KR20200107987A - 이차 전지의 이상 검지 장치, 이상 검지 방법, 및 프로그램 - Google Patents

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케이 타카하시
코우헤이 토요타카
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가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼
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Abstract

이상 검지를 수행하면서 다른 파라미터(내부 저항이나 SOC 등)도 높은 정밀도로 예측하는 이차 전지의 제어 시스템을 제공한다. 칼만 필터를 사용하여, 어떤 시점에서의 관측치(전압)와 사전 상태 변수를 사용하여 추정한 전압의 차를 검출한다. 미리 문턱치 전압을 설정하고, 검출된 차전압에 의하여 돌발적인 이상, 구체적으로는 마이크로 단락 등을 검지한다. 또한 뉴럴 네트워크를 사용하여 시계열의 차전압의 데이터를 학습하고 이상인지 정상인지를 판단하여 검지하는 것이 바람직하다.

Description

이차 전지의 이상 검지 장치, 이상 검지 방법, 및 프로그램
본 발명의 일 형태는 물건, 방법, 또는 제조 방법에 관한 것이다. 또는 본 발명은 공정(process), 기계(machine), 제품(manufacture), 또는 조성물(composition of matter)에 관한 것이다. 본 발명의 일 형태는 반도체 장치, 표시 장치, 발광 장치, 축전 장치, 조명 장치 또는 전자 기기의 제조 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 축전 장치의 충전 제어 방법, 축전 장치의 상태 추정 방법, 및 축전 장치의 이상 검지 방법에 관한 것이다. 특히 축전 장치의 충전 시스템, 축전 장치의 상태 추정 시스템, 및 축전 장치의 이상 검지 시스템에 관한 것이다.
또한 본 명세서 중에서, 축전 장치란 축전 기능을 가지는 소자 및 장치 전반을 말하는 것이다. 예를 들어 리튬 이온 이차 전지 등의 축전지(이차 전지라고도 함), 리튬 이온 커패시터, 니켈 수소 전지, 전고체 전지, 및 전기 이중층 커패시터 등을 포함한다.
또한 본 발명의 일 형태는 뉴럴 네트워크를 사용한 축전 장치의 이상 검지 시스템 및 축전 장치의 상태 추정 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 뉴럴 네트워크를 사용한 차량에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 뉴럴 네트워크를 사용한 전자 기기에 관한 것이다. 또한 본 발명의 일 형태는 차량에 한정되지 않고, 구조체 등에 설치된 태양광 발전 패널 등의 발전 설비에서 얻어진 전력을 저장하기 위한 축전 장치에도 적용할 수 있는 상태 추정 시스템 및 설비 이상 검지 시스템에 관한 것이다.
근년, 리튬 이온 이차 전지, 리튬 이온 커패시터, 공기 전지 등, 여러 가지 축전 장치의 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 고출력, 고에너지 밀도의 리튬 이온 이차 전지는, 휴대 전화, 스마트폰, 태블릿, 또는 노트북형 컴퓨터 등의 휴대 정보 단말기, 게임 장치, 휴대 음악 플레이어, 디지털 카메라, 의료 기기, 하이브리드 자동차(HEV), 전기 자동차(EV), 또는 플러그인 하이브리드 자동차(PHEV) 등의 차세대 클린 에너지 자동차, 또는 전동 바이크 등, 반도체 산업의 발전과 함께 급속히 그 수요가 확대되어 있으며, 충전이 가능한 에너지 공급원으로서 현대의 정보화 사회에 불가결한 것이 되었다.
또한 전기 자동차는 전동 모터만을 구동부로 하는 차량이지만, 엔진 등의 내연 기관과 전동 모터를 모두 구비한 하이브리드 자동차도 있다. 자동차에 사용되는 이차 전지도, 복수 개를 하나의 전지 팩으로 하여 복수 세트의 전지 팩이 자동차의 하부에 배치된다.
전기 자동차나, 하이브리드 자동차나, 전동 바이크에 사용하는 이차 전지는 충전 횟수, 방전 심도, 충전 전류, 충전하는 환경(온도 변화) 등으로 인하여 열화가 발생한다. 사용자의 사용법에도 의존하여 충전 시의 온도나, 급속 충전의 빈도나, 회생 브레이크에 의한 충전량이나, 회생 브레이크에 의한 충전 타이밍 등도 열화에 관련될 가능성이 있다. 또한 전기 자동차나 하이브리드 자동차에 사용하는 이차 전지는 경시 열화 등으로 인하여 단락 등의 이상이 발생할 우려가 있다.
또한 전기 자동차나 하이브리드 자동차나 전동 바이크에 사용하는 이차 전지는 장기간 사용하는 것이 전제이기 때문에 충분한 신뢰성을 가지는 것이 요구되고 있다.
리튬 이온 이차 전지는 설계 용량(DC) 중 전지의 잔(殘)용량(RC)이 만충전 용량(FCC(Full Charge Capacity))에서 차지하는 비율, 즉 충전율(SOC)이, 설계 용량의 0% 내지 100%를 모두 사용하도록 설정되어 있지 않고, 과방전을 방지하기 위하여 0%가 아니라 5%(또는 10%) 정도의 마진이 확보되어 있다. 또한 과충전을 방지하기 위하여 100%가 아니라 5%(또는 10%) 정도의 마진이 확보되어 있어, 결과적으로 설계 용량의 5% 내지 95%의 범위 내(또는 10% 내지 90%의 범위 내)에서 사용되는 것으로 생각되고 있다. 실제로는 이차 전지에 접속되는 BMS(Battery Management System)를 사용하여 상한 전압 Vmax와 하한 전압 Vmin의 전압 범위를 설정함으로써 설계 용량의 5% 내지 95%의 범위 내(또는 10% 내지 90%의 범위 내)에서 사용된다.
이차 전지는 사용, 경시 변화, 온도 변화로 인하여 열화가 발생한다. 이차 전지 내부의 상태, 특히 SOC(충전율)를 정확하게 파악함으로써 이차 전지를 관리한다. SOC를 정확하게 파악함으로써 상한 전압 Vmax와 하한 전압 Vmin의 전압 범위를 넓게 할 수도 있다. 종래에는 쿨롱 카운팅에 의하여 SOC가 추정되어 있었다.
특허문헌 1에는 이차 전지의 잔용량의 연산에 뉴럴 네트워크를 사용하는 일례가 기재되어 있다.
미국 특허출원공개공보 US2006/0181245호
이차 전지의 이상을 검출하고, 예를 들어 이차 전지의 안전성을 저하시키는 현상을 조기에 검출하고, 사용자에게 경고하거나, 또는 이차 전지의 동작 조건을 변경함으로써 안전성을 확보하는 것을 과제 중 하나로 한다.
또한 종래의 이차 전지의 이상 검지는 이차 전지의 열화가 발생하여 오차가 발생하면 보정이 필요하였지만, 피드백에 의한 보정도 수행되지 않으므로 불충분하여 정밀도가 낮았기 때문에, 정밀도를 높이는 것도 과제 중 하나로 한다.
또한 이차 전지에 큰 노이즈가 발생한 경우, 이차 전지의 내부 저항이나 SOC 등을 모니터링하면 입력된 노이즈 데이터로 인하여, 나중에 추정되는 SOC의 수치에 오차가 발생한다. 이상적으로는 이상 검지를 수행하면서 다른 파라미터(내부 저항이나 SOC 등)도 높은 정밀도로 예측하는 이차 전지의 제어 시스템을 과제 중 하나로 한다.
리튬 이온 전지에서는 전류·전압·온도의 파라미터만을 측정할 수 있고, 내부 저항이나 SOC(충전율)는 직접 측정하기가 어렵다. 그래서 회귀 모델(회귀적인 식), 예를 들어 회귀 분석이나, 칼만 필터나, 중회귀 분석으로 계산 처리하여 내부 저항이나 SOC를 추정한다.
칼만 필터는 무한 임펄스 응답 필터의 일종이다. 또한 중회귀 분석은 다변량 해석의 하나이고, 회귀 분석의 독립 변수를 복수로 한 것이다. 중회귀 분석으로서는 최소 제곱법 등이 있다. 회귀 분석에서는 관측치의 시계열이 많이 필요하지만, 칼만 필터는 어느 정도의 데이터 축적이 있기만 하면 축차적으로 최적의 보정 계수를 얻을 수 있다는 장점을 가진다. 또한 칼만 필터는 비정상(非定常) 시계열에 대해서도 적용할 수 있다.
이차 전지의 내부 저항 및 SOC를 추정하는 방법으로서 비선형 칼만 필터(구체적으로는 무향 칼만 필터(UKF(Unscented Kalman Filter)라고도 함)를 이용할 수 있다. 또한 확장 칼만 필터(EKF(Extended Kalman Filter)라고도 함)를 사용할 수도 있다.
칼만 필터를 사용하여 이차 전지의 내부 저항 및 SOC를 추정하는 것은 알려져 있지만, 그 방법만으로는 돌발적인 이상, 구체적으로는 마이크로 단락 등을 검출하기가 어렵다. 이차 전지의 내부 저항 및 SOC를 추정하는 경우에는 사후 상태 추정치를 출력으로서 다루지만, 본 발명에서는 상태 추정치는 직접 사용하지 않고, 관측치와 사전 상태 추정치의 차분을 사용함으로써 돌발적인 이상의 검출을 가능하게 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 명세서에 개시(開示)되는 이차 전지의 이상 검지 장치 및 이상 검지 시스템 및 이상 검지 방법은 이하의 수단을 사용한다.
