(57)【要約】  本発明は電気エネルギ蓄積器の充電状態の決定方法に関し、次のステップを有する。すなわち；取り出された、またはこれに供給された電荷量に依存した電気エネルギ蓄積器の電圧を電圧特性曲線として測定し、この測定された電圧から、電気エネルギ蓄積器の少なくとも１つの運転パラメータを考慮して、仮想開回路電圧特性曲線を求めるステップと、電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数および／または２次導関数を求めるステップと、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数および／または２次導関数の少なくとも１つの特性値を把握するステップと、この得られた少なくとも１つの特性値を基に電気エネルギ蓄積器の充電状態を決定するステップと、を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態決定方法であって、この方法は次のステップを有する。すなわち、
前記電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器（５０）の電圧を電圧特性曲線（ＳＫ）として測定し（Ｓ１）、電気エネルギ蓄積器（５０）の少なくとも１つの運転パラメータを考慮してこの測定された電圧から仮想の開回路電圧特性曲線を求めるステップと、
前記電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づく前記仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）および／または２次導関数（ＡＳＫ２）を求めるステップ（Ｓ２）と、
前記仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）および／または２次導関数（ＡＳＫ２）の少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）を得るステップ（Ｓ３）と、
この得られた少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）を基に前記電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態を決定するステップ（Ｓ４）。
【請求項２】
前記電気エネルギ蓄積器の前記少なくとも１つの運転パラメータとして、電気エネルギ蓄積器（５０）の温度および／または電気エネルギ蓄積器（５０）の電流負荷および／または電気エネルギ蓄積器（５０）の内部抵抗および／または電気エネルギ蓄積器（５０）の電圧ヒステリシスが求められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電圧測定（Ｓ１）が検出装置（２０）によって行われ、この電圧測定（Ｓ１）に際しては電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量が前記検出装置（２０）により得られることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記仮想開回路電圧特性曲線を用いて、電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器（５０）の仮想の開回路電圧のプロフィルが求められることを特徴とする請求項１〜３の１つに記載の方法。
【請求項５】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態の決定（Ｓ４）が、仮想開回路電圧特性曲線の前記得られた少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）と記憶ユニット（１４）に格納されている電圧特性曲線データとの比較により行われることを特徴とする請求項１〜４の１つに記載の方法。
【請求項６】
前記１次導関数（ＡＳＫ１）の少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ２）として、１次導関数（ＡＳＫ１）の零位領域が使用されることを特徴とする請求項１〜５の１つに記載の方法。
【請求項７】
前記２次導関数（ＡＳＫ２）の少なくとも１つの特性値（Ｃ３〜Ｃ５）として、２次導関数（ＡＳＫ２）の零位領域および／または２次導関数（ＡＳＫ２）の符号変化を有する領域が使用されることを特徴とする請求項１〜６の１つに記載の方法。
【請求項８】
前記仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）および／または２次導関数（ＡＳＫ２）の前記少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）として、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）および／または２次導関数（ＡＳＫ２）のピーク値または予め決められた境界値が使用されることを特徴とする請求項１〜７の１つに記載の方法。
【請求項９】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態の決定（Ｓ４）が、前記仮想開回路電圧特性曲線の曲がりおよび／または勾配に基づいて行われることを特徴とする請求項１〜８の１つに記載の方法。
【請求項１０】
前記仮想開回路電圧特性曲線の前記曲がりおよび／または勾配が仮想開回路電圧特性曲線の前もって定めることができる端部領域において決められることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態の決定（Ｓ４）によって、電気エネルギ蓄積器（５０）の最小電圧または最大電圧の遮断限界への到達が阻止されることを特徴とする請求項１〜１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
