JP6027630B2 - エネルギー貯蔵装置を制御するための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、エネルギー貯蔵装置に関する。他の実施形態は、エネルギー貯蔵装置の充電状態を決定するための方法に関する。

様々な電力の用途では、信頼できる電池の動作および動作中の正確な監視が必要である。例えば、無停電電源装置（ＵＰＳ）は、（例えば、故障によって）一次電源が電力の供給を停止したときに、計算装置または電気通信装置などの負荷へ非常用電力を供給する。ユーザは、ＵＰＳ電池の充電状態を正確に監視することによって、ＵＰＳ電池が放電の末期の状態に達する前に、情報を適切に保存して装置を停止することができる。別の例として、電動車両の電池は、車両を走行させるために電力を提供する。車両の電池の放電状態の正確な監視によって、停止する前にどの程度長く電動車両を運転できるかが電動車両の運転者に示され、車両の電池が過放電で損傷するのを防ぐ。

最近の手法では、多数のセンサからのデータを連続的に追跡し、このデータを最初の放電サイクルの電池から蓄積された記録データと比較し、あるいは使用量またはサイクルの関数として電池の放電容量を推定した理論ベースのモデルと比較することで電池システムを監視し、次いで、計算シーケンスを適用して電池の充電状態を決定する。電池の寿命の間に、あるいは１つまたは複数の放電サイクルの間に蓄積されたデータを保存し使用することを含めて、複雑なセンサおよび計算を使用するため、そのようなシステムは高価で扱いにくいことがわかる。さらに、この種のシステムでは、データを収集するための多数のセンサ、およびデータを蓄積し、電池の寿命状態（残っているサイクル、使用可能な充電量などに関する電池の余寿命）を推定または決定する手段を必要とするが、それでも、電池あるいは１つもしくは複数のセルまたはユニットを有する電池内のどれか１つのセルの経年、個々の電池の製造者でのばらつき、１つの反応物質は使い尽くし、もう１つは継続して使えるときに誤って終了指示を出す電池の混合化学物質の使用、センサの検出限界などによって生じるセンサからの誤った読み取りのために、放電があまりにも早く終了する可能性がある。さらに、これらの同じパラメータのため、データは余寿命の誤った指示を生成し、それにより電池は過放電され、電池を損傷させる可能性がある。どちらの例でも、電池の寿命状態および／または劣化状態の状況は不正確に決定される可能性があり、その結果、電池の使用が不足または過剰になり、過剰の場合には、永久的な損傷につながり、電池を交換する必要が生じる場合がある。

それゆえ、公知の方法およびシステムにおいて誤った読み取りを生じさせ、またそのようなシステムを動作および維持するのに扱いにくく高価にするこれらのパラメータとは無関係に、電池の充電状態、寿命状態、および／または劣化状態を決定するシステムおよび方法が望ましい。

ドイツ国特許出願公開第１０ ２００６ ０１７８８９号公報

１つの実施形態では、エネルギー貯蔵装置と動作可能に結合した測定装置を含む管理システムが提供される。測定システムは、エネルギー貯蔵装置の２つ以上の動作パラメータを測定するように構成される。このシステムは、指定された周波数で測定された動作パラメータから、エネルギー貯蔵装置の放電有効度指標を決定するように構成される制御器を含む。制御器は、放電有効度指標の相対傾きまたは絶対値のうちの少なくとも１つを評価するようにさらに構成される。相対傾きまたは絶対値は、エネルギー貯蔵装置の充電状態のしきい限界を表わす相対傾きまたは絶対値のうちの１つの変化を瞬間的に検出するために用いられる。この変化を検出すると、制御器は次の事項の１つまたは両方を行うことができる。すなわち、エネルギー貯蔵装置の放電動作の末期、すなわちＥＯＤを知らせること、および／または、この検出に応答して放電動作を終了させること、の１つまたは両方を行うことができる。

１つの実施形態では、装置はエネルギー貯蔵装置であり、測定されるパラメータは、時間の関数としてプロットされる電位および電流であってもよい。別の実施形態では、測定されるパラメータは、時間の関数としてプロットされるΩで表わした放電抵抗であってもよい。さらに別の実施形態では、測定されるパラメータは、時間の関数としてプロットされる電圧であってもよい。前述のいかなるシステムにおいても、測定および計算はサンプリング周波数で瞬間的に行われ、装置のその瞬間の実際の動作のみを表わすので、例えば、初期の装置の劣化状態、動作温度、製造のばらつきなどによって生じる装置のばらつきは、混合化学物質を有する装置の場合と同様に、装置の放電有効度の決定には関係しない。

開示した管理システムでは、パラメータを測定すること、およびそれから放電有効度指標を計算することの両方を行い、次いで、放電有効度指標の絶対値および相対傾きをリアルタイムで、すなわち動的に決定するので、エネルギー貯蔵装置の放電が不足または過剰である可能性はあるとしても小さい。測定結果および計算結果は、したがって相対傾きは、同じ情報を提供しようとするより複雑で扱いにくいシステムにおいては有害な様々なパラメータとは無関係に決定されることに注意することは重要である。

