JP2015522899A - 電池用途のための組み込みチップ - Google Patents
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Abstract
Description
ング(Ng)ら著、「応用エネルギー(Applied Energy)」、第86巻、2009年、p.1506〜1511
レムリンガー(Remmlinger)ら著、「ジャーナル・オブ・パワー・ソース(J.Power Sources)」、第196巻、2011年、p.5357〜5363
アンドレ(Andre)ら著、「人工知能の光学応用(Engineering Applications of Artificial Intelligence)」、第26巻、2013年、p.951〜961
リン(Lin)ら著、「産業情報に関する電気電子技術者協会紀要(IEEE Transactions on Industrial Informatics)」、9:2、2013年、p.679〜685
エダヘック(Eddahech)ら著、「電力システムおよびエネルギーシステム(Electrical Power and Energy Systems)」、第42巻、2012年、p.487〜494。
集積回路を設けるステップであって、この集積回路は:電気化学セルの複数の開回路電圧、電気化学セルを充電もしくは放電した後または電気化学セルの充電もしくは放電を停止したときに発生する複数の開回路電圧を測定する電圧監視回路、電気化学セルの複数の温度、電気化学セルを充電もしくは放電した後または電気化学セルの充電もしくは放電を停止したときに発生する複数の温度を測定する温度監視回路、および電気化学セルの熱力学パラメータを決定する回路であって、この熱力学パラメータは、電気化学セルのエントロピーの変化、電気化学セルのエンタルピーの変化および電気化学セルの自由エネルギーの変化の1つ以上であり、この熱力学パラメータを決定する回路は、温度監視回路から温度測定値を受け取るために温度監視回路と電気伝導またはデータ通信状態に置かれ、かつ、電圧監視回路から開回路電圧測定値を受け取るために電圧監視回路と電気伝導またはデータ通信状態に置かれる回路を含むステップ、
電気化学セルの複数の開回路電圧、電気化学セルの複数の温度または複数の開回路電圧と電気化学セルの複数の温度の両方を生成するステップ、および
集積回路を使用することにより電気化学セルの第1熱力学パラメータを決定するステップ。
陽極:一般的に酸化が起きる電極である。酸化は電子の喪失であり、かつ、次のように図式化することができる:Ra→Oa+nae、ここで、Raは還元型であり、かつ、Oaは陽極材料のために使用される化学種の酸化型である。陽極は、中性またはプラスに帯電している(陽イオン)またはマイナスに帯電している(陰イオン)を含んでいる。naは、Raによる陽極反応において交換された電子モルの個数である。陽極は、放電中のセルの負極である。
電解液:イオン的に伝導性の材料であり、その役割は、達成されるべき電極反応のために必要な陰イオンおよび陽イオンを供給することである。電解液は、通常、溶媒媒体および塩、酸または塩基などの溶質物質を含む。場合によっては、電解液は、セルの充電および放電の結果として組成を変える(たとえば、放電中に硫酸が消費される鉛酸電池の場合:Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O)。
放電電流(i)の密度:ゼロ電流の下で、Ui=0は開回路電圧である。これは、時間とともにSOCおよび温度により決まる平衡電圧U∞に向かう;温度;システム構成要素の劣化状態(SOH):陽極、陰極および電解液の場合、SOHは、大部分、充電/放電サイクル、過充電および過放電、および熱劣化などのシステム「履歴」により変化する。電池、燃料電池およびEDLCは直列モードで動作するので、活性構成要素(陽極、陰極および電解液)の1つのいずれかの劣化は、セルのSOHに影響を及ぼす。
負極:
SOC(全電池)=inf(SOC(an),SOC(cat),SOC(elec)) (3)
(‘inf’関数は、パラメータ群中の最低値を指す)。i(t)を得る電気化学セル技術は、以下を含むが、それらには限られない。
通常、電極またはセルの電圧を時間対比でプロットする、クロノポテンシオメトリ(chronopotentiometry)と呼ばれる技術。
電気化学セルの組成、設計、および/または実験的状態の適切な選択により、本発明の測定システムは、選択された電極(陰極または陽極)または電解液などの電気化学セルの単一の構成要素の材料の特性、SOH、熱力学的および/または材料的特性、および電気化学セルの単一の構成要素の上でまたはその中で発生する化学反応を調べることができる。かかる電気化学セルおよび測定システムの構成の選択は、本測定システムを使用して電気化学セルの単一の活性構成要素およびその化学反応に関する有益な情報(熱力学的、組成的、物理的特性等)を発生させるのに役立つ。たとえば、電気化学セルの充電状態から独立している化学ポテンシャルを有する第1電極(たとえば、対電極)を備える電気化学セルの選択により、本発明のシステムは、第2電極(たとえば、作用電極)の種々の組成および/または充電状態に関して熱力学的に安定した状態の開回路電圧の測定値を発生させることができる。たとえば、1つの実施形態では、純粋な電極材料(たとえば、リチウム、カドミウムまたは亜鉛の純粋金属電極を含む)の第1電極(たとえば、対電極)の使用が、主として第2電極(たとえば、作用電極)の充電状態、組成および/または化学反応を反映する開回路電圧測定値の取得のために有益である。しかし、より一般的には、第1および第2電極に加えて基準電極(すなわち、第3電極)を使用する本発明のシステムは、たとえば、選択された電極(たとえば、陰極または陽極)の組成および/または充電状態(SOC)の関数として、開回路電圧または熱力学パラメータの測定値を得るために使用することができる。したがって、これらの実施形態では、基準電極(すなわち、第3電極)の組み込みにより、電気化学セルの選択された電極の種々の組成、温度および化学反応に対応する熱力学的に安定した状態の開回路電圧の正確な測定を可能にする。かかるシステム構成の使用は、主として、単一の電気化学セル構成要素の化学現象、物理的特性、熱力学的現象および構造を反映する熱力学的情報およびその他の有用な情報を得るために大いに役立つ。たとえば、基準電極の使用または電気化学セルの充電状態から独立している化学ポテンシャルを有する電極の選択は、単一の電極反応に対応する熱力学状態関数(ΔH、ΔSおよびΔG)の測定を可能にする。かかる情報は、電気化学セル構成要素の構造的、熱力学的および化学的特徴付けに有用であり、かつ、電気化学セルの構成要素を評価するための試験方法および品質管理方法の基礎として役立ち得る。
