JP2019507321A - リチウム−硫黄電池管理システム - Google Patents

Abstract

リチウム−硫黄電池（ＬＣ１）の充電状態を決定するためのリチウム−硫黄電池管理システムが提供される。管理システムは、少なくとも１つのリアクティブ素子（Ｃｂ）を有する第１の回路を備える。第１の回路は、少なくとも１つのリアクティブ素子（ＬＢ）を介して、電池（ＬＳ１）から及び電池（ＬＳ１）に一定量の電荷を放電及び充電するよう構成される。管理システムは、放電及び充電を監視するための第２の回路（ＤＡ１、ＭＣ１）も備える。第２の回路は、一定量の電荷の放電時間及び充電時間を計測し、それらの時間に基づいて充電状態を決定するように構成される。リチウム−硫黄電池の充電状態を決定するための方法がさらに提供される。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して、リチウム−硫黄電池の充電状態を決定するためのリチウム−硫黄電池管理システムに関する。

例えば、携帯可能な電子製品及び電気走行自動車において、電源として使用するために、電池の残りの充電量を確実に決定する能力は、残りの使用時間又は車両の走行可能距離を算出する上で製造業者及び消費者によって高く評価されている。

ガソリン車の場合、燃料レベルは簡単に計測することができるが、電気自動車及びハイブリッド自動車、並びに電子機器では、電池はそれらの電源として用いられるため、電池に蓄積されている残存エネルギーを計測することはより難しい。電池の充電状態（ＳＯＣ）は、例えば、その電池によって提供される総容量に対する、再充電が必要となるまでに電池内に残っている容量のパーセンテージインジケータとして表すことができる。

時刻ｔ_０での初期ＳＯＣパーセンテージをＳＯＣ_０とすると、時刻ｔでの電池のＳＯＣパーセンテージは次のように定義される。
ここで、Ｉは電流であり、放電では負、充電では正と定義され、Ｑ_ｔは、Ａｈでの電池の最大容量である。

電池が完全に充電されているとみなされる初期ＳＯＣ_０は、電池を放電する前の最大開路電圧（ＯＣＶ）を参照して、任意選択的には、抵抗計測値及び温度計測値を参照して設定し、精度を向上させることができる。

様々な化学物質からなる電池のＳＯＣを測定する一般的な方法は、電圧計測値に基づいており、通常、電池の電圧はその残存容量との関連で低下する。しかし、リチウム−硫黄電池の電圧は、電池が放電するにつれて直線的には降下せず、通常、放電特性の大部分が平坦になり、これは、電圧の使用が、リチウム−硫黄電池のＳＯＣを決定するのに適していないことを意味する。

電池のＳＯＣを決定する他の公知の方法は、電池が放電し始める瞬間からクーロンカウントを行うことであり、電池によって出力される電荷をカウントし、電池内にまだ残っている電荷を算出することができる。どんな電池でも、クーロンカウントは、放電が開始する前に初期容量値が分かっている場合にのみ実用的であり、容量推定の他の方法が用いられない場合、クーロンカウントは、実際上は、電池が１００％ＳＯＣから開始するときに実行できるだけである。実際には、電池は、部分放電しているか、完全には充電されていなかったり、或いは自己放電していたりするため、電池は、完全な充電状態から放電を開始しない場合があるため、放電容量の開始を決定する更なる方法が必要である。

ＳＯＣ決定手段として研究されている、リチウム−硫黄電池の１つの特性は、米国特許出願第2009/0055110号（Sion Power社）のような先の特許出願で確認されているように、電池の内部抵抗とそのＳＯＣとの間の計測可能な関係である。通常、電池の抵抗の決定は、充電又は放電時のいずれかにおいて既知の電流を印加し、電圧の変化を監視し、電池のＳＯＣを予測するための特定のアルゴリズムを適用することによるものである。

実際には、電流源の印加による電池の抵抗の決定は、その抵抗の決定に用いられる、印加電流パルスの持続時間及び電池の応答に関連する他の要因があるため、欧州特許出願第1506497.5号（OXIS Energy社他）で確認されているようにそれほど単純ではない。これらの要因は、通常、負荷（又は充電）下でのリチウム−硫黄電池の特性に基づいている。負荷がかかっている間におけるリチウム−硫黄電池の特性の問題に対処しようとする試みは、予測誤差最小化及び適応ニューロファジィ推論システムのＳＯＣ推定のプロセスを用い、容量決定における５％の潜在的な平均誤差、及び１４％の最大誤差を求める、上述した欧州特許出願第1506497.5号（OXIS Energy社他）に記載されている。しかし、この技術の実施には、必要とされる計算数を処理するためにかなり精緻なアルゴリズムと適切な処理力とを必要とする。

従って、本発明の目的は、リチウム−硫黄電池のＳＯＣを決定するための改良されたシステムを提供することにある。

本発明の様々な実施形態によれば、添付の請求項１から１４のいずれか一項による、リチウム−硫黄電池の充電状態を決定するためのリチウム−硫黄電池管理システムが提供される。管理システムは、少なくとも１つのリアクティブ素子を有する第１の回路を備え、第１の回路は、少なくとも１つのリアクティブ素子を介して、電池から及び電池に一定量の電荷を放電及び充電するよう構成される。管理システムは、放電及び充電を監視するための第２の回路も備え、第２の回路は、一定量の電荷の放電時間及び充電時間を計測し、それらの時間に基づいて充電状態を決定するように構成される。

