JP6321147B2 - 電気エネルギーを蓄えるための電気化学電池の健全性の状態を推定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気エネルギーを蓄えるための電気化学電池の健全性の状態を推定する方法に関する。それは、特に、しかし非排他的に、電気自動車又はハイブリッド自動車に適用可能である。

気候変動及び地球温暖化についてのコンセンサスの現在の流れでは、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出の低減が、自動車製造業者が直面する主要な課題であり、これに関しては今まで以上に要求基準が高くなってきている。

ＣＯ_２の排出の低減をもたらす従来の熱機関の効率の継続的な改良は別にして、電気自動車（すなわちＥＶ）及びハイブリッド内燃‐電気式自動車（すなわちＨＥＶ）は、今日、ＣＯ_２排出の低減のための最も有望な解決法とみなされている。

ＥＶの要求を満たすために、電気エネルギーの貯蔵のための様々な技術が近年試されてきている。今日では、リチウムイオン（Ｌｉ‐ｉｏｎ）電池を使用する蓄電池が、加速に関して特に都合が良い出力密度と、自律性に関して都合が良いエネルギー密度との間で、最良の妥協点が得られることを可能にするものであるということになっている。

残念なことには、出力密度及びエネルギー密度は、特に温度変化の影響の下で、蓄電池の寿命を減少させる。それ故、十分に長い期間の使用の後に、ＥＶは、自律性及び／又は出力に関して劣化した性能特性を披歴し得る。この劣化は、十分な程度の利便性及び安全性を維持するために抑制されるべきである。

この劣化を定量化するために、「健全性の状態」（すなわちＳＯＨ）と呼ばれる指標が定義され、それは、寿命の開始におけるその初期能力に対する、蓄電池の現在の能力の比率である。蓄電池の内部抵抗（すなわち「直流抵抗」であるＤＣＲ）のインピーダンス測定に基づいてＳＯＨを推定することは、特に特許ＵＳ６６５３８１７から知られる。蓄電池の内部抵抗は、蓄電池を通る電流の強度Ｉにおける特定の変動に対して、蓄電池の端子間の電圧Ｕの変動を特徴付けるので、この特許のアイデアは、蓄電池を通って流れる強度Ｉの変動及び蓄電池の端子間の電圧Ｕの変動の測定値の精密な制御を行うことである。この解決法の１つの主要な欠点は、電圧の測定値が正確でなければ、特に過渡ノイズ信号の場合において、抵抗値の推定が影響を受け、ＳＯＨの推定値が不正確になり得るということである。これは、本発明が解決法を提供しようとする問題の１つである。

本発明の目的は、特に、上述した欠点を解決することであり、特に、内部抵抗の測定値を線形化することによって、測定の問題を避けることである。この目的に対して、本発明の主題は、電気エネルギーを蓄えるための電気化学電池の健全性の状態を推定するための方法である。方法は、強度Ｉ_１の少なくとも１つのピーク電流を電池に印加するためのステップを含み、ピーク電流は電池を通って流れる。方法は、また、ピーク電流の印加後に経過した時間ｔ、電池の端子間の電圧Ｕの関数として、変動を測定するためのステップを含む。方法は、また、関数√ｔ→α_Ｉ１×√ｔ＋Ｕ_０、Ｉ１が、√ｔ≧ＣかつＣ＞０に対して、√ｔの関数である電圧Ｕの変動の線形近似となるように、少なくとも１つの係数α_Ｉ１及び少なくとも１つの係数Ｕ_０、Ｉ１を計算するためのステップを含む。

一実施形態では、係数α_Ｉ１及びＵ_０、Ｉ１は、電池の寿命の始まりにおいて初めて計算され得る。方法は、その後、寿命の始まりにおいて計算されたα_Ｉ１の値に対する、α_Ｉ１の現在計算された値の比率を計算するステップを含み得、ここで、所定の閾値を超える係数α_Ｉ１の増加は、電池がその最も高い範囲の電力において電流を送達できないことを表示し得る。方法は、また、寿命の始まりにおいて計算されたＵ_０、Ｉ１の値に対する、Ｕ_０、Ｉ１の現在計算された値の比率を計算するためのステップを含み得、ここで、所定の閾値を超える係数Ｕ_０、Ｉ１の増加は、電池が、その最も高い範囲の電力において電流を送達できないことを表示し得る。

