(57)【要約】リチウム硫黄バッテリの充電状態および相対年齢を正確に決定するシステムおよび方法が提供される。特定のタイプのリチウム硫黄バッテリのセル抵抗およびテーパ入力充電は、それぞれ、充電状態およびバッテリの年齢を決定するために測定される。該方法は、バッテリにわたる電圧が所定の最大電圧に増加するまで、該バッテリを充電することと、バッテリへの入力電流が所定の最小電流に減少するまで、所定の最大電圧でバッテリを充電することを継続することと、バッテリに対するセル抵抗を測定することであって、このセル抵抗は、特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する１００％の充電状態でのセル抵抗として定義される、ことと、１００％の充電状態でのセル抵抗を記録することとを含む。
2008538608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のタイプのリチウム硫黄バッテリの充電状態に対するセル抵抗のルックアップテーブルを作成し、該バッテリ容量を決定する方法であって、該方法は、
ａ）該バッテリにわたる電圧が所定の最大電圧に増加するまで、該バッテリを充電するステップと、
ｂ）該バッテリへの入力電流が所定の最小電流に減少するまで、該所定の最大電圧で該バッテリを充電することを継続するステップと、
ｃ）該バッテリに対するセル抵抗を測定するステップであって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する１００％の充電状態での該セル抵抗として定義される、ステップと、
ｄ）１００％の充電状態での該セル抵抗を記録するステップと、
ｅ）該バッテリを放電率で所定の下部カットオフ電圧まで放電し、放電期間を記録するステップと、
ｆ）該放電期間を該放電率で積分し、結果を格納するステップであって、該積分結果は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する該バッテリ容量として定義される、ステップと、
ｇ）該バッテリに対するセル抵抗を測定するステップであって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する０％の充電状態での該セル抵抗として定義される、ステップと、
ｈ）０％の充電状態での該セル抵抗を記録するステップと、
ｉ）現在のバッテリの充電状態が以前のバッテリの充電状態を超えるように、該バッテリ容量の所定のパーセンテージで該バッテリを充電するステップと、
ｊ）該バッテリに対するセル抵抗を測定するステップであって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する該現在の充電状態における該セル抵抗として定義される、ステップと、
ｋ）該現在の充電状態における該セル抵抗を記録するステップと、
ｌ）該バッテリの該現在の充電状態が該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する該バッテリ容量に等しくなるまで、ステップ（ｉ）、（ｊ）、および（ｋ）を反復するステップと、
ｍ）０％から１００％までの充電状態値に対する充電状態に対するセル抵抗の該ルックアップテーブルを作成するステップと
を包含する、方法。
【請求項２】
ｎ）前記バッテリが、ある期間、安定することを可能にするステップであって、該期間は、該バッテリの開路電圧の変化率が所定の閾値未満に減少するのに必要な時間である、ステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記開路電圧の変化率に対する前記所定の閾値は、０．００１〜０．０１ボルト／分の範囲内である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記バッテリ容量の前記所定のパーセンテージは１０％である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
請求項１のすべてのステップは、所定の温度のセットで反復される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記所定の温度のセットは、−４０℃、−３０℃、−２０℃、−１０℃、０℃、＋１０℃、＋２０℃、＋３０℃、＋４０℃、＋５０℃、および＋６０℃から成る、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
請求項１のすべてのステップは、前記バッテリの寿命における所定の年齢のセットで反復される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記所定の年齢のセットは、１、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、および１０００回充電／放電サイクルを受けた後の前記バッテリから成る、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記放電率は可変である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
既知の容量を有する特定のタイプのリチウム硫黄バッテリついての充電状態に対するセル抵抗のルックアップテーブルを作成する方法であって、該方法は、
ａ）該バッテリにわたる電圧が所定の最大電圧に増加するまで、該バッテリを充電するステップと、
ｂ）該バッテリへの入力電流が所定の最小電流に減少するまで、該所定の最大電圧で該バッテリを充電することを継続するステップと、
ｃ）該バッテリに対するセル抵抗を測定するステップであって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する１００％の充電状態での該セル抵抗として定義される、ステップと、
