JP2023516317A - バッテリー管理装置、バッテリーパック、バッテリーシステム及びバッテリー管理方法 - Google Patents

バッテリー管理装置、バッテリーパック、バッテリーシステム及びバッテリー管理方法 Download PDF

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Abstract

本発明によるバッテリー管理装置は、複数のバッテリーセルの各々のセル電圧を測定するように構成される電圧測定回路と、休止期間で、設定時間毎に前記複数のバッテリーセルの各々の前記セル電圧及び前記複数のバッテリーセルの基準電圧を決定するように構成される制御部と、を含む。前記制御部は、前記休止期間における各バッテリーセルの前記セル電圧の第１累積変化量を決定する。前記制御部は、前記休止期間における前記基準電圧の第２累積変化量を決定する。前記制御部は、各バッテリーセルの前記第１累積変化量を前記第２累積変化量と比較して、各バッテリーセルの異常有無を判定する。

Description

本発明は、バッテリーセルの異常を検出する技術に関する。
本出願は、２０２０年７月３１日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－００９６２８９号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。
最近、ノートブックＰＣ、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急増し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれ、反復的な充放電の可能な高性能バッテリーについての研究が活発に進行しつつある。
現在、商用化したバッテリーとしては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムバッテリーなどがあり、このうち、リチウムバッテリーは、ニッケル系のバッテリーに比べてメモリー効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。
最近、高電圧が要求されるバッテリーシステム（例えば、エネルギー貯蔵システム、電気車両）が広く普及されるにつれ、バッテリーパック内に直列で接続された複数のバッテリーセルの各々の異常を正確に検出する診断技術の必要性が増大しつつある。
従来には、瞬間的に臨界値を超す大きい電圧降下を示すバッテリーセルを異常として検出していた。しかし、バッテリーセルの電圧が徐々に変化する場合にはバッテリーセルの異常を適切に検出しにくい。
一方、バッテリーは、充放電によって発生した分極現象が休止中に徐々に解消される。したがって、バッテリーの充放電が中断された時点から分極現象が少しずつ解消されることによって、休止中のバッテリーの電圧は、バッテリーの充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に対応する開路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）へ徐々に変化するということが公知である。しかし、異常の原因によっては、休止中、分極現象の解消による通常の電圧変化よりもさらに大きい電圧変化を誘発することがある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、複数のバッテリーセルの各々の電圧履歴に基づき、各バッテリーセルの異常有無を検出可能なバッテリー管理装置、バッテリーパック、バッテリーシステム及びバッテリー管理方法を提供することを目的とする。
本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって理解でき、本発明の実施例によってより明らかに理解されるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
本発明の一面によるバッテリー管理装置は、複数のバッテリーセルの各々のセル電圧を測定するように構成される電圧測定回路と、休止期間で、設定時間毎に前記複数のバッテリーセルの各々の前記セル電圧及び前記複数のバッテリーセルの基準電圧を決定するように構成される制御部と、を含む。前記制御部は、前記休止期間における各バッテリーセルの前記セル電圧の第１累積変化量を決定するように構成される。前記制御部は、前記休止期間における前記基準電圧の第２累積変化量を決定するように構成される。前記制御部は、前記複数のバッテリーセルの各々の前記第１累積変化量を前記第２累積変化量と比較して、各バッテリーセルの異常有無を判定するように構成される。
前記制御部は、前記複数のバッテリーセルの前記セル電圧の平均値または中央値と同一に前記基準電圧を決定するように構成され得る。
前記制御部は、前記休止期間で、前記設定時間毎の各バッテリーセルの前記セル電圧の変化量を積算して、各バッテリーセルの前記第１累積変化量を決定するように構成され得る。
前記制御部は、前記休止期間で、前記設定時間毎の前記基準電圧の変化量を積算して、前記基準電圧の前記第２累積変化量を決定するように構成され得る。
