KR101996974B1

KR101996974B1 - 개로 전압 추정 장치, 상태 추정 장치 및 개로 전압 추정 방법

Info

Publication number: KR101996974B1
Application number: KR1020130044011A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 세지마
Original assignee: 가부시키가이샤 지에스 유아사
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2019-07-05
Also published as: EP2664938A2; US20130311118A1; EP2664938B1; JP6066163B2; CN103424708A; CN103424708B; US10901039B2; JP2013238564A; EP2664938A3; KR20130129096A

Abstract

본 발명의 목적은 축전 소자의 개로 전압을 조기에 추정하는 것이다.
본 발명의 전지 관리 장치(BMS)는, 축전 소자의 일례인 각 단전지의 전압값 V를 측정하는 전압 측정 회로와, CPU를 포함한다. CPU는 조전지의 충방전 종료 후에 소정 시간 간격으로 각 단전지의 전압값 V를 측정하고, 조전지의 충방전 종료 타이밍으로부터의 경과 시간 T와 관련지어 기억하는 처리(S8), 극값점 P에서의 경과 시간 Tp를 상용대수로 나타낸 값 Xp에 각 단전지의 활물질마다 정해진 계수를 곱하여 산출 시간 W를 산출하는 처리(S14), 경과 시간 T를 상용대수로 나타낸 경우에 있어서의 극값점 P의 기울기를 사용하여 극값점 P의 근사 직선의 근사식을 산출하는 처리(S16), 및 근사식에 산출 시간 W를 대입한 것을 개로 전압 Y로서 추정하는 처리(S18)를 실행한다.

Description

개로 전압 추정 장치, 상태 추정 장치 및 개로 전압 추정 방법 {OPEN CIRCUIT VOLTAGE ESTIMATION DEVICE, STATE ESTIMATION DEVICE, METHOD OF OPEN CIRCUIT VOLTAGE ESTIMATION}

본 발명은 축전 소자의 개로 전압(開路電壓, open circuit voltage)을 추정하는 기술에 관한 것이다.

종래부터, 2차 전지 등 반복 사용 가능한 축전 소자가 사용되고 있다. 축전 소자는 전기 자동차 등, 현재 그 사용 분야를 넓히고 있다.

종래부터, 축전 소자의 내부 상태를 추정하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 이 기술에서는, 축전 소자의 개로 전압과 내부 상태의 상관관계를 이용하여 축전 소자의 내부 상태를 추정한다. 즉, 축전 소자의 개로 전압을 측정하고, 그 측정된 축전 소자의 개로 전압과 미리 구해져 있는 축전 소자의 개로 전압과 내부 상태의 상관관계로부터 축전 소자의 내부 상태를 추정한다.

특허문헌 1: 일본 공개특허공보 제2009―204314호

축전 소자의 개로 전압은 충방전 종료 후에 안정화시킨 축전 소자의 단자 전압이므로, 종래 기술에서는, 축전 소자의 개로 전압을 측정할 때, 축전 소자의 충방전 종료 후, 축전 소자의 단자 전압이 안정될 때까지 기다릴 필요가 있었다. 그러므로, 종래 기술에서는, 축전 소자의 단자 전압이 안정 상태가 될 때까지 축전 소자의 개로 전압을 측정할 수 없어, 축전 소자의 내부 상태를 조기에 추정할 수 없는 문제가 발생하였다.

본 발명의 목적은 축전 소자의 개로 전압을 조기에 추정하는 기술을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 개로 전압 추정 장치는, 축전 소자의 개로 전압을 추정하는 개로 전압 추정 장치로서, 상기 축전 소자의 단자 전압을 측정하는 전압 측정부와; 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 축전 소자의 충방전 종료 후에 상기 단자 전압을 측정하고, 상기 축전 소자의 충방전 종료 타이밍으로부터의 경과 시간과 관련지어 기억하는 전압 측정 처리; 상기 축전 소자의 충방전 종료 후로부터 소정의 경과 시간에서의 상기 단자 전압의 근사 직선의 근사식을 산출하는 직선 산출 처리; 상기 소정의 경과 시간과, 상기 축전 소자의 활물질 및 상기 소정의 경과 시간에 따라 정해진 계수로부터, 산출 시간을 산출하는 시간 산출 처리; 및 상기 근사식에 상기 산출 시간을 대입한 것을 상기 개로 전압으로서 추정하는 전압 추정 처리를 실행하는 구성을 가진다.

일반적으로, 축전 소자에서는, 충방전 종료 후, 단자 전압이 비교적 긴 경과 시간을 거쳐 개로 전압으로 변화할 때까지, 예를 들면, 충전에 의해 단자 전압이 개로 전압보다 상승하고 있는 경우에는, 단자 전압이 감소하는 과정을 거쳐 단자 전압이 개로 전압에 수렴한다. 또한, 방전에 의해 단자 전압이 개로 전압보다 하강하고 있는 경우에는, 단자 전압이 증대하는 과정을 거쳐 단자 전압이 개로 전압에 수렴한다.

