(57)【要約】本発明は、バッテリを充電するための非線形ボルタンメトリ（ＮＬＶ）ベースの方法に関する。それは、この方法を実施する高速充電システムにも関する。適応充電、非線形電圧変化、および緩和が、この方法の重要な礎である。適応充電は、ユーザの時間要件、必要とされる充電容量、ならびにバッテリのＳＯＣおよびＳＯＨに基づいて、システムが充電のバランスを取ることを可能にする。適切な緩和パターンと結合された電圧の非線形変化は、バッテリに負担をかけずに、この方法が最大充電容量を獲得することを可能にする。
2021506221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形ボルタンメトリ（ＮＬＶ）ベースのバッテリシステムを充電するための方法であって、
ａ．複数のバッテリシステム電圧「ｖ」を測定するステップと、
ｂ．複数のバッテリシステム充電電流「Ｉ」を測定するステップと、
ｃ．複数のバッテリシステム温度「Ｔ」を測定するステップと、
ｄ．充電時間ｔchを測定するステップと、
ｅ．複数のバッテリシステム充電状態ＳＯＣを測定するステップと、
ｆ．複数の充電−放電サイクル数「ｎ」を測定するステップと、
ｇ．
【数１】
2021506221.tif 000027
などの関係を適用するステップであって、ここで、
−
【数２】
2021506221.tif 000028
は、電圧の時間増加レート（Ｖ．ｓ-1）であり、
−
【数３】
2021506221.tif 000029
は、充電電流のレートの絶対値（ｍＡ．ｓ-1）であり、
−  Ｋは、０．００６≦Ｋ≦３００である可変パラメータであり、
−  αは、０．０１≦α≦１００である調整可能な定数である、
ステップと
を含むことを特徴とするバッテリシステムを充電するための方法。
【請求項２】
前記バッテリシステムは、１つのセルを備え、またはマルチセルシステムからなることを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項３】
前記マルチセルシステムは、直列および／または並列セル構成で配置されたことを特徴とする請求項２に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項４】
セルの前記電圧は、２Ｖないし５Ｖの間に含まれることを特徴とする請求項２に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項５】
セル内の前記充電電流は、０ないし１０Ｃの間に含まれることを特徴とする請求項２に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項６】
前記セル温度Ｔは、−２０℃ないし＋５５℃の間に含まれることを特徴とする請求項２に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項７】
０％  ＳＯＣから１００％  ＳＯＣまでの前記充電時間ｔchは、１０分ないし２時間の間に含まれることを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項８】
ＳＯＣは、０％ないし１００％の間に含まれることを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項９】
前記サイクル数は、２００≦ｎ≦２０００であることを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項１０】
前記非線形ボルタンメトリ（ＮＬＶ）ベースの方法は、定電流（ＣＣ）、定電流定電圧（ＣＣＣＶ）、およびカスケードパルス充電（ＣＰＣ）プロトコルと組み合わされることを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項１１】
ＣＣプロトコル、ＣＣＣＶプロトコル、およびＣＰＣプロトコルのいずれか１つが、前記ＮＬＶベースの方法の開始時、中間、および終了時に適用されることを特徴とする請求項１０に記載のバッテリシステムを充電する方法。
【請求項１２】
ａ．複数のバッテリシステム電圧「ｖ」を測定するためのセンサと、
ｂ．複数のバッテリシステム電流「Ｉ」を測定するためのセンサと、
ｃ．複数のバッテリシステム温度「Ｔ」を測定するためのセンサと、
ｄ．複数のバッテリシステム電圧「ｖ」を測定するためのセンサと、
ｅ．複数のバッテリシステム充電時間「ｔch」を測定するためのセンサと、
ｆ．バッテリシステム充電状態ＳＯＣを測定するためのコンピューティングシステムと、
ｇ．バッテリシステム充電−放電サイクル数を測定するためのコンピューティングシステムと、
ｈ．
【数４】
2021506221.tif 000030
などの関係を適用するためのコンピューティングシステムであって、ここで、
【数５】
2021506221.tif 000031
は、電圧の時間増加レート（Ｖ．ｓ-1）であり、
【数６】
2021506221.tif 000032
は、充電電流のレートの絶対値（ｍＡ．ｓ-1）であり、
Ｋは、０．００６≦Ｋ≦３００である可変パラメータであり、
αは、０．０１≦α≦１００である調整可能な定数である、
コンピューティングシステムと
を備えたことを特徴とするバッテリ充電システム。
【請求項１３】
前記バッテリシステムは、１つのセルを備え、またはマルチセルシステムからなることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリ充電システム。
【請求項１４】
前記マルチセルシステムは、直列および／または並列セル構成で配置されたことを特徴とする請求項１３に記載のバッテリ充電システム。
【請求項１５】
セルの前記電圧は、２Ｖないし５Ｖの間に含まれることを特徴とする請求項１３に記載のバッテリ充電システム。
【請求項１６】
セル内の前記充電電流は、０ないし１０Ｃの間に含まれることを特徴とする請求項１３に記載のバッテリ充電システム。
【請求項１７】
前記セル温度Ｔは、−２０℃ないし＋５５℃の間に含まれることを特徴とする請求項１３に記載のバッテリ充電システム。
【請求項１８】
０％  ＳＯＣから１００％  ＳＯＣまでの前記充電時間ｔchは、１０分ないし２時間の間に含まれることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリ充電システム。
【請求項１９】
ＳＯＣは、０％ないし１００％の間に含まれることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリ充電システム。
【請求項２０】
前記サイクル数は、２００≦ｎ≦２０００であることを特徴とする請求項１２に記載のバッテリ充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バッテリを充電するための非線形ボルタンメトリ（ＮＬＶ）ベースの方法に関する。それは、この方法を実施する高速充電システムにも関する。
【背景技術】
【０００２】
本特許出願は、２０１７年１２月７日に出願された、シンガポール特許出願ｎ°１０２０１７１０１５１Ｙの優先権を主張する。
【０００３】
「バッテリをより高速に充電するにはどうするか」は、バッテリ蓄電デバイスの始まり以来、数十年の間、十分に答えられずにいた問いである。より重要なことに、リチウムイオンバッテリをより高速に充電することが、モバイルデバイス技術の急速で大規模な使用、ならびに石油優位の自動車によって引き起こされる大気汚染を抑えることの緊急性に起因する、近年における電気自動車（ＥＶ）およびプラグイン電気ハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）の増大する需要のせいで、重大な懸案になった。したがって、今日の世界におけるリチウムイオンバッテリのための高速充電ソリューションは、１０億ドルの価値のある技術革新である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＰＣＴ出願＃ＰＣＴＩＢ２０１８／０５９７０５
