JP2023526935A - バッテリーを診断するための装置及びその方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、バッテリーセルの電圧に基づいて、バッテリーセルに発生したエラーの類型を診断するバッテリー診断装置を提供する。バッテリー診断装置は、電圧測定回路、データ処理回路及び診断回路を含む。電圧測定回路は、休止区間において、バッテリーセルの両端の電圧を周期的に測定する。データ処理回路は、電圧測定回路により測定された電圧値と測定された電圧値に基づいて算出された近似値との間の差異値に基づいて、バッテリーセルの状態を示す統計値を導出する。診断回路は、複数の休止区間における統計値に基づいてバッテリーセルにエラーが発生したか否かを判別し、統計値の絶対値が累積した累積統計値及び休止区間における統計値に基づいて、エラーの類型がバッテリーセルが不安定な第１類型であるか、バッテリーセルの電圧が一時的に上昇した第２類型であるか、又はバッテリーセルの電圧が一時的に下降した第３類型であるかを判別する。複数の休止区間は、休止区間と休止区間以前の１つ以上の休止区間を含む。

Description

［関連出願の相互参照］
本発明は、２０２０年７月２３日に出願された韓国特許出願第１０－２０２０－００９１９３６号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容を本明細書の一部として含む。
本発明は、バッテリーを診断するための装置に関し、より詳細には、バッテリーセルの電圧に基づいて、バッテリーセルに発生したエラーの類型を診断する装置に関する。
近年、二次電池に対する研究と開発が活発に行われている。ここで、二次電池は、充放電が可能な電池であって、従来のＮｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／ＭＨ電池等と最近のリチウムイオン電池を全て含む。二次電池のうちリチウムイオン電池は、従来のＮｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／ＭＨ電池等に比べてエネルギー密度が遥かに高いという長所がある。リチウムイオン電池は、小型、軽量に製作することができるため、移動機器の電源として用いられる。特に、リチウムイオン電池は、電気自動車の電源として用いることができるので、次世代エネルギー貯蔵媒体として注目を浴びている。
また、二次電池は、一般的に複数のバッテリーセルが直列及び／又は並列に連結されたバッテリーモジュールを含むバッテリーパックとして用いられる。バッテリーパックは、バッテリー管理システムにより、状態及び動作が管理及び制御される。バッテリーパック内のバッテリーセルは、外部から電源の供給を受けて充電される。
充電されたバッテリーセルは、バッテリーパックと連結された多様な装置及び／又は回路に電源を供給する。バッテリーセルにエラーが発生する場合、バッテリーだけでなく、バッテリーを含む車両、電子装置等に致命的なダメージが発生することがある。よって、バッテリーセルにどのような類型のエラーが発生したのかを診断し、それに合う適切な措置を取ることが重要である。
本発明は、前述した技術的課題を解決するためのものであって、本発明の目的は、バッテリーセルの電圧に基づいて、バッテリーセルに発生したエラーの類型を診断するバッテリー診断装置を提供することにある。
本発明の実施形態に係るバッテリー診断装置は、電圧測定回路、データ処理回路及び診断回路を含むことができる。電圧測定回路は、休止区間において、バッテリーセルの両端の電圧を周期的に測定することができる。データ処理回路は、電圧測定回路により測定された電圧値と測定された電圧値に基づいて算出された近似値との間の差異値に基づいて、バッテリーセルの状態を示す統計値を導出することができる。診断回路は、複数の休止区間における統計値に基づいてバッテリーセルにエラーが発生したか否かを判別し、統計値の絶対値が累積した累積統計値及び休止区間における統計値に基づいて、エラーの類型がバッテリーセルが不安定な第１類型であるか、バッテリーセルの電圧が一時的に上昇した第２類型であるか、又はバッテリーセルの電圧が一時的に下降した第３類型であるかを判別することができる。複数の休止区間は、休止区間と休止区間以前の１つ以上の休止区間を含むことができる。
本発明の実施形態に係るバッテリー診断方法は、バッテリー診断装置により、休止区間において、バッテリーセルの両端の電圧を周期的に測定する第１段階、バッテリー診断装置により測定された電圧値と測定された電圧値に基づいて算出された近似値との間の差異値に基づいて、バッテリーセルの状態を示す統計値を計算する第２段階、複数の休止区間における統計値に基づいてバッテリーセルにエラーが発生したか否かを判別する第３段階、及び統計値の絶対値が累積した累積統計値と第１分析基準値を比較した第１比較結果、及び統計値と第２分析基準値を比較した第２比較結果に基づいて、エラーの類型を診断する第４段階を含むことができる。複数の休止区間は、休止区間と休止区間以前の１つ以上の休止区間を含むことができる。
本発明の実施形態に係るバッテリー診断装置は、バッテリーセルの電圧を周期的に測定することにより、バッテリーセルの電圧の推移を把握することができる。バッテリー診断装置は、バッテリーセルの電圧の推移に従い、バッテリーセルに発生したエラーの類型を判断することができる。よって、バッテリー診断装置は、バッテリーセルに適切な措置を取ることができる。
バッテリー制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明のバッテリー診断装置を含むバッテリーパック１０の構成を示すブロック図である。 図２に示したバッテリー管理システム２００の動作を説明するためのフローチャートである。 充電後の休止区間において、図２に示したバッテリーセルＢ１の電圧と近似値を示すグラフである。 放電後の休止区間において、図２に示したバッテリーセルＢ１の電圧と近似値を示すグラフである。 図２に示したバッテリー管理システム２００がバッテリーセルＢ１に異常電圧現象が発生したか否か判断する動作を説明するためのフローチャートである。 図２に示したバッテリー管理システム２００がバッテリーセルＢ１に発生した異常電圧現象の類型を診断する動作を説明するためのフローチャートである。 充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧が下降する場合を示すグラフである。 放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧が下降する場合を示すグラフである。 充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧が上昇する場合を示すグラフである。 放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧が上昇する場合を示すグラフである。 充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１が不安定な場合を示すグラフである。 放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１が不安定な場合を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るバッテリー診断装置のハードウェアの構成を示す図である。
