KR20130004336A - 조전지 및 조전지의 제어 장치 - Google Patents

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유타카 고바야시
고우 다카하시
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

조전지는, 1 또는 2 이상의 2차 전지 셀이 직렬로 접속된 셀 군과 그 셀 군에 직렬로 접속된 제1 전류 제어 소자를 각각이 갖는 서로 병렬로 접속된 복수의 전지 유닛과, 전지 유닛의 각각이 갖는 제1 전류 제어 소자의 동작을 제어해서 전지 유닛마다 충방전 전류를 제어하는 제1 제어 수단과, 전지 유닛의 각각이 갖는 셀 군 또는 각 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 수단과, 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도 또는 고장을 진단하는 진단 수단을 구비한다.

Description

조전지 및 조전지의 제어 장치{BATTERY ASSEMBLY AND METHOD FOR CONTROLLING BATTERY ASSEMBLY}
본 발명은, 복수의 2차 전지 셀에 의해 구성되는 조전지(組電池) 및 그 제어 장치에 관한 것이다.
전기 자동차용, 철도용, 전력 계통 축전 시스템용 등의 큰 용량을 필요로 하는 2차 전지 시스템에 있어서 사용되는 조전지로서, 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 것이 종래 알려져 있다. 이 조전지는, 2차 전지 셀을 다수 직렬로 접속해서 직렬 셀 군(群)을 구성하고, 그 직렬 셀 군을 더욱 복수 병렬 접속하는 것에 의해 구성되어 있다.
한편, 특허문헌 2에는, 복수의 2차 전지 셀을 병렬로 접속한 병렬 블록을 복수 블록 직렬로 접속한 조전지에 있어서, 충방전 전후에 있어서의 각 병렬 블록의 전압 변화량을 검출하고, 그 검출 결과에 의거해서 이상(faulty) 셀의 유무를 판정하는 것이 개시되어 있다.
일본국 특개2004-312863호 공보 일본국 특허 제4019815호 공보
상기와 같은 종래의 조전지에서는, 조전지 전체에서 충방전을 행하고 있는 동안에 각 셀 군의 열화도(deterioration)나 고장을 정확하게 진단하는 것은 곤란했다. 즉, 셀 군 단위로 열화도나 고장을 정확하게 진단하기 위해서는 당해 셀 군의 충방전 전류를 차단할 필요가 있지만, 특허문헌 1에 개시되는 조전지에서는, 2차 전지 셀을 다수 직렬로 접속해서 하나의 직렬 셀 군이 구성되어 있기 때문에, 이 셀 군에 대해서 충방전 전류를 차단하면, 조전지 전체에서의 충방전 능력이 대폭 저하되게 된다. 또한, 특허문헌 2에 개시되는 조전지에서는, 셀 군에 상당하는 각 병렬 블록이 직렬로 접속되어 있기 때문에, 셀 군 단위로 충방전 전류를 차단할 수 없다. 따라서, 조전지 전체에서 충방전을 행하고 있는 동안에 각 셀 군의 열화도나 고장을 정확하게 진단(diagnosis)할 수는 없었다.
본 발명은 이상의 점을 감안해서 이루어진 것이며, 그 목적은, 조전지 전체에서 충방전을 행하면서, 각 전지 유닛의 열화도나 고장을 진단할 수 있는 조전지를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 제1 태양에 의한 조전지는, 1 또는 2 이상의 2차 전지 셀이 직렬로 접속된 셀 군과 그 셀 군에 직렬로 접속된 제1 전류 제어 소자를 각각이 갖는 서로 병렬로 접속된 복수의 전지 유닛과, 전지 유닛의 각각이 갖는 제1 전류 제어 소자의 동작을 제어해서 전지 유닛마다 충방전 전류를 제어하는 제1 제어 수단과, 전지 유닛의 각각이 갖는 셀 군 또는 각 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 수단과, 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도 또는 고장을 진단하는 진단 수단을 구비한다.
본 발명의 제2 태양에 의하면, 제1 태양의 조전지에 있어서, 진단 수단은, 제1 제어 수단이 제1 전류 제어 소자를 온(on)해서 충방전 전류를 통전했을 때에 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압과, 제1 제어 수단이 제1 전류 제어 소자를 오프(off)해서 충방전 전류를 차단했을 때에 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서, 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도를 진단할 수 있다.
본 발명의 제3 태양에 의하면, 제2 태양의 조전지에 있어서, 제1 제어 수단은, 복수의 전지 유닛 중 일부의 전지 유닛을 선택하고, 선택한 전지 유닛 이외의 각 전지 유닛에 있어서 충방전 전류를 통전한 상태에서, 선택한 전지 유닛에 있어서 충방전 전류를 통전 및 차단하고, 진단 수단은, 제1 제어 수단에 의해 선택된 전지 유닛에 대해서 열화도를 진단하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제4 태양에 의하면, 제2 또는 제3 태양의 조전지에 있어서, 진단 수단은, 제1 제어 수단에 의해 온된 제1 전류 제어 소자의 양단 전압에 의거해서 충방전 전류를 산출하고, 그 산출 결과를 사용해서 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하는 것으로 해도 된다.
본 발명의 제5 태양에 의하면, 제1 태양의 조전지에 있어서, 전지 유닛의 각각은, 셀 군에 각각 병렬로 접속된 강제 방전용 제2 전류 제어 소자 및 방전용 저항을 더 갖고, 조전지는, 전지 유닛의 각각이 갖는 제2 전류 제어 소자의 동작을 제어하는 제2 제어 수단을 더 구비하고, 진단 수단은, 제1 제어 수단이 제1 전류 제어 소자를 오프해서 충방전 전류를 차단한 상태에서, 제2 제어 수단이 제2 전류 제어 소자를 오프했을 때에 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 개방 전압과, 제2 제어 수단이 제2 전류 제어 소자를 온했을 때에 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군의 부하 시 전압과, 방전용 저항의 저항값에 의거해서, 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도를 진단할 수 있다.
본 발명의 제6 태양에 의하면, 제1 내지 제5 중 어느 하나의 태양의 조전지에 있어서, 제1 제어 수단은, 진단 수단에 의한 열화도의 진단 결과에 의거해서, 각 전지 유닛 사이의 충방전 전류를 조정해도 된다.
본 발명의 제7 태양에 의하면, 제1 태양의 조전지에 있어서, 진단 수단은, 제1 제어 수단이 모든 제1 전류 제어 소자를 오프해서 충방전 전류를 차단했을 때에 전압 측정 수단에 의해 복수 회 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서, 각 전지 유닛의 개방 전압의 강하(drop)량을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 고장을 진단할 수 있다.
본 발명의 제8 태양에 의하면, 제1 내지 제7 중 어느 하나의 태양의 조전지에 있어서, 제1 제어 수단은, 진단 수단에 의해 진단된 열화도가 소정의 임계(threshold)값 이상인 전지 유닛, 또는 진단 수단에 의해 고장이라고 진단된 전지 유닛에 대해서, 제1 전류 제어 소자를 오프해서 충방전 대상으로부터 분리하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제9 태양에 의하면, 제8 태양의 조전지는, 복수의 전지 유닛과 병렬로 접속되어 있고, 셀 군과 제1 전류 제어 소자를 갖는 예비 전지 유닛을 더 구비할 수 있다. 이 조전지에 있어서, 제1 제어 수단은, 예비 전지 유닛에 있어서의 제1 전류 제어 소자를 온함으로써, 충방전 대상으로부터 분리된 전지 유닛 대신에 예비 전지 유닛을 충방전 대상에 포함시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 제10 태양에 의하면, 제1 내지 제9 중 어느 하나의 태양의 조전지에 있어서, 제1 제어 수단은, 각 전지 유닛에 있어서의 제1 전류 제어 소자를 각각 제어해서 각 전지 유닛 사이의 충방전 전류를 균일화하는 것으로 해도 된다.
본 발명의 제11 태양에 의하면, 제10 태양의 조전지에 있어서, 제1 제어 수단은, PWM(place width modulation) 제어를 사용해서, 각 전지 유닛에 있어서의 제1 전류 제어 소자를 온하는 시간의 비율을 각각 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제12 태양에 의하면, 제1 내지 제11 중 어느 하나의 태양의 조전지에 있어서, 제1 전류 제어 소자는, 정전류 특성(constant current characteristic)을 갖는 MOSFET를 사용해서 구성되어 있고, 정전류 특성을 이용해서 전지 유닛에 있어서의 충방전 전류를 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제13 태양에 의한 조전지의 제어 장치는, 1 또는 2 이상의 2차 전지 셀이 직렬로 접속된 셀 군과 그 셀 군에 직렬로 접속된 제1 전류 제어 소자를 각각이 갖는 서로 병렬로 접속된 복수의 전지 유닛을 구비한 조전지의 제어 장치로서, 전지 유닛의 각각이 갖는 제1 전류 제어 소자의 동작을 제어해서 전지 유닛마다 충방전 전류를 제어하는 제1 제어 수단과, 전지 유닛의 각각이 갖는 셀 군 또는 각 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 수단과, 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도 또는 고장을 진단하는 진단 수단을 구비한다.
