JP2023548898A - バッテリー診断装置、バッテリー管理システム、バッテリーパック、電気車両及びバッテリー診断方法 - Google Patents

バッテリー診断装置、バッテリー管理システム、バッテリーパック、電気車両及びバッテリー診断方法 Download PDF

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Abstract

本発明の一態様に係る、複数の単位セルの並列接続体を含むバッテリーのためのバッテリー診断装置は、前記バッテリーの両端にわたる電圧の経時的変化を示す電圧時系列及び前記バッテリーを介して流れる充放電電流の経時的変化を示す電流時系列を含む充放電データを収集するデータ取得部と、前記充放電データに基づいて、前記バッテリーの満充電容量を示す推定容量値を決定するデータ処理部と、を含む。前記データ処理部は、前記推定容量値の経時的変化をモニターリングして、前記並列接続体の異常を診断するように構成される。

Description

本出願は、２０２１年０９月０８日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－０１２００３９号に基づく優先権を主張し、当該出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
本発明は、複数の単位セルの並列接続体を含むバッテリーの満充電容量の経時的変化から並列接続体の異常を検出する技術に関する。
近年、ノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急激に伸び、電気車両、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれて、繰り返して充放電可能な高性能バッテリーに対する研究が活発に行われている。
現在、商用化されているバッテリーとしてはニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムバッテリーなどが挙げられるが、そのうちリチウムバッテリーは、ニッケル系列のバッテリーに比べてメモリー効果がほとんど起きないため充放電が自在であり、自己放電率が非常に低くエネルギー密度が高いという利点で脚光を浴びている。
バッテリーは、電極組立体を電解質とともに外装材内に同封することにより製造可能である。電極組立体は、並列に接続された複数の単位セル、すなわち、複数の単位セルの並列接続体である。ここで、単位セルとは、独立して再充放電可能な蓄電素子の最小単位のことをいう。例えば、単位セルとは、モノセル（ｍｏｎｏ－ｃｅｌｌ）またはバイセル（ｂｉ－ｃｅｌｌ）のうちの少なくともどちらか一方を含むフルセル（ｆｕｌｌ－ｃｅｌｌ）を意味する。
バッテリーの製造上の不良、繰り返し行われた充放電による老巧化、外部の衝撃などといった多種多様な原因により、バッテリー内に配置される並列接続体に異常が生じることがある。バッテリーの容量異常の類型は、２種類に大別できる。最初の類型の異常は、並列接続体を構成するいくつかの単位セルの接続部（例えば、電極タブ）に微小なダメージ及び／または不完全断線故障が生じて、バッテリーの充放電に一時的に寄与できなくなる状態である。二番目の類型の異常は、並列接続体を構成するいくつかの単位セルが修復不可能なように破綻されて、バッテリーの充放電に永久的に寄与できなくなってしまった状態である。
特に、バッテリーの並列接続体が二番目の類型の異常を有する場合、最初の類型の容量異常に比べて、正常の単位セルに充放電が集中し、これは、結果的に、バッテリーの火災及び爆発の危険性を高めてしまう原因となる。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、複数の単位セルの並列接続体を含むバッテリーの満充電容量を繰り返し決定しながら、満充電容量の経時的変化をモニターリングすることにより、バッテリーの並列接続体の異常を予め検出するバッテリー診断装置及びバッテリー診断方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的及び利点は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び利点は、特許請求の範囲に示される手段及びその組み合わせによって実現できることが容易に分かるであろう。
本発明の一態様に係る、複数の単位セルの並列接続体を含むバッテリーのためのバッテリー診断装置は、前記バッテリーの両端にわたる電圧の経時的変化を示す電圧時系列及び前記バッテリーを介して流れる充放電電流の経時的変化を示す電流時系列を含む充放電データを収集するデータ取得部と、前記充放電データに基づいて、前記バッテリーの満充電容量を示す推定容量値を決定するデータ処理部と、を含み、前記データ処理部は、前記推定容量値の経時的変化をモニターリングして、前記並列接続体の異常を診断するように構成される。
前記データ処理部は、前記充放電データを容量推定モデルに入力して、前記バッテリーの電流積算値及びＳＯＣ変化値を決定し、前記電流積算値と前記ＳＯＣ変化値との比率から前記推定容量値を決定するように構成されてもよい。
前記データ処理部は、第１時間間隔以上である第２時間間隔をおいて前記第１時間間隔でシフトされる、第１時刻と第２時刻での二つの推定容量値に基づいて、前記並列接続体の異常を診断するように構成されてもよい。
前記データ処理部は、前記第１時刻での前記推定容量値よりも小さく、前記第２時刻に対する閾値容量値を決定し、前記第２時刻での前記推定容量値を前記閾値容量値と比較して、前記並列接続体の異常を診断するように構成されてもよい。
前記データ処理部は、前記第１時刻での前記推定容量値から基準容量値を差し引いて、前記閾値容量値を決定するように構成されてもよい。
前記データ処理部は、前記第１時刻での前記推定容量値に１未満の基準ファクターを乗算して、前記閾値容量値を決定するように構成されてもよい。
