JP2008501958A - リチウムイオン電池の使用可能エネルギーを求める方法および装置 - Google Patents

Abstract

様々な実施形態に従った、電池（１３５）の使用可能なエネルギーを求める方法がある。様々な実施形態は、増加する電流を電池（１３５）に印加するステップと、その増加する電流が電池（１３５）に印加されているときの電池（１３５）の応答電圧を測定するステップとを含む。

Description

本発明は、電池の使用可能エネルギーを求める方法および装置に関する。

デバイスを信頼性をもって動作させるために、通常はアンペア時（Ａｈ）で測定される電池の使用可能エネルギーの量を求めることが望ましい場合が多い。リチウムイオン電池などの電池の使用可能エネルギーの量を予測する１つの方法は、充電状態（ＳＯＣ）指標として開路電圧（ＯＣＶ）を使用する。ＯＣＶは、電池に対する負荷なしで電池の端子間で測定された電圧をいう。ＳＯＣは、電池が完全に充電（フル・チャージ）されたときに電池に蓄積可能な全エネルギー（Ａｈ）の１００分率で表される。例えば、フル・チャージされたときに１００Ａｈを蓄積できる電池は、ＳＯＣが７５％の場合には、７５Ａｈが残っている。

従来、電池容量は、電池を１００％ＳＯＣレベルまで充電し、次に、固定放電電流（Ｉ）（通常はアンペアで測定される）を用いて電池を０％ＳＯＣまで放電するのに費やした時間（ｔ）（通常は時間（hour）単位で測定される）を測定することによって求められる。積（Ｉ）×（ｔ）は、電池容量をアンペア時（Ａｈ）の単位で表す。しかし、電池容量を求めるこの手法には、幾つかの重大な欠点がある。１つの欠点は、この方法は時間がかかり、従って、経済的に有効ではないことである。加えて、この方法は、充電と放電のサイクルを反復する必要があるので、電池のサイクルの寿命および性能を低下させる。

従って、上記およびその他の従来技術の問題を克服すること、ならびに、電池に対して連続して充電および放電のサイクルを適用せずに迅速に電池の使用可能エネルギーを求めるための、より良い方法および装置を提供することが必要とされている。

様々な実施形態に従った、電池の使用可能エネルギーを求める方法がある。様々な実施形態は、直線的に増加する電流などのような、増加する電流が電池に印加されるときの電池の応答電圧を測定することを含む。この応答電圧が、電流が印加される前の電池の開路電圧よりも大きい所定の電圧に達したときに、その対応する入力電流が記録される。電池の電圧が開路電圧よりも所定値だけ大きい電圧に達したとき、電池の使用可能エネルギーはその電流に比例する。

別の実施形態では、電池の使用可能エネルギーを測定するために使用することができる装置があり、この装置は、電子制御システムおよび電源を含む制御モジュールを備える。この電源は、正の勾配などのような所定の勾配の電流ランプ（ramp）を、電池の電圧が電流ランプ印加前の電池の開路電圧よりも所定量だけ大きい値に達するまで、電池へ供給する。この装置はまた、電源と電池との間に、それらと直列に配置された電流センサも含む。この電流センサは、電池とプロセッサを行き来して流れる電流を測定し、プロセッサは、電池への電圧が開路電圧よりも所定量だけ大きい電圧に達したときに、その電流に基づいて電池の使用可能エネルギーを求める。

別の実施形態では、プログラム・コードを含むコンピュータ読取可能媒体があり、この媒体は、電池の使用可能エネルギーを求める方法を実施するようにプロセッサをコンフィギュレーションする。このプログラム・コードは、増加する電流を電池へ印加するためのプログラム・コードと、その増加する電流が電池へ印加されるときに電池の応答電圧を測定するためのプログラム・コードとを含む。

追加の実施形態は、一部は後の記述中で説明され、一部はその記述から明らかになり、あるいは、本発明の実施によって知ることができる。様々な実施形態の利点は、添付の特許請求の範囲で特に指摘された要素および組合せを用いて実現され、達成される。

上述の一般的な記述および後の詳細な記述は例示的および説明的なものにすぎず、特許請求の範囲に記載の本発明を限定するものではないことを理解されたい。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、幾つかの実施形態を示し、その説明とともに、本発明の原理を説明するものである。

次に、添付の図面に例が示されている例示的な実施形態を詳細に参照する。同じまたは同様の部分を参照するために、可能な限り、すべての図面を通して同じ参照番号が使用される。

