JP2018524792A - リチウムイオン電池の安全性監視 - Google Patents

Abstract

充電式リチウムイオン電池（ＬＩＢ）の安全性を監視するための方法及びシステム。ＬＩＢの初期電気状態が、時間変動応答を誘発するために、ＤＣ電気刺激の印加または除去によって、決定され、変更される。ＬＩＢの時間変動応答が測定され、測定された応答の関数形式と関連する少なくとも１つの一次応答パラメータが抽出される。少なくとも１つの二次応答パラメータは、一次応答パラメータから導出される。複合応答パラメータは、一次応答パラメータ及び二次応答パラメータからさらに導出され得る。短絡前駆状態の尤度は、一次応答パラメータ、二次応答パラメータ、及び／または複合応答パラメータに従って決定される。決定された尤度に基づいて、潜在的な短絡誘導危険の警報が提供されてもよく、及び／または短絡誘導危険を緩和するまたは防止するための是正措置が実装されてもよい。

Description

本発明は、一般に電池及び消費者の安全性に関し、詳細には、リチウムイオン電池の安全性を監視するための診断ツールに関する。

リチウムイオン電池（ＬＩＢ：Ｌｉ−ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｙ）は、民生用電子製品において一般的に使用される充電式電池の一種である。ＬＩＢの正電極（カソード）は、典型的に、リチウム層間化合物を含み、負電極（アノード）は、リチウムイオンが充電時に正電極から負電極に流れ、放電時に逆方向に流れるように、黒鉛で作製される。ＬＩＢは、他の種類の充電式電池に対して非常に高いエネルギー密度、例えば、いくつかのニッケル水素セルのものよりも２倍超のエネルギー密度によって特徴付けられる。ＬＩＢは、その高い出力密度、広範囲の温度にわたる良好な性能、及び低い自己放電率に対しても高く評価される。また、ＬＩＢは、液体有機電解質及びポリマー電解質の両方を有するばかりでなく、種々のセル設計及び構成（例えば、プリズム型、円筒型、フラット、コイン、またはポーチ設計）での使用にかなり適応可能である。

しかしながら、ＬＩＢは、時折発火する傾向があるという点で、重大な欠点もある。これらの火災は、典型的に、潜在する欠陥及び／または動作上の欠陥の蓄積から発生し得る内部短絡によって引き起こされる。潜在する欠陥は、汚染物質または製造不備、例えばアノードとカソード、またはそれらのそれぞれのコレクタ間で発生し得る接点の存在を伴い得る。動作上の欠陥は、例えば、使用中、ＬＩＢ中のリチウム金属めっき（またはリチウムめっき自体）によって引き起こされるリチウムデンドライトの成長、銅めっき（または銅めっき自体）によって引き起こされる銅デンドライトの成長、ならびにアノード及びカソードが物理的接触する機会をつくる、物理的または熱応力により、セパレータ中に形成される裂け目またはホールを含み得る。ＬＩＢセル中の短絡は、劣化及び環境効果、例えば物理的衝撃（例えば、落下または振動）、温度の大きな変動、衝撃などの結果としても生じ得る。短絡は、セル中の電池化学物質における連鎖反応を誘発する場合があり、セル中の急速な温度増加及びそれに伴う圧力の増大をもたらし、セルを破裂または燃焼させる。熱は、その後、他の電池セルにカスケードし得、電池全体を爆発または炎上させる。

短絡が発生すると、内部ＬＩＢセル温度は、わずか数秒で危険レベルに上昇する場合があり、それによって、熱暴走及びそれに伴う燃焼を誘導する。ＬＩＢは、他の種類の電池と比較して、より反応性であり、耐熱性が乏しいため、それらは、ある特定の条件、例えば高温動作（例えば、８０℃超）または過充電（例えば、低温での高率充電）において、熱暴走の影響をより受けやすい。高温において、カソード分解は、電池セル中の有機材料（例えば、可燃性有機溶媒電解質及び炭素アノード）と発熱的に反応する酸素を生成する。高発熱連鎖反応は、極めて急速であり、熱暴走を誘導し、わずか数秒で過剰な温度及び圧力（例えば、７００℃〜１０００℃及び約５００ｐｓｉ）に達し得る。連鎖反応が始まると、それを効果的に停止することはできず、そのため、まず第１にこの連鎖反応が開始するのを防ぐことが、身体への障害及び物品損害を防止するために、ならびに電池動作を維持するために重要である。

簡略化して述べれば、ＬＩＢセル中の内部発生した初期の不良または欠陥は、短絡を誘発する場合があり、それにより、加熱及びその後の発熱連鎖反応を導き、熱暴走及び最終的に燃焼／爆発をもたらす。

過剰に高い電圧もしくは低温での充電及び／または急速過ぎる充電は、アノード上のリチウムデンドライトの形成をもたらす場合があり、それは、短絡を導く場合がある（セパレータ及びカソード接点のデンドライトの浸透ならびに／または電極の機械的応力によって）。反対に、低過ぎる電圧での放電は、銅デンドライトの成長を促す場合があり（すなわち、銅がアノード電流コレクタ中に存在する場合）、それはまた、短絡を引き起こす場合がある。高い環境温度からのセル加熱、急速な充電、高負荷放電、及び電池パッケージ中の隣接するセル間の近接はすべて、熱暴走への尤度を増大する要因である。

このため、重大な安全上の危険は、ラップトップ及び携帯電話から電気／ハイブリッド車両及び航空機に及ぶ、広範なＬＩＢを含有するデバイス及び構成要素によって提起され、毎年危険な事態が報告され、多数の製品リコールが行われている。このような事態のリスクは、セル及び電池パッケージの性能及びサイズに対する要求が増加し、それらのエネルギー密度がより大きくなり、ＬＩＢが追加の商用製品においてより一般的になり、公衆への露出がより大きくなるにつれて、増加している。ＬＩＢセルの燃焼は、いかなる従来の警告なく、通常の使用下でさえ起こることがあり、場合によっては、破滅的な意味合いを有し得る。結果として、多くの製造業者は、完全にＬＩＢの使用を回避し、例えば、電気自動車及びハイブリッド自動車のかなりの部分が、今日、その多くの利点にもかかわらず、ＬＩＢによって電力供給されていない。

現在利用可能な電池診断ツールは、本質的に、特定のセルパラメータを受動的に検出するまたは監視する反応システムであり、事前に潜在的な危険を識別する際に、したがって、ＬＩＢセルが発火するのを防止する際に効果的でなくてもよい（または不十分に効果的）。既存の診断手法は、一般に、セルまたは電池の定常動作電流及び電圧、ときには抵抗及び／またはインピーダンス、ならびにおそらくは温度をも測定する。ある特定の方法は、開路モードに対するＬＩＢ充電／放電電流を急速に遮断し（例えば、セル電圧のほぼ瞬間的な変化を捕捉するための数十マイクロ秒の短期間）、その後、充電／放電を再開して、セル容量、オーム抵抗、及び充電の状態を決定する。いくつかの製造業者は、セルまたは電池パッケージレベルでのＬＩＢの過充電、過放電、過熱、短絡、または他の潜在的に危険な状況から保護するための保護機構を組み込む。いくつかの機構は、ある特定の動作制限を超える場合、電池電流を停止させ得る。それにもかかわらず、このような反応調節システムの反応時間は、一般に、熱暴走の発生及び続く避けられない電池燃焼を防止するには不十分である。特に、従来のシステムは、典型的に、温度、ならびにセル動作電圧及び電流（ときにＡＣインピーダンス）のみを追跡し、そのすべては、不可逆的な熱暴走及びセル燃焼をもたらす連鎖反応を避けるにはあまりにも遅過ぎるとき、発生中の危険の遅い段階において有意に検出可能になる変化を示すのみである。ＬＩＢ安全性監視のための複雑性及び必要速度は、直列もしくは並列（またはそれらの組み合わせ）で接続される複数のセルなどの多数のセルが存在するとき、著しく増加する。例えば、１２個のセルに接続され、３１個のチップにデイジーチェーン接続される（直列で接続される）チップは、（好ましくは）個々に監視されなければならない総数１２ｘ３１＝３７２セルになる。

「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」と題されるＰｅｌｅｄらに対する米国特許第４，７２５，７８４号は、定放電曲線を有する電池、例えばリチウム電池の充電状態を決定するための方法を開示している。電池温度が測定され、次いで、電池を負荷にかけ、短時間の高放電を生成する。短い回復時間後、回復された開路電圧及び対応する電池回復時間が測定される。電池の残りの充電状態は、例えば、参照表を使用して、測定温度及び回復された開路電圧から決定される。

「Ｂａｔｔｅｒｙ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ」と題されるＮａｍｂａらに対する米国特許第７，２０２，６３２号は、電池管理目的、例えば残存容量及び劣化度を検出するために電池インピーダンスの変化を監視することを開示している。インピーダンスは、電流の変動及び温度が、所定の範囲内にあるとき、電池の端子電圧、開路電圧、及び電流を使用して算出される。算出されたインピーダンスは、電池の劣化度に応じて、インピーダンス補正値を決定するために、以前に電池の初期状態から得た初期インピーダンスと比較される。

「Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ ｉｎ ａ ｍｕｌｔｉ−ｃｅｌｌ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ」と題されるＢｅｒｄｉｃｈｅｖｓｋｙらに対する米国特許第７，４３３，７９４号は、電気自動車マルチセル電池パック中の熱暴走を緩和するための方法を開示している。電池パック及び複数のセル内の熱源が最初に識別される。電池パック及びセルの温度は、例えば、湿度、煙、有機蒸気、温度、電圧、または電流を監視することによって、所定の状態を検出するとともに、制御される。状態が検出されると、過熱セルが隣接するセルに伝播しないことを保証するために、所定の起動が実行される。

「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｈｅａｌｔｈ ｏｆ ａ ｂａｔｔｅｒｙ ｕｓｉｎｇ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ／ｏｒ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｔａｔｅ」と題されるＤｅｓｐｒｅｚらに対する米国特許第８，２６９，５０２号は、電池充電または使用法を制御するために、充電式電池の健康状態（ＳＯＨ）を連続的に評価することを開示している。少なくとも１つの電池セルのインピーダンスは、リアルタイムで決定される。次いで、少なくとも１つの信頼係数は、電池セルの少なくとも１つの変数（電流、温度、充電状態、及び／またはそれらの導関数もしくは積分）の関数として、決定される。所与の時点での電池のＳＯＨは、所与の時点でのインピーダンスの関数として、補正され、信頼係数によって重み付けされた前述の時点でのＳＯＨを使用して決定される。

「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｈｅａｌｔｈ ｏｆ ｂａｔｔｅｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｐａｔｔｅｒｎ」と題されるＬＧ Ｃｈｅｍ Ｌｔｄ．に対するＰＣＴ国際特許公開第ＷＯ２０１０／０１６６４７号は、電池の充電状態（ＳＯＣ）に基づいて健康状態（ＳＯＨ）を推定するための方法を開示している。電池電圧、電流、及び温度データは、各ＳＯＨ推定でセンサから得られる。第１のＳＯＣは、電池電流データを使用する電流積分によって、推定される。開路電圧は、電池電圧変動パターンから推定される。推定された開路電圧及び電池温度に対応する第２のＳＯＣは、開路電圧／温度とＳＯＣとの間の相関を使用して推定される。第２のＳＯＣ変動と第１のＳＯＣ変動との比の加重平均値についての収束値が、算出される。加重平均収束値に対応する電池容量は、加重平均収束値と容量との間の相関を使用して推定される。推定された電池容量及び初期電池容量の相対比は、電池ＳＯＨとして記憶される。

「Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｏｒ ｐａｒａｌｌｅｌ−ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」と題されるＭｃＣｏｙらに対する米国特許出願公開第２０１２／０１８２０２１号は、並列で接続された２つの電池間の電流における差を測定する電池監視システムを開示している。差動電流は、２つの電池間に位置するスイッチ及び電流測定デバイスを使用して、測定されてもよい。測定された差動電流は、電池のうちの１つにおける不良を検出するために使用される。

「Ｂａｔｔｅｒｙ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ」と題されるＬｏｖｅらに対する米国特許出願公開第２０１３／０１４１１０９号は、充電式電池の健康状態を監視して、使用不可能になった欠陥のある電池を識別するための方法を開示している。電池についての精密周波数は、インピーダンス分光機器を用いて周波数掃引にわたってＡＣ電流または電圧摂動を印加して、インピーダンス応答を得ること、推奨された電池電圧窓内の種々の充電状態で、インピーダンス応答に関するデータを収集すること、インピーダンス曲線に関する収集データをプロットすること、及び種々の充電状態で、インピーダンス曲線を分析することによって、決定される。ＡＣ電流または電圧摂動は、精密周波数で印加され、インピーダンス応答をもたらす。インピーダンス応答の値は、記録され、インピーダンス値が範囲内に入る電池分類ゾーンが決定される。

「Ａ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ」と題されるＷｏｒｌｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌａｂｓ（２）Ｉｎｃ．に対する国際特許公開第ＷＯ２００４／１０６９４６号は、時間変動電気信号によって励起されるときに、電気／電気化学素子またはセル中で生成される時間変動応答を測定し、分析するための方法及び装置を対象とする。応答信号及び任意選択の励起信号は、同期様式でサンプリングされ、サンプル値は、充電状態及び健康状態を含む、種々の特性を決定するために分析される。本方法は、システムの時間領域応答を評価するために使用されてもよく、それは電気インピーダンス（またはアドミタンス）の特性を呈する。本方法は、測定及び分析の結果が提供される開ループ形式において、またはフィードバックを提供するために結果が使用され、システムもしくはデバイスの挙動を調整する閉ループ形式において動作してもよい。