電気エネルギ蓄積器（５０）として、活性材料として１つの２相材料または平坦な放電特性曲線を有するその他の１つの材料を有するリチウムイオン電池が使用されることを特徴とする請求項１〜１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
電気エネルギ蓄積器（５０）として、陰極材料としてリチウム・鉄・リン酸塩またはリチウム・マンガン・リン酸塩またはリチウム・コバルト・リン酸塩またはその他のリチウム・金属・リン酸塩を有するリチウムイオン電池が使用されることを特徴とする請求項１〜１２の１つに記載の方法。
【請求項１４】
電気エネルギ蓄積器（５０）として、活性材料としてリチウム・チタン酸塩を有するリチウムイオン電池が使用されることを特徴とする請求項１〜１３の１つに記載の方法。
【請求項１５】
電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量の検出が電気エネルギ蓄積器（５０）の最大充電状態の１％刻みで行われ、好ましくは最大充電状態の０．２％刻みで、特に好ましくは最大充電状態の０．１％未満の刻みで行われることを特徴とする請求項１〜１４の１つに記載の方法。
【請求項１６】
電気エネルギ蓄積器（５０）の請求項１〜１５の１つに記載された充電状態決定法を実施するためのコンピュータプログラム。
【請求項１７】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態を決定するために装置であって、この装置は、
電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量を測定し、且つ、この電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器（５０）の電圧を電圧特性曲線（ＳＫ）として測定するための検出装置（２０）と、
格納された電圧特性曲線データを有する記憶ユニット（１４）と、
電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量から測定された前記電圧から、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）および／または２次導関数（ＡＳＫ２）を求めるべくこの電気エネルギ蓄積器（５０）の少なくとも１つの運転パラメータを考慮して仮想開回路電圧特性曲線を求めるため、および、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）および／または２次導関数（ＡＳＫ２）の少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）を得るため、および、得られた少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）に基づいて電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態を決定する（Ｓ４）ための制御装置（１２）とを備えている。
【請求項１８】
前記検出装置（２０）が、電圧特性曲線（ＳＫ）を用いて、電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器の電圧のプロフィルを求めるように構成されていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記制御装置（１２）は、電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態の決定（Ｓ４）が前記得られた少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）と前記記憶ユニット（１４）に格納されている電圧特性曲線データとの比較に基づいて行われるように構成されていることを特徴とする請求項１７または１８に記載の装置。
【請求項２０】
電気エネルギ蓄積器（５０）の少なくとも１つの運転パラメータとして、電気エネルギ蓄積器（５０）の温度および／または電気エネルギ蓄積器（５０）の電流負荷および／または電気エネルギ蓄積器（５０）の内部抵抗および／または電気エネルギ蓄積器（５０）の電圧ヒステリシスが供給されることを特徴とする請求項１７〜１９の１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気エネルギ蓄積器の充電状態決定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は再充電可能な電池を充電するための充電装置に関し、この充電装置は再充電可能な電池を急速充電するために再充電可能な電池に電気的な充電エネルギを供給する手段と、再充電可能な電池の電圧を検出する手段と、あらかじめ選定された基準電圧を供給する手段と、電池電圧を基準電圧と比較する手段とを有する。
【０００３】
図６は、酸化物陰極、すなわち、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2、ＬｉＭｎ2Ｏ4またはＬｉ−ＮＭＣ、あるいはこれに類する他の複数の材料を有する陰極を備えたリチウム・イオン蓄電池の放電曲線の一例を示したものである。
【０００４】
酸化物陰極を備えたリチウム・イオン蓄電池の放電曲線ＥＬＫが図６に示されたグラフに表示されている。Ｘ軸はこのリチウム・イオン蓄電池の放電容量をアンペアアワー（Ａｈと略記）で、Ｙ軸は酸化物陰極を備えたリチウム・イオン蓄電池の開回路電圧をボルト（Ｖと略記）で示している。
【０００５】
この放電曲線ＥＬＫは酸化物陰極を備えたリチウム・イオン蓄電池に典型的なものである。すなわち、リチウム・イオン蓄電池の放電中の電圧降下は約３．８Ｖのセル電圧までは弱いがほぼ一定であり、それから、リチウム・イオン蓄電池の放電終了までセル電圧は急勾配で降下する。
【０００６】
酸化物陰極を有するリチウム蓄電池システムでは、一般的に充電状態と開回路電圧との相関関係がある。これは陰極ポテンシャルと陽極ポテンシャルの特徴的な挙動から導き出すことができ、その結果、充電状態を推測することができる。また、充電と放電は同一の曲線プロフィルを有するので、この関係は明確である。
