JP4860768B2 - バッテリー開放電圧推定装置、これを用いたバッテリー充電状態推定装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリー開放電圧（ＯＣＶ；Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）と充電状態（ＳＯＣ；Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を推正する装置及び方法に関し、より詳しくは、バッテリー出力電圧の変化パターンによってバッテリーの開放電圧を推正し、推定された開放電圧とバッテリー温度に基づいてバッテリーの充電状態を推正する装置及び方法に関する。

一般に、ビデオカメラ、携帯電話、ポータブルＰＣ、ＰＭＰ、ＭＰ３プレーヤーなどのような携帯用電子機器や電気自動車などには繰り返して充放電可能なバッテリーが装着され、このバッテリーから出力される電源をもって携帯用電子機器や電気自動車を動作させる。

バッテリーが携帯用電子機器に使われる場合、別の充電装置を通じてバッテリーを再充電する。また、電気自動車に使われる場合は、走行中駆動ホイールの回転力を逆利用して発電した電気を用いてバッテリーを再充電する。

一方、バッテリーが負荷に連結されて放電が始まれば、正極と負極間の端子電圧が徐々に減少する。また、端子電圧が任意の限度に到達すれば、正極と負極間の端子電圧が放電終止電圧まで急激に低下し、その後は放電能力を喪失する。バッテリーが放電終止電圧以下まで放電すれば、電解液と極板との間で化学的反応が誘発されて電流を生成する極板に損傷が加えられ、このような現象が繰り返されればバッテリー寿命の短縮又は機能喪失の恐れがある。

したがって、バッテリーを使用する際には、バッテリーの充電状態を正確に把握し、適切な時点でバッテリーを充電して放電終止電圧までバッテリーが放電されることを防止することが非常に重要である。特に、電気自動車やハイブリッド自動車の場合は、走行中自動車が急に停止するなどの問題を予め防止し、自動車走行モーターに安定的に電源を供給するために、バッテリーの充電状態を正確に把握しなければならない。しかし、バッテリー特性の非線形性（温度、放電などに応じて変化する）により、バッテリーの充電状態を正確に測定することは困難である。

従来は、バッテリーの開放電圧によってバッテリーの充電状態を推正する方法と、バッテリーの放電電流量によってバッテリーの充電状態を推正する方法が主に使われた。

前者は、充電状態別に開放電圧の変化パターンをルックアップテーブルの形態で予め用意した後、バッテリーの出力電圧に応じてルックアップテーブルから充電状態をマッピングする方法である。しかし、バッテリーが充電または放電される段階には、ＩＲドロップ現象によって実電圧と測定電圧との間に誤差が発生するため、バッテリー電圧によってバッテリーの充電状態を推正すると精度が低下する問題がある。

参照までに、ＩＲドロップ現象とは、バッテリーが負荷に連結されて放電が始まるか又はバッテリーの充電が始まるとき、電圧が急に変化する現象を言う。すなわち、放電が始まるときにはバッテリー電圧が急に落ち、充電が始まるときには電圧が急に上がる。

後者は、バッテリーの放電電流量、すなわち負荷に流れる電流を積算し、積算された電流量を通じて充電状態を推正する方法である。この方法は電流を測定する過程で発生する測定誤差が継続的に累積され、経時的に充電状態推定の精度が低下する問題がある。

それ故に、近年、従来技術の問題を解決するため、バッテリーの充電状態を補正するための多様な方法が提示されている。しかし、複雑な数学的モデルを導入することでバッテリー充電状態の推定時間が長引くだけでなく、複雑な演算を実行するために高いハードウェアの仕様を要するという点が限界として指摘されている。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために創案されたものであり、ＩＲドロップ現象によるバッテリー出力電圧の測定誤差が補正でき、測定誤差が累積されないバッテリー出力電圧のみを用いてバッテリーの開放電圧と充電状態を容易かつ正確に推正することができる装置、及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記の技術的課題を達成するためのバッテリー開放電圧推定装置は、バッテリーの出力電圧を測定する電圧センシング部と、バッテリーの温度を測定する温度センシング部と、前記電圧センシング部及び温度センシング部から周期的にバッテリー出力電圧及び温度データの入力を受けてメモリ部に保存するデータ保存部と、バッテリー出力電圧の変化パターンと開放電圧の変化量との間の相関関係を定義した数学的モデルを適用して前記メモリ部に保存された現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化パターンから開放電圧の変化量を計算し、バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推正する開放電圧変化量推定部と、直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を反映して現在段階のバッテリー開放電圧を推正する開放電圧推定部と、を含む。

上記の技術的課題を達成するための本発明によるバッテリー充電状態推定装置は、前記バッテリー開放電圧推定装置の構成要素と、推定された開放電圧及びバッテリー温度に対応するバッテリー充電状態を温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態情報からマッピングして出力するＳＯＣ推定部と、を含む。

