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JP2025506781A - Systems and methods for controlled battery heating - Patents.com - Google Patents

Systems and methods for controlled battery heating - Patents.com Download PDF

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JP2025506781A
JP2025506781A JP2024549664A JP2024549664A JP2025506781A JP 2025506781 A JP2025506781 A JP 2025506781A JP 2024549664 A JP2024549664 A JP 2024549664A JP 2024549664 A JP2024549664 A JP 2024549664A JP 2025506781 A JP2025506781 A JP 2025506781A
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Abstract

Figure 2025506781000001

単独またはバッテリの充電もしくは放電との組み合わせにて実行され得るバッテリの加熱のためのシステムおよび方法である。いくつかの実施態様において、加熱には、交流電流波形(正弦波であってもよい)のバッテリへの印加を伴う。いくつかの実施態様において、加熱信号は、バッテリへの正味充電がほとんどまたは全くない周波数および/または電流で印加される。

Figure 2025506781000001

Systems and methods for heating a battery that can be performed alone or in combination with charging or discharging the battery. In some embodiments, the heating involves application of an alternating current waveform, which may be a sine wave, to the battery. In some embodiments, the heating signal is applied at a frequency and/or current that results in little or no net charge to the battery.

Description

関連出願の相互参照
本PCT(特許協力条約)出願は、米国特許法第119条(e)の下、2022年2月23日に出願された米国仮特許出願第63/313,147号「Systems and Methods for Controlled Battery Heating Sourcing Current To and From the Battery」および2022年4月15日に出願された米国仮特許出願第63/331,633号「Systems and Methods for Controlled Battery Heating」と関連し、その優先権を主張するものであって、それぞれのすべての内容をあらゆる目的で本明細書に援用する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This PCT (Patent Cooperation Treaty) application is related to and claims priority under 35 U.S.C. §119(e) to U.S. Provisional Patent Application No. 63/313,147, entitled "Systems and Methods for Controlled Battery Heating Sourcing Current To and From the Battery," filed on February 23, 2022, and U.S. Provisional Patent Application No. 63/331,633, entitled "Systems and Methods for Controlled Battery Heating," filed on April 15, 2022, the entire contents of each of which are incorporated herein by reference for all purposes.

また、本出願は、米国特許法第119条(e)の下、2021年3月18日に出願された米国仮特許出願第63/163,011号「Powering A Load from a Battery Discharging with Harmonic Components」および2022年2月23日に出願された米国仮特許出願第63/313,147号「Systems and Methods for Controlled Battery Heating Sourcing Current To and From the Battery」の優先権の利益を主張する2022年3月18日に出願された米国特許出願第17/699,016号「System and Methods of Controlled Battery Heating Sourcing Current To and From The Battery and Discharge Signal Conditioning From the Same」の一部継続出願とも関連し、上記仮特許出願のそれぞれのすべての内容を本明細書に援用する。 This application is also a joint venture under 35 U.S.C. § 119(e) with U.S. Provisional Patent Application No. 63/163,011, entitled "Powering A Load from a Battery Discharging with Harmonic Components," filed on March 18, 2021, and U.S. Provisional Patent Application No. 63/313,147, entitled "Systems and Methods for Controlled Battery Heating Sourcing Current To and From the This application is also related to a continuation-in-part application of U.S. Patent Application No. 17/699,016 entitled "System and Methods of Controlled Battery Heating Sourcing Current To and From the Battery and Discharge Signal Conditioning From the Same," filed March 18, 2022, which claims the benefit of priority to U.S. Provisional Patent Application No. 17/699,016 entitled "System and Methods of Controlled Battery Heating Sourcing Current To and From the Battery and Discharge Signal Conditioning From the Same," all of the contents of which are incorporated herein by reference.

本発明の実施形態は一般的に、バッテリの加熱ならびに/または充電もしくは放電のためのシステムおよび方法に関する。 Embodiments of the present invention generally relate to systems and methods for heating and/or charging or discharging a battery.

電動工具、モバイルコンピュータおよび通信機器、携帯用電子機器、ならびにスクーターおよび自転車を含むあらゆる種類の電動車両等、数え切れないほどのさまざまな種類の電動機器が作動電源として充電式バッテリを使用する。充電式バッテリは、有限なバッテリ容量の制約を受け、消耗時には再充電する必要がある。バッテリの再充電は、再充電に要する時間中、電動機器を移動させてはいけないことが多いため、不便な場合がある。バッテリのサイズによっては、再充電に数時間を要する可能性がある。さらに、バッテリの充電には、バッテリ性能の低下を伴うことが多い。このため、とりわけバッテリの再充電に要する時間の短縮、バッテリ性能の向上、充電によるバッテリの劣化の抑制のためのバッテリ充電技術の開発には、多大な努力が払われてきた。 Countless different types of motorized devices, such as power tools, mobile computers and communication devices, portable electronic devices, and all kinds of motorized vehicles, including scooters and bicycles, use rechargeable batteries as their operating power source. Rechargeable batteries are constrained by a finite battery capacity and must be recharged when depleted. Recharging a battery can be inconvenient because the motorized device often must not be moved during the time it takes to recharge. Depending on the size of the battery, recharging can take several hours. Furthermore, charging a battery is often accompanied by a degradation of the battery's performance. For this reason, considerable effort has been expended in developing battery charging techniques to, among other things, reduce the time it takes to recharge a battery, improve battery performance, and reduce battery degradation due to charging.

リチウムベースのバッテリを含むさまざまな種類のバッテリにおいて、セルの損傷を伴わない低温での充電は不可能なことが多い。場合によっては、特に、液体電解質のバッテリにおいては、電解質が凍結する場合がある。電解質が凍結している場合あるいはバッテリ温度がある閾値を下回っている場合に充電しようとすると、電極めっきによってバッテリが損傷する可能性もある。これは、バッテリが放電される一方、従来の充電には温度が低過ぎる多くの使用事例において明らかに懸念事項となり得る。 For many types of batteries, including lithium-based batteries, charging at low temperatures without damaging the cells is often not possible. In some cases, especially batteries with liquid electrolytes, the electrolyte may freeze. Attempting to charge when the electrolyte is frozen or when the battery temperature is below a certain threshold can also damage the battery through electrode plating. This can be an obvious concern in many use cases where the battery is discharged but the temperature is too low for conventional charging.

とりわけこれらの観察結果を念頭に置いて、本開示の種々態様を考案した。 Various aspects of the present disclosure were devised with these observations in mind, among others.

本開示の一態様は、バッテリを加熱するためのシステムであって、回路と連通するプロセッサを備え、プロセッサは、命令の実行により、バッテリへの電流供給とバッテリからの電流吸収とを交互に切り替えるように回路を制御することによりバッテリを加熱するように構成され、バッテリへの電流供給およびバッテリからの電流吸収の組み合わせによってバッテリが加熱される、システムを含む。 One aspect of the present disclosure includes a system for heating a battery, the system comprising a processor in communication with a circuit, the processor configured to heat the battery by controlling the circuit to alternately supply current to the battery and absorb current from the battery by executing instructions, and the battery is heated by a combination of supplying current to the battery and absorbing current from the battery.

本開示の別の態様は、バッテリと、バッテリの充電回路と動作可能に連通するプロセッサと、を備え、プロセッサが、バッテリからの放電信号の少なくとも1つの高調波成分を制御するように、充電回路に対して動作可能に結合されている、バッテリ給電システムを含む。このシステムは、バッテリと負荷システムとの間に配置され、バッテリから放電信号を受信するとともに、DC信号を負荷システムに与える信号調節要素をさらに備えていてもよい。 Another aspect of the present disclosure includes a battery power system comprising a battery and a processor in operative communication with a charging circuit of the battery, the processor operatively coupled to the charging circuit to control at least one harmonic component of a discharge signal from the battery. The system may further comprise a signal conditioning element disposed between the battery and a load system, the signal conditioning element receiving the discharge signal from the battery and providing a DC signal to the load system.

本開示の別の態様は、バッテリを充電する方法であって、バッテリが充電可能であるかを示す情報の取得に応答して、バッテリへの電流供給とバッテリからの電流吸収とを交互に切り替えてバッテリを加熱することを含む、方法を含む。この方法は、バッテリが充電可能であるかを示す情報を与えるバッテリの温度測定結果を受信することをさらに含んでいてもよい。考え得る一例においては、既知の高調波を有する信号の印加に基づくバッテリからの応答の取得によって、バッテリが充電可能であるかを示す情報が与えられる。考え得る別の例において、応答は、インピーダンス応答であり、情報は、インピーダンス応答に対するバッテリ温度の相関である。種々実施形態においては、インピーダンスまたはアドミッタンス応答が論じられるが、インピーダンス応答(impedance response)という用語は、その逆のアドミッタンス応答を含み、アドミッタンス(admittance)またはアドミッタンス応答(admittance response)という用語は同様に、その逆のインピーダンスまたはインピーダンス応答を含むことが認識されるものとする。 Another aspect of the disclosure includes a method of charging a battery, the method including alternately supplying and absorbing current from the battery to heat the battery in response to obtaining information indicating whether the battery is chargeable. The method may further include receiving a temperature measurement of the battery that provides information indicating whether the battery is chargeable. In one possible example, obtaining a response from the battery based on application of a signal having a known harmonic provides information indicating whether the battery is chargeable. In another possible example, the response is an impedance response and the information is a correlation of battery temperature to the impedance response. In various embodiments, while impedance or admittance response is discussed, it is to be recognized that the term impedance response includes its inverse admittance response, and the term admittance or admittance response similarly includes its inverse impedance or impedance response.