表現「充電状態」または“SOC”は、電池などの電気化学セルまたはその構成要素(たとえば、電極−陰極および/または陽極)の1つの特性であり、その定格または理論的容量のパーセンテージで表されるその利用可能な容量を指す。表現「充電状態」は、任意選択的に充電の真の状態または充電の電量状態を指すことがある。電気化学セルの充電状態は、本明細書において記述される方法を含む種々の方法で測定することができる。参照により本明細書に組み込まれている以下の参考文献は、電気化学セルの充電状態を推定、計算または測定する方法を開示している:
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ング(Ng)ら著、「鉛酸電池の充電状態および劣化状態を推定する改良電量計数法(An enhanced coulomb counting method for estimating state−of−charge and state−of−health of lead−acid batteries)」INTELEC第31号、韓国、仁川、2009年
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「電流監視回路」は、電流を受け取り、かつ、電流監視回路を流れる電流の大きさまたは方向の指示を供給する回路を指す。実施形態では、電流監視回路により供給される指示は、データ指示、可視指示または電圧指示または電流指示などの電気的指示である。実施形態では、電流監視回路は、電気化学セルからの電流、たとえば、充電電流または放電電流を監視する。実施形態では、電流監視回路は、電流を連続的または周期的に監視する。
ΔG=−nFU
ここで、Uは電極の平衡電位であり、Fはファラデー数である。Li+/Li電気機械結合の場合、1個の電子が交換されるので、n=1である。
dE=σW+σQ
=−PdV+μdn+TdS
dH=dE+PdV+VdP
=μdn+TdS+VdP
ここで、μは、金属リチウム陽極対比の陰極の化学ポテンシャルであり、かつ、nは、交換されるリチウム原子の個数である。項μdnは、交換される電荷の電気的仕事量である。この検討においては、圧力Pは一定である。したがって、第3項、VdPは無視される。したがって、(6)を利用してギブス自由エネルギーは、次のように表すことができる。
dG=dH−TdS−SdT
=μdn−SdT
モル値を得るために、x=n/Nを使用する。ここでNはアボガドロ数である。化学ポテンシャルは、μ=−eUにより開回路電圧Uに関連する。ここでeは電子の電荷である。
dG=−NeUdx−SdT
=−FUdx−SdT
F=Neであるから、混合二次導関数のマクスウェルの関係を使用することにより、開回路電圧の関数としてリチウムインターカレーションの部分モルエントロピー(partial molar entropy)を得る:
[実施例]
実施例1:組み込みチップ
この例において記述される装置は、電気化学セルに埋め込まれるように設計される。任意選択的に、チップは、2〜20個の電気化学セルを含むモジュールなどの電池モジュール中、および1〜100個のモジュールを含むものなどの電池パック中に埋め込むことができる。組み込みチップは、電池の劣化状態および充電状態を評価するために、個々のセル中の電流、電圧および温度のデータを収集し、かつ、それらを有益な熱力学データに変換するように構成される。
実施形態では、本発明の装置は、電気化学セルおよび電気化学セルから電力を引き出すシステム中に組み込まれる。電気化学セルの充電または放電が停止された後に、電気化学セルが平衡または熱力学的に安定した状態に到達するまで時間がかかるであろう。一定の実施形態では、電気化学セルが平衡状態にあるときに装置が電気化学セルの開回路電圧を測定する機会を有することは、ほとんどないであろう。これらの実施形態では、電気化学セルが平衡状態に達するまで待つことなく、開回路電圧を推定する必要がある。実施形態では、電気化学セルの充電または放電が停止された後の電気化学セルの開回路電圧の変化は、指数関数減衰形状に従う。開回路電圧の指数関数減衰の1周期を監視することにより指数減衰の時定数を決定し、かつ、指数関数減衰の近づいて行く漸近値(すなわち、平衡値)を推定することができる。
4個の18650リチウムイオンセルについて2つの別々の試験を行った。第1の試験においては、制御される温度を使用して熱力学パラメータを測定した。セルの充電状態を5%増分ずつ変化させ、各充電状態において温度制御装備セルホルダ(cell holder equipped with temperature control)中において25℃から10℃に冷却する間にセルの開回路電圧を測定し、それにより各充電状態におけるセルのΔSおよびΔHの測定を可能にした。
この例は、電気化学セルの安全状態(SOS)および劣化状態(SOH)の決定の評価方法の原理について記述する。規定された充電状態(SOC)または開回路電圧(OCV)における微分エントロピーおよび微分エンタルピーを使用して電気化学セルのSOHおよびSOSを評価することができる。SOHは、セルの構成要素の経時(age)に伴う材料の劣化によるセルのエネルギー蓄積性能減衰に関係する。容量の喪失および放電電圧の低下も、電気化学セルのSOHの測定基準である。
dS(SOC)=ΔS(SOC)エージング後−ΔS(SOC)エージング前および