【０００７】
複数の基準曲線を測定することによって、すなわち、複数の開回路電圧測定によって、リチウム・イオン蓄電池の正確な、すなわち、誤差が約５％しかない充電状態を決定することができる。この充電状態は英語のｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅという専門定義に対応してＳＯＣと略記される。
【０００８】
図６に示された酸化物陰極を有するシステムの放電曲線ＥＬＫは有利な一定勾配と不利な勾配を有する。図示されたように、この蓄電池から取り出された電荷に対して常に１つの電圧値を相関させることができ、また、その逆も可能である。
【０００９】
今日のほぼ全ての充電状態決定方法は特に電荷測定に拠っている。これは例えばクーロンカウンタであり、放電された、または、供給された電荷流の時間積分である。
【００１０】
鉛セル、ニッケルベースのシステム、または、リチウム・イオンシステムなどの電気化学的なエネルギ蓄積器のタイプに応じて、その電気化学的なエネルギ蓄積器の充電状態を検出し、決定するための様々な方法が用いられている。これらの方法とは、例えば、開回路電圧測定、酸密度測定、あるいは、電解質の濃度測定、および、電荷流量率の測定である。
【００１１】
しかし、蓄電池の全容量は時間的なおよび／または負荷に起因する劣化により変化する。同様に経時的な自己放電によってセルからエネルギが失われる。そこで新しい全容量を定期的に検定することが必要であり、蓄電池の全容量を新たに決定し、充電状態決定として電荷計測量を校正するためには、決められた諸条件の基にフルサイクルが必要になる。
【００１２】
蓄電池を「浮動運転（ｆｌｏａｔ-Ｂｅｔｒｉｅｂ）で使用する場合には、すなわち、完全に実行される充放電サイクルなしに、または、蓄電池の定期的な満充電および／または放電なしに使用する場合には、前記校正は、場合によってはかなり長時間にわたって行われる状態には到達しない。同様に、開回路電圧の測定と開回路電圧の充電状態との相関づけは、高価で高精度の電流測定を行ったとしても、計測電子機器の限界あるいはセル化学によりあらかじめ定められた電気化学の限界に物理的にすぐに突き当たる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】独国特許出願公開第３８５３８６４Ｔ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで本発明の課題は、電気エネルギ蓄積器の充電状態の決定を可能にするために、電気エネルギ蓄積器の充電状態を特定する手法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この課題は本発明により、請求項１に記載された特徴を有する方法ならびに請求項１７に記載された特徴を有する装置により解決される。
【００１６】
すなわち本発明により、次のステップを有する電気エネルギ蓄積器の充電状態の決定方法が得られる：すなわち本方法は、電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器の電圧を電圧特性曲線として測定し、電気エネルギ蓄積器の少なくとも１つの運転パラメータを考慮してこの測定された電圧から仮想の開回路電圧特性曲線を求めるステップと、電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数および／または２次導関数を求めるステップと、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数および／または２次導関数の少なくとも１つの特性値を把握するステップと、この把握した少なくとも１つの特性値を基に電気エネルギ蓄積器の充電状態を決定するステップとを有する。
【００１７】
本発明のもう１つの観点により、電気エネルギ蓄積器の充電状態を決定するための以下の要素を備えた装置が得られる：すなわち本装置は、電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量を測定し、且つ、この電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器の電圧を電圧特性曲線として測定するための検出装置と、格納された電圧特性曲線データを有する記憶ユニットと、電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量から測定された電圧から仮想の開回路電圧特性曲線の１次導関数および／または２次導関数を求めるべくこの電気エネルギ蓄積器の少なくとも１つの運転パラメータを考慮して仮想開回路電圧特性曲線を求めるため、および、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数および／または２次導関数の少なくとも１つの特性値を把握するため、および、把握された少なくとも１つの特性値に基づいて電気エネルギ蓄積器の充電状態を決定するための制御装置とを備えている。
【００１８】
本発明の基となる考えは、仮想開回路電圧特性曲線の曲線プロフィルを勾配、および／または、曲がりに関して分析することにある。
【００１９】
この勾配または曲がりの決定は、少なくとも２つまたは３つの相前後する充電状態値と電圧値の簡単な測定によって行うことができる。測定された電流と電荷の積分によって充電状態の変化が算出される。電気エネルギ蓄積器の電圧は無電流の時点で測定されるか、あるいは、この電圧は実際に取り出された、または供給された電荷量と電流を含めて計算される。そのため、これらの電圧値から、格納された電流特性値または電圧特性値を使用して、また、電気エネルギ蓄積器の温度および／または電気エネルギ蓄積器の電流負荷および／または電気エネルギ蓄積器の内部抵抗および／またはそこに生じる電圧ヒステリシスとの関連を考慮して、仮想の開回路電圧が計算される。この蓄積器の電圧ヒステリシスとは、この蓄積器がその前の運転モードに基づいて、すなわち、特に、これが以前に充電されたか、または、放電されたか、に基づいて異なる開回路電圧を有することを意味する。