本開示の別の態様は、バッテリを充電する方法であって、バッテリが充電を受け入れ可能であるかを示す情報の取得に応答して、コンダクタンス応答およびリアクタンス応答と関連付けられている少なくとも1つの高調波で構成されている高調波調節済み信号をバッテリに印加して加熱することを含む、方法を含む。この方法は、バッテリが充電可能であるかを示す情報を与えるバッテリの温度測定結果を受信することをさらに含んでいてもよい。別の例においては、既知の高調波を有する信号の印加に基づくバッテリからの応答の取得によって、バッテリが充電可能であるかを示す情報が与えられるようになっていてもよい。一例において、応答は、インピーダンス応答であり、情報は、インピーダンス応答に対するバッテリ温度の相関である。少なくとも1つの高調波は、バッテリの運動および拡散プロセスより高い周波数であってもよい。信号が複数の高調波で構成されている場合は、高調波の集合体がバッテリの運動および拡散プロセスより高い周波数であってもよい。 Another aspect of the disclosure includes a method of charging a battery, the method including applying a harmonically adjusted signal to the battery, the harmonically adjusted signal being comprised of at least one harmonic associated with a conductance response and a reactance response, in response to obtaining information indicative of whether the battery is capable of accepting a charge, to heat the battery. The method may further include receiving a temperature measurement of the battery that provides information indicative of whether the battery is capable of being charged. In another example, obtaining a response from the battery based on application of a signal having known harmonics may provide information indicative of whether the battery is capable of being charged. In one example, the response is an impedance response and the information is a correlation of battery temperature to the impedance response. The at least one harmonic may be at a higher frequency than the motion and diffusion processes of the battery. If the signal is comprised of multiple harmonics, the aggregate of the harmonics may be at a higher frequency than the motion and diffusion processes of the battery.

本開示の別の態様は、バッテリを加熱する方法であって、ある期間にわたって、後縁で終端する本体部分へと上昇する正弦波状の前縁を規定するとともに、上記期間の第1の割合を規定する第1の部分と、第1の部分の後縁に続く交流電流を含み、上記期間の第2の割合を規定する第2の部分と、を含む繰り返し信号を生成してバッテリに印加することであり、第1の割合および第2の割合が、上記期間を構成する、ことを含む、方法を含む。 Another aspect of the present disclosure includes a method of heating a battery, comprising generating and applying to the battery a repetitive signal that defines a sinusoidal leading edge that rises over a period of time into a body portion terminating in a trailing edge and includes a first portion that defines a first percentage of the period, and a second portion that includes an alternating current following the trailing edge of the first portion and defines a second percentage of the period, the first percentage and the second percentage constituting the period.

本開示の別の態様は、バッテリを充電する方法であって、第1の高調波および第2の高調波を少なくとも含む複数の高調波を含むプローブ信号をバッテリに印加することを含む、方法を含む。このシステム/方法は、プローブ信号に基づくバッテリでの電圧応答および電流応答を取得することと、電圧応答および電流応答に基づいて、第1の高調波の第1のインピーダンスおよび第2の高調波の第2のインピーダンスを少なくとも含むインピーダンススペクトルを生成することであり、第1のインピーダンスが、第2のインピーダンスよりも低い、ことと、第1の高調波の周波数の正弦波状の前縁を含む充電信号を生成してバッテリに印加することと、をさらに含む。 Another aspect of the present disclosure includes a method of charging a battery, the method including applying a probe signal to the battery, the probe signal including multiple harmonics including at least a first harmonic and a second harmonic. The system/method further includes obtaining a voltage response and a current response at the battery based on the probe signal, generating an impedance spectrum including at least a first impedance at the first harmonic and a second impedance at the second harmonic based on the voltage response and the current response, the impedance spectrum including at least a first impedance at the first harmonic and a second impedance at the second harmonic, the first impedance being lower than the second impedance, and generating and applying to the battery a charging signal including a sinusoidal leading edge at the frequency of the first harmonic.

本開示の別の態様は、バッテリを加熱する方法であって、コンダクタンス応答における変曲点での周波数よりも高いか、または、サセプタンス応答における変曲点での周波数よりも低い周波数の交流電流をバッテリに印加して加熱することを含む、方法を含む。より詳細には、上記周波数は、コンダクタンス応答における変曲点での周波数よりも高く、かつ、サセプタンス応答における変曲点での周波数よりも低い。 Another aspect of the present disclosure includes a method of heating a battery, the method including applying an alternating current to the battery at a frequency higher than the frequency at the inflection point in the conductance response or lower than the frequency at the inflection point in the susceptance response to heat the battery. More specifically, the frequency is higher than the frequency at the inflection point in the conductance response and lower than the frequency at the inflection point in the susceptance response.

本開示のさらに別の態様は、バッテリを加熱する方法であって、バッテリのコンダクタンス応答が低下し、バッテリのサセプタンス応答が上昇する周波数の交流電流をバッテリに印加して加熱することを含む、方法を含む。 Yet another aspect of the present disclosure includes a method of heating a battery, the method comprising applying to the battery an alternating current at a frequency that decreases the conductance response of the battery and increases the susceptance response of the battery to heat the battery.

本開示の上記および他の特徴については、以下により詳しく論じる。 These and other features of the present disclosure are discussed in more detail below.

本明細書に記載の本開示のさまざまな目的、特徴、および利点については、添付の図面に示すように、それらの発明的概念の実施形態に関する以下の説明から明らかとなるであろう。図面は必ずしも、原寸に比例しているわけでもなければ、あらゆる詳細を含んでいるわけでもなく、一実施形態のさまざまな特徴を表していてもよく、発明的概念の原理および他の態様の説明に重点を置いていることに留意されたい。また、図中で、異なる図面にわたって、同じ参照記号は、同一または同様の部分を表し得る。本明細書に開示の実施形態および図面は、限定的なものではなく、例示的なものと考えることが意図される。 Various objects, features, and advantages of the present disclosure described herein will become apparent from the following description of embodiments of the inventive concepts thereof, as illustrated in the accompanying drawings. It should be noted that the drawings are not necessarily to scale or containing every detail, and may depict various features of an embodiment, with emphasis instead being placed on illustrating the principles and other aspects of the inventive concepts. Also, in the figures, the same reference characters may represent the same or similar parts throughout the different drawings. The embodiments and drawings disclosed herein are intended to be considered illustrative, and not limiting.

一実施形態に係る、バッテリ加熱・充電システムであって、電源からの充電経路および負荷経路をさらに示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a battery heating and charging system, further illustrating the charge path from a power source and the load path, according to one embodiment. 図1のバッテリ加熱・充電システムであって、電源を含む電源レールからの負荷経路と併せてバッテリからの放電経路をさらに示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of the battery heating and charging system of FIG. 1 further showing a discharge path from the battery along with a load path from a power rail including a power supply. 図1および図2のバッテリ加熱・充電システムであって、電源がエネルギー(たとえば、電流)を供給していない状態での電源レール(たとえば、その上のキャパシタ)からの充電経路および負荷経路をさらに示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of the battery heating and charging system of FIGS. 1 and 2 further showing the charging and load paths from the power rail (e.g., the capacitor thereon) when the power supply is not providing energy (e.g., current). 一実施形態に係る、対称形状の充電電流部分および放電電流部分を含む第1の例示的な加熱信号の信号図である。FIG. 2 is a signal diagram of a first exemplary heating signal including symmetrically shaped charging and discharging current portions according to one embodiment. 一実施形態に係る、非対称形状の充電電流部分および放電電流部分を含む第2の例示的な加熱信号の信号図である。FIG. 13 is a signal diagram of a second exemplary heating signal including asymmetrically shaped charging and discharging current portions according to one embodiment. 一実施形態に係る、異なる形状の充電電流部分および放電電流部分を含む第3の例示的な加熱信号の信号図である。FIG. 13 is a signal diagram of a third exemplary heating signal including differently shaped charging and discharging current portions according to one embodiment. 充電が可能となるバッテリ温度までバッテリを加熱するプロファイルの一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of a profile for heating a battery to a battery temperature at which charging is possible. 一実施形態に係る、バッテリを加熱する方法のフローチャートである。4 is a flow chart of a method for heating a battery, according to one embodiment. 一実施形態に係る、第1の組み合わせ充電・加熱信号の信号図である。FIG. 4 is a signal diagram of a first combined charging and heating signal according to one embodiment. 一実施形態に係る、第2の組み合わせ充電・加熱信号の信号図である。FIG. 11 is a signal diagram of a second combined charging and heating signal according to one embodiment. 一実施形態に係る、0Aの休止期間を含む充電信号の信号図である。FIG. 2 is a signal diagram of a charging signal including a 0 A quiescent period, according to one embodiment. 一実施形態に係る、非ゼロ電流の休止期間を含む充電信号の信号図である。FIG. 4 is a signal diagram of a charging signal including non-zero current rest periods according to one embodiment. 一実施形態に係る、充電信号を成形する方法のフローチャートである。4 is a flow chart of a method for shaping a charging signal, according to one embodiment. 一実施形態に係る、バッテリ温度を考慮に入れて充電電流レベルを識別する方法のフローチャートである。4 is a flow chart of a method for identifying a charging current level taking into account battery temperature, according to one embodiment. バッテリからの非従来的な非DC電流を、電力変換あるいはDC信号を従来必要とする負荷による消費のための信号に変換する信号調節要素を含むシステム図である。FIG. 1 is a system diagram including signal conditioning elements that convert non-conventional non-DC current from a battery into a signal for consumption by a load that conventionally requires power conversion or a DC signal. 図14Aは、一実施形態における加熱信号の周波数の確立に用いられるリチウムイオンバッテリのコンダクタンス応答の図である。図14Bは、一実施形態における加熱信号の周波数の確立に用いられるリチウムイオンバッテリのサセプタンス応答の図である。14A and 14B are diagrams of the conductance and susceptance responses of a lithium ion battery used to establish the frequency of a heating signal in one embodiment. 本開示の実施形態の実現に使用可能なコンピュータシステムの一例を示す図である。FIG. 1 illustrates an example of a computer system that can be used to implement embodiments of the present disclosure.

