KR101162363B1 - 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법 및 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

이차 전지의 잔류 용량 산출 방법은, 복수의 이차 전지의 온도를 검출하는 단계와, 복수의 이차 전지 각각의 단자 전압 및 전류를 검출하는 단계와, 온도, 전류, 및 단자 전압을 디지털화하는 단계와, 디지털화된 온도, 전류, 및 단자 전압으로부터 전지 분극 전압을 산출하는 단계와, 산출된 전지 분극 전압과 검출된 단자 전압으로부터 본래의 전지 전압을 산출하는 단계와, 미리 준비되어 있는 잔류 용량 참조용 데이터 테이블을 참조하여 산출된 본래의 전지 전압에 기초하여 잔류 용량률을 산출하는 단계를 포함한다.
EEPROM, 서미스터, 마이크로컴퓨터, 이차 전지, 전류 검출 회로

Description

이차 전지의 잔류 용량 산출 방법 및 배터리 팩{SECONDARY CELL RESIDUAL CAPACITY CALCULATION METHOD AND BATTERY PACK}
도 1은 본 발명이 적용되는 배터리 팩의 일 실시예에 대하여 설명하기 위한 블록도.
도 2a와 도 2b는 본 발명의 제어에 대하여 설명하기 위한 흐름도.
도 3은 본 발명이 적용되는 배터리 팩의 무부하 상태에 대하여 설명하기 위한 특성도.
삭제
도 4는 본 발명이 적용되는 배터리 팩의 방전 상태(부하 접속 상태)에 대하여 설명하기 위한 특성도.
도 5는 본 발명에 적용되는 리튬 이온 이차 전지에 대하여 설명하기 위한 블록도.
도 6은 본 발명에 적용되는 온도 계수에 대하여 설명하기 위한 특성도.
도 7은 본 발명에 적용되는 사이클 수에 대하여 설명하기 위한 특성도.
도 8은 본 발명에 적용되는 잔류 용량 산출에 대하여 설명하기 위한 특성도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 전압 전류 검출 회로
12 : 마이크로컴퓨터
13 : EEPROIM
14, 16, 18 : 저항
15, 17 : 서미스터
19 : 이차 전지군
20 : 플러스극 단자
21 : 마이너스극 단자
22, 23, 24 : 통신 단자
본 발명은 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법 및 배터리 팩, 특히 마이크로컴퓨터를 탑재한 배터리 팩에서의 잔류 용량 산출 방법 및 배터리 팩에 관한 것이다.
현재, 휴대 가능한 전자 기기의 전원으로서, 이차 전지, 예를 들면 리튬 이온 이차 전지를 탑재한 것이 있다. 리튬 이온 이차 전지를 탑재한 전자 기기에서는, 해당 리튬 이온 이차 전지의 과충전 상태를 방지하기 위해, 만충전이 검출되며, 마찬가지로 과방전 상태를 방지하기 위해, 리튬 이온 이차 전지의 단자 전압으로부터 방전 종지 전압(final discharge voltage)이 검출된다. 예를 들면, 전자 기기에서는 방전 종지 전압이 검출되면, 시스템을 정지시키는 제어가 이루어지고 있다.
이러한, 전자 기기의 충방전 제어의 일례로서, 리튬 이온 이차 전지의 단자 전압을 이용한 잔류 용량 산출법(이하, 「전압법」이라 함)이 있다.
특히, 방전 시에서의 충전형 전지의 단자 전압과 잔류 용량의 관계를 나타내고, 맵을 참조하여 방전을 정지하는 용량(0 용량)을 산출하고, 이 0 용량을 이용하여 누적 잔류 용량을 보정함으로써, 전류 적산에 따른 누적 오차, 충전형 전지의 부하 전류에 따른 용량 변화, 열화에 따른 용량 변화 등의 영향을 보정할 수 있으며, 이것에 의해, 잔류 용량을 고정밀도로 검출할 수 있고, 또한 방전 전류를 추가한 관계에 의한 3차원 맵을 이용함으로써, 0 용량의 오차를 작게 할 수 있으며, 또한 열화 특성을 포함시킨 4차원 맵을 이용함으로써 잔류 용량의 검출 정밀도를 더욱 높일 수 있게 하는 기술이 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
[특허 문헌1]
일본 특개2001-281306호 공보
그러나, 이차 전지의 단자 전압은 접속되어 있는 부하에 흐르는 전류나 온도, 열화 등의 파라미터에 의해 크게 변동을 받기 때문에, 전압법에 의해 보다 정밀하게 제어하기 위해서는, 파라미터마다의 기준값을, 예를 들면 테이블로서 설정할 필요가 있다.
이 테이블을 모든 파라미터마다 설정하면 방대한 수로 되고, 마이크로컴퓨터의 내부에 설치되어 있는 ROM(Read Only Memory)을 소모하게 되어, 테이블의 개수를 임의로 늘리기 어렵다는 문제가 있었다.
