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KR101165852B1 - 2차 전지의 전력 제어 방법 및 전원 장치 - Google Patents

2차 전지의 전력 제어 방법 및 전원 장치 Download PDF

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KR101165852B1
KR101165852B1 KR1020050101896A KR20050101896A KR101165852B1 KR 101165852 B1 KR101165852 B1 KR 101165852B1 KR 1020050101896 A KR1020050101896 A KR 1020050101896A KR 20050101896 A KR20050101896 A KR 20050101896A KR 101165852 B1 KR101165852 B1 KR 101165852B1
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secondary battery
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max
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유타카 야마우치
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

전지의 사용 가능한 전력량을 전지 상태에 따라 적정하게 설정할 수 있는 2차 전지의 전력 제어 방법 등을 제공한다.
2차 전지의 전력 제어 방법은 2차 전지의 충방전을 행할 때에 전력 사용량의 제한을 가하는 2차 전지의 전력 제어 방법으로서, 2차 전지를 흐르는 충방전 전류, 충방전 전압에 근거하여 2차 전지의 전류-전압 특성의 함수를 결정하고, 2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin 및/또는 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax와 함수의 교점으로부터 방전 제한 전류 Imax 및/또는 충전 제한 전류 Imin을 구하여, 상기 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류 및/또는 충전 제한 전류 Imin 이하의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어한다. 이로 인해, 메모리 효과 등을 고려하여 사용 가능한 전력량을 제한할 수 있으며, 2차 전지를 안전한 범위에서 최대한 사용할 수 있다.

Description

2차 전지의 전력 제어 방법 및 전원 장치{METHOD FOR CONTROLLING SECONDARY BATTERY ELECTRIC POWER AND POWER SUPPLY UNIT}
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 전원 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 전지의 내부 저항 RO 및 개방 전압 VOCV와, 전지 전압 VL 및 전지 전류 IL과의 관계를 나타내는 회로도.
도 3은 전지의 충방전시에 있어서 전류-전압 특성을 나타내는 그래프.
도 4는 방전중에 있어서 방전 제한 전류의 연산 방법을 나타내고, (a)는 미방전시의 최대 방전 제한 전류 Imax의 결정 방법, (b)는 방전중에 있어서 최대 방전 제한 전류 Imax1의 결정 방법을 각각 나타내는 도면.
도 5는 방전중에 있어서 내부 저항, 개방 전압이 갱신되는 경우를 나타내는 그래프.
도 6은 충전중에 있어서 충전 제한 전류의 연산 방법을 나타내고, (a)는 미충전시의 최대 충전 제한 전류 Imin의 결정 방법, (b)는 충전중에 있어서 최대 충전 제한 전류 Imin1의 결정 방법을 각각 나타내는 도면.
도 7은 충전중에 있어서 내부 저항, 개방 전압이 갱신되는 경우를 나타내는 그래프.
<부호의 설명>
100ㆍㆍㆍ전원 장치
10ㆍㆍㆍ잔용량 검출 장치
11ㆍㆍㆍ메모리
12ㆍㆍㆍ전압 검출부
14ㆍㆍㆍ온도 검출부
16ㆍㆍㆍ전류 검출부
17ㆍㆍㆍ온도 센서
18ㆍㆍㆍ제어 연산부
19ㆍㆍㆍ통신 처리부
20ㆍㆍㆍ전지 유닛
22ㆍㆍㆍ2차 전지
30ㆍㆍㆍ접속 기기 통신 단자
본 발명은 2차 전지의 전력량을 제어하는 방법 및 전원 장치에 관한 것으로, 예를 들면 차량 주행용 모터를 구동하는 전원 장치에 포함되는 2차 전지의 전력량의 제한을 행하는 방법 및 전원 장치에 관한 것이다.
전원 장치는 전지 또는 소(素)전지를 직렬 또는 병렬로 접속한 전원 모듈의 개수를 많이 하여 출력 전류를 크게 할 수 있고, 또 직렬로 접속하는 직렬의 개수로 출력 전압을 높게 할 수 있다. 특히, 대(大)출력이 요구되는 용도, 예를 들면 자동차 등의 차량, 자전거, 공구 등에 사용되는 전원 장치에 있어서는 복수의 전지를 직렬로 접속하여 출력을 크게 하는 구조를 취할 수 있다. 예를 들면, 하이브리드 카(hybride car)나 연료 전지차 등과 같이 모터로 주행되는 차량용의 전원 장치에 사용되는 대전류, 대출력용의 전원은 복수의 전지를 직렬로 연결한 전원 모듈을 추가로 직렬로 접속하여 출력 전압을 높게 하고 있다. 구동 모터의 출력을 크게 하기 위해서이다.
이와 같은 전원 장치에 있어서는 전지를 안전한 상태에서 사용하도록 출력을 제한하는 것은 전지를 높은 신뢰성으로 사용하기 위하여 중요하다. 예를 들면 과방전이나 과충전이 생기면 전지의 수명이 저하된다. 그래서, 전지의 방전시나 충전시에 있어서 사용 가능한 전력량을 제한할 필요가 있다. 여기서, 사용 가능한 전력은 잔용량에 의하여 변동한다. 전지의 잔용량(state-of-charge(SOC))은 일반적으로 만(滿)충전한 상태로부터 방전 용량을 감산하여 검출된다. 방전 용량은 방전 전류를 적산하여 연산된다. 전지의 잔용량은 전류와 시간의 곱, 즉 Ah로 표시되거나, 또는 만충전한 용량(Ah)을 100%로 하여 만충전 용량에 대한 비율(%)로 나타낼 수 있다. 어느 상태로 잔용량을 표시한다고 해도, 만충전된 상태로부터 방전한 용량을 감산하여 검출된다. 단, 방전 전류의 적산치로 검출되는 잔용량은 항상 전지의 올바른 잔용량과 일치한다고는 할 수 없다. 방전 전류의 크기나 온도가 잔용량 검출의 오 차의 원인으로 되기 때문이다.
