KR101992561B1

KR101992561B1 - 전지 상태 추정 장치

Info

Publication number: KR101992561B1
Application number: KR1020180013598A
Authority: KR
Inventors: 야스마사 오구마; 데츠야 오사카; 신고 츠다; 가즈아키 우츠미; 도키히코 요코시마; 다이키치 무코야마
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2018-02-02
Publication date: 2019-06-24
Also published as: CN108414942A; JP6614176B2; JP2018128383A; US10507734B2; KR20180092844A; US20180222344A1; CN108414942B

Abstract

(과제) 임피던스를 사용하여 전지의 충전량을 정확하게 추정한다.
(해결 수단) 전지 상태 추정 장치 (100) 는, 전지 (10) 의 복소 임피던스를 취득하는 취득 수단 (110) 과, 복소 임피던스에 관한 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출하는 산출 수단 (120) 과, 전지에 흐르는 전류의 적산값인 적산 전류값에 대한, 소정의 특징량의 변화량의 비율에 기초하여, 전지의 충전량을 추정하는 추정 수단 (140) 을 구비한다.

Description

전지 상태 추정 장치{BATTERY STATE ESTIMATING APPARATUS}

본 발명은 차량 등에 탑재되는 전지의 상태를 추정하는 전지 상태 추정 장치의 기술 분야에 관한 것이다.

이러한 종류의 장치로서, 전지의 임피던스를 해석함으로써, 전지의 충전량이나 열화 상태 등을 추정하는 것이 알려져 있다. 예를 들어 특허문헌 1 에서는, 주파수가 상이한 2 개 이상의 복소 임피던스를 연결한 직선의 기울기 각도로부터, 전지의 충전량을 검출한다는 기술이 제안되어 있다.

또, 전지의 임피던스를 산출하는 방법으로서, 예를 들어 특허문헌 2 에서는, 입력된 구형파 신호에 대한 응답 신호를 푸리에 변환하고, 산출된 주파수 특성에 기초하여 전기 화학 셀의 임피던스 특성을 산출한다는 기술이 개시되어 있다.

국제 공개 2013/114669호 일본 공개특허공보 2014-126532호

전지의 임피던스는, 전지의 열화 상태에 따라 변동된다. 이 때문에, 전지가 초기품인 경우와, 전지품이 열화품 (예를 들어, 장기간의 사용에 의해 충전량이 감소한 것) 인 경우에는, 전지의 임피던스의 기울기가 서로 동일한 값이어도, 전지의 충전량 (예를 들어, SOC : State Of Charge) 에는 차이가 발생한다.

이 경우, 전지의 임피던스의 기울기로부터, 정확하게 전지의 충전량을 추정하기 위해서는, 전지의 열화 상태 (예를 들어, SOH : State Of Health) 도 추정해 둘 것이 요구된다. 구체적으로는, 전지의 열화 상태에 따라, 임피던스의 기울기와 충전량의 관계를 갱신할 것이 요구된다. 이 결과, 전지의 충전량을 추정하는 처리가, 고도 복잡화된다는 기술적 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 전지의 열화 상태에 관계없이 전지의 임피던스로부터 전지의 충전량을 정확하게 추정할 수 있는 전지 상태 추정 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

＜1＞

본 발명의 전지 상태 추정 장치는, 전지의 복소 임피던스를 취득하는 취득 수단과, 상기 복소 임피던스로부터 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출하는 산출 수단과, 상기 전지에 흐르는 전류의 적산값인 적산 전류값에 대한, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율에 기초하여, 상기 전지의 충전량을 추정하는 추정 수단을 구비한다.

본 발명의 전지 상태 추정 장치에 의하면, 전지의 적산 전류값에 대한 소정의 특징량의 변화량의 비율에 기초하여, 전지의 충전량 (예를 들어, SOC) 이 추정된다. 소정의 특징량은, 전지의 복소 임피던스로부터 산출 가능한 파라미터이다.

본원 발명자가 연구한 바에 의하면, 전지의 적산 전류값에 대한 소정의 특징량의 변화량의 비율과, 전지의 충전량의 관계는, 전지의 열화 상태에 관계없이 대체로 일정한 것이 판명되어 있다. 따라서, 전지의 적산 전류값에 대한 소정의 특징량의 변화량의 비율을 이용하면, 전지의 열화 상태에 관계없이 충전량을 정확하게 추정할 수 있다.

＜2＞

본 발명의 전지 상태 추정 장치의 일 양태에서는, 상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 실수 성분을 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출한다.

이 양태에 의하면, 전지의 적산 전류값에 대한 복소 임피던스의 실수 성분의 변화의 비율에 기초하여, 전지의 충전량을 정확하게 추정할 수 있다.

＜3＞

본 발명의 전지 상태 추정 장치의 다른 양태에서는, 상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 허수 성분을 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출한다.

이 양태에 의하면, 전지의 적산 전류값에 대한 복소 임피던스의 허수 성분의 변화의 비율에 기초하여, 전지의 충전량을 정확하게 추정할 수 있다.

＜4＞

본 발명의 전지 상태 추정 장치의 다른 양태에서는, 상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 절대값을 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출한다.

이 양태에 의하면, 전지의 적산 전류값에 대한 복소 임피던스의 절대값의 변화의 비율에 기초하여, 전지의 충전량을 정확하게 추정할 수 있다.

