JP5840693B2 - 充電および放電時のリチウムイオン充電式セルの内部温度を検出するバッテリ位相メータ - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔関連出願の参照〕
本願は、米国仮特許出願第６１／３９４，１００号（発明の名称「リチウムセルの内部温度を観測するバッテリ位相メータ」、出願日：２０１０年１０月１８日）の利益を主張するものである。これらの全文は、参照により本願に完全に開示されているものとして、本願に含まれる。

〔技術分野〕
本書には、セルの位相シフトまたは位相遅延に基づいて、リチウムイオン充電式セルの内部温度を検出する方法ならびにシステムが開示されている。さらに、本書には、位相シフトに基づいて、熱暴走を招き得る環境を検出し、先制処置または予防処置を開始する方法ならびにシステムが開示されている。

〔従来技術〕
充電式リチウムイオンセルにおける内部温度の上昇は、ミリ秒から数十秒の間で急速に起こり得る。

例えば、急速だが比較的小さな内部温度の上昇は、セル内における固体電解質界面／間期（ＳＥＩ）層の損傷、電解質分解、および／または化学分解をもたらし得る。最初の損傷が熱に起因するものであるため、当該最初の損傷は発熱反応をもたらし得る。その結果、熱暴走として知られる自動触媒処理が引き起こされ得る。例えば、急な熱暴走は、ＳＩＥ層の破壊または破裂の形で最初の損傷を引き起こし得る。これにより、電解質は炭素陽極と接触することになり、さらなる熱放出を行う反応をもたらし、その結果、熱暴走がもたらされる。

従来調査は、名目保護ＳＥＩ層が低くとも７０℃の温度で損傷され得ることを示している。さらに、熱暴走に伴う時間スケールは短く、充電状態（ＳｏＣ）に依存する。周辺温度が約２５℃であり、ＳｏＣが１００％である場合、熱暴走は数秒で起こり得る。また、ＳｏＣが５０％である場合は、熱暴走は数十秒にわたって起こり得る。

従来の表面実装型温度センサは、センサ出力をデジタル化するための用いるサンプリングレートに関わらず、内部温度変化の追跡が十分ではない。これは、表面実装温度が、ローパスフィルタ処理された内部温度を反映したもののためである。換言すれば、表面実装型温度センサは、数秒よりも短い間の変化等、内部温度の高速の変化は反映しない。このため、従来の表面実装温度は熱暴走の検出または予測には不十分である。

〔概要〕
本書には、セルの内部機構から直接的に充電式リチウムイオンの内部温度を検出する方法ならびにシステムが開示されている。したがって、本書に開示されている方法ならびにシステムは、熱電対よりも速い大規模な内部温度変化に対応し得る。本書に開示されている方法ならびにシステムは、セルの陰極端子および陽極端子とのワイヤ接続を利用してセルと物理的に離して、セル外部で実行してもよい。

さらに、本書には、陽極および陰極の表面に常時存在する保護層のインピーダンスに起因する位相遅延を測定するための方法ならびにシステムが開示されている。保護層が弱くなる、損傷を受ける、あるいは衰えてくると、損傷した層が熱暴走を開始する前に、本書に示すセンサが当該層の損傷を瞬時に検出して報告する。この報告は、セルの表面が加熱し始める数秒前に行われ得るため、熱暴走が起こる前にセルを負荷および／または充電器から絶縁させることが十分に可能である。この報告は、表面実装型センサが加熱を検出する時点よりも前に行われ得る。

本書に示す温度センサは、バッテリパック内の複数のセルを多重化によって観測するために比較的小さな空間で稼働させてもよい。多重化は、マルチセルパック内のすべてのセルを観測するために用いられ得る。このようなマルチセルパックに対しては、表面実装型熱電対を稼働させるにはあまりにも煩雑および／または高価となり得る。

〔図面の簡単な説明〕
図１は、リチウムセルを示すブロック図である。

図２は、各温度に関して、リチウムイオンセルの位相遅延を対応するセルの内部温度に関連づけさせる方法を示すフロー図である。

図３は、リチウムイオンセルの位相遅延に基づいて、セルの内部温度を検出する方法を示すフロー図である。

図４は、各温度に関して、リチウムイオンセルの位相遅延をセルの内部温度と関連づけさせるシステムを示すブロック図である。

図５は、リチウムイオンセルの位相遅延に基づいて、セルの内部温度を検出する温度センサを示すブロック図である。

図６は、リチウムイオンセルの対応する周波数依存インピーダンス領域に起因する位相遅延に基づいて、セルの陽極および陰極の温度を検出する温度センサを示すブロック図である。

図７は、対応するリチウムイオンセルの位相遅延に基づいて、セルの内部温度を検出する温度センサを示すブロック図である。

図８は、放電状態下において、充電状態（ＳｏＣ）が５０％である場合の位相シフトに対するリチウムイオンセルの陽極温度を示すグラフである。

図９は、放電状態下において、充電状態（ＳｏＣ）が５０％である場合の位相シフトに対するリチウムイオンセルの陰極温度を示すグラフである。

図１０は、環境温度０℃の検証データを示すグラフである。

図１２は、環境温度２０℃の検証データを示すグラフである。

図１０は、環境温度３０℃の検証データを示すグラフである。

図１０は、環境温度４０℃の検証データを示すグラフである。

図１４は、リチウムイオンセルの位相シフトを検出し、当該位相シフトに基づいて、セルの内部温度を検出する温度センサ回路の画像である。

図中において、参照番号の左端の数字は、当該参照番号が初めて出現する図面と一致する。

図１は、電極１０４，１０６ならびに当該電極１０４，１０６間に導電媒体を提供するための電解質１０８を含むリチウムイオン電池１０２のブロック図である。図１では、電極１０４は陽極１０４として図示されており、電極１０６は陰極１０６として図示されている。

