CN105262153A - 电源装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括发电机、铅电池和第二电池的电源装置。电池的开路电压和内阻被确定，从而：在该第二电池的整个剩余容量范围内相对于使用范围的较小剩余容量侧上的区域内，存在该第二电池的开路电压与该铅电池的开路电压重合的点；在该第二电池的使用范围内，该第二电池的开路电压大于该铅电池的开路电压；发电机的充电状态下，该第二电池的该内阻小于该铅电池的该内阻；以及在最大充电电流通过该第二电池的状态下的该第二电池的端电压小于在该发电机的发电状态下的经调节电压。在发电状态和负载激活状态中的至少一个状态下，开/闭部被闭合。

Description

电源装置

技术领域

本发明涉及安装诸如在车辆内的电源装置。

背景技术

例如，众所周知的车载式电源系统具有包括多个电池(例如铅电池和锂离子电池)的配置。这些电池不同地用于向安装在车辆上的各种电气负载提供电力。具体地，在该配置中，具有产生电力的功能的旋转电机经提供有半导体开关的连接路径被连接至锂离子电池和铅电池。半导体开关被打开/闭合以使旋转电机与锂离子电池和铅电池电断开/连接。因此，要防止对频繁的充电/放电具有低耐久度(充电/放电的累积量)的铅电池的早期劣化。

日本专利No.5471083公开了一种技术，根据该技术，在铅电池和锂离子电池的剩余容量的使用范围内，提供了铅电池的开路电压与锂离子电池(第二电池)的开路电压重合的点。根据该技术，确定了电池特性以使“Li开路电压>Pb开路电压”的关系在锂离子电池的剩余容量的使用范围内该点的上限侧得到满足。因此，避免使用在传统技术中必要的DC-DC变压器以降低成本的同时，确保最小化从锂离子电池流入铅电池的电流量以避免铅电池的过度充电。

然而，根据日本专利No.5471083所公开的技术，满足“Li开路电压>Pb开路电压”的范围以及满足“Li开路电压<Pb开路电压”的范围两者都在第二电池的正常使用范围内。因此，在“Li开路电压<Pb开路电压”的状态下，不再能优先地从锂离子电池侧执行放电。这引起了由铅电池的累积放电量的增加而产生铅电池劣化的担忧。

当满足“Li开路电压>Pb开路电压”的范围以及满足“Li开路电压<Pb开路电压”的范围两者都在第二电池的使用范围内时，可以对铅电池内的累积放电量的降低进行测量。就如此的测量而言，例如当状态转变为“Li开路电压<Pb开路电压”时，铅电池和锂离子电池可相互断开(可断开连接路径中的半导体开关)。然而，在此情况下，半导体开关重复地被接通/断开，导致了半导体开关内引起断开失败或半导体开关的不理想控制的可能性。有如此的断开失败会引起对于电气负载的电源损失的担忧。为了应对如此的电源损失，需要提供后备电路来确保供电，但这引起增加成本的担忧。

发明内容

实施例提供了包括铅电池和第二电池并且适当地执行电池的充电/放电的电源装置。

作为实施例的一方面，电源装置包括发电机、铅电池和第二电池，铅电池和第二电池与发电机并联连接。从铅电池和第二电池提供电力给电气负载。该装置包括：保护控制部，该保护控制部限制对第二电池的充电量以保护第二电池免于过度充电，同时限制从第二电池的放电量以保护第二电池免于过度放电，从而第二电池的剩余容量落入整个剩余容量范围中所确定的预定使用范围内；开/闭部，被提供在在铅电池和第二电池之间进行电连接的连接路径上，并且被接通和断开以便在铅电池与第二电池之间进行连接和断开；以及开/闭控制部，控制开/闭部。

确定铅电池和第二电池的开路电压与内阻，从而在与第二电池的整个剩余容量范围内使用范围相比较小的剩余容量侧上的区域内提供了第二电池的开路电压与铅电池的开路电压重合的点，在第二电池的使用范围内第二电池的开路电压大于铅电池的开路电压，由发电机的发电所创建的充电状态下第二电池的内阻小于铅电池的内阻，并且处于最大充电电流从第二电池中穿过的状态中的第二电池的端电压小于处于发电机的发电状态中的经调节电压。处于发电机的发电状态和电气负载被激活的负载激活状态中的至少一个，开/闭控制部使开/闭部为断开状态。

附图说明

在附图中：

图1是示出根据第一实施例的电源系统的电路图；

图2A和2B分别示出描绘铅电池和锂离子电池的SOC使用范围的曲线图；

图3示出描绘铅电池和锂离子电池之间I-V特性的差异的曲线图；

图4示出描绘车辆的运转状态与锂离子电池的充电/放电之间的相互关系的时间图；

图5是示出根据第二实施例的电源系统的电路图；

图6示出锂离子电池的电压特性；

图7是示出SOC计算的过程的流程图；以及

图8A、8B和8C是示出其他电源系统的配置的电路图。

具体实施方式

参考附图，下文描述了应用本发明的实施例。本实施例的车载式电源装置安装在使用发动机(内燃机)作为驱动源运转并且具有所谓空闲停止功能(自动停止和重新启动功能)的车辆内。

(第一实施例)

图1是示出根据第一实施例的电源系统的电路图。如图1所示，本实施例的电源系统包括旋转机10、铅电池11、锂离子电池12、起动机13、多种电气负载14、MOS开关15以及SMR开关16。这些组件中的锂离子电池12和开关15及16容纳在未被示出的外壳(容纳外壳)内，用于整合以便配置为电池单元U。电池单元U包括配置了电池控制部(装置)的控制器20。开关15和16以及控制器20以安装在单个基板上的状态容纳在外壳内。

电池单元U包括第一端子T1和第二端子T2作为外部端子。第一端子T1与铅电池11、起动机13和电气负载14连接，而第二端子T2与旋转机相10连接。端子T1和T2用作旋转机10的输入/输出电流通过的高电流输入/输出端子。

旋转机10具有通过皮带等与未被示出的发动机输出轴连接以便被驱动的旋转轴。发动机输出轴的旋转引起旋转机10的旋转轴的旋转，同时旋转机10的旋转轴的旋转引起旋转输出轴的旋转。在此情况下，旋转机10具有随着发动机输出轴与轮轴的旋转产生(再生)电力的发电功能，以及向发动机输出轴施加扭矩的动力输出功能，由此配置ISG(集成启动发电机)。

