JP7338101B2 - 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管理方法 - Google Patents

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管理方法 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリーの退化を診断するための技術に関する。
本出願は、２０２０年５月２７日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－００６３８３９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。
バッテリーの退化をモニターするための多様な技術が存在する。特に、微分電圧分析法（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ， 「ＤＶＡ」と称し得る。）は、バッテリーの外部で観測可能なパラメータである電圧及び電流に基づいてバッテリーの内部的な退化状態を把握するのに用いられている。
微分電圧分析法を用いてバッテリーの内部的異常有無を把握するに際し、微分電圧カーブ（「Ｑ－ｄＶ／ｄＱカーブ」と称し得る。）に現れるピークが主な要素として考慮される。
バッテリーが新品状態（ＢＯＬ：Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ Ｏｆ Ｌｉｆｅ）の場合、微分電圧カーブに現れる全てのピークは、バッテリーの正極特性に依存するピークとバッテリーの負極特性に依存するピークとに分けられ得る。
ところが、バッテリーが次第に退化していくほど、微分電圧カーブに現れるピークが示す容量範囲が重なり合う現象が深化する。例えば、バッテリーが退化するほど、正極特性に依存するピークのうち一番目のピークと、負極特性に依存するピークのうち二番目のピークとの容量差が減少し得る。このように、狭い容量範囲内で正極から起因するピークと負極から起因するピークとが共に発現される場合、二つのピークからバッテリーの退化情報を正確に決定しにくくなる。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、所定の容量範囲内で相転移挙動が現れる正極材及び所定の容量範囲にかけて平坦特性を有する負極材を含むバッテリーに対する定電流充電または定電流放電によって得られる微分電圧カーブを用いて、バッテリーの退化情報を決定するバッテリー管理システム及びバッテリー管理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、所定の容量範囲内で相転移挙動が現れる正極材及び所定の容量範囲にかけて平坦特性を有する負極材を含むバッテリーのためのものである。バッテリー管理システムは、バッテリーの電圧及び電流を示すセンシング情報を出力するように構成されるセンシング部と、センシング部に動作可能に結合する制御部と、を含む。制御部は、バッテリーが定電流充電または定電流放電される間に収集されたセンシング情報に基づき、バッテリーの容量とバッテリーの電圧との対応関係を示す電圧カーブを決定するように構成される。また、制御部は、電圧カーブに基づいて微分電圧カーブを決定するように構成される。微分電圧カーブは、バッテリーの容量と、バッテリーの容量の変化量に対するバッテリーの電圧の変化量の割合である微分電圧との対応関係を示す。制御部は、所定の容量範囲内で現れる微分電圧カーブの関心ピークを検出するように構成される。制御部は、関心ピークの微分電圧に基づき、バッテリーの正極容量の損失率を示す第１容量損失率を決定するように構成される。
センシング部は、バッテリーに並列で接続される電圧センサーと、バッテリーに直列で接続される電流センサーと、を含む。
制御部は、関心ピークの微分電圧が基準微分電圧より大きい場合、第１差に基づいてバッテリーの第１容量損失率を決定するように構成され得る。第１差は、関心ピークの微分電圧と基準微分電圧との差である。
制御部は、関心ピークの微分電圧が基準微分電圧と同じ場合、関心ピークの容量に基づき、バッテリーの可用リチウム容量の損失率を示す第２容量損失率を決定するように構成され得る。
制御部は、
関心ピークの微分電圧が基準微分電圧と同じ場合、第２差に基づいてバッテリーの第２容量損失率を決定するように構成され得る。第２差は、関心ピークの容量と基準容量との差である。
制御部は、第１差及び第２差に基づき、バッテリーの第１容量損失率及びバッテリーの可用リチウム容量の損失率を示す第２容量損失率を決定するように構成され得る。第１差は、関心ピークの微分電圧と基準微分電圧との差である。第２差は、関心ピークの容量と基準容量との差である。