一定の電荷が少なくとも１つのリアクティブ素子を介して電池へ、及び電池から印加されるので、一定量の電荷で電池を放電／充電する時間は、少なくとも１つのリアクティブ素子を通しての放電／充電の割合が内部抵抗値によって調整されるから、電池の内部抵抗の関数である。上述したように、ＳＯＣと内部抵抗との間にはある関係がある。従って、ＳＯＣと放電／充電時間との間にもある関係があり、放電／充電時間からＳＯＣを決定することができる。

所与のＳＯＣにとっての充電電流に対するリチウム−硫黄電池の内部抵抗は、同じＳＯＣにおける放電電流に対するその内部抵抗とは異なる。加えて、充電下での内部抵抗は、全てのＳＯＣにとって常に正確なＳＯＣを提供するとは限らず、また、放電下での内部抵抗は、全てのＳＯＣにとって常に正確なＳＯＣを提供するとは限らないが、（放電時間による）放電時の内部抵抗と（充電時間による）充電時の内部抵抗との組合せによって、全てのＳＯＣにとって正確なＳＯＣを求めることができる。これについては、図１に示す放電及び充電の特性を参照して後に詳しく説明する。

好ましくは、一定量の電荷は、放電時間中に電池から放電される第１の一定量の電荷と、充電時間中に電池内に充電される第２の一定量の電荷とを含み、放電及び充電が電池の充電状態に大きな影響を及ぼさないように、第１の一定量の電荷及び第２の一定量の電荷は、互いに実質的に同じ値にする。このプロセスは、電池の容量に大きな影響を及ぼすことなく、電子機器によって自動的に制御され、容量推定の精度を向上させることができる。

有利には、少なくとも１つのリアクティブ素子は、ストレージキャパシタを含み、ストレージキャパシタのサイズは、電池から放電される、及び電池に充電される一定量の電荷を固定することができる。例えば、キャパシタのサイズを２倍にすると、全ての要素が変更されないとき、一定量の電荷は２倍になる。一定量の電荷は、例えば、キャパシタがその充電容量の９０％から１０％の間で充電及び放電される場合に、キャパシタが蓄えることのできる電荷の最大量よりも少なくてよい。好ましくは、キャパシタは、過度に長い充電及び放電時間を避けるために、その容量の９８％未満から２％以上までの間で充電及び放電させる。当業者に明らかなように、電池が、該電池の内部抵抗を介して、キャパシタをその容量の１００％と０％との間で充放電させるのに用いられる場合、これには、充電及び放電の特性の指数関数的な性質のために非常に長い時間がかかる。

キャパシタの充電時定数は、そのキャパシタとインライン直列抵抗（ＲＣ時定数）、この場合には、電池の内部抵抗と直列のストレージキャパシタに基づいているので、２つの充電状態の間、例えば、１０％と９０％との間でストレージキャパシタを充電する時間は内部抵抗を表す。

任意選択的に、少なくとも１つのリアクティブ素子は、ストレージキャパシタに接続されるインダクタを含んでもよい。この場合、インダクタを介してストレージキャパシタに、及びストレージキャパシタから流れる電流を計測することができる。この電流の変化率は、電池内部抵抗に依存するため、電流が２つの値の間で遷移する時間を計測して、内部抵抗、従ってＳＯＣを決定することができる。好ましくは、電流検出抵抗器をインダクタに直列に接続し、インダクタを流れる電流に対応する電圧を電流検出抵抗器の両端間に発生させ、電流を容易に計測することができる。

有利には、第１の回路は、昇圧コンバータを含むのがよい。この場合、ストレージキャパシタは、放電時間を計測中に電池から充電することができ、次に、昇圧コンバータを用いて、充電時間の計測中にキャパシタ内のエネルギーを電池に戻し放電させることができる。例えば、第１の回路は、ストレージキャパシタに接続されるスイッチングネットワークを含んでもよい。スイッチングネットワークは、ストレージキャパシタの第１端子を低電位と高電位との間で切り替え、ストレージキャパシタの第２端子を介して電池の放電及び充電を行うよう構成される。この切り替えは、リザーバキャパシタをストレージキャパシタから切り離す、及びリザーバキャパシタをストレージキャパシタに直列に接続する切り替えを含み、電池の放電及び充電をそれぞれ行う。リザーバキャパシタのサイズは、好ましくは、ストレージキャパシタの容量より遥かに大きくし、例えば、２０倍大きく、より好ましくは５０倍大きく、又は１００倍大きくする。

時間計測値の精度を向上させ、システム内のノイズの影響を低減するために、第２の回路は、スイッチングネットワークを繰り返し切り替え、繰り返し回数の間、電池を放電及び充電し、放電時間の合計、充電時間の合計、及び任意選択的に放電時間と充電時間の合計に基づいてＳＯＣを決定するよう構成される。この繰り返し回数は、例えば１０回、あるいは１００回であってもよい。容量の推定の精度をさらに向上させるためには、不使用中の電池のＳＯＣを絶えず監視し、自己放電の期間中の電池の容量の低下を追跡するためのアルゴリズム、及び平均化技術を用いるのがよい。

