(57)【要約】  バッテリーのばらつきと老朽化に関する因子を考慮して、充電式バッテリーの充電状態を評価する方法について示した。この方法は、バッテリーの電圧を測定することにより、バッテリーの開始充電状態値を定め、この測定値を充電状態値に変換するステップと、バッテリーを充電するステップと、充電電流を積分して、バッテリーの充電時の蓄積電荷を算定するステップと、前記値を開始充電状態値に加えるステップと、を有する。また、充電式バッテリーの残使用時間を算定する方法についても示した。
2007526456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Liイオンバッテリーの充電状態を評価する方法であって、
第1の測定の間に、前記バッテリーの電圧を測定し、この測定値を前記充電状態（SoCs）に変換するステップと、
次に前記バッテリーを充電するステップと、
第2の測定の間に、前記バッテリーの電圧を測定し、この測定値を測定充電状態値（SoCe）に変換するステップと、
充電電流を積分することにより、充電時の蓄積電荷を算定するステップと、
前記第2の測定における前記充電状態（SoCe）から、前記第1の測定における測定充電状態（SoCs）を差し引くステップと、
前記バッテリーから引き出された電荷を、前記差分（SoCe−SoCs）に関連づけることにより、前記バッテリーの最大容量（Capmax）の値を更新するステップと、
を有し、
少なくとも前記第2の測定は、充電の間に実施されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第2の測定の間に、前記電流は、前記バッテリーが平衡状態にあると見なし得る値を有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記Liイオンバッテリーは、CC−CV方式に従って充電され、前記第2の測定は、CV方式において行われることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
前記充電は、パルス電流によって行われ、前記バッテリーの電圧および電流の測定値は、ローパスフィルタ処理されることを特徴とする請求項1、2または3のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記バッテリーの前記電圧の両方の測定は、実質的に同じ温度で実施されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
平衡状態において、前記バッテリーの前記電圧を測定するステップと、
前記測定電圧を相対充電状態に変換するステップと、
蓄積電荷を得るため、非平衡状態での前記電流を積分するステップと、
前記蓄積電荷を前記バッテリーの前記最大容量で除するステップと、
前記バッテリーの前記平衡状態において前に得られた相対充電状態に、蓄積相対電荷を加えるステップと、
を有することを特徴とする請求項1、3、4または5のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
前記充電状態の前記値を用いて、前記バッテリーの予測残使用時間が算定されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
前記残使用時間の算定において、過電圧の予測値が使用されることを特徴とする請求項7に記載の方法。
【請求項９】
前記過電圧の前記予測値は、規則的に更新されるモデルによって定められることを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記更新するステップは、
前記バッテリーの前記充電状態を定めるステップと、
前記バッテリーを充電するステップと、
充電時に、前記バッテリー電圧を測定するステップと、
前記充電電流を積分して、得られた結果を前記充電状態の初期値に加えることにより、前記測定の際に、前記バッテリーの前記充電状態を定めるステップと、
前記充電状態からEMFの値を定めるステップと、
前記測定電圧から、前記EMFの算定値を差し引くことにより、前記過電圧を算定するステップと、
充電状態、電流および温度に同じ値を用いたモデルによって、前記過電圧を予測するステップと、
前記算定された過電圧との比較により、前記モデルを適合させるステップと、
を有することを特徴とする請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
当該方法は、充電状態、充電電流または温度のいずれかのパラメータについて、別の値を用いて繰り返されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
