JP6062919B2 - 電気化学バッテリを最適に充電するための方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電気化学蓄電池を充電するための方法に関する。本発明は、その管理がそのような充電方法に基づく電気化学蓄電池を組み込む任意のデバイス又はシステムにさらに関する。
少なくとも一つの電気化学蓄電池を組み込む任意の機器又はシステムの動作を制御するためには、この蓄電池の性能レベルを認識且つ制御すること、特にこの蓄電池の充電及び放電の段階を管理し、最終的には機器の、又はシステムの動作を最適化することが不可欠である。
このために蓄電池の製造者は一般に、蓄電池を最大限に、及び蓄電池に損傷を与えることなく充電することを可能にする、いわゆる定格条件での低速の充電レジーム(charging regime)を推奨する。この充電レジームは、電気的条件、すなわち、蓄電池を充電するためにある決まった時間の間蓄電池の端子に付与される電流及び電圧の値により、より具体的に規定される。これらの電気的条件は、当該の電気化学技術によって決まるアルゴリズムにより規定される。
例として図1は、LiFePOタイプのリチウムイオン技術に基づく蓄電池を充電するために推奨される電気的条件を表す。曲線1、2は、時間の関数としての充電電流及び電圧の傾向をそれぞれ表す。このように例示されIUアルゴリズムと呼ばれる充電アルゴリズムは、その間は充電電流が一定であり一方で電圧が上昇する段階I、及び、ある決まった電圧しきい値Uthreshから始まり、その間は電圧がこのしきい値Uthreshで一定に保たれる段階Uを含む。
この最後の段階Uの間、電流はゼロ値に向かう。製造者により設定された、ある決まった値Ithreshより低いと、蓄電池の充電は完了したとみなされる。したがって全充電時間は、段階Iの継続時間tの、及び段階Uの継続時間tの合計である。実際には、全体の充電時間を決定するのは、中でも段階Iの充電電流の値である。
電気化学蓄電池の製造者により規定されるようなこの充電レジームは、多くの用途にとって低速すぎると考えられる場合が多い。この欠点を克服するために、より高いレジームでより高速の充電を実装することがその後の知られている実践である。今度はこれらのより高速の解決策によって、充電効率が低減する、さらには蓄電池の早まった老朽化をもたらすという欠点が生じる。
したがって、充電時間と充電効率との間での良好な折り合いを実現することを可能にする、電気化学蓄電池を充電するための最適の解決策を規定することが求められている。
この目的のために本発明は、電気化学蓄電池を充電するための方法であり、電気化学蓄電池の初期状態を決定するステップを含む方法であって、電気化学蓄電池の初期状態の関数として、充電時間節約量とエネルギー節約量の積を最適化することにより、電気化学蓄電池の充電レジームを決定するステップを含むことを特徴とする、電気化学蓄電池を充電するための方法に依拠する。
電気化学蓄電池の初期状態を決定するステップは、その電気化学蓄電池の初期充電状態(SOC)の、又はその電気化学蓄電池の初期エネルギー状態(SOE)の計算を含み得る。
電気化学蓄電池の充電レジームを決定するステップは、積G(Ich)×Gwh(Ich)を最大化するステップを含み得るものであり、ただし、
(Ich)は、基準の低速の充電時間に対しての考えられている充電レジーム(Ich)に関して節約される充電時間と、この低速のレジームの充電時間との間の比率として計算される充電時間節約量であり、
wh(Ich)は、基準の低速のレジームで注入されるエネルギーに対しての考えられている充電レジーム(Ich)で蓄電池に注入されるエネルギーの低減量と、低速のレジームで蓄電池に注入されるエネルギーとの間の比率として規定されるエネルギー節約量である。
電気化学蓄電池を充電するための方法は、一定の電流(Ich)を用いる充電期間を含む電気化学蓄電池を充電するステップをさらに含み得るものであり、その一定の電流の値は、充電時間節約量とエネルギー節約量の積を最大化するように決定される。
充電するステップは、電圧しきい値まで一定の電流を用いる充電期間、次いでこのしきい値での一定の電圧を用いる充電期間を含み得る。
