JP5001938B2 - バッテリーの充電または放電出力の調整方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド電気自動車（ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ）に使われるバッテリーセルの過充電及び過放電を防止するため、バッテリーセルの状態に応じて出力限界を補正する方法に関する。

一般に、ハイブリッド電気自動車には数十個のバッテリーセルが直列に連結されたバッテリーパックが装着される。バッテリーパックの最大許容可能充電及び放電出力は、バッテリーパックの残存容量（ＳＯＣ；ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）及びバッテリーパックの温度を基準に制御する。バッテリーパックの最大許容可能充電／放電出力を決める一例を従来の充電及び放電内部抵抗で構成されたバッテリー特性モデリングを利用した充電及び放電制御を基準に説明すると、次のようである。

まず、バッテリーパックのＳＯＣ及び温度に従ってバッテリーパックの内部抵抗が変化するため、実験を通じてそれぞれの温度に対してＳＯＣ毎に内部抵抗を測定する。内部抵抗を測定する方法は、バッテリーパックに電流を流した際の電圧の変化量を電流で割った値を内部抵抗として決める。上記のように求めた内部抵抗値はメモリに保存される。内部抵抗を通じて実際バッテリーパックの出力は数式１によって推定される。

上記数式１で、負の値は放電出力になり正の値は充電出力になる。また、内部抵抗（Ｒ）は各状態のＳＯＣ及び温度に従ってメモリに保存された内部抵抗値を読み出して上記数式に代入する。

ところが、上記それぞれのバッテリーセルは最初に自動車に装着されるときには全て同一の性能を有しており、自動車用モーターの出力もバッテリーパックが出せる最大出力を基準に制御するようになる。

しかし、自動車の運行量の増加と共にそれぞれのバッテリーセルの性能にも偏差が生じることになる。それにもかかわらず、バッテリーパックが出せる最大出力を基準に充電及び放電プロセスを行い続ける場合、図１に示したように一部のバッテリーセルは許容可能な充電または放電出力を超過して充電または放電される。

このように自動車用モーターの出力はバッテリーパックが出せる最大出力を基準に制御されることで、性能が落ちる一部のバッテリーセルは自動車の運行中に過充電及び過放電され、これは結局、セル間の性能のばらつきを加速化させてバッテリーパックの寿命を急激に減少させる現象を引き起こすことになる。

本発明は、従来のバッテリーパックの一部のセルが過充電及び過放電されることでバッテリーパックの寿命が急激に減少する問題点を解決するため、バッテリーの状態に応じて過充電及び過放電を防止することができる方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によるバッテリーの放電または充電出力の調整方法は、バッテリーの最大出力を推定するステップと、バッテリーセルまたはパックの電圧を測定するステップと、バッテリーセルまたはパックの電圧が最大出力に対応するように予め決まった制限範囲から外れるか否かをチェックするステップと、バッテリーのセルまたはパックの電圧が予め決まった制限範囲から外れると、バッテリーの放電または充電出力を調整するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明は、バッテリーの最大出力を推定し、上記推定された最大出力及びバッテリーの電圧を利用して、該当バッテリーの充電及び放電出力を調整する。

まず、本発明の望ましい実施例によるバッテリーの最大出力推定のための算出式の誘導過程を説明する。

試験者らは自動車の運行可能な複数のバッテリー充電状態（ＳＯＣ）に応じたバッテリーの最大充電及び放電出力を抽出して両者の相関関係を検出する。

次いで、自動車の運行可能な複数の温度（ｔｅｍｐ）におけるバッテリーの最大出力を抽出して両者の相関関係を算出し、自動車の走行の際、バッテリー容量の放電に伴うバッテリー出力の劣化率を抽出した後、両者の相関関係を検出する。

充電出力及び放電出力は、温度及びＳＯＣによって図２及び図３のグラフのように示される。これにより、ある温度における出力は数式２に近似されることができる。

上記数式２において、Ｃ_ｘは定数であり、ＳＯＣ^ｘはＳＯＣのｘ乗を意味する。Ｃ_ｘ＝Ｆ（ｔｅｍｐ）_ｘであり、温度によって決まる。

上記Ｃ_ｘは数式３のように近似されることができる。

上記数式３において、Ｄ_ｘは不変の定数であり、ｔｅｍｐ^ｘはｔｅｍｐのｘ乗を意味する。

充電出力及び放電出力は、温度及びＳＯＣとの相関関係からバッテリーの最大出力（Ｐｏｗｅｒ_ｍａｘ）を数式４のように表すことができる。

上記数式４において、Ｆ（ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ａｈ）は自動車の走行に伴うバッテリーの劣化率を表す。

一般に、バッテリーは使われた量に比例して減少する現象を見せ、これは図４に示したような特性を有する。このような特性は、バッテリーの劣化率と呼ばれ、バッテリーの劣化率は数式５に近似される。