铅电池11和锂离子电池12与旋转机10并联电连接以使电池11和12能够由旋转机10所产生的电力充电。确保用电池11和12所提供的电力驱动旋转机10。

铅电池11是众所周知的通用电池。相反，锂离子电池12是高密度电池，与铅电池11相比，在充电/放电期间引起较少的电力损耗并且具有更高输出密度及能量密度。在此情况下，锂离子电池12对应于第二电池。第二电池可以是比铅电池11具有更高输出密度或能量密度的电池。

具体地，铅电池11包括作为正电极活性材料的二氧化铅(PbO2)，作为负电极活性材料的铅(Pb)以及作为电解质的硫酸(H2SO4)。铅电池11被配置为串联连接各自包括由这些材料制成的电极的多个电池单元。在本实施例的设置中，确保铅电池11具有比锂离子电池12更大的存储容量。

另外一方面，锂离子电池12包括含有锂的氧化物(锂金属复合氧化物)作为正电极活性材料。作为锂金属复合氧化物的具体示例，所述锂金属复合氧化物能够由LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2和LiFePO4等制成。可用的锂离子电池12的负电极活性材料包括碳(C)或石墨、钛酸锂(例如LixTiO2)或含有Si或Sn的合金。有机电解质被用作锂离子电池12的电解质。锂离子电池12被配置为串联连接各自包括由这些材料制成的电极的多个电池单元。

在图1中，附图标记11a和12a分别表示铅电池11与锂离子电池12的电池单元组，而附图标记11b和12b分别表示铅电池11与锂离子电池12的内阻。在下文描述中，电池的开路电压VO是指由电池单元组11a或12a所产生的电压，而电池的端电压Vd或Vc是指由下文表达式(1)或(2)所表示的电压。

Vd＝VO－Id×R...(1)

Vc＝VO+Ic×R...(2)

在表达式中，Id指放电电流、Ic指充电电流、R指电池的内阻以及VO指电池的开路电压。如表达式(1)和(2)所示，放电状态下的端电压Vd随着内阻R变大而变小，而充电状态下的端电压Vc随着内阻R变大而变大。

电气负载14包括恒定电压需求负载，其中，电力需要具有几乎恒定的电压，或者电力需要是稳定的，其变化在至少预定的范围之内。恒定电压需求负载的具体示例包括导航系统和音频系统。在此情况下，电压变化的抑制能够实现这些系统的稳定运行。此外，电气负载14包括前灯、诸如前挡风玻璃的刮水器、空调的送风机以及用于后挡风玻璃的除霜装置的加热器。前灯、刮水器、送风机等需要有恒定电压的电力，因为电力的电压变化能够导致前灯的闪烁、刮水器的运行速度变化或者送风机的旋转速度变化(送风声音变化)。

电池单元U包括第一和第二连接路径21和22作为相互连接第一和第二端子T1和T2以及锂离子电池12的单元内电路径。这些路径中，连接在第一和第二端子T1和T2之间的第一连接路径21上提供MOS开关15作为开/闭部(装置)。另外一方面，连接在第一连接路径21上的连接点N1(电池连接点)与锂离子电池12之间的第二连接路径22提供有SMR开关16。开关15和16各自包括2×nMOSFET(半导体开关)。MOSFET被串联连接以使一组两个MOSFET的寄生二极管取向在互相相反的方向上。当通过寄生二极管关闭开关15和16时，穿过开关所在的路径的电流被完全中断。

本电源系统包括能够不通过MOS开关15连接在铅电池11与旋转机10之间的旁路路径23。具体地，提供了旁路路径23，从而与第一端子T1相连接的电路径(连接至铅电池11等的路径)与第二端子T2相连接的电路径(连接至旋转机10的路径)电连接，在电池单元U周围采取了绕行。旁路路径23包括使铅电池11侧与旋转机10侧断开或连接的旁路开关24。旁路开关24是正常闭合继电器开关。应该注意到，旁路路径23和旁路开关24可提供在电池单元U内，从而绕过MOS开关15。

控制器20将开关15和16各自的接通状态(闭合)转换为断开状态(打开)，反之亦然。在此情况下，控制器20在MOS开关15上执行接通－断开控制，依据是否处于电力馈送给电气负载14时的放电时间(负载被激活的时间)、是否处于从旋转机10提供电功率的充电时间或是否处于在空闲停止控制下停止的发动机被旋转机10自动重新启动的重新启动时间。之后将描述接通－断开控制的细节。SMR开关16通常基本保持在接通状态(闭合)下，而在诸如在电池单元U或旋转机10内发生任何异常的情况下，确保该SMR开关断开(打开)。

控制器20被连接至电池单元的外部的ECU30。具体地，控制器20与ECU30通过诸如CAN(控制器局域网络)之类的通讯网络相连接，以便实现相互通讯，使存储在控制器20与ECU30内的各种数据互相共享。ECU30是具有执行空闲停止控制的功能的电子控制单元。众所周知，在空闲停止控制下，当满足预定自动停止条件使，发动机自动停止，而在自动停止状态下当满足预定重新启动条件时，发动机重新启动。

旋转机10使用经由发动机输出轴传输的旋转能量产生电力。具体地，当旋转机10中的转子被发动机输出轴所旋转时，依靠穿过转子线圈的激发电流在定子线圈内感应出AC电流，并且所感应的AC电流由未被示出的整流器转换为DC电流。穿过旋转机10内转子线圈的激发电流由调节器调节以使所产生DC电流的电压调节为预定经调节电压Vreg。

由旋转机10产生的电力被提供给电气负载14，同时被提供给铅电池11和锂离子电池12。当发动机停止并且因此旋转机10不产生电力时，从铅电池11和锂离子电池12向电气负载14提供电力。从铅电池11和锂离子电池12向电气负载14的放电量以及来自旋转机10的充电量被适当地调整在每个SOC既不变成过度充电状态也不变成过度放电状态的范围(SOC使用范围)内。术语SOC是指作为实际充电量相对于完全充电状态的充电量的比例的剩余容量。