充電式または二次電池化学は、インターカレーションおよびデインターカレーション、リチウムイオンの開結晶（open crystalline）またはアモルファス構造の内部および外部への注入および抽出、あるいは陽極１０４および陰極１０６の格子に基づいている。

電解質１０８は、有機溶媒に溶解している非水溶性リチウム塩を含み得る。また、電極１０４，１０６は、リチウムイオンが内部および外部に移動可能な材料から構成されていてもよい。

陰極１０６は、リチウムコバルト二酸化物、リチウムマンガン二酸化物、リチウムニッケル酸化物、またはいくつかの金属酸化物の混合物等の金属酸化物を含み得るが、これらに限定されるわけではない。

陰極１０６は、電解質１０８および関連電解質溶媒が陰極１０６との反応を防ぐために、炭素、アルミニウム酸化物、タングステン酸化物、またはチタン酸化物からなる比較的薄いが安定した層によってコーティングされていてもよい。

放電時には、矢印１１０で示しているように、リチウムイオンは陽極１０４から抽出され、電解質１０８を移動した後、陰極１０６に注入される。補償電子は外部負荷内を移動して陽極１０４に受け入れられることにより、反応の均衡を図る。充電時には、矢印１１２で示しているように、リチウムイオンは陰極１０６から抽出され、電解質１０８を移動した後、陽極１０４に注入される。

慣習的に、電流は電子移動とは逆の方向に移動すると捉えられている。陽極１０４は負電極と称すことができ、陰極１０６は正電極と称すことができる。

電池１０２の初期または標準充電時には、電解質１０８は炭素陽極１０４と反応し得る。これにより、比較的薄い固体電解質界面／中間期（ＳＥＩ）層１１４を発達させることができる。ＳＥＩ層１１４は、電池１０２の内部インピーダンスを増大し、陰極１０６および陽極１０４の間の荷電流を制限または緩和し、高温および／または低温温度性能に影響を与え得る。

上述した保有熱に関連した損失に関して付言すると、電池１０２内の急激な温度変動はＳＥＩ層１１４の破壊および／または破裂をもたらすか、陰極１０６上に保護層をもたらし得る。陰極１０６上の保護層は、電解質１０８および炭素陽極１０４、ならびに電解質１０８および陰極１０６を互いに接触させることにより、さらなる熱を放出して熱暴走をもたらす上述の反応を再開させる。

陰極１０６上のＳＥＩ層１１４および保護層に起因するインピーダンスは、電池１０２の充電レベル（ＳｏＣ）に実質的に依存することが知られている。

さらに、陰極１０６上のＳＥＩ層１１４および保護層に起因するインピーダンスは、電池１０２の内部温度に優位に依存するか、当該内部温度の関数である。換言すれば、陰極１０６上のＳＥＩ層１１４および保護層に起因するインピーダンスは、内部電池温度に応じて変化する。

本書には、リチウムイオン電池の位相遅延に基づいて、電池の内部温度を判定する方法およびシステムが開示されている。位相遅延は、電池インピーダンスの尺度ではないが、インピーダンスに直接的または間接的に関連し得る点から、電池のインピーダンスの関数となり得る。内部電池温度は、略瞬間的に所定の時間に基づいて判定され得る。

図２を参照して以下に説明するように、リチウムイオン電池は、各温度に関して、位相遅延を内部電池温度に相関させるために評価され得る。

相関は、図３を参照して以下に説明しているような電池の位相遅延に基づいて、電池の内部温度および／または他の電池の内部温度を判定するために用いられ得る。

位相遅延は、電池に対して印可された交流信号の周波数と、印可された信号に応じて生成された、位相シフトされた交流信号の周波数との間の位相差として測定または検出される。

印可された信号は交流電流を含み得、位相シフトされた信号は交流電圧を含み得る。あるいは、印可された信号は交流電圧を含み得、位相シフトされた信号は交流電流を含み得る。電池に印可された交流電流の例を以下に示している。しかしながら、本書に開示されている方法およびシステムは、交流電流の発明ではない。

陰極１０６および陽極１０４に、あるいは陰極１０６および陽極１０４の間に交流電圧を生成するために、外部生成された交流電流を電池１０２に印可してもよい。電池１０２のインピーダンスは、交流電流の周波数に応じて、交流電圧の周波数に位相シフトを与え得る。

図２は、各温度に関して、リチウムイオン電池の位相シフトと、対応する電池の内部温度とを相関させる方法２００のフローチャートである。

２０２では、リチウムイオン電池が温度制御環境下に配置される。

２０４では、電池の内部温度を環境温度と等しくさせるのに十分な時間だけ電池を温度制御環境下に保持する。

２０６では、２０４の時間の経過した後、電池に交流または正弦波電流が印可される。交流電流は、電池の陰極および陽極の間に交流電圧をもたらす。

２０８では、交流電流の周波数と交流電圧の周波数との間の位相差を位相シフトとして検出する。

２１０では、他の温度に関して位相シフトが検出された後、処理は環境温度を変更する２１２に続行する。処理はその後２０２に戻る。

２１４では、検出された位相シフトと、対応する環境温度とが相関される。相関は、一連の温度を通して連続した相関をもたらす等のために、２１０で検出された位相シフトと、対応する環境温度との間で補間することを含み得る。

