JP2009500787A - 物理モデルに基づく充電可能電池の急速充電方法及び充電器 - Google Patents

Abstract

本発明は、再充電可能な電池又は再充電可能な電池パックのような再充電可能ユニットを充電する方法に関し、充電電流を、再充電可能ユニットにおける少なくとも１つの条件が充足した場合に公称充電電流Ｃよりも大きくし、少なくとも１つの条件は、物理学を基礎とするモデルを通じて再充電可能なユニットの測定可能な変数から継続的に計算されるようにしている。本発明はまた、対応する方法にも関する。本発明の特徴により、電池の変数の継続的監視が可能となるので、高い充電電流による充電が電池の寿命を短くすることなく許容されるかどうかの決定のために、適切な判断基準が利用可能となる。

Description

本発明は、再充電可能なバッテリ又は再充電可能なバッテリパックのような再充電可能ユニットの再充電に関する。

電池給電式携帯型装置の多くは、エネルギ源としてＬｉイオン電池を用いている。これは、この種の電池は、小型軽量で大量のエネルギを蓄積することができるからである。本発明は、この種の電池により本発明の利点が極めて明確に奏される限り、このような電池に関する。但し、本発明は、限定するものではないが、Ｎｉ系電池のような他の種類の再充電可能な電池にも適用可能である。

従来、Ｌｉイオン電池は、ＣＣＣＶ方式により充電される。この方式において、電池は、定電流（ＣＣＣＶ方式、定電流；Constant Current）により初期段階で充電される。ここで、電池電圧は、ゆっくりと増加する。電池電圧が例えば４．１Ｖ又は４．２Ｖの所定の値に達したとき、当該方式は、定電圧（ＣＶ方式、定電圧；Constant Voltage）及び減少電流でチャージすることに修正される。このＣＣＣＶ充電方式は、当該電池の容量及びサイクル寿命のために最適化されている。しかしながら、充電時間は比較的に長く、例えば約２時間である。

特に商業的な観点から、より短い充電時間を可能にする充電器の必要性がある。欧州特許出願に係る文献のＥＰ−Ａ−１ ５１６ ４０５は、ＣＣＣＶ充電方式の初期段階において通常の充電電流の２倍を上回る値に充電電流が増大させられる充電器を開示している。この増加した充電電流は、短い充電時間を可能にする。実際に、初期段階において、充電電流のこうした高めの値は、Ｌｉイオン電池のライフサイクルに対して有害な作用は生じないようである。しかしながら、ダメージを電池に招く前に、この急速充電処理を停止し「通常の」ＣＣＣＶ充電方式を再開するような配慮がなされなければならない。したがって、この方式に適合した充電器は、用心のために電池がダメージを受ける機会に達する十分前に急速充電を停止し、そのライフサイクルの短縮を回避するように適合される。

にもかかわらず、充電時間のさらなる短縮の必要性がある。

本発明の目的は、より短い充電時間を可能にする方法及び充電器を提供することである。

この目的は、再充電可能な電池又は再充電可能な電池パックを含む再充電可能ユニットを充電する方法であって、前記再充電可能ユニットにおける少なくとも１つの条件が充足する場合に、充電電流を公称充電電流よりも大きくし、前記少なくとも１つの条件は、物理学を基礎とするモデルを通じて前記再充電可能ユニットの測定可能な変数から継続的に計算される、方法によって達成される。

この目的はまた、再充電可能な電池又は再充電可能な電池パックを含む再充電可能ユニットを充電するための充電器であって、・前記再充電可能ユニットに充電電流を供給するよう適応させられる供給ユニットと、・前記充電電流を制御するコントローラであって、前記供給ユニットに、前記再充電可能ユニットにおける少なくとも１つの条件が充足する場合に当該公称充電電流よりも大きな充電電流を供給させるように適応させられたコントローラと、を有し、さらに、・前記電池の測定可能な変数を測定する測定手段と、・前記測定される変数から前記少なくとも１つの条件を継続的に計算するよう適応させられるモデリング手段と、を有する充電器によって達成される。

