专利名称：电力供应系统及用于电力存储装置的内阻估算设备、退化确定装置和内阻估算方法
技术领域：
本发明涉及用于估算电力存储装置的内阻的装置及方法，用于基于内阻确定电力存储装置中的退化的装置，以及包括电力存储装置的电力供应系统。
背景技术：
例如，第2009-U8194号日本公开待审专利(专利文献1)公开了一种用于确定可充电电池中的退化的设备。该设备包括用于检测流入可充电电池的电流的电流检测工具、 用于计算所测电流的波纹系数的波纹系数计算工具、用于事先存储将波纹系数与内阻关联起来的数据的存储工具，以及确定工具。波纹系数计算工具将电流检测工具所检测的电流分成波纹分量和直流分量，并且将波纹分量与直流分量的比值计算成波纹系数。确定工具基于存储在存储工具中的数据和波纹系数计算工具计算的波纹系数计算可充电电池的内阻，从而基于内阻确定可充电电池是否退化。例如，第2007-12568号日本公开待审专利(专利文献2)公开了一种控制装置，其在二次电池上产生波纹电流以提高二次电池的温度。波纹电流经过二次电池的内阻在二次电池上产生热量。二次电池的温度可以借助二次电池自身的发热来提高，而无需加热器。电力存储装置的内阻通常具有温度依赖性。然而，根据第2009-U8194号日本公开待审专利，可充电电池的内阻只依据波纹分量来计算。因此，根据第2009-U8194号日本公开待审专利所公开的方法，内阻的温度依赖性会影响可充电电池中的退化的确定。第 2007-12568号日本公开待审专利未提及估算电力存储装置的内阻，尽管公开了利用电力存储装置的内阻的方法。
发明内容
本发明的目标是提供允许高精度地估算电力存储装置的内阻的技术。根据本发明的一个方面的用于电力存储装置的内阻估算设备包括波纹生成单元、 电流检测单元、温度检测单元、存储单元和估算单元。波纹生成单元被配置成在电力存储装置处产生具有预定频率的波纹电流。电流检测单元被配置成检测波纹电流。温度检测单元被配置成检测电力存储装置的温度。存储单元被配置成存储电力存储装置的温度及波纹电流与电力存储装置的内阻之间的预定相关关系。估算单元被配置成基于由电流检测单元检测的波纹电流、由温度检测单元检测的温度、以及存储在存储单元中的相关关系估算内阻。优选地，该内阻估算设备还包括确定单元。该确定单元被配置成基于由温度检测单元检测的温度确定是否需要用于提高电力存储装置的温度的加热控制。当确定单元确定需要该加热控制时，波纹生成单元在电力存储装置处产生波纹电流。优选，估算单元被配置成在波纹电流的一个周期期间从电流检测单元获得波纹电流的电流值，并且基于电流值、温度和相关关系估算内阻。优选，波纹生成单元包括电压变换器，其被配置成变换在电力存储装置和由从电力存储装置提供的电力驱动的负载之间的DC电压水平。电压变换器包括开关元件，其以根据载波频率的周期受到开/关控制，以及电抗器，其通过开关元件串联地连接电力存储装置。内阻估算设备还包括频率设定单元，用于将载波频率设为预定频率。优选，电力存储装置包括二次电池。根据本发明的另一方面的用于电力存储装置的退化确定设备包括波纹生成单元、 电流检测单元、温度检测单元、存储单元、估算单元和退化确定单元。波纹生成单元被配置成在电力存储装置处产生具有预定频率的波纹电流。电流检测单元被配置成检测波纹电流。温度检测单元被配置成检测电力存储装置的温度。存储单元被配置成存储电力存储装置的温度及波纹电流与电力存储装置的内阻之间的预定相关关系。估算单元被配置成基于由电流检测单元检测的波纹电流、由温度检测单元检测的温度、以及存储在存储单元中的相关关系估算内阻。退化确定单元被配置成基于由估算单元估算的内阻确定电力存储装置是否退化。根据本发明的另一方面的电力供应系统用于向在车辆上安装的负载提供电力。该电力供应系统包括电力存储装置和电压变换器。电压变换器被配置成变换在电力存储装置和负载之间的DC电压水平。该电压变换器包括开关元件，其以根据载波频率的周期受到开/关控制，以及电抗器，其通过开关元件串联地连接电力存储装置。该电力供应系统还包括频率设定单元、电流检测单元、温度检测单元、存储单元和估算单元。频率设定单元被配置成将载波频率设为第一频率，所述第一频率用于在估算电力存储装置的内阻时在电力存储装置处产生波纹电流，所述频率设定单元还被配置成在驱动负载时将载波频率设为比第一频率高的第二频率。电流检测单元被配置成检测波纹电流。温度检测单元被配置成检测电力存储装置的温度。存储单元被配置成存储电力存储装置的温度及波纹电流与电力存储装置的内阻之间的预定相关关系。估算单元被配置成基于由电流检测单元检测的波纹电流、由温度检测单元检测的温度、以及存储在存储单元中的相关关系估算内阻。优选，频率设定单元被配置成基于由估算单元估算的内阻调节第二频率。优选，负载包括AC电动机，以及被配置成允许将从电压变换器提供的DC电压转换成用于驱动AC电动机的AC电压的转换器。根据本发明的又一方面的电力供应系统涉及用于电力存储装置的内阻估算方法， 其包括以下步骤在电力存储装置处产生具有预定频率的波纹电流，检测波纹电流，检测电力存储装置的温度，以及利用电力存储装置的温度及波纹电流与电力存储装置的内阻之间的预定相关关系估算内阻。估算步骤包括基于相关关系、所检测的波纹电流和所检测的温度估算内阻的步骤。优选，该内阻估算方法还包括基于所检测的温度确定是否需要用于提高电力存储装置的温度的加热控制的步骤。该产生步骤包括当确定需要加热控制时，在电力存储装置处产生波纹电流的步骤。优选，该估算步骤在波纹电流的一个周期期间获得波纹电流的电流值。该估算步骤基于电流值、温度和相关关系估算内阻。本发明的主要优点在于能够高精度地估算电力存储装置的内阻。本发明的上述或其它目标、特征、方面和优点将在结合附图时从本发明的下列详细说明中变得更加显而易见。
