(57)【要約】本発明は、電池特にリチウム−イオン電池、ニッケル−金属−水素化物電池、リチウム−ポリマ電池の動作点（ＡＰ，ＡＰ１，ＡＰ２）の制御方法に関し、電池（１）の動作点（ＡＰ１，ＡＰ２）を決定する状態量として、電池（１）の現在の充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）が検出され、現在の動作点（ＡＰ１，ＡＰ２）が、温度（Ｔ）及び／又は電池の老化状態（ＳｏＨ）に関係して連続的に合わされる充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）の目標値（ＳｏＣＡＰ１，ＳｏＣＡＰ２）により調節される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池特にリチウム−イオン電池、ニッケル−金属−水素化物電池、リチウム−ポリマ電池の動作点（ＡＰ，ＡＰ１，ＡＰ２）の制御方法において、電池（１）の動作点（ＡＰ１，ＡＰ２）を決定する状態量として、電池（１）の現在の充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）が検出され、現在の動作点（ＡＰ１，ＡＰ２）が、温度（Ｔ）及び／又は電池の老化状態（ＳｏＨ）に関係して連続的に合わされる充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）の目標値（ＳｏＣＡＰ１，ＳｏＣＡＰ２）により調節される、方法。
【請求項２】
充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）の現在の目標値（ＳｏＣＡＰ１，ＳｏＣＡＰ２）が、特に温度に関係する所定の第１の特性曲線（ＫＩ）により合わされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電池（１）の現在の充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）が、電池電流及び受入れられかつ／又は取出される電荷により求められる、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
現在の充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）が、開路電圧測定法及び／又はモデルに基く評価法により求められる、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項５】
温度（Ｔ）として、周囲温度及び／又は電池温度特にセル温度が検出される、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項６】
充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）の現在の目標値（ＳｏＣＡＰ１，ＳｏＣＡＰ２）が、老化に関係する修正計数（ＳｏＣｋｏｒｒ）及び特に老化に関係する所定の第２の特性曲線（ＫＩＩ）により合わされる、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項７】
老化に関係する修正計数（ＳｏＣｋｏｒｒ）が、電池（１）の容量及び能力のモデルに基く評価法により求められる請求項６に記載の方法。
【請求項８】
電池（１）の老化状態（ＳｏＨ）が、電圧測定法、電流測定法及び／又はモデルに基く評価法により求められる、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項９】
現在の充電状態値が充電状態（ＳｏＣ２）の合わされる目標値（ＳｏＣＡＰ２）を下回ると、補償充電が行われる、先行する請求項の１つに記載の方法。
【請求項１０】
補償充電が行われた後、老化に関係する修正計数（ＳｏＣｋｏｒｒ）が１より大きい値に設定される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