또한, 테이블 내의 데이터는 실제로 있는 파라미터에 의해 평가한 결과로부 터 산출하고 있기 때문에, 상정한 환경 하에서는 높은 정밀도를 유지할 수 있지만, 그 파라미터로부터 조금 어긋나기만 하여도 예상하지 않은 큰 오차를 발생하기 쉽다는 문제가 있었다.
또한, 기억 용량을 줄이기 위해서는 테이블의 개수를 적게 하면 되지만, 기준으로 되는 파라미터의 개수를 줄이게 되어 테이블 간(inter-table)(조건 간; inter-condition)으로 되는 값은, 그 파라미터를 보간하는 계산식이 필요하게 된다. 또한, 복수의 파라미터 간의 보간을 해야만 할 경우, 파라미터의 상호 작용을 고려하여 보간함으로써 발생하는 오차를 억제하기는 매우 어렵다는 문제가 있었다.
또한, 리튬 이온 이차 전지에서의 잔류 용량 산출법으로서 일반적인 전류 적산법은 충전 전기량 Q와 방전 전기량 Q가 모두 동일해진다는 리튬 이온 이차 전지의 특성을 충족하도록 적응가능한 방식이다. 이 방법에 의하면, 이차 전지의 제조 후 초기 단계에서는 높은 정밀도로 잔류 용량 산출을 산출할 수 있다.
그러나, 측정 오차나 장기 보존 상태에서의 자기 방전, 셀의 열화 등의 영향에 의해 제조 연월이 오래 경과되거나, 수백회의 충방전이 반복됨에 따라, 적산 전기량의 오차를 캔슬시키는, 소위 학습이 필요하게 된다. 이 때, 학습시키는 경우의 올바른 기준 데이터로서 단자 전압을 측정하지만, 리튬 이온 이차 전지의 경우에는 방전 전압 변화가 큰 방전 말기에서 학습하는 것이 일반적이다.
그러나, 지금까지 전류 적산에 의해 산출한 부분과 전압 측정 결과에 의해 학습을 행하여 오차를 캔슬한 부분 사이에서는, 그 값이 크게 변동하게 되는 경우가 많다. 특히, 방전 말기에서의 잔존 방전 시간을 산출하는 정밀도가 가장 중요한 포인트로 되어 있는 업무용 카메라용 전지 등의 경우, 이 학습을 방전 말기에 행하면, 당연히 방전 말기에서의 잔존 방전 시간을 높은 정밀도로 산출할 수 없다는 문제가 있었다.
또한, 장기간에 높은 정밀도의 잔류 용량 산출이 필요해지는 경우, 학습을 행한 경우에는 잘못된 학습을 하지 않도록 해야 한다. 그러나, 학습하는 데이터로서 전압을 기준으로 하고 있는 경우, 잘못된 학습을 방지하기란 상당히 어렵다. 이것은, 리튬 이온 이차 전지의 단자 전압에 온도에 따른 전압 변동이 있으며, 또한 열화 상황이나 급격한 부하 변동 등에 따라 크게 전압 변동이 발생하는 것이 원인으로 되기 때문이다. 이들 파라미터를 마이크로컴퓨터가 확실하게 파악하기는 불가능하다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 즉 마이크로컴퓨터에 내부에 설치되어 있는 메모리에 기억시키는 테이블의 용량을 작게 억제하고, 보간 시에 발생하는 오차나 참조 테이블을 이행할 때에 나오는 산출값의 단차식 등이 없이, 항상 연속적이며 자연스러운 잔류 용량을 산출하는 것을 목적으로 한 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법 및 배터리 팩을 제공하는 것에 있다.
상술한 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태에 따르면, 복수의 이차 전지의 온도를 검출하고, 전류 및 복수의 이차 전지의 각각의 단자 전압을 검출하여, 온도, 전류 및 단자 전압을 디지털화하는 단계와, 디지털화된 온도, 전류 및 단자 전압으로부터 전지 분극 전압을 산출하는 단계와, 검출된 단자 전압으로부터 산출된 전지 분극 전압을 가산 또는 감산함으로써 무부하 시의 전지 전압을 산출하는 단계와, 미리 준비되어 있는 무부하 시의 방전 커브를 가진 잔량 참조용 데이터 테이블로부터, 산출된 무부하 시의 전지 전압에 기초하여 가잔류 용량률(temporary residual capacity rate)을 산출하는 단계와, 잔량 참조용 데이터 테이블로부터 방전 종지 예측점(final discharge prediction point)을 구하는 단계와, 방전 종지 예측점의 잔류 용량률을 100%로부터 감산한 방전 가능 용량률을 구하는 단계와,(상대 잔류 용량률=(가잔류 용량률-방전 종지 예측점)/방전 가능 용량률)의 연산에 의해, 상대 잔류 용량률을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류 용량 산출 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 복수의 이차 전지와, 복수의 이차 전지의 온도를 검출하는 전지 온도 검출 수단과, 전류 및 복수의 이차 전지의 각각의 단자 전압을 검출하는 전압 전류 검출 수단과, 온도, 전류 및 단자 전압을 디지털화하고, 디지털화된 온도, 전류 및 단자 전압으로부터 전지 분극 전압을 산출하고, 검출된 단자 전압으로부터 산출된 전지 분극 전압을 가산 또는 감산함으로써 무부하 시의 전지 전압을 산출하고, 미리 준비되어 있는 무부하 시의 방전 커브를 가진 잔량 참조용 데이터 테이블로부터, 산출된 무부하 시의 전지 전압에 기초하여 가잔류 용량률을 산출하고, 잔량 참조용 데이터 테이블로부터 방전 종지 예측점을 구하여, 방전 종지 예측점의 잔류 용량률을 100%로부터 감산한 방전 가능 용량률을 구하고, (상대 잔류 용량률=(가잔류 용량률-방전 종지 예측점)/방전 가능 용량률)의 연산에 의해, 상대 잔류 용량률을 구하는 연산 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
이와 같이, 전지 온도 검출 수단, 전압 전류 검출 수단, 및 제어 수단을 포함함으로써, 전지 온도, 전류, 및 단자 전압이 디지털화(수치화, 계수화)되어, 미리 준비되어 있는 잔류 용량 참조용 데이터 테이블만 참조하여 잔류 용량률을 산출할 수 있다.