＜5＞

본 발명의 전지 상태 추정 장치의 다른 양태에서는, 상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 실수 성분 및 허수 성분을 축으로 하는 복소 평면 상의 원점과, 상기 복소 임피던스의 제 1 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선의 기울기를 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출한다.

이 양태에 의하면, 전지의 적산 전류값에 대한 복소 평면 상의 원점과 복소 임피던스의 제 1 소정 주파수에 있어서의 값을 연결한 직선 (혹은 근사 직선) 의 기울기의 변화의 비율에 기초하여, 전지의 충전량을 정확하게 추정할 수 있다.

＜6＞

본 발명의 전지 상태 추정 장치의 다른 양태에서는, 상기 취득 수단은, 상이한 복수의 온도에서 전지의 복소 임피던스를 취득하고, 상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 실수 성분 및 허수 성분을 축으로 하는 복소 평면 상에서, 상기 취득된 복수의 상기 복소 임피던스의 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선의 기울기를 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출한다.

이 양태에 의하면, 복소 임피던스가 상이한 복수의 온도에서 복수 회 취득되고, 복수의 복소 임피던스의 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선 (혹은 근사 직선) 의 기울기가 소정의 특징량으로서 산출된다.

본원 발명자가 연구한 바에 의하면, 복소 임피던스는 본래 온도 의존성을 갖는 것이지만, 상기 서술한 바와 같이 하여 산출된 소정의 특징량은, 온도 의존성을 갖지 않는 것이 판명되어 있다. 이 때문에 본 양태에서는, 전지의 열화 상태에 의한 영향뿐만 아니라, 복소 임피던스의 온도 의존성에 의한 영향을 배제하여, 보다 정확한 전지의 충전량을 추정할 수 있다.

＜7＞

상기 서술한 복수의 상기 복소 임피던스의 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선의 기울기를, 소정의 특징량으로서 산출하는 양태에서는, 상기 취득된 복수의 상기 복소 임피던스의 제 3 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선과, 상기 실수 성분의 축의 교점을 기준점으로서 결정하는 결정 수단과, 상기 산출 수단으로 산출된 상기 소정의 특징량을, 상기 기준점과 상기 복소 임피던스의 상기 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 연결한 직선의 기울기로 보정하는 보정 수단을 추가로 구비해도 된다.

이 경우, 복소 임피던스의 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선 (혹은 근사 직선) 과 실수 성분의 축의 교점이 기준점으로서 결정되고, 기준점을 통과하는 직선 (혹은 근사 직선) 에 기초하여, 소정의 특징량이 보정된다. 구체적으로는, 기준점과 복소 임피던스의 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 연결한 직선 (혹은 근사 직선) 의 기울기가 보정 후의 소정의 특징량이 된다.

본원 발명자가 연구한 바에 의하면, 이와 같이 소정의 특징량을 보정함으로써, 복소 임피던스가 갖는 온도 의존성에 의한 영향을, 보다 효과적으로 배제할 수 있는 것이 판명되어 있다. 따라서, 보정 후의 소정의 특징량을 이용하면, 보다 정확한 전지의 충전량을 추정할 수 있다.

＜8＞

상기 서술한 소정의 특징량을 보정하는 양태에서는, 상기 결정 수단은, 상기 제 3 소정 주파수를 변화시켜 상기 교점을 복수 산출하고, 산출된 복수의 상기 교점의 분포가 수속되는 수속값에 대응하는 점을 상기 기준점으로서 결정해도 된다.

이 경우, 제 3 소정 주파수를 변화시킴으로써, 복소 임피던스의 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선과 실수 성분의 축의 교점이 복수 산출된다. 그리고, 복수의 교점이 수속되는 수속값에 대응하는 점이 기준점으로서 결정된다. 또한「교점의 분포가 수속된다」란, 복수의 교점이, 특정한 주파수 범위에 있어서 실수축 상의 하나의 점에 가까워지거나 혹은 모이거나, 또는 실수축 상의 매우 좁은 범위 내에 위치하는 것을 의미한다. 예를 들어, 이와 같이 수속되는 복수의 교점의 위치를 평균한 값이, 기준점으로서 결정되어도 된다.

상기 서술한 바와 같이 복수의 교점의 분포가 수속되는 수속값을 기준점으로 하면, 예를 들어 복소 임피던스 취득시의 노이즈 등의 영향을 배제할 수 있고, 소정의 특징량을 보다 적절한 값으로 보정할 수 있다.

본 발명의 작용 및 다른 이득은 이어서 설명하는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 명백해진다.

