JP2013122450A - オンラインで電池の充電状態および劣化状態の判定を行う方法および装置 - Google Patents

オンラインで電池の充電状態および劣化状態の判定を行う方法および装置 Download PDF

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Abstract

【課題】動的な充放電環境を提供する、プラットフォーム上の電池の充電状態（ＳｏＣ）および劣化状態（ＳｏＨ）を判定する、オンラインの方法および装置を開示する。
【解決手段】測定された端子電圧、電流、および温度と共に電池の動的モデルを用いて、休止開回路電圧（ＯＣＶ）を推定することができる。次いで、この推定されたＯＣＶからＳｏＣおよびＳｏＨを判定することができる。装置および方法は、ａ）電池システムを使用状態から外す必要がなく、ｂ）所定の休止時間の間待つ必要がなく、およびｃ）電池を減極する必要がなく、電池のＳｏＣおよびＳｏＨをリアルタイムで推定することができる。
【選択図】図５

Description

[0001]本発明は、電池の充電状態（ＳｏＣ）および劣化状態（ＳｏＨ）を判定する装置および方法に関し、より詳細には、動的な充放電環境において、電池のＳｏＣおよびＳｏＨをオンラインで判定する装置および方法に関する。
[0002]充電式電池は、近年登場してきたマイクログリッド、電気自動車（ＥＶ）、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）、および航空機電気化促進（ＭＥＡ）システムの重要な要素である。これらのプラットフォームでは、電池の充放電を頻繁に行うことが要求される。信頼できる動作のために、また電池寿命を保つために、電池の充電状態（ＳｏＣ）および一般的な電池劣化状態（ＳｏＨ）を正確に知ることが必須である。一般的な電池容量は、ＳｏＨの先行指数（ｌｅａｄｉｎｇ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ）である。
[0003]従来技術は、いくつかのＳｏＣおよびＳｏＨ判定技術を提供している。しかし、これらの技術は、電池がオフラインモード、即ち、研究室環境内にあるとき、または電池がホスト環境内の充放電機能をサポートために用いられていないときだけにしか適用することができない。オンラインモードで発生する、電池の動的な充電／放電条件下での異常挙動により、これらの技術は、適用不可能であるか、正確な結果をもたらすことができないかのいずれかである。
[0004]ＳｏＣを判定する基本技術のほとんどは、電池の開回路または休止状態（ｒｅｓｔｅｄ）の電圧（ＯＣＶ）の測定に基づいている。ＯＣＶとは、一般に最小３０分から数時間の所定の時間中、負荷のない状態、即ち充電状態に置かれた後の電池端子電圧として定義される。多くのリチウムイオンなどの電池化学物質の場合、ＯＣＶはＳｏＣと共に変動し、その結果ＳｏＣの算出には用いることができない。図１には、０℃、２５℃および４５℃でのＧＳ・Ｙｕａｓａ２８Ｖ、４０Ａｈリチウムイオン電池に関するＯＣＶとＳｏＣの相関関係の例が示されている。この図では、約ＳｏＣ１０％からＳｏＣ１００％までの範囲では、ＳｏＣとＯＣＶとが直線関係に近いことが示されている。ＯＣＶ対ＳｏＣのグラフは、一般に、電池／セルの供給業者から入手可能であり、実験室での試験を通して開発可能である。このアプローチを用いて、＋／−５％より良好なＳｏＣ精度のアルゴリズムが開発された。しかし、このアプローチでは、分極現象により、休止電池電圧がほとんど利用できず、動的な充電／放電環境におけるオンラインのＳｏＣ判定には不向きである。この分極現象は図２Ａおよび図２Ｂに示され、これらの図面では、それぞれ１０Ａ負荷パルスに反応する電池が示される。電池の電圧の挿入拡大グラフでは、負荷が取り除かれた後、電圧が急上昇し、その後電圧は非常にゆっくり回復し、休止電池電圧を得るまでに長い時間かかっている様子が示されている。この待ち時間は、通常オンライン環境では実用的ではない。
