(57)【要約】【課題】セルを完全に充電したり放電したりする必要がない方法を提供する。【解決手段】電池の第１のセルに含まれる電荷の特定の電荷値を検出するための方法では、第１のセルを第１の充電状態及び第２の充電状態間で充電又は放電している間に、基準電流下の第１のセルの電圧を複数回測定するステップ、及び特定の電荷値に対応する、この電圧の特定の電圧値を検出するステップを行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池の第１のセルに含まれる電荷の特定の電荷値を検出するための方法であって、
前記第１のセルを第１の充電状態レベル及び第２の充電状態レベル間で充電又は放電している間に、前記第１のセルの電圧を複数回測定する測定ステップ、及び
前記特定の電荷値に対応する前記電圧の特定の電圧値を検出する検出ステップ
を有しており、
前記特定の電荷値及び前記特定の電圧値は、前記第１のセルの異なる健康状態毎に前記第１のセルに含まれる電荷に応じた前記電圧の変化を表す少なくとも２つの曲線の交点の座標に対応していることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記電圧は、基準電流下の前記第１のセルの電圧であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記特定の電荷値及び前記特定の電圧値は、前記第１のセルの異なる健康状態毎に前記第１のセルに含まれる電荷に応じた前記電圧の変化を表す少なくとも３つの曲線の交点の座標に対応していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記特定の電荷値は、前記第１のセルの公称満充電容量の20％〜60％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のセルはリチウムイオン型のセルであり、
前記特定の電荷値は、前記第１のセルの公称満充電容量の38％〜42％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のセルは、2.2 Ahの公称容量と4.2 Ｖの公称満充電電圧とを有しており、
前記特定の電圧値は3.5 〜3.6 Ｖの範囲内にあることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のセルと同一型の第２のセルに関して、該第２のセルの少なくとも２つの異なる健康状態毎に前記第２のセルに含まれる電荷に応じた前記第２のセルの電圧の変化を表す少なくとも２つの特性曲線を得るステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２のセルの公称容量の20％〜60％の充電範囲内で前記少なくとも２つの特性曲線の交点を決定するステップを更に有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
電池のセルの充電状態を評価するための方法であって、
該セルの充電状態を充電状態の推定アルゴリズムによって推定する少なくとも１つの段階と、
前記推定アルゴリズムを再調整する少なくとも１つの再調整段階と
を有しており、該再調整段階は、
請求項１に記載の方法によって前記セルに含まれる電荷の特定の電荷値を検出するステップ、及び
検出した該特定の電荷値と前記推定アルゴリズムによって推定された電荷値との差に基づいて、前記充電状態の推定アルゴリズムを再調整するステップ
を有していることを特徴とする方法。
【請求項１０】
複数のセルを有する電池、及び
該電池を管理するための電池管理デバイス
を備えており、
該電池管理デバイスは、請求項１に記載の方法によって、セルによる特定の電荷値の通過を検出可能であることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
前記電池は、動的に再構成可能な構造を有する電池であり、
前記電池管理デバイスは、前記電池に交流電圧が印加されるように、前記電池のセルを動的に分離及び再接続し得ることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記電圧は、基準電流下の前記第１のセルの電圧であり、該基準電流は０Ａであり、
