JP3893109B2 - リチウムイオンバッテリの充電状態決定方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムイオンバッテリの充電に関し、特にリチウムイオンバッテリの最適充電電流を決定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量で高エネルギー密度であることからリチウムイオン二次バッテリは急速に普及してきた。従来において、充電器によるリチウムイオンバッテリの充電は低い電流で長時間行ってバッテリの発熱と電極の損傷を避けていた。この代わりに、新品のバッテリについて安全電流範囲（safe current regime）内であると呼ばれる比較的高い定電流が使用されている。しかしながら、電池が古くなったり、あるいは異なるバッテリを充電器に繋いだりすると、この定電流は安全電流範囲を超え、バッテリの発熱や電極が損傷する虞がある。
【０００３】
リチウムイオンバッテリの充電時間を短縮しつつ充電方法の安全性を確保するために、最適充電電流を決定可能なことが望ましい。さらに、充電方法を改善するために、充電しようとするバッテリについて充電状態（ＳＯＣ）及びバッテリ容量に関する情報が得られることが望ましい。従来において、ＳＯＣ及びバッテリ容量を得るには、対象バッテリを十分に充電かつ放電し対応するバッテリ電圧対エネルギー入／出力を記録していた。この充電及び放電を充電すべき各バッテリについて行うことは時間を要し、エネルギーも浪費される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、安全にしかも時間を掛けずに特定のリチウムイオンバッテリを充電するため、最適充電電流を決定可能な方法に対するニーズがある。さらに、特定のバッテリを充電及び放電する必要がなく、最適充電電流決定の一環としてバッテリのＳＯＣを決定するニーズがある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願発明者の見出したところによれば、様々な初期充電電流を利用する一連の充電実験を行い、セル電圧、セル温度及び充電時間を記録することにより、リチウムイオンバッテリの最適充電電流を決定することができる。具体的にいうと、最適充電電流を決定する上で制御変数となるのはバッテリの充電状態（ＳＯＣ）であることが判明した。バッテリの蓄電容量は通常、アンペア時間（Ａｈ）で表され（１Ａｈ＝３６００クーロン）、バッテリの充電状態（ＳＯＣ）は与えられたバッテリに蓄えられた実際の電荷量をそのバッテリの蓄電容量で割った値で定義される。
【０００６】
本発明の一側面によれば、リチウムイオンバッテリの種類毎にルックアップテーブル、又はアルゴリズムを作成し、コンピュータ又はデータベースに記憶する。これらのルックアップテーブルはリチウムイオンバッテリの種類毎に開路電圧対充電状態、及び／又はランプピーク電流対充電状態を関係づける。本発明はこのようなルックアップテーブルの作成法とともに特定のリチウムイオンバッテリについて最適充電電流を決定する際にルックアップテーブルを利用する方法を提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
方法１：開路電圧対充電状態
本発明の１実施形態はリチウムイオンバッテリについて測定した開路電圧に基づいてそのバッテリの充電状態を決定する方法である。
【０００８】
図１において、リチウムイオンバッテリ１００は種類が既知であり、電圧計６、電流計５及び熱電対７を有する測定回路上に示される。電源３はバッテリ充電リレー４の作動時にリチウムイオンバッテリ１００を充電する。阻止ダイオード８は電流の方向を制限し、充電中、電流が電源３からリチウムイオンバッテリ１００の方向にのみ流れるようにする。リチウムイオンバッテリ１００はバッテリ放電リレー１１の作動時に負荷１２及び阻止ダイオード１３を介して放電する。図１の回路は本発明に係るルックアップテーブルを作成するためのみならず、これらのルックアップテーブルを利用して最適充電電流を決定するのにも兼用できる。
【０００９】
