏移誤差I(lǐng)of來修正檢測(cè)值Ib(t)，由此計(jì)算修正電池電流Ibc (t)。步驟S174的處理相當(dāng)于圖14中的運(yùn)算部175的功能。
并且，電池ECU50在步驟S175中，基于修正電池電流Ibc (t)的累積來計(jì)算二次電池的充電率估計(jì)值SOCe。 g卩，步驟S175的處理相當(dāng)于圖14中的電流累積部180和SOC估計(jì)部210的功能。
根據(jù)以上說明的實(shí)施方式2的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的SOC估計(jì)，能夠基于電池模型表達(dá)式檢測(cè)出偏移誤差，并且能夠基于除去了偏移誤差的電流累積來高精度地估計(jì)二次電池10的充電率(SOC)。
(實(shí)施方式2的變形例)
圖18是說明按照實(shí)施方式2的變形例的由二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置進(jìn)行的SOC估計(jì)的框圖。
參考圖18，根據(jù)實(shí)施方式2的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置包含在實(shí)施方式1中說明的SOC估計(jì)部200、基于電流累積的SOC估計(jì)部210#、以及對(duì)兩者的SOC估計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合而生成最終的SOC估計(jì)值SOCe的SOC估計(jì)部220。
SOC估計(jì)部200與實(shí)施方式1的相同，基于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的電池模型表達(dá)式執(zhí)行的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)估計(jì)，并根據(jù)活性物質(zhì)內(nèi)的鋰平均濃度來估計(jì)SOC模型估計(jì)值SOCm。其詳細(xì)說明與利用圖IO進(jìn)行的說明相同，因此不再贅述。
另一方面，SOC估計(jì)部210#基于由電流傳感器32測(cè)出的電池電流Ib(t)的累積來求出在SOC的估計(jì)運(yùn)算周期內(nèi)的SOC變化量ASOCi。
SOC估計(jì)部210#不限于如在圖14中說明的那樣通過基于電池模型的電流傳感器32的偏移誤差估計(jì)、以及對(duì)將偏移誤差修正之后的修正電池電流Ibc (t)的累積來求出SOC的變化量ASOCi的結(jié)構(gòu)，也可以構(gòu)成為通過對(duì)由電流傳感器32測(cè)出的電池電流Ib (t)進(jìn)行累積來求出SOC變化量ASOCi的結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)將圖14所示的SOC估計(jì)部210用作圖18的SOC估計(jì)部210時(shí)，由于修正偏移誤差，因此能夠高精度地求出SOC變化量的ASOCi。
SOC估計(jì)部220基于下式(34)來計(jì)算最終的SOC估計(jì)值SOCe。
5"OCe-SOCe(0) + ^rl譜C' + A:2徊On-SOCe(0)) …(34)
在式(34)中，SOC估計(jì)值SOCe通過對(duì)上次的SOC估計(jì)值SOCe(0)、在基于電流累積而得的SOC變化量ASOCi上乘以增益kl的項(xiàng)、以及在SOC模型估計(jì)值SOCm與上次的SOC估計(jì)值SOCe (0)之差上乘以增益k2的項(xiàng)求和，來求出SOC估計(jì)值SOCe。關(guān)于增益kl、 k2，通過設(shè)定為kl>k2，例如設(shè)定為增益kl二l.O、增益k2<1.0，能夠執(zhí)行組合了電流累積和基于電池模型的內(nèi)部狀態(tài)估計(jì)的SOC估計(jì)。由此，對(duì)于短期間內(nèi)的SOC變化估計(jì)，能夠用較小的時(shí)間常數(shù)來反映可靠性高的SOC變化量ASOCi，并且為了消除由于長時(shí)間使用電池而引起的SOC估計(jì)誤差，能夠用相對(duì)較大的時(shí)間常數(shù)來反映模型估計(jì)值SOCm，該模型估計(jì)值SOCm反映了二次電池的內(nèi)部狀態(tài)變化。