電池（１）特にリチウム−イオン電池、ニッケル−金属−水素化物電池、リチウム−ポリマ電池の動作点（ＡＰ，ＡＰ１，ＡＰ２）の制御方法を実施する装置であって、特に制御装置（４）の構成部分である少なくとも１つのプロセッサを含み、この制御装置（４）により電池（１）の動作点（ＡＰ１，ＡＰ２）が、温度（Ｔ）及び／又は電池（１）の老化状態（ＳｏＨ）により動的に追跡される充電状態（ＳｏＣ１，ＳｏＣ２）の目標値（ＳｏＣＡＰ１，ＳｏＣＡＰ２）によって連続的に調節可能である、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、特に車両用二次電池の動作点の制御方法及び装置、特に動作点の自動調節方法及び装置に関する。再び充電不可能な一次電池に対して、二次電池とは、再び充電可能な蓄勢装置（蓄電池又は二次蓄勢装置）を意味する。以下において、電池は常に二次電池を意味している。車両用電池として特にニッケル−金属−水素化物電池、リチウム−イオン電池、鉛電池、又はリチウム−ポリマ電池又は再充電可能な他の適当な蓄勢装置が使用される。電池の動作点とは、特に電池の充電状態の調節を意味し、この充電状態において、最適即ち寿命を長くする最大の出力供給又は取出しが可能である。
【背景技術】
【０００２】  車両電池には、電気システム及び車両の停止状態でも給電を必要とするシステムの追加の増大する数のため、ますます高度の要求が課される。即ちディーゼル機関は、特に低い温度では大きい電流（大きい冷間始動出力）を必要とし、例えば電気−液圧制動システムのような電気装備を持つ車両は、安全技術上の理由から電池の常時利用可能性を必要とする。【０００３】  容量即ち特定の条件において取出し可能な電流量は、周囲温度、セル温度、老化のような非電気的パラメータに強く関係している。電池の強く温度に関係する挙動は特に重要である。例えばニッケル−金属−水素化物電池（単にＮｉＭＨ電池ともいう）の容量及び充電状態は、負の電極に使用される水素貯蔵合金のため、周囲温度に強く関係する。低い温度では、水素が負の電極により悪い運動エネルキで放出又は吸収される。高い温度では、水素吸収したがって負の電極による充電能力は明らかに低下する。なぜならば、温度上昇と共に、水素背圧が増大するからである。この温度に関係する効果は、特に最近の水素化物金属蓄電池（水素タンクとも称される）において生じ、水素は室温で水素貯蔵合金によく結合されるが、熱により再び追い出される。これにより容量従って取出しが限定されている。【０００４】  更に容量即ち取出し可能な電荷又は電流量は、電池の充電状態に強く関係している。ニッケル−金属−水素化物電池又はリチウム−イオン電池のような最近の電池は、１．８ｋＷ／ｋｇ又は３ｋＷ／ｋｇまでの高い出力密度を持っているので、低い温度で大きい取出し及び良好な充電能力が既に部分的に可能である。【０００５】  車両の種々の電気的機能例えば発信機能又は安全機能を維持できるようにするため、通常電池の利用可能性が連続して監視される。このため電池の状態例えば電池の充電状態、容量及び／又は老化を検出し、それから現在の能力を求めることが公知である。このような方法は、一般に費用のかかる電流及び電圧の測定方法又は経験に基くモデル計算に基いている。【０００６】  ドイツ連邦共和国特許第１９９１８５２９号明細書から、電池電流の測定及び取出される電荷の検出により、電池の開路電圧を考慮して、電池電流の時間的経過から、電池の充電状態及び／又は容量を求めることが公知である。【０００７】  公知の方法は、電流及び電圧の測定により、電池の充電状態を考慮して、取出し可能な電荷（放電）及び容量範囲における電池の充電能力を求めるのを可能にする。即ちニッケル−金属−水素化物電池は、高い出力密度のため、３０％〜７０％の容量範囲において、全充電出力及び放電出力で動作することができる。電池が９０％の充電状態に達すると、充電が強く制限される。なぜならば、そうしないと、電池の有害な過充電が生じて、電池の使用期間を著しく減少することがあるからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明の基礎になっている課題は、電池の動作点の制御方法を提示して、電池の容量範囲の最適な利用を可能にすることである。更に特に適した装置を提示する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  この課題は、本発明によれば請求項１の特徴によって解決される。