JP7075411B2 - アキュムレータを充電する方法、プログラム、及び、装置 - Google Patents

Description

本発明は、アキュムレータの充電に関する。特に、本発明は電気化学エネルギー貯蔵器を迅速に充電するための技術に関する。

アキュムレータは、電気エネルギーを放出することができるようにするために、電気化学プロセスにもとづいて充電されるように設定されている。その場合、例えば鉛アキュムレータまたはリチウムイオンアキュムレータなどの異なった技術を使用することができる。充電するために、通常、ＣＣ／ＣＶ方式（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ／Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：一定電流／一定電圧）が使用される。充電中、アキュムレータの端子の電圧が監視される。第１段階において、端子電圧が所定値に達するまで一定電流で充電される。続いて第２段階において、充電電流が所定閾値より低くなるまで一定の電圧で充電される。

特許文献１は、アキュムレータの充電電流を変調すること、およびアキュムレータの応答からその内部抵抗を決定することを提案する。しかしアキュムレータの内部抵抗は変調周波数に依存し得る。そのため充電を完全に行うことができないか、または可能な最大速度で行うことができない。

独国特許出願公開第１０２０１１１０７９１３号明細書

本発明を基礎付ける課題は、アキュムレータを充電するための改善された技術を提供することである。

本発明は、上記課題を独立請求項の主題によって解決する。従属請求項は、好ましい実施形態を示す。

端子電圧がかかっている端子を備えるアキュムレータを充電する方法は、（ａ）端子電圧が所定の第１値に達するまで、アキュムレータを所定電流または所定電力で充電するステップと、（ｂ）充電電流が変化した場合に、アキュムレータの端子電圧の時間に依存した降下を決定するステップと、（ｃ）電圧損失にもとづいて第２値を決定するステップであって、第２値が第１値より大きい、ステップと、（ｄ）アキュムレータの端子電圧が第２値に達するまで、アキュムレータを所定電流または所定電力で充電するステップと、を包含する。

アキュムレータが、例えば、単に製造業者により指示および推奨された充電終止電圧まで充電され、続いて充電電流から切り離された場合、アキュムレータの端子電圧は、アキュムレータ内の電気化学プロセスにもとづいてある程度低下する。記載される方法によって、この低下の程度が決定され、かつ電気化学的効果が補償されるように可能な限り充電が続行される。充電過程の完了後、アキュムレータを完全に充電された状態にすることができ、かつＣＣ／ＣＶ方式による充電よりも充電過程を約３５～４５％短くすることができる。特定の状況下では時間の節約をさらに大きくすることができる。その際、アキュムレータをいたわりながら（ｓｃｈｏｎｅｎｄ）充電することができ、それにより充電過程を繰り返してもアキュムレータの全容量が減少しないか、またはわずかしか減少しない。ステップ（ａ）における充電は公知の仕方で行うことができ、それにより信頼でき、かつ安全と認められた技術を用いることができる。ステップ（ｂ）における時間に依存した降下の決定は非常に迅速に行うことができる。一実施形態では、このために約１００ｍｓ～約１．５ｓの範囲の時間しか要しない。時間に依存した降下を個々に決定することによって、アキュムレータの電気化学プロセスへの個々の影響を考慮することができる。例えば、アキュムレータの劣化または内部抵抗の変化を考慮することができる。ステップ（ｄ）におけるアキュムレータの引き続きの充電は、最大容量に達するまでアキュムレータの迅速な充電を確保することができる。ステップ（ｃ）における第２値の決定について、いくつかの提案を後述する。

方法は、基本的に、あらゆる種類のアキュムレータに、すなわちあらゆる電気化学的エネルギー貯蔵器に用いることができる。特に、方法は、リチウムイオンアキュムレータまたはニッケル水素アキュムレータとともに有利に実行することができる。アキュムレータは１つまたは複数のセルを有していてもよい。

別の好ましい実施形態では、第１値は、アキュムレータの製造業者によって推奨されるＣＣ／ＣＶ充電方式の充電終止電圧に相当する。それによりアキュムレータを比較的いたわりながら、かつ急速に充電することができる。