图1是根据本发明实施例的估算装置所应用的电动机驱动设备的示意性方框图；图2是图1的控制装置的部分的功能性方框图，其涉及二次电池1的内阻的估算和变换器的控制；图3是用于描述图2中示出的变换器控制单元的示例性构造的功能性方框图；图4是用于描述图3中示出的PWM信号生成单元的操作的波形图；图5表示在变换器的正常操作模式中的电抗器电流波形；图6示意性地示出了二次电池内阻估算模式中的电抗器电流和电池电流的波形；图7是用于描述载波频率和波纹电流幅度之间关系的视图；图8是用于描述存储在图2所示的存储单元中的映射的视图；图9是用于描述内阻和温度之间关系的视图；图10是用于描述内阻和电流之间关系的视图；图11是用于描述根据实施例的第一估算过程的流程图；图12是用于描述在加热控制执行模式中二次电池的电流的波形图；图13是用于描述根据实施例的第二估算过程的流程图；图14是说明由图2所示的退化确定单元执行的确定过程的流程图；图15是用于描述图2所示的变换器控制单元对变换器的控制的流程图；以及图16是用于描述存储在载波生成单元中的映射的视图。
具体实施例方式下面将参考附图详细描述本发明的实施例。在附图中，给相同或相应的元件指定相同的参考符号，并且将不再重复对其进行描述。图1是根据本发明实施例的估算装置所应用的电动机驱动设备的示意性方框图。 参见图1，电动机驱动设备100包括二次电池1、电流传感器10、电压传感器11和13、温度传感器18、电流传感器M、系统继电器SRl和SR2、电容器Cl和C2、转换器14和控制装置 30。图1所示的电动机驱动设备被结合在电力车(诸如混合动力车、电动车、燃料电池车)中。在本说明书中，“电力车”被限定成装配有电力存储装置和能够利用由电力存储装置提供的电力产生驱动力的电动机的车辆。AC电动机Ml被结合在电力车中以驱动驱动轮。在混合动力车中，AC电动机Ml可被结合成电动发电机，其既具有由发动机驱动的发电机的能力，又具有启动发动机的电动机的能力。二次电池1是可充电的电力存储装置。例如，镍金属混合电池、锂铁电池或类似电池可被用作二次电池1。二次电池1的内阻5由控制装置30估算。
电流传感器10检测二次电池1的电流IB，并且将其检测值输出给控制装置30。 在下文中，电流IB还被称做电池电流IB。温度传感器18检测二次电池1的温度TB，并且将其检测值输出给控制装置30。电动机驱动设备还可以包括用于检测二次电池1的电压的电压传感器。利用来自控制装置30的信号SE来开启和关闭系统继电器SRl和SR2。电容器Cl使由二次电池1提供的电压VB变平滑。电压传感器11检测电容器Cl 两端的电压，即输入给变换器12的电压，并且将检测到的电压VL输出给控制装置30。变换器12包括电抗器Li、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)元件Ql和Q2、以及二极管Dl和D2。在本实施例中，IGBT元件被用作包括在变换器12和转换器14中的功率开关元件(在下文中简称为“开关元件”)。功率MOS (金属氧化物半导体)晶体管也可以被用作开关元件，以替代IGBT元件。电抗器Ll 一端经由系统继电器SRl电连接二次电池1的正极，另一端连接对应于 IGBT元件Ql和IGBT元件Q2的中间点的节点附。即，电抗器Ll串联连接开关元件。IGBT元件Ql和Q2串联连接于电源线PL和接地线GL之间。IGBT元件Ql的集电极连接电源线PL。IGBT元件Q2的发射极连接接地线GL。二极管Dl和D2以反并联(anti-parallel)的方式分别连接IGBT元件Ql和Q2。 接地线GL经由系统继电器SR2电连接二次电池1的负极。电容器C2使电源线PL和接地线GL之间的电压VH变平滑。电压VH是变换器12 的输出电压和转换器14的输入电压。在下文中，电压VH也被称做“系统电压”。电压传感器13检测系统电压VH，并且将检测到的电压VH输出给控制装置30。变换器12在由二次电池1提供给电容器Cl的DC电压VL和系统电压VH之间双向地执行电压变换。具体地，变换器12根据来自控制装置30的信号PWD使IGBT元件Ql 和Q2打开和关闭以控制系统电压VH。基本上，IGBT元件Ql和Q2以交替和互补的方式被打开和关闭。转换器14包括U相臂15、V相臂16和W相臂17。