칼만 필터를 사용하여, 어떤 시점에서의 관측치(전압)와 사전 상태 변수를 사용하여 추정한 전압의 차를 검출한다. 미리 문턱치 전압을 설정하고, 검출된 차전압에 의하여 돌발적인 이상, 구체적으로는 마이크로 단락 등을 검출한다. 마이크로 단락 등을 검출함으로써 이차 전지의 이상을 조기에 검지할 수 있다.
마이크로 단락이란 이차 전지 내부의 미소한 단락을 말하며, 이차 전지의 양극과 음극이 단락하여 충방전이 불가능한 상태가 될 정도가 아니라, 미소한 단락부에서 단락 전류가 조금 흐르는 현상을 말한다. 마이크로 단락은, 충방전이 여러 번 수행됨으로써 양극 활물질이 불균일하게 분포되어, 양극의 일부와 음극의 일부에서 국소적인 전류 집중이 생겨, 세퍼레이터의 일부가 기능하지 않게 되는 부분이 발생하거나, 또는 부반응으로 인하여 부반응물이 발생하여 미세한 단락이 발생하는 것이 원인 중 하나라고 생각되고 있다.
이상적인 이차 전지로서는, 이차 전지의 소형화를 위하여 세퍼레이터가 얇아지는 것이 요구되고 있고, 또한 높은 전압으로의 급속 급전에 의한 충전이 요구되고 있으며, 둘 다 이차 전지에서 마이크로 단락이 발생하기 쉬운 구성이다. 또한 마이크로 단락이 반복적으로 발생함으로써 이차 전지의 이상 발열 및 발화 등의 중대 사고로 이어질 가능성이 있다.
따라서 마이크로 단락이 발생한 경우에 조기에 검출하여, 미연에 중대 사고를 방지하기 위한 이상 검지 시스템, 또는 이차 전지의 제어 시스템, 또는 이차 전지의 충전 시스템을 구성한다. 마이크로 단락은 이차 전지 특유의 이상이며, 종래에는 마이크로 단락에 주목하여 마이크로 단락을 검출하는 방법 및 시스템은 존재하지 않았다. 본 발명자들은 마이크로 단락이 발생한 경우에 크게 변동되는 값을 찾아내고, 그 값을 산출하는 방법 및 시스템을 구축하였다. 또한 AI(AI: Artificial Intelligence)의 시스템(뉴럴 네트워크)을 사용하여, 피드백에 의한 보정을 수행하여 이차 전지의 이상 발생의 검출을 수행한다.
이차 전지의 이상 발생의 검출을 수행하는 측정 모델을 이하에 나타낸다. 여기서 모델이란 이차 전지의 이상 검지 시스템의 모델이고, 시스템으로의 입력에 대하여 미리 정해진 수순에 따라 계산 또는 시뮬레이션을 수행함으로써 시스템으로부터의 출력을 결정한다. 회귀나 학습 등의 수단에 의하여 시스템의 입력에 대하여 최적의 출력을 결정할 수 있는 구성(예를 들어 뉴럴 네트워크, 은닉 마르코프 모델, 다항식 함수 근사 등)을 모델로 한다. 이들 모델은 일례이고 한정되지 않는다.
사전 추정 예측 단계에서는 모델 및 입력치를 이용하고, 사후 추정 단계(필터링 단계라고도 함)에서는 관측치를 이용한다.
[수학식 1]
Figure pct00001
상기 수학식은 시스템의 상태의 천이를 기술(記述)하는 상태 방정식이다.
어떤 시점(시각 k)에서 관측치 y(k)는 x(k)와 이하와 같은 관계에 있다.
[수학식 2]
Figure pct00002
cT는 상태 공간을 관측 공간에 선형 사상(寫像)하는 역할을 맡는 관측 모델이다. w(k)는 관측 잡음이다. 상기 수학식은 관측 방정식이다.
상태 방정식과 관측 방정식을 합하여 상태 공간 모델이라고 한다.
또한 사전 상태 추정치(좌변)는 이하의 수학식으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pct00003
또한 k는 0, 1, 2 등의 정수(整數)이고, k는 시간이다. u(k)는 입력 신호이고 이차 전지의 경우에는 전류치이고, x(k)는 상태 변수를 나타낸다.
또한 사전 오차 공분산(좌변인 P-(k)는 공분산 행렬의 역행렬임)은 이하의 수학식으로 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pct00004
사전 추정 예측 단계에서는 상태 방정식에 기초하여 사전 상태 추정치 및 상태의 사전 공분산 행렬을 산출한다. 시각 k에서의 사후 상태 추정치 및 상태의 사후 공분산 행렬과 상태 방정식에 기초하여, 시각 k+1에서의 사전 상태 추정치 및 사전 공분산 행렬을 산출한다.
추정치와 실측의 전압(관측치)을 비교하고 칼만 필터에 의하여 오차의 가중치 계수인 칼만 이득을 산출하여 추정치를 보정한다. 필터링 단계에서 사용하는 칼만 이득 g(k)는 이하의 수학식으로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pct00005
필터링 단계에서 사용하는 사후 상태 추정치(좌변)는 이하의 수학식으로 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pct00006
또한 필터링 단계에서 사용하는 사후 오차 공분산 행렬 P(k)는 이하의 수학식으로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pct00007
상술한 이차 전지의 이상 발생의 검출을 수행하는 측정 모델에 의하여, 이하의 수학식의 값, 즉 어떤 시점에서의 관측치(전압)와 사전 상태 변수를 사용하여 추정한 전압의 차(차전압)를 감시하여, 그 값의 거동이 크게 변화된 경우를, 마이크로 단락 등의 이상이 발생한 것으로 간주함으로써 검출한다.
[수학식 8]
Figure pct00008
비교기 등이, 상기 수학식의 차전압의 값이 어떤 문턱치를 초과한 경우에 신호를 출력하고 이상을 검출한 경우, 이상 신호를 외부에 연락하는 표시를 수행하기 위한 신호를 디스플레이에 출력하거나, 또는 버저 등으로 경고하기 위한 신호를 스피커에 출력한다. 본 명세서에서는 "검출"과 "검지"라는 용어를 구별하여 사용한다. "검지"는 이상 데이터를 검출하고 그 이상 데이터가 옳은 경우에, 외부에 연락하는 것, 즉 다른 회로로의 신호를 출력하는 것을 검지라고 하기로 한다. "검출"은 이상 데이터를 골라내는 것만을 말하며 노이즈(옳지 않은 이상 데이터)도 포함하는 것으로 정의한다. 따라서 "검출"은 "검지"의 일부이지만 동일한 것이 아니며, "검지"는 다른 회로로의 통지(신호 출력)를 적어도 포함한다.
또한 충전 상태에서 방전 상태로의 전환 시, 또는 방전 상태에서 충전 상태로의 전환 시에 차전압이 크게 변동되어 노이즈가 발생한다. 이 노이즈의 발생은 이차 전지의 이상으로 이어지는 현상이 아니기 때문에 이 노이즈를 제거하기 위하여 비교기를 복수 제공하여도 좋다.
본 명세서에 개시되는 발명의 구성은 제 1 관측치가 되는 이차 전지의 전압치를 검출하는 제 1 검출 수단과, 제 2 관측치가 되는 이차 전지의 전류치를 검출하는 제 2 검출 수단과, 상태 방정식에 기초한 칼만 필터를 사용하여 사전 상태 추정치(추정 전압치)를 산출하는 산출부와, 제 1 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 구하고 어떤 문턱치 범위를 초과하면 이차 전지가 이상(마이크로 단락 등)이라고 판정하는 판정부를 가지는 이상 검지 장치이다.
상기 구성에서 판정부는 하나 또는 복수의 비교기를 가진다. 복수의 비교기를 사용함으로써 노이즈를 제거할 수 있어 이상 검출의 오차가 저감될 수 있다.
또한 뉴럴 네트워크를 사용하여 시계열의 차전압의 데이터를 학습하고 이상인지 정상(正常)인지를 판단하여 검지하는 것이 바람직하다. 상기 구성에서 제 1 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 입력하는 뉴럴 네트워크 구성부를 가진다.
또한 본 명세서에 개시되는 다른 구성은 이차 전지가 이상인지를 판정하는 이상 검지 방법이고, 상태 방정식에 기초한 칼만 필터를 사용하여 추정 전압치를 출력하는 사전 추정 예측 단계와, 사후 상태 추정치 및 사후 오차 공분산 행렬을 산출하는 필터링 단계를 가지는 이상 검지 방법이다.
또한 본 명세서에 개시되는 다른 구성은 컴퓨터를, 상태 방정식에 기초한 칼만 필터를 사용하여 사전 상태 추정치(추정 전압치)를 산출하는 산출부, 상기 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 구하고 어떤 문턱치 범위를 초과하면 이차 전지가 이상이라고 판정하는 판정부로서 기능시키기 위한 프로그램이다.
상기 이상 검지 장치나, 상기 방법이나, 상기 프로그램을 실행하는 컴퓨터를 사용하여 이차 전지의 이상 검지 시스템을 구성할 수도 있다. 컴퓨터는 예를 들어 전기 자동차의 제어 장치, 스마트폰, 노트북형 퍼스널 컴퓨터이고, 그 구성으로서 제어부, 기억부, 및 입출력부를 가진다. 제어부는 CPU(또는 MPU, MCU(Micro Controller Unit)) 등을 가진다. 또한 제어부는 GPU(Graphics Processing Unit)를 사용할 수도 있다. 또한 CPU와 GPU를 하나로 통합한 칩을 APU(Accelerated Processing Unit)라고 할 수도 있고, 이 APU 칩을 사용할 수도 있다. 또한 AI 시스템을 제공한 IC(추론 칩이라고도 함)를 사용하여도 좋다. AI 시스템을 제공한 IC는 뉴럴 네트워크 연산을 수행하는 회로(마이크로프로세서)라고 하는 경우도 있다.
