JP2024020493A - バッテリー管理システム、バッテリー管理方法、バッテリーパック及び電気車両 - Google Patents

バッテリー管理システム、バッテリー管理方法、バッテリーパック及び電気車両 Download PDF

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Abstract

【課題】多段定電流充電マップを用いた充電中にモニターされるバッテリーの電圧及び電流に基づいてバッテリーの動作状態に合わせて多段定電流充電マップをアップデートする。【解決手段】電気車両１において、バッテリーパック１０は、バッテリー電圧の測定のための電圧センサー１１１、バッテリー電流の測定のための電流センサー１１２と、多段定電流充電のための第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲と第１～第ｎ基準電流との対応関係が記録された充電マップを保存するメモリー部１２０及び充電開始命令に応じて、第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲のうちバッテリーＢのＳＯＣが属する第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を開始し、バッテリーのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ範囲の上限値に到達する前にバッテリー電圧が第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電圧に到達したことに応じて、第ｋ基準電圧を用いた定電圧充電に切り換える制御部１４０を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリーの充電を制御する技術に関する。
本出願は、２０２０年８月１３日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１０１９３４号に基づく優先権を主張し、該当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。
最近、ノートブックＰＣ、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増し、電気自動車、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、反復的な充放電の可能な高性能バッテリーについての研究が活発に進行しつつある。
現在、商用化した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あり、このうち、リチウムバッテリーは、ニッケル系のバッテリーに比べてメモリー効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
バッテリーを定電流充電することにおいて、充電電流の電流レートが小さい場合には、バッテリーを満充電するまで非常に長い時間が要求される。一方、充電電流の電流レートが高すぎる場合、バッテリーが速く退化する副作用がある。
上記のような問題を解決するために提案された充電プロトコールのうち一つは、充電中のバッテリーの充電状態や電圧に応じて充電電流の電流レートを段階的に調節する「多段定電流充電（ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ）」である。電流レートとは、充電電流をバッテリーの最大容量で割った値であって、「Ｃ－ｒａｔｅ」と称することもあり、単位としては「Ｃ」を使用する。多段定電流充電マップは、複数の電流レートと複数のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）範囲との対応関係が記録された少なくとも一つのデータ配列を含む。多段定電流充電マップを用いた充電段階は、バッテリーのＳＯＣが各ＳＯＣ範囲の上限値に到達する度に、次の順序の電流レートの充電電流がバッテリーに供給される過程が繰り返されることで行われる。
バッテリーが新品状態（ＢＯＬ：Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ Ｏｆ Ｌｉｆｅ）から退化していくほど、同じ電流レートによる退化が加速化し得る。
しかし、従来の多段定電流充電マップを用いた充電は、バッテリーの退化を考慮していないという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、多段定電流充電マップを用いた充電中にモニターされるバッテリー電圧及びバッテリー電流に基づいて、多段定電流充電マップをアップデートするバッテリー管理システム、バッテリー管理方法、バッテリーパック及び電気車両を提供することを目的とする。
また、本発明は、充電段階が複数のＳＯＣ範囲のうち一部のみにに対して行われたままで終了されるとしても、一部のＳＯＣ範囲の電流レートに対するアップデート結果に基づき、複数のＳＯＣ範囲のうち残りの各ＳＯＣ範囲の電流レートをアップデートするバッテリー管理システム、バッテリー管理方法、バッテリーパック及び電気車両を提供することを他の目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに理解されるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
