JP4472733B2 - バッテリー管理システム及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明はバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ；ＢＭＳ）に係り、特に、電気エネルギーを用いる自動車に使用できるバッテリー管理システムに関するものである。

ガソリンや重油を主燃料として使用する内燃エンジンを用いる自動車は大気汚染など公害発生に深刻な影響を与えている。従って最近は公害発生を減らすために、電気自動車又はハイブリッド自動車の開発に多くの努力をしている。

電気自動車はバッテリーから出力される電気エネルギーによって、動作するバッテリーエンジンを用いる自動車である。このような電気自動車は、充放電が可能な多数の２次電池が一つのパックで形成されたバッテリーを主動力源として用いるため排気ガスが全くなくて、騒音がとても小さい長所がある。

一方、ハイブリッド自動車とは、内燃エンジンを用いる自動車と電気自動車の中間段階の自動車であって、２種類以上の動力源、例えば内燃エンジン及びバッテリーモータを使用する自動車である。現在は、内燃エンジンと水素と酸素を連続的に供給しながら化学反応を起こして、直接電気エネルギーを得る燃料電池を用いたり、バッテリーと燃料電池を用いたりするなど、混合された形態のハイブリッド自動車が開発されている。

このように電気エネルギーを用いる自動車は、バッテリーの性能が自動車の性能に直接的な影響を与えるので、各電池セルの性能に優れなければならないだけでなく、各電池セルの電圧、バッテリーの電圧及び電流などを測定して、各電池セルの充放電を効率的に管理できるバッテリー管理システムが必要である。

一般に、バッテリー管理システムはＳＯＣを推定するために、ＯＣＶとＳＯＣの関係を記録したデータテーブルを用いる。この時、正確なＳＯＣを算出するためにはＯＣＶを正確に測定できなければならない。

走行動作中バッテリーの充電又は放電が行われてから定速走行又は停車によってバッテリーの充放電が発生しない場合、短時間内に内部抵抗及びバッテリーの分極現象によって、正確なＯＣＶを測定できない。正確なＯＣＶを測定するためには、内部抵抗及びバッテリーの分極現象が全て解消される時間が必要である。しかしながら、ハイブリッド自動車運行にあって、このような時間をいつも保障することは不可能である。従って、短時間内に測定されたＯＣＶに含まれている誤差はＳＯＣの誤差を発生させる原因になる。

また、ＳＯＣ推定に誤差が発生すれば、バッテリーの充放電を制御する過程で誤差が発生して、過充電及び過放電などの現象が発生することができる。これはバッテリーに致命的な損傷を発生させる。

本発明の課題は、より正確なＯＣＶを推定して、正確にＳＯＣを設定できるバッテリー管理システム及びその駆動方法を提供することにある。

本発明の一特徴によるバッテリー管理システムで使用されるバッテリーのＳＯＣを設定するシステムであって、バッテリー電圧を測定するセンシング部、及び第１時点及び第２時点を測定して、それぞれに対応する前記バッテリー電圧を検出して、前記バッテリー電圧の第１電圧及び第２電圧によってＯＣＶを推定して、前記ＯＣＶ対応するＳＯＣを設定するＭＣＵを含む。そして前記第１時点は、バッテリーの内部抵抗による抵抗成分の効果が除去される時間であり、前記第２時点は内部抵抗による抵抗成分の効果が除去された後、電解質拡散による分極現象が解消され始める時点から所定の時間が経過した時間であることを特徴とする。前記ＭＣＵは、前記第１電圧及び第２電圧を用いてＯＣＶを推定するＯＣＶ推定部、及び前記ＯＣＶが伝達されてＯＣＶに対応するＳＯＣを設定するＳＯＣ設定部を更に含む。そして前記ＯＣＶ推定部は、記号ｓｑｒｔを平方根算出関数とすると、前記第１時点に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ１） 、Ｖ１）及び第２時点に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ２） 、Ｖ２）を通過するグラフで、