ｄ）１００％の充電状態での該セル抵抗を記録するステップと、
ｅ）現在のバッテリの充電状態が以前のバッテリの充電状態未満になるように、該バッテリ容量の所定のパーセンテージによって該バッテリを放電する、ステップと、
ｆ）該バッテリに対するセル抵抗を測定するステップであって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する現在の充電状態での該セル抵抗として定義される、ステップと、
ｇ）該現在の充電状態での該セル抵抗を記録するステップと、
ｈ）該バッテリの該現在の充電状態が所定の下部カットオフ電圧に等しくなるまで、ステップ（ｅ）、（ｆ）、および（ｇ）を反復するステップと、
ｉ）１００％から０％までの充電状態値についての充電状態に対するセル抵抗の該ルックアップテーブルを作成するステップと
を包含する、方法。
【請求項１１】
特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての充電状態に対するセル抵抗のルックアップテーブルを用いて、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての充電状態を決定する方法であって、該方法は、
ａ）バッテリタイプをコンピュータに入力するステップと、
ｂ）該バッテリに対するセル抵抗を測定するステップであって、該セル抵抗は、該コンピュータに入力される、ステップと、
ｃ）入力に基づき、セル抵抗相関アルゴリズムを実行するステップであって、該入力は、
ｉ）該コンピュータに入力される該バッテリのタイプと、
ｉｉ）該バッテリに対する測定された該セル抵抗と
を備えている、ステップと、
ｄ）該セル抵抗相関アルゴリズムに基づいて、該リチウム硫黄バッテリの充電状態を決定するステップと
を包含する、方法。
【請求項１２】
前記セル抵抗相関アルゴリズムは、テーブルルックアップに続くその後の直線補間を包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記セル抵抗相関アルゴリズムへの前記入力は、測定されたバッテリ温度をさらに備えている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
ｅ）前記バッテリの年齢を前記コンピュータに入力するステップをさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記セル抵抗相関アルゴリズムへの前記入力は、前記コンピュータへ入力された前記バッテリの年齢をさらに備えている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する年齢に対するテーパ入力充電のルックアップテーブルを作成する方法であって、該方法は、
ａ）該バッテリに第１の既知数の完全な充電および放電サイクルを受けさせるステップと、
ｂ）該バッテリにわたる電圧が所定の最大電圧に増加するまで、該バッテリを充電するステップと、
ｃ）該バッテリへの入力電流が所定の最小電流に減少するまで、該所定の最大電圧で該バッテリをテーパ充電し、テーパ充電期間を記録するステップと、
ｄ）該テーパ充電期間中に、該テーパ充電期間を該入力電流によって積分し、結果を格納するステップであって、該積分結果は、該特定数の年齢における該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する該テーパ入力充電として定義される、ステップと、
ｅ）該特定数の該年齢における該テーパ入力充電を記録するステップと、
ｆ）該バッテリに対する追加の既知数の完全な充電および放電サイクルでステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）の該ステップを反復するステップであって、該記録するステップ（ｅ）は、該バッテリに対する該追加の既知数の完全な充電および放電サイクルに対する該テーパ入力充電を記録する、ステップと、
ｇ）該バッテリに対する該第１の既知数および該追加の既知数の完全な充電および放電サイクルを用いて、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての年齢に対するテーパ入力充電の該ルックアップテーブルを作成する、ステップと
を包含する、方法。
【請求項１７】
前記バッテリに対する前記第１の既知数および前記追加の既知数の完全な充電および放電サイクルは、１、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、および１０００回である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
請求項１６の前記すべてのステップは、所定の温度のセットで反復される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記所定の温度のセットは、−４０℃、−３０℃、−２０℃、−１０℃、０℃、＋１０℃、＋２０℃、＋３０℃、＋４０℃、＋５０℃、および＋６０℃から成る、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての年齢に対するテーパ入力充電のルックアップテーブルを用いて、該特定のタイプのリチウム該硫黄バッテリの年齢を決定する方法であって、該方法は、
ａ）バッテリタイプをコンピュータに入力するステップと、
ｂ）該バッテリに対するテーパ入力充電を測定するステップであって、該テーパ入力充電は、該コンピュータに入力される、ステップと、
ｃ）入力に基づき、テーパ入力充電相関アルゴリズムを実行するステップであって、該入力は、
ｉ）該コンピュータに入力される該バッテリのタイプと、