図１〜図３は、電池の使用可能エネルギーを求める装置および方法を開示する。

図１は、電池の使用可能エネルギーを求めることができるシステム１００の例示的な構成を示す。例示のシステム１００は、制御コンピュータ１０５、計測および制御モジュール１１０、制御リレー１１５、電子負荷１２０、電源１２５、および電流センサ１３０などのような様々なモジュールを含むことができる。また、図１には、リチウムイオン電池などのような電池１３５も示されている。

様々な実施形態において、制御コンピュータ１０５は、１組の容量（capacity）測定アルゴリズムを含むことができる。制御コンピュータ１０５はまた、例示のシステムの他のモジュールを制御するために使用され得るソフトウェア・ドライバも含むことができる。

制御コンピュータ１０５は、計測および制御モジュール１１０に接続される。制御コンピュータ１０５は、例えば、ナショナル・インストルメンツ社（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）のデータ取得モジュールが組み込まれているゲートウェイ・ペンティアム（登録商標）（Ｇａｔｅｗａｙ Ｐｅｎｔｉｕｍ(登録商標)）コンピュータなどのような、適切な任意のコンピュータでよい。様々な実施形態において、計測および制御モジュール１１０は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）、および電子制御信号発生器（ＥＣＳＧ）を含むことができる。計測および制御モジュール１１０は、例えば、ナショナル・インストルメンツ社の信号コンディショニング・システムとすることができる。ＡＤＣおよびＤＡＣは、計測および制御モジュール１１０へ入力された情報を処理し、ＥＣＳＧと連係して、システム１００の他のモジュールを動作させる。例えば、ＡＤＣ、ＤＡＣおよびＥＣＳＧは、制御リレー１１５、電子負荷１２０、および／または電源１２５を制御することができる。電源１２５も電子負荷１２０も、プログラマブル（プログラム可能）とすることができる。電源１２５は、例えば、ヒューレット・パッカード社（Ｈｅｗｌｅｔｔ−ｐａｃｋａｒｄ）のｍｏｄｅｌ ６０３２ Ａ電源とすることができる。電源１２５は、計測および制御モジュール１１０とともになり、所定の勾配の増加または減少する電流ランプなどのような電流ランプを、電池１３５に印加することができる。様々な実施形態において、電源１２５、および／または計測および制御モジュール１１０は、電流ランプの勾配を制御するコンピュータ・ソフトウェアを含むことができる。

様々な実施形態で、制御リレー１１５は、その使用可能エネルギーが測定される電池１３５を、電子負荷１２０および／または電源１２５に接続するために、使用される。例えば、計測および制御モジュール１１０は、ライン１１７を介して接点開閉制御信号を印加することによってリレー１１５を制御して、電池１３５を回路に入れたり切り離したりすることができる。リレー１１５が開いているとき、電池１３５は回路から離され、電流が加わらない。リレー１１５が閉じているとき、電池１３５は回路内にあり、電流を加えることができる。電流分流器などのような電流センサ１３０は、電池１３５と直列に配置される。例示的な電流センサ１３０は、例えば、ＡＤＣのチャネルに接続された５０Ａ／５０ｍＶ分流器を含むことができる。この５０Ａ／５０ｍＶ分流器の選択は、最大５０Ａの電流に遭遇することがある電池の場合の例示的なものである。分流器の選択は、試験される電池に適切な測定感度が得られるように行うとよい。電流を測定するために、ホール効果素子などのような、他の適切な技法が使用されてもよい。アナログ量で計られる感知電圧は、計測および制御モジュール１１０内のＡＤＣによってデジタル形式に変換することができる。これらのパラメータのデジタル・データは、制御コンピュータ１０５に供給することができる。このようにして、電流センサ１３０を、電池１３５を出入りする電流の量を測定するために使用することができる。この測定は、電流分流器の両端の電圧降下を測定し、その電圧降下を分流器抵抗で割ることによって行うことができる。電子負荷１２０が電池１３５に接続されているものが開示されているが、システム１００の様々な実施形態では電子負荷１２０を使用する必要がない。幾つかの実施形態では、電子負荷１２０は、従来の放電を用いる方法によって電池容量を調べるために使用され得る。

