(57)【要約】  本開示の実施形態は、高率電池放電中に電池放電持続時間を推定するためのシステムおよび方法を提供する。全般的に言えば、本開示の実施形態は、分よりもむしろ秒単位で計数され、かつ化学容量が実際に使い果たされる前に熱限界に達する結果として放電時間を変えうる周囲温度に対して連続的に補償される、短期間大電流放電事象に対する電池稼働時間の予測に向けられる。
2019508682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池に対する放電持続時間を求めるための方法であって、
電池管理システム（ＢＭＳ）によって、放電の開始時に電池に蓄積されている充電の定量に、および前記電池から放電されている実際の電流量に基づいて前記電池に対する電流ベースの放電終止までの時間を計算することと、
前記ＢＭＳによって、前記電池が放電されている間の前記電池の温度の実際の測定に基づいて前記電池に対する温度ベースの放電終止までの時間を計算することと、
前記ＢＭＳによって、前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することと、
前記ＢＭＳによって、前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて前記電池に対する前記放電持続時間を求めることと、
前記ＢＭＳによって、前記求められた放電持続時間を提供することとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間が秒数から成ることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間が秒数から成ることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間が、前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度の実時間測定および前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度の変化率にさらに基づくことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて前記電池に対する前記放電持続時間を求めることが、
前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間が前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きいことに応じて、前記放電持続時間に対する値を前記電池に対する前記温度ベースの放電終止までの時間の前記秒数に設定することと、
前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間が前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きくないことに応じて、前記放電持続時間に対する値を前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間の前記秒数に設定することとを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記ＢＭＳによって、前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度に少なくとも部分的に基づいて前記電池に対する劣化状態（ＳＯＨ）を求めることをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記ＢＭＳによって、前記電池に対する前記ＳＯＨを求めることが、前記電池に対する温度上昇値の一組の初期変化を記憶することをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記ＢＭＳによって、前記電池に対する前記ＳＯＨを求めることが、
前記電池が放電されている間の前記電池に対する温度上昇の実際の変化を求めることと、
温度上昇値の前記記憶された一組の初期変化の前記記憶された少なくとも１つと温度上昇の前記実際の変化との間の比率を求めることと、
前記電池が放電されている間の前記電池に対する最高および予想温度を求めることと、
温度上昇値の前記記憶された一組の初期変化の前記少なくとも１つと温度上昇の前記実際の変化との間の前記比率ならびに前記電池が放電されている間の前記電池に対する前記最高および予想温度に基づいて、放電中に許可される最短予測時間を求めることと、
実際の放電時間が前記最短予測時間より少ないことに応じて、前記電池を有効寿命末期（ＥＯＳＬ）であるとして同定することとをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
プロセッサと、
メモリであって、前記プロセッサと結合されて前記プロセッサによって読み取り可能であり、かつ前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、
電池から放電されている実際の電流量に基づいて前記電池に対する電流ベースの放電終止までの時間を計算し、
前記電池が放電されている間の前記電池の実際の温度に基づいて前記電池に対する温度ベースの放電終止までの時間を計算し、
前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較し、
前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて前記電池に対する放電持続時間を求め、そして
前記求められた放電持続時間を提供する、
ことによって前記電池に対する前記放電持続時間を求めさせる一組の命令を記憶したメモリと、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間および前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間が各々秒数から成ることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間が、前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度の実時間測定および前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度の変化率にさらに基づくことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて前記電池に対する前記放電持続時間を求めることが、
前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間が前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きいことに応じて、前記放電持続時間に対する値を前記電池に対する前記温度ベースの放電終止までの時間の前記秒数に設定することと、
前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間が前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きくないことに応じて、前記放電持続時間に対する値を前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間の前記秒数に設定することとを含むことを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項９に記載のシステムであって、前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度に少なくとも部分的に基づいて前記電池に対する劣化状態（ＳＯＨ）を求めることをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムであって、前記電池に対する前記ＳＯＨを求めることが、前記電池に対する温度上昇値の一組の初期変化を記憶することをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムであって、前記電池に対する前記ＳＯＨを求めることが、
前記電池が放電されている間の前記電池に対する温度上昇の実際の変化を求めることと、
温度上昇値の前記記憶された一組の初期変化の前記記憶された少なくとも１つと温度上昇の前記実際の変化との間の比率を求めることと、
前記電池が放電されている間の前記電池に対する最高および予想温度を求めることと、
温度上昇値の前記記憶された一組の初期変化の前記記憶された少なくとも１つと温度上昇の前記実際の変化との間の前記比率ならびに前記電池が放電されている間の前記電池に対する前記最高および予想温度に基づいて、放電中に許可される最短予測時間を求めることと、
実際の放電時間が前記最短予測時間より少ないことに応じて、前記電池を有効寿命末期（ＥＯＳＬ）であるとして同定することとをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
