(57)【要約】【課題】リチウムイオンの寿命は、充電速度および放電速度よりも他の要因に依存する。電池を注意して使用することで改善することができるが、電池セル環境および必要な保守等によって、常に最適な電池寿命を達成できるというわけではない。経年劣化に応じた電池パックセル容量の減少に適応するために、自動車用リチウムイオン電池パックのサイクル寿命を向上させる必要がある。【解決手段】電池セルパックのための管理システムであって、この管理システムは、前記電池セルパックのための調整可能な充電プロファイルを決定する制御装置を含んでおり、この調整可能な充電プロファイルは、前記電池セルパックのための一組の走行距離モードから次ぎの走行距離モードを特定する動作パラメータを含んでいる。【選択図】  図１
2011138767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステムであって、前記電池セルパックのための調整可能な充電プロファイルを決定する制御器を含んでおり、
前記調整可能な充電プロファイルは前記電池セルパックのための次の充電後動作時の性能特性を特定する動作パラメータを含んでおり、前記制御器は前記性能特性を提供するために前記電池セルパックのための次のサイクルプランを決定すると共に前記電池セルパックの属性を向上させ、前記属性は適用された複数のサイクルに亘って測定され、
前記調整可能な充電プロファイルは前記プランのためのエネルギー終点を生成するための一または複数のステージを更に含むことを特徴とする電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項２】
前記放電／充電プランはＳＯＣ範囲を含んでおり、放電／充電の始点はＳＯＣ始点を含んでおり、放電／充電の終点はＳＯＣ終点を含むことを特徴とする請求項１に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項３】
前記動作パラメータは所望の走行距離を含んでおり、次ぎの充電後動作時の前記性能特性は前記所望の走行距離を提供するための前記電池セルパックのＳＯＣであることを特徴とする請求項２に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項４】
前記属性は前記電池セルパックのための充電サイクル寿命であることを特徴とする請求項３に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項５】
充電器を更に含んでおり、この充電器は前記調整可能な充電プロファイルに応答し、前記調整可能な充電プランは、前記動作パラメータに関する充電後の動作の予測に基づき前記充電器によって実行されることを特徴とする請求項１に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項６】
前記動作パラメータを入力するための、前記制御器に接続されたユーザインターフェースを更に含んでいることを特徴とする請求項５に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項７】
前記動作パラメータのために履歴データを提供するための、前記ユーザインターフェースに接続されたログを更に含んでいることを特徴とする請求項６に記載の電池セルパック充電システム。
【請求項８】
前記ユーザインターフェースは、前記システムの複数の動作期間のスケジュールの一部として前記動作パラメータを設定することを特徴とする請求項６に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項９】
前記スケジュールはカスタマイズされた日ごとの動作パラメータを特定するカレンダーを含んでおり、日ごとの動作パラメータは次の動作日のための充電のための前記動作パラメータとして用いられることを特徴とする請求項８に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１０】
前記動作パラメータは、前記動作パラメータの高い値と低い値とを特定する、必要とされる範囲のウィンドウを含むことを特徴とする請求項５に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１１】
前記電池セルパックのための次の充電後動作時の前記性能特性は、一または複数の付加的な機能のための付加的な性能容量を提供することを特徴とする請求項５に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１２】
前記付加的な性能容量は、前記電池セルパックのＳＯＣを含むことを特徴とする請求項１１に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１３】
前記一または複数の付加的な機能は、前記電池セルパックの電池セルの経年を補償するための付加的なＳＯＣを含むことを特徴とする請求項１２に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１４】
前記一または複数の付加的な機能は、予測される車内温度制御のニーズを補償するための付加的なＳＯＣを含むことを特徴とする請求項１２に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１５】
前記一または複数の付加的な機能は、車両において予測される補助的な負荷を補償するための付加的なＳＯＣを含むことを特徴とする請求項１２に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１６】
前記プランのためのエネルギー始点を生成するために一または複数の放電ステージを更に含むことを特徴とする請求項５に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１７】
前記充電プランは電池電圧範囲およびエネルギー始点を含んでおり、前記エネルギー始点は電圧始点を含んでおり、前記エネルギー終点はＳＯＣ終点を含むことを特徴とする請求項５に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１８】
請求項５に記載の電池セルパック充電システムであって、
前記電池セルパックは電気自動車の電源の一部であって、前記動作パラメータは所望の走行距離を含んでおり、前記次の動作時の性能特性は前記所望の走行距離を提供するための前記電池セルパックのＳＯＣを含んでおり、前記電池セルパックは、
前記動作パラメータを入力するための、前記制御器に接続されたユーザインターフェースと、
前記動作パラメータのために履歴データを提供するための、前記ユーザインターフェースに接続されたログと、
を更に含んでおり、前記ユーザインターフェースを介して入力された前記動作パラメータと前記ログによって提供された前記動作パラメータとの間で重み付けが決定され、効率的な動作パラメータを設定することを特徴とする電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項１９】
リチウムイオン電池セルパックを充電するための電池セルパック充電方法であって、プロセッサを用い、
（ａ）  前記電池セルパックのための次の充電後動作時の性能特性を特定するステップを含んでおり、ここで、制御器は前記性能特性を提供するために前記電池セルパックのための次のサイクルプランを決定すると共に前記電池セルパックの属性を向上させ、前記属性は適用された複数の充電／放電プランに亘って測定され、
（ｂ）  前記プランのためのエネルギー終点を生成するために前記電池セルパックを充電するステップを含んでおり、
（ｃ）  次の充電後動作時の前記性能特性によって特定される次の充電後動作の性能の予測に基づき、前記電池セルパックに接続された充電器によって前記プランを実行するステップを含むことを特徴とする電池セルパック充電方法。
【請求項２０】
前記ステップ（ｂ）が、前記プランのためのエネルギー始点を生成するために前記電池セルパックを放電するステップを更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２１】
前記充電プランはＳＯＣ範囲を含んでおり、放電／充電の始点はＳＯＣ始点を含んでおり、放電／充電の終点はＳＯＣ終点を含むことを特徴とする請求項２０に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２２】
前記動作パラメータは所望の走行距離を含んでおり、次ぎの充電後動作時の前記性能特性は前記所望の走行距離を提供するための前記電池セルパックのＳＯＣであることを特徴とする請求項２１に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２３】
前記属性は電池セルパックのための充電サイクル寿命であることを特徴とする請求項２２に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２４】
前記動作パラメータを入力するための、前記制御器に接続されたユーザインターフェースを更に含んでいることを特徴とする請求項１９に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２５】
前記動作パラメータのために履歴データを提供するための、前記ユーザインターフェースに接続されたログを更に含んでいることを特徴とする請求項２３に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２６】
前記ユーザインターフェースは、前記システムの複数の動作期間のスケジュールの一部として前記動作パラメータを設定することを特徴とする請求項２３に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２７】