ｉｉ）該バッテリに対する該測定されたテーパ入力充電と
を備えている、ステップと、
ｄ）該テーパ入力充電相関アルゴリズムに基づいて、該リチウム硫黄バッテリの該年齢を決定するステップと
を包含する、方法。
【請求項２１】
前記テーパ入力充電相関アルゴリズムへの前記入力は、測定されたバッテリ温度をさらに備えている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての充電状態に対するセル抵抗のルックアップテーブルを作成し、該バッテリ容量を決定するためのシステムであって、該システムは、
ａ）該バッテリにわたる電圧が所定の最大電圧に増加するまで、該バッテリを充電する手段と、
ｂ）該バッテリへの入力電流が所定の最小電流に減少するまで、該所定の最大電圧で該バッテリを充電することを継続する手段と、
ｃ）該バッテリに対するセル抵抗を測定する手段であって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する１００％の充電状態での該セル抵抗として定義される、手段と、
ｄ）１００％の充電状態での該セル抵抗を記録する手段と、
ｅ）該バッテリをある放電率で所定の下部カットオフ電圧まで放電する手段および放電期間を記録する手段と、
ｆ）該放電期間を該放電率で積分する手段およびその結果を格納する手段であって、該積分結果は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する該バッテリ容量として定義される、手段と、
ｇ）該バッテリに対するセル抵抗を測定する手段であって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する０％の充電状態での該セル抵抗として定義される、手段と、
ｈ）０％の充電状態での該セル抵抗を記録する手段と、
ｉ）現在のバッテリの充電状態が以前のバッテリの充電状態を超えるように、該バッテリ容量の所定のパーセンテージで該バッテリを充電する手段と、
ｊ）該バッテリに対するセル抵抗を測定する手段であって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する該現在の充電状態における該セル抵抗として定義される、手段と、
ｋ）該現在の充電状態における該セル抵抗を記録する手段と、
ｌ）０％から１００％までの充電状態値についての充電状態に対するセル抵抗の該ルックアップテーブルを作成する、手段と
を備えている、システム。
【請求項２３】
既知の容量を有する特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての充電状態に対するセル抵抗のルックアップテーブルを作成するシステムであって、該システムは、
ａ）該バッテリにわたる電圧が所定の最大電圧に増加するまで、該バッテリを充電する手段と、
ｂ）該バッテリへの入力電流が所定の最小電流に減少するまで、該所定の最大電圧で該バッテリを充電することを継続する、手段と、
ｃ）該バッテリに対するセル抵抗を測定する手段であって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する１００％の充電状態での該セル抵抗として定義される、手段と、
ｄ）１００％の充電状態での該セル抵抗を記録する手段と、
ｅ）現在のバッテリの充電状態が以前のバッテリの充電状態未満になるように、該バッテリ容量の所定のパーセンテージによって該バッテリを放電する手段と、
ｆ）該バッテリに対するセル抵抗を測定する手段であって、該セル抵抗は、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する現在の充電状態での該セル抵抗として定義される、手段と、
ｇ）該現在の充電状態での該セル抵抗を記録する手段と、
ｈ）１００％から０％までの充電状態値についての充電状態に対するセル抵抗の該ルックアップテーブルを作成する、手段と
を備えている、システム。
【請求項２４】
特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての充電状態に対するセル抵抗のルックアップテーブルを用いて、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリの該充電状態を決定するシステムであって、該システムは、
ａ）バッテリタイプをコンピュータに入力する手段と、
ｂ）該バッテリに対するセル抵抗を測定する手段であって、該セル抵抗は、該コンピュータに入力される、手段と、
ｃ）入力に基づき、セル抵抗相関アルゴリズムを実行する手段であって、該入力は、
ｉ）該コンピュータに入力される該バッテリのタイプと、
ｉｉ）該バッテリに対する該測定されたセル抵抗と
を備えている、手段と、
ｄ）該セル抵抗相関アルゴリズムに基づいて、該リチウム硫黄バッテリついての該充電状態を決定する、手段と
を備えている、システム。
【請求項２５】
特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての年齢に対するテーパ入力充電のルックアップテーブルを作成するシステムであって、該システムは、
ａ）該バッテリに第１の既知数の完全な充電および放電サイクルを受けさせる手段と、
ｂ）該バッテリにわたる電圧が所定の最大電圧に増加するまで、該バッテリを充電する手段と、
ｃ）該バッテリへの入力電流が所定の最小電流に減少するまで、該所定の最大電圧で該バッテリをテーパ充電手段およびテーパ充電期間を記録する手段と、
ｄ）該テーパ充電期間中に、該テーパ充電期間を該入力電流によって積分し、その結果を格納する手段であって、該積分結果は、該特定数の該年齢における該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対するテーパ入力充電として定義される、手段と、
