(57)【要約】      （修正有）【課題】パワートレインを提供する。【解決手段】パワートレインは、電動車両に電力を送達するように構成されたメインの高速充電リチウムイオンバッテリ（ＦＣ）と、電力を受け取り、ＦＣ及び／又はＥＶに電力を送達するように構成されたスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電リチウムイオンバッテリ（ＳＣｅＦＣ）と、制御ユニットとを備える。ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方が同じアノード活物質に基づいたアノードを有し、ＳＣｅＦＣは制御ユニットによって維持される充電状態（ＳｏＣ）の限られた動作範囲内で高レートで動作するように構成され、制御ユニットはＦＣ及びＳＣｅＦＣをそれぞれＥＶへの電力送達及びＥＶからの電力送達について管理するように、並びにＦＣの放電深度及び／又はサイクルの数を最小限にする指定の基準に従ってＳＣｅＦＣからＦＣへの電力送達を管理するようにさらに構成される。【選択図】図１Ｂ
2018113254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御回路と、
Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質を有し、前記Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で、少なくとも５Ｃで動作するように設計された、修正された高速充電リチウムイオンバッテリと、
を備え、
前記制御回路が、前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）を前記作動点周辺の前記動作範囲内に維持するように構成される、
デバイス。
【請求項２】
前記アノード活物質が、前記動作範囲内の前記作動点周辺のみで前記修正された高速充電リチウムイオンバッテリの動作を可能にするように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記修正された高速充電リチウムイオンバッテリのアノードが、リチウム化の際に前記アノード物質の完全膨張を防ぐように構成された機械的バリアを備える、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記機械的バリアが、リチウム化の際に前記アノード物質の前記完全膨張の８０％以下を可能にするように構成される、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記アノード物質が、シェル構造物を有する複合アノード物質粒子を含み、前記シェル構造物が、前記複合アノード物質粒子のコアの完全膨張容積よりも小さい、請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
前記修正された高速充電リチウムイオンバッテリのカソードが、前記アノードの８０％以下の容量を有する、請求項１から５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
少なくとも３Ｖの電圧レベルで動作し、それぞれの最大連続電流の０．１％より小さい漏洩電流を有するように構成される、請求項１から６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
電動車両（ＥＶ）パワートレインであって、
前記ＥＶに電力を送達するように構成された高速充電リチウムイオンモジュール（ＦＣ）と、
請求項１から７のいずれかに記載のデバイスと、
を備え、
前記バッテリが、電力を受け取り、前記ＥＶ及び／又は前記ＦＣに電力を送達するように構成されたスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電リチウムイオンモジュール（ＳＣｅＦＣ）として構成され、
前記ＦＣ及び前記ＳＣｅＦＣの両方が、同じアノード活物質に基づいたアノードを有し、
制御ユニットが、
前記ＳＣｅＦＣの充電状態（ＳｏＣ）を前記作動点周辺の前記動作範囲内に維持し、
前記ＥＶへの電力送達及び前記ＥＶからの電力送達について、前記ＦＣ及び前記ＳＣｅＦＣをそれぞれ管理し、
前記ＳＣｅＦＣから前記ＦＣ及び／又は前記ＥＶへの電力送達を管理するように構成される
電動車両（ＥＶ）パワートレイン。
【請求項９】
前記制御ユニットが、前記ＦＣの放電深度（ＤｏＤ）を最小限にするようにさらに構成される、請求項８に記載のＥＶパワートレイン。
【請求項１０】
前記制御ユニットが、前記ＦＣのサイクルの数を最小限にするようにさらに構成される、請求項８又は９に記載のＥＶパワートレイン。
【請求項１１】
前記アノード活物質がＳｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースであるか、又は前記アノード活物質がＬＴＯ（チタン酸リチウム）ベースである、請求項８、９、又は１０に記載のＥＶパワートレイン。
【請求項１２】
ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方が単一バッテリに組み入れられ、前記制御ユニットが前記ＦＣ及び前記ＳＣｅＦＣへの前記単一バッテリの要素の割り当てを管理するようにさらに構成される、請求項８から１１のいずれかに記載のＥＶパワートレイン。
【請求項１３】
前記制御ユニットが、前記単一バッテリの要素を、前記要素の動作パラメータに従って前記ＦＣ及び前記ＳＣｅＦＣの間で再割り当てするようにさらに構成される、請求項１２に記載のＥＶパワートレイン。
【請求項１４】
前記ＦＣ及び前記ＳＣｅＦＣが、少なくとも２つの対応する別個のバッテリに組み入れられる、請求項８から１１のいずれかに記載のＥＶパワートレイン。
【請求項１５】
前記制御ユニットが、前記ＦＣが容量の低減を経験するとき前記ＦＣの動作を補完するために、前記ＳＣｅＦＣの少なくとも一部分を割り当てるようにさらに構成され、前記割り当てが、前記ＳＣｅＦＣの前記動作範囲を増大させることによって実行される、請求項８から１４のいずれかに記載のＥＶパワートレイン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］  本発明は、限定されるものではないがバッテリ及びキャパシタなどの電力源の分野に関する。そのような電力源は、例えば、電動車両において使用される。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］  ウルトラキャパシタとしても知られるスーパーキャパシタは、電気エネルギーバースト、例えば、短期間の高エネルギーパルスを提供するために使用される、高静電容量を有するキャパシタである。これらの用途では、スーパーキャパシタは、より短い時間ではるかに多くの充電を行う能力、並びにより多くの充電及び放電サイクルを経る能力においてバッテリよりも優れている。これらの点における優れた性能は、バッテリの動作が、一般的にはより遅く、より電極経年劣化を引き起こす電気化学的酸化還元反応に基づく一方で、スーパーキャパシタの動作が静電エネルギー蓄積に基づくことに起因する。スーパーキャパシタは、二重層スーパーキャパシタ（例えば、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒ  ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ））、疑似キャパシタ、ハイブリッドキャパシタなど、様々な方式で設計される。
【０００３】
［０００３］  スーパーキャパシタが蓄積できる電荷に対するスーパーキャパシタの物理的サイズと、スーパーキャパシタが送達できるエネルギーとの間には直接的な関係がある。典型的なスーパーキャパシタは、目盛り寸法（大きさ）１ｃｍ、重量１ｇｒ、及び最大電流０．５〜１Ａで０．００１Ｗｈの蓄積エネルギー（定格静電容量１Ｆ）から、目盛り寸法（大きさ）１０ｃｍ、重量５００ｇｒ、及び２００Ａに達する連続電流により２０００Ａに達する最大電流で４Ｗｈの蓄積エネルギー（定格静電容量３０００Ｆ）の範囲である。より大きなスーパーキャパシタは、より大きなエネルギー定格を蓄積及び送達するために複数のスーパーキャパシタユニットでできている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
［０００４］  以下は、本発明の初期的な理解を提供する簡易的な概要である。本概要は、必ずしも重要な要素を特定するとは限らず、本発明の範囲を制限するものでもなく、単に以下の説明の導入としての役割を果たすだけである。
【０００５】
［０００５］  本発明の一態様は、制御回路と、Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質を有する高速充電リチウムイオンバッテリと、を備えるデバイスを提供する。バッテリは、例えばバッテリの物理的寸法に起因する特定の制約内、及び／又は制御回路の制御下で動作するように設計され得る。例えば、いくつかの実施形態によると、バッテリは、Ｓｉ、Ｇｅ、及び／若しくはＳｎベースのアノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で、並びに／又は少なくとも５Ｃで、動作するように制御又は設計され得る。加えて、又は代替的に、制御回路は、バッテリの充電状態（ＳＯＣ：ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ）を作動点周辺の動作範囲内に維持するように構成され得る。本発明のいくつかの実施形態に従うデバイスは、電動車両用のパワートレインを含むがこれに限定されない多くの種類の用途に使用され得る。
【０００６】
［０００６］  別の態様において、本発明は、スーパーキャパシタをエミュレートするように高速充電バッテリを構成することを含む方法を提供する。本明細書内で使用される場合、「高速充電」とは、別段の記載のない限り、５Ｃ以上の最大充電レートを指す。例えば、本バッテリ方法は、Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質を含み、少なくとも５Ｃの充電レートで動作し得る。本方法は、所与の仕様に従って高速充電バッテリのパラメータを選択すること、並びに高速充電バッテリを限られた動作範囲、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の範囲内で動作させることを含み得る。
【０００７】
［０００７］  本発明のいくつかの実施形態に従うデバイス又は方法は、図面を参照して本明細書内でさらに説明される以下の特徴のうちの任意の１つ又は複数を、単独、又は任意の組み合わせのいずれかで含み得る。
【０００８】
［０００８］  アノード活物質は、動作範囲内の作動点周辺のみで高速充電リチウムイオンバッテリの動作を可能にするように構成され得る。
【０００９】
［０００９］  高速充電リチウムイオンバッテリのアノードは、リチウム化の際にアノード物質の完全膨張を防ぐように構成された機械的バリアを備え得る。機械的バリアは、リチウム化の際にアノード物質の完全膨張の８０％以下を可能にするように構成され得る。
【００１０】
［００１０］  アノード物質は、シェル構造物を有する複合アノード物質粒子を含み得、シェル構造物は、複合アノード物質粒子のコアの完全膨張容積よりも小さい。
【００１１】
［００１１］  高速充電リチウムイオンバッテリのカソードは、アノードの８０％以下の容量を有し得る。
【００１２】
［００１２］  本デバイスは、少なくとも３Ｖの電圧レベルで動作し、それぞれの最大連続電流の０．１％より小さい漏洩電流を有するように構成され得る。
【００１３】
［００１３］  スーパーキャパシタの所与の仕様は、スーパーキャパシタの少なくとも１つの寸法を含み得、本発明のいくつかの実施形態に従う方法は、所与の動作電流を提供するように高速充電バッテリの充電／放電レートを構成することを含み得る。
【００１４】
［００１４］  所与の仕様は、スーパーキャパシタの動作電流を含み得、方法は、所与の動作電流を提供するように、少なくとも１つの寸法、及び充電／放電レート高速充電バッテリのうちの少なくとも１つを構成することを含み得る。
【００１５】
［００１５］  本発明のいくつかの実施形態に従う方法は、高速充電バッテリを部分的な動作範囲内でのみ動作させるように高速充電バッテリの制御回路を構成することを含み得る。
【００１６】
［００１６］  高速充電バッテリは、Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質を含む半金属ベースのアノードを有するリチウムイオンバッテリであり得る。
【００１７】
［００１７］  高速充電バッテリは、５０Ｃ充電レートで動作するように構成されたリチウムイオンバッテリであり得る。
【００１８】
［００１８］  本発明のいくつかの実施形態に従う方法は、動作中のアノード物質粒子の相対膨張を低減するために、高速充電バッテリの最適動作窓内で高リチウム化点として作動点を選択することを含み得る。
【００１９】
［００１９］  本発明のいくつかの実施形態に従う方法は、部分的な動作範囲内の選択された作動点周辺のみでの動作という前提の下で高速充電バッテリのアノード構成を最適化することを含み得る。
【００２０】
［００２０］  本発明のいくつかの実施形態は、Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質を有し、Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内でのみ、少なくとも５Ｃの充電レートで、動作する高速充電リチウムイオンバッテリを提供し得る。
【００２１】
［００２１］  高速充電リチウムイオンバッテリは、その動作を動作範囲内の作動点周辺のみで可能にするように修正又は制御され得、バッテリのアノードは、リチウム化の際にアノード物質の完全膨張を防ぐように構成された機械的バリアを備える。機械的バリアは、リチウム化の際にアノード物質の完全膨張の８０％以下を可能にするように構成され得る。アノード物質は、シェル構造物を有する複合アノード物質粒子を含み得、シェル構造物は、複合アノード物質粒子のコアの完全膨張容積よりも小さい。
【００２２】
［００２２］  別の態様において、本発明は、電動車両（ＥＶ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｖｅｈｉｃｌｅ）パワートレインであって、ＥＶに電力を送達するように構成されたリチウムイオンモジュール（ＦＣ）と、電力を受け取り、ＥＶ及び／又はＦＣに電力を送達するように構成されたスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電リチウムイオンモジュール（ＳＣｅＦＣ：ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ−ｅｍｕｌａｔｉｎｇ  ｆａｓｔ−ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｌｉｔｈｉｕｍ  ｉｏｎ  ｍｏｄｕｌｅ）とを備え、ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方が、同じアノード活物質に基づいたアノードを有し、ＳＣｅＦＣが、５Ｃの最大充電レートで、アノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で動作するように構成される、電動車両（ＥＶ）パワートレイン、並びにＳＣｅＦＣの充電状態（ＳｏＣ）を作動点周辺の動作範囲内に維持し、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを、それぞれＥＶへの電力送達及びＥＶからの電力送達について管理し、指定の基準に従ってＳＣｅＦＣからＦＣ及び／又はＥＶへの電力送達を管理するように構成された制御ユニットを提供し得る。
【００２３】
［００２３］  別の態様において、本発明は、ＥＶに電力を送達するように構成された高速充電リチウムイオンモジュール（ＦＣ）、並びに電力を受け取り、ＥＶ及び／又はＦＣに電力を送達するように構成されたスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電リチウムイオンモジュール（ＳＣｅＦＣ）から電動車両（ＥＶ）用のパワートレインを構成することであって、ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方が、同じアノード活物質に基づいたアノードを有し、ＳＣｅＦＣが、５Ｃの最大充電レートで、アノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で動作するように構成される、ことと、ＳＣｅＦＣの充電状態（ＳｏＣ）を作動点周辺の動作範囲内に維持するようにＳＣｅＦＣバッテリを動作させることと、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを、それぞれＥＶへの電力送達及びＥＶからの電力送達について管理することと、指定の基準に従ってＳＣｅＦＣからＦＣ及び／又はＥＶへの電力送達を管理することとを含む方法を提供し得る。
【００２４】
［００２４］  ＳＣｅＦＣの少なくとも一部分は、ＦＣが容量の低減を経験するときＦＣの動作を補完するために割り当てられる場合があり、この割り当ては、ＳＣｅＦＣの動作範囲を増大させることによって実行される。
【００２５】
［００２５］  本発明の他の実施形態と同様に、アノード活物質は、動作範囲内の作動点周辺のみでＳＣｅＦＣの動作を可能にするように構成され得る。
【００２６】
［００２６］  作動点は、動作中のアノード物質粒子の相対膨張を低減するために、ＳＣｅＦＣの最適動作窓内で高リチウム化点として選択され得る。
【００２７】