기억부는 RAM, ROM, 및 HDD 등을 가진다. 입출력부는 조작부, 표시부, 및 통신부 등을 가진다. 또한 상기 프로그램은 컴퓨터의 기억부에 기억되어 있는 것에 한정되지 않고, 컴퓨터가 판독 가능한 기억 매체에 기억된 프로그램을 컴퓨터가 판독하여 실행하는 식으로 하여도 좋다. 컴퓨터가 판독 가능한 기억 매체는, 예를 들어 CD-ROM 등의 디스크, 자기(磁氣) 테이프, USB 메모리, 플래시 메모리 등이다. 또한 인터넷, LAN(Local Area Network), 무선 LAN 등의 접속 회선에 접속된 장치에 상기 프로그램을 기억시켜 두고, 컴퓨터가 이들의 접속 회선으로부터 프로그램을 판독하여 실행하는 식으로 하여도 좋다.
또한 본 명세서에 개시되는 다른 구성은 마이크로 단락을 검지하는 이상 검지 시스템이고, 제 1 관측치가 되는 이차 전지의 전압치를 검출하는 제 1 검출 수단과, 제 2 관측치가 되는 이차 전지의 전류치를 검출하는 제 2 검출 수단과, 상태 방정식에 기초한 칼만 필터를 사용하여 사전 상태 추정치(추정 전압치)를 산출하는 산출부와, 제 1 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 구하고 어떤 문턱치 범위를 초과하면 이차 전지가 이상(마이크로 단락 등)이라고 판정하는 판정부를 가지고, 마이크로 단락에 기인하는 데이터의 이상을 검지하는 이상 검지 시스템이다.
본 명세서에 개시되는 이차 전지의 이상 검지 시스템은 상시 또는 정기적으로 이차 전지의 감시를 수행한다. 샘플링 주기(및 연산 주기)는 적절히 설정할 수 있다. 또한 본 명세서에 개시되는 이차 전지의 이상 검지 시스템은 이차 전지의 감시 시스템이라고도 할 수 있다. 또한 온도 센서나, 카메라나, 가스 센서 등을 사용하여 이차 전지의 외부 표면 온도의 이상, 외형 변형 등의 이상을 검출하는 것도 이차 전지의 이상 검지 시스템에 포함시키면, 더 확실한 이상 검출을 가능하게 할 수도 있다.
이상이라고 판단한 예측 오차를 칼만 필터에 그대로 입력하지 않고, 대신에 정상이라고 판단한 예측 오차를 입력한다. 이상치를 사용하지 않고 이차 전지의 내부 저항 및 SOC를 산출함으로써 추정의 정밀도를 높인다.
본 명세서에 개시되는 발명의 다른 구성은 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 이차 전지의 상태 추정 방법이고, 이차 전지에서 관측치의 데이터를 취득하고, 회귀 모델을 사용하여 사전 상태 추정치를 산출하고, 관측치와 사전 상태 추정치의 차인 예측 오차 전압 Vd를 산출하고, 예측 오차 전압 Vd의 데이터가 미리 설정한 문턱치를 초과하는지 여부에 기초하여 데이터가 노이즈인지 여부를 판정하고, 노이즈라고 판정된 데이터 대신에 이상 검출 전의 k개의 데이터의 평균치를 회귀 모델에 바꿔 입력하여 보정하고, 노이즈 검출 후에도 이상 검지를 계속하는 이차 전지의 상태 추정 방법이다.
마이크로 단락의 문제는 충전 중에 발생한다. 예를 들어 1개만의 전지로 구성되어 있는 경우, 충전기에서 전류가 제어되기 때문에 마이크로 단락 시에는 전류치는 외관상 변화되지 않고, 전압치에 변화가 나타난다. 다만 병렬 전지의 경우에는 전압 변화가 작아져 검출이 어려워진다. 또한 이 전압 변화는 전지 사용의 상하한 전압 범위 내에 있기 때문에, 특별한 검지 기구가 필요하다. 또한 전류에 관해서는, 병렬 전지의 경우에는 마이크로 단락이 발생하면 내부 저항이 낮아지기 때문에, 이상이 없는 전지에 흐르는 전류량은 상대적으로 작아져, 이상 전지에 많은 전류가 흐르게 되기 때문에 위험하다. 다만 조전지(assembled battery) 전체의 전류는 제어된 값이 유지되기 때문에, 이상을 검지하기가 어렵다. 또한 일반적인 조전지의 구성이면 각 직렬단(段)의 전압을 모니터하는 것이 보통이지만, 모든 전지의 전류를 모니터하는 것은 비용 면, 배선의 복잡함 때문에 채용하기가 어렵다.
도 14에서 흐름도를 나타낸 바와 같이, 비교 회로에서 신호 REF와 비교하여 작은, 즉 수학식 8의 값<REF가 되었을 때를 마이크로 단락 등의 이상 발생으로 간주하고 이 이상을 검출한 후, 예측 오차의 데이터를 작성, 예를 들어 1단계에서 4단계 전까지의 정상적인 예측 오차의 평균을 칼만 필터에 투입한다. 이상을 검지한 후에도 정확하게 SOC를 구할 수 있다. 칼만 필터의 이점은 높은 정밀도로 잔용량 예측을 수행할 수 있고, 또한 초기 잔용량을 몰랐더라도 잔용량 예측이 가능한 것이라고 할 수 있다.
종래에는 마이크로 단락 발생 전후에서 추정치에 오차가 발생하여, 실제의 용량치와의 차이가 발생하는 문제가 있었다. 마이크로 단락 발생에 기인하는 데이터를 제거하여 정상적인 값을 입력함으로써 추정 결과의 정밀도를 높일 수 있다.
그래서 이상 검지의 기초가 된 데이터를 이상 검지 후의 추측에 사용하지 않도록 함으로써, 이상 검지 후에도 마이크로 단락이 반복적으로 발생할 때까지는 이차 전지를 사용할 수 있게 할 수 있다.
이차 전지의 충전 상태의 추정을 수행하는 추정 방법을 이하에 나타낸다. 이차 전지의 이상 발생의 검출을 수행한 후, 계속하여 추정을 수행하는 수순을 반복한다. 추정에는 회귀나 학습 등의 수단에 의하여 시스템의 입력에 대하여 최적의 출력을 결정할 수 있는 구성(예를 들어 뉴럴 네트워크, 은닉 마르코프 모델, 다항식 함수 근사 등)을 사용한다. 학습을 수행하는 데에 있어서는, 학습을 위한 대량의 데이터 및 분석을 사용하는 것이 바람직하기 때문에, 워크스테이션 또는 서버 어플라이언스 상의 사이트 내에서 실시하여도 좋고, 이 경우에는 하나 이상의 서버를 사용하고, 데이터의 축적 및 분석을 자동 또는 오퍼레이터와의 연계를 수반하는 반자동으로 수행한다. 또한 미리 대량의 데이터의 기억 및 분석이 종료되고 결과가 얻어져 있는 경우에는, 그 결과를 시스템, 구체적으로는 프로그램 또는 IC 칩의 메모리에 제공함으로써, 서버를 사용하는 일 없이 이상 검출 및 충전 상태의 추정을 수행할 수도 있다.
또한 이차 전지를 충전하기 위하여 무선으로 전력을 급전하는 경우에도, 본 명세서에 개시되는 이차 전지의 이상 검지 시스템을 사용할 수 있다. 수 W 이상의 전력을 수십 센티 이하 떨어진 거리에서 무선 전송(傳送)하는 방식으로서는 전자기 유도 방식, 자기장 공명 방식이 있다. 전자기 유도 방식으로서는 Qi(치) 규격이 있다. 또한 자기장 공명 방식으로서는 WiPower 규격이 있다. 송전 장치로부터의 전력을 수전 코일로 받고, 그 수전 코일과 이차 전지 사이에 이상 검지 장치를 제공하면 좋다. 이상 검지 장치가 이상 검지한 경우에는, 송전 장치로부터의 전력을 정지시키는 지시를 통신 기능(무선 LAN이나 블루 투스(Blue tooth(등록 상표)))을 사용하여 수행한다.
본 명세서에서 이하에 설명되는 실시형태는 다양한 컴퓨터 하드웨어 또는 소프트웨어를 포함하는, 전용 컴퓨터 또는 범용 컴퓨터의 사용을 포함한다. 또한 본 명세서에서 이하에 설명되는 실시형태는 컴퓨터가 판독 가능한 기록 매체를 사용하여 실장할 수 있다. 또한 기록 매체는 RAM, ROM, 광디스크, 자기디스크, 또는 컴퓨터에 의하여 액세스될 수 있는 임의의 다른 스토리지 매체를 포함하여도 좋다. 또한 본 명세서에서 이하에 설명되는 실시형태에 일례로서 나타내어져 있는 알고리듬, 구성요소, 플로, 프로그램 등은 소프트웨어로의 실장, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로의 실장이 가능하다.
상술한 수학식 8의 값(차전압)을 감시함으로써, 용이하며 정밀도가 높은 이차 전지의 이상 검출이 가능하게 된다. 또한 뉴럴 네트워크를 사용하여 피드백에 의한 보정을 수행하여 이차 전지의 이상 검출을 수행함으로써, 정밀도가 더 높은 이차 전지의 이상 검출이 가능하게 된다.
또한 하나의 이차 전지에 대한 이상 검지에 한정되지 않고, 직렬 접속된 복수의 이차 전지에 대하여 이상 검지를 수행할 수도 있다.
