KR20170015293A - 열화 상태 추정 장치, 충전 상태 추정 장치, ｏｃｖ 커브 산출 생성 장치 및 축전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이차 전지의 전지, 전류, 전지 온도를 입력하고, 방전 용량을 산출하는 Q 산출기와, OCV(개로 전압)값을 산출하는 OCV 산출기와, 적어도 1개의 OCV 커브를 추정하는 OCV 커브 추정기를 구비하는 열화 상태 추정 장치이다. 또한, 이 열화 상태 추정 장치에서 추정된 OCV 커브와 OCV(개로 전압)값으로부터, SOC(충전 상태)를 추정하는 SOC 추정기를 구비하는 충전 상태 추정 장치이다.

Description

열화 상태 추정 장치, 충전 상태 추정 장치, ＯＣＶ 커브 산출 생성 장치 및 축전 장치{DETERIORATION STATE ESTIMATION DEVICE, CHARGE STATE ESTIMATION DEVICE, OCV CURVE CALCULATION/GENERATION DEVICE, AND ELECTRICITY STORAGE DEVICE}
본 개시는, 이차 전지의 열화 상태 추정 장치, 충전 상태 추정 장치, OCV 커브 산출 생성 장치 및 축전 장치에 관한 것이다.
리튬 이온 전지나 니켈 수소 전지 등의 이차 전지는 전원으로서, 휴대 전화로 대표되는 모바일 단말기에 널리 보급되고 있다. 최근 들어, 환경 보호의 고조와 함께, 태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 재생 가능 에너지가 주목받고, 그 에너지를 축전하는 용도로서, 이차 전지가 주목받고 보급되고 있다. 자동차에서도, 이차 전지를 탑재한 하이브리드 자동차나 전기 자동차가 점점 보급되고 있다. 이와 같이, 이차 전지는 전원 용도에 없어서는 안 되는 중요 디바이스로서의 역할을 담당하고 있다.
이러한 상황에 있어서, 이차 전지의 잔존 용량(SOC: state of charge, 충전 상태라고 적절히 칭함)을 고정밀도로 검지하는 것은, 제품에 대한 사용자의 신뢰에부응하기 위해서 없어서는 안 된다. SOC의 검지 정밀도가 나쁘면, 예를 들어 비상시(정전 등)의 축전 장치에 있어서, 충분한 잔존 용량을 디스플레이에 표시하고 있음에도 불구하고, 예기치 않게 돌연 전기가 끊어져 정전되어 버린다. 예를 들어, 자동차의 경우, 충분한 잔존 용량을 디스플레이에 표시하고 있음에도 불구하고, 예기하지 않고 돌연 정지해 버려 목적지에 도달할 수 없는 사태가 발생한다.
SOC를 추정하는 대표적인 방법으로서, 먼저 개로 전압(OCV: Open-Circuit Voltage)을 추정하고, 사전에 테이블 등으로 준비해 둔 OCV와 SOC의 관계로부터 SOC를 추정하는 경우가 있다. 적응 필터나 칼만 필터에 의해 등가 회로 모델의 파라미터를 갱신하면서 OCV를 추정하는 방법이 알려져 있다. 한편, OCV와 SOC의 관계(곡선 형상을 그리는 점에서 OCV 커브라고 칭하기로 함)에 대해서는, 정부극의 종류 등 주로 전지 구성에 따라서 바뀐다고 알려져 있다. 전지가 열화되면 OCV 커브의 형상은 변화하기 때문에, 어떻게 OCV 커브를 고정밀도로 산출하는가로, SOC의 추정 정밀도가 좌우된다.
OCV 커브는, 히스테리시스 특성을 갖는다는 것이 알려져 있다. 즉, 방전 과다(방전의 비율이 충전보다 크다)와 충전 과다(충전의 비율이 방전보다 크다)는 OCV 커브가 상이하다. 그로 인해, 방전 과다와 충전 과다의 2개의 OCV 커브를 갖고 있을 필요가 있다. 또한, OCV 커브를 사용할 때에는 어느 쪽인가의 OCV 커브를 선택할 필요가 있다.
충전 전류 적산량과 방전 전류 적산량의 대소 비교에 의해 사용할 OCV 커브를 선택하는 방법이 있다(특허문헌 1 참조). OCV 커브를 추정하는 다른 방법으로서, 미소 전류에 의한 방전(충전) 커브 이력에 대하여, 정극 및 부극의 방전(충전) 커브를 신축·시프트하여 가산함으로써 피팅을 행하여, 열화 상태를 추정하는 방법이 있다(특허문헌 2 참조).
일본 특허 공개 제2013-158087 일본 특허 공개 제2009-80093
특허문헌 1에 기재된 방법의 경우, 전지가 열화되면 OCV 커브의 형상은 변화하기 때문에, SOC를 고정밀도로 추정하기 위해서는 열화에 따라서 OCV 커브를 갱신할 필요가 있다. 특허문헌 2에 기재된 방법의 경우, OCV 커브는 히스테리시스 특성을 갖기 때문에, 양쪽의 OCV 커브를 추정하기 위해서는, 방전과 충전의 양쪽의 커브 이력이 필요해진다. 한쪽의 OCV 커브를 추정할 수 있어도, 다른 쪽의 OCV 커브를 추정하기 위해서는, 충분한 양의 커브 이력이 얻어질 때까지 기다리지 않으면 안된다. 또한, 다른 쪽의 OCV 커브를 추정할 수 있어도, 서로의 OCV 커브 갱신의 타이밍이 상이하여 시간 차가 발생해 버린다. 그로 인해, 서로의 OCV 커브에 열화 정도의 차이가 발생해 버려, SOC 추정 정밀도가 저하되어 버린다.
