KR20160110211A - 전지 잔량 예측 장치 및 배터리 팩 - Google Patents

전지 잔량 예측 장치 및 배터리 팩 Download PDF

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에이키 이마이즈미
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에스아이아이 세미컨덕터 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 저비용이면서, 충전지의 전지 잔량의 고정밀도의 예측이 가능한 배터리 팩을 제공한다.
(해결 수단) 측정한 전지 전압 및 전지 온도와, 전지 잔량 변화로부터 산출되는 전류치 및 전지 내부 저항에 기초하여 전지 개방 회로 전압과 전지 잔량을 회귀적으로 산출하는, 제 1 연산 플로에 의해 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치. 또, 전지 부하로서 정전류 방전을 소정의 기간 실시한 후에, 정전류 방전의 개시 전의 전지 잔량과, 정전류 방전의 정지 직전의 전지 전압과, 정전류 방전의 정지 후의 정정한 전지 전압에 기초하여 전지 용량과 전지 내부 저항을 산출하는, 제 2 연산 플로에 의해 상기 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치.

Description

전지 잔량 예측 장치 및 배터리 팩{BATTERY REMAINING POWER PREDICTING DEVICE AND BATTERY PACK}
본 발명은, 배터리 팩에 관한 것으로, 특히 Li 이온 충전지 등의 전지 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치에 관한 것이다.
충전지는, 휴대 기기를 비롯하여 많은 장치에 사용되고 있어, 충방전을 관리하는 배터리 관리 시스템이 필수이다. 특히 기기 가동시에는 배터리의 가동 시간을 보다 정확하게 알 필요가 있고, 그 때문에 전지 잔량 예측 장치가 사용되고 있다.
종래의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩을 도 5 에 나타낸다. 종래의 전지 잔량 예측 장치 (20) 는, 신호 처리 연산을 실시하는 CPU (21) 와, 신호 처리 연산시에 사용하는 RAM (22) 과, 충전지 (7) 의 1 셀분의 전지 전압을 레벨 변환기 (26) 에서 변환된 전지 전압을 검출하기 위한 ADC (23) 와, 충전지 (7) 의 전류를 검출하는 전류 센스 저항 (6) 에서 발생하는 전압을 검출하기 위한 ADC (24) 와, 전지의 특성 데이터 등을 미리 유지해 두는 불휘발성 메모리 (25) 를 구비하고 있다. 본 전지 잔량 예측 장치는, 충전지 (7) 의 전압과, 전류 센스 저항 (6) 을 사용하여 계측된 충전지 (7) 의 전류치로부터 쿨롬 카운터로 구해진 이동 전하량 등으로부터 전지 잔량이 구해지고 있다. 고정밀도의 잔량 예측에는, 충전지 (7) 의 전압 및 전류의 고정밀도의 계측이 필수이다.
특히 전류 계측에 주목하면, 전류 센스 저항 (6) 은 저항값이 고정밀도일 것이 요구된다.
미국 특허 제6789026호 명세서
종래의 전지 잔량 예측 장치 (20) 를 구비한 배터리 팩은, 고정밀도의 전지 잔량 예측을 하기 위해서는, 고정밀도이고 전류 허용량이 큰 전류 센스 저항 (6) 이 필요해진다. 그 때문에, 전류 센스 저항 (6) 은 고가이고 사이즈가 커져 버린다는 과제가 있었다.
본 발명의 전지 잔량 예측 장치는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 이하와 같은 구성으로 하였다.
측정한 전지 전압 및 전지 온도와, 전지 잔량 변화로부터 산출되는 전류치 및 전지 내부 저항에 기초하여 전지 개방 회로 전압과 전지 잔량을 회귀적으로 산출하는, 제 1 연산 플로에 의해 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치. 또, 전지 부하로서 정전류 방전을 소정의 기간 실시한 후에, 정전류 방전의 개시 전의 전지 잔량과, 정전류 방전의 정지 직전의 전지 전압과, 정전류 방전의 정지 후의 정정 (整定) 한 전지 전압에 기초하여 전지 용량과 전지 내부 저항을 산출하는, 제 2 연산 플로에 의해 상기 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치.
본 발명의 잔량 예측 장치에 의하면, 검출한 전지 전압에 기초하여 고정밀도의 전지 잔량 예측이 가능하므로, 전류 센스 저항이 불필요해진다. 따라서, 배터리 팩은, 작은 사이즈이고, 또한 저비용으로 제공할 수 있다.