別の実施形態では、経年劣化の表又はグラフが前もって記入され得る。方法は、その後、電池の経年劣化の程度を推定するような方式で、α_Ｉ１の現在計算された値を、経年劣化の程度を、α_Ｉ１の値に関連付ける経年劣化の表又はグラフに含まれた値と比較するステップを含み得る。方法は、また、電池の経年劣化の程度を推定する方式で、Ｕ_０、Ｉ１の現在計算された値を、経年劣化の程度をＵ_０、Ｉ１の値に関連付ける、経年劣化の表又はグラフに含まれた値と比較するステップを含み得る。

好適な一実施形態では、強度（Ｉ_ｎ）_ｎ≧２の複数のピーク電流は、電池（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４、Ｉ_５）に印加されることができる。方法は、その後、関数Ｉ→β×Ｉが、Ｉの関数であるΔＵ／√ｔの変動の線形近似となるように、係数βを計算するステップを含み得る。

別の実施形態では、係数βは、電池の寿命の始まりにおいて初めて計算され得る。方法は、その後、寿命の始まりにおいて計算されたβの値に対する、βの現在計算された値の比率を計算するステップを含み得、ここで、所定の閾値を超える係数βの増加は、電池が、その最も高い範囲の電力において電流を送達できないことを表示し得る。

別の好適な実施形態では、経年劣化の表又はグラフが前もって記入され得る。方法は、電池の経年劣化の程度を推定する方式で、βの現在計算された値を、経年劣化の程度をβの値に関連付ける、経年劣化の表又はグラフに含まれた値と比較するステップを含み得る。

好適な一実施形態では、方法は、関数Ｉ→γ×Ｉ＋ＯＣＶが、Ｉの関数であるＵ_０、Ｉの変動の線形近似となるように、係数γを計算するステップを含み得、ここで、ＯＣＶは電池の開回路電圧である。

一実施形態では、係数γは、電池の寿命の始まりにおいて初めて計算され得る。方法は、その後、寿命の始まりにおいて計算されたγの値に対する、γの現在計算された値の比率を計算するステップを含み得、ここで、所定の閾値を超える係数γの増加は、電池がその最も高い範囲の電力において電流を送達できないことを表示し得る。

好適な一実施形態では、経年劣化の表又はグラフが前もって記入され得る。方法は、その後、電池の経年劣化の程度を推定する方式で、γの現在計算された値を、経年劣化の程度をγの値に関連付ける、経年劣化の表又はグラフに含まれた値と比較するためのステップを含み得る。

本発明の主要な利点の１つは、それが蓄電池の健全性の状態の推定に対して、現在の装置のソフトウェアのアップデートのみを要求するということである。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面に関して提示される以下の説明によって明らかになり得る。

強度のピーク電流の印加後の時間ｔの関数である、リチウムイオン電池の端子間の電圧の変動の一実施例のグラフである。 √ｔの関数であるＵの変動のグラフである。 様々なピーク電流に対する√ｔの関数であるＵの変動の様々な実施例のグラフである。 強度Ｉの関数であるΔＵ／√ｔの変動のグラフである。 本発明による、Ｉの関数である係数の変動のグラフである。 本発明による、経年劣化のグラフである。 本発明による、経年劣化のグラフである。 本発明による、経年劣化のグラフである。 本発明による、経年劣化のグラフである。