U相臂15、V相臂16和W相臂 17并联地设在电源线PL和接地线GL之间。每个相臂包括串联连接于电源线PL和接地线 GL之间的两个IGBT元件，以及分别连接这两个IGBT元件的两个反并联的二极管。具体地，U相臂15包括IGBT元件Q3和Q4，以及分别以反并联的方式连接IGBT元件Q3和Q4的二极管D3和D4。V相臂16包括IGBT元件Q5和Q6，以及分别以反并联的方式连接IGBT元件Q5和Q6的二极管D5和D6。W相臂17包括IGBT元件Q7和Q8，以及分别以反并联的方式连接IGBT元件Q7和Q8的二极管D7和D8。各个相臂的中间点连接AC电动机Ml的相应相线圈的一端。S卩，AC电动机Ml为 3相永磁型电动机。U相线圈、V相线圈和W相线圈中的每一个均具有一端共同连接于中性点。U相线圈的另一端连接IGBT元件Q3和Q4的中间点。V相线圈的另一端连接IGBT元件Q5和Q6的中间点。W相线圈的另一端连接IGBT元件Q7和Q8的中间点。电流传感器M检测流向AC电动机Ml的电动机电流MCRT，并且将检测到的电动机电流MCRT输出给控制装置30。转换器14响应于来自控制装置30的信号PWMI将变换器12输出的系统电压VH转换成AC电压，并且将该AC电压输出给AC电动机Ml。AC电动机Ml响应于由转换器14提供的AC电流产生通过转矩命令值TR指定的转矩。在装配有电动机驱动装置100的电力车的再生制动模式中，AC电动机Ml产生AC 电压。在此阶段，控制装置30产生信号PWMI，使得转换器14将AC电压转换成DC电压。来自转换器14的DC电压经由电容器C2和变换器12被提供给二次电池1。上述“再生制动”包括与电力车驾驶员操作脚踏刹车时的再生有关的制动，以及在未操作脚踏刹车的情况下行驶的过程中通过踩下加速踏板来在AC电动机处实现再生时降低车速(或停止加速)。转换器14和AC电动机Ml是由二次电池1提供的电能驱动的负载。变换器12 在二次电池1和负载之间变换DC电压水平。控制装置30由电子控制单元(EOT)构成，以通过由执行程序的CPU(中央处理单元)实现的软件处理和/或通过由专用电子电路实现的硬件处理来控制电动机驱动装置 100的操作。具体地，控制装置30基于转矩命令值TR、电动机速度MRN、来自电压传感器11 的电压VL、来自电压传感器13的电压VH、以及来自电流传感器M的电动机电流MCRT产生用于驱动变换器12的信号PWD和用于驱动转换器14的信号PWMI。控制装置30分别将所产生的信号PWD和PWMI输出给变换器12和转换器14。信号PWD用于控制由变换器12实现的DC电压变换，具体是控制IGBT元件Ql和 Q2的开关。控制装置30产生信号PWD，使得系统电压VH与电压命令值VR相符。为了产生信号PWD，控制装置30调节在对变换器12的IGBT元件Ql和Q2的开/关控制中使用的载
波频率。信号PWMI用于控制由转换器14实现的DC/AC转换，具体是控制IGBT元件Q3-Q8 的开/关。控制装置30产生信号PWMI，使得AC电动机Ml的输出转矩与转矩命令值TR相符。当转矩命令值TR取正值时，AC电动机Ml产生电力车的驱动力。在电力车的再生制动模式中，转矩命令值TR被设为负值。在该阶段，控制装置30产生信号PWMI，使得AC电动机Ml产生的再生功率(AC电压)被转换器14转换成DC电压。变换器12根据来自控制装置30的信号PWD向下变换来自转换器14的DC电压，并且将该向下变换的电压提供给二次电池1。控制装置30还产生用于根据电动机驱动装置100的激活/停止命令开启/关闭系统继电器SRl和SR2的信号SE，并且将所产生的信号提供给系统继电器SRl和SR2。根据本实施例，至少变换器12、温度传感器18、电流传感器10和控制装置30构成用于估算二次电池内阻的估算设备、用于确定二次电池中的退化的确定设备、以及用于向负载提供电力的电力供应系统。图2是图1的控制装置的一部分的功能性方框图，其涉及二次电池1的内阻的估算和变换器的控制。图2的每个功能块可以由具有与相关模块对应的能力的电子电路(硬件)构成，或者由根据预设程序执行软件处理的ECU实现。参见图2，控制装置30包括启动确定单元101、变换器控制单元102、存储单元 103、估算单元104、退化确定单元105、以及计数器106。启动确定单元101确定启动对二次电池1的内阻5的估算的条件是否满足。启动确定单元101确定当二次电池1的温度TB低于预定温度Tth时，启动对内阻5的估算的条件被满足。另外，启动确定单元101确定当基于计数器106的计数值得出自上次估算起已经过预定时间时，启动对内阻5的估算的条件被满足。在启动确定单元101确定启动条件已被满足的情况下，启动确定单元101向变换器控制单元102和估算单元104输出命令ST 以启动对二次电池1的内阻5的估算。变换器控制单元102基于转矩命令值TR、电动机速度MRN、以及电压VL、VH产生用于控制变换器12的控制信号PWD，并且将所产生的控制信号PWD输出给变换器12。具体地，变换器控制单元102根据来自启动确定单元101的命令ST控制变换器12在二次电池 1处产生波纹电流。