当該方法は、2回以上繰り返され、設計に使用される前記パラメータは、各測定毎に適応するように更新されることを特徴とする請求項10または11に記載の方法。
【請求項１３】
前記請求項のいずれか一つに記載の方法を実施するための手段を有することを特徴とする、充電式バッテリー。
【請求項１４】
前記請求項のいずれか一つに記載の方法を実施するための手段を有することを特徴とする、充電器。
【請求項１５】
充電式バッテリーの電圧を測定する測定手段と、
前記バッテリーの前記電圧と、前記バッテリーの充電状態との間の関係を保管する記憶手段と、
前記バッテリーの充電電流を測定する電流測定手段と、
前記充電電流を積分する積分手段と、
前記バッテリーの前記電圧と前記充電状態の間の関係を利用して、この測定値を充電状態値（SOCs）に変換する計算手段と、
を有する機器であって、
前記計算手段は、2つの連続測定の結果を減算し、前記バッテリーに供給された電荷を前記減算の結果（SoCe−SoCs）に関係づけることにより、前記バッテリーの最大容量の値（Capmax）を更新するように適合され、
当該機器は、充電時に、第2の測定を実施するように適合されていることを特徴とする機器。
【請求項１６】
前記測定手段には、ローパスフィルタが組み込まれていることを特徴とする請求項17に記載の機器。
【請求項１７】
当該機器は、デジタルプロセッサを有することを特徴とする請求項13、14、15または16のいずれか一つに記載の機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電式バッテリーの充電状態を評価する方法に関する。
【０００２】
特に本発明は、Liイオンバッテリーの充電状態を評価する方法に関し、この方法は、
第1の測定の間に、前記バッテリーの電圧を測定し、この測定値を前記充電状態（SoCs）に変換するステップと、
次に前記バッテリーを充電するステップと、
第2の測定の間に、前記バッテリーの電圧を測定し、この測定値を測定充電状態値（SoCe）に変換するステップと、
充電電流を積分することにより、充電時の蓄積電荷を算定するステップと、
前記第2の測定における前記充電状態（SoCe）から、前記第1の測定における測定充電状態（SoCs）を差し引くステップと、
前記バッテリーから引き出された電荷を、前記差分（SoCe−SoCs）に関連づけることにより、前記バッテリーの最大容量（Capmax）の値を更新するステップと、
を有する。そのような方法は、米国特許第6515453号に示されている。
【背景技術】
【０００３】
しばしば、電池が平衡状態にあるときのみならず、充電サイクルが完遂していないときなどの他の段階において、充電状態値にアクセスすることに対する要求が生じる。例えば、充電が完了する前、すなわちバッテリーが平衡状態に達する前に、ユーザがバッテリーで作動する装置の使用を開始した場合などである。
【特許文献１】米国特許第6515453号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明では、充電状態を評価する方法、充電式バッテリーの残使用時間を評価する方法およびそのような方法を実施する機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的は、少なくとも第2の測定が充電の間に実施される、そのような方法によって達成される。
【０００６】
C−V方式での充電の際に、充電電流は、ゆっくりと減少し、バッテリーが平衡状態または平衡状態に近い状態にあると見なされるような低い値に至ることは明らかである。第2の測定が、そのような小さな電流で実施される場合、そのような測定を使用して、バッテリーの最大容量の値を更新することができ、充電状態値の精度がより高くなる。
【０００７】
第1の好適実施例では、第2の測定は、バッテリーが平衡状態にあると見なし得る電流値となったときに実施される。これにより、より高い精度が得られる。
【０００８】
通常の場合、Liイオン電池は、CC−CV方式に従って充電されることが一般的である。この場合、第2の測定は、CV−方式で行われることが好ましく、特に、その終止端で低電流値に達することが好ましい。
【０００９】
充電回路には、しばしばパルスまたはチョッパー電流が使用される。ローパスフィルタを使用することにより、電流値を測定することが好ましい。
【００１０】
本発明による方法では、バッテリーの充電状態と起電力の間の関係が利用される。この関係は、温度に依存する。従って、バッテリーの電圧の両方の測定は、実質的に同じ温度で行われることが好ましい。
【００１１】