도 1 은 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2 는 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치의 동작의 흐름을 나타내는 플로 차트이다.
도 3 은 복소 평면 상의 원점과, 복소 임피던스의 제 1 소정 주파수의 값을 연결한 직선의 기울기를 나타내는 그래프이다.
도 4 는 복소 임피던스의 실수 성분과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 5 는 복소 임피던스의 허수 성분과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 6 은 복소 임피던스의 절대값과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 7 은 원점 기울기와 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 8 은 복소 임피던스의 실수 성분의 변화량 비율과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 9 는 복소 임피던스의 허수 성분의 변화량 비율과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 10 은 복소 임피던스의 절대값의 변화량 비율과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 11 은 원점 기울기의 변화량 비율과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 12 는 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 13 은 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치의 동작의 흐름을 나타내는 플로 차트이다.
도 14 는 복수 온도에서의 배터리 초기품의 복소 임피던스의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 15 는 복수 온도에서의 배터리 열화품의 복소 임피던스의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 16 은 제 3 실시형태에 관련된 소정의 특징량과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 17 은 제 3 실시형태에 관련된 소정의 특징량의 변화량 비율과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.
도 18 은 소정의 특징량을 나타내는 직선과 X 축의 교점을 나타내는 그래프이다.
도 19 는 소정의 특징량을 나타내는 직선과 X 축의 교점의 분포가, 특정한 주파수대에서 수속되는 것을 나타내는 그래프이다.
도 20 은 보정 전의 소정의 특징량의 주파수 특성을 나타내는 보드선도이다.
도 21 은 보정 후의 소정의 특징량의 주파수 특성을 나타내는 보드선도이다.
도 22 는 보정 전 및 보정 후의 소정의 특징량의 주파수 특성을 SOC 별로 나타내는 보드선도이다.

도면을 참조하면서, 본 발명의 전지 상태 추정 장치의 실시형태에 대하여 설명한다.

＜제 1 실시형태＞

제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 에 대하여 설명한다. 이하에서는, 전지 상태 추정 장치 (100) 가, 차량의 배터리에 관련된 전지 상태를 추정하는 장치로서 구성되어 있는 경우를 예로 들어 설명한다.

(1) 장치 구성

먼저, 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 의 구성에 대하여, 도 1 을 참조하여 설명한다. 도 1 은, 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 는, 차량의 배터리 (10) 에 전기적으로 접속된 전자 유닛으로, 배터리 (10) 의 전지 상태인 SOC 를 추정하는 장치로 구성되어 있다. 또한, 배터리 (10) 는, 「전지」의 일 구체예로, 예를 들어 리튬 이온 전지 등의 충전 가능한 이차 전지로 구성되어 있다.

전지 상태 추정 장치 (100) 는, 그 내부에 실현되는 논리적이거나 또는 물리적인 처리 블록으로서, 임피던스 취득부 (110), 특징량 산출부 (120), 비율 산출부 (130), 전지 상태 추정부 (140) 를 구비하여 구성되어 있다.

임피던스 취득부 (110) 는,「취득 수단」의 일 구체예로, 배터리 (10) 의 복소 임피던스를 취득 가능하게 구성되어 있다. 임피던스 취득부 (110) 는, 예를 들어 배터리 (10) 에 대해 주파수를 변화시키면서 교류 전압을 인가함으로써, 복소 임피던스를 취득한다. 또한, 복소 임피던스의 취득 방법에는 기존의 기술을 적절히 채용할 수 있기 때문에, 여기서의 상세한 설명은 생략한다. 임피던스 취득부 (110) 에서 취득된 배터리 (10) 의 복소 임피던스는, 특징량 산출부 (120) 로 출력되는 구성으로 되어 있다.

특징량 산출부 (120) 는,「산출 수단」의 일 구체예로, 배터리 (10) 의 복소 임피던스로부터 소정의 특징량을 산출 가능하게 구성되어 있다. 특징량 산출부 (120) 에서 산출된 소정의 특징량은, 비율 산출부 (130) 로 출력되는 구성으로 되어 있다.

비율 산출부 (130) 는, 배터리 (10) 의 적산 전류값에 대한, 소정의 특징량의 변화량의 비율 (이하, 적절히「변화량 비율」이라고 칭한다) 을 산출 가능하게 구성되어 있다. 비율 산출부 (130) 에서 산출된 변화량 비율은, 전지 상태 추정부 (140) 로 출력되는 구성으로 되어 있다.

전지 상태 추정부 (140) 는,「추정 수단」의 일 구체예로, 비율 산출부 (130) 에서 산출된 변화량 비율로부터, SOC 를 추정 가능하게 구성되어 있다. 또한, 전지 상태 추정부 (140) 는, SOC 의 구체적인 수치를 추정하는 것이어도 되고, SOC 가 소정의 기준 (예를 들어, 만충전에 가까운 상태) 에 도달했는지의 여부를 판정하는 것이어도 된다. 또, 추정되는 SOC 는, 100 ％ 를 초과하는 과충전 상태를 나타내는 것이어도 되고, 0 ％ 를 밑도는 과방전 상태를 나타내는 것이어도 된다. 전지 상태 추정부 (140) 는, 추정한 배터리 (10) 의 SOC 에 관한 정보를 출력 가능하게 구성되어 있다.

(2) 동작 설명

다음으로, 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 의 동작에 대하여, 도 2 를 참조하여 간단히 설명한다. 도 2 는, 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 의 동작의 흐름을 나타내는 플로 차트이다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 의 동작시에는, 먼저 임피던스 취득부 (110) 가, 배터리 (10) 의 복소 임피던스를 취득한다 (스텝 S101). 또한, 복소 임피던스는, 상이한 복수의 타이밍 (즉, 배터리 (10) 의 적산 전류값이 상이한 복수의 타이밍) 에 취득된다.