따라서, 본 개시의 목적은, 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 간결하게 고정밀도로 추정할 수 있는 열화 상태 추정 장치, 충전 상태 추정 장치, OCV 커브 산출 생성 장치 및 축전 장치를 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 개시는 이차 전지의 전지, 전류, 전지 온도를 입력하고, 방전 용량을 산출하는 Q 산출기와, OCV(개로 전압)값을 산출하는 OCV 산출기와, 적어도 1개의 OCV 커브를 추정하는 OCV 커브 추정기를 구비하는 열화 상태 추정 장치이다.
본 개시는, 상술한 열화 상태 추정 장치에서 추정된 OCV 커브와 OCV(개로 전압) 값으로부터, SOC(충전 상태)를 추정하는 SOC 추정기를 구비하는, 충전 상태 추정 장치이다.
본 개시는, 이차 전지의 Q(방전 용량)값, OCV(개로 전압)값을 입력하여, 단일의 OCV 커브를 산출하는 OCV 커브 산출기와, OCV 커브 산출기로 추정한 OCV 커브의 형상을 담당하는 구성 정보로부터 적어도 1개의 OCV 커브를 생성하는 OCV 커브 생성기를 구비하는, OCV 커브 산출 생성 장치이다.
본 개시는, 이차 전지의 Q(방전 용량)값, OCV(개로 전압)값을 입력하고, 방전 용량과 OCV값을 기록하는 OCV 관리기와, OCV 커브의 추정을 개시할 것인지 여부를 판단하는 OCV 커브 제어기와, 청구항 4에 기재된 OCV 커브 산출 생성 장치와, 생성한 OCV 커브를 기록하여 관리하는 OCV 커브 관리기를 구비하는, OCV 커브 추정 장치이다.
본 개시는 이차 전지와, 충전 상태 추정 장치를 구비하는 축전 장치이며,
충전 상태 추정 장치는 이차 전지의 전지, 전류, 전지 온도를 입력하고, 방전 용량을 산출하는 Q 산출기와, OCV(개로 전압)값을 산출하는 OCV 산출기와, 적어도 1개의 OCV 커브를 추정하는 OCV 커브 추정기와, OCV 커브 추정기에 의해 추정된 OCV 커브와 OCV(개로 전압)값으로부터, SOC(충전 상태)를 추정하는 SOC 추정기를 구비하는, 축전 장치이다.
적어도 하나의 실시 형태에 따르면, OCV 커브를 고정밀도로 연산 부하를 적게 추정하는 것이 가능하게 된다. 또한, 여기에 기재된 효과는 반드시 한정되는 것은 아니고, 본 개시 중에 기재된 어느 효과여도 된다.
도 1은, 본 개시에 의한 개로 전압 추정 장치의 개요를 설명하기 위한 개략 선도이다.
도 2는, 열화한 OCV 커브의 설명에 사용하는 개략 선도이다.
도 3은, OCV 커브의 형상 변화를 설명하기 위한 개략 선도이다.
도 4는, 방전측 OCV 커브와 충전측 OCV 커브의 관계를 설명하기 위한 개략 선도이다.
도 5는, 열화 상태 추정기의 일례의 블록도이다.
도 6은, 충전 상태 추정기의 일례의 블록도이다.
도 7은, OCV 추정에 의한 SOC 추정의 설명에 사용하는 개략 선도이다.
도 8은, OCV 커브 추정기의 일례의 블록도이다.
도 9는, OCV 커브 산출 생성기의 일례의 블록도이다.
도 10은, 방전 용량 Q 및 OCV 추정값을 기록하는 예를 도시하는 개략 선도이다.
도 11은, 본 개시의 제1 실시 형태에 있어서, 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 추정하는 처리의 설명에 사용하는 개략 선도이다.
도 12는, OCV 커브 추정의 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 13은, OCV 커브 산출의 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 14는, 선형보 사이에 의한 OCV 플롯의 산출 처리 설명에 사용하는 개략 선도이다.
도 15는, OCV 커브 생성의 처리의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 16은, 본 개시의 제2 실시 형태에 있어서, 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 추정하는 처리의 설명에 사용하는 개략 선도이다.
도 17은, 방전측 OCV와 충전측 OCV의 상관 테이블의 일례를 나타내는 개략 선도이다.
도 18은, 방전측 OCV로부터 충전측 OCV를 생성하는 처리의 설명에 사용하는 개략 선도이다.
도 19는, 본 개시를 축전 장치에 적용한 경우의 구성 일례를 나타내는 블록도이다.