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｓ．Ｓ  Ｚｈａｎｇ，  Ｊ．Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １６１  （２００６）  １３８５  −  １３９１
【非特許文献２】Ｒｏｎａｌｄ  Ｂａｒｏｏｄｙ，  “Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｒａｐｉｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ”，  ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｎｅｖａｄａ  Ｌａｓ  Ｗｅｇａｓ，  ２００９
【非特許文献３】Ｄ．  Ａｎｓｅａｎ，  Ｖ．Ｍ．  Ｇａｒｃｉａ，  Ｍ．  Ｇｏｎｚａｌｅｚ，  “Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｆａｓｔ−ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ  ｆｏｒ  Ｌｉ−  ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｉｓ”，  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｏｖｉｅｄｏ，  Ｇｉｊｏｎ，  Ｓｐａｉｎ
【非特許文献４】Ｖｅｎｋａｔａｓａｉｌａｎａｔｈａｎ  Ｒａｍａｄｅｓｉｇａｎ，  Ｐａｕｌ  Ｗ．Ｃ．  Ｎｏｒｔｈｒｏｐ，  Ｓｕｍｉｔａｖａ  Ｄｅ，  “Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−Ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ”，  Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，  Ｓｔ．  Ｌｏｕｉｓ，  Ｍｉｓｓｏｕｒｉ  ６３１３０，  ＵＳＡ
【非特許文献５】Ｅｌｉｅ  Ａｙｏｕｂ，  Ｎａｂｉｌ  Ｋａｒａｍｉ，  “Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｎ  Ｔｈｅ  Ｃｈａｒｇｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｏｆ  ａ  Ｌｉ−ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｙ”，  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｂａｌａｍａｎｄ，  Ｋｏｕｒａ，  Ｌｅｂａｎｏｎ
【非特許文献６】Ｍａｒｔｉｎ  Ｚ．Ｂａｚａｎｔ，  “Ｔｈｅｏｒｙ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｋｉｎｅｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｎｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ  Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ”，  Ｍａｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｍａｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  ０２１３９，  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ，  ２０１２
【非特許文献７】Ｌｉａｎｇ  Ｈｅ，  Ｅｕｇｅｎｅ  Ｋｉｍ，  Ｋａｎｇ  Ｇ．  Ｓｈｉｎ，  “＊−Ａｗａｒｅ  Ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｏｆ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｃｅｌｌｓ”，  Ｔｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｍｉｃｈｉｇａｎ，  Ａｎｎ  Ａｒｂｏｒ，  ＭＩ，  ＵＳＡ，  ２０１６
【非特許文献８】Ｄ．  Ａｎｄｒｅａ，  “Ｂａｔｔｅｒｙ  ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  ｌａｒｇｅ  Ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｐａｃｋｓ”，  Ａｒｔｅｃｈ  Ｈｏｕｓｅ，  ２０１０
【非特許文献９】Ｊｉａｎｇ  ＪＣ，  Ｚｈａｎｇ  ＣＰ，  Ｗｅｎ  ＪＰ，  ｅｔ  ａｌ．  Ａｎ  ｏｐｔｉｍａｌ  ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｌｉ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｆｕｚｚｙ−ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ  Ｖｅｈ  Ｔｅｃｈｎｏｌ  ２０１３；  ６２  （７）：３０００−９
【非特許文献１０】Ｊｉａｎｇ  ＪＣ，  Ｌｉｕ  ＱＪ，  Ｚｈａｎｇ  ＣＰ，  ｅｔ  ａｌ．  Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ  ｃｈａｒｇｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｏｆ  ｐｏｗｅｒ  Ｌｉ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ  Ｉｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ２０１４；  ６１  （１２）：６８４４−５１
【非特許文献１１】Ｉ．−Ｓ．  Ｋｉｍ，  Ｔｈｅ  ｎｏｖｅｌ  ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｕｓｉｎｇ  ｓｌｉｄｉｎｇ  ｍｏｄｅ  ｏｂｓｅｒｖｅｒ．  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ，  １６３  （１）：５８４−５９０，  ２００６
【非特許文献１２】Ｘ．  Ｈｕ，  Ｆ．  Ｓｕｎ，  Ｙ．  Ｚｏｕ，  “Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｃｈａｒｇｅ  ｏｆ  ａ  ｌｉｔｈｉｕｍ−ｉｏｎ  ｂａｔｔｅｒｙ  ｐａｃｋ  ｆｏｒ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｖｅｈｉｃｌｅｓ  ｕｓｉｎｇ  ａｎ  ａｄａｐｔｉｖｅ  ｌｕｅｎｂｅｒｇｅｒ  ｏｂｓｅｒｖｅｒ．  Ｅｎｅｒｇｉｅｓ，  ２０１０
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、現在の定電流定電圧（ＣＣＣＶ）高速充電技術と比較して改善された性能を有する、バッテリのための高速充電を可能にする、新しい非線形ボルタンメトリ（ＮＬＶ）ベースの充電プロトコルを提案することである。
【０００７】
本発明に従うと、バッテリシステムを充電するための方法は、
