KR101956088B1 - 상태 관리 장치, 축전 소자의 균등화 방법 - Google Patents

상태 관리 장치, 축전 소자의 균등화 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 2차 전지를 균등하게 충전하는 기술을 제공한다.
BMS(20)는, 직렬로 접속된 복수의 2차 전지(50)의 상태를 관리하는 장치로서, 2차 전지(50)의 전압값(V)을 개별적으로 측정하는 전압계(24); 어느 하나의 2차 전지(50)의 전압값(V)의 시간 변화율이 기준값(K)에 도달하고 나서, 다른 2차 전지(50)의 전압값(V)의 시간 변화율이 기준값(K)에 도달할 때까지의 시간차를 계측하는 시간 계측부(42); 2차 전지(50)를 개별적으로 방전하는 방전 회로(26); 및 상기 시간차를 사용하여 방전 회로(26)를 제어하는 균등화 제어부(44)를 포함한다. 이 BMS(20)에 의하면, 축전 소자의 전압값에 의해 축전 소자에 충전되는 SOC를 균등화할 수 없는 경우라도, 축전 소자의 전압의 시간 변화율에 따라 축전 소자에 충전되는 SOC를 균등화할 수 있다.

Description

상태 관리 장치, 축전 소자의 균등화 방법 {STATE CONTROLLING APPARATUS, EQUALIZATION OF ELECTRICAL STORAGE DEVICE}
본 명세서에 개시되는 발명은 복수의 축전 소자에 충방전되는 용량을 균등화하는 기술에 관한 것이다.
종래부터, 반복 사용 가능한 축전 소자가 사용되고 있다. 축전 소자는 충전과 방전을 반복함으로써 몇 번이라도 사용할 수 있고, 충방전 불가능한 전지에 비해 환경 친화적이며, 전기 자동차 등 현재 그 사용 분야를 넓히고 있다.
복수의 축전 소자가 사용되는 장치에서는, 각 축전 소자의 초기 용량이나 열화 속도의 불균일 등에 의해, 축전 소자의 용량이 불균등해지는 경우가 있다. 축전 소자의 용량이 불균등해지면, 충전 시에 있어서, 1개나 수개의 축전 소자의 전압이 다른 축전 소자보다 앞서 또는 지연되어 완전 충전 전압에 도달하여 충전이 종료되어 버려, 모든 축전 소자를 충분히 충전할 수 없는 경우가 있다. 또, 방전 시에 있어서, 1개나 수개의 축전 소자의 전압이 다른 축전 소자에 앞서 또는 지연되어 방전 종료 전압에 도달하여 방전이 종료되어 버려, 모든 축전 소자에 충전된 전력을 다 사용하지 못하는 경우가 있다. 이와 같이, 축전 소자의 용량이 불균등해지면, 축전 소자의 용량을 최대한으로 꺼낼 수가 없다. 종래부터, 용량이 불균등해진 2차 전지를 저항 등의 방전 회로를 사용하여 방전하여, 2차 전지의 용량을 균등화시키는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1). 이 기술에서는, 무전류 상태에서 얻은 2차 전지의 전압 정보로부터 2차 전지의 잔존 에너지 용량을 구하고, 그 용량차에 기초하여 각 2차 전지를 방전함으로써, 2차 전지의 용량을 균등화한다고 한다.
특허 문헌 1: 일본 공개특허공보 제2011-19329호
최근, 전기 자동차 등의 2차 전지로서 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지(이하, 올리빈 철계 전지)가 주목받고 있다. 올리빈 철계 전지는, 리튬 이온 전지의 일종이며, 양극(정극)에 올리빈형 인산 철이 사용되고, 음극(부극)에는, 예를 들면, 그래파이트계 재료 등이 사용된다. 그러므로, 올리빈 철계 전지에서는, 전극으로서 코발트계의 전극 재료를 사용할 필요가 없고, 코발트계의 전극 재료를 사용하는 2차 전지와 비교하여 비용이 저렴하고 안전성이 높은 장점이 있다.
올리빈 철계 전지는, 잔존 용량의 증가에 대하여 전압이 급격하게 증가하는 영역(이하, 변화 영역이라 함)을 가지고, 예를 들면, 음극으로서 그래파이트계 재료를 사용한 경우, 2차 전지의 잔존 용량을 나타내는 SOC가 10% 이하인 영역, 및 90% 이상인 영역에서 변화 영역이 되는 것이 알려져 있다. 변화 영역이 SOC가 비교적 높은, 또는 SOC가 비교적 낮은 영역에 존재하면, 변화 영역에서의 축전 소자의 전압 정보로부터 축전 소자의 용량을 균등화하려고 해도, 축전 소자의 용량을 균등화하기 전에 축전 소자의 SOC가 약 100%, 또는 약 0%에 도달해버려, 축전 소자의 충방전이 종료해버린다. 축전 소자의 충방전이 종료해버리면, 축전 소자의 용량의 균등화도 종료해버리므로, 축전 소자의 용량을 충분히 균등화하는 것이 어렵다. 그러므로, 변화 영역 이외의 영역을 사용하여, 축전 소자의 용량을 균등화하는 기술이 요구된다.
그 한편, 올리빈 철계 전지는, 음극과의 조합으로 평탄 영역(plateau region)을 가지고, 예를 들면, 음극으로서 그래파이트계 재료를 사용한 경우, 2차 전지의 잔존 용량을 나타내는 SOC가 10%에서 90%에 걸쳐 넓어지는 평탄 영역을 가지는 것이 알려져 있다. 여기서, 평탄 영역이란, 2차 전지의 SOC가 변화되어도 2차 전지의 전압이 대략 일정한 영역을 의미한다. 그러므로, 평탄 영역을 가지는 2차 전지 등의 축전 소자에서는, 충전 중에, 이 평탄 영역에서 취득된 축전 소자의 전압 정보로부터 축전 소자의 용량을 추정하는 것이 어렵고, 축전 소자의 용량을 균등화하는 것이 어렵다.
본 명세서에서는 복수의 축전 소자에 충전되는 용량을 균등화하는 기술을 개시한다.
본 명세서에서 개시하는 상태 관리 장치는, 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 관리하는 상태 관리 장치로서, 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정부; 어느 하나의 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하고 나서, 다른 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달할 때까지의 시간차를 계측하는 시간 계측부; 상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전부; 및 상기 시간차를 사용하여 상기 방전부를 제어하는 균등화 제어부를 포함한다.
이 상태 관리 장치에서는, 각 축전 소자의 전압을 측정하고, 상기 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달할 때까지의 시간차를 사용하여 각 축전 소자의 방전을 제어한다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 축전 소자가 평탄 영역을 가지고 있고, 전압에 따라 균등화를 제어하는 것이 어려운 경우라도, 축전 소자의 전압의 시간 변화율에 따라 방전을 제어할 수 있고, 축전 소자에 충방전되는 용량을 균등화할 수 있다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 복수의 축전 소자는 제1 축전 소자와 제2 축전 소자를 포함하고, 상기 균등화 제어부는 상기 제1 축전 소자의 시간 변화율이 기준값에 도달하고 나서, 상기 제2 축전 소자의 시간 변화율이 기준값에 도달할 때까지의 제1 시간차를 취득하는 동시에 기준 시간을 가지는 구성으로 해도 된다. 그리고, 상기 복수의 축전 소자가 충전 중이고, 상기 제1 시간차가 상기 기준 시간 이상인 경우, 상기 제1 시간차를 사용하여 상기 제1 축전 소자를 방전시키고, 상기 제1 시간차가 상기 기준 시간 미만인 경우, 상기 제1 축전 소자 및 상기 제2 축전 소자를 방전시키지 않는 구성으로 해도 되고, 상기 복수의 축전 소자가 방전 중이고, 상기 제1 시간차가 상기 기준 시간 이상인 경우, 상기 제1 시간차를 사용하여 상기 제2 축전 소자를 방전시키고, 상기 제1 시간차가 상기 기준 시간 미만인 경우, 상기 제1 축전 소자 및 상기 제2 축전 소자를 방전시키지 않는 구성으로 해도 된다.
