JP7293250B2 - バッテリを充電するための非線形ボルタンメトリベースの方法、およびこの方法を実施する高速充電システム - Google Patents
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Description
a.複数のバッテリシステム電圧「v」を測定するステップと、
b.複数のバッテリシステム充電電流「i」を測定するステップと、
c.複数のバッテリシステム温度「T」を測定するステップと、
d.充電時間tchを測定するステップと、
e.複数のバッテリシステム充電状態SOCを測定するステップと、
f.複数の充電-放電サイクル数「n」を測定するステップと、
g.
-
-
- Kは、0.006≦K≦300である可変パラメータであり、
- αは、0.01≦α≦100である調整可能な定数である、
ステップと
を含む。
h.複数のバッテリシステム電圧「v」を測定するためのセンサと、
i.複数のバッテリシステム電流「i」を測定するためのセンサと、
j.複数のバッテリシステム温度「T」を測定するためのセンサと、
k.複数のバッテリシステム電圧「v」を測定するためのセンサと、
l.複数のバッテリシステム充電時間「tch」を測定するためのセンサと、
m.バッテリシステム充電状態SOCを測定するためのコンピューティングシステムと、
n.バッテリシステム充電-放電サイクル数を測定するためのコンピューティングシステムと、
o.
-
-
- Kは、0.006≦K≦300である可変パラメータであり、
- αは、0.01≦α≦100である調整可能な定数である、
コンピューティングシステムと
を備えるバッテリ充電システムが提案される。
Kn:「K値」は、充電中のある期間のための定数であり、n≧0であり、
α:これは、0<α<100である調整可能な係数であり、それは、この式が、バッテリの異なる種類に基づいて、電流と電圧との間の非線形関係を得ようとする余地を作る。これは、充電プロセスに最も良く適するように、システムによってトレーニングされもする。
さらに、α=1についての関係は、
システムは、SOC獲得に依存するので、これは、任意選択プロセスである。任意の外的方法を使用してこれを測定してもらうことは、システムがそれの性能を改善する助けにもなる。
このプロトコルの初期化パラメータは、2つの主要セクションにカテゴライズされることができる。
1)ユーザ選好パラメータ
a)充電のための期待時間持続(ETD):15分で充電すべきか、それとも30分で充電すべきかなど。
2)システムパラメータ
a)startVoltage:充電が開始する直前のバッテリのOCV。
n)cRateMinExpected:上で定義されたETD時間でシステムがフル充電されるかどうかを予期するための最小必要Cレート。
このモードが、選択された場合、高速充電に向けてバッテリを利用するために、3Cの定電流(CC)が、より短い期間にわたって適用される。デフォルト期間は、3分であるが、CC電流およびこの短い期間は、ともに構成可能である。
このステップは、NLV充電のための初期化/キックスタートプロセスとして使用される。次の非線形設定電圧を計算するためのNLVプロセスのために、電流値および電圧値のフレームが、必要とされる。したがって、開始ポイントとして、非常に短い期間(1フレーム持続時間)の間、バッテリを充電するために、他のいくつかの方法が、必要とされる。これは、高い分極が高速充電を妨げる、より低いSOC段階からバッテリを押しやる、いくらかの容量も獲得する。
- 線形掃引アンペロメトリ(LSA)ベースの充電
- 定電流定電圧(CCCV)ベースの充電
- 特許文献1に記載のカスケードパルス充電プロトコル(CPC)
説明を簡潔にするために、キックスタート方法として、LSVが使用された。
V slopeは、[ETD=20分の場合]20分の時間でバッテリを充電するためのものとして取られた。
b.ステップ間隔(dt)[デフォルトでCTS]
c.フレーム当たりのステップの数(frame-size、CFS)
d.宣言容量(Capacity-stated)
e.許容される最大電圧(V max-end)
f.「frame-size」のVoltageFrame配列サイズ
g.「frame-size」のCurrentFrame配列サイズ
5.ステップからなるフレームをLV配列から取る。
あらゆるステップの後に、電圧(V)、電流(I)、および温度(T)の更新が、行われるべきである。したがって、各ステップについて、次のステップをトリガする直前に、更新が行われる。そのため、容量獲得を計算するために取られる電流は、そのCTS時間フレーム(デフォルトケースでは2秒)の間の最小電流である。さらに、
「パスXを更新する」から、毎回、次回の/新しい読み取りが、フレーム内の次の要素として記憶される。「プロセスD」は、CFS数の回数の間だけ続けられるので、フレームは、「プロセスD」の完了とともに、完全に満たされる。
容量を更新する。
1.以下の計算のためにVoltageFrame配列およびCurrentFrame配列を使用し、「次のNLVベースの電圧(V-nlv-next)を定める。