도 20은, 본 개시를 축전 장치에 적용한 경우의 구성의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
이하, 본 개시의 실시 형태에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시 형태는, 본 개시의 적합한 구체예이고, 기술적으로 바람직한 여러 가지 한정이 첨부되어 있지만, 본 개시의 범위는 이하의 설명에 있어서, 특히 본 개시를 한정하는 취지의 기재가 없는 한, 이 실시 형태에 한정되지 않는 것으로 한다.
본 개시의 설명은, 이하의 순서에 따라서 이루어진다.
<1. 제1 실시 형태>
<2. 제2 실시 형태>
<3. 응용예>
<4. 변형예>
<1. 제1 실시 형태>
본 개시는, 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 간결하게 고정밀도로 추정하는 것을 특징으로 한다. 도 1의 A 및 도 1의 B에 본 개시 개요의 설명도를 나타낸다. 횡축을 방전 용량 (Q), 종축을 전압으로 하였다.
도 1의 A에 도시한 바와 같이, 실선으로 나타내는 방전측 OCV 커브(1D)가 기지인 경우, 그 OCV 커브(1D)의 형상을 구성하는 정보로부터, 도 1의 B에 도시한 바와 같이, 충전측 OCV 커브(1C)를 추정할 수 있다. 반대로, 충전측 OCV 커브(1C)가 기지인 경우도 마찬가지이다. 이렇게 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 생성할 수 있는 것은, 서로의 OCV 커브의 상관성이 매우 높은 것에서 유래한다. 실제로 본 발명자들은 이러한 특성을 발견하여, 전지가 열화되어도 관계성이 무너지지 않고 유지됨을 확인할 수 있었다. 또한, 방전측 커브란, 방전의 비율이 충전보다 큰 경우의 OCV 커브이고, 충전측 커브란, 충전의 비율이 방전보다 큰 경우의 OCV 커브이다.
도 2에 열화된 OCV 커브의 설명도를 나타낸다. 신품의 전지 OCV 커브(2A)(파선으로 나타냄)는 열화되면 신축·시프트한 형상의 OCV 커브(2B)(실선으로 나타냄)가 된다. 전지의 OCV 커브는, 정극 단체의 OCV 커브(3P)와, 부극 단체의 OCV 커브(3N)의 차분으로 표현할 수 있는다고 알려져 있다. 정극 단체의 OCV 커브(3P) 및 부극 단체의 OCV 커브(3N)는, 일반적으로 리튬 금속을 대향 전극에 사용하여 측정된다. 따라서, 미리 취득한 단극의 OCV 커브 각각을 신축·시프트했지만 차분을 취함으로써 전지의 OCV 커브를 생성할 수 있다.
부극 단체의 OCV 커브를 예로 형상 변화에 대하여 도 3을 참조하여 설명한다. 신품과 비교하면 통상은 용량이 줄어들게 되므로, 전지가 열화되면 전지 용량은 줄어들고, OCV 커브의 형상은 바뀐다. 도 3의 A에 도시한 바와 같이, 부극의 OCV 커브(3Na)는, 전지 용량이 줄어듦으로써 수축한다. 또한, 정극과 부극의 전위 밸런스가 바뀜으로써 서로의 OCV 커브의 위치 관계가 바뀌고, 도 3의 B에 도시한 바와 같이, 시프트된다. 이렇게 형상 변화한 정극 단체와 부극 단체 각각의 OCV 커브의 차분의 결과, 전지의 OCV 커브는 신품과 비교하여 수축·시프트한 형상이 된다. 또한, 신품과 비교하면 용량이 증가하는 경우도 있을 수 있다. 그 경우의 형상 변화는, 신장·시프트가 된다. 수축 및 신장의 양쪽을 포함하기 위해서, 신축이라는 용어를 사용한다.
전지의 OCV 커브가 컷오프 전압에 도달할 때까지의 방전 용량으로부터, 전지 용량을 추정할 수 있다. 도 4에 방전측 OCV 커브(1D)와 충전측 OCV 커브(1C)의 관계를 나타낸다. 방전측 OCV 커브(1D)와 충전측 OCV 커브(1C)의 관계성을 확인하기 위해서, OCV 커브의 변곡점 부근에 도 4의 A 중의 감시점(Ac, Ad, Bc, Bd)을 설치하여, 전지의 용량 열화에 따라서 감시점이 어떻게 변화하는지 관측하였다.
초기의 전지 용량 CAPnew에 대한 현 전지 용량 CAPnow의 비율(용량 유지율)을 횡축으로 하고, 현 전지 용량에 대한 방전 용량의 비율 DOD(Depth of Discharge)를 종축으로 한 것이 도 4의 B이다. 감시점의 변천을 도 4의 B에 묘화하였다. 또한, 본 명세서에서는 SOC를 DOD의 역수로 정의하여 생각하기로 한다. 열화에 따라서 DOD는 변천하지만, 방전과 충전의 감시점의 관계성은 변함없는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이, 방전측 OCV 커브와 충전측 OCV 커브의 상관성이 매우 높다는 것을 알아내었다.
도 5는, 열화 상태 추정기의 일례를 나타낸다. 도시하지 않은 이차 전지로부터 전압, 전류 및 온도의 정보가 열화 상태 추정기에 대하여 공급된다. 열화 상태 추정기는, Q 산출기(11)와 OCV 추정기(12)와 OCV 커브 추정기(13)를 갖는다.
