KR20070064402A - 축전지 관리장치 - Google Patents

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KR20070064402A KR1020060128530A KR20060128530A KR20070064402A KR 20070064402 A KR20070064402 A KR 20070064402A KR 1020060128530 A KR1020060128530 A KR 1020060128530A KR 20060128530 A KR20060128530 A KR 20060128530A KR 20070064402 A KR20070064402 A KR 20070064402A
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마사미 시다
요시노리 아오시마
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히다치 비클 에너지 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 각 단셀 사이에 온도 불균일이 생긴 경우에도 최적의 충방전제어가 가능하게 되는 축전지의 상태를 출력할 수 있는 축전지 관리장치를 제공하는 것에 있다.
이를 위해 본 발명에서는 복수의 온도센서(20)에 의하여 축전지(10)의 온도를 계측한다. 계측수단(30)은, 축전지(10)의 전압 및 전류를 계측한다. 연산수단(100)의 최고 최저 온도 선택수단(102)은, 온도센서(20)가 계측한 온도값으로부터 최고 온도와 최저 온도를 구한다. 허용 전력 연산수단(104)은, 축전지(10)의 전압전류에 의거하여 최고 온도 및 최저 온도에 대한 축전지(10)의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구한다. 선택수단(110)은, 연산수단(100)이 구한 최고 온도 및 최저 온도에 대한 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하여 출력한다.

Description

축전지 관리장치{BATTERY MANAGEMENT SYSTEM}
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 축전지의 등가회로를 나타내는 회로도,
도 3은 축전지의 등가 임피던스의 설명도,
도 4는 충전상태(SOC)와 최대 허용 방전 전력이나 최대 허용 충전 전력의 관계의 설명도,
도 5는 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 축전지 관리장치에 사용하는 온도 보호수단의 제한 특성도,
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 선택수단의 동작설명도,
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도,
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 축전지 관리장치에 사용하는 제한수단의 동작설명도,
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도,
도 10은 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도,
도 11은 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 축전지 20 : 온도센서
30 : 계측수단 100 : 연산수단
102 : 최고 최저 온도 선택수단 104 : 허용 전력 연산수단
106 : 온도 보호수단 108 : 최고 최저 전압 선택수단
110 : 선택수단 120 : 제한수단
본 발명은 납전지, 니켈 수소전지, 리튬 이온전지 등의 축전지의 상태를 관리하는 축전지 관리장치에 관한 것이다.
차량에는 납전지, 니켈 수소전지, 리튬 이온전지 등의 축전지가 탑재된다. 엔진 시동이나 전장품, 하이브리드 자동차 또는 전기자동차가 주행할 때에 필요하게 되는 전력공급 등은, 이들 축전지에 의하여 조달된다.
차량에 탑재되는 축전지는 넓은 온도범위에서 사용되고, 축전지는 그 온도에 따른 최대의 허용 전력을 가진다. 이 최대 허용 전력을 초과하여 축전지의 충방전 을 행하면 과충전·과방전이 될 가능성이 있다. 일반적으로 저온상태의 축전지가 가지는 최대 허용 전력은 작고, 고온상태의 축전지가 가지는 최대 허용 전력은 큰 것이다. 또 고온상태에서는 최대 허용 전력은 크나, 고온상태에서의 축전지의 사용은 축전지의 열화를 촉진시킨다. 충전상태(SOC)에 대하여 설명하면 축전지의 충전상태(SOC)가 높을 수록 최대 허용 충전 전력이 작고, 최대 허용 방전 전력이 큰 것이다. 또 축전지의 충전상태(SOC)가 낮을 수록 최대 허용 방전 전력이 작고, 최대 허용 충전 전력이 큰 것이다. 축전지를 안전하게, 최적으로 사용하기 위해서는 저온으로부터 고온, 또는 저충전상태(SOC)에서 고충전상태(SOC) 등, 축전지의 모든 상태에 따라 최대 허용 전력을 넘지 않는 범위 내에서 충방전제어를 행할 필요가 있다.
따라서 종래는 예를 들면 일본국 특개2003-219510호 공보에 기재되어 있는 바와 같이 전지의 온도가 소정 온도 이하 또는 소정 온도 이상일 때에, 충전 전력 상한값, 방전 전력 상한값을 상온시에 비하여 작게 하도록 정하고, 충방전 전력 상한값 이하가 되도록 충전 전력이나 방전 전력을 정하여 전지의 충전제어를 행하는 것이 알려져 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2003-219510호 공보
여기서 하이브리드 자동차나 전기자동차에서 사용하는 축전지는, 단셀을 복수조합한 세트전지가 일반적으로 사용된다. 세트전지가 구비하는 복수의 단셀 사이에서 온도 불균일이 발생하여 각 단셀에서 최대 허용 전력이 다르다. 또 단셀의 충전상태 불균일이 발생하여 각 단셀에서 최대 허용 전력이 다르다.