２１４で生成された相関は、図３を参照して以下に説明しているようなリチウムイオン電池の位相遅延に基づいて、電池の内部温度を判定するために用いられ得る。

図３は、リチウムイオン電池の位相遅延に基づいて、電池の内部温度を判定する方法３００のフローチャートである。

３０２では、２０６に対して以上で説明したように、リチウムイオン電池の陰極および陽極端子の間に交流電圧を生成するために、電池に交流電流が印可される。

３０４では、交流電流の周波数と、交流電圧の周波数との間の位相差が検出される。

３０６では、位相差に基づいて電池の内部温度が検出される。

３０６における検出は、図２の２１４における相関を参照することを含み得る。当該相関は、ルックアップテーブルで提供され得る。

図１の電池１０２等のリチウムイオン電池は、複数の周波数依存インピーダンス領域を示し得る。周波数領域の例を以下に示す。本書に開示されている方法およびシステムは、以下の例に限定されるわけではない。周波数の範囲は、陽極および陰極の上のＳＥＩ層および／または保護層の特性に応じて変動し得る。

第１の周波数依存インピーダンス領域は、約４０ヘルツ（Ｈｚ）から５００Ｈｚまでの間の容量性リアクタンスを含み得る。これは、黒鉛陽極インピーダンス、特に陽極１０４上のＳＥＩ層１１４のインピーダンスに起因し得る。この周波数領域において、電池１０２のインピーダンスは主に陽極インピーダンスとなり得る。

第２の周波数依存インピーダンス領域は、約１Ｈｚから３０Ｈｚまでの間の容量性リアクタンスを含み得る。これは、陰極１０６上のＳＥＩ層１１４のインピーダンスに起因し得る。この周波数領域において、電池１０２のインピーダンスは主に陰極インピーダンスとなり得る。

方法２００および／または方法３００は、１つ以上の周波数依存領域に対して行ってもよい。

例えば、陽極上のＳＥＩ層インピーダンスの関数として内部電池温度を測定するために、方法２００および／または方法３００は約４０Ｈｚから５００Ｈｚまでの範囲内の周波数に対して行ってもよい。このような温度をＴ_{ａｎｏｄｅ}と称す。

同様に、陰極上のＳＥＩ層インピーダンスの関数として内部電池温度を測定するために、方法２００および／または方法３００は約１０Ｈｚから３０Ｈｚまでの範囲内の周波数に対して行ってもよい。このような温度をＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}と称す。

方法２００および／または方法３００は、Ｔ_{ａｎｏｏｄｅ}とＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}とに対して行われてもよい。例えば、経時的あるいは同時に複数の交流電流を印可し、各電流に対して位相シフトを検出し得る。複数の電流が同時に印可される場合、交流電圧の周波数は周波数フィルタリングによって分離され得る。

位相シフトと内部電池温度とを相関させ、当該相関に基づいて内部電池温度を検出するためのシステムの例は、図４〜７を参照して以下に記載されている。図４は、位相シフト４１４を検出する位相シフトセンサ４００と、当該位相シフト４１４と環境温度４００とを相関させるための位相−温度相関部４２６とを含む温度制御環境４００のブロック図である。

電池４０２は、陽極端子４０８および陰極端子４１０を含む。陽極端子４０８および陰極端子４１０は、それぞれ電池４０２の対応する陽極および陰極に電気的に接続されている。

位相シフトセンサ４０３は、交流電流４０６を電池４０２に印可するための交流または正弦波電流源４０４を含み得る。

電流源４０４は、電池４０２が放電および／または充電されている間、電池４０２に対して電流４０６を印可するように構成され得る。電流源４０４は、陰極端子４０８および／または陽極端子４０６内に直流電流を印可するように構成されていてもよい。

電池４０６に対して電流が印可されているとき、端子４０８，４１０にあるいは端子４０８，４１０間に対応する交流電圧が生成されている。

位相シフトセンサ４０３は、電流４０６の周波数と、交流電圧の周波数との位相差４１４を検出する位相メータ４１２を含み得る。

位相シフトセンサ４０３は、電流源４０４の代わりに、あるいは追加して電圧源を含んでいてもよい。位相メータ４１２は、以上で詳細に説明したように、印可電圧および生成電流の位相差４１４を検出するように構成され得る。

図４の例では、位相メータ４１２は、電流周波数プローブ４２２Ａ，４２２Ｂおよび電圧周波数プローブ４２４Ａ，４２４Ｂを含む４つのプローブを含む。

位相メータ４１２は、電気化学界面ポテンショスタット／ガルバノスタット、および周波数応答分析器、および／または位相差４１０を検出するのに十分なそれらの一部分を含み得る。

例示の目的において、位相メータ４１２は、交流電圧の周波数を検出するための電圧周波数センサ４１６と、電流４０６の周波数を検出するための電流周波数センサ４１８と、交流電流４０６および交流電圧の間の位相差を検出するための位相比較部４２０とを含むものとして、図４では機能的に図示されている。

位相−温度相関部４２６は、位相シフト／温度相関４２８を出力し得る。当該位相シフト／温度相関４２８は、図５〜７のうち１つ以上を参照して以下に説明したように、温度センサを較正するために用いられ得る。

相関４２８は、コンピュータ読み取り可能な有形媒体および／または回路を含み得る有形媒体に記録され得る。相関４２８は、例えばルックアップテーブル等のデータ構造で記録されてもよい。

