JP2024029001A - バッテリーセルの異常判断装置及び方法 - Google Patents

バッテリーセルの異常判断装置及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】バッテリーセル単位で容量及び電圧を測定し、バッテリー容量の劣化の有無を誤差なしに正確に測定すること。【解決手段】本発明は、バッテリーセルに流れる電流により発生した磁場を測定する磁場測定部；及び、磁場測定部で測定された磁場により算出された電流を用いてバッテリーセルの容量を算出する制御部を含み、制御部は、バッテリーセルの容量を用いてバッテリーセルの異常を判断するバッテリーセルの異常判断装置を含む。【選択図】図３

Description

［関連出願の相互参照］
本発明は、２０１９年２月１４日に出願された韓国特許出願第１０－２０１９－００１７２７７号に基づく優先権の利益を主張し、上記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、バッテリーセルの異常判断装置及び方法に関する。
最近、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電池などと、最近のリチウムイオン電池を全て含む意味である。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電池などに比べて、エネルギー密度が遥かに高いという長所がある。また、リチウムイオン電池は、小型・軽量で製作できることから、移動機器の電源として用いられる。また、リチウムイオン電池は、電気自動車の電源へまで使用範囲が拡張され、次世代の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、一般的に複数個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。そして、バッテリーパックは、バッテリー管理システムによって状態及び動作が管理及び制御される。
ここで、電気自動車及びＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）などの応用分野では、多数のバッテリーセルを直列連結する方式で用いて高い電圧を確保している。そして、多数のバッテリーセルを含んでいるバッテリーパックでは、電流センサ１つを用いて充放電電流を測定している。
このような場合、バッテリーパック全体の容量または内部抵抗を介してバッテリーの劣化の程度を算出するので、特定のバッテリーセルの容量異常またはその他の内部異常を判断することができない。
また、バッテリーパックの容量と劣化の程度を判断するとき、バッテリーセル単位では測定されないので、その誤差が大きくなるのが避けられない。
本発明は、バッテリーセル単位で容量及び電圧を測定し、バッテリー容量の劣化の有無を誤差なしに正確に測定することを目的とする。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置は、バッテリーセルに流れる電流により発生した磁場を測定する磁場測定部；及び、磁場測定部で測定された磁場により算出された電流を用いてバッテリーセルの容量を算出する制御部を含み、制御部は、バッテリーセルの容量を用いてバッテリーセルの異常を判断する。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置は、バッテリーセルに流れる電流により発生した磁場を収集する磁場シールド部をさらに含む。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置は、バッテリーセルの生産当時の容量を記憶する記憶部をさらに含む。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置において、制御部は、電流を第１時間の間累積積算させてバッテリーセルの容量を計算する。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置において、制御部は、バッテリーセルの容量とバッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超える場合、バッテリーセルの容量が劣化したと判断する。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置は、バッテリーセルの電圧を測定する電圧測定部；をさらに含み、記憶部は、バッテリーセルの生産当時のフル充放電時間をさらに記憶し、制御部は、バッテリーセルの電圧を用いてバッテリーセルのフル充放電到達時間を算出し、測定されたバッテリーセルのフル充放電到達時間と、バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定された臨界値を超える場合、バッテリーセルの内部抵抗が上昇したと判断する。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置において、磁場測定部及び磁場シールド部は、バッテリーセルの負極または正極のうちいずれか一つに設けられる。
本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置において、バッテリーセルの異常判断装置は、エネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ）用または車両用バッテリーセルに用いられる。
本発明の他の実施形態によるバッテリーパックは、直列に連結される複数のバッテリーセル；及び、それぞれのバッテリーセルに設けられるバッテリーセルの異常判断装置を含み、バッテリーセルの異常判断装置は、それぞれ連結されたバッテリーセルに流れる電流を測定する電流測定部；及び、電流を用いてバッテリーセルの容量を算出する制御部を含み、制御部は、バッテリーセルの容量を用いてバッテリーセルの異常を判断する。
本発明の他の実施形態によるバッテリーパックにおいて、電流測定部は、バッテリーセルに流れる電流により生成された磁場を用いて電流を測定する。
本発明の他の実施形態によるバッテリーパックにおいて、バッテリーセルの異常判断装置は、バッテリーセルの生産当時の容量を記憶する記憶部をさらに含む。
本発明の他の実施形態によるバッテリーパックにおいて、制御部は、電流を第１時間の間累積積算させてバッテリーセルの容量を計算する。
本発明の他の実施形態によるバッテリーパックにおいて、制御部は、バッテリーセルの容量とバッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超える場合、バッテリーセルの容量が劣化したと判断する。
