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JP2015531963A - 電池の管理及び診断方法 - Google Patents

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JP2015531963A JP2015525860A JP2015525860A JP2015531963A JP 2015531963 A JP2015531963 A JP 2015531963A JP 2015525860 A JP2015525860 A JP 2015525860A JP 2015525860 A JP2015525860 A JP 2015525860A JP 2015531963 A JP2015531963 A JP 2015531963A
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モンタリュ,マクシム
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コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ エナジーズ アルタナティブス
コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ エナジーズ アルタナティブス
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Abstract

電池の管理方法は、電池を完全放電レベルに放電し(E1)、完全放電レベルに達した際の電池の温度Tfindchを測定する(E2)ステップと、電池を完全充電レベルに充電し(E3)、完全充電レベルに達した際の電池の温度Tfinchを測定するステップ(E4)とを有し、これらの2つのステップは、充電の後に放電又は放電の後に充電を連続的に行う。【選択図】 図2

Description

本発明は、電池を管理するための方法に関し、詳しくは、電池を診断して、電池の充電状態及び健康状態を示し、電池の経時的な変化、すなわち、経年劣化の状態を把握する方法に関する。また、本発明は、この管理方法を実行する構成を有する電池に関する。更に、本発明は、この電池管理方法を実行する電池管理システムに関する。
電池の状態を知ることは、電池の使用期間中の任意の時点の充電状態を算出することを含み、これは、電池を最適に使用するために必要不可欠である。この充電状態の計算は、Crefと表される電池の基準容量に関する知識を必要とする。この基準容量は、初期充電された電池が放電の間に放出することができる最大充電量を表し、充電及び放電は、公称条件(電流状態又はプロファイル、温度、充電終了基準及び放電終了基準)の下で行われる。電池の性能は、経年劣化するので、この基準容量は、時間の経過に伴って減少する。したがって、通常、定期的に、電池を完全放電した後に完全充電を実行して、この間に電池から放出された電荷及び電池に蓄積された電荷を測定し、この測定値に基づいて、選択された時点における基準容量の新たな値を判定する。これらの電池測定及び診断フェーズは、通常、選択された既知の環境下で行われ、特に、一定の温度及び強制された電流状態、すなわち、公称条件に近い状態で行われる。自動車等に搭載されるオンボード電池は、制御不能で変化しやすい環境下で使用されるとともに、高い信頼性が必要であり、したがって、上述したソリューションは、オンボード電池の管理には適さない。
このような電池の充電状態を推定する方法の精度を高めるために、米国特許公開番号US2007/0236183が提案するソリューションでは、特に、電池の基準容量の経時的な低下と、既知の性質であると想定された電池の温度依存性とを考慮に入れる。このように、この文献に開示されているソリューションでは、先に説明した方法を僅かに修正することによって、電池の完全充電又は完全放電のフェーズに基づいて、電池の充電状態を示す値を判定する。しかしながら、このようにして得られる結果は、精度が不十分である。
したがって、本発明の目的は、電池の診断を改良し、特に、制御されていない環境における電池状態に関する知識を向上させ、経年劣化の如何なる時点においても、この知識から充電状態を正確に推定できる電池管理方法を提供することである。
