JP2020527232A

JP2020527232A - 電気化学インピーダンス分光法のための電気的アーキテクチャ

Info

Publication number: JP2020527232A
Application number: JP2020501469A
Authority: JP
Inventors: ゴン，チョー; トリスケーシズ，オリバー
Original assignee: University of Toronto
Current assignee: University of Toronto
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-09-03
Also published as: JP7333531B2; KR102379377B1; US11435405B2; EP3639048A1; EP3639048A4; CA3031564A1; CA3031564C; WO2019010585A1; EP3639048B1; US20210373081A1; CN111095008A; CN111095008B; KR20200050950A; JP2022141703A

Abstract

本開示は電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）のための電気的アーキテクチャを提供する。ＥＩＳ回路は少なくとも２つの電流レギュレータおよび電気エネルギー貯蔵装置を含み、少なくとも２つの電流レギュレータおよび電気エネルギー貯蔵装置は、それぞれの電流レギュレータに流れ込むパワーを分離させる構成で、１つまたは複数の電気化学電池に対して接続されている。電気エネルギー貯蔵装置が存在するため、各レギュレータは、所望のＥＩＳ摂動電流を誘導しつつ、同時に低パワーレベルで動作することが可能である。低パワーでの動作は、散逸的または非散逸的電流レギュレータのみの場合と比較して、同一の電流に対して、より低い体積およびコストを可能にする。さらに、電気エネルギー貯蔵装置は、最少量の熱が回路において生じる一方で所望のＥＩＳ摂動電流が得られるよう、電流レギュレータに流れ込むパワーが独立的に変化されることを可能する。それにより、回路が占有するサイズが最小となり、コストが最小となることが可能となる。
【選択図】図４

Description

本開示は、電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を実施するための電気的アーキテクチャに関し、さらに詳細には、ＥＩＳ回路、電気車両のためのバッテリー管理システム、１つまたは複数の電気化学電池に対してＥＩＳを実施するためのシステムおよび方法に関する。

電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）は、全般に、ＤＣ〜数ｋＨｚの範囲の周波数におけるバッテリーのインピーダンスを測定することに関連する。リアルタイム・システムにおける適用に関して何らかの開発がなされてきたが、ＥＩＳは通常、卓上機器を用いたオフラインでの特性評価のために使用されてきた。既存のオンラインＥＩＳパワー・アーキテクチャは、全般に、２つのカテゴリー、すなわち、散逸的および非散逸的に分類される。

散逸的方法では、フィードバック制御を用いて線形領域で動作するＭＯＳＦＥＴなどの電流レギュレータが使用され、摂動エネルギーはレギュレータ自体に散逸される。要求される摂動電流が高い場合、散逸的方法は、システム内で生成される熱の量のために、実際的ではなくなる。

非散逸的方法では、摂動電流はエネルギーを熱に変換する意図なく誘導される。１つの事例では、一連のＤＣ−ＤＣコンバータは、各コンバータの入力および出力が隣接セルに取り付けられ、この接続方式がストリング全体に広がっている状態で、１ストリングのバッテリーセルに接続される。摂動電流は、各ＤＣ−ＤＣコンバータにより誘導され、１つのセルから隣接セルに流れ、その流れは双方向性であり得る。要求される摂動電流が高い場合、非散逸的方法は、散逸的方法と比較して、加熱問題がより少ない。一方、熱管理の手段および構成要素の寸法は全般に、依然として増加することが要求されるため、体積の増大化につながる。他の問題は磁気飽和に関する問題である。この問題のために、ＤＣ−ＤＣコンバータはオンライン使用のためには実際的でないほど大型化されてしまう。

意味のある電圧読み取り値は通常、大きい摂動電流を要求する。そのため、既存のオンラインＥＩＳパワー・アーキテクチャには上記の欠陥が生じることとなる。ＥＩＳに対して要求される電流の大きさは、バッテリーインピーダンスおよび電圧測定能力の関数であり、バッテリーインピーダンスは温度の影響を大きく受ける。ＥＩＳシステムに対してパワー・アーキテクチャに何が要求されるかを強調するための一例として、公称ＥＳＲがおよそ１ｍΩであるものとした測定された４４Ａｈリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物パウチ型電池について考えてみる。１０ｍＶピークトゥピーク摂動応答から意味のある電圧読み取り値を得ることを期待するならば、要求される摂動電流は１０Ａピークトゥピークである。４つの係る電池が並列に接続されて１つの直列ユニットが形成される例示的なＥＶ用途では、要求される摂動電流は４０Ａピークトゥピークとなるであろう。

したがって、ＥＩＳを可能にするための追加的、代替的、および／または改善された電気的アーキテクチャが依然として大いに望まれる。

１つまたは複数の電気化学電池のインピーダンスを測定するための電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路であって、電気エネルギー貯蔵装置、電気エネルギー貯蔵装置と１つまたは複数の電気化学電池との間に接続された第１電流レギュレータ、および、第２電流レギュレータを含む、ＥＩＳ回路が提供される。この構成を用いることにより、第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータに流れ込むパワーは分離される。

ＥＩＳ回路の一態様では、第１電流レギュレータは１つまたは複数の電気化学電池に対して直列に接続され、電気エネルギー貯蔵装置は第１電流レギュレータと１つまたは複数の電気化学電池との直列接続点に対して並列に接続され、第２電流レギュレータは、電気エネルギー貯蔵装置に対して、および、第１電流レギュレータと１つまたは複数の電気化学電池との直列接続点に対して、並列に接続される。

ＥＩＳ回路の一態様では、第１電流レギュレータは電気エネルギー貯蔵装置に対して直列に接続され、第１電流レギュレータと電気エネルギー貯蔵装置との直列接続点は１つまたは複数の電気化学電池に対して並列に接続され、第２電流レギュレータは、第１電流レギュレータと電気エネルギー貯蔵装置との直列接続点に対して、および、１つまたは複数の電気化学電池に対して、並列に接続される。

