JP7735366B2 - 充電制御方法、およびこれを行う充電制御装置およびバッテリーパック - Google Patents

Description

本開示は、充電制御方法、およびこれを行う充電制御装置およびバッテリーパックに関する。

二次電池（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）は、充電および放電が繰り返すことができる点で、化学物質の電気エネルギーへの非可逆的変換だけを提供する一次電池（ｐｒｉｍａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）と異なっている。低容量の二次電池は、携帯電話、ノートパソコン、およびカームコーダーのような小型電子装置の電源装置として使われ、高容量の二次電池は、ハイブリッド自動車などの電源装置として使用される。

一般に、二次電池セルは、正極、負極、および正極と負極との間に介されたセパレータを含む電極アセンブリ、電極アセンブリを収容するケース、そして電極アセンブリと電気的に接続されている電極端子を含む。正極、負極、および電解質溶液の電気化学的反応によりバッテリーセルの充放電を可能にするために、ケースに電解液が注入される。円筒形または長方形のようなケースの形状はバッテリーセルの用途に応じて異なる。

バッテリーセルは、互いに直列および／または並列に接続し、高いエネルギー密度を有するバッテリーモジュールを構成することができる。バッテリーパックは要求される仕様により、このようなバッテリーモジュールを一つ以上含んで構成することができる。

二次電池セルの充電方式には、定電流（ＣＣ：ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）、定電圧（ＣＶ：ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ）、定電力（ＣＰ：ｃｏｎｓｔａｎｔ ｐｏｗｅｒ）、定電流定電圧（ＣＣＣＶ）方式などが主に使用される。このような方式は、電流、電圧、電力などの二次電池の外部状態に基づいた充電制御方式であり、二次電池の充電による劣化を改善するのに限界がある。

充電による劣化現像は、二次電池の寿命を縮める主要要因の一つである。したがって、二次電池の寿命を増やすためには、充電による劣化現像を抑制する必要がある。充電による劣化を減らす方法としては、二次電池の温度を適正温度に維持しながら低率の電流に充電する方式がある。しかし、近年、高速充電に対する要求が増加し、高率の電流に充電しながらバッテリーの充電劣化を最小化できる充電技術が要求されている。

実施例は、充電による劣化現像を改善しながら高率充電が可能な充電制御方法、そしてこれを行う充電制御装置およびバッテリーパックを提供するものである。

前記課題を解決するための一実施例による充電制御装置は、バッテリーモデルを格納する格納装置、バッテリーの電圧、電流および温度のうち少なくとも一つを含む外部状態値を持続的に検出する検出装置、そして前記バッテリーモデルおよび前記外部状態値を用いて前記バッテリーの内部状態を示す少なくとも一つの状態値を推定し、推定された前記少なくとも一つの内部状態値に基づいて第１充電電流値を決定するフィードバックループ（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ）方式で、充電電流をリアルタイムで制御する制御装置を含むことができる。

前記制御装置は、前記少なくとも一つの内部状態値が既設定された目標値に収束するように前記第１充電電流値を決定し、決定された前記第１充電電流値に基づいて前記充電電流を制御することができる。

前記充電制御装置において、前記目標値は、前記バッテリーの内部状態を基準に区分される高劣化領域と低劣化領域の境界値に設定することができる。

前記内部状態が負極電位であれば、前記目標値は、０より大きい値に設定することができる。

前記内部状態が正極電位であれば、前記目標値は、前記バッテリーを構成するバッテリーセルの動作領域電圧より小さい値に設定することができる。

前記バッテリーモデルは、前記バッテリーと同じ仕様を有する二次電池セルの内部状態をモデリングした電気化学モデルでありうる。

前記制御装置は、前記バッテリーモデルを用いて推定された複数の内部状態値のそれぞれに対して、前記目標値に収束させるための第２充電電流値を決定し、前記第２充電電流値を全て満たす電流値を前記第１充電電流値として決定することができる。前記第２充電電流値は、所定の電流範囲に設定することができる。

前記制御装置は、前記バッテリーモデルを用いて推定された複数の内部状態値のそれぞれに対して、前記目標値に収束させるための第２充電電流値を決定し、既設定された優先順位に基づいて決定された処理順にしたがって、前記複数の内部状態値に対応する前記第２充電電流値を順次参照して、前記第１充電電流値を決定する充電制御装置である。

前記制御装置は、前記フィードバックループ制御が可能な一つ以上の制御器を含み、前記制御器は、Ｐ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御、Ｉ（ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御、およびＤ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御のうち少なくとも一つの制御機能を行うように構成される。