第２の回路は、放電時間と充電時間の複数の組み合わせのそれぞれの充電状態値を提供するルックアップテーブルに基づいてＳＯＣを決定するよう構成することができる。このため、リチウム−硫黄電池管理システムは、ＳＯＣを決定するために複雑な計算を実行する必要はなく、放電時間と充電時間とに基づいてルックアップテーブルから正しいＳＯＣを簡単に調べることができる。好ましくは、ルックアップテーブルは、電池の温度を考慮して修正することができ、そのため、リチウム−硫黄電池管理システムは、電池の温度を検出するよう構成される第３の回路をさらに備えることができる。ルックアップテーブルは、電池の経年劣化を考慮して修正することもでき、上の段落で説明したように追跡することができる。

有利には、第２の回路は、放電時間と充電時間の合計に基づいて電池の健全性を判定するよう構成するのがよい。電池の健全性は、放電時間及び充電時間を、メモリに保持されている以前の、ＳＯＣに対する放電／充電時間のログだけでなく公称基準のルックアップ値と比較することによって判定することができる。

放電時間及び充電時間が、固定キャパシタンスの放電及び充電電流に対する、電池抵抗に正比例すると仮定すると、放電時間、充電時間の合計、並びに放電時間と充電時間の合計を、ルックアップテーブルと比較してＳＯＣを決定することができる。明らかなことに、温度及び電池の経年劣化に従ってルックアップテーブルを修正する代わりに、ルックアップテーブルは、同じままとし、ルックアップテーブルと比較する前に、温度及び電池の経年劣化に従って充電及び放電時間の合計を修正することができる。リチウム−硫黄電池における温度及び電池の経年劣化の影響は当該技術分野において周知であるので、ここでは詳細に説明しない。

代替的に、ＳＯＣは、ルックアップテーブルを使用するのではなく、ＳＯＣと放電時間及び充電時間との関係を特定する所定の公式に基づいて計算することもできる。

第２の回路は、第１の回路の２点間の電圧差を監視し、電圧差が所定レベルを下回ったときに放電及び充電が十分に完了したと判定し、それに応じて、第１の回路を放電から充電に、あるいは充電から放電にそれぞれ切り替えるよう構成することができる。例えば、第２の回路は、２つの点が電流検出抵抗器の両端間か、又はストレージキャパシタの両端間であるかどうかに応じて、インダクタに直列に接続された電流検出抵抗器の両端間の電圧が所定レベルを下回ったときに放電が完了したと判定してもよく、あるいは、ストレージキャパシタの両端間の電圧が所定レベルを下回ったときに充電が完了したと判定してもよい。逆に、第２の回路は、ストレージキャパシタの両端間の電圧が所定レベルを上回ったときに放電が完了したと判定してもよく、あるいは、インダクタに直列に接続された電流検出抵抗器の両端間の電圧が所定レベルを上回ったときに充電が完了したと判定してもよく、なお、電流検出抵抗器を流れる電流の向きが、放電時と比べて充電時には反対方向であることからして、電圧は負の値からゼロに向かって上昇することに留意されたい。明らかなことに、差動増幅器は、２つの点が少なくとも１つのリアクティブ素子の時定数に対応する電圧差の変化を示すとすると、ストレージキャパシタの両端間、あるいは電流検出抵抗器の両端間の代わりに、第１の回路の他の２点間に接続することができる。

有利には、差動増幅器の出力は、スイッチングネットワークの制御端子に接続して、差動増幅器の出力に基づいて電池の放電と充電を切り替えることができる。このことは、スイッチングネットワークへのアナログで、それゆえに高速のフィードバックを提供し、放電と充電との間の切り替えが遅延なく実行される。

さらに、添付の請求項１５に記載のリチウム−硫黄電池のＳＯＣを決定するための方法が提供される。本方法は、第１のリアクティブ素子を介して、リチウム−硫黄電池を第１の一定量の電荷で放電する第１時間を計測するステップと、第２のリアクティブ素子を介して、リチウム−硫黄電池を第２の一定量の電荷で充電する第２時間を計測するステップと、第１及び第２時間に基づいて充電状態を決定するステップと、を含む。第１のリアクティブ素子は、任意選択的に、第２のリアクティブ素子と同一のリアクティブ素子であり、第１の一定量の電荷は、任意選択的に、第２の一定量の電荷と同じ電荷量である。任意選択的に、第２時間は、第１時間より早い時間に起こってもよい。

本開示は、電池を放電及び充電することについて述べるが、充電の前に放電が起きることを何ら要求することを意味するものではなく、所望であれば、放電の前に充電が起こってもよい。慣例により、電荷は、比較的高い電位から比較的低い電位に流れることとする。

本発明の実施形態を、非制限的な例のみによって、添付の図面を参照して説明する。

典型的なリチウム硫黄電池の充電及び放電中の電池内部抵抗特性のグラフを示す図である。 本発明の第１実施形態による電池管理システムの概略図である。 電池の充電及び放電中に、図２のシステムのキャパシタによって保持される充電レベルのタイミング図である。 本発明の第２実施形態による電池管理システムのより詳細な概略図である。 典型的なリチウム硫黄電池を様々な温度で充電している間の電池抵抗のグラフを示す図である。 典型的なリチウム硫黄電池を様々な温度で放電している間の電池抵抗のグラフを示す図である。 本発明の第３実施形態による電池管理システムの概略図である。