装置に関してこの課題は、請求項１２の特徴によって解決される。【００１０】  本発明に有利な展開は従属請求項の対象である。【００１１】    本発明によれば、電池特にリチウム−イオン電池、ニッケル−金属−水素化物電池、リチウム−ポリマ電池の動作点の制御方法において、電池の動作点を決定する状態量として、電池の現在の充電状態が検出され、現在の動作点が、温度及び／又は電池の老化状態に関係して連続的に合わされる充電状態の目標値により調節される。電池の充電状態の所定の目標値の温度及び／又は老化に関係するこのような追跡は、電池の動作点の動的な調節を可能にし、それにより電池の寿命及び有効寿命が著しく延長可能である。更にハイブリッド車両における電気駆動装置用電池は、利用可能な時間及び取出し可能な出力に関して最適化される。【００１２】  好都合なように充電状態の現在の目標値は、所定の第１の特性曲線特に目標値−温度特性曲線により、次の関係式に従って合わされる。
ＳｏＣＡＰ＝ＳｏＣｓｏｌｌ（Ｔ）                    （１）
ここでＳｏＣＡＰは動作点における充電状態値、ＳｏＣｓｏｌｌ（Ｔ）は温度Ｔに関係する充電状態の目標値である。【００１３】  換言すれば、充電状態の目標値は、温度に関係して連続的に追跡される。こうして充電状態の目標値が温度特性曲線により合わされることによって、低い温度における低すぎる充電状態又は高い温度における高すぎる充電状態のような温度に関係する不利な効果が補償可能である。低い温度及び低い充電状態では、予想される電圧落ち込みを補償するため、電力が場合によっては供給される。これに対し高い温度及び高い充電状態では、水素背圧を補償するため、電池が場合によっては放電せしめられる。【００１４】  電池の現在の充電状態は、例えば従来の測定方法により、特に電池電流及び吸収及び／又は取出される電荷の連続測定により、例えばＡｈカウンタ（Ａｈ＝アンペア時）によって求められる。他の方法では、現在の充電状態が開路電圧方により求めることができる。【００１５】  充電状態の現在の目標値を求めるための温度特性曲線は、温度として特に周囲温度を考慮する。方法の精度に応じて、別の付加的な温度パラメータ例えば電池温度特にセル温度を検出して考慮することができる。【００１６】  更に電池の利用可能な容量はその老化状態にかなり関係している。従ってそれに加えて又はその代わりに、充電状態の現在の目標値が、老化に関係する修正係数及び特に老化に関係する修正係数の所定の第２の特性曲線により合わされかつ追跡される。老化に関係する特性曲線は、電池の老化状態に関係して充電状態の修正係数を含んでいる。老化に関係する修正係数は、充電状態の目標値又は実際値の修正に役立ち、従って次の関係式に従って電池の動作点の調節に役立つ。
ＳｏＣＡＰ＝ＳｏＣｓｏｌｌ、（Ｔ）＊ＳｏＣｋｏｒｒ              （２．１）
ＳｏＣＡＰ＝ＳｏＣｓｏｌｌ（Ｔ）＊ＳｏＣｓｏｌｌ／ＳｏＣｉｓｔ  （２．２）
ここでＳｏＣＡＰは動作点における充電状態、ＳｏＣｓｏｌｌ（Ｔ）は温度Ｔに関係する充電状態の目標値であり、Ｃｉｓｔの温度で測定され、ＳｏＣｋｏｒｒは老化に関係する修正係数、ＳｏＣｉｓｔは温度実際値である。【００１７】  換言すれば、電池の現在の充電状態又は動作点が、老化に関係する修正係数により、第２の特性曲線によって追跡される。このような追跡は、電池の可逆及び非可逆電気化学的作動のため必要である。【００１８】  動作点の温度に関係するか又は調節及び老化に関係する調節は、組合わせて又は択一的に行うことができる。例えば新しい電池の場合、動作点の温度に関係する調節のみが選択される。これに反し古い電池では、老化に関係する調節が追加されるか、又はその代わりに考慮される。【００１９】  老化に関係する修正係数は、従来のように電池の容量及び出力のモデルに基く評価法により求められる。更に電池の老化状態が求められて、新しい電池の記憶されている値と比較される。【００２０】  現在の充電状態値が充電状態の合わされる目標値を下回ると、補償充電が行われる。補償充電が行われた後、現在の充電状態値が再び求められる。これが更に充電状態の合わされる目標値を下回ると、１より大きい値だけ増大することにより老化に関係する修正係数の適当な適合の際、老化状態がなお作動可能な範囲にあるか否かが検査される。