ａ．複数のバッテリシステム電圧「ｖ」を測定するステップと、
ｂ．複数のバッテリシステム充電電流「ｉ」を測定するステップと、
ｃ．複数のバッテリシステム温度「Ｔ」を測定するステップと、
ｄ．充電時間ｔchを測定するステップと、
ｅ．複数のバッテリシステム充電状態ＳＯＣを測定するステップと、
ｆ．複数の充電−放電サイクル数「ｎ」を測定するステップと、
ｇ．
【０００８】
【数１】
2021506221.tif 000003
【０００９】
などの関係を適用するステップであって、ここで、
−
【００１０】
【数２】
2021506221.tif 000004
【００１１】
は、電圧の時間増加レート（Ｖ．ｓ-1）であり、
−
【００１２】
【数３】
2021506221.tif 000005
【００１３】
は、充電電流のレートの絶対値（ｍＡ．ｓ-1）であり、
−  Ｋは、０．００６≦Ｋ≦３００である可変パラメータであり、
−  αは、０．０１≦α≦１００である調整可能な定数である、
ステップと
を含む。
【００１４】
本発明の別の態様に従うと、
ｈ．複数のバッテリシステム電圧「ｖ」を測定するためのセンサと、
ｉ．複数のバッテリシステム電流「ｉ」を測定するためのセンサと、
ｊ．複数のバッテリシステム温度「Ｔ」を測定するためのセンサと、
ｋ．複数のバッテリシステム電圧「ｖ」を測定するためのセンサと、
ｌ．複数のバッテリシステム充電時間「ｔch」を測定するためのセンサと、
ｍ．バッテリシステム充電状態ＳＯＣを測定するためのコンピューティングシステムと、
ｎ．バッテリシステム充電−放電サイクル数を測定するためのコンピューティングシステムと、
ｏ．
【００１５】
【数４】
2021506221.tif 000006
【００１６】
などの関係を適用するためのコンピューティングシステムであって、ここで、
−
【００１７】
【数５】
2021506221.tif 000007
【００１８】
は、電圧の時間増加レート（Ｖ．ｓ-1）であり、
−
【００１９】
【数６】
2021506221.tif 000008
【００２０】
は、充電電流のレートの絶対値（ｍＡ．ｓ-1）であり、
−  Ｋは、０．００６≦Ｋ≦３００である可変パラメータであり、
−  αは、０．０１≦α≦１００である調整可能な定数である、
コンピューティングシステムと
を備えるバッテリ充電システムが提案される。
【００２１】
バッテリシステムは、１つのセルを備えること、またはマルチセルシステムから成ることができ、直列および／または並列セル構成で配置されることができる。
【００２２】
セルの電圧は、例えば、２Ｖないし５Ｖの間に含まれ、セル内の充電電流は、０ないし１０Ｃの間に含まれることができる（ｎＣレートは、
【００２３】
【数７】
2021506221.tif 000009
【００２４】
時間のフル充電時間を可能にする一定の充電電流として定義され、すなわち、１０Ｃレートの下では、充電時間は、
【００２５】
【数８】
2021506221.tif 000010
【００２６】
時間＝６分である）。
【００２７】
セル温度Ｔは、−２０℃ないし＋５５℃の間に含まれることができ、０％  ＳＯＣから１００％  ＳＯＣまでの充電時間ｔchは、１０分ないし２時間の間に含まれる。ＳＯＣは、０％ないし１００％の間に含まれることができ、サイクル数は、２００≦ｎ≦２０００である。
【００２８】
リチウムイオンバッテリを高速に充電するための非線形ボルタンメトリ（ＮＬＶ）ベースの適応充電プロトコル（ＡＣＰ）が、約１０分の時間でバッテリを充電するために開発された。これは、任意の種類のバッテリに適用されることができる、２つの高速充電方法の組み合わせである。それは、記憶なし充電モデルとしても、記憶ベースの充電モデルとしても機能する。バッテリの化学的性質についての履歴データが、利用可能である場合、このプロトコルは、最良の充電性能を提供するために、それらを使用するように、自動的に調整される。
【００２９】
それが、いかなる履歴データまたは固有データも有さないランダムバッテリを充電することになった場合、それのΔＳＯＣについてのクイック学習モデルは、それを迅速、安全に充電するのに妥当である。そればかりでなく、それは、充電のためのそれのプロトコルを調整するとき、ユーザの要件およびいくつかのシステム要件についても（それがそれらを検出する限り）検討する。したがって、これは、バッテリを高速に充電するための汎用プロトコルと見なされることもできる。
【００３０】
この方法を使用すると、バッテリは、約１０分の時間でフル充電されることができる。平均的なケースにおいては、それは、バッテリを約２２ないし２４分の時間で充電する。繰り返し試験を通して、この充電プロトコルは、容量減衰に大きく影響しないことが判明した。さらに、これは、任意の種類のバッテリを高速充電するためのモデルとすることができるが、それは、このプロトコルの原理が、バッテリに、それのΔＳＯＣおよびＳＯＨに応じて、任意の時点で、それ自体の好都合な電流を用いて充電させることであるからである。
【００３１】
適応充電、非線形電圧変化、および緩和が、このプロトコルの重要な礎である。適応充電は、ユーザの時間要件、必要とされる充電容量、ならびにバッテリのＳＯＣおよびＳＯＨに基づいて、システムが充電のバランスを取ることを可能にする。適切な緩和パターンと結合された電圧の非線形変化は、バッテリに負担をかけずに、この方法が最大充電容量を獲得することを可能にする。セルインピーダンスが、放電終止（ＥＯＤ）に向かって増加するにつれて（非特許文献１を参照）、プロトコルは、開始ＳＯＣにおいて、高速ＮＬＶステップ、または構成可能な定電流（ＣＣ）充電のどちらかを使用する。ＮＬＶベースの充電の終了時に、システムが、期待充電に達することができなかった場合、適応プロトコルは、バランス容量を獲得するために、別のＣＣ充電を使用すべきかどうかを決定する。以下は、ＮＬＶ充電について要約している。
【００３２】
本発明のＮＬＶベースの充電プロトコルは、定電流プロトコル（ＣＣ）、定電流定電圧プロトコル（ＣＣＣＶ）、および特許文献１において説明されているカスケードパルス充電プロトコルなど、他の高速充電プロトコルと組み合わせて適用されることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面を見ることで、より良く理解されるようになる。
【図１】本発明に従った、適応充電プロトコルを実施する高速充電システムの機能図である。
【図２】ＮＬＶベースの充電プロセスの電圧プロファイルおよび電流プロファイルを示す図である。
【図３】ＡＣＰ−ＮＬＶ充電プロトコル：プロセスフローを示す図である。
【図４】初期ＳＯＣの可能性のある範囲を示す図である。
【図５】電流変化のセグメントを示す図である。
【図６】ＫおよびＳｔｅｐＴｉｍｅをトレーニングするプロセスフローを示す図である。
【図７】充電の初期部分の間の、第１の（１ないし２）分の間の［約０％  ＳＯＣにおける］Ａ  Ｋ値プロファイルを示す図である。
【図８】充電の初期部分の間の、（１１ないし１６）分の間の［約４０％  ＳＯＣにおける］Ａ  Ｋ値プロファイルを示す図である。
【図９】充電の初期部分の間の、（２３ないし２５）分の間の［約９５％  ＳＯＣにおける］Ａ  Ｋ値プロファイルを示す図である。
【図１０】「終止電圧」を制御するプロセスフローを示す図である。
【図１１】ランダム試験１の電圧プロファイルおよび電流プロファイルを示す図である。
【図１２】ランダム試験１の電圧プロファイルおよび電流プロファイルを示す図である。
【図１３】ＮＬＶ充電：ちょうど２３．３分で６６０ｍＡｈまでフル充電されて終了されたＮＬＶ充電中の電流対Ｋ値、ランダム試験１を示す図である。
【図１４】ＮＬＶ充電：ちょうど２５．３分で６６０ｍＡｈまでフル充電されて終了されたＮＬＶ充電中の電流対Ｋ値、ランダム試験２を示す図である。
【図１５】Ｌｏｇ１０ベースの目盛でＫ値変化を示す図である。
