(57)【要約】  バッテリーモニタリングシステムは、バッテリーセルに接続された電流センサ及び電圧センサを含む。また、バッテリーモニタリングシステムは、セルのオーム抵抗推定値を計算し、このような推定値が安定した値に到達するようにフィルタリングするマイクロコントローラを含む。推定値はそれぞれ伝統的に電圧のデルタ変化を電流大きさの重要な変化が起きる前後に測定された電流のデルタ変化で除した値として計算される。抵抗推定値それぞれの正確度の改善はデルタ電圧及びデルタ電流を構成する値によって示される電圧変化率及び電流変化率が正確に一致し、これらの符号が同じ場合にのみ推定値計算を通じて達成される。このような方式は、セル電圧及び電流の相異なる非同期サンプリング速度によって、このような方式で予め選択されていない推定値に含まれた誤謬を大幅に最小化する。
2021512451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリーセルと電気的に直列で接続される電流センサと、
前記バッテリーセルと電気的に並列で接続される電圧センサと、
１秒当りＭ回の第１更新頻度で前記電流センサから前記バッテリーセルに流れるセル電流のセル電流値を取得するマイクロコントローラと、を含み、
前記マイクロコントローラは、前記セル電流値の取得と並行して、１秒当りＮ回の第２更新頻度で、前記電圧センサから電気的接地に対する前記バッテリーセルのセル電圧値を取得し、ここでＭはＮ以上であり、
前記マイクロコントローラは、１秒当りＲ回の第３更新頻度で、前記セル電流値のうち二つのセル電流値を用いてセル電流の変化率を決定し、ここで、ＲはＭ未満であって、かつ、ＲはＮ未満であり、
前記マイクロコントローラは、前記セル電圧値のうち二つのセル電圧値を用いてセル電圧の変化率を決定し、
前記マイクロコントローラは、前記セル電圧の変化率の数値符号と前記セル電流の変化率の数値符号とが同一であり、前記セル電圧の変化率が許容可能なセル電圧変化率の上限値以下であり、前記セル電圧の変化率が許容可能なセル電圧変化率の下限値以上であれば、前記セル電圧の変化率、前記セル電流の変化率、及び予めフィルタリングされたオーム抵抗値に基づいてフィルタリングされたオーム抵抗値を決定する、バッテリーモニタリングシステム。
【請求項２】
前記マイクロコントローラは、
前記セル電圧の変化率の数値符号が前記セル電流の変化率の数値符号と異なるか、前記セル電圧の変化率が前記許容可能なセル電圧の変化率の上限値を超過するか、または、前記セル電圧の変化率が前記許容可能なセル電圧の変化率の下限値未満であれば、予め決められたオーム抵抗値を用いて前記フィルタリングされたオーム抵抗値を決定する、請求項１に記載のバッテリーモニタリングシステム。
【請求項３】
符号ｊは、前記第３更新頻度と関連する現在動作サイクルに対する参照値であり、
符号ｊ−１は、前記第３更新頻度と関連する以前動作サイクルに対する参照値である、請求項１または２に記載のバッテリーモニタリングシステム。
【請求項４】
前記マイクロコントローラは、下記の数式１を用いて前記セル電流の変化率を決定し、
ｄｉ／ｄｔ  ＝  （Ｉｊ  −  Ｉｊ−１）  ／  （ｔｊ  −  ｔｊ−１） …  数式１
ここで、ｄｉ／ｄｔは時間に対するセル電流の１次微分に対応する前記セル電流の変化率であり、Ｉｊは前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされた電流値であり、Ｉｊ−１は前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされた電流値であり、ｔｊは、システムが起動した後、前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクルの実行開始から記録された経過時間であり、ｔｊ−１は、前記システムが起動した後、前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行開始から記録された経過時間である、請求項３に記載のバッテリーモニタリングシステム。
【請求項５】
前記マイクロコントローラは、下記の数式２を用いて前記セル電圧の変化率を決定し、
ｄｖ／ｄｔ  ＝  （Ｖｊ  −  Ｖｊ−１）  ／  （ｔｊ  −  ｔｊ−１） …  数式２
ここで、ｄｖ／ｄｔは時間に対するセル電圧の１次微分の計算に対応する前記セル電圧の変化率であり、Ｖｊは前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされたセル電圧値であり、Ｖｊ−１は前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされたセル電圧値であり、ｔｊは、システムが起動した後、前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクルの実行開始から記録された経過時間であり、ｔｊ−１は、前記システムが起動した後、前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行開始から記録された経過時間である、請求項３または４に記載のバッテリーモニタリングシステム。
【請求項６】
前記マイクロコントローラは、下記の数式３を用いて前記許容可能なセル電圧の変化率の上限値を決定し、
ＵｐｐｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣ  ＝  （ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）  ＊  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  ＋  ｘ％  ＊  （ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）  ＊  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  …  数式３
