JP4913109B2 - エネルギー貯蔵デバイスのための自己診断システム - Google Patents

Description

本発明は、概しては、蓄電池（rechargeable batteries）のようなエネルギー貯蔵デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、蓄電池のための自己診断システムに関するものであって、電池の寿命と同様に短期および長期の電池容量を概算できるものに関する。

蓄電池は、例えば電気およびハイブリッド自動車の推進力源として、またはテレコミュニケーションネットワークステーションにおける予備パワーとして等の、広く様々な用途において用いられている。いかなる用途においても、電池の放電容量を常にモニターすることは、繰り返されるフロート／充電／放電サイクルによる化学的性質の劣化に応じて老化する電池の活性(health)状態をモニターするのと同様に重要なことである。この情報によって、使用寿命の終わりが近づいている電池を適時に交換することが管理できるようになる。

電池は内部抵抗を有する電圧源として概算することができる。電池の内部抵抗は電池年齢によって異なるが、短期間では比較的一定である。フロート、充電、および放電の間に電池が老化するにつれて、電池の内部抵抗は増加する。内部抵抗の増加は電池の化学的性質の劣化によって生じ、それによって電池の充電保持力が減少する。電池の性能はその放電曲線によって特徴付けられるが、放電曲線とは、規定の放電率での時間の関数として、または電池の残存充電の割合の関数としての、電池電圧の曲線である。電池の内部抵抗が増加するにつれ、放電曲線は下がり、電池容量の低下を示す。電池放電曲線は、電池の内部抵抗、その放電率および温度に伴い変化する可能性がある。

電池の内部抵抗に基づいて電池容量および電池の残存寿命を概算するために、様々なシステム、方法および装置が考え出されている。米国特許第５，４０４，１０６号は、電子式コントロールユニット、電気負荷から電池の正極端子と負極端子とを接続および切断するためのスイッチング手段、接続および切断状態における電池電圧を測定するための初期および２次電圧測定手段、放電電流測定手段、およびバッテリー電解質の温度検出手段を開示している。電圧および電流測定値はコントロールユニットへ中継され、それによって電池の内部抵抗が計算される。それから電池の残存容量レベルが、計算された内部抵抗に相当する貯蔵値から概算され、さらに電解質温度の測定値に関連した補正係数を電池の残存容量レベルに適応して、より正確に残存容量レベルを概算する。

米国特許第６，０８７，８０８号は、電池の内部抵抗および変化する電池負荷における出力電流を測定する、システムおよび回路手段を開示している。これらの測定値は、メモリーの中に電池の種類に特異的な放電曲線のアレーを貯蔵しているコンピューターに中継される。コンピューターで作動しているソフトウエアは内部抵抗と出力電流測定値を使用して、それらによって特徴付けられる電池の状態に最も綿密に関連した放電曲線をメモリーから選択する。選択された放電曲線は次に相対的な電池の残存寿命を概算する。

米国特許第６，１６７，３０９号は、リチウム電池を有する心臓ペーシングシステムにおける電力減少レベルを概算するためのシステムまたはプロセスを開示する。該システムまたはプロセスは、測定をし、リチウム電池に接続された充電貯蔵キャパシターの充電率を電池の内部抵抗の値と相互に関連付けることによって、その電力減少レベルを概算する。それによって、残存電池容量および電池の交換時の見積もりを提供する。

上記の各々のシステムまたは方法は、電池端子で測定される電圧と放電曲線の相関性に基づいて、残存電池容量の見積もりを提供している。残念なことに、これらの電圧測定値は、電池放電曲線が緩やかな曲線を有する場合には不正確であり、そして電池放電曲線が水平であって電池の電圧が残存電池容量を確立するのに十分でない場合には不適当である。上記のシステムまたは方法は、また、出力電流を測定して電池の内部抵抗を判定する。しかしながら、出力電流を測定して内部抵抗を判定すると、内部抵抗の値は幾分あいまいになってしまう。また、内部抵抗は、電池端子における測定値に基づいて計算され、電池の個々のセルの状態についてほとんど情報を提供しない。