電池のライフサイクルの短縮は、当該電池における或る特定の変数が或る特定の領域内にある場合に当該電池が大電流で充電されるときに生じる。こうした領域が当該大電流での充電中に回避されるとき、当該大充電電流をライフサイクルを短くすることなく用いることができ、充電時間のかなりの短縮を可能にする。

本発明の特徴により、電池における変数の継続的な監視が可能となるので、当該電池の寿命の短縮を伴うことなく大充電電流による充電が許容可能かどうかの決定のために、適切な判断基準が利用可能になる。なお、ここで、ＥＰ−Ａ−１ ５１６ ４０５による従来技術の方法及び充電器においては、同じ判断基準が用いられているが、この基準は、当該充電器の生産の間に固定したものである。この従来技術においては、当該変数の継続的更新が行われない。

それよりも、本発明は、判定処理に用いられる値又は変数の継続的更新を提供しているので、電池の状況の極めて適切な評価をなすことができ、ブースト充電から通常充電へ切り換わる値から寿命の短縮が開始する電池の変数の値にかなり近づくまでのセーフティマージンを作ることができる。これにより、より長いブースト充電及びこれによる短い総充電時間が可能となる。

さらに、本発明の主要な用途は、Ｌｉイオン電池に存する。但し、本発明は、他の種類の電池にも適用可能である。

容量損失の重要な原因は、或る特定のレベルを下回る当該電極表面におけるＬｉイオン濃度による正極性電極の劣化である。この濃度レベルを下回ると、電極材料が変質し、これが最大電池容量の永続的低下をもたらす非可逆性の過程となる。例えば、この濃度レベルは、ＬｉＣｏＯ_２電極では０．５であり、これはＬｉインターカレーションの可能性のある箇所の半分がＬｉイオンで占められることを意味している。より程度の低い占有レベルに対しては、電極材料の変質が起こる。

これは、電極表面におけるＬｉイオンの濃度が、急速充電処理が「通常の」ＣＣＣＶ方式に切り換わるべき時期の決定についての重要な判断基準であることを意味している。

好適実施例によれば、前記条件のうちの１つは、正のＬｉＣｏＯ_２電極表面（Ｘ_{Ｌｉ，ｐｏｓ，ｓｕｒｆ}）におけるＬｉイオン濃度であり、前記充電電流を、当該正のＬｉＣｏＯ_２電極表面（Ｘ_{Ｌｉ，ｐｏｓ，ｓｕｒｆ}）におけるＬｉイオン濃度が０．５より大きい場合に前記公称充電電流（Ｃ）よりも大きくするよう制御するようにした方法が提供される。

但し、ＬｉＣｏＯ_２電極を持つ電池への当該方法の適用に関する本発明の特徴は、ＬｉＭｉＯ_２、ＬｉＭｎＯ_２又はこれらの混合物（ＬｉＭｉ_３Ｃｏ３Ｍｎ３Ｏ２の他にもＬｉＭｎ_２Ｏ_２やＬｉＦｅＰＯ_４など）のようなＬｉイオンタイプの他の電極を持つ電池にも、十分適用可能である。本発明において用いられる或る特定の値の適合は、こうした他の材料の結果として行われなければならない場合がある。

但し、アノード材料以外の材料を用いることができ、本発明は、Ｓｉのような他のアノード材料にも適用可能である。当該アノード材料がＳＥＩを形成することは重要である。

この実施例の特徴は、上述した種類の充電器であって、モデリング手段が正のＬｉＣｏＯ_２電極表面（Ｘ_{Ｌｉ，ｐｏｓ，ｓｕｒｆ}）におけるＬｉイオン濃度をモデリングするように適応させられ当該コントローラが正のＬｉＣｏＯ_２電極表面（Ｘ_{Ｌｉ，ｐｏｓ，ｓｕｒｆ}）におけるＬｉイオン濃度が０．５より大きい場合に公称充電電流（Ｃ）よりも大きな充電電流を供給ユニットに供給させるように適応させられる充電器にも当てはまる。

