JP7384330B2 - 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、充電中の過電圧(over-potential)からバッテリーを保護する技術に関する。
本出願は、2020年8月13日出願の韓国特許出願第10-2020-0101932号及び2021年8月12日出願の韓国特許出願第10-2021-0106953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ー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。
バッテリーの充電中において、バッテリーに内部的に分極現象が発生する。分極現象は、バッテリーの様々な抵抗成分(例えば、オーム抵抗、電荷伝達抵抗、拡散抵抗)に依存性を有する。充電中のバッテリー電圧が開路電圧(open circuit voltage:OCV)より高いのは、分極現象によって過電圧(over-potential)が形成されるためである。
バッテリーが退化するほど分極現象が深化する傾向がある。これによって、充電条件(例えば、充電電流、温度)が同一であっても、バッテリーの退化度が高いほど過電圧の大きさが増加し得る。
しかし、過電圧が大きすぎる場合、バッテリーの退化が加速化するという問題がある。例えば、充電中において、バッテリーの負極の電位は次第に下降するが、過電圧によってバッテリーの負極の電圧が0V以下に下降する場合、負極の表面にリチウム金属が速く析出され、結果的に充放電反応に参与可能なリチウムイオンの損失量が増加すると共に、内部短絡が発生し得る。
本発明の実施例の少なくとも一つによると、前回の定電流充電イベントによってアップデートされた過電圧管理情報に基づき、現回の定電流充電を開始する前に、過電圧を抑制するための充電条件を設定可能な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、本発明は、現回の定電流充電イベントによって得られた臨界電圧範囲に対する微分容量カーブに示される少なくとも一つのピークの位置情報に基づき、次回の定電流充電のための過電圧管理情報をアップデート可能な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他の目的とする。
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、バッテリーの電圧及び電流を示すセンシング信号を生成するように構成されるセンシング部と、基準ピーク値及び基準ピーク電圧値を含む過電圧管理情報を保存するように構成されるメモリー部と、充電要請に応じて、前記基準ピーク値が臨界ピーク値以上である場合、最大許容電流率を用いた第1定電流充電を、前記バッテリーに接続された充電回路に命令するように構成される制御部と、を含む。前記制御部は、前記第1定電流充電中に収集された前記センシング信号に基づき、臨界電圧範囲における前記バッテリーの電圧と微分容量との対応関係を示す第1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、前記第1微分容量カーブの一番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第1メインピーク値及び第1メインピーク電圧値を決定するように構成される。前記制御部は、前記第1メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記基準ピーク値及び前記基準ピーク電圧値を各々前記第1メインピーク値及び前記第1メインピーク電圧値と同一にアップデートするように構成される。
前記過電圧管理情報は、第1基準割合をさらに含み得る。前記制御部は、前記基準ピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記最大許容電流率に前記第1基準割合を掛けて第1基準電流率を決定するように構成され得る。前記制御部は、前記第1基準電流率が前記最小許容電流率以上である場合、前記第1基準電流率を用いた第2定電流充電を前記充電回路に命令するように構成され得る。
前記過電圧管理情報は、第2基準割合をさらに含み得る。前記制御部は、前記第2定電流充電中に、前記バッテリーの電圧が前記基準ピーク電圧値より調整電圧値だけ小さい切換電圧値に到達したとき、前記最大許容電流率と前記第2基準割合との積と同じ第2基準電流率を用いた第3定電流充電を前記充電回路に命令するように構成され得る。前記制御部は、前記第2定電流充電及び前記第3定電流充電中に収集された前記センシング信号に基づき、前記臨界電圧範囲における前記バッテリーの電圧と微分容量との対応関係を示す第2微分容量カーブを決定するように構成され得る。前記制御部は、前記第2微分容量カーブの一番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第3メインピーク値及び第3メインピーク電圧値を決定するように構成され得る。前記制御部は、前記第3メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記基準ピーク値及び前記基準ピーク電圧値を各々前記第3メインピーク値及び前記第3メインピーク電圧値と同一にアップデートするように構成され得る。
前記制御部は、前記第1基準電流率が最小許容電流率未満である場合、充電不能メッセージを出力するように構成され得る。
