JP7342237B2 - 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

Description

本発明は、電気車両のインバーターとバッテリーとの間に設けられた平滑キャパシタのプレチャージングのための技術に関する。
本出願は、２０１９年１２月４日出願の韓国特許出願第１０－２０１９－０１６０１０５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（パーソナルコンピュータ）、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。

通常、電気車両に搭載されるバッテリーとインバーターとの間には急激な電圧変動を抑制するための平滑キャパシタが設けられる。

従来技術では、バッテリーと平滑キャパシタとの間の電圧差による突入電流を抑制するためのプレチャージ回路が開示されている。

ところが、従来技術によるプレチャージ回路のプレチャージ抵抗器は、もっぱらプレチャージング動作のみに必要な構成であることから、バッテリーが充放電されるほとんどの時間には何ら役割を果たすことができない。また、プレチャージ抵抗器は、バッテリー管理システム内で少なくない面積を占めるため、空間活用性も劣る。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、プレチャージ抵抗器の代わりに、温度センシング回路のサーミスタを電流制限素子として活用して平滑キャパシタをプレチャージするための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、ハイサイド電力線及びローサイド電力線によって平滑キャパシタに並列で接続する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、ローサイド電力線の第１ノードと第２ノードとの間に設けられる放電制御スイッチと、サーミスタを含み、サーミスタの第１端が第１ノードに接続する温度センシング回路と、サーミスタの第２端と第２ノードとの間に接続されるプレチャージ電力線に設けられるプレチャージスイッチと、放電制御スイッチ、温度センシング回路及びプレチャージスイッチに結合する制御部と、を含む。制御部は、キーオン（ｋｅｙ‐ｏｎ）信号を受信すると、平滑キャパシタのプレチャージングのために、放電制御スイッチをターンオフし、プレチャージスイッチをターンオンするように構成される。

制御部は、平滑キャパシタの両端にかかった電圧が臨界電圧以上に上昇すると、プレチャージスイッチをターンオフするように構成され得る。

制御部は、キーオン信号に応じて初期サーミスタ電圧値を決定するように構成され得る。初期サーミスタ電圧値は、プレチャージ電力線を介してプレチャージ電流が流れないときのサーミスタの両端にかかった電圧を示す。制御部は、初期サーミスタ電圧値が所定の設定電圧値以上である場合、平滑キャパシタのプレチャージングのために、放電制御スイッチをターンオフし、プレチャージスイッチをターンオンするように構成され得る。

サーミスタは、負温度係数サーミスタであり得る。

バッテリー管理システムは、ローサイド電力線に設けられるシャント抵抗器をさらに含み得る。制御部は、平滑キャパシタがプレチャージされる間、所定時間ごとに、シャント抵抗器の両端にかかった電圧を示すシャント電圧値に基づいて、プレチャージ電力線を介して流れるプレチャージ電流を示すプレチャージ電流値を決定するように構成され得る。

制御部は、平滑キャパシタがプレチャージされる間、所定時間ごとに、サーミスタの両端にかかった電圧を示すサーミスタ電圧値及びプレチャージ電流値に基づいてサーミスタの抵抗を決定するように構成され得る。サーミスタの抵抗に基づいてサーミスタの温度を決定するように構成され得る。

制御部は、平滑キャパシタがプレチャージされる間、所定時間ごとに、プレチャージ電流によるサーミスタのジュール熱に対応する補償温度をサーミスタの温度から減算してバッテリーの温度を決定するように構成され得る。

補償温度は、プレチャージ電流によって誘発されたサーミスタの温度上昇分を示し得る。

制御部は、下記の数式を用いて補償温度を決定するように構成され得る。

式中、ｋは、プレチャージングが開始されたときから所定時間が経過する度に１ずつ増加するサイクルインデックスであり、ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ－１］は、サイクルインデックスがｋ－１であるときの補償温度であり、ΔＱ_ｐｒｅ［ｋ］は、サイクルインデックスがｋであるときのプレチャージ電流によって所定時間の間に発生したサーミスタのジュール熱であり、ＴＣ_ｎｔｃは、サーミスタの熱容量であり、ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ］は、サイクルインデックスがｋであるときの補償温度である。