【００２０】
これらの得られた充電状態値と電圧値は測定値テーブル、あるいは、境界値と比較される。その結果、電気エネルギ蓄積器の充電調節のための調節基準および／または遮断基準が得られる。さらに、勾配および／または曲がりがある特定値に達すると、或る調節が誘導される。
【００２１】
充電状態の確実な決定、従って、適切な時点での確認、そしてそれに基づく電気エネルギ蓄積器の過放電または過充電の回避は、比較的平坦な電圧特性曲線を有するセルの安全性と寿命について決定的に重要な利点を有する。これに該当するのは例えば、リチウム・金属・リン酸塩セル、特には、リチウム・鉄・リン酸塩セル、リチウム・マンガン・リン酸塩セル、リチウム・コバルト・リン酸塩セルまたはリチウム・チタン酸塩セルである。
【００２２】
同様に、充電状態の正確な決定は本発明の応用対象の制御にとって基本的に重要である。電気エネルギ蓄積器の電圧特性曲線の勾配および／または曲がりの変化に基づいて、電気エネルギ蓄積器の出力低減、または、充電と放電のための調節を誘導することができる。電気エネルギ蓄積器の充電状態は、端部領域において、取り出された、または供給された電荷量からプロットされた電気エネルギ蓄積器の電圧のプロフィル（verlauf）からの勾配および／または曲がりから良好に決定することができる。
【００２３】
記憶ユニットに電圧特性曲線として格納されているデータとの比較は校正に使用され、このことから充電および放電プロセスのための調節が可能となり、それによって、電気エネルギ蓄積器の低減された出力での運転も保証される。
【００２４】
このために例えば、充電終末期あるいは放電終末期の近傍の端部領域においてのみ採用され、充電あるいは放電が間もなく終了に到達することを明確に示す電圧の２次導関数の１つの値が定義される。
【００２５】
こうして、電気エネルギ蓄積器の充電および／または放電に際しての充電および放電の乱暴な終了を予め避けることができる。したがって２つの重要なポイントでの信頼性が高められる。第１に、電気エネルギ蓄積器の運転範囲の外部に現れ、セルを損傷に導く運転電圧を早期に検知し、これを避けることができる。第２に、電気エネルギ蓄積器を大事に扱うことによって、いわゆる、より少ないサイクル消耗によって、運転モードにおいてより長い寿命が達成される。
【００２６】
本発明による方法の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器の少なくとも１つの運転パラメータとして、電気エネルギ蓄積器の温度および／または電気エネルギ蓄積器の電流負荷および／または電気エネルギ蓄積器の内部抵抗および／または電気エネルギ蓄積器の電圧ヒステリシスが求められる。この場合、電流負荷は電流方向と電流値を含むことができる。
【００２７】
本発明による方法の一実施形態において、電圧の測定は１つの検出装置により行われ、この電圧測定に際して、電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量が１つの検出装置により把握される。測定された電圧から仮想開回路電圧を計算するのに、電気エネルギ蓄積器の温度、電流負荷、内部抵抗および電圧ヒステリシスが影響を及ぼす。
【００２８】
本発明による方法の一実施形態において、仮想開回路電圧特性曲線を用いて、電気エネルギ蓄積器から取り出された、即ち、これに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器の開回路電圧のプロフィルが把握され、または、計算される。
【００２９】
本発明による方法の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器の充電状態の決定は、把握された開回路電圧、あるいは、仮想開回路電圧特性曲線の少なくとも１つの特性値の仮想開回路電圧と、記憶ユニットに格納されている電圧特性曲線データとの比較に基づいて行われる。
【００３０】
本発明による方法の代案において、１次導関数の少なくとも１つの特性値として、１次導関数の零位領域が使用される。
【００３１】
本発明による方法の一実施形態において、２次導関数の少なくとも１つの特性値として、２次導関数の零位領域および／または２次導関数の符号変化を有する領域が使用される。
【００３２】
本発明による方法の一実施形態において、１次導関数および／または２次導関数の少なくとも１つの特性値として、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数および／または２次導関数のピーク値または予め与えられた境界値が使用される。
【００３３】
本発明による方法の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器の充電状態の決定は、仮想開回路電圧特性曲線の曲がりおよび／または勾配に基づいて行われる。
【００３４】
本発明による方法の一実施形態において、仮想開回路電圧特性曲線の曲がりおよび／または勾配は仮想開回路電圧特性曲線の端部領域において決められる。
【００３５】
本発明による方法の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器の充電状態の決定によって、電気エネルギ蓄積器が最小電圧または最大電圧で遮断限界に達することが阻止される。
【００３６】
本発明による方法の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器として、活性材料として１つの２相材料または平坦な放電特性曲線を備えた他の１つの材料を有するリチウム・イオン電池が使用される。
【００３７】
本発明による方法の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器として、陰極材料としてリチウム・鉄・リン酸塩またはリチウム・マンガン・リン酸塩またはリチウム・コバルト・リン酸塩またはその他のリチウム・金属・リン酸塩を有するリチウム・イオン電池が使用される。
