JP7585576B2 - バッテリー充放電制御装置及び方法 - Google Patents

バッテリー充放電制御装置及び方法 Download PDF

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２０年１月３１日に出願された韓国特許出願第１０－２０２０－００１２１２３号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、バッテリーの充放電を制御する装置及び方法に関する。
最近、二次電池に対する研究開発が活発に行われている。ここで、二次電池は、充放電が可能な電池であって、従来のＮｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／ＭＨ電池などと最近のリチウムイオン電池のいずれも含む意味である。二次電池のうちリチウムイオン電池は、従来のＮｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／ＭＨ電池などに比べてエネルギー密度が遥かに高いという長所がある。また、リチウムイオン電池は、小型、軽量で製作することができるので、移動機器の電源として使用される。また、リチウムイオン電池は、電気自動車の電源に使用範囲が拡張され、次世代エネルギー保存媒体として注目を浴びている。
また、二次電池は、一般的に複数のバッテリーセルが直列及び／又は並列に連結されたバッテリーモジュールを含むバッテリーパックとして用いられる。そして、バッテリーパックは、バッテリー管理システムにより状態及び動作が管理及び制御される。
このようなリチウムイオン電池の場合、負極に主に黒鉛が使用される。バッテリーの動作中、黒鉛にリチウムイオンが挿入される場合、一般的にエネルギーを最小化するために、ステージを区分して段階的に挿入が行われる。このような各ステージのうち、ステージＩＩ段階において最も大きい挿入抵抗変化と電位変化が示される。
このように、リチウムイオンが黒鉛に段階的に挿入されることにより示される抵抗と電位の変化が、段階ごとに異なるので、ステージ別に充電効率も変わるしかない。したがって、単純に充電速度を一定に維持する場合には、そのサイクル性能が相対的に低下するしかない。
本発明は、前記のような課題を解決するために考案されたものであって、バッテリーの負極において急激な挿入抵抗変化と電位変化とを示すステージ区間で、充電速度を制御することにより、サイクル性能を向上させることができるバッテリー充放電制御装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御装置は、バッテリーのＳＯＣを測定するＳＯＣ測定部、及び前記バッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれる場合、前記バッテリーの充電速度を制御する充放電制御部を含み、前記予め設定された区間は、前記バッテリーを構成する物質に挿入されるイオンによる抵抗変化又は電位変化が基準値以上の区間として決定され得る。
本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御方法は、バッテリーの充放電速度を制御する方法であって、前記バッテリーのＳＯＣを測定する段階、及び前記バッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれる場合、前記バッテリーの充電速度を制御する段階を含み、前記予め設定された区間は、前記バッテリーを構成する物質に挿入されるイオンによる抵抗変化又は電位変化が基準値以上の区間として決定され得る。
本発明のバッテリー充放電制御装置及び方法によれば、バッテリーの負極において急激な挿入抵抗変化と電位変化とを示すステージ区間で、充電速度を制御することにより、サイクル性能を向上させることができる。
バッテリー制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御装置の構成を示すブロック図である。 黒鉛の間にリチウムイオンが挿入される際の定電流曲線を示す。 黒鉛の間にリチウムイオンが挿入される際の電流－電位曲線を示す。 黒鉛の間にリチウムイオンが挿入される際、ＳＯＣに対する電位変化を示す図である。 従来の充電方式と本発明の一実施形態によるバッテリー充電方式とによりそれぞれ充放電サイクルを進行した結果を示す図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御方法を示すフロー図である。 本発明の一実施形態によるバッテリー診断装置のハードウェア構成を示す図である。
以下、添付した図面を参照して、本発明の多様な実施形態に対して詳細に説明する。本文書で図面上の同一の構成要素に対しては同一の参照符号を使用し、同一の構成要素に対して重複した説明は省略する。