ＥＩＳ回路の一態様では、第１電流レギュレータはおよび第２電流レギュレータは非散逸的電流レギュレータである。

ＥＩＳ回路の一態様では、第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータは散逸的電流レギュレータである。

ＥＩＳ回路の一態様では、第１電流レギュレータは散逸的電流レギュレータであり、第２電流レギュレータは非散逸的電流レギュレータである。

ＥＩＳ回路の一態様では、第１電流レギュレータは非散逸的電流レギュレータであり、第２電流レギュレータは散逸的電流レギュレータである。

ＥＩＳ回路の一態様では、非散逸的電流レギュレータは、負荷に接続された出力を有するスイッチモードパワーコンバータである。

ＥＩＳ回路の一態様では、スイッチモードパワーコンバータは、二重アクティブブリッジ、フライバック、または非反転バックブーストを含む、任意の孤立的または非孤立的トポロジーを有する。

ＥＩＳ回路の一態様では、スイッチモードパワーコンバータは双方向パワーフローをサポートする。

ＥＩＳ回路の一態様では、スイッチモードパワーコンバータの出力に接続された負荷は他の電気化学電池である。

ＥＩＳ回路の一態様では、スイッチモードパワーコンバータの出力に接続された負荷は、１つまたは複数の並列接続された追加的なＥＩＳ回路である。

ＥＩＳ回路の一態様では、散逸的電流レギュレータは、電流フィードバック制御ループを有するＭＯＳＦＥＴを含む。

ＥＩＳ回路の一態様では、散逸的電流レギュレータは、制御スイッチに対して直列の抵抗を含む。

ＥＩＳ回路の一態様では、第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータの一方または両方は複数の電流レギュレータを含む。

ＥＩＳ回路の一態様では、電気エネルギー貯蔵装置はキャパシタおよびインダクタのうちの少なくとも一方を含む。

ＥＩＳ回路の一態様では、電気エネルギー貯蔵装置は複数の電気エネルギー貯蔵装置を含む。

ＥＩＳ回路の一態様では、電気エネルギー貯蔵装置は制御スイッチに対して直列に接続される。

ＥＩＳ回路の一態様では、回路は、１つまたは複数の電気化学電池に接続するための１つまたは複数のスイッチをさらに含む。

１つまたは複数の電気化学電池を有する電気車両のためのバッテリー管理システム（ＢＭＳ）も提供される。ＢＭＳは１つまたは複数の電気化学電池に接続された上記の態様のＥＩＳ回路を含み、ＢＭＳは、１つまたは複数の電気化学電池に関するオンライン電気化学インピーダンス分光法を実施するよう構成される。

ＢＭＳの一態様では、電気エネルギー貯蔵装置、第１電流レギュレータ、および第２電流レギュレータの少なくとも１つはＢＭＳの本来の構成要素である。

一態様では、ＢＭＳは、電気車両の動作中に１つまたは複数の電気化学電池のリアルタイムインピーダンス測定を実施するよう構成され、ここで測定されたインピーダンスは、電気化学電池の充電状態、温度、および経年変化を含む１つまたは複数の動作状態を決定するために使用される。

１つまたは複数の電気化学電池に対して電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を実施するためのシステムであって、１つまたは複数の電気化学電池に連結された上記の態様のうちのいずれかに係るＥＩＳ回路と、ＥＩＳ回路において所望のＥＩＳ摂動電流を誘導するために第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータを通してそれぞれの電流基準信号を生成するよう構成された電流生成モジュールと、１つまたは複数の電気化学電池の電圧を測定するよう構成された電圧測定器具と、測定された電圧および誘導されたＥＩＳ摂動電流に基づいて１つまたは複数の電気化学電池のインピーダンスを判定するよう構成されたインピーダンス判定ユニットと、を含む、システムも提供される。

このシステムは、所望のＥＩＳ摂動電流を誘導するためにそれぞれの電流基準信号を生成するよう電流生成モジュールを制御するよう構成された制御ユニットをさらに含む。

このシステムは、判定されたインピーダンスに基づいて電気化学電池の充電状態、温度、および経年変化を含む１つまたは複数の動作状態を判定するよう構成された評価ユニットをさらに含む。

上記の諸態様のあるEIS回路を使用することにより１つまたは複数の電気化学電池に対して電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を実施するための方法であって、第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータの各電流レギュレータに対する電流基準信号であって、それぞれの電流基準信号は、正弦波摂動電流を含む所望の摂動電流をＥＩＳ回路において誘導するために生成される、電流基準信号を生成することと、所望のＥＩＳ摂動電流をＥＩＳ回路において誘導するために第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータの各電流レギュレータを通してそれぞれの電流基準信号を誘導することと、１つまたは複数の電気化学電池の電圧を測定することと、測定された電圧および誘導されたＥＩＳ摂動電流に基づいて１つまたは複数の電気化学電池のインピーダンスを判定することと、を含む方法がさらに提供される。

上記の方法において、第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータの各電流レギュレータに対する電流基準信号は、それぞれ生成され得る。

この方法は、判定されたインピーダンスに基づいて電気化学電池の充電状態、温度、および経年変化を含む１つまたは複数の動作状態を判定することをさらに含む。

この方法の一態様では、この方法は、第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータを通してそれぞれの電流基準信号を誘導する前に電気エネルギー貯蔵装置から電気エネルギーを放出することをさらに含む。

この方法の一態様では、正弦波摂動電流は０〜１０ｋＨｚの周波数範囲を有する。

本開示に関するさらなる特徴および利点が、以下に添付する図面と併せて読むことにより、以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。

