(57)【要約】【課題】電池の健康状態を決定するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】本発明は特に、電池セルに対する電荷状態測定値を得て、電池セルの健康状態を計算するためにその電荷状態測定値を使用することによって、電気化学電池セルの健康状態を決定するためのシステムおよび方法に関するが、そこで電荷状態測定値は電池セルの磁化率に基づいている。そのシステムは、電池セルの磁化率を測定するためのセンシングデバイスと、本明細書に記載された方法の段階を実行するためのコンピューティングデバイスとを含む。【選択図】図３
2013127946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学電池セルの健康状態を決定するためのコンピュータ実行方法であって、
前記電池セルの磁化率特性を測定する段階と、
前記測定磁化率特性に基づいて、前記電池セルに対する健康状態値を計算する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
ディスプレイデバイスを用いて前記健康状態値のしるしを表示する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記段階が、前記電池に対する全体的な健康状態値を決定するために、電池内の複数の電池セルの一つ一つに実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記磁化率特性を測定する段階が、所定時間後に繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記健康状態値を計算する段階が、各測定段階後に繰り返される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記磁化率特性を測定する段階が、一秒毎に繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記磁化率特性を測定する段階が、一分毎に繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記健康状態値が、無線接続によって送られる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記磁化率特性が、励起磁場を用いて測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
電気化学電池セルの健康状態を決定するためのシステムであって、前記システムが、
電池セルの磁化率特性を測定するためのセンシングデバイスと、
前記測定磁化率特性に基づいて前記電池セルに対する健康状態値を計算するための処理デバイスと、
を含む、システム。
【請求項１１】
前記健康状態値を出力するための出力デバイスをさらに含み、前記出力デバイスはディスプレイデバイスである、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
電気化学電池セルの健康状態を決定するためのコンピュータ実行方法であって、
測定磁化率値を決定するために電池セルの磁化率特性を測定する段階と、
前記電池セルに対する電圧および電流ヒストリー情報と組み合わせて、前記測定磁化率値に基づいて前記電池セルに対する電荷状態値を推定する段階と、
前記電荷状態値に対応する推定磁化率値を計算する段階と、
前記測定磁化率値と前記推定磁化率値との間のオフセットに基づいて、前記電池セルに対する健康状態値を計算する段階と、
を含む方法。
【請求項１３】
出力デバイスを用いて前記健康状態値を出力する段階をさらに含み、前記出力デバイスはディスプレイデバイスである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記段階が、前記電池に対する全体的な健康状態値を決定するために、電池内の複数の電池セルの一つ一つに実施される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記磁化率特性を測定する段階が、所定時間後に繰り返される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記健康状態値を計算する段階が、各測定段階後に繰り返される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記磁化率特性を測定する段階が、一秒毎に繰り返される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記磁化率特性を測定する段階が、一分毎に繰り返される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記健康状態値が、無線接続によって送られる、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記磁化率特性が、励起磁場を用いて測定される、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