コンピュータ１は信号インタフェース２を介して電圧計６から電圧測定値を受け取る。さらにコンピュータ１は信号インタフェース２を介して熱電対７からバッテリ温度測定値を、電流計５から電流測定値を受け取る。さらにコンピュータ１は信号インタフェース２を介してバッテリ充電リレー４及びバッテリ放電リレー１１のオン／オフ状態を制御する。
【００１０】
コンピュータ１は、例えばナショナルインスツルメントのデータ収集モジュールをインストールしたゲートウェイペンティアム（登録商標）で構成される。信号インタフェース２は、例えばナショナルインスツルメントの信号条件付けシステムであり、内部にデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）モジュール、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）モジュール、リレー制御モジュール、及び熱電対モジュールをインストールしたものである。。電圧計６は、例えばＡＤＣモジュールのチャンネルとして含まれる。電流計５は、例えば５０アンペア／５０ミリボルトの分路及びＡＤＣモジュールのチャンネルで構成される。電源３は、例えばヒューレットパッカードのモデル６０３２Ａ電源である。
【００１１】
図１に示す回路を用いて、特定の種類のリチウムイオンバッテリについて開路電圧（ＯＣＶ）対充電状態（ＳＯＣ）のルックアップテーブルを作成する手順は以下の通りである。最初に、バッテリ充電リレー４は作動し、バッテリ放電リレー１１は不作動にする。次にバッテリ１００を初期定電流、例えば１アンペアで充電するため、電流計５によりリチウムイオンバッテリ１００に入力される電流をモニタリングしながら電源３の出力電圧を増大していく。この定電流、例えば１アンペアによるリチウムイオンバッテリ１００の充電は電圧計６の測定するバッテリの両端電圧が最大許容電圧（Ｖ_MAX）に達するまで行われる。バッテリ製造業者は安全を考慮してＶ_MAXを定めている。リチウムイオンバッテリについてＶ_MAXの典型的な値はセル当たり４．２ボルトである。直列に接続した複数のセルから成るリチウムイオンバッテリ１００について次式が成り立つ。
【００１２】
【数１】

ここにＮはセルの直列接続数である。Ｖ_MAXに達すると、充電はこの定電圧Ｖ_MAXで続き、充電電流は減少する（フロート充電）。入力電流が所定ポイントまで、例えば初期定電流の１％になるまで減少したとき、セルは完全に充電され、１００％のＳＯＣになると考えられる。続いてバッテリ充電リレー４を不作動にし、リチウムイオンバッテリ１００が安定になるのを待機するが、このバッテリ安定化は電圧計６の測定するリチウムイオンバッテリ１００開路電圧（ＯＣＶ）の変動から判定される。ＯＣＶの変化率が閾値以下、例えば０．０００１ボルト／分以下になればリチウムイオンバッテリ１００は安定したと考えられる。リチウムイオンバッテリの安定に要する時間は例えば約３０分である。バッテリ１００が安定した後、１００％のＳＯＣになるバッテリ１００の開路電圧（ＯＣＶ_SOC=100%）を記録する。
【００１３】
第２に、バッテリ放電リレー１１は作動しバッテリ充電リレー４は不作動状態にしてリチウムイオンバッテリ１００を所定の放電速度で低カットオフ電圧（Ｖ_MIN）まで負荷１２を介して放電する。所定の放電速度は３０分から５時間の範囲内でリチウムイオンバッテリ１００を１００％ＳＯＣから０％ＳＯＣまで完全に放電するような値として選択する。バッテリ製造業者は安全に配慮してＶ_MINを定めている。リチウムイオンバッテリについてＶ_MINの代表値は３．０ボルトである。直列に接続した複数のセルから成るリチウムイオンバッテリ１００について次式が成り立つ。
【００１４】
【数２】

ここにＮはセルの直列接続数である。Ｖ_MINに達するとセルは十分に放電され０％ＳＯＣになる。続いてバッテリ放電リレー１１を不作動にし、リチウムイオンバッテリ１００が安定になるのを待機するが、このバッテリ安定化は電圧計６の測定するリチウムイオンバッテリ１００開路電圧（ＯＣＶ）の変動から判定される。ＯＣＶの変化率が閾値以下、例えば０．００１ボルト／分〜０．００５ボルト／分以下になればリチウムイオンバッテリ１００は安定したと考えられる。リチウムイオンバッテリの安定に要する時間は例えば約３０分である。バッテリ１００が安定した後、０％のＳＯＣになるバッテリ１００の開路電圧（ＯＣＶ_SOC=0%）を記録する。放電速度（アンペア）に放電時間（hour)を掛けることによりリチウムイオンバッテリ１００の容量が算出される。なお、バッテリの容量は通常、アンペア時間（Ａｈ）で表され、１Ａｈ＝３６００クーロンである。