前記制御装置は、充電器と通信し、前記第１充電電流値を前記充電器に伝達して前記充電電流をリアルタイムで制御することができる。

一実施例によるバッテリーパックは、バッテリー、そして前述した特徴のうち少なくとも一つを含む充電制御装置を含むことができる。

前記バッテリーパックにおいて、前記制御装置は、前記バッテリーパックのバッテリー管理システムでありうる。

一実施例によるバッテリーパックの充電制御方法は、バッテリーの電圧、電流および温度のうち、少なくとも一つを含む外部状態値を検出する段階、バッテリーモデルおよび前記外部状態値を用いて前記バッテリーの内部状態を示す少なくとも一つの状態値を推定する段階、推定された前記少なくとも一つの内部状態値に基づいて第１充電電流値を決定する段階、前記第１充電電流値に基づいて充電器の充電電流をリアルタイムで制御する段階、そして前記バッテリーパックの充電が進行される間に前記検出する段階、前記推定する段階、前記決定する段階、および前記制御する段階を繰り返して行う段階を含むことができる。

前記第１充電電流値を決定する段階は、前記少なくとも一つの内部状態値が既設定された目標値に収束するように、前記第１充電電流値を決定することができる。

前記目標値は、前記バッテリーの内部状態を基準に区分される高劣化領域と低劣化領域の境界値に対応するように設定される。

前記内部状態は、負極電位、正極電位、および正極濃度のうち、少なくとも一つを含むことができる。

前記バッテリーモデルは、前記バッテリーと同じ仕様を有する二次電池セルの内部状態をモデリングした電気化学モデルでありうる。

前記第１充電電流値を決定する段階は、前記バッテリーモデルを用いて推定された複数の内部状態値のそれぞれに対して、前記目標値に収束させるための第２充電電流値を決定する段階、そして前記第２充電電流値を全て満たす電流値を前記第１充電電流値として決定する段階を含むことができる。前記第２充電電流値は、所定の電流範囲に設定することができる。

前記第１充電電流値を決定する段階は、前記バッテリーモデルを用いて推定された複数の内部状態値のそれぞれに対して、前記目標値に収束させるための第２充電電流値を決定する段階、そして既設定された優先順位に基づいて決定された処理順にしたがって、前記複数の内部状態値に対応する前記第２充電電流値を順次参照し、前記第１充電電流値を決定する段階を含むことができる。

実施例によると、バッテリーパックの劣化を最大限抑制しながら充電速度を高める効果がある。

一実施例によるバッテリーパックの充電システムを概略的に示す。 一実施例によるバッテリーパックの充電制御方法を概略的に示す。 他の実施例によるバッテリーパックの充電システムを概略的に示す。 他の実施例によるバッテリーパックの充電制御方法を概略的に示す。 実施例による充電制御方法の効果を説明するための図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。以下、添付した図面を参照して本発明の実施例による作用効果およびその具現方法を説明する。図面において、同じ参照符号は同じ素子を示し、重複する説明は省略する。しかし、本発明は様々な形態に具体化することができ、ここに示された実施例だけに限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、本開示が徹底かつ完全となるように例として提供され、当業者に本発明の様態および特徴を十分に伝達するであろう。

したがって、本発明の様態および特徴の完全な理解のために、当業者にとって必要でないと思われるプロセス、要素、および技術は説明されないことがある。図面において、素子、層、および領域の相対的大きさは、明確性のために誇張されることがある。

ここで使用されたように、「および／または」という用語は、一つ以上の、関連して列挙された項目の任意のおよびすべての組み合わせを含む。また、本発明の実施例を記述する際に「することができる」を使うのは、「本発明の一つ以上の実施例」を意味する。本発明の実施例に関する以下の説明において、単数形態の用語は、文脈が異なることを明白に示さない限り複数形態を含むことができる。

「第１」、「第２」、「第３」等の序数を含む用語は、様々な要素を説明するために使用されるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるべきではないことを理解するべきである。これらの用語は、ある要素を他の要素と区別するためにだけ使用される。例えば、第１要素は、第２要素と命名することができ、同様に、第２要素は、本発明の範囲を逸脱せずに、第１要素と命名することができる。ここで使用されたように、「および／または」という用語は、一つ以上の、関連して列挙された項目の任意のおよびすべての組み合わせを含む。「少なくとも一つ」のような表現は、要素の目録に先行して、要素の全体目録を修正し、目録の個別要素を修正しない。

