KR20060052227A

KR20060052227A - 전지의 잔용량 검출 방법 및 전원 장치

Info

Publication number: KR20060052227A
Application number: KR1020050096049A
Authority: KR
Inventors: 히로시 타츠미; 유타카 야마우치; 후미오 야스토미; 신야 이누이
Original assignee: 산요덴키가부시키가이샤
Priority date: 2004-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2006-05-19
Also published as: CN1760691B; US20060076929A1; JP2006112786A; DE102005048420A1; CN1760691A

Abstract

전지의 잔용량을 보다 정확하게 검출할 수 있는 전지의 잔용량 검출 방법 등을 제공한다.

전지의 잔용량 검출 방법은 전지 전류 및 전지 전압을 검출하고, 검출된 전지 전류의 적산(積算)에 근거하여 전지의 잔용량을 제1 잔용량으로 하여 연산하고, 또한 전지 전압에 근거하여 전지의 잔용량을 제2 잔용량으로 하여 연산하고, 제1 잔용량 및 제2 잔용량을 가중 평균한 합성 잔용량을 전지의 잔용량으로 하여 연산하는 동시에, 전지 용량이 높아지는 영역 및 낮아지는 영역에서는 제2 잔용량의 가중치(重付)를 크게 하고, 그 이외의 영역에서는 제1 잔용량의 가중치를 크게 하도록 가중 평균의 중량을 더한다.

Description

전지의 잔용량 검출 방법 및 전원 장치{METHOD FOR DETECTING ELECTRIC CELL RESIDUAL CAPACITY AND POWER SUPPLY}

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 전원 장치의 구성을 나타내는 블록도.

도 2는 전지 전압과 잔용량의 관계를 나타내는 그래프.

도 3은 제1 잔용량과 제2 잔용량이 합성 잔용량의 연산에 있어서 영향을 주는 영역을 설명하는 그래프.

도 4는 합성 잔용량을 구할 때의 제1 가중치, 제2 가중치와 잔용량과의 관계를 나타낸 그래프.

도 5는 제2 잔용량에 대한 제1 가중치와 제2 가중치와의 관계를 나타낸 그래프.

<부호의 설명>

100ㆍㆍㆍ전원 장치

10ㆍㆍㆍ잔용량 검출 장치

11ㆍㆍㆍ메모리

12ㆍㆍㆍ전압 검출부

14ㆍㆍㆍ온도 검출부

16ㆍㆍㆍ전류 검출부

17ㆍㆍㆍ온도 센서

18ㆍㆍㆍ잔용량 연산부

19ㆍㆍㆍ통신 처리부

20ㆍㆍㆍ전지 유닛

22ㆍㆍㆍ2차 전지

30ㆍㆍㆍ접속 기기 통신 단자

본 발명은 전지의 잔용량을 검출하는 방법 및 전원 장치에 관한 것이며, 예를 들면 차량 주행용 모터를 구동하는 전원 장치에 포함되는 전지의 잔용량을 검출하는 잔용량 검출 방법 및 전원 장치에 관한 것이다.

전원 장치는 전지 또는 소(素)전지를 직렬 또는 병렬로 접속한 전원 모듈의 개수를 많이 하여 출력 전류를 크게 할 수 있고, 또 직렬로 접속하는 직렬의 개수로 출력 전압을 높게 할 수 있다. 특히, 대(大)출력이 요구되는 용도, 예를 들면 자동차 등의 차량, 자전거, 공구 등에 사용되는 전원 장치에 있어서는 복수의 전지를 직렬로 접속하여 출력을 크게 하는 구조를 취할 수 있다. 예를 들면, 하이브리드 카(hybride car)나 연료 전지차 등과 같이 모터로 주행되는 차량용의 전원 장치에 사용되는 대전류, 대출력용의 전원은 복수의 전지를 직렬로 연결한 전원 모듈을 추가로 직렬로 접속하여 출력 전압을 높게 하고 있다. 구동 모터의 출력을 크게 하 기 위해서이다.

이와 같은 전원 장치에 있어서는 전지를 안전한 상태에서 사용하도록 출력을 제한하는 것은 전지를 높은 신뢰성으로 사용하기 위하여 중요하다. 예를 들면 과방전이나 과충전이 생기면 전지의 수명이 저하된다. 여기서, 전지의 잔용량(state-of-charge(SOC))를 검출하고, 이에 따라 전지의 방전시나 충전시에 있어서 사용 가능한 전력량을 제한한다. 전지의 잔용량은 일반적으로 만(滿)충전한 상태로부터 방전 용량을 감산하여 검출된다. 방전 용량은 방전 전류를 적산하여 연산된다. 전지의 잔용량은 전류와 시간의 곱, 즉 Ah로 표시되거나, 또는 만충전한 용량(Ah)을 100%로 하여 만충전 용량에 대한 비율(%)로 나타낼 수 있다. 어느 상태로 잔용량을 표시한다고 해도, 만충전된 상태로부터 방전한 용량을 감산하여 검출된다. 단, 방전 전류의 적산치로 검출되는 잔용량은 항상 전지의 올바른 잔용량과 일치한다고는 할 수 없다. 방전 전류의 크기나 온도가 잔용량 검출의 오차의 원인으로 되기 때문이다.

