JP2017500699A - 消費機器でバッテリ、特にリチウムイオンバッテリを駆動するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、消費機器でバッテリ、特にリチウムイオンバッテリを駆動するための方法及び装置に関する。本発明では、バッテリ又は消費機器の状態を記述する少なくとも１つの駆動パラメータを定める工程（Ｓ１０）と、所定の状態が存在するかどうかを検出するために、定められた少なくとも１つの駆動パラメータと基準値とを比較する工程（Ｓ２０）と、所定の状態が存在することが検出された場合には、バッテリの充電状態がバッテリの所与のクリティカルな充電状態を下回るまで、バッテリを放電させる工程（Ｓ３２）であって、バッテリの放電時にはエネルギー貯蔵器がバッテリの放電電流により充電される、上記放電する工程（Ｓ３２）と、が実行される。【選択図】図２

Description

本発明は、消費機器でバッテリ、特にリチウムイオンバッテリを駆動するための方法及び装置に関する。

再充電が可能なバッテリ、特にリチウムイオンバッテリは、複数の製品にエネルギー貯蔵器として実装されている。現在入手可能なリチウムイオンバッテリは、安全技術的な観点から見るとクリティカル（ｋｒｉｔｉｓｃｈ）である。緊急事態には、バッテリは発火し、有毒なガスや粉塵を放出する可能性があり、さらには爆発する可能性もある。リチウムイオンバッテリの熱暴走は主に、高温の際に有機電解液（多くの場合は有機カーボネート、例えば、エチレンカーボネート（ＥＣ）、炭酸ジメチル（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等）の酸化作用が加速されることが原因である。ここで決定的なことは、発熱を伴う自己加速であり、この自己加速によって、最終的にはバッテリが発火し、これに伴って熱暴走が起きる。発火は、最終的には、電解液の有機物と共に可燃性の混合物を生成する酸化金属物カソード材料の酸素放出により引き起こされる。このような不安定性については、特に、ＬｉＣｏＯ_２（コバルト酸リチウム）及びＬｉＮｉＯ_２（ニッケル酸リチウム）が知られている。

例えば、所謂ＮＣＭ（ニッケル・コバルト・マンガン）又はＮＭＣ（ニッケル・マンガン・コバルト）（Ｎｉ‐Ｃｏ‐Ｍｎベース）のような安定したカソード材料を用いて、より高い温度へと酸素放出をずらし、これにより発火の危険を低減することが可能である。混合酸化物であるＮＣＭの他に、所謂ＮＣＡ（リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物）（Ｎｉ‐Ｃｏ‐Ａｌベース）も使用することが可能である。カソード側がＮＣＡベースのバッテリは、例えば電動バイク（Ｅ−Ｂｉｋｅ）等の、高出力の適用のために使用されることが多い。但し、ＮＣＡベースのバッテリは、酸化物カソード材料によるバッテリと比べて、よりセーフティクリティカル（Ｓｉｃｈｅｒｈｅｉｔｓｋｒｉｔｉｓｃｈ）である。主な原因は、ニッケルの割合が高いことであり、このことは、ＮＣＡとして構造が比較的不安定であることを意味するが、温度が上昇した際には酸素が放出される可能性がある。酸素は、有機電解液と激しく反応し、さらに熱暴走（所謂「ｔｈｅｒｍａｌ ｒｕｎａｗａｙ」）を引き起こし、このことがさらに発火又は爆発を引き起こす可能性がある。

これらのことを防止するために、上記のようなバッテリの駆動を確実に管理することへの必要性が生ずる。

消費機器でバッテリ、特にリチウムイオンバッテリを駆動するための本発明に係る方法は、バッテリ又は消費機器の状態を記述する少なくとも１つの駆動パラメータを定める工程と、所定の状態が存在するかどうかを検出するために、定められた少なくとも１つの駆動パラメータと基準値とを比較する工程と、所定の状態が存在することが検出された場合には、バッテリの充電状態がバッテリの所与のクリティカルな充電状態を下回るまで、バッテリを放電させる工程であって、バッテリの放電時にはエネルギー貯蔵器がバッテリの放電電流により充電される、上記放電する工程と、を含む。