また、エネルギー貯蔵システムを制御するための方法も提供する。その方法は、制御器と動作可能に通信しているエネルギー貯蔵システムにおいて放電動作を始めるステップ、およびシステムの電位および電流を測定するステップを含む。制御器は、測定結果に基づいて瞬間的に計算を行い、システムのための放電有効度指標を決定し、さらに放電有効度指標の絶対値または相対傾きのうちの少なくとも１つからエネルギー曲線を生成する。測定および計算は、絶対値または相対傾きのうちの少なくとも１つで変化が検出されるまでサンプリング周波数で繰り返してもよい。制御器は、変化が検出されると、エネルギー貯蔵システムが放電の末期に近いことを知らせること、またはエネルギー貯蔵システムの放電動作を終了させることのうちのどちらか、または両方を行う。

１つの実施形態では、システムは、少なくとも２つ以上のエネルギー貯蔵セルまたはユニットを含む。この場合、個々のセルまたはユニットは、経年、劣化状態、製作の詳細、動作温度の個々のセルまたはユニットへの影響などの潜在的なばらつきを表わすが、システムは装置全体に対して動作パラメータを測定しているので、そのようなばらつきとは無関係になる。その代わりに、システムは、エネルギー貯蔵装置の状態を全体として表わす放電有効度指標に基づいた曲線を、任意の時点で、すなわち瞬間的にまたは動的に発生し、この曲線の相対傾きだけが経時的に装置の放電有効度を決定するために用いられる。

また、エネルギー貯蔵システムの劣化状態を決定するための方法も提供される。その方法は、制御器と動作可能に通信しているエネルギー貯蔵システムにおいて放電動作を始めるステップおよびシステムの少なくとも２つの動作パラメータを測定するステップを含む。制御器は、測定に基づいて計算を行い、システムに対する放電有効度指標を決定し、さらに放電有効度指標の絶対値または相対傾きのうちの少なくとも１つからエネルギー曲線を生成する。測定および計算は、エネルギー曲線からエネルギー貯蔵システムの劣化状態を評価するために、サンプリング周波数で繰り返してもよい。

管理システムの別の実施形態では、管理システムは、エネルギー貯蔵装置の放電動作の間、エネルギー貯蔵装置の２つ以上の動作パラメータを測定するために、エネルギー貯蔵装置と動作可能に結合されるように構成された測定装置を含む。管理システムは、測定された動作パラメータからエネルギー貯蔵装置の放電有効度指標を周期的に決定するように構成された制御器をさらに含む。例えば、制御器は、「ｎ」秒（ｎは正の実数）ごとに１回、放電有効度指標を計算するように構成される。ここで、ｎは、典型的な放電動作において、放電有効度指標を少なくとも「ｍ」回（ｍは正の実数で、例えば５０または１００）計算するように選ばれる。したがって、一定の間隔ｎ秒は、放電動作の平均長さｔの間に放電有効度指標が計算される回数ｍに基づいて、ｎ＝ｔ／ｍのように決定される。制御器は、放電有効度指標が決定されると（例えば、放電有効度指標が決定されるたびに、または何回か決定してから）、放電有効度指標の相対傾きまたは絶対値のうちの１つの変化を検出するようにさらに構成される。その変化は、エネルギー貯蔵装置の放電の末期のしきい限界を表わす。制御器は、変化の検出に応答して放電動作の末期を知らせるように、および／または放電動作を終了させるように構成される。

本発明のこれらの、および他の利点は、本明細書でより詳細に説明する概念および新規性に基づいて明らかになるであろう。

本発明は、添付の図面を参照して、以下の非限定的な実施形態を読めば、よりよく理解されるであろう。

エネルギー曲線の相対傾きの変化を説明する、容量（Ａｈ）の関数としての増加エネルギー（Ｖ×Ａｈ＝ｋＷｈ）に基づいた放電有効度指標のグラフである。 時間（ｔ）の関数としての抵抗（Ω）の放電有効度指標のグラフである。 容量（Ａｈ）の関数としての電位（Ｖ）に基づいた様々な経年または状態の電池に対する放電曲線のグラフである。 増加エネルギー（Ｖ×Ａｈ＝ｋＷｈ）の関数としての電位（Ｖ）に基づいた放電有効度指標のグラフである。 エネルギー曲線の相対傾きの正の変化を説明する、容量（Ａｈ）の関数としての抵抗変化（ｄＶ／ｄＡ）に基づいた放電有効度指標のグラフである。 本発明の実施形態によるシステムおよび方法の概略図である。 本発明の実施形態によるシステムおよび方法の概略図である。

本発明の実施形態は、エネルギー貯蔵装置の放電有効度を動的に決定し、装置の動作パラメータのしきい限界に達したことを検出すると、エネルギー貯蔵装置の放電が不足または過剰になることなしに、装置の放電を終了させるためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、システムが生成するエネルギー貯蔵装置の放電有効度指標の相対傾きの変化を瞬間的にすなわちリアルタイムに検出することに基づいて、電力送出性能能力が動的に評価される。放電有効度指標は、例えば、瞬間的に計測された電位と容量、放電抵抗と時間、電圧と容量、または線形関係をもつ他の任意のパラメータであってもよい。

