(57)【要約】本発明は、充電又は放電され、平衡状態に達していないバッテリの充電状態を決定する方法及び充電器のような装置であって、充電処理又は放電処理の後の緩和中にサンプリングされるバッテリ電圧の外挿によりバッテリの起電力を決定するステップであって、その外挿は、緩和処理中にサンプリングされた変数のみを用いるモデルに基づいている、ステップと、バッテリの起電力と前記充電状態との間の所定の関係を用いることにより、バッテリの起電力からバッテリの充電状態を導き出すステップとを有する方法に関する。この方法は、予めパラメータを記憶する必要のない電圧推定方法である。それに代えて、電圧緩和終了値は、電圧緩和曲線の測定された最初の部分と、緩和曲線のこの測定部分に対して関数の数学的最適化／フィッティングに基づいて決定される。
2010508507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電又は放電され、平衡状態に達していないバッテリの充電状態を決定する方法であって：
充電処理又は放電処理の後の緩和中にサンプリングされるバッテリ電圧の外挿により前記バッテリの起電力を決定するステップであって、前記外挿は、前記緩和処理中にサンプリングされた変数のみを用いる外挿モデルに基づいている、ステップ；及び
前記バッテリの前記起電力と前記充電状態との間の所定の関係を用いることにより、前記バッテリの前記起電力から前記バッテリの前記充電状態を導き出すステップ；
を有する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、充電処理又は放電処理の終了後に、前記バッテリ電圧は、前記緩和処理中に少なくとも４回測定され、前記外挿モデルは、前記測定から得られる少なくとも４つのサンプリング電圧値を用いる、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記外挿は、次式
【数１３】
2010508507.tif 000016
により表されるモデルを用いて実行され、ここで、Ｖ∞（前記起電力）、α、γ及びδは変数であり、εは誤差を表す、方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法であって、前記サンプリングの少なくとも一部は、平均化によるローパスフィルタリングされた電圧の複数の測定から得られる、方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法であって、前記外挿処理において用いられる電圧のサンプルは、前記充電処理又は前記放電処理の後、６分以内にとられる、方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法であって、前記外挿処理において用いられる最初のサンプルは、前記放電処理の終了の後、３０秒以上を要する、方法。
【請求項７】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法であって、前記外挿処理において用いられる最初のサンプルは、前記充電処理の終了の後、３０秒以上を要する、方法。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法であって、前記バッテリの前記起電力の決定のために用いられる前記外挿モデルは時間を決定するように用いられ、該時間の後、前記バッテリ電圧は前記起電力に達する、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記外挿処理により決定された前記起電力の値は、請求項８に記載の方法において決定された前記時間の後に測定される前記起電力の値と比較され、前記該像モデルは、前記起電力の前記測定値と前記外挿値との間の差分が所定値より大きいとき、前記充電又は放電処理の終了と前記最初の測定との間の測定回数を増加させることにより、又は時間を補正することにより適合される、方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の方法であって、残りの使用時間が、電流放電条件下で演算される、方法。
【請求項１１】
充電処理及び放電処理されるバッテリの充電状態、並びに放電処理又は充電処理が生じないアイドル時間を決定する方法であって、充電処理又は放電処理の後の期間中の変化の状態は請求項１乃至１０の何れか一項に記載の方法に従って決定される、方法。
【請求項１２】
充電又は放電された、及び平衡状態に達していないバッテリの充電状態を決定する装置であって：
充電処理又は放電処理の後の緩和中に前記バッテリの開電圧を測定する測定手段；
前記バッテリの前記開電圧の前記測定値の該像により前記起電力を決定する演算手段であって、前記演算手段は、前記充電処理又は放電処理の終了後に測定された変数のみを用いる外挿モデルに基づく外挿を実行するように適合されている、演算手段；並びに
前記起電力と前記バッテリの前記充電状態との間の所定の関係を用いることにより前記バッテリの前記起電力から前記バッテリの前記充電状態を導き出す手段；
を有する装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の装置であって、前記演算手段は、次式
【数１４】
2010508507.tif 000017
により表されるモデルを用いることによる外挿を実行するように適合され、ここで、Ｖ∞（前記起電力）、α、γ及びδは変数であり、εは誤差を表す、装置。
【請求項１４】
請求項１２又は１３に記載の装置であって、前記測定手段は、各々の測定値について複数の測定を実行するように適合され、前記演算手段は、ローパスフィルタリング測定値を得るように前記測定電圧を平均化するように適合されている、装置。
【請求項１５】
請求項１２乃至１４の何れか一項に記載のバッテリの充電状態を決定する装置を有するバッテリ充電装置。
【請求項１６】
バッテリにより電力を供給されるように適合された電気装置であって、請求項１２乃至１４の何れか一項に記載の装置を有する、電気装置。
【請求項１７】
携帯電話、ＧＰＳ装置又はシェーバのような携帯型電子装置であって、請求項１２乃至１４の何れか一項に記載の装置を有する、携帯型電子装置。
【請求項１８】
請求項１２乃至１４の何れか一項に記載の装置及び走行用バッテリを有する、ハイブリッド自動車のような電気駆動自動車であって、前記装置は、前記走行用バッテリの充電状態を決定するように適合されている、電気駆動自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
正確な且つ高信頼性の充電状態（ＳｏＣ）表示は、再充電可能バッテリにより電力供給される如何なる装置においても、重要な特徴である。正確で高信頼性の充電状態表示により、全ての利用可能なバッテリ容量を用いることができ、より速いバッテリの消耗に繋がる不必要な再充電を回避することができる。現在まで充電状態表示のための多くの方法について、公表され、特許化されてきている。基本的には、それらの方法は、２つのグループであって、特に文献“Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍｓ−Ｄｅｓｉｇｎ  ｂｙ  Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ”，ｂｙ  Ｈ．Ｊ．Ｂｅｒｇｖｅｌｄ，Ｗ．Ｓ．Ｋｒｕｉｊｔ，Ｐ．Ｈ．Ｌ．Ｎｏｔｔｅｎ，Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｂｏｏｋ  Ｓｅｒｉｅｓ，ｖｏｌ．Ｉ，Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，Ｂｏｓｔｏｎ，２００２，ＩＳＢＮ  １−４０２０−０８３２−５の第６章に記載されている直接測定及びブックキーピング（ｂｏｏｋｋｅｅｐｉｎｇ）に分類することができる。
【０００２】