バッテリー管理システムは、プレチャージ電力線に接続するダイオードをさらに含み得る。ダイオードによって、サーミスタの第２端から第２ノードへの電流が遮断され得る。

バッテリー管理システムは、ハイサイド電力線またはローサイド電力線に設けられる充電制御スイッチをさらに含み得る。

本発明のさらに他面によるバッテリーパックは、バッテリーシステムを含む。

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、バッテリー管理システムによって実行される。

本発明の実施形態の少なくとも一つによると、バッテリーの温度を検出するために設けられた温度センシング回路のサーミスタを電流制限素子として活用して平滑キャパシタをプレチャージすることができる。これによって、従来技術のようにバッテリー管理システム内にプレチャージ抵抗器を追加しなくてもよいので、空間活用性が増大する。

また、本発明の実施形態の少なくとも一つによると、プレチャージング中に、サーミスタの温度からプレチャージ電流によるサーミスタの温度上昇分を減算してバッテリーの温度を決定することができる。

本発明の効果は以上で言及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形態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的に示した図である。 図１に示したバッテリー管理システムによるプレチャージング動作実行中のプレチャージ電流、サーミスタのジュール熱及び補償温度の変化を例示的に示したグラフである。 本発明の第１実施形態によるバッテリー管理方法を例示的に示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態によるバッテリー管理方法を例示的に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。

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１の構成を例示的に示した図である。

図１を参照すると、電気車両１は、バッテリーパック１０、車両コントローラ２０、インバーター４０及び電気モーター５０を含む。

車両コントローラ２０は、電気車両１に設けられた始動スイッチ（図示せず）が使用者によってオン位置に切り換えられたことに応じて、キーオン（ｋｅｙ‐ｏｎ）信号を生成するように構成される。車両コントローラ２０は、始動スイッチが使用者によってオフ位置に切り換えられたことに応じて、キーオフ（ｋｅｙ‐ｏｆｆ）信号を生成するように構成される。

バッテリーパック１０は、バッテリーＢ、平滑キャパシタＣ、ハイサイド電力線ＨＶ＋、ローサイド電力線ＨＶ－及びバッテリー管理システム１００を含む。

バッテリーＢは、電気的に、直列、並列または直・並列で接続する複数のバッテリーセルを含む。バッテリーセルは、例えば、リチウムイオンセル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の正極端子は、ハイサイド電力線ＨＶ＋によってバッテリーパック１０の第１パック端子Ｐ＋に電気的に接続する。バッテリーＢの負極端子は、ローサイド電力線ＨＶ－によってバッテリーパック１０の第２パック端子Ｐ－に電気的に接続する。

インバーター４０は、バッテリーＢから供給される直流電力を交流電力に切り換えて電気モーター５０に供給する。

平滑キャパシタＣは、インバーター４０に供給される直流電力を平滑化するように提供される。平滑キャパシタＣは、バッテリーパック１０の第１パック端子Ｐ＋と第２パック端子Ｐ－との間でインバーター４０に電気的に並列接続する。即ち、平滑キャパシタＣの第１端は、第１パック端子Ｐ＋に電気的に接続し、平滑キャパシタＣの第２端は、第２パック端子Ｐ－に電気的に接続する。これによって、バッテリーＢは、ハイサイド電力線ＨＶ＋及びローサイド電力線ＨＶ－を介して平滑キャパシタＣに電気的に並列接続する。

バッテリー管理システム１００は、放電制御スイッチＳＷ_Ｄ、温度センシング回路１４０、プレチャージスイッチＳＷ_Ｐ及び制御部１７０を含む。バッテリー管理システム１００は、充電制御スイッチＳＷ_Ｃ、プレチャージダイオード１５０及びシャント抵抗器１６０のうち少なくとも一つをさらに含み得る。

放電制御スイッチＳＷ_Ｄは、バッテリーＢの放電電流を制御するように提供される。放電制御スイッチＳＷ_Ｄは、ローサイド電力線ＨＶ－に設けられ得る。具体的に、放電制御スイッチＳＷ_Ｄは、ノードＮ１とノードＮ_２との間に電気的に直列接続する。ノードＮ_１及びノードＮ_２の各々は、ローサイド電力線ＨＶ－の一部分であり得る。ノードＮ_１と第１パック端子Ｐ＋との間の電流経路の長さは、ノードＮ_２と第１パック端子Ｐ＋との間の電流経路の長さよりも短いことがある。

