JP7498358B2 - バッテリー診断装置、バッテリーパック、電気車両及びバッテリー診断方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０２１年７月１２日付け出願の韓国特許出願第１０－２０２１－００９１２３１に基づく優先権を主張し、当該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。

本発明は、バッテリーセルの異常を診断する技術に関する。

近年、ノートパソコン、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激に伸び、電気車両、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、人工衛星などの開発が本格化するにつれて、繰り返して充放電可能な高性能バッテリーに対する研究が活発に行われている。

現在、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のバッテリーが商用化しているが、中でも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効果が殆ど起きず充放電が自在であって、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。

近年、高電圧を必要とするアプリケーション（例えば、電気車両、エネルギー貯蔵システム）が広く普及され、それにつれてバッテリーパック内に直列に接続された複数のバッテリーセルそれぞれの異常を正確に検出する診断技術の必要性が増大している。

従来は、主に、各バッテリーセルの状態パラメータ（例えば、セル電圧）を他のバッテリーセルのうちの少なくとも一つのバッテリーセルの状態パラメータと比較することで各バッテリーセルの異常を検出する方式を採用している。しかし、該方式は、（ｉ）複数のバッテリーセルの個数ほどの比較過程を経なければならないため、すべてのバッテリーセルの異常を個別的に診断するのに多くのソフトウェア的な資源（演算負荷）と時間が必要であるという短所、及び（ｉｉ）複数のバッテリーセルのうち異常バッテリーセルの個数が増えるほど誤診断が発生する可能性が高くなるという短所がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、単一のバッテリーセルまたは直列に接続された複数のバッテリーセルそれぞれの異常診断において、各バッテリーセルのセル電圧を他のバッテリーセルのセル電圧と比較する過程なしに、各バッテリーセルのセル電圧の経時的変化を活用して該当バッテリーセルの異常を診断するバッテリー診断装置、バッテリーパック、電気車両及びバッテリー診断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、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。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み合わせによって実現することができる。

本発明の一態様によるバッテリー診断装置は、バッテリーセルのセル電圧を測定するように構成される電圧検出器と、所定の期間にわたってサンプリング時間毎に測定された前記セル電圧を示す複数の電圧値の時系列である基準電圧カーブに第１時間長さのムービングウィンドウを適用して、複数のサブ電圧カーブを決定するように構成される制御回路と、を含む。前記制御回路は、各サブ電圧カーブに対し、前記第１時間長さの第１平均フィルタを用いて前記サブ電圧カーブの長期平均電圧値を決定し、前記第１時間長さよりも短い第２時間長さの第２平均フィルタを用いて前記サブ電圧カーブの短期平均電圧値を決定し、各サブ電圧カーブの前記長期平均電圧値及び前記短期平均電圧値の一方から他方を引いて、前記サブ電圧カーブに関連した電圧偏差を決定するように構成される。前記制御回路は、前記複数のサブ電圧カーブに対して決定された複数の前記電圧偏差のそれぞれを第１臨界偏差及び第２臨界偏差の少なくとも一つと比較し、前記バッテリーセルの異常を判断するように構成される。

前記第１臨界偏差は正の数であり、前記第２臨界偏差は前記第２臨界偏差と絶対値が等しい負の数であり得る。

前記制御回路は、前記複数のサブ電圧カーブのうちの所定個数以上のサブ電圧カーブの前記電圧偏差が、前記第１臨界偏差よりも大きいかまたは前記第２臨界偏差よりも小さい場合、前記バッテリーセルが異常であると判断するように構成され得る。

前記制御回路は、前記複数のサブ電圧カーブに対して決定された前記複数の電圧偏差のうちのいずれか二つの電圧偏差が第１条件、第２条件及び第３条件を満たす場合、前記バッテリーセルが異常であると判断するように構成され得る。前記第１条件は、前記二つの電圧偏差の一方が前記第１臨界偏差以上である場合に満たされる。前記第２条件は、前記二つの電圧偏差の他方が前記第２臨界偏差以下である場合に満たされる。前記第３条件は、前記二つの電圧偏差の間の時間間隔が臨界時間以下である場合に満たされる。

前記バッテリー診断装置は、前記バッテリーセルを通じて流れるバッテリー電流を測定するように構成される電流検出器をさらに含み得る。

前記制御回路は、前記所定の期間にわたって前記サンプリング時間毎に測定された前記バッテリー電流を示す複数の電流値の時系列である基準電流カーブに対して前記ムービングウィンドウを適用して、複数のサブ電流カーブを決定するように構成され得る。前記複数のサブ電流カーブは、前記複数のサブ電圧カーブに一対一で対応する。

前記制御回路は、各サブ電流カーブに対し、前記サブ電流カーブの最大電流値と最小電流値との差である電流変化量を決定し、前記電流変化量が臨界変化量未満であることを条件にして、前記サブ電流カーブに関連した前記サブ電圧カーブの前記長期平均電圧値及び前記短期平均電圧値を決定するように構成され得る。

