(57)【要約】  例えば電気自動車またはハイブリッド電気自動車（１０）で使用されるバッテリ（３０）の少なくとも１つのセルの状態を監視する方法が開示される。バッテリ（３０）は、電気的負荷（５０）に電力を供給するために電力変換器（４２）に接続される。この方法は、ａ）変動する電流を少なくとも１つのセルから引き出すために、電力変換器（４２）の入力インピーダンスを変動させるように電力変換器（４２）を制御するステップと、ｂ）電力変換器（４２）のインピーダンスの変動に応答して、少なくとも１つのセルにおける電圧およびセルから引き出される電流を感知するステップと、ｃ）感知された電圧および電流から、少なくとも１つのセルの複素インピーダンスを計算するステップと、ｄ）計算された複素インピーダンスを、（ｉ）複素インピーダンスと、（ｉｉ）少なくとも１つのセルの状態を示す情報との相関を示す情報と比較して、少なくとも１つのセルの状態の示唆を与えるステップとを含む。変動する電流は、能動的に変動されることも受動的に変動されることもある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的負荷に電力を供給するために電力変換器に接続されたバッテリの少なくとも１つのセルの状態を監視する方法において、
ａ）変動する電流を前記少なくとも１つのセルから引き出すために、前記電力変換器の入力インピーダンスを変動させるように前記電力変換器を制御するステップと、
ｂ）前記電力変換器の前記インピーダンスの変動に応答して、前記少なくとも１つのセルにおける電圧および前記セルから引き出される電流を感知するステップと、
ｃ）前記感知された電圧および電流から、前記少なくとも１つのセルの複素インピーダンスを計算するステップと、
ｄ）前記計算された複素インピーダンスを、（ｉ）前記複素インピーダンスと（ｉｉ）前記少なくとも１つのセルの状態を示す情報との相関を示す情報と比較して、前記少なくとも１つのセルの前記状態の示唆を与えるステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記電力変換器がモータ制御装置であり、前記負荷が電動機であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記方法のステップ（ａ）が、前記モータ制御装置のインバータの入力インピーダンスを変動させるように前記インバータを制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記電力変換器が、電子デバイス、例えば、移動電話やポータブルコンピュータなどのポータブル電子デバイス用の電力変換器であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法において、ステップ（ａ）が、前記変動する電流が前記負荷に有用に電力供給するための電流を含むように、前記変動する電流を引き出すように前記インピーダンスを制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法において、ステップ（ａ）が、前記変動する電流が前記負荷に有用に電力供給するための電流を含まないように、前記変動する電流を引き出すように前記インピーダンスを制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法において、前記変動する電流が、正弦波交流など、循環的に変動する電流であることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、前記少なくとも１つのセルの状態を示す前記情報が、例えば前記セルの充電量および／または前記セルの劣化の速度を示す情報を含み、前記セルの充電量を示す前記情報が、任意選択的に電極−電解質界面で生じる電荷移動プロセスを示す情報であり、前記劣化速度を示す前記情報が、任意選択的に前記セルの固体電解質界面（ＳＥＩ）の抵抗を示す情報であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法において、さらに、第１の周波数の変動する電流で前記ステップを実施し、次いで、異なる周波数の変動する電流で前記ステップを繰り返すことを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記ステップが、各回にそれぞれ異なる周波数の変動する電流を用いて、複数回繰り返されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法において、ステップ（ａ）が、前記変動する電流が複数の異なる周波数から同時に構成されるように、前記インピーダンスを変動させるように前記電力変換器を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか１項に記載の方法において、ステップ（ａ）が、前記少なくとも１つのセルにパルス負荷変動が加えられるように、前記インピーダンスを変化させるように前記電力変換器を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか１項に記載の方法において、循環的に変動する電流を引き出すように前記電力変換器を制御するステップと、さらにパルス負荷変動を加えるように前記電力変換器を制御するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３の何れか１項に記載の方法において、ステップ（ａ）が、前記変動する電流が、最大長シーケンスなど擬似乱数２進シーケンスの形態を取るように、前記インピーダンスを変動させるように前記電力変換器を制御するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１４の何れか１項に記載の方法において、ステップ（ｂ）で感知され、ステップ（ｄ）で計算される複素インピーダンスを計算するために使用される電圧および電流が、通常動作により生じる雑音および／または他のスペクトル成分であることを特徴とする方法。
【請求項１６】
電力変換器用の処理および制御手段において、請求項１乃至１５の何れか１項に記載の方法に従って電力変換器を制御するようにプログラムされて動作可能であることを特徴とする処理および制御手段。
【請求項１７】
請求項１６に記載の処理および制御手段において、請求項１乃至１６の何れか１項に記載の感知ステップで感知された量を示す情報を感知手段から受信するようにさらに構成されることを特徴とする処理および制御手段。
【請求項１８】
請求項１７に記載の処理および制御手段を備え、さらに前記感知手段を備えることを特徴とする制御システム。
【請求項１９】
請求項１６または１７で定義されるとおり処理および制御手段を動作させるために、請求項１６または１７に記載の処理および制御手段によって実行可能なコード部分を有することを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項２０】
請求項１７で定義されるコード部分の記録を備えることを特徴とする記録担体。
【請求項２１】
請求項１８に記載の制御システムを備えることを特徴とする車両。
【請求項２２】