放電制御スイッチＳＷ_Ｄは、放電ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；電界効果トランジスタ）１１０及び寄生ダイオード１１１を含み得る。放電ＦＥＴ１１０は、ドレーン、ソース及びゲートを有する。放電ＦＥＴ１１０のソースは、ノードＮ１に電気的に接続し得る。放電ＦＥＴ１１０のドレーンは、ノードＮ_２に電気的に接続し得る。放電ＦＥＴ１１０のゲートは、制御部１７０に電気的に接続し得る。寄生ダイオード１１１は、放電ＦＥＴ１１０に電気的に並列接続する。寄生ダイオード１１１は、放電電流を遮断する方向へ、放電ＦＥＴ１１０のドレーンとソースとの間に接続される。したがって、放電ＦＥＴ１１０がターンオフされている間には、バッテリーＢの放電が寄生ダイオード１１１によって遮断され、放電ＦＥＴ１１０がターンオンされている間のみにバッテリーＢの放電が可能である。

温度センシング回路１４０は、保護抵抗器１４１及びサーミスタ１４２の直列回路を含む。サーミスタ１４２は、負温度係数サーミスタ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ（ＮＴＣ）ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）であり得る。

サーミスタ１４２の第１端は、ノードＮ１に電気的に接続する。保護抵抗器１４１の第１端は、サーミスタ１４２の第２端に電気的に接続する。保護抵抗器１４１の第２端は、制御部１７０の基準電圧端子に電気的に接続する。制御部１７０は、制御部１７０に内蔵された電圧変換回路（例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータ）を用いて、バッテリーＢの電圧または追加的な電圧源（例えば、電気車両１の鉛蓄電池）から所定の電圧レベルを有する基準電圧を生成し得る。基準電圧端子から出力される基準電圧は、保護抵抗器１４１及びサーミスタ１４２によって分配される。一例で、基準電圧＝５Ｖ、保護抵抗器１４１とサーミスタ１４２との抵抗比が１９：１である場合、サーミスタ１４２の両端にかかる電圧Ｖ_Ｔ（以下、「サーミスタ電圧」と称し得る。）は、５Ｖ×１／（１９＋１）＝０．２５Ｖである。制御部１７０は、サーミスタ電圧Ｖ_Ｔに基づいてバッテリーＢの温度を検出するように構成される。

プレチャージスイッチＳＷ_Ｐは、サーミスタ１４２の第２端とノードＮ_２とを連結するプレチャージ電力線ＰＣに設けられる。即ち、プレチャージスイッチＳＷ_Ｐは、サーミスタ１４２と放電制御スイッチＳＷ_Ｄの直列回路に電気的に並列で接続し得る。

プレチャージスイッチＳＷ_Ｐは、プレチャージＦＥＴ１３０及び寄生ダイオード１３１を含み得る。プレチャージＦＥＴ１３０は、ドレーン、ソース及びゲートを有する。プレチャージＦＥＴ１３０のソースは、サーミスタ１４２の第２端に電気的に接続し得る。プレチャージＦＥＴ１３０のドレーンは、ノードＮ_２に電気的に接続し得る。プレチャージＦＥＴ１３０のゲートは、制御部１７０に電気的に接続し得る。寄生ダイオード１３１は、プレチャージＦＥＴ１３０に電気的に並列接続する。寄生ダイオード１３１は、プレチャージ電流を遮断する方向へ、プレチャージＦＥＴ１３０のドレーンとソースとの間に接続される。したがって、プレチャージＦＥＴ１３０がターンオフされている間には、平滑キャパシタＣのプレチャージングが寄生ダイオード１３１によって遮断され、プレチャージＦＥＴ１３０がターンオンされている間のみに、平滑キャパシタＣのプレチャージングが可能である。

ここで、注目すべきことは、プレチャージスイッチＳＷ_Ｐは、追加的なプレチャージ抵抗器の代わり、温度センシング回路１４０のサーミスタ１４２に電気的に接続することで、平滑キャパシタＣのプレチャージングのための電流経路としてのプレチャージ電力線ＰＣを通る電流の流れを選択的に開閉可能であるということである。また、サーミスタ１４２がＮＴＣサーミスタである場合には、プレチャージング動作中にサーミスタ１４２の抵抗が次第に減少するため、プレチャージ抵抗器を用いた従来技術に比べ、プレチャージング動作が効果的に行われる。