e.電流低下または増加があるかどうかを識別するために、先行するNLVステップを検査し、低下がある場合(Idrop=[(Ix+1-Ix)/Ix)])、次の電圧ランプのレートを低減させるために、電圧補償を適用する。
2.充電中のバッテリの安全性を保障するために、温度Tも使用される。温度が安全性限界を上回るほど上昇したときは常に、充電は保留され、期待温度範囲が確保されたときに再開するまで、事前に定められた量の時間持続にわたって、システムに緩和させる。
1.「V-nlv-next」をバッテリに設定する。
2.Vを設定した後すぐに、引き込まれた電流を読み取り、いずれの予期せぬほど高い電流のケースにおいても、いかなる損傷も回避するために、安全性限界と比較する。さもなければ、次の「NLV-Set-Voltage」が設定されるまで、CTS持続時間にわたって待機する。電流に対する強制はない。システムは、それの最も細かい可能な頻度で、電流および電圧だけを測定する。
「期待Cレート:cRateExpected」は、フル充電を保証し、要求された時間持続内に、必要とされる量の容量を達成する。
「経過充電時間:timeElapsedCharge」は、必要とされる充電が期待時間持続内に達成されることを保証する。
「Cレート消耗持続時間:timeWaitedForExpectedCRate」は、そのような高抵抗充電窓からシステムを出させようと試みる。
調整可能な「目標終止電圧」を有するというアイデアは、それのSOCおよびSOHに応じて、獲得容量を高めるためである。バッテリが、良好なSOHを有するときは常に、充電容量の大部分が、より低い電圧範囲内に引き込まれることができる。そのため、システムは、最初に、NLV充電のための退出ポイントとして、「デフォルト目標終止電圧」を設定する。
バッテリのリアルタイム電圧が、この「デフォルト目標終止電圧」に達したときは常に、システムは、そのときのリアルタイム電流によってもたらされるCレートをチェックする。その後、このCレートに基づいて、システムは、「目標終止電圧」を増加させて、充電を継続するか、それともこのポイントで充電を停止するかを決定する。Cレートに基づいて、これを決定するために、プロトコルにおいて検討される2つの方法が、存在する。
ここでは、システムは、充電対象として使用されるバッテリ種類の分極プロファイルについての事前に処理された情報を必要とする。したがって、プロトコルは、異なるバッテリ種類に対して調整されるべきである。
これは、任意のバッテリ種類についての終止電圧のための汎用コントローラとしての役割を果たすことが意図される。また、このテーブルは、充電対象とされるバッテリ種類に対して、「固有の分極プロファイル」が利用可能でないときは常に使用されることができる、平均分極プロファイルとして作り上げる。それは、充電統計に基づいて、自らをトレーニングすることも意図する。
充電プロセスをいつ停止するかを決定するための、3つの異なる基準が、存在する。
休止の管理は、常にゼロ(0)電流をバッテリに適用している。充電サイクルは、この休止期間中、通り過ぎる。
ひとたび少なくとも1つの基準が満たされると、NLV充電は、停止する。しかし、容量獲得のどれだけに達したかに応じて、システムは、[2C定電流充電を用いる]CCの別のラウンドを体験するか、それとも再びNLVを体験するかを決定する。
NLVによってもたらされる容量が、目標と比較して十分でない場合、さらなる容量を獲得するために、2Cでの定電流充電が、NLV充電の終了時に、2分間、適用される。この定電流およびそれの持続時間は、システムパラメータとして構成可能である。
K値は、バッテリがどれほど最良に上述の電流の期待Cレートを引き込むことができるかに基づいて、変更される。それが、非常に低いCレートを引き込む場合、K値は、電圧の突然の引き上げをモデル化するために、急速に増加していき、その後、高電流という結果となる。それが、期待Cレート以上を引き込む場合、K値は、非常に低く変更され、その高電流充電を用いて最大可能充電を獲得するために、最善を尽くす。他のケースにおいては、K値は、期待Cレートを常に可能な限り大きく維持するように、変更される。
- それは、そのプロセスの半分の間、2C超ベースの充電を獲得し、
- また、それのフル充電時間の4分の1が、3Cを上回る電流を引き込んでおり、これは、一番最後に生じた。
図20は、放電容量が、バッテリの宣言容量の約97%である、約630mAhにおいて、ほぼ一定を維持することを示している。したがって、それは、このNLVベースの充電方法が、時間が経つにつれての容量減衰にあまり寄与しないことを証明する。
Claims (20)
- 非線形ボルタンメトリ(NLV)ベースのバッテリシステムを充電する方法であって、前記方法は前記バッテリシステムを充電するステップを含み、前記充電するステップは、
- 変化するステップ期間の間、前記バッテリシステムを、非線形的に変化し、ステップ毎に徐々に増加する特定の充電電圧値に設定するステップと、
- 前記バッテリシステムにより引き込まれる電流を測定し、充電電流の時間微分
- 前記バッテリシステム内の温度を測定するステップと、