换句话说，变换器12用作在二次电池1处产生波纹电流的波纹生成单元。在启动确定单元101未输出命令ST的情况下，变换器控制单元102对变换器12 执行一般控制。一般控制指的是用于使得变换器12在电压VL和电压VH之间双向执行DC 电压变换的控制。存储单元103存储限定二次电池的温度TB和电流IB与内阻值RB之间的相关关系的映射。在本实施例中，存储单元103以映射的形式存储上述相关关系。该相关关系也可以以表格或函数的形式存储在存储单元103中。估算单元104响应于来自启动确定单元101的命令ST以估算二次电池1中的内阻值。具体地，估算单元104基于温度TB和电流IB的相应检测值、以及存储在存储单元103 中的映射来估算二次电池1的内阻值。估算单元104将内阻估算值(RB)输出给变换器控制单元102和退化确定单元105。变换器控制单元102从估算单元104接收估算值，并且修正载波频率以基于估算值产生控制信号PWD。退化确定单元105从估算单元104接收估算值，并且基于该估算值确定二次电池1是否发生退化。计数器106计算从启动确定单元101输出命令ST起经过的时间，并且将计数值输出给启动确定单元101。当计数器106的计数值达到预定值时，启动确定单元101输出命令 ST，并且清除计数器106中的计数值。每当计数器106的计数值达到预定值，启动确定单元 101都输出命令ST。因此，二次电池1的内阻可以定期被估算。图3是用于描述图2中示出的变换器控制单元的示例性构造的功能性方框图。参见图3，变换器控制单元102包括电压命令生成单元110、减法器111、反馈控制单元112、保护单元113、减法器114、保护单元115、占空命令生成单元116、PWM(脉冲宽度调制)信号生成单元117、载波生成单元118、以及停止单元119。电压命令生成单元110基于转矩命令值TR和电动机速度MRN计算需要的AC电动机Ml的功率，并且基于所计算的功率产生电压命令值VR。减法器111产生电压命令值VR和电压VH之间的偏差。反馈控制单元112执行反馈控制，以便基于减法器111所产生的偏差使电压VH与电压命令值VR相符。具体地，反馈控制单元112执行比例积分控制。反馈控制单元112包括比例控制计算单元121、积分控制计算单元122、以及加法器123。比例控制计算单元121基于所述偏差与预定的比例增益的乘积计算有关比例控制的控制量(比例项)。积分控制计算单元122基于所述偏差与预定的积分增益的积分值计算有关积分控制的控制量(积分项)。加法器123将比例项和积分项相加。
此外，反馈控制单元112基于二次电池1的内阻估算值(RB)改变反馈增益(比例增益和积分增益)。具体地，当估算值(RB)变小时，反馈控制单元112降低反馈增益。保护单元113将反馈控制单元112的输出值限制在从第一下限至第一上限的范围内。减法器114从用VL/VR表示的变换器12的理论增压比的倒数中减去保护单元113的输出值。减法器114的输入项(VL/VR)是基于变换器12的理论增压比的前反馈补偿项。保护单元115限制减法器114的输出值，使其不低于第二下限。占空命令生成单元116基于保护单元115的输出值产生占空命令Vcn，其代表变换器12的IGBT元件Ql和Q2的占空率。占空命令生成单元116在从启动确定单元101处接收到命令ST时产生占空命令Vcn，从而使占空率为固定值(例如0. 5)。PWM信号生成单元117将来自占空命令生成单元116的占空命令Vcn与来自载波生成单元118的载波CW进行比较，从而根据比较结果产生信号PWD。具体地，PWM信号生成单元117将占空命令Vcn的电压与载波CW的电压进行比较。载波生成单元118产生载波CW，并且将载波CW输出给PWM信号生成单元117。载波CW例如是三角波。载波生成单元118响应于命令ST产生具有预定频率(例如IkHz)的载波CW，以启动对二次电池1的内阻的估算。在命令ST未被输入给载波生成单元118的情况下，载波生成单元118基于二次电池1的内阻估算值(RB)调节载波CW的频率。在此阶段，载波CW的频率要比二次电池1的内阻被估算时的值高，并且例如约为10-20kHz。载波 Cff的频率在下文中还被称做“载波频率”。停止单元119向PWM信号生成单元117传送用于停止产生控制信号PWD的命令。 停止由PWM信号生成单元117产生控制信号PWD导致变换器12停止。相应地，加热控制结束。具体地，当二次电池1的温度TB高于预定结束温度时，停止单元119向PWM信号生成单元117传送用于停止产生控制信号PWD的命令。此外，当未执行加热控制并且执行对内阻的估算时，内阻估算值RB被输入给停止单元119。在这种情况下，停止单元119向PWM信号生成单元117传送用于停止产生控制信号PWD的命令。图4是用于描述图3中示出的PWM信号生成单元的操作的波形图。参见图4，载波CW的周期为Tc。在占空命令Vcn高于载波CW期间，IGBT元件Q2被开启，而IGBT元件 Ql被关闭。