本明細書においては、バッテリを加熱および充電(再充電)するためのシステム、回路、および方法を開示する。本明細書において、充電(charging)および再充電(recharging)という用語は、同義で使用している。本開示の態様は、従来の充電に対して、単独または組み合わせにて複数の利点を提供することができる。たとえば、本明細書に記載の充電技術は、充電の発生に十分なレベルまでのバッテリの加熱を可能にし得る。場合によってはバッテリ温度がモニタリングされ、閾値を下回る場合、システムは、充電の前に加熱シーケンスを開始し、バッテリが十分に温まったら充電シーケンスへと移行する。温度閾値は、バッテリのさまざまな化学的性質に合わせて調整され得る。一例において、加熱、加熱および充電の組み合わせ、ならびに充電のための温度閾値は、液体電解質の凍結温度に依存または関連し得るが、さまざまな温度パラメータおよび閾値も考えられる。さらに、固体電池等におけるバッテリのいくつかの化学的性質では、液体電解質を有さないものの、温度の影響を受けるため、充電の温度が低過ぎるとバッテリが損傷する可能性もある。また、このシステムは、アノードが損傷を受ける速度を低下させ、充電開始時の発熱またはあるレベルを上回る発熱の最小化によってバッテリによる発熱を制御することにより、電極および他のバッテリの損傷の低減、火災または短絡のリスクの低減等、複数の後続効果を有し得る充電技術を可能にする回路素子を含んでいてもよい。 Disclosed herein are systems, circuits, and methods for heating and charging (recharging) a battery. In this specification, the terms charging and recharging are used interchangeably. Aspects of the present disclosure may provide multiple advantages, alone or in combination, over conventional charging. For example, the charging techniques described herein may allow the battery to be heated to a level sufficient for charging to occur. In some cases, the battery temperature is monitored, and if it is below a threshold, the system initiates a heating sequence before charging and transitions to a charging sequence once the battery is sufficiently warm. The temperature thresholds may be tailored for various battery chemistries. In one example, the heating, combination of heating and charging, and the temperature thresholds for charging may depend on or be related to the freezing temperature of the liquid electrolyte, although various temperature parameters and thresholds are also contemplated. Additionally, some battery chemistries, such as solid-state batteries, do not have a liquid electrolyte but are affected by temperature, and charging at too low a temperature may damage the battery. The system may also include circuit elements that enable charging techniques that can have multiple ramifications, such as reducing the rate at which the anode is damaged and controlling heat generation by the battery by minimizing heat generation at the start of charging or above a certain level, thereby reducing damage to the electrodes and other batteries, and reducing the risk of fire or short circuits.

加熱のためまたは負荷への給電のいずれであれ、バッテリを放電する場合、本開示の態様は、バッテリと負荷との間への配置または負荷への組み込みがなされる放電信号調節要素をさらに含む。従来は、DC信号によってバッテリから負荷に放電されるか、または、インバータ等によってバッテリからのDC信号がAC信号に変換され、ACモータに給電される。ただし、本開示の態様には、加熱であれそれ以外であれ、非従来的な非DC放電信号を含む。放電信号調節要素は、負荷またはバッテリからのエネルギーによって負荷に給電する要素に適する非従来的な放電信号の調節に役立つ。 When discharging a battery, whether for heating or to power a load, aspects of the disclosure further include a discharge signal conditioning element disposed between the battery and the load or incorporated into the load. Traditionally, a battery is discharged to a load by a DC signal, or a DC signal from the battery is converted to an AC signal by an inverter or the like to power an AC motor. However, aspects of the disclosure include non-conventional, non-DC discharge signals, whether for heating or otherwise. The discharge signal conditioning element serves to condition the non-conventional discharge signal to be appropriate for the load or an element that powers the load with energy from the battery.

一例において、本明細書に論じる種々実施形態では、制御可能に成形された充電または放電信号を生成することによって、バッテリに出入りするエネルギーを管理する。形状は、さまざまな高調波に対するバッテリのインピーダンス効果に基づいて調節され得る。場合により、加熱時、充電または放電中の形状(高調波の態様を含み得る)は、バッテリを加熱するとともに、バッテリの損傷を最小限に抑えるかまたは他の効果を実現するように調整される。場合により、充電時、充電信号の形状または成分(同じく高調波の態様を含み得る)は、充電に対して最適化される。加熱時、このシステムは、相対的に低いインピーダンスと関連付けられる高調波属性を含むように充電信号を制御し得る充電と比較して、相対的に高いインピーダンスと関連付けられる高調波属性を選択するようにしてもよい。 In one example, various embodiments discussed herein manage energy to and from a battery by generating a controllably shaped charge or discharge signal. The shape may be adjusted based on the battery's impedance effect on various harmonics. Optionally, when heating, the shape (which may include harmonic aspects) during charging or discharging is adjusted to heat the battery while minimizing damage to the battery or achieving other effects. Optionally, when charging, the shape or components of the charging signal (which may also include harmonic aspects) are optimized for charging. When heating, the system may select harmonic attributes associated with relatively high impedance compared to charging, where the charging signal may be controlled to include harmonic attributes associated with relatively low impedance.

このシステムは、充電/放電信号成形回路の1つまたは複数の構成要素のモデルをさらに使用するようにしてもよい。定電流または定電圧等の従来の充電技術(DC技術)は、充電信号の成形を伴わないため、制御が比較的簡単であり、本明細書に論じる充電・放電信号成形技術を必要としない。このモデルは、バッテリへの信号またはバッテリからの信号(加熱時には組み合わせの可能性が高い)を生成するための制御の確認および/または調整に用いられるようになっていてもよい。場合によっては、充電信号の形状および/または成分の態様がバッテリへのエネルギーの最適な移動と関連付けられる高調波(または、複数の高調波)に対応し得る一方、システムの目的は、数ある目的の中でもとりわけ、任意の形状の充電信号を効率的に生成してバッテリに印加可能とすることである。他の例において、特に、充電に先立って発生し得るバッテリ加熱に関して、バッテリが充電(または、放電)の準備のために加熱されている間は、加熱の発生ならびに充電の最小化もしくは排除が意図される信号が成形および/または規定される。形状または信号の成分は、制御により規定される任意の形状であってもよく、場合によっては高調波成分が規定されているが、それとは関係なく制御される。 The system may further use a model of one or more components of the charge/discharge signal shaping circuit. Conventional charging techniques such as constant current or constant voltage (DC techniques) are relatively simple to control as they do not involve shaping of the charging signal and do not require the charging and discharging signal shaping techniques discussed herein. The model may be used to verify and/or adjust the control for generating the signal to or from the battery (likely to be combined when heating). While in some cases aspects of the shape and/or composition of the charging signal may correspond to a harmonic (or multiple harmonics) associated with optimal transfer of energy to the battery, the objective of the system is, among other objectives, to efficiently generate and apply to the battery a charging signal of any shape. In other examples, particularly with respect to battery heating that may occur prior to charging, a signal is shaped and/or defined that is intended to minimize or eliminate the occurrence of heating and charging while the battery is being heated in preparation for charging (or discharging). The shape or composition of the signal may be any shape defined by the control, and in some cases the harmonic content is defined but controlled independently.