図面は縮尺通りではなく、同一又は類似の参照符号は、同一又は類似の特徴を示す。

図１を参照するに、ＳＯＣに対する電池内部抵抗のグラフが示され、これは、ＳＯＣが０（０％充電）から１．０（１００％充電）まで増加するにつれて、典型的なリチウム硫黄電池の内部抵抗が、一般的に、どのように低下するかを示している。グラフは、電池を充電しているときの計測結果の曲線４と、電池を放電しているときの計測結果の曲線６とを含む。電池の内部抵抗は、電池を充電しているときより電池を放電しているときの方が高いことが分かる。

充電曲線４は、６０％ＳＯＣあたりにキンク（kink）５を有し、これは、充電曲線だけでは、所与の計測抵抗値でＳＯＣを明確に決定することができないことを意味し、例えば、充電下での０．１１オームの計測抵抗値は、計測結果が実際にはキンク５のどちら側に対応しているかに応じて、およそ５０％のＳＯＣ、又はおよそ６２％のＳＯＣに対応し得る。放電曲線６は、８０％ＳＯＣのあたりにキンク７を有し、キンク５と同様の問題を引き起こす。しかし、これらのキンクは、ＳＯＣ曲線４及び６に沿った異なる点で生じるため、本発明者らは、充電下と放電下との両方で得られた抵抗計測値を互いに組み合わせて用いることで試験される電池のＳＯＣを明確に特定することができることを認識した。例えば、充電下での０．１１オームの計測結果の例に戻ると、充電下での０．１１オームの計測結果が、５０％ＳＯＣ又は６２％ＳＯＣのいずれかに対応するキンク５の前か後のどちらの点に対応するのかを判定するために、放電下での抵抗も同じように計測することができる。本発明で計測される充電時間及び放電時間は、電池の充電内部抵抗の放電内部抵抗に正比例し、充電及び放電時間に基づいてＳＯＣを決定することができる。

そこで、本発明の第1実施形態を、図２及び図３を参照して説明する。図２は、リチウム硫黄電池ＬＳ１の正極端子Ｔ１及び負極端子Ｔ２に接続された電池管理システムの概略図である。本実施形態では、リチウム硫黄電池ＬＳ１は、単一のセルで構成されるが、代替の実施形態では、電池ＬＳ１内で複数のセルを互いに直列及び／又は並列に組み合わせることができることを理解されたい。電池管理システムは、抵抗器Ｒａ及びＲｂ、キャパシタＣａ及びＣｂ、スイッチＳＷａ及びＳＷｂ、並びにダイオードＤ１によって形成される第１の回路を備える。キャパシタＣｂは、電池ＬＳ１から放電された電荷を電池ＬＳ１に戻して充電する前に、その電荷を蓄えるために用いられるので、ストレージキャパシタとみなされる。ストレージキャパシタＣｂは、２つの端子Ｎ１及びＮ２を有する。端子Ｎ１は、抵抗器Ｒｂを介して正極電池端子Ｔ１に接続され、スイッチＳＷｂは、端子Ｎ２を（ダイオードＤ１を介して）負極電池端子Ｔ２、あるいはキャパシタＣａの端子Ｎ３のいずれかに接続する。

キャパシタＣａは、ストレージキャパシタが電荷を電池ＬＳ１に送るか、電池ＬＳ１から電荷を受け取るかを制御するために、ストレージキャパシタ端子Ｎ２の電圧を上昇及び降下させるための比較的大量の電荷を蓄積するために用いられるので、リザーバキャパシタとみなされる。

抵抗器Ｒａ、スイッチＳＷａ、及びリザーバキャパシタＣａは、いずれも電池端子Ｔ１とＴ２との間に互いに直列に接続されるので、スイッチＳＷａは、リザーバキャパシタＣａを電池ＬＳ１と同じ電圧にまで充電するために、リザーバキャパシタＣａ及び抵抗器Ｒａを電池端子Ｔ１とＴ２との間の接続に切り替えるのに用いることができる。抵抗器Ｒａは、スイッチＳＷａが最初に閉じるときに、過大電流がリザーバキャパシタＣａに流れるのを防ぐのに十分な小さい値を有する。スイッチＳＷａは、リザーバキャパシタＣａと正極電池端子Ｔ１との間の、リザーバキャパシタＣａの端子Ｎ３に接続される。

電池管理システムは、差動増幅器ＤＡ１及びマイクロコントローラＭＣ１によって形成される第２の回路も備える。差動増幅器は、ストレージキャパシタの端子Ｎ１及びＮ２に接続される２つの入力を有し、これら２つの端子Ｎ１とＮ２と間の電圧差を監視し、マイクロコントローラＭＣ１に接続される出力を有する。マイクロコントローラＭＣ１は、差動増幅器ＤＡ１の出力を受け取り、その出力に基づいて、スイッチＳＷａ及びＳＷｂを制御するためのスイッチ制御信号Ｍ０を生成する。