望ましくは、前記開放電圧推定部は現在及び過去のバッテリー出力電圧に対する加重平均（測定時点の早いバッテリー出力電圧であるほど大きい加重値を与える）と直前段階の開放電圧との差を推定された現在段階の開放電圧に加算して開放電圧を補正することができる。ここで、過去のバッテリー出力電圧は直前段階のバッテリー出力電圧であり得る。

本発明において、推定された開放電圧の変化量は計算された開放電圧の変化量に前記補正ファクターを乗じて算出することができる。

本発明において、前記変化パターンを構成するバッテリー出力電圧は、少なくとも現在段階、前段階、及び前々段階で測定されたバッテリー出力電圧Ｖ_ｎ、Ｖ_ｎ−１及びＶ_ｎ−２を含むことができる。

望ましくは、前記数学的モデルは現在段階と過去段階間のバッテリー出力電圧変化量とバッテリー出力電圧変化パターンを構成する各出力電圧によって定義されるパターン関数の数学的演算によって定義される。

本発明において、前記補正ファクターはバッテリー温度Ｔを入力変数とし、バッテリー開放電圧変化量の補正ファクターを出力変数とする数学的モデルにバッテリーの温度を代入して算出する。

上記の技術的課題を達成するための本発明によるバッテリー開放電圧推定方法は、周期的にバッテリーの出力電圧と温度データを取得する段階と、バッテリー出力電圧の変化パターンと開放電圧の変化量との間の相関関係を定義した数学的モデルを適用して現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化パターンから開放電圧の変化量を計算し、バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推正する段階と、直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を反映して現在段階のバッテリー開放電圧を推正する段階と、を含む。

上記の技術的課題を達成するための本発明によるバッテリー充電状態推定方法は、前記バッテリー開放電圧推定方法の各段階と、予め提供された温度別及び開放電圧別充電状態情報を参照して推定されたバッテリー開放電圧とバッテリー温度に対応するバッテリー充電状態をマッピングして出力する段階と、を含む。

上記の技術的課題は、バッテリー開放電圧または充電状態を推正するために必要な各段階を実行するマイクロプロセッサのようなハードウェアモジュールによっても達成することができる。

上記技術的課題を達成するためのバッテリー開放電圧推定用ハードウェアモジュールは、バッテリー出力電圧の変化パターンと開放電圧の変化量との間の相関関係を定義した数学的モデルを適用して前記メモリ部に保存された現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化パターンから開放電圧の変化量を計算するプロセスと、バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推正するプロセスと、直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を反映して現在段階のバッテリー開放電圧を推正するプロセスと、を実行する。

上記の技術的課題を達成するための本発明によるバッテリー充電状態推定用ハードウェアモジュールは、前記バッテリー開放電圧推定用ハードウェアモジュールが実行するプロセスと、推定された開放電圧及びバッテリー温度に対応するバッテリー充電状態を予め提供された温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態情報からマッピングして出力するプロセスと、を実行する。

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。
本発明の実施例によるバッテリー開放電圧推定装置、及びこれを用いたバッテリー充電状態推定装置の構成を示したブロック図である。 本発明の望ましい実施例によるバッテリーパラメータ推定モジュールの機能を説明するためのブロック図である。 本発明の実施例によるバッテリー開放電圧推定方法とこれを用いたバッテリー充電状態推定方法を示したフローチャートである。 実験例１による充放電サイクルが適用されたとき、本発明によるバッテリーの充電状態推定方法と従来の電流積算方法によって推定されたバッテリー充電状態値を比べたグラフである。 実験例１で提案された条件の充放電サイクルで、本発明によるバッテリー開放電圧推定方法によって推定されたＯＣＶと実際測定したバッテリー出力電圧とを比べたグラフである。 ２５０秒の充放電周期と１０分間の休止期を設定した場合、本発明によるバッテリー開放電圧推定方法によって推定されたＯＣＶと実際測定したバッテリー出力電圧とを比べたグラフである。 ５００秒の充放電周期と１０分間の休止期を設定した場合、本発明によるバッテリー開放電圧推定方法によって推定されたＯＣＶと実際測定したバッテリー出力電圧を比べたグラフである。 実験例２の条件で３８回に亘ってバッテリーの温度、測定された開放電圧、推定された開放電圧、測定された開放電圧と推定された開放電圧との差（エラー値）、測定された充電状態、推定された充電状態、及び測定された充電状態と推定された充電状態との差（エラー値）を比較分析した表である。

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、本明細書及び請求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。

図１は、本発明の実施例によるバッテリーの開放電圧と充電状態を推正できる装置の構成を概略的に示したブロック図である。

図１を参照すれば、本発明によるバッテリー開放電圧及び充電状態推定装置２００は、電圧センシング部２１０、温度センシング部２２０、メモリ部２３０、及びマイクロプロセッサ２４０を備える。望ましくは、前記バッテリー開放電圧及び充電状態推定装置２００はバッテリー１００から出力される電源が供給される負荷３００のバッテリー管理装置（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）３１０とバッテリー１００との間に連結される。