さらに、交換が必要な作動レベル（電池容量）に達する前にどれだけ電池が作動できるかを予測するための、電池の活性状態の正確な評価は、上記のどのシステムも方法も提供することができない。

このような背景に対し、エネルギー貯蔵デバイスの残存容量を正しく予測し、また同様にエネルギー貯蔵デバイスの活性状態を正しく評価するための、改善されたシステムがこの業界に必要なことは明らかである。

発明の要旨
広範な態様によれば、本発明は、セルストリング(cell string)を形成する複数の電気化学セルを含んでいるエネルギー貯蔵デバイスのための自己診断システムを提供する。当該自己診断システムは、定電流を供給する電流源を含み、セルストリング内の電気化学セルのうちの特定の１つを選ぶように作動するセル選択スイッチを含み、該特定のセルの初期電圧と２次電圧とを測定するための電圧測定手段を含む。当該自己診断システムは、また、該電圧測定手段に連結されたプロセシング（処理）ユニットを有し、該プロセシングユニットは、該定電流の値と、初期電圧と２次電圧とに基づいて、特定のセルの内部抵抗を計算するように作動する。当該電子式（エレクトロニック）自己診断システムは、セルストリングの各セルの内部抵抗に基づいて、エネルギー貯蔵デバイスの活性状態を判定することができる。

他の広範な態様によれば、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスを提供するものであって、当該デバイスは、ハウジングと、複数の電気化学セルとを有し、各セルは、正、負の電極と、それらの間にある電解質セパレーターとを有している。複数の電気化学セルは、ハウジング内にセルストリングを形成するように直列または並列に接続されている。当該エネルギー貯蔵デバイスは、電子式自己診断システムを有し、該システムは、セルストリングの測定された内部抵抗と、セルストリングの容量退化を表す活性状態値とを相互に関連させる。該電子式自己診断システムは、活性状態値に対応する前記エネルギー貯蔵デバイスの初期容量を選択し、そして、電池の正確な容量を判定すべく、前記エネルギー貯蔵デバイスに流入または該デバイスから流出するエネルギーを測定することによって、かつ前記エネルギーを加えまたは減じることによって、該エネルギー貯蔵デバイスの充電状態をモニターする。

本発明の好ましい実施形態では、流入するエネルギーが、放電の間に上記エネルギー貯蔵デバイスから取り出される電流として計算され、流出するエネルギーが、充電の間にエネルギー貯蔵デバイスに受け取られる電流として計算される。測定されたエネルギーは、電池容量の流れを表している。

さらなる広範な態様によると、本発明はまた、エネルギー貯蔵デバイスを提供するものであって、当該デバイスは、ハウジングと、複数の電気化学セルとを有し、各セルは、正、負の電極と、それらの間にある電解質セパレーターとを有している。複数の電気化学セルは、前記ハウジング内にセルストリングを形成するように直列または並列に接続されている。該エネルギー貯蔵デバイスは、電子式自己診断システムを有し、該システムは、プロセシングユニットと、電流源と、電圧測定手段と、セルストリング内の単一の電気化学セルを選択するように適合したセル選択スイッチとを有する。該電子式自己診断システムは、エネルギー貯蔵デバイスの活性状態を判定するために、セルストリングの各セルの内部抵抗を１度に１つのセルずつ測定するものであり、セル選択スイッチは、前記セルストリングの第一番目のセルを選択し、前記電圧測定手段は、選択されたセルの初期電圧と２次電圧を測定し、前記電流源は、定電流を供給する。該定電流の値、初期と２次の電圧測定値は、プロセシングユニットによって処理され、該プロセシングユニットは、オームの法則を用いて前記選択されたセルの内部抵抗を計算し、該プロセシングユニットは、さらに、電気化学セルの容量退化を内部抵抗の関数としてストアするためのメモリーを有している。該プロセシングユニットは、セルストリングの計算された内部抵抗の最も高いものを、前記メモリーにストアされた対応する活性状態値と相互に関連させて、エネルギー貯蔵デバイスの全体の活性状態を規定する。