본 발명의 목적은, 각 단셀 사이에 온도 불균일이 생긴 경우에도 최적의 충방전제어가 가능하게 되는 축전지의 상태를 출력할 수 있는 축전지 관리장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 각 단셀 사이에 충전상태 불균일이 생긴 경우에도 최적의 충방전제어가 가능하게 되는 축전지의 상태를 출력할 수 있는 축전지 관리장치를 제공하는 것에 있다.
(1) 상기 제 1 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 충방전 가능한 축전지의 온도를 계측하는 복수의 온도 계측수단과, 상기 축전지의 전압 및 전류를 계측하는 전압전류 계측수단과, 상기 온도 계측수단이 계측한 상기 축전지의 온도값으로부터 상기 축전지의 최고 온도와 최저 온도를 구하고, 상기 전압 전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하는 연산수단과, 상기 연산수단이 구한 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하는 선택수단을 구비하도록 한 것이다.
이와 같은 구성에 의하여 각 단셀 사이에 온도 불균일이 생긴 경우에도 최적 의 충방전제어가 가능하게 되는 축전지의 상태를 출력할 수 있게 된다.
(2) 상기 (1)에서, 바람직하게는 또한 상기 전압전류 계측수단에 의하여 계측된 상기 축전지의 전압이 상한 전압 또는 하한 전압에 가까운 경우에, 상기 연산수단이 구한 상기 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 작게 제한하는 제한수단을 구비하도록 한 것이다.
(3) 상기 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 충방전 가능한 축전지의 온도를 계측하는 복수의 온도 계측수단과, 상기 축전지의 전압 및 전류 및 상기 축전지를 구성하는 복수의 단셀의 전압을 계측하는 전압전류 계측수단과, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 단셀의 전압값으로부터 상기 축전지의 단셀의 최고 전압과 최저 전압을 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여 상기 최고 전압 및 상기 최저 전압에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하는 연산수단과, 상기 연산수단이 구한 상기 최고 전압 및 상기 최저 전압에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하는 선택수단을 구비하도록 한 것이다.
이와 같은 구성에 의하여 각 단셀 사이에 충전상태 불균일이 생긴 경우에도 최적의 충방전제어가 가능하게 되는 축전지의 상태를 출력할 수 있게 된다.
(4) 상기 (3)에 있어서, 바람직하게는 또한 상기 전압전류 계측수단에 의하여 계측된 상기 축전지의 전압이 상한 전압 또는 하한 전압에 가까운 경우에, 상기 연산수단이 구한 상기 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 작게 제한하는 제한수단을 구비하도록 한 것이다.
(5) 상기 제 1 및 제 2 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 충방전 가능한 축전지의 온도를 계측하는 복수의 온도 계측수단과, 상기 축전지의 전압 및 전류 및 상기 축전지를 구성하는 복수의 단셀의 전압을 계측하는 전압전류 계측수단과, 상기 온도 계측수단이 계측한 상기 축전지의 온도값으로부터 상기 축전지의 최고 온도와 최저 온도를 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하고, 또 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기축전지의 단셀의 전압값으로부터 상기 축전지의 단셀의 최고 전압과 최저 전압을 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여 상기 최고 전압 및 상기 최저 전압에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하는 연산수단과, 상기 연산수단이 구한 상기 최고 온도, 상기 최저 온도, 상기 최고 전압 및 상기 최저 전압에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하는 선택수단을 구비하도록 한 것이다.
이와 같은 구성에 의하여 각 단셀 사이에 온도 불균일, 충전상태 불균일이 생긴 경우에도 최적의 충방전제어가 가능하게 되는 축전지의 상태를 출력할 수 있게 된다.
(6) 상기 제 1 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 충방전 가능한 축전지의 온도를 계측하는 복수의 온도 계측수단과, 상기 축전지의 전압 및 전류를 계측하는 전압전류 계측수단과, 상기 온도 계측수단이 계측한 상기 축전지의 온도값으로부터 상기 축전지의 최고 온도와 최저 온도를 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하는 연산수단과, 상기 연산수단이 구한 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하는 선택수단과, 상기 전압전류 계측수단에 의하여 계측된 상기 축전지의 전압이 상한 전압 또는 하한 전압에 가까운 경우에, 상기 연산수단이 구한 상기 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 작게 제한하는 제한수단을 구비하도록 한 것이다.
이와 같은 구성에 의하여 각 단셀 사이에 온도 불균일이 생긴 경우에도 최적의 충방전제어가 가능하게 되는 축전지의 상태를 출력할 수 있게 된다.
이하, 도 1 내지 도 6을 사용하여, 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 구성 및 동작에 대하여 설명한다.
제일 먼저, 도 1을 사용하여 본 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도이다.
축전지(10)는 충방전 가능한 축전 디바이스이고, 예를 들면 납전지, 니켈 수 소전지, 리튬 이온전지, 전기 2중층 커패시터 등으로 이루어진다. 축전지(10)는 복수개의 단셀로 구성되어 있다. 하이브리드 자동차 또는 전기자동차에서 사용되는 축전지(10)는, 니켈 수소전지 또는 리튬 이온전지 등의 단셀을 복수 직렬 또는 병렬로 조합하여 사용하는 것이 일반적이다. 예를 들면 축전지(10)의 출력전압으로서 400 V가 필요한 경우, 이것을 만족할 만큼의 단셀을 직렬 접속함으로써, 소정의 출력전압을 얻을 수 있다. 또 축전지(10)는 공냉 등에 의하여 냉각된다.