相反地，在占空命令Vcn低于载波CW期间，IGBT元件Ql被开启，而IGBT元件 Q2被关闭。IGBT元件Q2的开启时间的增加使得电抗器Ll处存储的功率变得更大。相应地， 系统电压VH被提高。相反地，系统电压VH因IGBT元件Ql具有更大的开启时间而被降低。 通过根据电压命令值VR修正占空命令Vcn，可以将系统电压VH控制成等于或高于二次电池 1的电压VB0图5表示在变换器的正常操作模式中电抗器电流波形。在变换器12的正常操作模式中，变换器12在二次电池1的电压VB和系统电压VH之间双向执行电压变换。参见图5，在IGBT元件Q2的开启(IGBT元件Ql的关闭)期间，电抗器电流IL升高。相反地，在IGBT元件Ql的开启(IGBT元件Q2的关闭)期间，电抗器电流IL减小。电抗器电流IL的升高和减小以由载波频率的倒数决定的周期重复发生。从而根据载波频率产生波纹电流。
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在正常模式中，具有周期To的波纹电流作为电抗器电流IL被生成。周期To是载波频率fo的倒数。为了抑制电磁噪声，选择例如约为10-20kHz的频率作为正常模式中的载波频率fo。图6示意性地示出了二次电池内阻估算模式中的电抗器电流和电池电流的波形。 参见图6，当处于二次电池内阻估算模式中时，载波频率被设为比正常模式的频率fo低的频率fx。因此，电抗器电流IL的变化周期变得比图5所示的周期长。通过内阻以及输入二次电池1和从二次电池1输出的电流，在二次电池1处产生热量。当波纹电流的幅值变大时，在二次电池1处产生的热量增加。因此，通过操作变换器 12使得从二次电池1中产生波纹电流，二次电池1的温度可被提高。在本实施例中，在利用波纹电流对二次电池1执行加热控制过程中对二次电池1的内阻进行估算。连接电源线PL的电容器C2被用作功率缓冲器，其临时存储从二次电池1中放出的电力。换句话说，在加热控制中，电抗器电流IL可被生成为AC电流，无需相对于由转换器14和AC电动机Ml构成的负载输入或输出电力。图7是用于描述载波频率和波纹电流幅度之间关系的视图。参见图7，在IGBT元件Q2开启(IGBT元件Ql关闭)期间，电抗器电流IL以由电抗器Ll的电感L和电压VL决定的斜率(VL/L)升高。在IGBT元件Ql开启(IGBT元件Q2关闭)期间，电抗器电流IL以由电感L和电压差(VH-VL)决定的斜率((VL-VH)/L)降低。在加热控制中，载波频率从fo降至fx。即，载波周期从To变长为Tx。在这种情况下，由于电抗器电流IL的升高期或下降期变长，波纹电流幅度Irp变大。如上所述，当载波频率为fx时，占空率被固定。例如，占空率为50%。当占空率为 50%时，IGBT元件Ql的开启期等于IGBT元件Q2的开启期。因此，波纹电流在其上升期间的斜率可以被设置成等于波纹电流在其下降期间的斜率。电池电流IB被表达成IB = (E-VB)/RB，其中E是二次电池1的电动势。换句话说，电池电流IB根据二次电池的内阻发生变化。由于电池电流IB在加热控制期间变大，因此能够更容易地估算二次电池的内阻。因此，在本实施例中，二次电池1的内阻在加热控制模式期间进行估算。应注意二次电池的内阻具有温度依赖性。在不考虑二次电池的温度就对内阻进行估算的情况下，内阻估算精度将变差。在本实施例中，基于电池电流和电池温度对内阻进行估算。具体地，估算单元104(参见图2、基于电流传感器10检测到的电流IB、温度传感器18检测到的温度TB、以及存储在存储单元103中的映射估算二次电池1的内阻值。该映射事先通过实验等方式制成以预先存储在存储单元103中。图8是用于描述存储在图2所示的存储单元中的映射的视图。图9是用于描述内阻和温度之间关系的视图。图10是用于描述内阻和电流之间关系的视图。参见图8-10，映射在由温度轴TB、电流轴IB和电阻轴RB定义的三维坐标系统中示出。曲线150表示用于基于温度TB和电流IB计算电阻RB的函数f。S卩，电阻RB可被表达成 RB = f (TB, IB)。图9和10表示在温度TB和电流IB中的一个固定且另一个变化时，在电阻RB上的变化。电阻值RB随温度变低而变大。电流IB随电阻值RB变大而变小。内阻值根据二次电池1中的退化而变大。然而，在温度变低的情况下，内阻也变大。例如，在电池温度低时仅基于电流估算内阻的情况下，存在过高估算内阻的可能性。如果基于这种估算值来确定二次电池中的退化，则会错误地确定出比实际情况严重的二次电池的退化。由于本发明中是基于温度TB和电流IB来估算内阻的，因此能够更精确地估算二次电池的内阻。因此能够更精确地确定二次电池的退化状态。图11是用于描述根据本实施例的第一估算过程的流程图。当预定条件被满足或控制装置30执行了预定的操作循环时，流程图中示出的一系列过程从主程序开始被启动。参见图11，在步骤SlO上，控制装置30检测二次电池1的温度TB。具体地，控制装置30从温度传感器18处接收检测值。在步骤S20上，控制装置30判断二次电池1的温度TB是否低于预定温度Tth。