前記スケジュールは、週ごとにセットになった動作パラメータを含むことを特徴とする請求項２６に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２８】
前記スケジュールはカスタマイズされた日ごとの動作パラメータを特定するカレンダーを含んでおり、日ごとの動作パラメータは次の動作日のための充電のための前記動作パラメータとして用いられることを特徴とする請求項２６に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項２９】
前記動作パラメータは、前記動作パラメータの高い値と低い値とを特定する、必要とされる範囲のウィンドウを含むことを特徴とする請求項１９に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項３０】
前記電池セルパックのための次の充電後動作時の前記性能特性は、一または複数の付加的な機能のための付加的な性能容量を提供することを特徴とする請求項１９に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項３１】
前記付加的な性能容量は、前記電池セルパックのＳＯＣを含むことを特徴とする請求項２６に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項３２】
前記一または複数の付加的な機能は、前記電池セルパックの電池セルの経年を補償するための付加的なＳＯＣを含むことを特徴とする請求項３０に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項３３】
前記一または複数の付加的な機能は、予測される車内温度制御のニーズを補償するための付加的なＳＯＣを含むことを特徴とする請求項３０に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項３４】
前記一または複数の付加的な機能は、車両において予測される補助的な負荷を補償するための付加的なＳＯＣを含むことを特徴とする請求項３０に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項３５】
請求項２１に記載の電池セルパック充電方法であって、
前記電池セルパックは電気自動車の電源の一部であって、前記動作パラメータは所望の走行距離を含んでおり、前記次の動作時の性能特性は前記所望の走行距離を提供するために前記電池セルパックのためのＳＯＣを含んでおり、前記電池セルパックは、
前記動作パラメータを入力するための、前記制御器に接続されたユーザインターフェースと、
前記動作パラメータのために履歴データを提供するための、前記ユーザインターフェースに接続されたログと、
を更に含んでおり、前記ユーザインターフェースを介して入力された前記動作パラメータと前記ログによって提供された前記動作パラメータとの間で重み付けが決定され、効率的な動作パラメータを設定することを特徴とする電池セルパック充電方法。
【請求項３６】
請求項１に記載の管理システムであって、
次の充電後動作時の前記性能特性が前記電池パックのための１セットの走行距離モードから特定され、各走行距離モードが充電ＳＯＣと放電ＳＯＣとの間のＳＯＣウィンドウを含んでおり、前記１セットの走行距離モードは、第１のＳＯＣウィンドウを有する第１の走行距離モードと、前記第１のＳＯＣウィンドウよりも小さい第２のＳＯＣウィンドウを有する第２の走行距離モードとを含んでおり、前記一または複数のステージは、前記電池セルパックにおいて前記次の動作時の走行距離モードの前記充電ＳＯＣを生成する一または複数のエネルギー伝達ステージを含むことを特徴とする電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項３７】
前記第２のＳＯＣウィンドウは経時的に変化することを特徴とする請求項３６に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項３８】
前記第１のＳＯＣウィンドウは経時的に実質的に一定であることを特徴とする請求項３７に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項３９】
前記第２のＳＯＣウィンドウの前記変化は経時的に増大することを特徴とする請求項３７に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項４０】
前記第２のＳＯＣウィンドウの前記放電ＳＯＣは経時的に実質的に一定であることを特徴とする請求項３９に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項４１】
前記第２のＳＯＣウィンドウの前記充電ＳＯＣは経時的に実質的に一定であることを特徴とする請求項３９に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項４２】
前記充電ＳＯＣの経時的な変化は前記放電ＳＯＣの経時的な変化とは異なることを特徴とする請求項３９に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項４３】
前記電池セルパックの合計エネルギー容量は複数の使用年数に亘り実質的に減少する一方、前記第２のＳＯＣウィンドウの前記変化は前記複数の使用年数に亘り実質的に一定の放電エネルギーを前記電池セルパックから生成するように構成されることを特徴とする請求項３７に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項４４】
前記第２のＳＯＣウィンドウの前記変化は、推定されるパック容量のフェードと、放電Ａｈと、時間と、走行距離と、パックの充電サイクル数と、パックのインピーダンスの変化と、合計充電／放電Ａｈと、合計充電／放電Ｗｈと、車両走行距離と、使用時間と、これらの組み合わせとからなる群から選択される一または複数のパラメータに応答することを特徴とする請求項４３に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項４５】
前記第２の走行距離モードは、充電サイクルの選択されたＮ％であって、Ｎ％は約６６．６７％〜１００％の間の範囲内であることを特徴とする請求項３６に記載の電池セルパックのサイクル寿命を向上させるためのシステム。
【請求項４６】
請求項１９に記載の電池セルパック充電方法であって、
次の充電後動作時の前記性能特性が前記電池パックのための１セットの走行距離モードから特定され、各走行距離モードが充電ＳＯＣと放電ＳＯＣとの間のＳＯＣウィンドウを含んでおり、前記１セットの走行距離モードは、第１のＳＯＣウィンドウを有する第１の走行距離モードと、前記第１のＳＯＣウィンドウよりも小さい第２のＳＯＣウィンドウを有する第２の走行距離モードとを含むことを特徴とする電池セルパック充電方法。
【請求項４７】
前記第２のＳＯＣウィンドウは経時的に変化することを特徴とする請求項４６に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項４８】
前記第１のＳＯＣウィンドウは経時的に実質的に一定であることを特徴とする請求項４７に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項４９】
前記第２のＳＯＣウィンドウの前記変化は経時的に増大することを特徴とする請求項４７に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項５０】
前記第２のＳＯＣウィンドウの前記放電ＳＯＣは経時的に実質的に一定であることを特徴とする請求項４９に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項５１】
前記第２のＳＯＣウィンドウの前記充電ＳＯＣは経時的に実質的に一定であることを特徴とする請求項４９に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項５２】
前記充電ＳＯＣの経時的な変化は前記放電ＳＯＣの経時的な変化とは異なることを特徴とする請求項４９に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項５３】
前記電池セルパックの合計エネルギー容量は複数の使用年数に亘り実質的に減少する一方、前記第２のＳＯＣウィンドウの前記変化は前記複数の使用年数に亘り実質的に一定の放電エネルギーを前記電池セルパックから生成するように構成されることを特徴とする請求項４６に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項５４】
前記第２のＳＯＣウィンドウの前記変化は、推定されるパック容量のフェードと、放電Ａｈと、時間と、走行距離と、パックの充電サイクル数と、パックのインピーダンスの変化と、合計充電／放電Ａｈと、合計充電／放電Ｗｈと、車両走行距離と、使用時間と、これらの組み合わせとからなる群から選択される一または複数のパラメータに応答することを特徴とする請求項５３に記載の電池セルパック充電方法。
【請求項５５】
前記第２の走行距離モードは、充電サイクルの選択されたＮ％であって、Ｎ％は約６６．６７％〜１００％の間の範囲内であることを特徴とする請求項４６に記載の電池セルパック充電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願明細書等に記載の単数で記載されている名詞は特に明記されない限り複数も含む。
【０００２】
本発明は、概して、再充電可能なリチウムイオン化学電池に関し、より具体的には、自動車用リチウムイオン電池パックの電池パック寿命を改善することに関する。
【背景技術】
【０００３】