在此情况下，控制器20执行保护控制以使锂离子电池12的SOC落入预定使用范围内(之后描述的图2B的使用范围W2)。为此目的，控制器20限制对锂离子电池12的充电量以保护电池12免于过度充电，同时限制从锂离子电池12的放电量以保护电池12免于过度放电。对于保护控制，控制器20不断地获取端电压Vc和Vd或锂离子电池12的开路电压VO(Li)以及通过锂离子电池12的电流的电流值的检测值，电流值由未被示出的电流检测部(装置)所检测。例如，当处于放电状态下的锂离子电池12的端电压Vd变得比下限电压低时，通过从旋转机10充电，确保锂离子电池被保护免于过度放电。可基于对应于SOC使用范围的下限值(10％)的电压设置下限电压。控制器20关于经调节电压Vreg的可变设置向调节器发出指令以防止锂离子电池12的端电压Vc超过上限电压从而保护电池12免于过度充电。可基于对应于SOC使用范围的上限值(90％)的电压设置上限电压。

至于铅电池11，由未被示出的另一个电池控制器执行相似的保护控制。

在本实施例中，车辆的再生能量用于使旋转机10产生电力以便对电池11和12(主要是锂离子电池12)充电，即执行了减速再生。在车辆处于减速并且对发动机的燃油喷射被切断的条件建立的基础上，执行减速再生。

在本实施例中，在两个电池11和12中，确保锂离子电池12被优先地充电/放电。作为对此目的的配置，如下确定电池11和12的特性。参见图2A、2B和3描述细节。

图2A和2B分别示出描绘铅电池11和锂离子电池12的SOC使用范围的曲线图。图3示出描绘铅电池11和锂离子电池12之间I-V特性的差异的曲线图。在图2A中，横轴指示铅电池11的SOC，而实线A1是指示铅电池11的SOC与开路电压VO(Pb)之间关系的电压特性线。开路电压VO(Pb)与伴随充电量增加的SOC增加成比例地增加。在图2B中，水平线指示铅锂离子电池12的SOC，而实线A2是指示锂离子电池12的SOC与开路电压VO(Li)之间关系的电压特性线。随着伴随充电量增加的SOC增加，开路电压VO(Li)也增加。在开路电压VO(Li)的增加中，电压特性线A2的倾斜在倾斜急剧变化的拐点P1和P2之间较小。

电池11和12的过度充电或过度放电引起早期劣化的担忧。因此，执行如上所述保护控制以将每个电池11和12的充电量或放电量限制在用于避免过度充电或过度放电的范围(SOC使用范围)内。例如，铅电池11的SOC使用范围W1(Pb)是SOC88％到100％，而锂离子电池12的SOC使用范围W2(Li)是SOC10％到90％。使用范围W2(Li)的上限小于100％而下限大于0％。

在铅电池11中，SOC0％到88％是导致早期劣化的范围。应该注意到，图2B是由图2A中的点划线所指示的部分(指示使用范围W1(Pb)的部分)的放大图。因此，图2B的横轴上所示的锂离子电池12的位置SOC＝0％对应于使用范围W1(Pb)的值88％。

确定锂离子电池12的电池特被以使锂离子电池12将具有满足下述需求(a)、(b)、(c)、(d)和(e)的电压特性。通过设置电池11和12的开路电压VO及内阻R，能实现这些设置。通过选择锂离子电池12的正电极活性材料、负电极活性材料以及电解质，能实现开路电压VO的设置。

<要求(a)>

在锂离子电池12的整个SOC范围(0到100％)内，如下定义的点Vds存在于特定区域，即在相对于SOC使用范围W2(Li)的低SOC侧上的区域。点Vds被定义为锂离子电池12的开路电压VO(Li)与铅电池11的开路电压VO(Pb)重合的点。另外，在SOC使用范围W2(Li)的整个范围内，建立了“开路电压VO(Li)>开路电压VO(Pb)”的关系。在图2B中所示的特性中，相对于使用范围W2(Li)，在低SOC侧和高SOC侧分别设置拐点P1和P2。进一步，在电压特性线A2中，在相对于拐点P1的高SOC侧设置点Vds。然而，替代地，在相对于拐点P1的低SOC侧可设置点Vds。

<要求(b)>

设置锂离子电池12的内阻R(Li)和铅电池11的内阻R(Pb)以便在充电状态下满足“R(Li)<R(Pb)”以及在放电状态下满足“R(Li)≤R(Pb)”。在此情况下，电池11与12之间的I-V特性的差异如图3所示。在图3中，实线B1指示铅电池11的I-V特性，实线B2指示锂离子电池12的I-V特性，以及实线B3指示经调节电压Vreg。进一步，图3的曲线图中的横轴指示电流Ic和Id，以及纵轴指示端电压Vc和Vd。充电状态下的电流Ic由加号指示，而放电状态下的电流Id由减号指示。

I-V特性B1和B2示出端电压Vc与充电电流Ic的增大成比例地增大(SOC增大)，而端电压Vd与放电电流Id的减小成比例地减小(SOC减小)。I-V特性B1和B2的倾斜表示各自的内阻R。在锂离子电池12中，内阻R(Li)在充电和放电状态之间保持不变。然而在铅电池11中，在充电状态下的内阻R(Pb)大于在放电状态下的内阻R(Pb)。由于这个原因，确定内阻以便在充电状态下满足“R(Li)<R(Pb)”以及在放电状态下满足“R(Li)≤R(Pb)”。

另外，当电气负载14处于激活状态(放电状态)时，设置端电压以便满足Vd(Li)>Vd(Pb)。由旋转机10创建的充电状态下，设置端电压以便在Ic大约为零的范围内满足Vc(Li)>Vc(Pb)，而在此范围之外满足Vc(Li)<Vc(Pb)。当在充电状态下锂离子电池12的内阻R(Li)小于铅电池11的内阻R(Pb)时，实现了如此设置。

<要求(c)>

处于最大充电电流从中通过的状态的锂离子电池12的端电压Vc(Li)小于处于旋转机10的发电状态的经调节电压Vreg。换而言之，处于充电状态的锂离子电池12的端电压Vc(Li)，即处于SOC使用范围W2(Li)内的上限值处的端电压Vc(Li)的值，小于调节电压Vreg。