本発明の他の実施形態によるバッテリーパックにおいて、バッテリーセルの電圧を測定する電圧測定部をさらに含み、記憶部は、バッテリーセルの生産当時のフル充放電時間をさらに記憶し、制御部は、バッテリーセルの電圧を用いてバッテリーセルのフル充放電到達時間を算出し、測定されたバッテリーセルのフル充放電到達時間と、バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定された臨界値を超える場合、バッテリーセルの内部抵抗が上昇したと判断する。
本発明の他の実施形態によるバッテリーパックにおいて、電流測定部は、バッテリーセルの負極または正極のうちいずれか一つに設けられる。
本発明の他の実施形態によるバッテリーパックにおいて、バッテリーパックは、ＥＳＳ用または車両用バッテリーパックである。
本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法は、バッテリーセルに流れる電流により発生した磁場を測定する段階；測定された磁場から導出された電流を累積積算させてバッテリーセルの容量を測定する段階；及び、測定されたバッテリーセルの容量を用いてバッテリーセルの異常を判断する段階を含む。
本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法において、バッテリーセルの電圧を測定する段階をさらに含み、測定されたバッテリーセルの電圧を用いてバッテリーセルのフル充放電到達時間を算出する段階；バッテリーセルのフル充放電到達時間とバッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定された臨界値を超えるのか否かを判断する段階；及び、バッテリーセルのフル充放電到達時間とバッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定された臨界値を超えると、バッテリーセルの内部抵抗が上昇したと判断する段階をさらに含む。
本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法において、バッテリーセルの容量とバッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超えると、バッテリーセルの容量が劣化したと判断する段階をさらに含む。
本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法において、バッテリーセルの内部抵抗が上昇したか、バッテリーセルの容量が劣化したと判断される場合、外部にバッテリーセルの内部抵抗上昇信号またはバッテリーセルの容量劣化信号を伝送する段階をさらに含む。
本発明の実施形態によれば、バッテリーセル単位で容量及び電圧を測定し、バッテリーセルの容量の劣化と内部抵抗の上昇の有無をより正確に判断することができるという効果を達成できるようになる。
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。 バッテリーモジュール内のバッテリーセルの簡略な構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置の具現例を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置の具現例を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置の具現例を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法のフローチャートである。 本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法のフローチャートである。 本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置の構成を示す図である。 本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法のフローチャートである。 本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムのハードウェアの構成を示すブロック図である。
以下、本発明の多様な実施形態が図を参照しつつ記載される。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の実施形態の多様な変更（ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、均等物（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ）、及び／又は代替物（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ）を含むものとして理解されなければならない。図の説明と関連し、類似の構成要素に対しては類似の参照符号が用いられ得る。
本文書で用いられた用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであり、他の実施形態の範囲を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味を有しない限り、複数の表現を含む。技術的や科学的な用語を含め、ここで用いられる全ての用語は、本発明の技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同一の意味を有することができる。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また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、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。
また、本発明の実施形態の構成要素の説明において、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を用いてよい。このような用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものに過ぎず、その用語によって上記構成要素の本質や順番又は順序等は限定されない。ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されると記載された場合、その構成要素はその他の構成要素に直接的に連結されるか、接続されてもよいが、各構成要素の間にまた他の構成要素が「連結」、「結合」または「接続」されてもよいと理解されなければならない。
図１は、本発明の一実施形態によ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とを含むバッテリー制御システムの構成を概略的に示す図である。