ｅ）該特定数の該年齢における該テーパ入力充電を記録する手段と、
ｆ）該バッテリに対する該第１の既知数および追加の既知数の完全な充電および放電サイクルを用いて、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての該年齢に対するテーパ入力充電の該ルックアップテーブルを作成する、手段と
を備えている、システム。
【請求項２６】
特定のタイプのリチウム硫黄バッテリについての年齢に対するテーパ入力充電のルックアップテーブルを用いて、該特定のタイプのリチウム硫黄バッテリの該年齢を決定するためのシステムであって、該システムは、
ａ）バッテリタイプをコンピュータに入力する手段と、
ｂ）該バッテリに対するテーパ入力充電を測定する手段と、
ｃ）該テーパ入力充電を該コンピュータに入力する手段と、
ｄ）入力に基づき、テーパ入力充電相関アルゴリズムを実行する手段であって、該入力は、
ｉ）該コンピュータに入力された該タイプの該バッテリと、
ｉｉ）該バッテリの測定テーパ入力充電と
を備えている、手段と、
ｅ）該テーパ入力充電相関アルゴリズムに基づいて、該リチウム硫黄バッテリの該年齢を決定する手段と
を備えている、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、リチウム硫黄バッテリの充電に関し、より詳細には、リチウム硫黄バッテリの充電状態および相対年齢を正確に決定するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルラ電話またはラップトップコンピュータなどの携帯消費者電子機器の再充電可能バッテリに格納されるエネルギーの量を識別する能力は、機器のユーザによって高く評価される特徴である。従って、リチウムイオン再充電可能バッテリ、ニッケル水素（ｎｉｃｋｅｌ  ｍｅｔａｌ  ｈｙｄｒｉｄｅ）再充電可能バッテリ、ニッケルカドミウム再充電可能バッテリを用いる機器システムなどの一般的な機器システムは、バッテリセルに現在格納されているエネルギーまたは電荷の量を計測する何らかの技術を組み込んでいる。１つの一般的なアプローチは、ルックアップテーブルを用いて、そのバッテリに対する測定された開路電圧に基づき、バッテリの充電状態を決定することである。例えば、Ｂａｒｓｏｕｋｏｖらの特許文献１およびＧｕｉｈｅｅｎらの特許文献２を参照されたい。これらの特許文献の各々は、それら全体が本明細書に参考として援用される。
【０００３】
バッテリの充電状態（「ＳＯＣ」）は、バッテリに格納され得る最大電荷の割合として表される、現在格納されている電荷である。バッテリのＳＯＣは、バッテリの現在の充電／放電サイクルの間のバッテリがバッテリの最大電荷すなわち容量に対してどのくらい充電されているかをバッテリのユーザが知り得るという点で、非常に有用な情報である。しかしながら、バッテリの最大容量は、バッテリの「年齢（ａｇｅ）」と共に劣化する（すなわち、バッテリが受けた充電／放電サイクルの数であり、バッテリが存在した実際の時間量ではない）。上記の従来の開路電圧ベースのアルゴリズムは、バッテリの充電状態を決定するために、バッテリが古くなる場合のバッテリの特性を適切に表わしている格納されたルックアップテーブルを用いない。
【０００４】
リチウム硫黄バッテリは軽量で高エネルギー密度であるので、最近支持を得ている。リチウムアノード（例えば、不可欠な集電装置または黒鉛、コークスおよび酸化スズなどの様々なリチウム層間化合物を有するかまたは有しない純粋なリチウム、またはスズもしくはアルミニウムと合金にされたリチウムフォイルまたは真空蒸着されたリチウム、を用いることは、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、またはニッケルカドミウム電池などの電池より軽量で、かつより高いエネルギー密度を有するリチウム硫黄バッテリセルを構成する機会を提供する。これらの特徴は、携帯電子機器のバッテリに対して非常に望ましい。
【０００５】
リチウム硫黄バッテリ設計は、軽量であり、高い速度能力および充電における電流密度の減少を可能にする大きな表面積を有するので、特に携帯電子機器に適している。リチウムバッテリの製造のためのいくつかのタイプのカソード材料は公知であり、該カソード材料は、硫黄−硫黄結合を有するカソード材料を含み、高エネルギー容量および再充電能力（ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｉｌｉｔｙ）は、硫黄−硫黄結合の電気化学的な開裂（還元による）および再形成（酸化による）から達成される。例えば上記のようなリチウムアノードを有する電気化学セルにおいて用いるための硫黄−硫黄結合を有する硫黄含有カソード材料は、硫黄元素、有機硫黄化合物、様々なポリスルフィド、または炭素−硫黄組成物を含み得る。
【０００６】
従って、リチウム硫黄バッテリセルの充電状態を正確に決定し、バッテリセルの年齢を正確に決定するためのシステムおよび方法を提供することが望ましい。
【特許文献１】米国特許第６，７８９，０２６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，７７４，６３６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
(本発明の概要）
本発明の目的は、リチウム硫黄バッテリセルの充電状態を正確に決定するシステムおよび方法を提供することである。
【０００８】
