JP2016184573A - 電池管理のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電池の過熱から他のシステムへの発火を引き起こすことを回避するシステムを提供する。【解決手段】システムは、電池１０２への電力を制御する。予備電力ユニット３１０は、電力管理ユニット（セル均等化ユニット１１２）及び電池に接続される。電力管理ユニットは、予備電力ユニットに過剰電荷を蓄積し、電池の充電状態が、既定のパーセンテージよりも少ない場合に、蓄積された電荷を電池へと振り向ける。【選択図】図３

Description

システム及び方法は、電池及び／または電池のセルの動作、例えばリチウムイオン電池の安全限界内での動作を管理することに関する。

新電池技術が、航空宇宙及び自動車の用途に関して大きな進歩をし始めている。これらの電池の安全性は手の込んだものであり得、電池が故障した場合には過熱という結果につながり得る。このような安全性の懸念に対応するためには、活性度がより低い正極材量を用いた電池化学の新たな改良、熱的に安定した新しい電解質溶媒、及び改良されたセパレータ被覆材が実装され得る。熱暴走によって電池の過熱から他のシステムの発火を引き起こすことを回避するために、収納装置のような付加的な解決策が実装され得る。しかし、収納装置を用いることで重量が増加する上、過熱の問題は解決されない。

一形態によると、システム及び方法は電池への電力を制御することができる。予備電力ユニットは、電力管理ユニット及び電池に接続されることができる。電力管理ユニットは、予備電力ユニットに過剰電荷を蓄積し、既定のパーセンテージよりも少なくしか電池が充電されなかった場合に、蓄積された電荷を電池へと振り向ける。

別の形態によると、電池の電圧、電流及び温度が、システム及び方法によってプロセッサを用いてモニターされる。電池のリアルタイムの動作及び電池のバーチャルな動作に基づいて、電池の健全性が決定される。電池の動作限界は、電池の健全性に基づいて設定される。

他のシステム、方法、特徴、及び利点は、下記の図面及び詳細な説明を精査することにより明らかであるか、または明らかになる。こうした付加的なシステム、方法、特徴、及び利点は全て、この説明中に含まれ、且つ添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。

下記の詳細な説明に関連して添付の図面が参照されるが、種々の図面において、類似の参照番号が同じ要素を表すことがある。

適応的に電池を管理するための、システムの一例のブロック図である。 マルチループの充電パワーモジュールの一例の、回路図である。 セル均等化ユニットの一例の、回路図である。 セル均等化ユニットの一実施例の、ブロック図である。 スケーラブルな電池セルの設計の一例の、ブロック図である。 スケーラブルなモジュールの一実施例の、ブロック図である。 セル均等化アルゴリズムの一例の、フローチャートである。 モデルベースの適応的アルゴリズムの一例の、フローチャートである。 統合型電池健全性管理システム（ＩＢＨＭ）のアルゴリズムの一例の、ブロック図である。

現存の電池システムは、一定で、変化する環境及び用法に適応しない、閾値パラメータには適応していない。電池の経年に応じて、セルは劣化する。これによって、不均一な電荷が生み出され、エネルギー貯蔵容量が低減し、電圧が低下し得る。現存の電池システムはまた、モデルベースではない。過酷な動作環境においては、予測能力を実証することができない。現存のシステムでは、電池の寿命を管理するのに不活性物理モデル（ｉｎａｃｔｉｖｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ）パラメータが用いられる。したがって、電池の健全性はバーチャルモデルと同期させることはできない。

適応的なモデルベースの電池管理システム及び方法（システムと総称する）は、電池の性能及び健全性をモニターする。システムは、能動的温度管理及び火災防止のシステムによって、短絡の検出及び防止を提供することができる。システムは、過酷な環境を含むいかなるタイプの環境においても、電池の正確な健全性を予測することができる。適応的電池管理システムには、電池が、いかなる環境でも安全な動作仕様の中で使用されることを確保するための、能動的クローズドループシステムが含まれ得る。電池管理システムの適応的制御は、各セルを均等化し、各セルが充電または放電の最大限状態を超えないようにモニターすることによって達成され得る。充電モードにおいては、過剰電荷は予備セルに蓄積され得る。放電モードにおいては、予備セルに蓄積された電荷は、脆弱な電池セル、例えば所定の量（例えば満充電のうちの所定のパーセンテージ）よりも少なくしか充電されていない電池セルへと振り向けられ得る。電池管理システムは、基本設計を用いながら低電圧から高電圧まで適用できるスケーラブル性を増強するために、モジュラー式であり得る。本手法は、複数の冗長性によって信頼性を増加することにつながり得る。

予測可能で、適応的で、制御をするアルゴリズムが、電池の安全な動作のために使用され得る。システムは、モデルベースのバーチャルなセルを電池動作の番人として用いることによって、電池の安全な動作環境を提供することができる。システムは、リアルとバーチャルの２つのタイプの動作を利用することができる。リアルタイムの動作は、任意のタイプの環境条件における電池の動作である。これらの動作は、温度、電圧、電流その他をリアルタイムでモニターすることである。温度制御ユニットは、動作温度の限界を確立し、電池の充電率及び放電率を能動的に制御する。電池のバーチャルな動作は、リアルタイムの動作と平行して実施され得る。これらの結果は、電池の健全性を予測するため、データや偏差の分析用に相互に関連付けられる。これによって、電池の健全性の実際の状況が提供される。この電池のバーチャルな動作が、モデルベースの健全性の標準である。確立された動作閾値限界を持つバーチャルモデルの出力によって、安全な動作条件が提供され、電池の使用が最適化される。