以下、図を参照しつつ、本発明の多様な実施形態に対して詳細に説明する。本文書で図上の同一の構成要素に対しては同一の参照符号を使用し、同一の構成要素に対して重複した説明は省略する。
本文書に開示されている本発明の多様な実施形態に対して、特定の構造的又は機能的説明は、単に本発明の実施形態を説明するための目的として例示されたものであって、本発明の多様な実施形態は、多様な形態で実施可能であり、本文書に説明された実施形態に限定されるものと解釈されてはいけない。
多様な実施形態で用いられる「第１」、「第２」、「第一」又は「第二」などの表現は、多様な構成要素を順序及び／又は重要度に関係なく修飾することができ、当該構成要素を限定しない。例えば、本発明の権利範囲を外れることなく、第１の構成要素は第２の構成要素と命名されてよく、同様に、第２の構成要素も第１の構成要素に変えて命名されてよい。
本文書で用いられる用語は、単に特定の実施形態を説明するために用いられたものであって、他の実施形態の範囲の限定を意図するものではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味がない限り、複数の表現を含むことができる。
技術的や科学的な用語を含めて、ここで用いられる全ての用語は、本発明の技術分野における通常の知識を有する者により一般的に理解される意味と同一の意味を有し得る。一般的に用いられる辞書に定義された用語は、関連技術の文脈上有する意味と同一又は類似の意味を有するものと解釈されてよく、本文書で明らかに定義されない限り、理想的又は過度に形式的な意味に解釈されない。場合によっては、本文書で定義された用語であっても、本発明の実施形態を排除するように解釈され得ない。
図１は、バッテリー制御システムの構成を示すブロック図である。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るバッテリーパック１と上位システムに含まれている上位制御器２を含むバッテリー制御システムを概略的に示している。
図１に示されたように、バッテリーパック１は、１つ以上のバッテリーセルからなり、充放電可能なバッテリーモジュール１１と、バッテリーモジュール１１の＋端子側又は－端子側に直列に連結され、バッテリーモジュール１１の充放電電流の流れを制御するためのスイッチング部１４と、バッテリーパック１の電圧、電流、温度等をモニタリングし、過充電及び過放電等を防止するように制御管理するバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）２０を含む。
ここで、スイッチング部１４は、バッテリーモジュール１１の充電又は放電に対する電流の流れを制御するためのスイッチング素子であって、例えば、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのような半導体スイッチング素子、又はリレー等が用いられてよい。
また、バッテリー管理システム２０は、バッテリーパック１の電圧、電流、温度等をモニタリングすることができ、かつ、スイッチング部１４に隣接して設けられたセンサ１２を用いてバッテリーパックの電流、電圧、温度等を測定することができる。バッテリー管理システム２０は、前述した各種のパラメータを測定した値の入力を受けるインターフェースであって、複数の端子と、これらの端子と連結され入力を受けた値の処理を行う回路等を含むことができる。
また、バッテリー管理システム２０は、スイッチング部１４、例えば、ＭＯＳＦＥＴやリレーのＯＮ／ＯＦＦを制御することもでき、バッテリーモジュール１１に連結され、バッテリーモジュール１１の状態を監視することができる。
上位制御器２は、バッテリー管理システム２０にバッテリーモジュール１１に対する制御信号を伝送することができる。これにより、バッテリー管理システム２０は、上位制御器２から印加される信号に基づいて動作が制御され得る。本発明のバッテリーセルがＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）又は車両等に用いられるバッテリーパックに含まれている構成であってよい。但し、このような用途に限定されるものではない。
このようなバッテリーパック１の構成及びバッテリー管理システム２０の構成は公知の構成であるため、より具体的な説明は省略する。
図２は、本発明のバッテリー診断装置を含むバッテリーパック１０の構成を示すブロック図である。図２のバッテリーモジュール１００及びバッテリー管理システム２００は、図１のバッテリーモジュール１１及びバッテリー管理システム２０に対応することができる。
バッテリーパック１０は、バッテリーモジュール１００及びバッテリー管理システム２００を含むことができる。本発明の「バッテリー診断装置」は、バッテリー管理システム２００の一部又は全体の構成を含む装置であってよい。例えば、「バッテリー診断装置」は、電圧測定回路２１０、データ処理回路２２０、診断回路２３０及びメモリ２４０を含むこともできる。
バッテリーモジュール１００は、複数のバッテリーセルＢ１～ＢＮを含むことができる。複数のバッテリーセルＢ１～ＢＮは、直列及び／又は並列に連結された構成であってよい。図２を参照すると、バッテリーパック１が１つのバッテリーモジュール１００を含むものとして示されているが、本発明はこれに限定されず、バッテリーパック１０は、１つ以上のバッテリーモジュールを含むことができる。