이와 같이 전지의 잔용량을 정확하게 검출하는 것은 곤란하고, 동일한 전류, 전압치에 있어서도 잔용량이나 전지 온도 등에 의하여 사용 가능한 전력량은 다르다. 특히, 이른바 메모리 효과가 발생하면, 실질적으로 전지의 용량이 저하하기 때문에, 그 잔용량 검출은 더욱 곤란하게 된다. 메모리 효과란 니켈-카드뮴 전지나 니켈 수소 전지 등을 얕은 방전 심도(深度)로 사이클 충방전한 경우에, 깊은 방전시에 일시적으로 방전 전압이 저하하는 현상이다. 메모리 효과에 의하여 전지의 잔용량이 변화하기 때문에, 정확한 전지의 잔용량을 추정할 수 없다. 잔용량의 검출을 잘못하면, 전지의 충방전시에 과대한 부하가 걸리는 동작을 행하는 일이 있으며, 전지의 수명을 현저하게 저하시키는 원인으로 된다. 또 한편, 전지가 자기 방전도 함으로써 잔용량이 변화한다. 이러한 요인에 의하여 전지의 잔용량의 추측은 곤란하게 되어서 정확한 잔용량을 파악하는 것이 극히 곤란하였다.
메모리 효과 등의 발생을 고려하여, 안전을 위해 미리 사용 가능한 전력량을 낮게 설정하는 것도 생각할 수 있으나, 본래 사용 가능한 전력을 희생하여 전지의 출력을 저하시키는 사용으로 되어서, 전지 본래의 성능을 충분히 발휘할 수 없게 된다. 반대로 전지의 사용 가능한 전력량을 높게 설정하면, 실제로 적정하게 사용 가능한 전력량을 초과하여 충방전이 행해질 우려가 있으므로, 전지 수명을 저하시키는 원인으로 된다.
[특허 문헌 1] 일본 특개소 56-126776호 공보
본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것이다. 본 발명의 주목적은 전지의 사용 가능한 전력량을 전지 상태에 따라 적정하게 설정할 수 있는 2차 전지의 전력 제어 방법 및 전원 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1의 측면에 관한 2차 전지의 전력 제어 방법은, 2차 전지의 충방전을 행할 때에 전력 사용량의 제한을 가하는 2차 전지의 전력 제어 방법으로서, 2차 전지를 흐르는 충방전 전류, 충방전 전압에 근거하여 2차 전지의 전류-전압 특성의 함수를 결정하고, 2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin 및/또는 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax와 함수의 교점으로부터, 방전 제한 전류 Imax 및/또는 충전 제한 전류 Imin을 구하여 상기 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류 및/또는 충전 제한 전류 Imin 이하의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어한다. 이로 인해, 메모리 효과 등을 고려하여 사용 가능한 전력량을 제한할 수 있으며, 2차 전지를 안전한 범위에서 최대한 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 제2의 측면에 관한 2차 전지의 전력 제어 방법은, 2차 전지의 충방전을 행할 때에 전력 사용량의 제한을 가하는 2차 전지의 전력 제어 방법으로서, 2차 전지를 흐르는 충방전 전류 IL 및 충방전 전압 VL을 측정하고, 이것들에 근거하여 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO를 계산하고, 다음 식
[식 5]
VL=VOCV-ROIL
로 표시되는 직선과, 2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin 및/또는 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax의 교점으로부터, 방전 제한 전류 Imax 및/또는 충전 제한 전류 Imin를 구하여, 상기 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류 및/또는 충전 제한 전류 Imin 이하의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어한다. 이로 인해, 메모리 효과 등을 고려하여 사용 가능한 전력량을 제한할 수 있어서, 2차 전지를 안전한 범위에서 최대한 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3의 측면에 관한 2차 전지의 전력 제어 방법은, 2차 전지의 방전중의 방전 전압 V1, 방전 전류 I1을 정기적으로 측정하고, 상기 식 1로부터 얻어지는 다음 식
[식 6]
VOCV=VL+ROIL
에 의하여 VOCV를 갱신하고, 그 VOCV를 반영한 식 5와, 2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin의 교점으로부터 방전 제한 전류 Imax를 구하여, 상기 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어한다. 이로 인해, 2차 전지의 방전중의 각 시점에 있어서, 더욱 증가할 수 있는 방전 전류의 상한을 알 수 있으므로, 이 범위로 방전 전류치를 제한하여 2차 전지를 안전하게, 또한 가능한 범위에서 최대한 사용할 수 있다. 특히, 방전 상태에 의하여 상기의 직선상으로부터 벗어난 경우에도 안전하게 2차 전지를 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 제4의 측면에 관한 2차 전지의 전력 제어 방법은, 2차 전지의 충전중의 충전 전압 V2, 방전 전류 I1을 정기적으로 측정하고, 식 6으로부터 VOCV를 갱신하고, 그 VOCV를 반영한 식 5와, 2차 전지의 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax의 교점으로부터 충전 제한 전류 Imin을 구하여, 상기 충전 제한 전류 Imin 이상의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어한다. 이로 인해, 2차 전지의 충전중의 각 시점에 있어서, 더욱 증가할 수 있는 충전 전류의 상한을 알 수 있으므로, 이 범위로 충전 전류치를 제한하여 2차 전지를 안전하게, 또한 가능한 범위에서 최대한 충전할 수 있다. 특히, 충전 상태에 의하여 상기의 직선상으로부터 벗어난 경우에도 안전하게 2차 전지를 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 제5의 측면에 관한 2차 전지의 전력 제어 방법은, 방전중인 시점에 있어서 연산한 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO로부터, 그 시점에서 방전 가능한 최대 방전 전력량 Plimd를 다음 식
[식 7]
Plimd=Vmin*(VOCV-Vmin)/RO
에 의하여 연산한다. 이로 인해, 2차 전지의 방전중의 각 시점에 있어서 출 력 가능한 전력량을 알 수 있으므로, 이 범위로 방전 전력치를 제한하여 2차 전지를 안전하게, 또한 가능한 범위에서 최대한 방전할 수 있다.