前記電圧センシング部２１０は、前記バッテリー１００の出力電圧を周期的に測定してマイクロプロセッサ２４０に出力する。

前記温度センシング部２２０は、前記バッテリー１００の温度を周期的に測定してマイクロプロセッサ２４０に出力する。

前記メモリ部２３０は、予め実験を通じて得られた温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態を保存しており、バッテリー１００から周期的に得られるバッテリーの出力電圧と温度データを保存する。

ここで、前記温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態は、メモリ部２３０の非揮発性領域に保存される。よって、温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態に関するデータは、メモリ部２３０に電源が供給されなくても消失しない。

前記電圧センシング部２１０と温度センシング部２２０によって測定されたバッテリーの出力電圧と温度データはメモリ部２３０の揮発性領域に保存される。バッテリーの出力電圧と温度データの保存はメモリ部２３０に電源が供給されているときにのみ保存されて保持される。

前記マイクロプロセッサ２４０は、前記電圧センシング部２１０及び温度センシング部２２０からバッテリー出力電圧及び温度データの入力を受けて前記メモリ部２３０に保存し、バッテリーの開放電圧と充電状態を推正するプログラムアルゴリズムであるバッテリーパラメータ推定モジュール２４０’を実行する。前記バッテリーパラメータ推定モジュール２４０’の構成及び動作についての詳細は後述する。

前記バッテリー１００の種類は特に限定されず、再充電が可能であって充電状態を考慮すべきのリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池などで構成することができる。

前記負荷３００の種類は特別に限定されず、ビデオカメラ、携帯電話、ポータブルＰＣ、ＰＭＰ、ＭＰ３プレーヤーなどのような携帯用電子機器、電気自動車やハイブリッド自動車のモーター、ＤＣ ｔｏ ＤＣコンバータなどで構成することができる。

一方、前記負荷３００にはバッテリー管理装置３１０が備えられる。前記バッテリー管理装置３１０はバッテリー１００の異常如何を監視し、ディスプレイを通じてバッテリーの開放電圧及び／または充電状態をユーザに表示する機能を果たす。

図２は、本発明の望ましい実施例によるバッテリーパラメータ推定モジュール２４０’の機能を説明するためのブロック図である。

図２を参照すれば、前記バッテリーパラメータ推定モジュール２４０’は、データ保存部２４１、開放電圧変化量推定部２４２、開放電圧推定部２４３、及びＳＯＣ推定部２４４を含む。

前記データ保存部２４１は、図１に示された電圧センシング部２１０及び温度センシング部２２０から周期的にバッテリーの出力電圧及び温度データの入力を受けて前記メモリ部２３０の揮発性領域である臨時作業領域に保存する。

前記開放電圧変化量推定部２４２は、現在のバッテリー開放電圧を推正するため、バッテリー出力電圧の変化パターンを用いて以前段階の開放電圧を基準にして開放電圧の変化量を推正する。すなわち、前記開放電圧変化量推定部２４２は、以前段階の開放電圧を基準にして現在段階のバッテリー開放電圧の変化程度を推正する。

具体的に、前記開放電圧変化量推定部２４２は、前記メモリ部２３０から現在段階のバッテリー出力電圧、以前段階のバッテリー出力電圧、及び現在段階のバッテリー温度を読み出す。その後、下記数式１によって開放電圧の変化量△ＯＣＶ_ｎを推正する。
［数１］
△ＯＣＶ_ｎ＝ＯＣＶ_ｎ−ＯＣＶ_ｎ−１＝Ｇ（Ｖ）×Ｆ（Ｔ）
数式１において、Ｇ（Ｖ）は現在段階と以前段階間のバッテリー出力電圧の変化量「Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１」を開放電圧の変化量△ＯＣＶ_ｎにマッピングする開放電圧変化量の演算関数であり、Ｆ（Ｔ）は温度に応じた開放電圧の変動効果を反映してバッテリー温度に応じて開放電圧の変化量△ＯＣＶ_ｎを補正する開放電圧の補正関数である。

前記Ｇ（Ｖ）は、バッテリー出力電圧の変化量を開放電圧の変化量にそのまま換算せず、ＩＲドロップ現象によるバッテリー出力電圧の誤差（測定電圧と実電圧の差）を補正して換算する関数である。すなわち、Ｇ（Ｖ）はバッテリー出力電圧の変化量が以前より大きくなる傾向であれば、バッテリー出力電圧の変化量を減殺させてバッテリー開放電圧の変化量として出力し、バッテリー出力電圧の変化量が以前と同じく維持される傾向であれば、バッテリー出力電圧の変化量をそのままバッテリー開放電圧の変化量として出力する。また、バッテリー出力電圧の変化量が以前より減少する傾向であれば、バッテリー出力電圧の変化量を少し増幅させてバッテリー開放電圧の変化量として出力する。