복소 임피던스가 취득되면, 특징량 산출부 (120) 는, 취득된 복소 임피던스로부터, 소정의 특징량을 산출한다 (스텝 S102). 구체적으로는, 소정의 특징량은, 복소 임피던스의 실수 성분, 허수 성분, 절대값, 또는 원점과 복소 임피던스의 제 1 소정 주파수의 값을 연결한 직선 (근사 직선이어도 된다) 의 기울기로서 산출된다.

여기서, 원점과 복소 임피던스의 제 1 소정 주파수의 값을 연결한 직선의 기울기 (이하, 적절히「원점 기울기」라고 칭한다) 에 대하여, 도 3 을 참조하여 설명한다. 도 3 은, 복소 평면 상의 원점과, 복소 임피던스의 제 1 소정 주파수의 값을 연결하는 직선의 기울기를 나타내는 그래프이다.

도 3 에 나타내는 바와 같이, 원점 기울기는, 복소 임피던스를 복소 평면 상에 플롯한 경우에, 원점 (즉, 실수 성분 및 허수 성분 모두 제로가 되는 점) 과, 복소 임피던스의 제 1 소정 주파수의 값을 연결한 직선 (즉, 도면 중의 파선으로 나타낸 직선) 의 기울기로서 산출된다.

제 1 소정 주파수는, 원점 기울기를 산출하기 위해 미리 설정되는 값으로, 복소 임피던스를 취득하기 위해 배터리 (10) 에 인가되는 교류 전압의 주파수의 범위 내에서 적절히 선택된다.

도 2 로 돌아와, 소정의 특징량이 산출되면, 비율 산출부 (130) 는, 배터리 (10) 의 적산 전류값에 대한, 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출한다 (스텝 S103). 구체적으로는, 변화량 비율은, 배터리 (10) 의 적산 전류값이 소정값 증가한 경우에, 소정의 특징량이 얼마나 변화했는지를 나타내는 값으로서 산출된다.

변화량 비율이 산출되면, 전지 상태 추정부 (140) 는, 변화량 비율에 따른 SOC 를 산출한다 (스텝 S104). 전지 상태 추정부 (140) 는, 예를 들어 변화량 비율과, SOC 의 관계를 나타내는 맵 등을 미리 기억하고 있고, 그것을 판독 출력하여 SOC 를 산출한다.

마지막으로, 전지 상태 추정부 (140) 는, 산출한 SOC 에 관한 정보를 외부로 출력한다 (스텝 S105). 출력된 SOC 의 값은, 예를 들어 차량의 탑승자가 시인 가능한 디스플레이에 표시되거나, 차량의 주행 제어에 이용되거나 한다.

또한, 배터리 (10) 의 SOC 를 추정하는 일련의 처리는 이상으로 종료되지만, 예를 들어 소정 기간 경과 후에, 다시 스텝 S101 로부터 처리가 개시되어도 된다.

(3) SOC 와 소정의 특징량의 관계

다음으로, 배터리 (10) 의 SOC 와, 소정의 특징량의 관계에 대하여, 도 4 내지 도 11 을 참조하여 상세히 설명한다. 도 4 내지 도 7 은 각각 복소 임피던스의 실수 성분, 허수 성분, 절대값, 및 원점 기울기의 각각과, 배터리의 SOC 의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 8 내지 도 11 은 각각 복소 임피던스의 실수 성분, 허수 성분, 절대값, 및 원점 기울기의 각각의 변화량 비율과, 배터리의 SOC 의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4 내지 도 7 에 나타내는 바와 같이, 소정의 특징량인 복소 임피던스의 실수 성분, 허수 성분, 절대값, 및 원점 기울기와, 배터리 (10) 의 SOC 의 관계는, 배터리 (10) 가 초기품 (즉, 거의 열화되어 있지 않은 것) 이거나, 그렇지 않으면 열화품 (즉, 장기 사용 등에 의해 열화되어 버린 것) 인지에 따라 크게 상이한 것이 된다. 이 때문에, 배터리의 열화 상태 (예를 들어, SOH) 가 판명되어 있지 않으면, 소정의 특징량으로부터 배터리 (10) 의 SOC 를 추정하는 것은 어렵다.

한편, 도 8 내지 도 11 에 나타내는 바와 같이, 소정의 특징량인 복소 임피던스의 실수 성분, 허수 성분, 절대값, 및 원점 기울기의 각각의 변화량 비율과, 배터리 (10) 의 SOC 의 관계에 대해서는, 배터리 (10) 가 초기품이어도 열화품이어도, 그다지 큰 차이는 없다. 이 때문에, 소정의 특징량의 변화량 비율을 이용하면, 배터리 (10) 의 열화 상태에 관계없이 SOC 를 추정할 수 있다.

특히, 도면에 나타나 있는 바와 같은, 배터리 (10) 의 SOC 가 100 ％ 에 가까운 범위 (예를 들어, 85 ％ ∼ 100 ％ 의 범위) 에서는, 소정의 특징량의 변화량 비율이, 배터리 (10) 의 SOC 에 대해 크게 변동된다. 따라서, 이와 같은 범위에 있어서는, 소정의 특징량의 변화량 비율로부터, 매우 정확하게 배터리 (10) 의 SOC 를 추정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 에 의하면, 배터리 (10) 의 복소 임피던스를 이용하여, 배터리 (10) 의 SOC 를 열화 상태에 관계없이 정확하게 추정할 수 있다.