또, 본 발명의 제6의 측면에 관한 2차 전지의 전력 제어 방법은, 충전중인 시점에 있어서 연산한 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO로부터 그 시점에서 충전 가능한 최대 충전 전력량 Plimc를 다음 식
[식 8]
Plimc=Vmax*(Vmax-VOCV)/RO
에 의하여 연산한다. 이로 인해, 2차 전지의 충전중의 각 시점에 있어서 충전 가능한 전력량을 알 수 있으므로, 이 범위로 충전 전력치를 제한하여 2차 전지를 안전하게, 또한 가능한 범위에서 최대한 충전할 수 있다.
또, 본 발명의 제7의 측면에 관한 2차 전지의 전력 제어 방법은, 2차 전지에 접속된 접속 기기의 구동을 행하지 않을 때에 펄스 방전을 복수 반복하여 방전 전류 및 방전 전압을 검출하고, 방전 전류 IL 및 방전 전압 VL에 근거하여 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO를 갱신한다.
또, 본 발명의 제8의 측면에 관한 전원 장치는, 복수의 2차 전지를 구비하는 전지 유닛(20)과, 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부(12)와, 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부(14)와, 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 검출부(16)와, 전압 검출부(12)와 온도 검출부(14)와 전류 검출부(16)로부터 입력되는 신호를 연산하여 2차 전지의 최대 제한 전류치를 검출하는 제어 연산부(18)와, 제어 연산부(18)에서 연산된 잔용량이나 최대 제한 전류치를 접속 기기에 전송하는 통신 처리부(19)를 구비하고 있고, 제어 연산부(18)가 2차 전지를 흐르는 충방전 전류, 충방전 전압 중 적어도 어느 하나에 근거하여 2차 전지의 전류-전압 특성의 함수를 결정하고, 2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin 및/또는 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax와 함수의 교점으로부터 방전 제한 전류 Imax 및/또는 충전 제한 전류 Imin을 구하여, 상기 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류 및/또는 충전 제한 전류 Imin 이하의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어한다. 이로 인해, 메모리 효과 등을 고려하여 사용 가능한 전력량을 제한할 수 있으며, 2차 전지를 안전한 범위에서 최대한 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다. 단, 이하에 나타내는 실시형태는 본 발명의 기술 사상을 구체화하기 위한 2차 전지의 전력 제어 방법 및 전원 장치를 예시하는 것이며, 본 발명은 2차 전지의 전력 제어 검출 방법 및 전원 장치를 이하의 것에 특정하지 않는다. 또 특허 청구의 범위에 나타나는 부재를 실시형태의 부재에 특정하는 일은 결코 없다. 또한, 각 도면이 나타내는 부재의 크기나 위치 관계 등은 설명을 명확하게 하기 위하여 과장하는 경우가 있다. 또한, 이하의 설명에 있어서 동일한 명칭, 부호에 대해서는 동일 또는 동질 부재를 나타내고 있으며, 상세한 설명을 적절히 생략한다. 또한, 본 발명을 구성하는 각 요소 는 복수의 요소를 동일한 부재로 구성하여 하나의 부재로 복수의 요소를 겸용하는 형태로 해도 되고, 반대로 하나의 부재의 기능을 복수의 부재로 분담하여 실현할 수도 있다.
<전원 장치(100)>
도 1에, 본 발명의 일 실시형태에 관한 전원 장치의 구성을 나타내는 블록도를 나타낸다. 이 도면에 나타내는 전원 장치(100)는 2차 전지(22)를 포함하는 전지 유닛(20)과, 잔용량 검출 장치(10)를 구비한다. 잔용량 검출 장치(10)는 전지의 전압을 검출하는 전압 검출부(12)와, 전지의 온도를 검출하는 온도 검출부(14)와, 전지에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부(16)와, 전압 검출부(12)와 온도 검출부(14)와 전류 검출부(16)로부터 입력되는 신호를 연산하여 전지의 잔용량을 검출하는 동시에, 잔용량이나 전지 온도로부터 전지 유닛(20)의 최대 제한 전류치를 검출하는 제어 연산부(18)와, 연산된 잔용량이나 최대 제한 전류치를 접속 기기에 전송하는 통신 처리부(19)를 구비하고 있다. 통신 처리부(19)는 접속 기기 통신 단자(30)에 접속하고 있다. 통신 처리부(19)는 접속 기기 통신 단자(30)를 통하여 접속 기기에 접속시키고, 잔용량이나 최대 제한 전류치를 나타내는 신호를 접속 기기에 전송한다. 이 예에서는 접속 기기로서 자동차 등의 차량을 이용하고, 전원 장치(100)를 차량에 탑재하여 차량을 주행시키는 모터 M을 구동한다. 통신 처리부(19)는 차량에 설치된 차량측 제어부와 접속되어서 통신을 행한다. 이하, 차량용의 전원 장치에 대하여 설명한다.