本発明の一面によるバッテリー管理システムは、バッテリー電圧の測定の測定のための電圧センサーと、バッテリー電流の測定のための電流センサーと、多段定電流充電のための第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲と第１～第ｎ基準電流との対応関係が記録された充電マップを保存するメモリー部と、充電開始命令に応じて、前記第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲のうちバッテリーのＳＯＣが属する第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を開始し、前記定電流充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の上限値に到達する前にバッテリー電圧が前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電圧に到達したことに応じて、前記定電流充電から前記第ｋ基準電圧を用いた定電圧充電に切り換える制御部と、を含む。
前記制御部は、前記定電圧充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の前記上限値に到達したことに応じて、前記定電圧充電から第（ｋ＋１）基準ＳＯＣ範囲に対応する第（ｋ＋１）基準電流を用いた定電流充電に切り換え得る。
前記制御部は、前記定電圧充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の前記上限値に到達したことに応じて、前記定電圧充電の充電期間にわたる前記バッテリー電流の電流履歴に基づいて前記充電マップの第ｋ基準電流をアップデートし得る。
前記制御部は、前記電流履歴に基づいて前記充電期間における平均電流を決定するように構成され得る。前記制御部は、前記平均電流と同一に前記第ｋ基準電流をアップデートするように構成され得る。
前記制御部は、前記電流履歴に基づいて前記充電期間における平均電流を決定するように構成され得る。前記制御部は、前記第ｋ基準電流と第１加重値の積及び前記平均電流と第２加重値の積の和と同一に前記第ｋ基準電流をアップデートするように構成され得る。
前記第１加重値及び前記第２加重値は各々１未満の正数であり、前記第１加重値と前記第２加重値の和が１であり得る。
前記制御部は、前記第ｋ基準電流に対する前記アップデートされた第ｋ基準電流の割合に基づいて、前記第ｋ基準電流を除いた残りの各基準電流をアップデートするように構成され得る。
本発明の他面によるバッテリーパックは、前記バッテリー管理システムを含む。本発明のさらに他面による電気車両は、前記バッテリーパックを含む。
本発明のさらに他面によるバッテリー管理方法は、充電開始命令に応じて、多段定電流充電のための第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲と、第１～第ｎ基準電流との対応関係が記録された充電マップを読み出す段階と、前記第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲のうちバッテリーのＳＯＣが属する第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を開始する段階と、前記定電流充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の上限値に到達する前にバッテリー電圧が前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電圧に到達したことに応じて、前記定電流充電から前記第ｋ基準電圧を用いた定電圧充電に切り換える段階と、を含む。
前記バッテリー管理方法は、前記定電圧充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の前記上限値に到達したことに応じて、前記定電圧充電から第（ｋ＋１）基準ＳＯＣ範囲に対応する第（ｋ＋１）基準電流を用いた定電流充電に切り換える段階をさらに含み得る。
前記バッテリー管理方法は、前記定電圧充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の前記上限値に到達したことに応じて、前記定電圧充電の充電期間にわたるバッテリー電流の電流履歴に基づいて充電マップの第ｋ基準電流をアップデートする段階をさらに含み得る。
前記充電マップの前記第ｋ基準電流をアップデートする段階は、前記電流履歴に基づいて前記充電期間における平均電流を決定する段階と、前記平均電流と同一に前記第ｋ基準電流をアップデートする段階と、を含み得る。
前記バッテリー管理方法は、前記第ｋ基準電流と前記アップデートされた第ｋ基準電流との割合を決定する段階と、前記割合に基づいて、前記第ｋ基準電流を除いた残りの各基準電流をアップデートする段階と、をさらに含み得る。
本発明の実施例のうち少なくとも一つによると、多段定電流充電マップを用いた充電中にモニターされるバッテリー電圧及びバッテリー電流に基づいて多段定電流充電マップをアップデート可能である。
また、本発明の実施例の少なくとも一つによると、充電段階が複数のＳＯＣ範囲のうち一部のみに対して行われたままで終了してしまっても、一部のＳＯＣ範囲の電流レートに対するアップデート結果に基づいて、複数のＳＯＣ範囲のうち残りの各ＳＯＣ範囲の電流レートをアップデート可能である。
本発明の効果は上述した効果に制限されず、言及されていない本発明の他の効果は請求範囲の記載から当業者により明らかに理解されるだろう。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明による電気車両の構成を例示した図である。 充電マップに記録された基準ＳＯＣ範囲と基準電流との対応関係を例示した図である。 充電マップに記録された基準ＳＯＣ範囲と基準電圧との対応関係を例示した図である。 本発明の第１実施例によるバッテリー管理方法を例示したフローチャートである。 本発明の第２実施例によるバッテリー管理方法を例示したフローチャートである。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。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例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、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などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちいずれか一つを残りと区別する目的として使用され、このような用語によって構成要素が限定されることではない。
