JP7477257B2 - バッテリー診断装置、バッテリー診断方法、バッテリーパック及び電気車両 - Google Patents

バッテリー診断装置、バッテリー診断方法、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、バッテリーのリチウム異常析出を検出するための技術に関する。
本出願は、２０２０年１２月２９日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－０１８５７０３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。
リチウムイオンバッテリーは、正極、負極、電解質及び分離膜を含み、正極と負極との間で電解質を通じたリチウムイオンの移動によって充放電が可能な二次電池である。
リチウムイオンバッテリーは、充放電が反復されるにつれ、徐々に退化していく。特に、負極構造が新品状態から退化するほど、充電中に正極から電解質を通じて負極へ移動してきたリチウムイオンの一部が、負極の内部へ挿入されず、負極の表面で金属リチウムとして析出されるリチウム異常析出が発生する可能性が高くなる。リチウム異常析出は、リチウムイオンバッテリーの充放電性能及び寿命を低下させる主原因として作用し、金属リチウムによって正極と負極とが短絡して火事などの危険性も増大する。
本発明の発明者は、リチウム異常析出の発生有無によって、充電中のバッテリーのバッテリー電圧と充電容量との関係が確然変化するということを認識した。そこで、本発明は、定電流充電過程を通じて、新品状態から退化したバッテリーの容量カーブ及び微分カーブを順次に獲得した後、微分カーブの近似直線からリチウム異常析出に関わる情報を抽出し、抽出された情報に基づいてバッテリーのリチウム異常析出の有無が判定可能なバッテリー診断装置、バッテリー診断方法、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診断装置は、バッテリーの両端にかかる電圧であるバッテリー電圧を測定し、測定されたバッテリー電圧を示す電圧信号を生成する電圧センサーと、前記バッテリーを介して流れる電流であるバッテリー電流を測定し、測定されたバッテリー電流を示す電流信号を生成する電流センサーと、前記電圧信号及び前記電流信号を単位時間毎に収集する制御回路と、を含む。前記制御回路は、所定の設定電圧範囲に対する前記バッテリーの定電流充電期間の間に単位時間毎に収集された前記電圧信号及び前記電流信号に基づき、前記設定電圧範囲における前記バッテリー電圧と充電容量との関係を示す容量カーブを決定するように構成される。この際、前記充電容量は、前記バッテリー電流の積算値を示す。前記制御回路は、前記容量カーブに基づいて前記設定電圧範囲における前記バッテリー電圧と微分容量との関係を示す微分カーブを決定するように構成される。この際、前記微分容量は前記バッテリー電圧の単位時間当りの変化に対する前記充電容量の単位時間当りの変化の割合である。また、前記制御回路は、線形近似アルゴリズムを用いて、前記微分カーブの近似直線を決定するように構成される。前記制御回路は、前記近似直線に基づいて、前記バッテリーのリチウム異常析出の有無を判定するように構成される。
前記設定電圧範囲の上限は、前記バッテリーに対して予め決められた充電終止電圧と同一であり得る。前記設定電圧範囲の下限は、前記上限より基準電圧だけ低い電圧と同一であり得る。
前記線形近似アルゴリズムは、最小二乗法であり得る。
前記制御回路は、前記近似直線の傾きが基準傾きより大きい場合、前記バッテリーをリチウム異常析出と判定するように構成され得る。
前記制御回路は、前記バッテリーの累積使用容量に基づいて前記基準傾きを決定するように構成され得る。
前記制御回路は、前記微分カーブに対する前記近似直線の決定係数が基準決定係数より小さい場合、前記バッテリーをリチウム異常析出と判定するように構成され得る。
前記制御回路は、前記バッテリーの累積使用容量に基づいて前記基準決定係数を決定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、前記バッテリー診断装置を含む。
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診断方法は、前記バッテリー診断装置によって実行可能である。前記バッテリー診断方法は、前記設定電圧範囲に対する前記バッテリーの定電流充電期間の間に単位時間毎に収集された前記電圧信号及び前記電流信号に基づき、前記設定電圧範囲における前記バッテリー電圧と前記充電容量との関係を示す前記容量カーブを決める段階と、前記容量カーブに基づき、前記設定電圧範囲における前記バッテリー電圧と前記微分容量との関係を示す前記微分カーブを決定する段階と、前記線形近似アルゴリズムを用いて、前記微分カーブの前記近似直線を決定する段階と、前記近似直線に基づき、前記バッテリーのリチウム異常析出の有無を判定する段階と、を含む。