dH(SOC)=ΔH(SOC)エージング後−ΔH(SOC)エージング前
特にセルのSOHに関して、リチウムイオン電池(LIB)セルに対する加速エージングの効果を調べるために3つの実験を行った。第1の実験では、熱エージングによるリチウムイオンセルのエージングについて調査した。ここで、リチウムイオンセルは、2.75Vと4.2Vの間で10mA(約C/4率)により4サイクルにわたり循環させ、次にセルを4.2Vに充電してから8週までの期間にわたり60℃および70℃のオーブンに保管した。各週の終わりに、4つのセルを取り出して定電流充電および放電により試験し、かつ、熱力学測定を行った。
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US Patents 7,595,61 1 ; 7,132,832; 7,109,685; 4,295,097; 6,667, 131 ; 4,725,784; 7,227,336; 6,392,385; 6,016,047.
PCT International Application Publications WO 2007/1 17263, WO 2010/1 05062.
参照による組み込みおよび変化に関する申告
以下の参考文献は、一般的に電気化学セルの組成および機能ならび電気化学データの熱力学的分析に関係しており、かつ、参照により本明細書に全面的に含まれている:
「電池ハンドブック(Handbook of Batteries)」、デービッド・リンデン(David Linden)およびトーマス・B.レディ(Thomas B.Reddy)編集、第3版、マグローヒル(McGraw−Hill)、2002年、および
「電池技術ハンドブック(Battery Technology Handbook)」、H.A.キーン(Kiehne)編集、マーセル・デッカー社(Marcel Dekker,Inc.)、2003年。
米国特許出願第11/462,290号明細書、同第12/537,712号明細書、同第13/215,506号明細書、米国仮出願第60/705,535号明細書、同第61/159,727号明細書、同第61/639,712号明細書、同第61/260,751号明細書、同第61/376,208号明細書、同第61/556,037号明細書、同第61/726,459号明細書、同第61/536,239号明細書、米国特許第7,595,611号明細書、米国特許出願公開第2007/0182418号明細書、同第2010/0090650号明細書、同第2012/0043929号明細書。
Claims (103)
- 電気化学セルの状態を監視する装置であって、
集積回路を備え、
前記集積回路は、
前記電気化学セルの複数の開回路電圧を測定する電圧監視回路であって、前記複数の開回路電圧は、前記電気化学セルの充電もしくは放電の後にまたは前記電気化学セルの充電もしくは放電の停止の後に発生する、前記電圧監視回路と、
前記電気化学セルの複数の温度を測定する温度監視回路であって、前記複数の温度は、前記電気化学セルの充電もしくは放電の後にまたは前記電気化学セルの充電もしくは放電の停止の後に発生する、前記温度監視回路と、
前記電気化学セルの充電電流または前記電気化学セルの放電電流を測定する電流監視回路と、
前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定する回路であって、前記熱力学パラメータは、前記電気化学セルのエントロピーの変化、前記電気化学セルのエンタルピーの変化および前記電気化学セルの自由エネルギーの変化の1つ以上であり、熱力学パラメータを決定する前記回路は、前記温度監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記温度監視回路から温度測定値を受け取り、前記電圧監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記電圧監視回路から開回路電圧測定値を受け取り、かつ、前記電流監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記電流監視回路から電流測定値を受け取るか、または前記電流監視回路に熱力学パラメータを供給する、前記回路とを含む、装置。 - 前記装置が前記電気化学セルに埋め込まれるか、または前記電気化学セルの筐体に取り付けられるかもしくは筐体の中に含まれる、請求項1に記載の装置。
- 前記装置が前記電気化学セルをさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 前記装置が前記装置および1つ以上の電気化学セルを含むパッケージの構成要素である、請求項1に記載の装置。
- 前記装置が1つ以上の電気化学セルと選択的データ通信状態または選択的電気伝導状態に置かれる、請求項1に記載の装置。
- 前記装置が1つ以上の電気化学セルと切り換え可能な選択的データ通信状態または切り換え可能な電気伝導状態に置かれる、請求項1に記載の装置。
- 前記装置が前記電気化学セルの筐体の外または前記電気化学セルを含むパッケージの外に配置される、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルと熱伝達状態に置かれる温度センサをさらに含む装置であって、前記温度センサは、前記温度監視回路と電気伝導状態またはデータ通信状態にさらに置かれる、請求項1に記載の装置。
- 前記装置が前記電気化学セルの温度を制御もしくは設定する温度コントローラまたは手段を含まない、請求項1に記載の装置。
- 前記温度監視回路が前記電気化学セルの充電中または放電中の前記電気化学セルの温度を決定または監視する、請求項1に記載の装置。
- 前記温度監視回路が、前記電気化学セルが充電していないとき、または前記電気化学セルが放電していないときの前記電気化学セルの温度を決定または監視する、請求項1に記載の装置。