［００２７］  本発明の実施形態はまた、一時的又は非一時的コンピュータ可読媒体、例えば、記憶媒体を備えるコンピュータプログラム製品を提供し得、この一時的又は非一時的コンピュータ可読媒体は、そこで具現化される、本明細書内で説明されるパワートレインのいずれかの動作を制御するためにコンピューティングシステム内に組み入れられ得るコンピュータ可読プログラムを有する。制御は、ＳＣｅＦＣの充電状態（ＳｏＣ）を作動点周辺の動作範囲内に維持するようにＳＣｅＦＣバッテリを動作させ、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを、それぞれＥＶへの電力送達及びＥＶからの電力送達について管理し、指定の基準に従ってＳＣｅＦＣからＦＣ及び／又はＥＶへの電力送達を管理し得る。
【００２８】
［００２８］  本発明のこれらの、追加の、及び／又はその他の態様及び／又は利点は、以下の詳細説明において明らかにされ、おそらくは詳細説明から推察され、及び／又は本発明の実践によって習得可能である。
【００２９】
［００２９］  本発明の実施形態のより良い理解のため、及び同じことをどのようにして実行することができるかを示すために、これより、単に例として、添付の図面への参照がなされ、同じ数字は全体にわたって対応する要素又は部分を指定する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
［００３０］
【図１Ａ】［００３１］  本発明のいくつかの実施形態に従う、高速充電バッテリを使用してスーパーキャパシタをエミュレートするデバイスの概略図である。
【図１Ｂ】［００３２］  本発明のいくつかの実施形態に従う、スーパーキャパシタをエミュレートする高速充電バッテリ及びその構成の概略図である。
【図２】［００３３］  本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両のパワートレインの概略図である。
【図３Ａ】［００３４］  本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両のパワートレインのシステム構成の概略図である。
【図３Ｂ】本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両のパワートレインの動作アルゴリズムである。
【図３Ｃ】本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両の例の概略図である。
【図４】［００３５］  本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両のパワートレインの概略図である。
【図５Ａ】［００３６］  本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両のパワートレインのシステム構成の概略図である。
【図５Ｂ】本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両のパワートレインの動作アルゴリズムの概略図である。
【図５Ｃ】本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両の例の概略図である。
【図６Ａ】［００３７］  本発明のいくつかの実施形態に従う、車両内のパワートレインのＦＣ及びＳＣｅＦＣのモジュールサイズを最適化するためのアルゴリズムのフローチャートを概略的に例示した図である。
【図６Ｂ】［００３８］  本発明のいくつかの実施形態に従う、パワートレイン及びその動作モードの概略図である。
【図７Ａ】［００３９］  本発明のいくつかの実施形態に従う、単一バッテリ内にＦＣモジュール及びＳＣｅＦＣモジュールがそれぞれ組み入れられているパワートレインの概略図である。
【図７Ｂ】［００４０］  本発明のいくつかの実施形態に従う、電力供給プロファイルの概略図である。
【図７Ｃ】［００４１］  本発明のいくつかの実施形態に従う、ＳＣｅＦＣとＦＣとの間における、制御による電力需給割り当ての概念図である。
【図８】［００４２］  本発明のいくつかの実施形態に従う、高速充電バッテリによってスーパーキャパシタをエミュレートする方法を例示する概略フローチャートである。
【図９Ａ】［００４３］  本発明のいくつかの実施形態に従う、様々なアノード構成の概略図である。
【図９Ｂ】［００４４］  本発明のいくつかの実施形態に従う、部分的なリチウム化、及びアノード物質粒子のリチウム化のための機械的バリアの概略図である。
【図１０Ａ】［００４５］  本発明のいくつかの実施形態に従う、作動点及び狭い動作範囲の選択に関する概略図である。
【図１０Ｂ】本発明のいくつかの実施形態に従う、作動点及び狭い動作範囲の選択に関する概略図である。
【図１０Ｃ】本発明のいくつかの実施形態に従う、作動点の選択及び狭い動作範囲に関する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［００４６］  以下の説明において、本発明の様々な態様が説明される。説明の目的のため、特定の構成及び詳細が、本発明の徹底的な理解を提供するために明らかにされる。しかしながら、本発明が本明細書内に提示される特定の詳細なしでも実践され得ることもまた、当業者には明らかである。さらには、よく知られている特徴は、本発明を不明瞭にしないために省略又は単純化されている場合がある。図面に対する特定の参照では、示される事項は、例にすぎず、単に本発明の例示的議論の目的のためであり、本発明の原理及び概念的な態様の最も有用で容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示されるということが強調される。これに関連して、本発明の基本的な理解のために必要以上に詳細に本発明の構造的詳細を示す意図はなく、図面と一緒の説明は、本発明のいくつかの形態がどのようにして実際に具現化され得るかを当業者に対して明らかにするものである。
【００３２】
［００４７］  本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明が、その適用において、以下の説明において明らかにされる又は図面において例示される構成要素の構築の詳細及び配置に制限されないことが理解される。本発明は、様々な方式で実践又は実行され得る他の実施形態、並びに開示された実施形態の組み合わせに適用可能である。また、本明細書内で用いられる表現及び専門用語は、説明の目的のためであり、制限するものとして見なされるべきではないことを理解されたい。
【００３３】
［００４８］  特に別段の定めのない限り、以下の議論から明らかであるように、本明細書全体にわたって、「処理」、「コンピューティング」、「計算」、「決定」、「向上」、「導出」、「監視」、「管理」などの用語を利用した議論は、コンピューティングシステムのレジスタ及び／又はメモリ内の電気的な量などの物理的な量として表されるデータを操作し、及び／又はそれをコンピューティングシステムのメモリ、レジスタ又は他のそのような情報記憶、伝送、若しくは表示デバイス内の物理的な量として同様に表される他のデータに変換するコンピュータ若しくはコンピューティングシステム、又は同様の電子計算機のアクション及び／又はプロセスを指す。
【００３４】
［００４９］  電動車両（ＥＶ）、パワートレイン、及び制御ユニット、並びに方法が提供される。パワートレインは、電動車両に電力を送達するように構成された高速充電リチウムイオンバッテリモジュール（ＦＣ）と、電力を受け取り（例えば、充電及び／又はＥＶ回生制動から）、ＦＣ及び／又はＥＶに電力を送達するように構成されたスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電リチウムイオンバッテリモジュール（ＳＣｅＦＣ）と、制御ユニットとを備え得る。ＦＣは、ＥＶへの主電力源であり得る。例えば、ＦＣは一次電源装置であり得、ＳＣｅＦＣは、ＦＣを使い切ったときにのみ使用される。ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方が、同じアノード活物質に基づいたアノードを有し得る。言い換えると、ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方においてアノードの活物質の主要成分は同じであり得る。例えば、ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方のアノードは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、及び／又はチタン酸リチウムベースのアノード活物質を含み得る。同じアノード活物質の使用は、パワートレインの生産及び保守に対して大きな利点を提供し得る。ＳＣｅＦＣは、高レートで動作するように構成され得、充電状態（ＳｏＣ）の限られた動作範囲内で動作する、例えば、５Ｃ、又はおそらくは１０Ｃ若しくは５０の最大充電及び／又は放電レートで、並びに／又はアノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で動作するように構成され得る。充電状態の動作範囲は、制御ユニットによって維持され得、制御ユニットは、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを、それぞれＥＶへの電力送達及びＥＶからの電力送達について管理し、ＳＣｅＦＣからＦＣへの電力送達を管理するようにさらに構成され得る。例えば、この管理は、例えばＦＣの放電深度及び／又はサイクルの数を最小限にする指定の基準に従ってもよい。モジュールＦＣ及びＳＣｅＦＣは、別個のバッテリとして、又は、内部モジュール及び／若しくはセルスタックが本明細書内に開示される原理に従ってＦＣとして若しくはＳＣｅＦＣとして動作可能に制御される単一バッテリとして組み入れられ得る。以下の実施形態のいずれかは、別個のバッテリとして、及び／又は１つ若しくは複数のバッテリモジュールとして組み入れられ得る。
【００３５】
［００５０］  方法、及びスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電バッテリも提供される。方法は、例えば、スーパーキャパシタの所与の仕様に従って規定され、高速充電バッテリの完全な動作範囲の２０％より小さい、おそらくは５％又は１％より小さい、部分的な動作範囲内でのみ高速充電バッテリを動作させることによって、（例えば、ＳＣｅＦＣを提供するために）所与の仕様でスーパーキャパシタをエミュレートするように高速充電バッテリを構成することを含む。完全な動作範囲は、（ｉ）バッテリの０〜１００％充電状態（ＳｏＣ）、（ｉｉ）バッテリが準備されるアノード物質の見込みの０〜１００％充電状態（ＳｏＣ）（下に論じられるように、アノード活物質のリチウム化を制限する機械的構造物がある場合）、（ｉｉｉ）バッテリの公称容量及び／又は等価の定義のいずれかとして規定され得る。制御回路と、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（スズ）、及び／又はＬＴＯ（チタン酸リチウム）ベースのアノード活物質を有し、少なくとも５Ｃで、並びに／又はＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／若しくはＬＴＯベースのアノード活物質の６０〜８０％リチウム化の作動点周辺の最大５％の範囲内で動作するように設計され得る高速充電リチウムイオンバッテリとを備えるデバイスが提供される。制御回路は、バッテリのＳｏＣを作動点周辺の動作範囲内に維持するように構成され得る。
【００３６】
［００５１］  図１Ａは、本発明のいくつかの実施形態に従う、修正された高速充電バッテリ１００Ａを使用してスーパーキャパシタ９０をエミュレートするデバイス１００の概略図である。本発明の他の実施形態は、特定の動作制約に従って動作するように構成又は制御される修正されていない高速充電バッテリを使用し得る。デバイス１００は、下に説明されるように高速充電を可能にするように、及び／又は、例えば下に開示される構成ステージ２１０において構成されるように作動点１１５周辺の狭い動作範囲１０５内で動作するように構成される修正された高速充電バッテリ１００Ａを備え得る。修正された高速充電バッテリ１００Ａは、下に開示されるように、デバイス１００の部分として、並びに狭い動作範囲１０５及び作動点１１５に対して、動作するように最適化され得る。デバイス１００は、ＥＶ用のパワートレインにおいて、下に説明されるＳＣｅＦＣ１００として使用され得る（例えば、図２参照）。
【００３７】
［００５２］  デバイス１００は、修正された高速充電バッテリ１００Ａを作動点１１５周辺の狭い動作範囲１０５内で動作させて、対応するスーパーキャパシタ９０から予期される出力、並びに／又は、例えば、対応するスーパーキャパシタ９０の性能（例えば、電流、サイクル寿命、容量など）及び寸法（例えば、サイズ、重量）に関する所与のスーパーキャパシタ仕様９４に従う出力に等価である出力９５を提供するように構成された制御ユニット１０６をさらに備え得る。デバイス１００は、下に説明されるように、任意の所与のスーパーキャパシタ９０及び／又は任意の所与のスーパーキャパシタ仕様９４をエミュレートするように設計され得る。デバイス１００の異なる構成が、対応する異なるスーパーキャパシタ９０をエミュレートするために使用され得る。
【００３８】
［００５３］  制御ユニット１０６は、作動点１１５を決定し、修正された高速充電バッテリ１００Ａを動作範囲１０５に対応する指定の電圧範囲外で充電及び／又は放電することを防ぐように構成された回路要素として様々な電子部品（例えば、ダイオード、スイッチ、トランジスタなど）をさらに備え得る。例えば、制御回路１０６は、作動点１１５周辺の動作範囲１０５内を除き、修正された高速充電バッテリ１００Ａに充電電流が達することを防ぐように構成された回路要素（例えば、ダイオード、スイッチ、トランジスタなど）を備え得る。
【００３９】
［００５４］  制御回路１０６は、下に開示されるように、エミュレートされたスーパーキャパシタ９４について決定された充電／放電レート、寸法、及び高速充電バッテリ１００Ａの他の性能パラメータなどの構成パラメータ２３０に従って、修正された高速充電バッテリ１００Ａを作動点１１５周辺の狭い動作範囲１０５で動作させるように構成され得る。特定の実施形態において、充電／放電レートは、バッテリの所与のＣレートについて特定のＳｏＣで作動点を選択することによって調整され得る（図６Ａも参照）。
【００４０】
［００５５］  開示された発明は、いくつかの実施形態において、修正された高速充電バッテリ１００Ａの寸法、並びにそれに応じて、修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００の性能を構成することによって、任意の所与のスーパーキャパシタ仕様に適切な修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００の構成を可能にすることが強調される。
【００４１】
［００５６］  本発明者らは、任意の所与のスーパーキャパシタ仕様について、対応する修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００が、実際に所与のスーパーキャパシタをエミュレートするように設計され得ることを発見した。所与のスーパーキャパシタ仕様の例は、例えば、（ｉ）定格静電容量１Ｆ、蓄積エネルギー０．００１Ｗｈ、容積約１ｃｍ３、重量１ｇｒ、及び最大連続電流０．５〜１Ａ（条件による）、（ｉｉ）定格静電容量１０Ｆ、蓄積エネルギー０．０１Ｗｈ、容積３ｃｍ２、重量３〜４ｇｒ、及び最大連続電流２〜４Ａ（条件による）、（ｉｉｉ）定格静電容量１００Ｆ、蓄積エネルギー０．１Ｗｈ、容積約１０ｃｍ３、重量２０〜２５ｇｒ、及び最大連続電流５〜１５Ａ（条件による）、（ｉｖ）定格静電容量３００〜６００Ｆ、蓄積エネルギー０．３〜０．８Ｗｈ、容積約２０〜３０ｃｍ３、重量５０〜１５０ｇｒ、及び最大連続電流２０〜９０Ａ（条件による）、（ｖ）定格静電容量１５００Ｆ、蓄積エネルギー１．５Ｗｈ、容積約５０〜６０ｃｍ３、重量約３００ｇｒ、及び最大連続電流８０〜１５０Ａ（条件による）、（ｖｉ）定格静電容量３０００〜４０００Ｆ、蓄積エネルギー３〜４Ｗｈ、容積約１００ｃｍ３、重量約５００ｇｒ、及び最大連続電流１３０〜２００Ａ（条件による）のいずれか、並びに修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／若しくはデバイス１００並びに／又はそのパックによってエミュレートされ得るより大きいスーパーキャパシタ及びスーパーキャパシタのパックを含む。本発明者らは、修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００が、上に列挙されたスーパーキャパシタの例のいずれかに取って代わって、所与のスーパーキャパシタ仕様について等価あるいはより優れた性能を提供するように構成され得ることを発見した。
【００４２】
［００５７］  修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００は、スーパーキャパシタを性能、仕様、及び物理的寸法について等価の修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００で置き換えることによって、スーパーキャパシタが使用される様々な用途において使用され得ることに留意されたい。例えば、修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００は、大きなスーパーキャパシタ（上の例を参照）をエミュレートするように構成され得、そのようなものとして電力網に（単独で、又はそのようなデバイスのアレイで）統合されてエネルギー需要の急上昇を押し均すことができる。別の例では、修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００は、小さいスーパーキャパシタ（上の例を参照）をエミュレートするように構成され得、デバイスに対する均一な電力供給を確実にするために消費者電子デバイスに含まれ得る。特定の実施形態において、修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００は、ワイヤレスセンサなどの多くの短い動作サイクルを必要とする使用事例におけるエミュレートされたスーパーキャパシタに関して特に有利であり得る。スーパーキャパシタは、典型的には、低いエネルギー密度及び高い漏洩電流を有し、そのようなシナリオは、典型的には、スーパーキャパシタを素早く使い果たすが、修正された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００を特徴付けるはるかに大きなエネルギー密度及び低い漏洩電流は、そのような使用事例においてデバイスのはるかに長く延長された動作を可能にし得る。