【図１６】ＮＬＶ充電：「Ｋ値」および「ＳＯＣ対時間を示す図である。
【図１７】「Ｋ」値対ＳＯＣを示す図である。
【図１８】１３４５０個のセルがちょうど２２分で９８％の充電を獲得した、ランダム試験３の結果を示す図である。
【図１９】電流の低下に対するＫ値電圧ランプ補償を示す図である。
【図２０】平均充電時間が２３．４５分のＮＬＶベースの充電中における、充電容量および放電容量対サイクル数を示す図である。
【図２１】ＮＬＶを使用する充電サイクル数個の間の電流対時間を示す図である。
【図２２】ＮＬＶベースの充電サイクル数個にわたる電圧対時間を示す図である。
【図２３】２１００ｍＡｈセルについて測定されたＮＬＶ充電プロファイルを示す図である。
【図２４】ＬＩＲ１３４５０円筒セルに対して行われた温度分析を示す図である。
【図２５】（平均）持続時間が３６分のＮＬＶのみの充電プロファイル／放電プロファイルを示す図である。
【図２６】３０分高速充電を用いる日次充電スケジュールを示す図である。
【図２７】充電時間が３６分の充電／放電容量またはセルを示す図である。
【図２８】充電時間が３０分のＮＬＶ対ＣＣＣＶの比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
この適応充電プロトコル（ＡＣＰ）は、バッテリを充電する期間にわたって、非線形ボルタンメトリ（ＮＬＶ）ベースの制御に基づいている。それは、バッテリが、それ自体の劣化状態（ＳＯＨ）および充電状態（ＳＯＣ）に基づいて、異なる電圧レベルにおいて、容認可能な電流（アンペア）量で充電することを可能にする。したがって、バッテリ内への電流引き込みの量は、いかなるときも、このプロトコルによって決して制御されず、または強要されない。
【００３５】
この方法を使用して、２５分未満で、バッテリが（８０％よりも多く）充電されることができることが予測可能であっても、それは、充電時のバッテリの劣化（ＳＯＨ）に基づいて、延長または短縮されてよい。それは、ほとんどが異なるパターン／波形の高電流（Ｉ）を課している、他の高速充電方法［非特許文献２、３、５を参照］と比較して、より良い安全性も保証する。そのため、最も重要なことに、このＡＣＰ方法は、それの劣化を考慮せずに、セルを通して大きい固定負荷の電子を引き込むことによって、バッテリに負担をかけない。
【００３６】
リチオ化／脱リチオ化（インターカレーション／デインターカレーション）、溶媒およびセパレータを通したイオン／電子のシューティング／フローティング、内部インピーダンス（ＩＲ）などに対抗しての電荷の輸送など［非特許文献４、６を参照］、バッテリ粒子動力学の反応速度論における平衡は、バッテリがどれほど劣化しているか？／充電／放電の間にどれだけの電流が一度にバッテリシステムによって取られる／与えられることができるか？を決定する。この平衡は、「電流の変化率
【００３７】
【数９】
2021506221.tif 000011
【００３８】
」と「電圧の変化率
【００３９】
【数１０】
2021506221.tif 000012
【００４０】
」との間の関係として表現されることができると我々は信じる。したがって、以下の関係が、このプロトコルを作り上げる際に使用され、
【００４１】
【数１１】
2021506221.tif 000013
【００４２】
ここで、
Ｋn：「Ｋ値」は、充電中のある期間のための定数であり、ｎ≧０であり、
【００４３】
【数１２】
2021506221.tif 000014
【００４４】
（ボルト／秒）：これは、充電プロセス中の電圧（Ｖ）の変化率であり［（Ｖｓｔｅｐ終了−Ｖｓｔｅｐ開始）／ステップ時間持続時間］、
【００４５】
【数１３】
2021506221.tif 000015
【００４６】
（ｍＡ／秒）：これは、充電プロセス中の電流（Ｉ）の変化率の絶対値であり、
α：これは、０＜α＜１００である調整可能な係数であり、それは、この式が、バッテリの異なる種類に基づいて、電流と電圧との間の非線形関係を得ようとする余地を作る。これは、充電プロセスに最も良く適するように、システムによってトレーニングされもする。
さらに、α＝１についての関係は、
【００４７】
【数１４】
2021506221.tif 000016
【００４８】
と簡略化されることができる。
【００４９】
リチウムイオンバッテリの文献から、バッテリの化学的性質が、電圧プロファイルの固有特性を提供することが明白である。（低いＳＯＣを伴う）あるより低い電圧内においては、セルは、（高いインピーダンスのせいで）非常に低い電流を引き込もうとし、一方、より高い電圧（より低い分極を伴う高いＳＯＣ）においては、高電流を引き込むポテンシャルが、著しく高い［非特許文献１を参照］。いくつかのセルは、これらの高電流が許容されることができる、電圧範囲の非常に狭いフレームを有する。そのため、充電プロセス中に、期待容量（許容電流が、総充電時間を延長する、あるより低いレベルに低下する前に、可能な限り多くの容量）が獲得されるまで、可能な限りより長い時間にわたって、これらの範囲内にバッテリを保つために、高速充電が、適用されるべきである。
【００５０】
以下で与えられるすべての例は、リチウムイオンバッテリに関連する。しかしながら、ＡＣＰは、限定されることなく、固体リチウム、ＮｉＭＨ、ＮｉＣｄ、ＬＡＢ、アルカリ電池、ＮａＳ、ＮａＮｉＣｌ2、レドックスフロー（ＺｎＢｒ、ＶＲＢ）、．．．を含む、すべての種類の再充電可能なバッテリに適用される。
【００５１】
「ＮＬＶ上のＡＣＰ」は、非線形ボルタンメトリ（ＮＬＶ）充電に基づいた適応充電プロトコル（ＡＣＰ）のことである。プロトコルは、与えられた充電要件に対してより良く応答するように、それ自体の充電プロファイルを調整するために、いくつかのユーザ主導およびシステム／バッテリ主導の因子に適応するので、それは、適応的である。ユーザの期待充電時間（持続時間）、充電の期待パーセンテージ（１００％、８０％、または６０％など）、可能な緩和時間、および初期充電状態（ＳＯＣ）は、適応プロセスのユーザ主導の因子のうちのいくつかである。同様にシステム／バッテリ主導の因子となる、エントロピおよびエンタルピベースの方法を使用して、現在のＳＯＣの識別が、自動的に処理されるようにも設計した。劣化状態（ＳＯＨ）、宣言（公称）容量、安全性電圧範囲、電圧制御の利用可能な正確性、およびバッテリの分極プロファイルは、自動的に検出される／システム主導の因子のうちのいくつかである。
【００５２】
ＮＬＶ充電中、バッテリセルは、非線形に変化し、ステップ毎に徐々に増加する、ある電圧（ＣＶ）に設定される。したがって、バッテリは、一連のクイック充電ステップにわたる期間の間、非線形電圧（ＮＬＶ）に基づいて、充電される。
【００５３】
これらのステップの各々の間、セルは、まさに特定の時間における、それの充電状態（ＳＯＣ）および劣化状態（ＳＯＨ）の両方に基づいて、ある量の電流を引き込む。その後、電流は、徐々に低下する。あるステップにおいて、どれだけ速く電流が低下するかは、バッテリがそのＮＬＶステップにとどまることをどれほど望むか、または望まないかについてのある手掛かりを提供する。このようにして、バッテリがより多くの電流を引き込みたがっているときは常に、より多くのステップ時間を割り当て、それがそれの引き込み電流を大幅に低下させようと試みるときは、より少ないステップ時間を割り当てることができる。
【００５４】