電気化学電池セルの健康状態を決定するためのシステムであって、前記システムが、
電池セルの磁化率特性を測定するためのセンシングデバイスと、
測定磁化率値を決定し；前記電池セルに対する電圧および電流ヒストリー情報と組み合わせて、前記測定磁化率値に基づいて前記電池セルに対する電荷状態値を推定し；前記電荷状態値に対応する推定磁化率値を計算し；前記測定磁化率値と前記推定磁化率値との間のオフセットに基づいて、前記電池セルに対する健康状態値を計算するための処理デバイスと、
を含む、システム。
【請求項２２】
前記健康状態値を出力するための出力デバイスをさらに含む、請求項２１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１１年６月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／４９６１１７号に関連し、その利益を主張するものであり、その全体は参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、電池の健康状態を決定するためのシステムおよび方法、並びに電池および健康状態の決定を容易にする関連デバイスに関する。特に本発明は、電池セルに対する電荷状態測定値を得て、電池セルの健康状態を計算するためにその電荷状態測定値を使用することによる、電気化学電池セルの健康状態を決定するためのシステムおよび方法に関するが、そこで電荷状態測定値は電池セルの磁化率に基づいている。
【背景技術】
【０００３】
電池は、直列および／または並列配置で接続された１つまたは複数の電池セルを含み、それらは電荷ポテンシャル（エネルギー）を化学的に貯蔵し、外部の電気回路負荷によって要求された場合には所定の電圧で電荷を届ける。各電池セルは、固体または液体であり得る電解質によって直列に接続された２つのハーフセルを含む。電解質は、アニオン（つまり、負に帯電したイオン）とカチオン（つまり、正に帯電したイオン）とから成る。ハーフセルの一方は、電解質の一部およびアニオンが移動するアノード（つまり、負極）を含む。他方のハーフセルは、電解質の一部およびカチオンが移動するカソード（つまり、正極）を含む。電極は互いに接触しないが、電解質によって電気的に接続される。
【０００４】
電池セルの動作中、レドックス（還元−酸化）反応が電池セルに電力を供給する。つまり、電解質のカチオンは（つまり、電子の添加によって）カソードで還元され、アニオンは（つまり、電子の除去によって）アノードで酸化される。電池セルが放電するとき、イオンは、アノードから電解質を通り抜けてカソードまで流れる。電池セルが充電するとき、イオンは、カソードから電解質を通り抜けてアノードまで流れる。
【０００５】
電池セルの電荷状態は、電池セルが完全に充電されたときの電池セルの電荷に対して、電池セルの瞬時電荷（the instant charge）という。例えば、電池セルの電荷状態は、完全な放電サイクルの間に、略100%から略0%まで減少することができ、完全な充電サイクルの間に、略0%から略100%まで増加することができる。
【０００６】
理論的に完璧な電池セルは、その設計パラメータおよび材料に依存して決まる電荷を貯蔵し、外部電気負荷にその電荷を届け、そしてその初期容量まで完全に再充電されることができる。従って、充電サイクルの間に電池セルに入る全電荷（つまり、アンペアアワー）を測定し、その測定値から放電サイクルの間に電池セルを出ていく全電荷を引く場合、結果として得られる値は電池セルの電荷状態の正確な指標（つまり、電池セル内に貯蔵されたエネルギー量)となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６６６８２４７号明細書
【特許文献２】米国特許第７０７２８７１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら電荷は化学的に貯蔵されるため、各充電／放電サイクル（並びに、常温サイクル、振動、ショックなど）は結果として個別の電池セル内に不可逆変化をもたらし、その変化は電池容量に影響を及ぼす。さらに、充電および／または放電率はまた、電池容量の変化として現れることがある。これらの変化は、各連続した充電サイクルの間にエネルギーが電池にほとんど貯蔵されない、という結果を通常もたらす。電池セルの健康状態は、電池セルの初期容量に対して電池セルの瞬時容量（the instant capacity）という。例えば、電池セルの健康状態は電池セル製造時に略100%であり得、電池セルの年数および／または使用が増加するにつれて継続的に減少し得る。
