特許 7473250 バッテリー装置およびバッテリー状態推定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-15

(45)【発行日】2024-04-23

(54)【発明の名称】バッテリー装置およびバッテリー状態推定方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/367 20190101AFI20240416BHJP

   G01R 31/389 20190101ALI20240416BHJP

   G01R 31/382 20190101ALI20240416BHJP

   G01R 31/385 20190101ALI20240416BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240416BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20240416BHJP

【ＦＩ】

G01R31/367

G01R31/389

G01R31/382

G01R31/385

H01M10/48 P

H01M10/48 301

H01M10/44 P

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2022567847

(86)(22)【出願日】2021-06-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-19

(86)【国際出願番号】 KR2021008095

(87)【国際公開番号】W WO2022065635

(87)【国際公開日】2022-03-31

【審査請求日】2022-11-11

(31)【優先権主張番号】10-2020-0122153

(32)【優先日】2020-09-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521065355

【氏名又は名称】エルジー エナジー ソリューション リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】スン、ヨン チュル

(72)【発明者】

【氏名】キム、チョルテク

(72)【発明者】

【氏名】ヨム、インチョル

【審査官】島▲崎▼ 純一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０６２１９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６４０９２７２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２００８－２４１２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１４７２２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００５２２２８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３１／３６７

Ｇ０１Ｒ ３１／３８９

Ｇ０１Ｒ ３１／３８２

Ｇ０１Ｒ ３１／３８５

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０１Ｍ １０／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

バッテリー、および
前記バッテリーの測定電流を受信し、前記測定電流に基づいて決定される第１パラメータおよび前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて決定される第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定するプロセッサー
を含み、
前記プロセッサーは、前記ＳＯＣと以前時点で推定した前記表面ＳＯＣの差に基づいて前記第２パラメータを決定する
バッテリー装置。

【請求項2】

バッテリー、および
前記バッテリーの測定電流を受信し、前記測定電流に基づいて決定される第１パラメータおよび前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて決定される第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定するプロセッサー
を含み、
前記プロセッサーは、以前時点で推定した前記表面ＳＯＣ、前記第１パラメータおよび前記第２パラメータに基づいて現在時点での前記表面ＳＯＣを推定する
バッテリー装置。

【請求項3】

バッテリー、および
前記バッテリーの測定電流を受信し、前記測定電流に基づいて決定される第１パラメータおよび前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて決定される第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定するプロセッサー
を含み、
前記プロセッサーは、
前記表面ＳＯＣに基づいて前記バッテリーの開回路電圧を推定し、
前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣに基づいて前記バッテリーの過電圧を推定し、
前記バッテリーの電流に基づいて前記バッテリーの内部抵抗による電圧を推定し、
前記開回路電圧、前記過電圧、および前記内部抵抗による電圧に基づいて前記バッテリーの端子電圧を推定する
バッテリー装置。

【請求項4】

前記プロセッサーは、
前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣおよび前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定し、
前記測定電流に係数を反映して前記第１パラメータを決定する、請求項１から３のいずれか一項に記載のバッテリー装置。

【請求項5】

前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣおよび前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つと前記係数の間の相関関係を保存するメモリをさらに含み、
前記プロセッサーは前記相関関係に基づいて前記係数を決定する、請求項４に記載のバッテリー装置。

【請求項6】

前記プロセッサーは、
前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣおよび前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定し、
前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣの差に前記係数を反映して前記第２パラメータを決定する、請求項１に記載のバッテリー装置。

【請求項7】

前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣおよび前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つと前記係数の間の相関関係を保存するメモリをさらに含み、
前記プロセッサーは前記相関関係に基づいて前記係数を決定する、請求項６に記載のバッテリー装置。

【請求項8】

前記プロセッサーは、前記第１パラメータと前記第２パラメータにそれぞれ前記以前時点と前記現在時点の間の時間変化を反映する、請求項２に記載のバッテリー装置。

【請求項9】

前記プロセッサーは、前記表面ＳＯＣ、前記ＳＯＣ、および前記バッテリーの電流に基づいて前記バッテリーの端子電圧を推定する、請求項１または２に記載のバッテリー装置。

【請求項10】

入力としての前記ＳＯＣと出力としての前記開回路電圧の間の相関関係を保存するメモリをさらに含み、
前記プロセッサーは前記相関関係で前記入力として前記表面ＳＯＣを使用して前記開回路電圧を推定する、請求項３に記載のバッテリー装置。

【請求項11】

前記プロセッサーは、前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣの比または差に基づいて前記過電圧を推定する、請求項３または１０に記載のバッテリー装置。

【請求項12】

バッテリーの状態推定方法であって、
前記バッテリーの測定電流に基づいて第１パラメータを決定する段階、
前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて第２パラメータを決定する段階、および
前記第１パラメータと前記第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する段階
を含み、
前記第２パラメータを決定する段階は、
前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣ、および前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定する段階、および
以前時点での前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣの差に前記係数を反映して前記第２パラメータを決定する段階
を含む
状態推定方法。

【請求項13】

バッテリーの状態推定方法であって、
前記バッテリーの測定電流に基づいて第１パラメータを決定する段階、
前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて第２パラメータを決定する段階、および
前記第１パラメータと前記第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する段階
を含み、
前記表面ＳＯＣを推定する段階は、以前時点で推定した前記表面ＳＯＣ、前記第１パラメータ、および前記第２パラメータに基づいて現在時点での前記表面ＳＯＣを推定する段階を含む
状態推定方法。