リチウムイオン電池は家庭用電化製品において一般的に用いられる。リチウムイオン電池は、電力／重量比が最適であり、いわゆるメモリー効果がなく、不使用時の電力の損失が遅いという特徴を備え、携帯用電子機器のために最もポピュラーなものの一つである。家庭用電化製品での使用に加えて、リチウムイオン電池は、その高電力および高電力密度によって、軍事用、自動車用、航空宇宙用の用途において人気が高まっている。
【０００４】
リチウムイオン化学の利用における利点の一つは、この技術を用いて製造された電池が再充電可能であることである。従来の充電は二段階の充電アルゴリズムを用いてなされ、それは（ｉ）定電流（ＣＣ）と（ｉｉ）定電圧（ＣＶ）である。電気自動車においては第一段階は定電力（ＣＰ）であり得る。
【０００５】
ステップ１：  セル１個あたりの電圧制限に達するまで、充電電流制限を課す。
【０００６】
ステップ２：  電流が所定のレベル（Ｃ／２０であることが多いがＣ／５もしくはＣ／１０または他の値となることもある）を下回るまで、セル１個あたりの最大電圧制限を課す。
【０００７】
充電時間は、用途によって大体１〜５時間である。一般的に携帯電話の電池は１Ｃで充電することができ、ラップトップパソコンでは０．８Ｃである。一般的に、電流がＣ／１０を下回ると充電が止まる。急速充電器によってはステップ２が開始される前に停止し、電池が約７０％の充電度で準備完了であるとする。（本明細書において用いられる「Ｃ」は、一時間に電池を放電する定格電流である。）。
【０００８】
一般に家庭用電化製品のために、リチウムイオンは各セルあたり約４．２±０．０５Ｖで充電される。自動車産業、重工業、および軍事用途においては、電池寿命を延ばすためにより低い電圧を用いてもよい。多くの保護回路は、４．３Ｖ以上もしくは９０°Ｃに達すると切断される。
【０００９】
電池式システムにおいて、電池に残存している電荷を正確に推定する能力を有することが非常に望ましく、多くの場合、これは不可欠なものである。例えば、カメラ、携帯電話、ポータブルゲームシステム、コンピュータといった携帯用電子機器において、こうした情報が分かることで、エンドユーザが再充電が必要になるまであとどれぐらいその機器を使用することができるかをユーザ自身が見積もることができるようになる。場合によっては、この情報によって、エンドユーザが不意にデータを損失させることを防ぐことができる（この損失は、電池が完全に放電してしまったためにカメラまたはコンピュータが急に機能を停止した場合に一般的に発生する）。他の用途（例えば電気自動車）においては、残存する蓄電池容量を知ることは、目的地に辿り着けるか着けないかの違いを生み出し得る。すなわち、十分な警告を与えられないまま、電池が完全に放電してしまった場合に、この車両およびドライバーは立ち往生してしまう。加えて、電池の充電率（ＳＯＣ）が減少するにつれて電池の電圧が下降するため、ＳＯＣを知ることで、電池式機器（例えば電気自動車）が利用することができる電力を正確に見積もることができる。
【００１０】
電池の残存容量を正確に見積もるために、電池の全容量を正確に知ることが極めて重要である。残念ながら、電気自動車や他の電池式機器における通常の使用条件の下では、電池容量を正確に確認することは困難である。例えば、電池容量を判定する方法の一つにおいては、電池の初期容量が、バッテリー経年、現在までの充電／放電サイクル数、および温度などの様々な要因（ファクタ）に基づき徐々に減じられる。残念ながら、この方法は電池容量の非常に正確な見積りをなすものではなく、なぜなら、いくつかの要因が適切に考慮に入れられず（例えば、これまでの温度プロファイル、負荷条件、各充電の前の放電深度、充電／放電比率など）、かつ、誤差の影響が電池が古くなるにつれて蓄積されていくからである。電池容量を判定する別の方法は、電池を完全に放電させて、その後、充電の間にその電池の容量を判定するものである。この手法は時折用いることができるが、これを日常的に用いると、重大な副作用が生じ得る。なぜなら、電池を放電させること（特に電池を完全に放電させること）により、その寿命を著しく縮めてしまい得るからである。加えて、ほとんどの電池式機器（特に電気自動車）において、ユーザに充電の前に電池を完全に放電させることを要求することは極めて不便である。これは、従来の車において、単に燃料タンクの容量を判定するために再給油の前に燃料タンクが空になるまで車をドライブすることを要求するのに似ている。
【００１１】
先行技術は、様々な充電システムにおける問題（特に電池セルの安全性および劣化に関するもの）を認識している。ヘビーユース（電気自動車および他の産業用用途など）のために用いられる電池パックは、数千もの電池セルを有することが多く、これらのセルのアッセンブリは多くの資源（金銭および時間）が投入されたことを意味し、安全性および劣化に関する問題は更に重要なものである。対照的に、多くの家庭用機器は、再充電可能な電池セルを有しており、これはコスト全体において比較的小さいことを一般に意味し、電池セルを入手して交換する場合に特別な困難がなく、電池サイクル寿命の重要性はその容量よりも比較的低い。
【００１２】
家庭用機器において、リチウム電池セルの経年は要因とはならないことが多い。リチウムイオン電池は、容量を損失するため５〜７年間使用することができる。この容量の損失は、機械的ストレスおよび酸化によって引き起こされる内部抵抗の増加となって現れる。結果として、この電池が電荷を十分に有しているにも関わらず、電池パックが蓄積エネルギーを供給することができないところまでセル抵抗が達してしまう。このため、古くなった電池は、高負荷を必要とする機能においてではなく、弱電流における用途においてより長く維持することができる。サイクル寿命および経年によって内部抵抗が増加することは、携帯電話、カメラおよびノートパソコンに用いられるシステムにおけるコバルト系リチウムイオンにとっては一般的であり、なぜならその高エネルギー密度のためである。低エネルギー密度のマンガン系リチウムイオン（スピネルとも知られる）は、その寿命を通して内部抵抗を維持するが、化学分解によって容量を失う。スピネルは主に電動工具のために用いられる。
【００１３】
リチウムイオン電池の限定された耐用年数についての一般的な言明は正しいが、寿命は、電池パックおよびそのセルが体験する「ライフスタイル」および「置かれた状況」が非常に大きな要因となる。リチウムイオンが経年劣化するスピードは、温度および充電速度を含む多くの要因によって支配される。高充電レベルおよび高温は、永久的な容量損失を早める。化学的な改良によってリチウムイオン電池の蓄電性能は増加した。充電されたセルが達する電圧レベルも、その寿命において重要な役割を担う（十分なセル容量とサイクル寿命劣化との間の適当な妥協点として選択される最大セル電圧の値は４．１である）。
【００１４】
一般的に言って、電池は、穏やかに扱われるとそのサイクル寿命が延びる。高充電電圧、過剰な充電速度および極度の負荷状態は、悪影響を生じ、電池寿命を縮める。これは、高電流率（ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒａｔｅ）のリチウムイオン電池にも当てはまる。リチウムイオン電池を遅い充電速度で充電したほうがよく、また、高放電速度もその磨耗を速める。電池が１Ｃ以下で充電され、放電される場合、高エネルギー密度セルのためのサイクル寿命は、それよりも高い充電／放電レベル（電池の放電容量（Ａｈ）によって測定される）よりも一般的に非常によい。（０．５Ｃの充電および放電速度を用いることで、更に向上させることができる。動力電池は、より高速の充電および放電に対応することができる。）適度な充電および放電は電池に与えるストレスが小さく、その結果、サイクル寿命が長くなる。加えて、電池が保存される温度および充電率（ＳＯＣ）は、その寿命に非常に大きな影響を与える。電池を高充電率および高温に維持することは防ぐべきである。例えば、長期間使用しない場合には、自動車を低充電率で保管すべきである。保管モードにおいて車両走行距離が減少されるが、この犠牲は、パック寿命を延ばすのに有益である。
【００１５】
リチウムイオンの寿命は、充電速度および放電速度よりも他の要因に依存する。電池を注意して使用することで改善することができるが、電池セル環境および必要な保守等によって、常に最適な電池寿命を達成できるというわけではない。電池の寿命は環境ストレスが直接影響することが多い。
【００１６】
電池サイクル寿命を延ばすための上記の検討事項は、車両走行距離（ｖｅｈｉｃｌｅ  ｒａｎｇｅ）を延ばすための要件、ならびに、自動車用用途および他の産業用において用いられる高性能電池パックの使用のための要件と相容れないことが多い。上記に記載したように、自動車用および産業用用途のための高度な電池パックによる資源コストは著しく、長走行距離とパックサイクル寿命との間の最適バランスに近づけることが非常に重要である。ユーザごとに異なる要求があり、これらの要求は経時的に変化するため課題が増える。要するに、各ユーザに対して先験的に設定することができる単一の解決策がないのである。
【００１７】
本明細書に組み込まれた特許出願は、ＳＯＣ範囲の最適化のためのいくつかの異なる状況を記載しており、これらの状況に対する解決策を提供している。この開示内容は、これらの状況の一つに焦点を当てており、それは、電池パックの経年におけるＳＯＣ範囲の最適化である。電気自動車のメーカーは、電気自動車の走行距離を向上し続けており、この方法の一つは、全蓄積エネルギーを増加することである。（更なる電池モジュールを加えることにより）重量を増加させることなくこれを達成するためには、通常、エネルギー密度を増加する必要がある。
【００１８】