또한 이차 전지는 전해액을 사용하는 리튬 이온 이차 전지에 한정되지 않고, 고체 전해질을 사용하는 전고체 전지, 소듐 이온 이차 전지, 포타슘 이온 이차 전지 등도 사용할 수 있다. 포타슘 이온 이차 전지는 리튬이나 소듐에 비하여 용매를 끌어당기는 힘이 약하여, 이온이 자유롭게 전해액 중을 이동할 수 있다. 이차 전지의 종류나 크기가 변경되는 경우에는 문턱치도 그 이차 전지에 맞추어 적절히 설정한다. 전고체 전지에서도 마이크로 단락은 발생할 수 있기 때문에 본 명세서에 개시되는 이상 검지 시스템은 유용하다.
본 명세서에 개시되는 이상 검지 시스템은 IC 칩 등에 탑재하고, 차량의 시스템의 일부에 제공할 수 있어 유용하다. 또한 다른 기능 회로(랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory: RAM), GPU(Graphics Processing Unit), PMU(Power Management Unit) 등)와 통합된 하나의 IC 칩으로 구성되어도 좋다.
본 명세서에 개시되는 이상 검지 시스템은 검출 타이밍을 단축할 수 있어, 실시간으로의 이상 검출을 실현할 수 있다. 또한 충전 시 또는 방전 시 등, 이차 전지의 상태에 상관없이 이상 검출을 실현할 수 있다.
또한 실시간으로 이차 전지의 이상을 검지하고, 이상의 검지에 사용한 노이즈를 제거하여, 다른 파라미터(내부 저항이나 SOC 등)도 높은 정밀도로 예측하는 이차 전지의 제어 시스템을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 형태를 나타내는 등가 회로 모델이다.
도 2의 (A)는 본 발명의 일 형태를 나타내는 기능 블록도이고, 도 2의 (B)는 차전압과 시간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 형태를 나타내는 기능 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 형태를 나타내는 기능 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 형태를 나타내는 기능 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 형태를 나타내는 기능 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 형태를 나타내는 기능 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 형태를 나타내는 측정 모델을 사용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 형태를 나타내는 측정 모델을 사용한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 형태를 나타내는 전기 자동차의 블록도 및 이차 전지의 사시도이다.
도 11은 이동체의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는 이차 전지의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 13은 이차 전지의 일례를 나타내는 단면도 및 사시도이다.
도 14는 본 발명의 일 형태를 나타내는 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 일 형태를 나타내는 등가 회로 모델을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 형태를 나타내는 시스템 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 형태를 나타내는 시스템 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 형태를 나타내는 흐름도이다.
이하에서 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 다만 본 발명은 이하의 설명에 한정되지 않고 그 형태 및 자세한 사항을 다양하게 변경할 수 있다는 것은, 통상의 기술자라면 용이하게 이해된다. 또한 본 발명은 이하에 기재된 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
도 1은 이상 검출에 사용하는 전지의 등가 회로 모델(전지 모델이라고도 함)의 일례이다. 도 1 중에 나타내어진 R0은 직렬 저항 성분이고, R1, R2, R3, R4는 저항이다. 또한 C2, C3, C4는 용량이다.
도 1 중의 마이크로 단락 모델(400)에 펄스 신호를 어떤 일정 시간 간격으로 인가하여 마이크로 단락을 의사(擬似)적으로 발생시켜 전지 모델의 수치 시뮬레이션을 수행한다. 본 실시형태에서는 수치 시뮬레이션을 사용하여 설명하지만 실제로는 이상이 있는 전지의 전압을 감시한다.
도 1 중에 나타내어진 OCV는 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage)의 약칭이고, 전지가 외부 회로에서 분리되고 충분히 시간이 지나고 전지 내부의 전기 화학 반응이 평형 상태가 되었을 때의 양극과 음극의 전위차로 하였다.
도 2의 (A)는 기능 블록의 일례를 나타내는 도면이고 추정 로직이라고도 할 수 있다.
도 2의 (A)에서 지연 회로(402)는 시각 k에서의 상태 추정치를 시각(k+1)에서의 추정에 사용하기 위한 회로이다. 도 2의 (A)에서 A와 b는 모델에서 얻어지는 행렬이다. CT는 관측 계수 벡터이다. Z-1은 지연 회로이다.
도 2의 (A)에서 부호(401)로 나타내어진 부분이 관측치(전압)와 사전 상태 변수를 사용하여 추정한 전압의 차(차전압)의 부분이다. 차전압이 가파르게 변화되면 마이크로 단락이 발생한 것으로 간주할 수 있기 때문에, 이 차전압의 값을 비교기(403)에 입력하고, 비교기(403)에서 참조 신호(REF)로 주어진 문턱치와 비교함으로써 이상인지 여부의 판정을 수행한다. 비교기(403)에서 입력된 2개의 값 중, 비교하였을 때 낮은 쪽을 출력 LO로 한다. 1단계 기간 내에 수회에 걸쳐 REF를 변경하여 멀티레벨로 비교를 수행하여도 좋다.
도 2의 (B)에 이차 전지의 단자 전압과, 차전압과 시간의 관계 그래프를 나타내었다. 가로축이 시간이고, 세로축이 전압이다. 단자 전압의 값에서는 변동이 그다지 크지 않기 때문에, 마이크로 단락의 발생 타이밍을 확인하기가 어렵다. 한편 도 2의 (B)에 나타내어진 바와 같이, 차전압(관측치와 사전 상태 추정치의 전압차)에는 중앙에 가파른 변동이 나타나 있고, 마이크로 단락의 발생 타이밍과 일치한다. 따라서 차전압을 감시함으로써 마이크로 단락의 발생을 판정할 수 있다.
또한 같은 입력 데이터를 사용하여 도 2의 (A)에 나타내어진 추정 로직을 일부 공통적으로 사용함으로써 SOC 추정치도 출력할 수 있다. 회로 규모를 크게 하는 일 없이 SOC 추정치를 출력할 수 있다.
(실시형태 2)
본 실시형태에서는 뉴럴 네트워크(NN)를 더 사용하여 정밀도를 높이는 구성에 대하여 이하에서 설명한다.
도 3은 기능 블록의 일례를 나타내는 도면이다. 뉴럴 네트워크부(404)를 가지는 점이 실시형태 1과 다르다. 도 3의 (A) 중의 NN은 뉴럴 네트워크부이고 출력 LO(k)로 하였다.
도 3의 (A)에서 부호(401)로 나타내어진 부분이 관측치(전압)와 사전 상태 변수를 사용하여 추정한 전압의 차(차전압)의 부분이고, 이 차전압의 값을 뉴럴 네트워크부(404)에 입력하고 학습 데이터와 비교함으로써 이상인지 여부의 판정을 수행한다. 또한 뉴럴 네트워크부(404)에 입력된 데이터를 축적하고 학습 데이터의 일부로 함으로써 정밀도를 더 높일 수도 있다.
또한 도 3의 (B)는 다른 베리에이션 중 하나이다. 도 3의 (B)에 나타내어진 기능 블록은 비교기와 뉴럴 네트워크(NN)의 양쪽에 차전압의 값을 입력하고, 양쪽의 출력의 OR를 취한다. 또한 OR가 아니라 AND로 하여도 좋다.
또한 도 4의 (A)는 다른 베리에이션 중 하나이다. 도 4의 (A)에 나타내어진 기능 블록은 비교기의 출력을 뉴럴 네트워크(NN)에 입력하고, 출력된 값으로 이상인지 여부의 판정을 수행한다.
또한 도 4의 (B)는 다른 베리에이션 중 하나이다. 도 4의 (B)에 나타내어진 기능 블록은 비교기의 출력을 뉴럴 네트워크(NN)에 입력하고, 비교기와 뉴럴 네트워크(NN)의 AND를 취한 값으로 이상인지 여부의 판정을 수행한다.
또한 도 5의 (A)는 다른 베리에이션 중 하나이다. 도 5의 (A)에 나타내어진 기능 블록은 칼만 이득 g(k)를 통과한 후의 데이터를 사용하여 이상 검출하는 구성으로 하였다.
(실시형태 3)
본 실시형태에서는 다른 하나의 비교기를 더 사용하여 정밀도를 높이는 구성에 대하여 이하에서 설명한다.
시간의 경과와 차전압의 값의 관계를 조사한 경우, 마이크로 단락의 발생 시와는 다른 오차가 있었다. 본 발명자들은 이차 전지에서 충전과 방전의 전환 시에 오차가 발생하는 것을 찾아내었다. 도 6의 (A)에 나타내어진 바와 같이, 단자 전류가 방전의 타이밍에서 변화된 것을 알 수 있다.
충전과 방전의 전환 시에는 플러스 측의 오버슈트가 나타나지 않는다. 한편 도 6의 (B)에 나타내어진 바와 같이, 마이크로 단락이 발생하면 플러스 측과 마이너스 측의 양쪽에 오버슈트가 발생하였다. 플러스 측의 오버슈트는 예측 오차분의 수정이 다음의 단계에 반영되었기 때문이다. 먼저 마이너스 측의 오버슈트가 발생한 후, 플러스 측에 오버슈트가 발생하였다. 이 차이에 의하여, 플러스 측에만 오버슈트가 발생한 경우에는 오차로 간주하여 마이크로 단락 발생이라고 판정하지 않는 구성으로 한다.
도 5의 (B)에 나타내어진 바와 같이, 비교기를 2개 제공하고, 비교기 1에 마이너스 측의 오버슈트의 값(REF1)을 입력하고, 비교기 2에 플러스 측의 오버슈트의 값(REF2)을 입력하고, 지연 회로를 사용하여 1단계 전의 비교기의 출력과 현시점에서의 비교기의 출력을 AND 연산한다.
상기 구성에 의하여 충전과 방전의 전환 시 등의 노이즈를 제거하여, 마이크로 단락의 이상 검출의 정밀도를 높일 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 자유롭게 조합할 수 있다.
(실시형태 4)
본 실시형태에서는 도 10을 사용하여 전기 자동차(EV)에 적용하는 예를 나타낸다.