本発明の一態様に従って、充電式Ｌｉイオン電池（ＬＩＢ）の安全性を監視するための方法は、このように提供される。

本方法は、ＬＩＢの初期電気状態を決定する手順、該ＬＩＢに対する直流（ＤＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）電気刺激の印加または除去によって、ＬＩＢの電気状態を変更して、時間変動応答を誘発すること、及び変更した電気状態に対するＬＩＢの時間変動応答を測定することを含む。本方法は、測定された応答の少なくとも関数形式と関連する少なくとも１つの一次応答パラメータを抽出する手順、及び一次応答パラメータから少なくとも１つの二次応答パラメータを導出することをさらに含む。本方法は、一次応答パラメータ及び／または二次応答パラメータに従って、短絡前駆状態（ＳＣＰＣ：Ｓｈｏｒｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）の尤度を決定する手順をさらに含む。本方法は、ＳＣＰＣ尤度が複合応答パラメータに従ってさらに決定されるように、一次応答パラメータ及び／または二次応答パラメータから少なくとも１つの複合応答パラメータを導出する手順をさらに含んでもよい。本方法は、決定されたＳＣＰＣ尤度に従って、潜在的な短絡誘導危険（ＳＣＤＨ：Ｓｈｏｒｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｈａｚａｒｄ）の警報を提供する手順をさらに含んでもよい。本方法は、決定されたＳＣＰＣ尤度に従って、ＳＣＤＨを緩和するまたは防止するために少なくとも１つの是正措置を実装する手順をさらに含んでもよい。是正措置は、印加された放電電圧が、ＬＩＢ中のリチウムめっきの少なくとも一部を酸化するように、ＬＩＢに特定の放電電圧を印加することを含んでもよい。ＬＩＢの電気状態を変更する手順は、以下の電気刺激：放電電圧、充電電圧、定電位電圧、線形変動電圧、放電電流、充電電流、定電流、線形変動電流、放電抵抗負荷、定電力放電、定電力充電のうちの少なくとも１つを含んでもよい。ＬＩＢの電気状態を変更する手順は、以下の動作のＬＩＢを放電状態もしくは充電状態から開路状態もしくは静止状態に切り替えること、ＬＩＢを開路状態もしくは放電状態もしくは静止状態から充電状態に切り替えること、及び／またはＬＩＢを開路状態もしくは充電状態もしくは静止状態から放電状態に切り替えることのうちの少なくとも１つを含んでもよい。ＬＩＢの電気状態を変更する手順は、ｉ）瞬間的な電圧変化、ｉｉ）二重層充電フェーズ、及びｉｉｉ）ファラデー反応フェーズを含む少なくとも１つの応答部によって特徴付けられる電圧応答を誘発するために、ステップ電流の印加を含んでもよい。ＬＩＢの電気状態を変更する手順は、ｉ）低分極における電流オン電圧の線形依存領域、及びｉｉ）高分極における電流オン電圧の対数依存領域を含む少なくとも１つの応答部によって特徴付けられる電流応答を誘発するために、線形電圧走査の適用を含んでもよい。一次応答パラメータは、以下の異なる時間での電圧応答値、異なる時間での電流応答値、及び電気状態の変更に関するパラメータのうちの少なくとも１つを含んでもよい。二次応答パラメータは、以下の瞬間的な電圧降下（ｉＲ降下）、ｉＲ降下の抵抗、二重層容量（Ｃ）、二重層充電フェーズもしくは放電フェーズについての時定数（遷移時間τ_ｒ）、サンド式パラメータ、二重層充電もしくは放電中の電圧の変化、印加電流ステップのファラデー反応フェーズ中の電圧の変化、反応抵抗（Ｒｒｘｎ）、交換電流密度（ｉ_ｏ）、ターフェル傾斜（βａもしくはβｃ）、反応分極（Ｒｐｏｌ）、電流偏差値（ｉ_ｄ）、印加電圧の関数としての電流応答、電圧走査の電圧−電流関数形式の導関数及び二次導関数、電流値の導関数、ランドレス−セブシック式パラメータ、印加電流の関数としての電圧応答、瞬間的な電流変化、瞬間的な電流変化の抵抗値、コットレル式パラメータ、及び／またはＬＩＢ電極の有効面積の変化のうちの少なくとも１つを含んでもよい。本方法は、ＬＩＢと関連する温度を測定する手順をさらに含んでもよく、ＬＩＢの電気状態を変更する手段、及びＬＩＢの時間変動応答を測定する手順は、測定温度を考慮する。本方法は、ユーザフィードバックまたは履歴データに従って、ＳＣＰＣ尤度の決定を修正する手順をさらに含んでもよい。本方法は、測定された応答が所定の制限を超えて逸脱したかどうかを決定する手順をさらに含んでもよい。ＳＣＰＣ尤度は、一次パラメータ、二次パラメータ、及び／または複合パラメータの変化率に従って決定されてもよい。ＳＣＰＣ尤度は、一次パラメータ、二次パラメータ、及び／または複合パラメータのパラメータ間の整合性に従って決定されてもよい。本方法は、本方法の手順を実装することが、認証機能を条件とするように、ＬＩＢの少なくとも１つの認証機能を決定する予備手順を含んでもよい。ＳＣＤＨは、ｉ）ＬＩＢの燃焼事象、ｉｉ）ＬＩＢの自己放電、またはｉｉｉ）ＬＩＢの休止中の良性な短絡状態を含んでもよい。

本発明の別の態様に従って、充電式Ｌｉイオン電池（ＬＩＢ）の安全性を監視するためのシステムは、このように提供される。システムは、ＬＩＢに対する直流（ＤＣ）電気刺激の印加または除去によって、ＬＩＢの電気状態を変更して、時間変動応答を誘発するように構成された刺激印加デバイスを含む。システムは、変更した電気状態に対するＬＩＢの時間変動応答を測定するように構成された応答測定デバイスをさらに含む。システムは、測定された応答の少なくとも関数形式と関連する少なくとも１つの一次応答パラメータを抽出するように構成され、かつ一次応答パラメータから少なくとも１つの二次応答パラメータを導出するようにさらに構成されたプロセッサをさらに含む。プロセッサは、一次応答パラメータ及び／または二次応答パラメータに従って、短絡前駆状態（ＳＣＰＣ）の尤度を決定するようにさらに構成される。プロセッサは、ＳＣＰＣ尤度が複合応答パラメータに従ってさらに決定されるように、一次応答パラメータ及び／または二次応答パラメータから少なくとも１つの複合応答パラメータを導出するようにさらに構成されてもよい。ＳＣＰＣ尤度は、一次パラメータ、二次パラメータ、及び／または複合パラメータの変化率に従って決定されてもよい。システムは、決定されたＳＣＰＣ尤度に従って、潜在的な短絡誘導危険（ＳＣＤＨ）の警報を提供するように構成された通知ユニットをさらに含んでもよい。システムは、決定されたＳＣＰＣ尤度に従って、ＳＣＤＨを緩和するまたは防止するための少なくとも１つの是正措置を実装するように構成された安全プロトコルユニットをさらに含んでもよい。是正措置は、印加された放電電圧が、ＬＩＢ中のリチウムめっきの少なくとも一部を酸化するように、ＬＩＢに特定の放電電圧を印加することを含んでもよい。刺激印加デバイスは、ｉ）瞬間的な電圧変化、ｉｉ）二重層充電フェーズ、及びｉｉｉ）ファラデー反応フェーズを含む少なくとも１つの応答部によって特徴付けられる電圧応答を誘発するために、ステップ電流を印加するように構成されてもよい。刺激印加デバイスは、ｉ）低分極における電流オン電圧の線形依存領域、及びｉｉ）高分極における電流オン電圧の対数依存領域を含む少なくとも１つの応答部によって特徴付けられる電流応答を誘発するために、線形電圧走査を適用するように構成されてもよい。システムは、ＬＩＢと関連する温度を測定するように構成された少なくとも１つの温度センサをさらに含んでもよく、ＬＩＢの電気状態を変更すること、及びＬＩＢの時間変動応答を測定することは、測定温度を考慮する。ＳＣＰＣ尤度の決定は、ユーザフィードバックまたは履歴性能データに基づいて修正されてもよい。ＳＣＤＨは、ｉ）ＬＩＢの燃焼事象、ｉｉ）ＬＩＢの自己放電、またはｉｉｉ）ＬＩＢの休止中の良性な短絡状態を含んでもよい。
本発明は、以下の詳細が説明を図面と併せることでより完全に理解され、認識されるであろう。

本発明の実施形態に従って構成されかつ動作する、Ｌｉイオン電池（ＬＩＢ）の安全性を監視するためのシステムの模式図である。 本発明の実施形態に従って動作する、種々の刺激に応答するＬＩＢの例示的な放電電圧プロファイルを示すタイミンググラフを例証する図である。 本発明の実施形態に従って動作する、種々の刺激に応答するＬＩＢの例示的な充電プロファイルを示すタイミンググラフを例証する図である。 本発明の実施形態に従って動作する、開路状態における種々の刺激に応答するＬＩＢの例示的な電圧プロファイルを示すタイミンググラフを例証する図である。 本発明の実施形態に従って動作する、ＬＩＢの対数電流応答の関数として例示的な印加電圧走査を示すグラフを例証する図である。 本発明の実施形態に従って動作する、印加された方形波放電電流に対するＬＩＢの例示的な電圧応答を示すタイミンググラフを例証する図である。 電圧応答プロファイルの異なるセグメントを示す図５Ａのタイミンググラフを例証する図である。 電圧応答プロファイルの瞬間的な電圧変化及び残存する分極構成要素を示す図５Ａのタイミンググラフを例証する図である。 電圧応答プロファイルの関数形式を示す図５Ａのタイミンググラフを例証する図である。 本発明の実施形態に従って動作する、例示的な定電位ステップ電圧刺激を示すタイミンググラフを例証する図である。 本発明の実施形態に従って動作する、図６Ａの印加されたステップ電圧刺激に対するＬＩＢの例示的な電圧応答を示すタイミンググラフを例証する図である。 本発明の実施形態に従って動作する、ＬＩＢの安全性を監視するための方法のブロック図である。 監視されたＬＩＢの内部抵抗の変化を検出するために２種類の異なるパラメータの有用性を比較する棒グラフを例証する図である。

本発明は、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）の安全性を監視するための改善された診断方法及びシステムを提供することによって、先行技術の欠点を克服する。診断方法は、その開発の初期段階で、ＬＩＢセル中の来たる短絡の尤度を決定することによって、それに伴う起こり得るＬＩＢ燃焼の発生率をリアルタイムで識別し、ユーザ安全性を保証するための少なくとも１つの予防措置の実装を可能にする。より詳細には、本方法は、熱暴走及び避けられない燃焼を発生し得る、内部セル不良の初期段階のプレインジケータまたはインジケータを表す特定の標識を独自に検出して、処理する。これらの標識は、変更した電気状態に対するＬＩＢの時間変動応答の一次、二次、及び複合応答パラメータの形態である。例えば、時間変動応答は、ＬＩＢに印加された（可変もしくは一定の）電圧、電流、抵抗、または電力に応答して変動するＬＩＢの電圧、電流、抵抗、電力、及び／または温度を含んでもよい。

内部のＬＩＢ短絡は、最初、高抵抗から始まり、その後、長期のサイクリングまたは長時間の継続時間とともに値が減少する。初期の「ソフトショート」は、比較的長い誘導時間及び高抵抗によって特徴付けられる良性な状態から、非常に低い抵抗（セル年齢として）を有する「ハードショート」にゆっくりと遷移し得る。臨界の低い抵抗に達すると、発生熱は、有機電解質を引火性蒸気に分解し始め、カソードを破壊して酸素を放出する。熱劣化によって形成された熱及び可燃性製品は、急速に反応し、温度を数百度まで上昇させて、さらなる連鎖反応を引き起こす。不可逆熱暴走は、その後、ＬＩＢセル中の火災または爆発をもたし得る。このため、開示された方法は、このような短絡をもたらし得る第１の症状を識別することによって、その開発における初期にＬＩＢのほとんど目立たない初期のソフトショートを識別し得、熱暴走が始まる前に、それを有意に検出する。開示された方法は、種々の用途に存在する任意の種類のＬＩＢに実質的に展開可能であり、環境及び動作条件の範囲下で動作可能である。

本明細書において使用する場合、一般に「電池」及び特に「リチウムイオン電池（ＬＩＢ）」という用語、ならびにその任意の変形物は、単一セル電池も含み、ならびにすべての種類のセルジオメトリ（例えば、限定されないが、円筒型、プリズム型、ポーチ、コイン、及びボタンセルを含む）、サイズ、及びセル設計（例えば、限定されないが、バイポーラであるかどうかにかかわらず、ゼリーロール設計セル、巻回セル、ボビンセル、折り畳み電極を有するセル、ドッグボーン型電極を有するセル、楕円形に折り畳まれた電極を有するセル、及び平行プレート電極セルを含む）を包含する、任意の構成（例えば、直列、並列、及び直列ならびに並列の組み合わせ）で接続された任意の数の電気化学セル（またはセルのグループ）を含有する任意のこのような電池を指す。ＬＩＢは、一般に、少なくとも一対の電極（アノード、カソード）、リチウムイオンを伝導するための電解質（液体、固体、半固体、及び／またはポリマー）、ならびにセパレータを含む。電池は、少なくとも１つの電気もしくは電子デバイス、または構成要素（例えば、限定されないが、キャパシタ、スーパーキャパシタ、プリント回路基板（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）、電池管理システム、電子制御ユニット、電力アダプタ、充電器、無線充電システム、ヒューズ、センサ、正の温度係数（ＰＴＣ：Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）デバイス、電流遮断デバイス（ＣＩＤ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ Ｄｅｖｉｃｅ）、及びこれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つを含む）の一部と一体化されてもよく、またはそれらを形成してもよい。

本明細書において「リチウムイオン（Ｌｉ−イオン）」は、Ｌｉ−金属充電式電池、Ｌｉ−イオン充電式電池、及びＬｉ−イオンポリマー充電式電池、ならびに限定されないが、予備型電池、熱型電池、いわゆるリチウムイオンキャパシタ、ならびにＬｉ−空気及びＬｉ−硫黄電池を含む電池のこれらの種類も包含することに注意されたい。

