JP7393090B2 - 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、バッテリーの充電を制御する技術に関する。
本出願は、２０２０年８月２０日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１０４８８３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。
バッテリーを定電流充電することにおいて、充電電流の電流レートが小さい場合には、バッテリーを満充電するまで非常に長い時間が要求される。一方、充電電流の電流レートが高すぎる場合、バッテリーが速く退化する副作用がある。
上記のような問題を解決するために提案された充電プロトコールのうち一つは、充電中のバッテリーの充電状態や電圧に応じて充電電流の電流レートを段階的に調節する「多段定電流充電（ｍｕｌｔｉ－ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ）」である。電流レートとは、充電電流をバッテリーの最大容量で割った値であって、「Ｃ－ｒａｔｅ」と称することもあり、単位としては「Ｃ」を使用する。多段定電流充電マップは、複数の電圧範囲と複数の電流レートとの対応関係が記録された少なくとも一つのデータ配列を含む。多段定電流充電マップを用いた充電段階は、バッテリー電圧が各電圧範囲の上限に到達する度に、次の順序の電流レートの充電電流がバッテリーに供給される過程が繰り返されることで行われる。
バッテリーが新品状態（ＢＯＬ：Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ Ｏｆ Ｌｉｆｅ）から退化していくほど、同じ電流レートによる退化が加速化し得る。例えば、特定の電圧範囲にわたって同じ電流レートを用いて定電流の充電を行う場合、バッテリーが退化するほどさらに多いリチウムの析出が誘発される。
しかし、従来の多段定電流充電マップを用いた充電は、経時的に変化するバッテリーの動作状態（例えば、退化）を考慮していないという問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、多段定電流充電マップを用いた充電中にモニターされるバッテリーの電圧及び電流に基づいて、バッテリーの動作状態に合わせて多段定電流充電マップをアップデートする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、充電段階が複数の電圧範囲全体に対して行われていないままで終了するとしても、定電流充電が行われた少なくとも一つの電圧範囲に関わる電流レートに対するアップデート結果に基づき、定電流充電が行われていない残りの電圧範囲に関わる電流レートをアップデートする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、バッテリーのバッテリー電圧及びバッテリー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、前記バッテリーの多段定電流充電のための第１～第ｎ基準電流と、第１～第ｎ基準電圧範囲と、第１～第ｎ基準ＳＯＣと、第１～第ｎ基準電圧カーブとの対応関係が記録された充電マップを保存するメモリー部と、前記センシング信号に基づいて前記バッテリーのＳＯＣを決定するように構成される制御部と、を含む。前記制御部は、充電開始命令に応じて、前記バッテリーに接続された充電回路に前記バッテリー電圧が属する第ｋ基準電圧範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を命令するように構成される。前記制御部は、前記バッテリー電圧が前記第ｋ基準電圧範囲の上限に到達したことに応じて、前記定電流充電の充電期間にわたる前記バッテリー電圧と前記バッテリーのＳＯＣとの対応関係を示す第ｋ測定電圧カーブを前記充電マップの第ｋ基準電圧カーブと比較して、前記充電マップをアップデートするように構成される。ｎは、２以上の自然数であり、ｋは、ｎ以下の自然数である。
前記制御部は、前記第ｋ基準電圧カーブの平均ＳＯＣに対する前記第ｋ測定電圧カーブの平均ＳＯＣの割合に基づき、前記第ｋ基準電流を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ｋ測定電圧カーブの平均電圧に対する前記第ｋ基準電圧カーブの平均電圧の割合に基づいて前記第ｋ基準電流を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ｋ基準電圧カーブの平均ＳＯＣに対する前記第ｋ測定電圧カーブの平均ＳＯＣの第１割合と、前記第ｋ測定電圧カーブの平均電圧に対する前記第ｋ基準電圧カーブの平均電圧の第２割合と、に基づいて前記第ｋ基準電流を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ｋ基準ＳＯＣに対する関心ＳＯＣの割合に基づいて前記第ｋ基準電流をアップデートするように構成され得る。前記関心ＳＯＣは、前記バッテリー電圧が前記第ｋ基準電圧範囲の上限に到達した時点における前記バッテリーのＳＯＣである。