なお、明細書の全体にかけて、ある部分が、ある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、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「制御部」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示し、これはハードウェアやソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの結合せにより具現され得る。
さらに、明細書の全体に亘って、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されているとするとき、これは、「直接的に連結（接続）」されている場合のみならず、その中間に他の素子を介して「間接的に連結（接続）」されている場合も含む。
図１は、本発明による電気車両の構成を例示した図である。
図１を参照すると、電気車両１は、バッテリーパック１０、インバータ３０、電気モーター４０及び充電回路５０を含む。
バッテリーパック１０は、バッテリーＢ、スイッチ２０及びバッテリー管理システム１００を含む。
バッテリーＢは、少なくとも一つのバッテリーセルを含む。各バッテリーセルは、例えば、リチウムイオンセルなどのように反復的な充放電が可能なものであれば、その種類は特に限定されない。バッテリーＢは、バッテリーパック１０に設けられた一対の電源端子を通じてインバータ３０及び／または充電回路５０に結合し得る。
スイッチ２０は、バッテリーＢに直列で接続される。スイッチ２０は、バッテリーＢの充放電のための電流経路に設けられる。スイッチ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じて、オンオフ制御される。スイッチ２０は、コイルの磁気力によってオンオフされる機械式リレーであるか、またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のような半導体スイッチであり得る。
インバータ３０は、バッテリー管理システム１００からの命令に応じて、バッテリーＢ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４０は、例えば、三相交流モーターであり得る。電気モーター４０は、インバータ３０からの交流電力を用いて駆動する。
バッテリー管理システム１００は、バッテリーＢの充放電に関わる全般的な制御を担当し得る。
バッテリー管理システム１００は、センシング部１１０、メモリー部１２０及び制御部１４０を含む。バッテリー管理システム１００は、インターフェース部１３０及びスイッチドライバー１５０のうち少なくとも一つをさらに含み得る。
センシング部１１０は、電圧センサー１１１及び電流センサー１１２を含む。センシング部１１０は、温度センサー１１３をさらに含み得る。
電圧センサー１１１は、バッテリーＢに並列で接続され、バッテリーＢの両端にかかったバッテリー電圧を検出し、検出されたバッテリー電圧を示す電圧信号を生成するように構成される。電流センサー１１２は、電流経路を通してバッテリーＢに直列で接続される。電流センサー１１２は、バッテリーＢを通じて流れるバッテリー電流を検出し、検出されたバッテリー電流を示す電流信号を生成するように構成される。温度センサー１１３は、バッテリーＢの温度を検出し、検出された温度を示す温度信号を生成するように構成される。
メモリー部１２０は、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）、ＳＳＤタイプ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ，ソリッドステートディスクタイプ）、ＳＤＤタイプ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ ｔｙｐｅ，シリコンディスクドライブタイプ）、マルチメディアカードマイクロタイプ（ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃａｒｄ ｍｉｃｒｏ ｔｙｐｅ）、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ，ランダムアクセスメモリー）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ，スタティックランダムアクセスメモリー）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，リードオンリーメモリー）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，エレクトリカリーイレーサブルプログラマブルリードオンリーメモリー）、ＰＲＯＭ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，プログラマブルリードオンリーメモリー）の少なくとも一つのタイプの保存媒体を含み得る。メモリー部１２０は、制御部１４０による演算動作に要求されるデータ及びプログラムを保存し得る。メモリー部１２０は、制御部１４０による演算動作の結果を示すデータを保存し得る。
メモリー部１２０は、充電マップを保存している。充電マップは、バッテリー管理システム１００の出荷前にメモリー部１２０に予め保存されたものであるか、またはインターフェース部１３０を介して外部（例えば、バッテリー製造メーカー）や上位コントローラー２から受信されたものであり得る。