도 1 은 제 1 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블록도.
도 2 는 제 1 실시형태의 전지 잔량 예측 장치에 있어서의 전지 잔량 예측 연산 플로.
도 3 은 제 2 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블록도.
도 4 는 제 2 실시형태의 전지 잔량 예측 장치에 있어서의 전지 특성 예측 연산 플로.
도 5 는 종래의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블록도.
도 1 은 제 1 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 블록도이다. 제 1 실시형태의 배터리 팩은, 전지 잔량 예측 장치 (1) 와, 충전지 (7) 와, 충방전 제어용의 MOSFET (8) 와, 충방전 제어 회로 (15) 와, 외부 단자 (18 및 19) 를 구비하고 있다.
전지 잔량 예측 장치 (1) 는, 전압 검출부 (11) 와, 제어부 (16) 와, 잔량 예측 등을 실시하는 연산부 (12) 를 구비하고 있다.
제 1 실시형태의 배터리 팩은, 이하와 같이 접속되어 있다.
전지 잔량 예측 장치 (1) 는, 충전지 (7) 의 양단에 접속된다. MOSFET (8) 는, 외부 단자 (19) 와 충전지 (7) 의 부극 사이에 형성된다. 충방전 제어 회로 (15) 는, 충전지 (7) 의 양단에 접속되고, 출력 단자는 MOSFET (8) 에 접속된다. 외부 단자 (18 및 19) 에는, 부하 (3) 가 되는 어플리케이션 시스템이 접속된다. 전압 검출부 (11) 는, 입력 단자에 충전지 (7) 의 정극이 접속되고, 출력 단자가 제어부 (16) 에 접속된다. 제어부 (16) 는, 출력 단자가 연산부 (12) 에 접속된다.
전압 검출부 (11) 는, 충전지 (7) 의 단자 전압 및 온도를 검출하여, 제어부 (16) 에 출력한다. 제어부 (16) 는, 예를 들어, 타이머 회로나, RAM 이나 불휘발 메모리 등의 기억 장치 등을 구비하고 있다. 연산부 (12) 는, 제어부 (16) 의 정보 및 제어에 기초하여 충전지 (7) 의 전지 잔량을 고정밀도로 예측 계산을 실시한다. 즉, 전지 잔량 예측 장치 (1) 는, 도 2 에 나타내는 고정밀도 잔량 예측 연산 플로를 실행하고, 충전지 (7) 의 전지 잔량을 고정밀도로 예측 계산한다.
제 1 실시형태의 전지 잔량 예측 장치는, 이하와 같이 동작하여, 충전지 (7) 의 전지 잔량을 고정밀도로 예측한다.
도 2 는 제 1 실시형태의 전지 잔량 예측 장치에 있어서의 전지 잔량 예측 연산 플로이다. 전지 실장시 등의 초기 상태에 있어서, 충전지 (7) 의 전지 잔량은 불명하다. 따라서, 스텝 S1 및 S2 에서 충전지 (7) 의 전지 잔량의 초기치 SOCo 를 산출한다.
스텝 S1 에서, 충전지 (7) 의 전지 단자 전압 VBo 및 전지 온도 To 를 전압 검출부 (11) 에서 검출한다. 충전지 (7) 에 전류는 흐르지 않는다고 하면, 이 때의 전지 단자 전압 VBo 는, 전지 개방 회로 전압 OCV 와 동등하다.
전지의 개방 회로 전압 OCV 와 전지 잔량 (충전 상태) SOC 와 전지 온도 T 는, 전지의 종류에 따라 소정의 관계에 있고, 그 관계를 식 1 로 나타낸다.
Figure pat00001
단, 식 1 의 focv(SOC, T) 는, 함수로 나타내는 것이 어렵기 때문에, 예를 들어 미리 측정하여 얻어진 수치 테이블로 정의한다.
스텝 S2 에서, 전지 개방 회로 전압을 VBo, 전지 온도를 To 로 하여, 식 1 로부터 전지 잔량의 초기치 SOCo 를 산출한다.
스텝 S3 에서, 시간 tc 를 카운트한다. 그리고, 시간 tc 마다 스텝 S4 이후의 전지 잔량 예측 연산을 실행한다.