前記制御部は、前記休止期間で、前記設定時間毎の各バッテリーセルの前記第１累積変化量と前記第２累積変化量との差の時系列的変化を示す異常履歴を決定するように構成され得る。前記制御部は、各バッテリーセルに関わる前記異常履歴の最大値及び最小値に基づいて、各バッテリーセルの異常有無を判定するように構成され得る。
前記制御部は、前記複数のバッテリーセルのうち、前記最大値が第１臨界値より大きく、かつ前記最小値が第２臨界値より小さい前記異常履歴に関わる各バッテリーセルを異常と判定するように構成され得る。
前記制御部は、前記複数のバッテリーセルのうち、前記最大値が第１臨界値より大きく、かつ前記最小値が第２臨界値より小さく、かつ前記最大値と前記最小値との勾配の絶対値が第３臨界値より大きい前記異常履歴に関わる各バッテリーセルを異常と判定するように構成され得る。
本発明の他面によるバッテリーパックは、前記バッテリー管理装置を含む。
本発明のさらに他面によるバッテリーシステムは、前記バッテリーパックを含む。
本発明のさらに他面によるバッテリー管理方法は、複数のバッテリーセルの休止期間で設定時間毎に実行される。前記バッテリー管理方法は、前記複数のバッテリーセルの各々のセル電圧及び前記複数のバッテリーセルの基準電圧を決定する段階と、前記休止期間における各バッテリーセルの前記セル電圧の第１累積変化量を決定する段階と、前記休止期間における前記基準電圧の第２累積変化量を決定する段階と、各バッテリーセルの前記第１累積変化量を前記第２累積変化量と比較して、前記複数のバッテリーセルの各々の異常有無を判定する段階と、を含む。
前記複数のバッテリーセルの各々の異常有無を判定する段階は、前記休止期間で前記設定時間毎の各バッテリーセルの前記第１累積変化量と前記第２累積変化量との差の時系列的変化を示す異常履歴を決定する段階と、各バッテリーセルに関わる前記異常履歴の最大値及び最小値に基づき、各バッテリーセルの異常有無を判定する段階と、を含み得る。
前記複数のバッテリーセルの各々の異常有無を判定する段階は、前記複数のバッテリーセルのうち、前記最大値が第１臨界値より大きく、かつ前記最小値が第２臨界値より小さい前記異常履歴に関わる各バッテリーセルを異常と判定し得る。
前記複数のバッテリーセルの各々の異常有無を判定する段階は、前記複数のバッテリーセルのうち、前記最大値が第１臨界値より大きく、かつ前記最小値が第２臨界値より小さく、かつ前記最大値と前記最小値との勾配の絶対値が第３臨界値より大きい前記異常履歴に関わる各バッテリーセルを異常と判定し得る。
本発明の実施例の少なくとも一つによると、複数のバッテリーセルの各々の電圧履歴に基づき、各バッテリーセルの異常有無を検出することができる。
特に、休止中に周期的に、各バッテリーセルのセル電圧の総変化量と複数のバッテリーセルの基準電圧の総変化量とを比較することで、複数のバッテリーセルのうち他のバッテリーセルとは顕著に異なる電圧挙動を見せるバッテリーセルを異常と判定できる。
本発明の効果は上述した効果に制限されず、言及されていない本発明の他の効果は請求範囲の記載から当業者により明らかに理解されるだろう。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
本発明によるバッテリーシステムの構成を例示した図である。 正常のバッテリーセルと異常のバッテリーセルの各々に関わる電圧履歴を説明するためのグラフである。 正常のバッテリーセルと異常のバッテリーセルの各々に関わる累積変化量を設定するのに参照されるグラフである。 バッテリーセルに関わる異常履歴を説明するためのグラフである。 本発明の第１実施例によるバッテリー管理方法を例示するフローチャートである。 本発明の第２実施例によるバッテリー管理方法を例示するフローチャートである。
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちいずれか一つを残りと区別する目的として使用され、このような用語によって構成要素が限定されることではない。
なお、明細書の全体にかけて、ある部分が、ある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載の「制御部」のような用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を示し、これはハードウェアやソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの結合せにより具現され得る。
さらに、明細書の全体に亘って、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されているとするとき、これは、「直接的に連結（接続）」されている場合のみならず、その中間に他の素子を介して「間接的に（接続）」されている場合も含む。
図１は、本発明によるバッテリーシステムの構成を例示した図である。
図１においては、エネルギー貯蔵システムをバッテリーシステム１の一例として示した。図１を参照すると、バッテリーシステム１は、バッテリーパック１０、スイッチ２０及び電力変換システム３０を含む。バッテリーシステム１はエネルギー貯蔵システムに限定されず、電気車両またはバッテリー検査設備などのように、それに備えられたバッテリーパック１０に対する充電機能及び／または放電機能を備えるものであれば、如何なる形態でもよい。