バッテリーの充電または放電の際の充電状態の予測を可能にするため、好適実施例では、平衡状態においてバッテリーの電圧を測定するステップと、測定電圧を相対充電状態値に変換するステップと、蓄積電荷を得るため、電流を積分するステップと、バッテリーの最大容量で蓄積電荷を除するステップと、バッテリーの前の平衡状態において得られた相対充電状態値に、相対蓄積電荷を加えるステップと、を有する方法が提供される。
【００１２】
充電の他、放電の場合にも適用を可能にするため、電流値は、負の値であっても良い。
【００１３】
バッテリーの充電状態の正確な判定結果は、バッテリーの予測残使用時間の算定に使用される。
【００１４】
残使用時間の決定に影響を及ぼす別の因子は、過電圧であり、これは、平衡状態での電圧と、電流がバッテリーに流入されている状態またはバッテリーから電流が取り出されている状態での電圧との差である。従って、充電状態のモデル化の際に、この因子を考慮して、バッテリーの充電または放電の際の測定を可能にすることが好ましい。
【００１５】
このように、本発明の好適実施例では、残使用時間の算出に過電圧が使用されるという特徴が得られる。
【００１６】
より正確なモデル化を可能にするため、過電圧の決定により使用されるモデルは、規則的に更新されることが好ましい。
【００１７】
この更新に有効な方法は、
前記バッテリーの前記充電状態を定めるステップと、
前記バッテリーを充電するステップと、
充電時に、前記バッテリー電圧を測定するステップと、
前記充電電流を積分して、得られた結果を前記充電状態の初期値に加えることにより、前記測定の際に、前記バッテリーの前記充電状態を定めるステップと、
前記充電状態からEMFの値を定めるステップと、
前記測定電圧から、前記EMFの算定値を差し引くことにより、前記過電圧を算定するステップと、
充電状態、電流および温度に同じ値を用いたモデルによって、前記過電圧を予測するステップと、
前記算定された過電圧との比較により、前記モデルを適合させるステップと、
を有する。
【００１８】
過電圧は、いくつかの変数に依存するため、以下のパラメータのいずれかの値を用いて、この方法を繰り返すことが好ましい：充電状態値、充電電流または温度。
【００１９】
別の好適実施例では、当該方法が2回以上繰り返され、設計使用パラメータは、各測定毎に適応するように更新されるという特徴が得られる。このような反復処理を行うのは、充電状態値は、過電圧に依存するが、過電圧自身もまた、充電状態値に依存するためである。
【００２０】
また本発明は、前述の方法を実施する機器に関する。この機器は、バッテリーに取り付けられても、充電器に取り付けられても良い。
【００２１】
特に本発明は、
充電式バッテリーの電圧を測定する測定手段と、
前記バッテリーの前記電圧と、前記バッテリーの充電状態との間の関係を保管する記憶手段と、
前記バッテリーの前記電圧と前記充電状態の間の関係を利用して、この測定値を充電状態値（SOCs）に変換する計算手段と、
を有する機器であって、
前記計算手段は、2つの連続測定の結果を減算し、前記バッテリーから引き出された電荷を前記減算の結果（SoCe−SoCs）に関係づけることにより、前記バッテリーの最大容量の値（Capmax）を更新するように適合され、
当該機器は、充電時に、第2の測定を実施するように適合されていることを特徴とする機器に関する。
【００２２】
当該方法の主な特徴は、バッテリーがいわゆる平衡状態にある場合には、電圧測定手段によってSoC予想が実施され、バッテリーが非平衡状態にある場合は、電流測定手段によってSoC予想が実施されることである。平衡状態の場合、外部電流は全くまたは僅かしか流れず、バッテリー電圧は、過去の充電もしくは放電履歴から完全に独立化される。測定バッテリー電圧は、実質的に平衡状態にあるバッテリーの起電力（EMF）と等しくなる。従って、EMF対フルスケールに対する百分率で表されたSoCプロットの保管曲線を用いて、測定されたバッテリー電圧が、フルスケールに対する百分率で表されたバッテリーSoCに変換される。バッテリーが非平衡状態にある場合、バッテリーは、充電または放電され、バッテリーから取り出された、あるいはバッテリーに供給される電荷が、電流積分によって算出される。この電荷は、前に算出されたSoC値から差し引かれ、またはSoC値に加算される。平衡モードでは、SoCは、最大容量Capmaxの百分率、すなわち相対スケールでで表現されることに留意する必要がある。ただし非平衡状態では、電流積分によって、電荷の絶対値が得られ、この値は、Capmaxパラメータを用いて、相対スケールに変換する必要がある。
【００２３】