本発明の他の一態様によるバッテリーパックは、上述したバッテリー診断装置を含む。

本発明のさらに他の一態様による電気車両は、上述したバッテリーパックを含む。

本発明のさらに他の一態様によるバッテリー診断方法は、所定の期間にわたってサンプリング時間毎に測定されたバッテリーセルのセル電圧を示す複数の電圧値の時系列である基準電圧カーブに第１時間長さのムービングウィンドウを適用して複数のサブ電圧カーブを決定する段階と、前記複数のサブ電圧カーブの各サブ電圧カーブに対し、前記第１時間長さの第１平均フィルタを用いて前記サブ電圧カーブの長期平均電圧値を決定し、前記第１時間長さよりも短い第２時間長さの第２平均フィルタを用いて前記サブ電圧カーブの短期平均電圧値を決定し、各サブ電圧カーブの前記長期平均電圧値及び前記短期平均電圧値の一方から他方を引いて、前記サブ電圧カーブに関連した電圧偏差を決定する段階と、前記複数のサブ電圧カーブに対して決定された複数の前記電圧偏差のそれぞれを第１臨界偏差及び第２臨界偏差の少なくとも一つと比較して前記バッテリーセルの異常を判断する段階と、を含む。

前記バッテリーセルの異常を判断する段階は、前記複数のサブ電圧カーブのうちの所定個数以上のサブ電圧カーブの前記電圧偏差が、前記第１臨界偏差よりも大きいかまたは前記第２臨界偏差よりも小さい場合、前記バッテリーセルが異常であると判断する段階であり得る。

前記バッテリーセルの異常を判断する段階は、前記複数のサブ電圧カーブに対して決定された前記複数の電圧偏差のうちのいずれか二つの電圧偏差が第１条件、第２条件及び第３条件を満たす場合、前記バッテリーセルが異常であると判断する段階であり得る。前記第１条件は、前記二つの電圧偏差の一方が前記第１臨界偏差以上である場合に満たされ得る。前記第２条件は、前記二つの電圧偏差の他方が前記第２臨界偏差以下である場合に満たされ得る。前記第３条件は、前記二つの電圧偏差の間の時間間隔が臨界時間以下である場合に満たされ得る。

本発明の一態様のうち少なくとも一つによれば、単一のバッテリーセルまたは直列に接続された複数のバッテリーセルそれぞれの異常診断において、各バッテリーセルのセル電圧を他のバッテリーセルのセル電圧と比較する過程なしに、各バッテリーセルのセル電圧の経時的変化を活用して該当バッテリーセルの異常を診断することができる。したがって、各バッテリーセルの異常を診断するのに必要なソフトウェア的な資源と時間を節約可能であると同時に、複数のバッテリーセルのうちの異常バッテリーセルの増加による誤診断の可能性が低下する。

本発明の一態様のうち少なくとも一つによれば、各バッテリーセルのセル電圧の長期的趨勢と短期的趨勢との差を求めることで、該当バッテリーセルのセル電圧の測定値に含まれた測定ノイズが効果的に除去され、該当バッテリーセルのセル電圧の異常な変化を精密に検出することができる。

本発明の効果は上記の効果に制限されず、他の効果は特許請求の範囲の記載から当業者に明確に理解できるであろう。

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形態を例示するものであり、発明の詳細な説明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ものであるため、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。

本発明による電気車両の構成を例示的に示した図である。 バッテリーセルのセル電圧の実際電圧値の原始時系列（ｒａｗ ｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ）に対応する電圧カーブを例示的に示したグラフである。 図２の電圧カーブに対応する原始時系列に測定ノイズを合成して取得された測定電圧カーブを例示的に示したグラフである。 図３の電圧カーブに第１平均フィルタを適用して取得される第１移動平均カーブを例示的に示したグラフである。 図３の電圧カーブに第２平均フィルタを適用して取得される第２移動平均カーブを例示的に示したグラフである。 図４の第１移動平均カーブと図５の第２移動平均カーブとの差である電圧偏差カーブを例示的に示したグラフである。 本発明の第１実施例によるバッテリー診断方法を例示的に示したフロー図である。 本発明の第２実施例によるバッテリー診断方法を例示的に示したフロー図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。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典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形態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形態に過ぎず、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ある一つをその他の要素と区別するために使われたものであり、これら用語によって構成要素が限定されることはない。

明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に言及されない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。また、明細書に記載された「制御回路」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意味し、ハードウェア、ソフトウェア、またはハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで具現され得る。

さらに、明細書の全体において、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されるとするとき、これは「直接的な連結（接続）」だけではなく、他の素子を介在した「間接的な連結（接続）」も含む。

図１は、本発明による電気車両の構成を例示的に示した図である。

図１を参照すると、電気車両１は、車両コントローラ２、バッテリーパック１０、インバータ３０、及び電気モータ４０を含む。バッテリーパック１０の充放電端子Ｐ＋、Ｐ－は、充電ケーブルなどを通じて充電器３に電気的に結合され得る。充電器３は、電気車両１に含まれたものであるか、または、充電ステーションに設けられたものであり得る。

車両コントローラ２（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）は、電気車両１に備えられた始動ボタン（図示せず）がユーザによってオン（ＯＮ）位置に変えられたことに応えて、キーオン信号をバッテリー診断装置１００に伝送するように構成される。車両コントローラ２は、始動ボタンがユーザによってオフ（ＯＦＦ）位置に変えられたことに応えて、キーオフ信号をバッテリー診断装置１００に伝送するように構成される。充電器３は、車両コントローラ２と通信して、バッテリーパック１０の充放電端子Ｐ＋、Ｐ－を通じて定電流または定電圧の充電電力を供給し得る。充電器３は、放電機能を有し得、後述する第１充電ステージＳ１の開始に先立って、車両コントローラ２の要請に応じてバッテリー１１のバッテリー電圧（例えば、ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）が所定の基準電圧以下になるようにバッテリー１１を放電させ得る。

