JP7331327B2 - 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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Description

本発明は、バッテリーを保護する技術に関する。
本出願は、２０２０年７月２０日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２０－００８９７５５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。
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、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のバッテリーが商用化しているが、中でも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効果が殆ど起きず充放電が自在であって、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。
バッテリーを充電または放電するとき、バッテリーの内部では分極現象が発生し、分極現象はバッテリーの過電圧を引き起こす。分極現象は、バッテリーの退化によって徐々に増加する多様な抵抗成分（例えば、オーム抵抗、電荷移動抵抗、拡散抵抗）に依存する。したがって、充放電時の電流レートが高いほど、バッテリーの温度が低いほど、そしてバッテリーの退化度が高いほど、分極現象は酷くなり、結果的にバッテリーで発生する過電圧の大きさも増加すると知られている。分極現象が誘発された状態でバッテリーを使用すると、バッテリーの退化が速まるという問題がある。
本発明者等は、バッテリーの充電時に生じる相転移反応が、バッテリーの過電圧と正の相関関係を有する分極現象に対して大きい依存性を有するという事実を見出した。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリーの充電時に単一な相転移反応が起きると予め決められた電圧範囲に対する微分容量カーブを決定した後、微分容量カーブに対する特徴点検出結果を用いて分極現象の程度を決定するための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、微分容量カーブに対する特徴点検出結果から決定された分極現象の程度を用いてバッテリーのための差等的な保護動作を行う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。
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。
本発明の一態様によるバッテリー管理システムは、バッテリーの電圧を示す電圧信号を生成するように構成される電圧センサと、前記バッテリーを通じて流れる電流を示す電流信号を生成するように構成される電流センサと、前記バッテリーが定電流充電される間、所定時間毎に、前記電圧信号及び前記電流信号に基づいて、前記バッテリーの電圧履歴及び電流履歴を記録するように構成される制御部と、を含む。前記制御部は、前記電圧履歴及び前記電流履歴に基づいて、基準電圧範囲内での前記バッテリーの電圧と微分容量との間の対応関係を示す微分容量カーブを決定するように構成される。前記制御部は、前記微分容量カーブからメイン特徴点が検出される場合、前記メイン特徴点の第１特徴電圧と基準電圧とを比べて、前記バッテリーのための第１保護動作を行うように構成される。
前記制御部は、前記バッテリーが定電流充電される間、前記微分容量カーブから最初に検出される極大点を前記メイン特徴点として決定するように構成され得る。
前記第１保護動作は、前記第１特徴電圧と前記基準電圧との電圧差に対応する補償電圧だけ、前記定電流充電の終了電圧を減少させる動作を含み得る。前記終了電圧の下限は、前記基準電圧範囲の上限電圧に制限され得る。
前記第１保護動作は、前記第１特徴電圧と前記基準電圧との電圧差に対応する第１補償電流だけ、前記定電流充電の基準電流を減少させる動作を含み得る。
前記制御部は、前記第１特徴電圧よりも大きい第２特徴電圧を有する追加特徴点が前記微分容量カーブから検出される場合、前記バッテリーのための第２保護動作を行うように構成され得る。
前記第２保護動作は、前記第１保護動作によって減少した前記基準電流をさらに減少させる動作を含み得る。
前記制御部は、前記微分容量カーブから特徴点が検出されない場合、前記定電流充電を中断するように構成され得る。
前記制御部は、前記バッテリーの最大容量に基づいて、前記基準電圧範囲を決定するように構成され得る。
本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述したバッテリー管理システムを含む。
本発明のさらに他の一態様による電気車両は、上述したバッテリーパックを含む。