또, 전지 전압을 측정하여 전지의 잔용량을 검출하는 방법도 있으나, 이 방법에서도 일치하는 하나의 잔용량을 결정할 수 없다. 동일한 잔용량이어도 지금까지의 충방전 이력 등에 따라서 다른 전압을 나타내는 것으로 알려져 있고, 전지 전압만으로 잔용량을 정확하게 추정하는 것은 곤란하였다.

이와 같이 전지의 잔용량을 정확하게 검출하는 것은 곤란하고, 동일한 전류, 전압치에 있어서도 잔용량이나 전지 온도 등에 의하여 사용 가능한 전력량은 다르다. 특히, 이른바 메모리 효과가 발생하면, 실질적으로 전지의 용량이 저하하기 때 문에, 그 잔용량 검출은 더욱 곤란하게 된다. 메모리 효과란 니켈-카드뮴 전지나 니켈 수소 전지 등을 얕은 방전 심도(深度)로 사이클 충방전한 경우에, 깊은 방전시에 일시적으로 방전 전압이 저하하는 현상이다. 메모리 효과에 의하여 전지의 잔용량이 변화하기 때문에, 정확한 전지의 잔용량을 추정할 수 없다. 잔용량의 검출을 잘못하면, 전지의 충방전시에 과대한 부하가 걸리는 동작을 행하는 일이 있으며, 전지의 수명을 현저하게 저하시키는 원인으로 된다. 또 한편, 전지가 자기 방전도 함으로써 잔용량이 변화한다. 이러한 요인에 의하여 전지의 잔용량의 추측은 곤란하게 되어서 정확한 잔용량을 파악하는 것이 극히 곤란하였다.

[특허 문헌 1] 일본 특개소 56-126776호 공보

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이다. 본 발명의 주된 목적은 전지의 잔용량을 보다 정확하게 검출할 수 있는 전지의 잔용량 검출 방법 및 전원 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 관한 전지의 잔용량 검출 방법은, 전원 장치에 접속된 접속 기기에, 전원 장치에 포함되는 전지로부터 전력을 공급할 때에 전지의 잔용량을 검출하는 전지의 잔용량 검출 방법에 있어서, 전지 전류 및 전지 전압을 검출하고, 검출된 전지 전류의 적산에 근거하여 전지의 잔용량을 제1 잔용량으로 하여 연산하고, 또한 전지 전압에 근거하여 전지의 잔용량을 제2 잔용량으로 하여 연산하고, 제1 잔용량 및 제2 잔용량을 가중 평균한 합 성 잔용량을 전지의 잔용량으로 하여 연산한다. 이에 의하여, 전지 전류에 근거하는 제1 잔용량과 전지 전압에 근거하는 제2 잔용량을 합성하여 전지의 잔용량을 추정할 수 있어서 보다 정확한 잔용량의 추정이 가능하게 된다.

또, 본 발명의 제2 측면에 관한 전지의 잔용량 검출 방법은, 추가로 전지 용량이 높아지는 영역 및 낮아지는 영역에서는 제2 잔용량의 가중치를 크게 하고, 그 이외의 영역에서는 제1 잔용량의 가중치를 크게 하도록 가중 평균의 중량을 더한다. 이것에 의하여, 충전시의 잔용량이 높은 영역이나 방전시의 잔용량이 낮은 영역에서는 전압에 근거하여 비교적 양호한 정밀도로 잔용량을 추정할 수 있고, 또한 잔용량이 50% 부근에 있어서는 전압에 의한 잔용량 검출보다 전류 적산에 의한 잔용량 추정이 정밀도를 유지할 수 있다고 하는 특성을 이용하여 각각 잔용량 추정의 정밀도가 높은 영역에서는 가중치를 크게 하고, 전 영역에서 양호한 정밀도로 잔용량을 추정할 수 있다고 하는 뛰어난 특징이 실현될 수 있다.

또, 본 발명의 제3 측면에 관한 전지의 잔용량 검출 방법은, 추가로 전지 전류의 측정 시간과 전지 온도를 검출하는 동시에, 상기 제1 잔용량이 전지 전류치에 측정 시간을 곱하여 구한 전기량에, 전지 온도와 과거의 잔용량에 의하여 결정되는 충전 효율을 곱한 값을 누적하여 연산된다. 이것에 의하여, 과거의 잔용량과 전지 전류를 고려한 정밀도가 높은 전지 전류에 근거하는 제1 잔용량을 연산할 수 있다.

또, 본 발명의 제4 측면에 관한 전지의 잔용량 검출 방법은, 제2 잔용량이 미리 작성된 전지 전압과 잔용량의 관계를 나타내는 테이블을 참조하여 결정된다.

또, 본 발명의 제5 측면에 관한 전지의 잔용량 검출 방법은, 추가로 전지 온 도를 검출하는 동시에, 상기 제2 잔용량을 결정하는 테이블이 전지 온도 및/또는 충방전 전류치에 따라 다른 복수의 테이블을 준비하고 있다.