消費機器でバッテリ、特にリチウムイオンバッテリを駆動するための本発明に係る装置は、バッテリ又は消費機器の状態を記述する少なくとも１つの駆動パラメータを定めるよう構成された決定ユニットと、所定の状態が存在するかどうかを検出するために、少なくとも１つの駆動パラメータと基準値とを比較するよう構成された評価ユニットと、所定の状態が存在することが検出された場合には、バッテリの充電状態がバッテリの所与のクリティカルな（ｋｒｉｔｉｓｃｈ）充電状態を下回るまで、バッテリを放電させるよう構成された放電ユニットであって、バッテリの放電時にはエネルギー貯蔵器がバッテリの放電電流により充電される、上記放電ユニットと、を備える。これにより、バッテリの熱暴走は防止される。なぜならば、バッテリが、当該バッテリのフル出力が必要ではない所定の状態にあることが分かっている場合に、バッテリが、熱暴走が起こりえない安全な充電状態に置かれるからである。従ってバッテリの安全性が改善される。

従属請求項は、本発明の好適な発展形態を示している。

エネルギー貯蔵器が追加的なバッテリである場合には有利である。特に、追加的なバッテリは、駆動されるバッテリよりもエネルギー貯蔵容量が小さい。従って、貯蔵による損失が最小に抑えられる。さらに、エネルギーを貯蔵するために追加的に増す重量が最小であり、このことは特に携帯型バッテリの適用の際に有利である。

さらに、エネルギー貯蔵器が追加的な消費機器であり、追加的な消費機器は当該追加的な消費機器の駆動のためのエネルギーを貯蔵するよう構成される場合には有利である。このような追加的な消費機器は、しばしば、消費機器分野では既に利用可能であり、本発明に基づいて組み込まれうる。これにより、コスト面での利点が実現される。さらにこのようにして、安全性を向上させながら、追加的な消費機器の耐用年数を実現することが可能である。

特に、消費機器は車両であり、駆動パラメータのうちの１つは車両の速度であり、車両が移動しない場合には所定の状態が存在する。これにより、車両の走行駆動中にバッテリのフル出力が提供されることが保証される。

さらに、消費機器は車両であり、駆動パラメータのうちの１つは、車両の駐輪補助が出されているかどうかを示すセンサ信号であり、車両の駐輪補助が出されている場合に所定の状態が存在する場合には有利である。これにより、車両の走行駆動中にバッテリのフル出力が提供されることが保証される。その際に、最も簡素なセンサ手段（例えばスイッチ）が、駆動パラメータを定めるために使用され、これにより、コスト面の利点及び重量面での利点が実現される。

駆動パラメータのうちの１つはバッテリの温度であり、バッテリの温度が所定の温度閾値を上回る場合には所定の状態が存在する場合も同様に有利である。これにより、バッテリのクリティカルな状態を信頼性高く検出することが可能である。バッテリの所与のクリティカルな充電状態は、特に、バッテリのフル充電状態の８０％〜９０％の間に存在する。この充電状態を上回るとバッテリの熱暴走が起きる確率が特に高いため、このことは有利である。同時に、バッテリが不必要に放電され過ぎず、安全性が最大に確保された状態で最大エネルギーが提供される。

エネルギー貯蔵器に貯蔵されたエネルギーが、所定の状態がもはや存在しない場合にはバッテリの充電のために利用される場合には有利である。従って、最小のエネルギー損失で安全性が高められ、バッテリの貯蔵された全エネルギーが消費機器のために提供されることが保証される。

バッテリ及び／又は消費機器の駆動パラメータの少なくとも１つが所定の期間を越えて存在する場合にのみ所定の状態が存在すると定められる場合も、同様に有利である。これにより、状態が短時間の間だけ又は偶発的に発生する場合に、バッテリの不必要な放電及び充電による損失が最小に抑えられる。

以下では、本発明の実施例が、添付の図面を参照しながら詳細に示される。
電解液中のＮＣＡ（Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ）のＤＤＫ測定の結果を示すグラフを示す。 本発明の好適な第１の実施形態に係る消費機器でバッテリを駆動する方法のフロー図を示す。 本発明の好適な第２の実施形態に係る消費機器でバッテリを駆動する方法のフロー図を示す。 バッテリを駆動する装置を備えた電動自転車の電気的構成要素の概略図を示す。

図１は、バッテリ内の適切な電解液中のＮＣＡカソード（Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌベース）のＤＤＫ測定、即ち動的な示差熱測定の結果を示すグラフである。