【００１５】
第３に、バッテリ充電リレー４は作動しバッテリ放電リレー１１は不作動にして所定のクーロン量例えばバッテリ容量の１０％分を所定の充電速度で電源３からリチウムイオンバッテリ１００に充電する（入力する）。所定の充電速度は３０分から５時間の範囲内でリチウムイオンバッテリ１００を０％ＳＯＣから１００％ＳＯＣまで完全に充電するような値として選択する。続いてバッテリ充電リレー４を不作動にし、リチウムイオンバッテリ１００が安定になるのを待機するが、上述したようにこのバッテリ安定化は開路電圧（ＯＣＶ）の変動から判定される。そしてバッテリ１００が安定した後、１０％のＳＯＣにおけるバッテリ１００の開路電圧（ＯＣＶ_SOC=10%）として記録する。この手続きを繰り返し、各充電状態（例えば、２０％、３０％、・・・９０％ＳＯＣ）におけるリチウムイオンバッテリ１００開路電圧（ＯＣＶ）のセットを記録する。本発明の別の実施形態では、各充電期間の終了直後に開路電圧（ＯＣＶ）を測定し、測定値を外挿（extrapolate）することにより安定状態におけるＯＣＶの推定値を求める。
【００１６】
以上の充電→放電→充電手続きを複数の温度、例えば−３０℃、０℃、＋２０℃、＋５０℃について実行することにより、開路電圧（ＯＣＶ）対充電状態（ＳＯＣ）のルックアップテーブルを各種温度について作成すると有益である。
【００１７】
再び図１を参照すると、種類は既知であるが充電状態は未知であるリチウムイオンバッテリ１００について、バッテリ充電リレー４及びバッテリ放電リレー１１をともに不作動状態にして、電圧計６から成る測定回路にそのバッテリ１００を設置する。電圧計６は信号インタフェース２を介してコンピュータ１に接続する。コンピュータ１のオペレータはリチウムイオンバッテリ１００の種類をコンピュータ１に入力する。次にコンピュータ１によりＯＣＶ相関アルゴリズムを実行し、例えばルックアップテーブルを参照してから線形補間を行うことにより、電圧計６の測定した開路電圧（ＯＣＶ）を被験バッテリ１００の充電状態に関連づける。図２は代表的なリチウムイオンバッテリについて開路電圧対充電状態のサンプルプロットを示したものである。
【００１８】
本発明のさらなる側面に基づいて、熱電対７をリチウムイオンバッテリ１００の側面に取り付けてバッテリ温度を測定し、信号インタフェース２を介してコンピュータ１に入力する。この場合、ＯＣＶ相関アルゴリズムは３種類の入力、すなわちバッテリの種類、開路電圧及びバッテリ温度を使用する。例えば、線形補間等の計算法によりルックアップテーブルに記憶した温度値の中間温度にある被験バッテリ１００についてその充電状態（ＳＯＣ）を求める。
方法２：ランプピーク電流対充電状態
本発明のもう１つの実施形態はリチウムイオンバッテリについて測定したランプピーク電流（ramp-peak current：ＲＰＣ）に基づいてそのバッテリの充電状態を決定する方法である。
【００１９】
同じく図１に示す回路を用いて、特定の種類のリチウムイオンバッテリについてランプピーク電流（ＲＰＣ）対充電状態（ＳＯＣ）のルックアップテーブルを作成する手順は以下の通りである。最初に、リチウムイオンバッテリ１００を、例えば上記方法１のステップを利用することにより既知の充電状態（例えば１０％ＳＯＣ）に設定する。
【００２０】