【００４３】
［００５８］  図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に従う、スーパーキャパシタエミュレーティング高速充電バッテリ１００Ａ及びその構成の概略図である。図８は、本発明のいくつかの実施形態に従う、高速充電バッテリによってスーパーキャパシタをエミュレートし、エミュレートされたスーパーキャパシタを電動車両のパワートレイン内で使用する方法２００を例示する概略フローチャートである。本方法ステージは、バッテリ１００に対して実行され得る。方法２００は、バッテリ１００及びパワートレインを生産するステージ、準備するステージ、及び／又は使用するステージを、それらの順序に関係なく含み得る。図１０Ａ〜図１０Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に従う、作動点１１５及び狭い動作範囲１０５の選択に関する概略図である。図１０Ａ、図１０Ｂは、充電及び放電グラフをそれぞれ概略的に例示し、図１０Ｃは、下に説明されるように、例えば、作動点１１５を選択するための最適作用窓を例示する。
【００４４】
［００５９］  図１Ｂに概略的に例示されるように、スーパーキャパシタ９０は、本発明の背景に提示されたスーパーキャパシタ９０の範囲では典型的には２〜２０秒の充電時間範囲を有する高速充電レート、動作中の完全放電、高送達の電流（単一のスーパーキャパシタユニットあたり最大で数百アンペアの連続電流）、及び多数のサイクル（１０５〜１０６サイクル）にわたる動作性によって特徴付けられる。しかしながら、スーパーキャパシタ９０は、典型的には、比較的高い自己放電レート（最大連続電流の約１〜３％の漏洩電流）に悩まされる。さらに、スーパーキャパシタ９０の電力密度は、リチウムイオンバッテリの電力密度よりも高い場合があるが、リチウムイオンバッテリのエネルギー密度は、スーパーキャパシタ９０のエネルギー密度よりも著しく（典型的には数桁）大きい。
【００４５】
［００６０］  充電及び放電レートは、慣例的に、バッテリ容量に関して測定される（典型的には、相対電流と容量との比に関して）。したがって、Ｃの充電レートは、バッテリが１時間の充電で公称容量に達することを意味する。同様に、１Ｃ放電レートは、バッテリが１時間で完全に尽きることを意味する。本明細書内で使用される場合、「高速充電」は、５Ｃ以上の最大充電レートを指す。
【００４６】
［００６１］  有利には、高速充電バッテリ（例えば、少なくとも約５Ｃの充電レートで、並びに実施形態においては、約１５Ｃ〜約５０Ｃのレート及び約５Ｃの実施形態においては放電レートで、動作するように構成されたバッテリ）は、低い自己放電レート（例えば、同等のスーパーキャパシタの漏洩電流の約１０％）、より高い作動電位、より短い充電時間、及びより高いエネルギー密度を有し、それらがスーパーキャパシタ９０に勝る大きな利点を提供する。本発明に従ってスーパーキャパシタをエミュレートするように構成され得る高速充電リチウムイオンバッテリは、参照により組み込まれる米国特許第９，４７２，８０４号に記載されるような、半金属ベースのアノードを有するものなど、現在知られているか、又は今後開発される任意の構造のものであり得る。
【００４７】
［００６２］  しかしながら、先行技術の高速充電バッテリは、典型的には、より低い電流（典型的には、同等のスーパーキャパシタによって提供される連続電流の１〜１０％）を提供し、典型的にはより高い電流を提供し、より多くのサイクル（典型的には、１０５〜１０６サイクル）にわたって動作するスーパーキャパシタ９０をより少ないサイクル（典型的には、１０３サイクル）にわたって動作させる。
【００４８】
［００６３］  驚くべきことに、本発明者らは、高速充電バッテリ１００によってスーパーキャパシタ９０をエミュレートし、それにより高速充電バッテリの本質的な利点を保持すると同時に、スーパーキャパシタ９０と比較した高速充電バッテリの先行技術の限界及び欠点を克服する方法を見出した。
【００４９】
［００６４］  方法２００は、スーパーキャパシタ９０の所与の仕様に従って規定され、高速充電バッテリの完全な動作範囲の２０％よりも小さい場合のある（上を参照）作動点１１５周辺の狭い部分的な動作範囲１０５内でのみ高速充電バッテリを動作させることによって、所与の仕様を有するスーパーキャパシタ９０をエミュレートするようにデバイス１００及び／又は修正された高速充電バッテリ１００Ａを構成することを含む。部分的な動作範囲１０５は、要求された性能に従って決定され得、リチウムイオンバッテリの完全な動作範囲の２０％、１０％、５％、１％、又は任意の他の部分的な範囲であり得る。
【００５０】
［００６５］  特定の実施形態において、高速充電バッテリ１００Ａは、修正されていない高速充電バッテリの完全な動作範囲ではなく、作動点１１５周辺の狭い動作範囲１０５にわたって、又は狭い動作範囲１０５を含む範囲にわたってのみ、充電及び放電されるように修正又は制御され得る。例えば、修正されたバッテリ１００Ａは、アノード物質粒子１１０の小範囲の膨張のみを可能にし（下の図９Ａ及び図９Ｂ並びに後続の開示を参照）、それ故に、広範囲の充電状態にわたって通常のリチウムイオンバッテリとして動作可能でないように設計され得る。
【００５１】
［００６６］  方法２００は、広範囲のスーパーキャパシタ９０をエミュレートするデバイス１００及び／又は修正された高速充電バッテリ１００Ａを、対応する広範囲の動作仕様で提供するために使用され得、並びにエミュレートされたスーパーキャパシタをＥＶのパワートレインにおいて使用することであり得る。高速充電バッテリ１００Ａは、同じ連続電流要件、同じ重量要件、同じ寸法要件など、特定のスーパーキャパシタ９０の性能を等しくするために高速充電バッテリ１００Ａの部分的な動作範囲１０５のみを使用して特定のスーパーキャパシタ９０をエミュレートするために高速充電バッテリ１００Ａの制限されていないパラメータを調整する異なる性能要件に対して、対応するスーパーキャパシタ９０をエミュレートするように構成され得る。特定の実施形態において、高速充電バッテリ１００Ａは、おそらくは任意の特定の同一パラメータ（電流又は寸法など）を有することなく、所与の仕様によって規定された性能包絡線内でスーパーキャパシタ９０をエミュレートするように構成され得る。性能包絡線は、下に列挙されるパラメータのうちの１つ又は複数に関して、及び／又はそれらの任意の組み合わせに関して規定され得る。高速充電バッテリ１００Ａの修正並びにデバイス１００及び制御回路１０６の構成の実施形態が下に開示される。
【００５２】
［００６７］  理論に拘束されるものではないが、本発明者らは、修正された高速充電バッテリ１００Ａを部分的な動作範囲１０５にわたって動作させることが、充電又は放電曲線全体のごく一部のみが利用されるためにより大きな連続電流が提供されることを可能にし（図１Ｂの充電曲線の概略図を参照）、各サイクルにおいてバッテリ１００Ａの異なる領域が実際に動作可能であるときにサイクル数を増加させ（図１Ｂのバッテリ１００Ａの格子縞による概略図を参照）、したがって開示された動作モードにあるバッテリ１００Ａが、その完全な範囲にわたって動作される典型的なバッテリよりも例えば、２〜３桁大きいサイクル数を維持することができ、それによりスーパーキャパシタ９０までの隔たりを埋めるということを提案する。
【００５３】
［００６８］  以下の表記及び単位は、スーパーキャパシタ９０のパラメータ（「スーパーキャパシタ」には下付き文字ＳＣを使用、例えば、ＥＳＣ）及び高速充電バッテリ１００Ａ（下付き文字ＦＣＢを使用、例えば、ＥＦＣＢ）のパラメータを表すために使用される。
エネルギーパラメータ：蓄積エネルギーは、Ｅ（Ｗｈ）で表され、重量測定及び容積測定のエネルギー密度は、それぞれＥｇ（Ｗｈ／ｋｇ）及びＥｖ（Ｗｈ／ｌ）で表される。電力密度はＰ（Ｗ／ｋｇ）で表される。
物理的寸法：典型的な寸法は、本明細書内では、非限定的な様式で、ｄ（ｃｍ３）で表される単位体積により特徴付けられ、重量はｗ（ｇｒ）で表される。
性能パラメータ：定格電圧はＶ（Ｖ）で表され、最大連続電流はＩ（Ａ）で表され、充電時間はｔで表される（１／Ｃレート、例えば、５０Ｃでは、充電又は放電電流を容量で割って、Ｃレート又はＣ比で、ｔ＝１／５０時間）。
動作パラメータ：所与のスーパーキャパシタ９０をエミュレートするために高速充電バッテリ１００Ａが動作される部分的な動作範囲１０５は、ＳｏＣ（充電状態、％）で表され、例えば、高速充電バッテリ１００Ａが高速充電バッテリ１００Ａの全充電／放電範囲の２％だけで動作される場合は、ＳｏＣ＝２％である（下の例を参照）。
式１は、スーパーキャパシタ９０及び高速充電バッテリ１００Ａの両方に有効であるこれらのパラメータ間の関係を提示する。
Ｅ＝Ｅｇ・ｗ＝Ｅｖ・ｄ＝Ｖ・Ｉ・ｔ／３６００及びＰ＝Ｖ・Ｉ／ｗ    式１
これらのパラメータの非限定的な例は、上に提示される。
式１で表現されるように、秒単位での充電／放電時間は、ｔ＝Ｅ・３６００／（Ｖ・Ｉ）として規定され得ることに留意されたい。
【００５４】
［００６９］  高速充電バッテリ１００Ａによって所与のスーパーキャパシタ９０をエミュレートするために、まずそれらの物理的寸法（例えば、サイズ又は重量）及び性能パラメータが、厳密な性能要件に応じて、適切な形態にされ得る（構成２１０として図１Ｂに例示される）。例えば、所与の連続電流が要求される場合、高速充電バッテリ１００Ａの物理的寸法及びおそらくは充電／放電レートが調整され得る（それぞれ調整２１０及び２２５により図１Ｂに例示される）。別の例では、所与の寸法が要求される場合（例えば、少なくとも重量及びサイズ寸法のうち）充電／放電レートが調整され得（調整２２５により図１Ｂに例示される）、両方の場合において、要求された性能を提供するために、部分的な動作範囲１０５が調整される（調整２３０により図１Ｂに例示される）。追加の構成原理３６０については図６Ａも参照されたい。
【００５５】
［００７０］  例えば、所与の要件ＩＦＣＢ＝ＩＳＣのとき、式１からの式Ｅ＝Ｖ・Ｉ・ｔ／３６００が、高速充電バッテリ１００Ａにおいて要求された蓄積エネルギーＥＦＣＢを計算するために使用され得、部分的な動作範囲１０５は、高速充電バッテリ１００Ａによってスーパーキャパシタ９０をエミュレートするために、ＥＳＣ／ＥＦＣＢの比率によって決定され得る。いくつかの実施形態において、エネルギー蓄積ＥＦＣＢは、バッテリパラメータを調整するためにバッテリ寸法ｄＦＣＢ、ｗＦＣＢに対してトレードオフされ得る。
【００５６】
［００７１］  別の例において、所与の要件ｗＦＣＢ＝ｗＳＣであるとき、式１からの式Ｅ＝ＶＩ／ｔが、高速充電バッテリ１００Ａにおける要求された電流ＩＦＣＢ及び／又は充電時間ｔＦＣＢを計算するために使用され得、部分的な動作範囲１０５が、高速充電バッテリ１００Ａによってスーパーキャパシタ９０をエミュレートするために、ＥＳＣ／ＥＦＣＢの比率によって決定され得る。
【００５７】
［００７２］  表１及び表２は、スーパーキャパシタ９０のパラメータ仕様の範囲の２つの極値における高速充電バッテリ１００Ａの構成の例を提供する。
【００５８】
表１：同じ蓄積エネルギーの条件下で小及び大スーパーキャパシタ９０として表される２つの極値スーパーキャパシタ仕様における高速充電バッテリの構成
【００５９】
【表１】
2018113254.tif 000003
【００６０】
［００７３］  表１は、非限定的な例において、同様あるいはより優れた性能を達成する、対応する高速充電バッテリ１００Ａによる、スーパーキャパシタ９０の構成の範囲の２つの極値にあるスーパーキャパシタ９０をエミュレートする能力を例示する。
【００６１】
表２：２極値スーパーキャパシタ仕様における、異なる種類の要件に対する高速充電バッテリの構成
【００６２】
【表２】
2018113254.tif 000004
【００６３】
［００７４］  表２は、非限定的な例において、同様あるいはより優れた性能を達成する、対応する高速充電バッテリ１００Ａによる、スーパーキャパシタ９０の構成の範囲の２つの極値にあり、異なる仕様要件に従う、スーパーキャパシタ９０をエミュレートする能力を例示する。
【００６４】
［００７５］  特定の実施形態は、それぞれの指定の電流を提供し、限られた放電範囲１０５内でのみ高速充電バッテリ１００Ａを動作させるように構成される高速充電バッテリ１００Ａの制御回路１０６を含む。
【００６５】
［００７６］  本発明のいくかの実施形態によると、スーパーキャパシタをエミュレートするように構成されたバッテリは、バッテリとして動作するように構成されたバッテリと併せて、パワートレイン、例えば、電動車両用のパワートレイン内で使用され得る。
【００６６】
［００７７］  開示されたパワートレイン実施形態において、例えば、ＥＶの継続的な電力需要（高いエネルギー密度を有する）を提供するように構成されるという１つの種類（高速充電モジュール）、及び電力バーストを提供すること及び電力バーストを受け取ることなどによって電力バースト（高い電力密度を有する）に対処すするように構成されるという別の種類（スーパーキャパシタエミュレーションモジュール）の、２つの動作的に異なる種類のバッテリモジュールが提供され得る。
【００６７】
［００７８］  図２は、本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両（ＥＶ）３０１のパワートレイン３００の高水準概略図である。電動車両３０１（非限定的な例として、電気カー、電気トラック、電気バス、電気バイク、電気オフハイウェー車、電気フォークリフトなど）のパワートレイン３００は、例えば主電力源として、電力３０１ＢをＥＶ３０１（図３Ａではそれぞれ３０２Ａ、３０２Ｂで表される、電力を提供する車両システム、及び電力を受け取る車両システムなどの車両システムとして概略的に表される）に送達するように構成された高速充電リチウムイオンモジュール（ＦＣ）３２０と、電力３１０をＦＣ３２０に送達し、ＥＶ３０１から回復電力３０１Ａ（例えば、回生制動からの）を受け取るように構成されたスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電リチウムイオンモジュール（ＳＣｅＦＣ）１００とを備え得る。
【００６８】
［００７９］  一般に、そのようなシナリオに対応する実施形態において、パワートレイン３００は、ＦＣ３２０を充電するために回復から利用可能ないかなるエネルギーも使用することによって、回復エネルギーを使用してＦＣ３２０の放電深度（ＤｏＤ）を最小限にするためにＳＣｅＦＣ１００を割り当てるように構成される。ＤｏＤは、非線形的な様式で寿命に影響を与えるため（ＤｏＤの線形増加は加速的な様式で寿命を短くする、下記参照）、本発明者らは、ＦＣ３２０に適用される充電／放電サイクルの数とＦＣ３２０が経験するＤｏＤとの間のトレードオフを最適化することができる（例えば、図６Ａ参照）。
【００６９】
［００８０］  ＦＣ３２０とＳＣｅＦＣ１００の両方は、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（スズ）、及び／又はＬＴＯ（リチウムチタン酸化物、チタン酸リチウム）ベースのアノード活物質１１０（及び／又は、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１５、下の図９Ａ、図９Ｂ参照）を有するアノード１０８を有し得、おそらくは単一の種類のアノード物質に基づいてパワートレイン３００を提供する。
【００７０】
［００８１］  ＳＣｅＦＣ１００は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／又はＬＴＯベースのアノード活物質１１０（及び／又は、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１５）の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点１１５周辺の最大５％の動作範囲１０５内で、少なくとも５Ｃで動作するように構成され得る。
【００７１】
［００８２］  パワートレイン３００は、ＳＣｅＦＣ１００の充電状態（ＳｏＣ）を作動点１１５周辺の動作範囲１０５内に維持し、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００を、それぞれ３０１Ｂ及び３０１Ａと概略的に表される、車両３０１への電力送達及び車両３０１からの電力送達について管理し、ＦＣ３２０の放電深度を最小限にする指定の基準に従って、ＳＣｅＦＣ１００からＦＣ３２０への電力送達３１０を管理するように構成された制御ユニット３３０をさらに備える。例えば、ＦＣ３２０は、ＦＣバッテリ管理システム（ＦＣ  ＢＭＳ）３２２と関連付けられ得、ＳＣｅＦＣ１００は、おそらくは制御回路１０６を備えるＳＣｅＦＣバッテリ管理システム（ＳＣｅＦＣ  ＢＭＳ）１０６Ａと関連付けられ得る。ＦＣ  ＢＭＳ３２２及びＳＣｅＦＣ  ＢＭＳ１０６Ａは、それぞれのＦＣモジュール及びＳＣｅＦＣモジュールを管理するように構成され、以下に説明されるように、それらのモジュールは、両方が単一バッテリ内に、又は２つ以上の別個のバッテリ内に組み入れられ得ることに留意されたい。単一バッテリの実装形態において、ＦＣ  ＢＭＳ３２２及びＳＣｅＦＣ  ＢＭＳ１０６Ａは、単一バッテリ内のそれぞれのＦＣモジュール及びＳＣｅＦＣモジュールを管理するように構成され得る。
【００７２】