考え得る一実施態様において、モデルを利用して充電/放電信号を規定するための制御信号を決定するフィードフォワード技術は、信号調整の精度および速度を含む複数の利点を与え得る。さらに、この構成は、他の手法よりも少ない構成要素で動作可能なため、数ある利点の中でもとりわけ、コストの低減およびプリント配線板使用領域の縮小等が実現され得る。さらに、この手法では、モデルの使用の有無に関わらず、バッテリが適当な温度に達した場合に加熱から充電へと信号が調整された後、バッテリ充電時の信号調整がなされ得る。 In one possible implementation, a feedforward technique that utilizes a model to determine the control signals for defining the charge/discharge signals may provide several advantages, including accuracy and speed of signal conditioning. Additionally, this configuration may operate with fewer components than other approaches, resulting in reduced cost and printed wiring board area, among other advantages. Additionally, with this approach, whether or not a model is used, the signal may be conditioned from heating to charging when the battery reaches the appropriate temperature, followed by signal conditioning during battery charging.

モデルの使用の有無に関わらず、このシステムの態様は、加熱フェーズ中のほか、充電段階への移行および充電段階の移行中に、温度等のバッテリパラメータのフィードバックをさらに含んでいてもよい。フィードバック単独でまたはモデルとの組み合わせによれば、このシステムは、とりわけ構成要素のドリフトの調整、温度等の回路部品への影響の調整、バッテリの変化の調整、ならびに付加的なデータのシステムおよび/もしくはモデルへの定期的な提供による出力の変更が可能となり得る。さらに、このシステムは、バッテリ温度を使用して、加熱または充電を選択するようにしてもよく、場合によっては、加熱フェーズから、加熱なしで充電が最適化されるフェーズへの移行(加熱および充電の両者の移行フェーズを含み得る)を行うようにしてもよい。 Regardless of whether or not a model is used, aspects of the system may further include feedback of battery parameters such as temperature during the heating phase, as well as during transitions to and from the charging phase. Feedback alone or in combination with the model may enable the system to, among other things, adjust for component drift, adjust for effects on circuit components such as temperature, adjust for changes in the battery, and periodically provide additional data to the system and/or model to modify the output. Additionally, the system may use battery temperature to select between heating or charging, and in some cases, transition from a heating phase to a phase where charging is optimized without heating (which may include transition phases for both heating and charging).

当技術分野および本明細書においては、「バッテリ(battery)」という用語をさまざまに使用可能であり、電解質(固体または液体)により分離されたアノードおよびカソードを有する個々のセルのほか、さまざまな配置で接続されたこのようなセルの集合体を表し得る。バッテリまたはバッテリセルは、ある形態の電気化学デバイスである。バッテリは一般的に、イオン伝導性バリア(電解質で飽和した液体またはポリマー膜であることが多い)により分離された対向電荷源および電極層の繰り返し単位を含む。これらの層は薄く構成されているため、複数のユニットによってバッテリの容積を占有可能であり、ユニットを積み重ねるごとにバッテリの利用可能な電力が増大する。本明細書においては、バッテリに適用可能なものとして多くの例を論じるが、当然のことながら、記載のシステムおよび方法は、個々のセルから、並列、直列、および直並列に結合されたセル等、セルの考え得るさまざまな相互接続を含むバッテリに至るまで、多くのさまざまな種類のバッテリに適用され得る。たとえば、本明細書に論じるシステムおよび方法は、規定のパック電圧、出力電流、および/または容量を与えるように配置された多くのセルを含むバッテリパックに適用され得る。さらに、本明細書に論じる実施態様は、例を挙げるなら、さまざまな異なる種類のリチウム電池(リチウム金属およびリチウムイオン電池が挙げられるが、これらに限定されない)、鉛蓄電池、さまざまな種類のニッケル電池、および固体電池等、異なる種類の電気化学デバイスに適用され得る。また、本明細書に論じる種々実施態様は、ボタンもしくは「コイン」型バッテリ、円筒状セル、パウチセル、ならびに角型セル等、さまざまな構造のバッテリ構成にも適用され得る。 The term "battery" can be used in various ways in the art and herein to refer to individual cells having an anode and a cathode separated by an electrolyte (solid or liquid), as well as collections of such cells connected in various configurations. A battery or battery cell is a form of electrochemical device. A battery typically includes repeating units of opposing charge sources and electrode layers separated by an ionically conductive barrier (often a liquid or polymer membrane saturated with the electrolyte). These layers are constructed to be thin, allowing multiple units to occupy the volume of the battery, with each stack of units increasing the available power of the battery. Although many examples are discussed herein as being applicable to batteries, it should be understood that the systems and methods described may be applied to many different types of batteries, ranging from individual cells to batteries including various possible interconnections of cells, such as cells coupled in parallel, series, and series-parallel. For example, the systems and methods discussed herein may be applied to battery packs including many cells arranged to provide a specified pack voltage, output current, and/or capacity. Additionally, the embodiments discussed herein may be applied to different types of electrochemical devices, such as various different types of lithium batteries (including, but not limited to, lithium metal and lithium ion batteries), lead acid batteries, various types of nickel batteries, and solid-state batteries, to name a few. The various embodiments discussed herein may also be applied to battery configurations of various structures, such as button or "coin" type batteries, cylindrical cells, pouch cells, and prismatic cells.

図1~図3は、本開示の一実施形態に係る、バッテリ加熱・充電回路トポロジーを示している。図面に示す矢印は、システムのさまざまな動作状態における電流の流路を規定する。図1においては、電流をバッテリに供給(充電)して負荷に給電する構成のシステムを示している。図2においては、バッテリから電流を、放電経路からレール上のキャパシタまで引き出して(放電または吸収)、電源オンの(レールに接続されている)状態で負荷に給電する構成のシステムを示している。図3においては、電源オフの(レールに接続されていない)状態での負荷への給電と併せて、バッテリからレール上のキャパシタまで電流を引き出す構成のシステムを示している。図2および図3の両者においては、下側の第2のトランジスタへの「ブリップ」経路を示す矢印も存在しており、ブリップが放電電流経路を起動する。 1-3 show a battery heating and charging circuit topology according to one embodiment of the present disclosure. The arrows in the figures define the current flow paths in various operating states of the system. In FIG. 1, the system is shown configured to source (charge) current to the battery to power the load. In FIG. 2, the system is shown configured to draw (discharge or absorb) current from the battery through a discharge path to a capacitor on the rail to power the load in the powered-on (connected to the rail) state. In FIG. 3, the system is shown configured to draw current from the battery to a capacitor on the rail in addition to powering the load in the powered-off (not connected to the rail) state. In both FIG. 2 and FIG. 3, there is also an arrow showing a "blip" path to the second transistor on the bottom, which activates the discharge current path.

図1のほか、図2および図3は、バッテリ104を加熱、充電、および/または放電するための例示的な充電信号生成器構成100を示す模式図である。生成器は、充電信号成形回路110からの充電信号を生成するための制御を提供するマイクロコントローラ、FPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)、ASIC(特定用途向け集積回路)、マイクロプロセッサ、これらの組み合わせ、または他の処理構成等のコントローラを具備し得る処理ユニット、またはより一般的に、制御ユニット106を含む(信号生成器108と連通していてもよい)。コントローラは、モデル(生成器の一部であってもよい)と連通して、充電信号成形回路への制御命令を生成し得る。コントローラおよびモデル(存在する場合)を含む制御ユニットは、統合ユニットであってもよい。また、このシステムは、信号(加熱、充電、および/または放電)の存在下でバッテリ104のバッテリ端子における電流および/または電圧測定結果等のバッテリ測定結果を含むフィードバックをバッテリ測定ユニット116から受信するようにしてもよく、これらのバッテリ測定結果は、インピーダンス測定結果の取得ならびに/または加熱もしくは充電制御への影響に用いられるようになっていてもよい。一般的に、生成器は、電源118(電圧源であってもよいし、電流源であってもよい)を具備していてもよいし、電源118と動作可能に結合されていてもよい。一実施形態において、電源118は、直流(DC)電流源または電圧源であるが、交流(AC)電源も考えられる。さまざまな選択肢において、電源118には、一方向電流を供給するDC電源、双方向電流を供給するAC電源、またはリップル電流を供給する電源(電流が一方向となるようにDCバイアスをかけたAC信号等)を含んでいてもよい。一般的に、電源118は、制御ユニット106および回路110により成形あるいは規定されて、バッテリ104を加熱、充電、および/または放電するための制御可能に成形された充電信号を生成し得る充電エネルギー(たとえば、電流)を供給する。一例において、コントローラ106は、1つまたは複数の入力を信号生成器108に与えてもよく、信号生成器108は、回路110へのパルスを生成するスイッチを制御し、回路110はフィルタと称する場合もあり、バッテリにおける成形信号を生成する。 1, 2 and 3 are schematic diagrams illustrating an exemplary charging signal generator configuration 100 for heating, charging, and/or discharging a battery 104. The generator includes a processing unit, which may include a controller such as a microcontroller, FPGA (field programmable gate array), ASIC (application specific integrated circuit), microprocessor, combinations thereof, or other processing configurations, or more generally, a control unit 106 (which may be in communication with the signal generator 108), which provides control for generating the charging signal from the charging signal shaping circuit 110. The controller may be in communication with a model (which may be part of the generator) to generate control instructions for the charging signal shaping circuit. The control unit including the controller and model (if present) may be an integrated unit. The system may also receive feedback from a battery measurement unit 116, including battery measurements such as current and/or voltage measurements at the battery terminals of the battery 104 in the presence of a signal (heating, charging, and/or discharging), which may be used to obtain impedance measurements and/or to affect heating or charging control. In general, the generator may include or be operatively coupled to a power source 118, which may be a voltage source or a current source. In one embodiment, the power source 118 is a direct current (DC) current or voltage source, although an alternating current (AC) source is also contemplated. In various options, the power source 118 may include a DC source that provides a unidirectional current, an AC source that provides a bidirectional current, or a source that provides a ripple current (such as an AC signal with a DC bias so that the current is unidirectional). In general, the power source 118 provides a charging energy (e.g., a current) that may be shaped or defined by the control unit 106 and the circuitry 110 to generate a controllably shaped charging signal for heating, charging, and/or discharging the battery 104. In one example, the controller 106 may provide one or more inputs to the signal generator 108, which controls a switch that generates a pulse to the circuitry 110, which may be referred to as a filter, to generate a shaped signal at the battery.