本発明のさらに他の一態様によるバッテリー管理方法は、バッテリーが定電流充電される間、所定時間毎に行われ得る。前記バッテリー管理方法は、前記バッテリーの電圧を示す電圧信号及び前記バッテリーを通じて流れる電流を示す電流信号に基づいて、前記バッテリーの電圧履歴及び電流履歴を記録する段階と、前記電圧履歴及び前記電流履歴に基づいて、基準電圧範囲内での前記バッテリーの電圧と微分容量との間の対応関係を示す微分容量カーブを決定する段階と、前記微分容量カーブからメイン特徴点が検出される場合、前記メイン特徴点の第１特徴電圧と基準電圧とを比べて、前記バッテリーのための第１保護動作を行う段階と、を含む。
前記バッテリー管理方法は、前記第１特徴電圧よりも大きい第２特徴電圧を有する追加特徴点が前記微分容量カーブから検出される場合、前記バッテリーのための第２保護動作を行う段階をさらに含み得る。
本発明の一態様のうち少なくとも一つによれば、バッテリーの充電時に単一な相転移反応が起きると予め決められた電圧範囲に対する微分容量カーブを決定した後、微分容量カーブに対する特徴点検出結果を用いて分極現象の程度を決定することができる。
また、本発明の一態様のうち少なくとも一つによれば、微分容量カーブに対する特徴点検出結果から決定された分極現象の程度を用いて、バッテリーのための差等的な保護動作を実行する。これにより、バッテリーの退化を遅延させて安全に使用することができる。
本発明の効果は上記の効果に制限されず、他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解できるであろう。
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形態を例示するものであり、発明の詳細な説明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ものであるため、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的に示した図である。 基準電圧範囲を含む電圧区間に対する例示的な微分容量カーブを示したグラフである。 バッテリーの最大容量と基準電圧範囲との間の例示的な対応関係を示したグラフである。 本発明の第１実施例によるバッテリー管理方法を例示的に示したフロー図である。 本発明の第２実施例によるバッテリー管理方法を例示的に示したフロー図である。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。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典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、本発明のもっとも望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などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちある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」とするとき、これは特に言及されない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載された「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合せで具現され得る。
さらに、明細書の全体において、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されるとするとき、これは「直接的な連結（接続）」だけではなく、他の素子を介在した「間接的な連結（接続）」も含む。
図１は、本発明による電気車両の構成を例示的に示した図である。
図１を参照すると、バッテリーパック１０は、電気車両１のような電力装置に搭載可能に提供される。バッテリーパック１０は、バッテリーＢ、スイッチＳＷ、充電回路２０及びバッテリー管理システム１００を含む。
バッテリーＢの正極端子及び負極端子は、バッテリー管理システム１００に電気的に接続される。バッテリーＢは、リチウムイオンバッテリーであって、正極、負極及びセパレータを含む。セパレータは、正極と負極との間に配置され、正極と負極とを絶縁する。正極活物質としては、例えばＬｉＮｉ８／１０Ｃｏ１／１０Ｍｎ１／１０Ｏ２などのリチウム金属複合酸化物が用いられ得る。負極活物質としては、例えば炭素系材料（例えば、黒鉛）が用いられ得る。
バッテリーＢの分極現象が一定水準未満である場合、基準電圧範囲（例えば、３．６～３．８Ｖ）で、正極活物質または負極活物質の単一な相転移反応が現れる。相転移反応が起きる電圧を基準にしてバッテリーＢの容量が大きく変化する。したがって、基準電圧範囲に対する微分容量カーブを取得した後、微分容量カーブに対する特徴点検出結果に基づいて分極現象の程度を確認できる。分極現象は単に「分極」とも称し、分極現象の程度は「分極度」と称し得る。微分容量カーブの各特徴点は、相転移反応が起きる電圧を示す情報として活用できる。
