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特表2024-546967電池管理装置、電池パック及び電池パックの充電制御方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-12-26
(54)【発明の名称】電池管理装置、電池パック及び電池パックの充電制御方法
(51)【国際特許分類】
   H02J 7/02 20160101AFI20241219BHJP
   H02J 7/04 20060101ALI20241219BHJP
【FI】
H02J7/02 H
H02J7/04 C
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024536012
(86)(22)【出願日】2023-10-26
(85)【翻訳文提出日】2024-06-14
(86)【国際出願番号】 KR2023016701
(87)【国際公開番号】W WO2024106792
(87)【国際公開日】2024-05-23
(31)【優先権主張番号】10-2022-0155029
(32)【優先日】2022-11-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(72)【発明者】
【氏名】ジュン・スク・キム
(72)【発明者】
【氏名】キフン・ソン
【テーマコード(参考)】
5G503
【Fターム(参考)】
5G503AA01
5G503BA03
5G503BB01
5G503CA02
5G503GC04
5G503HA01
(57)【要約】
本発明の一実施例に係る電池パックは、直列に接続された複数の電池セル;及び、上記複数の電池セルに対するバランシングを行うセルバランシングモジュールを含む電池管理装置であって、上記セルバランシングモジュールが動作中の場合、充電制御活性化時間範囲に属するのか及び上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かに応じて上記電池パックの充電電流を制限して充電を行う電池管理装置を含むことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電池パックであって、
直列に接続された複数の電池セルと、
前記複数の電池セルに対するバランシングを行うセルバランシングモジュールを含む電池管理装置であって、前記セルバランシングモジュールが動作中の場合、充電制御活性化時間範囲内であるのか及び前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かに応じて前記電池パックの充電電流を制限して充電を行う電池管理装置と
を含む、電池パック。
【請求項2】
前記電池管理装置は、
前記充電制御活性化時間範囲内であり、かつ、前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合、前記電池パックの充電電流を制限して充電を行う、請求項1に記載の電池パック。
【請求項3】
前記充電制御活性化時間範囲は、
前記電池パックが適用されるシステムが使用されない確率が高い時間の範囲に設定される、請求項1に記載の電池パック。
【請求項4】
前記電池管理装置は、
前記充電制御活性化時間範囲内でなく、または、前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値未満の場合、前記電池パックに対する充電電流を制限せずに既存の充電プロセスを進行する、請求項1に記載の電池パック。
【請求項5】
前記充電電流の制限によって新たに適用される充電速度は、
セル間の電圧ばらつきを考慮して前記セルバランシングモジュールの動作必要時間を計算して設定される、請求項1~4のいずれか一項に記載の電池パック。
【請求項6】
前記セルバランシングモジュールは、
各セル毎に配置された抵抗及びスイッチを含んで構成される受動回路を含む、請求項1に記載の電池パック。
【請求項7】
直列に接続された複数の電池セルを含む電池パックの電池管理装置であって、
前記複数の電池セルに対するバランシングを行うセルバランシングモジュールと、
プロセッサと、
前記プロセッサによって実行される少なくとも一つの命令を格納するメモリと
を含み、
前記少なくとも一つの命令は、
前記電池パックが充電中であり前記セルバランシングモジュールの動作が開始された状態であるかを確認するための命令と、
前記セルバランシングモジュールが動作中の場合、充電制御活性化時間範囲内であるかを確認するための命令と、
前記セルバランシングモジュールが動作中の場合、前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるかを確認するための命令と、
充電制御活性化時間範囲内であるのか及び前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かに応じて、前記電池パックの充電電流を制限して充電を行うための命令と
を含む、電池管理装置。
【請求項8】
前記電池パックの充電電流を制限して充電を行うための命令は、
前記充電制御活性化時間範囲内であり、かつ、前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合、前記電池パックの充電電流を制限して充電を行うための命令を含む、請求項7に記載の電池管理装置。