或者，也可以根據(jù)電池狀態(tài)來改變?cè)鲆鎘l、 k2。例如，在電池模型的精度下降的低溫狀態(tài)下、或者當(dāng)以大電池電流充放電時(shí)，優(yōu)選降低增益2來主要執(zhí)行基于電流累積的SOC估計(jì)。特別是在電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mlc) 、 (Mld)中，由于arcsinh項(xiàng)被線性近似，因此當(dāng)I (t) /(2Lj i。j (0， T) }項(xiàng)的絕對(duì)值達(dá)到預(yù)定值以上時(shí)電池模型表達(dá)式的誤差將會(huì)增大。S卩，在大電流時(shí)(|1 (t) |>>0)以及在電池溫度T為低溫從而交換電流密度iej W， T)下降時(shí)，由于上述項(xiàng)的絕對(duì)值變大，因此電池模型誤差增大。因而，在這樣的情形下，例如，通過假設(shè)k2=0來停止電池模型的SOC估計(jì)，由此能夠防止二次電池10的充電率(SOC)的估計(jì)誤差由于電池模型誤差而增大。
圖19是用于通過電池ECU 50實(shí)現(xiàn)圖18所示的實(shí)施方式2的變形例的SOC估計(jì)的流程圖。
參考圖19，電池ECU 50執(zhí)行圖19所示的步驟S171、 S172#、 S173、S174、 S175#、 S176以代替圖12中的步驟S170，由此能夠執(zhí)行圖18所示的實(shí)施方式2的變形例的SOC估計(jì)。
參考圖19，電池ECU 50在執(zhí)行步驟S171 (與圖12相同)的處理后，通過步驟S172弁，與步驟S172—樣地基于在步驟S171求出的鋰平均濃度c^e來計(jì)算模型SOC估計(jì)值SOCm。
另一方面，電池ECU 50在執(zhí)行步驟S173、 S174 (與圖17相同)處理后，通過步驟S175弁，基于修正電流值Ibc (t)的累積來計(jì)算SOC的估計(jì)運(yùn)算執(zhí)行期間內(nèi)的SOC變化量ASOCi。如上所述，在步驟S175弁中執(zhí)行的SOC變化量ASOCi的計(jì)算也可以不進(jìn)行偏移誤差I(lǐng)of的修正，而通過電流傳感器32的測(cè)量值Ib (t)的累積來求出。并且，電池ECU 50在步驟S176中基于上次的SOC估計(jì)值SOCe (0)、在步驟S172弁中求出的模型SOC估計(jì)值SOCm、以及在步驟 S175弁中求出的SOC變化量ASOCi,并依據(jù)式(34)來計(jì)算當(dāng)前的SOC 估計(jì)值SOCe。
通過如此構(gòu)成，可通過適當(dāng)?shù)亟M合對(duì)于短期間內(nèi)的SOC變化估計(jì)可靠 性高的利用電流累積的SOC估計(jì)和利用反映了二次電池的內(nèi)部狀態(tài)變化的 電池模型表達(dá)式的SOC估計(jì)，來高精度地估計(jì)二次電池的充電率 (SOC)。
(實(shí)施方式3)
在實(shí)施方式1和2中所說明的電池模型表達(dá)式是在全部電池電流流過 活性物質(zhì)而貢獻(xiàn)于電化學(xué)反應(yīng)的前提下導(dǎo)出的。但是，實(shí)際上特別是在低 溫時(shí)等，電解液和活性物質(zhì)的界面上所產(chǎn)生的雙電荷層電容的影響將顯現(xiàn) 出來，從而全部電池電流被分流為有助于電化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)電流和 流過電容的電容電流。
在圖20中示出了考慮了這樣的雙電荷層電容的二次電池的等效電路。
參考圖20，與電池電流密度I (t)相對(duì)應(yīng)的總電池電流成分被分流為 流過活性物質(zhì)模型18 (概括表示正極活性物質(zhì)模型18p和負(fù)極活性物質(zhì)模 型18n)的電化學(xué)反應(yīng)電流成分(電流密度IEe (t))和流過雙電荷層電 容19的電容電流成分(電流密度Ie (t))。即，電池電流密度I (t)通 過電化學(xué)反應(yīng)電流密度I^ (t)和電容電流密度ie (t)之和來表示。
