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JP2022550154A - バッテリーを診断するための装置及びその方法 - Google Patents

バッテリーを診断するための装置及びその方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、バッテリーセルの異常電圧降下現象を感知し、バッテリーを診断する装置を提供する。バッテリー診断装置は、電圧測定回路、電流測定回路、電圧推定回路及び制御回路を含む。電圧測定回路は、バッテリーセルの両端の電圧を測定する。電流測定回路は、バッテリーセルの両端のうち一端を流れる電流を測定する。電圧推定回路は、電流及び状態推定モデルに基づいて、電圧の電圧レベルに対する推定値である推定電圧レベルを計算する。診断回路は、電圧測定回路により測定された電圧レベルと推定電圧レベルとの間の電圧レベルの差を計算し、電圧レベルの差と基準値に基づいてバッテリーセルでエラーが発生したのか否かを確認する。制御回路は、推定電圧レベルに対する推定正確度に応じて、基準値を調節する制御回路を含む。

Description

［関連出願の相互参照］
本発明は、２０２０年５月１５日に出願された韓国特許出願第１０－２０２０－００５８５８７号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容を本明細書の一部として含む。
本発明は、バッテリーを診断するための装置に関し、さらに詳細には、バッテリーセルの異常電圧降下現象を感知し、バッテリーを診断する装置に関する。
近年、二次電池に対する研究と開発が活発に行われている。ここで、二次電池とは、充放電が可能な電池であって、従来のＮｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／ＭＨ電池などと、最近のリチウムイオン電池を全て含む。二次電池の中でも、リチウムイオン電池は、従来のＮｉ／Ｃｄ電池、Ｎｉ／ＭＨ電池等に比べて、エネルギー密度が遥かに高いという長所がある。リチウムイオン電池は、小型、軽量に製作することができるため、移動機器の電源として用いられる。特に、リチウムイオン電池は、電気自動車の電源として用いられ、次世代エネルギー貯蔵媒体として注目を浴びている。
また、二次電池は、一般的に複数のバッテリーセルが直列及び／又は並列に連結されたバッテリーモジュールを含むバッテリーパックとして用いられる。バッテリーパックは、バッテリー管理システムにより、状態及び動作が管理及び制御される。バッテリーパック内のバッテリーセルは、外部から電源の供給を受けて充電される。
充電されたバッテリーセルは、バッテリーパックと連結された多様な装置及び／又は回路に電源を供給する。バッテリーセルが故障した場合、多様な装置及び／又は回路に電源が確実に供給されないので、致命的な事故が発生することがある。よって、バッテリーセルが充電される間にバッテリーセルをモニタリングし、バッテリーセルに欠缺があるか否かを診断する方案が要求される。
本発明は、前述された技術的課題を解決するためのものであって、本発明の目的は、拡張カルマンフィルターを用いてバッテリーセルで異常電圧降下現象が発生することを感知するバッテリー診断装置及び方法を提供する。
本発明の実施形態に係るバッテリーを診断するための装置は、電圧測定回路、電流測定回路、電圧推定回路及び制御回路を含んでよい。電圧測定回路は、バッテリーセルの両端の電圧を測定することができる。電流測定回路は、バッテリーセルの両端のうち一端を流れる電流を測定することができる。電圧推定回路は、電流及び状態推定モデルに基づいて、電圧の電圧レベルに対する推定値である推定電圧レベルを計算することができる。診断回路は、電圧測定回路により測定された電圧レベルと推定電圧レベルとの間の電圧レベルの差を計算し、電圧レベルの差と基準値に基づいてバッテリーセルでエラーが発生したのか否かを確認することができる。制御回路は、推定電圧レベルに対する推定正確度に応じて、基準値を調節する制御回路を含んでよい。
本発明は、拡張カルマンフィルターを用いてバッテリーセルの電圧を推定することができる。本発明は、測定された電圧と推定された電圧を比較し、バッテリーセルで異常電圧降下現象が発生することをより正確に感知することができる。また、本発明は、スライディングウィンドウ方式を用いて、ノイズにより頑健なバッテリー診断装置を提供することができる。
バッテリー制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明のバッテリー診断装置を含むバッテリーパックの構成を示すブロック図である。 図２のバッテリーセルの電圧変化を示すグラフである。 図２のバッテリーセルの電圧を推定するためのテブナン等価回路モデルを示す回路図である。 図２の電圧推定回路でバッテリーセルの電圧が推定される過程を説明するためのフローチャートである。 拡張カルマンフィルターが適用された状態推定モデルを示す図である。 拡張カルマンフィルターのシステムモデルを説明するための式を示す図である。 図２のサンプリング回路の動作を説明するためのフローチャートである。 図２の診断回路の動作を説明するためのフローチャートである。 バッテリーセルの温度による推定電圧の変化を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るバッテリー診断装置のハードウェア構成を示す図である。
以下、図を参照しつつ、本発明の多様な実施形態について詳細に説明する。本文書において、図上の同一な構成要素に対しては同一な参照符号を付し、同一な構成要素に対して重複した説明は省略する。