位相−温度相関部４２６は、連続する位相シフトおよび温度各々における相関の提供等のために、位相シフト４１４および対応する環境温度の間を補間する、なおかつ／あるいは位相シフト４１４および対応する環境温度から補外するように構成されていてもよい。

図４において、電流源４０４は、電池４０２の周波数依存インピーダンス領域に対応して構成されていてもよい。例えば、電流源４０４は、位相シフト４１４とＴ_{ａｎｏｄｅ}とを相関させるために約４０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲の交流電流４０６を生成してもよいし、位相シフト４１４とＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}とを相関させるために約１０Ｈｚから２０Ｈｚまでの範囲の交流電流４０６を生成してもよい。

電流源４０４は、電流４０６の周波数を制御するように設計可能あるいはプログラム可能であってもよい。プログラム可能な電流源４０４は、選択された周波数において動作するようにプログラムされ、なおかつ／あるいは位相シフト４１４とＴ_{ａｎｏｄｅ}およびＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}との相関等のために複数の周波数の間を切り替わるようにプログラムされていてもよい。あるいは、複数の電流源は、図６を参照して説明されたように、電池４０２に対して複数の電流周波数を提供するように利用されてもよい。

図５は、リチウムイオン電池５０２の位相シフトに基づいて、電池５０２の内部温度を検出するための温度センサ５００のブロック図である。

電池５０２は、陽極端子５０８および陰極端子５１０を含む。陽極端子５０８および陰極端子５１０は、それぞれ電池５０２の対応する陽極および陰極に電気的に接続されている。

温度センサ５００は、図４の位相シフトセンサ４０３に対して説明したように、電池５０２のインピーダンスによって与えられる位相シフトを検知するための位相シフトセンサ５０３を含む。

位相シフトセンサ５０３は、図４の電流源４０４に対して以上で説明したように、電池５０２に対して交流電流５０６を印可するための交流または正弦波電流源５０４を含み得る。

位相シフトセンサ５０３は、図４の位相メータに対して以上で説明したように、電流５０６の周波数と対応する交流電圧の周波数との間の位相差５１４を検出するための位相メータ５１２を含み得る。

温度センサ５００は、相関４２８に基づいて、位相指標５１４を温度指標５２８に変換するための位相−温度変換部５２６をさらに含み得る。

変換部５２２は、位相シフト５１４と相関４２８における位相シフトとが一致しない場合等に、位相シフト５１４および相関４２８の対応する温度の間を補間する、なおかつ／あるいは位相シフト５１４および相関４２８の対応する温度から補外し得る。

変換部５２２は、デジタルおよび／またはアナログ値として温度指標５１４を出力するように構成されていてもよい。

変換部５２２は、温度指標５２４を温度の尺度（単位：度Ｃ等）として、なおかつ／あるいは１つ以上の閾値等の関連指標として出力するように構成されていてもよい。

温度指標５２４は、モニタおよび／または制御システム等のディスプレイおよび／またな他のシステムに提供され得る。

温度センサ５００は、電池５０２の内部温度を連続的に測定するように、なおかつ／あるいは電池５０２の内部温度を経時的に抽出するように構成されていてもよい。

電流源５０４は、図４を参照して以上で説明したように、電池５０２の１つ以上の周波数依存インピーダンス領域に対応して構成されていてもよい。

図６は、リチウムイオン電池６０２の対応する周波数依存インピーダンス領域に基づいて、電池６０２の内部温度Ｔ_{ａｎｏｄｅ}およびＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}を検出するための温度センサ６００のブロック図である。

電池６０２は、陽極端子６０８および陰極端子６１０を含む。陽極端子６０８および陰極端子６１０は、それぞれ電池６０２の対応する陽極および陰極に電気的に接続されている。

温度センサ６００は、電池６０２のインピーダンスに起因する位相シフトを検知するための位相シフトセンサ６０３を含む。

位相シフトセンサ６０３は、各々が対応する交流電流を電池６０２に印可するための複数の交流または正弦波電流源６０４を含み得る。複数の電流は、連続的あるいは同時に印可され得る。図６では、電流源６０４は、各々が電流６５４，６５６のうち対応する電流を生成するための第１および第２の電流源６５０，６５２を含む。電流６５４は約４０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲内の周波数を持ち、電流６５６は約２０Ｈｚから３０Ｈｚまでの範囲内の周波数を持ち得る。

温度センサ６００は、電流６５４，６５６によって生成された交流電流、および対応する交流電圧周波数に基づいて、第１および第２の位相差６５８，６６０を検出するための位相メータ６１２をさらに含む。

位相メータ６１２は、図４の位相メータ４１２および／または図５の位相メータ５１２と同様に構成され得る。

温度センサ６００は、図５の変換部５２６に対して説明したように、位相指標６５８，６６０を１つ以上の温度指標６２８に変換するための位相−温度変換部６２６を含み得る。

変換部６２６は、各位相指標６５８，６６０に関して対応する温度指標を出力し、なおかつ／あるいは位相指標６５８，６６０を合わせて単一温度指標に変換するために構成されていてもよい。

温度センサ６００は、電池６０２の内部温度を連続的に測定するように、なおかつ／あるいは電池６０２の内部温度を経時的に抽出するように構成されていてもよい。

以上で示した温度センサは、図７を参照して以下に説明するように、複数のリチウムイオン電池の内部温度を測定するように構成されていてもよい。

図７は、複数のリチウムイオン電池７０２−１〜７０２−ｎのうち対応する電池の位相シフトに基づいて、複数のリチウムイオン電池７０２−１〜７０２−ｎの内部温度を検出するための温度センサ７００のブロック図である。