【請求項14】

バッテリーの状態推定方法であって、
前記バッテリーの測定電流に基づいて第１パラメータを決定する段階、
前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて第２パラメータを決定する段階、
前記第１パラメータと前記第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する段階、
前記表面ＳＯＣに基づいて第１電圧を推定する段階、
前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣに基づいて第２電圧を推定する段階、
前記バッテリーの電流に基づいて第３電圧を推定する段階、および
前記第１電圧、前記第２電圧、および前記第３電圧に基づいて前記バッテリーの端子電圧を推定する段階
を含む状態推定方法。

【請求項15】

前記第１パラメータを決定する段階は、
前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣ、および前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定する段階、および
前記測定電流に前記係数を反映して前記第１パラメータを決定する段階
を含む、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の状態推定方法。

【請求項16】

バッテリー装置のプロセッサーによって実行され、記録媒体に保存されているプログラムであって、
前記プログラムは前記プロセッサーに、
前記バッテリー装置のバッテリーの測定電流に基づいて第１パラメータを決定する段階、
前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて第２パラメータを決定する段階、および
前記第１パラメータと前記第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する段階
を実行させ、
前記第２パラメータを決定する段階は、
前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣ、および前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定する段階、および
以前時点での前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣの差に前記係数を反映して前記第２パラメータを決定する段階
を含む
プログラム。

【請求項17】

バッテリー装置のプロセッサーによって実行され、記録媒体に保存されているプログラムであって、
前記プログラムは前記プロセッサーに、
前記バッテリー装置のバッテリーの測定電流に基づいて第１パラメータを決定する段階、
前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて第２パラメータを決定する段階、および
前記第１パラメータと前記第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する段階
を実行させ、
前記表面ＳＯＣを推定する段階は、以前時点で推定した前記表面ＳＯＣ、前記第１パラメータ、および前記第２パラメータに基づいて現在時点での前記表面ＳＯＣを推定する段階を含む
プログラム。

【請求項18】

バッテリー装置のプロセッサーによって実行され、記録媒体に保存されているプログラムであって、
前記プログラムは前記プロセッサーに、
前記バッテリー装置のバッテリーの測定電流に基づいて第１パラメータを決定する段階、
前記バッテリーの充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）に基づいて第２パラメータを決定する段階、
前記第１パラメータと前記第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する段階、
前記表面ＳＯＣに基づいて第１電圧を推定する段階、
前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣに基づいて第２電圧を推定する段階、
前記バッテリーの電流に基づいて第３電圧を推定する段階、および
前記第１電圧、前記第２電圧、および前記第３電圧に基づいて前記バッテリーの端子電圧を推定する段階
を実行させる
プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願との相互引用
本出願は２０２０年９月２２日付大韓民国特許出願第１０－２０２０－０１２２１５３に基づいた優先権の利益を主張し、当該大韓民国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。

【0002】

以下記載された技術は、バッテリー装置およびバッテリー状態推定方法に関するものである。

【背景技術】

【0003】

電気自動車またはハイブリッド自動車は主にバッテリーを電源として用いてモータを駆動することによって動力を得る自動車であって、内燃自動車の公害およびエネルギー問題を解決することができる代案という点から研究が活発に行われている。また、充電の可能なバッテリーは電気自動車以外に多様な外部装置で使用されている。

【0004】

バッテリーを管理する時に使用する重要な状態のうちの一つは充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）である。充電状態は、バッテリーに貯蔵可能な最大電荷量を示す満充電容量（ｆｕｌｌ ｃｈａｒｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ）に対する現在残っている容量の相対的比率を示すファクターである。このようなＳＯＣはバッテリー内部の活物質の平均濃度を示す。

【0005】

バッテリーの端子電圧を推定するためにバッテリーのＳＯＣを使用する等価回路モデルが主に使用されている。等価回路モデルでのＳＯＣは開回路のように静的状態でバッテリー状態を推定するには適するが、バッテリーが持続的に充電または放電されるかバッテリーが装着された車両が走行中である場合のようにバッテリーが動的に使用される状況では電流効果を反映することができなくて状態推定の誤差が増加することがある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一実施形態は、バッテリーの状態を正確に推定することができるバッテリー管理システムおよびバッテリー状態推定方法を提供することができる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一実施形態によれば、バッテリーとプロセッサーを含むバッテリー装置が提供される。前記プロセッサーは、前記バッテリーの測定電流を受信し、前記測定電流に基づいて決定される第１パラメータおよび前記バッテリーのＳＯＣに基づいて決定される第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する。

【0008】

一実施形態で、前記プロセッサーは、前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣおよび前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定し、前記測定電流に前記係数を反映して前記第１パラメータを決定することができる。

【0009】

一実施形態で、前記バッテリー装置は、前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣ、および前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つと前記係数の間の相関関係を保存するメモリをさらに含むことができる。この場合、前記プロセッサーは、前記相関関係に基づいて前記係数を決定することができる。

【0010】

一実施形態で、前記プロセッサーは、前記ＳＯＣと以前時点で推定した前記表面ＳＯＣの差に基づいて前記第２パラメータを決定することができる。

【0011】

一実施形態で、前記プロセッサーは、前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣ、および前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定し、前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣの差に前記係数を反映して前記第２パラメータを決定することができる。