本文書に開示されている本発明の多様な実施形態に対して、特定の構造的及び機能的説明は、単に本発明の実施形態を説明するための目的で例示されたものであり、本発明の多様な実施形態は、種々の形態で実施されてもよく、本文書に説明された実施形態に限定されるものと解釈されてはならない。
多様な実施形態で用いられた「第１」、「第２」、「１番目」、又は「２番目」などの表現は、多様な構成要素を、順序及び／又は重要度に関係なく修飾してもよく、当該構成要素を限定しない。例えば、本発明の権利範囲から逸脱することなく、第１構成要素は第２構成要素と命名してもよく、それと同様に、第２構成要素も第１構成要素に変更して命名してもよい。
本文書で用いられた用語は、単に特定の実施形態を説明するために用いられたものであって、他の実施形態の範囲を限定しようとするものではない。単数の表現は、文脈上、明らかに他を意味しない限り、複数の表現を含んでもよい。
技術的かつ科学的な用語を含めてここで用いられる全ての用語は、本発明の技術分野における通常の知識を有する者により一般的に理解されるものと同一な意味を有する。一般的に用いられる辞書に定義された用語は、関連技術の文脈上有する意味と同一または類似した意味を有するものと解釈されてもよく、本文書で明らかに定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味に解釈されない。場合によりは、本文書で定義された用語であるとしても、本発明の実施形態を排除するように解釈されてはならない。
図１は、バッテリー制御システムの構成を示すブロック図である。
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係るバッテリーパック１と上位システムに含まれている上位制御器２を含むバッテリー制御システムを概略的に示す。
図１に示されたように、バッテリーパック１は、１つ以上のバッテリーセルからなり、充放電可能なバッテリーモジュール１１と、バッテリーモジュール１１の＋端子側又は－端子側に直列に連結されてバッテリーモジュール１１の充放電電流の流れを制御するためのスイッチング部１４と、バッテリーパック１の電圧、電流、温度等をモニタリングし、過充電及び過放電等を防止するように制御管理するバッテリー管理システム（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）２０とを含む。
ここで、スイッチング部１４は、バッテリーモジュール１１の充電又は放電に対する電流の流れを制御するためのスイッチング素子であって、例えば、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴのような半導体スイッチング素子、又はリレーなどが用いられてよい。
また、バッテリー管理システム２０は、バッテリーパック１の電圧、電流、温度等をモニタリングすることができ、かつ、スイッチング部１４に隣接して設けられたセンサ１２を用いてバッテリーパックの電流、電圧、温度等を測定することができる。バッテリー管理システム２０は、前述した各種パラメーターを測定した値の入力を受けるインターフェースであって、複数の端子と、これらの端子と連結されて入力を受けた値の処理を行う回路等を含んでよい。
また、バッテリー管理システム２０は、スイッチング部１４、例えば、ＭＯＳＦＥＴやリレーのＯＮ／ＯＦＦを制御することもでき、バッテリーモジュール１１に連結されてバッテリーモジュール１１の状態を監視することができる。
上位制御器２は、バッテリー管理システム２０にバッテリーモジュール１１に対する制御信号を伝送することができる。これにより、バッテリー管理システム２０は、上位制御器２から印加される信号に基づいて動作が制御され得る。本発明のバッテリーセルがＥＳＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）又は車両等に用いられるバッテリーパックに含まれた構成であってよい。但し、このような用途に限定されるものではない。
このようなバッテリーパック１の構成及びバッテリー管理システム２０の構成は公知の構成なので、より具体的な説明は省略する。
図２は、本発明のバッテリー診断装置を含むバッテリーパック１０の構成を示すブロック図である。図２のバッテリーモジュール１００及びバッテリー管理システム２００は、図１のバッテリーモジュール１１及びバッテリー管理システム２０に対応し得る。
バッテリーパック１０は、バッテリーモジュール１００及びバッテリー管理システム２００を含んでよい。以下の説明において、「バッテリー診断装置」は、バッテリー管理システム２００の一部又は全体構成を含む装置であってよい。例えば、「バッテリー診断装置」は、電圧測定回路２１０、電流測定回路２２０、電圧推定回路２３０、診断回路２５０及び制御回路２６０を含んでもよい。
バッテリーモジュール１００は、複数のバッテリーセル（Ｂ１～ＢＮ）を含んでよい。複数のバッテリーセル（Ｂ１～ＢＮ）は、直列及び／又は並列に連結された構成であってよい。図２を参照すると、バッテリーパック１０が１つのバッテリーモジュール１００を含むものとして示されるが、本発明はこれに限定されず、バッテリーパック１０は１つ以上のバッテリーモジュールを含んでよい。