添付の図面の全体を通して同様の特徴が同様の参照番号により指定されることに注意すべきである。

本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路を示す図である。図３Ａの実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路の例示的なシステム図である。図４において示されたシステムの理想的な定常状態動作波形を示す図である。図４において示されたシステムの例示的なオシロスコープキャプチャを示す図である。反復されるＥＩＳ測定に対する図４において示されたシステムの例示的なオシロスコープキャプチャを示す図である。図４において示された１つのインピーダンス測定サイクル上でのＴ_ｃａｓｅ（Ｑ_{ｌｉｎｅａｒ}のケース温度）の例示的なオシロスコープキャプチャを示す図である。図４において示されたシステムの６回のインピーダンス測定サイクル上でのＴ_ｃａｓｅ（Ｑ_{ｌｉｎｅａｒ}のケース温度）の例示的なオシロスコープキャプチャを示す図である。いくつかの実施形態に係る図４において示されたシステムにおいて使用されるスイッチモードパワーコンバータの実装を示す図である。電気化学インピーダンス分光法を実施するための方法を示す図である。

本開示は電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）のための電気的アーキテクチャを提供する。さらに詳細には、ＥＩＳ回路、電気車両のためのバッテリー管理システム、および、１つまたは複数の電気化学電池に対してＥＩＳを実施するためのシステムおよび方法が提供される。ＥＩＳ回路は、それぞれの電流レギュレータに流れ込むパワーを分離させる構成で１つまたは複数の電気化学電池に接続された、少なくとも２つの電流レギュレータおよび電気エネルギー貯蔵装置を含む。電流レギュレータは、散逸的または非散逸的電流レギュレータであり得る。電気エネルギー貯蔵装置が存在するため、各レギュレータは、所望のＥＩＳ摂動電流を誘導しつつ、同時に低パワーレベルで動作することが可能である。低パワーでの動作は、散逸的または非散逸的電流レギュレータのみの場合と比較して、同一の電流に対して、より低い体積およびコストを可能にする。さらに、電気エネルギー貯蔵装置は、最少量の熱が回路において生じる一方で所望のＥＩＳ摂動電流が得られるよう、電流レギュレータに流れ込むパワーが独立的に変化されることを可能する。それにより、回路が占有するサイズが最小となり、コストが最小となることが可能となる。

したがって散逸的方法または散逸的電流レギュレータがＥＩＳ回路において使用される場合にはシステムにおいて生成される熱の量が抑制され得、非散逸的方法または非散逸的電流レギュレータがＥＩＳ回路において使用される場合には熱管理の手段および構成要素のサイズが低減され得る。さらに、電流レギュレータのサイズおよびコストも低減され得る。ＥＩＳ回路は、散逸的方法および非散逸的方法のうちの一方または両方を組み込み得る。

ＥＩＳ回路は、時間的に変動する電気化学電池等価回路モデルパラメータ値の正確な判定を提供するために具体化され得る。正弦波摂動電流は、電気化学電池において、いくつかの場合では直流オフセットが存在する状態で、誘導され、インピーダンスは、既知の電流および測定された電圧のフェーザに基づいて計算され得る。曲線あてはめが、回路パラメータ値を推定するために使用され得、モデルの作成が広範囲の動作状態に対して可能である。

本明細書で開示のＥＩＳ回路は、オンラインＥＩＳを可能とするための電気車両（ＥＶ）のバッテリー管理システム（ＢＭＳ）の一部として具体化されることを含むがこれらに限定されない、いくつかの実際的な用途を有し得る。コスト削減を図る一方でＥＶの現実世界における運転範囲を拡大するために、安全性および製品寿命を維持しつつバッテリーセル技術を限界まで押し進めることは重要である。充電状態（ＳＯＣ）、パワー能力、および容量などのバッテリーパラメータに対する推定の確度を向上させることは、今日のＢＭＳにおいて一般に課せられる従来の限界を排除するにあたって重要な点である。セルバランシングのためにまたは補助負荷を供給するためにＤＣ−ＤＣコンバータが内蔵されたＥＶ用ＢＭＳでは、本明細書で開示のＥＩＳアーキテクチャは、わずかなコスト増のみで組み込まれることが可能である。同様に、他の固有／本来のｌＢＭＳ構成要素は、特定のシステム構成に応じて、本明細書で記載のＥＩＳ回路の１構成要素として使用され得る。ＥＩＳの実施から計算されるインピーダンスは、ＳＯＣ、温度、経年変化などのＥＶバッテリーの広範囲の動作状態を判定するために使用され得る。

本開示は、オンラインまたはインサイチュでのＥＩＳを可能にするためにＥＶバッテリー管理システムに組み込むことに関する参照を提供し得る一方で、本明細書で開示のＥＩＳ回路およびＥＩＳを実施するための方法は、必ずしもＥＶバッテリー管理システムへの組み込みに限定されず、すべてのＥＩＳ測定のために使用が可能であることに注意すべきである。

本開示に係るシステムおよび方法では、１つまたは複数の電気化学電池に対して電気インピーダンス分光法を実施するためにＥＩＳ回路が使用される。

様々な実施形態について、図１〜図１１を参照し、単なる例示としてのみ、ここで説明する。

図１Ａおよび図１Ｂでは、本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路が示されている。

図１Ａおよび図１Ｂにおいて示されるＥＩＳ回路１００ａおよびＥＩＳ回路１００ｂは、第１電流レギュレータＣＲ１および第２電流レギュレータＣＲ２と、電気エネルギー貯蔵装置ＥＳと、を含み、第１電流レギュレータＣＲ１、第２電流レギュレータＣＲ２、および電気エネルギー貯蔵装置ＥＳの全部は１つまたは複数の電気化学電池ＥＣに接続／結合されている。電流レギュレータＣＲ１および電流レギュレータＣＲ２と電気エネルギー貯蔵装置ＥＳとは、それぞれの電流レギュレータに流れ込むパワーが互いから分離されるよう、構成される。第１電流レギュレータＣＲ１は、電気エネルギー貯蔵装置ＥＳと、１つまたは複数の電気化学電池ＥＣとの間に接続される。

