KR20160060556A - 전지 잔량 예측 장치 및 배터리 팩 - Google Patents

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KR20160060556A
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에이키 이마이즈미
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에스아이아이 세미컨덕터 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 저비용이면서 충전지의 전지 잔량의 고정밀도인 예측이 가능한 배터리 팩을 제공한다.
(해결 수단) 전지의 전지 전압 및 전지 온도를 측정하는 전압 검출부와, 전지 전압 및 전지 온도에 기초하여 전지 잔량을 예측 계산하는 연산부와, 전지 잔량 예측 장치의 동작 및 연산부를 제어하는 제어부를 구비하고, 소정의 시간 간격으로, 측정한 전지 전압 및 전지 온도와, 전지 등가 회로에 있어서의 전지의 내부 임피던스에 기초하여 전지 잔량을 회귀적으로 산출하는 연산 플로우에 의해 상기 전지의 잔량을 예측하는 구성으로 한 전지 잔량 예측 장치.

Description

전지 잔량 예측 장치 및 배터리 팩{REMAINING BATTERY LIFE PREDICTION DEVICE AND BATTERY PACK}
본 발명은 배터리 팩에 관한 것으로, 특히 Li 이온 충전지 등의 전지 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치에 관한 것이다.
충전지는, 휴대 기기를 비롯하여 많은 장치에 사용되고 있고, 충방전을 관리하는 배터리 관리 시스템이 필수이다. 특히 기기 가동시에는 가동 시간을 보다 정확하게 알 필요가 있고, 그 때문에 전지 잔량 예측 장치가 사용되고 있다.
종래의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩을 도 6 에 나타낸다. 전지 잔량 예측 장치 (20) 는, 신호 처리 연산을 실시하는 CPU (21) 와, 신호 처리 연산시에 사용하는 RAM (22) 과, 충전지 (7) 의 1 셀분의 전지 전압을 레벨 변환기 (26) 로 변환된 전지 전압을 검출하기 위한 ADC (23) 와, 충전지 (7) 의 전류를 검출하는 전류 센스 저항 (6) 에 의해 발생하는 전압을 검출하기 위한 ADC (24) 와, 전지의 특성 데이터 등을 미리 유지해 두는 불휘발성 메모리 (25) 를 구비하고 있다. 전지 잔량 예측 장치 (20) 는, 충전지 (7) 의 전압과 전류 센스 저항 (6) 을 사용하여 계측된 충전지 (7) 의 전류값보다 쿨롬 카운터로 구해진 이동 전하량 등으로부터, 전지 잔량이 구해지고 있다. 고정밀도인 잔량 예측에는, 충전지 (7) 의 전압 및 전류의 고정밀도인 계측이 필수이다.
특히 전류 계측에 주목하면, 전류 센스 저항 (6) 은 저항값이 고정밀도일 것이 요구된다.
미국 특허 제6789026호 명세서
종래의 전지 잔량 예측 장치 (20) 를 구비한 배터리 팩은, 고정밀도인 전지 잔량 예측을 하기 위해서는, 고정밀도이고 전류 허용량이 큰 전류 센스 저항 (6) 이 필요해진다. 그 때문에, 전류 센스 저항 (6) 은 고가이고 사이즈가 커진다는 과제가 있었다.
본 발명의 전지 잔량 예측 장치는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 이하와 같은 구성으로 하였다.
전지의 전지 전압 및 전지 온도를 측정하는 전압 검출부와, 전지 전압 및 전지 온도에 기초하여 전지 잔량을 예측 계산하는 연산부와, 전지 잔량 예측 장치의 동작 및 연산부를 제어하는 제어부를 구비하고, 전지 잔량 예측 장치는, 소정의 시간 간격으로, 측정한 전지 전압 및 전지 온도와, 전지 등가 회로에 있어서의 전지의 내부 임피던스에 기초하여 전지 잔량을 회귀적으로 산출하는, 연산 플로우에 의해 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치.
본 발명의 전지 잔량 예측 장치에 의하면, 검출한 전지 전압에 기초하여 고정밀도인 전지 잔량 예측이 가능하므로, 전류 센스 저항이 불필요해진다. 따라서, 배터리 팩은 작은 사이즈이고 또한 저비용으로 제공할 수 있다.
도 1 은 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블록도이다.