各電池７０２−１〜７０２−ｎは、対応する陽極端子７０８および陰極端子７１０を含む。

電池７０２−１〜７０２−ｎは、連続および／または平行した連結構造を含み得る電池連結構造７４０によって互いに連結され得る。連結構造７４０は、選択的に１つ以上の電池との接続を切断するように構成されていてもよい。接続の切断は、例えば対応する電池において加熱状態の兆候があると、それに応じて行われる。

電池７２０−１〜７２０−ｎは、電池セルの追加セットを１つ以上含むバッテリ７４０として実行されてもよい。各セットの電池は、対応する温度センサ７００によって監視され得る。

温度センサ７００は、上述した１つ以上の例で説明したように、各電池７２０−１〜７２０−ｎの位相シフトを検知するための位相シフトセンサ７０３を含む。

温度センサ７００は、電流源と電池７２０−１〜７２０−ｎのうちの１つとを選択的に接続し、プローブと電池７２０−１〜７２０−ｎのうち対応するいずれかの電池とを同時に接続するための多重回路７５０を含み得る。

温度センサ７００は、上述した１つ以上の例で説明したように、位相シフト７１４を温度指標７２８に変換するための位相−温度変換部７２６をさらに含む。

温度センサ７００は、電池７２０−１〜７２０−ｎの内部温度を連続的な方法で検出するように構成されていてもよい。

一実施形態では、電池の位相シフトは、連続的または経時的に長い間にわたって監視され、位相シフトの変化率が閾値率に到達するか超えると、先制または予防処置が始動または発動され得る。位相シフトは、本書で１つ以上の例で説明したように、位相差として捉えられる。

先制または予防処置は、電池の内部温度を検出せず（すなわち、位相差を温度に変換せず）に始動されてもよく、較正された位相シフト−温度相関なしに構成されてもよい。

閾値率は、熱暴走状態に伴う変化率および／または熱暴走をもたらし得る状態に伴う変化率に対応し得る。閾値率は、実験的に、なおかつ／または動作履歴または経験に基づいて、決定し得る。

先制処置は、警告を発令し、なおかつ／あるいは１つ以上の充電回路および放電回路から電池を分離することを含み得る。先制処置は、熱暴走状態になる前に始動し、熱暴走を排除またはその程度を低減するために始動し得る。

充電および放電の動作環境下（−２０℃から６６℃までを超える温度下）で４．３アンプ時間（Ａｈ）リチウムイオン電気化学電池の評価を行った。

評価は、方法３００に関しては上述したように位相シフトデータを複数の温度各々について収集し、方法２００に関しては上述したように当該データを検証することによって行った。

データを収集する間、環境温度と電池内温度とを等しくするために、電池は環境チャンバ内に格納された。電池の充電および放電のためにバッテリ試験システムが用いられた。

電池に対して、各々が４０Ｈｚから１００Ｈｚおよび１０Ｈｚから２０Ｈｚの間のいずれかの周波数を持つ第１および第２正弦波電流が印加された。

位相シフトは、電気化学インターフェースのポテンショスタット／ガルバノスタットおよび周波数特性分析器を用いて、複数の温度各々について測定した。

第１正弦波電流の位相シフトは、対応する環境温度Ｔ_{ａｎｏｄｅ}と相関関係にある。

第２正弦波電流の位相シフトは、対応する環境温度Ｔ_{ｃａｔｈｏｄｅ}と相関関係にある。

位相シフトは、種々の充電状態（ＳｏＣ）、ならびに−２０℃から６６℃を超える種々の環境／電池内温度で収集された。

図８は、放電下における位相シフトに対する５０％ＳｏＣ下の温度Ｔ_{ａｎｏｄｅ}の関係を示すグラフ８００である。

図９は、放電下における位相シフトに対する５０％ＳｏＣ下の温度Ｔ_{ｃａｔｈｏｄｅ}の関係を示すグラフ９００である。

Ｔ_{ａｎｏｄｅ}およびＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}の較正データは、種々の温度下で検証された。各検証を行う前に、電池内温度と環境温度とを等しくするために、電池は環境チャンバ内に格納された。

電池を充電および放電するために、バッテリ試験システムが用いられた。電池の表面温度Ｔ_ｓｕｒｆを観測するために、当該電池の外表面にＫ型熱電対が取り付けられた。

環境温度ごとに、電池に対して、各々が４０Ｈｚから１００Ｈｚおよび１０Ｈｚから２０Ｈｚの間のいずれかの周波数を持つ第１および第２正弦波電流が印加された。位相シフトデータが収集され、電池内温度を変更する工程において放電率が異なるため表面温度が記録された。

図８および９に示すように、位相シフトデータは、相関関係に基づいて、温度Ｔ_{ａｎｏｄｅ}およびＴ_{ｃｈａｔｈｏｄｅ}に変換された。

図１０〜１３は、０℃、１０℃、２０℃、および３０℃の各環境チャンバ温度に関連する検証データのグラフである。

図１０〜１３は、それぞれ環境チャンバ温度Ｔ_ｅｎｖ、陽極温度Ｔ_{ａｎｏｄｅ}、陰極温度Ｔ_{ｃａｔｈｏｄｅ}、電池表面温度Ｔ_ｓｕｒｆ、および放電電流を含む。水平軸は時間（単位：時）を表し、右側の垂直軸は放電電流に相当し、左側の垂直軸は温度Ｔ_ｅｎｖ、Ｔ_{ａｎｏｄｅ}、Ｔ_{ｃａｔｈｏｄｅ}、およびＴ_ｓｕｒｆに相当する。