<실시예>
이하, 본 발명의 일 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명이 적용된 배터리 팩의 일 실시예의 전체적 구성을 도시한다. 복수의 이차 전지가 직렬로 접속된 이차 전지군(19)의 플러스극측은 플러스극 단자(20)와 접속되며, 그 마이너스극측은 저항(18)을 통해 마이너스극 단자(21)와 접속된다. 플러스극 단자(20)는 기준 전압과 접속되며, 마이너스극 단자(21)는 접지되어 있다. 일례로서, 이차 전지군(19)을 구성하는 복수의 이차 전지의 각각은 리튬 이온 이차 전지이다. 또한, 저항(18)은 전류 검출용 저항이다.
직렬로 접속된 저항(14) 및 서미스터(15), 및 직렬로 접속된 저항(16) 및 서미스터(17)는 플러스극 단자(20)와 접지 사이에 접속된다. 저항(14) 및 서미스터(15)의 접속점과, 저항(16) 및 서미스터(17)의 접속점은 마이크로컴퓨터(12)와 접속된다.
마이너스극 단자(21)와 접속된 마이크로컴퓨터(12)로부터 외부와 통신을 행하기 위한 통신 단자(22, 23, 및 24)가 도출된다. 또한, 마이크로컴퓨터(12)는 EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)(13)와 접속된다. 이 EEPROM(13)은 기준 전압 및 마이너스극 단자(21)와 접속된다.
플러스극 단자(20)와 접속된 전압 전류 검출 회로(11)는, 이차 전지군(19)을 구성하는 복수의 이차 전지의 플러스극측 및 마이너스극측과 접속되며, 또한 저항(18)의 양단과 접속된다. 또한, 전압 전류 검출 회로(11)는 마이크로컴퓨터(12)와 접속된다.
상술하면, 리튬 이온 이차 전지를 사용할 경우, 반드시 보호 회로가 설치된다. 그러나, 본 발명은 보호 회로와 직접적인 관계가 없기 때문에, 도 1에 도시하는 구성에서는 생략한다.
전압 전류 검출 회로(11)에서는, 복수의 이차 전지 각각의 단자 전압을 검출할 수 있는 전압 증폭기와, 저항(18)에 의한 전압 강하를 증폭하여 전류를 검출하 는 증폭기가 내장되어 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(12)에 의해 선택된 이차 전지의 단자 전압이 아날로그 신호로서 전압 전류 검출 회로(11)로부터 마이크로컴퓨터(12)로 공급될 수 있다. 마찬가지로, 전압 전류 검출 회로(11)에 의해 검출된 전류도 아날로그 신호로서 마이크로컴퓨터(12)로 공급된다.
마이크로컴퓨터(12)에서는, 전압 전류 검출 회로(11)로부터 공급된 단자 전압 및 전류가 내부에 설정된 A/D 변환 기능에 의해 디지털화(수치화)된다. 또한, 마이크로컴퓨터(12)에서는 온도가 변화됨으로써 서미스터(15)의 저항값이 변화되기 때문에, 기준 저항과의 저항 분압에 의해 얻어지는 아날로그 전압이 공급된다. 이 서미스터(15)로부터의 전압은 마이크로컴퓨터(12)의 내부에 설정된 A/D 변환 기능에 의해 디지털화되고, 기판 온도가 검출된다.
마찬가지로, 마이크로컴퓨터(12)에서는, 온도가 변화됨으로써 서미스터(17)의 저항값이 변화되기 때문에, 기준 저항과의 저항 분압에 의해 얻어지는 아날로그 전압이 공급된다. 이 서미스터(17)로부터의 전압은 마이크로컴퓨터(12)의 내부에 설정된 A/D 변환 기능에 의해 디지털화되며, 이차 전지군(19)의 전지 온도가 검출된다. 이와 같이 검출된 기판 온도 및 검출된 전지 온도 사이의 차가 소정값보다 커지면, 마이크로컴퓨터는 서미스터(15 및 17) 중 한쪽이 고장났다고 판단하고, 이 배터리 팩의 제어를 정지하도록 해도 된다.