도 2 는 전지의 등가 회로의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 3 은 전지의 등가 회로의 다른 예를 나타내는 회로도이다.
도 4 는 도 2 의 전지의 등가 회로에 대응한 전지 잔량 예측 연산 플로우이다.
도 5 는 도 3 의 전지의 등가 회로에 대응한 전지 잔량 예측 연산 플로우이다.
도 6 은 종래의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블록도이다.
도 1 은 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치 (1) 를 구비한 배터리 팩의 블록도이다. 본 실시형태의 배터리 팩은, 전지 잔량 예측 장치 (1) 와 충전지 (7) 와 충방전 제어용의 MOSFET (8) 와 충방전 제어 회로 (15) 와 외부 단자 (18 및 19) 를 구비하고 있다. 전지 잔량 예측 장치 (1) 는, 전압 검출부 (11) 와 제어부 (16) 와 잔량 예측 계산 등을 실시하는 연산부 (12) 를 구비하고 있다.
본 실시형태의 배터리 팩은 이하와 같이 접속되어 있다.
전지 잔량 예측 장치 (1) 는, 충전지 (7) 의 양단에 접속된다. MOSFET (8) 는 외부 단자 (19) 에 형성된다. 충방전 제어 회로 (15) 는 충전지 (7) 의 양단에 접속되고, 출력 단자는 MOSFET (8) 에 접속된다. 외부 단자 (18 및 19) 에는 부하 (3) 가 되는 어플리케이션 시스템이 접속된다. 전압 검출부 (11) 는 입력 단자에 충전지 (7) 가 접속되고, 출력 단자가 제어부 (16) 에 접속된다. 제어부 (16) 는 연산부에 접속된다.
전압 검출부 (11) 는 충전지 (7) 의 단자 전압 및 온도를 검출하여, 제어부 (16) 에 출력한다. 제어부 (16) 는, 예를 들어 타이머 회로나, RAM 이나 불휘발 메모리 등의 기억 장치 등을 구비하고 있다. 연산부 (12) 는, 제어부 (16) 의 정보 및 제어에 기초하여 충전지 (7) 의 전지 잔량을 고정밀도로 예측 계산을 실시한다. 즉, 전지 잔량 예측 장치 (1) 는 도 4 또는 도 5 에 나타내는 전지 잔량 예측 연산 플로우를 실행하고, 충전지 (7) 의 전지 잔량을 고정밀도로 예측 계산한다.
도 2 는 전지의 등가 회로의 일례를 나타내는 회로도이다. 전지 등가 회로 (30) 는, 전압원 (31) 과 M 세트가 직렬 접속되어 있는 C-R 회로와, 저항 Ro 로 구성되어 있다. 전압원 (31) 은, 충전 상태나 전지 온도에 의존하여 전지 개방 회로 전압을 출력한다. C-R 회로는 전지의 내부 임피던스의 등가 회로를 구성하는 저항 R 과 콘덴서 C 가 병렬 접속되어 있다. 전압 VOCV 는 전압원 (31) 의 전압이다. 전압 VB 는 전지의 전압이다. 전류원 (32) 은 부하 전류 iL 을 흘리는 부하 (3) 의 등가 회로이다.
C-R 회로는 전지 출력의 과도 응답을 반영하고 있다. C-R 회로의 직렬 접속 개수는 구하는 등가 회로 정밀도에 의존하고, 직렬 접속 개수를 늘릴수록 고정밀도화가 용이해진다. C-R 회로의 시정수 (時定數) 가 잔량 계산의 시간 간격보다 충분히 작으면, 전지 출력의 과도 응답의 잔량 계산으로의 영향은 작다. 그러나, 전지 출력의 과도 응답의 시정수는, 수십분 내지 수시간에 이르는 것이 있어, 잔량 예측 계산으로의 영향은 크다. 특히, 대전류이고 또한 급준한 변화가 있는 경우에는, 잔량 예측 계산의 큰 오차로 이어지기 쉽다.
전지 과도 응답의 영향을 잔량 예측 계산에 반영시키기 위해서는, 전지의 내부 임피던스를 구성하는 저항 Rk 와 콘덴서 Ck 를 포함하는 시간 미분 방정식에 기초한 잔량 예측 계산을 실시할 필요가 있다.