上述した課題を解決するために、本発明に係る電池の管理方法は、電池を完全放電レベルに放電し、完全放電レベルに達した際の電池の温度Tfindchを測定するステップと、電池を完全充電レベルに充電し、完全充電レベルに達した際の電池の温度Tfinchを測定するステップとを有し、2つのステップは、充電の後に放電又は放電の後に充電を連続的に行い、更に、電池を完全放電レベルに放電した後に、放電終了温度Tfindchにおける取出不能電荷量Qdch(Tfindch)を算出し、温度Tの関数として、電池の取出不能電荷量Qdch(T)を求めるための関係を既知とするステップと、充電終了温度Tfinchにおける電池の完全放電レベルから完全充電レベル又はこの逆の電荷の変化によって電池に供給され又は電池から放出された電荷量をqchとして、Qch(Tfinch)=qch+Qdch(Tfindch)の関係によって、電池の最大受入可能電荷Qch(Tfinch)を算出するステップとを有する。
本発明は、特許請求の範囲においてより詳細に定義されている。
本発明の目的、特徴及び利点については、添付の図面を参照する以下の特定の非限定的な実施形態の説明によって明らかとなる。
それぞれ所定の電池の完全充電時又は完全放電時における受入可能電荷量及び取出不能電荷量の変化を温度の関数として示す図である。 本発明の一実施形態に基づく電池の管理方法のステップの実行を説明する図である。 本発明の一実施形態に基づく電池管理方法のフローチャートである。
図1の曲線1は、電池の受入可能電荷量(admissible charge quantity)の変化を温度の関数として示している。このように、公称条件下で完全放電された同じ電池では、異なる温度下で、同じ充電条件、すなわち、同じ電流条件及び電圧条件で充電を行った場合、温度が高い程、最終的な充電量が大きくなる。従来、事前に定義され、通常、考慮に入れられる基準容量Crefは、例えば、20℃の基準温度Trefにおけるこの曲線1上の容量である。なお、曲線1は、充電終了基準の検出時に測定された(又は関連付けられた)再充電電流に対応する電流レベル又はプロファイルに基づいて描かれている。したがって、曲線1は、複数の充電状態を考慮した場合の表面とみなすことができる。
図1の曲線2は、電池の完全放電時の取出不能電荷量(inaccessible charge quantity)、すなわち、放電終了基準に基づく完全放電の後にも電池内に残り、デバイスの電源として使用できない電荷量の変化を温度の関数として示している。放電の間には、素子の温度にかかわらず、同じ放電条件及び放電終了基準条件を適用する。しかしながら、アプリケーションによっては、条件及び放電終了基準が温度に従って変化することも想定される。このグラフでは、20℃の基準温度を原点として、この取出不能電荷量を表している。このグラフから、温度が高くなるほど、取出不能電荷量が減少していることがわかる。なお、曲線1に関して述べたように、曲線2は、充電終了基準の検出時に測定された(又は関連付けられた)の放電電流に対応する電流レベルに基づいて描かれている。したがって、曲線2は、複数の放電条件を考慮した場合の表面とみなすことができる。
このように、20℃の温度において電池が完全に充電された後、この同じ温度で放電された場合、電池の基準容量Crefに相当する電荷が放出される。温度が変化すると、使用可能及び放出可能な電荷も最終的に変化し、例えば、0℃では、Cref0となる。
上述した2つの曲線1、2は、電池が新しい状態で知ることができ、電池製造業者が提供してもよく、又は異なる温度及び異なる電気的(電流又は電力)負荷状態について電池を検査することによって、経験的に判定してもよい。これによって、新しい電池の初期基準容量Crefoが既知となる。これらの2つの曲線1、2は、温度の関数として複数の電荷量値をプロットしたグラフに置き換えることができ、すなわち、曲線1、2上の複数の点に基づいて、他の点を外挿によって求めてもよく、又はこの知識の他の同等な表現によって取得してもよい。