バッテリーパック１０は、正極端子Ｐ＋、負極端子Ｐ－、セルグループ１１及びバッテリー管理装置１００を含む。セルグループ１１は、正極端子Ｐ＋と負極端子Ｐ－との間に電気的に接続される複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍ、ｍは２以上の自然数である。）を含む。図１には、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍが直列で接続されるように示したが、並列または直・並列で接続され得る。以下では、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの共通内容を説明するに際し、参照符号「ＢＣ」をバッテリーセルとして称する。
バッテリーセルＢＣは、正極リード、負極リード、少なくとも一つの正極板及び少なくとも一つの負極板を含み得る。各正極板の正極タブは正極リードに結合され、各負極板の負極タブは負極リードに結合され得る。
バッテリーセルＢＣの正極リード及び負極リードは、バスバーなどのような伝導体を介して他のバッテリーセルＢＣに電気的に接続される。バッテリーセルＢＣは、リチウムイオンバッテリーセルであり得る。勿論、反復的な充放電が可能なものであれば、バッテリーセルＢＣの種類は、特に限定されない。
スイッチ２０は、バッテリーパック１０のための電力ラインＰＬに設けられる。スイッチ２０がオンされている間、バッテリーパック１０と電力変換システム３０のいずれか一つから他の一つへの電力伝達が可能である。スイッチ２０は、リレー、電界効果トランジスタ （ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのような公知のスイチングデバイスのいずれか一つまたは二つ以上を組み合わせることで具現され得る。制御部１４０は、セルグループ１１の状態によってスイッチ２０をオンオフ制御し得る。
電力変換システム（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）３０は、上位コントローラ２によってバッテリー管理装置１００に動作可能に結合する。二つの構成が動作可能に結合するということは、単方向または双方向へ信号を送受信可能に二つの構成が直・間接的に接続されていることを意味する。電力変換システム３０は、電気系統４０によって供給される交流電力からセルグループ１１の充電のための直流電力を生成し得る。電力変換システム３０は、バッテリーパック１０からの直流電力から交流電力を生成し得る。
バッテリー管理装置１００は、電圧測定回路１１０及び制御部１４０を含む。バッテリー管理装置１００は、電流センサー１２０、温度センサー１３０及びインターフェース部１５０のうち少なくとも一つをさらに含み得る。
電圧測定回路１１０は、電圧センシングチャンネルを介して、バッテリーセルＢＣの正極リード及び負極リードに電気的に接続可能に提供される。電圧測定回路１１０は、バッテリーセルＢＣの両端にかかった電圧であるセル電圧を測定し、測定されたセル電圧を示す信号を制御部１４０に出力するように構成される。制御部１４０は、設定時間毎に、電圧測定回路１１０からの信号に基づいて、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々のセル電圧を決定し得る。
電流センサー１２０は、電力ラインＰＬによってセルグループ１１に電気的に直列で接続される。例えば、シャント抵抗やホール素子などが電流センサー１２０として用いられ得る。電流センサー１２０は、セルグループ１１を通して流れる電流を測定し、測定された電流を示す信号を制御部１４０に出力するように構成される。
温度センサー１３０は、セルグループ１１から所定の距離内の領域に配置される。例えば、熱電対などが温度センサー１３０として用いられ得る。温度センサー１３０は、セルグループ１１の温度を測定し、測定された温度を示す信号を制御部１４０に出力するように構成される。
制御部１４０は、スイッチ２０、電圧測定回路１１０、電流センサー１２０、温度センサー１３０及び／またはインターフェース部１５０に動作可能に結合される。
制御部１４０は、ハードウェア的に、ＡＳＩＣ、ＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，デジタルシグナルプロセッサ）、ＤＳＰＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，デジタル信号処理デバイス）、ＰＬＤ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ，プログラマブルロジックデバイス）、ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，フィールドプログラマブルゲートアレイ）、マイクロプロセッサ（ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、その他の機能遂行のための電気的ユニットの少なくとも一つを用いて具現され得る。
