JP6599975B2 - 電池を低温で高速充電するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれている、２０１４年７月２８日に出願した米国仮出願第６２／０２９８６５号明細書の利益を主張するものである。

本発明は、一般に、電池を低温で充電するシステムおよび方法に関し、詳細には、電池の正常動作温度未満における電池の高速充電に関する。

電子工学、輸送および格子エネルギー蓄積のための充電式電池は、通常、電池セル内で生じる反応が鈍い電気化学力学および輸送プロセスのため、とりわけ氷点下の温度において乏しい電荷受容性を有し、また、極端に長い充電時間の問題を抱えている。寒い日における合理的な速度での電池充電は、その実行が不可能であるか、または電池寿命が著しく短くなるかのいずれかである。例えばリチウム−イオン電池を低温で充電する場合の最大の問題は、黒鉛アノードにおけるリチウムめっきである。堆積したリチウムは、電解質と速やかに反応して不可逆容量損失をもたらす。さらに、金属リチウムは樹脂状結晶の形態で成長し、セパレータに侵入してセルを内部で短絡する可能性を引き起こす。リチウムめっきを回避するために、リチウム−イオン電池は、低温では極めて遅い速度（Ｃ／１０以下）で充電されるが、それには、完全に充電するためには途方もない長さの時間が必要である。

長い充電時間は、エネルギー蓄積解決法、とりわけ電気車両（ＥＶ）に大きな障害を持ち込む。あらゆる条件の下で、その燃料タンクを５分未満で満杯にすることができる従来のガソリン式車両と比較すると、ＥＶの場合、寒い日における満充電には数時間が必要である。高速充電は、公衆充電ステーションおよび電池式電気車両を可能にするための基本である。

温度に対する電池電荷受容性の感度が高いため、充電時間は、高速充電に適した近室温範囲まで充電式電池を加熱することによって短くすることができる。しかしながら従来の電池加熱システムは、熱が外部から電池の内部の電気化学反応界面へゆっくり伝搬する対流空気／液体加熱またはサーマルジャケットを使用することによって電池を外部から加熱している。このようなプロセスは、長い加熱時間および周囲への重大な熱損失の問題を抱えている。
先行技術文献
特許文献１：米国出願公開第2010/0264883号
特許文献２：米国出願公開第2012/0025773号
特許文献３：米国出願公開第2012/0098481号

したがって電池に悪影響を及ぼすことなく、充電式電池の充電時間を短くする必要が依然として存在している。

本開示の利点は、オーム変調充電式電池を充電するための充電制御システム、およびそれを動作させるための方法である。このようなシステムは、電動車両、例えば電気車両（ＥＶ）、ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）およびプラグインハイブリッド電気車両（ＰＨＥＶ）の中に含まれ得る。

これらおよび他の利点は、少なくとも部分的に、オーム変調充電式電池を充電するための充電制御システムによって満たされ、充電制御システムは、電池の温度を監視するように構成された温度センサと、電池の低抵抗端子または高抵抗端子のいずれか、あるいは両方を介して電池を電流源に電気係合することができるスイッチと、温度センサおよびスイッチに電気的に接続されたコントローラであって、温度センサから入力を受け取ることができ、また、温度センサからの入力に基づいて、電池を、スイッチを介して、低抵抗端子または高抵抗端子のいずれかを介して電流源に電気的に係合するかどうかを決定するようにプログラムされるコントローラとを備える。システムは、電池に電気的に接続された、電池を通って流れる電流を測定することができる電流センサ、および／または電池の低抵抗端子に電気的に接続された電圧センサ、および電池の高抵抗端子電圧に電気的に接続された電圧センサなどの１つまたは複数の電圧センサのうちの１つまたは複数などの追加構成要素を個別に、または組み合わせて含むことができる。追加センサを使用して、コントローラは、追加センサから入力を受け取ることができ、また、一部またはすべてのセンサからの入力に基づいて、電池を、スイッチを介して、低抵抗端子または高抵抗端子のいずれかを介して電流源に電気的に係合するかどうかを決定するようにプログラムされる。また、システムは、電池に電気的に接続された、電池を充電することができる発電機を同じく含むことができる。発電機は、車両の回生制動における運動エネルギーなどの運動エネルギーを捕獲し、このようなエネルギーを使用して電池を充電するために使用することができる。

本開示の別の態様は、オーム変調充電式電池を充電する方法を含む。方法は、電池が高抵抗モードにある場合、電池を低温充電プロトコル（ＬＴＣＰ）の下で充電するステップと、電池が低抵抗モードにある場合、電池を第２のプロトコルの下で充電するステップとを含む。

ＬＴＣＰの実施形態は、定電圧の下で、および／または定電流（Ｉ）および／または定充電電力（Ｐ）およびそれらの組合せで電池を充電するステップを含む。本開示の一実施形態では、ＬＴＣＰは、（ｉ）電池を定電圧または定充電電力（Ｐ）のいずれかで充電するステップと、（ｉｉ）引き続いて電池を定電流で充電するステップとを含む。電池を定電流で充電するステップは、充電電流が所定の最大充電電流（Ｉ_ｍａｘ）以上になると行われ得る。さらに、定電圧は、低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲおよび／または電池の電圧のいずれかから決定され得る。また、ＬＴＣＰは、電池をパルス電圧および／またはパルス電力および／またはパルス電流およびそれらの組合せの下で充電するステップを同じく含むことができる。ＬＴＣＰは、電池の温度が所定のレベルＴ_ＣＧ１未満であって、例えばＴ_ＣＧ１が５℃と２５℃との間の値である場合、高抵抗モードで電池を充電するステップ、および電池の温度がＴ_ＣＧ１以上である場合、低抵抗モードで電池を充電するステップをさらに含むことができる。

第２のプロトコルの下で電池を充電する実施形態、すなわち低抵抗モードで電池を充電する実施形態は、電池を定電流、定電圧プロトコルの下で充電するステップを含み、定電流は約１Ｃまたはそれより大きく、また、定電圧は約Ｖ_ｓｅｔであり、Ｖ_ｓｅｔは所定の電圧である。有利にはプロトコルは、電池の温度が所定のレベルＴ_ＣＧ１以上であり、例えばＴ_ＣＧ１が５℃と２５℃との間の値である場合、低抵抗モードで電池を充電するステップを含むことができる。

本開示の別の態様は、再生エネルギーを使用してオーム変調充電式電池を充電する方法を含み、方法は、電池が高抵抗モードにあり、例えば電池の温度が所定の充電値（Ｔ_ＣＧ１）未満である場合、電池を再生充電プロトコル（ＲＣＰ）の下で充電するステップと、電池が低抵抗モードにあり、例えば電池の温度がＴ_ＣＧ１より高い場合、電池を第２のプロトコルの下で充電するステップとを含む。有利には、電池をＲＣＰまたは第２のプロトコルのいずれかの下で充電するために印加される電流は、運動エネルギーから変換される。

ＲＣＰの実施形態は、電圧制御形態もしくは電力Ｐ制御形態または電流制御形態あるいはそれらの組合せで充電電流を電池に印加することによって電池を充電するステップを含む。電圧制御形態、電力Ｐ制御形態および電流制御形態は、一定値または時間の関数のいずれかであってもよい。本開示の一実施形態では、ＲＣＰは、（ｉ）電池に電圧制御形態または電力Ｐ制御形態で充電電流を印加することによって電池を充電するステップと、（ｉｉ）引き続いて電池を定電流で充電するステップとを含み、電圧制御形態は、電池の低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲ（ｔ）または電池の電圧Ｖ（ｔ）のいずれかに決定される。電池が低抵抗モードにある場合の第２のプロトコルの下での充電は、例えば定電流−定電圧プロトコルを含むことができる。ＲＣＰは、電池の温度が所定のレベルＴ_ＣＧ１未満であって、例えばＴ_ＣＧ１が５℃と２５℃との間の値である場合、高抵抗モードで電池を充電するステップ、および電池の温度がＴ_ＣＧ１以上である場合、低抵抗モードで電池を充電するステップをさらに含むことができる。

本発明の追加利点については、当業者には、単純に、本発明を実行することが企図された最良モードの実例によって、本発明の好ましい実施形態のみが示され、かつ、説明されている以下の詳細な説明から容易に明らかになるであろう。認識されるように、本発明は、他の異なる実施形態が可能であり、また、そのいくつかの詳細は、すべて本発明から逸脱することなく、様々な明白な点における修正が可能である。したがって図面および説明については、本発明を制限するものとしてではなく、その性質を説明的なものとして考察されたい。

添付の図面が参照されるが、同じ参照数表示指示を有する要素は、すべての図面を通して同様の要素を表している。

図１Ａは、本開示の一実施形態による、電極−セパレータアセンブリのスタック内に埋め込まれたいくつかの抵抗シート／箔、１つの高抵抗負端子ＨｉＲ（−）および１つの低抵抗負端子ＬｏＲ（−）、１つの正端子（＋）、およびＨｉＲ（−）端子とＬｏＲ（−）端子を接続する熱起動スイッチを有するオーム変調電池の構成を示す略図である。 図１Ｂは、本開示の一実施形態による、プリズム構成の３端子オーム変調電池の略図である。図１Ｃは、本開示の一実施形態による、抵抗シートの２つのタブがＬｏＲ（−）端子とは別の２つのＨｉＲ（−）端子を形成する４端子オーム変調電池の略図である。 本開示の一実施形態による、２つのセルの間に１つの抵抗シート／箔を有する、すなわち個々のセルの外部ケーシングが電池電解質と直接接触しない２セル電池モジュールの構成を示す略図である。 図３Ａは、本開示の一実施形態による電池充電制御システムを示す回路図である。図３Ｂは、本開示の別の一実施形態による電池充電制御システムを示す別の回路図である。 本開示の一実施形態による、電池充電制御システムを使用してＯＭＢを充電するための方法を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による低温充電のための方法（ＣＶ_ＬｏＲ−ＣＣ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による低温充電のための方法（ＣＶ−ＣＣ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による低温充電のための方法（ＣＣ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による低温充電のための方法（ＣＰ−ＣＣ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による低温充電のための方法（ＰＶ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による低温充電のための方法（ＰＣ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による再生充電システムを示す線図である。 本開示の一実施形態による、再生充電システムを使用してＯＭＢを再生充電するための方法を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による、再生充電のための方法（Ｖ_ＬｏＲ−ＣＣ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による、再生充電のための方法（Ｖ−ＣＣ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による、再生充電のための方法（Ｃ−ＣＶ_ＬｏＲ）を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態による、再生充電のための方法（Ｐ−ＣＣ）を示すフローチャートである。 図１７Ａおよび１７Ｂは、本開示の一実施形態によるオーム変調電池の充電結果を示すグラフである。充電プロトコルは、ＣＣ−ＣＶ正規充電（Ｔ＜Ｔ_ＣＧ１である場合にＣＶ_ＬｏＲ ４Ｖ ＣＣ Ｉ_ｍａｘであり、Ｔ≧Ｔ_ＣＧ１である場合にＣＣ ２．５Ｃ、ＣＶ ４．１Ｖである）と組み合わせたＣＶ_ＬｏＲ−ＣＣ低温充電を使用した。 図１８Ａ、１８Ｂおよび１８Ｃは、本開示の一実施形態によるオーム変調電池の充電結果を示すグラフである。充電プロトコルは、ＣＣ−ＣＶ正規充電（Ｔ＜Ｔ_ＣＧ１である場合にＰＶ ６．８Ｖ−０．４Ｖであり、Ｔ≧Ｔ_ＣＧ１である場合にＣＣ ２．５Ｃ、ＣＶ ４．１Ｖである）と組み合わせたＰＶ低温充電を使用した。 図１９Ａ、１９Ｂおよび１９Ｃは、本開示の一実施形態によるオーム変調電池の充電結果を示すグラフである。充電プロトコルは、ＣＣ−ＣＶ正規充電（Ｔ＜Ｔ_ＣＧ１である場合にＰＣ ±３．２Ｃであり、Ｔ≧Ｔ_ＣＧ１である場合にＣＣ ２．５Ｃ、ＣＶ ４．１Ｖである）と組み合わせたＰＣ低温充電を使用した。 図２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃは、従来のＬｉ−イオン電池の充電をＰＣ−ＣＣＣＶ充電プロトコルを使用したＯＭＢの充電と比較した結果を示すグラフである。 図２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃは、従来のＬｉ−イオン電池の再生充電をＣ−ＣＶ_ＬｏＲ充電プロトコルを使用したＯＭＢの再生充電と比較した結果を示すグラフである。

