JP2014228534A - バッテリ管理システムおよびその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、バッテリ管理システムおよびその駆動方法を提供する。【解決手段】バッテリ管理システムは、バッテリの充放電電流、バッテリの電圧およびバッテリの温度を測定し出力するセンシング部と、前記バッテリのSOCを推定するMCU(Main Controller Unit)とを含むが、前記MCUは、前記センシング部から入力される充放電電流、バッテリ電圧およびバッテリ温度のうちの少なくとも1つを用いてバッテリのSOC(State of Charge)を推定する第1SOC推定部と、前記推定されたSOCが基準SOC以下の場合、前記基準SOCを用いて算出された基準残存容量、前記測定された現在のバッテリ電圧、第1基準電圧および第2基準電圧のうちの少なくとも1つを用いて現在の残存容量を推定する残存容量推定部と、前記現在の残存容量を用いて現在のSOCを推定する第2SOC推定部とを含むことができる。【選択図】図3
Description
本発明は、バッテリ管理システムおよびその駆動方法に関するものであって、より詳細には、バッテリの残存容量を精密に推定するバッテリ管理システムおよびその駆動方法に関するものである。
最近、高エネルギー密度の非水電解液を用いた高出力二次電池が開発されている。電気自動車などのように、モータ駆動のための大電力を必要とする機器に使用できるように、前記高出力二次電池は、複数個を直列に連結して大容量の二次電池(以下、「バッテリ」という)を構成する。
前記のようなバッテリの場合、複数の二次電池の充放電などを制御してバッテリが適正な動作状態に維持されるように管理する必要性がある。このために、各二次電池の電圧、バッテリの電圧および電流などを測定して各二次電池の充放電を管理するバッテリ管理システム(Battery Management System、BMS)が備えられる。
従来、バッテリ管理システムは、二次電池の開放電圧(Open Circuit Voltage、 OCV)と、電流積算によって固有容量(State of Charge、以下、SOCという)を推定した。しかし、正確なOCVを測定するためには、一定時間以上を待機しなければならない問題があった。また、充放電を繰り返す環境では、電流積算値に誤差が累積され、正確なSOCを推定するのに限界があった。
開放電圧、放電電圧、放電電流、内部抵抗および温度などの因子とSOCとの関係を予め把握し、少なくとも2つの因子を検出し、検出された因子に対応するSOCを推定する方法を利用した。
このような従来方式によるSOC推定方法は、放電末期の電流積算に誤差が発生したり、放電途中の電流または温度の変化によって不正確な容量推定が発生したりする。これを解決するために、従来は、放電中のセル電圧が予め決定された値に到達した時にSOCを補償するようになるが、このような補償によって、補償時点でSOCが急騰または急落する問題が発生した。
上記の従来技術の問題を解決するために、本発明では、バッテリの放電末期により正確なSOCを推定することができるバッテリ管理システムおよびその駆動方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の好ましい一実施形態によれば、バッテリの充放電電流、バッテリの電圧およびバッテリの温度を測定し出力するセンシング部と、前記バッテリのSOCを推定するMCU(Main Controller Unit)とを含み、前記MCUは、前記センシング部から入力される充放電電流、バッテリ電圧およびバッテリ温度のうちの少なくとも1つを用いてバッテリのSOC(State of Charge)を推定する第1SOC推定部と、前記推定されたSOCが基準SOC以下の場合、前記基準SOCを用いて算出された基準残存容量、前記測定された現在のバッテリ電圧、第1基準電圧および第2基準電圧のうちの少なくとも1つを用いて現在の残存容量を推定する残存容量推定部と、前記現在の残存容量を用いて現在のSOCを推定する第2SOC推定部とを含むバッテリ管理システムが提供される。
前記基準SOCは、5%〜8%であり得る。
前記第1基準電圧は、前記バッテリの放電中止電圧を意味し、前記第2基準電圧は、前記推定されたSOCと前記基準SOCが同一時点で測定された前記バッテリの電圧を意味するようにしてもよい。
前記残存容量推定部は、前記現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差を、第1比例定数で除した値に比例する現在の第1残存容量を推定し、前記第1比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差を、前記基準残存容量で除した値に比例するようにしてもよい。
前記残存容量推定部は、前記現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差を、第2比例定数で除した値の指数関数に比例する現在の第2残存容量を推定し、前記第2比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差を、前記基準残存容量の自然対数で除した値に比例するようにしてもよい。