充電マップは、バッテリーＢの多段定電流充電のための充電段階に用いられる。充電マップには、多段定電流充電のための、第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲と、第１～第ｎ基準電流と、第１～第ｎ基準電圧との対応関係が記録されている。ｎは２以上の自然数である。後順位の基準電流は、先順位の基準電流よりも小さくてもよい。
インターフェース部１３０は、制御部１４０と上位コントローラー２（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）との間の有線通信または無線通信を支援するように構成される通信回路を含み得る。有線通信は、例えば、ＣＡＮ（ｃｏｎｔｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）通信であり、無線通信は、例えば、ジグビー（登録商標）やブルートゥース（登録商標）通信であり得る。勿論、制御部１４０と上位コントローラ２との間の有無線通信を支援するものであれば、通信プロトコールの種類は特に限定されない。インターフェース部１３０は、制御部１４０及び／または上位コントローラー２から受信された情報を使用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）を含み得る。上位コントローラー２は、バッテリー管理システム１００との通信によって収集されるバッテリー情報（例えば、電圧、電流、温度、ＳＯＣ）に基づき、インバータ３０を制御し得る。
制御部１４０は、上位コントローラー２、スイッチ２０、充電回路５０、センシング部１１０、メモリー部１２０、インターフェース部１３０及び／またはスイッチドライバー１５０に動作可能に結合し得る。二つの構成が動作可能に結合するということは、単方向または双方向に信号を送受信可能に二つの構成が直・間接的に接続されていることを意味する。
スイッチドライバー１５０は、制御部１４０及びスイッチ２０に電気的に結合する。スイッチドライバー１５０は、制御部１４０からの命令に応じて、スイッチ２０を選択的にオンオフするように構成される。制御部１４０は、充電段階の進行中に、スイッチ２０をターンオンすることをスイッチドライバー１５０に命令し得る。
制御部１４０は、センシング信号をセンシング部１１０から収集し得る。センシング信号は、同期検出された電圧信号、電流信号及び／または温度信号を指す。
制御部１４０は、ハードウェア的に、ＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ，特定用途向け集積回路 ）、ＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，デジタルシグナルプロセッサ）、ＤＳＰＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，デジタル信号処理デバイス）、ＰＬＤ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ，プログラマブルロジックデバイス）、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，フィールドプログラマブルゲートアレイ）、マイクロプロセッサ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、その他の機能遂行のための電気的ユニットの少なくとも一つを用いて具現され得る。
インターフェース部１３０は、制御部１４０と充電回路５０との双方向通信及び制御部１４０と上位コントローラー２との双方向通信を中継し得る。充電回路５０は、バッテリー管理システム１００から要請される電流レートの充電電流をバッテリーＢに供給するように構成される。充電回路５０は、バッテリー管理システム１００から要請される電圧レベルを有する充電電圧をバッテリーＢに供給するように構成され得る。制御部１４０は、インターフェース部１３０を介して充電開始命令を受信したことに応じて、充電マップを用いた充電段階を開始するように構成される。制御部１４０は、インターフェース部１３０を介して充電中断命令を受信したことに応じて、充電マップを用いた充電段階を終了し得る。
制御部１４０は、センシング信号に基づいてバッテリーＢのＳＯＣを決定し得る。ＳＯＣを決定することにおいて、ＯＣＶ（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）－ＳＯＣ曲線、アンペアカウンティング、カルマンフィルターなどのような公知のアルゴリズムが用いられ得る。
図２は、充電マップに記録された基準ＳＯＣ範囲と基準電流との対応関係を例示した図であり、図３は、充電マップに記録された基準ＳＯＣ範囲と基準電圧との対応関係を例示した図である。説明の便宜のために、図２及び図３においては、ｎ＝４、即ち、充電マップが、４個の基準ＳＯＣ範囲と、４個の基準電流と、４個の基準電圧との対応関係を定義することに示した。
図２に示した第１電流プロファイル２１０は、新品状態であるバッテリーＢのための、第１～第４基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１～ΔＳＯＣ４と第１～第４基準電流Ｉ１～Ｉ４との対応関係を示す。第１電流プロファイル２１０は、データテーブルなどのフォーマットで充電マップに記録され得る。ｋはｎ以下の自然数とするとき、Ｓｋは第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋの上限値である。ｍがｎ未満の自然数とするとき、Ｓｍは、第ｍ＋１基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｍ＋１の下限値と同一である。例えば、Ｓ１は、Ｓ２を上限値として有する第２基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ２の下限値である。第１基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１の下限値Ｓ０は、０％であり得る。