ＮＣＡと称されるカソード材料は、Ｌｉ［Ｎｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５］Ｏ_２（リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物）の略称である。このカソード材料は、熱安定性が低いため危険なカソード材料と見做されている。ＮＣＡベースのバッテリは、安全性挙動が比較的劣悪である。熱的、電気的、及び機械的な負荷が掛かった結果、バッテリ内で温度が上昇する可能性がある。この温度上昇は、様々な発熱反応によって促される。発熱反応として、特にカソード材料の分解が挙げられ、当該分解によって酸素が放出される。この酸素は、温度が上昇した際に、電解液の有機物により燃焼する可能性がある。最悪の場合には、所謂熱暴走が起きる。動的な示差走査熱量測定（ＤＫＫ）によって、セル構成要素のこのような発熱反応を調査することが可能である。

図１には、一連の実験結果が示されており、この実験では、充電されたＮＣＡが、リチウムイオンバッテリのための市販の電解液（ヘキサフルオロリン酸リチウム 溶液（１Ｍ ＬｉＰＦ_６ ｉｎ ＥＣ／ＤＭＣ、１：１ ｗ／ｗ））の存在下で、ＤＫＫ分析によって調査された。その際に、カソード材料の充電状態が変更された。このために、市販のバッテリ一式が、充電システムによって様々な充電状態に置かれた。カソード材料は、バッテリの開放により不活性雰囲気下で得られた。（右上方の）図１から、調査された様々な充電状態（ＳＯＣ）について、相対的に放出されるエネルギーが、問題にならない程度で変化していることが分かる。しかしながら、上記放出されるエネルギーは、商用で利用される他のカソード材料（例えば、ＬｉＣｏＯ_２）と比べて非常に大きい。

上記測定は、バッテリの様々な充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）について実施された。従って、実線で示される第１のグラフＡは、最大可能充電状態の４０％（ＳＯＣ ４０％）のバッテリ充電状態におけるＮＣＡの挙動を示している。破線で示される第２のグラフＢは、最大可能充電状態の８０％（ＳＯＣ ８０％）のバッテリ充電状態におけるＮＣＡの挙動を示している。一点鎖線で示される第３のグラフＣは、最大可能充電状態の９０％（ＳＯＣ ９０％）のバッテリ充電状態におけるＮＣＡの挙動を示している。二点鎖線で示される第４のグラフＤは、最大可能充電状態における（ＳＯＣ １００％）ＮＣＡの挙動を示している。各グラフＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは各々、約８０度〜約４００度の温度範囲にわたる、ＮＣＡから放出されるエネルギーを示している。

図１は、ＳＯＣ ９０％を下回ると、発熱に関わるＤＫＫ曲線の推移に著しい変化があることを示している。ここでは、反応速度が遅くなることが示唆されている。絶対的に放出されるエネルギー（単位［Ｊ］）又は相対的に放出されるエネルギー（単位［Ｊ／ｋｇ］）のみが、電極材料と、当該電極材料から成るバッテリ一式と、の安全性のために重要なのではない。緊急事態に放出されるパワー及び反応速度も同様に重要である。より高い充電状態（＞ＳＯＣ９０％）では、熱暴走が起こるまでの時間が明らかに短くなり、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔより低く又は当該充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔと等しい充電状態では、ＳＯＣ＜８０％についてのグラフＡ及びＢから分かるように、発熱反応の反応速度が非常に遅くなる。従って、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔは、最大可能ＳＯＣ閾値を表し、この最大可能ＳＯＣ閾値のところで、当該最大可能ＳＯＣ閾値に見合った、ＤＫＫにおける単位時間当たりの放出されたエネルギーの大きな低下が、ＳＯＣ＜８０％について観察されたように見られ、即ち、遅い反応速度が見られる。従って、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔは、以下のような範囲に存在する。即ち、

ＳＯＣ ９０％＞ＳＯＣ_ｋｒｉｔ＞ＳＯＣ ８０％

より細かな走査（Ｒａｓｔｅｒｕｎｇ）によって、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔの正確な値が決定されうる。