第２に、バッテリ充電リレー４は作動しバッテリ放電リレー１１は不作動状態にして、単調増加電流、例えば６０秒間で０アンペアから２０アンペアに増加する電流を電源３からリチウムイオンバッテリ１００に供給する。電流の対時間依存特性Ｉ＝ｆ（ｔ）は一次関数であってよく、その情報をコンピュータ１に記録する。入力電流を０から増加していくと、以下の３つのケースのいずれかが発生する。（１）入力電流によりバッテリ電圧が電圧計６により測定される最大許容ランプ電圧（Ｖ_MAX-ramp）に達するか、（２）入力電流が電源３の最大定格電流（maximum current rating）に達するか、（３）リチウムイオンバッテリの電流限界値に達する。ランプエネルギー入力の継続時間は限られているので最大許容ランプ電圧は最大許容充電電圧より１００ｍＶ〜２００ｍＶ上に設定してよい。上記（１）又は（２）が発生したときの電流はバッテリのランプピーク電流（ＲＰＣ）として定義される。リチウムイオンバッテリ１００のＲＰＣに達したら、バッテリ充電リレー４を不作動にして１０％ＳＯＣにおけるリチウムイオンバッテリ１００のランプピーク電流（ＲＰＣ_SOC=10%）を記録する。この手続きを繰り返し、複数の充電状態（例えば２０％、３０％、・・・１００％ＳＯＣ）におけるリチウムイオンバッテリ１００のランプピーク電流のセットを記録する。
【００２１】
なお、種類が既知のリチウムイオンバッテリに関し、複数の低充電状態（ＳＯＣ）、例えば１０％及び２０％ＳＯＣにおいて電源３の最大定格電流の限界によりＲＰＣが重複する可能性がある。このような場合は充電電流の変化率を増大させ、例えば３０秒間で０アンペアから２０アンペアに増加させることにより、リチウムイオンバッテリ１００の真の充電状態に応じて異なるＲＰＣ値が得られるようにする。
【００２２】
さらに本発明に基づいて、上記ランプピーク電流手続きを複数の温度、例えば−３０℃、０℃、＋２０℃、＋５０℃について実行することにより、ランプピーク電流（ＲＰＣ）対充電状態（ＳＯＣ）のルックアップテーブルを各種温度について作成する。
【００２３】
再び図１を参照すると、種類は既知であるが充電状態（ＳＯＣ）は未知であるリチウムイオンバッテリ１００について、バッテリ充電リレー４及びバッテリ放電リレー１１をともに不作動状態にして、電源３、電流計５及び電圧計６から成る測定回路にそのバッテリ１００を設置する。電源３、電流計５及び電圧計６は信号インタフェース２を介してコンピュータ１に接続する。コンピュータ１のオペレータはリチウムイオンバッテリ１００の種類をコンピュータ１に入力する。次にコンピュータ１は制御ループを実行することによりバッテリ充電リレー４を作動し、電流の対時間依存特性Ｉ＝ｆ（ｔ）の記憶ルックアップテーブルに基づいて、充電電流を例えば６０秒間で０アンペアから２０アンペアに単調増加する。コンピュータ１は電源３からリチウムイオンバッテリ１００に入力する電流を増加し続け、入力電流が上記ＲＰＣに達するとバッテリ充電リレー４を不作動にする。続いてコンピュータ１はＲＰＣ相関アルゴリズムを実行し、例えばルックアップテーブルを参照してから線形補間を行うことにより、電流計５の測定したランプピーク電流（ＲＰＣ）を被験バッテリ１００の充電状態に関連づける。なお、コンピュータ１のＲＰＣ相関アルゴリズムが複数の可能なランプピーク電流値（ＲＰＣ）を返した場合、コンピュータ１はユーザーに、リチウムイオンバッテリ１００のＳＯＣがＲＰＣ相関アルゴリズムの返すことのできる最高充電状態（ＳＯＣ）以下であることを知らせる。図３は代表的なリチウムイオンバッテリについてランプピーク電流対充電状態のプロットを示したものである。
【００２４】
方法１と同様に、熱電対７をリチウムイオンバッテリ１００の側面に取り付けてバッテリ温度を測定し、信号インタフェース２を介してコンピュータ１に入力する。この場合、ＲＰＣ相関アルゴリズムは３種類の入力、すなわちバッテリの種類、ランプピーク電流及びバッテリ温度を使用する。例えば、線形補間等の計算法によりルックアップテーブルに記憶した温度値の中間温度にある被験バッテリ１００についてその充電状態（ＳＯＣ）を求める。
方法３：ＯＣＶとＲＰＣを併用した充電状態決定法
コンピュータ１により上述したような温度補正した開路電圧（ＯＣＶ）相関アルゴリズムを実行し、続いて温度補正したランプピーク電流（ＲＰＣ）相関アルゴリズムを実行し、例えば平均を取ることによって両者を組み合わせて充電状態（ＳＯＣ）の最適推定値を求めると有益であることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態で使用するのに適したバッテリ測定回路を示す。
【図２】 代表的なリチウムイオンバッテリについて開路電圧対充電状態のサンプルをプロットした図である。