図１０〜１３は、放電電流に応じてＴ_ｓｕｒｆ、Ｔ_{ａｎｏｄｅ}、Ｔ_{ｃａｔｈｏｄｅ}が異なり、電池内温度に対応することを示している。

図１０〜１３は、Ｔ_ｓｕｒｆ、Ｔ_{ａｎｏｄｅ}、Ｔ_{ｃａｔｈｏｄｅ}における変化量が、Ｔ_ｅｎｖの幾分かの増大に依存していることを示している。

図１０〜１３は、放電電流の変化に対してＴ_{ａｎｏｄｅ}およびＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}がＴ_ｓｕｒｆよりも速くに反応することをさらに示している。これにより、電池内温度に対してＴ_{ａｎｏｄｅ}およびＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}がより速く反応することが確認される。

図１０〜１３は、表面温度Ｔ_ｓｕｒｆよりもＴ_{ａｎｏｄｅ}およびＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}が高い傾向にあることをさらに示している。これは、電池筐体および／または他の因子によってもたらされる防熱に起因している可能性がある。

図１１〜１４は、Ｔ_{ａｎｏｄｅ}がＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}よりも高い傾向にあることをさらに示している。

このように評価データは、様々な環境温度下で充電および放電をしている状態下において、位相シフトに基づく温度測定が確実および急速に４．４Ａｈセルの温度Ｔ_{ａｎｏｄｅ}およびＴ_{ｃａｔｈｏｄｅ}の動的変化をたどることを示している。

５１Ａｈセルを含む他のリチウムイオンセルに対して、同様の評価を行った。

さらなる実験結果は、Ｒ．Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎらの「リチウムイオン充電式電池の内部温度の瞬間測定」Elsevier, Electrochimica Acta, Vol. 56, pp. 6198-6204 (2001)に提供されている。当該文献の全文（当該文献に引用されている文献を含む）は、参照によって本願に含まれる。

様々なリチウムイオン電池およびセンサの評価では、リチウムイオン電池より得られた位相−温度相関関係が、４．３Ａｈから５１Ａｈまでの電池、ならびに異なる製造者および／またはモデルの電池を含む他のリチウムイオン電池において検出された位相シフトによって、当該他の電池の内部温度を判定するために確実に利用することができることを示している。

図１４は、リチウムイオン電池の位相シフトを検出し、当該位相シフトに基づいて、電池の内部温度を判定する温度センサ回路１４００を示す画像である。

回路１４００は、少なくとも２Ａｈから５１Ａｈまでの容量を持つ電池のために設計されたものである。

回路１４００は、約２００ミリ秒の温度測定を行い、多重化を通して１秒未満の間にバッテリパック内の４つの電池を観測するように実行されてもよい。

回路１４０は、観測されている電池によって電力を供給されていてもよい。評価は、回路１４００が測定ごとに２００ミリ秒の間に約１００ｍＡ ＤＣの速度で２．１５Ａｈのリチウムイオン電池を使い果たすことを示している。これは５．５μＡｈと等しく、電池の容量と比較して非常に小さい量である。この場合、電池の内部温度は３９６０００回以上判定されることになる。換言すれば、完全に充電された電池においては、５５０時間連続してＴ_{ａｎｏｄｅ}が観測されることになる。

他の測定基準では、回路１４００を用いずに、２．１５Ａｈの電池は３．６ワット（Ｗ）をＣ／２の一定速度での給電、あるいは１．０５アンプ電流ドレインでの給電をサポートし得る。回路１４００が存在しないため、電池は３．６Ｗの給電を約１２０分間サポートすることができる。回路１４００が電池によって電力を供給されている場合、電池は３．６Ｗの給電ならびに回路１４００を約１０９分間サポートすることができる。

電池の急激な温度変化を連続して正確に観測するためには、１１分の違いは比較的小さい量と捉えることができる。

さらに、温度は、連続的ではなく定期的に判定あるいはサンプリングしてもよい。これにより、電力消費量を削減することができる。

回路１４００は、電池の正極端子および負極端子（例えば、以上で例示したもの）を接続するための４つのプローブを含む。回路１４００と電池との間のワイヤの長さは、回路１４００の出力測定あるいは動作に影響を及ぼさない。

本書に開示した１つ以上の構成は、分離および集積回路ロジック、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）ロジック、およびマイクロコントローラを含むハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、およびこれらを組み合わせたもので実現してもよいし、特定領域向け集積回路パッケージあるいは集積回路パッケージを組み合わせたものの一部として実現してもよい。本書内で用いるソフトウェアという文言は、本書に開示されている１つ以上の構成および／または構成を組み合わせたものをコンピュータシステムに提供させるためのコンピュータプログラムロジックが記録されているコンピュータ読み取り可能な記録媒体を含むコンピュータプログラム製品を意味する。

本書には、機能、構成、および関係性を示す機能構成ブロックを用いて方法およびシステムが開示されている。説明をより容易にするために、これらの機能構成ブロックの少なくともいくつかの境界は任意に規定されている。特定の機能およびその関係性が適当に提供される限りは、代わりの境界を規定することができる。

これらの機能構成ブロックが、別々の構成部材、特定用途向け集積回路、プロセッサ実行専用ソフトウェア、およびこれらを組み合わせたものによって実現できることを当業者であれば理解できる。