前記制御部は、前記第ｋ基準電流に対する前記アップデートされた第ｋ基準電流の割合に基づき、前記第ｋ基準電流を除いた残りの各基準電流をアップデートするように構成され得る。
前記制御部は、前記バッテリー電圧が前記第ｋ基準電圧範囲の上限に到達したことに応じて、前記充電回路に前記第ｋ基準電圧範囲の上限を用いる定電圧充電を命令するように構成され得る。
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、充電開始命令に応じて、バッテリーの多段定電流充電のための第１～第ｎ基準電流と、第１～第ｎ基準電圧範囲と、第１～第ｎ基準ＳＯＣと、第１～第ｎ基準電圧カーブとの対応関係が記録された充電マップを用いて、前記バッテリーに接続された充電回路に前記バッテリーのバッテリー電圧が属する第ｋ基準電圧範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を命令する段階と、前記バッテリー電圧が前記第ｋ基準電圧範囲の上限に到達したことに応じて、前記定電流充電の充電期間にわたる前記バッテリー電圧と前記バッテリーのＳＯＣとの対応関係を示す第ｋ測定電圧カーブを前記充電マップの第ｋ基準電圧カーブと比較して前記充電マップをアップデートする段階と、を含む。ｎは、２以上の自然数であり、ｋは、ｎ以下の自然数である。
前記充電マップをアップデートする段階は、前記第ｋ基準電圧カーブの平均ＳＯＣに対する前記第ｋ測定電圧カーブの平均ＳＯＣの割合に基づいて前記第ｋ基準電流をアップデートし得る。
本発明の実施例の少なくとも一つによると、多段定電流充電マップを用いた充電中にモニターされるバッテリーの電圧及び電流に基づいて、バッテリーの動作状態に合わせて多段定電流充電マップをアップデート可能である。
また、本発明の実施例の少なくとも一つによると、充電段階が複数の電圧範囲全体に対して行われていないままで終了するとしても、定電流充電が行われた少なくとも一つの電圧範囲に関わる電流レートに対するアップデート結果に基づいて、定電流充電が行われていない残りの電圧範囲に関わる電流レートをアップデート可能である。
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。 充電マップに記録された基準電流と基準電圧範囲との対応関係を例示した図である。 充電マップに記録された基準電圧範囲と基準ＳＯＣとの対応関係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する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する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両１の構成を例示した図である。
図１を参照すると、電気車両１は、バッテリーパック１０、インバータ３０、電気モーター４０及び充電回路５０を含む。
バッテリーパック１０は、バッテリーＢ、スイッチ２０及びバッテリー管理システム１００を含む。
バッテリーＢは、少なくとも一つのバッテリーセルを含む。各バッテリーセルは、例えば、リチウムイオンセルなど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は、バッテリーパック１０に設けられた一対の電源端子を通じてインバータ３０及び／または充電回路５０に結合し得る。
スイッチ２０は、バッテリーＢに直列で接続される。スイッチ２０は、バッテリーＢの充放電のための電流経路に設けられる。スイッチ２０は、バッテリー管理システム１００からのスイッチング信号に応じて、オンオフ制御される。スイッチ２０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）のような半導体スイッチであり得る。
インバータ３０は、バッテリー管理システム１００からの命令に応じて、バッテリーＢからの直流電流を交流電流に変換するように提供される。電気モーター４０は、例えば、三相交流モーターであり得る。電気モーター４０は、インバータ３０からの交流電力を用いて駆動する。
バッテリー管理システム１００は、バッテリーＢの充放電に関わる全般的な制御を担当し得る。
バッテリー管理システム１００は、センシング部１１０、メモリー部１２０及び制御部１４０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１３０及びスイッチドライバー１５０のうち少なくとも一つをさらに含み得る。
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。センシング部１１０は、温度センサー１１３をさらに含み得る。