直接測定の場合、バッテリの変数、例えば、端子電圧、インピーダンス又は温度が測定され、例えば、ルックアップテーブル又はルックアップ機能に基づいて、この測定された値は、充電状態値に直接、変換される。複数の方法のこのグループの主な有利点は、充電状態表示システムがバッテリに接続されている限り、測定が開始され、充電状態が判定されることが可能であることである。複数の方法のこのグループの主な不利点は、ルックアップテーブル又はルックアップ機能における関連バッテリ挙動全てを網羅することがかなり困難であることである。それは、ルックアップテーブル又はルックアップ機能において予測されないユーザ条件下で、充電状態が表示されたデータの補間又は外挿から得られる必要があることを意味している。このことは、予測される充電状態が不正確になることに繋がる。
【背景技術】
【０００３】
米国特許第６,４２０,８５１号明細書においては、所謂、起電力（ＥＭＦ）が、直接測定による充電状態表示についての有用なバッテリ変数であることを開示している。起電力は、正電極及び負電極の平衡電位における差分であり、バッテリが平衡状態にある、即ち、外部電流が流れず、バッテリ電圧が先行する充電／放電電流の適用から十分に緩和されたときに、バッテリ端子において測定されることが可能である。平衡状態でバッテリ電圧を測定することにより、測定された電圧値は、そのシステムに記憶されている起電力−充電状態の関係を介して充電状態値に変換されることが可能である。この記憶されている曲線は、補間、外挿及び緩和を含む複数の方式で充電状態表示システムのメーカーの研究所で得られるものである。起電力−充電状態の関係の有利点は、その曲線を、充電状態が関連軸に、例えば、０％乃至１００％にプロットされる条件下で、バッテリがエージングしても、不変のまま維持することができることである。しかしながら、この方法は、バッテリ端子電圧がこの場合に起電力に等しくないために、外部電流の間に又はバッテリ電圧が十分に緩和される前の電流後に、機能しなくなる。
【０００４】
複数の方法のブックキーピンググループの基本は、クーロンカウンティングすること、即ち、できるだけ正確にバッテリ内に及びバッテリ外に流れる電流を測定し、正味電流を積分することである。これは、バッテリが線形コンデンサである場合に、充電状態の良好な表示に繋がる。残念ながら、このようにはならない。例えば、蓄積電荷は、例えば、拡散制限のために、全ての条件下で、ユーザが利用することができず、自己放電のために、バッテリが使用されていないときに、バッテリ電荷はゆっくり減少する。このバッテリ関連挙動の殆どは、強い温度及び充電状態依存性であり、例えば、自己放電の原因であるバッテリの充電状態及び温度に依存する逆容量を低下させることにより、クーロンカウンティングをうまく処理するように、そのバッテリ関連挙動の殆どが明らかにされる必要がある。その主な有利点は、一般に、表化されたデータ量は直接測定システムにおけるより少ないことである。その主な不利点は、（ｉ）そのシステムが常にバッテリに接続されている必要があり、（ｉｉ）最初の接続時に、そのシステムは充電状態を認識していない（積分の開始点がプログラムされる必要がある）ことであり、（ｉｉｉ）較正点が必要であることである。後者の不利点は、そのシステムが時間経過に伴う積分に基づいていることであり、そのことは、測定誤差及びシステムに記憶されているバッテリ挙動における誤差が時間経過につれて累積されることを意味する。再充電可能バッテリの場合、使用中に十分に高い頻度で行われる適切な較正ポイントを規定することは現実の課題である。
【０００５】
直接測定充電状態表示システム及びブックキーピング（ｂｏｏｋｋｅｅｐｉｎｇ）充電状態表示システムの両方の場合に、バッテリ挙動は、エージングのために、時間経過に伴って変化する。例えば、最大利用可能バッテリ容量は、時間経過に伴って減少する。エージング過程は、使用条件、例えば、適用される電荷電流及び放電電流、蓄電条件、温度等に大きく依存する。エージングを処理するために、バッテリがエージングしても、充電状態予測が正確に維持できるように、パラメータ値を更新するようにシステムに付加されるフィッティング方法が必要である。
【０００６】
上記の知識に基づいて、Ｐｈｉｌｉｐｓ社は、直接測定及びブックキーピングの両者の有利点を組み合わせた充電状態表示方法を開発した。その方法の主な特徴は、充電状態推定が、バッテリが、所謂、平衡状態にあるときの電圧測定により、そしてバッテリが非平衡状態にあるときの電流測定により実行されることである。平衡状態の場合、僅かな外部電流も流れないか、又は僅かな外部電流しか流れず、バッテリ電圧は、先行する充電又は放電から十分に緩和されている。上記のように、測定されるバッテリ電圧は、平衡状態においては特に、バッテリの起電力に等しい。それ故、起電力方法を、それらの条件下で適用することが可能である。バッテリが非平行状態にあるとき、そのバッテリは充電又は放電され、バッテリから引き出された電荷又はバッテリに供給された電荷は、電流の積分により演算される。この電荷は、予め演算された充電状態値から減算又はその充電状態値に加算される。
【０００７】
バッテリ内部に尚も存在する電荷量の測定である充電状態を予測することに加えて、その方法は、予め規定された条件下での適用についての残りの使用時間も推定することが可能である。これは、バッテリ電圧が、所謂、放電終止電圧ＶＥｏＤ以下になる前に要する時間を推定することにより行われる。これは、それ以下の電圧の適用ではもはや機能しないという最小電圧である。この時間を推定するように、バッテリ電圧の経過が、充電状態の現在の値、記憶されている起電力曲線、及び所謂、過電位関数に基づく選択された負荷条件について推定される。バッテリが放電されるとき、起電力値から過電位を減算することによりその電圧を求めることができる。その過電位は、充電状態、電流、温度及び時間を含む複数の因子によって決まるが、電極の直列オーム抵抗等の因子にも依存する。
【０００８】
この充電状態表示方法については、米国特許第６,５１５,４５３号明細書に開示されていて、後に、その方法は、バッテリのエージングに対処するようにパラメータ値を更新する幾つかの方法と組み合わされるように拡大適用され、それについては、国際公開第２００５／０８５８８９号パンフレットに開示されている。
【０００９】
本発明により克服される課題又は不利点について説明する。
【００１０】
上記の充電状態表示方法の有利点は、バッテリが平衡状態に戻るときはいつでも、先行する充電／放電サイクルの間のクーロンカウンティングにより得られる充電状態が、電圧測定及び起電力方法の適用に基づいて較正されることが可能であることである。これは、通常、めったに遭遇することのない１つ又は２つの較正ポイント、即ち、‘バッテリフル’（チャージャにおいて決定される）及び‘バッテリエンプティ’（特定の条件下でバッテリ電圧が放電終止電圧以下になる時に決定される）のみを通常用いる市販されているブックキーピングシステムに比べて有利である。換言すれば、その提案されているシステムは、既存のブックマーキングシステムに比べて、より頻繁に較正される必要があり、そのことは、ブックマーキングシステムの有利点を維持しつつ、より正確であることに繋がる。
【００１１】
上記の充電状態表示システムの他の有利点は、バッテリにフル充電／放電サイクルを課す必要なく、最大容量を更新することができることである。平衡状態から開始する場合、バッテリは特定の最小電荷量のために充電又は放電され、その後、バッテリは平衡状態に戻り、適用される充電／放電ステップの間にバッテリから放電される又はバッテリに充電される絶対電荷量（［Ｃ］）に充電又は放電ステップの前及び後に充電状態におけるその差分（［％］）を関連付けることにより容易に演算することが可能である。既存のシステムは常に、最大利用可能バッテリ容量を決定するように、フル充電／放電サイクルを適用する必要がある。
【００１２】