[0005]電池容量は、使用および暦時間と共に減ってゆく。電池の容量が５０％まで減ると、１００％ＳｏＣでも最初に設置されたときに比べて半分のエネルギーしか残っていない。したがって、ＳｏＣの測定だけでは、システム内の電池の効率的な動作を確認する上で十分とは言えない。ＳｏＨの主な指標である電池容量も監視しなければならない。
[0006]従来技術では、電池容量を予測する方法が存在するが、これらの方法は、オフラインでのみしか実行することができず、電池が平衡状態に達するまでに待ち時間が必要である。米国特許第７，５７６，５４５号に記載されるとおり、フル容量電池は、部分的な充電／放電を通して判定可能である。この方法は、周知のＳｏＣ状態で開始し、周知の量のエネルギーを加算または減算し、電池の休止開回路電圧を測定し新しいＳｏＣを計算する。フル容量（Ｃｆｕｌｌ）は、充電／放電エネルギー（ΔＥ）を、式（１）により、ＳｏＣ（ΔＳｏＣ）の変化に相関させることで、求めることができる。
Ｃｆｕｌｌ ＊ΔＳｏＣ＝ΔＥ・・・・・（１）
但し、ΔＳｏＣ＝｜ＳｏＣａｆｔｅｒ−ＳｏＣｂｅｆｏｒｅ｜である。しかし、部分的充電／放電の後、休止開回路電圧は減極／所定の休止時間を経なければ得られないため、システム動作が中断されてしまう。このことは、電池がオンラインのとき実用的ではない。
米国特許第７，５７６，５４５号
[0007]以上のように、オンラインで電池のＳｏＣおよびＳｏＨ判定する技術が必要である。
[0008]本発明の一様態では、電池の充電状態および劣化状態を判定するシステムは、電圧センサ、電流センサ、および温度センサを有し、電池から測定値を得るように適合された測定部と、電源スイッチを介して電池に接続する電源と、負荷スイッチを介して電池に接続する負荷と、測定部から測定値を受け取るように適合されたコンピュータであって、電源スイッチおよび負荷スイッチを開閉するように適合された制御カードを有し、電池の休止時間を必要とすることなしに、オンラインで開回路電圧を計算するように適合されたコンピュータと、を含む。
[0009]本明細書の別の様態では、電池の休止時間を必要とすることなしにオンラインで電池の開回路電圧を判定する方法は、電池を充電または放電するステップと、等式ＶＯＣ＝ＶＢＡＴ＋ΔＶＲ＋ΔＶＰを用いて、開回路電圧を計算するステップであって、ＶＢＡＴは電池の端子電圧であり、ΔＶＲは電池抵抗による電圧降下であり、ΔＶＰは分極現象による電圧降下である、ステップと、計算された開回路電圧および電池温度を用いて、充電状態を判定するステップと、を含む。
[0010]本発明のさらに別の様態では、電池の劣化状態を判定する方法は、電池を充電または放電することにより、電池のフル容量を推定するステップと、等式ＶＯＣ＝ＶＢＡＴ＋ΔＶＲ＋ΔＶＰを用いて、開回路電圧を計算するステップであって、ＶＢＡＴは電池の端子電圧であり、ΔＶＲは電池抵抗による電圧降下であり、ΔＶＰは分極現象による電圧降下である、ステップと、計算された開回路電圧および電池温度を用いて、充電状態を判定するステップと、充電エネルギーまたは放電エネルギーを、充電状態の変化に相関させ、外挿して、フル電池容量を得るステップと、電池のフル容量を、時間の関数として追跡するステップと、電池のフル容量が所定の量だけ減ったかどうか判定するステップと、を含む。
[0011]本発明のこれらの特徴およびその他の特徴、様態および利点は、以下の図面、記述および特許請求の範囲を参照することで、よりよく理解される。