Ｙ＝ Ａ ＋Ｘ（Ｖ２−Ｖ１）／｛１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）−１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）｝
（ここで、Ｘは時点が変換された１／ｓｑｒｔ（Ｔ）の変数、Ｙは電圧値の変数）
として１次方程式を生成して、前記１次方程式で、Ｘ軸座標が０である時、Ｙ軸座標値のＡ値をＯＣＶと推定することを特徴とする。

本発明の他の特徴によるバッテリー管理システムで使用されるバッテリーのＳＯＣを設定する駆動方法であって、ａ）充放電が発生しない期間の間、第１時点及び第２時点を測定し、前記第１時点に対応する第１電圧及び第２時点に対応する第２電圧を検出する段階、ｂ）前記第１時点と第１電圧及び前記第２時点と第２電圧から成る１次方程式を生成する段階、及びｃ）前記１次方程式を用いてＯＣＶを推定する段階を含む。そして前記段階ｂ）は前記第１時点に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）、Ｖ１）及び第２時点に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）、Ｖ２）を通過するグラフで、

Ｙ＝ Ａ ＋Ｘ（Ｖ２−Ｖ１）／｛１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）−１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）｝
（ここで、Ｘは時点（Ｔ）が変換された１／ｓｑｒｔ（Ｔ）の変数、Ｙは電圧値の変数）として１次方程式を生成して、前記１次方程式でＸ軸座標が０である時、Ｙ軸座標値のＡ値をＯＣＶと推定する段階を更に含む。そして前記推定されたＯＣＶが伝達されてＯＣＶに対応するＳＯＣに関するテーブルを用いてＳＯＣを設定する段階を含む。

本発明の一特徴によれば、短時間内に正確なＯＣＶを推定することができる。これにより、正確にＳＯＣを推定できるバッテリー管理システム及びその駆動方法を提供する。

そしてＯＣＶ測定時発生する誤差によるＳＯＣ推定誤差を防止することによって、バッテリーの過充電及び過放電を防止できるバッテリー管理システム及びその駆動方法を提供する。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例について当業者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかしながら、本発明は多様に異なる形態で実現できるので、ここで説明する実施例に限定されるものではない。図面で本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略した。明細書全体を通じて類似した部分については同一な図面符号で示すものとする。

明細書全体である部分が他の部分と“連結”されているという時、これは“直接的に連結”されている場合だけでなく、その中間に他の素子を間において“電気的に連結”されている場合も含む。またある部分が何らかの構成要素を“含む”とする時、これは特に反対になる記載がない限り他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素を更に包含できるものを意味する。

図１は、本発明の実施例によるハイブリッド自動車システムの構成を簡略に示した図面である。

図１に示すように、自動車システムは、ＢＭＳ１、バッテリー２、電流センサー３、冷却ファン４、ヒュ−ズ５、メインスイッチ６、ＭＴＣＵ（Ｍｏｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７、インバータ８及びモータジェネレーター９を含む。

まず、バッテリー２は複数の電池セルが互いに直列に連結された複数のサブパック（２ａ〜２ｈ）、出力端子（２＿ＯＵＴ１）、出力端子（２＿ＯＵＴ２）及びサブパック（２ｄ）とサブパック（２ｅ）の間に備えられる安全スイッチ（２＿ＳＷ）を含む。ここで、サブパック（２ａ〜２ｈ）は、図１で８個のサブパックとして表示されているが、バッテリー２は、複数の電池セルを１つのグループで表示したに過ぎず、これに限定されるものではない。また安全スイッチ（２＿ＳＷ）は、サブパック（２ｄ）とサブパック（２ｅ）の間に備えられるスイッチであって、バッテリーを交換したりバッテリーに対する作業を遂行する時作業者の安全のために受動的にオンオフしたりすることができるスイッチである。本発明による実施例では、サブパック（２ｄ）とサブパック（２ｅ）の間に安全スイッチ（２＿ＳＷ）が備えられるが、本発明はこれに限定されるものではない。出力端子（２＿ＯＵＴ１）及び出力端子（２＿ＯＵＴ２）はインバータ８と連結される。