前記過電圧管理情報は、第2基準割合をさらに含み得る。前記制御部は、前記第1メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記第1微分容量カーブの二番目のピークの微分容量及び電圧を示す第2メインピーク値及び第2メインピーク電圧値を決定するように構成され得る。前記制御部は、前記第1メインピーク値が前記第2メインピーク値より大きい場合、前記第2基準割合と第1減殺値との積と同一に前記第2基準割合をアップデートするように構成され得る。前記第1減殺値が1未満の正数である。前記制御部は、前記第1メインピーク値が前記第2メインピーク値以下である場合、前記第2基準割合と第2減殺値との積と同一に前記第2基準割合をアップデートするように構成され得る。前記第2減殺値は、前記第1減殺値より小さい1未満の正数である。
前記制御部は、前記アップデートされた第2基準割合が所定の最小割合以下である場合、前記第1基準割合と第3減殺値との積と同一に前記第1基準割合をアップデートするように構成され得る。前記第3減殺値は1未満の正数である。
前記制御部は、前記第3メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記第2微分容量カーブの二番目のピークの微分容量及び電圧を示す第4メインピーク値及び第4メインピーク電圧値を決定するように構成され得る。前記制御部は、前記第3メインピーク値が前記第4メインピーク値より大きい場合、前記第2基準割合と第1減殺値との積と同一に前記第2基準割合をアップデートするように構成され得る。前記第1減殺値は1未満の正数である。
前記制御部は、前記第3メインピーク値が前記第4メインピーク値以下である場合、前記第2基準割合と第2減殺値との積と同一に前記第2基準割合をアップデートするように構成され得る。前記第2減殺値は、前記第1減殺値より小さい1未満の正数である。
本発明の他面によるバッテリーパックは、前記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、前記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、充電要請に応じて、バッテリーの過電圧管理情報に含まれた基準ピーク値が臨界ピーク値以上である場合、最大許容電流率を用いた第1定電流充電を前記バッテリーに接続された充電回路に命令する段階と、前記第1定電流充電中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信号に基づき、臨界電圧範囲における前記バッテリーの電圧と微分容量との対応関係を示す第1微分容量カーブを決定する段階と、前記第1微分容量カーブの一番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第1メインピーク値及び第1メインピーク電圧値を決定する段階と、前記第1メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記基準ピーク値及び前記基準ピーク電圧値を各々前記第1メインピーク値及び前記第1メインピーク電圧値と同一にアップデートする段階と、を含む。
本発明の実施例の少なくとも一つによると、前回の定電流充電イベントによってアップデートされた過電圧管理情報に基づき、現回の定電流充電を開始する前に過電圧を抑制するための充電条件を設定することができる。
また、本発明の実施例の少なくとも一つによると、現回の定電流充電イベントによって得られた臨界電圧範囲に対する微分容量カーブに示される少なくとも一つのピークの位置情報に基づき、次回の定電流充電のための過電圧管理情報をアップデート可能である。
これによって、定電流充電の間、バッテリーの負極の電位が過度に下降することによるリチウムの析出を防止することができる。
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両の構成を例示した図である。 複数の電流率に各々対応する複数の電圧カーブを例示した図である。 図2の複数の電圧カーブに各々対応する複数の微分容量カーブを例示した図である。 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。 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(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の例示的な構成を示した図である。
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に電気的に接続する。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ーを含む。セパレーターは、正極と負極との間に配置され、正極と負極を絶縁する。正極活物質としては、例えば、LiNi8/10Co1/10Mn1/10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。