前記残存容量推定部は、前記現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差の平方根を、第3比例定数で除した値の指数関数に比例する現在の第3残存容量を推定し、前記第3比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差の平方根を、前記基準残存容量の自然対数で除した値に比例するようにしてもよい。
前記第2SOC推定部は、前記バッテリの温度が0℃未満の場合、前記第1残存容量を用いて前記現在のSOCを推定するようにしてもよい。
前記第2SOC推定部は、前記バッテリの温度が0℃以上の場合、前記第3残存容量を用いて前記現在のSOCを推定するようにしてもよい。
前記残存容量推定部は、前記バッテリの電圧が基準電圧以下の場合、前記測定されたバッテリの電圧が前記基準電圧と等しくなった場合の前記推定されたSOCを前記基準SOCに設定し、前記現在の残存容量を推定するようにしてもよい。
前記基準電圧は、予め設定された電圧、前記現在の充放電電流および前記バッテリの内部抵抗を用いて決定された電圧であり得る。
本発明の他の実施形態によれば、バッテリの充放電電流、バッテリの電圧およびバッテリの温度のうちの少なくとも1つを用いてバッテリのSOCを推定するステップと、前記推定されたSOCが基準SOC以下の場合、前記基準SOCを用いて算出された基準残存容量、前記測定された現在のバッテリ電圧、第1基準電圧および第2基準電圧のうちの少なくとも1つを用いて現在の残存容量を推定するステップと、前記現在の残存容量を用いて現在のSOCを推定するステップとを含むバッテリ管理システムの駆動方法が提供される。
本発明によれば、バッテリの放電末期にSOCが急落することなくより正確なSOCを推定することができる。
その他実施形態の具体的な事項は詳細な説明および図面に含まれている。
本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付した図面と共に詳細に後述する実施形態を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現可能であり、以下の説明において、ある部分が他の部分に連結されているとする時、これは、直接的に連結されている場合だけでなく、その中間に別の素子を挟んで電気的に連結されている場合も含む。また、図面において、本発明と関係のない部分は本発明の説明を明確にするために省略し、明細書全体にわたって類似の部分については同一の図面符号を付した。
以下、添付した図面を参照して、本発明について説明する。
図1は、本発明の一実施形態にかかるバッテリを示す図である。
図1を参照すれば、バッテリ10は、大容量の電池モジュールで、複数の二次電池11が一定間隔をおいて連続的に配列され、前記複数の二次電池が内部に配置され、冷却媒体が流通するハウジング13と、前記バッテリの充放電を管理するバッテリ管理システム(Battery Management System、BMS)20とを含むようにすることができる。
二次電池11の間および最外側の二次電池11に電池隔壁12を配置することができ、この電池隔壁12は、各二次電池11の間隔を一定に維持させながら温度制御用空気を流通させ、各二次電池11の側面を支持する機能を果たすようになる。
図1では、二次電池11が四角形の外形を有するものとして示されているが、二次電池11は円筒形構造であり得ることはもちろんである。
バッテリ管理システム20は、バッテリ10内の各二次電池11の電流および電圧値を検出し、これを管理する。
バッテリ管理システム20は、バッテリ10に設けられた電流センサ、電圧センサからデータを受け取る。また、バッテリ管理システム20は、バッテリ10の開放電圧(open circuit voltage、以下、OCVという)に応じたSOCの関係をテーブルマップ化したデータを予め格納し、これを通じて、前記センサから得られた測定値からSOCを推定する。あるいは、バッテリ管理システム20は、バッテリ10の初期SOCを算出し、充放電開始時点から測定された充電電流および放電電流値を時間に対して積分して電流積算値を算出し、この電流積算値を初期SOCに加えることによって、実際のSOCを推定した。
しかし、バッテリ10の電流は、電流センサによって測定される値で、電流センサの性能に応じて測定値にエラーが発生することがある。したがって、バッテリ10が長く駆動される場合、特に、バッテリ10の充放電が完全に行われない場合、相当な量の電流積算値の誤差が累積されることがあり、このような累積誤差はSOC推定の精度を低下させる。
このような誤差を解消するために、従来は、放電中のバッテリ電圧が予め決定された値に到達した時にSOCを補償するようにしていたが、このような補償によって、補償時点でSOCが急騰または急落する問題が発生した。
図2は、電流積算によるSOC推定中、補償によるSOCが急落する場合の一例を示す図である。
図2を参照すると、バッテリ電圧が基準電圧に到達した場合にSOCを補償するようになり、このような補償によって、SOCが急落する。このようなSOCの急落によって、使用者に伝達されるバッテリの容量が急激に減少する問題がある。