本発明は、リチウムイオン電池の健全性の状態の様々な係数特性を計算する。

図１の実施例で示されるように、４０％のオーダーの充電の程度を有するリチウムイオン電池の端子間の電圧Ｕは、強度Ａ（アンペア）のピーク電流が、時刻ｔ＝０にこの電池を通って流れた後に、この図面で示されるグラフによる、ｔ＝０からｔ＝６０秒までの変動を追いかけることができる。時間ｔの関数であるＵの変動を表すこの曲線を使用して、本発明によって、高い出力密度で動作する電池の能力に、直接的に結び付けられる様々な係数を抽出することが可能であり、この能力は、「ＳＯＨ_Ｅ」で示される高いエネルギー密度で動作するその能力に反して、本出願の以下の部分で「ＳＯＨ_Ｐ」で示されている。

図１の実施例では、電池の端子間の電圧は、明らかに非線形な方式で、ｔ＝０での３．８６Ｖからｔ＝６０での３．７１Ｖに減少している。開回路での電池の端子間の電圧に対応する３．８６Ｖの初期電圧は、言い換えると、電池を流れる電流が存在しない場合に、この電圧は一般的に「開回路電圧」に対する頭字語であるＯＣＶによって示される。

図２は、ｔの関数としてというよりはむしろ√ｔの関数として、強度Ｉ_１のピーク電流が電池を流れた後の同じ電圧Ｕの時を経た変動を示す。√ｔ＝１から開始して、電圧は√ｔの関数として線形に減少し、実際、線形化の１つの方法は、√ｔの関数であるＵの変動が、√ｔ≧１に対して、直線の方程式Ｕ＝α_Ｉ１×√ｔ＋Ｕ_０、Ｉ１によって近似化され得、ここで、傾きα_Ｉ１＝−０．０１１であり、原点での縦座標Ｕ_０、Ｉ１＝３．７９３６であり、これらは相関係数Ｒ^２＝０．９９８４を与える、ことが観察される。

所与の電流Ｉに対して、傾きα_Ｉは、電池のＳＯＨ_Ｐについての情報、特に、所与の電流で１秒より長い期間にわたって動作するその能力についての情報を与える。

所与の電流Ｉに対して、原点での縦座標Ｕ_０、Ｉは、また、電池のＳＯＨ_Ｐについての情報を与える。すなわち、
・ ＯＣＶに関係するＵ_０、Ｉがより高くなると、電池が１００から１０００ワットのオーダーの高い電力で動作できなくなる。
・ ＯＣＶに関係する原点での高い縦座標Ｕ_０、Ｉは、また、電池が、短い期間に対する問題を有し、言い換えると連結金属又ははんだ接合などの高周波数の問題を有する、ことを示している。

以下の図３、図４、及び図５で示されるように、本発明による幾つかの電流で、健全性の状態を診断するための戦略を実施することが可能であり、この戦略は、より洗練された診断を可能にする。

図３は、√ｔの関数である、同じ電池の端子間の電圧Ｕの、時を経た変動を示しており、その電池は、強度Ｉ_１＝７４Ａのピーク電流が電池を通って流れた後のみならず、それぞれ強度Ｉ_２＝３７Ａ、Ｉ_３＝１８．５Ａ、Ｉ_４＝７．４Ａ、及びＩ_５＝３．７Ａを有する４つの他のピークがこの同じ電池を通って流れた後でも、４０％のオーダーの充電の程度を有している。ここで、再び、問題のピークに関わりなく、√ｔ＝１から開始して、電圧が√ｔの関数として線形に減少することが観察される。線形化の同じ方法は、√ｔの関数である電圧の変動が、√ｔ≧１に対して近似化され得ることを示す。すなわち、
・ 強度Ｉ_２のピークの後で、直線の方程式Ｕ＝α_Ｉ２×√ｔ＋Ｕ_０、Ｉ２によって近似化され、傾きα_Ｉ２＝−０．００５８で、原点での縦座標Ｕ_０、Ｉ２＝３．８２６８で、これらは相関係数Ｒ^２＝０．９９８１を与える。
・ 強度Ｉ_３のピークの後で、直線の方程式Ｕ＝α_I3×√ｔ＋Ｕ_０、Ｉ３によって近似化され、傾きα_Ｉ３＝−０．００３で、原点での縦座標Ｕ_０、Ｉ３＝３．８４２４で、これらは相関係数Ｒ^２＝０．９９８９を与える。
・ 強度Ｉ_４のピークの後で、直線の方程式Ｕ＝α_I4×√ｔ＋Ｕ_０、Ｉ４によって近似化され、傾きα_Ｉ４＝−０．００１２で、原点での縦座標Ｕ_０、Ｉ４＝３．８５１５で、これらは相関係数Ｒ^２＝０．９９３８を与える。
・ 強度Ｉ_５のピークの後で、直線の方程式Ｕ＝α_Ｉ５×√ｔ＋Ｕ_０、Ｉ５によって近似化され、傾きα_Ｉ５＝−０．０００７で、原点での縦座標Ｕ_０、I５＝３．８５４６で、これらは相関係数Ｒ^２＝０．９６５２を与える。