図１に示すように、バッテリーパック１は一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１０と、バッテリーモジュール１０の＋端子側または－端子側に直列に連結されてバッテリーモジュール１０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、温度などをモニタリングし、過充電及び過放電など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２０とを含む。
ここで、スイッチング部１４は、バッテリーモジュール１０の充電または放電に対する電流の流れを制御するための半導体スイッチング素子であって、例えば、少なくとも一つのＭＯＳＦＥＴが用いられてよい。
また、ＢＭＳ２０は、バッテリーパック１の電圧、電流、温度などをモニタリングするため、半導体スイッチング素子のゲート、ソース及びドレーンなどの電圧及び電流を測定するか計算することができ、さらに、半導体スイッチング素子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、温度などを測定することができる。ＢＭＳ２０は、前述した各種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、これら端子と連結されて入力を受けた値の処理を行う回路などを含むことができる。
また、ＢＭＳ２０は、スイッチング素子１４、例えば、ＭＯＳＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦを制御することもでき、バッテリーモジュール１０に連結されてバッテリーモジュール１０の状態を監視することができる。
上位制御器２は、ＢＭＳ２０にバッテリーモジュールに対する制御信号を伝送することができる。これによって、ＢＭＳ２０は、上位制御器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は、ＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）または車両などに用いられるバッテリーパックに含まれた構成であってよい。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ＢＭＳ２０の構成は公知の構成なので、より具体的な説明は省略する。
一方、本発明の実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置は、バッテリーモジュール１０内に直列に連結される複数のバッテリーセルそれぞれに連結されてバッテリーセルの異常を判断する。センサ１２を用いてバッテリーモジュール１０自体の電流、電圧、温度を測定してバッテリーモジュール１０全体の容量劣化の有無を測定したりもするが、これはバッテリーセル単位で容量劣化の有無を測定できないため正確な測定が困難である。したがって、以下では、バッテリーセル単位の容量劣化の有無の測定が可能なバッテリーセルの異常判断装置を検討してみる。
図２は、バッテリーモジュール内のバッテリーセルの簡略な構成を示す図である。
バッテリーモジュール１０内には、複数のバッテリーセルが直列／並列に連結されている。
一般に、バッテリーモジュール１０は、モジュールハウジングの下面に熱伝導性の高い材質からなるパックトレイが設けられる。このようなパックトレイは、バッテリーセルアセンブリーのそれぞれのセルで発生した熱を吸収することができる。
このようなバッテリーセルの負極電極端子及び正極端子側にバッテリーセルの異常判断装置が配置される。バッテリーセルの異常判断装置に対しては、下記図３から図４ｃでさらに詳しく説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置３００の構成を示す図である。
バッテリーセルの異常判断装置３００は、バッテリーセルの負極端子と正極端子に亘って配置されてよい。特に、バッテリーセルの異常判断装置３００は、バッテリーセルから外部に導出される負極タブまたは正極タブのうちいずれか一方に配置されてよい。このようなバッテリーセルの異常判断装置３００は、磁場シールド部３０１、磁場測定部３０２、電圧測定部３０４、温度測定部３０６、制御部３０８、記憶部３１０及び通信部３１２を含む。
磁場シールド部３０１は、バッテリーセル単位でバッテリーセルの電流を測定するために、バッテリーセルに流れる磁場を集める。磁場シールド部３０１は、バッテリーセルに電流が流れる際に発生する磁場を正確に測定するため、バッテリーセルの少なくとも一部を囲むように形成されてよい。具体的には、磁場シールド部３０１は、例えば、バッテリーセルのタブ（正極または負極）の下部側及びバッテリーセルの側面部を囲むように形成されてよい。このとき、磁場シールド部３０１は、バッテリーセルのタブと一定の距離を置いて形成される。
磁場測定部３０２は、バッテリーセルに電流が流れるとき、発生するバッテリーセル周辺の磁場を測定する。バッテリーセル周辺に発生した磁場は、磁場シールド部３０１によって遮蔽され得る。測定された磁場を用いて、例えば、ビオ・サバールの法則（Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ ｌａｗ）などによりバッテリーセルの電流を間接的に算出することができる。例えば、磁場測定部３０２で測定された磁場の強度を制御部３０８で受信し、制御部３０８は、リアルタイムで上記バッテリーセルに流れる電流を算出することができる。そして、リアルタイムで算出されたバッテリーセルに流れる電流を一定時間で累積させた値を上記バッテリーセルの容量として導出することができる。ここで、一定時間は、例えば、１Ｃ－ｒａｔｅ放電基準時間として１時間程度であってよい。
電圧測定部３０４は、バッテリーセルの電圧を測定する。電圧測定部３０４は、バッテリーセルの電圧を測定するので、バッテリーセルの負極端子と正極端子（タブ間）に亘って配置される。電圧測定部３０４によって測定されたバッテリーセルの電圧は、制御部３０８に伝送される。電圧測定部３０４からバッテリーセルの電圧を受信した制御部３０８は、上記バッテリーセルの電圧を用いてバッテリーセルのフル（ＦＵＬＬ）充放電到達時間を算出する。ここで、フル充放電到達時間とは、バッテリーセルの完全放電状態からバッテリーセルの完全充電状態に至るまでの時間である。