- 前記集積回路が前記電気化学セルの開回路電圧を決定する回路を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記集積回路が電力切り換え回路を含む、請求項12に記載の装置。
- 開回路状態を決定する回路が、前記電気化学セルが開回路電圧状態にあるときに前記電気化学セルの開回路電圧を測定する指示を前記電圧監視回路に供給するように構成される、請求項12に記載の装置。
- 開回路状態を決定する前記回路が、予め選択された期間後に前記電気化学セルの開回路電圧、温度または電流の測定を停止する指示を前記電圧監視回路、前記温度監視回路および前記電流監視回路の1つ以上に供給するように構成される、請求項12に記載の装置。
- 開回路状態を決定する前記回路が、予め選択された期間後に前記電気化学セルの開回路電圧、温度または電流を測定または再測定する指示を前記電圧監視回路、前記温度監視回路および前記電流監視回路の1つ以上に供給するように構成される、請求項12に記載の装置。
- 前記装置が自動車の構成要素であり、前記自動車のアイドリング中、停車時、駐車中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、電源投入時、加速中、もしくは減速中に前記電圧監視回路が前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧を測定するか、前記自動車のアイドリング中、停車時、駐車中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、電源投入時、加速中、もしくは減速中に前記温度監視回路が前記電気化学セルの前記複数の温度を測定するか、または前記自動車のアイドリング中、停車時、駐車中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、電源投入時、加速中、もしくは減速中に前記電圧監視回路が前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧を測定し、かつ、前記温度監視回路が前記電気化学セルの前記複数の温度を測定する、請求項1に記載の装置。
- 前記自動車のアイドリング中、停車時、駐車中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、電源投入時、加速中、または減速中に前記電気化学セルの開回路電圧の変化が発生する、請求項17に記載の装置。
- 前記自動車のアイドリング中、停車時、駐車中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中または電源投入断時、電源投入中、電源投入時、加速中、または減速中に前記電気化学セルの温度の変化が発生する、請求項17に記載の装置。
- 前記自動車のアイドリング、前記自動車の停車、前記自動車の駐車、前記自動車の電源遮断時、前記自動車の電源投入時、前記自動車の加速、および前記自動車の減速の1つ以上の間またはそれらの後に前記電気化学セルの前記複数の温度が測定される、請求項17に記載の装置。
- 前記自動車のアイドリング、前記自動車の停車、前記自動車の駐車、前記自動車の電源遮断時、前記自動車の電源投入時、前記自動車の加速、および前記自動車の減速の1つ以上の間またはそれらの後に前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧が測定される、請求項17に記載の装置。
- 前記装置が携帯電子装置の構成要素であり、前記携帯電子装置のアイドリング中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、もしくは電源投入時に前記電圧監視回路が前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧を測定するか、前記携帯電子装置のアイドリング中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、もしくは電源投入時に前記温度監視回路が前記電気化学セルの前記複数の温度を測定するか、または前記携帯電子装置のアイドリング中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、もしくは電源投入時に前記電圧監視回路が前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧を測定し、かつ、前記温度監視回路が前記電気化学セルの前記複数の温度を測定する、請求項1に記載の装置。
- 前記携帯電子装置のアイドリング中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、または電源投入時に前記電気化学セルの開回路電圧の変化が発生する、請求項22に記載の装置。
- 前記携帯電子装置のアイドリング中、電源遮断中、電源遮断時、電源投入中、または電源投入時に前記電気化学セルの温度の変化が発生する、請求項22に記載の装置。
- 前記携帯電子装置のアイドリング、前記携帯電子装置の電源遮断時、前記携帯電子装置の電源投入時の1つ以上の間またはそれらの後に前記電気化学セルの前記複数の温度が測定される、請求項22に記載の装置。
- 前記携帯電子装置のアイドリング、前記携帯電子装置の電源遮断時、前記携帯電子装置の電源投入時の1つ以上の間またはそれらの後に前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧が測定される、請求項22に記載の装置。