図１は、電池１０２を適応的に管理する例示のシステム１００、例えば電池管理システム（ＢＭＳ）のブロック図である。電池１０２の性能と健全性を制御及びモニターするため、システム１００は、充電パワーモジュール１０４、電力管理システム（ＰＭＵ）１０６、温度管理ユニット（ＴＭＵ）１０８、気体管理ユニット（ＧＭＵ）１１０、及び／またはセル均等化ユニット１１２の中の１つまたはそれ以上を含み得る。以下でより詳細に記載されるように、セル均等化ユニット１１２は、回生エネルギーストレージ及びシリアル通信バスと接続し得る。電池１０２の管理のために使われる構成要素は、これより多くても少なくても良い。電力バス１１４は、電池１０２を充電パワーモジュール１０４及びセル均等化ユニット１１２に接続することができる。通信バス１１６は、電池１０２をＰＭＵ１０６、ＴＭＵ１０８及びＧＭＵ１１０に接続することができる。

ＴＭＵ１０８は、安全な電池動作温度をモニターする受動的温度制御ユニットを含み得る。温度が設定された最高動作温度の閾値に到達した場合、ＴＭＵ１０８は、電池均等化ユニット１１２と協働して、電池１０２の充電または放電を停止する。充電率及び放電率は、予測可能制御アルゴリズムと協働して、電池１０２が最高温度を超過するのを防ぐために動的に設定され得る。ＴＭＵ１０８は、要件のセットに応じて、能動的な機能を有し得る。加熱器及び、あるタイプの能動的加熱または冷却を実装することができる。これらの機能は実装される際、電池１０２及び電池１０２内の各セルが電池の最高及び最低温度を超過することを防止するため、システム１００の残りの機能と結合される。

電池１０２の他の保護手段が使い果たされた場合、例えば急速過ぎる内部短絡が起こって電池が過熱し、熱暴走が発生した場合、ＧＭＵ１１０が作動され得る。こうした反応は、電池１０２の排気エレメントを急に作動させるために使われるＧＭＵ１１０を始動させ得る。生成された酸素の量及び増大した圧力がモニターされ得、制御不能な熱暴走を示す閾値の限界に到達した場合、圧力を軽減し増大した気体をビークル外部につながった開口を通じて逸らすために排気バルブが開けられる。幾つかの例においては、電池１０２の内部を窒素で満たし、それによって熱暴走反応を消火する能動的システムが実装され得る。

充電パワーモジュール１０４は、電池１０２の充電を制御する。充電パワーモジュール１０４は、システム電源から電力を引き出し、設定された充電電流を電池１０２に供給することができる。高電力を適用するため、ＰＭＵ１０６はスケーラブルであり得る。充電パワーモジュール１０４、及びＰＭＵ１０６は、高充電電流を引き出すため、共に積み上げられ得る。充電パワーモジュール１０４の制御は、充電パワーモジュール１０４を安全な動作温度、負荷電流及び充電電流の範囲内でモニター及び制御するための複数のフィードバックパラメータを用いて、ＰＭＵ１０６との協働によって達成され得る。一例においては、複数のＰＭＵ１０６は、充電電流のそれぞれの取り分を伝送し、電池１０２への充電電流の正しい量を決定するために、例えばＰＭＵ１０６同士の間でマスター、スレーブ型の関係を実行するようなアルゴリズムを用いて同期され得る。

図２は、マルチループの充電パワーモジュール１０４の一例の、回路図である。充電パワーモジュール１０４は、（全てがスイッチ３２２及び３２４を用いて接続または優先順位決めされ得る）負荷ＬＤ１からＬＤｎまでと接続する、電池１０２の充電を制御するためのＰＭＵ１０６の、サブシステムとして実装され得る。充電パワーモジュール１０４は、図示されるように多種のトランジスタ、スイッチ、コンデンサ、及び抵抗に接続された、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００、温度センサ２０２、及び制御ループモジュール２０４を含むことができる。供給電流２０６及び供給電圧２０８は、それぞれＲＩ＿ｓｅｎｓｅ、Ｉ＿ｓｅｎｓｅ（＋）、Ｉ＿ｓｅｎｓｅ（−）、及びＶ＿ｓｕｐｐｌｙ＿ｓｅｎｓｅを用いて決定され得る。

充電パワーモジュール１０４は、電池１０２に対して定電流／定電圧充電特性を提供し、（任意の所望の電池フロート電圧をプログラムし得るように）フロート電圧のフィードバック基準値を採用することができる。以下でさらに記載されるように、制御ループモジュール２０４は、負荷（ＬＤ）電圧調整ループ、充電電流調整ループ２１２、電池スタック調整ループ２１４及び温度調整ループ２１６の中から、１つまたはそれ以上を含むことができる。例えば、充電電流調整ループ２１２は、入力電圧（ＶＩＮ）がプログラムされた閾値レベルよりも下に下がった場合、充電電流を減少させることによって入力電圧（ＶＩＮ）を調整することができる。他の機能には、抵抗器にプログラム可能なフロート電圧の上昇、広い入力電圧範囲、スケーラブルなモジュール及びスケーラブルな充電電流、統合型入力逆電圧保護、終了選択機能、並びにフロート電圧基準値の正確性、が含まれ得る。