또한, 마이크로컴퓨터(12)의 내부에는 소정의 제어를 행하도록 프로그램이 기억되어, 공급된 데이터에 기초하여 연산 처리가 행해진다. 또한, 마이크로컴퓨터 내에는 잔류 용량 참조 데이터 테이블 저장부를 구비하고 있기 때문에, 그 내부 테이블을 참조하여 잔류 용량이 산출된다.
EEPROM(13)에는 이차 전지군(19)이 과방전 상태로 되어도 보유시키고자 하는 열화 계수와 사이클 카운트 등의 데이터가 기억된다.
도 2a 및 도 2b의 흐름도를 참조하여, 이 일 실시예의 제어에 대하여 설명한다. 단계 S1에서는, 전압 전류 검출 회로(11)로부터의 단자 전압 및 전류, 서미스터(15)로부터의 기판 온도, 및 서미스터(17)로부터의 전지 온도가 내부에 설정된 A/D 변환 기능에 의해 디지털화된다.
단계 S2에서는, 디지털화된 전류로부터 배터리 팩에 부하가 접속되었는지 여부가 판단된다. 부하가 접속되어 있다고 판단되면, 단계 S4로 제어가 이행된다. 역으로, 부하가 접속되어 있지 않은, 즉 무부하라고 판단되면, 단계 S3으로 제어가 이행된다. 이 때 충전이 행해지고 있는 경우에도 부하가 접속되어 있다고 판단되며, 단계 S4로 제어가 이행된다. 구체적으로는, 임계값을 미리 설정해두어, 입력된 전류값이 임계값 이하인 경우, 무부하 상태라고 판단한다. 반대로, 임계값을 초과하는 경우, 전류의 부호에 따라 전류의 방향을 판단하여 충전 중인지 또는 방전 중인지를 판단한다.
단계 S3에서는, 도 3의 전지 전압-잔류 용량률 테이블에 나타낸 바와 같은 무부하 시의 방전 곡선(31)을 참조하여, 잔류 용량률이 얻어진다. 이 전지 전압-잔류 용량률 테이블은 미리 마이크로컴퓨터 내의 잔류 용량 참조 데이터 테이블 저장부에 기억되어 있다. 이와 같이, 무부하 상태인 경우, 전지 전압-잔류 용량률의 관계가 안정적으로 있기 때문에, 검출한 단자 전압으로부터 직접 도 3에 나타내는 전지 전압-잔류 용량률 테이블을 참조하여 잔류 용량률을 구할 수 있다. 그리고 단계 S13으로 제어가 이행된다.
반면에, 부하 전류 또는 충전 전류가 흐르고 있을 때의 전지 전압은, 전혀 다른 잔류 용량을 나타낸다. 따라서, 전압 전류 검출 회로(11)로부터 공급된 단자 전압 그대로의 값에 의해서는, 도 3의 전지 전압-잔류 용량률 테이블에 나타내는 무부하 시의 방전 곡선(32)을 참조하여도 정확한 값을 얻을 수 없다. 실제로는, 방전 시(부하 접속 시)의 방전 곡선(32)은 무부하 시의 방전 곡선(31)보다 아래로 시프트된 상태로 된다. 예를 들어, 전지 전압이 15V인 경우, 방전 시이면 약 90%의 잔류 용량으로 되지만, 무부하 시이면 약 60%의 잔류 용량으로 된다.
부하 접속 시에 검출되는 전지 전압에 기초하여 잔류 용량률을 참조할 수 없는 이유로서는, 이차 전지의 내부 저항에 의한 전압 강하를 들 수 있다. 리튬 이온 이차 전지는 다른 이차 전지, 예를 들면 니켈 카드뮴(NiCd) 이차 전지, 니켈 수소(NiMH) 이차 전지에 비해 내부 저항이 크다. 그 때문에, 부하 접속 시나 충전 시에 큰 전압 강하(이하, 「전지 분극 전압 IRV」라 함)가 발생한다. 또한, 이 전지 분극 전압 IRV는 환경 온도나 열화 조건 등에 따라 크게 변동됨으로써 영향을 미친다.
전지 분극 전압 IRV는 도 5에 도시한 바와 같이, 부하(44)의 접속 시에 이차 전지(43)로부터 전류(45)가 흐름으로써, 리튬 이온 이차 전지(41)의 내부 저항(42)에서 발생하는 전압 강하이다. 따라서, 예를 들면, 리튬 이온 이차 전지(41)의 검출된 단자 전압이 Vo라고 하면, 단자 전압 Vo은 이차 전지(43)의 본래의 전지 전압 OCV로부터 전지 분극 전압 IRV분을 감산함으로써 나타낼 수 있다. 또한, 충전 시에는 전류(45)가 방전 시와는 반대로 되기 때문에, 단자 전압 Vo은 이차 전지(43)의 본래의 전지 전압 OCV에 전지 분극 전압 IRV분이 가산된 상태로 된다.