制御部１４０には、メモリーが内蔵され得る。メモリーには、後述する実施例によるバッテリー管理方法を実行するのに必要なプログラム及び各種データが予め保存され得る。メモリーは、例えば、フラッシュメモリータイプ（ｆｌａｓｈ ｍｅｍｏｒｙ ｔｙｐｅ）、ハードディスクタイプ（ｈａｒｄ ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ）、ＳＳＤタイプ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ ｔｙｐｅ，ソリッドステートディスクタイプ）、ＳＤＤタイプ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ ｔｙｐｅ，シリコンディスクドライブタイプ）、マルチメディアカードマイクロタイプ（ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃａｒｄ ｍｉｃｒｏ ｔｙｐｅ）、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ，ランダムアクセスメモリー）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ，スタティックランダムアクセスメモリー）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，リードオンリーメモリー）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，エレクトリカリーイレーサブルプログラマブルリードオンリーメモリー）、ＰＲＯＭ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｒｅａｄ‐ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ，プログラマブルリードオンリーメモリー）の少なくとも一つのタイプの保存媒体を含み得る。
インターフェース部１５０は、バッテリーシステム１の上位コントローラ２と通信可能に結合され得る。インターフェース部１５０は、上位コントローラ２からのメッセージを制御部１４０へ伝送し、制御部１４０からのメッセージを上位コントローラ２へ伝送し得る。制御部１４０からのメッセージは、バッテリーセルＢＣの異常有無を通知するための情報を含み得る。インターフェース部１５０と上位コントローラ２との間の通信には、例えば、ＬＡＮ（ｌｏｃａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ，ローカルエリア・ネットワーク）、ＣＡＮ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ，コントローラ・エリア・ネットワーク）、デージチェーンのような有線ネットワーク及び／またはブルートゥース（登録商標）、ジグビー、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）などの近距離無線ネットワークが活用され得る。インターフェース部１５０は、制御部１４０及び／または上位コントローラ２から受信された情報をユーザが認識可能な形態で提供する出力デバイス（例えば、ディスプレイ、スピーカー）を含み得る。上位コントローラ２は、バッテリー管理装置１００との通信によって収集されるセル情報（例えば、バッテリーセルの電圧、電流、温度、ＳＯＣ、異常）に基づいて、電力変換システム３０を制御し得る。
制御部１４０は、休止期間の少なくとも一部期間、バッテリーセルＢＣの異常を検出するための後述するバッテリー管理方法を行う診断モードで動作し得る。休止期間の開始時点は、セルグループ１１が使用状態（「サイクル状態」と称することがある。）から休止状態（「休止モード」または「カレンダー状態」と称することがある。）に切り替えられる時点である。休止期間の終了時点は、セルグループ１１が休止状態から使用状態に切り替えられる時点である。休止状態とは、スイッチ２０がオフされてセルグループ１１を通して電流が流れない状態をいい、使用状態とは、休止状態以外の状態をいう。即ち、休止状態では、バッテリーセルＢＣの充電と放電が両方とも遮断される。
図２は、正常のバッテリーセル及び異常のバッテリーセルに各々関連した電圧履歴を説明するためのグラフであり、図３は、正常のバッテリーセルと異常のバッテリーセルの各々に関連した累積変化量を設定するのに参照されるグラフであり、図４は、バッテリーセルに関わる異常履歴を説明するためのグラフである。図２において、時点ｔ０は、セルグループ１１が放電モード（または充電モード）から休止状態に切り替えられた時点、即ち、休止期間の開始時点を示す。以下では、図１のバッテリーセル（ＢＣ＿ｘ，１＜ｘ＜ｙ）を正常、バッテリーセル（ＢＣ＿ｙ，ｘ＜ｙ＜ｍ）を異常と仮定して説明する。
図２を参照すると、カーブ２０１は、正常のバッテリーセルＢＣ＿ｘの電圧履歴を示し、カーブ２０２は、異常のバッテリーセルＢＣ＿ｙの電圧履歴を示し、カーブ２０３は、基準電圧履歴を示す。バッテリーセルＢＣの電圧履歴とは、バッテリーセルＢＣのセル電圧の経時的変化、即ち、セル電圧の測定値の集合（時系列）を指す。