端子電圧の時間に依存した降下が、アキュムレータの温度に依存する時間に対して決定されることが好ましい。アキュムレータの温度が上昇するにつれて電気化学プロセスが加速して進行し得る。それゆえアキュムレータの冷態時よりもアキュムレータの熱態時のほうが、端子電圧の時間に依存した降下が大きくなり得る。したがって、端子電圧の降下が観察される時間を、アキュムレータがより熱いか、またはより冷たいかによって、より短く、またはより長く選択することができる。

（ステップｂにおける）時間に依存した降下の決定中の充電電流を、第１値に達する前に流れる充電電流の所定のごく一部まで変化させることが特に好ましい。例えば、ステップｂにおける充電電流は、ステップ（ａ）におけるものより約１０％、約２０％、または約５０％小さくてもよい。さらに別の実施形態では、決定中の充電電流をゼロまで下げてもよい。さらに別の実施形態では充電電流を上げてもよい。

好ましい一実施形態では、第２値は、時間に依存した降下から２次の多項式によって決定される。多項式の定数は、例えば経験的に決定されてもよい。同様に、多項式のより高い次数、特に３次も可能である。

方法の別の変形形態では、第２値がアキュムレータの温度に依存して決定される。無負荷運転（Ｌｅｅｒｌａｕｆ）ではアキュムレータの温度が上昇するにつれて、通常、端子電圧も上昇する。アキュムレータ温度を考慮することによって、この効果を考慮することができ、それによりアキュムレータを、その温度に依存することなしに完全に充電することができる。

さらに別の実施形態では、他の物理パラメータ、例えば端子電圧の時間に依存した電圧降下、セルの内圧、アキュムレータの一方または両方の電極の幾何学的膨張（ｇｅｏｍｅｔｒｉｓｃｈｅ Ａｕｓｄｅｈｎｕｎｇ）、アキュムレータのカソードの電位またはアキュムレータのアノードの電位などが考慮されてもよい。

一般に、ステップ（ｄ）において流れる充電電流は、ステップ（ａ）において流れる充電電流よりも小さいことが好ましい。その他に、ステップ（ｄ）において流れる充電電流は、アキュムレータの温度に依存して決定されてもよい。

ステップ（ｄ）における充電は、端子電圧の上昇が所定閾値を超えた場合に終了されることが好ましい。それによって、アキュムレータが破裂または炎上するかもしれないアキュムレータの過充電を阻止することができる。それにより充電方法の安全性をさらに高めることができる。

さらに別の実施形態では、アキュムレータの温度の上昇が所定閾値を超えた場合にステップ（ｄ）における充電が終了される。この措置も充電に対するアキュムレータの保護のために役立ち得る。

さらに別の実施形態では、続いて、アキュムレータの充電を終了するステップ、端子電圧が所定値を下回ることを決定するステップ、およびアキュムレータを所定充電電圧で充電するステップ、が実施される。所定充電電圧は、特に所定値に相当し得る。所定値は、特に、アキュムレータの製造業者により推奨される充電終止電圧を含んでもよい。付加的に実行されるステップによって、例えば安全マージン用、測定の不確実性または使用される数学モデルの不正確さの補償のために使用されたアキュムレータの利用されない容量を利用することができる。それによってアキュムレータに貯蔵されるエネルギーをさらに増やすことができる。

コンピュータプログラム製品は、コンピュータプログラム製品が処理装置で実行されるか、またはコンピュータ可読データキャリアに記憶される場合に、上記の方法を実施するためのプログラムコード手段を備える。

端子電圧がかかっている端子を備えるアキュムレータを充電する装置は、端子に所定電圧または所定電力を提供するように設定されている制御可能な電源と、端子電圧を決定するためのサンプリング装置と、制御装置と、を備える。その際、制御装置は、端子電圧が所定の第１値に達するまでアキュムレータの充電を電源によって制御するように、充電電流が変化した場合に、アキュムレータの端子電圧の時間に依存した降下を決定するように、第２値が第１値より大きいという条件で、電圧損失にもとづいて第２値を決定するように、アキュムレータの端子電圧が第２値に達するまで、アキュムレータの充電を電源によって制御するように、設定されている。