場合により、信号成形回路110は、電源118からのエネルギーを変更することにより、高調波または高調波の属性を含む信号がバッテリ104に印加された場合のインピーダンスに基づいて1つまたは複数の高調波に少なくとも一部が対応する信号等、バッテリ104での状態に基づいて成形される信号を生成するようにしてもよい。図1等の例において、回路100は、バッテリ104に接続されてセル電圧および/または充電電流のほか、温度等の他のバッテリ属性を測定するとともに、これらに基づいてバッテリ104のインピーダンスを測定、計算、あるいは取得するバッテリ測定ユニット116を具備していてもよい。一例において、バッテリ特性は、バッテリへの信号またはバッテリからの信号に基づいて測定されるようになっていてもよい。別の例においては、周波数属性が変化する信号を印加して、異なる周波数属性と関連付けられている広範なバッテリセル特性値を生成することによりバッテリを特性化するルーチンの一部としてバッテリセル特性が測定されるようになっていてもよく、これは、加熱、充電、または放電前、充電中、充電中に定期的に、実行されるようになっていてもよく、また、探索技術および他の技術と組み合わせて用いられるようになっていてもよい。バッテリ特性は、バッテリの多くの物理的または化学的特徴(バッテリの充電状態および/または温度を含む)に基づいて変化し得る。このため、バッテリ測定回路116は、コントローラ106による制御によって、数あるタイミングの中でもとりわけ、加熱、再充電、および/または負荷給電中のバッテリ104のさまざまなバッテリ特性値を決定するとともに、測定したバッテリ特性値をコントローラ106または生成器100の他の部分に与えるようにしてもよい。 In some cases, the signal shaping circuit 110 may modify the energy from the power source 118 to generate a signal shaped based on conditions at the battery 104, such as a signal that corresponds at least in part to one or more harmonics based on the impedance when a signal including harmonics or attributes of the harmonics is applied to the battery 104. In an example such as FIG. 1, the circuit 100 may include a battery measurement unit 116 connected to the battery 104 to measure cell voltage and/or charging current as well as other battery attributes such as temperature and to measure, calculate, or otherwise obtain the impedance of the battery 104 based thereon. In one example, the battery characteristics may be measured based on signals to or from the battery. In another example, the battery cell characteristics may be measured as part of a routine to characterize the battery by applying signals with varying frequency attributes to generate a range of battery cell characteristic values associated with different frequency attributes, which may be performed before, during, or periodically during heating, charging, or discharging, and may be used in combination with probing and other techniques. Battery characteristics may vary based on many physical or chemical characteristics of the battery, including the battery's state of charge and/or temperature. Thus, the battery measurement circuitry 116 may be controlled by the controller 106 to determine various battery characteristic values of the battery 104 during heating, recharging, and/or load powering, among other things, and to provide the measured battery characteristic values to the controller 106 or other portions of the generator 100.

充電時、コントローラ106は、バッテリ104の効率的な充電のための目標充電信号を生成するようにしてもよい。たとえば、コントローラ106は、バッテリ104の決定インピーダンスまたは信号がバッテリに及ぼすインピーダンスの影響を理解することにより特性化される信号定義を使用して、エネルギー伝達に関して最適なインピーダンス(広範なインピーダンスであってもよい)と関連付けられている高調波に対応する属性の充電信号を生成または選択するようにしてもよく、この最適なインピーダンスは、バッテリ104の最小インピーダンス値と関連付けられていてもよい。このため、コントローラ106は、バッテリ104の測定された、特性化された、および/または推定された充電状態に基づいて充電信号の形状を出力する充電信号アルゴリズムを実行するようにしてもよい。一般的に、信号生成器は、ノード136においてパルス列を生成するようにスイッチを制御し、このパルス列が回路110によって充電信号形状へと変換される。同様に、加熱時、バッテリは、当該バッテリに対する充電または放電信号のインピーダンス効果と、これに基づいて制御される信号と、を理解するため、温度に基づいて特性化されるようになっていてもよい。ここでは、ノード136が同様に制御され得るものの、回路110によって、インピーダンス属性が規定された電流のバッテリへの供給およびバッテリからの吸収の両者が行われるようになっている。加熱には、バッテリに出入りする電流からの移行も伴い、加熱の最適化、めっきの最小化もしくは排除、ならびに加熱シーケンス中のバッテリにおけるエネルギー蓄積の最小化を行うように特性化され得ることが認識されるものとする。信号生成器108は、熱または充電信号アルゴリズムに基づいて1つまたは複数の制御信号を生成し、これらの制御信号を信号成形ユニット110に与えるようにしてもよい。制御信号は、数ある機能の中でも、バッテリからのまたはバッテリへの信号の成形あるいは規定によって、コントローラ106により決定、選択、あるいは取得された成形充電信号を近似可能である。充電信号成形回路110は、信号から不要な周波数属性をさらにフィルタリングするようにしてもよい。場合により、成形充電信号は、任意の形状の信号であって、加熱、充電、または放電のいずれを問わず、一定のDC信号ではなく、繰り返し方形波または三角波の充電信号等、従来の繰り返し充電信号に適合しないものであってもよい。 During charging, the controller 106 may generate a target charging signal for efficient charging of the battery 104. For example, the controller 106 may use a signal definition characterized by understanding the impedance effect of the battery 104 or the signal on the battery to generate or select a charging signal with attributes corresponding to harmonics associated with an optimal impedance (which may be a wide range of impedances) for energy transfer, which may be associated with a minimum impedance value of the battery 104. To this end, the controller 106 may execute a charging signal algorithm that outputs a shape of the charging signal based on a measured, characterized, and/or estimated state of charge of the battery 104. In general, the signal generator controls a switch to generate a pulse train at node 136, which is converted by the circuit 110 into a charging signal shape. Similarly, during heating, the battery may be characterized based on temperature to understand the impedance effect of the charging or discharging signal on the battery and the signal controlled based thereon. Here, node 136 may be controlled in a similar manner, but with circuit 110 both sourcing and absorbing current with defined impedance attributes to and from the battery. It is to be appreciated that heating also involves transitioning current into and out of the battery, which may be characterized to optimize heating, minimize or eliminate plating, and minimize energy storage in the battery during the heating sequence. Signal generator 108 may generate one or more control signals based on a thermal or charging signal algorithm and provide these control signals to signal shaping unit 110. The control signals may approximate the shaped charging signal determined, selected, or obtained by controller 106, among other functions, by shaping or defining the signal from or to the battery. Charging signal shaping circuit 110 may further filter unwanted frequency attributes from the signal. In some cases, the shaped charging signal may be a signal of any shape, whether heating, charging, or discharging, that is not a constant DC signal, but does not conform to a traditional repetitive charging signal, such as a repetitive square wave or triangular wave charging signal.

図1~図3の回路は、一実施形態に係る、制御された初期パルス列をノード136で生成した後、フィルタ110により成形信号へと変換して、バッテリに印加される信号またはバッテリからの信号を生成するスイッチング要素112、114(回路110の一部と考えられる)を具備する。スイッチング要素は、レール120上に充電電流が存在することなく、ノード136で同様に生成されたパルスによってバッテリから放電信号を生成するのにも使用され得る。 The circuit of Figures 1-3 includes switching elements 112, 114 (considered to be part of circuit 110) that generate a controlled initial pulse train at node 136, which is then converted by filter 110 into a shaped signal to generate a signal to be applied to or from the battery, according to one embodiment. The switching elements can also be used to generate a discharge signal from the battery, with pulses similarly generated at node 136, without the presence of a charging current on rail 120.