オーム変調電池
充電式電池は、低温、例えば特定の電池の正常動作温度未満の温度における電池の内部抵抗を実質的に大きくするように工学化されている。このような電池は、例えば、いずれもＯｈｍｉｃａｌｌｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｂａｔｔｅｒｙという名称の、２０１４年５月１日に出願した同時係属米国特許出願第１４／２６７６４８号明細書、および２０１４年１０月８日に出願した国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０５９７２９号明細書に開示されており、これらの開示はいずれも参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

本明細書において使用されているように、充電式電池のオーム変調またはオーム変調充電式電池という用語は、電池温度に伴って実質的に変化し得る複数の内部抵抗レベルを有するように工学化された充電式電池を意味している。この熟考されたオーム変調は、能動的または受動的のいずれかで工学化され得る。

このような充電式電池の利点は、電池温度が所定のレベル未満になると電池の内部抵抗が実質的に変化し得ることである。電池の大きい内部抵抗は、電池内に熱を生成して電池を温める。好ましいことには電池の内部抵抗は十分に大きくなって、数秒以内、またはせいぜい数分以内に電池を摂氏数十度だけ速やかに温める。電池温度が所望のレベルに到達すると、大きい内部抵抗が非活性化され、低抵抗モードでの電池動作、例えば従来の電池における程度の小さい内部抵抗での電池動作を可能にし、延いては低温環境であるにもかかわらず、電池による大きい電力およびエネルギーの引き渡しを可能にする。

好ましいことには充電式電池は、第１の温度（Ｔ_１）と第２の温度（Ｔ_２）との間の電池の温度範囲にわたる１レベルの内部抵抗（Ｒ_１）、およびＴ_１またはＴ_２のいずれかの外側の第２のレベルの内部抵抗（Ｒ_２）を備えることができる。好ましいことにはＲ_２の値は、Ｔ_１近辺未満および／またはＴ_２近辺を超える温度では、階段関数などで突然に変化するか、または連続する、しかし急激な抵抗変化などで鋭く変化する。例えばＴ_１より約２℃低い温度におけるＲ_２の値は、Ｔ_１におけるＲ_１の値の少なくとも２倍であり、またはＴ_２より約２℃高い温度におけるＲ_２の値は、Ｔ_２におけるＲ_１の値の少なくとも２倍である。有利にはＴ_１より約２℃低い温度におけるＲ_２の値は、Ｔ_１におけるＲ_１の値の少なくとも２倍から５０倍であり、また、Ｔ_２より約２℃高い温度におけるＲ_２の値は、Ｔ_２におけるＲ_１の値の少なくとも２倍から５０倍である。電池のオーム変調は有利には可逆性であり、すなわちＴ_１とＴ_２との間で内部抵抗をＲ_２からＲ_１へスイッチバックさせることができる。本開示の実施形態では、Ｒ_２の値がＴ_１より約２℃低い温度で決定され、また、Ｒ_１がＴ_１で決定される場合、Ｒ_２／Ｒ_１の値は２と５００との間で、２および５００を含み、例えばＲ_２／Ｒ_１の値は２と１００の間で、２および１００を含み、または２と５０との間で、２および５０を含む。追加または代替実施形態では、Ｒ_２の値がＴ_２より約２℃高い温度で決定され、また、Ｒ_１がＴ_２で決定される場合、Ｒ_２／Ｒ_１の値は２と５００との間で、２および５００を含み、例えばＲ_２／Ｒ_１の値は２と１００との間で、２および１００を含み、または２と５０との間で、２と５０を含む。電池のオーム変調は有利には可逆性であり、すなわちＴ_１とＴ_２との間で内部抵抗をＲ_２からＲ_１へスイッチバックさせることができる。

本明細書において使用されているように、充電式電池または電池という用語は、１つまたは複数の電気化学的電池を含む任意の充電式電気化学的エネルギー蓄積デバイスを表すべく使用されている。電池セルの基本要素は、集電体の上にコーティングされたアノード電極、セパレータ、別の集電体の上にコーティングされたカソード電極および電解質を含む。

本開示の電池構成は、それらに限定されないが、リチウム−イオン、リチウム−重合体、鉛−酸、ニッケル−金属水素化物、リチウム−硫黄、リチウム−空気およびすべての固体電池などの様々な電池に適用することができる。このような電池は、輸送、航空宇宙、軍事および固定エネルギー蓄積用途に有用である。

本開示の一実施形態では、充電式電池は、電池の温度によって決まる少なくとも２つのレベルの内部抵抗を有することができる。本明細書において使用されているように、電池の温度は、電池の内部温度または外部表面温度であってもよい。この実施形態の充電式電池は、電池の内部温度が最適温度未満、例えばＴ_１未満である場合に、より高い抵抗レベルで動作し、それにより電池を加熱して電池性能を改善するように構成することができる。例えば電池の内部温度が正規の範囲未満、例えば約５℃未満または氷点下環境（約０℃未満、例えば約−１０℃または−２０℃未満の温度）などの正常動作温度未満である場合、電池の内部抵抗は、電池が正規の温度範囲（例えば約４０Ωｃｍ^２から約２００Ωｃｍ^２の範囲）で動作する場合より数倍大きくなる。したがって著しく強められた内部加熱が存在し（電池の熱発生はその内部抵抗に比例するため）、電池の内部温度の急激な上昇をもたらす。これは、延いては氷点下環境で動作している間、電池の電力およびエネルギー出力を速やかに改善する。

本開示の充電式電池は、充電式電池の従来の構成要素を含むことができ、また、さらに、電池の内部抵抗を変調するための１つまたは複数の構成要素を含む。

例えばオーム変調充電式電池は、電池をＲ_１、例えばＴ_１より高い低内部抵抗レベル（ＬｏＲ）で動作させるための少なくとも１つの負端子および少なくとも１つの正端子を含むことができる。また、オーム変調電池は、電池温度がＴ_１未満である場合に、電池をＲ_２、例えば高内部抵抗レベル（ＨｉＲ）で動作させるための少なくとも１つの高抵抗端子を同じく含むことができる。高抵抗端子は、追加負端子（すなわちＨｉＲ（−））または追加正端子（すなわちＨｉＲ（＋））のいずれかであってもよい。

このような充電式電池は、電池の抵抗レベルを切り換えるスイッチを含むことができる。例えばスイッチは、電池の温度がＴ_１より高い場合、電池を動作させるために電池の低抵抗端子、例えばＬｏＲ（−）および／またはＬｏＲ（＋）を係合することができ、また、電池温度がＴ_１未満である場合、１つまたは複数の高抵抗端子、例えばＨｉＲ（−）および／またはＨｉＲ（＋）を係合することができる。

本開示のスイッチは、電気機械式継電器および温度コントローラ、または温度センサを有する固体継電器、温度センサを有する電力ＭＯＳＦＥＴ、または温度センサを有する大電流スイッチから構成することができる。別法としては、ＬｏＲ（−）端子およびＨｉＲ（−）端子を接続するスイッチは、電池管理システム内に電気回路およびセル温度センサを有するコントローラによって実施することも可能である。

本開示の一実施形態では、充電式電池は、高抵抗端子に電気的に接続される少なくとも１つの抵抗シートを含む。少なくとも１つの抵抗シートは、電池セルの内部（電解質に露出される）、または外部の、２つの電池セルの間のいずれかに配置することができ、あるいはセル内のいくつかの抵抗シートと、外部の、セルとセルとの間のいくつかの抵抗シートの組合せであってもよい。電池のセルを使用して構成される抵抗シートは、電池のセルの電極の集電体と一体であってもよい。

本明細書において使用されているように、抵抗シートは、電池集電箔と比較すると、より小さい導電率（より大きい電気抵抗）を有する材料であり、電池が動作している間に活性化されると、電池の内部電気抵抗が著しく大きくなる。抵抗シートは、アンペア−時（Ａｈ）単位の電池の容量で割った０．１と５との間の数値に等しいオーム単位の抵抗を有していることが好ましく、例えばＡｈ単位の電池の容量で割った約０．５と２との間であることが好ましい。例えば２０Ａｈ電池の抵抗シートは、約０．００５オーム（０．１／２０）と約０．２５オーム（５／２０）との間、例えば約０．０２５オーム（０．５／２０）と約０．１オーム（２／２０）との間であることが好ましい。

本開示の抵抗シートは、電池電解質に露出された場合に安定であり、かつ、抵抗シートがこのような環境に露出された場合に充電式電池の電気化学的電圧窓内である任意の金属であってもよい。このような抵抗シートは、黒鉛、高配向パイログラファイト（ＨＯＰＧ）、ステンレス鋼、ニッケル、クロム、ニクロム、銅、アルミニウム、チタンまたはそれらの組合せで構築することができる。電池セルの外部の、モジュール内の２つの隣接するセルとセルとの間で使用される場合、抵抗シートを防錆にする必要はなく、したがって追加材料は、本開示の抵抗シートとしての使用のために利用することができる。好ましいことには本開示の抵抗シートは、平らで、表面積が広く、隣接する電池構成要素との接触が良好で、約１マイクロメートルと約１５０マイクロメートルとの間の厚さを有し、約５マイクロメートルから約６０マイクロメートルまでの好ましい範囲を有している。電気抵抗が大きく、熱伝導率が高く、また、熱容量が小さい抵抗シートは、本開示の特定の実施形態に有用である。

本開示の特定の構成では、充電式電池は、１つまたは複数の高抵抗タブまたは端子、および１つまたは複数の低抵抗タブまたは端子を含む。高抵抗端子は、１つまたは複数の抵抗シートを電気的に接続し、また、低抵抗タブまたは端子は、電池を低抵抗モードで動作させるように構成される。

有利には本開示の充電式電池は、例えば１つまたは複数の抵抗シートに接続された１つまたは複数の高抵抗端子をさらに含む特定の実施形態では、従来の充電式電池構成要素を使用して、最小の修正で容易に構成することができる。以下の図は、本開示の特定の実施形態を示したものである。

図１Ａは、オーム変調電池の一実施形態を示したものである。図１Ａに示されているように、充電式電池１１０は、電極−セパレータアセンブリのスタック内に埋め込まれ、かつ、電解質と接触しているいくつかの抵抗シート１１２を有している。電極−セパレータアセンブリは、アノードタブ１１４ａ、セパレータ１１６を有するアノード電極１１４、およびカソードタブ１１８ａを有するカソード電極１１８を含む。電池１１０は、１つの低抵抗負端子ＬｏＲ（−）１２０および１つの高抵抗負端子ＨｉＲ（−）１２２、スイッチ１２４および正端子（＋）１２６をさらに含む。

この実施形態では、個々の抵抗シートは、溶接によって取り付けることができる２つのタブ（１１２ａ、１１２ｂ）を有している。抵抗タブ１１２ａおよびアノード電極１１４のアノードタブ１１４ａは、低抵抗負端子ＬｏＲ（−）１２０に電気的に接続され、低電気抵抗回路を形成している。抵抗タブ１１２ｂは、高抵抗負端子ＨｉＲ（−）１２２に電気的に接続され、スイッチ１２４によって起動される高電気抵抗レベル回路を形成している。カソード電極１１８のカソードタブ１１８ａは、まとめて正端子１２６に電気的に接続されている。この特定の例では、スイッチ１２４は、ＬｏＲ（−）端子１２０およびＨｉＲ（−）端子１２２を電気的に接続し、または断路することができる熱起動スイッチである。