【請求項9】
前記充電制御活性化時間範囲は、
前記電池パックが適用されるシステムが使用されない確率が高い時間の範囲に設定される、請求項7に記載の電池管理装置。
【請求項10】
前記少なくとも一つの命令は、
前記充電制御活性化時間範囲内でなく、または、前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値未満の場合、前記電池パックに対する充電電流を制限せずに既存の充電プロセスを進行するための命令をさらに含む、請求項7に記載の電池管理装置。
【請求項11】
前記充電電流の制限によって新たに適用される充電速度は、
セル間の電圧ばらつきを考慮して前記セルバランシングモジュールの動作必要時間を計算して設定される、請求項7~10のいずれか一項に記載の電池管理装置。
【請求項12】
前記セルバランシングモジュールは、
各セル毎に配置された抵抗及びスイッチを含んで構成される受動回路を含む、請求項7に記載の電池管理装置。
【請求項13】
直列に接続された複数の電池セルを含む電池パックの充電制御方法であって、
前記電池パックが充電中でありセルバランシングモジュールの動作が開始された状態であるかを確認するステップと、
前記セルバランシングモジュールが動作中の場合、充電制御活性化時間範囲内であるかを確認するステップと、
前記セルバランシングモジュールが動作中の場合、前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるかを確認するステップと、
充電制御活性化時間範囲内であるのか及び前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かに応じて、前記電池パックの充電電流を制限して充電を行うステップと
を含む、電池パックの充電制御方法。
【請求項14】
前記電池パックの充電電流を制限して充電を行うステップは、
前記充電制御活性化時間範囲内であり、かつ、前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合、前記電池パックの充電電流を制限して充電を行うステップを含む、請求項13に記載の電池パックの充電制御方法。
【請求項15】
前記充電制御活性化時間範囲は、
前記電池パックが適用されるシステムが使用されない確率が高い時間の範囲に設定される、請求項13に記載の電池パックの充電制御方法。
【請求項16】
前記充電制御活性化時間範囲内でなく、または、前記電池パックの充電状態が既設定のしきい値未満の場合、前記電池パックに対する充電電流を制限せずに既存の充電プロセスを進行するステップをさらに含む、請求項13に記載の電池パックの充電制御方法。
【請求項17】
前記充電電流の制限によって新たに適用される充電速度は、
セル間の電圧ばらつきを考慮して前記セルバランシングモジュールの動作必要時間を計算して設定される、請求項13~16のいずれか一項に記載の電池パックの充電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、2022年11月18日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第10-2022-0155029号の出願日の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された内容の全ては、本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、電池管理装置、電池パック及び電池パックの充電制御方法に関し、より具体的には、複数の電池セルを含む電池パックでセルバランシングを考慮して充電を制御する電池管理装置、電池パック及び電池パックの充電制御方法に関する。
【背景技術】
【0003】
使用後に充電して再使用が可能な電池である二次電池は、デバイスが要求する出力容量によって多数個の電池セルを直列接続してなる電池モジュール又は電池パックに作製されて、各種デバイスの電源供給源として使用される。かかる電池は、スマートフォンなどの小型先端電子機器分野のみならず、電動自転車、電気自動車、エネルギー貯蔵システム(ESS)に至るまで多様な分野に使用されている。
【0004】
電池モジュール又は電池パックは、多数個の電池セルが組み合わせられた構造体であって、一部の電池セルで過電圧、過電流、過発熱などとなる場合には、電池モジュール又は電池パックの安全性と作動効率に問題が発生するので、これらを検出するための手段が必須である。そのため、電池モジュール又は電池パックには、各電池セルの電圧値を測定し、測定された値に基づいて電池セルの電圧状態をモニタリングしながら制御するBMS(Battery Management System)が装着されている。
【0005】
一方、電池セルの間には多くの要因によってセル間の電圧ばらつきが発生するようになるが、BMSによるセルバランシングでこのようなばらつきを減らすことができる。しかしながら、セルバランシングは、ハードウェア的な限界によって容量制限が存在し、セル間の電圧ばらつきがセルバランシング容量を超過する場合、電池使用不能状態に陥るなどの問題が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記のような問題点を解決するための本発明の目的は、充電制御によってセルバランシングが最大限維持される電池パックを提供することにある。
【0007】