プレチャージダイオード１５０は、寄生ダイオード１３１とは反対方向（即ち、プレチャージ電流を許容する方向）へ、プレチャージ電力線ＰＣに設けられ得る。具体的に、プレチャージダイオード１５０は、プレチャージスイッチＳＷ_ＰのドレーンとノードＮ_２との間に電気的に接続するか、またはサーミスタ１４２の第２端とプレチャージスイッチＳＷ_Ｐのソースとの間に電気的に接続し得る。

充電制御スイッチＳＷ_Ｃは、バッテリーＢの充電電流を制御するように提供される。具体的に、図１を参照すると、充電制御スイッチＳＷ_Ｃは、ローサイド電力線ＨＶ－に設けられ得る。充電制御スイッチＳＷ_Ｃは、ノードＮ_２とノードＮ_３との間に電気的に直列接続し得る。ノードＮ_３は、ローサイド電力線ＨＶ－の一部分であり得る。ノードＮ_３と第２パック端子Ｐ－との間の電流経路の長さは、ノードＮ_２と第２パック端子Ｐ－との間の電流経路の長さよりも短いことがある。

充電制御スイッチＳＷ_Ｃは、充電ＦＥＴ１２０及び寄生ダイオード１２１を含み得る。充電ＦＥＴ１２０は、ドレーン、ソース及びゲートを有する。充電ＦＥＴ１２０のドレーンは、ノードＮ_２に電気的に接続し得る。充電ＦＥＴ１２０のソースは、ノードＮ_２に電気的に接続し得る。充電ＦＥＴ１２０のゲートは、制御部１７０に電気的に接続し得る。寄生ダイオード１２１は、充電ＦＥＴ１２０に電気的に並列接続する。寄生ダイオード１２１は、充電電流を遮断する方向へ、充電ＦＥＴ１２０のドレーンとソースとの間に接続される。したがって、充電ＦＥＴ１２０がターンオフされている間には、バッテリーＢの充電が寄生ダイオード１２１によって遮断され、充電ＦＥＴ１２０がターンオンされている間のみにバッテリーＢの充電が可能である。

また、充電制御スイッチＳＷ_Ｃは、ローサイド電力線ＨＶ－の代わりに、ハイサイド電力線ＨＶ＋に設けられてもよい。この場合、充電ＦＥＴ１２０のドレーンは、第１パック端子Ｐ＋に電気的に接続し、充電ＦＥＴ１２０のソースは、バッテリーＢの正極端子に電気的に接続し得る。

シャント抵抗器１６０は、ハイサイド電力線ＨＶ＋またはローサイド電力線ＨＶ－に設けられ得る。例えば、図１に示したように、シャント抵抗器１６０は、ノードＮ_３とノードＮ_４との間に電気的に接続し得る。ノードＮ_４は、ローサイド電力線ＨＶ－の一部分であり得る。ノードＮ_４と第２パック端子Ｐ－との間の電流経路の長さは、ノードＮ_３と第２パック端子Ｐ－との間の電流経路の長さよりも短いことがある。勿論、シャント抵抗器１６０は、ローサイド電力線ＨＶ－の代わりに、ハイサイド電力線ＨＶ＋に設けられてもよい。

シャント抵抗器１６０は、所定の抵抗（以下、「シャント抵抗」と称し得る。）を有する。シャント抵抗の値は、制御部１７０に予め記録され得る。制御部１７０は、シャント抵抗器１６０の両端にかかった電圧Ｖ_Ｓを示す電圧値（以下、「シャント電圧値」と称し得る。）を決定し得る。制御部１７０は、平滑キャパシタＣのプレチャージング中に、オームの法則によって、シャント電圧値及びシャント抵抗に基づいてフレチャージ電流の電流値（以下、「プレチャージ電流値」と称し得る。）を決定し得る。プレチャージ電流は、バッテリーＢ及びプレチャージ電力線ＰＣを通して流れる電流を指す。