充電中において、バッテリーBの分極現象が一定の水準未満である場合、臨界電圧範囲(例えば、3.65~3.80V)で、負極活物質において単一の相転移反応が現われる。したがって、負極における相転移反応が起こる電圧を基準にしてバッテリーBの容量が大きく増加する。臨界電圧範囲は、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サンプルに対する充電実験を通じて予め決められ得る。一方、バッテリーBの分極現象が深化するほど、臨界電圧範囲内の相転移反応が弱化し得る。
したがって、バッテリーBの充電中に、臨界電圧範囲に対する微分容量カーブを獲得した後、微分容量カーブに示される各ピーク(例えば、極大点、極小点)の位置情報に基づいて分極現象の程度を確認し得る。位置情報は、ピークの微分容量であるピーク値(または、ピーク強度)及び/またはピークの電圧であるピーク電圧を含み得る。
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置される。スイッチSWがターンオンされている間、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、またはMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)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、常用電源)からの交流電力を直流電力に切り換え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からの命令に応じて、定電流充電のための電流率(「C-rate」と称し得る。)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、過度な分極現象によって形成される過電圧からバッテリー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及びメモリー部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、メモリー部130、インターフェース部140及びスイッチドライバー150の少なくとも一つは、制御部120と単一のチップなどの形態でパッケージングされ得る。
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信号をセンシング部110から収集し得る。
制御部120は、ハードウェア的に、 ASIC(application specific integrated circuit,特定用途向け集積回路)、DSP(digital signal processor,デジタルシグナルプロセッサ)、DSPD(digital signal processing device,デジタル信号処理デバイス)、PLD(programmable logic device,プログラマブルロジックデバイス)、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(microprocessor)、その他の機能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、充電回路20、センシング部110及びメモリー部130のうち少なくとも一つ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、単方向または双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の電圧が所定の開始電圧以下の状態で上位コントローラー2からの充電要請が受信される場合、充電要請に応じて充電回路20に定電流充電命令を伝送し得る。
制御部120は、バッテリーBの定電流充電中において、所定の時間毎に、センシング信号に含まれた電圧信号と電流信号に基づき、所定の時間毎のバッテリーBの電圧、電流、容量及び充電状態(State-Of-Charge;SOC)を決定するように構成される。
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し、「残存容量」と称し得る。制御部120は、所定の時間毎にバッテリーBの電流の検出値を積算することで、バッテリーBの容量を決定し得る。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%で表される。バッテリーBの最大容量は、バッテリーBが退化するにつれ、次第に減少する。
定電流充電中において、所定の時間毎に取得される電圧、電流及び容量に各々対応する電圧履歴、電流履歴及び容量履歴は、制御部120によってメモリー部130に記録され得る。容量履歴は、電流履歴に基づく。あるパラメーターの履歴とは、任意の期間または特定の期間に亘った該当パラメーターの経時的な変化、即ち、時系列を意味する。
メモリー部130は、制御部120に動作可能に結合する。メモリー部130は、センシング部110にも動作可能に結合し得る。メモリー部130は、例えば、フラッシュメモリー(登録商標)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ー)、SRAM(static random access memory,スタティックランダムアクセスメモリー)、ROM(read‐only memory,リードオンリーメモリー)、EEPROM(electrically erasable programmable read‐only memory,エレクトリカリーイレーサブルプログラマブルリードオンリーメモリー)、PROM(programmable read‐only memory,プログラマブルリードオンリーメモリー)の少なくとも一つのタイプの保存媒体を含み得る。