上記のような問題点を解決するための本発明の別の目的は、セルバランシングが最大限維持されるように充電制御を行う電池管理装置を提供することにある。
【0008】
上記のような問題点を解決するための本発明のまた別の目的は、セルバランシングが最大限維持されることができる電池パックの充電制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するための本発明の一実施例に係る電池パックは、直列に接続された複数の電池セル;及び、上記複数の電池セルに対するバランシングを行うセルバランシングモジュールを含む電池管理装置であって、上記セルバランシングモジュールが動作中の場合、充電制御活性化時間範囲に属するのか及び上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かに応じて上記電池パックの充電電流を制限して充電を行う電池管理装置を含むことができる。
【0010】
上記電池管理装置は、上記充電制御活性化時間範囲に属し上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合、上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うことができる。
【0011】
上記充電制御活性化時間範囲は、上記電池パックが適用されるシステムが使用されない確率が高い時間の範囲に設定されることができる。
【0012】
上記電池管理装置は、上記充電制御活性化時間範囲に属しないか上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値未満の場合、上記電池パックに対する充電電流を制限せずに既存の充電プロセスを進行することができる。
【0013】
上記充電電流制限によって新たに適用される充電速度は、セル間の電圧ばらつきを考慮して上記セルバランシングモジュールの動作必要時間を計算して設定されることができる。
【0014】
上記セルバランシングモジュールは、各セル毎に配置された抵抗及びスイッチを含んで構成されることができる。
【0015】
上記別の目的を達成するための本発明の一実施例に係る電池管理装置は、直列に接続された複数の電池セルを含む電池パックの電池管理装置であって、上記複数の電池セルに対するバランシングを行うセルバランシングモジュール;プロセッサ;及び、上記プロセッサを通じて実行される少なくとも一つの命令を格納するメモリを含むことができる。上記少なくとも一つの命令は、上記電池パックが充電中でありセルバランシングモジュールの動作が開始された状態であるかを確認するようにする命令;上記セルバランシングモジュールが動作中の場合、充電制御活性化時間範囲に属するかを確認するようにする命令;上記セルバランシングモジュールが動作中の場合、上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるかを確認するようにする命令;及び、充電制御活性化時間範囲に属するのか及び上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かに応じて、上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うようにする命令を含むことができる。
【0016】
上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うようにする命令は、上記充電制御活性化時間範囲に属し上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合、上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うようにする命令を含むことができる。
【0017】
ここで、上記充電制御活性化時間範囲は、上記電池パックが適用されるシステムが使用されない確率が高い時間の範囲に設定されることができる。
【0018】
一方、上記少なくとも一つの命令は、上記充電制御活性化時間範囲に属しないか上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値未満の場合、上記電池パックに対する充電電流を制限せずに既存の充電プロセスを進行するようにする命令をさらに含むことができる。
【0019】
上記充電電流制限によって新たに適用される充電速度は、セル間の電圧ばらつきを考慮して上記セルバランシングモジュールの動作必要時間を計算して設定されることができる。
【0020】
上記セルバランシングモジュールは、各セル毎に配置された抵抗及びスイッチを含んで構成されることができる。
【0021】
上記また別の目的を達成するための本発明の一実施例に係る電池パックの充電制御方法は、電池パックが充電中でありセルバランシングモジュールの動作が開始された状態であるかを確認するステップ;上記セルバランシングモジュールが動作中の場合、充電制御活性化時間範囲に属するかを確認するステップ;上記セルバランシングモジュールが動作中の場合、上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるかを確認するステップ;及び、充電制御活性化時間範囲に属するのか及び上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かに応じて、上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うステップを含むことができる。