充電区間において、バッテリーモジュール１００は、電源装置（図示せず）から電源の供給を受けることができる。充電区間において、バッテリーセルＢ１～ＢＮそれぞれの両端の電圧が増加し得る。以下の説明において、「バッテリーセルの電圧」は、「バッテリーセルの両端の電圧」を意味する。放電区間において、バッテリーモジュール１００は、外部装置及び／又は回路に電源を供給することができる。充電区間と放電区間との間には、休止（ｒｅｓｅｔ）区間があり得る。休止区間において、バッテリーモジュール１００は、電源の供給を受けたり電源を供給する動作を中断することができる。バッテリーモジュール１００が電気自動車に含まれる場合、外部装置及び／又は回路は、モーター、ＰＣＵ（ＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）、インバーター等であってよい。
バッテリーセルにエラーが発生していない場合、充電後の休止区間において、バッテリーセルの電圧は徐々に減少していながら、充電が完了した時点における電圧より少し減少した状態に維持される。また、バッテリーセルにエラーが発生していない場合、放電後の休止区間において、バッテリーセルの電圧は徐々に増加していながら、放電が完了した時点における電圧より少し増加した状態に維持される。但し、バッテリーセルにエラーが発生した場合、休止区間において、バッテリーセルの電圧が急激に増加したり減少するピーク区間が発生するか、バッテリーセルの電圧が一定の値に維持されずに引き続き増加したり減少するようになる。以下の説明において、異常電圧現象は、休止区間において、バッテリーセルの電圧が急激に増加したり減少するピーク区間が発生するか、バッテリーセルの電圧が一定の値に維持されずに引き続き増加したり減少することを意味する。異常電圧現象は、図７ａから図９ｂを参照して詳細に説明される。本発明のバッテリー管理システム２００は、バッテリーセルＢ１～ＢＮをモニタリングし、バッテリーセルＢ１～ＢＮに異常電圧現象が発生したか否か及び異常電圧現象の類型を判断することができる。
バッテリー管理システム２００は、電圧測定回路２１０、データ処理回路２２０、診断回路２３０及びメモリ２４０を含むことができる。バッテリー管理システム２００は、絶対判定動作、相対判定動作及び累積判定動作を介して、バッテリーセルＢ１～ＢＮに異常電圧現象が発生したか否かをより正確に判断することができる。以下の説明において、バッテリーセルＢ１でエラーが発生したか否かを確認するということは、バッテリーセルＢ１で異常電圧現象が発生するか否かを確認することを意味する。
バッテリー管理システム２００は、バッテリーセルＢ１で異常電圧現象が発生するか否かを確認した後、バッテリーセルＢ１の電圧分析動作を介して異常電圧現象の類型を診断することができる。以下の説明において、バッテリーセルＢ１で発生したエラーの類型を診断するということは、バッテリーセルＢ１で発生した異常電圧現象の類型を診断することを意味する。
また、以下の説明では、説明の便宜のために、バッテリー管理システム２００がバッテリーセルＢ１を点検する方法が集中的に説明される。バッテリー管理システム２００は、バッテリーセルＢ１を点検する方法と同様に、残りのバッテリーセルＢ２～ＢＮも点検することができる。
先ず、バッテリー管理システム２００が絶対判定動作を行う方法が説明される。本明細書において、絶対判定動作、相対判定動作、累積判定動作及び電圧分析動作は、休止区間におけるバッテリーセルＢ１の電圧を基準に行われる。
以下、絶対判定動作が説明される。電圧測定回路２１０は、休止区間でバッテリーセルＢ１の電圧を測定することができる。電圧測定回路２１０は、測定された電圧に対する電圧データをデータ処理回路２２０に出力することができる。
データ処理回路２２０は、電圧測定回路２１０から受信された電圧データを処理し、絶対統計値を計算することができる。絶対統計値は、電圧データを電圧近似式に代入して計算した値であってよい。絶対統計値は、図３を参照して詳細に説明される。
診断回路２３０は、絶対統計値に対する情報を受信することができる。診断回路２３０は、絶対統計値が絶対判定条件を満たすか否かを判断することができる。絶対判定条件は、絶対統計値が第１絶対基準値より大きく第２絶対基準値以下であることを意味することができる。第１絶対基準値は、絶対値の誤差許容範囲に関する値であり、第２絶対基準値は、バッテリーセルＢ１に発生し得る致命的なエラーに関する値であってよい。例えば、第１絶対基準値は１０［ｍＶ］であり、第２絶対基準値は２５０［ｍＶ］であってよい。第１及び第２絶対基準値は、使用者により設定された値であってよい。但し、本発明は、これに限定されず、第１及び第２絶対基準値は、バッテリーセルＢ１の温度、バッテリーセルＢ１のＳＯＣ等のバッテリーセルＢ１の状態に基づいて決定される値であってよい。
第二、バッテリー管理システム２００が相対判定動作を行う方法が説明される。
以下、相対判定動作が説明される。電圧測定回路２１０は、休止区間において、バッテリーセルＢ１～ＢＮそれぞれの電圧を測定することができる。電圧測定回路２１０は、測定された電圧に対する電圧データをデータ処理回路２２０に出力することができる。
データ処理回路２２０は、電圧測定回路２１０から受信された電圧データを処理し、相対基準値を計算することができる。具体的に、データ処理回路２２０は、絶対判定動作においてバッテリーセルＢ１の絶対統計値を計算する方法と同様に、バッテリーセルＢ１～ＢＮの絶対統計値を計算することができる。データ処理回路２２０は、バッテリーセルＢ１～ＢＮの絶対統計値の「ｋ」シグマ値に基づいて相対基準値を決定することができる。ここで、「ｋ」は正数であってよい。例えば、相対基準値は、絶対統計値の＋３シグマ値であってよい。他の例として、相対基準値は、絶対統計値の＋６シグマ値であってよい。
診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１の絶対統計値及び相対基準値に対する情報を受信することができる。診断回路２３０は、絶対統計値を相対基準値と比較して、バッテリーセルＢ１にエラーが発生したか否かを判断することができる。
次に、バッテリー管理システム２００が累積判定動作を行う方法が説明される。バッテリー管理システム２００は、分析期間の間、一定の周期ごとに絶対判定動作及び相対判定動作を行うことができる。絶対判定動作及び相対判定動作で生成されるデータを用いて、バッテリー管理システム２００は、累積判定動作を行うことができる。
バッテリー管理システム２００は、複数の休止区間の絶対統計値及び実際統計値を用いて、累積判定動作を行うことができる。本明細書において、複数の休止区間は、絶対判定動作の対象となる休止区間と前記休止区間以前の１つ以上の休止区間を含むことができる。