アノード−セパレータ−カソード−抵抗シートアセンブリは、適切なパッケージの中、例えばポーチセルのケーシングの中に配置し、電解質を充填することができる。この実施形態では、アノード−セパレータ−カソード−抵抗シートアセンブリは、ケーシング１４０の中に含まれている。負端子および正端子は、外部回路１２８ａおよび１２８ｂに電気的に接続することができる。

要約すると、図１Ａに示されている充電式電池は、外部の３つの端子、２つの負端子ＬｏＲ（−）およびＨｉＲ（−）、ならびに１つの正端子（＋）を特徴としている。２つの負端子ＬｏＲ（−）およびＨｉＲ（−）は、電池のすぐ外側の温度感応スイッチによってさらに接続されている。動作中、電池温度がＴ_１より高くなると、スイッチがＣＬＯＳＥＤされ、電流は抵抗が小さい回路を通って流れることを好むため、電池電流は抵抗シートをバイパスする。この場合、電池は、端子（＋）とＬｏＲ（−）との間で動作し、小さい内部抵抗を示す。電池温度がＴ_１未満になると、スイッチがＯＰＥＮされ、端子（＋）およびＨｉＲ（−）を動作状態にする。これは、抵抗シートを通って流れるように電池電流を強制し、したがって大きい内部抵抗を示す。例えば電池温度が、約５℃未満または氷点下環境などの正規の範囲未満になると、電流流路に抵抗シートが存在しているため、電池の内部抵抗が数倍大きくなる。一度動作または起動されると、強烈な内部加熱が存在し（電池の熱発生はその内部抵抗に比例するため）、温度感応スイッチをＣＬＯＳＥＤにトリガする点まで電池温度を急激に上昇させる。ＣＬＯＳＥＤスイッチは、ＬｏＲ（−）端子の動作を直ちにイネーブルして電池内部抵抗を小さくする。小さい内部抵抗と高い内部温度の組合せは、氷点下環境での動作にもかかわらず、電池の電力およびエネルギー出力を実質的に改善する。

別の実施形態は、スイッチをオーム変調電池の正端子とＨｉＲ（−）端子との間に配置することである。電池温度がＴ_１より高くなると、スイッチがＯＰＥＮされ、電池は、正端子とＬｏＲ（−）端子との間で動作し、電池電流は抵抗シートをバイパスして小さい内部抵抗を示す。電池温度がＴ_１未満になると、スイッチがＣＬＯＳＥＤにされ、一方、正端子およびＬｏＲ（−）端子を開路にする。これは、抵抗シートを通って流れるように電池電流を強制し、したがって内部を急激に加熱する。電池温度がある点まで上昇すると、温度感応スイッチがＯＰＥＮにトリガされる。

図１Ｂは、図１Ａで説明した電池の別の部分図解を示したものである。図１Ｂは、カソード電極１１８、およびアノード電極１１４に隣接する抵抗シート１１２を有するプリズム構成の３端子オーム変調電池を示したものである。セルは、電解質およびセパレータをさらに含むことになり、これらは、図解の便宜上、示されていない。カソード電極１１８はタブ１１８ａを含み、抵抗シート１１２は、タブ１１２ａおよび１１２ｂを含み、また、アノード電極１１４はタブ１１４ａを含む。電池は、１つの低抵抗負端子ＬｏＲ（−）１２０および１つの高抵抗負端子ＨｉＲ（−）１２２、スイッチ１２４および正端子（＋）１２６をさらに含む。図１Ｂに示されている電池の要素は、図１Ａで説明したように電気的に接続されている。

図１Ｃは、図１Ａで説明した電池の別の構造を示したものである。この実施形態では、電池はプリズム構成である。図１Ｃに示されているように、オーム変調電池は、４つの端子、例えば正端子１２６、低抵抗負端子ＬｏＲ（−）１２１および２つの高抵抗端子ＨｉＲ（−）１２３、１２５を使用して構成することができる。抵抗シート１１３は、ＬｏＲ（−）端子１２１とは別の２つのＨｉＲ（−）端子（１２３、１２５）を形成している２つのタブ（１１３ａ、１１３ｂ）を含む。ＨｉＲ（−）端子のうちの１つは、外部でＬｏＲ（−）端子と接続することができ、本質的にこの４端子電池を図１Ｂに示されている３端子電池に減らしている。あるいはＨｉＲ（−）端子のうちの１つは、多重セル電池またはモジュール内の隣接するセルからＨｉＲ（−）端子のうちの１つに電気的に接続し、直列に接続された複数の抵抗シートを形成することも可能である。複数の抵抗シートは、次に、ただ１つのスイッチを使用することによって多重セル回路の中に接続することができる。

図１Ａの電池は、３つのユニットセル、および並列に電気的に接続された２つの抵抗シート、ならびに電池を高抵抗モードまたは低抵抗モードで起動するための１つのスイッチを使用して図解されているが、本開示のオーム変調充電式電池は、追加モジュールおよび／または追加ユニットセルを有することができる。電池は、追加抵抗シートおよびスイッチを含むことができる。例えば電池は、複数のモジュールまたはセルのパックを備えることができ、モジュール内のセルは互いに隣接し、また、互いに並列構造または直列構造で、あるいはそれらの組合せで電気的に接続される。電池は、互いに直列または並列に電気的に接続され、かつ、モジュール内の隣接するセルとセルとの間に配置される複数の抵抗シート、および電池を高抵抗モードまたは低抵抗モードで動作させるための複数の熱起動スイッチを含むことができる。

オーム変調電池の他の実施形態では、１つまたは複数の抵抗シートを電池のセルの外側に配置することによって充電式電池を構成することができる。例えば複数のセルを含む電池モジュールの場合、電池モジュール内の２つの隣接するセルとセルとの間に１つまたは複数の抵抗シートをはさむことができる。図２は、このような一実施形態を示したものである。

図２に示されているように、電池モジュール２１０は、２つのセル２１３ａと２１３ｂの間に配置された抵抗シート２１２を含む。抵抗シートは、セルおよび電池モジュールの一定な加熱を提供するために、セルとセルとの間に配置され、例えば２つのセルの間に緊密に挿入されることが好ましい。個々のセルは、アノード電極２１４、セパレータ２１６およびカソード電極２１８を含む。電池モジュール２１０は、モジュールの個々のセルに電気的に接続される１つの低抵抗負端子ＬｏＲ（−）２２０、および抵抗シートに電気的に接続される１つの高抵抗負端子ＨｉＲ（−）２２２をさらに含む。また、電池モジュールは、スイッチ２２４および正端子（＋）２２６ａおよび２２６ｂを同じく含む。負端子および正端子は、外部回路２２８ａおよび２２８ｂに電気的に接続することができる。

要約すると、図２に示されている充電式電池は、１つの端子（この実施形態では負端子）がスイッチに電気的に接続され、スイッチが抵抗シートにさらに電気的に接続される２端子セルを特徴としている。図２の充電式電池モジュール２１０は、図１で説明した方法と同じ方法で動作させることができる。

図２の電池モジュール２１０は、２つのセルの間に１つの抵抗シートを有する二重セルモジュールとして示されているが、本開示のオーム変調電池は、追加セルおよび／またはモジュールおよび／または抵抗シートおよび／またはスイッチを有することができる。例えば電池モジュールは、セルとそのセルの近くの他の位置の付近との間に１つまたは複数の抵抗シートが配置された４つ、５つまたは６つのセルを有することができる。電池は、モジュールとそのモジュールの近くの他の位置の付近との間に１つまたは複数の抵抗シートが配置された追加モジュールを有することができる。電池は、追加抵抗シートを接続するための追加スイッチ、またはすべての抵抗シートを接続する１つのスイッチを有することができる。セルおよび／またはモジュールは、互いに並列構造または直列構造で、あるいはそれらの組合せで電気的に接続することができる。また、抵抗シートは、互いに直列または並列に電気的に接続することも可能である。

上で説明したすべての電池設計は、Ｌｉ−イオン、ニッケル−金属水素化物、鉛−酸、等々などの充電式電池に適用することができる。有利には本開示の充電式電池は、充電式リチウムイオン、ニッケル−金属水素化物、またはリチウム−硫黄電池、リチウム−空気電池などの高水準リチウム電池、またはすべての固体電池などのあらゆる電池化学に対して実現することができ、また、ポーチであれ、円筒状であれ、プリズム状であれ、あるいは角度であれ、あらゆるフォームファクタに対して実現することができる。セル構造は、とりわけロール電極設計およびスタック電極設計に適応することができる。

低温における高速充電
オーム変調充電式電池の別の利点は、低温における高速充電のためにそれらを構成することができることである。好ましいことには、オーム変調電池は、リチウムめっき、その他に明らかな劣化をもたらすことなく、低温で、約２０〜３０分の期間内に充電することができる。また、オーム変調電池は、同時電気充電および内部加熱のための再生電力によって有利に充電することができる。

例えば本開示の一実施形態では、オーム変調電池は、充電制御システムの中に含まれ得る。システムは、電池の温度を監視するように構成された温度センサと、温度センサに電気的に接続されたコントローラであって、温度センサから入力を受け取ることができ、また、温度センサからの入力に基づいて、低温抵抗プロトコルまたは別のプロトコル、例えば第２のプロトコルのいずれのプロトコルで電池を充電するかを決定するようにプログラムされるコントローラとを含むことができる。

システムは、電池に電気的に接続された電圧センサ、例えばオーム変調電池の低抵抗端子および／または高抵抗端子のいずれかに電気的に接続された電圧センサ、電池に電気的に接続された、電池を通って流れる電流を測定することができる電流センサ、および／または電池に電気的に接続された、電池を充電することができる発電機のうちの１つまたは複数などの追加構成要素を個別に、または組み合わせて含むことができる。発電機は、車両の回生制動における運動エネルギーなどの運動エネルギーを捕獲し、このようなエネルギーを使用して電池を充電するために使用することができる。これらの追加任意選択構成要素を使用して、コントローラは、温度センサ、１つまたは複数の電圧センサおよび電流センサから入力を受け取ることができ、また、前記入力に基づいて電池を充電するかどうかを決定することができる。有利にはコントローラは、特定の実施形態では、さらに、電池の温度に基づいて電池を高抵抗レベルまたは低抵抗レベルに設定することができる。

本開示の特定の実施形態の実践においては、オーム変調充電式電池は、電池が高抵抗モードにある場合、例えば電池の温度が所定の充電温度（Ｔ_ＣＧ１）未満になると、低温充電プロトコル（ＬＴＣＰ）の下で充電することができる。さらに、電池は、電池が低抵抗モードにある場合、別のプロトコルまたは第２のプロトコル（例えば正規の動作温度で使用される正規充電プロトコル）の下で充電することができる。ＬＴＣＰは、電池を定電圧の下で、および／または定電流（Ｉ）および／または定充電電力（Ｐ）、およびそれらの組合せで充電するステップを含む。本開示の一実施形態では、ＬＴＣＰは、（ｉ）電池を定電圧または定充電電力（Ｐ）のいずれかで充電するステップ、および（ｉｉ）引き続いて電池を定電流で充電するステップを含む。電池を定電流で充電するステップは、充電電流が所定の最大充電電流（Ｉ_ｍａｘ）以上になると行われ得る。さらに、定電圧は、低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲおよび／または電池の電圧のいずれかから決定され得る。また、ＬＴＣＰは、電池をパルス電圧および／またはパルス電力および／またはパルス電流およびそれらの組合せの下で充電するステップを同じく含むことができる。電池が低抵抗モードにある場合の第２のプロトコルの下での充電は、例えば定電流−定電圧プロトコルを含むことができる。

図３Ａは、本開示の一実施形態による、低温におけるオーム変調電池の高速充電を支援する充電制御システム６００Ａを示したものである。充電制御システム６００Ａはオーム変調電池６０１を含む。好ましい実施形態では、リチウム−イオンが電池６０１のためのセル化学として使用されている。しかしながら制御システムは、他のセル化学にも適用することができる。