발명자는, 충방전 종료 후, 단자 전압이 개로 전압에 수렴할 때까지의 경과 기간에 측정되는 단자 전압으로부터 개로 전압을 추정하는 기술에 대하여 연구를 거듭하였다. 그 결과, 경과 기간 중의 소정의 경과 시간에서의 단자 전압의 근사 직선의 근사식의 기울기가, 그 소정의 경과 시간에서의 단자 전압과 개로 전압의 차이와 비례 관계에 있는 것을 발견하였다. 그리고, 이 상수가 축전 소자의 내부 상태에 따르지 않고, 축전 소자의 활물질 및 그 소정의 경과 시간에 의해 정해지는 것을 발견하였다.

이 개로 전압 추정 장치에서는, 상기 소정의 경과 시간에서의 단자 전압의 근사 직선의 근사식과, 축전 소자의 활물질 및 상기 소정의 경과 시간에 따라 정해진 계수로부터 개로 전압을 추정한다. 그러므로, 경과 기간 중의 소정의 경과 시간에서의 근사식 및 계수를 구할 수 있으면, 경과 기간에 걸쳐 단자 전압을 측정할 필요가 없고, 개로 전압을 조기에 추정할 수 있다.

상기 개로 전압 추정 장치에서는, 상기 직선 산출 처리에서, 상기 경과 시간을 상용대수로 나타낸 값을 사용하여 상기 근사식을 산출하는 구성을 가져도 된다. 이 개로 전압 추정 장치에 의하면, 경과 시간의 상용대수 값을 사용함으로써, 비교적 긴 시간을 걸쳐 완만하게 변화하는 단자 전압의 근사 직선의 근사식을 산출하기 쉽다.

상기 개로 전압 추정 장치에서는, 상기 제어부는, 상기 단자 전압의 기울기의 절대값이 가장 커지는 극값점을 검출하는 극값점 검출 처리를 더 실행하고, 상기 직선 산출 처리 및 상기 시간 산출 처리에서는, 상기 축전 소자의 충방전 종료 후로부터 상기 극값점까지의 경과 시간을 상기 소정의 경과 시간으로서 처리를 실행하는 구성을 가져도 된다.

축전 소자에서는, 충방전 종료 후, 단자 전압이 개로 전압에 수렴할 때까지의 경과 기간에 있어서 극값점이 존재하는 경우가 있다. 예를 들면, 충전에 의해 단자 전압이 개로 전압보다 상승하고 있는 경우에는, 단자 전압이 저하하기 시작하여, 단자 전압의 시간 변화의 절대값이 증대하는 제1 과정과, 단자 전압의 시간 변화의 절대값이 감소하기 시작하여, 단자 전압이 개로 전압에 수렴하는 제2 과정이 이 차례로 존재하는 경우가 있다. 또한, 방전에 의해 단자 전압이 개로 전압보다 하강하고 있는 경우에는, 단자 전압이 증가하기 시작하여, 그 기울기의 절대값이 증대하는 제1 과정과, 단자 전압의 기울기의 절대값이 감소하기 시작하여, 단자 전압이 개로 전압에 수렴하는 제2 과정이 차례로 존재하는 경우가 있다. 즉, 축전 소자에서는, 충방전 종료 후, 제1 과정에서 제2 과정으로 이행할 때, 단자 전압의 기울기의 절대값이 최대가 되는 극값점을 경과하는 경우가 있다.

이 개로 전압 추정 장치에서는, 이 극값점에 있어서 개로 전압을 추정한다. 즉, 단자 전압의 극값점이라는 축전 소자의 특정한 상태에서의 근사식 등을 사용하여 개로 전압을 추정하므로, 개로 전압을 양호한 정밀도로 추정할 수 있다.

상기 개로 전압 추정 장치에서는, 상기 축전 소자의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고, 상기 계수는, 상기 축전 소자의 온도에 따라 정해져 있고, 상기 제어부는, 상기 시간 산출 처리에서, 상기 소정의 경과 시간에서의 상기 축전 소자의 온도에 따라 상기 계수를 결정하여 상기 산출 시간을 산출하는 구성을 가져도 된다. 이 개로 전압 추정 장치에 의하면, 소정의 경과 시간에서의 축전 소자의 온도에 따라 계수를 결정함으로써, 개로 전압을 양호한 정밀도로 추정할 수 있다.

상기 개로 전압 추정 장치에서는, 상기 제어부는, 상기 전압 측정 처리에서, 상기 경과 시간이 미리 정해진 규정 시간 경과한 것을 조건으로 상기 단자 전압의 측정을 종료하는 구성을 가져도 된다. 이 개로 전압 추정 장치에 의하면, 규정 시간이 경과한 것을 조건으로 단자 전압의 측정을 종료할 수 있어 단자 전압의 측정을 개로 전압이 측정될 때까지 계속할 필요가 없다.

상기 개로 전압 추정 장치에서는, 상기 축전 소자의 충방전 전류를 검출하는 전류 검출부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전압 측정 처리에서, 상기 전류 검출부의 검출 결과로부터, 상기 충방전 종료 타이밍을 검출하는 구성을 가져도 된다. 이 개로 전압 추정 장치에 의하면, 전류 검출부를 사용하여 충방전 종료 타이밍을 정확하게 검출할 수 있다.