【００３８】
本発明による方法の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器として、活性材料としてリチウム・チタン酸塩を有するリチウム・イオン電池が使用される。
【００３９】
本発明による方法の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量の検出が電気エネルギ蓄積器の最大充電状態の１％刻みで行われ、好ましくは最大充電状態の０．２％刻みで、特に好ましくは最大充電状態の０．１％未満の刻みで行われる。
【００４０】
本発明による装置の一実施形態において、検出装置は、電圧特性曲線を用いて、電気エネルギ蓄積器から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器の開回路電圧プロフィルを求めるように構成されている。
【００４１】
本発明による装置の一実施形態において、制御装置は、電気エネルギ蓄積器の充電状態の決定が、得られた仮想開回路電圧特性曲線の少なくとも１つの特性値と記憶ユニットに格納されている電圧特性曲線データとの比較に基づいて行われるように構成されている。
【００４２】
本発明による装置の一実施形態において、電気エネルギ蓄積器の少なくとも１つの運転パラメータとして、電気エネルギ蓄積器の温度および／または電気エネルギ蓄積器の電流負荷および／または電気エネルギ蓄積器の内部抵抗および／または電気エネルギ蓄積器の電圧ヒステリシスが供給される。
【００４３】
上述した複数の構成とそのさらなる展開は、有意義な限りにおいて、任意に互いに組み合わせることができる。
【００４４】
本発明の他の可能な構成、さらなる展開および実行には、諸実施形態についてこれまでに記載された、またはこれ以降に記載される本発明の諸特長の明確には示されていない組合わせも含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
添付した図面は本発明の諸実施形態をよりよく理解するためのものである。これらは実施形態を分かり易く示し、明細書と共に本発明の原理とコンセプトの説明に資するものである。
【００４６】
他の実施形態および列挙された利点の多くがこれらの図から明らかになる。表示された図面の要素は必ずしも互いに寸法どおりに示されてはいない。
【図１】本発明による一実施形態のフローチャート
【図２】本発明の一実施形態による装置
【図３】本発明の一実施形態による電気エネルギ蓄積器の電圧特性曲線に関するグラフ
【図４】本発明の一実施形態による電気エネルギ蓄積器の仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数に関するグラフ
【図５】本発明の一実施形態による電気エネルギ蓄積器の仮想開回路電圧特性曲線の２次導関数に関するグラフ
【図６】酸化物電極を有するリチウム・イオン蓄電池の放電曲線に関するグラフの例示  これらの図面の図では、同一または同一機能の要素、部品、コンポーネントまたは方法ステップには、特に断らない限り、同一の符号が付されている。
【００４７】
図１は本発明による一実施形態のフローチャートを示す。
【００４８】
本方法の第１ステップで、この電気エネルギ蓄積器５０から取り出された、またはこれに供給された電荷量に対応した電気エネルギ蓄積器５０の電圧測定Ｓ１が電圧特性曲線ＳＫとして行われ、この測定電圧から電気エネルギ蓄積器５０の少なくとも１つの運転パラメータを考慮して仮想の開回路電圧特性曲線が求められる。
【００４９】
本方法の第２ステップで、電気エネルギ蓄積器５０から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数ＡＳＫ１および／または２次導関数ＡＳＫ２を算出するステップＳ２が行われる。
【００５０】
例えば、仮想開回路電圧特性曲線の計算においては電気エネルギ蓄積器５０のヒステリシス挙動が考慮される。こうして得られた仮想開回路電圧がそれ以降の計算のベースとなる。
【００５１】
本方法の第３ステップで、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数ＡＳＫ１および／または２次導関数ＡＳＫ２の特性値Ｃ１〜Ｃ５の少なくとも１つを算出するステップが行われる。
【００５２】
本方法の第４ステップで、得られた少なくとも１つの特性値Ｃ１〜Ｃ５に基づき電気エネルギ蓄積器５０の充電状態の決定Ｓ４が行われる。
【００５３】
図２は本発明の１実施形態による装置を示す。
【００５４】
電気エネルギ蓄積器５０の充電状態を決定するための装置１０は１つの制御装置１２、１つの記憶ユニット１４と１つの検出装置２０とを含む。
【００５５】
検出装置２０は、例えば、電気エネルギ蓄積器５０から取り出された、またはこれに供給された電荷量を測定するために、および、電気エネルギ蓄積器５０から取り出された、またはこれに供給された電荷量に対応した電気エネルギ蓄積器５０の電圧を測定するために構成されている。この検出装置２０は、例えば、電流積分器および／または電圧測定器として構成されている。
【００５６】
取り出された、または供給された電荷量に対してプロットされた開回路電圧はここでは、例えば、電気エネルギ蓄積器５０の電圧特性曲線ＳＫを表わす。
【００５７】
記憶ユニット１４は例えば、格納された電圧特性曲線データを有する。この記憶ユニット１４は例えば、デジタルメモリーチップを有するフラッシュメモリーとして構成され、低エネルギ消費下での不揮発性記憶を保証する。
【００５８】
制御装置１２は例えば、電気エネルギ蓄積器５０から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づき仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数ＡＳＫ１および／または２次導関数ＡＳＫ２を算出するために構成されている。この制御装置１２は例えば、プログラマブルロジックコントローラとして構成されている。