非一時的コンピュータ可読媒体であって、プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、
電池から放電されている実際の電流量に基づいて前記電池に対する電流ベースの放電終止までの時間を計算し、
前記電池が放電されている間の前記電池の実際の温度に基づいて前記電池に対する温度ベースの放電終止までの時間を計算し、
前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較し、
前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて前記電池に対する放電持続時間を求め、そして
前記求められた放電持続時間を提供する、
ことによって前記電池に対する前記放電持続時間を求めさせる一組の命令が記憶されたことを特徴とする非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
請求項９に記載の非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間および前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間が各々秒数から成り、かつ前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間が、前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度の実時間測定および前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度の変化率にさらに基づくことを特徴とする非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
請求項１７に記載の非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記電池に対する前記計算された電流ベースの放電終止までの時間を前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて前記電池に対する前記放電持続時間を求めることが、
前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間が前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きいことに応じて、前記放電持続時間に対する値を前記電池に対する前記温度ベースの放電終止までの時間の前記秒数に設定することと、
前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間が前記電池に対する前記計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きくないことに応じて、前記放電持続時間に対する値を前記電池に対する前記電流ベースの放電終止までの時間の前記秒数に設定することとを含むことを特徴とする非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
請求項９に記載の非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記電池が放電されている間の前記電池の前記実際の温度に少なくとも部分的に基づいて前記電池に対する劣化状態（ＳＯＨ）を求めることをさらに含むことを特徴とする非一時的コンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
請求項１４に記載の非一時的コンピュータ可読媒体であって、前記電池に対する前記ＳＯＨを求めることが、
前記電池に対する温度上昇値の一組の初期変化を記憶することと、
前記電池が放電されている間の前記電池に対する温度上昇の実際の変化を求めることと、
温度上昇値の前記記憶された一組の初期変化の前記記憶された少なくとも１つと温度上昇の前記実際の変化との間の比率を求めることと、
前記電池が放電されている間の前記電池に対する最高および予想温度を求めることと、
温度上昇値の前記記憶された一組の初期変化の前記記憶された少なくとも１つと温度上昇の前記実際の変化との間の前記比率ならびに前記電池が放電されている間の前記電池に対する前記最高および予想温度に基づいて、放電中に許可される最短予測時間を求めることと、
実際の放電時間が前記最短予測時間より少ないことに応じて、前記電池を有効寿命末期（ＥＯＳＬ）であるとして同定することとをさらに含むことを特徴とする非一時的コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、概して電池放電時間を推定するための方法およびシステムに関し、より詳細には高率電池放電中に電池放電持続時間を推定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１月１３日に出願され、かつ「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｕｒａｔｉｏｎ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｈｉｇｈ−Ｒａｔｅ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ」という名称の米国仮出願第６２／２７８，２９２号の利益および同号に対する米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権を主張するものであり、同号の開示全体を、それが教示する全てについて、かつ全ての目的で完全な状態で本出願に引用して援用する。
【０００３】
リチウム電池などの電池は多くの消費者用電子装置に電力を供給する。入手可能な電池間の重要な市場差別化計量法は一般に、電池が特定用途シナリオでどれくらい長持ちすることができるかに関連している。大抵の消費者用電子機器は低から中の消費電流で動作しており、結果として時間単位で測定されることができる電池放電持続時間になる。そのような用途では、放電率は典型的に総電池容量の何分の一か、例えば、Ｃを電池容量としてＣ／２とＣ／１０との間である。消費者も、自分が期待することができる放電持続時間の連続的かつ正確な予測を要求する。したがって、一連のアナログ測定およびコンピュータ論理チップから構成される電池管理システム（ＢＭＳ）が、電池状態を監視し、いつ充電を開始および終了すべきか、いつユーザに警告を発すべきか、などといった電池動作についての決定をし、そして電池容量、充電状態、ならびに充電および放電に対する予想持続時間の連続推定を行う。大抵のＢＭＳシステムによって使用されるスマート電池システム（ＳＢＳ）仕様は、放電持続時間計算が分換算でなされて提示されることを必要とする。低から中の放電率用途に関しては、そのような分単位の放電持続時間の推定は正確になされることができ、かつ有用であるのに十分な粒度である。
【０００４】
しかしながら、高出力電池パックが超高率で放電される用途が出現している。これらの用途は最も一般的に、電気機器を短期間動作させるために使用される再充電リチウム電池を含む。そのような用途の一例は、電力故障の場合にコンピュータシステムを維持するために使用される電池バックアップ電源である。そのような用途では、放電率は、有意な係数、例えば、Ｃを電池容量として１０Ｃだけ電池容量を超えることができる。そのような放電率では、これらの用途は潜在的に、３〜５分程度の短期間で電池を放電することができることになる。そのような急速放電は極端な量の熱を生じさせる。場合によっては、その熱は、電池を溶かし、そして破局故障、例えば、火災および／または爆発を引き起こすのに十分でありうる。したがって、大抵のＢＭＳは、電池温度を監視し、そして電池が一定温度に発熱すると放電を停止または中断する熱安全機能を含む。これらの熱安全機能が電池の安全性および信頼性を大いに改善するのに対して、電池の利用可能な蓄積エネルギーが完全に消耗される前に熱限界が達せられることがあるので、それらの熱安全機能は、ＢＭＳによって計算される放電持続時間推定値を不正確であるようにしうる。さらには、電池がわずか数分で放電されるとき、分単位で計算される放電持続時間推定値は有用な情報を提供しない。それゆえ、高率電池放電中に電池放電持続時間を推定するための改善された方法およびシステムの必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の実施形態は、高率電池放電中に化学と熱の両容量を考慮した電池放電持続時間を推定するためのシステムおよび方法を提供する。全般的に言えば、本開示の実施形態は、分よりもむしろ秒単位で計数され、かつ化学容量が実際に使い果たされる前に熱限界に達する結果として放電時間を変えうるセル自己発熱に起因する周囲温度とセル内部温度の両上昇を含む温度の変化に対して連続的に補償される、短期間大電流放電事象に対する電池稼働時間の予測に向けられる。
【０００６】