ここで使用される用語「実質的に」、「約」および類似する用語は、近似の用語として使われ、程度の用語として使用されず、本技術分野の通常の知識を有する者によって認識できる測定された値または計算された値の固有の偏差を説明するためのものである。また、用語「実質的に」が数値を用いて表現できる特徴と組み合わせて使われると、「実質的な」という用語は、その数値を中心とした値の＋／－５％の範囲を示す。

一つの構成要素または層が異なる構成要素または層に対して「上に」、「連結された」、または「結合された」と記載される場合、「上に」、「連結された」および「結合された」というのは、直接、または一つ以上の他の構成要素または層を介在して形成されるものを全て含む。また、一つの構成要素または層が２個の構成要素または層「の間」にあると記載される場合、２個の構成要素または層の間の唯一の構成要素または層であるか、一つ以上の介された他の要素または層が存在することと理解されるべきである。

２個の構成要素を電気的に接続するとは、２個の構成要素を直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）接続するときだけでなく、２個の構成要素の間に他の構成要素を介して接続する場合も含む。他の構成要素としては、スイッチ、抵抗、キャパシターなどを含むことができる。実施例を説明するに当たり、「接続する」という表現は、直接接続するという表現がない場合には、電気的に接続することを意味する。

図１は、一実施例によるバッテリーパックの充電システムを概略的に示す。

図１を参照すると、一実施例によるバッテリーパック１ａの充電システムは、バッテリーパック１ａに含まれている充電制御装置と、バッテリーパック１ａの外部の充電器２を含むことができる。

バッテリーパック１ａは、バッテリー１０と充電制御装置を含むことができる。

バッテリー１０は、少なくとも一つの二次電池セルを含むことができる。

充電制御装置は、格納装置２１、検出装置２２、および制御装置２３を含むことができる。

格納装置２１は、充電制御装置の動作のためのプログラム、充電制御装置で処理される各種データなどを格納することができる。

格納装置２１は、バッテリー１０を構成するバッテリーセルと同じ仕様を有する二次電池セルの内部状態をモデリングした電気化学モデル（以下、「バッテリーモデル」と称する）を格納することができる。例えば、格納装置２１は、二次電池セルの外部状態（例えば、電流、セル電圧、温度など）を細分化し、各状態に対してバッテリーモデルを用いて算出された二次電池セルの内部状態（例えば、正極電位（ｃａｔｈｏｄｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）、負極電位（ａｎｏｄｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）、濃度（ｃａｔｈｏｄｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）など）をマッピングさせたテーブル形態にバッテリーモデルを格納することができる。また、例えば、格納装置２１は、二次電池セルの外部状態（例えば、電流、電圧、温度など）を示す状態値を入力とし、二次電池セルの内部状態（例えば、正極電位、負極電位、濃度など）を示す状態値を出力とする関数形態で、二次電池セルのバッテリーモデルを格納することもできる。

格納装置２１は、充電時バッテリー１０の内部状態が、充電劣化が高い領域に進行しないように制御するための基準となる内部状態目標値を格納することができる。バッテリー１０の内部状態を基準とする充電劣化が相対的に低い領域（以下、「低劣化領域」と称する）と、充電劣化が相対的に高い領域（以下、「高劣化領域」と称する）は、バッテリー１０を構成する二次電池セルと同じ仕様を有する二次電池セルのシミュレーション、実験などに基づいて予め確認される。格納装置２１に格納される内部状態目標値は、予め確認された低劣化領域と高劣化領域に基づいて、バッテリー１０の内部状態が高劣化領域に進行する直前の内部状態値、つまり、低劣化領域を高劣化領域と区分するための境界値と定義することができる。例えば、バッテリー１０の内部状態因子が負極電位であれば、内部状態目標値は０より大きい値に設定することができる。また、例えば、バッテリー１０の内部状態因子が正極電位であれば、内部状態目標値はバッテリーセルの動作領域電圧より小さい値に設定することができる。また、例えば、バッテリー１０の内部状態因子が正極濃度であれば、内部状態目標値は、（最大濃度値×３０％）より小さい値に設定することができる。

バッテリー１０の低劣化領域および高劣化領域は、バッテリー１０の劣化程度に応じて変動できる。したがって、格納装置２１は、バッテリー１０の寿命モデルに基づいてバッテリー１０の劣化程度を細分化し、各劣化程度に対してバッテリー１０の内部状態が高劣化領域に進行しないように制御するための基準となる内部状態目標値をマッピングさせて格納することができる。