電流レギュレータＣＲ１および電流レギュレータＣＲ２と電気エネルギー貯蔵装置ＥＳとは、１つまたは複数のスイッチのマトリクス（図示せず）を通して、１つまたは複数の電気化学電池ＥＣと接続／連結され得る。したがって同一のＥＩＳ回路構成要素が、複数の異なるＥＣに対してＥＩＳ測定を実施することが可能である。このことは、例えば電気車両バッテリーシステムにおいて複数のＥＣに対してＥＩＳ測定を実施するにあたり必要なＥＩＳ回路の個数を減少させることを支援し得る。いくつかの態様では、ＥＩＳ回路は３つ以上の電流レギュレータＣＲ１および電流レギュレータＣＲ２を含み得る。例えば、第１電流レギュレータＣＲ１および第２電流レギュレータＣＲ２の各電流レギュレータは１つまたは複数の電流レギュレータ（図示せず）を含み得る。電気エネルギー貯蔵装置は複数の電気エネルギー貯蔵装置を含み得る。ＥＩＳ回路は、過電圧状態に対する安全性を提供するために、電気エネルギー貯蔵装置ＥＳに対して直列に提供された単一のスイッチ（図示せず）も含み得る。

ＥＩＳ回路１００ａでは、第１電流レギュレータＣＲ１はＥＣに対して直列に接続され、ＥＳおよび第２電流レギュレータＣＲ２はそれぞれＣＲ１およびＥＣに対して並列に接続される。この構成では、第１電流レギュレータＣＲ１および第２電流レギュレータＣＲ２を通って流れる電流は、電気エネルギー貯蔵装置ＥＳの存在により分離されている。したがって、それぞれ電流レギュレータＣＲ１および電流レギュレータＣＲ２に流れ込むパワーは分離されている。

ＥＩＳ回路１００ｂでは、ＣＲ１はＥＳに対して直列に接続され、ＥＣおよびＣＲ２はそれぞれＣＲ１およびＥＳに対して並列に接続されている。この構成では、第１電流レギュレータＣＲ１および第２電流レギュレータＣＲ２の電圧は、電気エネルギー貯蔵装置ＥＳの存在により分離されている。したがって、それぞれ電流レギュレータＣＲ１および電流レギュレータＣＲ２に流れ込むパワーは分離されている。

エネルギー貯蔵装置の容量は通常、テスト下において電気化学電池の０．１％以下であり、エネルギー貯蔵装置の存在は、所望のＥＩＳ摂動電流が誘導される一方で各レギュレータがより低いパワーレベルで同時に動作することを可能にする。これらの電流レギュレータのうちの各電流レギュレータは、所望の摂動電流が達成されるとともに、回路内で発生する熱の量が最少化されるよう、独立的に制御されることが可能である。低パワーでの動作は、散逸的または非散逸的電流レギュレータのみの場合と比較して、同一の電流に対して、より低い体積およびコストを可能にする。セルバランシングのためにまたは補助負荷を供給するためにＤＣ−ＤＣコンバータが内蔵されたＥＶ用ＢＭＳでは、このアーキテクチャは、わずかなコスト増のみで組み込まれることが可能である。同様に、他の固有／本来のＢＭＳ構成要素は、特定のシステム構成に応じて、本明細書で記載のＥＩＳ回路の１構成要素として使用され得る。

図２Ａ〜図２Ｄおよび図３Ａ〜図３Ｄでは、図１Ａおよび図１Ｂにおいて示される第１電流レギュレータＣＲ１および第２電流レギュレータＣＲ２として非散逸的（ＮＤ：ｎｏｎ−ｄｉｓｓｉｐａｔｉｖｅ）および／または散逸的（Ｄ）電流レギュレータを使用するＥＩＳ回路１００ａおよびＥＩＳ回路１００ｂのいくつかの可能な構成が示されている。ＥＣ、Ｄ、ＥＳ、およびＮＤに対するいくつかの実現形態および構成要素が存在し、ＥＩＳに対する広範囲の用途が存在する。これらの用途は、本開示の範囲から逸脱することなく、当業者により容易に理解されるであろう。この可能性の幅広さは、この段落における残りの部分において代替的な実現形態のいくつかの事例を通して強調される。例えば、ＮＤは、双方向電流動作／パワーフロー、電気的絶縁、調節帯域幅能力、その他などの特徴をサポートする多数の回路トポロジーがそのために存在するスイッチモードパワーコンバータとして具体化されることが可能である。ＮＤは例えば、二重アクティブブリッジ、フライバック、非反転バックブースト、その他などの任意の孤立的または非孤立的なトポロジーを有し得る。Ｄは、線形負ゲート電圧フィードバックループまたはいくつかの最小電流フィルタリングを有するＰＷＭスイッチングのいずれかによりそのドレイン電流が制御されるＭＯＳＦＥＴとして具体化されることが可能である。代替的に、Ｄは、電気車両において受動的セルバランシングのために存在するものなどの半導体タイプまたは導体タイプを含むスイッチに対して直列である抵抗として具体化されることが可能である。ＥＣに対して、リチウムイオンバッテリー関してのみ、必要な特性周波数範囲が０〜１０ｋＨｚの範囲で変動し得る電池化学、サイズ、およびパラメータ推定アルゴリズムが存在する。最終的に、キャパシタおよびインダクタの両方がエネルギー貯蔵のために使用されることが可能である。構成要素の代替的選択は、体積、コスト、熱管理、および複雑度を含むシステム制約条件に依存し得る。構成要素の各組み合わせは、パワー分割および協調方法体系の異なる組み合わせをもたらし得る。しかし代替的構成要素の選択は本開示の範囲から逸脱しない。