さらに他の広範な態様によれば、本発明は、エネルギー貯蔵デバイスの活性状態を判定するための方法を提供する。

本発明の実施例の詳細を、以下の図を参照して、ここに提供する。
図では、本発明の実施態様は実施例で例示されている。該記載および該図は例示並びに理解の助けとなることのみを目的としており、本発明を制限するよう定義されたものではないということは、はっきりと理解されるべきである。

詳細な説明
図面に、更にとりわけては図１に、エネルギー貯蔵モジュール、または電気エネルギーを貯蔵するために多数の再充電可能な固形の薄膜電気化学セル１２を使用する電池１０の実施の一例の部分的説明図を提供する。このような再充電可能な薄膜電気化学セルは、高電流、高電圧エネルギー貯蔵モジュールおよび電池の構築において使用するのに特に適しており、例としては、電気自動車の動力や、テレコミュニケーションネットワークのためのバックアップ電気供給として使用されるといったようなものがある。

図１に示すように、エネルギー貯蔵モジュール１０は、スタック構造１４となるよう配列され、かつハウジング１６に据えられた、多数の独立した電気化学セル１２を含む。電気化学セル１２の包括的なスタック１４は、所望の電流および電圧規格を達成するため、多様な並行および直列関係で相互接続（インターコネクト）されていることが望ましい。電気化学セル１０のスタック１４内における選択的な直列または並列接続を容易にするため、相互接続ボード２０がハウジング１６内に据えられる。

相互接続ボード２０は接続パターンを含んでおり、該パターンは、ボード２０がハウジング１６内に据えられる場合、あらかじめ決められた接続構造に従って電気化学セル１２を相互に接続するものである。ボード２０は、各独立セル１２に接続されているバスバーそのものに接続されていてもよいし、または、実質的にリジッドなプラスチックやラミネート材のような絶縁材料２２のシートに典型的には貼られるかまたは接合された接続パターンを通して、電気化学セル１２に直接的に接続されていてもよい。多数の電気的および電気機械的コンポーネントも、相互接続ボード２０上に備え付けられていてもよい。

図１の実施例に示したように、相互接続ボード２０は、多数のヒューズパック２４、イコライザー、およびバイパスデバイス２６、および正極と負極のパワー端子２８および２９を含む。任意のまたは全ての相互接続ボード２０上にあるコンポーネントは、相互接続ボード２０以外のボードまたは台に備え付けられてよく、モジュールハウジング１６の内側にまたは外側に据えられてもよいということは、理解されるべきである。１つの実施形態では、図１に示された相互接続ボード２０および電気化学セル１２は、密閉されたハウジング１６の中に配置されている。

図２では、インナーシェル(inner shell)１５を含む、全部揃ったエネルギー貯蔵モジュール１０の一実施例の分解図を示す。インナーシェル１５は、電気化学セル１２および様々な電気ボードを包含し、その中には前述の相互接続ボード２０も含まれる。インナーシェルカバー３２は密封（ハーメチック）シール３４を組み込んでおり、それはインナーシェルカバー３２内に備えられる様々なフィードスルーをシールする。

図２に示した実施の特定の実施例では、モジュール１０は、相互接続ボード２０を使って相互接続された電気化学セルのスタック１４を含む。電気化学セル１２のスタック１４は、連続的な圧縮力を受け、その力は、各セル１２の中にまたは隣接して配置される、バンド３６、エンドプレート３８、および発泡体やバネ型要素の使用によって生じる。

相互接続ボード２０はセルスタック１４の上に据えられ、セルスタック１４を構成している全ての電気化学セル１２のためのコントロール回路を含む。コントロール回路は、ヒューズパック、バイパスデバイスおよびイコライザー回路などの短絡保護デバイスを含み、電子式自己診断システムと同様に、充電および放電の間、セルパック１４の稼動をコントロールする。したがって、セル１２のそれぞれはコントロール回路によってモニターされ、コントロールされる。相互接続ボード２０の上に据えられたコントロールボード４０は、個々のセル１２をモニターしコントロールするプロセッサを含む。つまり、コントロールボード４０はモジュールレベルのモニターおよび充電／放電／フロートの間のコントロールを提供する。