検出装置２２は、バッテリー１０を構成するバッテリーセルの状態をモニタリングして、電圧（セル電圧）、電流、温度などバッテリー１０の外部状態を持続的に検出することができる。検出装置２２は、バッテリー１０の外部状態を検出するたびに、検出された外部状態の状態値（Ｓ１）を制御装置２３に伝達することができる。

制御装置２３は、検出装置２２から受信された外部状態値（Ｓ１）と、既格納されたバッテリーモデルに基づいて、バッテリー１０の内部状態を推定し、推定されたバッテリー１０の内部状態が既格納された内部状態目標値（Ｓ３）に収束するように、フィードバックループ（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ）方式で、充電器２の充電電流をリアルタイムで制御することができる。

制御装置２３は、バッテリーモデル部２３１、および制御部２３２を含むことができる。

バッテリーモデル部２３１は、検出装置２２からバッテリー１０の外部状態値（Ｓ１）が受信されると、既格納されたバッテリーモデルを利用して、受信された外部状態値（Ｓ１）に対応するバッテリー１０の内部状態を推定することができる。バッテリーモデルは、一つの二次電池セルに対する電気化学的特性をモデリングして生成されたものである。したがって、バッテリー１０が複数のバッテリーセルを含む場合、バッテリーモデル部２３１は、複数のバッテリーセルの平均外部状態値（平均セル電圧、平均電流、平均温度など）、または複数のバッテリーセルの中で選択した代表セルの外部状態値（セル電圧、電流、温度など）を用いて、バッテリー１０を構成するバッテリーセルの内部状態を代表する内部状態を推定することができる。例えば、バッテリーモデル部２３１は、複数のバッテリーセルのうち、劣化程度が最も大きいウィーク（ｗｅａｋ）セルを代表セルに選択し、選択したウィークセルに対して検出された外部状態値をバッテリーモデルに入力して、バッテリー１０の内部状態を推定することができる。

バッテリーモデル部２３１は、バッテリーモデルを用いて推定可能な内部状態因子のうち一つを、充電電流を制御するための制御因子として選択し、選択した制御因子の内部状態値（Ｓ２）を制御部２３２に出力することができる。バッテリーモデル部２３１は、バッテリーモデルを用いて推定可能なバッテリー１０の内部状態因子中、正極電位、負極電位、濃度などバッテリーセルの充電劣化程度を識別できる因子を制御因子として選択することができる。

制御部２３２は、バッテリーモデル部２３１から制御因子に相当する内部状態値（Ｓ２）を持続的に受信し、これに基づいてバッテリー１０の内部状態が既設定された内部状態目標値（Ｓ３）に収束するように、フィードバックループ方式で充電電流をリアルタイムで制御することができる。つまり、制御部２３２は、バッテリーモデル部２３１から制御因子に相当する内部状態値（Ｓ２）が受信されるたびに、受信された内部状態値（Ｓ２）が対応する内部状態目標値（Ｓ３）に収束する方向に、充電電流をリアルタイムで制御する過程を繰り返し行うことによって、バッテリー１０の内部状態が高劣化領域に進入する直前の状態になるように維持することができる。

制御部２３２は、ＣＡＮ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）通信などを通して充電器２と通信することができる。制御部２３２は、制御因子の内部状態値（Ｓ２）が対応する内部状態目標値（Ｓ３）に収束する方向に充電電流値が決定されると、決定された電流値を充電器２にリアルタイムに伝達することによって、充電器２からバッテリー１０に印加される充電電流をリアルタイムで制御することができる。

前述した制御装置２３は、バッテリーパック１ａのバッテリー管理システム（ＢＭＳ：ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）によって具現される。また、制御部２３２は、フィードバックループ制御が可能であり、Ｐ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御、Ｉ（ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御、およびＤ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御のうち、少なくとも一つの制御機能を行うように構成された一つ以上の制御器によって具現される。

図２は、一実施例によるバッテリーパックの充電制御方法を概略的に示す。図２の充電制御方法は、図１を参照して説明した制御装置２３によって行うことができる。

図２を参照すると、制御装置２３は、バッテリー１０の充電が開始されると（Ｓ１１）、検出装置２２を介してバッテリー１０を構成するバッテリーセルの外部状態値（電流、セル電圧、温度など）を獲得することができる（Ｓ１２）。

制御装置２３は、外部状態値が獲得されると、バッテリーモデルに基づいてバッテリー１０の制御因子（負極電位、正極電位、濃度など）に相当する内部状態値を推定することができる（Ｓ１３）。また、制御装置２３は、推定された制御因子の内部状態値が対応する内部状態目標値に収束するように充電器２の充電電流値を決定し（Ｓ１４）、これを利用して充電器２の充電電流をリアルタイムで制御することができる（Ｓ１５）。