本発明の目的はまた、バッテリセルの年齢を正確に決定するそのようなシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態に従って、既知の容量を有する特定のタイプのリチウム硫黄バッテリの充電状態に対するセル抵抗のルックアップテーブルを作成するための方法が提供される。該方法は、バッテリにわたる電圧が所定の最大電圧に増加するまで、該バッテリを充電することと、バッテリへの入力電流が所定の最小電流に減少するまで、所定の最大電圧でバッテリを充電することを継続することと、バッテリに対するセル抵抗を測定することであって、このセル抵抗は、特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する１００％の充電状態でのセル抵抗として定義される、ことと、１００％の充電状態でのセル抵抗を記録することとを含む。次に該方法は、現在のバッテリの充電状態が以前のバッテリの充電状態未満になるように、バッテリ容量の所定のパーセンテージによってバッテリを放電することと、バッテリに対するセル抵抗を測定することであって、該セル抵抗は、特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する現在の充電状態におけるセル抵抗として定義されることと、現在の充電状態でのセル抵抗を記録することと、該バッテリの現在の充電状態が所定の下部カットオフ電圧に等しくなるまで、これらの放電、測定および記録するステップを反復することとを教示する。最後に該方法は、０％から１００％までの充電状態値に対する充電状態に対するセル抵抗の該ルックアップテーブルを作成することを教示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の上記および他の利点は、添付の図面と関連させて、以下の詳細な説明を考慮すると、より明らかであろう。添付の図面では、全体を通じて類似の参照番号は類似の部品を表す。
【００１１】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明は、リチウム硫黄バッテリセルの充電状態を正確に決定するシステムおよび方法を提供する。本発明の一局面に従って、リチウム硫黄バッテリの各タイプのルックアップテーブルまたはアルゴリズムは作成され、コンピュータチップまたはデータベースに格納される。本発明の様々な実施形態において、このチップまたはデータベースは、好ましくは、リチウム硫黄バッテリ／チャージャシステム自体またはロードドローイングデバイス内に組み込まれ得る。これらのルックアップテーブルは、例えば、様々なタイプのリチウム硫黄バッテリの充電状態（「ＳＯＣ」）に対する様々な周囲温度およびバッテリの年齢におけるセル抵抗（「ＣＲ」）の相互関係を示す。
【００１２】
他の一般的なバッテリシステムとは異なり、リチウム硫黄バッテリは、活性化学物質が放電中に酸化還元反応の進行を受ける陰極を含む。これらの反応は、より高級なポリスルフィド（例えば、Ｌｉ２Ｓ８）から、中程度のポリスルフィドへ、次いでより低級なポリスルフィド（例えば、Ｌｉ２Ｓ）へのポリスルフィドの還元を伴う。リチウム硫黄バッテリセルのこの電気化学的特性は、他の一般的なバッテリシステムにおいては起こらない、放電中における電解液の緩やかな抵抗変化を引き起こす。セル抵抗（「ＣＲ」）のこの変化は、本明細書において以下に記述されるように、リチウム硫黄バッテリの充電状態を正確に決定するために利用され得る。
【００１３】
図１を参照すると、公知のタイプのリチウム硫黄バッテリ１０が、電圧計６、電流計５、および熱電対７を含む測定システム１００と共に示される。電源３は、バッテリ充電リレー４が活性化されているとき、バッテリ１０を充電するために用いられ得る。ブロッキングダイオード８は、充電中、電流が電源３からバッテリ１０にのみ流れるように、電流の方向を制限するために用いられる。バッテリ１０は、バッテリ放電リレー１１が活性化されているとき、デバイスすなわちロード１２およびブロッキングダイオード１３を介して放電され得る。図１の回路は、バッテリに対する本発明のルックアップテーブルを作成することと、これらのテーブルを用いてバッテリの充電状態および年齢を決定することとの両方のために用いられ得る。
【００１４】
コンピュータ１は、信号インタフェース２を介して電圧計６から電圧測定値を受信する。コンピュータ１はまた、熱電対７からバッテリ温度測定値、および信号インタフェース２を介して、電流計５から電流測定値を受信する。コンピュータ１はまた、信号インタフェース２を介して、バッテリ充電リレー４およびバッテリ放電リレー１１のオン−オフ状態を制御する。コンピュータ１は、好ましくは、特定用途向け集積チップ（ＡＳＩＣチップ）であり得、該特定用途向け集積チップは、バッテリ１０に組み込まれたスタンドアロンチップであり得るか、またはロード１２（例えば、バッテリ１０からの電力を必要とするラップトップコンピュータ）に組み込まれ得る。信号インタフェース２は、好ましくは、制御インタフェースであるシステム管理バス（ＳＭバス）であり得、電源３は、好ましくは、チャージャシステムであり得るが、この場合、電流計５および電圧計６は、好ましくは、スタンドアロンデバイスではなくて、むしろ、好ましくは、電子回路である。
【００１５】
図１に示される測定システム１００は、以下のように、特定のタイプのリチウム硫黄バッテリに対する充電状態（「ＳＯＣ」）に対するセル抵抗（「ＣＲ」）のルックアップテーブルを作成するために用いられ得る。まず、バッテリ充電リレー４は活性化され、バッテリ放電リレー１１は、非活性化される。次に、バッテリ１０は、電圧計６を用いてバッテリ１０への充電電圧をモニタリングしながら、電源３の出力電流を増加させることによって、例えば、５００ミリアンペアの初期定電流（「Ｉｏ」）で充電される。バッテリ１０は、電圧計６によって測定される場合の、バッテリにわたる電圧が最大許容電圧（「ＶＭａｘ」）に達するまで、この定電流で充電される。バッテリ製造業者は、例えば、安全上の考慮に基づいてＶＭａｘを決定する。リチウム硫黄バッテリのＶＭａｘの代表的な値はセル当たり２．５ボルトである。直列に接続された複数のセルから成るバッテリ１０の場合：ＶＭａｘ（Ｂａｔｔｅｒｙ）＝ＶＭａｘ（Ｃｅｌｌ）＊Ｎ、ここで、Ｎは直列に接続されたセルの数である。