したがって、本発明のバッテリ管理システム20は、バッテリの電圧が基準バッテリ電圧に到達したり、推定されたSOCが基準SOCに到達する場合、SOC値を補償する代わりに、本発明で新たに提案するSOC推定モデルによってバッテリのSOCを推定したりするようにする。
図3は、本発明の一実施形態にかかるバッテリ管理システムのブロック図を概略的に示す図である。
図3に示されるように、バッテリ管理システム20は、センシング部200と、MCU(Main Controller Unit)300とを含むことができる。
センシング部200は、電流センサ、電圧センサおよび温度センサを用いてバッテリの充放電電流、バッテリの電圧およびバッテリの温度を測定し、これをMCU300に伝達する。
本発明の一実施形態によれば、MCU300は、第1SOC推定部301と、残存容量推定部303と、第2SOC推定部305とを含むようにすることができる。
第1SOC推定部301は、センシング部から入力される充放電電流、バッテリ電圧およびバッテリ温度のうちの少なくとも1つを用いてバッテリのSOCを推定する。
第1SOC推定部301は、バッテリが安定した時点で測定されたバッテリの電圧であるOCVを用いてSOCを推定したり、初期SOCおよび電流積算値を用いてSOCを推定したりするようにすることができ、これ以外にも、SOCを推定する従来の多様な方法を利用してSOCを推定するようにすることができる。
残存容量推定部303は、第1SOC推定部301で推定されたSOCが基準SOC以下の場合、基準SOCを用いて算出された基準残存容量、現在測定されたバッテリの電圧、第1基準電圧および第2基準電圧のうちの少なくとも1つを用いて推定SOCが急落しないようにする現在の残存容量を推定するようにすることができる。
前記において、基準SOCは、本発明の残存容量推定部303が残存容量を推定するようにする動作時点に関連する値で、放電末期のSOCを意味するようにすることができる。
本発明の一実施形態によれば、基準SOCは、5%〜8%以内の値を有するようにすることができる。基準SOCが前記範囲内にある場合、第1SOC推定部301で推定されたSOCの誤差が大きくなるからである。しかし、前記範囲以外にも、バッテリの容量、バッテリを使用する機器の種類、使用環境などに応じて多様な基準SOCが設定できることは当業者にとって自明である。
ここで、RMはバッテリの残存容量、Qmaxはバッテリの全体容量をそれぞれ意味する。
したがって、残存容量推定部303は、前記数式1および前記基準SOCを用いて前記基準残存容量を算出するようにすることができる。
前記第1基準電圧は、バッテリの放電中止電圧を意味する。バッテリを使用する機器の駆動のためには最小必要電圧が存在し、最小必要電圧以下にバッテリの出力電圧が低下する場合、機器は動作することができない。すなわち、バッテリの放電中止電圧は、機器を駆動するための最小必要電圧を意味し、バッテリの電圧が放電中止電圧に到達する場合、バッテリに実際の容量が残っていても、残存容量は0になる。
前記第2基準電圧は、SOC推定部301で推定されたSOCと前記基準SOCが同一時点で測定されたバッテリの電圧を意味する。
本発明の一実施形態によれば、残存容量推定部303は、センシング部200で測定された現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差を、第1比例定数で除した値に比例する現在の第1残存容量を推定するようにすることができる。この時、前記第1比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差を、前記基準残存容量で除した値に比例するようにすることができ、前記のような関係は、下記の数2のように表現できる。
ここで、RM1は第1残存容量、Vcellは現在のバッテリ電圧、Vtermは第1基準電圧、V0は第2基準電圧、RM0は基準残存容量、a1は第1比例定数をそれぞれ意味する。
前記数2によれば、現在のバッテリ電圧が減少する場合、第1残存容量は線形的に減少する。
本発明の他の実施形態によれば、残存容量推定部303は、センシング部200で測定された現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差を、第2比例定数で除した値の指数関数に比例する現在の第2残存容量を推定するようにすることができる。この時、前記第2比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差を、前記基準残存容量の自然対数で除した値に比例するようにすることができ、前記のような関係は、下記の数3のように表現できる。
ここで、RM2は第2残存容量、a2は第2比例定数をそれぞれ意味する。
前記数3によれば、現在のバッテリ電圧が減少する場合、第2残存容量は指数関数の形態で減少する。
本発明の他の実施形態によれば、残存容量推定部303は、センシング部200で測定された現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差の平方根を、第3比例定数で除した値の指数関数に比例する現在の第3残存容量を推定するようにすることができる。この時、前記第3比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差の平方根を、前記基準残存容量の自然対数で除した値に比例するようにすることができ、前記のような関係は、下記の数4のように表現できる。