이 상태 관리 장치에서는, 제1 시간차가 기준 시간 이상인 경우에 제1 축전 소자 또는 제2 축전 소자를 방전시킨다. 일반적으로, 축전 소자가 충전 또는 방전을 개시하고 나서 일정 상태에 도달할 때까지의 시간을 나타내는 도달 시간의 차는, 열화에 의한 축전 소자의 용량의 차를 나타내고 있다.
이 상태 관리 장치에 의하면, 도달 시간의 차인 제1 시간차가 기준 시간 이상인 경우에 제1 축전 소자 또는 제2 축전 소자를 방전시킴으로써, 제1 축전 소자와 제2 축전 소자에 충방전되는 용량의 차이를 기준 시간에 대응하는 일정한 용량차 이내로 일정하게 유지할 수 있다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 축전 소자의 열화를 판단하는 열화 판단부를 더 포함하고, 상기 열화 판단부는, 상기 복수의 축전 소자가 충전 중이고, 상기 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하기 전에 상기 복수의 축전 소자의 충전이 완료하여 상기 제2 축전 소자의 충전이 종료한 경우, 상기 제2 축전 소자가 열화되어 있다고 판단하는 구성으로 해도 되고, 상기 복수의 축전 소자가 방전 중이고, 상기 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하기 전에 상기 복수의 축전 소자의 방전이 완료하여 상기 제2 축전 소자의 방전이 종료한 경우, 상기 제1 축전 소자가 열화되어 있다고 판단하는 구성으로 해도 된다.
축전 소자의 충전 시에 있어서, 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값을 넘어 변화하기 전에 제1 축전 소자의 충전이 종료한 경우, 열화에 의해 제1 축전 소자와 제2 축전 소자와의 용량차가 기준 시간에 대응하는 일정한 용량차 이상으로 다르다는 것을 알 수 있다. 또, 축전 소자의 방전시에 있어서, 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값을 넘어 변화하기 전에 제1 축전 소자의 방전이 종료한 경우, 열화에 의해 제1 축전 소자와 제2 축전 소자와의 용량차가 기준 시간에 대응하는 일정한 용량차 이상으로 다르다는 것을 알 수 있다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 상기의 경우에 제1 축전 소자 또는 제2 축전 소자가 열화되어 있다고 판단함으로써, 축전 소자의 용량의 균등화나 상기 복수의 축전 소자의 사용 금지 등, 이들 복수의 축전 소자에 대하여 필요한 조치를 취할 수 있다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 축전 소자의 열화를 판단하는 열화 판단부를 더 포함하고, 상기 열화 판단부는, 상기 복수의 축전 소자가 충전 중이고, 상기 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하기 전에 상기 제1 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달한 후의 경과 시간이 규정 시간에 도달한 경우, 상기 제2 축전 소자가 열화되어 있다고 판단하는 구성으로 해도 되고, 상기 복수의 축전 소자가 방전 중이고, 상기 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하기 전에 상기 제1 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달한 후의 경과 시간이 규정 시간에 도달한 경우, 상기 제1 축전 소자가 열화되어 있다고 판단하는 구성으로 해도 된다.
제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값을 넘어 변화하기 전에 제1 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달한 후의 경과 시간이 규정 시간에 도달한 경우, 열화에 의해 제2 축전 소자의 충전 시간이 장기화하거나, 또는 제1 축전 소자의 방전 시간이 단기화하여, 규정 시간 내에 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하지 않았다 것을 알 수 있다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 상기의 경우에 제1 축전 소자 또는 제2 축전 소자가 열화되어 있다고 판단함으로써, 축전 소자의 용량의 균등화나 상기 복수의 축전 소자의 사용 금지 등, 이들 복수의 축전 소자에 대하여 필요한 조치를 취할 수 있다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 균등화 제어부는, 상기 제1 시간차를 사용하여 상기 제1 축전 소자 또는 제2 축전 소자를 방전시키는 방전 시간을 설정하는 구성으로 해도 된다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 제1 시간차에 대응하는 제1 2 차 전지에 충방전된 용량과 제2 2차 전지에 충방전된 용량의 용량차를 사용하여 제1 축전 소자 또는 제2 축전 소자를 방전시키는 방전 시간을 설정하므로, 제1 축전 소자와 제2 축전 소자에 충방전되는 용량을 균등화할 수 있다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 시간 계측부는, 상기 축전 소자의 전압이 기준 전압에 도달하여 있고, 또한 상기 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달한 경우에, 상기 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하였다고 판단하는 구성으로 해도 된다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 축전 소자의 전압의 시간 변화율에 더하여, 축전 소자의 전압에 기초하여 방전을 제어하므로, 예를 들면, 시간 변화율이 기준값에 도달하는 경우가 복수 회 존재하는 경우에는, 그 복수 회 중에서 특정한 하나를 선출할 수 있고, 복수의 축전 소자에 충방전되는 용량을 양호한 정밀도로 균등화할 수 있다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 축전 소자는, 정전류 충전 또는 정전류 방전되는 구성으로 해도 된다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 축전 소자가 정전류로 충방전되므로, 시간차와 축전 소자의 용량차를 대응시키기 쉽고, 축전 소자에 충방전되는 용량을 균등화시키기 쉽다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 축전 소자의 충방전 레이트는, 1C 이하로 설정되어 있는 구성으로 해도 되고, 더욱 바람직하게는, 0.9C 미만으로 설정되어 있는 구성으로 해도 된다. 축전 소자가 정전류로 충방전되는 경우, 충방전 레이트가 낮을수록 충방전 중의 축전 소자의 전압에 큰 시간 변화율이 생긴다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 충방전 레이트가 비교적 낮게 설정되어 있으므로, 축전 소자의 시간 변화율을 검출하기 쉽고, 시간차를 취득하기 쉽다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 축전 소자의 음극은 그래파이트계 재료로 형성되는 구성으로 해도 된다. 음극이 그래파이트계 재료로 형성되는 축전 소자는, 축전 소자의 시간 변화율이 다른 영역에 비해 커지는 변화점이 포함된다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 상기 변곡점을 사용하여, 축전 소자의 시간 변화율을 검출하기 쉽고, 시간차를 취득하기 쉽다.
상기 상태 관리 장치에서는, 상기 각 축전 소자는 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지로 하여도 된다. 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지에서는, SOC가 10%에서 90%에 걸쳐 넓어지는 평탄 영역을 가지고 있고, 상기 평탄 영역에서는 축전 소자의 전압값에 기초하여 축전 소자의 SOC의 값을 추정하는 것이 어렵다. 이 상태 관리 장치에서는, 축전 소자의 전압의 시간 변화율에 기초하여 축전 소자의 SOC의 값을 추정하므로, 상기 평탄 영역에 있어서도 축전 소자에 충방전되는 용량을 균등화할 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 상태 관리 장치는, 또, 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 관리하는 상태 관리 장치로서, 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정부; 상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전부; 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하는 순위에 대응되어 방전 시간이 기억된 기억부; 및 상기 방전부를 제어하는 균등화 제어부를 포함하고, 상기 균등화 제어부는, 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하는 순위에 대응되어 기억된 상기 방전 시간에 걸쳐 상기 축전 소자를 방전시키는 구성으로 해도 된다.
이 상태 관리 장치에서는, 각 축전 소자의 전압을 측정하고, 상기 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하는 순위를 사용하여 각 축전 소자의 방전을 제어한다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 축전 소자가 평탄 영역을 가지고 있고, 전압에 기초하여 균등화를 제어하는 것이 어려운 경우라도, 축전 소자의 전압의 시간 변화율에 기초하여 방전을 제어할 수 있고, 축전 소자에 충방전되는 용량을 균등화할 수 있다. 또, 방전 시간을 설정할 때, 미리 기억부에 기억된 방전 시간을 사용하여 방전 시간을 설정할 수 있어, 방전 시간을 조기에 설정할 수 있다.