전지 유닛(20)에 내장되는 2차 전지(22)는 니켈 수소 전지이다. 단, 전지는 니켈 카드뮴 전지나 리튬 이온 2차 전지로 할 수도 있다. 또, 전지는 하나 또는 복수를 직렬 또는 병렬 또는 직렬과 병렬을 조합하여 접속하고 있다.
전압 검출부(12)는 전지 유닛(20)에 내장되는 2차 전지(22)의 전압을 검출한다. 도면의 전지 유닛(20)은 복수의 2차 전지(22)를 직렬로 접속하고 있으므로, 전압 검출부(12)는 직렬로 접속하고 있는 전지의 전체 전압을 검출하고 있다. 전압 검출부(12)는 검출한 전압을 아날로그 신호로서 제어 연산부(18)에 출력하거나, 또는 A/D 컨버터에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어 연산부(18)에 출력한다. 전압 검출부(12)는 일정한 샘플링 주기로, 또는 연속적으로 전지 전압을 검출하고, 검출한 전압을 제어 연산부(18)에 출력한다.
온도 검출부(14)는 전지 유닛(20)에 내장되는 전지의 온도를 검출하는 온도 센서(17)를 구비한다. 온도 센서(17)는 전지의 표면에 접촉하거나, 또는 열전도재를 통하여 전지에 접촉하거나, 또는 전지의 표면에 접근하여 전지에 열결합(熱結合)되어서 전지 온도를 검출한다. 온도 센서(17)는 서미스터이다. 단, 온도 센서(17)에는 PTC나 바리스터 등, 온도를 전기 저항으로 변환할 수 있는 모든 소자를 사용할 수 있다. 또, 온도 센서(17)에는 전지로부터 방사되는 적외선을 검출하고 전지에 비접촉의 상태에서 온도를 검출할 수 있는 소자도 사용할 수 있다. 온도 검출부(14)도 검출한 전지 온도를 아날로그 신호로 제어 연산부(18)에 출력하거나, 또는 A/D 컨버터로 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어 연산부(18)에 출력한다. 온도 검출부(14)는 일정한 샘플링 주기로, 또는 연속적으로 전지 온도를 검출하고, 검출한 전지 온도를 제어 연산부(18)에 출력한다.
전류 검출부(16)는 전지와 직렬로 저항 소자를 접속하고, 이 저항 소자의 양 단에 유도된 전압을 검출하고, 전지에 흐르는 방전 전류를 검출한다. 저항 소자는 저저항인 저항기이다. 단, 저항 소자에는 트랜지스터나 FET 등의 반도체도 사용할 수 있다. 전지의 충전 전류와 방전 전류는 전류가 흐르는 방향이 반대이므로, 저항 소자에 유도되는 정부의 극성이 반전한다. 따라서, 저항 소자의 극성에서 방전 전류로 판정하고, 저항 소자에 유도되는 전압에서 전류를 검출할 수 있다. 전류가 저항 소자에 유도되는 전압에 비례하기 때문이다. 이 전류 검출부(16)는 전지의 방전 전류를 정확하게 검출할 수 있다. 단, 전류 검출부(16)에는 리드 선에 흐르는 전류에서 외부로 새는 자속을 검출하여 전류를 검출하는 구조로 할 수도 있다. 전류 검출부(16)도 검출한 방전 전류를 아날로그 신호에서 제어 연산부(18)에 출력하거나, 또는 A/D 컨버터에서 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어 연산부(18)에 출력한다. 전류 검출부(16)는 일정한 샘플링 주기로, 또는 연속적으로 방전 전류를 검출하고, 검출한 방전 전류를 제어 연산부(18)에 출력한다.
전압 검출부(12)와 온도 검출부(14)와 전류 검출부(16)로부터, 일정한 샘플링 주기로 디지털치의 신호를 제어 연산부(18)에 출력하는 장치는 각각의 검출부로부터 제어 연산부(18)에 디지털 신호를 출력하는 타이밍을 늦추어서, 차례로 디지털 신호를 제어 연산부(18)에 출력한다.
제어 연산부(18)는 전지의 방전 전류를 적산하여 방전 용량을 검출하고, 검출한 방전 용량을 감산하여 전지의 잔용량을 연산한다. 예를 들면, 만충전 용량을 100OmAh로 하는 전지가 500mAh 방전되면, 잔용량은 50%로 된다. 그러므로, 만충전 된 전지가 방전됨에 따라서, 잔용량은 점차 저하한다. 또, 제어 연산부(18)는 후술하는 바와 같이 사용 가능한 전류량이나 전압량을 제한하는 전력 제한을 행한다. 전력 제한에 관하여 필요한 값이나 데이터, 설정 등은 제어 연산부(18)에 접속하고 있는 메모리(11)에 기억된다. 메모리(11)는 E2PROM 등의 불휘발성 메모리나 RAM 등의 휘발성 메모리를 이용할 수 있다.