制御部１４０は、バッテリーＢのＳＯＣが第ｍ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｍ内である場合、第ｍ基準電流Ｉｍを用いた定電流充電を充電回路５０に命令し得る。
制御部１４０は、第ｍ基準電流Ｉｍを用いた定電流充電中に、バッテリーＢの ＳＯＣが第ｍ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｍの上限値Ｓｍに到達する場合、第ｍ＋１基準電流Ｉｍ＋１を用いた定電流充電を充電回路５０に命令し得る。
制御部１４０は、第ｎ基準電流Iｎを用いた定電流充電中に、バッテリーＢの ＳＯＣが第ｎ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｎの上限値Ｓｎに到達する場合、定電圧充電を充電回路５０に命令し得る。これによって、充電マップを用いた多段定電流充電が終了し、定電圧充電に切り換えられ得る。
図３に示した第１電圧プロファイル３１０は、新品状態であるバッテリーＢのための、第１～第４基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１～ΔＳＯＣ４と第１～第４基準電圧Ｖ１～Ｖ４との対応関係を示す。第１電圧プロファイル３１０は、データテーブルなどのフォーマットで充電マップに記録され得る。Ｖｋは、新品状態であるバッテリーＢのＳＯＣが第ｋ基準電流Ｉｋによって第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋの上限値Ｓｋに到達したときのバッテリー電圧を示す基準電圧として予め決められたものである。
一方、前述したように、バッテリーＢが次第に退化していくにつれ、新品状態に比べて同じ大きさの充電電流による電圧上昇が速くなる。これによって、充電マップの第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電中に、バッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したというのは、バッテリーＢが新品状態に比べて退化したことを示す。図３に示した第２電圧プロファイル３２０は、第１～第４基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１～ΔＳＯＣ４に対して第１～第４基準電流Ｉ１～Ｉ４を順次に用いて、退化したバッテリーＢを定電流充電する過程を通じてモニターされたバッテリー電圧の変化を示す。第２電圧プロファイル３２０を参照すると、Ｖ１ｋは、退化したバッテリーＢのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋの上限値Ｓｋに到達したときのバッテリー電圧であって、第ｋ基準電圧Ｖｋより大きいことを確認することができる。即ち、Ｖ１１＞Ｖ１、Ｖ１２＞Ｖ２、Ｖ１３＞Ｖ３、Ｖ１４＞Ｖ４である。
第ｋ基準電圧Ｖｋは、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電が許容される最大電圧であるため、第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋ内でバッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋを超過することによって、バッテリーＢの退化が加速化し得る。したがって、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電中に、バッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達した場合、バッテリーＢの退化を抑制するために充電電流の大きさを第ｋ基準電流Ｉｋよりも小さく調節する必要がある。
図２に示した第２電流プロファイル２２０及び図３に示した第３電圧プロファイル３３０は、本発明によるバッテリー管理方法を適用し、退化したバッテリーＢを充電する過程を通じてモニターされたバッテリー電流及びバッテリー電圧の各々時系列、即ち、充電中の経時的な変化履歴を示す。
第３電圧プロファイル３３０を参照すると、制御部１４０は、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電中に、設定時間（例えば、０．００１秒）毎に、バッテリー電圧、バッテリー電流及びバッテリーＳＯＣをモニターする。制御部１４０は、バッテリーＢのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋの上限値Ｓｋに到達する前にバッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したことに応じて、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電から第ｋ基準電圧Ｖｋを用いた定電圧充電へ切り換え得る。これによって、バッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したときからバッテリーＢのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋの上限値Ｓｋに到達するまで、バッテリーＢは、第ｋ基準電圧Ｖｋで定電圧充電される。第２電流プロファイル２２０を参照すると、第ｋ基準電圧Ｖｋを用いた定電圧充電の間、バッテリー電圧が次第に増加することによってバッテリー電流は次第に減少する。
例えば、Ｓ１～Ｚ２％のＳＯＣ範囲にわたって第２基準電流Ｉ２を用いた定電流充電が行われ、その後、Ｚ２～Ｓ２％のＳＯＣ範囲（第２定電圧充電範囲）にわたってバッテリーＢのバッテリー電圧は、第２基準電圧Ｖ２と同一に維持された状態で定電圧充電される。また、バッテリーＢの第２基準電圧Ｖ２による定電圧充電中に、バッテリー電流は、第２基準電流Ｉ２から次第に小さくなることを第２電流プロファイル２２０から確認し得る。