본 발명의 제14 태양에 의하면, 제13 태양 조전지의 제어 장치에 있어서, 진단 수단은, 제1 제어 수단이 제1 전류 제어 소자를 온해서 충방전 전류를 통전했을 때에 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압과, 제1 제어 수단이 제1 전류 제어 소자를 오프해서 충방전 전류를 차단했을 때에 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서, 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도를 진단할 수 있다.
본 발명의 제15 태양에 의하면, 제13 태양의 조전지의 제어 장치에 있어서, 전지 유닛의 각각은, 셀 군에 각각 병렬로 접속된 강제 방전용 제2 전류 제어 소자 및 방전용 저항을 더 갖고, 제어 장치는, 전지 유닛의 각각이 갖는 제2 전류 제어 소자의 동작을 제어하는 제2 제어 수단을 더 구비하고, 진단 수단은, 제1 제어 수단이 제1 전류 제어 소자를 오프해서 충방전 전류를 차단한 상태에서, 제2 제어 수단이 제2 전류 제어 소자를 오프했을 때에 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군 또는 각 셀의 개방 전압과, 제2 제어 수단이 제2 전류 제어 소자를 온했을 때에 전압 측정 수단에 의해 측정된 셀 군의 부하 시 전압과, 방전용 저항의 저항값에 의거해서, 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도를 진단할 수 있다.
본 발명의 제16 태양에 의하면, 제13 태양의 조전지의 제어 장치에 있어서, 진단 수단은, 제1 제어 수단이 제1 전류 제어 소자를 오프해서 충방전 전류를 차단했을 때에 전압 측정 수단에 의해 복수 회 측정된 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서, 각 전지 유닛의 개방 전압의 강하량을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 고장을 진단할 수 있다.
본 발명에 의하면, 조전지 전체에서 충방전을 행하면서, 각 전지 유닛의 열화도나 고장을 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 조전지에 있어서의 열화 진단 시의 배선 관계를 나타낸 배선도.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 조전지에 있어서의 불량 전지 유닛의 분리와 예비 전지 유닛의 접속 시의 배선 관계를 나타낸 배선도.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 조전지에 있어서의 열화 진단 시의 배선 관계를 나타낸 배선도.
도 4는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 조전지에 있어서의 고장 진단 시의 배선 관계를 나타낸 배선도.
도 5는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 조전지에 있어서의 배선 관계를 나타낸 배선도.
도 6은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 조전지에 있어서, 셀 군의 구성 단위가 3개의 셀인 경우의 배선도.
도 7은 2차 전지 셀의 SoH와 DCR의 관계를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 조전지에 있어서 열화 진단을 행할 때의 진단 대상의 셀 군의 전지 전압과 충방전 전류의 시간 변화를 설명하기 위한 도면.
도 9는 2차 전지 셀의 SoC와 OCV의 관계를 나타낸 도면.
도 10은 정상인 셀과 고장 셀에 있어서의 전류 차단 후의 전지 전압의 변화 예를 나타낸 도면.
도 11은 OCV가 상이한 셀을 병렬로 접속했을 때에 각각에 흐르는 상호 전류의 변화를 나타낸 도면.
도 12는 MOSFET의 전류 전압 특성을 나타낸 도면.
도 13은 일반적인 구조의 N형 파워 MOSFET의 단면 구조를 나타낸 도면.
도 14는 N형의 트랜스퍼 MOSFET의 단면 구조를 나타낸 도면.
도 15는 대칭 구조의 N형 트랜스퍼 MOSFET의 단면 구조를 나타낸 도면.
본 발명에 의한 조전지 및 그 제어 장치에 대해서 이하에 설명한다. 본 발명에 의한 조전지는, 전기 자동차용, 철도용, 전력 계통 축전 시스템용 등의 큰 용량을 필요로 하는 2차 전지 시스템에 있어서 사용되는 것이다. 이러한 대용량의 2차 전지 시스템에 있어서 사용되는 전지로서는, 그 높은 에너지 밀도(density)나 충방전 효율(charging efficiency) 등에서 리튬 이온 전지가 적합하다. 리튬 이온 전지는 최근 그 성능의 발달에 따라 다양한 분야에 있어서 널리 사용되도록 되어 있다.
리튬 이온 전지는, 그 높은 에너지 밀도나 낮은 내부 저항 때문에, 열화 또는 고장났을 때에 그것을 방치하고 충방전을 계속하면 이상 발열 등을 일으킬 우려가 있다. 따라서, 안전성이나 신뢰성의 확보가 과제로 되어 있다.
종래의 직렬형 전지 시스템에 있어서도, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 열화 또는 고장나 있다고 판단된 직렬 셀 군을 분리하는 등 해서 안전성이나 신뢰성을 확보하고 있는 것이 있다. 그러나 이 전지 시스템의 구성에서는, 셀 군 내에서 단 1개의 셀이 열화 또는 고장났을 뿐이어도, 그 외 다수의 정상인 셀을 포함하는 셀 군마다 분리해서 사용할 수 없게 하기 때문에, 전지 시스템 전체에서의 용량의 저하가 커지게 된다는 문제가 있었다.
또한, 직렬형 전지 시스템에서는, 시스템 전체에서 충방전을 행하고 있는 동안에 셀의 진단, 특히 셀의 개방 전압의 측정을 수반하는 진단을 행하는 것은 곤란했다. 즉, 직렬 셀 군의 병렬 수는 한정되고 있고, 그들 중 1개의 직렬 셀 군이라도 개방 전압(open circuit voltage)의 측정을 위해서 충방전 전류를 차단하면, 시스템 전체의 충방전 능력이 그만큼 대폭 감소하게 된다는 문제가 있었다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서는, 셀 군의 구성 개수를 수 개 이하로 작게 하고, 그들을 다수 병렬로 접속하는 방법을 생각할 수 있다. 이 구성이면, 불량 셀을 분리해도 시스템 전체에서의 용량 저하를 최소로 할 수 있다. 또한, 시스템 전체에서 충방전을 행하고 있는 동안에 셀의 진단을 행해도, 시스템 전체의 충방전 능력 저하를 최소로 할 수 있다. 그러나, 셀 군을 병렬로 접속하면 각각의 전지 전압이 외관 상 고르게 되어, 개별의 전지 전압을 측정할 수 없어져 진단을 실시할 수 없기 때문에, 종래는 채용되어 오고 있지 않았다.
본 발명은 이상의 점을 감안해서 이루어진 것이다. 그 목적은, 셀의 열화나 고장을 가능한 한 작은 단위로 진단하는 것에 있다. 또한, 불량 셀의 분리나 예비 셀의 편입을 행함으로써 조전지 전체의 안전성이나 신뢰성을 장기에 걸쳐서 확보하는 수단을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 있어서는, 셀 군 마다 설치된 스위치를 제어함으로써 상기와 같은 과제를 극복하고, 개별의 전지 전압 측정에 의한 고정밀도(高精密度)의 진단과, 세밀한 불량 셀의 분리나 예비 셀의 편입을 가능하게 하고 있다.
구체적으로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 1개의 셀 또는 소수의 셀을 직렬로 접속한 셀 군(211, 221 및 231)에, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 각각 직렬로 접속하고, 이것을 최소의 구성 단위에 해당하는 전지 유닛(21, 22 및 23)으로 한다. 이 전지 유닛(21, 22 및 23)을 다수 병렬로 접속하고, 그들을 제어 회로(1)에 의해 제어함으로써 대용량의 전지 모듈(3)을 구축한다. 이 전지 유닛(21, 22 및 23)마다 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 사용해서 충방전 전류의 차단이나 제어를 행함으로써, 셀의 열화를 전지 유닛(21, 22 및 23)마다 개별적으로 진단한다.
또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 셀이 열화 또는 고장난 전지 유닛(23)을 주 계통으로부터 분리하거나, 별도 설치해 둔 예비 전지 유닛(24)의 편입을 행함으로써, 전지 모듈(3) 전체에서의 장기에 걸친 안전성이나 신뢰성을 확보한다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 도 1의 구성에 부가해서, 셀 군(211, 221 및 231)과 각각 병렬로, 제2 전류 제어 소자(215, 225 및 235)와 방전용 저항(216, 226 및 236)을 접속한다. 방전용 저항(216, 226 및 236)을 통해서 셀 군(211, 221 및 231)을 각각 강제적으로 방전시킴으로써, 셀의 열화나 고장을 전지 유닛(21, 22 및 23)마다 개별적으로 진단할 수 있다.
또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 각각 오프로 한 상태에서, 셀 군(211, 221 및 231)의 전압을 각각 측정해, 그 경시 변화를 관찰한다. 이에 따라, 각 셀 내부의 미소 단락에 의한 고장을 진단할 수 있다.
또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)의 제어에, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 사용한다. 이에 따라, 전지 유닛(21, 22 및 23)에 균등한 전류를 각각 흘리거나, 셀 군(211, 221 및 231)의 열화도에 따라서 전지 유닛(21, 22 및 23)의 전류를 안분(按分)하거나 할 수 있다.