본 명세서에서 개시하는 상태 관리 장치는, 또, 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 관리하는 상태 관리 장치로서, 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정부; 상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전부; 및 상기 방전부를 제어하는 균등화 제어부를 포함하고, 상기 균등화 제어부는, 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하면, 상기 축전 소자의 방전을 개시시키는 구성으로 해도 된다.
이 상태 관리 장치에서는, 각 축전 소자의 전압을 측정하고, 상기 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하면 상기 축전 소자를 방전한다. 이 상태 관리 장치에 의하면, 축전 소자가 평탄 영역을 가지고 있고, 전압에 기초하여 균등화를 제어하는 것이 어려운 경우라도, 축전 소자의 전압의 시간 변화율에 기초하여 방전을 제어할 수 있어, 축전 소자에 충방전되는 용량을 균등화할 수 있다. 또, 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하면 상기 축전 소자의 방전을 개시하게 하므로, 상기 축전 소자의 방전 개시 시기를 앞당길 수가 있다.
본 발명은, 상기 상태 관리 장치를 사용하여 실현되는 축전 소자의 균등화 방법에도 구현된다. 본 명세서에서 개시하는 축전 소자의 균등화 방법은, 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 균등화하는 축전 소자의 균등화 방법으로서, 충방전 중의 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정 단계; 어느 하나의 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하고 나서, 다른 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달할 때까지의 시간차를 계측하는 시간 계측 단계; 및 상기 시간차를 사용하여 상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전 단계를 포함한다.
또, 본 명세서에서 개시하는 축전 소자의 균등화 방법은, 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 균등화하는 축전 소자의 균등화 방법으로서, 충방전 중의 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정 단계와; 상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전 단계를 포함하고, 상기 방전 단계에서는, 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하는 순위에 대응되어 미리 설정된 방전 시간에 걸쳐 상기 축전 소자를 방전시키는 구성으로 해도 된다.
또, 본 명세서에서 개시하는 축전 소자의 균등화 방법은, 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 균등화하는 축전 소자의 균등화 방법으로서, 충방전 중의 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정 단계와; 상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전 단계를 포함하고, 상기 방전 단계에서는, 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하면, 상기 축전 소자의 방전을 개시시키는 구성으로 해도 된다.
본 발명에 의하면, 복수의 축전 소자에 충방전되는 용량을 균등화할 수 있다.
도 1은 충전 시스템(방전 시스템)의 블록도이다.
도 2는 방전 회로의 개략도이다.
도 3은 제1 실시예의 균등화 처리를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 2차 전지의 충방전 특성을 나타낸 도면이다.
도 5는 2차 전지의 충방전 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 2차 전지의 충방전 특성을 나타낸 도면이다.
도 7은 제2 실시예의 균등화 처리를 나타낸 흐름도이다.
도 8은 제3 실시예의 균등화 처리를 나타낸 흐름도이다.
도 9는 제4 실시예의 균등화 처리를 나타낸 흐름도이다.
도 10은 기타 실시예의 균등화 처리를 나타낸 흐름도이다.
＜실시예 1＞
이하, 본 발명의 실시예 1에 대하여, 도 1 내지 도 6을 사용하여 설명한다.
1. 상태 판정 장치의 구성
도 1은 본 실시예의 충전 시스템(방전 시스템)(10)의 구성을 나타낸 도면이다. 충전 시스템(방전 시스템)(10)은 전지군(12)과, 상태 관리 장치(이하, BMS)(20)과, 충전기(부하)(18)에 의해 구성된다. 전지군(12)은, 전기 자동차에 탑재되어 있고, 내부에 직렬로 접속된 복수의 2차 전지(50)(축전 소자의 일례)를 포함한다. 전지군(12)은, 전기 자동차 등의 내부 또는 외부에 설치된 충전기(18)에 접속됨으로써 정전류 충전되고, 전기 자동차 등의 내부에 설치된 동력원 등의 부하(18)에 접속됨으로써 정전류 방전된다. BMS(20)는, 충전 중의 전지군(12)의 각 2차 전지(50)의 전압값(V)이나 전류값(I) 등을 감시하여 2차 전지(50)의 충방전 상태를 나타내는 잔존 용량(SOC)을 관리하고, SOC를 균등화한다.
본 실시예에서는, 2차 전지(50)로서 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지(이하, 올리빈 철계 전지)를 사용한 예를 나타낸다. 이 2차 전지(50)는, 리튬 이온 전지의 일종이며, 양극에 올리빈형 인산철이 사용되고, 음극에 그래파이트계 재료가 사용되어 있다. 이 2차 전지(50)는, 도 4에 나타낸 바와 같이, SOC가 10% 미만인 충전 초기(방전 말기), 및 SOC가 90% 이상인 충전 말기(방전 초기)에 있어서 SOC의 증가에 대하여 전지 전압이 급격하게 상승하는 영역을 가진다. 또, SOC가 10% 이상 90% 미만인 충전 중기(방전 중)에 있어서 SOC의 증가에 대하여 전지 전압이 대략 일정한 영역(이후, 평탄 영역)을 가진다.
BMS(20)는, 중앙 처리 장치(이하, CPU)(30), 아날로그-디지털 변환기(이하, ADC)(34), 전류계(22), 전압계(전압 측정부의 일례)(24), 방전 회로(방전부의 일례)(26), 및 온도계(28)를 포함한다.
CPU(30)는 ROM이나 RAM 등의 메모리(기억부의 일례)(32)를 내장하고 있고, 메모리(32)에는 BMS(20)의 각 구성의 동작을 제어하기 위한 각종 프로그램이 기억되어 있다. CPU(30)는, 메모리(32)로부터 판독한 프로그램에 따라 시간 계측부(42), 균등화 제어부(44), 열화 판단부(46) 등으로서 기능하고, 방전 회로(26)를 포함하는 BMS(20) 내의 각 부의 제어를 행한다.
온도계(28)는 접촉식 또는 비접촉식으로 전지군(12)의 온도를 측정하고, 측정한 온도를 메모리(32)에 기억한다. 전압계(24)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 배선(54)을 통하여 각 2차 전지(50)의 양단에 직접적으로 접속되고, 충방전 중의 2차 전지(50)의 전압값(V)을 일정하게 정해진(소정) 기간마다 개별적으로 측정한다. 전지군(12)에는 N개(N: 2 이상)의 2차 전지(50A, 50B , ···50N)가 포함되어 있고, 전압계(24)는, 각 2차 전지(50)의 전압(VA, VB, ···VN)의 전압값을 각각 측정한다. 전압계(24)는 측정한 이들 전압값(V)을 ADC(34)에 송신한다.
2차 전지(50)와 전압계(24)를 접속하는 배선(54)에는, 2차 전지(50)를 개별적으로 방전하는 방전 회로(26)가 설치되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 방전 회로(26)에는, 각 2차 전지(50)의 양단에 접속되는 배선(54) 사이에, 각 2차 전지(50)를 방전하기 위한 방전 회로(26A, 26B, ···26N)가 설치되어 있다. 각 방전 회로(26)는 저항(R)과 스위치(Q)에 의해 구성되어 있다. 방전 회로(26)의 스위치(Q)는 균등화 제어부(44)로서 기능하는 CPU(30)에 의해 개폐가 제어되고 있고, CPU(30)에 의해 스위치(Q)가 폐쇄 상태가 되면, 배선(54) 및 저항(R)을 통하여 2차 전지(50)로부터 전류가 흘러 대응하는 2차 전지(50)가 방전한다. 또, CPU(30)에 의해 스위치(Q)가 개방 상태가 되면, 대응하는 2차 전지(50)로부터의 방전이 정지한다.