制御装置２３は、バッテリー１０の充電が終了するまで（Ｓ１６）、前述したＳ１２～Ｓ１５段階を繰り返し行うことによって、バッテリーセルの内部状態が高劣化領域に進入する直前の状態になるように維持することができる。

図３は、他の実施例によるバッテリーパックの充電システムを概略的に示す。以下、他の実施例による充電システムを構成する構成要素についての説明では、図１の充電システムを構成する構成要素と同じ構成要素について重複する説明を省略することができる。

図３を参照すると、一実施例によるバッテリーパック１ｂの充電システムは、バッテリーパック１ｂに含まれている充電制御装置と、バッテリーパック１ｂの外部の充電器２を含むことができる。

バッテリーパック１ｂは、バッテリー１０と充電制御装置を含むことができる。

バッテリー１０は、少なくとも一つの二次電池セルを含むことができる。

充電制御装置は、格納装置２１、検出装置２２、および制御装置２３を含むことができる。

格納装置２１は、テーブル、関数形態などでバッテリーモデルを格納することができる。バッテリーモデルは、バッテリー１０を構成するバッテリーセルと同じ仕様を有する二次電池セルの内部状態をモデリングした電気化学モデルである。

格納装置２１は、充電時バッテリー１０の内部状態が、充電劣化が高い領域に進行しないように制御するための基準となる内部状態目標値を格納することができる。格納装置２１は、バッテリーモデルを用いて、推定可能な内部状態因子の中で選択した複数の制御因子に対して対応する内部状態目標値を、それぞれマッピングさせて格納することができる。格納装置２１は、バッテリー１０の寿命モデルに基づいてバッテリー１０の劣化程度を細分化し、各劣化程度に対して複数の制御因子の内部状態目標値をマッピングして格納することができる。

検出装置２２は、バッテリー１０の外部状態（電圧（セル電圧）、電流、温度など）を持続的に検出し、検出された外部状態値（Ｓ１）を制御装置２３に伝達することができる。

制御装置２３は、検出装置２２から受信された外部状態値（Ｓ１）と既格納されたバッテリーモデルに基づいてバッテリー１０の内部状態を推定し、推定されたバッテリー１０の内部状態が既格納された内部状態目標値（Ｓ３）に収束するように、フィードバックループ方式で充電器２の充電電流をリアルタイムで制御することができる。

制御装置２３は、バッテリーモデル部２３１、および複数の制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３、および充電電流制御部２３３を含むことができる。

バッテリーモデル部２３１は、検出装置２２からバッテリー１０の外部状態値（Ｓ１）が受信されると、既格納されたバッテリーモデルを利用して、受信された外部状態値（Ｓ１）に対応するバッテリー１０の内部状態を推定することができる。バッテリー１０が複数のバッテリーセルを含む場合、バッテリーモデル部２３１は、複数のバッテリーセルの平均外部状態値（平均セル電圧、平均電流、平均温度など）、または複数のバッテリーセルの中で選択した代表セルの外部状態値（セル電圧、電流、温度など）を用いて、バッテリー１０の内部状態を推定することができる。

バッテリーモデル部２３１は、バッテリーモデルを用いて推定可能な内部状態因子中複数の制御因子を充電電流を制御するための制御因子に選択し、選択した制御因子の内部状態値（Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）を複数の制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３にそれぞれ出力することができる。例えば、バッテリーモデル部２３１は、バッテリーモデルを用いて推定可能なバッテリー１０の内部状態因子中正極電位、負極電位、および正極濃度を制御因子として選択することができる。

各制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３は、バッテリーモデル部２３１から各制御因子に相当する内部状態値（Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３）を持続的に受信し、これに基づいてバッテリー１０の内部状態を既設定された内部状態目標値（Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３）に収束させるための充電電流値を決定することができる。各制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３は、このように決定された充電電流値の情報を充電電流制御部２３３に伝達することができる。各制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３から充電電流制御部２３３に伝達される充電電流値は、一つの値を含むか、または上限値および下限値と定義される所定の電流範囲に関する情報を含むことができる。

充電電流制御部２３３は、各制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３から充電電流値に関する情報が受信されると、これに基づいて充電器２の充電電流をリアルタイムで制御することができる。