【0012】

一実施形態で、前記バッテリー装置は、前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣ、および前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つと前記係数の間の相関関係を保存するメモリをさらに含むことができる。前記プロセッサーは、前記相関関係に基づいて前記係数を決定することができる。

【0013】

一実施形態で、前記プロセッサーは、以前時点で推定した前記表面ＳＯＣ、前記第１パラメータ、および前記第２パラメータに基づいて現在時点での前記表面ＳＯＣを推定することができる。

【0014】

一実施形態で、前記プロセッサーは、前記第１パラメータと前記第２パラメータにそれぞれ前記以前時点と前記現在時点の間の時間変化を反映することができる。

【0015】

一実施形態で、前記プロセッサーは、前記表面ＳＯＣ、前記ＳＯＣ、および前記バッテリーの電流に基づいて前記バッテリーの端子電圧を推定することができる。

【0016】

一実施形態で、前記プロセッサーは、前記表面ＳＯＣに基づいて前記バッテリーの開回路電圧を推定し、前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣに基づいて前記バッテリーの過電圧を推定し、前記バッテリーの電流に基づいて前記バッテリーの内部抵抗による電圧を推定し、前記開回路電圧、前記過電圧、および前記内部抵抗による電圧に基づいて前記端子電圧を推定することができる。

【0017】

一実施形態で、前記バッテリー装置は、入力としての前記ＳＯＣと出力としての前記開回路電圧の間の相関関係を保存するメモリをさらに含むことができる。この場合、前記プロセッサーは、前記相関関係で前記入力として前記表面ＳＯＣを使用して前記開回路電圧を推定することができる。

【0018】

一実施形態で、前記プロセッサーは、前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣの比または差に基づいて前記過電圧を推定することができる。

【0019】

他の実施形態によれば、バッテリーの状態推定方法が提供される。前記状態推定方法は、前記バッテリーの測定電流に基づいて第１パラメータを決定する段階、前記バッテリーのＳＯＣに基づいて第２パラメータを決定する段階、および前記第１パラメータと前記第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する段階を含む。

【0020】

一実施形態で、前記第１パラメータを決定する段階は、前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣ、および前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定する段階、および前記測定電流に前記係数を反映して前記第１パラメータを決定する段階を含むことができる。

【0021】

一実施形態で、前記第２パラメータを決定する段階は、前記バッテリーの温度、前記ＳＯＣ、および前記表面ＳＯＣのうちの少なくとも一つに基づいて係数を決定する段階、および前記プロセッサーが以前時点での前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣの差に前記係数を反映して前記第２パラメータを決定する段階を含むことができる。

【0022】

一実施形態で、前記表面ＳＯＣを推定する段階は、以前時点で推定した前記表面ＳＯＣ、前記第１パラメータ、および前記第２パラメータに基づいて現在時点での前記表面ＳＯＣを推定する段階を含むことができる。

【0023】

一実施形態で、前記状態推定方法は、前記表面ＳＯＣに基づいて第１電圧を推定する段階、前記ＳＯＣと前記表面ＳＯＣに基づいて第２電圧を推定する段階、前記バッテリーの電流に基づいて第３電圧を推定する段階、および前記第１電圧、前記第２電圧、および前記第３電圧に基づいて前記バッテリーの端子電圧を推定する段階をさらに含むことができる。

【0024】

他の実施形態によれば、バッテリー装置のプロセッサーによって実行され、記録媒体に保存されているプログラムが提供される。前記プログラムは、前記プロセッサーが、前記バッテリーの測定電流に基づいて第１パラメータを決定する段階、前記バッテリーのＳＯＣに基づいて第２パラメータを決定する段階、前記第１パラメータと前記第２パラメータを含む複数のパラメータに基づいて前記バッテリーの電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定する段階を実行するようにする。

【発明の効果】

【0025】

本発明の一実施形態によれば、バッテリーの静的状態だけでなく充電または放電が繰り返される動的状態でもバッテリーの状態を正確に推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】一実施形態によるバッテリー装置を示す図である。

【0027】

【図2】一実施形態によるバッテリーの構造を示す図である。

【0028】

【図3】バッテリーの状態変化の一例を示す図である。

【0029】

【図4】一実施形態によるバッテリー管理システムでの表面ＳＯＣ推定を説明する図である。

【0030】

【図5】一実施形態によるバッテリーで温度およびＳＯＣと反応速度係数の間の相関関係の一例を示す図である。

【0031】

【図6】一実施形態によるバッテリーで温度およびＳＯＣと拡散係数の間の相関関係の一例を示す図である。

【0032】

【図7】一実施形態によるバッテリー管理システムでの表面ＳＯＣ推定方法を示すフローチャートである。

【0033】

【図8】一実施形態によるバッテリー管理システムでのバッテリー端子電圧推定を説明する図である。

【0034】

【図9】一実施形態によるバッテリー管理システムでのバッテリー端子電圧推定方法を示すフローチャートである。

【0035】

【図10】一実施形態によるバッテリーでＳＯＣと開回路電圧の間の相関関係の一例を示す図である。

【0036】

【図11】一実施形態によるバッテリー端子電圧推定方法によって推定された端子電圧と実際端子電圧の間の関係を示す図である。

【0037】

【図12】一実施形態によるバッテリー端子電圧推定方法によって推定された端子電圧と実際端子電圧の間の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は様々な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。そして図面で本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって類似の部分については類似の図面符号を付けた。