マルチパス制御の発電のため、充電パワーモジュール１０４は、外部補償された多数のパワーユニットをフル機能の電池充電器に変換する、高電圧、高性能のコントローラとして実装されることができる。充電パワーモジュール１０４は、電池１０２を適切かつ安全に充電するようにセットするため、負荷電圧、充電電流、スタック均等化モニター、温度及び供給電流といった、マルチ制御パラメータを結合させる。機能には、高精度の電流停止、温度センサ２０２を用いた温度制限充電、自動再充電、深放電したセルのＣ／１０によるトリクル充電、不良電池の検出、及びステータスインジケータの出力が含まれ得る。充電パワーモジュール１０４はまた、高電流の適用に対してより低い感知電圧を可能にし、より損失の少ない逆電流保護、過電流及び過電圧保護を提供する、正確な電流の感知も取り入れている。充電パワーモジュール１０４は、過度に放電した電池や短絡で故障した電池に接続された場合でも即時に下流システム電源を提供する、瞬時オン機能を促進し得る。充電パワーモジュール１０４はまた、トリクル充電を事前に調整し、不良電池を検出し、終了スキームの選択を提供し、自動再スタートを提供することもできる。

図３は、セル均等化ユニット１１２の一例の回路図である。セル均等化ユニット１１２は、例えばセル１（３００）からセル８（３０７）までといった個別のセルの電荷を均等化させる、電池１０２の一部であり得る。使用されるセルの数は、他の数であっても良い。セル３００〜３０７には、図示されているように、各種の抵抗器、コンデンサ、スイッチ、ダイオード及び変圧器などが含まれ得る。能動的な均等化によって、ミスマッチ状態の電池のスタックの中で容量が回復することが可能になる。任意の選択されたセル３０１〜３０７からの電荷は、近隣のセル同士の間で、または予備セル／パワーユニット３１０へ、高効率で伝送され得る。予備セル／パワーユニット３１０は、１または複数の電池、セル、スーパーコンデンサ、はずみ車などを含み得る。予備セル／パワーユニット３１０は、充電フライバックコンバータ３１２及び放電フライバックコンバータ３１４を経由してセル３００〜３０７に接続し得る。フライバックコンバータ３１２はそれぞれ、高電圧の電池スタックを能動的に均等化し、セル３００〜３０７と予備セル／パワーユニット３１０との間で調整及び電圧の変換を提供するように設計された、モノリシックのフライバックＤＣ／ＤＣコンバータを含み得る。スイッチングレギュレータの高効率によって、発熱を低減しながら、達成可能な均等化電流が増大し得る。充電モードにおいては、過剰電荷は予備セル／パワーユニット３１０に蓄積され得る。放電モードにおいては、予備セル／パワーユニット３１０に蓄積された電荷は、脆弱な電池セルへと振り向けられ得る。

予備セル／パワーユニット３１０は、脆弱なセルにとって、信頼性を増強するための外部回生エネルギー源として動作し得る。セル均等化ユニット１１２はまた、予備セル／パワーユニット３１０と負荷ＬＤ１〜ＬＤｎとの接続を入／切するためのスイッチ３２０も含み得る。スイッチ３２２、３２４は、それぞれセル３００〜３０７と負荷ＬＤ１〜ＬＤｎとの接続を入／切することができる。スイッチ３２６は、充電パワーモジュール１０４とセル３００〜３０７との接続を入／切することができる。ツェナーダイオード抵抗保護回路３３０〜３３７は、外部の短絡の間にそれぞれセル３００〜３０７をバイパスするため、または例えば開回路などのデッドセル（ｄｅａｄ ｃｅｌｌ）をバイパスするために使われ得る。バイパス用ツェナーダイオードは、不良セル３００〜３０７をバイパスするためにツェナーダイオードを用いて、電池１０２の継続的な充電／放電を提供することができる。絶縁変圧器３４０〜３４７は、セル３００〜３０７とセル均等化ユニット１１２との間の絶縁を提供し得る。

図４は、セル均等化ユニット１１２の一実施例のブロック図である。電池１０２は、直列に接続された複数のセル３００〜３０７を含み得る。この結果、充電電流はセル３００〜３０７の全てに関して同じである。１または複数のセルの充電容量が低下した場合、セル３００〜３０７に過充電若しくは過熱が起き得、または熱暴走に帰着し得る。その結果、電池１０２の爆発及び発火が起こり得る。放電の間にセル３００〜３０７が不均等である場合、脆弱なセルは放電サイクルの終了前に放電閾値に到達する。結果として、負極の電位が逆転され、リチウムの析出に帰着する。時間の経過と共に、（析出した）小板（ｐｌａｔｅｌｅｔｓ）がセパレータを穿孔し得、これによって短絡が生じる。

セル均等化ユニット１１２を伴うことで、マルチセル電池スタックの能動的均等化をする、変圧器ベースの双方向要素３１２のための故障保護されたコントローラが実現され得る。例えば図３に示すように、関連付けられたゲート駆動回路、高精度電流センサ、不具合検知回路、及び内蔵型ウォッチドッグタイマーを備える、ロバスト（ｒｏｂｕｓｔ）なシリアルインターフェースが組み込まれ得る。レベルシフトに対応したシリアルインターフェースによって、オプトカプラまたは絶縁器なしに、複数のコントローラが直列に接続されることができる。これによって、直列に長く接続された一連の電池１０２の中のセル３００〜３０７の全てを均等化することができる。