図１で示したグラフは単に例示的なものであり、示されたグラフは、カソード材料及び電解液に依存して変化しうることに注意されたい。

図２は、本発明の好適な第１の実施形態による消費機器でバッテリを駆動する方法のフロー図を示している。この第１の実施形態では、消費機器は電動自転車であり、バッテリはリチウムイオンバッテリ１である。本方法は一度開始され、リチウムイオンバッテリ１が消費機器、即ち電動自転車に接続されている限り実行される。本方法の開始後に、第１の処理工程Ｓ１０が実行される。

第１の処理工程Ｓ１０では、リチウムイオンバッテリ１又は消費機器の状態を記述する少なくとも１つの駆動パラメータが決定される。この第１の実施形態では、電動自転車の状態を記述する駆動パラメータが定められる。この駆動パラメータは、電動自転車のスタンドに配置されたスイッチの切り替え状態であり、このスイッチによってスタンドのポジションが定められる。出されたスタンドは、第１の状態を表し、この第１の状態では、自転車は利用されておらず、即ち駐輪されている。この第１の状態では、スイッチは第１のポジションにあり、センサ値「１」を出力する。外されたスタンドは、自転車が使用されている第２の状態を表している。この第２の状態では、スイッチは第２のポジションにあり、センサ信号「０」を出力する。駆動パラメータが定められた後で、第２の処理工程Ｓ２０が実行される。

第２の処理工程Ｓ２０では、所定の状態が存在するかどうかを検出するために、定められた少なくとも１つの駆動パラメータと基準値との比較が行われる。ここでは、所定の状態とは第１の状態である。スイッチの基準値は「１」であり、従って、スイッチが第１のポジションにありスタンドが出されていることを示す値である。このスイッチの基準値が、スイッチから出力されたセンサ信号と比較される。基準値（この場合「１」）がセンサ値と等しい場合には、所定の状態が存在し、第３の処理工程Ｓ３０が実行される。基準値（この場合「１」）がセンサ値と等しくない場合には、所定の状態は存在せず、本方法は第１の処理工程Ｓ１０に戻る。換言すれば、第１の処理工程Ｓ１０及び第２の処理工程Ｓ２０は、自転車が利用されなくなるまで、即ち駐輪されるまで実行される。その後で初めて、第３の処理工程Ｓ３０が実行される。

第３の処理工程Ｓ３０では、バッテリの充電状態がリチウムイオンバッテリ１の所与のクリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔを下回るまで、バッテリが放電される。その際に、リチウムイオンバッテリ１の放電時に、エネルギー貯蔵器がリチウムイオンバッテリ１の放電電流によって充電される。このために、第３の処理工程Ｓ３０は、充電評価Ｓ３１と、エネルギー転送Ｓ３２と、を含む。第３の処理工程Ｓ３０が開始されると、最初に充電評価Ｓ３１が行われる。

充電評価Ｓ３１では、リチウムイオンバッテリ１の充電状態が、当該リチウムイオンバッテリ１の所与のクリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔを下回っているかどうかが評価される。このために、最初に、リチウムイオンバッテリ１の現在の充電状態ＳＯＣ_ａｋｔについて問い合わせが行われる。この値は、例えば、リチウムイオンバッテリ１のバッテリ制御部から獲得されうるであろう。この第１の実施形態では、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔは、リチウムイオンバッテリ１の最大可能充電状態の８５％であり、従って、熱暴走が起きる確率が高い充電状態を下回っている。リチウムイオンバッテリ１の現在の充電状態ＳＯＣ_ａｋｔは、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔと比較される。現在の充電状態ＳＯＣ_ａｋｔが、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔより低く又は当該充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔと等しい場合には、本方法は第１の処理工程Ｓ１０に戻る。なぜならば、リチウムイオンバッテリ１は既に安全な状態にあるからである。クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔより高い場合には、エネルギー転送Ｓ３２が行われる。

