KR101015185B1 - 상태검지장치 및 이것을 이용하는 장치 - Google Patents

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미야자키히데키
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홈부미츠유키
사사자와가즈요시
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신코베덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 연산에 사용되는 특성 데이터가 적더라도 고도로 정밀하게 축전수단의 상태를 검지할 수 있는 상태검지장치 및 이를 이용하는 장치에 관한 것이다.
상기 상태검지장치는 특성데이터, 연산정보 및 설정정보를 저장하는 메모리, 상기 축전수단의 상태를 나타내는 상태정보를 연산하고, 보정을 수행하는 보정정보를 연산하는 연산수단, 상기 연산수단의 입력을 보정하는 제1보정수단 및 기억수단에 기억되거나 설정된 정보를 보정하는 제2보정수단을 포함한다.

Description

상태검지장치 및 이것을 이용하는 장치 {STATE DETECTING SYSTEM AND DEVICE EMPLOYING THE SAME}
도 1은 본 발명의 전원장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 전원장치의 연산과정을 나타내는 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 축전수단의 등가회로를 나타내는 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 축전수단의 SOC와 허용충방전전류 사이의 관계를 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 축전수단의 펄스전류에 의한 충전시의 전압변동을 나타내는 선도,
도 6은 본 발명의 전원장치의 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 축전수단의 0CV와 S0C의 관계를 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 상태검지장치 및 전원장치를 적용한 태양광의 분산형 전력저장장치의 구성도,
도 9는 본 발명의 상태검지장치 및 전원장치를 적용한 자동차의 구성도,
도 10은 종래의 잔존용량추정방법을 나타내는 구성도이다.
본 발명은 리튬 2차전지나 니켈 수소전지, 납 시일전지, 전기 2중층 캐패시터 등의 축전수단에 대하여 그 충전상태 및 잔존용량 등의 상태를 검지하는 새로운 상태검지장치 및 상태검지장치를 사용한 전원장치, 분산형 전력저장장치 및 전기자동차에 관한 것이다.
전지 등의 축전수단을 사용한 전원장치, 분산형 전력저장장치, 전기자동차에서는, 축전수단을 안전하고 효과적으로 사용하기 위하여 축전수단의 상태를 검지하는 상태검지장치가 사용되고 있다. 축전수단의 상태는 어느 정도까지 충전되어 있는지, 또는 어느 정도 방전 가능한 전하량이 남아 있는지를 나타내는 충전상태(이하, "SOC"라 함) 또는 얼마나 소진되었는지 또는 어느 정도까지 약해졌는지를 나타내는 건강상태(이하, "S0H"라 함) 또는 열화도 등을 나타낸다.
휴대기기용과 전기자동차 등등의 전원장치에서의 SOC는 완전충전상태로부터 방전전류를 적산하고, 최대로 충전 가능한 전하량(이하, "전용량"이라 함)에 대하여 축전수단에 남아 있는 전하량(이하, "잔존용량"이라 함)의 비를 연산함으로써 검출될 수 있다. 그러나 많은 축전수단은 SOH, 온도 등등에 따라 전용량이 변화하기 때문에, 이러한 경시변화나 환경변화에 대한 정확한 SOC 검출이 어렵다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 전지의 열화를 고려하는 종래의 잔존용량 추정방법으로서, 예를 들면 일본국 특개평 10-289734호 공보에 개시된 내용이 알려져 있다. 도 10은 상기 공보의 잔존용량 추정방법을 나타내는 도면이다. 이 방법에서는 전지의 온도에 의거하여 연산한 온도보정계수 및 전지의 열화에 의거하 여 연산한 열화보정계수에 의하여 초기 전지특성이 보정되고, 이 보정된 전지특성, 방전시의 방전전류 및 단자전압에 의거하여 전지의 잔존용량이 연산된다.
일본국 특개평 11-218567호 공보에는, 온도보정계수, 내부저항열화 보정계수, 용량열화 보정계수에 대하여 초기전지특성을 보정하여 열화발생시의 전지특성을 연산하는 방법이 개시되어 있다.
일본국 특개 2000-166105호 공보에는, 충방전전류에 의거하여 충전상태를 검지하고, 전압에 의거하여 축전상태를 검지하여, 이들 검지에 의거하여 충전상태를 제어하는 제어장치가 개시되어 있다.
일본국 특개 2000-166109호 공보에는, 충방전전류와 전압에 의거하여 기전압을 구하고, 이 기전압과 충전특성을 기초로, 충전특성을 구하는 연산수단을 가지는 충전상태검지장치가 개시되어 있다.
일본국 특개 2001-85071호 공보에는, 단자들 간의 전압과 이를 통과하는 전류에 기초하여 한 세트의 전지모듈의 각각의 온도를 추정하는 온도검지장치가 개시되어 있다.
상기 일본국 특개평 10-289734호 공보의 잔존용량추정방법에서는, 온도나 열화의 영향을 고려하여, 이들 영향을 온도보정계수나 열화보정계수로서 받아들인 것으로, 복잡한 연산과정을 거쳐 구해진 이들 보정계수를 가지고 잔존용량의 연산에 필요한 파라미터를 보정한다. 따라서, 보정계수의 값 자체가 옳은 것인지 아니면 모든 전지특성이 보정되어 있는지의 의문이 남는다.
게다가, 어떤 종류의 축전수단은 충전효율, 메모리효과 등등의 특성도 갖기 때문에, 고도로 정밀한 잔존용량추정에는 이들 특성도 고려하여 보정할 필요가 있다. 한편, 일반적으로 축전수단의 초기특성은 개체차를 포함한다. 고정밀도를 가지고 있는 잔존용량추정에는 이들의 개체차도 보정해야 할 필요가 있다.
즉, 고도로 정밀한 잔존용량추정과 같은 상태검지를 행하기 위해서는, 상기 특성을 정확하게 모델링하여, 복수의 파라미터를 받아들일 필요가 있다. 또한 이들 파라미터의 경시변화나 환경변화에 따르는 보정을 행할 필요가 있다.