あらゆるステップの後、それの新しい充電を有して安定するように、ゼロ（０）電流を用いた非常に短い緩和が、システムに適用され、したがって、ＯＣＶは、それの安定した（またはほぼ安定した）レベルまで低下する。これは、次のＮＬＶ充電ステップが、あらかじめ高電流を課すことなく、それのステータスに基づいて、最適な電流を獲得するための、より良い機会を生む［非特許文献７、８を参照］。このようにして、プロトコルは、あらゆるステップの後、（長すぎる緩和に多くの時間を浪費することもなく、可能な限り）安定かつ健全であるようにセルをトレーニングし、次のステップが、それが緩和なしに行われた場合よりも多くの電流を獲得するように、それをより良く準備する。しかし、あるステップについて、電流低下の量が、著しくない場合、システムは、次のステップに対して移動せずに、そのステップにより長くとどまることを可能にする。このケースにおいては、電流低下のレート、およびステップのそのような継続のための最大許容時間は、次のステップに対して移動する時間を決定するために、監視される。
【００５５】
システムは、適応パラメータに基づいて、「ステップのそのような継続のための最大許容時間」を決定する。そのため、電流の急速な低下、または「ステップのための最大許容時間」の超過が、検出されたときは常に、システムは、次の充電ステップに対して移動する。したがって、フル充電のためにそれが要する実際の時間は、バッテリのＳＯＣおよびＳＯＨの両方に依存する。
【００５６】
さらに、充電システムは、充電の終了を決定するために、３つのパラメータを要する。第１に、バッテリが、宣言および獲得された容量に基づいて、フル充電された場合。第２は、最大目標終止電圧に達した場合。「目標終止電圧」は、関連するバッテリの種類／化学的性質の分極データに基づいて、システムによって自動的に調整される。第３の任意選択の因子は、充電時の（ある時間窓にわたって検査することによる）リアルタイムパラメータに基づいて、充電状態を決定するための、充電プロファイルの自己学習モデルである。
【００５７】
図１は、ＮＬＶ充電プロセス中の電流および電圧のプロファイルを示している。いくつかのステップは、他と比較して、より長い時間をかけて、同じ電圧にとどまった。たいてい、これらのステップは、時間とともに大幅に低下することなく、より多くの電流を引き込む。そのため、システムは、より安定であり、セル内により多くの電流を受け入れ、より多くの電荷を輸送するポテンシャルを有する。加えて、最初に、各電圧ステップは、それがある高電流を引き込み始めるまでに、非常に短い持続時間を与え、急速に変化したことも明らかである。これは、より低いＳＯＣにおいて高い分極に対抗する良い例でもある［非特許文献９、１０を参照］。
【００５８】
また、頻繁な緩和が、この期間中に適用された。同様の状況は、ステップが複数の緩和を伴って頻繁に変化させられた、終了時に見られることができ、これは、引き込まれた高電流がそれほど安定でなく、非常に急速に低下する傾向にあるときである。
【００５９】
図２は、重要なプロセスのフロー図としての、ＮＬＶベースの充電プロセスを示している。以下のセクションは、これらの主要プロセスの各々についての詳細を説明する。
【００６０】
［Ａ］初期ＳＯＣの発見
システムは、ＳＯＣ獲得に依存するので、これは、任意選択プロセスである。任意の外的方法を使用してこれを測定してもらうことは、システムがそれの性能を改善する助けにもなる。
【００６１】
したがって、初期ＳＯＣを決定するために、いくつかの方法が探究された。ファジー論理を使用する熱力学ベースのＳＯＣ予測は、識別された正確でより高速な方法の１つである。他のいくつかの可能性のある方法は、参考文献［非特許文献１１、１２を参照］の中にも見出されることができる。そのため、システムは、０％（ＳＯＣ）から１００％（ＳＯＣ）への充電を提供するばかりでなく、任意の部分的充電もサポートする。図３を参照すると、この初期ＳＯＣは（利用可能である場合）、初期「Ｋ」値を決定するために使用されることもできる。
【００６２】
［Ｂ］ＡＣＰ−ＮＬＶ充電を初期化する
このプロトコルの初期化パラメータは、２つの主要セクションにカテゴライズされることができる。
１）ユーザ選好パラメータ
ａ）充電のための期待時間持続（ＥＴＤ）：１５分で充電すべきか、それとも３０分で充電すべきかなど。
【００６３】
ｂ）定電流［ＣＣ］利用を有効化する：これを選択することは、ＮＬＶベースの充電を適用する前に、ＣＣベースの利用を使用することをシステムに強制する。しかし、これは、任意選択である。このＣＣ充電のためのデフォルト電流は、３Ｃであり、時間持続は、３分である。しかし、それらは、構成可能である。
２）システムパラメータ
ａ）ｓｔａｒｔＶｏｌｔａｇｅ：充電が開始する直前のバッテリのＯＣＶ。
【００６４】
ｂ）ｎｌｖＳｔａｔｅｄＣａｐａｃｉｔｙ（ＳＣ）：製造業者が定めた／実験的に判明したバッテリの容量。これは、Ｃレートを計算するために使用される。
【００６５】
ｃ）ｎｌｖＳｔｅｐＩｎｔｅｒｖａｌ（ＣＳＴ）：充電／ｎｌｖ充電の１ステップの持続時間。ＮＬＶ充電は、一連の短いステップを通してモデル化する。各ステップ中に、次の期待電圧が、計算され、充電され、関連パラメータを更新する。
【００６６】
ｄ）ｎｌｖＳｔｅｐｓＰｅｒＦｒａｍｅ（ＣＦＳ）：フレームと見なされるステップの数。
【００６７】
フレームは、次の可能性のある電圧を決定するために、いくつかの数式（ＩおよびＶの平均微分係数）を適用するように束ね上げられた、隣接ステップのセットである。フレーム全体は、最初は、フレーム内のステップの数（ＣＦＳ）に等しい、一連の知られたＬＶベースの充電ステップによって満たされる。その後、あらゆるステップ（ＣＴＳ）の後に、フレームの最終要素だけが、新しいデータを用いて更新され、他のすべての要素は、場所１つ後方にシフトされ、第１の要素を捨てさせる。これは、充電プロセス全体の間、実施される。
【００６８】
ｅ）ｆｒａｍｅＣｕｒｒｅｎｔＡｒｒ：あらゆるステップ時間（ＣＴＳ）持続の後に更新される電流のフレーム配列。
【００６９】
ｆ）ｆｒａｍｅＶｏｌｔａｇｅＡｒｒ：あらゆるステップ時間（ＣＴＳ）持続の後に更新される電流のフレーム配列。
【００７０】
ｇ）ｎｌｖＩｎｉｔｉａｌＳｌｏｐｅＤｕｒａｔｉｏｎ：これは、線形ボルタンメトリ（ＬＶ）ベースの充電のためにかかる時間持続である。
【００７１】
ｈ）ｌｖＥｑｕａｔｉｏｎ：ＮＬＶ充電の［第１のフレームを満たすための］まさに第１のステージのためのＬＶ値を生成するために使用される線形方程式。
【００７２】
ｉ）ｎｌｖＥｎｄＴａｒｇｅｔＶｏｌｔａｇｅ：ＬＶベースの充電計算のための終止電圧。これは、デフォルトで４．２Ｖである。
【００７３】
ｊ）ｎｌｖＩｎｉｔＶｏｌｔＡｒｒ：ＬＶベースの電圧ステップを有するフレームサイズ（ＣＦＳ）の電圧配列。
【００７４】
ｋ）ｎｌｖＫＶａｌｕｅ：それから開始する第１の／デフォルトのＫｎ値［バッテリに対するＬＶベースの分析によって事前に定められることが仮定される］。後で、これは、より高速な充電をサポートするために、システムによってトレーニングされる。
【００７５】
ｌ）ｍｉｎＶｏｌｔａｇｅおよびｍａｘＶｏｌｔａｇｅ（Ｖｍａｘ、Ｖｍｉｎ）：安全性目的でシステムによってサポートされる最小／最大電圧。
【００７６】
ｍ）ｃＲａｔｅＲｅａｌＴｉｍｅ：引き込まれた電流に基づいて、リアルタイムＣレートが測定される：例えば、Ｃレート＝電流／ｎｌｖＳｔａｔｅｄＣａｐａｃｉｔｙ
ｎ）ｃＲａｔｅＭｉｎＥｘｐｅｃｔｅｄ：上で定義されたＥＴＤ時間でシステムがフル充電されるかどうかを予期するための最小必要Ｃレート。
【００７７】
ｏ）ｃＲａｔｅＤｒｏｐＴｈｒｅｓｈｏｌｄ：これは、単一の電圧ステップ内において許容される「電流のかなりの低下」である。Ｃレートがこのしきい値を下回るほど低下した場合、システムは、次のステップに対して移行する。
【００７８】
ｐ）ｎｌｖＥｌａｐｓｅｄＣｈａｒｇｅＴｉｍｅ：［ｎｌｖＥＣＴ］は、任意の与えられた時間において充電のためにかかる時間持続である。
【００７９】
［Ｃ］３分間、ＣＣ［定電流］充電を適用する
このモードが、選択された場合、高速充電に向けてバッテリを利用するために、３Ｃの定電流（ＣＣ）が、より短い期間にわたって適用される。デフォルト期間は、３分であるが、ＣＣ電流およびこの短い期間は、ともに構成可能である。
【００８０】