따라서, 각각의 리튬 이온 이차 전지(41)의 단자 전압 Vo은 방전 시(부하 접속 시)에는 수학식 1과 같이 표시되며, 충전 시에는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112004033937823-pat00001
Figure 112004033937823-pat00002
여기서, 전류값은 방전 방향을 플러스 부호로 하고, 충전 방향을 마이너스 부호로 함으로써 수학식 1, 수학식 2는 이하의 수학식 3으로 나타낼 수 있다. 이것에 의해, 방전 시, 충전 시 모두 하나의 산출식으로 대응시킬 수 있고, 충전 전류와 방전 전류 중 어느 전류라도 동일하게 취급할 수 있다.
Figure 112004033937823-pat00003
또한, 수학식 3으로부터 이하의 수학식 4를 얻을 수 있다.
Figure 112004033937823-pat00004
따라서, 단계 S2에서, 부하 접속 시라고 판단된 경우라도, 방전 시 또는 충전 시에 상관없이, 상술한 수학식 4로부터, 충전 전류와 방전 전류 중 어느 전류라도 동일하게 취급할 수 있고, 검출된 단자 전압 Vo에 대하여 전지 분극 전압 IRV를 가산 또는 감산함으로써, 무부하 시의 방전 곡선을 갖는 전지 전압-잔류 용량률 테이블을 참조하여 잔류 용량률을 얻을 수 있다.
그러나, 전지 분극 전압 IRV를 구할 경우, 전압 강하분의 표준값을 상수로서 설정해 두는 것이 필요하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이 전지 분극 전압 IRV는 환경 온도, 열화 상태 등에 따라 크게 변동되기 때문이다. 따라서, 주변 온도를 25℃로 하고, 초기 상태에서 갑자기 전류를 흘림으로써 발생하는 강하 전압(전지 분극 전압)으로부터 산출할 수 있는 값을 셀 Imp 표준값으로 한다.
Figure 112004033937823-pat00005
상기 수학식 5에 의해 산출된 값은 25℃를 상온으로 한 초기 상태에서의 셀 표준값이다. 따라서, 상온 25℃를 「1」로 한 값으로 표현하고, 계수로서 취급하는 온도 특성도 미리 설정한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 마이크로컴퓨터(12)의 내부에 설정된 온도 계수용의 테이블(도 6 참조)을 참조하여, 서미스터(17)로부터 얻어지는 이차 전지군(19)의 전지 온도로부터 온도 계수가 구해진다. 또한, 중간 온도에서도 전후의 값으로부터 보간한 값을 산출하여 온도 계수가 구해진다. 이 온도 계수의 산출식은 수학식 6 및 수학식 7로 나타낼 수 있다. 여기서 직류 Imp란, 분극 전압/전류이며, 즉 전류가 1(A) 흘렀을 때의 전압 강하분(방전 시), 또는 전압 상승분(충전 시 )이다.
Figure 112004033937823-pat00006
Figure 112004033937823-pat00007
또한, 내부 저항에 영향을 미치는 요소로서 열화가 있지만, 이것도 마찬가지로 미리 측정한 데이터에 의해 계수를 산출한다. 단, 열화 계수는 온도 계수와 달라서 수학식 8 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 선형 형상으로 제공된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 별도로 열화 계수를 위한 테이블을 설정하지 않고, 소정의 사이클마다, 예를 들면 50 사이클마다 열화 계수를 가산한다. 이 열화 계수도 초기값은 「1.00」이다.
Figure 112004033937823-pat00008
이와 같이, 미리 평가하여 설정된 데이터를 바탕으로 온도, 열화의 특성은 계수화된다. 그리고, 잔류 용량률을 구하기 위한 제어를 설명한다. 단계 S2에서, 충전 시 또는 방전 시라고 판단되고, 단계 S4로 제어가 이행된다.
단계 S4에서는, 상술한 수학식 6 및 수학식 7에 의해 온도 계수가 산출된다. 단계 S5에서는, 도 8에서 참조 부호 81로 나타내는 전지 분극 전압 IRV가 수학식 9에 의해 산출된다.
Figure 112004033937823-pat00009
단계 S6에서는, 도 8에서 참조 부호 82로 나타내는 본래의 전지 전압(이차 전지(43)의 단자 전압) OCV가, 상술한 수학식 4에 의해 검출된 단자 전압을 이용하여 산출된다.
단계 S7에서는, 산출된 전지 전압 OCV로부터 전지 전압-잔류 용량률 테이블을 참조하여 무부하 시의 방전 곡선(31)으로부터, 도 8에서 참조 부호 83으로 나타내는 잔류 용량률을 얻는다. 단, 이 잔류 용량률은 무부하 시에서의 방전 위치, 소위 임시 잔류 용량률이므로, 부하 상태를 고려하여 얻어지는 상대 충전률을 산출하는 처리를 행할 필요가 있다.