本文書に開示されている本発明の多様な実施形態に対して、特定の構造的または機能的説明は、単に本発明の実施形態を説明するための目的として例示されたものであって、本発明の多様な実施形態は、多様な形態で実施可能であり、本文書に説明された実施形態に限定されるものと解釈されてはいけない。
多様な実施形態で使用された「第１」、「第２」、「第一」、又は「第二」などの表現は、多様な構成要素を順序及び／又は重要度に関係なく修飾することができ、当該構成要素を限定しない。例えば、本発明の権利範囲を外れることなく、第１の構成要素は第２の構成要素と命名されてよく、同様に、第２の構成要素も第１構成要素に変えて命名されてよく。
本文書で使用された用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、他の実施形態の範囲の限定を意図するものではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味がない限り、複数の表現を含んでよい。
技術的や科学的な用語を含めて、ここで用いられる全ての用語は、本発明の技術分野における通常の知識を有する者により一般的に理解されるものと同一の意味を有し得る。一般的に用いられる辞書に定義された用語は、関連技術の文脈上有する意味と同一又は類似の意味を有するものと解釈されてよく、本文書で明らかに定義しない限り、理想的や過度に形式的な意味として解釈されない。場合によっては、本文書で定義された用語であっても、本発明の実施形態を排除するように解釈できない。
図１は、バッテリー制御システムの構成を示すブロック図である。
図１を参照すれば、本発明の一実施形態によるバッテリーパック１と、上位システムに含まれている上位制御器２とを含むバッテリー制御システムを概略的に示す。
図１に示されたように、バッテリーパック１は、一つ以上のバッテリーセルからなり、充放電可能なバッテリーモジュール１０と、バッテリーモジュール１０の＋端子側、又は－端子側に直列に連結され、バッテリーモジュール１０の充放電電流の流れを制御するためのスイッチング部１４と、バッテリーパック１の電圧、電流、温度などをモニタリングすることから、過充電及び過放電などを防止するように制御管理するバッテリー管理システム２０を含む。
ここで、スイッチング部１４は、バッテリーモジュール１０の充電又は放電に対する電流の流れを制御するための半導体スイッチング素子であって、例えば、少なくとも一つのＭＯＳＦＥＴが用いられてよい。
また、ＢＭＳ２０は、バッテリーパック１の電圧、電流、温度などをモニタリングするために、半導体スイッチング素子のゲート、ソース及びドレーンなどの電圧及び電流を測定するか計算してよく、また、半導体スイッチング部１４に隣接して設けられたセンサー１２を用いて、バッテリーパックの電流、電圧、温度などを測定してよい。ＢＭＳ２０は、上述の各種パラメーターを測定した値が入力されるインターフェースであって、複数の端子と、これら端子と連結されて入力された値の処理を行う回路などを含んでよい。
また、ＢＭＳ２０は、スイッチング部１４、例えば、ＭＯＳＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦを制御してもよく、バッテリーモジュール１０に連結されてバッテリーモジュール１０の状態を監視してよい。
上位制御器２は、ＢＭＳ２０でバッテリーモジュールに対する制御信号を伝送することができる。これにより、ＢＭＳ２０は、上位制御器から印加される信号に基づいて動作が制御されてよい。本発明のバッテリーセルがＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）又は車両などに用いられるバッテリーパックに含まれた構成であってよい。ただし、このような用途に限定されるものではない。
このようなバッテリーパック１の構成及びＢＭＳ２０の構成は公知された構成であるので、より具体的な説明は省略する。
図２は、本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御装置の構成を示すブロック図である。
図２を参照すれば、本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御装置２００は、ＳＯＣ測定部２１０、充放電制御部２２０、及び抵抗／電位測定部２３０を含んでよい。
ＳＯＣ測定部２１０は、バッテリーのＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を測定することができる。この際、ＳＯＣ測定部２１０は、電圧センサー（未図示）で測定された電圧に基づいてバッテリーモジュールの各バッテリーセルのＳＯＣを算出することができる。また、ＳＯＣ測定部２１０は、バッテリーモジュールの各バッテリーセルの電圧だけでなく、各バッテリーセルの電流、温度、圧力などの様々な要因を考慮してＳＯＣを算出することができる。