さらに下記に詳述するように、「短絡前駆状態（ＳＣＰＣ）」という用語は、少なくとも１つのＬＩＢセル内で（非良性）内部短絡をもたらし得る任意の状態として、本明細書において定義され、それにより、起こり得る多くの望ましくない結果がもたらされ得る。したがって、本明細書において「短絡誘導危険（ＳＣＤＨ）」という用語は、ｉ）発熱連鎖反応に続く熱暴走及びその後の燃焼（すなわち、「燃焼事象」）、ｉｉ）ＬＩＢセルの望ましくない自己放電、またはｉｉｉ）最終的に、燃焼事象に発展する確率が未知である、未知の期間の間、休止中の良性なＳＣＰＣ状態のままであるＬＩＢセルを含むＬＩＢ（ハード）短絡の起こり得る結果のうちのいずれか１つを呼ぶ。「燃焼事象」という用語は、本明細書において広く使用され、限定されないが、少なくとも部分的に火災、爆発、燃焼、破裂、電解質溶液の漏出、膨張、ガス抜けなどを受けるＬＩＢ（及び／もしくは関連する電子構成要素）を含む熱暴走後、または熱暴走によって引き起こされる潜在的に危険な電池状態のすべての形態を包含する。

本明細書において使用する場合、「充電状態」及び「放電状態」という用語、ならびにそれぞれの文法上の変種は、ＬＩＢセルがどのくらい充電／放電されているか（例えば、「５０％の充電状態」または「２５％の放電深度」）を指すのに対して、「充電」及び「放電」という用語は、能動的に充電／放電されているセルを指し得る。

ここで図１を参照すると、図１は、本発明の実施形態に従って構成され、動作するＬｉイオン電池（ＬＩＢ）（１１０参照）の安全性を監視するためのシステムの模式図（全体的に１００参照）である。システム１００は、電気刺激印加デバイス１１２、応答測定デバイス１１４、温度センサ１１６、プロセッサ１１８、通知ユニット１２０、安全プロトコルユニット１２２、データ記憶ユニット１２４、ユーザインターフェース１２６、及びデータ通信リンク１２８を含む。プロセッサ１１８は、電気刺激印加デバイス１１２、応答測定デバイス１１４、温度センサ１１６、通知ユニット１２０、安全プロトコルユニット１２２、データ記憶ユニット１２４、ユーザインターフェース１２６、及びデータ通信リンク１２８と連結される。

電気刺激印加デバイス１１２は、例えば印加電圧もしくは印加電流などのＬＩＢ１１０に対する電気刺激の形態を印加して、かつ／またはいくつかの様式において、ＬＩＢ１１０の電気状態を変更する、例えば静止もしくは開路状態へ、または静止もしくは開路状態からＬＩＢ１１０を転移するように構成される。刺激印加デバイス１１２は、印加刺激の異なるパラメータ、例えば、反復の頻度、種類、大きさ、及び継続時間を確立するまたは調節するために、自動的または手動で制御されてもよい。印加刺激の調節は、リアルタイムで行われ、かつ／または予め構成されてもよい。刺激は、少なくとも予定された時間の間、もしくはＬＩＢの動作上の変化に応答して印加されてもよく、かつ／またはＬＩＢ１１０の内部もしくは外部のいくつかの事象によって誘発されてもよい。刺激印加デバイス１１２の例としては、電圧発生器、電流発生器、電子回路、回路を開き、かつ／または静止状態でＬＩＢを配置するように構成されるデバイス、負荷（抵抗負荷など）を印加するためのデバイス、電力供給源、電気コンバータ（ＡＣ及び／またはＤＣ）、電気インバータ（ＡＣ及び／またはＤＣ）、ＬＩＢ充電器、ＬＩＢ電力アダプタ、ＬＩＢ無線充電器など（全体的にまたは部分的に、少なくとも１つのこのようなデバイスを組み込む器具を含む）が挙げられるが、これらに限定されない。

応答測定デバイス１１４は、印加された電気刺激（及び／または電気状態での印加変更）に対するＬＩＢ１００の応答を測定することを含む、ＬＩＢ１１０の電気状態及び特性を測定するように構成される。応答測定デバイス１１４の例としては、電圧監視デバイス、電流監視デバイス、電子回路、応答アナライザ、電圧計、流速計、抵抗計、インピーダンス測定デバイス、周波数応答アナライザ、ＬＣＤメータなど（全体的にまたは部分的に、少なくとも１つのこのようなデバイスを組み込む器具を含む）が挙げられるが、これらに限定されない。

温度センサ１１６は、ＬＩＢ１１０の室温、及び／またはＬＩＢ１１０付近の周囲温度を検出する。温度センサ１１６は、複数のセンサ（例えば、電池温度を検出するための第１のセンサ、及び環境温度を検出するための第２のセンサ）によって具体化されてもよい。ＬＩＢ１１０の温度は、多数の要因（例えば、電池サイズ、電池年齢、動作期間、充電または放電の速度、電池が内蔵される用途の種類）に依存してもよく、以下でさらに考察されるように、印加された電気刺激に対するＬＩＢ１１０の応答に影響を与え得る。温度センサ１１６は、例えば、熱電対、半導体もしくはシリコンダイオード、光高温計、赤外線測定デバイス、または熱情報を検出するために動作する他の種類の任意のセンサによって、具体化されてもよい。

通知ユニット１２０は、ＬＩＢ１１０の安全状態の表示を提供する。特に、通知ユニット１２０は、短絡前駆状態が検出された場合、警報または警告を提供するように構成される。通知ユニット１２０はまた、例えば、ＬＩＢ１１０の健康状態（ＳＯＨ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）及び／または充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）に関する追加の種類の表示を提供し得る。通知ユニット１２０は、種々の警告措置、例えば視覚指示（例えば、テキスト、標識、及び／もしくは記号を表示する、グラフィック情報などの色を変えるなど）、ならびに／または音声指示（例えば、警報、警告音、ブザー、ベル、着信音）を利用してもよい。通知ユニット１２０はまた、（例えば、データ通信リンク１２８を介して）指示をクラウドコンピューティングネットワークにおける遠隔サーバまたはアプリケーション、サービスセンタ、監視ステーションなどのうちの少なくとも１つに送信することなどによって、このような警報または警告を遠隔地に提供するように構成されてもよい。したがって、通知ユニット１２０は、音声通信（例えば、オーディオスピーカ、スピーチ生成ユニット）、及び／または画像通信（例えば、表示画面、グラフィカルユーザインターフェース、閃光灯）のために構成される１つ以上のデバイスもしくは器具を含んでもよい。通知ユニット１２０は、任意選択で、ユーザインターフェース１２６と一体化されてもよく、または別個のユニットであってもよい。複数の通知ユニット１２０は、例えば、異なる位置（例えば、ＬＩＢ１１０の位置で、サービスセンタで、及び／または遠隔監視ステーションで）で、同時に警告を提供してもよい。

安全プロトコルユニット１２２は、例えばその電気状態を変更することによって、ＬＩＢ１１０の潜在的に危険な状態を打ち消すまたは中和するために、少なくとも１つのプロセスまたは起動を実装するまたは誘発するように構成される。例えば、ＬＩＢ１１０のＳＣＰＣが確認されると、安全プロトコルユニット１２２は、ＬＩＢ１１０の他のセルから問題があるＬＩＢセルの電気的分離を提供し得、またはＬＩＢ１１０への電力供給を自動的に切断し得る。他の例において、安全プロトコルユニット１２２は、疑わしいＬＩＢを取り替える、またはマルチセル電池における補助システムを介してセルバランスを開始する、または放電電圧を印加してめっきをしたリチウムを取り除くように構成されてもよい。よりさらなる例において、安全プロトコルユニット１２２は、例えば、流体ベースまたは空気ベースの冷却機構を適用し、かつ／またはＬＩＢ１１０から離れて高温気体を排気することによって、ＬＩＢ１１０の少なくとも一部を直ちに冷却してもよい。安全プロトコルユニット１２２は、自動化されてもよく、例えば、それらが特定の安全状態を受けるときに、ある特定の電池に対して選択された是正措置を実行するように予め構成されていてもよい。安全プロトコルユニット１２２はまた、例えば最適な安全対策を選択すること、及び実際の電池シナリオに従って、リアルタイムで選択された安全対策の設定を規定することによって、手動で制御され、動作されてもよい。

ユーザインターフェース１２６によって、システム１００のユーザが、システム１００の構成要素と関連する種々のパラメータまたは設定を制御可能にさせる。例えば、ユーザインターフェース１２６によって、ユーザが、通知ユニット１２０のパラメータもしくは設定（例えば、提供される警報の種類、及び警報を提供するためにどの検出限界もしくは条件を選択する）、ならびに／または安全プロトコルユニット１２２のパラメータもしくは設定（例えば、実装される安全プロトコルの種類を選択する、及びどの条件下）が調節可能になり得る。ユーザインターフェース１２６はまた、刺激印加デバイス１１２及び／または応答測定デバイス１１４の動作上の設定を選択するように構成されてもよい。ユーザインターフェース１２６は、カーソルもしくはタッチスクリーンメニューインターフェース、及び／またはユーザがスピーチコマンドによって、命令もしくはデータが入力可能になる音声認識能力を含んでもよい。ユーザインターフェース１２６はまた、例えば、サービスセンタ、監視ステーション、及び／またはクラウドコンピューティングネットワークにおける遠隔サーバ、アプリケーションもしくはデータベースから遠隔で入力データを受信する（例えば、データ通信リンク１２８を介して）ように構成されてもよく、入力は、所定のコマンドによってまたはリアルタイムに提供され得る。

データ記憶ユニット１２４は、システム１００の動作に関するデータの記憶を提供する。例えば、データ記憶ユニット１２４は、ＬＩＢの異なる種類もしくは構成に関する予め定義されたデータ、例えば、電池サイズ、動作制限、電圧／電流制限、充電／放電率、温度係数、ならびに／または種々の電気刺激及び応答のための要因（例えば、必要に応じて、ＬＩＢに印加された刺激の好適な調整を可能にする）を含んでもよい。データ記憶ユニット１２４はまた、監視されたＬＩＢ１００に関するリアルタイムデータ、例えば、印加された刺激及び応答データ（経時的にそれぞれの変形物を含む）、刺激の印加前後のセル動作パラメータ（例えば、電圧、電流、温度）、ＬＩＢを取り囲む環境温度、サイクル数、充電状態、健康状態、放電深度、刺激が印加されるときのＬＩＢの状態（例えば、ＬＩＢが充電、放電、静止、または開路状態であるかどうか）、測定された応答についての期待応答値、ＬＩＢの物理的及び化学的性質に関するデータ、ならびに動作中のＬＩＢ挙動についての情報（例えば、環境温度の関数としての充電及び放電中の公称容量及び電圧、ならびに対応する充電及び放電率）などを記憶してもよい。データ記憶ユニット１２４はまた、以前の監視されたＬＩＢ（ＬＩＢ１１０を含む）に関する情報、例えば、監視されたＬＩＢの電気状態及び経時的な測定応答（及び、安全結果）を含む監視セッションの履歴概要及びクラウドソースデータを記憶してもよい。データ記憶ユニット１２４は、ある特定のユーザのみ、例えば拡張アクセス特権を有する管理者アカウントに限定される情報を含んでもよい。

データ通信リンク１２８は、内部システム構成要素間、または外部ロケーションへ／からの情報を送受信することを可能にする。データ通信リンク１２８は、任意の好適な形態（例えば、電子、光学、電磁、及び／または無線周波数ベース信号）で、有線または無線通信のための手段（例えば、セルラー、ブルートゥース（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ通信など）を含んでもよい。データ通信リンク１２８はまた、内蔵されても、または例えば、ＬＩＢ１１０付近の無線またはセルラーネットワークにアクセスすることによって、既存のシステム通信プラットフォームに連結されてもよい。

プロセッサ１１８は、システム１００の構成要素からの命令及びデータを受信する。プロセッサ１１８は、以下にさらに詳述するように、短絡前駆状態がいつ発生したかを検出するためにＬＩＢ１１０と関連する多数のパラメータ（一次パラメータ、二次パラメータ、及び複合パラメータを含む）の処理及び分析を実行する。プロセッサ１１８はまた、例えば、ＬＩＢ１１０の検出された安全上の危険、または安全状態（ＳｏＳ）に従って、それぞれ、警告を生成する、または是正措置を実装するために、通知ユニット１２０及び／または安全プロトコルユニット１２２に命令を提供してもよい。プロセッサ１１８は、システム１００の他の構成要素から遠隔地にあってもよい。例えば、プロセッサ１１８は、サーバ、例えば遠隔コンピュータまたは遠隔コンピューティングシステムもしくは遠隔コンピューティング機（クラウドベースのコンピューティングシステムを含む）の一部であってもよく、それは通信媒体またはネットワークを通じてアクセス可能である。あるいは、プロセッサ１１８は、ＬＩＢ１１０付近にあってもよく、かつ／またはシステム１００の他の構成要素内に一体化されてもよい。例えば、プロセッサ１１８は、無線接続、有線接続、または通信ＢＵＳを介してシステム１００の構成要素に連結されてもよい。あるいは、プロセッサ１１８は、応答測定デバイス１１４と関連するコンピュータとともに組み込まれてもよい。プロセッサ１１８はまた、例えば、機械学習技法を介して、システム１００の機能を最適化するように構成されてもよい。