본 발명은, 상기한 개로 전압 추정 장치를 사용한 상태 추정 장치에도 구현된다. 본 발명의 상태 추정 장치는, 상기한 개로 전압 추정 장치와; 상기 축전 소자의 개로 전압과 내부 상태와의 상관관계에 관한 정보가 기억되는 메모리를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 전압 추정 처리에 의해 추정된 상기 개로 전압과, 상기 메모리에 기억된 상기 상관관계에 관한 정보로부터, 상기 축전 소자의 내부 상태를 추정하는 상태 추정 처리를 더 실행하는 구성을 가진다. 이 상태 추정 장치에 의하면, 조기에 추정된 개로 전압을 사용하여 축전 소자의 내부 상태를 조기에 추정할 수 있다.

본 발명은, 또한 상기한 개로 전압 추정 장치를 사용한 개로 전압 추정 방법에도 구현된다. 본 발명의 개로 전압 추정 방법은, 축전 소자의 개로 전압을 추정하는 개로 전압 추정 방법으로서, 상기 축전 소자의 충방전 종료 후에 상기 축전 소자의 단자 전압을 측정하고, 상기 축전 소자의 충방전 종료 타이밍으로부터의 경과 시간과 관련지어 기억하는 전압 측정 단계; 상기 축전 소자의 충방전 종료 후에 소정의 경과 시간에서의 상기 단자 전압의 근사 직선의 근사식을 산출하는 직선 산출 단계; 상기 소정의 경과 시간과, 상기 축전 소자의 활물질 및 상기 소정의 경과 시간에 따라 정해진 계수로부터 산출 시간을 산출하는 시간 산출 단계; 및 상기 근사식에 상기 산출 시간을 대입한 것을 상기 개로 전압으로서 추정하는 전압 추정 단계를 포함한다.

또한, 상기 개로 전압 추정 방법에서는, 상기 직선 산출 단계에서, 상기 경과 시간을 상용대수로 나타낸 값을 사용하여 상기 근사식을 산출하는 구성으로 해도 된다.

또한, 상기 개로 전압 추정 방법에서는, 상기 단자 전압의 기울기의 절대값이 가장 커지는 극값점을 검출하는 극값점 검출 단계를 더 포함하고, 상기 직선 산출 단계 및 상기 시간 산출 단계에서, 상기 축전 소자의 충방전 종료 후로부터 상기 극값점까지의 경과 시간을 상기 소정의 경과 시간으로서 처리를 실행하는 구성으로 해도 된다.

또한, 상기 개로 전압 추정 방법에서는, 상기 계수는, 상기 축전 소자의 온도에 따라 정해져 있고, 상기 시간 산출 단계에서, 상기 소정의 경과 시간에서의 상기 축전 소자의 온도에 따라 상기 계수를 결정하여 상기 산출 시간을 산출하는 구성으로 해도 된다.

또한, 상기 개로 전압 추정 방법에서는, 상기 전압 측정 단계에서, 상기 경과 시간이 미리 정해진 규정 시간 경과한 것을 조건으로 상기 단자 전압의 측정을 종료하는 구성으로 해도 된다.

또한, 상기 개로 전압 추정 방법에서는, 상기 전압 측정 단계에서, 상기 축전 소자의 충방전 전류를 검출한 결과로부터, 상기 충방전 종료 타이밍을 검출하는 구성으로 해도 된다.

본 발명에 의하면, 축전 소자의 개로 전압을 조기에 추정할 수 있다.

도 1은 전지 시스템의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2는 상태 추정 처리를 나타낸 흐름도이다.
도 3은 충전 종료 후의 단(單)전지의 전압값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 방전 종료 후의 단전지의 전압값의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 단전지의 개로 전압과 SOC의 상관관계 표이다.

＜실시예＞

이하, 일 실시예에 대하여, 도 1∼도 5를 참조하면서 설명한다.

1. 상태 추정 장치의 구성

도 1은 본 실시예에의 전지 시스템(10)의 구성을 나타낸 도면이다. 본 실시예의 전지 시스템(10)은, 예를 들면, 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 탑재되고, 전기 에너지로 작동하는 동력원에 전력을 공급하는 시스템이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 전지 시스템(10)은 조전지(12)와 전지 관리 장치(이하, BMS)(20)를 구비한다. 조전지(12)는 복수의 단전지(14)가 직렬 접속된 구성이고, 각 단전지는 반복 충방전 가능한 2차 전지이며, 더욱 구체적으로는 완전 충전 시의 양단 사이의 전압값이 대략 4V가 되는 리튬 이온 전지이다. 조전지(12)는, 전기 자동차 등의 내부 또는 외부에 설치된 충전 장치(18), 또는 전기 자동차 등의 내부에 설치된 동력원 등의 부하(18)에, 접속 단자(16)를 통하여 접속된다. BMS(20)는 조전지(12)의 충방전을 제어하고, 또한 각 단전지(14)의 개로 전압 Y 및 잔존 용량(내부 상태의 일례, 이하, SOC)을 추정한다. 단전지(14)는 축전 소자의 일례이다. BMS(20)는 개로 전압 추정 장치의 일례이며, 상태 추정 장치의 일례이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, BMS(20)는 제어 유닛(30)과 전류 센서(22)와 전압 측정 회로(24)와 온도 센서(26)를 포함한다. 제어 유닛(30)은 중앙 처리 장치(이하, CPU)(32)와 ROM나 RAM 등의 메모리(34)와 아날로그-디지털 변환기(이하, ADC) (36)를 가진다. 메모리(34)에는 BMS(20)의 동작을 제어하기 위한 각종 프로그램(전지 관리 프로그램을 포함함)이 기억되어 있고, CPU(32)는 메모리(34)로부터 판독한 프로그램에 따라, 후술하는 상태 추정 처리를 실행하는 등, 각 부의 제어를 행한다. 메모리(34)에는, 또한 각 단전지(14)의 활물질에 관한 정보 및 계수 C가 기억되어 있는 동시에, 각 단전지(14)의 개로 전압 Y와 SOC와의 상관관계 표가 기억되어 있다(도 5 참조). 제어 유닛(30)은 제어부의 일례이고, 전류 센서(22)는 전류 검출부의 일례이고, 전압 측정 회로(24)는 전압 측정 회로의 일례이고, 온도 센서(26)는 온도 측정부의 일례이다.