図３Ａに示されているように、電池６０１は、１つの正端子（図示せず）および２つの負端子６１２および６１３を有しており、６１２は低抵抗負端子ＬｏＲ（−）であり、また、６１３は高抵抗負端子ＨｉＲ（−）である。スイッチ６０９は、ＬｏＲ（−）端子６１２およびＨｉＲ（−）端子６１３に電気的に接続されている。ＬｏＲ（−）端子６１２は、スイッチ６０９がオンになると係合され、また、ＨｉＲ（−）端子６１３は、スイッチ６０９がオフになると係合される。スイッチ６０９は、この実施形態ではコントローラ６０４によって操作される。電池６０１は、スイッチ６１０を介して充電器６０２に接続されており、また、スイッチ６１１を介して負荷６０３に接続されている。また、電池６０１は、充電電流を測定するための電流センサ６０５、電池６０１の温度を検出するための温度センサ６０８、および２つの電圧センサ６０６および６０７に同じく接続されている。電圧センサ６０６は、電池６０１の低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲを監視するために低抵抗負端子６１２に接続されている。電圧センサ６０７は、電池６０１の電圧Ｖを測定するために高抵抗負端子６１３に接続されている。

動作中、コントローラ６０４は、充電／放電に関する情報である電流信号Ｉ（充電の場合は正、放電の場合は負）を電流センサ６０５から、温度信号Ｔを温度センサ６０８から、電池低抵抗電圧信号Ｖ_ＬｏＲを電圧センサ６０６から、また、電池電圧信号を電圧センサ６０７から受け取る。コントローラ６０４は、受け取った情報および充電アルゴリズムに基づいて、充電器６０２、負荷６０３、スイッチ６０９、６１０および６１１にコマンドを送ることによって電池６０１の充電動作を制御する。

以下、充電プロセス中のコントローラ６０４の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。

図４は、本開示の一実施形態による充電プロセス７００を示すフローチャートを示したものである。このフローチャートのステップ７０１で、スイッチ６１０および６１１をターンオフした後、コントローラ６０４は、温度センサ６０８から温度Ｔを、また、電圧センサ６０６または６０７から開路電圧（ＯＣＶ）を獲得する。ステップ７０２でコントローラ６０４は、電池６０１の充電状態（ＳＯＣ）を予測する。一実施形態では、この予測は、ＯＣＶ−ＳＯＣ相関が記憶されているルックアップテーブルにアクセスすることによって達成される。ルックアップテーブルは、コントローラ６０４の一部であっても、あるいは電圧センサから電圧信号を受け取り、かつ、予測されたＳＯＣをルックアップテーブルを使用してコントローラ６０４に返すＳＯＣエスティメータに記憶することも可能である。

ステップ７０３でコントローラ６０４は、予測されたＳＯＣを所定のＳＯＣ_ｓｅｔに対して比較することにより、電池６０１を充電すべきかどうかについての第１の決定を下す。電池ＳＯＣが所定のＳＯＣ_ｓｅｔ未満である場合、プロセス７００はステップ７０４へ進行する。そうではない場合、電池６０１を充電してはならず、充電プロセス７００は終了する。

ステップ７０４でコントローラ６０４は、温度センサ６０８からの電池温度信号に基づいて、充電動作に関する第２の決定を下す。電池温度Ｔが所定の充電温度（Ｔ_ＣＧ１）未満である場合、プロセス７００はステップ７０５へ進行し、低温充電動作が実施される。そうではない場合、プロセス７００はステップ７０８へ進行し、正規の充電または高速充電が使用される従来の方法で電池６０１が充電される。一実施形態では、所定の充電温度Ｔ_ＣＧ１は、約５℃と２５℃との間、好ましくは約２０℃と２５℃との間である値を有している。本開示の一非制限実施形態では、所定の充電温度は約２５℃に等しい。すなわち電池の温度が約２５℃未満である場合、電池は高抵抗モードで充電される。

ステップ７０５でコントローラ６０４は、電池６０１が高抵抗モード（Ｒ_２）で動作するよう、高抵抗負端子ＨｉＲ（−）を係合するための信号をスイッチ６０９に送る。電流流路に抵抗シートが存在しているため、電池の内部抵抗が数倍大きくなり、強烈な内部加熱のため、動作中、電池温度を急激に上昇させることができる。電池６０１の急激な温度上昇は、以下の実施形態で説明される最適化された充電方法を使用することによってさらに加速することができる。

ステップ７０６で、例えば図５〜図１０のフローチャートでさらに例示されている１つまたは複数のＬＴＣＰを実現することができる。

低温充電の後、電池温度がＴ_ＣＧ１に到達すると、プロセス７００は直ちにステップ７０７へ進行し、コントローラ６０４は、低抵抗負端子ＬｏＲ（−）を係合するための信号をスイッチ６０９に送る。したがって電池６０１は、近正規温度範囲内の正規内部抵抗レベルで動作する。

ステップ７０８で、第２のプロトコル、例えば定電流、定電圧（ＣＣ−ＣＶ）プロトコルなどの正規充電プロトコルによって電池６０１が充電される。このようなＣＣ−ＣＶプロトコルは、約１Ｃ以上の定電流および約Ｖ_ｓｅｔの定電圧で充電するステップを含み、Ｖ_ｓｅｔは所定の電圧である。また、２Ｃ以上の速度での充電は、正規充電プロトコルの下での高速充電のために実現することができる。正規の充電は、電池６０１が規定されたＳＯＣに充電されるまで継続し、その決定は、遮断条件をチェックすることによって実現される。ＣＣ−ＣＶプロトコルの場合、充電は、電池電圧が規定された充電電圧に等しくなり、かつ、充電電流が所定の閾値未満になるまで停止する。

本発明の一実施形態では、図５に示されている低温充電プロトコル（ＬＴＣＰ）は、ＣＶ_ＬｏＲ−ＣＣという名称が付けられている。この充電プロトコルはステップ８０１で開始され、電圧センサ６０６によって測定される電圧Ｖ_ＬｏＲ（低抵抗端子電圧）が一定のレベルに維持される。この定電圧レベルは、所定のＳＯＣ_ｓｅｔにおける電池６０１の開路電圧である電圧レベルＶ_ｓｅｔ以下である。

タイマは、充電時間をカウントするために、低温充電の開始時に設定される（図示せず）。電池温度および電流は、温度センサ６０８および電流センサ６０５から信号を受け取ることによって周期的に監視される。

ステップ８０２でコントローラ６０４は、電池温度Ｔが所定の温度Ｔ_ＣＧ１に到達したかどうかを決定する。Ｔ≧Ｔ_ＣＧ１である場合、すなわち正規の充電が可能である所定のレベルまで電池温度が上昇すると、低温充電が停止する。そうではなくＴ＜Ｔ_ＣＧ１である場合、低温充電プロトコルが継続し、ステップ８０３へ進行する。

ＣＶ_ＬｏＲ充電の間、電池の温度が高くなってその内部抵抗が小さくなる。したがって充電電流が許容レベルを超えて大きくなることが予想される。大電流による電池の損傷を防止するために、ステップ８０３で充電電流が周期的にチェックされる。コントローラ６０４は、充電電流Ｉが所定の最大充電電流（Ｉ_ｍａｘ）を超えているかどうかを決定する。この値は、典型的には、特定の電池に対して電池製造者によって設定される。充電電流ＩがＩ_ｍａｘより大きい場合、充電電流はＩ_ｍａｘに制限され、充電プロトコルは定電流（ＣＣ）モードに切り換わる（ステップ８０４）。そうではない場合、充電プロセスはステップ８０１へ戻り、ＣＶ_ＬｏＲプロトコルが使用される。

充電がＣＣモードに切り換わる場合（ステップ８０４）、電池６０１の温度が周期的にチェックされる（ステップ８０５）。ステップ８０５でコントローラ６０４は、電池温度を所定の温度Ｔ_ＣＧ１と比較する。ＴがＴ_ＣＧ１より低い場合、充電プロセスはステップ８０４へ戻る。一方、ＴがＴ_ＣＧ１以上である場合、低温充電プロセスが完了する。

図６に示されている低温充電方法の別の実施形態では、プロトコルはＣＶ−ＣＣと呼ばれる。この充電方法は、電圧センサ６０６によって測定されるＶ_ＬｏＲの代わりに、電圧センサ６０７によって測定される電圧Ｖ（電池電圧）が一定のレベルに維持される定電圧充電ステップ９０１を除き、図５に示されているＣＶ_ＬｏＲ−ＣＣ充電プロトコルと全く同じように構成される。高抵抗端子の大きい抵抗のため、電池電圧Ｖは低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲよりはるかに高い。充電のための定電圧レベルＶは、Ｖ_ｓｅｔ（所定のＳＯＣ_ｓｅｔにおける電池６０１の開路電圧）より高い。好ましい実施形態では、充電電圧Ｖは、充電中の電池６０１の急激な加熱を達成するためにセル当たり約４Ｖもあり、例えばセル当たり約５Ｖ以上である。

図７に示されている低温充電プロトコルの別の実施形態では、方法は、ＣＣ充電方法と呼ばれる。ステップ１００１で、定電流（ＣＣ）充電を達成するために、電流センサ６０５によって測定される電流信号が一定のレベルに維持される。充電電流は、電池寿命および安全を考慮して、約Ｉ_ｍａｘ以下あり、高速充電を開始し、かつ、電池６０１の強烈な内部加熱を誘導するためには約１Ｃ以上であることが好ましい。例えばこのプロトコルの下での定電流は、約１Ｃ≦Ｉ≦Ｉ_ｍａｘ、例えば２Ｃ≦Ｉ≦Ｉ_ｍａｘの範囲である。タイマは、充電時間をカウントするために、充電の開始時に設定される（図示せず）。電池温度は、温度センサ６０８から信号を受け取ることによって周期的に監視される。ステップ１００２でコントローラ６０４は、電池温度Ｔが所定の充電温度Ｔ_ＣＧ１に到達したかどうかを決定する。Ｔ≧Ｔ_ＣＧ１である場合、すなわち正規の充電または高速充電が可能である所定のレベルまで電池温度が上昇すると、低温充電プロセスが停止する。そうではなくＴ＜Ｔ_ＣＧ１である場合、充電プロセスはステップ１００１へ戻り、ＣＣプロトコルが使用される。

図８に示されているＬＴＣＰの別の実施形態では、プロトコルはＣＰ−ＣＣと呼ばれる。この充電方法は、電池電圧Ｖの代わりに充電電力（電池電圧Ｖ×電流Ｉ）が一定のレベルに維持される定電力充電ステップ１１０１を除き、図６に示されているＣＶ−ＣＣ充電方法と全く同じように構成される。充電電力は、ＣＰ充電期間の間、ＳＯＣの増加にもかかわらず電池電圧が低くなるよう、電池の強烈な内部加熱が生じるように選択される。したがって充電電流が大きくなり、Ｉ_ｍａｘによって制限される。このＣＰ−ＣＣ充電方法は、充電電流が急激にその最大値に到達するのを防止し、したがってリチウムめっきの危険を少なくするように働く。本発明の好ましい実施形態では、充電電力Ｐは、約１Ｃの充電電流と約４Ｖの充電電圧の積より大きく、例えば約２Ｃの充電電流および約５Ｖの充電電圧より大きい。

図９に示されているＬＴＣＰの別の実施形態では、方法はパルス電圧（ＰＶ）充電方法と呼ばれ、連続周期にわたって順方向および逆方向（充電および放電）電圧パルスが電池６０１に印加される。このプロトコルはＰＶとして表されているが、同じプロセスを使用したパルス電力として表すことも可能である。