ここで、ＵｐｐｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣは前記許容可能なセル電圧の変化率の上限値であり、ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）は前記セル電流の変化率の絶対値であり、ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１は前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクル以前の動作サイクル中に計算されたセル抵抗値Ｒ０のフィルタリングされた値の結果であり、ｘ％は（ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）×ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）の校正可能な百分率であり、前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクルに対してＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊの計算に用いられるように選択できる許容可能なｄｖ／ｄｔ値の上限値を定義する、請求項３から５のいずれか一項に記載のバッテリーモニタリングシステム。
【請求項７】
前記マイクロコントローラは、下記の数式４を用いて前記許容可能なセル電圧の変化率の下限値を決定し、
ＬｏｗｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣ  ＝  （ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）  ＊  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  −  ｙ％  ＊  （ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）  ＊  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  …  数式４
ここで、ＬｏｗｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣは前記許容可能なセル電圧変化率の下限値であり、ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）は前記セル電流の変化率の絶対値であり、ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１は前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクル以前の動作サイクル中に計算されたセル抵抗値Ｒ０のフィルタリングされた値の結果であり、ｙ％は（ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）×ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）の校正可能な百分率であり、前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクルに対して前記ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊの計算に用いられるように選択できる許容可能なｄｖ／ｄｔ値の下限値を定義する、請求項３から６のいずれか一項に記載のバッテリーモニタリングシステム。
【請求項８】
前記マイクロコントローラは、
前記セル電圧の変化率の数値符号が前記セル電流の変化率の数値符号と同じであり、前記セル電圧の変化率が前記許容可能なセル電圧変化率の上限値以下であり、前記セル電圧の変化率が前記許容可能なセル電圧変化率の下限値以上であれば、下記の数式５を用いて、
ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ  ＝  ｓｍｏｏｔｈｉｎｇＦｉｌｔｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ（ＮｅｗＲａｗＲ０Ｅｓｔｉｍａｔｅ，  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  …  数式５
ここで、ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊは前記フィルタリングされたオーム抵抗値であり、ＮｅｗＲａｗＲ０Ｅｓｔｉｍａｔｅはｄｖ／ｄｉであり、ｄｖ／ｄｉはセル電流に対するセル電圧の１次微分であって（Ｖｊ−Ｖｊ−１）計算を（Ｉｊ−Ｉｊ−１）計算で除した値と同じであり、Ｖｊは前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされたセル電圧値であり、Ｖｊ−１は前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされたセル電圧値であり、Ｉｊは前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされた電流値であり、Ｉｊ−１は前記第３更新頻度と関連する前記現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされた電流値であり、ｓｍｏｏｔｈｉｎｇＦｉｌｔｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ（）は再帰形平滑フィルタである、請求項３から７のいずれか一項に記載のバッテリーモニタリングシステム。