또한, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)에 MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor : 금속 산화막 전계 효과 트랜지스터)를 각각 사용해서 그 정전류 특성을 이용한다. 이에 따라, 과전류를 제한할 수 있다. 특히, 전류를 차단한 전지 유닛(21, 22 및 23)을 재접속할 때에, 전지 유닛(21, 22 및 23) 상호의 과도적(過渡的)인 전류를 제한할 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이 조전지를 구성함으로써, 셀의 열화 또는 고장 시에, 작은 단위(1개 또는 소수의 셀)로 셀의 분리 및 예비 셀의 편입을 행할 수 있다. 그 때문에, 정상인 채로 낭비되는 셀의 개수를 줄일 수 있어, 안전성이나 신뢰성을 확보한 채로 제조 비용 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 전지 유닛(21, 22 및 23)마다 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 설치해서, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 개개에 대해서 충방전 전류의 차단 및 제어를 행할 수 있도록 했다. 이에 따라, 전지 모듈(3) 전체에서 충방전을 행하고 있을 때에, 그 충방전을 계속시킨 채로, 개방 전압의 측정을 수반하는 진단을 일부의 전지 유닛에 대해서 행할 수 있다.
또한, 개방 전압을 포함하는 셀의 기본 물성을 검지함으로써, 보다 정확한 열화 진단이나 고장 진단을 행할 수 있다.
또한, 각 전지 유닛에서의 충방전 전류를 개별적으로 제어 또는 전류 제한함으로써, 셀의 열화를 억제해서 수명을 최대화할 수 있다.
본 발명에 의한 조전지 및 그 제어 장치는, 이상에서 설명한 바와 같이 다양한 작용 효과를 발휘할 수 있다. 이하에서는, 본 발명에 의한 조전지 및 그 제어 장치의 실시형태에 대해서 설명한다.
- 제1 실시형태 -
본 발명에 의한 조전지 및 그 제어 장치의 제1 실시형태에 대해서, 이하에 도 1 및 도 2를 참조해서 설명한다. 도 1은, 본 실시형태에 따른 조전지로서의 전지 모듈(3)에 있어서의 배선 관계를 나타낸 배선도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 전지 모듈(3)은, 제어 회로(1), 복수의 전지 유닛(21, 22 및 23), 및 예비 전지 유닛(24)으로 구성되어 있다. 전지 유닛(21, 22 및 23)과 예비 전지 유닛(24)은, 각각이 서로 병렬로 접속되어 있다. 전지 유닛(21, 22 및 23)과 예비 전지 유닛(24)의 양단 단자는, 전지 모듈(3)의 병렬 접속 배선(31 및 32)에 각각 접속되어 있다.
제어 회로(1)는, 연산부(10), 신호 발생 회로(signal generation circuit)(11), 신호 분배(distribution) 회로(12), 전압 측정 회로(13 및 14), 및 전환 회로(15)로 구성된다. 전지 유닛(21, 22 및 23)은, 1개의 2차 전지 셀 또는 2개 이상의 소수의 2차 전지 셀을 직렬로 접속한 셀 군(211, 221 및 231)과 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)로 각각 구성된다. 예비 전지 유닛(24)도 마찬가지로, 1개의 2차 전지 셀 또는 2개 이상의 소수의 2차 전지 셀을 직렬로 접속한 셀 군(241)과 제1 전류 제어 소자(242)로 구성된다.
연산부(10)는, 전압 측정 회로(13, 14)의 각 측정 결과에 의거해서, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 열화도를 각각 진단한다. 구체적인 진단 방법은 후에 설명한다.
신호 발생 회로(11)는, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)의 동작을 각각 제어하기 위한 신호를 발생시켜 신호 분배 회로(12)에 출력한다. 신호 분배 회로(12)는, 신호 발생 회로(11)로부터의 신호를, 배선(214, 224 및 234)을 통해서, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)의 제어 입력 단자에 각각 분배해서 출력한다. 이러한 신호 발생 회로(11) 및 신호 분배 회로(12)의 동작에 의해, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 각각이 갖는 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)의 동작이 각각 제어되고, 그것에 의해 전지 유닛(21, 22 및 23)마다 충방전 전류의 제어가 행해진다.
전압 측정 회로(13)는, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 각각이 갖는 셀 군(211, 221 및 231)의 셀 전압을 각각 측정한다. 한편, 전압 측정 회로(14)는, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 각각이 갖는 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)의 양단 전압을 각각 측정한다. 전압 측정 회로(13 및 14)에 의한 각 측정 결과는, 연산부(10)에 각각 출력되어, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 열화도 진단에 사용된다.
전압 측정 회로(13 및 14)의 한쪽의 단자는 전환 회로(15)에 각각 접속되어 있고, 다른 한쪽의 단자는, 전지 모듈(3) 전체에서 공통인 병렬 접속 배선(32, 31)에 각각 배선되어 있다. 전환 회로(15)는, 전압 측정 회로(13 및 14)에 의한 전압 측정의 대상을, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 사이에서 전환하기 위한 회로이며, 셀 군(211, 221 및 231)과 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232) 사이에 각각 접속된 배선(213, 223 및 233)에 접속되어 있다. 전압 측정 회로(13)는, 전환 회로(15)에 의한 전환 동작에 따라, 배선(213, 223 및 233)을 통해서, 셀 군(211, 221 및 231)의 셀 전압을 각각 측정한다. 한편, 전압 측정 회로(14)는, 전환 회로(15)에 의한 전환 동작에 따라, 배선(213, 223 및 233)을 통해서, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)의 양단 전압을 각각 측정한다.
셀 군(211, 221 및 231)에 있어서 사용되는 2차 전지 셀에는 리튬 이온 전지 등이 사용된다. 예를 들면, 제조 시의 수율이 높고, 양산 효과로 단위 용량당 가격을 억제할 수 있는 비교적 소용량(0.5∼50Ah 정도)의 리튬 이온 전지 등을 사용할 수 있다. 이러한 소용량의 리튬 이온 전지로서는, 예를 들면 18650 사이즈 등의 것이 알려져 있다.
제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)는, 셀 군(211, 221 및 231)에 각각 직렬로 접속되어 있다. 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)의 ON/OFF 동작은, 전술한 바와 같이 신호 발생 회로(11) 및 신호 분배 회로(12)의 동작에 의해 제어된다. 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)에는, 예를 들면 역접속형(back-to-back connected) MOSFET를 사용할 수 있다. 역접속형 MOSFET는, MOSFET를 2개 직렬로 접속하고, 그 드레인끼리 또는 소스끼리를 접속해서 쌍방향의 전류를 제어할 수 있도록 한 것이다.
또, 도 1에서는 셀 군(211, 221, 231 및 241)을 구성하는 2차 전지 셀의 개수를 각각 1개로 해서 나타내고 있지만, 복수의 2차 전지 셀을 직렬로 소수개 접속해서 셀 군(211, 221, 231 및 241)을 구성해도 된다. 예를 들면 도 6의 배선도에 나타내는 바와 같이, 3개의 2차 전지 셀을 직렬로 접속해서 셀 군(211, 221, 231 및 241)을 구성할 수 있다. 또한, 이렇게 복수의 2차 전지 셀을 사용해서 셀 군을 구성할 경우, 전환 회로(215, 225, 235, 245)를 설치해서 셀 군을 구성하는 각 2차 전지 셀의 전압을 측정할 수 있도록 해도 된다. 이 경우 회로나 배선의 증가를 수반하지만, 보다 세밀한 입도(粒度)로 전지의 진단을 행할 수 있는 이점이 있다.
본 실시형태에 의한 조전지의 충방전 시의 동작에 대해서 설명한다. 통상의 충방전 시에 있어서, 신호 발생 회로(11)는 신호 분배 회로(12)를 통해서, 전지 유닛(21, 22 및 23)에 대하여, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 ON 상태로 하기 위한 신호를 각각 출력한다. 또, 예비 전지 유닛(24)의 제1 전류 제어 소자(242)는 항상 OFF로 한다. 이 상태에서는, 예비 전지 유닛(24)을 제외한 전지 유닛(21, 22 및 23) 모두에 있어서, 셀 군(211, 221 및 231)이 각각 충방전을 행할 수 있다. 따라서, 전지 모듈(3) 전체로서 최대의 충방전 출력을 얻을 수 있다.
다음으로, 본 실시형태에 의한 조전지에 있어서의 셀의 열화 진단의 원리를 설명한다. 셀의 열화 진단은, 각 셀의 직류 내부 저항값(이하, DCR(Direct Current Resistance)이라고 한다)을 측정함으로써 행할 수 있다. 2차 전지 셀의 열화(용량 저하)의 정도는, SoH(State of Health)라고 불리는 값을 사용해서 나타낼 수 있다. SoH는, 신품 시의 셀 용량을 기준으로 해서, 현재의 셀 용량의 크기를 백분률로 표시한 값이며, 셀이 열화되면 SoH는 저하되어 간다.
일반적으로, 셀의 SoH와 DCR 사이에는, 도 7에 나타내는 바와 같은 관계가 있는 것이 알려져 있다. 도 7로부터, 셀의 DCR을 측정함으로써 셀의 열화 정도를 추측하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.