新しい技術の使用およびより高密度にすることによって、エンドユーザ（電気自動車のオーナー）に予想外の結果をもたらし得る。充電システムが従来からそうであるように、高エネルギー密度の電池システムから得られる電荷は、低エネルギー密度の電池システムよりも早く経年劣化する。経時的な性能（すなわち走行距離）の変化に着目するエンドユーザは、より新しい技術のほうが劣っており、不調であると感じ得る。ＳＯＣレベルと、充電と、使用との相互関係は複雑であり、エンドユーザが微妙な違いを認識することが困難なものとなる。特定のエンドユーザのために様々なパラメータを調整することも困難となり得え、これは、特に充電および電池管理がエンドユーザの操作を補完するものではない場合に、異なるエンドユーザの動作パターンが性能劣化に顕著に影響し得るためである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
特に、経年に応じた電池パックセル容量の減少に適応するために、自動車用リチウムイオン電池パックのサイクル寿命を向上させる必要がある。個々のユーザに与えられる走行距離と、電池パックの寿命を向上させることとの間のバランスが向上される。以下に記載の発明は、当該課題に対処するものであり、新規かつ進歩性のある解決策を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、リチウム電池パックのためのサイクル寿命を向上させるためのシステムおよび方法であって、特に、経年に応じて、電池パックセル容量の減少に適応させるシステムおよび方法である。電池セルパックのための管理システムであって、この管理システムは、前記電池セルパックのための調整可能な充電プロファイルを決定する制御器を含んでおり、この調整可能な充電プロファイルは、前記電池セルパックのための一セットの走行距離モード（ｄｒｉｖｅ  ｒａｎｇｅ  ｍｏｄｅ）から次ぎの走行距離モードを特定する動作パラメータを含んでおり、各走行距離モードは、充電ＳＯＣと放電ＳＯＣとの間の充電率（ＳＯＣ）ウィンドウを有しており、前記一セットの走行距離モードは、第１ＳＯＣウィンドウを有する第１走行距離モードと、前記第１ＳＯＣウィンドウよりも小さい第２ＳＯＣウィンドウを有する第２走行距離モードとを含んでおり、前記管理システムは、前記電池セルパックにおける前記次ぎの走行距離モードの前記充電ＳＯＣを生成するために一または複数のエネルギー伝達ステージを更に有している。
【００２１】
電池セルパックのための管理システムであって、この管理システムは、前記電池セルパックのための調整可能な充電プロファイルを決定する制御器を含んでおり、前記調整可能な充電プロファイルは、次を含む。前記充電セルパックのための次ぎの走行距離モードを特定する動作パラメータであって、前記走行距離モードが充電ＳＯＣと放電ＳＯＣとの間のＳＯＣウィンドウを含む、動作パラメータと、前記電池セルパックにおいて前記充電ＳＯＣを生成するために一または複数のエネルギー伝達ステージ。
【００２２】
電池セルパックを充電するための電池セルパック充電方法であって、この方法は、プロセッサを用いて、（ａ）前記電池セルパックのための一組の走行距離モードから次の走行距離モードを特定する工程を含んでおり、ここで、各走行距離モードは、充電ＳＯＣと放電ＳＯＣとの間のＳＯＣウィンドウを含んでおり、前記一組の走行距離モードは、第１ＳＯＣウィンドウを有する第１走行距離モードと、前記第１ＳＯＣウィンドウよりも小さい第２ＳＯＣウィンドウを有する第２走行距離モードを含んでおり、（ｂ）前記次ぎの走行距離モードの前記充電ＳＯＣを生成するために前記電池セルパックを充電する工程と、（ｃ）次ぎの充電後動作時の性能特性によって特定される次ぎの充電後動作の予測に基づいて前記電池セルパックに接続された充電器によってプランを実行する工程と、を含んでいる。
【００２３】
電池セルパックを充電するための電池セルパック充電方法であって、この方法は、プロセッサを用いて、（ａ）前記電池セルパックのための次の走行距離モードを特定する工程を含んでおり、ここで、前記走行距離モードは、充電ＳＯＣと放電ＳＯＣとの間のＳＯＣウィンドウを含んでおり、（ｂ）前記次ぎの走行距離モードの前記充電ＳＯＣを生成するために前記電池セルパックを充電する工程と、（ｃ）次ぎの充電後動作を予想して前記電池セルパックに接続された充電器によってプランを実行する工程と、を含んでいる。
【００２４】
好適な実施形態は、少なくとも２つのモードをエンドユーザに提供する（実際には、２つ以上のモードがある可能性が高い（例えば、ＳＯＣ（および再充電頻度、充電速度など）が保管のためにより最適化されており、利用可能な放電エネルギーの量をあまり案じない保管モードなど）。これらのモードのそれぞれは、充電ＳＯＣ（この値まで電池が充電される）および／または放電ＳＯＣ（この値まで電池が放電される）を変化させることによってユーザのために異なる走行距離を提供する。すなわち、走行距離は、許可されたＳＯＣウィンドウに基づく放電エネルギーに基づく。小さなＳＯＣウィンドウと大きなＳＯＣウィンドウとを提供することによって、多くのユーザが、より長い化学寿命を提供するより小さいＳＯＣを選択することが多いと予想される。エンドユーザに対してより一貫した放電エネルギー（範囲）（好適な実施形態において経時的に一定である利用可能な範囲）を提供するために、時間の経過と共に小さいウィンドウサイズが大きくなる。
【００２５】
本発明の好適な実施形態は、その結果のほとんどを充電を通して獲得し、更にはドライブ中に得た結果も加わる。ドライブ中の充電ＳＯＣはこれらの実施において特に関係するものではなく、なぜなら、運転中のＳＯＣの顕著な増大は稀だからである。
【００２６】
本発明は、リチウム電池パックのためのサイクル寿命を向上させるためのシステムおよび方法であって、特に、ユーザのために動的な使用プロファイルに適応させるシステムおよび方法でもある。電池セルパックのための管理システムは、電池セルパックのための調整可能な充電プロファイルを決定する制御器を有しており、この調整可能な充電プロファイルは、前記電池セルパックのための次の充電後動作時の性能特性を特定する動作パラメータを含んでおり、前記制御器が、前記性能特性を提供するために電池セルパックのための次のサイクルプランを決定すると共に前記電池セルパックの属性を向上させ、前記属性が複数の適用されたサイクルにおいて測定される。
【００２７】
本発明の一の実施形態は、電池セルパック充電システムを含んでおり、このシステムはリチウムイオン電池セルパックを充電するために充電器および制御器を含んでおり、このシステムは充電電圧と充電電流を電池セルパックに与えるための調整可能な電圧充電プロファイルを用いて電池セルパックを充電するための回路を更に含んでおり、この調整可能な電圧充電プロファイルは、電池セルパックのための次ぎの充電後動作時の性能特性を特定する動作パラメータを備えており、制御器は、充電後の性能特性を提供するために電池セルパックのための次の充電サイクルの充電プランを決定すると共に電池セルパックの属性を向上させ、この属性は複数の適用されたサイクルにおいて測定され、調整可能な充電プロファイルは、このプランのためのエネルギー終点を生成するための一または複数の放電ステージと更に含んでおり、この充電プランは動作パラメータに関連する充電後の動作の予測に基づき充電器によって実行される。
【００２８】
リチウムイオン電池セルパックを充電するための電池セルパック充電方法であって、この方法は、  （ａ）  前記電池セルパックのための次の充電後動作時の性能特性を特定するステップを含んでおり、ここで、制御器が前記性能特性を提供するために前記電池セルパックのための次のサイクル充電プランを決定すると共に前記電池セルパックの属性を向上させ、前記属性が複数の適用されたサイクルにおいて測定され、  （ｂ）  前記プランのためのエネルギー始点を作るために電池セルパックを放電するステップを任意に含んでおり、  （ｃ）  前記プランのためのエネルギー終点を作るために前記電池セルパックを充電するステップを含んでおり、  （ｄ）  次の充電後動作時の性能特性によって特定される次の充電後動作時の性能の予想に基づいて前記電池セルパックに接続された充電器によって前記プランを実行するステップを含む。放電は、それがなされることが好ましい場合に任意になされ、これは自動車用電池セルパックにおいては、電池セルパックを手動でドレイン排出するのではなく車両を運転することによってなされる。場合によっては、サイクルプランは、その時利用可能なＳＯＣよりも低いＳＯＣを要求し得（例えば、車両がほとんど運転されないか全く運転されない期間の間）、この場合、運転することなく電池セルパックを放電することが好ましい。
【００２９】
本発明の他の利点は本願の開示内容から理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、代表的な充電システムを示している。
【図２】図２は、例示的な工程管理図である。
【図３】図３は、充電システムのフローチャートである。
【図４】図４は、固定放電ＳＯＣを用いる可変ＳＯＣウィンドウのチャートである。
【図５】図５は、可変放電ＳＯＣを用いる可変ＳＯＣウィンドウのチャートである。
【図６】図６は、時間に応じた放電エネルギー百分率をプロットしたチャートである。
【図７】図７は、別の実施形態の充電システムのためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施形態は、電池セルパックのサイクル寿命を向上させるための管理システムおよび電池充電器（バッテリチャージャー）のための、システムおよび方法を提供するものである（特に、電気自動車のユーザのための動的な使用プロファイルに適応させるため、および時経劣化に応じた電池パックセル容量の減少に適応させるため）。以下の詳細な説明は、当業者が本発明を実施することができるように記載されており、出願の要件を満たすものである。以下において、「電池」、「セル」、「電池セル」および「電池セルパック」という用語は、相互に置き換えて用いることができ、リチウムイオン（例えば、リン酸鉄リチウム、コバルト酸リチウム、他のリチウム金属酸化物など）、リチウムイオンポリマー、ニッケル水素、ニッケルカドミウム、ニッケル水素、ニッケル亜鉛、銀亜鉛、または他の電池形態／構成を含む（しかしこれらに限定されない）、様々な異なる再充電可能な電池化学および電池構成を指すことができる。本明細書に記載された好適な実施形態、原理、特徴の様々な変更は当業者にとって直ちに自明となる。よって、本発明は、本明細書において示された実施形態に限定されず、本明細書に記載された原理および特徴について最も広い範囲が与えられる。