따라서, 축전수단의 초기특성이나 복수의 파라미터를 얻기 위하여 방대한 시간이나 노동력이 소비된다. 그러나 연산이 아무리 복잡하다고 하더라도, 연산의 결과는 전지특성의 이론 또는 모델에 의거하는 추정일 뿐이다. 따라서, 추정결과가 참값에 대하여 옳은지에 관한 의문이 여전히 남는다.
따라서, 연산에 사용되는 특성 데이터의 연산에 있어 고도로 정밀하고 간단하게 축전수단의 상태검지를 실현하기 위해서는, 상태검지결과를 참값 또는 논리와 비교하여 그 차를 학습하면서 연이은 연산으로 피드백시키는 보정이 요구되며, 이들의 해결(break through)이 필요하다. 그리고 전지의 SOC나 SOH 등의 상태는 직접 측정하는 것이 불가능하기 때문에, 참값 또는 논리를 어떻게 구할 것인지가 중요한 문제이다.
한편, 상기의 일본국 특개평 11-218567호 공보, 특개 2000-166105호 공보, 특개 2000-166109호 공보 및 특개 2001-85071호 공보에는, 연산에 의해 얻어진 보정정보를 그 연이은 연산으로 피드백시키는 보정을 수행하고, 그 연산에 필요한 기억정보를 보정하며, 복수의 특정한 연산 및 복수의 변화정보에 의거하여 축전수단 의 상태검출을 행하는 것은 개시되어 있지 않다.
본 발명의 목적은, 소정의 연산에 의해 얻어진 보정정보를 그 연이은 연산과 기억정보로 피드백시키는 보정을 행함으로써, 연산에 사용되는 특성 데이터가 적어도 충전상태나 건강상태 등의 상태를 정확하게 검지할 수 있는 상태검지장치 및 이것을 사용한 전원장치, 전력저장장치 및 전기자동차를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 축전수단에 대하여 계측대상을 계측수단에 의해 계측하여 얻어진 계측정보를 기초로 하여 연산으로 얻어진 상기 축전수단에 대한 특성 데이터 및 그 데이터의 상기 연산에 관한 연산정보와 상기 특성 데이터 및 연산정보에 관하여 사전설정된 설정정보를 기억하는 기억수단과, 상기 계측정보와 설정정보에 의거하여 상기 축전수단의 상태를 나타내는 상태정보를 연산하고, 그 연산된 연산결과와 상기 설정정보를 비교하여 보정을 수행하는 보정정보를 연산하는 연산수단과, 그 연산수단에 의해 얻어진 보정정보를 기초로 하여 상기 연산수단의 입력을 보정하는 제1보정수단이나 상기 연산수단에 의해 얻어진 보정정보를 기초로 하여 기억수단에 기억되거나 설정된 정보를 보정하는 제2보정수단과, 상기 연산수단으로부터 얻어진 연산결과를 다른 장치에 대하여 통신하는 통신수단을 포함하는 상태검지장치에 관한 것이다.
보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 상태검지장치는, 축전수단의 전압, 전류, 온도, 전기저항 및 전해액 농도 중에 하나 이상을 계측하는 계측수단과, 상기 축전수단의 특성 데이터, 연산계수 및 연산순서 중의 적어도 하나와 참값이라 생각되는 사전설정된 값 또는 참된 현상이라 생각되는 논리로 이루어지는 설정정보를 기억하는 기억수단과, 상기 계측수단의 계측값과 상기 기억수단의 설정정보를 기초로 상기 축전수단의 상태를 연산하고, 이 연산결과와 설정정보를 비교하여 보정량을 연산하는 연산수단과, 그 연산수단의 연산결과를 다른 장치와 통신하는 통신수단과, 상기 기억수단의 값 또는 상기 연산수단의 입력을 보정하는 보정수단을 포함한다. 이에 의하면, 연산결과를 설정정보와 비교하고 그 차를 학습하면서 연이은 연산으로 피드백시키는 보정이 행해질 수 있다. 따라서, 고도로 정밀하고, 연산에 사용되는 특성 데이터가 적고, 연산이 간단한 축전수단의 상태를 검지할 수 있는 상태검지장치가 실현될 수 있다.
본 발명의 상기 보정수단은 상기 연산수단의 연산결과와 설정정보와의 모순을 기초로 보정량을 결정할 수 있다. 예를 들면, 충전 중은 충전상태가 증가하는 것이 자연스러운 현상이다. 충전 중에 충전상태가 감소한다면, 이것을 보정한다. 또한, 허용사용전압 범위 내에서 축전수단을 충방전하는 것이 가능한 허용충방전전류값 내에서 충방전하고 있을 때는, 과충전이나 과방전이 검지되지 않는 것이 자연스런 상태이다. 과충전이나 과방전이 검지되는 경우에는, 허용 충방전전류를 보정한다. 상술된 바와 같이, 본 발명에 의하면 통상의 특성이나 자연현상을 설정정보로 하여, 연산결과와 비교하고, 이것을 학습하면서 상기 기억수단의 값 또는 상기 연산수단의 입력을 보정한다.
한편, 본 발명에서는 전류값이 소정값 이하일 때 상기 계측수단의 값, 상기 연산수단의 연산결과 또는 연산순서를 설정정보로 하여 보정값이 결정될 수 있다. 예를 들면, 자기방전의 영향이 작은 조건하에서, 전류값이 0 A 이면, 충전상태는 거의 변화하지 않는다. 즉, 전류값이 0 A일 때, 충전상태의 변화량이 0인 것을 참값으로 취한다. 전류값이 0 A일 때, 충전상태가 변화하는 경우에는, 그 변화량을 학습하면서 연이은 연산으로 변화량을 피드백시키는 보정을 행한다.