- 前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧および前記電気化学セルの前記複数の温度の1つ以上を使用して前記電気化学セルの前記熱力学パラメータが決定される、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの第1開回路電圧および前記電気化学セルの前記第1開回路電圧と異なる前記電気化学セルの第2開回路電圧を使用して前記電気化学セルの前記熱力学パラメータが決定される、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの第1開回路電圧および前記電気化学セルの充電または放電後に前記電気化学セルの第2開回路電圧を使用して前記電気化学セルの前記熱力学パラメータが決定される、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの第1温度および前記電気化学セルの前記第1温度と異なる前記電気化学セルの第2温度を使用して前記電気化学セルの前記熱力学パラメータが決定される、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの第1温度および前記電気化学セルが前記第1温度から冷却した後の前記電気化学セルの第2温度を使用して前記電気化学セルの前記熱力学パラメータが決定される、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの第1温度および前記電気化学セルが充電または放電により加熱された後の前記電気化学セルの第2温度を使用して前記電気化学セルの前記熱力学パラメータが決定される、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの開回路電圧を測定することにより自由エネルギーの前記変化が決定される、請求項1に記載の装置。
- 複数の温度における前記電気化学セルの開回路電圧を測定することによりエンタルピーの前記変化が決定される、請求項1に記載の装置。
- 開回路電圧測定値対温度測定値の直線回帰の切片を計算することによりエンタルピーの前記変化が決定される、請求項1に記載の装置。
- 複数の温度における前記電気化学セルの開回路電圧を測定することによりエントロピーの前記変化が決定される、請求項1に記載の装置。
- 開回路電圧測定値対温度測定値の直線回帰の傾斜を計算することによりエントロピーの前記変化が決定される、請求項1に記載の装置。
- 前記集積回路が前記電気化学セルの充電状態を決定する充電状態計算回路を含む装置であって、前記充電状態計算回路は、前記電流監視回路から電流測定値を受け取り、かつ、熱力学パラメータを決定する前記回路から前記電気化学セルの熱力学パラメータを受け取る、請求項1に記載の装置。
- 前記充電状態が第1値の第2値に対する比を指す装置であって、前記第1値は前記電気化学セル中の残存電荷の正味量であり、かつ、前記第2値は前記電気化学セルの定格充電容量もしくは前記電気化学セルの理論的容量であるか、または、前記第1値は前記電気化学セルを前記電気化学セルの定格充電容量もしくは前記電気化学セルの理論的容量まで充電するために必要な電荷の正味量であり、かつ、前記第2値は前記電気化学セルの前記定格充電容量もしくは前記電気化学セルの理論的充電容量である、請求項38に記載の装置。
- 前記充電状態計算回路が前記電流監視回路を含む、請求項38に記載の装置。
- 前記充電状態計算回路が、受け取った電流測定値に基づいて前記電気化学セルの電量充電状態を決定する、請求項38に記載の装置。
- 前記充電状態計算回路が、受け取った熱力学パラメータに基づいて前記電気化学セルの真の充電状態を決定する、請求項38に記載の装置。
- 前記充電状態計算回路が、参照テーブルを使用して、前記受け取った熱力学パラメータに基づいて前記電気化学セルの真の充電状態を決定する、請求項42に記載の装置。
- 前記集積回路が、前記電気化学セルが制御された状態の下で充電されているときに前記電気化学セルを監視し、かつ、前記電気化学セルが制御された状態の下で充電されているときに参照テーブルの入力を更新する装置であって、前記参照テーブルは、前記電気化学セルの充電状態、前記電気化学セルの開回路電圧および前記電気化学セルの熱力学パラメータの入力を含む、請求項38に記載の装置。
- 前記電圧監視回路が、前記電気化学セルが充電中でないときまたは前記電気化学セルが放電中でないときに、前記電気化学セルの開回路電圧を決定する、請求項1に記載の装置。
- 前記電圧監視回路が、前記電気化学セルの充電または放電が停止された後に、前記電気化学セルの開回路電圧を決定する、請求項1に記載の装置。
- 前記電圧監視回路が、前記電気化学セルの熱力学的に安定している状態の前記電気化学セルの開回路電圧を決定する、請求項1に記載の装置。
- 前記電圧監視回路が、前記電気化学セルの熱力学的に安定していない状態の前記電気化学セルの開回路電圧を決定する、請求項1に記載の装置。
- 前記電圧監視回路が、前記電気化学セルの前記熱力学的に安定していない状態の前記電気化学セルの前記開回路電圧に基づいて前記電気化学セルの熱力学的に安定している状態の前記電気化学セルの開回路電圧を決定または推定する、請求項48に記載の装置。
- 前記集積回路が1つ以上の電気化学セルの状態を監視するように構成される装置であって、前記状態は、熱力学パラメータ、劣化状態、安全状態およびサイクル数の1つ以上である、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定する前記回路が、前記電気化学セルの劣化状態、前記電気化学セルの安全状態および前記電気化学セルのサイクル数の1つ以上をさらに決定する、請求項1に記載の装置。
- 前記集積回路が、前記電気化学セルの劣化状態、前記電気化学セルの安全状態および前記電気化学セルのサイクル数の1つ以上を決定する回路をさらに含む、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの前記状態が、前記電気化学セルの熱力学パラメータ、前記電気化学セルの充電状態、前記電気化学セルの劣化状態、前記電気化学セルの安全状態および前記電気化学セルのサイクル数の1つ以上である、請求項1に記載の装置。
- 前記劣化状態が、前記電気化学セルの第1充電状態におけるピーク電力減退の、前記電気化学セルが製造された直後の前記第1充電状態における前記電気化学セルの基準ピーク電力減退に対する比を示す、請求項53に記載の装置。
- 前記安全状態が、前記電気化学セルが熱暴走を起こす確率を示す、請求項53に記載の装置。