셀의 DCR은, 셀에 충방전 전류가 흐르고 있는 상태와, 충방전 전류가 차단되어서 흐르고 있지 않은 개방 상태에서 각각 측정된 셀 전압의 차에 의거해서 구해진다. 구체적으로는, 셀에 충방전 전류 I1이 흐르고 있는 상태에서의 셀 전압을 V1이라고 하고, 셀에 충방전 전류가 흐르고 있지 않은 상태에서의 셀 전압을 V2라고 하면, 이하의 식 1로부터 DCR을 산출할 수 있다.
DCR=(V2-V1)/I1 (식 1)
다음으로, 셀의 열화 진단 시에 있어서의 동작을 설명한다. 이하에서는, 전지 유닛(21, 22 및 23) 중, 전지 유닛(22)을 신호 발생 회로(11) 및 신호 분배 회로(12)에 의해 진단 대상으로서 선택하고, 전지 유닛(22)의 셀 군(221)을 진단할 경우에 대해서 설명한다. 이때, 전지 유닛(22) 이외의 각 전지 유닛(21, 23)에 있어서 충방전 전류를 통전한 상태에서, 전지 유닛(22)의 제1 전류 제어 소자(222)가 신호 발생 회로(11) 및 신호 분배 회로(12)에 의해 ON 상태 및 OFF 상태로 된다. 그 결과, 전지 유닛(22)에 있어서 충방전 전류가 통전 및 차단된다.
도 8은, 본 실시형태에 의한 조전지에 있어서 열화 진단을 행할 때의 셀 군(221)에 있어서의 셀 전압과 충방전 전류의 시간 변화를 설명하기 위한 도면이다. 또, 전술한 바와 같이 본 실시형태에서는, 셀 전압의 측정에 전압 측정 회로(13)를, 전류의 차단에 제1 전류 제어 소자(222)를 각각 사용한다.
진단 개시 전, 제1 전류 제어 소자(222)는 ON 상태이기 때문에, 셀 군(221)에는 충방전 전류가 흐르고 있다. 이때의 셀 군(221)의 전압과 충방전 전류를 측정한다. 측정 결과의 예를 도 8의 I1과 V1로 각각 나타낸다. 또, 셀 군(221)의 전압은, 전압 측정 회로(13)를 사용해서 측정할 수 있다. 한편, 충방전 전류는, 제1 전류 제어 소자(222)가 ON 상태일 때의 전압 강하분, 즉 양단 전압을 전압 측정 회로(14)에 의해 측정하고, 그 측정 결과에 의거해서 연산부(10)에 의해 산출할 수 있다. 혹은, 충방전 전류를 측정하기 위한 전류 센서(도시 생략)를 설치하고, 그 측정값을 사용해도 된다.
셀 군(221)에 흐르는 충방전 전류와 그때의 셀 전압을 측정하면, 신호 발생 회로(11)로부터 신호 분배 회로(12)를 통해서 신호를 출력하고, 제1 전류 제어 소자(222)를 ON 상태로부터 OFF 상태로 전환한다. 그 후, 소정 시간 경과해서 셀 군(221)의 전압이 안정되면, 그 전압을 전압 측정 회로(13)에 의해 측정한다. 측정 결과의 예를 도 8의 V2로 나타낸다.
이상에서 설명한 바와 같이, 충방전 전류를 통전했을 때의 셀 전압 V1 및 충방전 전류 I1과, 충방전 전류를 차단했을 때의 셀 전압 V2를 측정하면, 이들 측정 결과에 의거해서, 연산부(10)에 있어서 식 1에 의해 셀 군(221)의 DCR을 산출할 수 있다. 산출한 DCR은, 연산부(10)에 있어서 셀 군(221)의 열화도를 진단하기 위해서 사용된다. 또, 셀 전압 V2를 측정한 후에는, 제1 전류 제어 소자(222)를 ON함으로써 충방전을 재개시켜 열화 진단을 종료한다.
상기한 설명에서는, 전지 유닛(22)을 진단 대상으로 했을 경우의 동작을 기술했지만, 다른 전지 유닛(21, 23)을 진단할 경우도 마찬가지이다. 즉, 전지 유닛(21)을 진단 대상으로 했을 경우에는, 셀 군(211)에 흐르는 충방전 전류 I1과 그때의 전압 V1이 측정된 후, 제1 전류 제어 소자(212)가 ON 상태로부터 OFF 상태로 전환되어, 충방전 전류가 차단되었을 때의 셀 전압 V2가 측정된다. 이들 측정 결과에 의거해서 셀 군(211)의 DCR이 산출되어 열화 진단이 행해진다. 또한, 전지 유닛(23)을 진단 대상으로 했을 경우에는, 셀 군(231)에 흐르는 충방전 전류 I1과 그때의 전압 V1이 측정된 후, 제1 전류 제어 소자(232)가 ON 상태로부터 OFF 상태로 전환되어, 충방전 전류가 차단되었을 때의 셀 전압 V2가 측정된다. 이들 측정 결과에 의거해서 셀 군(231)의 DCR이 산출되어 열화 진단이 행해진다.
또, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 각각에 대한 열화 진단 처리는, 미리 정해진 순서 등에 따라서 행해진다. 즉, 신호 발생 회로(11) 및 신호 분배 회로(12)를 사용해서 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)의 동작을 제어함으로써, 전류를 차단할 전지 유닛, 즉 제1 전류 제어 소자를 OFF 상태로 할 전지 유닛을 전체의 일부에 한정하고, 그 전지 유닛에 대해서 열화 진단을 행한다. 열화 진단을 완료하면, 전류를 차단할 전지 유닛을 전환한다. 이렇게 해서 각 전지 유닛에 대해서 순차적으로 열화 진단을 행해 감으로써, 전지 모듈(3) 전체의 충방전 능력을 대폭 저하시키지 않고 충방전을 행하면서, 각 전지 유닛의 열화 진단을 행하는 것이 가능하다.
다음으로, 상기와 같은 열화 진단을 행한 결과, 열화가 일정 이상 진행되어 있다고 판단된 전지 유닛에 대한 처리에 대해서 설명한다. 도 2는, 본 실시형태에 따른 조전지에 있어서의 전지 유닛의 분리와 예비 전지 유닛의 접속 시의 배선 관계를 나타낸 배선도이다. 이하의 설명에서는, 도 1에 나타낸 구성에 있어서, 전지 유닛(23)에 대해서 열화가 일정 이상 진행되어 있다고 판단되었을 경우를 생각한다.
전술한 바와 같은 열화 진단에 의해, 전지 유닛(23)의 셀 군(231)의 SoH가 소정의 임계값 이하일 경우, 즉 셀 군(231)에 대해서 산출된 DCR이 소정값 이상일 경우에는, 셀 군(231)은 열화 정도가 큰 불량 셀이라고 판단된다. 이때, 신호 발생 회로(11) 및 신호 분배 회로(12)에 의해, 제1 전류 제어 소자(232)에의 신호를 OFF 상태로 고정하는 조치가 취해진다. 그 결과, 전지 유닛(23)은 충방전의 대상으로부터 분리되고, 전지 모듈(3)의 주 계통으로부터 제외된다. 이 동작에 의해, 셀 군(231)의 열화가 그 이상 진행되어 이상 발열 등의 위험한 상태로 이어지는 것을 방지할 수 있다.
상기한 바와 같이 열화된 전지 유닛(23)의 분리를 행하면, 전지 모듈(3) 전체의 충방전 용량이 약간 저하되게 된다. 그래서, 본 실시형태에서는 이것을 보충하기 위해, 분리된 전지 유닛(23) 대신에 예비 전지 유닛(24)을 충방전의 대상에 포함시킨다. 이 동작은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 전지 유닛(23)의 제1 전류 제어 소자(232)를 OFF 상태로 고정한 후, 이전까지는 OFF 상태로 고정되어 있던 예비 전지 유닛(24)의 제1 전류 제어 소자(242)에 대하여, 배선(244)을 통해서 신호를 출력하고, 이것을 ON 상태로 함으로써 실현할 수 있다.
또, 예비 전지 유닛(24)을 편입시켰을 경우, 예비 전지 유닛(24)에 있어서의 셀 군(241)의 전압 측정과 제1 전류 제어 소자(242)의 양단 전압의 측정은, 전압 측정 회로(13 및 14)에 의해 배선(243)을 통해서 각각 행할 수 있다. 이들 측정 결과에 의거하여, 예비 전지 유닛(24)에 대해서도 다른 전지 모듈과 마찬가지로 열화 진단을 행할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 예비 전지 유닛(24)의 편입은, 예를 들면 전지 모듈(3)을 복수 직렬로 접속하고 있고, 각 전지 모듈(3)의 용량을 일정하게 유지하고자 하는 경우 등에는 특히 유효하다. 혹은, 시스템의 간략화를 위해서 예비 전지 유닛(24)의 편입을 생략하고, 불량 전지 유닛이 검출되었을 경우에는 분리만 행해서, 전지 모듈(3) 전체에서의 충방전 용량을 순차적으로 감소시켜 가는 구성으로 할 수도 있다. 이 경우에도, 불량 전지 유닛의 분리에 의한 장기간의 안전성이나 신뢰성 확보의 효과를 얻을 수 있다.