이하, 미분 방정식을 입식한다. 저항 Rk 와 콘덴서 Ck 에 걸리는 전압을 Δk (k ≥ 1) 로 하면, 각 저항 R1 ∼ RM 에 흐르는 전류 iRk 는 식 1, 각 콘덴서 C1 ∼ CM 에 흐르는 전류 iCk 는 식 2 로 되고, 부하 전류 iL 은 식 3 인 점에서, 식 4 와 식 5 가 되는 2 개의 방정식을 얻는다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
부하 전류 iL 은, 전지의 충전 상태, 즉 전지 잔량 SOC 의 변화와, 최대 전지 용량을 Qmax 로 하여 식 6 으로 나타낼 수 있다. 또한, 방전 전류를 정전류로 하고 있다.
Figure pat00006
식 6 을 식 4 와 식 5 에 대입하면, 식 7 과 식 8 이 얻어진다.
Figure pat00007
Figure pat00008
식 7 과 식 8 에 있어서, VOCV, Rk (k = 0 ∼ M), Ck (k = 1 ∼ M) 를 전지 잔량 SOC 와 전지 온도 T 의 의존성을 가진다고 하여, 실측되는 전지 전압 VB 와 전지 잔량 및 전지 내부 전압의 각각의 초기값 SOCi,Δk, i 를 기지로 하여, 연립 방정식을 풂으로써 전지 잔량 SOC 를 구할 수 있다.
그러나, 본 연립 방정식을 미분 방정식으로서 풀려면, 계산량도 많고, 또 실현하기 위한 논리 규모도 커지는 점에서 현실적이지 않다. 그래서, 본 연립 방정식을 차분 방정식에 근사하는 것을 생각한다. 식 7 을, 시각 n 및 tc 시간 전의 시각 n-1 의 차분식화하면, 식 9 로 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
식 9 로부터, Δk, n 에 대하여 구하면, 식 10 이 된다.
Figure pat00010
그리고, 식 10 을 식 8 에 대입하여 식 11 이 구해진다.
Figure pat00011
식 11 을 전지 잔량 SOCn 을 미지의 변수로서 풂으로써, 시각 n 에 있어서의 전지 잔량 SOCn 의 값을 구하는 것이 가능해진다. 시각 n 의 tc 시간 후의 시각 n ＋ 1 에 있어서의 예측 계산을 위하여, 시각 n 에 있어서의 Δk, n 을 식 10 으로부터 구한다. 이후, 본 계산을 반복함으로써, 실시간으로 전지 잔량 예측 계산이 가능해진다.
도 4 는, 도 2 의 전지의 등가 회로에 대응한 상기 서술한 전지 잔량 예측 연산 플로우이다.
본 실시형태의 배터리 팩은, 전지 장전시 등에 있어서 전지 잔량은 불명하다. 따라서, 스텝 S1 에서 초기의 전지 단자 전압 VBi, 전지 온도 Ti 를 전압 검출부 (11) 에서 검출한다. 충전지 (7) 는 전류가 흐르지 않는다고 하면, 이 때의 전지 단자 전압 VBi 는 전지 개방 회로 전압 VOCV 에 동등하다고 생각할 수 있다. 또, 전지 등가 회로 내부 전압 Δk 는, 도 2 로부터 용이하게 알 수 있는 바와 같이 전류가 흐르지 않은 상태라고 생각하면, 초기값 Δk, i 는 0 이 된다.
충전지 (7) 의 전지 개방 회로 전압 VOCV 는 전지 잔량 SOC 와 전지 온도 T 에 의한, 미리 정해진 전지 고유의 의존 특성을 갖고 있고, 본 특성을 식 12 로 가정한다.
Figure pat00012
스텝 S2 에 있어서, 충전지 (7) 의 전지 단자 전압 VBi 와 전지 온도 Ti 로부터, 초기의 전지 잔량 SOCi 를 산출한다. 이후, 소정의 시간 간격 tc 마다 (스텝 S3) 측정과 전지 잔량 예측 계산을 반복 실시한다.
스텝 4 에 있어서, 전압 검출부 (11) 는 tc 시간 경과 후의 시각 n 에 있어서의 전지 단자 전압 VBn 과 전지 온도 Tn 을 검출한다.