본 발명의 상기 기억수단은 2개 이상의 상이한 연산순서를 가진다. 연산수단은 이들 연산순서의 연산결과로부터 보정량을 구하고, 학습하면서 연이은 연산으로 피드백시키는 보정이 수행된다.
한편, 상기 연산수단은 상기 축전수단의 충전상태 연산수단과 전류적산수단을 구비하고, 다른 2개의 충전상태와 그 사이의 전류적산값으로부터 상기 축전수단의 용량을 연산한다. 이 경우, 상기 기억수단은 상기 축전수단의 초기용량을 기억하고, 상기 보정수단은 상기 축전수단의 용량과 초기용량을 기초로 보정정보를 결정할 수 있다.
본 발명은 축전수단과, 전압, 전류, 온도, 전기저항 및 전해액 농도 중의 적어도 하나를 측정하는 계측수단과, 그 계측수단에 의해 계측된 계측정보에 의거하여 상기 축전수단의 상태정보를 구하는 상태검지장치를 포함하고, 상기 상태검지장치는 상기에 기재된 상태검지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전원장치이다.
한편, 본 발명은 전환기(switch)에 접속된 상용전원, 전환기를 거쳐 상용전원에 접속된 태양광 발전장치, 전환기를 거쳐 태양광 발전장치에 접속된 부하장치, 상기 상용전원 및 상기 태양광 발전장치의 전력을 제어하여 전환기를 거쳐 상기 상용전원의 전환기에 접속된 제어변환기, 상기 상용전원의 전환기 및 상기 제어변환기의 전환기의 전환을 지시하고 상기 전력을 지시하는 제어장치와 축전수단, 전압, 전류, 온도, 전기저항 및 전해액 농도 중의 적어도 하나를 측정하는 계측수단 및 계측수단에 의하여 측정된 계측정보를 기초로 축전수단의 상태정보를 구하는 상태검지장치를 포함하고, 상기 상태검지장치는 상기에 기재된 상태검지장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력저장장치이다.
본 발명은 차륜을 구동하는 모터의 회전(revolution and rotation) 및 차륜을 구동시키고 차륜의 회전에 의하여 발전하는 차륜 즉, 전동발전기에 의하여 발전하는 발전기, 모터 및 발전기 또는 전동발전기에 접속되어 그 전력을 변환시키는 제어변환기, 상기 제어변환기의 전력을 나타내는 제어장치, 상기 제어변환기에 접속된 축전수단, 전압, 전류, 온도, 전기저항 및 전해액 농도 중의 적어도 하나를 측정하는 계측수단 및 상기 계측수단에 의하여 측정된 계측정보를 기초로 축전수단의 상태정보를 구하는 상태검지장치를 포함하고, 상기 상태검지장치는 상기에 기재된 상태검지장치를 포함하고, 상기 제어장치는 상기 통신수단에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 전기자동차이다.
본 발명은 내연기관 엔진과, 그 엔진에 접속되어 차륜의 구동력을 보조하는 모터의 회전과 상기 차륜의 회전에 의하여 발전하는 발전기 및 상기 엔진에 접속되어 엔진의 구동력을 보조하고 발전하는 전동발전기와, 모터 및 발전기 또는 전동발전기에 접속되어 그 전력을 변환시키는 제어변환기, 상기 제어변환기의 전력을 지시하는 제어장치, 상기 제어변환기에 접속된 축전수단, 전압, 전류, 온도, 전기저항 및 전해액 농도 중의 적어도 하나를 측정하는 계측수단 및 상기 계측수단에 의하여 측정된 계측정보를 기초로 축전수단의 상태정보를 구하는 상태검지장치를 포함하고, 상기 상태검지장치는 상기에 기재된 상태검지장치를 포함하고, 상기 제어장치는 상기 통신수단에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 하이브리드자동차이다.
축전수단은 리튬 2차전지, 니켈 수소전지, 납 시일전지 및 전기 2중층 캐패시터 등에서 선택되는 것이 바람직하다.
상술된 바와 같이 본 발명에 의하면, 연산결과를 연산결과의 설정값 또는 논리 등의 설정정보와 비교하여, 그 차를 학습하면서 연이은 연산으로 피드백시키는 보정이 수행된다. 그러므로, 고도로 정밀하고, 연산에 사용되는 특성 데이터가 적으며, 연산도 간단한 수식을 사용하는 축전수단의 상태정보를 검지할 수 있는 상태검지장치, 전원장치, 분산형 전력저장장치 및 자동차 등을 실현할 수 있다.
본 발명은 이하의 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예의 첨부된 도면으로부터 보다 명백히 이해될 것이며, 이는 본 발명의 설명 및 이해를 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하지는 않는다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여, 첨부된 도면을 참조하여 이하에 상세히 기술된다. 이하의 설명에서는, 다양한 특정 세부항목들이 본 발명의 포괄적인 이해를 돕기 위해 설명된다. 그러나, 당업자들은, 이들 특정 세부항목들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 여타의 경우에, 공지된 구조는 본 발명을 명확히 하기 위하여 상세히 설명되지 않는다.
제1실시예
도 1은 본 발명의 전원장치의 구성도이다. 도 1에서, 101은 축전수단, 102는 계측수단, 103은 기억수단, 104는 연산수단, 105는 통신수단, 106은 제1보정수단, 107은 제2보정수단이다. 축전수단(101)은 리튬 2차전지, 니켈 수소전지, 납 시일전지, 전기 2중층 캐패시터 등의 전력저장기능을 가지는 장치로 이루어진다.
계측수단(102)은 축전수단의 전압, 전류, 온도, 전기저항, 전해액 농도 등을 계측하는 센서나 전기회로로 이루어져, 필요한 계측정보를 획득한다.