セル均等化ユニット１１２は、電池１０２の充電及び放電の間、各セル３００〜３０７が正しい量の電荷で動作するのを確保するのを助ける。脆弱なセル（例えばセル３００〜３０７のうちの１つまたは複数）が残りのセルよりも速く充電された場合、脆弱なセルへの過充電電流は受動エレメントに振り向けられ、他の電池及び／または予備セル／パワーユニット３１０へと振り向けられる。一方で、脆弱なセルが残りのセルよりも速く放電する場合は、放電電流は他の電池及び／または予備セル／パワーユニット３１０から引き出され得る。この均等化は、セル３００〜３０７の全てが所定の最大充電／放電レベルの閾値に達するまで継続される。こうして、電池パック内の電池１０２は、一例では約９９．５パーセントの信頼性を達成し得る。示されたパーセンテージは、例示の目的のためだけのものである。

図５は、スケーラブルな電池セルの設計の一例のブロック図である。セル３００、３０１、３００（ｎ）、３００（ｎ−１）などは、モジュールまたは電池１０２を形成する際、直列、並列、直並列接続といった様々なセルの構成において、図５に示すようにスケーラブルである。セル３００、３０１、３００（ｎ）、３００（ｎ−１）の構成には、セル均等化ユニット１１２（１）、１１２（２）、１１２（ｎ−１）、１１２（ｎ）、充電パワーモジュール１０４（１）〜１０４（ｎ）、及びローカルプロセッサ５００を含む、スケーラブルな直列エレメントが用いられ得る。以下でより詳細に記載されるように、プロセッサ５００への入力には、負荷要求、優先順位タグ、及び充電／放電タイムラインが含まれる。以下でより詳細に記載されるように、プロセッサ５００からの出力には、標準動作条件（ＳＯＣ）、健全性（ＳＯＨ）、残存エネルギー及び残存容量が含まれる。

一般的なセル均等化回路は、Ｎ個のセルを直列に、例えば、ただ充電パワーモジュール１０４（１）〜１０４（ｎ−１）の性能によってのみ限定されて、配置されることを可能にする。一般的な充電器回路は、スケーラブルな電圧及び電流レベルを可能にする。シリアル周辺機器インターフェース（ＳＰＩ）は、ＲＳ２３２または他の通信といった、スマートでスケーラブルな直列インターフェースユニットの間のシリアルなデータ接続５０２と共に、物理的なシリアルインターフェースも提供する。ＳＰＩバスは、マスター充電パワーモジュール１０４（ｎ）として機能しながら、ローカルプロセッサ５００及び、１または複数のスレーブ充電パワーモジュール１０４（１）と共に動作することができる。

複数のスレーブ装置があることにより、マスター充電パワーモジュール１０４（ｎ）から各スレーブ充電パワーモジュール１０４（１）へ、独立したＳＳ信号が使用され得る。スレーブ装置は、該装置が選択されていないときにＭＩＳＯ信号が高インピーダンス（論理的に接続切断）になるように、３ステートの出力を有し得る。３ステートの出力を有しない装置は、他の装置とＳＰＩバスセグメントを共有することができない。例えば、マスターと通信できるのは１つのスレーブだけであり、そのチップの選択だけが作動され得る。通信を開始するため、バスマスターは最初に、スレーブ装置がサポートする最大周波数以下の周波数を用いて時計を設定する。そうした周波数は、典型的には数ＭＨｚまでである。マスターは次いで、チップ選択ラインを超えて所望のチップに論理０を送信する。論理０が送信されるのは、チップ選択ラインがアクティブローである、すなわちオフ状態が論理１だからである。オンは、論理０でアサートされる。待機期間が用いられる場合、例えばアナログ−デジタル変換の場合、マスターはクロックサイクルを発し始める前に少なくともその期間は待機する。

各ＳＰＩクロックサイクルの間、データの完全な二重送信が生じる。マスターはＭＯＳＩライン上にビットを送信し、スレーブは当該ラインからビットを読み取る。スレーブはＭＩＳＯライン上にビットを送信し、マスターは当該ラインからビットを読み取る。全ての送信で、これら４つの動作全てが意味を持つことが必要とされる訳ではない。通常、送信には、例えば８ビットといった所与の語長の２つのシフトレジスタが含まれる。１つはマスターにあり、１つはスレーブにあり、それらは１つのリングに接続されている。データは通常、最も重要なビットから最初にシフトアウトされ、新規の最も重要でないビットが、同じレジスタにシフトされる。該レジスタがシフトアウトされ終わると、マスターとスレーブはレジスタ値を交換し終える。すると各装置はその値を取って、動作（例えばその値をメモリに書き込む）を実行する。交換すべきさらなるデータがある場合、シフトレジスタには新たなデータがロードされ、該プロセスが繰り返される。

送信には、幾らかのクロックサイクルがかかり得る。送信するデータがもうこれ以上ない場合は、マスターはクロックのトグルを停止しスレーブの選択を解除することができる。送信には８ビットの単語を含むことができ、マスターは必要に応じて複数のこうした送信を開始できる。しかし、テキサス・インスツルメンツのＴＳＣ２１０１のようなタッチスクリーンコントローラ若しくはオーディオコーデックの場合の１６ビット単語、または、多数のデジタル−アナログ若しくはアナログ−デジタルコンバータの場合の１２ビット単語といった、他の単語長もまた使用し得る。