本発明の実施例の少なくとも一つによると、定電流充電過程によって、新品状態から退化したバッテリーの容量カーブ及び微分カーブを順次に獲得した後、微分カーブの近似直線からリチウム異常析出に関わる情報を抽出し、抽出された情報に基づいてバッテリーのリチウム異常析出の有無を判定することができる。
本発明の実施例の少なくとも一つによると、バッテリーの累積充放電容量に基づいて、バッテリーのリチウム異常析出の診断に活用される少なくとも一つのパラメーター（後述する「基準電圧」、「基準傾き」、「基準決定係数」）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両の構成を示した図である。 図１に示したバッテリーの定電流充電によって得られた容量カーブを示す図である。 図２に示した容量カーブに関わる微分カーブを示す図である。 本発明の第１実施例によるバッテリー診断方法を示す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診断方法を示す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の構成を示した図である。
図１を参照すると、電気車両１は、バッテリーパック２、インバーター３、電気モーター４、充電モジュール５及び車両コントローラー６を含む。
バッテリーパック２は、バッテリーＢ、スイッチＳＷ及びバッテリー管理システム１００を含む。
バッテリーＢは、バッテリーパック２に設けられた一対の電源端子によってインバーター３及び／または充電モジュール５に結合し得る。バッテリーＢは、再充電可能なバッテリーであって、例えば、リチウムイオンバッテリーであり得る。
インバーター３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切り替えるように提供される。電気モーター４は、例えば、三相交流モーターであり得る。電気モーター４は、インバーター３からの交流電力を用いて駆動する。
スイッチＳＷは、バッテリーＢに直列に接続される。スイッチＳＷ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ＳＷは、バッテリー管理システム１００からのスイチング信号に応じて、オンオフ制御される。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）のような半導体スイチングデバイスであり得る。
充電モジュール５は、制御回路２３０からの命令に応じて、バッテリーＢに対する充電電力を調節するように提供される。制御回路２３０は、バッテリーＢのバッテリー電圧が後述する設定電圧範囲の下限電圧ＶＬ以下である場合、充電モジュール５へ定電流充電を命令し得る。充電モジュール５は、ハードウェア的に、ＤＣ－ＤＣコンバーター、定電流回路またはこれらの組合せであり得る。
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するように提供される。バッテリー管理システム１００は、バッテリー診断装置２００を含む。バッテリー管理システム１００は、温度センサー３１０及び通信回路３２０の少なくとも一つをさらに含み得る。以下では、バッテリー管理システム１００が、バッテリー診断装置２００、温度センサー３１０及び通信回路３２０を共に含むと仮定する。
バッテリー診断装置２００は、電圧センサー２１０、電流センサー２２０及び制御回路２３０を含む。
電圧センサー２１０は、バッテリーＢに並列に接続され、バッテリーＢの両端にかかる電圧である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２２０は、電流経路を通してバッテリーＢに直列に接続される。電流センサー２２０は、バッテリーＢを介して流れる電流であ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３１０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。
通信回路３２０は、制御回路２３０と車両コントローラー６（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、通信回路３２０と制御回路２３０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。