１組のクイックコネクター４２は、インナーシェルカバー３２に備えられた対応する穴を通り、モジュール１０のメインパワー端子として機能を果たす。クイックコネクター４２はシール装置３４を用いてインナーシェルカバー３２へシールされている。アウターシェルカバー４４がインナーシェルカバー３２の上に位置すると、クイックコネクター４２は、相互接続ボード２０上にマウントされたはめ合いソケット２８および２９に合わせられる。インナーシェルカバー３２を通り、同じようにそこに密封的にシールされているコミュニケーションコネクター４６は、コントロールボード４０およびモジュール１０のその他の電気ボードへの外部アクセスを提供する。

インナーシェルカバー３２をインナーシェル１５の上部へ溶接することによって、インナーシェル１５とインナーシェルカバー３２との間に密封シールが施される。そして、密封的にシールされたインナーシェル１５は、アウターシェル１６にはめ込まれる。アウターシェル１６は、射出成形プロセスを用いてポリプロピレン入りガラスから作られ、厚み約２ｍｍという特徴を有していてもよい。

電池または電気化学セルは、図３に図解したように内部抵抗を伴った電圧源として近似できる。電圧源はその放電曲線によって特徴付けられる。この曲線は、主にその電池において使われる電解質タイプによって決まる。図４に、リチウム金属ポリマー電池の標準的な放電曲線を示す。特定の電池の放電曲線は、電池の温度と負荷電流に影響を受ける。負荷電流の上昇は、放電曲線の一時的な降下を起こし、それによって充電を保持する電池容量が減少する。一方で温度の上昇は放電曲線を上げる。電池または該電池を構成する電気化学セルの内部抵抗によっても、放電曲線は影響を受ける。フロート、充電および放電の間に電池が老化するにつれて、内部抵抗は上昇し放電曲線を降下させ、それによって電池容量は事実上減少する。与えられた条件で完全な放電ができる新しい電池の場合、電池の活性状態(State of Health)は、初期電池容量の比または割合で規定する（放電率）。

電池の寿命の終わりは、特定の気温での特定の放電率下において、電池容量が初期容量（１００％）の約８０％のアンペア−時間になった場合の時点に、任意的に定められる。いったん電池が電池容量の規定要件を満たさなくなると、電池は交換および／または廃棄される。用途によっては、電池の寿命の終わりを初期容量のより高いまたは低い割合に定めてもよい。

電池の全体的な内部抵抗が、電池を構成する各電気化学セルの内部抵抗によって規定されること、および電池の容量退化または電池の活性状態に直接相互関係している可能性があることを、実験が示している。図５に示したように、電池の容量はその電池の全体的な内部抵抗の上昇とともに予測可能な様式で減少する。この２つの要素の間の関係はほとんど直線状であり、Ｙ＝ｍＸ＋ｂのタイプの方程式で表してよい。

本発明のこの実施例では、電池の測定した内部抵抗がこの表に含まれる割合値と相互に関連するように、このデータを表に集計した。この相互関係により電池の自己診断システムは電池の活性状態を評価でき、電池の寿命を推定でき、そのことは、電池の充電状態がどうであっても遂行される。各独立した電気化学セルにおいて、規定のセル温度で初期電圧および２次電圧を測定することによって、電池の自己診断システムは電池の全体の内部抵抗を計算し、電池の活性状態を正確に評価する（更新されたフル充電電池容量）。

一実施例では、当該自己診断システムは、特定の正確な電流を設定し、オームの法則 Ｒ ＝ ΔＶ ／ ΔＩ （電圧と電流との関係）に従って電圧差を測定し、電池を構成しているそれぞれのセルの正確な内部抵抗を計算する。初期電流がゼロであるために、該方程式は、Ｒ ＝ ΔＶ ／ Ｉと簡略化される。正確に設定された電流値を使用することによって、不正確な電流測定をなくし、内部抵抗の間違いのない計算が可能になる。しかしながら、実際の電流値を立証し、再現性目的の固定電流の細かいチューニングを可能にするため、理論上の固定電流値が測定される。当該自己診断システムは１度に１つずつのセルの内部抵抗を測定し、結果をメモリーに保存する。電池の活性状態はセルストリングにおける最も弱い結合として定義され、そのため最も高い内部抵抗は保持され、電池に残存する電池容量の割合またはその活性状態が測定される。