또, 본 발명의 제6 측면에 관한 전지의 잔용량 검출 방법은 합성 잔용량이 이하의 식으로 가중 평균하여 연산된다.

합성 잔용량=((제1 잔용량*제1 가중치)+(제2 잔용량*제2 가중치))/(제1 가중치+제2 가중치)

이로 인해, 충전시의 잔용량이 높은 영역이나 방전시의 잔용량이 낮은 영역에서는 전압에 근거하여 비교적 양호한 정밀도로 잔용량을 추정할 수 있고, 또한 잔용량이 50% 부근에 있어서는 전압에 의한 잔용량 검출보다 전류 적산에 의한 잔용량 추정이 정밀도를 유지할 수 있다고 하는 특성을 이용하여 각각 잔용량 추정의 정밀도가 높은 영역에서는 가중치를 크게 하고, 전 영역에서 양호한 정밀도로 잔용량을 추정할 수 있다고 하는 뛰어난 특징이 실현될 수 있다.

또, 본 발명의 제7 측면에 관한 전지의 잔용량 검출 방법은, 접속 기기가 차재용 모터이며, 차량용 모터를 구동하는 전원 장치에 포함되는 전지의 잔용량을 검출한다. 이로 인해, 차재용(車載用)의 전원 장치에 있어서 전지의 잔용량 검출에 매우 적합하게 이용할 수 있다.

또, 본 발명의 제8 측면에 관한 전원 장치는, 복수의 2차 전지를 구비하는 전지 유닛(20)과, 상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부(12)와, 상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부(14)와, 상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지에 흐르는 전 류를 검출하기 위한 전류 검출부(16)와, 상기 전압 검출부(12)와 온도 검출부(14)와 전류 검출부(16)로부터 입력되는 신호를 연산하여 2차 전지의 잔용량을 검출하기 위한 잔용량 연산부(18)와, 상기 잔용량 연산부(18)에서 연산된 잔용량을 접속 기기에 전송하는 통신 처리부(19)를 구비하고 있고, 상기 잔용량 연산부(18)는 상기 전류 검출부(16)에서 검출된 충방전 전류를 적산하여 제1 잔용량을 연산하고, 또한 상기 전압 검출부(12)에서 검출된 전지 전압에 근거하여 제2 잔용량을 연산하고, 제1 잔용량 및 제2 잔용량을 가중 평균하여 합성 잔용량을 전지의 잔용량으로 하여 연산할 때에, 잔용량이 높아지는 영역 및 낮아지는 영역에서는 제2 잔용량의 가중치를 크게 하고, 그 이외의 영역에서는 제1 잔용량의 가중치를 크게 한다. 이로 인해, 충전시의 잔용량이 높은 영역이나 방전시의 잔용량이 낮은 영역에서는 전압에 근거하여 비교적 양호한 정밀도로 잔용량을 추정할 수 있고, 또한 잔용량이 50% 부근에 있어서는 전압에 의한 잔용량 검출보다 전류 적산에 의한 잔용량 추정이 정밀도를 유지할 수 있다고 하는 특성을 이용하여 각각 잔용량 추정의 정밀도가 높은 영역에서는 가중치를 크게 하고, 전 영역에서 양호한 정밀도로 잔용량을 추정할 수 있다고 하는 뛰어난 특징이 실현될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다. 단, 이하에 나타내는 실시형태는 본 발명의 기술 사상을 구체화하기 위한 전지의 잔용량 검출 방법 및 전원 장치를 예시하는 것이며, 본 발명은 전지의 잔용량 검출 방법 및 전원 장치를 이하의 것에 특정하지 않는다. 또 특허 청구의 범위에 나타나는 부재를 실시형태의 부재에 특정하는 일은 결코 없다. 또한, 각 도면이 나타내는 부재의 크기나 위치 관계 등은 설명을 명확하게 하기 위하여 과장는 경우가 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서 동일한 명칭, 부호에 대해서는 동일 또는 동질의 부재를 나타내고 있으며, 상세한 설명을 적절히 생략한다. 또한, 본 발명을 구성하는 각 요소는 복수의 요소를 동일한 부재로 구성하여 하나의 부재로 복수의 요소를 겸용하는 형태로 해도 되고, 반대로 하나의 부재의 기능을 복수의 부재로 분담하여 실현될 수도 있다.

(전원 장치(100))

