JP2022538220A - 蓄電池の耐用期間を最適化するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、蓄電池の耐用期間を最適化するための方法ならびにこのような方法を実装するための手段を有する装置および車両に関する。本発明による蓄電池の充電状態を管理するための方法は、蓄電池の温度の関数として目標充電状態を決定するステップであって、前記目標充電状態は、基準劣化プロファイルにしたがって、蓄電池の劣化を制御するために温度が上昇するときに低下する傾向がある、目標充電状態を決定するステップと、目標充電状態が達せられるまで蓄電池を充電するステップとを含む。有利なことに、基準劣化プロファイルが、基準充電状態で、および基準温度で蓄電池の寿命の開始から経過した時間の関数として蓄電池の内部抵抗の相対的増加を記述するので、目標充電状態は、内部抵抗の相対的増加を推定するステップの終わりに、推定した相対的増加が基準劣化プロファイルから得られた相対的増加よりも小さいままの傾向であるように実効的に繰返し決定される。本発明による装置は、燃焼自動車のリチウム電池に特に適している。【選択図】図１１

Description

本発明は、蓄電池の耐用期間を最適化するための方法に関し、ならびに上記方法を実装するための手段を備える装置および車両に関する。

一世紀にわたって、すべての自動車は、特に燃焼エンジンを始動させるために鉛蓄電池を搭載してきている。技術的な進歩および規制上の制約が、これらの鉛蓄電池が代替システムで置き換えられることをますます要求している。しかしながら、この置き換えは、鉛蓄電池が特有の技術的な特徴を有し、そして低コストであるという理由で、実行することが簡単ではない。とりわけ、２つの基本的な品質は、寒冷時の電力およびエネルギー保存であり、後者は車両が長期間駐車しているときにオフ電流を補填する。言うまでもなく、コールドスタートに対するこの能力は、長時間の駐車の後でも、すなわち、蓄電池の部分放電の後でも保証されなければならない。最も月並みに、鉛蓄電池は、１カ月または２カ月の駐車の期間の後でも、－２０℃または－３０℃でエンジンを始動することが完全に可能である。その充電状態（またはＳＯＣ）は、依然として６０％よりも大きく、その充電量の２０％から３０％が、オフ電流によって放電されている。

加えて、鉛蓄電池は、温度が８０℃に達することがあり、蓄電池が６０℃以上で一日に数時間過ごすことがあるエンジンフードウェルの下の厳しい条件に耐える。この「高温」環境は、蓄電池のエージングに軽視できない効果を有する。しかしながら、鉛蓄電池の低コストが、車両の疲労を受けるすべての部品のように定期的に（ヨーロッパでは平均で５年ごとに）交換することを可能にする。さらにその上、鉛蓄電池のリサイクル性は、非常に高く（＞９５％）そして新しい蓄電池へと作り直されることが可能である。

温度に耐えるこの能力は、蓄電池がエンジンの近くに、したがって交流発電機およびスタータの近くに設置されることを可能にすることを理解することが重要である。結果として、ケーブルが短くなり、抵抗損失が少なくなる。

鉛蓄電池をリチウム電池で置き換えることはまた、リチウム電池をエンジンの近くに、したがって高温領域に設置することを意味する。しかしながら、このケースには３つの大きな欠点がある。

第１に、リチウム電池（または本出願ではＬＩＢ技術）のコストが、鉛蓄電池（または本出願ではＬＡＢ技術）のコストと比較され得ない、これらの２つの技術の間には少なくとも５倍のコストファクターがある。これは顧客により許されないはずであるので、リチウム電池を頻繁に換えることは、それゆえ想像できないことであり、リチウム電池の耐用期間は、少なくとも１０年、理想的には１５年、すなわち今日の自動車の耐用期間であることが必要である。鉛蓄電池技術とは対照的に、ＬＩＢをリサイクルすることの困難さおよび高いコストを考慮することもまた必要である。加えて、環境保護の観点からは、これらのリチウム蓄電池が長時間長持ちすることは、有利な点である。

さらに加えて、容量または電力（内部抵抗）のいずれかに関して、ＬＩＢの劣化は、その温度の上昇により指数関数的に加速される。この疲労は、使用したアノード技術に明らかに大きく依存し、例えば、チタン酸リチウム酸化物（または本出願ではＬＴＯ技術）がグラファイト（または本出願ではＧＲＡ技術）よりもはるかに良く耐えるだろう。しかしながら、使用する技術とは無関係に、ＬＩＢの耐用期間は、その温度に直接リンクされるだろう。