充電電流制御部２３３は、各制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３から受信された充電電流値を同時に満たす充電電流値を決定し、これを使用して充電器２の充電電流を制御することができる。つまり、充電電流制御部２３３は、各制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３から受信された充電電流値が指示する電流領域間で重畳部分を検出し、検出された重畳部分で充電器２を制御するための充電電流値を決定することができる。

充電電流制御部２３３は、複数の制御因子に対して互いに異なる優先順位を付与することができる。例えば、充電電流制御部２３３は、充電電流の変化に対する各制御因子の敏感度が高いほど高い優先順位を付与することができる。充電電流制御部２３３は、優先順位に基づいて、各制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３から受信された充電電流値の処理順を決め、決定された処理順にしたがって、各充電電流値を順次参照する直列制御方式で充電器２の充電電流を制御することができる。

充電電流制御部２３３は、ＣＡＮ通信などを通して充電器２と通信することができる。充電電流制御部２３３は、最終的に決定された充電電流値を充電器２にリアルタイムで伝達することによって、充電器２からバッテリー１０に印加される充電電流をリアルタイムで制御することができる。

前述した制御装置２３は、バッテリーパック１ｂのバッテリー管理システム（ＢＭＳ）によって具現される。また、複数の制御部２３２－１、２３２－２、２３２－３は、フィードバックループ制御が可能であり、Ｐ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御、Ｉ（ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御、およびＤ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御のうち少なくとも一つの制御機能を行うように構成された一つ以上の制御器によって具現される。

図４は、他の実施例によるバッテリーパックの充電制御方法を概略的に示す。図４の充電制御方法は、図３を参照して説明した制御装置２３によって行われる。

図４を参照すると、制御装置２３は、バッテリー１０の充電が開始されると（Ｓ２１）、検出装置２２を介してバッテリー１０を構成するバッテリーセルの外部状態値（電流、セル電圧、温度など）を獲得することができる（Ｓ２２）。

制御装置２３は、外部状態値が獲得されると、バッテリーモデルに基づいてバッテリー１０の複数の制御因子（例えば、負極電位、正極電位、および濃度）のそれぞれに相当する内部状態値を推定することができる（Ｓ２３）。また、制御装置２３は、複数の制御因子のそれぞれに対して推定された内部状態値が対応する内部状態目標値に収束するようにする充電電流値を、複数の制御因子のそれぞれに対して決定することができる（Ｓ２４）。制御装置２３は、複数の制御因子のそれぞれに対応する充電電流値が決定されると、これら充電電流値に基づいて、充電器２の充電電流制御に用いる最終充電電流値を決定することができる（Ｓ２５）。

Ｓ２５段階で、制御装置２３は、複数の制御因子全てを同時に満たす充電電流値を最終充電電流値として決定することができる。つまり、制御装置２３は、各制御因子に対応する充電電流値が指示する電流領域間で重畳部分を検出し、検出された重畳部分で充電器２を制御するための最終充電電流値を決定することができる。

Ｓ２５段階で、制御装置２３は、複数の制御因子に付与された優先順位に基づいて、各制御因子に対応する充電電流値を順次充電器２を制御するための最終充電電流値として選択してもよい。

制御装置２３は、最終充電電流値が決定されると、利用して充電器２の充電電流をリアルタイムで制御することができる（Ｓ２６）。

制御装置２３は、バッテリー１０の充電が終了するまで（Ｓ２７）、前述したＳ２２～Ｓ２６段階を繰り返し行うことによって、バッテリーセルの内部状態が高劣化領域に進入する直前の状態になるように維持することができる。

図５は、実施例による充電制御方法の効果を説明するための図面である。

図５を参照すると、従来のフィードフォワード（ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ）方式で進行されるステップ充電方式は、充電電流の微細制御が難しいという短所がある。これに対して、前述した実施例は、フィードバックループ方式でバッテリー１０の内部状態の変動に合わせて、充電電流をリアルタイムで制御することが可能である。

また、実施例１のように高劣化領域に進行する直前の状態で充電電流を制御することによって、充電時間を短縮する効果がある。また、実施例２のようにフィードバックループ方式で計算された充電電流値より所定のマージン（ｍａｒｇｉｎ）だけ低い領域で充電電流を制御すると、ステップ充電方式と同じ充電時間がかかっても、ピーク充電電流を低くすることができ、長期的にステップ充電方式に比べて長い寿命を確保することができる。