正極電極におけるＬｉイオンの表面濃度が充電中に継続的に計算されるとき、急速充電方式に用いられる電圧及びこの方式の持続期間を、この濃度が例えばＬｉイオン電極に対して０．５の所定レベルを下回らないように最適化することができる。その主要な利点は、最適な状態の下では急速充電が常に起こり、通常のＣＣＣＶ充電に対するのと同じであると実証された悪い作用が、通常充電の場合よりもかなり起こりづらいことである。これは、電池容量の極めて高速な再充電を可能にすることとは別に、再充電される容量の大きさが、悪い作用を回避しつつも最大化されることを意味している。

Ｌｉイオン電池の非可逆性の容量損失のもう１つの原因は、負極性電極におけるＳＥＩ（Solid Electrolyte Interface；固体電解質界面）層の形成である。この層は、後に充電／放電サイクルにもはや関与することのないＬｉイオンを取り、これにより電池容量を小さくする。物理学に基礎をおくＬｉイオン電池モデルは、電池が用いられる基礎となる状態に基づいたＳＥＩ層の形成を計算することができるものが利用可能である。

したがって、本発明の他の好適実施例は、前記条件のうちの１つは、当該負の電極（ｄ_ＳＥＩ）におけるＳＥＩ層の厚さであり、前記充電電流を、前記負の電極（ｄ_ＳＥＩ）における当該ＳＥＩ層の厚さが所定値よりも小さい場合に前記公称充電電流より大きくする、という方法を提供する。

この実施例はまた、上記種類の充電器であって、前記モデリング手段は、前記負の電極（ｄ_ＳＥＩ）におけるＳＥＩ層の厚さをモデル化するよう適応させられ、前記コントローラは、前記負の電極（ｄ_ＳＥＩ）における当該ＳＥＩ層の厚さが所定値よりも小さい場合、前記供給ユニットに、前記公称充電電流よりも大きい充電電流を供給させるよう適応させられる、とした充電器を提供する。

ＥＰ−Ａ−１ ５１６ ４０５に記述されているような従来技術のシステムのためのアルゴリズムに対しては、急速充電を取り入れた製品の実現の前に数多くの測定において開始及び停止ＳｏＣ（充電状態；State-of-Charge）が測定されなければならない。なお、これら測定から、急速充電処理が停止され通常充電が開始されたときのＳｏＣの固定値が判定されたものとなっている。

当該電池モデルを用いることによって、このＳｏＣの最新値は即座に利用可能となるので、急速充電の利点を最適に用いることができる。

したがって、本発明の好適実施例は、前記条件のうちの１つは、当該充電状態（ＳｏＣ）であり、前記充電電流を、前記充電状態（ＳｏＣ）が所定値よりも小さいときに前記公称充電電流よりも大きくする、方法を提供する。

この実施例はまた、前記モデリング手段は、前記充電状態（ＳｏＣ）をモデル化するよう適応させられ、前記コントローラは、前記充電状態（ＳｏＣ）が所定値よりも小さい場合、前記供給ユニットに、前記公称充電電流よりも大きな充電電流を供給させるよう適応させられる、とした充電器を提供する。

急速充電の悪影響は、こうした悪い影響が進展しうる状況を回避することによって防止されるので、急速充電は、その最大の作用を得るよう最適化させられることができる。これは、充電電流の最大値を可能にすることによって達成可能である。

好適実施例は、充電電流が、当該条件のうち少なくとも１つが充足する場合に再充電ユニットの許容最大充電電圧により判定されるという特徴を提供する。

こうした作用は、当該条件のうちの少なくとも１つが充足する場合に再充電可能なユニットの許容最大充電電圧を印加するように適応させられる充電器によっても得ることができる。