도 10의 (A)에 전기 자동차의 블록도의 일례를 나타내었다.
전기 자동차에는, 주된 구동용 이차 전지로서 제 1 배터리(301)와, 모터(304)를 시동시키는 인버터(312)에 전력을 공급하는 제 2 배터리(311)가 설치되어 있다. 본 실시형태에서는 제 2 배터리(311)의 전원으로 구동하는 이상 감시 유닛(300)이 제 1 배터리(301)를 구성하는 복수의 이차 전지를 통틀어 감시한다.
제 1 배터리(301)는 주로 42V계(고전압계)의 차재(車載) 기기에 전력을 공급하고, 제 2 배터리(311)는 14V계(저전압계)의 차재 기기에 전력을 공급한다. 제 2 배터리(311)에는 납축전지가 비용 면에서 유리하기 때문에 자주 채용된다. 납축전지는 리튬 이온 이차 전지에 비하여 자가 방전이 커, 설페이션이라고 불리는 현상으로 인하여 열화되기 쉽다는 결점이 있다. 제 2 배터리(311)를 리튬 이온 이차 전지로 함으로써 메인터넌스가 불필요하게 된다는 장점이 있지만, 장기간의 사용, 예를 들어 3년 이상이 되면 제조 시에는 판별할 수 없는 이상이 발생할 우려가 있다. 특히 인버터를 기동하는 제 2 배터리(311)가 동작 불능이 되었을 때 제 1 배터리(301)에 잔용량이 있어도 모터를 기동시킬 수 없게 되는 것을 방지하기 위하여, 제 2 배터리(311)가 납축전지인 경우는 제 1 배터리로부터 제 2 배터리에 전력을 공급하고 항상 만충전 상태가 유지되도록 충전되어 있다.
본 실시형태에서는 제 1 배터리(301)와 제 2 배터리(311)의 양쪽에 리튬 이온 이차 전지를 사용하는 일례를 나타낸다. 제 2 배터리(311)에는 납축전지나 전고체 전지를 사용하여도 좋다.
원통형 이차 전지의 예에 대하여 도 12의 (A) 및 (B)를 참조하여 설명한다. 원통형 이차 전지(600)는 도 12의 (A)에 나타내어진 바와 같이, 상면에 양극 캡(전지 뚜껑)(601)을 가지고, 측면 및 밑면에 전지 캔(외장 캔)(602)을 가진다. 이들 양극 캡과 전지 캔(외장 캔)(602)은 개스킷(절연 패킹)(610)에 의하여 절연된다.
도 12의 (B)는 원통형 이차 전지의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 중공 원통형 전지 캔(602)의 안쪽에는, 띠 모양의 양극(604)과 음극(606)이 세퍼레이터(605)를 사이에 개재(介在)하여 권회된 전지 소자가 제공되어 있다. 도시하지 않았지만, 전지 소자는 센터 핀을 중심으로 권회되어 있다. 전지 캔(602)은 한쪽 단부가 닫혀 있고, 다른 쪽 단부가 열려 있다. 전지 캔(602)에는 전해액에 대하여 내부식성이 있는 니켈, 알루미늄, 타이타늄 등의 금속, 또는 이들의 합금이나, 이들과 다른 금속의 합금(예를 들어 스테인리스강 등)을 사용할 수 있다. 또한 전해액으로 인한 부식을 방지하기 위하여 니켈이나 알루미늄 등으로 피복하는 것이 바람직하다. 전지 캔(602)의 안쪽에서, 양극, 음극, 및 세퍼레이터가 권회된 전지 소자는 대향하는 한 쌍의 절연판(608, 609) 사이에 제공된다. 또한 전지 소자가 제공된 전지 캔(602)의 내부는 비수 전해액(미도시)이 주입되어 있다. 이차 전지는 코발트산 리튬(LiCoO2)이나 인산 철 리튬(LiFePO4) 등의 활물질을 포함한 양극과, 리튬 이온의 흡장·방출이 가능한 흑연 등의 탄소 재료로 이루어지는 음극과, 에틸렌 카보네이트나 다이에틸 카보네이트 등의 유기 용매에 LiBF4나 LiPF6 등의 리튬염으로 이루어지는 전해질을 용해시킨 비수 전해액 등으로 구성된다.
원통형 이차 전지에 사용되는 양극 및 음극은 권회되기 때문에, 활물질을 집전체 양쪽 면에 형성하는 것이 바람직하다. 양극(604)에는 양극 단자(양극 집전 리드)(603)가 접속되고, 음극(606)에는 음극 단자(음극 집전 리드)(607)가 접속된다. 양극 단자(603) 및 음극 단자(607)에는 둘 다 알루미늄 등의 금속 재료를 사용할 수 있다. 양극 단자(603)는 안전 밸브 기구(612)에, 음극 단자(607)는 전지 캔(602)의 바닥에 각각 저항 용접된다. 안전 밸브 기구(612)는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(611)를 통하여 양극 캡(601)과 전기적으로 접속된다. 안전 밸브 기구(612)는 전지의 내압 상승이 소정의 문턱치를 초과한 경우에, 양극 캡(601)과 양극(604) 사이의 전기적인 접속을 절단하는 것이다. 또한 PTC 소자(611)는 온도가 상승한 경우에 저항이 증대되는 열감 저항 소자이며, 저항의 증대에 따라 전류량을 제한하여 이상 발열을 방지하는 것이다. PTC 소자에는 타이타늄산 바륨(BaTiO3)계 반도체 세라믹 등을 사용할 수 있다.
전해액을 사용하는 리튬 이온 이차 전지는, 양극과, 음극과, 세퍼레이터와, 전해액과, 외장체를 가진다. 또한 리튬 이온 이차 전지에서는, 충전과 방전에 있어서 애노드(양극)와 캐소드(음극)가 바뀌고 산화 반응과 환원 반응이 바뀌게 되기 때문에, 반응 전위가 높은 전극을 양극이라고 하고, 반응 전위가 낮은 전극을 음극이라고 한다. 따라서 본 명세서에서는 충전 중이어도, 방전 중이어도, 역 펄스 전류를 흘리는 경우에도, 충전 전류를 흘리는 경우에도, 양극은 "양극" 또는 "+극(플러스극)"이라고 하고, 음극은 "음극" 또는 "-극(마이너스극)"이라고 하기로 한다. 산화 반응이나 환원 반응에 관련된 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어를 사용하면, 충전 시와 방전 시에서 반대가 되어 혼란을 일으킬 가능성이 있다. 따라서 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어는 본 명세서에서는 사용하지 않는 것으로 한다. 만약에 애노드(양극)나 캐소드(음극)라는 용어를 사용하는 경우에는, 충전 시인지 방전 시인지를 명기하고, 양극(플러스극)과 음극(마이너스극) 중 어느 쪽에 대응하는 것인지에 대해서도 병기하는 것으로 한다.
도 12의 (C)에 나타내어진 2개의 단자에는 충전기가 접속되고, 축전지(1400)가 충전된다. 도 12의 (C) 중에서 1406은 전해액이고, 1408은 세퍼레이터이다. 축전지(1400)의 충전이 진행되면, 전극 간의 전위차는 커진다. 도 12의 (C)에서는 축전지(1400) 외부의 단자로부터 양극(1402) 쪽으로 흐르고, 축전지(1400) 내에서 양극(1402)으로부터 음극(1404) 쪽으로 흐르고, 음극으로부터 축전지(1400) 외부의 단자 쪽으로 흐르는 전류의 방향을 양의 방향으로 한다. 즉 충전 전류가 흐르는 방향을 전류의 방향으로 한다.
본 실시형태에서는 리튬 이온 이차 전지의 예를 나타내지만 리튬 이온 이차 전지에 한정되지 않고, 이차 전지의 양극 재료로서 예를 들어 원소 A, 원소 X, 및 산소를 가지는 재료를 사용할 수 있다. 원소 A는 1족 원소 및 2족 원소에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 1족 원소로서 예를 들어 리튬, 소듐, 포타슘 등의 알칼리 금속을 사용할 수 있다. 또한 2족 원소로서 예를 들어 칼슘, 베릴륨, 마그네슘 등을 사용할 수 있다. 원소 X로서 예를 들어 금속 원소, 실리콘 및 인에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 또한 원소 X는 코발트, 니켈, 망가니즈, 철, 및 바나듐에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 대표적으로는 리튬 코발트 복합 산화물(LiCoO2)이나, 인산 철 리튬(LiFePO4)을 들 수 있다.
음극은 음극 활물질층 및 음극 집전체를 가진다. 또한 음극 활물질층은 도전조제 및 바인더를 가져도 좋다.
음극 활물질로서, 리튬과의 합금화·탈합금화 반응에 의하여 충방전 반응을 수행할 수 있는 원소를 사용할 수 있다. 예를 들어 실리콘, 주석, 갈륨, 알루미늄, 저마늄, 납, 안티모니, 비스무트, 은, 아연, 카드뮴, 인듐 등 중 적어도 하나를 포함하는 재료를 사용할 수 있다. 이러한 원소는, 탄소에 비하여 용량이 크고, 특히 실리콘은 이론 용량이 4200mAh/g로 높다.
또한 이차 전지는 세퍼레이터를 가지는 것이 바람직하다. 세퍼레이터로서는 예를 들어, 종이를 비롯한 셀룰로스를 가지는 섬유, 부직포, 유리 섬유, 세라믹, 또는 나일론(폴리아마이드), 바이닐론(폴리 바이닐 알코올계 섬유), 폴리에스터, 아크릴, 폴리올레핀, 폴리우레탄을 사용한 합성 섬유 등으로 형성된 재료를 사용할 수 있다.