メモリー部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。メモリー部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と上位コントローラー2(例えば、Electronic Control Unit:ECU)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(contoller area network)通信であり、無線通信は、例えば、ジグビー(登録商標)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ー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ー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に電気的に接続される。スイッチドライバー150は、制御部120からの命令に応じて、第1スイチング信号または第2スイ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をターンオンすることをスイッチドライバー150に命令し得る。
図2は、複数の電流率に各々対応する複数の電圧カーブを例示した図であり、図3は、図2の複数の電圧カーブに各々対応する複数の微分容量カーブを例示した図である。
図2を参照すると、電圧カーブ210、220、230は各々、バッテリーBが新品状態であったときと同じ仕様の複数のバッテリーサンプルに対する定電流充電テストによって取得した結果である。
具体的には、電圧カーブ210は、バッテリーサンプルを0.5Cの電流率を用いて所定の開始電圧V(例えば、3.3V)から所定の終了電圧V(ここで、4.1V)まで定電流充電する間、当該バッテリーサンプルの電圧履歴と容量履歴との対応関係を示す。
電圧カーブ220は、他のバッテリーサンプルを0.7Cの電流率を用いて開始電圧V以下から終了電圧Vに到達するまで定電流充電する間、当該バッテリーサンプルの電圧履歴と容量履歴との対応関係を示す。
電圧カーブ230は、さらに他のバッテリーサンプルを1.0Cの電流率を用いて開始電圧Vから終了電圧Vまで定電流充電する間、当該バッテリーサンプルの電圧履歴と容量履歴との対応関係を示す。
電圧カーブ210、220、230を比較すると、容量を示す横軸を基準にして、電圧カーブ230が電圧カーブ220の上側に位置し、電圧カーブ220が電圧カーブ210の上側に位置することを確認することができる。即ち、同じ容量において、電圧カーブ230が電圧カーブ220よりも高い電圧を有し、電圧カーブ220が電圧カーブ210よりも高い電圧を有する。このような結果の理由は、電流率が高いほど、充電中にバッテリーサンプルに累積される過電圧が大きくなるためである。
図3を参照すると、微分容量カーブ310、320、330は各々、図2の電圧カーブ210、220、230の容量を電圧に対して微分することで決定されたものである。各微分容量カーブ310、320、330は各々、対応する電圧カーブ210、220、230の各々の電圧Vと微分容量dQ/dVとの対応関係を示す。微分容量dQ/dVとは、バッテリーの電圧変化dVに対する容量変化dQの割合を指す。微分容量カーブ310、320、330は各々、対応する電圧カーブ210、220、230の各々の導関数(derivative)といえる。
微分容量カーブ310、320、330から、次のようないくつかの過電圧関連特性を確認することができる。
一番目の特性は、定電流充電に用いられた電流率が増加するほど、臨界電圧範囲ΔVTH内において一番目で示されるピークの微分容量(以下、「ピーク値」と称し得る。)が次第に減少するということである。例えば、ピークP、P、Pは各々、微分容量カーブ310、320、330の臨界電圧範囲ΔVTH内の一番目のピークであって、ピークPのピーク値MP1がピークPのピーク値MP2より大きく、ピークPのピーク値MP2がピークPのピーク値MP3より大きい。ピーク値MP2とピーク値MP3は、臨界ピーク値Mref未満であり、これは第1過電圧状態を示す。本明細書において、微分容量カーブの臨界電圧範囲ΔVTH内の一番目のピークとは、臨界電圧範囲ΔVTH内に単一のピークのみがある場合には当該ピークを指し、臨界電圧範囲ΔVTH内に二つ以上のピークがある場合には最も小さいピーク電圧の特定のピークを指す。
二番目の特性は、定電流充電の間に負極に累積された過電圧の大きさが一定の水準を超える場合、臨界電圧範囲ΔVTH内で一番目のピークのピーク値よりも大きいピーク値を有する二番目のピークが微分容量カーブに示され得るということである。例えば、図3では、臨界電圧範囲ΔVTH内で、微分容量カーブ310にはピークPのみが唯一に示され、微分容量カーブ320にはピークPのみが唯一に示されている。一方、微分容量カーブ330にはピークPのピーク電圧VP3より高いピーク電圧VPAを有する二番目のピークPが示されることを確認することができる。図3において、ピークPのピーク値MPAがピークPのピーク値MP3より大きく、これは、第1過電圧状態が既に発生した後に追加的に発生可能な第2過電圧状態を示す。