通信回路３２０は、車両コントローラー６及び／または制御回路２３０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。車両コントローラー６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、インバーター３を制御し得る。
制御回路２３０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。
制御回路２３０は、メモリーデバイスを有し得る。メモリーデバイスは、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。メモリーデバイスは、制御回路２３０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。メモリーデバイスは、制御回路２３０による演算動作の結果を示すデータを保存し得る。
制御回路２３０は、スイッチＳＷ、充電モジュール５、電圧センサー２１０、電流センサー２２０、温度センサー３１０及び／または通信回路３２０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接続されていることを意味する。制御回路２３０は、周期的または非周期的にセンシング信号を反復して収集し得る。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。
制御回路２３０は、バッテリーＢの充放電中に、所定の時間毎にセンシング信号に基づいてバッテリーＢのＳＯＣ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、ＳＯＣ－ＯＣＶカーブ、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。
図２は、図１に示したバッテリーの定電流充電によって得られた容量カーブを示す図であり、図３は、図２に示した容量カーブに関わる微分カーブを示す図である。図２及び図３に示した各々のカーブ２０１、２０２、３０１、３０２は、信号（時系列）の一種として取り扱い得る。
図２の二つの容量カーブは、バッテリーＢと同じ電気化学的仕様を有するように製造されたものであって、互いに同じＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）を有する二つのサンプルバッテリーに対して定電流充電を行って得られたものである。図２では、各サンプルバッテリーを所定の放電終止電圧ＶＤから所定の充電終止電圧ＶＣまでの全体電圧範囲にかけて定電流充電を行ったことを示した。充電終止電圧ＶＣは、バッテリーＢの充電が許容される最大電圧として予め与えられたものであり、放電終止電圧ＶＤは、バッテリーＢの放電が許容される最低電圧として予め与えられたものであり得る。
図２を参照すると、容量カーブ２０１は、リチウム異常析出のないサンプルバッテリーに対する定電流充電によって得られる、全体電圧範囲にかけたバッテリー電圧と充電容量との関係を示す。容量カーブ２０２は、リチウム異常析出が存在する他のサンプルバッテリーに対する定電流充電によって得られる、全体電圧範囲にかけたバッテリー電圧と充電容量との関係を示す。
本明細書において、充電容量は、電流センサー２２０によって測定されるバッテリー電流を充電中の特定の時点から単位時間毎に累積した結果、即ち、バッテリー電流の積算値である。これによって、充電容量は、充電中に持続的に増加する。
図３を参照すると、微分カーブ３０１は、図２の容量カーブ２０１から獲得可能なデータセットであって、設定電圧範囲ＶＬ～ＶＵで容量カーブ２０１の （ｉ）バッテリー電圧Ｖと（ｉｉ）微分容量ｄＱ／ｄＶとの関係を示す。微分カーブ３０２は、図２の容量カーブ２０２から獲得可能なデータセットであって、設定電圧範囲ＶＬ～ＶＵで容量カーブ２０２の（ｉ）バッテリー電圧と（ｉｉ）微分容量との関係を示す。
定電流充電イベントとは、バッテリー電圧が設定電圧範囲の下限ＶＬに到達した時点から上限ＶＵに到達する時点までの定電流期間の間、所定の電流レート（例えば、０．１Ｃ－ｒａｔｅ）の充電電流でバッテリーＢを充電する過程である。上限ＶＵ（例えば、４．３Ｖ）は、充電終止電圧ＶＣと同一である。下限ＶＬは、上限ＶＵより基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば、０．３Ｖ）だけ低い電圧（例えば、４．０Ｖ）と同一であり得る。即ち、設定電圧範囲の幅は、基準電圧Ｖｒｅｆと同一である。