- 前記測定された温度が安全性限界を上回るほど上昇したときは常に、期待温度範囲が確保されたときに再開するまで、ある期間にわたって、新しい充電を有して安定するように、充電が保留され、ゼロ電流を用いた緩和を前記バッテリシステムに適用するステップと、
- 直前の前記ステップ期間に対し、以下の式
を含み、ここで
- K n は、前記バッテリシステムの充電状態(SOC)および劣化状態(SOH)に基づいてステップ毎に変化し、
- αは、バッテリの異なる種類に基づいて、電流と電圧との間の非線形関係に適合するように調整可能な定数であり、
- 前記バッテリシステムは、1つのセルを備え、またはマルチセルシステムからなることを特徴とする請求項1に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- 前記マルチセルシステムは、直列および/または並列セル構成で配置されたことを特徴とする請求項2に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- セルの前記電圧は、2Vないし5Vの間に含まれることを特徴とする請求項2に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- セル内の前記充電電流は、0ないし10Cの間に含まれることを特徴とする請求項2に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- 前記セルの温度Tは、-20℃ないし+55℃の間に含まれることを特徴とする請求項2に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- 0% SOCから100% SOCまでの充電時間tchは、10分ないし2時間の間に含まれることを特徴とする請求項1に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- SOCは、0%ないし100%の間に含まれることを特徴とする請求項1に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- 複数の充電-放電サイクル数は、200≦n≦2000であることを特徴とする請求項1に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- 前記非線形ボルタンメトリ(NLV)ベースの方法は、定電流(CC)、定電流定電圧(CCCV)、およびカスケードパルス充電(CPC)プロトコルと組み合わされることを特徴とする請求項1に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- CCプロトコル、CCCVプロトコル、およびCPCプロトコルのいずれか1つが、前記NLVベースの方法の開始時、中間、および終了時に適用されることを特徴とする請求項10に記載のバッテリシステムを充電する方法。
- 非線形ボルタンメトリ(NLV)ベースのバッテリシステムを充電するバッテリ充電システムであって、前記バッテリ充電システムは請求項1から11のいずれか一項に記載の充電する方法を実行し、
- 変化するステップ期間の間、前記バッテリシステムを、非線形的に変化し、ステップ毎に徐々に増加する特定の充電電圧値に設定する手段と、
- 前記バッテリシステムにより引き込まれる電流を測定し、充電電流の時間微分
- 前記バッテリシステム内の温度を測定する手段と、
- 前記測定された温度が安全性限界を上回るほど上昇したときは常に、期待温度範囲が確保されたときに再開するまで、ある期間にわたって、新しい充電を有して安定するように、充電が保留され、ゼロ電流を用いた緩和を前記バッテリシステムに適用する手段と、
- 直前の前記ステップ期間に対し、以下の式
を含み、ここで
- K n は、前記バッテリシステムの充電状態(SOC)および劣化状態(SOH)に基づいてステップ毎に変化し、
- αは、バッテリの異なる種類に基づいて、電流と電圧との間の非線形関係に適合するように調整可能な定数であり、
- 前記バッテリシステムは、1つのセルを備え、またはマルチセルシステムからなることを特徴とする請求項12に記載のバッテリ充電システム。
- 前記マルチセルシステムは、直列および/または並列セル構成で配置されたことを特徴とする請求項13に記載のバッテリ充電システム。
- セルの前記電圧は、2Vないし5Vの間に含まれることを特徴とする請求項13に記載のバッテリ充電システム。
- セル内の前記充電電流は、0ないし10Cの間に含まれることを特徴とする請求項13に記載のバッテリ充電システム。
- 前記セルの温度Tは、-20℃ないし+55℃の間に含まれることを特徴とする請求項13に記載のバッテリ充電システム。
- 0% SOCから100% SOCまでの充電時間tchは、10分ないし2時間の間に含まれることを特徴とする請求項12に記載のバッテリ充電システム。
- SOCは、0%ないし100%の間に含まれることを特徴とする請求項12に記載のバッテリ充電システム。
- 複数の充電-放電サイクル数は、200≦n≦2000であることを特徴とする請求項12に記載のバッテリ充電システム。
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