エネルギー転送Ｓ３２では、リチウムイオンバッテリ１が放電し、リチウムイオンバッテリ１の放電により放出されるエネルギーが、エネルギー貯蔵器を充電するために利用される。この第１の実施形態では、エネルギー貯蔵器は追加的なバッテリ９である。リチウムイオンバッテリ１のエネルギーの一部のみ一時的に蓄えるため、この追加的なバッテリ９は、リチウムイオンバッテリ１の容量の最大３０％の容量を有する。リチウムイオンバッテリ１は、完全に放電すべきではなく、リチウムイオンバッテリ１の現在の充電状態ＳＯＣ_ａｋｔがクリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔを下回るまで放電すればよいため、エネルギー転送Ｓ３２は、所定の期間に制限されている。この所定の期間の経過後に、本方法は処理工程Ｓ１０に戻る。リチウムイオンバッテリ１の充電状態ＳＯＣ_ａｋｔが未だにクリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔを下回っていない場合で、第１の処理工程Ｓ１０、第２の処理工程Ｓ２０、及び充電状態評価Ｓ３２が繰り返された後で本方法が再びエネルギー伝送３２に進む場合には、新たなエネルギー転送３２が行われる。

任意に、エネルギー貯蔵器は、追加的な消費機器であり、追加的な消費機器は、当該追加的な消費機器の駆動のためのエネルギーを貯蔵するよう構成されている。例えば、エネルギー貯蔵器は、電動自転車のハンドルに取り付けられた表示モジュールである。この表示モジュールは、エネルギーを貯蔵するための貯蔵ユニットを備え、例えば、更なる別のバッテリ又は容量性のエネルギー貯蔵器を備える。この貯蔵ユニットは、バッテリを介して充電され、同時に、或る程度のエネルギーが表示モジュールの駆動のために利用される。この時点に表示モジュールのエネルギーを消費する動作が実行される場合には、特に有利である。

図３は、本発明に係る好適な第２の実施形態による消費機器でバッテリを駆動する方法のフロー図を示している。第２の実施形態は、第１の実施形態に対応するが、エネルギー貯蔵器に貯蔵されたエネルギーが、もはや所定の状態が存在しない場合には、リチウムイオンバッテリ１の充電のために利用される。従って第２の実施形態は、もはや所定の状態が存在しない場合に本発明は直ぐに第１の処理工程Ｓ１０に戻らず、第１の処理工程Ｓ１０が新たに実行される前に第４の処理工程Ｓ４０が実行されるという点で、第１の実施形態とは異なっている。第４の処理工程Ｓ４０では、リチウムイオンバッテリ１が、エネルギー貯蔵器に貯蔵されたエネルギーによって充電される。

本発明に係る方法の好適な第１の代替例は、本発明に係る好適な第１実施形態又は第２の実施形態に対応するが、第１の処理工程Ｓ１０で定められる駆動パラメータは、電動自転車の現在の速度であり、この現在の速度は、速度センサによって定められ、又はタコメータから獲得される。第２の処理工程Ｓ２０において、基準値は、電動自転車の基準速度である。この基準速度は、０ｋｍ／ｈの速度である。電動自転車の現在の速度が基準速度に対応する場合には、所定の状態が存在し、第３の処理工程Ｓ３０が実行される。本実施形態では、駆動パラメータが所定の期間を越えて存在し、即ち、０ｋｍ／ｈの速度が、例えば４５分の時間を越えて測定される場合にのみ、所定の状態が存在する。これにより、短い時間（例えば、赤信号）の間のリチウムイオンバッテリの放電が防止される。電動自転車の現在の速度が基準速度に対応しない場合には、所定の状態は存在せず、従って第１の処理工程Ｓ１０に戻る。換言すれば、第１の処理工程Ｓ１０及び第２の処理工程Ｓ２０は、自転車が４５分の時間を越えて停止するまで実行される。その後で初めて、第３の処理工程Ｓ３０が実行される。

本発明に係る方法の好適な第２の代替例は、本発明に係る好適な第１の実施形態又は第２の実施形態に対応するが、第１の処理工程Ｓ１０で定められる駆動パラメータは、リチウムイオンバッテリ１の現在の温度であり、この現在の温度は、温度センサによって、又は温度決定のための他の方法を用いて、即ち例えば、リチウムイオンバッテリ１のインピーダンスの測定を介した温度決定によって定められる。第２の処理工程Ｓ２０では、基準値は基準温度である。この基準温度は、６０℃の温度である。リチウムイオンバッテリ１の現在の温度が基準温度を越えている場合には、所定の状態が存在し、第３の処理工程Ｓ３０が実行される。リチウムイオンバッテリ１の現在の温度が基準温度よりも低く又は当該基準温度と等しい場合には、所定の状態は存在せず、本方法は、第１の処理工程Ｓ１０に戻る。換言すれば、第１の処理工程Ｓ１０及び第２の処理工程Ｓ２０は、リチウムイオンバッテリ１の現在の温度が６０℃を超えるまで実行される。電動自転車の駆動中にのみ本方法が実行される場合には、有利である。