請求項１８に記載の制御システムを備えることを特徴とするバッテリ駆動式デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリパックなど、バッテリの少なくとも１つのセルの状態を監視する方法に関する。いくつかの実施形態では、本開示は、電気自動車またはハイブリッド電気自動車でのバッテリ監視に関する。他の実施形態では、本開示は、他の用途でのバッテリ監視に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、周囲の環境に及ぼす影響が小さく、より経済的に走行することができる輸送形態の需要が高まっている。とりわけ、特に乗用車の形態での電気自動車およびハイブリッド電気自動車が、この要求を満たす有望な輸送形態としてますます注目されている。
【０００３】
これまでのところ、そのような車両の商業化は、そのような用途で使用されるバッテリに関する懸案により、十分には成功していない。現在使用されている様々なバッテリ技術のうち、リチウムイオンベースのバッテリは、単位質量当たりのエネルギーおよび単位体積当たりのエネルギーの面で優れており、したがって車両用途で魅力的であり、有利には、バッテリなどパワートレイン構成要素が占める質量および体積を最小限にすることができる。
【０００４】
しかし、使用されるバッテリのタイプに関係なく、バッテリの適切な管理が非常に重要である。これは、例えば、ニッケル水素電池（ＮｉＭＨ）、鉛酸蓄電池、レドックスフロー電池、および考えられる限り、セルを有する任意の電気化学デバイスに当てはまる。
【０００５】
リチウムイオンバッテリは、多くの点で優れているものの、比較的コストが高く、過充電または過放電に対する耐性がない。実際、金属酸化物カソードを有するものは、過充電された場合には爆発することさえあり得る。特に、車両用途で必要とされる電流および電圧を供給することができるバッテリパックを形成するためにセルが直列および並列に接続される場合、これらの特性を考慮に入れるのは難しい。これは、製造ばらつきにより、異なるセルが異なる内部抵抗を有するからであり、その結果、複数回の充放電サイクル後に、異なるセルが異なる充電量（ＳＯＣ）、したがってわずかに異なる電圧を有することがある。これは、セルの１つまたは複数が過充電または過放電される可能性、極端な場合には個々のセルの故障の可能性を高める。既に述べたように、バッテリのそのような誤用は、バッテリの故障をもたらすことがあり、車両の所有者が高い費用を払ってバッテリを交換することが必要になる。
【０００６】
したがって、使用中のバッテリの適切な管理が、電気自動車およびハイブリッド電気自動車の商業的成功に不可欠であることを理解されよう。
【０００７】
この問題を解決するために、既存の電気自動車およびハイブリッド電気自動車はバッテリ管理システム（ＢＭＳ）を含み、バッテリ管理システム（ＢＭＳ）は、そのような車両で使用されるバッテリにおける個々のセルのＳＯＣを監視し、それにより過充電または過放電を防止することを試みる。また、そのようなシステムは、セルの健康状態、寿命状態、および他のパラメータを測定することもでき、さらにまた、セルの充電量を均等化することを狙いとすることもできる。
【０００８】
これらの既存のバッテリ管理システムのうちのいくつかでは、ＳＯＣの推定を実現するために２つの方法が組み合わされる。これらの方法の第１のものでは、開回路電圧（ＯＣＶ）を測定し、次いで、測定されたＯＣＶからＳＯＣを与えるためにルックアップテーブルを検索する、または数学的な関数を使用することによって、セルの初期ＳＯＣが推定される。ＳＯＣがＯＣＶの複雑な関数であるので、時としてルックアップテーブルが好ましい。初期ＳＯＣを求めるためにこの方法を実施する際、各セルのＯＣＶを安定させるために、バッテリが約４〜６時間にわたって負荷から完全に切り離された後に初めてＯＣＶが測定されることが重要である。第２に、動作中、ＳＯＣの実時間推定を提供するために、「クーロンカウント法」と呼ばれる方法が使用される。この方法は、各セルの直接の電流測定を行い、次いで、セルの充電および放電中の時間にわたってセル電流を積分して、電荷の増加量または減少量を得ることを含む。初期ＳＯＣと、この電荷増加量または減少量とから、現在のＳＯＣを推定することができる。これらの方法のいくつかでは、セルの温度およびセルの自己放電率も考慮される。
【０００９】
そのような既存のバッテリ管理システムは、いくつかの理由で問題がある。すなわち、
・既に述べたように、初期ＳＯＣを求めるのに時間がかかる。
・車両動作中に正確なクーロンカウント法を行うことは、常に可能であるわけではなく、集積ドリフトにより、時間と共に正確さが低下することがある。
・リン酸塩カソードを有するリチウムイオンバッテリ（例えばＬｉＦｅＰＯ４バッテリ）では、ＳＯＣに伴うＯＣＶの変動が、金属酸化物カソードを有するバッテリの場合ほど顕著ではないので、ＯＣＶ−ＳＯＣルックアップテーブルに基づく初期ＳＯＣ推定はあまり正確でないことがある。
【００１０】
上述したように、良好なバッテリ監視なしでは、電気自動車およびハイブリッド電気自動車の商業的実現可能性が低くなる。したがって、そのような用途でバッテリの状態を監視するための改良された構成が必要である。
【００１１】
既存のバッテリ監視システムに伴うこれらの問題は、自動車の用途に限定されない。再充電可能バッテリを使用するほぼすべてのデバイスが、バッテリ監視の改良から利益を受ける。例えば、多くの人々は、移動電話の使用時に、最大可能充電量の約１／３が残っているようにみえるのに、意外なほど速く放電してしまうことに苛立ちを感じるであろう。したがって、他の用途でのバッテリ監視の改良も必要である。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、電気的負荷に電力を供給するために電力変換器に接続されたバッテリの少なくとも１つのセルの状態を監視する方法において、
ａ）変動する電流を少なくとも１つのセルから引き出すために、電力変換器の入力インピーダンスを変動させるように電力変換器を制御するステップと、
ｂ）電力変換器のインピーダンスの変動に応答して、少なくとも１つのセルにおける電圧およびセルから引き出される電流を感知するステップと、
ｃ）感知された電圧および電流から、少なくとも１つのセルの複素インピーダンスを計算するステップと、
ｄ）計算された複素インピーダンスを、（ｉ）複素インピーダンスと、（ｉｉ）少なくとも１つのセルの状態を示す情報との相関を示す情報と比較して、少なくとも１つのセルの状態の示唆を与えるステップと
を含む方法が提供される。
【００１３】
ステップ（ｃ）は、感知された電圧および電流から、異なる周波数での少なくとも１つのセルの複素インピーダンスを計算するステップを含むことがある。
【００１４】
したがって、より一般的な用語で言えば、既存のパワーエレクトロニクス機器を利用することによって、セルまたはバッテリの状態を現場で（すなわち、セルまたはバッテリが、それが電力供給するアプリケーションのパワーエレクトロニクス機器および有用な負荷に接続されたときに）監視するために電気化学インピーダンス分光法（ＥＩＳ）を使用する方法が提供される。この方法は、ＥＩＳを実施するために専用の機器が必要なく、そのような専用の機器の追加のコスト、サイズ、重量、および複雑さをなくす。コスト、サイズ、重量、および複雑さの減少は、車両とより小さな電気デバイスとのどちらの設計および商業的成功においても重要な因子である。