전류계(22)는, 전지군(12)과 충전기(18)를 접속하는 배선(52)에 흐르는 전류를 계측하고, 2차 전지(50)에 공통으로 흐르는 충방전 전류(ZI)의 전류값을 측정한다. 또, 전류계(22)는 배선(54)을 통하여 각 2차 전지(50)로부터 개별적으로 방전되는 전류(이하, 균등화 방전 전류)(HI)의 전류값(IA, IB, ···IN)을 측정한다. 전류계(22)는 측정한 이들 전류값(I)을 ADC(34)에 송신한다.
ADC(34)는, 전류계(22)와 전압계(24)와 CPU(30)에 접속되어 있고, 전류계(22) 및 전압계(24)로부터 송신되는 아날로그 데이터인 전류값(I) 및 전압값(V)을 디지털 데이터로 변환하고, 변환한 전류값(I) 및 전압값(V)을 메모리(32)에 기억한다. 시간 계측부(42) 및 열화 판단부(46) 등으로서 기능하는 CPU(30)는, 메모리(32)에 기억된 상기 전류값(I) 및 전압값(V)을 사용하여 후술하는 균등화 처리를 실행한다.
2. 균등화 처리
도 3 또는 도 6을 사용하여, 전지군(12)을 충전할 때, BMS(20)에서 행해지는 균등화 처리를 설명한다. 본 실시예에 있어서, 전지군(12)은 0.5C 충전의 저속 충전으로 정전류 충전된다. 그리고, 균등화 처리는 전지군(12)에의 충전 제어 처리에 부수하여 실행된다. 도 3은 CPU(30)에서 실행되는 전지군(12)에의 충전 제어 처리의 흐름도를 나타낸다.
CPU(30)는, 사용자에 의해 전지군(12)이 충전기(18)에 접속되고 충전기(18)로부터 전지군(12)에의 전력 공급이 개시되면, 충전 제어 처리를 실행하는 동시에 균등화 처리를 실행한다. CPU(30)는, 균등화 처리를 개시하면, 각 2차 전지(50)의 전압값(V)을 일정 시간(ΔX)마다 반복 측정하고, 연속하여 측정된 전압값(V)의 차분값(ΔV)의 절대값을 상기 일정 시간(ΔX)으로 나눈 전압값(V)의 시간 변화율(DV)을 산출한다. CPU(30)는, 산출된 시간 변화율(DV)이 기준값(K)(K＞0)에 도달하는 것을 검출한다(S2: NO).
전술한 바와 같이, 평탄 영역에서는, SOC의 증가에 대하여 2차 전지(50)의 전압값(V)이 대략 일정하므로, 2차 전지(50)의 전압값(V)이 기준 전압값에 도달하는 것을 검출하였더라도, 2차 전지(50)의 SOC를 양호한 정밀도로 추정할 수 없다.
본 실시예에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 음극에 그래파이트계 재료를 사용한 올리빈 철계 전지의 평탄 영역에 있어서, 충전 중의 2차 전지(50)의 전압값(V)의 시간 변화율이 다른 영역에 비해 커지게 되는 변화점이 존재하는 것에 주목하였다. 음극에 그래파이트계 재료를 사용한 전지에서는, 시간 변화율이 다른 범위에 비해 크게 변화하는 변화점이 존재한다. 그리고, 음극에 그래파이트계 재료를 사용한 올리빈 철계 전지에서는, 그 변화점이 평탄 영역에 위치하는 것에 주목하였다. 즉, 올리빈 철계 전지에서는, 평탄 영역에 있어서 시간 변화율이 기준값(K)을 넘어 커지는 변화점이 2개(KS1, KS2) 존재한다. 이하의 설명에서는, 이들 변화점(KS1, KS2) 중, 변화점에 대응하는 전압값이 큰 쪽의 변화점(KS2)에 도달하는 경우에 대하여 설명한다. 즉, CPU(30)는, 전압값(V)이 변화점(KS2)에 대응하는 전압값(기준 전압의 일례)(KV2)까지 상승하고, 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하는 것을 검출한다. 그리고, 변화점(KS1)에 도달하는 경우에 동일한 처리를 행하여도 된다.
CPU(30)는, 어느 하나의 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 것을 검출하면(S2: YES), 그 도달한 후부터의 시간의 계측을 개시한다(S4). 시간 계측부(42)로서 기능하는 CPU(30)는, 상기 하나의 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하고 나서 다른 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달할 때까지의 경과 시간(시간차의 일례)(ΔT)을 계측하는 동시에 상기 경과 시간(ΔT)를 메모리(32)에 기억되어 있는 기준 시간(KT)와 비교한다(S6).
이하의 설명에서는, 이해를 위하여, 가장 빨리 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 2차 전지(50)를 제1 2차 전지(50)라고 하고, 다른 2차 전지(50) 중 하나를 제2 2차 전지(50)라고 하고, 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)에서의 균등화 처리를 설명한다. 즉, 제1 2차 전지(50)는 복수의 2차 전지(50) 중 가장 빨리 변화점(KS2)에까지 전압값(V)이 상승하는(즉, SOC가 큰) 것으로 하고, 제2 2차 전지(50)는 복수의 2차 전지(50) 중 가장 늦게 변화점(KS2)에 까지 전압값(V)이 상승하는(즉, SOC가 작은) 것으로 한다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 제1 2차 전지(50)의 시간 변화율을 시간 변화율 DV1로 하고, 제2 2차 전지(50)의 시간 변화율을 시간 변화율 DV2로 하고, 시간 변화율(DV1)이 기준값(K)에 도달하고 나서 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달할 때까지의 경과 시간을 경과 시간(제1 시간차의 일례) ΔT1로 한다. 그리고, 이하의 설명에서, 제1 2차 전지(50)를 제2 2차 전지(50) 이외의 각 2차 전지(50)에 적용시킴으로써, 복수 존재하는 모든 2차 전지(50)에 대하여 설명할 수 있다.
CPU(30)는, 기준 시간(KT)이 경과하기 전에 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하고, 경과 시간(ΔT1)이 기준 시간(KT) 미만이 되는 경우(S6: NO), 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)는 균등하게 충전되어 있는 것으로 판단한다. 이 경우, CPU(30)는 어느 2차 전지(50)도 방전시키지 않고 균등화 처리를 종료한다.
그 한편, CPU(30)는, 기준 시간(KT)이 경과하기 전에 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하지 않고, 경과 시간(ΔT1)이 기준 시간(KT) 이상이 되는 경우(S6: YES), 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하는 것을 감시하는 동시에 2차 전지(50)의 전압값(V)의 총합인 총 전압이 증가하여 충전 종지(終止) 전압에 도달하는 것을 감시한다(S8, S10).
CPU(30)는, 총 전압이 충전 종지 전압에 도달하기 전에 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하고, 경과 시간(ΔT1)이 계측되었을 경우(S8: YES, S10: NO), 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)가 불균등하게 충전되어 있는 것으로 판단한다. CPU(30)는, 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)의 SOC를 균등화하기 위하여, 제1 2차 전지(50)를 방전하는 방전 시간(HT)을 설정한다. 방전 시간(HT)은 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)의 SOC를 균일화하기 위한 균일화 제어 시간이라고 할 수도 있다.