＜제 2 실시형태＞

다음으로, 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (200) 에 대하여 설명한다. 또한, 제 2 실시형태는, 상기 서술한 제 1 실시형태와 비교하여, 일부의 구성 및 동작이 상이할 뿐으로, 그 밖의 부분에 대해서는 대체로 동일하다. 이 때문에, 이하에서는, 제 1 실시형태와 상이한 부분에 대하여 상세히 설명하고, 중복되는 부분에 대해서는 적절히 설명을 생략하는 것으로 한다.

(1) 장치 구성

먼저, 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (200) 의 구성에 대하여, 도 12 를 참조하여 설명한다. 도 12 는, 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (200) 의 구성을 나타내는 블록도이다. 또한, 도 12 에서는, 도 1 에서 나타낸 구성 요소와 동일한 것에 동일한 참조 부호를 부여하고 있다.

도 12 에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (200) 는, 제 1 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) (도 1 참조) 의 구성 요소에 더하여, 만충전 판정부 (150) 와, 충전 제어부 (160) 를 구비하여 구성되어 있다. 또 제 2 실시형태에 관련된 배터리 (10) 는, 도시하지 않은 충전 수단에 의한 충전 제어에 의해 충전을 실시하는 것이 가능하게 구성되어 있다. 충전 수단의 일례로는, 예를 들어 회생 기능을 가진 모터 제너레이터 등을 들 수 있다.

만충전 판정부 (150) 는, 전지 상태 추정부 (140) 에서 추정된 배터리 (10) 의 SOC 에 관한 정보로부터, 배터리 (10) 가 만충전 상태인지의 여부를 판정 가능하게 구성되어 있다. 또한, 여기서의「만충전」이란, 배터리 (10) 의 SOC 가 100 ％ 인 상태뿐만 아니라, 100 ％ 에 매우 가까운 값이나, 배터리 (10) 에 그 이상의 충전을 실시해야 하는 것이 아니라고 판단할 수 있는 상태를 포함한다. 구체적으로는, 만충전 판정부 (150) 는, 배터리 (10) 의 SOC 가, 배터리 (10) 의 열화를 억제하기 위해 형성된 상한값에 도달되어 있는 상태를 「만충전」이라고 판정해도 된다. 만충전 판정부 (150) 의 판정 결과는, 충전 제어부 (160) 에 출력되는 구성으로 되어 있다.

충전 제어부 (160) 는, 충전 수단에 의한 배터리 (10) 의 충전을 제어 가능하게 구성되어 있다. 또, 본 실시형태에 관련된 충전 제어부 (160) 는 특히, 만충전 판정부 (150) 의 판정 결과에 따라, 배터리 (10) 의 충전을 정지시키는 것이 가능하게 구성되어 있다.

(2) 동작 설명

다음으로, 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (200) 의 동작에 대하여, 도 13 을 참조하여 설명한다. 도 13 은, 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (200) 의 동작의 흐름을 나타내는 플로 차트이다. 또한, 도 13 에서는, 도 2 에서 나타낸 처리와 동일한 것에 동일한 참조 부호를 부여하고 있다. 또, 이하의 처리는, 배터리 (10) 에 대한 충전이 실행되고 있는 상태에서 개시되는 것으로 한다.

도 13 에 나타내는 바와 같이, 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (200) 의 동작시에는, 먼저 임피던스 취득부 (110) 가, 배터리 (10) 의 복소 임피던스를 취득하고 (스텝 S101), 특징량 산출부 (120) 가, 취득된 복소 임피던스로부터 소정의 특징량을 산출한다 (스텝 S102). 그리고, 비율 산출부 (130) 가, 변화량 비율을 산출하고 (스텝 S103), 변화량 비율에 기초하여 현재의 배터리 (10) 의 SOC 를 추정한다 (스텝 S104). 즉, 여기까지는 제 1 실시형태와 동일한 처리가 실행된다.

제 2 실시형태에서는 특히, 전지 상태 추정부 (140) 에 의해 배터리 (10) 의 SOC 가 추정되면, 만충전 판정부 (150) 가, 배터리 (10) 가 만충전인지의 여부를 판정한다 (스텝 S201). 또한, 배터리 (10) 가 만충전에 가까워지면, 도 8 내지 도 11 에 나타낸 바와 같이, 소정의 특징량의 변화량 비율은, 비교적 크게 변동하기 시작한다. 따라서, 전지 상태 추정부 (140) 는, 변화량 비율의 변동이 소정의 임계값을 초과하는 상황을, 배터리 (10) 기 만충전이라고 판정해도 된다. 이 경우, 전지 상태 추정부 (140) 에 의한 SOC 의 추정 (즉, SOC 의 구체적인 값을 추정하는 처리) 은 생략되어도 된다.

배터리 (10) 이 만충전이라고 판정되면 (스텝 S201 : 예), 충전 제어부 (160) 는, 배터리 (10) 의 충전 제어를 정지한다 (스텝 S202). 한편, 배터리 (10) 가 만충전이 아니라고 판정되면 (스텝 S201 : 아니오), 충전 제어부 (180) 는, 배터리 (10) 의 충전 제어를 정지하지 않는다 (즉, 배터리 (10) 의 충전 제어는 속행된다).