또한 타이어(316)의 회전에 의한 회생 에너지는 기어(305)를 통하여 모터(304)에 보내지고, 모터 컨트롤러(303)나 배터리 컨트롤러(302)로부터 제 2 배터리(311) 또는 제 1 배터리(301)에 충전된다.
또한 제 1 배터리(301)는 주로 모터(304)를 회전시키는 데 사용되며, DCDC 회로(306)를 통하여 42V계의 차재 부품(전동 파워 스티어링(307), 히터(308), 디포거(309) 등)에 전력을 공급한다. 후륜에 리어모터를 가지는 경우에도 제 1 배터리(301)가 리어모터를 회전시키는 데 사용된다.
또한 제 2 배터리(311)는 DCDC 회로(310)를 통하여 14V계의 차재 부품(오디오(313), 파워 윈도(314), 램프류(315) 등)에 전력을 공급한다.
또한 제 1 배터리(301)는 복수의 이차 전지를 포함하는 모듈의 집합으로 구성된다. 예를 들어 도 12의 (A)에 나타내어진 원통형 이차 전지(600)를 사용한다. 도 10의 (B)에 나타내어진 바와 같이, 원통형 이차 전지(600)를 도전판(613)과 도전판(614) 사이에 제공하고 모듈을 구성하여도 좋다. 도 10의 (B)에는 이차 전지 간에 스위치를 도시하지 않았다. 복수의 이차 전지(600)는 병렬 접속되어도 좋고, 직렬 접속되어도 좋고, 병렬로 접속되고 직렬로 더 접속되어도 좋다. 복수의 이차 전지(600)를 가지는 모듈을 구성함으로써 큰 전력을 얻을 수 있다.
차재의 이차 전지에서는, 복수의 이차 전지로부터의 전력을 차단하기 위하여 공구를 사용하지 않고 고전압을 차단할 수 있는 서비스 플러그 또는 서킷 브레이커가 포함되고, 제 1 배터리(301)에 제공된다. 예를 들어 2개 내지 10개의 셀을 가지는 전지 모듈을 48개 직접 접속하는 경우에는 24개째와 25개째 사이에 서비스 플러그 또는 서킷 브레이커가 포함된다.
도 11에 본 발명의 일 형태인 이차 전지의 이상 검지 시스템을 사용한 차량을 예시하였다. 도 11의 (A)에 나타내어진 자동차(8400)의 이차 전지(8024)는 전기 모터(8406)를 구동할 뿐만 아니라, 헤드라이트(8401)나 실내등(미도시) 등의 발광 장치에 전력을 공급할 수 있다. 자동차(8400)의 이차 전지(8024)는 도 10의 (B)에 나타내어진 원통형 이차 전지(600)를 도전판(613)과 도전판(614) 사이에 제공하고 모듈로 한 것을 사용하여도 좋다.
도 11의 (B)에 나타내어진 자동차(8500)는, 자동차(8500)가 가지는 이차 전지에 플러그인 방식이나 비접촉 급전 방식 등으로 외부의 충전 설비로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다. 도 11의 (B)에는 지상 설치형 충전 장치(8021)로부터 자동차(8500)에 탑재된 이차 전지(8024)에 케이블(8022)을 통하여 충전을 수행하고 있는 상태를 나타내었다. 충전에서는 충전 방법이나 커넥터의 규격 등을 CHAdeMO(등록 상표)나 콤보 등의 소정의 방식으로 적절히 수행하면 좋다. 충전 장치(8021)는 상용 시설에 설치된 충전 스테이션이어도 좋고, 또한 일반 주택의 전원이어도 좋다. 예를 들어 플러그인 기술로, 외부로부터의 전력 공급에 의하여 자동차(8500)에 탑재된 이차 전지(8024)를 충전할 수 있다. 충전은 ACDC 컨버터 등의 변환 장치를 통하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 수행할 수 있다.
또한 도시하지 않았지만, 수전 장치를 차량에 탑재하고 지상의 송전 장치로부터 전력을 비접촉으로 공급하여 충전할 수도 있다. 이 비접촉 급전 방식의 경우에는 도로나 외벽에 송전 장치를 조합함으로써 정차 시뿐만 아니라 주행 중에도 충전을 수행할 수 있다. 또한 이 비접촉 급전 방식을 이용하여 차량끼리 전력의 송수신을 수행하여도 좋다. 또한 차량 외장부에 태양 전지를 제공하여 정차 시나 주행 시에 이차 전지의 충전을 수행하여도 좋다. 이와 같은 비접촉 전력 공급에는 전자기 유도 방식이나 자기장 공명 방식을 사용할 수 있다.
또한 도 11의 (C)는 본 발명의 일 형태의 이차 전지를 사용한 이륜차의 일례이다. 도 11의 (C)에 나타내어진 스쿠터(8600)는 이차 전지(8602), 사이드미러(8601), 방향 지시등(8603)을 구비한다. 이차 전지(8602)는 방향 지시등(8603)에 전기를 공급할 수 있다.
또한 도 11의 (C)에 나타내어진 스쿠터(8600)는, 좌석 아래 수납 공간(8604)에 이차 전지(8602)를 수납할 수 있다. 이차 전지(8602)는 좌석 아래 수납 공간(8604)이 소형이어도 좌석 아래 수납 공간(8604)에 수납될 수 있다.
이차 전지(8602)는 전고체 전지를 사용할 수 있다. 이차 전지(8602)는 복수의 래미네이트형 이차 전지로 구성된다. 여기서는 전고체 전지를 사용한 래미네이트형 이차 전지의 일례를 도 13의 (D)에 나타내었다.
도 13의 (D)에 나타내어진 래미네이트형 이차 전지(500)는 양극 리드 전극(510)과 음극 리드 전극(511)을 가진다.
래미네이트형 이차 전지의 제작 수순을 간단하게 설명한다. 먼저 양극과 음극을 준비한다. 양극은 양극 집전체를 가지고, 양극 활물질층은 양극 집전체의 표면에 형성되어 있다. 또한 양극은 양극 집전체가 일부 노출되는 영역(이하 탭 영역이라고 함)을 가진다. 음극은 음극 집전체를 가지고, 음극 활물질층은 음극 집전체의 표면에 형성되어 있다. 또한 음극은 음극 집전체가 일부 노출되는 영역, 즉 탭 영역을 가진다.
그리고 음극, 고체 전해질층, 및 양극을 적층한다. 여기서는 음극을 5쌍, 양극을 4쌍 사용한 예를 나타내었다. 다음으로 양극의 탭 영역들의 접합과, 가장 바깥쪽에 위치하는 양극의 탭 영역에 대한 양극 리드 전극(510)의 접합을 수행한다. 접합에는 예를 들어 초음파 용접 등을 사용하면 좋다. 마찬가지로, 음극의 탭 영역들의 접합과, 가장 바깥쪽에 위치하는 음극의 탭 영역에 대한 음극 리드 전극(511)의 접합을 수행한다.
다음으로 외장체 위에 음극, 고체 전해질층, 및 양극을 배치한다. 고체 전해질층으로서는 리튬 이온을 전도할 수 있는 고체 성분을 포함하는 재료층(세라믹 등)이면 좋다. 예를 들어 고체 전해질층은 세라믹 분말 또는 유리 분말을 슬러리화시켜 시트를 성형(成型)한다. 세라믹의 정의는 금속인지 비금속인지를 불문하고, 산화물, 탄화물, 질화물, 붕소화물 등의 무기 화합물의 재료이다. 유리는 비정질이고 유리 전이 현상을 가지는 재료로 정의되지만 미결정체화시킨 것을 세라믹 유리라고 하는 경우도 있다. 세라믹 유리는 결정성을 가지기 때문에 X선 회절법으로 확인할 수 있다. 고체 전해질로서는 산화물 고체 전해질, 황화물 고체 전해질 등을 사용할 수 있다. 또한 양극 활물질층이나 음극 활물질층에도 고체 전해질이 포함되어 있고, 도전 조제가 포함되어도 좋다. 도전 조제는 전자 전도성을 가지는 재료이기만 하면 좋고, 예를 들어 탄소 재료, 금속 재료 등을 사용할 수 있다.
또한 양극 활물질로서 사용되는 산화물 고체 전해질로서는 Li3PO4, Li3BO3, Li4SiO4, Li4GeO4, LiNbO3, LiVO2, LiTiO3, LiZrO3 등을 들 수 있다. 또한 이들의 복합 화합물이어도 좋고, 예를 들어 Li3BO3-Li4SiO4 등을 들 수 있다. 또한 고체 전해질의 표면은 1nm 이상 20nm 이하의 코트층으로 적어도 일부가 덮어 있어도 좋고, 코트층의 재료에는 Li 이온 전도성 산화물이 사용된다.
음극 활물질로서 사용되는 산화물 고체 전해질로서는 Nb2O5, Li4Ti5O12, SiO 등을 들 수 있다. 본 명세서 등에서 SiO는 예를 들어 일산화 실리콘을 말한다. 또는 SiO는 SiO2와 비교하여 실리콘의 조성이 많은 재료를 말하며, SiOx라고 나타낼 수도 있다. 여기서 x는 1 근방의 값을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어 x는 0.2 이상 1.5 이하가 바람직하고, 0.3 이상 1.2 이하가 더 바람직하다.
또한 양극 활물질로서 사용되는 황화물 고체 전해질로서는 Li 및 S를 포함하는 재료, 구체적으로는 Li7P3S11, Li2S-SiS2, Li2S-P2S5 등을 들 수 있다.