流過活性物質(zhì)模型18的電化學(xué)反應(yīng)電流成分有助于電化學(xué)反應(yīng)，但 另一方面電容電流成分不助于電化學(xué)反應(yīng)。并且，總電池電流成分流過式 (Mla) (Mld)所示的直流純電阻Rd (t)。
在實(shí)施方式3中，以將流經(jīng)雙電荷層電容的電容電流成分和電化學(xué)反 應(yīng)電流成分分離的方式構(gòu)成電池模型表達(dá)式。
圖21是說明實(shí)施方式3的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置的概要結(jié)構(gòu)的框圖。
通過比較圖21與圖9可知，在實(shí)施方式3的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置中，電流估計(jì)部120被構(gòu)成為還包含電流運(yùn)算部125。
首先，對(duì)根據(jù)圖20所示的電池模型來考慮電容電流成分的分離時(shí)的 電壓-電流關(guān)系模性式(Mla)的變形進(jìn)行說明。
參考圖20可知，對(duì)于正極12和負(fù)極15，在總電流密度I (t)、電化 學(xué)反應(yīng)電流密度嚴(yán)(t)、以及電容電流密度Ie (t)之間，有下式(35) 的關(guān)系成立。并且，活性物質(zhì)模型18中的電化學(xué)反應(yīng)由于僅與電化學(xué)反 應(yīng)電流密度IjEe (t)有關(guān)，因此通過將電極中的電化學(xué)反應(yīng)假定為均勻而 簡(jiǎn)化的電化學(xué)反應(yīng)式(21)被修正為式(36)。
另外，在式(35)中，電容電流密度I, (t)由下式(37)表示。
<formula>formula see original document page 38</formula>
另外，式(37)中的電壓UM (t)和￥2 (t)分別在下式(38)、 (39)中通過求出正極15和負(fù)極12各自的開路電壓U (0， t)和過電壓 il (t)之和而給出。
<formula>formula see original document page 38</formula>
因此，按照上式(38) 、 (39)依次計(jì)算出HM (t)和￥2 (t)，將上次的運(yùn)算周期中的電壓值和此次的運(yùn)算周期中的電壓值代入式(37)和式
(35)中求解，由此能夠算出I, (t)和I嚴(yán)(t) 。 g卩，通過聯(lián)立這些式 (35) (39)來構(gòu)成圖21的電流運(yùn)算部125。
并且，電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mla)被變換為將將式(Mla)的 表示極化電壓的右邊第二項(xiàng)的電流密度替換成電化學(xué)反應(yīng)電流密度 (t)和I2EC (t)的式(M4a)。
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(M4a)
因此，電流估計(jì)部120基于模型表達(dá)式(M4a)倆計(jì)算電池電流密度I (t)。更具體地說，在上式(M3a)中，通過與上式(M3a)同樣地對(duì)將 與過電壓有關(guān)的項(xiàng)的電池電流密度I (t)替換成電化學(xué)反應(yīng)電流密度I產(chǎn)e (t)和I嚴(yán)(t)的式求解，還能夠得到電流密度I (t)。
并且，邊界條件設(shè)定部140如式(36)所示的那樣使用電化學(xué)反應(yīng)電 流密度IjEe (t)來設(shè)定負(fù)極12和正極15的活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式 (M2a) 、 (M2b)的邊界條件。
同樣地，對(duì)考慮電容電流成分的分離時(shí)的電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式 (Mlb)的變形進(jìn)行說明。