前述された過電圧状態は、過電圧の大きさが一定の水準を超えて増加する場合、充電中の正極と負極との電圧平衡状態も次第に変わるためである。
図2及び図3を参照して前述した過電圧特性を考慮すると、前回の定電流充電イベントを通じてアップデートされた臨界電圧範囲ΔVTHに対する過電圧管理情報に基づき、現回の定電流充電イベントの充電条件を変更することで、バッテリーBを過度な過電圧から保護できることが分かる。
このために、制御部120は、定電流充電イベントが1回行われる度に、メモリー部130に保存された過電圧管理情報をアップデートし得る。過電圧管理情報は、基準ピーク値及び基準ピーク電圧値を含む。過電圧管理情報は、第1基準割合及び第2基準割合のうち少なくとも一つをさらに含み得る。バッテリーBに対する定電流充電イベントが最初に発生した場合、基準ピーク値は臨界ピーク値Mrefと同一であり、基準ピーク電圧値は臨界ピーク電圧値と同一であり、第1基準割合と第2基準割合は各々1であり得る。
臨界ピーク値Mrefと臨界ピーク電圧値は各々、バッテリーサンプルを開始電圧Vから臨界電圧範囲ΔVTHの上限Vまで所定の臨界電流率(例えば、0.1C)でパルス充電して得られた電圧カーブに対応する微分容量カーブの臨界電圧範囲ΔVTH内に示される一番目のピークの微分容量と電圧値以下に予め決められ得る。例えば、臨界ピーク値Mrefは、ピーク値MP1とピーク値MP3との間の範囲内で決められ、臨界ピーク電圧値は、ピーク電圧値VP1とピーク電圧値VP3との間の範囲内で決められ得る。参照までに、パルス充電は、第1時間の定電流充電と第2時間の休止を反復する充電方式である。第1時間の定電流充電によって形成された過電圧は、第2時間の休止によって解消される。
臨界電圧範囲ΔVTHの下限Vと上限Vは、複数のバッテリーサンプルに対して二つ以上の相異なる電流率を個別的に用いた定電流充電テストの結果に基づいて適切に決められ得る。
以下、臨界電圧範囲ΔVTHに対する微分容量カーブに示される一番目のピークを「第1メインピーク」と称し、第1メインピークのピーク値を「第1メインピーク値」と称し、第1メインピークのピーク電圧値を「第1メインピーク電圧値」と称する。
メモリー部130に保存された過電圧管理情報の基準ピーク値が臨界ピーク値Mref以上ということは、前回の定電流充電イベントにおける第1メインピーク値が臨界ピーク値Mref以上であったこと、即ち、第1過電圧状態及び第2過電圧状態がいずれも未検出されたことを示す。この場合、充電要請に対する応答として制御部120によって行われる現回の定電流充電イベントにおいては、過電圧抑制のための充電条件の変更が不要である。
一方、制御部120が充電要請を受信したときにメモリー部130に保存された過電圧管理情報の基準ピーク値が臨界ピーク値Mref未満ということは、前回の定電流充電イベントにおける第1メインピーク値が臨界ピーク値Mref未満であったこと、即ち、第1過電圧状態が検出されたことを示す。この場合、制御部120は、充電要請に応じて現回の定電流充電イベントを行うに際し、過電圧管理情報の基準ピーク電圧値、第1基準割合及び/または第2基準割合に基づいて充電条件を変更し得る。第1基準割合は、定電流充電イベントの開始時の電流率を決定することにおいて選択的に用いられ得る制御ファクターである。第2基準割合は、バッテリーBが定電流充電中に充電電流の電流率を変更するのに用いられ得る制御ファクターである。
図4及び図5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り、図6及び図7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するフローチャートである。バッテリー管理方法は、上位コントローラー2からの充電要請に応じて行われ得る。一例で、制御部120は、充電要請を受信したときのバッテリーBの電圧が開始電圧V以下である場合、後述するバッテリー管理方法を開始し得る。
図1~図5を参照すると、段階S410において、制御部120は、過電圧管理情報の基準ピーク値が臨界ピーク値Mref以上であるか否かを判定する。段階S410の値が「はい」であることは、バッテリーBの定電流充電イベントが最初であるか、または前回の定電流充電イベントで第1過電圧状態及び第2過電圧状態が検出されなかったことを意味する。段階S410の値が「はい」である場合、段階S420へ進む。段階S410の値が「いいえ」であることは、前回の定電流充電イベントで第1過電圧状態または第2過電圧状態が検出されたことを意味する。段階S410の値が「いいえ」である場合、図6の段階S610へ進む。
段階S420で、制御部120は、最大許容電流率を用いた第1定電流充電を充電回路20に命令する。これに応じて、充電回路20は、第1定電流充電を開始する。制御部120は、第1定電流充電の間、センシング部110からのセンシング信号を設定時間毎に収集し、収集されたセンシング信号が示す電圧値及び電流値をメモリー部130に記録し得る。
段階S430で、制御部120は、バッテリーBの電圧が臨界電圧範囲ΔVTHの上限Vに到達したか否かを判定する。段階S430の値が「はい」である場合、段階S440へ進む。段階S430の値が「いいえ」である場合、段階S430を反復する。
段階S440で、制御部120は、第1充電期間の間に収集されたセンシング信号に基づき、臨界電圧範囲ΔVTHに対する第1微分容量カーブを決定する。第1充電期間は、第1定電流充電によってバッテリーBの電圧が臨界電圧範囲ΔVTHの下限Vに到達したときから臨界電圧範囲ΔVTHの上限Vに到達したときまでの期間である。第1微分容量カーブは、臨界電圧範囲ΔVTHにおけるバッテリーBの電圧と微分容量との対応関係を示す。