使用において、マイクロコントローラのスイッチ制御信号Ｍ０は、最初に、スイッチＳＷａを閉じ、ストレージキャパシタ端子Ｎ２をリザーバキャパシタ端子Ｎ３に接続するようスイッチＳＷｂを設定する。そして、計測すべき電池ＬＳ１の端子Ｔ１及びＴ２が、図示のように、回路に接続され、電池ＬＳ１は、抵抗器Ｒａを介して、リザーバキャパシタＣａを電池電圧まで充電する。ストレージキャパシタＣｂ内の残留電荷は、該ストレージキャパシタの端子Ｎ１及びＮ２がスイッチＳＷａ及びＳＷｂと、抵抗器Ｒａ及びＲｂとを介して一緒に接続されるため、放電する。

リザーバキャパシタＣａが実質上、完全に充電されると、時刻０Ｔにおいて、スイッチＳＷａが開き、スイッチＳＷｂはストレージキャパシタの端子Ｎ２を、ダイオードＤ１を介して電池の負極端子Ｔ２に接続するよう切り替えられる。これにより、ストレージキャパシタの端子Ｎ１とＮ２との間の電圧を示す図３のタイミング図に示すように、ストレージキャパシタＣｂは抵抗器Ｒｂを介して充電される。抵抗器Ｒｂの抵抗値は小さく、その目的は、ストレージキャパシタが充電し始めるときに、過度に大きい電流が電池ＬＳ１から流れるのを防ぐことにある。この充電速度も、当業者に明らかなように、電池ＬＳ１の内部抵抗によって制限され、この内部抵抗は抵抗Ｒｂと相俟って、これも当業者に明らかなように、Ｔ＝（内部抵抗＋Ｒｂ）＊Ｃｂの時定数を有する直列ＲＣ回路を形成する。図３のｘ軸は、この時定数によって表して示されており、図３において、ストレージキャパシタＣｂは、２．２Ｔが経過した後に９０％充電（電池電圧の９０％の電圧）に達することがわかる。

ストレージキャパシタＣｂの両端間のこの電圧は、差動増幅器ＤＡ１によって計測され、マイクロコントローラＭＣ１によって検出される。この電圧が、図３に示す０．１ＴでキャパシタＣｂが１０％充電されていることを示すとき、マイクロコントローラＭＣ１は計時を開始する。この電圧が、図３に示す２．２Ｔでキャパシタが９０％充電されていることを示すとき、マイクロコントローラは計時を停止し、この時間を、電池がストレージキャパシタを１０％から９０％にまで充電するために放電に費やした放電時間として記憶する。加えて、マイクロコントローラＭＣ１は、ストレージキャパシタＣｂの端子Ｎ２をリザーバキャパシタＣａの端子Ｎ３に接続するようにスイッチ制御出力Ｍ０を変更する。リザーバキャパシタＣａは、既に電池電圧にまで充電されているため、これは、ストレージキャパシタＣｂの端子Ｎ２の電圧を電池電圧の１００％にまでステップアップさせ、そのため、ストレージキャパシタの端子Ｎ１を、電池電圧の１９０％にまでステップアップさせる。そして、ストレージキャパシタＣｂは、抵抗器Ｒｂを介して電池ＬＳ１内に放電し始め、電池ＬＳ１を充電する。マイクロコントローラは、この充電時間を図３に示す２．２Ｔから計時し始める。

４．３Ｔ後、差動増幅器ＤＡ１の出力電圧は、ストレージキャパシタＣｂの電圧が１０％充電（電池電圧の１０％）にまで低下したことをマイクロコントローラに知らせ、マイクロコントローラは、充電時間の計時を停止する。この時点で、マイクロコントローラは、０．１Ｔから２．２Ｔまでの放電時間、及び２．２Ｔから４．３Ｔまでの充電時間を用い、ルックアップテーブルと比較して、電池のＳＯＣを決定することができる。放電下と充電下とにおいて電池の内部抵抗が異なるために、０．１Ｔから２．２Ｔまでの間のＴの値は、２．２Ｔから４．３Ｔまでの間のＴの値とは異なることに留意されたい。したがって、図３のグラフのｘ軸は、完全には線形ではない。

本実施形態において、放電時間と充電時間を一度だけ取る代わりに、同じ放電及び充電サイクルを何度も繰り返し回数、実行してもよい。この場合、全ての放電時間を合計し、全ての充電時間を合計し、さらに、全ての充電時間と放電時間とを合計して、ルックアップテーブルと比較する３つの値を生成することができる。これにより、ノイズや計測誤差の影響が平均化され、より正確な結果が得られる。ＳＯＣ算出を行う放電／充電サイクルの回数は、必要とされる精度、互いに並列に接続される電池セルの数、及びシステムのインピーダンスによるが、例えば、１０回から１００回までの放電／充電サイクルとすることができる。リザーバキャパシタＣａのサイズは、好ましくはストレージキャパシタＣｂのサイズより遥かに大きく、例えば、リザーバキャパシタＣａは約１Ｆであり、ストレージキャパシタＣｂは約１０ｍＦであってよい。この場合、複数の放電／充電サイクルは、リザーバキャパシタの両端間の電圧が大幅に変化することなく実行することができる。

ルックアップテーブルは、ＳＯＣが例によって、どの放電及び充電時間に対応するかを決定するために用いられるクーロンカウントなどの技術を用いてリチウム硫黄電池の典型的な計測結果のセットから最初に構築することができる。あるいは、放電時間と及び充電時間との各対を計測したときに電池のＳＯＣがどんな状態にあるかを補間するために１００％及び０％のＳＯＣ状態を用いることで、完全な放電サイクルを計測することができる。