バッテリーパック１０は、バッテリー１１、リレー２０及びバッテリー診断装置１００を含む。

バッテリー１１は、少なくとも一つのバッテリーセルＢＣを含む。図１には、バッテリー１１が直列に接続された複数のバッテリーセルＢＣ_１～ＢＣ_Ｎ（Ｎは２以上の自然数）を含むものとして例示されている。複数のバッテリーセルＢＣ_１～ＢＣ_Ｎは、互いに同じ電気化学的仕様を有するように提供されたものであり得る。以下、複数のバッテリーセルＢＣ_１～ＢＣ_Ｎに共通の内容を説明する際、バッテリーセルには参照符号「ＢＣ」を付することにする。

バッテリーセルＢＣは、例えばリチウムイオンセルのように繰り返して充放電可能なものであれば、その種類は特に限定されない。

リレー２０は、バッテリー１１とインバータ３０とを連結する電力経路を通じてバッテリー１１に電気的に直列に接続される。図１には、バッテリー１１の正極端子と充放電端子Ｐ＋との間に連結されているリレー２０が示されている。リレー２０は、バッテリー診断装置１００からのスイッチング信号に応答してオンオフ制御される。リレー２０は、コイルの磁気力によってオンオフされる機械式コンタクタであるか、または、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）のような半導体スイッチであり得る。

インバータ３０は、バッテリー診断装置１００または車両コントローラ２からの命令に応答して、バッテリーパック１０に含まれたバッテリー１１からの直流電流を交流電流に変換するように提供される。電気モータ４０は、インバータ３０からの交流電力を用いて駆動する。電気モータ４０としては、例えば三相交流モータを用い得る。インバータ３０及び電気モータ４０を含めて、バッテリー１１の放電電力の供給を受ける電気車両１内の構成を電気負荷と総称し得る。

バッテリー診断装置１００は、電圧検出器１１０及び制御回路１４０を含む。バッテリー診断装置１００は、電流検出器１２０、温度検出器１３０及び通信回路１５０のうちの少なくとも一つをさらに含み得る。

電圧検出器１１０は、バッテリーセルＢＣの正極端子及び負極端子に接続されてバッテリーセル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電圧信号を生成するように構成される。電圧検出器１１０は、電圧測定ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ、集積回路）などのような公知の電圧検出素子のうちの一つまたは二つ以上の組み合わせで具現され得る。

電流検出器１２０は、バッテリー１１とインバータ３０との間の電流経路を通じてバッテリー１１に直列に接続される。電流検出器１２０は、バッテリー１１を通じて流れるバッテリー電流（「充放電電流」とも称する）を測定し、測定されたバッテリー電流を示す電流信号を生成するように構成される。複数のバッテリーセルＢＣ_１～ＢＣ_Ｎが直列に接続されているため、複数のバッテリーセルＢＣ_１～ＢＣ_Ｎのうちのいずれかに流れるバッテリー電流は他のバッテリーセルに流れるバッテリー電流と同一である。電流検出器１２０は、シャント抵抗、ホール効果素子などのような公知の電流検出素子のうちの一つまたは二つ以上の組み合わせで具現され得る。

温度検出器１３０は、バッテリー１１の温度であるバッテリー温度を測定し、測定されたバッテリー温度を示す温度信号を生成するように構成される。温度検出器１３０は、熱電対、サーミスタ、バイメタルなどのような公知の温度検出素子のうちの一つまたは二つ以上の組み合わせで具現され得る。

通信回路１５０は、制御回路１４０と車両コントローラ２との間の有線通信または無線通信を支援するように構成される。有線通信は、例えばＣＡＮ（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）通信であり得、無線通信は、例えばジグビー（登録商標）（ＺｉｇＢｅｅ（登録商標））やブルートゥース（登録商標）（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））通信であり得る。勿論、制御回路１４０と車両コントローラ２との間の有無線通信を支援するものであれば、通信プトトコルの種類は特に限定されない。通信回路１５０は、制御回路１４０及び／または車両コントローラ２から受信された情報をユーザ（運転者）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）を含み得る。

制御回路１４０は、リレー２０、電圧検出器１１０及び通信回路１５０に動作可能に結合される。二つの構成が動作可能に結合されるとは、片方向または両方向に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。

制御回路１４０は、電圧検出器１１０からの電圧信号、電流検出器１２０からの電流信号、及び／または温度検出器１３０からの温度信号を収集し得る。すなわち、制御回路１４０は、内部に設けられたアナログ－デジタル変換回路（ＡＤＣ：Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いて、センサ（１１０、１２０、１３０）から収集されたそれぞれのアナログ信号をデジタル値に変換及び記録し得る。代案的には、電圧検出器１１０、電流検出器１２０及び温度検出器１３０はそれぞれ、その内部にＡＤＣを含み、デジタル値を制御回路１４０に伝送し得る。

制御回路１４０は、「バッテリーコントローラ」とも称され、ハードウェア的に、ＡＳＩＣｓ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ）、ＤＳＰｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ）、ＤＳＰＤｓ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＰＬＤｓ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ）、ＦＰＧＡｓ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙｓ）、マイクロプロセッサ、その他の機能を実行するための電気的ユニットのうちの少なくとも一つを用いて具現され得る。