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の両端にかかったバッテリー電圧を検出し、検出されたバッテリー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を通じて流れるバッテリー電流を検出し、検出されたバッテリー電流を示す電流信号を生成するように構成される。温度センサー１１３は、バッテリーＢの温度を検出し、検出された温度を示す温度信号を生成するように構成される。
メモリー部１２０は、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１２０は、制御部１４０による演算動作に要求されるデータ及びプログラムを保存し得る。メモリー部１２０は、制御部１４０による演算動作の結果を示すデータを保存し得る。
メモリー部１２０は、充電マップを保存している。充電マップは、バッテリー管理システム１００の出荷前にメモリー部１２０に予め保存されたものであるか、またはインターフェース部１３０を介して外部（例えば、バッテリー製造メーカー）や上位コントローラー２から受信されたものであり得る。充電マップに記録されるデータは、バッテリーＢと同じ仕様のバッテリーサンプルに対するテスト及び／またはシミュレーション結果に基づいて予め決められたものであり得る。
充電マップは、バッテリーＢの多段定電流充電のための充電段階に用いられる。充電マップには、多段定電流充電のための（ｉ）第１～第ｎ基準電流と、（ｉｉ）第１～第ｎ基準電圧範囲と、（ｉｉｉ）第１～第ｎ基準ＳＯＣと、（ｉｖ）第１～第ｎ基準電圧カーブとの対応関係が記録されている。ｎは２以上の自然数である。後順位の基準電流は、先順位の基準電流よりも小さくてもよい。各々の基準電圧範囲を「ステージ」と称し得る。
インターフェース部１３０は、制御部１４０と上位コントローラー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通信回路を含み得る。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１４０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、通信プロトコールの種類は特に限定されない。インターフェース部１３０は、制御部１４０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。上位コントローラー２は、バッテリー管理システム１００との通信によって収集されるバッテリー情報（例えば、電圧、電流、温度、ＳＯＣ）に基づき、インバータ３０を制御し得る。上位コントローラー２は、車両使用者の入力に応じてバッテリー管理システム１００へ充電開始命令や充電中断命令を伝送し得る。
制御部１４０は、上位コントローラー２、スイッチ２０、充電回路５０、センシング部１１０、メモリー部１２０、インターフェース部１３０及び／またはスイッチドライバー１５０に動作可能に結合し得る。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。
スイッチドライバー１５０は、制御部１４０及びスイッチ２０に電気的に結合する。スイッチドライバー１５０は、制御部１４０からの命令に応じて、スイッチ２０を選択的にオンオフするように構成される。制御部１４０は、充電段階の進行中に、スイッチ２０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。
制御部１４０は、センシング信号をセンシング部１１０から収集し得る。センシング信号は、同期検出された電圧信号、電流信号及び／または温度信号を指す。
制御部１４０は、「バッテリーコントローラ」とも呼び、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。
インターフェース部１３０は、制御部１４０と充電回路５０との双方向通信及び制御部１４０と上位コントローラー２との双方向通信を中継し得る。充電回路５０は、バッテリー管理システム１００から要請される電流レートの充電電流をバッテリーＢに供給するように構成される。充電回路５０は、バッテリー管理システム１００から要請される電圧レベルを有する充電電圧をバッテリーＢに供給するように構成され得る。制御部１４０は、インターフェース部１３０を介して充電開始命令を受信したことに応じて、充電マップを用いた充電段階を開始するように構成される。制御部１４０は、インターフェース部１３０を介して充電中断命令を受信したことに応じて、充電マップを用いた充電段階を終了し得る。
制御部１４０は、センシング信号に基づいてバッテリーＢの残存容量を示すＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を決定し得る。ＳＯＣを決定することにおいて、アンペアカウンティング、ＯＣＶ（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）－ＳＯＣ曲線、カルマンフィルターなどのような公知のアルゴリズムが用いられ得る。バッテリーＢのＳＯＣを「バッテリーＳＯＣ」と称し得る。