ここで、バッテリー電池のＳＯＣ測定方法は、残存量判断の基準として使用するパラメーターにより分類され得る。Ａｈ法は、使用電流と時間との関係を用いて使用された容量を求めてＳＯＣに反映する方法であり、抵抗測定法は、バッテリーの内部抵抗（ＩＲ－ｄｒｏｐ；Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ－ｄｒｏｐ）とＳＯＣとの関係に基づいて残存量を計算する方法である。また、電圧測定法は、バッテリー電池端子の開路電圧（ＯＣＶ；Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）を測定し、予め測定されたＯＣＶとＳＯＣとの関係に基づいて残存量を計算する方法である。
例えば、本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御装置２００の場合、電圧測定法を用いてＳＯＣを算出してよい。しかし、これは例示的なものであるだけで、ＳＯＣ算出方法が上述の方法に制限されるものではない。
充放電制御部２２０は、ＳＯＣ測定部２１０により測定されたバッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれる場合、バッテリーの充電速度を制御することができる。この際、予め設定された区間は、バッテリーを構成する物質に挿入されるイオンによる抵抗変化又は電位変化が一定の基準値以上の区間として決定され得る。例えば、予め設定された区間は、バッテリーの容量に対する電圧の微分値（ｄＶ／ｄＱ）（ｙ軸）と容量（ｘ軸）とのグラフで、最も大きい変曲点を有する区間として決定され得る。又は、予め設定された区間は、バッテリーの電位（ｙ軸）とＳＯＣ（ｘ軸）とのグラフで、傾きが最も大きい区間として決定され得る。
ここで、バッテリーを構成する物質は、バッテリーの負極に含まれる物質であって、例えば、黒鉛であってよく、この際、黒鉛に挿入されるイオンは、リチウムイオンであってよい。また、予め設定された区間は、バッテリーの充電時の抵抗が最も大きい区間として決定され得る。例えば、予め設定された区間は、黒鉛へのリチウムイオンの挿入による抵抗変化が最も大きい区間に基づいて決定され得る。又は、予め設定された区間は、黒鉛へのリチウムイオンの挿入による抵抗変化が最も大きい区間に対して誤差範囲を考慮して決定され得る。例えば、黒鉛の場合、予め設定された区間は、黒鉛にリチウムイオンが挿入される段階のうち、ステージＩＩ段階に該当するＳＯＣ区間であってよく、この際、バッテリーのＳＯＣは、誤差範囲を含めて５５～６５％と決定され得る。
具体的には、充放電制御部２２０は、バッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれる場合は充電速度を減少させ、予め設定された区間以外の残りの区間では充電速度を増加させてよい。例えば、充放電制御部２２０は、予め設定された区間では０．３３Ｃの速度で充電を行い、予め設定された区間以外の残りの区間では１．１４Ｃの速度で充電を行ってよい。この場合、充放電制御部２２０は、バッテリーの総充電時間をバッテリーの初期設定充電時間と同様に維持してよい。
抵抗／電位測定部２３０は、バッテリーの負極を構成する物質（例えば、黒鉛）が最も大きい挿入抵抗変化又は電位変化を示す区間を検出するために抵抗と電位を測定することができる。しかし、本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御装置２００が抵抗／電位測定部２３０を必ずしも備えなければならないものではなく、上述の区間は予め測定され、別途のメモリー部（未図示）などに予め保存されてよい。
このように、本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御装置によれば、バッテリーの負極において急激な挿入抵抗変化と電位変化を示すステージ区間で、充電速度を制御することにより、サイクル性能を向上させることができる。
図３ａは、黒鉛の間にリチウムイオンが挿入される際の定電流曲線を示し、図３ｂは、電流－電位曲線を示す。この際、図３ａの横軸は時間を示し、縦軸は電位を示す。また、図３ｂの場合、横軸は電流を示し、縦軸は電位を示す。
図３ａ及び３ｂを参照すれば、バッテリーの負極を構成する黒鉛にリチウムイオンが挿入される際に、時間の経過に応じてステージング現象が示されることが分かる。この際、図３ａ及び図３ｂに示されたように、ステージＩＩ段階で最も大きい電位変化と抵抗変化が示される。
図４は、黒鉛の間にリチウムイオンが挿入される際に、ＳＯＣに対する電位変化を示す図である。この際、図４の横軸はバッテリーのＳＯＣ（％）を示し、縦軸は電位を示す。
図４を参照すれば、ＳＯＣが５０～６０％であるステージＩＩ区間でグラフの傾きが最も大きく示されることが分かる。すなわち、図４のステージＩＩ区間で最も大きい電位変化と抵抗変化が発生してよい。しかし、これは例示的なものであるだけで、バッテリーセルの設計によりＳＯＣの範囲は異なって示されてよい。