一方、図４は、図３のＩ_１＝７４Ａ、Ｉ_２＝３７Ａ、Ｉ_３＝１８．５Ａ、Ｉ_４＝７．４Ａ、及びＩ_５＝３．７Ａという値に対して、強度Ｉの関数であるΔＵ／√ｔの時を経た変動を示す。ΔＵ／√ｔはＩに関して線形に減少し、実際、線形化の１つの方法は、Ｉの関数であるΔＵ／√ｔの変動が、直線の方程式ΔＵ／√ｔ＝β×Ｉによって近似化され得、ここで、傾きβ＝−０．０００１５１であり、原点での縦座標は０であり、これらは相関係数Ｒ^２＝０．９９８を与えることが観察される。

傾きβは、長時定数にわたる電流に対する電池の感受性、言い換えると拡散現象を明らかにする。傾きβは、高い電流で作動する電池の能力を示し、すなわち、傾きβの絶対値がより高くなると、電池は高電流の使用に対してより敏感になる。

一方、図５は、図３のＩ_１＝７４Ａ、Ｉ_２＝３７Ａ、Ｉ_３＝１８．５Ａ、Ｉ_４＝７．４Ａ、及びＩ_５＝３．７Ａという値に対して、強度Ｉの関数である図３で示された曲線の原点の縦座標Ｕ_０、Ｉの時を経た変動を示す。Ｕ_０、ＩはＩに関して線形に減少し、実際、線形化の１つの方法は、Ｉの関数であるＵ_０、Ｉの変動が、直線の方程式Ｕ_０、Ｉ＝γ×Ｉ＋ＯＣＶによって近似化され得、ここで、傾きγ＝−０．０００８６８であり、原点での縦座標ＯＣＶ＝３．８６であり、これらは相関係数Ｒ^２＝１を与えることが観察される。傾きγに関して、これは電池の内部抵抗に対応し、それ故、４０％のこの充電の程度で０．８６８ミリオーム（ｍΩ）に等しく、かつ３．５ヘルツ（Ｈｚ）で測定されたインピーダンスに対応する。

それは、電池の内部抵抗に対応するので、傾きγは、それ故、また、電池のＳＯＨ_Ｐについての情報を提供する。すなわち、傾きγがより急であれば、電池のＳＯＨ_Ｐはより劣化する。強度Ｉの関数である原点の縦座標Ｕ_０、Ｉよりも精密な方式では、Ｕ_０、Ｉの値を使用して推定された傾きγは、短い期間にわたって、言い換えると高い周波数で動作する電池の能力についての情報を提供する。それは、もし高ければ、連結金属の問題又は電池の大幅な経年劣化の問題によって説明され得る、高周波数での電池の内部抵抗についての情報を提供する。

後者の場合に、係数α_Ｉ及びβは、経年劣化を示すはずである。それ故、係数α_Ｉ及びβが受け入れ可能である場合に、かつ係数γが受け入れ可能でない場合に、高周波数での問題は連結金属のためであると推定され得る。