다음으로 외장체를 구부린다. 그 후, 외장체의 외주부를 접합한다. 외장체는 금속박과 유기 수지 필름을 적층한 래미네이트 필름, 예를 들어 알루미늄박이나 스테인리스박을 사용하고, 접합에는 예를 들어 열압착 등을 적용하면 좋다. 이러한 식으로 도 13의 (D)에 나타내어진 래미네이트형 이차 전지(500)를 제작할 수 있다. 또한 여기서는 1장의 래미네이트 필름을 사용하여 접합하는 예를 나타내었지만, 2장의 래미네이트 필름을 포개어 주연(周緣)부를 접착시켜 밀봉하는 구성으로 하여도 좋다.
또한 도 13의 (A)는 고체 전지의 개념을 나타내는 도면이고, 양극(81)과 음극(82) 사이에 고체 전해질층(83)을 가진다. 또한 고체 전지에는 박막형 전고체 전지와 벌크(bulk)형 전고체 전지가 있다. 박막형 전고체 전지는 박막을 적층함으로써 얻어지는 전고체 전지이고, 벌크형 전고체 전지는 미립자를 적층함으로써 얻어지는 전고체 전지이다.
도 13의 (B)는 벌크형 전고체 전지의 일례이고, 양극(81) 근방에 입자상의 양극 활물질(87)을, 음극(82) 근방에 입자상의 음극 활물질(88)을 가지고, 이들의 빈틈을 채우도록 고체 전해질층(83)이 배치된다. 가압 프레스에 의하여 공극이 없어지도록, 양극(81)과 음극(82) 사이를 복수 종류의 입자로 충전(充塡)하였다.
또한 도 13의 (C)는 박막형 전고체 전지의 일례이다. 박막형 전고체 전지는 기상법(진공 증착법, 용사법, 펄스 레이저 퇴적법, 이온 플레이팅법, 콜드 스프레이법, 에어로졸 데포지션법, 스퍼터링법)을 사용하여 성막한다. 도 13의 (C)는, 기판(84) 위에 배선 전극(85, 86)을 형성한 후, 배선 전극(85) 위에 양극(81)을 형성하고, 양극(81) 위에 고체 전해질층(83)을 형성하고, 고체 전해질층(83) 및 배선 전극(86) 위에 음극(82)을 형성하여 리튬 이온 축전지를 제작하는 예이다. 기판(84)으로서는 세라믹 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 금속 기판 등을 들 수 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태의 기재와 적절히 조합할 수 있다.
(실시형태 5)
이차 전지의 SOC를 추정하는 방법의 일례를 도 14에 나타내었다. 도 14는 흐름도이고, 마이크로 단락 등의 이상을 검지한 후, 예측 오차의 데이터를 작성, 예를 들어 1단계에서 4단계 전까지의 정상적인 예측 오차의 평균을 칼만 필터에 투입한다. 이상을 검출한 후에도 정확하게 SOC를 구할 수 있다.
비교기 등이, 상기 수학식의 차전압의 값이 어떤 문턱치를 초과한 경우에 신호를 출력하고 이상을 검지한다. 비교기에 입력하는 문턱치의 전압 신호 REF와 비교를 수행하여 이상을 판단한다. 이상을 검지한 타이밍의 데이터는 나중의 추정에서는 사용하지 않고, 대신에 수 단계 전까지의 평균치를 추정 알고리듬에 입력한다. 상기 수학식 8의 차전압의 값이 전압 신호 REF를 밑돌면 앞의 단계의 수회분의 평균치와 교체한다. 따라서 상기 수학식 8의 차전압의 값이 비교기에 입력되는 전압 신호 REF를 밑돌면 그 차전압은 칼만 필터의 루프에는 투입되지 않는다. 대신에 평균치가 추정 알고리듬에 입력됨으로써, 이상이 발생하여도 SOC의 추정 등을 높은 정밀도로 수행할 수 있다. 마이크로 단락의 이상을 검지한 타이밍의 데이터를 사용하지 않고, 대신에 수 단계 전까지의 평균치를 추정 알고리듬에 입력하면, 상기 수학식 8의 차전압의 값은 마이크로 단락이 발생하지 않는 경우의 데이터와 근사한다.
도 14의 플로를 실행하기 위한 구체적인 시스템 도면을 도 16에 나타내었다. 도 16에서 이차 전지의 충전 상태 추정 장치는 적어도 비교기(403)와, 지연 회로와, AND 회로(405)와, 멀티플렉서(407)를 가진다. AND 회로에는 클록 신호 CLK를 입력한다. 또한 비교기(403)에는 참조 신호 REF를 입력한다. 도 16은 일례이며 특별히 한정되지 않고, 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 이차 전지의 충전 상태 추정 장치는 제 1 관측치가 되는 이차 전지의 전압치를 검출하는 검출 수단과, 회귀 모델을 사용하여 추정 전압치를 산출하는 산출부와, 제 1 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 구하고 어떤 문턱치 범위를 초과하면 이차 전지가 이상이라고 판정하는 판정부를 가지고, 판정부는 하나 또는 복수의 비교기와, 멀티플렉서와, 지연 회로를 가진다. 도 16 중의 MUX는 멀티플렉서이다. 이차 전지의 충전 상태 추정 장치는 제 2 관측치가 되는 이차 전지의 전류치를 검출하는 제 2 검출 수단을 더 가져도 좋다. 도 16에서는 FIR(Finite Impulse Response) 필터를 사용하고 있다. 또한 도 17에 다른 시스템 도면의 일례를 나타내었다. 도 17에서는 IIR(Infinite Impulse Response) 필터를 사용하고 있다. 도 17 중의 N은 시간 k 중 충분히 큰 값인 무한 시간으로 한 경우를 가리킨다.
또한 이상을 검출한 데이터를 칼만 필터의 루프에 입력하지 않는 것으로 하여도, 이상 검출 시의 마이크로 단락에 의하여 소실한 전류를 정확하게 계산하고 반영시킴으로써, SOC를 더 정확한 수치로 할 수 있다. 또한 도 18에 흐름도를 나타내었다. 도 18에 나타내어진 바와 같이, 비교 회로에서 신호 REF와 비교하여 작은 값을 LO로 하고 출력, 즉 수학식 8의 값<REF가 되었을 때를 마이크로 단락 등의 이상 발생으로 간주하고 이 이상을 검지한다.
이상을 검출한 데이터는 예측 오차 전압이고, 상태 방정식을 사용하여 마이크로 단락 시의 전류 Imicro를 구한다. 도 15의 (A) 및 (B)에 나타내어진 등가 회로 모델을 사용하여 이하에서 설명한다. 도 15의 (A) 및 (B)에서 OCV는 방전 시의 전위차이고, V0, V1, V2, V3은 각 부분에서의 전압이다.
[수학식 9]
Figure pct00009
상기 수학식은 도 15의 (A)에서의 회로의 상태 변수 x(k)이다. 도 15의 (A)는 마이크로 단락 발생 전의 상태에 대응하는 등가 회로 모델이다.
또한 u(k)는 전류 IBAT(k)이다. u(k)는 입력 신호이고 이차 전지의 경우에는 전류치이다.
[수학식 10]
Figure pct00010
상태 방정식을 구성하는 b는 정수(定數)이고, TS는 샘플링 주기이다.
[수학식 11]
Figure pct00011
상기 수학식은 칼만 필터의 상태 방정식이다. 또한 상기 수학식 중의 저항 R1, 저항 R2, 저항 R3, 용량 C1, 용량 C2, 용량 C3, 만충전 용량 FCC도 식을 확장하여 상태 변수 x(k)에 대입하여도 좋다.
다음으로 마이크로 단락 발생 시의 상태를 도 15의 (B)에 나타내어진 등가 회로 모델로 간주하고 이하에 산출 수순을 나타낸다.
[수학식 12]
Figure pct00012
상기 수학식은 마이크로 단락 발생 시를 시각 k+1로 한 경우의 관계식이다. 또한 각 부분에서의 전류는 이하와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
Figure pct00013
또한 저항 R1 및 용량 C1에 가해지는 전압 V1은 이하의 수학식과 같다.
[수학식 14]
Figure pct00014
또한 저항 R2 및 용량 C2에 가해지는 전압 V2는 이하의 수학식과 같다.
[수학식 15]
Figure pct00015
또한 저항 R3 및 용량 C3에 가해지는 전압 V3은 이하의 수학식과 같다.
[수학식 16]
Figure pct00016
상기 수학식 중, 이하에 나타내는 수치가 1보다 매우 작은 경우나, 정밀도가 그다지 요구되지 않는 경우에는, 이하에 나타내는 값을 1로 하여도 좋다.
[수학식 17]
Figure pct00017
상기 수학식을 1로 하는 경우, 계산량을 줄일 수 있다.
[수학식 18]
Figure pct00018
Figure pct00019
Figure pct00020
상기 수학식을 계산함으로써 마이크로 단락 시의 전류(Imicro)를 구할 수 있다. 상기 수학식에 나타내어진 바와 같이, 1단계 전에 추정한 R0, OCV, 예측 오차 전압을 포함한 전압 VIN 및 전류 IBAT의 관측치를 사용하여 마이크로 단락 시의 전류를 산출한다. R0(k)은 관측 오차의 공분산이다.
[수학식 19]
Figure pct00021
Figure pct00022
상기 수학식 중의 SOC(k)는 사전 추정 예측 단계 시의 칼만 필터 내부의 SOC 데이터에 상당한다. 또한 상기 수학식 중의 좌변의 값을 필터링 단계 직전에 칼만 필터 내부의 SOC 데이터로 치환함으로써 칼만 필터 내부의 SOC에 마이크로 단락 시의 전류를 반영할 수 있다.
상술한 연산을 수행하는 SOC의 추정 처리에서, 상기 수학식을 실행할 수 있는 프로그램을 마이크로컴퓨터 또는 마이크로프로세서 등에 이식(移植)함으로써 SOC를 산출할 수도 있다.
본 실시형태는 다른 실시형태와 조합할 수 있다.