制御部１４０は、第１～第４基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１～ΔＳＯＣ４のうち少なくとも一つに対する充電段階が順次に行われる間にモニターされた、バッテリー電圧及びバッテリー電流に基づき、図２の第１電流プロファイル２１０及び図３の第１電圧プロファイル３１０を含む充電マップをアップデートし得る。
具体的には、制御部１４０は、第ｋ定電圧充電範囲Ｚｋ～Ｓｋの充電期間である第ｋ定電圧充電期間にわたってモニターされたバッテリー電流の時系列（「電流履歴」と称し得る。）から、第ｋ平均電流を決定し得る。第ｋ平均電流は、第ｋ定電圧充電期間において設定時間毎に反復的にセンシングされたバッテリー電流の平均であり得る。したがって、第ｋ平均電流は、第ｋ基準電流Ｉｋより小さい。
続いて、制御部１４０は、第ｋ平均電流に基づいて充電マップの第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。図２の第３電流プロファイル２３０の電流Ｉ１１～Ｉ１４は各々、充電マップの基準電流Ｉ１～Ｉ４をアップデートした結果であり得る。
制御部１４０は、第ｋ基準電流Ｉｋを第ｋ平均電流と同一にアップデートし得る。例えば、図２を参照すると、第２基準電流Ｉ２＝１２０Ａ、第２平均電流＝１００Ａである場合、１２０Ａの第２基準電流Ｉ２はそれより小さい１００ＡのＩ１２に変更される。
または、制御部１４０は、第ｋ基準電流Ｉｋと第１加重値の積及び第ｋ平均電流と第２加重値の積の和と同一に第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。第１加重値及び第２加重値は各々１未満の正数であり、第１加重値と第２加重値の和は１であり得る。例えば、第２基準電流Ｉ２＝１２０Ａ、第２平均電流＝１００Ａ、第１加重値＝０．４、第２加重値＝０．６である場合、１２０Ａの第２基準電流Ｉ２はそれより小さい１０８ＡのＩ１２に変更されて充電マップに記録され得る。
一方、前述したバッテリー管理方法による充電段階は、全ての基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１～ΔＳＯＣ４各々に対して順次に行われないままで終了される場合が頻繁である。例えば、バッテリーＢが完全放電する前に充電が開始されるか、または定電流充電から定電圧充電に切り換えられる前に車両使用者が充電ケーブルを電気車両１から分離することがある。このような場合、前述したことによって充電段階が行われた一部の基準ＳＯＣ範囲に対応する基準電流のアップデートは可能である一方、残りの基準ＳＯＣ範囲に対応する基準電流はアップデートされないことがある。
前記のような問題点を解決するために、制御部１４０は、バッテリーＢのＳＯＣがＳ０より大きいときから充電が開始されるか、またはバッテリーＢのＳＯＣがＳ４より小さいときに充電が終了する場合、全ての基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１～ΔＳＯＣ４のうち少なくとも一つの基準ＳＯＣ範囲に対するアップデート情報に基づいて、残りの各基準ＳＯＣ範囲に関わる基準電流をアップデートし得る。
第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋに対応する第ｋ基準電流Ｉｋのみが前述したバッテリー管理方法によってＩ１ｋにアップデートされたと仮定する。制御部１４０は、Ｉｋに対するＩ１ｋの割合を決定した後、決定された割合に基づいて残りの各基準電流をアップデートし得る。例えば、第２基準電流Ｉ２が１２０Ａから１００Ａにアップデートされた場合、制御部１４０は、第１基準電流Ｉ１、第３基準電流Ｉ３及び第４基準電流Ｉ４に各々１００／１２０＝５／６を掛け、第１基準電流Ｉ１、第３基準電流Ｉ３及び第４基準電流Ｉ４をアップデートし得る。
ｉ及びｊが各々自然数であり、ｉ≦ｊであり、ｉが２以上であり、ｊはｎ未満であると仮定する。第ｉ～第ｊ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｉ～ΔＳＯＣｊに対応する第ｉ～第ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊのみがバッテリー管理方法（図４参照）によってＩｉ～ＩｊからＩ１ｉ～Ｉ１ｊに各々アップデートされたままで充電段階が終了し得る。そうすると、制御部１４０は、下記の数式を用いて残りの各基準電流をアップデートできる。
Figure 2024020493000002
前記数式において、ｘは、ｉ～ｊを除いたｎ以下の自然数であり、Ｉｘは、アップデート前の基準電流であり、Ｉ１ｘは、アップデートされた基準電流である。μａｖｇは、第ｉ～第ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊに対する第ｉ～第ｊアップデートされた基準電流Ｉ１ｉ～Ｉ１ｊの平均の割合である。
一例で、ｉ＝２、ｊ＝３、ｎ＝４、ｉ１＝１５０Ａ、ｉ２＝１２０Ａ、ｉ１２＝１００Ａ、ｉ３＝１１０Ａ、ｉ１３＝９５Ａ、ｉ４＝９０Ａである場合、ｉ１１＝ｉ１×１／２×｛１００／１２０＋９５／１１０｝Ａ≒１２７Ａであり、ｉ１４＝ｉ４×１／２×｛１００／１２０＋９５／１１０｝Ａ≒７６Ａである。
図４は、本発明の第１実施例によるバッテリー管理方法を例示したフローチャートである。
図１～図４を参照すると、段階Ｓ４１０で、制御部１４０は、充電開始命令に応じて、第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１～ΔＳＯＣｎと、第１～第ｎ基準電流Ｉ１～Ｉｎと、第１～第ｎ基準電圧Ｖ１～Ｖｎとの対応関係が記録された充電マップ２１０、３１０をメモリー部１２０から読み込む。