図２は、充電マップに記録された基準電流と基準電圧範囲との対応関係を例示した図であり、図３は、充電マップに記録された基準電圧範囲と基準ＳＯＣとの対応関係を例示した図である。説明の便宜のために、図２及び図３においては、ｎ＝４、即ち、充電マップが、４個の基準電流と、４個の基準電圧範囲と、４個の基準ＳＯＣとの対応関係を定義することに示した。
図２に示した電流プロファイル２１０は、新品状態のバッテリーＢのための、第１～第４基準電流Ｉ１～Ｉ４と第１～第４基準電圧範囲ΔＶ１～ΔＶ４との対応関係を示す。電流プロファイル２１０は、データテーブルなどのフォーマットで充電マップに記録され得る。ｋ（「充電インデックス」と称し得る。）がｎ以下の自然数とするとき、Ｖｋ－１とＶｋは各々第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋの下限及び上限である。
第１～第４基準電圧範囲ΔＶ１～ΔＶ４は、順次に連続する。これによって、ｉがｎ－１以下の自然数とするとき、Ｖｉは、第ｉ基準電圧範囲ΔＶｉの上限である共に、第ｉ＋１基準電圧範囲ΔＶｉ＋１の下限でもある。例えば、ΔＶ２の上限とΔＶ３の下限は各々Ｖ２で同一である。以下では、Ｖｋを「第ｋ基準電圧」と称し得る。
制御部１４０は、バッテリーＢのバッテリー電圧が第ｉ基準電圧範囲ΔＶｉ内である場合、第ｉ基準電流Ｉｉを用いた定電流充電を充電回路５０に命令し得る。
制御部１４０は、第ｉ基準電流Ｉｉを用いた定電流充電中に、バッテリーＢの ＳＯＣが第ｉ基準電圧範囲ΔＶｉの上限Ｖｉに到達する場合、第ｉ＋１基準電流Ｉｉ＋１を用いた定電流充電を充電回路５０に命令し得る。即ち、制御部１４０は、第ｉ基準電流Ｉｉを用いた定電流充電から第ｉ＋１基準電流Ｉｉ＋１を用いた定電流充電へ切り換え得る。
制御部１４０は、第ｎ基準電流Ｉｎを用いた定電流充電中に、バッテリーＢのＳＯＣが第ｎ基準電圧範囲ΔＶｎの上限Ｖｎに到達する場合、充電マップを用いた多段定電流充電を終了し、上限Ｖｎを用いた定電圧充電を充電回路５０に命令し得る。即ち、制御部１４０は、第ｎ基準電流Ｉｎを用いた定電流充電から上限Ｖｎを用いた定電圧充電に切り換え得る。
図３に示した第１電圧プロファイル３１０は、新品状態のバッテリーＢのための、第１～第４基準ＳＯＣ Ｓ１～Ｓ４と第１～第４基準電圧範囲ΔＶ１～ΔＶ４との対応関係を示す。第１電圧プロファイル３１０は、データテーブルなどのフォーマットで充電マップに記録され得る。第１電圧プロファイル３１０は、第１～第４基準電圧カーブを含む。第ｋ基準電圧カーブは、第１電圧プロファイル３１０において第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋに対応する部分である。
Ｓｋは、新品状態のバッテリーＢのバッテリー電圧が第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電によって第ｋ基準電圧Ｖｋに到達時のバッテリーＢのＳＯＣを示す。
一方、バッテリーＢが次第に退化していくことにつれ、バッテリーＢの容量損失が増加するため、新品状態に比べて同じ充電容量による電圧上昇量が増加する。これによって、充電マップの第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流の充電中に、ＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ Ｓｋに到達する前にバッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したことは、バッテリーＢが新品状態に比べて退化したことを示す。図３に示した第２電圧プロファイル３２０は、本発明によるバッテリー管理方法（図４参照）を適用することなく、第１～第４基準電圧範囲ΔＶ１～ΔＶ４に対して第１～第４基準電流Ｉ１～Ｉ４を順次に用いて、退化したバッテリーＢを定電流充電する過程を通じてモニターされた、バッテリー電圧の変化履歴とＳＯＣの変化履歴との対応関係を示す。第２電圧プロファイル３２０を参照すると、Ｚｋは、退化したバッテリーＢのバッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したときのバッテリーＳＯＣであって、第ｋ基準ＳＯＣ Ｓｋより小さいことを確認することができる。即ち、Ｓ１＞Ｚ１、Ｓ２＞Ｚ２、Ｓ３＞Ｚ３、Ｓ４＞Ｚ４である。
第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電中に、バッテリーＢのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ Ｓｋに到達する前にバッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したことは、次回の多段定電流充電段階で第ｋ基準電流Ｉｋを減少させる必要があることを示す。第ｋ基準電流Ｉｋによる充電中にモニターされる電圧履歴及び／またはＳＯＣ履歴を考慮して第ｋ基準電流Ｉｋの減少程度が決定され得る。