【００５９】
さらにこの制御装置１２は、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数ＡＳＫ１および／または２次導関数ＡＳＫ２の特性値Ｃ１〜Ｃ５の少なくとも１つを算出するために、また、得られた仮想開回路電圧特性曲線の特性値Ｃ１〜Ｃ５の少なくとも１つから電気エネルギ蓄積器５０の充電状態を決定Ｓ５するために設けられている。
【００６０】
電気エネルギ蓄積器５０の充電および放電プロセスの制御は例えば、充電調節器３０により行われ、これは電気的負荷６０と接続されている。
【００６１】
この電気的負荷６０は例えば、この電気エネルギ蓄積器５０から給電される自動車の車載電気系統として構成されている。
【００６２】
図３は本発明の１実施例による電気エネルギ蓄積器のリチウム・鉄・リン酸塩蓄電池の電圧特性曲線ＳＫのグラフを示す。
【００６３】
Ｘ軸は電気エネルギ蓄積器５０の充電状態を、Ｙ軸は電気エネルギ蓄積器５０の開回路電圧をボルトで表わす。
【００６４】
リチウム・鉄・リン酸塩蓄電池はリチウムイオン蓄電池の改良型である。陰極材料として例えば、ＬｉＦｅＰＯ4が使用されている。ＬｉＦｅＰＯ4陰極を有するリチウム蓄電池は酸化物陰極を有するリチウム蓄電池に比べて２つの顕著な違いを有する。
【００６５】
第１は、充電状態に対してプロットされた電圧特性曲線ＳＫが少なくとも幾つかの部分領域において際立った勾配を示さず、あるいは、勾配が全くなく、このことから電圧と充電状態との直接的な相関関係を得ることが困難である。
【００６６】
第２は、平衡電位曲線においてヒステリシスを有する。これは様々な電圧状態に起因し、この電圧状態は前歴に依存する、すなわち、電気エネルギ蓄積器のそれまでの充電または放電に依存する。図３は電気エネルギ蓄積器として使用されたリチウム・鉄・リン酸塩セルの典型的な平衡電圧プロフィルを示す。
【００６７】
電気エネルギ蓄積器５０の充電状態１０％と充電状態９０％の間の全電圧降下は約１５０ｍＶに過ぎない。さらに、例えば充電状態範囲が６０％から９０％までのような電圧特性曲線ＳＫの部分領域が在り、そこでは電気化学的な理由から電気エネルギ蓄積器５０の電圧の電圧変化がほとんどない。
【００６８】
同様に問題なのは、１つの充電状態値に対して大抵は２つの開回路電圧値を与える電圧特性曲線ＳＫのヒステリシスである。従って、電気エネルギ蓄積器５０の充電状態に対して開回路電圧を明確に関連付けることができない。
【００６９】
図３における電気エネルギ蓄積器５０の電圧特性曲線ＳＫの曲線プロフィルから、電気エネルギ蓄積器５０の１５％未満の充電状態および９５％より大の充電状態に対して、勾配が著しく増加していることが分かる。
【００７０】
これは部分的には、リチウム・鉄・リン酸塩陰極を有するセルのこの領域において著しく増大する内部抵抗に起因する。通常運転中はこれらの限界領域は劣化が進むという理由により、運転するのを避けねばならない。同様にここではこの蓄積システムの遮断限界に非常に近づき、このことがこの蓄積器の稼働率の制限をもたらす。
【００７１】
図３の電圧特性曲線ＳＫの勾配を正確かつ連続的に決定することによって、電気エネルギ蓄積器５０から取り出された、またはこれに供給された電荷に対する１次導関数ＡＳＫ１という勾配値のプロットが導きだされ、これが図４に示されている。
【００７２】
図４は本発明の一実施形態による電気エネルギ蓄積器の仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数のグラフを示している。
【００７３】
Ｘ軸は電気エネルギ蓄積器５０の充電状態を示し、Ｙ軸は１次導関数の値を示す。
【００７４】
このグラフに２つの１次導関数ＡＳＫ１が表示されている。充電状態領域が４０％から６０％の中央領域では勾配が殆どゼロであるのに対し、端の領域では勾配の明確な増加が認められる。勾配が殆どゼロということは、電圧と充電状態との相関関係が明らかに少ないことを示す。しかし、両端部領域での勾配はリチウム・鉄・リン酸塩セルの境界領域に対する調節パラメータとして使用することができる。
【００７５】
この勾配の大きさによって端部領域に対する充電状態を決定することができる。このために例えば、重要なピーク値または零位として形成することができる特性値Ｃ１、Ｃ２が使用される。
【００７６】
図５は本発明の一実施形態による電気エネルギ蓄積器の仮想開回路電圧特性曲線の２次導関数のグラフを示している。
【００７７】
Ｘ軸は電気エネルギ蓄積器５０の充電状態を示し、Ｙ軸は２次導関数の値を示す。
【００７８】
図５に示された２次導関数ＡＳＫ２から明らかに、開回路電圧特性曲線の曲がりは電気エネルギ蓄積器５０の低充電状態に対してはマイナスであり、電気エネルギ蓄積器５０の高充電状態に対してはプラスであることが分かる。
【００７９】
勾配と曲がりとからなる共通のデータセットとして、２つの成分からなる情報が得られ、この情報から開回路電圧特性曲線の両端部において充電状態に対する電圧の明確な対応づけが可能となる。
【００８０】
開回路電圧特性曲線の曲がり値は電気エネルギ蓄積器５０の補助的な調節・制御パラメータとして使用することができる。
【００８１】
図４における１次導関数ＡＳＫ１の挙動と同様に、図５に示された２次導関数ＡＳＫ２についても電気エネルギ蓄積器５０の４０％と８０％の充電状態において重要なピーク値、これは専門用語でピークとも呼ばれる、が示され、これらは特性値Ｃ４およびＣ５として符号が付されている。
【００８２】
さらに、電気エネルギ蓄積器５０の２０％以下の充電状態に対して、開回路電圧特性曲線の２次導関数ＡＳＫ２のもう１つの特性値Ｃ３が示されている。
【００８３】
２次導関数ＡＳＫ２のこれらの特性値Ｃ３〜Ｃ５は電気エネルギ蓄積器５０の充電調節器用の補助的な情報および推論のために使用することができる。
【００８４】