도 1에, 본 발명의 일 실시형태에 관한 전원 장치의 구성을 나타내는 블록도를 나타낸다. 이 도면에 나타내는 전원 장치(100)는 2차 전지(22)를 포함하는 전지 유닛(20)과, 잔용량 검출 장치(10)를 구비한다. 잔용량 검출 장치(10)는 전지의 전압을 검출하는 전압 검출부(12)와, 전지의 온도를 검출하는 온도 검출부(14)와, 전지에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(16)와, 전압 검출부(12)와 온도 검출부(14)와 전류 검출부(16)로부터 입력되는 신호를 연산하여 전지의 잔용량을 검출하는 동시에, 잔용량이나 전지 온도로부터 전지 유닛(20)의 최대 제한 전류치를 검출하는 잔용량 연산부(18)와, 연산된 잔용량이나 최대 제한 전류치를 접속 기기에 전송하는 통신 처리부(19)를 구비하고 있다. 통신 처리부(19)는 접속 기기 통신 단자(30)에 접속하고 있다. 통신 처리부(19)는 접속 기기 통신 단자(30)를 통하여 접속 기기에 접속시키고, 잔용량이나 최대 제한 전류치를 나타내는 신호를 접속 기기에 전송한다. 이 예에서는 접속 기기로서 자동차 등의 차량을 이용하고, 전원 장치(100)를 차량에 탑재하여 차량을 주행시키는 모터 M을 구동한다. 통신 처리부(19) 는 차량에 설치된 차량측 제어부와 접속되어서 통신을 행한다. 이하, 차량용의 전원 장치에 대하여 설명한다.

전지 유닛(20)에 내장되는 2차 전지(22)는 니켈 수소 전지이다. 단, 전지는 니켈 카드뮴 전지나 리튬 이온 2차 전지로 할 수도 있다. 또, 전지는 하나 또는 복수를 직렬 또는 병렬 또는 직렬과 병렬을 조합하여 접속하고 있다. 전지는 복수의 전지를 연결한 모듈로 구성되고, 복수의 모듈을 연결하여 전지 유닛(20)을 구성하고 있다.

전압 검출부(12)는 전지 유닛(20)에 내장되는 2차 전지(22)의 전압을 검출한다. 도면의 전지 유닛(20)은 복수의 2차 전지(22)를 직렬로 접속하고 있으므로, 전압 검출부(12)는 직렬로 접속하고 있는 전지의 전체 전압을 검출하고 있다. 단, 전지 유닛(20)을 구성하는 전지 모듈마다 전압을 검출할 수도 있다. 전압 검출부(12)는 검출한 전압을 아날로그 신호로서 잔용량 연산부(18)에 출력하고, 또는 A/D 컨버터에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 잔용량 연산부(18)에 출력한다. 전압 검출부(12)는 일정한 샘플링 주기로, 또는 연속적으로 전지 전압을 검출하고, 검출한 전압을 잔용량 연산부(18)에 출력한다.

온도 검출부(14)는 전지 유닛(20)에 내장되는 전지의 온도를 검출하는 온도 센서(17)를 구비한다. 온도 센서(17)는 전지의 표면에 접촉하고, 또는 열전도재를 통하여 전지에 접촉하고, 또한 전지의 표면에 접근하여 전지에 열결합(熱結合)되어서 전지 온도를 검출한다. 온도 센서(17)는 서미스터이다. 단, 온도 센서(17)에는 PTC나 바리스터 등, 온도를 전기 저항으로 변환할 수 있는 모든 소자를 사용할 수 있다. 또, 온도 센서(17)에는 전지로부터 방사되는 적외선을 검출하고 전지에 비접촉의 상태에서 온도를 검출할 수 있는 소자도 사용할 수 있다. 온도 검출부(14)도 검출한 전지 온도를 아날로그 신호로 잔용량 연산부(18)에 출력하고, 또는 A/D 컨버터로 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 잔용량 연산부(18)에 출력한다. 온도 검출부 (14)는 일정한 샘플링 주기로, 또는 연속적으로 전지 온도를 검출하고, 검출한 전지 온도를 잔용량 연산부(18)에 출력한다.

전류 검출부(16)는 전지와 직렬로 저항 소자를 접속하고, 이 저항 소자의 양 단에 유도된 전압을 검출하고, 전지에 흐르는 방전 전류를 검출한다. 저항 소자는 저저항인 저항기이다. 단, 저항 소자에는 트랜지스터나 FET 등의 반도체도 사용할 수 있다. 전지의 충전 전류와 방전 전류는 전류가 흐르는 방향이 반대이므로, 저항 소자에 유도되는 정부의 극성이 반전한다. 따라서, 저항 소자의 극성에서 방전 전류로 판정하고, 저항 소자에 유도되는 전압에서 전류를 검출할 수 있다. 전류가 저항 소자에 유도되는 전압에 비례하기 때문이다. 이 전류 검출부(16)는 전지의 방전 전류를 정확하게 검출할 수 있다. 단, 전류 검출부(16)에는 리드 선에 흐르는 전류에서 외부로 새는 자속을 검출하여 전류를 검출하는 구조로 할 수도 있다. 전류 검출부(16)도 검출한 방전 전류를 아날로그 신호에서 잔용량 연산부(18)에 출력하고, 또는 A/D 컨버터에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 잔용량 연산부(18)에 출력한다. 전류 검출부(16)는 일정한 샘플링 주기로, 또는 연속적으로 방전 전류를 검출하고, 검출한 방전 전류를 잔용량 연산부(18)에 출력한다.

전압 검출부(12)와 온도 검출부(14)와 전류 검출부(16)로부터, 일정한 샘플 링 주기로 디지털치의 신호를 잔용량 연산부(18)에 출력하는 장치는 각각의 검출부로부터 잔용량 연산부(18)에 디지털 신호를 출력하는 타이밍을 늦추어서, 차례로 디지털 신호를 잔용량 연산부(18)에 출력한다.