充電区間において、バッテリーモジュール１００は、電源供給回路５０から電源の供給を受けることができる。充電区間において、バッテリーセル（Ｂ１～ＢＮ）の各々の両端の電圧が増加し得る。以下の説明において、「バッテリーセルの電圧」は、「バッテリーセルの両端の電圧」を意味する。バッテリーセルの内部短絡（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ）又は外部短絡（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｈｏｒｔ－ｃｉｒｃｕｉｔ）により、バッテリーセルで異常電圧降下現象が感知され得る。異常電圧降下現象は、充電区間中の一部区間でバッテリーセルの電圧が急激に減少することを意味する。異常電圧降下現象は、図３を参照して詳細に説明される。
放電区間において、バッテリーモジュール１００は、外部装置及び／又は回路に電源を供給することができる。例えば、バッテリーモジュール１００が電気自動車に含まれる場合、外部装置及び／又は回路はモーター、ＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、インバータ等であってよい。
バッテリー管理システム２００は、電圧測定回路２１０、電流測定回路２２０、電圧推定回路２３０、サンプリング回路２４０、診断回路２５０及び制御回路２６０を含んでよい。バッテリー管理システム２００は、バッテリーモジュール１００をモニタリングすることでバッテリーモジュール１００の欠缺を発見し、バッテリーモジュール１００の交替時期を予測し、バッテリーモジュール１００を制御して管理することができる。また、バッテリー管理システム２００は、バッテリーパック１０の外部にある制御装置又はコントローラーにバッテリーモジュール１００に関する情報を提供することができる。
本発明のバッテリー管理システム２００は、バッテリーセル（Ｂ１～ＢＮ）にエラーが発生したのか否かを点検することができる。例えば、バッテリー管理システム２００は、充電区間においてバッテリーセル（Ｂ１）の電圧及び電流を測定し、バッテリーセル（Ｂ１）で異常電圧降下現象が発生するのか否かを確認することができる。以下の説明において、バッテリーセル（Ｂ１）でエラーが発生したのか否かを確認するとのことは、バッテリーセル（Ｂ１）で異常電圧降下現象が発生するのか否かを確認することを意味する。また、以下の説明では、説明の便宜のために、バッテリー管理システム２００がバッテリーセル（Ｂ１）を点検する方法が集中的に説明される。バッテリー管理システム２００がバッテリーセル（Ｂ１）を点検する方法と同様に、残りのバッテリーセル（Ｂ２～ＢＮ）も点検することができる。
電圧測定回路２１０は、第１時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電圧（Ｖｋ－１）、第２時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電圧（Ｖｋ）を測定することができる。第２時刻は、第１時刻以降の時刻であってよい。電圧測定回路２１０が一定周期毎にバッテリーセル（Ｂ１）の電圧を測定する場合、電圧（Ｖｋ－１）は、電圧（Ｖｋ）が測定された周期直前の周期で測定された電圧であってよい。
電流測定回路２２０は、バッテリーセル（Ｂ１）の両端のうち一端の電流を測定することができる。具体的に、電流測定回路２２０は、バッテリーセル（Ｂ１）に入力される電流を測定するか、バッテリーセル（Ｂ１）から出力される電流を測定することができる。以下の説明では、電流測定回路２２０がバッテリーセル（Ｂ１）に入力される電流を測定するものと仮定される。以下の説明において、「バッテリーセル（Ｂ１）の電流」は、「バッテリーセル（Ｂ１）に入力される電流」を意味する。電流測定回路２２０は、第２時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電流（Ｉｋ）を測定することができる。
電圧推定回路２３０は、電圧測定回路２１０から電圧（Ｖｋ－１）に対する情報を受信し、電流推定回路２２０から電流（Ｉ－ｋ）に対する情報を受信することができる。電圧推定回路２３０は、状態推定モデルに対する情報を格納するか、メモリ（図示せず）から状態推定モデルに対する情報を受信することができる。例えば、状態推定モデルは、拡張カルマンフィルター（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ）が適用された再帰フィルターモデルであってよい。電圧推定回路２３０は、状態推定モデルに電圧（Ｖｋ－１）を入力し、予測電圧（Ｖｋ '）を計算することができる。予測電圧（Ｖｋ '）は電圧推定回路２３０により予測される第２時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電圧であってよい。電圧推定回路２３０は、状態推定モデルに電流（Ｉ－ｋ）及び予測電圧（Ｖｋ '）を入力し、推定電圧（Ｖｋｆ '）を計算することができる。推定電圧（Ｖｋｆ '）は、電圧推定回路２３０が電流（Ｉ－ｋ）の入力を受けて予測電圧（Ｖｋ '）を補正した値であってよい。電圧推定回路２３０の動作は、図５を参照してより詳細に説明され得る。
電圧測定回路２１０、電流測定回路２２０及び電圧推定回路２３０は、一定周期毎に前記動作を行ってよい。電圧測定回路２１０、電流測定回路２２０及び電圧推定回路２３０が前記動作をＭ回行った場合、Ｍ個の測定された電圧及びＭ個の推定された電圧が生成されてよい。「Ｍ」は、２以上の整数である。