第２の好適な代替例において、リチウムイオンバッテリ１は、温度センサによって監視される。リチウムイオンバッテリ１の温度が、クリティカルとして定められた温度を越え、例えば６０℃を超える場合には、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔよりも低い状態になるまで、リチウムイオンバッテリ１が放電する。放電電流は、特にそのために定められたバッテリ（例えば、更なる別のリチウムイオンバッテリ）に貯蔵され、必要に応じて戻される。しかしながら、リチウムイオンバッテリ１の温度が、クリティカルとして定められた温度よりも下がった場合にはじめて、放電電流が再び戻されて供給される。強い加速の結果、クリティカルとして定められた温度を上回る短期間の温度上昇が起きた場合、リチウムイオンバッテリ１は未だ、本発明に基づいて放電しない。クリティカルとして定められた温度を上回るリチウムイオンバッテリ１の温度上昇が、クリティカルな時間よりも長く続いた場合にはじめて、第３の処理工程Ｓ３０に係るリチウムイオンバッテリ１の放電が行われる。

一般に、センサの適切な選択によって、任意の所定の状態を検出することが可能である。或る状態は、１つのセンサ信号によって、又は複数のセンサ信号の所定の組み合わせによって定められる。その際に、各センサ信号は、各対応する基準値と比較されうる。従って、例えば、電動自転車が移動しており、即ち電動自転車の現在の速度が０ｋｍ／ｈと等しくなく、かつ、リチウムイオンバッテリ１の温度が６０℃を超える場合に初めて、所定の状態が存在しうるであろう。

図４は、リチウムイオンバッテリ１を駆動する装置を備えた電動自転車の電気的構成要素の概略図を示す。電動自転車は、リチウムイオンバッテリ１を備える。リチウムイオンバッテリ１の２つの電圧極は各々、直流バス１１のバス線と接続され、従って、このバス線１１に、リチウムイオンバッテリ１のバッテリ電圧が印加される。直流電圧１１を介して、パワーエレクトロニクス部５に、バッテリ電圧が供給される。パワーエレクトロニクス部５は、電動自転車を駆動するよう構成された原動機６と接続されている。パワーエレクトロニクス部５によって、原動機６の作動が可能となる。電動機６はトルクセンサ７を備え、このトルクセンサ７は、制御装置１０と結合されており、電動機６のトルクを制御ユニット１０に伝送する。

さらに、電動自転車は決定ユニット２を備え、この決定ユニット２は、リチウムイオンバッテリ１又は電動自転車の状態を記述する少なくとも１つの駆動パラメータを定めるよう構成されている。このために、決定ユニット２は、例えば、電動自転車の後輪に速度センサ８を備える。決定ユニット２の速度センサ８の信号は、評価ユニット３及び制御ユニット１０に伝送される。原動機６のトルク、及び、速度センサ８により検知された速度が、制御ユニット１０によって制御信号に変換され、この制御信号は、トルクに応じて原動機６を作動させるために、パワーエレクトロニクス部５に伝送される。

さらに、電動自転車は、所定の状態が存在するかどうかを検出するために、少なくとも１つの駆動パラメータと基準値とを比較するよう構成された評価ユニット３を備える。評価ユニット３は、示される概略図では、制御ユニット１０に含まれている。評価ユニット３は、速度センサ８の信号を比較し、速度センサ８の信号が０ｋｍ／ｈの速度を表示する場合には、所定の状態が存在することを検出する。所定の状態が検出された場合には、放電信号が放電ユニット４に伝達される。所定の状態が検出されない場合には、充電信号が放電ユニット４に伝達される。

さらに、電動自転車は放電ユニット４を備える。放電ユニット４は、直流バス１１と結合されている。放電ユニット４には、エネルギー貯蔵器としての追加的なバッテリ９が結合されている。放電信号が放電ユニット４によって受信された場合には、放電ユニット４は、追加的なバッテリ９が直流バス１１を介してリチウムイオンバッテリ１によって充電されるように、追加的なバッテリ９を直流バス１１と結合する。充電信号が放電ユニット４によって受信された場合には、放電ユニット４は、追加的なバッテリ９が直流バス１１を介して放電されるように、追加的なバッテリ９を直流バス１１と接続する。この放電により直流バス１１で提供されるエネルギーは、リチウムイオンバッテリ１の充電のため、又は、例えば原動機６等の任意の他の消費機器の充電のために利用される。