データ処理回路２２０は、バッテリーセルＢ１の電圧に関する実際統計値の標準偏差値を計算することができる。絶対統計値は、バッテリーセルＢ１の電圧に基づいて計算された統計値に絶対値を重ねた値であり、実際統計値は、統計値を意味する。以下の説明において、標準偏差値は、分析期間の間に計算されたバッテリーセルＢ１の電圧に関する実際統計値の標準偏差を意味する。診断回路２３０は、標準偏差値と基準偏差値に対する情報を受信することができる。診断回路２３０は、標準偏差値と基準偏差値を比較することができる。基準偏差値は、使用者によって事前に決定された値であってよく、バッテリーセルＢ１の電圧、温度等により決定される値であってよい。
データ処理回路２２０は、バッテリーセルＢ１の電圧に関する絶対統計値を累積して累積統計値を計算することができる。例えば、データ処理回路２２０は、分析期間の間に計算された全ての絶対統計値を累積して累積統計値を計算することができる。他の例として、データ処理回路２２０は、分析期間の間に計算された絶対統計値のうち一部を選別し、選別された絶対統計値を累積して累積統計値を計算することができる。具体的に、データ処理回路２２０は、分析期間の間に特定の時間帯に獲得された絶対統計値を累積し、累積統計値を計算することができる。
データ処理回路２２０は、累積統計値を計算したことと類似の方法で、相対基準値を累積して累積基準値を計算することができる。但し、本発明は、これに限定されず、データ処理回路２２０は、絶対基準値に基づいて、累積基準値を計算することもできる。また、累積基準値は、使用者により設定された値であってもよい。
診断回路２３０は、累積統計値及び累積基準値に対する情報を受信することができる。診断回路２３０は、累積統計値と累積基準値を比較することができる。診断回路２３０は、標準偏差値と基準偏差値を比較し、累積統計値を累積基準値と比較して、バッテリーセルＢ１にエラーが発生したか否かを判断することができる。
診断回路２３０は、絶対判定動作、相対判定動作及び累積判定動作に基づいて、バッテリーセルＢ１にエラーが発生したか否かを最終的に判断することができる。これに関する内容は、図５を参照して詳細に説明される。
診断回路２３０は、エラーが発生したものと判断されたバッテリーセルＢ１に対して、電圧分析動作を行うことができる。診断回路２３０は、電圧分析動作を介して、エラーの類型を診断することができる。
以下では、電圧分析動作が説明される。診断回路２３０は、累積統計値を第１分析基準値と比較することができる。診断回路２３０は、累積統計値が第１分析基準値より大きい場合、異常電圧現象の類型がバッテリーセルＢ１が不安定な類型であるものと診断することができる。第１分析基準値は、休止区間におけるバッテリーセルＢ１の電圧と関連づけられ得る。第１分析基準値は、相対的に大きい値であってよい。すなわち、バッテリーセルＢ１の累積統計値が第１分析基準値より大きいとのことは、バッテリーセルＢ１の電圧が相対的に甚だしく揺れたということを意味する。
診断回路２３０は、累積統計値が第１分析基準値以下である場合、バッテリーセルＢ１の絶対統計値を第２基準分析値と比較することができる。例えば、第２基準分析値は、「０」であってよい。診断回路２３０は、絶対統計値が第２基準分析値より大きい場合、異常電圧現象の類型がバッテリーセルＢ１の電圧が上昇した類型であるものと診断することができる。診断回路２３０は、絶対統計値が第２基準分析値以下である場合、異常電圧現象の類型がバッテリーセルＢ１の電圧が下降した類型であるものと診断することができる。
図３は、図２に示したバッテリー管理システム２００の動作を説明するためのフローチャートである。
Ｓ１１０動作において、電圧測定回路２１０は、１つの休止区間でバッテリーセルＢ１の電圧を周期的に測定することができる。１つの休止区間で測定されたバッテリーセルＢ１の電圧値は、測定された電圧値Ｖ１～Ｖｎで表される。但し、本発明において、測定された電圧値の個数がｎ個に限定されるものではない。
図２に示したバッテリーパック１０は、充放電サイクルを繰り返しながら充放電動作を行うことができる。充放電サイクルは、充電区間、充電後の休止区間、放電区間、放電後の休止区間からなってよい。本明細書において、１つの休止区間とは、充電区間が終了した区間から放電区間が開始する前の区間まで（充電後の休止区間）、又は放電区間が終了した区間から休止区間が開始する前の区間まで（放電後の休止区間）を意味する。
Ｓ１２０動作において、データ処理回路２２０は、測定された電圧値Ｖ１～Ｖｎに基づいて、バッテリーセルＢ１の電圧に関する近似（ｆｉｔｔｉｎｇ）式を算出することができる。このとき、データ処理回路２２０により算出される近似式は、バッテリーセルＢ１の電圧形状を示すモデル電圧であってよい。例えば、前記近似式は、指数（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ）に関する式であってよい。また、データ処理回路２２０は、最小二乗法（ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ）により近似式を算出することができる。しかし、これは例示的なものに過ぎず、本発明がこれに制限されるものではなく、データ処理回路２２０は、多様な方式で近似式を算出することができる。
バッテリー電圧の近似式は、最小二乗法を介して導出したものである。このとき、バッテリー電圧の近似式は［数式１］のように示すことができる。
Figure 2023526935000002
本発明の一実施形態に係るバッテリー診断装置では、［数式１］のａ、ｂ、ｃの定数をそれぞれ計算することでバッテリー電圧の近似式を完成することができる。以下の説明において、［数式１］のｙｆｉｔは、近似値で表される。［数式１］は、例示として示したものに過ぎず、本発明がこれに制限されるものではなく、バッテリーの電圧を近似することができる多様な式が用いられてよい。
Ｓ１３０動作において、データ処理回路２２０は、測定された電圧値Ｖ１～Ｖｎと近似値ｙｆｉｔとの間の差異値Ｖ１－ｙｆｉｔ１，．．．，Ｖｎ－ｙｆｉｔｎに基づいて、統計値を決定することができる。統計値は、差異値Ｖ１－ｙｆｉｔ１，．．．，Ｖｎ－ｙｆｉｔｎのうち絶対値が一番大きい差異値であってよい。以下の説明において、絶対統計値ｍａｘ（｜Ｖ１－ｙｆｉｔ１｜，．．．，｜Ｖｎ－ｙｆｉｔｎ｜は、統計値の絶対値を意味する。実際統計値は、統計値を意味する。すなわち、絶対統計値が｜Ｖｋ－ｙｆｉｔｋ｜である場合、実際統計値はＶｋ－ｙｆｉｔｋである。
Ｓ１４０動作において、データ処理回路２２０は、休止区間別に統計値を計算することができる。メモリ２４０は、休止区間別に統計値を格納することができる。