システム１００の構成要素は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせに基づいてもよい。システム１００の個々の各構成要素と関連する相関性が、単一の場所で、または複数の場所で存在し得る、複数の構成要素間に分配され得ることが理解される。例えば、プロセッサ１１８と関連する機能性は、複数の処理ユニット（応答分析のための専用の画像プロセッサなど）間に分配されてもよい。システム１００は、任意選択で、開示された主題の実装を可能にするために、図１に示されない追加の構成要素を含んでもよく、かつ／または追加の構成要素と関連してもよい。例えば、システム１００は、種々の構成要素へ電力を提供するための電力供給源（図示せず）を含んでもよく、セル動作パラメータまたは他の種類のデータを一時記憶するための追加のメモリまたは記憶ユニット（図示せず）をさらに含んでもよい。システム１００は、オン／オフスイッチ、及びライトまたはその他の視覚標識（例えば、進行中の機能が起こっているまたは完了されたことを示すため、システムの状態を示すためなど）を追加で含んでもよい。システム１００の構成要素のいくつかが任意選択であり、本発明の少なくともいくつかの実施形態において利用されなくてもよいことに注意されたい。

システム１００は、刺激印加デバイス１１２及び／またはシステム１００の他の構成要素を起動するための、認証機能またはユニット（図示せず）を追加で含んでもよい。本発明の一実施形態において、このような認証は、認証機能を識別するためにＬＩＢ１１０を促すシステム１００の構成要素の形態をとってもよい。例えば、システム１００は、ＬＩＢ１１０が開示された方法を適用するために許容されたＬＩＢであることを確かめるために、ＬＩＢ１１０中に内蔵された電子回路中に記憶されたデータ（例えば、ソフトウェアプログラムの形態で）を検討してもよく、または特徴的な関数形式を有する「事前点検刺激」に対する応答を記録してもよい。別の実施形態において、ＬＩＢ１１０は、システム１００にダウンロードされ、開示された方法の起動を誘発するために必要とされる内蔵データ（例えば、ソフトウェアプログラムの形態で）を有する電子回路とともに提供されてもよい。

システム１００の動作は、一般論として今考察され、その後、特定の実装の具体例が提供される。システム１００は、ＬＩＢ１１０の機能中、連続的に動作するように構成されてもよく、かつ／または外部デバイスもしくは所定の事象によって起動されてもよい。例えば、システム１００は、充電器の接続または切断によって、かつ／またはＬＩＢ１１０が一体化されるデバイス（例えば、電池管理システム、電子制御ユニット、電力アダプタなど）の起動によって、起動されてもよい。システム１００は、ＬＩＢ１１０の初期電気状態を最初に測定する。システム１００は、その後、例えば、（刺激印加デバイス１１２を介して）ＤＣ電気刺激をＬＩＢ１１０に印加する（もしくは取り除く）、またはＬＩＢ１１０を開路状態もしくは静止状態に遷移することによって、初期電気状態に従って、ＬＩＢ１１０の電気状態を変更する。システム１００はまた、今後の印加刺激または電気状態の変更を予想して、ＬＩＢ１１０の電気状態を周期的にかつ／または連続的に監視してもよい。

種々の刺激／変更が適用される１１０のＬＩＢの初期状態は、充電モード（定電流、定電圧、定電力、またはそれらの組み合わせもしくは変形物）、放電モード（定電流、定電圧、定電力、抵抗負荷、またはそれらの組み合わせもしくは変形物）、開路（電子回路からの物理的切断）、または静止モード（ＬＩＢに対して電流、電圧、電力、もしくは抵抗は、印加されないが、ＬＩＢは、システムエレクトロニクスに依然として接続されており、電子部品からのリーク電流もしくは排流の尤度がある）であってもよい。一般に、初期状態に対する印加刺激は、以下の電圧の印加（放電または充電）、電流の印加（放電または充電）、抵抗負荷の印加（放電）、定電力の印加（放電または充電、電圧及び電流が調整され、いずれのものも定電力を維持するように調節され得る）、開路の適用、静止の適用、任意の充電状態または放電深度からの、任意の順序での、上記のいずれかの間の遷移の組み合わせのうちの少なくとも１つを含んでもよい。

ＬＩＢ１１０の電気的な状態を変更することは、以下のＬＩＢ１１０を放電状態からまたは充電状態から開路状態へ切り替えること、ＬＩＢ１１０を放電状態からまたは充電状態から静止状態へ切り替えること、ＬＩＢ１１０を開路状態、静止状態、異なる充電状態から、または放電状態から充電状態へ切り替えること、及びＬＩＢ１１０を開路状態、静止状態、異なる放電状態から、または充電状態から放電状態へ切り替えることのうちの少なくとも１つをさらに含んでもよい。一般に、「放電」及び「充電」は、電流、電圧、電力、または（放電の場合）抵抗負荷のうちのいずれか１つによるものであり得る。例えば、ＬＩＢ１１０の充電または放電は、ＬＩＢ１１０を一時的な開路状態に遷移するために中断されてもよい。さらなる例において、このような一時的な開路状態の間、刺激が印加され、その後、ＬＩＢ１１０は、そのそれぞれの充電または放電状態に戻される。あるいは、ＬＩＢ１１０は、開路状態前のその初期状態と異なる状態に戻されてもよい（すなわち、プレ開路状態が充電であった場合、ＬＩＢ１１０を放電状態へ遷移すること、またはプレ開路状態が放電であった場合、ＬＩＢ１１０を充電状態へ遷移すること、またはプレ開路状態が放電であった場合、ＬＩＢ１１０を異なる放電状態へ遷移すること、またはプレ開路状態が充電であった場合、ＬＩＢ１１０を異なる充電状態へ遷移すること、及びそれらの組み合わせ）。印加刺激の値は、例えば、時間に対する規定の変化率で、値の増加及び／または減少を含む、その印加の過程で一定または変動してもよい。

ＬＩＢ１１０に印加される刺激の大きさ及び継続時間は、ＬＩＢ１１０に対して、あらゆる害が引き起こされることを回避するように選択され得る。このため、印加刺激の大きさ（例えば、電圧レベルもしくは電流レベル）または印加刺激に関する他のパラメータは、それに応じて刺激の印加の間（及び、電気状態間の遷移の間）、変動または調節されてもよい。典型的な電圧制限は、ＬＩＢセルが充電に関して、およそ４．１〜４．２５ボルトを超えるべきではなく、放電に関して、２．５〜２．７５ボルト未満に低下するべきではない。しかしながら、これらの制限は、セル化学に依存する（例えば、いくつかのＬＩＢは、４．２ボルト超で動作することができ、いくつかの放電は、２．５ボルト未満である）。本発明は、ＬＩＢのすべての電圧範囲に適用可能である。

印加刺激の形状は、任意の信号パターン、例えば以下の波形のパルス、ハーフパルス、方形もしくはステップ走査またはランプ、正弦波、矩形、三角形、鋸歯、及び階段波のうちの少なくとも１つを含んでもよい。刺激波形は、アナログまたはデジタル（例えば、小さな離散ステップ）であってもよい。刺激パターン（またはその任意のセグメント）は、線形または非線形であってもよく、単一または多重遷移を含む、対称または非対称であってもよく、種々の時間長及び速度にわたって印加される、一定または可変のパルス幅、ならびに一定または可変のパルス振幅を含んでもよい。刺激は、バックグラウンドが一定または一定ではない、バックグラウンド電流／電圧／電力に対して印加されてもよい。刺激は、複数のサイクルを通じて（変動の有無にかかわらず）繰り返し、または連続して印加される一連の異なる刺激セグメントを含む、繰り返しパターンを含んでもよい。刺激が印加される過程の間、ＬＩＢの充電状態または放電状態は、０％〜１００％のどの範囲であってもよいことがさらに注意される。

ここで図２Ａを参照すると、図２Ａは、本発明の実施形態に従って動作する、種々の刺激に応答するＬＩＢの例示的な放電電圧プロファイルを示すタイミンググラフ（１６０参照）の模式図である。グラフ１６０の例において、バックグラウンド放電電圧は、抵抗または電流ドレインに対して観察された電圧の変化を表し得る。部分「Ａ」は、（一時的な）低い抵抗または高い放電電流の印加及びそれぞれのその放出後の電圧応答を例証する。部分「Ｂ」は、（一時的な）高い抵抗または低い放電電流の印加及びそれぞれのその放出後のおよその電圧応答を例証する。部分「Ｃ」及び「Ｄ」は、一連の印加「Ａ」種類の刺激（すなわち、一連の低い抵抗または高い放電電流及びその放出）に対する電圧応答を表す。

ここで図２Ｂを参照すると、図２Ｂは、本発明の実施形態に従って動作する、種々の刺激に応答するＬＩＢの例示的な充電プロファイルを示すタイミンググラフ（１７０参照）を例証する。グラフ１７０の例において、充電モードは、点線の左側の定電流であり、充電モードは、点線の右側の定電圧である。点線の左側の上部曲線セグメント１７２は、印加された充電電流（Ａｓ）が定充電電流（Ａｃ）よりも低い、定電流（Ａｃ）充電モードの間に印加される下部曲線セグメント１７４の電流変更ステップ（Ａｓ）（すなわち、方形波）に対する電圧応答（Ａ_Ｒ）の表示を示す。電流ステップ（Ａｓ）が放出された後、充電電流は、当初の（Ａｃ）定電流充電レベルに戻り、結果として電圧が変化する。点線の右側の下部曲線セグメント１７８は、ステップの印加電圧が、定充電電圧よりも低い、充電モードの間に印加される上部曲線セグメント１７６の定電圧ステップ（Ｂｓ）（すなわち、方形波）に対する電流応答（Ｂ_Ｒ）を表す。代替的な例において、ステップ電流刺激（Ａｓ）は、バックグラウンド定充電電流よりも大きくてよく、放電電流であってもよく、開路状態であってもよく、もしくは静止状態であってもよいが、ステップ電圧刺激（Ｂｓ）は、定充電電圧よりも大きくてもよく、放電電圧であってもよく、開路状態であってもよく、または静止状態であってもよい。よりさらなる例において、一連の異なる電気刺激は、異なる組み合わせで、印加されてもよい。シーケンスにおける各刺激は、異なる特性、例えば種々のパルス幅、種々のステップサイズまたは大きさなどを有してもよい。例えば、定充電電流（または電圧）の後に充電値よりも大きい充電電流、その後、充電値よりも低い充電電流が続いてもよい。次いで、このようなシーケンスは、追加のサイクルを繰り返してもよく、または変更してもよい（例えば、第１の刺激グループの後に異なる刺激のグループ及び／またはその個々の刺激部分を異なる順序で印加される同じ刺激グループが続くようになど）。

１つの例によれば、印加刺激のパルス幅は、サイクルタイムに対して短く、公称電流／電圧に対する電流／電圧の大きさの差も比較的小さい。例えば、パルス幅は、１秒未満、例えば０．２５秒未満、または０．１秒未満であってもよい。あるいは、パルス幅は、数秒間（例えば、およそ６、１２、または３０秒）持続してもよい。

ここで図３を参照すると、図３は、本発明の実施形態に従って動作する、回路状態における種々の刺激に応答するＬＩＢの例示的な電圧プロファイルを示すタイミンググラフ（１８０参照）を例証する。グラフ１８０の例において、ｙ軸は、ＬＩＢのセル電圧を表し、定電圧値「Ｖ_ｏ」は、開路電圧である。部分「Ａ」は、（電圧、電流、抵抗負荷、または電力のいずれかの）放電刺激による電圧の応答であり、一方、部分「Ｂ」は、（電圧、電流、または電力のいずれかの）充電刺激による応答である。同様に、一連の異なる電気刺激は、異なる組み合わせ、例えば充電刺激である第１の電圧ステップ後の放電刺激である第２の電圧ステップなどで適用されてもよい。

図１を再び参照すると、ＬＩＢ１１０の電気状態が変更された後、プロセッサ１１８は、ＬＩＢ１１０の応答を分析して（応答測定デバイス１１４を使用して測定されるように）、短絡前駆状態の尤度を応答から決定する。「短絡前駆状態（ＳＣＰＣ）」は、ＬＩＢ１１０内で（非良性）内部短絡をもたらし得る任意の状態を含み、次いで、それは「短絡誘導危険（ＳＣＤＨ）」をもたらす。短絡誘導危険は、ｉ）内部ＬＩＢ反応後の熱暴走及びその後の燃焼、ｉｉ）ＬＩＢセルの自己放電、またはｉｉｉ）最終的に、燃焼事象に発展する確率が未知である、未知の期間の間、休止中の良性な状態のままであるＬＩＢセルを含む。短絡前駆状態の例としては、限定されないが、内部セルの物理的欠陥（例えば、アノード及びカソードが物理的に接触する経路を提供する裂けたセパレータまたは機械的変形のため）、リチウムデンドライトの成長（例えば、低温での充電、特に高速充電のため）、銅のデンドライトの成長（例えば、過放電のため）、セル中の汚染物質の存在、セルの不良構成要素または状態、セルの劣化状態、セルの酷使または過剰な動作条件、特に良性の、初期の軽微な様式において、内部的にセルに損害を与える物理的衝撃または応力（例えば電極の体積変化を引き起こし、その電流コレクタからの電極の剥離、または別様で他の電極とのその後の断続的な接触）、ならびにそれらの組み合わせが挙げられる。応答の分析は、以下にさらに詳述する。