전류 센서(22)는 접속 단자(16)와 조전지(12)를 접속하는 배선(52)을 통하여 조전지(12)에 흐르는 충전 전류 또는 방전 전류(이하, 충방전 전류라고 함)의 전류값 I를 소정 기간마다 검출하고, 그 검출한 전류값 I[A]에 따른 아날로그 신호를 ADC(36)에 송신한다.

전압 측정 회로(24)는 조전지(12)에 포함되는 각 단전지(14)의 양단에 접속되고, 각 단전지(14)의 양단 사이의 전압값 V[V]를 소정 기간마다 측정하고, 그 측정한 전압값 V에 따른 아날로그 신호를 ADC(36)에 송신한다. 각 단전지(14)의 양단 사이의 전압값 V가 단자 전압의 일례이다.

온도 센서(26)는 접촉식 또는 비접촉식으로 조전지(12)에 포함되는 각 단전지(14)의 온도 D[℃]를 소정 기간마다 측정하고, 그 측정한 온도 D에 따른 아날로그 신호를 ADC(36)에 송신한다.

ADC(36)는 전류 센서(22), 전압 측정 회로(24), 및 온도 센서(26)로부터 송신되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 전류값 I, 전압값 V, 및 온도 D를 나타내는 디지털 데이터를 메모리(34)에 기억한다.

그리고, 전지 시스템(10)에는, 사용자로부터의 입력을 받아들이는 조작부(도시하지 않음), 조전지(12)의 열화 상태 등을 표시하는 액정 디스플레이로 이루어지는 표시부(도시하지 않음)가 설치되어 있다.

2. 상태 추정 처리

도 2 내지 도 5를 사용하여, 조전지(12)의 충방전 종료 후에 BMS(20)에 의해 행해지는 상태 추정 처리를 설명한다. 도 2에 BMS(20)의 제어 유닛(30)에 의해 실행되는 추정 처리의 흐름도를 나타낸다. 이 상태 추정 처리에서는, 각 단전지(14)의 전압값 V로부터 그 단전지(14)의 개로 전압 Y를 추정하고, 추정된 개로 전압 Y에 기초하여 그 단전지(14)의 SOC를 추정한다. 단전지(14)의 SOC의 추정은 조전지(12)에 포함되는 각 단전지(14)마다 차례로 행해진다.

예를 들면, 전기 자동차에의 전원의 투입, 또는 전기 자동차에의 충전 개시 등 사용자에 의해 전지 시스템(10)이 기동되어, 조전지(12)에의 충방전이 개시되면, BMS(20)가 기동하고, 제어 유닛(30)은 상태 추정 처리를 개시한다. 구체적으로는, CPU(32)는, 상기 프로그램을 메모리(34)로부터 판독하여, 도 2에 나타낸 상태 추정 처리를 실행한다. CPU(32)는, 상태 추정 처리를 개시하면, 단전지(14)의 온도 D 및 전압값 V의 측정을 개시하고, 전류값 I의 측정을 개시한다(S2).

CPU(32)는, 전류값 I를 사용하여, 조전지(12)에의 충방전이 종료하였는지의 여부를 검출한다(S4：NO). CPU(32)는, 예를 들면, 전기 자동차가 정지하거나, 전기 자동차에의 충전이 종료하는 등, 전류값 I가 영(zero)이 (S4：YES), 조전지(12)에의 충방전이 종료한 것을 검출한다. 여기서, "전류값 I가 영"이 되는 상태란, 전류값 I가 완전히 영이 되는 상태뿐 아니라, 전류값 I가 거의 영이 된 상태, 즉 미리 정해진 충전 종료 전류 이하가 된 상태도 의미한다.

CPU(32)는, 전류값 I가 영이 되는 타이밍(이하, 충방전 종료 타이밍)으로부터의 경과 시간 T를 계측(S6)하는 동시에, 충방전 종료 타이밍 후에도 단전지(14)의 온도 D 및 전압값 V의 측정을 계속한다. CPU(32)는, 충방전 종료 타이밍 후에 있어서, 측정된 온도 D 및 전압값 V를 경과 시간 T와 관련지어 메모리(34)에 기억한다(S8). CPU(32)는, 경과 시간 T가 미리 정해진 규정 시간 KT에 도달할 때까지 단전지(14)의 온도 D 및 전압값 V의 측정을 계속한다(S10：NO). 규정 시간 TK는 단전지(14)의 활물질, 및 단전지(14)의 SOC마다 설정되어 있다.