一旦、係数α_Ｉ、β、Ｕ_０、Ｉ、及びγが、本発明によって計算されてしまうと、それらは様々な方式で使用され得る。

上述したように、第１の方式は、特に高電力で動作するその能力を推定するために、言い換えるとそのＳＯＨ_Ｐを推定するために、又は更に連結金属での不具合を診断するために、電池を診断する目的でそれらを使用することである。例えば、α_Ｉ、β、及びγに対して、現在の時間において計算された値と、最初に計算された値、すなわち、それぞれ、α_{Ｉ、ＢＯＬ}、β_ＢＯＬ、及びγ_ＢＯＬとの間の比率が計算され得、ここで、略語「ＢＯＬ」は、「寿命の始まり」を示す。時を経た比率α_Ｉ／α_{Ｉ、ＢＯＬ}、β／β_ＢＯＬ、及びγ／γ_ＢＯＬの相対的変動が、それ故、観察され得る。すなわち、所与の瞬間における係数がその初期値に対して過大に増加する場合に、一方で他の係数は時を経て予測された変動を示し、そこで、電池は連結金属の不具合を有する可能性が非常に高い。γ／β又はγ／α_Ｉのタイプの比率を観察することがまた、可能である。図面で示される実施例では、電池の寿命の間に、比率γ／βは、４．５９と５．７８との間で変化する。しかしながら、０．２ｍΩの連結金属の不具合は、この変動を５．７８と６．８１４との間に移動させ、一方、１ｍΩの不具合は、この変動を１０．５６と１１．１７との間に移動させる。これらの様々な値の事前推定を行うことによって、電池の寿命の始まり及び電池の寿命の間において、連結金属の問題を検出することができる。

それらを使用する別の方式は、傾きα_Ｉ、傾きβ、原点での縦座標Ｕ_０、Ｉ、及び傾きγのそれぞれに対して、図６、図７、図８、及び図９で示されるグラフなどの、経年劣化の表またはグラフを使用して、電池のＳＯＨ_Ｅを推定することである。これらのグラフは、任意単位（ａ．ｕ．）の値を前記係数の値に関連付け、任意単位におけるこれらの値は電池の経年劣化を特徴付ける。例えば、横座標の値０は、電池の寿命の始まりを特徴付け、横座標の値９は、電池の寿命の終わりを特徴付ける。これらのグラフは、それらの寿命を通して電池の経年劣化のプロセスを学習するための作業（ｃａｍｐａｉｇｎ）の間に、電池を使用する前に記入されている。それ故、図６によれば、傾きα_Ｉは、電池の寿命の始まりにおいて実質的に０．００６２から、電池の寿命の終わりにおいて実質的に０．００７６まで増加する。図７によれば、傾きβは、電池の寿命の始まりにおいて実質的に０．０００１６３から、電池の寿命の終わりにおいて実質的に０．０００１９４まで増加する。図８によれば、原点での縦座標Ｕ_０、Ｉは、電池の寿命の始まりにおいて実質的に３．８２９から、電池の寿命の終わりにおいて実質的に３．８４８まで増加する。最後に、図９によれば、傾きγは、電池の寿命の終わりにおいて実質的に０．００１１２まで増加する前に、最初に、電池の寿命の始まりにおいて実質的に０．０００８２から実質的に０．０００７７まで減少する。

本発明によって計算された係数α_Ｉ、β、Ｕ_０、Ｉ、及びγを使用する別の方式は、幾つかの電池を備えたモジュール又はパック内で１つの電池を別の電池と比較することであり、或いは異なる化学的性質に基づく電池又は同じ供給業者から来ていない電池の場合において、様々なタイプの電池の時を経た変動を比較するような方式である。

本明細書で上述された本発明は、それが健全性の状態を推定するために現在の装置のソフトウェアのアップデートのみを要求するので、その実装の費用が非常に低いという、更なる主要な利点を有する。

Claims (9)