(실시예 1)
도 7은 칼만 필터의 연산을 수행하는 기능 블록의 일례이다. 비교기가 없는 부분 이외는 실시형태 1과 동일이다. 도 7 중에서 부호(401)로 나타내어진 차전압의 값이 마이크로 단락이 발생한 경우에 중요하고, 그 값을 감시함으로써 이차 전지의 이상 검출을 수행한다.
마이크로 단락을 정기적으로 발생시킨 전류를 의사적으로 작성한 데이터를 사용하여 시뮬레이션을 수행한다.
도 8은 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이며, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 차전압, 구체적으로는 관측치(전압)와 사전 상태 변수를 사용하여 추정한 전압의 차(차전압)를 나타낸다.
도 8에서, 정기적으로 플러스 측 및 마이너스 측에 오버슈트가 나타난 데이터가 마이크로 단락 있음을 나타내는 데이터이다. 또한 마이너스 측에만 오버슈트가 나타난 데이터가 마이크로 단락 없음을 나타내는 데이터이며 비교예이다. 또한 마이너스 측에만 오버슈트가 나타난 지점은 충전에서 방전으로 전환될 때 전압이 변동되는 지점에 대응한다. 도 8에서 비교예의 마이너스 측에만 오버슈트가 나타난 지점은 -0.0213V이기 때문에 이 값보다 큰, 예를 들어 -0.03V를 문턱치로 하면, 오차로 간주하여 이상이라고 검출하지 않도록 할 수도 있다.
또한 도 9는 도 8의 데이터를 가공한 것이며, 보기 쉽게 하기 위하여 세로축을 좌우로 나누어 표시하였다. 또한 도 8의 검증에 사용한 데이터는 마이크로 단락의 파형을 정기적으로 넣은 데이터이고 도 8에서는 13번 발생시켰지만, 실제의 이차 전지에서는 랜덤하게 발생하고 피크의 크기도 이차 전지의 사용 상황(충전 또는 방전)에 따라 변화될 수 있다. 어느 경우에도, 마이크로 단락이 검출되면 그 이차 전지는 열화가 가속되거나, 또는 사용 불가가 되기 때문에, 검출되었다는 경고를 사용자에게 통지할 수 있는 것은 유용하다. 아직 확인되지 않았지만 제조 시의 금속분(粉)의 혼입이 마이크로 단락의 발생의 원인이라는 설도 있고, 제조 직후에는 이상을 검출할 수 없지만, 충방전을 반복함으로써 이상 부분(도통 부분)이 성장 형성되어 마이크로 단락이 발생할 가능성이 있다. 마이크로 단락이 발생하는 이차 전지를 충방전하면 열화가 급격히 진행되고 돌연히 사용 불가가 되는 경우가 있다. 따라서 마이크로 단락의 검출이 가능한 본 발명의 방법은 유용하다.
칼만 필터에서는 배터리 등가 회로 모델에 배터리의 입력치를 입력하고 그들의 출력을 비교하고, 차가 있으면 이 차에 칼만 이득을 곱하여 피드백하고, 오차가 최소가 되도록 배터리 등가 회로 모델을 수정해간다. 이를 축차적으로 반복한다.
또한 칼만 필터는 축차적으로 맞추어가는 시스템이기 때문에 도 8 및 도 9의 개시(開始) 부근의 오차는 무시할 수 있다.
도 7 중에서 부호(401)로 나타내어진 차전압의 값은 -0.0631V를 최저치로 하고, +0.0324V를 최대치로 한다. 또한 마이크로 단락을 발생시킨 지점에서의 0에 가까운 피크 점은 마이너스 측에서 -0.0386V, 플러스 측에서 +0.0186V이었다. 따라서 모든 마이크로 단락을 검출하는 경우에는 문턱치를 마이너스 측에서 -0.0386V, 플러스 측에서 +0.0186V로 하고, 비교기 등을 사용하여 검출하면 좋다. 이들 값은 사용하는 이차 전지에 따라 다르기 때문에, 사용하는 이차 전지의 특성 데이터를 사용하여, 적절히 시뮬레이션을 미리 수행하고, 그 결과에 기초하여 문턱치 등을 결정하면 좋다.
또한 도 8, 도 9에 나타내어진 시뮬레이션 결과는 Analog Devices사가 제공하는 회로 시뮬레이터인 LTspice(Simulation program with integrated circuit emphasis)를 사용하여 얻은 것이다.
1: 비교기, 2: 비교기, 81: 양극, 82: 음극, 83: 고체 전해질층, 84: 기판, 85: 배선 전극, 86: 배선 전극, 87: 양극 활물질, 88: 음극 활물질, 300: 이상 감시 유닛, 301: 배터리, 302: 배터리 컨트롤러, 303: 모터 컨트롤러, 304: 모터, 305: 기어, 306: DCDC 회로, 307: 전동 파워 스티어링, 308: 히터, 309: 디포거, 310: DCDC 회로, 311: 배터리, 312: 인버터, 313: 오디오, 314: 파워 윈도, 315: 램프류, 316: 타이어, 400: 마이크로 단락 모델, 401: 부호, 402: 지연 회로, 403: 비교기, 404: 뉴럴 네트워크부, 405: AND 회로, 407: 멀티플렉서, 600: 이차 전지, 601: 양극 캡, 602: 전지 캔, 603: 양극 단자, 604: 양극, 605: 세퍼레이터, 606: 음극, 607: 음극 단자, 608: 절연판, 609: 절연판, 611: PTC 소자, 612: 안전 밸브 기구, 613: 도전판, 614: 도전판, 1400: 축전지, 1402: 양극, 1404: 음극, 8021: 충전 장치, 8022: 케이블, 8024: 이차 전지, 8400: 자동차, 8401: 헤드라이트, 8406: 전기 모터, 8500: 자동차, 8600: 스쿠터, 8601: 사이드미러, 8602: 이차 전지, 8603: 방향 지시등, 8604: 좌석 아래 수납 공간

Claims (17)

  1. 이차 전지의 이상 검지 장치로서,
    제 1 관측치가 되는 이차 전지의 전압치를 검출하는 제 1 검출 수단과,
    제 2 관측치가 되는 이차 전지의 전류치를 검출하는 제 2 검출 수단과,
    회귀 모델을 사용하여 추정 전압치를 산출하는 산출부와,
    상기 제 1 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 구하고 어떤 문턱치 범위를 초과하면 이차 전지가 이상이라고 판정하는 판정부를 가지는, 이차 전지의 이상 검지 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회귀 모델은 상태 방정식에 기초한 칼만 필터인, 이차 전지의 이상 검지 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    판정부는 하나 또는 복수의 비교기를 가지는, 이차 전지의 이상 검지 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 입력하는 뉴럴 네트워크 구성부를 더 가지는, 이차 전지의 이상 검지 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 리튬 이온 이차 전지인, 이차 전지의 이상 검지 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이차 전지는 전고체 전지인, 이차 전지의 이상 검지 장치.
  7. 이차 전지가 이상인지를 판정하는 이상 검지 방법으로서,
    회귀 모델을 사용하여 추정 전압치를 출력하는 사전 추정 예측 단계와,
    사후 상태 추정치 및 사후 오차 공분산 행렬을 산출하는 필터링 단계를 가지는, 이상 검지 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회귀 모델은 상태 방정식에 기초한 칼만 필터인, 이상 검지 방법.
  9. 프로그램으로서,
    컴퓨터를,
    회귀 모델을 사용하여 추정 전압치를 산출하는 산출부,
    상기 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 구하고 어떤 문턱치 범위를 초과하면 이차 전지가 이상이라고 판정하는 판정부
    로서 기능시키기 위한, 프로그램.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 회귀 모델은 상태 방정식에 기초한 칼만 필터인, 프로그램.
  11. 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 이차 전지의 상태 추정 방법으로서,
    이차 전지에서 관측치의 데이터를 취득하고,
    회귀 모델을 사용하여 사전 상태 추정치를 산출하고,
    관측치와 사전 상태 추정치의 차인 예측 오차 전압 Vd를 산출하고,
    예측 오차 전압 Vd의 데이터가 미리 설정한 문턱치를 초과하는지 여부에 기초하여 데이터가 노이즈인지 여부를 판정하고,
    노이즈라고 판정된 데이터 대신에 이상 검출 전의 k개의 데이터의 평균치를 회귀 모델에 바꿔 입력하여 보정하고,
    노이즈 검출 후에도 이상 검지를 계속하는, 이차 전지의 상태 추정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 회귀 모델은 상태 방정식에 기초한 칼만 필터인, 이차 전지의 상태 추정 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 노이즈는 이차 전지의 마이크로 단락 발생 시에 발생하는, 이차 전지의 상태 추정 방법.
  14. 이차 전지의 충전 상태를 추정하는 이차 전지의 충전 상태 추정 장치로서,
    제 1 관측치가 되는 이차 전지의 전압치를 검출하는 검출 수단과,
    회귀 모델을 사용하여 추정 전압치를 산출하는 산출부와,
    상기 제 1 관측치의 전압치와 앞의 시각에서 얻은 추정 전압치의 차분을 구하고 어떤 문턱치 범위를 초과하면 이차 전지가 이상이라고 판정하는 판정부를 가지고,
    상기 판정부는 하나 또는 복수의 비교기와, 멀티플렉서와, 지연 회로를 가지는, 충전 상태 추정 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 회귀 모델은 상태 방정식에 기초한 칼만 필터인, 이차 전지의 충전 상태 추정 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 판정부는 하나 또는 복수의 비교기를 가지는, 이차 전지의 충전 상태 추정 장치.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 관측치가 되는 이차 전지의 전류치를 검출하는 제 2 검출 수단을 더 가지는, 이차 전지의 충전 상태 추정 장치.
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