本発明の他面によるバッテリーパックは、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、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、所定の容量範囲内で相転移挙動が現れる正極材及び所定の容量範囲にかけて平坦特性を有する負極材を含むバッテリーのためのものである。バッテリー管理方法は、バッテリーが定電流充電または定電流放電される間に収集されたバッテリーの電圧及び電流を示すセンシング情報に基づき、バッテリーの容量とバッテリーの電圧との対応関係を示す電圧カーブを決定する段階と、電圧カーブに基づいて微分電圧カーブを決定する段階と、所定の容量範囲内で現れる微分電圧カーブの関心ピークを検出する段階と、関心ピークの微分電圧に基づき、バッテリーの正極容量の損失率を示す第１容量損失率を決定する段階と、を含む。微分電圧カーブは、バッテリーの容量と、バッテリーの容量の変化量に対するバッテリーの電圧の変化量の割合である微分電圧との対応関係を示す。
バッテリーの第１容量損失率を決定する段階は、関心ピークの微分電圧が基準微分電圧より大きい場合、第１差に基づいてバッテリーの第１容量損失率を決定する段階を含み得る。第１差は、関心ピークの微分電圧と基準微分電圧との差である。
バッテリー管理方法は、関心ピークの微分電圧が基準微分電圧と同じ場合、関心ピークの容量に基づき、バッテリーの可用リチウム容量の損失率を示す第２容量損失率を決定する段階をさらに含み得る。
本発明の実施例の少なくとも一つによると、所定の容量範囲内で相転移挙動が現れる正極材及び所定の容量範囲にかけて平坦特性を有する負極材を含むバッテリーに対する定電流充電または定電流放電によって得られる微分電圧カーブを用いて、バッテリーの退化情報を決定することができる。
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の構成を例示した図である。 バッテリーの退化状態による電圧カーブを例示したグラフである。 図２の電圧カーブに対応する微分電圧カーブを例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の構成を例示した図である。
図１を参照すると、バッテリーパック１０は、電気車１のような電力装置に搭載可能に提供され、バッテリーＢ、スイッチＳＷ、充放電デバイス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。
正極材は、バッテリーＢの充放電中に所定の容量範囲内で相転移（ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）挙動が現れる正極活物質を含み得る。正極材は、層状結晶構造を有し得る。例えば、ＬｉＮｉ８／１０Ｃｏ１／１０Ｍｎ１／１０Ｏ２などのリチウム金属複合酸化物が正極活物質として用いられ得る。正極における相転移は、バッテリーＢの充放電中に、正極材の層状結晶構造内に存在する通路を通して作動イオン（例えば、リチウムイオン）が移動することによって発生する現象であり得る。
負極材は、所定の容量範囲にかけて平坦特性を有する負極活物質を含み得る。平坦特性とは、相転移が発生することなく、電位の変化率が所定値未満に維持される特性である。例えば、負極活物質としては、炭素系材料（例えば、黒鉛）が用いられ得る。
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がターンオンされている間に、バッテリーＢの充放電が可能である。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、またはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，モス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がターンオフされている間に、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）に応じ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）に応じてターンオフされ得る。
充放電デバイス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。充放電デバイス２０は、バッテリーＢを通して流れる電流の電流レートを調節する定電流回路を含み得る。充放電デバイス２０は、バッテリー管理システム１００からの命令にしたがって、バッテリーＢの充電または放電のための電流の電流レート（「Ｃ－ｒａｔｅ」と称し得る。）を調節するように構成される。勿論、充放電デバイス２０は、定電流充電機能及び定電流放電機能のいずれか一つのみが可能であってもよい。