ＰＶ充電プロセスは、ステップ１２０１でパルス周波数を設定することによって開始される。このプロトコルの好ましい実施形態では、パルス周波数範囲は、約０．０５Ｈｚと約１０Ｈｚとの間である。この範囲より低い周波数のパルスは、電解質および電池の固相に大きな濃淡分極を誘導する。この範囲より高い周波数のパルスは、電極剥離および電解質破壊の原因になる。いずれの場合にも電池劣化の加速が予想される。

ステップ１２０２は、充電電圧パルスおよび放電電圧パルスの振幅を設定する。電圧センサ６０６によって測定される、電池が高抵抗モードで動作しているために高抵抗端子電圧６０７に等しいパルス電圧が一定のレベルに維持される。このプロトコルのための好ましい実施形態では、充電パルスの電圧は、セル当たり約５Ｖと約８Ｖとの間の範囲に及び、また、放電パルスの電圧は、セル当たり約０．２Ｖと約１Ｖとの間の範囲に及ぶ。これらの電圧値は、電池の強烈な内部加熱を誘導し、また、それと同時に電池の損傷を防止するように設定される。

ステップ１２０３で、設定された周波数および振幅で定電圧パルス充電動作が実行される。この充電パルス発振の直後に、コントローラ６０４は、ステップ１２０４で、電圧センサ６０６から受け取った低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲ、および上記Ｖ_ｓｅｔ（所定のＳＯＣ_ｓｅｔにおける電池６０１の開路電圧）以上である電池の最大動作電圧Ｖ_ｍａｘに基づいて、決定を下す。Ｖ_ＬｏＲ≦Ｖ_ｍａｘである場合、定電圧パルス充電プロトコルを維持し、充電プロセスはステップ１２０６へ分岐し、また、Ｖ_ＬｏＲ＞Ｖ_ｍａｘ、すなわち電池材料の最大動作電圧を超えると、充電プロセスはステップ１２０５へ進行する。ステップ１２０５で、Ｖ_ＬｏＲがＶ_ｍａｘを超えるのを防止するために、コントローラ６０４は、パルス動作プロトコル（充電部分のみ）をＶ_{ｃ，ＬｏＲ}＝Ｖ_ｍａｘに設定し、これは、次の連続周期で実現される。

ステップ１２０６でコントローラ６０４は、電池温度Ｔが所定の温度Ｔ_ＣＧ１に到達したかどうかを決定する。Ｔ≧Ｔ_ＣＧ１である場合、すなわち正規の充電が可能である所定のレベルまで電池温度が上昇すると、低温充電が停止する。そうではなくＴ＜Ｔ_ＣＧ１である場合、低温充電プロセスが継続し、ステップ１２０７へ進行する。

ステップ１２０７で、設定された周波数および振幅で定電圧パルス放電動作が実行される。この放電パルスの直後に、コントローラ６０４は、ステップ１２０８で、電圧センサ６０６から受け取った低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲおよび電池材料の最小動作電圧Ｖ_ｍｉｎに基づいて決定を下す。Ｖ_ＬｏＲ≧Ｖ_ｍｉｎである場合、定電圧パルス放電プロトコルを維持し、プロセスはステップ１２１０へ分岐し、また、Ｖ_ＬｏＲ＜Ｖ_ｍｉｎである場合、充電プロセスはステップ１２０９へ進行する。ステップ１２０９で、Ｖ_ＬｏＲがＶ_ｍｉｎ未満に低下するのを防止するために、コントローラ６０４は、パルス動作プロトコル（放電部分のみ）をＶ_{ｄ，ＬｏＲ}＝Ｖ_ｍｉｎに設定し、これは、次の連続周期で実現される。

ステップ１２１０でコントローラ６０４は、電池温度Ｔが所定の温度Ｔ_ＣＧ１に到達したかどうかを決定する。Ｔ≧Ｔ_ＣＧ１である場合、すなわち正規の充電が可能である所定のレベルまで電池温度が上昇すると、ＰＶ充電が停止する。そうではなくＴ＜Ｔ_ＣＧ１である場合、ＰＶ充電プロセスが継続し、ステップ１２０３へ進行する。

図１０に示されている低温充電方法の別の実施形態では、方法はパルス電流（ＰＣ）充電方法と呼ばれ、連続周期にわたって順方向および逆方向（充電および放電）電流パルスが電池６０１に印加される。この充電方法は、定電圧パルスの代わりに定電流パルスが使用されるステップ１３０２を除き、図９に示されているパルス電圧（ＰＶ）充電方法と全く同じように構成される。電流センサ６０５によって測定されるパルス電流が一定のレベルに維持される。好ましい実施形態では、電流（充電および放電の両方）の大きさは、約２Ｃと約Ｉ_ｍａｘとの間の範囲に及ぶ。これらの電流値は、電池の強烈な内部加熱を誘導し、また、それと同時に電池の望ましくない損傷を防止するように設定される。さらに、充電パルスおよび放電パルスの周波数は、約０．０５Ｈｚと約１０Ｈｚとの間の範囲に及び得る。

以上、本発明のほんのいくつかの充電アルゴリズムについて、特定の実施形態によって説明したが、それらは、電池のためのＩ−Ｖ−Ｖ_ＬＯＲ−Ｔに基づくアルゴリズムのある等級に属しており、Ｉ−Ｖ−Ｔに基づく充電アルゴリズムとは異なっている。

再生充電
さらに、オーム変調充電式電池は、再生エネルギー、例えば走行車両の運動エネルギーから生成される電気エネルギーまたは電力を使用して充電することも可能である。例えば回生制動（再生とも呼ばれる）は、車両が減速および／または停止する際の車両の運動エネルギーの、オンボード電池を充電する（再生する）電気への変換である。このような再生エネルギーは、例えば電気車両（ＥＶ）、ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）およびプラグインハイブリッド電気車両（ＰＨＥＶ）などの車両の制動エネルギーを捕獲するために誘導することができる。再生エネルギーを捕獲する充電制御システムでは、システムは、発電機、例えば運動エネルギーを電力に変換するための電動機／発電機を含む。本開示の一実施形態では、再生エネルギーを捕獲するための充電制御システムは、充電式電池に再生電力を供給する電力再生システム、充電式電池に再生電力を供給するための電池制御システム、（ｉ）制動要求および電池状態を受け取り、（ｉｉ）電池状態に基づいて電力再生システムを係合するかどうかを決定し、かつ、（ｉｉｉ）その決定に応答して電力再生システムを係合し、充電式電池に再生電力を供給する車両制御システムを含む。

本開示の特定の実施形態の実践においては、オーム変調充電式電池は、電池が高抵抗モードにある場合、例えば電池の温度が所定の充電値（Ｔ_ＣＧ１）未満になると、再生充電プロトコル（ＲＣＰ）の下で再生エネルギーを使用して充電することができる。さらに、電池は、電池が低抵抗モードにある場合、第２のプロトコル（例えば正規の動作温度で使用される正規充電プロトコル）の下で充電することができる。

ＲＣＰは、例えば、電圧制御形態もしくは電力Ｐ制御形態または電流制御形態あるいはそれらの組合せで充電電流を電池に印加することによって電池を充電するステップを含む。電圧制御形態、電力Ｐ制御形態および電流制御形態は、一定値または時間の関数のいずれかであってもよい。本開示の一実施形態では、ＲＣＰは、（ｉ）電圧制御形態または電力Ｐ制御形態で充電電流を電池に印加することによって電池を充電するステップと、（ｉｉ）引き続いて電池を定電流で充電するステップとを含み、電圧制御形態は、電池の低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲ（ｔ）または電池の電圧Ｖ（ｔ）のいずれかに決定される。充電電流が所定の最大充電電流（Ｉ_ｍａｘ）以上になると、定電流での電池の充電が行われ得る。電池が低抵抗モードにある場合の第２のプロトコルの下での充電は、例えば定電流−定電圧プロトコルを含むことができる。

図１１は、本開示の一実施形態による再生充電システム１４００の簡易構成を示したものである。このようなシステムは、例えばＥＶ／ＨＥＶ／ＰＨＥＶなどの電動車両の中に含まれ得る。

再生充電システム１４００は、オーム変調充電式１４０１を含む。好ましい実施形態では、リチウム−イオンが電池１４０１のためのセル化学として使用されている。しかしながら制御システムは、他のセル化学にも適用することができる。

電池１４０１、電動機／発電機１４１１および他のユニット（図示されていないが、エンジン−発電機、１２Ｖ補助電気システム、等々など）に電気的に接続されている電力制御ユニット１４１０は、その接続機器との間で電力の交換および変換を実施する。電力制御ユニット１４１０は、それらに限定されないが、インバータおよび整流器を含む（図示せず）。

電池１４０１が、車両のためのけん引電力を提供するための電源（放電）として使用される場合、インバータは、けん引トルクを生成して、機械システム１４１２（構成要素の中でも、とりわけクラッチ、トランスミッション、クランク軸および車輪を含む）を介して車両を推進する電動機として作用する電動機／発電機１４１１のために、電池１４０１から供給されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、また、電池１４０１がエネルギーを回復する（充電する）場合、整流器は、発電機１４１１からのＡＣ電力を電池１４０１を充電するためのＤＣ電力に変換する。電池へのエネルギーの回復は、関連する事象のうちの１つが回生制動である場合に行われることが可能であり、この回生制動の間、車両は、車両の運動エネルギーを電力に変換する発電機として作用する電動機／発電機１４１１によって減速される。

本開示の一実施形態では、電池１４０１は、１つの正端子（図示せず）および２つの負端子１４０２および１４０３を有しており、１４０２は低抵抗負端子ＬｏＲ（−）であり、また、１４０３は高抵抗負端子ＨｉＲ（−）である。スイッチ１４０９は、ＬｏＲ（−）端子１４０２およびＨｉＲ（−）端子１４０３に電気的に接続されている。ＬｏＲ（−）端子１４０２は、スイッチ１４０９がオンになると係合され、また、ＨｉＲ（−）端子１４０３は、スイッチ１４０９がオフになると係合される。スイッチ１４０９の操作は、コントローラ１４０４によって実行される。

電池１４０１は、電池１４０１に流入し、また、電池１４０１から流出する電流を検出するための電流センサ１４０５、電池１４０１の温度を検出するための温度センサ１４０８、および２つの電圧センサ１４０６および１４０７に電気的に接続されている。電圧センサ１４０６は、電池１４０１の低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲを監視するために低抵抗負端子１４０２に電気的に接続されている。電圧センサ１４０７は、電池１４０１の電圧Ｖを測定する。

コントローラ１４０４は、充電／放電に関する情報である電流信号Ｉ（充電の場合は正、放電の場合は負）を電流センサ１４０５から、温度信号Ｔを温度センサ１４０８から、電池低抵抗電圧信号Ｖ_ＬｏＲを電圧センサ１４０６から、また、電池電圧信号を電圧センサ１４０７から受け取り、また、電池動作モード（放電、充電、再生充電または休止）に関するコマンドを車両コントローラ１４１３から同じく受け取る。電池コントローラ１４０４は、スイッチ１４０９および電力制御ユニット１４１０にコマンドを送ることによって電池１４０１の動作を制御する。また、それらに限定されないが、電池コントローラ１４０４、電力制御ユニット１４１０、電動機／発電機１４１１および機械システム１４１２を含む車両構成要素の動作を統制する要求を車両コントローラ１４１３に送ることも可能である。

再生充電プロセス中の電池コントローラ１４０４および車両コントローラ１４１３の動作について、本発明の一実施形態による図１２のフローチャートを参照して説明する。車両は動作中であると仮定する。車両オペレータがブレーキペダルを押し込むことによって減速コマンドを起動すると、車両コントローラ１４１３は、電池温度および充電状態（ＳＯＣ）を獲得するように電池コントローラ１４０４に信号発信する。ステップ１５０１で電池コントローラ１４０４は、温度センサ１４０８から温度Ｔを獲得し、ＳＯＣ予測アルゴリズムを使用して、またはＳＯＣエスティメータを組み込むことによって電池ＳＯＣを予測し、また、温度およびＳＯＣ情報を車両コントローラ１４１３に返す。