さらに、方法および装置に関する図示されていない代案として、開回路電圧特性曲線の３次導関数またはそれより高次の導関数の特性値、および／または、開回路電圧特性曲線値自身の特性値を電気エネルギ蓄積器５０の充電状態の決定に使用することが可能である。
【００８５】
本発明による方法は、電気エネルギ蓄積器の充電調節器に組み込まれているソフトウェアによって実施される。
【符号の説明】
【００８６】
１０          本装置
１２          制御装置
１４          記憶ユニット
２０          検出装置
３０          充電調節器
５０          エネルギ蓄積器
６０          負荷
ＳＫ          電圧特性曲線
ＡＳＫ１      １次導関数
ＡＳＫ２      ２次導関数
ＥＬＫ        放電曲線
【図１】
2015511309.tif 000003
【図２】
2015511309.tif 000004
【図３】
2015511309.tif 000005
【図４】
2015511309.tif 000006
【図５】
2015511309.tif 000007
【図６】
2015511309.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年10月23日(2014.10.23)
【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】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態決定方法であって、この方法は次のステップを有する。すなわち、
前記電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器（５０）の電圧を電圧特性曲線（ＳＫ）として測定し（Ｓ１）、電気エネルギ蓄積器（５０）の少なくとも１つの運転パラメータを考慮してこの測定された電圧から仮想の開回路電圧特性曲線を求めるステップと、
前記電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づく前記仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）または２次導関数（ＡＳＫ２）を求めるステップ（Ｓ２）と、
前記仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）または２次導関数（ＡＳＫ２）の少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）を得るステップ（Ｓ３）と、
この得られた少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）を基に前記電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態を決定するステップ（Ｓ４）。
【請求項２】
前記電気エネルギ蓄積器の前記少なくとも１つの運転パラメータとして、電気エネルギ蓄積器（５０）の温度または電気エネルギ蓄積器（５０）の電流負荷または電気エネルギ蓄積器（５０）の内部抵抗または電気エネルギ蓄積器（５０）の電圧ヒステリシスが求められることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電圧測定（Ｓ１）が検出装置（２０）によって行われ、この電圧測定（Ｓ１）に際しては電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量が前記検出装置（２０）により得られることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記仮想開回路電圧特性曲線を用いて、電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器（５０）の仮想の開回路電圧のプロフィルが求められることを特徴とする請求項１〜３の１つに記載の方法。
【請求項５】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態の決定（Ｓ４）が、仮想開回路電圧特性曲線の前記得られた少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）と記憶ユニット（１４）に格納されている電圧特性曲線データとの比較により行われることを特徴とする請求項１〜４の１つに記載の方法。
【請求項６】
前記１次導関数（ＡＳＫ１）の少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ２）として、１次導関数（ＡＳＫ１）の零位領域が使用されることを特徴とする請求項１〜５の１つに記載の方法。
【請求項７】
前記２次導関数（ＡＳＫ２）の少なくとも１つの特性値（Ｃ３〜Ｃ５）として、２次導関数（ＡＳＫ２）の零位領域または２次導関数（ＡＳＫ２）の符号変化を有する領域が使用されることを特徴とする請求項１〜６の１つに記載の方法。
【請求項８】
前記仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）または２次導関数（ＡＳＫ２）の前記少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）として、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）または２次導関数（ＡＳＫ２）のピーク値または予め決められた境界値が使用されることを特徴とする請求項１〜７の１つに記載の方法。
【請求項９】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態の決定（Ｓ４）が、前記仮想開回路電圧特性曲線の曲がりまたは勾配に基づいて行われることを特徴とする請求項１〜８の１つに記載の方法。
【請求項１０】