バッテリー管理システム１００は、バッテリーＢの退化状態を決定するために提供される。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、スイッチドライバー１５０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。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を通し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１３０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ー（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、その他の機能の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。
制御部１２０は、充放電デバイス２０及びセンシング部１１０に動作可能に結合する。制御部１２０は、バッテリーＢの退化状態を決定するために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の容量が第１臨界容量以下である場合、充電デバイス２０に定電流充電を命令し得る。充電デバイス２０は、バッテリーＢの容量が第２臨界容量に上昇するまで、所定の電流レート（例えば、０．０５Ｃ）で定電流充電を維持し得る。制御部１２０は、バッテリーＢの容量が第２臨界容量以上である場合、充電デバイス２０に定電流放電を命令し得る。充電デバイス２０は、バッテリーＢの容量の第１臨界容量に低下するまで、所定の電流レート（例えば、０．０５Ｃ）で定電流放電を維持し得る。第１臨界容量は、例えば、０％のＳＯＣに対応し、第２臨界容量は、例えば、１００％のＳＯＣに対応し得る。
制御部１２０は、バッテリーＢの定電流充電または定電流放電中に、所定の時間ごとに、センシング情報に含まれた電圧信号と電流信号に基づき、所定の時間ごとのバッテリー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。
バッテリーＢの容量とは、バッテリーＢに保存されている電荷量を示し、「残存容量」と称することがあり、所定の時間ごとのバッテリーＢの電流を積算することで決定され得る。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」と称し得る。）に対するバッテリーＢの容量の割合を示し、通常０～１、または０～１００％で示される。バッテリーＢの最大容量は、バッテリーＢの退化によって次第に減少する。所定の時間ごとの電圧、電流、容量及びＳＯＣのうち少なくとも一つは、制御部１２０によってメモリ部１３０に記録され得る。
メモリ部１３０は、制御部１２０に動作可能に結合する。メモリ部１３０は、センシング部１１０にも動作可能に結合し得る。メモリ部１３０は、例えば、フラッシュメモリタイプ（ｆｌａｓｈ（登録商標） 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）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ，スタティックランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，リードオンリメモリ）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，エレクトリカリーイレーサブルリードオンリメモリ）、ＰＲＯＭ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，プログラマブルリードオンリメモリ）の少なくとも一つのタイプの保存媒体を含み得る。
メモリ部１３０は、制御部１２０による演算動作に必要な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，電気制御装置）と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， コントローラエリアネットワーク）通信であり得、無線通信は、例えば、ジグビーやブルートゥース（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。
スイッチドライバー１５０は、制御部１２０及びスイッチＳＷに電気的に結合する。スイッチドライバー１５０は、制御部１２０からの命令にしたがって、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の定電流充電または定電流放電中に、スイッチＳＷ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。