図３に示した第３電圧プロファイル３３０は、本発明によるバッテリー管理方法（図４参照）を適用し、退化したバッテリーＢを充電する過程を通じてモニターされたバッテリー電圧の変化履歴とＳＯＣの変化履歴との対応関係を示す。第３電圧プロファイル３３０は、第１～第４測定電圧カーブを含む。第ｋ測定電圧カーブは、第３電圧プロファイル３３０において第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋに対応する部分である。
第３電圧プロファイル３３０を参照すると、制御部１４０は、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電中に、設定時間（例えば、０．００１秒）毎に、バッテリー電圧、バッテリー電流及びＳＯＣをモニターする。制御部１４０は、バッテリーＢのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ Ｓｋに到達する前にバッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したことに応じて、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電から第ｋ基準電圧Ｖｋを用いた定電圧充電へ切り換え得る。これによって、バッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したときからバッテリーＢのＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ Ｓｋに到達するまで、バッテリーＢは、第ｋ基準電圧Ｖｋで定電圧充電される。例えば、Ｖ１～Ｖ２の電圧範囲にわたって第２基準電流Ｉ２を用いた定電流充電が行われた後、バッテリーＢのＳＯＣが第２基準ＳＯＣ Ｓ２に到達するまで第ｋ基準電圧Ｖ２と同じ充電電圧でバッテリーＢが定電圧充電される。第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋを用いた定電圧充電の間に、バッテリー電圧が次第に増加することによってバッテリー電流は次第に減少する。制御部１４０は、第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋを用いた定電圧充電の間に、設定時間毎にバッテリー電圧、バッテリー電流及びＳＯＣをモニターし得る。
制御部１４０は、第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋにわたる充電の間にモニターされた、バッテリー電圧、バッテリー電流及びＳＯＣに基づいて、図２の電流プロファイル２１０及び図３の第１電圧プロファイル３１０を含む充電マップの第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。図２の電流プロファイル２３０の電流Ｉ１１～Ｉ１４は各々、充電マップの基準電流Ｉ１～Ｉ４をアップデートした結果であり得る。
具体的には、制御部１４０は、第ｋ基準電圧カーブの平均電圧及び平均ＳＯＣのうち少なくとも一つを決定し得る。第ｋ基準電圧カーブの平均電圧は、第１電圧プロファイル３１０において第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋにわたるバッテリー電圧の平均である。第ｋ基準電圧カーブの平均ＳＯＣは、第１電圧プロファイル３１０において第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋにわたるＳＯＣの平均である。
制御部１４０は、第ｋ測定電圧カーブの平均電圧及び平均ＳＯＣのうち少なくとも一つを決定し得る。第ｋ測定電圧カーブの平均電圧は、第３電圧プロファイル３３０において第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋにわたるバッテリー電圧の平均である。第ｋ測定電圧カーブの平均ＳＯＣは、第３電圧プロファイル３３０において第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋにわたるＳＯＣの平均である。
その後、制御部１４０は、第ｋ基準電圧カーブの平均電圧及び平均ＳＯＣのうち少なくとも一つと、第ｋ測定電圧カーブの平均電圧及び平均ＳＯＣのうち少なくとも一つと、に基づいて、充電マップの第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。
制御部１４０は、第ｋ基準電圧カーブの平均ＳＯＣに対する第ｋ測定電圧カーブの平均ＳＯＣの第１割合（１未満）に基づいて第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。例えば、制御部１４０は、第１割合と第ｋ基準電流Ｉｋとの積と同一に第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。