[0012]図１は、当技術分野で周知の休止電池電圧対電池充電状態を示すグラフである。 [0013]図２Ａは、動的負荷状態での電池端子電圧を示すグラフである。 [0014]図２Ｂは、図２Ａのグラフの拡大部である。 [0015]図３は、分極現象による経時的な電圧の復帰を示すグラフである。 [0016]図４は、例示的な参照テーブルを示す表である。 [0017]図５は、本発明の例示的な実施形態による、ＳｏＣおよびＳｏＨを判定するシステムを示す概略図である。 [0018]図６は、本発明の例示的な実施形態による、２つのＲＣブランチと直列の抵抗（Ｒｓ）を含む電池モデルを示す概略図である。 [0019]図７は、本発明の例示的な実施形態による、電池のＳｏＣを判定する方法を示すフローチャートである。 [0020]図８は、本発明の例示的な実施形態による、電池容量を測定する方法を示すフローチャートである。 [0021]図９は、本発明の例示的な実施形態による、電池のＳｏＨを判定する方法を示すフローチャートである。
[0022]以下に、本発明の例示的な実施形態を実行する、最良の現在企図される形態を詳細に説明する。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により最もよく規定されるため、この説明は限定的な意味で解釈すべきでなく、単に本発明の一般的な原理を説明することを目的とする。
[0023]下記に記載する種々の発明の特徴は、互いに独立して、または他の特徴と組み合せて用いることができる。
[0024]広くは、本発明の実施形態により、プラットフォーム上の電池の充電状態（ＳｏＣ）および劣化状態（ＳｏＨ）を判定する、オンラインの方法および装置が提供され、この方法および装置が動的な充放電環境を提供する。端子電圧、電流および温度の測定を伴う電池の動的モードを用いて、休止開回路電圧（ＯＣＶ）をオンラインで推定することができる。次いで、この推定されたＯＣＶから、ＳｏＣおよびＳｏＨを判定することができる。この装置および方法により、ａ）電池システムを使用状態から外す必要がなく、ｂ）所定の休止時間の間待つ必要がなく、またはｃ）電池を減極する必要がなく、電池のＳｏＣおよびＳｏＨをリアルタイムで推定することができる。
[0025]下記に記載する本発明の方法は、図５に示される構成要素を用いて実行可能である。電池監視システム１０は電池１２を含むことができ、この電池１２は、単一のセル、または直列の、また並列の複数のセルを含むことができる。システム１０は、制御可能スイッチ１６を介して電池１２に接続して、電池１２を部分的にまたは完全に充電するために用いられる、固定電源またはプログラマブル電源１４をさらに含むことができる。システム１０は、制御可能スイッチ２０を介して電池１２に接続して、一定の電流または所定の電流形状で電池１２を放電させる負荷抵抗またはプログラマブル電子負荷１８も含むことができる。測定部２２は、測定値を検知し、データ捕捉システム（ＤＡＱ）３０に供給するために、電流計または電流センサ２４と、電圧メータまたは電圧センサ２６と、温度センサ２８とを含むことができる。システム１０は、コンピュータまたはプロセッサ３２をさら含むことができ、このプロセッサ３２は、データ捕捉システム３０と、参照テーブルおよびデータを格納するための不揮発性メモリ（ＮＶＭ）３４と、方法を実行するためのプロセッサ３６と、電池の性能データを表示するためのディスプレイ３８とを含む。このデータ捕捉システム３０は、サンプルおよびホールド回路、Ａ／Ｄ変換器およびセンサノイズを取り除くための非拡散フィルタ（ｎｏｎ−ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｆｉｌｔｅｒ）（図示せず）を含むことができる。コンピュータ３２は、制御カード４０を介して、スイッチ１６および２０を制御することで、電池１２の充電と放電の周期を制御することができる。