上記数式５において、Ｃ_５ないしＣ_０は定数であり、ｋは［０，３０００００］の範囲にあり数式に入力値として入力される場合、［−１，１］の範囲の値に変換されて入力される。

上記数式５による劣化率の算出例は、以下のようである。

これにより、バッテリーの最大出力は次のような数式６に近似されることができる。

以下、数式６によってバッテリーの最大出力を推定し、その推定された最大出力及びバッテリーの電圧を利用して該当バッテリーの充電及び放電出力を調整する本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。

まず、本発明が適用可能なバッテリー制御装置の構成について図５を参照して説明する。

制御部１００は、本発明の望ましい実施例によるバッテリー充電及び放電出力を調整するプロセスを行う。すなわち、制御部１００は数式６によって、温度、ＳＯＣ、劣化率を考慮してバッテリーの最大出力を推定し、バッテリーの電圧を測定し、最大出力及びバッテリーの電圧を利用して該当バッテリーの充電及び放電出力を調整する。

メモリ部１０２は、制御部１００の処理プログラムを含む多様な情報を保存し、特に本発明の望ましい実施例によってバッテリーの最大出力にそれぞれ対応するバッテリーセルまたはバッテリーパックの制限電圧に対する情報が保存される。

電圧測定部１０４は該当バッテリーパックまたはセルの電圧を測定し、その結果を制御部１００に提供する。

温度センサー１０６は温度を測定し、その結果を制御部１００に提供する。

ＳＯＣ推定部１０８は該当バッテリーのＳＯＣを推定し、その結果を制御部１００に提供する。

以下、バッテリー制御装置に適用可能な本発明の望ましい実施例による方法を詳しく説明する。

まず、バッテリーセルに対して測定された電圧を利用する方法を図６を参照して説明する。

制御部１００は、温度センサー１０６及びＳＯＣ推定部１０８で温度及びＳＯＣを測定し、数式６によってバッテリーパックの最大出力を推定する（ステップ２００、２０２）。

以後、制御部１００は電圧測定部１０４でバッテリーセルの電圧を測定する（ステップ２０４）。

バッテリーセルの電圧が測定されると、制御部１００はメモリ部１０２に予め保存された上記推定されたバッテリーの最大出力に対応する制限電圧と上記測定されたバッテリーセルの制限電圧とを比較し（ステップ２０６）、上記測定された電圧のうち少なくとも１つが上記予め設定された制限電圧の電圧より大きい場合は、バッテリーパックの許容可能な充電及び放電出力を減少させる。逆に、上記測定された電圧のうち少なくとも１つが上記制限電圧より小さい場合は、バッテリーパックの許容可能な充電及び放電出力を増加させる（ステップ２０８）。上記許容可能な充電及び放電出力の減少及び増加幅は予め決めることができるが、２ないし１０％の範囲で出力量を減少させることが望ましい。

より詳しく説明すると、図７にはバッテリーパックにおいてバッテリーセルの利用可能な電圧が区間別に示されている。許容電圧はバッテリーセルの使用時の安全及び寿命のためのものであり、会社、バッテリーの種類、バージョン毎にその範囲が相異なり、例えば、ＬＧ製のバッテリーパックは２．５Ｖ〜４．３Ｖの範囲を有する。

これに、制御部１００は、推定されたバッテリーの出力で充電する際には、セル電圧が４．３Ｖ以上であれば出力を減らし、４．２Ｖ未満であれば出力を高める。逆に、放電の際には、セル電圧が２．５Ｖ未満であれば出力を減らし、２．８Ｖを超過すれば出力を高めることができる。

このとき、本発明の望ましい実施例によれば、充放電時の出力の増減幅を２〜１０％の範囲で調節する。

このように、本発明は、充電または放電時、バッテリーセルの電圧が制限電圧から外れる場合にはそれに応じてバッテリーの出力を調整する。もし直列に連結されたバッテリーセルのバランスがよく、ＳＯＣ及び温度が正確に測定されたなら、推定された出力内ではセル電圧が充電時の許容値を超えることはない。それにもかかわらず、バッテリーセルの電圧が制限電圧を超えたということは何らかの原因によって出力予想が間違ったと判断することができる。バッテリーセル電圧が制限電圧を超過し続けると爆発や発火が起きる恐れがあるため、出力を減少させてバッテリーセル電圧を制限電圧以下に減少させる。

まず、バッテリーセルに対して測定された電圧を利用する方法について図６を参照して説明する。

制御部１００は、温度センサー１０６及びＳＯＣ推定部１０８で温度及びＳＯＣを測定し、数式６によってバッテリーパックの最大出力を推定する（ステップ３００、３０２）。

以後、制御部１００は電圧測定部１０４でバッテリーパックの電圧を測定する（ステップ３０４）。

バッテリーパックの電圧が測定されると、制御部１００はメモリ部１０２に予め保存されたバッテリーパックに対する制限電圧と上記測定されたバッテリーパックの制限電圧とを比較し、上記測定された電圧が上記推定されたバッテリーの最大出力に対応する制限電圧より大きい場合は、バッテリーパックの許容可能な充電及び放電出力を減少させる。逆に、上記測定された電圧が上記制限電圧より小さい場合は、バッテリーパックの許容可能な充電及び放電出力を増加させる。上記許容可能な充電及び放電出力の減少及び増加幅は予め決めることができるが、２ないし１０％の範囲で出力量を減少させることが望ましい。