上記紹介の通り、回路100は、バッテリ104における充電および放電の協調的組み合わせによってバッテリの加熱を意図的に引き起こす信号を成形する1つまたは複数の構成要素を具備していてもよい。回路100は、第1のスイッチング要素(たとえば、トランジスタ112)および第2のスイッチング要素(たとえば、トランジスタ114)を具備していてもよく、第1のスイッチング要素は、充電時に電源レールひいては電源118に接続され、放電時にレール上のキャパシタ122に結合される。キャパシタは、以下により詳しく論じる通り、放電信号の調節を含むさまざまな機能を有していてもよい。第1のトランジスタ112は、当該第1のトランジスタ112をスイッチング素子またはコンポーネントとして動作させるパルス幅変調(PWM)制御信号130等の入力信号を受信するようにしてもよい。一般的に、第1のトランジスタ112は、如何なる種類のトランジスタ(たとえば、FET(もしくは、より詳細にはMOSFET)、GaN FET、炭化ケイ素ベースのFET、または任意の種類の制御可能なスイッチング要素)であってもよい。たとえば、第1のトランジスタ112は、ドレインノードが第1のインダクタ140に接続され、ソースがレールに接続され、ゲートが信号生成器110からの制御信号130を受信するFETであってもよい。また、種々実施形態において、回路110は、インダクタ140を具備しており、他の考え得るさまざまな誘導素子を有していてもよい。回路110、特に、インダクタ142、140およびキャパシタ148の組み合わせは、以下により詳しく説明する通り、充電および放電の両者について双方向に動作する場合、加熱の放電部分、またはより一般的に、通常動作時の負荷への電流吸収においてバッテリからの電流を制御する場合の昇圧トポロジーと考えられる。 As introduced above, the circuit 100 may include one or more components that shape a signal that intentionally causes heating of the battery 104 by a coordinated combination of charging and discharging. The circuit 100 may include a first switching element (e.g., transistor 112) and a second switching element (e.g., transistor 114), where the first switching element is connected to a power rail and thus a power supply 118 during charging and is coupled to a capacitor 122 on the rail during discharging. The capacitor may have various functions, including regulating the discharge signal, as discussed in more detail below. The first transistor 112 may receive an input signal, such as a pulse width modulated (PWM) control signal 130, that causes the first transistor 112 to operate as a switching element or component. In general, the first transistor 112 may be any type of transistor, such as a FET (or, more specifically, a MOSFET), a GaN FET, a silicon carbide-based FET, or any type of controllable switching element. For example, the first transistor 112 may be a FET with a drain node connected to the first inductor 140, a source connected to the rail, and a gate receiving the control signal 130 from the signal generator 110. Also, in various embodiments, the circuit 110 may include an inductor 140, as well as various other possible inductive elements. The circuit 110, and in particular the combination of the inductors 142, 140 and the capacitor 148, may be considered a boost topology when operating bidirectionally for both charging and discharging, the discharge portion of heating, or more generally, when controlling current from a battery in absorbing current to a load during normal operation, as described in more detail below.

加熱に際して、このシステムは、バッテリへの電流の供給(一般的には充電と称するが、加熱時には、充電よりも加熱に対してシステムがソース電流を最適化することが認識される)およびバッテリからの電流の吸収(放電であるが、加熱時には、負荷への給電よりも加熱に対してシステムがバッテリからの電流を最適化することが同様に認識される)の両者を行うように動作し得る。このシステムは、バッテリへの電流供給とバッテリからの電流吸収とを高速に移行させるように加熱シーケンスを制御するようにしてもよい。電流の供給(充電)の場合は、回路コントローラ106が制御信号130を与えることにより、閉じた場合に第1のインダクタ140をレール120に接続して、電源(および/または、キャパシタ122)からの電流が第1のインダクタ140(および、存在する場合は第2のインダクタ142)を通ってバッテリに流れるようにするスイッチとしての第1のトランジスタ112の動作を制御するようにしてもよい。第2のトランジスタ114は、第2の入力信号132を受信するようにしてもよく、また、ノード136で第1のトランジスタ112のドレインに接続されていてもよい。充電の状況においては場合により、第2の入力信号132は、第1のトランジスタ112への第1の制御信号130とは逆のPWM信号であってもよく、一方がオンで他方がオフとなるようにスイッチングが調整される。 During heating, the system may operate to both source current to the battery (commonly referred to as charging, although it is recognized that during heating, the system optimizes the source current for heating rather than charging) and to sink current from the battery (discharging, although it is similarly recognized that during heating, the system optimizes the current from the battery for heating rather than powering the load). The system may control the heating sequence to transition rapidly between sourcing and sinking current from the battery. For sourcing (charging), the circuit controller 106 may provide a control signal 130 to control operation of the first transistor 112 as a switch that, when closed, connects the first inductor 140 to the rail 120 to allow current from the power source (and/or capacitor 122) to flow through the first inductor 140 (and second inductor 142, if present) to the battery. The second transistor 114 may receive a second input signal 132 and may be connected to the drain of the first transistor 112 at node 136. In some cases during charging situations, the second input signal 132 may be an inverse PWM signal to the first control signal 130 to the first transistor 112, with switching coordinated so that one is on and the other is off.

1つもしくは複数のインダクタンス値、1つもしくは複数のキャパシタンス値、トランジスタを作動する時間および周波数、ならびに他の因子については、波形、特に、バッテリを加熱するためにバッテリに対して制御された高調波を伴う波形を生成するように調整可能である。図4~図6に示す例示的な信号を参照すると、電流を供給する場合のノード136における信号は、0ボルト~レール電圧前後のパルス列であってもよい。ノード136におけるパルスは、デューティサイクルが変化するものであってもよく、また、変化する周波数で生成されたものであってもよい。ただし、全体として、これらのパルスは、バッテリに対する目標電流信号と同一またはほぼ同一の信号をもたらすように生成される。したがって、たとえば図4~図6のいずれかのような信号は、ノード136に存在するパルスの組み合わせ(フィルタ構成110により138で成形されて当該信号となる)に基づいてノード138に存在することになる。所望の充電信号を形成するため、信号に応じて、10秒~1000秒(以上)のパルスが生成されるようになっていてもよい。 The inductance value or values, capacitance value or values, time and frequency of operating the transistors, and other factors can be adjusted to generate a waveform, particularly a waveform with controlled harmonics to the battery to heat the battery. With reference to the exemplary signals shown in Figures 4-6, the signal at node 136 when supplying current may be a pulse train of 0 volts to about rail voltage. The pulses at node 136 may vary in duty cycle and may be generated at varying frequencies. However, overall, the pulses are generated to provide a signal that is the same or nearly the same as the target current signal to the battery. Thus, a signal such as any of Figures 4-6 will be present at node 138 based on the combination of pulses present at node 136 (which are shaped at 138 by filter arrangement 110) at node 138. Depending on the signal, pulses of 10 seconds to 1000 seconds (or more) may be generated to create the desired charging signal.

放電シーケンスでは、上側の第1のトランジスタ112を最初にオフとして、下側の第2のトランジスタ114をオンにする。第2のトランジスタは、バッテリからインダクタ142、140への電流の流れを開始するのに十分な時間だけしかブリップされ得ない。このトランジスタは、第2のインダクタを通ってグランドに至る電流の流れを排除または最小化するように制御され得る。バッテリからの電流(放電)が開始となった場合は、電源がオフまたはオンの状態で第2のトランジスタがオフ、上側のトランジスタ112がオンされ、レールキャパシタ122および/または負荷144への電流が駆動される。バッテリからの電流の流れが開始となった場合は、ノード136におけるパルスの制御によって、放電信号または信号の放電部分を同様に成形するようにしてもよい。負荷が必要とする電力の種類に応じて、このシステムは、何らかの形態の電力変換146を含んでいてもよい。このシステムは、電源がオンまたはオフの状態で作動し得る。オフの場合は、電流がキャパシタおよび/または負荷に向かう。オンの場合、電源は、レール電圧を維持するように調整し得る機能を含んでいてもよく、電流への放電によってレール電圧があるレベルを上回ると、設定されたレール電圧を維持するように電源を同期させ得る。 In the discharge sequence, the upper first transistor 112 is initially turned off and the lower second transistor 114 is turned on. The second transistor may be blipped only long enough to initiate current flow from the battery to the inductors 142, 140. This transistor may be controlled to eliminate or minimize current flow through the second inductor to ground. When current (discharge) from the battery is initiated, the second transistor is turned off and the upper transistor 112 is turned on with the power supply off or on, driving current to the rail capacitor 122 and/or the load 144. When current flow from the battery is initiated, the discharge signal or the discharge portion of the signal may be similarly shaped by controlling the pulse at node 136. Depending on the type of power required by the load, the system may include some form of power conversion 146. The system may operate with the power supply on or off. When off, current is directed to the capacitor and/or load. When on, the power supply may include a feature that may regulate to maintain the rail voltage, and if discharging into the current causes the rail voltage to rise above a certain level, the power supply may be synchronized to maintain the set rail voltage.