［００８３］  有利には、ＦＣ３２０がパワートレイン３００において高エネルギー密度を提供する一方で、ＳＣｅＦＣ１００は、上に記載されるように、高電力密度をパワートレイン３００に提供して、ＥＶ３０１のパワートレイン３００を動作させることにおいてＦＣ３２０を補完するように構成される。
【００７３】
［００８４］  有利には、ＳＣｅＦＣ１００は、程度及びタイミングが不規則である車両システム３０１からの複数のエネルギー入力３０１Ａをバッファし、その最適動作に応じて調整電力３１０をＦＣ３２０に提供するように構成され得る。ＳＣｅＦＣ１００は、非常に多数のサイクル（上に説明及び論証されるように、例えば、１０，０００サイクル台）にわたって動作可能であるように構成され得、ＳＣｅＦＣ１００は、パワートレイン３００のサイクル寿命を減少させることなく一貫性のないエネルギー入力３０１Ａに耐えることができる。さらに、ＳＣｅＦＣ１００の実際の容量はその動作範囲１０５よりもはるかに高いため、ＳＣｅＦＣ１００はまた、電力３０１Ａのピークを受け取り、それにより、下の表３で例証されるように、エネルギー回復の程度及び効率を増大させるために使用され得る。したがって、開示された実施形態におけるＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００の組み合わせは、（ＳＣｅＦＣ１００がかなりのサイクルをバッファするため）パワートレイン３００のサイクル寿命がＦＣ３２０のサイクル寿命を超えて、例えば、２倍、３倍、あるいは１０倍も、例えば、ＦＣ３２０における数百サイクルからパワートレイン３００における数千サイクルに（又は、様々な実施形態において、ＦＣ３２０における３００〜５００サイクルからパワートレイン３００における６００〜２０００サイクルに）延長し得る。代替的に、又は相補的に、パワートレイン３００は、ＦＣ３２０がそれだけで動作される場合よりも増大した容量並びに／又はより大きな回復の程度及び効率を提供し得る。代替的に、又は相補的に、パワートレイン３００は、ＳＣｅＦＣ１００のみについて上の例で説明されるように、及び下の表３でパワートレイン３００について例証されるように、コスト及び／又はサイズパラメータを改善し得る。
【００７４】
［００８５］  表３は、電動車両用のパワートレインの概略的で非限定的な比較を提示する。パワートレインは、様々な想定の下に比較される。最初の３つの列は、現況のリチウムイオンバッテリ（１列目）、並びにＳｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質１１０（並びに／又は、下の図９Ａ、図９Ｂを参照して、１１０Ａ、１１０Ｂ、１１５、及び／若しくは、おそらくは、チタン酸リチウムＬＴＯなどの高速充電バッテリ用の代替的なアノード活物質）を有する開示されたアノード１０８に基づいた高速充電バッテリ（２列目及び３列目）を用いて、単一バッテリモジュールソリューションのパラメータを提示する。すべてのソリューションにおいて、１時間あたり１７．５ｋＷｈの平均エネルギー消費が想定される。
【００７５】
［００８６］  最初の３つの単一バッテリモジュールソリューションは、単一バッテリモジュールソリューションとして、それぞれ、電力３０１Ａを受け取り、並びに車両システム３０１から、及び車両システム３０１へ、電力３０１Ｂを提供する。１列目及び２列目は、１００ｋＷｈバッテリパックを想定するが、３列目は、１列目のソリューション（先行技術のＬｉイオンバッテリ）と同様のレンジ及び駆動時間を提供するように構成される８０ｋＷｈバッテリパックを想定する。両方の高速充電バッテリ代替案は、高速充電されるそれらの能力、それ故に、充電の遅い（例えば、黒鉛アノードに基づいた）先行技術のバッテリよりも多くのエネルギーを受け取り、送達する能力によってより高いエネルギー回復を提供する。２列目のソリューションは、駆動時間及びレンジを増大させるために追加のエネルギーを使用する一方、３列目のソリューションは、バッテリサイズを減少させるために追加のエネルギーを使用する。高速充電ソリューションは、利用可能なサイクルの総数（サイクル寿命）に達するための時間を減少させ得る１日あたりのより効率的な充電サイクルによって特徴付けられることに留意されたい。全体的に見て、２列目のソリューションは、より効率的な回復に起因して電動車両のレンジを増大させる一方、３列目のソリューションは、バッテリパックのサイズ及びコストを減少させ、両方のソリューションがサイクル数の増加（約２倍）を必要とする。
【００７６】
［００８７］  ４列目及び５列目は、図２に概略的に例示される２つのバッテリソリューションのパラメータを提示し、両方が、バッテリパック性能を改善し、バッテリパックのサイクル寿命を維持するか、又は向上させる。２つのバッテリも同様に、下に説明されるように、単一バッテリ内の２つのモジュールとして組み入れられ得ることに留意されたい。両方の場合において、すべての回復（車両システム３０１からの電力３０１Ａの受け取り）は、ＳＣｅＦＣ１００によって実行され、６０ｋＷｈが回復されることが想定される。４列目のソリューションは、８０＋６０＝１４０ｋＷｈのより大きなバッテリパックを表すが、５列目のソリューションは、第１の単一バッテリソリューションと同じバッテリパック容量を提供する。４列目及び５列目のソリューションの両方は、上に説明されるように、非常に多数のサイクルをサポートするように構成されるＳＣｅＦＣ１００の部分的な動作範囲１０５に起因して、（４列目のソリューションのより大きな容量、及び５列目のソリューションのより大きな回復にもかかわらず）第１の単一バッテリソリューションと同じ駆動時間及びレンジを提供するように構成される。
【００７７】
［００８８］  部分的な動作は、％ＳｏＣあたりのエネルギー及びパルス周波数の対応する性能パラメータを用いて、１日あたりの充電サイクル（４列目及び５列目のソリューションでは、それぞれ動作範囲＜５％ＳｏＣで＞２０、及び動作範囲＜１％ＳｏＣで＞３００）で表現される。両方の場合において、ＦＣ３２０はＳＣｅＦＣ１００のみから電力３１０を受け取り、その最適化された動作を可能にし、そのサイクル寿命を最大限にする（例えば、図６Ａ参照）。本発明者らは、表３が、電動車両と、バッテリパックパラメータと、ＳＣｅＦＣ１００、ＦＣ３２０、それぞれそれらの対応するＢＭＳ１０６Ａ、３２２、及び制御ユニット３３０の構成との関係に関する任意の必要な性能要件を提供するために、開示されたガイドラインに従って構成され得る、開示された発明の実施形態の動作及び利点を説明するために非限定的な概略例を提示することに留意する。寿命推定は、充電／放電サイクルの数として提案され、非常におおざっぱであり、開示された実施形態における改善を提案することを目的としており、制限するものとして理解されるべきではない。
【００７８】
表３：電動車両用のパワートレインの比較
【００７９】
【表３−１】
2018113254.tif 000005
【００８０】
上記表３の続き。
【００８１】
【表３−２】
2018113254.tif 000006
【００８２】
［００８９］  ＤｏＤがサイクル寿命を非線形で低下させる、すなわち１０〜４０％の低いＤｏＤは、典型的には、数千サイクルを可能にする一方、約６０〜１００％のＤｏＤは、典型的には、数百サイクルのみを可能にするため、有利には、より程度の大きい電力回復及びＦＣ３２０の制御された放電に起因して、サイクル寿命は、同じ全体容量を有する単一バッテリソリューション（例えば、２列目及び３列目に提示される）に対して延長され得る。特定の実施形態において、制御ユニット３３０は、ＳＣｅＦＣ１００を高需要で放電し、それによりＦＣ３２０のＤｏＤを低減し、そのサイクル寿命を増大させることによって、ＦＣ３２０のＤｏＤをバッファするように構成され得る。
【００８３】
［００９０］  さらに、ＳＣｅＦＣ１００に関しても、ＤｏＤの調整が、そのサイクル寿命を増大させるために使用され得る。提示された例において、４列目のソリューションは、比較的緩和された条件下（比較的広い動作範囲、比較的低いパルス周波数）で動作されるより大きなバッテリパックを提供するが、５列目のソリューションは、より厳しい条件下（より狭い動作範囲、より高いパルス周波数）で動作されるより小さいバッテリパック（１列目のソリューションと同様）を提供し、５列目のソリューションはより小さいＤｏＤを維持することから、より長いサイクル寿命を可能にする。例えば、提示された５列目のソリューションは、４列目のソリューションにおけるＳＣｅＦＣ１００のサイクル寿命よりも３〜１０倍長い場合のあるＳＣｅＦＣ１００のサイクル寿命を提供する。
【００８４】
［００９１］  （ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００を含む複合バッテリシステムの）パワートレイン３００の概略的及び非限定的な寿命推定に関して、４列目に提示される実施形態は、ＳＣｅＦＣ１００を使用して、エネルギーバーストをバッファする、サイクル数を低減する、及び／又はＦＣ３２０のＤｏＤを低減することによって、単一バッテリソリューション（列２及び３）に対して推定３〜１０倍の増加を提供する。５列目に提示される実施形態は、上に説明されるように、動作範囲１０５（５％〜１％ＳｏＣ）の狭化、及びＤｏＤに対するＦＣ３２０の寿命の非線形従属性に起因して、４列目のソリューションに対して推定５〜１０倍のさらなる増加を提供し得る。ＤｏＤに対する線形従属性を想定するとしても、動作範囲１０５の低減は、５％ＳｏＣではなく１％ＳｏＣでの動作によって、５倍の寿命を提供する。ＤｏＤの寿命の非線形従属性は、ＦＣ３２０に対してより大きな割合のサイクルについてＳＣｅＦＣ１００を使用して、この利点をさらに先へ前進させることを可能にし、例えば、５列目のソリューションにおいて、ＦＣ３２０は、１日あたり１回の充電で使用され得、ＳＣｅＦＣ１００は、１％ＳｏＣで動作するＳＣｅＦＣ１００では１日あたり３００充電で使用され得る。
【００８５】
［００９２］  １つのＦＣ３２０及び１つのＳＣｅＦＣ１００へのパワートレイン３００の分離は、非限定的な様式及び例としてのみ本明細書では提供されることが強調される。様々な実施形態において、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００は、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００（本明細書内で開示されるように、異なって内部で設計され得る）に対応して、それらの異なる部分に対する別個の制御を有する単一バッテリモジュールとして組み入れられ得、並びに／又は複数のバッテリが、ＦＣ３２０及び／若しくはＳＣｅＦＣ１００として、制御器を共有するバッテリパック内で、又は各機能を実施するための複数のバッテリとしてのいずれかで使用され得る。
【００８６】
［００９３］  特定の実施形態において、制御ユニット３３０は、ＦＣ３２０が使い果たされた場合に、追加の電力を提供するため、例えば、電動車両のレンジを延長するため、ＳＣｅＦＣ１００を利用するように構成され得る。そのような場合において、ＳＣｅＦＣ１００は、ＦＣ３２０内の電力を使い切ると、主電力供給源として動作され得る。
【００８７】
［００９４］  特定の実施形態において、制御ユニット３３０は、ＦＣ３２０のＳｏＨの減少を補完するようにＳＣｅＦＣ１００の動作構成を適合するように構成され得る。例えば、ＦＣ３２０の一部が損傷を受けるか、又は機能しなくなった場合、制御ユニット３３０は、ＦＣ３２０の容量損失を補完するためにＳＣｅＦＣ１００の一部を割り当てるように構成され得る。特定の実施形態において、制御ユニット３３０は、ＦＣ３２０の容量損失を置き換えるために最大でＳＣｅＦＣ１００全体を割り当てるように構成され得る。特定の実施形態において、制御ユニット３３０は、必要な追加の電力を提供するために、より大きな動作範囲１０５でＳＣｅＦＣ１００を動作させるように構成され得る。
【００８８】
［００９５］  パワートレイン３００内のＳＣｅＦＣ１００及びＦＣ３２０からの電力は、性能及び経路パラメータに関して最適化され得る幅広いシナリオにおいてＥＶ３０１に提供され得る。以下には、２種類の非限定的なシナリオが提示される。１つ目は、ＦＣ３２０のみからのＥＶ３０１への電力供給に関与し（ＳＣｅＦＣ１００はＦＣ３２０へ電力を供給し、ＥＶ３００へは直接供給しない）、２つ目は、ＦＣ３２０の充電レベルを増大させるためにＳＣｅＦＣ１００からＦＣ３２０への追加の電力伝達を伴う、ＳＣｅＦＣ１００及びＦＣ３２０のいずれかからのＥＶ３００への電力供給に関与する。いずれかのシナリオからの要素は、組み合わされ得、及び／又はシナリオは、動作中に制御ユニット３３０によって切り替えられ得る。制御ユニット３３０は、バッテリモジュールの状態、電力要求及び電力源、経路パラメータ及び天気パラメータ、並びに外部調整のいずれかなど、下に開示される様々なパラメータに従って、パワートレイン３００への、パワートレイン３００内での、及びパワートレイン３００からのエネルギー流を最適化するように構成され得る。
【００８９】
［００９６］  図３Ａ〜図３Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両３０１のパワートレイン３００のシステム構成、動作アルゴリズム３４０、及び例３４３の概略図である。
【００９０】
［００９７］  図３Ａは、本発明のいくつかの実施形態に従う、車両３０１内のパワートレイン３００を概略的に例示する。一般性を失うことなく、ブレーキなどの車両システム３０２Ａは、電力供給側として例示され、ドライブシャフトなどの車両システム３０２Ｂは、電力消費側として例示される。車両システム３０２Ｂへの電力伝達は、ＦＣ３２０（電力３０１Ｂ）から実行され得る。ＦＣ３２０は、電力バーストのＳＣｅＦＣ１００内への蓄積後、車両システム３０２Ａから受け取った（３０１Ａ）ＳＣｅＦＣ１００からの電力３１０を提供され得る。充電制御器３３０は、電力伝達３０１Ａ、３１０、３０１Ｂのそれぞれを、直接並びに／又は対応するＳＣｅＦＣ制御器１０６Ａ及びＦＣ制御器３２２を介して制御するように構成され得る。充電制御器３３０、ＳＣｅＦＣ制御器１０６Ａ、及びＦＣ制御器３２２は、図２に例証される制御ユニット３３０、ＳＣｅＦＣＢＭＳ１０６Ａ、及びＦＣ  ＢＭＳ３２２を備えるか、又はその部分であり得る。実施形態のいずれかにおいて、制御器及びＢＭＳという用語は、代わりに使用され得るか、又はおそらくは制御ユニット３３０内に部分的若しくは完全に統合された階層的に配置されたユニットを表し得ることに留意されたい。
【００９１】
［００９８］  図３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に従う、車両３０１内のパワートレイン３００の動作スキーム３４０を概略的に例示する。入ってくるエネルギー３４１、例えば、車両システム３０１から受け取ったエネルギー及び／又は充電されたエネルギーは、ＳＣｅＦＣ１００がその動作範囲１０５の一番上にない場合（３４２を参照）、ＳＣｅＦＣ１００に送達され、そこに蓄積され得る（電力伝達３０１Ａとして）。ＳＣｅＦＣ１００がその動作範囲１０５の一番上にある場合（３４２を参照）、ＦＣ３２０は、そこから充電される３１０が、ＦＣ３２０が満タンでない場合（３４４を参照）は、ＳＣｅＦＣは、補完エネルギー３４１を受け取る。ＳＣｅＦＣ１００及びＦＣ３２０の両方が、それらの最上の規定容量にある場合、以下のオプションのいずれかが実施され得る（３５０Ａを参照）：回復を中止する（入ってくるエネルギー３４１からの入ってくる回復エネルギーを失う）、直接ＳＣｅＦＣ１００から車両システムに電力を供給する（３０１Ｂ）（下の図３Ｃも参照）、及び／又は、ＳＣｅＦＣ１００の動作範囲１０５の拡大を、可能であれば物理的に、及びそのような例外が利用可能であると事前に規定されている場合に、行う。エネルギー消費について考えると、エネルギー要件３５９では、例えば、車両システム３０１によって消費されるエネルギーでは、例外的な状況が存在せず（３５２を参照）、ＦＣ３２０が空でない（３５４を参照）場合、電力は、ＦＣ３２０から供給され得る（３０１Ｂ）。例外的な状況及び／又は空のＦＣ３２０は、直接ＳＣｅＦＣ１００から電力を車両システム（３０１Ｂ）に供給すること（下の図４も参照）、及び／又はＳＣｅＦＣ１００の動作範囲１０５の拡大を、可能であれば物理的に、及びそのような例外が利用可能であると事前に規定されている場合に、行うことによって対処され得る（３５０を参照）。
【００９２】
［００９９］  ＳＣｅＦＣ１００の作動点１１５及び動作範囲１０５は、入ってくるエネルギー３４１の入ってくる回復エネルギーのある特定の予測される量、及び／又はある特定の最大エネルギー回復基準に準ずるように構成され得、それが車両３０１の全体的なエネルギー効率に著しく影響を与え得ることに留意されたい。下の図６Ａ及び関連実施形態は、これらのパラメータを決定するためのプロセスに取り組む。
【００９３】
［００１００］  図３Ｃは、図の上部に矢印によって示される、入ってくるエネルギー３４１のバースト（例えば、回復エネルギー、及び／又は、代替的若しくは相補的には、充電ステーションからの充電エネルギーのバースト）、及び図の下部に太い矢印によって概略的に示される電力要求３５９など、電力供給の任意選択シナリオ３４３におけるパワートレイン３００の動作の、本発明のいくつかの実施形態に従う、高水準の概略的で非限定的な定性的な例である。図２、図３Ａ、及び図３Ｂで概説される原理に沿った動作スキーム３４０において、ＳＣｅＦＣ１００は、主電力受取側（３０１Ａ）として動作され、ＦＣ３２０の充電３１０の数を低減し、それによりＦＣ３２０が受けるサイクルの数を低減するために、入ってくるエネルギーバースト３４１をバッファする。ＦＣ３２０の全体的な寿命を最大限にするために、ＦＣ３２０の充電の数及び放電サイクルとＦＣ３２０のＤｏＤとの間でトレードオフが最適化され得ることに留意されたい（例えば、図６Ａ参照）。提示されたシナリオ３４０に対応する実施形態において、主電力供給側（３０１Ｂ）としてのＦＣ３２０は、要求されたエネルギー３５９を送達する。動作範囲１０５を拡大するという例外的なシナリオ３５０は、図の右側に概略的に例示される（より多くの再生エネルギーを受け取るために最大ＳｏＣの上、又は、例えば、示されないがＦＣ３２０が尽きた場合に追加の電力を提供するために最小ＳｏＣより下のいずれかの方向で）。例外的なシナリオ３５０は、例えば、ＦＣ３２０が利用できない場合、おそらくはＦＣ３２０の修復モードにある場合、下に説明されるように、例外的な範囲拡大要求のため、又はおそらくはある特定の環境下で向上された回復のための、緊急シナリオとして要求され得る。一般性を失うことなく、例示された例において、ＳＣｅＦＣ１００は、作動点１１５として８０％リチウム化周辺の±２％動作範囲１０５で動作されるように示される。ＳＣｅＦＣ１００は、一般的には、その高いサイクル性を使用して、ＦＣ３２０よりもはるかに高い充電及び放電Ｃレートで動作されることに留意されたい。