【請求項９】
前記再帰形平滑フィルタは、一次遅れフィルタ、単一指数平滑フィルタまたは二重指数平滑フィルタである、請求項８に記載のバッテリーモニタリングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリーモニタリングシステムに関し、より詳しくは、バッテリーセルに対する正確なオーム抵抗を推定及び決定するバッテリーモニタリングシステムに関する。
【０００２】
本出願は、２０１８年１１月２３日出願の米国特許出願第１６／１９８，９５５号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に援用される。
【背景技術】
【０００３】
図２は、図１のバッテリーセルに関連するバッテリーセルの等価回路モデルの概略図である。図３は、図１のバッテリーセルが放電するとき、バッテリーセルに関連する例示的な電流曲線のグラフである。図４は、図１のバッテリーセルが放電するとき、バッテリーセルに関連する例示的な電圧曲線のグラフである。
【０００４】
図２を参照すると、流れる電流に対するバッテリーセル１２の電気的応答を示すのに用いられる等価回路モデル６０が示されている。等価回路モデル６０の主要要素のうち一つは、抵抗８０のＤＣ抵抗値Ｒ０（本明細書では「オーム抵抗値」とも称する）である。オームの法則（Ｏｈｍ'ｓ  Ｌａｗ）によれば、抵抗８０を経た電圧降下は抵抗８０を通過する電流と抵抗８０の抵抗値とを乗じた関数である。このような電圧降下及び関連ｉ２Ｒ電力損失は、バッテリーセル７０の意図されたアプリケーションに利用できない電力である。バッテリーセルの寿命初期（ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ  ｏｆ  ｌｉｆｅ）段階で、オーム抵抗値Ｒ０はそれぞれ最も小さい値である。しかし、カレンダーエイジ（ｃａｌｅｎｄａｒ  ａｇｅ）及び電流処理量（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）によるバッテリーセルの老化は、Ｒ０値の増加をもたらす。Ｒ０値の増加は、電力伝達に関連するシステムの能力に重要な影響を及ぼすため、マイクロコントローラの役割のうち一つは、持続的にＲ０値の増加をモニタリング及び推定することである。
【０００５】
Ｒ０の推定は、オームの法則「Ｖｖｏｌｔａｇｅ＝Ｉｃｕｒｒｅｎｔ×Ｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ」に基づく。
【０００６】
図３及び図４を参照すると、例示的な電流曲線２５０及び例示的な電圧曲線２６０が示されている。時間ｔ＝０における電流値は０Ａ（例えば、図３及び図４で０〜２５ｍｓ）であるため、抵抗８０を通じた電圧降下０Ｖであり、＋／−端子における開放回路電圧（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）はバッテリーセル自体の電圧と同一である。ｔ＝１（例えば、図３及び図４でｔ＝２５ｍｓ）でバッテリーセル端子に負荷が接続し、それによるｔ＝２５ｍｓでの瞬間的な電流変化は端子でＩｃｕｒｒｅｎｔ×Ｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅほどの電圧降下を引き起こし得る。この値は開放回路電圧（ＯＣＶ）Ｖｔ＝０と端子における新たな電圧Ｖｔ＝１との差によって決定される。
【０００７】
このような値、（Ｖｔ＝１−Ｖｔ＝０）または△Ｖのような抵抗８０を経た電圧降下値、及び抵抗８０に流れる電流値またはＩｔ＝１の電流値が分かれば、Ｒ０はＲ０＝△Ｖ／Ｉｔ＝１として決定される。
【０００８】
オームの法則の数式は数学的に正確な関係である。しかし、リアルタイム組込みソフトウェアシステムに適用するには実質的な制限がある。「Ｒ０＝△Ｖ／△Ｉ」は、電流変化直後のセル電圧を持続的に測定する場合にのみ理想的である。
【０００９】
任意の時間△ｔ＞０（電流Ｉの値が変わった後）において、等価回路モデル（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の動的な面は電流Ｉと端子で測定されたセル電圧との関係に影響を及ぼす。
【００１０】
もし、△ｔが重要であれば、「Ｒ０＝△Ｖ／△Ｉ」関係はもはや有効ではない。
【００１１】
「Ｒ０＝（Ｖｔ＝（ｉ）−Ｖｔ＝（ｉ−１））÷（Ｉｔ＝（ｉ）−Ｉｔ＝（ｉ−１））」の計算において実質的に困難な点は、ハードウェアとソフトウェアのプロセスにすべて０ではない時間が含まれるという事実である。ここで、Ｉｔ＝（ｉ−１）値の取得後Ｖｔ＝（ｉ−１）値の取得までの△ｔ時間、及びＩｔ＝（ｉ）値の取得後Ｖｔ＝（ｉ）値の取得までの△ｔ時間がすべて０に近い。このような電圧と電流の実際アナログ値はハードウェアによって取得され、ハードウェアでアナログからデジタル形式に変換され、このような値のデジタル形式はコンピュータソフトウェアのドメインに入力され、Ｒ０推定値を計算するソフトウェアプロセスに伝達される。
【００１２】
このような段階に含まれた０ではない時間だけでなく、段階自体は頻繁に異なる頻度で実行される。電流値の収集は、１秒当り２００回（２００Ｈｚ）のような一つの速度で行われ得る。セル電圧値の収集は、１０Ｈｚのような異なる速度で行われ得る。最後に、Ｒ０値推定の計算は、例えば５Ｈｚのような、さらに異なる速度で行われ得る。
【００１３】
このような電流及びセル電圧タイミング同期化問題の外にも、それぞれの信号値はそれぞれのセルに対する電流及びセル電圧のサンプルを取得するために用いるハードウェアセンサ固有の電気的ノイズによる誤謬成分を含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