前記仮想開回路電圧特性曲線の前記曲がりまたは勾配が仮想開回路電圧特性曲線の前もって定めることができる端部領域において決められることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態の決定（Ｓ４）によって、電気エネルギ蓄積器（５０）の最小電圧または最大電圧の遮断限界への到達が阻止されることを特徴とする請求項１〜１０の１つに記載の方法。
【請求項１２】
電気エネルギ蓄積器（５０）として、活性材料として１つの２相材料または平坦な放電特性曲線を有するその他の１つの材料を有するリチウムイオン電池が使用されることを特徴とする請求項１〜１１の１つに記載の方法。
【請求項１３】
電気エネルギ蓄積器（５０）として、陰極材料としてリチウム・鉄・リン酸塩またはリチウム・マンガン・リン酸塩またはリチウム・コバルト・リン酸塩またはその他のリチウム・金属・リン酸塩を有するリチウムイオン電池が使用されることを特徴とする請求項１〜１２の１つに記載の方法。
【請求項１４】
電気エネルギ蓄積器（５０）として、活性材料としてリチウム・チタン酸塩を有するリチウムイオン電池が使用されることを特徴とする請求項１〜１３の１つに記載の方法。
【請求項１５】
電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量の検出が電気エネルギ蓄積器（５０）の最大充電状態の１％以下の刻みで行われることを特徴とする請求項１〜１４の１つに記載の方法。
【請求項１６】
電気エネルギ蓄積器（５０）の請求項１〜１５の１つに記載された充電状態決定法を実施するためのコンピュータプログラム。
【請求項１７】
電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態を決定するために装置であって、この装置は、
電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量を測定し、且つ、この電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器（５０）の電圧を電圧特性曲線（ＳＫ）として測定するための検出装置（２０）と、
格納された電圧特性曲線データを有する記憶ユニット（１４）と、
電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量から測定された前記電圧から、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）または２次導関数（ＡＳＫ２）を求めるべくこの電気エネルギ蓄積器（５０）の少なくとも１つの運転パラメータを考慮して仮想開回路電圧特性曲線を求めるため、および、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数（ＡＳＫ１）または２次導関数（ＡＳＫ２）の少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）を得るため、および、得られた少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）に基づいて電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態を決定する（Ｓ４）ための制御装置（１２）とを備えている。
【請求項１８】
前記検出装置（２０）が、電圧特性曲線（ＳＫ）を用いて、電気エネルギ蓄積器（５０）から取り出された、またはこれに供給された電荷量に基づいて電気エネルギ蓄積器の電圧のプロフィルを求めるように構成されていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記制御装置（１２）は、電気エネルギ蓄積器（５０）の充電状態の決定（Ｓ４）が前記得られた少なくとも１つの特性値（Ｃ１〜Ｃ５）と前記記憶ユニット（１４）に格納されている電圧特性曲線データとの比較に基づいて行われるように構成されていることを特徴とする請求項１７または１８に記載の装置。
【請求項２０】
電気エネルギ蓄積器（５０）の少なくとも１つの運転パラメータとして、電気エネルギ蓄積器（５０）の温度または電気エネルギ蓄積器（５０）の電流負荷または電気エネルギ蓄積器（５０）の内部抵抗または電気エネルギ蓄積器（５０）の電圧ヒステリシスが供給されることを特徴とする請求項１７〜１９の１つに記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
蓄電池を「浮動運転（ｆｌｏａｔ-Ｂｅｔｒｉｅｂ）で使用する場合には、すなわち、完全に実行される充放電サイクルなしに、または、蓄電池の定期的な満充電および／または放電なしに使用する場合には、前記校正は、場合によってはかなり長時間にわたって行われる状態には到達しない。同様に、開回路電圧の測定と開回路電圧の充電状態との相関づけは、高価で高精度の電流測定を行ったとしても、計測電子機器の限界あるいはセル化学によりあらかじめ定められた電気化学の限界に物理的にすぐに突き当たる。
従来技術としてさらに、米国特許第７４０５５７１Ｂ１号明細書、米国特許第７６０５６８Ａ号明細書、米国特許第６５６３３１８Ｂ２号明細書、米国特許第６６６１２３１Ｂ１号明細書、米国特許第６８３２１７１Ｂ２号明細書、米国特許第７０６２３９０Ｂ２号明細書、米国特許第７１９０１７１Ｂ２号明細書および米国特許出願公開第２００６／０１２５４８２Ａ１号明細書を挙げることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６０】
さらにこの制御装置１２は、仮想開回路電圧特性曲線の１次導関数ＡＳＫ１および／または２次導関数ＡＳＫ２の特性値Ｃ１〜Ｃ５の少なくとも１つを算出するために、また、得られた仮想開回路電圧特性曲線の特性値Ｃ１〜Ｃ５の少なくとも１つから電気エネルギ蓄積器５０の充電状態を決定（Ｓ４）するために設けられている。
【国際調査報告】
2015511309.tif 000009
2015511309.tif 000010
2015511309.tif 000011
2015511309.tif 000012