스텝 S4 에서, 전압 검출부 (11) 에서 충전지 (7) 의 전지 단자 전압 VBn 및 전지 온도 Tn 을 검출한다.
스텝 S5 에서, 전회의 전지 잔량
Figure pat00002
과, 스텝 S4 에서 검출된 전지 전압 VBn 과 전지 온도 Tn 으로부터, 현재의 전지 잔량 SOCn, 개방 회로 전압 OCVn, 전지 전류 In 을 산출한다.
전지 특성으로서 규정할 필요가 있는 특성으로서, 식 1 에 가정한 특성에 더하여, 전지 내부 임피던스 Rzb 와 전지 용량 Qmax 가 있다. 이들은, 제조 초기에 고유의 특성을 갖고 있다. 내부 임피던스 특성으로는 식 2 를 가정한다.
Figure pat00003
이 시점의 전지 전류를 In 으로 하면, 전지 단자 전압 VBn 과, 이 시점에서의 개방 회로 전압은 이하의 관계식으로 나타내어진다.
Figure pat00004
식 3 은 전지 개방 회로 전압 focv(SOCn, Tn) 와 전지 단자 전압 VBn 의 차전압 (좌변) 이, 전지 전류 In 과 전지 내부 임피던스 fzb(SOCn, Tn) 에 의한 전압 강하 (우변) 와 동등한 것을 나타낸 것이다. 이 때의 전류 In 은 tc 시간 전부터 현시점까지의 전하의 이동량을 시간 tc 로 나눈 것으로 생각하면, 식 4 로 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
우변의 분자는 잔량의 변화와 전지 용량 Qmax 의 곱으로, 이동 전하량을 의미하고 있다. 또한, 전류는 전지로부터 출력되는 방향을 정 (正) 으로 하고 있다. 식 3 과 식 4 는 동시에 성립될 필요가 있고, 전지 전류 In 과 잔량 SOCn 을 미지의 변수로 하여, 연립 방정식의 해 (解) 로서 구할 수 있다. 따라서, 실제로 전지 전류를 계측하지 않고 전지 잔량을 예측할 수 있다.
이상의 연산을 스텝 S5 에서 실행함으로써, 전지 잔량 SOCn, 개방 회로 전압 OCVn (≡focv(SOCn, Tn)), 전지 전류 In 이 각각 산출된다. 스텝 S6 에서 이들 산출된 모든 수치는 RAM 이나 불휘발 메모리 등의 기억 장치에 기입되어 유지된다. 이상의 스텝 S3 ∼ S6 을 반복 실행함으로써 잔량 예측을 실시한다.
이상과 같이, 본 발명의 실시형태에 의하면, 전지 전류를 실제로 검출하지 않고 전지 잔량을 예측할 수 있으며, 따라서, 종래, 전지 전류 검출을 위해서 필요하였던 고정밀도 전류 센스 저항이 불필요해져, 비용 저감, 실장 사이즈 저감을 실현할 수 있다.
도 3 은 제 2 실시형태의 전지 잔량 예측 장치를 구비한 배터리 팩의 다른 예를 나타내는 블록도이다.
잔량 예측 장치 (2) 는, 이미 알려진 전지 부하로 하는 정전류원 (4) 과, 스위치 (5) 를 구비하고 있다. 또, 이미 알려진 정전류원을 온·오프 제어하는 스위치 (5) 의 제어 기능 등을 구비한 제어부 (17) 와, 이미 알려진 정전류원의 온·오프의 정보도 사용하여 잔량 예측 연산을 실시하는 연산부 (13) 로 이루어져 있다. 본 발명의 실시형태에서는, 전지 용량의 저하나 전지 내부 임피던스의 증가와 같은 경년 변화를 예측하는 수단도 아울러 제공하는 것을 목적으로 한 것이다.
제 2 실시형태의 전지 잔량 예측의 연산 플로는, 도 2 의 전지 잔량 예측 연산 플로에 더하여, 도 4 에 나타내는 전지 특성 예측 연산 플로를 구비하고 있다. 전지 특성 예측 연산 플로를 실행하는 조건으로는, 전지 부하인 어플리케이션 시스템이 정지, 혹은 슬립 상태 등, 극저소비 전류 상태에 있고, 전지 전류가 소기의 전류보다 작은 상태에 있어서 실행한다.