【図３】 代表的なリチウムイオンバッテリについてランプピーク電流対充電状態のサンプルをプロットした図である。

Claims (10)

1. （ａ） バッテリを第１の現充電状態に設定するステップと、
   （ｂ） 電源から前記バッテリに単調増加電流を供給するステップと、ここに電流は時間に対する増加依存特性があり、
   （ｃ） 前記電流の時間に対する増加依存特性を記録するステップと、
   （ｄ）（ｉ）前記バッテリの測定電圧が所定の最大に達するか、又は
   （ｉｉ）前記単調増加電流が前記電源の最大定格電流に等しくなるか、
   のいずれかにより、前記単調増加電流が前記リチウムイオンバッテリの前記第１の現充電状態におけるランプピーク電流として定義される値になるまで、前記バッテリに供給する前記単調増加電流を増加するステップと、
   （ｅ） 前記現充電状態におけるランプピーク電流を記録するステップと、
   （ｆ） 追加の充電状態に対し、前記ステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を繰り返すステップと、前記記録するステップ（ｅ）は、前記バッテリの追加の充電状態に対して前記ランプピーク電流のルックアップテーブルを記録し、
   （ｇ） 前記バッテリの追加の充電状態と前記第１の現充電状態を使用してリチウムイオンバッテリについてランプ電流対充電状態のルックアップテーブルを生成するステップと、
   を含むリチウムイオンバッテリについてランプ電流対充電状態のルックアップテーブルを作成する方法。
2. 前記単調増加電流は６０秒間で０アンペアから２０アンペアに増加する、請求項１記載の方法。
3. 前記バッテリに対する第１および追加の現充電状態は１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％及び１００％である、請求項１記載の方法。
4. 重複したランプ電流値についてランプ電流対充電状態のルックアップテーブルを検査するステップと、
   電源から前記バッテリに供給する単調増加電流が異なる時間対電流依存性をもち、そして重複したランプピーク電流値を有する充電状態について請求項１の各ステップを繰り返すステップと、
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
5. 請求項１の全ステップは所定の温度のセットについて繰り返される、請求項１記載の方法。
6. 前記所定の温度のセットは−３０℃、０℃、＋２０℃及び＋５０℃から成る、請求項５記載の方法。
7. リチウムイオンバッテリの種類をコンピュータに入力するステップと、
   （ｉ）前記バッテリの測定電圧が所定の最大に達するか、又は（ｉｉ）電源から前記バッテリに供給する単調増加電流が前記電源の最大定格電流に等しくなるか、のいずれかにより、前記単調増加電流が前記リチウムイオンバッテリの現充電状態におけるランプピーク電流として定義される、前記ランプピーク電流を前記バッテリについて測定するステップと、
   （ｉ）前記コンピュータに入力した前記バッテリの種類、及び
   （ｉｉ）前記バッテリについて測定したランプピーク電流
   を含む入力に基づいて、前記ランプピーク電流と前記リチウムイオンバッテリの充電状態とを関係づけるランプピーク電流相関アルゴリズムを実行するステップと、
   前記ランプピーク電流相関アルゴリズムに基づいて前記リチウムイオンバッテリの充電状態を決定するステップと、
   を含むリチウムイオンバッテリについてランプピーク電流対充電状態のルックアップテーブルを使用して充電状態を決定する方法。
8. 前記ランプピーク電流相関アルゴリズムは、線形補間に続くルックアップテーブルを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記ランプピーク電流相関アルゴリズムへの前記入力はさらに測定したバッテリ温度を含む、請求項７記載の方法。
10. 前記バッテリに対する開路電圧を測定するステップをさらに含み、前記相関アルゴリズムへの入力は前記バッテリに対して測定された開路電圧を含む、請求項７記載の方法。

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