スイッチＳＷは、バッテリーＢの充放電のためにバッテリーＢに直列で接続された電流経路に設けられる。スイッチＳＷがターンオンしている間、バッテリーＢが充放電可能である。スイッチＳＷ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又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のような半導体スイッチであり得る。スイッチＳＷがターンオフしている間、バッテリーＢの充放電は中断される。スイッチＳＷは、第１スイッチング信号（例えば、ハイレベル電圧）に応答してターンオンされ得る。スイッチＳＷは、第２スイッチング信号（例えば、ローレベル電圧）に応答してターンオフされ得る。
充電回路２０は、バッテリーＢの充放電のための電流経路に電気的に接続される。充電回路２０は、外部装置（例えば、商用電源）からの交流電力を直流電力に変換するように構成される。充電回路２０は、バッテリー管理システム１００からの命令によって、定電流充電のための電流レート（「Ｃ－ｒａｔｅ」とも称する）を調節する定電流回路を含み得る。
バッテリー管理システム１００は、過度な分極からバッテリーＢを保護するように提供される。バッテリー管理システム１００は、センシング部１１０、制御部１２０及びメモリ部１３０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１４０をさらに含み得る。バッテリー管理システム１００は、スイッチドライバ１５０をさらに含み得る。
センシング部１１０は、電圧センサ１１１及び電流センサ１１２を含む。電圧センサ１１１は、バッテリーＢに並列で接続されてバッテリーＢの両端にかかった電圧を検出し、検出された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１１２は、電流経路を通じてバッテリーＢに直列で接続される。電流センサ１１２は、バッテリーＢを通じて流れる電流を検出し、検出された電流を示す電流信号を生成するように構成される。制御部１２０は、同期の電圧信号と電流信号を含むセンシング情報をセンシング部１１０から収集し得る。
制御部１２０は、ハードウェア的に、ＡＳＩＣｓ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、ＤＳＰｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、ＤＳＰＤｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＰＬＤｓ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＦＰＧＡｓ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ）、マイクロプロセッサ、その他の機能を実行するための電気的ユニットのうち少なくとも一つを用いて具現され得る。
制御部１２０は、充電回路２０及びセンシング部１１０に動作可能に結合される。二つの構成が動作可能に結合されるとは、片方向または両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。制御部１２０は、バッテリーＢを保護するための後述する動作を行うように構成される。
制御部１２０は、バッテリーＢの電圧が基準電圧範囲の下限電圧未満である場合、充電回路２０に充電開始命令を伝送し得る。充電開始命令は、基準電流の電流レートを示す情報を含む。充電回路２０は、充電開始命令に応答して、基準電流でバッテリーＢを定電流充電する。
制御部１２０は、バッテリーＢが定電流充電される間、所定時間毎に、センシング情報に含まれた電圧信号と電流信号に基づいて、所定時間毎のバッテリーＢの電圧、電流、容量及び充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を決定するように構成される。ＳＯＣは、公知の多様なアルゴリズム（例えば、電流積算、カルマンフィルタ）のうち一つまたは二つ以上を組み合わせて決定できるため、具体的な説明は省略する。
バッテリーＢの容量は、バッテリーＢに貯蔵されている電荷量を示すものであって「残存容量」とも称し、所定時間毎のバッテリーＢの電流を積算することで決定できる。バッテリーＢのＳＯＣは、バッテリーＢの最大容量（「完全充電容量（ｆｕｌｌ ｃｈａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ）」とも称する）に対するバッテリーＢの容量の比率を示し、通常０～１または０～１００％で表される。バッテリーＢの最大容量は、バッテリーＢの退化につれて次第に減少する。
定電流充電中に所定時間毎に取得される電圧、電流及び容量のそれぞれに対応する電圧履歴、電流履歴及び容量履歴は、制御部１２０によってメモリ部１３０に記録され得る。容量履歴は電流履歴に基づく。あるパラメータの履歴とは、任意の期間にわたる該当パラメータの時系列的変化を意味する。