- 前記サイクル数が、前記電気化学セルの経験した充電または放電のサイクルの回数を示す、請求項53に記載の装置。
- 前記装置が、前記電気化学セルのエントロピー、エントロピーの変化または微分エントロピーを決定し、かつ、前記電気化学セルの前記エントロピー、エントロピーの変化または微分エントロピーを基準エントロピー、エントロピーの基準変化または基準微分エントロピーと比較し、かつ、決定されたエントロピー、エントロピーの変化または微分エントロピーが前記基準エントロピー、エントロピーの基準変化または基準微分エントロピーと異なる場合に前記電気化学セルの充電または放電を停止する、請求項1に記載の装置。
- 前記装置が前記電気化学セルの温度を決定し、かつ、前記決定された温度を基準温度と比較し、かつ、前記決定された温度が前記基準温度より高い場合に前記電気化学セルの充電または放電を停止する、請求項57に記載の装置。
- 前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定する前記回路が、フィールドプログラマブルゲートアレイを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定する前記回路が、特定用途向け集積回路を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記集積回路が、フィールドプログラマブルゲートアレイを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記集積回路が特定用途向け集積回路を含む、請求項1に記載の装置。
- 電気化学セルの状態を決定する方法であって
集積回路を設けることであって、前記集積回路が、
前記電気化学セルの複数の開回路電圧を測定する電圧監視回路であって、前記複数の開回路電圧は、前記電気化学セルの充電もしくは放電の後にまたは前記電気化学セルの充電もしくは放電の停止の後に発生する、前記電圧監視回路、
前記電気化学セルの複数の温度を測定する温度監視回路であって、前記複数の温度は、前記電気化学セルの充電もしくは放電の後にまたは前記電気化学セルの充電もしくは放電の停止の後に発生する、前記温度監視回路、
前記電気化学セルの充電電流または前記電気化学セルの放電電流を測定する電流監視回路、および
前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定する回路であって、熱力学パラメータは、前記電気化学セルのエントロピーの変化、前記電気化学セルのエンタルピーの変化および前記電気化学セルの自由エネルギーの変化の1つ以上であり、熱力学パラメータを決定する前記回路は、前記温度監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記温度監視回路から温度測定値を受け取り、前記電圧監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記電圧監視回路から開回路電圧測定値を受け取り、かつ、前記電流監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記電流監視回路から電流測定値を受け取るか、または前記電流監視回路に熱力学パラメータを供給する、前記回路を含む、前記集積回路を設けること、
前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧、前記電気化学セルの前記複数の温度、または前記電気化学セルの前記複数の開回路電圧と前記電気化学セルの前記複数の温度の両方を発生させること、
前記集積回路を使用して前記電気化学セルの第1熱力学パラメータを決定することを備える、方法。 - 前記発生させることは、前記電気化学セルを充電または放電することを含み、
前記電気化学セルの温度が前記充電中もしくは放電中に変化するか、前記電気化学セルの開回路電圧が前記充電中もしくは放電中に変化するか、または前記電気化学セルの温度と前記電気化学セルの開回路電圧の両方が前記充電中もしくは放電中に変化する、請求項63に記載の方法。 - 前記発生させることは、前記電気化学セルの充電もしくは放電を停止することを含み、
前記電気化学セルの温度が前記電気化学セルの充電もしくは放電を停止した後に変化するか、前記電気化学セルの開回路電圧が前記電気化学セルの充電もしくは放電を停止した後に変化するか、または前記電気化学セルの温度と前記電気化学セルの開回路電圧の両方が前記充電もしくは前記放電を停止した後に変化する、請求項63に記載の方法。 - 前記方法は、
前記第1熱力学パラメータを基準電気化学セルの1つ以上の基準熱力学パラメータと比較することをさらに備え、
前記基準電気化学セルのセル化学は前記電気化学セルのセル化学と同じである、請求項63に記載の方法。 - 前記第1熱力学パラメータを決定することは、第1開回路電圧における前記電気化学セルのエントロピーの変化を決定することを含む、請求項66に記載の方法。
- 前記集積回路を使用して前記電気化学セルの第2熱力学パラメータを決定することをさらに備える、請求項66に記載の方法。
- 前記第2熱力学パラメータを基準電気化学セルの1つ以上の基準熱力学パラメータと比較することをさらに備える、請求項68に記載の方法。
- 前記第2熱力学パラメータを決定することは、第2開回路電圧における前記電気化学セルのエントロピーの変化を決定することを含む、請求項68に記載の方法。
- 前記第1熱力学パラメータを1つ以上の基準熱力学パラメータと比較することは、基準熱力学パラメータの配列中または基準熱力学パラメータの参照テーブル中の点間を内挿することを含む、請求項66に記載の方法。
- 前記第1熱力学パラメータを1つ以上の基準熱力学パラメータと比較することは、前記比較に基づいて前記電気化学セルの状態を決定することを含む、請求項66に記載の方法。
- 前記電気化学セルの第1熱力学パラメータを決定することは、
前記電気化学セルを第1開回路電圧値まで充電または放電すること、