스텝 5 에 있어서, 시각 n-1 에 있어서의 전지 잔량 SOCn-1, 전지 온도 Tn-1 및 전지 등가 회로 내부 전압 Δk, n-1 과, 시각 n 에서 검출된 전지 전압 VBn 과, 전지 온도 Tn 으로부터, 시각 n 에 있어서의 전지 잔량 SOCn 과, 전지 개방 회로 전압 VOCV, n, 전지 전류 iL, n, 전지 등가 회로 내부 전압 Δk, n 을 산출한다. 단, 첫회의 스텝 S5 에 있어서, 전지 잔량 SOCn -1 은 초기의 전지 잔량 SOCi 가 사용된다.
전지 특성으로서 미리 규정할 필요가 있는 특성으로서, 식 12 에 가정한 특성에 더하여, 저항 Rk (k = 0 ∼ M) 와 콘덴서 Ck (k = 1 ∼ M) 와 최대 전지 용량 Qmax 가 있다. 이들은 전지 제조 초기의 고유의 특성을 갖고 있다. 전지 등가 회로의 내부 임피던스로서 하기의 2 식을 가정한다.
Figure pat00013
Figure pat00014
이 2 식을 식 11 에 적용하면, 식 15 를 얻을 수 있다.
Figure pat00015
식 15 를 만족시키는 시각 n 에 있어서의 전지 잔량 SOCn 을 회귀적 계산에 의해 산출한다. 산출된 전지 잔량 SOCn 으로부터, 전지 개방 회로 전압 VOCV , n, 전지 전류 iL, n, 전지 등가 회로 내부 전압 Δk, n 을 각각 산출할 수 있다. 스텝 S6 에 있어서, 산출된 이들 수치는 기억 장치에 기록되어 유지된다.
이상의 연산 스텝 S3 ∼ S6 을 반복 실행함으로써, 실시간에서의 잔량 예측 계산이 가능해진다.
또한, 전지 개방 회로 전압 fOCV (SOC, T), 전지 내부 저항 Rk = frk (SOC, T), 전지 내부 콘덴서 용량 Ck = fCk (SOC, T) 는, 대수학적인 함수로 간단하게 나타낼 수 없는 경우에는, 수치 테이블로 나타나는 함수로서 정의된다. 테이블 수치로는 존재하지 않는 변수값 (SOC, T) 에 대해서는, 내삽 혹은 외삽 보간 수법을 사용하여 산출된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩 및 전지 잔량 예측 연산 플로우에 의하면, 전지 전류를 실제로 검출하지 않고, 전지 출력의 과도 응답을 고려한 고정밀도인 전지 잔량 예측 계산이 가능해진다. 따라서, 전지 전류 검출을 위해서 필요했던 고정밀도인 전류 센스 저항이 불필요해져, 비용 저감, 실장 사이즈 저감을 실현할 수 있다.
도 3 은, 전지의 등가 회로의 다른 예를 나타내는 회로도이다. 도 3 에 나타내는 전지 등가 회로 (40) 는, 전지의 내부 임피던스의 등가 회로를 1 세트의 C-R 회로로 간략화하였다. 이와 같이 간략화한 전지의 등가 회로라도, 이하에 상술하는 수법으로 전지 잔량 예측 계산을 실시할 수 있다.
식 1 ∼ 3 에 있어서 M 이 1 이므로, 식 16 과 식 17 이 되는 2 개의 방정식을 얻는다.
Figure pat00016
Figure pat00017
그리고, 식 16 과 식 17 로부터 식 18 을 구할 수 있다.
Figure pat00018
식 18 의 미분 방정식은, 차분 방정식에 근사하면, 식 19 가 된다.
Figure pat00019
또한, 전지 전류 iL, n 은, 차분 방정식 근사식으로서 식 20 으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00020
식 19 에는, 변수 Δk, n-1 이 없기 때문에, 전지 등가 회로 내부 전압을 산출하지 않고, 전지 개방 회로 전압 VOCV , n-1 과, 전지 전압 VBn-1 과, 전지 잔량 SOCn-1, SOCn-2 를 기초로 식 19 로부터 현 시각 n 의 전지 잔량 SOCn 을 산출할 수 있다. 단, 첫회의 스텝 S5 에 있어서, 전지 잔량 SOCn-1, SOCn-2 는 초기의 전지 잔량 SOCi 가 사용된다.
도 5 는, 도 3 의 전지의 등가 회로에 대응한 전지 잔량 예측 연산 플로우이다.