【００９４】
［００１０１］  図４は、本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両３０１のパワートレイン３００の高水準概略図である。電動車両３０１のパワートレイン３００は、一定の負荷電力提供側として、特に長期間負荷下にあるときに電力３０１Ｂを電動車両３０１に送達するように構成されたＦＣ３２０と、典型的にはバーストで届く回復電力３０１Ａを電動車両３０１から受け取り、バースト電力負荷３５０Ｂを電動車両３０１に送達するように構成されたＳＣｅＦＣ１００とを備え得る。電力要求を超えてＳＣｅＦＣ１００に充電された回復エネルギーは、ＦＣ３２０を充電するために使用され得る。
【００９５】
［００１０２］  一般に、そのようなシナリオに対応する実施形態において（下の図５Ａ〜図５Ｃも参照）、パワートレイン３００は、バーストに対処するためにＳＣｅＦＣ１００を割り当て、それにより上に開示されるように達成されるＳＣｅＦＣ１００の長いサイクル寿命を利用すると当時に、パワートレイン３００の全体的な寿命を増大するためにＦＣ３２０のサイクルを最小限にするように構成される。
【００９６】
［００１０３］  ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００の両方は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／又はＬＴＯベースのアノード活物質１１０（及び／又は１１０Ａ、１１０Ｂ、１１５、下の図９Ａ、図９Ｂを参照）を有するアノード１０８を有し得、おそらくは同じ種類のアノード物質に基づいてパワートレイン３００を提供する。
【００９７】
［００１０４］  ＳＣｅＦＣ１００は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／又はＬＴＯベースのアノード活物質１１０（及び／又は１１０Ａ、１１０Ｂ、１１５）を含み得るアノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点１１５周辺の最大５％の動作範囲１０５内で、少なくとも５Ｃで動作するように構成され得る。
【００９８】
［００１０５］  パワートレイン３００は、ＳＣｅＦＣ１００の充電状態（ＳｏＣ）を作動点１１５周辺の動作範囲１０５内に維持し、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００を、それぞれ３０１Ｂ及び３０１Ａと概略的に表される、車両３０１への電力送達及び車両３０１からの電力送達について管理し、ＦＣ３２０のサイクル及びおそらくはＤｏＤを最小限にする指定の基準に従って、ＳＣｅＦＣ１００からＦＣ３２０への電力送達３１０を管理するように構成された制御ユニット３３０をさらに備え得る。例えば、ＦＣ３２０は、ＦＣバッテリ管理システム（ＦＣ  ＢＭＳ）３２２と関連付けられ得、ＳＣｅＦＣ１００は、おそらくは制御回路１０６を備えるＳＣｅＦＣバッテリ管理システム（ＳＣｅＦＣ  ＢＭＳ）１０６Ａと関連付けられ得る。
【００９９】
［００１０６］  有利には、ＳＣｅＦＣ１００は、エネルギーバーストを受け取り、程度及びタイミングが不規則である要求されたエネルギーバーストを送達して、ＦＣ３２０のサイクルを低減するように構成され得る。ＳＣｅＦＣ１００は、非常に多数のサイクル（上に説明及び論証されるように、例えば、１０，０００サイクル台）にわたって動作可能であるように構成され得、ＳＣｅＦＣ１００は、パワートレイン３００のサイクル寿命を減少させることなく一貫性のないエネルギー入力３０１Ａに耐えることができる。さらに、ＳＣｅＦＣ１００の実際の容量はその動作範囲１０５よりもはるかに高いため、ＳＣｅＦＣ１００はまた、電力３０１Ａのピークを受け取り、それにより、上の表３で例証されるように、エネルギー回復の程度及び効率を増大させるために使用され得る。したがって、開示された実施形態におけるＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００の組み合わせは、（ＳＣｅＦＣ１００がかなりのサイクルをバッファするため）パワートレイン３００のサイクル寿命をＦＣ３２０のサイクル寿命を超えて、例えば、２倍、３倍、あるいは１０倍も、例えば、ＦＣ３２０における数百サイクルからパワートレイン３００における数千サイクルに（又は、様々な実施形態において、ＦＣ３２０における３００〜５００サイクルからパワートレイン３００における６００〜２０００サイクルに）延長し得る。代替的に、又は相補的に、パワートレイン３００は、ＦＣ３２０がそれだけで動作される場合よりも増大した容量並びに／又はより大きな回復の程度及び効率を提供し得る。代替的に、又は相補的に、パワートレイン３００は、ＳＣｅＦＣ１００のみについて上の例で説明されるように、及び上の表３でパワートレイン３００について例証されるように、コスト及び／又はサイズパラメータを改善し得る。
【０１００】
［００１０７］  図５Ａ〜図５Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に従う、電動車両３０１のパワートレイン３００のシステム構成、動作アルゴリズム３４０、及び例３４３の高水準概略図である。
【０１０１】
［００１０８］  図５Ａは、本発明のいくつかの実施形態に従う、車両３０１内のパワートレイン３００を概略的に例示する。一般性を失うことなく、ブレーキなどの車両システム３０２Ａは、電力供給側として例示され、ドライブシャフトなどの車両システム３０２Ｂは、電力消費側として例示される。車両システム３０２Ｂへの電力伝達は、ＳＣｅＦＣ１００が、車両システム３０２Ａから受け取った（３０１Ａ）蓄積された回復電力バーストから受け取られる利用可能な電力を有する限りは、ＳＣｅＦＣ１００（電力３０１Ｂ）から実行され得る。ＦＣ３２０は、必要なときに一定の電力３０１Ｂを提供するように構成され得る一方、ＳＣｅＦＣ１００は、ＦＣ３２０のＤｏＤを最小限にするために使用され得る。ＦＣ３２０は、ＳＣｅＦＣ１００が車両３０１のバースト要求を超えてエネルギーを提供することができるとき、ＳＣｅＦＣ１００から電力３１０を提供され得る。充電制御器３３０は、電力伝達３０１Ａ、３１０、３０１Ｂのそれぞれを、直接並びに／又は対応するＳＣｅＦＣ制御器１０６Ａ及びＦＣ制御器３２２を介して制御するように構成され得る。充電制御器３３０、ＳＣｅＦＣ制御器１０６Ａ、及びＦＣ制御器３２２は、図４に例証される制御ユニット３３０、ＳＣｅＦＣＢＭＳ１０６Ａ、及びＦＣ  ＢＭＳ３２２を備えるか、又はその部分であり得る。実施形態のいずれかにおいて、制御器及びＢＭＳという用語は、代わりに使用され得るか、又はおそらくは制御ユニット３３０内に部分的若しくは完全に統合された階層的に配置されたユニットを表し得ることに留意されたい。
【０１０２】
［００１０９］  図５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に従う、車両３０１内のパワートレイン３００の高水準動作スキーム３４０を概略的に例示する。エネルギー要件３５９、例えば、車両システム３０１によって消費されるエネルギーは、ＳＣｅＦＣ１００が動作範囲１０５の一番下を上回る場合（３５８を参照）、ＳＣｅＦＣ１００によってまず提供され得る（３５０Ｂ）。そうでない場合、例えば、ＳＣｅＦＣが尽きた場合（３５６、３５８を参照）、ＦＣ３２０は、特に一定の負荷の間、車両３０１に電力を提供する（３０１Ｂ）ために使用され得る。代替的に、車両３０１に提供されない余分の電力がＳＣｅＦＣ１００内に残っている場合、ＦＣ３２０はＳＣｅＦＣ１００から充電され得る（３１０を参照）。ＦＣ３２０が空になると（３５４を参照）、動作範囲１０５を拡大するという例外的なケース３５０が、例えば、下に説明される緊急モードとして適用され得る。入ってくるエネルギー３４１、例えば、車両システム３０１及び／又は充電ステーションから受け取られるエネルギーは、ＳＣｅＦＣ１００に送達され、かつそこに蓄積され（電力伝達３０１Ａとして）、そこから直接、車両３０１及び／又はＦＣ３２０へ送達され得る。ＳＣｅＦＣ１００の作動点１１５及び動作範囲１０５は、入ってくるエネルギー３４１のある特定の予測される量、及び／又はある特定の最大エネルギー回復基準に準ずるように構成され得、それが車両３０１の全体的なエネルギー効率に著しく影響を与え得ることに留意されたい。下の図６Ａ及び関連実施形態は、これらのパラメータを決定するためのプロセスに取り組む。
【０１０３】
［００１１０］  図５Ｃは、図の上部に矢印によって示される、入ってくるエネルギー３４１のバースト（例えば、回復エネルギー、及び／又は、代替的若しくは相補的には、充電ステーションからの充電エネルギーのバースト）、及び図の下部に太い矢印によって概略的に示される電力要求３５９など、電力供給の任意選択シナリオにおけるパワートレイン３００の動作の、本発明のいくつかの実施形態に従う、概略的で非限定的な定性的な例３４３であり、図３Ｃと類似している。図４、図５Ａ、及び図５Ｂで概説される原理に沿った動作スキームにおいて、ＳＣｅＦＣ１００は、車両のエネルギー要件３５９を満たすためにエネルギーバースト３４１の受取側及びエネルギー３５０Ｂの提供側として動作されて、ＦＣ３２０のＤｏＤ及び充電３１０の数を低減する。ＦＣ３２０の寿命を最大限にするために、ＦＣ３２０の充電の数及び放電サイクルとＦＣ３２０のＤｏＤとの間でトレードオフが最適化され得ることに留意されたい（例えば、図６Ａ参照）。ＦＣ３２０は、典型的には、要求されたエネルギー３５９を送達するためにより大きくかつ一定の電力需要（３０１Ｂ）を供給し、ＳＣｅＦＣ１００からのエネルギーが利用可能であるとき、ＳＣｅＦＣ１００から充電される。例外的なシナリオ３５０（より多くの再生エネルギーを受け取るために最大ＳｏＣの上、又は、例えば、示されないがＦＣ３２０が尽きた場合に追加の電力を提供するために最小ＳｏＣより下のいずれかの方向で、図の右側に概略的に例証される）は、例えば、ＦＣ３２０が利用できない場合、おそらくはＦＣ３２０の修復モードにある場合、下に説明されるように、例外的な範囲拡大要求のため、又はおそらくはある特定の環境下で向上された回復のための、緊急シナリオとして要求され得る。一般性を失うことなく、例示された例において、ＳＣｅＦＣ１００は、作動点１１５として８０％リチウム化周辺の±２％動作範囲１０５で動作されるように示される。ＳＣｅＦＣ１００は、一般的には、その高いサイクル性を使用して、ＦＣ３２０よりもはるかに高い充電及び放電Ｃレートで動作されることに留意されたい。
【０１０４】
［００１１１］  図３Ｃ及び図５Ｃの両方において、ＳＣｅＦＣ１００を充電及び放電する傾斜は、上に記載されるように、ＦＣ３２０より高いＣレートを有するためにＳＣｅＦＣ１００の構成によって達成可能なより高い最大充電及び放電レート（Ｃレート）に起因して、ＦＣ３２０を充電及び放電する傾斜よりも急であることに留意されたい。非限定的な例として、ＦＣ３２０は、１Ｃ、２Ｃ、５Ｃ、１０Ｃのうちのいずれかの最大Ｃレート（充電／放電電流対容量比）で動作され得るが、ＳＣｅＦＣ１００は、上に説明されるように、ＳＣｅＦＣ１００の構成パラメータに応じて、それぞれ５Ｃ、１０Ｃ、２０Ｃ、３０Ｃのうちのいずれかの最大Ｃレートで、あるいは、例えば、５０Ｃ、１００Ｃ以上のより高い最大Ｃレートで動作されるように構成され得る。
【０１０５】
［００１１２］  図６Ａは、本発明のいくつかの実施形態に従う、車両３０１内のパワートレイン３００のＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００のモジュールサイズ３６８を最適化するためのアルゴリズム３６０の高水準フローチャートを概略的に例示する。例えば、事前に規定された必要な回復エネルギー基準３６１、予測される充電／放電プロファイルのパラメータ（例えば、予測されるバースト又はパルス周波数）、及びサイクルあたりのエネルギー基準３６２は、様々な動作スキーム３４０及びシナリオ３４３に従ってＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００のそれぞれについて予測される充電／放電サイクル３６５を特徴付けるために使用され得る。次いで、予測される充電／放電サイクル３６５からの結果として生じるＳｏＣプロファイル３６７は、上に提示されるパラメータ３６２と一緒に使用され得、ＳＣｅＦＣ及びＦＣモジュールサイズ３６８、並びにＳＣｅＦＣ１００の作動点１１５及び動作範囲１０５を計算するために使用され得る。例えば、８時間の６０ｋＷｈパックの必要な回復能力３６１及び約１．５分の充電／放電プロファイル（パルス周波数）３６２、又は各充電／放電サイクルあたり０．２ｋＷｈに基づいた非限定的な計算は、３００充電／放電サイクルの必要なサイクル数３６５（６０ｋＷｈを０．２ｋＷｈで除算）及び１％の事前に規定されたＳｏＣ３６７をもたらす。これらのパラメータは、２０ｋＷｈ（それが１％ＳｏＣで０．２ｋＷｈを提供する）のＳＣｅＦＣモジュール１００に対応する。車両３０１の一定の負荷要求のさらなる考慮は、必要なＦＣモジュールサイズをさらに提供し得る。
【０１０６】
［００１１３］  図６Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に従う、パワートレイン３００、及びパワートレイン３００の動作モードの高水準概略図である。例示されたパワートレイン３００は、ＳＣｅＦＣ１００によってエネルギーバーストを受け取り、ＳＣｅＦＣ１００によって電力をバースト負荷３５９Ａに提供するように、及びＦＣ３２０によって電力を一定負荷３５９Ｂに送達するように構成され、ＳＣｅＦＣ１００もまた、すべてのエネルギー伝達が制御ユニット３３０によって制御された状態で、ＦＣ３２０を充電するように構成される。
【０１０７】
［００１１４］  特定の実施形態において、ＳＣｅＦＣ１００は、多数のサイクルをサポートするためにその容量を利用してより高い頻度（より多くのサイクル）で動作されることによって、ＦＣ３２０と同様の寿命を有するように構成され得る。ＳＣｅＦＣ１００の高充電レートは、回生制動からエネルギーを捕捉するために利用され、ＳＣｅＦＣ１００の容量は、回収されたエネルギーの大半あるいはすべてを受容することを可能にする動作範囲１０５をサポートするように構成され得る。
【０１０８】
［００１１５］  特定の実施形態において、ＳＣｅＦＣ１００は、ＳＣｅＦＣ１００によってエンジンを始動することを可能にし、対応するバースト負荷３５９Ａを提供するため、エンジン始動中の最小クランキング電圧を上回る電圧レベルを有するように構成され得る。ＳＣｅＦＣ１００は、回生制動中の短時間にわたって高電流を受容するように構成され得、事前に規定されたＳｏＣまで部分的に充電され得る。ＳＣｅＦＣ１００は、エンジンがオフのとき負荷を供給し、おそらくはエンジン始動及び停止をサポートするように構成されるが、ＦＣ３２０は、より長い期間にわたって一定負荷３５９Ｂを提供するように構成され得る。制御器３３０は、必要な負荷３５９に従ってＳＣｅＦＣ１００及び／又はＦＣ３２０を割り当て、対応する優先度を設定するように構成され得る。制御器３３０は、規定された優先度を用いてすべての部品への充電及び放電電流を（一緒に又は別個に）調節するようにさらに構成され得る。
【０１０９】
［００１１６］  特定の実施形態において、ＳＣｅＦＣ１００は、緊急モード（例えば、レンジを拡大するため）で動作され得、例えば、緊急の場合には、追加のエネルギーを提供して車両３０１のレンジを拡大するために、事前に規定されたＳｏＣを過ぎて（可能であれば、事前に規定された動作範囲１０５を超えて）充電され得る３５０。例えば、８０ｋＷｈのＦＣ３２０及び２０ｋＷｈのＳＣｅＦＣ１００（例えば、上の表３の５列目を参照）では、ＳＣｅＦＣによって（グリッド充電から、及び／又は動作範囲１０５の拡大によってのいずれかで）提供される追加の２０ｋＷｈは、パワートレイン３００の総エネルギー及び最大レンジを２０％（又はＦＣ３２０だけに対して２５％）増大させ得る。
【０１１０】
［００１１７］  特定の実施形態において、ＳＣｅＦＣ１００の容量の一部分は、非限定的な例において表４で概略的に例示されるように、ＦＣ３２０の容量損失を補完するために使用され得る。修復モード使用時、ＳＣｅＦＣモジュール１００は、サイクル寿命全体を延長するためにＦＣモジュール３２０のための修復バッテリとして部分的に使用され得る。
【０１１１】
表４：修復モード動作の例
【０１１２】
【表４】
2018113254.tif 000007
【０１１３】
［００１１８］  左側の列は、容量が損なわれた（１０ｋＷｈに相当する容量損失）ＦＣ３２０を概略的に例示する。右側の列は、ある特定の容量（非限定的な例示されたケースでは１０ｋＷｈに相当する）をＦＣモジュール３２０と同様に動作されるように割り当てることによる、ＦＣ３２０の損傷を補完するためのＳＣｅＦＣ１００の再構成を概略的に例示する。有利には、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００が同様のアノード及びカソード材料に基づくため、利用可能な容量の変換は単純である。ＳＣｅＦＣ１００の動作範囲１０５、及びおそらくはその作動点１１５も同様に、パワートレイン３００の動作を最適化するように調整され得、例えば、動作範囲１０５は、エネルギーのバーストを受け取る（及びおそらくは提供する）のに割り当てられたＳＣｅＦＣの容量の低減を少なくとも部分的に補完するために拡大され得る。