ここで、RM3は第3残存容量、a3は第3比例定数をそれぞれ意味する。
前記数4によれば、現在のバッテリ電圧が減少する場合、第3残存容量は指数関数の形態で減少する。前記平方根の形態によって、前記第2残存容量に比べてより緩やかに減少する。
第2SOC推定部305は、残存容量推定部303で推定された前記第1残存容量ないし第3残存容量のうちのいずれか1つの残存容量および前記数1を用いて現在のSOCを推定するようにすることができる。
図4は、本発明の一実施形態にかかるバッテリの周辺温度が0℃以上の場合の、実際のバッテリ電圧、および本発明にかかるSOCを推定した結果を示すグラフである。
図4を参照すれば、SOCが8%以前の場合までは、第1SOC推定部301によってSOCが推定され、SOCが8%以下になる場合、第2SOC推定部305によってSOCが推定される。SOC1によるグラフは、前記第1残存容量を用いて推定されたSOCを示すグラフ、SOC2によるグラフは、前記第2残存容量を用いて推定されたSOCを示すグラフ、SOC3によるグラフは、前記第3残存容量を用いて推定されたSOCを示すグラフである。
図4に示されるように、バッテリの周辺温度が0℃以上の場合には、実際のSOCの変化と、本発明の第3残存容量を用いて推定されたSOC3グラフの変化が類似する推移を示していることが分かる。
したがって、本発明の一実施形態にかかる第2SOC推定部305は、バッテリの温度が0℃以上の場合、数4の第3残存容量および数1を用いて現在のSOCを推定するようにすることができる。
図5は、本発明の一実施形態にかかるバッテリの周辺温度が0℃未満の場合における実際のバッテリ電圧、および本発明にかかる残存容量を推定した結果を示すグラフである。
図5を参照すれば、SOCが8%以前の場合までは、第1SOC推定部301によってSOCが推定され、SOCが8%以下になる場合、第2SOC推定部305によってSOCが推定される。SOC1によるグラフは、第1残存容量を用いて推定されたSOCを示すグラフ、SOC2によるグラフは、第2残存容量を用いて推定されたSOCを示すグラフ、SOC3によるグラフは、第3残存容量を用いて推定されたSOCを示すグラフである。
図5に示されるように、バッテリの周辺温度が0℃未満の場合には、実際のSOCの変化と、本発明の第1残存容量を用いて推定されたSOC1グラフの変化が類似する推移を示していることが分かる。
したがって、本発明の一実施形態にかかる第2SOC推定部305は、バッテリの温度が0℃未満の場合、数2の第1残存容量および数1を用いて現在のSOCを推定するようにすることができる。
また、前記図4および図5を参照すれば、本発明の実施形態によりSOCを推定する場合、従来の技術とは異なり、放電末期にもSOCの急落が発生しない効果がある。
上述した本発明の残存容量推定部303は、SOC推定部301で推定されたSOCが基準SOCと等しくなった場合、残存容量を推定する。しかし、本発明の他の実施形態によれば、残存容量推定部303は、測定されたバッテリの電圧が基準電圧以下の場合、バッテリの状態を放電末期と認識して残存容量を推定することができ、この場合、基準SOCは、バッテリの電圧が前記基準電圧と等しくなった場合の推定されたSOCであり得る。
ここで、V0は基準電圧、3.52は予め設定された電圧、Iは測定されたバッテリの充放電電流、Rはバッテリの内部抵抗をそれぞれ意味する。
数5では、説明の便宜のために予め設定された電圧を3.52(V)と表現したが、これに限定されず、バッテリの容量、周辺環境、バッテリに連結された機器に応じて多様に設定可能な値であることは当業者にとって自明である。
図6は、本発明の一実施形態にかかるバッテリ管理システムの駆動方法を示すフローチャートである。
第1SOC推定部301は、センシング部200から取得された充放電電流、電圧および温度のうちの少なくとも1つを用いてSOCを推定する(S601)。
次に、MCU300は、推定されたSOCが基準SOC以下であるかを判断する(S603)。
推定されたSOCが基準SOC以下の場合、残存容量推定部303は、前記基準SOCを用いて算出された基準残存容量、センシング部200で測定された現在のバッテリ電圧、第1基準電圧および第2基準電圧のうちの少なくとも1つを用いて現在の残存容量を推定する(S605)。
この時、前記基準SOCは、5%〜8%であり得る。また、前記第1基準電圧は、前記バッテリの放電中止電圧を意味し、前記第2基準電圧は、前記推定されたSOCが前記基準SOCと等しくなった時点で測定された前記バッテリの電圧を意味することができる。
最後に、第2SOC推定部305は、前記推定された現在の残存容量を用いて現在のSOCを推定する(S607)。