蓄電池の温度が、その国の気候および顧客の行動という２つの主要な因子に依存するという理由で、蓄電池の温度は、制御可能ではない。たとえ、設計により、すべてのものがエンジンの熱から蓄電池を熱的に保護するように実装される場合でさえ、エンジン室内に蓄電池を設置することの単純な事実は、蓄電池の温度をエンジンの温度に依存させる。しかしながら、各々の使用に関して、エンジンは、最大９５℃まで熱くなり、次いで、走行時間のあいだその温度に留まり、次いで、停車した後で冷やされるので、エンジンの温度は、顧客の行動に直接的にリンクされる。このサイクルの各々のフェーズでは、エンジンは、特にクールダウンしているときに、電池を熱くするだろう。顧客の使用に依存して、都会と幹線道路との間で、または一日の運転の回数に依存して、蓄電池の温度は、非常に異なるだろうことが容易に理解される。

これゆえ、温度に関して可能な限り大きくＬＩＢの耐用期間を長くすることを可能にさせる解を見出すことが最大の関心事であり、これが提案した本発明の目的である。

米国特許第８９３７４５２号という文書は、車両の蓄電池の耐用期間を最適化するために、蓄電池の予想した温度にしたがって決定されるＳＯＣ範囲内に保つことにより蓄電池の充電量を制御することを含む充電状態を制御するための方法を記載している。しかしながら、この方法は、限定された効率しか提供しない。

この出願で説明される本発明による方法、蓄電池、および車両は、上に述べた欠点を克服することを可能にさせ、特にこれらは、天候および運転者の行動に関係するバラツキを可能な限り補正するために蓄電池の温度に対して蓄電池の管理を適応させるための簡単で効果的な解を提供することを目的とする。本発明は、充電状態－温度組み合わせに関するＬＩＢ技術の典型的な挙動の知識、および交流発電機がどのように運転され得るかに関する知識に基づく。本発明は、１つの蓄電池または並列の２つの蓄電池を有するシステムに同等に適用されてもよい。

この目的のために、本発明による蓄電池の充電量を管理するための方法は、上記蓄電池の温度にしたがって目標充電状態を決定するためのステップであって、前記目標充電状態は、基準劣化プロファイルにしたがって、上記蓄電池の劣化を制御するために温度が上昇するときに低下する傾向がある、目標充電状態を決定するためのステップと、上記目標充電状態に達するまで上記蓄電池を充電するステップとを含む。有利なことに、上記基準劣化プロファイルが、上記蓄電池の耐用期間の開始から基準充電状態までおよび基準温度までに経過した時間の関数として上記蓄電池の内部抵抗の相対的増加を記述し、上記目標充電状態は、上記内部抵抗の相対的増加を推定するステップの完了において、上記推定した相対的増加が上記基準劣化プロファイルから取られた相対的増加よりも小さいままである傾向であるように繰返し効果的に決定される。

本明細書において以下に導入する図を参照して、下記のように説明されるいくつかの特定の実施形態によれば、
－ 上記基準充電状態が、８０％よりも高い、特に１００％に等しいことがあり、および／または上記基準温度が、１０℃と３０℃との間であり、特に２０℃に等しいことがある。
－ ｉが正の整数である所与の繰返しｔ_ｉにおいて、上記内部抵抗の上記推定した相対的増加が、上記基準プロファイルから取られた上記相対的増加よりも大きい場合に、上記目標充電状態は、次の繰返しｔ_ｉ＋１において、上記推定した相対的増加が上記基準プロファイルから取られた上記相対的増加に向かう傾向になるように決定されることがある。
－ ２つの繰返しが、同一の所定の時間間隔だけ常に離れることがあり、そして前記時間間隔が上記基準プロファイルにおいて、上記内部抵抗の同一の相対的増加に常に対応することがある。
－ この同じ時間間隔が、３０分と２時間との間であり、特に１時間に等しいことがあり、および／または上記内部抵抗のこの同じ相対的増加が、５％よりも小さい、特に２％に等しいことがある。
－ ２つの繰返しｔ_ｉとｔ_ｉ＋１との間に測定された上記蓄電池温度が、上記基準温度よりも高い場合には、上記目標充電状態が、上記基準充電状態よりも低くなるように繰返しｔ_ｉ＋１において決定されることがあり、そしてこの低い充電状態に関して繰返しｔ_ｉ＋１とｔ_ｉ＋２との間に経過した時間間隔に起因する上記内部抵抗の上記劣化が、上記相対的劣化を推定する後続のステップにおいて、上記基準劣化よりも小さいとみなされることがある。