CPU(32)는, 경과 시간 T가 규정 시간 KT에 도달하면, 단전지(14)의 온도 D 및 전압값 V의 측정을 종료하고(S10：YES), 극값점 P(Tp, Vp)를 검출하는 처리를 실행한다(S12). CPU(32)는, 경과 시간 T를 상용대수로 나타낸 경과 시간 X를 산출하고, 이 경과 시간 X와의 관계에 있어서, 측정된 전압값 V의 기울기의 절대값이 가장 커지는 극값점 P(Tp(Xp), Vp)를 검출하는 처리를 실행한다. 여기서, Tp(Xp)는, 전압값 V가 극값점 P가 될 때까지의 경과 시간 T(X)를 의미하고, Vp는 극값점 P에서의 전압값 V를 의미한다.

X=log₁₀T

도 3에 충전 종료 후의 전압값 V의 변화를 나타낸다. 도 3은 SOC 10%로부터 SOC 30%까지 충전한 후의 전압값 V의 변화를 나타낸다. 도 3에서는, 가로축을 상용대수로 나타낸 경과 시간 T(즉, 경과 시간 X)로 하고, 세로축을 전압값 V로서 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 충전 종료 타이밍에 있어서, 전압값 V는 개로 전압 Y보다 높은 값이 되어 있고, 충전 종료 타이밍 후, 전압값 V는 감소하기 시작하고, 또한 음의 값을 가지는 기울기가 서서히 감소한다. 그리고, 경과 시간 T가 Tp가 되고, 기울기가 극소되는 극값점 P에 도달하면, 기울기의 절대값이 최대가 된다. 극값점 P 경과 후, 전압값 V의 기울기는 증대하기 시작하고, 전압값 V는 개로 전압 Y에 수렴한다.

또한, 도 4에, 방전 종료 후의 전압값 V의 변화를 나타낸다. 도 4는 SOC 70%로부터 SOC 50%까지 방전한 후의 전압값 V의 변화를 나타낸다. 도 4에서도, 가로축을 상용대수로 나타낸 경과 시간 T(즉, 경과 시간 X)로 하고, 세로축을 전압값 V로서 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 방전 종료 타이밍에 있어서, 전압값 V는 개로 전압 Y보다 낮은 값이 되어 있고, 방전 종료 타이밍 후, 전압값 V는 증대하기 시작하고, 또한 양의 값을 가지는 기울기가 서서히 증대한다. 그리고, 경과 시간 T가 Tp가 되고, 기울기가 극대로 되는 극값점 P에 도달하면, 기울기의 절대값이 최대가 된다. 극값점 P 경과 후, 전압값 V의 기울기는 감소하기 시작하고, 전압값 V는 개로 전압 Y에 수렴한다.

즉, 도 3, 도 4에 나타낸 바와 같이, 충방전 종료 후의 전압값 V는, 개로 전압 Y에 도달하기에 앞서, 기울기의 절대값이 최대가 되는 극값점 P에 이르고, 극값점 P를 경과한 후에 개로 전압 Y에 수렴한다.

CPU(32)는, 경과 시간 X를 사용하여 소정 시간마다 측정되는 전압값 V의 기울기를 산출하고, 그 기울기의 절대값을 사용하여 극값점 P에 달했는지의 여부를 검출한다. CPU(32)는 규정 시간 KT까지 측정된 전압값 V의 기울기의 절대값이 계속 증대하고 있는 경우, 극값점 P가 존재하지 않는다고 판단하고(S12：NO), 상태 추정 처리를 종료한다. 그리고, 전압값 V는 소정 시간마다 측정되어도 되고, 연속하여 측정되어도 된다.

한편, CPU(32)는, 규정 시간 KT까지 측정된 전압값 V의 기울기의 절대값이 감소로 전환되는 부분이 존재하는 경우, 극값점 P가 존재하면 판단하고(S12：YES), 전압값 V의 기울기의 절대값이 최대가 되는 극값점 P를 검출하고, 또한 극값점 P에서의 온도 Dp를 검출한다.

다음에, CPU(32)는 메모리(34)로부터 단전지(14)의 계수 C를 판독하고, 산출 시간 W를 산출한다. 계수 C는 단전지(14)의 활물질의 종류에 대응하여 결정되는 상수이며, 각 단전지(14)의 극값점 P에서의 계수 C로서 메모리(34)에 기억되어 있다. 또한, 계수 C는, 단전지(14)의 온도 D에 따라 정해지는 상수이며, 단전지(14)의 온도 D에 대응되어 메모리(34)에 기억되어 있다. 예를 들면, 양극 활물질로서 리튬 함유 금속 산화물, 음극 활물질로서 탄소 재료를 사용한 리튬 이온 전지에서는, 온도 D가 25℃인 경우, 계수 C는 1.48(단위 없음)이 되고, 온도 D가 0℃인 경우, 계수 C는 1.38(단위 없음)이 된다.

CPU(32)는 극값점 P에서의 온도 Dp에 대응되어 메모리(34)에 기억되어 있는 계수 C를 선출하고(S13), 극값점 P의 경과 시간 X인 Xp에 계수 C를 곱한 산출 시간 W를 산출한다(S14).