メモリ１４１は、例えばフラッシュメモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｄｉｓｋ）、ＳＤＤ（ｓｉｌｉｃｏｎ ｄｉｓｋ ｄｒｉｖｅ）、マルチメディアマイクロカード、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（ｓｔａｔｉｃ ＲＡＭ）、ＲＯＭ（ｒｅａｄ ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｅｒａｓａｂｌｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＰＲＯＭ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）のうち少なくとも一つの形態の記録媒体を含み得る。メモリ１４１には、制御回路１４０による演算動作に必要なデータ及びプログラムが記録され得る。メモリ１４１には、制御回路１４０による演算動作の結果を示すデータが記録され得る。メモリ１４１には、バッテリーセルＢＣの異常を判断するのに用いられる、データセット及びソフトウェアが記録され得る。メモリ１４１は、制御回路１４０内に集積化され得る。

電気負荷（３０、４０）及び／または充電器３の動作中にリレー２０がターンオンされる場合、バッテリー１１は充電モードまたは放電モードになる。バッテリー１１が充電モードまたは放電モードで使用されている途中にリレー２０がターンオフされると、バッテリー１１は休止モードに切り換えられる。

制御回路１４０は、キーオン信号に応答してリレー２０をターンオンさせ得る。制御回路１４０は、キーオフ信号に応答してリレー２０をターンオフさせ得る。キーオン信号は、休止から充電または放電への切換を要請する信号である。キーオフ信号は、充電または放電から休止への切換を要請する信号である。代案的にリレー２０のオンオフ制御は、制御回路１４０の代わりに車両コントローラ２が担当してもよい。

図１の図示ではバッテリー診断装置１００が電気車両１のためのバッテリーパック１０に含まれているが、これは一例として理解されねばならない。すなわち、バッテリー診断装置１００は、バッテリーセルＢＣの製造工程で異常バッテリーセルの選別に用いられるテストシステムに含まれてもよい。

図２はバッテリーセルのセル電圧の実際電圧値の原始時系列に対応する電圧カーブを例示的に示したグラフであり、図３は図２の電圧カーブに対応する原始時系列に測定ノイズを合成して取得された測定電圧カーブを例示的に示したグラフであり、図４は図３の電圧カーブに第１平均フィルタを適用して取得される第１移動平均カーブを例示的に示したグラフであり、図５は図３の電圧カーブに第２平均フィルタを適用して取得される第２移動平均カーブを例示的に示したグラフであり、図６は図４の第１移動平均カーブと図５の第２移動平均カーブとの差である電圧偏差カーブを例示的に示したグラフである。

まず、図２を参照すると、電圧カーブ２００は、所定の期間ｔ_１～ｔ_Ｍにわたって充電するとき、バッテリーセルＢＣのセル電圧の実際電圧値を含む原始時系列の一例である。理解を助けるため、セル電圧は線形的に増加し、ｔ_１以前の期間とｔ_Ｍ以後の期間に対する実際電圧値の図示は省略した。

バッテリーセルＢＣが正常である場合、充電中にはセル電圧が持続的に緩やかに上昇する。一方、バッテリーセルＢＣがその内部に如何なる故障（例えば、微細な短絡、電極タブの一部分が破れる）が生じた異常状態である場合、充電中であるにもセル電圧が一時的に急低下または急上昇する異常挙動が不規則に観測され得る。図２の電圧カーブ２００は、バッテリーセルＢＣの異常に関連するものであり、領域Ｘはセル電圧が異常に急低下する時間範囲を、領域Ｙはセル電圧が異常に急上昇する時間範囲を示している。図２は充電中のセル電圧を例示しているが、異常バッテリーセルは放電中または休止中にもセル電圧が異常に変化し得る。例えば、放電中において、正常バッテリーセルのセル電圧は持続的に緩やかに低下する一方、異常バッテリーセルのセル電圧は一時的に急上昇または急低下し得る。

次いで、図３を参照すると、電圧カーブ３００は、図２の電圧カーブ２００の実際セル電圧に測定ノイズが合成された結果、すなわち、測定されたセル電圧を示す電圧値を時間順に整列した時系列を示す。Ｍが所定の総サンプリング回数（例えば、３００）を示す自然数であり、ＫがＭ以下の自然数であるとすると、ｔ_Ｋは電圧カーブ３００に含まれた総Ｍ個の電圧値のうち時間順にＫ番目の電圧値（Ｖ_ｍ［Ｋ］）の測定タイミング（第Ｋ測定タイミングｔ_Ｋ）であり、隣接した二つの測定タイミングの間の時間間隔は所定のサンプリング時間（例えば、０．１秒）だけ離隔している。電圧値（Ｖ_ｍ［Ｋ］）は、電圧カーブ３００に含まれた総Ｍ個の電圧値のうち、測定タイミングｔ_Ｋにインデックスされたデータポイントである。

測定ノイズは、電圧検出器１１０の内外部的な要因（例えば、電圧測定器の温度、サンプリングレート、電磁気波など）によって時間に応じて不規則に発生し得る。電流カーブ３１０は、所定の期間ｔ_１～ｔ_Ｍにわたって測定されたバッテリー電流の電流値を含む時系列である。説明の便宜上、バッテリー電流は所定の期間ｔ_１～ｔ_Ｍ中に一定しているものとして例示した。