本明細書で使用されているように、用語「瞬間的な」、「リアルタイム」および「動的な」は、互換性をもって用いることができ、装置の動作に影響を与えるかもしれない他のパラメータには関わらず、エネルギー出力に関しては、エネルギー貯蔵装置の現在の劣化状態（ＳＯＨ）に言及する。本システムの実施形態は、他のシステムと比べると、評価される性能値を、理論値によって作られたモデルの値、または以前の装置の性能履歴を組み入れたルックアップテーブルに比較する必要がないということで差別化される。その代わり、開示したシステムおよび方法の実施形態では、測定値が採取され、計算装置、例えば制御器に伝達され、そして計算装置が測定値を（計算装置を制御するための１組の命令を具体化したアルゴリズムに従って）処理して、絶対値、または、その前に観測された値に対する相対傾きのどちらかの放電有効度指標を生成する。本明細書で使用されている「相対傾き」は、放電有効度指標の時間に対する変化度の評価を意味し、放電有効度の直近の計算値に基づいている。（エネルギー貯蔵装置の動作パラメータの）測定値は採取し続けられ、相対傾きが計算され、計算装置が変化すなわち変動に対して計算された相対傾きの値を評価する。変化は測定パラメータに依存しており、例えば放電有効度指標が、エネルギー貯蔵装置の電位×放電容量対エネルギー貯蔵装置から取り出された放電容量（図１参照）に基づいている場合に見られるように、その変化は負の変化であり、あるいは、例えば、測定されたパラメータが、エネルギー貯蔵装置の抵抗対取り出された充電量（図５参照）またはエネルギー貯蔵装置の抵抗対時間（図２参照）を含む場合に見られるように、その変化は正の変化である。

システムは、エネルギー貯蔵装置の動作パラメータを、本明細書ではサンプリング周波数と呼ぶ特定の周波数で測定し、エネルギー貯蔵装置の放電の末期（ＥＯＤ）を決定するために使用する。用語「サンプリング周波数」は、エネルギー貯蔵装置の完全な放電サイクルの期間にわたって行われた測定、またはその測定に基づいて行われた計算の回数のことを言う。例えば、評価される動作パラメータは、放電サイクルの期間にわたって、少なくとも１００回は測定され、ＥＯＤ指標（放電有効度指標）が十分な情報に基づいていることを確実にし、またＥＯＤ指標によってエネルギー貯蔵装置がその用途ではなはだしく過剰にまたは不足して利用（放電）されないことを確実にする。例えば、エネルギー貯蔵装置に残っている充電量に関して、もし動作パラメータが１００回測定されるとすると、最初の測定では、その値は、放電のために１００％のエネルギーが利用できることを表わすと予想される。放電が進み、ＳＯＣ（充電状態、ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ）が例えば５０回目の測定をされるとき、放電に利用できる残っているエネルギーは、最初の利用できるエネルギーすなわち充電量のわずか５０％となっているかもしれない。パラメータが９０または９５回測定されるまでに、装置のＳＯＣは約１０％またはわずかに５％に落ちているかもしれない。そのときには、装置の放電が過剰または不足になることなく、装置の放電を終了させることができる。上記に基づいて、制御器は放電有効度指標を一定の間隔で計算するようにプログラムされることができ、例えば、放電動作の平均長さｔの間に、計算が一定の間隔ｎ秒で行われ、ここで、ｎは正の実数で、放電有効度指標が計算される回数ｍに基づいて、例えばｎ＝ｔ／ｍである。システムは、システムが計算する相対傾きの変化（例えば、そのような変化は約１０％以下のＳＯＣに達するときに生じる）を同定するようにさらに構成される。システムは、その変化をエネルギー貯蔵装置の「しきい限界」に達し放電を終了すべきであることを示しているものとして解釈する。エネルギー貯蔵装置のしきい限界は、エネルギー貯蔵装置の放電の末期の状態に関係する。ここでは、エネルギー貯蔵装置中の充電量に対して、約１０％以下のエネルギーが残っており利用できるが、例えば、エネルギー貯蔵装置の充電状態が、放電動作を始める前のエネルギー貯蔵装置の充電状態の真の容量の約１％から約１０％の間にあるときにしきい限界に達する。