本明細書において、診断対象となる「異常」とは、休止期間中に、バッテリーセルＢＣのセル電圧が他のバッテリーセルＢＣに比べて非正常的に上昇（または下降）する状態を指す。異常状態は、バッテリーセルＢＣのタブ不良に起因したことであり得る。具体的には、本発明の発明者は、前述した異常状態が現われたバッテリーセルＢＣを分解して分析した結果、バッテリーセルＢＣに含まれた正極タブ及び／または負極タブの一部に損傷（例えば、断線、クラック、破れ）が存在することを見出した。タブ不良が発生した場合、バッテリーセルＢＣの物理的変化（例えば、スウェリング圧力）及び／または電気化学的状態の転移などによって、タブとリードとの間の抵抗が変わり得る。このような抵抗の変動は、電圧測定回路１１０がセル電圧を測定する過程に影響を与えるため、前述した異常状態が現われる原因の一つになり得る。
制御部１４０は、休止期間の開始時点ｔ０から、設定時間（例えば、０．０１秒）毎に、バッテリーセルＢＣのセル電圧を決定し得る。図２において、ＶＸ［０］、ＶＹ［０］及びＶｒｅｆ［０］は、開始時点ｔ０における、バッテリーセルＢＣ＿ｘのセル電圧、バッテリーセルＢＣ＿ｙのセル電圧及び基準電圧を示す。制御部１４０は、バッテリーセルＢＣのセル電圧に基づき、セル電圧データを生成（更新）し得る。セル電圧データは、バッテリーセルＢＣのセル電圧、第１電圧変化量及び第１累積変化量を示す情報を含み得る。即ち、制御部１４０は、設定時間毎に、バッテリーセルＢＣのセル電圧、第１電圧変化量及び第１累積変化量を決定し得る。第１電圧変化量は、設定時間毎の、バッテリーセルＢＣのセル電圧の変化量を示す。例えば、現在のサイクルにおける第１電圧変化量は、前のサイクルにおけるセル電圧と現在のサイクルにおけるセル電圧との差に対応（例えば、同一）する。第１累積変化量は、休止期間の開始時点ｔ０から現在までの、バッテリーセルＢＣのセル電圧の総変化量を示す。例えば、現在のサイクルにおける第１累積変化量は、休止期間で第１電圧変化量を設定時間毎に積算した結果であって、開始時点ｔ０におけるセル電圧と現在のサイクルにおけるセル電圧との差に対応（例えば、同一）し得る。
バッテリーセルＢＣのセル電圧の第１累積変化量は、下記の数式１で表すことができる。
Figure 2023516317000002
数式１において、ｎは開始時点ｔ０から設定時間が経過した回数、Ｖｃｅｌｌ［ｉ－１］は、（ｉ－１）番目に測定されたセル電圧、Ｖｃｅｌｌ［ｉ］は、ｉ番目に測定されたセル電圧、ΔＶｃｅｌｌ［ｉ］は、ｉ番目に決定された第１電圧変化量、ΔＶｃｅｌｌ＿ａｃｃ［ｎ］は、第１累積変化量を示す。Ｖｃｅｌｌ［０］は、開始時点ｔ０におけるセル電圧であり得る。また、ｎは、開始時点ｔ０から現時点までの時間の長さに対応する時間インデックスであって、設定時間が経過する度に１ずつ増加する。例えば、設定時間＝Δｔである場合、時点ｔ０から現時点までの総経過時間＝Δｔ×ｎ、現時点＝ｔ０＋（Δｔ×ｎ）である。また、Ｖｃｅｌｌ［ｉ］は、時点ｔ０＋（Δｔ×ｉ）で測定されたバッテリーセルＢＣのセル電圧を示す。
上記のように、セル電圧データは、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々に対して設定時間毎に生成され得る。制御部１４０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍに対して個別的に生成されたセル電圧データに基づき、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの基準電圧データを生成し得る。基準電圧データは、基準電圧、第２電圧変化量及び第２累積変化量を示す情報を含み得る。
基準電圧は、設定時間毎の、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍのセル電圧の平均値または中央値と同一に決定され得る。第２電圧変化量は、設定時間毎の、基準電圧の変化量を示す。例えば、現在のサイクルにおける第２電圧変化量は、前のサイクルにおける基準電圧と現在のサイクルにおける基準電圧との差に対応（例えば、同一）する。図２のカーブ２０３は、基準電圧の時系列的な変化を示す。図２から分かるように、正常のバッテリーセルＢＣ＿ｘの電圧履歴２０１は、カーブ２０３とほぼ一致する。第２累積変化量は、休止期間の開始時点ｔ０から現在までの、基準電圧の総変化量を示す。例えば、現在のサイクルにおける第２累積変化量は、休止期間で第２電圧変化量を設定時間毎に積算した結果であって、開始時点ｔ０における基準電圧と現在のサイクルにおける基準電圧との差に対応（例えば、同一）し得る。
複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの基準電圧の第２累積変化量は、下記の数式２で表すことができる。
Figure 2023516317000003
数式２において、ｎは、数式１のｎと同一であり、Ｖｒｅｆ［ｉ－１］は、（ｉ－１）番目に決定された基準電圧、Ｖｒｅｆ［ｉ］は、ｉ番目に決定された基準電圧、ΔＶｒｅｆ［ｉ］は、ｉ番目に決定された第２電圧変化量、ΔＶｒｅｆ＿ａｃｃ［ｎ］は、第２累積変化量を示す。