温度測定部３０６は、バッテリーセルの温度を測定することができる。温度測定部３０６は、例えば、サーミスタであってよいが、これに限定されない。バッテリーセルは、温度に応じてバッテリー充電状態値（ＳＯＣ）が変更され得る。したがって、電流によるバッテリーセルの容量を算出するとき、バッテリーセルの温度も参考にしてバッテリーセルの容量を算出することができる。バッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量の変化は、予め実験により決定されたバッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量を参照テーブルとして用いて算出することができる。
制御部３０８は、磁場測定部３０２で受信されたバッテリーセルの磁場値を用いてバッテリーセルのリアルタイム電流を算出する。また、制御部３０８は、算出されたバッテリーセルの電流を一定時間累積させてバッテリーセルの容量を計算する。このとき、制御部３０８は、温度測定部３０６で測定された温度を用いてバッテリーセルの容量計算に反映することができる。予め実験を介して決定されたバッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量変化参照テーブルをバッテリーセルの容量計算時に用いることができる。
また、制御部３０８は、導出されたバッテリーセルの容量と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量とを比較する。バッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量は、生産当時に測定されたバッテリーセルの容量値が記憶部３１０に記憶されている。制御部３０８は、導出されたバッテリーセルの容量と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量との差が予め設定されている臨界値を超えると、上記バッテリーセルの容量が劣化したものと判断する。
また、制御部３０８は、電圧測定部３０４で測定された電圧を用いて上記バッテリーセルのフル充放電到達時間を算出する。制御部３０８は、算出されたバッテリーセルのフル充放電到達時間と、上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えると、上記バッテリーセルの内部抵抗の上昇により上記バッテリーセルが劣化したものと判断する。
記憶部３１０は、バッテリーセルの異常判断装置がそれぞれ連結されているバッテリーセルの識別情報（ＩＤ）を記憶する。また、記憶部３１０は、上記バッテリーセルの生産初期容量を記憶する。生産初期容量は、出荷当時のバッテリーセルの容量である。また、記憶部３１０には、生産当時のバッテリーセルの電流による容量テーブルまたは上記バッテリーセルの電圧による容量テーブルが記憶されてもよい。また、記憶部３１０には上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間情報を記憶する。
通信部３１２は、制御部３０８の制御によって外部装置、例えば、バッテリーモジュールに連結されているバッテリー管理システムに、上記バッテリーセルの識別情報とともにバッテリーセル容量劣化信号またはバッテリーセル内部抵抗上昇信号などのバッテリーセルの異常を示す信号を伝送することができる。バッテリーセルの異常とは、制御部３０８によって導出されたバッテリーセルの容量と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量との差が予め設定されている臨界値を超え、上記バッテリーセルの容量が劣化したものと判断された場合であってよい。また、バッテリーセルの異常とは、制御部３０８によって算出されたバッテリーセルのフル充放電到達時間と、上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超え、上記バッテリーセルの内部抵抗の上昇により上記バッテリーセルが劣化したものと判断される場合であってよい。
図４ａから図４ｃは、本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置の簡略な具現例を示す図である。
図４ａを参照すれば、バッテリーセルの正極端子と負極端子に亘って生成されている電圧センシング部が示されている。電圧センシング部は、図３の構成において電圧測定部３０４に対応する構成とみることができる。電圧センシング部は、バッテリーセルの正極端子と負極端子に亘って配置され、バッテリーセルの電圧をセンシングする。電圧センシング部で測定された電圧は、測定／記憶回路に伝送される。
バッテリーセルの負極端子の上部側に測定／記憶回路が配置される。測定／記憶回路は、図３の構成において、磁場測定部３０２、温度測定部３０６、制御部３０８、記憶部３１０及び通信部３１２に対応される構成を含むことができる。
電圧センシング部で測定された電圧は測定／記憶回路に伝送され、測定／記憶回路の制御部３０８から伝送されたバッテリーセルの電圧を用いて、上記バッテリーセルのフル充放電到達時間を算出する。制御部３０８は、算出されたバッテリーセルのフル充放電到達時間と、上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えると、上記バッテリーセルの内部抵抗の上昇により上記バッテリーセルが劣化したものと判断する。
また、測定／記憶回路の磁場測定部３０２で、バッテリーセルに電流が流れるとき、発生するバッテリーセル周辺の磁場を測定する。例えば、磁場測定部３０２で測定された磁場の強度を制御部３０８で受信し、制御部３０８は、リアルタイムで上記バッテリーセルに流れる電流を算出することができる。そして、リアルタイムで算出されたバッテリーセルに流れる電流を一定時間で累積させた値を上記バッテリーセルの容量として導出することができる。
測定／記憶回路の制御部３０８がバッテリーセルの容量を導出し、導出されたバッテリーセルの容量と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量との差が予め設定されている臨界値を超えると、上記バッテリーセルの容量が劣化したものと判断する。
また、測定／記憶回路にはバッテリーセルの温度を測定できるサーミスタなどが含まれてよい。例えば、サーミスタは、図３に示したバッテリーセルの異常判断装置の温度測定部３０６に対応される構成であってよい。
制御部３０８は、バッテリーセルの容量劣化の有無を判断するとき、サーミスタなどによって測定されたバッテリーセルの温度を反映して判断することができる。このとき、予め実験を介して決定されたバッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量変化参照テーブルを用いることができる。