기억수단(103)은 EEPROM이나 플래시 메모리, 자기 디스크 등의 메모리장치로 이루어져, 축전수단의 특성 데이터, 연산계수 및 연산순서 중의 적어도 하나를 포함하는 연산정보와 이 연산정보에 관하여 사전설정되는 참값이라고 생각되는 설정값 또는 참된 현상이라고 생각되는 논리로 이루어지는 설정정보를 기억한다.
연산수단(104)은 마이크로 프로세서나 컴퓨터 등으로 이루어져, 계측수단(102)의 계측값과 기억수단(103)의 값을 기초로 축전수단(101)의 상태정보를 연산한다. 한편, 이 연산결과와 설정정보를 비교하여 이들의 보정량이 되는 보정정보를 연산한다. 축전수단(101)의 상태로서는, SOC, SOH, 허용전류, 연속충방전시간, 허용온도, 과충전, 과방전 등의 각종 이상 등이 있다.
통신수단(105)은 CAN이나 블루투스 등의 시리얼신호를 통신하는 장치나 회로, 또는 포토커플러나 릴레이 등의 ON-OFF 신호를 통신하는 장치나 회로로 이루어진다. 그리고 연산수단(104)으로 연산된 연산결과는 여타의 제어기나 표시소자 등(도시 생략)에 전달된다.
제1보정수단(106)은 캐쉬 메모리, SRAM 등의 버퍼 메모리 및 레지스터로 이루어진다. 연산수단(104)에서 구해지는 보정값에 의거하여 계측수단(102)의 값, 기억수단(103)의 값, 연산수단(104)의 연산결과를 변화시켜 보정이 수행된다.
제2보정수단(107)은 기억수단(103)인 EEPROM이나 플래시 메모리 등의 기록회로나 자기 디스크 등의 기록회로로 이루어져, 연산수단(104)에서 연산된 보정값에 의거하여 기억수단(103)의 값을 갱신한다.
상술된 실시예에서는 제1보정수단(106)과 제2보정수단(107)을 사용하였으나, 이들 보정수단 중의 하나를 사용하거나 여타의 구성을 취하는 것도 가능하다. 한편, A/D 변환기나 플래시 메모리, 마이크로 프로세서, 통신회로가 동일장치상에 통합되는 마이크로컴퓨터를 사용하면, 계측수단(102), 기억수단(103), 연산수단(104), 통신수단, 제l보정수단(106), 제2보정수단(107)이 동일장치상에 통합될 수 있다. 한편, 이들은 여타의 제어장치와 공통으로 사용될 수 있다.
본 실시예에 의하면, 연산결과 자체를 설정값 또는 논리로서 설정된 설정정보와 비교하여, 연산결과와 설정값 즉, 설정정보 간의 차를 학습하면서 연이은 연산으로 피드백시키는 보정이 행하여진다. 따라서, 고도로 정밀하고, 연산에 사용되는 특성 데이터가 적고, 연산도 간단한 축전수단의 상태검지방법 및 상태검지장치를 실현할 수 있다.
제2실시예
도 2는 본 발명의 축전수단의 상태검지방법을 나타내는 블록도이다. 도 2에 있어서, 계측 및 판독단계에서, 축전수단(101)의 전압, 전류, 온도, 전기저항, 전해액 농도 등이 계측되어, 제1보정수단(106)이나 연산수단(104) 또는 기억수단(103)의 값을 판독한다. 연산에서는 판독한 값을 기초로 축전수단(101)의 상태를 연산한다. 모순판정에서는 연산결과와 설정값 또는 논리를 비교하여 모순을 판정한다. 모순이 없는 경우는 처리가 종료되고, 동일한 시퀀스를 반복한다. 모순이 있는 경우, 보정 및 기록단계에서, 관련되는 파라미터를 보정하고, 메모리에 기록하고 종료한다. 이 시퀀스를 반복함으로써, 학습하면서 이 모순을 연이은 연산으로 피드백시키는 보정이 행하여진다.
여기서, 연산결과와 설정값 또는 논리 간의 모순은, 예를 들면, 충전 중에는 충전상태가 증가하는 것이 자연스럽고, 충전 중에 충전상태가 감소하면 모순이 있는 것을 의미한다. 또한, 방전중에는 충전상태가 감소하고, 휴지 중은 자기방전의 영향을 무시할 수 있는 조건하에서 충전상태가 변화하지 않는 것이 이와 유사한 논리이다. 이 경우에, 모순이 발생하면, 보정이 이루어진다. 그런 다음, 이러한 항목의 매트릭스화가 이루어져, 모순매트릭스로서의 매트릭스를 취하여 모순판정을 행할 수 있다.
축전수단의 상태는 직접 측정하는 것이 불가능하나, 상기와 같은 명백한 현상이나 특성은 설정정보로 취해져, 연산결과와 비교된다. 모순이 있는 경우는 이를 학습하면서 상기 기억수단의 값 및 상기 연산수단의 입력을 보정한다.
이렇게 하면, 고도로 정밀하고, 연산에 사용되는 특성 데이터가 적고, 연산도 간단한 축전수단의 상태검지장치 및 이것을 이용한 전원장치를 실현할 수 있다.
도 3은 축전수단의 등가회로를 나타내는 회로도이다. 도 3에 있어서, 301은 기전력(OCV), 302는 내부저항(R), 303은 임피던스(Z), 304는 캐패시터 구성(C)이다. 임피던스(303)와 캐패시터 구성(304)의 병렬접속쌍과 내부저항(302), 기전력(301)의 직렬접속으로 도시되어 있다. 축전수단에 전류(I)를 인가하면, 축전수단의 단자 간 전압(CCV)은 수학식 1로 표시된다.
CCV = 0CV + IR + Vp
여기서, Vp는 분극전압이고, Z와 C의 병렬접속쌍의 전압이다.
0CV는 SOC나 허용충방전 전류의 연산에 사용된다. 축전수단이 충방전되는 상황에서는 0CV를 직접 측정하는 것이 불가능하다. 따라서, 수학식 2와 같이 CCV로부터 IR 드롭과 Vp를 감산하여 0CV를 구한다.