이상 설명한 바와 같이, 제 2 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (200) 에 의하면, 소정의 특징량을 사용하여 추정된 배터리 (10) 의 SOC 를 사용하여, 배터리 (10) 의 과충전을 바람직하게 억제할 수 있다.

＜제 3 실시형태＞

다음으로, 제 3 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치에 대하여 설명한다. 또한, 제 3 실시형태는, 상기 서술한 제 1 및 제 2 실시형태와 비교하여, 일부의 동작이 상이할 뿐으로, 그 밖의 부분에 대해서는 대체로 동일하다. 이 때문에, 이하에서는, 이미 설명한 제 1 및 제 2 실시형태와 상이한 부분에 대하여 상세하게 설명하고, 중복되는 부분에 대해서는 적절히 설명을 생략하는 것으로 한다.

(1) 소정의 특징량 산출

제 3 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치에 있어서의 복소 임피던스의 취득 및 소정의 특징량의 산출 방법에 대하여, 도 14 및 도 15 를 참조하여 설명한다. 도 14 는, 복수 온도에서의 배터리 초기품의 복소 임피던스의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 15 는, 복수 온도에서의 배터리 열화품의 복소 임피던스의 일례를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 14 및 도 15 의 각각은, 배터리 (10) 의 SOC 가 거의 동일한 상태에서 취득된 복소 임피던스를 나타내고 있다.

도 14 및 도 15 에 나타내는 바와 같이, 제 3 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치 (100) 의 동작시에는, 임피던스 취득부 (110) 가, 배터리 (10) 의 복소 임피던스를, 배터리 (10) 의 내부 온도가 상이한 복수의 온도 조건하에서 취득한다. 즉, 임피던스 취득부 (110) 는, 상이한 온도에 대응하는 복수의 복소 임피던스를 취득한다. 또한, 도 14 및 도 15 에서는, 설명의 편의상, 배터리 (10) 의 온도가, 30 ℃, 25 ℃, 20 ℃ 라고 정확하게 알고 있는 상태이지만, 반드시 배터리 (10) 의 정확한 온도가 판명되어 있을 것은 요구되지 않는다 (즉, 상이한 온도에서 취득된 것이면, 구체적인 온도의 값은 불명확해도 된다).

상이한 복수의 온도에서 복소 임피던스가 취득되면, 특징량 산출부 (120) 는, 취득된 복수의 복소 임피던스로부터, 복소 임피던스의 기울기를 산출한다. 배터리 (10) 의 온도가 30 ℃, 25 ℃, 20 ℃ 의 상태에서 취득된 복소 임피던스를 복소 평면 상에 각각 플롯하면, 온도가 낮아질 때마다 우측으로 슬라이드되는 다른곡선으로서 그려진다. 특징량 산출부 (120) 는, 이것들의 복소 임피던스의 제 2 소정 주파수에 대응하는 값을 연결하는 직선 (구체적으로는, 당해 값으로부터 도출되는 근사 직선) 의 기울기를, 복소 임피던스의 기울기로서 산출한다. 또한,「제 2 소정 주파수」는, 복소 임피던스의 기울기를 산출하기 위해 미리 설정되는 값으로, 복소 임피던스를 취득하기 위해 배터리 (10) 에 인가되는 교류 전압의 주파수의 범위 내에서 적절히 선택된다.

도 14 (즉, 배터리 초기품에 관한 데이터) 와, 도 15 (즉, 배터리 열화품에 관한 데이터) 를 비교해도 알 수 있는 바와 같이, 상기 서술한 바와 같이 산출되는 소정의 특징량 (즉, 도면 중의 직선의 기울기) 도, 배터리 (10) 의 열화 상태에 따따라 크게 상이한 것이 된다. 구체적으로는, 배터리의 SOC 가 거의 동일한 상태라도, 소정의 특징량인 직선의 기울기는, 배터리 (10) 의 열화 상태에 따라 크게 변화하고 있다. 그러나, 본원 발명자가 연구한 바에 의하면, 이와 같은 소정의 특징량에 대해서도, 이미 설명한 제 1 실시형태에 관련된 소정의 특징량과 동일한 경향을 나타내는 것이 판명되어 있다.

(2) SOC 와 소정의 특징량의 관계

이하에서는, 도 16 및 도 17 을 참조하여, 배터리 (10) 의 SOC 와 소정의 특징량의 관계에 대하여 설명한다. 도 16 은, 제 3 실시형태에 관련된 소정의 특징량과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다. 도 17 은, 제 3 실시형태에 관련된 소정의 특징량의 변화량 비율과 배터리 SOC 의 관계를 나타내는 맵이다.

도 16 에 나타내는 바와 같이, 소정의 특징량인 직선의 기울기와, 배터리 (10) 의 SOC 의 관계는, 배터리 (10) 가 초기품 (즉, 거의 열화되어 있지 않은 것) 인지, 그렇지 않으면 열화품 (즉, 장기 사용 등에 의해 열화되어 버린 것) 인지에 따라 크게 상이한 것이 된다. 이 때문에, 배터리의 열화 상태 (예를 들어, SOH) 가 판명되어 있지 않으면, 소정의 특징량으로부터 배터리 (10) 의 SOC 를 추정하는 것은 어렵다.