記憶部３１０もまた測定／記憶回路に配置されてよい。記憶部３１０は、バッテリーセルの異常判断装置がそれぞれ連結されているバッテリーセルの識別情報（ＩＤ）を記憶する。また、記憶部３１０は、上記バッテリーの生産初期容量を記憶する。生産初期容量は、上記バッテリーセルの出荷当時の容量である。したがって、記憶部３１０には、生産当時のバッテリーセルの電流による容量テーブルまたは上記バッテリーセルの電圧による容量テーブルが記憶され得る。また、記憶部３１０には上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間情報を記憶する。
通信部３１２もまた測定／記憶回路に配置されてよい。通信部３１２は、制御部３０８によって導出されたバッテリーセルの容量と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量との差が予め設定されている臨界値を超え、上記バッテリーセルの容量が劣化したものと判断されるか、算出されたバッテリーセルのフル充放電到達時間と、生産当時の上記バッテリーセルのフル充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超え、上記バッテリーセルの内部抵抗の上昇により上記バッテリーセルが劣化したものと判断される場合に、制御部３０８によって外部装置、例えば、バッテリーモジュールに連結されているバッテリー管理システムに、上記バッテリーセルの識別情報とともにバッテリーセル容量劣化信号またはバッテリーセル内部抵抗上昇信号を伝送することができる。
図４ｂを参照すれば、バッテリーセルのタブの下部面と側部面を、一定距離を置いて囲む磁場シールドが示されており、バッテリーセルのタブの上部面に配置される測定／記憶回路に対応する回路部品が含まれたＰＣＢが示されている。
磁場シールドは、バッテリーセルに電流が流れる際に生成される磁場を集める機能を行う。磁場シールドにより集められたバッテリーセルの電流が流れる際に生成される磁場を測定／記憶回路の磁場測定部３０２が測定する。
磁場シールドは、例えば、ニッケル合金（Ｎｉ－ａｌｌｏｙ）で形成されてよい。
図４ｃを参照すれば、バッテリーセルのタブの上部面に配置される測定／記憶回路に対応する回路部品が含まれたＰＣＢ、バッテリーセルのタブの下部面と側部面を、一定距離を置いて囲むように形成されている磁場シールドの構成の側面図が示されている。
バッテリーセルのタブの上部面に付着されているＰＣＢ基板上に回路が形成されており、ＰＣＢ基板がバッテリーセルのタブを囲んでいる磁場シールドの両側面に付着されている。
図５は、本発明の一実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法のフローチャートである。
磁場シールド部によって、バッテリーセルに流れる電流により生成された磁場が収集される。収集された磁場は、磁場測定部３０２によって測定され、測定された磁場の強度が制御部３０８に伝送される。測定された磁場の強度を受信した制御部３０８は、測定された磁場の強度を用いてリアルタイムでバッテリーセルに流れる電流を算出する（Ｓ５００）。例えば、測定された磁場を用いてビオ・サバールの法則（Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ ｌａｗ）などによってバッテリーセルの電流を間接的に算出することができる。例えば、磁場測定部３０２で測定された磁場の強度を制御部３０８で受信し、制御部３０８は、リアルタイムで上記バッテリーセルに流れる電流を算出することができる。
制御部３０８は、算出された電流を一定時間累積積算してバッテリーセルの容量を算出する（Ｓ５０２）。算出された電流を一定時間累積積算する式は下記の通りである。
制御部３０８は、算出されたバッテリーセルの容量と、記憶部３１０に記憶されている上記バッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超えるのか否かを判断する（Ｓ５０４）。
ここで更に、温度測定部３０６は、バッテリーセルの温度を測定することができる。温度測定部３０６は、例えば、サーミスタであってよい。バッテリーセルは、温度によってバッテリー充電状態値（ＳＯＣ）が変更され得る。したがって、電流によるバッテリーセルの容量を算出するとき、バッテリーセルの温度も参考にしてバッテリーセルの容量を算出することができる。バッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量の変化は、予め実験により決定されたバッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量を参照テーブルとして用いて算出することができる。
制御部３０８が、算出されたバッテリーセルの容量と、記憶部３１０に記憶されている上記バッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超えないと判断すると、再びバッテリーセルに流れる電流によって生成された磁場測定値をバッテリーセルの電流値として算出する。
制御部３０８が、算出されたバッテリーセルの容量と、記憶部３１０に記憶されている上記バッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超えると判断すると、通信部３１２にバッテリーセルの容量劣化報知信号を伝送するようにする（Ｓ５０６）。
図６は、本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法のフローチャートである。
電圧測定部３０４は、バッテリーセルの電圧を測定する（Ｓ６００）。電圧測定部３０４は、バッテリーセルの電圧を測定するので、バッテリーセルの負極端子と正極端子に亘って配置される。電圧測定部３０４によって測定されたバッテリーセルの電圧は、制御部３０８に伝送される。
電圧測定部３０４から測定されたバッテリーセルの電圧をリアルタイムで受信した制御部３０８は、受信されたバッテリーセルの電圧を用いて、バッテリーセルが完全放電状態から完全充電に至るまでの時間を測定する。すなわち、制御部３０８は、バッテリーセルのフル充放電到達時間を導出する（Ｓ６０２）。
また、制御部３０８は、導出されたバッテリーセルの充放電到達時間と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの充放電到達時間とを比較する。制御部３０８は、導出されたバッテリーセルの充放電到達時間と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えるのか否かを判断する（Ｓ６０４）。
制御部３０８は、導出されたバッテリーセルの充放電到達時間と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えると、通信部３１２にバッテリーセルの内部抵抗上昇信号を伝送するようにする（Ｓ６０６）。