단계 S8에서는, 검출된 전류 방향으로부터 충전 시인지 여부가 판단된다. 충전 시라고 판단되면, 단계 S9로 제어가 이행된다. 반대로, 방전 시라고 판단되면, 단계 S20로 제어가 이행된다.
단계 S9에서는, 도 8에서 참조 부호 84로 나타내는 방전 종지 예측점이 산출된다. 예를 들면, 하드 카르본 타입의 리튬 이온 이차 전지의 경우, 부하 상태에 따라 방전 용량이 크게 변동한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 현재의 부하 상태에서 어느 정도 방전 가능할지, 전지 전체의 방전 용량, 소위 방전 가능 용량률을 얻기 위해, 방전 종지 예측점을 산출한다. 산출 방법은 수학식 10과 같이, 앞서 구한 강하 전압 IRV에 방전 종지 전압을 가산한 방전 종지 시 전압(이차 전지(43)의 단자 전압) OCV를 산출하고, 그 전압으로 전지 전압-잔류 용량률 테이블을 참조한다.
Figure 112004033937823-pat00010
단계 S10에서는, 수학식 11에 나타낸 바와 같이, 무부하 시의 전지 용량 100%로부터 방전 종지 예측점이 감산되고, 도 8에서 참조 부호 85로 나타내는 방전 가능 용량률이 산출된다.
Figure 112004033937823-pat00011
단계 S11에서는, 수학식 12에 나타낸 바와 같이, 임시 잔류 용량률과 방전 종지 예측점으로부터 방전 가능한 잔류 용량률을 구하고, 그 값을 전체의 방전 가능 용량률로 제산함으로써, 도 8에서 참조 부호 86으로 나타내는 상대 잔류 용량률이 산출된다.
Figure 112004033937823-pat00012
또한, 충전 시에는 단계 S20에서, 수학식 4로부터 산출된 전지 전압 OCV로부터 전지 전압-잔류 용량률 테이블에 나타내는 무부하 접속 시의 방전 곡선(31)을 참조하여, 상대 잔류 용량률을 얻을 수 있다. 충전 시는 방전 시와 틀려서, 리튬 이온 이차 전지의 충전 방식이 정전류 정전압이기 때문에, 방전 종지 예측점의 산출(단계 S9), 방전 가능 용량의 산출(단계 S10), 및 상대 잔류 용량의 산출(단계 S11)은 행하지 않는다. 또한, 충전 시에서의 충전 용량은 기준 용량을 100%로 생각한다.
단계 S12에서는, 얻어진 상대 잔류 용량률로부터 잔류 용량을 산출한다. 수학식 13에 나타낸 바와 같이, 소정의 기준 용량값과 수학식 11로부터 얻어지는 방전 가능 용량률을 곱하여 구할 수 있는 방전 가능 용량을 산출한다. 그리고, 수학식 14에 나타낸 바와 같이, 앞서 산출한 방전 가능 용량과 수학식 12로부터 얻어지는 상대 잔류 용량률을 곱하여 잔류 용량을 산출할 수 있다.
Figure 112004033937823-pat00013
Figure 112004033937823-pat00014
단계 S13에서는, 충방전의 사이클을 카운트하기 위해 적산 방전률이 산출된다. 수학식 15에 나타낸 바와 같이, 전회의 검출 시의 상대 잔류 용량률과 금회 검출 시의 상대 잔류 용량률 사이의 차분으로부터 Δ잔류 용량률이 산출된다. 그리고, 수학식 16에 나타낸 바와 같이, 이 잔류 용량률을 적산함으로써, 적산 방전률이 산출된다.
Figure 112004033937823-pat00015
Figure 112004033937823-pat00016
단계 S14에서는, 산출된 적산 방전률이 100% 이상인지 여부가 판단된다. 적산 방전률이 100% 이상이라고 판단되면, 단계 S15로 제어가 이행된다. 100% 미만이라고 판단되면, 이 흐름도는 종료된다. 그 이후에, 적산 방전률이 100%에 도달함으로써 사이클 카운트를 증분시키는 방법을 채용하기 때문으로, 이것에 의해, 방전 도중에 충전이나 방치 상태 등으로 들어가더라도 정확하게 사이클 카운트를 행할 수 있어서, 본래의 전지 열화를 용이하게 검출할 수 있다.
단계 S15에서는, 사이클 카운트가 증분된다. 단계 S16에서는, 적산 방전률이 리세트된다.
단계 S17에서는, 사이클 카운트가 50의 배수인지 여부가 판단된다. 사이클 카운트가 50의 배수라고 판단되면, 단계 S18로 제어가 이행된다. 반대로, 사이클 카운트가 50의 배수가 아니라고 판단되면, 이 흐름도는 종료된다.