(전지의 잔용량 검출 방법)

전원 장치로 차량을 구동하려면, 전지의 잔용량을 정확하게 검출하는 것이 필요하다. 전지의 잔용량은 일반적으로 충전 전류와 방전 전류를 검출하고, 검출한 전류를 적산하여 연산된다. 이 방법은 충전 전류로부터 방전 전류를 감산하여 잔용량을 연산한다. 충전 용량은 충전 전류를 적산하여 연산된다. 방전 용량은 방전 전류를 적산하여 연산된다. 충전 용량과 방전 용량으로부터 잔용량을 연산하는 방식은 2차 전지(22)를 리튬 이온 전지로 하고, 또는 니켈 수소 전지 또는 니켈 카드뮴 전지로 하는 경우도 잔용량을 연산할 수 있다. 단, 잔용량은 방전 전류나 전지 온도에 의하여 오차가 생긴다. 따라서, 정확하게 파악하는 것이 중요하게 된다.

본 실시형태에 있어서는 전류 적산에 의하여 계산되는 제1 잔용량(SOC(1))과, 전압에 의하여 추정되는 제2 잔용량(SOC(2)), 이 2개의 SOC의 합성에 의하여 SOC를 결정한다. 이러한 연산은 잔용량 연산부(18)에서 행하게 된다.

잔용량 연산부(18)는 전지의 방전 전류를 적산하여 방전 용량을 검출하고, 검출한 방전 용량을 감산하여 제1 잔용량을 연산하는 동시에, 후술하는 바와 같이 전지 전압으로부터 제2 잔용량을 연산하고, 제1 잔용량과 제2 잔용량을 합성하여 합성 잔용량을 산출한다. 예를 들면, 만충전 용량을 100OmAh로 하는 전지가 500mAh 방전되면, 잔용량은 50%로 된다. 그러므로, 만충전된 전지가 방전됨에 따라서, 잔 용량은 점차 저하한다. 또 잔용량 연산부(18)는 제1 잔용량 및 제2 잔용량의 연산에 필요한 값이나 데이터, 설정 등을, 잔용량 연산부(18)에 접속하고 있는 메모리(11)에 기억하고 있다. 메모리(11)는 E²PROM 등의 불휘발성 메모리나 RAM 등의 휘발성 메모리를 이용할 수 있다.

(제1 잔용량)

제1 잔용량은 전류 적산으로 구하는 잔용량이다. 잔용량 연산부(18)는 소정의 시간 간격(샘플링 시간)으로 전지의 전류치, 전압치, 온도를 측정하고, 이것들에 근거하여 잔용량을 연산한다. 이 예에서는 전류 검출부에서 측정한 전류치에 측정 시간(샘플링 시간)을 곱하여 구하는 전기량을 기본으로, 추가로 전지 온도와 직전의 SOC치에 의하여 정해지는 충전 효율을 곱한 값을 누적하여 제1 잔용량을 계산한다.

SOC(1)=(직전의 SOC(1))+((측정 전류치)*(전류 측정 시간)*(충전 효율))

충전 효율은 본 실시형태에서는 방전시는 1, 충전시도 저(低) SOC 영역 및 저온시는 1로 하고, 고(高) SOC 영역 또는 고온시는 1보다 작은 값으로 하고 있다.

(제2 잔용량)

또한 제2 잔용량은 전압으로부터 추정하는 잔용량이다. 이 예에서 제2 잔용량은 전지 전압과 SOC의 관계를 나타낸 LUT(Look Up Table)를 이용하여, 전압 검출부에서 측정하는 전지 전압으로부터 구한다. 그리고, 제1 잔용량의 각종 데이터의 측정 시기와 동일하게 하고, 제2 잔용량에 관한 전지 전압이 측정되게 된다.

LUT는 방전측이 SOC O%, 10%, 20%, 30%, 50%의 전압을 갖고, 그 이상의 전지 전압에서는 SOC 50%로 하고 있다. 이것은 이하의 이유에 의한다. 본 실시예의 차량용의 전원 장치의 구동에 있어서, 전지의 SOC가 50% 부근으로 되도록, 충방전이 제어되게 된다. 전지 전압과 SOC와의 관계는 방전 상태가 장시간 동안 계속된 경우, 충전 상태가 장시간 동안 계속된 경우, 정밀도가 비교적 높다. 통상은 SOC가 50% 부근에 제어되는 것보다, 방전시의 SOC가 0~30% 라고 하는 것은 방전이 장시간 계속되므로, 전지 전압과 SOC와의 관계의 정밀도가 높게 된다. 방전시에 있어서 SOC 50%를 초과하는 전지 전압에 대해서는 충방전 상태로서 충전 이후에 방전을 행하는 것보다 방전 상태가 짧고, 전지 전압과 SOC와의 관계의 정밀도가 낮아지므로, 일률적으로 SOC 50%로 하고 있다. 그리고, 이와 같은 경우, 제2 잔용량이 일률적으로 SOC 50%라고 해도 제2 잔용량의 가중치가 작기 때문에, 실제의 잔용량과 큰 차이는 발생하기 어렵다.