そこで、本発明の第２実施形態を、図２より詳細な概略図を示す図４を参照して説明する。第２実施形態の主要な動作原理は、第１実施形態と同じであり、ストレージキャパシタＣ２の端子Ｎ５がリザーバキャパシタＣ１に接続、及びリザーバキャパシタＣ１から切り離されて、リチウム硫黄電池ＬＳ２をそれぞれ充放電する。

図４の概略図は、電池ＬＳ２の内部抵抗を、抵抗器Ｒ１で明示しており、この内部抵抗は、図１に示すように放電下及び充電下で変化する。抵抗器Ｒ１は、正極電池端子Ｔ３と負極電池端子Ｔ４との間に直列に接続される。マイクロコントローラＭＣ２は、放電／充電サイクルの前にリザーバキャパシタＣ１が抵抗器Ｒ３を介して充電されるときを制御するための出力Ｍ３と、ストレージキャパシタＣ２の端子Ｎ４とＮ５との間の電圧差を計測するための差動増幅器を形成するオペアンプＯＰ１からの入力Ｍ１とを有する。マイクロコントローラＭＣ２は入力Ｍ１を監視し、放電及び充電時間の長さを計測し、それらの時間に基づいて電池ＬＳ２のＳＯＣを算出する。

リザーバキャパシタＣ１の、ストレージキャパシタＣ２からの切り離し、及びストレージキャパシタＣ２との直列接続の切替えは、オペアンプＯＰ１の出力からのフィードバックによって制御される。オペアンプＯＰ１の出力は、スイッチングトランジスタＳＷ３のゲートに直接接続され、かつＮＯＴゲートＮＧ１を介してスイッチングトランジスタＳＷ２のゲートに接続され、スイッチングトランジスタＳＷ２及びＳＷ３はまとめて、図２のＳＷｂと同様の単極双投スイッチを形成する。

ストレージキャパシタＣ２が、電池ＬＳ２の時限放電期間の開始時に、１０％充電状態にあると、端子Ｎ５の電圧は０Ｖであり、端子Ｎ４の電圧は電池電圧の１０％である。オペアンプＯＰ１の出力は電池電圧と同じであり、スイッチＳＷ２は開き、スイッチＳＷ３は閉じる。ストレージキャパシタＣ２が９０％充電状態にあるときの、電池の時限放電期間の終わりに、端子Ｎ５の電圧は０Ｖであり、端子Ｎ４の電圧は電池電圧の９０％であり、これにより、オペアンプＯＰ１は、その出力を電池電圧から０Ｖにフリップさせ、スイッチＳＷ２を閉じ、スイッチＳＷ３を開き、端子Ｎ５の電圧を電池電圧と同じにして、端子Ｎ４の電圧を電池電圧の１９０％にシフトさせて、電池ＬＳ２の時限充電期間を開始する。

電池が充電されるにつれて、ストレージキャパシタＣ２の充電レベルが低下し、その充電レベルが、端子Ｎ４の電池電圧の１１０％の電圧で、１０％充電に達すると、オペアンプＯＰ１の出力は、電池電圧にまでフリップバックする。このサイクルは連続的に繰り返され、マイクロコントローラＭＣ２は、オペアンプＯＰ１の出力のフリップに対応する放電時間と充電時間との境界を計測する。これらの時間を用いて、マイクロコントローラＭＣ２は、電池ＬＳ２のＳＯＣを算出する。マイクロコントローラＭＣ２は、断続的にスイッチＳＷ１を閉じて、リザーバキャパシタＣ１内に電荷を補給することができる。

インダクタＬ１及び抵抗Ｒ２は、ストレージキャパシタＣ２への電流サージを制限し、本実施形態では、それぞれ１μＨ及び０．０３オームの値を有する。この抵抗器Ｒ２は、計測目的のために最適な時定数を提供するよう調整することのできる平衡抵抗器としても作用し、意図したシステムの分解能及び精度や、及び並列に接続される電池セルの数によって異なる。本実施形態では、リザーバキャパシタＣ１は１Ｆであり、ストレージキャパシタＣ２は１０ｍＦである。本実施形態において、オペアンプＯＰ１とともに差動増幅器を形成する抵抗はＲｄ１＝１２Ｋオーム、Ｒｄ２＝１．２Ｋオーム、Ｒｃ１＝１０Ｋオーム、Ｒｃ２＝１．１Ｋオームの値を有する。ダイオードＤ２は、導通したときにその両端間の電圧が下降しない理想的なダイオードであるとみなすが、抵抗Ｒｄ１、Ｒｄ２、Ｒｃ１、Ｒｃ２は、当業者に明らかなように、現実のダイオードの電圧下降を考慮して調整することができる。

電池ＬＳ２の内部抵抗を、単純化のためにＲ１の固定抵抗として表しているが、実際には、電池は、放電／充電時間にわたって実効抵抗に何らかの変化を生じさせるインパルス応答を有する。しかし、これは、電池の放電／充電時間とＳＯＣとの関係を損ねるものではない。