Q 산출기(11)는, 만충전 시를 기점으로 한 방전 용량(Q)을 주로는 전류 적산으로부터 산출한다. OCV 추정기(12)는 개로 전압(OCV)을 산출한다. 전지 내의 농도 분극을 무시할 수 있을 만큼 충분한 시간이 지났으면, 입력되는 측정 전압을 그대로 OCV로서 다루어도 된다. 이들 산출값을 입력으로 하고, OCV 커브 추정기(13)는 OCV 커브의 형상을 추정한다. 전지의 OCV 커브가 컷오프 전압에 도달할 때까지의 방전 용량으로부터, 전지 용량을 추정할 수 있다.
도 6은, 충전 상태 추정기의 구성을 나타낸다. 도 7은, OCV 추정에 의한 SOC 추정을 설명하기 위한 도면이다. 도 7에 도시한 바와 같이, SOC 추정기(14)에서는, OCV 추정값을 OCV 커브 추정기(13)에서 추정된 OCV 커브에 참조함으로써 SOC를 추정한다.
도 8은, OCV 커브 추정기(13)의 일례 구성을 나타낸다. OCV 커브 추정기(13)는 OCV 관리기(131)와, OCV 커브 제어기(132)와, OCV 커브 산출 생성기(133)와, OCV 커브 관리기(134)를 포함한다. OCV 커브 산출 생성기(133)의 구성은, 도 9에 도시한 바와 같이, OCV 커브 산출기(141)와 OCV 커브 생성기(142)와의 종속 접속된 것이다.
OCV 추정값 기록 메모리가 설치되어, 도 10에 도시한 바와 같이, 방전측과 충전측의 각각에 대해서, Q〔mAh〕와 OCV〔V〕와의 관계가 기억된다. 일례로서, 도 11에 도시한 바와 같이, 방전측 OCV 커브로부터 충전측 OCV 커브가 추정된다. OCV 커브의 추정은, 도 12에 나타내는 흐름도의 처리에 의해 이루어진다. 또한, OCV 커브 산출은, 도 13에 나타내는 흐름도의 처리에 의해 이루어진다.
스텝 ST1: OCV 커브 추정기(13)의 OCV 관리기(131)에 의해, OCV 추정값에 의한 OCV값 궤적을 기억하는 것을 목적으로, 용량 Q 및 OCV 추정값을 기록한다. 추정한 OCV 추정값이 방전 과다측인가 충전 과다측인가를 판별하여 기록한다. 도 11A에 있어서의 흰 도트가 OCV 추정값의 1 샘플을 나타낸다.
스텝 ST2: OCV 추정값의 개수가 충분한 양에 도달했는지의 여부가 판정된다. OCV 커브 제어기(132)에서는, 메모리에 기록한 방전측 또는 충전측의 OCV값 궤적이 OCV 커브를 추정하기에 충분한 양에 도달했는지의 여부로, OCV 커브의 추정을 개시할 것인지 여부를 판단한다.
스텝 ST3: OCV 추정값의 개수가 충분한 양에 도달했다고 판정되면, OCV 커브 산출 생성기(133)에서 OCV 커브의 형상을 추정한다. 즉, OCV값 궤적으로부터 OCV 커브의 형상을 추정한다. OCV 추정값의 개수가 충분한 양에 도달하지 않았다고 판정되면, 처리가 스텝 ST1에 복귀된다.
스텝 ST4: 한쪽의 OCV 커브(예를 들어 방전측 OCV 커브)의 구성 정보로부터 다른 쪽의 OCV 커브(예를 들어 충전측 OCV 커브)를 생성한다.
스텝 ST5: OCV 커브로부터 전지 용량을 산출한다.
스텝 ST6: OCV 커브 관리기(134)는 OCV 커브 및 전지 용량을 메모리 등에 기록한다. 그리고, OCV 커브 추정 처리가 종료한다.
도 11의 A 및 도 11의 B는, 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 추정하는 설명도이다. 메모리 등에 기록한 방전 용량과 OCV 추정값은, 방전 용량 Q를 횡축으로 하고, 전압을 종축으로 하여 플롯할 수 있고, OCV값 궤적이 그려진다. 여기에서는 방전 과다측의 OCV값 궤적을 예를 들어 설명한다.
이 OCV값 궤적에 대하여, 미리 취득한 방전측의 정극 단체의 OCV 커브(3P) 및 부극 단체의 OCV 커브(3N) 각각을 신축·시프트하면서, 생성한 전지의 OCV 커브를 피팅함으로써, 최적의 피팅 조건을 구한다. 배율이나 시프트양이라고 하는 방전측의 OCV 커브를 구성하는 구성 정보가 얻어진다.
OCV 커브 산출 생성기(133)에서는, 한쪽의 OCV 커브의 구성 정보(배율, 시프트양)를 기초로, 다른 쪽의 OCV 커브를 생성한다. 도 11의 A 및 도 11의 B에 도시한 바와 같이, 방전측의 OCV 커브 구성 정보(배율 Xp, Xn, 시프트양 Yp, Yn)를 사용하여, 미리 취득한 충전측의 단극의 OCV 커브를 신축·시프트함으로써, 충전측의 OCV 커브를 생성할 수 있다.