図３の電圧カーブ３００を図２の電圧カーブ２００と比較すると、図２の測定ノイズのない電圧カーブ２００からは異常挙動（Ｘ、Ｙ）を容易に識別できる一方、図３の所定の期間ｔ_１～ｔ_Ｍの全体にわたって測定ノイズが混在された電圧カーブ３００からは異常挙動（Ｘ、Ｙ）を識別し難いという課題がある。

本発明者らは、セル電圧の測定タイミングで発生した測定ノイズが含まれた電圧値（測定値）の時系列（３００）に第１平均フィルタ及び第２平均フィルタを適用することで、上述した課題が解決されることを確認した。診断対象であるバッテリーセルＢＣに対し、過去の所定期間にわたって取得された電圧値の時系列を「基準電圧カーブ」と称し、電流値の時系列を「基準電流カーブ」と称し得る。以下では、電圧カーブ３００及び電流カーブ３１０をそれぞれ基準電圧カーブ及び基準電流カーブと仮定して説明する。

まず、制御回路１４０は、基準電圧カーブ３００に対し、第１時間長さのムービングウィンドウを適用して複数のサブ電圧カーブを決定し得る。さらに、制御回路１４０は、基準電流カーブ３１０に対し、第１時間長さのムービングウィンドウを適用して、複数のサブ電圧カーブに一対一で対応する複数のサブ電流カーブを決定し得る。

ＫがＭ以下の自然数であるとすると、基準電圧カーブ３００から総Ｍ個のサブ電圧カーブ（すなわち、第１～第Ｍサブ電圧カーブ）が決定され得る。基準電圧カーブ３００は、サンプリング時間Ｗ毎に順次に測定された総Ｍ個の電圧値（すなわち、第１～第Ｍ電圧値）を含む。サブ電圧カーブＳ_Ｋは、基準電圧カーブ３００の部分集合として時間順に連続した（Ａ／Ｗ＋１）個の電圧値を含む。一例として、サンプリング時間Ｗが０．１秒、第１時間長さＡが１０秒である場合、サブ電圧カーブＳ_Ｋは総１０１個の電圧値、すなわち第（Ｋ－Ｐ）電圧値から第（Ｋ＋Ｐ）電圧値までの時系列である。Ｐ＝Ａ／２Ｗ＝５０。

図３において、Ｒ_Ｋはサブ電圧カーブＳ_Ｋに関連したサブ電流カーブである。したがって、サブ電流カーブＲ_Ｋも時間順に連続した（Ａ／Ｗ＋１）個のデータポイント（電流値）を含み得る。

バッテリー電流が大きく変動するほど、セル電圧も大きく変動する。バッテリー電流によるセル電圧の急激な変動は、基準電圧カーブ３００からセル電圧の異常な挙動を識別するのに妨害要素になる。したがって、制御回路１４０は、サブ電流カーブＲ_Ｋの電流変化量が臨界変化量以下であることを条件にして、サブ電圧カーブＳ_Ｋに対する後述する演算過程を行い得る。サブ電流カーブＲ_Ｋの電流変化量は、サブ電流カーブＲ_Ｋの最大電流値と最小電流値との差であり得る。本発明は、定電流充電または休止のようにバッテリー電流の変動が小さい期間中に測定されたセル電圧の時系列からバッテリーセルの異常を診断するのに適している。

図４を参照すると、第１平均電圧カーブ４００は、基準電圧カーブ３００に第１時間長さＡの第１平均フィルタを適用して取得される。第１平均フィルタは、ローパスフィルタ（ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）の一種であって、第１時間長さＡに対応する部分集合サイズ（ｓｕｂｓｅｔ ｓｉｚｅ、Ａ／Ｗ＋１）を有する中心化移動平均（ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｍｏｖｉｎｇ ａｖｅｒａｇｅ）であり得る。一例として、制御回路１４０は、サブ電圧カーブＳ_Ｋに含まれた（Ａ／Ｗ＋１）個の電圧値、すなわち、第（Ｋ－Ｐ）電圧値～第（Ｋ－１）電圧値、第Ｋ電圧値、及び第（Ｋ＋１）電圧値～第（Ｋ＋Ｐ）電圧値を平均して、測定タイミングｔ_Ｋにインデックスされる長期平均電圧値Ｖ_ａｖ１［Ｋ］を決定する。下記の数式１は、第１平均フィルタを示す。

… 数式１

数式１において、Ｖ_ｍ［ｉ］は基準電圧カーブ３００に含まれた第ｉ電圧値、Ａは第１時間長さ、Ｗはサンプリング時間、ＰはＡ／２Ｗ、Ｖ_ａｖ１［Ｋ］は測定タイミングｔ_Ｋにおける長期平均電圧値である。制御回路１４０は、数式１のＫに１からＭを代入することで、図４の第１平均電圧カーブ４００を決定し得る。第１時間長さＡはサンプリング時間Ｗの整数倍として予め決められている。したがって、第１時間長さＡは、長期平均電圧値Ｖ_ａｖ１［Ｋ］を求めるのに用いられる部分集合の大きさ（Ａ／Ｗ＋１）を示す。