一実施形態によれば、電池に対する放電持続時間を求めることが、電池から放電されている実際の電流量に基づいて電池に対する電流ベースの放電終止までの時間を計算することを含むことができる。電池に対する計算された電流ベースの放電終止までの時間は秒数から成ることができる。電池が放電されている間の電池の実際の瞬間温度に基づいて電池に対する温度ベースの放電終止までの時間も計算されることができる。電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間も秒数から成ることができる。電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間はさらに、電池が放電されている間の電池の実際の温度の実時間測定および電池が放電されている間の電池の実際の温度の変化率に基づくことができる。
【０００７】
電池に対する計算された電流ベースの放電終止までの時間は電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較されることができ、そして電池に対する放電持続時間は、電池に対する計算された電流ベースの放電終止までの時間を電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて求められることができる。より詳細には、電池に対する計算された電流ベースの放電終止までの時間を電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて電池に対する放電持続時間を求めることは、電池に対する電流ベースの放電終止までの時間が電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きいと判定することに応じて、放電持続時間に対する値を電池に対する温度ベースの放電終止までの時間の秒数に設定することを含むことができる。電池に対する電流ベースの放電終止までの時間が電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きくないと判定することに応じて、放電持続時間に対する値は、電池に対する電流ベースの放電終止までの時間の秒数に設定されることができる。求められた放電持続時間は、例えば、燃料計または他の残充電の表示として提供されることができる。
【０００８】
一実施形態によれば、電池に対するＳＯＨを求めることが、少なくとも部分的に、電池が放電されている間の電池の実際の温度に基づくことができ、そして電池に対する温度上昇値の一組の初期変化を記憶することを含むことができる。電池が放電されている間に電池に対する温度上昇の実際の変化が求められることができる。温度上昇値の記憶された一組の初期変化の少なくとも１つと温度上昇の実際の変化との間の比率が求められることができる。電池が放電されている間の電池に対する最高および予想温度も求められることができる。温度上昇値の記憶された一組の初期変化の少なくとも１つと温度上昇の実際の変化との間の比率ならびに電池が放電されている間の電池に対する最高および予想温度に基づいて、放電中に許可される最短予測時間が求められることができる。実際の放電時間が最短予測時間より少ないことに応じて、電池は有効寿命末期（ＥＯＳＬ）であるとして同定されることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る電池監視および放電持続時間計算を実装する電池管理システム（ＢＭＳ）を含むシステムを例示するブロック図である。
【図２】一実施形態に係る放電率の関数としての電池セル温度上昇の比較を例示するグラフである。
【図３】一実施形態に係る温度上昇対電流曲線を例示するグラフである。
【図４】一実施形態に係る電流ベースおよび時間ベースの放電持続時間計算の比較を例示するグラフである。
【図５】一実施形態に係る電池監視および放電持続時間計算のための例証的な工程を例示するフローチャートである。
【図６】一実施形態に係る電池に対するＳＯＨを予測するための例証的な工程を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の記載では、本明細書に開示される様々な実施形態の十分な理解を提供するために、説明の目的で、多数の具体的な詳細が明らかにされる。しかしながら、本開示の様々な実施形態がこれらの具体的な詳細のいくつかなしで実施されてもよいことが当業者にとって明らかであろう。以降の記載は例証的な実施形態のみを提供しており、本開示の範囲または適用性を限定するものとは意図されない。さらには、本開示を不必要に不明瞭にすることを回避するために、前記載はいくつかの既知構造および装置を省略している。この省略は請求項の範囲の限定とは解釈されないものとする。むしろ、例証的な実施形態の以降の記載は、例証的な実施形態を実装するための実施を可能する記載を当業者に提供するであろう。しかしながら、本開示が本明細書に明らかにされた具体的な詳細以外に種々の方法で実施されてもよいことが認識されるべきである。
【００１１】
本明細書に例示される態様、実施形態および／または構成が高出力電池システムを説明することが認識されるべきである。システムの様々な構成要素は、電源、電力変換機器、モータ駆動部、高出力機械式アクチュエータ、高出力電池システムおよびその組合せを含むことができる。いくつかの実施形態において、高出力電池は、高出力電池または電池システムが電源または電源を包含するシステムと電気的に接続するように、およびしないように切り替えられる能力を有するときに、電源または電力変換システムの故障の場合に電力を送り出すことができる。この記載の実施形態のこれらの高出力電池は、電力バックアップ、車両、輸送機関、動力工具、医療機器および測定機器のために運用されることができる。以下の記載から、および計算効率の理由で、システムの構成要素がシステムの動作に影響を及ぼすことなく電力送出システム内の任意の位置に配置されることができることが認識されるであろう。
【００１２】
本明細書に例示される例証的な態様、実施形態および／または構成は、システムの様々な構成要素を並置して示すが、システムの一定の構成要素は、遠方に、ＬＡＮおよび／もしくはインターネットなどの分散ネットワークの遠方部分に、または専用システム内に設けられることができる。したがって、システムの構成要素が１つ以上の装置に組み合わされるか、あるいはアナログおよび／もしくはデジタル電気通信網、パケット交換網または回路交換網などの分散ネットワークの特定ノードに配列されることができることが認識されるべきである。以下の記載から、および計算効率の理由で、システムの構成要素がシステムの動作に影響を及ぼすことなく構成要素の分散ネットワーク内の任意の位置に配置されることができることが認識されるであろう。
【００１３】
さらには、要素を接続する様々なリンクが有線もしくは無線リンク、またはその任意の組合せ、または接続される要素に、およびそれからデータを供給および／もしくは通信することが可能である任意の他の既知のもしくは後に開発される要素であることができることが認識されるべきである。これらの有線または無線リンクはセキュアなリンクであることもでき、そして暗号化された情報を通信することが可能でもよい。リンクとして使用される伝送媒体は、例えば、同軸ケーブル、銅線および光ファイバを含む、電気信号のための任意の適切な搬送体であることができ、そして電波および赤外線データ通信中に発生されるものなど、音または光波の形態をとってもよい。
【００１４】
本明細書で使用される場合、句「少なくとも１つ」、「１つ以上」、「または」ならびに「および／または」は働きにおいて連言的でも選言的でもあるオープンエンドの表現である。例えば、表現「Ａ、ＢおよびＣの少なくとも１つ」、「Ａ、ＢまたはＣの少なくとも１つ」、「Ａ、ＢおよびＣの１つ以上」、「Ａ、ＢまたはＣの１つ以上」、「Ａ、Ｂおよび／またはＣ」ならびに「Ａ、ＢまたはＣ」の各々は、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、ＡとＢ共に、ＡとＣ共に、ＢとＣ共に、あるいはＡとＢとＣ共にを意味する。
【００１５】
用語「ある１つの（ａ）」または「ある１つの（ａｎ）」実体はその実体の１つ以上を指す。そのため、用語「ある１つの（ａ）」（または「ある１つの（ａｎ）」）、「１つ以上」および「少なくとも１つ」は本明細書で互換的に使用されることができる。用語「備える」、「含む」および「有する」が互換的に使用されることができることも留意されるものとする。
【００１６】
用語「自動的」およびその変形は、本明細書で使用される場合、工程または動作が行われるときに実質的な人間の入力なしでなされる任意の工程または動作を指す。しかしながら、たとえ工程または動作の実行が実質的または非実質的な人間の入力を使用するとしても、入力が工程または動作の実行前に受け入れられれば、工程または動作は自動的でありうる。人間の入力は、そのような入力が工程または動作がどのように行われることになるかに影響すれば、実質的であると考えられる。工程または動作の実行に一致する人間の入力は「実質的」であるとは考えられない。
【００１７】