한편, 도 17 에 나타내는 바와 같이, 소정의 특징량인 직선의 기울기의 변화량 비율과, 배터리 (10) 의 SOC 의 관계에 대해서는, 배터리 (10) 가 초기품이어도 열화품이어도, 그다지 큰 차이는 없다. 이 때문에, 소정의 특징량의 변화량 비율을 이용하면, 배터리 (10) 의 열화 상태에 관계없이 SOC 를 추정할 수 있다.

또, 배터리 (10) 의 복소 임피던스의 값은, 기본적으로 온도 의존성을 갖는 값이지만, 제 3 실시형태에서는, 도 14 및 도 15 에서 설명한 바와 같이, 상이한 온도에서 취득된 복수의 복소 임피던스를 사용하여 소정의 특징량이 산출되어 있기 때문에, 소정의 특징량과 SOC 의 관계가, 거의 온도 의존성을 갖지 않는 것으로 되어 있다. 즉, 배터리 (10) 의 온도가 변화하였다고 해도, 도 16 및 도 17 에 나타내는 관계에 변화는 거의 발생하지 않는다. 따라서, 예를 들어 액계 전지인 배터리 (10) 의 내부 온도에 부위마다의 편차가 발생하여, 적절한 온도의 검출이 곤란한 상황이어도, 배터리 (10) 의 SOC 를 정확하게 추정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 제 3 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치에 의하면, 복수의 복소 임피던스로부터 산출되는 소정의 특징량을 이용함으로써, 온도 의존성의 영향을 보다 확실하게 배제하고, 배터리 (10) 의 SOC 를 정확하게 추정할 수 있다.

＜제 4 실시형태＞

다음으로, 제 4 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치에 대하여 설명한다. 또한, 제 4 실시형태는, 상기 서술한 제 3 실시형태와 비교하여, 일부의 동작이 상이할 뿐으로, 그 밖의 부분에 대해서는 대체로 동일하다. 이 때문에, 이하에서는, 이미 설명한 제 3 실시형태와 상이한 부분에 대하여 상세히 설명하고, 중복되는 부분에 대해서는 적절히 설명을 생략하는 것으로 한다.

(1) 소정의 특징량의 보정

제 4 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치에서 실시되는 소정의 특징량의 보정에 대하여, 도 18 및 도 19 를 참조하여 설명한다. 도 18 은, 소정의 특징량을 나타내는 직선과 X 축의 교점을 나타내는 그래프이다. 도 19 는, 소정의 특징량을 나타내는 직선과 X 축의 교점의 분포가, 특정의 주파수대에서 수속되는 것을 나타내는 그래프이다.

도 18 에 나타내는 바와 같이, 제 4 실시형태에 관련된 소정의 특징량을 산출할 때에는, 상이한 온도에서 취득된 복수의 복소 임피던스에 대하여, 제 3 소정 주파수에 대응하는 값을 서로 연결하는 직선 (구체적으로는, 근사 직선) 이 산출되고, 그 직선과 복소 평면의 X 축의 교점이 산출된다. 또한,「제 3 소정 주파수」는, 보정 기준점을 결정하기 위해 미리 설정되는 값으로, 복소 임피던스를 취득하기 위해 배터리 (10) 에 인가되는 교류 전압의 주파수의 범위 내에서 적절히 선택된다. 제 3 소정 주파수는 복수의 직선을 산출하기 위해 복수 설정된다. 제 3 소정 주파수는, 제 2 소정 주파수를 포함하고 있어도 된다.

도 18 에 나타내는 예에서는, 제 3 소정 주파수가, 0.01 ㎐, 0.1 ㎐, 1 ㎐ 의 3 개로 설정되고, 3 개의 직선 및 그들 직선과 X 축의 교점인 3 개의 교점이 산출되어 있다. 여기서, 본원 발명자가 연구한 바에 의하면, 이들 복수의 직선과 X 축의 교점은, 특정의 주파수 범위에 있어서 1 개의 점에 수속되는 것이 판명되어 있다.

도 19 에 나타내는 바와 같이, 제 3 소정 주파수가 0.01 ㎐ 내지 0.1 ㎐ 의 범위 내에서는, 복수의 교점이 매우 좁은 범위에 수속되어 있다. 이와 같이 복수의 교점이 수속되는 수속값에 대응하는 점이, 보정 기준점으로서 결정된다. 예를 들어, 수속되는 복수의 교점 (즉, 도면 중의 파선으로 둘러싼 교점) 의 위치를 평균한 값을, 보정 기준점의 위치로서 결정할 수 있다. 보정 기준점은, 「기준점」의 일 구체예이다.

보정 기준점이 결정되면, 보정 기준점에 기초하여 특징량 산출부 (120) 에서 산출된 소정의 특징량이 보정된다. 보다 구체적으로는, 보정 기준점과, 복수의 복소 임피던스 중 어느 제 2 소정 주파수에 대응하는 값을 연결하는 직선 (구체적으로는, 근사 직선) 의 기울기가, 소정의 특징량이 된다. 요컨대, 소정의 특징량은, 보정 기준점을 통과하는 직선의 기울기로서 보정된다.