Ｇ（Ｖ）は、特定の温度条件で、バッテリー出力電圧の変化パターンとこれに対応する開放電圧の変化量との間の相関関係を数学的にモデリングして得られる。一実施例として、上記の数学的モデリング関数はバッテリー出力電圧とバッテリー開放電圧が測定可能な実験室条件で、現在段階、前段階、及び前々段階のバッテリー出力電圧Ｖ_ｎ、Ｖ_ｎ−１、及びＶ_ｎ−２の変化パターンとこれに対応する開放電圧の変化量△ＯＣＶ_ｎとの間に存在する相関関係を分析して算出することができる。勿論、バッテリー出力電圧の変化パターンを構成するバッテリー出力電圧の数は４つ以上に拡張することができる。

前記Ｇ（Ｖ）は以下の数式２のように一般化して定義することができる。
［数２］
Ｇ（Ｖ）＝（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）×ｇ（Ｖ_ｎ、Ｖ_ｎ−１、Ｖ_ｎ−２、…）
ここで、ｇ（Ｖ_ｎ、Ｖ_ｎ−１、Ｖ_ｎ−２、…）はバッテリー出力電圧の変化パターンを定義するパターン関数である。「…」記号は現在時点で測定されたバッテリー出力電圧を含んで３つ以上のバッテリー出力電圧によってパターン関数を定義できるということを意味する。前記パターン関数は、実験的に得た多数のバッテリー出力電圧の変化量とバッテリー開放電圧の変化量との間の相関関係を分析して定義する。一例として、関数ｇは現在段階の出力電圧変化量を基準にした前段階の出力電圧変化量の相対的比率で定義することができる。勿論、本発明はパターン関数の具体的な数式によって限定されることはない。

一方、バッテリー内部抵抗は温度に応じて変化する。バッテリーの内部抵抗が変われば、充電または放電条件が同一であってもバッテリー出力電圧のパターンとバッテリー開放電圧の変化量が変化する。このような点に鑑みて、前記Ｆ（Ｔ）はＧ（Ｖ）によって計算された開放電圧の変化量を温度条件に従って補正する。言い換えれば、Ｆ（Ｔ）はバッテリーの温度がＧ（Ｖ）の算出条件として設定した温度と差がある場合、Ｇ（Ｖ）によって推定された開放電圧の変化量を補正する関数である。前記Ｆ（Ｔ）は、温度を一定の間隔で変化させながらバッテリー出力電圧の変化パターンとバッテリー開放電圧の変化量との相関関係を分析して算出することができる。すなわち、Ｆ（Ｔ）は一定の間隔、例えば１℃間隔で設定したそれぞれの測定温度でバッテリー出力電圧パターンが同一になるように実験条件を設定した状態で、バッテリーの開放電圧の変化量△ＯＣＶ_ｎの変化幅を定量的に測定し、温度Ｔ及び△ＯＣＶ_ｎの変化幅をそれぞれ入力変数及び出力変数とする数学的モデリングを通じて求めることができる。このようにして得られたＦ（Ｔ）は、バッテリーの温度Ｔを入力変数としてバッテリー開放電圧の変化量の補正ファクターを出力する関数になる。計算を単純にするため、各Ｔ値に応じた補正ファクターはルックアップテーブルとして構成してメモリ部２３０に書き込み、バッテリー開放電圧の変化量を計算するとき、前記ルックアップテーブルに書き込まれた温度別補正ファクターを参照することができる。

前記開放電圧推定部２４３は、前記メモリ部２３０から過去に推定された開放電圧であるｎ−１次開放電圧を読み出した後、ｎ−１次開放電圧に前記開放電圧変化量推定部２４２で推定された開放電圧の変化量△ＯＣＶ_ｎを足してｎ次開放電圧を推正する。

望ましくは、前記開放電圧推定部２４３は現段階のバッテリー出力電圧Ｖ_ｎと以前段階で測定されたバッテリー出力電圧との加重平均Ｖ_{ｎ（ｍｅａｎｖａｌｕｅ）}を下記数式３を通じて算出する。
［数３］
Ｖ_{ｎ（ｍｅａｎｖａｌｕｅ）}＝（Ａ_１×Ｖ_１＋Ａ_２×Ｖ_２＋…＋Ａ_ｎ−１×Ｖ _ｎ−１＋Ａ_ｎ×Ｖ_ｎ）／Ａ_{ｔｏｔａｌ}
Ａ_{ｔｏｔａｌ}＝Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３＋…＋Ａ_ｎ
数式３において、Ａ_ｋはｋ値が増加するほど減少する。例えばｎ＝１００である場合、Ａ_ｋ値は１００から始まって１ずつ減少する値を持つ。代案として、数式３からＡ_１×Ｖ_１＋Ａ_２×Ｖ_２＋…＋Ａ_ｋ−２×Ｖ_ｋ−２（３≦ｋ≦ｎ）は省略してもよい。このような場合も、Ａ_ｋ値の傾向は上記と同様に維持される。例えば、ｋ＝ｎである場合Ａ_１×Ｖ_１＋Ａ_２×Ｖ_２＋…＋Ａ_ｎ−２×Ｖ_ｎ−２は０と見なしてＡ_ｎよりＡ_ｎ−１に相対的に大きい値を与えることができる。例えば、Ａ_ｎ−１とＡ_ｎにそれぞれ９０及び１０の値を与えることができる。