前記測定ステップを、前記電池に交流電圧を印加するために前記電池管理デバイスによって前記第１のセルを分離している間に実行することを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般には電池の分野に関しており、より具体的には、電池セルによる特定の電荷値の通過を検出するための方法に関する。本開示は更に、電池の基本セルの充電状態を推定してこの推定結果を再調整するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池は、２つの電源ノード又は電源端子間に直列及び／又は並列に接続された複数の再充電可能な基本セル（セル、蓄電池など）群である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】欧州特許出願公開第1562048 号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
あるシステムでは、電池の夫々の基本セルの充電状態SOC 、つまり、対象の時間での基本セルに含まれる電荷と基本セルの総容量との比率がいかなるときでも分かっていることが望ましい。このために、充電状態ゲージ（又はインジケータ）が夫々の基本セルに関連付けられてもよい。基本セルの充電状態ゲージは電池管理デバイスによって管理されてもよく、電池管理デバイスは、所定のアルゴリズムと基本セルに夫々接続されたセンサによって測定された測定値とに基づいて夫々の基本セルの充電状態を推定する。
【０００５】
充電状態を推定するための公知の解決法では、電池セルが経時変化するにつれて推定能力の経時的な低下が一般に観察され得る。この現象を解消するために、いわゆる充電状態ゲージを再調整する再調整段階を実行することが公知であり、再調整段階は、推定アルゴリズムが比較的信頼性のある推定を継続して行うべく、例えば推定アルゴリズムのパラメータを変更することにより推定アルゴリズムを適合するステップを有する。一般に、公知の充電状態ゲージを再調整するための方法では、セルを完全に充電又は放電し、その後、充電の終了又は放電の終了が検出されると、充電状態ゲージを100 ％又は０％に再設定すべく推定アルゴリズムを適合させる。このような解決法の欠点は、セルを完全に充電したり放電したりする必要があることであり、これは比較的制約になり、ある適用では問題になる場合がある。
【０００６】
欧州特許出願公開第1562048 号明細書には、電池の容量を測定するための方法が記載されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本開示の一実施形態は、電池の第１のセルに含まれる電荷の特定の電荷値を検出するための方法であって、前記第１のセルを第１の充電状態レベル及び第２の充電状態レベル間で充電又は放電している間に、前記第１のセルの電圧を複数回測定する測定ステップ、及び前記特定の電荷値に対応する前記電圧の特定の電圧値を検出する検出ステップを有しており、前記特定の電荷値及び前記特定の電圧値は、前記第１のセルの異なる健康状態毎に前記第１のセルに含まれる電荷に応じた前記電圧の変化を表す少なくとも２つの曲線の交点の座標に対応していることを特徴とする方法を提供する。
【０００８】
一実施形態によれば、前記電圧は、基準電流下の前記第１のセルの電圧である。
【０００９】
一実施形態によれば、前記特定の電荷値及び前記特定の電圧値は、前記第１のセルの異なる健康状態毎に前記第１のセルに含まれる電荷に応じた前記電圧の変化を表す少なくとも３つの曲線の交点の座標に対応している。
【００１０】
一実施形態によれば、前記特定の電荷値は、前記第１のセルの公称満充電容量の20％〜60％の範囲内にある。
【００１１】
一実施形態によれば、前記第１のセルはリチウムイオン型のセルであり、前記特定の電荷値は、前記第１のセルの公称満充電容量の38％〜42％の範囲内にある。
【００１２】
一実施形態によれば、前記第１のセルは、2.2 Ahの公称容量と4.2 Ｖの公称満充電電圧とを有しており、前記特定の電圧値は3.5 〜3.6 Ｖの範囲内にある。
【００１３】