【００３２】
図１は、本発明の好適な実施形態を実施する電気自動車において用いることができる、充電率（ＳＯＣ）制御システム１００のための好適な実施形態を示している。システム１００は、電池１０５と、この電池１０５に接続された充電器／放電器１１０と、電池管理システム（ＢＭＳ）１１５と、電池データ収集及び監視サブシステム１２０（以下、電池データ収集監視サブシステム１２０）と、を含んでいる。コミュニケーションバス１２５はサブシステム１２０を電池管理システム１１５に接続し、コミュニケーションバス１３０は電池管理システム１１５を充電器／放電器１１０に接続している。コミュニケーションバス１３５は電池１０５からの電池データをサブシステム１２０に結合し、任意のスイッチ１４０が電池１０５と充電器／放電器１１０との間に直列で配置されている。ユーザ・インターフェース・サブシステム１４５は、バス１５０によって電池管理システム１１５に接続され、バス１６０によってログ１５５に接続されている。
【００３３】
電池１０５は直列接続された一群の電池セルとして示されているが、セルの配列は、多くの異なる配列の並列／直列接続されたセルの組合せであってもよい。好適な実施形態の充電器／放電器１１０は、電池１０５のために充電電流、必要なソース電流、またはシンク電流を提供するものである。電池管理システム１１５は、本発明の実施形態によって設定されたプロファイルに従って充電電流を制御するものである。サブシステム１２０は電池１０５に関して本明細書に記載されるような所望のデータを得る。例えば、電圧、充電率（ＳＯＣ）、温度、および、電池管理システム１１５によって用いられる他の適用可能なデータである。いくつかの実施形態では、サブシステム１２０は電池管理システム１１５の一部であってもよく、電池管理システム１１５は充電器１１０の一部であってもよい。充電器１１０、電池管理システム１１５、およびサブシステム１２０の一または複数が、スイッチ１４０を制御する。
【００３４】
ログ１５５は、インターフェース１４５を介してユーザに動作／性能データ（例えば、走行距離（ｒａｎｇｅ）および車両効率（ｖｅｈｉｃｌｅ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）といった、自動車管理システムからの情報）を提供し、このデータには、一日に走行するマイル数、その他のデータや、ユーザに関する統計的な作動情報を含むことが好ましい。ユーザは、インターフェース１４５を操作し、システム１００が用いる動作プロファイルを設定し、特定し、および／またはプログラムする。システム１００の一または複数の部品（コンポーネント）は、本発明の実施形態を実施するためにプロセッサ上で動作可能なコンピュータプログラム命令を、記憶し処理するためのプロセッサおよびメモリを含む。コードは、物理的に電池管理システム１１５の一部であることができ、あるいは、システム１００の部品と一体化された自動車管理システムの一部、もしくはシステム１００の部品に加えて設けられた自動車管理システムの一部であってもよい。
【００３５】
本発明の他の態様は、充電／放電システムの一部として提供されなくてもよいが、ユーザによってもしくは他の自動車、システム、または処理によって用いられる／参照される、本明細書に記載された調整可能な充電プロファイルを提供する。
【００３６】
図２は、図１に示されたシステム１００において用いられる放電／充電制御２００のための例示的な工程管理図である。記載を簡略化するために、制御２００は、充電可能な電池セルを有する電気自動車の一部としてシステム１００が提供され、調整可能な充電プロファイルが電池パックのための充電率（ＳＯＣ）に関連して動作する場合の実施形態として記載されている。制御２００は、例えばユーザインターフェース１４５を介してユーザが入力した距離目標２０５にアクセスすることを含む。制御２００は、２０５からの距離目標に加えて、車両効率２１０に関する情報を判定または獲得する。電気自動車において、車両効率は１マイルあたりのワット時（Ｗｈ／ｍｉ）の単位で測定される（ガソリンエンジンの効率を示す一つの方法である１ガロンあたりのマイル数（ＭＰＧ）と対照的なものである）。制御２００は、処理（工程）２１５において、与えられた車両効率に基づき、車両走行距離目標（ｖｅｈｉｃｌｅ  ｒａｎｇｅ  ｔａｒｇｅｔ）を達成するために最適ＳＯＣ範囲を決定し、同時に電池パックサイクル寿命を最適化する。
【００３７】
処理２１５から得られた充電プロファイルがほぼ最良のシナリオで作動する一方、目標距離および車両効率のためのいくつかの値のみに基づき決定されたこのプロファイルの上にいくらかの動作マージンを与えることが望ましい。多くの異なる方法において決定することができる範囲（距離）および効率の偏差（ずれ）があり、かつ、自動車が早く充電が切れる可能性を減らすために余分な容量を持たせるために、いくらかの予め決められた（例えば、ファクトリーまたはユーザ設定値）距離安全マージン（ｒａｎｇｅ  ｓａｆｅｔｙ  ｍａｒｇｉｎ）がある。制御２００は、処理２２０において、距離および車両効率の偏差を設定する。そして、処理２２５において制御２００は、処理２２０から得られた距離および車両効率を検討してＳＯＣサイクル保存プロファイルを再最適化することによって、処理２１５から得られた最適化されたＳＯＣサイクル保存プロファイルを変更する。
【００３８】
動作に関し、以下の例示的なシナリオを検討する。ユーザが２００マイルの走行距離を有する電気自動車を運転するとする。このユーザはその最大走行距離より少なく（例えば１００マイルの範囲）その電気自動車を運転する計画をしている。このユーザは、特定の車両効率において１００マイルの走行距離をなすためのＳＯＣサイクル保存プロファイルを決定することを、制御２００に要求することができる。しかしながら、これは、実際に要求される距離が目標距離よりも大きい場合にユーザが立ち往生してしまうというリスクがある。そこで、マージンを提供するために多くの異なる態様がある。好適な態様の一つは、制御２００が、平均移動距離（例えば、１ヶ月、１週間、特定の期間のみ（平日／週末／休日））と、この平均移動距離のための標準偏差とを決定するものである。標準偏差は距離において５％の変動まで表示することができる。そして、制御２００は、１００マイルに代えて、１０５マイルに変更された目標走行距離を用いることができる。これによって、距離偏差のためのマージンが含まれる。１０５マイルのためのＳＯＣは、特定の量のエネルギーである（ワット時（Ｗｈ））。その決定は、Ｗｈ／マイルにおける特定の車両効率を想定してなされる。換言すると、ユーザは予め決められたワット時で１０５マイルを実際に移動することができる。車両効率は、一定ではなく、異なる要因（ファクタ）と電池からのエネルギー消費量とに基づいて変わる。ユーザが激しく運転する場合、車両効率は保守的に運転する場合よりも小さく、他の要因が同じなら、ユーザは１マイルあたりの移動により多くのエネルギーが必要となる。制御２００は関連する期間の平均車両効率を決定し、（処理２１５から得られた最初のエネルギー推定値を決定するために）これを処理２１０の一部として使用し、車両効率の標準偏差を決定し、（処理２２５から１０５マイルに変更された距離のための変更されたエネルギー推定値を調節するために）この偏差を処理２２０の一部として使用する。
【００３９】
図３は、図１に示されるシステム１００に用いられる放電／充電処理３００のためのフローチャートである。自動車用に構成された処理３００は、以下の４つのステップを含む。予測された自動車性能の特定（３０５）、電池セルパック性能の特定（３１０）、放電／充電プランの特定（３１５）、およびこの放電／充電プラン（３２０）の適用である。
【００４０】
ステップ３０５は、この適用（例えば電気自動車走行距離）のための予測される次ぎの動作要件を表す動作パラメータを得るものである。このパラメータは、適用および使用に依って多くの異なるものを特定することができる。以下の記載を簡略化するために、代表的な適用は電気自動車における使用のための電池パックを充電することであるが、本発明はこの態様に限定されないことに留意されたい。電気自動車のために用いることができる異なる動作パラメータがあってもよいが、本発明の好適な実施形態は車両走行距離に焦点を当てている。具体的には、ステップ３０５は、予測される所望の走行距離（例えばマイル）を表すパラメータを得るものである。これは、ある将来の時点での距離を特定する予想パラメータであり、好ましくは、次ぎの充電サイクル後の次ぎの動作サイクルである。電池セルパックは周期的に充電され、本発明の実施形態は、次ぎの使用に関連するパラメータを用いる次ぎの使用の直前の充電サイクルを制御する。
【００４１】
この動作パラメータはいくつかの異なる方法で得ることができる。例えば、ユーザは範囲（距離）を明確に特定することができる（例えば週間スケジュールや日ごとにカスタマイズされたカレンダーによって）。週間スケジュールは、月曜日〜金曜日は６０マイル範囲を特定し、土曜日と日曜日は１１０マイル範囲を特定するといった簡単なものでよい。日ごとにカスタマイズされたカレンダーにおいて、ユーザは所望の各日のためのマイル範囲を設定することができる。（インターフェース１４５は、ユーザがこの動作パラメータを検討および設定することができる一の機構を提供する。）場合によっては、動作パラメータは完全にまたは部分的に自動的に設定することができる。例えば、好適な一実施形態において、ステップ３０５は、実際の過去の実績に基づいて将来の日のためにあり得る動作パラメータを決定するために車両ログを有する。これは、いくつかの方法で適切に精度を高めることができる（例えば、適切なマージンを有する暫定的な予想値を設定するために履歴データを用いることによって（ユーザは所望の値を受け入れることができるかまたは変更することができる））。