【０１１４】
［００１１９］  図７Ａは、本発明のいくつかの実施形態に従う、単一バッテリ３７０内にＦＣモジュール３２０及びＳＣｅＦＣモジュール１００が組み入れられているパワートレイン３００の概略図である。バッテリ３７０は、各々が複数のセルスタック３８０を有する複数の内部モジュール３７５を備え得る。制御ユニット３３０は、ＦＣモジュール３２０及びＳＣｅＦＣモジュール１００への複数の内部モジュール３７５の、あるいはセルスタック３８０の割り当てを管理するように構成され得る。割り当て及び管理は、本明細書内に開示されるＦＣモジュール３２０及びＳＣｅＦＣモジュール１００によって特徴付けられるように、異なる動作プロファイル及び条件に従って、異なる内部モジュール３７５及び／又はセルスタック３８０を動作させることを指すということに留意されたい。
【０１１５】
［００１２０］  図７Ａに概略的に例示されるように、内部モジュール３７５及び／又はセルスタック３８０は、例示された括弧によって概略的に示されるように、ＦＣモジュール３２０及びＳＣｅＦＣモジュール１００に属するものとして割り当てられ得、ＦＣモジュール３２０及びＳＣｅＦＣモジュール１００の各々が、それぞれのＦＣ  ＢＭＳ３２２及びＳＣｅＦＣ  ＢＭＳ１０６Ａによって制御される。制御ユニット３３０は、本明細書内に説明されるように、ＦＣ  ＢＭＳ３２２及びＳＣｅＦＣ  ＢＭＳ１０６Ａ、並びに電力受け取り及び送達プロファイルを制御するだけでなく、例外的な動作要求（例えば、セルスタック３８０のうちのいくつかへの損傷、範囲拡大要求３５０など）に従って、ＦＣモジュール３２０及びＳＣｅＦＣモジュール１００の間で内部モジュール３７５及び／又はセルスタック３８０の割り当て（交差した両矢印によって概略的に例示される）を変えるように構成され得る。制御ユニット３３０は、バッテリパック状態パラメータ３７０Ａ（例えば、内部モジュール３７５及び／又はセルスタック３８０の効率及び動作に関して）、走行経路パラメータ３７１、及び関連した電力考慮事項３７９（例えば、それぞれ、対応する長時間の電力要求又は長時間の電力回復可能性を有する長時間の上り坂又は下り坂走行区間、経路に沿った充電ステーションの分布、天気などの変化するパラメータと関連付けられる予測される電力要求など）に対して、ＦＣモジュール３２０及びＳＣｅＦＣモジュール１００への割り当てを制御するようにさらに構成され得る。ＦＣモジュール３２０及びＳＣｅＦＣモジュール１００の間での内部モジュール３７５及び／又はセルスタック３８０の再割り当ては、例外として（例えば、修復又は緊急モードにおいて）又は変化する条件に対するパワートレイン３００の通常調整として制御ユニット３３０によって実行され得る。
【０１１６】
［００１２１］  特定の実施形態において、制御ユニット３３０は、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００への単一バッテリの要素の割り当てを管理するように、任意選択で、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００の間で、単一バッテリの要素を、その要素の動作パラメータに従って再割り当てするように、及び／又は、おそらくは、上に開示されるように、修復モード（ＦＣ３２０への損傷に対するＳＣｅＦＣ１００による補完）、範囲拡大モード（ＳＣｅＦＣ１００からのＦＣ３２０への容量の追加）などを組み入れるようにさらに構成され得る。そのような実施形態において、制御ユニット３３０は、バッテリの単一の制御器を形成するためにＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００のそれぞれのＢＭＳに取って代わるように構成され得る。
【０１１７】
［００１２２］  特定の実施形態において、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００は、少なくとも２つの対応する別個のバッテリ内に組み入れられ、上に開示されるように制御ユニット３３０によって管理され得る。
【０１１８】
［００１２３］  図７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に従う、非常に概略的な電力供給プロファイルの例示である。この例示は、非限定的かつ概略的であり、走行距離に沿ったパワートレイン３００内の蓄積エネルギーにおける変化（上のグラフ）、及び指針として異なる考慮事項を使用してパワートレイン３００の電力プロファイルをＦＣ３２０とＳＣｅＦＣ１００との間で分割するための２つのシナリオ（別個にかつ概略的にＦＣ及びＳＣｅＦＣ蓄積エネルギーを示す下の２つのグラフ）を反映した、走行に沿ったＥＶの電力プロファイルを一般的な様式で説明する。制御ユニット３３０は、ＦＣ３２０とＳＣｅＦＣ１００との間の任意の分割シナリオを組み入れるだけでなく、様々な考慮事項（例えば、バッテリパック状態パラメータ３７０Ａ、走行経路パラメータ３７１、電力考慮事項３７９など）に従って、動作中にシナリオ間を切り替えるように構成され得ることが強調される。
【０１１９】
［００１２４］  例示された例において（上のグラフ）、蓄積エネルギーの全体的な下向き傾向は、例えば、充電ステーションでの、断続的な短い充電期間を伴う、ＥＶによるエネルギー使用を反映する。エネルギー使用プロファイルの傾斜は、ＥＶのエネルギー需要に依存し（ＥＶの走行経路及び補充の必要性に応じて）、移動距離に伴って変化し、傾斜を緩くし得るか、あるいは時に電力プロファイルを逆転して正味の電力回生にし得る電力回復の断続的な期間がある。
【０１２０】
［００１２５］  電力供給及び電力受け取りへのＳＣｅＦＣ１００及びＦＣ３２０の割り当ては、様々なシナリオにおいて実行され得、そのうちの２つが提示される。第１のシナリオ（真ん中のグラフ）は、電力変動（概略的に例示される、充電、回復、及び高需要からの）がＳＣｅＦＣ１００によってバッファされた状態で、ＦＣ３２０が、そのサイクルを最小限にするために一定の傾斜で継続して動作され、第２のシナリオ（下のグラフ）は、ＦＣ３２０がそのＤｏＤを最小限にするように動作され、定期的に充電される一方で、ＳＣｅＦＣ１００が、ＦＣ３２０からの電力を消耗する必要性を最小限にするのに必要なだけ動作される。これらのシナリオに対応して、ＳＣｅＦＣ１００及びＦＣ３２０に蓄積されるエネルギーの概略的変動は、制御ユニット３３０によっていずれかのソースを形成する電力供給及び需要の割り当てを概略的に表すために例示される。様々な実装形態において、明らかに詳細は変更され得る。一般性を失うことなく、例示された例において、ＳＣｅＦＣ１００は、作動点１１５として７０％リチウム化周辺の±２％動作範囲１０５で動作されるように示される。両方のシナリオにおいて、ＳＣｅＦＣ１００は、その高サイクル性を使用して、最大電力（提供及び受け取り）バーストに対処し、はるかに高い充電及び放電Ｃレートによって特徴付けられることに留意されたい。
【０１２１】
［００１２６］  図７Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に従う、ＳＣｅＦＣ１００とＦＣ３２０との間での制御ユニット３３０による電力供給及び需要の割り当ての概念的例示である。パワートレイン３００から供給される、ＥＶによるエネルギー使用は、典型的には、大きなエネルギー量のかなり一定の電力供給を必要とする比較的一定の負荷期間、及びより少ない量ではあるが、より高い放電レート（バースト）でのエネルギーを必要とする電力バースト期間によって特徴付けられる。制御ユニット３３０は、ＦＣ３２０及びＳＣｅＦＣ１００の使用を、それらの典型的なＣレート及びサイクル性に対して最適化するように、例えば、一定負荷を提供するためにＦＣ３２０を割り当て、一定負荷に加えてバースト電力を提供するためにＳＣｅＦＣ１００を割り当てるように構成され得る。代替的に、又は相補的に、ＳＣｅＦＣ１００は、そこから利用可能な電力を提供するように構成され得、ＳＣｅＦＣが使い果たされたときにはＦＣ３２０が主として使用される。パワートレイン３００へのエネルギー供給は、典型的には、例えば、充電の短い停止においては、高いＣレート充電を必要とする充電電力バースト、及びおそらくは、エネルギー回復の低いＣ充電期間（例えば、下り坂走行時、及びブレーキの動作時）を含む。制御ユニット３３０は、ＦＣ３２０のサイクルを低減し、及び／又はＦＣ３２０を部分的に充電してそのＤｏＤを低減するために、主にＳＣｅＦＣ１００によって電力を受け取るように構成され得る。ＳＣｅＦＣ１００及びＦＣ３２０の両方は、例えば、走行後、夜間など、長期間の充電期間中に充電され得る。ＳＣｅＦＣ１００とＦＣ３２０との間でのバッテリモジュールの再割り当て（例えば、図７Ａを参照）をおそらくは含む、ＳＣｅＦＣ１００及びＦＣ３２０への充電エネルギーの割り当ては、バッテリパックの状態、走行経路の今後の部分のための必要な電力蓄積を含む様々なパラメータに対して、制御ユニット３３０によって制御され得る。
【０１２２】
［００１２７］  特定の実施形態において、ＳＣｅＦＣ１００及びＦＣ３２０は、米国特許出願第１５／６７８，１４３号に開示される線に沿ってＥＶとインターフェースをとり得、即ち、ＳＣｅＦＣ１００は、例えば、所与のＥＶパワーエレクトロニクスの仕様に対応する限られたエネルギー量を受け取り、提供するようにＳＣｅＦＣを構成する際に、より高いパワーエレクトロニクスの要求なしに、既存のＥＶ電力接続を介して充電及び放電されるように構成されている。しかしながら、他の実施形態において、電力提供回路は、ＳＣｅＦＣ１００の使用の利益を向上するため、及び電力回復を向上するために、高い電力伝達をサポートするように構成され得る。
【０１２３】
［００１２８］  図８は、本発明のいくつかの実施形態に従う、高速充電バッテリによってスーパーキャパシタをエミュレートし、エミュレートされたスーパーキャパシタを電動車両のパワートレイン内で使用する方法を例示する概略フローチャートである。図８に概略的に例示されるように、方法２００は、指定の要件に対してスーパーキャパシタをエミュレートするように高速充電バッテリを構成すること（ステージ２１０）によって、例えば、要求された仕様を提供するようにバッテリの物理的寸法を構成すること（ステージ２２０）、バッテリの充電／放電レートを決定すること（ステージ２２５）、並びに／又はバッテリの作動点及び部分的な動作範囲を決定すること（ステージ２３０）によって、所与の仕様を有するスーパーキャパシタを高速充電バッテリによってエミュレートして（ステージ２０５）、例えば、ＳＣｅＦＣ１００を産出することを含み得る。方法２００は、バッテリの制御回路を要求された性能を提供するように構成すること（ステージ２４０）をさらに含み得る。
【０１２４】
［００１２９］  方法２００は、最適動作窓内で作動点を選択すること（ステージ２５０）、おそらくは、動作中のアノード物質粒子の相対膨張を低減するために、最適動作窓内で高リチウム化点として作動点を選択すること（ステージ２５５）をさらに含み得る。
【０１２５】
［００１３０］  方法２００は、例えば、動作範囲内の作動点周辺のみでの動作を想定してアノード構成を最適化すること（ステージ２６５）によって、バッテリを修正して動作範囲内でのその性能をさらに向上させること（ステージ２６０）をさらに含み得る。例えば、下の図６及び図９Ｂを参照されたい。
【０１２６】
［００１３１］  方法２００は、例えば、電力の主要源として、電動車両に電力を送達するように構成された高速充電リチウムイオンバッテリモジュール（ＦＣ）、並びに（例えば、パワートレインに充電される、及び／又はＥＶから回復される）電力を受け取り、ＦＣに電力を送達するように構成されたスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電リチウムイオンバッテリモジュール（ＳＣｅＦＣ）から電動車両用のパワートレインを構成すること（ステージ４００）をさらに含み得、ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方が、同じアノード活物質（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、及び／又はＳｎベースのアノード活物質、ＬＴＯベースのアノード物質など）を有するアノードを有し、ＳＣｅＦＣが、アノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で、５Ｃの最大充電レートで動作するように構成される。方法２００は、電動車両から回復電力を受け取り、ＦＣに電力を送達するようにＳＣｅＦＣバッテリを動作させること、及び電動車両に電力を送達するようにＦＣを動作させること（ステージ４１０）をさらに含み得る。
【０１２７】
［００１３２］  特定の実施形態において、方法２００は、ＳＣｅＦＣの充電状態（ＳｏＣ）を作動点周辺の動作範囲内に維持すること（ステージ４２０）、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを、それぞれ電動車両への電力送達及び電動車両からの電力送達について管理すること（ステージ４３０）、及びＦＣの放電深度（ＤｏＤ）を最小限にする指定の基準に従って、ＳＣｅＦＣからＦＣへの電力送達を管理すること（ステージ４４０）のいずれかを含み得る。
【０１２８】
［００１３３］  特定の実施形態において、方法２００は、ＦＣが容量の低減を経験するときＦＣの動作を補完するためにＳＣｅＦＣの少なくとも一部分を割り当てること（ステージ４５０）をさらに含み得、この割り当ては、ＳＣｅＦＣの動作範囲を増大させること（ステージ４５５）、及びおそらくは、例外的な状況においては電力消耗及び／又はＦＣへの損傷を補完するためにＳＣｅＦＣの動作範囲を拡大することによって実行される。特定の実施形態において、方法２００は、ＦＣのＤｏＤを最小限にするために、電力バーストを送達して電動車両に電力を供給するようにＳＣｅＦＣを構成すること（ステージ４６０）をさらに含み得る。方法２００は、ＳＣｅＦＣの動作範囲を最小限にし、ＦＣのサイクルに対してＳＣｅＦＣのサイクルを最大限にすること（ステージ４６５）をさらに含み得る。
【０１２９】
［００１３４］  制御ユニットは、ＦＣの放電深度（ＤｏＤ）を最小限にするように、及び／又はＦＣのサイクル数を最小限にするようにさらに構成され得ることに留意されたい。方法２００は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／又はＬＴＯのいずれかに基づき得るバッテリモジュール上に組み入れられ得る。
【０１３０】
［００１３５］  特定の実施形態において、方法２００は、ＳＣｅＦＣを主なバースト受取側（例えば、高Ｃ充電された電力、回復エネルギーなど）及び主なバースト提供側（例えば、高Ｃレートで必要な電力バーストを供給する）として動作させること、並びにＦＣを主な一定負荷供給側として動作させること（ステージ４７０）をさらに含み得る。方法２００は、負荷の一貫性及びバーストパラメータなどの負荷特性に関して、ＳＣｅＦＣ及びＦＣからの電力供給を管理すること（ステージ４７５）をさらに含み得る。
【０１３１】
［００１３６］  方法２００は、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを単一バッテリに組み入れること（ステージ４８０）、及び／又は内部モジュール及びセルスタックをＦＣ及びＳＣｅＦＣへのそれらの割り当てに関して管理すること（ステージ４８５）、及び／又は、おそらくは、走行経路パラメータ、電力考慮事項、バッテリ要素の動作パラメータなどの性能要件に従って、内部モジュール及びセルスタックをＦＣ及びＳＣｅＦＣに再割り当てすること（ステージ４９０）をさらに含み得る。
【０１３２】
［００１３７］  特定の実施形態において、方法２００は、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを少なくとも２つの対応する別個のバッテリに組み入れることをさらに含み得る。
【０１３３】
［００１３８］  特定の実施形態において、アノード構成最適化２６５は、ＳＣｅＦＣの動作を動作範囲内の作動点周辺のみで可能にするようにアノード活物質を構成すること、及び／又は、おそらくは、動作中のアノード物質粒子の相対膨張を低減するために、ＳＣｅＦＣの最適動作窓内で高リチウム化点として作動点を選択することをさらに含み得、すべては電動車両のパワートレイン３００内のＳＣｅＦＣを動作させることに関してである。
【０１３４】
［００１３９］  方法２００のいずれの部分も、パワートレイン制御ユニット３３０、並びに／又は、ＢＭＳ３２２及び／若しくは１０６Ａのいずれかに組み込まれ得るコンピュータプログラム製品内で実施され得る。
【０１３５】
［００１４０］  本発明に従ういくつかの方法は、知られている電力源の好適な制御によって実施され得る。例えば、本発明のいくつかの実施形態は、コンピュータのプロセッサ上で実施されるとき、本明細書内に記載される方法のいずれかに従ってコンピュータに電力源又はパワートレインを制御させる命令を含むコンピュータ可読媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体は、例えば、格納された命令の形態で、一時的又は非一時的であり得る。例えば、特定の実施形態は、コンピュータ可読プログラムが埋め込まれた非一時的なコンピュータ可読記憶媒体を含むコンピュータプログラム製品を含み、このコンピュータ可読プログラムは、電動車両から回復電力を受け取り、ＦＣに電力を送達するようにＳＣｅＦＣバッテリを動作させ、電動車両に電力を送達するようにＦＣを動作させるように構成され、電動車両のパワートレインは、主電力供給側としてＦＣを、及び主電力受取側としてＳＣｅＦＣを備え、ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方が、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／又はＬＴＯベースのアノード活物質を有するアノードを有し、ＳＣｅＦＣは、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／又はＬＴＯベースのアノード活物質を含み得るアノード物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で、少なくとも５Ｃで動作するように構成される。コンピュータプログラム製品は、アノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で、少なくとも５ＣでＳＣｅＦＣを動作させるように構成されたコンピュータ可読プログラムをさらに含み得る。