Ｓ１５０動作において、診断回路２３０は、統計値に基づいて、バッテリーセルＢ１に異常電圧現象が発生したか否かを診断することができる。前記動作は、図５を参照してより詳細に説明される。
Ｓ１６０動作において、診断回路２３０は、統計値に基づいて、バッテリーセルＢ１に発生した異常電圧現象の類型を診断することができる。前記動作は、図６を参照してより詳細に説明される。
図４ａは、充電後の休止区間において、図２に示したバッテリーセルＢ１の電圧と近似値を示すグラフである。図４ｂは、放電後の休止区間において、図２に示したバッテリーセルＢ１の電圧と近似値を示すグラフである。本発明の理解に役立てるため、図４ａ及び図４ｂがともに参照される。
図４ａ及び図４ｂに示されたバッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは、バッテリーセルＢ１にエラーが発生していない場合の電圧を示す。
図４ａは、充電後の休止区間において、図２に示したバッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄと近似値ｙｆｉｔを示す。図４ａの横軸は時間（時）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。図４ａを参照すると、充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは、徐々に減少していながら特定の電圧値に維持される。このとき、特定の電圧値は、充電が完了した時点における電圧より少し低くてよい。
図４ｂは、放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄと近似値ｙｆｉｔを示す。図４ｂの横軸は時間（時）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。図４ｂを参照すると、放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは、徐々に増加していながら特定の電圧値に維持される。このとき、特定の電圧値は、充電が完了した時点における電圧より少し高くてよい。
図５は、図２に示したバッテリー管理システム２００が、バッテリーセルＢ１に異常電圧現象が発生したか否か判断する動作を説明するためのフローチャートである。
図５を参照して説明されるＳ１５１動作からＳ１５７動作は、図３を参照して説明されたＳ１５０動作に含まれる。すなわち、Ｓ１５１動作からＳ１５７動作を介して、診断回路２３０は、統計値に基づいて、バッテリーセルＢ１に異常電圧現象が発生したか否かを診断することができる。
Ｓ１４０動作において、データ処理回路２２０は、休止区間別に統計値を計算することができる。メモリ２４０は、休止区間別に絶対統計値及び実際統計値を格納することができる。
Ｓ１５１動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１の絶対統計値が絶対判定条件を満たすか否かを判断することができる。絶対判定条件は、絶対統計値が第１絶対基準値より大きく、且つ第２絶対基準値以下であることを意味することができる。例えば、第１絶対基準値は１０［ｍＶ］であり、第２絶対基準値は２５０［ｍＶ］であってよい。
絶対統計値が絶対判定条件を満たす場合、Ｓ１５２動作が行われる。Ｓ１５２動作において、診断回路２３０は、絶対統計値を相対基準値と比較することができる。相対基準値は、バッテリーセルＢ１～ＢＮの絶対統計値の「ｋ」シグマ値であってよい。例えば、相対基準値は、絶対統計値の＋６シグマ値であってよい。
絶対統計値が相対基準値より大きい場合、Ｓ１５３動作が行われる。Ｓ１５３動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１の標準偏差値と基準偏差値を比較して、バッテリーセルＢ１の累積統計値と累積基準値を比較することができる。例えば、基準偏差値は０．５であってよいが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、休止区間の絶対統計値がＶｍａｘ（１）～Ｖｍａｘ（ｐ）である場合、累積統計値は、
Figure 2023526935000003
であってよい。また、累積基準値は、バッテリーセルＢ１～ＢＮの累積統計値のうち上位５％に該当する値であってよい。
バッテリーセルＢ１の標準偏差値が基準偏差値より大きく、且つバッテリーセルＢ１の累積統計値が累積基準値より大きい場合、Ｓ１５４動作が行われる。Ｓ１５４動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１に異常電圧現象が発生したものと判断することができる。この場合、Ｓ１６０動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１に発生した異常電圧現象の類型を診断することができる。Ｓ１６０動作に関しては、図６を参照して詳細に説明される。
絶対統計値が絶対判定条件を満たさない場合、Ｓ１５５動作が行われる。Ｓ１５５動作において、診断回路２３０は、絶対統計値を第２絶対基準値と比較することができる。但し、バッテリー管理システム２００は、Ｓ１５１動作からＳ１５５動作を行う順序は、図５を参照して説明された順序に限定されない。バッテリー管理システム２００は、Ｓ１５２動作をＳ１５１動作より先に行ってよく、Ｓ１５３動作をＳ１５２動作より先に行ってもよい。
絶対統計値が第２絶対基準値より小さい場合、Ｓ１５６動作が行われる。絶対統計値が相対基準値以下である場合、Ｓ１５６動作が行われる。また、バッテリーセルＢ１の標準偏差値が基準偏差値以下であるか、バッテリーセルＢ１の累積統計値が累積基準値以下である場合、Ｓ１５６動作が行われる。Ｓ１５６動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１が正常であるものと判断することができる。また、絶対統計値が第２絶対基準値以上である場合、Ｓ１５７動作が行われる。Ｓ１５７動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１に火災が発生したものと判断することができる。もしくは、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１に致命的なエラーが発生したものと判断することができる。第２絶対基準値は、相対的に大きい値であってよい。よって、絶対統計値が第２絶対基準値以上であるとのことは、バッテリーセルＢ１により致命的なエラーが発生したことを意味することができる。バッテリー管理システム２００は、判断の結果に基づいて、ダメージ防止のための適切な措置を取ることができる。