バッテリーモニタリングシステムは、バッテリーパックに備えられたそれぞれのバッテリーセルのオーム抵抗値Ｒ０を正確に理解しなければならない。本発明者は、このような知見を得るため、バッテリーモニタリングシステムがそれぞれのバッテリーセルのＲ０値の推定値を周期的に計算し、推定値に含まれた多様な類型のノイズ関連誤謬が基本的にガウシアンであるとの仮定の下（例えば、Ｒ０値を不正確に過小評価するより不正確に推定され得る）、このような誤謬の影響を減らすか又は無くすため平滑フィルタ（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ  ｆｉｌｔｅｒ）またはスルーレート・リミッタ（ｓｌｅｗ  ｒａｔｅ  ｌｉｍｉｔｅｒ）を用いて推定値の結果を平滑化することを認識した。また、本発明者は、フィルタリングされたオーム抵抗値を得るため、Ｒ０推定計算に用いるための良好な候補電流及びセル電圧の対を識別及び選択し、識別可能な同期化及び電気的ノイズ関連誤謬の電流及びセル電圧対をフィルタリングするバッテリーモニタリングシステムを考案した。
【００１５】
本発明の他の目的及び長所は、下記する説明によって理解でき、本発明の実施形態によってより明らかに分かるであろう。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示される手段及びその組合せによって実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
一実施形態によるバッテリーモニタリングシステムが提供される。バッテリーモニタリングシステムは、バッテリーセルと電気的に直列で接続された電流センサを含む。バッテリーモニタリングシステムは、バッテリーセルと電気的に並列で接続された電圧センサをさらに含む。バッテリーモニタリングシステムは、１秒当りＭ回の第１更新頻度で電流センサからバッテリーセルに流れるセル電流のセル電流値を取得するマイクロコントローラをさらに含む。マイクロコントローラは、セル電流値の取得と並行して、電気的接地に対して１秒当りＮ回の第２更新頻度で電圧センサからバッテリーセルのセル電圧値を取得する。ここで、Ｍ≧Ｎである。マイクロコントローラは、１秒当りＲ回の第３更新頻度で、セル電流値のうち二つのセル電流値を用いてセル電流の変化率を決定する。ここで、Ｒ＜Ｍであり、Ｒ＜Ｎである。また、マイクロコントローラは、第３更新頻度で、セル電圧値のうち二つのセル電圧値を用いてセル電圧の変化率を決定する。また、セル電圧の変化率の数値符号とセル電流の変化率の数値符号とが同一であり、セル電圧の変化率が許容可能なセル電圧の変化率の上限値以下であり、セル電圧の変化率が許容可能なセル電圧の変化率の下限値以上であれば、マイクロコントローラは、第３更新頻度で、フィルタリングされたセル電圧の変化率、セル電流の変化率、及び予めフィルタリングされたオーム抵抗値に基づいてフィルタリングされたオーム抵抗値を決定する。
【発明の効果】
【００１７】
本明細書に記載のバッテリーモニタリングシステムは、他のシステムに比べて実質的な利点を提供する。特に、バッテリーモニタリングシステムは、バッテリーセルのフィルタリングされたオーム抵抗値を取得するため、Ｒ０推定値の計算に用いるための電流及びセル電圧対の良好な候補を識別及び選択し、識別可能なタイミング同期化及び電気的ノイズ関連誤謬が含まれた電流及びセル電圧対をフィルタリングすることができるという技術的効果を提供する。
【００１８】
本明細書に添付される次の図面は、後述する発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態によるバッテリーセルのためのバッテリーモニタリングシステムの概略図である。
【図２】図１のバッテリーセルに関連するバッテリーセルの等価回路モデルの概略図である。
【図３】図１のバッテリーセルが放電するとき、バッテリーセルに関連する例示的な電流曲線のグラフである。
【図４】図１のバッテリーセルが放電するとき、バッテリーセルに関連する例示的な電圧曲線のグラフである。
【図５】第１更新頻度で取得した電流値、第２更新頻度で取得した電圧値、及び第３更新周期で決定されるオーム抵抗値計算のグラフであり、ここで、第１電流値の対Ｉ１、Ｉ２及び第１電圧値の対Ｖ１、Ｖ２はオーム抵抗値の計算に有効な値である。
【図６】第１更新頻度で取得した電流値、第２更新頻度で取得した電圧値のグラフであり、ここで、第１電流値の対Ｉ３、Ｉ４及び第１電圧値の対Ｖ３、Ｖ４はオーム抵抗値の計算に有効ではない値である。
【図７】第１更新頻度で取得した電流値、第２更新頻度で取得した電圧値のグラフであり、ここで、第１電流値の対Ｉ５、Ｉ６及び第１電圧値の対Ｖ５、Ｖ６はオーム抵抗値の計算に有効ではない値である。
【図８】バッテリーセルのフィルタリングされたオーム抵抗値を決定する方法を示したフロー図である。
【図９】バッテリーセルのフィルタリングされたオーム抵抗値を決定する方法を示したフロー図である。
【図１０】バッテリーセルのフィルタリングされたオーム抵抗値を決定する方法を示したフロー図である。
【図１１】バッテリーセルのフィルタリングされたオーム抵抗値を決定する方法を示したフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。
【００２１】
したがって、本明細書に記載された実施形態及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。
【００２２】
また、本発明の説明において、関連公知構成または機能についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にし得ると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