メモリ部１３０は、制御部１２０に動作可能に結合される。メモリ部１３０は、センシング部１１０にも動作可能に結合され得る。メモリ部１３０は、例えばフラッシュメモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｄｉｓｋ）、ＳＤＤ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｄｉｓｋ ｄｒｉｖｅ）、マルチメディアマイクロカード、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ＲＡＭ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＰＲＯＭ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）のうち少なくとも一つの形態の保存媒体を含み得る。
メモリ部１３０は、制御部１２０による演算動作に求められるデータ及びプログラムを保存し得る。メモリ部１３０は、制御部１２０による演算動作の結果を示すデータを保存し得る。
インターフェース部１４０は、制御部１２０と電気車両１の上位コントローラ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。有線通信は、例えばＣＡＮ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）通信であり得、無線通信は、例えばジグビー（登録商標）（ＺｉｇＢｅｅ（登録商標））やブルートゥース（登録商標）（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））通信であり得る。勿論、制御部１２０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、通信プロトコルの種類は特に限定されない。インターフェース部１４０は、制御部１２０及び／または上位コントローラ２から受信された情報をユーザ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）を含み得る。
スイッチドライバ１５０は、制御部１２０及びスイッチＳＷに電気的に接続される。スイッチドライバ１５０は、制御部１２０からの命令に応答して、第１スイッチング信号または第２スイッチング信号をスイッチＳＷに選択的に出力するように構成される。制御部１２０は、バッテリーＢの定電流充電中に、スイッチＳＷをターンオンさせることをスイッチドライバ１５０に命令し得る。
図２は基準電圧範囲を含む電圧区間に対する例示的な微分容量カーブを示したグラフであり、図３はバッテリーの最大容量と基準電圧範囲との間の例示的な対応関係を示したグラフである。
本発明者等は、定電流充電中に分極度を強制に深化させる実験を通じて、次のような事実を見出した。第一は、分極度が増加するほど、相転移反応が起きる電圧が徐々に増加（すなわち、高電圧側にシフト）するという点である。第二は、分極度をさらに増加させる場合、相転移反応が広い電圧範囲にかけて緩やかに起きるか、または、相転移反応が互いに分離した電圧範囲に分かれる点である。
本明細書において、微分容量カーブとは、バッテリーＢの電圧と微分容量との対応関係が記録されたデータセットを称し得る。微分容量とは、所定時間毎の、バッテリーＢの電圧変化ｄＶに対するバッテリーＢの容量変化ｄＱの比率ｄＱ／ｄＶを称する。
図２において、ＶＬ及びＶＵはそれぞれ基準電圧範囲ΔＶの下限電圧及び上限電圧を示し、ＶＥは定電流充電の終了電圧を示す。図２を参照すると、第１カーブ２０１は分極が完全に除去されたバッテリーＢの微分容量カーブを例示し、第２カーブ２０２はバッテリーＢの分極度が一定水準未満である場合の微分容量カーブを例示し、第３カーブ２０３はバッテリーＢの分極度が一定水準以上である場合の微分容量カーブを例示する。カーブ２０１、２０２、２０３のそれぞれにおいて、基準電圧範囲ΔＶ内で最初に現れる特徴点を「メイン特徴点」と称し得る。特徴点は、例えば極大点、極小点、変曲点及び特定条件を満足する点のうち一つまたは二つ以上を総称する用語である。図２では、カーブ２０１、２０２、２０３のそれぞれにおいて、基準電圧範囲ΔＶで最初に現れる極大点がメイン特徴点であると例示した。
制御部１２０は、定電流充電中にバッテリーＢの電圧が上限電圧ＶＵに到達する前であっても、所定時間毎に微分容量カーブに現れる特徴点を検出し得る。代案的には、制御部１２０は、バッテリーＢの電圧が上限電圧ＶＵに到達した後、基準電圧範囲ΔＶに対する微分容量カーブに現れるすべての特徴点を一括して検出し得る。
第１カーブ２０１を見れば、基準電圧範囲ΔＶ内で単一な特徴点Ｐ１が現れる。メモリ部１３０には、第１カーブ２０１に対応するデータセットが予め記録され得る。制御部１２０は、バッテリーＢに発生した分極度を決定するための基準電圧を特徴点Ｐ１の特徴電圧Ｖ１と同一に設定し得る。