図３を参照すると、カーブ３０１は、図２のカーブ２０１に対応するバッテリーセルＢＣ＿ｘの第１累積変化量の時系列的変化を示し、カーブ３０２は、図２のカーブ２０２に対応するバッテリーセルＢＣ＿ｙの第１累積変化量の時系列的変化を示し、カーブ３０３は、図２のカーブ２０３に対応する基準電圧の第２累積変化量の時系列的変化を示す。
制御部１４０は、複数の第１累積変化量を各々第２累積変化量と比較して、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々の異常有無を判定し得る。複数の第１累積変化量は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍに一対一に関連付けられる。
具体的には、制御部１４０は、設定時間毎に、バッテリーセルＢＣに関わる第１累積変化量と第２累積変化量との差を演算してバッテリーセルＢＣに関わる異常履歴を決定（更新）し、決定された異常履歴をメモリーに記録し得る。これによって、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍに一対一に関連付けられた複数の異常履歴が設定時間毎に更新され得る。バッテリーセルＢＣに関わる異常履歴は、バッテリーセルＢＣのセル電圧の第１累積変化量と基準電圧の第２累積変化量との差、即ち、ΔＶｃｅｌｌ＿ａｃｃ［ｎ］－ΔＶｒｅｆ＿ａｃｃ［ｎ］、またはΔＶｒｅｆ＿ａｃｃ［ｎ］－ΔＶｃｅｌｌ＿ａｃｃ［ｎ］の時系列的な変化を示す。
制御部１４０は、設定時間毎に、バッテリーセルＢＣに関わる異常履歴の最大値及び最小値を各々決定し、最大値及び最小値に基づいてバッテリーセルＢＣの異常有無を判定し得る。図４のカーブ４０１は、図３のカーブ３０１に対応するバッテリーセルＢＣ＿ｘの異常履歴を示し、カーブ４０２は、図３のカーブ３０２に対応するバッテリーセルＢＣ＿ｙの異常履歴を示す。バッテリーセルＢＣ＿ｘは正常であるため、休止期間の間、バッテリーセルＢＣ＿ｘのセル電圧は基準電圧とほぼ類似の挙動を見せる。即ち、カーブ４０１は、バッテリーセルＢＣ＿ｘに関わる異常履歴が休止期間全体にかけて第１臨界値ＶＴＨ１及び第２臨界値ＶＴＨ２によって規定された電圧範囲内のみに位置することを示している。第１臨界値ＶＴＨ１は正の値であり、第２臨界値ＶＴＨ２は負の値であり得る。バッテリーセルＢＣ＿ｘとは異なり、バッテリーセルＢＣ＿ｙは異常であることから、休止期間の間、バッテリーセルＢＣ＿ｙのセル電圧は基準電圧の挙動とはよほど異なるようになる。即ち、カーブ４０２は、バッテリーセルＢＣ＿ｙに関わる異常履歴の最大値Ｖｍａｘと最小値Ｖｍｉｎが各々第１臨界値ＶＴＨ１より大きくて第２臨界値ＶＴＨ２より小さいことを示している。最大値Ｖｍａｘは、時点ｔＡにおけるバッテリーセルＢＣ＿ｙのセル電圧の第１累積変化量と基準電圧の第２累積変化量との差であり、最小値Ｖｍｉｎは、時点ｔＢにおけるバッテリーセルＢＣ＿ｙのセル電圧の第１累積変化量と基準電圧の第２累積変化量との差である。
制御部１４０は、複数の異常履歴のうち、最大値が第１臨界値ＶＴＨ１より大きく、かつ最小値が第２臨界値ＶＴＨ２より小さい異常履歴に関わるバッテリーセル（例えば、ＢＣ＿ｙ）を異常と判定し得る。
または、制御部１４０は、複数の異常履歴のうち、最大値が第１臨界値ＶＴＨ１より大きく、かつ最小値が第２臨界値ＶＴＨ２より小さく、かつ最大値と最小値との勾配の絶対値が第３臨界値より大きい各異常履歴に関わるバッテリーセルＢＣを異常と判定し得る。ここで、最大値と最小値との勾配は、最大値と最小値との差を最大値と最小値が検出された二つの時点間の時間間隔で割った値である。例えば、カーブ４０２において、最大値Ｖｍａｘと最小値Ｖｍｉｎとの勾配は、（Ｖｍａｘ－Ｖｍｉｎ）／（ｔＡ－ｔＢ）と同じである。
前述した各臨界値は、セルグループ１１に含まれたバッテリーセルＢＣの総個数、バッテリーセルＢＣの仕様などに基づいて事前に行われた実験及び／またはシミュレーションの結果によって予め決められたものであり得る。
図５は、本発明の第１実施例によるバッテリー管理方法を例示するフローチャートである。図５の方法は、休止期間の開始時点ｔ０から、設定時間毎に一回ずつ反復され得る。
図１～図５を参照すると、段階Ｓ５１０で、制御部１４０は、電圧測定回路１１０を用いて、セルグループ１１に含まれた複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々のセル電圧を決定（測定）する。
段階Ｓ５２０で、制御部１４０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々のセル電圧に基づき、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの基準電圧を決定する。基準電圧は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍのセル電圧の平均値または中央値と同一であり得る。
段階Ｓ５３０で、制御部１４０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々のセル電圧の第１累積変化量ΔＶｃｅｌｌ＿ａｃｃ［ｎ］を決定する（数式１参照）。