【０００９】
電池セルの健康状態は時間とともに劣化するので、初めに電池セルに設置された電荷量から使用された電荷量を引くという前述の方法によって決定され得る理論的な電荷状態は、電池セルの実際の電荷状態とは異なることがある（つまり、理論的な電荷状態は、電池セルの劣化が原因で、実際の電荷状態より大きくなる）。
【００１０】
従って、健康状態は電池セルの容量、電池セルの年数、および電池セルが劣化する速度の目安を提供するため、電池セルの健康状態を決定するためのシステムおよび方法が必要である。
【００１１】
米国特許第６６６８２４７号には、鉛酸蓄電池の健康状態を決定するためのシステムおよび方法が記載されており、そのシステムおよび方法は、電池のインピーダンスの測定と、インピーダンスとセルが経験した充電サイクル数の関係にあるファジィシステムの訓練とを含む。米国特許第７０７２８７１号には、内部抵抗、電圧、温度などの多数のパラメータを測定し、電池健康状態を提供するためにファジーシステムを訓練することによる、様々な化学タイプのうちの１つを有し得る電池の健康状態を決定するための方法が記載されている。しかしながら、健康状態を評価するそれらの従来の方法は複雑であり、多くの電池パラメータおよび電池に関連するヒストリカルデータの広範囲に及ぶ記録によって決まる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従って、本発明の主要な目的は、直接的にまたは間接的に、非侵襲的に電気化学電池セルの電荷状態を測定し、その健康状態を決定するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、電池の年数および劣化速度を決定するために、電池内の１つまたは複数の電気化学セルの磁化率特性を測定するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、電池セルの動作帯域を改善するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１５】
本発明のさらに別の目的は、電池セル性能の改善を介して電気自動車およびハイブリッド電気自動車の開発および商業化のための機会を向上させるセンサープラットフォームを提供することである。
【００１６】
本発明のさらに別の目的は、セルの化学的性質、セルパッケージング、電池システム、および健康状態システムの実装を改善し、全体的な電気自動車性能を改善するために、健康状態情報を使用するためのシステムおよび方法を提供することである。
【００１７】
本発明の他の利点は以下である。本発明は、電池セルに“折れ曲がり（knee）”付近まで広がる能力を提供することによって、電池セル性能を改善することができる。電池はその最も弱いセル次第であるため、本発明は、一般的な性能を示すセルを有する最適化された電池モジュールの製造を提供し、故に電池を改善する。
【００１８】
本発明は、例えばトランジットの間など長時間にわたって操作されなかった自動車における電池の健康状態の正確な決定を提供する。
【００１９】
本発明は、電池動作の範囲を拡げるか、または電池が必要とするセル数を低減する自動車を提供する。
【００２０】
本発明は、セル交換対電池交換（cell replacement vs. battery replacement）、またはセル毎のシステムレベルでの弱いセルの消去の必要性の予測を提供する。
【００２１】
本発明は、正確なリアルタイムの電池セル健康情報を提供し、それはリチウムカソード材料の“ブレイクオフ”情報を含む。
【００２２】
本発明は、電池システムに対する全体的な安全性を提供する。
【００２３】
本発明はまた、（つまり、“全体の”貯蔵容量をより良く理解し、適切な負荷管理を計画するために、）電池セル内での電荷貯蔵ポテンシャルの理解を提供する。
【００２４】
本発明のこれらのおよび他の目的は、電気化学電池セルの健康状態を決定するためのコンピュータ実行方法で達成することができ、その方法は、電池セルの磁化率特性を測定する段階と、測定磁化率特性に基づいて電池セルに対する健康状態値を計算する段階と、を含む。
【００２５】