最も弱いセルの内部抵抗に相互関係する電池の活性状態の値から、当該自己診断システムは、電池の対応する放電曲線に基づいて初期容量を読み出し、そしてそれには電池の内部抵抗が考慮に入れられる。実際の活性状態に従った、電池の選択された初期容量を用いて、エネルギーまたは容量が電池から引き出されるにつれて該電池から引き出される電流（これは、放電曲線下の領域を表している）を計算することにより、当該自己診断システムは、常時、電池の活性状態の正確な表示を提供できる。同様に、電池が充電されている場合、自己診断システムは充電電流を、時間をかけてモニターすることにより、電池に戻ったエネルギーまたは容量を計算する。充電状態は電池の充電レベルを示しており、そのことによって、電池が完全に放電するまで、該電池が測定放電率の下で供給できる残存バックアップ時間を正確に評価することができる。

内部抵抗を評価する方法はいくつかある。当該自己診断システムは、その他の可能性のある評価方法の中で、以下のいずれか１つの方法を同様の精度で使用し得る。それぞれの方法は電圧を測定し、電池を構成している各独立した電気化学セルの内部抵抗を、１度に１セルずつ計算する。

計算の第一の方法は、図６に表されているように、定電流において少量の充電の間のそれぞれの電気化学セルの内部抵抗を測定することである。図６が示すように、電気化学セルに定電流を流すと電圧は上昇する。診断システムは電流を流す前に初期電圧Ｖｉを測定し、電流を流した後に２次電圧Ｖｆを測定する。電圧における瞬間上昇を電流で割ったものが個々のセルの内部抵抗を示す。測定されたものはメモリーに保存され、これが電池のそれぞれのセルについて繰り返される。電池全体の内部抵抗はプロセッサによって計算され、活性状態値と関連付けられ、その活性状態値自体は電池の活性状態を表す電池初期容量と相互関係にある。

計算の２番目の方法は、初期電圧から始まる少量の充電の後でそれぞれのセルの内部抵抗を測定するものである。図７が示すように、定電流で充電した後、電圧弛緩によりセル電圧は降下する。この降下を特定の時間で測定し、電流で割ってセルの内部抵抗を計算する。測定されたものはメモリーに保存され、これが電池のそれぞれのセルについて繰り返される。電池全体の内部抵抗はプロセッサによって計算され、活性状態値と関連付けられ、その活性状態値自体は電池の活性状態を表す電池初期容量と相互関係にある。

計算の３番目の方法は、定電流において初期電圧から始まる少量の充電の間のそれぞれの電気化学セルの内部抵抗を測定することである。図８が示すように、電圧における瞬間減少を電流で割ったものがセルの内部抵抗を表す。測定されたものはメモリーに保存され、これが電池のそれぞれのセルについて繰り返される。電池全体の内部抵抗はプロセッサによって計算され、活性状態値と関連付けられ、その活性状態値自体は電池の活性状態を表す電池初期容量と相互関係にある。

計算の４番目の方法は、定電流において初期電圧から始まる少量の放電の後でそれぞれの電気化学セルの内部抵抗を測定することである。図９が示すように、定電流での放電の後、電圧弛緩により電圧のバンプができる。このバンプを特定の時間で測定し、電流で割ってセルの内部抵抗を評価する。測定されたものはメモリーに保存され、これが電池のそれぞれのセルについて繰り返される。電池全体の内部抵抗はプロセッサによって計算され、活性状態値と関連付けられ、その活性状態値自体は電池の活性状態を表す電池初期容量と相互関係にある。

たとえ小さくとも、これらの反復的な放電は電池または複数の電池と繋がったアプリケーションネットワークを通して送られ、診断ルーチンを実行する間のエネルギーの浪費を回避するようになっている。テスト過程のこの特徴により、システムは電池の活性状態をいつでも最小限のエネルギー浪費でモニターすることができる。

これらの計算方法のいずれでも自己診断システムを通して使用でき、電池の内部抵抗の正確な値を得ることができる。そしてそれは実際の電池容量または活性状態と関連付けることができる。