具体地，启动确定单元101将温度TB与预定温度Tth作比较，并且判断温度TB是否低于预定温度Tth。当确定温度TB低于预定温度Tth时(在步骤S20上为“是”)，该过程前进至步骤 S30。在这种情况下，执行加热控制，同时估算二次电池的内阻。当确定温度TB高于预定温度Tth时(在步骤S20上为NO)，整个过程返回至主程序。在这种情况下，加热控制和二次电池内阻的估算均不进行。在步骤S30上，启动确定单元101向变换器控制单元102和估算单元104输出命令ST以估算二次电池1的内阻。变换器控制单元102(载波生成单元118)对命令ST作出响应，将载波频率设为fx。变换器控制单元102(占空命令生成单元116)将占空率设为预定值(例如，0.5)。因此，变换器12导致在二次电池1处产生具有图6所示波形的波纹电流。在步骤S40上，控制装置30检测二次电池1的电流IB。具体地，控制装置30从电流传感器10处获得检测值。例如，控制装置30对电流传感器10的检测值进行采样。采样周期小于由载波频率fx确定的周期Tx(参见图6)。如上所述，通过升高二次电池处的温度，二次电池的内阻变低。因此，在执行加热控制的过程中存在电流IB变大的可能性。在启动加热控制之前检测二次电池的温度。因此，为了改善估算精度，优选在启动加热控制时检测二次电池的电流IB。图12是用于描述执行加热控制时二次电池的电流的波形图。参见图12，在tl时刻启动加热控制。电流IB的周期为Tx。控制装置30在周期Tx期间获得电流IB的检测值。具体地，控制装置30在tl时刻至t2时刻之间(即，在从开始加热控制到经过Tx周期这段时间内)获得电流IB的检测值。参见图11，在步骤S50上，控制装置30估算二次电池1的内阻。具体地，估算单元104基于在步骤SlO上检测到的温度TB、在步骤S40上检测到的电流IB、以及存储在存储单元103中的映射来估算内阻。在步骤S60上，控制装置30存储估算值。例如，将估算值存储在估算单元104处。在步骤S70上，控制装置30判断加热控制是否结束。具体地，控制装置30判断二次电池1的温度TB是否高于加热控制的结束温度Te。变换器控制单元102(停止单元119) 将温度TB与温度Te作比较，并且判断温度TB是否高于温度Te。当确定温度TB高于温度Te时(在步骤S70上为“是”)，控制前进至步骤S80。当确定温度TB等于或低于温度Te时(在步骤S70上为“否”)，重复步骤S70。
在步骤S80上，控制装置30停止变换器12。具体地，变换器控制单元102停止控制信号PWD的产生。因此，加热控制结束。在结束步骤S80时，整个过程返回至主程序。通过上述过程，执行加热控制时的二次电池的内阻可以被估算。二次电池的内阻在从正常温度(例如25°C )到低温(例如-30°C )这么宽的温度范围内剧烈变化。通过估算在需要加热控制的温度上的内阻，内阻能够高精度地被估算。然而，根据上述过程，二次电池的内阻只能在执行加热控制时进行估算。在本实施例中，还在距上次估算已过去预定时间时对二次电池的内阻进行估算。因此，即使在不需要加热控制时也能够对二次电池的内阻进行估算。图13是用于描述根据本实施例的第二估算过程的流程图。当预定条件被满足或控制装置30执行了预定的操作循环时，流程图中示出的一系列过程从主程序开始被启动。参见图13，在步骤SllO上，控制装置30判断距上次估算是否已经过预定时间。具体地，启动确定单元101判断计数器106的计数值是否已达到预定值。当计数器106的计数值已达到预定值，启动确定单元101确定距上次估算已过去预定时间。在这种情况下(在步骤SllO处为“是”)，前进至步骤S120。因此，执行估算过程。在计数器106的计数值未达到预定值的情况下，启动确定单元101确定距上次估算过去的时间未达到预定时间。在这种情况下(在步骤SllO处为“否”)，整个过程返回至主程序。因此，不执行估算过程。步骤S120-S160的过程涉及对二次电池内阻的估算。由于步骤S120-S160的过程与步骤S20-S60类似，因此将不再重复对它们的描述。步骤S180是在估算二次电池内阻之后停止变换器12的过程。如上所述，停止单元119 (参见图幻响应于估算值RB的接收，向PWM信号生成单元117输出用于停止产生控制信号PWD的命令。在步骤S180完成时，整个过程返回主程序。二次电池的内阻可以通过执行图13所示的过程定期被估算。在步骤SllO上，可以基于其上装配有电动机驱动装置100的电力车的行驶距离是否已达到预定值来进行判断。当确定电力车的行驶距离已达到预定值时，执行从步骤S120到步骤S180的过程。在这种情况下同样地能够定期对二次电池的内阻进行估算。在执行图13中示出的过程的情况下，控制装置30优选获得一个周期Tx期间的电流IB的检测值。通过在短期内检测电流IB，存储在二次电池1处的电能的功耗能够被减少。由估算单元104估算的二次电池1的内阻被用于确定二次电池1中的退化、调节