【００１５】
ＥＩＳは、個々のセルの高精度の測定を得るために、実験室でしばしば使用される処置である。ＥＩＳは、セルから小さな正弦波ＡＣ電流を引き出すため、または様々な周波数でセル端子間に小さなＡＣ電圧を加えるために、大型で高価なデジタル信号発生器を使用することに依拠する。周波数応答分析器を使用してセルの複素インピーダンスの周波数応答を把握することによって、セルの健康状態および充電量に関する不可欠な情報を把握することができる。ＥＩＳでは、（クーロンカウント法とは対照的に）セルの履歴の知識は必要なく、したがって、時間と共に誤差が蓄積せず、セルの状態に関する推論の正確さを低下させない。
【００１６】
本発明の実施形態では、ＥＩＳを実験室から出して現場で使用し、すなわち、負荷に電力供給するために有用な電力を提供するためにセルが使用される用途で使用する。本発明の例は、電気自動車またはハイブリッド電気自動車で使用されるセル、さらにはハンドヘルド移動電話やポータブルコンピュータなど、より小さなデバイスで使用されるセルであってもよい。電力変換器の入力インピーダンスが変動されるように従来とは異なる様式で電力変換器を制御することによって、変動する電流をセルから引き出し、次いでその電流を、セルにおける電圧と共に感知して、セルの複素インピーダンスを計算できるようにすることができる。次いで、既知の、感知された、または計算された周波数での複素インピーダンスを使用して、セルの健康状態および充電量を把握することができる。
【００１７】
電力変換器に関連する特徴
電力変換器は、ＤＣ−ＤＣ変換器を備えることがあり、インバータなどＤＣ−ＡＣ変換器を備えることもある。この方法のステップ（ａ）は、インバータの入力インピーダンスを変動させるようにインバータを制御するステップを含むことがある。電力変換器はモータ制御装置の形態でよく、負荷はモータでよい。この構成は、電気自動車やハイブリッド電気自動車などの車両のドライブトレインの少なくとも一部として使用することができる。この方法のステップ（ａ）は、インバータの入力インピーダンスを変動させるようにモータのインバータを制御するステップを含むことがある。
【００１８】
例示的な用途
電力変換器は、電子デバイス用の電力変換器でよく、そのような電子デバイスは、例えば、移動電話やポータブルコンピュータなどのポータブル電子デバイス、または、考えられる限り、再充電可能バッテリによって、あるいはセルを有する任意の他の電気化学デバイスによって電力供給することができる任意の他の電子デバイスである。本発明の実施形態は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池（ＮｉＭＨ）、鉛酸蓄電池、およびレドックスフロー電池と共に使用することができ、さらにまた、考えられる限り、セル式電話基地局や、オフグリッド電源、例えば光電池、バッテリ、およびインバータを含むオフグリッド電源と共に使用することができることが企図される。これらは、すべて単なる例にすぎない。
【００１９】
変動する電流
変動する電流は、負荷に有用に電力供給するためにセルから引き出される電流を備えることがある。変動する電流は、負荷に有用に電力供給するためにセルから引き出される電流を備えなくてもよい。
【００２０】
変動する電流は、周期的に変動する電流を備えることがあり、リップル電流を備えることもあり、正弦波交流電流を備えることもある。変動する電流は、周期的であれ、そうでなかれ、任意の波形を有する電流を備えることがある。変動する電流は、少量だけ変動することができる。電流の変動の量は、バッテリ応答の線形仮定が妥当であるように十分に小さいことがある。変動する電流は、セル当たり５〜２０ｍＶ以下のバッテリ電圧変動をもたらすことがある。生じるバッテリ電圧変動は、セル当たり１０ｍＶ以下であり得る。
【００２１】
能動手法
ステップ（ａ）は、負荷要求の変動を供給する目的以外に、バッテリから引き出される電流を変動させるために、すなわちその電流の摂動を導入するために、電力変換器の入力インピーダンスを変動させるステップを含むことがある。これは、「能動」手法とみなすことができる。
【００２２】
受動手法
ステップ（ａ）は、負荷要求の変動を供給する目的で、バッテリから引き出される電流を変動させるために、すなわちその電流の摂動を導入するために、電力変換器の入力インピーダンスを変動させるステップを含むことがある。これは、「受動」手法とみなすことができる。このように電力変換器を制御すると、方法が、負荷に電力供給するための電力変換器の通常制御中にセルの状態を監視できるようになることがあり、セルで見られるインピーダンスを変動させるために電力変換器を特別に制御する必要はない。ステップ（ａ）は、モータを加速または減速するために、このように電力変換器を制御するステップを含むことがある。したがって、この構成は、例えば車の通常動作中に使用することができ、変動する電流は、例えば、アクセルの位置の変化など、トルク要求を運転者が変えたことに起因して要求される電流である。
【００２３】
様々な摂動方法
この方法は、第１の周波数の変動する電流を用いてステップを行い、次いで、異なる周波数の変動する電流を用いてそれらのステップを繰り返すことを含むことがある。
【００２４】
ステップは、各場合にそれぞれ異なる周波数の変動する電流を用いて、複数回繰り返されることがある。これらのステップは、１０ｍＨｚ〜１０ｋＨｚの範囲内の異なる変動する電流で繰り返すことができる。この範囲は、１０ｍＨｚ〜５００Ｈｚでもよい。この方法は、複数の異なる周波数の変動する電流を用いてそれらのステップを同時に行うことを含むことがある。複数の異なる周波数は、上述した範囲内でよい。変動する電流は、正弦波形で変動することがある。この手法は、能動手法の特徴であり得る。
【００２５】
この方法は、最大長シーケンスなど擬似乱数２進シーケンスの形態を取る変動する電流を備えることがある。この手法は、能動手法の特徴であり得る。
【００２６】
変動する電流は、周期的でない形で変動することもある。ステップ（ａ）は、任意選択で非周期的である任意の負荷が少なくとも１つのセルに加えられるように、インピーダンスを変動させるように電力変換器を制御するステップを含むことがあり、変動する電流は、それに従って対応する。任意選択で非周期的であるそのような任意の負荷を、本明細書では便宜上、「パルス」負荷と呼ぶ。パルス負荷は、例えば、方形波、ステップ、インパルス、ランプ波、鋸歯などの形態を取ることがある。この手法は、能動および／または受動手法の特徴であり得る。受動手法の特徴であるとき、パルス負荷は、例えば使用者がアクセルを踏むなど、負荷要求の突然の変動によるものであることを理解されよう。
【００２７】
ステップ（ｂ）で感知され、ステップ（ｄ）で計算される複素インピーダンスを計算するために使用される電圧および電流は、通常動作により生じる雑音および／または他のスペクトル成分でよい。
【００２８】
組合せおよび代替形態