本発明の基礎を形成するモデリングは、当該モデルにより計算される値の判定における誤差をもたらしうる。電池自体は存在するので、電圧、電流及び温度といった電池に関する測定を実行し、これらの測定値を当該モデルにより計算された対応の値と比較することができる。これにより、当該モデルの精度の比較、これによる評価が可能となる。その比較される変数の誤差の精度、或いは振幅の評価は、当該モデルの適応可能な更新に用いることができる。但し、急速充電アルゴリズムにこうした誤差の使用も可能である。

したがって、他の好適実施例は、物理学を基礎とするモデルから少なくとも１つの測定可能な値が判定され、当該値が測定され、測定された値と計算された値との差が判定され、その結果として得られた差が所定値を超えた場合に他の充電処理が再開させられるという特徴を提供する。

この実施例はまた、当該モデリング手段が少なくとも１つの測定可能な変数を判定するように適応させられ、当該測定手段が当該変数を測定するように適応させられ、当該制御手段がその測定された値と計算された値との差を判定するように適応させられ、当該制御手段がその結果として得られる誤差が所定値を超えた場合に他の充電処理を再開させるように適応させられる、という特徴を提供する。

また別の実施例は、当該計算された値のうちの少なくとも１つが充電処理のパラメータを適合させるために用いられ、当該モデリング手段が当該誤差に基づいて当該充電処理のパラメータを適合させるように設けられる、という特徴を提供する。

変数の利用可能性は、もし充電方式が切り換えられるべき時には当該判定のためのこうした変数を用いる可能性を提供する。但し、供給電圧及び供給電流のような当該処理におけるパラメータを適合させるためにこの情報を用いることもできる。この適合化は、通常充電方式だけでなく急速充電方式の間において行うことができる。ここでも、この適合化は、大充電電流を用いつつ同時に充電可能ユニットのライフサイクルを短くする状況を回避する可能性を許容する。

以下、図面を用いて本発明を詳しく説明する。

図１には、従来技術のＣＣＣＶ充電方式が示されている。初期時に、定電流により充電が行われる。この電流の振幅は、電池へのダメージが回避されるように選択される。定電流による充電の間、充電電圧はゆっくりと増加する。充電電圧が、Ｌｉイオン電池の場合は通例は４．１又は４．２Ｖである最大値（Ｖ_ｍａｘ）に達するとき、この電圧の値及び減少する電流の値により充電が継続される。前述したように、電池の満充電に必要な時間は、約２時間といった長いものとなる場合がある。

この充電時間を短縮するため、ＥＰ−Ａ−１ ５１６ ４０５は、従来のＣＣＣＶ充電方式の最初のパートの間に行われる「急速」（ブースト）充電を開示している。図２には、この処理の図が描かれている。ここで、初期時には、充電電流の十分な値をもたらす最大電圧により充電が行われる。こうした大電流値は、こうした初期充電フェーズの間にこうした高い電流が当該電池に対し非可逆的ダメージをもたらさないので、許容される。急速充電が停止させられＣＣＣＶ方式が再開されるポイントの判定には難しさがある。「安全」を期すため、急速充電は、かなり早めに、すなわちダメージの機会が進展し始める十分前に、停止させられる。

図３には、本発明による充電器が描かれている。この充電器は、電圧及び電流レギュレータのような通常充電器ハードウェア１と、制御ユニット２とを有する。この制御ユニットは、多くの場合、対応のプログラムを実行するようプログラムされたマイクロプロセッサにおいて実現されることになる。但し、好都合なことに、専用の電子回路において当該プロセッサにより実行されるべき機能を構築することもできる。上述した２つの従来技術の状況におけるケースと同様に、コントローラは、充電器の電流及び電圧レギュレータを制御するように適応させられる。

但し、プロセッサは、充電電流（Ｉ_ｂａｔ）、充電電圧（Ｖ_ｂａｔ）及び電池の温度（Ｔ_ｂａｔ）を表す信号を受信するようにも適応させられる。制御ユニットはさらに、正極性電極（Ｘ_{Ｌｉ，ｐｏｓ，ｓｕｒｆ}）上のＬｉイオンの表面濃度、負極性電極（ｄ_ＳＥＩ）上のＳＥＩ層の厚さ及び充電状態（ＳｏＣ）を判定するよう、これら測定される変数に関する物理学を基礎とするモデルを適用するようにも適応させられる。このプロセッサはさらに、急速充電が停止され「通常の」ＣＣＣＶ充電が開始するポイントの判定においてこれら変数を用いるようにも適応させられる。