축전지(10)는 복수개의 온도센서를 구비한다. 여기서는 4개의 온도센서(20) (20x1, 20x2, 20n1, 20n2)를 구비한 경우를 예로 든다. 온도센서(20x1, 20x2, 20n1, 20n2)는, 열전대 또는 서미스터 등으로 이루어진다. 축전지(10)의 열해석을 행함으로써 최고 온도 부위 및 최저 온도 부위를 알 수 있다. 온도센서(20x1, 20x2)는, 최고 온도 부위 부근에 배치되어 최고 온도를 검출한다. 온도센서(20n1, 20n2)는, 최저 온도 부위 부근에 배치되어 최저 온도를 검출한다. 최고 온도를 검출하기 위한 온도센서 및 최저 온도를 검출하기 위한 온도센서는 각각 1개이어도 되나, 단셀의 개체차를 생각하면 2개 이상의 온도센서를 최고 온도 부위 부근 및 최저 온도 부위 부근에 배치함으로써 신뢰성을 향상할 수 있다. 축전지가 구비하는 모든 단셀에 온도센서를 설치하여도 된다.
계측수단(30)은, 전압센서(32)와 전류센서(34)를 구비하고 있다. 계측수단(30)은 축전지(10)의 무부하시 또는 충방전시의 전압(V) 및 충방전시에 유출입하는 전류(I)를 계측하여 연산수단에 송신한다.
연산수단(100)은 최고 최저 온도 선택수단(102)과, 허용전력 연산수단(104) 과, 온도 보호수단(106)을 구비하고 있다. 최고 최저 온도 선택수단(102)은, 온도센서(20x1, 20x2)가 검출한 온도(Tmax1, Tmax2) 중, 높은 쪽의 온도를 최고 온도(Tmax)로서 선택하여 출력한다. 또 최고 최저 온도 선택수단(102)은, 온도센서(20n1, 20n2)가 검출한 온도(Tmin1, Tmin2) 중, 낮은 쪽의 온도를 최저 온도(Tmin)로서 선택하여 출력한다.
허용 전력 연산수단(104)은, 최고 최저 온도 선택수단(102)에 의하여 선택된 최고 온도(Tmax) 및 최저 온도(Tmin)의 각각에 대하여 최대 허용 충전 전력(Pcmax1) [Pcmax(Tmax) 및 Pcmax(Tmin)] 및 최대 허용 방전 전력(Pdmax1)[Pdmax(Tmax) 및 Pdmax(Tmin)]을 구한다.
여기서 도 2∼도 4를 사용하여, 허용전력 연산수단(104)에 의한 최대 허용 충전 전력(Pcmax1) 및 최대 허용 방전 전력(Pdmax1)의 구하는 방법에 대하여 설명한다.
도 2는 축전지(10)의 등가회로를 나타내는 회로도이다. 도 3은 축전지(10)의 등가 임피던스의 설명도이다. 도 4는 충전상태(SOC)와 최대 허용 방전 전력이나 최대 허용 충전 전력의 관계의 설명도이다. 도 5는 온도 보호수단(106)의 제한특성도 이다.
도 2에서 축전지(10)는 기전력(OCV)과, 내부 저항(R)과, 임피던스(Z)와 커패시턴스성분(C)의 병렬 접속쌍과의 직렬 접속으로 나타낸다.
축전지(10)에 전류(I)를 인가하면 축전지(10)의 단자간 전압(CCV)은, 이하의 수학식 (1)로 나타낸다.
Figure 112006093010463-PAT00001
여기서, Vp는 분극전압이고, 임피던스(Z)와 커패시턴스성분(C)의 병렬 접속쌍의 전압에 상당한다.
기전력(OCV)은, 축전지(10)가 충방전을 행하고 있지 않을 때의 개방전압이나, 축전지(10)가 충방전되어 있는 상황에서는, 기전력(OCV)을 직접 측정하는 것이 불가능하다. 이 때문에 수학식 (2)와 같이 단자간 전압(CCV)에서 IR 드롭과 분극전압(Vp)을 빼어 기전력(OCV)을 구한다.
Figure 112006093010463-PAT00002
내부저항(R)과 분극전압(Vp)은, 연산수단(100)의 내부 또는 외부에 설치된 상기 기억장치에 저장되는 축전지(10)의 특성정보이다. 특성정보는, 축전지(10)의 온도 또는 충전상태(SOC) 등, 모든 상태에 따라 공통되는 하나의 값을 사용하여도 되고, 축전지(10)의 온도 또는 충전상태(SOC) 등, 축전지(10)의 상태에 따라 값을 가지게 하여도 된다. 축전지(10)의 상태에 따라 특성정보를 가지게 하면, 더욱 정밀도가 높은 기전력(OCV)을 얻을 수 있다. 전류값(I)은, 계측수단(30)에 의하여 취득되는 무부하시 또는 충방전시의 전류값이다. 단자간 전압(CCV과 I와 R)과 분극전압(Vp)을 사용하고, 수학식 (2)에 의하여 기전력(OCV)이 산출되면 이하의 수학식 (3), 수학식 (4)에 의하여 축전지(10)가 현재 허용하는 것이 가능한 최대 허용 충전 전류값 (Icmax), 최대 허용 방전 전류값(Idmax)을 구할 수 있다.