装置は、特に、充電装置として形成されていてもよい。制御装置は、特にプログラム可能マイクロコンピュータまたはマイクロコントローラとして形成されていてもよい処理装置を備えてもよい。処理装置は、上記の方法を全部または部分的に実施するように設定されていることが好ましい。したがって、方法の特徴および利点を装置にも適用することができるとともに、その逆のことも可能である。

さらに別の実施形態では、装置は、アキュムレータの温度を決定するための別のサンプリング装置をさらに備えている。方法に関して上記したアキュムレータの温度を使用するという変形形態を、制御装置、または制御装置の処理装置によって実行することができる。

アキュムレータ用の充電装置の模式的回路図である。 アキュムレータを充電する方法のフローチャートである。 アキュムレータの例示的充電プロファイルを示す図である。 アキュムレータの電圧プロファイルを示す図である。

添付の図をもとに本発明を詳しく説明する。

図１は、アキュムレータ１０５用の充電装置１００の模式的回路図を示す。アキュムレータ１０５は、同じ電気化学的原理で動作する１つまたは複数のセルを有し得る。アキュムレータ１０５は、少なくとも２つの端子１１０を備え、２つの端子間にはアキュムレータ１０５の端子電圧がかかっている。アキュムレータ１０５と、充電装置１００または電力消費機器（図示せず）との間のエネルギーは、実質的に端子１１０を通る電流によってもたらされる。２つの端子１１０間には端子電圧がかかっている。

充電装置１００は制御可能な電源１１５を備え、電源は、端子１１０に、または端子１１０を通って一定の電圧または一定の電流をもたらすように設定されている。電源１１５は、一方のみの、または両方の、あるいは１つの、またはもう１つのパラメータを制御するように設定されていてもよい。さらに、充電装置１００は、端子１１０における端子電圧を、または端子電圧の時間に依存した降下を決定するように設定されているサンプリング装置１２０を備えている。その他に、処理装置１３０を備えていてもよい制御装置１２５が設けられている。制御装置１２５は、電源１１５によって提供される電流、または電源１１５によって提供される電力を端子電圧、および場合によってはさらなるパラメータに依存して制御するように設定されている。これに加えて、制御は、特にアキュムレータ１０５の温度に依存して制御されてもよい。このために、温度センサの形態の別のサンプリング装置１３５が設けられていてもよく、サンプリング装置１３５は、アキュムレータ１０５の、またはアキュムレータのセルの近くに取り付けられていることが好ましい。一実施形態では、サンプリング装置１３５はアキュムレータ１０５と一体化して形成されている。その場合、サンプリング装置１３５と制御装置１２５との間にさらに別のインターフェースが設けられていてもよい。

図２は、アキュムレータ１０５を充電する方法のフローチャートを示す。方法２００は、特に制御装置１２５または制御装置の処理装置１３０によって実施されてもよい。このために、方法２００は、特に、コンピュータプログラム製品の形態であってもよい。方法２００の個々のステップを異なった変形形態で実施することができ、それにより多数の組み合わせの可能性が生じ得る。以下に、個々の変形形態を個々のステップに関して詳しく説明する。当業者は自身の要求を満たす方法２００を作成するために、個々の変形形態または選択肢を互いに適切に組み合わせることができる。

ステップ２０５において、アキュムレータ１０５が電気的に充電される。これに代えて、このために所定の一定電流または所定の一定電力がアキュムレータ１０５によって制御されてもよい。充電電流または充電電力は、特に、アキュムレータ１０５の製造業者の指定に従ってもよい。このような推奨は、事実上すべての公知のアキュムレータ１０５になされる。充電は、端子電圧が所定の第１値に達するまで実行することができる。この第１値は、アキュムレータの製造業者によって、例えば充電終止電圧として、例えば４．２Ｖに指定されていてもよい。この推奨値を変更した、特に下げた、例えば約４．１Ｖの充電終止電圧が使用されてもよい。端子電圧が変更された充電終止電圧に達すると、これに続いて、端子電圧が所定の第１値に達するまで、アキュムレータ１０５を引き続き所定電流で充電することができる。充電電流は、再びアキュムレータ１０５の製造業者の推奨に従うことができる。