その反面、制御部３０８は、導出されたバッテリーセルの充放電到達時間と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えないと、電圧測定部３０４にバッテリーセルの電圧を測定するようにする。
図７は、本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断装置の構成を示す図である。
バッテリーセルの異常判断装置７００は、磁場シールド部７０１、磁場測定部７０２、電圧測定部７０４、温度測定部７０６及び通信部７０８を含む。
磁場シールド部７０１は、バッテリーセル単位でバッテリーセルの電流を測定するために、バッテリーセルに流れる磁場を集める。磁場シールド部７０１は、バッテリーセルに電流が流れる際に発生する磁場を正確に測定するために、バッテリーセルのタブの下部面と側部面を、一定距離を置いて囲むように形成されてよい。磁場シールド部７０１は、例えば、ニッケル合金からなってよい。
磁場測定部７０２は、バッテリーセルに電流が流れるとき、発生するバッテリーセル周辺の磁場を測定する。測定された磁場を用いて、例えば、ビオ・サバールの法則（Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ ｌａｗ）などによってバッテリーセルの電流を間接的に算出することができる。
電圧測定部７０４は、バッテリーセルの電圧を測定する。電圧測定部７０４は、バッテリーセルの電圧を測定するので、バッテリーセルの負極端子と正極端子に亘って配置される。
温度測定部７０６は、バッテリーセルの温度を測定することができる。温度測定部３０６は、例えば、サーミスタであってよい。バッテリーセルは、温度によってバッテリー充電状態値（ＳＯＣ）が変更され得るので、電流によるバッテリーセルの容量を算出するとき、バッテリーセルの温度も参考にしてバッテリーセルの容量を算出することができる。バッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量の変化は、予め実験により決定されたバッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量を参照テーブルとして用いて算出することができる。
通信部７０８は、磁場測定部７０２、電圧測定部７０４及び温度測定部７０６で測定されたそれぞれの磁場の強度、電圧値及び温度をバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ、ＢＭＳ）７１０に伝送する。通信部７０８は、ＢＭＳ７１０に無線または有線でバッテリーセルの磁場の強度、電圧値及び温度を伝送することができる。また、通信部７０８は、記憶部７０９に記憶された上記バッテリーセルの識別情報、上記バッテリーセルの生産初期容量、及び上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間の情報を共に伝送する。
記憶部７０９は、バッテリーセルの異常判断装置がそれぞれ連結されているバッテリーセルの識別情報（ＩＤ）を記憶する。また、記憶部７０９は、上記バッテリーセルの生産初期容量を記憶する。生産初期容量は、上記バッテリーセルの電圧による容量テーブルによって導出され得る。したがって、記憶部７０９には、生産当時のバッテリーセルの電流による容量テーブル、または上記バッテリーセルの電圧による容量テーブルが記憶され得る。また、記憶部７０９には、上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間情報を記憶する。
但し、磁場シールド部７０１及び磁場測定部７０２の構成の代わりに、直ぐにバッテリーセルの電流を測定する電流測定部からなっていてもよい。この場合、電流測定部で測定された電流値がＢＭＳに伝送される。
ＢＭＳ７１０の通信部７１２は、バッテリーセルの異常判断装置７００から無線または有線で特定のバッテリーセルの磁場の強度、電圧値及び温度を受信する。
通信部７１２は、受信されたバッテリーセルの磁場の強度、電圧値、温度、上記バッテリーセルの識別情報、上記バッテリーセルの生産当時の容量情報、及び上記バッテリーセルの生産当時のフル充電到達時間の情報を制御部７１４に伝送する。
制御部７１４は、受信されたバッテリーセルの磁場値を用いてバッテリーセルのリアルタイム電流を算出する。制御部７１４は、算出されたバッテリーセルの電流を一定時間の間累積させてバッテリーセルの容量を計算する。このとき、制御部７１４は、温度測定部７０６で測定された温度を用いて、バッテリーセルの容量の計算に反映することができる。予め実験を介して決定されたバッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量変化参照テーブルを用いることができる。
また、制御部７１４は、導出されたバッテリーセルの容量と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量とを比較する。バッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量は、記憶部７０９に記憶されている。制御部７１４は、導出されたバッテリーセルの容量と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時のバッテリーセルの容量との差が予め設定されている臨界値を超えると、上記バッテリーセルの容量が劣化したものと判断する。
また、制御部７１４は、電圧測定部７０４で測定された電圧を用いて、上記バッテリーセルのフル充放電到達時間を算出する。制御部７１４は、算出されたバッテリーセルのフル充放電到達時間と、上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えると、上記バッテリーセルの内部抵抗の上昇により上記バッテリーセルが劣化したものと判断する。
本実施形態では、記憶部７０９に生産当時の上記バッテリーセルの容量及びフル充放電到達時間を記憶させているが、ＢＭＳの別途の記憶部（図示省略）に記憶されてもよい。
または、記憶部７０９に生産当時の上記バッテリーセルの容量及びフル充放電到達時間が記憶され、ＢＭＳが生産当時の上記バッテリーセルの容量及びフル充放電到達時間を一度受信すると、これを上記バッテリーセルの識別情報とともに記憶して追って用いることができる。
図８は、本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法のフローチャートである。
磁場測定部７０２によってバッテリーセルに電流が流れるとき、発生するバッテリーセル周辺の磁場が測定される（Ｓ８００）。バッテリーセル周辺に発生した磁場は、磁場シールド部７０１によって遮蔽され得る。
また、電圧特定部７０４によってバッテリーセルの電圧が測定される（Ｓ８０２）。電圧測定部７０４は、バッテリーセルの電圧を測定するので、バッテリーセルの負極端子と正極端子に亘って配置される。