载波频率等。图14是说明由图2所示的退化确定单元执行的确定过程的流程图。参见图14， 在步骤S210上，退化确定单元105从估算单元104处获得二次电池内阻的估算值。在步骤 S220上，退化确定单元105基于该估算值确定二次电池1中的退化。例如，退化确定单元 105将估算值与参考值作比较，并且在估算值小于参考值时判断二次电池1发生了退化。内阻估算值与二次电池中的退化之间的相关关系可以事先通过实验等方式来定义，并且以映射的形式存储在退化确定单元105中。在这种情况下，退化确定单元105可以基于映射和来自估算单元104的估算值获得二次电池中的退化程度。另外，退化确定单元105可以基于退化程度估算二次电池中的退化。由退化确定单元105确定的结果可以被输出给例如外部源，或者存储在退化确定单元105中。图15是用于描述图2所示变换器控制单元对变换器的控制的流程图。参见图15， 在步骤S310上，变换器控制单元102从估算单元104处获得二次电池内阻的估算值。在步骤S320上，变换器控制单元102(载波生成单元118)基于估算值在变换器12的正常操作模式中调节载波CW的频率(S卩，载波频率fo)。具体地，载波生成单元118存储定义载波频率与二次电池内阻估算值之间相关关系的映射，并且基于该映射和来自估算单元104的估算值设定载波频率。图16是用于描述存储在载波生成单元中的映射的视图。参见图16，载波频率被表达成二次电池内阻的函数。随着内阻变小，载波频率变高。上述函数的形式不作特别限制，只要这种关系得到满足。参见图15，在步骤S330上，变换器控制单元102(反馈控制单元11 基于来自估算单元104的估算值降低反馈增益。具体地，当估算值(RB)变低时，反馈控制单元112降低反馈增益。在二次电池1的内阻低的情况下，由于波纹电流的幅值变大，电抗器电流IL的瞬态值升高。电抗器电流IL的瞬态值的升高导致可能产生超出变换器12的结构部件的最大容许电流(典型地，IGBT元件Ql和Q2的额定最大电流)的电流。在本实施例中，基于内阻估算值来调节载波频率。具体地，当内阻估算值变小时， 载波频率变高。更高的载波频率导致波纹电流的幅值更小。因此能够防止对变换器12的结构部件形成损害。电动机驱动系统包括具有变换器12的电源系统。系统电压VH在变换器12处通过LC共振来变化。系统电压VH的变化量与变换器12的阻尼比有关。当阻尼比变大时，系统电压VH的变化量变小。变换器12的阻尼比根据二次电池1的内阻变化。当内阻较小时，阻尼比较小。从而提高了系统电压VH的变化量。例如，结合有电动机驱动装置100的电力车的用户可以用力踩在加速踏板上进行加速。在这种情况下，AC电动机Ml的输出功率突然升高。在二次电池1具有低内阻的情况下，系统电压VH将瞬间大大提高。在这种情况下，存在产生超出转换器14的结构部件(典型地，IGBT元件)的击穿电压的电压的可能性。在本实施例中，基于内阻估算值来调节用于变换器12的控制的反馈增益。具体地，当内阻估算值变小时，反馈增益变小。当需要的AC电动机MI的输出功率值剧烈变化时， 反馈增益的降低抑制了系统电压VH的变化。因此，即使在二次电池具有低内阻的情况下， 也能够避免出现系统电压VH超过转换器14的结构部件(典型地，IGBT元件)的击穿电压的情形。在本实施例中，电动机驱动系统被结合在电力车(混合动力车、电动车、燃料电池车等)中。基于图1所示结构的电动机驱动系统的应用场合不作特别限制。另外，变换器的结构不作特别限制，只要能够在二次电池处产生波纹电流。虽然在本实施例中将二次电池用作电力存储装置，但是电力存储装置的类型不作特别限制，只要它具有内阻。例如，具有大容量的电容器可以被用作电动机驱动装置的功率源。由于电容器同样具有内阻，因此本发明还可以用于估算电容器内阻的装置。 虽然已经对本发明进行了详细的描述和说明，但是显然这种描述和说明只是一种
举例说明的方式，不应被理解成是限制性的，本发明的范围由所提交的权利要求书来解释。
权利要求
1.一种用于电力存储装置的内阻估算设备，其包括波纹产生单元(12)，其被配置成在所述电力存储装置(1)处产生具有预定频率的波纹电流，电流检测单元(10)，其被配置成检测所述波纹电流， 温度检测单元(18)，其被配置成检测所述电力存储装置(1)的温度， 存储单元(103)，其被配置成存储所述电力存储装置(1)的温度及所述波纹电流与所述电力存储装置(1)的内阻之间的预定相关关系，以及估算单元(104)，其被配置成基于由所述电流检测单元(10)检测的所述波纹电流、由所述温度检测单元(18)检测的所述温度、以及存储在所述存储单元(10 中的所述相关关系估算所述内阻。
2.根据权利要求1的用于电力存储装置的内阻估算设备，其还包括确定单元(101)，其被配置成基于由所述温度检测单元(18)检测的所述温度确定是否需要用于提高所述电力存储装置(1)的所述温度的加热控制，其中，当所述确定单元(101)确定需要所述加热控制时，所述波纹产生单元(1 在所述电力存储装置(1)处产生所述波纹电流。