制御部１７０は、「制御回路」と称し得、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，デジタル信号プロセッサ）、ＤＳＰＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，デジタル信号処理デバイス）、ＰＬＤ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ，プログラマブル論理デバイス）、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ー（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、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１７０には、メモリが内蔵され得る。メモリには、後述する方法を行うのに必要なプログラム及び各種データが保存され得る。メモリは、例えば、フラッシュメモリタイプ（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）、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 ｒｅａｄｏｎｌｙ 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。

制御部１７０は、車両コントローラ２０、バッテリーＢ、放電制御スイッチＳＷ_Ｄ、充電制御スイッチＳＷ_Ｃ、温度センシング回路１４０、プレチャージスイッチＳＷ_Ｐ及びシャント抵抗器１６０に動作可能に結合する。二つの構成が動作可能に結合するということは、ある一構成から他の構成へ信号の送信及び／または受信が可能に接続したことを意味する。

制御部１７０は、車両コントローラ２０からのキーオン信号に応じて、平滑キャパシタＣのためのプレチャージング動作を行う。制御部１７０は、車両コントローラ２０からのキーオフ信号に応じて、放電制御スイッチＳＷ_Ｄ、充電制御スイッチＳＷ_Ｃ及びプレチャージスイッチＳＷ_Ｐをターンオフし得る。

制御部１７０は、制御部１７０に内蔵された少なくとも一つのＡＤ変換器（Ａｎａｌｏｇ‐Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ，アナログデジタル変換器）を用いて、所定時間ごとに、ｉ）バッテリーＢの両端にかかった電圧を示すバッテリー電圧値、ｉｉ）平滑キャパシタＣの両端にかかった電圧Ｖ_Ｃ（以下、「キャパシタ電圧」と称し得る。）を示すキャパシタ電圧値、及びｉｉｉ）サーミスタ電圧Ｖ_Ｔを示すサーミスタ電圧値を決定し得る。

プレチャージング動作中、制御部１７０は、放電制御スイッチＳＷ_Ｄをターンオフし、プレチャージスイッチＳＷ_Ｐをターンオンする。これによって、プレチャージング動作中、バッテリーＢ、平滑キャパシタＣ、プレチャージ電力線ＰＣ及びサーミスタ１４２を通してプレチャージ電流が流れながらキャパシタ電圧Ｖ_Ｃが次第に上昇する。

プレチャージング動作中、制御部１７０は、充電制御スイッチＳＷ_Ｃをターンオフし得るが、充電制御スイッチＳＷ_Ｃがターンオンされても差し支えない。充電制御スイッチＳＷ_Ｃがターンオフされている場合、プレチャージ電流は、充電制御スイッチＳＷ_Ｃの寄生ダイオード１２１を通して流れる。

プレチャージング動作中、制御部１７０は、所定時間ごとに、シャント電圧値に基づいてプレチャージ電流値を決定する。

プレチャージング動作が中断されている間、制御部１７０は、所定時間ごとにサーミスタ電圧Ｖ_Ｔを基づいてサーミスタ１４２の温度を決定し得る。制御部１７０のメモリには、サーミスタ１４２の電圧と温度との相関関係が規定された電圧‐温度テーブルが記録されている。制御部１７０は、プレチャージ電流が流れないときには、所定時間ごとに、サーミスタ電圧Ｖ_Ｔをインデックスとして用いて、電圧－温度テーブルからサーミスタ電圧Ｖ_Ｔに関わる温度をサーミスタ１４２の温度として獲得し得る。

プレチャージング動作中には、制御部１７０は、所定時間ごとに、サーミスタ１４２の抵抗に基づいてサーミスタ１４２の温度を決定し得る。サーミスタ１４２の抵抗は、オームの法則によって、サーミスタ電圧Ｖ_Ｔ及びプレチャージ電流から決定され得る。制御部１７０のメモリには、サーミスタ１４２の抵抗と温度との相関関係が規定された抵抗－温度テーブルが記録されている。制御部１７０は、所定時間ごとに、サーミスタ１４２の抵抗をインデックスとして用いて、抵抗‐温度テーブルからサーミスタ１４２の抵抗に関わる温度をサーミスタ１４２の温度として獲得し得る。