ＣＣ充電の間、１０ステップ毎の後に、緩和［Ｃ．１  休止、１ステップ時間（ＣＴＳ）にわたって「０」電流］が、適用される。ＣＣベースの充電が、ひとたび完了すると、次のプロセスに対して移動する前に、より長い緩和（３ＣＴＳ）が、適用される。
【００８１】
［Ｄ］初期フレーム、ＬＶベースの充電
このステップは、ＮＬＶ充電のための初期化／キックスタートプロセスとして使用される。次の非線形設定電圧を計算するためのＮＬＶプロセスのために、電流値および電圧値のフレームが、必要とされる。したがって、開始ポイントとして、非常に短い期間（１フレーム持続時間）の間、バッテリを充電するために、他のいくつかの方法が、必要とされる。これは、高い分極が高速充電を妨げる、より低いＳＯＣ段階からバッテリを押しやる、いくらかの容量も獲得する。
【００８２】
したがって、以下の方法のうちのいずれも、このキックスタートに適している。
【００８３】
−  線形掃引ボルタンメトリ（ＬＳＶ）ベースの充電
−  線形掃引アンペロメトリ（ＬＳＡ）ベースの充電
−  定電流定電圧（ＣＣＣＶ）ベースの充電
−  特許文献１に記載のカスケードパルス充電プロトコル（ＣＰＣ）
説明を簡潔にするために、キックスタート方法として、ＬＳＶが使用された。
【００８４】
１．上述の緩和の後、バッテリの開始電圧（Ｖ  ｓｔａｒｔ）を読み取る。
【００８５】
２．バッテリの期待初期終止電圧（Ｖ  ｉｎｉｔ−ｅｎｄ）を読み取る。これは、バッテリを害することなく、高電圧においてより大きい範囲を獲得するために、設定される。
【００８６】
３．線形ボルタンメトリ（ＬＳＶ）を使用し、充電プロセスを開始するために、電圧要素の配列［ａｒｒａｙ−ｌｖ］を取得する。
【００８７】
Ｖ  ｎｅｘｔ＝Ｖ  ｓｔａｒｔ＋時間間隔×Ｖ  ｓｌｏｐｅ
Ｖ  ｓｌｏｐｅは、［ＥＴＤ＝２０分の場合］２０分の時間でバッテリを充電するためのものとして取られた。
【００８８】
４．以下の構成パラメータを定義する。
【００８９】
ａ．測定間隔（ｔｓ）
ｂ．ステップ間隔（ｄｔ）［デフォルトでＣＴＳ］
ｃ．フレーム当たりのステップの数（ｆｒａｍｅ−ｓｉｚｅ、ＣＦＳ）
ｄ．宣言容量（Ｃａｐａｃｉｔｙ−ｓｔａｔｅｄ）
ｅ．許容される最大電圧（Ｖ  ｍａｘ−ｅｎｄ）
ｆ．「ｆｒａｍｅ−ｓｉｚｅ」のＶｏｌｔａｇｅＦｒａｍｅ配列サイズ
ｇ．「ｆｒａｍｅ−ｓｉｚｅ」のＣｕｒｒｅｎｔＦｒａｍｅ配列サイズ
５．ステップからなるフレームをＬＶ配列から取る。
【００９０】
「ｆｒａｍｅ−ｓｉｚｅ」の要素からなるサブ配列を、ステップ３で定義された「ａｒｒａｙ−ｌｖ」から選択する。
【００９１】
６．１フレームの持続時間の間だけ、「ａｒｒａｙ−ｌｖ」ベースの電圧シリーズを通して、線形ボルタンメトリベースの充電を適用し始める。各ステップにおいて電流および電圧を測定し、関連するフレーム配列に入れる。これらは、電流および電圧の変化の勾配を計算するために使用される。
【００９２】
［Ｅ］データフレーム（Ｖ、Ｉ、Ｔ）および容量を更新する
あらゆるステップの後に、電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）、および温度（Ｔ）の更新が、行われるべきである。したがって、各ステップについて、次のステップをトリガする直前に、更新が行われる。そのため、容量獲得を計算するために取られる電流は、そのＣＴＳ時間フレーム（デフォルトケースでは２秒）の間の最小電流である。さらに、
「パスＸを更新する」から、毎回、次回の／新しい読み取りが、フレーム内の次の要素として記憶される。「プロセスＤ」は、ＣＦＳ数の回数の間だけ続けられるので、フレームは、「プロセスＤ」の完了とともに、完全に満たされる。
【００９３】
「パスＹを更新する」から、あらゆる新しい／次の読み取りが、フレームの最終要素として記憶される。それのすべての先行データは、位置１つ押し返される。そのため、毎回、フレームのまさに第１のアイテムが、削除される。
【００９４】
ＶｏｌｔａｇｅＦｒａｍｅ配列およびＣｕｒｒｅｎｔＦｒａｍｅ配列は、フレーム値を記憶するために満たされ、充電プロセス中、継続的に更新される。
容量を更新する。
【００９５】
ＳＯＣを計算するための単純な方法は、リアルタイムにクーロンカウンティング
【００９６】
【数１５】
2021506221.tif 000017
【００９７】
を使用することであり、ここで、「Ｉ」は、電流であり、「ｄｔ」は、図５を参照すると、ステップの時間持続であり、Ｑnomは、セルの公称容量である。
【００９８】
デフォルトの「ステップ時間」は、２秒として設定された。そのため、バッテリによるいくらかの電流引き込みのときは常に、関連する容量獲得は、上記の式に基づいて計算される（Ｃ＝Ｉ×ｔ、すなわち、電流×時間）。その後、それは、主要な容量獲得に更新される。これは、ＳＯＣを定めるために、その後、ＳＯＣを変更するためのパラメータを制御するために、プロトコルにおいて使用される。
【００９９】
緩和ステップの間は、容量計算はない。
【０１００】
［Ｆ］ＮＬＶに基づいて次の「設定電圧」を発見する［微分係数を計算する］
１．以下の計算のためにＶｏｌｔａｇｅＦｒａｍｅ配列およびＣｕｒｒｅｎｔＦｒａｍｅ配列を使用し、「次のＮＬＶベースの電圧（Ｖ−ｎｌｖ−ｎｅｘｔ）を定める。
【０１０１】
ａ．ランニングフレームについて電流の微分係数（ｄ［Ｉ］／ｄｔ（ｍＡ／秒））の平均を計算する。
【０１０２】
ｂ．「ＶｏｌｔａｇｅＦｒａｍｅ」から最終電圧（「Ｖ−ｎｌｖ−ｐｒｅｖ」）を取る。
【０１０３】
ｃ．「Ｋ値」を定める。
【０１０４】
ｉ．まさに第１の時間については、これは、この種類のバッテリに対する２０分（ＥＴＤ）のＬＶ充電についてのＬＶ分析に基づいて、事前に定められた値である。
【０１０５】
ｉｉ．後続の処理については、システムは、（引き込まれたＣレート、ステップ内における電流低下のレート、およびＳＯＣなど）パラメータのセットに基づいて、「Ｋ値」をトレーニングする（これは、「自己トレーニングされた「Ｋ」を管理する」についてのセクションの下で説明される）。
【０１０６】
ｄ．以下のようにＶ−ｎｌｖ−ｎｅｘｔを定める。
【０１０７】
Ｖ−ｎｌｖ−ｎｅｘｔ＝Ｖ−ｎｌｖ−ｐｒｅｖ＋Ｋ値×［｛１／（ｄ［Ｉ］／ｄｔ）（ｍＡ／秒）｝×ｄｔ］
ｅ．電流低下または増加があるかどうかを識別するために、先行するＮＬＶステップを検査し、低下がある場合（Ｉｄｒｏｐ＝［（Ｉｘ＋１−Ｉｘ）／Ｉｘ）］）、次の電圧ランプのレートを低減させるために、電圧補償を適用する。
【０１０８】
Ｖ−ｎｌｖ−ｎｅｘｔ＝Ｖ−ｎｌｖ−ｎｅｘｔ−Ｉｄｒｏｐ×（Ｖ−ｎｌｖ−ｎｅｘｔ−Ｖ−ｎｌｖ−ｐｒｅｖ）
２．充電中のバッテリの安全性を保障するために、温度Ｔも使用される。温度が安全性限界を上回るほど上昇したときは常に、充電は保留され、期待温度範囲が確保されたときに再開するまで、事前に定められた量の時間持続にわたって、システムに緩和させる。
【０１０９】
［Ｇ］ＮＬＶを用いて充電する
１．「Ｖ−ｎｌｖ−ｎｅｘｔ」をバッテリに設定する。
【０１１０】
ａ．この設定の後すぐに、電流（ｒｅａｌｔｉｍｅＣｕｒｒｅｎｔ）および電圧（ｒｅａｌｔｉｍｅＶｏｌｔａｇｅ）を読み取る。
【０１１１】
ｂ．「ステップ間隔」後、電流および電圧を読み取る。
【０１１２】
ｃ．上記の２つを平均し、ＶｏｌｔａｇｅＦｒａｍｅおよびＣｕｒｒｅｎｔＦｒａｍｅの最終エントリを更新する。
２．Ｖを設定した後すぐに、引き込まれた電流を読み取り、いずれの予期せぬほど高い電流のケースにおいても、いかなる損傷も回避するために、安全性限界と比較する。さもなければ、次の「ＮＬＶ−Ｓｅｔ−Ｖｏｌｔａｇｅ」が設定されるまで、ＣＴＳ持続時間にわたって待機する。電流に対する強制はない。システムは、それの最も細かい可能な頻度で、電流および電圧だけを測定する。
【０１１３】
［Ｈ］自己トレーニングされた「Ｋ」を管理する、［Ｉ］ステップ時間を管理する
【０１１４】
【数１６】
2021506221.tif 000018
【０１１５】