絶対値または相対傾きの変化は、連続して計算した値をお互いに比較することに基づいて検出してもよい。したがって、エネルギー貯蔵装置が、経年、エネルギー貯蔵装置への熱などの環境の影響、製造欠陥などによって全容量より小さい容量で作動するとしても、測定点の間の傾きは、エネルギー貯蔵装置の現状に一致している、すなわち、エネルギー貯蔵装置がエネルギーを送出する実際すなわち真の容量を示す。エネルギー貯蔵装置の健全性または能力を評価するこのリアルタイム法、すなわち瞬時法は、過剰な計算またはモデリングを必要とせず、あるいはルックアップテーブルを使用することなしにこれらの変化の影響を捉える。これは、２つ以上のセルまたはユニットを有するシステム、例えば２つ以上の内部電池／セル／ユニットを有するエネルギー貯蔵システムに関しては、よりはっきりわかる。エネルギー貯蔵システムでは、前述の１つまたは複数の理由のため、各電池／セル／ユニットは、任意の他の電池／セル／ユニットとは異なったふるまいをする場合があるので、ＥＯＤを決定するためには、唯一リアルタイム指標すなわち相対傾きを使用することが好都合である。例えば、本発明の態様によれば、この方法およびシステムでは、装置の実際のリアルタイムのＳＯＣに関して誤った読み取りをするという潜在的な問題がない。（そのような問題は、予め測定された値、例えばルックアップテーブルまたは以前の性能値、あるいは言及したタイプの欠点を考慮しない以前のシステムで行われた、装置間のばらつきを考慮しようとする計算結果でさえ、これらを使用することによって生じる場合がある。）本発明の実施形態では、選択された性能／動作パラメータの実際のリアルタイム測定のみに基づいた放電有効度指標の絶対値または相対傾きを計算し、各計算の後にその絶対値または相対傾きの評価をし、傾きの変化の検出することによって、これが達成される。連続した絶対値または相対傾き値が決定されると、エネルギー貯蔵装置の容量が放電の末期（ＥＯＤ）に近づくまで直線的な曲線が形成される。このＥＯＤは、例えば残っている放電容量が約１〜１０％であることを示し、そのとき、曲線の傾きは直線的な傾向から変化する。このように、エネルギー貯蔵装置の動作パラメータの観測された測定値、直近の放電サイクルのいくつかまたはすべてにおけるエネルギー貯蔵装置の放電有効度指標の前もって記憶された値、または限定されたエネルギー貯蔵装置の動作パラメータのデータ、例えば直近の放電サイクルの一部から収集されたデータからの推定から、放電有効度指標は動的に得られる。

ＥＯＤを決定するために動的に生成したエネルギー曲線の相対傾きの変動すなわち変化を使用すると、様々なエンドユーザの要求に合う。例えば、エネルギー貯蔵装置に残っている動作時間の量、またはエネルギー貯蔵装置を使用して車両が走行できる距離の決定などである。同様に、データは、最大電力の送出が使用されているか、エネルギー貯蔵装置の動作を延ばすためにより少ない電力状態にされているかを判断するために使用することができる。このように、本明細書で提供された方法およびシステムの実施形態によって、「ユーザ定義の目標」の効率的かつ正確な使用が可能になる。本システムおよび方法は、瞬間的なデータ評価に基づいて、単一のセルのエネルギー貯蔵装置であろうが複数セルの装置であろうが、エネルギー貯蔵装置のＳＯＣの決定に関して高い正確度を提供することができる。

１つの実施形態では、測定された動作パラメータはエネルギー貯蔵装置の電位および取り出された充電量を含む。本システムでは、エネルギー貯蔵装置の電位に取り出された充電量を掛け、この積が取り出された充電量の関数として評価される。すなわち、本システムは、電池の電位×取り出された充電量対取り出された充電量、または電池の電位×エネルギー貯蔵装置の容量対容量を評価する。図１は、これに従ったシステムの実際のデータから生成された代表的な曲線を示す。これは、従来のシステムで一般的な電圧曲線を使用するものとは異なる。相対傾きは、前述の開示に従って採取された瞬間的な測定値、Ａｈ（ｔ）の関数としてプロットされた電位×取り出された充電量Ｖ（ｔ）×Ａｈ（ｔ）に基づく。ここで、放電有効度の指標は、次式で定義される。
Ｄｉｓｃｈ Ｅｆｆ＝Ｖ×Ｉｎｔ（Ｉ ｄｔ）
上式で、Ｖは電位、ｄｔは時間の微分演算子である。
放電有効度の相対傾きは、次式で定義される。
Ｒｅｌ Ｓｌｏｐｅ（ｋ）＝｛ＤｉｓｃｈＥｆｆ（ｋ）−ＤｉｓｃｈＥｆｆ（ｋ−１）｝／｛Ａｈ（ｋ）−Ａｈ（ｋ−１）｝
上式で、ｋは現在得られたパラメータに対する指数、ｋ−１はその前に得られたパラメータに対する指数である。
次に、Ｖ（ｔ）×Ａｈ（ｔ）が計算され、ｘ軸上にプロットされた容量Ａｈの関数としてｙ軸上にプロットされる。図１に示すように、その曲線は放電中、相対傾きが下方に曲がるような変化が生じたことを示すまで直線状に進む。

別の実施形態では、測定された動作パラメータはセル抵抗および時間を含む。図２は、これに従ったシステムの実際のデータから生成した代表的な曲線を示す。相対傾きは、時間の関数としてプロットされたΩで表わした放電抵抗の瞬間的な測定値に基づく。ここで、相対傾きは、

で定義され、上式で、Ｒ_dischはエネルギー貯蔵装置の放電抵抗（Ω）、Ｖ_ocは開路電位（Ｖ）、Ｖ（ｔ）はエネルギー貯蔵装置の電位の直近の測定値（Ｖ）、Ｉ（ｔ）は電流の直近の測定値（Ａ）である。

図２の曲線は、見ればわかるように、絶対値がしきい値に達する点に来るまで直線状に進む。水平の破線は、エネルギー貯蔵装置内の反応物が少なく、装置の放電動作を終了させる必要があるレベルを同定する。