이하에 전지 특성 예측 연산 플로에 대해 설명한다.
스텝 S1 에서는, 전지 특성 예측을 실행하는지의 여부를 판정한다. 전지 특성 예측의 실행의 기동 가부를 판단하기 위해서, 실행 플래그 Flag 를 감시하고, 플래그가 선 (본 예에서는 Flag = 1) 것을 검출하여 전지 특성 예측 연산을 기동한다.
스텝 S2 에서는, 전지 잔량 예측 연산 플로에서 산출된 개방 회로 전압 OCVj 와 검출한 전지 단자 전압 VBj 의 전압의 차를 구하고, 이 차가 소기의 전압 δv 이하인지의 여부를 판정하고, 이하가 된 시점에서 다음 스텝 S3 으로 진행한다.
스텝 S3 에서는, │OCVj - VBj│≤ δv 가 된 시점에서의 전지 잔량 SOCj 를 RAM 등의 기억 장치에 유지한다. 그리고, 잔량 예측 장치 (2) 에 구비한 이미 알려진 정전류원 (4) 이 충전지 (7) 의 부하로서 접속되고, 충전지 (7) 는 정전류원 (4) 에 의해 정전류 Idi 가 방전된다.
스텝 S4 에서는, 소기의 정전류 방전 시간 (k·tc) 의 경과를 감시하고, 검출하면 스텝 S5 로 진행한다.
스텝 S5 에서는, 방전 정지 직전의 전지 단자 전압 VB(k·tc), 전지 온도 T(k·tc), 를 RAM 등의 기억 장치에 유지한다. 그리고, 이미 알려진 정전류원 (4) 을 충전지 (7) 로부터 절단한다.
스텝 S6 에서는, 정전류원 (4) 절단 후의 개방 회로 전압 OCVm, 전지 단자 전압 VBm 의 차전압 (=│OCVm - VBm│) 을 감시하고, 이 전압의 차가 소기의 전압 δv2 이하인지의 여부를 판정하고, 이하가 된 시점에서 다음 스텝 S7 로 진행한다.
스텝 S7 에서는, 상기 차전압이 소기 전압 δv2 이하가 된 시점에서의 전지 잔량 SOCm, 개방 회로 전압 OCVm, 전지 온도 Tm 을 RAM 등의 기억 장치에 유지한다.
스텝 S8 에서는, 전지 잔량 SOCj, 정전류치 Idi, 정전류 방전 시간 k·tc, 전지 단자 전압 VB(k·tc), 전지 온도 T(k·tc), 전지 잔량 SOCm, 개방 회로 전압 OCVm, 전지 온도 Tm 을 기초로 전지 특성인 전지 용량, 전지 내부 임피던스를 산출한다.
스텝 S8 에 있어서의 전지 특성 산출 방법을 이하에 상세히 서술한다.
먼저, 전지 용량의 산출에 관해서 설명한다.
정전류 Idi 에서의 정전류 방전 개시 전, 방전 정지 후의 전지 잔량은, 각각, SOCj, SOCm 으로서 산출되어 있다. 이 전지 잔량의 변화는, 정전류 방전에 의한 전하 이동에 의하고 있는 점에서, 전지 용량을 Qrmx 로 하면 식 5 가 된다.
Figure pat00006
식 5 의 좌변은, 정전류 Idi 에서 k·tc 시간에 방전된 전하량으로, 식 5 의 우변의 전지 잔량의 변화와 전지 용량의 곱에 동등하다고 하고 있다. 따라서, 경년 변화 후의 전지 용량 Qrmx 는 식 6 으로서 산출할 수 있다.
Figure pat00007
다음으로, 전지 내부 임피던스의 산출에 관해서 설명한다.
정전류 방전 정지 직전의 전지 단자 전압 VB(k·tc) 와 이 때의 전지 개방 회로 전압 OCV(k·tc), 전지 내부 임피던스를 Rz 로 하면, 그 관계는 식 7 로 나타내어진다.
Figure pat00008
식 7 의 좌변은, 전지 개방 회로 전압과 전지 단자 전압의 차전압으로, 이 차전압이 정전류 Idi 와 전지 내부 임피던스 Rz 에 의한 전압 강하와 동등하다고 하고 있다.