図６は、スケーラブルなモジュール６００（１）〜６００（ｎ）の一実施例の、ブロック図である。モジュール６００（１）〜６００（ｎ）は、高電圧電池１０２を形成するため、直列、並列、直並列接続といった様々なモジュールの構成において、スケーラブルである。各モジュールはＳＰＩインターフェース、即ち物理的相互接続とシリアルデータリンク６０２による通信の両方を有し得る。例えば、各モジュールは、共通データリンク６０２、例えばＲＳ−２３２通信を共有するために、接続され得る。共通インターフェースによって、Ｎ個の電池モジュール６００（１）〜６００（ｎ）が直列及び／または並列に配置されることが可能になる。充電パワーモジュール１０４（１）〜１０４（ｎ）の同期によって、ｎ個の電池モジュール６００（１）〜６００（ｎ）が可能になる。

図７は、セル均等化アルゴリズムの一例の、フローチャートである。セル均等化アルゴリズムは、シミュレーションデータを電池１０２のリアルタイムデータと相互関連させるための、システム１００の幾つかのアルゴリズムのうちの１つであり得る。システム１００が電池１０２の状態を制御及びモニターする間に、電池１０２の様々なパラメータ（例えば温度、圧力、電圧、及び電流）を含む電池１０２のリアルタイムの情報は、独立してモニターされ得る。システムのリアルタイムの部分は、標準動作条件、健全性、安全閾値パラメータ、及び電池１０２の充電／放電もまた、パラメータを使って独立して決定し得る。

セル均等化アルゴリズムは、各セル３００〜３０７などの充電及び放電の制御を達成する。サブシステムの残りの部分に関連して、セル３００〜３０７は、適応的なアルゴリズムのサブシステムによって設定された速さ及び最大標準動作条件（ＳＯＣ）の閾値で充電される。セル均等化アルゴリズムによって、セル３００〜３０７が正常に動作しているか範囲外で動作しているかを決定する（７００）ため、電池調整をチェックすることができる。セル３００〜３０７が範囲外の場合、セル均等化アルゴリズムは、それが標準動作条件（ＳＯＣ）なのかどうかを決定する（７０２）。標準動作条件（ＳＯＣ）ではない場合、セル３００〜３０７への電力は停止される（７０４）。セル３００〜３０７が正常に動作している場合、セル均等化アルゴリズムは、セルが充電中であるか放電中であるかを決定する（７０６）。

セル３００〜３０７の充電中、セル均等化アルゴリズムは充電状態（ＳｏＣ）を決定する（７０８）。充電状態（ＳｏＣ）が範囲内の場合、セル３００〜３０７の電圧がチェックされる（７１０）。セル３００〜３０７の電圧が範囲内の場合、セル均等化アルゴリズムはセル３００〜３０７の充電を継続する（７１２）。１または複数のセル３００〜３０７の電圧が限界に達した場合、あるいは充電状態（ＳｏＣ）が限界に達した場合、セルの構成、例えば単一のセル／並列セルか、または直列で接続されているセルかに応じて（７１４）、セル均等化アルゴリズムは充電を終了させる（７１６）か、またはセルの均等性をチェックする（７１８）。直列に構成されたセル３００〜３０７が均等化している場合（７１８）、セル均等化アルゴリズムは充電を終了させる（７１６）。

直列に構成されたセル３００〜３０７が均等化していない場合（７１８）、セル均等化アルゴリズムは、電圧（Ｖｏｕｔ）を制限し、過剰電荷をセル３００〜３０７のスタック及び／または個別のセルに送ることができる（７２０）。これは、セルが均等化するまで、例えば標準動作条件（ＳＯＣ）に従って、直列の全てのセルに対して繰り返され得る。標準動作条件（ＳＯＣ）の閾値に到達した場合、セル３００〜３０７は、セルへの充電電流を一時停止し、セルパック、外部抵抗、外部予備セル、または任意のタイプのエネルギー蓄積エレメント（例えば予備セル／パワーユニット３１０）に振り向けることができる。外部エレメントまたは予備サプライが電流を放電するという部分を除いて、本プロセスは、放電の際にもまた実行することができる。

放電モードにおいては、セル３００〜３０７の放電は、範囲内であるか最大レベルであるか、例えば標準動作条件（ＳＯＣ）に従っているか、チェックされる（７３０）。範囲内の場合、セル均等化アルゴリズムは、セル３００〜３０７の電圧が範囲内であるか最低であるかをチェックすることができる（７３２）。範囲内の場合、セル均等化アルゴリズムはセル３００〜３０７に放電を継続させることができる。１または複数のセル３００〜３０７の電圧が最小限度に達した場合、あるいは放電深度（ＤＯＤ）が限界に達した場合、セルの構成、例えばシングルセル／パラレルセルか、または直列で接続されているセルかに応じて（７３６）、セル均等化アルゴリズムは放電を終了させる（７３８）か、またはセルの均等性をチェックする（７４０）。直列に構成されたセル３００〜３０７が均等化している場合（７４０）、セル均等化アルゴリズムは放電を終了させる（７３８）。それ以外の場合、セル均等化アルゴリズムは、電圧（Ｖｏｕｔ）を制限し、セルのスタック及び／または個別のセルから充電することができる。これは、標準動作条件（ＳＯＣ）が均等化するまで、直列の全てのセルに対して繰り返され得る。