前記データ処理部は、前記第２時刻での前記推定容量値が前記閾値容量値未満である場合、診断カウントをインクリメントさせ、前記診断カウントが閾値カウントに達したことに応答して、前記並列接続体が異常であると診断するように構成されてもよい。
前記データ処理部は、前記並列接続体が異常であると診断された場合、前記満充電容量の最大の減少が現れる、前記第２時間間隔以下の時間間隔をおいた過去の二つの時刻での二つの推定容量値から、前記複数の単位セルのうち、異常である単位セルの数を決定するように構成されてもよい。
本発明の他の態様に係るバッテリーパックは、前記バッテリー診断装置を含む。
本発明のさらに他の態様に係る電気車両は、前記バッテリーパックを含む。
本発明のさらに他の態様に係る、複数の単位セルの並列接続体を含むバッテリーのためのバッテリー診断方法は、前記バッテリーの両端にわたる電圧の経時的変化を示す電圧時系列及び前記バッテリーを介して流れる充放電電流の経時的変化を示す電流時系列を含む充放電データを収集するステップと、前記充放電データに基づいて、前記バッテリーの満充電容量を示す推定容量値を決定するステップと、前記推定容量値の経時的変化をモニターリングして、前記並列接続体の異常を診断するステップと、を含む。
前記バッテリーの満充電容量を示す推定容量値を決定するステップは、前記充放電データを容量推定モデルに入力して、前記バッテリーの電流積算値及びＳＯＣ変化値を決定するステップと、前記電流積算値と前記ＳＯＣ変化値との比率から前記推定容量値を決定するステップと、を含む。
前記並列接続体の異常を診断するステップは、第１時間間隔以上である第２時間間隔をおいて前記第１時間間隔でシフトされる、第１時刻と第２時刻での二つの推定容量値に基づいてもよい。
前記並列接続体の異常を診断するステップは、前記第１時刻での前記推定容量値よりも小さく、前記第２時刻に対する閾値容量値を決定するステップと、前記第２時刻での前記推定容量値を前記閾値容量値と比較して、前記並列接続体の異常を診断するステップと、を含んでいてもよい。
本発明の実施形態のうちの少なくとも一つによれば、複数の単位セルの並列接続体を含むバッテリーの満充電容量を繰り返し決定しながら、満充電容量の経時的変化をモニターリングすることにより、バッテリーの並列接続体の異常を検出することができる。
また、本発明の実施形態のうちの少なくとも一つによれば、並列接続体の異常が検出されたことに応答して適切な保護措置を取ることにより、バッテリーの火災及び爆発の危険性を未然に取り除くことができる。
本発明の効果は、上記の効果に限らず、言及されていない他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者にとって明確に理解できるものであろう。
本明細書に添付される以下の図面は、本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、後述する発明の詳細な説明とともに本発明の技術思想をさらに理解させる役割を果たすものであるため、本発明はそのような図面に記載された事項のみに限定されて解釈されてはいけない。
本発明に係る電気車両の構成を例示的に示す図である。 図１に示すバッテリーの概略的な構成を例示的に示す図である。 バッテリーの第１容量異常（不完全断線故障）を説明する上で参照される図である。 バッテリーの第２容量異常（完全断線故障）を説明する上で参照される図である。 バッテリーの容量異常と満充電容量との関係を説明する上で参照される例示的なグラフである。 本発明の一実施形態に係るバッテリー診断方法を例示的に示す手順図である。
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は、通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
第１、第２などの序数を含む用語は、様々な構成要素のうちのいずれか一つをその他の要素と区別するために使われたものであり、これら用語によって構成要素が限定されることはない。
明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」というとき、これは、特に断りのない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載の「～～部（ユニット、ｕｎｉｔ）」のような用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで具現され得る。
さらに、明細書の全体において、ある部分が他の部分と「接続（連結）」されているというとき、これは「直接的に接続（連結）」されている場合だけでなく、その中間に他の素子を挟んで「間接的に接続（連結）」されている場合も含む。
図１は、本発明に係る電気車両の構成を例示的に示す図である。
図１を参照すると、電気車両１は、車両コントローラー２、バッテリーパック１０及び電気負荷３０を含む。バッテリーパック１０の充放電端子Ｐ＋、Ｐ－は、充電ケーブルなどを介して充電器４０に電気的に結合され得る。充電器４０は、電気車両１の内部に含まれたものであってもよく、電気車両１の外部の充電ステーションに設けられたものであってもよい。
車両コントローラー２（例えば、エレクトロニックコントロールユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、電気車両１に設けられた始動ボタン（図示せず）がユーザーによってＯＮ－位置に切り換えられたことに応答して、キー－オン信号をバッテリー管理システム１００に伝送するように構成される。車両コントローラー２は、始動ボタンがユーザーによってＯＦＦ－位置に切り換えられたことに応答して、キー－オフ信号をバッテリー管理システム１００に伝送するように構成される。充電器４０は、車両コントローラー２と通信して、バッテリーパック１０の充放電端子Ｐ＋、Ｐ－を介して定電流または定電圧の充電電力を供給することができる。