前記開放電圧推定部２４３は、算出された加重平均Ｖ_{ｎ（ｍｅａｎｖａｌｕｅ）}と前段階の開放電圧ＯＣＶ_ｎ−１との差を推定されたｎ次開放電圧に足して追加的な補正を行い、ｎ次開放電圧の推定値をさらに一回補正することができる。加重平均を算出してｎ次開放電圧に追加的な補正を行えば、バッテリー１００から出力される出力電圧が急激に変化しても推定されたｎ次開放電圧の誤差を減らすことができる。

前記ＳＯＣ推定部２４４は、開放電圧推定部２４３が推正したｎ次開放電圧とｎ次開放電圧推定時に測定した温度に対応するバッテリーの充電状態を前記メモリ部２３０に保存された温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態情報からマッピングして出力する。

前記温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態情報は、下記表１のようなルックアップテーブル形態で構築することができる。

前記ＳＯＣ推定部２４４は、表１のような温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態情報が書き込まれたルックアップテーブルから推定されたｎ次開放電圧と温度をマッピングしてｎ次バッテリーの充電状態を推正する。例えば、ｎ次開放電圧が２．９７Ｖであってｎ次開放電圧を推定するとき測定したバッテリーの温度が−３０℃であれば、ｎ次バッテリーの充電状態は２％であることが分かる。

前記ＳＯＣ推定部２４４は、マッピングされたバッテリーの充電状態情報をバッテリー管理装置３１０に出力する。すると、バッテリー管理装置３１０はバッテリーの充電状態情報をディスプレイなどを通じてユーザに提供でき、バッテリーの充電開始または放電中止などのバッテリー動作を制御するための情報として活用することもできる。

前述したバッテリーパラメータ推定モジュール２４０’は、バッテリーの開放電圧のみを計算して出力するように設定でき、推定された開放電圧を用いてバッテリーの充電状態まで推正するように設定されることもできる。前記バッテリーパラメータ推定モジュール２４０’がバッテリーの開放電圧のみを推正するように設定された場合、前記バッテリーパラメータ推定モジュール２４０’を実行するマイクロプロセッサ２４０はバッテリーの開放電圧推定用ハードウェアモジュールと呼ばれ得る。また、前記バッテリーパラメータ推定モジュール２４０’が推定された開放電圧を用いてバッテリーの充電状態まで推正するように設定された場合、前記バッテリーパラメータ推定モジュール２４０’を実行するマイクロプロセッサ２４０はバッテリーの充電状態推定用ハードウェアモジュールと呼ばれ得る。

図３は、本発明によるバッテリー開放電圧推定方法及びこれを用いたバッテリー充電状態推定方法を説明するためのフローチャートである。

まず、ステップＳ１００において、バッテリーに負荷が連結される直前の１次出力電圧及び温度を測定する。ここで、前記１次出力電圧はバッテリーに負荷が連結されていない状態の出力電圧であるため、１次開放電圧に該当する。

ステップＳ２００では、１次出力電圧を１次開放電圧ＯＣＶ_１及び２次開放電圧ＯＣＶ_２に割り当て、１次開放電圧ＯＣＶ_１及び２次開放電圧ＯＣＶ_２を初期化させる。

同様に、ステップＳ３００では、１次出力電圧を１次出力電圧Ｖ_１及び２次出力電圧Ｖ_２に割り当て、１次出力電圧Ｖ_１及び２次出力電圧Ｖ_２も初期化させる。

ステップＳ４００では、バッテリーの開放電圧推定周期が到来したか否かを判断する。開放電圧推定周期は任意で設定することができる。

ステップＳ５００は開放電圧推定周期が到来したときに行われる段階であって、バッテリーのｎ次出力電圧及び温度を読み出す。ステップＳ５００において、ｎには３が割り当てられている。

ステップＳ６００では、バッテリー出力電圧の変化パターンとバッテリー温度によってｎ次開放電圧の変化量を推正する。ｎ次開放電圧の変化量を推定するときは、前述した数式１が使われる。ｎ値は現在３であるので、バッテリー出力電圧の変化パターンは３次、２次、及び１次出力電圧の変化パターンである。しかし、ｎが４以上になるとバッテリー出力電圧の変化パターンは４つ以上の出力電圧に対する変化パターンであり得る。

ステップＳ７００では、ｎ−１次開放電圧にｎ次開放電圧の変化量を足してｎ次開放電圧を推正する。現在ｎは３であるので、ステップＳ７００は２次開放電圧に３次開放電圧の変化量を足して３次開放電圧を推正する段階である。