[0026]本発明の例示的な実施形態により、オンラインで休止開回路電圧を計算するための方法を提供する。このオンラインの方法では、端子電圧、電流、および温度の計測を伴う電池の動的モデルを用いて、開回路電圧を推定することができる。この電池モデルは、電池特性を表示する任意の線形／非線形電気等価モデルでよい。電池モデルは、従属する電圧源と直列の抵抗、キャパシタンスおよびインダクタンスを含むことができる。モデルのパラメータは、パルス電流の充電／放電を通して特定され得る。モデルの開発に関して、充電電流／放電電流の範囲に関して、異なる温度でテストを行うことができる。電池の開回路電圧を、このモデルに関する等式（２）を用いて、オンラインで計算することができる。参照テーブル／代数式を通して、この計算されたＯＣＶおよび温度を用いて、ＳｏＣを推定することができる。
ＶＯＣ＝ＶＢＡＴ＋ΔＶＲ＋ΔＶＰ・・・・・（２）
但し、ＶＢＡＴ−電池端子電圧、
ΔＶＲ−電池抵抗による電圧降下、
ΔＶＰ−分極現象による電圧降下。
[0027]図６を参照すると、例えば、リチウムイオン電池の特性を表示する電気モデルを用いて、これらの値を計算することがでる。図６に示すとおり、この電池モデルは、２つのＲＣブランチと直列の抵抗（Ｒｓ）を含むことができる。各ＲＣブランチは、抵抗とキャパシタンスの並列の組合せを含むことができる。
[0028]電池端子電圧（ＶＢＡＴ）は、電池端子に接続する電圧検知装置を用いて測定することができる。
[0029]電池の内部抵抗（ΔＶＲ）による電圧降下は、式を用いて計算することができる。
ΔＶＲ＝Ｉ＊Ｒｓ・・・・・（３）
但し、Ｒｓは電池の内部抵抗であり、
Ｉは電池端子を流れる電流である。
[0030]図６に示すとおり、分極現象は、直列の２つのＲＣブランチを用いて表示することができ、この現象による降下は、以下の等式により計算することができる。
Figure 2013122450
ＲｓｔおよびＣｓｔは第１のＲＣブランチの要素であり、電池が休止状態を保った直後の短時間の分極現象を表示し、
ＲｌｔおよびＣｌｔは、第２のＲＣブランチの要素であり、電池が休止状態を保った直後の長時間の分極現象を表示する。
[0031]したがって、等式（２）を以下のように書くことができる。
Figure 2013122450
[0032]初期の電池パラメータは、負荷を取り除いた直後の電池の反応から推定することができる。先のセクションで議論したとおり、電圧の急上昇は、電池の内部抵抗（Ｒｓ）によるもので、式（６）から推定することができる。
Figure 2013122450
[0033]図３に示すとおり、電圧の緩やかな復帰は、分極現象によるもので、式（７）で最もよくあてはまる。
ｖ（ｔ）＝ａ．ｅｂｔ＋ｃ．ｅｄｔ・・・・・（７）
[0034]電池の分極のパラメータ（Ｒｓｔ、Ｃｓｔ、ＲｌｔおよびＣｌｔ）は次の等式（７）の係数ａ、ｂ、ｃおよびｄから計算することができる。
Figure 2013122450
[0035]このプロセスは、異なる動作温度の異なる負荷に対する異なるＳｏＣレベルで繰り返すことができる。任意の回路シミュレータを用いて、回路シミュレーションにより、最適なパラメータを特定し実証することができる。新しい２８Ｖ、４０Ａｈリチウムイオン電池に関するこれらの値は以下のとおりである。
Ｒｓ＝０．０１３８８オーム
Ｒｓｔ＝０．０１３９４オーム
Ｃｓｔ＝１１０３１．２１８Ｆ
Ｒｌｔ＝０．０１５３１オーム
Ｃｌｔ＝４６６２１５４．６Ｆ
[0036]これらの電池のパラメータは、電池の使用および老化と共に変化する。これらのパラメータは、異なるシステム負荷に対する電池データを定期的にリアルタイムで監視し格納することにより、推定することができる。
[0037]本発明の実施形態により、有効期限周期（ｄｕｅ ｃｙｃｌｉｎｇ）および老化により変化する電池パラメータによる、オンラインでモデルを更新する方法もまた開示される。このために、好適なシステム負荷に対する反応を監視することにより、オンラインで電池の特性評価を行うことができる。電圧、電流および温度はこのプロセスで用いられるパラメータである。