【０１３６】
［００１４１］  特定の実施形態において、コンピュータプログラム製品は、ＳＣｅＦＣの充電状態（ＳｏＣ）を作動点周辺の動作範囲内に維持し、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを、それぞれ電動車両からの電力送達及び電動車両への電力送達について管理し、ＦＣの放電深度を最小限にする指定の基準に従って、ＳＣｅＦＣからＦＣへの電力送達を管理するように構成されたコンピュータ可読プログラムをさらに含み得る。
【０１３７】
［００１４２］  特定の実施形態において、コンピュータプログラム製品は、ＦＣが容量の低減を経験するときＦＣの動作を補完するためにＳＣｅＦＣの少なくとも一部を割り当てるように構成されたコンピュータ可読プログラムをさらに含み得、この割り当ては、ＳＣｅＦＣの動作範囲を増大させることによって実行される。特定の実施形態において、コンピュータプログラム製品は、動作中のアノード物質粒子の相対膨張を低減するために、ＳＣｅＦＣの最適動作窓内で高リチウム化点として作動点を選択するように構成されたコンピュータ可読プログラムをさらに含み得る。
【０１３８】
［００１４３］  特定の実施形態は、コンピュータ可読プログラムが埋め込まれた非一時的なコンピュータ可読記憶媒体を含むコンピュータプログラム製品を含み、コンピュータ可読プログラムが、電動車両（ＥＶ）のパワートレインを動作させるように構成され、パワートレインは、ＥＶに電力を送達するように構成されたメインの高速充電リチウムイオンモジュール（ＦＣ）、並びに電力を受け取り、ＥＶ及び／又はＦＣに電力を送達するように構成されたスーパーキャパシタエミュレーティング高速充電リチウムイオンモジュール（ＳＣｅＦＣ）を備え、ＦＣ及びＳＣｅＦＣの両方が、同じアノード活物質に基づいたアノードを有し、ＳＣｅＦＣは、アノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点周辺の最大５％の動作範囲内で、少なくとも５Ｃの最大充電レートで動作するように構成され、コンピュータ可読プログラムは、ＳＣｅＦＣの充電状態（ＳｏＣ）を作動点周辺の動作範囲内に維持するようにＳＣｅＦＣバッテリを動作させるように構成されたコンピュータ可読プログラムと、ＦＣ及びＳＣｅＦＣを、それぞれＥＶへの電力送達及びＥＶからの電力送達について管理するように構成されたコンピュータ可読プログラムと、指定の基準に従ってＳＣｅＦＣからＦＣ及び／又はＥＶへの電力送達を管理するように構成されたコンピュータ可読プログラムとを含む。コンピュータ可読プログラムのいずれかの実装形態は、本明細書内に開示される原理、シナリオ、及び制御構成に従って構成され得る。
【０１３９】
［００１４４］  修正された高速充電バッテリ１００Ａは、アノードでのリチウムの金属化のはるかに減少された可能性に起因して安全性の向上した高速充電レートを可能にする改善されたアノード及びセルを備え得、デンドライト伸長、及び火災又は爆発の関連リスクを防ぐ。アノード及び／又は電解質は、アノード電解質界面におけるリチウムイオン蓄積、並びに結果として生じる金属化及びデンドライト伸長を防ぐために、リチウムイオンを、部分的に減少させ、リチウム化のためにアノードに徐々に導入するためのバッファリングゾーンを有し得る。様々なアノード活物質及び組み合わせ、ナノ粒子による修正、並びに改善されたアノードを組み入れる様々なコーティングが提供される。セル内の電解質は、界面におけるリチウムイオンの蓄積率をさらに減少させるように選択され得るが、リチウム化をアノード物質内に維持することがレート制限因子である。
【０１４０】
［００１４５］  図９Ａは、本発明のいくつかの実施形態に従う、様々なアノード構成の概略図である。図９Ａは、充電中にリチウム化したリチウムを受け取り、放電中にリチウムイオンを放出するため、アノード活物質粒子１１０（例えば、ケイ素、ゲルマニウム、及び／若しくはスズなどの半金属の粒子、並びに／又はアルミニウムの粒子）、及び／又は、おそらくは、複合コアシェル粒子１１０Ｂを、異なるサイズ（例えば、１００ｎｍの大きさ、例えば、１００〜５００ｎｍ、及び／又は、おそらくは、１０ｎｍ若しくは１μの大きさ）で含み得るアノード１０８の表面を非限定的な様式で概略的に例示する。アノード１０８は、結合剤及び添加剤１０２、並びに任意選択でコーティング１３０（例えば、リチウムあり又はなしの導電性ポリマー１３０Ａ、ＣＮＴ（炭素ナノチューブ）又は炭素繊維などの導電性線維１３０Ｂ）をさらに含み得る。活物質粒子１１０は、１つ又は複数のコーティング１２０によって（例えば、導電性ポリマー、リチウムポリマーなどによって）プレコートされ得、ホウ酸塩及び／又はリン酸塩１２８をそれらの表面に結合させ（おそらくは、例えば、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５を形成する）、電解質８５（及び／又は、そこへのイオン液体添加剤）及び／又は様々なナノ粒子１１２（例えば、Ｂ４Ｃ、ＷＣ、ＶＣ、ＴｉＮ）（修正されたアノード活物質粒子１１０Ａを形成する）と相互作用し得る結合分子１８０（概略的に例示される）が、ボールミル（例えば、参照によりその全体が本明細書内に組み込まれる、米国特許第９，４０６，９２７号を参照）、スラリー形成、スラリーの散布、及び散布したスラリーの乾燥などのアノード準備プロセス１１１においてそこに付着され得る。例えば、アノード準備プロセス１１１は、添加剤１０２、例えば、結合剤（例えば、ポリフッ化ビニリデン：ＰＶＤＦ、スチレンブタジエンゴム：ＳＢＲ、又は任意の他の結合剤）、可塑剤、及び／又は導電性フィラーを、水又は有機溶剤などの溶剤（アノード物質が制限された溶解度を有する）と混合して、アノードスラリーを作り、その後それを乾燥させ、固めて、集電材（例えば、アルミニウム又は銅などの金属）に接して位置付ける。これらの可能性のある構成のうちの一部の詳細は以下に開示される。
【０１４１】
［００１４６］  特定の実施形態において、修正された高速充電バッテリ１００Ａは、高速充電バッテリの完全な（名目上の）動作範囲にわたって動作される高速充電バッテリに対して修正２６０の適用によってデバイス１００における動作が最適化され得る。例えば、バッテリ１００Ａは、例えば、動作範囲内の作動点周辺のみでの動作を想定してアノード構成を最適化することによって、動作範囲内のその性能をさらに向上させるために修正され得る（２６０）。例えば、アノード物質粒子は、動作範囲内の作動点周辺のみで動作するように構成されたアノード１０８においてより広く及び／又はより密に分散され得る。
【０１４２】
［００１４７］  特定の実施形態において、カソードは、開示された実施形態に従って準備され得、アノードという用語の使用は本発明の範囲を制限するものではないということを明白に留意されたい。アノードという用語のいかなる言及も、いくつかの実施形態において、電極及び／又はカソードという用語と置き換えられ得、対応するセル要素が特定の実施形態において提供され得る。例えば、高速充電及び高速放電の両方を提供するように構成されたセル１００Ａ（修正された高速充電バッテリ１００Ａのセル、いずれに対しても本発明の範囲を限定することなく番号１００Ａによって指定される）において、一方又は両方の電極１０８、８７は、開示された発明の実施形態に従って準備され得る。
【０１４３】
［００１４８］  アノード物質粒子１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、アノード１０８、及びセル１００Ａは、例えば、５Ｃ、１０Ｃ、１５Ｃ、３０Ｃ以上など、３〜１０Ｃレート、１０〜１００Ｃレート、又はさらに１００Ｃを超えた範囲の高充電及び／又は放電レート（Ｃレート）を可能にするために、開示された原理に従って構成され得る。Ｃレートという用語は、セル／バッテリ容量の充電及び／又は放電のレートの尺度であり、例えば、セルの所与の容量に対して、１Ｃは１時間でセルを充電及び／又は放電することを表し、ＸＣ（例えば、５Ｃ、１０Ｃ、５０Ｃなど）は、１／Ｘ時間でセルを充電及び／又は放電することを表すということに留意されたい。
【０１４４】
［００１４９］  特定の実施形態において、アノード１０８は、アノード１０８全体にわたって延び得る導電性線維１３０Ｂ（非限定的な様式で、アノード１０８のある区域でのみ例示される）を含み得、導電性線維１３０Ｂはコア１１０を相互接続し、導電性線維１３０Ｂ同士が相互接続される。電子導電性は、電子導電材料（例えば、線維）１３０と接触状態にあり得る、結合剤及び添加剤１０２、コーティング１３０Ａ、導電性線維１３０Ｂ、ナノ粒子１１２、及びプレコーティング１２０のいずれかによって向上され得る。
【０１４５】
［００１５０］  リチウムイオンセル１００Ａは、アノード物質粒子１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ、電解質８５のいずれかなどの複合アノード物質を用いてアノード物質から作られたアノード１０８（本明細書内で開示されるその構成のうちのいずれかにある）と、少なくとも、充電中にリチウムイオンをセルセパレータ８６を介してアノード１０８に送達するカソード８７とを備える。リチウムイオン（Ｌｉ＋）は、アノード物質が、例えば、アノード活物質コア１１０（おそらくは、コアシェル粒子１１０Ｂの）に浸透するとき、リチウム化される（リチウム化状態で、実質的に非充電のリチウムを示す、Ｌｉ〜０ｌまで）。粒子１１０Ｂが一般的な非限定的な方式で例示されるとき、下に提示される複合アノード物質及びコアシェル粒子１１０Ｂの構成のうちのいずれかが、アノード１０８において使用され得る。コアシェル粒子構成１１０Ｂにおいて、シェルは、コーティング１２０によって少なくとも部分的に提供され得、アノード活物質１１０がリチウム化の際に膨張する１０１ための空隙１４０を提供するように構成され得る。いくつかの実施形態において、空隙１４０は、弾塑性又は可塑性充填材によって、及び／又は、アノード活物質コア１１０が膨張すると延び得、それにより空隙１４０として非限定的な様式で図９Ａに概略的に示される膨張１０１のための効果的な余地を提供するコーティング１２０の可撓性によって組み入れられ得る。両方の種類の空隙１４０の例が、下に提供され、例えば、小さな空隙１４０を提供し、コーティング可撓性によって膨張のためのさらなる場所を可能にすることによって、組み合わされ得る。
【０１４６】
［００１５１］  電解質８５の例は、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、おそらくはテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、及び／若しくはその派生物、及びそれらの組み合わせなどの液体電解質、並びに／又は、ポリエチレンオキシド、フッ素含有ポリマー及びコポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）、及びそれらの組み合わせなどの、高分子電解質などの固体電解質を含み得る。電解質８５は、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、リチウムビス（オキサラト）ボレート、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＴＦＳＩ、ＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２、ＬｉＢＦ２（Ｃ２Ｏ４）、トリス（トリメチルシリル）ホスフェート（ＴＭＳＰ）、及びそれらの組み合わせなどの、リチウム電解質塩を含み得る。イオン液体が、下に開示されるように電解質８５に添加され得る。添加剤（例えば、数重量％で）は、トリス（トリメチルシリル）ホスフェート（ＴＭＳＰ）、トリス（トリメチルシリル）ボレート（ＴＭＳＢ）、リチウムジフルオロ（オキサラト）ボレート（ＬｉＦＯＢ）、無水コハク酸、トリメチルホスフェート（ＴＭＰ）及びトリフェニルホスフェート（ＴＦＰ）、フッ素化溶剤（メチルノナフルオロブチルエーテル（ＭＦＥ）、並びにそれらの組み合わせを含み得る。イオン液体が、下に開示されるように電解質８５に添加され得る。
【０１４７】
［００１５２］  特定の実施形態において、カソード８７は、層状の尖晶石及び／又はカンラン石フレームワークに基づいた物質を含み得、ＬＣＯ配合物（ＬｉＣｏＯ２に基づく）、ＮＭＣ配合物（リチウムニッケル−マンガン−コバルトに基づく）、ＮＣＡ配合物（リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物に基づく）、ＬＭＯ配合物（ＬｉＭｎ２Ｏ４に基づく）、ＬＭＮ配合物（リチウムマンガン−ニッケル酸化物に基づく）、ＬＦＰ配合物（ＬｉＦｅＰＯ４に基づく）、リチウム豊富なカソード、及び／又はそれらの組み合わせなど、様々な組成物を含み得る。セパレータ８６は、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、又は他の適切な物質などの様々な物質を含み得る。アノード１００の可能性のある組成物は、下に詳細に開示される。
【０１４８】
［００１５３］  結合分子１８０の例は、例えば、リチウム３，５−ジカルボキシベンゼンスルホネート、硫酸リチウム、リン酸リチウム、リン酸一リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム、リチウム１，１，２，２，３，３，４，４，５，５，６，６，７，７，８，８，８−へプタデカフルオロオクタン−１−スルホネート、リチウム２，６−ジメチルベンゼン−１，４−ジスルホネート、リチウム２，６−ジ−ｔｅｒｔ−ブチルベンゼン−１，４−ジスルホネート、３，３’−（１，２−ジチアン−４，５−ジイル）ビス（オキシ）ビス（Ｎ−ヒドロキシプロパンアミド）、３，３’−（４−メルカプト−１，２−フェニレン）ビス（オキシ）ビス（Ｎ−ヒドロキシプロパンアミド）、アニリンスルホン酸リチウム（スルホン酸はパラ、メタ、及びオルトのいずれかにあり得る）並びにポリ（リチウム−４−スチレンスルホン酸）、並びにいくつかの非限定的な例として提供される、様々な置換及び修飾によってそこから派生される関連分子を含み得る。
【０１４９】
［００１５４］  図９Ａでは、異なる構成が、アノード表面の異なる領域に概略的に例示されるが、実施形態は、これらの構成の任意の組み合わせ、並びに開示された構成のいずれかを有する任意の範囲のアノード表面を含み得る。また、アノード１０８は、リチウムイオンバッテリの部分であり得るセル１００Ａに、対応するカソード８７、電解質８５、及びセパレータ８６、並びに他のバッテリ部品（例えば、集電材、電解質添加剤−下を参照、バッテリパウチ、接片など）と一緒に統合され得る。
【０１５０】
［００１５５］  特定の実施形態において、バッテリ１００Ａは、リチウム化の際のアノード物質の完全膨張を防ぐように構成された機械的バリアを含むように変更され得る。例えば、そのような機械的バリアは、リチウム化の際のアノード物質の完全膨張の８０％以下を可能にするように構成され得る。特定の実施形態において、アノード物質は、シェル構造物を有する複合アノード物質粒子１１０Ｂ（例えば、図９Ａ、９Ｂを参照）を含み得、シェル構造物は、複合アノード物質粒子のコアの完全膨張容積よりも小さい（より小さい膨張容積を提供する）。特定の実施形態において、修正された高速充電リチウムイオンバッテリ１００Ａのカソード８７は、バッテリ１００Ａが狭い動作範囲１０５内のみで動作するときカソードがより少ない量のリチウムイオンを提供することを要求されるため、アノード１０８よりも小さい容量を有するように設計され得る。
【０１５１】
［００１５６］  図９Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に従う、部分的なリチウム化、及びアノード物質粒子のリチウム化のための機械的バリアの高水準概略図である。高速充電リチウムイオンバッテリ１００Ａは、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／又はＬＴＯベースのアノード活物質を有し得、アノード活物質の６０〜８０％の間のリチウム化の作動点１１５周辺の最大５％の動作範囲１０５内で動作するように設計され得る。図９Ｂは、コーティング１２０（「シェル」）に内付けされるコア（「卵黄」）としてアノード物質粒子１１０を含み、形成及び充電中のリチウム化に起因する膨張１０１のための空隙１４０を有する「卵黄及びシェル」粒子として非限定的な様式で描写される複合粒子１１０Ｂを有するアノード１０８の小区域１０８Ａを概略的に例示する。
【０１５２】
［００１５７］  小区域１０８Ｂによって概略的に例示される、リチウムイオンバッテリの先行技術使用において、アノード物質粒子１１０は、動作時の形成及び充電中に完全にリチウム化されている（例えば、１００％ＳｏＣ、９５％若しくは９９％ＳｏＣ、様々な使用される満充電のインジケータとしてある特定の電圧レベル又は最小電圧変化表示完全リチウム化など）。シェル１２０Ａは、それに応じて、アノード物質粒子１１０のリチウム化の下での完全膨張を受け入れるのに十分な空隙１４０を提供するように構成される（例えば、形成プロセス工程において）。
【０１５３】