이상 설명한 바와 같이, 도 5 에 나타내는 전지 잔량 예측 계산은, 2 진수 계산으로 실시하는 점에서, 연산의 시간 간격을 2N (N 은 정수) 초로 함으로써, 계산의 논리 규모의 저감을 도모하는 것이 용이해지고, 집적 회로화했을 때에는 집적 회로의 칩 사이즈의 저감에 효과가 있다.
1 : 전지 잔량 예측 장치
7 : 충전지
11 : 전압 검출부
12 : 연산부
15 : 충방전 제어 회로
16 : 제어부
30, 40 : 전지 등가 회로

Claims (8)

  1. 전지의 전압 및 온도를 계측하여, 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치로서,
    상기 전지의 전지 전압 및 전지 온도를 측정하는 전압 검출부와,
    상기 전지 전압 및 상기 전지 온도에 기초하여 전지 잔량을 예측 계산하는 연산부와,
    상기 전지 잔량 예측 장치의 동작 및 상기 연산부를 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 전지 잔량 예측 장치는, 소정의 시간 간격으로, 측정한 상기 전지 전압 및 전지 온도와, 전지 등가 회로에 있어서의 전지의 내부 임피던스에 기초하여 전지 잔량을 회귀적으로 산출하는, 연산 플로우에 의해 상기 전지의 잔량을 예측하는 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지 등가 회로는,
    전지 개방 회로 전압을 출력하는 전압원과,
    상기 전압원에 직렬로 접속된 제 1 저항과,
    상기 제 1 저항에 직렬 접속된, 저항과 콘덴서가 병렬 접속된 임피던스 소자를 구비한 내부 임피던스를 구비한 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연산 플로우는,
    전지 장전시 등에 초기 전지 단자 전압 및 초기 전지 온도를 측정하고,
    상기 초기 전지 단자 전압 및 상기 초기 전지 온도로부터 초기 전지 잔량을 산출하고,
    소정의 시간 간격으로,
    전지 단자 전압 및 전지 온도를 측정하고,
    이번에 측정한 전지 단자 전압 및 전지 온도와, 전회에 측정한 전지 단자 전압 및 전지 온도와, 전회에 산출한 전지 잔량 및 전지 개방 회로 전압을 기초로, 전지 잔량 및 전지 개방 회로 전압을 산출하고,
    이번에 측정한 전지 단자 전압 및 전지 온도와, 이번에 산출한 전지 잔량 및 전지 개방 회로 전압을 기억 장치에 유지하는 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전지 등가 회로의 내부 임피던스는,
    상기 임피던스 소자를 복수 직렬 접속한 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연산 플로우는,
    전지 장전시 등에 초기 전지 단자 전압 및 초기 전지 온도를 측정하고,
    상기 초기 전지 단자 전압 및 상기 초기 전지 온도로부터 초기 전지 잔량을 산출하고,
    상기 임피던스 소자에 걸리는 전압을 초기값으로 설정하고,
    소정의 시간 간격으로,
    전지 단자 전압 및 전지 온도를 측정하고,
    이번에 측정한 전지 단자 전압 및 전지 온도와, 전회에 산출한 전지 잔량 및 상기 임피던스 소자에 걸리는 전압을 기초로, 전지 잔량 및 임피던스 소자에 걸리는 전압을 산출하고,
    이번에 산출한 전지 잔량 및 임피던스 소자에 걸리는 전압을 기억 장치에 유지하는 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    전지 잔량 예측 연산을 실시하는 시간 간격은, 2N (N 은 정수) 초로 하는 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
  7. 부하가 접속되는 제 1 및 제 2 외부 단자의 사이에 직렬로 접속된 전지 및 부하 전류 제어용의 MOSFET 와,
    상기 전지의 양단에 접속되고, 상기 전지의 상태를 감시하여 상기 MOSFET 를 제어하는 제어 회로와,
    상기 전지의 양단에 접속되고, 상기 전지의 잔량을 예측하는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 전지 잔량 예측 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
  8. 부하가 접속되는 제 1 및 제 2 외부 단자의 사이에 직렬로 접속된 전지 및 부하 전류 제어용의 MOSFET 와,
    상기 전지의 양단에 접속되고, 상기 전지의 상태를 감시하여 상기 MOSFET 를 제어하는 제어 회로와,
    상기 전지의 양단에 접속되고, 상기 전지의 잔량을 예측하는 제 6 항에 기재된 전지 잔량 예측 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
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