如式(Mlb)所示，當(dāng)正極和負(fù)極使用共用的活性物質(zhì)模型時(shí)，用下 式(40)表示圖20所示的電池模型中的總電流密度I (t)、電化學(xué)反應(yīng)電 流密度fc (t)、以及電容f (t)之間的關(guān)系。另外表示反應(yīng)電流密度jjLi 和電流密度之間的關(guān)系的式(21')被變換為下式(41)。并且，與電容 電流有關(guān)的上式(37) (39)被替換成下式(42)和下式(43)。/(0 =嚴(yán)(0+嚴(yán)(0
厶
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- C/(e， 0 +-arcsin h
…(40) …(41)
…(42)
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(43)
從而，當(dāng)對(duì)電流-電壓關(guān)系模型表達(dá)式(Mlb)考慮電容電流成分的 分離時(shí)，通過式(40) (43)構(gòu)成電流運(yùn)算部125,并運(yùn)算反應(yīng)電流密 度嚴(yán)(t)。
并且，電流估計(jì)部120中的模型表達(dá)式(Mlb)被替換成將第二項(xiàng) (過電壓項(xiàng))的電流密度I (t)替換成電化學(xué)反應(yīng)電流密度IEe (t)的下 述的模型表達(dá)式(M4b) 。 §卩，電流估計(jì)部120通過與上式(M3a)同樣 地對(duì)將上述(M3b)中的與過電壓有關(guān)的項(xiàng)的電池電流密度I (t)替換為 電化學(xué)反應(yīng)電流密度IEe (t)的式進(jìn)行求解，還能夠得到電流密度I (t)。
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3jc, 3x:f 3o", 3crf 乂
1
(M4b)
接著，對(duì)考慮電容電流成分的分離時(shí)的將電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式中 的arcsinh項(xiàng)線性近似后的電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mlc)的變形進(jìn)行 說明。首先，在正極和負(fù)極中考慮各自的活性物質(zhì)模型的模型表達(dá)式
(Mlc)中，關(guān)于總電流密度I (t)、電化學(xué)反應(yīng)電流密度I嚴(yán)e (t)、 I2EC (t)、以及電容電流密度Ic (t)之間的關(guān)系，應(yīng)用上式(35)、 (37)，關(guān)于反應(yīng)電流密度同樣能夠應(yīng)用上式(36)。但是，關(guān)于電壓V (t)，代替上式(38) 、 (39)而應(yīng)用下式(44)。
A(/)-L^(e'，/)-舟(^:r力./嚴(yán)(,) 1 …、
W2 (0 = K # ， 0 - ，2,"). /2 W j
在此情況下，通過聯(lián)立式(44)與上式(35) 、 (37)，同樣能夠求 出電化學(xué)反應(yīng)電流密度I,c (t) 、 I2EC (t) 。 g卩，通過聯(lián)立式(35)、 (37) 、 (44)來構(gòu)成圖21的電流運(yùn)算部125。另外，模型表達(dá)式 (Mlc)被變換為下式(M4c)。
-/嚴(yán)(,)---_l一",).關(guān)r) ...(M4c)
其結(jié)果是，在電流估計(jì)部120中，通過代替上式(M3c)而應(yīng)用下式 (M3c，)，能夠求出電流密度I (t)。
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最后，對(duì)電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式(Mld)式的考慮電容電流時(shí)的 變形進(jìn)行說明。
在正極和負(fù)極應(yīng)用共用的活性物質(zhì)模型并且考慮電容電流的該情形 中，對(duì)于電流密度I (t)、電化學(xué)反應(yīng)電流密度IEe (t)、以及電容電流.