これらの曲線1、2は、特定の経験的条件によって定義され、この経験的条件は、3つの基準によって特徴付けることができる。第1の基準は、電池端子に加えられる電気的負荷のプロファイルに対応し、これは、1つ以上のステップを含む一定の又は動的な電流、電圧又は電力の制御であってもよい。このプロファイルは、充電終了基準又は放電終了基準が満たされるまで適用される。第2の基準は、充電終了基準又は放電終了基準に対応している。これは、電流、電圧、電力又は温度等の測定又は推定された1つ以上の変数が閾値を超えること、又は管理システム内の変数、例えば、電流又は許容された電力が閾値を越えること、又は特定の動作モード(低下モード(degraded mode)、平衡の終了(end-of-balancing)等)への移行に対応している。第3の基準は、図において測定電荷量を参照するために用いた変数に対応している。x軸上の位置を画定する温度は、電池又は電池パックについて測定又は推定された温度であり、これはそのままの値であっても、フィルタリングされた値であってもよい。更に、測定点は、放電/充電の間の平均電流(又は電力)状態又は放電終了基準/充電終了基準が検出されたときに測定された電流(又は電力)状態の特徴を示している。例えば、図2の曲線は、それぞれ放電終了基準及び充電終了基準の検出時に到達した放電電力Pfindch及び充電電力Pfinchを示している。
このように、本発明の一実施形態は、充電フェーズ及び後続する放電フェーズの両方における温度を検討し、図1の曲線1、2によって示した現象を考慮に入れることによって電池の状態を推定する管理方法に基づいている。
すなわち、図2は、本発明の第1の実施形態に基づく電池管理方法を示している。曲線1は、図1について説明した時刻tについての曲線である。本発明のこの実施形態では、電池の性能は、時間の経過に伴って低下すると仮定し、この低下は、この曲線1が垂直に下降することによって示され、すなわち、曲線1は、想定された後の時刻t+1における曲線10に向かって下降する。この仮定では、曲線10は、曲線1に平行であり、したがって、この曲線上の単一の点が求められると、曲線全体を導き出すことができる。最大受入可能電荷量Qch(T)は、温度Tの関数として、F(T)+Kと表すことができ、ここで、Kは、電池の経年劣化の関数として変化する定数であり(したがって、例えば、電池の健康状態(state of health)SOHの関数K(SOH)として表すことができる。)、F(T)は、電池の経年劣化に対して略々不変な関数であり、これは、例えば、電池が新しい場合の曲線Qch(T)に対応し、すなわち、電池が新品であればK=0である。
曲線2も図1の曲線2と同様である。本発明のこの実施形態では、この曲線は、時間が経っても変化しないと仮定する。
したがって、電池管理方法は、第1のフェーズにおいて、仮定された時刻t+1における基準容量Cref(t+1)を算出するための一連のステップを実行する。
第1のステップE1では、電池を完全放電する。放電終了基準は、製造業者が決める慣例的な基準である。電池が組み込まれたシステムにおいて、電池がそれ以上又は殆どそれ以上エネルギを放出できない状況に対応する如何なる放電終了基準を適用してもよい。この第1の実施形態では、この放電は、公称電気条件下で行われる。全ての放電は、同じ条件下又は所定の類似基準(平均状態、負荷ピーク特性、使用時間に対する非使用時間の比率)を満たす類似の条件下で実行される。なお、この放電は、電池の何らかの所与の初期状態から実行される。
そして、第2のステップE2は、放電終了温度Tfindchを記録するステップと、オプションとして、第2の実施形態に関して後述するように、放電終了基準が検出されたときの放電電流状態Ifindchを記録するステップとを有する。この温度の関数として、曲線2上の点Aにおいて、残留電荷量Qdch(Tfindch)を取得する。
そして、第3のステップE3では、電池を完全に再充電する。また、この再充電は、例えば、電池製造業者が定める公称電気条件下で行われ、充電終了基準も製造業者が定めた基準である。如何なる充電終了基準に関連付けて、如何なる電池充電方法を用いてもよいことは明らかである。この実施形態では、この管理方法の間に行われる全ての充電動作は、同じ条件下又は所定の類似基準(平均状態、負荷ピーク特性、使用時間に対する非使用時間の比率)を満たす類似の条件下で実行される。この充電の間、電池に供給される電荷qchを測定する。この電荷は、例えば、充電電流をIとして、充電フェーズの期間に亘る積分qch=∫Idtによって求められる。この電流は、センサによって測定でき、又はこれに代えて、他の如何なるモデル又は他の如何なる方法で推定してもよい。