단계 S18에서는 상술한 수학식 8에 의한 열화 계수가 가산된다. 단계 S19에서는, 리튬 이온 이차 전지의 기준 용량이 감산된다. 이 단계 S18 및 S19의 제어는, 상술한 바와 같이, 리튬 이온 이차 전지의 열화가 내부 저항뿐만 아니라, 방전 용량도 저감시키는 특성을 갖기 때문에 필요한 처리이다. 그리고, 이 흐름도가 종료된다.
본 발명의 일 실시예에서는, 이차 전지군(19)은 직렬로 접속된 복수의 이차 전지로 구성되어 있다. 다른 방안으로, 이차 전지군(19)은 병렬로 접속된 복수의 이차 전지이어도 되며, 직렬 및 병렬로 접속된 복수의 이차 전지이어도 된다.
본 발명의 일 실시예에서는, 사이클 카운트가 50의 배수로 될 때마다, 열화 계수를 증분시키고, 기준 용량을 감산하도록 하고 있다. 다른 방안으로, 열화 계수를 증분시키고, 기준 용량을 감산하는 사이클 카운트는 50의 배수에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 온도, 부하, 열화 특성 등을 전부 계수화(수치화, 디지털화)하여 하나의 산출식으로 대응시킬 수 있기 때문에, 다른 기종으로의 전개 시, 방대한 테이블용 충방전 평가를 할 필요가 없어진다.
본 발명에 따르면, 종래에 복수개 존재한 전지 전압-잔류 용량률 테이블을 하나로 함으로써, 그 용량을 작게 억제할 수 있기 때문에, 마이크로컴퓨터 내부의 기억 용량을 유효하게 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 어떤 특성의 계수가 틀리게 되어 있어도 그 계수만 재평가, 재설정하는 것만으로도 충분하여, 재검사를 쉽게 행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 잔류 용량 산출의 베이스는 모두 상대값에 의한 비율(백분율값)로 계산하고 있으며, 잔류 용량값 등의 절대값은 한번 산출된 상대 잔류 용량률 등에 기초하여 재계산되고 있기 때문에, 절대값(잔류 용량값) 오차를 누적하는 일이 전혀 없다. 또한, 전류 적산 방식에 의해서는 측정 오차나 셀의 열화에 따라, 만충전 용량과 측정한 누적 잔류 용량이 안 맞게 되었을 때에 반드시 절대값의 보정을 해야만 되지만, 본 발명에서는 그러한 보정을 할 필요도 없다.
본 발명에 따르면, 산출한 잔류 용량에 대해 보정을 하지 않기 때문에, 보정의 유무에 기인하였던 단차 등이 없어져서, 항상 자연스럽고 연속적인 특성 결과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 주된 전자 기기 본체는 방전 종지 전압에 의해 차단되기 때문에, 마찬가지의 전압법에 의해 잔류 용량을 산출하는 방식은 전자 기기 본체와의 정합성을 맞추기 쉽다.
본 발명에 따르면, 방전 종지 예측점을 설정하고 있기 때문에, 만에 하나 IR 드롭 전압(전지 분극 전압) IRV값이 어긋나 있어도 방전 종지 전압에 근접함에 따라 자연스럽게 수정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 방전 시의 상대 잔류 용량률에 의해 방전률 적산을 행함으로써 방전 도중에 충전이나 방치 상태 등에 들어가더라도 정확하게 충방전 사이클을 카운트할 수 있다. 또한, 상대 충전률을 이용하여 산출하고 있기 때문에 고부하 시 등 열화되기 쉬운 조건일수록 적산 방전률이 높게 카운트되는 특징이 있어서, 본래의 이차 전지 열화를 용이하게 검출할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이차 전지의 열화에 대해서도 이차 전지의 내부 저항에 대한 영향과, 만충전 용량(방전 용량)을 따로 관리하고 있기 때문에, 특성에 맞추어 개별적으로 설정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 본래의 이차 전지의 열화 특성에 부합되어 있기 때문에 열화 상태에서도 온도 변화, 부하 변동 등에 정확하게 추종하여 잔류 용량 정밀도 를 얻을 수 있다.
본 발명의 잔류 용량 산출법을, 마이크로컴퓨터를 탑재한 배터리 팩에 적용함으로써, 그 마이크로컴퓨터의 기억 용량을 소모하지 않고, 환경 조건이나 열화 등의 상황의 변화에 따른 영향을 받지 않고, 항상 연속적이며 자연스러운 잔류 용량 산출값을 얻을 수 있다.