密度f (t)，有下式(45)成立。式(45)中的￥ (t)與先前的說明一 樣作為開路電壓和極化電壓之和由下式(46)給出。另外，與鋰生成量相 當(dāng)?shù)姆磻?yīng)電流密度jjU通過下式(47)利用電化學(xué)反應(yīng)電流密度IEe (t)求 出。
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在該情形下，通過將由式(46)定義的電壓V (t)與式(45)聯(lián)立求 解，能夠求出電化學(xué)反應(yīng)電流密度IEC (t) 。 g卩，通過聯(lián)立式(45)、 (46)來構(gòu)成圖21的電流運(yùn)算部125。
另外，電流估計(jì)部120中的電流-電壓模型表達(dá)式(Mld)被替換為 將模型表達(dá)式(Mld)的右邊第二項(xiàng)(與極化電壓有關(guān)的項(xiàng))中的電流密 度I (t)替換成電化學(xué)反應(yīng)電流密度IEC (t)的模型表達(dá)式(M4d)。因 此，在電流估計(jì)部120中，通過代替上述式(M3d)而應(yīng)用下式 (M3d，)，能夠求出電流密度I (t)。
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如上所述，根據(jù)實(shí)施方式3的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，由于能夠?qū)?電流密度I (t)分離為電化學(xué)反應(yīng)電流密度IEe (t)和不對(duì)電化學(xué)反應(yīng)起 作用的電容電流密度^ (t)來估計(jì)電池的內(nèi)部活動(dòng)，因此能夠更高精度地 估計(jì)二次電池的內(nèi)部狀態(tài)，具體來說為活性物質(zhì)中的鋰濃度分布，從而能夠提高內(nèi)部狀態(tài)的估計(jì)精度。另外，通過對(duì)這樣的電池的內(nèi)部狀態(tài)估計(jì)裝
置和在實(shí)施方式1的后半部分或在實(shí)施方式2中說明的SOC估計(jì)進(jìn)行組 合，能夠高精度地估計(jì)二次電池的充電率(SOC)。
另外，由于圖20所示的雙電荷層電容19具有溫度依賴特性，因此關(guān) 于在電流運(yùn)算部125中使用的模型表達(dá)式中的電容C (d， C2)，通過基 于實(shí)驗(yàn)結(jié)果等來預(yù)先生成映射圖，能夠通過電池參數(shù)設(shè)定部130根據(jù)電池 溫度T來可變地進(jìn)行設(shè)定。
在以上說明的實(shí)施方式1 3中，將二次電池作為鋰離子電池進(jìn)行了 說明，但本發(fā)明的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置對(duì)負(fù)荷的類型不特別進(jìn)行限 定，也同樣能夠應(yīng)用于鋰離子電池以外的其他的二次電池。例如，在鎳氫 電池的情況下，通過利用擴(kuò)散方程式計(jì)算作為活性物質(zhì)內(nèi)部中的反應(yīng)相關(guān) 物質(zhì)的質(zhì)子的濃度分布，并將開路電壓定義為活性物質(zhì)表面的質(zhì)子的函 數(shù)，能夠同樣地應(yīng)用本發(fā)明的方法。
此外，也明確地記載以下事項(xiàng)通過對(duì)由本發(fā)明的圖1 圖9中所述 的二次電池的內(nèi)部狀態(tài)估計(jì)裝置執(zhí)行的反應(yīng)物質(zhì)的濃度分布估計(jì)和本說明 書所說明以外的SOC估計(jì)方法進(jìn)行組合，也能夠?qū)崿F(xiàn)二次電池的充電率 (SOC)估計(jì)裝置。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)為此次公開的實(shí)施方式在所有方面均只是例示，并非用來限制 的。本發(fā)明的范圍并非由上述的說明而是由權(quán)利要求書給出，與權(quán)利要求 書等同的含義以及范圍內(nèi)的所有變更也將包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
產(chǎn)業(yè)上的實(shí)用性