その方法は、測定磁化率値を決定するために電池セルの磁化率特性を測定する段階と、電池セルに対する電圧および電流ヒストリー情報と組み合わせて、測定磁化率値に基づいて電池セルに対する電荷状態値を推定する段階と、電荷状態値に対応する推定磁化率値を計算する段階と、測定磁化率値と推定磁化率値との間のオフセットに基づいて、電池セルに対する健康状態値を計算する段階と、を含むことができる。
【００２６】
その方法はさらに、記憶デバイスに健康状態値を記憶する段階と、ディスプレイデバイスを用いて健康状態値を表示する段階と、を含むことができる。その方法の段階は、電池に対する全体的な健康状態値を決定するために、電池内の複数の電池セルの一つ一つに実施することができる。
【００２７】
磁化率特性を測定する段階は、一秒毎または一分毎など所定の頻度で繰り返されることができる。健康状態値を計算する段階は、各測定段階後に実施され得る。測定磁化率特性は、磁場であり得る。
【００２８】
本発明のこれらのおよび他の目的は、電気化学電池セルの健康状態を決定するためのシステムで達成することができ、そのシステムは、電池セルの磁化率を測定するためのセンシングデバイスと、前記測定磁化率に基づいて電池セルに対する健康状態値を計算するためのコンピューティングデバイスと、を含む。
【００２９】
そのシステムは、測定磁化率値を決定し；電池セルに対する電圧および電流ヒストリー情報と組み合わせて、測定磁化率値に基づいて電池セルに対する電荷状態値を推定し；電荷状態値に対応する推定磁化率値を計算し；測定磁化率値と推定磁化率値との間のオフセットに基づいて、電池セルに対する健康状態値を計算するための処理デバイスを含むことができる。
【００３０】
そのシステムはさらに、健康状態値を記憶するための記憶デバイスと、健康状態値を出力するための出力デバイスとを含むことができる。健康状態値および他のデータは、システム内において有線のまたは無線の接続によって送ることができ、またはシステム内にはない１つまたは複数の他の構成要素へ有線のまたは無線の接続によって伝えることができる。
【００３１】
以下で明らかになり得る本発明のこれらのおよび他の目的、利点、および特徴とともに、本発明の性質は、以下の発明の詳細な説明、添付の特許請求の範囲、および本明細書に添付された幾つかの図面を参照することで、より明確に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の例示的な実施形態による電池セルに対する充電／放電メカニズムを示す図面である。
【図２】電池セルに近接した本発明の例示的な実施形態による磁化率センサーを示す図面である。
【図３】本発明が操作され得る例示的なシステムのブロック図である。
【図４】電池セルの電荷状態に対して、本発明の例示的な実施形態に従って収集され処理されたデータに基づくセンシングデバイスの出力を描いたグラフである。
【図５】電池セルの電荷状態に対して、本発明の例示的な実施形態に従って収集され処理されたデータに基づく電池セルの測定磁化率を描いたグラフである。
【図６】電荷状態に対して、本発明の例示的な実施形態による多数の充電／放電サイクルに対する電池セルの磁化率を示すグラフである。
【図７】電荷状態に対して、本発明の例示的な実施形態による多数の充電／放電サイクルに対する電池セルの磁化率を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１を見ると、例示的なリチウムベース（Liベース）の電気化学電池１に対する充電／放電メカニズムを示す図面が示されている。図１に示された電池セル１に対するカソード反応は、以下の式によって表される。
【００３４】
LiFe+2PO4 → Li1-xFe+3PO4 + xLi+ + xe-
【００３５】
充電の間、Feの酸化状態は+２から+３に変わり、ｄ殻の不対電子の数が変わる。不対電子による磁気モーメントは、以下の式で表される。
【００３６】
【数１】
2013127946.tif 000003
【００３７】
Liベースの電池セルの寿命にわたり、セル内のLiイオンの一部は他の化合物を形成し、故に電気化学反応に関与しないことがある。本発明の例示的な実施形態は、電池セル内で電気化学反応に関与しないLiイオンの量を見積もるために、Liベースの電池セルの磁化率を測定するためのシステムおよび方法を提供する。つまり、本発明は、その磁化率を評価するためのLiイオン活性電池材料の測定を含み、それは電池セルの電荷状態に対して直線性を有し、故に電池セルの健康状態の決定を提供する。
【００３８】
本開示におけるLiベースの電池への言及は、単に例示の目的である。本発明は、それらに限定しないが、ニッケルカドミウム（NiCd）、鉛酸、ニッケル水素（NiMH）、およびニッケル亜鉛（NiZn）ベースの電池などの他のタイプの電気化学電池セルで用いられ得ることが予期される。
【００３９】