[0038]次に、本発明の例示的な実施形態による、電池の充電状態を判定する方法５０を、図７を参照して説明する。ステップ５１で、ＯＣＶが測定され得、初期のＳｏＣが判定され得る。この時点では、電池は既に休止状態にあるため、分極は問題にはなり得ない。ステップ５２で、電池の充電／放電が開始され得、ステップ５３で、電池端子電圧、充電／放電電流、および温度が測定され得る。任意のステップ５４で、電流状態、電池の温度および老化に関して、モデルのパラメータが更新され得る。ステップ５５で、上記の等式（２）を用いてＯＣＶが計算され得る。ステップ５６で、参照テーブルまたは代数式を通してステップ５５で計算されたＯＣＶおよび温度を用いて、ＳｏＣが判定され得る。ステップ５６で、このＳｏＣが戻されてメモリ内に格納されて、ユーザ等に表示され得る。
[0039]次に、本発明の例示的な実施形態による、電池容量を判定するための方法６０を、図８を参照して説明する。ステップ６１で、ＯＣＶが測定され得。初期のＳｏＣが判定され得る。この時点では、電池は既に休止状態にあるため、分極は問題にはなり得ない。ステップ６２で、電池の充電／放電が開始され得、ステップ６３で、電池端子電圧、充電／放電電流、および温度が測定され得る。方法６０が電池の充電を行う場合、この方法６０はフローチャートの左側を進み得る。方法６０が電池の放電を行う場合、方法６０はフローチャートの右側を進み得る。任意のステップ６４で、電流状態、電池の温度および老化に関して、モデルのパラメータが更新され得る。ステップ６５で、上記の等式（２）を用いてＯＣＶが外挿され得る。ステップ６６で、推定されたＯＣＶ用いて、ＳｏＣが判定され得る。ステップ６７で、使用される充電／放電エネルギーは、ＳｏＣの変化に相関され得、フル電池容量が推定され得る。ステップ６７に関する詳しい補足説明は、米国特許第７，５７６，５４５号で見ることができ、その内容を参照することで本明細書に組み込むものとする。
[0040]次に電池のＳｏＨを判定する方法７０を、図９を参照して説明する。この方法７０は、図８を参照して、上記に説明された方法で決定された、電池の推定フル容量を用いることができる。方法７０は、電池のフル容量を時間の関数として追跡するステップ７１と、経時的な電池のフル容量の傾向分析を行って、電池の寿命の終りを予測するステップ７２と、を含むことができる。電池のフル容量がいくらかの量だけ減少すると、方法７０は、判定ポイント７３を含み、この判定ポイント７３で、電池の容量が、少なくともいくらかの量だけ減少した場合、次いで電池その寿命の終りに到達したかについての判定が行われ、そうでない場合、電池は依然良好な状態で、その使用を続けることができると決定される。
[0041]有効な電池のフル容量は、電池の寿命を判断する重要なパラメータのうちの１つとなる。上記の方法は、電池のフル容量を時間の関数として追跡し、経時的な電池のフル容量の傾向分析を行って電池の寿命の終了を予測し、電池の交換を勧めるメカニズムを含むことができる。
[0042]本発明の方法は、ａ）電池システムを使用状態から外す必要がなく、ｂ）所定の休止時間の間待つ必要がなく、ｃ）電池を減極する必要がなく、電池のＳｏＣおよびＳｏＨをリアルタイムで推定する課題に取り組むものである。
[0043]もちろん、上述した内容は例示的な本発明の実施形態に関し、以下の特許請求の範囲に記載の本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく変更を行うことが可能であることを理解されたい。
１０ 電池監視システム
１２ 電池
１４ 電源
１６ 制御可能スイッチ
１８ プログラマブル電子負荷
２０ 制御可能スイッチ
２２ 測定部
２４ 電流センサ
２６ 電圧センサ
２８ 温度センサ
３０ データ捕捉システム
３２ プロセッサ
３４ 不揮発性メモリ
３６ プロセッサ
３２ コンピュータ
３８ ディスプレイ
４０ 制御カード
５０ 電池の充電状態を判定する方法
６０ 電池容量を判定するための方法
７０ 電池のＳｏＨを判定する方法

Claims (10)