電圧、電流及び温度のリアルタイムのモニタリング（７４４）と同時に、マルチ物理学派生モデル（ｍｕｌｔｉ−ｐｈｙｓｉｃｓ−ｄｅｒｉｖｅｄ ｍｏｄｅｌｓ)のオフライン処理（７４６）が動作され得る。これらのモデルは、リアルタイム処理の現存の動作環境に適合し、制御及び動作のパラメータを記憶する。電圧、電流、温度及び圧力は、標準動作条件（ＳＯＣ）及び他の健全性パラメータ及び閾値を決定する一方で、動的仮想メモリに記憶され得る。例えば図５及び６に示される、ローカルプロセッサ５００は、データの処理を制御することができる。リアルタイムのデータ及びシミュレートされたデータは、統計的に正確な予測及び将来のデータのトレンドの確立のため、共に相互に関連づけられる。それらは例えば、充電維持能力、故障時期の決定、突然の電池故障の予測、並びに、容量、経年変化、標準動作条件（ＳＯＣ）、健全性（ＳＯＨ）、寿命状態（ＳＯＬ）、残存エネルギー、及び残存容量を含むパラメータの更新である。結果として得られる制御パラメータは、安全且つ信頼性の高い電池動作を確保するための、リアルタイムシステムの制御及び閾値パラメータの更新に使用され得る。

図８は、モデルベースの適応的アルゴリズムの一例のフローチャートである。適応的な制御による電源管理には、差し迫った電池故障への前方視的アルゴリズム、及び、壊滅的な故障を遅らせ防止するための対策が含まれ得る。モデルベースのアルゴリズムは、リアルタイムのデータ及びシミュレートされたデータの両方のデータ処理を達成するため、他のサブシステムと組み合わせて作用することができる。プロセスは、リアルタイムシステム１００の動作及び閾値のパラメータを更新することができ、健全性（デッドセル、脆弱なセル、など）や標準動作条件（ＳＯＣ）、発熱、温度変化、最大充電率／最大放電率を特性評価することもできる。適応的なアルゴリズムはまた、電池の残存する寿命状態（ＳＯＬ）を予測することもできる。

適応的なアルゴリズムは、例えば電圧、電流、率、及び温度（８００）といったモニターされたデータを使用し得る。データは、以下に記載される（Ａ）からの更新と共に、ＳＯＣ、ＳＯＨ、及びＳＯＬの誘導／推測アルゴリズム内に投入され得る（８０２）。誘導／推測アルゴリズムは、現在のデータを出力する。現在のデータ（８０４）には、特性評価された性質、例えばＳＯＨ（デッドセル、脆弱なセル、充電電流に関する情報）、容量、最大放電量、最高充電率、発熱、温度変化、などが含まれ得る（８０６）。適応的なアルゴリズムは、特性評価された性質を含めて、現在のデータ（８０４）を過去のデータ（８１０）と比較し得る（８０８）。変化がない場合、適応的なアルゴリズムはデータを関連付けるなどの必要なしに継続する。現在のデータ（８０４）と過去のデータ（８１０）とで変化があった場合には、例えば、現在のデータと過去のデータとの相違や、予測されたデータとパラメータとの相違を決定するため、適応的なアルゴリズムによってデータが相互に関連付けられる（８１４）。こうして、適応的なアルゴリズムは、例えば、理論や単なるロジックではなく、むしろ観察や経験に基づくか、それらに関連するか、またはそれらによって実証可能な、実証的モデルとして実行され得る。

適応的アルゴリズムはまた、電圧、温度及び充電電流の限界を再調整し、カルマンフィルタの変数（例えば電圧、電流及び温度）を再調整するための処理の最適化を実行することができる（８１６）。適応的アルゴリズムは、将来の参照用に過去のデータを更新する（８１８）。適応的アルゴリズムは、誘導／推測アルゴリズム（８０２）に入力するため、例えば現在のデータ（８０４）を決定するため、出力パラメータを更新し（８２０）、例えば電池１０２の予測された寿命といったタイムラインを更新する（８２２）。

図９は、統合型電池健全性管理システム（ＩＢＨＭ）のアルゴリズムの一例のブロック図である。ＩＢＨＭは、図１のＰＭＵ１０６に組み込まれ得るか、または個別のユニットとして実装され得る。ＩＢＨＭアルゴリズムは、上記のモデルベースのアルゴリズム及びシステムと組み合わされて、電池１０２の現在の及び予測された特性値を見つけ得る。ＩＢＨＭは、更新された電池１０２の健全性を記憶し得、残存寿命を予測し得、電池１０２の動作／制御パラメータを更新する。健全性には、例えば電池１０２が新品か、寿命の中間にあるか、寿命終期にあるかなど、電池１０２の性能が含まれ得る。一例においては、ＰＭＵ１０６は、電池１０２の健全性に基づいて電池１０２を動作させ得る。例えば、電池の動作閾値は、健全性に基づいて調整され得る。ＩＢＨＭは、また、電池１０２の適正なメンテナンスまたは交換の情報を記憶／推奨することもできる。