充電状態表示システムが、バッテリが平衡状態にあることを正確に決定できることは重要である。バッテリ電圧が安定化されていず、アルゴリズムが平衡モードにない場合、バッテリ電圧は、起電力に比べて高く（充電ステップ後に、電流が中断されたとき）又は低く（放電ステップ後に、電流が遮断されたとき）なり、高過ぎる（充電ステップから戻る）又は低過ぎる（放電ステップから戻る）推定充電状態値に繋がる。このような誤った充電状態値が較正のために用いられるとき、システムの正確さは妥協する必要があるものとなる。最大容量の更新についても、同様である。例えば、アルゴリズムが平衡状態に戻っていない場合に、放電ステップ後のバッテリ電圧が十分に緩和していないとき、放電ステップの適用後に平衡状態に戻ったときに推定される充電状態は低過ぎ、その結果として演算される最大容量は、それ故、小さ過ぎるものとなる。これは、アルゴリズムの平衡状態に正確に戻ることに関連する課題について上記の文献に存在することを意味するものである。
【００１３】
放電ステップの適用後のバッテリ電圧の緩和処理について、図１に示している。図１は、０％の充電状態（バッテリエンプティ）及び５℃における０．２５Ｃ−レートでの放電ステップ後のバッテリ電圧を示している。
【００１４】
その電圧は、安定した値３．７４８Ｖ、即ち、この充電状態値についての起電力に最終的には緩和する。緩和の３０分後、開回路電圧（ＯＣＶ）は、終了値から１５ｍＶ、尚も異なっている。これは、この３０分後に平衡状態に戻っているとき、バッテリ電圧が実際の起電力とは１５ｍＶ異なることを意味し、それは、この場合、５％の充電状態の誤差に相当する。この場合、２００分後に平衡状態に戻っているとき、充電状態の誤差は１％以下であり、許容可能になる。このことはまた、図１に示すシステムの場合、平衡状態に戻っていることによるシステムの較正は、２００分後にのみもたらされることを意味する。このように２００分経過する前に、ユーザがバッテリを再び充電する場合、較正の可能性は失われることになる。要約すると、充電／放電の適用後にバッテリ電圧が安定化されたときの正確な判定は重要であり、この判定には長い時間を要することになる。
【００１５】
バッテリが平衡状態にあるか否かの判定を実行する、次のような幾つかの方法が考えられる。
１．固定待機時間
簡単な方法は、電流中断後に固定時間待機し、この時間後にバッテリ電圧が安定したことを確認することである。この状況において、最も長い可能な、即ち、最悪の場合の緩和時間が、バッテリが実際に平衡状態にあることを確認するように選択される必要がある。低い充電状態値及び温度値のためには、この方法においては、長い時間を有し、例えば、図１を参照されたい。そのような放置期間は、可搬型装置においてはかなり少ないと考えられる。その待機時間はまた、例えば、充電状態及び温度の関数として選択されることが可能であるが、その場合でさえ、例えば、バッテリ間のバラツキのために、平衡状態に達したように誤って認識される可能性がある。更に、起電力値が利用可能になり、較正又は最大容量の更新が可能になる前にバッテリが緩和されるまで、そのシステムは待機される必要がある。
２．測定ｄＶ／ｄｔ値についての閾値
アルゴリズムが平衡状態に対して変化することを可能にするように、安定電圧の条件に適合される必要がある。電圧は時間と共に変化する、即ち、微分ｄＶ／ｄｔは、この安定電圧を決定するように用いられることが可能であり、ｄＶ／ｄｔが特定の閾値以下であるとき、その電圧は安定していて、バッテリは平衡状態にあるとみなされる。しかしながら、通常状態においては、ある小さい電流が常に存在している（例えば、携帯電話アプリケーションにおけるスタンバイ電流）ために、バッテリは十分に緩和した状態には決して達していない。ｄＶ／ｄｔ測定のみによる緩和バッテリ電圧と非緩和電流値とを区別することはかなり困難であることは明らかである。全ての充電状態値について、平衡状態（ｄＶ／ｄｔ＜閾値）を検出するように同じ閾値が用いられる場合、誤検出の確率はかなり高いと考えられる。この方法の他の不利点は、固定時間量の間の待機に関して、バッテリが十分に緩和されるまで、システムは待機される必要があることである。
３．電圧予測方法は緩和終了値を予測する
電圧緩和処理が利用可能であるとき、緩和終了値、即ち、起電力が、緩和条件に基づいて演算されることが可能である。固定待機時間又はｄＶ／ｄｔ閾値を用いることに比較した場合の主な有利点は、バッテリが十分に緩和される前に、起電力値が利用可能になることである。これは、連続的な充電又は放電の間の十分な緩和のためにユーザが十分な時間をもっていないときでさえ、長いクーロンカウンティングから得られた充電状態をシステムが演算することを可能にする。しかしながら、勿論、これにより、予測緩和終了値の正確さが強く求められる。
【００１６】
バッテリが平衡状態にあるかどうかを判定する３つの上記の方法の中では、三番目の方法が、更に多い較正の機械を可能にし、最大バッテリ容量についての機会を更新することを可能にするため、最も有利である。
【００１７】
従来技術には、これを実行するために２つの方法がある。
【００１８】
文献“Ａ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｔａｔｅ−ｏｆ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒｓ”，ｂｙ  Ｊ．Ｈ．Ａｙｌｏｒ，Ａ．Ｔｈｉｅｍｅ，Ｂ．Ｗ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ｏｎ  ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．３９，ｎｏ．５，ｐｐ．３９８−４０９，Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９９２に、鉛蓄電池の分野における電圧推定方法について開示されている。この方法の概念は、半対数スケールでプロットされる場合、開回路電圧回復曲線が２つの漸近線により近似されることが可能である。緩和終了電圧を推定するように、この方法は予め実験室の実験により求められた固定パラメータ（Ｘｐ）を用いることを特記しておく。バッテリがエージングし、電圧緩和挙動が変わる場合、このパラメータＸｐの更新を伴わない場合、そのシステムは、正確な電圧緩和終了値、即ち、起電力の推定は益々正確でなくなる。
【００１９】
米国特許第６,３６６,０５４号明細書（Ｈｏｅｎｉｇ等による）においては、測定されたバッテリの開回路電圧、時間経過に伴う測定されるバッテリの開回路電圧における変化（ｄＯＣＶ／ｄｔ）及び電圧緩和処理中の何れかの時間に特定された温度に基づく電圧推定モデルについて開示されている。その発明は、２４Ｖの定格電圧を生成するのに十分である複数のセルを有する鉛蓄電池に関連して説明されている。しかしながら、他のバッテリケミストリへの応用性についても、クレームアップされている。システムについての正確なパラメータを求めるように、バッテリは、空バッテリから始めて、複数の固定ステップにおいて充電及び放電される。充電電流又は放電電流が遮断される度に、バッテリ電圧／開回路電圧が安定するまで、３つのパラメータのセットが測定され、データポイントとして記録される。それらのパラメータは、バッテリ電圧（開回路電圧）、バッテリ開回路電圧の変化率及び温度を含む。バッテリ開回路電圧及び温度は瞬間的な測定として取られる一方、開回路電圧の変化率は、所定の時間期間、例えば、３０秒に亘って測定される。このような従来技術の方法は、実験室の実験により得られた固定パラメータを用いることに、再び、留意されたい。それらのパラメータがシステムに記憶され、バッテリの特徴が変化するとき、予測電圧緩和終了値の正確さは、時間経過につれて低下し、そのようなバッテリの特徴の変化はエージングのために常に生じるものである。
【００２０】
要約すると、米国特許第６,５１５,４５３号明細書に記載されている放電状態表示方法に伴う主な課題は、バッテリの平衡状態の正確な判定である。緩和後のバッテリの平衡状態の電圧を判定する有効な方法については、電圧推定モデルが最も魅力的であると考えられる。しかしながら、その文献において現在認識されている方法は、電圧緩和終了値の推定において固定パラメータを用い、エージングのためのバッテリの特徴が変化して、時間の経過に伴って推定の正確さの低下に繋がるために、その方法は不利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許第６,４２０,８５１号明細書
