JP5421111B2 - 充電式バッテリの放電の終点の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、充電式バッテリの放電の終点の制御方法に関する。

電気化学的蓄電池（electrochemical storage cell）、または、充電式バッテリは、携帯電気式、端末、電気またはハイブリット自動車等の多くのモバイルアプリケーション、または、電気通信リレー式、すなわち、風または光起電力の等の断続的なエネルギ源からの電気の生成等の多くのステーショナリアプリケーションに使用され、如何なる場合でも素子を補償することが脆弱なことを補償するのと同様に最重要である。

それらの異なるアプリケーションにおいて耐用年限を最適化するために、充電式バッテリは、一般的に、ほとんどの場合、早期の劣化（premature degradation）を意味する、深い放電、または、再充電不能な場合から保護されていなければならない。充電式バッテリが深い放電状態に到達する傾向にある全てのアプリケーションにおいて、低電圧切断（ＬＶＤ：Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ）閾値は、それ故、放電の停止に用いられる。

例えば、電圧対３つの異なる電流範囲、つまり、０．５Ａ（三角形でプロットされた曲線）、５Ａ（四角形でプロットされた曲線）、および、１０Ａ（ドットでプロットされた曲線）の３つの放電が実施されたバッテリの放電量を示す図１のグラフに表されるように、電圧は、従来技術においては、放電が停止しなければならない値、既述のＬＶＤ閾値に対応する１０．８Ｖの値に到達するまで減少する。

一旦、この電圧閾値に到達してしまうと、バッテリは、それ故、切断される。しかしながら、電流によって課された電圧サージのキャンセルが原因で、切断されたバッテリの電圧がそのときすぐに増加することが注目されるべきである。もし予防措置がなされなければ、放電はそれ故すぐに中断された後に再び許容され、放電の再開はＬＶＤ閾値へ到達することを意味する。バッテリに対しても弊害があるのと同様にバッテリの切断と再接続を実施するエレクトロニクスに対しても弊害がある、低充電状態におけるこのタイプのマイクロ放電（micro-discharge）を回避するために、新しい低電圧切断ＬＶＤがそれ故用いられる。この新しい電圧基準における放電の再開は、しかしながら、新たな充電を許容する合間にバッテリが再充電されることを補償しないので、この方法は、現実のところ、マイクロ放電の不利な影響を完全に回避せず弱めるだけである。

加えて、それらの電圧閾値の最適な調整は、非常にデリケートである。しかし、それらの電圧閾値はバッテリの技術またはシステムの寸法を考慮するが、それにも拘わらず、バッテリの動作の期間中、一定に保たれる。しかし、バッテリの電圧は、その技術、およびその動作状態、つまり、充電または放電電流、弛緩期（relaxation period）、温度、健康状態すなわち損耗状態に依存する。

素子の直列接続を含み得るバッテリの場合、素子間の不均一性は、それ自体、全バッテリの端子において測定された電圧における範囲を、有する。言い換えれば、バッテリの電圧とその充電の状態との間には、直接の関係はなく、または、少なくともおおよその関係だけがある。現時点で使用されている電圧基準は、それ故、既述の全ての寄与を積算した 充電式バッテリの放電の深さを十分に評価することができない。それ故、動作状態または劣化状態に応じて、それらの電圧閾値は、理想にならない傾向があり、或る場合、バッテリの早期の劣化を導き得る。さらには、非常に実験的、多くの、長く、そして、それ故コストの高い計測により、新しいシリーズのバッテリの開発が行われるとき、異なる放電の型に対するカットオフ閾値の値は、決定されている。

図２において、バッテリ１の従来の制御構成は、概略的に、示される。従来の方法において、バッテリ１は、例えば電源３によって、負荷２に供給する。バッテリ１の充電および放電サイクルは、バッテリ１の端子に接続され且つ例えばバッテリ１の端子における電圧を測定するレギュレータ４により制御される。レギュレータ４は、放電後特にバッテリを切断するように設計された第１のスイッチ５によってＳ１に応じてバッテリ１の充電を制御し、また、第２のスイッチ６によってＳ２に応じて電源３を制御する。既述のようなダメージを避けるため、充電閾値の実際の臨界状態以下に降下しないことを確認するように、放電を停止するために用いられる電圧閾値は既述のようなレギュレータにおいて非常に過剰に評価（over-evaluated）される。