そうでなければ電池が交換される。【００２１】  動作点制御方法を実施する本発明の装置では、１つの実施形態において、特に制御装置の構成部分である少なくとも１つのプロセッサが設けられ、この制御装置により電池の動作点が、温度及び／又は電池の老化状態により動的に追跡される充電状態の目標値によって連続的に調節可能である。【００２２】  本発明により得られる利点は、特に、例えば電流及び電圧の測定を介して充電状態が温度及び老化に関係して追跡され即ち合わされることである。温度及び老化を介する電池の充電状態のこのような追跡は、電池の寿命及び使用期間の著しい延長を行い、車両の作動特にハイブリッド車両の電気的走行作動のために利用可能な時間及び出力の最適な利用を可能にする。その際充電状態は、温度及び電池の老化の関数として、現実化される最適な動作点に動的に追跡せしめられる。現実化される動作点は、特にハイブリッド車両のハイブリッド作動において典型的な「ブースト」又は「レキュペレーション」又は電池の「充電」又は電池からの「電流取出し」のような機能を、電池にとって高い寿命及び高い利用可能性をもって可能にする。【００２３】  本発明の実施例が図面により詳細に説明される。すべての図において互いに一致する部分は同じ符号をつけられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】  図１は、車両用電池１の動作点の制御装置を示す。電池１は、ハイブリッド車両用エネルキ貯蔵用装置において使用するための電池であり、以下牽引電池と称される。牽引電池として、例えばニッケル−金属−水素化物電池又はリチウム−イオン電池が使用される。更に鉛酸電池の形の別の二次電池２も設けることができる。発電機３を介して、電池１及び２が走行中充電される。【００２５】  電池１及び２を制御するため、装置は制御装置４例えば電池制御装置又は電池１及び二次電池２及び発電機３に接続される車載回路網制御装置を含んでいる。制御装置４により、電池１及び二次電池２のパラメータとして、電池の充電状態ＳｏＣが、例えば電圧及び／又は電流及び／又は温度の測定により検出される。【００２６】  更に温度センサ５により、温度Ｔとして周囲温度が検出される。その代わりに又はそれに加えて、温度Ｔとして、それぞれの電池又はセルの温度を検出することもできる。【００２７】  更に電池１又は２の老化状態ＳｏＨを求めるために、例えば電池の電極の表面不働態化、電池セルの緩慢な乾燥、接触喪失、これらの過程により生じるセルインピーダンスの増大、及び同じ放電終了電圧に関して電池容量の減少に基いて、データが必要である。これらのデータを検出して、例えばモデルに基く評価法により老化状態ＳｏＨを求める際、考慮することができる。特にＮｉＭＨ電池において、直列回路内における個々の電池セルの充電状態偏差を考慮することもでき、補償充電により行われる偏差の解消も検出されて評価される。【００２８】  車両に関連する別のパラメータ例えば車両速度を考慮するため、制御装置４を例えば別の制御装置６例えば制動制御装置に接続することができる。【００２９】  車両の従来の作動では、最近の車両にある車載電池は、点火装置、燃料噴射装置、照明装置、暖房装置、空調装置、ブレーキのような電気負荷への充分な給電のために、その充電状態ＳｏＣを連続的に監視される。牽引電池１例えばニッケル−金属−水素化物電池の通常作動において、充電状態ＳｏＣは、新しい電池に対して５０％と６０％の間の充電状態範囲にある。【００３０】  本発明によれば、現在の充電状態ＳｏＣを連続的に検出するだけでなく、充電状態ＳｏＣの目標値ＳｏＣｓｏｌｌにより電池１の最適な動作点ＡＰも調節して、温度Ｔ及び／又は電池の老化状態も考慮されるようにする。【００３１】  このため図２に示されている第１の温度に関係する特性曲線ＫＩにより、充電状態ＳｏＣの目標値ＳｏＣｓｏｌｌが連続的に規定される。充電状態ＳｏＣの目標値ＳｏＣｓｏｌｌは、現在の温度Ｔにより、前述した関係式（１）に従って連続的に追跡される。【００３２】  走行作動中に、低い温度Ｔ１で低い充電状態ＳｏＣ１になると、発電機３により電池１の充電が行われ、かつ電池１の放電が抑制されることによって、温度に関係して追跡される充電状態ＳｏＣ１の所定の目標値ＳｏＣＡＰ１により、制御装置４によって適当な動作点ＡＰ１が調節される。