【0022】
上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うステップは、上記充電制御活性化時間範囲に属し上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合、上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うステップを含むことができる。
【0023】
上記電池パックの充電制御方法は、上記充電制御活性化時間範囲に属しないか上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値未満の場合、上記電池パックに対する充電電流を制限せずに既存の充電プロセスを進行するステップをさらに含むことができる。
【0024】
上記充電電流制限によって新たに適用される充電速度は、セル間の電圧ばらつきを考慮して上記セルバランシングモジュールの動作必要時間を計算して設定されることができる。
【発明の効果】
【0025】
上記のような本発明の実施例によれば、直列接続されたセル間の電圧ばらつきが発生した場合、セルバランシングが最大限維持できるように充電電流を制御し、使用者のシステム使用が問題ない水準で充電サイクル内にセル間の電圧ばらつきを最大限減らすことができる。
【0026】
本発明は、このようにセル間の電圧ばらつきを減らすことで、電池パックがより多くのエネルギーをシステムに供給できるようにする。
【図面の簡単な説明】
【0027】
図1】本発明が適用されることができる電池パックの構造を示す。
図2】既存のセルバランシング制御方法の動作フローを示す。
図3】本発明の実施例に係る電池管理装置のブロック図である。
図4】本発明の実施例に係る電池パックの充電制御方法の動作フローを示す。
図5】本発明の充電制御活性化条件及びそれによる電池管理装置の動作例を示した図である。
図6】本発明に係る充電制御が適用されない場合の充電及びセルバランシング結果を示したグラフである。
図7】本発明に係る充電制御が適用された場合の充電及びセルバランシング結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0028】
本発明は、種々の変更を加えることができ、様々な実施例を有することができるので、特定の実施例を図面に例示し、詳細な説明で詳しく説明しようとする。ところが、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするのではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものと理解されたい。各図面を説明しながら類似の参照符号を類似の構成要素に対して使用している。
【0029】
第1、第2、A、Bなどの用語は、多様な構成要素を説明するのに使用されることができるが、上記構成要素は、上記用語によって限定されてはいけない。上記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使用される。例えば、本発明の権利範囲を逸脱することなく、第1の構成要素は第2の構成要素と命名されることができ、同様に第2の構成要素も第1の構成要素と命名されることができる。「及び/又は」という用語は、複数の関連して記載された項目の組み合わせ又は複数の関連して記載された項目のうちのある項目を含む。
【0030】
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか「接続されて」いると言及されたときには、当該他の構成要素に直接的に連結されているか又は接続されていることもあるが、中間に別の構成要素が存在することもできると理解されたい。これに対し、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか「直接接続されて」いると言及されたときには、中間に別の構成要素が存在しないことと理解されたい。
【0031】
本出願で使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに異なる意味でない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」又は「有する」などの用語は、明細書に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つ又はそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品又はこれらを組み合わせたものなどの存在又は付加可能性をあらかじめ排除しないことと理解されたい。
【0032】
別に定義されない限り、技術的又は科学的な用語を含め、ここで使用されるすべての用語は、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によって一般的に理解されるものと同一の意味を有している。一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本出願において明白に定義しない限り、理想的であるか過度に形式的な意味としては解釈されない。
【0033】
以下、本発明に係る好ましい実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。