バッテリーパック１０は、バッテリーグループＢＧ、リレー２０及びバッテリー管理システム１００を含む。
バッテリーグループＢＧは、少なくとも一つのバッテリーＢを含む。バッテリーＢは、例えば、リチウムイオンセルのように繰り返し充放電できるものである限り、その種類は特に限定されない。図１には、バッテリーグループＢＧが複数のバッテリーＢ１～ＢＮ（Ｎは２以上の自然数）の直列接続体であることが例示されている。複数のバッテリーＢ１～ＢＮは、互いに同一の電気化学的な仕様を有するように製造されたものであってもよい。以下では、複数のバッテリーＢ１～ＢＮに共通する内容について説明するに当たって、バッテリーに対して「Ｂ」を付している。
リレー２０は、バッテリーグループＢＧ及びインバーター３１を連結する電力パスを介して、バッテリーグループＢＧに電気的に直列に接続される。図１には、リレー２０がバッテリーグループＢＧの正極端子と充放電端子Ｐ＋との間に接続されていることが例示されている。リレー２０は、バッテリー管理システム１００からのスイッチング信号に応答して、オンオフ制御される。リレー２０は、コイルの磁力によってオンオフされる機械式コンタクターであってもよいし、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体スイッチであってもよい。
電気負荷３０は、インバーター３１及び電気モーター３２を含む。インバーター３１は、バッテリー管理システム１００または車両コントローラー２からの命令に応答して、バッテリーパック１０に含まれているバッテリーグループＢＧからの直流電流を交流電流に変換するように提供される。電気モーター３２は、インバーター３１からの交流電力を用いて駆動する。電気モーター３２としては、例えば三相交流モーターが使用可能である。
バッテリー管理システム１００は、センシング回路１１０、メモリー１２０及び演算回路１３０を含む。バッテリー管理システム１００は、通信回路１４０をさらに含んでいてもよい。バッテリー管理システム１００は、本発明に係る「バッテリー診断デバイス」の一例である。
センシング回路１１０は、バッテリーＢから観測可能なバッテリー物理量のうちの少なくともいずれか一つを収集するように構成される。バッテリー物理量は、バッテリーＢの電圧、電流及び／または温度を含む。センシング回路１１０とメモリー１２０は、本発明に係る「データ取得部」の一例である。センシング回路１１０は、電圧検出器１１１及び電流検出器１１２を含む。センシング回路１１０は、温度検出器１１３をさらに含んでいてもよい。
電圧検出器１１１は、バッテリーグループＢＧに含まれている複数のバッテリーＢ１～ＢＮのそれぞれの正極端子及び負極端子に接続されて、複数のバッテリーＢ１～ＢＮの両端にわたる電圧であるバッテリー電圧Ｖ１～ＶＮを検出し、バッテリー電圧Ｖ１～ＶＮの電圧値を示す電圧信号を生成するように構成される。
電流検出器１１２は、バッテリーグループＢＧとインバーター３１との間の電流パスを介してバッテリーグループＢＧに直列に接続される。電流検出器１１２は、バッテリーグループＢＧを介して流れる充放電電流を検出し、充放電電流の電流値を示す電流信号を生成するように構成される。複数のバッテリーＢ１～ＢＮは、直列に接続されているため、複数のバッテリーＢ１～ＢＮには共通の充放電電流が流れる。電流検出器１１２は、シャント抵抗、ホール効果素子などの公知の電流検出素子のうちのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせで実現され得る。
温度検出器１１３は、バッテリーグループＢＧの温度であるバッテリー温度を検出し、検出されたバッテリー温度を示す温度信号を生成するように構成される。温度検出器１１３は、バッテリーグループＢＧの実際の温度に近い温度を検出できるように、バッテリーグループＢＧから所定の距離内に配置されてもよい。例えば、温度検出器１１３は、バッテリーグループＢＧに含まれている少なくとも一つのバッテリーＢの表面に取り付けられてもよく、バッテリーＢの表面温度をバッテリー温度として検出することができる。温度検出器１１３は、熱電対、サーミスター、バイメタルなどの公知の温度検出素子のうちのいずれか一つまたは二つ以上の組み合わせで実現され得る。
メモリー１２０は、例えば、フラッシュメモリー（登録商標）タイプ（ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ ｔｙｐｅ）、ハードディスクタイプ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ）、ソリッドステートディスクタイプ（ＳＳＤタイプ：Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ）、シリコンディスクドライブタイプ（ＳＤＤタイプ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ ｔｙｐｅ）、マルチメディアカードマイクロタイプ（ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃａｒｄ ｍｉｃｒｏ ｔｙｐｅ）、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ：ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、スタティックランダムアクセスメモリー（ＳＲＡＭ：ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、リードオンリーメモリー（ＲＯＭ：ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、電気的に消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリー（ＥＥＰＲＯＭ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、及びプログラム可能な読み取り専用メモリー（ＰＲＯＭ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）のうち少なくとも一つのタイプの記憶媒体を含み得る。