また、バッテリーの内部に未だ残留する電荷量の指標となるSoCの予測に加えて、当該方法は、予め定められた条件下で、アプリケーションの残使用時間を予測する。これは、バッテリー電圧が、いわゆる放電終止電圧VEoD未満にまで低下するまでの時間を予測することにより行われる。この値は、これ未満ではアプリケーションがもはや機能しなくなる最大電圧である。この時間を予測するため、SoCの現在値、保管されたEMF曲線およびいわゆる過電圧関数に基づいて、選定負荷条件でのバッテリー電圧の方向が予測される。バッテリーが放電される場合、その電圧は、EMF値から過電圧を差し引くことによって得ることができる。過電圧は、SoC、電流、温度および時間を含むいくつかの因子、ならびに電極のオーム抵抗等の因子に依存する。
【００２４】
米国特許第6,515,453号明細書に示す既存の発明の主な問題は、バッテリーのばらつきおよび老朽化を取り扱う方法が存在しないことである。ばらつきは、同じバッチ中のバッテリーの挙動に変動をもたらす。バッテリーの老朽化は、バッテリー挙動を決めるパラメータを変化させる。SoCアルゴリズムに、いかなる予防策も設けられていない場合、すなわちバッテリー挙動を表すアルゴリズム内のパラメータが、一定の場合、SoCの予測精度が低くなり、老朽化によって、実際のバッテリー挙動は、より大きく変化する。従って、数種類の適応型をアルゴリズムに加えることが重要である。
【００２５】
初期の研究では、相対または百分率スケールでプロットした場合、EMF曲線の形状は、バッテリーが老朽化してもほとんど変化しないと考えられていた。EMF曲線は、ある程度まで温度依存性を示し、この温度依存性として、温度が変数として含まれる物理式の形が知られている。この物理式を用いて、EMF曲線を保管した場合、EMF曲線の温度依存性を取り扱うことができる。このような事実は、米国特許第6,420,851号には示されていないが、本願では考慮されている。
【００２６】
EMF曲線の形状がバッテリーの使用時間にほとんど依存しないという事実は、米国特許第6,420,851号において、有意点として利用されている。使用期間中、EMFの形状は変化しないため、EMF曲線から得られたSoCを使用して、システムを算出することができる。しかしながら、最大バッテリー容量Capmax（米国特許第6,515,453号では、qmax）が時間とともに減少することは、広く知られている。これは、米国特許第6,515,453号には示されていない。非平衡状態での百分率スケールへの積分電荷の変換は、Capmaxパラメータに基づいて実施されるため、これは、いくつかの大きな問題を有する。また、以降に示すように、過電圧表記に基づいて表される残使用時間では、Capmaxパラメータが使用される。
【００２７】
Capmaxを更新する単純な方法は、非平衡（放電）モードでバッテリーから引き出される積分電荷を、非平衡モード前後の平衡モードでのSoC（％単位）との差に関連づけることを基本としている。従って、平衡状態→放電状態→過渡状態→平衡状態の一連の状態のアルゴリズムが必要となる。
【００２８】
この構成の問題は、SoCアルゴリズムを備える携帯型装置の実際の使用では、過渡的状態に長い時間が必要となることである。従って、ユーザが装置の電源を入れると、再度放電状態にシフトバックされるため、時折第2の平衡状態に到達せず、SoCEが定まらなくなることが生じる。おおよそ制御された条件下で、Capmaxの更新を実施することが好ましい。充電の場合、用途によって大きく変化する放電電流とは対照的に、充電電流は一定であり、バッテリーは、充電器の一定位置に設置されるため、温度は一定であると見なすことができる。放電の際、特に、ユーザが周囲を移動する場合は、温度が変化する。論文および書籍の図6.25以降の文章には、「同様の更新機構が、充電の際に実施することができる」という表現があるが、ここではこれ以上説明しない。本願では、いくつかの新しい洞察を含む、本発明の実施方法について示す。
【００２９】
バッテリーが老朽化した際には、Capmaxの減少に加えて、バッテリー過電圧が時間とともに変化する。これは、時間とともに、電極のオーム抵抗が増大するためであるという単純な理由による。また、バッテリーと携帯型装置端子間の接触抵抗も同様に、時間とともに変化する。オーム抵抗の変化の他にも、バッテリーの寿命までに、バッテリーの化学的挙動に関連した過電圧に対する他の寄与が変化する。この過電圧挙動の変化が、SoCアルゴリズムにおいて考慮されていない場合、過電圧挙動に基づく「残使用時間」の予測は、バッテリーの老朽化とともに、精度が低下する。本発明では、バッテリーの充電の際に過電圧パラメータを更新する方法が示される。
【００３０】