一実施形態によれば、前記方法は、前記第１のセルと同一型の第２のセルに関して、該第２のセルの少なくとも２つの異なる健康状態毎に前記第２のセルに含まれる電荷に応じた前記第２のセルの電圧の変化を表す少なくとも２つの特性曲線を得るステップを更に有する。
【００１４】
一実施形態によれば、前記方法は、前記第２のセルの公称容量の20％〜60％の充電範囲内で前記少なくとも２つの特性曲線の交点を決定するステップを更に有する。
【００１５】
本開示の別の実施形態は、電池のセルの充電状態を評価するための方法であって、該セルの充電状態を充電状態の推定アルゴリズムによって推定する少なくとも１つの段階と、前記推定アルゴリズムを再調整する少なくとも１つの再調整段階とを有しており、該再調整段階は、上述したタイプの方法によって前記セルに含まれる電荷の特定の電荷値を検出するステップ、及び検出した該特定の電荷値と前記推定アルゴリズムによって推定された電荷値との差に基づいて、前記充電状態の推定アルゴリズムを再調整するステップを有していることを特徴とする方法を提供する。
【００１６】
本開示の別の実施形態は、複数のセルを有する電池、及び該電池を管理するための電池管理デバイスを備えており、該電池管理デバイスは、上述したタイプの方法によって、セルによる特定の電荷値の通過を検出可能であることを特徴とするシステムを提供する。
【００１７】
別の実施形態によれば、前記電池は、動的に再構成可能な構造を有する電池であり、前記電池管理デバイスは、前記電池に交流電圧が印加されるように、前記電池のセルを動的に分離及び再接続し得る。
【００１８】
別の実施形態によれば、前記電圧は、基準電流下の前記第１のセルの電圧であり、該基準電流は０Ａであり、前記測定ステップを、前記電池に交流電圧を印加するために前記電池管理デバイスによって前記第１のセルを分離している間に実行する。
【００１９】
本開示の前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本開示を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】電池の基本セルの経時変化に伴う基本セルの動作の変化を示す図である。
【図２】電池の基本セルの充電状態ゲージを再調整するための方法の実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、電池セルの３つの異なる経時変化状態又は健康状態毎に、電池セルに含まれる電荷に応じた、基準電流iref下での電池セルの電圧Ucell （ボルト(V) ）（つまり、電池セルに基準電流irefが流れているときの電池セルの電圧）の変化を示す３つの曲線101a,101b,101cを示す図である。図１の曲線は、2.2 Ahの公称容量（つまり、製造業者によって示されている容量）と4.2 Ｖの公称満充電電圧とを有するNMC （ニッケルマンガンコバルト）／グラファイト型のリチウムイオンセルに関して示されている。曲線101aは新品のセルの動作を示しており、曲線101bは、セルの通常使用を表す約600 の充電／放電サイクル後の同一のセルの動作を示しており、曲線101cは、セルの通常使用を表す約1,200 の充電／放電サイクル後の同一のセルの動作を示している。この例では、基準電流irefが０Ａの状態で電圧を測定している。更に図１には、セルの電荷が、残留電荷の正規化されたアンペア時（Ah NORM ）で、つまりセルの公称容量の割合として横座標に表わされている。従って、これは実際には、セルの充電状態（SOC ）ではなく、セルに有効に含まれる電荷の物理的な量（又は、残留電荷のアンペア時Ahの数）を表す変数であり、セルが経時変化するにつれて変わる場合があるセルの実際の総容量の割合である。本発明者らによって行われた検証により、セルの異なる健康状態でセルの電荷に応じて一定の基準電流下で得られるセルの電圧の特性を示す曲線が全て、セルの動作範囲で単調であり（つまり連続的に増加するか又は減少し）、本明細書では参照記号Ａで示されている、セルの特性を示す同一のポイントで交差していることが分かった。図１の具体例では、ポイントＡは、3.55Ｖの電圧UA、及びセルの公称容量の40％の電荷QA（つまり、この例では0.88Ah）に相当する。