ここで図２を見ると、電池セル20と、電池セルに近接して配置されたセンシングデバイス30とが示されている。例示的なセンシングデバイス30は、米国特許出願第１３／３３９９３１号に記載されており、その全体は参照することで本明細書に組み込まれる。センシングデバイスは、電池セル20に磁場を印加するために、１つまたは複数の永久磁石32などの手段を含むことができる。センシングデバイス30はさらに、磁場を測定するために、フラックスゲートセンサーなどの１つまたは複数の磁場センサー34を含むことができる。センシングデバイス30は、磁場を印加し測定するために、非侵襲性手段を提供する。
【００４０】
図３は、本発明が操作され得る例示的なシステム10を示すブロック図である。システム10は、電池セル20とセンシングデバイス30とを含む。システムは、電池セル20の充電および／または放電のために、電池セル20に接続された追加的なシステムまたはデバイス（図示せず）を含むことができる。システム10はまた、本発明に従った様々な機能および操作を実施するために、センシングデバイス30と電気的に通信する処理デバイス60またはコントローラを含むことができる。処理デバイスは、測定磁場に基づいて電池セル20の磁化率を計算するように構成され得る。処理デバイス60は、例えばコプロセッサ、レジスタ、およびデータ処理デバイスおよびサブシステムなどを含む１つまたは複数の多種多様の構成要素およびサブシステムが備わり得る。処理デバイス60は、１つまたは複数のセンシングデバイス30、入力デバイス70、出力デバイス80、および記憶デバイス90と有線のまたは無線で通信し得る。システム10は、ハードディスクなどのコンピュータ可読媒体を含むことができ、本明細書に記載された方法に従ったプロセスを実施するための実行可能な機械命令がその表面に記憶されている。具体的に、システムは、キーボード、キーパッド、タッチスクリーン、タッチパッド、またはポインティング・デバイスなどの１つまたは複数の入力デバイス70；電荷状態および健康状態のデータを評価するための、モニタ、ディスプレイスクリーン、プリンター、またはオーディオデバイスなどの１つまたは複数の出力デバイス80；および、データを記憶するための、データベース、ハードディスク、ポータブルデバイス、RAM、またはROMなどの１つまたは複数の記憶デバイス90；を含むことができる。
【００４１】
システム10は電池40を含むことができ、それは外部回路負荷（図示せず）に電力を届けるための、直列および／または並列に接続された１つまたは複数の電池セル20を含む。電池40における各個別の電池セル20は、電池セル20の電荷状態を測定するために、そこに近接して配置された対応するセンシングデバイス30を有することができる。本発明の例示的な実施形態では、システム10は、電池40から電力を得る電気自動車50を含む。
【００４２】
本発明の例示的な実施形態では、センシングデバイス30のサイズは、略16mm×6mm×6mmであり得る。所要電力は、略20mA未満であり得る。センシングデバイス30の出力は、アナログ、パルス幅変調（PWM）、コントローラー・エリア・ネットワーク（CAN）であり得、有線でまたは無線で送られ得る。好ましくは、システム10が電気自動車電池40を含む場合、センシングデバイス30は振動および非常に高い／低い作動温度（例えば、−94℃から210℃）に耐えることができ、道路使用で少なくとも450,000マイルの寿命を有することができる。
【００４３】
本発明の例示的な操作では、センシングデバイス30は、電池セル20に広がる磁場を印加する。同時に、センシングデバイス30は、結果として得られる電池セル20に近接した磁場を測定する。測定磁場の大きさは、電池セル20の磁化率に対して直線性を有し、以下の式で示される：
【００４４】
Ｂ＝μ０（Ｈ＋４πＭ）
＝μ０（１＋χＶ）Ｈ
＝μｒＨ
【００４５】
ここで、Ｈは印加される磁場であり、Ｍは電池セル20の磁化であり、Ｂは測定磁場であり、χＶは電池セル20の磁化率であり、μ０は磁気定数であり、μｒは電池セル20の透磁率である。
【００４６】
センシングデバイス30は、測定磁場を代表する出力を提供するように構成される。電池セル20の誘導磁化は測定磁場に対して直線性を有するため、電池セル20の磁化率は出力電圧に関する適切な伝達関数を用いて、センシングデバイス30の出力に基づいて計算されることができる。さらに、電池セル20の磁化率は、電池セル20の実際の電荷状態に対して直線性を有するため、電池セル20の電荷状態はセンシングデバイス30の出力に基づいて計算されることができる。
【００４７】