図５を参照すると、第２平均電圧カーブ５００は、基準電圧カーブ３００に第１時間長さＡよりも短い第２時間長さＢの第２平均フィルタを適用して取得される。第２平均フィルタは、ローパスフィルタの一種であって、第２時間長さＢに対応する部分集合サイズ（Ｂ／Ｗ＋１）を有する中心化移動平均であり得る。一例として、制御回路１４０は、サブ電圧カーブＳ_Ｋに含まれた（Ｂ／Ｗ＋１）個の電圧値、すなわち、第（Ｋ－Ｑ）電圧値～第（Ｋ－１）電圧値、第Ｋ電圧値、及び第（Ｋ＋１）電圧値～第（Ｋ＋Ｑ）電圧値を平均して、測定タイミングｔ_Ｋにインデックスされる短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］を決定する。Ｑ＝Ｂ／２Ｗ。短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］は、サブ電圧カーブＳ_Ｋの部分集合Ｕ_Ｋの平均である。部分集合Ｕ_Ｋは、サブ電圧カーブＳ_Ｋの時間範囲ｔ_Ｋ－Ｐ～ｔ_Ｋ＋Ｐ内に位置しながら、時間範囲ｔ_Ｋ－Ｐ～ｔ_Ｋ＋Ｐと中心ｔ_Ｋが同一である時間範囲ｔ_Ｋ－Ｑ～ｔ_Ｋ＋Ｑの電圧カーブである。下記の数式２は、第２平均フィルタを示す。

… 数式２

数式２において、Ｖ_ｍ［ｉ］は基準電圧カーブ３００に含まれた第ｉ電圧値、Ｂは第２時間長さ、Ｗはサンプリング時間、ＱはＢ／２Ｗ、Ｖ_ａｖ２［Ｋ］は測定タイミングｔ_Ｋにおける短期平均電圧値である。制御回路１４０は、数式２のＫに１からＭを一度ずつ代入することで、図５の第２平均電圧カーブ５００を決定し得る。第２時間長さＢはサンプリング時間Ｗの整数倍として予め決められている。したがって、第２時間長さＢは、短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］を求めるのに用いられる部分集合の大きさ（Ｂ／Ｗ＋１）を示す。

第１時間長さＡ＞第２時間長さＢ、第１平均電圧カーブ４００の各データポイント（すなわち、長期平均電圧値）を「長期平均値」と称し、第２平均電圧カーブ５００の各データポイント（すなわち、短期平均電圧値）を「短期平均値」と称し得る。一例として、ＡはＢの１０倍であり得る。

図６を参照すると、電圧偏差カーブ６００は、第１平均電圧カーブ４００及び第２平均電圧カーブ５００の一方から他方を引いた結果である。すなわち、電圧偏差カーブ６００は、所定の期間ｔ_１～ｔ_Ｍに対する総Ｍ個の電圧偏差の時系列である。サブ電圧カーブＳ_Ｋに関連した電圧偏差ΔＶ［Ｋ］は、長期平均電圧値Ｖ_ａｖ１［Ｋ］及び短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］の一方から他方を引いた値である。一例として、ΔＶ［Ｋ］＝Ｖ_ａｖ２［Ｋ］－Ｖ_ａｖ１［Ｋ］である。

上述したように、長期平均電圧値Ｖ_ａｖ１［Ｋ］は測定タイミングｔ_Ｋを中心にする第１時間長さＡの長期間に対する平均セル電圧であり、短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］は測定タイミングｔ_Ｋを中心にする第２時間長さＢの短期間に対する平均セル電圧である。したがって、長期平均電圧値Ｖ_ａｖ１［Ｋ］及び短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］の一方から他方を引いて電圧偏差ΔＶ［Ｋ］を求めることで、測定タイミングｔ_Ｋ前後の一定期間にわたって発生した測定ノイズが効果的に除去される効果がある。

長期平均電圧値Ｖ_ａｖ１［Ｋ］及び短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］の一方から他方を引く過程を通じて、測定タイミングｔ_Ｋ前後の一定期間にわたって発生した測定ノイズが相当水準で相殺される長所がある。

制御回路１４０は、電圧偏差ΔＶ［Ｋ］を第１臨界偏差ＴＨ_１及び第２臨界偏差ＴＨ_２と比較し得る。第１臨界偏差ＴＨ_１は所定の正の数（例えば、＋０．００１Ｖ）であり、第２臨界偏差ＴＨ_２は第１臨界偏差ＴＨ_１と絶対値が等しい所定の負の数（例えば、－０．００１Ｖ）であり得る。

制御回路１４０は、電圧偏差カーブ６００に含まれたすべての電圧偏差のうち所定個数（例えば、１０）以上の電圧偏差が、第１臨界偏差ＴＨ_１以上であるかまたは第２臨界偏差ＴＨ_２以下である場合、バッテリーセルＢＣが異常であると判断し得る。