本システムおよび方法は、例えば、ユーザ定義の目標などのユーザに選択されたエネルギー貯蔵装置のパラメータに基づいたデータ点を、一定の間隔、例えば２秒ごとに、または５秒ごとに記録し、データ点から生成されたエネルギー曲線の相対傾きを計算することによって放電有効度指標を生成する。生成された曲線は、装置のリアルタイムの性能すなわち瞬間的な性能を表わし、したがって、エネルギー貯蔵装置の現在の劣化状態の瞬間的な尺度を与える。動作中、その曲線は連続して生成されるので、曲線の相対傾きの変化は、制御器によってほとんど即座に検出され、したがって、装置が過放電する可能性が減る。さらに、曲線は、装置のＳＯＣの誤った指標を与えるかもしれない要因とは無関係に生成されているので、放電を早まって終了させる場合がほとんどない。誤った指標の例は、電池の混合化学物質を有する装置において見られる場合がある。図３の例で示すように、そのような装置では、１つの反応物が約１４０Ａｈで使い尽くされたとき、放電曲線に変化が生じ、そこでは、混合化学物質を有する電池内で、より高い電位の反応物が使い尽くされ、より低い電位の反応物が使われているので、電位のわずかな低下が観測される。装置のＳＯＣを決定するために他のシステムを使用すると、実際には電池が第２の反応物で動作を継続できているときに、この変化はＥＯＤ事象として解釈され、放電を早期に終了させる可能性がある。しかしながら、本システムおよび方法では、この反応物の切り替えは、相対傾きの実質的な変化を起こさず、したがってＥＯＤの誤った指標を生成せず、動作を早まって終了させることはない。

さらに図３を参照すると、公知のシステムおよび方法を使ったデータ曲線の比較が示されている。電池または他のエネルギー貯蔵装置の劣化状態を決定するために一般的に使われる１つの公知のシステムでは、ＳＯＨを予想するために、一般に２つのパラメータがシステム内にプログラムされる。１つのパラメータはＡｈの単位で測定された容量の場合がある。このパラメータを使うと、システムは非常に正確な電流センサを備えることが必要となる。もしセンサがわずかにずれている場合でさえ、例えば装置が何らかの損傷または劣化を受けた場合、または割合に変化がある場合、センサの読み取りは全く不完全になりかねない。これにより、放電がさらに進み、反応物が実際には使い尽くされているのにそれ以上の放電でＥＯＤが表示され、その結果、エネルギー貯蔵装置は永久的な損傷を受ける。すべての電池および他のエネルギー貯蔵装置は、製造、負荷の変動特性、経年、電圧の変動特性、化学的性質および装置のパラメータに応じて、異なった経年変化となる。図３に戻ると、約２５０Ａｈの容量で放電が終わるように示されている曲線は、エネルギー貯蔵装置の真の容量を潜在的に過大評価したようなシステムに関連し、動作を早まって終了させるだろう。約２００Ａｈおよび２２５Ａｈで放電が終わる曲線は、負荷の違い以外のすべての面では同一である。例えば、２００Ａｈで放電を終わるエネルギー貯蔵装置は６．３Ａの負荷で、２２５Ａｈで放電を終わるエネルギー貯蔵装置は３．８Ａの負荷である。やはり、この負荷の違いによって、異なった放電状態で放電が終わることを示している。図３の３つの曲線は、実際のエネルギー貯蔵装置が経年、温度および他の要因に関していかに異なった挙動をする可能性があるかを示している。開示した発明の実施形態は、これらの３つの挙動のそれぞれが、説明した放電有効度指標によって適切なＥＯＤ指標を導く時点を決定する手段を提供する。

図４は、増加エネルギーＶ×Ａｈ＝ｋＷｈの関数として、電位（すなわち電圧）Ｖを表わすエネルギー曲線を提供する。この図では、これに従ったシステムの実施形態は、送出された増加エネルギーにピークがあることが示されており、これを放電有効度が減少する指標として使用する。エネルギー貯蔵装置にあった活物質を使い尽くしたとき、またはしきい限界、例えば反応物がすべて使い尽くされる前に残っている約１０％より少ない動作容量に達したとき、電圧対増加エネルギーの関係において鋭い反転が観察される。これは、電池または他のエネルギー貯蔵装置に永久的な損傷を与える可能性を避けるために動作を終了させる指標で、上述したこれらの変数に無関係な明白な指標を提供する。この反転は、容量が増加しないで電圧が落ちる点と一致する。

再び図１を参照すると、この図は、本発明の実施形態に従って決定された別のエネルギー曲線を提供する。使用されたシステムおよび方法は、この曲線を生成し、曲線の相対傾きを計算する。曲線は、容量Ａｈの関数としての装置のｋＷｈで表わした増加エネルギーＶ×Ａｈを表わし、これは図４のデータを生成するために使用されたのと同じ電池のデータに基づいている。曲線の相対傾きの変化によって、ＥＯＤは２２５Ａｈにおいて示されている。曲線に影響を与える１つまたは複数の動作パラメータの変数が、他の公知のシステムによって生成されるとしても、これらの変数に対して補正する必要がないので、変化が示されると、装置の動作をやめさせる必要のあることが正確にわかり、放電が不足または過剰である可能性がなくなる。