［００１５８］  対照的に、いくつかの実施形態は、小区域１０８Ｃによって概略的に例示される作動点１１５を得るために部分的なリチウム化を実施し得る。例えば、形成プロセスは、部分的にリチウム化されたアノード物質粒子１１０（例えば、ＳｏＣに関して、例えば、２０％、４０％、６０％、８０％、又は中間リチウム化状態のいずれかであり得る作動点１１５で）を有するように複合粒子１１０Ｂを構成するために適用され得る。バッテリ１００Ａの動作は、次いで、作動点１１５周辺の動作範囲１０５内、例えば、±１％ＳｏＣ（代替的に、本明細書内に開示されるように、非限定的な例として、±２％、±０．５％、±５％、±０．１％、±１０％、又は中間動作範囲１０５）でのみ実行され得る。残りの空隙１４０Ａは、（ｉ）適切な充填材によってコア１１０へのイオン及び／又は電子導電性を向上すること、（ｉｉ）コア１１０のシェル１２０との接触を維持すること（例えば、形成中に圧縮される弾性充填材によって）、（ｉｉｉ）アノード１０８の機械的安定性及び／又は複合粒子１１０Ｂ間の接触をサポートすることなどのいずれかなど、様々な目的を果たすように構成され得る。
【０１５４】
［００１５９］  代替的に、又は相補的に、いくつか又はすべての複合粒子１１０Ｂは、コア１１０の可能性のある膨張１０１に対する機械的バリア（構造的制限）を形成するためにより小さな空隙１４０Ｂで構成され得る。区域１０８Ｄ内に概略的に例示されるように、コア１１０の完全リチウム化は、膨張容積１１３（例えば、典型的には、アノード物質としてのＳｉにおいて３００％まで）を生じ得、シェル１２０Ｂは、最大リチウム化膨張容積１１３よりも小さく（例えば、容積に関して、その２０％、４０％、６０％、８０％、又は任意の中間値のいずれか）なるように構成され得る（例えば、所与の構造体で、及び／又はこの目的のために設計された形成工程において）。小区域１０８Ｅによって概略的に例示されるように、複合粒子１１０Ｂは、シェル１２０より小さい容積を有するシェル１２０Ｂ内にアノード物質粒子１１０を含み得、コア１１０の完全リチウム化を妨げる。従って、コア１１０の非リチウム化状態における空隙１４０Ｂは、完全リチウム化を受け入れるように設計された先行技術の空隙１４０よりも小さい場合がある。
【０１５５】
［００１６０］  シェル１２０Ｂは、小区域１０８Ｆによって概略的に例示されるように、アノード１０８及びバッテリ１００Ａが設計される最大の部分的リチウム化をちょうど受け入れるように、作動点１１５及び動作範囲１０５に従って構成され得る。
【０１５６】
［００１６１］  空隙１４０、１４０Ａ、１４０Ｂは、弾塑性又は可塑性充填材によってシェル１２０内に組み入れられ得るか、及び／又はコーティング１２０の可撓性によって組み入れられ得る（コーティング１２０は、膨張１０１のための余地を提供するために、アノード活物質粒子１１０が膨張すると延びるように構成され得る）ことが強調される。
【０１５７】
［００１６２］  先行技術の構成に反し、及びアノード物質の潜在的容量がバッテリ１００Ａの設計においてすでに厳しく制限されているという意味では直観に反するが、本発明者らは、本明細書内で開示されるスーパーキャパシタエミュレーション用途では、アノード物質粒子１１０の最大リチウム化膨張容積１１３よりも小さいシェル１２０Ｂを有する区域１０８Ｆに例示されるような設計は、それらが空間のより効率的な使用を可能にし（空隙１４０Ａを避けることによって）、本明細書内に開示されるようなスーパーキャパシタエミュレーティングバッテリ１００Ａ及びデバイス１００において重要である、容積でのより高い容量並びにより高い瞬間電流入力及び出力をもたらすという意味で有利であることを発見した。
【０１５８】
［００１６３］  図１０Ａ〜図１０Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に従う、作動点１１５及び狭い動作範囲１０５の選択に関する高水準概略図である。図１０Ａ、図１０Ｂは、充電及び放電グラフをそれぞれ概略的に例示し、図１０Ｃは、作動点１１５を選択するための最適作用窓の例を例示し、作動点１１５を選択するための考慮事項の例を例示する。
【０１５９】
［００１６４］  図１０Ａ〜図１０Ｃに概略的に例示されるように、作動点１１５周辺及び狭い部分的な動作範囲１０５は、様々な考慮事項に従って、充電曲線及び放電曲線（それぞれ図１０Ａ及び図１０Ｂ）のいずれかの異なる場所で決定され得る（２３０）。さらに、修正されたバッテリ１００Ａは、デバイス１００の性能をさらに改善するために、決定された作動点１１５及び狭い部分的な動作範囲１０５に関して再構成され得る。そのような場合、修正されたバッテリ１００Ａは、もはや修正されていないリチウムイオンバッテリとして満充電及び放電範囲を呈することはできないが、依然としてその潜在的容量の狭い範囲１０５内で動作され得る。例えば、アノード物質粒子１１０は、リチウム化の際に３００％まで膨張するＳｉから作られ得るが、修正されたバッテリ１００Ａは、リチウム化の際にはるかに狭い範囲の、例えば、１０％又は２０％の物理的膨張をもたらす狭い範囲１０５内でのみ制御ユニット１０６によって動作され得る。結果として、修正されたバッテリ１００Ａは、アノード物質粒子１１０の膨張１０１に耐えるための少ない手段を提供するように設計され得、その結果、満充電及び放電範囲にわたって動作するように構成された通常のリチウムイオンバッテリよりも容積での大きな容量を有するように設計され得る。
【０１６０】
［００１６５］  図１０Ｃは、本発明のいくつかの実施形態に従う、作動点１１５を選択するための最適作用窓の例、及び非限定的な選択考慮事項を例示する。グラフは、非限定的な様式で、及び、充電状態（ＳｏＣ）の関数としての正規化されたアノードＤＣ（直流）抵抗性能の例を例示し、作動点１１５及び動作範囲１０５が選択され得る（作動点１１５を示す飾り矢印及び動作範囲１０５を示す両矢印のセットによって概略的に示される）、低抵抗でのＳｏＣ範囲として修正されたバッテリ１００Ａの最適作動範囲を提供する。
【０１６１】
［００１６６］  図１０Ｃは、最適作用窓の両端にアノード物質コア１１０及びコーティング１２０を有するアノード物質粒子を、即ち、最適作用窓の左側及び右側により低いリチウム化状態及びより高いリチウム化状態（Ｌｉ〜０ｌがより高いリチウム化状態を示す）を概略的にさらに例示する。膨張１０１は、それぞれの場合において狭い動作範囲１０５について、誇張された様式で、概略的に示される。より低いリチウム化状態（例えば、２０〜３０％リチウム化）では、アノード物質粒子１１０のサイズに対するアノード物質粒子１１０の容積変化（その相対膨張）は、より高いリチウム化状態（例えば、７０〜８０％リチウム化）におけるアノード物質粒子１１０のサイズに対するアノード物質粒子１１０の容積変化（その相対膨張）よりも大きいが、それはアノード物質粒子１１０自体がより高いレベルのリチウム化に起因して大きいためである。この効果は、リチウム化の際に１００〜５００％以上（例えば、Ｓｉ４００％、Ｇｅ２７０％、及びＳｎ３３０％）膨張するＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及び／又はＬＴＯなどの半金属ベースのアノード物質において著しい場合がある。特定の実施形態において、さらなる充電による追加の膨張が比較的小さくあるように、作動点１１５は、アノード物質粒子が膨張される、アノード物質のリチウム化状態で選択され得る。特定の実施形態において、作動点１１５でのアノード物質リチウム化は、例えば、５０％、６０％、７０％、８０％リチウム化又は同様の値など、５０〜８０％であり得る。本発明者らは、修正されたバッテリ１００Ａが動作範囲１０５にわたってのみ動作され、その特定の動作仕様のためにその設計が最適化され得ることを発見した。
【０１６２】
［００１６７］  特定の実施形態において、アノード修正２６０は、例えば、イオン伝導性コーティング及び導電性添加剤など図９Ａに開示される様々な要素によって、イオン及び／又は電子輸送動力学及び導電性を向上させることを含み得る。上に論じられる活物質の量に加えて、厚さ及び多孔性などのアノードパラメータもまた、容量及び導電性（及びそれによりＣレート）を増大させるため、並びに作動点１１５周辺の動作範囲１０５内での修正されたバッテリ１００Ａの動作を向上させるために修正され得る。特定の実施形態において、カソード８７及び／又は電解質８５も、作動点１１５周辺の動作範囲１０５内の修正されたバッテリ１００Ａの動作を向上させるために修正され得る。
【０１６３】
［００１６８］  特定の実施形態において、動作範囲１０５が、全動作範囲にわたって使用されるリチウムイオンバッテリに対して制限されるため、バッテリ１００Ａは、例えば、より薄いカソード８７、より面積の小さいカソード８７など、アノード１０８よりも小さい容量を有する、より小さいカソード８７を有するように構成され得る。特定の実施形態において、カソード８７は、アノード１０８の充電容量よりも、例えば、１０％、２０％、３０％、あるいは４０％小さい充電容量を有し得る。例えば、カソード８７は、アノード１０８の容量の、それぞれ９０％、８０％、７０％、６０％の容量を有し得る。これらの違いは、元の状態のカソード及びアノード、並びに／又は動作時のカソード及びアノードに対するものであり得る。カソードリチウムの一部は形成プロセス中にＳＥＩ（固体電解質相間）内に吸収されるため、必要とされる動作上のカソード−アノード負荷比は、元の状態の電極のより大きいカソード−アノード負荷比として組み入れられ得ることに留意されたい。動作範囲１０５はより小さくなるように設定されるため、カソード−アノード負荷比もまた、より小さいカソードを要して、より小さくなり得る。
【０１６４】
［００１６９］  有利には、開示された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００は、スーパーキャパシタをエミュレートして、匹敵する性能又はより良い性能を提供するだけでなく、同等のスーパーキャパシタより低い自己放電レート、より高い作用電極、より短い充電時間、及びより高いエネルギー密度を有するという点で等価のスーパーキャパシタよりも優れている。
【０１６５】
［００１７０］  例えば、高速充電バッテリ１００Ａは、典型的には、３Ｖ（例えば、４．３Ｖ〜２Ｖを平均して３．３５Ｖ）を超える平均出力電圧レベルを提供するが、スーパーキャパシタは、典型的には、２．７Ｖ出力電圧又はそれ以下で指定され、それはスーパーキャパシタの自己放電によりさらに衰退する。したがって、高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００は、それらを使用する設計者にとって、等価のスーパーキャパシタを使用することに対して、動作マージンを広げるより広く使用可能な電圧範囲を提供する。
【０１６６】
［００１７１］  さらには、高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００を動作させることは、多くの製品設計において有益な非常に安定した出力電圧を提供するように構成され得る。高速充電バッテリ１００Ａは、それらのエネルギー容量の大半を安定した電圧レベル（例えば、３．３５Ｖ）で提供するだけでなく、高速充電バッテリ１００Ａは、作動点１１５周辺の狭い動作範囲１０５内の調整動作は、出力（及び／又は入力）動作電圧の一貫性を著しく向上させる。開示された高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００によって送達される非常に安定した出力電圧は、典型的にはそれらの充電に線形的に比例する出力電圧を生成する等価のスーパーキャパシタとは対照的である（例えば、３．３Ｖまで満充電されたスーパーキャパシタは、１００％充電では３．３Ｖを送達するが５０％充電では１．６５Ｖを送達し、それは多くのプロセッサ及び他のデバイスによって必要とされるレベルを下回る。
【０１６７】
［００１７２］  等価のスーパーキャパシタに対する高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００の低レベルの自己放電は、スーパーキャパシタの高損失を補完するために必要とされる、スーパーキャパシタを使用したシステムにおける電力源の過度に複雑な設計を避けることにおいて有利であるということにも留意されたい。例えば、特定の実施形態において、高速充電バッテリ１００Ａ及び／又はデバイス１００は、少なくとも３Ｖの電圧レベルで動作し、それぞれの最大連続電流の０．１％より小さい漏洩電流を有するように構成され得る。
【０１６８】
［００１７３］  本発明の態様は、本発明の実施形態に従う方法、装置（システム）、及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図並びに／又は部分図を参照して上に説明される。フローチャート図及び／又は部分図の各部分、並びにフローチャート図及び／又は部分図内の部分の組み合わせは、コンピュータプログラム命令によって実施され得ることが理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、マシンを生成するために汎用コンピュータ、専用コンピュータ、又は他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供され得、その結果、コンピュータ又は他のプログラム可能なデータ処理装置のプロセッサを介して実行する命令が、フローチャート及び／若しくは部分図又はそれらの部分に指定された機能／作用を実行するための手段を作成する。例えば、本明細書内に記載されるような制御回路は、１つ又は複数のそのようなプロセッサ又はコンピュータを備え得る。
【０１６９】
［００１７４］  これらのコンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他のデバイスに特定の様式で機能するように命令することができるコンピュータ可読媒体内に格納され得、その結果、コンピュータ可読媒体内に格納された命令は、フローチャート及び／若しくは部分図又はそれらの部分に指定された機能／作用を実施する命令を含む製品を生成する。
【０１７０】
［００１７５］  コンピュータプログラム命令はまた、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、又は他のデバイス上に読み込まれて、コンピュータ実施プロセスを生成するためにコンピュータ、他のプログラム可能装置、又は他のデバイス上で一連の動作工程が実施されるようにし得、その結果、コンピュータ又は他のプログラム可能装置上で実行する命令が、フローチャート及び／若しくは部分図又はそれらの部分に指定された機能／作用を実施するためのプロセスを提供する。
【０１７１】
［００１７６］  前述のフローチャート及び図は、本発明の様々な実施形態に従うシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品の可能性のある実装形態の構造、機能性、及び動作を例示する。この点について、フローチャート又は部分図における各部分は、指定の論理機能を実施するための１つ又は複数の実行可能な命令を含むモジュール、セグメント、又はコードの部分を表し得る。いくつかの代替的な実装形態において、部分に記される機能は、図に記される順から外れて発生し得るということにも留意されたい。例えば、連続して示される２つの部分は、実際には、実質的に同時に実行され得るか、この部分は、時には、関連する機能性に応じて、逆の順序で実行され得る。部分図及び／又はフローチャート図の各部分、並びに部分図及び／又はフローチャート図内の部分の組み合わせは、指定の機能若しくは作用を実施する専用ハードウェアベースのシステム、又は専用ハードウェア及びコンピュータ命令の組み合わせによって実施され得ることにも留意されたい。
【０１７２】
［００１７７］  上の説明において、実施形態は、本発明の例又は実装形態である。「一実施形態」、「実施形態」、「特定の実施形態」、又は「いくつかの実施形態」の様々な表現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。本発明の様々な特徴は、単一の実施形態の文脈において説明され得るが、この特徴はまた、別個に、又は任意の好適な組み合わせで提供され得る。反対に、本発明は、明確性のために別個の実施形態の文脈において本明細書内で説明され得るが、本発明はまた、単一の実施形態において実施され得る。本発明の特定の実施形態は、上に開示された異なる実施形態からの特徴を含み得、特定の実施形態は、上に開示された他の実施形態からの要素を組み込み得る。特定の実施形態の文脈における本発明の要素の開示は、特定の実施形態のみにそれらの使用を限定するものと見なされるべきではない。さらに、本発明は、様々な方式で実行又は実践され得ること、及び本発明は、上の説明で概説されるもの以外の特定の実施形態において実施され得ることが理解される。
【０１７３】
［００１７８］  本発明は、それらの図又は対応する説明に限定されない。例えば、フローは、例示された各ボックス又は状態を進む、又は例示又は説明されるものと全く同じ順序で進む必要はない。本明細書内で使用される技術的及び科学的用語の意味は、別途規定のない限り、本発明に属する当業者によって共通して理解されるものとする。本発明は限られた数の実施形態に対して説明されているが、これらは、本発明の範囲に対する制限として解釈されるべきではなく、むしろ好ましい実施形態のうちのいくつかの例証として解釈されるべきである。他の可能性のある変形形態、修正形態、用途も本発明の範囲内である。したがって、本発明の範囲は、ここまで説明されてきたものによって制限されるべきではなく、添付の請求項及びそれらの法的等価物によって制限されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2018113254.tif 000020
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８−１】
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【図８−２】
2018113254.tif 000024
【図８−３】
2018113254.tif 000025
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【外国語明細書】
2018113254000001.pdf