電流センサー３は、バッテリー２の出力電流量を測定してＢＭＳ１のセンシング部１０に出力する。具体的には、電流センサー３はホール素子を用いて電流を測定し、測定された電流に対応するアナログ電流信号として出力するホールＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）であったり、バッテリーと負荷の中間ラインに位置した分流抵抗を通して、電流を数式によって変換した電圧信号形成する装置である。

冷却ファン４は、ＢＭＳ１の制御信号に基づいて、バッテリー２の充放電によって、発生したであろう熱を排出して、温度上昇によるバッテリー２の劣化及び充放電効率の低下を防止する。

ヒュ−ズ５は、バッテリー２の断線又は短絡によって過電流がバッテリー２に伝えられることを防止する。つまり、過電流が発生すればヒュ−ズ５は断線して、過電流がバッテリー２に伝えることを遮断する。

メインスイッチ６は過電圧、過電流、高温など異常現象が発生すればＢＭＳ１又は自動車のＭＴＣＵ７の制御信号に基づいて、バッテリー２をオンオフする。

ＢＭＳ１はセンシング部１０、ＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２０、内部電源供給部３０、セルバランシング部４０、格納部５０、通信部６０、保護回路部７０、パワーオンリセット部８０及び外部インターフェース９０を含む。

センシング部１０はバッテリー電圧を測定してＭＣＵ２０に伝達する。

以下、バッテリー出力端子の電圧をバッテリー電圧という。

ＭＣＵ２０は、センシング部１０から伝達されたバッテリー電圧に基づいて、バッテリー２のＳＯＣを検出して、バッテリー２の状態を知らせる情報を生成する。そしてＭＣＵ２０は、バッテリー２の状態を知らせる情報、例えばバッテリー電圧の時間的変化を自動車のＭＴＣＵ７に伝達する。またＭＣＵ２０は充放電が発生しない停車中であったり、定速走行の期間中、第１時点（Ｔ１）に対応する第１電圧（Ｖ１）及び第２時点（Ｔ２）に対応する第２電圧（Ｖ２）を感知して、電圧の時間的変化を近似する１次方程式を生成する。そして１次方程式を用いてＯＣＶを推定して、推定したＯＣＶに対応するＳＯＣを設定する。

内部電源供給部３０は、一般に補助バッテリーを用いてＢＭＳ１に電源を供給する装置である。セルバランシング部４０は、各セルの充電状態の均衡を合わせる。つまり、充電状態が比較的高いセルは放電させて、充電状態が比較的低いセルは充電させることができる。格納部５０は、ＢＭＳ１の電源がオフされる時、現在のＳＯＣ、ＳＯＨなどのデータを格納する。

通信部６０は自動車のＭＴＣＵ７と通信を行う。保護回路部７０は、ファームウエアを用いて、外部の衝撃、過電流、低電圧などからバッテリー２を保護するための回路である。パワーオンリセット部８０は、ＢＭＳ１の電源が点灯されれば全体システムをリセットする。外部インターフェース９０は冷却ファン４、メインスイッチ６等ＢＭＳの補助装置をＭＣＵ２０に連結するための装置である。本実施例では冷却ファン４及びメインスイッチ６だけが示されたが、これに限定されるものではない。