図１０は本発明の一実施例に準じた、エネルギー貯蔵デバイスの自己診断システム１００の図解である。自己診断システム１００は、メインプロセシングユニット１２、セル選択シーケンサー１０４、電流源プロセッサ１０６、双方向の電流源１０８、電圧セル信号プロセッサ１１８、電流信号プロセッサ１１９、および、電池の電気化学セルストリング１１２のそれぞれのセルと連結したセル選択スイッチ１１０を含む。セルストリングモジュール１１２は温度プロセシングユニット１１４と結合した少なくとも１つの温度センサーを含む。自己診断システム１００はさらに、様々なソースから受け取ったアナログ信号をプロセシングユニット１０２のために解読可能なデジタル信号に変換するように適応されたＡ／Ｄ信号転換ユニット１１６を含む。

プロセシングユニット１０２は、それ自体の実行プログラム、様々な曲線、図表形式の容量データ、および個々のセルから受け取ったデータを保存するためのメモリー１２０、並びに、インターネットまたは電話線を通して外部ステーションとデータをやり取りするための外部コミュニケーションポート１２２を含む。プロセシングユニット１０２は、定期的な間隔のまたはフル放電のような特定の状況が起こったときのスケジュールに基づいて、或いはリモートユーザーに命じられて、電池の活性状態を評価するための診断ルーチンにコマンドを送る。

ルーチンが始まると、プロセシングユニット１０２はまず、それぞれ個々のセルに行うテストを上記の４つのテストから１つ選択し、それに従った信号をセル選択マイクロシーケンサー１０４に送る。マイクロシーケンサー１０４はテスト結果（充電および放電）によって電流方向を設定して、その信号をセル選択スイッチ１１０に送る。行われたテストに従い、プロセシングユニット１０２は、双方向の電流源１０８を通じてセル選択スイッチ１１０によって選ばれたセルへ特定の定電流を送るか、またはそのセルから定電流を受け取るために、電流源コマンドプロセッサ１０６に信号を送る。このことにより電流が選択されたセルへまたは選択されたセルから中継される。どのテストが行われたとしても、電流は固定されており、１次および２次電圧が測定される。固定電流値および選択されたセルにおける電圧測定値は、電圧セル信号プロセッサ１１８および電流信号プロセッサ１１９を通じてＡ／Ｄ信号転換ユニット１１６へ中継される。セルの平均温度は、温度プロセシングユニット１１４に結合した少なくとも１つの温度センサーによって、定期的な間隔で測定され、それによって温度信号がＡ／Ｄ信号転換ユニット１１６へ中継される。電圧、電流および温度の信号はアナログからデジタル信号へ転換されて、プロセシングユニット１０２へ送られる。それに応じてプロセシングユニットは選択されたセルの内部抵抗を正確に計算し、その内部抵抗値をメモリーへ保存する。プロセシングユニット１０２およびセル選択スイッチ１１０によって規定されたルーチンに従い、試験は電池のそれぞれ個々のセルについて繰り返される。

いったん全てのセルの内部抵抗値が計算され、メモリー１２０に保存されると、プロセシングユニット１０２はセルストリングの電気化学セルの測定された内部抵抗値のうちの最も高いものと、図５に示されたグラフからのデータとを相互関連させる。図表形式であってもＹ＝ｍＸ＋ｂタイプの方程式であっても、このデータは、内部抵抗（対）電池容量を表し、同じくメモリー１２０に保存される。この相互関係により、プロセシングユニット１０２は電池またはエネルギー貯蔵デバイスの全体の活性状態を推定する。内部抵抗のセル評価によってセルの概要を得ることにより、診断システム１００は電池の全体の活性状態に関する詳細データを提供でき、特定のセルが異常に高い内部抵抗を示し欠陥があるとわかったときに、警報サインを出すことができる。図５のグラフに基づいて、プロセシングユニット１０２は電池の寿命の正確な評価を繰り返して何度も提供することができる。この値は、電池使用の履歴に、つまり長期にわたる繰り返しの数に基づいて、月単位または年単位で推定されうる。