【特許文献２】米国特許第６,５１５,４５３号明細書
【特許文献３】国際公開第２００５／０８５８８９号パンフレット
【特許文献４】米国特許第６,３６６,０５４号明細書
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】“Ａ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｔａｔｅ−ｏｆ−Ｃｈａｒｇｅ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒｓ”，ｂｙ  Ｊ．Ｈ．Ａｙｌｏｒ，Ａ．Ｔｈｉｅｍｅ，Ｂ．Ｗ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．ｏｎ  ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．３９，ｎｏ．５，ｐｐ．３９８−４０９，Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９９２
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記の課題を回避するように、本発明は、充電又は放電された及び平衡状態に達しなかったバッテリの放電状態を判定する方法を提供し、その方法は、充電又は放電処理後の緩和中にサンプリングされたバッテリ電圧の外挿によりバッテリの起電力を決定するステップを有し、その外挿は、緩処理中にサンプリングされる変数のみを用い、バッテリの起電力と充電状態（ＳｏＣ）との間の所定の関係を用いることによりバッテリの起電力からバッテリの充電状態（ＳｏＣ）を導き出す外挿モデルに基づいている。
【００２４】
この方法は、予めパラメータを記憶することを必要としない電圧推定方法である。代替として、電圧緩和終了値が、電圧緩和曲線の測定された最初の部分、及びその電圧緩和曲線のこの測定された部分に対する関数の数学的最適化／フィッティングに基づいて決定される。未知の電圧緩和終了値に加えて、その関数は、フィッティングによりまた、求められる幾つかの更なるパラメータを含む。このことは、それらのパラメータが、予め値を記憶する必要なしに、各々の個々の状況について更新されることを意味する。それ故、従来技術が行ったように、予め記憶されたパラメータを用いる必要はなく、そのことは、従来技術の電圧推定方法に比べて、バッテリのエージングに対処するのに、その方法をより適切なものにしている。
【００２５】
好適な方法に従って、充電又は放電処理の終了後に、バッテリ電圧緩和処理中に少なくとも４回測定され、外挿モデルは、前記測定から得られる少なくとも４つのサンプリング電圧値を用いる。４つのパラメータを有する関数は十分に正確な緩和処理を表すことが明らかになっている。それ故、４回の測定が、その関数を決定することができるように必要である。
【００２６】
他の好適な実施形態は、そのような方法であって、外挿が、次式により表わされるモデルを用いることより実行され、
【００２７】
【数１】
2010508507.tif 000003
Ｖ∞（起電力値）、α、γ及びδは変数であり、εｔは誤差を表す。この方法の有利点は、起電力が、電流遮断後の最初の数分内には十分な正確さで推定されることが可能である。更に、その方法は、更なる較正の機会を与え、バッテリ平衡状態を正確に判定することができない課題を解決することができるために、従来技術の充電状態表示アルゴリズムを改善することができる。その方法はまた、起電力方法に基づいて、何れかの充電状態表示システムの改善に導く。
【００２８】
その方法について、次に説明する。緩和処理の開始には、バッテリの実際の開回路電圧は起電力と等しくない。この差分の理由は、先行する充電（放電）期間の間に構築された過電位である。この過電位は、充電（放電）処理の間のバッテリ電圧が起電力から外れるようにする。その過電位の構築は、両方の電極におけるＬｉ＋イオン拡散、並びに電解質におけるＬｉ＋イオン及び他のイオンの拡散及び移動、電極の表面におけるＢｕｔｌｅｒ−Ｖｏｌｍｅｒ運動制限等のバッテリにおいて生じる種々の電気化学的処理によりもたらされる。その理由のために、緩和処理は、一般に、充電状態、バッテリに付加された又はバッテリから除去された電化量、温度及びエージング等の種々の因子の複雑な関数である。その複数の依存性の大きい量は、緩和期間のまさに開始時における起電力を推定することを困難にする。それ故、特定の時間期間の間の緩和処理が、最終起電力値を正確に推定することができるように、観測される必要がある。
【００２９】
バッテリ電圧Ｖｔｉが緩和処理の間に観測された瞬間としてｔｉで表される。このことは、緩和曲線の最初の部分が、Ｎ個のサンプルポイント（ｔｉ、Ｖｔｉ）をサンプリングされることを意味している。このＩＤにおいて提案される電圧緩和についての一般的モデルが次式により与えられ、
【００３０】
【数２】
2010508507.tif 000004
ここで、パラメータγ＞０、α＞０、δ＞０は率決定定数であり、Γは、放電ステップ後
に電圧が大きくなる場合、＋１に等しく、充電ステップ後に電圧が小さくなる場合、−１に等しく、Ｖ∞は最終緩和電圧（漸近値、即ち、起電力）であり、Ｖｔは時間ｔにおける緩和電圧であり、ｌｏｇδ（ｔ）は、パラメータδの累乗に対する時間の自然対数であり、εｔはランダムエラー項である。このモデルは乗法エラー構造を前提としていることに留意されたい。
【００３１】
パラメータＶ∞、α、δ及びγは、集中通常最少二乗（ＯＬＳ）スキームにより推定することが可能である。従って、上記の式は、平方の値をとることにより、次式のように書き直すことができる。
【００３２】
【数３】
2010508507.tif 000005
底ｅである対数値をとり、この式は、次式のような通常の回帰モデルにすることが可能であり、
ｌｏｇ（Ｖ∞−Ｖｔ）＝Ｃ＋Ａｌｏｇ（ｔ）＋Ｄｌｏｇ（ｌｏｇ（ｔ））＋εｔ
ここで、充電及び放電の両方についてΓ２＝１であり、Ｃ＝２ｌｏｇ（γ）、Ａ＝２α及びＤ＝−２δである。Ｖ∞の各々の固定値について、この式は、離散的時間の瞬間ｔ１，．．．,ｔＮにおいて緩和電圧サンプルＶｔｉを有する通常緩和モデルを表し、
ｙｔ＝ｘｔ´β＋εｔ，  （ｔ＝ｔ１，．．．,ｔＮ）
であり、ここで、
【００３３】
【数４】
2010508507.tif 000006
、
【００３４】
【数５】
2010508507.tif 000007
、β＝（Ｃ，Ａ，Ｄ）´  （ｉ＝１，．．．，Ｎ）
である。行列表記において、次のように書かれ、
ｙ＝Ｘβ＋ε
はＮ個の有効な時間瞬間ｔｉに基づくレグレッサの行列であり、即ち、この行列の列はレグレッサにより構成され、ここで、ｙ＝（ｙ１，．．．,ｙＮ）´、ε＝（ε１，．．．，εＮ）及びＸ＝（ｘ１，．．．，ｘＮ）´である。βについての最初のＯＬＳ推定量、即ち、
【００３５】
【数６】
2010508507.tif 000008
を得た後、
【００３６】
【数７】
2010508507.tif 000009
が演算され、Ｖ∞について最小であり（ここで、ＯＬＳ推定量βは、Ｖ∞が変わるたびに再演算され）、ここで、
【００３７】
【数８】
2010508507.tif 000010
であり、この式はｙを演算するように用いられるＶ∞についての最初の推定に基づいている。これは、Ｖ∞及びβに関して式１１を最小化することに比べて容易に実行することに繋がる。Ｖ∞の最初の推定は、例えば、放電ステップの後の緩和の場合に最初の電圧サンプルに１００ｍＶ加算することにより、又は充電後の緩和の場合に１００ｍＶ減算することにより得られる。最終的には、式１のオリジナルのモデルのパラメータは、
【００３８】
【数９】
2010508507.tif 000011
、
【００３９】
【数１０】
2010508507.tif 000012
及び
【００４０】
【数１１】
2010508507.tif 000013