図５は、従来の充電方式と本発明の一実施形態によるバッテリー充電方式とによりそれぞれ充放電サイクルを進行した結果を示す図である。この際、図５のグラフの横軸は充電サイクル（Ｎ）を示し、縦軸は容量維持率（ｃａｐａｃｉｔｙ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ）（％）を示す。
この際、図５のＴＥＳＴ１は、１Ｃで充電し、０．３３Ｃで放電することにより、サイクルを進行したこと（比較例）を示す。一方、ＴＥＳＴ２は、本発明の一実施形態によるバッテリー充電方式により充電時の抵抗が最も大きいＳＯＣ５５－６５区間を０．３３Ｃで充電し、残りの区間は１．１４Ｃで充電し、放電は０．３３Ｃで進行したこと（実施例）を示す。この際、総充電時間は、ＴＥＳＴ１とＴＥＳＴ２の両方も同様に設定し、充電サイクルは総２５回進行した。
図５に示されたように、リチウムイオンによる挿入抵抗が急激に増加するＳＯＣ５５－６５区間で、充電速度を減少させることにより、総充電時間は同一であってもサイクル性能が８４％であって、従来の方式に比べて３％向上したことが分かる。
図６は、本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御方法を示すフロー図である。
図６を参照すれば、先ずバッテリーのＳＯＣを測定する（Ｓ６１０）。この際、段階Ｓ６１０においては、各バッテリーセルの電圧、温度、圧力などの様々な要因を考慮して、ＳＯＣを測定することができる。また、バッテリーのＳＯＣは、前述のＡｈ法、抵抗測定法、電圧測定法などにより算出され得る。
そして、測定されたバッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれるか否かを判断する（Ｓ６２０）。この際、予め設定された区間は、バッテリーを構成する物質に挿入されるイオンによる抵抗変化、又は電位変化が基準値以上の区間として決定され得る。例えば、黒鉛の場合、予め設定された区間は、黒鉛にリチウムイオンが挿入される段階のうち、ステージＩＩ段階に該当するＳＯＣ区間（例えば、ＳＯＣ５５－６５）であってよい。
もし、バッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれる場合（ＹＥＳ）、バッテリーの充電速度を減少させる（Ｓ６３０）。一方、バッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれない場合（ＮＯ）、バッテリーの充電速度を増加させる（Ｓ６４０）。例えば、段階Ｓ６３０とＳ６４０においては、予め設定された区間で０．３３Ｃの速度で充電を行い、予め設定された区間以外の残りの区間では１．１４Ｃの速度で充電を行うことができる。この場合、バッテリーの総充電時間は、バッテリーの初期設定充電時間と同様に維持することができる。
このように、本発明の一実施形態によるバッテリー充放電制御方法によれば、バッテリーの負極において急激な挿入抵抗変化と電位変化を示すステージ区間で、充電速度を制御することにより、サイクル性能を向上させることができる。
図７は、本発明の一実施形態によるバッテリー制御装置のハードウェア構成を示す図である。
図７を参照すれば、バッテリー制御装置７００は、各種処理及び各構成を制御するマイクロコントローラー（ＭＣＵ；７１０）と、運営体制プログラム及び各種プログラム（例えば、バッテリー充放電制御プログラム、など）などが記録されるメモリー７２０と、バッテリーセルモジュール及び／又は半導体スイッチング素子との間で入力インターフェース及び出力インターフェースを提供する入出力インターフェース７３０と、有無線通信網を介して外部と通信可能な通信インターフェース７４０とを備えてよい。このように、本発明に係るコンピュータプログラムは、メモリー７２０に記録され、マイクロコントローラー７１０により処理されることにより、例えば、図２に示した各機能ブロックを行うモジュールとして具現されてよい。
上述のように、本発明の実施形態を構成する全ての構成要素が一つに結合するか結合して動作するものとして説明されたとしても、本発明が必ずしもこのような実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の目的範囲内であれば、その全ての構成要素が一つ以上に選択的に結合して動作してもよい。
また、上述の「含む」、「構成する」又は「有する」などの用語は、特に反対の記載がない限り、当該構成要素が内在し得ることを意味するので、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含んでよいと解釈されなければならない。技術的や科学的な用語を含む全ての用語は、特に定義されない限り、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者により一般的に理解されるものと同一の意味がある。辞書に定義された用語のように一般的に使用される用語は、関連技術の文脈上の意味と一致すると解釈されなければならず、本発明で明らかに定義しない限り、理想的や過度に形式的な意味として解釈されない。