段階Ｓ５４０で、制御部１４０は、基準電圧の第２累積変化量ΔＶｒｅｆ＿ａｃｃ［ｎ］を決定する（数式２参照）。
段階Ｓ５５０で、制御部１４０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々の第１累積変化量と第２累積変化量との差の時系列的変化を示す、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々に関わる複数の異常履歴を決定する。
段階Ｓ５６０で、制御部１４０は、複数の異常履歴の各々の最大値及び最小値を決定する。
段階Ｓ５７０で、制御部１４０は、複数の異常履歴の各々に対し、最大値Ｖｍａｘが臨界値ＶＴＨ１より大きく、かつ最小値Ｖｍｉｎが第２臨界値ＶＴＨ２より小さいか否かを判定する。バッテリーセルＢＣ＿ｘに対しては、段階Ｓ５７０の値が「いいえ」となる一方、バッテリーセルＢＣ＿ｙに対しては、段階Ｓ５７０の値が「はい」となる。段階Ｓ５７０の値が「はい」である場合、方法は段階Ｓ５８０へ進む。即ち、段階Ｓ５８０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍのうち少なくとも一つのバッテリーセルを異常と判定される場合に行われ得る。段階Ｓ５７０の値が「いいえ」である場合、方法は終了する。
段階Ｓ５８０で、制御部１４０は、所定の保護機能を行い得る。保護機能は、診断メッセージを出力する機能を含み得る。診断メッセージは、異常と判定されたバッテリーセルＢＣの識別情報を含み得る。インターフェース部１５０は、診断メッセージを上位コントローラ２に伝達するか、または診断メッセージに対応する視覚的及び／または聴覚的情報を出力し得る。保護機能は、スイッチ２０のターンオンを禁止する機能、即ち、セルグループ１１の休止状態から使用状態への切替えを遮断する機能を含み得る。
図６は、本発明の第２実施例によるバッテリー管理方法を例示するフローチャートである。図６の方法は、休止期間の間、設定時間毎に１回ずつ繰り返され得る。図６の段階Ｓ６１０～Ｓ６６０及びＳ６８０は、図５の段階Ｓ５１０～Ｓ５６０及びＳ５８０と共通し、段階Ｓ６７０は、段階Ｓ５７０の変形例である。したがって、図６の方法を説明することにおいて、図５の方法と重複する内容は省略する。
図１～図４及び図６を参照すると、段階Ｓ６１０で、制御部１４０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々のセル電圧を決定（測定）する。
段階Ｓ６２０で、制御部１４０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々のセル電圧に基づき、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの基準電圧を決定する。
段階Ｓ６３０で、制御部１４０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々のセル電圧の第１累積変化量ΔＶｃｅｌｌ＿ａｃｃ［ｎ］を決定する（数式１参照）。
段階Ｓ６４０で、制御部１４０は、基準電圧の第２累積変化量ΔＶｒｅｆ＿ａｃｃ［ｎ］を決定する（数式２参照）。
段階Ｓ６５０で、制御部１４０は、複数のバッテリーセルＢＣ＿１～ＢＣ＿ｍの各々に関わる複数の異常履歴を決定する。
段階Ｓ６６０で、制御部１４０は、複数の異常履歴の各々の最大値及び最小値を決定する。
段階Ｓ６７０で、制御部１４０は、複数の異常履歴の各々に対して、最大値Ｖｍａｘが臨界値ＶＴＨ１より大きく、かつ最小値Ｖｍｉｎが第２臨界値ＶＴＨ２より小さく、かつ最大値と最小値との勾配の絶対値が第３臨界値より大きいか否かを判定する。
段階Ｓ６７０の値が「はい」である場合、方法は、段階Ｓ６８０へ進む。段階Ｓ６７０の値が「いいえ」である場合、方法は終了する。
段階Ｓ６８０で、制御部１４０は、所定の保護機能を行い得る。
一方、前述した分極現象と係わり、正常のバッテリーセルに発生した分極現象は、休止期間の初期に速やかに解消される傾向がある。即ち、休止期間において、正常のバッテリーセルＢＣ＿ｘのセル電圧の変化速度は徐々に鈍化し得る。そこで、制御部１４０は、前述した診断段階を開始時点ｔ０で即時に実行する代わり、開始時点ｔ０から所定の安定化時間（例えば、５分）が経過した基準時点から行うように構成され得る。この場合、基準時点を、図１～図７を参照して説明された開始時点ｔ０の代わりにし得る。
以上で説明した本発明の実施例は、必ずしも装置及び方法を通じて具現されることではなく、本発明の実施例の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を通じて具現され得、このような具現は、本発明が属する技術分野における専門家であれば、前述した実施例の記載から容易に具現できるはずである。
以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
また、上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるため、上述の実施例及び添付された図面によって限定されず、多様な変形が行われるように各実施例の全部または一部を選択的に組み合わせて構成可能である。