要約すると、Capmaxおよび過電圧関数の適切な更新アルゴリズムによって、バッテリーが老朽化しても、SoC予測の精度が確保される。本願では、米国特許第6,515,453号のSoCアルゴリズムに、これらの更新アルゴリズムが適用される。米国特許第6,515,453号に既に示されているバッテリーの過電圧挙動の記載に加えて、本発明では、温度をパラメータとして含む、EMF曲線を使用するための物理式が導入される。実際には、これは、各種条件で算出されるバッテリー電圧の方向に基づいて、バッテリーの物理的モデルが使用されることを意味する。SoCを予測するために、物理的なバッテリーモデルを用いることは、米国特許第6,016,047号に示されている。
【００３１】
提案されたCapmaxと過電圧関数の両方の更新機構には、充電時に更新が行われるという利点がある。ユーザは、充電器にバッテリーを設置し、しばらくの間その状態を維持するため（特に一晩充電する場合）、充電器は、ユーザの介入なしに、バッテリーに対して、パラメータ値の更新に必要な多くの段階を実施する。また、バッテリーの充電の際、充電電流およびバッテリー温度等の外部バッテリー条件は、一定にされる。これにより、いかなる更新機構も容易に実施することが可能となるが、以下に示す方法は、特定の電流または温度値に限定されるものではなく、各種条件で作動することができる。Capmaxおよび過電圧関数の更新機構の基本概念を、その利点とともに以下に示す。
【００３２】
ある時間では、バッテリーが必ずしも空ではなくても、ユーザが充電器にバッテリーを設置する場合がある。バッテリーが充電器に接続された場合、充電器は、バッテリーに充電を行う前に、まずバッテリーが平衡状態にあるかどうかを判断する。ここでバッテリーが平衡である場合には、EMF法に基づいてSoC（％単位）が定められ、充電が開始される。ユーザは、実際には、この処理に関わることはできない。充電の間、充電電流が積分され、充電電流が最初に供給される時点をゼロとして、蓄積電気量Qinが算定される。
【００３３】
別の想定される状態として、充電器に接続されたバッテリーが平衡状態にはない場合、開始値として、最後のSoC値が使用され、実際の充電が開始されるまでの長い待機時間が回避される。米国特許第6,515,453号のアルゴリズムは、平衡モードを用いて、SoCの予測値を補正することに留意する必要がある。非平衡モード中に得られるSoC予測値は、電流測定誤差の時間積分のため、実際の値からゆっくりと遠ざかっていく。しかしながら、電話は、平均的に一晩中スタンバイモードにあるため、アルゴリズムは、少なくとも24時間に1回は、平衡モードにあると仮定することができる。従って、誤差の蓄積は、常に、24時間以内の限られた周期でしか生じない。これは、SoC値が平衡状態となるまで待機することが好ましいものの、非平衡モードからSoCの予測を行うことも可能であることを意味する。
【００３４】
充電式Liイオンバッテリーは、いわゆるCC−CV方式を用いて充電される。この方式では、バッテリーは、最初に定電流（CC）で充電され、その後定電圧（CV）で充電される。CC領域では、電圧は、CV領域によって特定化される値に至るまで、ゆっくりと上昇する。CV領域に入ると、バッテリー電圧は、CVレベルに維持され、充電電流は、ある小さな値Iminになるまで低下する。ある場合には、CC電流に、平均値が所望の定電流に等しい電流パルスが使用されることに留意する必要がある。これは、実際の使用では、バッテリー電流および電圧測定値が、アルゴリズムに供給される前に、ローパスフィルタ化されることを意味するが、この適用は、既存の問題を解決することに限られない。
【００３５】
最も多く市販されているLiイオン充電器（一定時間後に、CVモードで充電を完了する充電器）に適用されるこの充電方法の重要な特徴は、充電電流がImin未満の電流レベルにまで低下した場合、バッテリー電圧が完全に独立化（relaxed）されることである。また、実際には、この電流値は、極めて小さいため、そのときのバッテリー電圧は、実質的にEMF値と等しくなる。これは、充電器が、毎回、充電終止電圧で、Iminの段階に到達することを意味し、SoCアルゴリズムは、平衡状態になる。従って、充電電流の供給前後で、バッテリーを平衡状態にする必要があるという必要条件は、バッテリーが完全に充電されている場合には、常に満足させることができる。従って、新たに提案されたアルゴリズムの利点は、この方法を放電モードで利用した場合、何回ものCapmaxの更新が可能であることである。Capmaxの新たな値は、
【００３６】
【数１】
2007526456.tif 000003
で表される。ここで、充電完了時点でのSoCは、充電開始時点でのSoCよりも明らかに高い。両方のSoC値は、電圧測定およびEMF曲線（前述のように、SoC開始値が非平衡状態で得られた値ではない場合）に基づいて算定される。Qinは、測定電流と、充電開始時点をゼロとした充電処理過程間の積分とによって算定される。この方法は、バッテリーが充電器に接続されている場合、SoCには依存しないことに留意する必要がある。ある実施例は、以降に示されている。