様々な実施形態で、システム１００は、リチウムイオン電池の使用可能エネルギーを求めるために使用され得る。図２は例示的な流れ図２００を示し、２１０で、電源１２５は、正の勾配などのような所定の勾配の電流ランプを電池１３５へ印加するようにプログラムすることができる。この電流ランプの勾配は、その使用可能エネルギーが求められる電池群のＡｈ定格範囲に依存し得る。２３０で、電池の電流は、増加する電流が電池１３５へ印加されているときに、リアルタイムで電流センサ１３０の両端の電圧を測定することによって、求めることができる。やはりリアルタイムで、電池端子電圧を、計測および制御モジュール１１０内のＡＤＣによって測定することができる。このように測定された電圧および電流の情報は、制御コンピュータ１０５によって監視される。２４０に示されているように、電池１３５へ供給される電流は、ＡＤＣおよびコンピュータを使用して測定される電池端子電圧が、電池の開始ＯＣＶ（電流が加えられる前のＯＣＶ）を所定の安全な値だけ超えるまで、増加させることができる。例えば、幾つかの実施形態では、端子電圧は、開始ＯＣＶより５０ｍＶ高くまで、または５０ｍＶに電池内のセル数を乗算しただけ高くまで、増加することができる。

様々な実施形態において、電流ランプは、電池端子電圧が、例えば、電池内で直列に接続されたセル当たり５０ｍＶだけＯＣＶより高い電圧に達するまで、電池１３５に加えられ得る。例示的な電圧として５０ｍＶが用いられたが、別の電圧も許容されるものであり、企図されるものである。１より多いセルを電池が有する様々な実施形態では、例えば５０ｍＶの所定電圧が各セルに適用され得る。例えば、直列に５つのセルを有する電池では、その電圧は、電池１３５の一般的なＳＯＣに対応する電池のＯＣＶより、５０ｍＶの５倍、即ち、２５０ｍＶ高くなり得る。電池端子電圧がＯＣＶより高い所定値に到達する点に対応する電流は、制限電流と呼ぶことができる。

図３は、様々な実施形態に従った、制限電流と電池の使用可能エネルギー（Ａｈ単位で測定）との関係を示す例示的なグラフである。図３は、３つの単一セルのリチウムイオン電池（ａ）、（ｂ）および（ｃ）を例として示す。電池（ａ）は定格容量が２５Ａｈ、電池（ｂ）は定格容量が５０Ａｈ、電池（ｃ）は定格容量が７５Ａｈである。電池（ａ）〜（ｃ）は、０％、５０％、および１００％のＳＯＣで測定された。図３から、制限電流は、所与の定格容量および一般的なＳＯＣの電池の使用可能エネルギーと正比例する、ということがわかる。測定された制限電流は、電池に存在する実際の使用可能エネルギー（Ａｈ）を算出するために使用することができる。

様々な実施形態において、制限電流は、電池の蓄積エネルギーと正比例の関係を有し得る。例えば、電池容量と制限電流は、式（１）で一般に示される形の式によって関係づけることができる。

ｙ＝ｍｘ＋ｃ （１）

上記の式において、ｘは制限電流、ｙは電池容量、ｍおよびｃは定数である。式（１）の形は、様々なＳＯＣで種々の容量の電池を試験することによって、決定することができる。従来の容量測定の手法によって求めることができる制限電流と、対応する容量とは、ｘ−ｙグラフの形でプロットすることができる。次いで、例えば０％、５０％など様々なＳＯＣに対するデータ・ポイントのライン形状近似値を、式で表すことができる。一実施形態では、その定数は、対象電池の組の容量範囲によって変わり得る。一般に、１組の定数は、広い範囲の電池の種類にわたって用いることができる。

様々な実施形態において、未知のエネルギー含量を有する電池の使用可能エネルギーは、その電池を電流ランプ試験にかけて、制限電流を測定し、測定値をグラフと比較することによって、または測定値を数式に入れることによって、求めることができる。

再び図２を参照する。電池が制限電流に達するまで電流を増加した後、電池に蓄積されたエネルギーの量を、生成された関係に基づいて求めることができる（ステップ２５０参照）。電池端子電圧がＯＣＶより高い所定電圧に達したときに、電流ランプが反転され得る。一実施形態では、電流は、線形的にゼロまで低減される。しかし、電流は、他の経路によってゼロにされることもできる。電流測定は、電流が下降傾斜でゼロに達したときに、終了され得る。