<要求(d)>

电压特性线A2的倾斜(表示开路电压相对于SOC的变化的倾斜)在低SOC侧与高SOC侧相对于设置在锂离子电池12的SOC使用范围W2(Li)内的中间点P3之间是不同的。换而言之，电压特性线A2绘制了朝上发射的曲线。在此情况下，电压特性线A2的倾斜(平均倾斜)在低SOC侧上比在高SOC侧上更大。中间点P3不必位于SOC使用范围W2(Li)的中心，而可位于稍近上限值或稍近下限值。

<要求(e)>

锂离子电池12的电压特性线A2在拐点P1和P2之间的区域具有比较小的倾斜，而在相对于P1的低SOC侧上以及相对于P2的高SOC侧上的区域中比在拐点P1和P2之间的区域中具有更大的倾斜。

图4示出描绘车辆的运转状态与锂离子电池12的充电/放电之间相互关系的时间图。

在图4中，在时间t1，起动机13首先启动发动机。当起动机13已完成发动机启动时，打开还处于断开状态的MOS开关15。之后，在发动机处于运行的条件下，MOS开关15被保持处于接通状态，接通状态被保持以覆盖由旋转机10执行的再生充电时段(图4中的时段TA)。在MOS开关15处于接通状态的条件下，在不同于由旋转机10所创建再生充电状态(时段TA)的状态下，由于从锂离子电池12对电气负载14的供电(放电)，SOC(Li)逐渐地减小，但在再生充电状态下，SOC(Li)增大。

具体地，在MOS开关15被接通之后，但在时间t2前，两个电池11和12中，锂离子电池12优先地放电。随后，在时间t2，车辆开始减速，接着空闲停止控制下自动发动机停止。在此情况下，由于再生充电，SOC(Li)在时间t2和t3之间的时段内增大。随后，在发动机停止时的t3和t4之间的时段内，锂离子电池12对电气负载14放电。在此条件下，旋转机10不能执行发电(再生发电或发动机驱动发电)，因此与当发动机处于运行时相比，SOC(Li)的减小率较大。

随后，在时间t4的重新启动的时候，在重新启动条件建立的基础上，MOS开关15被临时地断开，并且在此状态，发动机由旋转机10重新启动。在发动机重新启动时，比较大的电流从锂离子电池12传至旋转机10。然而，因为MOS开关15已经被断开，禁止从铅电池11对旋转机10的供电以防止铅电池11的SOC的减损。

之后，相似地，除了自动发动机停止之后的重新启动时段之外，MOS开关15被保持在接通状态。因此，以相似于时间t1到t4之间时段的方式，SOC(Li)被增大和减小。处于由旋转机10创建的再生充电状态或负载激活状态的任何一个中，可断开MOS开关15。

如上所述，当发动机被自动停止时，旋转机10不能执行发电(再生发电或发动机驱动发电)。在此情况下，发动机停止的无限持续时间能过度地减小SOC(Li)。因此，期望确定发动机停止的允许持续时间(例如两分钟)。确定发动机停止的允许持续时间对应于确定发动机停止期间的放电限制(最大允许放电量)。

在此情况下，如图4所示，控制器20确定当发动机被自动地停止时能允许的最大允许放电量Da。同时，控制器20通过向锂离子电池12的使用范围W2的下限K1增加最大允许放电量Da，获得SOC，并且在使用范围W2内设置所得SOC作为实质下限K2。随后，在发动机处于运行的条件下，控制器20控制锂离子电池的SOC以免降到使用范围W2内的实质下限值K2以下。在本实施例中，确保了在整个使用范围W2上满足“开路电压VO(Li)>开路电压VO(Pb)”。因此，参考使用范围W2的下限K1能确定实质下限值K2，由此允许锂离子电池12在全部使用范围W2内放电。

根据以上所述的本实施例，能得到以下有益有利的效果。

铅电池11和锂离子电池12配置如下。

在锂离子电池12的整个SOC范围(0到100％)内相对于使用范围W2的低SOC侧上的区域，提供了锂离子电池12的开路电压与铅电池11的开路电压重合的点。进一步，在锂离子电池12的使用范围W2内，确保满足“Li开路电压>Pb开路电压”。因此，贯穿使用范围W2，从锂离子电池优先地放出电力，由此尽可能多地减小铅电池11的累积放电量。此外，在充电状态下，允许锂离子电池12比铅电池11具有更小的内阻。因此，在充电状态下，电力优先地充到锂离子电池12。这些方法对于避免铅电池11的劣化是有效的。

贯穿SOC使用范围，电池11和12的电压特性线A1和A2没有完全地互相分开，而确保在相对于使用范围W2的低SOC侧上互相交叉。因此，当确保在使用范围W2内锂离子电池12被优先地充电/放电时，确保电压将不与源自旋转机10的发电状态的经调节电压Vreg过度地不同。以此方式，确保充电的效率被提高。

进一步，以上所述的电池特性的组合能急剧地减少打开/闭合MOS开关15的机会。这降低了引起原本由让MOS开关15打开(处于断开状态)所引起的电源损失的几率。换而言之，在旋转机10的发电状态和负载激活状态两者中，保持MOS开关15处于闭合状态。因此，在MOS开关15中降低了引起打开故障(断开故障)的几率，导致诸如由打开故障诱发的瞬时或连续的电源损耗的缺点的消除。简而言之，能够向电气负载14稳定地提供电力。

就如上所述而言，在包括高能量密度的铅电池11与锂离子电池12的电源装置里，能够适当地执行电池11和12的充电/放电。确保铅电池11的充电/放电频率被降低，并且确保空闲停止控制下的发动机重新启动通过锂离子电池12的供电来执行。由此配置，可使用便宜的电池作为铅电池11。因此，预期降低产生的成本。

在锂离子电池12的使用范围W2内，电压特性线A2(参见图2B)绘制了朝上发射的曲线。因此，电压特性线A2在使用范围W2内相对于中间点的低SOC侧上具有比高SOC侧上更大的倾斜。在此情况下，电压特性线A2在使用范围W2的高SOC侧上具有小倾斜并且因此能容易地确保电压有关于源自再生发电状态的经调节电压Vreg，与SOC无关。以此方式，能提高锂离子电池12的充电效率。