前記充電または放電を停止すること、
前記集積回路を使用して前記電気化学セルの開回路電圧を時間の関数として測定すること、
前記集積回路を使用して前記電気化学セルの温度を時間の関数として測定することを含む、請求項66に記載の方法。 - 前記電気化学セルの第1熱力学パラメータを決定することは、開回路電圧測定値対温度測定値の直線回帰を計算することをさらに含む、請求項73に記載の方法。
- 前記電気化学セルの測定された開回路電圧が前記電気化学セルの自由エネルギーの変化の値を提供し、
直線回帰の切片が前記電気化学セルのエンタルピーの変化の値を提供し、
前記直線回帰の傾斜が前記電気化学セルのエントロピーの変化の値を提供する、請求項73に記載の方法。 - 前記方法が、温度コントローラ、ヒータ、冷却器またはこれらの組み合わせを使用して前記電気化学セルの温度を制御することを含まない、請求項73に記載の方法。
- 電気化学セルの状態を決定する方法であって、
基準電気化学セルの熱力学パラメータ値および前記基準電気化学セルのセル状態値を含む基準値配列を作成すること、
前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定すること、
前記基準値配列を使用して前記電気化学セルの前記状態を決定することであって、前記電気化学セルの前記状態は、前記電気化学セルの決定された熱力学パラメータに等しい基準熱力学パラメータ値の前記基準電気化学セルのセル状態に対応することを備える、方法。 - 前記値配列が前記基準電気化学セルの開回路電圧値をさらに含む、請求項77に記載の方法。
- 前記値配列が2つ以上の開回路電圧、2つ以上の前記開回路電圧値のそれぞれの複数の熱力学パラメータ値、ならびに2つ以上の前記開回路電圧値のそれぞれおよび前記複数の熱力学パラメータ値の1つ以上のセル状態値を含む、請求項77に記載の方法。
- 前記電気化学セルの前記状態を決定することは、前記値配列の値間を内挿することを含む、請求項77に記載の方法。
- 前記電気化学セルの前記状態が、前記電気化学セルの劣化状態、前記電気化学セルの充電状態、前記電気化学セルの安全状態および前記電気化学セルのサイクル数の1つ以上である、請求項77に記載の方法。
- 前記セル状態値が、前記基準電気化学セルの劣化状態、前記基準電気化学セルの充電状態、前記基準電気化学セルの安全状態および前記基準電気化学セルのサイクル数の1つ以上である、請求項77に記載の方法。
- 前記値配列が、2つ以上の開回路電圧における前記基準電気化学セルのエントロピーの変化値を含む、請求項77に記載の方法。
- 前記基準電気化学セルの前記熱力学パラメータ値が、
前記基準電気化学セルの組成を制御して複数の基準電気化学セル組成を設定すること、
前記基準電気化学セルの温度を制御して前記複数の基準電気化学セル組成のそれぞれの複数の電気化学セル組成を設定すること、
前記複数の基準電気化学セル組成のそれぞれおよび基準電気化学セル温度の前記基準電気化学セルの開回路電圧を測定すること
を含む方法により取得される、請求項77に記載の方法。 - 前記基準電気化学セルの前記熱力学パラメータ値が、
前記基準電気化学セルの開回路電圧測定値対前記基準電気化学セルの温度測定値の線形回帰を計算することをさらに含む方法により取得される、請求項84に記載の方法。 - 前記基準電気化学セルの測定された開回路電圧が前記基準電気化学セルの自由エネルギーの変化値を提供し、
前記線形回帰の切片が前記基準電気化学セルのエンタルピーの変化値を提供し、
前記線形回帰の傾斜が前記基準電気化学セルのエントロピーの変化値を提供する、請求項85に記載の方法。 - 前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定することは、
前記電気化学セルを第1開回路電圧値まで充電または放電すること、
前記充電または放電を停止すること、
前記電気化学セルの開回路電圧を時間の関数として測定すること、
前記電気化学セルの温度を時間の関数として測定することを含む、請求項77に記載の方法。 - 前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定することは、
前記電気化学セルの開回路電圧測定値対前記電気化学セルの温度測定値の線形回帰を計算することをさらに含む、請求項87に記載の方法。 - 前記電気化学セルの測定された開回路電圧が前記電気化学セルの自由エネルギーの変化値を提供し、
前記線形回帰の切片が前記電気化学セルのエンタルピーの変化値を提供し、
前記線形回帰の傾斜が前記電気化学セルのエントロピーの変化値を提供する、請求項88に記載の方法。 - 前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定することは、
前記電気化学セルの複数の開回路電圧を測定する電圧監視回路であって、前記複数の開回路電圧は、前記電気化学セルの充電もしくは放電の後にまたは前記電気化学セルの充電もしくは放電の停止の後に発生する、前記電圧監視回路と、
前記電気化学セルの複数の温度を測定する温度監視回路であって、前記複数の温度は、前記電気化学セルの充電もしくは放電の後にまたは前記電気化学セルの充電もしくは放電の停止の後に発生する、前記温度監視回路と、
前記電気化学セルの充電電流または前記電気化学セルの放電電流を測定する電流監視回路と、
前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定する回路であって、前記熱力学パラメータは、前記電気化学セルのエントロピーの変化、前記電気化学セルのエンタルピーの変化および前記電気化学セルの自由エネルギーの変化の1つ以上であり、熱力学パラメータを決定する前記回路は、前記温度監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記温度監視回路から温度測定値を受け取り、前記電圧監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記電圧監視回路から開回路電圧測定値を受け取り、かつ、前記電流監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記電流監視回路から電流測定値を受け取るか、または前記電流監視回路に熱力学パラメータを供給する、前記回路とを含む集積回路を使用して行われる、請求項77に記載の方法。 - 前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定することは、温度コントローラ、ヒータ、冷却装置またはこれらの組み合わせを使用して前記電気化学セルの温度を制御することを含まない、請求項77に記載の方法。