【００４２】
ステップ３１０（ステップ３０５の次ぎ）は、予測された次ぎの動作要件を提供するために電池セル動作性能を決定し、これに並行して電池セルパックのメタ属性を高める。ここでは、好適な実施形態は電池セル性能パラメータとしてＳＯＣを用い、かつメタ属性として電池サイクル寿命を用いる。換言すれば、ステップ３１０は、サイクル寿命を向上させながら所望の範囲パラメータを満足する特定のＳＯＣを決定する。所望の範囲パラメータを満足させる多くの異なるＳＯＣプロファイルがあり得るが、所望の範囲パラメータを満足させ、高ＳＯＣ／電圧充電のライフサイクルへの影響を減少させるＳＯＣプロファイルとなる可能性が高い。重要な点は、このシステムは、範囲および電池特性に動的に反応し、ライフサイクルに基づきＳＯＣを最適化する（この結果、異なるＳＯＣのために異なるＳＯＣ始点およびＳＯＣ終点となり得る）ことである。
【００４３】
ステップ３１５（ステップ３１０の次ぎ）は、最適化されたＳＯＣ範囲が一旦分かると、電池セルパックのための放電／充電プランを設定する。放電／充電プランは、ステップ３１０において決定されるライフサイクル最適化ＳＯＣのためのＳＯＣ始点および終点を決定する。充電によるライフサイクルへの影響の減少は、現在のＳＯＣよりも低いＳＯＣ始点を実際に有することができるため、適切な実施形態において、放電／充電プランには一または複数の充電ステージに加えて一または複数の放電ステージが含まれる。いくつかの態様においては、放電ステージがなくてもよい。
【００４４】
ステップ３２０では、ステップ３１５において設定された放電／充電プランが電池セルパックに適用される。用いられる放電／充電プロファイルの数および種類はステップ３１５において変更され、ステップ３２０では、従来の充電プロファイル、高速充電プロファイル、または放電／充電プランによって特定される他の充電プロファイルを実施することができる。
【００４５】
単純な実施形態において、ユーザは、インターフェース１４５を介してログ１５５からの実際の運転動作に関する情報を受け取る。ユーザは、インターフェース１４５を操作し、所望の動作プロファイルを作成する。この動作プロファイルは、目的の日に当該自動車を使用することが予想されるマイル数を実際の充電に前もって特定するものである。動作プロファイルは、上記のように、また、ユーザによって決定されるように（あるいは、運転履歴に基づき自動的に決定されるように（場合によっては、ユーザは、予想される変動を使用履歴から明らかにするためかつ所望の動作パラメータを調整するためにこの自動的に得られた結果を検討および選別する））、日ごとのスケジュール、週ごとのスケジュール、月ごとのスケジュールまたは他の定期的なスケジュールであってよい。
【００４６】
動作プロファイルがひとたび利用可能となると、電池管理システム１１５（これは充電および放電装置を制御するものである）は、動作パラメータに適合するＳＯＣ基準レベルを決定し、同時にこのＳＯＣ基準レベルに電池セルパックを充電することによるライフサイクルへの影響を最小限にする。放電／充電計画はライフサイクルのために最適化された基準レベルＳＯＣを提供するように設定される。（例えば、１００マイル範囲は７５％〜２５％ＳＯＣ範囲にマッチすることができる。）所望の範囲パラメータが、増大した所望の範囲を表すとき、ＳＯＣ範囲も増大する。（例えば、１１０マイル範囲が要求される場合には８０％〜２５％ＳＯＣ範囲となり得る。）
【００４７】
多くの場合、適用されるＳＯＣは、決定されたＳＯＣ基準レベルとは異なり得る。図２が表すように、いくつかの実施形態において、ＳＯＣ基準レベルにマージンを加えることが望ましい。図２が例示するように、マージンを加える一の理由は、履歴データから決定された運転範囲において現実の変動値を考慮に入れるものである。動作パラメータと同様にこのマージンは、決定された動作パラメータとマッチする期間に決定することができる。週ごとの動作パラメータのために、このマージンはこれらの期間を反映する。換言すると、マージンは電池セルパック寿命を補償するために用いることができる。電池セルが古くなるにつれて、容量が減少する。実際には、これは、ある車両走行目標に対して、電池セルが新しい場合には幅の狭いＳＯＣ範囲で満たされるのに対し、電池セルが古い場合には同じ車両走行距離目標でもより幅広いＳＯＣ範囲で満たされることが望ましいことを意味する。電気自動車には、走行の他にも、他の可変の電力が要求される。温度および湿度に対するユーザのニーズ／望みが、基準レベルＳＯＣ範囲の考慮に入れ、適切なマージンとして加えることが好ましい。温度および湿度制御は、電池セルパック内に蓄積された電荷の補助的な使用の具体例である。他の補助的使用は、電池セルパックの冷却および加熱、ならびにユーザによって制御される他の環境要因を含み得る。（例えば、室内／室外灯、オーディオシステム、その他、車両内で用いる負荷のための充電。）ユーザの実際の使用または使用履歴は、マージンおよび実際のＳＯＣ範囲の設定に情報を与えるものである。
【００４８】
実際のＳＯＣがひとたび設定されると、放電／充電プランが十分な充電を提供するように作られ、同時に充電サイクルによるライフサイクルへの影響を減少させる。このプランは、所望のＳＯＣ始点および終点を含む。様々な放電／充電ステージは実際のＳＯＣ範囲を満たすために用いられる。
【００４９】
他の実施形態において、ユーザは、特定の一の目標（ターゲット）ではなく範囲に幅のあるウィンドウを設定してもよい。例えば、ユーザは１００〜１２０マイル範囲の低高範囲を備えるシステムを提供することができる。エネルギー／ＳＯＣウィンドウの決定は、一または複数の付加的な要因に基づき変化することができ、この要因には、古さ（電池が古くなり容量が衰えると、同じ範囲のターゲットを達成するためにより幅の広いＳＯＣウィンドウが必要となる）、温度および湿度、すなわち付随的負荷（例えば、電池パック冷却および加熱）が含まれる。マージンは極度に寒い環境および暑い環境においてより大きくなり得る（１、２ヶ月にわたる以前の温度履歴がこれを決めるのを助ける）。加えて、一定期間にわたる平均付随的負荷も追跡することができる。
【００５０】
実施形態によっては、このシステムおよび方法はユーザに通常何マイル運転するかを尋ねる（要求される最適なＳＯＣ範囲を計算するために）。ドライバーが実際に運転するものに基づいて、特定の重み係数が実際のものと所望のものとの間で設定される。このシステムは、要求されるものと、このシステムによって自動で計算されたものとの間の付加的な重み付けを決定する。例えば、システムが６０マイルの走行距離を必要とすると算出する場合であって、どのくらい余分なＳＯＣもしくはエネルギーが必要となるかを判断するためにユーザが予想される目標距離として２００マイルを入力する場合、このシステムは過去の車両効率（Ｗｈ／マイル）を考慮に入れ、どのくらいのエネルギーが２００マイルの目標に合うために必要となるかを決定し、適切なＳＯＣレベルに充電する。
【００５１】
図４は、固定放電ＳＯＣを用いる可変ＳＯＣウィンドウのチャート４００である。この可変ＳＯＣウィンドウは、充電ＳＯＣ４０５と放電ＳＯＣ４１０との間の相違である。セル容量４１５は、時間が経つにつれて変化し、可変ＳＯＣウィンドウと関係している。図５は、可変放電ＳＯＣを用いる可変ＳＯＣウィンドウのチャート５００である。別の可変ＳＯＣウィンドウは、充電ＳＯＣ５０５と放電ＳＯＣ５１０との間の相違である。セル容量５１５は、時間が経つにつれて変化し、別の可変ＳＯＣウィンドウと関係している。このチャートの左側の軸（ＳＯＣ（％））は、充電ＳＯＣおよび放電ＳＯＣのための目盛りを表しており、右側の軸（容量（％））はセル容量のための独立した目盛りを表している。
【００５２】
チャート４００およびチャート５００は、二、三の異なる点があり、放電ＳＯＣ４１０は常にほぼゼロであり、放電ＳＯＣ５１０は最初の約１０％の値から時間が経つにつれて２年間でほぼゼロの値に減少する。充電ＳＯＣの変化は、それぞれのチャートによって異なる。しかしながら、両方の場合において、可変充電ＳＯＣウィンドウは、８０％から始まり、時間が経つにつれて大きくなる。更に、経時的なセル容量は、両方のチャートではほぼ同じである。セル容量は、初年は約１００％で始まり、約５年後には約８０％である。
【００５３】
これらは、本方法論の概要を提供する代表値である。最初のＳＯＣウィンドウが、拡張ウィンドウの正確な形状を画成する放電ＳＯＣおよび充電ＳＯＣの可変レートを経時的に変化させるように作ることができる、多くの異なる方法がある。図４および図５に示されるチャートに示される好適な実施形態とは対照的に、従来の充電プロファイルは、放電ＳＯＣ（例えば一定の充電ＳＯＣ４２０）と充電ＳＯＣの両方に一定値を使用し、これらは一定のＳＯＣウィンドウを生成する。セル容量は経時的に変化し、これは多くの要因に依るものである。しかしながら、一般的に、一定の充電ＳＯＣおよび一定の放電ＳＯＣのための標準値において、セル容量４２５のプロットに対する時間は、図４において容量４１５および図５において容量５１５を下回る。多くの場合、比較的新しいエネルギー蓄積システム（ＥＳＳ）においても、これは顕著に下回る。
【００５４】
図６は、時間に応じた電池／放電エネルギー百分率をプロットしたチャート６００である。ここでは、２セットのプロットがある。第１セットは、異なるサイズのウィンドウを用いる固定ＳＯＣウィンドウを表している。この第１セットは固定ＳＯＣ充電システムを表しており、高エネルギー固定ＳＯＣプロット６０５、中エネルギー固定ＳＯＣプロット６１０、低エネルギー固定ＳＯＣプロット６１５を含む。第２セットは可変ＳＯＣ充電システムを表しており、拡張モード可変ＳＯＣプロット６２０および標準モード可変ＳＯＣプロット６２５を含む。