CPU(30)의 메모리(32)에는, 경과 시간(ΔT1)과 방전 시간(HT)을 관련지은 대응표가 미리 기억되어 있다. 균등화 제어부(44)로서 기능하는 CPU(30)는, 경과 시간(ΔT1)과 이 대응표에 기초하여 방전 시간(HT)을 설정한다(S12). 방전 시간(HT)을 설정한 후, CPU(30)는 제1 2차 전지(50)의 방전을 개시한다(S14) 구체적으로는, CPU(30)는, 제1 2차 전지(50)에 대응하는 방전 회로(26)의 스위치(Q)를 폐쇄 상태로 하는 동시에, 이 스위치(Q)를 폐쇄 상태로 한 후부터의 경과 시간(ΔT2)을 계측한다(S16). CPU(30)는, 경과 시간(ΔT2)이 방전 시간(HT)에 도달할 때까지(S16: NO), 제1 2차 전지(50)를 방전하고, 경과 시간(ΔT2)이 방전 시간(HT)에 도달하면(S16: YES), 제1 2차 전지(50)의 방전을 종료하고(S18), 균등화 처리를 종료한다.
한편, 열화 판단부(46)로서 기능하는 CPU(30)는, 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하기 전에 총 전압이 충전 종지 전압에 도달한 경우(S8: NO, S10: YES), 제1 2차 전지(50)에 비해 제2 2차 전지(50)의 열화가 진행되고 있는 것을 검출하는 동시에, 전지군(12)이 수명을 다한 것으로 판단한다(S20). CPU(30)는, 디스플레이 등의 표시부 등을 통하여 전지군(12)이 열화되어 있다는 것 및 전지군(12)의 교환이 필요하다는 것을 사용자에게 통지하고, 균등화 처리를 종료한다.
3. 본 실시예의 효과
(1) 본 실시예의 BMS(20)에서는, BMS(20)가 충전 중의 2차 전지(50)의 전압값(V)을 측정하고, 그 전압값(V)로부터 산출되는 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 시간차인 경과 시간(ΔT1)을 사용하여 2차 전지(50)의 균등화를 제어한다. 이 BMS(20)에 의하면, 전압값(V)에 기초하여 2차 전지(50)를 균등화 제어하는 것이 어려운 평탄 영역에서도, 충전 중의 복수의 2차 전지(50)의 SOC를 균등화하여 충전할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는, 2차 전지(50)로서 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지를 사용하고 있고, SOC가 10% 이상 90% 미만의 범위에서 넓어지는 평탄 영역을 가진다. 그 한편, 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지에서는, SOC가 90% 이상인 충전 말기에 있어서 SOC의 증가에 대하여 전지 전압이 급격하게 상승한다. 그러므로, 충전 말기에서의 2차 전지(50)의 전압값(V)을 사용하여 복수의 2차 전지(50)를 균등화하려고 해도, SOC의 근소한 증가에 의해 SOC가 대략 100%에까지 도달하여, 복수의 2차 전지(50)의 균등화 처리를 완료시킬 수 없다. 따라서, 충전 말기보다 SOC가 작은 범위에 존재하는 평탄 영역을 사용하여 복수의 2차 전지(50)를 균등화하는 것이 요구된다.
이 BMS(20)에서는, 시간 변화율(DV)를 사용하여 2차 전지(50)의 방전을 제어한다. 또한, 본 실시예에서는, 2차 전지(50)로서 음극에 그래파이트계 재료를 사용한 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지를 사용하고 있고, 평탄 영역에서 시간 변화율이 기준값(K)를 넘어 커지는 변화점(KS1, KS2)이 존재한다. 그러므로, 이 변화점(KS1, KS2)을 사용하여 시간 변화율(DV)로부터 2차 전지(50)의 SOC를 추정할 수 있고, 평탄 영역을 사용하여 복수의 2차 전지(50)의 SOC의 균등화를 1회의 균등화 처리로 완료시켜, 2차 전지(50)를 충전할 수 있다.
(2) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50) 사이의 시간차인 경과 시간(ΔT1)이 기준 시간(KT) 이상인 경우에, BMS(20)가 제1 2차 전지(50)를 방전시킨다. 일반적으로, 경과 시간(ΔT1)은 이들 2차 전지(50)의 SOC의 차이를 나타내고 있다. 이 BMS(20)에 의하면, 경과 시간(ΔT1)이 기준 시간(KT) 이상인 경우에 제1 2차 전지(50)를 방전시킴으로써, 전지군(12)을 충전할 때의 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)의 SOC의 차이를 기준 시간(KT)에 대응하는 일정한 용량차 이내에 일정하게 유지할 수 있다.
(3) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 경과 시간(ΔT1), 즉 제1 2차 전지(50)의 SOC와 제2 2차 전지(50)의 SOC의 차에 대응하는 시간차를 사용하여 제1 2차 전지(50)를 균등화시키는 방전 시간(HT)을 설정하므로, 방전 시간(HT)을 양호한 정밀도로 설정할 수 있고, 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)에 충전되는 SOC를 균등화할 수 있다.
(4) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 경과 시간(ΔT1), 즉 제1 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV1)이 기준값(K)에 도달하고 나서 제2 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달할 때까지의 시간이 기준 시간(KT) 이상인 경우, 이들 2차 전지(50)는 불균등하게 충전되어 있는 것으로 판단한다. 이 BMS(20)에서는, 상기의 경우에 제1 2차 전지(50)를 방전함으로써, 전지군(12)을 충전할 때, 전지군(12)에 포함되는 이들 2차 전지(50)를 균등화하여 충전할 수 있다.
(5) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 제2 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하기 전에, 복수의 2차 전지(50)의 총 전압이 충전 종지 전압에 도달하여 충전이 종료한 경우, 제2 2차 전지(50)가 열화되어 있고, 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)의 SOC를 균등화할 수 없다고 판단한다. 이 BMS(20)에서는, 상기의 경우에 제2 2차 전지(50)가 열화되어 있다고 판단함으로써, 열화에 의해 균등화할 수 없는 2차 전지(50)를 포함하는 전지군(12)이 계속하여 사용되는 것을 억제할 수 있다.
(6) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 충방전 중의 2차 전지(50)가 변화점에 도달하였는지 여부를 검출할 때, 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 것을 검출하는 동시에, 전압값(V)이 전압값(KV2)에까지 상승하였는지를 확인한다. 그러므로, 예를 들면, 제1 2차 전지(50)가 변화점(KS2)에 도달한 후에 제2 2차 전지(50)가 변화점(KS1)에 도달한 경우에, 그 사이의 시간차가 계측되는 등, 상이한 변화점에 도달한 시간차가 측정되어 2차 전지(50)가 부정확하게 균등화되는 것을 방지할 수 있다.
(7) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 전지군(12)은 0.5C 충전으로 정전류 충전되므로, 1C 충전보다 크고, 또한 0.9C 충전 이상의 비교적 고속으로 충전되는 경우에 비하여, 큰 시간 변화율을 생기게 할 수 있다. 2차 전지(50)에서는, 열화에 의해 발생하는 시간 변화율(DV)이 감소하여, 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하였는지 여부를 검출하는 것이 어려워진다. 이 BMS(20)에서는, 2차 전지(50)를 비교적 저속으로 충전하므로, 2차 전지(50)가 열화된 경우라도, 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하였는지 여부를 검출하기 쉽다.
＜실시예 2＞
본 발명의 실시예 2를, 도 7을 사용하여 설명한다. 본 실시예에서는, 실시예 1에서 충전 시스템(10)을 사용하여 설명한 내용에 대하여, 방전 시스템(10)을 사용하여 설명을 행한다. 즉, 방전 시스템(10)을 사용한 방전 제어 처리에 부수하여 실행되는 균등화 처리에 대하여 설명한다.
본 실시예에 있어서, 전지군(12)은 정전류 방전된다. 또, 본 실시예에서는, 평탄 영역에 존재하는 변화점(KS1, KS2) 중, 변화점에 대응하는 전압값이 작은 쪽의 변화점(KS1)에 도달하는 경우에 대하여 설명한다. 즉, CPU(30)는, 전압값(V)이 변화점(KS1)에 대응하는 전압값(KV1)까지 하강하고, 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하는 것을 검출한다. 또, 본 실시예에서도, 가장 빨리 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 2차 전지(50)를 제1 2차 전지(50)라고 하고, 가장 늦게 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 2차 전지(50)를 제2 2차 전지(50)라고 한다. 즉, 제1 2차 전지(50)는 복수의 2차 전지(50) 중 가장 빨리 전압값(V)이 하강하는(즉, SOC가 작은) 것으로 하고, 제2 2차 전지(50)는 복수의 2차 전지(50) 중 가장 늦게 전압값(V)이 하강하는(즉, SOC가 큰) 것으로 한다. 이하의 설명에서는, 실시예 1과 동일한 내용에 대하여는 중복된 기재를 생략한다.