【００１６】
ＶＭａｘに達すると、充電は継続され、この定電圧ＶＭａｘでクランプされ、それによって充電電流は減少する。このステップは、一般にテーパ充電と呼ばれる。入力電流が、などのある点、例えば、初期定電流（「Ｉｏ」）の２０％以下まで減少した場合、充電されているセルは、完全に充電され、１００％のＳＯＣであると考えられ得る。従って、入力電流がセルすなわちバッテリのＣレートの５０分の１以下（すなわち、１時間でセルを充電するのに必要な充電電流の５０分の１以下）に減少したとき、バッテリは、完全に充電され、１００％のＳＯＣであると考えられ得る。バッテリ１０が本発明の精神と範囲から逸脱することなく、Ｉｏとは反対に変動電流で充電され得ることが理解されるべきである。
【００１７】
バッテリ充電リレー４は次いで、非活性化され、バッテリ１０は、好ましくは安定化することが可能であり、この場合、バッテリ安定化は、電圧計６によって測定されるようにバッテリ１０の開路電圧（「ＯＣＶ」）における変動によって決定される。バッテリ１０は、ＯＣＶの変化率が、例えば０．００１〜０．０１Ｖ／分の閾値未満である場合、安定化されると考えられ得る。リチウム硫黄バッテリの安定化時間は、約２〜３０分であり得る。安定化は、本発明の各ステップにおいて必要ではあり得ないか、または要求され得ないことが注意されるべきである。ダブルパルスが印加され得ることは好ましく、バッテリ抵抗の変化は、測定された電圧の変化を測定されたパルス間の電流の変化で割ったものとして、測定され得る（例えば、Ｃレートの２倍である第１のパルスを印加することにより、次いでＣレートの２分の１または４倍である第２のパルスを印加することによるＣレートにおける充電の場合）。
【００１８】
１００％のＳＯＣ（ＣＲＳＯＣ＝１００％）におけるバッテリ１０のセル抵抗は次いで、バッテリにダブルパルスを印加し、上記電圧の変化を上記電流の変化で割った値を計算することによって測定され得る。これは、最初に、バッテリ充電リレー４を活性化し、バッテリ放電リレー１１を非活性化することによって行なわれ得る。次に、第１のパルスに続いて、第２のパルスが、電流計５を用いて電流の変化をモニタリングし、電圧計６を用いて電圧の変化をモニタリングしながら、電源３の出力電圧を増加させることによって、バッテリ１０に印加され得る。１００％のＳＯＣ（ＣＲＳＯＣ＝１００％）におけるバッテリ１０のセル抵抗は次いで、モニタリングされた電圧の変化をモニタされた電流の変化で割ったものとして記録される。あるいは、ベンチマーク充電定電流または放電定電流がバッテリに印加され得、単一パルスは、バッテリのセル抵抗の分極測定が、ベンチマーク情報に関して、モニタリングされた電圧の変化をモニタリングされた電流の変化で割ったものとして得られることを可能にするように、印加され得る。好ましい実施形態において、印加されたパルスは、０．１〜１．０秒のオーダーで、２．５アンペア時（「Ａｈ」）の容量を有するリチウム硫黄バッテリに対して２〜４アンペアの印加された電流におけるパルスであり得る。このパルスの持続時間は、一般的に、この診断がバッテリを不必要に消耗させないように、バッテリが放電される電流に依存する。パルスは、上記のように、要求される診断を提供するために、セルが充電または放電する速度より２〜１０倍高いかまたは低いオーダーであることが好ましい。
【００１９】
第２に、バッテリ１０は、バッテリ放電リレー１１を活性化し、バッテリ充電リレー４を非活性化することによって、ロード１２を介して、所定の放電率で、下部カットオフ電圧（「ＶＭｉｎ」）まで放電され得る。所定の放電率は、例えば、２〜１０時間の範囲の時間内で、１００％のＳＯＣから０％のＳＯＣに完全にバッテリを放電する値として選択され得る。バッテリ製造業者は、例えば、安全上の考慮に基づいてＶＭｉｎを決定し得る。通常の条件下で（すなわち、通常の温度下で、通常の放電率で）のリチウム硫黄バッテリのＶＭｉｎの代表的な値はセル当たり１．７ボルトである。リチウム硫黄バッテリを消費するための代表的な放電持続時間は、１〜５時間である（すなわち、ＣレートからＣレートの５分の１倍になる）。しかしながら、バッテリが、暗闇の中で１０から１２時間までの間に定期的にそのエネルギーを放電することが一般的に要求され得る、航空宇宙用途などの用途がある。対照的に、バッテリが高電流パルスを送り出すことを少なくとも必要とする、ラップトップコンピュータおよびタブレットパーソナルコンピュータなどの他の用途がある。従って、バッテリ１０は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、可変放電率で放電され得る。直列に接続された複数のセルから成るバッテリ１０の場合：ＶＭｉｎ（Ｂａｔｔｅｒｙ）＝ＶＭｉｎ（Ｃｅｌｌ）＊Ｎであり、ここで、Ｎは直列に接続されたセルの数である。
【００２０】
ＶＭｉｎに達すると、セルは、完全に放電され、０％のＳＯＣであると考えられ得る。バッテリ放電リレー１１は次いで、非活性化され、バッテリ１０は、安定化することが可能であり得ることが好ましい。
【００２１】
０％のＳＯＣにおけるバッテリ１０のセル抵抗（ＣＲＳＯＣ＝０％）は次いで、１００％のＳＯＣに関して上記されたように、バッテリにパルスを印加し、電圧の変化を電流の変化で割ったものを計算することによって記録される。バッテリ１０の容量は、放電率（アンペア）を放電時間（時間（ｈｏｕｒ））により積分することによって計算され得る。バッテリ容量は、一般的に、アンペア時間（Ａｈ）で明記されることに注意されたい。ここで、１Ａｈは３６００クーロンに等しい。
【００２２】