ＩＢＨＭアルゴリズムは、例えば電圧、電流、率、及び温度といった入力信号を受信（９００）し得る。ＩＢＨＭは、例えばアナログフィルタリング及び／またはアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換によって、入力信号を条件付け（９０２）し得る。ＩＢＨＭは、例えば、デジタルフィルタリング、データ変換、閾値処理、割合（温度変化に対する電圧変化の割合、及び／または電流変化に対する電圧変化の割合）、及び／または、電圧、電流、率及び温度の関数として充電状態（ＳｏＣ）を決定することを通じて、信号を処理する（９０４）ことができる。条件付けされ処理された入力値は、例えば多変量統計手法、拡張カルマンフィルタ、及び／またはベイズ推定といったデータ融合モデル（９０６）に送られ得る。データ融合モデルの一部として、ＢＤＳ数理モデル、ＢＤＳ条件標準（ＳＯＣ）表（ＢＤＳ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔａｂｌｅｓ）、並びに、電圧、電流、温度、率及び経年変化の関数としてのＳｏＣを含む、オフライン処理の情報（９０８）も入力され得る。導き出されるＳｏＣは、フィルタリングされた電圧、電流及び温度の測定値から決定され得る。拡張カルマンフィルタによって、実際の測定値の良好な推定及び、不完全でノイズの多いデータの説明が提供され得る。ベイズ推定は、ＳＯＣ限界、時間プラス１（ｔ＋１）、（ｔ＋２）、・・・（ｔ＋ｎ）閾値、及び温度のより良い推定値を得るため、ＳｏＣ、電流、電圧（Ｖｏｃ）、率及び温度の予備知識を融合することができる。

出力前処理には、閾値処理及び限界外機能分析（９１０）を含み得る。次いで、ＩＢＨＭは、出力変数Ｖｏｃ、ＳｏＣ、ＳＯＣ、ＳＯＨ及びＳＯＬ（９１２）を決定し得る。ＩＢＨＭはまた、諸信号を元にして寿命終了閾値を決定するための診断モジュール（９１４）を含み得る。寿命終了閾値は、出力変数の一部であり得る。

システム１００の利点には、より高度な安全性及び信頼性、製造業者の仕様の範囲内でより高度な信頼性及び安全な動作を提供するシステム１００、健全性のモニタリング及び予測の能力、セル／モジュールへの種々の安全機構及び対策の包含、及び／または電池のより良い利用が含まれ得る。システム１００は、より広い健全性（ＳｏＣ）の範囲で、例えば電池の化学的特性及び顧客要求に特有のＳｏＣの範囲で、電池１０２を動作させ得る。

上記のシステム及び方法は、多くの異なる方法で、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたは任意のそれらの組み合わせによる多くの異なる組み合わせによって、実行され得る。一例においては、システム及び方法は、プロセッサ及びメモリを用いて実行され得る。メモリは指示を記憶し、指示は、プロセッサによって実行される際にプロセッサにシステム及び方法を実施させる。プロセッサは、限定するものではないが例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、グラフィックプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、または他のプロセッサといった、任意のタイプの回路を意味し得る。プロセッサはまた、個別の論理若しくは構成要素でも、または、単一の集積回路に組み合わされた、若しくは複数の集積回路に分散された、他のタイプのアナログ若しくはデジタルの回路の組み合わせでも、実装され得る。上記の論理の全部または一部は、プロセッサ、コントローラまたは他の処理装置によって実行される指示として実装され得、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、またはコンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤＲＯＭ）といった他の機械可読媒体、または磁気若しくは光ディスクといった、有形のまたは非一過性の機械可読またはコンピュータ可読媒体の中に記憶され得る。例えばコンピュータプログラム製品といった製品は、記憶媒体及び媒体に記憶されたコンピュータ可読指示を含み得る。該コンピュータ可読指示は、エンドポイント、コンピュータシステム、または他の装置によって実行されたときには、上記の任意の記載に従って装置に動作を実施させる。メモリは、１若しくはそれ以上のハードドライブ、及び／または、フロッピーディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、ＤＶＤ、フラッシュメモリキー、及び他の取り外し可能媒体といった取外し可能媒体を扱う１若しくはそれ以上のドライブを伴って実装され得る。

システムの処理能力は、例えば（オプションで複数の分散された処理システムを含む）複数のプロセッサ及びメモリといった、複数のシステム構成要素によって分散され得る。パラメータ、データベース、及び他のデータ構造は、個別に記憶及び管理され得、単一のメモリまたはデータベースに組み込まれ得、多数の異なる方法で論理的及び物理的に組織化され得、並びに、例えばリンクされたリスト、ハッシュ表または暗黙の記憶メカニズムといったデータ構造を含めて、多数の方法で実装され得る。プログラムは、単一のプログラムの一部（例えばサブルーチン）であるか、別々のプログラムであるか、幾つかのメモリ及びプロセッサにわたって分散されるか、または例えばライブラリ、例えば共有ライブラリ（例えば動的リンクライブラリ（ＤＬＬ））といった多数の異なる方法で実行され得る。ＤＬＬは、例えば、上記を処理する任意のシステムを実施するコードを記憶し得る。

更に、本発明は下記の条項による実施形態を含む。

条項１
電池、
電池への電力を制御する、電池に接続された電力管理ユニット、
電力管理ユニット及び電池に接続された予備電力ユニットであって、電力管理ユニットが過剰電荷を予備電力ユニットに蓄積し、電池が所定のパーセンテージよりも少ない量しか充電されないときに、蓄積された電荷を電池に振り向ける予備電力ユニット
を備えるシステム。