上記の式は、単一の充電ステップ毎に、ＮＬＶベースの設定電圧を決定するために使用される。しかし、Ｋnは、因子のセットに基づいて、変化してもいる。以下は、それを制御するために使用される主要な因子である。
「期待Ｃレート：ｃＲａｔｅＥｘｐｅｃｔｅｄ」は、フル充電を保証し、要求された時間持続内に、必要とされる量の容量を達成する。
【０１１６】
「充電時間」および「充電容量」についてのユーザの選好／要件に基づいて、システムは、継続的に維持されなければならない、または充電の全期間中の平均としての、最小Ｃレート（「期待Ｃレート」）を計算することができる。プロトコルは、この情報を使用して、それを、あらゆる充電ステップにおいてリアルタイム電流によってもたらされるＣレート（「リアルタイムＣレート：ｃＲａｔｅＲｅａｌＴｉｍｅ（ＣＲＲＴ）」）と比較することによって、Ｋｎおよびステップ時間を制御する。
【０１１７】
高い「リアルタイムＣレート」が引き込まれるときは常に、Ｋｎは、可能な限り低く保たれる。また、ステップ時間は、可能な限り大きく増加する。同時に、「ステップ時間」が、緩和を適用せずに、「ステップについての最大許容時間」を超えることは許されない。しかし、緩和の後であっても、システムが、高い「リアルタイムＣレート」を引き込む場合は、「電流のかなりの低下」（これはシステムによって構成可能なパラメータである）が識別されるまで、それは、同じ電圧ステップが継続することを許容する。その後、それは、次の電圧ステップに対して移動することを決定する。
「経過充電時間：ｔｉｍｅＥｌａｐｓｅｄＣｈａｒｇｅ」は、必要とされる充電が期待時間持続内に達成されることを保証する。
【０１１８】
これは、充電状態（ＳＯＣ）の因子としても機能する。それが、期待充電持続時間の終了セグメントに達したとき、システムは、ステップ時間を低減させることによって、充電頻度を増加させ、非線形電圧変化を速やかに通り抜けるために、Ｋｎをより高い値に増加させる。
【０１１９】
しかし、システムが、「期待Ｃレート」の範囲付近または範囲内の電流を引き込む場合、システムは、ステップ時間およびＫｎ値の公称範囲を保つ。
「Ｃレート消耗持続時間：ｔｉｍｅＷａｉｔｅｄＦｏｒＥｘｐｅｃｔｅｄＣＲａｔｅ」は、そのような高抵抗充電窓からシステムを出させようと試みる。
【０１２０】
システムが、ある電圧ステップにおける引き込み電流が、「期待Ｃレート」しきい値をかなり下回ることを検出したときは常に、それは、そのステップを可能な限り速やかに通過しようと試みる。したがって、「ステップ時間」は、低減される。
【０１２１】
しかし、これが、まさに初期段階において（低いＳＯＣにおいて）発生した場合、Ｋｎ値は、電圧を大きい量から上げるために、大きく増加される。
【０１２２】
それが、充電の終了に向かって発生した場合、金属容器は、より大きい容量を獲得するために、まだ充電しなければならないので、Ｋｎ値は、適度なレベルに保たれる。ここで、「Ｃレート」の期待値は、同様に、それの最大期待値の半分まで落ちることができる。
【０１２３】
このケースにおいて、「ステップ時間」が低減されるとき、システムは、充電ステップの通り抜けをスピードアップしようと試みる。そのため、いくつかのケースにおいては、引き込まれる電流が、再び上がってよい。しかし、他のケースにおいては、それは、より低いＣレートにとどまってよい。そのようなより低いケースにおいては、Ｋｎ値は、かなり容認可能なレベルの電流が、バッテリによって引き込まれることができるまで、非常に高い値に設定される。それが、高いＣレート電流の引き込みに戻り始めるときは常に、Ｋｎ値は、引き下げられ、それにもかかわらず、この困難な期間を可能な限り速く通過する一方で、その期間内においてさえも、最大可能充電を獲得するために、「ステップ時間」は、小さく保たれる。
【０１２４】
上述の主張に基づいた我々の参照プロトコルのために我々が使用した制御ロジックおよび参照テーブルは、以下の通りである。
【０１２５】
【表１】
2021506221.tif 000019
【０１２６】
【表２】
2021506221.tif 000020
【０１２７】
【表３】
2021506221.tif 000021
【０１２８】
【表４】
2021506221.tif 000022
【０１２９】
【表５】
2021506221.tif 000023
【０１３０】
図６のフローは、上記の表［１．１ないし１．５］に示されたパラメータに基づいて、Ｋ値およびＳｔｅｐＴｉｍｅがどのように制御されるかを説明している。
【０１３１】
図７の通り、「デフォルトのＫ（Ｋ×ｋ＿ＴＦ）」および「デフォルトのステップ時間」は、ＮＬＶベースの充電におけるまさに第１のステップの間だけ使用される。後続のすべてのステップについては、上述のトレーニングアルゴリズムが、適用され、最良の適切な「Ｋ値」および「ステップ時間」を見つける。
【０１３２】
したがって、これらのパラメータは、バッテリのＳＯＣおよびＳＯＨに基づいて調整されることが保証され、それが、可能な引き込まれる電流が異なる原因となる。
【０１３３】
図７に例示されるように、引き込まれるＣレートが非常に低いときは常に、Ｋ値は、急速に増加する。それにもかかわらず、電流は、バッテリがそれを扱うことが可能な空間においては、徐々に増加しようとした。
【０１３４】
また、Ｃレートが、高いとき、Ｋ値は、減少する。しかし、Ｋ値は、システムが、期待Ｃレートにより近いまたはそれを上回るＣレートを有する電流を引き込もうとするときだけ、非常に低い値に減少する。
【０１３５】
図８によって例示されるように、ＳＯＣが、最大容量の約半分であるとき、バッテリは、高電流を引き込む高いポテンシャルを有するので、Ｋ値は、非常に低くなる。
【０１３６】
図９によって例示されるように、ＳＯＣが、最大容量に近いとき、Ｋ値は、急速に変動するようになり、高い引き込み電流を維持しようと試みる。
【０１３７】
［Ｊ］「目標終止電圧」を調整する
調整可能な「目標終止電圧」を有するというアイデアは、それのＳＯＣおよびＳＯＨに応じて、獲得容量を高めるためである。バッテリが、良好なＳＯＨを有するときは常に、充電容量の大部分が、より低い電圧範囲内に引き込まれることができる。そのため、システムは、最初に、ＮＬＶ充電のための退出ポイントとして、「デフォルト目標終止電圧」を設定する。
バッテリのリアルタイム電圧が、この「デフォルト目標終止電圧」に達したときは常に、システムは、そのときのリアルタイム電流によってもたらされるＣレートをチェックする。その後、このＣレートに基づいて、システムは、「目標終止電圧」を増加させて、充電を継続するか、それともこのポイントで充電を停止するかを決定する。Ｃレートに基づいて、これを決定するために、プロトコルにおいて検討される２つの方法が、存在する。
【０１３８】
固有の分極プロファイルベースの容認可能な「目標終止電圧」
ここでは、システムは、充電対象として使用されるバッテリ種類の分極プロファイルについての事前に処理された情報を必要とする。したがって、プロトコルは、異なるバッテリ種類に対して調整されるべきである。
【０１３９】
デフォルト「目標終止電圧」テーブル
これは、任意のバッテリ種類についての終止電圧のための汎用コントローラとしての役割を果たすことが意図される。また、このテーブルは、充電対象とされるバッテリ種類に対して、「固有の分極プロファイル」が利用可能でないときは常に使用されることができる、平均分極プロファイルとして作り上げる。それは、充電統計に基づいて、自らをトレーニングすることも意図する。
【０１４０】
以下の表１．６は、ここで説明された参照プロトコルのための「デフォルト終止電圧テーブル」として使用される。
【０１４１】
【表６】
2021506221.tif 000024
【０１４２】