第２カーブ２０２を見れば、基準電圧範囲ΔＶ内で単一な特徴点Ｐ２が現れる。特徴点Ｐ２は、特徴点Ｐ１から高電圧側にシフトされたものであることを確認できる。すなわち、特徴点Ｐ２の特徴電圧Ｖ２が特徴点Ｐ１の特徴電圧Ｖ１よりも高く、特徴電圧Ｖ２と特徴電圧Ｖ１との電圧差は、第２カーブ２０２が取得された定電流充電期間中に発生した分極度と正の相関関係を有し得る。
制御部１２０は、特徴電圧Ｖ２と特徴電圧Ｖ１との電圧差に基づいて、第１保護動作を行い得る。制御部１２０は、特徴点Ｐ２が検出された時点から第１保護動作を行い得る。
第１保護動作は、電圧差に対応する補償電圧だけ、定電流充電の終了電圧を減少させる動作を含み得る。制御部１２０は、電圧差に所定の第１加重値を乗じた値と同じく補償電圧を決定し得る。例えば、電圧差＝Ｖ２－Ｖ１＝０．１［Ｖ］、第１加重値＝０．９、ＶＥ＝４．０［Ｖ］の場合、補償電圧＝０．０９［Ｖ］であり、減少した終了電圧＝ＶＥ－０．０９［Ｖ］＝３．９１［Ｖ］＝ＶＥ'である。制御部１２０は、減少した終了電圧ＶＥ'を定電流充電の終了電圧に設定し得る。
第１保護動作は、電圧差に対応する補償電流だけ、基準電流を減少させる動作を含み得る。制御部１２０は、電圧差に所定の第２加重値を乗じた値と同じく補償電流を決定し得る。例えば、電圧差＝Ｖ２－Ｖ１＝０．１［Ｖ］、第２加重値＝０．５［Ｃ－ｒａｔｅ／Ｖ］、基準電流＝０．５０［Ｃ－ｒａｔｅ］の場合、補償電流＝０．０５［Ｃ－ｒａｔｅ］であり、減少した基準電流＝０．５０－０．０５［Ｃ－ｒａｔｅ］＝０．４５［Ｃ－ｒａｔｅ］である。制御部１２０は、減少した基準電流を定電流充電の基準電流に設定し得る。
第３カーブ２０３を見れば、基準電圧範囲ΔＶ内で二つの特徴点Ｐ３、ＰＡが現れる。特徴点Ｐ３は、特徴点Ｐ２よりも特徴点Ｐ１から高電圧側にシフトされたものであることを確認できる。すなわち、特徴点Ｐ３の特徴電圧Ｖ３が特徴点Ｐ２の特徴電圧Ｖ２よりも高く、特徴電圧Ｖ３と特徴電圧Ｖ１との電圧差は、第３カーブ２０３が取得された定電流充電期間中に発生した分極度を示す。
制御部１２０は、特徴電圧Ｖ３と特徴電圧Ｖ１との電圧差に基づいて、第１保護動作を行い得る。第１保護動作に対する説明は、第２カーブ２０２を基準にした上述した通りである。すなわち、制御部１２０は、第１保護動作として終了電圧の減少及び／または基準電流の減少を行い得る。
第２カーブ２０２が取得された後、第３カーブ２０３が取得されたとしよう。終了電圧の減少において、電圧差＝Ｖ３－Ｖ１＝０．１２［Ｖ］、第１加重値＝０．９、ＶＥ'＝３．９１［Ｖ］の場合、補償電圧＝０．１０８［Ｖ］であり、減少した終了電圧＝ＶＥ'－０．１０８［Ｖ］＝３．８０２［Ｖ］＝ＶＥ"である。制御部１２０は、減少した終了電圧ＶＥ"を定電流充電の終了電圧に設定し得る。終了電圧の下限は、上限電圧ＶＵに制限され得る。基準電流の減少において、電圧差＝Ｖ３－Ｖ１＝０．１２［Ｖ］、第２加重値＝０．５［Ｃ－ｒａｔｅ／Ｖ］、基準電流＝０．４５［Ｃ－ｒａｔｅ］の場合、補償電流＝０．０６［Ｃ－ｒａｔｅ］で、減少した基準電流＝０．４５－０．０６［Ｃ－ｒａｔｅ］＝０．３９［Ｃ－ｒａｔｅ］である。制御部１２０は、減少した基準電流を定電流充電の基準電流に設定し得る。
制御部１２０は、特徴点Ｐ３が検出された後、所定時間毎に、特徴電圧Ｖ３と上限電圧ＶＵとの間に追加特徴点が現れるか否かをモニタリングし得る。制御部１２０は、第３カーブ２０３の傾きが所定の臨界値以上になる地点または第３カーブ２０３の極小点を追加特徴点として検出し得る。
図２には、特徴電圧Ｖ３と上限電圧ＶＵとの間で最初に現れる極小点ＰＡが追加特徴点として検出されたことを例示した。追加特徴点ＰＡは、特徴電圧Ｖ３と上限電圧ＶＵとの間の特徴電圧ＶＡを有する。
制御部１２０は、追加特徴点ＰＡが検出された場合、第２保護動作を行い得る。制御部１２０は、追加特徴点ＰＡが検出された時点から第２保護動作を行い得る。
第２保護動作は、基準電流をさらに減少させる動作を含み得る。例えば、基準電流が第１保護動作によって０．４５［Ｃ－ｒａｔｅ］から０．３９［Ｃ－ｒａｔｅ］に減少した後、追加特徴点ＰＡが検出されたとしよう。この場合、制御部１２０は、基準電流０．３９［Ｃ－ｒａｔｅ］に第３加重値（例えば、０．９）を乗じた０．３５１［Ｃ－ｒａｔｅ］を定電流充電の基準電流に設定し得る。
下限電圧ＶＬ及び上限電圧ＶＵは予め決められた固定値であり得る。代案的には、制御部１２０は、定電流充電が開始される場合、バッテリーＢの最大容量ＱＭＡＸに基づいて、基準電圧範囲ΔＶの下限電圧ＶＬ及び上限電圧ＶＵを決定し得る。最大容量ＱＭＡＸは、公知の多様なアルゴリズムのうち一つまたは二つ以上の組合せで決定できるため、具体的な説明は省略する。