段階S450で、制御部120は、第1微分容量カーブに少なくとも一つのピークが示されたか否かを判定する。段階S450の値が「いいえ」である場合、第1実施例による方法は終了し得る。段階S450の値が「はい」である場合、段階S452へ進む。
段階S452で、制御部120は、第1微分容量カーブの一番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第1メインピーク値及び第1メインピーク電圧値を決定する。
段階S460で、制御部120は、第1メインピーク値が臨界ピーク値Mref未満であるか否かを判定する。第1メインピーク値が臨界ピーク値Mref未満であることは、バッテリーBが第1定電流充電によって第1過電圧状態を有するようになったことを示す。段階S460の値が「はい」である場合、段階S462へ進む。段階S460の値が「いいえ」である場合、第1実施例による方法は終了し得る。
段階S462で、制御部120は、過電圧管理情報の基準ピーク値及び基準ピーク電圧値を各々、第1メインピーク値及び第1メインピーク電圧値と同一にアップデートする。
段階S464で、制御部120は、第1微分容量カーブに二番目のピークが示されたか否かを判定する。段階S464の値が「いいえ」である場合、第1実施例による方法は終了するか、または段階S482へ進み得る。段階S464の値が「はい」である場合、段階S470へ進む。
段階S470で、制御部120は、第1微分容量カーブの二番目のピークの微分容量及び電圧各々を示す第2メインピーク値及び第2メインピーク電圧値を決定する。
段階S480で、制御部120は、第1メインピーク値が第2メインピーク値以下であるか否かを判定する。段階S480の値が「いいえ」である場合、段階S482へ進む。段階S480の値が「はい」であることは、バッテリーBが第1定電流充電によって第2過電圧状態を有するようになったことを示す。段階S480の値が「はい」である場合、段階S484へ進む。
段階S482で、制御部120は、第2基準割合と第1減殺値との積と同一に第2基準割合をアップデートする。第1減殺値は、1未満の正数(例えば、0.9であり得る。
段階S484で、制御部120は、第2基準割合と第2減殺値との積と同一に第2基準割合をアップデートする。第2減殺値は、第1減殺値より小さい1未満の正数(例えば、0.8)であり得る。
段階S490で、制御部120は、アップデートされた第2基準割合が最小割合以下であるか否かを判定する。最小割合は、第2減殺値未満に予め決められた値であり得る。アップデートされた第2基準割合が最小割合以下であることは、バッテリーBの過電圧を抑制するためには次回の定電流充電の開始時点から電流率を低める必要があることを意味する。段階S490の値が「はい」である場合、第1実施例による方法は終了し得る。段階S490の値が「はい」である場合、段階S492へ進む。
段階S492で、制御部120は、第1基準割合と第3減殺値との積と同一に第1基準割合をアップデートする。第3減殺値は、1未満の正数であり得る。
図6を参照すると、段階S600で、制御部120は、最大許容電流率と前記第1基準割合を掛けて第1基準電流率を決定する。第1基準割合が1未満である場合、第1基準電流率は、最大許容電流率より小さい。
段階S610で、制御部120は、第1基準電流率が最小許容電流率未満であるか否かを判定する。段階S610の値が「はい」である場合、段階S612へ進む。段階S610の値が「ない」である場合、段階S620へ進む。
段階S612で、制御部120は、充電不能メッセージを出力する。充電不能メッセージは、バッテリーBの退化による過電圧特性が深化し、バッテリーBの交替が必要であることを示す。充電不能メッセージは、インターフェース部140を介して上位コントローラー2に伝達され得る。
段階S620で、制御部120は、切換電圧値及び第2基準電流率を決定する。切換電圧値は、基準ピーク電圧値より所定の調整電圧値(例えば、0.05V)だけ小さい電圧値と、(ii)臨界電圧範囲ΔVTHの下限Vのうち大きいものであり得る。第2基準電流率は、最大許容電流率と第2基準割合との積と同一であり得る。切換電圧値を決定する理由は、現回の定電流充電イベント中に、バッテリーBの電圧が前回の定電流充電イベントで第1過電圧状態が発生した電圧に到達する前に、充電電流の電流率を下降させるためである。
段階S622で、制御部120は、第1基準電流率を用いた第2定電流充電を充電回路20に命令する。これに応じて、充電回路20は、第2定電流充電を開始する。制御部120は、第2定電流充電の間、センシング部110からのセンシング信号を設定時間毎に収集し、収集されたセンシング信号が示す電圧値及び電流値をメモリー部130に記録し得る。
段階S624で、制御部120は、バッテリーBの電圧が切換電圧値に到達したか否かを判定する。段階S624の値が「はい」である場合、段階S626へ進む。段階S624の値が「いいえ」である場合、段階S624を反復する。
段階S626で、制御部120は、第2基準電流率を用いた第3定電流充電を充電回路20に命令する。これに応じて、充電回路20は、第2定電流充電から第3定電流充電に切り換える。制御部120は、第3定電流充電の間、センシング部110からのセンシング信号を設定時間毎に収集し、収集されたセンシング信号が示す電圧値及び電流値をメモリー部130に記録し得る。