【００２３】
第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちある一つをその他の要素と区別するために使われたものであり、これら用語によって構成要素が限定されることはない。
【００２４】
明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に言及されない限り、他の構成要素を除外するものではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。
【００２５】
さらに、明細書の全体において、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されるとするとき、これは「直接的な連結（接続）」だけではなく、他の素子を介在した「間接的な連結（接続）」も含む。
【００２６】
以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施形態を詳しく説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態によるバッテリーセルのためのバッテリーモニタリングシステムの概略図である。
【００２８】
図１を参照すると、一実施形態によるバッテリーセル１２をモニタリングするバッテリーモニタリングシステム１０が提供される。システム１０は、バッテリーセル１２、電流センサ３２、負荷３４、電圧センサ３６、マイクロコントローラ４２及び外部コンピュータ４３を含む。バッテリーモニタリングシステム１０の長所は、システム１０がバッテリーセル１２のフィルタリングされたオーム抵抗値を得るため、Ｒ０推定計算に用いるための良好な候補電流及びセル電圧の対を識別及び選択し、識別可能なタイミング同期化及び電気的ノイズ関連誤謬を有する電流及びセル電圧の対をフィルタリングすることである。
【００２９】
図１及び図２を参照すると、バッテリーセル１２は、正極端子（＋）及び負極端子（−）を含む。一実施形態において、バッテリーセル１２は、パウチ型リチウムイオンバッテリーセルであり得る。勿論、代案的な実施形態として、他の形態のバッテリーセルが用いられ得る。バッテリーセル１２は、電圧源７０、抵抗８０、８１、８２、８３、キャパシタ９１、９２、９３及び電気ノード１００、１０２、１０４、１０６を有するバッテリーセルの等価回路モデル６０を用いて数学的にモデリングされる。
【００３０】
抵抗８０は、電圧源７０と電気ノード１００との間に接続される。抵抗８１及びキャパシタ９１は、電気ノード１００と電気ノード１０２との間に電気的に並列で接続される。抵抗８２及びキャパシタ９２は、電気ノード１０２と電気ノード１０４との間に電気的に並列で接続される。抵抗８３及びキャパシタ９３は、電気ノード１０４と電気ノード１０６との間に電気的に並列で接続される。電気ノード１０６は電圧源７０にさらに接続される。
【００３１】
抵抗８０は、バッテリーセル１２の内部オーム抵抗値に対応する抵抗値Ｒ０を有する。抵抗８１は、バッテリーセル１２の第１時変（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ）抵抗値に対応する抵抗値Ｒ１を有する。抵抗８２は、バッテリーセル１２の第２時変抵抗値に対応する抵抗値Ｒ２を有する。抵抗８３は、バッテリーセル１２の第３時変抵抗値に対応する抵抗値Ｒ３を有する。キャパシタ９１は、バッテリーセル１２の第１時変キャパシタンスに対応するキャパシタンス値Ｃ１を有する。キャパシタ９２は、バッテリーセル１２の第２時変キャパシタンスに対応するキャパシタンス値Ｃ２を有する。キャパシタ９３は、バッテリーセル１２の第３時変キャパシタンスに対応するキャパシタンス値Ｃ３を有する。バッテリーセル等価回路モデル６０の総正常状態抵抗はＲ０＋Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３である。
【００３２】
図１を参照すると、電流センサ３２は、バッテリーセル１２の正極端子と負荷３４との間に電気的に直列で接続される。電流センサ３２は、バッテリーセル１２に流れる電流レベル（例えば、電流の大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ））をそれぞれ示す電流値を出力し、出力されたそれぞれの電流値はマイクロコントローラ４２によって受信される。
【００３３】
負荷３４は、電流センサ３２とバッテリーセル１２の負極端子との間に電気的に接続される。一実施形態において、負荷３４は、電気モータであり得、外部コンピュータ４３によって電気モータの動作（例えば、速度、トルクなど）が制御される。
【００３４】
電圧センサ３６は、負荷３４と電気的に並列で接続される。電圧センサ３６は、バッテリーセル１２の電圧（例えば、電圧の大きさ）をそれぞれ示す電圧値を出力し、出力された電圧値はマイクロコントローラ４２によって受信される。
【００３５】
マイクロコントローラ４２は、電流センサ３２及び電圧センサ３６と電気的に接続される。マイクロコントローラ４２は、通信バス４４を介して外部コンピュータ４３と動作可能に通信する。マイクロコントローラ４２は、データ、テーブル、及び後述する方法の少なくとも一部を実行するためのソフトウェア命令を記録するためのメモリデバイス１３０を含む。
【００３６】
以下、オーム抵抗値Ｒ０を正確に判断するための電流値対及び電圧値対が時間的に許容可能であるか否かを判断するための基本方法論について簡単に説明する。
【００３７】
図５は、第１更新頻度で取得した電流値、及び第２更新頻度で取得した電圧値、及び第３更新周期で決定されるオーム抵抗値計算のグラフであり、ここで、第１電流値の対Ｉ１、Ｉ２及び第１電圧値の対Ｖ１、Ｖ２はオーム抵抗値の計算のために有効な値である。
【００３８】