図５は、図１のように、本発明の実施形態に従って決定された放電有効度を示すが、ここでは抵抗の微分値が上昇しているのが示されている。曲線を生成するために使用された動作パラメータは、容量の関数としてのエネルギー貯蔵装置の抵抗に基づいている。

図６Ａおよび６Ｂは、本開示のシステム１００の実施形態を示す概略図である。システムは、エネルギー貯蔵装置１０２に接続される、またはそれを含むように構成され、エネルギー貯蔵装置１０２のＥＯＤおよび／またはＳＯＨを示すために、放電性能を監視する。本明細書で提供されるシステム１００は、多数の性能パラメータのセンサの必要がなく、補正値および予測回路を含めることもなく、その代わりに、確定したパラメータの瞬間的な測定値を使って、システムが生成する放電有効度指標の相対傾きの取得に焦点を合わせる。システム１００は、（ａ）電位、および（ｂ）電流、を測定する測定装置１０４を含み、それは、例えば、電流の積分である現在放電された容量、電位×電流の積分である現在放電されたエネルギー、またはＶ_oc、電圧および電流の関数である抵抗を決めるために様々な方法で使用される。これらの測定値は、制御器１０６に送られ、絶対値または少なくとも２つの測定値のデータ点から生成される放電有効度指標の相対傾きを計算する。制御器は、放電を調整できる装置、または再充電するシステムに切り替えることのできる装置であってもよい。エネルギー貯蔵装置のＥＯＤ状態を同定することを参照するとき、制御器は、一般にエネルギー貯蔵装置を切るような保護ステップを指示するように動作するが、また、システムに作動して、動作状態を変更したり、または使い尽くしたエネルギー貯蔵装置を再充電したりする。次いで、制御器は、これらの絶対値または相対傾きが、特定のしきい値に達したか、または符号が変化したかを判定して、装置のＥＯＤまたはＳＯＨを決定する。各計算によって、制御器は指標の値または傾きの一致または一貫性を評価する。値が一定のままで、しきい限界より小さいならば１０８、次いでサンプリング／測定および計算の機能が続く１１０となる。放電有効度指標が、各しきい値を超えると１０８で、ＥＯＤの信号１１２が制御器によって発せられる。信号は、ユーザまたは運転者に対する表示灯、または他のそのような信号の形態をとってもよく、またはその代わりに、制御器はスイッチ機構または他の手段を作動させて、それによってエネルギー貯蔵装置の放電動作を終了させてもよい。

図面を吟味すると、本発明の実施形態に従って決定されるように、放電有効度指標の相対傾き、およびその変化の使用は、電池または他のエネルギー貯蔵装置の放電能力の実際の状態と実質的に一致していることがわかる。本システムおよび本システムを使用する方法を適用することによって、ＥＯＤの決定の正確度は、エネルギー貯蔵装置の経年または他の環境条件のばらつきとは無関係に維持されることができる。

上記の説明は、例示を意図するものであり、限定することを意図するものではないことを理解されたい。例えば、上記の実施形態（および／またはその態様）は互いに組み合わせて用いられることができる。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の主題の教示に適合させるために多くの修正をすることができる。本明細書に記述された寸法および材料のタイプは、開示された主題のパラメータを規定するように意図されているが、それらは決して限定するものではなく例示的な実施形態である。上記の説明を再検討すれば、当業者には他の多くの実施形態が明白になるであろう。したがって、本発明の主題の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利を与えられる等価物の全範囲と共に決定されるべきである。添付の特許請求の範囲では、用語「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「そこでは（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」は、それぞれ平易な英語の用語「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ここでは（ｗｈｅｒｅｉｎ）」に相当するものとして用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲では、用語「第１の」、「第２の」および「第３の」などは、単に表示として用いられ、それらの対象に数の要件を課するようには意図されていない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定事項は、ミーンズプラスファンクションの形式で書かれておらず、また、さらなる構成のない機能の記述が続く慣用句「ための手段」を明確に用いないとき、および明確に用いるまで、そのような特許請求の範囲の限定事項が米国特許法第１１２条第６パラグラフに基づいて解釈されるようには意図されていない。

本明細書では、実施例を用いて、最良の態様を含む本発明の主題のいくつかの実施形態を開示するとともに、当業者が、あらゆるデバイスまたはシステムを製作し用いること、ならびにあらゆる具体化された方法を実行することを含んで、本発明の主題の実施形態を実施することも可能にする。本発明の主題の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に想起される他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、請求項の文言と違いのない構造要素を有する場合、または請求項の文言と実質的に違わない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものと意図されている。

本発明の主題の特定の実施形態の前述の説明は、添付図面と併せて読むとよりよく理解できるであろう。これらの図面が様々な実施形態の機能ブロックの図を表している範囲において、これらの機能ブロックが必ずしもハードウェア回路間で分割されることを意味するものではない。したがって、例えば、１つまたは複数の機能ブロック（例えば、プロセッサまたはメモリ）は、単一のハードウェア（例えば、汎用シグナルプロセッサ、マイクロコントローラ、ランダムアクセスメモリ、ハードディスクなど）で実現させることがある。同様に、そのプログラムは、スタンドアロンのプログラムとすること、オペレーティングシステム内のサブルーチンとして組み込まれること、インストールしたソフトウェアパッケージの形で機能させること、その他とすることができる。様々な実施形態は、図面に示した配置や手段に限定されるものではない。