メモリー１２０は、センシング回路１１０によって収集されたバッテリー物理量の測定値を時間に沿って並べることにより、バッテリーＢの充放電データを記録することができる。充放電データは、バッテリーＢの両端にわたるバッテリー電圧の経時的変化を示す電圧時系列及びバッテリーＢを介して流れる充放電電流の経時的変化を示す電流時系列を含む。メモリー１２０は、演算回路１３０による演算動作の結果を示すデータを記憶することができる。メモリー１２０は、バッテリーＢの制御、管理及び診断に求められる色々なプログラム、アルゴリズム、診断ロジック、及び／または関数などを記憶することができる。
通信回路１４０は、演算回路１３０と車両コントローラー２との間の有線通信または無線通信をサポートするように構成される。有線通信は、例えばコントローラーエリアネットワーク（ＣＡＮ：ｃｏｎｔｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）通信であり得、無線通信は、例えば、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信であり得る。演算回路１３０と車両コントローラー２との間の有無線通信をサポートする限り、通信プロトコルの種類は特に限定されないことは言うまでもない。通信回路１４０は、演算回路１３０及び／または車両コントローラー２から受信した情報をユーザー（運転者）が認識可能な形態で提供する出力デバイス（例えば、ディスプレイ、スピーカー）を含んでいてもよい。
演算回路１３０は、リレー２０、センシング回路１１０及び通信回路１４０のうちの少なくとも一つに動作可能に結合される。二つの構成要素が動作可能に結合されるということは、単方向または両方向に信号を送受信可能なように二つの構成要素が直間接的に接続されていることを意味する。演算回路１３０は、「オン－ボード（Ｏｎ－Ｂｏａｒｄ）コントローラー」と呼ぶことができ、本発明に係る「データ処理部」の一例である。
演算回路１３０は、バッテリーグループＢＧの充電、放電及び／または休止中に、電圧検出器１１１からの電圧信号、電流検出器１１２からの電流信号、及び／または温度検出器１１３からの温度信号を一定の時間間隔毎に周期的にまたは不規則的な時間間隔をあけて非周期的に収集することができる。すなわち、演算回路１３０は、内部に設けられたアナログ―ディジタルコンバーター（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いて、検出器１１１、１１２、１１３から収集されたアナログ信号から電圧検出値、電流検出値、及び／または温度検出値を取得してメモリー１２０に記録することができる。
演算回路１３０は、ハードウェア的に、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、デジタルシグナルプロセッサー（ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ：ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ）、マイクロプロセッサー（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、及びその他の機能遂行のための電気ユニットのうちの少なくとも１つを使用して実現されてもよい。
リレー２０がターンオンされる間に電気負荷３０及び／または充電器３が動作する場合、バッテリーグループＢＧは、充電モードまたは放電モードとなる。リレー２０がターンオフされる場合、バッテリーグループＢＧは、休止モードに切り換えられる。
演算回路１３０は、キー－オン信号に応答して、リレー２０をターンオンさせることができる。演算回路１３０は、キー－オフ信号に応答して、リレー２０をターンオンさせることができる。キー－オン信号は、休止から充電または放電への切り換えをリクエストする信号である。キー－オフ信号は、充電または放電から休止への切り換えをリクエストする信号である。あるいは、リレー２０のオンオフ制御は、演算回路１３０の代わりに車両コントローラー２が担当してもよい。
遠隔バッテリー監視器３００は、本発明に係る「バッテリー診断デバイス」の他の例であり、電気車両１の外部に位置するクラウドサーバーなどの形態で提供され得る。遠隔バッテリー監視器３００は、通信回路３１０、メモリー３２０及び演算回路３３０を含む。通信回路３１０及びメモリー３２０は、本発明に係る「データ取得部」の他の例である。演算回路３３０は、本発明に係る「データ処理部」の他の例であり、「オフ－ボード（Ｏｆｆ－Ｂｏａｒｄ）コントローラー」と呼ぶことができる。通信回路３１０は、バッテリー管理システム１００の通信回路１４０と有無線通信チャンネルを介して接続されてバッテリー管理システム１００からバッテリーＢの充放電データを収集し、収集された充放電データをメモリー３２０に記録する。演算回路３３０は、バッテリーグループＢＧの少なくとも一つのバッテリーＢに含まれている並列接続体２００の異常を診断するに当たって、バッテリー管理システム１００の演算回路１３０と共通する動作及び機能を担当する。後述する演算回路１３０についての説明は、演算回路３３０に共通しているということに留意されたい。
図２は、図１に示すバッテリーの概略的な構成を例示的に示す図であり、図３は、バッテリーの第１容量異常（不完全断線故障）を説明する上で参照される図であり、図４は、バッテリーの第２容量異常（完全断線故障）を説明する上で参照される図である。