1. 균등화 처리
도 7은 CPU(30)에서 실행되는 본 실시예의 균등화 처리의 흐름도를 나타낸다. 시간 계측부(42)로서 기능하는 CPU(30)는, 제2 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하는 것을 감시하는 동시에 2차 전지(50)의 전압값(V)의 총합인 총 전압이 감소하여 방전 종지 전압에 도달하는 것을 감시한다(S8, S22). 균등화 제어부(44)로서 기능하는 CPU(30)는, 총 전압이 방전 종지 전압에 도달하기 전에 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하고, 경과 시간(ΔT1)이 계측되었을 경우(S8: YES, S22: NO), 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)는 불균등하게 방전되고 있는 것으로 판단한다. CPU(30)는, 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)의 SOC를 균등화하기 위하여, 제2 2차 전지(50)를 방전하는 방전 시간(HT)을 설정하고(S12), 이 방전 시간(HT)에 걸쳐 제2 2차 전지(50)를 방전한다(S24, S16, S26).
한편, 열화 판단부(46)로서 기능하는 CPU(30)는, 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하기 전에 총 전압이 방전 종지 전압에 도달한 경우(S8: NO, S22: YES), 제2 2차 전지(50)에 비해 제1 2차 전지(50)의 열화가 진행되고 있는 것을 검출하는 동시에, 전지군(12)이 수명이 다한 것으로 판단한다(S28). CPU(30)는, 디스플레이 등의 표시부 등을 통하여 전지군(12)이 열화되어 있다는 것, 및 전지군(12)의 교환이 필요하다는 것을 사용자에게 통지하고, 균등화 처리를 종료한다.
2. 본 실시예의 효과
(1) 본 실시예의 BMS(20)에서는, BMS(20)가 방전 중의 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV)을 검출하고, 그 시간 변화율(DV)로부터 산출되는 경과 시간(ΔT1)을 사용하여 2차 전지(50)의 균등화를 제어한다. 이 BMS(20)에 의하면, 평탄 영역에서도, 방전 중의 복수의 2차 전지(50)의 SOC를 균등화하여 방전할 수 있다.
(2) 본 실시예에서는, 2차 전지(50)로서 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지를 사용하고 있고, SOC가 10% 이상 90% 미만의 범위에 넓어지는 평탄 영역을 가진다. 그 한편, 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지에서는, SOC가 10% 미만인 방전 말기에 있어서 SOC의 감소에 대하여 전지 전압이 급격하게 하강한다. 그러므로, 방전 말기에서의 2차 전지(50)의 전압값(V)을 사용하여 복수의 2차 전지(50)를 균등화하려고 하여도, SOC의 근소한 감소에 의해 SOC가 대략 0%에까지 도달하여, 복수의 2차 전지(50)의 균등화 처리를 완료시킬 수 없다. 따라서, 방전 말기보다 SOC가 큰 범위에 존재하는 평탄 영역을 사용하여 복수의 2차 전지(50)를 균등화하는 것이 요구된다.
이 BMS(20)에서는, 2차 전지(50)의 전압값(V)이 아니라 시간 변화율(DV)을 사용하여 2차 전지(50)의 방전을 제어한다. 그러므로, 평탄 영역을 사용하여 복수의 2차 전지(50)의 SOC의 균등화를 1회의 균등화 처리에서 완료시켜, 2차 전지(50)를 방전할 수 있다.
(3) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 경과 시간(ΔT1)이 기준 시간(KT) 이상인 경우에 제2 2차 전지(50)를 방전시킴으로써, 전지군(12)을 방전할 때의 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)의 SOC의 차이를 기준 시간(KT)에 대응하는 일정한 용량차 이내에 유지할 수 있다.
(4) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 경과 시간(ΔT1)이 기준 시간(KT) 이상인 경우에, 제1 2차 전지(50)와 제2 2차 전지(50)가 불균등하게 방전되고 있다고 판단하여, 제2 2차 전지(50)를 방전함으로써, 전지군(12)을 방전할 때, 전지군(12)에 포함되는 이들 2차 전지(50)를 균등화하여 방전할 수 있다.
(5) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 제2 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하기 전에, 복수의 2차 전지(50)의 총 전압이 방전 종지 전압에 도달하여 방전이 종료한 경우에, 제1 2차 전지(50)가 열화되어 있다고 판단함으로써, 열화에 의해 균등화할 수 없는 2차 전지(50)를 포함하는 전지군(12)이 계속하여 사용되는 것을 억제할 수 있다.
＜실시예 3＞
본 발명의 실시예 3을, 도 8을 사용하여 설명한다. 본 실시예의 충전 시스템(10)에서는, 메모리(32)에 미리 기억된 방전 시간(HT)에 기초하여 방전 시간(HT)을 설정하는 점에서, 균등화 처리 중에 방전 시간(HT)을 설정하는 실시예 1의 충전 시스템(10)과 다르다. 이하의 설명에서는, 실시예 1과 동일한 내용에 대하여는 중복된 기재를 생략한다.
1. 균등화 처리
도 8은 CPU(30)에서 실행되는 본 실시예의 균등화 처리의 흐름도를 나타낸다. 시간 계측부(42)로서 기능하는 CPU(30)는, 제1 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV1)이 기준값(K)에 도달한 것을 검출하면(S2: YES), 그 도달한 후부터의 시간의 계측을 개시함(S4)과 동시에, 제1 2차 전지(50)의 방전을 개시한다(S14). 또, CPU(30)는, 제1, 제2 2차 전지(50)를 포함한 모든 2차 전지(50)에 대하여, 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 2차 전지(50)의 순위를 검출하고, 메모리(32)에 일시적으로 기억한다.
다음에, 균등화 제어부(44)로서 기능하는 CPU(30)는, 각 2차 전지(50)의 방전 시간(HT)을 설정한다(S32). 도 1에 점선으로 나타낸 바와 같이, CPU(30)의 메모리(32)에는, 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 2차 전지(50)의 순위에 대응되어 방전 시간(HT)이 기억되어 있고, 2차 전지(50)의 순위가 높아짐에 따라 방전 시간(HT)이 길어지도록 설정되어 있다. CPU(30)는, 메모리(32)에 있어서 각 2차 전지(50)의 순위에 대응하여 기억된 방전 시간(HT)을, 각 2차 전지(50)의 방전 시간(HT)으로서 설정하고, 설정된 방전 시간(HT)에 걸쳐 제1 2차 전지(50)를 방전하여(S34, S18), 균등화 처리를 종료한다.
충전 시스템(10)에서는, 전지군(12)에 대하여 충전을 복수 회에 걸쳐 반복하고 있고, CPU(30)는, 전지군(12)을 충전할 때마다 충전 제어 처리를 반복하고, 균등화 처리를 반복한다. CPU(30)는, 균등화 처리를 반복하는 경우에, 메모리(32)에 기억된 방전 시간(HT)을 사용하여 균등화 처리를 반복한다.
2. 본 실시예의 효과
(1) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 충전 중에 제1 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하면, 제1 2차 전지(50)의 방전을 개시한다. 그러므로, 다른 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하기 전부터 제1 2차 전지(50)의 방전을 개시시킬 수 있어 전지군(12)을 충전할 때의 균등화 처리에 있어서, 제1 2차 전지(50)의 방전 개시 시기를 앞당길 수가 있다.