W=C*Xp

다음에, CPU(32)는, 극값점 P에서의 근사 직선의 근사식을 산출한다(S16). 근사식을 산출하는 방법으로서는, 예를 들면, 가로축을 경과 시간 X으로 하고, 세로축을 전압값 V로서 나타낸 그래프에 있어서, 극값점 P의 직전에 측정된 전압값 V 및 경과 시간 X와 극값점 P의 직후에 측정된 전압값 V 및 경과 시간 X를 직선으로 연결한 것을 극값점 P의 근사 직선으로 하고, 그 근사식을 산출해도 된다. 또한, 극값점 P와 극값점 P의 직전 및 직후에 측정된 전압값 V 및 경과 시간 X에 최소 제곱법 등의 공지의 방법을 이용하여 산출된 근사식을, 극값점 P의 근사식으로 하여도 된다. 극값점 P에서의 기울기를 A라고 하고, 절편을 B라고 하면, 근사식은 하기의 식과 같이 표현된다.

V=A*X＋B

다음에, CPU(32)는 개로 전압 Y를 추정한다(S18). CPU(32)는 산출 시간 W를 근사식의 전압값 X에 대입하고, 이때 얻어지는 전압값 V를 개로 전압 Y로서 추정한다(도 3, 도 4 참조).

다음에, CPU(32)는, 추정한 개로 전압 Y로부터 단전지(14)의 SOC를 추정한다(S20). CPU(32)는 메모리(34)로부터 도 5에 나타낸 단전지(14)의 개로 전압 Y와 SOC와의 상관관계 표를 판독하고, 그 상관관계 표에서 추정한 개로 전압 Y에 대응된 SOC를 단전지(14)의 SOC로서 추정한다.

그리고, 메모리(34)에 기억되어 있는 계수 C는, 동일한 단전지(14)를 사용하여 결정되어 메모리(34)에 기억되어 있거나, 동일한 활물질을 가지는 다른 단전지(14)를 사용하여 결정되어 있다. 계수 C를 측정하는 경우에는, 단전지(14)의 사용 개시 시 등의 임의의 기준 시에 있어서, 충방전 종료 후의 온도 D 및 전압값 V를 측정하고, 그 측정에서의 극값점 P(Tp, Vp), 극값점 P에서의 온도 Dp, 극값점 P에서의 근사 직선의 근사식, 및 개로 전압 Y를 구하여 두고, 상기한 식을 이용하여 결정할 수 있다.

3. 본 실시예의 효과

(1) 본 실시예의 전지 시스템(10)에서는, 극값점 P에서의 근사 직선의 근사식과, 단전지(14)의 활물질로부터 결정되는 계수 C로부터 개로 전압 Y를 추정한다. 그러므로, 극값점 P 및 그 극값점 P에서의 근사식을 구할 수 있으면, 극값점 P 경과 후, 전압값 V가 개로 전압 Y에 수렴할 때까지 전압값 V의 측정을 계속할 필요가 없고, 개로 전압 Y를 조기에 추정할 수 있다. 예를 들면, 종래에는, 25℃에서, 3% 정도의 정밀도가 필요한 경우, 전압값 V의 측정을 40분 정도 계속하여 행할 필요가 있었지만, 본 실시예의 전지 시스템에서는, 3% 정도의 정밀도가 필요한 경우, 전압값 V의 측정을 100초 이하까지 단축할 수 있다.

특히, 개로 전압 Y의 추정 중에는, 단전지(14)의 충방전을 할 수 없는, 이른바 사용 불가능 기간이 된다. 사용 불가능 기간이 비교적 길게 존재하면, 단전지(14)의 사용 효율이 저하된다. 본 실시예의 전지 시스템에서는, 개로 전압 Y(또는 SOC)를 추정할 때의 사용 불가능 기간을 단축할 수 있고, 단전지(14)의 사용 효율을 향상시킬 수 있다.

(2) 본 실시예의 전지 시스템(10)에서는, 단전지(14)의 활물질로부터 결정되는 계수 C를 사용하여 개로 전압 Y를 추정한다. 계수 C는 단전지(14)의 활물질의 종류에 대응하여 결정되어 있는 상수이므로, 단전지(14)의 활물질의 종류를 알고 있으면, 충방전마다 계수 C를 구할 필요가 없어, 개로 전압 Y를 조기에 추정할 수 있다.

(3) 본 실시예의 전지 시스템(10)에서는, 온도 센서(26)가 측정한 극값점 P에서의 온도 Dp에 기초하여 계수 C를 선출하고, 그 선출된 계수 C를 사용하여 개로 전압 Y를 추정하므로, 개로 전압 Y를 양호한 정밀도로 추정할 수 있다.

(4) 본 실시예의 전지 시스템(10)에서는, 규정 시간 TK에 걸쳐 온도 D 및 전압값 V의 측정을 계속한 후에, 온도 D 및 전압값 V의 측정을 종료하므로, 전압값 V가 개로 전압 Y에 수렴할 때까지 전압값 V의 측정을 계속하는 경우와 비교하여, 개로 전압 Y를 조기에 추정할 수 있다.

(5) 본 실시예의 전지 시스템(10)에서는, 전류 센서(22)가 검출하는 전류값 I가 영이 되는 타이밍으로부터 충방전 종료 타이밍을 검출하므로, 충방전 종료 타이밍을 정확하게 검출할 수 있다.

(6) 본 실시예의 전지 시스템(10)에서는, 극값점 P에서의 근사 직선의 근사식과 단전지(14)의 활물질로부터 결정되는 계수 C를 사용하여 조기에 추정되는 개로 전압 Y를 사용하여 단전지(14)의 SOC를 추정하므로, 단전지(14)의 SOC를 조기에 추정할 수 있다.