注目すべきことは、プレチャージング動作中には、バッテリーＢの温度のみならず、プレチャージ電流によってもサーミスタ１４２の温度が上昇するようになるということである。したがって、プレチャージング動作中、バッテリーＢの温度を正確に決定するためには、サーミスタ１４２の温度として決定された値からプレチャージ電流によって誘発された温度上昇分を減算する必要がある。

プレチャージング動作中、制御部１７０は、所定時間ごとに、プレチャージ電流によって生成されるサーミスタ１４２のジュール熱を決定し得る。所定時間の間に生成されるサーミスタ１４２のジュール熱は、所定時間の間にプレチャージ電力線ＰＣによってサーミスタ１４２に供給される電気エネルギーに依存する。したがって、制御部１７０は、下記の数式（１）を用いて、サーミスタ１４２のジュール熱を決定できる。

数式（１）において、Δｔは所定時間、ｋはプレチャージングの開始時点（例えば、キーオン信号の受信時点）から所定時間が経過する度に１ずつ増加するサイクルインデックス、ΔＱ_ｐｒｅ［ｋ］はサイクルインデックスがｋであるときに決定されたジュール熱、Ｉ_ｐｒｅ［ｋ］はサイクルインデックスがｋであるときに決定されたプレチャージ電流値、Ｒ_ｎｔｃ［ｋ］はサイクルインデックスがｋであるときに決定されたサーミスタ１４２の抵抗を示す。プレチャージング動作の開始時点では、ｋ＝０であり得る。ΔＱ_ｐｒｅ［ｋ］は、Ｉ_ｐｒｅ［ｋ］がΔｔの間に一定に維持される場合に、Ｉ_ｐｒｅ［ｋ］によってΔｔの間に発生するサーミスタ１４２のジュール熱を示す。

プレチャージング動作中、制御部１７０は、所定時間ごとに、補償温度を決定し得る。補償温度は、プレチャージ電流によるサーミスタ１４２の温度上昇分を示す。制御部１７０は、下記の数式（２）を用いて補償温度を決定し得る。

数式（２）において、ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ－１］は、サイクルインデックスがｋ－１であるときに決定された補償温度、ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ］は、サイクルインデックスがｋであるときに決定された補償温度、ＴＣ_ｎｔｃはサーミスタ１４２の熱容量を示す。数式（２）の残りのパラメーターは、数式（１）と共通する。ΔＴ_ｐｒｅ［０］は、０℃である。数式（２）によると、プレチャージ動作中、所定時間Δｔごとに累積されるジュール熱ΔＱ_ｐｒｅ［ｋ］に基づいて補償温度ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ］が周期的に更新される。ｋが現在の時間インデックスであるとするとき、ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ－１］を「以前補償温度」と称し、ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ］を「現補償温度」と称し得る。

プレチャージング動作中、制御部１７０は、所定時間ごとに、補償温度をサーミスタ１４２の温度から減算し、バッテリーＢの温度を決定し得る。一例で、プレチャージング中の特定時点で、サーミスタ温度が３０℃、補償温度が２℃である場合、特定時点におけるバッテリーＢの温度は２８℃に決定され得る。

制御部１７０は、キャパシタ電圧値が臨界電圧値以上になるか、またはプレチャージ電流値が臨界電流値以下になる場合、プレチャージング動作を終了し得る。臨界電圧値は、バッテリーＢの電圧を示すバッテリー電圧値に１未満の所定の臨界割合値（例えば、０．９５）を掛けたものであり得る。

図２は、図１に示したバッテリー管理システム１００によるプレチャージング動作実行中のプレチャージ電流、サーミスタ１４２のジュール熱及び補償温度の変化を例示的に示すグラフである。

図２において、縦軸のＩ_ｐｒｅ、ΔＱ_ｐｒｅ、ΔＴ_ｐｒｅは、各々、プレチャージ電流、ジュール熱、補償温度を示す。カーブ２０１はプレチャージ電流Ｉ_ｐｒｅの変化、カーブ２０２はサーミスタ１４２のジュール熱の変化、カーブ２０３は補償温度の変化を示す。
カーブ２０１を参照すると、プレチャージングによってキャパシタ電圧Ｖ_Ｃが次第に上昇するにつれ、プレチャージ電流は次第に減少し得る。