【００２２】
本発明者らによって行なわれた検証により、基準電流irefが０Ａではない状態で、例えば、負電流、つまりセルの放電電流、又は正電流、つまりセルの充電電流で電圧が測定されているとき、同様の動作が観察され得ることが更に分かった。この場合、ポイントＡの座標UA，QAが図１の例から変わってもよいが、図１の例と同一の現象が生じる。つまり、セルの異なる健康状態での電圧／電荷特性曲線が全て同一のポイントＡで交差するという現象である。
【００２３】
本発明者らによると、この同一の現象が、図１の例のリチウムイオンセル以外の他の型のセル、例えば、2.2 Ahとは異なる公称容量及び／又は4.2 Ｖとは異なる公称満充電電圧を有するリチウムイオンセル、或いは、セルが単調な電圧／電荷特性（平坦部なし）を有するという条件下で異なる化学的性質を有するセル、例えばLMO （LiMn2O4 ）／グラファイト型のリチウムイオンセルで観察され得ることが更に分かった。従って、ポイントＡの位置は、セルの特性と対象の基準電流irefとにより決まり、一般的にはセルの公称容量の20％から60％の充電範囲内にある。
【００２４】
所与の型のセルについて、選択された基準電流iref、例えば０Ａの基準電流irefに関してポイントＡの位置を決定し得る特性決定段階が実行されてもよい。特性を決定するための方法の非制限例を以下に述べる。
【００２５】
まず、第１の健康状態を有する、特性を決定されるべき型のセルを完全に放電してもよい。その後、このセルの基準電流iref下の電圧を充電中に周期的に測定しながらこのセルを完全に再充電してもよい。セルに実際に含まれる電荷の物理的な量を、例えば電量計又は電流積分器によって充電段階に亘って測定してもよい。このようにして、セルに含まれる電荷の測定された電荷値が、測定された電圧値に対応して、図１に示されているタイプの電圧／電荷特性値が得られる。（特には基準電流irefが０Ａである場合に）充電電流が基準電流irefとは異なると、セルを流れる電流の値を、例えば、セルの電圧を測定するのに必要な時間に相当する１msより短く、好ましくは10μs より短い短時間、強制的に基準電流irefの値に周期的にしてもよいことに注目すべきである。
【００２６】
変形例として、電圧／電荷特性曲線が、充電段階中ではなくセルを完全に放電する段階中に得られてもよい。
【００２７】
セルは、セルの通常使用を表す充電／放電サイクルで動作することにより「経時変化」し得る。
【００２８】
上述したステップを、第２のセルの少なくとも１つの健康状態について、図１に示されているタイプの少なくとも第２の電圧／電荷特性曲線を得るために少なくとも一度繰り返してもよい。
【００２９】
セルの異なる健康状態に対応する少なくとも２つの特性曲線が記録されると、例えばセルの公称容量の20％〜60％の充電範囲内で２つの特性曲線の交点を検索することによって、これらの特性曲線に基づいてポイントＡを決定してもよい。
【００３０】
特性決定段階中に電荷に応じて測定した電圧の測定値を、ポイントＡを決定する前に任意に平滑化してもよい。制限しない数値例として、電圧／電荷特性曲線のポイントを100kHzの周波数で（10μs 毎に１ポイント）得て、その後、2,000 ポイントのスライディングウィンドウ（20ms）に亘って平均してもよい。
【００３１】
ポイントＡの座標が基本セルの型及び基準電流irefに関して分かると、ポイントＡの座標は、この型の基本セルを備えた電池を管理するための電池管理デバイスによって記憶されてもよい。
【００３２】
電池が使用されているときに、電池セルによるポイントＡの通過を電池管理デバイスにより検出することにより、電池管理デバイスは、セルの経時変化又は他の現象による充電状態ゲージの起こり得るドリフトとは無関係に、この電池セルで利用可能な電荷を確実に知ることが可能になることが有利である。
【００３３】
電池管理デバイスは、例えば、ポイントＡの通過を検出するための方法を電池セル毎に実行することができる。この方法は、
セルの第１の充電状態レベル及び第２の充電状態レベル間で、例えばセルのSOC の20％及び80％間でセルを充電又は放電する段階中に、基準電流iref下のセルの電圧を複数回測定するステップ、及び