因为在使用范围W2的低SOC侧上，电压特性线A2具有比较大的倾斜，能相对于锂离子电池12的电压检测值提高SOC计算的精度(SOC灵敏度)。这对于理解关于锂离子电池12的SOC，使用范围W2内下限值的裕量是方便的。这对于避免锂离子电池12的过度放电也是方便的。

在锂离子电池12的电压特性线A2中，确保拐点P1和P2被分别设置在相对于使用范围W2的低SOC侧和高SOC侧。因此，通过再生发电，在使用范围W2内对锂离子电池12充电中，防止当开路电压(端电压)过于接近经调节电压Vreg时引起的充电效率下降。换而言之，在使用范围W2内的高SOC的区域内，防止由开路电压的急剧增大引起的再生充电效率下降。进一步，在使用范围W2内的下限SOC处，使Pb开路电压与Li开路电压之间的差异尽可能地小，同样有助于防止再生充电效率的下降。

电压特性线A2具有在相对于使用范围W2的低SOC侧和高SOC侧上比使用范围W2上更陡峭的倾斜。因此，在相对于使用范围W2的低SOC侧和高SOC侧的区域内，能提高SOC计算灵敏度。在SOC处于这些区域的情况下，能适当地获得状态。

当在空闲停止控制下通过驱动旋转机10(启动单元)重新启动发动机时，确保MOS开关15处于断开状态(打开状态)。在此情况下，通过旋转机10重新启动发动机时，在原则上电池11和12互相电断开的状态下从锂离子电池12向旋转机10供电。因此，在发动机重新启动之时，没有电源负载施加在铅电池11上。这实现了有利于最小化铅电池11的累积放电量的配置。

通过向锂离子电池12的使用范围W2内的下限值K1增加最大允许放电量Da所得的SOC被设置为使用范围W2内的实质下限K2。在发动机处于运行的状态下，确保锂离子电池12的SOC被控制以免下降到使用范围W2内的实质下限值K2以下。因此，无论发动机是停止或运行，从锂离子电池12适当地放电。换而言之，在此情况下，满足关系“开路电压VO(Li)>开路电压VO(Pb)”的使用范围W2可被全部用于从锂离子电池适当地放电。

以上实施例的配置使用锂离子电池12，即基于无水电解质溶液的电池。因此，例如，与使用镍电池的情况相比，能量密度更高，开路电压和内阻能被容易地设置以满足图2B中示出的电压特性。

以上实施例的配置中，可使用的锂离子电池12的负电极活性材料包括任何碳、石墨、钛酸锂、含有Si的合金和含有Sn的合金，而可用的锂离子电池12的正电极活性材料包括锂金属复合氧化物。因此，开路电压和内阻能被容易地设置以再次满足图2B中所示的电压特性。用于锂离子电池12的正电极活性材料的材料可以是磷酸铁锂。

(第二实施例)

接下来，针对与第一实施例的差异描述第二实施例。图5示出根据第二实施例的电源系统。第二实施例的电源系统的基本配置与如图1所示的相同。具体地，明确地示出电流传感器41和电压传感器42。传感器41检测流过锂离子电池12的电流(充电/放电电流)。电压传感器42检测锂离子电池12的端电压。

在本实施例中，考虑到图6中示出锂离子电池12的电压特性的下列内容，通过适用于每个区域的计算方法计算SOC：

(1)使用范围W2与高SOC区域Ra和低SOC区域Rb重叠。在高SOC区域Ra，表示开路电压VO相对于SOC的变化的倾斜小于在低SOC区域Rb。

(2)存在陡峭区域Rc、Rd，其中表示开路电压VO相对于SOC的变化的倾斜比在使用范围W2内的倾斜、在相对于低SOC区域Rb的更低SOC侧的倾斜和相对于高SOC区域Ra的更高SOC侧的倾斜更加陡峭。

注意到高SOC区域Ra对应于第一区域。低SOC区域Rb和陡峭区域Rc、Rd对应于第二区域。如果中间点P3存在于使用范围W2内，区域Ra、Rb的边界部分可定义在P3或其附近。

在此情况下，之后描述的第一计算过程和第二计算过程用作SOC计算过程。依据锂离子电池12所在的区域，适当地使用计算过程。在第一计算过程中，基于充电/放电电流之和计算锂离子电池12中的SOC。更具体地，基于在开关15、16断开(打开)的状态下(即在充电/放电电流没有流过锂离子电池12的状态下)的开路电压VO的测量值，控制器20计算SOC的初始值。此后，通过在开关15、16接通(闭合)的状态下，即在充电/放电电流流过锂离子电池12的状态下，向SOC加上或从其减去充电/放电电流之和，控制器20连续地更新SOC。例如，通过使用下列表达式1，控制器20更新SOC：

SOC[％]＝SOC0+100×∫Idt/Q_最大(1)

其中，SOC0是SOC的先前值，I是电流检测值以及Q最大是锂离子电池的满充电量。

另外，在第二计算过程中，通过使用定义了锂离子电池12的SOC与开路电压VO之间关系的相关特性，基于锂离子电池的开路电压VO，计算SOC。更具体地，基于在开关15、16被接通状态下的锂离子电池12的端电压(闭路电压)、内阻值以及充电/放电电流的值，控制器20每时刻估计开路电压。接着，通过使用图6所示的电压特性(相关关系)，基于VO估计值，控制器20计算SOC。

例如，参考使用范围W2内的高SOC区域Ra和低SOC区域Rb，在高SOC区域Ra，因为表示开路电压VO相对于SOC变化的倾斜较小，仅相关于开路电压VO不能容易地确定SOC。然而，基于由电流之和所得的SOC的平衡，能准确地计算SOC。另外，在低SOC区域Rb，因为表示开路电压VO相对于SOC的变化的倾斜较大，仅相关于开路电压VO可以容易地确定SOC。因此，参考电压特性能准确地计算SOC。

具体地，在本实施例中，在第一区域(高SOC区域Ra)通过第一计算过程计算SOC。另外，当假设在第二区域(低SOC区域Rb和陡峭区域Rc、Rd)通过第二计算过程计算SOC时，在第二区域的低SOC区域Rb，通过组合使用第一计算过程和第二计算过程计算SOC，以及在陡峭区域Rc、Rd，通过单独使用第二计算过程，计算SOC。