図２Ａ〜図２Ｄでは、本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路が示されている。回路２００ａ〜２００ｄでは、非散逸的または散逸的電流レギュレータが回路１００ａ〜１００ｂにおける電流レギュレータＣＲ１および電流レギュレータＣＲ２に代わって使用される様子が示されている。特に図２Ａにおいて示されるＥＩＳ回路２００ａはＥＩＳ回路１００ａに対応する。なお、これらの電流レギュレータの両方は非散逸的電流レギュレータＮＤである。図２Ｂにおいて示されるＥＩＳ回路２００ｂはＥＩＳ回路１００ｂに対応する。なお、これらの電流レギュレータの両方は非散逸的電流レギュレータＮＤである。図２Ｃにおいて示されるＥＩＳ回路２００ｃはＥＩＳ回路１００ａに対応する。なお、これらの電流レギュレータの両方は散逸的電流レギュレータＤである。図２Ｄにおいて示されるＥＩＳ回路２００ｄはＥＩＳ回路１００ｂに対応する。なお、これらの電流レギュレータの両方は散逸的電流レギュレータＤである。

図３Ａ〜図３Ｄでは、本開示の実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路が示されている。回路３００ａ〜３００ｄでは、非散逸的および散逸的電流レギュレータの組み合わせが回路１００ａ〜１００ｂにおける電流レギュレータＣＲ１および電流レギュレータＣＲ２に代わって使用される様子が示されている。特に、図３Ａにおいて示されるＥＩＳ回路３００ａはＥＩＳ回路１００ａに対応する。なお、これら電流レギュレータのうちの第１は散逸的Ｄであり、第２の電流レギュレータは非散逸的ＮＤである。図３Ｂにおいて示されるＥＩＳ回路３００ｂはＥＩＳ回路１００ｂに対応する。なお、これらの電流レギュレータのうちの第１は散逸的Ｄであり、第２の電流レギュレータは非散逸的ＮＤである。図３Ｃにおいて示されるＥＩＳ回路３００ｃはＥＩＳ回路１００ａに対応する。なお、これらの電流レギュレータのうちの第１は非散逸的ＮＤであり、第２の電流レギュレータは散逸的Ｄである。図３Ｄにおいて示されるＥＩＳ回路３００ｄはＥＩＳ回路１００ｂに対応する。なお、これらの電流レギュレータのうちの第１は非散逸的ＮＤであり、第２の電流レギュレータは散逸的Ｄである。

いくつかの態様ではＮＤの出力は負荷（図示せず）に接続され得る。ＮＤに接続された負荷は他のＥＣ（例えば負荷ＥＣと呼ばれる）であり得る。電気車両に対する特定の実現形態では、負荷ＥＣは車両における任意の他のＥＣ（例えば主要エネルギー貯蔵システムにおける他のＥＣまたは車両における他の箇所に配置された他のＥＣ）であり得る。他の実現形態では、ＮＤ電流レギュレータに接続された負荷は上述の１つまたは複数の並列接続されたＥＩＳ回路であり得、これらＥＩＳ回路のすべては、並列接続の地点において正味ＤＣパワーが達成されるよう、一緒に制御され得る。

図３Ａにおいて示される例示的な実施形態では、動作原理は次の通りである。すなわち、レギュレータＤにおける電流は、ＥＣに対するその直列配置のために、ＥＩＳ摂動電流に等しい。散逸的電流レギュレータＤにおける電流は所望により、特定の電流が達成されるよう、パルス幅変調モードにおいて制御され得る。ＥＩＳ電流は、直流オフセットがつねに単一方向性となるよう、直流オフセットを有することが要求される。直流オフセットは、ＥＳとしてのキャパシタの制限される電圧により制約される。そのため、ＮＤ（例えばスイッチモードパワーコンバータである）によるＥＣより高い電圧の印加を不可能にし、したがってＥＣのみを放電するようＤを制限する。この場合、電流の方向はＥＣから離間する方向であるが、異なる調整方法を用いた場合にはＥＣに向かう方向にもなり得る。ＤがＥＩＳ電流を調節するため、ＥＳ（キャパシタである）は電荷を貯蔵し、その電圧は正弦波リプルとともに線形に増加する。ＥＳ電圧はＤにおいて散逸されるパワーを低減させるため測定時に何らかのＤＣ値を維持し得る。その間、ＮＤは事前決定された電流を引き込む。それにより、ＥＳ電圧は制限値より低い値に保たれる。事前決定された電流は、ＥＳ上のリプル電圧を減少させるため正弦波であり得る。ＮＤが双方向性である場合、ＥＳ上の正弦波リプル電圧はさらに減少され得る。Ｄにおいて損失されるパワーは、ＥＣ電圧、ＥＳ電圧、およびＥＩＳ電流の関数である。ＮＤにより伝達されるパワーは、システム要件に基づいて選択され得る。ＥＳのエネルギー貯蔵容量は、いくつかの要因（ＥＩＳ摂動電流、所望の測定周波数、最小測定時間、およびＮＤの所望の動作電流）を考慮して設計されなければならない。

図４では、図３Ａの実施形態に係る電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路の例示的なシステム図が示されている。特に、システム図４００は、ＥＶ用途をターゲットとするＢＭＳシステム内で具体化され得る。システム４００はＥＩＳモジュール４１０およびＢＭＳモジュール４２０を含む。