電池管理デバイスに記憶され、特性決定段階中に予め定められたポイントＡの電圧の座標に対応するこの電圧の予め定められた特定の電圧値UAを検出するステップ
を有する。
【００３４】
ポイントＡを検出するための方法の充電又は放電段階は、電池を備えたシステム、例えば電動アシスト式車両による電池の通常使用によるセルの充電又は放電に相当してもよい。セルの通常の充電電流又は放電電流が基準電流irefとは異なる場合、電池管理デバイスが、システムの動作を妨げない好ましくは十分短い時間、例えば、セルの電圧を測定するのに必要な時間に相当する１msより短く、好ましくは10μs より短い時間、セルを流れる電流の値を強制的に基準電流irefの値に周期的にしてもよい。この時間は、セルの特性曲線を得るための特性決定段階中に電流の値を強制的に基準電流irefの値に周期的にする時間に場合によっては同一であるか、又は例えば20％の範囲内で同様であるように選択されていることが好ましい。
【００３５】
変形例として、ポイントＡを検出するための方法は、具体的にはセルにポイントＡを通過させて、ひいてはポイントＡの通過を検出し得るべく電池管理デバイスによって実行してもよい、セルの充電又は放電専用の段階に対応してもよい。
【００３６】
非制限例として、電池セルによるポイントＡの通過を検出するための上記の方法を、セルの充電状態ゲージを再調整すべく電池管理デバイスによって使用してもよい。電池管理デバイスは、例えば、電池セルの充電状態を評価するための方法を実行してもよく、この方法は、セルの充電状態を推定する推定段階と、推定段階の間に、起こり得るドリフト、例えばセルの経時変化によるドリフト又は電池管理デバイスのセンサによる測定のドリフトを補償し得る推定方法を再調整する再調整段階とを有しており、このような再調整段階は、セルのポイントＡの通過を検出するステップを有することが可能である。
【００３７】
例として、ポイントＡを検出した際に、セルの推定された電荷値とポイントＡで既知の実際の電荷値とのあり得る差を補償すべく、セルのポイントＡの通過を検出する段階の後にセルの充電状態ゲージを再調整してもよい。
【００３８】
利点は、セルのポイントＡの通過を検出してセルの充電状態ゲージを再調整するために、セルを完全に放電したり充電したりすることが必要ではないという点にある。このため、公知の解決法よりはるかに制約がない再調整段階を行うことが可能である。特には、既存のシステムより更に頻繁な再調整が行われてもよい。このため、例えば、推定アルゴリズムの信頼性の起こり得る低下がより頻繁な再調整によって補償されてもよいので、既存のシステムより簡単な充電状態の推定アルゴリズムを使用することが可能になる。
【００３９】
セルのポイントＡの通過を検出するか、又はセルの充電状態ゲージを再調整するための方法の本出願に述べられている実施形態は、この特定の場合に限定されないが、動的に再構成可能な電気構造を有する電池での使用に特に有利である。動的に再構成可能な電気構造を有する電池は、例えば、交流電圧により電力が供給され得る電動機又は他の負荷に電力を供給するために交流電圧が電池に印加されるように、電池の電源端子間に基本電池セルが相互接続される構成が電池の動作中に動的に変更され得る電池を意味する。動的に再構成可能な電気構造を有する電池の実施形態は、例えば、本出願人の仏国特許出願公開第2972304 号明細書、仏国特許出願公開第2972305 号明細書、仏国特許出願公開第2972306 号明細書及び仏国特許出願公開第2972308 号明細書に記載されている。
【００４０】
動的に再構成可能な電気構造を有する電池が、電池の動作段階中に場合によっては他の電池セルに対する電池セルの位置及び／又は（直列若しくは並列）の接続モードを比較的高い頻度で変更することにより、電池セルを動的に分離及び再接続し得る電池管理デバイスを一般的に備えている。
【００４１】
セルが分離される度に、このセルを流れる電流は、例えば１μs 〜１msの範囲内の分離期間中０Ａになる。電池管理デバイスは、０Ａの基準電流irefに関してセルのポイントＡを検出するための上述したタイプの方法を実行するために、このような頻繁な分離を利用してもよいことが有利である。このために、電池管理デバイスは、セルによるポイントＡの電圧UAの通過が検出されるまで、システムの通常動作の範囲内のセルの分離中にこのセルの電圧を測定してもよい。利点は、ポイントＡの検出が電池の通常動作を妨げない点にある。