または、制御部１４０は、第ｋ測定電圧カーブの平均電圧に対する第ｋ基準電圧カーブの平均電圧の第２割合（１未満である。）に基づき、第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。例えば、制御部１４０は、第２割合と第ｋ基準電流Ｉｋとの積と同一に第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。
または、制御部１４０は、第１割合及び第２割合に基づいて第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。例えば、制御部１４０は、第１割合と第２割合と第ｋ基準電流Ｉｋとの積と同一に第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。
または、制御部１４０は、第ｋ基準ＳＯＣ Ｓｋに対する関心ＳＯＣの第３割合（１未満である。）に基づいて第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。例えば、制御部１４０は、第３割合と第ｋ基準電流Ｉｋの積と同一に第ｋ基準電流Ｉｋをアップデートし得る。関心ＳＯＣは、バッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達した時点におけるバッテリーＢのＳＯＣ Ｕｋと同一であり得る。
一方、前述したバッテリー管理方法による充電段階は、基準電圧範囲ΔＶ１～ΔＶ４のうち一部に対しては行われない場合が頻繁である。例えば、図２及び図３を参照すると、バッテリー電圧がＶ０より高いときに充電マップを用いた充電段階が開始される場合、第１基準電圧範囲ΔＶ１全体にわたる第１測定電圧カーブが取得できないため、前述した方式では第１基準電流Ｉ１のアップデートが不可能である。他の例で、バッテリー電圧がＶ４に到達する前に車両使用者が充電ケーブルを電気車両１から分離する場合、第４基準電圧範囲ΔＶ４全体にわたる第４測定電圧カーブが取得できないため、第４基準電流Ｉ４のアップデートが不可能である。
前記問題点を解決するために、制御部１４０は、バッテリー電圧がＶ０より大きいときから充電が開始されるか、またはバッテリー電圧がＶ４より小さいときに充電が終了する場合、全ての基準電圧範囲ΔＶ１～ΔＶ４のうち測定電圧カーブが取得された少なくとも一つの基準電圧範囲に対するアップデート情報に基づいて、残りの各基準電圧範囲に関わる基準電流をアップデートし得る。
第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋに対応する第ｋ基準電流Ｉｋのみが前述したバッテリー管理方法によってＩ１ｋにアップデートされたと仮定する。制御部１４０は、Ｉｋに対するＩ１ｋの割合を決定した後、決定された割合に基づいて残りの各基準電流をアップデートし得る。例えば、制御部１４０は、第２基準電流Ｉ２が１２０Ａから１００Ａにアップデートされた場合、第１基準電流Ｉ１、第３基準電流Ｉ３及び第４基準電流Ｉ４に各々１００／１２０＝５／６を掛け、第１基準電流Ｉ１、第３基準電流Ｉ３及び第４基準電流Ｉ４をアップデートし得る。
ｉ及びｊが各々自然数であり、ｉ≦ｊであり、ｉが２以上であり、ｊはｎ＝４未満であると仮定する。第ｉ～第ｊ基準電圧範囲ΔＶｉ～ΔＶｊに対応する第ｉ～第ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊのみがバッテリー管理方法（図４参照）によってＩ１ｉ～Ｉ１ｊに各々アップデートされたままで充電段階が終了し得る。そうすると、制御部１４０は、下記の数式を用いて残りの各基準電流をアップデートできる。
＜数式＞
Figure 0007393090000001
前記数式において、ｘは、ｉ～ｊを除いたｎ以下の自然数であり、Ｉｘは、アップデート前の基準電流であり、Ｉ１ｘは、アップデートされた基準電流である。μａｖｇは、第ｉ～第ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊに対する第ｉ～第ｊアップデートされた基準電流Ｉ１ｉ～Ｉ１ｊの平均の割合である。
一例で、ｉ＝２、ｊ＝３、ｎ＝４、ｉ１＝１５０Ａ、ｉ２＝１２０Ａ、ｉ３＝１１０Ａ、ｉ４＝９０Ａ、ｉ１２＝１００Ａ、ｉ１３＝９５Ａである場合、ｉ１１＝ｉ１×１／（３－２＋１）×｛ｉ１２／ｉ２＋ｉ１３／ｉ３｝Ａ＝ｉ１×１／２×｛１００／１２０＋９５／１１０｝Ａ≒１２７Ａであり、ｉ１４＝ｉ４×１／（３－２＋１）×｛ｉ１２／ｉ２＋ｉ１３／ｉ３｝Ａ＝ｉ４×１／２×｛１００／１２０＋９５／１１０｝Ａ≒７６Ａ。
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４の方法は、車両使用者からの充電開始命令に応じて開始され得る。