<비충방전시에 있어서 2차 전지의 전력 제어 방법>
전원 장치로 차량을 구동하려면, 전지의 잔용량을 정확하게 검출하는 것이 필요하다. 전지의 잔용량은 일반적으로 충전 전류와 방전 전류를 검출하고, 검출한 전류를 적산하여 연산된다. 이 방법은 충전 전류로부터 방전 전류를 감산하여 잔용량을 연산한다. 충전 용량은 충전 전류를 적산하여 연산된다. 방전 용량은 방전 전류를 적산하여 연산된다. 충전 용량과 방전 용량으로부터 잔용량을 연산하는 방식은 2차 전지(22)를 리튬 이온 전지로 하거나, 또는 니켈 수소 전지 또는 니켈 카드뮴 전지로 하는 경우도 잔용량을 연산할 수 있다. 단, 잔용량은 방전 전류나 전지 온도에 의하여 오차가 생긴다. 전원 장치는 2차 전지 상태를 감시하면서, 그 시점에 있어서 사용 가능한 전력량을 최대 전류치나 최대 전압치로서 규정하고 있다. 이들 최대 전류치 등은 잔용량에 근거하여 결정된다. 그러나 잔용량의 검출을 잘못하면 이들 최대 전류치 등의 연산도 부정확하게 되기 때문에, 2차 전지 상태에 따라서 이들 최대 전류치 등을 초과하여 충방전을 행할 우려가 있으며, 전지 온도나 내압의 상승, 전지 수명의 저하 등 안정성이나 신뢰성을 해칠 우려가 있다. 여기 서, 본 실시형태에서는 2차 전지의 잔용량에 근거하여 전력 제한을 행하는 것이 아니라, 전지 전압 및 전류의 실측치로부터 2차 전지의 개방 전압과 내부 저항을 연산하고, 이것에 근거하여 최대 전류치를 규정하는 방법을 채용하고 있다. 이하의 설명에서는 전지의 충방전에 대한 제한을 전압에 행하는 방법에 대하여 설명한다.
전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지를 근사적으로 도 2에 나타내는 회로로 표현하면, 전지 전류 IL 및 전지 전압 VL은 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO로부터 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
[식 9]
VL=VOCV-ROIL
상기 식으로부터 전지 유닛의 전류-전압 특성을 도시하면, 도 3에 나타내는 바와 같은 그래프로 표현할 수 있다. 이 그래프는 전지 전압 및 전류가 충전시, 방전시에 변화하는 상태를 나타내고, 그래프의 우측이 방전시, 좌측이 충전시를 각각 나타내고 있다. 전지 전류 IL 및 전지 전압 VL은 측정할 수 있으므로, 도 1의 회로에 있어서 충방전시에 전압 검출부(12) 및 전류 검출부(16)에서 이러한 값을 복수 검출하면, 연립 방정식으로부터 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO를 구할 수 있다. 개방 전압 VOCV는 전지의 개방 전압에 상당한다.
이와 같이 도 3의 직선은 각종 방법으로 구할 수 있다. 예를 들면 다수의 전지 전류 IL 및 전지 전압 VL을 측정하면, 이와 같은 측정치는 불균형이 생기기 때문 에 직선 형상은 되지 않고, 최소 2 승법 등을 이용하여 근사하는 직선을 구할 수도 있다. 내부 저항 RO는 측정 시점에 있어서 △I(전류 변화량), △V (전압 변화량)에 의해 내부 저항 RO를 △V/△I로 연산하여 구할 수도 있다.
또, 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO를 구하는 방법의 하나로서, 개방 전압 VOCV 및 내부 저항 RO의 연산은 차량의 구동을 행하지 않을 때에 펄스 방전을 복수 반복하여 방전 전류 및 방전 전압을 검출하고, 방전 전류 IL 및 방전 전압 VL에 근거하여 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO를 계산한다. 차량의 구동시는 구동 상태에 의존하여 방전, 충전되므로, 개방 전압 VOCV 및 내부 저항 RO를 연산하는데 바람직한 상태(전류치의 변화가 있는 방전시에 연산하여 내부 저항 RO를 복수 회 얻음)를 얻는데에 곤란하지만, 이 방법에서는 차량의 구동을 행하지 않을 때에, 펄스 방전을 복수 회 반복하고 있으므로, 안정된 개방 전압 VOCV 및 내부 저항 RO를 얻을 수 있다. 하나의 이용 가능한 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO를 구하는 방법으로서 내부 저항 RO는 미리 온도에 의존하는 테이블을 소유하고, 그것을 초기치로 하여 이용한다. 그리고, 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO는 정기적으로 연산, 갱신되며, 예를 들면 개방 전압 VOCV는 0.1초마다, 내부 저항 RO는 방전마다라고 하는 소정의 타이밍에서 각 값을 갱신한다.
여기서, 2차 전지의 과방전 방지를 위한 하한 전압 Vmin 및 과충전 방지를 위한 상한 전압 Vmax를 설정한다. 하한 전압 Vmin 및 상한 전압 Vmax는 사용하는 2차 전지의 종별이나 특성 등에 따라서 최적치로 결정된다. 그리고, 도 3의 직선과, 이들 하한 전압 Vmin 및 상한 전압 Vmax의 교점으로부터 방전 제한 전류 Imax 및/또는 전 제한 전류 Imin을 구한다. 이 값에 근거하여 제어 연산부(18)는 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류 및/또는 충전 제한 전류 Imin 이하의 전류(즉, 절대치에서 Imin 이상)를 2차 전지에 통전하지 않도록 충방전을 제한한다. 이와 같이 도 3에서 얻은 방전 제한 전류 Imax, 충전 제한 전류 Imin은 계산식이라면, Imax=(VOCV-Vmin)/R, Imin=(Vmax-VOCV)/R 로 하여 연산할 수 있다. 상기와 같이 도 3 및 상기의 계산식에서, 방전 제한 전류 Imax, 충전 제한 전류 Imin을 구할 수 있는 것은 이하의 이유 때문이다. 비충방전시의 VOCV에 있어서, 다음의 소정 주기 또는 그 시점으로부터의 소정 기간 후에, 측정되는 전류(즉, 방전 또는 충전할 수 있는 전류)의 허용 범위를 고려하는데 있어서, 허용되는 전압에 대해서는 하한 전압 Vmin, 상한 전압 Vmax를 초과하지 않는다. 즉, VOCV-Vmin, Vmax-VOCV의 전압차만큼 최대 허용된다. 최대한으로 흐르는 전류는 전압 차만큼의 전압을 단락(短絡)한 상태에 상당하고, 이 때의 저항은 단락 상태에 상당하므로 내부 저항 RO만으로 되고, 전류치는 상기와 같이 Imax=(VOCV-Vmin)/R, Imin=(Vmax-VOCV)/R에 의해, 최대한의 방전 제한 전류 Imax, 충전 제한 전류 Imin을 얻을 수 있다.