充電方法は、異なる初期状態値に対する異なる充電レジームの関数として電気化学蓄電池の充電時間を記憶することを可能にする、電気化学蓄電池を較正する段階を含み得るものであり、電気化学蓄電池の充電レジームを決定するステップは、較正段階で記憶されたデータに基づく計算を含み得る。
電気化学蓄電池較正段階は、電気化学蓄電池のn個の異なる充電レジーム及びm個の初期充電状態に対するn×m個の充電段階を実行するステップを含み得るものであり、nは5及び10並びにその間の値であり得るものであり、且つ/又は、mは4及び8並びにその間の値であり得る。
第1の電気化学蓄電池較正段階は、1からnまで変動するiに対するn個の充電レジーム(Ichi)の、及び、1からmまで変動するjに対するm個の初期充電状態(SOC0j)の各々に対する以下のステップE1からE4、すなわち、
E1:定格条件で満充電に蓄電池を充電するステップ、
E2:求められるSOC0j値での電気化学蓄電池の充電状態に、定格条件で蓄電池を放電するステップ、
E3:充電レジーム(Ichi)で蓄電池を満充電するステップ、
E4:定格条件で蓄電池を完全放電するステップ
の反復を含み得る。
充電レジーム(Ichi)で蓄電池を満充電するステップE3は、以下のサブステップ、すなわち、
E33:得られる全充電時間(tchij)を測定且つ記憶するサブステップ、
E34:この充電のために注入されるアンペア時(アンペアアワー)の、及び/又は、蓄電池に注入されるエネルギー(Whij)の全量(Achij)を測定且つ記憶するサブステップ
を含み得る。
電気化学蓄電池較正段階は、異なる温度に対するいくつかの充電段階の反復をさらに含み得る。
本発明は、電気化学蓄電池を充電するためのデバイスであって、前に説明したような充電方法を実装することを特徴とするデバイスにさらに関する。
本発明は、電気化学蓄電池により電力供給されるデバイスを備えるシステムであって、上記で説明したような、この蓄電池を充電するためのデバイスを備えることを特徴とするシステムにさらに関する。
本発明のこれらの目的、特徴、及び利点を、添付の図に関して非限定的な例として与える個別の実施形態の以下の説明において詳細に解説する。
従来技術の電気化学蓄電池に対するIU充電アルゴリズムによる、時間の関数としての充電電流及び電圧の傾向を表す図である。 本発明の実施形態による異なる初期充電状態に対する、充電レジームの関数としての蓄電池の充電時間を表すいくつかの曲線を例示する図である。 本発明の実施形態による異なる初期充電状態SOC値に対する、エネルギー節約量の関数としての時間節約量を表す図である。 本発明の実施形態による異なる初期充電状態SOC値に対する、エネルギー節約量の関数としての時間節約量の積を表す図である。 本発明の実施形態による充電方法のアルゴリズムを表す図である。
実施形態によれば本発明は、電気化学蓄電池を充電するための方法に依拠し、その方法のアルゴリズムが図5に例示され、この図5に例示されたアルゴリズムは、この電気化学蓄電池、すなわち使用される電気化学技術を表す蓄電池を較正する第1の段階を含む。
この第1の較正段階は、蓄電池を満充電するために必要とされる充電時間、及び前記充電の有効性を、蓄電池のいくつかの初期状態から、及びいくつかの充電レジームから決定することにある。したがってこの較正によって、以下で解説する、蓄電池の充電を最適化する際に基準として役立つことになる値の表又はチャートを規定することが可能になる。
実施形態によれば、較正は、いくつかの蓄電池充電レジームに対して、すなわちいくつかの電気的条件I、Uに対して得られる。このために例えば、図1に関して示すようなIUアルゴリズムを使用する場合にいくつかの充電電流値Ichを規定することが可能である。この同じ原理が、使用される電気的アルゴリズムに関係なく、電気化学蓄電池に対する任意の充電アルゴリズムに対して変わらずに有効であることに留意されたい。簡単のために、IUアルゴリズムを以下では考える。