【0039】

ある構成要素が他の構成要素に"連結されて"いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されていることもあるが、中間に他の構成要素が存在することもあると理解されなければならないはずである。反面、ある構成要素が他の構成要素に"直接連結されて"いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないと理解されなければならないはずである。

【0040】

以下の説明で単数で記載された表現は"一つ"または"単一"などの明示的な表現を使用しない限り、単数または複数に解釈することができる。

【0041】

図面を参照して説明したフローチャートで、動作順序は変更でき、様々の動作が併合されるか、ある動作が分割され、特定動作は行われないことがある。

【0042】

図１は一実施形態によるバッテリー装置を示す図であり、図２は一実施形態によるバッテリーの構造を示す図であり、図３はバッテリーの状態変化の一例を示す図である。

【0043】

図１を参照すれば、バッテリー装置１００は、外部装置に電気的に連結することができる構造を有する。外部装置が負荷である場合、バッテリー装置１００は負荷に電力を供給する電源として動作して放電される。外部装置が充電器である場合、バッテリー装置１００は充電器を通じて外部電力の供給を受けて充電される。負荷として動作する外部装置は例えば、電子装置、移動手段またはエネルギー貯蔵システム（ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ、ＥＳＳ）であってもよく、移動手段は例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車またはスマートモビリティー（ｓｍａｒｔ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）などの車両であってもよい。

【0044】

バッテリー装置１００は、バッテリー１１０、電圧測定回路１２０、温度センサー１３０、電流センサー１４０、およびプロセッサー１５０を含む。

【0045】

バッテリー１１０は、充電可能な二次電池である。バッテリー１１０は、例えばリチウムイオン電池またはリチウムイオンポリマー電池のようなリチウム電池またはニッケル－カドミウム（ＮｉＣｄ）電池またはニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池のようなニッケル電池であってもよい。一実施形態で、バッテリー１１０は、単一バッテリーセル、複数のバッテリーセルのアセンブリーまたは複数のアセンブリーが直列または並列に連結されたバッテリーモジュール、複数のバッテリーモジュールが直列または並列に連結されたバッテリーパック、または複数のバッテリーパックが直列または並列に連結されたシステムであってもよい。

【0046】

電圧測定回路１２０は、バッテリー１１０の電圧を測定する。一実施形態で、電圧測定回路１２０は、各バッテリーセルの電圧を測定することができる。

【0047】

温度センサー１３０は、バッテリー１１０の温度を測定する。一実施形態で、温度センサー１３０は、バッテリー１１０の所定位置の温度を測定することができる。一実施形態で、バッテリー１１０で複数の位置の温度を測定するために複数の温度センサー１３０を提供することができる。

【0048】

電流センサー１４０はバッテリー１１０の正極出力端子または負極出力端子に連結されており、バッテリー１１０の電流、即ち、充電電流または放電電流を測定する。

【0049】

プロセッサー１５０は、電圧測定回路１２０で測定されたバッテリー１１０の電圧、温度センサー１３０で測定されたバッテリー１１０の温度または電流センサー１４０で測定されたバッテリー１１０の電流に基づいてバッテリー１１０の状態を推定する。一実施形態で、バッテリー装置１００はプロセッサー１５０での状態推定のために必要なデータを保存するメモリ１６０をさらに含むことができる。

【0050】

一実施形態で、プロセッサー１５０はバッテリー管理システムを形成することができる。一実施形態で、バッテリー管理システムは、電圧測定回路１２０、温度センサー１３０または電流センサー１４０のうちの少なくとも一つをさらに含むことができる。

【0051】

図２を参照すれば、バッテリー１１０は、正極１１１、負極１１２、および電解質１１３を含む。図２に示したバッテリー１１０の構造は説明の便宜のために概略的に示された例であり、バッテリー１１０の構造はこれに限定されない。図２では説明の便宜上、バッテリー１１０内部で化学反応を起こす活物質（ａｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）をリチウムと仮定する。

【0052】

バッテリー１１０から外部装置に電力を供給するためにバッテリー１１０が放電される場合、図２に示したように、負極１１２の表面でリチウムイオン（Ｌｉ^＋）が負極１１２から放出される化学反応（酸化反応）が起こることになる。放出されたリチウムイオン（Ｌｉ^＋）は電解質１１３を通過して正極１１１の表面に移動することになる。これにより、正極１１１の表面ではリチウムイオン（Ｌｉ^＋）が正極１１１に吸収される化学反応（還元反応）が発生することになる。

【0053】

バッテリー１１０を充電する場合、正極１１１と電解質１１３の間の境界面では、リチウムイオン（Ｌｉ^＋）が正極１１１から放出される化学反応（酸化反応）が起こることになる。放出されたリチウムイオン（Ｌｉ^＋）は電解質１１３を通過して負極１１２の表面に移動することになる。これにより、負極１１２の表面ではリチウムイオン（Ｌｉ^＋）が負極１１２に吸収される化学反応（還元反応）が発生することになる。

【0054】

バッテリー１１０の端子電圧は、正極１１１と負極１１２に該当するバッテリー電極表面での電位（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）、電解質１１３などによって形成される内部抵抗によって発生する電圧降下および電気化学反応による過電圧（ｏｖｅｒ－ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が合わされた形態に見えることがある。過電圧はバッテリーの各電極での分極（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）による平衡電位からの離脱による電圧降下を示すことができる。過電圧は分極電圧ともいう。