微分容量ｄＱ／ｄＶとは、バッテリー電圧Ｖの単位時間当りの変化ｄＶに対する充電容量Ｑの単位時間当りの変化ｄＱの割合である。一例で、制御回路２３０は、図２の容量カーブ２０１のバッテリー電圧と充電容量との関係をカーブフィッティングによって多項式に関数化した結果である近似容量カーブを決定し得る。容量カーブ２０１が近似容量カーブに変換されることによって、容量カーブ２０１に存在するノイズ成分が除去される。その後、制御回路２３０は、容量カーブ２０１の近似容量カーブを入力変数であるバッテリー電圧に対して微分した結果として微分カーブ３０１を獲得し得る。同様に、制御回路２３０は、容量カーブ２０２の近似容量カーブをバッテリー電圧に対して微分した結果として微分カーブ３０２を獲得し得る。
リチウム異常析出が存在するサンプルバッテリーでは、充電過程で負極へ移動したリチウムイオンの一部が負極の内部へ挿入されず、負極の表面で金属リチウムとして析出される。これによって、リチウム異常析出が存在するサンプルバッテリーをリチウム異常析出のないサンプルバッテリーと同じバッテリー電圧まで上昇させるためには、金属リチウムとして析出されたリチウムイオンの量だけの充電電流がさらに求められる。図３を参照すると、設定電圧範囲で、バッテリー電圧が下限ＶＬから上限ＶＵに向かって上昇していくにつれ、微分カーブ３０１の微分容量はほぼ線形に徐々に減少していく。一方、微分カーブ３０２は、設定電圧範囲の一部でリチウム析出が進むことによって、微分容量が非線形に増加する現象が観測される。
以下では、バッテリーＢの容量カーブ及び微分カーブが各々容量カーブ２０２及び微分カーブ３０２と同一であると仮定する。
制御回路２３０は、線形近似アルゴリズムを用いて、微分カーブ３０２の近似直線３１２を決定する。線形近似アルゴリズムは、カーブフィッティングの一種であって、任意の曲線を単一の傾きを有する直線に変換する技法である。一例で、最小二乗法が線形近似アルゴリズムとして活用され得る。近似直線３１２は、下記の数式１のように表され得る。
＜数式１＞
Figure 0007477257000001
前記数式１において、ｘはバッテリー電圧、Ａは近似直線３１２の傾き、Ｂは近似直線３１２のｙ切片、ｙａ（ｘ）はバッテリー電圧がｘと同じときの微分容量の近似値である。
基準電圧Ｖｒｅｆは、バッテリーＢの電気化学的仕様などを考慮して、予め与えられ得る。または、制御回路２３０は、バッテリーＢの累積使用容量に基づき、基準電圧Ｖｒｅｆを決定することも可能である。累積使用容量は、バッテリーＢが出荷された時点から定電流充電期間の開始時点までの総使用期間の間、バッテリーＢを介して流れた放電電流の積算値、充電電流の積算値またはこれらの和であり得る。メモリーデバイスには、累積使用容量と基準電圧Ｖｒｅｆとの所定の対応関係を定義するルックアップテーブルが予め記録され得る。ルックアップテーブルにおいて、基準電圧Ｖｒｅｆは、累積使用容量に対して線形または非線形に反比例する関係を有し得る。即ち、ルックアップテーブルにおいて、より大きい累積使用容量は、より小さい基準電圧に関連し得る。バッテリーＢが退化するほどリチウム異常析出が進むため、バッテリーＢの累積使用容量の増加に応じて基準電圧Ｖｒｅｆを減少させると、近似直線３１２を決定するのに必要な演算量を低減し得る。
一実施例で、制御回路２３０は、近似直線３１２の傾きＡが基準傾きより大きい場合、バッテリーＢをリチウム異常析出と判定し得る。基準傾きは、バッテリーＢの電気化学的仕様などを考慮して、予め与えられ得る。または、制御回路２３０は、バッテリーＢの累積使用容量に基づいて基準傾きを決定することも可能である。メモリーデバイスには、累積使用容量と基準傾きとの所定の対応関係を定義するルックアップテーブルが予め記録され得る。ルックアップテーブルにおいて、基準傾きは、累積使用容量に対して線形または非線形に比例する関係を有し得る。即ち、ルックアップテーブルにおいて、より大きい累積使用容量は、より大きい基準傾きに関連し得る。バッテリーＢが退化するほどリチウム異常析出が進むため、バッテリーＢの累積使用容量の増加に応じて基準傾きを増加させると、バッテリーＢの退化度に合わせてリチウム異常析出を効果的に診断することができる。
他の実施例で、制御回路２３０は、微分カーブ３０２に対する近似直線３１２の決定係数（ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）を算出し、決定係数が基準決定係数未満である場合、バッテリーＢをリチウム異常析出と判定し得る。決定係数とは、通常Ｒ２と表す０～１の値であって、本明細書では、微分カーブ３０２に対する近似直線３１２の説明力を示す。制御回路２３０は、下記の数式２を用いて、近似直線３１２と微分カーブ３０２との決定係数を算出し得る。