3.根据权利要求2的用于电力存储装置的内阻估算设备，其中所述估算单元(104) 被配置成在所述波纹电流的一个周期期间从所述电流检测单元(10)获得所述波纹电流的电流值，并且基于所述电流值、所述温度和所述相关关系估算所述内阻。
4.根据权利要求3的用于电力存储装置的内阻估算设备，其中所述波纹产生单元(1 包括电压变换器，其被配置成变换在所述电力存储装置(1)和由从所述电力存储装置(1)提供的电力驱动的负载之间的DC电压水平，所述电压变换器包括开关元件0il，Q2)，其以根据载波频率的周期受到开/关控制，以及电抗器(Li)，其通过所述开关元件0il，Q2)串联地连接到所述电力存储装置(1)， 所述内阻估算设备还包括频率设定单元(118)，用于将所述载波频率设为所述预定频率。
5.根据权利要求4的用于电力存储装置的内阻估算设备，其中所述电力存储装置(1) 包括二次电池。
6.一种用于电力存储装置的退化确定设备，其包括波纹产生单元(12)，其被配置成在所述电力存储装置(1)处产生具有预定频率的波纹电流，电流检测单元(10)，其被配置成检测所述波纹电流， 温度检测单元(18)，其被配置成检测所述电力存储装置(1)的温度， 存储单元(103)，其被配置成存储所述电力存储装置(1)的温度及所述波纹电流与所述电力存储装置(1)的内阻之间的预定相关关系，估算单元(104)，其被配置成基于由所述电流检测单元(10)检测的所述波纹电流、由所述温度检测单元(18)检测的所述温度、以及存储在所述存储单元(10 中的所述相关关系估算所述内阻，以及退化确定单元(105)，其被配置成基于由所述估算单元(104)估算的所述内阻确定所述电力存储装置(1)是否退化。
7.一种用于向在车辆上安装的负载提供电力的电力供应系统，所述电力供应系统包括电力存储装置(1)；电压变换器，其被配置成变换在所述电力存储装置(1)和所述负载之间的DC电压水平，所述电压变换器包括开关元件Oil，Q2)，其以根据载波频率的周期受到开/关控制，以及电抗器(Li)，其通过所述开关元件0il，Q2)串联地连接到所述电力存储装置(1)； 频率设定单元(118)，其被配置成将所述载波频率设为第一频率，所述第一频率用于在估算所述电力存储装置(1)的内阻时在所述电力存储装置(1)处产生波纹电流，所述频率设定单元(118)还被配置成允许在驱动所述负载时将所述载波频率设为比所述第一频率高的第二频率；电流检测单元(10)，其被配置成检测所述波纹电流； 温度检测单元(18)，其被配置成检测所述电力存储装置(1)的温度； 存储单元(103)，其被配置成存储所述电力存储装置(1)的所述温度及所述波纹电流与所述电力存储装置(1)的所述内阻之间的预定相关关系；以及估算单元(104)，其被配置成基于由所述电流检测单元(10)检测的所述波纹电流、由所述温度检测单元(18)检测的所述温度、以及存储在所述存储单元(10 中的所述相关关系估算所述内阻。
8.根据权利要求7的电力供应系统，其中所述频率设定单元(118)被配置成基于由所述估算单元(104)估算的所述内阻调节所述第二频率。
9.根据权利要求7的电力供应系统，其中所述负载包括 AC电动机(12)，以及转换器(14)，其被配置成允许将从所述电压变换器提供的DC电压转换成用于驱动所述AC电动机(12)的AC电压。
10.一种用于电力存储装置的内阻估算方法，其包括以下步骤 在所述电力存储装置(1)处产生具有预定频率的波纹电流(S30)， 检测所述波纹电流(S40)，检测所述电力存储装置⑴的温度(SlO)，以及利用所述电力存储装置(1)的温度及所述波纹电流与所述电力存储装置(1)的内阻之间的预定相关关系估算所述内阻(S50)，所述估算步骤(S50)包括基于所述相关关系、所检测的波纹电流和所检测的温度估算所述内阻的步骤。
11.根据权利要求10的用于电力存储装置的内阻估算方法，其还包括基于所述检测的温度确定是否需要用于提高所述电力存储装置(1)的所述温度的加热控制的步骤(S20)，其中，所述产生步骤包括当确定需要所述加热控制时在所述电力存储装置(1)处产生所述波纹电流的步骤。
12.根据权利要求11的用于电力存储装置的内阻估算方法，其中所述估算步骤(S50)在所述波纹电流的一个周期期间获得所述波纹电流的电流值，并且基于所述电流值、所述温度和所述相关关系估算所述内阻。
全文摘要
一种变换器控制单元(102)，其响应于来自启动确定单元(101)的命令(ST)对变换器(12)进行控制，使得在二次电池(1)处产生波纹电流。存储单元(103)存储定义二次电池的温度(TB)和电流(IB)与内阻(RB)之间相关关系的映射。估算单元(104)基于温度(TB)和电流(IB)的各个检测值、以及存储在存储单元(103)中的映射估算二次电池(1)的内阻值。
文档编号H02P27/06GK102200553SQ20101058612
公开日2011年9月28日 申请日期2010年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者及部七郎斋, 大野敏和 申请人:丰田自动车株式会社