サンプリング回路２４０は、電圧測定回路２１０からＭ個の測定された電圧に対する情報を受信することができる。サンプリング回路２４０は、電圧推定回路２３０からＭ個の推定された電圧に対する情報を受信することができる。電圧（Ｖｋ）は、Ｍ個の測定された電圧のうち１つである。推定電圧（Ｖｋｆ '）は、Ｍ個の推定された電圧のうち１つである。サンプリング回路２４０は、電圧（Ｖｋ）に対応する推定電圧（Ｖｋｆ '）の電圧レベルと電圧（Ｖｋ）の電圧レベルとの間の電圧レベルの差を計算することができる。サンプリング回路２４０は、前記動作を、対応するＭ個の測定された電圧及びＭ個の推定された電圧の各々の対に対して行ってよい。すなわち、サンプリング回路２４０は、Ｍ個の測定された電圧とＭ個の推定された電圧の各々の対からＭ個の電圧レベルの差を計算することができる。サンプリング回路２４０は、スライディングウィンドウ（Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｗｉｎｄｏｗ）（又は、ムービングウィンドウ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｗｉｎｄｏｗ））方式を用いて、Ｍ個の電圧レベルの差をサンプリングできる。サンプリング回路２４０は、スライディングウィンドウ方式を用いて、Ｍ個の電圧レベルの差のうちＱ個の電圧レベルの差を選択することができる。「Ｑ」は、「Ｍ」より小さな自然数である。サンプリング回路２４０は、サンプリングされたＱ個の電圧レベルの差の統計値（ＶＳ）を計算することができる。例えば、Ｑ個の電圧レベルの差の統計値（ＶＳ）は、Ｑ個の電圧レベルの差の平均値、最大値、最小値、標準偏差等のうち少なくともいずれか１つであり得る。サンプリング回路２４０の動作は、図７を参照して詳細に説明される。
診断回路２５０は、サンプリング回路２４０から統計値（ＶＳ）に対する情報を受信することができる。診断回路２５０は、統計値（ＶＳ）と基準値を比較してよい。基準値は、診断回路２５０の内部又は外部に格納されてよい。基準値は、バッテリーセル（Ｂ１）に異常電圧降下現象が発生したのか否かを診断するための値であってよい。基準値は、バッテリーセル（Ｂ１）に異常電圧降下現象が発生していない場合に可能なバッテリーセル（Ｂ１）の実際電圧と推定電圧の間の最大電圧差であってよい。基準値は、使用者により予め設定されてよく、温度、ＳＯＣ等のバッテリーセルの状態により変更されてもよい。
診断回路２５０は、統計値（ＶＳ）が基準値以上である場合、バッテリーセル（Ｂ１）に欠缺が発生したものと判断してよい。すなわち、診断回路２５０は、前記動作を介して、充電区間においてバッテリーセル（Ｂ１）の電圧（Ｖｋ）が急激に減少することを感知することができる。
診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）でエラーが発生する回数をカウントすることができる。診断回路２５０は、カウントされた回数に基づいて、バッテリーセル（Ｂ１）の状態を評価することができる。例えば、カウントされた回数が第１基準回数未満である場合、バッテリーセル（Ｂ１）は正常状態であるものと評価され得る。カウントされた回数が第１基準回数以上であり、第２基準回数未満である場合、バッテリーセル（Ｂ１）は危険状態ではないが警告状態であるものと評価され得る。カウントされた回数が第２基準回数以上である場合、バッテリーセル（Ｂ１）は危険状態であるものと評価され得る。第１基準回数は、第２基準回数より小さいことがある。
制御回路２６０は、電圧推定回路２３０における推定電圧（Ｖｋｆ '）に対する推定正確度に応じて基準値を調節することができる。制御回路２６０は、推定正確度が高ければ基準値を減少させ、推定正確度が低ければ基準値を増加させることができる。推定電圧（Ｖｋｆ '）に対する推定正確度が高いということは推定電圧（Ｖｋｆ '）の分散が小さいということを意味し、推定電圧（Ｖｋｆ '）に対する推定正確度が低いということは推定電圧（Ｖｋｆ '）の分散が大きいということを意味する。
バッテリーセル（Ｂ１）の温度に応じて、電圧推定回路２３０における推定電圧（Ｖｋｆ '）に対する推定正確度が変わり得る。具体的に、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が低くなると、推定電圧（Ｖｋｆ '）の分散が大きくなり得る。推定電圧（Ｖｋｆ '）の分散が大きくなるということは、推定電圧（Ｖｋｆ '）に対する推定正確度が低くなるということを意味する。すなわち、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が低くなると、推定電圧（Ｖｋｆ '）に対する推定正確度が低くなり得る。よって、診断回路２５０が低い温度においても高い温度と同一の基準値を用いる場合、バッテリーセル（Ｂ１）においてエラーが発生したのか否かを誤診断することがある。制御回路２６０は、診断回路２５０が誤診断 することを防止するため、温度が低くなると基準値を増加させ、温度が高くなると基準値を減少させ得る。
図３は、図２のバッテリーセルの電圧変化を示すグラフである。
図３は、テストバッテリーセルで充放電テストを繰り返し実行したとき、充電区間における時間の流れによるバッテリーセル（Ｂ１）の電圧変化の一部を示す図である（理解の便宜のために、繰り返し行った試験のうち一部の結果のみを示している）。図３に示されたグラフのｘ軸は時間を、ｙ軸は電圧を示す。
図３を参照すると、充電区間において、バッテリーセル（Ｂ１）の電圧は時間が流れることにより増加する。１４０回目の充電の間、バッテリーセル（Ｂ１）の電圧は一時的に急激に減少する。このような現象が異常電圧降下現象と表現される。図３を参照すると、本テストでは１４０回目の充電サイクルの３１６０～３１８０秒区間で異常電圧降下現象が現れた。
バッテリーセル（Ｂ１）において異常電圧降下現象が発生する場合、図２の電圧測定回路２１０で測定された電圧と図２の電圧推定回路２３０で推定された電圧との間の電圧レベルの差が増加する。図２の診断回路２５０は、電圧レベルの差が増加するのに基づいて、バッテリーセル（Ｂ１）において異常電圧降下現象が発生したのか否かを点検することができる。