段階S630で、制御部120は、バッテリーBの電圧が臨界電圧範囲ΔVTHの上限Vに到達したか否かを判定する。段階S630の値が「はい」である場合、段階S640へ進む。段階S430の値が「いいえ」である場合、段階S630を反復する。
段階S640で、制御部120は、第2充電期間の間に収集されたセンシング信号に基づき、臨界電圧範囲ΔVTHに対する第2微分容量カーブを決定する。第2充電期間は、第2定電流充電及び第3定電流充電によってバッテリーBの電圧が臨界電圧範囲ΔVTHの下限Vに到達したときから臨界電圧範囲ΔVTHの上限Vに到達したときまでの期間である。第2微分容量カーブは、臨界電圧範囲ΔVTHにおけるバッテリーの電圧と微分容量との対応関係を示す。
段階S650で、制御部120は、第2微分容量カーブに少なくとも一つのピークが示されたか否かを判定する。段階S650の値が「いいえ」である場合、第2実施例による方法は終了し得る。段階S650の値が「はい」である場合、段階S652へ進む。
段階S652で、制御部120は、第2微分容量カーブの一番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第3メインピーク値及び第3メインピーク電圧値を決定する。
段階S660で、制御部120は、第3メインピーク値が臨界ピーク値Mref未満であるか否かを判定する。第3メインピーク値が臨界ピーク値Mref未満であることは、バッテリーBが第2定電流充電及び第3定電流充電によって第1過電圧状態を有するようになったことを示す。段階S660の値が「はい」である場合、段階S662へ進む。段階S660の値が「いいえ」である場合、第2実施例による方法は、終了し得る。
段階S662で、制御部120は、過電圧管理情報の基準ピーク値及び基準ピーク電圧値を各々第3メインピーク値及び第3メインピーク電圧値と同一にアップデートする。
段階S664で、制御部120は、第2微分容量カーブに二番目のピークが示されたか否かを判定する。段階S664の値が「いいえ」である場合、第2実施例による方法は終了するか、または段階S682へ進み得る。段階S664の値が「はい」である場合、段階S670へ進む。
段階S670で、制御部120は、第2微分容量カーブの二番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第4メインピーク値及び第4メインピーク電圧値を決定する。
段階S680で、制御部120は、第3メインピーク値が第4メインピーク値以下であるか否かを判定する。段階S680の値が「いいえ」である場合、段階S682へ進む。段階S680の値が「はい」であることは、バッテリーBが第2定電流充電及び第3定電流充電によって第2過電圧状態を有するようになったことを示す。段階S680の値が「はい」である場合、段階S684へ進む。
段階S682で、制御部120は、第2基準割合と第1減殺値との積と同一に第2基準割合をアップデートする。第1減殺値は、1未満の正数(例えば、0.9)であり得る。
段階S684で、制御部120は、第2基準割合と第2減殺値との積と同一に第2基準割合をアップデートする。第2減殺値は、第1減殺値より小さい1未満の正数(例えば、0.8)であり得る。
段階S690で、制御部120は、アップデートされた第2基準割合が最小割合以下であるか否かを判定する。最小割合は、第2減殺値未満に予め決められた値であり得る。アップデートされた第2基準割合が最小割合以下であることは、バッテリーBの過電圧を抑制するためには、次回の定電流充電の開始時点から電流率を低める必要があることを意味する。段階S690の値が「いいえ」である場合、第2実施例による方法は終了し得る。段階S690の値が「はい」である場合、段階S692へ進む。
段階S692で、制御部120は、第1基準割合と第3減殺値との積と同一に第1基準割合をアップデートする。第3減殺値は、1未満の正数であり得る。
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 (12)

  1. バッテリーの電圧及び電流を示すセンシング信号を生成するように構成されるセンシング部と、
    基準ピーク値及び基準ピーク電圧値を含む過電圧管理情報を保存するメモリー部と、
    充電要請に応じて、前記基準ピーク値が臨界ピーク値以上である場合、最大許容電流率を用いた第1定電流充電を、前記バッテリーに接続された充電回路に命令する制御部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記第1定電流充電中に収集された前記センシング信号に基づき、臨界電圧範囲における前記バッテリーの電圧と微分容量との対応関係を示す第1微分容量カーブを決定し、
    前記第1微分容量カーブの一番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第1メインピーク値及び第1メインピーク電圧値を決定し、
    前記第1メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記基準ピーク値及び前記基準ピーク電圧値を各々前記第1メインピーク値及び前記第1メインピーク電圧値と同一にアップデートする、バッテリー管理システム。
  2. 前記過電圧管理情報は、第1基準割合をさらに含み、