本發(fā)明的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置能夠應(yīng)用于用于電源系統(tǒng)的二次電 池，其中電源系統(tǒng)具有通過可充電的二次電池向負(fù)荷供電、并且根據(jù)需要 在該負(fù)荷的運(yùn)行過程中也可對(duì)該二次電池進(jìn)行充電的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中，所述二次電池包括包含活性物質(zhì)的第一電極和第二電極，其中在所述活性物質(zhì)的內(nèi)部包含有助于電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物質(zhì)；以及用于在所述第一電極和所述第二電極之間傳導(dǎo)離子化的所述反應(yīng)物質(zhì)的離子導(dǎo)體，所述二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置包括電壓檢測(cè)器，所述電壓檢測(cè)器檢測(cè)所述第一電極和所述第二電極之間的電池電壓；擴(kuò)散估計(jì)部，所述擴(kuò)散估計(jì)部按照活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式來估計(jì)所述反應(yīng)物質(zhì)的濃度分布，所述活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式基于給定的邊界條件來規(guī)定所述活性物質(zhì)的內(nèi)部中的所述反應(yīng)物質(zhì)的濃度分布；開路電壓估計(jì)部，所述開路電壓估計(jì)部基于由所述擴(kuò)散估計(jì)部估計(jì)出的、所述活性物質(zhì)的與電解液的界面處的所述反應(yīng)物質(zhì)的濃度，來估計(jì)所述第一電極和所述第二電極之間的開路電壓；以及電流估計(jì)部，所述電流估計(jì)部按照基于電化學(xué)反應(yīng)的電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式來估計(jì)所述二次電池的電池電流密度，所述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式表示所述開路電壓、根據(jù)所述二次電池的電池電流密度而計(jì)算出的過電壓、根據(jù)所述電池電流密度而產(chǎn)生的電壓降、以及所述電池電壓之間的關(guān)系，所述電流估計(jì)部通過將由所述電壓檢測(cè)器檢測(cè)出的所述電池電壓、由所述開路電壓估計(jì)部估計(jì)出的所述開路電壓、以及所述二次電池的參數(shù)值代入所述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式中來計(jì)算所述電池電流密度，所述二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置還包括邊界條件設(shè)定部，所述邊界條件設(shè)定部基于由所述電流估計(jì)部估計(jì)出的所述電池電流密度來計(jì)算所述界面處的反應(yīng)電流密度，并根據(jù)計(jì)算出的反應(yīng)電流密度來設(shè)定所述擴(kuò)散估計(jì)模型表達(dá)式的所述界面處的所述邊界條件。
2. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中，還包括 溫度檢測(cè)器，所述溫度檢測(cè)器檢測(cè)所述二次電池的電池溫度；以及參數(shù)值設(shè)定部，所述參數(shù)值設(shè)定部用于至少根據(jù)所述電池溫度來可變 地設(shè)定所述參數(shù)值，所述參數(shù)值設(shè)定部還至少根據(jù)所述電池溫度來可變地設(shè)定所述活性物 質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式中的表示擴(kuò)散速度的參數(shù)值。
3. 如權(quán)利要求2所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中， 所述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式由線性近似表達(dá)式構(gòu)成，所述線性近似表達(dá)式表示從所述開路電壓中減去所述電池電流密度與作為所述參數(shù)值的 電極每單位面積上的電阻的乘積而得的電壓等于所述電池電壓，所述參數(shù)值設(shè)定部根據(jù)由所述擴(kuò)散估計(jì)部估計(jì)出的所述界面處的所述 反應(yīng)物質(zhì)的濃度以及由所述溫度檢測(cè)器檢測(cè)出的所述電池溫度來可變地設(shè) 定所述電阻。
4. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中，還包括電流運(yùn)算部，所述電流運(yùn)算部將總的所述電池電流密度分離為 有助于電化學(xué)反應(yīng)的第一電流密度、和由在所述二次電池內(nèi)部所產(chǎn)生的雙 電荷層電容成分產(chǎn)生的第二電流密度，所述邊界條件設(shè)定部基于由所述電流運(yùn)算部計(jì)算出的所述第一電流密 度來計(jì)算所述界面處的反應(yīng)電流密度，在所述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式中，基于所述第一電流密度來計(jì)算所 述過電壓。