添付の図面は、本発明を図解する。

単一のＬＩＢおよび対応する電気的構成を有する従来型の実装形態の模式図である。 並列の２つのＬＩＢおよび対応する電気的構成を有する実装形態の模式図である。 温度およびＳＯＣの関数として例示的なＬＩＢの劣化プロファイルを図示するグラフである。 温度およびＳＯＣの関数として例示的なＬＩＢの劣化の表である。 ３０％の内部抵抗の増加をともなう例示的な予想される耐用期間の表である。 ２０℃で１００％ＳＯＣにおける「理想的な」劣化プロファイルを図示するグラフである。 例示的な劣化係数の表である。 運転するときの本発明の動作原理を図示するグラフである。 停止し、駐車したときの本発明の動作原理を図示するグラフである。 本発明による充電状態を補正する原理を図示するグラフである。 本発明による補正を用いた総計のＳＯＣ％での例示的な変化を図示するグラフである。 時間の関数として使用した蓄電池の例示的な分布を図示するグラフである。

リチウム電池システムの２つの大きなファミリ：１つの蓄電池を有するまたは２つの蓄電池を有する、がある。両方のケースにおいて、電源は、可能な限り、ケーブルの抵抗損失を限定するためにエンジンに可能な限り近づけて設置すべきであり、その理由は、ケーブルの抵抗損失が、ケーブルの大きな直径、したがって大きな直径の銅、重量およびコスト、または電力、したがってコストの点でＬＩＢのオーバーサイズという、いずれかの結果をもたらすことになるからである。

図１は、単一のＬＩＢを有する先行技術による従来型の実装形態を示す。このＬＩＢは、関係する熱保護とともにエンジンの近くに置かれる。このＬＩＢは、したがって、始動電力および駐車したときのフェーズ中の微小電流を含め使用のすべてのフェーズにとって必要なエネルギーを供給する。

図２は、２つのＬＩＢが並列に接続され、その各々が機能を分担して行う先行技術による１つの変形例を示し、ＬＴＯ技術を使用しエンジンの近くに実装された小さな蓄電池が、始動電力を供給し、そしていずれかの他の大電流交換を行い、一方後部のところの冷涼な環境に設置されたグラファイト（ＧＲＡ）アノードを用いたもう１つのＬＩＢが、駐車したときのオフ電流の供給を含めすべてのエネルギー必要量を供給する。

図１および図２の両方の構成では、電力管理システム（またはＰＭＳ）と呼ばれるコンピュータが、充電状態（パーセントでのＳＯＣ）、ボルト（Ｖ）での電圧、摂氏（℃）での温度Ｔおよび１つまたは複数のＬＩＢを管理する１つまたは複数のＢＭＳ（蓄電池管理システム）の電流Ｉについての情報を受信する。車両に属するこのコンピュータは、交流発電機の電圧（Ｖａｌｔ）またはある種のハイブリッド車両もしくは電気車両用のＤＣ－ＤＣ変換器の電圧を制御できる。

本発明は、図１および図２の両方の構成、ならびにすべてのリチウム電池技術に同等にあてはまり、その理由はこれらが、充電状態および温度に関してすべて同じ振る舞いを共有するためである。

本発明は、図３のグラフに提示された特性を使用し、グラフの曲線が典型的なＬＩＢ挙動の例、すなわち、温度および充電状態に関する充電量および内部抵抗（内部抵抗がここでは表示される）に関するＬＩＢの性能の指数関数的な劣化を与える。リチウム電池の各々のタイプ、サイズまたは化学的性質に関して、ベンチテストを介してこれらの曲線を決定することが可能である。これらの曲線は、上記の各々の固有の特性を密接に表す。

エンジンの熱的影響から蓄電池を保護するために最善を尽くすことのほかには、車両内での位置取り、天候、および顧客による車両の使用に関係する蓄電池自体の自己加熱を組み合わせた効果の結果であろう蓄電池の温度を制御することは、不可能である。しかしながら、その充電状態で作動することは可能である。提案した概念をより良く説明するために、ＬＩＢの例が使用される。そのための、上記ＬＩＢに関して図４の表は図３のグラフの数値データへの再書き換えである。この例では、車両により許容され得る内部抵抗の最大劣化は、１５年の望まれる耐用期間に対して３０％の増加である。