【００４２】
図２は、セルの充電又は放電段階中に実行されてもよい、基本電池セルの充電状態ゲージを再調整するための再調整方法の実施形態を示すフローチャートである。
【００４３】
図２の例では、再調整方法は、電池管理デバイスが、セルを流れる電流icell の値が基準電流irefの値に等しくなるのを待つステップ201 を有する。動的に再構成可能な構造を有する電池の場合、０Ａの基準電流irefが選択されてもよく、この場合、ステップ201 では、電池が放電段階にある場合、電池管理デバイスは、電池に交流電圧を印加すべくプログラム化されたセルの次の分離を待つことができる。電池管理デバイスは、具体的には、電池の通常動作を著しく妨げないために十分に短い時間、例えば１msより短く、好ましくは10μs より短い時間、再調整方法を実行すべく、セルを流れる電流の値を強制的に基準電流irefの値にしてもよい。
【００４４】
電流icell の値が基準電流irefの値に等しくなると、電池管理デバイスは、ステップ202 でセルの電圧Ucell を基準電流iref下で測定する。
【００４５】
ステップ203 で、電池管理デバイスは、ステップ202 で基準電流iref下で測定した電圧Ucell の値がセルの特性を示すポイントＡの電圧値UAに等しいか否かをモニタする。
【００４６】
ステップ203 で、電池管理デバイスが、基準電流iref下で測定した電圧Ucell の値が電圧値UAに等しいことを検出すると、電池管理デバイスは、ポイントＡを検出した際に、セルの推定された電荷値とポイントＡでの既知の実際の電荷値との差に基づき、セルの充電状態ゲージを再調整するステップ204 を実行する。ステップ204 の終了で、再調整方法が終了する。
【００４７】
ステップ203 中に、電池管理デバイスが、基準電流iref下で測定した電圧Ucell の値が電圧値UAに等しいことを検出しない場合、電池管理デバイスは、ステップ201 、ステップ202 及びステップ203 を再度行う。
【００４８】
特定の実施形態が述べられているが、当業者は、様々な変更、調整及び改良を容易に想到する。
【００４９】
特に、電池管理デバイスは、ポイントＡの座標に加えて、基準電流irefでのセルの一又は複数の電圧／電荷特性曲線を全て任意に記憶してもよい。この場合、電池セルの充電状態を評価するために、電池管理デバイスは基準電流iref下でセルの電圧を測定して、この測定値と記憶された特性曲線とに基づいてセルの充電状態を推定してもよい。セルの充電状態を推定するために使用される特定の曲線は、セルの健康状態のインジケータを考慮して選択されてもよい。
【００５０】
更に、述べられている実施形態は、電池セルの充電状態ゲージを再調整すべくポイントＡを検出するための方法の使用に制限されない。提供されている方法は、電池セルに含まれる実際の電荷を所与の時間で知るために利用することができるあらゆる適用に使用されてもよい。
【００５１】
更に、セルの特性決定段階中に、ポイントＡは、複数の異なる基準電流毎に任意に決定されてもよい。この場合、電池管理デバイスが、このセルに含まれる実際の電荷を所与の時間で知るために電池セルによるポイントＡの通過を検出する段階を実行するとき、電池管理デバイスは、検出段階中に電池を使用すべく最も適した基準電流を選択してもよい。
【００５２】
このような変更、調整及び改良は、本開示の一部であり、本発明の趣旨及び範囲内にあることが意図されている。従って、上記の記載は単なる例示であり、限定することを意図するものではない。本発明は、以下の特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定される。
【００５３】
本特許出願は、2014年３月17日に出願された仏国特許出願第14／52181 号の優先権を主張しており、この内容全体が、特許法によって許容可能な最大限に至るまで参照によって本明細書に組み込まれる。
【図１】
2015175853.tif 000003
【図２】
2015175853.tif 000004