以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎないものであって、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から外れない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施形態は、本発明の技術思想を限定するためではなく、説明するためのものであり、このような実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、以下の特許請求範囲により解釈されなければならず、それと同等の範囲内の全ての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。

Claims (8)

  1. バッテリーのＳＯＣを測定するＳＯＣ測定部と、
    前記バッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれる場合、前記バッテリーの充電速度を制御する充放電制御部と、を含み、
    前記予め設定された区間は、前記バッテリーを構成する物質に挿入されるイオンによる抵抗変化又は電位変化が基準値以上の区間として決定され、
    前記予め設定された区間は、黒鉛へのリチウムイオンの挿入による抵抗変化が最も大きい区間に基づいて決定され、
    前記充放電制御部は、前記バッテリーのＳＯＣが、前記抵抗変化が最も大きい区間に基づいて決定された前記予め設定された区間に含まれる場合は、充電速度を減少させて第１の速度で充電を行い、前記抵抗変化が最も大きい区間に基づいて決定された前記予め設定された区間以外の残りの区間では、充電速度を増加させて前記第１の速度よりも大きい第２の速度で充電を行い
    前記第１の速度は、前記バッテリーを充電するとき、１時間で全容量を充電できる速度よりも小さく、前記第２の速度は、前記バッテリーを充電するとき、１時間で全容量を充電できる速度よりも大きい、バッテリー充放電制御装置。
  2. 前記充放電制御部は、前記バッテリーの総充電時間を前記バッテリーの初期設定充電時間と同様に維持する、請求項１に記載のバッテリー充放電制御装置。
  3. 前記バッテリーを構成する物質は、前記バッテリーの負極に含まれる物質である、請求項１または２に記載のバッテリー充放電制御装置。
  4. 前記バッテリーを構成する物質は黒鉛を含み、前記イオンはリチウムイオンを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリー充放電制御装置。
  5. 前記予め設定された区間は、前記黒鉛に前記リチウムイオンが挿入される段階のうち、ステージＩＩ段階に該当するＳＯＣ区間である、請求項４に記載のバッテリー充放電制御装置。
  6. 前記予め設定された区間は、黒鉛へのリチウムイオンの挿入による抵抗変化が最も大きい区間に対して誤差範囲を考慮して決定される、請求項１から５のいずれか一項に記載のバッテリー充放電制御装置。
  7. バッテリーの充放電速度を制御するバッテリー充放電制御方法であって、
    前記バッテリーのＳＯＣを測定する段階と、
    前記バッテリーのＳＯＣが予め設定された区間に含まれる場合、前記バッテリーの充電速度を制御する段階と、を含み、
    前記予め設定された区間は、前記バッテリーを構成する物質に挿入されるイオンによる抵抗変化又は電位変化が基準値以上の区間として決定され、
    前記予め設定された区間は、黒鉛へのリチウムイオンの挿入による抵抗変化が最も大きい区間に基づいて決定され、
    前記バッテリーの充電速度を制御する段階は、前記バッテリーのＳＯＣが、前記抵抗変化が最も大きい区間に基づいて決定された前記予め設定された区間に含まれる場合は、充電速度を減少させて第１の速度で充電を行い、前記抵抗変化が最も大きい区間に基づいて決定された前記予め設定された区間以外の残りの区間では、充電速度を増加させて前記第１の速度よりも大きい第２の速度で充電を行い、
    前記第１の速度は、前記バッテリーを充電するとき、１時間で全容量を充電できる速度よりも小さく、前記第２の速度は、前記バッテリーを充電するとき、１時間で全容量を充電できる速度よりも大きい、バッテリー充放電制御方法。
  8. 前記バッテリーの総充電時間は、前記バッテリーの初期設定充電時間と同様に維持する、請求項７に記載のバッテリー充放電制御方法。
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