図１〜図３を参照して説明された回路構成要素を参照すると、電気化学電池ＥＣは４つの並列な電圧Ｖ_ｃｅｌｌを有する４４Ａｈ、１ｍΩ公称ＥＳＲリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物バッテリーセルからなる。散逸的電流レギュレータＤは、「レギュレータ」と標示されたボックス内のＱ_{ｌｉｎｅａｒ}および他の構成要素からなる、線形フィードバック電流調節Ｄ^２ＰＡＫ・ＭＯＳＦＥＴである。この回路は増幅された電流検知電圧をＶ_ｒｅｆに合致させるよう設計され、三角形は電圧増幅器を表し、抵抗は電流検知抵抗であり、台形はアナログ信号マルチプレクサである。ＢＭＳでは、Ｑ_{ｌｉｎｅａｒ}は通常、電池電荷均衡化のために使用され、そのパワー伝達能力は変更されていない。電気エネルギー貯蔵装置ＥＳは５０Ｆの静電容量および制御スイッチＱ_ｐｒｅを有するウルトラキャパシタＣ_ｕｃである。制御スイッチＱ_ｐｒｅはＣ_ｕｃにおける電圧を制限するために使用され、ＥＩＳ機能の適切な調整を可能にする。非散逸的電流レギュレータＮＤはＢＭＳモジュール内に配置された孤立的ＤＣ−ＤＣコンバータであり、係るＤＣ−ＤＣコンバータは通常、電池電荷均衡化のために使用され、そのパワー伝達能力は変更されていない。コンバータは、入力インダクタ電流から発するフィードバックを用いてマイクロコントローラ（ＭＣＵ）により制御されるデューティサイクルである孤立的Ｃｕｋトポロジーを使用する。この場合におけるＮＤ負荷は、ＥＶ補助システムバッテリーと同じであり得る１２Ｖバッテリーである。「器具」と標示されたブロックは電圧測定器具およびインピーダンス測定に要求される電流基準信号生成を含み、低コストかつ高度に統合化された解決策として具体化されるべきである。外部調整器がＥＩＳ動作においてシステムを管理するために使用されてもよい。

図５では、インピーダンス測定の際の図４において示されるシステムの理想的な定常状態動作波形が示されている。図５ではＶ_ｃｅｌｌは線５０２により示され、Ｖ_ｕｃは線５０４により示され、Ｉ_{ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ}は線５０６により示され、Ｉ_ｃｅｌｌは線５０８により示され、Ｉ_ｕｃは線５１０により示される。ＥＩＳ測定の際のピーク電流Ｉ_{ＥＩＳ，ｐｅａｋ}は線５１２により示される。

図４および図５を参照すると、動作の順序は以下の通りである。すなわち、システム開始時、Ｑ_ｐｒｅは起動され、Ｑ_{ｌｉｎｅａｒ}は、線５０５により提供される所望の測定開始電圧Ｖ_{ｕｃ，ｓｔａｒｔ}までＣ_ｕｃを充電するためにＶ_{ｒｅｆ，ｐｒｅ}に従うよう制御される。システムが、以前のサイクルの終了後に測定を再開する場合、Ｃ_ｕｃは代わりに、測定の際に電荷が挿入されることを相殺するために、Ｖ_{ｕｃ，ｓｔａｒｔ}に向かっての放電を要求し得る。このことは、測定の間、線５０３により示されるウルトラキャパシタの最大電圧Ｖ_{ｕｃ，ｍａｘ}より下に留まるために、要求される。Ｔ_ｐｒｅの際に行われる初期電圧事前調節の後、システムは、Ｑ_ｐｒｅを起動し、Ｖ_ｒｅｆをＶ_{ｒｅｆ，ｐｒｅ}からＶ_{ｒｅｆ，ＥＩＳ}に変化させ、定電流でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることにより、インピーダンス測定を開始する。測定位相はＴ_{ｍｅａｓｕｒｅ}の間、実行される。この実現形態において、動的に変化するＤＣ−ＤＣコンバータ電流に代わって定常的なＤＣ−ＤＣコンバータ電流が選択されたことは、ＥＩＳ周波数（１／Ｔ_ＥＩＳ）リプル電流が補助バッテリーに流れ込むことを解消するためになされたものである。電圧事前調整および測定サイクルは、ＥＩＳ周波数範囲がカバーされるまで反復され、実施するにあたりＴ_{ｃｙｃｌｅ}の合計時間を使用する。この実施形態では、周波数範囲は０．５〜２０００Ｈｚである。

図６では、図４において示されるシステムの例示的なオシロスコープキャプチャ６００が示されている。図６ではＶ_ｕｃは線６０４により示され、Ｉ_{ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ}は線６０６により示され、Ｉ_ｃｅｌｌは線６０８により示され、Ｉ_ｕｃは線６１０により示される。

図７には、反復されるＥＩＳ測定の際における図４において示されるシステムの例示的なオシロスコープキャプチャ７００が示されている。図７では、Ｖ_ｕｃは線７０４により示され、Ｉ_{ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ}は線７０６により示され、Ｉ_ｃｅｌｌは線７０８により示され、Ｉ_ｕｃは線７１０により示される。

図８には、図４において示されるシステムの１つのインピーダンス測定サイクルにおけるＱ_{ｌｉｎｅａｒ}のケース温度であるＴ_ｃａｓｅの例示的なオシロスコープキャプチャ８００が示されている（線８２０）。システムは３０ＡのピークＩ_ｃｅｌｌ（線８０８）および９秒のＴ_{ｍｅａｓｕｒｅ}で動作する。摂氏６０度のピーク温度は、図４において示されるシステムがＱ_{ｌｉｎｅａｒ}において発生する熱を低下させることにおいて成功したことを示す。なぜなら、Ｃ_ｕｃ、Ｑ_{ｌｉｎｅａｒ}により寄与されるＤＣ電圧が存在しない場合には熱発生の量が２倍以上となり、そのケース温度が最高作動温度を超過するであろうことが見込まれるためである。