短絡前駆状態が検出される場合、それにより、ＬＩＢ１１０が短絡誘導危険（すなわち、熱暴走、自己放電、または休止中の良性な状態）へ進行する十分に高い尤度が存在し、そのとき、警報が提供されてもよく（通知ユニット１２０を介して）、及び／または少なくとも１つの是正措置が実装されてもよい（安全プロトコルユニット１２２を介して）。是正措置は、ＳＣＤＨの発生を緩和するまたは防止することを目的とする任意の種類の起動またはプロセスを含むことができる。例としては、ＬＩＢセルまたはセルグループを残りの電池から電気的にまたは熱的に分離すること、疑わしいＬＩＢセルまたはセルグループの動作窓に制限を課すこと（例えば、充電または放電に関する電圧範囲または電流範囲を制限すること、充電または放電の継続時間または速度を制限すること、環境加熱条件についてのセル動作を調整すること、特定の範囲内に充電状態（ＳＯＣ）を制限すること、ある特定の範囲内に放電深度（ＤｏＤ：Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）を制限することなど）、電池に対する電力供給を停止すること、ＬＩＢを開路状態または静止状態へ転移すること、疑わしいＬＩＢセルまたはセルグループを冷却すること（例えば、液体もしくは気体ベースのクーラントを含み得る冷却機構を適用することによって、冷却ファンを起動させることによって、セルから離れて高温気体を排気することによって）、熱障壁を起動させること、消弧手段または材料を起動させること、換気または排気機構を起動させること、熱遮断可能な電気導体熱遮断可能な電気導体を起動させること、ＬＩＢが動作しているデバイスからＬＩＢ（または個々のセルもしくはセルグループ）の間にもろい連結を起動させること、疑わしいセルをデバイスから物理的に取り外すもしくは切断すること、またはマルチセルパックの場合、疑わしいセルをマルチセルパックから物理的に切断するもしくは取り外すこと、ならびに／または電池のさらなる評価（例えば、認証センタで関連機器のサービスを受ける）が挙げられる。さらなる是正措置は、ＬＩＢ１１０の短絡を実際に排除するまたは中和することを試みてもよく、いかなる予防上の制限なくＬＩＢ１１０が動作し続けることができるように、回復可能である。例えば、特定の放電電圧は、リチウムめっきによるＳＣＰＣを有すると確認されたＬＩＢに印加されてもよく、印加された放電電圧は、ＬＩＢセル中のめっきされたリチウムの少なくとも一部をストリップする（酸化する）反応を引き起こす。適切な特定の放電電圧は、ＬＩＢに印加された少なくとも１つの刺激に対する少なくとも１つの応答の関数形式から決定され得る。

ここで図４を参照すると、図４は、本発明の実施形態に従って動作する、ＬＩＢの対数電流応答の関数として例示的な印加電圧走査を示すグラフ（１９０参照）を例証する。グラフ１９０のｙ軸は、走査中の印加電圧を表し、それは固定された所定の速さで走査される（ｄＶ／ｄｔ、式中、「Ｖ」は、印加電圧であり、「ｔ」は時間である）。グラフ１９０のｘ軸は、ＬＩＢの電流応答の自然対数を表す。走査は、ＬＩＢの開路電圧（Ｖ_ｏ）の近くで開始される。電圧走査は、開始電圧からの充電もしくは放電方向、またはそれらの組み合わせであってもよい。例えば、走査は、開路電圧に対してアノードから開始されてもよく、走査電圧が開路電圧を通過して、次いで、カソード領域に入るように、カソード走査する。あるいは、走査は、開路電圧に対してカソードから開始されてもよく、次いで、走査電圧が開路電圧を通過して、次いで、アノード領域に入るように、アノード走査する。走査の電圧制限は、印加電圧対測定された電流の関係の関数形式を得るように設定することができる。グラフ１９０は、電圧−電流関係が線形である、低い印加電圧値における低分極領域、及び電圧−電流関係が、測定された電流の（自然）対数と印加電圧との線形関係によって特徴付けられるより大きな印加電圧における高分極領域を示す。走査速度は、妥当な制限内で設定することができる。例えば、速度は、およそ１ｍＶ／秒〜１０ｍＶ／秒の範囲で設定することができる。

多くの有用なパラメータは、図４の例示的なプロトコルにおいて測定された電流応答から抽出されてもよい。いくつかの一般例としては、内部短絡の形成及び発生により変化し得る、セル抵抗の測定値、ＬＩＢ電極表面での電気化学反応速度を表す測定値、リチウムまたは銅のデンドライトなどの、内部短絡の形成及び発生による電極表面の化学作用の変化により影響を受け得る電極の性質（例えば、その組成、特に表面において）を表す測定値、物理的性質、例えば、内部短絡が発生するときの電極表面積及び粗さ（例えば、リチウムデンドライトまたは銅のデンドライトがＬＩＢ中で形成され、成長するとき、電極の界面の特性は、それに応じて変化する）、電極表面の化学組成及び物理的特性に対する内部短絡効果によって影響を受け、それによって、反応機構に影響を与える、電極表面で発生する反応の機構を表す測定値、電流−電圧曲線について適合するデータが、実際のデータから逸脱する、所定の規則に従う、電流値の測定値が挙げられる。

図４のプロトコルにおいて抽出され得る特に有用なパラメータは、反応分極、交換電流密度、及びターフェル傾斜を含む。印加電圧の低い値（すなわち、低分極領域）において、電流−電圧曲線は、典型的に線形であり、この領域における曲線の傾斜は、オームの法則で算出されて反応分極（Ｒｐｏｌ）と呼ばれる抵抗パラメータを提供することができる。ＬＩＢの抵抗は、内部ショートの形成及び発生に応答して変化することが既知であるので、Ｒｐｏｌは、ショートの漸進的成長のためのインジケータとして使用することができる。分極抵抗測定は、開路電圧（Ｖ_ｏ）に近い電圧範囲を走査することによって実行することができる。

典型的に、「ｉ_ｏ」と表される交換電流密度パラメータは、セル電解質とのＬＩＢ電極界面での電子移動の固有の速度を反映して、電極材料の触媒特性を示す。交換電流は、電極の性質（例えば、その組成、特に表面）及び物理的性質、例えばその表面積及び粗さに決定的に依存する。内部ショートが発生する場合（例えば、リチウムデンドライトまたは銅デンドライトがＬＩＢ中で形成され、発生する場合）、電極の界面の特性は、それに応じて変化する。例えば、黒鉛または他の種類のアノードの表面は、セルを短絡させるデンドライトに成長し得るリチウム金属の析出によって、少なくとも部分的に覆われていてもよい。この初期のリチウム析出物は、アノードでの充電及び放電反応の反応速度論を変化させ、その表面積にも影響を及ぼし、それによって、交換電流密度の値に影響を与える。交換電流密度の決定は、それが電荷移動制御下（印加電圧が測定された電流のログと比例する領域中の比較的高い印加電圧と関連する）であるときの電流−電圧曲線に対する種々の適合プロトコル、及びゼロ電流（開路電圧）に外挿することによって、使用することができる。

ターフェル傾斜（「ターフェル定数」とも呼ばれ、ときにβと表される）は、この関係が測定された電流の対数と印加電圧との線形関係によって特徴付けられる領域（すなわち、グラフ１９０の高分極領域）において、印加電圧の変化と比較的高い印加電圧での電流応答のログ値との比から決定され得る。特に、ターフェル傾斜は、既知のターフェル式：Ｅ＝βａ ｌｏｇ ｉ（測定）／ｌｏｇ（アノード走査のための交換電流密度）及びＥ＝−βｃ ｌｏｇ ｉ（測定）／ｌｏｇ（カソード走査のための交換電流密度）によって表されてもよく、「ｉ_ｏ」は、交換電流密度であり、「βａ」は、アノード（充電）走査のためのターフェル傾斜であり、「βｃ」は、カソード（放電）スキャンのためのターフェル傾斜であり、「Ｅ」は、電流（ｉ）が通過するときに測定された電位とＬＩＢの平衡または開路電圧との間の差である。ターフェル傾斜は、電荷移動反応及び反応機構に関与する電子数に関する情報を提供する。このため、電極での反応の変化は、ターフェル傾斜の値において反映される。

プロセッサ１１８が、予期される応答と比較してＬＩＢ１１０の測定応答をさらに分析し得ることに注意されたい。特に、特定の応答特性は、特定の印加刺激、例えば予期される範囲内の値を有する関連応答パラメータに応答して予想されてもよい。したがって、実際の応答パラメータが期待値を超える場合、そのとき、応答は、不正確または疑わしいとして、フラグを立て得る（例えば、さらなる確認をもたらす、及び／または印加刺激を繰り返すもしくは変化させる）。

ここで、図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、及び５Ｄを参照する。図５Ａは、本発明の実施形態に従って動作する、印加された方形波放電電流に対するＬＩＢの例示的な電圧応答を示すタイミンググラフ（２１０参照）を例証する。図５Ｂは、電圧応答プロファイルの異なるセグメントを示すタイミンググラフ２１０を例証する。図５Ｃは、電圧応答プロファイルの瞬間的な電圧変化及び残存する分極構成要素を示すタイミンググラフ２１０を例証する。図５Ｄは、電圧応答プロファイルの関数形式を示すタイミンググラフ２１０を例証する。

グラフ２１０のｙ軸は、ＬＩＢの電圧応答を表すのに対して、ｘ軸は、時間を表す。グラフ２１０は、抵抗負荷または定放電電流が開路状態からのステップ（方形波）として印加され、次いで、開路状態に戻るために放出されるときのＬＩＢに対する効果を例証する。図５Ａのプロトコルは、抵抗ｉＲ損失による瞬間的な電圧変化、その後の二重層充電フェーズ、及び（図５Ｄに見られるように）電圧変化が起動（動的な）及び濃度損失に起因するファラデー（電荷移動）反応フェーズを含む電圧応答の関数形式になる。

電圧のセクション２１１は、ＬＩＢのプレステップ状態に対応する。セクション２１２は、刺激が印加されると電圧を表し、セクション２１３及び２１４は、刺激が放出された後の電圧を表す。同様の曲線は、ＬＩＢのプレステップ条件が、代替的に、充電、放電、または静止状態のうちの１つであるときに得ることができた。ステップ電流プロトコルは、ステップ直前の初期定電圧レベルが充電電圧である場合、定電流充電モードであるＬＩＢ状態に対応する。ステップ刺激は、プレステップレベルよりも高い充電電流値、プレステップレベルよりも低い充電電流値、放電電流、静止状態、または開路状態のいずれかの電圧であってもよい。多くの有用なパラメータは、グラフ２１０の例示的なプロトコルにおいて測定された電圧応答から抽出されてもよい。１つの例としては、ＬＩＢの内部抵抗が挙げられ、それは、ＳＣＰＣなどの起こり得るセル不良の早期の標識を検出するために有用である情報を提供する。他の抽出されたパラメータは、刺激が印加されるときの電圧の瞬間的な降下、及び電流ステップ刺激が放出されるときの電圧の瞬間的な上昇を含んでもよく、それは、「ｉＲ降下」と呼ばれる。ｉＲ降下は、ＬＩＢの内部抵抗全体についての値を提供する。ｉＲ降下の抵抗は、瞬間的な電圧変化を電流ステップの値で割ることによって、算出される。刺激ステップが放出されると、プレ刺激状態中ではなく刺激印加中のセルの内部抵抗全体を表す回復ｉＲ降下が存在する。

抽出されたパラメータのさらなる例は、ＬＩＢ中の電極表面の表面積及び組成に関する。測定された二重層容量全体は、電極表面積及びその組成の関数である。電極の表面積及び組成は、電極上のリチウムデンドライトの析出により変化すると予想される。このため、二重層容量の変動は、ＳＣＰＣなどの不良状態の進行を反映する。

二重層容量は、以下の式：
Ｉ＝Ｃ ｄＶ／ｄｔ ［等式１］
（式中、「Ｉ」は、ステップ中に印加される電流の値であり、「ｄＶ／ｄｔ」は、二重層充電領域中の電圧過渡の測定された傾斜であり、「Ｃ」は、起動表面積に関連する算出二重層容量である）によって、図５Ｄ（典型的に、システム過電圧が低い及び／または平衡に近い比較的低い電流ステップについて）において「二重層充電」として示される領域中の電圧過渡から、算出されてもよい。「Ｃ」の変化は、セル電極の有効表面積の変化を示す。あるいは、異なる電流レベルでのいくつかの各電流ステップを適用することができ、ｄＶ／ｄｔ過渡をステップごとに測定した。ステップ電流のプロットの傾斜対ｄＶ／ｄｔは、「Ｃ」に対応する。

さらに別の有用な抽出されたパラメータは、瞬間的な電圧降下及び刺激の放出後のステップの残存する分極を指す「反応抵抗（Ｒ_ｒｘｎ）」である。残存する分極は、２つの主な構成要素：この場合、リチウムイオンの拡散による濃度分極損失及び速度論（電子速度移動速度論）からなる。電流刺激で割った電圧変化は、反応抵抗を提供する。反応抵抗は、内部短絡に敏感なセルの特性、例えばデンドライトによって妨害される拡散経路、反応速度論に影響を及ぼす電極表面の組成の変化などの影響を受ける。

図５Ａにおいて、時間Δｔ２は、遷移時間「τ_ｒ」（ＲＣ時定数とも呼ばれる）を表し、それは、ステップ放出の開始から電圧が所定の定常状態に達するまでの時間である。ステップが適用されるとき、同様の「τ_ａ」期間が存在する。τ_ｒ及びτ_ａは、セル電解質中の電気化学活性種の濃度に関連し、それらの拡散定数、電極の面積、及び化学量論的反応に伴う電子数などの要因に依存する。後者の要素は、一定のままでなければならないので、τ_ｒ及びτ_ａの変化によって示されるように、それらの変化は、ＳＣＰＣなどのセル不良の開始に相関し得るセルにおける基本的な化学変化を検出するために、使用することができる。サンド式によって、依存性は、以下の通りである（式中、下付き文字「ｘ」は、「ｒ」または「ａ」のいずれかを表す）：
τ_ｘ ^０．５＝π^０．５ｎＦＡＤ^０．５Ｃ／２Ｉ ［等式２］
（式中、「τ」は、遷移時間であり、「ｎ」は、反応に関与する電子数であり、「Ｆ」は、ファラデー定数であり、「Ａ」は、電極界面の面積であり、「Ｄ」は、拡散係数（この場合、リチウムイオンについて）であり、「Ｃ」は、バルクＬＩＢセル電解質中のリチウムイオンの濃度であり、「Ｉ」は印加電流である）