図２を参照すると、バッテリーＢは、電極組立体２００、正極リード２１０、負極リード２２０及び外装材２３０を含む。
電極組立体２００は、複数の単位セルＵＣ１～ＵＣＭ（Ｍは２以上の自然数）の並列接続体の一例である。単位セルＵＣは、セパレータ―２０３、正極板２０１及びセパレータ―２０３によって正極板２０１と絶縁される負極板２０２を含む。
正極板２０１は、正極リード２１０の一方の端部側に接続される部分である正極タブ２０５を有し、負極板２０２は、負極リード２２０の一方の端部側に接続される部分である負極タブ２０６を有する。
複数の単位セルＵＣ１～ＵＣＭの正極タブ２０５と負極タブ２０６が正極リード２１０及び負極リード２２０のそれぞれの一方の端部側に結合された状態で、電極組立体２００が電解質とともに外装材２３０内に収容される。外装材２３０の外部に露出された正極リード２１０及び負極リード２２０のそれぞれの他方の端部側がバッテリーＢの正極端子と負極端子として提供される。
図３を参照すると、電極組立体２００の第１容量異常は、複数の単位セルＵＣ１～ＵＣＭのうちのいくつかの単位セルＵＣ１、ＵＣ２の電極タブ２０５、２０６に微小なダメージ及び／または不完全断線故障が生じて、単位セルＵＣ１、ＵＣ２と電極リード２１０、２２０との間のコンタクト抵抗Ｒ１、Ｒ２が大幅に不規則的に可変となる状態である。不完全断線故障は、電極タブ２０５、２０６の切断された個所が互いに離れ合った状態を保てず、バッテリーＢの収縮－膨張に伴い、切断された個所同士の接続と離隔が流動的に生じ、接続時の接触面積もまた可変的な状態である。単位セルＵＣ１、ＵＣ２におけるコンタクト抵抗が小さく保たれる間には、すべての単位セルＵＣ１～ＵＣＭがほとんど均等に充放電されていて、コンタクト抵抗Ｒ１、Ｒ２が増加するにつれて、単位セルＵＣ１、ＵＣ２が残りの単位セルＵＣ３～ＵＣＭから脱落（断線）された状態に近づき、それにより、バッテリーＢの容量は、単位セルＵＣ１、ＵＣ２のコンタクト抵抗Ｒ１、Ｒ２に大きく依存しながら急激に増加したり減少したりする挙動を不規則的に示すことになる。例えば、バッテリーＢの膨らみによって単位セルＵＣ１、ＵＣ２の電極タブ２０５、２０６と電極リード２１０、２２０との間に大きな引っ張り力が働く間に、単位セルＵＣ１、ＵＣ２のコンタクト抵抗Ｒ１、Ｒ２が増加し、逆に、引っ張り力が次第に減るにつれて、単位セルＵＣ１、ＵＣ２のコンタクト抵抗Ｒ１、Ｒ２が減少する。
図４を参照すると、電極組立体２００の第２容量異常は、複数の単位セルＵＣ１～ＵＣＭのうちのいくつかの単位セルＵＣ１、ＵＣ２が修復不可能なように破綻された状態、すなわち、単位セルＵＣ１、ＵＣ２の完全断線故障によって単位セルＵＣ１、ＵＣ２と電極リード２１０、２２０との間の充放電電流パスが非可逆的に失われた状態に等価化される。完全断線故障は、単位セルＵＣ１、ＵＣ２の電極タブ２０５、２０６や電極板２０１、２０２が互いに再接続できないほどに離れ合った多数の個所に切断された状態であるという点で、前述した不完全断線故障とは区別される。バッテリーＢの製造中または使用中のある任意の時刻に単位セルＵＣ１、ＵＣ２による第２容量異常が生じたということは、単位セルＵＣ１、ＵＣ２が電極リード２１０、２２０から修復不可能なように脱落されたことを意味する。したがって、第２容量異常が生じた特定の時刻からは、単位セルＵＣ１、ＵＣ２は、バッテリーＢの充放電にいかなる寄与もすることができないため、バッテリーＢの容量は、単位セルＵＣ１、ＵＣ２が除かれた残りの単位セルＵＣ３～ＵＣＭの容量にのみ依存する。
演算回路１３０は、充放電データに容量推定モデルを適用して、バッテリーの満充電容量（ＦＣＣ：Ｆｕｌｌ Ｃｈａｒｇｅ Ｃａｐａｃｉｔｙ、完全充電容量、フル充電容量）を示す推定容量値を決定する手続きを周期的にまたは非周期的に繰り返し行う。すなわち、演算回路１３０は、推定容量値の経時的な変化をモニターリングする。
容量推定モデルは、充放電データを入力されて、それに対応する出力として推定容量値を提供する一種のアルゴリズムであって、色々な関数の組み合わせである。
具体的に、容量推定モデルは、（ｉ）バッテリーＢの電流時系列から、過去の一定の期間または可変期間にわたっての、バッテリーＢの充放電電流の電流積算値を演算する第１関数、（ｉｉ）バッテリーＢの電圧時系列及び／または電流時系列から、過去の一定の期間または可変期間にわたっての、バッテリーＢの開路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）を演算する第２関数、（ｉｉｉ）予め与えられたＯＣＶ－充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の関係テーブルを用いて、バッテリーＢのＯＣＶからバッテリーＢのＳＯＣを演算する第３関数、及び（ｉｖ）共通の期間に対してそれぞれ演算された、電流積算値とＳＯＣ変化値との比率からバッテリーＢの満充電容量の推定結果、すなわち、推定容量値を演算する第４関数を含んでいてもよい。下記の（数１）式は、第４関数の一例である。
Figure 2023548898000002
上記の数式において、ΔＡｈｔ１－ｔ２は、二つの時刻ｔ１、ｔ２の間の時間範囲にわたって繰り返し測定された充放電電流の電流積算値であり、ΔＳＯＣｔ１－ｔ２は、二つの時刻ｔ１、ｔ２の間の時間範囲にわたってのＳＯＣ変化値であり、ＦＣＣｔ２は、時刻ｔ２での満充電容量を示す推定容量値である。時刻ｔ１は時刻ｔ２に先行し、ΔＡｈｔ１－ｔ２の絶対値が基準積算値以上であること及び／またはΔＳＯＣｔ１－ｔ２の絶対値が基準変化値以上であることが満たされる最近の時刻であってもよい。基準積算値と基準変化値は、ΔＡｈｔ１－ｔ２及び／またはΔＳＯＣｔ１－ｔ２の絶対値が非常に小さいことに起因するＦＣＣｔ２の正確度の低下を防ぐために予め定められ得る。