＜数式２＞
Figure 0007477257000002
前記数式２において、ｙａｖは設定電圧範囲における微分カーブ３０２の平均微分容量、ｙｍ（ｘｉ）はバッテリー電圧がｘｉと同じときの微分カーブ３０２の微分容量、ｙａ（ｘｉ）はバッテリー電圧がｘｉと同じときの近似直線３１２の微分容量、Ｒ２は微分カーブ３０２に対する近似直線３１２の決定係数である。
バッテリーＢのリチウム異常析出が進むほど微分カーブ３０２の非線形性が増加し、微分カーブ３０２の非線形性が増加するほど近似直線３１２と微分カーブ３０２との決定係数は０に向かって減少する。
基準決定係数は、バッテリーＢの電気化学的仕様などを考慮して、予め与えられ得る。または、制御回路２３０は、バッテリーＢの累積使用容量に基づいて基準決定係数を算出することも可能である。メモリーデバイスには、累積使用容量と基準決定係数との所定の対応関係を定義するルックアップテーブルが予め記録され得る。ルックアップテーブルにおいて、基準決定係数は、累積使用容量に対して線形または非線形に比例する関係を有し得る。即ち、ルックアップテーブルにおいて、より大きい累積使用容量はより大きい基準決定係数に関連し得る。バッテリーＢが退化するほどリチウム異常析出が進むので、バッテリーＢの累積使用容量の増加に応じて基準決定係数を増加させると、バッテリーＢの退化度に合わせてリチウム異常析出を効果的に診断することができる。
制御回路２３０は、バッテリーＢがリチウム異常析出と判定される場合、所定の安全機能を行い得る。一例で、制御回路２３０は、通信回路３２０から車両コントローラー６に警告メッセージを伝送し得る。他の例で、制御回路２３０は、充電電流及び／または放電電流の最大許容値を減少させ得る。最大許容値の減少量は、近似直線３１２の傾きと基準傾きとの差及び／または近似直線３１２と微分カーブ３０２との決定係数と基準決定係数との差に比例し得る。
図４は、本発明の第１実施例によるバッテリー診断方法を示すフローチャートである。図４の方法は、バッテリー診断装置２００によって実行可能である。
図１～図４を参照すると、段階Ｓ４００で、制御回路２３０は、充電モジュール５に定電流充電期間の開始を命令する。定電流充電期間とは、バッテリーＢが設定電圧範囲ＶＬ～ＶＵにかけて所定の電流レートで充電される期間である。
段階Ｓ４１０で、制御回路２３０は、定電流充電期間の間に単位時間毎に電圧信号及び電流信号を収集する。即ち、制御回路２３０は、定電流充電期間にかけたバッテリー電圧の時系列及びバッテリー電流の時系列を生成する。
段階Ｓ４２０で、制御回路２３０は、定電流充電期間の間に収集された電圧信号及び電流信号に基づいて、設定電圧範囲ＶＬ～ＶＵに対するバッテリー電圧と充電容量との関係を示す容量カーブ２０２を決定する。
段階Ｓ４３０で、制御回路２３０は、容量カーブ２０２に基づいて、設定電圧範囲ＶＬ～ＶＵに対するバッテリー電圧と微分容量との関係を示す微分カーブ３０１を決定する。微分容量は、バッテリー電圧の単位時間当りの変化に対する充電容量の単位時間当りの変化の割合ｄＱ／ｄＶである。
段階Ｓ４４０で、制御回路２３０は、所定の線形近似アルゴリズムを用いて、微分カーブ３０２の近似直線３１２を決定する。
段階Ｓ４５０で、制御回路２３０は、近似直線３１２の傾きが基準傾きより大きいか否かを判定する。近似直線３１２の傾きが基準傾きより大きいということは、バッテリーＢにリチウム異常析出が存在することを示す。段階Ｓ４５０の値が「はい」である場合、段階Ｓ４６０へ進む。
段階Ｓ４６０で、制御回路２３０は、所定の安全機能を行う。
図５は、本発明の第２実施例によるバッテリー診断方法を示すフローチャートである。図５の方法は、バッテリー診断装置２００によって実行可能である。
図１～図３及び図５を参照すると、段階Ｓ５００で、制御回路２３０は、充電モジュール５へ定電流充電期間の開始を命令する。定電流充電期間は、バッテリーＢが設定電圧範囲ＶＬ～ＶＵにかけて所定の電流レートで充電される期間である。
段階Ｓ５１０で、制御回路２３０は、定電流充電期間の間に単位時間毎に電圧信号及び電流信号を収集する。即ち、制御回路２３０は、定電流充電期間にかけたバッテリー電圧の時系列及びバッテリー電流の時系列を生成する。
段階Ｓ５２０で、制御回路２３０は、定電流充電期間の間に収集された電圧信号及び電流信号に基づいて、設定電圧範囲ＶＬ～ＶＵに対するバッテリー電圧と充電容量との関係を示す容量カーブ２０２を決定する。
段階Ｓ５３０で、制御回路２３０は、容量カーブ２０２に基づいて、設定電圧範囲ＶＬ～ＶＵに対するバッテリー電圧と微分容量との関係を示す微分カーブ３０１を決定する。微分容量は、バッテリー電圧の単位時間当りの変化に対する充電容量の単位時間当りの変化の割合ｄＱ／ｄＶである。