として回復される。要約すると、式１の電圧推定モデルは、サンプルポイント（ｔｉ，Ｖｔｉ）（ｉ＝１，．．．，Ｎ）により表わされる測定された緩和曲線に対して適合される。これは、推定緩和電圧曲線及び推定緩和終了電圧Ｖ∞をもたらす。式１のモデルにおいては４つの未知のパラメータが存在するため、少なくとも４つのサンプルポイントは、それらの式のセットの解くことができる、即ち、Ｎ≧４である必要がある。
【００４１】
更なる好適な実施形態は、サンプルの少なくとも幾つかが、平均化によりローパスフィルタリングされる電圧の複数測定から得られる方法を提供する。本発明者は、本発明に従って測定された開回路電圧が、電圧スパイク又は他の短い過渡現象の影響下に置かれる可能性があることを理解している。測定のグループの結果を平均化することにより、そのようなスパイクの影響を最小化することができる。
【００４２】
好適には、外挿処理で用いられる電圧のサンプルは、充電処理及び放電処理の終了後の６分以内にとられる。上記のように、本発明は、充電処理又は放電処理後の短い時間にとられる測定から起電力の正確な推定を提供することを目的としている。緩和処理の最初の６分内に測定されるとき、正確な結果が新しい電池及びエージングされた電池について得られ、このことは、起電力、それ故、放電状態が短時間で正確に決定されることが可能であるという有利点に繋がる。上記の６分は適切な結果を与えるが、恐らくバッテリの種類に応じて、最初の３、４分又は５分、若しくは最初の８、１０、１２又は１５分以内のような緩和時間の開始時における他の時間間隔において測定されるときに、適切な結果を得ることが可能である。一般に、それらの結果は、より多くの測定が行われるときに、より良好になる。
【００４３】
緩和処理中に測定される開回路電圧は、同時に生じる複数の処理からの結果を処理する。放電処理の終了後の最初の３０秒の間の、測定電圧は更に複雑な処理の結果である。それ故、本発明に従って補間処理で用いられる式は、このような最初の３０秒間には、あまり適用されない。このような最初の時間の間にとられた測定値を用いることは、従って、あまり正確な結果に繋がらない。この期間の後にのみ測定を開始することにより、より正確な結果を得ることができる。好適な実施形態はそのような方法を提供し、外挿処理で用いられる最初のサンプルは、放電処理の終了後の３０秒より長い時間を要する。しかしながら、３０秒に代えて、他の時間、例えば、１０秒、１分又は２分を用いることが可能である。時間の選択は、バッテリ及び特に緩和処理の持続時間の特性に依存する。最初の測定が行われた充電又は放電の後の時間と、後続の測定が行われる時速時間との間にはまた、緩和が存在し、緩和処理の影響を回避するように最初の測定がより長く先送りされると、必要な正確さを得るように、後続の測定について時間を長くとる必要性がより高くなる。
【００４４】
同様に、充電処理の終了後３０秒間で、測定電圧はかなり複雑な処理になることが判明した。それ故、本発明に従った補間処理で用いられる式は、最初の３０秒間にはあまり適用しない。このような最初の時間の間にとられる測定値の使用の結果は、従って、あまり正確な結果をもたらさない。この期間の後にのみ測定を開始することにより、より正確な結果が得られる。好適な実施形態はそのような方法を提供し、外挿処理で用いられる最初のサンプルは、充電処理の終了後、３０秒以上掛ってからとられる。しかしながら、３０秒に代えて、１０秒、１分又は２分等の他の時間を用いることが可能である。
【００４５】
他の実施形態においては、バッテリの起電力の決定のために用いられる外挿モデルは時間であって、その時間の後にバッテリ電圧が起電力に達する、時間を決定するようにまた、用いられる。一部の実施例においては、例えば、バッテリ測定において、開バッテリ電圧が起電力に達する前に、どれ位時間を要するかを決定することに関心がもたれる。特定の好適な実施形態は、バッテリの起電力について用いられる外挿モデルが、時間であって、その時間の後にバッテリ電圧が起電力に達する、時間を決定するようにまた、用いられる。
【００４６】
上記の方法により得られた時間は、起電力の決定で用いられる上記式に適合する又は再較正する処理で用いられることが可能である。好適な実施形態は、外挿処理により決定された起電力の値が請求項８に記載している方法で決定された時間の後に測定される起電力と比較され、そのモデルは、起電力の測定値と外挿値との間の差分が所定値より大きいときに、充電又は放電処理の終了と最初の測定との間の時間を補正することにより、又は測定回数を増やすことにより適合される。ここでは、それは、適合された式１におけるパラメータではないが、測定数及びそれらの測定が行われた回数、即ち、フィッティング処理で考慮される緩和曲線の一部であることに留意する必要がある。
【００４７】
上記のように、本発明の主な目的は、バッテリの充電状態の正確な表示を提供することである。しかしながら、ユーザはしばしば、バッテリが消耗してしまう前に、機器を用いることができる残りの時間にかなり興味がある。それ故、本発明の好適な実施形態において、残りの使用時間が、現在の放電条件下で演算される方法について提供している。
【００４８】
本明細書で開示している方法は、充電又は放電が行われていない時間の間、及び平衡状態に未だに達していない時間の間の、バッテリの起電力、それ故、充電状態の決定に対処するものである。しかしながら、その方法は、バッテリが平衡状態にある起電力及び充電状態の決定、及びバッテリが充電又は放電されていない状況下での充電状態の決定のために備えられる一体化システムにおいてその機能をかなりよく実行することが可能である。それ故、本発明はまた、充電及び放電処理にあるバッテリの充電状態（ＳｏＣ）と、充電又は放電が行われていないアイドル時間とを決定する方法であって、充電又は放電処理の後の期間の間の充電状態が、請求項の１つに従った方法により決定される、方法に関するものである。
【００４９】
上記方法は、好適には、充電又は放電された、及び平衡状態に達していないバッテリの充電状態（ＳｏＣ）を決定する装置であって、その装置は、充電又は放電処理の後の緩和の間にバッテリの開電圧を測定する測定手段と、バッテリの開電圧において測定値の外挿により起電力を決定する演算手段であって、その演算手段は、充電又は放電処理の終了後に測定される変数のみを用いる外挿モデルに基づいて外挿を実行するように適合された、演算手段と、バッテリの起電力と充電状態（ＳｏＣ）との間の所定の関係を用いることによりバッテリの起電力からバッテリの充電状態（ＳｏＣ）を導き出す手段と、を有する。
【００５０】
好適には、そのような装置の演算手段は、次式、
【００５１】
【数１２】
2010508507.tif 000014
で表わされるモデルを用いることによる外挿を実行するように適合され、ここで、Ｖ∞（起電力電圧）、α、γ及びδは変数であり、εは、数学的最適化におり最小化される誤差を表す。
【００５２】
他の実施形態は、測定手段が各々の測定値について複数の測定を実行するように適合され、演算手段がローパスフィルタリング測定値を得るように測定電圧を平均化するように適合されていることを特徴とする。
【００５３】
上記装置は、好適には、バッテリにより電力供給されるように適合された電子装置またはバッテリ充電装置において実行されることが可能である。
【００５４】
そのような電子装置は、携帯電話、ＧＰＳ装置又はシェーバ等の携帯型電子装置により構成されることが可能であるが、走行用バッテリを有するハイブリッド自動車等の電気駆動自動車により構成されることもかなり可能であり、その装置は、走行用バッテリの充電状態を決定するように適合されている。
【００５５】
本発明については、以下、図を参照して明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】放電電流ステップ後の電圧緩和を示す図である。
【図２】本発明の実施形態を示す図である。
【図３】本発明に従っての方法のフロー図である。
【図４】本発明の更なる実施形態を示す図である。
【図５】異なる状況下にある本発明の方法の充電状態推定における誤差を示す図である。