電流積算値を演算するに当たって、充電電流は正数に設定され、放電電流は負数に設定され得る。時刻ｔ２は、満充電容量の演算タイミングである。満充電容量を第１時間間隔毎に繰り返し演算する場合、時刻ｔ２は、第１時間間隔でシフトされるということは当業者にとって容易に理解できる筈である。
一例を挙げると、過去の共通の期間にわたっての電流積算値とＳＯＣ変化値がそれぞれ＋１００Ａｈ［ａｍｐｅｒｅ－ｈｏｕｒ］及び＋８０％である場合、満充電容量の推定容量値は１２５Ａｈである。他の例を挙げると、過去の共通の期間にわたっての電流積算値とＳＯＣ変化値がそれぞれ－７５Ａｈ［ａｍｐｅｒｅ－ｈｏｕｒ］及び－６０％である場合、満充電容量の推定容量値もまた１２５Ａｈである。
満充電容量は、バッテリーＢに最大限に貯留可能な容量、すなわち、ＳＯＣ １００％におけるバッテリーＢの残存容量を示す。満充電容量は、バッテリーＢが退化されるにつれて、緩やかに減少することが正常である。したがって、短い時間間隔の間の満充電容量の減少量が一定のレベルを上回るということは、第１容量異常または第２容量異常の発生を示す。
図５は、バッテリーの容量異常と満充電容量との間の関係を説明する上で参照される例示的なグラフである。
図５を参照すると、カーブ５００は、正常バッテリーの満充電容量の経時的変化を例示する。理解への一助となるために、正常バッテリーの満充電容量が時間の経過とともに線形的に減少するようにカーブ５００を単純化している。
カーブ５１０は、第１容量異常と第２容量異常がこの順に生じる場合のバッテリーＢの満充電容量の経時的変化を例示する。カーブ５１０を参照すると、図３でのように、単位セルＵＣ１、ＵＣ２の微小なダメージ及び／または不完全断線故障に起因する第１容量異常が生じたバッテリーＢの満充電容量を示す。カーブ５１０において、満充電容量は、時刻ｔａ（例えば、バッテリーの出庫時刻）から時刻ｔｂまでにわたって緩やかに減少していて、時刻ｔｂから時刻ｔｃまでにわたって急減した後、時刻ｔｃから時刻ｔｄまでにわたって急増している。すなわち、時刻ｔｂから時刻ｔｃまでにおける満充電容量の減少分が時刻ｔｃから時刻ｔｄまでにわたってほとんど修復されている。これは、図３を参照して前述したように、単位セルＵＣ１、ＵＣ２のコンタクト抵抗Ｒ１、Ｒ２が時刻ｔｂから時刻ｔｃまでにおいて急増していて、時刻ｔｃから時刻ｔｄまでにわたって正常レベルに戻った結果である。
第１容量異常が長期にわたって続く場合、第２容量異常に発展（深化）され得るということである。カーブ５１０を参照すると、時刻ｔｄの後、時刻ｔｅから時刻ｔｆまでにわたって、以前の時刻ｔｂから時刻ｔｃまでと略同様に、満充電容量の急減が現れている。但し、時刻ｔｃ～ｔｄでの挙動とは対照的に、満充電容量の急減が止まった時刻ｔｆの後にも、満充電容量が正常レベルに修復できていないままで、カーブ５００と略同一の勾配を有する。これは、図４を参照して前述したように、時刻ｔｅの近くにおいて単位セルＵＣ１、ＵＣ２の完全断線故障、すなわち、第２容量異常が生じた結果である。
演算回路１３０は、カーブ５１０に伴う満充電容量、すなわち、推定容量値の経時的変化（時系列）をモニターリングして、並列接続体２００の第１容量異常及び／または第２容量異常の発生有無を判定する。すなわち、本発明に係るバッテリー診断装置は、並列接続体２００単位で本発明に係るバッテリーの異常の有無を診断する診断ロジックを行い、具体的には、前記診断ロジックに基づいて、並列接続体２００に含まれている単位セルの異常の有無を識別（または、診断）することができる。
換言すれば、本発明に係るバッテリー診断装置は、本発明の診断ロジックに基づいて、並列接続体２００を診断することにより、異常単位セルを少なくとも一つ含むか、あるいは、しきい数以上を含む並列接続体２００を識別することができ、したがって、結果的に、非正常である並列接続体２００（または、並列接続体２００の異常）を診断することができる。
具体的に、演算回路１３０は、第１時間間隔以上である第２時間間隔をおいて第１時間間隔でシフトされる、第１時刻と第２時刻での二つの推定容量値に診断ロジックを適用して、並列接続体２００の第１容量異常及び／または第２容量異常の発生有無を判定することができる。第２時刻は、第１時刻よりも第２時間間隔に見合う分だけ後行した時刻であり、第１時刻と第２時刻は、それぞれ第１時間間隔毎に第１時間間隔分ずつ増加するように演算回路１３０によって設定され得る。第１時間間隔は充放電データの収集周期（または、推定容量値の演算周期）と同じであってもよいし、第２時間間隔は第１時間間隔の整数倍（例えば、１０倍）であってもよい。
診断ロジックは、（ｉ）第１時刻での推定容量値よりも小さく、第２時刻に対する閾値容量値を決定する第１ルーチン、及び（ｉｉ）第２時刻での推定容量値を第２時刻に対する閾値容量値と比較する第２ルーチンを含んでいてもよい。
第１ルーチンにおいて、第２時刻に対する閾値容量値は、第１時刻での推定容量値から基準容量値を差し引いた結果または第１時刻での推定容量値に１未満の基準ファクターを乗算した結果と同じであってもよい。基準容量値は、バッテリーＢに含まれている複数の単位セルＵＣ１～ＵＣＭの総数ＭとバッテリーＢの設計容量（新品状態での満充電容量）を考慮して予め定められた値としてメモリー１２０に記録されていてもよい。基準ファクターは、バッテリーＢに含まれている複数の単位セルＵＣ１～ＵＣＭの総数Ｍを考慮して予め定められた値（例えば、（Ｍ－１）／Ｍ、（Ｍ－２）／Ｍ）としてメモリー１２０に記録されていてもよい。図５のカーブ５２０は、カーブ５１０に第１ルーチンを適用して演算される閾値容量値の経時的変化を例示している。
演算回路１３０は、第２時刻での推定容量値が第２時刻に対する閾値容量値未満である場合、並列接続体２００に第１容量異常と第２容量異常のうちの少なくともどちらか一方が生じたと判定することができる。