全体として、このシステムは、加熱時、バッテリへのエネルギーの供給とバッテリからのエネルギーの吸収とを高速に移行させるように制御され得る。さらに、この回路は、ノード136におけるパルスの制御によって、バッテリへの電流の成形および/またはバッテリからの電流の成形を行うように動作し得る。これらの特徴により、単独または種々組み合わせにて、バッテリは、充電の発生に十分なレベルまで加熱され得る。バッテリの種類がさまざまに異なると、充電または負荷給電を含む適正な動作のための温度閾値も異なることが認識されるものとする。この追加または別個として、バッテリへの充電がほとんどまたは全くない状態で加熱を行うことができ、その代替として、数ある利点の中でもとりわけ、加熱、めっき等の電極の損傷の最小化または回避、充電への移行、最適な充電のうちの1つへの信号の変更、および過剰な発熱の防止への移行、制御された加熱および制御された充電の多機能的役割を有する構成要素を使用する最適な回路効率にエネルギーを当てるようにしてもよい。 Overall, the system may be controlled to transition rapidly between supplying and absorbing energy from the battery during heating. Additionally, the circuit may operate to shape the current to and/or from the battery by controlling the pulses at node 136. These features, alone or in various combinations, may allow the battery to be heated to a level sufficient for charging to occur. It is to be recognized that different types of batteries have different temperature thresholds for proper operation, including charging or load powering. Additionally or separately, heating may be performed with little or no charging to the battery, or alternatively, energy may be directed to optimal circuit efficiency using components with the multifunctional roles of heating, minimizing or avoiding electrode damage such as plating, transitioning to charging, changing the signal to one of optimal charging, and transitioning to prevent excessive heat generation, controlled heating and controlled charging, among other benefits.

上記紹介の通り、このシステムは、電源レールとグランドとの間に接続された第1のキャパシタ122を具備していてもよい。キャパシタを使用して放電エネルギーを蓄積した後、これを単独でまたは電源からの電力と併せて、充電中の負荷に給電するために使用してもよい。以下により詳しく論じる通り、キャパシタ122は、電力変換による別途処理または負荷への直接給電に先立って放電信号を調節するのにも役立ち得る。また、充電波形に必要なエネルギーの一部は、電源およびキャパシタ122の組み合わせにより供給されるようになっていてもよい。場合によっては、加熱時にシステムが電流をバッテリに供給している場合、キャパシタに蓄えられたバッテリからの放電エネルギーがバッテリに戻され得る。また、この回路は、第1のインダクタ140と第2のインダクタ142との間でグランドに接続された第2のキャパシタ148を具備していてもよい。第2のインダクタ142は、バッテリ(たとえば、バッテリ104のアノード)に接続されていてもよい。 As introduced above, the system may include a first capacitor 122 connected between the power rail and ground. The capacitor may be used to store discharge energy, which may then be used alone or in conjunction with power from the power source to power the load being charged. As discussed in more detail below, the capacitor 122 may also be useful for conditioning the discharge signal prior to further processing by power conversion or direct powering to the load. Also, some of the energy required for the charging waveform may be provided by a combination of the power source and the capacitor 122. In some cases, when the system is providing current to the battery during heating, the discharge energy from the battery stored in the capacitor may be returned to the battery. The circuit may also include a second capacitor 148 connected to ground between the first inductor 140 and the second inductor 142. The second inductor 142 may be connected to the battery (e.g., the anode of the battery 104).

加熱後の充電時またはバッテリからの負荷給電時、このシステムは一般的に、バッテリ104に印加される信号またはバッテリ104からの信号の急激な変化を防止するように動作し得る。また、充電動作において、フィルタは、当該フィルタの入力におけるパルスを充電信号に変換するほか、バッテリから、任意の意図しない高周波ノイズをフィルタリングするようにしてもよい。たとえば、制御信号130に基づいて第1のトランジスタ112を閉じた際には、バッテリ104に送られる電流の急激な増加を第1のインダクタ140および第2のインダクタ142が阻止し得る。さらに、インダクタ140またはインダクタ140および142は、単独またはキャパシタ148との組み合わせにて、バッテリに印加される波形を成形するようにしてもよく、インダクタに印加される信号の制御によって、波形の成形を制御可能とし得る。これらの構成要素は、放電波形形状の制御にも同様に使用され得る。別の例において、キャパシタ148は、第1のトランジスタ112が閉じている間、電源からのエネルギーを蓄積するようにしてもよい。トランジスタ114を閉じることと併せて第1のトランジスタ112が開いた場合、キャパシタ148は、第2のインダクタ142を通じて少量の電流をバッテリ104に供給することで、バッテリへの電流の急降下に抵抗するようにしてもよく、同様に、バッテリに印加される波形の制御可能な成形への使用によって、特に加熱後の従来の充電中の急激な負の移行を回避するようにしてもよい。また、フィルタ回路は、ノイズ(比較的高い周波数のノイズを含み得る)等の他の不要な信号を除去する。 During charging or load powering from the battery after heating, the system may generally operate to prevent abrupt changes in the signal applied to or from the battery 104. In addition, during charging, the filter may convert the pulses at the input of the filter into a charging signal and may filter any unintended high frequency noise from the battery. For example, when the first transistor 112 is closed based on the control signal 130, the first inductor 140 and the second inductor 142 may prevent abrupt increases in the current sent to the battery 104. Furthermore, the inductor 140 or the inductors 140 and 142 may shape the waveform applied to the battery, either alone or in combination with the capacitor 148, and the shaping of the waveform may be controllable by controlling the signal applied to the inductor. These components may be used to control the discharge waveform shape as well. In another example, the capacitor 148 may store energy from the power source while the first transistor 112 is closed. When the first transistor 112 opens in conjunction with closing the transistor 114, the capacitor 148 may provide a small amount of current to the battery 104 through the second inductor 142 to resist sudden drops in current to the battery, as well as be used to controllably shape the waveform applied to the battery to avoid sudden negative transitions during conventional charging, especially after heating. The filter circuit also removes other unwanted signals, such as noise, which may include relatively high frequency noise.

当然のことながら、システムに含まれる構成要素は、より多くてもよいし、より少なくてもよい。たとえば、バッテリへの信号およびバッテリからの信号をフィルタリングまたは規定するため、フィルタ回路の1つまたは複数の構成要素が必要に応じて除去または変更されるようになっていてもよい。また、他の多くの種類の構成要素および/または構成要素の構成がシステムに含まれていてもよいし、システムと関連付けられていてもよい。 Of course, the system may include more or fewer components. For example, one or more components of a filter circuit may be removed or modified as needed to filter or regulate signals to and from the battery. Many other types of components and/or configurations of components may also be included in or associated with the system.

図4~図6は、選択肢として考え得る例示的な加熱波形を示している。いずれの場合も、制御された波形は、充電または供給部分410(510、610)から放電または吸収部分420(520、620)へと移行する。高いレベルにおいて、図4の加熱波形は正弦波として現れ、波形の正方向の部分がバッテリへの電流であり(たとえば、図1のバッテリへの電流経路)、波形の負方向の部分がバッテリからの電流である(たとえば、バッテリから図2または図3のレール上のキャパシタへの電流経路(ただし、下側のトランジスタを通ってグランドに至る電流経路は、レールキャパシタへの放電電流経路を起動するためのみのものである))。バッテリへの電流またはバッテリからの電流の形状は、ノード136におけるパルスによって制御される。すなわち、周波数、パルス幅、および/またはパルスの電圧レベルの制御によって、このシステムは、バッテリへの波形またはバッテリからの波形を成形することができる。 4-6 show exemplary possible heating waveforms. In each case, the controlled waveform transitions from a charging or supplying portion 410 (510, 610) to a discharging or absorbing portion 420 (520, 620). At a high level, the heating waveform in FIG. 4 appears as a sine wave, with the positive going portion of the waveform being the current to the battery (e.g., the current path to the battery in FIG. 1) and the negative going portion of the waveform being the current from the battery (e.g., the current path from the battery to the on-rail capacitor in FIG. 2 or FIG. 3 (but the current path through the lower transistor to ground is only for initiating the discharge current path to the rail capacitor)). The shape of the current to or from the battery is controlled by the pulse at node 136. That is, by controlling the frequency, pulse width, and/or voltage level of the pulse, the system can shape the waveform to or from the battery.

図5の加熱波形は、非対称の正弦波であって、バッテリへの電流(波形の正方向の部分)がバッテリからの電流よりも大きな絶対振幅を有する。場合により、特に、完全放電またはほぼ完全放電のバッテリにおいては、バッテリの過放電を回避するため、放電されるよりもわずかに多くのエネルギーの追加が必要となり得る。図6の加熱波形は、制御されているものの、バッテリからの電流と比較して、バッテリへの電流の形状が任意となっている。さらに、これらの形状は、任意形状のある入力電流部分から任意形状の次の入力電流部分まで、および、任意形状のある出力電流部分から次の入力電流部分まで一貫していない。 The heating waveform in FIG. 5 is an asymmetrical sine wave, where the current to the battery (the positive going portion of the waveform) has a larger absolute amplitude than the current from the battery. In some cases, especially with a fully or nearly fully discharged battery, it may be necessary to add slightly more energy than is being discharged to avoid over-discharging the battery. The heating waveform in FIG. 6, although controlled, has arbitrary shapes of the current to the battery compared to the current from the battery. Furthermore, these shapes are not consistent from one input current portion of arbitrary shape to the next input current portion of arbitrary shape, and from one output current portion of arbitrary shape to the next input current portion.