図４は、電池セル20の電荷状態に対して、本発明の例示的な実施形態に従って収集され処理されたデータに基づく磁化率センシングデバイス30の出力を描いたグラフであり、図５は、電池セル20の電荷状態に対して、本発明の例示的な実施形態に従って収集され処理されたデータに基づく電池セル20の測定磁化率を描いたグラフである。図４は、電池セル20の電荷状態とセンシングデバイス30の出力との間の直線関係を示す。図５は、電池セル20の電荷状態と磁化率との間の直線関係を示す。
【００４８】
図４および５に提示されたデータは、ドライブエレクトロニクスおよびロックイン増幅器に接続されたセンサーアセンブリで収集された。センサーアセンブリは、AC磁場で電気化学電池セル20を励起するためのソレノイドと、励起場に応答して電気化学電池セル20内で生成された磁場を検知する磁場センサー34とを含む。磁場センサー34は、増幅回路に接続され、その出力がロックイン増幅器に接続された。ロックイン増幅器はAC励起場に関連する磁場構成要素を検知するのに用いられ、故に電気化学電池セル20の磁化率を示した。
【００４９】
本発明の例示的な実施形態の動作中、センシングデバイス30は電池セル20に近接して配置される。図２に示される例示的な実施形態では、永久磁石32が電池セル20にDC励起磁場を印加するために提供される。あるいは、AC励起磁場が、例えばソレノイドによって、電池セル20に印加され得る。センシングデバイス30内の磁場センサー34は結果として得られる磁場を感知し、センシングデバイス30は結果として得られる磁場を示す信号を出力する。処理デバイス60は磁化率、故に電池セル20の電荷状態を計算し、それらはそれぞれ、センシングデバイス30の出力に対して直線性を有する。
【００５０】
図６は、電荷状態に対して、３つの別々の充電／放電サイクルに対する例示的な電池セル20の磁化率を示すグラフである。図６に示すように、電池セル20を充電するとき、電池セル20の電荷状態は増加し、電池セル20の磁化率は減少する。実線で示される第１曲線χ0は、０回の充電／放電サイクルの間の電池セル20の磁化率を表す。破線で示される第２曲線χ100は、１００回の充電／放電サイクルの間の電池セル20の磁化率を表す。点線で示される第３曲線χ200は、２００回の充電／放電サイクルの間の電池セル20の磁化率を表す。曲線χ0、χ100、χ200の間のオフセットは、電池セル20の様々な充電／放電サイクルでの、電池セル20の磁化率に対する電池セル20の健康状態の様々な寄与の結果である。曲線χ0、χ100、χ200の間のオフセットは、電池セル20の電荷状態と無関係である。
【００５１】
図６でまた示されているのは動作帯域であり、それは電池セル20が正常に動作できるための電荷状態値の範囲に対応する。動作帯域は、セルが過充電状態または過放電状態になるのを防止するように設計される。磁化率測定を含まない従来のシステムでは、電池セル20の電荷状態を決定するのに用いられる方法の不正確さにより、動作帯域は制限されることがある。
【００５２】
電池セル20の測定磁化率χMEASは、以下の式で表され得る。
【００５３】
χMEAS＝χOFFSET−χSOC−χSOH
【００５４】
ここで、χOFFSETは、電池セル20の特徴に基づき、電池セル20の寿命にわたって一定の値である。χSOCは、電池セル20が充電または放電するときに変化する電荷状態の寄与である。χSOHは、それぞれの充電／放電サイクル過程にわたって一定であると仮定される健康状態の寄与である。
【００５５】
χSOCの最小値および最大値はそれぞれ、電池セル20が経験した充電／放電サイクルの数にかかわらず、電池セル20が完全に充電されたときまたは完全に放電されたときに生じる。χSOCはm×SOCとして表されることができ、mの値は電池セル20において、LiFePO4などの活性電池材料の磁気特性によって決まり、電池セル20の寿命にわたって一定であり、SOCは、電池セル20の電圧および電流ヒストリーと組み合わせて電池セル20の測定磁化率に基づいて決定されるため、電池セル20の電荷状態である。
【００５６】
健康状態の寄与χSOHは、電池セル20の寿命の初期においてごく僅かである。しかしながら、健康状態の寄与χSOHは、電池セル20の充電および放電の間の電池セル20内の材料の堆積および／または浸食により、電池セル20の寿命にわたって連続的に増加する。堆積および／または浸食プロセスは、電池セル20の過充電および過放電によって促進され得る。健康状態の寄与χSOHを決定するのに磁性センシングを用いることによって、電池セル20の健康状態およびその残存寿命を見積もることができる。
【００５７】