また、添付の図では、同様の構成要素および／または特徴が同じ参照標識を有してもよい。さらに、同じ種類の様々な構成要素が、参照標識の後に同様の構成要素間を区別する文字を続けることによって区別されてもよい。第１の参照標識が本明細書に使用されさえすれば、その記載は、第２の参照標識にかかわらず同じ第１の参照標識を有する同様の構成要素のいずれの１つにも適用可能である。
【００１８】
本明細書で使用される用語「コンピュータ可読媒体」は、命令を実行のためにプロセッサに提供することに関与する任意の有形の記憶および／または伝送媒体を指す。そのような媒体は、不揮発性媒体、揮発性媒体および伝送媒体を含むがこれらに限定されない多くの形態をとってもよい。不揮発性媒体は、例えば、ＮＶＲＡＭ、または磁気もしくは光ディスクを含む。揮発性媒体は、主メモリなどの動的メモリを含む。コンピュータ可読媒体の一般的な形態は、例えば、フロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、もしくは任意の他の磁気媒体、光磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、任意の他の光媒体、穿孔カード、紙テープ、孔のパターンをもつ任意の他の物理媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、およびＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ、メモリカードのような固体媒体、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、後述される搬送波、またはコンピュータが読み取ることができる任意の他の媒体を含む。電子メールへのデジタル添付ファイルまたは他の独立情報アーカイブもしくは一組のアーカイブは有形の記憶媒体と等価の配布媒体と考えられる。コンピュータ可読媒体がデータベースとして構成されるとき、データベースが、関係、階層、オブジェクト指向および／または同類など任意の種類のデータベースでもよいことが理解されるものとする。したがって、本開示は、本開示のソフトウェア実装が記憶される、有形の記憶媒体または配布媒体、および先行技術で認識される等価物および後継媒体を含むと考えられる。
【００１９】
「コンピュータ可読信号」媒体は、コンピュータ可読プログラムコードが、例えば、ベースバンドでまたは搬送波の一部として具象化される伝播データ信号を含んでもよい。そのような伝播信号は、電磁、光またはその任意の適切な組合せを含むがこれに限定されない種々の形態のいずれかをとってもよい。コンピュータ可読信号媒体は、コンピュータ可読記憶媒体ではなく、かつ命令実行システム、装置またはデバイスによってまたはそれと関連して使用するためのプログラムを通信、伝播または移送することができる任意のコンピュータ可読媒体でもよい。コンピュータ可読媒体に具象化されるプログラムコードは、無線、有線、光ファイバーケーブル、ＲＦなどを含むがこれらに限定されない任意の適切な媒体、または上記の任意の適切な組合せを使用して送信されてもよい。
【００２０】
用語「電池」、「セル」、「電池セル」およびその変形は、本明細書で使用される場合、互換的に使用され、そして任意の種類の電気化学電力送出装置を含む。
【００２１】
用語「容量」、「エネルギー」、「蓄積エネルギー」、「化学容量」およびその変形は、本明細書で使用される場合、互換的に使用され、そして電池内に含まれる基本的な充電量ならびに電池からその充電を引き出して電力を提供する、および／または仕事をすることができる能力を説明する。
【００２２】
用語「求める」、「計算する」および「算出する」、ならびにその変形は、本明細書で使用される場合、互換的に使用され、そして任意の種類の方法論、工程、数学的演算または手法を含む。
【００２３】
本明細書で使用される用語「手段」が米国特許法第１１２条、第６節に従ってその可能な限り拡大した解釈を与えられるものとすることが理解されるものとする。したがって、用語「手段」を組み込んだ請求項は、本明細書に明らかにされる全ての構造、材料または行為およびその等価物の全てを包含するものとする。さらに、構造、材料または行為およびその等価物は、本開示の概要、図面の簡単な説明、詳細な説明、要約および請求項自体に記載されるもの全てを含むものとする。
【００２４】
本開示の態様は、完全にハードウェア実施形態、完全にソフトウェア実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）またはソフトウェアおよびハードウェア態様を組み合わせた実施形態の形態をとってもよく、全て本明細書において一般に「回路」、「モジュール」または「システム」と称されてもよい。１つ以上のコンピュータ可読媒体の任意の組合せが活用されてもよい。コンピュータ可読媒体はコンピュータ可読信号媒体またはコンピュータ可読記憶媒体でもよい。
【００２５】
本開示のシステムおよび方法は、専用コンピュータ、プログラム式マイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラおよび周辺集積回路要素、ＡＳＩＣもしくは他の集積回路、デジタル信号プロセッサ、個別要素回路などのハードワイヤード電子もしくは論理回路、ＰＬＤ、ＰＬＡ、ＦＰＧＡ、ＰＡＬなどのプログラマブル論理デバイスもしくはゲートアレイ、専用コンピュータ、任意の相当する手段、などと併せて実装されることができる。一般に、本明細書に例示される方法論を実装することが可能な任意の装置または手段は、本開示の様々な態様を実装するために使用されることができる。開示される実施形態、構成および態様のために使用されることができる例証的なハードウェアは、コンピュータ、ハンドヘルドデバイス、電話（例えば、セルラ、インターネット対応、デジタル、アナログ、ハイブリッドその他）、および当該技術で既知の他のハードウェアを含む。これらの装置のいくつかは、プロセッサ（例えば、単一または複数のマイクロプロセッサ）、メモリ、不揮発性記憶装置、入力装置および出力装置を含む。さらには、分散処理もしくは構成要素／オブジェクト分散処理、並列処理、または仮想マシン処理を含むがこれに限定されない代替のソフトウェア実装も、本明細書に記載される方法を実装するように構成されることができる。
【００２６】
本明細書に記載されるプロセッサの例は、Ｑｕａｌｃｏｍｍ（登録商標）Ｓｎａｐｄｒａｇｏｎ（登録商標）８００および８０１、４Ｇ  ＬＴＥ統合および６４ビットコンピューティングのＱｕａｌｃｏｍｍ（登録商標）Ｓｎａｐｄｒａｇｏｎ（登録商標）６１０および６１５、６４ビットアーキテクチャのＡｐｐｌｅ（登録商標）Ａ７プロセッサ、Ａｐｐｌｅ（登録商標）Ｍ７モーションコプロセッサ、Ｓａｍｓｕｎｇ（登録商標）Ｅｘｙｎｏｓ（登録商標）シリーズ、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）Ｃｏｒｅ（商標）ファミリのプロセッサ、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）Ｘｅｏｎ（登録商標）ファミリのプロセッサ、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）Ａｔｏｍ（商標）ファミリのプロセッサ、Ｉｎｔｅｌ  Ｉｔａｎｉｕｍ（登録商標）ファミリのプロセッサ、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）Ｃｏｒｅ（登録商標）ｉ５−４６７０Ｋおよびｉ７−４７７０Ｋ  ２２ｎｍ  Ｈａｓｗｅｌｌ、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）Ｃｏｒｅ（登録商標）ｉ５−３５７０Ｋ  ２２ｎｍ  Ｉｖｙ  Ｂｒｉｄｇｅ、ＡＭＤ（登録商標）ＦＸ（商標）ファミリのプロセッサ、ＡＭＤ（登録商標）ＦＸ−４３００、ＦＸ−６３００およびＦＸ−８３５０  ３２ｎｍ  Ｖｉｓｈｅｒａ、ＡＭＤ（登録商標）Ｋａｖｅｒｉプロセッサ、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（登録商標）Ｊａｃｉｎｔｏ  Ｃ６０００（商標）自動車インフォテインメントプロセッサ、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（登録商標）ＯＭＡＰ（商標）自動車グレードモバイルプロセッサ、Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（登録商標）ＭＳＰ４３０（商標）プロセッサ、ＡＲＭ（登録商標）Ｃｏｒｔｅｘ（商標）−Ｍプロセッサ、ＡＲＭ（登録商標）Ｃｏｒｔｅｘ−ＡおよびＡＲＭ９２６ＥＪ−Ｓ（商標）プロセッサ、様々なアーキテクチャの、およびいくつかの供給源から入手可能なデジタル信号プロセッサ、ならびに他の業界同等のプロセッサの少なくとも１つを含んでもよいが、これに限定されず、そして任意の既知のまたは将来開発される標準、命令セット、ライブラリおよび／またはアーキテクチャを使用して計算機能を行ってもよい。
【００２７】