第３に、所定のクーロン数、例えば、バッテリ容量の１０％は、バッテリ充電リレー４を活性化し、バッテリ放電リレー１１を非活性化することによって、所定または可変の充電率で電源３からバッテリ１０へ充電（入力）され得る。バッテリ充電リレー４は次いで、非活性化され、バッテリ１０は、安定化することが可能であり得ることが好ましい。
【００２３】
１０％のＳＯＣにおけるバッテリ１０のセル抵抗（ＣＲＳＯＣ＝１０％）は次いで、上記のように、バッテリにパルスを印加し、電圧の変化を電流の変化で割ったもの計算することによって記録される。この手順は、反復され、様々な充電状態（例えば、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％）において、バッテリ１０のセル抵抗のセットは記録される。本発明の別の実施形態において、セル抵抗（「ＣＲ」）は、上記のように、様々な充電状態において、測定され、記録されるが、一方、バッテリは、完全に充電された後に、放電する（例えば、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％のＳＯＣ）。
【００２４】
セル抵抗（「ＣＲ」）対充電状態（「ＳＯＣ」）のさらなるテーブルは、前述の手順と同じ手順を実行することによって、様々な温度（例えば、−４０℃、−３０℃、−２０℃、−１０℃、０℃、＋１０℃、＋２０℃、＋３０℃、＋４０℃、＋５０℃、および＋６０℃）に対して作成されることが有利である。
【００２５】
様々な温度でのセル抵抗（「ＣＲ」）対充電状態（「ＳＯＣ」）のさらなるテーブルは、同じタイプの様々なバッテリに対して作成され得ることは一般的に理解されるべきである。それらのテーブルの値の平均は、調査されている特定のタイプの１つの特定のバッテリからの任意のデータに過度に頼ることを避けるために、そのタイプのバッテリのためのマスタテーブルを作成するために用いられ得る。
【００２６】
図１を再び参照すると、公知のタイプであるが充電状態（「ＳＯＣ」）が不明であるリチウム硫黄バッテリ１０は、電源３、電流計５および電圧計６から成り、バッテリ充電リレー４が活性化され、バッテリ放電リレー１１が非活性化されている状態の測定システム１００に配置されるか、または好ましくは該測定システム１００に構成要素として提供され得る。電源３、電流計５および電圧計６は、信号インタフェース２を介してコンピュータ１に接続される。システム１００を操作する技術者は、バッテリ１０のバッテリタイプをコンピュータ１に入力し得る。コンピュータ１は次いで、公知の相関アルゴリズム、例えば、テーブルルックアップに続く直線補間を実行し、測定されたセル抵抗（「ＣＲ」）をテスト下のバッテリのタイプに対する充電状態（「ＳＯＣ」）と相関させ得る。図２は、代表的なリチウム硫黄バッテリに対する、充電状態に対するセル抵抗（単位オームで測定）のサンプルプロットを示す。
【００２７】
本発明のさらなる局面に従って、図１に示されるように、熱電対７はバッテリ１０に連結され、信号インタフェース２を介して、バッテリ温度を入力としてコンピュータ１に提供する。従って、ＣＲ相関アルゴリズムはここで、３つの入力データ（すなわち、リチウム硫黄バッテリタイプ、セル抵抗、およびバッテリ温度）を用いる。例えば、直線補間または類似の計算は、格納されたテーブルに関係する、温度値の中間の温度におけるバッテリ１０に対する充電状態（「ＳＯＣ」）を計算し得る。上記のように、インタフェース２、コンピュータ１、および熱電対７は、先にそこに格納された適切なルックアップテーブルおよびバッテリ情報を有する不可欠な装置として、バッテリ１０と一緒に提供され得ることが好ましい。
【００２８】
本発明の他の実施形態に従って、リチウム硫黄バッテリに対するテーパ入力充電の現在の容量に基づき、そのバッテリの年齢を決定するシステムおよび方法が提供される。図３は、代表的なリチウム硫黄セルの放電容量とテーパ入力充電容量との比較であって、セルの年齢（サイクル寿命）に対するそれぞれの容量を示し、それらの間の顕著な関係を明確に例示する。
【００２９】
図１に示される測定システム１００はまた、以下のとおり、既知の年齢（すなわち、バッテリが以前に受けた充電／放電サイクル数）を有する特定のタイプのバッテリ１０に対する年齢対テーパ入力充電（「ＴＩＣ」）のルックアップテーブルを作成するために用いられ得る。まず、バッテリを最初に充電することに関して上記されたように、充電状態対セル抵抗のルックアップテーブルを作成する場合には、バッテリ充電リレー４は活性化され、バッテリ放電リレー１１は非活性化される。次に、バッテリ１０は、電圧計６を用いて、バッテリ１０への充電電圧をモニタリングしながら、電源３の出力電流を増加させることによって、例えば、初期定電流（「Ｉｏ」）（例えば、５００ミリアンペア）で充電され得る。バッテリ１０は、電圧計６によって測定される場合に、バッテリ全にわたる電圧が最大許容電圧（「ＶＭａｘ」）に達するまで、充電される。
【００３０】
ＶＭａｘに達すると、充電は継続され、この定電圧ＶＭａｘでクランプされ、それによって充電電流は減少する。入力電流が、このテーパ充電ステップ時の最小閾値点、例えば、初期定電流の２０％以下まで減少した場合、充電されているセルは、完全に充電されると考えられ得る。バッテリ１０のテーパ入力充電（「ＴＩＣ」）は、ＶＭａｘに達することと、入力電流をその最小閾値（例えば、初期定電流の１０％）まで減少させることとの間に要する時間の持続時間（時間（ｈｏｕｒ））により、テーパ充電率（アンペア）を積分することによって計算されることが好ましい。すなわち、テーパ入力充電は、テーパ充電ステップの間のバッテリへの充電入力の合計であると計算される。
【００３１】