図５の表は、図４のエージング係数および内部抵抗での３０％の最大の許容可能な劣化が組み合わせられた場合の耐用期間の結果を示す。１５年よりも上のすべての値が１５年で固定された。

図４および図５の表では、選択された基準条件は、２０℃および１００％ＳＯＣの点であり、これは、毎年２％の劣化を示し、したがって３０％（１５ｘ２％）の内部抵抗の増加で１５年の耐用期間を予測することを可能にする。

図６の曲線は、したがって、パラメータとして２０℃で１００％ＳＯＣの状態での時間に関する内部抵抗の「理想的な」変化を示す。

本発明の原理では、係数が、ベースとして２０℃で１００％ＳＯＣの点を規準として、各温度と充電状態との組み合わせに対して割り当てられ、この基準点に対して係数１が割り当てられる。これは、図４の表から直接導出される図７の表を与える。この表は、各々の動作構成に対する「重み」を直接与える。２０℃で１００％ＳＯＣにおいて過ごした同じ時間に対して劣化係数を各々のカレンダー寿命時間に割り当てることを可能にするだろう。図７の表によれば、１００％ＳＯＣで３０℃において過ごした１時間は、１００％ＳＯＣで２０℃における２時間と等価である。逆に、５０％ＳＯＣで３０℃において、エージングは、基準値と同じである。

図８の図形は、運転しているときのシステムの動作を示す。車両が動作しているときには、蓄電池の充電状態および温度は、絶えず変化する。ＢＭＳは、この情報をＰＭＳコンピュータへ継続的に送り、上記ＰＭＳコンピュータは、単位時間当たりの、例えば、時間当たりの、問題の時間のユニットについての平均充電状態および平均温度を決定する。ここで、例えば、これは、運転の最初の１時間に関するＳＯＣｍｏｙ１およびＴ℃ｍｏｙ１であり、次いで、２時間目に関するＳＯＣｍｏｙ２およびＴ℃ｍｏｙ２である、等である。

図９の図形は、駐車したときのシステムの動作を示す。運転しているときと同じく、ＰＭＳコンピュータの定期的な起動中に、ＰＭＳコンピュータは、ＬＩＢのＢＭＳから情報を集め、時間ごとに温度および充電状態に関する平均値を決定する。したがって、寿命の各々の時間について（各々が繰り返しｔ_ｉ、ｔ_ｉ＋１、．．．、ｔ_ｉ＋ｎに対応し、ここではｎは本実施形態では整数である）、蓄電池は、図７の表から係数を割り当てられることがあり、そしてこれらの「補正した時間」は、ＰＭＳのメモリにおいて総計される。補正した時間の総計をカレンダー時間と比較することは、ＰＭＳにとって今や複雑ではない。これが基準線よりも高くなると、これは、蓄電池が予想したものよりも早く劣化している危険性があることを意味する。このズレが、例えば、５時間または１０時間などの限界しきい値に達すると、ＰＭＳは、蓄電池の充電状態に対して作用することにより是正管理を実施する。

そのために、運転しているときに、ＰＭＳは、９５％と典型的には５０％ＳＯＣとの間の目標値ＳＯＣＭａｘに達するまで、ＢＭＳにより伝送されるＬＩＢの充電状態にしたがって交流発電機の電圧ＶａｌｔまたはＤＣ－ＤＣ変換器の電圧Ｖａｌｔを低下させるだろう。結果として、計算され補正されたエージング時間は、蓄電池と同じ温度ウィンドウに拘わらず減少するだろう。

図１０の図形は、システムの動作を示す。ＳＯＣＭａｘが達せられたことをＢＭＳがＰＭＳに示すと直ぐに、充電電流がゼロに向かう傾向になるように、そしてＳＯＣレベルが一定のままであるように、制御電圧Ｖａｌｔを自動的に減少させる。

図１１のグラフは、理想的な直線に関して総計し補正した時間総計の例示的な変化を示す。図に示すように、曲線の第１の部分は、理想的な直線から外れる傾向がある。この偏差が所定のしきい値と矛盾しないで、しきい値よりも大きくなると、管理システムが作動し、蓄電池の充電状態が低下し、これにより曲線の方向を直ちに変え、曲線が理想的な直線に戻る。総計値がヒステリシス値内まで理想的な直線の下へ低下すると、ＳＯＣ制限が無活動状態になる。