カーブ２０２を参照すると、プレチャージング動作中、プレチャージ電流によるジュール熱によってサーミスタ１４２の抵抗が次第に減少する。プレチャージ電流及びサーミスタ１４２の抵抗が次第に減少する場合、所定時間当たりに発生するジュール熱も次第に減少し得る。

カーブ２０３を参照すると、プレチャージング動作中、プレチャージ電流によって供給されるジュール熱が累積されていくので、補償温度は次第に増加し得る（数式（１）及び数式（２）参照）。

図３は、本発明の第１実施形態によるバッテリー管理方法を例示的に示すフローチャートである。図３の方法は、図１のバッテリー管理システム１００がキーオン信号に応じて実行するものであって、平滑キャパシタＣのプレチャージングのためのものである。

図１～図３を参照すると、段階Ｓ３１０において、制御部１７０は、初期サーミスタ電圧値を決定する。初期サーミスタ電圧値は、プレチャージ電力線ＰＣを介してプレチャージ電流が流れないとき（例えば、キーオン信号が受信された時点）のサーミスタ電圧Ｖ_Ｔを示す。

段階Ｓ３２０で、制御部１７０は、初期サーミスタ電圧値が所定の設定電圧値以上であるか否かを判定する。段階Ｓ３２０の値が「はい」であることは、サーミスタ１４２の抵抗が突入電流を抑制できるほど充分に大きいことを示す。段階Ｓ３２０の値が「いいえ」であることは、サーミスタ１４２の抵抗が突入電流を抑制できるほど充分に大きくないことを示す。段階Ｓ３２０の値が「はい」である場合、段階Ｓ３３０へ進む。段階Ｓ３２０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ３１０へ戻るか、または図３の方法は終了され得る。

段階Ｓ３３０で、制御部１７０は、プレチャージ電力線ＰＣを介してプレチャージ電流が流れるように、プレチャージスイッチＳＷ_Ｐをターンオンする。

段階Ｓ３４０で、制御部１７０は、オームの法則によって、シャント電圧値及びシャント抵抗に基づいてプレチャージ電流値を決定する。

段階Ｓ３５０で、制御部１７０は、プレチャージ電流値が臨界電流値以下であるか否かを判定する。または、制御部１７０は、キャパシタ電圧値が臨界電圧値以上であるか否かを判定し得る。段階Ｓ３５０の値が「はい」であることは、平滑キャパシタＣのプレチャージが完了したことを示す。段階Ｓ３５０の値が「はい」である場合、段階Ｓ３６０へ進む。段階Ｓ３５０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ３４０へ戻り得る。

段階Ｓ３６０で、制御部１７０は、プレチャージスイッチＳＷ_Ｐをターンオフする。

プレチャージング動作中、制御部１７０は、放電制御スイッチＳＷ_Ｄをターンオフ状態に維持し得る。

図４は、本発明の第２実施形態によるバッテリー管理方法を例示的に示すフローチャートである。図４の方法は、図３の方法によってプレチャージ電流が流れる中に実行されるものであって、プレチャージング中のサーミスタ温度からバッテリーＢの温度を決定するためのものである。

図１～図４を参照すると、段階Ｓ４１０で、制御部１７０は、サーミスタ電圧値を決定する。サーミスタ電圧値は、プレチャージ電流が流れる中のサーミスタ１４２の両端にかかった電圧Ｖ_Ｔを示す。

段階Ｓ４２０で、制御部１７０は、オームの法則によって、サーミスタ電圧値及びプレチャージ電流値（段階Ｓ３４０参照）に基づいてサーミスタ１４２の抵抗を決定する。

段階Ｓ４３０で、制御部１７０は、サーミスタ１４２の抵抗に基づいてサーミスタ１４２の温度を決定する。

段階Ｓ４４０で、制御部１７０は、補償温度を決定する（数式（１）及び数式（２）を参照）。

段階Ｓ４５０で、制御部１７０は、サーミスタ１４２の温度から補償温度を減算してバッテリーＢの温度を決定する。

制御部１７０は、図４の方法を用いて、プレチャージング中にも、バッテリーＢの温度が所定の正常温度範囲内にあるか否かなどを診断し得る。もし、プレチャージング中、制御部１７０は、バッテリーＢの温度が所定の正常温度範囲から外れていると判断される場合、放電制御スイッチ１１０、充電制御スイッチ１２０及びプレチャージスイッチ１３０を全てターンオフし得る。