図１～図４を参照すると、段階Ｓ４１０で、制御部１４０は、バッテリーＢのバッテリー電圧が属する第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋに対応する第ｋ基準電流Ｉｋを充電マップから選択する。例えば、バッテリー電圧がＶ１以上Ｖ２未満である場合、第２基準電流Ｉ２が選択される。
段階Ｓ４２０で、制御部１４０は、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電を充電回路５０に命令する。これによって、充電回路５０は、第ｋ基準電流Ｉｋを充電電流としてバッテリーＢに供給することで、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電を開始する。
段階Ｓ４３０で、制御部１４０は、バッテリーＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ Ｓｋに到達する前にバッテリー電圧が第ｋ基準電圧Ｖｋに到達したか否かを判定する。段階Ｓ４４０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４５０へ進む。段階Ｓ４３０の値が「いいえ」である場合、所定の時間後、段階Ｓ４３０がさらに行われる。
段階Ｓ４４０で、制御部１４０は、充電回路５０に第ｋ基準電圧Ｖｋを用いた定電圧充電を命令する。これによって、充電回路５０は、第ｋ基準電流Ｉｋを用いて定電流充電を終了すると共に、第ｋ基準電圧Ｖｋと同一の充電電圧をバッテリーＢに供給する。
段階Ｓ４５０で、制御部１４０は、バッテリーＳＯＣが第ｋ基準ＳＯＣ Ｓｋに到達したか否かを判定する。段階Ｓ４５０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４６０へ進む。段階Ｓ４５０の値が「いいえ」である場合、所定の時間後に段階 Ｓ４５０がさらに行われる。
段階Ｓ４６０で、制御部１４０は、第ｋ測定電圧カーブを決定する。第ｋ測定電圧カーブは、第ｋ基準電流Ｉｋを用いた定電流充電の充電期間にわたるバッテリー電圧とバッテリーＳＯＣとの対応関係を示す。
段階Ｓ４７０で、制御部１４０は、第ｋ測定電圧カーブの電圧範囲が第ｋ基準電圧範囲ΔＶｋと同一であるか否かを判定する。段階Ｓ４７０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４８０へ進む。段階Ｓ４７０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ４９０へ進む。例えば、バッテリー電圧がＶ０より大きく、かつＶ１より小さかったときから第１基準電流Ｉ１で定電流充電された場合、段階Ｓ４７０の値は「いいえ」になる。
段階Ｓ４８０で、制御部１４０は、第ｋ基準電圧カーブ及び第ｋ測定電圧カーブに基づいて充電マップをアップデートする。
段階Ｓ４９０で、制御部１４０は、充電インデックスｋがｎと同一であるか否かを判定する。即ち、制御部１４０は、充電マップが規定する最後の基準電圧範囲ΔＶｎに対する充電が完了したか否かを判定する。段階Ｓ４９０の値が「いいえ」である場合、段階Ｓ４９２で充電インデックスｋを１だけ増加させた後、段階Ｓ４３０に戻る。段階Ｓ４９０の値が「はい」である場合、図４の方法は終了する。
図４の方法は、所定のアップデート条件が満たされた状態で、充電開始命令に応じて開始され得る。アップデート条件は、充電マップ２１０、３１０のアップデートが無駄に頻繁に施されないようにするためである。バッテリーＢの退化度が一定の水準以上に増加したことを示すこととして、例えば、バッテリーＢの累積容量（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｃａｐａｃｉｔｙ）が前回のアップデート時点における累積容量よりも第１臨界値（例えば、１００Ａｈ［ａｍｐｅｒｅ－ｈｏｕｒ］）以上増加、バッテリーＢのサイクル回数が前回のアップデート時点におけるサイクル回数よりも第２臨界値（例えば、５０回）以上増加、バッテリーＢの容量維持率が前回のアップデート時点における容量維持率（ｃａｐａｃｉｔｙ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｒａｔｅ）よりも第３臨界値（例えば、５％）以上減少、前回のアップデート時点から臨界時間（例えば、一ヶ月）以上の結果などであり得る。
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するフローチャートである。図５の方法は、第１～第ｎ基準電流Ｉ１～Ｉｎのうち第ｉ～ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊのみが図４の方法によってアップデートされた場合、残りの各基準電流をアップデートするのに用いられ得る。即ち、図５の方法は、バッテリーＢが第４の方法によってＶ０～Ｖｎの電圧範囲のうち一部のみに対して充電された場合に行われ得る。前述したように、ｉ及びｊは各々自然数であり、ｉ＜ｊであり、ｉは２以上であるか、ｊはｎ（例えば、４）未満である。