- 前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定することは、前記電気化学セルの複数の開回路電圧、前記電気化学セルの複数の温度または前記電気化学セルの複数の開回路電圧と前記電気化学セルの複数の温度の両方を発生させることを含む、請求項77に記載の方法。
- 前記発生させることは、前記電気化学セルを充電もしくは放電することを含み、
前記電気化学セルの温度が前記充電中もしくは放電中に変化するか、前記電気化学セルの開回路電圧が充電中もしくは放電中に変化するか、または前記電気化学セルの温度と前記電気化学セルの開回路電圧の両方が前記充電中もしくは放電中に変化する、請求項92に記載の方法。 - 前記発生させることは、前記電気化学セルの充電もしくは放電を停止することを含み、
前記電気化学セルの温度が前記充電もしくは前記放電を停止した後に変化するか、前記電気化学セルの開回路電圧が前記充電もしくは前記放電を停止した後に変化するか、または前記電気化学セルの温度と前記電気化学セルの開回路電圧の両方が前記充電もしくは前記放電を停止した後に変化する、請求項92に記載の方法。 - 方法であって、
電気化学セルを設けること、
前記電気化学セルのエントロピーを監視するエントロピー監視回路を設けることであって、前記エントロピー監視回路は、前記電気化学セルと電気伝導状態に置かれる、前記エントロピー監視回路を設けること、
前記エントロピー監視回路を使用して前記電気化学セルのエントロピーを決定すること、
前記電気化学セルの決定されたエントロピーを基準エントロピーと比較すること、
前記電気化学セルの前記決定されたエントロピーが前記基準エントロピーと異なる場合に前記電気化学セルの充電または放電を停止することを備える、方法。 - 前記基準エントロピーが、予め選択された安全状態、予め選択された充電状態、予め選択された劣化状態またはこれらの組み合わせを有する基準電気化学セルのエントロピーである、請求項95に記載の方法。
- 前記停止することは、
前記電気化学セルの電極との電気接続中のスイッチ、継電器またはトランジスタを起動し、これにより前記電気化学セルの充電または放電を停止することを含む、請求項95に記載の方法。 - 前記電気化学セルの温度を監視すること、
前記電気化学セルの前記温度を基準温度と比較すること、
前記電気化学セルの前記温度が前記基準温度より高い場合に前記電気化学セルの充電または放電を停止することをさらに備える請求項95に記載の方法。 - 前記基準温度が、予め選択された安全状態、予め選択された充電状態、予め選択された劣化状態またはこれらの組み合わせを有する基準電気化学セルの温度である、請求項98に記載の方法。
- 前記停止することは、前記電気化学セルの電極との電気接続中のスイッチ、継電器またはトランジスタを起動し、これにより前記電気化学セルの充電または放電を停止することを含む、請求項98に記載の方法。
- 前記決定することは、前記電気化学セルのエントロピーの変化を決定することを含み、
前記比較することは、前記電気化学セルのエントロピーの前記変化をエントロピーの基準変化と比較することを含み、
前記停止することは、前記電気化学セルのエントロピーの前記決定された変化がエントロピーの前記基準変化より大きい場合に前記電気化学セルの充電または放電を停止することを含む、請求項95に記載の方法。 - 前記決定することは、前記電気化学セルの微分エントロピーを決定することを含み、
前記比較することは、前記電気化学セルの微分エントロピーを基準微分エントロピーと比較することを含み、
前記停止することは、前記電気化学セルの前記決定された微分エントロピーが前記基準微分エントロピーより大きい場合に前記電気化学セルの充電または放電を停止することを含む、請求項95に記載の方法。 - 前記エントロピー監視回路が、
前記電気化学セルの複数の開回路電圧を測定する電圧監視回路であって、前記複数の開回路電圧は、前記電気化学セルの充電もしくは放電の後にまたは前記電気化学セルの充電もしくは放電の停止の後に発生する、前記電圧監視回路と、
前記電気化学セルの複数の温度を測定する温度監視回路であって、前記複数の温度は、前記電気化学セルの充電もしくは放電の後にまたは前記電気化学セルの充電もしくは放電の停止の後に発生する、前記温度監視回路と、
前記電気化学セルの充電電流または前記電気化学セルの放電電流を測定する電流監視回路と、
前記電気化学セルの熱力学パラメータを決定する回路であって、熱力学パラメータは、前記電気化学セルのエントロピーの変化、前記電気化学セルのエンタルピーの変化および前記電気化学セルの自由エネルギーの変化の1つ以上であり、熱力学パラメータを決定する前記回路は、前記温度監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記温度監視回路から温度測定値を受け取り、前記電圧監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記電圧監視回路から開回路電圧測定値を受け取り、かつ、前記電流監視回路と電気伝導状態もしくはデータ通信状態に置かれて前記電流監視回路から電流測定値を受け取るか、または前記電流監視回路に熱力学パラメータを供給する、前記回路とを含む集積回路を含む、請求項95に記載の方法。
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