本明細書で使用されたように、単数で記載され、語「ａ」または「ａｎ」を冠した要素またはステップは、排除することが明記されない限り、複数の要素またはステップを排除しないものと理解されたい。さらに、本発明の主題の「１つの実施形態」と言及しているのは、記載された特徴をも組み入れる追加の実施形態の存在を排除するものと解釈されることを意図したものではない。また、反対に明記されない限り、特定の特性を有する１つのまたは複数の要素を「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」または「有している（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その特性を有していないような追加の要素を含んでもよい。

本発明の主題の精神および範囲から逸脱することなく、上記のシステムおよび方法において、特定の変更を行うことができるので、上記の説明または添付の図面に示された主題のすべては、単に本明細書における本発明の概念を例示する実施例として解釈されるものとし、本発明の主題を限定するとは解釈されないものとすることが意図されている。

１００ システム
１０２ エネルギー貯蔵装置
１０４ 測定装置、またはユーザ定義の目標のサンプリング／測定のステップ
１０６ 制御器、または絶対値および／または相対傾きの計算のステップ
１０８ 絶対値および／または相対傾きの変化がしきい限界を超えるか判定するステップ
１１０ サンプリングの継続のステップ
１１２ ＥＯＤの発信／装置の接続の切断のステップ

Claims (23)