Figure 112006093010463-PAT00003
Figure 112006093010463-PAT00004
여기서, Rz는 도 2에서의 내부저항(R), 임피던스(Z), 커패시턴스 성분(C)의 등가 임피던스이고, Vupper는 축전지(10)의 상한 전압, Vlower은 하한 전압이다.
도 3에 나타내는 바와 같이 등가 임피던스(Rz)는, 축전지(10)의 온도 또는 충전상태(SOC)에 따라 값이 다르기 때문에, 축전지(10)의 온도 또는 충전상태(SOC)에 따라 등가 임피던스(Rz)를 가지게 하여 구분하여 사용하면, 더욱 정밀도가 높은 최대 허용 전류를 얻을 수 있다. 최대 허용 충전 전력(Pcmax) 및 최대 허용 방전 전력 (Pdmax)은, 이하의 수학식 (5), 수학식 (6)으로부터 구할 수 있다.
Figure 112006093010463-PAT00005
Figure 112006093010463-PAT00006
도 4에 나타내는 바와 같이 산출된 최대 허용 방전 전력(Pdmax)은 저충전상태(SOC)에서 작고, 고충전상태(SOC)에서는 크다. 또 최대 허용 충전 전력(Pcmax) 은 저충전상태(SOC)에서 크고, 고충전상태(SOC)에서는 작아진다. 또한 온도가 낮은 경우는 수학식 (3) 및 수학식 (4)의 등가 임피던스(Rz)가 커지기 때문에 최대 허용 전력이 작고, 온도가 높은 경우는 등가 임피던스(Rz)가 작아지기 때문에 최대 허용 전력은 커진다.
허용 전력 연산수단(104)은, 최고 온도(Tmax)에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmax) 및 최대 허용 방전 전력(Pdmax)(Tmax)을 산출하고, 또 최저 온도(Tmin)에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmin) 및 최대 허용 방전 전력(Pdmax)(Tmin)을 산출한다.
온도 보호수단(106)은, 온도가 소정 온도(T1) 이상이 되면, 최대 허용 충전 전력이나 최대 허용 방전 전력을 제한하는 것이다.
도 5는 온도 보호수단(106)의 제한 특성도이다. 도 5에 나타내는 바와 같이 온도 보호수단(106)은, 축전지(10)의 온도가 소정 온도(T1) 이상이 되면, 최대 허용 충전 전력이나 최대 허용 방전 전력에 곱하는 계수(k)를 1보다 작게 하여 최대 허용 충전 전력(Pcmax2)이나 최대 허용 방전 전력(Pdmax2)으로서 출력한다.
선택수단(110)은, 연산수단(100)에 의하여 구해진 복수의 최대 허용 충전 전력 및 복수의 최대 허용 방전 전력 중, 작은 쪽의 값을 출력한다. 예를 들면 온도 보호수단(106)의 계수(k)를 1로 하여 설명하면, 허용 전력 연산수단(104)이 산출한 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmax) 및 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmin) 중, 작은 쪽의 값을, 최대 허용 충전 전력(Pcmax)으로서 상위 시스템에 출력한다. 또 허용 전력 연산수단(104)이 산출한 최대 허용 방전 전력(Pdmax)(Tmax) 및 최대 허용 방 전 전력(Pdmax)(Tmin) 중, 작은 쪽의 값을 최대 허용 방전 전력(Pdmax)으로서 상위 시스템에 출력한다.
상위 시스템은, 선택수단(110)으로부터 주어진 최대 허용 충전 전력(Pcmax)의 정보에 의거하여, 이 최대 허용 충전 전력(Pcmax) 이하에서 축전지(10)에 충전하도록축전지(10)를 사용하고, 또 최대 허용 방전 전력(Pdmax)의 정보에 의거하여 이 최대 허용 방전 전력(Pdmax) 이하에서 축전지(10)에 축전된 전력을 방전하여 사용하도록 축전지(10)를 충방전 제어한다.
여기서 도 6을 사용하여, 선택수단(110)의 동작에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 선택수단의 동작설명도이다. 또한 여기서는 최대 허용 충전 전력(Pcmax)에 대해서만 나타내고 있다.
상온의 축전지(10)를 주위 온도가 높은 환경하에 놓아두면 점차로 축전지(10)의 온도는 상승한다. 따라서 최고 온도(Tmax) 및 최저 온도(Tmin)도 상승한다. 그 결과, 허용 전력 연산수단(104)이 산출한 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmax) 및 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmin)도 점차로 상승한다. 그러나 예를 들면 시각 t1에서 최고 온도(Tmax)가 도 5에 나타낸 소정 온도(T1) 이상이 되면, 온도 보호수단(106)은 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmax)을 제한하여 점차로 하강한다. 시각 t2에 서 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmax)과 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmin)이 같아지고, 이후, 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmax)이 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmin) 보다 작아진다고 한다.