表１．６は、「デフォルト終止電圧」が４．６５Ｖとして選択された場合の、終止電圧値に対応する。しかし、これは、やはり、カスタマイズ可能なパラメータであり、それは、システム／ユーザ選好の下で変化することができる。それにもかかわらず、我々は、バッテリ種類／化学的性質に基づいた、これのための範囲を有することを意図している。したがって、全体的な制御ロジックとして、「調整可能な終止電圧」を扱うことは、以下のように図１０において示されることができる。
【０１４３】
［Ｋ］退出基準
充電プロセスをいつ停止するかを決定するための、３つの異なる基準が、存在する。
【０１４４】
１．システムがひとたび「最大終止電圧」に達したとき。
【０１４５】
２．バッテリがひとたび必要とされる最大容量を獲得したとき。
【０１４６】
３．学習ベースの電流プロファイル比較。
【０１４７】
電流プロファイルが、同様の退出状況中に見られたいずれかの先行する電流プロファイルのそれとほぼ一致する場合、学習アルゴリズムは、それの退出プロファイルを改善することを意図する。上記の３つの方法の利用可能性に応じて、退出するかどうかを決定するために、１、２、３と同じ優先順位が、検討される。
【０１４８】
［Ｌ］休止を管理する
休止の管理は、常にゼロ（０）電流をバッテリに適用している。充電サイクルは、この休止期間中、通り過ぎる。
【０１４９】
［Ｍ］ＮＬＶを退出する
ひとたび少なくとも１つの基準が満たされると、ＮＬＶ充電は、停止する。しかし、容量獲得のどれだけに達したかに応じて、システムは、［２Ｃ定電流充電を用いる］ＣＣの別のラウンドを体験するか、それとも再びＮＬＶを体験するかを決定する。
【０１５０】
［Ｎ］終了ＣＣを適用する
ＮＬＶによってもたらされる容量が、目標と比較して十分でない場合、さらなる容量を獲得するために、２Ｃでの定電流充電が、ＮＬＶ充電の終了時に、２分間、適用される。この定電流およびそれの持続時間は、システムパラメータとして構成可能である。
【０１５１】
図１１および図１２を参照すると、これは、我々が意図的にそれを停止するまで、いかなる放出もなしに、２４サイクルまで行った試験の平均プロファイルである。
【０１５２】
あるいは、ＣＣプロトコル、ＣＣＣＶプロトコル、および／またはカスケードパルス充電プロトコル（特許文献１を参照）が、本発明に従って、ＮＬＶプロトコルの開始時、中間、および終了時において、適用されることができる。
【０１５３】
マルチステージＫ値管理
Ｋ値は、バッテリがどれほど最良に上述の電流の期待Ｃレートを引き込むことができるかに基づいて、変更される。それが、非常に低いＣレートを引き込む場合、Ｋ値は、電圧の突然の引き上げをモデル化するために、急速に増加していき、その後、高電流という結果となる。それが、期待Ｃレート以上を引き込む場合、Ｋ値は、非常に低く変更され、その高電流充電を用いて最大可能充電を獲得するために、最善を尽くす。他のケースにおいては、Ｋ値は、期待Ｃレートを常に可能な限り大きく維持するように、変更される。
【０１５４】
図１３は、ＮＬＶ充電：ちょうど２３．３分で６６０ｍＡｈまでフル充電されて終了するＮＬＶ充電の間の電流およびＫ値対時間、ランダム試験１を例示している。
【０１５５】
図１４は、ＮＬＶ充電：２５．３分で６６０ｍＡｈのためにフル充電されて終了するＮＬＶ充電の間の電流およびＫ値、ランダム試験２を例示している。
【０１５６】
対数目盛でのＫの変化対時間が、図１５に表されている。
【０１５７】
ＮＬＶ充電について、「Ｋ値」およびＳＯＣの変化対時間が、図１６に表されており、一方、「Ｋ」値の進展対ＳＯＣが、図１７に表されている。
【０１５８】
図１８のグラフは、１３４５０個のセルに適用された、ＮＬＶベースの適応充電プロトコルの充電プロファイルを示している。これは、７００ｍＡｈの宣言容量のバッテリを、ちょうど２８分で、９９％充電まで充電し、６９５ｍＡｈの獲得容量であった。
【０１５９】
プロセス中、
−  それは、そのプロセスの半分の間、２Ｃ超ベースの充電を獲得し、
−  また、それのフル充電時間の４分の１が、３Ｃを上回る電流を引き込んでおり、これは、一番最後に生じた。
【０１６０】
プロトコルにおける働きを想像するために、強調されたセグメントが、さらに分析された。
【０１６１】
図１９における強調されたセクションから約１００のサンプルを分析する。
【０１６２】
−  選択されたＫ：これは、事前に選択され、ＡＣＰに注入されたＫである。
【０１６３】
−  生成されたＫ：これは、上記のＫを使用して、導出された「Ｖ−ｎｌｖ−ｎｅｘｔ」に基づいて、再計算されたＫである。
【０１６４】
−  上記のＫはともに、以下のグラフにおいて変化をはっきり目立たせるために、１０００倍された。
【０１６５】
−  次のセクションにおいて示されるように、「生成されたＫ」対「選択されたＫ」に見られるこの変化は、電圧上昇が常に非常に小さい量（ｍＶ）であるので、精度誤差に起因する。
【０１６６】
上で示されたＡセグメントおよびＢセグメントが、次のセクションにおいて、詳しく検査された。
【０１６７】
−  Ａ：生成されたＫは、この期間中、選択されたＫと同じである。
【０１６８】
−  Ｂ：生成されたＫは、この期間中、選択されたＫから逸れた。
【０１６９】
上記の「Ｂ」セグメントは、以下の表において、長方形の枠内に示される。
【０１７０】
「ＡＶＧ（Ａｂｓ（ｄＩ／ｄｔ））」および「ｄＶ／ｄｔ」が、充電プロセス中に収集されたそれぞれの電流変化および電圧変化に対して計算される。
【０１７１】
【表７】
2021506221.tif 000025
【０１７２】
＊さらに、［ｄＩ／ｄｔ（ｎ−１）］および［ｄＩ／ｄｔ（ｎ−２）］の形成は、以下の表から実現されることができる。
【０１７３】
【表８】
2021506221.tif 000026
【０１７４】
上の表に見られるように、電流は、この「Ｂ」セグメントの間、低下した。したがって、ｄＩおよびｄｖの両方が、突然の引き上げまたは低下の原因を作った。これは、それらの積において、乗算精度が逸脱を作る原因となった。
【０１７５】
充電容量と使用可能な放電容量の比較
図２０は、放電容量が、バッテリの宣言容量の約９７％である、約６３０ｍＡｈにおいて、ほぼ一定を維持することを示している。したがって、それは、このＮＬＶベースの充電方法が、時間が経つにつれての容量減衰にあまり寄与しないことを証明する。
【０１７６】
これは、ほとんどが高電流を直接的に課すことに基づいた、他の競合する高速充電方法に対する、非常に良い利点である。
【０１７７】
図２１および図２２は、ＮＬＶベースの充電の複数のサイクルの後でさえも、電流および電圧の充電プロファイルが、依然としてほとんど同じままであることを示している。これは、この高速充電プロセスが原因でセルが損傷されることがないことを示す別の証拠である。
【０１７８】
図２３ないし図２８を参照すると、ＡＣＰ充電の実験的試験が、３０分の充電時間をかけて、１３００サイクルまで、成功のうちに行われた。図２８は、ＡＣＰ充電が、ＣＣＣＶ充電よりも安全であることを、より具体的に示している。事実、数十サイクルの後、ＣＣＣＶによって充電されたセルは、爆発したが、ＮＬＶ  ＡＣＰによって充電されたセルは、保たれた。
【図１】
2021506221.tif 000033
【図２】
2021506221.tif 000034
【図３】
2021506221.tif 000035
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2021506221.tif 000039
【図８】
2021506221.tif 000040
【図９】
2021506221.tif 000041
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2021506221.tif 000050
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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