図４は、図２のバッテリーセルの電圧を推定するためのテブナン等価回路モデルを示す回路図である。
テブナン等価回路４０は、図２のバッテリーセル（Ｂ１）の電気的特性が反映された回路モデルであってよい。テブナン等価回路４０に基づいて、図２の電圧推定回路２３０で用いられる拡張カルマンフィルターの状態変数が導出されてよい。テブナン等価回路４０は、電圧源４１、抵抗（Ｒ０）及び抵抗（Ｒ１）－キャパシタ（Ｃ１）セットが直列連結された構成であってよい。ここで、抵抗（Ｒ１）－キャパシタ（Ｃ１）セットは、抵抗（Ｒ１）及びキャパシタ（Ｃ１）が並列連結された構成であってよい。
図４を参照すると、テブナン等価回路４０は、１つの抵抗－キャパシタセットを含む１次回路に示されるが、本発明はこれに限定されない。図２の電圧推定回路２３０で用いられるテブナン等価回路は、Ｐ個の抵抗－キャパシタセットが互いに直列連結された構成であるＰ次回路であってよい。ここで、「Ｐ」は、自然数である。
テブナン等価回路４０に基づいて、下記［数式１］が導出され得る。
［数式１］
Figure 2022550154000002
図２に係る説明を参照すると、「Ｖｋ '」は、電圧推定回路２３０により予測される第２時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電圧の大きさを意味する。「Ｉｋ」は、第２時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電流の大きさを意味する。「ＯＣＶ（ＳＯＣ）」は、バッテリーセル（Ｂ１）のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）による電圧源４１の電圧レベルを意味する。また、「Ｒ０」、「Ｒ１」、及び「Ｃ１」は、各々抵抗（Ｒ０）の大きさ、抵抗（Ｒ１）の大きさ及びキャパシタ（Ｃ１）の大きさを意味する。
電圧推定回路２３０は、［数式１］に基づいて、電圧（Ｖｋ）を推定するための電圧状態推定アルゴリズムを導出することができる。先ず、測定時刻（例えば、第２時刻）におけるサンプリングタイム△ｔが十分に小さければ、時間間隔の間の電流は一定であると仮定する。そして、電圧推定回路２３０は、テーラー拡張式（具体的に、ｆ（ｘ）＝ｆ（ｘ０）＋ｆ'（ｘ０）＊（ｘ－ｘ０））を用いて［数式１］を線形化させた後に、測定時刻（例えば、第２時刻）に対する電圧状態推定アルゴリズムを導出することができる。
電圧状態推定アルゴリズムは、［数式２］で表される。
［数式２］
Figure 2022550154000003
［数式２］において、「Ｖｋ－１」及び「Ｉｋ－１」は、図２に係る説明を参照すると、第１時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電圧の大きさ及び電流の大きさを意味する。「Ｒ１」及び「Ｃ１」は、各々抵抗（Ｒ１）の大きさ及びキャパシタ（Ｃ１）の大きさを意味する。「△ｔ」は、第２時刻と第１時刻の間の時間の長さを意味する。
電圧推定回路２３０は、［数式２］に基づいて、推定電圧（Ｖｋｆ '）を導出することができる。電圧推定回路２３０が推定電圧（Ｖｋｆ '）を導出するための動作は、図５を参照して詳細に説明されるであろう。
図５は、図２の電圧推定回路においてバッテリーセルの電圧が推定される過程を説明するためのフローチャートである。図６ａは、拡張カルマンフィルターが適用された状態推定モデルを示す図である。図６ｂは、拡張カルマンフィルターのシステムモデルを説明するための式を示す図である。説明の便宜のために、図５、図６ａ、図６ｂが共に説明される。
［数式２］及び図６ｂの式（ｅ１１～ｅ１５）に基づいて、図６ａに示された式（ｅ１～ｅ６）が導出され得る。図６ａの式（ｅ１～ｅ６）は、拡張カルマンフィルターが適用された状態推定モデルで用いられる数式を示す。図６ｂの式（ｅ１１～ｅ１５）は、拡張カルマンフィルターのシステムモデルに係る変数を算出するための数式を示す。前記変数は使用者により定義されるか、拡張カルマンフィルターが適用されるシステムにより定義されてよい。
Ｓ１１０動作において、図２の電圧推定回路２３０は、図２の電圧測定回路２１０及び図２の電流測定回路２２０から第１時刻における電圧（Ｖｋ－１）及び電流（Ｉｋ－１）に対する情報を受信することができる。
Ｓ１２０動作において、電圧推定回路２３０は、図４を参照して説明された ［数式２］に基づいて、電圧（Ｖｋ－１）及び電流（Ｉｋ－１）を時間アップデートし、予測電圧（Ｖｋ '）を計算することができる。時間アップデートは、過去時刻の入力値（具体的に、電圧（Ｖｋ－１）及び電流（Ｉｋ－１））を入力し、現在時刻の結果値（具体的に、電圧（Ｖｋ－１））を算出することを意味する。予測電圧（Ｖｋ '）は、電圧推定回路２３０により１次的に予測される第２時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電圧であってよい。［数式２］は、図６ａに示された時間アップデート段階における一番目の式（ｅ１）に対応し得る。
Ｓ１３０動作において、電圧推定回路２３０は、予測電圧（Ｖｋ '）を測定アップデートすることができる。測定アップデートは、現在時刻の測定値（具体的に、電流（Ｉｋ））を入力し、予測電圧（Ｖｋ '）を補正することを意味する。電圧推定回路２３０は、予測電圧（Ｖｋ '）を測定アップデートし、最終的に、推定電圧（Ｖｆｋ '）を計算することができる。推定電圧（Ｖｆｋ '）は、電圧推定回路２３０により推定される第２時刻におけるバッテリーセル（Ｂ１）の電圧であってよい。