条項２
電力管理ユニットが所定の閾値の限界内で電池を動作させる、条項１に記載のシステム。

条項３
閾値の限界が、所定の負荷に関する電力及び電流のうちの少なくとも１つを含む、条項２に記載のシステム。

条項４
電力管理ユニットが電池の健全性を決定する、条項１に記載のシステム。

条項５
電池の健全性が新品の電池、寿命の中間にある電池、及び寿命終期にある電池を含む、条項４に記載のシステム。

条項６
電力管理ユニットが電池の健全性に基づいて閾値の限界を調整する、条項４に記載のシステム。

条項７
電力管理ユニットが、リアルタイムのデータとシミュレートされたデータとの比較によって電池の状態を予測する、条項１に記載のシステム。

条項８
電池と予備電力ユニットとの間に接続された絶縁変圧器をさらに備える、条項１に記載のシステム。

条項９
電池のセルに接続され、不良セルをバイパスするツェナーダイオードをさらに備える、条項１に記載のシステム。

条項１０
不良セルが充電時または放電時に電池に対して開回路を備える、条項９に記載のシステム。

条項１１
電力管理ユニットが電池の寿命を予測する、条項１に記載のシステム。

条項１２
電力管理ユニットが電池のメンテナンスを推奨する、条項１に記載のシステム。

条項１３
電力管理ユニットに接続された温度管理ユニットをさらに備え、温度管理ユニットが電池の温度をモニターし、電池が所定の限界の外で動作しているときには電池の充電または放電を停止する、条項１に記載のシステム。

条項１４
電力管理ユニットに接続された気体管理ユニットをさらに備え、気体管理ユニットが電池の周囲の気体の圧力をモニターし、気体または圧力が所定の限界の外のときには弁を開けて圧力を軽減し気体を逃がす、条項１に記載のシステム。

条項１５
電池及び予備電力ユニットに接続され、電池のセルの充電を均等化するセル均等化ユニットをさらに備える、条項１に記載のシステム。

条項１６
プロセッサを用いて電池の電圧、電流及び温度をモニターすること、
電池のリアルタイムの動作及び電池のバーチャルな動作に基づいて電池の健全性を決定すること、並びに
電池の健全性に基づいて電池の動作限界を設定すること
を含む、方法。

条項１７
過剰電荷を予備電力ユニットに送り、貯蔵された電荷を予備電力ユニットから、所定のパーセンテージよりも少ない量だけ充電された電池に振り向けることをさらに含む、条項１６に記載の方法。

条項１８
電池の寿命を予測することをさらに含む、条項１６に記載の方法。

条項１９
電池のメンテナンスを推奨することをさらに含む、条項１６に記載の方法。

条項２０
電池のセルの充電を均等化させることをさらに含む、条項１６に記載の方法。

上記の説明及び添付図面内に提示された教示の恩恵を受ける当業者には、本書に明記された実施形態の多数の修正例、及び他の実行形態が想起されよう。本書では具体的な用語が用いられているが、それらは、一般的且つ説明的な意味でのみ使用されており、限定を目的とするものではない。

Claims (15)

1. 電池（１０２）、
   前記電池（１０２）への電力を制御する、前記電池（１０２）に接続された電力管理ユニット（１０６）、
   前記電力管理ユニット（１０６）及び前記電池（１０２）に接続された予備電力ユニット（３１０）であって、前記電力管理ユニット（１０６）が過剰電荷を前記予備電力ユニット（３１０）に蓄積し、前記電池（１０２）が所定のパーセンテージよりも少ない量しか充電されないときに、蓄積された電荷を前記電池（１０２）に振り向ける予備電力ユニット（３１０）
   を備えるシステム。
2. 前記電力管理ユニット（１０６）が所定の閾値の限界内で前記電池を動作させる、請求項１に記載のシステム。
3. 前記閾値の限界が、所定の負荷に関する電力及び電流のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記電力管理ユニット（１０６）が前記電池（１０２）の健全性を決定する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記電池（１０２）の前記健全性が新品の電池、寿命の中間にある電池、及び寿命終期にある電池を含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記電力管理ユニット（１０６）が前記電池（１０２）の前記健全性に基づいて閾値の限界を調整する、請求項４に記載のシステム。
7. 前記電力管理ユニットが、リアルタイムのデータとシミュレートされたデータとの比較によって前記電池（１０２）の状態を予測する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記電池（１０２）と前記予備電力ユニット（３１０）との間に接続された絶縁変圧器（３４０〜３４７）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記電池（１０２）のセルに接続され、不良セルをバイパスするツェナーダイオード（３３０〜３３７）をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
10. 前記不良セルが充電時または放電時に前記電池に対して開回路を備える、請求項９に記載のシステム。
11. 前記電力管理ユニット（１０６）が前記電池（１０２）の寿命を予測する、請求項１に記載のシステム。
12. 前記電力管理ユニット（１０６）が前記電池（１０２）のメンテナンスを推奨する、請求項１に記載のシステム。
13. 前記電力管理ユニット（１０６）に接続された温度管理ユニット（１０８）をさらに備え、前記温度管理ユニット（１０８）が前記電池（１０２）の温度をモニターし、前記電池（１０２）が所定の限界の外で動作しているときには前記電池（１０２）の充電または放電を停止する、請求項１に記載のシステム。
14. 前記電力管理ユニット（１０６）に接続された気体管理ユニット（１１０）をさらに備え、前記気体管理ユニット（１１０）が前記電池（１０２）の周囲の気体の圧力をモニターし、気体または圧力が所定の限度の外のときには弁を開けて圧力を軽減し前記気体を逃がす、請求項１に記載のシステム。
15. プロセッサ（７４４）を用いて電池（１０２）の電圧、電流及び温度をモニターすること、
    前記電池（１０２）のリアルタイムの動作及び前記電池のバーチャルな動作に基づいて前記電池の健全性（７４６）を決定すること、
    前記電池（１０２）の前記健全性（７４６）に基づいて前記電池（１０２）の動作限界（７２０、７４２）を設定すること
    を含む、方法。

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