(2) 본 실시예의 BMS(20)에서는, 충전 중에 있어서 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하는 순위와 미리 메모리(32)에 기억되어 있는 방전 시간(HT)으로부터 각 2차 전지(50)의 방전 시간(HT)을 설정하므로, 각 2차 전지(50)의 방전 시간(HT)을 용이하게 조기에 설정할 수 있다.
＜실시예 4＞
본 발명의 실시예 4를, 도 9를 사용하여 설명한다. 본 실시예에서는, 실시예 3에 있어서 충전 시스템(10)을 사용하여 설명한 내용에 대하여, 방전 시스템(10)을 사용하여 설명을 행한다. 즉, 방전 시스템(10)을 사용한 방전 제어 처리에 부수하여 실행되는 균등화 처리에 대하여 설명한다.
본 실시예에서는, 변화점(KS1)에 도달하는 경우에 대하여 설명한다. 또, 본 실시예에서도, 가장 빨리 전압 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 2차 전지(50)를 제1 2차 전지(50)라고 하고, 가장 늦게 전압 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 2차 전지(50)를 제2 2차 전지(50)라고 한다. 이하의 설명에서는, 실시예 1 및 실시예 3과 동일한 내용에 대하여는 중복된 기재를 생략한다.
1. 균등화 처리
도 9는 CPU(30)에서 실행되는 본 실시예의 균등화 처리의 흐름도를 나타낸다. 시간 계측부(42)로서 기능하는 CPU(30)는, 제2 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV1)이 기준값(K)에 도달한 것을 검출하면(S42: YES), 그 도달한 후부터의 시간의 계측을 개시함(S4)과 동시에, 제2 2차 전지(50)의 방전을 개시한다(S24). 다음에, 균등화 제어부(44)로서 기능하는 CPU(30)는, 메모리(32)에 있어서 각 2차 전지(50)의 순위에 대응하여 기억된 방전 시간(HT)을, 각 2차 전지(50)의 방전 시간(HT)으로서 설정하여(S32), 설정된 방전 시간(HT)에 걸쳐 제2 2차 전지(50)를 방전하고(S34, S26), 균등화 처리를 종료한다. 방전 시간(HT)은, CPU(30)의 메모리(32)에 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달한 2차 전지(50)의 순위에 대응되어 기억되어 있고, 2차 전지(50)의 순위가 낮아짐에 따라, 방전 시간(HT)이 길어지도록 설정되어 있다.
2. 본 실시예의 효과
본 실시예의 BMS(20)에서는, 방전 중에 각 2차 전지(50)의 방전 개시 시기를 앞당길 수가 있어, 전지군(12)을 방전할 때의 균등화 처리에 있어서, 제2 2차 전지(50)의 방전 개시 시기를 앞당길 수가 있다.
＜다른 실시예＞
본 발명은 상기 기술(記述) 및 도면에 의해 설명한 실시예에 한정되지 않고, 예를 들면, 다음과 같은 각종 태양도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
(1) 상기 실시예에서는, 충전 시스템(방전 시스템)(10)이 1개의 BMS(20)를 가지고, 시간 계측부(42), 균등화 제어부(44), 열화 판단부(46) 등의 기능을 BMS(20)가 가지는 1개의 CPU(30)에 의해 실행하는 예를 사용하여 나타냈으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 서로 상이한 CPU, BMS 등에 의해 각 부가 구성되어도 되고, 이들 각 부가 독립된 기기 등을 사용하여 구성되어 있어도 된다.
(2) 상기 실시예에서는, 2차 전지(50)로서 음극에 그래파이트계 재료를 사용한 올리빈 철계 전지를 사용한 예를 사용하여 설명을 행하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 음극에 그래파이트계 재료를 사용한 다른 전지에 있어서도 사용이 가능하며, 평탄 영역을 가지지 않는 전지에서도 사용이 가능하다. 이 경우, 기준값(K)은 각 전지의 충방전 특성에 따라 적당히 설정된다.
(3) 상기 실시예에서는, 2차 전지(50)는 정전류 충전(정전류 방전)되는 예를 사용하여 설명을 행하였으나, 2차 전지(50)의 충전 방식(방전 방식)은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 2차 전지(50)는, 정전압 충전(정전압 방전)되어도 되고, 정전력 충전(정전력 방전)되어도 된다.
(4) 상기 실시예에서는, 충전 시스템(방전 시스템)(10)이 전기 자동차에 탑재되고 전지군(12)에 대하여 균등화 처리를 행하는 예에 대하여 설명하였으나, 전지군(12)의 사용 용도는, 본 실시예로 한정되지 않는다.
(5) 상기 실시예에서는, 경과 시간(ΔT)을 계측할 때, 어느 하나의 2차 전지(50)의 전압값(V)의 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달하고 나서 시간의 계측을 개시하고 있지만, 충전 제어 처리(방전 제어 처리)의 개시로부터 시간을 측정해도 된다. 즉, 시간 계측부(42)로서 기능하는 CPU(30)는, 충전 제어 처리(방전 제어 처리)의 개시로부터 시간을 계측하고, 각 2차 전지(50)의 전압값(V)의 시간 변화율(DV)이 기준값(K)에 도달할 때까지의 도달 시간을 측정하고, 그 도달 시간의 차로서 경과 시간(ΔT)을 계측하여도 된다.
(6) 상기 실시예 1에서는, 방전 시간(HT)을 설정한 후에 제1 2차 전지(50)의 방전을 개시하는 예를 사용하여 설명하였으나, 예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 방전 시간(HT)을 설정하기 전에 방전을 개시하여 두고, 방전 개시 후에 방전 시간(HT)을 설정하여도 된다.
도 10에, 기타 실시예의 균등화 처리의 흐름도를 나타낸다.
CPU(30)는, 제1 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV1)이 기준값(K)에 도달한 것을 검출하면(S2: YES), 그 도달한 후부터의 시간의 계측을 개시함(S4)과 동시에, 제1 2차 전지(50)의 방전을 개시한다(S14).
다음에, CPU(30)는, 제2 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하는 것을 감시하는 동시에 2차 전지(50)의 전압값(V)의 총합인 총 전압이 증가하여 충전 종지 전압에 도달하는 것을 감시한다(S8, S10). CPU(30)는, 총 전압이 충전 종지 전압에 도달하기 전에 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하고, 경과 시간(ΔT1)이 계측되었을 경우(S8: YES, S10: NO), 제1 2차 전지(50)를 방전하는 방전 시간(HT)을 설정한다(S 12). 그리고, 설정된 방전 시간(HT)에 걸쳐 제1 2차 전지(50)를 방전하여(S16, S18), 균등화 처리를 종료한다.
한편, CPU(30)는, 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하기 전에 총 전압이 충전 종지 전압에 도달한 경우(S8: NO, S10: YES), 제1 2차 전지(50)의 방전을 정지함(S42)과 동시에, 제1 2차 전지(50)에 비해 제2 2차 전지(50)의 열화가 진행되고 있는 것을 검출하는 동시에, 전지군(12)이 수명을 다한 것으로 판단한다(S 20). CPU(30)는, 디스플레이 등의 표시부 등을 통하여 전지군(12)이 열화되어 있다는 것, 및 전지군(12)의 교환이 필요하다는 것을 사용자에게 통지하고, 균등화 처리를 종료한다.
(7) 상기 실시예 1, 2에서는, 복수의 2차 전지(50)의 총 전압이 충전 종지 전압(방전 종지 전압)에 도달한 경우에 전지군(12)의 수명 판단을 실행하는 예를 사용하여 설명하였으나, 각 2차 전지(50)에 종단 전압이 설정되어 있고, 어느 하나의 2차 전지(50)가 종단 전압에 도달한 경우에, 전지군(12)의 수명 판단을 실행해도 된다. 즉, 제1 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV1)이 기준값(K)에 도달한 후, 제2 2차 전지(50)의 시간 변화율(DV2)이 기준값(K)에 도달하기 전에 제1 2차 전지(50)의 전압값(V)이 충전 상한 전압(방전 종지 전압)에 도달한 경우에, 전지군(12)의 수명 판단을 실행해도 된다.