ここに説明された実施例による電子または電気装置、および／または任意の他の関連装置または構成要素は、任意の適したハードウェア、ファームウェア（例えば、注文型集積回路（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ））、ソフトウェア、またはソフトウェア、ファームウェアおよびハードウェアの組み合わせを利用して具現される。例えば、これらの装置の多様な構成要素は、一つの集積回路（ＩＣ）チップ上、または個別ＩＣチップ上に形成される。また、これらの装置の多様な構成要素は、フレキシブルプリント回路フィルム（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｉｌｍ）、テープキャリアパッケージ（ＴＣＰ：ｔａｐｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｐａｃｋａｇｅ）、プリント回路基板（ＰＣＢ：ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ）、または一つの基板上に具現される。本明細書に記載された電気的接続または相互連結は、例えば、ＰＣＢまたは他の種類の回路キャリア上の配線、または伝導性素子によって具現される。伝導性素子は、例えば表面金属化（ｓｕｒｆａｃｅ ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）のような金属化、および／またはピン（ｐｉｎ）を含むことができ、伝導性重合体（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｐｏｌｙｍｅｒｓ）またはセラミックス（ｃｅｒａｍｉｃｓ）を含むことができる。また電気エネルギーは、例えば、電磁気放射または光を利用した無線接続により転送することができる。

また、これらの装置の多様な構成要素は、ここに説明された多様な機能を行うために、一つ以上のプロセッサー上で実行され、一つ以上のコンピューティング装置内で実行され、コンピュータプログラム命令を実行し、他のシステム構成要素と相互作用するプロセスまたはスレッドであり得る。コンピュータプログラム命令は、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）のような、標準メモリ装置を使用するコンピューティング装置で実現できるメモリに格納される。コンピュータプログラム命令は、また、例えばＣＤ－ＲＯＭ、フラッシュドライブなどのような他の非一時的（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ）コンピュータ読取可能媒体に格納される。

また、当業者は多様なコンピューティング装置の機能が単一コンピューティング装置に結合されたりまたは統合されたり、または特定コンピューティング装置の機能が本発明の例示的な実施例の範囲を逸脱せずに一つ以上の他のコンピューティング装置にかけて分散する可能性があることを認識しなければならない。

以上、本発明の実施例に対して詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、以下の請求範囲で定義している本発明の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属する。

１ バッテリーパック
２ 充電器
１０ バッテリー
２１ 格納装置
２２ 検出装置
２３ 制御装置
２３１ バッテリーモデル部
２３２、２３２－１、２３２－２、２３２－３ 制御部
２３３ 充電電流制御部

Claims (15)