【００３７】
過電圧に関する主な問題は、過電圧を直接測定することができないことである。すなわちバッテリー電圧を測定することができるに過ぎず、この電圧は、充電モードにおいては、EMF＋過電圧に等しく、放電モードではEMF−過電圧に等しく、平衡モードではEMFに等しい。これは、バッテリー電圧が測定され、EMFが既知の場合（米国特許第6,515,453号のアルゴリズムの場合）、過電圧を予測することができることを意味する。残りの問題は、過電圧は、SoC、電流、温度、時間、バッテリー使用時間を含む多くの因子に依存し、さらに、同じバッチのバッテリーであっても他のバッテリーとの間でばらつくことである。従って、更新機構は、これらの変数の大部分が一定となる場合に、使用される必要がある。そうでなければ、過電圧の変化は、多くの異なる因子に影響を受けるからである。
【００３８】
過電圧関数の想定される態様は、米国特許第6,515,453号に示されている。参考のため、一般式を以下に示す：
【００３９】
【数２】
2007526456.tif 000004
過電圧は、オーム抵抗（ηohm）、電荷移動抵抗（ηct）、電解質拡散／泳動抵抗（ηdiff）、および固体状態拡散（ηq）による過電圧の総和とみなすことができる。これらの各項を表すと、
【００４０】
【数３】
2007526456.tif 000005
となる（米国特許第6,515,453号と同じ）。
【００４１】
これらの式では、時間（t）、温度（T）および電流（I）の各変数が含まれていることは明らかである。変数qは、絶対項内の予測バッテリーSoCに対応する。この場合、Rohm、Rct、Cdl、Rdiff、CdiffおよびRqを含む各変数は、更新することができる。変数qmaxは、このIDでは、Capmaxに等しく、前述のものとは別の更新機構で更新される。
【００４２】
CCモードでは、充電時の電流は一定であり、ほとんどの場合、充電器は、温度変化が抑制された屋内で使用されるため、温度も一定であると見なすことができる。また、通常のCC充電の際には、充電電流は、遮断されないため、充電の初期段階で過電圧が形成されてからは、緩和過程（時間変化）は、支配的な影響を及ぼさない。従って、Liイオンバッテリーの充電の際のCC領域の間、バッテリーの使用時間に関係する過電圧関数内のパラメータの更新が実施される。過電圧の変化は、パラメータの誤った値のみに影響されるためである。これは、CCモードでの充電時に、更新機構を実施することができるという利点を有することに留意する必要がある。ただし、変数I、Ｔおよびtは、過電圧関数において考慮されており、この依存性は、更新機構で処理されるため、この方法は、前述の態様に限定されない。
【００４３】
基本的な方法では、CCモードでバッテリー電圧が測定される。この方法は、既存の全てのLiイオン充電器では、初期設定として予め実施されている。これに加えて、実施されたSoCアルゴリズムによって、開始点としての充電開始時点でのSoC値、およびクーロン量から百分率スケールに変換された、最新のCapmaxパラメータを用いて、測定電流および積分値（システムは、充電状態、すなわち非平衡状態で実施される）に基づいて、SoCが予測される。この百分率単位のSoCを用い、平衡モードにおいて他の経路（電圧イン、SoCアウト）で使用される同じEMF曲線を用いて、EMF値が判断される。次に、算定されたEMF値を、測定されたバッテリー電圧値から差し引くことにより、このSoC、電流および温度での過電圧が算定される。システムが過電圧関数を含んでいるため、同時に、同じ条件（SoC、電流、温度）下で過電圧を算定し、前述のように、残使用時間を予測することも可能である。次に、測定バッテリー電圧から得られた予測過電圧ηmeasは、計算過電圧ηcalcと比較される。これらの両方は、いずれも同じSoC、電流および温度で算定されていることに留意する必要がある。次に、ηmeasとηcalc間の差は、適応制御ユニット（ACU）の入力として使用される。ACUは、ηcalcを与える過電圧関数内のパラメータを変化させることにより、その後SoCの値において、ηmeasとηcalc間の差が最小となるように制御される。CCモード時のSoC値を増大させて、この処理を繰り返すことにより、ACUは、「実際の」過電圧ηmeas（バッテリー電圧の測定および保管EMF曲線によって得られた過電圧）と算出過電圧ηcalcの間の差が最小となるように、過電圧関数のパラメータの新たな組を収集する。基本的にはオプティマイザであるACUを挿入するため、多くの既知のシステムが使用できる。