これらの異なる充電レジーム値は、定格レジーム、すなわち製造者により推奨される値を含み、充電性能が、これらの充電レジームの各々に対して正しく試験される。5から10の間のn個の異なる充電電流値が、良好な折り合いを表す。これらのn個の値を、蓄電池の使用の範囲にわたって均一に分散させて、若しくはそうではない形で分散させて、及び/又は、高い若しくは低いレジームに対して選定することが可能である。
次いで較正は、蓄電池の異なる初期充電状態SOCに対してさらに遂行される。単にSOCと一般には呼ばれる蓄電池の充電状態は、0から1の程度にわたる蓄電池の利用可能な容量を表し、0及び1の値は、蓄電池の満放電及び満充電の状態をそれぞれ表すことに留意されたい。この較正はm個の充電状態値に対して遂行され、mは有利には4から8の間である。
SOEと呼ばれ、蓄電池の定格条件でのエネルギー放電を想定して利用可能であるエネルギーEd/PNと、定格エネルギーEとの間の比率として規定される、したがって公式SOE=Ed/PN/Eにより規定されるエネルギー状態を、上記で述べたSOCパラメータの代わりに用いることが可能であることに留意されたい。このSOE値は同様に0から1の間であり、1に等しい値は蓄電池の満充電のエネルギー状態に対応し、0に等しい値は満放電の状態に対応する。
したがって較正段階は、上記で説明したように、蓄電池のレジーム及び初期充電状態を変動させることにより、電気化学蓄電池に関するn×m個の充電段階を実行することに依拠する。これらのn×m個の充電条件は、蓄電池の何らかの異常な劣化又は老朽化を引き起こさないような形で選定される。それらの条件は、蓄電池により受け入れ可能であると考えられる値の範囲内にある。これらの異なる充電サイクルの間、周囲温度は一定のままであり、好ましくは20から25℃の間である。水を含む電気化学蓄電池に対しては、較正段階の全体を通してその蓄電池の性能を維持するために水が定期的に加えられる。
本発明の実施形態によれば、この較正段階は、(1からnまで変動するiに対する)Ichiのn個の値の、及び、(1からmまで変動するjに対する)m個のSOC0j値の各々に対して連続して繰り返される以下のステップを最終的に含む。
E1:図1に表すような、定格値での一定の電流Ichnを用いる段階、次いで一定の電圧Uthreshを用いる段階を含む充電レジームに対して、定格条件で満充電に蓄電池を充電するステップ。
E2:定格値Idchnに等しい放電電流Idchに対して、定格条件で放電するステップ。Idchnは、製造者により推奨される放電帯域内部で、及び、可能な限り信頼性の高い較正を得るために極力再現可能であるように規定されることに留意されたい。例えば1時間で満放電を実現することを可能にする放電レジームは、リチウムイオン技術にとっては受け入れ可能である。この放電は、戻されるアンペア/時の量(Ah)が(1−SOC0j)×Cに等しくなるまで継続され、ただしCは蓄電池の定格容量を表し、Ahの全数が定格条件での全放電で戻される。そのような放電によって、求められるSOC0j値での充電状態に電気化学蓄電池を置くことが可能になる。
E3:充電電流Ich=Ichiにより規定されるレジームiで蓄電池を満充電するステップ。このステップは、以下のサブステップを含む。
E31:電圧しきい値Uthreshまで一定の電流Ichiを用いて段階Iで充電するサブステップ。
E32:電流がそのしきい値Ithreshより低く降下するまで、値Uthreshを用いて一定の電圧で、段階Uで充電するサブステップ。
これらの二つのサブステップE31及びE32は、較正される蓄電池技術に応じて任意の他の充電アルゴリズムに適合されることになることに留意されたい。次いで二つのサブステップE31及びE32と並行して、以下のサブステップが実行される。
E33:レジームIchiの、及び初期充電状態SOC0jの条件から得られる全充電時間tchijを測定且つ記憶するサブステップ。
E34:レジームIchiの、及び初期充電状態SOC0jの条件からの、この充電のために注入されるアンペア時、及び/又は、蓄電池に注入されるエネルギーWhijの全量Achijを測定且つ記憶するサブステップ。
E4:バッテリの定格条件での新たな全放電。
これらの異なるステップE1〜E4の間には、例えば10から60分の間の十分な緩和時間のために休止期が挿入される。