例えば、太陽光発電システムにおいて用いられる鉛酸（lead-acid）バッテリの場合、それらのバッテリの低電圧閾値は、一般的に、バッテリのどのような損耗または動作状態でも、１．９Ｖ／セル（つまり、６セルのバッテリに対して１１．４Ｖ）に近づく。しかし、鉛酸バッテリは、それらの使用に対する不利な影響無しに、ほとんどの場合、１．８Ｖ／セル（つまり、６セルのバッテリに対して１０．８Ｖ）に近い閾値まで使用され得る。これは、バッテリの容量の約１０％に達し得る蓄えたエネルギの損失をもたらす。そのような充電式バッテリの放電の終点の制御は、それ故、最適ではない。

本発明の目的は、複素インピーダンス測定に特有のデータの使用を達成するために効果的、容易であり、また、同時に過去または現在の使用の状態またはバッテリの損耗の状態を考慮して、バッテリの状態の分析がなされるのを可能にし、また、完全に放電されたバッテリの早過ぎる再接続の回避を可能にする、充電式バッテリの放電の終点の制御方法を提供することを目的とする。

本発明に従った方法は、バッテリの遷移周波数（transition frequency）を決定することと、遷移周波数に応じてバッテリの放電の終点の基準を決定することと、を備えることを特徴とする。

本発明の特定の実施例に従った方法は、遷移周波数は、バッテリの使用の間、定期的に決定され、遷移周波数に応じた調節手段（regulating means）により放電が中断される。

本発明の代替的な実施例に従った方法は、放電の終点の基準は、キャリブレーション段階の間になされた遷移周波数の測定から決定される。

本発明のさらに代替的な実施例に従った方法は、放電の終点の基準は、メンテナンス段階の間になされた遷移周波数の測定から再調整される。

本発明の発展に従った方法は、放電の終点の基準は、放電の過程における、遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）の傾きの急変（sudden change）、または、遷移周波数の既定の最大値、または、遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）の傾きの既定の最大値（Ｐｍａｘ）を、示す。

さらなる優位さおよび特徴は、非制限的な例示の目的のみで与えられ且つ添付の図面において表される、本発明の特定の実施例の以下の既述からより明白になる。

従来技術に従った、それぞれ３つの異なる電流範囲（０．５Ａ、５Ａ、および１０Ａ）における、バッテリの放電量に対する電圧を表すグラフである。 従来技術に従った、充電式バッテリを制御するための従来構成を概略的に表す図である。 本発明に従った、充電式バッテリの放電の終点の制御方法の特定の実施例を表すフローチャートである。 従来技術に従った、遷移周波数Ｆ_ＨＦの同定（identification）を表すナイキスト線図である。 図１に従ったそれぞれの３つの異なる電流範囲における、バッテリの充電ＳＯＣの状態に対する遷移周波数Ｆ_ＨＦを示すグラフである。 本発明に従った、それぞれの異なる電流範囲（０．５Ａと５Ａ）における、電圧に対応する遷移周波数の傾きを示すグラフである。

図３を参照して、本発明に従う充電式バッテリの放電の終点を制御する方法は、図２に表される、例えば、スイッチを制御することによりバッテリの充放電が制御されることを可能にするレギュレータを有する従来の制御構成により達成することができる。

図３に表される具体的な実施例において、充電式バッテリの放電の終点の制御方法は、バッテリの遷移周波数（transition frequency）Ｆ_ＨＦを決定（determining）する第１のステップＦ１を構成要素とする。

例えば、遷移周波数Ｆ_ＨＦを決定することは、二分法（dichotomy）により、成される。例えば、３３００Ｈｚから１００Ｈｚの周波数の範囲にある遷移周波数Ｆ_ＨＦを有する鉛酸（lead-acid）バッテリを考え、周波数ｆにおいて測定されたインピーダンスの虚部、Ｉｍ（Ｚ（ｆ））で記される、を考え、そして、もしｓ＜０ならばＦ_ＨＦ＞ｆであり、もしｓ≧０ならばＦ_ＨＦ≦ｆであると書くことができる、その虚部の量ｓの符号を考える。

二分法の原理は、例えば、既述の周波数範囲の中央点に位置するｆ１＝１７００Ｈｚにおける、第１の測定をすることである。Ｉｍ（Ｚ（ｆ１））の符号と上記関係に従うと、新たな測定は、例えば、ｓが０より小さければ、ｆ２＝２５００Ｈｚにおいて、または、ｓが０より大きければ、ｆ２’＝９００Ｈｚにおいて、成される。Ｉｍ（Ｚ（ｆ２））の符号またはＩｍ（Ｚ（ｆ２’））の符号に従えば、新たな測定は、例えば、ｓが０より小さければ、ｆ３＝２９００Ｈｚにおいて、または、ｓが０より大きければ、ｆ３’＝２１００Ｈｚにおいて、または、それぞれ、ｓが０より小さければ、ｆ３＝１３００Ｈｚ、また、ｓが０より大きければ、ｆ３’＝５００Ｈｚにおいて等成される。