【0055】

図３に示したように、バッテリー１１０が放電を開始すれば、バッテリー１１０の端子電圧（Ｖｔ）は内部抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）による電圧降下（Ｖｏｈｍｉｃ）によって瞬間的に低下した後、過電圧の過渡期的な変化（Ｖ１）によって漸進的に減少する。一般に、過電圧の過渡期的な変化（Ｖ１）は抵抗とキャパシタの並列回路で定義される時定数による変化で示すことができる。この時、実際バッテリー１１０の端子電圧（Ｖｔ）は過電圧の過渡期的な変化（Ｖ１）と共に一定の傾きを有して低下する。即ち、図３に示したように、一定の傾きによる減少（Ｖｋ）と過電圧の過渡期的な変化による減少（Ｖ１）が共に発生する。このような傾きは、バッテリー１１０に流れる電流の強さによって決定される。このようにバッテリー１１０の端子電圧（Ｖｔ）が一定の傾きを有して低下する現象は活物質の酸化／還元反応による電極表面での活物質の濃度が平均濃度に比べて低下するため発生する。即ち、一定の傾きによる電圧変化（Ｖｋ）は、酸化／還元の反応速度による電圧変化（放電または充電による変化）と電流が無くなった以後の緩和（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）区間で拡散抵抗（濃度差）による電圧変化によって発生することになる。

【0056】

一般にバッテリー１１０の状態は、バッテリー１１０全体の平均濃度を示す充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）で決定され、バッテリー１１０の端子電圧（Ｖｔ）はバッテリー１１０の開回路（ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ）電圧、内部抵抗（Ｒｏｈｍｉｃ）による電圧降下（Ｖｏｈｍｉｃ）および過電圧によって推定される。この時、開回路電圧はバッテリー１１０のＳＯＣに基づいて推定される。しかし、ＳＯＣはバッテリー電極表面での濃度でなくバッテリー１１０内部の平均濃度（例えば、電極での平均濃度）を示すものであって、図３に示したようにバッテリー１１０の放電時になだらかに減少する。したがって、ＳＯＣによってバッテリー１１０の開回路電圧を推定する場合、バッテリー１１０の端子電圧を正確に推定することができないという問題点がある。これにより、一実施形態ではバッテリー１１０の電極表面での電位を決定することができる表面充電状態（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ、ＳＯＣ）を提案する。このような表面ＳＯＣは、バッテリー１１０の電極表面での活物質の濃度を示すことができる。

【0057】

図４は一実施形態によるバッテリー管理システムでの表面ＳＯＣ推定を説明する図であり、図５は一実施形態によるバッテリーで温度およびＳＯＣと反応速度係数の間の相関関係の一例を示す図であり、図６は一実施形態によるバッテリーで温度およびＳＯＣと拡散係数の間の相関関係の一例を示す図である。

【0058】

図４を参照すれば、バッテリー管理システムのプロセッサー（例えば、図１の１５０）は表面ＳＯＣ推定モデル４１０を使用してバッテリー１１０の電流を含むバッテリーの測定情報からバッテリー（例えば、図１の１１０）の表面ＳＯＣを推定することができる。一実施形態で、表面ＳＯＣは百分率で推定することができる。一実施形態で、プロセッサー１５０は、表面ＳＯＣ推定モデル４１０を使用してバッテリー１１０の電流を含むバッテリーの測定情報から平均濃度を示すバッテリー１１０のＳＯＣを推定することができる。

【0059】

図３を参照して説明したように、バッテリー１１０の放電時にバッテリー１１０の端子電圧は一定の傾きによって低下することがある。バッテリー１１０の端子電圧が一定の傾きを有して低下する現象は活物質の酸化／還元反応による電極表面での活物質の濃度が低下して発生するので、一定の傾きはバッテリー１１０の電流に比例する。したがって、表面ＳＯＣ推定モデル４１０は、バッテリー１１０の電流によって決定される反応速度に基づいて表面ＳＯＣを推定することができる。一実施形態で、反応速度は、バッテリー１１０の電流に特定係数を反映した値に基づいて決定することができる。以下、このような特定ファクターを"反応速度（ｋｉｎｅｔｉｃｓ）係数"という。一実施形態で、反応速度は、バッテリー１１０の電流と反応速度係数の積に基づいて決定することができる。

【0060】

酸化／還元反応の反応速度は、バッテリー１１０の温度およびバッテリー１１０内部の平均濃度によって決定することができる。したがって、一実施形態で、反応速度係数はバッテリー１１０の温度とバッテリー１１０のＳＯＣによって変わることになる。一実施形態で、バッテリー１１０のＳＯＣは、平均濃度を示すバッテリー１１０のＳＯＣを含むことができる。他の実施形態で、バッテリー１１０のＳＯＣはバッテリー１１０の表面ＳＯＣを含むことができる。また他の実施形態で、バッテリー１１０のＳＯＣは平均濃度を示すバッテリー１１０のＳＯＣとバッテリー１１０の表面ＳＯＣを含むことができる。即ち、表面ＳＯＣ推定モデル４１０は、バッテリー１１０の温度とバッテリー１１０のＳＯＣに基づいて反応速度係数を決定することができる。一実施形態で、図５に示したように、実験を通じてバッテリー１１０の温度およびバッテリー１１０のＳＯＣと反応速度係数の間の対応関係を予め定義しておくことができる。一実施形態で、バッテリー管理システムのメモリがこのような対応関係を例えばルックアップテーブル形態に保存していてもよい。一実施形態で、表面ＳＯＣ推定モデル４１０はバッテリー１１０の温度とバッテリー１１０のＳＯＣのうちのいずれか一つに基づいて反応速度係数を決定することもできる。