【００４４】
更新機構の結果、過電圧関数のパラメータは、例えば長時間使用によるバッテリーのオーム抵抗等のあらゆるドリフトを考慮して、更新される。この更新機構の実施例は、以降に示されている。
【００４５】
米国特許第6,515,453号に示されている規則的なSoCアルゴリズムと同様に、両方の更新機構において、パラメータに温度を含む物理式によって、EMF曲線を表すことは有意である。この場合、通常の作動および更新機構の両方において、EMFの温度依存性を取り扱うことができる。この温度依存性EMF関数の想定される実施例は、以下に示されている（論文／書籍から適用される一般的形態）。バッテリーのEMFは、（6）式のように、正極および負極の平衡電位の差によって定められる：
【００４６】
【数４】
2007526456.tif 000006
各電極において、平衡電位は、各種相で記載され、異なるパラメータ値は、各相のEMF曲線の形状が異なることを表す。各相変化は、あるSoC値において生じ、これは、あるモル比XLiに変換される。モル比は、相対量であり、電極内の全てのサイトがLiイオンで充填されている場合、XLi＝1となり、全てのLiイオンが電極から抜き出されている場合、XLi＝0となることに留意する必要がある。例えば、2つの相が、正および負の電極の両方の挙動を示すと仮定する。正極での相変化は、XLi＝0.75で生じ、負極での相変化は0.25で生じる。実際には、相変化が生じるモル比、および相変化の数は、バッテリーの種類に大きく依存する。
正極では、XLi≧0.75の場合、
【００４７】
【数５】
2007526456.tif 000007
であり、XLi＜0.75の場合、
【００４８】
【数６】
2007526456.tif 000008
である。
負極では、XLi＜0.25の場合、
【００４９】
【数７】
2007526456.tif 000009
となり、XLi≧0.25の場合、
【００５０】
【数８】
2007526456.tif 000010
となる。
【００５１】
E1o＝E2o（正極では、Xphase  transition＝0.75、負極では、0.25）と仮定すると、曲線の不連続性を回避するため、パラメータU1、U2、ζ1およびζ2の間には、以下の関係が成立する：
【００５２】
【数９】
2007526456.tif 000011
また、パラメータEo、Uおよびζの温度依存性を考慮する必要がある。Eoでは、この温度依存性は次のように与えられる：
【００５３】
【数１０】
2007526456.tif 000012
ここで、Trefは、参照温度であり、例えば298Kである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、本発明の構成方法を詳しく説明する。
【００５５】
提案される本発明では、充電式Liイオンバッテリーで作動する携帯型装置において、SoCアルゴリズムが実施される。原理的には、本発明の一部は、他の充電式バッテリー型のSoCシステムに利用することも可能である。
【００５６】
バッテリー電圧、温度および電流は、システムの入力として使用される。これらのアナログ変数は、デジタル化され、小型制御器に供給される。前述のCapmaxおよび過電圧関数の2つの更新機構が追加され、小型制御器において、米国特許第6,515,453号に記載のSoCアルゴリズムが実行される。また、EMFと過電圧の両方は、前述のように、温度ならびに他の変数およびパラメータの関数として記載される。時間基準は、水晶振動子から得られる。ROMには、EMF曲線、Capmaxおよび過電圧関数用の初期パラメータ組のような、予め定められた関数とパラメータとが保管されている。更新バッテリー情報を保管するため、RAMが使用される。EMF曲線を更新する方法は、米国特許第6,420,851号に示されている。Capmaxおよび過電圧関数の更新機構は、以下のように実施される。
【００５７】
Capmaxの更新機構
以下、Capmaxパラメータの実施例を、フローチャートを用いて説明する。示された実施例に加えて、いくつかの変形例が考えられる。ユーザが一晩充電ではなく、バッテリー容量の一部を速やかに再充電することを望む場合、更新機構は、例えばユーザスイッチによってスキップされる。これにより、充電開始まで、ユーザが待機する必要がなくなる。本発明の別の代替例では、前述のように、充電モードに入る前に、開始値として、最新のSoC値が取り入れられる。
【００５８】
新たに定められたCapmax値は、前の値と比較され、最後の更新からの充電／放電サイクル数が算定される。ある場合には、実質的に値の変化が遮断され、前の値が維持される。