制御回路１４０は、電圧偏差カーブ６００に含まれた総Ｍ個の電圧偏差のうち、ある二つの電圧偏差が第１条件、第２条件及び第３条件を満たす場合、バッテリーセルＢＣが異常であると判断し得る。第１条件は、二つの電圧偏差の一方が第１臨界偏差ＴＨ_１以上である場合に満たされる。第２条件は、二つの電圧偏差の他方が第２臨界偏差ＴＨ_２以下である場合に満たされる。第３条件は、二つの電圧偏差の間の時間間隔が臨界時間以下である場合に満たされる。臨界時間は、第１時間長さＡ未満に予め決められ得る。図６を参照すると、電圧偏差ΔＶ［ａ］は第２臨界偏差ＴＨ_２以下であり（第２条件を満たす）、電圧偏差ΔＶ［ｂ］は第１臨界偏差ＴＨ_１以上である（第１条件を満たす）。したがって、二つの電圧偏差（ΔＶ［ａ］、ΔＶ［ｂ］）の間の時間間隔（Δｔ＝ｔｂ－ｔａ）が臨界時間以下である場合、バッテリーセルＢＣは異常であると判断される。

図７は、本発明の第１実施例によるバッテリー診断方法を例示的に示したフロー図である。

図１～図７を参照すると、段階Ｓ７１０において、制御回路１４０は、基準電圧カーブ３００に第１時間長さＡのムービングウィンドウを適用して複数のサブ電圧カーブを決定する。基準電圧カーブ３００は、所定の期間ｔ_１～ｔ_Ｍにわたってサンプリング時間毎に測定されたバッテリーセルＢＣのセル電圧を示す複数の電圧値の時系列である。

段階Ｓ７２０において、制御回路１４０は、複数のサブ電圧カーブの各サブ電圧カーブＳ_Ｋに関連した電圧偏差ΔＶ［Ｋ］を決定する。段階Ｓ７２０は、下位段階として段階Ｓ７２２、Ｓ７２４及びＳ７２６を含み得る。

段階Ｓ７２２において、制御回路１４０は、第１時間長さＡの第１平均フィルタを用いてサブ電圧カーブＳ_Ｋの長期平均電圧値Ｖ_ａｖ１［Ｋ］を決定する（数式１を参照）。

段階Ｓ７２４において、制御回路１４０は、第２時間長さＢの第２平均フィルタを用いてサブ電圧カーブＳ_Ｋの短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］を決定する（数式２を参照）。

段階Ｓ７２６において、制御回路１４０は、長期平均電圧値Ｖ_ａｖ１［Ｋ］及び短期平均電圧値Ｖ_ａｖ２［Ｋ］の一方から他方を引いて電圧偏差ΔＶ［Ｋ］を決定する。

段階Ｓ７３０において、制御回路１４０は、複数のサブ電圧カーブに対して決定された複数の電圧偏差のそれぞれを第１臨界偏差及び第２臨界偏差の少なくとも一つと比較してバッテリーセルＢＣの異常を判断する。段階Ｓ７３０の値が「はい」である場合、段階Ｓ７４０に進む。

段階Ｓ７４０において、制御回路１４０は、バッテリーセルＢＣが異常であることを通知する診断メッセージを生成する。診断メッセージは、車両コントローラ２及び／またはユーザデバイスに有無線を通じて伝送され得る。

図８は、本発明の第２実施例によるバッテリー診断方法を例示的に示したフロー図である。

図１～図６及び図８を参照すると、段階Ｓ８００において、制御回路１４０は、基準電流カーブ３１０に第１時間長さＡのムービングウィンドウを適用して複数のサブ電流カーブを決定する。基準電流カーブ３１０は、所定の期間ｔ_１～ｔ_Ｍにわたってサンプリング時間毎に測定されたバッテリーセルＢＣのバッテリー電流を示す複数の電流値の時系列である。

段階Ｓ８１０において、制御回路１４０は、基準電圧カーブ３００に第１時間長さＡのムービングウィンドウを適用して複数のサブ電圧カーブを決定する。段階Ｓ８１０は、段階Ｓ７１０と同じである。

段階Ｓ８１２において、制御回路１４０は、各サブ電流カーブＲ_Ｋの電流変化量を決定する。

段階Ｓ８２０において、制御回路１４０は、複数のサブ電圧カーブのうち、電流変化量が臨界変化量以下である各サブ電流カーブＲ_Ｋに関連した各サブ電圧カーブＳ_Ｋの電圧偏差ΔＶ［Ｋ］を決定する。段階Ｓ８２０は、図７の段階Ｓ７２２、Ｓ７２４、Ｓ７２６を含み得る。

段階Ｓ８３０において、制御回路１４０は、段階Ｓ８２０で決定された各電圧偏差を第１臨界偏差及び第２臨界偏差の少なくとも一つと比較してバッテリーセルＢＣの異常を判断する。段階Ｓ８３０の値が「はい」である場合、段階Ｓ８４０に進む。

段階Ｓ８４０において、制御回路１４０は、バッテリーセルＢＣが異常であることを通知する診断メッセージを生成する。

上述した本発明の実施形態は、装置及び方法のみによって具現されるものではなく、本発明の実施形態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も具現され得、このような具現は上述した実施形態の記載から当業者であれば容易に具現できるであろう。

以上のように、本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、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、上述した本発明は、本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者により、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換、変形及び変更が可能であって、上述した実施形態及び添付の図面によって限定されるものではなく、多様な変形のため各実施形態の全部または一部が選択的に組み合わせられて構成され得る。

１：電気車両
２：車両コントローラ
１０：バッテリーパック
１１：バッテリー
ＢＣ：バッテリーセル
１００：バッテリー診断装置
１１０：電圧検出器
１２０：電流検出器
１４０：制御回路

Claims (12)