【図６】異なる状況下にある本発明の方法の充電状態推定における誤差を示す図である。
【図７】異なる状況下にある本発明の方法の充電状態推定における誤差を示す図である。
【図８】異なる状況下にある本発明の方法の充電状態推定における誤差を示す図である。
【図９】異なる状況下にある本発明の方法の充電状態推定における誤差を示す図である。
【図１０】異なる状況下にある本発明の方法の充電状態推定における誤差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
上記のように、新たに提案している電圧予測モデルは、米国特許第６，４２０，８５１号明細書及び米国特許第６，５１５，４５３号明細書に開示されている従来技術の充電状態表示アルゴリズムにおいて有利に用いられることが可能である。しかしながら、そのモデルは、バッテリの起電力が充電状態を決定するように用いられる何れかの充電状態表示方法においてまた、用いられることが可能である。例えば、鉛蓄電池のためにデザインされた過去の多くの充電状態システムにおいて、鉛蓄電池起電力と充電状態との間の線形関係が用いられている。充電電流又は放電電流が遮断されるとすぐ、その方法は、バッテリ緩和曲線からの測定電圧サンプルに基づいて、起電力を即座に、即ち、数分で決定することを可能にする。
【００５８】
電圧推定方法が充電表示システムにおいてどのように実施されるかについての一般ブロック図を図２に示している。バッテリ電圧Ｖｂａｔ、バッテリ電流Ｉｂａｔ及びバッテリ温度Ｔｂａｔが、例えば、フィルタリング、増幅及びディジタル化を有するアナログ前処理ユニットにより測定される。バッテリ変数のディジタル表現が、マイクロコントローラ等のディジタル処理手段に供給される。起電力方法に基づく電圧推定方法及び何れかの放電状態表示システムはこのディジタル処理ユニットにおいて実行される。そのユニットはまた、メモリを用い、そのメモリは、外部メモリ又は同じシリコンダイにおいて存在するメモリであることが可能である。ＲＯＭメモリが、温度の関数として、起電力曲線等のバッテリに特定のデータを予め記憶するように用いられる。ＲＡＭが、温度データを書き込む、バッテリ履歴情報を記憶するように用いられる。例えば、電圧緩和曲線の最初の部分はこのＲＡＭも記憶されることが可能であり、その場合、ディジタル処理手段は、このＲＡＭからサンプルを得、そのモデルが緩和曲線の最初の部分をフィッティングするように、式１のパラメータＶ∞、α、δ及びγをフィッティングするように、曲線フィティング方法又は線形回帰方法においてそれらのサンプルを用いることが可能である。パラメータＶ∞は、その場合、ＲＯＭに記憶されている起電力曲線を介して充電状態値を得るように、充電状態表示アルゴリズムで用いられることが可能である。推定充電状態値は、ディスプレイを介してユーザに直接、示されることが可能であり、又はディジタルインタフェースを介してどこかと通信されることが可能である。例えば、後者の状況は、図２に示すディジタルプロセッシング手段が携帯型装置のホストプロセッサに充電状態データを送信する専用充電状態表示ＩＣに存在するときに現れる。
【００５９】
図２におけるディジタルプロセッシング手段に電圧推定方法をプログラミングする有効な方法は、図３にフロー図の形式で示されている。そのアルゴリズムは、充電電流又は放電電流が遮断されたときに開始される。これは、０になっていく電流の測定値から推定される。これが生じるとき、先ず、持続時間ｔ１の待機サイクルが、最速の時定数に対応する緩和曲線の最も急峻な部分が経過したことを確認し始める。上記のように、時間ｔ１は、充電又は放電が遮断されたかどうかに依存して行われることが可能であり、遮断された放電及び充電について、例えば、３０秒であることが可能である。
【００６０】
時間ｔ１が経過したとき、時間ｔｉにおけるＮ個の電圧サンプルの数が、外部から印加された電流が０のままである条件下で、１からＮまでの範囲のｉについてとられる。緩和曲線の最初の部分が記録されている場合、図１の曲線フィッティング処理が、例えば、上記のフィッティング処理により開始されることが可能である。ここでは、幾つかの可能性が存在している。例えば、時間サンプルｔｉの値に基づいて、回帰行列Ｘが演算され、メモリ（ＲＡＭ）に記憶される。これは、フィッティング処理の高い速度に繋がる。代替として、行列Ｘの要素が、上記のｌｏｇ（ｔｉ）及びｌｏｇ（ｌｏｇ（ｔｉ））の形で必要とされる瞬間に演算されることが可能であり、そのことは占有されるメモリ空間をより少なくすることに繋がる。
【００６１】
フィッティング処理が終了したとき、図１のパラメータＶ∞、α、δ及びγは既知である。
【００６２】
図３に示すように、Ｖ∞の値は充電状態アルゴリズムに直接、通信されることが可能であり、その場合、そのＶ∞の値は起電力曲線に基づいて推定充電状態値に変換されることが可能である。代替として、フィッティング処理の正確なチェックとして、そのアルゴリズムは待機し、対応する時定数におけるフィッティング曲線により演算された電圧値と比較されることが可能である一部の更なる電圧サンプルをとることが可能である。十分に多い電圧ポイントがチェックされたとき、Ｖ∞の値はその充電状態表示アルゴリズムに転送されることが可能である。ときどき、そのアルゴリズムは、その電圧が実際に安定化して、Ｖ∞の推定値を確認できるまで待機することにより、更に完全にチェックされることが可能である。例えば、フィッティング処理後、そのアルゴリズムは、特定の範囲内にＶ∞に達するのにどれ位時間が掛かるかを演算することができる。そのアルゴリズムは、付加サンプルをとることなく、その時間を待つことが可能であり、次いで、推定Ｖ∞値の精度を確認するように、この時間期間の後、一回又は数回、その電圧をサンプリングすることが可能である。この電圧推定アルゴリズムの正確さのチェックは、特定の間隔で、例えば、１０回の電圧緩和処理毎に、又は見込まれる時間について緩和するのにバッテリが実際に要する時間毎に、実行されることが可能である。その結果は、パラメータｔｉ及びＮ、即ち、フィッティングのために用いられる緩和曲線の一部を調整するように用いられることが可能である。
【００６３】
最後の実施形態として、図３に示すように実行される電圧推定モデルはまた、米国特許第６，４２０，４５３号明細書の充電状態表示アルゴリズムにおいて実施されることが可能である。その特許明細書における状態図については、状態間の各々の移動についての詳細説明を繰り返さずに、参照のためにここで繰り返す。
【００６４】
図４においては、本発明のアルゴリズムが米国特許第６，４２０，４５３号明細書に記載されているアルゴリズムに組み込まれたフロー図を示している。遷移状態において、その対数が、米国特許第６，４２０，４５３号明細書に従って、バッテリ電圧が安定しているかどうかを判定する。代替として、図３において実行される電圧推定方法は、遷移状態に入ったときに用いられることが可能である。Ｖ∞の値が有効である場合にすぐ、即ち、数分の緩和の後に、その値は平衡状態に移行されることが可能であり、その値は、システムを較正する充電状態を推定するように起電力方法において用いられることが可能である。
【００６５】
新しい電圧推定モデルにより得られる結果
電圧推定モデルの精度をテストするように、ＬｉイオンＵＳ１８５００Ｇ３バッテリ（定格容量１１００ｍＡｈ）は、異なるＣ率（０．０５Ｃ率、０．１Ｃ率、０．２５Ｃ率、０．５Ｃ率）及び異なる温度（２５℃及び４５℃のそれぞれ）において５０ｍＡｈのステップでＭａｃｃｏｒバッテリテスタを用いて充電及び放電された。各々の充電ステップ又は放電ステップの後、バッテリ電圧は、長い緩和時間を用いて十分に緩和することが可能にされた。緩和曲線の最初の部分に基づいて、そのモデルは、電圧緩和終了値を推定するように用いられた。この値は、長い緩和の後に得られた、測定された電圧終了値と比較された。米国特許第６，４２０，４５３号明細書の充電状態表示方法における適用のために電圧推定モデルの有用な結果を有するように、電圧推定モデルにより推定された起電力に基づく充電状態推定における誤差は１％より小さい必要がある。先ず、緩和の最初の瞬間の緩和処理の垂直形状が推定終了電圧値において大きい不正確さを与える可能性があることが観測された。推定電圧における誤差を最小化する最初のサンプル時間ｔ１について最適値を得るように、上記のＭａｃｃｏｒバッテリテスタにより得られた略５００個の緩和曲線が、ＭＡＴＬＡＢを用いて、式１のモデルによりシミュレーションされた。それらのシミュレーションから、ｔｉについての最適値は、放電及び充電について３０秒であると結論付けることができる。このことは、電流の遮断後、少なくとも最初の３０秒が無視される必要があることを意味している。その式のモデルに適合するように用いられる電圧サンプルは、この時間期間の後にとられる必要がある。