図６は、図２に示したバッテリー管理システム２００がバッテリーセルＢ１に発生した異常電圧現象の類型を診断する動作を説明するためのフローチャートである。
図６を参照して説明されるＳ１６１動作からＳ１６５動作は、図３を参照して説明されたＳ１６０動作に含まれる。すなわち、Ｓ１６１動作からＳ１６５動作を介して、診断回路２３０は、統計値に基づいて、バッテリーセルＢ１に発生した異常電圧現象の類型を判断することができる。Ｓ１６１動作からＳ１６５動作は、Ｓ１５０動作において異常電圧現象が発生したものと判断されたバッテリーセルに対してのみ行われる。以下の説明において、バッテリーセルＢ１に異常電圧現象が発生したものと仮定される。
Ｓ１５４動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１に異常電圧現象が発生したものと判断することができる。
Ｓ１６１動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１の累積統計値を第１分析基準値と比較することができる。
累積統計値が第１分析基準値より大きい場合、Ｓ１６２動作が行われる。Ｓ１６２動作において、診断回路２３０は、異常電圧現象の類型がバッテリーセルＢ１が不安定な類型であるものと診断することができる。第１分析基準値は、相対的に大きい値であってよい。例えば、第１分析基準値は、２５０［ｍＶ］であってよい。すなわち、バッテリーセルＢ１の累積統計値が第１分析基準値より大きいとのことは、バッテリーセルＢ１の電圧が相対的に甚だしく揺れたということを意味する。前記異常電圧現象の類型は、図９（ａ）及び図９（ｂ）を参照して説明される。
累積統計値が第１分析基準値以下である場合、Ｓ１６３動作が行われる。Ｓ１６３動作において、診断回路２３０は、バッテリーセルＢ１の実際統計値を第２分析基準値と比較することができる。例えば、第２分析基準値は、０［ｍＶ］であってよい。但し、バッテリー管理システム２００で、Ｓ１６１動作、Ｓ１６３動作を行う順序は、図６を参照して説明された順序に限定されない。例えば、バッテリー管理システム２００は、Ｓ１６３動作をＳ１６１動作より先に行うことができる。
実際統計値が第２分析基準値より大きい場合、Ｓ１６４動作が行われる。Ｓ１６４動作において、診断回路２３０は、異常電圧現象の類型がバッテリーセルＢ１の電圧が上昇したものと判断することができる。
実際統計値が第２分析基準値以下である場合、Ｓ１６５動作が行われる。Ｓ１６５動作において、診断回路２３０は、異常電圧現象の類型がバッテリーセルＢ１の電圧が下降したものと判断することができる。
図７ａは、充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧が下降する場合を示すグラフである。図７ｂは、放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧が下降する場合を示すグラフである。説明の便宜のために、図７ａ及び図７ｂがともに参照される。
図７ａは、充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄが下降する異常電圧現象が発生した場合を示す図である。図７ａは、バッテリーセルＢ１の実際電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄと近似値ｙｆｉｔを示す。図７ａの横軸は時間（時）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。バッテリーセルＢ１にエラーが発生していない場合、図４ａを参照して説明されたように、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは徐々に減少していながら特定の電圧値に維持される。このとき、特定の電圧値は、充電が完了した時点における電圧より少し低くてよい。一方、バッテリーセルＢ１にエラーが発生した場合は、図７ａに示されたように、バッテリーセルＢ１の電圧が一時的に急減するピーク区間が発生し得る。
図７ｂは、放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄが下降する異常電圧現象が発生した場合を示す図である。図７ｂは、バッテリーセルＢ１の実際電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄと近似値ｙｆｉｔを示す。図７ｂの横軸は時間（時）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。バッテリーセルＢ１にエラーが発生していない場合、図４ｂを参照して説明されたように、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは徐々に増加していながら特定の電圧値に維持される。このとき、特定の電圧値は、放電が完了した時点における電圧より少し低くてよい。一方、バッテリーセルＢ１にエラーが発生した場合は、図７ｂに示されたように、バッテリーセルＢ１の電圧が一時的に急減するピーク区間が発生し得る。
図８ａは、充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧が上昇する場合を示すグラフである。図８ｂは、放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧が上昇する場合を示すグラフである。説明の便宜のために、図８ａ及び図８ｂがともに参照される。
図８ａは、充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄが上昇する異常電圧現象が発生した場合を示す図である。図８ａは、バッテリーセルＢ１の実際電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄと近似値ｙｆｉｔを示す。図８ａの横軸は時間（時）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。バッテリーセルＢ１にエラーが発生していない場合、図４ａを参照して説明されたように、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは徐々に減少していながら特定の電圧値に維持される。一方、バッテリーセルＢ１にエラーが発生した場合は、図８ａに示されたように、バッテリーセルＢ１の電圧が一時的に急増するピーク区間が発生し得る。