図２は、バッテリーの退化状態による電圧カーブを例示するグラフであり、図３は、図２の電圧カーブに対応する微分電圧カーブを例示するグラフである。
本明細書において、第１容量損失率とは、バッテリーＢの正極の退化度に対応するパラメータであって、新品状態のバッテリーＢの正極容量である基準正極容量に対する現在のバッテリーＢの正極容量の低下率を示す。正極容量とは、正極に最大に吸蔵可能なリチウムイオンの総量を指す。正極の反応面積が減少するにつれ、第１容量損失率は増加する。即ち、「第１容量損失率＝（基準正極容量－現在の正極容量）／基準正極容量」である。
本明細書において、第２容量損失率とは、新品状態にあるバッテリーＢの可用リチウム容量である基準可用リチウム容量に対する現在のバッテリーＢの可用リチウム容量の低下率を指す。可用リチウム容量とは、充放電時の酸化還元反応に参与可能なリチウムイオンの総量を指す。負極の表面に析出されるリチウム金属の量が増加するにつれ、第２容量損失率は増加する。即ち、「第２容量損失率＝（基準可用リチウム容量－現在の可用リチウム容量）／基準可用リチウム容量」である。
図１及び図２を参照すると、制御部１２０は、バッテリーＢの定電流充電または定電流放電中にメモリ部１３０に記録された所定の時間ごとのバッテリーＢの電圧及び容量に基づいて電圧カーブを生成し得る。
図２には、４個の電圧カーブ２０１～２０４が示されている。電圧カーブ２０１は、新品状態であるバッテリーＢの容量Ｑと電圧Ｖとの関係を示す。電圧カーブ２０２は、第１容量損失率が０％であり、第２容量損失率が１０％であるバッテリーＢの容量Ｑと電圧Ｖとの関係を示す。電圧カーブ２０３は、第１容量損失率が５％であり、第２容量損失率が１０％であるバッテリーＢの容量Ｑと電圧Ｖとの関係を示す。電圧カーブ２０４は、第１容量損失率が１０％であり、かつ第２容量損失率が１０％であるバッテリーＢの容量Ｑと電圧Ｖとの関係を示す。
電圧カーブ２０１と電圧カーブ２０２を比較すると、第１容量損失率が同じ場合、第２容量損失率が増加するほど、電圧カーブの電圧が低電圧側へ収縮し、電圧カーブの容量が低容量側へ収縮することを確認することができる。
電圧カーブ２０２、電圧カーブ２０３及び電圧カーブ２０４を比較すると、容量維持率が同じ場合、第１容量損失率が増加するほど、バッテリーＢの電圧が速く変化することを確認することができる。容量維持率とは、新品状態における最大容量に対する現在の最大容量の割合である。
図３を参照すると、制御部１２０は、電圧カーブ２０１～２０４の各々の電圧Ｖを容量Ｑに微分し、微分電圧カーブ３０１～３０４を決定し得る。微分電圧カーブ３０１～３０４は、電圧カーブ２０１～２０４に各々基づく。制御部１２０は、電圧カーブ２０１～２０４に基づき、所定の時間ごとの容量Ｑの変化量ｄＱに対する電圧Ｖの変化量ｄＶの割合である微分電圧ｄＶ／ｄＱを決定し、容量Ｑと微分電圧ｄＶ／ｄＱとの対応関係を示すデータセットとしての微分電圧カーブ３０１～３０４をメモリ部１３０に記録し得る。微分電圧カーブは「Ｑ－ｄＶ／ｄＱカーブ」と称し得る。
制御部１２０は、微分電圧カーブ３０１～３０４から関心ピークＰ１～Ｐ４を各々検出し得る。ｉ＝１～４とするとき、微分電圧カーブ３０ｉの関心ピークＰｉは、所定の容量範囲（例えば、３５～４５Ａｈ）内で単独で位置するピーク（例えば、極大点）であり得る。関心ピークＰ１～Ｐ４は、バッテリーＢの正極で発生する相転移現象に起因する。
関心ピークＰ１と関心ピークＰ２とを比較すると、関心ピークＰ２の微分電圧は、関心ピークＰ１の微分電圧と同じ一方、関心ピークＰ２の容量が関心ピークＰ１の容量より小さい。即ち、第１容量損失率が同じ場合、第２容量損失率が増加するほど、関心ピークの容量が減少することが分かる。
関心ピークＰ２と関心ピークＰ３とを比較すると、関心ピークＰ３の微分電圧は、関心ピークＰ２の微分電圧より大きい。また、関心ピークＰ３と関心ピークＰ４とを比較すると、関心ピークＰ４の微分電圧は、関心ピークＰ３の微分電圧より大きい。即ち、容量維持率が同じ場合、第１容量損失率が増加するほど、関心ピークの微分電圧が増加することが分かる。
関心ピークＰ１と関心ピークＰ４とを比較すると、関心ピークＰ４の微分電圧は、関心ピークＰ１の微分電圧より大きく、関心ピークＰ４の容量は、関心ピークＰ１の容量より小さい。即ち、第１容量損失率が増加するほど、関心ピークの微分電圧は増加し、関心ピークの容量は減少する。また、第１容量損失率が増加すると共に第２容量損失率も増加する場合、関心ピークの容量がさらに大きく減少することが分かる。