【００６６】
電圧推定モデルの正確さを更に研究するように、ＬａｂＶｉｅｗ設定における複数の測定が実行され、実際のバッテリは充電及び放電され、電流遮断後の終了電圧が、式１の電圧モデルによりリアルタイムに推定される。そのモデルの精度はまた、ＬａｂＶＩＥＷ測定から得られる最終的な起電力値、即ち、長い緩和期間の後に最終的に安定化した電圧に基づいて演算された充電状態と、式１のモデルを用いる推定起電力電圧に基づく起電力曲線によりを用いて演算される充電状態を比較することにより決定された。全緩和期間は、全ての条件下で、バッテリが十分に緩和することが可能であるように選択された。更に、充電状態はまた、緩和中のバッテリ電圧の瞬間的な開回路電圧値に基づく起電力曲線を用いて決定された。上記のように、この演算された充電状態の誤差は、長い緩和時間の後にバッテリ端子において測定された最終的な起電力値に基づく充電状態に対して比較することにより演算されることが可能である。この後者の誤差は、緩和のための固定時間であって、その後、バッテリは平衡状態にあるとみなされる、固定時間を用いるときに得られる誤差の大きさについての情報を与える。０．２５Ｃ率及び５℃における放電について得られた瞬間的な開回路電圧値又は上記式の電圧緩和モデルを用いるときに得られる放電状態の誤差を図５に示している。
【００６７】
図５は、電圧推定（ＳｏＣｅｒ（Ｖｐ））に基づく充電状態における誤差が、緩和の５分後に約０．６２％であり、瞬間的な充電状態値ＳｏＣｅｒ（ＯＣＶ）を用いるときの充電状態誤差は、そのときに約６．１６％であることを示している。０．６％の充電状態誤差（ＳｏＣｅｒ（ＯＣＶ））は、２６０分の緩和期間の後にのみ得られたものである。このことから、電圧推定は、５分後に考慮されるバッテリの開回路電圧に比べて５分後により良好な正確さを提供し、緩和の２６０分後のバッテリの開回路電圧を考慮するときと同様の正確さを提供することが結論付けられる。図１の電圧緩和モデル及び起電力推定に基づくシステムの“速度”は、この状況において５２倍改善されている（即ち、２６０／５＝５２である）。このことは、最初の時間を無視する、緩和の最初の５分のみに基づいて、２６０分の固定緩和時間を用いる正確さと同様の正確さを有する起電力曲線に基づく充電状態を推定することが可能である。更に、最初の３００分について、その推定電圧に基づいて得られる充電状態値はバッテリの開回路電圧に基づいて得られた充電状態値に比べてより正確であることを、図５により結論付けることが可能である。このポイントの後には、２つの充電状態値は略同じである。
【００６８】
０．２５Ｃ率及び２５℃及び４５℃において放電を遮断した後に得られた他の測定結果について図６及び７に示している。図６及び７の両方においては、測定された緩和曲線の最初の部分に式１のモデルをフィッティングすることによる電圧推定を用い、起電力曲線における推定電圧を用いるときに得られる誤差ＳｏＣｅｒ（Ｖｐ）は、起電力曲線における瞬間的な開回路電圧におけるフィッティングにより得られる誤差ＳｏＣｅｒ（ＯＣＶ）より小さい。例えば、図７は、モデルフィッティング処理における最初の時間を無視して、緩和曲線の最初の２分が考慮されるとき、電圧推定は０．３％の誤差ＳｏＣｅｒ（Ｖｐ）を提供し、そのとき、ＳｏＣｅｒ（ＯＣＶ）は０．８３％であることを示している。この実施例については、式１を用いて電圧推定から得られる充電状態は、完全な緩和時間期間の間よりより正確である。それ故、提供している測定により、現在のところ、電圧推定モデルは、開回路電圧値のみを考慮することに比べて良好に実行することができ、一般に、１％より小さい充電状態誤差が５分の緩和の後に得られるとして、結論付けることが可能である。
【００６９】
上記と同じ結論が、種々の温度で０．２５のＣ率を充電ステップに適用した後に同じ曲線が比較されている図８乃至１０から導き出される。この場合、ＳｏＣｅｒ（Ｖｐ）は、最初の３分間を無視して、緩和曲線に上記式のモデルをフィッティングすることにより得られる（そのＳｏＣｅｒ（Ｖｐ）は３０秒のものに比べて大きく、その期間は、良好なフィッティングについて無視される必要がある時間として充電についての初期に規定される期間である）。
【００７０】
例えば、約４分の時間における場合について、図８を参照されたい。この時間においては、電圧推定は０．５％の誤差ＳｏＣｅｒ（Ｖｐ）を与え、その誤差ＳｏＣｅｒ（ＯＣＶ）は７．２３％である。約０．５％の誤差ＳｏＣｅｒ（ＯＣＶ）が、１１０分の残りの期間の後に得られる。それ故、電圧推定は、４分後に考慮されるバッテリの開回路電圧に比べてより高い正確さを提供し、１１０分の緩和の後に開回路電圧を考慮するときと同じ正確さを提供する。電圧緩和モデルに基づくシステムの“速度”は、この状況において２７倍改善される（即ち、１１０／４＝約２７である）。図８はまた、最初の８５分の間、推定電圧に基づいて得られる充電状態値が、バッテリの開回路電圧に基づいて得られる充電状態値に比べて高い正確さを有することを示している。このポイントの後、２つの充電状態の値は略同様である。
【００７１】
図５乃至１０から、異なる充電状態値、充電／放電率及び温度における５分の緩和の後の推定電圧に基づいて演算された放電状態は１．１％より小さい充電状態推定誤差を提供することが結論付けられる。固定緩和時間を用いることに比べて、速度のおいてかなりのゲインが達成され、そのことは、５分の緩和の後、バッテリの充電状態が、起電力曲線に基づいて１％より小さい誤差を伴って予め推定することが可能であり、バッテリ電圧は、起電力値の方にはまだ緩和されていないことを意味している。
【００７２】
緩和曲線の最初の部分に対してオンライン式で式１の電圧推定モデルをフィッティングする本発明に従った新しい方法はまた、従来技術のＡｙｌｏｒによる電圧推定方法及び米国特許第６，３６６，０５４号明細書に対して比較された。Ａｙｌｏｒによる漸近線システムについては、第１電圧サンプルが１分（Ｘ＝０）においてとられ、第２電圧サンプルが６．６分（Ｘ＝０．８２）においてとられた。開回路電圧に基づくそのシステムについては、米国特許第６，３６６，０５４号明細書において提案されているのと同じパラメータであるｄＯＣＶ／ｄｔ及び温度が用いられ、６．６分における開回路電圧値及びｄＯＣＤ／ｄｔ値である。図５及び図８を得るように用いた緩和実験が用いられた。それらの結果について、下の表１にまとめている。１番目及び２番目の列は、モデル名及び先行するステップの種類（放電又は充電）を与えている。３つのモデルの各々についての平衡状態の電圧ＶＥＭＦ及び推定電圧Ｖｐ（Ｖ）が、３番目及び４番目の列のそれぞれに与えられている。５番目及び６番目の列はＶＥＭＦ（ＳｏＣｔｒｕｅ）及びＶｐ（ＳｏＣｐ）のそれぞれに基づいて演算された充電状態表示を示している。７番目の列は、真の充電状態値と推定充電状態値との間の差分として演算された充電状態における誤差を示している。
【００７３】
【表１】
2010508507.tif 000015
【００７４】