<충방전시에 있어서 2차 전지의 전력 제어 방법>
이상은 충방전하고 있지 않을 때에 최대 통전 가능한 충방전 전류치를 연산하는 방법에 대하여 설명하였다. 즉, 방전 전류 0A의 시점에 있어서 최대 방전 전류치 및 충전 전류 0A의 시점에 있어서 최대 충전 전류치를 구하려면, 상기의 방법을 적용할 수 있다. 한편, 충방전을 행하고 있는 한가운데에 충방전 가능한 최대 전류치에 대해서는 상기의 방법으로 정확하게 연산할 수 없을 우려가 있다. 특히 충방전시에 있어서는 내부 저항 RO 및 VOCV의 값이 변화하고 있을 우려가 있으며, 전지 전류 및 전압이 도 3의 전류-전압 특성을 나타내는 직선상으로부터 벗어나 있는 일이 있다. 이와 같은 충방전중에 있어서도 충방전 전류의 최대치를 연산하는 방법에 대하여, 이하 순서로 설명한다.
<방전시에 있어서 2차 전지의 전력 제어 방법>
도 4는 방전중에 있어서 방전 제한 전류의 연산 방법을 나타내고 있고, 도 4(a)는 도 3과 동일하게 미방전 즉 방전 전류 0A의 시점에서의 최대 방전 제한 전류 Imax의 결정 방법, 도 4(b)는 방전중에 있어서 최대 방전 제한 전류 Imax1의 결정 방법을 각각 나타내고 있다.
도 4(a)로부터, 상술한 바와 같이 전류-전압 특성을 나타내는 직선을 결정하는 동시에, 이 직선과 하한 전압 Vmin의 교점으로부터 최대 방전 제한 전류 Imax이 얻어진다. 도 4의 예에서는 전류 I1로 방전중의 전지 전압 V1를 전압 검출부(12)에 의해 검출한다. 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 (I1, V1)의 점은 식 8로 표시되는 직선상으로 되며 V1에서의 직선에 있어서 전류치 I1을 구할 수 있다. 이 시점에 있어서, 다음의 소정 주기 또는 그 시점으로부터의 소정 기간 이후에, 측정되는 방전 전류의 허용 범위는 이하와 같이 결정할 수 있다. 이 시점에 있어서, 허용되는 전압에 대해서는 하한 전압 Vmin을 초과하지 않으므로, 즉 도 4(b)로부터 V1-Vmin의 전압차만큼 최대 허용되게 되어서 최대 방전 제한 전류 Imax1은 (Imax-I1)이다. 계산식을 이용하면, V1-Vmin의 전압차만큼 최대 허용되는 전류는 내부 저항 RO로 나눗셈한 값, Imax1=(V1-Vmin)/RO로 된다. 따라서 이 시점에 있어서 최대 방전 제한 전류 Imax1은 (Imax-I1)로 하여 연산할 수 있다. 도 4(b)의 예에서는 (Imax-I1)보다 작은 값으로 되고, 이 값을 상한으로 하여 방전 전류를 제어함으로써 2차 전지를 보호할 수 있다.
다음에, 방전중에 있어서 내부 저항, 개방 전압이 갱신되는 경우를 설명한다. 도 5에 있어서는 전류 검출부(16)에서 전류 I1을 검출하고, 방전중의 전지 전압 V1을 전압 검출부(12)에 의해 검출한다. 도 5에 나타내는 바와 같이 (I1, V1)의 점은 식 8로 표시되는 직선으로부터 벗어나 있지만, 이 시점에서의 내부 저항을 RO1로 하면, 새로운 VOCV1은 식 8로부터 이하와 같이 계산할 수 있다.
[식 10]
VOCV1=V1+RO1I1
도 5로 설명하면, 점(I1, V1)로부터 기울기 RO1의 경사로 직선을 그었을 때 V축과의 교점 A이다. 이렇게 하여 얻은 VOCV1을 Imax cal=(VOCV1-Vmin)/RO1에 대입함으로써 갱신된 방전 제한 전류 Imax cal를 얻을 수 있다. 도 5에서는 (I1, V1)로부터 그은 직선과 직선 V=Vmin의 교점 B에 있어서의 전류치이다. 이와 같이 식 8로 나타낼 수 있는 직선이 갱신되고, 상술한 바와 동일하게 하여 방전중에 있어서 최대 방전 제한 전류 Imax1, 비충방전시의 최대한의 방전 제한 전류 Imax를 갱신하여 얻을 수 있다.