注意到，在高SOC区域Ra，开路电压VO相对于SOC的变化几乎不发生。因此，在高SOC区域Ra，由Vreg和开路电压VO之间差异所确定的电池的输入性能基本上是恒定的。即使考虑到电流传感器41中的误差，可应用由累加电流计算SOC。

当组合使用第一计算过程和第二计算过程，例如，由第一计算过程(累加电流)所计算的SOC和由第二计算过程(参考电压特性)所计算的SOC可以用预定加权整合以使用结果作为锂离子电池12的SOC。在此情况下，在低SOC区域Rb和陡峭区域Rc、Rd中，表示开路电压VO相对于SOC的变化的倾斜大于在高SOC区域Ra的倾斜。在低SOC区域Rb，表示开路电压VO相对于SOC变化的倾斜小于在陡峭区域的倾斜。就此而言，在低SOC区域Rb，通过组合使用第一计算方法和第二计算方法计算SOC能够改善计算SOC的准确性。

在整个低SOC区域Rb，建立VO(Li)>VO(Pb)，通过组合使用第一计算方法和第二计算方法计算SOC。

接着，参考图7中所示流程图描述由控制器20(包括第一计算部(装置)、第二计算部(装置)以及区域判定部(装置))执行的SOC计算程序。图7的过程由控制器20以预定间隔重复地执行。

在图7中，步骤S11中，控制器20判定在区域Ra到Rd中锂离子电池12在当前时刻所处的区域(在当前时刻锂离子电池12所处的区域Ra到Rd中的一个区域)。在此情况下，在充电/放电电流流过锂离子电池12的情况下，控制器20可计算开路电压VO的变化量或对应于变化量的值，以便基于开路电压VO的变化量或其相应值执行区域判定。

具体地，基于在充电/放电电流流过锂离子电池12的情况下在经过预定时间段之前和之后所获得的开路电压VO的变化量，或基于在预定时间段内在开路电压VO的变化量与充电/放电量之间的比率，控制器20执行区域判定。在此情况下，对每个区域定义阈值并且基于与阈值的比较执行区域判定。另外，基于稳定电流的状态下在经过预定时间段之前和之后所获得的闭路电压之间的差异，控制器20能执行区域判定。替代地，通过使用定义SOC和开路电压之间关系的相关特性，基于先前SOC或开路电压，可执行区域判定。

接着，如果区域判定的结果是区域Ra，控制器20在步骤S12做出肯定的判定并且进行至步骤S15，以便由累加电流(第一计算过程)计算SOC。如果区域判定的结果是区域Rb，控制器20在步骤S13做出肯定的判定并且进行至步骤S16，以便由累加电流和参考电压特性(第一计算过程和第二计算过程)计算SOC。如果区域判定的结果是区域Rc或Rd，控制器20在步骤S14做出肯定的判定并且进行至步骤S17，以便由参考电压特性(第二计算过程)计算SOC。

根据以上所述的本实施例，能得到以下有益有利的效果。

在锂离子电池12的电压特性中，表示开路电压VO相对于SOC的变化的倾斜在区域(Ra到Rd)之间不同，其中SOC或开路电压作为参数。然而，考虑到此，通过适当的计算方法能适当地计算SOC。因此，能改善计算SOC的准确性。

在锂离子电池12的电压特性中，根据表示开路电压VO相对于SOC的变化的倾斜定义四个区域Ra到Rd，对区域Ra到Rd设置了各自的SOC计算过程。因此，通过适当地执行两个类型的计算过程能适当地计算SOC。

当锂离子电池12的SOC在低SOC区域，通过使用第一计算过程和第二计算过程两者计算SOC。在此情况下，在低SOC区域Rb，表示开路电压VO相对于SOC的变化的倾斜大于在高SOC区域Ra的倾斜，而该倾斜小于在陡峭区域Rc、Rd内的倾斜。然而，考虑到此，可以实现在整个SOC区域中适当的SOC计算。使用第一计算过程和第二计算过程两者能够用另一个计算过程缓解一个计算过程的误差。

注意到，在锂离子电池12的电压特性中，在高SOC区域Ra以及其他区域，可选择性地使用第一计算过程和第二计算过程。在此情况下，在高SOC区域Ra内单独通过第一计算过程计算SOC，而在不同于高SOC区域Ra的区域(区域Rb到Rd)内单独通过第二计算过程计算SOC。

另外，在使用范围W2内，可变地设置将高SOC区域Ra与低SOC区域Rb相互分开的区域边界部分。例如，区域边界部分例如依据充电/放电状态，即在锂离子电池12的充电状态继续的状态与处于锂离子电池12的放电状态继续的状态之间，发生变化。在此情况下，充电继续的状态下，边界部分向高SOC侧转移从而延伸第二计算过程的区域。在放电继续的状态下，边界部分向低SOC侧转移从而延伸第一计算过程的区域。即在Ra/Rb的边界部分上提供了滞后。

在以上配置中，高SOC区域Ra被定义为第一区域，而低SOC区域Rb和陡峭区域Rc、Rd被定义为第二区域。代替地，高SOC区域Ra和低SOC区域Rb可被定义为第一区域，而陡峭区域Rc、Rd可被定义为第二区域。在此情况下，在高SOC区域Ra和低SOC区域Rb内单独通过第一计算过程计算SOC，以及在陡峭区域Rc、Rd内单独通过第二计算过程计算SOC。

(其他实施例)

例如，可如下修改前述实施例。

在前述实施例的配置中，在铅电池11侧(第一端子T1侧)上提供起动机13和电气负载14，以及在锂离子电池12侧上(第二端子T2侧)提供由ISG(集成启动发电机)配置的旋转机10，MOS开关15的介入在其之间。然而，可修改此配置。图8A、8B和8C是示出其他电源系统的配置的电路图。例如，如图8A所示，在第一端子T1侧上可共同提供旋转机10和电气负载14a。在此情况下，在第二端子T2侧上可提供或可不提供电气负载。如果在第二端子T2侧上提供电气负载14b，如图8A中虚线所指示，连接在T1侧与T2侧之间的旁路路径上可提供旁路开关24(同样应用于以下所述的图8B和8C)。