制御部１２０は、微分容量カーブに基づいて第１差を決定し得る。第１差は、関心ピークの微分電圧と基準微分電圧との差である。基準微分電圧は、関心ピークＰ１の微分電圧であり得る。図３を参照すると、微分電圧カーブ３０２に対応する第１差は０［Ｖ／Ａｈ］であり、微分電圧カーブ３０３に対応する第１差はΔＤＶＡ［Ｖ／Ａｈ］であり、微分電圧カーブ３０４に対応する第１差は ΔＤＶＢ［Ｖ／Ａｈ］である。
制御部１２０は、微分容量カーブに基づいて第２差を決定し得る。第２差は、関心ピークの容量と基準容量との差である。基準容量は、関心ピークＰ１の容量であり得る。図３を参照すると、微分電圧カーブ３０２に対応する第２差はΔＱＡ［Ａｈ］であり、微分電圧カーブ３０３に対応する第２差はΔＱＢ［Ａｈ］であり、微分電圧カーブ３０４に対応する第２差はΔＱＣ［Ａｈ］である。
制御部１２０は、微分容量カーブから検出された関心ピークの微分電圧が基準微分電圧より大きい場合、第１差に基づいてバッテリーＢの第１容量損失率を決定し得る。例えば、制御部１２０は、バッテリーＢの定電流充電または定電流放電によって微分容量カーブ３０３が決定された場合、微分容量カーブ３０３に対応する第１差ΔＤＶＡに基づいて、バッテリーＢの第１容量損失率が ５％と同一であると決定し得る。
制御部１２０は、関心ピークの微分電圧と基準微分電圧とが同じ場合、第２差に基づいてバッテリーＢの第２容量損失率を決定し得る。例えば、制御部１２０は、バッテリーＢの定電流充電または定電流放電によって微分容量カーブ３０２が決定された場合、微分容量カーブ３０２に対応する第２差ΔＱＡに基づいて、バッテリーＢの第２容量損失率が１０％と同一であると決定し得る。
制御部１２０は、微分容量カーブから検出された関心ピークの微分電圧が基準微分電圧より大きい場合、第１差及び第２差に基づいてバッテリーＢの第１容量損失率及び第２容量損失率を決定し得る。例えば、制御部１２０は、バッテリーＢの定電流充電または定電流放電によって微分容量カーブ３０４が決定された場合、微分容量カーブ３０４に対応する第１差ΔＤＶＢ及び第２差ΔＱＣに基づいて、バッテリーＢの第１容量損失率が１０％と同一であり、バッテリーＢの第２容量損失率が１０％と同一であると決定し得る。
メモリ部１３０には、第１ルックアップテーブル、第２ルックアップテーブル及び第３ルックアップテーブルのうち少なくとも一つが予め記録され得る。
第１ルックアップテーブルは、第１差と第１容量損失率との対応関係を示すデータセットである。第１差と第１容量損失率との対応関係は、実験またはコンピュータシミュレーションによって予め決定され得る。制御部１２０は、第１差を決定した後、決定された第１差に対応するものとして第１ルックアップテーブルに記録されている第１容量損失率を決定し得る。
第２ルックアップテーブルは、第２差と第２容量損失率との対応関係を示すデータセットである。第２差と第１容量損失率との対応関係は、実験またはコンピュータシミュレーションによって予め決定され得る。制御部１２０は、関心ピークの微分電圧が基準微分電圧と同じ場合、第２差を決定した後、決定された第２差に対応するものとして第２ルックアップテーブルに記録されている第２容量損失率を決定し得る。
第３ルックアップテーブルは、第１差、第２差、第１容量損失率及び第２容量損失率の対応関係を示すデータセットである。第１差、第２差、第１容量損失率及び第２容量損失率の対応関係は、実験またはコンピュータシミュレーションによって予め決定され得る。制御部１２０は、第１差及び第２差を決定した後、決定された第１差及び決定された第２差に対応するものとして第３ルックアップテーブルに記録されている第１容量損失率と第２容量損失率を決定し得る。
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する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１２０は、バッテリーＢが充放電デバイス２０によって定電流充電または定電流放電する間、所定の時間ごとにセンシング部１１０から収集されたバッテリーの電圧及び電流を示すセンシング情報に基づき、バッテリーＢの容量Ｑと電圧Ｖとの対応関係を示す電圧カーブを決定する。
段階Ｓ４２０で、制御部１２０は、段階Ｓ４１０で決定された電圧カーブに基づいて微分電圧カーブを決定する。例えば、制御部１２０は、段階Ｓ４１０で図２の電圧カーブ２０２が決定された場合、電圧カーブ２０２から図３の微分電圧カーブ３０２を決定し得る。他の例で、制御部１２０は、段階Ｓ４１０で図２の電圧カーブ２０３が決定された場合、電圧カーブ２０３から図３の微分電圧カーブ３０３を決定し得る。