バッテリーＢの退化度と相転移反応との関係は、分極と相転移反応との関係と類似する。したがって、微分電圧カーブからバッテリーＢに発生した分極をより正確に把握するためには、バッテリーＢの退化度に対応する最大容量に基づいて基準電圧範囲ΔＶを決定することが有利であり得る。図３を参照すると、カーブ３０１は最大容量と下限電圧との関係を示し、カーブ３０２は最大容量と上限電圧との関係を示す。図３の二つのカーブ３０１、３０２は、バッテリーＢと同じ電気化学的性能を有するように製造されたバッテリーに対して実施された実験の結果に基づいて予め用意され得る。メモリ部１３０には、二つのカーブ３０１、３０２に対応するデータセット（例えば、ルックアップテーブル）が予め記録され得る。例えば、バッテリーＢの最大容量がＱＭＡＸである場合、制御部１２０はＱＭＡＸに関連したＶＸ及びＶＹをそれぞれ一電圧ＶＬ及び上限電圧ＶＵに設定し得る。
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的に示したフロー図であり、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的に示したフロー図である。説明の便宜上、第３カーブ２０３を基準にして図４及び図５の方法を説明する。図４の方法は、バッテリーＢが定電流充電される間、微分容量カーブ２０３のメイン特徴点Ｐ３が検出されるか又はバッテリーＢの電圧が上限電圧ＶＵに到達するまで、所定時間毎に繰り返され得る。図５の方法は、図４の方法によってメイン特徴点Ｐ３が検出されたことを条件にして、微分容量カーブ２０３の追加特徴点ＰＡが検出されるか又はバッテリーＢの電圧が上限電圧ＶＵに到達するまで、所定時間毎に繰り返され得る。
図１～図４を参照すると、段階Ｓ４００において、制御部１２０は、電圧センサ１１１からの電圧信号及び電流センサ１１２からの電流信号に基づいて、バッテリーＢの電圧履歴及び電流履歴を記録する。すなわち、電圧履歴及び電流履歴は所定時間毎に更新される。
段階Ｓ４１０において、制御部１２０は、バッテリーＢの電圧が基準電圧範囲ΔＶの下限電圧ＶＬに到達したか否かを判断する。段階Ｓ４１０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４２０に進行する。段階Ｓ４１０の値が「いいえ」である場合、図４の方法は終了する。
段階Ｓ４２０において、制御部１２０は、電圧履歴及び電流履歴に基づいて、バッテリーＢの電圧と微分容量との間の対応関係を示す微分容量カーブ２０３を決定する。すなわち、段階Ｓ４２０が実行される度に、所定時間中に新たに加えられた電圧情報及び容量情報によって微分容量カーブ２０３が更新され得る。
段階Ｓ４３０において、制御部１２０は、微分容量カーブ２０３のメイン特徴点Ｐ３が検出されたか否かを判断する。段階Ｓ４３０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４４０に進行する。段階Ｓ４３０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ４５０に進行する。
段階Ｓ４４０において、制御部１２０は、第１保護動作を行う。第１保護動作によって、終了電圧が減少するか又は基準電流が減少する。制御部１２０は、減少した基準電流を示す第１充電電流減少命令を充電回路２０に伝送し得る。充電回路２０は、第１充電電流減少命令に応答して基準電流の大きさを減少させる。
段階Ｓ４５０において、制御部１２０は、バッテリーＢの電圧が基準電圧範囲ΔＶの上限電圧ＶＵに到達したか否かを判断する。段階Ｓ４５０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４６０に進行する。段階Ｓ４５０の値が「いいえ」であることは、分極が抑制できない程度に深刻であるか又はバッテリー管理システム１００内に故障が発生したことを意味する。段階Ｓ４５０の値が「いいえ」である場合、図４の方法は終了する。
段階Ｓ４６０において、制御部１２０は、定電流充電を中断する。すなわち、制御部１２０は、充電回路２０に充電中断命令を伝送する。充電回路２０は、充電中断命令に応答して基準電流の供給を遮断する。代案的にまたは追加的に、制御部１２０は、スイッチＳＷをターンオフさせ得る。
図５を参照すると、段階Ｓ５００において、制御部１２０は、電圧センサ１１１からの電圧信号及び電流センサ１１２からの電流信号に基づいて、バッテリーＢの電圧履歴及び電流履歴を記録する。
段階Ｓ５１０において、制御部１２０は、電圧履歴及び電流履歴に基づいて、バッテリーＢの電圧と微分容量との間の対応関係を示す微分容量カーブ２０３を決定する。
段階Ｓ５２０において、制御部１２０は、微分容量カーブ２０３の追加特徴点ＰＡが検出されたか否かを判断する。段階Ｓ５２０の値が「はい」である場合、段階Ｓ５３０に進行する。段階Ｓ５２０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ５４０に進行する。
段階Ｓ５３０において、制御部１２０は、第２保護動作を行う。第２保護動作によって、基準電流がさらに減少する。制御部１２０は、さらに減少した基準電流を示す第２充電電流減少命令を充電回路２０に伝送する。充電回路２０は、第２充電電流減少命令に応答して基準電流の大きさをさらに減少させる。