如图8B所示，在第一端子T1侧上可提供用作发电机的交流发电机10a以及用作启动单元的起动机13。进一步，如图8C所示，在第一端子T1侧上可提供用作发电机的交流发电机10a，而在第二端子T2侧上可提供用作启动单元的起动机13。

在前述实施例的配置中，车辆首先由来自铅电池11的电源启动(由起动机13启动)，而在空闲停止控制下由来自锂离子电池12的电源重新启动(由旋转机10启动)。这可被修改。例如，来自锂离子电池12的电源可执行初始启动和重新启动两者。在此情况下，旋转机10可执行初始启动和重新启动两者。

在前述实施例中，锂离子电池12的电压特性线A2绘制朝上发射的曲线。这可被修改。例如，电压特性线A2可绘制为直线或基本为直线。替代地，电压特性线A2可绘制朝上发射的曲线。

在前述实施例中，在锂离子电池12的电压特性线A2中，拐点P1和P2位于相对于使用范围W2的低SOC侧和高SOC侧上。这可被修改。例如，在使用范围W2中，拐点P1可位于相对于下限值的高SOC侧，或者在使用范围W2中，拐点P2可位于相对于上限值的低SOC侧。

在前述实施例中，锂离子电池12，即基于无水电解质溶液的电池，用作展示电压特性线A2的第二电池。然而，本发明的第二电池不应该被解释为限制于锂离子电池12。就要求(a)到(e)而言，尤其满足了要求(a)到(c)，可以用任何电池，比如包括由镍化合物制成的电极的镍电池。

将理解的是，本发明不限于以上所述的配置，而本领域技术人员可想到的任何和所有修改、变型或等效方案应该被视为落入本发明的范围内。

在下文中，将概况以上所述实施例的方面。

作为实施例的一方面，电源装置包括发电机(10)、铅电池(11)和第二电池(12)，并且铅电池和第二电池与发电机并联连接。从铅电池和第二电池提供电力给电力负载(14)。该装置包括：保护控制部(装置)(20)，该保护控制部限制第二电池的充电量以保护第二电池免于过度充电，还限制从第二电池的放电量以保护第二电池免于过度放电，从而第二电池的剩余容量落入在整个剩余容量范围中所确定的预定使用范围内；开/闭部(装置)(15)，提供于电连接在铅电池和第二电池之间的连接路径(21)，并且被打开和关闭以便在铅电池与第二电池之间进行连接和断开；以及控制开/闭部(装置)的开/闭控制部(装置)(20)。

另外，确定了铅电池和第二电池的开路电压及内阻，从而：在第二电池的整个剩余容量范围内，在相对于使用范围的较小剩余容量侧上的区域中，提供第二电池的开路电压与铅电池的开路电压重合的点；在第二电池的使用范围内，第二电池的开路电压大于铅电池的开路电压；由发电机的发电所创建的充电状态中，第二电池的内阻小于铅电池的内阻；以及最大充电电流通过第二电池的状态中的第二电池的端电压小于发电机的发电状态中的经调节电压。在发电机的发电状态和电气负载被激活的负载激活状态中的至少一个状态下，开/闭控制部(装置)使开/闭部(装置)为断开状态。

在以上配置中，在发电机发电的发电状态和电气负载被激活的负载激活状态中的至少一个状态下，闭合开/闭部(装置)，以使铅电池和第二电池能进入互相电连接的状态。在此情况下，当这些电池的端电压有差异时，差异将引起电流从高电压侧电池流入低电压侧电池。然而，如下配置实施例的铅电池和第二电池。

在第二电池的整个剩余容量范围(0到100％)内相对于使用范围W2的较小剩余容量侧上的区域内，提供了第二电池的开路电压与铅电池的开路电压重合的点。进一步，在第二电池的使用范围(W2)内，确保第二电池的开路电压大于铅电池的开路电压。因此，处于由发电机的发电所创建的充电状态和激活电气负载的放电状态两者中，保持“第二电池的开路电压>铅电池的开路电压”的状态。在此情况下，贯穿第二电池的剩余容量的使用范围，优先地从第二电池放电并且因此能尽可能多地减小铅电池的累积放电量。因为由发电机的发电所创建的充电状态下第二电池的内阻小于铅电池的内阻，充电状态下电力优先地提供给第二电池。这些方法对于避免铅电池的劣化是有效的。

贯穿整个剩余容量范围，铅电池和第二电池的电压特性线(各自指示剩余容量与开路电压之间关系的特性线)没有完全地互相分开，但被确保在相对于第二电池使用范围的较小剩余容量侧上互相交叉。因此，当确保在使用范围内第二电池被优先地充电/放电的同时，确保电压将不与源自旋转机的发电状态的经调节电压过于不同。以此方式，确保了提高充电的效率。

进一步，以上所述的电池特性的组合能急剧地减少打开/闭合开/闭部(装置)的机会。这降低了引起原本由让开/闭部(装置)打开(处于断开状态)所引起的电源损耗的几率。换而言之，在发电机的发电状态和负载激活状态两者中，保持开/闭部(装置)处于闭合状态。因此，在开/闭部(装置)中降低了引起打开故障(断开故障)的几率，导致诸如引起由打开故障诱发的瞬时的或连续的电源损耗的缺点的消除。简而言之，能够向电气负载稳定地提供电力。

作为能应对开/闭部(装置)的打开故障的技术，提出了提供在开/闭部(装置)周围绕行的旁路路径以及在旁路路径内提供旁路继电器的技术。然而，如果在打开故障的识别与旁路继电器的闭合之间有延迟，这种技术能引起瞬时电源损耗。进一步，对与在旁路继电器的运行中延迟的补偿，向该配置额外地提供后备电路等。就此，实施例的配置能降低引起电源损耗的几率，同时防止该配置变得复杂。

如上所述，在包括铅电池和第二电池的电源装置中，电池能适当地充电/放电。

Claims (10)

1.一种包括发电机、铅电池和第二电池的电源装置，所述铅电池和所述第二电池与所述发电机并联连接，其中，从所述铅电池和所述第二电池提供电力给电气负载，所述装置包括：

保护控制部，用于限制对所述第二电池的充电量以保护所述第二电池免于过度充电，同时限制来自所述第二电池的放电量以保护所述第二电池免于过度放电，从而所述第二电池的剩余容量落入整个剩余容量范围中所确定的预定使用范围内；