段階Ｓ５１０で、制御部１４０は、第ｉ～第ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊに対する第ｉ～第ｊアップデートされた基準電流Ｉ１ｉ～Ｉ１ｊの平均割合を演算する（上記数式のμａｖｇ参照）。
段階Ｓ５２０で、制御部１４０は、第１～第ｎ基準電流Ｉ１～Ｉｎのうち、第ｉ～第ｊ基準電流Ｉｉ～Ｉｊを除いた残りの基準電流に各々平均割合を掛け、残りの基準電流を各々アップデートする。
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. バッテリーのバッテリー電圧を示すセンシング信号を生成するセンシング部と、
    前記バッテリーの多段定電流充電のための第１～第ｎ基準電流と、第１～第ｎ基準電圧範囲と、第１～第ｎ基準ＳＯＣと、第１～第ｎ基準電圧カーブとの対応関係が記録された充電マップを保存するメモリー部と、
    前記センシング信号に基づいて前記バッテリーのＳＯＣを決定する制御部と、を含み、
    前記制御部は、
    前記バッテリーに接続された充電回路に前記バッテリー電圧が属する第ｋ基準電圧範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を命令し、
    前記バッテリー電圧が前記第ｋ基準電圧範囲の上限に到達したことに応じて、前記定電流充電の充電期間にわたる前記バッテリー電圧と前記バッテリーのＳＯＣとの対応関係を示す第ｋ測定電圧カーブを前記充電マップの第ｋ基準電圧カーブと比較して、前記充電マップをアップデートし、
    ｎは、２以上の自然数であり、ｋは、ｎ以下の自然数である、バッテリー管理システム。
  2. 前記制御部は、
    前記第ｋ基準電圧カーブの平均ＳＯＣに対する前記第ｋ測定電圧カーブの平均ＳＯＣの割合に基づき、前記第ｋ基準電流をアップデートする、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、
    前記第ｋ測定電圧カーブの平均電圧に対する前記第ｋ基準電圧カーブの平均電圧の割合に基づいて前記第ｋ基準電流をアップデートする、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、
    前記第ｋ基準電圧カーブの平均ＳＯＣに対する前記第ｋ測定電圧カーブの平均ＳＯＣの第１割合と、前記第ｋ測定電圧カーブの平均電圧に対する前記第ｋ基準電圧カーブの平均電圧の第２割合と、に基づいて前記第ｋ基準電流をアップデートする、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、
    前記第ｋ基準ＳＯＣに対する関心ＳＯＣの割合に基づいて前記第ｋ基準電流をアップデートし、
    前記関心ＳＯＣは、前記バッテリー電圧が前記第ｋ基準電圧範囲の上限に到達した時点における前記バッテリーのＳＯＣである、請求項１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ｋ基準電流に対する前記アップデートされた第ｋ基準電流の割合に基づき、前記第ｋ基準電流を除いた残りの各基準電流をアップデートする、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリー管理システム。
  7. 前記制御部は、
    前記バッテリー電圧が前記第ｋ基準電圧範囲の上限に到達したことに応じて、前記充電回路に前記第ｋ基準電圧範囲の上限を用いる定電圧充電を命令する、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. 請求項１から７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。
  9. 請求項８に記載の前記バッテリーパックを含む、電気車両。
  10. バッテリーの多段定電流充電のための第１～第ｎ基準電流と、第１～第ｎ基準電圧範囲と、第１～第ｎ基準ＳＯＣと、第１～第ｎ基準電圧カーブとの対応関係が記録された充電マップを用いて、前記バッテリーに接続された充電回路に前記バッテリーのバッテリー電圧が属する第ｋ基準電圧範囲に対応する第ｋ基準電流を用いた定電流充電を命令する段階と、
    前記バッテリー電圧が前記第ｋ基準電圧範囲の上限に到達したことに応じて、前記定電流充電の充電期間にわたる前記バッテリー電圧と前記バッテリーのＳＯＣとの対応関係を示す第ｋ測定電圧カーブを前記充電マップの第ｋ基準電圧カーブと比較して前記充電マップをアップデートする段階と、を含み、
    ｎは、２以上の自然数であり、ｋは、ｎ以下の自然数である、バッテリー管理方法。
  11. 前記充電マップをアップデートする段階は、
    前記第ｋ基準電圧カーブの平均ＳＯＣに対する前記第ｋ測定電圧カーブの平均ＳＯＣの割合に基づいて前記第ｋ基準電流をアップデートする、請求項１０に記載のバッテリー管理方法。
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