電池ＬＳ２が５０％の充電状態で単一のセルを有するとき、放電時間の典型的な値は、ストレージキャパシタＣの充電に相当する２．７４ｍｓであり、充電時間の典型的な値は、ストレージキャパシタＣ２の放電中における３．４６ｍｓである。

１００回の放電／充電サイクルが行われる場合、放電期間（ｄｐ）０．１Ｔから２．２Ｔまで、充電期間（ｃｐ）２．２Ｔから４．３Ｔまで、及び全期間（ｏｐ）０．１Ｔから４．３Ｔまでの間の計時の累積値は、本実施形態では、２０％のＳＯＣに対しては２８０ｍｓ（ｄｐ）、３００ｍｓ（ｃｐ）、及び５８０ｍｓ（ｏｐ）の値を、４０％のＳＯＣに対しては２６７ｍｓ（ｄｐ）、３４８ｍｓ（ｃｐ）、及び６１５ｍｓ（ｏｐ）の値を、６０％のＳＯＣに対しては２８０ｍｓ（ｄｐ）、３４８ｍｓ（ｃｐ）、及び６２８ｍｓ（ｏｐ）の値を提供する。

典型的なリチウム硫黄電池の放電及び充電抵抗は、電池の温度が何度であるかによって変化する。そのため、電池管理システムがある温度範囲にわたって動作する場合、ルックアップテーブルか、又はルックアップテーブルと比較される時間のいずれかの温度ベースの修正が望ましい。したがって、マイクロコントローラは、電池管理システムの温度センサＴＳ１に接続された入力Ｍ２をさらに備える。温度センサＴＳ１は、電池ＬＳ２の近傍に配置され、電池ＬＳ２の温度を計測する。

図５のグラフは、異なる温度の様々な曲線を示しており、充電中の典型的なリチウム硫黄電池内部抵抗が、電池に加えられる電荷が増えるのにつれてどのように変化するかを示している。加えて、図６のグラフも、異なる温度での様々な曲線を示し、放電中の典型的なリチウム硫黄電池内部抵抗が、電池から放電される電荷が増えるにつれてどのように変化するかを示している。温度は明らかに抵抗に大きな影響を及ぼすが、抵抗と温度との関係は当該技術分野ではよく知られており、そのため、マイクロコントローラＭＣ２は、既知の関係に基づいて計測された放電及び充電時間を容易に修正して、温度補償することができる。

異なる充電の状態で得られた３セットの計測値を用いて、ｃｐ、ｄｐ、及びｏｐの絶対値を、任意の所与の充電状態に対する理想的な基準値と比較することによって、温度、経年劣化、外部負荷による電池の内部抵抗の変化を補償することも可能である。例えば、図５及び図６のグラフでは、電池の温度に対する抵抗の変化が、充電時よりも放電時の方が大きいことがわかる。特定の温度で抵抗値が変化する割合は、電池の健全状態、ひいては電池の容量の劣化を示すために用いることができる。Ｌｉ−Ｓ電池の温度に起因する容量の変化を補償するために、及び電池の経年劣化又は負荷に起因する容量の変化を理想的な値に対して補償するために、温度、並びにｃｐ、ｄｐ、及びｏｐの値に基づくアルゴリズムを適用することができる。

さらに、電池の抵抗を、印加される負荷の大きさ、及びその負荷が印加される周波数の関数としても計測することができるとすれば、Ｃ２及び／又はＬ１の値を変化させ、電池が受けるインパルス負荷、及び放電／充電周波数を変えて計測結果の異なるセットを生成することができる。例えば、Ｃ２及び／又はＬ１には可変構成要素を用いることができ、あるいは、異なる値に設定されたＣ２及び／又はＬ１を有する追加の回路を電池管理システムに組み込むことができる。これらの追加の計測結果によって得られた結果は、精度を向上させ、元の計測結果を検証し、より具体的には、複数の回路の可変負荷条件によってみられるような抵抗変化を検証することによって温度及び電池経年劣化の影響を補償するために用いることができる。例えば、Ｃ２は、第１セットの計測には設定では１０ｍＦに設定し、第２セットの計測には設定では２０ｍＦに設定することができる。

本発明の第３実施形態が図７に示され、これは、オペアンプＯＰ１によって形成される差動増幅器が抵抗器Ｒ２の端子Ｎ６とＮ７との間の電圧を計測することを除いて第２の実施形態と同一である。このため、抵抗器Ｒ２は、電流検出抵抗器として作用し、キャパシタＣ２に流れる電流、及びキャパシタから流出する電流を計測することができる。電池ＬＳ２の放電中に、端子Ｎ７は、Ｎ６よりも高い電圧になるが、ストレージキャパシタが９０％充電に達するにつれて、電流レベルが十分に低下すると、オペアンプＯＰ１の出力は、電池電圧から０Ｖに遷移し、電池ＬＳ２の充電を開始する。そして、端子Ｎ６は、Ｎ７より高い電圧になるが、ストレージキャパシタが１０％充電に降下するにつれて、電流レベルが十分に低下すると、オペアンプＯＰ１の出力は、０Ｖから電池電圧に遷移し、電池ＬＳ２の放電期間を開始する。マイクロコントローラＭＣ２は、第２実施形態で前述したのと同じ方法で入力Ｍ１におけるオペアンプの出力の遷移を計測する。