図５を参照すると、オーム抵抗値Ｒ０を正確に判断するために有効な電流値の対及び電圧値の対を示したグラフ２７０が示されている。特に、グラフ２７０は、第１更新頻度で取得した複数の電流値（例えば、５ｍｓ毎に取得した電流値）及び第２更新頻度で取得した複数の電圧値（例えば、１００ｍｓ毎に取得した電圧値）を有する。また、Ｒ０のためのオーム抵抗値の計算は第３更新頻度で行われる（例えば、１００ｍｓ以上毎にオーム抵抗値が計算される）。電流値Ｉ１は電圧値Ｖ１よりも比較的にわずかな時間だけ先行し、電流値Ｉ２は電圧値Ｖ２よりも比較的にわずかな時間だけ先行し、このような電流値Ｉ１、Ｉ２及び電圧値Ｖ１、Ｖ２はＲ０のためのオーム抵抗値の計算に時間的に有効な値である。
【００３９】
図６は、第１更新頻度で取得した電流値、第２更新頻度で取得した電圧値のグラフであり、ここで、第１電流値の対Ｉ３、Ｉ４及び第１電圧値の対Ｖ３、Ｖ４はオーム抵抗値の計算に有効ではない値である。
【００４０】
図６を参照すると、有効ではなくて正確なオーム抵抗値Ｒ０を導出できない電流値の対及び電圧値の対を示したグラフ２８０が示されている。特に、グラフ２８０は、第１更新頻度で取得した複数の電流値（例えば、５ｍｓ毎に取得した電流値）及び第２更新頻度で取得した複数の電圧値（例えば、１００ｍｓ毎に取得した電圧値）を有する。電流値Ｉ３は、電圧値Ｖ３よりも比較的にわずかな時間だけ先行するため許容可能である。しかし、電流値Ｉ４は電圧値Ｖ４の後に取得されるため、電流値Ｉ３、Ｉ４及び電圧値Ｖ３、Ｖ４に基づいては正確なオーム抵抗値Ｒ０が計算できないこともある。
【００４１】
図７は、第１更新頻度で取得した電流値、第２更新頻度で取得した電圧値のグラフであり、ここで、第１電流値の対Ｉ５、Ｉ６及び第１電圧値の対Ｖ５、Ｖ６はオーム抵抗値の計算に有効ではない値である。
【００４２】
図７を参照すると、有効ではなくて正確なオーム抵抗値Ｒ０を導出できない電流値の対及び電圧値の対を示したグラフ２９０が示されている。特に、グラフ２９０は、第１更新頻度で取得した複数の電流値（例えば、５ｍｓ毎に取得した電流値）及び第２更新頻度で取得した複数の電圧値（例えば、１００ｍｓ毎に取得した電圧値）を有する。電流値Ｉ５は、電圧値Ｖ５よりも比較的にわずかな時間だけ先行するため許容可能である。しかし、電流値Ｉ６は、電圧値Ｖ６よりも比較的に長い時間（例えば、４．９９ｍｓ）先立って取得されるため、電流値Ｉ５、Ｉ６及び電圧値Ｖ５、Ｖ６に基づいては正確なオーム抵抗値Ｒ０が計算できないこともある。
【００４３】
図１及び図８〜図１１を参照してバッテリーセル１２のフィルタリングされたオーム抵抗値を決定する方法を説明する。
【００４４】
図８〜図１１は、バッテリーセルのフィルタリングされたオーム抵抗値を決定する方法を示したフロー図である。
【００４５】
段階７００において、マイクロコントローラ４２は、電流センサ３２からバッテリーセル１２に流れる電流のセル電流値を１秒当りＭ回の第１更新頻度で取得する。
【００４６】
段階７０２において、セル電流値の取得と時間的に並列して、マイクロコントローラ４２は、電圧センサ３６から接地に対するバッテリーセル１２の電圧値を１秒当りＮ回の第２更新頻度で取得する。ここで、Ｍ≧Ｎである。
【００４７】
段階７０４において、１秒当りＲ回の第３更新頻度で以下のサブ段階が順次に行われる。ここで、Ｒ＜Ｍであり、Ｒ＜Ｎであり、ｊは第３更新頻度と関連する現在動作サイクルに対する参照値であり、ｊ−１は第３更新頻度と関連する以前動作サイクルに対する参照値である。
【００４８】
サブ段階７０６において、マイクロコントローラ４２は、下記の数式１を用いてセル電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）を決定する。
【００４９】
ｄｉ／ｄｔ  ＝  （Ｉｊ  −  Ｉｊ−１）  ／  （ｔｊ  −  ｔｊ−１） …  数式１
【００５０】
ここで、ｄｉ／ｄｔは、時間に対するセル電流の１次微分の計算である。Ｉｊは、第３更新頻度と関連する現在動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされたセル電流値である。Ｉｊ−１は、第３更新頻度と関連する現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされたセル電流値である。ｔｊは、システムが起動した後、第３更新頻度と関連する現在動作サイクルの実行開始から記録された経過時間である。ｔｊ−１は、システムが起動した後、第３更新頻度と関連する現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行開始から記録された経過時間である。
【００５１】
サブ段階７０８において、マイクロコントローラ４２は、下記の数式２を用いてセル電圧の変化率（ｄｖ／ｄｔ）を決定する。
【００５２】
ｄｖ／ｄｔ  ＝  （Ｖｊ  −  Ｖｊ−１）  ／  （ｔｊ  −  ｔｊ−１） …  数式２
【００５３】
ここで、ｄｖ／ｄｔは、時間に対するセル電圧の１次微分の計算である。Ｖｊは、第３更新頻度と関連する動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされたセル電圧値である。Ｖｊ−１は、第３更新頻度と関連する現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行以前に最後にサンプリングされたセル電圧値である。ｔｊは、システムが起動した後、第３更新頻度と関連する現在動作サイクルの実行開始から記録された経過時間である。ｔｊ−１は、システムが起動した後、第３更新頻度と関連する現在動作サイクル以前の動作サイクルの実行開始から記録された経過時間である。
【００５４】
サブ段階７１０において、マイクロコントローラ４２は、下記の数式３を用いて許容可能なセル電圧変化率の上限値を決定する。