(충전시에 있어서 2차 전지의 전력 제어 방법)
동일하게 도 6에 근거하여 충전중에 있어서 충전 제한 전류의 연산 방법을 설명한다. 도 6(a)은 도 3과 동일하게 미충전 즉 충전 전류 0A의 시점에서의 최대 충전 제한 전류 Imin의 결정 방법, 도 6(b)는 충전중에 있어서 최대 충전 제한 전류 Imin1의 결정 방법을 각각 나타내고 있다. 상술한 바와 같이 도 6(a)로부터 전류-전압 특성 직선 및 이 직선과 상한 전압 Vmax의 교점으로부터 최대 충전 제한 전류 Imin이 얻어진다. 한편, 전류 I2로 충전중의 전지 전압 V2를 전압 검출부(12)에 의해 검출한다. 도 6의 예에서는 전류 I2로 방전중의 전지 전압 V2를 전압 검출부(12)에 의해 검출한다. 도 6(b)에 나타내는 바와 같이 (I2, V2)의 점은 식 8로 표시되는 직선상으로 되어서, V2에서의 직선에 있어서 전류치 I2를 구할 수 있다.
이 시점에 있어서, 다음의 소정 주기 또는 그 시점으로부터의 소정 기간 이후에, 측정되는 방전 전류의 허용 범위는 이하와 같이 결정할 수 있다. 이 시점에 있고, 허용되는 전압에 대해서는 상한 전압 Vmax를 초과하지 않으므로, 즉 도 6(b)에서 Vmax-V2의 전압차만큼 최대 허용 되게 되며, 최대 충전 제한 전류 Imin2는 (Imin-I2)이다.
계산식을 이용하면, Vmax-V2의 전압차만큼 최대 허용되는 전류는 내부 저항 RO로 나눗셈한 값, Imin2=(Vmax-V2)/RO로 된다. 따라서 이 값을 상한으로 하여 충전 전류를 제어함으로써 2차 전지를 보호할 수 있다.
다음에, 충전중에 있어서, 내부 저항, 개방 전압이 갱신되는 경우를 설명한다. 도 7에 있어서, 전류 검출부(16)에서 전류 I2를 검출하고, 전지 전압 V2를 전압 검출부(12)에 의해 검출한다. 도 7에 나타내는 바와 같이 (I2, V2)의 점은 식 8로 표시되는 직선으로부터 벗어나 있으나, 이 시점에서의 내부 저항을 RO2로 하면, 새로운 VOCV2는 식 8로부터 이하와 같이 계산할 수 있다.
[식 11]
VOCV2=V1+RO2I2
도 7에서는 점 (I2, V2)으로부터 기울기 RO2의 경사로 직선을 그었을 때 V 축과의 교점 C 이다. 이렇게 하여 얻은 VOCV2를 Imin=(Vmax-VOCV2)/RO2에 대입함으로써 (I2, V2)의 시점에 있어서 최대한의 충전 제한 전류 Imin Cal을 얻을 수 있다. 도 7에서는 (I2, V2)로부터 그은 직선과 직선 V=Vmax의 교점 D에 있어서 전류치이다. 이와 같이 식 8로 나타낼 수 있는 직선이 갱신되고, 상술한 바와 같이 하여 충전중에 있어서 최대 충전 제한 전류 Imin2, 비충방전시의 최대한의 충전 제한 전류 Imin을 갱신하여 얻을 수 있다.
이상의 실시예의 방법이라면, 2차 전지의 잔용량을 연산하는 일 없이 전력량의 제한치로 하여 전류치의 제한치를 산출하고 있으므로, 잔용량 추정의 오차에 의한 영향을 받지 않고, 신뢰성이 높은 안정된 전력 제한을 행할 수 있다. 또한, 잔용량만으로 전력 제한을 행하는 경우에, 잔용량의 추정이 잘못되어 있는 경우의 수정으로서, 상기 방법과 비교하여 적은 쪽을 채용할 수도 있다.
또한, 상기의 예에서는 전지 특성을 직선으로 근사하고 있으나, 2차 곡선, 3차 곡선 등의 고차 곡선으로 근사하는 것도 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
이상과 같이 하여 연산된 최대 충방전 전류에 근거하여 제어 연산부(18)는 제한 전력을 연산하고, 이 값을 초과하는 전력을 사용하지 않도록 충방전을 제어한 다. 예를 들면, 어떤 시점에 있어서 최대 충방전 전류치를 산출하면, 이 값 이상의 전류를 증가시키지 않도록 충방전 전류를 제어한다. 이로 인해, 제어 연산부(18)는 사용 가능한 전류의 상한을 파악할 수 있고, 이 범위내로 전류를 제한하여 안전하게 2차 전지를 이용할 수 있다.
이용 가능한 최대 전력량은 이하와 같이 하여 구할 수 있다. 상술한 바와 같이 2차 전지의 과방전 방지를 위한 하한 전압 Vmin 및 과충전 방지를 위한 상한 전압 Vmax를 설정하고, 도 3을 기본으로 방전 제한 전류 Imax, 충전 제한 전류 Imin을 구한다. 전류 제로 또는 방전중인 시점에 있어서 다음의 소정 주기, 또는 그 시점으로부터의 소정 기간 이후에, 방전 가능한 최대 방전 전력량 Plimd는 전지 전류 IL, 전지 전압 VL, 2차 전지의 개방 전압 VOCV, 내부 저항 RO로 하면, 다음 식에서 산출할 수 있다.
[식 12]
Plimd=Vmin*(VL-Vmin)/RO
또, 전류 제로, 또는 충전중인 시점에 있어서 충전 가능한 최대 충전 전력량 Plimd는 다음 식으로 산출할 수 있다.