ステップ２１０において、端子１１０を通ってもたらされる充電電流が変更される。例えば、電流を、例えば約４０～６０％、さらに好ましくは約５０％低減してもよいが、別の実施形態では、電流を、例えば約５～２０％、さらに好ましくは約１０％増加してもよい。さらに別の実施形態では、電流が１００％低減されてもよく、したがってゼロまで下げてもよい。

第２ステップ２１０の初めの端子電圧は既知である。例えば数十から数百ｍｓの範囲であってもよい、例えば約１５０ｍｓの所定のポーズの後に、アキュムレータ１０５の端子電圧が新たにサンプリングされてもよい。充電電流の変更と端子電圧の新たなサンプリングとの間の時間がアキュムレータ１０５の温度に依存して決定されてもよい。温度は、サンプリング装置１３５によって決定されることが好ましい。待ち時間は、ここではｔ_１で示される。待ち時間後の端子電圧はＵ（ｔ_１）で示される。

第４ステップ２２０において、２つの電圧にもとづいて電圧降下が算出される：

電圧降下は、通常、アキュムレータ１０５のオーム内部抵抗と相関関係にある補助量（Ｈｉｌｆｓｇｒｏｅｓｓｅ）である。

第５ステップ２２５において、第２値Ｕ_０が決定され、以後、アキュムレータ１０５はこの第２値まで充電されることになる。決定は、式１の電圧降下にもとづいて行われ、例えば下記のように多項式で決定することができる：

この場合に使用される定数は、例えばアキュムレータ１０５またはアキュムレータ１０５の型式に関連付けて経験的に決定されてもよい。上記の式は、例示的な丸めた定数を使用する。決定された第２値は妥当性検査されてもよく、特に所定の最大値に制限されてもよい。

さらに別の一実施形態では、第２値Ｕ_０は、アキュムレータ１０５の温度を考慮して、例示的な次式のように決定されてもよい：

さらに別の実施形態では、より高次の、例えば３次または４次の多項式が選択されてもよい。その他に、第２値Ｕ_０は、式１の電圧降下にもとづいて別の仕方で決定されてもよい。このために数学モデルが使用されてもよく、数学モデルに異なった物理パラメータ、例えば上記の電圧降下、アキュムレータ１０５の温度、アキュムレータ１０５の内圧、アキュムレータ１０５の一方または両方の電極の幾何学的膨張、アキュムレータ１０５のカソードの電位またはアノードの電位を代入することができる。

第６ステップ２３０において、アキュムレータ１０５は、その端子電圧がステップ２２５において決定される第２値に相当するまで引き続き充電される。このために、ステップ１において上述されたのと同じ電流またはそれより小さい電流がアキュムレータ１０５によってもたらされてもよい。別の変形形態において、アキュムレータ１０５の温度が検出され、温度に依存して充電電流が決定される。例えば以下の充電電流が使用されてもよい：

ここで：
Ｉ_ｍａｘは、特にアキュムレータ１０５の製造業者の推奨による所定の充電電流
Ｕ_０は、ステップ２２５において決定された第２値（第２充電終止電圧）
Ｔｚは、アキュムレータ１０５の温度
ｋ１は、補正係数１、例えばＩ_ｍａｘ ^＊０．０１^＊１／℃
ｋ２は、補正係数２、例えばＩ_ｍａｘ ^＊０．０５^＊１／０．０１Ｖ
式４において記載された別の定数は、上述の例のおおよその値を表す。これらの定数は、特に経験的に決定することができる。

第６ステップ２３０においてアキュムレータ１０５を引き続き充電する間、端子電圧が継続的に監視されてもよい。特に端子電圧が時間に対して上昇する速さを決定してもよい。この速度が所定閾値を超えると、ステップ２３０において充電を終了することができる。