이와 같은 상태에서 선택수단(110)은 시각 t2까지는, 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmin)을 선택하여 상위 시스템에 출력하고, 시각 t2 이후는 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmax)을 선택하여 상위 시스템에 출력한다.
연산수단(100) 및 선택수단(110)은, 기억장치나 CPU 등으로 구성되는 컨트롤러나 계산기 시스템 또는 마이크로컴퓨터에 의하여 구성된다. 연산수단(100)이나 선택수단(110)으로서는 정보를 입력하여 연산을 행하고, 연산한 결과를 출력하는 것이 가능한 수단이면 어떠한 구성의 것이어도 사용할 수 있다. 계측수단(30)과, 연산수단(100)과, 선택수단(110)은, 동일 디바이스 위에 구성되는 마이크로컴퓨터로서 실현하여도 좋고, 계측수단(30)과 연산수단(100)과 선택수단(110)을 합쳐서 축전지(10)의 내부에 설치하는 것도 가능하다.
또, 연산수단(100)이 수학식 (3) 및 수학식 (4)에 나타내는 최대 허용 충전 전류(Icmax) 및 최대 허용 방전 전류(Idmax)를 출력하고, 선택수단(110)은, 연산수단(100)이 산출한 최저 온도, 최고 온도에 대한 최대 허용 전류[최대 허용 충전 전류(Icmax), 최대 허용 방전 전류(Idmax)]에 대하여, 각각 작은 쪽의 값을 선택하여 상위 시스템에 출력하도록 하여도 좋다.
또한 선택수단(110)의 기능을, 상위 시스템에 가지게 하는 것도 가능하다. 즉, 연산수단(100)은 최저 온도, 최고 온도에 대한 최대 허용전력 또는 최대 허용 전류를 상위 시스템에 출력하고, 상위 시스템이 수취한 최저 온도, 최고 온도에 대한 최대 허용 전력 또는 최대 허용 전류 중에서 작은 쪽을 선택하여 축전지(10)의 충방전을 행하는 것도 가능하다.
이상 설명한 바와 같이 본 실시형태에서는 연산수단(100)에 의하여 최저 온도 및 최고 온도에 대한 최대 허용 전력 또는 최대 허용 전류를 연산하고, 선택수단(110)에 의하여 작은 쪽을 채용함으로써, 가장 작은 최대 허용 전력 또는 최대 허용 전류를 가지는 단셀에 맞추어 세트전지의 충방전 관리를 행할 수 있기 때문에 복수의 단셀을 조합한 세트전지의 온도 불균일을 고려에 넣은 최적의 충방전 관리를 행하는 것이 가능하게 된다.
다음에 도 7 및 도 8을 사용하여 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 구성 및 동작에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도이다. 도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 축전지 관리장치에 사용하는 제한수단의 동작설명도이다. 또한 도 7에서 도 1과 동일부호는, 동일부분을 나타내고 있다.
본 실시형태에서는 도 1에 나타낸 실시형태의 구성에 더하여 연산수단(100)과 선택수단(110)의 사이에 제한수단(120)을 구비하고 있다.
연산수단(100)은, 최고 온도 및 최저 온도에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax2)[최고 온도(Tmax)에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmax), 최저 온도 (Tmin)에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Tmin)] 및 최고 온도 및 최저 온도에 대한 최대 허용 방전 전력(Pdmax2)[최고 온도(Tmax)에 대한 최대 허용 방전 전력(Pdmax)(Tmax), 최저 온도(Tmin)에 대한 최대 허용 방전 전력(Pdmax)(Tmin)]을 출력한다.
제한수단(120)은, 연산수단(100)이 연산한 축전지(10)의 최대 허용 전력[최대 허용 충전 전력(Pcmax2), 최대 허용 방전 전력(Pdmax2)]과, 계측수단(30)에 의하여 계측된 축전지(10)의 전지전압(V)을 수신한다. 제한수단(120)은, 전지전압(V)이 상한 전압에 가까운 경우는 최대 허용 충전 전력을 제한하고, 하한 전압에 가까운 경우는 최대 허용 방전 전력을 작게 제한하는 기능을 가진다.
즉, 도 8(a)에 나타내는 바와 같이, 제한수단(120)은 전지전압(V)이 제 1 문턱값 전압(Vth1)을 초과하면 1 이하가 되고, 상한 전압(Vupper)에 도달하면 0 이 되는 충전계수(Kcg)를 구비하고 있다. 또 도 8(b)에 나타내는 바와 같이 전지전압이 문턱값(Vth2)보다 하회하면 1 이하가 되고, 하한 전압(Vlower)에 도달하면 0 이 되는 방전계수(Kdc)를 구비하고 있다. 제한수단(120)은, 충전계수(Kcg) 및 방전계수(Kdc)를 사용하여 이하의 수학식 (7), 수학식 (8)에 의하여 최대 허용 전력을 구한다.