この方法は、周期的に変動する電流を引き出すために電力変換器を制御するステップ、およびまたパルス負荷変動を加えるように電力変換器を制御するステップを含むことがある。これらは同時に行われることも、同時には行われないこともある。車両が静止しているときには、周期的に変動する電流を使用することができる。車両がモータによって動力供給されているときには、パルス負荷変動（例えば、通常走行の一部として求められるトルク要求の変化により加えられることがあるものなど、任意の非周期的負荷変動）を使用することができる。いずれかまたは両方の状況において、この方法は、上述した任意選択の特徴の任意のものまたはすべてを含むことがある。また、パルス負荷を周期的に印加することができることが企図される。
【００２９】
これにはいくつかの理由がある。第１に、周期的に変動する電流を用いる手法は、特に、それぞれ異なる周波数の複数の電流に関して繰り返されるときには、時間がかかる。したがって、この手法は、車両の走行中に使用するには最適ではないことがある。走行中には、バッテリの動作モードが変化することがあり、それにより低周波数応答に影響を及ぼす。
【００３０】
さらに、パルス負荷変動もいくつかの欠点を有し、そのような欠点は、例えば、（インダクタンスに応じた）低いまたは高い周波数応答を必ずしも提供しないこと、低い信号対雑音比、およびバッテリが線形系として動作するという仮定などである。したがって、いくつかの実施形態では、両方の構成を使用することがある。例えば、車両が静止しているとき、および／または実質的に一定の速度で走行しているときには、電流が循環的に変動される手法を使用することができ、車両が加速または減速しているときには、パルス負荷変動が使用される手法を使用することができる。
【００３１】
モデルへの当てはめ
ステップ（ｄ）で、相関を示す情報は、記憶されている情報でよい。ステップ（ｄ）は、計算された複素インピーダンスおよび変動する電流の周波数を、（ｉ）それらの量と、（ｉｉ）少なくとも１つのセルの状態を示す情報との相関を示す情報と比較するステップを含むことがある。少なくとも１つのセルの状態を示す情報は、例えば、セルの寿命状態（全複素インピーダンスが寿命状態を示す）、セルの充電量、および／またはセルの劣化速度を示す情報を含むことがある。セルの充電量を示す情報は、電極−電解質界面で生じる電荷移動プロセスを示す情報でよい。劣化速度を示す情報は、セルの固体電解質界面（ＳＥＩ）の抵抗を示す情報でよい。劣化を示す情報は、複素インピーダンススペクトルでの高周波数交点（ナイキストプロット）を示す情報を含むことがある。これは、（ＨＦ交点によって示される）「バルク」抵抗がサイクルにわたって大きく変化し得るｌｉ−ポリマーセルで特に有用である。
【００３２】
複素インピーダンスと少なくとも１つのセルの状態との相関を示す情報は、等価回路の構成要素との相関を示す情報でよく、等価回路は、セルに関係する実験データに数学的アルゴリズムを適用することによって得られる。実験データは、様々な充電量でのＥＩＳデータを含むことがある。
【００３３】
また、温度がインピーダンス応答に影響を及ぼすことがあるので、温度の影響を補正するために、少なくとも１つのセルの温度を感知して使用することができることが企図される。したがって、情報（これは、記憶されている情報であり得る）は、セル温度も考慮することがある。例えば、その情報は、少なくとも部分的に温度の関数でよく、または、情報の個別の組が存在することがあり、各組がそれぞれの温度に関する。
【００３４】
他の態様
本発明の第２の態様によれば、電力変換器用の処理および制御手段において、上で定義した方法に従って電力変換器を制御するようにプログラムされて動作可能な処理および制御手段が提供される。
【００３５】
この処理および制御手段は、バッテリから引き出される変動する電流が、実質的に負荷には流れずに、バッテリを通って流れるようにするための電流方向付け手段を備えることがある。電流方向付け手段は、１つまたは複数のＨブリッジ回路を備えることがある。
【００３６】
さらに、処理および制御手段は、本明細書において上で定義した感知ステップで感知された量を示す情報を感知手段から受信するように構成することができる。
【００３７】
さらに、処理および制御手段は、ステップ（ｄ）を行うように構成することができる。
【００３８】
本発明の第３の態様によれば、処理および制御手段を備え、さらに感知手段を備える制御システムが提供される。
【００３９】
本発明の第４の態様によれば、本明細書において上で定義したように処理および制御手段を動作させるために、処理および制御手段によって実行可能なコード部分を有するコンピュータプログラムが提供される。
【００４０】
本発明の第５の態様によれば、コード部分の記録を備える記録担体が提供される。記録担体は、光記憶媒体、例えば、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭなどのコンピュータ可読ディスクを備えることがある。あるいは、記録担体は、例えば揮発性メモリおよび／または不揮発性メモリなどのソリッドステート記憶媒体を備えることもある。あるいは、記録担体は、例えば、ＥＰＲＯＭ、およびＥＥＰＲＯＭ、および／またはフラッシュメモリを備えることもある。記録担体は信号でよく、ワイヤレス信号でよい。
【００４１】
本発明の第６の態様によれば、本明細書において上で定義した制御システムを備える車両が提供される。
【００４２】
本発明の第７の態様によれば、本明細書において上で定義した制御システムを備えるバッテリ駆動式デバイスが提供される。そのようなデバイスは、無停電電源装置（ＵＰＳ）を備えることがある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本発明の具体的な実施形態を、単に例として、添付図面を参照して以下に述べる。
【００４４】
【図１】図１は、電気ドライブトレインを有する車両の概略図である。
【図２】図２は、ドライブトレインの構成要素の概略回路図である。
【図３】図３は、それらの構成要素によって実行される方法の流れ図である。
【図４】図４は、第１の修正されたドライブトレインの構成要素の概略回路図である。
【図５】図５は、様々な充電量での複素インピーダンスの実験プロットを示す図である。
【図６】図６は、等価回路の概略図である。
【図７ａ】図７ａは、等価回路の構成要素と充電量との関係を示す図である。
【図７ｂ】図７ｂは、等価回路の構成要素と充電量との関係を示す図である。
【図７ｃ】図７ｃは、等価回路の構成要素と充電量との関係を示す図である。
【図８】図８は、第２の修正されたドライブトレインの構成要素の概略回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図１は、車両１０を示す。車両１０は、電気ドライブトレイン２０を有するタイプの電気自動車である。ドライブトレイン２０は、再充電可能バッテリから電力を引き出す電動機のみによって車両１０が動力供給されるようなものである（図１には電動機も再充電可能バッテリも図示していない）。この実施形態では、車両１０は、貯蔵された電力のみによって動力供給されるが、他の実施形態では、車両１０はハイブリッド電気自動車でよく、車両に動力供給するために少なくとも部分的に内燃機関が使用されることが企図される。この実施形態では、ハイブリッド車は、「並列」ドライブトレイン構成を有するものであり、そのような構成では、機械的な駆動力を車輪に提供するために、エンジンとモータを個別に、または両方一緒に使用することができる。しかし、他の実施形態では、「直列」構成を使用することができ、そのような構成では、エンジンは、発電機を駆動するように動作され、発電機は、機械的な駆動力を車輪に提供するように結合されたモータに電力を供給する。他の実施形態では、両方の構成の組合せを使用することができる。