Ｓ１４０動作において、電圧推定回路２３０は、誤差共分散を計算することができる。誤差共分散は、図６ａに開示された式（ｅ６）に基づいて計算されてよい。誤差共分散は、推定電圧（Ｖｆｋ '）がどれほど正確であるかを示す尺度であってよい。電圧推定回路２３０は、誤差共分散に基づいて、時間アップデート及び測定アップデートを繰り返し、推定電圧（Ｖｆｋ '）の正確度を高めることができる。
Ｓ１５０動作において、推定電圧（Ｖｆｋ '）の正確度が充分に高いものと判断される場合、電圧推定回路２３０は、推定電圧（Ｖｆｋ '）に対する情報をサンプリング回路２４０に出力することができる。
図７は、図２のサンプリング回路の動作を説明するためのフローチャートである。
図２を参照して説明したように、図２の電圧測定回路２１０及び電流測定回路２２０は、一定周期毎にバッテリーセル（Ｖ１）の電圧及び電流を測定することができる。以下の説明において、電圧測定回路２１０及び電流測定回路２２０が各々バッテリーセル（Ｖ１）の電圧及び電流をＭ回測定したものと仮定する。図２の電圧推定回路２３０は、これに対応し、Ｍ個の推定電圧を導出することができる。
したがって、Ｓ２１０動作において、図２のサンプリング回路２４０は、電圧測定回路２１０からＭ個の測定された電圧（Ｖ１～Ｖｍ）に対する情報を受信することができる。また、サンプリング回路２４０は、電圧推定回路２３０からＭ個の推定された電圧（Ｖ１ｆ '～Ｖｍｆ '）に対する情報を受信することができる。
Ｓ２２０動作において、サンプリング回路２４０は、Ｍ個の測定された電圧（Ｖ１～Ｖｍ）とＭ個の推定された電圧（Ｖ１ｆ '～Ｖｍｆ '）との間の電圧レベルの差を計算することができる。例えば、サンプリング回路２４０は、電圧（Ｖｋ）と推定電圧（Ｖｋｆ '）との間の電圧レベルの差を計算することができる。
Ｓ２３０動作において、サンプリング回路２４０は、スライディングウィンドウ方式を用いて、Ｍ個の電圧レベルの差をサンプリングできる。スライディングウィンドウ方式は、データ次元で互いに重複される２個以上のウィンドウから代表値を選択する方式であってよい。例えば、時間次元で第１時間区間（ｔ１－ｔ３）から収集した入力データの中から特定基準で代表値を選択し、第１時間区間の一部区間と重複される第２時間区間（ｔ２－ｔ４）から収集した入力データの中から同一の特定基準で代表値を選択するものであってよい。すなわち、サンプリング回路２４０は、スライディングウィンドウ方式を用いて、Ｍ個の電圧レベルの差のうちＱ個の電圧レベルの差を選択することができる。「Ｑ」は、「Ｍ」より小さな自然数である。但し、本発明は、これに限定されず、サンプリング回路２４０は、固定ウィンドウ方式を用いて、Ｍ個の電圧レベルの差をサンプリングしてもよい。
Ｓ２４０動作において、サンプリング回路２４０は、サンプリングされたＱ個の電圧レベルの差の統計値（ＶＳ）を計算することができる。例えば、Ｑ個の電圧レベルの差の統計値（ＶＳ）は、Ｑ個の電圧レベルの差の平均値、最大値、最小値、標準偏差等のうち１つであってよい。
Ｓ２５０動作において、サンプリング回路２４０は、統計値（ＶＳ）を診断回路２５０に出力することができる。
図８は、図２の診断回路の動作を説明するためのフローチャートである。
Ｓ３１０動作において、診断回路２５０は、サンプリング回路２４０から統計値（ＶＳ）を受信することができる。
Ｓ３２０動作において、診断回路２５０は、統計値（ＶＳ）と基準値を比較することができる。基準値は、図２のバッテリーセル（Ｂ１）の温度に応じて変わり得る。基準値は、下記［数式３］により導出され得る。
［数式３］
Figure 2022550154000004
［数式３］において、「Ｔｈｒ１」は基準値を意味し、「Ｔｈｒ０」は定数を意味し、ｆ（ｔｅｍｐ）は、バッテリーセル（Ｂ１）の温度により変わる関数値を意味する。
本発明のシステムモデルにおいて、図６ｂの数式（ｅ１４）は、［数式４］のように表され得る。
［数式４］
Figure 2022550154000005
「ＱＷ」は、システムモデルの変数であり、「σｓｏｃ ２」及び「σＶｋ ２」は、電圧（ＯＣＶ（ＳＯＣ））の分散及び電圧（Ｖｋ）の分散を意味する。図６ａの数式（ｅ２）を参照すると、予測電圧（Ｖｋ '）の変数（ＱＷ）に応じて変わり、電圧（ＯＣＶ（ＳＯＣ））の分散（σｓｏｃ ２）及び電圧（Ｖｋ）の分散（σＶｋ ２）は温度に応じて変わる。関数値（ｆ（ｔｅｍｐ））は、温度による電圧（Ｖｋ）の分散（σＶｋ ２）の変化量により決定されてよい。例えば、関数値（ｆ（ｔｅｍｐ））は、温度による電圧（Ｖｋ）の分散（σＶｋ ２）の変化量に比例するように決定されてよい。また、関数値（ｆ（ｔｅｍｐ））は、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が高くなる場合に増加し、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が低くなる場合に減少するように使用者により決定されてよい。すなわち、基準値は、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が高くなる場合に増加し、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が低くなる場合に減少することがある。
統計値（ＶＳ）が基準値より大きい場合、Ｓ３３０動作が行われてよい。Ｓ３３０動作において、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）にエラーが発生したものと判断することができる。この場合、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）のエラー回数（ＮＧ＿ｃｏｕｎｔ）を１だけ増加させることができる。