1. エネルギー貯蔵装置の２つ以上の動作パラメータを測定するために、前記エネルギー貯蔵装置と動作可能に結合されるように構成された測定装置と、
   指定された周波数で測定された前記動作パラメータから、前記エネルギー貯蔵装置の放電有効度指標を決定するように構成された制御器と、
   を含む管理システムであって、
   前記放電有効度指標が増加エネルギーの関数として決定され、
   前記制御器が前記放電有効度指標の相対傾きまたは絶対値のうちの少なくとも１つを評価して、前記エネルギー貯蔵装置の充電状態のしきい限界を表わす前記相対傾きまたは絶対値のうちの１つの変化を瞬間的に検出し、前記エネルギー貯蔵装置の放電動作の末期を知らせること、または前記検出に応答して前記放電動作を終了させることのうちの少なくとも１つを行うようにさらに構成される、
   管理システム。
2. 前記絶対値および相対傾きが、電位および充電量の前記動作パラメータの瞬間的な測定に基づく、請求項１に記載のシステム。
3. 前記放電有効度指標が、
   Ｄｉｓｃｈ Ｅｆｆ＝Ｖ×Ｉｎｔ（Ｉ ｄｔ）
   で定義され、上式で、Ｖは電位、ｄｔは時間の微分演算子であり、
   前記放電有効度指標の前記相対傾きが、
   Ｒｅｌ Ｓｌｏｐｅ（ｋ）＝｛ＤｉｓｃｈＥｆｆ（ｋ）−ＤｉｓｃｈＥｆｆ（ｋ−１）｝／｛Ａｈ（ｋ）−Ａｈ（ｋ−１）｝
   で定義され、上式で、ｋは現在得られたパラメータに対する指数、ｋ−１はその前に得られたパラメータに対する指数である、
   請求項２に記載のシステム。
4. 前記エネルギー貯蔵装置の前記充電状態の前記しきい限界が、前記エネルギー貯蔵装置の放電の末期の状態に関係する、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記エネルギー貯蔵装置内の活物質を使い尽くしたときに前記しきい限界に達する、請求項１から４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記エネルギー貯蔵装置の充電状態が、放電動作を始める前の前記エネルギー貯蔵装置の充電状態の真の容量の約１％から約１０％の間にあるときに前記しきい限界に達する、請求項５に記載のシステム。
7. 前記測定装置が、１つまたは複数のセルあるいはユニットを有する前記エネルギー貯蔵装置と動作可能に結合されるように構成され、また前記制御器が、前記相対傾きまたは絶対値の変化が、セルまたはユニットにおける劣化状態、動作温度または製造から生じるばらつきのうちの１つまたは複数の、セルまたはユニットにおけるばらつきとは、無関係であるように構成される、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記エネルギー貯蔵装置が、混合化学物質を有する電気化学装置である、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
9. （ａ）制御器と動作可能に通信しているエネルギー貯蔵システムにおいて放電動作を始めるステップと、
   （ｂ）電位および電流を測定するステップと、
   （ｃ）ステップ（ｂ）における前記測定に基づいて前記制御器が瞬間的に計算し、放電有効度指標を決定するステップと、
   （ｄ）前記放電有効度指標の絶対値または相対傾きのうちの少なくとも１つを計算および決定する前記ステップ（ｃ）からエネルギー曲線を生成するステップと、
   （ｅ）前記絶対値または前記相対傾きのうちの少なくとも１つで変化が検出されるまで、ステップ（ｂ）〜（ｄ）をサンプリング周波数で繰り返すステップと、
   （ｆ）前記絶対値または前記相対傾きのうちの少なくとも１つで変化を検出すると、前記制御器が前記エネルギー貯蔵システムが放電の末期に近いこと知らせること、または前記エネルギー貯蔵システムの前記放電動作を終了させることのうちの１つあるいは両方を行うステップと、
   を含み、
   前記放電有効度指標が増加エネルギーの関数として決定される、
   エネルギー貯蔵システムを制御するための方法。
10. 前記サンプリング周波数が、前記放電動作の間に少なくとも１００回を含む、請求項９に記載の方法。
11. ステップ（ｄ）で決定された前記放電有効度指標が、前記エネルギー貯蔵システムの現在の劣化状態の瞬間的な尺度を与える、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記絶対値または前記相対傾きのうち少なくとも１つの変化が前記エネルギー貯蔵システムの放電の末期の状態に関係する、請求項９から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記放電有効度指標が、
    Ｄｉｓｃｈ Ｅｆｆ＝Ｖ×Ｉｎｔ（Ｉ ｄｔ）
    で定義され、上式で、Ｖは電位、ｄｔは時間の微分演算子であり、
    前記放電有効度指標の前記相対傾きの定義が、
    Ｒｅｌ Ｓｌｏｐｅ（ｋ）＝｛ＤｉｓｃｈＥｆｆ（ｋ）−ＤｉｓｃｈＥｆｆ（ｋ−１）｝／｛Ａｈ（ｋ）−Ａｈ（ｋ−１）｝
    で定義され、上式で、ｋは現在得られたパラメータに対する指数、ｋ−１はその前に得られたパラメータに対する指数である、
    請求項９から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記絶対値または前記相対傾きのうちの少なくとも１つで変化を検出すると、前記放電動作を終了させ、前記エネルギー貯蔵システムの過放電を防止する、請求項９から１３のいずれかに記載の方法。
15. （ａ））制御器と動作可能に通信しているエネルギー貯蔵システムにおいて放電動作を始めるステップと、
    （ｂ）前記エネルギー貯蔵システムの少なくとも２つの動作パラメータを測定するステップと、
    （ｃ）ステップ（ｂ）における前記測定に基づいて前記制御器が計算を行い、放電有効度指標を決定するステップと、
    （ｄ）前記ステップ（ｃ）の前記計算からエネルギー曲線を生成するステップと、
    （ｅ）前記放電動作の間、サンプリング周波数でステップ（ｂ）〜（ｄ）を繰り返すステップと、
    （ｆ）ステップ（ｄ）で生成した前記エネルギー曲線から前記エネルギー貯蔵システムの劣化状態を評価するステップと、
    を含み、
    前記放電有効度指標が増加エネルギーの関数として決定される、
    エネルギー貯蔵システムの劣化状態を決定するための方法。
16. 前記方法が、
    （ｇ）ステップ（ｄ）で生成した前記エネルギー曲線の変化を検出するステップと、
    （ｈ）前記制御器が、前記エネルギー貯蔵システムが放電の末期に近いこと知らせること、または前記エネルギー貯蔵システムの前記放電動作を終了させることのうちの１つあるいは両方を行うステップと、
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記サンプリング周波数が、放電の始まりから末期までの前記放電動作の間に少なくとも１００回を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記エネルギー貯蔵システムが１つまたは複数のセルあるいはユニットを含み、前記放電の末期の検出が、セルまたはユニットにおける劣化状態、動作温度または製造から生じるばらつきのうちの１つまたは複数の、セルまたはユニットにおけるばらつきとは、無関係に行われる、請求項１６または１７に記載の方法。
19. 前記エネルギー曲線の前記変化を検出すると、前記放電動作を終了させ、前記エネルギー貯蔵システムの過放電を防止する、請求項１６から１８のいずれかに記載の方法。
20. 少なくとも２つのパラメータが電位および電流を含む、請求項１５または１９に記載の方法。
21. 放電動作の間、エネルギー貯蔵装置の２つ以上の動作パラメータを測定するために、前記エネルギー貯蔵装置と動作可能に結合されるように構成された測定装置と、
    前記測定された動作パラメータから、前記エネルギー貯蔵装置の放電有効度指標を周期的に決定するように構成された制御器と、
    を含む管理システムであって、
    前記放電有効度指標が増加エネルギーの関数として決定され、
    前記放電有効度指標が決定された場合、前記エネルギー貯蔵装置の放電の末期のしきい限界を表わす前記放電有効度指標の相対傾きまたは絶対値のうちの少なくとも１つの変化を検出し、前記放電動作の末期を知らせること、または変化の検出に応答して前記放電動作を終了させることのうちの少なくとも１つを行うように、前記制御器がさらに構成される、
    管理システム。
22. 前記放電有効度指標が一定の間隔ｎ秒で決定され、ｎは正の実数である、請求項２１に記載の管理システム。
23. 一定の間隔ｎ秒は、前記放電動作の平均長さｔの間に前記放電有効度指標が計算される回数ｍに基づいて、ｎ＝ｔ／ｍのように決定される、請求項２２に記載の管理システム。