図８ｂは、放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄが上昇する異常電圧現象が発生した場合を示す図である。図８ｂは、バッテリーセルＢ１の実際電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄと近似値ｙｆｉｔを示す。図８ｂの横軸は時間（時）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。バッテリーセルＢ１にエラーが発生していない場合、図４ｂを参照して説明されたように、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは徐々に増加していながら特定の電圧値に維持される。一方、バッテリーセルＢ１にエラーが発生した場合は、図８ｂに示されたように、バッテリーセルＢ１の電圧が一時的に急増するピーク区間が発生し得る。
図９ａは、充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１が不安定な場合を示すグラフである。図９ｂは、放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１が不安定な場合を示すグラフである。説明の便宜のために、図９ａ及び図９ｂがともに参照される。
図９ａは、充電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１の不安定な異常電圧現象が発生した場合を示す図である。図９ａは、バッテリーセルＢ１の実際電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄと近似値ｙｆｉｔを示す。図９ａの横軸は時間（時）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。バッテリーセルＢ１にエラーが発生していない場合、図４ａを参照して説明されたように、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは徐々に減少していながら特定の電圧値に維持される。一方、バッテリーセルＢ１が不安定な場合は、図９ａに示されたように、バッテリーセルＢ１の電圧がより持続的に減少する区間が発生し得る。バッテリーセルＢ１が不安定な場合は、図７ａ、図８ａに示されたものより、バッテリーセルＢ１の電圧がより長い時間区間の間減少することがある。
図９ｂは、放電後の休止区間において、バッテリーセルＢ１が不安定な異常電圧現象が発生した場合を示す図である。図９ｂは、バッテリーセルＢ１の実際電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄと近似値ｙｆｉｔを示す。図９ｂの横軸は時間（時）を示し、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。バッテリーセルＢ１にエラーが発生していない場合、図４ｂを参照して説明されたように、バッテリーセルＢ１の電圧Ｖｍｅａｓｕｒｅｄは徐々に増加していながら特定の電圧値に維持される。一方、バッテリーセルＢ１が不安定な場合は、図９ｂに示されたように、バッテリーセルＢ１の電圧がより持続的に増加する区間が発生し得る。バッテリーセルＢ１が不安定な場合は、図７ａ、図８ａに示されたものより、バッテリーセルＢ１の電圧がより長い時間区間の間増加することがある。
図１０は、本発明の一実施形態に係るバッテリー診断装置のハードウェアの構成を示す図である。
図１０を参照すると、バッテリー診断装置１０００は、各種の処理及び各構成を制御するマイクロコントローラ（ＭＣＵ）８１０と、運営体制プログラム及び各種のプログラム（例えば、バッテリー診断プログラム、電圧近似式算出プログラム等）等が記録されるメモリ１０２０と、バッテリーセルモジュール及び／又は半導体スイッチング素子との間で入力インターフェース及び出力インターフェースを提供する入出力インターフェース１０３０と、有無線通信網を介して外部と通信可能な通信インターフェース１０４０とを備えることができる。このように、本発明に係るコンピュータプログラムは、メモリ１０２０に記録され、マイクロコントローラ１０１０により処理されることで、例えば、図２に示した各機能ブロックを行うモジュールとして具現され得る。
前述した内容は、本発明を実施するための具体的な実施形態である。本発明は、前述した実施形態だけでなく、単に設計変更されるか容易に変更可能な実施形態も含むであろう。また、本発明は、実施形態を用いて容易に変形して実施することができる技術も含まれるであろう。よって、本発明の範囲は、前述した実施形態に限定して定められてはならず、後述の特許請求の範囲だけでなく、本発明の特許請求の範囲と均等なものによって定められなければならないはずである。
１ バッテリーパック
Ｂ１～ＢＮ バッテリーセル
２ 上位制御器
１０ バッテリーパック
１１ バッテリーモジュール
１２ センサ
１４ スイッチング部
２０ バッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）
１００ バッテリーモジュール
２００ バッテリー管理システム
２１０ 電圧測定回路
２２０ データ処理回路
２３０ 診断回路
２４０ メモリ
８１０ マイクロコントローラ（ＭＣＵ）
１０００ バッテリー診断装置
１０１０ マイクロコントローラ
１０２０ メモリ
１０３０ 入出力インターフェース
１０４０ 通信インターフェース

Claims (15)

  1. 休止区間において、バッテリーセルの両端の電圧を周期的に測定する電圧測定回路、
    前記電圧測定回路により測定された電圧値と前記測定された電圧値に基づいて算出された近似値との間の差異値に基づいて、前記バッテリーセルの状態を示す統計値を導出するデータ処理回路、及び
    複数の休止区間における統計値に基づいて前記バッテリーセルにエラーが発生したか否かを判別し、前記統計値の絶対値が累積した累積統計値及び前記休止区間における前記統計値に基づいて、前記エラーの類型が前記バッテリーセルが不安定な第１類型であるか、前記バッテリーセルの前記電圧が一時的に上昇した第２類型であるか、又は前記バッテリーセルの前記電圧が一時的に下降した第３類型であるかを判別する診断回路
    を含んでなり、