さらに別の実施形態において、開示される方法は、オブジェクトを使用するソフトウェア、または種々のコンピュータもしくはワークステーションプラットフォームで使用されることができる移植可能なソースコードを提供するオブジェクト指向ソフトウェア開発環境と併せて直ちに実装されてもよい。代替的に、開示されるシステムは、標準の論理回路またはＶＬＳＩ設計を使用して部分的または完全にハードウェアで実施されてもよい。本開示に従ってシステムを実装するためにソフトウェアが使用されるかまたはハードウェアが使用されるかは、システムの速度および／または効率要件、特定の機能、ならびに活用されている特定のソフトウェアもしくはハードウェアシステムまたはマイクロプロセッサもしくはマイクロコンピュータシステムに依存している。
【００２８】
さらに別の実施形態において、開示される方法は、記憶媒体に記憶され、コントローラおよびメモリが協調するプログラム式汎用コンピュータ、専用コンピュータ、マイクロプロセッサなどで実行されることができるソフトウェアで部分的に実装されてもよい。これらの例では、本開示のシステムおよび方法は、アプレット、ＪＡＶＡ（登録商標）またはＣＧＩスクリプトなど、パーソナルコンピュータに埋め込まれるプログラムとして、サーバまたはコンピュータワークステーションに常駐するリソースとして、専用測定システム、システム構成要素などに埋め込まれるルーチンとして実装されることができる。システムは、システムおよび／または方法をソフトウェアおよび／またはハードウェアシステムに物理的に組み込むことによっても実装されることができる。
【００２９】
本開示が特定の標準およびプロトコルを参照しつつ態様、実施形態および／または構成に実装される構成要素および機能を説明するとはいえ、態様、実施形態および／または構成はそのような標準およびプロトコルに限定されない。本明細書に言及されていない他の同様の標準およびプロトコルが存在し、そして本開示に含まれると考えられる。その上、本明細書に言及される標準およびプロトコルならびに本明細書に言及されていない他の同様の標準およびプロトコルは、本質的に同じ機能を有するより高速またはより効果的な等価物によって周期的に取って代わられる。同じ機能を有するそのような置換え標準およびプロトコルは本開示に含まれる等価物と考えられる。
【００３０】
本開示の実施形態は、電池放電時間を推定するためのシステムおよび方法、詳細には高率電池放電中に電池放電持続時間を推定することを提供する。より詳細には、本開示の実施形態は、分よりもむしろ秒単位で計数され、かつ化学容量が実際に使い果たされる前に熱限界に達する結果として放電時間を変えうる周囲および／または構成要素温度に対して連続的に補償される、短期間大電流放電事象に対する電池稼働時間の予測に向けられる。本開示の実施形態の様々な追加の詳細が図を参照しつつ下記されることになる。フローチャートが特定のシーケンスの事象に関して検討および例示されることになるのに対して、開示される実施形態、構成および態様の動作に実質的に影響を及ぼすことなく、このシーケンスに対する変化、追加および省略が生じることができることが認識されるべきである。
【００３１】
図１は、一実施形態に係る電池監視および放電持続時間計算を実装する電池管理システム（ＢＭＳ）を含むシステムを例示するブロック図である。全般的に言えば、この例に例示されるように、システム１００は、一対の電源導体１１５および１２０ならびに任意選択の電流制限器１２５を通じて電気負荷１１０に電力を提供する電池１０５、例えば、リチウムまたは他の再充電電池を含むことができる。見て分かるように、電源導体１１５および１２０などの、電力を表す構成要素間の線がここで太い実線として例示される一方、制御信号を表す構成要素間の線はここで破線として例示される。
【００３２】
例証的なシステム１００は、電力インタフェース１３０、コントローラ１３５、温度センサ１４０および電流センサ１４５を備えるＢＭＳも含むことができる。電力インタフェース１３０は、電源導体１１５および１２０から電力を引き出してコントローラ１３５に電力を供給することができる。コントローラは、コントローラ１３５内のプロセッサ１５５によって実行可能なファームウェアまたは他の命令を記憶するメモリ１５０を含むことができる。メモリ１５０におけるファームウェアまたは他の命令は、プロセッサ１５５によって実行されると、コントローラ１３５に、温度センサ１４０、電流センサ１４５および／または他のセンサ（ここでは図示せず）を通じて電池１０５を監視し、そして電源導体１１５および１２０上の１つ以上の遮断器１６０および１６５を直接電力インタフェース１３０にまたは電力インタフェース１３０を通じて作動させて電池１０５を負荷１１０から切り離すことによって電池１０５を安全範囲外で動作することから保護することによってなど、電池１０５の動作を管理させることができる。
【００３３】
ここで例示されるＢＭＳの構成要素、すなわち、電力インタフェース１３０、コントローラ１３５、温度センサ１４０および電流センサ１４５が別々の物理的要素である必要はないことが留意および理解されるべきである。むしろ、そのような構成要素およびその機能は１つ以上の物理的構成要素に組み合わされることができる。いくつかの実装では、ＢＭＳは１つ以上の集積回路を備えるチップセットとして製造されることができる。同様に、簡潔さおよび明瞭さのためにここでは例示されないが、ＢＭＳが種々の機能を行ういくつかの他のセンサおよび／または構成要素を含むことができることが理解されるべきである。例えば、温度センサ１４０および電流センサ１４５に加えて、ＢＭＳは、電池電圧を総電圧、個々のセルの電圧、平均、最小および最大セル電圧などの形式で監視するセンサを含んでもよい。種々のセンサを使用し、かつコントローラ１３５のファームウェアの制御下で、ＢＭＳは電池１０５を、過電流、過電圧（充電中）、不足電圧（放電中）、温度過昇、温度不足、地絡などを含むがこれらに限定されない広範囲の損傷および／または危険条件から保護することができる。追加的にまたは代替的に、ＢＭＳのコントローラ１３５は、電池の充電レベルを示す充電状態（ＳＯＣ）もしくは放電深度（ＤＯＤ）、電池の全体の状態を示す劣化状態（ＳＯＨ）を求める、および／またはいくつかの他の判断をする、もしくは多種多様な他の計算を行うことができる。
【００３４】
例えば、電池の残作動寿命、もしくは電池ＳＯＨ、またはその意図された機能を行うことができる電池の瞬時能力を求めるための方法が、現容量の測定および、任意の時点で、その容量の新たなときの電池の容量との比較に基づくことができる。電池容量はしたがって電池ＳＯＨの直接の指標として使用される。電池容量は、制御放電電流に続いて、電池によって送り出される電流掛ける電池端子電圧の積分を使用して測定される。電池容量は以下の通りに計算されることができる：
容量（Ａｈ）＝ΣＩｄｉｓｃｈａｒｇｅ（Ａ）＊ｔｄｉｓｃｈａｒｇｅ（ｈ）
または
容量（Ａｈ）＝∫Ｉｄｉｓｃｈａｒｇｅ（Ａ）＊ｄｔ
式中Ｉｄｉｓｃｈａｒｇｅは放電電流であり、ｔｄｉｓｃｈａｒｇｅは時間単位の放電持続時間である。電池容量が高いほど、任意の特定の値の定電流に対して電池放電は長くなることになる。この方法はしたがってセル老化またはセル化学の内部変化による容量の低下に基づいてＳＯＨ値を導き出し、ここでＳＯＨは以下として計算される：
ＳＯＨ（ｐｒｅｓｅｎｔ）＝容量（ｐｒｅｓｅｎｔ）／容量（ｎｅｗ）
【００３５】
スマート電池システム（ＳＢＳ）仕様に準拠するＢＭＳシステムは放電持続時間を予測する基本的手段を有する。一般的に「空になるまでの時間」として知られており、それは、電池における蓄積電荷が完全に消耗されるまでの残時間の推定値を提供する。電池からエネルギーが消耗されると、いかなる放電事象も終止されなければならない。残放電時間量のための計算は、式：残容量（ｍＡｈ）／電流（Ａ）＝時間（ｈｒ）を使用する単純な計算に基づく。これらの計算は瞬時または平均電流に基づく。ＳＢＳ仕様は平均電流を「最近６０秒にわたる平均電流」として定義する。これは、完全放電時間が典型的に時間単位で測定される低率放電にとっては許容可能である。これらの計算は一般にＳＢＳ準拠燃料計測チップによって扱われるが、これは、このチップが残容量、電流および平均電流情報への完全かつ最新のアクセスを有するからである。
【００３６】
ＳＢＳ仕様は、持続時間（放電終止までの時間、放電終止までの平均時間、充電時間、平均充電時間など）に関連したデータレジスタを、１６ビットのサイズであり、かつ０分から６５５３５分まで分単位で計数されると定義する。一般に、これらの測定のための計数逓減率を変更するＳＢＳ準拠システムにおける任意選択がない。この計数は一般に、携帯電話、ラップトップコンピュータなどといった低から中放電率装置にとっては適切であるが、典型的に超高放電率で動作する新興の種別の用途が利用可能になっており、完全に充電された電池の容量全体が５分または２分以下の期間でも費やされうる。これらの用途に関しては、分単位で測定される放電持続時間推定値は有用な情報を提供しない。ＳＢＳ仕様に準拠する市販の燃料計測チップセットは放電時間を分以外の単位で推定することが可能ではなく、そしてそれらが提供する放電時間推定値は、ユニットの通常動作で予想されるものなどの高周囲温度環境では重度に誇張されることになる。
【００３７】