ステップ１５０２で車両コントローラ１４１３は、再生充電を実施すべきかどうかについての決定を下す。電池ＳＯＣが、ＳＯＣ閾値であって、これを超えると再生充電が電池１４０１を損傷することになる所定のＳＯＣ_ＲＧ未満である場合、車両コントローラ１４１３は、電動機／発電機１４１１を介して車両を減速させる信号を車両の機械システム１４１２に発信し、電池１４０１を充電するための電力が生成される。電池ＳＯＣがＳＯＣ_ＲＧ以上である場合、車両コントローラ１４１３は、電力制御ユニット１４１０にコマンドを送ることによって、摩擦に基づく制動を使用するか、または回生制動を使用して、生成された電力を他のシステム構成要素（キャビン冷却／加熱、エンジン加熱、等々など）に供給するように機械システム１４１２に指令する。

ステップ１５０３で電池コントローラ１４０４は、温度センサ１４０８からの電池温度に基づいて、再生充電動作に関する決定を下す。電池温度Ｔが所定の温度Ｔ_ＣＧ１未満である場合、プロセス１５００はステップ１５０４へ進行し、内部加熱および電気充電を同時に実施するために電池１４０１が高抵抗レベルで充電される。そうではない場合、プロセス１５００はステップ１５０６へ進行し、最大エネルギー蓄積のために電池１４０１が低抵抗レベルで充電される。一実施形態では、所定の充電温度Ｔ_ＣＧ１は、約５℃と２５℃との間、好ましくは約２０℃と２５℃との間である値を有している。本開示の一非制限実施形態では、所定の充電温度は約２５℃に等しい。すなわち電池の温度が約２５℃未満になると、電池は高抵抗モードで充電される。

電池温度Ｔが所定の温度Ｔ_ＣＧ１未満である場合、プロセス１５００はステップ１５０４へ進行し、電池コントローラ１４０４は、スイッチ１４０９がオンであるかどうかを決定する。答えが「Ｙｅｓ」である場合、言い換えると電池１４０１が低抵抗レベルで動作している場合、プロセス１５００は次にステップ１５０５へ進行し、電池コントローラ１４０４は、電池１４０１が高抵抗レベル（Ｒ_２）で動作するよう、スイッチ１４０９にターンオフして高抵抗負端子ＨｉＲ（−）を係合するように指令する。電流流路に抵抗シートが存在しているため、電池の内部抵抗が数倍大きくなり、したがって強烈な内部加熱のため、動作中、電池温度を急激に上昇させることができる。答えが「Ｎｏ」である場合、言い換えると電池１４０１が高抵抗レベルで動作している場合、スイッチ１４０９に対するそれ以上のアクションは不要である。プロセス１５００はステップ１５０８へ飛び、再生充電が実現される。

電池温度Ｔが所定の温度Ｔ_ＣＧ１以上である場合、プロセス１５００はステップ１５０６へ進行し、電池コントローラ１４０４は、スイッチ１４０９がオンであるかどうかを決定する。答えが「Ｙｅｓ」である場合、言い換えると電池１４０１が低抵抗レベルで動作している場合、スイッチ１４０９に対するそれ以上のアクションは不要である。プロセス１５００はステップ１５０８へ飛び、再生充電が実現される。答えが「Ｎｏ」である場合、言い換えると電池１４０１が高抵抗レベルで動作している場合、プロセス１５００は次にステップ１５０７へ進行し、電池コントローラ１４０４は、電池１４０１が低抵抗レベルで動作するよう、スイッチ１４０９にターンオンして低抵抗負端子ＬｏＲ（−）を係合するように指令し、これは、電池１４０１の過熱を防止し、また、電池１４０１へのより多くの電気エネルギーの蓄積を可能にする。

ステップ１５０８で、例えば図１３〜図１６のフローチャートでさらに詳細に説明される再生充電プロトコルが実現される。

図１３に示されている本開示の一実施形態では、ＲＣＰと呼ばれるＶ_ＬｏＲ（ｔ）−ＣＣが説明される。この実施形態では、車両コントローラ１４１３によって再生充電コマンドが発行されると、発電機１４１１からＡＣ電力が生成され、かつ、電力制御ユニット１４１０によって適切なレベルのＤＣ電力に変換される。ステップ１６０１で電池コントローラは、電圧センサ１４０６からの電圧信号を監視することによって、電力制御ユニット１４１０から電池１４０１へのＤＣ電力を電圧制御形態Ｖ_ＬｏＲ（ｔ）で調整する。電圧制御形態は、時間に対して一定の電圧であっても、あるいは時間の関数、すなわち設定時間であってもよい。好ましい一実施形態では、Ｖ_ＬｏＲ（ｔ）は、Ｖ_ｍａｘ以下である。

タイマは、充電時間をカウントするために、再生充電の開始時に設定される（図示せず）。ステップ１６０２で、規定された時間間隔の間、設定された電圧レベルでの充電動作が実行される。

この時間間隔が経過した直後に、電池コントローラ１４０４は、ステップ１６０３で、電流センサ１４０５からの充電電流ＩおよびＩ_ｍａｘに基づいて決定を下す。Ｉ≦Ｉ_ｍａｘである場合、充電プロトコルは設定充電モードを維持し、充電プロセスはステップ１６０５へ分岐する。Ｉ＞Ｉ_ｍａｘである場合、すなわち最大充電電流を超えている場合、充電プロセスはステップ１６０４へ進行する。ステップ１６０４で、充電電流がＩ_ｍａｘに制限され、充電プロトコルは、Ｉ＝Ｉ_ｍａｘである定電流（ＣＣ）モードに切り換わり、これは、次の充電期間に実現される。

ステップ１６０５で、電池コントローラ１４０４によって、車両コントローラ１４１３から受け取った信号に基づいて、再生充電を継続するかどうかに関する決定が下される。答えが「Ｙｅｓ」である場合、充電プロセスはステップ１６０２へ戻り、次の時間間隔で電池１４０１が充電される。答えが「Ｎｏ」である場合、再生充電プロセスは停止する。

図１４に示されている再生充電方法の別の実施形態では、方法は、Ｖ（ｔ）−ＣＣ再生充電方法と呼ばれる。この充電方法は、電圧センサ１４０６によって測定されるＶ_ＬｏＲの代わりに、電圧センサ１４０７によって測定される電圧Ｖ（電池電圧）が制御される設定電圧充電ステップ１７０１を除き、図１３に示されているＶ_ＬｏＲ（ｔ）−ＣＣ再生充電方法と全く同じように構成される。大きい抵抗が含まれているため、電池電圧Ｖは、低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲよりはるかに高い。

図１５に示されているＲＣＰの別の実施形態では、プロトコルはＣ−ＣＶ_ＬｏＲと呼ばれる。ステップ１８０１で電池コントローラは、電流センサ１４０５からの電流信号を監視することによって、電力制御ユニット１４１０から電池１４０１へのＤＣ電力を電圧制御形態Ｉ（ｔ）で調整する。好ましい一実施形態では、Ｉ（ｔ）は、Ｉ_ｍａｘ以下である。タイマは、充電時間をカウントするために、再生充電の開始時に設定される（図示せず）。ステップ１８０２で、規定された時間間隔の間、設定された電流レベルでの充電動作が実行される。この時間間隔が経過した直後に、電池コントローラ１４０４は、ステップ１８０３で、電圧センサ１４０６からの低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲおよびＶ_ｍａｘに基づいて決定を下す。Ｖ_ＬｏＲ≦Ｖ_ｍａｘである場合、充電プロトコルは設定充電モードを維持し、充電プロセスはステップ１８０５へ分岐する。Ｖ_ＬｏＲ＞Ｖ_ｍａｘである場合、充電プロセスはステップ１８０４へ進行する。ステップ１８０４で、低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲがＶ_ｍａｘに制限され、充電プロトコルは、Ｖ_ＬｏＲ＝Ｖ_ｍａｘである定電圧（ＣＶ_ＬｏＲ）モードに切り換わり、これは、次の充電期間に実現される。ステップ１８０５で、電池コントローラ１４０４によって、車両コントローラ１４１３から受け取った信号に基づいて、再生充電を継続するかどうかに関する決定が下される。答えが「Ｙｅｓ」である場合、充電プロセスはステップ１８０２へ戻り、次の時間間隔で電池１４０１が充電される。答えが「Ｎｏ」である場合、再生充電プロセスは停止する。

図１６に示されている再生充電方法の別の実施形態では、方法は、Ｐ（ｔ）−ＣＣ再生充電方法と呼ばれる。この充電方法は、電池電圧Ｖの代わりに充電電力（電池電圧Ｖと充電電流Ｉの積）が制御される設定電力充電ステップ１９０１を除き、図１４に示されているＶ（ｔ）−ＣＣ充電方法と全く同じように構成される。

以上、本発明のほんのいくつかの再生充電アルゴリズムについて、特定の実施形態によって説明したが、それらはＩ−Ｖ−Ｖ_ＬＯＲ−Ｔに基づくアルゴリズムのある等級に属しており、それらは新規で、Ｉ−Ｖ−Ｔに基づく従来の充電アルゴリズムとは異なっている。

並列スイッチ構造を使用した低温での高速充電
図３Ｂは、本開示の別の実施形態による、低温におけるオーム変調電池の高速充電を支援する充電制御システム６００Ｂを示したものである。この実施形態では、スイッチ６０９は、ＨｉＲ（−）端子６１３を電池６０１の正端子に電気的に接続することができる。有利にはこの実施形態は、電池６０１の低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲを監視するための電圧センサを含んでおらず、例えば負端子および電池の電圧を決定するためには電圧センサ６０７で十分であるため、電圧センサ６０６は含まれていない。

図３Ｂに示されているすべての他の構成要素および接続は、図３Ａに示されているすべての他の構成要素および接続と同じであり、例えばスイッチ６０９はコントローラ６０４によって操作され、電池６０１は、スイッチ６１０を介して充電器６０２に接続され、また、スイッチ６１１を介して負荷６０３に接続され、また、電池６０１は、充電電流を測定するための電流センサ６０５、電池６０１の温度を検出するための温度センサ６０８および電圧センサ６０７に同じく接続されている。

動作中、コントローラ６０４は、充電／放電に関する情報である電流信号Ｉ（充電の場合は正、放電の場合は負）を電流センサ６０５から、温度信号Ｔを温度センサ６０８から、また、電池電圧信号を電圧センサ６０７から受け取る。コントローラ６０４は、受け取った情報および充電アルゴリズムに基づいて、充電器６０２、負荷６０３、スイッチ６０９、６１０および６１１にコマンドを送ることによって電池６０１の充電動作を制御する。

低温充電プロトコルでは、スイッチ６０９は、電池の高抵抗端子を介して電池６０１を充電器６０２に電気的に係合し、すなわち高抵抗端子６１３は、ＬＴＣＰの間、スイッチ６０９によって電池の正端子に接続される。この設計の場合、総充電電流は２つの並列経路に分割され、１つは、電池活性材料を通って流れて端子６１２から流出し、もう一方は、端子６１３に流入し、電池の１つまたは複数の抵抗シートを通って端子６１２から流出する。抵抗シートを通って流れる部分電流が熱を生成し、それが電池の内部温度を高くし、延いては電池充電プロセスを促進する。電流源によって電池を充電している間、スイッチが高抵抗端子を電池の正端子に電気的に係合する実施形態における回路設計は、有利には、ＬＴＣＰの間、高抵抗端子を介してのみ充電が行われる場合よりも低い電圧での充電を可能にする。

本開示の一実施形態では、オーム変調充電式電池を充電する方法は、電池を充電する電流源に電池が電気的に接続されると、ＨｉＲ（−）端子に電気的に接続されるスイッチを電池の正端子に係合することによって電池を低温充電プロトコル（ＬＴＣＰ）の下で充電するステップを含む。電池は、スイッチの係合を解除することにより、第２のプロトコル、例えば正規の動作温度で使用される正規の充電プロトコルの下で充電することができる。