変形例の実施形態によれば、較正は、温度を変動させることによりさらに遂行される。このためにp個の温度値が、例えば0から40℃の範囲内で選定される。次いで前述のステップE1からE4が、二つではなく三つのエントリを用いる表で考えられるn×m×p個の値に対して何度も反復される。
この較正が行われるとき、使用されるすべての値の間で、特に電気化学蓄電池の充電時間、初期充電状態、及び充電レジームの間で法則を演繹することが可能である。遂行された実際の測定値から、前に解説した反復のステップにより直接測定されない値を外挿することはきわめて簡単に可能である。したがって較正段階は、得られたn×m個の(又はn×m×p個の)実際の測定値からすべての値を決定する最終的なステップE5を含み得る。この較正段階の結果は、分析のために記憶される。
図2は例として、異なる初期充電状態に対する、充電レジームの関数としての蓄電池の充電時間を表すいくつかの曲線を例示する。より具体的には曲線11、12、13、14、15、16、17は、0%、20%、40%、60%、80%、90%、及び95%の初期充電状態にそれぞれ対応する。
変形例として、上記で説明した較正を、例えば蓄電池の物理モデリングに基づく理論計算により、又は、前に述べた表の値を出力として提供することを可能にする任意の他の方法により置き換えることが可能である。
次いで電気化学蓄電池を充電するための方法は、充電時間を低減することと、充電の効率、すなわち注入される充電エネルギーを増大することとの間で最適の折り合いを見出すことに依拠する、ある決まった蓄電池の充電の条件を決定するステップを含む第2の充電段階を含む。
実施形態によれば以下の二つの量が、上記で述べた二つの判定基準を評価するために考えられる。
(Ich):これは、低速の充電時間(低速のレジームI)に対しての充電レジームIchに関して節約される充電時間tchと、この低速のレジームの充電時間との間の比率として計算される時間節約量である。
したがってこの節約量は、以下の公式により規定される。
(Ich)=(tch(Ich)−tch(I))/tch(I
wh(Ich):これは、基準の低速のレジームIで注入されるエネルギーに対しての高速の充電レジームIchで蓄電池に注入されるエネルギーの低減量と、低速のレジームで蓄電池に注入されるエネルギーとの間の比率として規定されるエネルギー節約量である。
したがってこの節約量は、以下の公式により規定される。
wh(Ich)=(W(Ich)−W(I))/W(I
上記の節約量は例として使用されたものであるが、同等の様式で時間節約量及びエネルギー節約量を表すことを可能にする量を規定することに関して他の可能性があることに留意されたい。したがって、これらの節約量の項は、電気化学蓄電池の充電時間に対する感度、及び、電気化学蓄電池の充電のエネルギー効率に対する感度をそれぞれ表す幅広い意味でのすべての量を網羅すると理解されることになる。
図3は、異なる初期充電状態SOC値に対する、エネルギー節約量の関数としての時間節約量を表す。より具体的には曲線21、22、23、24、25は、0%、20%、40%、60%、及び80%の初期充電状態値に対するこれらの曲線をそれぞれ表す。それらの曲線は、ゼロの時間節約量に対してはエネルギー効率が最大であることを、及び、時間節約量が増大するときエネルギー効率が、75から90%の間の時間節約量に対して減少してゼロに向かうことを明確に示す。これらの曲線をプロットすることが、前に解説したような第1の段階で得られた較正データのおかげで可能になっていることに留意されたい。
実施形態によれば、電気化学蓄電池の充電の条件の最適の折り合いが、上記で規定された二つの節約量間の積G(Ich)×Gwh(Ich)を考えることにより、及び、この積を最大化することにより規定される。したがって、方法は、この積を最大化することを可能にする充電レジーム(ここでは充電電流Ich)を探索するステップを含む。
図4は、異なる初期充電状態SOC値に対する、エネルギー節約量の関数としてのこの積を表す。より具体的には曲線31、32、33、34、35は、0%、20%、40%、60%、及び80%の初期充電状態値に対するこれらの曲線をそれぞれ表す。点41、42、43、44、45は、最適の状況を表す。