【0061】

電極表面での酸化／還元反応によって電極表面の濃度が平均濃度より低下すれば、電極表面の濃度と平均濃度の間の濃度差による拡散（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）速度によって電極表面での反応が低下される抵抗成分が発生することがある。このような拡散による抵抗（以下、"拡散抵抗"という）は逆方向に酸化／還元反応を抑制する力として発生することがある。したがって、表面ＳＯＣ推定モデル４１０は表面ＳＯＣを推定する時、拡散抵抗を追加的に反映する。一実施形態で、拡散抵抗は、平均濃度を示すＳＯＣと電極表面の濃度を示す表面ＳＯＣの差によって決定することができる。一実施形態で、表面ＳＯＣ推定モデル４１０は、ＳＯＣと表面ＳＯＣの差に特定係数を反映した値に基づいて表面ＳＯＣを推定することができる。以下、このような特定係数を"拡散係数"という。一実施形態で、表面ＳＯＣ推定モデル４１０は、ＳＯＣと表面ＳＯＣの差と拡散係数の積に基づいて表面ＳＯＣを推定することができる。

【0062】

酸化／還元反応の反応速度は、バッテリー１１０の温度およびバッテリー１１０内部の平均濃度によって決定することができる。したがって、一実施形態で、酸化／還元反応を抑制する拡散係数はバッテリー１１０の温度とバッテリー１１０のＳＯＣによって変わることになる。一実施形態で、バッテリー１１０のＳＯＣは平均濃度を示すバッテリー１１０のＳＯＣを含むことができる。他の実施形態で、バッテリー１１０のＳＯＣはバッテリー１１０の表面ＳＯＣを含むことができる。また他の実施形態で、バッテリー１１０のＳＯＣは平均濃度を示すバッテリー１１０のＳＯＣとバッテリー１１０の表面ＳＯＣを含むことができる。即ち、表面ＳＯＣ推定モデル４１０は、バッテリー１１０の温度とバッテリー１１０のＳＯＣに基づいて拡散係数を決定することができる。一実施形態で、図６に示したように、実験を通じてバッテリー１１０の温度およびバッテリー１１０のＳＯＣと拡散係数の間の対応関係を予め定義しておくことができる。一実施形態で、バッテリー管理システムのメモリがこのような対応関係を例えばルックアップテーブル形態に保存していてもよい。一実施形態で、表面ＳＯＣ推定モデル４１０は、バッテリー１１０の温度とバッテリー１１０のＳＯＣのうちのいずれか一つに基づいて拡散係数を決定することもできる。

【0063】

一実施形態で、表面ＳＯＣ推定モデル４１０は以前時点で推定された表面ＳＯＣに少なくとも以前時点から現在時点までの反応速度による変化および以前時点から現在時点までの拡散抵抗による変化を反映して現在時点での表面ＳＯＣを推定することができる。一実施形態で、プロセッサー１５０は、表面ＳＯＣの推定のために表面ＳＯＣの初期値（ＳＳＯＣ［０］）を定めておくことができる。

【0064】

図７は、一実施形態によるバッテリー管理システムでの表面ＳＯＣ推定方法を示すフローチャートである。

【0065】

図７を参照すれば、プロセッサー（例えば、図１の１５０）はバッテリー（例えば、図１の１１０）の測定情報を表面ＳＯＣ推定モデルに入力する（Ｓ７１０）。バッテリー１１０の測定情報はバッテリー１１０の電流を含むことができる。一実施形態で、バッテリー１１０の電流は電流センサー（例えば、図１の１４０）によって測定されたバッテリー１１０の充電または放電電流であってもよい。一実施形態で、バッテリー１１０の測定情報はバッテリー１１０の測定電圧をさらに含むことができる。一実施形態で、バッテリー１１０の測定電圧は平均セル電圧であってもよく、平均セル電圧は複数のバッテリーセルの電圧の平均値であってもよい。一実施形態で、バッテリー１１０の測定電圧は複数のバッテリーセルの電圧の和であってもよい。一実施形態で、バッテリー１１０の測定情報はバッテリー１１０の温度をさらに含むことができる。一実施形態で、バッテリー１１０の温度は温度センサー（例えば、図１の１３０）によって測定された温度であってもよい。

【0066】

プロセッサー１５０は表面ＳＯＣ推定モデルを通じてｔ時点での複数のパラメータを決定する（Ｓ７２０、Ｓ７３０）。複数のパラメータは反応速度に該当するパラメータおよび拡散抵抗に該当するパラメータを含むことができる。