図９には、図４において示されるシステムの６つのインピーダンス測定サイクルにおけるＱ_{ｌｉｎｅａｒ}のケース温度であるＴ_ｃａｓｅの例示的なオシロスコープキャプチャ９００が示されている（線９２０）。システムは３０ＡのピークＩ_ｃｅｌｌ（線９０８）および９秒のＴ_{ｍｅａｓｕｒｅ}で動作する。摂氏７０度の定常状態ピーク温度は、図４において示されるシステムがＱ_{ｌｉｎｅａｒ}において発生する熱を低下させることにおいて成功したことを示す。なぜなら、Ｃ_ｕｃ、Ｑ_{ｌｉｎｅａｒ}により寄与されるＤＣ電圧が存在しない場合には熱発生の量が２倍以上となり、そのケース温度が最高作動温度を超過するであろうことが見込まれるためである。

図１０には、いくつかの実施形態に係る図４において示されるシステムにおいて使用されるスイッチモードパワーコンバータの実現形態が示されている。図１０において示される特定的な実現形態では、コンバータは、その入力側電流がデジタル制御される孤立的なＣｕｋトポロジーを有する。

図１１には電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を実施するための方法１１００が示されている。方法１１００は本明細書で記載のＥＩＳ回路を使用して実施され得る。この方法は、１つまたは複数の電気化学電池に対してＥＩＳを実施するよう設計されたシステムによっても具体化され得る。このシステムは、本明細書で記載のＥＩＳ回路と、第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータを通してそれぞれの電流基準信号を生成するよう構成された電流生成モジュールと、電気化学電池の電圧を測定するよう構成された電圧測定器具と、測定された電圧に基づいて電気化学電池のインピーダンスを判定するよう構成されたインピーダンス判定ユニットと、を含み得る。このシステムは、電流生成モジュールを制御するよう構成された制御ユニット、および／または、判定されたインピーダンスに基づいて電気化学電池の１つまたは複数の動作状態を判定するよう構成された評価ユニットをさらに含み得る。これらのシステム構成要素は１つまたは複数のハードウェア部品を使用して具体化され得る。例えば図４では、「器具」と表示されたブロックは電圧測定器具およびインピーダンス測定のために要求される電流基準信号生成を含む。このシステムの電流生成モジュールおよび電圧測定器具は器具モジュールの一部として統合され得る。インピーダンス判定ユニット、制御ユニット、および評価ユニットは１つまたは複数の処理装置として提供され得る。インピーダンスを決定し、電流基準信号を制御し、動作状態を判定するための命令が処理装置（単数または複数）と連結されたメモリに格納され得る。方法１１００は、システム／ＥＩＳアーキテクチャを制御するためにプロセッサなどの計算装置により実行され得る非一時的メモリ上に格納されたコンピュータ可読命令として格納され得る。この方法をオンラインで実行することにより、インピーダンスがリアルタイムで測定され得る。

方法１１００は、第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータの各電流レギュレータに対して電流基準信号を生成することを含む（１１２０）。電流基準信号は、ＥＩＳ回路において所望の摂動電流が誘導されるよう、個別的に制御／生成可能である。電流基準信号は、所望の摂動電流を電気化学電池において誘導するために第１電流レギュレータおよび第２電流レギュレータの各電流レギュレータを通して誘導される（１１３０）。１つまたは複数の電気化学電池の電圧が測定される（１１４０）。測定された電圧および誘導されたＥＩＳ摂動電流に基づいて、電気化学電池のインピーダンスが判定され得る（１１５０）。さらに、例えば充電状態、温度、経年変化などの電気化学電池の動作状態が判定され得る。方法１１００では、電流基準信号の生成および／または誘導の前に、電気エネルギーは電気エネルギー貯蔵装置から放出され得る（１１１０）。

図１〜図１１において示されたシステムおよび構成要素が図面には示されていない構成要素を含み得ることは、当業者により理解されるであろう。図示の簡潔性および明瞭性のために、これらの図面における要素は必ずしも縮尺が一定ではなく、概略図として示され、図示の要素構成に限定されるものではない。多数の変化および改変が請求項において定義される本発明の範囲から逸脱することなく作られ得ることは、当業者には明らかであろう。