段階Ｓ５４０で、制御回路２３０は、所定の線形近似アルゴリズムを用いて、微分カーブ３０２の近似直線３１２を決定する。
段階Ｓ５４２で、制御回路２３０は、微分カーブ３０２に対する近似直線３１２の決定係数を算出する。
段階Ｓ５５０で、制御回路２３０は、決定された決定係数が基準決定係数より小さいか否かを判定する。微分カーブ３０２と近似直線３１２との決定係数が基準決定係数より小さいということは、バッテリーＢにリチウム異常析出が存在することを示す。段階Ｓ５５０の値が「はい」である場合、段階Ｓ５６０へ進む。
段階Ｓ５６０で、制御回路２３０は、所定の安全機能を行う。
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。
１ 電気車両
２ バッテリーパック
１００ バッテリー管理システム
２００ バッテリー診断装置
２１０ 電圧センサー
２２０ 電流センサー
２３０ 制御回路
Ｂ バッテリー

Claims (9)

  1. バッテリーの両端にかかる電圧であるバッテリー電圧を測定し、測定されたバッテリー電圧を示す電圧信号を生成する電圧センサーと、
    前記バッテリーを介して流れる電流であるバッテリー電流を測定し、測定されたバッテリー電流を示す電流信号を生成する電流センサーと、
    前記電圧信号及び前記電流信号を単位時間毎に収集する制御回路と、を含み、
    前記制御回路は、
    所定の設定電圧範囲に対する前記バッテリーの定電流充電期間の間に単位時間毎に収集された前記電圧信号及び前記電流信号に基づき、前記設定電圧範囲における前記バッテリー電圧と充電容量との関係を示す容量カーブを決定し、前記充電容量は、前記バッテリー電流の積算値を示し、
    前記容量カーブに基づいて前記設定電圧範囲における前記バッテリー電圧と微分容量との関係を示す微分カーブを決定し、前記微分容量は前記バッテリー電圧の単位時間当りの変化に対する前記充電容量の単位時間当りの変化の割合であり、
    線形近似アルゴリズムを用いて、前記設定電圧範囲における前記微分カーブの近似直線を決定し、
    前記近似直線に基づいて、前記バッテリーのリチウム異常析出の有無を判定し、
    前記設定電圧範囲の上限は、前記バッテリーに対して予め決められた充電終止電圧と同一であり、
    前記設定電圧範囲の下限は、前記上限より基準電圧だけ低い電圧と同一である、バッテリー診断装置。
  2. 前記線形近似アルゴリズムが、最小二乗法である、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
  3. 前記制御回路は、
    前記近似直線の傾きが基準傾きより大きい場合、前記バッテリーをリチウム異常析出と判定する、請求項１または２に記載のバッテリー診断装置。
  4. 前記制御回路は、
    前記バッテリーの累積使用容量に基づいて前記基準傾きを決定する、請求項３に記載のバッテリー診断装置。
  5. 前記制御回路は、
    前記微分カーブに対する前記近似直線の決定係数が基準決定係数より小さい場合、前記バッテリーをリチウム異常析出と判定する、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  6. 前記制御回路は、
    前記バッテリーの累積使用容量に基づいて前記基準決定係数を決定する、請求項５に記載のバッテリー診断装置。
  7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置を含む、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. 請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置によって実行可能なバッテリー診断方法であって、
    前記設定電圧範囲に対する前記バッテリーの定電流充電期間の間に単位時間毎に収集された前記電圧信号及び前記電流信号に基づき、前記設定電圧範囲における前記バッテリー電圧と前記充電容量との関係を示す前記容量カーブを決める段階と、
    前記容量カーブに基づき、前記設定電圧範囲における前記バッテリー電圧と前記微分容量との関係を示す前記微分カーブを決定する段階と、
    前記線形近似アルゴリズムを用いて、前記微分カーブの前記近似直線を決定する段階と、
    前記近似直線に基づき、前記バッテリーのリチウム異常析出の有無を判定する段階と、を含む、バッテリー診断方法。
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