또한, 상기 서술한 예에서는, 제 3 소정 주파수를 복수 설정하고, 복수의 교점이 수속되는 점을 보정 기준점으로서 결정하였지만, 제 3 소정 주파수를 1 개만 설정하고, 산출된 1 개의 교점을 보정 기준으로서 결정하도록 해도 된다.

(2) 보정의 기술적 효과

다음으로, 보정 기준점을 이용한 보정에 의해 얻어지는 기술적 효과에 대하여, 도 20 내지 도 22 를 참조하여 상세하게 설명한다. 도 20 은, 보정 전의 소정의 특징량의 주파수 특성을 나타내는 보드선도이다. 도 21 은, 보정 후의 소정의 특징량의 주파수 특성을 나타내는 보드선도이다. 도 22 는, 보정 전 및 보정 후의 소정의 특징량의 주파수 특성을 SOC 별로 나타내는 보드선도이다.

도 20 에 나타내는 바와 같이, 보정 전의 소정의 특징량의 주파수 특성은, 0 ℃ 인 경우를 기준으로 하면, 5 ℃ 인 경우, 및 -5 ℃ 인 경우 중 어느 경우에도, 어느 정도의 각도차 (기울기의 차) 가 발생한 것이 된다. 이것은 제 2 소정 주파수의 값을 연결하는 직선으로부터 복소 임피던스의 기울기를 산출한 것만으로는, 온도 의존성의 영향이 완전히 배제되지 않은 것을 나타내고 있다.

한편, 도 21 에 나타내는 바와 같이, 보정 후의 소정의 특징량의 주파수 특성은, 0.01 ㎐ 내지 0.1 ㎐ 의 범위 (도면 중의 파선으로 둘러싼 범위) 에서, 0 ℃ 를 기준으로 한 경우의 각도차가 소실되어 있다. 이것은 보정 기준점을 통과하는 직선에서 소정의 특징량을 보정한 것으로, 0.01 ㎐ 내지 0.1 ㎐ 의 범위에 있어서의 온도 의존성의 영향을 거의 완전히 배제할 수 있었던 것을 나타내고 있다.

도 22 에 나타내는 바와 같이, SOC 를 100 ％, 95 ％, 90 ％ 로 변화시킨 경우에도, 보정 전에 소정의 특징량 (직선의 각도 θ) 에 발생한 온도의 차이에 의한 편차가, 보정 후에는 소실되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 보정 기준점을 이용하여 소정의 특징량을 보정하면, 온도 의존성의 영향을 보다 바람직하게 배제할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 제 4 실시형태에 관련된 전지 상태 추정 장치에 의하면, 보정 기준점을 이용하여 소정의 특징량을 보정함으로써, 온도 의존성의 영향을 보다 확실하게 배제할 수 있다. 따라서, 배터리 (10) 의 온도를 고려하지 않고도, 배터리 (10) 의 SOC 를 정확하게 추정할 수 있다.

본 발명은 청구범위 및 명세서 전체로부터 이해할 수 있는 발명의 요지 또는 사상에 반하지 않는 범위에서 적절히 변경할 수 있고, 그와 같은 변경을 수반하는 전지 상태 추정 장치도 또한 본 발명의 기술 사상에 포함된다.

10 : 배터리
100, 200 : 전지 상태 추정 장치
110 : 임피던스 취득부
120 : 특징량 산출부
130 : 비율 산출부
140 : 전지 상태 추정부
150 : 만충전 판정부
160 : 충전 제어부

Claims

전지의 복소 임피던스를 취득하는 취득 수단과,
상기 복소 임피던스로부터 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출하는 산출 수단과,
상기 전지에 흐르는 전류의 적산값인 적산 전류값에 대한, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율에 기초하여, 상기 전지의 충전량을 추정하는 추정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 상태 추정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 실수 성분을 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 전지 상태 추정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 허수 성분을 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 전지 상태 추정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 절대값을 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 전지 상태 추정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 실수 성분 및 허수 성분을 축으로 하는 복소 평면 상의 원점과, 상기 복소 임피던스의 제 1 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선의 기울기를 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 전지 상태 추정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 취득 수단은, 상이한 복수의 온도에서 전지의 복소 임피던스를 취득하고,
상기 산출 수단은, 상기 복소 임피던스의 실수 성분 및 허수 성분을 축으로 하는 복소 평면 상에서, 상기 취득된 복수의 상기 복소 임피던스의 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선의 기울기를 상기 소정의 특징량으로 하여, 상기 소정의 특징량의 변화량의 비율을 산출하는 것을 특징으로 하는 전지 상태 추정 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 취득된 복수의 상기 복소 임피던스의 제 3 소정 주파수에 있어서의 값을 서로 연결한 직선과, 상기 실수 성분의 축의 교점을 기준점으로서 결정하는 결정 수단과,
상기 산출 수단으로 산출된 상기 소정의 특징량을, 상기 기준점과 상기 복소 임피던스의 상기 제 2 소정 주파수에 있어서의 값을 연결한 직선의 기울기로 보정하는 보정 수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 전지 상태 추정 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 결정 수단은, 상기 제 3 소정 주파수를 변화시켜 상기 교점을 복수 산출하고, 산출된 복수의 상기 교점의 분포가 수속되는 수속값에 대응하는 점을 상기 기준점으로서 결정하는 것을 특징으로 하는 전지 상태 추정 장치.