【0067】

プロセッサー１５０は表面ＳＯＣ推定モデルを通じてｔ時点でのバッテリー１１０の反応速度（Ｋ［ｔ］）を決定する（Ｓ７２０）。プロセッサー１５０は反応速度係数（Ｋｃ）とｔ時点でのバッテリー１１０の温度の積（Ｋｃ＊Ｉ［ｔ］）で反応速度（Ｋ［ｔ］）を計算することができる。一実施形態で、プロセッサー１５０はメモリからバッテリー１１０の温度とバッテリー１１０のＳＯＣに対応する反応速度係数（Ｋｃ）を抽出することができる。一実施形態で、メモリはバッテリー管理システムのメモリ（例えば、図１の１６０）であってもよい。一実施形態で、プロセッサー１５０はバッテリー１１０の測定情報に基づいてバッテリー１１０のＳＯＣを推定することができる。一実施形態で、プロセッサー１５０はすでに知られた多様な方法のうちのいずれか一つの方法を使用してＳＯＣを推定することができ、本発明はＳＯＣの推定方法に限定されない。

【0068】

また、プロセッサー１５０は表面ＳＯＣ推定モデルを通じてｔ時点でのバッテリー１１０の拡散抵抗（Ｄ［ｔ］）を決定する（Ｓ７３０）。プロセッサー１５０はｔ時点でのＳＯＣと表面ＳＯＣの差（ΔＳＯＣ［ｔ］）と拡散係数（Ｄｃ）の積（Ｄｃ＊ΔＳＯＣ［ｔ］）で拡散抵抗（Ｄ［ｔ］）を計算することができる。一実施形態で、プロセッサー１５０はメモリからバッテリー１１０の温度とバッテリー１１０のＳＯＣに対応する拡散係数（Ｄｃ）を抽出することができる。一実施形態で、メモリはバッテリー管理システムのメモリ１６０であってもよい。

【0069】

その次に、プロセッサー１５０は表面ＳＯＣ推定モデルを通じてｔ時点で推定した表面ＳＯＣ（ＳＳＯＣ［ｔ］）、反応速度（Ｋ［ｔ］）および拡散抵抗（Ｄ［ｔ］）に基づいて（ｔ＋１）時点での表面ＳＯＣ（ＳＳＯＣ［ｔ＋１］）を推定する（Ｓ７４０）。一実施形態で、プロセッサー１５０は数式１または２のように表面ＳＯＣ（ＳＳＯＣ［ｔ＋１］）を推定することができる。

【0070】

数式１

【数1】

【0071】

数式２

【数2】

【0072】

数式１および２では、Δｔは（ｔ＋１）時点とｔ時点の間の時間変化（即ち、時間差）である。

【0073】

一実施形態で、表面ＳＯＣ推定モデルは、表面ＳＯＣの推定を反復的に行うことによって表面ＳＯＣを正確に推定することができる。一実施形態で、表面ＳＯＣ推定モデルとして適応フィルターを使用することができる。

【0074】

前述の実施形態によれば、バッテリー１１０の電極表面の電位を正確に示すことができる表面ＳＯＣを使用することによってバッテリー１１０の状態を正確に推定することができる。

【0075】

以下、表面ＳＯＣを使用してバッテリー１１０の端子電圧を推定する実施形態について図８、図９および図１０を参照して説明する。

【0076】

図８は一実施形態によるバッテリー管理システムでのバッテリー端子電圧推定を説明する図であり、図９は一実施形態によるバッテリー管理システムでのバッテリー端子電圧推定方法を示すフローチャートであり、図１０は一実施形態によるバッテリーでＳＯＣと開回路電圧の間の相関関係の一例を示す図である。

【0077】

図８および図９を参照すれば、プロセッサー（例えば、図１の１５０）は表面ＳＯＣ推定モデル（例えば図４の４１０）を使用して表面ＳＯＣを推定する。即ち、図７を参照して説明したように、プロセッサーは、バッテリー（図１の１１０）の測定情報を表面ＳＯＣ推定モデル４１０に入力し（Ｓ９１０）、バッテリー１１０の反応速度（Ｋ［ｔ］）および拡散抵抗（Ｄ［ｔ］）を計算し（Ｓ９２０、Ｓ９３０）、反応速度（Ｋ［ｔ］）および拡散抵抗（Ｄ［ｔ］）に基づいて表面ＳＯＣ（ＳＳＯＣ［ｔ＋１］）を推定する（Ｓ９４０）。

【0078】

その次に、プロセッサー１５０は、ＳＯＣ、表面ＳＯＣおよびバッテリー１１０の電流を端子電圧推定モデル８１０に入力し、端子電圧推定モデル８１０を使用してバッテリー１１０の端子電圧を推定する。

【0079】

このために、プロセッサー１５０は表面ＳＯＣに基づいてバッテリー１１０の開回路電圧を推定する（Ｓ９５０）。プロセッサー１５０は表面ＳＯＣ（ＳＳＯＣ）と開回路電圧（Ｖｏｃ）の間の非線形的な関数関係（Ｖｏｃ＝ｆ（ＳＳＯＣ））に基づいて開回路電圧（Ｖｏｃ）を推定することができる。一般に、バッテリー管理システムのメモリ（例えば、図１の１６０）はバッテリー１１０の開回路電圧（Ｖｏｃ）とバッテリー１１０のＳＯＣの間の相関関係を予め保存している。例えば、開回路電圧（Ｖｏｃ）とＳＯＣの間の相関関係１０が図１０に示したように定義されていてもよい。この場合、プロセッサー１５０はＳＯＣの代わりに表面ＳＯＣを入力して開回路電圧（Ｖｏｃ）を決定する。例えば、表面ＳＯＣが７０％である場合、プロセッサー１５０は７０％のＳＯＣに対応する開回路電圧をメモリから抽出することができる。一実施形態で、開回路電圧とＳＯＣの間の相関関係が温度別に保存されていてもよい。この場合、プロセッサー１５０は多様な相関関係のうちのバッテリー１１０の温度に対応する開回路電圧とＳＯＣの間の相関関係に基づいて開回路電圧を決定することができる。