ＭＴＣＵ７は、車両のアクセル、ブレーキ、車両速度などの情報に基づいて、回転トルクの強度や回転数などのトルク情報を決めて、モータジェネレーター９の出力がトルク情報に合うように制御する。つまり、ＭＴＣＵ７はインバータ８のスイッチングを制御して、出力周波数や出力電流を調整してモータジェネレーター９の出力がトルク情報に合うように制御する。またＭＴＣＵ７はＢＭＳ１の通信部６０を通じてＭＣＵ２０から伝えられるバッテリー２のＳＯＣが伝達されて、バッテリー２のＳＯＣが目標値（例えば５５％）になるように制御する。例えば、ＭＣＵ２０から伝えられたＳＯＣが５５％以下であればインバータ８のスイッチを制御して、電力がバッテリー１０方向に入力されるようにしてバッテリー２を充電させて、この時バッテリー電流は‘−’値に設定する。一方、ＳＯＣが５５％以上であればインバータ８のスイッチを制御して、電力がモータジェネレーター９方向に出力されるようにしてバッテリー２を放電させて、この時バッテリー電流は‘＋’値に設定する。

インバータ８は、ＭＴＣＵ７の制御信号に基づいて、バッテリー２が充電及び放電されるようにする。モータジェネレーター９は、バッテリー２の電気エネルギーを用いてＭＴＣＵ７から伝えられるトルク情報に基づいて自動車を駆動する。

以下、バッテリーのＳＯＣ設定方法に関するバッテリー管理システム及びその駆動方法についても図２乃至図４を参照して説明する。

図２は、本発明の実施例によるバッテリー管理システムのＭＣＵ２０を概略的に示す図面であり、図３は図２を説明するための時間とバッテリー電圧の関係を概略的に示す図面である。

図２に示すようにＭＣＵ２０はＯＣＶ推定部２１０、データ格納部２２０及びＳＯＣ設定部２３０を含む。

ＯＣＶ推定部２１０は、充放電が発生しない停車中であったり、定速走行期間の間、センシング部１０から入力されるバッテリー電圧で第１時点（Ｔ１）のバッテリー電圧及び第２時点（Ｔ２）のバッテリー電圧を感知する。この時、第１時点（Ｔ１）はバッテリー２の内部電圧による抵抗成分の効果が除去される時間である。そして第２時点（Ｔ２）は内部抵抗による抵抗成分の効果が除去された後、電解質拡散による分極現象が解消され始める時点から所定の時間が経過した時間である。本発明の実施例による所定の時間は実験的に設定することができる。ＯＣＶ推定部２１０は、第１電圧（Ｖ１）及び第２電圧（Ｖ２）を検出した結果を用いてＯＣＶを推定する。

まず、ＯＣＶ推定部２１０はバッテリーの充放電が発生しない時、図３（ａ）でのように第１時点（Ｔ１）のバッテリー電圧の第１電圧（Ｖ１）と第１時点（Ｔ１）で一定時間後第２時点（Ｔ２）のバッテリー電圧の第２電圧（Ｖ２）を感知する。そしてＯＣＶ推定部２１０は図３（ａ）のグラフを直線化して、図３（ｂ）のグラフ形態に変換する。この時、図３（ａ）でのように時間（ｔ）が経過するほど、分極現象は解消され、バッテリー電圧は安定化される。理想的に時間が無限大である時、分極現象が完全に解消されて、正確なＯＣＶを検出することができる。本発明の実施例によるＭＣＵ２０はこのような原理を用いて、１次方程式を生成する。ＯＣＶ推定部２１０は１次方程式を用いて、時間が無限大である時、ＯＣＶ電圧を推定することができる。この時、最大限安定化が成った時点でＯＣＶを検出するために、先ず図３（ａ）のグラフを第１時点（Ｔ１）に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）、Ｖ１）及び第２時点（Ｔ２）に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）、Ｖ２）を通過する図３（ｂ）グラフ形態に変換して、１次方程式を生成する。この時、Ｘ軸座標は１／ｓｑｒｔ（Ｔ）を変数に有して、Ｙ軸座標はバッテリー電圧を変数に有する。