以上で説明した本発明の実施形態は、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、前述した実施形態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、上述の実施形態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形態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 (13)

1. ハイサイド電力線及びローサイド電力線によって平滑キャパシタに並列で接続するバッテリーのためのバッテリー管理システムであって、
   前記ローサイド電力線の第１ノードと第２ノードとの間に設けられる放電制御スイッチと、
   サーミスタを含む温度センシング回路であって、前記サーミスタの第１端が前記第１ノードに接続する、温度センシング回路と、
   前記サーミスタの第２端と前記第２ノードとの間に接続されるプレチャージ電力線に設けられるプレチャージスイッチと、
   前記放電制御スイッチ、前記温度センシング回路及び前記プレチャージスイッチに結合する制御部と、を含み、
   前記制御部は、キーオン信号を受信すると、前記平滑キャパシタのプレチャージングのために、前記放電制御スイッチをターンオフし、前記プレチャージスイッチをターンオンするように構成され、
   前記制御部は、
   前記キーオン信号に応じて、前記プレチャージ電力線を介してプレチャージ電流が流れないときの前記サーミスタの両端にかかった電圧である初期サーミスタ電圧値を検出し、
   前記初期サーミスタ電圧値が所定の設定電圧値以上である場合、前記平滑キャパシタのプレチャージングのために、前記放電制御スイッチをターンオフし、前記プレチャージスイッチをターンオンするように構成される、バッテリー管理システム。
2. 前記制御部は、前記平滑キャパシタの両端にかかった電圧が臨界電圧以上に上昇すると、前記プレチャージスイッチをターンオフするように構成される、請求項１に記載のバッテリー管理システム。
3. 前記サーミスタが、負温度係数サーミスタである、請求項１または２に記載のバッテリー管理システム。
4. 前記ローサイド電力線に設けられるシャント抵抗器をさらに含み、
   前記制御部は、前記平滑キャパシタがプレチャージされる間、所定時間ごとに、前記シャント抵抗器の両端にかかった電圧を示すシャント電圧値に基づいて、前記プレチャージ電力線を介して流れるプレチャージ電流を示すプレチャージ電流値を検出するように構成される、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、
   前記平滑キャパシタがプレチャージされる間、前記所定時間ごとに、前記サーミスタの両端にかかった電圧を示すサーミスタ電圧値及び前記プレチャージ電流値に基づいて前記サーミスタの抵抗を決定し、
   前記サーミスタの抵抗に基づいて前記サーミスタの温度を決定するように構成される、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、前記平滑キャパシタがプレチャージされる間、前記所定時間ごとに、前記プレチャージ電流による前記サーミスタのジュール熱に対応する補償温度を前記サーミスタの温度から減算して前記バッテリーの温度を決定するように構成される、請求項５に記載のバッテリー管理システム。
7. 前記補償温度は、前記プレチャージ電流によって誘発された前記サーミスタの温度上昇分を示す、請求項６に記載のバッテリー管理システム。
8. 前記制御部は、下記の数式を用いて前記補償温度を決定するように構成され、
   ｋは、プレチャージングが開始されたときから所定時間が経過する度に１ずつ増加するサイクルインデックスであり、ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ－１］は、サイクルインデックスがｋ－１であるときの前記補償温度であり、ΔＱ_ｐｒｅ［ｋ］は、サイクルインデックスがｋであるときの前記プレチャージ電流によって前記所定時間の間に発生した前記サーミスタのジュール熱であり、ＴＣ_ｎｔｃは、前記サーミスタの熱容量であり、ΔＴ_ｐｒｅ［ｋ］は、サイクルインデックスがｋであるときの前記補償温度である、請求項６または７に記載のバッテリー管理システム。
9. 前記プレチャージ電力線に接続するダイオードをさらに含み、
   前記ダイオードによって、前記サーミスタの第２端から前記第２ノードへの電流が遮断される、請求項１から８のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
10. 前記ハイサイド電力線または前記ローサイド電力線に設けられる充電制御スイッチをさらに含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
11. 請求項１から１０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。
12. 請求項１１に記載の前記バッテリーパックを含む電気車両。
13. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の前記バッテリー管理システムによって実行されるバッテリー管理方法。

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