도 11의 예는, 방전측의 OCV 커브의 구성 정보를 사용하여 충전측의 OCV 커브를 생성하는 것이다. 반대로, 충전측의 OCV 커브의 구성 정보를 사용하여 방전측의 OCV 커브를 생성하는 처리가 동시에(병행하여) 이루어진다. 따라서, 본 개시의 제1 실시 형태는, 다른 쪽의 측 OCV값 궤적이 만족되는 것을 기다릴 필요가 없고, 또한 처리 부하가 무거운 피팅을 실행할 필요가 없다. 방전측과 충전측의 OCV 커브를 동시에 갱신하므로, 2개의 OCV 커브의 사이에서 열화 정도의 차이가 발생하는 경우는 없고, SOC 추정 정밀도에의 악영향을 억제할 수 있다.
도 13의 흐름도를 참조하여 한쪽의 OCV 커브의 구성 정보로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 생성하는 처리(도 8 중의 OCV 커브 추정기(13)의 처리, 도 12 중의 스텝 ST4)를 보다 상세하게 설명한다. 또한, OCV 커브 산출의 방법은, 여기에 예를 든 것에 한정되지 않는다. 여기에서는 일례로서, 단극 OCV 커브를 신축·시프트하여 전지의 OCV 커브를 생성하는 방법에 대하여 설명한다.
스텝 ST11: 먼저, 단극 OCV 커브에 대한 신축의 배율(Xp, Xn)·시프트의 양(Yp, Yn)을 파라미터로 하고, 그 파라미터를 변경하는 값의 범위를 설정한다. 예를 들어, 신축의 배율(Xp, Xn)이면, 0.5 내지 1.0까지 0.05 간격으로 변화시킨다.
스텝 ST12: 설정된 범위 내에서, OCV 커브의 구성 정보의 파라미터가 설정된다.
스텝 ST13: 설정된 파라미터에 대응하는 정극 및 부극의 OCV 커브를 생성한다.
스텝ST14: 정극 및 부극의 OCV 커브의 차분으로부터 전지의 OCV 커브를 생성한다.
스텝 ST15: OCV값 궤적과 OCV 커브의 제곱 평균 평방근(RMS라고 칭함)을 산출한다.
스텝 ST16: 산출된 RMS 계산값을 이전에 산출된 RMS 계산값 중 최솟값(RMS 최솟값)과 비교한다. RMS 계산값이 RMS 최솟값 이상인 경우에는, 처리가 스텝 ST12(OCV 커브 구성 정보의 파라미터(Xp, Yp, Xn, Yn)의 설정)로 복귀된다.
스텝 ST17: 스텝 ST16의 판정 결과가 긍정인 경우, 즉 (RMS 계산값<RMS 최솟값)인 경우, RMS 최솟값과 OCV 커브 구성 정보(Xp, Yp, Xn, Yn)를 갱신하여 기록한다.
스텝 ST18: 파라미터 범위를 모두 망라했는지의 여부가 판정된다. 망라하고 있지 않다고 판정되면, 처리가 스텝 ST12로 복귀되고, 상술한 스텝 ST12 내지 스텝ST17의 처리가 이루어진다.
이상의 처리에 의해, 최적 조건이 되는 OCV 커브가 산출된다.
정극 및 부극의 OCV 커브가 생성된다. 정극의 OCV 커브의 생성 예에 대하여 설명한다. 미리 취득한 정극의 OCV 커브에 대해서, 어떤 점의 방전 용량을 Qp0(k)라 한다. 신축의 배율을 Xp, 시프트양(방전 용량이 줄어드는 방향)을 Yp라 하면, 이 점의 방전 용량 Qp(k)는 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
Figure pct00001
이와 같이 방전 용량의 점 위치를 바꿈으로써, OCV 커브의 형상을 조작하고, 정극의 OCV 커브를 생성한다. 부극의 OCV 커브에 대해서도 동일하게 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
Figure pct00002
전지의 OCV 커브를 산출하기 위해서, 정극과 부극의 OCV 커브의 차분을 산출 하기 전에, 정극과 부극의 Q 위치를 맞추어 둘 필요가 있다. 도 14에 선형 보간에 의한 OCV 플롯의 산출예를 나타낸다.
도 14에 도시한 바와 같이, 신축의 배율을 0.9, 시프트양을 100〔mAh〕라 하면, 510〔mAh〕 및 520〔mAh〕의 점은, 각각 359〔mAh〕 및 368〔mAh〕의 점으로 이동한다. Q 간격을 10〔mAh〕으로 하는 결정으로 한 경우, 360〔mAh〕에 상당하는 점의 OCV값을 선형 보간 등의 방법으로 생성해 둔다.