一般化した方法において、新たな測定は、ｘ＝｜ｆ_ｎ−ｆ_ｎ−１｜／２である、もしｓ＜０ならばｆｎ＋１＝ｆｎ＋ｘ、および、もしｓ＞０ならばｆｎ＋１＝ｆｎ−ｘの関係により、実際に、定義される。３３００Ｈｚから１００Ｈｚの範囲において、７つの測定は、非常に適当であり且つ十分な精度を示す、２５ＨｚでＦ_ＨＦを得るには十分である。
さらに、この方法による遷移周波数Ｆ_ＨＦの決定時間（determination time）の見積もりは、すべて１００Ｈｚ以上の周波数において成される、それらの連続する７つの測定を成すことにより、得ることができる。測定がそれぞれ検討された周波数に対する５つの期間においてさらに成されることを考えると、もしすべての測定が１００Ｈｚにおいて成されれば、３５個の測定が成されなければならず、且つこれは２分の１秒以下つまり０．３５秒を必要とする。二分法によるこの方法は、それにより、秒毎、または長いステップで、遷移周波数Ｆ_ＨＦのモニタリングを可能にする。

インピーダンス測定の分野において、遷移周波数Ｆ_ＨＦを決定（determine）することはすでに知られている。ナイキスト線図で遷移周波数Ｆ_ＨＦの同定を示す図４に表されるように、遷移周波数Ｆ_ＨＦは、通常、バッテリの複素インピーダンスが誘導的性質から抵抗的性質に切り替わる周波数、すなわち、複素インピーダンスの虚部がキャンセルされる周波数に一致する。これは、全体として立ち入らない方法（non-intrusive manner）で、バッテリが停止状態または動作状態に拘わらず、バッテリの動作の間連続して、高い周波数で測定されたインピーダンスパラメタに関係する。

しかしながら、遷移周波数Ｆ_ＨＦの値を用いるインピーダンス測定装置は現在知られているとは限られないが、バッテリの損耗の状態の分析のために様々な周波数で測定されたインピーダンス値を使用するインピーダンス測定装置は現在知られている。これは、様々な周波数でインピーダンス値を測定することによりバッテリの損耗の状態を決定するための方法を用いる装置を記述する、具体的にはＵＳ２００３／２０４３２８におけるケースである。幾つかの最近の刊行物、具体的にはA. Hammuche et al.による論文“Monitoring state-of-change of Ni-MH and Ni-Cd batteries using impedance spectroscopy”（Journal of Power Sources, vol-127, 2004, pp.105-11）、またH. Blanke et al.による論文“Impedance measurements on lead-acid batteries for state-of-charge, state-of-health and cranking capability prognosis in electric and hybrid electric vehicles”（Journal of Power Sources, vol-144, 2005, pp.418-425）、そして、公報ＷＯ２００５／０３１３８０もまた、遷移周波数Ｆ_ＨＦから、ニッケル−カドミウムバッテリ、または、酸鉛バッテリの変化の状態をモニタリングする方法の可能性を示している。したがって、例えば、図５に示すように、図１の同じ３つの異なる電流範囲、すなわち、０．５Ａ、５Ａ、および１０Ａに対して、バッテリの変化（ＳＯＣ）の状態に応じて遷移周波数Ｆ_ＨＦを決定することは、可能である。

しかしながら、レギュレーションシステムの範囲において遷移周波数Ｆ_ＨＦの使用を可能にし、またはこの基準に基づいてバッテリの放電の終点を制御することに言及する文献は無くまた公知の装置もない。一方、本発明に従った方法では、充電式バッテリの放電の終点を制御するために、活物質（active material）の状態に関係し活物質の実態に従って放電の停止を可能にする遷移周波数Ｆ_ＨＦを用いることを提案する。

図３において、遷移周波数Ｆ_ＨＦの決定のステップＦ１の後、第２のステップＦ２において、制御方法は、遷移周波数Ｆ_ＨＦの傾きを決定することを含む。この傾きは、遷移周波数Ｆ_ＨＦの導関数（derivative）ｄＦ_ＨＦ／ｄｔにより、決定される。