＜다른 실시예＞

본 명세서가 개시하는 기술은 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, 축전 소자의 일례로서 2차 전지의 단전지(14)를 나타냈으나, 이에 한정되지 않고, 축전 소자는 전기 화학 현상을 따른 커패시터 등이라도 된다.

(2) 상기 실시예에서는, 극값점 P에서의 근사 직선의 근사식과 극값점 P에서의 계수 C로부터 개로 전압 Y를 추정하는 예를 사용하여 설명을 행하였다. 그러나, 조전지(12)에의 충방전 종료 후, 근사 직선을 구하는 타이밍은 극값점 P에 한정되지 않고, 전압값 V가 개로 전압 Y에 수렴할 때까지의 임의의 타이밍에서의 근사 직선의 근사식으로부터 개로 전압 Y를 추정해도 된다.

이 경우, 계수 C는, 단전지(14)의 활물질, 온도 D에 더하여, 충방전 종료 타이밍으로부터의 경과 시간 T(X)에 대응되어 메모리(34)에 기억되어 있다. CPU(32)는, 근사 직선의 근사식이 산출되면 그 근사 직선에 따른 경과 시간 T에 대응시켜 메모리(34)에 기억되어 있는 계수 C를 선출하고, 산출 시간 W를 산출한다. 그리고, 그 근사식과 산출 시간 W로부터 개로 전압 Y를 추정한다

(3) 상기 실시예에서는, 도 3, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전압값 V의 근사 직선을 설정할 때, 경과 시간 T를 상용대수로 나타낸 경과 시간 X와의 관계에 있어서, 근사 직선을 설정하고, 그 근사식을 구하는 예를 사용하여 설명을 행하였다. 그러나, 근사 직선을 설정할 때, 경과 시간 T를 그대로 사용해도 되면, 경과 시간 T를 자연대수로 나타낸 것과의 관계에 있어서, 근사 직선을 설정해도 된다.

(4) 상기 실시예에서는, 추정된 단전지(14)의 개로 전압 Y로부터 단전지(14)의 SOC를 추정할 때, 개로 전압 Y와 SOC와의 상관관계 표를 사용하여 SOC를 추정하는 예를 사용하여 설명을 행하였다. 그러나, SOC를 추정하는 방법은, 이에 한정되지 않고, 개로 전압 Y로부터 SOC를 추정하는 공지의 방법을 이용할 수 있다.

(5) 상기 실시예에서는, 충방전 종료 타이밍을 검출하는 데, BMS(20)가 가지는 전류 센서(22)가 측정하는 조전지(12)의 전류값 I가 영이 되는 타이밍을 충방전 종료 타이밍으로서 검출하는 예를 사용하여 설명을 행하였다. 그러나, 충방전 종료 타이밍을 검출하는 방법은, 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 전지 시스템(10)을 관리하는 관리 장치로부터 입력되는 시스템 상태 정보 등에 기초하여 충방전 종료 타이밍을 검출해도 된다.

(6) 상기 실시예에서는, 계수 C가 극값점 P에서의 온도 Dp에 기초하여 선출되는 예를 사용하여 설명을 행하였으나, 반드시 온도 Dp에 기초하여 선출되지 않아도 된다. 또한, 계수 C의 선출과 관련된 온도 D는 극값점 P에서의 온도 Dp에도 한정되지 않고, 충방전 종료 타이밍 후, 극값점 P가 측정되는 경과 시간 Xp까지 측정된 단전지(14)의 온도 D에 기초하여 계수 C를 선출해도 된다.

(7) 상기 실시예에서는, 제어부의 일례로서, 1개의 CPU(32) 등을 구비하는 제어 유닛(30)을 예로 들었다. 그러나, 제어부는, 복수의 CPU를 구비하는 구성이나, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등의 하드웨어 회로를 구비하는 구성이나, 하드웨어 회로 및 CPU 모두를 구비하는 구성이라도 된다. 요컨대, 제어부는 상기한 상태 추정 처리를, 소프트웨어 처리 또는 하드웨어 회로를 이용하여 실행하는 것이면 된다.

(8) 또한, 반드시 상태 추정 처리의 모든 처리를 실행하지 않아도 된다. 예를 들면, SOC를 추정하는 처리(S20)를 제외한 것은, 단전지(14)의 개로 전압 Y를 추정하는 개로 전압 추정 처리로서 이용할 수 있다.

(9) 상기 실시예에서는, CPU(32)가 읽어들여 실행하는 프로그램으로서, 메모리(34)에 기억된 것을 예로 들었다. 그러나, 프로그램은, 이에 한정되지 않고, 하드디스크 장치, 플래시 메모리(등록상표) 등의 불휘발성 메모리나, CD-R 등의 기억 매체 등에 기억된 것이라도 된다. 또한, 메모리(34)는, 반드시 제어 유닛(30)의 내부에 설치될 필요는 없고, 제어 유닛(30)의 외부에 설치되어 있어도 된다.