また、温度測定部７０６によってバッテリーセルの温度が測定される（Ｓ８０２）。温度測定部７０６は、例えば、サーミスタであってよい。バッテリーセルは、温度によってバッテリー充電状態値（Ｓ０Ｃ）が変更され得るので、電流によるバッテリーセルの容量を算出するとき、バッテリーセルの温度も参考にしてバッテリーセルの容量を算出することができる。バッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量の変化は、予め実験により決定されたバッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量を参照テーブルとして用いて算出することができる。
測定されたバッテリーセルの磁場の強度、電圧、温度とともに、上記バッテリーセルの識別情報、上記バッテリーセルの生産初期容量、及び上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間の情報をＢＭＳに伝送する（Ｓ８０６）。
図９は、本発明の他の実施形態によるバッテリーセルの異常判断方法のフローチャートである。
ＢＭＳ７１０は、複数のバッテリーセルそれぞれにおけるバッテリーセルの異常判断装置からバッテリーセルの磁場の強度、電圧、温度とともに、上記バッテリーセルの識別情報、上記バッテリーセルの生産初期容量、及び上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間の情報を受信する（Ｓ９００）。ＢＭＳ７１０の通信部７１２は、無線または有線でバッテリーセルの異常判断装置それぞれから情報を受信することができる。
ＢＭＳ７１０の制御部７１４は、受信された磁場の強度を用いてリアルタイムでバッテリーセルに流れる電流を算出する（Ｓ９０２）。例えば、測定された磁場を用いて、ビオ・サバールの法則（Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ ｌａｗ）などによってバッテリーセルの電流を間接的に算出することができる。
次いで、制御部７１４は、算出された電流を一定時間累積積算してバッテリーセルの容量を算出する（Ｓ９０４）。算出された電流を一定時間累積積算する式は下記の通りである。
特定のバッテリーセルの容量を算出した制御部７１４は、算出されたバッテリーセルの容量と、上記バッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超えるのか否かを判断する（Ｓ９０６）。
ここで更に、バッテリーセルは、温度によってバッテリー充電状態値（ＳＯＣ）が変更され得るので、電流によるバッテリーセルの容量を算出するとき、バッテリーセルの温度も参考にしてバッテリーセルの容量を算出することができる。バッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量の変化は、予め実験により決定されたバッテリーセルの温度によるバッテリーセルの容量を参照テーブルとして用いて算出することができる。
制御部７１４が、算出されたバッテリーセルの容量と、上記バッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超えないと判断すると、再びリアルタイムでバッテリーセルの異常判断装置から上記バッテリーセルの情報を受信する。
しかし、制御部７１４が、算出されたバッテリーセルの容量と、上記バッテリーセルの生産当時の容量との差が予め設定された臨界値を超えると判断すると、通信部７１２にバッテリーセルの容量劣化報知信号を上位制御器２に伝送するようにする（Ｓ９０６）。
一方、制御部７１４はまた、受信された特定のバッテリーセルの電圧を用いて上記バッテリーセルのフル充放電到達時間を算出する。また、制御部７１４は、算出された特定のバッテリーセルのフル充放電到達時間と、上記バッテリーセルの生産当時のフル充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えるのか否かを判断する（Ｓ９０８）。
制御部７１４は、導出されたバッテリーセルの充放電到達時間と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時の充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えると、通信部７１２にバッテリーセルの内部抵抗上昇信号を上位制御器２に伝送するようにする（Ｓ９１０）。
その反面、制御部３０８は、導出されたバッテリーセルの充放電到達時間と、予め記憶されているバッテリーセルの生産当時の充放電到達時間との差が予め設定されている臨界値を超えないと、再びリアルタイムでバッテリーセルの異常判断装置から上記バッテリーセルの情報を受信する。
図１０は、本発明の一実施形態によるバッテリー管理システムのハードウェアの構成を示すブロック図である。
バッテリー管理システム１０００は、各種処理及び各構成を制御するマイクロコントローラ（ＭＣＵ）１０１０と、運営体制プログラム及び各種プログラム（例えば、バッテリーパックの異常有無診断プログラム或いはバッテリーパックの温度推定プログラム）などが記録されるメモリ１０４０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１０２０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１０４０に記録され、マイクロコントローラ１０１０によって処理されることにより、例えば、図３及び図７で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。
本明細書で、本発明の原理の「一実施形態」とこのような表現の多様な変形の指称は、本実施形態に係わり特定の特徴、構造、特性などが本発明の原理の少なくとも一つの実施形態に含まれるということを意味する。したがって、「一実施形態において」の表現と本明細書全体にわたり開示された任意の他の変形の例示は、必ずしも全て同一の実施形態を指すものではない。
本明細書を介して開示された全ての実施形態と条件付き例示は、本発明の技術分野で通常の知識を有する当業者が、本発明の原理と概念を理解するように一助とするための意図から記述されたものであり、当業者は、本発明が、本発明の本質的な特性から外れない範囲で変形された形態に具現され得るということを理解することができるであろう。よって、開示された実施形態は、限定的な観点ではなく、説明的な観点から考慮されなければならない。本発明の範囲は、前述の説明ではなく特許請求の範囲に示されており、それと同等な範囲内にある全ての相違点は、本発明に含まれているものと解釈すべきである。

Claims (7)