【００４６】
以下の詳細から明らかになるように、この実施形態でのドライブトレインの少なくともいくつかの構成要素は、再充電可能バッテリの状態を監視するための改良された構成を提供するように構成されて動作可能である。
【００４７】
図２は、電気ドライブトレイン２０のいくつかの構成要素をより詳細に示す。図２を引き続き参照すると、電気ドライブトレイン２０は、一般に、再充電可能なリチウムイオンバッテリ３０と、モータ制御装置４０と、電動機５０とから構成される。この実施形態ではリチウムイオンバッテリが使用されるが、他の実施形態では他のバッテリの化学的構造を使用することもできることが企図される。バッテリ３０は、モータ制御装置４０のインバータ４２の入力に接続され、モータは、モータ制御装置４０のインバータ４２の出力に接続される。さらに、モータ制御装置４０は、制御電子機構４４を含み、制御電子機構４４は、制御電子機構４４に記憶されている命令の制御下で、インバータ４２の動作を制御し、それにより電動機５０の動作を制御するように構成されて動作可能である。制御電子機構４２は、マイクロプロセッサの形態での処理手段（図示せず）と、ソリッドステートメモリの形態での記憶手段（図示せず）とを含む。処理手段は、制御電子機構、したがってインバータ４２およびモータ５０の動作を制御するために、メモリに記憶されている命令を実行するように構成される。
【００４８】
バッテリ３０と、モータ制御装置４０のインバータ４２の入力との間に、キャパシタンス３５が接続される。当業者は、高速で短期間にわたってインバータ４２に電力を供給するために、したがって例えば急加速時の短期間にわたってモータ５０に電力を供給するために、電気自動車のドライブトレインにそのようなキャパシタンスが時として提供されることを理解されよう。その際、需要がより少ない期間中にコンデンサを再充電することができる。キャパシタンスはまた、インバータドライブの高周波スイッチングにより生じるリップル電流のための経路を提供するのにも有用である。
【００４９】
さらに、電気ドライブトレイン２０は、デジタル信号処理装置６１の形態での感知手段６０を含み、この感知手段６０は、バッテリ３０の各セル３２における電圧および各セル３２を通る電流を感知するために、各入力チャネルごとに、差分計装増幅器６２を介して接続されたそれぞれのアナログ／デジタル変換器（図示せず）を含む（しかし、電流の感知は、図を見やすくするために図面には示されていない）。この例示的実施形態では、説明を簡潔にするために、バッテリ３０がセルを４つだけ有するものとして図示してある。現実には、バッテリ３０は、互いに並列および／または直列に配置されたさらに多くのセルを含む。図２における差分計装増幅器６２の構成および配線も、説明を簡潔にするために概略的なものである。当業者は、バッテリ３０の各セル３２における電圧および各セル３２を通る電流を感知するために、そのような構成を実際に実装する方法を理解されよう。モータ制御装置４０の制御電子機構４４は、インバータ４２、したがってモータ５０の制御に使用するための様々な入力を受信するように接続される。この実施形態を理解するには、これらの入力のうち２つのみが必要であり、したがってそれらのみを図２に示す。それらの入力は、デジタル信号処理装置６１からの入力６３と、所要のモータ速度を示す運転者からの入力６４とである（しかし、厳密に言えば、モータ制御装置４０は、電流またはトルク要求の形態でのただ１つの入力のみを受信することができ、電流／トルク要求にＤＳＰからの変調が加えられることを理解されよう）。この後者の入力６４は、例えば、運転者が操作可能なアクセルペダルによって提供することができることを理解されよう。
【００５０】
上述した構成要素の少なくともいくつかは、既存の電気自動車およびハイブリッド車のドライブトレインで見ることができる。少なくとも、バッテリ３０と、キャパシタンス３５と、モータ制御装置４０と、モータ５０とは従来のものである。
【００５１】
しかし、これらの構成要素の動作、特に、構成要素の動作を決定する制御電子機構４４に記憶されている命令は、従来のものではない。以下、この動作を説明する。
【００５２】
ドライブトレイン２０の動作は、ドライブトレイン２０がバッテリ３０の状態を監視する方法に関する以外は、既存の電気自動車に関するものと全体的に同じである。この実施形態では、制御電子機構４４のメモリは、バッテリ監視ルーチン１００を実施するための命令の記録を含む。このルーチンは、本発明を具現化する例示的な一方法となる。次に、図３を参照して、バッテリ監視ルーチンを説明する。
【００５３】
周波数スイープ法
図３を引き続き参照すると、バッテリ監視ルーチン１００は、ステップ１１０で始まり、次いでステップ１２０に進み、ステップ１２０において、制御電子機構４４は、バッテリ３０によって見られるようにインバータ４４の入力インピーダンスの小さな正弦波変動を生成するようにインバータ４２を制御する。インバータ４４の入力インピーダンスのこの小さな変動は、インバータ４２によってバッテリ３０から引き出されるモータ５０への動力供給用の電流の小さな正弦波変動を引き起こす。すなわち、インバータは、モータ５０に動力供給するためにバッテリ３０から引き出される電流に、小さな正弦波ＡＣリップル電流を導入するように制御される。インバータをこのように制御する一方で、ルーチンは、ステップ１３０に進み、ステップ１３０において、デジタル信号処理装置６１が、バッテリ３０の各セル３２における電圧および各セル３２を通る電流を感知する。次いで、各セル３２における電圧および各セル３２を通る電流を示す情報が、入力６３を介して制御電子機構４４に通信される。
【００５４】
次いで、ルーチンは、ステップ１４０に進み、ステップ１４０において、制御電子機構４４のマイクロプロセッサが、各セルにおける感知された電圧および各セルを通る感知された電流から、各セルの複素インピーダンスを計算する。
【００５５】
次いで、この方法はステップ１５０に進み、ステップ１５０において、ルーチンは、ステップ１２０〜１４０に戻ってそれらのステップを繰り返すが、インバータ４２は、その入力インピーダンスを、前に変動された周波数とは異なる周波数で変動させるように制御される。このループは、所定の周波数範囲内において、その範囲内の所定数の異なる周波数で、各場合に異なる周波数のインピーダンス変動を用いて繰り返される。この実施形態では、この範囲を約１０ｍＨｚ〜１０ｋＨｚにすることが企図され、異なる周波数の数を約２０にすることが企図される。他の実施形態では、これらのステップは、より多数またはより少数の異なる周波数に関して繰り返すことができる。所定の周波数それぞれに関してステップ１２０〜１４０が繰り返された後、ルーチンは、ステップ１６０に進む。