Claims (12)

  1. 복수의 이차 전지의 온도를 검출하고, 전류 및 상기 복수의 이차 전지의 각각의 단자 전압을 검출하여, 상기 온도, 상기 전류 및 상기 단자 전압을 디지털화하는 단계와,
    디지털화된 상기 온도, 전류 및 단자 전압으로부터 전지 분극 전압을 산출하는 단계와,
    검출된 상기 단자 전압으로부터, 산출된 상기 전지 분극 전압을 가산 또는 감산함으로써 무부하 시의 전지 전압을 산출하는 단계와,
    미리 준비되어 있는 무부하 시의 방전 커브를 가진 잔량 참조용 데이터 테이블로부터, 산출된 상기 무부하 시의 전지 전압에 기초하여 가잔류 용량률(temporary residual capacity rate)을 산출하는 단계와,
    상기 잔량 참조용 데이터 테이블로부터 방전 종지 예측점(final discharge prediction point)을 구하는 단계와,
    상기 방전 종지 예측점의 잔류 용량률을 100%로부터 감산한 방전 가능 용량률을 구하는 단계와,
    (상대 잔류 용량률=(가잔류 용량률-방전 종지 예측점)/방전 가능 용량률)의 연산에 의해, 상대 잔류 용량률을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전지 분극 전압을 산출하는 단계는, 디지털화된 상기 온도 및 미리 준비되어 있는 온도 계수용의 테이블로부터 얻은 온도 계수와, 디지털화된 상기 전류와, 상기 이차 전지의 사이클수에 의존하는 열화 계수와, 소정 온도에서의 전지 내부 임피던스로부터 전지 분극 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법.
  3. 제1항에 있어서, 방전 전류를 플러스 부호, 충전 전류를 마이너스 부호로 함으로써, 상기 무부하 시의 전지 전압이 하나의 산출식을 사용하여 산출되도록 한 것을 특징으로 하는 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법은, 또한,
    상기 상대 잔류 용량률이 검출될 때에 해당 상대 잔류 용량률을 기억하고,
    산출된 상기 상대 잔류 용량률과, 전회 기억한 상대 잔류 용량의 차분인 Δ 잔류 용량률을 산출하고,
    얻어진 Δ 잔류 용량률을 적산하여 적산 방전률을 산출하고,
    산출된 상기 적산 방전률이 소정값 이상이 될 때마다 충방전 카운트값을 증분하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 충방전 카운트값이 증분될 때마다 상기 적산 방전률을 리셋하는 것을 특징으로 하는 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 충방전 카운트값이 소정값으로 될 때마다, 상기 이차 전지의 사이클수에 의존하는 열화 계수를 증가시키고, 기준 용량을 감산하도록 한 것을 특징으로 하는 이차 전지의 잔류 용량 산출 방법.
  7. 복수의 이차 전지와,
    상기 복수의 이차 전지의 온도를 검출하는 전지 온도 검출 수단과,
    전류 및 상기 복수의 이차 전지의 각각의 단자 전압을 검출하는 전압 전류 검출 수단과,
    상기 온도, 상기 전류 및 상기 단자 전압을 디지털화하고, 디지털화된 상기 온도, 전류 및 단자 전압으로부터 전지 분극 전압을 산출하고, 검출된 상기 단자 전압으로부터, 산출된 상기 전지 분극 전압을 가산 또는 감산함으로써 무부하 시의 전지 전압을 산출하고, 미리 준비되어 있는 무부하 시의 방전 커브를 가진 잔량 참조용 데이터 테이블로부터, 산출된 상기 무부하 시의 전지 전압에 기초하여 가잔류 용량률을 산출하고, 상기 잔량 참조용 데이터 테이블로부터 방전 종지 예측점을 구하여, 상기 방전 종지 예측점의 잔류 용량률을 100%로부터 감산한 방전 가능 용량률을 구하고,
    (상대 잔류 용량률=(가잔류 용량률-방전 종지 예측점)/방전 가능 용량률)의 연산에 의해, 상대 잔류 용량률을 구하는 연산 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전지 분극 전압은, 디지털화된 상기 온도 및 미리 준비되어 있는 온도 계수용의 테이블로부터 얻은 온도 계수와, 디지털화된 상기 전류와, 상기 이차 전지의 사이클수에 의존하는 열화 계수와, 소정 온도에서의 전지 내부 임피던스로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  9. 제7항에 있어서, 방전 전류를 플러스 부호, 충전 전류를 마이너스 부호로 함으로써, 상기 무부하 시의 전지 전압이 하나의 산출식을 사용하여 산출되도록 한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  10. 제7항에 있어서, 상기 상대 잔류 용량률이 검출될 때에 해당 상대 잔류 용량률을 기억하는 상대 잔류 용량률 기억 수단과,
    산출된 상기 상대 잔류 용량률과, 전회 기억한 상대 잔류 용량의 차분인 Δ 잔류 용량률을 산출하는 Δ 잔류 용량률 산출 수단과,
    얻어진 Δ 잔류 용량률을 적산하여 적산 방전률을 산출하는 적산 방전률 산출 수단과,
    산출된 상기 적산 방전률이 소정값 이상으로 될 때마다 충방전 카운트값을 증분하는 증분 수단을 더 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  11. 제10항에 있어서, 상기 충방전 카운트값이 증분될 때마다 상기 적산 방전률을 리셋하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  12. 제10항에 있어서, 상기 충방전 카운트값이 소정값으로 될 때마다 상기 이차 전지의 사이클수에 의존하는 열화 계수를 증가시키고, 기준 용량을 감산하도록 한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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