5. 如權(quán)利要求4所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中， 還包括溫度檢測(cè)器，所述溫度檢測(cè)器檢測(cè)所述二次電池的電池溫度；以及 參數(shù)值設(shè)定部，所述參數(shù)值設(shè)定部用于至少根據(jù)所述電池溫度來可變 地設(shè)定所述參數(shù)值，所述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式包括線性近似表達(dá)式，所述線性近似表達(dá)式表示所述第一電流密度與作為 所述參數(shù)值的電極每單位面積上的第一電阻的乘積等于所述電池電壓；和表示作為所述參數(shù)值的、流過電極每單位面積上的電容的所述第二電 流密度是與所述電池電壓隨時(shí)間的變化量成比例的值的表達(dá)式，所述參數(shù)值設(shè)定部根據(jù)由所述擴(kuò)散估計(jì)部估計(jì)出的所述界面處的所述 反應(yīng)物質(zhì)的濃度以及由所述溫度檢測(cè)器檢測(cè)出的所述電池溫度來可變地設(shè) 定所述第一電阻，并且根據(jù)所述電池溫度來可變地設(shè)定所述電極每單位面 積上的電容量。
6. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中， 所述擴(kuò)散估計(jì)部針對(duì)所述第一電極和所述第二電極的每一個(gè)而具有通過極坐標(biāo)表示的所述活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式。
7. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中， 所述擴(kuò)散估計(jì)部具有被所述第一電極和所述第二電極共用的通過極坐標(biāo)表示的所述活性物質(zhì)擴(kuò)散模型表達(dá)式。
8. 如權(quán)利要求1所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中，所述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式基于電壓方程式以及電化學(xué)反應(yīng)式而被 導(dǎo)出，所述電壓方程式表示所述活性物質(zhì)和所述電解液的平均電位、隨著 所述界面處的所述電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的過電壓的平均值、以及所述開路電 壓之間的關(guān)系，所述電化學(xué)反應(yīng)式表示所述電池電流密度和所述過電壓的 平均值之間的關(guān)系。
9. 如權(quán)利要求8所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中， 在所述第一電極和所述第二電極的每一個(gè)中，通過假定電極中的電化學(xué)反應(yīng)不具有位置依賴性而相同來將所述電極中的所述活性物質(zhì)和所述電 解液的電位分布簡(jiǎn)化為二次函數(shù)，并在此基礎(chǔ)上求出所述活性物質(zhì)和所述 電解液的所述平均電位，由此導(dǎo)出所述電壓電流關(guān)系模型表達(dá)式。
10. 如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其 中，還包括平均濃度計(jì)算部，所述平均濃度計(jì)算部基于由所述擴(kuò)散估計(jì)部估計(jì)出 的所述反應(yīng)物質(zhì)的濃度分布來計(jì)算所述活性物質(zhì)內(nèi)的所述反應(yīng)物質(zhì)的平均 濃度；以及第一充電率估計(jì)部，所述第一充電率估計(jì)部按照預(yù)先求出的所述平均濃度和所述二次電池的充電率的對(duì)應(yīng)關(guān)系并基于由所述平均濃度計(jì)算部計(jì) 算出的所述平均濃度來估計(jì)所述充電率。
11. 如權(quán)利要求io所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中，還包括電流檢測(cè)器，所述電流檢測(cè)器檢測(cè)所述二次電池的電池電流；第二充電率估計(jì)部，所述第二充電率估計(jì)部基于所述電池電流的累計(jì)來估計(jì)所述二次電池的充電率變化量；以及第三充電率估計(jì)部，所述第三充電率估計(jì)部基于所述第一充電率估計(jì)部和所述第二充電率估計(jì)部的估計(jì)結(jié)果來逐次更新所述二次電池的充電率估計(jì)值，所述第三充電率估計(jì)部通過在所述充電率估計(jì)值的前次值上反映由所 述第二充電率估計(jì)部估計(jì)出的相對(duì)于所述前次值的所述充電率變化量、以 及由所述第一充電率估計(jì)部估計(jì)出的當(dāng)前充電率與所述前次值之間的充電 率誤差，來計(jì)算所述充電率估計(jì)值的當(dāng)前值，使用比所述充電率誤差的反映相對(duì)小的時(shí)間常數(shù)來反映所述充電率變