  1. 複数のバッテリーセル、及び、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの異常を判断する異常判断装置を含むバッテリーパックであって、
    前記異常判断装置は、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれに流れる電流により発生した磁場をそれぞれ別々に収集する複数の磁場シールド部と、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれに流れる電流により発生したそれぞれの磁場を測定する複数の磁場測定部と、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれの温度を測定する複数の温度測定部と、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれの電圧を測定する複数の電圧測定部と、
    前記複数の磁場測定部のそれぞれで測定された磁場により算出された電流と前記複数の温度測定部のそれぞれで測定された前記温度を用いて、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量を算出する制御部と、
    前記複数のバッテリーセルの生産当時の容量と、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの生産当時のフル充放電時間とを記憶する記憶部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量を用いて前記複数のバッテリーセルのそれぞれの異常を判断し、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれの電圧を用いて前記複数のバッテリーセルのそれぞれのフル充放電到達時間を算出し、
    測定された前記複数のバッテリーセルのそれぞれのフル充放電到達時間と、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの生産当時のフル充放電到達時間との時間差が予め設定された時間差臨界値を超える場合、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの内部抵抗が上昇したと判断し、
    前記複数の磁場シールド部のそれぞれ及び前記複数の磁場測定部のそれぞれは、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの負極または正極を囲んで設けられる
    バッテリーパック。
  2. 前記制御部は、前記複数の磁場測定部のそれぞれで測定された磁場により算出された前記電流を第１時間の間累積積算させて前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量を計算する、請求項１に記載のバッテリーパック。
  3. 前記制御部は、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量と前記複数のバッテリーセルのそれぞれの生産当時の容量との容量差が予め設定された容量差臨界値を超える場合、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量が劣化したと判断する、請求項１又は２に記載のバッテリーパック。
  4. 前記バッテリーパックは、エネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ）用または車両用である、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリーパック。
  5. 複数のバッテリーセルのそれぞれのバッテリーセルに流れる電流により発生した磁場であって、複数の磁場シールド部によってそれぞれ別々に収集された磁場を、それぞれが前記複数のバッテリーセルのそれぞれの正極または負極を前記複数の磁場シールド部のそれぞれと共に囲む複数の磁場測定部により測定する段階と、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれの電圧を測定する段階と、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれの温度を測定する段階と、
    測定された前記温度に基づいて、測定された磁場から導出された電流を累積積算させて前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量を算出する段階と、
    算出された前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量を用いて前記複数のバッテリーセルのそれぞれの異常を判断する段階と、
    測定された前記複数のバッテリーセルのそれぞれの電圧を用いて前記複数のバッテリーセルのそれぞれのフル充放電到達時間を算出する段階と、
    前記複数のバッテリーセルのそれぞれのフル充放電到達時間と前記複数のバッテリーセルのそれぞれの生産当時のフル充放電到達時間との時間差が予め設定された時間差臨界値を超えるのか否かを判断する段階と、
    前記時間差が前記時間差臨界値を超えると、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの内部抵抗が上昇したと判断する段階と、
    を含む、バッテリーセルの異常判断方法。
  6. 前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量と前記複数のバッテリーセルのそれぞれの生産当時の容量との容量差が予め設定された容量差臨界値を超えると、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量が劣化したと判断する段階をさらに含む、請求項５に記載のバッテリーセルの異常判断方法。
  7. 前記複数のバッテリーセルのそれぞれの内部抵抗が上昇したか、前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量が劣化したと判断される場合、外部に前記複数のバッテリーセルのそれぞれの内部抵抗上昇信号または前記複数のバッテリーセルのそれぞれの容量劣化信号を伝送する段階をさらに含む、請求項５又は６に記載のバッテリーセルの異常判断方法。
JP2023212493A 2019-02-14 2023-12-15 バッテリーセルの異常判断装置及び方法 Pending JP2024029001A (ja)

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