[식 13]
Plimc=Vmax*(Vmax-VL)/RO
상기 식으로부터 현재 상태에서 다음의 소정 주기, 또는 그 시점으로부터의 소정 기간 이후인 다음의 순간에 상하한 전압에 도달할 전력을 계산할 수 있다.
본 발명의 2차 전지의 전력 제어 방법 및 전원 장치는 하이브리드 카나 전기 자동차 등의 차량용 전원 장치 등, 고출력, 대전류의 전원 장치로서 적합하게 적용할 수 있다.
본 발명의 2차 전지의 전력 제어 방법 및 전원 장치는 2차 전지의 잔용량에 의하지 않고 사용 가능한 최대 전력량을 연산할 수 있다. 특히 잔용량에 의존한 전력 제어에서는 잔용량 추정을 잘못하면 정확함을 해칠 우려가 있었으나, 본 발명에서는 잔용량의 추정이 올바른지의 여부와는 상관없이, 전력 제어를 안정적으로 행할 수 있으며, 전원 장치를 높은 신뢰성으로 유효하게 이용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 2차 전지의 충방전을 행할 때에 전력 사용량의 제한을 가하는 2차 전지의 전력 제어 방법으로서,
    2차 전지를 흐르는 충방전 전류, 충방전 전압에 근거하여 2차 전지의 전류-전압 특성의 함수를 결정하고,
    2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin 및/또는 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax와 상기 함수의 교점으로부터, 방전 제한 전류 Imax 및/또는 충전 제한 전류 Imin을 구하고,
    상기 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류 및/또는 충전 제한 전류 Imin 이하의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 전력 제어 방법.
  2. 2차 전지의 충방전을 행할 때에 전력 사용량의 제한을 가하는 2차 전지의 전력 제어 방법으로서,
    2차 전지를 흐르는 충방전 전류 IL 및 충방전 전압 VL을 측정하고,
    이것들에 근거하여 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO를 계산하고,
    다음 식
    [식 1]
    VL=VOCV-ROIL
    로 표시되는 직선과, 2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin 및/또는 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax의 교점으로부터 방전 제한 전류 Imax 및/또는 충전 제한 전류 Imin을 구하고,
    상기 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류 및/또는 충전 제한 전류 Imin 이하의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 전력 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    2차 전지의 방전중의 방전 전압 V1, 방전 전류 I1을 정기적으로 측정하고, 상기 식 1로부터 얻은 다음 식
    [식 2]
    VOCV=VL+ROIL
    로부터 VOCV를 갱신하고, 그 VOCV를 반영한 식 1과, 2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin의 교점으로부터 방전 제한 전류 Imax를 구하고,
    상기 방전 제한 상류 Imax 이상의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 전력 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    2차 전지의 충전중의 충전 전압 V2, 방전 전류 I1을 정기적으로 측정하고,
    식 2로부터 VOCV를 갱신하고, 상기 VOCV를 반영한 식 1과, 2차 전지의 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax의 교점으로부터 충전 제한 전류 Imin을 구하고,
    상기 충전 제한 전류 Imin 이상의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 전력 제어 방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    방전중인 시점에 있어서 연산한 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO로부터, 그 시점에서 방전 가능한 최대 방전 전력량 Plimd를 다음 식
    [식 3]
    Plimd=Vmin*(VOCV-Vmin)/RO
    로 연산하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 전력 제어 방법.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    충전중인 시점에 있어서 연산한 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO로부터, 그 시점에서 충전 가능한 최대 충전 전력량 Plimc를 다음 식
    [식 4]
    Plimc=Vmax*(Vmax-VOCV)/RO
    로 연산하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 전력 제어 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    2차 전지에 접속된 접속 기기의 구동을 행하지 않을 때에 펄스 방전을 복수 회 반복하여 방전 전류 및 방전 전압을 검출하고, 방전 전류 IL 및 방전 전압 VL에 근거하여 2차 전지의 개방 전압 VOCV와 내부 저항 RO를 갱신하는 것을 특징으로 하는 2차 전지의 전력 제어 방법.
  8. 복수의 2차 전지를 구비하는 전지 유닛(20)과,
    상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지의 전압을 검출하기 위한 전압 검출부(12)와,
    상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지의 온도를 검출하기 위한 온도 검출부(14)와,
    상기 전지 유닛(20)에 포함되는 2차 전지에 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 검출부(16)와,
    상기 전압 검출부(12)와 온도 검출부(14)와 전류 검출부(16)로부터 입력되는 신호를 연산하여 2차 전지의 최대 제한 전류치를 검출하는 제어 연산부(18)와,
    상기 제어 연산부(18)에서 연산된 잔용량이나 최대 제한 전류치를 접속 기기에 전송하는 통신 처리부(19)를 구비하고 있고,
    상기 제어 연산부(18)가 2차 전지를 흐르는 충방전 전류, 충방전 전압 중 적어도 어느 하나에 근거하여 2차 전지의 전류-전압 특성의 함수를 결정하고,
    2차 전지의 과방전 방지를 위한 소정의 하한 전압 Vmin 및/또는 과충전 방지를 위한 소정의 상한 전압 Vmax와 상기 함수의 교점으로부터 방전 제한 전류 Imax 및/또는 충전 제한 전류 Imin을 구하고,
    상기 방전 제한 전류 Imax 이상의 전류 및/또는 충전 제한 전류 Imin 이하의 전류를 2차 전지에 통전하지 않도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 장치.
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