例えば、完全放電が５００秒未満で起こる高放電率用途に関しては、ユーザが期待することができる残放電時間のより有意義な測定が、分よりもむしろ動作の秒単位で提示されるであろう。ＳＢＳ仕様に含まれるレジスタ定義のため、この計数は、一般的に入手可能なＢＭＳチップセットおよびシステムで得ることは可能ではない。追加的に、利用可能なＢＭＳは、動作時間推定値が、高率放電中の電池自己発熱、電池内部インピーダンスの変化、または大電流放電事象に関連した他の有意な要因に起因する急上昇する温度に対して補償されるようにする手段を有しない。
【００３８】
したがって、本明細書に開示される実施形態は、化学と熱の両容量を考慮し、ノイズを低減させる信号処理を提供し、そして高率放電用途で信頼できかつ適切に計数された放電時間推定値に至る比較論理計算を含む実行時推定手順を提供する。これらの実施形態は、ＳＢＳ仕様規定のアルゴリズム以外で、分よりもむしろ秒単位で計数され、かつ化学容量が実際に使い果たされる前に熱限界に達する結果として放電時間を変えうる瞬時かつ連続的に変化する周囲およびセル温度に対して連続的に補償される、短期間大電流放電事象に対する電池稼働時間の予測を導き出すことができる。
【００３９】
これらの実施形態は、ＢＭＳコントローラ１３５のメモリ１５０に記憶され、そして任意のＳＢＳ仕様燃料計チップまたはアルゴリズムから独立したプロセッサ１５５によって実行される命令として実装されることができる。これらの命令は、特定の放電率および放電電流の変動性に合致する、出力電流に対する異なる平均化期間（例えば、１秒、５秒、７秒、または用途に適した別の期間）を選ぶことができる能力を含む一組の機能をコントローラ１３５に提供することができる。これらの機能は化学容量放電時間計算計数を、分単位でなされる推定値（すなわち、ｍＡｈの残容量＊６０／ｍＡの電流）から秒単位で測定される推定値（すなわち、ｍＡｈの残容量＊３６００／ｍＡの電流）に変更することができる。一実施形態によれば、コントローラ１３５のプロセッサ１５５によって実行される機能は、電池１０５の化学容量または熱容量の小さい方に放電時間推定値を減少させる温度補償を適用することができ、ここで温度補償は現温度の実時間測定および温度の変化率に基づいて、最高温度が達せられる時間を予測することができる。変化する化学容量および温度変化率の比較が連続的になされることができる。同様に、これらの計算は連続的に行われることができ、そして計算の結果は実時間で報告されることができる。
【００４０】
したがって、本開示の実施形態は、電池の残化学容量および導き出される平均電流を使用して、分よりもむしろ秒単位で計数される予想放電持続時間を実時間で算出する電池放電持続時間の推定を提供する。実施形態はリチウム電池セル自己発熱に関連した温度補償係数も提供する。これらのアルゴリズムの各々は連続的に行われることができ、そして結果は実時間で更新されることができる。
【００４１】
図２は、一実施形態に係る放電率の関数としての電池セル温度上昇の比較を例示するグラフである。全般的に言えば、このグラフ２００は、化学容量末期限界前に最高セル動作温度が達せられれば異なる放電時間が測定されることを例示する。より詳細には、このグラフ２００は、縦軸２１０に沿った電池セル温度に対してかつ電池放電率２１５Ａ〜Ｃの関数として横軸２０５に沿った電池放電時間を表す。１０Ｃ放電率２１５Ｃの例では、電池はその熱限界が達せられる前にその化学容量を使い果たすことになる。１５Ｃ放電率２１５Ｂで、放電時間（ｔ２）は固定温度限界に達すると終わる。これは、電池がその化学容量限界に達する前に起こる。２０Ｃ放電率２１５Ａなどのさらに高率で、温度上昇は、総放電持続時間を１／２（ｔ１）に減少させるのに十分急速でありうる。
【００４２】
したがって、および一実施形態によれば、任意の所定の放電の予想持続時間のための計算は２つの別個の変化率に基づくことができる。第１は電池蓄積エネルギーの変化率であることができ、そして第２は放電中の電池温度の変化率であることができる。電池蓄積エネルギーの変化率は、放電開始での電池の初期蓄積エネルギーおよび電池から取り出されている電流の時間ベースの積分に基づいて計算されることができる。電池の最大蓄積電荷は電池の化学容量に関連している。完全に充電されると、電池はその化学容量に関連した所定量の蓄積エネルギーを有する。部分的に充電されると、電池はまた、その瞬時容量と呼ばれる特定量の蓄積エネルギーを有する。電池の化学容量は、電池の内部構造および化学作用の他に上部充電限界電圧および下部放電限界電圧によって規定される。電池の化学容量は、電子測定機器を使用して実験的に求められることができ、そしてアンペア時（Ａｍｐ時もしくはＡｈ）またはミリＡｍｐ時（ｍＡｈ）で表されることができる。放電中の温度の変化率はセル上の熱測定装置を使用して測定されることができる。
【００４３】
電流ベースの空になるまでの時間
【００４４】
制御放電では、電池の放電持続時間は化学容量に基づいて計算されることができる。電池の化学容量はいくつかの方法を介して得られることができる。例えば、電池容量は、制御放電を使用し、そして実際の放電時間を測定して直接測定されることができる。別の例では、電池容量は、充電または放電電流を時間の関数として積分することに基づいて計算されることができる。電流は、充電サイクル中に「電池消耗」状態から「電池満」状態まで、または放電中に「電池満」状態から「電池消耗」充電状態まで測定されることができる。電池から化学エネルギーが消耗されると、それは「空」であると考えられる。充電電流は、それが電池セルに電荷を加えるので、慣例によって、正（＋）電流であると考えられる。放電電流は、それが電池セルから電荷を取り出すので、慣例によって、負（−）電流と考えられる。いくつかの例では、電池充電状態は、ＢＭＳチップセットおよびソフトウェアによって求められ、そして報告されることができる。電流ベースの空になるまでの時間の計算は、瞬時電池容量を得るために使用された方法を活用するが、独立している。
【００４５】
電池に対する放電時間の計算は電池の既知の瞬時容量、または蓄積エネルギーで始まることができる。これは、電池または電池パックの所定の動作状態に対する瞬時容量（Ｃｉｎｓｔ）として表される。Ａｍｐ時の瞬時容量は次いで以下に従ってＡｍｐ秒の瞬時容量に変換されることができる：
Ｃｉｎｓｔ（Ａｓ）＝Ｃｉｎｓｔ（Ａｈ）＊３６００（Ｓ／ｈ）
【００４６】
次に、集積電荷（Ｑ）がアンペアの力の法則に従ってクーロン（１Ｃ＝１Ａｓ）で計算されることができる。電流はいくらかの時間間隔で測定されることができ、そして集積電荷は以下に従って計算されることができる：
Ｑ（ｉｎｓｔ）［Ａｓ］＝［ｔ２−ｔ１］（ｓ）＊Ｉ（Ａ）
【００４７】
累積電荷の和は電池から消耗されるエネルギー量に等しくなることができる。放電電流が検出され、そして電荷集積が開始されると、電池から取り出される充電量が測定されることができる。定電流放電に関しては、消耗電荷量は以下に従って計算されることができる：
Ｃｕｓｅｄ［Ａｓ］＝ｔｎ［ｓ］＊Ｉａｃｔ［Ａ］
式中Ｃｕｓｅｄは消散電荷容量であり、ｔｎは放電の時間量であり、Ｉａｃｔは放電の実際の測定電流である。非定電流放電事象に関しては、計算は、以下に従っていくらかの時間間隔にわたる電流（Ｉ）の数学的積分によって表されることができる：
Ｃｕｓｅｄ＝∫Ｉｄｔ
【００４８】
総最大容量および使用容量の差は残容量と考えられることができる：
Ｃｒｅｍａｉｎ［Ａｓ］＝Ｃｍａｘ［Ａｓ］−Ｃｕｓｅｄ［Ａｓ］
【００４９】
残容量は次いで、任意の所定の瞬時電流値に対する残放電時間量を計算するために使用されることができる：
ｔｒｅｍａｉｎ［ｓ］＝Ｃｒｅｍａｉｎ［Ａｓ］／Ｉａｃｔ［Ａ］
【００５０】
一実施形態によれば、充電中に電池エネルギーを補充するための電荷を蓄積するために、同じ工程が反対方向に使用されることができる。
【００５１】
温度ベースの放電終止までの時間
【００５２】
電荷集積の標準的技法は低率放電中の電池容量を直ちに説明する。しかしながら、５Ｃより大きい、特に８Ｃより大きい高率放電事象で、大抵の再充電バッテリセルは著しい温度上昇を呈するであろう。この温度上昇は、セルの内部抵抗およびセルによって送り出されている高電流による電力損失に基づく。電力損失はべき法則およびジュール加熱に従い、すなわちＰ＝Ｉ２Ｒ、式中Ｐは単位時間あたり消散される電力であり、Ｉは電流であり、Ｒはセルの抵抗である。場合によっては、自己発熱は非常に極端であり、セルを保護する、または破局的なセル故障を回避するために放電事象が終止されなければならない。セルの自己発熱が化学容量消耗率より急速である温度上昇率を生じさせれば、電池はその最高安全動作温度に達して、化学エネルギーが尽きる前に強制的に放電を終止させる。本開示の実施形態は、放電時間限界条件のどちらが先に起こるであろうかを判定するために、温度上昇率を計算し、そしてそれをエネルギー消耗率と比較することができる。この比較は、現代の電子測定およびマイクロプロセッサ技術を使用して実時間に近い時間尺度でなされることができる。
【００５３】
図３は、一実施形態に係る一群の温度上昇対電流曲線を例示するグラフである。セル温度上昇はセルの表面上の熱測定装置を使用して測定されることができる。このグラフ３００に例示されるように、縦軸３０５によって例示される時間の関数としての温度上昇率（ｄＴ／ｄｔ）は、水平軸３１０に沿って例示される離散した電流放電率および制御状態の進行間の比較を許可するセル世代で比較的一定である。