0CV = CCV - IR - Vp
도 4는 축전수단의 SOC와 허용충전전류 및 허용방전전류를 나타내는 도면이다. SOC의 증가에 따라, 허용방전전류가 증가하고, 허용충전전류는 감소된다. 축전수단의 최대허용전압을 Vmax, 최소허용전압을 Vmin이라 하면, 허용충전전류 (Icmax), 허용방전전류(Idmax)는 각각 수학식 3 및 수학식 4로 표시된다.
Icmax = (Vmax - 0CV)/Rz
Idmax = (OCV - Vmin)/Rz
여기서, Rz는 도 3의 R, Z, C의 등가 임피던스이다.
따라서 Icmax, Idmax 이하의 전류로 충방전되어 있을 때, 과충전이나 과방전이 검지되는 모순이 생긴 경우는, Rz의 값을 보정한다. 예를 들면, Rz를 1% 증가시킨다.
도 5는 축전수단의 펄스전류에 의한 충전시의 전압변화를 나타내는 도면이다. 실선으로 나타낸 CCV의 커브는 충전개시시점(A)으로부터 상승하여, 충전종료시점(B)에서 급격히 하강한다. 이 하강은 IR 드롭에 의한 것이다. 그 후, CCV는 완만하게 감소하고, 일점파선으로 나타낸 0CV의 설정정보에 점점 접근해간다. 이 기간의 전압변화는 주로 Vp에 상당한다. 한편, IR 드롭이나 Vp의 영향을 받지 않는 0CV의 설정정보는 충전 중에 A에서 B로 증가하지만, (자기방전이나 환경온도의 영향을 무시할 수 있는 조건하에서) 전류가 0 A인 B 내지 D 사이의 기간에서는 변화하지 않는다. 이에 대하여 파선으로 나타낸 0CV의 연산값은 0CV의 설정정보와 일치하지 않고, B로부터 D 사이도 완만한 감소커브로 도시된다.
0CV의 연산에 수학식 2를 사용하는 경우, R은 CCV와 I를 실측하여 직접 구할 수 있고, 미소시간의 변화량(dCCV, dI)을 이용하는 아래의 수학식 5로 표현된다.
R = dCCV/dI
따라서 본 발명에 의하면, 예를 들면 설정값 0 A에서 0CV의 변화가 0V이고, 도 5와 같이 이 기간에 0CV 연산값이 변화한 경우는 Vp를 보정한다.
한편, 0CV로부터 SOC를 구하면, S0C의 설정값 또는 논리 및 연산값도 도 5에 도시된 바와 같이 변화된다. 이 경우도, Vp의 모순을 검지하는 것이 가능하다. Vp를 보정한 후, 연이은 연산으로 피드백한다.
제3실시예
표 1은 본 발명의 SOC의 변화와, Vp의 보정량과의 관계를 나타내는 표이다. 시간 스케일을 t, 전류값이 0 A가 된 시점을 t=0으로 하여, t<0의 SOC의 변화와, t>0의 SOC의 변화로부터 Vp의 보정량을 결정한다. 예를 들면, t<0의 SOC의 변화가 증가되고, t>O의 SOC의 변화도 증가되면, Vp를 1% 감소시킨다.
SOC 변화(t<0) SOC 변화(t>0, 전류 0 A) Vp 보정
증가 증가 -1%
증가 감소 +1%
감소 증가 +1%
감소 감소 -1%
그리고 이들 연산을 시간경과에 따라 복수회 반복한다. 이에 의하여, Vp는 학습효과에 의하여 설정값에 점차적으로 접근한다. 즉, Vp는 자동적으로 튜닝된다.
여기서는 보정량의 절대값을 일률적으로 1%로 하였으나, 이 값은 축전수단의 종류나 부하의 전류패턴, 계측수단의 계측오차 등에 따라 최적화된다. 한편, 도시되는 바와 같이, 보정의 방향을 나타내는 퍼지이론을 적용하는 것이 바람직하다.
SOC나 0CV와 유사하게 축전수단의 상태는 직접 측정하는 것이 불가능하지만, 본 발명에 의하면, 전류값이 소정값 이하일 때의 특성이나 통상적인 현상이 설정값 또는 논리로 설정되어, 연산결과 자체를 비교하여 퍼지이론에 의해 보정량이 구해진다. 이것을 연이은 연산으로 피드백하여, 학습연산을 반복한다.
따라서, 연산을 반복할 때마다, 정밀도가 향상된다. 한편, 초기특성의 개체차나 환경 의존성, 경시변화 등은 오토 튜닝된다. 따라서 이들 복수의 파라미터나 보정계수의 데이터를 줄일 수 있다.
예를 들면, 상술된 예시에서 Vp는 개체차나 경시변화 및 경시변화의 개체차 등 복잡한 파라미터에 따라 좌우된다. 따라서 이들 파라미터를 충실히 모델링하고 재현하여 연산에 도입하려면, 초기특성, 복수의 파라미터, 데이터를 얻어야 할 필요가 있게 된다. 그러나 본 발명에서는 이들 개체차나 경시변화 등의 영향이 실제의 사용환경하에서 학습하여 연산되므로, 이들 파라미터가 필요하지 않다.
제4실시예
도 6은 본 발명의 전원장치의 구성도이다. 도 6에 있어서, 701은 연산순서 A, 702는 연산순서 B, 703은 보정량 연산순서이다. 연산수단(104)의 연산순서의 일부를 나타내고, 연산수단은 연산순서 A와 연산순서 B를 가지고 있다.
예를 들면, 연산순서 A(701)는 상기의 0CV로부터 구해지는 SOC (이후 SOCV라 함)의 연산순서로 취해지고, 연산순서 B(702)를 전류적산에 의거하는 SOC (이후 SOCi라 함)의 연산순서로 취해진다. 이 S0Ci의 연산에서는 수학식 6이 사용된다.