Figure 112006093010463-PAT00007
Figure 112006093010463-PAT00008
또한 선택수단(110)은, 제한수단(120)이 출력하는 최대 허용 충전 전력(Pcmax3)(Tmax) 및 최대 허용 충전 전력(Pcmax3)(Tmin) 중, 작은 쪽의 값을, 최대 허용 충전 전력(Pcmax)으로서 상위 시스템에 출력한다. 또 최대 허용 방전 전 력(Pdmax3)(Tmax) 및 최대 허용 방전 전력(Pdmax3)(Tmin) 중, 작은 쪽의 값을, 최대 허용 방전 전력(Pdmax)으로서 상위 시스템에 출력한다.
제한수단(120)이 행하는 처리에 의하여 상한 전압 또는 하한 전압에 가까운 경우는 최대 허용 전력을 작게 제한하여 상위 시스템에 송신하고, 축전지(10)를 사용시킨다. 또, 제한수단(120)이 행하는 처리는, 연산수단(100)이 연산하는 최대 허용 전류에 대해서도 적용 가능하다.
제한수단(120)은, 연산수단(100)과는 독립된 기억장치 또는 CPU 등으로 구성되는 컨트롤러, 계산기시스템, 마이크로프로세서 등으로 상기한 처리를 실행시켜 실현하여도 좋고, 연산수단(100)이 행하는 연산의 일부로서 실현하여도 된다.
본 실시형태에서는, 연산수단(100) 및 선택수단(110)에 의하여 복수의 단셀을 조합한 세트전지의, 온도 불균일을 고려에 넣은 최적의 충방전관리를 행하는 것이 가능하게 된다.
또, 제한수단(120)에 의하여 축전지(10)의 과충전·과방전을 방지하여 충방전관리를 행할 수 있다.
다음에, 도 9를 사용하여 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 구성 및 동작에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도이다. 또한 도 9에서 도 1과 동일부호는 동일부분을 나타내고 있다.
일반적으로, 단셀을 복수 조합한 세트전지가 구비하는 단셀은, SOC(충전상 태)불균일이 발생한다. 고충전상태(SOC)의 축전지는, 최대 허용 충전 전력이 작고, 최대 허용 방전 전력이 크다. 저충전상태(SOC)의 축전지는, 최대 허용 충전 전력이 크고, 최대 허용 방전 전력이 작다. 따라서 본 실시형태에서는 세트전지의 충방전 관리를 행하는 경우, 충전상태(SOC)의 불균일을 고려에 넣은 제어를 행할 수 있도록 한다.
계측수단(30A)은, 전압센서(32A)와 전류센서(34)를 구비하고 있다. 계측수단(30A)이 구비하는 전압센서(32A)는, 축전지(10)를 구성하는 각 단셀의 무부하시 또는 충방전시의 전압(v)(n)을 취득한다. 축전지(10)가 96개의 단셀을 직렬로 접속하여 구성되어 있는 경우에서는 전압(v)(n)은, 96개만큼 출력한다. 또한 각 단셀마다의 전압이 아니고, 2개 이상의 단셀의 전압을 출력하는 것이어도 된다. 또 복수의 단셀로 구성된 축전지(10)를 복수 직렬 접속하여 축전지로 하는 경우에는, 각 축전지마다의 전압을 계측하도록 하여도 된다. 전류센서(34)는, 축전지(10)에 출입하는 전류(I)를 출력한다.
연산수단(100A)은, 최고 최저 온도 선택수단(102)과, 온도 보호수단(106)에 더하여, 허용 전력 연산수단(104A)과, 최고 최저 전압 선택수단(108)을 구비하고 있다. 최고 최저 전압 선택수단(108)은, 계측수단(30A)이 출력하는 전압(v)(n) 중에서 최고 전압(vmax)과 최저 전압(vmin)을 선택하여, 허용 전력 연산수단(104A)에 출력한다.
허용 전력 연산수단(104A)은, 최고 전압(vmax)에 의거하여 축전지 전체로서의 최고 전압(Vmax)을 구한다. 즉, 단셀의 전압(vmax)에, 축전지 내의 단셀의 개 수(예를 들면, 96개)를 곱하여 축전지 전체로서의 최고 전압(Vmax)을 구한다. 또 허용 전력 연산수단(104A)은, 최저 전압(vmin)에 의거하여 축전지 전체로서의 최저 전압(Vmin)을 구한다.
연산수단(100A)은, 최저 전압(Vmin) 및 최고 전압(Vmax)을, 수학식 (1)에서의 단자간 전압(CCV)으로서, 수학식 (2)∼수학식(6)에 의하여 최저 전압(Vmin)에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Vmin)과, 최대 허용 방전 전력(Pdmax)(Vmin)과, 최대 전압(Vmax)에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Vmax)과, 최대 허용 방전 전력(Pdmax) (Vmax)을 산출한다. 연산수단(100A)은, 최대 허용 충전 전력(Pcmax1')[Pcmax (Vmin) 및 Pcmax(Vmax)]과, 최대 허용 방전 전력(Pdmax1')[Pdmax(Vmin) 및 Pdmax (Vmax)]을 온도 보호수단(106)에 출력한다. 여기서 최저 전압(Vmin)에서 구한 최대 허용 방전 전력(Pdmax)(Vmin)은 작고, 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Vmin)은 커진다. 최고 전압(Vmax)에서 구한 최대 허용 방전 전력(Pdmax)(Vmax)은 크고, 최대 허용 충전 전력(Pcmax)(Vmax)은 작아진다.