【００５４】
電池が老化するにつれて、電池の内部抵抗は増加する。内部抵抗が増加するにつれて、内部電力損失およびジュール加熱に関連した内部温度上昇は加速される。したがって、一実施形態によれば、電池ＳＯＨは、所定の放電電流で内部セル抵抗によって引き起こされるセル内部温度上昇の動的測定も放電曲線３１５上の位置も使用して求められることができる。
【００５５】
あらゆる電池は特定の放電電流と関連する端子電圧曲線も有する。セル温度上昇の変化（ΔＴ）の他にセル温度上昇の変化率（ｄＴ／ｄｔ）は、異なるＳＯＣに対応する放電Ｖ−Ｉ曲線に沿った異なる位置で測定されることができる。一実施形態によれば、これらの温度の変化の記録が保たれ、そしてサイクル寿命の関数としての変化について監視され、そして電池のセル老化および全体の劣化状態のためのメトリックとして使用されることができる。これらの温度の変化は個々のセルに対して、または電池組立体における複数の連続セルに対して計算されることができるが、セルが製作公差の差または用途における局所周囲温度の差により異なる率で老化しうるので、セルごとに考慮されるときに最も有用であろう。
【００５６】
上記の如く、電池セルが老化するにつれて、その内部抵抗は増加する。この抵抗の変化は、電池アノードおよびカソードから成る材料の内部構造変化、電解質の化学変化、電極被膜層の劣化、金属沈殿、拡散経路の変化、ならびに充電および放電サイクル中にアノードからカソードまで往復することができるリチウムイオンの能力を変化させる他の化学、電気および機械機構による。内部抵抗の変化があるので、温度の変化として直接測定されることができる、放電サイクル中に発生される追加の熱がある。
【００５７】
この理由で、放電中のセル温度の変化がセル老化の指標として使用されることができ、そしてセル抵抗の変化からＳＯＨ値が推定されることができる。セル内部抵抗値がセル構成要素の化学作用および構造に極めて依存しているので、異なるセルは異なる率で老化し、そして制御放電条件下でセル発熱の個々の変化を示すであろう。
【００５８】
温度上昇率はなんらかの限界と比較されることができる。例えば、セル温度の上限は６５℃から８０℃であることができる。この限界は電池セル内の内部構成要素の潜在的故障によって課されうる。最高許容放電温度は以下として定義されることができる：
ＴＬｉｍｉｔ＝放電終止温度最高限界
【００５９】
温度測定装置を使用して、電池または電池パックの温度が監視されることができる。この温度は以下として表されることができる：
Ｔａｃｔ＝実際の測定温度。
【００６０】
温度はなんらかの時間間隔にわたって平均化されて、いくらかの平滑化を提供することができる。温度変化率は一次導関数手法を使用して計算されることができる。これは以下を使用して数値的に計算されることができる：
ｄＴ／ｄｔ＝（Ｔｎ＋ｘ−Ｔｎ）／（ｔｍ＋ｘ−ｔｍ）［ｄｅｇ／ｓ］
式中Ｔは温度であり、ｔは測定の時間である。電池パック温度の上昇率を使用して、電池温度がその最高限界に達する時間量に対して予測がなされることができる。最高温度に達する予測時間は以下に従って計算されることができる：
ｔｍａｘ［ｓ］＝（Ｔｌｉｍｉｔ−Ｔａｃｔ）／［ｄＴ／ｄｔ］
【００６１】
ｄＴ／ｄｔを求める複数の方法がある。これらの例の各々はプロセッサリソースおよびデータメモリ要件の量が異なる。一実施形態において、ｄＴ／ｄｔは、放電開始の時間を初期温度および時間値として使用し、次いでｄＴ／ｄｔを求める所定の時間量の間温度の変化を測定して、直接測定されることができる。この計算は、十分なプロセッサ速度およびリソース割当てを条件として実時間でなされることができる。
【００６２】
別の実施形態において、各電池パックシステムは、周囲温度および任意の強制空冷システムを含め、その所定の環境のための温度上昇に校正されることができる。例えば、自動車用電池パックは制限された直接セル冷却を有することがある。比較として、コンピュータシステムバックアップ電力のために使用される電池ユニットは、直接ファン冷却およびより小さい電池パック全体のサイズを有してもよい。システム校正中に、正確な温度上昇対電流曲線がとられることができる。これは定電力曲線または定電流放電から導き出されることができる。ｄＴ／ｄｔ値が計算され（上記したように）、そして図３のグラフ３００によって例示されるように電流に対してプロットされることができる。図３は、特定の電池パックシステムに対する様々な放電電流で温度変化率の校正点を例示する。異なる電池システムは異なる温度変化率および異なる放電電流を有するであろう。これらのデータ点はべき法則に基づいて非線形曲線を使用して適合されることができる。曲線は二次方程式と適合されることができる：
ｙ＝Ａｘ２＋Ｂｘ＋Ｃ
【００６３】
曲線適合に従って生じる３つの変数がある。これらの３つの校正変数値は、計算を完了させているマイクロコントローラまたはＢＭＳにおいて入力または変更されることができる。一旦校正曲線が確立されると、Ｍａｘ電流（上記、Ｉｍａｘ）は二次方程式に対する適切なｄＴ／ｄｔ値を計算するために使用されることができる：
ｄＴ／ｄｔｃａｌｃ＝Ａ＊Ｉｍａｘ２＋Ｂ＊Ｉｍａｘ＋Ｃ
ｄＴ／ｄｔは、システムのプロセッサ速度およびリソース割当てに応じて実時間で計算されることができる。別の実施形態において、ｄＴ／ｄｔは、上述したように結果として電流と非線形関係になる校正された測定を使用して予め求められることができる。この実施形態において、計算はシステムのプログラム位相中に行われ、そしてデータ配列または行列としてデータメモリに記憶される。この種類の配列は複数の変数をもつ多次元ルックアップを占めることができる。
【００６４】
一旦ｄＴ／ｄｔが上述した方法のいずれかまたはその組合せを使用して求められると、温度ベースの放電終止までの時間の計算が実装されることができる。以前のＴｍａｘ閾値（上記Ｔｌｉｍｉｔ）を使用して、定義された電流閾値（Ｉｍａｘ）に対して温度上昇限界が計算されることができ、そしてこれは残時間を計算するために使用されることができる：
ｔＴｍａｘ−ｒｅｍａｉｎｉｎｇ（ｓ）
＝（Ｔｌｉｍｉｔ−Ｔａｃｔｕａｌ）［Ｃ］／（ｄＴ／ｄｔｃａｌｃ）［Ｃ／ｓ］
【００６５】
アルゴリズムに組み込まれる電池パックの開始または背景温度および追加の補正係数に応じて同様の式が使用されることができる。
【００６６】
比較
【００６７】
計算された電流ベースの放電終止までの時間は次いで温度ベースの放電終止までの時間と比較されることができ、そして２つの値の短い方が、放電中に電池パックの放電終止までの動作時間を予測するために使用されることができる。言い換えれば、放電終止までの予測時間は予測温度（ｍａｘ）および電流（ｍａｘ）時間の小さい方であることができる。予想残放電時間は秒単位で提示されることになる。
【００６８】
図４は、一実施形態に係る電流ベースおよび時間ベースの放電持続時間計算の比較を例示するグラフである。グラフ４００は、電流曲線４０５によって表される２０００ｍＡｈ業界標準１８６５０フォームファクタセルの３０Ａ定電流放電の例を表す。セルの温度は、温度曲線４１０によって表されており、１秒間隔で監視された。放電は１５Ｃ放電率を表す。放電は１０３秒間持続する。Ｉベースの放電終止までの時間曲線４１５は放電開始でほぼ１９０秒のエネルギーベースの残時間を図示する。Ｔベースの放電終止までの時間曲線４２０は温度上昇率に基づく。温度が最高６８℃に達したときに放電は終止される。温度ベースの残時間の計算はほぼ８０秒の残放電時間を図示する。電池はエネルギーが尽きる前に熱限界に達した。したがって、この例では、放電終止までの予測時間は温度ベースの曲線に従うべきであり、電流ベースの曲線ではない。ソフトウェアのための論理関数は以下の通りであろう：
ＩＦ［
Ｉ＿Ｔｉｍｅ＿ｔｏ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ＞
Ｔ＿ｔｉｍｅ＿ｔｏ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ＿ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ］
Ｔｈｅｎ［Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ＿Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ＿Ｔｉｍｅ＝
Ｔ＿ｔｉｍｅ＿ｔｏ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ＿ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ］
ｅｌｓｅ［Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ＿Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ＿Ｔｉｍｅ＝Ｉ＿ｔｉｍｅ＿ｔｏ＿ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ］