そしてＯＣＶ推定部２１０は、第１時点（Ｔ１）及び第２時点（Ｔ２）に対応する座標を用いて、線形化された図３（ｂ）グラフの傾きａ値は＜数式１＞を用いて検出する。

ａ＝（Ｖ２−Ｖ１）／｛１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）−１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）｝…＜数式１＞

そしてＯＣＶ推定部２１０は、傾きａを有する図３（ｂ）のグラフで＜数式２＞のような１次方程式を生成する。

Ｙ＝ Ａ ＋Ｘ（Ｖ２−Ｖ１）／｛１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）−１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）｝…＜数式２＞
（ここで、Ｘは時点（Ｔ）が変換された１／ｓｑｒｔ（Ｔ）の変数、Ｙは電圧値の変数）

そしてＯＣＶ推定部２１０は、図３（ｂ）の１／ｓｑｒｔ（Ｔ）軸で時点（Ｔ）値が無限大に行く時Ｘ軸座標の値が０になる。この時バッテリー電圧が安定化されているＸ軸座標が０である時、Ｙ軸での電圧（Ｖ）値のＡ値をＯＣＶと推定する。

データ格納部２２０は、バッテリーの状態情報が格納される。つまり、データ格納部２２０はＯＣＶに対応するＳＯＣに関するデータテーブルを含む。

ＳＯＣ設定部２３０は、ＯＣＶ推定部２１０からＯＣＶが伝達されてＯＣＶに対応するＳＯＣに関するデータテーブルを用いて、ＯＣＶに対応するＳＯＣを設定する。

図４は、本発明の実施例によりバッテリー管理システムの駆動方法を示すフローチャートである。

まず、ＢＭＳ１のＭＣＵ２０は充放電が発生しないか判断する（Ｓ１００）。

段階（Ｓ１００）で判断結果充放電が発生する場合、段階（Ｓ１００）から再び始める。段階（Ｓ１００）で判断結果充放電が発生しなければ、第１時点（Ｔ１）及び第１時点（Ｔ１）に対応するバッテリー電圧の第１電圧（Ｖ１）を感知し、第２時点（Ｔ２）及び第２時点（Ｔ２）に対応するバッテリー電圧の第２電圧（Ｖ２）を感知する（Ｓ２００）。

段階（Ｓ２００）で測定された第１時点（Ｔ１）に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）、Ｖ１）及び第２時点（Ｔ２）に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）、Ｖ２）を通過するグラフ形態に図３（ｂ）グラフのように変換して、それぞれの座標を含む＜数式２＞のような１次方程式を生成する（Ｓ３００）。

段階（Ｓ３００）で生成された１次方程式で、Ｘ軸座標が０である時、Ｙ軸座標の値のＡ値をＯＣＶと推定する（Ｓ４００）。

段階（Ｓ４００）で推定されたＯＣＶが伝達されてＯＣＶに対応するＳＯＣに関するデータテーブルを用いて、ＯＣＶに対応するＳＯＣを設定する（Ｓ５００）。

このように、本発明の実施例によるＯＣＶ推定によるＳＯＣ設定方法に関するバッテリー管理システム及びその駆動方法によれば、充放電が発生しない期間の間、第１時点（Ｔ１）及び第１時点（Ｔ１）に対応する第１電圧（Ｖ１）を感知し、第２時点（Ｔ２）及び第２時点（Ｔ２）に対応する第２電圧（Ｖ２）を感知して、１次方程式を生成する。そして生成された１次方程式を用いてＯＣＶを推定する。推定されたＯＣＶが伝達されてＯＣＶに対応するＳＯＣに関するデータテーブルを用いてＳＯＣを設定する。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。