또, 충전측은 SOC 50%, 70%, 80%, 90%, 100%의 전압을 갖고, 그 이하의 전지 전압에서는 SOC 50%로 하고 있다. 이것은 상기와 동일하며, 통상은 SOC가 50% 부근으로 제어되는 것보다, 충전시의 SOC가 70~80%라고 하는 것은 충전이 장시간 계속 되고 있는 것으로 되므로, 전지 전압과 SOC와의 관계의 정밀도가 높게 된다. 충전시에 있어서 SOC 50% 미만의 전지 전압에 대해서는 충방전 상태로서 방전 이후에 충전을 행하고 있는 것보다 충전 상태가 짧고, 전지 전압과 SOC와의 관계의 정밀도가 낮아지므로, 일률적으로 SOC 50%로 하고 있다. 그리고, 이와 같은 경우, 제2 잔용량이 일률적으로 SOC 50%라고 해도, 제2 잔용량의 가중치가 작기 때문에, 실제의 잔용량과 큰 차이는 발생하기 어렵다. 이와 같이 방전 전류 측정시에는 방전측의 LUT, 충전 전류 측정시에는 충전측의 LUT를 이용하고, 전압으로부터 SOC를 추정한다. 또 동일한 SOC에 있어서도 전지 온도, 충방전 전류치에 따라서 다른 전지 전압을 나타내므로, 각 LUT에 대하여 전지 온도 및 전류치에 따라서 다른 LUT를 복수 이용하여 SOC(2)를 구한다.

도 2는 전지 전압과 잔용량의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2에 도시된 각 포인트의 전압 테이블을 온도, 전류별로 구분한다. 또 표 1은 소정의 전지 전압마다의 잔용량의 추정치의 대응을 나타낸 테이블의 일례이다. 테이블은 온도마다 준비하고 있고, 표 1은 일례로서 전지 온도=0℃에 있어서 충전 전류치와 잔용량과의 대응 관계를 나타내고 있다. 예를 들면, 전지 온도 O℃에서 충전 전류 15A, 전지 전압 7.92V이면, 제2 잔용량 SOC(2)=90%로 된다. 그리고, 표에 있어서 각 데이터를 직선 보간하여 사용한다.

또, 이와 같은 전지 전압과 잔용량의 그래프, 전압 테이블, 전지 전압과 잔용량의 테이블은 누적 사용 시간에 따른 것을 이용해도 된다. 니켈수소 전지에 대해서는 누적 사용시간이 진행되면, 동일한 SOC에서도 전압이 높아진다.

[표 l]

SOC 전류	50%	70%	80%	90%	100%
1A	7.39V	7.50V	7.56V	7.69V	7.84V
2A	7.45V	7.55V	7.62V	7.74V	7.90V
5A	7.50V	7.61V	7.68V	7.80V	7.96V
10A	7.55V	7.66V	7.73V	7.86V	8.02V
15A	7.60V	7.71V	7.79V	7.92V	8.09V
20A	7.65V	7.77V	7.84V	7.97V	8.25V

이상과 같이 하여, 전류 적산에 의하여 계산되는 SOC(1)와 전압에 의해 추정되는 SOC(2), 이 2개의 SOC의 합성에 의하여 결정하는 합성 SOC는 각 SOC의 가중 평균에 의하여 구한다.

전지는 일반적으로 전압에서 하나로 SOC를 결정할 수 없다. 즉, 동일한 SOC에 있어서도, 지금까지의 충방전 이력 등에 의하여 다른 전압을 나타내는 것이 알려져 있다. 단, 충전시의 고 SOC 영역, 즉 잔용량 100%에 가까운 영역이나, 방전시의 저 SOC 영역, 즉 잔용량 O%에 가까운 영역에서는 비교적 양호한 정밀도로 전압으로부터 SOC를 추정할 수 있다. 또한, 잔용량 50% 부근에 있어서 전압에 의한 SOC 추정은 신뢰성이 낮고, 전류 적산에 의하여 잔용량을 증감하도록 보정하고 연산하는 방법이 정밀도가 높다. 여기서, 도 3에 파선의 타원으로 나타내는 바와 같이 SOC의 중간 영역에서는 전류 적산에 의한 SOC(1)의 가중치를 크게 하고, 실선의 타원으로 나타내는 바와 같이 SOC의 높은 영역 및 낮은 영역에 있어서는 전압에 의한 SOC(2)의 가중치를 크게 한 가중치 평균에 의하여, 전지 용량의 전 영역에 있어서 양호한 정밀도로 SOC 추정을 행하는 것이 가능하게 된다. 또 이 방법이면, 전지 용량이 높은 영역 및 낮은 영역에서는 전압에 의하여 과충전ㆍ과방전을 방지할 필요가 있기 때문에, 전류 적산에만 의존하여 연산하는 것보다 안전성면에서도 유리하다.