【0080】

また、プロセッサー１５０は分極による過電圧を推定する（Ｓ９６０）。過電圧は電極表面の電位が平衡電位からの離脱によって発生するので、プロセッサー１５０は電極表面の電位を示す表面ＳＯＣと平衡電位を示すＳＯＣに基づいて過電圧を推定する。一実施形態で、プロセッサー１５０はＳＯＣと表面ＳＯＣを比較した値に基づいて過電圧を推定することができる。一実施形態で、ＳＯＣと表面ＳＯＣを比較した値はＳＯＣと表面ＳＯＣの比であってもよい。他の実施形態で、ＳＯＣと表面ＳＯＣを比較した値はＳＯＣと表面ＳＯＣの差であってもよい。一実施形態で、プロセッサー１５０は端子電圧推定モデル８１０を通じてｔ時点での過電圧（Ｖ１［ｔ］）、ＳＯＣ（ＳＯＣ［ｔ］）および表面ＳＯＣ（ＳＳＯＣ［ｔ］）に基づいて（ｔ＋１）時点での過電圧（Ｖ１［ｔ＋１］）を推定することができる。一実施形態で、プロセッサー１５０は例えば数式３のように過電圧（Ｖ１［ｔ＋１］）を推定することができる。

【0081】

数式３

【数3】

【0082】

数式３で、αは過電圧係数である。

【0083】

一実施形態で、過電圧係数（α）は実験によって決定することができる。一実施形態で、過電圧係数（α）は、適応フィルターを使用して過電圧推定を反復的に行うことによって決定することができる。一実施形態で、プロセッサー１５０は過電圧の推定のために過電圧の初期値（Ｖ１［０］）を定めておくことができる。

【0084】

また、プロセッサー１５０はバッテリー１１０の内部抵抗による電圧を推定する（Ｓ９７０）。プロセッサー１５０はバッテリー１１０の内部抵抗とバッテリー１１０の電流の積で内部抵抗による電圧（Ｖｏｈｍｉｃ）を推定する。一実施形態で、プロセッサー１５０はすでに知られた多様な方法のうちのいずれか一つの方法を使用して内部抵抗を推定することができ、本発明は内部抵抗の推定方法に限定されない。

【0085】

その次に、プロセッサー１５０は開回路電圧（Ｖｏｃ）、過電圧（Ｖ１）および内部抵抗による電圧（Ｖｏｈｍｉｃ）に基づいてバッテリー１１０の端子電圧を決定する（Ｓ９８０）。一実施形態で、数式４のようにプロセッサー１５０は開回路電圧（Ｖｏｃ）、過電圧（Ｖ１）および内部抵抗による電圧（Ｖｏｈｍｉｃ）の和をバッテリー１１０の端子電圧（Ｖｔ）に決定することができる。

【0086】

数式４

【数4】

【0087】

以上でバッテリーの放電観点で表面ＳＯＣ推定方法または端子電圧推定方法について説明したが、前述の実施形態による表面ＳＯＣ推定方法または端子電圧推定方法はバッテリーの充電にも同一に適用することができる。図３に示したように、放電では表面濃度を示す表面ＳＯＣが平均濃度を示すＳＯＣより低く示されるが、充電では表面ＳＯＣがＳＯＣより高く示されることになる。

【0088】

図１１および図１２は、一実施形態によるバッテリー端子電圧推定方法によって推定された端子電圧と実際端子電圧の間の関係を示す図である。図１１および図１２では表面ＳＯＣが５％、６０％および１００％である場合の推定された端子電圧と実際端子電圧が示されており、図１１はバッテリーの充電時の端子電圧を示し、図１２はバッテリーの放電時の端子電圧を示す。

【0089】

図１１および図１２に示したように、一実施形態によるバッテリー端子電圧推定方法によって推定された端子電圧（実線）は実際端子電圧（点線）と同様に変わることが分かる。

【0090】

前述の実施形態によれば、バッテリーの電流および活物質の酸化／還元反応に基づいて電極表面での電位を示す表面ＳＯＣを推定することによって、バッテリーの静的状態だけでなく充電または放電が繰り返される動的状態でもバッテリーの状態を正確に推定することができる。

【0091】

一実施形態で、プロセッサー（例えば、図１の１５０）は、前述の表面ＳＯＣ推定方法または端子電圧推定方法を実行するためのプログラムに対する演算を行うことができる。表面ＳＯＣ推定方法または端子電圧推定方法を実行するためのプログラムをメモリにロードすることができる。このようなメモリは、テーブルを保存するメモリ（例えば、図１の１６０）と同一のメモリであるか別途のメモリであってもよい。プログラムは、メモリにロードされる時、プロセッサー１５０が表面ＳＯＣ推定方法または端子電圧推定方法を行うようにする命令語を含むことができる。即ち、プロセッサーは、プログラムの命令語を実行することによって表面ＳＯＣ推定方法または端子電圧推定方法のための動作を行うことができる。

【0092】

以上で多様な実施形態について詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるのではなく、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形および改良形態も本発明の権利範囲に属するのである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】