开/闭部，被提供在电连接在所述铅电池和所述第二电池之间的连接路径上并且被接通和断开以在所述铅电池与所述第二电池之间连接和断开连接；以及

开/闭控制部，用于控制所述开/闭部，其中

所述铅电池和所述第二电池的开路电压及内阻被确定以使得：

在所述第二电池的所述整个剩余容量范围内相对于所述使用范围的较小剩余容量侧上的区域中，提供所述第二电池的开路电压与所述铅电池的开路电压重合的点，

在所述第二电池的所述使用范围内，所述第二电池的开路电压大于所述铅电池的开路电压，

在由所述发电机的发电所创建的充电状态下，所述第二电池的内阻小于所述铅电池的内阻，以及

在最大充电电流通过所述第二电池的状态下的所述第二电池的端电压小于在所述发电机的发电状态下的经调节电压，以及

在所述发电机的所述发电状态和所述电气负载被激活的负载激活状态中的至少一个状态下，所述开/闭控制部使所述开/闭部为断开状态。

2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于

表示所述开路电压相对于所述剩余容量的变化的倾斜在相对于所述第二电池的所述使用范围内的中间点的较小剩余容量侧和较大剩余容量侧之间是不同的，并且所述倾斜在所述较小剩余容量侧比在所述较大剩余容量侧更大。

3.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于

表示在所述第二电池的所述整个剩余容量范围内所述开路电压相对于所述剩余容量的变化的电压特性线具有所述倾斜改变所处的拐点，并且所述拐点被分别设置在相对于所述整个剩余容量范围中的所述使用范围的较小剩余容量侧和较大剩余容量侧。

4.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于

所述第二电池具有包括第一区域和第二区域的电压特性，在所述第一区域中，表示所述开路电压相对于所述剩余容量的变化的倾斜较小；在所述第二区域中，表示所述开路电压相对于所述剩余容量的变化的倾斜大于所述第一区域中的倾斜，

所述装置进一步包括：

第一计算部，用于在所述第二电池位于所述第一区域的状态下，基于所述第二电池中的所述充电/放电电流之和，计算所述第二电池的所述剩余容量，以及

第二计算部，在所述第二电池位于所述第二区域的状态下，通过使用定义所述第二电池的所述剩余容量与所述开路电压之间关系的相关特性，基于所述第二电池的所述开路电压，计算所述第二电池的所述剩余容量。

5.如权利要求4所述的电源装置，进一步包括

区域判定部，用于在充电/放电电流流过所述第二电池的情况下，计算所述开路电压的变化量或对应于所述变化量的值，以基于所述开路电压的所述变化量或对应于所述变化量的所述值，或基于通过使用定义所述剩余容量与所述开路电压之间关系的相关特性所得到的所述剩余容量或所述开路电压，判定所述第二电池是否处于位于所述第一区域的状态或处于位于所述第二区域的状态。

6.如权利要求4所述的电源装置，其特征在于

所述第二电池的所述电压特性包括作为与所述使用范围重叠的高SOC区域和低SOC区域，在所述高SOC区域中，所述剩余容量较大，在所述低SOC区域中，所述剩余容量小于所述高SOC区域的所述剩余电容，并且表示所述开路电压相对于所述剩余容量的变化的倾斜大于所述高SOC区域中的倾斜，

所述第二电池的所述电压特性在相对于所述低SOC区域的更低SOC侧上和在相对于所述高SOC区域的更高SOC侧上具有陡峭区域，在所述陡峭区域中表示所述开路电压相对于所述剩余容量的变化的倾斜比所述使用范围内的倾斜更加陡峭，

假设所述第二电池位于所述第一区域中，当所述第二电池的所述剩余容量在所述高SOC区域中时，所述第一计算部计算所述第二电池的所述剩余容量，以及

假设所述第二电池位于所述第二区域中，当所述第二电池的所述剩余容量在所述低SOC区域中时，所述第二计算部计算所述第二电池的所述剩余容量。

7.如权利要求6所述的电源装置，其特征在于

所述第一计算部执行基于所述充电/放电电流之和计算所述剩余容量的第一计算过程以及通过使用所述相关特性计算所述剩余容量的第二计算过程，

当所述第二电池的所述剩余容量在所述高SOC区域中时，所述第一计算部通过所述第一计算过程计算所述第二电池的所述剩余容量，

当所述第二电池的所述剩余容量在所述低SOC区域中时，所述第二计算部通过所述第一计算过程和所述第二计算过程两者计算所述第二电池的所述剩余容量，以及

当所述第二电池的所述剩余容量在所述陡峭区域中时，所述第二计算部通过所述第二计算过程计算所述第二电池的所述剩余容量。

8.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于

所述装置被安装在车辆内，

所述车辆具有自动停止和重新启动功能，在所述自动停止和重新启动功能下，当满足预定自动停止条件时，发动机被自动停止，并且当在所述发动机被自动停止后满足预定重新启动条件时，所述发动机由启动单元自动重新启动，

所述启动单元连接至所述连接路径的一侧，而所述电气负载连接至所述连接路径的另一侧，所述开/闭部的介入在两者中间，以及

当所述发动机由所述启动单元启动时，所述开/闭控制部使所述开/闭部为接通状态。

9.如权利要求8所述的电源装置，其特征在于

所述发电机连接至所述发动机以便被驱动并且具有所述起动机的功能，以及

相对于所述开/闭部，所述发电机连接至所述连接路径的第二电池侧，以及相对于所述开/闭部，所述电气负载连接至所述连接路径的铅电池侧。

10.如权利要求8所述的电源装置，其特征在于

当所述发动机被自动停止时所允许的最大允许放电量被确定；以及通过将所述最大允许放电量加到所述第二电池的所述使用范围的下限值所得到的剩余容量被设置为所述使用范围内的实质下限值；以及

所述装置进一步包括放电控制部，在所述发动机处于运行的条件下，所述放电控制部控制所述第二电池的所述剩余容量以免下降到所述使用范围内的实质下限值以下。