ステップＳ８００は選択的に行う段階であって、ｎ次出力電圧とｎ次以前の出力電圧間の加重平均を算出し、算出された加重平均とｎ−１次開放電圧の差をｎ次開放電圧に足すことで、ｎ次開放電圧を追加的に補正する。加重平均を計算するときは、前述した数式３を用いることができる。

ステップＳ９００では、推定されたｎ次開放電圧とｎ次開放電圧の推定時に測定した温度に対応するバッテリー充電状態を温度別及び開放電圧別充電状態情報が書き込まれたルックアップテーブルからマッピングしてバッテリーのｎ次充電状態情報を推正する。

ステップＳ１０００では、推定されたｎ次充電状態情報をバッテリー管理装置に出力する。すると、バッテリー管理装置はバッテリーの充電状態情報をディスプレイなどを通じてユーザに提供でき、バッテリーの充電開始または放電中止などのバッテリー動作制御のための情報として活用することもできる。

ステップＳ１１００では、負荷がまだ連結されているか否かを判断する。

ステップＳ１２００は、バッテリーに負荷が連結されていると判断された場合に行われる段階であって、バッテリーの開放電圧推定周期が到来したか否かを判断する。

ステップＳ１３００は、バッテリーの開放電圧推定周期が到来した場合に行われる段階であって、ｎの値を１増加させてステップＳ５００に進む。すると、ｎ次開放電圧の変化量推定、ｎ−１次開放電圧と推定されたｎ次開放電圧の変化量を足すことでｎ次開放電圧を推定、出力電圧の加重平均とｎ−１次開放電圧の差によるｎ次開放電圧の補正、ルックアップテーブルを用いたｎ次バッテリー充電状態の推定、推定された充電状態の出力などの過程が繰り返される。

＜実験例＞
以下、本発明を実験例を挙げてより詳しく説明する。しかし、実験例は本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲がこれに限定されることはない。

実験例１
実験例１では、本発明によるバッテリー充電状態推定装置を実際の車両に装着した。そして、電気自動車またはハイブリッド自動車業界で車両テストの標準として提示される米国環境保護庁（ＥＰＡ；Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ）で規定したＵＤＤＳ（Ｕｒｂａｎ Ｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ）、ＨＷＦＥＴ（Ｈｉｇｈｗａｙ Ｆｕｅｌ Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｓｃｈｅｄｕｌｅ）、ＮＹＣＣ（Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ Ｃｉｔｙ Ｃｙｃｌｅ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｓｃｈｅｄｕｌｅ）及びＵＳ６０（Ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅ）による車両運行モデルを連続的に適用してバッテリーを充放電した。ここで、ＵＤＤＳとＮＹＣＣは都心で車両を運行したとき、ＨＷＦＥＴは高速道路で車両を運行したとき、ＵＳ６０は車両を高速で運行したときの車両の状態変化を仮定した標準化された車両運行モデルである。

図４は、実験例１による充放電サイクルが適用されたとき、本発明によるバッテリー充電状態推定方法と従来技術の電流積算方法によって推定されたバッテリー充電状態値を比べたグラフである。

図４を参照すれば、従来の電流積算方法でバッテリーの充電状態を推正すれば、電流の測定誤差が累積されて充電状態のプロファイルが微細に揺れながら進行する一方、本発明によって推定されたバッテリーの充電状態は電流積算方法を適用したときに比べて充電状態のプロファイルが安定的であることが分かる。このことから、本発明によってバッテリーの充電状態を推正すれば、従来技術の電流積算方法に比べて安定的にバッテリーの充電状態を推正できることを確認することができる。

図５は、実験例１で提案された条件の充放電サイクルで、本発明によって推定されたバッテリー開放電圧と実際測定したバッテリー出力電圧とを比べたグラフである。

図５を参照すれば、実際測定したバッテリー出力電圧はＩＲドロップ現象によって急激な電圧変化パターンになる一方、本発明によって推定された開放電圧は急激な電圧変化パターンを示さないことが分かる。すなわち、本発明によれば、ＩＲドロップ効果が排除された安定化された開放電圧プロファイルが得られ、その結果、バッテリー充電状態の推正値誤差を減少できることが分かる。

実験例２
実験例２では実験例１のような条件でバッテリーの充放電周期をそれぞれ２５０秒及び５００秒間隔に設定し、充放電周期が終了する度に１０分間の休止期を置いてバッテリーの出力電圧が安定状態に到達するまで待機してから、再び充放電周期を実施する過程を繰り返した。

図６は、２５０秒の充放電周期と１０分間の休止期を設定した場合、図７は５００秒の充放電周期と１０分間の休止期を設定した場合に、本発明によって推定されたバッテリー開放電圧と実際測定したバッテリー出力電圧を比べたグラフである。