演算回路１３０は、第２時刻での推定容量値が第２時刻に対する閾値容量値未満である度に、診断カウントを１だけインクリメントさせることができる。演算回路１３０は、第２時刻での推定容量値が第２時刻に対する閾値容量値以上である度に、診断カウントを初期値（例えば、０）にリセットしたり、診断カウントを１だけデクリメントさせたりすることができる。診断カウントが閾値カウントに達する前の第２時刻での推定容量値が第２時刻に対する閾値容量値以上に修復されることに応答して、演算回路１３０は、並列接続体２００の異常の類型が第１容量異常であると判定することができる。演算回路１３０は、診断カウントが閾値カウント（例えば、５）に達したことに応答して、並列接続体２００の第２容量異常が生じたと判定することができる。
図５中、時刻ｔａ＋、ｔｂ＋、ｔｃ＋、ｔｄ＋、ｔｅ＋及びｔｆ＋は、それぞれ時刻ｔａ、ｔｂ、ｔｃ、ｔｄ、ｔｅ及びｔｆから第２時間間隔分ずつ正の方向でシフトされた時刻である。時刻ｔｘと時刻ｔｙとの間の時間範囲にわたって、カーブ５１０がカーブ５１０の下に位置している。したがって、時刻ｔｘの後から時刻ｔｙまで、診断カウントは第１時間間隔毎に１ずつインクリメントしていく。演算回路１３０は、時刻ｔｙの前に診断カウントが閾値カウントに達したことに応答して、バッテリーＢが第２容量異常と関連付けられた所定の保護機能を活性化させることができる。
図６は、本発明の一実施形態に係るバッテリー診断方法を例示的に示す手順図である。図６の方法は、第１時間間隔にて繰り返し行われ得る。
図１から図６を参照すると、ステップＳ６１０において、データ取得部は、バッテリーＢの充放電データを収集する。バッテリー管理システム１００がバッテリー診断装置として用いられる場合、センシング回路１１０及びメモリー１２０がデータ取得部に該当する。遠隔バッテリー監視器３００がバッテリー診断装置として用いられる場合、通信回路３１０及びメモリー３２０がデータ取得部に該当する。
ステップＳ６２０において、データ処理部は、バッテリーＢの満充電容量を示す推定容量値を決定する。バッテリー管理システム１００がバッテリー診断装置として用いられる場合、演算回路１３０がデータ処理部に該当する。遠隔バッテリー監視器３００がバッテリー診断装置として用いられる場合、演算回路３３０がデータ処理部に該当する。ステップＳ６２０は、ステップＳ６２２及びステップＳ６２４を含んでいてもよい。ステップＳ６２２において、データ処理部は、充放電データを容量推定モデルに入力して、バッテリーＢの電流積算値及びＳＯＣ変化値を決定する。ステップＳ６２４において、データ処理部は、バッテリーＢの電流積算値とＳＯＣ変化値との比率からバッテリーＢの満充電容量を示す推定容量値を決定する。推定容量値の時系列は、データ取得部に記録される。
ステップＳ６３０において、データ処理部は、推定容量値の経時的変化をモニターリングして、並列接続体２００の異常を検出する。ステップＳ６３０は、ステップＳ６３２、Ｓ６３４、Ｓ６３６、Ｓ６３８、及びステップＳ６３９を含んでいてもよい。ステップＳ６３２において、データ処理部は、第１時刻での推定容量値よりも小さく、第２時刻に対する閾値容量値を決定する。一例を挙げると、第２時刻は、現回の推定容量値が演算されたタイミングであり、第１時刻は、１０回前の推定容量値が演算されたタイミングであってもよい。ステップＳ６３４において、データ処理部は、第２時刻での推定容量値を第２時刻に対する閾値容量値と比較する。第２時刻での推定容量値が第２時刻に対する閾値容量値未満であることは、並列接続体２００に第１容量異常及び第２容量異常のうちの少なくともどちらか一方が生じたことを示す。ステップＳ６３４の値が「はい」である場合、ステップＳ６３６に進む。その他は、ステップＳ６３８に進み得る。ステップＳ６３６において、データ処理部は、診断カウントを１だけインクリメントさせる。ステップＳ６３８において、データ処理部は、診断カウントをリセットする。ステップＳ６３９において、データ処理部は、診断カウントが閾値カウントに達したか否かを判定する。ステップＳ６３９の値が「はい」であることは、並列接続体２００の少なくとも一つの単位セルＵＣが完全断線故障である第２容量異常が生じたと診断されたことを示す。
ステップＳ６４０において、データ処理部は、所定の保護機能を活性化させることができる。保護機能は、例えば、警告メッセージの出力、リレー２０のオフなどであってもよい。データ処理部は、推定容量値の最大の減少が現れる、第２時間間隔以下の時間間隔をおいた過去の二つの時刻（例えば、ｔｅ、ｔｆ）での二つの推定容量値から、複数の単位セルＵＣ１～ＵＣＭのうち、異常（完全断線故障）である単位セルの数を決定することができる。
異常単位セルの数は、ΔＡｈｍａｘ／（Ａｈｐ／Ｍ）よりも大きくない最大の整数と同一に決定され得る。Ａｈｐは、二つの時刻（例えば、ｔｅ、ｔｆ）のうち、先行した時刻ｔｅでの推定容量値である。ΔＡｈｍａｘは、並列接続体２００の異常が検出されたタイミングの前の二つの時刻（例えば、ｔｅ、ｔｆ）にわたっての満充電容量の最大の減少量であって、先行した時刻ｔｅでの推定容量値から後行した時刻ｔｆでの推定容量値を差し引いた結果である。例えば、Ａｈｐ＝１２２Ａｈ，ΔＡｈｍａｘ＝２７Ａｈ，Ｍ＝１０である場合、２≦２７Ａｈ／（１２２Ａｈ／１０）＜３であるため、異常単位セルの数は２に決定される。警告メッセージは、複数のバッテリーＢ１～ＢＮのうち、異常バッテリー（例えば、Ｂ１）の識別情報を含み得る。警告メッセージは、異常バッテリー（例えば、Ｂ１）の並列接続体２００に含まれている異常単位セル（例えば、ＵＣ１、ＵＣ２）の数を示すデータを含み得る。
以上説明した本発明の実施形態は、装置及び方法によってのみ実現されるものではなく、本発明の実施形態の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を介して実現されてもよい。このような実現は、上述した実施形態の記載から本発明が属する技術分野の専門家であれば容易に実現できるものである。