したがって、電気化学蓄電池を充電するための方法は、蓄電池の充電状態SOC、又はエネルギー状態SOEのような同等の値を決定するステップE10を含む。したがって、その方法は、電気化学蓄電池の初期状態を決定するステップE10を一般的に含む。このステップの実装によって例えば、図4の曲線31から35の中からのどの曲線が、充電されることになる蓄電池の状態に照らして妥当であるかを決定することが可能になる。
次いでその方法は、上記で解説した節約量の積を最大化する最適の充電レジームを探索するステップE11を含む。そのステップの可能な実装は、上記で31から35で特定される曲線の最大点41から45を選定することにある。この点によって、較正データのおかげで対応する充電レジームの電流Ichの値までたどり着くことが可能になる。次いで充電それ自体がステップE12において、通常のIUアルゴリズムに基づいて、この充電の段階Iに対して決定された電流値Ichを使用し、第2の段階Uが、任意の既定の判定基準による充電の終了まで水準を保持することにより遂行される。
当然ながら、考えられている二つの節約量間の最大の積の特定を、図4の曲線を使用する以外の、任意の他の数学的計算手段による変形例として行うことが可能である。
さらにこの原理は、NiMHタイプの蓄電池に対して一般に使用される一定の電流のアルゴリズム、又はIUiタイプのアルゴリズムのような任意の既定の充電アルゴリズムに適用可能である。その原理は、任意の他のアルゴリズムにさらに適用可能である。したがって本発明の概念は、任意の電気化学蓄電池に、リチウム、ニッケル、又は鉛など、その蓄電池の使用される電気化学技術が何であれ適している。
本発明は、上記で説明した充電方法を実装する、そのような電気化学蓄電池を充電するためのデバイスにさらに関する。
本発明は、電気化学蓄電池により電力供給されるデバイス、及び、上記で説明した充電方法を実装する、この蓄電池を充電するためのデバイスを備えるシステムにさらに関する。このためにシステムは、例えば、前に説明した較正段階により規定される較正データを組み込むメモリ、並びに、リアルタイム又は非リアルタイムで蓄電池の状態を正確に認識するための、及び上記の計算を実装するためのコンピュータを備える、ソフトウェア及び/又はハードウェア手段を使用することが可能である。

Claims (12)

  1. 電気化学蓄電池の充電条件を決定するための方法であって、
    異なる電気化学蓄電池の初期充電状態値に対する異なる充電レジームの関数として前記電気化学蓄電池の充電時間を認識することを可能にする、前記電気化学蓄電池を較正する段階を実行するステップと、
    時間節約量及びエネルギー節約量と呼ばれ、蓄電池の前記充電時間に対する感度及びエネルギー効率に対する感度をそれぞれ表す二つの量を規定するステップと、
    前記電気化学蓄電池の初期充電状態に対して、前に規定された前記時間節約量及び前記エネルギー節約量の積を最大化する、前記電気化学蓄電池に対する充電レジームを計算するステップ(E11)と
    を含むことを特徴とする、電気化学蓄電池の充電条件を決定するための方法。
  2. 前記電気化学蓄電池を較正する前記段階が、前記電気化学蓄電池のn個の異なる充電レジーム及びm個の初期充電状態に対するn×m個の充電段階を実行するステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の電気化学蓄電池の充電条件を決定するための方法。
  3. nが5及び10並びにその間の値であり、且つ/又は、mが4及び8並びにその間の値であることを特徴とする、請求項2に記載の電気化学蓄電池の充電条件を決定するための方法。
  4. 前記電気化学蓄電池を較正する第1の段階が、1からnまで変動するiに対する前記n個の充電レジーム(Ichi)の、及び、1からmまで変動するjに対する前記m個の初期充電状態(SOC0j)の各々に対する以下のステップE1からE4、すなわち、
    E1:定格条件で満充電に前記蓄電池を充電するステップ、
    E2:求められる前記SOC0j値での前記電気化学蓄電池の充電状態に、定格条件で前記蓄電池を放電するステップ、