1. バッテリーモデルを格納する格納装置、
   バッテリーの電圧、電流および温度のうち少なくとも一つを含む外部状態値を持続的に検出する検出装置、および
   前記バッテリーモデルおよび前記外部状態値を用いて前記バッテリーの内部状態を示す少なくとも一つの状態値を推定し、推定された前記少なくとも一つの内部状態値に基づいて、第１充電電流値を決定するフィードバックループ（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ）方式で、充電電流をリアルタイムで制御する制御装置、
   を含み、
   前記制御装置は、前記少なくとも一つの内部状態値が既設定された目標値に収束するように前記第１充電電流値を決定し、決定された前記第１充電電流値を用いて前記充電電流を制御し、
   前記制御装置は、前記バッテリーモデルを用いて推定された複数の内部状態値のそれぞれに対して前記目標値に収束させるための第２充電電流値を決定し、既設定された優先順位に基づいて決定された処理順にしたがって、前記複数の内部状態値に対応する前記第２充電電流値を順次参照して前記第１充電電流値を決定する、充電制御装置。
2. 前記目標値は、前記バッテリーの内部状態を基準に区分される高劣化領域と低劣化領域の境界値に対応する、請求項１に記載の充電制御装置。
3. 前記内部状態が負極電位であれば、前記目標値は０より大きい値に設定される、請求項２に記載の充電制御装置。
4. 前記内部状態が正極電位であれば、前記目標値は前記バッテリーを構成するバッテリーセルの動作領域電圧より小さい値に設定される、請求項２に記載の充電制御装置。
5. 前記バッテリーモデルは、前記バッテリーと同じ仕様を有する二次電池セルの内部状態をモデリングした電気化学モデルである、請求項１に記載の充電制御装置。
6. バッテリーモデルを格納する格納装置、
   バッテリーの電圧、電流および温度のうち少なくとも一つを含む外部状態値を持続的に検出する検出装置、および
   前記バッテリーモデルおよび前記外部状態値を用いて前記バッテリーの内部状態を示す少なくとも一つの状態値を推定し、推定された前記少なくとも一つの内部状態値に基づいて、第１充電電流値を決定するフィードバックループ（ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｏｐ）方式で、充電電流をリアルタイムで制御する制御装置、
   を含み、
   前記制御装置は、前記少なくとも一つの内部状態値が既設定された目標値に収束するように前記第１充電電流値を決定し、決定された前記第１充電電流値を用いて前記充電電流を制御し、
   前記制御装置は、前記バッテリーモデルを用いて推定された複数の内部状態値のそれぞれに対して、前記目標値に収束させるための第２充電電流値を決定し、前記第２充電電流値を全て満たす電流値を前記第１充電電流値として決定し、
   前記第２充電電流値は、所定の電流範囲に設定される、充電制御装置。
7. 前記制御装置は、前記フィードバックループ制御が可能な一つ以上の制御器を含み、
   前記制御器は、Ｐ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）制御、Ｉ（ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御、およびＤ（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御のうち少なくとも一つの制御機能を行うように構成された、請求項１に記載の充電制御装置。
8. 前記制御装置は、充電器と通信し、前記第１充電電流値を前記充電器に伝達して前記充電電流をリアルタイムで制御する、請求項１に記載の充電制御装置。
9. バッテリー、および
   請求項１乃至８のいずれか一つに記載の充電制御装置を含む、バッテリーパック。
10. 前記制御装置は、前記バッテリーパックのバッテリー管理システムである、請求項９に記載のバッテリーパック。
11. バッテリーパックの充電制御方法であって、
    バッテリーの電圧、電流および温度のうち少なくとも一つを含む外部状態値を検出する段階、
    バッテリーモデルおよび前記外部状態値を用いて前記バッテリーの内部状態を示す少なくとも一つの状態値を推定する段階、
    推定された前記少なくとも一つの内部状態値に基づいて第１充電電流値を決定する段階、
    前記第１充電電流値を用いて充電器の充電電流をリアルタイムで制御する段階、および
    前記バッテリーパックの充電が進行される間に前記検出する段階、前記推定する段階、前記決定する段階、および前記制御する段階を繰り返し行う段階、
    を含み、
    前記第１充電電流値を決定する段階は、
    前記少なくとも一つの内部状態値が既設定された目標値に収束するように前記第１充電電流値を決定する段階を含み、
    前記少なくとも一つの内部状態値が前記目標値に収束するように前記第１充電電流値を決定する段階は、
    前記バッテリーモデルを用いて推定された複数の内部状態値のそれぞれに対して、前記目標値に収束させるための第２充電電流値を決定する段階、および
    既設定された優先順位に基づいて決定された処理順にしたがって、前記複数の内部状態値に対応する前記第２充電電流値を順次参照して、前記第１充電電流値を決定する段階を含む、充電制御方法。
12. 前記目標値は、前記バッテリーの内部状態を基準に区分される高劣化領域と低劣化領域の境界値に対応する、請求項１１に記載の充電制御方法。
13. 前記内部状態は、負極電位、正極電位、および正極濃度のうち少なくとも一つを含む、請求項１１に記載の充電制御方法。
14. 前記バッテリーモデルは、前記バッテリーと同じ仕様を有する二次電池セルの内部状態をモデリングした電気化学モデルである、請求項１１に記載の充電制御方法。
15. バッテリーパックの充電制御方法であって、
    バッテリーの電圧、電流および温度のうち少なくとも一つを含む外部状態値を検出する段階、
    バッテリーモデルおよび前記外部状態値を用いて前記バッテリーの内部状態を示す少なくとも一つの状態値を推定する段階、
    推定された前記少なくとも一つの内部状態値に基づいて第１充電電流値を決定する段階、
    前記第１充電電流値を用いて充電器の充電電流をリアルタイムで制御する段階、および
    前記バッテリーパックの充電が進行される間に前記検出する段階、前記推定する段階、前記決定する段階、および前記制御する段階を繰り返し行う段階、
    を含み、
    前記第１充電電流値を決定する段階は、
    前記少なくとも一つの内部状態値が既設定された目標値に収束するように前記第１充電電流値を決定する段階を含み、
    前記少なくとも一つの内部状態値が前記目標値に収束するように前記第１充電電流値を決定する段階は、
    前記バッテリーモデルを用いて推定された複数の内部状態値のそれぞれに対して、前記目標値に収束させるための第２充電電流値を決定する段階、および
    前記複数の内部状態値のそれぞれに対して決定された前記第２充電電流値を全て満たす電流値を前記第１充電電流値に決定する段階を含み、
    前記第２充電電流値は、所定の電流範囲に設定される、充電制御方法。