以上、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で様々な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
また、以上で説明した本発明は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者により、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の置換、変形及び変更が可能であるため、上述した実施形態及び添付の図面によって限定されるのではなく、様々な変形のため各実施形態の全部または一部が選択的に組み合わせられて構成され得る。
１ 電気車両
２ 車両コントローラー
１０ バッテリーパック
２０ リレー
３０ 電気負荷
４０ 充電器
１００ バッテリー管理システム
１１０ センシング回路
１２０ メモリー
１３０ 演算回路
１４０ 通信回路
３００ 遠隔バッテリー監視器
３１０ 通信回路
３２０ メモリー
３３０ 演算回路

Claims (14)

  1. 複数の単位セルの並列接続体を含むバッテリーのためのバッテリー診断装置において、
    前記バッテリーの両端にわたる電圧の経時的変化を示す電圧時系列及び前記バッテリーを介して流れる充放電電流の経時的変化を示す電流時系列を含む充放電データを収集するデータ取得部と、
    前記充放電データに基づいて、前記バッテリーの満充電容量を示す推定容量値を決定するデータ処理部と、
    を含み、
    前記データ処理部は、
    前記推定容量値の経時的変化をモニターリングして、前記並列接続体の異常を診断する、バッテリー診断装置。
  2. 前記データ処理部は、
    前記充放電データを容量推定モデルに入力して、前記バッテリーの電流積算値及びＳＯＣ変化値を決定し、前記電流積算値と前記ＳＯＣ変化値との比率から前記推定容量値を決定する、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
  3. 前記データ処理部は、
    第１時間間隔以上である第２時間間隔をおいて前記第１時間間隔でシフトされる、第１時刻と第２時刻での二つの推定容量値に基づいて、前記並列接続体の異常を診断する、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
  4. 前記データ処理部は、
    前記第１時刻での前記推定容量値よりも小さく、前記第２時刻に対する閾値容量値を決定し、
    前記第２時刻での前記推定容量値を前記閾値容量値と比較して、前記並列接続体の異常を診断する、請求項３に記載のバッテリー診断装置。
  5. 前記データ処理部は、
    前記第１時刻での前記推定容量値から基準容量値を差し引いて、前記閾値容量値を決定する、請求項４に記載のバッテリー診断装置。
  6. 前記データ処理部は、
    前記第１時刻での前記推定容量値に１未満の基準ファクターを乗算して、前記閾値容量値を決定する、請求項４に記載のバッテリー診断装置。
  7. 前記データ処理部は、
    前記第２時刻での前記推定容量値が前記閾値容量値未満である場合、診断カウントをインクリメントさせ、
    前記診断カウントが閾値カウントに達したことに応答して、前記並列接続体が異常であると診断する、請求項４に記載のバッテリー診断装置。
  8. 前記データ処理部は、
    前記並列接続体が異常であると診断された場合、前記満充電容量の最大の減少が現れる、前記第２時間間隔以下の時間間隔をおいた過去の二つの時刻での二つの推定容量値から、前記複数の単位セルのうち、異常である単位セルの数を決定する、請求項４に記載のバッテリー診断装置。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置を含む、バッテリーパック。
  10. 請求項９に記載のバッテリーパックを含む、電気車両。
  11. 複数の単位セルの並列接続体を含むバッテリーのためのバッテリー診断方法において、
    前記バッテリーの両端にわたる電圧の経時的変化を示す電圧時系列及び前記バッテリーを介して流れる充放電電流の経時的変化を示す電流時系列を含む充放電データを収集するステップと、
    前記充放電データに基づいて、前記バッテリーの満充電容量を示す推定容量値を決定するステップと、
    前記推定容量値の経時的変化をモニターリングして、前記並列接続体の異常を診断するステップと、
    を含む、バッテリー診断方法。
  12. 前記バッテリーの満充電容量を示す推定容量値を決定するステップは、
    前記充放電データを容量推定モデルに入力して、前記バッテリーの電流積算値及びＳＯＣ変化値を決定するステップと、
    前記電流積算値と前記ＳＯＣ変化値との比率から前記推定容量値を決定するステップと、
    を含む、請求項１１に記載のバッテリー診断方法。
  13. 前記並列接続体の異常を診断するステップは、
    第１時間間隔以上である第２時間間隔をおいて前記第１時間間隔でシフトされる、第１時刻と第２時刻での二つの推定容量値に基づく、請求項１１または１２に記載のバッテリー診断方法。
  14. 前記並列接続体の異常を診断するステップは、
    前記第１時刻での前記推定容量値よりも小さく、前記第２時刻に対する閾値容量値を決定するステップと、
    前記第２時刻での前記推定容量値を前記閾値容量値と比較して、前記並列接続体の異常を診断するステップと、
    を含む、請求項１３に記載のバッテリー診断方法。
JP2023528007A 2021-09-08 2022-09-06 バッテリー診断装置、バッテリー管理システム、バッテリーパック、電気車両及びバッテリー診断方法 Pending JP2023548898A (ja)

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