12. 如權(quán)利要求IO所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中， 還包括電流檢測(cè)器，所述電流檢測(cè)器檢測(cè)所述二次電池的電池電流； 第二充電率估計(jì)部，所述第二充電率估計(jì)部基于所述電池電流的累積來估計(jì)所述二次電池的充電率變化量；以及第三充電率估計(jì)部，所述第三充電率估計(jì)部基于由所述第一充電率估計(jì)部和所述第二充電率估計(jì)部估計(jì)出的估計(jì)結(jié)果來逐次更新所述二次電池的充電率估計(jì)值，所述第三充電率估計(jì)部通過在所述充電率估計(jì)值的前次值上反映由第 二充電率估計(jì)部估計(jì)出的相對(duì)于所述前次值的所述充電率變化量、以及由 所述第一充電率估計(jì)部估計(jì)出的當(dāng)前充電率與所述前次值之間的充電率誤 差，來計(jì)算所述充電率估計(jì)值的當(dāng)前值，所述第三充電率估計(jì)部在所述電池電流的絕對(duì)值大于預(yù)定值時(shí)或者在所述二次電池的電池溫度低于預(yù)定溫度時(shí)，中止所述充電率誤差的反映并 計(jì)算所述充電率估計(jì)值的當(dāng)前值。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中， 還包括偏移估計(jì)部，所述偏移估計(jì)部基于由所述電流估計(jì)部估計(jì)出的所述電池電流密度來計(jì)算所述電池電流的估計(jì)值，并且基于所述電池電流 的估計(jì)值與由所述電流檢測(cè)器檢測(cè)出的檢測(cè)值的誤差來估計(jì)所述電流檢測(cè) 器的偏移誤差，所述第二充電率估計(jì)部使用由所述偏移估計(jì)部估計(jì)出的所述偏移誤差 來修正由所述電流檢測(cè)器檢測(cè)出的所述電池電流的檢測(cè)值，并且基于修正 后的所述檢測(cè)值的累計(jì)來估計(jì)所述二次電池的充電率的變化量。
14. 如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的二次電池的狀態(tài)估計(jì)裝置，其中，還包括電流檢測(cè)器，所述電流檢測(cè)器檢測(cè)所述二次電池的電池電流； 偏移估計(jì)部，所述偏移估計(jì)部基于由所述電流估計(jì)部估計(jì)出的所述電 池電流密度來計(jì)算所述電池電流的估計(jì)值，并且基于所述電池電流的估計(jì) 值與由所述電流檢測(cè)器檢測(cè)出的檢測(cè)值的誤差來估計(jì)所述電流檢測(cè)器的偏 移誤差；以及充電率估計(jì)部，所述充電率估計(jì)部使用由所述偏移估計(jì)部估計(jì)出的所 述偏移誤差來修正由所述電流檢測(cè)器檢測(cè)出的所述電池電流的檢測(cè)值，并 且基于修正后的所述檢測(cè)值的累計(jì)來估計(jì)所述二次電池的充電率的變化
全文摘要
擴(kuò)散估計(jì)部(100)按照通過極坐標(biāo)表示的活性物質(zhì)內(nèi)的擴(kuò)散方程式來估計(jì)活性物質(zhì)內(nèi)部的鋰濃度分布。開路電壓估計(jì)部(110)根據(jù)基于由擴(kuò)散估計(jì)部(100)估計(jì)出的活性物質(zhì)界面處的鋰濃度的局部SOC(θ)來求出開路電壓(U(θ))。電流估計(jì)部(120)使用由電壓傳感器測(cè)出的電池電壓(V(t))、估計(jì)出的開路電壓(U(θ))以及由電池參數(shù)值設(shè)定部(130)設(shè)定的電池參數(shù)，并通過將電化學(xué)反應(yīng)式簡(jiǎn)化了的電壓-電流關(guān)系模型表達(dá)式來估計(jì)電池電流密度(I(t))。邊界條件設(shè)定部(140)基于估計(jì)出的電池電流密度(I(t))來逐次設(shè)定擴(kuò)散估計(jì)部(100)的擴(kuò)散方程式的活性物質(zhì)界面處的邊界條件。
文檔編號(hào)G01R31/36GK101641607SQ200880009620
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2008年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者淵本哲矢, 竹本毅, 芳賀伸烈, 西勇二 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社