정극과 부극의 OCV 커브의 차분으로부터 전지의 OCV 커브를 생성한다. 어떤 점의 방전 용량 Q(k)에 있어서의 정극 및 부극의 OCV값을 각각 OCVp(k) 및 OCVn(k)으로 한다. 방전 용량 Q(k)에 있어서의 전지의 OCV값인 OCV(k)는: 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
Figure pct00003
피팅을 위해, OCV값 궤적과 생성된 OCV 커브의 제곱 평균 평방근(RMS)을 산출한다. RMS는 다음 식과 같이 표현할 수 있다. OCV값 궤적이 있는 점을 OCVe(k)라 한다. N은 OCV 커브를 구성하는 플롯의 수이다. 이 RMS값이 최소가 되는 파라미터(배율, 시프트)를 기록한다. RMS값이 최소가 되는 파라미터를 구함으로써, 최적의 OCV 커브를 산출할 수 있다.
Figure pct00004
OCV 커브의 추정에 피팅을 실시하는 경우, 상정되는 모든 파라미터 범위에서 값을 바꾸면서, 그때마다 비교를 실시할 필요가 있기 때문에, 처리 부하가 무겁다. 장기 수명으로 안전성이 높은 전지 정극 재료로서 알려진 인산철리튬(LiFePO4)은 부극과 비교하여 매우 열화되기 어렵다. 그로 인해, 정극에 이 재료를 사용한 리튬 이온 전지에서는, OCV 커브 추정의 피팅 시에, 정극은 생략하고 부극만 파라미터를 바꾸도록 할 수 있고, 그 결과, 연산 부하를 대폭으로 삭감할 수 있다.
도 15의 흐름도를 참조하여 OCV 커브 생성에 대하여 설명한다.
스텝 ST31: OCV 커브 산출기(141)에서 생성한 한쪽의 OCV 커브에 대해서, 그의 산출 과정에서 얻어진 OCV 커브 구성 정보를 OCV 커브 생성기(142)에 걸친다.
스텝 ST32: 이 OCV 커브 구성 정보를 사용하여, 다른 쪽의 정극 및 부극의 OCV 커브를 생성한다.
스텝 ST33: 정극과 부극의 OCV 커브의 차분으로부터 다른 쪽의 전지 OCV 커브를 생성한다. 예를 들어, OCV 커브 산출기(141)에서 방전측의 OCV 커브를 산출하고 있으면, OCV 커브 생성기(142)에서는 충전측의 OCV 커브를 산출한다. 또한, 한쪽의 OCV 커브 구성 정보로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 고정밀도로 생성할 수 있음이 확인되어 있다.
이상과 같이, 본 개시의 OCV 커브 추정기를 사용함으로써, 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 간결하게 고정밀도로 추정하는 것이 가능하게 된다. 한쪽의 커브 추정만으로 양쪽의 커브를 동시에 추정할 수 있다.
종래의 방법에서는, OCV 커브는 히스테리시스 특성을 갖기 때문에, 방전과 충전의 양쪽의 OCV 커브를 따로따로 추정할 필요가 있었다. 그로 인해, 서로의 OCV 커브 갱신의 타이밍이 상이하여 시간 차가 발생해버려, SOC 추정 정밀도가 악화되어 버리는 문제가 있었다. 본 개시의 기술을 사용함으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있다.
또한, 적응 필터 등을 사용한 OCV 추정 방법이 잘 알려져 있지만, 이 방법은 부하 변동이 작으면 추정 정밀도가 나쁘고, 또는 추정 자체를 할 수 없고, 부하 변동에 크게 의존해 버린다. 그로 인해, 충전측 또는 방전측의 OCV 커브밖에 추정할 수 없는 경우가 있다. 즉, 종래의 방법에서는, 한쪽의 OCV 커브밖에 추정할 수 없거나, 또는 다른 쪽의 OCV 커브의 갱신 빈도가 매우 적어지는 문제가 있었다. 본 개시의 기술을 사용함으로써, 이러한 문제를 해결할 수 있다.
OCV 커브의 추정에 피팅을 실시하는 경우, 상정되는 모든 파라미터 범위에서 값을 바꾸면서, 그때마다 비교를 실시할 필요가 있기 때문에, 방대한 처리 부하가 필요하였다. 본 개시에서는, 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 산출하기 위한 처리 부하는 미미한 것이고, 처리 부하나 소비 전력을 저감할 수 있다.
또한, OCV값 궤적은 방전측과 충전측의 양쪽을 메모리 등에 기록하여 둘 필요가 있었다. 한쪽의 OCV값 궤적만 기록하도록 제한함으로써, 다른 쪽의 OCV값 궤적을 기록할 필요가 없어지고, 메모리 사용량을 삭감할 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 전지 상태 추정 장치에 의하면, 한쪽의 OCV 커브로부터 다른 쪽의 OCV 커브를 간결하게 고정밀도로 추정하는 것이 가능하게 되고, 이차 전지의 충전 상태(SOC)나 열화 상태를 고정밀도로 추정하는 것이 가능하게 된다.
<2. 제2 실시 형태>
OCV 커브 생성기에 대해서, 제2 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 16은, 한쪽의 기지의 OCV 커브(예를 들어 방전측의 OCV 커브)로부터, 상관 테이블을 참조하여 다른 쪽의 OCV 커브(예를 들어 충전측의 OCV 커브)를 추정하는 설명도이다. 도 17에 방전측 OCV와 충전측 OCV의 상관 테이블을 나타낸다. 도 18에 일례를 나타내는 바와 같이, 상관 테이블을 참조하여 방전측 OCV로부터 충전측 OCV가 생성된다.