本発明の実施例によるバッテリー、ＢＭＳ及びＢＭＳの周辺装置を概略的に示す図面である。 本発明の実施例によるバッテリー管理システムのＭＣＵ２０を概略的に示す図面である。 本発明の実施例により時間によるバッテリー電圧との関係を示すグラフである。 本発明の実施例によるバッテリー管理システムの駆動方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ＢＭＳ
２ バッテリー
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ サブパック
２＿ＯＵＴ１、２＿ＯＵＴ２ 出力端子
２＿ＳＷ 安全スイッチ
３ 電流センサー
４ 冷却ファン
５ ヒューズ
６ メインスイッチ
７ ＭＴＣＵ
８ インバータ
９ モータジェネレーター
１０ センシング部
２０ ＭＣＵ
３０ 内部電源供給部
４０ セルバランシング部
５０ 格納部
６０ 通信部
７０ 保護回路部
８０ パワーオンリセット部
９０ 外部インターフェース
２１０ ＯＣＶ推定部
２２０ データ格納部
２３０ ＳＯＣ設定部
ｔ 時間
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２ 時点
Ｖ１、Ｖ２ 電圧

Claims (3)

1. バッテリー管理システムで使用されるバッテリーのＳＯＣを設定するシステムであって、
   バッテリー電圧を測定するセンシング部と、
   第１時点及び第２時点を測定して、それぞれに対応する前記バッテリー電圧を検出して、前記バッテリー電圧の第１電圧及び第２電圧によってＯＣＶを推定して、前記ＯＣＶ対応するＳＯＣを設定するＭＣＵと、
   を含み、
   前記第１時点は、バッテリーの内部電圧による抵抗成分の効果が除去される時間であり、前記第２時点は内部抵抗による抵抗成分の効果が除去された後、電解質拡散による分極現象が解消され始める時点から所定の時間が経過した時間であるとともに、
   前記ＭＣＵは、
   前記第１電圧及び第２電圧を用いてＯＣＶを推定するＯＣＶ推定部と、
   前記ＯＣＶが伝達されてＯＣＶに対応するＳＯＣを設定するＳＯＣ設定部と、
   を更に含み、
   前記ＯＣＶ推定部は、
   前記第１時点に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）、Ｖ１）及び第２時点に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）、Ｖ２）を通過するグラフで、
   Ｙ＝ Ａ ＋Ｘ（Ｖ２−Ｖ１）／｛１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）−１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）｝
   （ここで、Ｘは時点が変換された１／ｓｑｒｔ（Ｔ）の変数、Ｙは電圧値の変数）
   として１次方程式を生成して、
   前記１次方程式で、Ｘ軸座標が０である時、Ｙ軸座標値のＡ値をＯＣＶと推定する
   ことを特徴とする、バッテリー管理システム。
2. バッテリー管理システムで使用されるバッテリーのＳＯＣを設定する駆動方法であって、
   ａ）充放電が発生しない期間の間、第１時点及び第２時点を測定し、前記第１時点に対応する第１電圧及び第２時点に対応する第２電圧を検出する段階と、
   ｂ）前記第１時点と第１電圧及び前記第２時点と第２電圧から成る１次方程式を生成する段階と、
   ｃ）前記１次方程式を用いてＯＣＶを推定する段階と、
   を含み、
   前記段階ｂ）は、
   前記第１時点に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）、Ｖ１）及び第２時点に対応する座標（１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）、Ｖ２）を通過するグラフで、
   Ｙ＝ Ａ ＋Ｘ（Ｖ２−Ｖ１）／｛１／ｓｑｒｔ（Ｔ２）−１／ｓｑｒｔ（Ｔ１）｝
   （ここで、Ｘは時点が変換された１／ｓｑｒｔ（Ｔ）の変数、Ｙは電圧値の変数）
   として１次方程式を生成して、
   前記１次方程式でＸ軸座標が０である時、Ｙ軸座標値のＡ値をＯＣＶと推定する段階を更に含む
   ことを特徴とする、バッテリー管理システムの駆動方法。
3. 前記推定されたＯＣＶを伝達されてＯＣＶに対応するＳＯＣに関するテーブルを用いてＳＯＣを設定する段階を含むことを特徴とする、請求項２に記載のバッテリー管理システムの駆動方法。