또, 본 실시형태에서는 설명의 간략화를 위해, 전지 모듈(3)에 포함되는 전지 유닛의 수를 3개로 하고, 예비의 전지 유닛을 1개로 했지만, 전지 유닛의 수는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 예비를 포함하는 전지 유닛의 수를 수십 개나 수백 개로 해도 된다. 전지 유닛의 개수가 많을수록, 예비 전지 유닛의 편입에 의한 용장화(冗長化)의 효율을 높게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 제1 전류 제어 소자(212, 222, 232 및 242)와 역접속형의 MOSFET를 사용한 예를 설명했지만, 다른 종류의 전류 제어 소자를 사용해도 된다. 역접속형 이외의 방법에 의해 역류 방지책을 실시한 MOSFET나, 바이폴러 트랜지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 절연 게이트 바이폴러 트랜지스터), 각종 릴레이 등을 사용해도, 상기에서 설명한 것과 마찬가지의 작용 효과를 발휘할 수 있다.
역접속형 이외의 방법에 의해 역류 방지책을 실시한 MOSFET의 예에 대하여 도 13, 14, 15를 사용해서 설명한다.
우선, 도 13에 일반적으로 널리 사용되고 있는 N형 파워 MOSFET의 단면 구조를 나타낸다. 이 소자는 반도체 웨이퍼(91)를 가공함으로써 제작되며, 소자의 외부에는 소스 단자(922), 게이트 단자(923), 드레인 단자(924)가 인출되고, 웨이퍼 내의 p웰 영역(912)은 소스 단자(922)에 접속되어 있다. p웰 영역이 소스 단자와 접속되어 있는 것에 의해 p웰 영역이 부동(浮動) 전위가 되지 않고 안정한 동작이 가능하지만, 부작용으로서 소스 단자와 드레인 단자 사이에 PN 접합에 의한 기생 다이오드(931)가 형성되기 때문에, 소스 단자가 드레인 단자보다 높은 전압이 될 경우에는 이 기생 다이오드가 도통되게 되어 전류의 제어를 할 수 없게 된다.
전지 유닛의 충방전 전류를 제어하기 위해서는 쌍방향의 전류를 제어할 필요가 있기 때문에, 이 소자를 전류 제어 소자로서 사용하기 위해서는 2개의 MOSFET를 소스 단자끼리, 혹은 드레인 단자끼리를 접속(역접속 MOSFET)해서, 양자의 기생 다이오드가 동시에 ON되는 경우가 없도록 할 필요가 있고, 제조 비용도 2개분, ON 저항도 2개분이 되게 되는 과제가 있다.
한편, 도 14에 트랜스퍼 MOSFET라고 불리는 MOSFET의 단면 구조를 나타낸다. 트랜스퍼 MOSFET는 기본적인 구조는 일반적인 MOSFET와 같지만, p웰 영역과 소스 단자의 접속을 행하지 않고 p웰 영역용의 전용 단자(921)를 인출한 구조로 하고 있는 점이 상이하다. 이 구조에서는 일반 MOSFET와 마찬가지로 기생 다이오드(932 및 933)가 형성되지만, 소자의 외부에서 p웰 단자를 소스 단자·드레인 단자의 어느 쪽보다 낮은 전위에 접속하도록 하면 기생 다이오드(932 및 933)는 ON되지 않는다. 이 때문에, 이 트랜스퍼 MOSFET를 사용하면 1개의 소자로 쌍방향의 전류를 제어할 수 있어, 제조 비용과 ON 저항을 저감할 수 있다.
또한, 이 트랜스퍼 MOSFET의 다른 구조로서, 도 15에 나타내는 바와 같이 n+ 영역을 1개소 추가하여 그곳으로부터 드레인 단자를 인출해서, 소스 단자와 드레인 단자를 대칭인 구성으로 하는 예도 생각할 수 있다. 본 구성에서는, 도 14의 예와 마찬가지로 쌍방향의 전류를 제어할 수 있고, 또한 그 전류 전압 특성을 대상으로 할 수 있다는 이점을 갖는다.
이상의 구성은 N형의 MOSFET에 대해서였지만, P형의 MOSFET에 대해서도 마찬가지로 트랜스퍼 MOSFET를 구성할 수 있다.
- 제2 실시형태 -
본 발명에 의한 조전지 및 그 제어 장치의 제2 실시형태에 대하여, 이하에 도 3을 참조해서 설명한다. 본 실시형태에서는 제1 실시형태에서 설명한 것과는 다른 방법을 사용해서 셀의 열화 진단을 행하는 예에 대해서 설명한다. 도 3은, 본 실시형태에 따른 조전지로서의 전지 모듈(3)에 있어서의 배선 관계를 나타낸 배선도이다.
제1 실시형태에서 설명한 도 1과 비교해서, 도 3의 주된 차이는, 각 전지 유닛에 있어서 셀 군과 병렬로 접속된 강제 방전용 제2 전류 제어 소자 및 방전용 저항이 설치되어 있다는 점과, 이 제2 전류 제어 소자의 동작을 제어하기 위한 신호 발생 회로(16) 및 신호 분배 회로(17)가 제어 회로(1) 내에 설치되어 있다는 점이다. 예를 들면 전지 유닛(21)에서는, 제2 전류 제어 소자(215) 및 방전용 저항(216)이 셀 군(211)에 병렬로 접속되어 있다. 제2 전류 제어 소자(215)의 제어 입력 단자는, 배선(217)과 신호 분배 회로(17)를 통해서 신호 발생 회로(16)에 접속되어 있고, 신호 발생 회로(16)로부터의 신호가 입력된다. 이 제2 전류 제어 소자(215)는, 통상의 충방전 시에는 신호 발생 회로(16)에 의해 OFF 상태로 고정되어, 불필요한 방전을 행하지 않도록 되어 있다. 다른 전지 유닛(22, 23 및 24)에 대해서도 마찬가지이다.
다음으로, 본 실시형태에 의한 조전지에 있어서의 셀의 열화 진단 시의 동작을 설명한다. 또, 본 실시형태에 있어서도, 셀의 열화 진단을 각 셀의 DCR을 측정 하는 것에 의해 행하는 점은, 전술한 제1 실시형태와 변함없다. 본 실시형태에서는 전지 유닛(22)의 셀 군(221)을 진단할 경우에 대해서 설명한다. 다른 전지 유닛(21, 23)에 대해서 행할 경우도 마찬가지이다.
열화 진단을 행할 때에, 신호 발생 회로(11)는, 신호 분배 회로(12)를 통해서 제1 전류 제어 소자(222)를 OFF 상태로 해서 충방전 전류를 차단한다. 이 상태에서, 전압 측정 회로(13)는, 전환 회로(15)를 통해서 셀 군(221)의 개방 전압 V1을 측정한다. 또, 이때 제2 전류 제어 소자(225)는 OFF 상태이다. 다음으로, 충방전 전류를 차단한 채인 상태에서, 신호 발생 회로(16)는 제2 전류 제어 소자(225)를 단기간만 ON 상태로 함으로써, 셀 군(221)으로부터 방전용 저항(226)에 강제적으로 방전시킨다. 이때 전압 측정 회로(13)는, 전환 회로(15)를 통해서 셀 군(221)의 부하 시 전압 V2를 측정한다. 이렇게 해서 측정된 각 전압값과 방전용 저항(226)의 저항값(RL이라고 한다)에 의거해서, 연산부(10)에 있어서 이하의 식 2를 사용해서 셀 군(221)의 DCR을 산출하고, 산출한 DCR에 의거해서 전지 유닛(22)의 열화도를 진단할 수 있다.
DCR=RL(V1/V2-1) (식 2)
본 실시형태에서는, 제1 실시형태에서 설명한 방법에 비해서, DCR을 산출하기 위해서 제1 전류 제어 소자의 양단 전압 또는 전류값을 측정할 필요가 없다는 이점이 있다. 또한, 저항값 RL이 기지(旣知)이면, DCR의 값은 개방 전압 V1과 부하 시 전압 V2의 비(比)만을 측정함으로써 산출할 수 있다(레이시오매트릭(ratiomatric)). 따라서, 고정밀도의 기준 전압이 필요 없고, 간편한 회로로 고정밀도의 측정이 가능하다는 이점이 있다.
또, 본 실시형태에 있어서도, 진단 결과 열화가 일정 이상 진행되어 있다고 판단된 전지 유닛을 불량 셀로 해서, 제1 실시형태와 마찬가지로, 그 불량 셀의 분리와 예비 전지 유닛의 접속을 행할 수 있다.