以下の実施例には、本発明の特定の好ましい実施形態をさらに例証することが意図されており、その性質は制限的なものではない。当業者は、決まりきった実験を使用するだけで、本明細書において説明されている特定の物質および手順に対する多くの等価物を認識し、または確認することができる。

この実施例では、電気化学熱結合モデルを使用した模擬条件の下でオーム変調電池が製造され、かつ、試験された。このようなモデルに関する詳細については、Ji et al., “Li-Ion Cell Operation at Low Temperatures”, J. Electrochemical Society (2013) 160(4) A636-A649を参照されたい。

２０Ａｈのパイロット生産ＯＭＢ電池が、プリズムセルの形態で、リチウム−ニッケル−マンガン−コバルト（ＮＭＣ）カソードおよび黒鉛アノードを使用して製造された。電池は、２つのゼリーロール電極セパレータアセンブリの間にはさまれた抵抗シートを含む。抵抗シートは、正端子および低抵抗負端子に加えて追加高抵抗負端子をもたらす。抵抗シートは、抵抗箔の形状で、長さ２５ｃｍ、幅６ｃｍおよび厚さ１１ｕｍのステンレス鋼製である。その抵抗は、約０．０４５オームであり、また、その重量は約１．４グラムで、総電池重量の約０．３％である。電気機械式継電器の形態で製造された、温度コントローラによって駆動されるスイッチがＯＭＢの外側に配置されている。

低温における高速充電方法を立証するために、図２で説明した充電制御システムが構築される。所定の温度Ｔ_ＣＧ１は２５℃に設定される。電池材料に対する最大および最小電圧は、セル当たりＶ_ｍａｘ＝４．１Ｖ、セル当たりＶ_ｍｉｎ＝２．８Ｖに設定される。電池の最大許容充電電流は、Ｉ_ｍａｘ＝３．５Ｃ＝７０Ａである。温度センサは、電池の上に取り付けられるいくつかの熱電対の形態で実現される。試験に先立って試験電池が２５％ＳＯＣまで放電され、次に−２５℃に設定された熱チャンバ内で、５〜６時間にわたって均熱化される。目標充電ＳＯＣは、Ｖ_ｓｅｔ＝４．１Ｖ／セルに対応するＳＯＣ_ｓｅｔ＝１００％に設定される。抵抗箔、高抵抗端子およびスイッチがなく、それ以外は全く同じである基準セルが、比較研究のために同じく試験される。

電池（充電システム図２の６０１）が、低温充電（ステップ７０６）および正規充電（ステップ７０８）の２つのステージを含むフローチャート７００（図４）で説明した充電方法を使用して、２５％ＳＯＣから１００％ＳＯＣまで充電される。正規充電ステップ７０８では、電池６０１は、ＣＣ期間の間、２．５Ｃ電流速度（５０Ａ）が使用され、また、ＣＶ期間の間、Ｃ／１０の遮断電流（２Ａ）まで４．１Ｖ／セル電圧が使用されるＣＣ−ＣＶプロトコルによって充電される。低温充電ステップ７０６では、６つの低温充電プロトコル、すなわちそれぞれ図４〜図１０で説明したＣＶ_ＬｏＲ−ＣＣ充電、ＣＶ−ＣＣ充電、ＣＣ充電、ＣＰ−ＣＣ充電、ＰＶ充電およびＰＣ充電が適用され、かつ、試験された。低温充電プロトコル毎の全充電プロセスの間のこの２０ＡｈＯＭＢのＳＯＣ、電流、温度、電圧および低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲの展開は、図１７〜図１９に示されている。

図１７Ａおよび図１７Ｂは、低温充電のための図５で説明した、正規の充電（ＣＣ−ＣＶ Ｉ＝２．５Ｃ、Ｖ＝４．１Ｖ／セル）が後続するＣＶ_ＬｏＲ−ＣＣ充電方法（Ｖ_ＬｏＲ＝４．０Ｖ／セル、Ｉ＝Ｉ_ｍａｘ）を使用して得られた、電池ＳＯＣ、電流、温度および電圧の展開を示したものである。この方法は、電池を２５％ＳＯＣから１００％ＳＯＣまで、−２５℃の周囲温度から２５分で充電することができる。さらに、低温充電期間は、たったの９９ｓ（４９ｓのＣＶ_ＬｏＲ充電および５０ｓのＣＣ充電）しか消費せず、この期間の間に電池温度が−２５℃から２５℃まで急激に高くなることが図１７Ａから分かる。電池のこの急激な内部加熱は、電池の高抵抗レベルをターンオンし、かつ、電池の内部に埋め込まれた抵抗箔の強烈な加熱を生成する高充電電圧（図１７Ｂからセル当たり６Ｖと７．２Ｖとの間）を印加することによって達成される。さらに、図１７Ｂから分かるように、ＣＶ_ＬｏＲ−ＣＣ充電方法によって制御されるため、すべての電池材料がその中に存在している電池の低抵抗端子電圧は４．０Ｖ未満を維持し、また、充電電流はＩ_ｍａｘ＝７０Ａ未満を維持し、これは、電池の損傷の低減または除去を促進する。電池温度が２５℃に到達すると、コントローラは、電池を低抵抗モードに切り換える。電池は、内部熱発生と熱散逸との間の平衡のため、その温度を最適レベル（２５℃近辺）に維持することができる。最適温度を維持することにより、電池を連続的に高速充電することができる。

低温充電のための図６で説明したＣＶ−ＣＣ充電方法（Ｖ＝６．５Ｖ／セル、Ｉ＝Ｉ_ｍａｘ）を使用した場合、低温充電のための図７で説明したＣＣ充電方法（Ｉ＝２．８Ｃ）を使用した場合、および低温充電のための図８で説明したＣＰ充電方法（Ｐ＝３５０Ｗ／セル）を使用した場合の電池ＳＯＣ、電流、温度および電圧結果の同様の展開は、図１７Ａおよび図１７Ｂに示されている展開と同様であった。これらの充電プロセスは合計約２５分を要し、そのうちの約１１０秒ないし１２０秒が、電池温度を−２５℃から２５℃にする低温充電のために使用される。低温充電期間の間の高い充電電圧および大きい内部抵抗が電池の強烈な内部加熱を生成し、電池が電荷を受け取っているにもかかわらず、電池温度の急激な上昇および電池電圧の低下をもたらしている。電池材料の安定性のために重要なＶ_ＬｏＲおよびＩは、全充電プロセスの間、すべて正規の動作範囲内である。

図１８Ａおよび図１８Ｂならびに図１８Ｃは、低温充電のための図９で説明した、正規の充電（ＣＣ−ＣＶ Ｉ＝２．５Ｃ、Ｖ＝４．１Ｖ／セル）が後続するＰＶ充電方法（Ｖ_ｃ＝６．８Ｖ／セル、Ｖ_ｄ＝０．４Ｖ／セル）を使用して得られた、電池ＳＯＣ、電流、温度および電圧の展開を示したものである。全充電プロセスには約２６分を要し、電池温度を−２５℃から２５℃にするＰＶ充電のために使用されるのは、そのうちの８７秒にすぎない。電池が高抵抗モードを維持するＰＶ充電期間の間、電池電圧は６．８Ｖと０．４Ｖとの間で変化し、それにより電池の強烈な内部加熱が得られる。この例では充電電流の大きさは放電電流の大きさに近く、したがってＰＶ充電の間、ＳＯＣの増加はほとんど観察されない。しかしながらパルス動作のこの設定には、当業者に知られているように活性材料の固相の濃淡分極が抑制されるため、リチウムめっきの危険、および副反応を小さくする利点がある。電池の電力能力に応じて、パルス電圧の個々の周期／特定の周期における充電容量の量を放電容量の量より多く設定し、充電時間をさらに短くすることができる。すなわちＰＶ充電方法は、充電パルス対放電パルスが非対称であってもよい。図１８Ｃの挿入図から、低抵抗端子電圧Ｖ_ＬＯＲは、あらゆる電池材料にわたって常に３Ｖと４Ｖとの間を維持し、電池寿命のための最適状態を示していることに同じく留意されたい。

図１９Ａ〜図１９Ｃは、低温充電のための図１０で説明した、正規の充電（ＣＣ−ＣＶ Ｉ＝２．５Ｃ、Ｖ＝４．１Ｖ／セル）が後続するＰＣ充電方法（Ｉ_ｃ＝３．２Ｃ、Ｉ_ｄ＝−３．２Ｃ）を使用して得られた、電池ＳＯＣ、電流、温度および電圧の展開を示したものである。電池は、パルス電流が一定のレベルに維持され、したがって電池電圧の変化が許容されることを除き、図１８Ａ〜図１８Ｃに示されているＰＶ充電方法を使用した挙動と全く同じ挙動を立証している。

低温充電のためのＰＣ充電方法（図１０で説明した）を使用した２０ＡｈＯＭＢ電池（オーム変調電池のラベルが振られている）と基準電池（従来のＬｉ−イオン電池のラベルが振られている）の比較は図２０に示されている。電池温度が−２５℃から２５℃まで上昇する低温充電期間は、ＯＭＢ電池の場合、たったの９２ｓを要するだけである。一方、基準電池の場合、この期間には３０分が必要である。基準電池の総充電時間（５５分）は、ＯＭＢ（２６分）の総充電時間の２倍以上である。性能の差は、ＰＣ充電期間の間の２つの電池の電圧展開を見れば理解され得ると思われる。ＯＭＢの電圧変化は、開始時の６．８Ｖ充電から０．２Ｖ放電、およびＰＶ充電の終了時の６．６Ｖ充電から０．６Ｖ放電の範囲にわたって高いレベルを維持し、一方、基準電池の電圧変化は、開始時の４．１Ｖ充電から３．１Ｖ放電まで、およびＰＣ充電中のもっと後のステージにおける３．６７Ｖ充電から３．４６Ｖ放電の範囲であり、ＯＭＢの内部加熱速度は、はるかに速く、かつ、より安定しており、一方、従来のＬｉ−イオン電池の内部加熱速度は遅く、また、温度の上昇と共に急激に遅くなることを意味している。本明細書において開示されている低温充電プロトコルの利点は、ＯＭＢを使用することによって完全に実現される。

図１１で説明した再生充電システム１４００、図１２および図１５で説明した再生充電方法Ｃ−ＣＶ_ＬｏＲを使用した再生充電を立証している一例は、ここでは同じ電池、例えば２０ＡｈＯＭＢおよび基準である従来のＬｉ−イオン電池を使用して与えられている。Ｔ_ＣＧ１、Ｖ_ｍａｘ、Ｖ_ｍｉｎ、Ｉ_ｍａｘなどの関連するパラメータは、低温充電に対するパラメータと同じである。再生充電に対する所定のＳＯＣは、ＳＯＣ_ＲＧ＝６０％に設定される。再生充電に先立って試験電池が３０％ＳＯＣまで放電され、次に−２５℃に設定された熱チャンバ内で、５〜６時間にわたって均熱化される。

図１２で説明した充電方法によれば、約−２５℃の電池の温度は、所定の温度（Ｔ_ＣＧ１＝２５℃）より低いため、高抵抗端子が係合される。個々の再生充電期間の間、試験電池は、Ｉ＝３Ｃ（６０Ａ）が電流制御充電のために使用され、また、Ｖ_ＬｏＲ＝４．１ＶがＣＶ_ＬｏＲ充電のために使用されるＣ−ＣＶ_ＬｏＲプロトコルによって充電される。

パルス充電の一例として、再生充電プロセスは、１０分の継続期間における１０個の再生充電パルスによって表されている。個々のパルスは１０秒間継続し、その後に５０ｓの休止期間が続く。