表１は、本発明に従った新しい方法の方が２つの従来技術のシステムに比べて充電状態誤差がより小さいことを明確に示している。Ａｙｌｏｒによる漸近線システムは、本明細書のＬｉイオンバッテリの実験についてかなりうまく機能する。しかしながら、その方法は、同じ種類の他のバッテリ及び古いバッテリについて異なってしまう固定パラメータＸｐに基づいている。実際には、その新しいモデルはまた、緩和曲線のどの一部が上記式をフィッティングさせるために用いられるかについて表すパラメータｔ１及びＮを用いる。それらのパラメータは、実際の緩和曲線を表すのではないが、推定の正確さに影響する。その新しい方法の漸近線方法に比べての有利点は、緩和終了電圧を予測することに加えて、この電圧に達するのに要する時間をまた推定することができることである。この時間は、最適なフィッティングの正確さについてのモデルのパラメータｔ１及びＮを調整するために用いられることが可能である。米国特許第６，３６６，０５４号明細書の組み合わされた方法は、本明細書のＬｉイオンバッテリの実験については適切には機能しない。明らかに、新しいパラメータが上記式で用いられる必要がある。モデルがこのバッテリの種類に対してフィッティングされるときに、恐らく、より良好な結果が得られるが、その場合でさえ、固定パラメータ値を用いる不利点は依然として残っている。
【００７５】
本発明の適用
本発明は、携帯型バッテリ電力供給装置におけるＬｉイオンバッテリについて特に適用することが可能であるが、それに限定されるものではない。本発明は、少なくとも一部が起電力方法に基づく充電状態表示アルゴリズムと関連して用いられることが可能であり、バッテリのエージング中でさえ、バッテリの充電状態を正確に推定することに導くことができる。
【図１】
2010508507.tif 000018
【図２】
2010508507.tif 000019
【図３】
2010508507.tif 000020
【図４】
2010508507.tif 000021
【図５】
2010508507.tif 000022
【図６】
2010508507.tif 000023
【図７】
2010508507.tif 000024
【図８】
2010508507.tif 000025
【図９】
2010508507.tif 000026
【図１０】
2010508507.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成21年5月1日(2009.5.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電又は放電され、平衡状態に達していないバッテリの充電状態を決定する方法であって：
充電処理又は放電処理の後の緩和中にサンプリングされるバッテリ電圧の外挿により前記バッテリの起電力を決定するステップであって、前記外挿は、前記緩和処理中にサンプリングされた変数のみを用いる外挿モデルに基づいている、ステップ；及び
前記バッテリの前記起電力と前記充電状態との間の所定の関係を用いることにより、前記バッテリの前記起電力から前記バッテリの前記充電状態を導き出すステップ；
を有する方法であり、
前記外挿の処理で用いられる最初のサンプルには、前記充電処理又は放電処理の終了後に３０秒以上の時間を要する；
方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、充電処理又は放電処理の終了後に、前記バッテリ電圧は、前記緩和処理中に少なくとも４回測定され、前記外挿モデルは、前記測定から得られる少なくとも４つのサンプリング電圧値を用いる、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記外挿は、次式
【数１３】
2010508507.tif 000028
により表されるモデルを用いて実行され、ここで、Ｖ∞（前記起電力）、α、γ及びδは変数であり、εは誤差を表す、方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の方法であって、前記サンプリングの少なくとも一部は、平均化によるローパスフィルタリングされた電圧の複数の測定から得られる、方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の方法であって、前記外挿処理において用いられる最初のサンプルは、前記放電処理の終了の後、３０秒以上を要する、方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法であって、前記バッテリの前記起電力の決定のために用いられる前記外挿モデルは時間を決定するように用いられ、該時間の後、前記バッテリ電圧は前記起電力に達する、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記外挿処理により決定された前記起電力の値は、請求項６８に記載の方法において決定された前記時間の後に測定される前記起電力の値と比較され、前記該像モデルは、前記起電力の前記測定値と前記外挿値との間の差分が所定値より大きいとき、前記充電又は放電処理の終了と前記最初の測定との間の測定回数を増加させることにより、又は時間を補正することにより適合される、方法。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法であって、残りの使用時間が、電流放電条件下で演算される、方法。
【請求項９】
充電処理及び放電処理されるバッテリの充電状態、並びに放電処理又は充電処理が生じないアイドル時間を決定する方法であって、充電処理又は放電処理の後の期間中の変化の状態は請求項１乃至１０の何れか一項に記載の方法に従って決定される、方法。
【請求項１０】
充電又は放電された、及び平衡状態に達していないバッテリの充電状態を決定する装置であって：
充電処理又は放電処理の後の緩和中に前記バッテリの開電圧を測定する測定手段；
前記バッテリの前記開電圧の前記測定値の該像により前記起電力を決定する演算手段であって、前記演算手段は、前記充電処理又は放電処理の終了後に測定された変数のみを用いる外挿モデルに基づく外挿を実行するように適合されている、演算手段；並びに
前記起電力と前記バッテリの前記充電状態との間の所定の関係を用いることにより前記バッテリの前記起電力から前記バッテリの前記充電状態を導き出す手段であって、前記測定手段は、前記充電処理又は放電処理の終了後、前記外挿処理で用いられる最初のサンプルが３０秒以上の時間を要するように適合される、手段；
を有する装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置であって、前記演算手段は、次式
【数１４】
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により表されるモデルを用いることによる外挿を実行するように適合され、ここで、Ｖ∞（前記起電力）、α、γ及びδは変数であり、εは誤差を表す、装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の装置であって、前記測定手段は、各々の測定値について複数の測定を実行するように適合され、前記演算手段は、ローパスフィルタリング測定値を得るように前記測定電圧を平均化するように適合されている、装置。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２の何れか一項に記載のバッテリの充電状態を決定する装置を有するバッテリ充電装置。
【請求項１４】
バッテリにより電力を供給されるように適合された電気装置であって、請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の装置を有する、電気装置。
【請求項１５】
携帯電話、ＧＰＳ装置又はシェーバのような携帯型電子装置であって、請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の装置を有する、携帯型電子装置。
【請求項１６】
請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の装置及び走行用バッテリを有する、ハイブリッド自動車のような電気駆動自動車であって、前記装置は、前記走行用バッテリの充電状態を決定するように適合されている、電気駆動自動車。
【国際調査報告】
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