【0034】
図1は、本発明が適用されることができる電池パックの構造を示す。
【0035】
図1において、電池パック(又は電池モジュール)は、直列接続された複数の電池セルを含んで構成されることができる。最も一般的に使用される電池セルは、リチウムイオン(Li-Ion)電池セルである。電池パックは、正極端子及び負極端子を通じて負荷と接続されて充電/放電動作することができる。電池パックは、電池が使用されるシステムの要求仕様に応じて直列/並列に接続されて構成されることができる。
【0036】
このような電池パックには、電池管理装置(Battery Management System;BMS)100が設けられることができる。電池管理装置(BMS)は、自分が管掌する各電池パックの電流、電圧及び温度をモニタリングし、モニタリングの結果に基づいて、SOC(Status Of Charge)を算出して充放電を制御する。ここで、SOC(State of Charge;充電率)は、電池の現在充電された状態を割合[%]で表したものである。 一方、SOH(State of Health;電池寿命状態)は、電池の現在の劣化状態を割合[%]で表したものである。
【0037】
このようにBMSは、電池セルをモニタリングしながらセル電圧を読み取り、電池と接続されたシステムに伝達することができる。このために、BMSは、電池システムが含まれた装置内の他のシステムと通信するための通信モジュールを含む。BMSの通信モジュールは、CAN(Controller Area Network)又はイーサネットなどの通信方式を用いて装置内の他のシステムと通信することができる。CAN通信を使用する場合、BMS内の部品、モジュール又はシステムは、CANバスを介して互いに接続される。
【0038】
CAN通信(Controller Area Network)は、車内でホストコンピュータなしでマイクロコントローラや装置が互いに通信するために設計された標準通信規格である。CAN通信は、各制御器間の通信のために主に使用されるnon-hostバス方式のメッセージベースのネットワークプロトコルであって、車両に主に使用される。
【0039】
BMSはまた、電池パックの寿命を延ばすために電池セルの電荷を均等にバランシングする。このような動作を行うために、BMS100は、ヒューズ、電流センシング素子、サーミスタ、スイッチ、バランサなど多様な構成要素を含むことができるが、これらと連動して制御するためのMCU(Micro Controller Unit)又はBMIC(Battery Monitoring Integrated Chip)をさらに含むことができる。ここで、BMICは、BMSの内部に位置し、電池セル/電池モジュールの電圧、温度、電流などの情報を測定する IC形態の部品であってもよい。
【0040】
一方、電池パック内に含まれた電池セルは、その特性が完全に同一であることはできず、各セルの自然放電、使用する間の環境的要因などで、直列接続されたセル間に電圧ばらつきが発生し得る。
【0041】
BMS100には、充電中に受動バランシング(Passive Balancing)を通じたCB(Cell Balancing)機能があるが、その容量はハードウェア的に制限される。例えば、CB回路の電力量(Wattage)、抵抗値、熱耐久性などの制限によって、提供可能なセルバランシング容量が制限される。
【0042】
極端な例として、電池パックの使用時に一周期(1 cycle)の間発生する電圧ばらつき(又は電圧ばらつきによる容量ばらつき)がセルバランシング容量(Capability)を超え、時間が経つにつれて持続的に差が大きくなって電池がPF(Permanent Fail)状態に達することがある。
【0043】
このような極端な状況ではないとしても、電池パック内の電池セル間に発生する電圧ばらつきは、まさにあるセルでばらつきに該当する分のエネルギーを使用できないことを意味する。特に、放電末期終止電圧で容量が小さいセルの電圧が急減してUVP(Under Voltage Protection)モードに達するようになり、容量が残ったセルでも残ったエネルギーを消耗できなくなる問題が発生し得る。
【0044】
図2は、既存のセルバランシング制御方法の動作フローを示す。
【0045】
BMSに含まれた受動的なセルバランシングは、一般的にスイッチ(例えば、トランジスタ)及び抵抗を含む回路がセル毎に配置されて、制御部がバランシング回路を制御する方式でなされる。
【0046】
既存のセルバランシング動作は、充電が始まりBMSが充電電流を認識する場合、開始される(S210、S220)。セルバランシング動作は、セル間の最大電圧ばらつきが一定値以上の場合(S230のはい)、維持され、セル間の電圧ばらつきが一定値未満に減る場合(S230のいいえ)、中断される。例えば、図2のように、測定されたセル電圧のうち最高電圧と最低電圧との差(Cell Voltage max - Cell Voltage min)が50mV以上の場合、セルバランシング動作が維持されることができる。
【0047】
既存のセルバランシング動作によって、例えば、セル標準充電条件によって0.3C-rateで充電する場合、SOCが0から始まって100%までフル充電することにかかる時間が3.8時間と計算されるとしたら、充電中にセルバランシングが引き続き動作するとしても、3.8時間分だけバランシング動作が行われることができる。すなわち、一回の充電サイクルにハードウェア的に設計された値以上の時間の間のセルバランシングは不可能である。