これに反し高い温度Ｔ２で高い充電状態ＳｏＣ２になると、制御装置４によって例えば発電機３を通して電池１の放電が行われることによって、充電状態ＳｏＣ２の目標値ＳｏＣＡＰ２の温度に関係する追跡により、動作点ＡＰ２が適当に設調節される。【００３３】  更に電池１の老化状態ＳｏＨを考慮するために、老化に関係する第２の特性曲線ＫＩＩを、電池１の動作点ＡＰの調節に利用することができる。図３に示されている特性曲線ＫＩＩは、充電状態ＳｏＣの老化に関係する修正係数ＳｏＣｋｏｒｒを求めるために役立つ。老化に関係する修正係数ＳｏＣｋｏｒｒは、電池１の求められる老化状態ＳｏＨの関数として生じる。老化状態ＳｏＨは、従来のように、電池の能力特にその利用可能性又は動作可能性を求めるための適当なアルゴリズム例えばモデルに基く評価法を介して求められる。電池１が、７０％より大きい完全に機能する老化状態ＳｏＨ又は５０％〜７０％の限られて機能する老化状態にあると、電池１の現在の動作点ＡＰを調節する際、修正係数ＳｏＣｋｏｒｒが考慮される。限られて機能する老化状態では、ＮｉＭＨ電池の場合、補償充電が推奨され、その後老化状態ＳｏＨが新たに求められる。電池１が機能しない老化状態ＳｏＨにあると、電池１の交換が行われる。【００３４】  老化状態ＳｏＨを求める際、ＮｉＭＨ電池の場合、更に電気化学的過程及び老化過程が、次のように差違をつけて考慮され、非可逆過程と可逆過程に区別される。非可逆過程として、修正係数ＳｏＣｋｏｒｒにより、例えば電極表面不働態化、セルの緩慢な乾燥、接触喪失、これによるセルインピーダンスの増大、及び同じ放電終了電圧に関する容量の減少が考慮される。可逆過程として、例えば直列回路内におけるセルの偏差が考慮される。それに関係して制御装置４により、ＮｉＭＨ電池の場合、電池１の補償充電が、走行中又は次の停止又は次の保守の際推奨され、場合によっては開始される。補償充電により老化状態ＳｏＨが所定の値例えば完全な能力のための１００％に達しないと、修正係数ＳｏＣｋｏｒｒにより動作点ＡＰが持ち上げられる。【００３５】  目標値ＳｏＣＡＰが温度及び／又は老化に関係して追跡されることによって、電池１の調節及び状態に応じて、温度に関係する第１の特性曲線ＫＩのみにより、又は老化に関係する第２の特性曲線ＫＩＩのみにより、又は両方の特性曲線ＫＩ及びＫＩＩにより、関係式（１）ないし（２．２）に従って、動作点ＡＰを調節することができる。【００３６】  新しい電池１の場合、動作点ＡＰの調節のために、温度に関係する特性曲線ＫＩのみが利用される。これに反し古い電池１及び通常の周囲温度の場合、動作点ＡＰを調節するために、老化に関係する特性曲線ＫＩＩのみが利用される。【００３７】  充電状態の目標値ＳｏＣＡＰを追跡するため、特性曲線ＫＩＩ又はＫＩにより老化状態ＳｏＨ及び温度を上述したように考慮すると、電池１の作動期間の著しい延長が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】  温度及び・又は電池の老化状態に関係して電池の動作点を制御する装置を概略的に示す。
【図２】  電池の充電状態の目標値を規定するための温度に関係する第１の特性曲線を示す。
【図３】  電池の老化状態に関係して動作点における充電状態値の修正係数を規定するための老化に関係する第２の特性曲線を示す。
【符号の説明】
【００３９】  １              電池
２              二次電池
３              発電機
４              制御装置
５              温度センサ
６              別の制御装置
ＡＰ            動作点
ＫＩ，ＫＩＩ    特性曲線
ＳｏＣ          充電状態
ＳｏＣｓｏｌｌ  充電状態の目標値
ＳｏＣｉｓｔ    充電状態の実際値
ＳｏＣｋｏｒｒ  修正係数
ＳｏＨ          老化状態
Ｔ              温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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