10: 전지 시스템, 12: 조전지, 14: 단전지, 20: BMS, 22: 전류 센서, 24: 전압 측정 회로, 26: 온도 센서, 30: 제어 유닛, 32: CPU, 34: 메모리, 36: ADC, C: 계수, D: 온도, I: 전류값, P: 극값점, T: 경과 시간, V: 전압값, W: 산출 시간

Claims

축전 소자의 개로 전압을 추정하는 개로 전압 추정 장치로서,
상기 축전 소자의 단자 전압을 측정하는 전압 측정부; 및
제어부
를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 축전 소자의 충방전 종료 후에 상기 단자 전압을 측정하고, 상기 축전 소자의 충방전 종료 타이밍으로부터의 경과 시간과 관련지어 기억하는 전압 측정 처리;
상기 축전 소자의 충방전 종료 후로부터 소정의 경과 시간에서의 상기 단자 전압의 근사 직선의 근사식을 산출하는 직선 산출 처리;
상기 소정의 경과 시간과, 상기 축전 소자의 활물질 및 상기 소정의 경과 시간에 따라 정해진 계수로부터 산출 시간을 산출하는 시간 산출 처리; 및
상기 근사식에 상기 산출 시간을 대입한 것을 상기 개로 전압으로서 추정하는 전압 추정 처리를 실행하는 구성을 가지는,
개로 전압 추정 장치.
제1항에 있어서,
상기 직선 산출 처리에서, 상기 경과 시간을 상용대수로 나타낸 값을 사용하여 상기 근사식을 산출하는 구성을 가지는, 개로 전압 추정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 단자 전압의 기울기의 절대값이 가장 커지는 극값점을 검출하는 극값점 검출 처리를 더 실행하고,
상기 직선 산출 처리 및 상기 시간 산출 처리에서는, 상기 축전 소자의 충방전 종료 후로부터 상기 극값점까지의 경과 시간을 상기 소정의 경과 시간으로 하여 처리를 실행하는 구성을 가지는, 개로 전압 추정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 축전 소자의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하고,
상기 계수는 상기 축전 소자의 온도에 따라 정해져 있고,
상기 제어부는,
상기 시간 산출 처리에서, 상기 소정의 경과 시간에서의 상기 축전 소자의 온도에 따라 상기 계수를 결정하여 상기 산출 시간을 산출하는 구성을 가지는, 개로 전압 추정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전압 측정 처리에서, 상기 경과 시간이 미리 정해진 규정 시간 경과한 것을 조건으로 상기 단자 전압의 측정을 종료하는 구성을 가지는, 개로 전압 추정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 축전 소자의 충방전 전류를 검출하는 전류 검출부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 전압 측정 처리에서, 상기 전류 검출부의 검출 결과로부터 상기 충방전 종료 타이밍을 검출하는 구성을 가지는, 개로 전압 추정 장치.
축전 소자의 내부 상태를 추정하는 상태 추정 장치로서,
제1항 또는 제2항에 기재된 개로 전압 추정 장치와;
상기 축전 소자의 개로 전압과 내부 상태의 상관관계에 관한 정보가 기억되는 메모리
를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 전압 추정 처리에 의해 추정된 상기 개로 전압과, 상기 메모리에 기억된 상기 상관관계에 관한 정보로부터, 상기 축전 소자의 내부 상태를 추정하는 상태 추정 처리를 더 실행하는 구성을 가지는, 상태 추정 장치.
축전 소자의 개로 전압을 추정하는 개로 전압 추정 방법으로서,
상기 축전 소자의 충방전 종료 후에 상기 축전 소자의 단자 전압을 측정하고, 상기 축전 소자의 충방전 종료 타이밍으로부터의 경과 시간과 관련지어 기억하는 전압 측정 단계;
상기 축전 소자의 충방전 종료 후로부터 소정의 경과 시간에서의 상기 단자 전압의 근사 직선의 근사식을 산출하는 직선 산출 단계;
상기 소정의 경과 시간과, 상기 축전 소자의 활물질 및 상기 소정의 경과 시간에 따라 정해진 계수로부터, 산출 시간을 산출하는 시간 산출 단계; 및
상기 근사식에 상기 산출 시간을 대입한 것을 상기 개로 전압으로서 추정하는 전압 추정 단계
를 포함하는 개로 전압 추정 방법.
제8항에 있어서,
상기 직선 산출 단계에서, 상기 경과 시간을 상용대수로 나타낸 값을 사용하여 상기 근사식을 산출하는, 개로 전압 추정 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 단자 전압의 기울기의 절대값이 가장 커지는 극값점을 검출하는 극값점 검출 단계를 더 포함하고,
상기 직선 산출 단계 및 상기 시간 산출 단계에서, 상기 축전 소자의 충방전 종료 후로부터 상기 극값점까지의 경과 시간을 상기 소정의 경과 시간으로 하여 처리를 실행하는, 개로 전압 추정 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 계수는 상기 축전 소자의 온도에 따라 정해져 있고,
상기 시간 산출 단계에서, 상기 소정의 경과 시간에서의 상기 축전 소자의 온도에 따라 상기 계수를 결정하여 상기 산출 시간을 산출하는, 개로 전압 추정 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 전압 측정 단계에서, 상기 경과 시간이 미리 정해진 규정 시간 경과한 것을 조건으로 상기 단자 전압의 측정을 종료하는, 개로 전압 추정 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 전압 측정 단계에서, 상기 축전 소자의 충방전 전류를 검출한 결과로부터 상기 충방전 종료 타이밍을 검출하는, 개로 전압 추정 방법.