試験結果は、図２１Ａから図２１Ｃに示されている。温度展開から分かるように、試験ＯＭＢの温度は、個々の再生充電期間の間に急激に高くなる。１０分が経過すると、その温度は２２．０℃に到達する。一方、基準電池の温度は、個々の充電期間の間の上昇がはるかに小さく、再生充電の終了時に依然として極めて低いレベル（−１８．４℃）に留まっていることを示している。試験ＯＭＢの大きい温度上昇は、その大きい内部抵抗によるものであり、その内部抵抗がはるかに速い内部加熱速度を生成し、個々の１０ｓの再生充電パルスの間に平均４．７℃の温度上昇をもたらしている（基準電池の場合は０．６６℃）。本明細書において開示されている再生充電プロトコルの利点は、ＯＭＢを使用することによって完全に実現される。

さらに、電池の電流および電圧展開から分かるように、試験されたＯＭＢは、充電中、常に定電流モードを維持し、一方、基準電池は、第２の再生パルスから速やかにＣＶ_ＬｏＲモードに切り換わる。電池の異なる充電モードは、それらの異なる温度挙動によるものである。試験ＯＭＢは、はるかに高い温度を維持し、それは、ＣＶ_ＬｏＲモードになることなく、電池によるより大きい充電電流の受取りを許容する。したがってＯＭＢは、回生制動の間、大量の電荷を受け取る追加利点を有している。

上記試験結果は、Ｌｉ−イオン電池に対して示されているが、高水準リチウム電池、ニッケル−金属水素化物（Ｎｉ−ＭＨ）、鉛−酸（Ｐｂ−酸）および他の電池化学に基づくオーム変調電池も同じ利点を有することが期待される。

本開示には、本発明の好ましい実施形態およびその多様性の例のみが示され、かつ、説明されている。本発明は、様々な他の組合せおよび環境に使用することができ、また、本明細書において示されている本発明の概念の範囲内で変更または修正することができることを理解されたい。したがって例えば当業者は、決まりきった実験を使用するだけで、本明細書において説明されている特定の物質、手順および構造に対する多くの等価物を認識し、または確認することができる。このような等価物は、本発明の範囲内であると見なされ、また、以下の特許請求の範囲によって包含される。

１１０ 充電式電池
１１２、１１３、２１２ 抵抗シート
１１２ａ、１１２ｂ タブ、抵抗タブ
１１３ａ、１１３ｂ タブ
１１４、２１４ アノード電極
１１４ａ アノードタブ
１１６、２１６ セパレータ
１１８、２１８ カソード電極
１１８ａ カソードタブ
１２０、１２１、２２０、６１２、１４０２ 低抵抗負端子ＬｏＲ（−）
１２２、２２２、６１３、１４０３ 高抵抗負端子ＨｉＲ（−）
１２３、１２５ 高抵抗端子ＨｉＲ（−）
１２４、２２４、６０９、６１０、６１１、１４０９ スイッチ
１２６、２２６ａ、２２６ｂ 正端子（＋）
１２８ａ、１２８ｂ、２２８ａ、２２８ｂ 外部回路
１４０ ケーシング
２１０ 電池モジュール
２１３ａ、２１３ｂ セル
６００Ａ、６００Ｂ 充電制御システム
６０１ オーム変調電池
６０２ 充電器
６０３ 負荷
６０４、１４０４ コントローラ
６０５、１４０５ 電流センサ
６０６、６０７、１４０６、１４０７ 電圧センサ
６０８、１４０８ 温度センサ
７００ 充電プロセス
１４００ 再生充電システム
１４０１ オーム変調充電式電池
１４１１ 電動機／発電機
１４１０ 電力制御ユニット
１４１２ 機械システム
１４１３ 車両コントローラ

Claims (22)

1. オーム変調充電式電池を充電するための充電制御システムであって、
   オーム変調充電式電池であって、前記電池を低抵抗レベルで動作させるための少なくとも１つの負端子および少なくとも１つの正端子と、該電池を高抵抗レベルで動作させるための、前記電池のセルの内部または前記電池のセルの間にある少なくとも１つの抵抗シートに電気的に接続された少なくとも１つの高抵抗端子とを備えた前記オーム変調充電式電池と、
   前記電池の温度を監視するように構成された温度センサと、
   前記電池の前記少なくとも１つの低抵抗端子または前記少なくとも１つの高抵抗端子のいずれかを介して前記電池を電流源に電気的に係合することができるスイッチと、
   前記温度センサおよび前記スイッチに電気的に接続されたコントローラであって、前記温度センサから入力を受け取ることができ、また、前記温度センサからの入力に基づいて、前記電池を、前記低抵抗端子または前記高抵抗端子のいずれかを介して前記電流源に電気的に係合するかどうかを決定するようにプログラムされたコントローラと
   を備えた前記充電制御システム。
2. 前記電池に電気的に接続された、前記電池を通って流れる電流を測定することができる電流センサ、および／または前記電池に電気的に接続された電圧センサ
   をさらに備え、
   前記コントローラが、前記温度センサおよび前記電流センサおよび／または電圧センサから入力を受け取ることができ、また、前記センサからの入力に基づいて、前記電池を、前記低抵抗端子または前記高抵抗端子のいずれかを介して前記電流源に電気的に係合するかどうかを決定するようにプログラムされている、請求項１に記載の充電制御システム。
3. 前記スイッチが前記高抵抗端子を前記電池の正端子に電気的に係合することができる、請求項１に記載の充電制御システム。
4. 前記電池に電気的に接続された、前記電池を充電することができる発電機をさらに備える、請求項１、２または３に記載の充電制御システム。
5. 請求項４に記載の充電制御システムを備える電動車両。
6. 充電制御システムにおいてオーム変調充電式電池を充電する方法であって、
   前記充電制御システムは、
   前記オーム変調充電式電池であって、前記電池を低抵抗レベルで動作させるための少なくとも１つの負端子および少なくとも１つの正端子と、前記電池を高抵抗レベルで動作させるための、前記電池のセルの内部または前記電池のセルの間にある少なくとも１つの抵抗シートに電気的に接続された少なくとも１つの高抵抗端子とを備えた前記オーム変調充電式電池と、
   前記電池の温度を監視するように構成された温度センサと、
   前記電池の前記少なくとも１つの低抵抗端子または前記少なくとも１つの高抵抗端子のいずれかを介して前記電池を電流源に電気的に係合することができるスイッチと、
   前記温度センサおよび前記スイッチに電気的に接続されたコントローラであって、前記温度センサから入力を受け取ることができ、また、前記温度センサからの入力に基づいて、前記電池を、前記低抵抗端子または前記高抵抗端子のいずれかを介して前記電流源に電気的に係合するかどうかを決定するようにプログラムされたコントローラと
   を備え、
   前記方法は、
   前記電池が高抵抗モードにある場合、前記電池を低温充電プロトコル（ＬＴＣＰ）の下で充電するステップと、
   前記電池が低抵抗モードにある場合、前記電池を第２のプロトコルの下で充電するステップと
   を含む、前記方法。
7. 前記ＬＴＣＰが、（ｉ）前記電池を定電圧または定充電電力（Ｐ）のいずれかで充電するステップと、（ｉｉ）引き続いて前記電池を定電流で充電するステップとを含み、前記定電圧が前記電池の低抵抗端子電圧Ｖ_ＬｏＲまたは前記電池の電圧のいずれかに決定される、請求項６に記載の方法。
8. 前記電池を前記定電流で充電するステップが、充電電流が所定の最大充電電流（Ｉ_ｍａｘ）以上になると行われる、請求項７に記載の方法。
9. 前記定電圧が前記電池の前記電圧で決定される場合、前記定電圧がセル当たり５Ｖ以上である、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記定充電電力（Ｐ）が１Ｃ充電電流と４Ｖ充電電圧の積より大きい、請求項７または８に記載の方法。
11. オーム変調充電式電池を充電する方法であって、
    前記電池が高抵抗モードにある場合、前記電池を低温充電プロトコル（ＬＴＣＰ）の下で充電するステップと、
    前記電池が低抵抗モードにある場合、前記電池を第２のプロトコルの下で充電するステップと
    を含み、
    前記ＬＴＣＰが前記電池を１Ｃ≦Ｉ≦Ｉ_ｍａｘの範囲の定電流（Ｉ）で充電するステップを含み、Ｉ_ｍａｘが所定の最大充電電流である、前記方法。
12. オーム変調充電式電池を充電する方法であって、
    前記電池が高抵抗モードにある場合、前記電池を低温充電プロトコル（ＬＴＣＰ）の下で充電するステップと、
    前記電池が低抵抗モードにある場合、前記電池を第２のプロトコルの下で充電するステップと
    を含み、
    前記ＬＴＣＰが、充電パルス電力および放電パルス電力を交互に前記電池に印加することによって前記電池を充電するステップを含み、
    前記充電パルス電力の電圧がセル当たり５Ｖと８Ｖとの間の範囲にあり、かつ、前記放電パルス電力の電圧がセル当たり０．２Ｖと１Ｖとの間の範囲にある、前記方法。
13. オーム変調充電式電池を充電する方法であって、
    前記電池が高抵抗モードにある場合、前記電池を低温充電プロトコル（ＬＴＣＰ）の下で充電するステップと、
    前記電池が低抵抗モードにある場合、前記電池を第２のプロトコルの下で充電するステップと
    を含み、
    前記ＬＴＣＰが、充電パルス電流および放電パルス電流を交互に前記電池に印加することによって前記電池を充電するステップを含み、
    前記充電パルス電流または前記放電パルス電流が２ＣからＩ_ｍａｘの範囲にあり、Ｉ_ｍａｘが所定の最大充電電流である、前記方法。
14. 前記充電パルスおよび放電パルスの周波数が０．０５Ｈｚと１０Ｈｚとの間の範囲にある、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記電池の温度が所定のレベルＴ_ＣＧ１未満である場合、前記電池を前記高抵抗モードで充電するステップ、および前記電池の前記温度がＴ_ＣＧ１以上である場合、前記電池を前記低抵抗モードで充電するステップをさらに含む、請求項６、７、８、１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
16. Ｔ_ＣＧ１が５℃と２５℃との間の値である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記電池を前記第２のプロトコルの下で充電するステップが、前記電池を定電流、定電圧プロトコルの下で充電するステップを含み、前記定電流が１Ｃまたはそれより大きく、前記定電圧がＶ_ｓｅｔであり、Ｖ_ｓｅｔが所定の電圧である、請求項６、７、８、１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記電池の温度が所定のレベルＴ_ＣＧ１以上である場合、前記電池を前記低抵抗モードで充電するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. Ｔ_ＣＧ１が５℃と２５℃との間の値である、請求項１８に記載の方法。
20. 再生エネルギーを使用してオーム変調充電式電池を充電する方法であって、
    前記電池が高抵抗モードにある場合、前記電池を再生充電プロトコル（ＲＣＰ）の下で充電するステップと、
    前記電池が低抵抗モードにある場合、前記電池を第２のプロトコルの下で充電するステップと
    を含み、
    前記電池をＲＣＰまたは前記第２のプロトコルのいずれかの下で充電するために印加される電流が運動エネルギーから変換され、
    前記ＲＣＰが、（i）前記電池に電圧制御形態または電力Ｐ制御形態で充電電流を印加することによって前記電池を充電するステップと、（ii）引き続いて前記電池を定電流で充電するステップとを含み、前記電圧制御形態が、前記電池の低抵抗端子電圧Ｖ _ＬｏＲ （ｔ）または前記電池の電圧Ｖ（ｔ）のいずれかに決定され、
    前記電力Ｐ制御形態が、前記電池の高抵抗端子から検出される電圧と前記電池を通って流れる電流の積である、前記方法。
21. 前記電池の温度が所定のレベルＴ_ＣＧ１未満である場合、前記電池を前記高抵抗モードで充電するステップ、および前記電池の前記温度がＴ_ＣＧ１以上である場合、前記電池を前記低抵抗モードで充電するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. Ｔ_ＣＧ１が５℃と２５℃との間の値である、請求項２１に記載の方法。