バッテリ１０のテーパ入力充電が一旦計算されると、次いで、既知の年齢「Ｘ」（ＴＩＣＡＧＥ＝Ｘ）のバッテリ１０のＴＩＣが記録される。この手順は反復され、バッテリ１０の寿命における様々な年齢（例えば、バッテリ１０を、１、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、および１０００回の充電／放電サイクルを受けさせた後）のテーパ入力充電が記録される。バッテリのＴＩＣを測定するために、完全に放電されたバッテリを完全に充電することは必ずしも必要ではない。先にそのバッテリの全容量の任意のパーセンテージまで充電されたバッテリが完全に充電され、バッテリのＴＩＣが測定される。
【００３２】
年齢対テーパ入力充電（「ＴＩＣ」）のさらなるテーブルは、前述の完全な充電の手順を実行することによって、様々な温度（例えば、−４０℃、−３０℃、−２０℃、−１０℃、０℃、＋１０℃、＋２０℃、＋３０℃、＋４０℃、＋５０℃、および＋６０℃）に対して作成されることが有利である。さらに、充電状態（「ＳＯＣ」）対セル抵抗（「ＣＲ」）と共に、年齢対テーパ入力充電（「ＴＩＣ」）のさらなるテーブルは、例えば、用いられる様々な充電／放電率、種々の使用率、仕様条件外の不正な使用（例えば、バッテリが長期間極めて高い温度に曝されたような不正な使用の温度状況）に対して作成され得ることが好ましい。さらに、セル抵抗（「ＣＲ」）に関して上記のように、様々な温度での年齢対テーパ入力充電（「ＴＩＣ」）のさらなるテーブルは、同じタイプの様々なバッテリに対して作成され得る。それらのテーブルの値の平均は、調査されている特定のタイプのうちの１つの特定のバッテリにより矛盾し得る任意のデータに過度に頼ることを避けるために、そのタイプのバッテリに対するマスタテーブルを作成するために用いられ得る。
【００３３】
図１を再び参照すると、公知のタイプであるが充電状態（「ＳＯＣ」）が不明であり、年齢が不明である、リチウム硫黄バッテリ１０は、電源３、電流計５および電圧計６から成り、バッテリ充電リレー４が活性化され、バッテリ放電リレー１１が非活性化されている状態の測定システム１００に配置されるか、または好ましくは該測定システム１００に構成要素として提供され得る。電源３、電流計５および電圧計６は、信号インタフェース２を介してコンピュータ１に接続される。コンピュータ１を操作する技術者は、バッテリ１０のバッテリタイプをコンピュータに入力し得る。コンピュータ１は次いで、相関アルゴリズム、例えば、テーブルルックアップに続く直線補間を実行し、テスト下のバッテリ１０のタイプに対して、測定システムによって測定されたテーパ入力充電（「ＴＩＣ」）を年齢と相関させる。図４は、代表的なリチウム硫黄バッテリに対するセルの現在の容量（５回の充電／放電サイクルのみを受けた後のセルの容量のパーセンテージとして測定される）に対するテーパ充電入力（単位ｍＡ時間で測定）のサンプルプロットを示す。
【００３４】
本発明のさらなる局面に従って、図１に示されるように、熱電対７はバッテリ１０に連結され、信号インタフェース２を介してバッテリ温度を入力としてコンピュータ１に提供する。ＣＲ相関アルゴリズムと同様に、ＴＩＣ相関アルゴリズムはここで、３つの入力（すなわち、バッテリタイプ、テーパ入力充電、およびバッテリ温度）を用い、バッテリの年齢を決定し得る。例えば、直線補間または類似の計算は、格納されたテーブルに関連する温度値の中間の温度でバッテリ１０の年齢を計算し得る。上記のように、インタフェース２、コンピュータ１、および熱電対７は、先にそこに格納された適切なルックアップテーブルおよびバッテリタイプ情報を有する不可欠の装置として、バッテリ１０と一緒にされ得ることが好ましい。
【００３５】
上記のように、本発明の好ましい実施形態において、バッテリの年齢に対するバッテリの充電状態を決定するときに考慮に入れられ得る。充電状態（「ＳＯＣ」）対セル抵抗（「ＣＲ」）のさらなるテーブルは、バッテリ１０の寿命における様々な既知の年齢（例えば、バッテリ１０に、１、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、および１０００回の充電／放電サイクルを受けさせた後）において、該バッテリに対して作成され、記録されることが好ましい。バッテリ１０が完全に充電されるたびに、バッテリの現在のＴＩＣが記録され（例えば、コンピュータ１によって）、これによりバッテリの充電状態を決定することが所望される次回に、この現在のＴＩＣ情報が利用可能で、好ましくは、上記のＣＲ相関アルゴリズムがここで、少なくとも４つの入力（すなわち、バッテリタイプ、現在のＴＩＣ（すなわち、ＴＩＣ相関アルゴリズムによる年齢）、セル抵抗、およびバッテリ温度）を用いることが好ましい。
【００３６】
本発明に従って上記されたように、測定システムをインプリメントするために、様々なタイプの回路網および装置が用いられ得る。
【００３７】
従って、前述のことは本発明の原理の例示のみであり、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、当業者によって様々な改変がなされ得ることが理解され、本発明は以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明に従う、例示的なバッテリ測定システムの簡略化された概略ブロック図である。
【図２】図２は、代表的なリチウム硫黄バッテリの充電状態に対するセル抵抗のサンプルプロットを示す。
【図３】図３は、放電容量のサンプルプロットとテーパ入力充電容量のサンプルプロットとの比較であって、代表的なリチウム硫黄バッテリの年齢に対するそれぞれの容量を示す。
【図４】図４は、バッテリの本来の容量のパーセンテージとして測定された現在の容量に対するテーパ充電入力のサンプルプロットを示す。
【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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