この決定的な処理において、プロセッサは、図４に示されるフローチャートを用いうる。

これは、充電器の切り換え後に、コントローラは、正極性電極（Ｘ_{Ｌｉ，ｐｏｓ，ｓｕｒｆ}）におけるＬｉイオンの表面濃度が０．５よりも大きいかどうかを判定する。大きくない場合、通常ＣＣＣＶ充電処理を開始する。

他の場合、コントローラは、その後に、負極性電極（ｄ_ＳＥＩ）上のＳＥＩ層の厚さが所定値を超えるかどうかを判定する。超える場合には、通常ＣＣＣＶ充電処理を開始する。

そうでない場合、コントローラは、その後、充電状態が所定値よりも高いかどうかを判定する。高い場合は、通常ＣＣＣＶ充電処理を開始する。別の場合には急速充電処理を開始する。

この処理において、説明したような急速処理の適用可能性が、好ましくは計算された値の変化が専ら制限されるような頻度で、繰り返し判定される。ここで、当該処理が実行される度に、正極性電極におけるＬｉイオンの表面濃度、負極性電極のＳＥＩ層の厚さ及び充電状態の新しく計算された値が利用可能となると推測される。

物理学を基礎とするモデルの利用可能性は、或る方式から他の方式への切り換えの決定が判定されるところの値の精度の定期的チェックを可能にする。

正に、当該モードは、測定も可能な変数の計算をも可能にする。これは図５に示されており、図３のものと同様のブロック図が示され、ここでは、物理学を基礎とするモデルが、電池電圧Ｖ_Ｐ、電流Ｉ_Ｐ及び温度Ｔ_Ｐの値を発生するようにも適応させられる。これら値も測定可能であるので、比較により、当該モデルにおけるこれら値の誤差ε_１，ε_２，ε_３の示度が得られる。これら誤差は、それ自体知られている方法により当該誤差を最小化するよう当該モデルを適合させるために用いることができるが、当該決定処理におけるこれら誤差の値を用いることもできる。これら誤差が所定値を超えると、通常の急速充電が選ばれる。

なお、本発明に沢山の変更を施すことができることは明らかとなる。例えば正極性電極におけるＬｉイオン濃度が境界値の近くに維持されるような値を当該充電電流に付与し、或る特定の状況の下でさらに高速な充電を可能とするようにすることによって、他の方策における物理モデルにより判定される値の使用にも可能性がある。勿論、この原理は他の変数に対しても用いることができる。

従来のＣＣＣＶ方式における充電電圧及び充電電流を示す図。 急速充電処理が用いられる同様の図。 本発明による充電器のブロック図。 本発明による充電器におけるコントローラにおいて用いられるフローチャート。 本発明による変形例のブロック図。

Claims (16)