1. バッテリーセルのセル電圧を測定する電圧検出器と、
   所定の期間にわたってサンプリング時間毎に測定された前記セル電圧を示す複数の電圧値の時系列である基準電圧カーブに第１時間長さのムービングウィンドウを適用して、複数のサブ電圧カーブを決定する制御回路と、を含み、
   前記制御回路は、各サブ電圧カーブに対し、前記第１時間長さの第１平均フィルタを用いて前記サブ電圧カーブの長期平均電圧値を決定し、前記第１時間長さよりも短い第２時間長さの第２平均フィルタを用いて前記サブ電圧カーブの短期平均電圧値を決定し、各サブ電圧カーブの前記長期平均電圧値及び前記短期平均電圧値の一方から他方を引いて、前記サブ電圧カーブに関連した電圧偏差を決定し、
   前記制御回路は、前記複数のサブ電圧カーブに対して決定された複数の前記電圧偏差のそれぞれを第１臨界偏差及び第２臨界偏差の少なくとも一つと比較し、前記バッテリーセルの異常を判断する、バッテリー診断装置。
2. 前記第１臨界偏差は正の数であり、
   前記第２臨界偏差は前記第１臨界偏差と絶対値が等しい負の数である、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
3. 前記制御回路は、
   前記複数のサブ電圧カーブのうちの所定個数以上のサブ電圧カーブの前記電圧偏差が、前記第１臨界偏差よりも大きいかまたは前記第２臨界偏差よりも小さい場合、前記バッテリーセルが異常であると判断する、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
4. 前記制御回路は、
   前記複数のサブ電圧カーブに対して決定された前記複数の電圧偏差のうちのいずれか二つの電圧偏差が第１条件、第２条件及び第３条件を満たす場合、前記バッテリーセルが異常であると判断し、
   前記第１条件は、前記二つの電圧偏差の一方が前記第１臨界偏差以上である場合に満たされ、
   前記第２条件は、前記二つの電圧偏差の他方が前記第２臨界偏差以下である場合に満たされ、
   前記第３条件は、前記二つの電圧偏差の間の時間間隔が臨界時間以下である場合に満たされる、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
5. 前記バッテリーセルを通じて流れるバッテリー電流を測定する電流検出器をさらに含む、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
6. 前記制御回路は、
   前記所定の期間にわたって前記サンプリング時間毎に測定された前記バッテリー電流を示す複数の電流値の時系列である基準電流カーブに対して前記ムービングウィンドウを適用して複数のサブ電流カーブを決定し、
   前記複数のサブ電流カーブは、前記複数のサブ電圧カーブに一対一で対応する、請求項５に記載のバッテリー診断装置。
7. 前記制御回路は、各サブ電流カーブに対し、
   前記サブ電流カーブの最大電流値と最小電流値との差である電流変化量を決定し、
   前記電流変化量が臨界変化量未満であることを条件にして、前記サブ電流カーブに関連した前記サブ電圧カーブの前記長期平均電圧値及び前記短期平均電圧値を決定する、請求項６に記載のバッテリー診断装置。
8. 請求項１から７のうちいずれか一項に記載のバッテリー診断装置を含む、バッテリーパック。
9. 請求項８に記載のバッテリーパックを含む、電気車両。
10. 所定の期間にわたってサンプリング時間毎にバッテリーセルのセル電圧を測定し、前記セル電圧を示す複数の電圧値の時系列である基準電圧カーブに第１時間長さのムービングウィンドウを適用して複数のサブ電圧カーブを決定する段階と、
    前記複数のサブ電圧カーブの各サブ電圧カーブに対し、前記第１時間長さの第１平均フィルタを用いて前記サブ電圧カーブの長期平均電圧値を決定し、前記第１時間長さよりも短い第２時間長さの第２平均フィルタを用いて前記サブ電圧カーブの短期平均電圧値を決定し、各サブ電圧カーブの前記長期平均電圧値及び前記短期平均電圧値の一方から他方を引いて前記サブ電圧カーブに関連した電圧偏差を決定する段階と、
    前記複数のサブ電圧カーブに対して決定された複数の前記電圧偏差のそれぞれを第１臨界偏差及び第２臨界偏差の少なくとも一つと比較して前記バッテリーセルの異常を判断する段階と、を含む、バッテリー診断方法。
11. 前記バッテリーセルの異常を判断する段階は、
    前記複数のサブ電圧カーブのうちの所定個数以上のサブ電圧カーブの前記電圧偏差が、前記第１臨界偏差よりも大きいかまたは前記第２臨界偏差よりも小さい場合、前記バッテリーセルが異常であると判断する段階である、請求項１０に記載のバッテリー診断方法。
12. 前記バッテリーセルの異常を判断する段階は、
    前記複数のサブ電圧カーブに対して決定された前記複数の電圧偏差のうちのいずれか二つの電圧偏差が第１条件、第２条件及び第３条件を満たす場合、前記バッテリーセルが異常であると判断する段階であり、
    前記第１条件は、前記二つの電圧偏差の一方が前記第１臨界偏差以上である場合に満たされ、
    前記第２条件は、前記二つの電圧偏差の他方が前記第２臨界偏差以下である場合に満たされ、
    前記第３条件は、前記二つの電圧偏差の間の時間間隔が臨界時間以下である場合に満たされる、請求項１０または１１に記載のバッテリー診断方法。

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