１ バッテリーシステム
２ 上位コントローラ
１０ バッテリーパック
１１ セルグループ
２０ スイッチ
３０ 電力変換システム（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）
４０ 電気系統
１００ バッテリー管理装置
１１０ 電圧測定回路
１２０ 電流センサー
１３０ 温度センサー
１４０ 制御部
１５０ インターフェース部

Claims (13)

  1. 複数のバッテリーセルの各々のセル電圧を測定するように構成される電圧測定回路と、
    休止期間で、設定時間毎に前記複数のバッテリーセルの各々の前記セル電圧及び前記複数のバッテリーセルの基準電圧を決定するように構成される制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、
    前記休止期間における各バッテリーセルの前記セル電圧の第１累積変化量を決定するように、
    前記休止期間における前記基準電圧の第２累積変化量を決定するように、且つ、
    前記複数のバッテリーセルの各々の前記第１累積変化量を前記第２累積変化量と比較して、各バッテリーセルの異常有無を判定するように構成される、バッテリー管理装置。
  2. 前記制御部は、
    前記複数のバッテリーセルの前記セル電圧の平均値または中央値と同一に前記基準電圧を決定するように構成される、請求項１に記載のバッテリー管理装置。
  3. 前記制御部は、
    前記休止期間で、前記設定時間毎の各バッテリーセルの前記セル電圧の変化量を積算して、各バッテリーセルの前記第１累積変化量を決定するように構成される、請求項１又は２に記載のバッテリー管理装置。
  4. 前記制御部は、
    前記休止期間で、前記設定時間毎の前記基準電圧の変化量を積算して、前記基準電圧の前記第２累積変化量を決定するように構成される、請求項１から３のいずれ一項に記載のバッテリー管理装置。
  5. 前記制御部は、
    前記休止期間で、前記設定時間毎の各バッテリーセルの前記第１累積変化量と前記第２累積変化量との差の時系列的変化を示す異常履歴を決定するように、且つ
    各バッテリーセルに関わる前記異常履歴の最大値及び最小値に基づいて、各バッテリーセルの異常有無を判定するように構成される、請求項１から４のいずれ一項に記載のバッテリー管理装置。
  6. 前記制御部は、
    前記複数のバッテリーセルのうち、前記最大値が第１臨界値より大きく、かつ前記最小値が第２臨界値より小さい前記異常履歴に関わる各バッテリーセルを異常と判定するように構成される、請求項５に記載のバッテリー管理装置。
  7. 前記制御部は、
    前記複数のバッテリーセルのうち、前記最大値が第１臨界値より大きく、かつ前記最小値が第２臨界値より小さく、かつ前記最大値と前記最小値との勾配の絶対値が第３臨界値より大きい前記異常履歴に関わる各バッテリーセルを異常と判定するように構成される、請求項５に記載のバッテリー管理装置。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の前記バッテリー管理装置を含む、バッテリーパック。
  9. 請求項８に記載の前記バッテリーパックを含む、バッテリーシステム。
  10. 複数のバッテリーセルの休止期間で設定時間毎に実行されるバッテリー管理方法であって、
    前記複数のバッテリーセルの各々のセル電圧及び前記複数のバッテリーセルの基準電圧を決定する段階と、
    前記休止期間における各バッテリーセルの前記セル電圧の第１累積変化量を決定する段階と、
    前記休止期間における前記基準電圧の第２累積変化量を決定する段階と、
    各バッテリーセルの前記第１累積変化量を前記第２累積変化量と比較して、前記複数のバッテリーセルの各々の異常有無を判定する段階と、
    を含む、バッテリー管理方法。
  11. 前記複数のバッテリーセルの各々の異常有無を判定する段階は、
    前記休止期間で前記設定時間毎の各バッテリーセルの前記第１累積変化量と前記第２累積変化量との差の時系列的変化を示す異常履歴を決定する段階と、
    各バッテリーセルに関わる前記異常履歴の最大値及び最小値に基づき、各バッテリーセルの異常有無を判定する段階と、
    を含む、請求項１０に記載のバッテリー管理方法。
  12. 前記複数のバッテリーセルの各々の異常有無を判定する段階は、前記複数のバッテリーセルのうち、前記最大値が第１臨界値より大きく、かつ前記最小値が第２臨界値より小さい前記異常履歴に関わる各バッテリーセルを異常と判定する、請求項１１に記載のバッテリー管理方法。
  13. 前記複数のバッテリーセルの各々の異常有無を判定する段階は、前記複数のバッテリーセルのうち、前記最大値が第１臨界値より大きく、かつ前記最小値が第２臨界値より小さく、かつ前記最大値と前記最小値との勾配の絶対値が第３臨界値より大きい前記異常履歴に関わる各バッテリーセルを異常と判定する、請求項１１に記載のバッテリー管理方法。
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