電池１３５が分極している場合、即ち、電池端子電圧が安定していない場合には、様々な実施形態において、電池１３５へ供給される電流が制限電流に達する前に、減極手順が実施され得る。例示的な減極手順は、米国特許第５，７０８，３４７号に見出すことができ、この特許の全体を本明細書に組み込むものとする。例示的な一実施形態では、まず、電池１３５の電流容量の約０．５〜約１．０％の電流負荷で、電池１３５の分極または表面電荷により生じた電圧を放電するのに十分な時間だけ、電池１３５が放電され得る。このような放電の時間は、例えば最短で約３０秒とすることができる。例えば、定格１００アンペア時の電池の電流放電は、最短の３０秒に対して０．５〜１．０Ａになる。しかし、放電時間は、電池極板に蓄積された有用なエネルギーを放電させるようになる時間を超えるべきではない。あるいは、電池の放電は、電池端子電圧が約０．１Ｖ低下するまで続けるようにすることもできる。

放電期間の終了時に、電池は開回路状態に置かれ、電圧が引き続いて監視される。電池が依然として分極している場合には、その端子電圧は直ちに増加し、ある最大値を経て、急速に降下する。この電圧増加のレートは、電池分極の重大度を示す。電圧変化が所定値より大きい場合には、電池に対して直ちに２回目の放電が適用され得る。あるいは、電池が著しく分極していない場合には、電池を新たに放電させる前に、約５分間、電池を緩和状態にしてもよい。電池を放電させる処理、およびオプションで開路状態で電池を緩和状態にする処理は、電池の開路電圧の変化レートが１０ｍＶ／３０秒未満になるまで、継続する。この時点で電池は減極されている。

様々な実施形態がコンピュータ制御可能媒体を含む。例えば、実施形態は、電池へ供給される電流の量を制御できる電源制御プログラムを含むことができる。この電源制御プログラムは、制御コンピュータ１０５、計測および制御モジュール１１０、電子負荷１２０、および電源１２５のうちの少なくとも１つのものに格納することができる。電源制御プログラムは、増加する電流ランプを電池１３５へ加えるように電源１２５に指示するサブルーチンを含むことができる。

様々な実施形態は、電流センサ１３０を制御できる電流センサ・プログラム・コードを含むことができる。この電流センサ・プログラム・コードは、制御コンピュータ１０５、計測および制御モジュール１１０、および電流センサ１３０のうちの少なくとも１つのものに格納することができる。電流センサ・プログラムは、電池電流を測定するように電流センサ１３０に指示することができる。例えば、電源プログラム・コードが、増加または減少する電流ランプなどのような電流ランプを電池１３５へ印加するように電源１０５へ指示したとき、電流センサ・プログラムは、電流センサ１３０の両端間の電圧降下を測定するように電流センサ１３０に指示することができる。測定された電圧降下についての情報は、計測および制御モジュール１１０によって解析されて、電池電流を得ることができる。計測および制御モジュール１１０はまた、正負の電池端子間の電圧を測定することによって、電池電圧を直接に求めることもできる。

様々な実施形態は、電池１３５のエネルギーの使用可能量を求めることができるプロセッサ制御プログラムを含む。このプロセッサ制御プログラムは、制御コンピュータ１０５と、計測および制御モジュール１１０とのうちの少なくとも１つのものに格納することができる。プロセッサ制御プログラムは、電子負荷１２０、電源１２５、電流センサ１３０、および電池１３５からの情報を受け取ることができる。受け取られた情報は処理され、生成されたグラフと比較されて、または数学アルゴリズムで使用されて、電池１３５のエネルギーの使用可能量を求めることができる。

本発明の他の実施形態は、本明細書の検討および本明細書に開示された本発明の実施により、当業者には明らかになるであろう。本明細書および例は、例示的なものとしてみなされるものであり、本発明の真の範囲および精神は、添付の特許請求の範囲によって示されている。

図１は、例示的な一実施形態に従った、電池の使用可能エネルギーを求めることができるシステムのブロック図を示す。 図２は、例示的な一実施形態に従った、電池の使用可能エネルギーを求めることができる方法の流れ図を示す。 図３は、例示的な一実施形態に従った、電池の使用可能エネルギーと制限電流との線形関係を示すグラフを示す。

Claims (16)