統計値（ＶＳ）が基準値以下の場合、Ｓ３４０動作が行われてよい。Ｓ３４０動作において、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）にエラーが発生していないものと判断することができる。この場合、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）のエラー回数（ＮＧ＿ｃｏｕｎｔ）をそのまま維持することができる。
Ｓ３５０動作において、診断回路２５０は、エラー回数（ＮＧ＿ｃｏｕｎｔ）を第１基準回数と比較することができる。
エラー回数（ＮＧ＿ｃｏｕｎｔ）が第１基準回数未満である場合、Ｓ３６０動作が行われてよい。Ｓ３６０動作において、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）が正常状態であると判断することができる。
エラー回数（ＮＧ＿ｃｏｕｎｔ）が第１基準回数以上である場合、Ｓ３７０動作が行われてよい。Ｓ３７０動作において、診断回路２５０は、エラー回数（ＮＧ＿ｃｏｕｎｔ）を第２基準回数と比較することができる。第２基準回数は、第１基準回数より大きくてよい。
エラー回数（ＮＧ＿ｃｏｕｎｔ）が第２基準回数以下である場合、Ｓ３８０動作が行われてよい。Ｓ３８０動作において、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）が警告状態であると判断することができる。
エラー回数（ＮＧ＿ｃｏｕｎｔ）が第２基準回数より大きい場合、Ｓ３９０動作が行われてよい。Ｓ３９０動作において、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）が危険状態であると判断することができる。
Ｓ３９５動作において、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）の状態情報を出力することができる。診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）の状態情報を、図２のバッテリーパック１０の内部又は外部にあるコントローラーに出力することができる。例えば、診断回路２５０は、バッテリーセル（Ｂ１）の状態に対する情報を図２の制御回路２６０に出力することができる。
図９は、バッテリーセルの温度による推定電圧の変化を示すグラフである。
グラフのＸ軸は、図２のバッテリーセル（Ｂ１）の温度（℃）を示し、Ｙ軸は、推定電圧（Ｖｆｋ '）の分散を示す。図９を参照すると、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が－２０℃である場合、推定電圧（Ｖｆｋ '）の分散は２であり、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が－１０℃である場合、推定電圧（Ｖｆｋ '）の分散は１．５である。すなわち、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が高くなるほど、推定電圧（Ｖｆｋ '）の分散は小さくなる。これは、バッテリーセル（Ｂ１）の温度が高くなるほど、推定電圧（Ｖｆｋ '）に対する推定正確度が高くなるということを意味する。
図２の制御回路２６０は、このような傾向性に基づいて基準値を調節することができる。前述された［数式３］における関数値（ｆ（ｔｅｍｐ））は、図９のグラフに示されたバッテリーセル（Ｂ１）の温度と推定電圧（Ｖｆｋ '）の分散との関係を示す関数式であってよい。具体的に、一部温度区間（－２０℃～１０℃）において関数値（ｆ（ｔｅｍｐ））の変化は大きく、一部温度区間（１０℃～４０℃）において関数値（ｆ（ｔｅｍｐ））の変化はより小さいことがある。
図１０は、本発明の一実施形態に係るバッテリー診断装置のハードウェア構成を示す図である。
図１０を参照すると、バッテリー診断装置８００は、各種処理及び各構成を制御するマイクロコントローラー（ＭＣＵ）８１０と、運営体制プログラム及び各種プログラム（例えば、バッテリー診断プログラム、電圧近似式算出プログラム等）等が記録されるメモリ８２０と、バッテリーセルモジュール及び／又は半導体スイッチング素子との間で入力インターフェース及び出力インターフェースを提供する入出力インターフェース８３０と、有無線通信網を介して外部と通信可能な通信インターフェース８４０とを備えてよい。このように、本発明によるコンピュータープログラムはメモリ８２０に記録され、マイクロコントローラー８１０によって処理されることにより、例えば、図２に示した各機能ブロックを行うモジュールとして具現され得る。
前述された内容は、本発明を実施するための具体的な実施形態である。本発明は、前述された実施形態のみならず、単に設計変更されるか容易に変更することができる実施形態も含むはずである。また、本発明は、実施形態を用いて容易に変形して実施することができる技術も含まれるはずである。よって、本発明の範囲は、前述の実施形態に限って定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけではなく、本発明の特許請求の範囲と均等なもの等により定められるべきである。

Claims (14)

  1. バッテリーセルの両端の電圧を測定する電圧測定回路；
    前記バッテリーセルの前記両端のうち一端を流れる電流を測定する電流測定回路；