    前記複数の休止区間は、前記休止区間と前記休止区間以前の１つ以上の休止区間とを含む、バッテリー診断装置。
  2. 前記複数の休止区間それぞれは、前記バッテリーセルの充電が完了した後から放電が開始する前までの区間、又は前記バッテリーセルの放電が完了した後から充電が開始する前までの区間である、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
  3. 前記データ処理回路は、前記測定された電圧値を用いて数式の「ａ」、「ｂ」及び「ｃ」を決定し、前記数式を用いて近似値（「ｙｆｉｔ」）を導出し、前記数式に前記測定された電圧値が測定された時刻を入力して前記近似値を導出し、前記測定された電圧値と前記測定された電圧値に対応する前記近似値との間の差異値のうち１つを前記統計値として決定し、
    前記統計値は、前記差異値のうち絶対値が最も大きい差異値である、請求項１又は２に記載のバッテリー診断装置。
    Figure 2023526935000004
  4. 前記診断回路は、前記累積統計値が第１分析基準値より大きい場合、前記エラーの前記類型が前記第１類型であるものと判断し、前記累積統計値が前記第１分析基準値より小さく、且つ前記統計値が第２分析基準値より大きい場合、前記エラーの前記類型が前記第２類型であるものと判断し、前記累積統計値が前記第１分析基準値より小さく、且つ前記統計値が前記第２分析基準値より小さい場合、前記エラーの前記類型が前記第３類型であるものと判断する、請求項１～３のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  5. 前記第１分析基準値は、前記休止区間における前記電圧に関する値であり、
    前記第２分析基準値は、「０」である、請求項４に記載のバッテリー診断装置。
  6. 前記エラーの前記類型が前記第１類型である場合、前記休止区間における前記電圧は、前記エラーの前記類型が前記第２類型である場合より長い時間区間の間増加する、又は前記エラーの前記類型が前記第３類型である場合より長い時間区間の間減少する、請求項１～５のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  7. 前記診断回路は、前記統計値の絶対値が第１絶対基準値より大きく且つ第２絶対基準値以下である場合、前記累積統計値に基づいて前記バッテリーセルに前記エラーが発生したか否かを判断し、前記絶対値が前記第２絶対基準値より大きい場合、前記バッテリーセルに前記エラーより致命的なエラーが発生したものと判断し、前記絶対値が前記第１絶対基準値より小さい場合、前記バッテリーセルにエラーが発生していないものと判断する、請求項１～６のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  8. 前記第１絶対基準値は、前記絶対値の誤差許容範囲に関する値であり、
    前記第２絶対基準値は、前記致命的なエラーに関する値である、請求項７に記載のバッテリー診断装置。
  9. 前記データ処理回路は、バッテリーセルの統計値に基づいて相対基準値を計算し、
    前記診断回路は、前記統計値の絶対値が前記相対基準値より大きい場合、前記累積統計値に基づいて前記バッテリーセルに前記エラーが発生したか否かを判断し、前記統計値の前記絶対値が前記相対基準値より小さい場合、前記バッテリーセルにエラーが発生していないものと判断し、
    前記バッテリーセルは、前記バッテリーセルが含まれているバッテリーモジュールのバッテリーセルである、請求項１～８のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  10. 前記データ処理回路は、前記バッテリーセルの前記統計値の「ｎ」シグマ値を前記相対基準値として設定し、
    前記「ｎ」は、正数である、請求項９に記載のバッテリー診断装置。
  11. 前記データ処理回路は、前記複数の休止区間における前記統計値の標準偏差値を計算し、
    前記診断回路は、前記標準偏差値が基準偏差値より大きく、且つ前記累積統計値が累積基準値より大きい場合、前記統計値に基づいて前記バッテリーセルに前記エラーが発生したか否かを判断し、前記標準偏差値が基準偏差値より小さい場合又は前記累積統計値が累積基準値より小さい場合、前記バッテリーセルにエラーが発生していないものと判断する、請求項１～１０のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  12. 前記累積基準値は、バッテリーセルの統計値の絶対値が累積した累積統計値のうち上位「ｍ」％に該当する値であり、
    前記「ｍ」は、正数である、請求項１１に記載のバッテリー診断装置。
  13. バッテリー診断装置により、休止区間において、バッテリーセルの両端の電圧を周期的に測定する第１段階、
    前記バッテリー診断装置により測定された電圧値と前記測定された電圧値に基づいて算出された近似値との間の差異値に基づいて、前記バッテリーセルの状態を示す統計値を計算する第２段階、
    複数の休止区間における統計値に基づいて前記バッテリーセルにエラーが発生したか否かを判別する第３段階、及び
    前記統計値の絶対値が累積した累積統計値と第１分析基準値を比較した第１比較結果、及び前記統計値と第２分析基準値を比較した第２比較結果に基づいて、前記エラーの類型を診断する第４段階
    を含んでなり、
    前記複数の休止区間は、前記休止区間と前記休止区間以前の１つ以上の休止区間とを含む、バッテリー診断方法。
  14. 前記第４段階は、
    前記累積統計値が第１分析基準値より大きい場合、前記エラーの前記類型が前記バッテリーセルが不安定な第１類型であるものと判断し、前記累積統計値が前記第１分析基準値より小さく、且つ前記統計値が第２分析基準値より大きい場合、前記エラーの前記類型が前記バッテリーセルの前記電圧が一時的に上昇した第２類型であるものと判断し、前記累積統計値が前記第１分析基準値より小さく、且つ前記統計値が前記第２分析基準値より小さい場合、前記エラーの前記類型が前記バッテリーセルの前記電圧が一時的に下降した第３類型であるものと判断する、請求項１３に記載のバッテリー診断方法。
  15. 前記第１分析基準値は、前記休止区間における前記電圧に関する値であり、
    前記第２分析基準値は、「０」である、請求項１４に記載のバッテリー診断方法。
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