さらに別の有用な抽出されたパラメータは、「ターフェル定数、ｉ_ｏ」である。ターフェル定数は、電極の活性及び反応の速度論を評価するために有用な電気化学反応速度定数である。ターフェル定数は、Ｒｒｘｎが以下の低分極（比較的低い電流ステップまたは波形）についての式によって決定されると、電流ステップデータから算出することができる：
ｉ_ｏ＝ＲＴ／Ｒｒｘｎ Ｆ ｎ ［等式３］
（式中、「Ｒ」は、一般気体定数であり、「Ｆ」は、ファラデー定数であり、「ｎ」は、反応化学量論に関与する電子数であり、「Ｔ」は、ケルビン度の温度である。）あるいは、ターフェル定数は、Ｒｒｘｎを導出するために使用される電圧及び電流の基本測定値から直接的に算出されてもよい。

ここで、図６Ａ及び６Ｂを参照する。図６Ａは、本発明の実施形態に従って動作する、例示的な定電位ステップ電圧刺激を示すタイミンググラフ（２２０参照）を例証する。図６Ｂは、本発明の実施形態に従って動作する、図６Ａの印加されたステップ電圧刺激に対するＬＩＢの例示的な電圧応答を示すタイミンググラフ（２３０参照）を例証する。印加されたステップ電圧は、ＬＩＢ１１０において電気化学反応を引き起こすのに十分に大きくなるように確立される。ステップ電圧は、ステップ直前の初期定電圧レベルが充電電圧である場合、定電圧充電モードであるＬＩＢに対応する。ステップ電圧刺激は、プレステップレベルよりも高い充電電流値、プレステップレベルよりも低い充電電流値、放電電流、静止状態、または開路状態である電圧であってもよい。

電流応答（Ｉ）は、既知のコットレル式：
Ｉ＝ｎＦＡＤ^１／２Ｃ_ｂｕｌｋ／（πｘｔ）^１／２ ［等式４］
（式中、「Ｆ」は、ファラデー定数であり、「ｎ」は、反応に関与する電子数であり、「Ｄ」は、拡散係数（この場合、リチウムイオンである）であり、「Ｃ」は、電気活性種（この場合、ＬＩＢセルの電解質中のリチウムイオン）のバルク濃度であり、「Ａ」は、電極界面の表面積である）によって説明することができる。上述のように、電極面積は、ＳＣＤＨをもたらし得るリチウム及び／または銅デンドライトが析出すると変化するので、電流応答の関数形式（ｔ^−１／２の関数としての電流の直線性の程度）、ならびに電流応答から導出されるパラメータは、短絡前駆状態のインジケータとして使用することができる。

測定された電流応答から抽出され得る有用なパラメータは、ＬＩＢの抵抗であり、それは、ステップにおける電圧の値で割られる電流の瞬間的な変化から算出することができる。別の有用なパラメータは、電極界面の面積であり、それは、その値の変化がＳＣＰＣ、例えばリチウムデンドライトの成長を示し得るためである。

本発明の実施形態によれば、開示された監視方法の適用から収集されたデータは、「クラウドソーシング」型モデルに似ている、今後の監視セッションについての予測能力を強化するために、多くのユーザから集約することができる。例えば、集約されたデータは、抽出かつ導出されたパラメータ値と相関し得る、性能パターンを識別するために使用されてもよい。

例示的なシナリオにおいて、車両フリート全体の安全管理ネットワークの一部としての電気自動車のフリートの最適化は、収集された性能（例えば、クラウドソース）データを使用して達成することができる。収集されたデータは、一般的に「コネクテッドカー」と呼ばれるものによって可能になるように、例えば専用無線送信器を介して、または既存の専用無線通信プラットフォーム（例えば、ＧＭ ＯｎＳｔａｒ（商標）サービス）とのインターフェースによって、中央設備に無線で通信され得る。送信は、Ｗｉ−Ｆｉ、ブルートゥース（登録商標）、セルラー通信ネットワークなどを組み込んでもよい、データ通信リンク１２８を通じて実装することができる。別の例において、収集された性能値は、集中型または非集中型様式において、例えば、インターネット、テキストメッセージサービス（ＳＭＳ）、ソーシャルメディアプラットフォームなどを使用することによって、少なくとも１つのデータ処理ユニットと通信され得る。このように、本発明のシステム及び方法は、すべてのユーザ間の電池使用及び安全状態を追跡し分析し得る。データは、例えば、共通の特徴（例えば、同じ種類の電池、同じモデル車のフリートごと、同様の使用パターンごと、地理的エリアなど）に基づいて、ユーザを異なるグループまたはカテゴリにセグメント化することによって分析することができる。より多くの統計が集約されるにつれて、電池寿命の早期及び早期の段階での不良を予想するために、予想の信頼性を増加させるために、それらの精度を改善するために、統計における分散を減少させるなどのために、予測能力を洗練することができる。例えば、単一の使用事例についての安全予測のために有意に認められなかった通常の電池挙動における微妙な変化は、上述したクラウドソーシングデータの集約及び分析モデルを使用して、不良の標識であると最終的に確認されてもよい。同じ原理はまた、同じＬＩＢにおける今後の潜在的な安全性上の危険の監視及び検出を強化するために、個々のＬＩＢまたは関連するＬＩＢ電力供給デバイスから収集されたデータ（すなわち、複数の監視セッションにわたる履歴性能データ）を精緻化することに適用されてもよく、それは、「機械学習」と呼ばれ得ることにさらに注意されたい。このような機械学習はまた、共通の特性を有する一群のＬＩＢ（または関連デバイス）に適用され得る。

ここで図７を参照すると、図７は、本発明の実施形態に従って動作する、ＬＩＢの安全性を監視するための方法のブロック図である。手順２５２において、リチウムイオン電池（ＬＩＢ）の初期電気状態が決定される。図１を参照すると、応答測定デバイス１１４は、例えば、電圧、電流、ＬＩＢ１１０が充電状態、放電状態、開路状態、または静止状態であるかどうか、ならびにＳｏＣもしくは放電深度のうちの少なくとも１つを決定することによって、ＬＩＢ１１０の初期電気状態を測定する。ＬＩＢ１１０の初期電気状態は、リアルタイム測定によって決定されてもよく、手動で提供されてもよく、かつ／または、他の供給源から得られてもよい。例えば、システム１００は、データ記憶ユニット１２４中に記憶される電池パラメータ、例えば、サイクル数、容量または充電状態（ＳｏＣ）、及び健康状態（ＳｏＨ）からＬＩＢ１１０の電気状態に関する情報を得てもよい。

手順２５４において、時間変動応答を誘発するためにＬＩＢの電気状態を変更する。図１を参照すると、ＬＩＢ１１０の初期電気状態は、例えば、刺激印加デバイス１１２によってＤＣ電気刺激をＬＩＢ１１０に印加することによって変更される。例えば、刺激印加デバイス１１２は、ＬＩＢ１１０にＤＣ電流刺激を印加してもよく、またはＤＣ電圧刺激（例えば、グラフ１９０及び２２０に示す）を印加してもよい。刺激は、ステップと同様に一定のレベルで、または一定もしくは変動する変化率での電圧ランプなどの時間変動モードにおいて保持されてもよい。あるいは、さらに、ＬＩＢ１１０は、充電モードまたは放電モードから、開路状態に、または静止状態に遷移されてもよい。

例えば、刺激印加デバイス１１２は、ＬＩＢ１１０へ電流ステップ刺激を印加して、瞬間的なＩＲ電圧降下、その後の二重層充電フェーズ、及びその後のファラデー反応フェーズのうちの少なくとも１つによる関数形式において特徴付けられる一時的な電圧応答を引き起こしてもよい（グラフ２１０において図示するように）。別の例において、刺激印加デバイス１１２は、ＬＩＢ１１０へ電圧走査刺激を印加して、電流が印加電圧に対して線形である低分極領域、及び電流の自然対数が印加電圧に対して線形である高分極領域のうちの少なくとも１つによる関数形式において特徴付けられる電流応答を引き起こしてもよい。さらに別の例において、刺激印加デバイス１１２は、ＬＩＢ１１０へ電圧ステップ刺激を印加して、電流の瞬間的な変化及びその後の経時的な漸進的変化のうちの少なくとも１つによって特徴付けられる一時的な電流応答を引き起こしてもよい。さらに別の例において、刺激印加デバイス１１２は、ＬＩＢ１１０へ電圧走査刺激を印加して、印加電圧値の関数としての電流の関数形式により特徴付けられる電流応答を引き起こしてもよい。電圧走査は、２つの電圧（開始電圧及び終了電圧）間が線形であってもよく、またはこのような電圧制限間でサイクリックであってもよく、この場合、このような電圧間の少なくとも１つのサイクルが適用され得る。さらに別の例において、刺激印加デバイス１１２は、ＬＩＢ１１０へ電流走査刺激（時間の関数としての一定または非定率で変化する電流）を印加して、電圧応答を引き起こしてもよい。

ＬＩＢ１１０の電気状態を変更する前に、プロセッサ１１８は、ＬＩＢ１１０の初期電気状態に関する情報を処理し、その後、それに応じてどのように進行するべきか決定してもよい。特に、プロセッサ１１８は、現時点でのＬＩＢの電気状態を変更するか否かを決定してもよく、その場合、どのような様式において、例えば、印加刺激または変更する状態の値及び／または種類を修正することによって、決定してもよい。例えば、初期電気状態に基づいて、プロセッサ１１８は、ＬＩＢ１１０がその既存の電気状態において動作し続ける、または、代替的に、ＬＩＢ１１０の動作を終了させる、または、さらに、代替的に、初期電気状態前に実施されていたものと異なる状態にＬＩＢ１１０の動作状態を変化させることが可能であると決定してもよい。

手順２５６において、変更した電気状態に対するＬＩＢの応答が測定される。図１を参照すると、応答測定デバイス１１４は、変更する電気状態、例えば印加されたＤＣ電気刺激に対するＬＩＢ１１０の時間変動応答を測定する。例えば、応答測定デバイス１１４は、印加電流に対するＬＩＢ１１０の電圧応答プロファイルを測定する（グラフ２１０に示すように）、または印加されたステップ電圧または電圧走査に対するＬＩＢ１１０の電流応答プロファイルを測定する（グラフ１９０及び２３０に示すように）。測定は、関数形式または応答形状、及び経時的な応答値の変化を含む、応答プロファイルのすべての特徴を含み、特に応答プロファイルの異なるセグメントが考慮される。

手順２５８において、電池温度及び／または環境温度が測定される。図１を参照すると、温度センサ１１６は、例えば監視セッション前、中、後にＬＩＢ１１０の温度を測定する。加えて、温度センサ１１６は、ＬＩＢ１１０付近の環境温度を測定してもよい。システム１００は、変更したＬＩＢ１１０の電気状態をどのように印加するか、及び印加するかどうか、ならびにＬＩＢ１１０の応答データをいつ処理するかを決定する際に、測定された温度値を考慮してもよい。

手順２６０において、応答が所定の制限を超えて逸脱するかどうか決定される。図１を参照すると、プロセッサ１１８は、応答が所定の動作制限から逸脱するかどうか確認するために、ＬＩＢ１１０の応答特性（例えば、電圧プロファイルまたは電流プロファイル）を点検する。例えば、ＬＩＢ電圧は、充電に関しておよそ４．１〜４．２５ボルトを超えないように、かつ放電に関しておよそ２．５〜２．７５ボルト未満に減少しないように誘導されてもよい（例えば、セル化学、セル設計、及び製造規格について調節され、それらのすべてがデータ記憶ユニット１２４を介してアクセスされ得る）。応答が所定の制限から逸脱する場合、そのとき、印加刺激を停止して、刺激を印加する前にＬＩＢ１１０があった状態にＬＩＢ１１０を戻すこと、ＬＩＢ１１０を異なる状態に遷移すること、またはＬＩＢ１１０の動作を終了させることなどの種々の措置をとってもよい。

手順２６２において、一次応答パラメータが抽出される。図１を参照すると、プロセッサ１１８は、ＬＩＢ１１０の応答（その関数形式を含む）を分析して、パラメータの初期セットを抽出する。例えば、印加された電気刺激の種類に応じて、一次応答パラメータは、電圧応答の種々のセグメントに沿った異なる時点での電圧応答の値、及び／または電流応答の種々のセグメントに沿った異なる時点での電流応答の値を含んでもよい。一次応答パラメータは、応答／印加変更前、中、後を含む、ときに応答を生成するために印加される変更の値も含む。

一次応答パラメータは、所定の時間について、変更の適用前、中、及び／または直後を含む電気状態の変更にわたる任意の時点で抽出されてもよいことに注意されたい。例えば、データ収集期間は、場合によっては、少なくともプレ変更期間から変更状態期間へ、変更状態期間からポスト変更状態へ、及び／またはある変更状態から別の変更状態への遷移を含むことを選択されてもよい。データ収集は、所定数のデータ記録ポイント（例えば、全３００ポイント）について、または固定されたデータ収集率（すなわち、１秒当たり１０ポイントなどの単位時間当たりの設定されたポイント数）で実装されてもよい。さらに代替的には、データ収集率は、測定された一次応答におけるある特定の変化と関連してもよい（例えば、記録当たりの電圧または電流の所定の変化、例えば、１ｍＶまたは１ｍＡの各変化ごとの１ポイント）。

加えて、一次応答パラメータの記録されたデータポイントごとに関連する印加刺激についての値も記録され得る。例えば、刺激が電流ステップである場合、そのとき、電流の値は、電圧応答のデータ取得ポイントごとに記録される。さらに、各収集された一次応答データポイント（及び関連する刺激パラメータ）の時間（及び日付）も記録され得る。タイムスタンプは、例えば、絶対時間（すなわち、ＬＩＢ動作の開始から）、相対時間（すなわち、監視セッションの開始から）、またはリアルタイム（すなわち、ＬＩＢ動作から独立した実際のローカルタイム）として表されてもよい。任意の種類の記録データのための測定単位は、例えば、システム１００によって予め決定され、システム１００によって自動的に調節され、かつ／またはユーザもしくは外部供給源によって確立することができる（予め決定された、またはリアルタイムで）。