様々な実施形態を示したが、これらは例示のためだけに提供されたものであり、限定するための提供されたものではない。これらの実施形態において、本書に開示されている方法およびシステムの精神および範囲を逸脱しない範囲内で、当該実施形態の外観および細部に様々な変更を施すことができることは当業者にとって明らかである。したがって、本書に開示されている例としての実施形態のいずれによっても、請求項の広がりおよび範囲は限定されるものではない。

リチウムセルを示すブロック図である。 各温度に関して、リチウムイオンセルの位相遅延を対応するセルの内部温度に関連づけさせる方法を示すフロー図である。 リチウムイオンセルの位相遅延に基づいて、セルの内部温度を検出する方法を示すフロー図である。 任意の温度範囲に関して、リチウムイオンセルの位相遅延をセルの内部温度と関連づけさせるシステムを示すブロック図である。 リチウムイオンセルの位相遅延に基づいて、セルの内部温度を検出する温度センサを示すブロック図である。 リチウムイオンセルの対応する周波数依存インピーダンス領域に起因する位相遅延に基づいて、セルの陽極および陰極の温度を検出する温度センサを示すブロック図である。 対応するリチウムイオンセルの位相遅延に基づいて、セルの内部温度を検出する温度センサを示すブロック図である。 放電状態下において、充電状態（ＳｏＣ）が５０％である場合の位相シフトに対するリチウムイオンセルの陽極温度を示すグラフである。 放電状態下において、充電状態（ＳｏＣ）が５０％である場合の位相シフトに対するリチウムイオンセルの陰極温度を示すグラフである。 環境温度０℃の検証データを示すグラフである。 環境温度２０℃の検証データを示すグラフである。 環境温度３０℃の検証データを示すグラフである。 環境温度４０℃の検証データを示すグラフである。 リチウムイオンセルの位相シフトを検出し、当該位相シフトに基づいて、セルの内部温度を検出する温度センサ回路の画像である。

Claims (24)