【0048】
すなわち、既存のセルバランシング制御方法は、セルバランシングを動作させるか中断するかを制御する問題であって、充電制御及び充電率の調節とは無関係である。すなわち、既存の充電及びセルバランシング方法では、セルバランシングが行われる間、固定充電率(C-rate:current rate)で充電が進行され、セルバランシング維持時間も充電率に応じて固定される。ここで、充電率(C-rate)は、電池を充電又は放電させる速度を示す値であって、充・放電率とも言う。充電率の単位は、容量を意味するC(Capacity)を使用する。充電率(C-rate)は、充・放電電流(A)を電池の定格容量値(Ah)で除した値であって、標準値は1Cである。
【0049】
本発明においては、設定されたSOC以上で電圧ばらつきを確認し、電圧ばらつき分必要なセルバランシング動作必要時間を計算し、セルバランシング動作時間を増やすために充電電流を制限する充電制御を行おうとする。
【0050】
図3は、本発明の実施例に係る電池管理装置のブロック図である。
【0051】
図3を参照すれば、本発明に係る電池管理装置100は、制御部(MCU;Micro Control Unit)110、セルバランシングモジュール130及び通信モジュール150を含むことができる。本明細書において、制御部は、プロセッサ、コントローラ、MCUなどと呼ばれることができ、本発明の実施例に係る方法が行われる専用のプロセッサを意味することもできる。
【0052】
本発明に係る電池管理装置100はまた、上記制御部を通じて実行される少なくとも一つの命令を格納するメモリを含むことができ、上記少なくとも一つの命令は、上記電池パックが充電中でありセルバランシングモジュールの動作が開始された状態であるかを確認するようにする命令;上記セルバランシングモジュールが動作中の場合、充電制御活性化時間範囲に属するかを確認するようにする命令;上記セルバランシングモジュールが動作中の場合、上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるかを確認するようにする命令;及び、充電制御活性化時間範囲に属するのか及び上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かに応じて、上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うようにする命令を含むことができる。
【0053】
上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うようにする命令は、上記充電制御活性化時間範囲に属し上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合、上記電池パックの充電電流を制限して充電を行うようにする命令を含むことができる。
【0054】
ここで、上記充電制御活性化時間範囲は、上記電池パックが適用されるシステムが使用されない確率が高い時間の範囲に設定されることができる。
【0055】
一方、上記少なくとも一つの命令は、上記充電制御活性化時間範囲に属しないか上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値未満の場合、上記電池パックに対する充電電流を制限せずに既存の充電プロセスを進行するようにする命令をさらに含むことができる。
【0056】
上記充電電流制限によって新たに適用される充電速度は、セル間の電圧ばらつきを考慮して上記セルバランシングモジュールの動作必要時間を計算して設定されることができる。
【0057】
セルバランシングモジュール130は、各セル毎に配置される抵抗及びスイッチを含んで構成されることができる。通信モジュール150は、CAN(Controller Area Network)、イーサネット(Ethernet)などを用いてシステム内の他の制御装置又は他の構成要素と通信することができる。図3に示してはいないが、電池管理装置100は、BMIC(Battery Monitoring Integrated Chip)などをさらに含むことができる。
【0058】
本発明に係る電池管理装置100は、電力量(Wattage)、抵抗値、熱耐久性などのハードウェア的な要因によって、セルバランシングモジュール130が有する従来の内在的制限を充電制御を通じて減少させることで、エネルギー活用効率を改善しようとする。
【0059】
このために、電池管理装置100内の制御部110は、セルバランシングモジュール130が動作中であるかを確認して、セルバランシングモジュール130が動作中の場合、該当時刻が充電制御活性化時間範囲に属するのか及び電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上であるか否かを確認する。該当時刻が充電制御活性化時間範囲に属し上記電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合、制御部110は、電池パックの充電電流を制限して充電を行うことができる。
【0060】