그런데, 이상에서 설명한 제1 및 제2 실시형태에서는, 복수의 전지 유닛에 대해서 동시에 열화의 진단을 행하지 않고, 1개의 전지 유닛만에 대해서 진단을 행하고, 그 외의 전지 유닛은 통상의 충방전을 행하는 예를 각각 설명했다. 그러나, 전지 모듈(3)의 전체를 사용하지 않는 상태일 때, 예를 들면 기동 처리 시 등이면, 모든 전지 유닛에 대해서 동시에 상기와 같은 열화 진단을 행할 수 있다. 전지에서는 일반적으로, 전류를 차단해서 개방 상태로 해도, 그 전압이 안정되는데에는 긴 시간을 요한다. 그 때문에, 제1 전류 제어 소자를 OFF로 하고나서 셀 군 또는 각 셀의 개방 전압 V1을 측정하기까지의 시간은 긴 편이 측정값의 정밀도가 증가한다. 따라서, 전지 모듈(3)을 사용하지 않을 때에 모든 전지 유닛의 제1 전류 제어 소자를 OFF로 해 두고, 일정 시간 후, 또는 전지 모듈의 사용 재개 시에 이어지는 처리를 행함으로써, 진단의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
- 제3 실시형태 -
본 발명에 의한 조전지 및 그 제어 장치의 제3 실시형태에 대하여, 이하에 도 4를 참조해서 설명한다. 본 발명을 적용한 조전지 및 그 제어 장치는, 전술한 바와 같은 셀의 열화 진단 대신에 고장 진단을 행하는 구성으로 할 수도 있다. 본 실시형태에서는, 이러한 셀의 고장 진단을 행하는 예에 대해서 설명한다. 도 4는, 본 실시형태에 따른 조전지로서의 전지 모듈(3)에 있어서의 배선 관계를 나타낸 배선도이다.
제1 실시형태에서 설명한 도 1과 비교해서, 도 4의 주된 차이는, 제1 전류 제어 소자(212, 222, 232 및 242)의 양단 전압을 측정하기 위한 전압 측정 회로(14)가 존재하지 않는 점이다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 조전지에 있어서의 셀의 고장 진단 시의 원리를 설명한다. 본 실시형태에서는, 각 셀 내부의 미소 단락에 의한 자기(自己) 방전량을 측정함으로써 셀의 고장 진단을 행한다.
일반적으로, 2차 전지 셀 내부의 세퍼레이터가 열화되거나, 전해액 중의 리튬 이온이 세퍼레이터에 덴드라이트 형상(나뭇가지 형상)으로 석출하는 등 해서 정부극 사이의 절연이 저하되어 가면, 그 영향은 절연 저하에 의한 자기 방전량의 증대와 같은 형태로 나타난다. 이 절연 저하를 방치한 채로 충방전을 계속하면, 곧 덴드라이트가 세퍼레이터를 뚫고나가는 등 해서 절연의 저하가 급속하게 진행되어, 셀의 이상 발열 등의 위험한 사태에 이를 가능성이 있다. 이러한 사태를 회피하기 위해서는, 각 셀의 자기 방전량을 감시해서, 자기 방전량이 소정값보다 큰 셀은 고장이라고 판단해서 충방전을 정지하는 등 함으로써, 당해 셀에 대해서 더 이상 절연 저하가 진행되지 않도록 할 필요가 있다.
셀의 자기 방전량은, 셀의 충방전을 정지한 상태에서 자기 방전에 의한 잔(殘)용량의 저하를 측정함으로써 추측할 수 있다. 도 9는, 2차 전지 셀의 SoC(State of Charge)와 개방 시의 전지 전압 OCV(Open Circuit Voltage)의 관계의 일례를 나타낸 것이다. SoC는, 만충전 시를 기준으로 해서, 현재의 방전 가능한 전하량(전류와 시간의 적산값)을 백분률로 나타낸 값이다. 또, 만충전 시의 SoC는 100%이고, 방전 종지(終止) 상태의 SoC는 0%이다. 도 4에 나타내는 관계로부터, 셀의 OCV를 측정함으로써 전지의 잔용량을 파악할 수 있는 것을 알 수 있다.
최근의 리튬 이온 전지에 있어서는, 정상인 셀이면 자기 방전에 의한 SoC의 저하는, 예를 들면 1개월에 5% 정도로 매우 작다. 그러나, 셀 내부에 미소 단락이 발생하면, 예를 들면 도 10 중의 점선으로 나타내는 바와 같이 자기 방전에 의해 SoC가 저하되고, 그에 따라 OCV도 저하되어 간다. 도 10은, 정상인 셀과 내부에 미소 단락이 발생해서 자기 방전량이 증대한 고장 셀에 있어서, 충방전 전류를 차단한 후의 전지 전압의 변화예를 각각 나타낸 도면이다. 이 OCV의 저하를 검출함으로써 자기 방전량을 측정하고, 그로부터 셀의 고장을 검출하는 것이 가능하다.
단, 셀 전류를 정지하고나서 긴 시간이 경과하지 않으면 OCV의 값은 수속(收束)하지 않기 때문에, 개개의 셀 군에 있어서의 전지 전압의 변화만으로부터 자기 방전량을 추측하는 것은 곤란하다. 그래서, 본 실시형태에 있어서는, 고장의 진단을 행하는 때에는 진단 대상인 모든 전지 유닛의 제1 전류 제어 소자를 일제히 OFF로 한다. 이렇게 함으로써, 진단 대상인 모든 셀 군에 있어서 전류를 차단한 후의 경과 시간을 동일하게 할 수 있기 때문에, 짧은 경과 시간이더라도 각 셀 군의 OCV의 값끼리를 상대적으로 비교하는 것이 용이해진다.
그런데, SoC와 OCV의 관계는, 온도에 의한 영향을 받기 쉬운 것이 알려져 있다. 그 때문에, 전지 모듈 내의 각 전지 유닛끼리를 근접시켜서 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 이렇게 하면, 각 전지 유닛 사이의 온도 차를 작게 할 수 있다. 혹은, 그러한 배치가 곤란할 경우에는, 각 셀의 온도를 실측하고, 그 온도 차에 따라서 보정한 OCV의 값을 고장 진단에 사용함으로써, 각 전지 유닛끼리를 근접시켜서 배치한 것과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 이들 조치에 의해, 진단 대상인 셀 군에 있어서, 정상인 셀 군의 전지 전압은 대체로 동일한 변화를 하는 것에 반해서, 자기 방전량이 큰 셀 군의 전지 전압은 다른 정상인 셀 군의 전지 전압으로부터 괴리해서 강하해 가는 경향을 나타내게 된다. 그 때문에, 각 셀 군에 있어서의 상대적인 전지 전압의 편차를 관찰함으로써, 다른 것과 비교해서 자기 방전량이 큰 셀 군, 즉 고장난 셀을 포함하고 있는 셀 군을 검출하는 것이 가능해진다.
다음으로, 본 실시형태에 의한 조전지에 있어서의 셀의 고장 진단 시의 동작을 설명한다. 이하의 설명에서는, 전지 유닛(23)의 셀 군(231)의 내부에 있어서 미소 단락(2311)이 발생해 있는 경우를 생각한다.
전지 모듈(3) 전체를 사용하지 않는 상태일 때, 신호 발생 회로(11)는 신호 분배 회로(12)를 통해서, 진단 대상으로 하는 전지 유닛(21, 22 및 23)의 모두에 대해서, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 OFF 상태로 해서 충방전 전류를 차단한다. 이 상태에서, 각 셀 군(211, 221 및 231)의 전압 즉 OCV를, 전압 측정 회로(13)을 사용해서 측정한다. 이러한 처리를 일정 시간마다, 또는 전지 모듈의 재기동 처리 시에 각각 행함으로써, 각 셀 군(211, 221 및 231)에 있어서의 OCV의 측정을 복수 회 행한다.
상기한 바와 같이 해서 복수 회 측정한 셀 군(211, 221 및 231)의 각 OCV의 값에 의거해서, 연산부(10)에 있어서, 전지 유닛(21, 22 및 23)에 있어서의 셀 군(211, 221 및 231)의 OCV의 강하량을 각각 산출한다. 그 결과, 다른 전지 유닛에 비해서 OCV의 강하량이 큰 전지 유닛이 있었을 경우, 예를 들면 모든 전지 유닛에 있어서의 OCV 강하량의 평균값으로부터의 차가 소정값 이상인 전지 유닛이 있었을 경우에는, 그 전지 유닛의 셀 군은 자기 방전의 과대에 의해 고장나 있다고 판단한다. 이렇게 해서, 전지 유닛(21, 22 및 23)의 셀 군(211, 221 및 231)에 대해서 고장 진단이 행해진다.
또, 고장이라고 판단된 전지 유닛이 있었을 경우에는, 제1 및 제2 실시형태에 있어서 열화되어 있다고 판단된 전지 유닛과 마찬가지로, 그 전지 유닛을 충방전의 대상으로부터 분리할 수 있다. 또한, 분리된 전지 유닛 대신에 예비 전지 유닛을 편입시켜서 충방전의 대상에 포함시킬 수도 있다.
- 제4 실시형태 -
본 발명에 의한 조전지 및 그 제어 장치의 제4 실시형태에 대해서, 이하에 도 5를 참조해서 설명한다. 본 실시형태에서는, 제1 전류 제어 소자(212, 222, 232 및 242)에 MOSFET를 사용했을 경우에, 특히 유용해지는 예에 대해서 설명한다. 도 5는, 본 실시형태에 따른 조전지로서의 전지 모듈(3)에 있어서의 배선 관계를 나타낸 배선도이다.