図７に関連して、本発明は健康状態値を決定するために、電池セル20の測定磁化率χMEAS、並びに電圧および電流ヒストリーからの情報を組み合わせる。これを達成するために、電池セル20の測定磁化率χMEAS、電圧ヒストリーおよび電流ヒストリーからの情報の組み合わせが、電荷状態値を決定するのに用いられる。そして、その電荷状態値に対応する期待磁化率値χBESTが計算される。χBESTは、電荷状態の最良推定値に基づく磁化率の最良推定値であり、そこでは、存在している磁気信号、電圧ヒストリーおよび電流ヒストリーが、電荷状態の最良推定値を決定するのに用いられている。χBESTとχMEASとの間の差異χDIFFは、電池セル20の劣化による電池セル20の材料変化の磁化率の寄与を表す。上記のχSOHの項目に相当するχDIFFは故に、電池セル20の健康状態を示す。
【００５８】
図７では、×記号はχMEASに対応し、電池セル20のｎ回の充電／放電サイクルを表すχｎ線上に位置する。×記号は特定の時間における電池セル20の状態を表し、測定磁化率は垂直軸によって表され、（存在している磁気信号、電圧ヒストリーおよび電流ヒストリーからの）SOC値の最良推定値は水平軸によって表される。χBESTに対応する○記号は、χ０線に沿って位置し、×記号の真上にある。×記号は電池セル20の初期の健康状態を表すχ０線に沿って位置しないため、電池セル20の健康状態が０回およびｎ回の充電／放電サイクルの間の時間に劣化したと推定することができる。×および○信号の間の垂直差は、電池セル20の健康状態の変化による磁化率の差異を表す。χDIFFの計算値に基づく電池セルの健康状態の決定は、上記のように、×および○信号の間の垂直差を電池セル20の健康状態の変化量を示す値に変換することに等しい。
【００５９】
電荷の流れによる電池セル20の電圧出力の変化は、電池セル20が完全充電または完全放電に近いときに最大になるため、電池セル20が完全充電または完全放電に近いときに収集された電圧および電流ヒストリー情報は、電荷状態の推定および健康状態の推定を提供するときに最も有益になる。
【００６０】
電荷状態値を見積もるために詳細な電圧および電流のヒストリー、数理モデル、および磁化率データを活用することによって、本発明は従来技術で可能であったよりも良好な電荷状態の推定を提供する。
【００６１】
電池セル20の健康状態の変化は比較的遅いプロセスであるため、健康状態は、システム10のメモリに記憶された充電／放電データに基づいて、電池セル20が未使用であるとき、または必要に応じて決定されることができる。
【００６２】
電池セル20の磁化率は、基本的な物理量であり、活性電池材料の現状に関して絶対的である。従って、電池セル20の磁化率の測定を含む本発明は、電池セル20の電荷状態を決定するロバストな方法を提供する。さらに、健康状態決定の精度は、電荷状態測定の精度のみに依存する。システム10の精度により、（つまり、従来のシステムの40%を超える）より幅広い動作帯域を活用することができる。
【００６３】
本発明はさらに、電池セル20の健康状態のリアルタイムでの決定を提供する。
【００６４】
システム10および本明細書に記載した方法は、電池40の全体的な健康状態を決定するために、電池40内の複数の電池セル20の一つ一つに適用され得る。
【００６５】
本発明に従って決定された健康状態値は、出力デバイス80に出力され得る。例えば、健康状態値は、自動車50のドライバーが見ることができるディスプレイデバイスに出力され得る。ディスプレイデバイスは、健康状態値それ自体、あるいは、例えば健康状態値が視る人によって理解され得るバーまたは光などの健康状態値のしるし（indicia）を表示し得る。健康状態値は、自動車のオンボードコンピュータのメモリなどの記憶デバイス90に記憶され得る。１つの健康状態値（または複数の値）は、様々な目的のための診断データとして利用可能であり得、規則的な予防手段または故障修理、あるいは電池40の交換、および他の目的を含む。
【００６６】
開示された発明の特定の現在好ましい実施形態が本明細書に具体的に記載されたが、本発明が関連する分野の当業者には、示され本明細書に記載された様々な実施形態の変更および修正が本発明の精神および範囲を逸脱することなく行われ得ることは明らかであろう。従って、添付の特許請求の範囲によって要求された範囲および法律の適用法令のみに本発明が限定されることが意図されている。
【符号の説明】
【００６７】
２０  電池セル
３０  センシングデバイス
３２  永久磁石
３４  磁場センサー
【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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【外国語明細書】
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