    前記制御部は、
    前記基準ピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記最大許容電流率に前記第1基準割合を掛けて第1基準電流率を決定し、
    前記第1基準電流率が最小許容電流率以上である場合、前記第1基準電流率を用いた第2定電流充電を前記充電回路に命令する、請求項1に記載のバッテリー管理システム。
  3. 前記過電圧管理情報は、第2基準割合をさらに含み、
    前記制御部は、
    前記第2定電流充電中に、前記バッテリーの電圧が前記基準ピーク電圧値より調整電圧値だけ小さい切換電圧値に到達したとき、前記最大許容電流率と前記第2基準割合との積と同じ第2基準電流率を用いた第3定電流充電を前記充電回路に命令し、
    前記第2定電流充電及び前記第3定電流充電中に収集された前記センシング信号に基づき、前記臨界電圧範囲における前記バッテリーの電圧と微分容量との対応関係を示す第2微分容量カーブを決定し、
    前記第2微分容量カーブの一番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第3メインピーク値及び第3メインピーク電圧値を決定し、
    前記第3メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記基準ピーク値及び前記基準ピーク電圧値を各々前記第3メインピーク値及び前記第3メインピーク電圧値と同一にアップデートする、請求項2に記載のバッテリー管理システム。
  4. 前記制御部は、
    前記第1基準電流率が前記最小許容電流率未満である場合、充電不能メッセージを出力する、請求項2または3に記載のバッテリー管理システム。
  5. 前記過電圧管理情報は、第2基準割合をさらに含み、
    前記制御部は、
    前記第1メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記第1微分容量カーブの二番目のピークの微分容量及び電圧を示す第2メインピーク値及び第2メインピーク電圧値を決定し、
    前記第1メインピーク値が前記第2メインピーク値より大きい場合、前記第2基準割合と第1減殺値との積と同一に前記第2基準割合をアップデートし、
    前記第1減殺値が1未満の正数である、請求項2から4のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
  6. 前記制御部は、
    前記第1メインピーク値が前記第2メインピーク値以下である場合、前記第2基準割合と第2減殺値との積と同一に前記第2基準割合をアップデートし、
    前記第2減殺値が前記第1減殺値より小さい1未満の正数である、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、
    前記アップデートされた第2基準割合が所定の最小割合以下である場合、前記第1基準割合と第3減殺値との積と同一に前記第1基準割合をアップデートし、
    前記第3減殺値が1未満の正数である、請求項3、5、または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、
    前記第3メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記第2微分容量カーブの二番目のピークの微分容量及び電圧を示す第4メインピーク値及び第4メインピーク電圧値を決定し、
    前記第3メインピーク値が前記第4メインピーク値より大きい場合、前記第2基準割合と第1減殺値との積と同一に前記第2基準割合をアップデートするように構成され、
    前記第1減殺値が1未満の正数である、請求項3に記載のバッテリー管理システム。
  9. 前記制御部は、
    前記第3メインピーク値が前記第4メインピーク値以下である場合、前記第2基準割合と第2減殺値との積と同一に前記第2基準割合をアップデートするように構成され、
    前記第2減殺値が前記第1減殺値より小さい1未満の正数である、請求項8に記載のバッテリー管理システム。
  10. 請求項1から9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。
  11. 請求項10に記載の前記バッテリーパックを含む、電気車両。
  12. 充電要請に応じて、バッテリーの過電圧管理情報に含まれた基準ピーク値が臨界ピーク値以上である場合、最大許容電流率を用いた第1定電流充電を前記バッテリーに接続された充電回路に命令する段階と、
    前記第1定電流充電中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信号に基づき、臨界電圧範囲における前記バッテリーの電圧と微分容量との対応関係を示す第1微分容量カーブを決定する段階と、
    前記第1微分容量カーブの一番目のピークの微分容量及び電圧を各々示す第1メインピーク値及び第1メインピーク電圧値を決定する段階と、
    前記第1メインピーク値が前記臨界ピーク値未満である場合、前記基準ピーク値及び基準ピーク電圧値を各々前記第1メインピーク値及び前記第1メインピーク電圧値と同一にアップデートする段階と、を含む、バッテリー管理方法。
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