한쪽의 OCV 커브의 산출 방법에 대해서는 한정하지 않는다. 예를 들어, 방전측의 OCV 커브만 기지로 한다. 방전측 OCV에 대응하는 충전측 OCV를 상관 테이블에 참조함으로써 산출한다. 이와 같이, 한쪽의 OCV 커브가 기지인 경우, 서로의 OCV 커브의 관계성을 나타내는 상관 테이블에 참조함으로써, 다른 쪽의 OCV 커브를 생성할 수 있다. 이러한 제2 실시 형태도, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 발휘한다.
<3. 응용예>
도 19에 도시한 바와 같이, 본 개시에 의한 개로 전압 추정 장치(101)는 축전 장치에 대하여 적용된다. 이차 전지(102)로부터의 전지 정보(전압, 전류, 온도 등)가 개로 전압 추정 장치(101)에 공급된다. 도시를 생략하였지만, 이차 전지(102)에 대하여 부하(예를 들어 모터)가 접속되고, 충전 회로가 접속되어 있다.
개로 전압 추정 장치(101)는 상술한 바와 같이, OCV 커브를 추정하고, 추정된 OCV 커브를 충전 상태 산출기(103)에 공급한다. 충전 상태 산출기(103)가 충전 상태(SOC)를 산출한다. 산출된 충전 상태의 정보가 예를 들어 표시부(104)에 표시됨으로써 유저에 제시된다.
도 20은, 다른 응용예를 나타낸다. 개로 전압 추정 장치(101)와 이차 전지(102)가 이격된 장소에 설치되고 있다. 이차 전지(102)로부터의 전지 정보가 송수신부(201) 및 통신 매체(202)를 개재하여 수신부(203)에 송신된다. 통신 매체(202)는 유선 통신 매체, 무선 통신 매체, 인터넷 등이다.
수신부(203)에서 수신된 전지 정보가 개로 전압 추정 장치(101)에 공급되어, 상술한 바와 같이, OCV 커브가 추정된다. 추정된 OCV 커브가 충전 상태 산출기(103)에 공급되어, 충전 상태가 산출된다. 충전 상태의 정보가 송신부(204) 및 통신 매체(202)를 통하여 송수신부(201)에 전송된다.
송수신부(201)에 의해 수신된 충전 상태의 정보가 표시부(104)에 있어서 표시되어, 유저에 대하여 제시된다. 도 20에서는, 하나의 이차 전지(102)만이 나타나 있지만, 이차 전지를 포함하는 다수의 단말 장치가 통신 매체(202)를 개재하여 하나의 개로 전압 추정 장치(101) 및 충전 상태 산출기(103)에 대하여 접속되어 있다. 따라서, 단말 장치에 있어서는, 부하가 비교적 무거운 처리를 행하지 않아도 되는 이점이 있다.
<4. 변형예>
이상, 본 개시의 일 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명했지만, 본 개시는 상술한 일 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 개시의 기술적 사상에 기초하는 각종 변형이 가능하다. 예를 들어, 상술한 실시 형태에 있어서 예를 든 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치 등은 어디까지나 예에 지나지 않고, 필요에 따라서 이것과 다른 구성, 방법, 공정, 형상, 재료 및 수치 등을 사용해도 된다.
예를 들어 상술한 설명에서는, 방전측과 충전측의 2개의 OCV 커브를 사용하여 설명했지만, 2개에 한정되는 것은 아니다. 전류나 온도 등 사용 조건에 따라서 2개 이상의 OCV 커브를 사용하는 경우도 있고, 이러한 경우에도 본 개시의 기술을 적용할 수 있다.
또한, 본 개시는, 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1)
이차 전지의 전지, 전류, 전지 온도를 입력하고, 방전 용량을 산출하는 Q 산출기와, OCV(개로 전압)값을 산출하는 OCV 산출기와, 적어도 1개의 OCV 커브를 추정하는 OCV 커브 추정기를 구비하는 열화 상태 추정 장치.
(2)
상기 OCV 커브 추정기는 전지 용량을 추정하는 기능을 구비하는, (1)에 기재된 열화 상태 추정 장치.
(3)
(1)에 기재된 열화 상태 추정 장치에서 추정된 OCV 커브와 OCV(개로 전압)값으로부터, SOC(충전 상태)를 추정하는 SOC 추정기를 구비하는, 충전 상태 추정 장치.
(4)
이차 전지의 Q(방전 용량)값, OCV(개로 전압)값을 입력하고, 단일의 OCV 커브를 산출하는 OCV 커브 산출기와, OCV 커브 산출기로 추정한 OCV 커브의 형상을 관장하는 구성 정보로부터 적어도 1개의 OCV 커브를 생성하는 OCV 커브 생성기를 구비하는, OCV 커브 산출 생성 장치.
(5)
이차 전지의 Q(방전 용량)값, OCV(개로 전압)값을 입력하고, 방전 용량과 OCV값을 기록하는 OCV 관리기와, OCV 커브의 추정을 개시할 것인지 여부를 판단하는 OCV 커브 제어기와, (4)의 OCV 커브 산출 생성 장치와, 생성된 OCV 커브를 기록하여 관리하는 OCV 커브 관리기를 구비하는, OCV 커브 추정 장치.