本装置は、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔの場合を除いて、停止過程において、例えば夜間にリチウムイオンバッテリ１を充電する。残りの必要な容量は、必要な場合には、エネルギー貯蔵器に、即ち追加的なバッテリ９に貯蔵される。

以上、電動自転車を例に挙げて、本発明について記載してきた。本発明に係る装置又は本発明に係る方法は、バッテリで駆動する他の電気消費機器にも実装することが可能であり、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、機械、及び、あらゆる形態の携帯型又は移動型の消費機器に実装することが可能である。このことは、バッテリの温度が所定の状態の検出のために利用される場合には特に可能である。

特に、本発明に係る装置はバッテリシステムに組み込むことが可能であり、その際に、本発明に係る方法は、例えば、バッテリ制御部によって制御される。その際に、所定の状態がバッテリの状態である場合には有利である。

先に記載した本発明の開示の他に、図１〜４の開示が明示的に参照される。

ＮＣＡと称されるカソード材料は、Ｌｉ［Ｎｉ_０．８Ｃｏ_０．１５Ａｌ_０．０５］Ｏ_２（リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物）の略称である。このカソード材料は、熱安定性が低いため危険なカソード材料と見做されている。ＮＣＡベースのバッテリは、安全性挙動が比較的劣悪である。熱的、電気的、及び機械的な負荷が掛かった結果、バッテリ内で温度が上昇する可能性がある。この温度上昇は、様々な発熱反応によって促される。発熱反応として、特にカソード材料の分解が挙げられ、当該分解によって酸素が放出される。この酸素は、温度が上昇した際に、電解液の有機物により燃焼する可能性がある。最悪の場合には、所謂熱暴走が起きる。動的な示差走査熱量測定（ＤＤＫ）によって、セル構成要素のこのような発熱反応を調査することが可能である。

図１には、一連の実験結果が示されており、この実験では、充電されたＮＣＡが、リチウムイオンバッテリのための市販の電解液（ヘキサフルオロリン酸リチウム 溶液（１Ｍ ＬｉＰＦ_６ ｉｎ ＥＣ／ＤＭＣ、１：１ ｗ／ｗ））の存在下で、ＤＤＫ分析によって調査された。その際に、カソード材料の充電状態が変更された。このために、市販のバッテリ一式が、充電システムによって様々な充電状態に置かれた。カソード材料は、バッテリの開放により不活性雰囲気下で得られた。（右上方の）図１から、調査された様々な充電状態（ＳＯＣ）について、相対的に放出されるエネルギーが、問題にならない程度で変化していることが分かる。しかしながら、上記放出されるエネルギーは、商用で利用される他のカソード材料（例えば、ＬｉＣｏＯ_２）と比べて非常に大きい。

図１は、ＳＯＣ ９０％を下回ると、発熱に関わるＤＤＫ曲線の推移に著しい変化があることを示している。ここでは、反応速度が遅くなることが示唆されている。絶対的に放出されるエネルギー（単位［Ｊ］）又は相対的に放出されるエネルギー（単位［Ｊ／ｋｇ］）のみが、電極材料と、当該電極材料から成るバッテリ一式と、の安全性のために重要なのではない。緊急事態に放出されるパワー及び反応速度も同様に重要である。より高い充電状態（＞ＳＯＣ９０％）では、熱暴走が起こるまでの時間が明らかに短くなり、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔより低く又は当該充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔと等しい充電状態では、ＳＯＣ＜８０％についてのグラフＡ及びＢから分かるように、発熱反応の反応速度が非常に遅くなる。従って、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔは、最大可能ＳＯＣ閾値を表し、この最大可能ＳＯＣ閾値のところで、当該最大可能ＳＯＣ閾値に見合った、ＤＤＫにおける単位時間当たりの放出されたエネルギーの大きな低下が、ＳＯＣ＜８０％について観察されたように見られ、即ち、遅い反応速度が見られる。従って、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔは、以下のような範囲に存在する。即ち、