(8) 상기 실시예 1, 2에서는, 경과 시간(ΔT)을 계측하고, 경과 시간(ΔT)과 메모리(32)에 기억된 대응표로부터 방전 시간(HT)을 설정하는 예를 사용하여 설명을 행하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전지군(12)에의 충방전 전류(ZI)가 측정되어 있고, 경과 시간(ΔT)에 이 충방전 전류(ZI)를 곱하여 용량차(ΔY)를 산출하고, 이 용량차(ΔY)를 방전 회로(26)의 스위치(Q)를 폐쇄 상태로 함으로써 흐르는 균등화 제어 전류(HI)로 나누어 방전 시간(HT)을 구해도 된다. 또한, 소정의 경과 시간(ΔT)에 의해 정해진 방전 시간(HT)만 방전하여도 된다.
방전 시간(HT) = 용량차(ΔY)/균등화 제어 전류(HI)
10: 충전 시스템(방전 시스템), 12: 전지군, 20: BMS, 22: 전류계, 24: 전압계, 26: 방전 회로, 30: CPU, 42: 시간 계측부, 44: 균등화 제어부, 46: 열화 판단부, 50: 2차 전지, DV: 시간 변화율, HT: 방전 시간, KT: 기준 시간, K: 기준값, ΔT: 경과 시간

Claims (19)

  1. 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 관리하는 상태 관리 장치로서,
    각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정부;
    어느 하나의 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하고 나서, 다른 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달할 때까지의 시간차를 계측하는 시간 계측부;
    상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전부; 및
    상기 시간차를 사용하여 상기 방전부를 제어하는 균등화 제어부
    를 포함하는 상태 관리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 축전 소자는 제1 축전 소자와 제2 축전 소자를 포함하고,
    상기 균등화 제어부는, 상기 제1 축전 소자의 시간 변화율이 기준값에 도달하고 나서, 상기 제2 축전 소자의 시간 변화율이 기준값에 도달할 때까지의 제1 시간차를 취득하는 동시에 기준 시간을 가지고, 상기 복수의 축전 소자가 충전 중이고, 상기 제1 시간차가 상기 기준 시간 이상인 경우, 상기 제1 시간차를 사용하여 상기 제1 축전 소자를 방전시키고, 상기 제1 시간차가 상기 기준 시간 미만인 경우, 상기 제1 축전 소자 및 상기 제2 축전 소자를 방전시키지 않는, 상태 관리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 축전 소자의 열화를 판단하는 열화 판단부를 더 포함하고,
    상기 열화 판단부는, 상기 복수의 축전 소자가 충전 중이고, 상기 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하기 전에 상기 복수의 축전 소자의 충전이 완료하여 상기 제2 축전 소자의 충전이 종료한 경우, 상기 제2 축전 소자가 열화되어 있다고 판단하는, 상태 관리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 축전 소자의 열화를 판단하는 열화 판단부를 더 구비하고,
    상기 열화 판단부는, 상기 복수의 축전 소자가 충전 중이고, 상기 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하기 전에 상기 제1 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달한 후의 경과 시간이 규정 시간에 도달한 경우, 상기 제2 축전 소자가 열화되어 있다고 판단하는, 상태 관리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 축전 소자는 제1 축전 소자와 제2 축전 소자를 포함하고,
    상기 균등화 제어부는, 상기 제1 축전 소자의 시간 변화율이 기준값에 도달하고 나서, 상기 제2 축전 소자의 시간 변화율이 기준값에 도달할 때까지의 제1 시간차를 취득하는 동시에 기준 시간을 가지고, 상기 복수의 축전 소자가 방전 중이고, 상기 제1 시간차가 상기 기준 시간 이상인 경우, 상기 제1 시간차를 사용하여 상기 제2 축전 소자를 방전시키고, 상기 제1 시간차가 상기 기준 시간 미만인 경우, 상기 제1 축전 소자 및 상기 제2 축전 소자를 방전시키지 않는, 상태 관리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 축전 소자의 열화를 판단하는 열화 판단부를 더 포함하고,
    상기 열화 판단부는, 상기 복수의 축전 소자가 방전 중이고, 상기 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하기 전에 상기 복수의 축전 소자의 방전이 완료하여 상기 제2 축전 소자의 방전이 종료한 경우, 상기 제1 축전 소자가 열화되어 있다고 판단하는, 상태 관리 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 축전 소자의 열화를 판단하는 열화 판단부를 더 포함하고,
    상기 열화 판단부는, 상기 복수의 축전 소자가 방전 중이고, 상기 제2 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하기 전에 상기 제1 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달한 후의 경과 시간이 규정 시간에 도달한 경우, 상기 제1 축전 소자가 열화되어 있다고 판단하는, 상태 관리 장치.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 균등화 제어부는 상기 제1 시간차를 사용하여 상기 제1 축전 소자 또는 제2 축전 소자를 방전시키는 방전 시간을 설정하는, 상태 관리 장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시간 계측부는, 상기 축전 소자의 전압이 기준 전압에 도달하여 있고, 또한 상기 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달한 경우에, 상기 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하였다고 판단하는, 상태 관리 장치.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전 소자는 정전류 충전 또는 정전류 방전되는, 상태 관리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 축전 소자의 충방전 레이트는 1C 이하로 설정되어 있는, 상태 관리 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 축전 소자의 충방전 레이트는 0.9C 미만으로 설정되어 있는, 상태 관리 장치.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전 소자의 음극은 그래파이트계 재료로 형성되는, 상태 관리 장치.
  14. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축전 소자는 올리빈 철계 리튬 이온 2차 전지인, 상태 관리 장치.
  15. 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 관리하는 상태 관리 장치로서,
    각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정부;
    상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전부;
    상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하는 순위에 대응되어 방전 시간이 기억된 기억부; 및
    상기 방전부를 제어하는 균등화 제어부
    를 포함하고,
    상기 균등화 제어부는, 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 상기 기준값에 도달하는 순위에 대응되어 기억된 상기 방전 시간에 걸쳐 상기 축전 소자를 방전시키는, 상태 관리 장치.
  16. 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 관리하는 상태 관리 장치로서,
    각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정부;
    상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전부; 및
    상기 방전부를 제어하는 균등화 제어부
    를 포함하고,
    상기 균등화 제어부는, 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하면, 상기 축전 소자의 방전을 개시시키는, 상태 관리 장치.
  17. 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 균등화하는 축전 소자의 균등화 방법으로서,
    충방전 중의 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정 단계;
    어느 하나의 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하고 나서, 다른 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달할 때까지의 시간차를 계측하는 시간 계측 단계; 및
    상기 시간차를 사용하여 상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전 단계
    를 포함하는 축전 소자의 균등화 방법.
  18. 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 균등화하는 축전 소자의 균등화 방법으로서,
    충방전 중의 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정 단계와;
    상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전 단계
    를 포함하고,
    상기 방전 단계에서는, 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하는 순위에 대응되어 미리 설정된 방전 시간에 걸쳐 상기 축전 소자를 방전시키는, 축전 소자의 균등화 방법.
  19. 직렬로 접속된 복수의 축전 소자의 상태를 균등화하는 축전 소자의 균등화 방법으로서,
    충방전 중의 각 축전 소자의 전압을 개별적으로 측정하는 전압 측정 단계와;
    상기 각 축전 소자를 개별적으로 방전하는 방전 단계
    를 포함하고,
    상기 방전 단계에서는, 상기 각 축전 소자의 전압의 시간 변화율이 기준값에 도달하면, 상기 축전 소자의 방전을 개시시키는, 축전 소자의 균등화 방법.
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