(가중치 계수)

도 3은 제1 잔용량과 제2 잔용량이 합성 잔용량의 연산에 있어서 영향을 주는 영역을 나타낸 그래프이다. 이 그래프는 전지 전압과 잔용량의 관계를 모식적으 로 나타내고 있다. 이 도면에 나타내는 바와 같이 전압에 근거하는 제2 잔용량이 잔용량 추정에 지배적인 영역에 있어서는 제2 잔용량에 관한 가중치 계수인 제2 가중치를 크게 하는 동시에, 전압 적산에 근거하는 제1 잔용량에 관한 가중치 계수인 제1 가중치를 작게 하고 있다. 반대로, 제1 잔용량이 잔용량 추정에 있어서 지배적인 영역에서는 제1 가중치를 크게 하는 동시에, 제2 가중치를 작게 하고 있다. 도 4에, 합성 잔용량을 구할 때의 제1 가중치, 제2 가중치와 잔용량과의 관계를 나타낸 그래프를 나타낸다. 이 도면에서는 제1 가중치를 철(凸) 형상, 제2 가중치를 요(凹) 형상의 파형으로 하여, 제1 가중치와 제2 가중치의 커브가 거의 반전한 형태로 되어 있으며, 전압에 근거하는 제2 잔용량이 잔용량 추정에 지배적인 영역에 있어서는 제2 잔용량에 관한 가중치 계수인 제2 가중치를 크게 하는 동시에, 전압 적산에 근거하는 제1 잔용량에 관한 가중치 계수인 제1 가중치를 작게 하고 있다. 단, 도 4는 일례이며, 제1 가중치와 제2 가중치는 독립하여 설정할 수도 있다. 일반적으로 제1 가중치는 제1 잔용량에 따라, 또 제2 가중치는 제2 잔용량에 따라 결정된다. 도 5에 다른 예로서 제2 잔용량에 대한 제1 가중치와 제2 가중치와의 관계를 나타낸 그래프를 나타낸다. 이 예에서는 제1 가중치는 일정치(이 예에서는 일률적으로 98%)로 하고, 또한 제2 가중치는 제2 잔용량과 대응하여 결정되도록 미리 설정된 테이블에 근거하고, 연산된 제2 잔용량에서 테이블을 참조하여 결정된다. 도 5에 있어서도, 제1 가중치와 제2 가중치와의 상대 관계에 대하여, 전압에 근거하는 제2 잔용량이 잔용량 추정에 지배적인 영역에 있어서는 제2 잔용량에 관한 가중치 계수인 제2 가중치를 크게 하는 동시에, 전압 적산에 근거하는 제1 잔용량에 관한 가중치 계수인 제1 가중치를 작게 하고 있다.

(합성 잔용량)

합성 잔용량은 제1 잔용량과 제2 잔용량의 크기에 따라 가중되고, 각각 비중을 걸어서 가산하여 연산된다. 전압에서의 잔용량 추정을 신뢰할 수 있다고 생각되는 영역, 즉 전지 용량이 높은 또는 낮은 영역에서는 제2 잔용량에의 비중을 크게 하고, 그 이외의 영역에서는 전류 적산에 의한 제1 잔용량에서 합성 잔용량의 연산을 제어하도록 제2 잔용량의 비중을 내린 제1 잔용량의 비중이 오르도록 하고 있다. 일례로서 합성 용량은 이하의 식으로 연산할 수 있다.

여기서, 제1 가중치는 도 4와 같은 관계에 있어서 SOC(1)에 의하여 결정하는 제1 잔용량의 가중치 계수이다. 또 제2 가중치는 도 4와 같은 관계에 있어서, SOC(2)에 의하여 결정하는 SOC(2)의 가중치 계수이다.

합성 잔용량에는 슬루 레이트(slew rate)를 설치함으로써, 연산에 의하여 잔용량이 크게 변동하지 않게 제어할 수도 있다. 슬루 레이트는 방전시와 충전시에 개별적으로 설정할 수도 있다. 예를 들면, 전(前)회의 합성 잔용량보다 방전시 1% 이상, 충전시 0.5% 이상의 변화가 있었을 경우는 각각 변화를 1%, 0.5%로 억제하도록 제어한다.

(제1 잔용량의 보정)

또한, 연산된 합성 잔용량과 제1 잔용량과의 차가 소정치로 벌어져 있는 경 우, 환언하면 제2 잔용량의 가중치 계수가 높은 채로 계속하여, 제1 잔용량이 합성 잔용량에 별로 반영되지 않는 경우에는 제1 잔용량의 값을 합성 잔용량에 접근하도록 제1 잔용량을 보정할 수도 있다.

추가로, 전지 유닛(20)을 구성하는 전지 모듈마다 합성 잔용량을 연산하고, 그 안에서 최소의 합성 잔용량을 전지 유닛(20)의 잔용량으로 하여 이용할 수도 있다. 얻어진 잔용량은 통신 처리부(19)를 통하여 접속 기기 통신 단자(30)로부터 차량측 제어부에 송신한다.

이와 같이 하여, 전지의 잔용량을 정확하게 파악함으로써, 충방전중의 각 시점에 있어서 이용 가능한 전력량을 정확하게 예측할 수 있으므로, 적확하게 전력량을 제어하여 전지를 안전하고 효율적으로 이용할 수 있다.