1. 電気エネルギーを蓄えるための電気化学電池の健全性の状態を推定する方法であって、前記方法は、
   強度Ｉ_１の少なくとも１つのピーク電流を前記電池に印加するステップであって、前記ピーク電流は前記電池を通って流れる、印加するステップと、
   前記ピーク電流の前記印加の後に経過した時間ｔの関数である、前記電池の端子間の電圧Ｕの変動を測定するステップとを含み、
   前記方法は、関数√ｔ→α_Ｉ１×√ｔ＋Ｕ_０、Ｉ１が、√ｔ≧ＣかつＣ＞０に対して、√ｔの関数である前記電圧Ｕの前記変動の線形近似となるように、少なくとも１つの係数α_Ｉ１及び少なくとも１つの係数Ｕ_０、Ｉ１を計算するステップを含むことを特徴とする、方法。
2. 前記係数α_Ｉ１及びＵ_０、Ｉ１が、前記電池の寿命の始まりにおいて初めて計算され、前記方法は、
   前記寿命の始まりにおいて計算されたα_Ｉ１の値に対する、α_Ｉ１の現在計算された値の比率を計算するステップであって、前記比率の所定の値を超える前記係数α_Ｉ１の増加は、前記電池がその最も高い範囲の電力において電流を送達できないことを表す、比率を計算するステップ、及び／又は
   前記寿命の始まりにおいて計算されたＵ_０、Ｉ１の値に対する、Ｕ_０、Ｉ１の現在計算された値の比率を計算するステップであって、前記比率の所定の値を超える前記係数Ｕ_０、Ｉ１の増加は、前記電池がその最も高い範囲の電力において電流を送達できないことを表す、比率を計算するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 経年劣化の表又はグラフが、事前に記入され、前記方法は、
   前記電池の経年劣化の程度を推定する方式で、α_Ｉ１の現在計算された値を、経年劣化の程度をα_Ｉ１の値に関連付ける表又はグラフに含まれた値と比較するステップ、及び／又は
   前記電池の経年劣化の程度を推定する方式で、Ｕ_０、Ｉ１の現在計算された値を、経年劣化の程度をＵ_０、Ｉ１の値に関連付ける表又はグラフに含まれた値と比較するステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 強度（Ｉ_ｎ）_ｎ≧２の複数のピーク電流が、前記電池に印加され（Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３、Ｉ_４、Ｉ_５）、関数Ｉ→β×Ｉが、Ｉの関数であるΔＵ／√ｔの変動の線形近似となるように、係数βを計算するステップを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記係数βが、前記電池の寿命の始まりにおいて初めて計算され、前記寿命の始まりにおいて計算されたβの値に対する、βの現在計算された値の比率を計算するステップであって、前記比率の所定の値を超える前記係数βの増加は、前記電池がその最も高い範囲の電力において電流を送達できないことを表す、比率を計算するステップを含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記電池の経年劣化の程度を推定する方式で、βの現在計算された値を、経年劣化の程度をβの値に関連付ける経年劣化の表又はグラフに含まれた値と比較するステップを含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 関数Ｉ→γ×Ｉ＋ＯＣＶが、Ｉの関数であるＵ_０、Ｉの変動の線形近似となるように、係数γを計算するステップであって、ＯＣＶは前記電池の開回路電圧である、係数γを計算するステップを更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
8. 前記係数γが、前記電池の寿命の始まりにおいて初めて計算され、前記方法は、前記寿命の始まりにおいて計算されたγの値に対する、γの現在計算された値の比率を計算するステップであって、前記比率の所定の値を超える前記係数γの増加は、前記電池がその最も高い範囲の電力において電流を送達できないことを表す、比率を計算するステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 経年劣化の表又はグラフが、事前に記入され、前記方法は、前記電池の経年劣化の程度を推定する方式で、γの現在計算された値を、経年劣化の程度をγの値に関連付ける経年劣化の表又はグラフに含まれた値と比較するステップを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
   

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