제1 실시형태에서 설명한 도 1과 비교해서, 도 4의 주된 차이는, 제1 전류 제어 소자(212, 222, 232 및 242)에 MOSFET를 사용한 것을 명시하고 있는 점과, 그들을 제어하는 신호를 발생하는 신호 발생 회로(111, 112 및 113)가 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)에 각각 전용의 펄스 신호를 인가할 수 있도록 독립되어 있는 점이다. 또, 전지 유닛(21, 22 또는 23)을 분리하고 대신에 예비 전지 유닛(24)을 편입시켰을 경우, 이전까지 당해 전지 유닛의 제1 전류 제어 소자에 대해서 펄스 신호를 출력하고 있었던 신호 발생 회로(111, 112 또는 113)는, 편입된 예비 전지 유닛(24)의 제1 전류 제어 소자(242)에 대해서 펄스 신호를 출력한다.
또, 도 4에서는 제1 실시형태에 의한 전지 모듈(3)에 대해서 본 실시형태를 적용한 예를 나타내고 있지만, 제2 또는 제3 실시형태에 의한 전지 모듈(3)에 대해서도 마찬가지로 본 실시형태를 적용 가능하다. 본 실시형태를 적용하는 것에 의해, 신호 발생 회로(111, 112 및 113)를 사용해서 제1 전류 제어 소자(212, 222, 232 및 242)를 보다 유연하게 제어할 수 있다.
전술한 제1, 제2 및 제3 실시형태에 있어서, 통상의 충방전 시, 즉 전지 유닛(21, 22 및 23)이 충방전을 행하고 있는 상태에서는, 모든 셀 군(211, 221 및 231)이 병렬로 접속되어 있다. 그 때문에, 각 셀 군(211, 221 및 231)의 사이에서 DCR이나 OCV의 값에 편차가 있으면, 충방전 전류는 균일하게 되지 않아, 일부 특정한 셀 군에 충방전 전류가 집중되게 된다. 일반적으로, 2차 전지에서는 최대 충방전 전류가 규정되어 있고, 이것을 초과하지 않도록 할 필요가 있다. 그러나, 특정한 셀 군에 전류가 집중해서 최대 충방전 전류에 도달하면, 그 외의 셀 군의 충방전 전류가 아직 최대 충방전 전류에 도달해 있지 않아도, 전지 모듈(3) 전체에서 그 이상 전류를 증가시킬 수 없어진다. 그 결과, 전지 모듈(3) 전체에서의 최대 출력이 저하되게 된다.
그래서, 제1, 제2 및 제3 실시형태에 대해서 본 실시형태를 적용함으로써, 각 셀 군의 충방전 전류에 따라서 신호 발생 회로(111, 112 및 113)로부터 PWM 신호를 각각 발생시켜, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 ON 상태로 하는 시간의 비율을 각각 제어한다. 이에 따라, 각 전지 유닛(21, 22 및 23) 사이에서 셀 군(211, 221 및 231)의 충방전 전류를 균일화해서, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 전지 모듈(3)의 용도에 따라서는, 최대 출력보다 수명 쪽이 중요할 경우가 있다. 이러한 경우에는, 제1 및 제2 실시형태에서 설명한 열화 진단에 의한 각 셀 군의 열화도 진단 결과에 따라서, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 ON 상태로 하는 시간의 비율을 각각 제어할 수도 있다. 이에 따라, 각 전지 유닛(21, 22 및 23) 사이에서 셀 군(211, 221 및 231)의 충방전 전류를 조정하여 열화도의 균일화를 도모할 수 있다. 즉, 열화 진단의 결과, 다른 셀 군에 비해서 열화의 진행 정도가 높은 셀 군이 있을 경우에는, 그 셀 군에 대해서 신호 발생 회로(111, 112 또는 113)로부터의 PWM 신호에 의한 제어를 사용해서, 다른 셀 군보다 충방전 전류를 경감시킨다. 이에 따라, 당해 셀 군에 있어서의 열화의 진행을 늦출 수 있다.
또, 제1 전류 제어 소자(212, 222, 232 및 242)에 MOSFET를 사용했을 경우, 그 응답성이 빠르다는 점에서, 이상에서 설명한 바와 같은 PWM 제어가 특히 유용하다. 다른 종류의 전류 제어 소자, 예를 들면 바이폴러 트랜지스터, IGBT, 각종 릴레이 등을 사용한 경우에는, PWM 제어 또는 다른 제어 방법을 사용해서, 그 응답성에 따른 제어 속도로 제어를 행할 수 있다. 어떠한 경우이더라도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제1, 제2 및 제3 실시형태에 있어서의 다른 문제점으로서, 열화 또는 고장 진단을 위해서 제1 전류 제어 소자(212, 222 또는 232)를 OFF 상태로 해서 주 계통으로부터 일시적으로 분리한 셀 군을 재접속하면, 셀 군(211, 221 및 231)끼리의 사이에서의 OCV의 편차에 의해, 도 11에 나타내는 바와 같이 전지 유닛(21, 22 및 23) 사이에서 큰 상호 전류가 흐르는 경우가 있다. 도 11은, 예로서 2개의 셀 군(211과 221)의 OCV가 균일하지 않은 경우에, 이들 셀 군을 병렬로 접속했을 때에 각각에 흐르는 상호 전류의 변화를 나타낸 도면이다.
도 11에 나타내는 바와 같은 상호 전류는, 전지 모듈(3) 전체에서의 충방전 전류에 더욱 중첩되는 형태로 흐른다. 이 충방전 전류와 상호 전류를 합계한 전류가, 셀 군마다의 최대 충방전 전류를 초과하지 않도록 해야한다. 상호 전류를 경감하기 위해서는, 각 셀 군과 직렬로 전류 제한용 저항을 삽입하는 등의 방법도 생각할 수 있지만, 이 방법에서는 통상의 충방전 시의 손실도 커져버리기 때문에, 충방전 효율의 저하로 이어지게 된다.
그래서, 제1, 제2 및 제3 실시형태에 대하여 본 실시형태를 적용하여, 제1 전류 제어 소자에 MOSFET를 사용해서, MOSFET가 갖는 정전류 특성(전류 포화 특성)을 이용한다. 이에 따라, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다.
이하, MOSFET를 사용한 전류 제한의 원리와 동작에 대해서 기술한다. 도 12는, MOSFET의 Vds(드레인-소스간 전압)와 Id(드레인 전류)의 관계를, 다양한 Vgs(게이트-소스간 전압)에 대해서 나타낸 것이다. 또, MOSFET의 제어는 Vgs의 값을 조절함으로써 행할 수 있다.
우선, 전지 유닛의 충방전 전류가 충분히 작을 경우에 대해서 생각한다. Vgs가 임의의 값, 예를 들면 도 12 중 굵은 선으로 나타내는 값일 때, 그 Vgs의 값에 따른 고유의 포화 전류값 Isat보다 Id가 충분히 낮은 영역(Id<<Isat)에 있어서는, Vds는 Id의 증가와 거의 비례해서 증대된다. 즉, 이 영역(선형 영역)에 있어서, MOSFET는 저항값이 낮은 저항과 같이 작동한다. 이 선형 영역에서는, Id, Vds 모두 낮은 값이기 때문에, MOSFET에 있어서 발생하는 손실은 작다. 따라서, 통상의 충방전은 선형 영역에서 행해진다.
다음으로, 전지 유닛에 과대 전류가 흐르도록 했을 경우(Id≒Isat)에 대해서 생각한다. Id가 포화 전류값 Isat에 가까운 영역에서는, 급격하게 MOSFET의 도전율이 저하되어 Vds가 증대하고, Id가 그 이상은 거의 증대하지 않게 된다. 즉, 이 영역(포화 영역)에 있어서 MOSFET는 정전류 특성을 나타내고, Vgs의 값에 따른 포화 전류값 Isat 이하가 되도록 전류를 제한한다.
상기와 같은 MOSFET의 성질을 이용하면, 통상의 충방전 시에는 손실이 작고, 또한 셀 군의 재접속 시 등에 과대한 전류가 흐르도록 하면 자동적으로 전류를 제한하는 동작을, 특별한 처리나 제어를 사용하지 않고 실현할 수 있다. 또, 이것을 이용할 경우에는, 신호 발생 회로(111, 112 및 113)가 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 각각 ON할 때에 출력하는 신호의 전압을 미리 조정해 둘 필요가 있다. 이 조정은, 셀 군(211, 221 및 231)의 최대 충방전 전류와, 제1 전류 제어 소자(212, 222 및 232)를 각각 구성하는 MOSFET의 특성에 따라 행할 수 있다.