段階Ｓ４３０で、制御部１２０は、段階Ｓ４２０で決定された微分電圧カーブに現れる所定の容量範囲内の関心ピークを検出する。例えば、制御部１２０は、段階Ｓ４２０で、図３の微分電圧カーブ３０２が決定された場合、微分電圧カーブ３０２から関心ピークＰ２を検出し得る。他の例で、制御部１２０は、段階Ｓ４２０で、図３の微分電圧カーブ３０３が決定された場合、微分電圧カーブ３０３から関心ピークＰ３を検出し得る。
段階Ｓ４４０で、制御部１２０は、段階Ｓ４３０で検出された関心ピークの微分電圧が基準微分電圧より大きいか否かを判定する。一例で、段階Ｓ４２０で、図３の微分電圧カーブ３０３が決定された場合、段階Ｓ４４０の値は、「はい」となる。段階Ｓ４４０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４５０へ進む。段階Ｓ４４０の値が「いいえ」であることは、関心ピークの微分電圧が基準微分電圧と同じことを示す。一例で、段階Ｓ４２０で、図３の微分電圧カーブ３０２が決定された場合、段階Ｓ４４０の値は「いいえ」となる。段階Ｓ４４０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ４６０へ進む。
段階Ｓ４５０で、制御部１２０は、第１差に基づいてバッテリーＢの第１容量損失率を決定する。第１差は、段階Ｓ４３０で検出された関心ピークの微分電圧と基準微分電圧との差である。例えば、第１差がΔＤＶＡ［Ｖ／Ａｈ］である場合、第１ルックアップテーブル内でΔＤＶＡ［Ｖ／Ａｈ］に関わる５％が第１容量損失率として決定され得る。制御部１２０は、段階Ｓ４５０で決定された第１容量損失率をメモリ部１３０に記録し得る。
段階Ｓ４５２で、制御部１２０は、段階Ｓ４５０で決定された第１容量損失率を示す第１診断信号を出力する。第１診断信号は、インターフェース部１４０によって受信され得る。インターフェース部１４０は、第１診断信号を上位コントローラ２に伝達し得る。
段階Ｓ４６０で、制御部１２０は、第２差に基づいてバッテリーＢの第２容量損失率を決定する。第２差は、段階Ｓ４３０で検出された関心ピークの容量と基準容量との差である。例えば、第２差がΔＱＡ［Ａｈ］である場合、第２ルックアップテーブル内でΔＱＡ［Ａｈ］に関わる１０％が第２容量損失率として決定され得る。
段階Ｓ４６２で、制御部１２０は、段階Ｓ４６０で決定された第２容量損失率を示す第２診断信号を出力する。第２診断信号は、インターフェース部１４０によって受信され得る。インターフェース部１４０は、第２診断信号を上位コントローラ２に伝達し得る。
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したフローチャートである。
図１～図３及び図５を参照すると、段階Ｓ５１０で、制御部１２０は、バッテリーＢが充放電デバイス２０によって定電流充電または定電流放電される間、所定の時間ごとにセンシング部１１０から収集されたバッテリーの電圧及び電流を示すセンシング情報に基づいて、バッテリーＢの容量Ｑと電圧Ｖとの対応関係を示す電圧カーブを決定する。
段階Ｓ５２０で、制御部１２０は、段階Ｓ５１０で決定された電圧カーブに基づいて微分電圧カーブを決定する。例えば、制御部１２０は、段階Ｓ５１０で図２の電圧カーブ２０４が決定された場合、電圧カーブ２０２から図３の微分電圧カーブ３０４を決定し得る。
段階Ｓ５３０で、制御部１２０は、段階Ｓ５２０で決定された微分電圧カーブに現れる所定の容量範囲内の関心ピークを検出する。例えば、制御部１２０は、段階Ｓ５２０で、図３の微分電圧カーブ３０４が決定された場合、微分電圧カーブ３０４から関心ピークＰ４を検出し得る。
段階Ｓ５４０で、制御部１２０は、段階Ｓ５３０で検出された関心ピークの微分電圧及び容量に基づいて、第１差及び第２差を決定する。第１差は、段階Ｓ５３０で検出された関心ピークの微分電圧と基準微分電圧との差である。第２差は、段階Ｓ５３０で検出された関心ピークの容量と基準容量との差である。一例で、段階Ｓ５３０で、図３の関心ピークＰ４が検出された場合、ΔＤＶＢ及びΔＱＣが各々第１差及び第２差として決定される。
段階Ｓ５５０で、制御部１２０は、第１差及び第２差に基づいてバッテリーＢの第１容量損失率及び第２容量損失率を決定する。例えば、制御部１２０は、 第１差＝ΔＤＶＢ、第２差＝ΔＱＣである場合、第３ルックアップテーブル内でΔＤＶＢ及びΔＱＣに関わる１０％及び１０％が各々第１容量損失率及び第２容量損失率として決定され得る。制御部１２０は、段階Ｓ５５０で決定された第１容量損失率及び第２容量損失率をメモリ部１３０に記録し得る。
段階Ｓ５６０で、制御部１２０は、段階Ｓ５５０で決定された第１容量損失率及び第２容量損失率を示す診断信号を出力する。診断信号は、インターフェース部１４０によって受信され得る。インターフェース部１４０は、診断信号を上位コントローラ２に伝達し得る。
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 (11)