一般に、本発明の「一次応答パラメータ」はまた、少なくとも１つの数学関数を単一の抽出された一次応答パラメータに適用することによって導出される任意のパラメータを含んでもよい。このような数学関数は、例えば、ログ、自然対数、累乗、ルート、逆数、指数、三角関数（例えば、サイン、コサイン、タンジェント、コサイン、コタンジェント）、及び／または当技術分野において既知の他の数学関数のうちの少なくとも１つを含めて、任意の順序または組み合わせで適用されてもよい。

手順２６４において、二次応答パラメータが導出される。図１を参照すると、プロセッサ１１８は、抽出された一次応答パラメータから第２のグループのパラメータを導出する。例えば、印加された電気刺激が電流ステップである場合、二次応答パラメータは、瞬間的な電圧降下（ｉＲ降下）、ｉＲ降下の抵抗、二重層容量（Ｃ）、二重層充電フェーズについての時定数（遷移時間τ_ｒ）、サンド式パラメータ（式２において提供される）、二重層充電レジームの終了時の電圧値及び印加電流ステップの終了時の電圧の変化、ならびに交換電流密度（ｉ_ｏ）を含んでもよい。

印加された電気刺激が、電流応答が電流のログとして記録される電圧走査である場合、二次応答パラメータは、ターフェル傾斜（βａまたはβｃ）、交換電流密度（ｉ_ｏ）、反応分極（Ｒｐｏｌ）、電流偏差値（ｉ_ｄ）、印加電圧の関数としての電流応答、及びそれらから導出されるパラメータを含んでもよい。

印加された電気刺激が、電流応答が印加電圧の関数として記録される電圧走査である場合、二次応答パラメータは、例えば、走査の電圧−電流関数形式の導関数及び二次導関数、プロットされ、または別の方法で、走査速度もしくは走査速度の平方根に対して得られる、走査の機能的特徴における電流値の導関数を含んでもよい。電圧応答が電流の関数として直接プロットされる（グラフ１９０と同様に対数電流ではなく）場合、そのとき、追加のパラメータは、以下のランドレス−セブシック式：
ｉ_ｆ＝２６９ｎ３／２ＡＤ１／２ｖ１／２Ｃ ［等式５］、
（式中、「ｉ_ｆ」は、走査の機能的特徴における電流値であり、「ｎ」は、反応に関与する電子数であり、「Ａ」は、電極界面の幾何学的な表面積であり、「Ｄ」は、電気活性種（この場合、リチウムイオン）の拡散係数であり、「ｖ」は、走査速度であり、「Ｃ」は、電解質中の電気活性種（この場合、リチウム塩）のバルク濃度である）から導出され得る。走査は、２つの電圧制限間でサイクリックであってもよく、その制限間に少なくとも１度作動してもよい。

印加された電気刺激が電流走査である場合、二次応答パラメータは、例えば、電圧、印加電流の関数としての電圧応答、及びそれらから導出されるパラメータを含んでもよい。

印加された電気刺激が潜在的なステップである場合、二次応答パラメータは、瞬間的な電流変化、抵抗値、及び（式４による）ＬＩＢ電極の有効面積の変化を含んでもよい。

プロセッサ１１８が、算出を実行する際に、例えば関連するパラメータを導出するために種々のラインフィッティング法（例えば、データ記憶ユニット１２４中に記憶される）を利用してもよいことに注意されたい。ラインフィッティング法の選択は、予め決定することができ、または一次応答パラメータの分析に基づくことができる。

一般に、本発明の「二次応答パラメータ」はまた、数学演算を複数のパラメータ、例えば少なくとも１つの一次応答パラメータ及び少なくとも１つの刺激パラメータの任意の組み合わせに適用することによって、導出される任意のパラメータを含んでもよい。このような数学演算は、例えば、積分、時間または異なる一次応答パラメータに関する二次または高水準導関数、変更した電気状態に対する応答の関数形式の直線回帰、除算、乗算、引算、加算、多項式の曲線適合を含む曲線適合、当技術分野において既知の他の数学演算を含んで、任意の順序または組み合わせで適用されてもよい。二次パラメータはまた、数学的、物理的、または化学的定数もしくは係数と二次パラメータとの組み合わせから生じ得る。

手順２６６において、複合応答パラメータが導出される。図１を参照すると、プロセッサ１１８は、例えば抽出された一次パラメータ及び導出された二次パラメータのいくつかの組み合わせに対して少なくとも１つの数学演算を適用することによって、抽出された一次パラメータ及び導出された二次パラメータからパラメータの第３のグループを導出する。複合パラメータの例としては、Ｉｄ／Ｒｒｘｎ、１／βｘ１／Ｒｒｘｎ、ｉＲ降下のＲｐｏｌ／Ｒ、ｉ_ｏ／Ｒｒｘｎ、ｉ_ｏ／Ｒｐｏｌ、ｉ_ｄ／Ｒｐｏｌ、ｉＲ降下のｘ１／Ｒｐｏｌの１／Ｒ、ｉＲ降下の１／Ｒｒｘｎｘ１／Ｒ、１／Ｒｒｘｎｘ１／Ｒｐｏｌ、ｉ_ｏｘ１／β、ｉ_ｄｘ１／β、β／Ｒｒｘｎ、β／Ｒｐｏｌ、ｉＲ降下のβ／Ｒ、β／ｉ_ｏ、β／ｉ_ｄ、ｉ_ｄｘＲｐｏｌ、ｉ_ｏｘＲｐｏｌ、ｉＲ降下の１／βｘ１／Ｒ、１／βｘ１／Ｒｐｏｌが挙げられる。

手順２６８において、短絡前駆状態の尤度は、測定された応答の関数形式、ならびに一次、二次、及び／または複合応答パラメータに基づいて決定される。図１を参照すると、プロセッサ１１８は、一次、二次、及びコンポジット応答パラメータのいくつかの組み合わせを含んで、変更された状態に対するＬＩＢ１１０の時間変動応答から導出された収集情報に従って、ＬＩＢ１１０中の短絡の初期段階の可能性（すなわち、「短絡前駆状態」）を決定する。

決定された尤度は、応答プロファイル、例えば、応答の関数形式に関する関連情報、及び例えば、パラメータの値のみに基づいて可能であり得る、初期段階でのＳＣＰＣの尤度を予測し得る傾向を示すために、経時的な一次、二次、及び複合応答パラメータの変化率を考慮する。言い換えれば、種々の応答パラメータの変化は、ある特定のＳＣＰＣの発生についての傾向を示すために使用されてもよく、その他の点では、このような傾向は、明らかでなくてもよい。プロセッサ１１８は、収集情報を使用して好適な測定法を決定し得、そこから、ＳＣＰＣの尤度が決定され得る。

プロセッサ１１８はまた、ＳＣＰＣの尤度を決定するために、一次パラメータ、二次パラメータ、及び複合パラメータ間（すなわち、同じカテゴリのパラメータ内、及び／または異なるカテゴリ間）の整合性を考慮してもよいことに注意されたい。このような整合性分析は、偽陽性または偽陰性検出を減少させる手助けをし得る。ＳＰＣＰ予測は、どの特定の（一次／二次／複合）パラメータが考えられているかに応じて、著しく変動し得る。例えば、５つのパラメータのグループからの４つのパラメータは、ＳＣＰＣの実質的に高い尤度を示し得るのに対して、第５のパラメータは、非常に低い尤度を示し得る。その結果、第５のパラメータを考慮しさえすれば、それが偽陰性決定になり得る。したがって、プロセッサ１１８は、複数の応答パラメータの分析から導出されるＳＣＰＣの尤度の集約結果を利用してもよい。さらに、プロセッサ１１８は、初期の予測の信頼水準に基づいてＳＰＣＰの尤度予測を検証するまたは改良するために、追加の応答パラメータを検索してもよい。

手順２７０において、潜在的な短絡誘導危険の警報が提供される。図１を参照すると、プロセッサ１１８が、例えば、所定の確率水準（例えば、少なくとも５０％）により、ＬＩＢ１１０中の短絡前駆状態が十分に可能性があると決定する場合、そのとき、通知ユニット１２０は、警報または警告を提供するように指示される。例えば、通知ユニット１２０は、視覚指示（例えば、テキスト、標識、及び／もしくは記号を表示する、グラフィック情報の色を変化する）及び／または音声指示（例えば、警報、警告音）を提供し、これは、ＬＩＢ１１０が検出されたＳＣＰＣの後にＳＣＤＨ（例えば、燃焼事象、自己放電、または休止中の良性な状態）をすぐに受け得ることを示唆する。通知ユニット１２０はまた、データ通信リンク１２８を介して遠隔地に警報を通信し得る。

手順２７２において、少なくとも１つの是正措置は、短絡誘導危険を緩和するまたは防止するために実装される。図１を参照すると、プロセッサ１１８が、例えば、所定の確率水準（例えば、少なくとも５０％）により、ＬＩＢ１１０中の短絡前駆状態が十分に可能性があると決定する場合、そのとき、安全プロトコルユニット１２２は、少なくとも１つの是正措置を実装するように指示される。例えば、安全プロトコルユニット１２２は、ＬＩＢ１１０の他のセルから問題のあるＬＩＢセルを電気的に切り離してもよく、またはＬＩＢ１１０の充電を自動的に防止してもよい。別の例の場合、安全プロトコルユニット１２２は、例えば、流体ベースまたは空気ベースの冷却機構を適用し、かつ／またはＬＩＢ１１０から離れて高温気体を排気することによって、ＬＩＢ１１０の少なくとも一部を直ちに冷却し得る。システム１００はまた、ＬＩＢ１１０が現在電力供給している構成要素（例えば、電子デバイスまたはシステム）の動作を停止してもよく、潜在的なＳＣＤＨの尤度を確かめるまたは確認するように、管理者に通知して（例えば、ＬＩＢ１１０付近、または遠隔地で）、ＬＩＢ１１０のさらなる評価を提供する。さらなる是正措置は、例えば、リチウム−めっき誘導されたＳＣＰＣと識別されるＬＩＢに特定の放電電圧を印加することによって、短絡を実際に排除しようと努め、その印加は、リチウムめっきの少なくとも一部をストリップする（酸化する）。

手順２７４において、短絡前駆状態の決定は、ユーザフィードバックまたは履歴データに基づいて修正される。図１を参照すると、プロセッサ１１８は、短絡前駆状態の尤度を決定する際に、取扱説明書、ならびに以前の監視セッション及び／または複数のユーザから蓄積された集約履歴データを考慮してもよい。例えば、ユーザは、ＳＣＰＣが普通よりも低い確率を確立するように（例えば、以前に５０％の尤度が適用された場合、そのとき、ここでは、４０％または３０％に下げられ得る）、特定の指示（ユーザインターフェース１２６を介して）を提供して、「より保守的な安全な測定法」を適用してもよい。あるいは、ユーザは、以前に５０％の尤度が適用された場合、そのとき、ここでは、６０％または７０％に上げられ得るように、ＳＰＣＰを確立するためのより高い確率水準を適用するために指示されてもよい。さらに、データ記憶ユニット１２４は、種々の種類のＬＩＢ（ＬＩＢ１１０自体を含む）の以前の監視セッションと関連する記憶された情報を含んでもよい。プロセッサ１１８は、例えば、同様の応答プロファイルによって特徴付けられる同様のＬＩＢの実際の結果に基づいて、ＳＣＰＣを確立するための確率を上下させるために、関連する記憶された情報を考慮してもよい（例えば、ある特定の状態がＳＣＤＨ事象において実際にもたらされたかどうか、及び／またはＳＣＤＨがそのようなＬＩＢにおいて、どのような状態で実際に発生したか）。記憶された情報は、履歴データに基づいて異なるＬＩＢの特性を自動的に学習するために使用される人工知能技術、ならびにデータを今後の監視セッションに適用するための最適技術によって、得られてもよく、または更新されてもよい。プロセッサ１１８はまた、同じＬＩＢ中の潜在的な短絡誘導危険の今後の監視及び決定を強化するために、個々のＬＩＢから収集されたある特定の履歴性能データを考慮してもよい（すなわち、「機械学習」手法を使用する）。

ここで図８を参照すると、図８は、監視されたＬＩＢの内部抵抗の変化を検出するための２種類の異なるパラメータの有用性を比較する棒グラフ（全体的に２９０参照）を例証する。グラフ２９０は、周囲温度で１８６５０−モデルＬＩＢ（公称容量２．６ａｍｐ−時間）の１ｋＨｚでのＡＣインピーダンスによって測定された内部抵抗が、２つの異なる充電状態で５７ｍΩから変５５ｍΩに変化するときの２つのパラメータの変化百分率を比較する。第１のパラメータは、ＡＣインピーダンスであり、第２のパラメータは、本発明によって導出される例示的な複合パラメータ：ｉ_ｄｘ１／βａである。ＡＣインピーダンスの変化は、およそ４％である。ＡＣインピーダンスは、内部短絡の発生の代わりとしてとられる。基準値として５７ｍΩを使用することにより、内部セル抵抗における２ｍΩの減少は、約１．５Ωの内部短絡抵抗を表す（内部短絡抵抗は、セル抵抗全体に対して並列であると考えることができるため）。このような低い短絡抵抗において、熱暴走は、ほぼ即座に開始すると予想され得る。対照的に、複合パラメータ（ｉ_ｄｘ１／βａ）は、同じ条件下でおよそ３９０％の変化を呈する。約２５Ωの内部短絡抵抗を表すＡＣインピーダンスにおける約１％の変化の場合、同じ複合パラメータは、およそ１７５％変化した（グラフ２９０に図示せず）。このように、例示的な複合パラメータは、ＡＣインピーダンスパラメータと比較して、非常に大きな感度（内部抵抗変化に対して、したがってＳＣＰＣの早期検知に対して）を提供する。２５Ωなどの比較的高い内部短絡抵抗値であっても、ＬＩＢが差し迫った熱暴走の状態にまだ達していないとき、例示的な複合パラメータは、はるかに大きい感度を呈し、ＳＣＤＨを緩和するまたは防止するために、より早期の段階で是正処置の実装を可能にする。