段階Ｓ４２０で、制御部１４０は、第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ１～ΔＳＯＣｎのうちバッテリーＢのＳＯＣが属する第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋを選択する。例えば、バッテリーＢのＳＯＣがＳ１以上Ｓ２未満である場合、第２基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣ２が選択される。
段階Ｓ４３０で、制御部１４０は、第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋに対応する第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電を開始する。
段階Ｓ４４０で、制御部１４０は、バッテリーのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋの上限値Ｓｋに到達する前に、バッテリー電圧が第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋに対応する第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したか否かを判定する。段階Ｓ４４０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４５０へ進む。
段階Ｓ４５０で、制御部１４０は、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電から第ｋ基準電圧Ｖｋを用いた定電圧充電に切り換える。
段階Ｓ４６０で、制御部１４０は、バッテリーのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋの上限値Ｓｋに到達したか否かを判定する。段階Ｓ４６０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４７０へ進む。
段階Ｓ４７０で、制御部１４０は、第ｋ基準電圧Ｖｋを用いた定電圧充電の充電期間にわたるバッテリー電流の電流履歴に基づいて充電マップの第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートする。
段階Ｓ４８０で、制御部１４０は、第ｋ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｋが第ｎ基準ＳＯＣ範囲ΔＳＯＣｎであるか否かを判定する。即ち、制御部１４０は、バッテリーＢのＳＯＣが充電マップが規定する多段定電流充電の最大ＳＯＣ Ｓｎに到達したか否かを判定する。段階Ｓ４８０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ４２０へ戻る。段階Ｓ４８０の値が「はい」である場合、図４の方法は終了する。
参考で、アップデート条件が満たされない状態で、充電開始命令が受信された場合、図４の方法から段階Ｓ４４０～Ｓ４７０は省略し得る。
図４の方法は、所定のアップデート条件が満たされた状態で、充電開始命令に応じて開始され得る。アップデート条件は、充電マップ２１０、３１０のアップデートが無駄に頻繁に施されないようにするためである。バッテリーＢの退化度が一定の水準以上に増加したことを示すこととして、例えば、バッテリーＢの累積容量（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ）が前回のアップデート時点における累積容量よりも第１臨界値（例えば、１００Ａｈ［ａｍｐｅｒｅ－ｈｏｕｒ］）以上増加、バッテリーＢのサイクル回数が前回のアップデート時点におけるサイクル回数よりも第２臨界値（例えば、５０回）以上増加、バッテリーＢの容量維持率が前回のアップデート時点における容量維持率（ｃａｐａｃｉｔｙ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｒａｔｅ）よりも第３臨界値（例えば、５％）以上減少、前回のアップデート時点から臨界時間（例えば、一ヶ月）以上の結果などであり得る。
図５は、本発明の第２実施例によるバッテリー管理方法を例示するフローチャートである。図５の方法は、第１～第ｎ基準電流Ｉ１～Ｉｎのうち第ｉ～ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊのみが図４の方法によってアップデートされた場合、残りの各基準電流をアップデートするのに用いられ得る。即ち、図５の方法は、バッテリーＢが第４の方法によってＳ０～Ｓｎの全体ＳＯＣ範囲のうち一部（例えば、図２のＺ１～Ｓ３）のみに対して充電された場合に行われ得る。前述したように、ｉ及びｊは各々自然数であり、ｉ＜ｊであり、ｉは２以上であるか、ｊはｎ未満である。
段階Ｓ５１０で、制御部１４０は、第ｉ～第ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊに対する第ｉ～第ｊアップデートされた基準電流Ｉ１ｉ～Ｉ１ｊの平均割合を演算する（上記数式のμａｖｇ参照）。
段階Ｓ５２０で、制御部１４０は、第１～第ｎ基準電流Ｉ１～Ｉｎのうち、第ｉ～第ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊを除いた各基準電流に平均割合を掛け、各基準電流をアップデートする。
以上で説明した本発明の実施例は、必ずしも装置及び方法を通じて具現されることではなく、本発明の実施例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通じて具現され得、このような具現は、本発明が属する技術分野における専門家であれば、前述した実施例の記載から容易に具現できるはずである。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ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多様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、上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるため、上述の実施例及び添付された図面によって限定されず、多様な変形が行われるように各実施例の全部または一部を選択的に組み合わせて構成可能である。