【００５６】
ステップ１６０で、処理手段が、各セルの計算された複素インピーダンス、およびその計算を生成するために使用されたインバータ４２の入力インピーダンスの変動の周波数を、それら２つの量と充電量およびバッテリ劣化速度との所定の相関に関するメモリ内の記録と比較する。例えば、市販のリチウムイオンバッテリにおける１０Ｈｚ〜１００Ｈｚの複素インピーダンスの周波数応答は、バッテリの固体電解質界面（ＳＥＩ）のインピーダンスに対応し、したがって、バッテリの劣化の速度に関する情報を提供することが判明している。また、１０ｍＨｚ〜１０Ｈｚの周波数応答は、電極−電解界面で生じる電荷移動プロセスに対応し、したがって、バッテリの充電量に関する示唆を提供することも判明している。したがって、測定された周波数応答と記憶されている周波数応答との比較により、各セルの充電量、および各セルの劣化の速度に関する推論を行うことができるようになる。記憶されている周波数応答は、例えば、バッテリのライフサイクルにおける様々な異なる動作温度および／または段階、および／または様々な放電率など、それぞれに関するルックアップテーブルを有することによって、他の因子も考慮する複数のルックアップテーブルの形態であることが企図される。あるいは、測定された周波数応答を、計算された周波数応答と比較することができ、そのような計算された周波数応答は、上記の様々な因子を考慮するアルゴリズムを使用して計算される。
【００５７】
次いで、ルーチンはステップ１７０に進み、ステップ１７０において、これらの推論は、制御電子機構の処理手段によって、処理手段が実行する他のルーチンに利用可能にされ、また、バッテリ３０の効果的な管理に使用するための他の構成要素にも利用可能にされる。
【００５８】
次いで、バッテリ監視ルーチン１００は、ステップ１８０で終了する。
【００５９】
この実施形態では、バッテリ監視ルーチン１００は、車両１０の通常動作中に定期的に行われて、車両１０の動作中にバッテリ３０の状態に関する情報を提供し、それによりバッテリ３０の効果的な管理を可能にすることが企図される。しかし、少なくともいくつかの状況では、上述したようにインバータ４２の入力インピーダンスが変動されるようにインバータ４２を制御することは、車両１０の性能に望ましくない影響を及ぼすと考えられる。例えば、バッテリ３０から引き出される通常の電流にリップル電流を加えることは、モータ５０でのトルクリップルを生じ、その結果、車両１０の乗員室内での振動および音響雑音を生じることがあると考えられる。これを回避するために、少なくともいくつかの実施形態では、上述したバッテリ管理ルーチン１００は、車両の停止時にのみ実施されることが企図される。そのような状況では、リップル電流は、実質的に、バッテリ３０から引き出される唯一の電流となる。しかし、他の実施形態では、既に理解されているように、バッテリ監視ルーチン１００は、モータ５０の動力によって車両が走行しているときに実施されることが企図される。
【００６０】
図３を参照して上述したバッテリ監視ルーチン１００は、ある周波数範囲内の複数の異なる周波数それぞれでインバータ４２の入力インピーダンスを変動させることを含むので、これは、バッテリ３０の状態を監視するための「正弦波周波数スイープ」法と呼ぶことができる。ここで、代替方法を以下に説明する。この方法は、バッテリ３０からリップル電流を引き出すためにインバータ４２の入力インピーダンスを制御することに必ずしも依拠せず、道路条件の変化または車両運転者からの入力の変化に応答して、モータ５０を加速または減速させる目的で引き起こされる制御装置の入力インピーダンスの変動を利用することに依拠することがある。この代替方法は、次に詳細に説明する第２の実施形態の一部を成す。
【００６１】
パルス法
第２の詳細な実施形態（図示せず）では、バッテリ３０に方形パルス負荷電流変動を課すためにインピーダンス４２の入力インピーダンスが変動するように、インピーダンス４２が制御されているときに、制御電子機構４４の処理装置が、各セル３２における電圧および各セル３２を通る電流を示す情報をデジタル信号処理装置６１から受信する。そのような方形パルス負荷変動は、例えば、モータの急加速または急減速が要求されているという旨の信号を制御電子機構４４が運転者から入力６４で受信するときに、バッテリに課される。次いで、前述したように、制御電子機構４４のマイクロプロセッサが、各セル３２のステップ応答複素インピーダンスを計算する。ここでも、ＳＯＣを含めたバッテリ３０の状態に関する推論を成すために、このインピーダンスを、メモリに記憶されている値と比較することができる。次いで、前述したように、これらの推論を利用可能にすることができる。この手法は、車両１０の通常動作に起因する負荷の非正弦波パルスに依拠するので、これは、「パルス法」と呼ぶことができる。このパルス法は、狭いパルスが無限個の異なる周波数を基本的に含むという前提に基づいており、したがって、理論上は、システムが線形に応答するという仮定が妥当である場合には、１つのパルス応答から、必要とされるすべての情報を取得することができる。しかし、実際には、この方法では、必要とされる情報をすべては取得できないことがあり、したがって、以下に述べるように、少なくともいくつかの実施形態では、周波数スイープ法とパルス法の両方を使用することができる。
【００６２】
上述した構成では、方形パルスが使用される。しかし、他の実施形態では、パルス負荷は、方形である必要はない。考えられる限り、パルスは、任意の非周期波形でよい。例えば、ステップ、インパルス、ランプ波などでよい。しかし、「最多の」周波数を含むので、方形パルスが好ましいことがある。他の形のパルスから抽出することができる周波数情報の量は、パルスの特定の形によって異なる。
【００６３】
正弦波周波数スイープ法とパルス法のいくつかの利点および欠点が存在する。周波数スイープ法は、バッテリの状態の包括的であり正確な判断を提供する。しかし、これは、実施に時間がかかる方法であり、上述したように、車両性能のいくつかの側面に悪影響を及ぼすことがある。パルス法は、周波数スイープ法よりもはるかに迅速に実施でき（ただ１回のパルス負荷事象中に行うことができ、または通常走行中に連続して行うことができ）、また、車両の通常動作によって要求される負荷変動を使用して行うことができるので、車両性能に悪影響をあまり及ぼさない。しかしながら、パルス法は、場合によっては信号処理がより複雑であることや、信号対雑音比と応答の線形性との兼ね合いといった欠点がある。
【００６４】
両方を使用することができる
これらの様々な利点および欠点により、いくつかの実施形態では、両方の方法を使用することができることが企図される。例えば、加速または減速中にはパルス法を使用することができ、（例えば交差点での）車両の停止中、または使用されていないときおよび再充電中には、完全な分析を行うために周波数スイープ法を使用することができる。このようにすると、各方法の利点を最大限利用することができ、欠点の少なくともいくつかを回避または緩和することができる。
【００６５】
Ｈブリッジを用いた第１の変形形態