以上、本発明では、具体的な構成要素などのような特定事項と限定された実施形態および図面によって説明されたが、これは、本発明のより全般的な理解のために提供されたに過ぎず、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正および変形が可能である。したがって、本発明の思想は、説明された実施形態に限って定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等または等価的変形があるすべてのものは本発明の思想の範疇に属する。
10:バッテリ
20:バッテリ管理システム
200:センシング部
300:MCU
301:第1SOC推定部
303:残存容量推定部
305:第2SOC推定部
20:バッテリ管理システム
200:センシング部
300:MCU
301:第1SOC推定部
303:残存容量推定部
305:第2SOC推定部
Claims (13)
- バッテリの充放電電流、バッテリの電圧およびバッテリの温度を測定し出力するセンシング部と、前記バッテリのSOCを推定するMCU(Main Controller Unit)とを含み、
前記MCUは、
前記センシング部から入力される充放電電流、バッテリ電圧およびバッテリ温度のうちの少なくとも1つを用いてバッテリのSOC(State of Charge)を推定する第1SOC推定部と、
前記推定されたSOCが基準SOC以下の場合、前記基準SOCを用いて算出された基準残存容量、前記測定された現在のバッテリ電圧、第1基準電圧および第2基準電圧のうちの少なくとも1つを用いて現在の残存容量を推定する残存容量推定部と、
前記現在の残存容量を用いて現在のSOCを推定する第2SOC推定部とを含むことを特徴とするバッテリ管理システム。 - 前記基準SOCは、5%〜8%であることを特徴とする請求項1に記載のバッテリ管理システム。
- 前記第1基準電圧は、前記バッテリの放電中止電圧を意味し、前記第2基準電圧は、前記推定されたSOCと前記基準SOCが同一時点で測定された前記バッテリの電圧を意味することを特徴とする請求項1に記載のバッテリ管理システム。
- 前記残存容量推定部は、
前記現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差を、第1比例定数で除した値に比例する現在の第1残存容量を推定し、
前記第1比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差を、前記基準残存容量で除した値に比例することを特徴とする請求項3に記載のバッテリ管理システム。 - 前記残存容量推定部は、
前記現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差を、第2比例定数で除した値の指数関数に比例する現在の第2残存容量を推定し、
前記第2比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差を、前記基準残存容量の自然対数で除した値に比例することを特徴とする請求項3に記載のバッテリ管理システム。 - 前記残存容量推定部は、
前記現在のバッテリ電圧と前記第1基準電圧との差の平方根を、第3比例定数で除した値の指数関数に比例する現在の第3残存容量を推定し、
前記第3比例定数は、前記第2基準電圧と前記第1基準電圧との差の平方根を、前記基準残存容量の自然対数で除した値に比例することを特徴とする請求項3に記載のバッテリ管理システム。 - 前記第2SOC推定部は、
前記バッテリの温度が0℃未満の場合、前記第1残存容量を用いて前記現在のSOCを推定することを特徴とする請求項4に記載のバッテリ管理システム。 - 前記第2SOC推定部は、
前記バッテリの温度が0℃以上の場合、前記第3残存容量を用いて前記現在のSOCを推定することを特徴とする請求項6に記載のバッテリ管理システム。 - 前記残存容量推定部は、前記バッテリの電圧が基準電圧以下の場合、
前記測定されたバッテリの電圧が前記基準電圧と等しくなった場合の前記推定されたSOCを前記基準SOCに設定し、前記現在の残存容量を推定することを特徴とする請求項1に記載のバッテリ管理システム。 - 前記基準電圧は、予め設定された電圧、前記現在の充放電電流および前記バッテリの内部抵抗を用いて決定された電圧であることを特徴とする請求項9に記載のバッテリ管理システム。
- バッテリの充放電電流、バッテリの電圧およびバッテリの温度のうちの少なくとも1つを用いてバッテリのSOCを推定するステップと、
前記推定されたSOCが基準SOC以下の場合、前記基準SOCを用いて算出された基準残存容量、前記推定された現在のバッテリ電圧、第1基準電圧および第2基準電圧のうちの少なくとも1つを用いて現在の残存容量を推定するステップと、
前記現在の残存容量を用いて現在のSOCを推定するステップとを含むことを特徴とするバッテリ管理システムの駆動方法。 - 前記基準SOCは、5%〜8%であることを特徴とする請求項11に記載のバッテリ管理システムの駆動方法。
- 前記第1基準電圧は、前記バッテリの放電中止電圧を意味し、前記第2基準電圧は、前記推定されたSOCと前記基準SOCが同一時点で測定された前記バッテリの電圧を意味することを特徴とする請求項11に記載のバッテリ管理システムの駆動方法。
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