一方、電池管理装置100は、タスク(Task)周期によってリアルタイムでセル電圧を計測し、セル電圧値間のばらつきが既設定の基準値を超過するかを確認する。設定された基準値以上の電圧ばらつきが発生する場合、セルバランシングモジュール130が動作するようになる。充電を遂行中でありセルバランシングモジュールが動作中の状態で充電電流制限が必要であると判断した場合、電池管理装置100は、電圧ばらつきに該当する容量(mAh)を確認する。 電池管理装置は、確認された容量ばらつきを解消するために、セルバランシングに必要な時間を計算し、該当時間に応じて充電電流を制限、すなわち充電速度を再設定する。
【0061】
本発明によれば、セルバランシングに必要な時間に応じて充電電流を制限して充電速度を調節することで、充電状態(バランシングが稼動できる条件)を延ばし、それによってセルバランシングが稼動する時間も延ばすことができる。
【0062】
一方、使用者は、本発明に係る充電制御活性化条件の一つであるSOCの範囲を設定することができる。定められたSOC範囲内でのみ本発明に係る充電制御を活性化する理由は、突然のシステム使用時に必要な最小エネルギーが確保されるようにするためである。例えば、本発明に係る充電制御が、SOC80%以上の場合にのみ動作するように設定される場合、充電制御中に急にシステムが使用されても、最小限SOC80%は使用可能である。
【0063】
また、使用者は、本発明に係る充電制御活性化条件のうち他の一つである充電制御活性化時間範囲、すなわち、活性化時間帯を設定することができる。本発明に係る充電制御が、活性化時間(使用者がシステムを使用しないと予測又は予想される時間帯)内にのみ動作するようにすることで、充電制御の適用によってシステム使用に不便がないようにするためである。
【0064】
本発明に係る充電制御は、毎タスク(task)毎に進行され、動作条件内で電圧ばらつき水準が設定基準未満になるか、使用者がシステムを使用する時点になるまで持続することができる。
【0065】
図4は、本発明の実施例に係る電池パックの充電制御方法の動作フローを示す。
【0066】
図4に示す電池パックの充電制御方法は、電池管理装置、又は電池管理装置内の制御部によって行われることができる。
【0067】
電池管理装置は、充電電流の認識(S410)を通じて、充電が始まったことを感知すれば、セルバランシング動作を開始する(S420)。
【0068】
本発明に係る充電制御方法では、充電制御を活性化するために、2つの条件を確認する。まず、セルバランシングモジュールが動作中の場合、該当時刻が充電制御活性化時間範囲に属するかを確認する(S430)。また、電池パックの充電状態(SOCpack)が既設定のしきい値(SOCset)以上であるかを確認する(S450)。
【0069】
充電制御活性化時間範囲に属し電池パックの充電状態が既設定のしきい値以上の場合(S450のはい)、セル間の電圧差による容量ばらつきを確認し(S451)、電池パックの充電電流を制限して充電を行う(S452)。
【0070】
一方、充電制御活性化時間範囲に属しないか電池パックの充電状態が既設定のしきい値未満の場合、電池パックに対する充電電流を制限せずに既存の充電プロセスを進行する(S470)。
【0071】
セルバランシング動作は、セル間の最大電圧ばらつき(Vmax-Vmin)がしきい値(Vth)以上の場合(S471のはい)、維持され(S420)、セル間の電圧ばらつきがしきい値未満に減る場合(S471のいいえ)、中断される(S490)。例えば、測定されたセル電圧のうち最高電圧と最低電圧との差(Cell Voltage max - Cell Voltage min)が20mV(しきい値(Vth))以上の場合、セルバランシング動作が維持されることができる。
【0072】
図5は、本発明の充電制御活性化条件及びそれによる電池管理装置の動作例を示した図である。
【0073】
図5の例において、セルバランシング容量は50mAhと仮定し、電圧差による容量ばらつき、電流制御などは、例示のために任意に設定した値である。図5の表においては、パック状態、使用者設定パラメータによる多様な場合の数をケースナンバー1~5として示し、それぞれの場合に対する充電制御適用有無及び充電制御適用時の充電率を示している。
【0074】
パック状態は、セル間の最大電圧ばらつき、該当時点に測定されたSOC、該当時刻に関する情報を含んでいる。使用者設定パラメータは、使用者が設定した充電制御活性化時間範囲及び使用者が設定した充電制御が適用される最小SOC値を含んでいる。図5の例において、5つのケースのいずれに対し、使用者設定充電制御活性化時間範囲は20時から9時までであり、使用者が設定したパックの最小SOCは80%で、いずれも同一に設定されている。
【0075】
より具体的に、1番のケースの場合、セル間の最大電圧ばらつきが50mVであり、測定された電池パックのSOCが50%の場合であって、電池パックのSOCがしきい値である80%に達していないため、本発明に係る充電制御が行われない。
【0076】
2番のケースの場合、セル間の最大電圧ばらつきが50mVであり、測定された電池パックのSOCが80%の場合であって、電池パックのSOCがしきい値である80%に達しており、該当時刻が午前7時であるので充電制御活性化時間範囲に属して、本発明に係る充電制御が行われることができる。このとき、セルバランシング容量ばらつき 50mAh及びセル間の最大電圧ばらつき50mVを考慮して、セルバランシング動作が必要な時間は1と計算されることができ、このときの充電率は0.2Cに設定されることができる。
【0077】