SOCi = SOCo + 10O × dI/Q
여기서, SOCo는 충방전 개시시의 SOC의 초기값, dI는 전류적산값의 변화량, Q는 최대한 충전 가능한 전하량(전용량)이다. 축전수단의 충전효율을
Figure 112003008827046-pat00001
, 적산충전전류를 Ic, 적산방전전류를 Id로 가정하면, dI는 수학식 7로 표시된다.
Figure 112003008827046-pat00002
dI = × Ic - Id
SOCi는 전류를 직접 연산하기 때문에, 단시간의 변화량, 즉 응답특성을 나타내는데 우수하다. 그러나 Q의 개체차나 경시변화, 및
Figure 112003008827046-pat00003
의 영향, 전류적산기의 오차누적으로 인하여 절대값이 항상 정확하지는 않다.
한편, SOCV는 학습에 의하여 고도로 정밀한 절대값을 연산될 수 있다. 그러나, 학습에 약간의 시간이 걸리고, SOCi에 비하여 비교적 응답특성이 좋지 않다. 따라서, 보정량 연산순서(703)에 의하여, 비교적 긴 기간의 S0CV와 S0Ci의 추이를 비교하여 보정량을 구해, 수학식 6의 d I/Q의 항을 보정한다. 한편, SOCo를 적시에 SOCV로 보정한다.
이에 의하여, SOCi의 응답특성 및 SOCV의 고정밀도연산 양자 모두를 얻을 수 있다. 한편, 연산결과 자체를 비교하여 보정량을 구하고, 이를 연이은 연산으로 피드백하여, 학습연산을 반복하므로, 정밀도가 향상된다. 또한 Q의 개체차나 경시변화, 및 η의 영향, 전류적산기의 오차축적은 SOCV를 기초로 한 학습연산에 의하여 보정되기 때문에, 이들 보정 파라미터를 필요로 하지 않는다. 따라서 이들 파라미터나 데이터의 취득에 소비되는 방대한 시간이나 노동력을 줄이는 것이 가능하다.
또한, 연산순서 A(701)로서 축전수단의 저항으로부터 연산되는 S0C나 전해액 농도로부터 연산되는 SOC를 사용하여도 동일한 효과가 얻어진다.
도 7은 축전수단의 0CV와 S0C와의 관계를 나타내는 도면이다. S0C의 증가에 따라 0CV가 완만하게 증가하고 있다. 이러한 SOC와 0CV의 관계는 리튬 2차전지나 전기 2중층 캐패시터 등의 많은 축전수단에서 나타난다.
제5실시예
본 실시예에 있어서는, 도 7의 축전수단의 특성을 사용하여, 최대로 충전가능한 전하량(전용량)(Q)을 구하는 것이 가능하다. 예를 들면, 다른 2개의 충전상태를 SOC1, SOC2라 하고, 이들에 대응하는 잔존용량을 Q1, Q2라 하고, 그 사이의 전류적산값을 dQ(= dI)라 하면, 이하의 수학식 8 내지 수학식 11이 얻어진다:
S0C1 = 100 × Q1/Q
S0C2 = 100 × Q2/Q
S0C1 - S0C2 = 100 ×(Q1-Q2)/Q = 100 × dQ/Q
Q = 100 × dQ/(S0C1-SOC2)
이에 따라, 축전수단의 전용량(Q)을 구할 수 있다. 마찬가지로 전해액 농도나 내부저항으로부터 구한 S0C와 전류적산값을 사용하여 전용량(Q)을 구할 수 있다.
그런 다음, 이와 같이 하여 구해진 Q를 수학식 6에 피드백함으로써, Q의 개 체차나 경시변화의 영향이 보정되어, 더욱 정밀한 상태검지가 가능하게 된다. 한편, 개체차나 경시변화의 보정 파라미터가 필요하지 않으므로, 파라미터나 데이터의 취득에 필요한 방대한 시간이나 노동력을 줄일 수 있다.
제6실시예
표 2는 축전수단의 초기용량(Q0)에 대한 전용량(Q)의 보정계수(K)의 관계를 나타내는 표이다. 본 실시예에서는, 기억수단에 기억된 축전수단의 초기용량과, 수학식 11로부터 구해진 전용량(Q)의 비를 구하고, 그것에 따라 보정계수(K)를 구한다.
Q/Q0 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
K 1.0 0.81 0.64 0.49 0.36 0.25
일반적인 축전수단은 경시변화에 따라 전용량(Q)이 감소한다. 동시에 내부저항은 증가한다. 잔존용량으로부터 구해지는 연속충방전시간, 수학식 3과 수학식 4에서 구해지는 허용충전전류 및 허용방전전류, 허용발열량(또는 냉각제어)이나 허용충방전전력 등은 경시변화에 따라 초기값을 보정해야만 한다. 상기의 보정계수는 이들의 보정에 사용한다. 그리고, 이들 값은 축전수단의 종류나 시스템에 따라 최적화되는 것이 바람직하다.
상술된 바와 같이 본 발명에 의하면, 연속충방전시간, 허용충전전류 및 허용방전전류, 허용발열량(또는 냉각제어)이나 허용 충방전전력 등의 개체차나 경시 변화의 영향이 보정되어, 보다 정밀한 상태검지가 가능하게 된다. 한편, 이들 보정 파라미터가 불필요하게 되어, 파라미터나 데이터의 취득에 소비되는 방대한 시간이나 노동력을 줄일 수 있게 된다.
제7실시예
도 8은 본 발명의 상태검지장치 및 전원장치를 적용한 태양광 발전축전장치의 구성도이다. 도 8에 있어서, 1001은 상용전원, 1002는 태양광 발전장치, 1003은 부하장치, 1004는 제어변환기, 1005는 전환기, 1006은 상태검지장치, 1007은 전원장치이다.