本発明の開示された方法は、それが、潜在的な短絡誘導危険の早期の検出及び警告を可能にするために、有用な情報を提供する特定の応答を導くために、特定の様式においてＬＩＢを刺激するまたは変更することを伴うという点で、起動（すなわち、非受動的な）技術であることを理解されたい。警告は、ＬＩＢ中の（良性）内部短絡の開始前に提供されてもよく、その結果、短絡誘導危険、例えば燃焼事象を効果的に緩和するまたは防止するのに間に合うように、是正処置が実装されてもよい。開示された方法は、監視されたＬＩＢにおいて発生中の内部短絡を検出するために特に感度が高く、適切であり得る標識を識別する。開示された方法はまた、追加の専用ハードウェア構成要素、例えばＬＩＢを受動的に監視するために加えたセンサ、配線、及びハードウェアを必要とすることなく、実装するために既存の配線及び電子基盤を利用してもよい。その結果、開示された方法は、比較的安価であり得、導入、維持、及びアップグレードするのが容易であり、追加の重量または容量を必要としない。さらに、開示された方法は、自動監視を提供してもよく、単一のＬＩＢセルもしくは複数のＬＩＢセル、またはセルモジュールに対して、このようなセルもしくはモジュールが直列及び／または並列に接続されるかどうか監視を適用することができる。またさらに、開示された方法は、複数のプラットフォーム及び種々のＬＩＢの種類／設計／構成に実装され得、汎用性及び柔軟性を提供する。開示された方法は、半導体集積回路チップ、例えばマイクロプロセッサ及びＡＳＩＣチップに内蔵されてもよく、かつ／または限定されないが、充電器（有線もしくは無線）、充電ステーション、電力アダプタ（有線もしくは無線）、電池管理システム、電子制御ユニット、コンピュータなどを含むＬＩＢを点検する、管理する、または監視する既存の器具または構成要素中のソフトウェアに組み込まれてもよい。

本発明の開示された方法は、専用ＡＳＩＣデバイス（シングルチップ／マルチプルチップ／マイクロプロセッサ）、または他の集積回路もしくはプリント回路もしくは半導体デバイスに内蔵されてもよい。開示された方法はまた、ＬＩＢの動作及び安全性を動作するまたは管理するために使用されるソフトウェアまたは任意のコンピュータもしくは電子可読媒体に組み込まれてもよい。開示された方法はまた、ＬＩＢ、ＬＩＢ製造プロセス中に使用される器具、ポテンシオスタット、ガルバノスタット、ＱＡ／ＱＣ機器などを試験する、測定する、または循環する器具に組み込まれてもよい。

本発明は、多種多様の用途における電池安全性監視に適用可能である。特に、開示された安全性監視方法は、限定されないが、民生用電子製品（例えば、携帯電話、ラップトップコンピュータ、タブレット型コンピュータ、ｅブックリーダ、スマートウォッチ、または他のウェアラブル電子製品など）、車両（例えば、航空機、陸上車両、電車、純電気自動車、電気自動車（ＥＶ）、例えば、ピュアＥＶ、ハイブリッド及びプラグイン、電気バス、電気カート、電動車椅子、電動重機、例えば、フォークリフト、電動ボート及び潜水艦、ならびに他の船舶、電動自転車（ｅバイク）、電動スクータ（ｅスクータ）、ＵＡＶドローン）、通信デバイス（例えば、ラジオ、ツーウェイラジオ、受信器、送信器、トランシーバなど）、電気機器（例えば、動力工具、電子タバコ（ｅ−ｃｉｇ））、医療デバイス、例えば、移植型デバイス、及びエネルギー貯蔵用設備（例えば、充電ステーション、グリッドエネルギー貯蔵システム、ソーラパネルエネルギー貯蔵、風車エネルギー貯蔵、水力発電、ならびに波及び潮汐エネルギー貯蔵）、人工衛星を含む任意の技術分野における任意のリチウムイオン電池動力デバイス、製品、またはシステムに適用され得る。

さらに、本発明の安全性監視方法は、電気刺激を使用する非電池用途、例えば生物医学的用途、ならびに非電気刺激、例えば吹き込み用途（例えば、空気弁、気流）及び流体システム（例えば、滑油系統及び水道事業）まで、拡大してもよい。

当業者が本発明を実施することができるように、開示された主題のある特定の実施形態が記載されているが、前述の説明は、例示することのみを目的とする。前述の説明を使用して、開示された主題の範囲を制限するべきではなく、以下の特許請求の範囲を参照することによって、決定されなければならない。

Claims (29)

1. 充電式Ｌｉイオン電池（ＬＩＢ）の安全性を監視するための方法であって、
   前記ＬＩＢの初期電気状態を決定すること、
   前記ＬＩＢに対する直流（ＤＣ）電気刺激の印加または除去によって、前記ＬＩＢの前記電気状態を変更して、時間変動応答を誘発すること、
   前記変更した電気状態に対する前記ＬＩＢの前記時間変動応答を測定すること、
   前記測定された応答の少なくとも関数形式と関連する少なくとも１つの一次応答パラメータを抽出すること、
   前記一次応答パラメータから少なくとも１つの二次応答パラメータを導出すること、ならびに
   前記一次応答パラメータ、及び前記二次応答パラメータのうちの少なくとも１つに従って、短絡前駆状態の尤度を決定すること、の手順を含む、方法。
2. 前記一次応答パラメータから、及び前記二次応答パラメータから少なくとも１つの複合応答パラメータを導出する手順をさらに含み、
   前記短絡前駆状態の尤度が、前記複合応答パラメータに従ってさらに決定される、請求項１に記載の方法。
3. 前記決定された短絡前駆状態の尤度に従って、潜在的な短絡誘導危険の警報を提供する手順をさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記決定された短絡前駆状態の尤度に従って、短絡誘導危険を緩和するまたは防止するために、少なくとも１つの是正措置を実装する手順をさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記是正措置が、印加された放電電圧が、前記ＬＩＢ中のリチウムめっきの少なくとも一部を酸化するように、前記ＬＩＢに特定の放電電圧を印加することを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ＬＩＢの前記電気状態を変更する前記手順が、
   放電電圧、
   充電電圧、
   定電位電圧、
   線形変動電圧、
   放電電流、
   充電電流、
   定電流、
   線形変動電流、
   放電抵抗負荷、
   定電力放電、
   充電定電力、及び
   上記の任意の組み合わせからなるリストから選択される少なくとも１つの電気刺激の印加を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記ＬＩＢの前記電気状態を変更する前記手順が、
   前記ＬＩＢを放電状態から開路状態または静止状態へ切り替えること、
   前記ＬＩＢを充電状態から開路状態または静止状態へ切り替えること、
   前記ＬＩＢを開路状態または放電状態または静止状態から充電状態へ切り替えること、
   前記ＬＩＢを開路状態または充電状態または静止状態から放電状態へ切り替えること、及び
   上記の任意の組み合わせからなるリストから選択される少なくとも１つの動作を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記ＬＩＢの前記電気状態を変更する前記手順が、ｉ）瞬間的な電圧変化、ｉｉ）二重層充電フェーズ、及びｉｉｉ）ファラデー反応フェーズからなるリストから選択される少なくとも１つの応答部によって特徴付けられる電圧応答を誘発するために、ステップ電流の印加を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ＬＩＢの前記電気状態を変更する前記手順が、ｉ）低分極における電流オン電圧の線形依存領域、及びｉｉ）高分極における電流オン電圧の対数依存領域からなるリストから選択される少なくとも１つの応答部によって特徴付けられる電流応答を誘発するために、線形電圧走査の印加を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記一次応答パラメータが、
    異なる時間での電圧応答値、
    異なる時間での電流応答値、及び
    前記電気状態の変更に関するパラメータからなるリストから選択される、請求項１に記載の方法。
11. 前記二次応答パラメータが、
    瞬間的な電圧降下（ｉＲ降下）、
    前記ｉＲ降下の抵抗、
    二重層容量（Ｃ）、
    前記二重層充電フェーズまたは前記二重層放電フェーズについての時定数（遷移時間τ_ｒ）、
    サンド式パラメータ、
    二重層充電または二重層放電中の電圧の変化、
    印加された電流ステップの前記ファラデー反応フェーズ中の電圧の変化、
    反応抵抗（Ｒｒｘｎ）、
    交換電流密度（ｉ_ｏ）、
    ターフェル傾斜（βａまたはβｃ）、
    反応分極（Ｒｐｏｌ）、
    電流偏差値（ｉ_ｄ）、
    印加電圧の関数としての電流応答、
    電圧走査の電圧−電流関数形式の導関数及び二次導関数、
    電流値の導関数、
    ランドレス−セブシック式パラメータ、
    印加電流の関数としての電圧応答、
    瞬間的な電流変化、
    前記瞬間的な電流変化の抵抗値、
    コットレル式パラメータ、及び
    ＬＩＢ電極の有効面積の変化からなるリストから選択される、請求項１に記載の方法。
12. 前記ＬＩＢと関連する温度を測定する手順をさらに含み、
    前記ＬＩＢの前記電気状態を変更する前記手段、及び前記ＬＩＢの前記時間変動応答を測定する前記手順が、前記測定温度を考慮する、請求項１に記載の方法。
13. ユーザフィードバックまたは履歴性能データに従って、前記短絡前駆状態の尤度の決定を修正する手順をさらに含む、請求項１に記載の方法。
14. 前記測定された応答が、所定の制限を超えて逸脱するかどうかを決定する手順をさらに含む、請求項１に記載の方法。
15. 短絡前駆状態の尤度を決定する前記手順が、前記一次応答パラメータ及び前記二次応答パラメータ、ならびに前記複合パラメータのうちの少なくとも１つの変化率に従って、前記尤度を決定することを含む、請求項１または２に記載の方法。
16. 短絡前駆状態の尤度を決定する前記手順が、前記一次応答パラメータ及び前記二次応答パラメータ、ならびに前記複合パラメータのうちの少なくとも１つのパラメータ間の整合性に従って、前記尤度を決定することを含む、請求項１または２に記載の方法。
17. 前記ＬＩＢの少なくとも１つの認証機能を決定する予備手順をさらに含み、前記方法手順を実装することが、前記認証機能を条件とする、請求項１に記載の方法。
18. 前記短絡誘導危険が、
    前記ＬＩＢの燃焼事象、
    前記ＬＩＢの自己放電、及び
    前記ＬＩＢの休止中の良性な短絡状態からなるリストから選択される、請求項３または４に記載の方法。
19. 充電式Ｌｉイオン電池（ＬＩＢ）の安全性を監視するためのシステムであって、
    前記ＬＩＢに対する直流（ＤＣ）電気刺激の印加または除去によって、前記ＬＩＢの前記電気状態を変更して、時間変動応答を誘発するように構成された刺激印加デバイスと、
    前記変更した電気状態に対する前記ＬＩＢの前記時間変動応答を測定するように構成された応答測定デバイスと、
    前記応答測定デバイスに連結されたプロセッサであって、前記測定された応答の少なくとも関数形式と関連する少なくとも１つの一次応答パラメータを抽出するように構成され、前記一次応答パラメータ及び前記二次応答パラメータのうちの少なくとも１つに従って、前記一次応答パラメータから少なくとも１つの二次応答パラメータを導出し、かつ短絡前駆状態の尤度を決定するようにさらに構成される、プロセッサと、を備える、システム。
20. 前記プロセッサが、前記一次応答パラメータから、及び前記二次応答パラメータから少なくとも１つの複合応答パラメータを導出し、さらに前記複合応答パラメータに従って、前記短絡前駆状態の尤度を決定するようにさらに構成される、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記プロセッサが、さらに前記一次パラメータ及び前記二次パラメータ、ならびに前記複合パラメータのうちの少なくとも１つの変化率に従って、前記短絡前駆状態の尤度を決定するように構成される、請求項１９または２０に記載のシステム。
22. 通知ユニットをさらに備え、前記決定された短絡前駆状態の尤度に従って、潜在的な短絡誘導危険の警報を提供するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
23. 安全プロトコルユニットをさらに備え、前記決定された短絡前駆状態の尤度に従って、短絡誘導危険を緩和するまたは防止するために、少なくとも１つの是正措置を実装するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
24. 前記是正措置が、前記印加された放電電圧が、前記ＬＩＢ中のリチウムめっきの少なくとも一部を酸化するように、前記ＬＩＢに特定の放電電圧を印加することを含む、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記刺激印加デバイスが、ｉ）瞬間的な電圧変化、ｉｉ）二重層充電フェーズ、及びｉｉｉ）ファラデー反応フェーズからなるリストから選択される少なくとも１つの応答部によって特徴付けられる電圧応答を誘発するために、ステップ電流を印加するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
26. 前記刺激印加デバイスが、ｉ）低分極における電流オン電圧の線形依存領域、及びｉｉ）高分極における電流オン電圧の対数依存領域からなるリストから選択される少なくとも１つの応答部によって特徴付けられる電流応答を誘発するために、線形電圧走査を印加するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
27. 少なくとも１つの温度センサをさらに備え、前記ＬＩＢと関連する温度を測定するように構成され、
    前記刺激印加デバイスが、前記測定温度に従って、前記ＬＩＢの前記電気状態を変更するように構成され、かつ前記応答測定デバイスが、前記測定温度に従って、前記ＬＩＢの前記時間変動応答を測定するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
28. 前記プロセッサが、ユーザフィードバックまたは履歴性能データに基づいて、前記短絡前駆状態の尤度の決定を修正するようにさらに構成される、請求項１９に記載のシステム。
29. 前記短絡誘導危険が、
    前記ＬＩＢの燃焼事象、
    前記ＬＩＢの自己放電、及び
    前記ＬＩＢの休止中の良性な短絡状態からなるリストから選択される、請求項２２または２３に記載のシステム。