電池活性状態が規定されると、プロセシングユニット１０２は更新された電池活性状態に対応した電池初期容量をメモリー１２０から読み出す。この特有の初期容量により、診断システム１００は電池の正確な充電レベルを追うことができ、様々な状況下で電池が供給できる残りの時間を評価する。電池が応答型で放電中のとき、放電電流は時間をかけてモニターされ、電池から引き出されたエネルギーまたは容量（Ｉdｔ（電流×時間）として計算され放電曲線の下部分で表される）が減じられるため、診断システム１００はいかなる時でも電池の残存容量を把握しており、電池が一定の電流を提供できる残り時間を評価することができる。

ここで留意すべきことは、別の方法において、電池の正確な充電レベルを判定し、個々のセルの活性状態に基づいた残存時間を評価する最終ステップは、外部システム（ここでは示していない）によってまたは自己診断システムに繋がったリモートユーザーによって行われ、それによりそれぞれのセルの内部抵抗値が外部コミュニケーションポート１２２を通して引き出されるということである。外部システムまたはリモートユーザーは同様に、更新された電池活性状態に応じた電池初期容量を引き出し、電池の正確な充電レベルを判定して、電池が一定の電流を提供できる残存バックアップ時間を評価する。

電池に負荷がかかっている場合、該自己診断システム１００、外部診断システムまたはリモートユーザーは、電池が放電されるまで、残存バックアップ時間を、瞬間の測定された放電率に基づいて計算する。この情報はリファレンスのため、およびトレンド分析のためにメモリーに保存される。

本発明はその特定のバリエーションに関して記載しているが、その他のバリエーションおよび変更も意図され本発明の範囲内に含まれる。したがって本発明は上記に限定されるものではなく、添付する請求項によって定義されるものである。

図１は、本発明の実施例によるエネルギー貯蔵モジュールを例示した部分的説明図を示す。 図２は、本発明の実施例によるエネルギー貯蔵モジュールを例示した分解斜視図を示す。 図３は、内部抵抗を伴った電圧源の略図を示す。 図４は、リチウム金属ポリマー電池の典型的な放出曲線を示す。 図５は、電池容量の進展を内部抵抗の関数でグラフ表示したものである。 図６は、個々のセルの内部抵抗を計算する１番目の方法に準じた、電流バリエーションと関連した電圧バリエーションのグラフを示す。 図７は、個々のセルの内部抵抗を計算する２番目の方法に準じた、電流バリエーションと関連した電圧バリエーションのグラフを示す。 図８は、個々のセルの内部抵抗を計算する３番目の方法に準じた、電流バリエーションと関連した電圧バリエーションのグラフを示す。 図９は、個々のセルの内部抵抗を計算する４番目の方法に準じた、電流バリエーションと関連した電圧バリエーションのグラフを示す。 図１０Ａは、本発明の実施例による診断システムの分解図を示す。 図１０Ｂは、本発明の実施例による診断システムの分解図を示す。

符号の説明

１０ 電池
１２ セル
１６ ハウジング
２０ 相互接続ボード

Claims (16)