1. リチウムイオン充電式電池の内部温度を測定するための方法であって、
   上記電池において、位相シフトされた交流信号を生成するために、交流信号を上記電池に印可する工程と、
   印可された上記交流信号の周波数と、上記位相シフトされた交流信号の周波数との間の位相差として上記位相シフトを検出する工程と、
   上記位相差に基づいて、上記電池の上記内部温度を判定する工程とを含み、
   上記印可する工程は、位相シフトされた交流電圧を生成するために交流電流を印可する工程と、位相シフトされた交流電流を生成するために交流電圧を印可する工程とを１つ以上含み、
   上記印可する工程は、第１および第２の交流信号を上記電池に印可することによって、上記電池において、対応する第１および第２の位相シフトされた交流信号を生成する工程を含み、
   上記検出する工程は、上記第１の印可された交流信号の周波数と、上記第１の位相シフトされた交流信号の周波数との間の第１の位相差を検出する工程と、上記第２の印可された交流信号の周波数と、上記第２の位相シフトされた交流信号の周波数との間の第２の位相差を検出する工程とを含み、
   上記判定する工程は、上記第１の位相差に基づいて、上記電池の内部陽極温度を判定する工程と、上記第２の位相差に基づいて、上記電池の内部陰極温度を判定する工程とを含むことを特徴とする方法。
2. 上記印可された交流信号の周波数は、１０００ヘルツ（Ｈｚ）までの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 上記印可された交流信号の周波数は、４０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲内であり、
   上記判定する工程は、上記位相差に基づいて、上記電池の内部陽極温度を判定する工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 上記印可された交流信号の周波数は、１０Ｈｚから２０Ｈｚまでの範囲内であり、
   上記判定する工程は、上記位相差に基づいて、上記電池の内部陰極温度を判定する工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 上記第１の印可された交流信号の周波数は、４０ヘルツ（Ｈｚ）から１００Ｈｚまでの範囲内であり、
   上記第２の印可された交流信号の周波数は、１０Ｈｚから２０Ｈｚまでの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 上記電池の上記内部温度が閾値温度を超えた状態、および上記電池の上記内部温度の増加率が閾値率に到達するかまたは超えた状態のうち、１つ以上の状態下にある１つ以上の充電回路および放電回路から上記電池を分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 上記電池が充電されている状態、および上記電池が負荷に対して放電している状態のうち、１つ以上の状態下にあるときに、上記印可する工程、上記検出する工程、および上記判定する工程を実行する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 上記判定する工程は、上記位相差に基づくルックアップテーブルから上記温度の指標を取得する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. リチウムイオン充電式電池の内部温度を測定するためのシステムであって、
   上記電池において、位相シフトされた交流信号を生成するために、交流信号を上記電池に印可する交流信号源と、
   印可された上記交流信号の周波数と、上記位相シフトされた交流信号の周波数との間の位相差として上記位相シフトを検出する位相メータと、
   上記位相差に基づいて、上記電池の上記内部温度を判定する位相−温度変換部とを含み、
   上記交流信号源は、位相シフトされた交流電圧を生成するための交流電流源と、位相シフトされた交流電流を生成するための交流電圧源とを１つ以上含み、
   上記交流信号源は、対応する第１および第２の交流信号を上記電池に印可することによって、上記電池において、対応する第１および第２の位相シフトされた交流信号を生成する第１および第２の交流信号源を含み、
   上記位相メータは、上記第１の印可された交流信号の周波数と、上記第１の位相シフトされた交流信号の周波数との間の第１の位相差を検出し、上記第２の印可された交流信号の周波数と、上記第２の位相シフトされた交流信号の周波数との間の第２の位相差を検出するように構成されており、
   上記位相−温度変換部は、上記第１の位相差に基づいて、上記電池の内部陽極温度を判定し、上記第２の位相差に基づいて、上記電池の内部陰極温度を判定するように構成されていることを特徴とするシステム。
10. 上記交流信号源は、１０００ヘルツ（Ｈｚ）までの範囲内の周波数を持つ上記交流信号を印可するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 上記交流信号源は、４０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲内の周波数を持つ上記交流信号を印可するように構成されており、
    上記位相−温度変換部は、上記位相差に基づいて、上記電池の内部陽極温度を判定するように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 上記交流信号源は、１０Ｈｚから２０Ｈｚまでの範囲内の周波数を持つ上記交流信号を印可するように構成されており、
    上記位相−温度変換部は、上記位相差に基づいて、上記電池の内部陰極温度を判定するように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
13. 上記第１の交流信号源は、３０ヘルツ（Ｈｚ）から１００Ｈｚまでの範囲内の周波数を持つ上記第１の印可された交流信号を生成するように構成されており、
    上記第２の交流信号源は、１０Ｈｚから２０Ｈｚまでの範囲内の周波数を持つ上記第２の印可された交流信号を生成するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
14. 上記位相−温度変換部は、位相−温度相関のルックアップテーブルを含むことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
15. 上記電池の上記内部温度が閾値温度を超えた状態、および上記電池の上記内部温度の増加率が閾値率に到達するかまたは超えた状態のうち、１つ以上の状態下にある１つ以上の充電回路および放電回路から上記電池を分離する制御システムをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
16. 充電式リチウムイオン電池の位相遅延と、当該電池の内部温度とを相関させるための方法であって、
    上記電池の位相シフトされた交流信号を生成するために、上記電池の上記内部温度が第１
    の温度であるときに、交流信号を上記電池に印可する工程と、
    印可された上記交流信号の周波数と、上記位相シフトされた交流信号の周波数との間の位相差を検出する工程と、
    上記電池の１つ以上の追加温度のために、上記印可する工程および上記検出する工程を繰り返す工程と、
    上記位相差と上記温度とを相関させる工程と、
    上記相関を有形媒体に記録する工程とを含み、
    上記印可する工程は、位相シフトされた交流電圧を生成するために交流電流を印可する工程と、位相シフトされた交流電流を生成するために交流電圧を印可する工程とを１つ以上含み、
    上記印可する工程は、第１および第２の交流信号を上記電池に印可することによって、上記電池において、対応する第１および第２の位相シフトされた交流信号を生成する工程を含み、
    上記検出する工程は、上記第１の印可された交流信号の周波数と、上記第１の位相シフトされた交流信号の周波数との間の第１の位相差を検出する工程と、上記第２の印可された交流信号の周波数と、上記第２の位相シフトされた交流信号の周波数との間の第２の位相差を検出する工程とを含み、
    上記相関させる工程は、上記第１の位相差と上記電池の内部陽極温度とを相関させる工程と、上記第２の位相差と上記電池の内部陰極温度とを相関させる工程とを含むことを特徴とする方法。
17. 上記電池が充電されている状態、および上記電池が負荷に対して放電している状態のうち、１つ以上の状態下にあるときに、上記印可する工程および上記検出する工程を実行する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 上記相関させる工程は、−８０℃から１００℃までの範囲内の温度に関して、上記位相差と上記電池の上記内部温度とを相関させることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 上記印可された交流信号の周波数は、１０００ヘルツ（Ｈｚ）までの範囲内であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. 上記印可された交流信号の周波数は、４０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲内であり、
    上記相関させる工程は、上記位相差と上記電池の内部陽極温度とを相関させる工程を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 上記印可された交流信号の周波数は、１０Ｈｚから２０Ｈｚまでの範囲内であり、
    上記相関させる工程は、上記位相差と上記電池の内部陰極温度とを相関させる工程を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. 上記第１の印可された交流信号の周波数は、４０ヘルツ（Ｈｚ）から１００Ｈｚまでの範囲内であり、
    上記第２の印可された交流信号の周波数は、１０Ｈｚから２０Ｈｚまでの範囲内でありことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
23. リチウムイオン電池における熱暴走の前の状態を識別する方法であって、
    上記電池において、位相シフトされた交流信号を生成するために、交流信号を上記電池に印可する工程と、
    印可された上記交流信号の周波数と、上記位相シフトされた交流信号の周波数との間の位相差として上記位相シフトを検出する工程と、
    上記位相差の変化率が閾値率に到達するか、または超えたときに、抑止行動を開始する工程とを含み、
    上記印可する工程および上記検出する工程は、連続的または経時的に実行され、
    上記印可する工程は、第１および第２の交流信号を上記電池に印可することによって、上記電池において、対応する第１および第２の位相シフトされた交流信号を生成する工程を含み、
    上記検出する工程は、上記第１の印可された交流信号の周波数と、上記第１の位相シフトされた交流信号の周波数との間の第１の位相差を検出する工程と、上記第２の印可された交流信号の周波数と、上記第２の位相シフトされた交流信号の周波数との間の第２の位相差を検出する工程とを含むことを特徴とする方法。
24. 上記開始する工程は、１つ以上の充電回路および放電回路から上記電池を分離する工程を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。

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