  1. 所定の容量範囲内で相転移挙動が現れる正極材及び前記所定の容量範囲にかけて平坦特性を有する負極材を含むバッテリーのためのバッテリー管理システムであって、
    前記バッテリーの電圧及び電流を示すセンシング情報を出力するように構成されるセンシング部と、
    前記センシング部に動作可能に結合する制御部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記バッテリーが充電または放電される間に収集された前記センシング情報に基づき、前記バッテリーの容量と前記バッテリーの電圧との対応関係を示す電圧カーブを決定し、
    前記電圧カーブに基づいて微分電圧カーブを決定し、前記微分電圧カーブは、前記バッテリーの容量と、前記バッテリーの容量の変化量に対する前記バッテリーの電圧の変化量の割合である微分電圧との対応関係を示し、
    前記所定の容量範囲内で現れる前記微分電圧カーブの関心ピークを検出し、
    前記関心ピークの微分電圧に基づき、前記バッテリーの正極容量の損失率を示す第１容量損失率を決定するように構成される、バッテリー管理システム。
  2. 前記センシング部は、
    前記バッテリーに並列で接続される電圧センサーと、
    前記バッテリーに直列で接続される電流センサーと、を含む、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、
    前記関心ピークの微分電圧が基準微分電圧より大きい場合、第１差に基づいて前記バッテリーの前記第１容量損失率を決定するように構成され、
    前記第１差は、前記関心ピークの微分電圧と前記基準微分電圧との差である、請求項１または２に記載のバッテリー管理システム。
  4. 前記制御部は、
    前記関心ピークの微分電圧が基準微分電圧と同じ場合、前記関心ピークの容量に基づき、前記バッテリーの可用リチウム容量の損失率を示す第２容量損失率を決定するように構成される、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、
    前記関心ピークの微分電圧が基準微分電圧と同じ場合、第２差に基づいて前記バッテリーの前記第２容量損失率を決定するように構成され、
    前記第２差は、前記関心ピークの容量と基準容量との差である、請求項４に記載のバッテリー管理システム。
  6. 前記制御部は、
    第１差及び第２差に基づき、前記バッテリーの前記第１容量損失率及び前記バッテリーの可用リチウム容量の損失率を示す第２容量損失率を決定するように構成され、
    前記第１差は、前記関心ピークの微分電圧と基準微分電圧との差であり、
    前記第２差は、前記関心ピークの容量と基準容量との差である、請求項１に記載のバッテリー管理システム。
  7. 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を含む、バッテリーパック。
  8. 請求項７に記載のバッテリーパックを含む、電気車両。
  9. 所定の容量範囲内で相転移挙動が現れる正極材及び前記所定の容量範囲にかけて平坦特性を有する負極材を含むバッテリーのためのバッテリー管理方法であって、
    前記バッテリーが充電または放電される間に収集された前記バッテリーの電圧及び電流を示すセンシング情報に基づき、前記バッテリーの容量と前記バッテリーの電圧との対応関係を示す電圧カーブを決定する段階と、
    前記電圧カーブに基づいて微分電圧カーブを決定する段階と、
    前記所定の容量範囲内で現れる前記微分電圧カーブの関心ピークを検出する段階と、
    前記関心ピークの微分電圧に基づき、前記バッテリーの正極容量の損失率を示す第１容量損失率を決定する段階と、を含み、
    前記微分電圧カーブは、前記バッテリーの容量と、前記バッテリーの容量の変化量に対する前記バッテリーの電圧の変化量の割合である微分電圧との対応関係を示す、バッテリー管理方法。
  10. 前記バッテリーの第１容量損失率を決定する段階は、
    前記関心ピークの微分電圧が基準微分電圧より大きい場合、第１差に基づいて前記バッテリーの前記第１容量損失率を決定する段階を含み、
    前記第１差は、前記関心ピークの微分電圧と前記基準微分電圧との差である、請求項９に記載のバッテリー管理方法。
  11. 前記関心ピークの微分電圧が前記基準微分電圧と同じ場合、前記関心ピークの容量に基づき、前記バッテリーの可用リチウム容量の損失率を示す第２容量損失率を決定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。
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