計測可能な放電／充電期間を有する回路を提供するために、リアクティブ素子の他の多くの配置を実装することができ、これらの回路の様々な点間の電圧を計測して、これらの回路を通して電池から及び電池への一定量の電荷の放電／充電を決定することができることを理解されたい。

本発明の範囲内での、説明した実施形態の他の多くの変形は当業者にとって明らかである。

Claims (15)

1. リチウム−硫黄電池の充電状態を決定するためのリチウム−硫黄電池管理システムであって、
   少なくとも１つのリアクティブ素子を有し、前記少なくとも１つのリアクティブ素子を介して、前記電池から及び前記電池に一定量の電荷を放電及び充電するよう構成される第１の回路と、
   前記放電及び充電を監視し、前記一定量の電荷の放電時間及び充電時間を計測し、それらの時間に基づいて充電状態を決定するように構成される、第２の回路と、
   を備えるリチウム−硫黄電池管理システム。
2. 前記少なくとも１つのリアクティブ素子は、ストレージキャパシタを含み、前記ストレージキャパシタのサイズが、前記電池から及び前記電池に放電及び充電される前記一定量の電荷を固定する、請求項１に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
3. 前記少なくとも１つのリアクティブ素子は、前記ストレージキャパシタに接続されるインダクタを含む、請求項２に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
4. 前記第１の回路は、前記ストレージキャパシタに接続されるスイッチングネットワークを含み、
   前記スイッチングネットワークは、前記ストレージキャパシタの第１端子を低電位と高電位との間で切り替え、前記ストレージキャパシタの第２端子を介して前記電池の前記放電及び充電を行うよう構成される、請求項２又は３に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
5. 前記第１の回路は、リザーバキャパシタを含み、前記スイッチングネットワークは、前記リザーバキャパシタを前記ストレージキャパシタから切り離したり、前記リザーバキャパシタを前記ストレージキャパシタに直列に切り替えたりして、前記電池の前記放電及び充電をそれぞれ行うよう構成される、請求項４に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
6. 前記第１の回路は、前記リザーバキャパシタを前記ストレージキャパシタから切り離したり、前記リザーバキャパシタを前記ストレージキャパシタに直列に切り替えたりして、前記電池の前記放電及び充電を行う前に、前記電池で前記リザーバキャパシタを充電するためのスイッチを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
7. 前記第２の回路は、前記第１の回路の２点間の電圧差を監視し、前記電圧差が所定レベル以下に低下したときに放電又は充電が十分に完了したと判定し、それに応じて、前記第１の回路を放電から充電に、あるいは充電から放電にそれぞれ切り替えるように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
8. 前記第２の回路は、前記２点間の前記電圧差を決定するための差動増幅器を含み、前記差動増幅器の出力は、前記スイッチングネットワークの制御端子に接続され、前記制御端子は、前記差動増幅器の出力に基づいて前記電池の放電及び充電を切り替える、請求項４から６のいずれか一項に記載の請求項７に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
9. 前記第２の回路は、放電時間と充電時間の複数の組み合わせのそれぞれについての充電状態値を提供するルックアップテーブルに基づいて前記充電状態を決定するよう構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
10. 前記第２の回路は、前記差動増幅器の前記出力に基づいて、前記放電及び充電時間を計時し、前記ルックアップテーブルに基づいて前記充電状態を決定するよう構成されるマイクロコントローラを含む、請求項８に付随する場合の請求項９に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
11. 前記第２の回路は、前記第１の回路を繰り返し切り替え、繰り返し回数の間、前記電池を放電及び充電し、前記放電時間の合計、前記充電時間の合計、及び任意選択的に、前記放電時間と前記充電時間の合計に基づいて、前記充電状態を判定するよう構成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
12. 前記第２の回路は、前記放電時間と前記充電時間の前記合計に基づいて、前記電池の健全性を決定するよう構成される、請求項１１に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
13. 前記電池の温度を検出するよう構成される第３回路をさらに備え、
    前記第２の回路は、さらに前記電池の前記温度に基づいて前記充電状態を決定するよう構成される、請求項１から１２のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
14. 前記一定量の電荷は、前記放電時間中に前記電池から放電される第１の一定量の電荷と、前記充電時間中に前記電池に充電される第２の一定量の電荷とを含み、
    前記放電及び充電が前記電池の前記充電状態に全体的に大きな影響を及ぼさないように、前記第１の一定量の電荷と前記第２の一定量の電荷は、互いに実質的に同じ値である、請求項１から１３のいずれか一項に記載のリチウム−硫黄電池管理システム。
15. リチウム−硫黄電池の充電状態を決定する方法であって、
    第１のリアクティブ素子を介して、前記リチウム−硫黄電池を第１の一定量の電荷で放電する第１時間を計測するステップと、
    第２のリアクティブ素子を介して、前記リチウム−硫黄電池を第２の一定量の電荷で充電する第２時間を計測するステップと、
    前記第１及び第２時間に基づいて前記充電状態を決定するステップと、を含み、
    前記第１のリアクティブ素子は、任意選択的に、前記第２のリアクティブ素子と同一のリアクティブ素子であり、前記第１の一定量の電荷は、任意選択的に、前記第２の一定量の電荷と同じ電荷量である、リチウム−硫黄電池の充電状態を決定するための方法。