【００５５】
ＵｐｐｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣ  ＝  （ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）  ＊  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  ＋  ｘ％  ＊  （ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）  ＊  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  …  数式３
【００５６】
ここで、ＵｐｐｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣは、許容可能なセル電圧変化率の上限値である。ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）は、セル電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）の絶対値である。ＦｉｌｅｒｅｄＲ０ｊ−１は、第３更新頻度と関連する現在動作サイクル以前の動作サイクル中に計算されたセル抵抗値Ｒ０のフィルタリングされた値の結果である。ｘ％は、（ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）×ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）の校正可能な百分率であり、第３更新頻度と関連する現在動作サイクルに対してＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊの計算に用いられるように選択できる許容可能なｄｖ／ｄｔ値の上限値を定義する。
【００５７】
サブ段階７１２において、マイクロコントローラ４２は、下記の数式４を用いて許容可能なセル電圧変化率の下限値を決定する。
【００５８】
ＬｏｗｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣ  ＝  （ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）  ＊  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  −  ｙ％  ＊  （ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）  ＊  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  …  数式４
【００５９】
ここで、ＬｏｗｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣは、許容可能なセル電圧変化率の下限値である。ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）は、サブ段階７０６のセル電流変化率（ｄｉ／ｄｔ）の絶対値である。ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１は、第３更新頻度と関連する現在動作サイクル以前の動作サイクル中に計算されたセル抵抗値Ｒ０のフィルタリングされた値の結果である。ｙ％は、（ａｂｓ（ｄｉ／ｄｔ）×ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）の校正可能な百分率であり、第３更新頻度と関連する現在動作サイクルに対してＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊの計算に用いられるように選択できる許容可能なｄｖ／ｄｔ値の下限値を定義する。
【００６０】
サブ段階７１４において、マイクロコントローラ４２は、（ｓｉｇｎ（ｄｖ／ｄｔ）＝ｓｉｇｎ（ｄｉ／ｄｔ））であって、（ＬｏｗｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣ≦ｄｖ／ｄｔ≦ＵｐｐｅｒＴｈｒｅｓｈｏｌｄＶＲｏｆＣ）であるか否かを決定する。
【００６１】
もし、サブ段階７１４の値が「はい」であれば、マイクロコントローラ４２は、下記の数式５を用いてフィルタリングされたオーム抵抗値ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊを決定する。
【００６２】
ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ  ＝  ｓｍｏｏｔｈｉｎｇＦｉｌｔｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ（ＮｅｗＲａｗＲ０Ｅｓｔｉｍａｔｅ，  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１）  …  数式５
【００６３】
ここで、ＮｅｗＲａｗＲ０Ｅｓｔｉｍａｔｅ＝ｄｖ／ｄｉである。ｄｖ／ｄｉは、セル電流に対するセル電圧の１次微分であって、（Ｖｊ−Ｖｊ−１）計算を（Ｉｊ−Ｉｊ−１）計算で除した値と同じである。ｓｍｏｏｔｈｉｎｇＦｉｌｔｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ（）は、一次遅れフィルタ、若しくは、単一または二重指数平滑フィルタのような再帰形平滑フィルタ（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ  ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ  ｆｉｌｔｅｒ）であって、新たな最小Ｒ０推定値を入力として用いて、すべての以前Ｒ０推定値の履歴はＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１で表される同じフィルタ関数を通じて実行される。