온도 보호수단(106)은, 축전지(10)의 온도가 소정 온도보다 높은 경우에는, 최대 허용 충전 전력(Pcmax1')과, 최대 허용 방전 전력(Pdmax1')을 제한하여 각각 최대 허용 충전 전력(Pcmax2')과, 최대 허용 방전 전력(Pdmax2)으로서 선택수단(110)에 출력한다.
선택수단(110)은, 입력한 최대 허용 충전 전력(Pcmax2')[Pcmax(Vmin) 및 Pcmax (Vmax)], 최대 허용 방전 전력(Pdmax2)[Pdmax(Vmin) 및 Pdmax(Vmax)]중, 각각 작은 쪽의 최대 허용 방전 전력 및 최대 허용 충전 전력을 채용하여 외부의 상 위 시스템에 송신한다. 상위 시스템은, 수신한 최대 허용 전력에 의거하여 축전지(10)를 사용한다. 또 선택수단(110)이 행하는 처리는, 연산수단(100)이 연산하는 최대 허용 전류에 대해서도 적용 가능하다.
본 실시형태와 같이, 단셀의 충전상태(SOC)에 의거하여, 축전지(10)의 충방전관리를 행함으로써 축전지(10)가 구비하는 복수의 단셀의 충전상태(SOC) 불균일을 고려에 넣은 충방전 관리를 행하는 것이 가능하게 된다.
다음에, 도 10을 사용하여 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 구성 및 동작에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도이다. 또한 도 10에서 도 9와 동일부호는, 동일부분을 나타내고 있다.
본 실시형태에서는, 도 9에 나타낸 구성에 더하여 도 8에서 설명한 제한수단 (120)을 구비하고 있다. 제한수단(120) 이외의 동작은, 도 9에서 설명한 것과 동일하고, 제한수단(120)의 동작은, 도 8에서 설명한 것과 동일하다.
계측수단(30B)은, 도 1의 계측수단(30)과, 도 9의 계측수단(30A)의 양쪽의 기능을 구비하고 있다. 따라서 계측수단(30B)은, 축전지(10)의 전체로서의 무부하시 또는 충방전시의 전압(V) 및 충방전시에 유출입하는 전류(I)를 출력한다. 또 계측수단(30B)은, 축전지(10)를 구성하는 각 단셀마다 전압을 검출하여 축전지(10) 중의 각 단셀의 무부하시 또는 충방전시의 전압(v)(n)을 출력한다.
따라서 본 실시형태에서는 단셀의 충전상태(SOC)에 의거하여, 축전지(10)의 충방전 관리를 행함으로써, 축전지(10)가 구비하는 복수의 단셀의 충전상태(SOC) 불균일을 고려에 넣은 충방전 관리를 행하는 것이 가능하게 된다.
또, 제한수단(120)에 의하여 축전지(10)의 과충전·과방전을 방지하여 충방전관리를 행할 수 있다. 제한수단(120)의 연산에서 사용하는 전압은, 축전지(10)의 전체로서의 무부하시는 충방전시의 전압을 사용하여도 되고, 단셀로부터 구한 최고 전압(Vmax)을 사용하여 최대 허용 충전 전력을, 최저 전압(Vmin)을 사용하여 최대 허용 방전 전력을 제한하는 것이어도 된다. 최고 전압으로 최대 허용 충전 전력을, 최저전압으로 최대 허용 방전 전력을 제한함으로써, 더욱 확실하게 과충전, 과방전을 방지할 수 있다.
다음에, 도 11을 사용하여 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 구성 및 동작에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 축전지 관리장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도이다. 또한 도 11에서 도 7 및 도 10과 동일부호는, 동일부분을 나타내고 있다.
본 실시형태는, 도 7에 나타낸 구성과, 도 10에 나타낸 구성의 양쪽을 구비한 것이다.
연산수단(100B)은, 최고 최저 온도 선택수단(102)과, 허용 전력 연산수단(104)과, 온도 보호수단(106)과, 허용 전력 연산수단(104A)과, 최고 최저 전압 선택수단(108)을 구비하고 있다. 연산수단(100B)은, 최고 온도(Tmax) 및 최저 온도(Tmin)에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax2)[Pcmax(Tmax) 및 Pcmax(Tmin)]과, 최 고 온도(Tmax) 및 최저 온도(Tmin)에 대한 최대 허용 방전 전력(Pdmax2)[Pdmax(Tmax) 및 Pdmax(Tmin)]과, 최대 전압(Vmax) 및 최저 전압(Vmin)에 대한 최대 허용 충전 전력(Pcmax2')[Pcmax(Vmax) 및 Pcmax(Vmin)]과, 최대 전압(Vmax) 및 최저 전압(Vmin)에 대한 최대 허용 방전 전력(Pdmax2')[Pdmax(Vmax) 및 Pdmax(Vmin)]을 출력한다.