さらに別の実施形態では、アキュムレータ１０５の温度が監視されてもよい。アキュムレータ１０５の温度は、通常、充電過程によって上昇する。アキュムレータ１０５の温度上昇の速度が所定閾値を超えると、ステップ２３０において充電を同様に終了することができる。

第７ステップ２３５において、アキュムレータ１０５を流れる電流が遮断されてもよい。その他に、充電過程の終わりが、例えばユーザまたは他の制御装置に信号で伝えられてもよい。信号は、論理的、音響的、視覚的、または触覚的性格のものであり得る。

オプションで、第８ステップ２４０において、充電電流の遮断後にアキュムレータ１０５の端子電圧が監視される。端子電圧が、特にアキュムレータ１０５の充電終止電圧に相当し得る所定値よりも下がると、第９ステップ２４５において、アキュムレータを一定の電圧で引き続き充電することができる。一定の電圧は、特に、ステップ２４０において使用された充電終止電圧に相当してもよい。このことは、例えば安全マージン、測定の不確実性、または使用される数学モデルの不正確さにもとづいて、他の場合は利用可能でないアキュムレータ１０５の容量を利用できるというという利点を有する。

第１０ステップ２５０において、所定の充電期間に達するか、またはアキュムレータ１０５を流れる充電電流が所定値に達した場合に充電電流を遮断することができる。

アキュムレータ１０５が１つより多い数のセルを備える場合、第３ステップ２１５において、個々のセルごとに動作状態を測定することができる。第２ステップ２１０において、アキュムレータ１０５全体の電流が遮断される。第５ステップ２２５において、第２値が好ましくは、個々のセルごとに計算される。第７ステップ２３５において、第１セルが個別の遮断基準に達すると直ちに充電を終了することができる。

図３は、図２による方法２００を用いた充電過程中のアキュムレータ１０５の例示的充電プロファイルを示す。図示されたプロファイルおよび数値は例示的とみなされるべきである。水平方向に時間（単位：分）が示される。垂直方向に充電電流および端子電圧がプロットされている。第１プロファイル３０５は充電電流に該当し、第２プロファイル３１０は端子電圧に該当する。

時点ｔ_０を出発点として、アキュムレータ１０５が一定の充電電流で充電される。その際、少なくとも所定の領域において端子電圧が実質的に直線的に上昇する。時点ｔ_１で、端子電圧が所定の第１値に達する。充電電流は、一時的に遮断されるか、または別の変更がされ、端子電圧の変更は充電電流の変化に応答して決定される。この過程は上記の方法２００のステップ２１０～２２５に相当する。

続いて、時点ｔ_２で、端子電圧が予め決定された第２値に達するまでアキュムレータ１０５が引き続き充電される（ステップ２３０を参照）。

充電電流が遮断された場合、アキュムレータ１０５の容量の最大限の利用を示す所定値まで端子電圧が低下することが理想的である。

図４は、アキュムレータ１０５の例示的電圧プロファイルを示す。垂直方向に端子電圧がプロットされ、水平方向に時間がプロットされている。上述の過程は、図３において、時点ｔ_２の直前からグラフの端までの領域に示されている。

図示された端子電圧のプロファイル３１０は、典型的なアキュムレータ１０５の挙動の印象を与える。端子電圧の低下は、オームの電圧降下ΔＵ_Ｒｉと化学的電圧降下ΔＵ_ｃｈｅｍとから構成される。

１００ 充電装置
１０５ アキュムレータ
１１０ 端子
１１５ 電源
１２０ サンプリング装置
１２５ 制御装置
１３０ 処理装置
１３５ サンプリング装置
２００ 方法
２０５、２１０、２１５、２２０、２２５、２３０、２３５、２４０、２４５、２５０ ステップ

Claims (14)