상태검지장치(1006)는 계측수단(102), 기억수단(103), 연산수단(104), 통신수단(105), 제1보정수단(106), 제2보정수단(107)으로 구성되어 있다. 한편, 전원장치(1007)는 복수의 축전수단(101)이 직렬로 접속된 직렬연결회로와 상태검지장치(1006)로 구성되어 있다.
축전수단(101)의 직렬연결회로의 양단은 제어변환기(1004)에 접속된다. 제어변환기(1004)는 전환기(1005)를 거쳐 각각 상용전원(1001), 태양광 발전장치(1002), 부하장치(1003)에 접속되어 있다. 한편, 제어변환기(1004)의 주제어장치(MCU)의 제어에 의하여, 상용전원(1001), 태양광 발전장치(1002), 부하장치(1003)가 전환기(1005)를 거쳐 전환된다. 또한, 상태검지장치(1006)로부터의 지시가 통신수단(105)과 MCU 사이에서 쌍방향 통신으로 연결되어 있다.
태양광 발전장치는 태양전지에 의하여 태양광을 직류로 변환하고, 인버터장치에 의하여 교류전력을 출력하는 장치이다. 한편, 부하장치(1003)는 에어콘, 냉장고, 전자렌지, 조명 등의 가전제품이나, 모터, 엘리베이터, 컴퓨터, 의료기기 등 의 전기기기나, 제2전원장치이다. 그리고 제어변환기(1004)는 교류전력을 직류전력으로 변환시키거나 직류전력을 교류전력으로 변환시키는 충방전기이며, 또한, 태양광 발전장치(1002), 부하장치(1003) 등의 충방전 제어기기를 제어하는 제어기로서의 역할을 한다.
여기서, 이들 기기는 장치 내에 전환기(1005)를 가질 수도 있다. 한편, 본 발명의 전원장치는, 도시된 구성 이외의 접속형태를 취하는 것도 가능하다. 본 실시예에 의하면, 부하장치(1003)에서 필요한 전력을 상용전원(1001)이나 태양광 발전장치(1002)로부터 충분히 공급받을 수 없을 때, 제어변환기(1004)를 거쳐 축전수단(101)으로부터 전력이 공급된다. 한편, 상용전원(1001)이나 태양광 발전장치(1002)로부터의 전력공급이 과도하게 되면, 제어변환기(1004)를 거쳐 축전수단(101)에 과잉전력이 축전된다.
이들 동작 중에, 상태검지장치(1007)는 각각의 제1실시예 내지 제6실시예 또는 이들의 조합에 의하여 축전수단(101)의 상태를 검지할 수도 있다. 이들 조합에는 삼단논법이 적용된다. 한편, 상태검지결과는 축전수단(101)의 상태나 허용충방전전류 등의 제어량으로 제어변환기(1004)에 보내진다. 제어변환기(1004)는 이에 따라 충방전을 제어한다. 특히, 상태검지장치(1007)는 고도로 정밀한 상태검지가 가능하기 때문에, 축전수단(101)을 안전하고 효과적으로 사용할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 상용전원(1001)의 계약전력이나 소비전력, 태양광 발전장치(1002)의 발전되는 정격전력을 낮출 수 있으므로, 설비비나 운전비용을 감소시킬 수 있다. 소비전력이 어떤 시간대에 집중되어 있을 때, 전원장치로부터 상용 전원(1001)에 전력을 공급하고, 소비전력이 적을 때에, 전원장치에 축전함으로써 소비전력의 집중을 완화하여, 전력소비를 평준화시킬 수 있다.
또한 제어변환기(1004)는 부하장치(1003)의 전력소비를 감시하고, 부하장치(1003)를 제어하기 때문에, 전력의 절약이나 전력의 효과적인 이용을 달성할 수 있다. 이와 같이, 본 실시예에 의하면 고도로 정밀하고, 연산에 사용되는 특성 데이터가 적은 전원수단의 상태검지방법 및 이것을 사용한 전원장치, 분산형 전력저장장치를 실현할 수 있다.
제8실시예
도 9는 본 발명의 상태검지장치 및 전원장치를 적용한 전기자동차의 실시예를 나타내는 구성도이다. 도 9에 있어서, 1101은 전동발전기, 1102는 직류부하장치이다. 전동발전기(1101)가 제어변환기(1OO4)를 거쳐 복수의 축전수단(101)의 직렬연결회로에 접속되어 있다. 전기자동차에서는 전동발전기(1101)가 차륜에 직접 결합된다. 하이브리드 전기자동차에서는 내연기관 엔진이 더욱 결합되어 그 시동이나 구동력(출력주행) 및 발전(회생)을 보조한다. 출력주행시에는, 전원장치(1007)로부터 전동발전기(1101)에 전력이 공급된다. 회생시에는, 전동발전기(1101)로부터 전원장치(1007)에 전력이 공급된다.
한편, 직류부하장치(1102)는 전자변, 오디오장치 등의 전기부하나 제2전원장치이다. 직류부하장치(1102)는 전환기(1005)를 거쳐 축전수단의 직렬연결회로에 접속된다.
본 실시예에 있어서도, 상태검지장치(1007)는 제1실시예 내지 제6실시예의 각각 및 그 조합이 사용될 수 있다. 통신수단을 거쳐 축전수단(101)의 상태나 허용충방전전류 등의 제어량이 제어변환기(1004)에 보내져서, 제어변환기(1004)가 이에 따라 충방전 등을 제어할 수 있다. 특히, 상태검지장치(1007)는 고도로 정밀한 상태검지를 수행할 수도 있으므로, 축전수단(101)을 안전하고 효과적으로 활용할 수 있다.
이에 의하여, 시동시에 내연기관 엔진의 토크를 보조하고, 운동 에너지를 전력으로 변환하여 축적할 수 있는 하이브리드 전기자동차를 실현할 수 있다.