Claims (14)

  1. バッテリー電圧の測定のための電圧センサーと、
    バッテリー電流の測定のための電流センサーと、
    多段定電流充電のための第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲と第１～第ｎ基準電流との対応関係が記録された充電マップを保存するメモリー部と、
    充電開始命令に応じて、前記第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲のうちバッテリーのＳＯＣが属する第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を開始し、前記定電流充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の上限値に到達する前にバッテリー電圧が前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電圧に到達したことに応じて、前記定電流充電から前記第ｋ基準電圧を用いた定電圧充電に切り換える制御部と、を含む、バッテリー管理システム。
  2. 前記制御部は、
    前記定電圧充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の前記上限値に到達したことに応じて、前記定電圧充電から第（ｋ＋１）基準ＳＯＣ範囲に対応する第（ｋ＋１）基準電流を用いた定電流充電に切り換える、請求項１に記載のバッテリー管理システム。
  3. 前記制御部は、
    前記定電圧充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の前記上限値に到達したことに応じて、前記定電圧充電の充電期間にわたる前記バッテリー電流の電流履歴に基づいて前記充電マップの第ｋ基準電流をアップデートする、請求項１に記載のバッテリー管理システム。
  4. 前記制御部は、
    前記電流履歴に基づいて前記充電期間における平均電流を決定し、
    前記平均電流と同一に前記第ｋ基準電流をアップデートする、請求項３に記載のバッテリー管理システム。
  5. 前記制御部は、
    前記電流履歴に基づいて前記充電期間における平均電流を決定し、
    前記第ｋ基準電流と第１加重値の積及び前記平均電流と第２加重値の積の和と同一に前記第ｋ基準電流をアップデートする、請求項３に記載のバッテリー管理システム。
  6. 前記第１加重値及び前記第２加重値は各々１未満の正数であり、前記第１加重値と前記第２加重値の和が１である、請求項５に記載のバッテリー管理システム。
  7. 前記制御部は、
    前記第ｋ基準電流に対する前記アップデートされた第ｋ基準電流の割合に基づいて、前記第ｋ基準電流を除いた残りの各基準電流をアップデートする、請求項３に記載のバッテリー管理システム。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の前記バッテリー管理システムを含む、バッテリーパック。
  9. 請求項８に記載の前記バッテリーパックを含む、電気車両。
  10. バッテリー管理方法であって、
    充電開始命令に応じて、多段定電流充電のための第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲と、第１～第ｎ基準電流との対応関係が記録された充電マップを読み出す段階と、
    前記第１～第ｎ基準ＳＯＣ範囲のうちバッテリーのＳＯＣが属する第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を開始する段階と、
    前記定電流充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の上限値に到達する前にバッテリー電圧が前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲に対応する第ｋ基準電圧に到達したことに応じて、前記定電流充電から前記第ｋ基準電圧を用いた定電圧充電に切り換える段階と、を含む、バッテリー管理方法。
  11. 前記定電圧充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の前記上限値に到達したことに応じて、前記定電圧充電から第（ｋ＋１）基準ＳＯＣ範囲に対応する第（ｋ＋１）基準電流を用いた定電流充電に切り換える段階をさらに含む、請求項１０に記載のバッテリー管理方法。
  12. 前記定電圧充電中に、前記バッテリーのＳＯＣが前記第ｋ基準ＳＯＣ範囲の前記上限値に到達したことに応じて、前記定電圧充電の充電期間にわたる前記バッテリーの電流の電流履歴に基づいて前記充電マップの第ｋ基準電流をアップデートする段階をさらに含む、請求項１０に記載のバッテリー管理方法。
  13. 前記充電マップの前記第ｋ基準電流をアップデートする段階は、
    前記電流履歴に基づいて前記充電期間における平均電流を決定する段階と、
    前記平均電流と同一に前記第ｋ基準電流をアップデートする段階と、を含む、請求項１２に記載のバッテリー管理方法。
  14. 前記第ｋ基準電流と前記アップデートされた第ｋ基準電流との割合を決定する段階と、
    前記割合に基づいて、前記第ｋ基準電流を除いた残りの各基準電流をアップデートする段階と、をさらに含む、請求項１２に記載のバッテリー管理方法。
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