結論として、本発明は、車両の何らかの物理的な改造を必要とせず、そして時間をモニタリングすることにより、および顧客用の蓄電池の充電状態を管理することにより蓄電池の耐用期間を保証することを可能にする単純なシステムを、顧客のポピュレーションの蓄電池の耐用期間がどのように決定されるかを図解している図１２の図形に示したように顧客の気候または使用のタイプが蓄電池を早まって消耗させる顧客に対して提案する。設計者は、顧客の大多数が目標耐用期間を得るようにあらゆることを実施するだろう。例えば、平均が目標値を超える。しかしながら、図１２にハッチングしたように、車両の使用および車両が運転される気候を介して、蓄電池が目標値の前にその寿命の終わりに達することを経験するだろうポピュレーションが依然としてある。本出願に記載された本発明は、このポピュレーションによってのみ作動され、そしてユーザの大多数にとって不作動のままであるかもしれない。

蓄電池のＳＯＣが低下すると、コールドスタートに対する能力が潜在的に低くなることに異議を唱える者もいるかもしれない。問題としている雰囲気温度で始動するために要求される充電状態よりも高い値ＳＯＣＭａｘを有するように常に選択され、かつ装置が作動している場合は、雰囲気温度が明らかに高くそしてエンジンが始動することが容易であるあらゆる可能性があることを意味するので、このことを踏まえておく必要がある。

蓄電池のＳＯＣが低下すると、他の者は、蓄電池がオフ電流を供給するために低い充電量しかないだろうということに異議を唱えるかもしれない。このことは、単一の蓄電池を有するシステムに対してのみ真である。２つの蓄電池を有するシステムに関して、前部蓄電池だけが、ＳＯＣ制御の対象であり、オフ電流を供給するのは後部蓄電池である。単一蓄電池のケースでは、高温の蓄電池は頻繁な使用を示し、そしてこの車両が、蓄電池の始動能力を危険にさらすことがある長期間にわたって駐車されたままであることは、非常に可能性が低い。

Claims (8)

1. 蓄電池の充電状態を管理するための方法であって、
   － 前記蓄電池の温度にしたがって目標充電状態を決定するためのステップであり、前記目標充電状態は、前記蓄電池の劣化を制御するために温度が上昇するときに、基準劣化プロファイルにしたがって低下する傾向がある、目標充電状態を決定するためのステップと、
   － 前記目標充電状態に達するまで前記蓄電池を充電するステップと
   を含む、方法において、
   前記基準劣化プロファイルが、前記蓄電池の耐用期間の開始から基準充電状態までおよび基準温度までに経過した時間の関数として前記蓄電池の内部抵抗の相対的増加を記述し、
   前記目標充電状態は、前記内部抵抗の前記相対的増加を推定するステップの完了において、前記推定した相対的増加が前記基準劣化プロファイルから取られた相対的増加よりも小さいままである傾向になるように繰返し決定される、
   ことを特徴とする、方法。
2. 前記基準充電状態が、８０％よりも高い、特に１００％に等しい、および／または前記基準温度が、１０℃と３０℃との間である、特に２０℃に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ｉが正の整数である所与の繰返しｔ_ｉにおいて、前記内部抵抗の前記推定した相対的増加が前記基準プロファイルから取られた前記相対的増加よりも大きい場合に、前記目標充電状態は、次の繰返しｔ_ｉ＋１において、前記推定した相対的増加が前記基準プロファイルから取られた前記相対的増加に向かう傾向になるように決定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. ２つの繰返しが、同一の所定の時間間隔だけ常に離れ、および前記時間間隔が、前記基準プロファイルにおいて、前記内部抵抗の同一の相対的増加に常に対応することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記同じ時間間隔が、３０分と２時間との間であり、特に１時間に等しい、および／または前記内部抵抗の前記同じ相対的増加が、５％よりも小さい、特に２％に等しいことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. ２つの繰返しｔ_ｉとｔ_ｉ＋１との間に測定された前記蓄電池温度が、前記基準温度よりも高い場合に、前記目標充電状態が、前記基準充電状態よりも低くなるように繰返しｔ_ｉ＋１において決定され、そしてこの低い充電状態に関して繰返しｔ_ｉ＋１とｔ_ｉ＋２との間に経過した時間間隔に起因する前記内部抵抗の前記劣化が、前記相対的劣化を推定する引き続くステップにおいて、前記基準劣化よりも小さくなるとみなされるだろうことを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の方法を実装するためのハードウェアおよびソフトウェア手段を備える、蓄電池。
8. 請求項７に記載の蓄電池を備える、車両。
   

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