본 발명의 전지의 잔용량 검출 방법 및 전원 장치는 하이브리드 카나 전기 자동차 등의 차량용 전원 장치 등 고출력, 대전류의 전원 장치로서 매우 적합하게 적용할 수 있다.

본 발명의 전지의 잔용량 검출 방법 및 전원 장치는 전지 용량의 전 영역에 걸쳐서 양호한 정밀도로 전지의 잔용량을 검출할 수 있다고 하는 뛰어난 특징을 실현한다. 그것은 본 발명이 전류 적산에 의한 잔용량 추정에 더하여, 전지 전압에 근거하여 잔용량을 추정하고, 이것들을 합성하여 잔용량을 결정하고 있기 때문이다. 특히, 전지 전압에 근거하여 잔용량을 추정하는 방법은 전지 용량이 낮은 영역이나 높은 영역에서는 고정밀도이다. 또한, 용량이 50%로 있는 중간의 영역에서는 전류 적산에 근거하는 잔용량 추정이 정밀도가 높아진다. 여기서, 전지 용량에 따라 이러한 가중치를 변경하고, 용량이 높은 영역 및 낮은 영역에서는 전압에 근거하는 용량 추정의 비중을 높이고, 중간의 영역에서는 전류 적산에 근거하는 용량 추정의 비중을 높게 하도록 가중 평균을 구함으로써, 전지 용량의 전 영역에 걸쳐서 고정밀도로 전지의 잔용량을 연산할 수 있다.

Claims

전원 장치에 접속된 접속 기기에, 전원 장치에 포함되는 전지로부터 전력을 공급할 때에 전지의 잔용량을 검출하는 전지의 잔용량 검출 방법에 있어서,

전지 전류 및 전지 전압을 검출하고,

검출된 전지 전류의 적산(積算)에 근거하여 전지의 잔용량을 제1 잔용량으로 하여 연산하고,

상기 전지 전압에 근거하여 전지의 잔용량을 제2 잔용량으로 하여 연산하고,

제1 잔용량 및 제2 잔용량을 가중 평균한 합성 잔용량을 전지의 잔용량으로 하여 연산하는 것을 특징으로 하는 전지의 잔용량 검출 방법.
제1항에 있어서,

전지 용량이 높아지는 영역 및 낮아지는 영역에서는 제2 잔용량의 가중치(重付)를 크게 하고,

그 이외의 영역에서는 제1 잔용량의 가중치를 크게 하도록 가중 평균의 중량을 더하는 것을 특징으로 하는 전지의 잔용량 검출 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

추가로, 전지 전류의 측정 시간과 전지 온도를 검출하는 동시에,

상기 제1 잔용량이 전지 전류치에 측정 시간을 곱하여 구하는 전기량에, 전 지 온도와 과거의 잔용량에 의하여 결정되는 충전 효율을 곱한 값을 누적하여 연산되는 것을 특징으로 하는 전지의 잔용량 검출 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 잔용량이 미리 작성된 전지 전압과 잔용량의 관계를 나타내는 테이블을 참조하여 결정되는 것을 특징으로 하는 전지의 잔용량 검출 방법.
제4항에 있어서,

추가로, 전지 온도를 검출하는 동시에,

상기 제2 잔용량을 결정하는 테이블이 전지 온도 및/또는 충방전 전류치에 따라 다른 복수의 테이블을 준비하여 되는 것을 특징으로 하는 전지의 잔용량 검출 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

합성 잔용량이 이하의 식:

합성 잔용량=((제1 잔용량*제1 가중치)+(제2 잔용량*제2 가중치))/(제1 가중치+제2 가중치)

으로 가중 평균하여 연산되는 것을 특징으로 하는 전지의 잔용량 검출 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

접속 기기가 차재(車載)용 모터이며, 차량용 모터를 구동하는 전원 장치에 포함되는 전지의 잔용량을 검출하는 것을 특징으로 하는 전지의 잔용량 검출 방법.
복수의 2차 전지를 구비하는 전지 유닛(20)과,

상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부(12)와,

상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부(14)와,

상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 검출부(16)와,

상기 전압 검출부(12)와 온도 검출부(14)와 전류 검출부(16)로부터 입력되는 신호를 연산하여 2차 전지의 잔용량을 검출하기 위한 잔용량 연산부(18)와,

상기 잔용량 연산부(18)에서 연산된 잔용량을 접속 기기에 전송하는 통신 처리부(19)를 구비하고 있고,

상기 잔용량 연산부(18)는 상기 전류 검출부(16)에서 검출된 충방전 전류를 적산하여 제1 잔용량을 연산하고, 또한 상기 전압 검출부(12)에서 검출된 전지 전압에 근거하여 제2 잔용량을 연산하고,

제1 잔용량 및 제2 잔용량을 가중 평균하여 합성 잔용량을 전지의 잔용량으로 하여 연산할 때에, 잔용량이 높아지는 영역 및 낮아지는 영역에서는 제2 잔용량의 가중치를 크게 하고, 그 이외의 영역에서는 제1 잔용량의 가중치를 크게 하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.