上述した本発明の実施形態は、装置及び方法のみによって具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通じても具現され得、このような具現は上述した実施形態の記載から当業者であれば容易に具現できるであろう。
以上のように、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、本発明はこれに限定されるものではなく、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、上述した本発明は、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者により、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であって、上述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではなく、多様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。

Claims (12)

  1. バッテリーの電圧を示す電圧信号を生成するように構成される電圧センサと、
    前記バッテリーを通じて流れる電流を示す電流信号を生成するように構成される電流センサと、
    前記バッテリーが定電流充電される間、所定時間毎に、前記電圧信号及び前記電流信号に基づいて、前記バッテリーの電圧履歴及び電流履歴を記録するように構成される制御部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記電圧履歴及び前記電流履歴に基づいて、基準電圧範囲内での前記バッテリーの電圧と微分容量との間の対応関係を示す微分容量カーブを決定し、
    前記微分容量カーブからメイン特徴点が検出される場合、前記メイン特徴点の第１特徴電圧と基準電圧とを比べて、前記バッテリーのための第１保護動作を行うように構成された、バッテリー管理システム。
  2. 前記制御部は、
    前記バッテリーが定電流充電される間、前記微分容量カーブから最初に検出される極大点を前記メイン特徴点として決定するように構成された、請求項１に記載のバッテリー管理システム。
  3. 前記第１保護動作は、前記第１特徴電圧と前記基準電圧との電圧差に対応する補償電圧だけ、前記定電流充電の終了電圧を減少させる動作を含み、
    前記終了電圧の下限は、前記基準電圧範囲の上限電圧に制限される、請求項１または２に記載のバッテリー管理システム。
  4. 前記第１保護動作は、前記第１特徴電圧と前記基準電圧との電圧差に対応する第１補償電流だけ、前記定電流充電の基準電流を減少させる動作を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
  5. 前記制御部は、
    前記第１特徴電圧よりも大きい第２特徴電圧を有する追加特徴点が前記微分容量カーブから検出される場合、前記バッテリーのための第２保護動作を行うように構成された、請求項４に記載のバッテリー管理システム。
  6. 前記第２保護動作は、前記第１保護動作によって減少した前記基準電流をさらに減少させる動作を含む、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、
    前記微分容量カーブから特徴点が検出されない場合、前記定電流充電を中断するように構成された、請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
  8. 前記制御部は、
    前記バッテリーの最大容量に基づいて、前記基準電圧範囲を決定するように構成された、請求項１から７のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
  9. 請求項１から８のうちいずれか一項に記載のバッテリー管理システムを含む、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. バッテリーが定電流充電される間、所定時間毎に行われるバッテリー管理方法であって、
    前記バッテリーの電圧を示す電圧信号及び前記バッテリーを通じて流れる電流を示す電流信号に基づいて、前記バッテリーの電圧履歴及び電流履歴を記録する段階と、
    前記電圧履歴及び前記電流履歴に基づいて、基準電圧範囲内での前記バッテリーの電圧と微分容量との間の対応関係を示す微分容量カーブを決定する段階と、
    前記微分容量カーブからメイン特徴点が検出される場合、前記メイン特徴点の第１特徴電圧と基準電圧とを比べて、前記バッテリーのための第１保護動作を行う段階と、を含む、バッテリー管理方法。
  12. 前記第１特徴電圧よりも大きい第２特徴電圧を有する追加特徴点が前記微分容量カーブから検出される場合、前記バッテリーのための第２保護動作を行う段階をさらに含む、請求項１１に記載のバッテリー管理方法。
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