1. 密閉ハウジング、セルストリングを形成する複数の電気化学セル、及び電子式自己診断システムを含む、密閉型エネルギー貯蔵モジュールであって、
   前記電子式自己診断システム及び前記セルストリングは、前記密閉ハウジング内に位置し、
   前記電子式自己診断システムは：
   ａ．定電流を供給する電流源と；
   ｂ．前記セルストリング内の前記電気化学セルのうち特定の一つを選ぶように作動するセル選択スイッチと；
   ｃ．前記選択された特定のセルの初期電圧と２次電圧とを測定するための電圧測定手段と；
   ｄ．前記セルストリングの平均温度を測定するための温度センサーと；
   ｅ．データを記憶するためのメモリーと；
   ｆ．前記電圧測定手段と前記温度センサーとに連結され、前記定電流の値、前記初期電圧、前記２次電圧、及び前記セルストリングの前記平均温度に基づいて、前記選択された特定のセルの内部抵抗を計算し、前記選択された特定のセルに関して前記計算された内部抵抗を前記メモリー内に記憶するように作動するプロセシングユニットと；を具備し、
   前記電子式自己診断システムは、前記セルストリングに関して計算した内部抵抗のうち最大のものを、前記メモリーに記憶した対応する活性状態値に相互に関連させることによって、前記計算された内部抵抗に基づいて、前記エネルギー貯蔵モジュールの活性状態を規定するように作動して、前記エネルギー貯蔵モジュールの全体の活性状態を規定することを特徴とするモジュール。
2. 前記メモリーは、電気化学セルの容量退化を内部抵抗の関数として表すデータを含むことを特徴とする請求項１に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
3. 前記電子式自己診断システムは、前記セル選択スイッチの選択に従って、前記セルストリングの各セルの前記内部抵抗を１度に１つのセルずつ測定し、前記メモリー内に各セルに関して計算した前記内部抵抗を記憶することを特徴とする請求項２に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
4. 前記電流源は、前記選択された特定のセルに定電流で少量の充電を供給することを特徴とする請求項１に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
5. 前記選択された特定のセルの電圧に結果として現れた増加は、前記定電流で少量の充電が加えられた後、所定時間に測定されることを特徴とする請求項４に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
6. 前記定電流での少量の充電後、電圧弛緩が発生し、前記選択された特定のセル内で電圧降下が引起され、
   前記電圧降下は、前記選択された特定のセルの前記内部抵抗を計算するために、所定時間、前記電圧測定手段によって測定されることを特徴とする請求項４に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
7. 前記電流源は、前記選択された特定のセルに対する少量の放電を定電流で供給することを特徴とする請求項１に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
8. 前記選択された特定のセルの電圧に結果として現れた減少は、前記定電流での放電が加えられた後、所定時間に測定されることを特徴とする請求項７に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
9. 全規定電流での少量の放電後、電圧弛緩が発生し、前記選択された特定のセル内で電圧上昇が引起され、
   前記電圧上昇は、前記選択された特定のセルの前記内部抵抗を計算するために、所定時間、前記電圧測定手段によって測定されることを特徴とする請求項７に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
10. 前記電子式自己診断システムは、外部リンクをさらに具備し、前記外部リンクを通して前記全体の活性状態は、リモートモニタリングシステムへ移送でき、前記外部リンクを通してデータ又はコマンドは、リモートシステムから受け取ることができることを特徴とする請求項１に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
11. 前記電子式自己診断システムは、前記エネルギー貯蔵モジュールの前記全体の活性状態に対応する初期容量を前記メモリーから選択し、
    前記電子式自己診断システムは、前記エネルギー貯蔵モジュールに流入又はそこから流出するエネルギーを測定することによって、及び前記充電状態に対しエネルギーを加えるか又は減じることによって、前記エネルギー貯蔵デバイスの充電状態を判定し、前記エネルギー貯蔵モジュールの正確な残り容量を判定することを特徴とする請求項１に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
12. 前記流出するエネルギーは、放電の間に前記エネルギー貯蔵モジュールから取り出される電流として計算され、
    前記流入するエネルギーは、充電の間に前記エネルギー貯蔵モジュールによって受け取られる電流として計算され、
    前記測定されたエネルギーは、対応する放電曲線の下の領域を表すことを特徴とする請求項１１に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
13. 前記電子式自己診断システムは、測定された瞬間放電率に対応する放電曲線に基づき、前記エネルギー貯蔵モジュールがエネルギーを供給できる残存時間を評価することを特徴とする請求項１２に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
14. 前記電子式自己診断システムは、セル選択シーケンサーと、電流源プロセッサと、双方向の電流源と、電圧セル信号プロセッサと、電流信号プロセッサと、プロセシングユニットが読取可能なデジタル信号にアナログ信号を変換するように適合したＡ／Ｄ信号変換ユニットとをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
15. 前記少量の放電は、前記エネルギー貯蔵デバイスが接続されたアプリケーションに送られ、前記内部抵抗の測定によるエネルギー消費を低減することを特徴とする請求項７に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。
16. 前記プロセシングユニットは、前記選択された特定のセルの前記内部抵抗をオームの法則により計算することを特徴とする請求項１に記載の密閉型エネルギー貯蔵モジュール。

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