1. 再充電可能な電池又は再充電可能な電池パックを含む再充電可能ユニットを充電する方法であって、
   前記再充電可能ユニットにおける少なくとも１つの条件が充足する場合に、充電電流を公称充電電流よりも大きくし、
   前記少なくとも１つの条件は、物理学を基礎とするモデルを通じて前記再充電可能ユニットの測定可能な変数から継続的に計算される、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記再充電可能ユニットは、Ｌｉイオン電池である、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記条件のうちの１つは、正のＬｉＣｏＯ_２電極表面におけるＬｉイオン濃度であり、前記充電電流を、当該正のＬｉＣｏＯ_２電極表面におけるＬｉイオン濃度が０．５より大きい場合に前記公称充電電流よりも大きくする、方法。
4. 請求項２又は３に記載の方法であって、前記条件のうちの１つは、当該負の電極におけるＳＥＩ層の厚さであり、前記充電電流を、前記負の電極における当該ＳＥＩ層の厚さが所定値よりも小さい場合に前記公称充電電流より大きくする、方法。
5. 請求項１，２，３又は４に記載の方法であって、前記条件のうちの１つは、当該充電状態であり、前記充電電流を、前記充電状態が所定値よりも小さいときに前記公称充電電流よりも大きくする、方法。
6. 請求項１ないし５のうちいずれか１つに記載の方法であって、前記充電電流は、前記条件のうちの少なくとも１つが充足した場合に、前記再充電可能ユニットの最大許容充電電圧により判定される、方法。
7. 請求項１ないし６のうちいずれか１つに記載の方法であって、前記物理学を基礎とするモデルから少なくとも１つの測定可能な値が判定され、
   前記値は測定され、
   当該測定された値と当該計算された値との差が判定され、
   当該結果として得られる差が所定値を超える場合に他の充電処理が開始される、
   方法。
8. 請求項１ないし７のうちいずれか１つに記載の方法であって、前記計算された値のうちの少なくとも１つは、前記充電処理のパラメータを適合させるために用いられる、方法。
9. 再充電可能な電池又は再充電可能な電池パックを含む再充電可能ユニットを充電するための充電器であって、
   ・前記再充電可能ユニットに充電電流を供給するよう適応させられる供給ユニットと、
   ・前記充電電流を制御するコントローラであって、前記供給ユニットに、前記再充電可能ユニットにおける少なくとも１つの条件が充足する場合に当該公称充電電流よりも大きな充電電流を供給させるように適応させられたコントローラと、
   を有し、さらに、
   ・前記電池の測定可能な変数を測定する測定手段と、
   ・前記測定される変数から前記少なくとも１つの条件を継続的に計算するよう適応させられるモデリング手段と、
   を有する充電器。
10. 請求項９に記載の充電器であって、Ｌｉイオン電池を充電するよう適応させられた充電器。
11. 請求項１０に記載の充電器であって、前記モデリング手段は、正のＬｉＣｏＯ_２電極表面におけるＬｉイオン濃度をモデリングするよう適応させられ、前記コントローラは、前記正のＬｉＣｏＯ_２電極表面におけるＬｉイオン濃度が０．５を超える場合、前記供給ユニットに、前記公称充電電流より大きな充電電流を供給させるよう適応させられる、充電器。
12. 請求項１０又は１１に記載の充電器であって、前記モデリング手段は、前記負の電極におけるＳＥＩ層の厚さをモデル化するよう適応させられ、前記コントローラは、前記負の電極における当該ＳＥＩ層の厚さが所定値よりも小さい場合、前記供給ユニットに、前記公称充電電流よりも大きい充電電流を供給させるよう適応させられる、充電器。
13. 請求項８ないし１２のうちいずれか１つに記載の充電器であって、前記モデリング手段は、前記充電状態をモデル化するよう適応させられ、前記コントローラは、前記充電状態が所定値よりも小さい場合、前記供給ユニットに、前記公称充電電流よりも大きな充電電流を供給させるよう適応させられる、充電器。
14. 請求項８ないし１３のうちいずれか１つに記載の充電器であって、前記条件のうちの少なくとも１つが充足した場合に前記再充電可能ユニットの最大許容充電電圧を印加するよう適応させられる充電器。
15. 請求項１０ないし１４のうちいずれか１つに記載の充電器であって、前記モデリング手段は、少なくとも１つの測定可能な変数を判定するよう適応させられ、
    前記測定手段は、前記変数を測定するように適応させられ、
    前記制御手段は、当該測定値と当該計算値との差を判定するよう適応させられ、
    前記制御手段は、その結果として得られる誤差が所定値を超える場合、別の充電処理を開始するよう適応させられる、
    充電器。
16. 請求項１５に記載の充電器であって、前記モデリング手段は、前記誤差に応じて前記充電処理のパラメータを適合させるよう適応させられる、充電器。

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