本発明による過充電及び過放電防止方法を有するハイブリッド電気自動車のバッテリーパックは、一定時間以上バッテリーパックを使うことでそれぞれのセルの性能にばらつきが生じた場合、性能の低いバッテリーセルを基準にバッテリーパックの出力を調節することができるため、バッテリーセルに加えられる過充電及び過放電を防止することができる。したがって、バッテリーセルの過充電及び過放電によるバッテリー性能の急激な悪化を防止することができ、バッテリーパックの寿命も増加させることができる。

以上、本発明を望ましい実施例に基づいて説明したが、本発明は前述した内容に限定されず、本発明の思想及び範囲を逸脱することなく多様な方式で変更、修正可能であることは当業者であれば理解することができるであろう。よって、本発明の特許請求の範囲及びその等価物は全て本発明の範疇に属する。

バッテリーセルに過充電及び過放電が発生する場合を示したグラフである。 充電出力及び放電出力の温度及びＳＯＣによる特性を示した図である。 充電出力及び放電出力の温度及びＳＯＣによる特性を示した図である。 バッテリーの劣化率の特性を示した図である。 本発明の望ましい実施例によるバッテリー制御装置の構成図である。 本発明によるバッテリーパックの放電または充電出力の調整方法のフロー図である。 バッテリーパックにおいて、利用可能なバッテリーセルの電圧を区間別に示した概略図である。 本発明によるバッテリーパックの放電または充電出力の調整方法のフロー図である。

Claims (6)

1. バッテリーの温度及びバッテリー充電状態（ＳＯＣ）を利用してバッテリーの最大出力を推定するステップと、
   バッテリーセルまたはパックの電圧を測定するステップと、
   前記測定されたバッテリーセルまたはパックの電圧が前記推定された最大出力に対応する予め決まった電圧の制限範囲から外れるか否かをチェックするステップと、
   前記測定されたバッテリーセルまたはパックの電圧が予め決まった電圧の制限範囲から外れると、前記バッテリーの放電または充電出力を調整するステップと、を含むことを特徴とするバッテリーの放電または充電出力の調整方法。
2. 前記バッテリーの最大出力は、
   以下の数式のように、バッテリー充電状態（ＳＯＣ）及び温度と最大出力間の相関関係から得られた関数と、バッテリー劣化率とバッテリーの最大出力間の相関関係から得られた関数によって算出されることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーの放電または充電出力の調整方法。
   

   
3. 前記バッテリーパックの放電または充電出力に対する調整は、
   前記測定された電圧のうち少なくとも１つが前記予め設定された範囲の電圧より大きい場合、バッテリーパックの許容可能な充電または放電出力を減少させ、
   前記測定された電圧のうち少なくとも１つが前記予め設定された範囲の電圧より小さい場合、バッテリーパックの許容可能な充電または放電出力を増加させることを特徴とする請求項１に記載のバッテリーの放電または充電出力の調整方法。
4. 温度センサーと、
   バッテリーのＳＯＣを推定するＳＯＣ推定部と、
   バッテリーセルまたはパックの電圧を測定する電圧測定部と、
   前記温度及びＳＯＣを利用してバッテリーの最大出力を推定し、前記電圧測定部で前記バッテリーセルまたはパックの電圧を測定し、前記測定されたバッテリーセルまたはパックの電圧が前記推定された最大出力に対応する予め決まった電圧の制限範囲から外れるか否かをチェックし、前記測定されたバッテリーセルまたはパックの電圧が前記電圧の制限範囲から外れると、前記バッテリーの放電または充電出力を調整する制御部と、を含むことを特徴とするバッテリー制御装置。
5. 前記バッテリーの最大出力は、
   以下の数式のように、バッテリー充電状態（ＳＯＣ）及び温度と最大出力間の相関関係から得られた関数と、バッテリー劣化率とバッテリーの最大出力間の相関関係から得られた関数によって算出されることを特徴とする請求項４に記載のバッテリー制御装置。
   

   
6. 前記バッテリーパックの放電または充電出力に対する調整は、
   前記測定された電圧のうち少なくとも１つが前記予め設定された範囲の電圧より大きい場合、バッテリーパックの許容可能な充電または放電出力を減少させ、
   前記測定された電圧のうち少なくとも１つが前記予め設定された範囲の電圧より小さい場合、バッテリーパックの許容可能な充電または放電出力を増加させることを特徴とする請求項４に記載のバッテリー制御装置。

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