    前記電流及び状態推定モデルに基づいて、前記電圧の電圧レベルに対する推定値である推定電圧レベルを計算する電圧推定回路；
    前記電圧測定回路により測定された電圧レベルと前記推定電圧レベルとの間の電圧レベルの差を計算し、前記電圧レベルの差と基準値に基づいて前記バッテリーセルでエラーが発生したのか否かを確認するための診断回路；及び
    前記推定電圧レベルに対する推定正確度に応じて、前記基準値を調節する制御回路を含むバッテリー診断装置。
  2. 前記状態推定モデルは、拡張カルマンフィルター（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ）に基づく再帰フィルターモデルである、請求項１に記載のバッテリー診断装置。
  3. 前記エラーは、前記バッテリーセルが充電される途中に、前記バッテリーセルの前記両端の前記電圧が一時的に減少する異常電圧降下現象である、請求項１または２に記載のバッテリー診断装置。
  4. 前記診断回路は、前記電圧レベルの差と前記基準値を比較した比較結果に基づいて、前記バッテリーセルで前記エラーが発生したのか否かを確認し、
    前記制御回路は、前記推定正確度が高くなると前記基準値を減少させ、前記推定正確度が低くなると前記基準値を増加させ、
    前記推定正確度は、前記推定電圧レベルの分散が大きいほど低くなる、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  5. 前記制御回路は、前記バッテリーセルの温度が高くなる場合に前記基準値を減少させ、前記バッテリーセルの温度が低くなると前記基準値を増加させる、請求項１から４のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  6. 前記制御回路は、数式により前記基準値を調節する、請求項５に記載のバッテリー診断装置。
    Figure 2022550154000006
     （「Ｔｈｒ１」は基準値、「ｆ（ｔｅｍｐ）」は、バッテリーセルの温度により変わる関数値、「Ｔｈｒ０」は定数）
  7. 前記電圧測定回路は、前記電圧を複数回測定して複数の電圧レベルに対する情報を獲得し、
    前記電流測定回路は、前記電流を複数回測定して複数の電流レベルに対する情報を獲得し、
    前記電圧推定回路は、前記複数の電流レベル及び前記状態推定モデルに基づいて、前記複数の電圧レベルの推定値である推定電圧レベルを計算し、
    前記診断回路は、前記複数の電圧レベルと前記推定電圧レベルとの間の電圧レベルの差をサンプリングし、前記サンプリングされた電圧レベルの差の統計値と前記基準値を比較した比較結果に基づいて、前記バッテリーセルの故障有無を診断する、請求項１から６のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  8. 前記診断回路は、スライディングウィンドウ方式を用いて、前記電圧レベルの差をサンプリングする、請求項７に記載のバッテリー診断装置。
  9. 前記統計値は、前記電圧レベルの差の平均値、前記電圧レベルの差のうち最大値、前記電圧レベルの差のうち最小値、又は前記電圧レベルの差の標準偏差である、請求項７または８に記載のバッテリー診断装置。
  10. 前記電流は、前記バッテリーセルに入力される電流である、請求項１から９のいずれか一項に記載のバッテリー診断装置。
  11. バッテリー診断装置により、第１時刻及び第２時刻の各々でバッテリーセルの両端の電圧を測定する段階；
    前記バッテリー診断装置により、前記第１時刻及び前記第２時刻の各々で前記バッテリーセルの前記両端のうち一端を流れる電流を測定する段階；
    前記バッテリー診断装置により、前記第１時刻で測定された前記電圧、前記第１時刻で測定された前記電流及び前記第２時刻で測定された前記電流及び状態推定モデルに基づいて、前記第２時刻で測定される前記電圧の電圧レベルの推定値である推定電圧レベルを計算する段階；及び
    前記バッテリー診断装置により、前記第２時刻で測定された前記電圧の前記電圧レベルと前記推定電圧レベルとの間の電圧レベルの差と基準値に基づいて、前記バッテリーセルの故障有無を診断する段階を含み、
    前記基準値は、前記推定電圧レベルに対する推定正確度に応じて決定され、
    前記第２時刻は、前記第１時刻以降の時刻である、バッテリー診断方法。
  12. 前記電圧レベルを推定する段階は、テブナン等価回路に基づく拡張カルマンフィルターが適用された前記状態推定モデルに基づいて、前記推定電圧レベルを計算し、
    前記テブナン等価回路は、前記バッテリーセルの電圧－電流特性が反映された、請求項１１に記載のバッテリー診断方法。
  13. 前記電圧レベルを推定する段階は、
    前記テブナン等価回路に基づいて、前記拡張カルマンフィルターの状態変数を算出する段階；
    前記第１時刻で測定された前記電圧及び前記状態変数に基づいて、前記第２時刻における前記電圧の前記電圧レベルを予測する段階；及び
    前記第２時刻で測定された前記電流及び前記予測された電圧レベルに基づいて、前記推定電圧レベルを計算する段階をさらに含む、請求項１２に記載のバッテリー診断方法。
  14. 前記推定正確度は、前記バッテリーセルの温度に応じて決定され、
    前記バッテリーセルの前記温度が高くなる場合に前記基準値を減少させ、前記バッテリーセルの前記温度が低くなる場合に前記基準値を増加させる段階をさらに含む、請求項１１から１３のいずれか一項に記載のバッテリー診断方法。
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