次に詳細に説明し、図４に図示する第３の実施形態では、修正された電気ドライブトレイン２００が提供される。引き続き図４を参照すると、この修正されたドライブトレインは、図２を参照して上述した第１の実施形態のドライブトレイン２０と同じ構成要素を含む。したがって、それらの共通の構成要素を識別するために、この実施形態でも同じ参照番号を使用する。しかし、この実施形態は、修正されたドライブトレイン２００が、バッテリ３０に接続されたＨブリッジ２１０の形態での追加の回路を含む点で異なる（各バッテリパックに１つのそのようなＨブリッジが提供されることが企図される）。図４では、Ｈブリッジ２１０は、デジタル信号処理装置によって制御されるように接続されて示されている。しかし、他の実施形態では、Ｈブリッジは、マイクロプロセッサによって実行される命令の作用の下で、制御電子機構４４によって制御されるように接続されることが企図される。Ｈブリッジ２１０を制御するためにこれら２つの手法のどちらが使用されたとしても、Ｈブリッジ２１０は、バッテリ３０に負荷を加えるように制御される。図３を参照して述べた周波数スイープ法（またはパルス法）では、負荷は、モータ制御装置４０のインバータ４２によって加えられる。方法の残りの部分は、同様に行われる。この実施形態では、Ｈブリッジ２１０は、周期的な鋸歯状の変動を提供するように構成される。
【００６６】
変動する負荷を加え、それによりリップル電流を引き出すために専用のＨブリッジ２１０を提供する理由は、この目的でモータ制御装置４０のインバータ４２を使用するときに生じ得る前述した問題、すなわちモータでのトルクリップルならびにそれに関連する振動および音響雑音をなくすためである。これは、インバータ４２の使用ほど明解な解決策ではないが、Ｈブリッジ２１０の追加のハードウェアは、モータ５０を駆動するために使用される電流を取り扱わず、リップル電流を取り扱いさえすればよく、したがって、単純であり、安価であり、小型であり、軽量なものにすることができる。
【００６７】
他の実施形態では、上述したのと同様に、修正されたドライブトレイン２００において、パルス法を周波数スイープ法と共に使用することができることが企図される。
【００６８】
Ｈブリッジを用いた第２の変形形態
図８は、第４の実施形態３００を示し、この実施形態は、図２に図示し、図２を参照して説明した実施形態の一変形形態である。この実施形態は、図２の実施形態の構成要素をすべて含む。したがって、図８は、図２の実施形態のインバータ４２と、キャパシタ３５と、バッテリ３０とを示す。説明を簡単にするために、制御電子機構４４と感知手段６０は図８から省いてあるが、これらもこの実施形態に含まれる。この実施形態は、専用の摂動回路３１０、すなわち第３の実施形態の設計とは異なる設計の別のＨブリッジを含む点で、図２の実施形態とは異なる。この専用回路３１０は、バッテリ３０からキャパシタＣ２に、またはその逆に電荷を移動させることができる「同期変換器」の形態を取る。これが機能する方法としては、まず、キャパシタＣ２が、バッテリと同じ電圧に（ダイオードを通して）予め充電される。次いで、変換器が、バッテリよりも高い電圧（例えば約２倍）まで、Ｃ２での電圧をブーストするように制御される。次いで、変換器のデューティサイクルを調節し、インダクタを通って流れるバッテリ電流を監視して制御することによって、バッテリを通る正弦波双極電流変動を実現することができる。
【００６９】
摂動回路３１０、すなわちこの実施形態のＨブリッジは、正弦波形を含めた任意の形状の周期波形を提供するように構成されて動作可能である点で、第３の実施形態のものとは異なる。
【００７０】
この実施形態は、本明細書で述べる摂動に対する「能動」手法の任意のものに従って、および、周波数応答を検出して、そこからバッテリのＳＯＣに関する情報を取得するための上述した技法の任意のものに従って行うことができることが企図される。
【００７１】
さらなる他の実施形態では、バッテリから引き出された電流を摂動させる以下の方法の一方または両方を使用することができる。それらの方法は、周波数スイープ法および／またはパルス法と共に、またはそれらの代わりに使用することができる。有効であることが本開示から当業者に明らかな場合には、それらを、本明細書で述べるＨブリッジのいずれかと共に使用することができる。
【００７２】
多周波数法
上記２つの代替方法の第１のものは、「多周波数法」である。これは、上述した周波数スイープ法と同様であるが、バッテリ３０から引き出される電流にＡＣリップル電流が導入されるようにインバータ４２が制御され、周波数スイープ法で使用される様々な周波数がすべて同時に存在する点で異なる。したがって、周波数スイープ法で確認される欠点の１つ、すなわち、実施にかかる時間の欠点に対処する。
【００７３】
この多周波数法を実施する際、この実施形態では、バッテリの周波数応答の測定における問題をなくすために、ＡＣリップル電流に関して、重畳する高調波を有さない周波数を選択することが好ましい。分析は、応答のフーリエ変換を取り、対象の周波数を選択することによって行われる。
【００７４】
擬似乱数２進シーケンス
上記２つの代替方法の第２のものは、擬似乱数２進シーケンスが使用されるものである。周波数領域において、最大長シーケンスなどの擬似乱数２進シーケンスは、ほぼ白色雑音のように見える。この手法の利点のうちの２つを挙げると、１つは、（摂動ハードウェアおよびソフトウェアがかなり単純であるので）このようにすると比較的簡単に信号を生成してシステムを摂動させることができることであり、もう１つは、多周波数成分により、必要とされるスペクトル平均化の量によっては、上述した周波数スイープ法よりも速い方法となり得ることである。
【００７５】
受動手法
「パルス法」のいくつかの場合を除き、上述した各方法は、摂動を生じるようにインバータ４２（または本明細書で述べるＨブリッジの１つなど追加の回路）を意図的に制御することによって、バッテリ３０から引き出される電流を能動的に摂動させることに依拠する。したがって、これらは、「能動」手法とみなすことができる（しかし、上述したように、いくつかの状況では、「パルス法」は、車両の通常の加速事象を用いて、使用することができることが企図される）。しかしまた、いくつかの実施形態は、追加として、または代替として、「受動手法」を利用することもできることが企図される。そのような手法では、インバータ４２は、バッテリ３０から引き出される電流を摂動するようには特に制御されない。そうではなく、この手法は、システムの通常動作によりシステム内に既に存在する雑音および他のスペクトル成分を利用する。受動手法では、周波数応答の分析はより難しく、したがって、以下で明らかになる理由から、以下に述べる「確率論的手法」が好ましい。
【００７６】
測定周波数応答の検出
いくつかの実施形態の前述の説明から理解されるように、バッテリ３０の摂動に関していくつかのオプションが存在する。また、測定周波数応答を検出するためのいくつかのオプションが存在し、これらのうちのいくつかは、いくつかの摂動法により良く適している。以下は、測定周波数応答を検出する様々な方法の説明である。
【００７７】