본 실시형태에서는 연산수단(100B) 및 선택수단(110)에 의하여 복수의 단셀을 조합시킨 세트전지의 온도 불균일을 고려에 넣은 최적의 충방전 관리를 행하는 것이 가능하게 된다.
또, 연산수단(100B)은, 단셀의 충전상태(SOC)에 의거하여, 축전지(10)의 충방전 관리를 행함으로써, 축전지(10)가 구비하는 복수의 단셀의 충전상태(SOC) 불균일을 고려에 넣은 충방전 관리를 행하는 것이 가능하게 된다.
또한 제한수단(120)에 의하여 축전지(10)의 과충전·과방전을 방지하여 충방전 관리를 행할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 각 실시형태는 단셀을 복수 조합시킨 세트전지를 구비하는 전원 시스템에 대한 적용을 목적으로 하고 있으며, 하이브리드 자동차나 전기자동차 등의 차량에 한정되지 않고 폭넓게 이용 가능하다.
본 발명에서는, 온도 불균일 또는 전지전압을 고려에 넣어 최대 허용 전력을 구하여 충방전 관리를 행할 수 있기 때문에, 복수의 단셀을 구비하는 세트전지를 안전하게 최적으로 일괄 관리를 행할 수 있다.
본 발명에 의하면 각 단셀 사이에 온도 불균일이 생긴 경우에도 최적의 충방전제어가 가능해진다.

Claims (6)

  1. 충방전 가능한 축전지의 온도를 계측하는 복수의 온도 계측수단과,
    상기 축전지의 전압 및 전류를 계측하는 전압전류 계측수단과,
    상기 온도 계측수단이 계측한 상기 축전지의 온도값으로부터, 상기 축전지의 최고 온도와 최저 온도를 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여, 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하는 연산수단과,
    상기 연산수단이 구한 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하는 선택수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 축전지 관리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    또한, 상기 전압전류 계측수단에 의하여 계측된 상기 축전지의 전압이 상한 전압 또는 하한 전압에 가까운 경우에, 상기 연산수단이 구한 상기 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 작게 제한하는 제한수단을 구비한 것을 특징으로 하는 축전지 관리장치.
  3. 충방전 가능한 축전지의 온도를 계측하는 복수의 온도 계측수단과,
    상기 축전지의 전압 및 전류 및 상기 축전지를 구성하는 복수의 단셀의 전압을 계측하는 전압전류 계측수단과,
    상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 단셀의 전압값으로부터 상기 축전지의 단셀의 최고 전압과 최저 전압을 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여 상기 최고 전압 및 상기 최저 전압에 대한 상기축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하는 연산수단과,
    상기 연산수단이 구한 상기 최고 전압 및 상기 최저 전압에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하는 선택수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 축전지 관리장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    또한, 상기 전압전류 계측수단에 의하여 계측된 상기 축전지의 전압이 상한 전압 또는 하한 전압에 가까운 경우에, 상기 연산수단이 구한 상기 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 작게 제한하는 제한수단을 구비한 것을 특징으로 하는 축전지 관리장치.
  5. 충방전 가능한 축전지의 온도를 계측하는 복수의 온도 계측수단과,
    상기 축전지의 전압 및 전류 및 상기 축전지를 구성하는 복수의 단셀의 전압 을 계측하는 전압전류 계측수단과,
    상기 온도 계측수단이 계측한 상기 축전지의 온도값으로부터, 상기 축전지의 최고 온도와 최저 온도를 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하고, 또 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 단셀의 전압값으로부터, 상기 축전지의 단셀의 최고 전압과 최저 전압을 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여 상기 최고전압 및 상기 최저전압에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하는 연산수단과,
    상기 연산수단이 구한 상기 최고 온도, 상기 최저 온도, 상기 최고 전압 및 상기 최저 전압에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하는 선택수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 축전지 관리장치.
  6. 충방전 가능한 축전지의 온도를 계측하는 복수의 온도 계측수단과,
    상기 축전지의 전압 및 전류를 계측하는 전압전류 계측수단과,
    상기 온도 계측수단이 계측한 상기 축전지의 온도값으로부터, 상기 축전지의 최고 온도와 최저 온도를 구하고, 상기 전압전류 계측수단이 계측한 상기 축전지의 전압전류에 의거하여, 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 구하는 연산수단과,
    상기 연산수단이 구한 상기 최고 온도 및 상기 최저 온도에 대한 상기 축전지의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류 중, 작은 쪽의 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 선택하는 선택수단과,
    상기 전압전류 계측수단에 의하여 계측된 상기 축전지의 전압이 상한 전압 또는 하한 전압에 가까운 경우에, 상기 연산수단이 구한 상기 최대 허용 충방전 전력 또는 최대 허용 충방전 전류를 작게 제한하는 제한수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 축전지 관리장치.
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