遷移周波数Ｆ_ＨＦの導関数ｄＦ_ＨＦ／ｄｔは、具体的には、図５のグラフから決定される。実際には、このグラフは、定電流Ｉで放電が起こる場合の、充電ＳＯＣの状態に応じた遷移周波数Ｆ_ＨＦを示す。充電ＳＯＣの状態は、しかしながら、時間ｔを乗じた電流Ｉに比例する。図５において、電流Ｉは一定であり、充電ＳＯＣの状態は、時間ｔに比例する。図５に表される３つのそれぞれの曲線の導関数は、それ故、遷移周波数の傾きｄＦ_ＨＦ／ｄｔに一致し、放電電流Ｉでおおよそ一定である。

次に、第３のステップＦ３において、制御方法は、予め計算された傾きとバッテリが切断されなければならないバッテリの放電の終点の基準を示す既定の最大値Ｐｍａｘと比較することを構成要素とする。もし、計算された傾きが既定の最大値Ｐｍａｘよりも小さければ、制御方法は、遷移周波数Ｆ_ＨＦを決定するステップＦ１の前に戻る。もし、計算された傾きが既定の最大値Ｐｍａｘよりも大きければ、制御方法は、次のステップＦ４に進む、つまり、レギュレータ（図２）を用いてバッテリの放電を中断する。それにより、既定の最大値Ｐｍａｘは、バッテリが遮断されなければならない、遷移周波数の関数であるバッテリの放電の終点を、定義する。

例えば、２つの異なる電流範囲、つまり、０．５Ａ（ドットでプロットされた曲線）および５Ａ（バツでプロットされた曲線）における、電圧Ｕに応じた遷移周波数Ｆ_ＨＦの傾きｄＦ_ＨＦ／ｄｔの値を示す図６に表されたグラフを検討すると、遷移周波数Ｆ_ＨＦの傾きｄＦ_ＨＦ／ｄｔの使用は、バッテリの劣化の間の放電の終点のセットポイント（set point）の信頼性を維持する目的のための全く説得力のあるものと証明することができるのは明らかである。

光起電のアプリケーションの場合において、どんな放電状態であっても、約１１．５Ｖの、固定された電圧停止セットポイントにおいて放電を停止することは、実際、ありふれている。例えば、約０．０１５の遷移周波数Ｆ_ＨＦの傾きｄＦ_ＨＦ／ｄｔに一致する、５Ａにおける１１．５Ｖ（図６の破線）の閾値において放電を停止することは、０．５Ａにおける約１１．２５Ｖの閾値で放電を停止するための遷移周波数Ｆ_ＨＦの同じ傾きｄＦ_ＨＦ／ｄｔを保持することにつながる。

既述の実施例において、遷移周波数は決定され（Ｆ１）、例えば、動作状態のバッテリの使用の期間、定期的に、放電は、計算された遷移周波数（Ｆ１）に応じたレギュレータ（図２）により、放電は中断される（Ｆ４）。

表されていない、他の代替的な実施例において、制御方法に適用される放電の終点の基準は、バッテリのキャリブレーション段階（calibration phase）の間に成された遷移周波数Ｆ_ＨＦの測定により決定されることができる。キャリブレーションに対応する放電の終点の基準は、レギュレータに入力されている（図２）。この方法は、前述同様に、遷移周波数Ｆ_ＨＦと例えば傾き（Ｆ２）とを決定することを構成要素とし、キャリブレーションの間に計算された放電の終点の基準にバッテリの動作の間に到達した場合（Ｆ３）には、バッテリは切断される（Ｆ４）。

表されていない、他の代替的な実施例において、放電の終点の基準は、バッテリのメンテナンス段階（maintenance phase）の間に成された遷移周波数Ｆ_ＨＦの測定により調整されることもできる。前述同様に、遷移周波数Ｆ_ＨＦおよび対応する放電の終点の基準の計算は、このメンテナンス段階で実施され、この放電の終点の基準にバッテリの動作の間に到達した場合には、バッテリは切断される。

さらに、キャリブレーション段階の間またはメンテナンス段階の間であっても、遷移周波数Ｆ_ＨＦに応じて計算され且つバッテリの切断を許可する放電の終点の基準は、好ましくは、レギュレータ（図２）により測定されたバッテリの端子における電圧により構成され、それ故、固定された電圧停止セットポイント（図６）を定義する。

充電式バッテリの放電の終点の制御方法の、表されていない、他の代替的な実施例において、放電の終点の基準は、放電の過程（course of discharging）における、遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）の傾きの急変（sudden change）を示す。この傾きの急変は、遷移周波数Ｆ_ＨＦの二次導関数ｄＦ_ＨＦ ^２／ｄｔ^２により定義され、制御方法は、放電の終点の基準を示す値としての二次導関数の計算された値を用いることを構成要素とし、この基準に到達した場合にはレギュレータ（図２）を用いてバッテリは切断される。