  1. 電池の充電状態(state of charge)および劣化状態(state of health)を判定するシステムであって、
    電圧センサ（２６）、電流センサ（２４）および温度センサ（２８）を有し、前記電池（１２）から測定値を得るように適合された(adapted to)測定部（２２）と、
    電源スイッチ（１６）を介して(via)、前記電池（１２）に接続する電源（１４）と、
    負荷スイッチ（２０）を介して前記電池（１２）に接続する負荷（１８）と、
    前記測定部（２２）から前記測定値を受け取るように適合されたコンピュータ（３２）であって、前記電源スイッチ（１６）および前記負荷スイッチ（２０）を開閉するように適合された制御カード（４０）を有し、電池の休止時間(rest time)を必要とすることなしに、オンラインで開回路電圧(open circuit voltage)を計算するように適合されたコンピュータ（３２）と、を含むシステム。
  2. 前記開回路電圧は、以下の等式により計算され、
    ＶＯＣ＝ＶＢＡＴ＋ΔＶＲ＋ΔＶＰ、
    ＶＢＡＴは、電池端子電圧であり、
    ΔＶＲは、電池抵抗による電圧降下であり、
    ΔＶＰは、分極現象(polarization phenomenon)による電圧降下である、請求項１に記載のシステム
  3. ΔＶＰは、以下の等式を用いて計算され、
    Figure 2013122450
     ＲｓｔおよびＣｓｔは第１のＲＣブランチ(branch)の要素であり、前記電池が休止状態(in rest)を保った直後(just after)の短時間(short time)の分極現象(polarization phenomenon)を表示し、
    ＲｌｔおよびＣｌｔは、第２のＲＣブランチの要素であり、前記電池が休止状態を保った直後の長時間(long time)の分極現象を表示する、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記測定部から前記データを集めるデータ捕捉(acquisition)システム（３０）をさらに含む、請求項２または３に記載のシステム。
  5. 参照(lookup)テーブルおよびデータを格納する不揮発性メモリ（３４）をさらに含む請求項２から４のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 電池の休止時間を必要とすることなしに、オンラインで電池開回路を判定する方法であって、
    電池（１２）を充電または放電するステップと、
    以下の等式を用いて、開回路電圧を計算し、
    ＶＯＣ＝ＶＢＡＴ＋ΔＶＲ＋ΔＶＰ、
    ＶＢＡＴは電池端子電圧であり、ΔＶＲは電池抵抗による電圧降下であり、ΔＶＰは分極現象による電圧降下である、ステップと、
    前記計算された開回路電圧および電池温度を用いて、充電状態を判定するステップと、を含む方法。
  7. 前記計算された開回路電圧および前記電池温度を用いて前記電池の前記充電状態を判定するために参照テーブルを用いる請求項６に記載の方法。
  8. 初期の休止状態の前記電池の前記開回路電圧を測定し、初期の電池充電状態を判定するステップをさらに含む請求項６または７に記載の方法。
  9. 電流、充電状態、温度、および電池老化に関する、モデルのパラメータを定期的に更新するステップをさらに含む請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. フル電池容量を得るために、充電エネルギーまたは放電エネルギーを、充電状態の変化に相関させ(correlating)、外挿する(extrapolating)ステップをさらに含む請求項６から９のいずれか一項に記載の方法。
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