Ｐｒｉｎｔ  Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ＿Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ＿Ｔｉｍｅ
【００６９】
図５は、一実施形態に係る電池監視および放電持続時間計算のための例証的な工程を例示するフローチャートである。この例に例示されるように、電池に対する放電持続時間を求めることが、電池から放電されている実際の電流量に基づいて電池に対する電流ベースの放電終止までの時間を計算すること（５０５）を含むことができる。電池に対する計算された電流ベースの放電終止までの時間は秒数から成ることができる。電池が放電されている間の電池の実際の温度に基づいて電池に対する温度ベースの放電終止までの時間も計算されること（５１０）ができる。電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間も秒数から成ることができる。電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間はさらに、電池が放電されている間の電池の実際の温度の実時間測定および電池が放電されている間の電池の実際の温度の変化率に基づくことができる。
【００７０】
電池に対する計算された電流ベースの放電終止までの時間は電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較されること（５１５）ができ、そして電池に対する放電持続時間は、電池に対する計算された電流ベースの放電終止までの時間を電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間と比較することに基づいて求められることができる。より詳細には、電池に対する計算された電流ベースの放電終止までの時間を電池に対する計算された温度ベースの放電までの時間と比較することに基づいて電池に対する放電持続時間を求めることは、電池に対する電流ベースの放電終止までの時間が電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きいと判定すること（５２０）に応じて、放電持続時間に対する値を電池に対する温度ベースの放電終止までの時間の秒数に設定すること（５３０）を含むことができる。電池に対する電流ベースの放電終止までの時間が電池に対する計算された温度ベースの放電終止までの時間より大きくないと判定すること（５２０）に応じて、放電持続時間に対する値は、電池に対する電流ベースの放電終止までの時間の秒数に設定されることができる（５２５）。求められた放電持続時間は、例えば、燃料計または他の残充電の表示として提供する（５３５）。
【００７１】
劣化状態予測
【００７２】
残放電時間に対する温度ベースの予測の変化を計算するための工程の一部として、温度上昇率（ｄＴ／ｄｔ）が計算される。上記の如く、この温度上昇率は電池のＳＯＨを求めるために使用されることができる。高率放電では、内部セル抵抗とも呼ばれる内部セルインピーダンスのため、セル温度の増加が起こる。内部抵抗に対する２つの最も一般的な測定はＡＣインピーダンスおよびＤＣ内部抵抗（ＤＣＩＲ）である。ＡＣインピーダンスは最も一般的に、１キロヘルツ（１ｋＨｚ）周波数を使用して測定される。ＤＣ内部抵抗は、静的ＤＣ測定を含め、０．１Ｈｚ以下の測定周波数を使用して得られることができる。ＤＣＩＲは、高出力放電中にセルの温度上昇率により大きな影響を有する。ＤＣＩＲおよびｄＴ／ｄｔの差間に直接相関がある。アノードおよびカソード異なる化学作用の他に、電解質組成、アノードおよびカソードプレートアライメントの他にセパレータ膜構造を含む、セル組立体および構造材料の差が内部抵抗を変化させうる。電池セルは、低ＤＣＩＲを有するように特に設計されることができる。ＤＣＩＲの差にもかかわらず、全てのセルは、サイクル寿命の増加につれてＤＣＩＲの増加として現れる内部化学変化を受けるであろう。
【００７３】
電池が充電および放電サイクルを重ねるにつれてその内の化学変化に起因するＤＣＩＲの増加は、高率放電中に温度変化率（ｄＴ／ｄｔ）の増加も引き起こすであろう。セルが老化する際のｄＴ／ｄｔの変化は、セルに、サイクル回数が増すにつれてより急速に発熱させる。一実施形態によれば、温度上昇の変化（ｄＴ／ｄｔ）は電池セルＳＯＨの予測基準として監視されることができる。
【００７４】
より詳細には、一実施形態において、初期ｄＴ／ｄｔはＢＭＳメモリに事前にプログラムされることができる。ｄＴ／ｄｔは、ｄＴ／ｄｔおよび放電率に基づいて経験的に導き出される行列としてプログラムされることができる。電池がその作動寿命中に放電されるとき、現在測定されるｄＴ／ｄｔは、前述の行列における所定の電流率に対する初期ｄＴ／ｄｔと比較されることができる。ｄＴ／ｄｔの変化率の比率はＳＯＨに対する予測メトリックとして使用されることができる。最高温度限界および最高予想周囲温度を知って、放電時間の予測が計算されてもよい。これは、電池がその特定された放電機能を完了するために必要とされる最短時間と比較されることができる。実際の放電時間が最短予測時間に達すると、電池はその有効寿命の末期に達したと考えられてもよい。上記した比較アルゴリズムは、電池がどれくらい前に運用から取り除かれるべきかを予測するために使用されることができる。これは、慣例による容量ベースのＳＯＨ測定に関連して使用されることができる。
【００７５】
図６は、一実施形態に係る電池に対するＳＯＨを予測するための例証的な工程を例示するフローチャートである。この例に例示されるように、電池に対するＳＯＨを求めることが、少なくとも部分的に、電池が放電されている間の電池の実際の温度に基づくことができ、そして電池に対する温度上昇値の一組の初期変化を記憶すること（６０５）を含むことができる。電池が放電されている間に電池に対する温度上昇の実際の変化が求められること（６１０）ができる。温度上昇値の記憶された一組の初期変化の記憶された少なくとも１つと温度上昇の実際の変化との間の比率が求められること（６１５）ができる。電池が放電されている間に電池に対する最高および予想温度も求められること（６２０）ができる。温度上昇値の記憶された一組の初期変化の記憶された少なくとも１つと温度上昇の実際の変化との間の比率ならびに電池が放電されている間の電池に対する最高および予想温度に基づいて、放電中に許可される最短予測時間が求められることができる。実際の放電時間が最短予測時間より少ないことに応じて、電池は有効寿命末期（ＥＯＳＬ）であるとして同定されることができる。
【００７６】
本開示は、様々な態様、実施形態および／または構成において、様々な態様、実施形態、構成実施形態、部分組合せ、および／またはその部分集合を含め、実質的に本明細書に描写および記載される構成要素、方法、工程、システムおよび／または装置を含む。当業者は、本開示を理解した後に、開示された態様、実施形態および／または構成を製作および使用する方法を理解するであろう。本開示は、様々な態様、実施形態および／または構成において、例えば、性能を改善し、容易さを達成し、および／または実装のコストを軽減するために、以前の装置または工程で使用されたかもしれない品目の不在下を含め、本明細書に、またはこの様々な態様、実施形態および／もしくは構成に描写および／または記載されていない品目の不在下で、装置および工程を提供することを含む。
【００７７】
上記の検討は例示および説明の目的で提示された。上記は、本開示を本明細書に開示される形態に限定するものとは意図されない。例えば上記「発明を実施するための形態」において、本開示の様々な特徴は、本開示を合理化する目的で、１つ以上の態様、実施形態および／または構成にまとめられる。本開示の態様、実施形態および／または構成の特徴は、上述したもの以外の代替の態様、実施形態および／または構成に組み合わされてもよい。この開示の方法は、請求項が各請求項に明記されるより多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとは解釈されないことになる。むしろ、以下の請求項が反映するように、発明の態様は、単一の上記開示された態様、実施形態および／または構成の全ての特徴に満たなくとも存在する。したがって、以下の請求項はかくして本「発明を実施するための形態」に援用され、各請求項が本開示の別々の好ましい実施形態として単独で成り立つ。
【００７８】
その上、本記載が１つ以上の態様、実施形態および／または構成ならびに一定の変形および変更の説明を含んだが、他の変形、組合せおよび変更も、例えば、本開示を理解した当業者の技能および知識内でもあるように、本開示の範囲内である。特許請求されるものに対する代替の、可換なおよび／または等価の構造、機能、範囲またはステップが本明細書に開示されているか否かに関わらず、かつ任意の特許され得る主題を公的に提示することを意図することなく、そのような代替の、可換なおよび／または等価の構造、機能、範囲またはステップを含め、代替の態様、実施形態および／または構成を許可される程度に含む権利を得るものと意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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