【００５９】
条件が一定であっても、極めて寒い場所または厚い場所に、充電器が設置される場合がある。これは、この方法の精度に影響を及ぼすため、このような特殊な場合には、更新機構をスキップさせる必要がある。
【００６０】
図1には、Capmaxの更新機構のフロー図を示す。
【００６１】
過電圧関数の更新機構の実施例は、図2に示されている。この図には、過電圧関数内のパラメータpar1…parnを更新する機構の好適実施例が示されている。
【００６２】
充電モードに入ると、SoC値は、開始SoC値から開始され、これに、充電電流の積分によって得られた蓄積電荷が加えられる。パラメータCapmaxの最新の値を用いて、百分率スケールでのSoC値が得られる。各時間において、バッテリー変数Vbat、IbatおよびTbatの新しい組が測定され、SoCアルゴリズムは、新たなSoC値を予測する。このSoC値に基づいて、「実際の」過電圧ηmeasおよび算定過電圧ηcalcが算定される。2つの値の差εは、ACUに供給される。新たな誤差εの値と前の誤差値の比較結果に基づいて、ACUは、過電圧関数のパラメータ組par1…parnの更新を判断する。この処理は、Liイオンバッテリーの充電過程のCCモードにおいて、任意の回数だけ繰り返される。誤差εの値は、反復過程において最小化される。ACUでは、いかなる最適化アルゴリズムを用いても良く、各種例が開示された文献に認められる。前述のように、過電圧関数およびEMF関数を導入することにより、この構成は、V、IおよびTのいかなる値を用いても良いことに留意する必要がある。
【００６３】
この実施例の想定される変形例は、Capmaxの更新機構について示したものと同様である。最終更新時からの充電／放電サイクル数を考慮して、新しいパラメータ値と前の値とを比べた際に、実質的な変化が認められない場合、新しいパラメータ値が遮断される。また例えば異常な温度条件（ゼロ℃未満、または例えば60℃以上の高温）下で充電する場合など、異常条件下では、更新過程が保留される。
【００６４】
さらに、過電圧関数を保管し、これを長時間使用に適用する場合に、僅かに異なる実施例が想定される。前述のように、充電時に過電圧が「測定」されても良い。得られた過電圧値は、メモリに保管される。CCモードでは、これにより、電流と温度が一定で、SoC値が変化する場合の各種過電圧値が得られる。Liイオンバッテリーでは、バッテリーインピーダンスは、電流に対して実質的に一次であり、バッテリーがほぼ空の場合、またはほぼ完全に充電されている場合、SoCにのみ依存する。従って、他の電流値でのバッテリーインピーダンスは、一つの電流値に対して保管された過電圧値から外挿することができる。これは、CVモードでもチェックすることができる。この場合、電流が減少して、システムは、実際にはCC電流よりも低い電流での過電圧を測定し、この結果が外挿電流を用いてチェックされる。CVモードでの充電の際にSoCが増大すると、ある点で、測定過電圧は、電流外挿によって得られた過電圧からずれ始める。このずれは、SoCがフル状態に近づくために生じる。この依存性は、直線または多項式フィッティングを行う場合、保管しておく必要がある。過電圧の温度依存性は、アレニウスの式によって表すことができる：
【００６５】
【数１１】
2007526456.tif 000013
ここでη(T)は、温度依存性過電圧であり、ηoは、指数関数の前の係数、Eaparは、過電圧の活性化エネルギーである。測定温度に対して、ηoおよびEaparの値が更新され、これにより、過電圧の完全な温度依存性が更新される。基本的に、参照表において、過電圧のI、SoCおよびTに対する依存性が保管され、表の欄の一部には、測定結果が直接記録され、他の欄には、いくつかの仮定された基本依存性（直線、二次曲線等）を考慮して、測定点の外挿によって得られた結果が記載される。過電圧が直線的で対照な場合、充電電流がＩの場合に保管された過電圧は、放電電流がIの場合にも使用することができる。
【００６６】
本発明は、特に、Liイオンバッテリーのような携帯用バッテリー作動機器に適用することができる。本発明によって、バッテリーが長時間使用された場合であっても、バッテリーSoCの正確な予測が可能となる。SoC指標システムの適応性は、極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】Capmaxの更新機構のフロー図である。
【図２】過電圧関数の更新機構のフロー図である。
【図１】
2007526456.tif 000014
【図２】
2007526456.tif 000015
【国際調査報告】
2007526456.tif 000016
2007526456.tif 000017