【００５５】
第１セットは、全て固定ＳＯＣウィンドウシステムであり、図４の充電ＳＯＣ４２０およびセル容量４２５によって示されるようなシステムを表している。プロット６０５、プロット６１０、プロット６１５の違いは、それぞれに関する固定ＳＯＣウィンドウの大きさである。全ての場合において、利用可能な放電エネルギーは最初から低下を始め、略直線的に続く。場合によっては、第１セットのプロットは、一点に集まり、交差する。
【００５６】
第２セットは、可変ＳＯＣシステムのための一群のプロットを表している。可変ＳＯＣシステムは、プロット６２０とプロット６２５の両方を生成する構成を含む。好適な実施形態において、プロット６２０のための実際の充電ＳＯＣは、プロット６０５のための固定充電ＳＯＣにほぼ等しいレベルに固定される。本明細書において更に説明されているように、プロット６２０によって表される利用可能な電池エネルギーは、プロット６０５に関連するエネルギー減少よりも遅い。図示されるように、プロット６２０は初年から着実に減少し始める。
【００５７】
プロット６２５は、初期の期間にかなり一定のエネルギー有効率を示し、その後プロット６２０にほぼ並行する比率で減少を始める点において異なる。プロット６２５は、電池が所望の期間に一定のエネルギーを提供するように、可変のＳＯＣウィンドウの大きさを制御することによって達成される。有効なエネルギーが減少を始めるプロット６２５の屈曲点は、ＳＯＣウィンドウがもはや拡張しなくなる時点である。なぜなら、それがもはや増大しないため（例えば、充電ＳＯＣは最大であり、放電ＳＯＣは最小である）、あるいはＳＯＣウィンドウを広げる可能性を制限する他の事項があるためである。
【００５８】
これらの好適な実施形態における充電システムは、複数の走行距離モード（最大距離を提供する拡張モードと、経時的に電池エネルギー有効率を保存するのを助ける限定された範囲を提供する標準モード）の選択をユーザに提供するように構成される。チャート６００のためのモデルでは、ユーザが、多くの時間（全体の約三分の二以上であり得る）、標準モードを選択すると仮定する。ユーザがほとんどの時間（一週間の間）このモードを選択し、かつせいぜいまれに（いくつかの週末）プロット６２０に関する拡張モードを選択することが、プロット６２０がプロット６０５と同じ速さで減少しない理由である。なお、固定ＳＯＣにおいて、電池は全時間の１００％においてその範囲モードで有効に消費される。
【００５９】
「範囲（ｒａｎｇｅ）」は、二、三の異なる意味において用いられている。一の意味において、それは、高エネルギーと低エネルギーとの差や、大容量と小容量との差などを表している。別の意味において、「範囲」は、移動した合計距離を指す。電気自動車において、エネルギーは距離に等しい。よって、好適な実施形態は、運転範囲モードの選択として、プロット６２０およびプロット６２５の一つの選択を特定する。
【００６０】
プロット６３０（プロット６２５に類似する）は、本発明の別の実施形態を表している。このプロット６３０も標準モードの可変ＳＯＣウィンドウのプロットである。これは、可変充電ウィンドウがプロット６２５よりもプロット６３０のために遅く開いたという点でプロット６２５とは異なる。この結果は、固定ＳＯＣウィンドウ（例えばプロット６１０）と比較して経時的なエネルギー利用率を改善するが、プロット６２５によって反映されるレートでＳＯＣウィンドウを拡張する性能ほど良くはない。ユーザがプロット６２５よりもプロット６３０を選択する理由は、プロット６３０が示すようにより一貫した減少を含むこと、または、いくつかの態様において、放電エネルギー能力のための交差位置があり得る。いくつかの実施形態において、プロット６２０は、記載したような固定ＳＯＣウィンドウではなく、関連する可変ＳＯＣウィンドウを含むことができる。
【００６１】
図７は、別の実施形態の充電処理７００のフローチャートである。処理７００は、ユーザが次ぎの充電サイクルのために運転範囲モードを選択するステップ７０５で始まる。本明細書に記載したように、ユーザが、拡張範囲に関連するＳＯＣウィンドウよりも非常に頻繁に可変ＳＯＣウィンドウの標準運転範囲モードを選択する、好適な実施形態の一部である。好適な態様は、ユーザがシステムと具体的に関与しない場合かつ別のモードを積極的に選択しない場合、システムが好適な標準（または記憶モード）モード選択に転じることを確実にするために、監督的な状況評価を含む。ユーザのこれらの関与の助けとして、好適な実施形態は、ユーザが他の関与に加えて運転範囲モードを遠隔設定および構成することを可能にする。
【００６２】
ステップ７０５に続き、処理７００は、どのモードがステップ７１０で選択されるかをテストする。処理７００は、このテストの結果に基づきステップ７１０で分岐する。「イエス」の枝（すなわち、ユーザが可変ＳＯＣウィンドウの標準モードを選択した）が次に記載されており、なぜなら、最も頻繁に選択されると予想されるからである。
【００６３】
ステップ７１０のテストが「イエス」である場合、処理７００は可変ＳＯＣウィンドウの特定のサイズを決定するためにステップ７１５に進む。本明細書において記載されるように、好適な実施形態の一般的な手法は、可能な限り一定の放電エネルギーを提供する目的に合わせて、ＳＯＣウィンドウを大きくすることである。この選択は、ユーザによってなされることができ、システムに基づくドライバー／自動車の使用パターンによって自動的に決定される。ＳＯＣウィンドウのサイズを決定するために用いることができる多くの異なる機構がある。例えば、ＳＯＣウィンドウにおける変更は、ＳＯＣ変化を、放電Ａｈ（実際の容量／経年を反映する計算されたＡｈ容量）、時間、移動したマイル数、電池サイクルの数、および電池インピーダンスの変化、合計充電もしくは放電のＡｈまたはＷｈ、および運転範囲などと比較することによって容量減少の推定に基づくことができる。
【００６４】
ステップ７１５に続いて、ステップ７２０は、所望の可変ＳＯＣウィンドウに基づいてエネルギー蓄積システム（ＥＳＳ）のための充電ＳＯＣを設定する。一般的に、エネルギー蓄積システムは、このエネルギー蓄積システムを設定するために所望のレベルに充電されるが、本明細書において記載したように、適切な充電ＳＯＣとなるようにエネルギー蓄積システムを放電することが望ましいことがある。エネルギー蓄積システムが蓄積電荷を自然に放電することができることが好ましい状況があり、一方、他の用途では放電を所定のレベルに制御することが好ましい状況がある。
【００６５】
ステップ７２０に続いて、ステップ７２５において処理７００は、エネルギー蓄積システムのエネルギーが放電ＳＯＣよりも下がらないように、エネルギー蓄積システムの動作を監視する。放電ＳＯＣがゼロであるそれらの態様において（例えば、図４のタイプの実施形態）、これは必要ではない。しかしながら、安全性を含む実用的な理由により、放電ＳＯＣがゼロに接近するにつれてエネルギー蓄積システムを積極的に管理することが好ましい。ステップ７２５に続いて、かつ標準モードで構成された充電後運転の最後で、処理７００は次ぎの運転範囲モードの選択のためのステップ７０５に戻る（標準モードのためのデフォルト設定）。
【００６６】
ステップ７１０におけるテストに戻ると、オペレータが可変ＳＯＣ標準モードの他のモードを選択した場合、処理７００はステップ７３０に分岐する。ステップ７３０は、選択された別の運転範囲モード充電ＳＯＣのための適切なＳＯＣ（固定ＳＯＣウィンドウを含み得る）を設定する。処理７００は、別の運転範囲モードにおける動作が完了した後、ステップ７０５に戻る。
【００６７】
本明細書に記載したように、可変ＳＯＣウィンドウ標準モードは他のウィンドウよりも小さいウィンドウであり、かつ、自動車が通常の大きさの場合に、より大きなウィンドウよりもより頻繁に選択される傾向にある。より小さなウィンドウは、より長い化学的寿命を有するように設定される。時間が経つにつれて、より小さいウィンドウサイズは、より一貫した放電エネルギー（運転範囲）をオペレータに提供するために大きくなる。好適な実施形態において、より小さいウィンドウは、より大きいＳＯＣウィンドウと同程度まで大きくなることはない。その理由の一つは、可変ＳＯＣウィンドウ標準モードはエネルギー再生を利用することができるからである。完全に充電されたエネルギー蓄積システムは、再生システムによって更に充電することができない。よって、可変ＳＯＣウィンドウ標準モードは、再生能力と範囲との妥協点まで充電する。より小さいウィンドウの制限は、より大きいウィンドウである。
【００６８】
２００９年１２月８日に登録された米国特許第７，６２９，７７３号は、全電気式またはハイブリッド自動車の動作性能と、所望の動作モードのための充電システムとをエンドユーザが最適化することができる方法および装置を記載しており、その全体を本明細書に援用する。本発明のシステムは、ユーザが選択することができる、複数の充電／放電モードを含む。各充電／放電モードは、充電の間に用いられるカットオフ電圧と、電池パックの保守温度を制御し、これらのモードは、標準モード、蓄積モード、拡張運転範囲モード、およびパフォーマンスモードを含む。本発明における新規かつ非自明な改良は、一または複数の開示されたモードに加えて予め設定された範囲モードの使用を含む。この予め決められた範囲モードは、ユーザが選択されたモードのためのエネルギープロファイルを決定するシステムで所望の範囲のための数字を設定／選択するモデルを含み（かつ本明細書記載の予備マージンを含んでいてもよい）、または、システムはユーザのために特定の具体的な範囲を決定する。本発明の実施形態は、一または複数のモードで用いることもできる。
【００６９】