充電終了温度Tfinchを測定する第4のステップE4では、充電終了点Bを特定し、この値は、Qch(Tfinch)=qch+Qdch(Tfindch)として算出され、充電終了点Bは曲線10上の電荷量Qch(Tfinch)に対応する。この点Bは、曲線10に属し、上述のように、単一の点を知ることによって、曲線10の全体をトレースすることができる。特に、関数Qrefを導入して、所与の温度Tにおける受入可能電荷量Qch(T)に基づいて、基準容量を算出できる。上述したように、曲線1は、平行移動するので、この関数Qrefは、全ての時間に亘って同じであり、初期フェーズにおいて新しい状態の電池の曲線1を知ることによって定義することができる。すなわち、Cref=Qref(Qch(T),T)の関係が常に成立する。なお、充電終了基準が満たされたときにこの充電終電温度Tfinchの測定を行うことが望ましい。
次に、第5のステップE5では、この曲線10上の点Cが基準温度にあると仮定して、時刻t+1における電池の基準容量Cref(t+1)を算出する。この判定は、先に説明した関数Qrefを用いて、Cref(t+1)=Qref(Qch(Tfinch),Tfinch)として表すことができる。また、この関係は、上述したように、以下のように表すこともできる。
Cref(t)=F(Tref)+K(SOH(t))及びCref(t+1)=F(Tref)+K(SOH(t+1))
充電終了点Bが既知になれば、関数K(SOH(t+1))が既知になる。
そして、各時刻tにおいて、Cref(t)=Qch(Tref)−Qdch(Tref)を求めることができる。なお、図1の選択された具体例では、Qdch(Tref)=0となるように関数Qdchを正規化しており、このような具体例では、電池の使用期間にかかわらず、上述した関係は、Cref=Qch(Tref)となる。
上述した方法を逆にして、完全充電ステップの後に放電ステップを実行するように変形してもよい。これらの2つのステップは、連続して行うことが重要である。この変形例の第1のステップでは、何らかの所与の初期状態から開始して、充電終了基準が満たされるまで電池の完全充電を行う。第2のステップでは、温度Tfinchを測定する。第3のステップでは、放電終了基準が満たされるまで電池を完全放電する。この完全放電の間、電池から放出される電荷量qchが測定又は推定される。第4のステップでは、放電終了温度Tfindchを測定する。これらのステップでは、同様に、Qch(Tfinch)=Qdch(Tfindch)+qchに基づいて曲線10上の点Bを算出することができる。このように、この変形例は、上述した方法と非常に類似している。
充電ステップ及び放電ステップの間の温度測定ステップ及び電流及び/又は電圧測定ステップは、これらの数値の全部又は一部を演算モデルによって推定するステップに置き換えることができる。
時刻t+1において、放電状態及び充電状態にかかわらず、所与の任意の異なる温度下の基準容量が正確に分かっている場合、電池管理方法は、電池の状態を正確に判定する第2のフェーズを含む。
すなわち、電池の健康状態(SOH)を算出するステップE6は、例えば、取得された基準容量Cref(t+1)と、電池が新しい状態における初期基準容量Crefoとの間の比を判定することによって実現される。
SOH=Cref(t+1)/Crefo
更に、充電状態(state of charge:SOC)を算出するステップE7は、以下のような比を用いて行うことができる。
SOC=(Qch(Tfinch)−qdch−Qdch(Tf))/(Qch(Tfinch)−Qdch(T))
ここで、qdchは、最後の完全充電以降に電池から放出された電荷量であり、この量は、最後の完全充電以降の部分的な充電フェーズ及び放電フェーズの間に放出及び供給された電荷量の累積に対応し、Qdch(Tf)は、電池の放電終了温度Tfにおいて推定される放出不能な電荷量であり、温度Tfは、アプリケーションに応じて、オンライン又はオフラインでパラメータ化できる値であってもよく、Qch(Tfinch)は、最後の充電の間に電池が受け取った、最大受入可能電荷である。