図６及び図７を参照すれば、充放電周期の間に休止期を置いてバッテリーの電圧状態を安定化させた場合であっても、本発明によって開放電圧を推正すれば、ＩＲドロップ効果を排除できることが分かる。よって、本発明によれば、従来より正確にバッテリーの充電状態を推正できることがさらに確認できる。

図８は、実験例２の条件で３８回に亘ってバッテリーの温度、測定された開放電圧、推定された開放電圧、測定された開放電圧と推定された開放電圧との差（エラー値）、測定された充電状態、推定された充電状態、及び測定された充電状態と推定された充電状態の差（エラー値）を比較分析した表である。

図８において、ケース１〜２５は２５０秒の充放電周期と１０分の休止期を設定した場合、ケース２６〜３８は５００秒の充放電周期と１０分の休止期を設定した場合である。

図８に示された開放電圧の誤差と充電状態の誤差を分析すれば、ＲＭＳＥ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ）が１．４％、ＭＡＥ（Ｍｅａｎ Ａｂｓｏｌｕｔｅ Ｅｒｒｏｒ）が１．１４％であって、当業界で規定している許容誤差より大きく下回る値であることが分かる。

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、本発明はこれによって限定されず、本発明が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。

本発明によれば、ＩＲドロップ現象と温度変化によって生じるバッテリー出力電圧の誤差を補正した状態で開放電圧を推正することで、より正確なバッテリーの充電状態推定が可能である。特に、バッテリー電流を用いることなくバッテリーの充電状態を推正するため、電流積算方法に比べて正確にバッテリーの充電状態を推正することができる。また、バッテリーの充電状態を推正する原理が単純であるため、バッテリーの充電状態推定時間が短く、推定に使われるハードウェア仕様が低くて済み、コストを節減することができる。

１００ バッテリー
２００ バッテリー開放電圧及び充電状態推定装置
２１０ 電圧センシング部
２２０ 温度センシング部
２３０ メモリ部
２４０ マイクロプロセッサ
２４０ バッテリーパラメータ推定モジュール
２４１ データ保存部
２４２ 開放電圧変化量推定部
２４３ 開放電圧推定部
２４４ ＳＯＣ推定部
３００ 負荷
３１０ バッテリー管理装置

Claims (18)