上記のシステムは埋め込み型自動車（ＥＶ）充電システムの好適な実施形態に記載されている。本願に記載されたシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品は、当然ハードウェアにて実施することができる（例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサ、システムオンチップ（「ＳＯＣ」）または他のプログラマブルデバイス内あるいはこれと結合して）。加えて、システム、方法およびコンピュータプログラム製品は、例えば、ソフトウェアを保存するように構成された、コンピュータで使用することができる（例えばコンピュータ可読の）媒体において配置されるソフトウェア（例えば、任意の形態（ソース言語、対象言語、機械語など）になされたコンピュータ可読コード、プログラムコード、命令および／またはデータ）において実施することができる。係るソフトウェアは、本明細書に記載された装置および工程のファンクション、ファブリケーション、モデリング、シミュレーション、デスクリプションおよび／またはテストを可能にする。例えば、これは、汎用プログラミング言語（例えばＣ、Ｃ＋＋）、ＧＤＳＩＩデータベース、Ｖｅｒｉｌｏｇ  ＨＤＬ、ＶＨＤＬ、ＡＨＤＬ（Ａｌｔｅｒａ  ＨＤＬ）等を含むハードウェア記述言語（ＨＤＬ）、または他の利用可能なプログラム、データベース、ナノプロセス、および／または回路（すなわち系統図）キャプチャツールの使用を通して達成することができる。係るソフトウェアは、半導体（フラッシュまたはＥＥＰＲＯＭ、ＲＯＭ）、磁気ディスク、光学ディスク（例えばＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなど）、ならびに、コンピュータで使用することができる（例えばコンピュータ可読の）媒体（例えば、搬送波、または他のディジタル、光学、もしくはアナログ媒体を含む媒体）において実施されるコンピュータデータ信号を含む公知の任意のコンピュータで使用することができる媒体になされる。このように、ソフトウェアはインターネットおよびイントラネットを含む通信網を通じて送信することができる。ソフトウェアに具体化されたシステム、方法、コンピュータプログラム製品、および伝達信号が半導体知的財産コア（例えばＨＤＬに具体化されている）に含まれることができ、集積回路の製造においてハードウェアに変形させることができる。更に、本明細書において記載されたシステム、方法、コンピュータプログラム製品、および伝達信号はハードウェアおよびソフトウェアの組合せとして具体化することができる。
【００７０】
本発明の好適な実施形態の一つは、コンピュータ操作中、公知のコンピュータシステムのメモリにあるプログラミングステップもしくは命令で構成されているオペレーティングシステムのルーチンとしてである。コンピュータシステムによって要求されるまで、プログラム命令は、別の可読媒体（例えばディスクドライブ）に記憶させ、あるいは、着脱式メモリ（例えば、ＣＤ‐ＲＯＭコンピュータ入力で用いられる光学ディスク、または充電器において用いられる埋め込まれたメモリ内にプログラミングステップを移すのに用いられる携帯用メモリシステム）に記憶させることができる。更に、プロブラム命令は本発明のシステムにおいて用いられる前に別のコンピュータのメモリに記憶することができ、本発明のユーザによって要求されるとき、インターネット等のＬＡＮまたはＷＡＮ上に送信される。本発明を制御する工程が様々な形態のコンピュータ可読媒体の形態で配信することができることは当業者に理解されよう。
【００７１】
任意の適切なプログラミング言語が本発明のルーチンを実行するのに用いることができ、これにはＣ＋＋、Ｊａｖａ（登録商標）、アセンブリ言語などが含まれる。異なるプログラミング技法（手続きプログラミングやオブジェクト指向プログラミングなど）を用いることができる。ルーチンは一の演算装置またはマルチプロセッサにおいて実行することができる。これらのステップ、動作または計算は特定の順序で行なわれるが、この順序は異なる実施形態では変更することができる。実施形態によっては、本明細書で順次示された複数のステップが同時に実行することもできる。本明細書に記載の一連の動作は、オペレーティングシステム、カーネルなどの別の処理によって中断され、保留され、あるいは制御されることができる。ルーチンはオペレーティングシステム環境において動作することができ、あるいは、システム処理を全てもしくは相当な部分を占める独立型ルーチンとして動作することができる。
【００７２】
本明細書の記載において、本発明の実施形態を完全に理解するために、構成要素および／または方法の例などの多くの具体的な詳細が記載されている。しかしながら、当業者は本発明の実施形態を具体的な詳細がなくても実施することができ、他の装置、システム、アセンブリ、方法、構成要素、材料、部品等を用いて実施することができることは当業者にとって理解されよう。他の例において、本発明の実施形態を不明瞭になるのを防ぐため、公知の構造体、材料、動作は詳細に記載されていない。
【００７３】
本発明の実施形態において「コンピュータ可読媒体」は、命令実行システム、装置、システムまたは機器によってまたはそれと接続して使用されるプログラムを、含み、記憶し、通信し、伝達しまたは転送することができる任意の手段であってもよい。コンピュータ可読媒体は、電子、磁気、光、電磁、赤外線、もしくは半導体システム、装置、機器、伝達媒体、またはコンピュータメモリであってよい（しかしこれらに限定されない）。
【００７４】
「プロセッサ」または「処理」は、データ、信号もしくは他の情報を処理する、人間、ハードウェアおよび／もしくはソフトウェアシステム、機構、または部品を含む。プロセッサは、汎用中央演算処理装置（ＣＰＵ）、マルチプル処理装置、機能を達成するための専用回路を備えるシステム、または他のシステムを含む。「処理」は、一の地理的ロケーションに限定されず、また、時間的な限定もない。例えば、プロセッサは「リアルタイム」、「オフライン」、「バッチモード」等においてその機能を実行することができる。処理の一部は、異なる（もしくは同じ）処理システムによって異なる時間、異なる場所で実行することができる。
【００７５】
本明細書において「一実施形態」または「特定の実施形態」という記載はその実施形態に関して記載された特定の特徴、構成、または特性が本発明の実施形態の少なくとも一つに含まれ、全ての実施形態に含まれる必要は無いことを意味する。従って、本明細書において「一実施形態において」または「特定の実施形態において」という記載は、必ずしも同じ実施形態を示すものではない。更に、本発明の特定の実施形態の特定の特徴、構造、または特性は一または複数の他の実施形態と適切な態様で組み合わせることができる。本願に記載された本発明の実施形態の他のバリエーションおよび変更も本願の教示に鑑み可能であり、本発明の精神および範囲の一部であると理解されよう。
【００７６】
本発明の実施形態は、プログラムされた多目的デジタルコンピュータを用いて、また、特定用途向け集積回路、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、光学、化学、生物学的、量子学的もしくはナノ加工システム、部品および機構を用いることによって、実施することができる。一般的に、本発明の機能は公知の任意の手段を用いて達成することができる。分散型システムまたはネットワーク型システム、部品および回路を用いることができる。データの通信または転送は有線であっても無線であってもよく、あるいは他の手段であってもよい。
【００７７】
図面に記載された一または複数の要素は、用途によって有益なように、更に分離され、あるいは更に一体化された態様で実施することもでき、除外することもでき、場合によっては動作不能なようになされてもよい。コンピュータが上記記載の方法を実施することができるように機械で読み取ることができる媒体に記憶することができるプログラムまたはコードを実行することも本発明の精神および範囲内である。
【００７８】
加えて、図面の矢印は例示目的であって、特に明記されない限り、これらに限定されない。更に、「もしくは」「または」という記載は特に明記されない限り、「および／または」の意味である。部品（コンポーネント）またはステップの組合せも記載されているものとして考慮される。
【００７９】
本発明の実施形態の記載は、本発明を当該記載に厳密に限定するものではない。本発明の特定の実施形態は例示目的で本明細書に記載されており、均等となる様々な変更も本発明の精神および範囲内で可能であることは当業者に理解されよう。本発明の上記実施形態の記載に鑑み、これらの変更は本発明に施すことができ、本発明の精神および範囲内に含まれる。
【００８０】
従って、本明細書において本発明が特定の実施形態に関する記載されたが、様々な変更および代用も本発明の目的とするところであり、本発明の実施形態は本発明の精神および範囲から逸脱せずに他の特徴を用いることなく一部の特徴を用いることもできる。従って、多くの変更が特定の状況および材料を本発明の本質的な範囲および精神に適応させるためになすことができる。本発明は、添付の特許請求の範囲、ならびに、本発明を実施するために予想させる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に該当する全ての実施形態および均等物を含むものである。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定められる。
【図１】
2011138767.tif 000003
【図２】
2011138767.tif 000004
【図３】
2011138767.tif 000005
【図４】
2011138767.tif 000006
【図５】
2011138767.tif 000007
【図６】
2011138767.tif 000008
【図７】
2011138767.tif 000009