그런데, 정전류 방전 정지 직전의 전지 개방 회로 전압 OCV(k·tc) 는, 정전류 방전 정지 후의 전지 잔량 SOCm 과, 정전류 방전 정지 직전의 전지 온도 T(k·tc) 와, 전지 개방 회로 전압 OCV 와 잔량 SOC, 온도 T 의존성식, OCV = focv(SOC, T) 를 사용하면, 식 8 로서 산출할 수 있다.
Figure pat00009
식 7 과 식 8 로부터, 전지 내부 임피던스 Rz 를 식 9 로 구할 수 있다.
Figure pat00010
스텝 S9 에서는, 스텝 S8 에서 구해진 경년 변화 후의 전지 용량과 전지 내부 임피던스를 잔지 잔량 예측에 사용하는 전지 특성 데이터에 반영시킨다.
스텝 S10 에서는, 전지 특성 예측 연산이 종료된 것에 따라, 예측 실행 플래그 Flag 를 리셋 (본 예에서는, Flag = 0) 한다.
이상 설명한 바와 같이, 제 2 실시형태의 전지 잔량 예측 장치에 의하면, 전지 특성의 경년 변화도 예측할 수 있다는 점에서, 고정밀도의 잔량 예측을 영속적으로 실시할 수 있고, 전류 검출을 실시하지 않아도 실현될 수 있다는 점에서, 종래의 전류 센스 저항은 불필요하고, 저비용화, 실장 사이즈 저감에 효과가 있다.
1, 2 : 잔량 예측 장치
4 : 정전류원
7 : 충전지
11 : 전압 검출부
12, 13 : 연산부
15 : 충방전 제어 회로
16, 17 : 제어부

Claims (3)

  1. 전지의 전압을 계측하고, 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치로서,
    상기 전지의 전지 전압 및 전지 온도를 측정하는 전압 검출부와,
    상기 전지 전압 및 상기 전지 온도에 기초하여 전지 잔량을 예측 계산하는 연산부와,
    상기 전지 잔량 예측 장치의 동작 및 상기 연산부를 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 전지 잔량 예측 장치는, 측정한 상기 전지 전압 및 전지 온도와, 전지 잔량 변화로부터 산출되는 전류치 및 전지 내부 저항에 기초하여 전지 개방 회로 전압과 전지 잔량을 회귀적으로 산출하는, 연산 플로에 의해 상기 전지의 잔량을 예측하는 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
  2. 전지의 전압을 계측하고, 전지의 잔량을 예측하는 전지 잔량 예측 장치로서,
    상기 전지의 전지 전압 및 전지 온도를 측정하는 전압 검출부와,
    상기 전지 전압 및 상기 전지 온도에 기초하여 전지 잔량을 예측 계산하는 연산부와,
    상기 전지 잔량 예측 장치의 동작 및 상기 연산부를 제어하는 제어부와,
    상기 전지 부하가 되는 정전류원
    을 구비하고,
    상기 전지 잔량 예측 장치는, 측정한 상기 전지 전압 및 전지 온도와, 전지 잔량 변화로부터 산출되는 전류치 및 전지 내부 저항에 기초하여 전지 개방 회로 전압과 전지 잔량을 회귀적으로 산출하는, 제 1 연산 플로와,
    상기 정전류원을 전지 부하로서 접속하고, 정전류 방전을 소정의 기간 실시한 후에, 상기 정전류 방전의 개시 전의 전지 잔량과, 상기 정전류 방전의 정지 직전의 전지 전압과, 상기 정전류 방전의 정지 후의 정정 (整定) 한 전지 전압에 기초하여 전지 용량과 전지 내부 저항을 산출하는, 제 2 연산 플로
    에 의해 상기 전지의 잔량을 예측하는 것을 특징으로 하는 전지 잔량 예측 장치.
  3. 부하가 접속되는 제 1 및 제 2 외부 단자의 사이에 직렬로 접속된 전지 및 부하 전류 제어용의 MOSFET 와,
    상기 전지의 양단에 접속되고, 상기 전지의 상태를 감시하여 상기 MOSFET 를 제어하는 제어 회로와,
    상기 전지의 양단에 접속되고, 상기 전지의 잔량을 예측하는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 전지 잔량 예측 장치
    를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 팩.
KR1020160028734A 2015-03-12 2016-03-10 전지 잔량 예측 장치 및 배터리 팩 KR20160110211A (ko)

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