なお、この電池の充電SOCの状態の定義には、関心時刻における温度Tが含まれており、この値は、上述の演算において、放電終了温度Tfの推定値として選択してもよく、先の充電の間の温度であってもよい。
また、第2の電池管理フェーズでは、予測を行う。実際、任意の時刻において、ある動作温度下で電池から放出できる電荷を予測することができる。
上述したように、第1の実施形態は、常に同じに制御された電気条件下で電池を放電するステップ及び充電するステップを含む。本発明の第2の実施形態は、上述した全てのステップを含むが、ここでは、温度に加えて電池の充電及び放電電流を考慮する。すなわち、上述した全ての演算は、2つの可変パラメータ、すなわち温度及び電流を統合するように変更され、図1の曲線1、2と同様の曲線は、温度及び電流の関数として電荷量の変化を特徴付けるために用いられる更なる次元を有する表面上で変更される。これによって、電池管理方法は、所与の温度条件及び電流条件が支配する如何なる環境にも適合することができる。この第2の実施形態は、単に、温度依存性が特定されている上述した全ての式に電流変数Iを追加することによって実現できる。
この電池管理方法は、如何なる電池にも適用でき、特に、制御不能な熱環境下で使用され、完全放電及び完全充電が可能な電池の管理に有用である。したがって、この電池管理方法は、自転車、車、バス、貨物自動車等を含む電気自動車に好適に適用される。より包括的には、この電池管理方法は、熱条件が変化する如何なる用途(固定用途及び/又はモバイル用途)にも適用できる。更に、この電池管理方法は、あらゆる電池技術と互換性を有し、特に、ファラデー効率が1又は1に近い電池技術、例えば、リチウム電池、例えば、LiFePO4/グラファイト電池等に適合する。また、この電池管理方法は、ファラデー効率マッピングを電流及び温度の関数として統合することによって液式電池(鉛蓄電池、NiMH)に拡張できる。
また、本発明は、上述した電池管理方法を実現するためのハードウェア手段及び/又はソフトウェア手段と、少なくとも1つコンピュータとを備え、電池に接続された管理システムを提供する。この管理システムは、特に、電池の充電フェーズ及び放電フェーズ、並びに温度、電流、電圧等の変数の演算、測定及び/又は推定ステップを制御する。この電池管理システムは、電池構造内に統合してもよく、電池構造の外部に設けてもよい。電池は、温度を測定し、測定した温度をコンピュータに伝える少なくとも1つの温度センサを備えていることが好ましい。管理システムは、更に、上述した方法の異なるステップにおいて測定及び/又は算出された値の全てを格納するメモリを備える。

Claims (13)

  1. 電池管理方法において、
    前記電池を完全放電レベルに放電し(E1)、前記完全放電レベルに達した際の電池の温度Tfindchを測定する(E2)ステップと、
    前記電池を完全充電レベルに充電し(E3)、前記完全充電レベルに達した際の前記電池の温度Tfinchを測定するステップ(E4)とを有し、
    前記2つのステップは、充電の後に放電又は放電の後に充電を連続的に行い、
    前記電池を完全放電レベルに放電した後に、前記放電終了温度Tfindchにおける取出不能電荷量Qdch(Tfindch)を算出し、前記温度Tの関数として、前記電池の取出不能電荷量Qdch(T)を求めるための関係を既知とするステップと、
    前記充電終了温度Tfinchにおける前記電池の完全放電レベルから前記完全充電レベル又はこの逆の電荷の変化によって前記電池に供給され又は電池から放出された電荷量をqchとして、Qch(Tfinch)=qch+Qdch(Tfindch)の関係によって、前記電池の最大受入可能電荷Qch(Tfinch)を算出するステップとを有する電池管理方法。
  2. 前記温度Tの関数として最大受入可能電荷量Qch(T)の変化を示す曲線は、前記電池の経年劣化によって下向きに平行移動し、Qch(T)は、F(T)+Kに等しく、Kは、電池の経年劣化の関数として変化する定数であり、F(T)は、電池の経年劣化に対して略々不変の所定の関数である請求項1記載の電池管理方法。
  3. 時刻tにおいて、