ＳＯＣ ９０％＞ＳＯＣ_ｋｒｉｔ＞ＳＯＣ ８０％

第２の好適な代替例において、リチウムイオンバッテリ１は、温度センサによって監視される。リチウムイオンバッテリ１の温度が、クリティカルとして定められた温度を越え、例えば６０℃を超える場合には、クリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔよりも低い状態になるまで、リチウムイオンバッテリ１が放電する。放電電流は、特にそのために定められたバッテリ（例えば、更なる別のリチウムイオンバッテリ）に貯蔵され、必要に応じてリチウムイオンバッテリ１に戻される。しかしながら、リチウムイオンバッテリ１の温度が、クリティカルとして定められた温度よりも下がった場合にはじめて、放電電流が再び戻されてリチウムイオンバッテリ１に供給される。強い加速の結果、クリティカルとして定められた温度を上回る短期間の温度上昇が起きた場合、リチウムイオンバッテリ１は未だ、本発明に基づいて放電しない。クリティカルとして定められた温度を上回るリチウムイオンバッテリ１の温度上昇が、クリティカルな時間よりも長く続いた場合にはじめて、第３の処理工程Ｓ３０に係るリチウムイオンバッテリ１の放電が行われる。

Claims (10)

1. 消費機器でバッテリ、特にリチウムイオンバッテリ（１）を駆動する方法であって、
   −前記バッテリ又は前記消費機器の前記状態を記述する少なくとも１つの駆動パラメータを定める工程（Ｓ１０）と、
   −所定の状態が存在するかどうかを検出するために、定められた前記少なくとも１つの駆動パラメータと基準値とを比較する工程（Ｓ２０）と、
   −前記所定の状態が存在することが検出された場合には、前記バッテリの充電状態が前記バッテリの所与のクリティカルな充電状態（ＳＯＣ_ｋｒｉｔ）を下回るまで、前記バッテリを放電させる工程（Ｓ３２）であって、前記バッテリの放電時にはエネルギー貯蔵器が前記バッテリの放電電流により充電される、前記放電する工程（Ｓ３２）と、
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記エネルギー貯蔵器は、追加的なバッテリであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記エネルギー貯蔵器は、追加的な消費機器であり、前記追加的な消費機器は、当該追加的な消費機器の駆動のためのエネルギーを貯蔵するよう構成されることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか１項に記載の方法。
4. ‐前記消費機器は車両であり、
   ‐前記駆動パラメータのうちの１つは前記車両の速度であり、
   −前記車両が移動しない場合には、前記所定の状態が存在する、
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. ‐前記消費機器は車両であり、
   ‐前記駆動パラメータのうちの１つは、前記車両の駐輪補助が出されているかどうかを示すセンサ信号であり、
   −前記車両の前記駐輪補助が出されている場合には、前記所定の状態が存在する、
   ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. ‐前記駆動パラメータのうちの１つは、前記バッテリの温度であり、
   −前記バッテリの前記温度が所定の温度閾値を上回る場合には、所定の状態が存在する
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記バッテリの前記所与のクリティカルな充電状態は、前記バッテリのフル充電状態の８０％〜９０％の間に存在することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記エネルギー貯蔵器に貯蔵されたエネルギーは、前記所定の状態がもはや存在しない場合には、前記バッテリの充電のために利用されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記バッテリ及び／又は前記消費機器の前記駆動パラメータの少なくとも１つが所定の期間を越えて存在する場合にのみ、前記所定の状態が存在すると定められることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 消費機器でバッテリ、特にリチウムイオンバッテリ（１）を駆動するための装置であって、
    −前記バッテリ又は前記消費機器の前記状態を記述する少なくとも１つの駆動パラメータを定めるよう構成された決定ユニット（２）と、
    −所定の状態が存在するかどうかを検出するために、前記少なくとも１つの駆動パラメータと基準値とを比較するよう構成された評価ユニット（３）と、
    −前記所定の状態が存在することが検出された場合には、前記バッテリの前記充電状態が前記バッテリの所与のクリティカルな充電状態ＳＯＣ_ｋｒｉｔを下回るまで、前記バッテリを放電させるよう構成された放電ユニット（４）であって、前記バッテリの放電時にはエネルギー貯蔵器（９）が前記バッテリの放電電流により充電される、前記放電ユニット（４）と、
    を備えることを特徴とする、装置。
    

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