(6)
상기 OCV 커브 산출기는 미리 취득한 단극의 OCV 커브에 대해서, 각각 신축 배율·시프트의 양을 바꾸면서 차분을 취해 피팅함으로써 전지의 OCV 커브를 산출하는, (4)에 기재된 OCV 커브 산출 생성 장치.
(7)
상기 OCV 커브 생성기는 (6)에 기재된 OCV 커브 산출기로 산출한 신축 배율·시프트의 양을 사용하여, 적어도 1개의 OCV 커브를 생성하는, (4)에 기재된 OCV 커브 산출 생성 장치.
(8)
상기 OCV 커브 생성기는 미리 취득한 OCV 커브의 상관 테이블을 사용하여, 2개 이상의 OCV 커브를 생성하는, (4)에 기재된 OCV 커브 산출 생성 장치.
(9)
이차 전지와, 충전 상태 추정 장치를 구비하는 축전 장치이며,
상기 충전 상태 추정 장치는 상기 이차 전지의 전지, 전류, 전지 온도를 입력하고, 방전 용량을 산출하는 Q 산출기와, OCV(개로 전압)값을 산출하는 OCV 산출기와, 적어도 1개의 OCV 커브를 추정하는 OCV 커브 추정기와, 상기 OCV 커브 추정기에 의해 추정된 OCV 커브와 OCV(개로 전압)값으로부터, SOC(충전 상태)를 추정하는 SOC 추정기를 구비하는, 축전 장치.
(10)
상기 이차 전지와 상기 충전 상태 추정 장치가 이격되어 배치되고,
통신 매체를 개재하여 서로 결합되는, (9)에 기재된 축전 장치.
1D…방전측 OCV 커브
1C…충전측 OCV 커브
11…Q 산출기
12…OCV 추정기
13…OCV 커브 추정기
101…개로 전압 추정 장치
102…이차 전지
103…충전 상태 산출기
104…표시부
202…통신 매체

Claims (10)

  1. 이차 전지의 전지, 전류, 전지 온도를 입력하고, 방전 용량을 산출하는 Q 산출기와, OCV(개로 전압)값을 산출하는 OCV 산출기와, 적어도 1개의 OCV 커브를 추정하는 OCV 커브 추정기를 구비하는 열화 상태 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 OCV 커브 추정기는 전지 용량을 추정하는 기능을 구비하는, 열화 상태 추정 장치.
  3. 제1항에 기재된 열화 상태 추정 장치에서 추정된 OCV 커브와 OCV(개로 전압)값으로부터, SOC(충전 상태)를 추정하는 SOC 추정기를 구비하는, 충전 상태 추정 장치.
  4. 이차 전지의 Q(방전 용량)값, OCV(개로 전압)값을 입력하고, 단일의 OCV 커브를 산출하는 OCV 커브 산출기와, OCV 커브 산출기로 추정한 OCV 커브의 형상을 관장하는 구성 정보로부터 적어도 1개의 OCV 커브를 생성하는 OCV 커브 생성기를 구비하는, OCV 커브 산출 생성 장치.
  5. 이차 전지의 Q(방전 용량)값, OCV(개로 전압)값을 입력하고, 방전 용량과 OCV값을 기록하는 OCV 관리기와, OCV 커브의 추정을 개시할 것인지 여부를 판단하는 OCV 커브 제어기와, 제4항에 기재된 OCV 커브 산출 생성 장치와, 생성된 OCV 커브를 기록하여 관리하는 OCV 커브 관리기를 구비하는, OCV 커브 추정 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 OCV 커브 산출기는 미리 취득한 단극의 OCV 커브에 대해서, 각각 신축 배율·시프트의 양을 바꾸면서 차분을 취해 피팅함으로써 전지의 OCV 커브를 산출하는, OCV 커브 산출 생성 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 OCV 커브 생성기는 제6항에 기재된 OCV 커브 산출기로 산출한 신축 배율·시프트의 양을 사용하여, 적어도 1개의 OCV 커브를 생성하는, OCV 커브 산출 생성 장치.
  8. 제4항에 있어서, 상기 OCV 커브 생성기는 미리 취득한 OCV 커브의 상관 테이블을 사용하여, 2개 이상의 OCV 커브를 생성하는, OCV 커브 산출 생성 장치.
  9. 이차 전지와, 충전 상태 추정 장치를 구비하는 축전 장치이며,
    상기 충전 상태 추정 장치는 상기 이차 전지의 전지, 전류, 전지 온도를 입력하고, 방전 용량을 산출하는 Q 산출기와, OCV(개로 전압)값을 산출하는 OCV 산출기와, 적어도 1개의 OCV 커브를 추정하는 OCV 커브 추정기와, 상기 OCV 커브 추정기에 의해 추정된 OCV 커브와 OCV(개로 전압)값으로부터, SOC(충전 상태)를 추정하는 SOC 추정기를 구비하는, 축전 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 이차 전지와 상기 충전 상태 추정 장치가 이격하여 배치되고,
    통신 매체를 개재하여 서로 결합되는, 축전 장치.
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