他の代替的な実施例において、放電の終点の基準は、遷移周波数Ｆ_ＨＦの既定の最大値で示され得る。前述同様に、制御する方法は、遷移周波数Ｆ_ＨＦを決定することと、得られた値と既定の最大値とを比較することと、を構成要素とする。もし、この計算された値が既定の最大値よりも小さい場合には、この方法は 遷移周波数Ｆ_ＨＦを決定するステップＦ１の前に戻り、新たな遷移周波数Ｆ_ＨＦが測定される。もし、この計算された値が既定の最大値よりも大きい場合には、放電の終点の基準にバッテリの動作の間に到達すると、レギュレータはバッテリを切断することにより放電を中断する。

どのような既述の実施例であっても、そのような制御方法は、それ故、とても効果的であり且つ実施が容易であり、同時に過去または現在の使用の状態またはバッテリの損耗の状態の影響を考慮して、バッテリの状態の分析がなされるのを可能にする。そのような方法は、また、完全に放電されたバッテリの早過ぎる再接続の回避をも可能にする。バッテリの放電の制御は最適であり、充電式バッテリの動作およびその耐用年限は、それ故、最適化される。

既述の制御方法の異なる実施例に従った放電の終点の基準のそのような使用のために、本発明は、全ての放電形態に対して、放電の終点の閾値の決定を容易に且つ安価にし、そのユーザの意向である、新しいシリーズの製品の定義および開発に、適用される。

この発明は、劣化または過去の使用が関係する範囲のバッテリの状態を放電の終点が考慮できるように、レギュレータにおいて、バッテリの放電の終点の調整に対応する新たな放電の終点の基準の使用に直接的に適用される。

この発明は、メンテナンス動作が実施される場合にレギュレータの閾値を再度キャリブレーションできるように、バッテリとそのレギュレータを備えるシステムにおいて、新たな放電の終点の基準の使用にも適用される。

この発明は既述の異なる実施例に限定されない。既述において使用されたバッテリという用語は、具体的には、充電式バッテリと充電式電気化学蓄電池（rechargeable electrochemical storage cell）との両方を含む。既述の制御方法は、どのようなタイプの充電式バッテリにも適用される。

一般的意味では、バッテリのタイプおよび／またはバッテリが用いられるアプリケーションのタイプを考慮して、充電または放電の全てのタイプが用いられ得る。

Claims (8)

1. 充電式バッテリの放電の終点の制御方法であって、
   前記バッテリの遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）を決定すること（Ｆ１）と、
   前記遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）の時間に対する一次導関数または二次導関数を決定すること（Ｆ２、Ｆ３）と、
   前記一次導関数または前記二次導関数を用いて充電式バッテリの放電の終点を制御することと、を備える
   ことを特徴とする方法。
2. 前記一次導関数または前記二次導関数を放電の終点の基準（Ｆ２、Ｆ３）と比較することと、
   前記比較の結果に応じて、前記バッテリを切断することと、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記バッテリのキャリブレーション段階を実施することと、
   前記キャリブレーション段階の間になされた前記遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）の測定（Ｆ１）から前記放電の終点の基準（Ｆ２、Ｆ３）を決定することと、を含む
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記バッテリのメンテナンス段階を実施することと、
   メンテナンス段階の間になされた前記遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）の測定（Ｆ１）から前記放電の終点の基準（Ｆ２、Ｆ３）の値を調整することと、を含む
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記放電の終点の基準（Ｆ２、Ｆ３）は、前記遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）の前記二次導関数を既定の基準と比較して、決定される
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. 前記放電の終点の基準（Ｆ２、Ｆ３）は、放電の過程で前記遷移周波数（Ｆ_ＨＦ）の傾きの急変を示す
   ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
7. 充電式バッテリの放電の終点の制御方法であって、
   前記バッテリの遷移周波数（Ｆ _ＨＦ ）を決定すること（Ｆ１）と、
   前記遷移周波数（Ｆ _ＨＦ ）の時間に対する一次導関数または二次導関数を決定すること（Ｆ２、Ｆ３）と、
   前記一次導関数または前記二次導関数を用いて第１のパラメータを決定することと、を備え、
   前記第１のパラメータを前記バッテリのパラメータと比較することと、
   前記比較の結果に応じて、前記バッテリを切断することと、を含む
   ことを特徴とする方法。
8. 前記第１のパラメータ（Ｆ２、Ｆ３）は、前記遷移周波数の前記一次導関数または前記二次導関数の関数である電圧であり、前記第１のパラメータは、前記バッテリの端子における前記電圧と比較される
   ことを特徴とする請求項７に記載の方法。

Images