1. 電池（１３５）の使用可能エネルギーを求める方法であって、
   増加する電流ランプを電池へ印加するステップと、
   前記増加する電流が前記電池へ印加され、応答電圧が開路電圧よりも大きい所定電圧に達したときに、前記電池の応答電圧を測定するステップと、
   前記応答電圧が開路電圧よりも大きい前記所定電圧に達したときの印加された前記電流に基づいて、前記電池のエネルギーの使用可能量を求めるステップと
   を備え、前記電池の前記使用可能エネルギーは、前記電池への前記電圧が前記開路電圧よりも大きい前記所定電圧に達したときの前記電流に比例するものである、
   方法。
2. 請求項１に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、前記増加する電流が線形的に印加される、方法。
3. 請求項１に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、前記電池がリチウムイオン電池である、方法。
4. 請求項１に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、制限電圧と前記開路電圧との間に一定の電圧差を維持するステップを更に備える、方法。
5. 請求項１に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、前記増加する電流を印加する前に前記電池の減極を行うステップを更に備える、方法。
6. 請求項１に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、前記電流は、前記電池の端子電圧が前記開路電圧よりも５０ｍＶ高い電圧に達するまで、増加される、方法。
7. 請求項１に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、前記電池が少なくとも２つのセルを有し、前記電流は、前記電池の端子電圧が前記開路電圧よりも５０ｍＶに前記電池のセル数を乗算した電圧だけ高くなるまで、増加される、方法。
8. 電池（１３５）の使用可能エネルギーを求める方法であって、
   所定の勾配の電流ランプを電池に印加するステップと、
   前記電流ランプを印加しているときに電池端子電圧を測定するステップと、
   前記電池端子電圧が、前記電池の一般的な充電状態での前記電池の開路電圧よりも高い所定値に達するまで、前記電流ランプを増加させるステップと、
   前記電池端子電圧が前記開路電圧よりも高い前記所定電圧に達するところの前記電流ランプの電流に基づいて、前記電池に蓄積されたエネルギーの量を求めるステップと
   を備える方法。
9. 請求項８に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、
   前記電流ランプを印加しているときに前記電池端子電圧を測定するステップの前に、前記電池の減極を行うステップを更に備える方法。
10. 請求項８に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、前記電流は、前記電池端子電圧が前記開路電圧より高くなり５０ｍＶだけ前記開路電圧よりも大きくなるまで、増加される、方法。
11. 請求項８に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、前記電池が少なくとも２つのセルを有し、前記電流は、前記電池端子電圧が前記開路電圧より高くなり５０ｍＶにセル数を乗算した電圧だけ前記開路電圧よりも大きくなるまで、増加される、方法。
12. 請求項８に記載の電池の使用可能エネルギーを求める方法であって、前記電池の使用可能エネルギーを求めるための基準は、前記電池端子電圧が前記開路電圧よりも大きい前記所定電圧に達するところの前記電流ランプの前記電流に線形的に比例する、方法。
13. 電池の使用可能エネルギーを測定する装置（１００）であって、
    アナログ−デジタル変換器と、デジタル−アナログ変換器と、電子制御システムとを含む制御モジュール（１１０）と、
    前記電池（１３５）の電圧が、前記電池の一般的な充電状態での前記電池の開路電圧よりも大きい所定値に達するまで、前記電池へ所定勾配の増加する電流ランプを供給する電源（１２５）と、
    前記電池から流れる電流を測定するために、前記電源と前記電池との間に直列に配置される電流センサ（１３０）と、
    前記電池の端子電圧を測定するために前記電池に電子的に接続されるセンサと、
    前記電池への前記電圧が前記開路電圧よりも大きい前記所定電圧に達したときの前記電流に基づいて、前記電池の使用可能エネルギーを求めるプロセッサ（１０５）と
    を備える装置。
14. 請求項１３に記載の電池の使用可能エネルギーを測定する装置であって、前記所定値が、前記電池の前記一般的な充電状態での前記電池の前記開路電圧よりも５０ｍＶ大きい、装置。
15. 請求項１３に記載の電池の使用可能エネルギーを測定する装置であって、前記電池が少なくとも２つのセルを有し、前記電流は、前記電池端子電圧が前記電池の前記一般的な充電状態での前記開路電圧よりも５０ｍＶにセル数を乗算した電圧だけ大きくなるまで、増加される、装置。
16. 請求項１３に記載の電池の使用可能エネルギーを測定する装置であって、
    前記電池端子電圧を測定するために前記電源と前記電池との間に直列に配された電池端子電圧センサを更に備える装置。

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