まず、周波数領域内で、電流と電圧の両方を測定することによってバッテリのインピーダンスＺ（ｓ）＝ｖ（ｓ）／ｉ（ｓ）として測定されるものを考察することができることが当業者には想起されよう。「駆動」摂動は、引き出される電流ｉ（ｓ）である。この摂動は電圧でもよいが、電流は、最も制御が簡単である。この摂動は、上述したように、能動的または受動的に生成することができる。
【００７８】
位相検出器
「周波数スイープ」法におけるものなど単一周波数摂動の場合、大きさの検出は、ＲＭＳ電圧摂動をＲＭＳ電流摂動で割ることによって実現される。位相の検出は、「位相検出器」を使用して達成することができる。これは、測定された信号に、駆動摂動と同じ周波数での同相正弦波と直交基準正弦波の両方を掛け合わせることを含む。次いで、結果が、ローパスフィルタに通される。これは、測定された信号と基準信号の位相差の余弦と正弦それぞれに比例する２つの信号を与える。これは、電流と電圧の両方に関してそれぞれ行われ、次いで、インピーダンスの位相を得るためにそれらが差し引かれる。
【００７９】
フーリエ変換
例えば「多周波数」法、擬似乱数２進シーケンスを使用する方法、または「パルス」法におけるように複数の周波数を同時に検出することが望まれる場合、電圧および電流のフーリエ変換を取ることができる。しかし、これが有効に作用するには、「望まれる」周波数（摂動システムによって駆動されるもの）と、インピーダンス結果を意味のないものにする「雑音」周波数（望ましくない雑音が、測定される電圧に追加される場合）との間で、良い信号対雑音比が必要とされる。システムが設定周波数で能動的に駆動されている場合、それらの周波数のみでフーリエ変換を取ることができるように、それらの周波数が一定の間隔を空けて設定されるように構成することができる。しかし、以下に述べる確率論的手法を採用することが好ましい。
【００８０】
確率論的手法
上述した手法ではなく、インピーダンススペクトルを測定するために統計的手法を使用することができる。非決定論的摂動が加えられ（または、そのような摂動は、例えば上述した「受動」手法においては既に存在し、したがって能動的に加える必要はない）、これは、ランダム特性、および存在する広い周波数スペクトルを有する。非決定論的信号は、（ｙ＝ｓｉｎ  ωｔなど）何らかの明示的な時間の関数として定義することはできないが、その統計的特性によって定義することができる。
【００８１】
簡潔に言えば、複素インピーダンスが以下の式によって与えられることが分かっている。
2013537638.tif 000003
ここで、Φｉｖは、電流と電圧の相互スペクトル密度であり（これは複素数である）、Φｉｉは、電流の電力スペクトル密度である。相互スペクトルは、電流と電圧の相互相関のフーリエ変換を取ることによって得られ、電力スペクトルは、電流の自動相関のフーリエ変換からのものである。
【００８２】
本明細書で述べる実施形態では、以下のことが企図される。
（１）結果を改良するために、スペクトル平均化が採用される。
（２）出力（電圧）での望ましくない雑音によって引き起こされる出力の歪を推定することによって、コヒーレンス関数を使用して信号の質を評価する。これを使用して、電流と電圧の良好な相関がある周波数のみを受け入れることができる。
【００８３】
モデルへの測定周波数応答の当てはめ
上述したように周波数応答が把握された後、バッテリの充電量（ＳＯＣ）を求めるためにその応答を使用する。次に、これを行うための、本明細書で上述した方法と共に使用することが企図される手法を説明する。
【００８４】
様々なＳＯＣでのバッテリインピーダンス応答の変動の一例が、図５に示される。見ることができるように、あらゆるＳＯＣを、（温度およびサイクル寿命の関数でもある）一意のインピーダンス応答によって特徴付けることができる。バッテリのＳＯＣおよびＳＯＨに関するインピーダンス応答から有用な情報を抽出するために、数学的な当てはめアルゴリズムが、実験モデルまたは物理的モデルに基づいて適用される。この手法では、コンデンサ、インダクタ、抵抗、定位相要素、拡散位相要素、および他の位相要素の等価回路に基づくインピーダンス応答に関する実験モデルが使用される。図６に示されるように、この例では、等価回路は、１つのインダクタ、２つの定位相要素、３つの抵抗、および一般化ワールブルク（Ｗａｒｂｕｒｇ）拡散要素を備える。したがって、この例では、インピーダンスは、以下の式によって与えられる。
2013537638.tif 000004
【００８５】
様々なＳＯＣでの例示的なバッテリインピーダンス応答を当てはめるために等価回路モデルを適用することで、ＳＯＣの関数として回路要素の値を得られる。これらの関係は、図７ａ、図７ｂ、および図７ｃのグラフに示されている。これらのグラフに示されるように、様々な回路要素の変動が、バッテリＳＯＣの指標となり得る。しかし、あらゆる要素を良好な指標として使用することができるわけではない。この例では、抵抗要素ＲＨＦ、Ｒ１、およびＲ２は、バッテリのＳＯＣを決定するためにはそれほど有用でないことが分かる。同じことが、要素ＣＰＥ−Ｔ２、ＣＰＥ−Ｐ２、Ｗａｒｂｕｒｇ−Ｐ、およびＷａｒｂｕｒｇ−Ｔにも当てはまる。しかし、要素ＣＰＥ−Ｔ１、ＣＰＥ−Ｐ１、およびＷａｒｂｕｒｇ−Ｒ（ある程度）は、これらがＳＯＣの関数として増加または減少傾向を明瞭に示すので、ＳＯＣを決定するのに有用である。
【００８６】
この場合、使用されている特定のバッテリの化学的構造、製造業者、および特定のバッテリシリーズ（ナノメートルリン酸鉄リチウムカソードを利用するＡ１２３  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ａ２６６５０Ｍ１Ａ  ３．３Ｖ  ２．３Ａｈセル）に関して、ＣＰＥ−Ｔ１のみが、ＳＯＣと最も顕著な相関を有するように見える。したがって、この相関が使用される。しかし、この相関は、金属酸化物カソードを実装するリチウムイオンバッテリなど、他のバッテリに関しては当てはまらないことがある。したがって、別の相関を使用しなければならないことがある。いずれにせよ、ＳＯＣに伴うパラメータの変化が識別されると、ルックアップテーブルが構成され、このルックアップテーブルが、このパラメータとＳＯＣとの直接の相関を可能にする。
【００８７】
さらなる背景として、異なる電気化学的構造を有するバッテリシステム、または、同じ電気化学的構造を有すると考えられるが、異なる製造業者によって製造されるバッテリシステム、さらには、同じ製造業者によって製造されるが、わずかに異なる組成または特徴を有するバッテリシステムの任意のものが、一意の周波数応答スペクトルを有する。バッテリパックを組み立てる前に、個々のセルをテストして、様々なＳＯＣでＥＩＳデータを生成すべきである。次いで、数学的アルゴリズムを実行して、実験データを適切な等価回路に当てはめて、回路構成要素に関する数値データを抽出する。次のステップは、ＳＯＣの関数としてこれらのデータのプロットを構成し、それらの変化に関して最も適切な１つ（または複数）を見出すことを試みることである。使用すべき最良のパラメータは、突然断絶することなく単調に変化（増加または減少）するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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