상기와 같은 MOSFET의 정전류 특성을 이용한 최대 전류의 제한에서는, 반드시 본 실시형태와 같이 신호 발생 회로(111, 112 및 113)가 PWM 신호를 발생시키고 있을 필요는 없다. 제1, 제2 및 제3 실시형태에서 설명한 바와 같이 PWM 신호를 사용하지 않을 경우이더라도, 신호 발생 회로(11)의 ON 출력 시의 전압을 상기한 바와 같이 미리 조정해 둠으로써, 본 실시형태에서 설명한 것과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기한 각 실시형태에서는, 제어 회로(1), 전지 유닛(21, 22 및 23), 및 예비 전지 유닛(24)으로 구성되어 있는 전지 모듈(3)을 본 발명에 의한 조전지의 예로서 설명했지만, 제어 회로(1)를 조전지와는 별도의 구성으로 해도 된다. 그 경우, 전지 유닛(21, 22 및 23), 및 예비 전지 유닛(24)에 의해 조전지를 구성하고, 그 조전지의 제어 장치로서 제어 장치(1)를 사용할 수 있다.
또한, 상기한 각 실시형태에서는, 제어 회로(1) 내에 연산부(10)를 설치하고, 이 연산부(10)에 있어서 각 전지 유닛(21, 22 및 23)의 열화도 또는 고장을 진단하는 예를 설명했다. 그러나, 제어 회로(1)와는 별도로 연산부(10)를 설치해도 된다. 그 경우, 제어 회로(1)와 연산부(10) 사이에서, 전압 측정 회로(13, 14)에 의한 전압 측정 결과를 나타내는 신호나, 신호 발생 회로(11, 16), 신호 분배 회로(12, 17), 전환 회로(15) 등의 동작을 제어하기 위한 신호를 서로 송수신하는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징을 손상하지 않는 한, 본 발명은 상기와 같은 각 실시형태에 하등 한정되는 것이 아니다.
1 - 제어 회로
11, 16 - 신호 발생 회로
12, 17 - 신호 분배 회로
13, 14 - 전압 측정 회로
15 - 전환 회로
21, 22, 23 - 전지 유닛
24 - 예비 전지 유닛
211, 221, 231, 241 - 셀 군
212, 222, 232, 242 - 제1 전류 제어 소자
215, 225, 235, 245 - 제2 전류 제어 소자
216, 226, 236, 246 - 방전용 저항
3 - 전지 모듈

Claims (16)

1 또는 2 이상의 2차 전지 셀이 직렬로 접속된 셀 군과, 상기 셀 군에 직렬로 접속된 제1 전류 제어 소자를 각각이 갖는 서로 병렬로 접속된 복수의 전지 유닛과,
상기 전지 유닛의 각각이 갖는 상기 제1 전류 제어 소자의 동작을 제어해서 상기 전지 유닛마다 충방전 전류를 제어하는 제1 제어 수단과,
상기 전지 유닛의 각각이 갖는 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 수단과,
상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도 또는 고장을 진단하는 진단 수단을 구비하는 조전지.
제1항에 있어서,
상기 진단 수단은, 상기 제1 제어 수단이 상기 제1 전류 제어 소자를 온해서 상기 충방전 전류를 통전했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압과, 상기 제1 제어 수단이 상기 제1 전류 제어 소자를 오프해서 상기 충방전 전류를 차단했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서, 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도를 진단하는 조전지.
제2항에 있어서,
상기 제1 제어 수단은, 상기 복수의 전지 유닛 중 일부의 전지 유닛을 선택하고, 선택한 전지 유닛 이외의 각 전지 유닛에 있어서 상기 충방전 전류를 통전한 상태에서, 선택한 전지 유닛에 있어서 상기 충방전 전류를 통전 및 차단하고,
상기 진단 수단은, 상기 제1 제어 수단에 의해 선택된 전지 유닛에 대해서 열화도를 진단하는 조전지.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 진단 수단은, 상기 제1 제어 수단에 의해 온된 상기 제1 전류 제어 소자의 양단 전압에 의거해서 상기 충방전 전류를 산출하고, 그 산출 결과를 사용해서 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하는 조전지.
제1항에 있어서,
상기 전지 유닛의 각각은, 상기 셀 군에 각각 병렬로 접속된 강제 방전용 제2 전류 제어 소자 및 방전용 저항을 더 갖고,
상기 조전지는, 상기 전지 유닛의 각각이 갖는 상기 제2 전류 제어 소자의 동작을 제어하는 제2 제어 수단을 더 구비하고,
상기 진단 수단은, 상기 제1 제어 수단이 상기 제1 전류 제어 소자를 오프해서 상기 충방전 전류를 차단한 상태에서, 상기 제2 제어 수단이 상기 제2 전류 제어 소자를 오프했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 개방 전압과, 상기 제2 제어 수단이 상기 제2 전류 제어 소자를 온했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군의 부하 시 전압과, 상기 방전용 저항의 저항값에 의거해서, 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도를 진단하는 조전지.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 제어 수단은, 상기 진단 수단에 의한 상기 열화도의 진단 결과에 의거해서, 각 전지 유닛 사이의 충방전 전류를 조정하는 조전지.
제1항에 있어서,
상기 진단 수단은, 상기 제1 제어 수단이 모든 상기 제1 전류 제어 소자를 오프해서 상기 충방전 전류를 차단했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 복수 회 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서, 각 전지 유닛의 개방 전압의 강하량을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 고장을 진단하는 조전지.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 제어 수단은, 상기 진단 수단에 의해 진단된 열화도가 소정의 임계값 이상인 전지 유닛, 또는 상기 진단 수단에 의해 고장이라고 진단된 전지 유닛에 대해서, 상기 제1 전류 제어 소자를 오프해서 충방전 대상으로부터 분리하는 조전지.
제8항에 있어서,
상기 복수의 전지 유닛과 병렬로 접속되어 있고, 상기 셀 군과 상기 제1 전류 제어 소자를 갖는 예비 전지 유닛을 더 구비하고,
상기 제1 제어 수단은, 상기 예비 전지 유닛에 있어서의 상기 제1 전류 제어 소자를 온함으로써, 충방전 대상으로부터 분리된 상기 전지 유닛 대신에 상기 예비 전지 유닛을 충방전 대상에 포함시키는 조전지.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 제어 수단은, 각 전지 유닛에 있어서의 상기 제1 전류 제어 소자를 각각 제어해서 각 전지 유닛 사이의 충방전 전류를 균일화하는 조전지.
제10항에 있어서,
상기 제1 제어 수단은, PWM 제어를 사용해서, 각 전지 유닛에 있어서의 상기제1 전류 제어 소자를 온하는 시간의 비율을 각각 제어하는 조전지.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전류 제어 소자는, 정전류 특성을 갖는 MOSFET를 사용해서 구성되어 있고, 상기 정전류 특성을 이용해서 상기 전지 유닛에 있어서의 충방전 전류를 제한하는 조전지.
1 또는 2 이상의 2차 전지 셀이 직렬로 접속된 셀 군과, 상기 셀 군에 직렬로 접속된 제1 전류 제어 소자를 각각이 갖는 서로 병렬로 접속된 복수의 전지 유닛을 구비한 조전지의 제어 장치로서,
상기 전지 유닛의 각각이 갖는 상기 제1 전류 제어 소자의 동작을 제어해서 상기 전지 유닛마다 충방전 전류를 제어하는 제1 제어 수단과,
상기 전지 유닛의 각각이 갖는 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압을 측정하는 전압 측정 수단과,
상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도 또는 고장을 진단하는 진단 수단을 구비하는 조전지의 제어 장치.
제13항에 있어서,
상기 진단 수단은, 상기 제1 제어 수단이 상기 제1 전류 제어 소자를 온해서 상기 충방전 전류를 통전했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압과, 상기 제1 제어 수단이 상기 제1 전류 제어 소자를 오프해서 상기 충방전 전류를 차단했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서, 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도를 진단하는 조전지의 제어 장치.
제13항에 있어서,
상기 전지 유닛의 각각은, 상기 셀 군에 각각 병렬로 접속된 강제 방전용 제2 전류 제어 소자 및 방전용 저항을 더 갖고,
상기 제어 장치는, 상기 전지 유닛의 각각이 갖는 상기 제2 전류 제어 소자의 동작을 제어하는 제2 제어 수단을 더 구비하고,
상기 진단 수단은, 상기 제1 제어 수단이 상기 제1 전류 제어 소자를 오프해서 상기 충방전 전류를 차단한 상태에서, 상기 제2 제어 수단이 상기 제2 전류 제어 소자를 오프했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 개방 전압과, 상기 제2 제어 수단이 상기 제2 전류 제어 소자를 온했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 측정된 상기 셀 군의 부하 시 전압과, 상기 방전용 저항의 저항값에 의거해서, 각 전지 유닛의 직류 내부 저항값을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 열화도를 진단하는 조전지의 제어 장치.
제13항에 있어서,
상기 진단 수단은, 상기 제1 제어 수단이 상기 제1 전류 제어 소자를 오프해서 상기 충방전 전류를 차단했을 때에 상기 전압 측정 수단에 의해 복수 회 측정된 상기 셀 군 또는 각 셀의 전압에 의거해서, 각 전지 유닛의 개방 전압의 강하량을 산출하고, 그 산출 결과에 의거해서 각 전지 유닛의 고장을 진단하는 조전지의 제어 장치.
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