1. 端子電圧がかかっている端子を備えるアキュムレータ（１０５）を充電する方法（２００）であって、
   ａ．前記端子電圧が所定の第１値に達するまで前記アキュムレータ（１０５）を所定電流または所定電力で充電するステップ（２０５）と、
   ｂ．充電電流が変化した場合に、前記アキュムレータ（１０５）の前記端子電圧の時間に依存した降下を決定するステップ（２１０～２２０）と、
   ｃ．電圧損失にもとづいて前記端子電圧の第２値を決定するステップ（２２５）であって、前記端子電圧の前記時間に依存した降下を超える分だけ前記第２値が前記第１値より大きい、ステップと、
   ｄ．前記アキュムレータ（１０５）の端子電圧が前記第２値に達するまで、前記アキュムレータ（１０５）を所定電流または所定電力で充電するステップ（２３０）と、
   を包含する方法（２００）。
2. 前記第１値は、前記アキュムレータ（１０５）の製造業者によって推奨されるＣＣ／ＣＶ充電方式（２００）の充電終止電圧に相当する、
   請求項１に記載の方法（２００）。
3. 時間に対する前記端子電圧の前記時間に依存した降下が決定され（２１０～２２０）、前記端子電圧は前記アキュムレータ（１０５）の温度に依存する、
   請求項１または２に記載の方法（２００）。
4. 前記時間に依存した降下の決定（２１０～２２０）中に、前記充電電流は、前記第１値に達する前に流れる充電電流の所定のごく一部まで低減される、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の方法（２００）。
5. 前記第２値は、前記時間に依存した降下から２次の多項式によって決定される（２２５）、
   請求項１～４のいずれか１項に記載の方法（２００）。
6. 前記第２値は、前記アキュムレータ（１０５）の温度に依存して決定される、
   請求項１～５のいずれか１項に記載の方法（２００）。
7. 前記ステップｄ．（２３０）において流れる充電電流は、前記ステップａ．（２０５）において流れる充電電流より小さい、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の方法（２００）。
8. 前記ステップｄ．（２３０）において流れる充電電流は、前記アキュムレータ（１０５）の温度に依存して決定（２１０～２２０）される、
   請求項１～７のいずれか１項に記載の方法（２００）。
9. 前記端子電圧の上昇が所定閾値を超えると、前記ステップｄ．（２３０）における充電が終了される、
   請求項１～８のいずれか１項に記載の方法（２００）。
10. 前記アキュムレータ（１０５）の温度の上昇が所定閾値を超えると、前記ステップｄ．（２３０）における充電が終了される、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の方法（２００）。
11. 前記アキュムレータ（１０５）の充電を終了するステップ（２３５）と
    前記端子電圧が所定値を下回ることを決定するステップ（２４０）と、
    前記アキュムレータ（１０５）を前記所定値の充電電圧で充電するステップ（２４５）と、
    をさらに包含する請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法（２００）。
12. プログラムであって、
    コンピュータに請求項１～１１のいずれか１項に記載の方法（２００）を実行させるための、
    プログラム。
13. 端子電圧がかかっている端子（１１０）を備えるアキュムレータ（１０５）を充電する装置（１００）であって、
    前記端子（１１０）に所定電圧または所定電力を提供するように設定されている制御可能な電源（１１５）と、
    前記端子電圧を決定するためのサンプリング装置（１２０）と、
    制御装置（１２５）であって、前記端子電圧が所定の第１値に達するまで前記アキュムレータ（１０５）の充電を前記電源によって制御し、充電電流が変化した場合に、前記アキュムレータ（１０５）の端子電圧の時間に依存した降下を決定し、前記端子電圧の前記時間に依存した降下を超える分だけ第２値が第１値より大きいという条件で、電圧損失にもとづいて前記端子電圧の前記第２値を決定し、前記アキュムレータ（１０５）の端子電圧が前記第２値に達するまで、前記アキュムレータ（１０５）の充電を前記電源によって制御するように設定されている制御装置と、
    を備える装置。
14. 前記アキュムレータ（１０５）の温度を決定するためのさらに別のサンプリング装置（１３５）をさらに備える、
    請求項１３に記載の装置。
    

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