1. バッテリーの出力電圧を測定する電圧センシング部と、
   バッテリーの温度を測定する温度センシング部と、
   前記電圧センシング部及び温度センシング部から周期的にバッテリー出力電圧及び温度データの入力を受けてメモリ部に保存するデータ保存部と、
   連続的に測定されて前記メモリ部に保存された３つ以上のバッテリー出力電圧を含むバッテリー出力電圧の変化パターンに従ってバッテリー出力電圧の変化量を開放電圧の変化量に変換する数学的モデルに基づいて前記メモリ部に保存された現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化量に対応する開放電圧の変化量を計算し、バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推定する開放電圧変化量推定部と、
   直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を反映して現在段階のバッテリー開放電圧を推定する開放電圧推定部と、を含むことを特徴とするバッテリー開放電圧推定装置。
2. 前記開放電圧推定部は、現在及び過去のバッテリー出力電圧に対する加重平均（測定時点の早いバッテリー出力電圧であるほど大きい加重値を与える）と直前段階の開放電圧との差を推定された現在段階の開放電圧に足して開放電圧を補正することを特徴とする請求項１に記載のバッテリー開放電圧推定装置。
3. 前記過去のバッテリー出力電圧は直前段階のバッテリー出力電圧であることを特徴とする請求項２に記載のバッテリー開放電圧推定装置。
4. 推定された開放電圧の変化量は計算された開放電圧の変化量に前記補正ファクターを乗じて算出することを特徴とする請求項１に記載のバッテリー開放電圧推定装置。
5. 前記変化パターンを構成するバッテリー出力電圧は、少なくとも現在段階、前段階、及び前々段階で測定されたバッテリー出力電圧Ｖ_ｎ、Ｖ_ｎ−１、及びＶ_ｎ−２を含むことを特徴とする請求項１に記載のバッテリー開放電圧推定装置。
6. 前記数学的モデルは現在段階と過去段階間のバッテリー出力電圧の変化量とバッテリー出力電圧の変化パターンを構成する各出力電圧によって定義されるパターン関数の数学的演算によって定義されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリー開放電圧推定装置。
7. 前記補正ファクターは、バッテリー温度Ｔを入力変数とし、バッテリー開放電圧変化量の補正ファクターを出力変数とする数学的モデルにバッテリーの温度を代入して算出することを特徴とする請求項１に記載のバッテリー開放電圧推定装置。
8. 周期的にバッテリーの出力電圧と温度データを取得する段階と、
   連続的に測定された３つ以上のバッテリー出力電圧を含むバッテリー出力電圧の変化パターンに従ってバッテリー出力電圧の変化量を開放電圧の変化量に変換する数学的モデルに基づいて現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化量に対応する開放電圧の変化量を計算し、バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推定する段階と、
   直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を反映して現在段階のバッテリー開放電圧を推定する段階と、を含むことを特徴とするバッテリー開放電圧推定方法。
9. バッテリーの出力電圧を測定する電圧センシング部と、
   バッテリーの温度を測定する温度センシング部と、
   温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態（ＳＯＣ）を保存するメモリ部と、
   前記電圧センシング部及び温度センシング部から周期的にバッテリー出力電圧及び温度データの入力を受けてメモリ部に保存するデータ保存部と、
   連続的に測定されて前記メモリ部に保存された３つ以上のバッテリー出力電圧を含むバッテリー出力電圧の変化パターンに従ってバッテリー出力電圧の変化量を開放電圧の変化量に変換する数学的モデルに基づいて前記メモリ部に保存された現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化量に対応する開放電圧の変化量を計算し、バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推定する開放電圧変化量推定部と、
   直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を反映して現在段階のバッテリー開放電圧を推定する開放電圧推定部と、
   推定された開放電圧及びバッテリー温度に対応するバッテリー充電状態を前記温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態情報からマッピングして出力するＳＯＣ推定部と、を含むことを特徴とするバッテリーの充電状態推定装置。
10. 前記開放電圧推定部は現在及び過去のバッテリー出力電圧に対する加重平均（測定時点の早いバッテリー出力電圧であるほど大きい加重値を与える）と直前段階の開放電圧との差を推定された現在段階の開放電圧に足して開放電圧を補正することを特徴とする請求項９に記載のバッテリーの充電状態推定装置。
11. 前記過去のバッテリー出力電圧は直前段階のバッテリー出力電圧であることを特徴とする請求項１０に記載のバッテリーの充電状態推定装置。
12. 推定された開放電圧の変化量は計算された開放電圧の変化量に前記補正ファクターを乗じて算出することを特徴とする請求項９に記載のバッテリーの充電状態推定装置。
13. 前記変化パターンを構成するバッテリー出力電圧は、少なくとも現在段階、前段階、及び前々段階で測定されたバッテリー出力電圧Ｖ_ｎ、Ｖ_ｎ−１、及びＶ_ｎ−２を含むことを特徴とする請求項９に記載のバッテリーの充電状態推定装置。
14. 前記数学的モデルは現在段階と過去段階間のバッテリー出力電圧の変化量とバッテリー出力電圧の変化パターンを構成する各出力電圧によって定義されるパターン関数の数学的演算によって定義されることを特徴とする請求項９に記載のバッテリー充電状態推定装置。
15. 前記補正ファクターはバッテリー温度Ｔを入力変数とし、バッテリー開放電圧変化量の補正ファクターを出力変数とする数学的モデルにバッテリーの温度を代入して算出することを特徴とする請求項９に記載のバッテリーの充電状態推定装置。
16. 温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態情報を保存する段階と、
    周期的にバッテリーの出力電圧と温度データを取得する段階と、
    連続的に測定された３つ以上のバッテリー出力電圧を含むバッテリー出力電圧の変化パターンに従ってバッテリー出力電圧の変化量を開放電圧の変化量に変換する数学的モデルに基づいて現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化量に対応する開放電圧の変化量を計算し、バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推定する段階と、
    直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を反映して現在段階のバッテリー開放電圧を推定する段階と、
    保存された温度別及び開放電圧別充電状態情報を参照して推定されたバッテリー開放電圧とバッテリー温度に対応するバッテリー充電状態をマッピングして出力する段階と、を含むことを特徴とするバッテリーの充電状態推定方法。
17. 連続的に測定されてメモリ部に保存された３つ以上のバッテリー出力電圧を含むバッテリー出力電圧の変化パターンに従ってバッテリー出力電圧の変化量を開放電圧の変化量に変換する数学的モデルに基づいて前記メモリ部に保存された現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化量に対応する開放電圧の変化量を計算するプロセスと、
    バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推定するプロセスと、
    直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を反映して現在段階のバッテリー開放電圧を推定するプロセスと、を実行することを特徴とするバッテリー開放電圧推定用ハードウェアモジュール。
18. 連続的に測定された３つ以上のバッテリー出力電圧を含むバッテリー出力電圧の変化パターンに従ってバッテリー出力電圧の変化量を開放電圧の変化量に変換する数学的モデルに基づいて現在及び過去に測定されたバッテリー出力電圧の変化量に対応する開放電圧の変化量を計算するプロセスと、
    バッテリー温度に対応する補正ファクターを計算された開放電圧の変化量に反映して現在段階の開放電圧の変化量を推定するプロセスと、
    直前段階で推定されたバッテリー開放電圧に推定された開放電圧の変化量を足して現在段階のバッテリー開放電圧を推定するプロセスと、
    推定された開放電圧及びバッテリー温度に対応するバッテリー充電状態を予め提供された温度別及び開放電圧別バッテリー充電状態情報からマッピングして出力するプロセスと、を実行するバッテリーの充電状態推定用ハードウェアモジュール。

Images