Claims

１つまたは複数の電気化学電池のインピーダンスを測定するための電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）回路であって、
電気エネルギー貯蔵装置と、
前記電気エネルギー貯蔵装置と前記１つまたは複数の電気化学電池との間に接続された第１電流レギュレータと、
第２電流レギュレータと
を含み、
前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータに流れ込むパワーは分離される、
ＥＩＳ回路。
前記第１電流レギュレータは前記１つまたは複数の電気化学電池に対して直列に接続され、
前記電気エネルギー貯蔵装置は、前記第１電流レギュレータおよび前記１つまたは複数の電気化学電池の直列接続点に対して並列に接続され、
前記第２電流レギュレータは、前記電気エネルギー貯蔵装置に対して、および、前記第１電流レギュレータならびに前記１つまたは複数の電気化学電池の前記直列接続点に対して、並列に接続される、
請求項１に記載のＥＩＳ回路。
前記第１電流レギュレータは前記電気エネルギー貯蔵装置に対して直列に接続され、
前記第１電流レギュレータおよび前記電気エネルギー貯蔵装置の前記直列接続点は前記１つまたは複数の電気化学電池に対して並列に接続され、
前記第２電流レギュレータは、前記第１電流レギュレータおよび前記電気エネルギー貯蔵装置の前記直列接続点に対して、および、前記１つまたは複数の電気化学電池に対して、並列に接続される、
請求項１に記載のＥＩＳ回路。
前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータは非散逸的電流レギュレータである、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータは散逸的電流レギュレータである、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記第１電流レギュレータは散逸的電流レギュレータであり、前記第２電流レギュレータは非散逸的電流レギュレータである、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記第１電流レギュレータは非散逸的電流レギュレータであり、前記第２電流レギュレータは散逸的電流レギュレータである、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記非散逸的電流レギュレータは負荷に接続された出力を有するスイッチモードパワーコンバータである、請求項４、請求項６、または請求項７のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記スイッチモードパワーコンバータは、二重アクティブブリッジ、フライバック、または非反転バックブーストを含む任意の孤立または非孤立トポロジーを有する、請求項８に記載のＥＩＳ回路。
前記スイッチモードパワーコンバータは双方向パワーフローをサポートする、請求項８または請求項９に記載のＥＩＳ回路。
前記スイッチモードパワーコンバータの前記出力に接続された前記負荷は他の電気化学電池である、請求項８〜請求項１０のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記スイッチモードパワーコンバータの前記出力に接続された前記負荷は１つまたは複数の並列接続された追加的なＥＩＳ回路である、請求項８〜請求項１０のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記散逸的電流レギュレータは電流フィードバック制御ループを有するＭＯＳＦＥＴを含む、請求項５、請求項６、または請求項７のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記散逸的電流レギュレータは制御スイッチに対して直列の抵抗を含む、請求項５、請求項６、または請求項７のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータの一方または両方は複数の電流レギュレータを含む、請求項１〜請求項１４のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記電気エネルギー貯蔵装置はキャパシタおよびインダクタのうちの少なくとも一方を含む、請求項１〜請求項１５のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記電気エネルギー貯蔵装置は複数の電気エネルギー貯蔵装置を含む、請求項１〜請求項１６のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記電気エネルギー貯蔵装置は制御スイッチに対して直列に接続されている、請求項１〜請求項１７のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記１つまたは複数の電気化学電池に接続するための１つまたは複数のスイッチをさらに含む、請求項１〜請求項１８のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路。
前記１つまたは複数の電気化学電池に接続された請求項１〜請求項１９のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路を含み、かつ、前記１つまたは複数の電気化学電に対してオンライン電気化学インピーダンス分光法を実施するよう構成されている、１つまたは複数の電気化学電池を有する電気車両のためのバッテリー管理システム（ＢＭＳ）。
前記電気エネルギー貯蔵装置、前記第１電流レギュレータ、および前記第２電流レギュレータの少なくとも１つは前記ＢＭＳの本来の構成要素である、請求項２０に記載のＢＭＳ。
前記電気車両の動作中に前記１つまたは複数の電気化学電池のリアルタイムインピーダンス測定を実施するよう構成され、かつ、前記測定されたインピーダンスは、前記電気化学電池の充電状態、温度、および経年変化を含む１つまたは複数の動作状態を決定するために使用される、請求項２０または請求項２１に記載に記載のＢＭＳ。
１つまたは複数の電気化学電池に対して電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を実施するためのシステムであって、
前記１つまたは複数の電気化学電池に接続された請求項１〜請求項１９のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路と、
前記ＥＩＳ回路において所望のＥＩＳ摂動電流を誘導するために前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータを通してそれぞれの電流基準信号を生成するよう構成された電流生成モジュールと、
前記１つまたは複数の電気化学電池の電圧を測定するよう構成された電圧測定器具と、
前記測定された電圧および誘導されたＥＩＳ摂動電流に基づいて前記１つまたは複数の電気化学電池のインピーダンスを判定するよう構成されたインピーダンス判定ユニットと
を含む、システム。
前記所望のＥＩＳ摂動電流を誘導するために前記それぞれの電流基準信号を生成するよう前記電流生成モジュールを制御するよう構成された制御ユニットをさらに含む、請求項２３に記載のシステム。
前記判定されたインピーダンスに基づいて前記電気化学電池の充電状態、温度、および経年変化を含む１つまたは複数の動作状態を判定するよう構成された評価ユニットをさらに含む、請求項２３または請求項２４に記載のシステム。
請求項１〜請求項１９のうちのいずれか１項に記載のＥＩＳ回路を使用して１つまたは複数の電気化学電池に対して電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を実施するための方法であって、
前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータの各電流レギュレータに対する電流基準信号であって、正弦波摂動電流を含む所望の摂動電流を前記ＥＩＳ回路において誘導するために生成される、電流基準信号を生成することと、
前記所望のＥＩＳ摂動電流を前記ＥＩＳ回路において誘導するために前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータの各電流レギュレータを通して前記それぞれの電流基準信号を誘導することと、
前記１つまたは複数の電気化学電池の電圧を測定することと、
前記測定された電圧および誘導されたＥＩＳ摂動電流に基づいて前記１つまたは複数の電気化学電池のインピーダンスを判定することと
を含む方法。
前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータの各電流レギュレータに対する前記電流基準信号はそれぞれ生成される、請求項２６に記載の方法。
前記判定されたインピーダンスに基づいて前記電気化学電池の充電状態、温度、および経年変化を含む１つまたは複数の動作状態を判定することをさらに含む、請求項２６または請求項２７に記載の方法。
前記第１電流レギュレータおよび前記第２電流レギュレータを通して前記それぞれの電流基準信号を誘導する前に前記電気エネルギー貯蔵装置から電気エネルギーを放出することをさらに含む、請求項２６〜請求項２７のうちのいずれか１項に記載の方法。
前記正弦波摂動電流は０〜１０ｋＨｚの周波数範囲を有する、請求項２６または請求項２７に記載の方法。