    E3:充電レジーム(Ichi)で前記蓄電池を満充電するステップ、
    E4:定格条件で前記蓄電池を完全放電するステップ
    の反復を含むことを特徴とする、請求項2又は3に記載の電気化学蓄電池の充電条件を決定するための方法。
  5. 充電レジーム(Ichi)で前記蓄電池を満充電する前記ステップ(E3)が、以下のサブステップ、すなわち、
    E33:得られる全充電時間(tchij)を測定且つ記憶するサブステップ、
    E34:この充電のために注入されるアンペア時の、及び/又は、前記蓄電池に注入されるエネルギー(Whij)の全量(Achij)を測定且つ記憶するサブステップ
    を含むことを特徴とする、請求項4に記載の電気化学蓄電池の充電条件を決定するための方法。
  6. 前記電気化学蓄電池を較正する前記段階が、異なる温度に対するいくつかの充電段階の反復をさらに含むことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の電気化学蓄電池の充電条件を決定するための方法。
  7. 電気化学蓄電池を充電するための方法であって、
    前記電気化学蓄電池の初期状態を決定するステップ(E10)であって、前記電気化学蓄電池の初期充電状態(SOC )の、又は前記電気化学蓄電池の初期エネルギー状態(SOE )の計算を含むステップと、
    前に決定された前記初期充電状態又は初期エネルギー状態に対応する前記蓄電池の初期充電状態又は初期エネルギー状態に対して、請求項1から6の一項に記載の方法により決定される最適の充電レジームを探索するステップと、
    前記直前のステップで規定される前記最適の充電レジームを用いて前記電気化学蓄電池を充電するステップと
    を含む、電気化学蓄電池を充電するための方法。
  8. 前記電気化学蓄電池の前記最適の充電レジームを決定する前記ステップ(E11)が、積G(Ich)×Gwh(Ich)を最大化するステップを含み、ただし、
    (Ich)が、基準の低速の充電時間に対しての考えられている充電レジーム(Ich)に関して節約される前記充電時間と、この低速のレジームの前記充電時間との間の比率として計算される充電時間節約量であり、
    wh(Ich)が、基準の低速のレジームで注入されるエネルギーに対しての前記考えられている充電レジーム(Ich)で前記蓄電池に注入される前記エネルギーの低減量と、前記低速のレジームで前記蓄電池に注入される前記エネルギーとの間の比率として規定されるエネルギー節約量であることを特徴とする、請求項に記載の電気化学蓄電池を充電するための方法。
  9. 一定の電流(Ich)を用いる充電期間を含む前記電気化学蓄電池を充電するステップ(E12)を含み、前記一定の電流の値が、充電時間節約量とエネルギー節約量の前記積を最大化するように決定されることを特徴とする、請求項7〜8のいずれか一項に記載の電気化学蓄電池を充電するための方法。
  10. 充電する前記ステップ(E12)が、電圧しきい値まで一定の電流を用いる充電期間、次いでこのしきい値での一定の電圧を用いる充電期間を含むことを特徴とする、請求項に記載の電気化学蓄電池を充電するための方法。
  11. 電気化学蓄電池を充電するためのデバイスであって、
    前記電気化学蓄電池の異なる初期充電状態値に対する異なる充電レジームの関数として前記電気化学蓄電池の充電時間を認識することを可能にする、前記電気化学蓄電池を較正する段階を実行するための較正手段と、
    前記電気化学蓄電池の初期充電状態に対して、蓄電池の前記充電時間に対する感度及びエネルギー効率に対する感度をそれぞれ表す、時間節約量とエネルギー節約量の積を最大化する、前記電気化学蓄電池の充電レジームを計算するための計算手段と
    を備えることを特徴とする、電気化学蓄電池を充電するためのデバイス。
  12. 電気化学蓄電池により電力供給されるデバイスを備えるシステムであって、請求項11に記載の、この蓄電池を充電するためのデバイスを備えることを特徴とするシステム。
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