3番のケースの場合、セル間の最大電圧ばらつきが50mVであり、測定された電池パックのSOCが80%であるが、該当時刻が午後2時であって充電制御活性化時間範囲に属しないので、本発明に係る充電制御が行われない。
【0078】
4番のケースの場合、セル間の最大電圧ばらつきが100mVであり、測定された電池パックのSOCが50%の場合であって、電池パックのSOCがしきい値である80%に達していないので、本発明に係る充電制御が行われない。
【0079】
5番のケースの場合、セル間の最大電圧ばらつきが100mVであり、測定された電池パックのSOCが80%であり、該当時刻が午前7時であるので充電制御活性化時間範囲に属して、本発明に係る充電制御が行われることができる。このとき、セルバランシング容量ばらつき50mAh及びセル間の最大電圧ばらつき100mVを考慮して、セルバランシング動作が必要な時間は2と計算されることができ、それによる充電率は0.1Cに設定されることができる。
【0080】
一方、図5に示すセルバランシング動作必要時間による充電電流制御値は、任意の値に過ぎず、テストを通じて最適化する必要がある。
【0081】
図6は、本発明に係る充電制御が適用されない場合の充電及びセルバランシング結果を示したグラフである。
【0082】
図6の横軸は時間を、左側の縦軸は充電容量を、右側の縦軸はセルバランシング容量を示す。
【0083】
図6のテストが適用される電池パックは、セル間でかなり大きいばらつき(Imbalance)があるパックと仮定した。また、標準充電率は1の時間当り1の容量を充電し、100%充電は、50の容量までに該当する充電であると仮定した。1の時間の間0.05のセルバランシングがなされると仮定したとき、充電が行われる間計2.5に該当する容量をバランシングしたことが確認できる。一方、本例示において、バランシングによる容量減少による充電時間の増加は無視した。
【0084】
図7は、本発明に係る充電制御が適用された場合の充電及びセルバランシング結果を示したグラフである。
【0085】
図7においても、横軸は時間を、左側の縦軸は充電容量を、右側の縦軸はセルバランシング容量を示す。
【0086】
図7のテストに適用される仮定も、図6のテストに適用された仮定と同一である。すなわち、標準充電率は1の時間当り1の容量を充電し、100%充電は、50の容量までに該当する充電であると仮定した。
【0087】
本テスト例においては、SOCが80%になる地点から充電電流に対する制御を始め、充電電流制御を通じて1の時間の間0.2の充電率に変更して充電を進行した。充電電流の変更によって容量50まで充電する時間が90に増加した。また、充電時間の増加によってセルバランシング容量も、充電終了時点で4.5の容量をバランシングしたものと示され、図6の結果に比べてバランシング容量が大幅に増加したことが確認できる。
【0088】
このように、本発明に係る充電制御を通じて充電時間を増加させる方法で、1 Cycleの動作にバランシング効果を極大化することができる。
【0089】
本発明の実施例に係る方法の動作は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体にコンピュータで読み取り可能なプログラム又はコードとして具現化することが可能である。コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み込まれることができるデータが保存されるすべての種類の記録装置を含む。また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ネットワークで接続されたコンピュータシステムに分散して、分散方式でコンピュータで読み取り可能なプログラム又はコードが保存されて実行されることができる。
【0090】
また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ロム(rom)、ラム(ram)、フラッシュメモリ(flash memory)などのようにプログラム命令を格納して実行するように特別に構成されたハードウェア装置を含むことができる。プログラム命令は、コンパイラ(compiler)によって作られるような機械語コードのみならず、インタプリタ(interpreter)などを使用してコンピュータによって実行されることができる高級言語コードを含むことができる。
【0091】
本発明の一部の側面は、装置の文脈で説明されたが、それは、対応する方法による説明も示すことができ、ここで、ブロック又は装置は、方法ステップ又は方法ステップの特徴に対応する。同様に、方法の文脈で説明された側面は、対応するブロック又はアイテム又は対応する装置の特徴で示すことができる。方法ステップのいくつか又は全部は、例えばマイクロプロセッサ、プログラム可能なコンピュータ又は電子回路のようなハードウェア装置によって(又は用いて)行われることができる。いくつかの実施例において、最も重要な方法ステップの一つ以上は、このような装置によって行われることができる。
【0092】
以上、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正及び変更できることを理解するであろう。
【符号の説明】
【0093】
100:電池管理装置(BMS) 110:制御部(MCU)
130:セルバランシングモジュール 150:通信モジュール
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
【国際調査報告】