    前記電池を完全放電レベルに放電するステップ(E1)と、
    前記放電終了温度Tfindchを測定又は推定するステップ(E2)と、
    前記電池を完全充電レベルに充電し、前記電池に供給された電荷量qchを測定又は推定するステップ(E3)と、
    前記完全充電の終了時に前記温度Tfinchを測定又は推定するステップ(E4)と、
    前記充電終了温度TfinchにおけるQch(Tfinch)=qch+Qdch(Tfindch)の関係によって前記電池の最大受入可能電荷量Qch(Tfinch)を判定するステップとを実行し、又は
    前記電池を完全充電レベルに充電するステップ(E1)と、
    前記充電終了温度Tfinchを測定又は推定するステップ(2E)と、
    前記電池を完全放電レベルに放電し、前記電池から放出された電荷量qchを測定又は推定するステップ(E3)と、
    前記完全放電の終了時の温度Tfindchを測定又は推定するステップ(4E)と、
    前記放電終了温度Tfindchにおける取出不能電荷量をQdch(Tfindch)として、前記充電終了温度TfinchにおけるQch(Tfinch)=qch+Qdch(Tfindch)の関係によって、前記電池の最大受入可能電荷量Qch(Tfinch)を判定するステップとを実行する請求項1又は2記載の電池管理方法。
  4. 基準温度における最大受入可能電荷量Qch(Tref)から基準温度における取出不能電荷量Qdch(Tref)を減算した値をCrefとして、所与の時刻tにおいて、基準温度Trefにおける前記電池の基準容量Cref(t)の値を推定し、前記関係Qch(T)では、Qch(Tfinch)が先に算出された値qch+Qdch(Tfindch)と等しい請求項2記載の電池管理方法。
  5. Cref(t)=Qref(Qch(Tfinch),Tfinch)に基づき、関数Qrefによって、前記最大許容充電Qch(Tfinch)から基準容量Cref(t)を判定するステップ(E5)を更に有する請求項3及び4記載の電池管理方法。
  6. 充電/放電の間に前記バッテリによって供給又は放出された前記電荷量qchの測定又は推定は、充電/放電電流をIとして、電池の充電/放電フェーズの期間に亘る積分qch=∫Idtによって求められる請求項3又は4記載のバッテリ管理方法。
  7. 前記温度Tの関数としての前記電池の取出不能電荷量Qdch(T)の変化は、前記電池の経年劣化にかかわらず一定であると仮定する請求項1乃至6いずれか1項記載のバッテリ管理方法。
  8. 新しい電池の基準容量をCrefoとして、式SOH=Cref(t)/Crefoに基づいて、時刻tにおける前記電池の健康状態SOHを算出するステップ(E6)を有する請求項1乃至7いずれか1項記載のバッテリ管理方法。
  9. 最後の完全充電以降に電池から放出された電荷量をqdchとし、アプリケーションに応じてオンライン又はオフラインでパラメータ化できる前記電池の放電終了温度Tfにおける放出不能な電荷量をQdch(Tf)とし、最後の充電の間に電池が受入した最大受入可能電荷をQch(Tfinch)として、SOC=(Qch(Tfinch)−qdch−Qdch(Tf))/(Qch(Tfinch)−Qdch(T))に基づいて充電状態SOCを算出するステップ(E7)を有する請求項1乃至8いずれか1項記載のバッテリ管理方法。
  10. 電流を考慮に入れて、前記充電終了時の受入可能電荷量及び放電終了時の取出不能電荷量を判定するステップを有する請求項1乃至9いずれか1項記載のバッテリ管理方法。
  11. 請求項1乃至10いずれか1項記載のバッテリ管理方法を実行するコンピュータを備える電池。
  12. 請求項1乃至10いずれか1項記載のバッテリ管理方法を実行するコンピュータを備える電池管理システム。
  13. 管理ユニットによって読取可能なコンピュータ媒体において、請求項1乃至10いずれか1項記載のバッテリ管理方法を実行するコンピュータプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムが記録されたコンピュータ媒体。
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