【００６４】
一方、サブ段階７１４の値が「いいえ」であれば、マイクロコントローラ４２は、下記の数式６を用いてフィルタリングされたオーム抵抗値ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊを決定する。
【００６５】
ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ    ＝  ＦｉｌｔｅｒｅｄＲ０ｊ−１    …  数式６
【００６６】
上述した方法は、上記方法を実行するためのコンピュータ実行可能命令語を含む一つ以上のメモリ装置またはコンピュータ可読の媒体の形態として少なくとも部分的に具現される。メモリ装置は、一つ以上のハードドライブ、ＲＡＭメモリ、フラッシュメモリ、及び当業者に知られた他のコンピュータ可読媒体を含む。ここで、コンピュータ実行可能命令語が一つ以上のマイクロコントローラまたはコンピュータにローディングされて実行されるとき、上記一つ以上のマイクロコントローラまたはコンピュータは上記方法の段階を実行するようにプログラミングされた装置になる。
【００６７】
本明細書に記載のバッテリーモニタリングシステムは、他のシステムに比べて実質的な利点を提供する。特に、バッテリーモニタリングシステムは、バッテリーセルのフィルタリングされたオーム抵抗値を取得するため、Ｒ０推定値の計算に用いるための電流及びセル電圧対の良好な候補を識別及び選択し、識別可能なタイミング同期化及び電気的ノイズ関連誤謬が含まれた電流及びセル電圧対をフィルタリングすることができるという技術的効果を提供する。
【００６８】
以上、本発明を単に制限された数の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神と範囲から逸脱しない範囲内の変形例、代案例、代替例または等価例が可能であることは言うまでのない。また、多様な実施形態が上述されたが、本発明はこれら実施形態の一部のみを含むこともあり得ることを理解せねばならない。したがって、本発明の特許請求の範囲は上述した説明によって制限されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年7月17日(2020.7.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図５を参照すると、オーム抵抗値Ｒ０を正確に判断するために有効な電流値の対及び電圧値の対を示したグラフ２７０が示されている。特に、グラフ２７０は、第１更新頻度で取得した複数の電流値（例えば、５ｍｓ毎に取得した電流値）及び第２更新頻度で取得した複数の電圧値（例えば、１００ｍｓ毎に取得した電圧値）を有する。また、Ｒ０のためのオーム抵抗値の計算は第３更新頻度で行われる（例えば、１００ｍｓ以上毎にオーム抵抗値が計算される）。電流値Ｉ１は電圧値Ｖ１よりも比較的にわずかな時間だけ先行し、電流値Ｉ２は電圧値Ｖ２よりも比較的にわずかな時間だけ先行し、このような電流値Ｉ１、Ｉ２及び電圧値Ｖ１、Ｖ２はＲ０のためのオーム抵抗値の計算に時間的に有効な値である。
したがって、図５において、電流値Ｉ１、Ｉ２及び電圧値Ｖ１、Ｖ２に基づいて、オーム抵抗値Ｒ０を「Ｒ０＝（Ｖ２−Ｖ１）÷（Ｉ２−Ｉ１）」の数式によって算出することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
図６を参照すると、有効ではなくて正確なオーム抵抗値Ｒ０を導出できない電流値の対及び電圧値の対を示したグラフ２８０が示されている。特に、グラフ２８０は、第１更新頻度で取得した複数の電流値（例えば、５ｍｓ毎に取得した電流値）及び第２更新頻度で取得した複数の電圧値（例えば、１００ｍｓ毎に取得した電圧値）を有する。電流値Ｉ３は、電圧値Ｖ３よりも比較的にわずかな時間だけ先行するため許容可能である。しかし、電流値Ｉ４は電圧値Ｖ４の後に取得されるため、電流値Ｉ３、Ｉ４及び電圧値Ｖ３、Ｖ４に基づいては正確なオーム抵抗値Ｒ０が計算できないこともある。
したがって、図６において、オーム抵抗値Ｒ０は△Ｖ及び△Ｉに基づいては算出できないこともある。ここで、△Ｖは「Ｖ４−Ｖ３」であり、△Ｉは「Ｉ４−Ｉ３」であり得る。すなわち、図６において、オーム抵抗値Ｒ０は「Ｒ０＝（Ｖ４−Ｖ３）÷（Ｉ４−Ｉ３）」の数式によっては算出できないこともある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
図７を参照すると、有効ではなくて正確なオーム抵抗値Ｒ０を導出できない電流値の対及び電圧値の対を示したグラフ２９０が示されている。特に、グラフ２９０は、第１更新頻度で取得した複数の電流値（例えば、５ｍｓ毎に取得した電流値）及び第２更新頻度で取得した複数の電圧値（例えば、１００ｍｓ毎に取得した電圧値）を有する。電流値Ｉ５は、電圧値Ｖ５よりも比較的にわずかな時間だけ先行するため許容可能である。しかし、電流値Ｉ６は、電圧値Ｖ６よりも比較的に長い時間（例えば、４．９９ｍｓ）先立って取得されるため、電流値Ｉ５、Ｉ６及び電圧値Ｖ５、Ｖ６に基づいては正確なオーム抵抗値Ｒ０が計算できないこともある。
したがって、図７において、オーム抵抗値Ｒ０は△Ｖ及び△Ｉに基づいては算出できないこともある。ここで、△Ｖは「Ｖ６−Ｖ５」であり、△Ｉは「Ｉ６−Ｉ５」であり得る。すなわち、図７において、オーム抵抗値Ｒ０は「Ｒ０＝（Ｖ６−Ｖ５）÷（Ｉ６−Ｉ５）」の数式によっては算出できないこともある。
【国際調査報告】
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