본 발명에 의하면, 소정의 연산에 의해 얻어진 보정정보를 그 연이은 연산과 연산을 위한 기억정보로 피드백시키는 보정을 수행하여, 연산에 사용되는 특성 데이터가 적더라도 고도로 정밀하고, 축전수단의 충전상태나 건강상태 등의 상태를 검지할 수 있는 상태검지장치, 이를 이용하는 전원장치, 전력저장장치 및 전기자동차를 제공할 수 있다.

Claims (19)

  1. 상태검지장치에 있어서,
    계측수단에 의해 축전수단에 대하여 계측대상을 계측하여 얻어진 계측정보에 의거하여 연산으로 얻어지는 상기 축전수단에 대한 특성 데이터, 상기 데이터의 상기 연산에 관한 연산정보 및 상기 특성 데이터와 상기 연산정보에 관하여 사전설정된 설정정보를 기억하는 기억수단;
    상기 계측정보 및 설정정보에 의거하여 상기 축전수단의 상태를 나타내는 상태정보를 연산하고, 연산된 연산결과와 상기 설정정보를 비교하여 보정하는 보정정보를 연산하는 연산수단; 및
    상기 연산수단에 의해 얻어진 보정정보에 의거하여 상기 연산수단의 입력을 보정하는 제1보정수단 또는 상기 연산수단에 의해 얻어진 보정정보에 의거하여 기억수단에 기억되거나 설정된 정보를 보정하는 제2보정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축전수단의 전류값이 사전설정된 값 이하일 때, 상기 계측수단에 의한 계측값, 상기 연산결과 및 상기 연산수단의 연산순서 중의 하나를 상기 설정정보로 하여, 상기 보정정보를 구하는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기억수단은 서로 별개인 2 이상의 연산순서를 기억하고;
    상기 보정정보는 서로 별개인 연산순서에 의한 연산결과의 차에 의거하여 상기 연산수단에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산수단은 충전상태 연산수단 및 전류적산수단을 구비하고, 상기 축전수단의 사용시의 용량은 서로 다른 2개의 충전상태와 각각의 전류적산값에 의거하여 연산되는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 축전수단의 사용시의 용량과 상기 기억수단에 기억된 상기 축전수단의 초기용량과의 관계에 의거하여 상기 보정정보를 구하는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 축전수단의 전류적산값의 변화량들 간의 차에 의거하여 상기 보정정보를 구하는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  7. 상태검지장치에 있어서,
    계측수단에 의해 축전수단에 대하여 계측대상을 계측하여 얻어진 계측정보에 의거하여 연산으로 얻어지는 상기 축전수단에 대한 특성 데이터, 상기 데이터의 상기 연산에 관한 연산정보 및 상기 특성 데이터와 상기 연산정보에 관하여 사전설정된 설정정보를 기억하는 기억수단; 및
    상기 계측정보 및 설정정보에 의거하여 상기 축전수단의 상태를 나타내는 상태정보를 연산하고, 연산된 연산결과와 상기 설정정보를 비교하여 보정하는 보정정보를 연산하는 연산수단을 포함하고,
    상기 기억수단에는 서로 다른 2 이상의 연산순서가 기억되고, 상기 연산수단은 상기 서로 다른 연산순서에 의한 연산결과의 차에 의거하여 상기 보정정보를 구하는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  8. 상태검지장치에 있어서,
    계측수단에 의해 축전수단에 대하여 계측대상을 계측하여 얻어진 계측정보에 의거하여 연산으로 얻어지는 상기 축전수단에 대한 특성 데이터, 상기 데이터의 상기 연산에 관한 연산정보 및 상기 특성 데이터와 상기 연산정보에 관하여 사전설정된 설정정보를 기억하는 기억수단; 및
    상기 계측정보 및 설정정보에 의거하여 상기 축전수단의 상태를 나타내는 상태정보를 연산하고, 연산된 연산결과와 상기 설정정보를 비교하여 보정하는 보정정보를 연산하는 연산수단을 포함하고,
    상기 연산수단은 상기 축전수단의 충전상태 연산수단과 전류적산수단을 구비하고, 2개의 상이한 충전상태와 그것에서의 각각의 전류적산값에 의거하여 상기 축전수단의 사용시의 용량을 연산하는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  9. 상태검지장치에 있어서,
    계측수단에 의해 축전수단에 대하여 계측대상을 계측하여 얻어진 계측정보에 의거하여 연산으로 얻어지는 상기 축전수단에 대한 특성 데이터, 상기 데이터의 상기 연산에 관한 연산정보 및 상기 특성 데이터와 상기 연산정보에 관하여 사전설정된 설정정보를 기억하는 기억수단; 및
    상기 계측정보 및 설정정보에 의거하여 상기 축전수단의 상태를 나타내는 상태정보를 연산하고, 연산된 연산결과와 상기 설정정보를 비교하여 보정하는 보정정보를 연산하는 연산수단을 포함하고,
    상기 축전수단의 사용시의 용량과 상기 기억수단에 기억된 상기 축전수단의 초기용량과의 관계에 의거하여 상기 보정정보를 구하는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
  10. 상태검지장치에 있어서,
    계측수단에 의해 축전수단에 대하여 계측대상을 계측하여 얻어진 계측정보에 의거하여 연산으로 얻어지는 상기 축전수단에 대한 특성 데이터, 상기 데이터의 상기 연산에 관한 연산정보 및 상기 특성 데이터와 상기 연산정보에 관하여 사전설정된 설정정보를 기억하는 기억수단; 및
    상기 계측정보 및 설정정보에 의거하여 상기 축전수단의 상태를 나타내는 상태정보를 연산하고, 연산된 연산결과와 상기 설정정보를 비교하여 보정하는 보정정보를 연산하는 연산수단을 포함하고,
    상기 축전수단의 전류적산값의 변화량들 간의 차에 의거하여 상기 보정정보를 구하는 것을 특징으로 하는 상태검지장치.
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