供給から吸収への移行の頻度、供給対吸収の信号形状、および加熱シーケンスの他の種々態様が異なっていてもよい。信号の任意の部分の形状は、バッテリへの信号であれバッテリからの信号であれ、バッテリに印加されている信号またはバッテリからの信号に対するバッテリのインピーダンスに基づいていてもよい。信号の定義は、予め設定されていてもよい。また、信号定義は、SOC、温度、サイクル数、バッテリの化学的性質および構成、ならびに他の考え得る多くの属性を含むさまざまなバッテリパラメータに応じてアルゴリズム的であってもよい。また、信号定義は、加熱および充電の過程で変化し得る。本明細書に記載の通り、充電信号の選定または定義には、インピーダンスおよび高調波が影響を及ぼし得る。一般的な概念として、充電または負荷シーケンスに給電する放電のための相対的に低いインピーダンスおよび関連する高調波を有する加熱シーケンスに対しては、相対的に高いインピーダンスおよび関連する高調波と関連付けられている信号定義が選択され得る。また、バッテリへの電流の供給とバッテリからの電流の吸収との間の比較的急速な変化が加熱に用いられるようになっていてもよく、十分な温度に達したら、充電によってバッテリが損傷を受けることのないように、システムが(充電時の)電流吸収から移行することに留意されたい。 The frequency of transitions from supply to absorption, the shape of the supply vs. absorption signal, and other aspects of the heating sequence may vary. The shape of any portion of the signal, whether to or from the battery, may be based on the impedance of the battery relative to the signal being applied to or from the battery. The signal definition may be pre-defined. The signal definition may also be algorithmic depending on various battery parameters including SOC, temperature, cycle count, battery chemistry and composition, and many other possible attributes. The signal definition may also change during the heating and charging process. As described herein, impedance and harmonics may affect the selection or definition of the charging signal. As a general concept, a signal definition associated with a relatively high impedance and associated harmonics may be selected for a heating sequence having a relatively low impedance and associated harmonics for a discharge to power a charging or load sequence. Note that a relatively rapid change between supplying current to the battery and absorbing current from the battery may also be used for heating, and once a sufficient temperature is reached, the system transitions from absorbing current (when charging) so that the battery is not damaged by charging.

加熱シーケンスにおいては、相対的に低いインピーダンス特性に合わせて充電信号を調整するのが最適であり得る充電シーケンスと比較して、相対的に高いインピーダンス特性に合わせて信号の充電および/または放電部分の1つまたは複数の属性を調整することができる。電流をセルに短時間注入した後、セルから電流を短時間引き出すことにより、実質的なバッテリ充電を開始することなく熱を発生させることができる。バッテリへの電流とバッテリからの電流との間の移行の頻度は、移行と関連付けられている高調波が比較的高く、エネルギーが主として加熱に使用される場合、最適な加熱に影響を及ぼし得る。この追加または代替として、波形の充電または放電部分は、相対的に高いインピーダンスと関連付けられている高調波属性を含むように規定され得る。このため、充電、放電中のキャパシタの充電、および/または放電中の負荷への給電とは対照的に、インピーダンス(一般的には抵抗)が相対的に高いことから、バッテリへの電流エネルギーまたはバッテリからの電流エネルギーは主として熱として消費され得る。 In a heating sequence, one or more attributes of the charging and/or discharging portions of the signal may be tailored to a relatively high impedance characteristic, as compared to a charging sequence, where the charging signal may be optimally tailored to a relatively low impedance characteristic. Current may be briefly injected into the cell and then briefly withdrawn from the cell to generate heat without initiating substantial battery charging. The frequency of transitions between current to and from the battery may affect optimal heating if the harmonics associated with the transitions are relatively high and the energy is primarily used for heating. Additionally or alternatively, the charging or discharging portions of the waveform may be defined to include harmonic attributes associated with a relatively high impedance. Thus, the current energy to or from the battery may be primarily dissipated as heat, due to the relatively high impedance (typically resistance), as opposed to charging a capacitor during charging, charging, and/or powering a load during discharging.

バッテリ温度は、さまざまに評価され得る。一例において、このシステムは、バッテリにおける温度センサを使用して、バッテリ温度を評価するようにしてもよい。バッテリとの接触、バッテリの端子との接触、バッテリを含むハウジングへの配置等において、さまざまな温度センサが採用され得る。センサの種々例としては、サーミスタ、熱電対、赤外線センサ、ダイオードおよびトランジスタ、または無数の異なる種類の温度センサが挙げられる。 Battery temperature may be assessed in a variety of ways. In one example, the system may use a temperature sensor in the battery to assess the battery temperature. A variety of temperature sensors may be employed in contact with the battery, in contact with the terminals of the battery, disposed in a housing that contains the battery, etc. Various examples of sensors include thermistors, thermocouples, infrared sensors, diodes and transistors, or a myriad of different types of temperature sensors.

別の例においては、高調波または他の周波数属性のバッテリ応答の使用により、バッテリの内部温度、またはより一般的に、充電を受け入れるバッテリの能力(バッテリの温度、特に外部温度の測定と同じであってもよいし、わずかに異なっていてもよい)を調べるようにしてもよい。また、高調波応答の使用によって、充電を受け入れるバッテリの能力をより均一に評価することができる。 In another example, the use of harmonic or other frequency attribute battery responses may be used to determine the internal temperature of the battery, or more generally, the ability of the battery to accept a charge (which may be the same as or slightly different from a measurement of the battery's temperature, particularly the external temperature). The use of harmonic responses may also provide a more uniform assessment of the battery's ability to accept a charge.

一具体例において、このシステムは、異なる温度でのさまざまな高調波に対するバッテリ応答の特性化を使用する。任意所与のバッテリ種または特定のバッテリが特性化されていてもよい。特性化は、閾値の設定等によりプロセッサがアクセスし得るメモリ中のルックアップテーブルに格納されていてもよい。本具体例においては、バッテリの化学的性質および構成がさまざまに異なることで温度ごとにインピーダンス応答も異なることが了解される。このため、所与のバッテリについて、特定の高調波周波数がバッテリに適用されている状態での信号のインピーダンス応答は、温度に応じて異なる。場合によっては、異なる離散周波数での温度プローブ信号を使用してインピーダンス応答を生成した後、特性化との比較によって、温度、またはより一般的に、充電を受け入れるバッテリの能力ひいては充電が開始となり得る前に加熱が必要であるか否かを評価するようにしてもよい。インピーダンス応答は、インピーダンスの虚数成分、実数成分、または虚数および実数の両成分により特性化されていてもよい。いくつかの実施形態においては、インピーダンス応答の単独での使用またはバッテリ温度の検知測定結果と組み合わせての使用によって、バッテリを加熱すべきか充電が可能であるかを判定するようにしてもよい。同様に、他の周波数ベースの応答、または、サセプタンス、アドミッタンス、およびキャパシタンス等のインピーダンス由来の項を単独または直接的な検知温度測定結果の代わりに使用して、システムがバッテリを加熱するように構成されるかを判定するようにしてもよい。 In one embodiment, the system uses a characterization of the battery response to various harmonics at different temperatures. Any given battery type or specific battery may be characterized. The characterization may be stored in a look-up table in memory that may be accessed by the processor, such as by setting a threshold value. In this embodiment, it is understood that different battery chemistries and configurations result in different impedance responses at different temperatures. Thus, for a given battery, the impedance response of the signal with a particular harmonic frequency applied to the battery will vary depending on the temperature. In some cases, temperature probe signals at different discrete frequencies may be used to generate impedance responses, which may then be compared to the characterization to assess temperature, or more generally, the ability of the battery to accept a charge and therefore whether heating is required before charging can begin. The impedance response may be characterized by an imaginary component, a real component, or both the imaginary and real components of the impedance. In some embodiments, the impedance response may be used alone or in combination with a sensed measurement of the battery temperature to determine whether the battery should be heated or can be charged. Similarly, other frequency-based responses or impedance-derived terms such as susceptance, admittance, and capacitance may be used alone or in place of direct sensed temperature measurements to determine if the system is configured to heat the battery.

一般的に、インピーダンス値が考慮される種々実施形態において、この技術では、値が単独または組み合わせにて何らかのインピーダンスと関連付けられる高調波値を評価する。大略逆の関係を所与として、本明細書で使用するインピーダンス(impedance)という用語は、その逆のアドミッタンスを含み、その成分としてコンダクタンスおよびサセプタンスを単独または組み合わせにて含み得る。 In general, in various embodiments where impedance values are considered, the technique evaluates harmonic values whose values are associated with some impedance, either alone or in combination. Given the roughly inverse relationship, the term impedance as used herein includes its inverse admittance, and may include its components, conductance and susceptance, either alone or in combination.

別の態様においては、上述の通り、バッテリの制御可能な充電もしくは放電、またはこれらの組み合わせによって、バッテリの加熱が実現され得る。本例において、信号は、充電信号であれ、放電信号であれ、充電(バッテリへの電流供給)と放電(バッテリからの電流吸収)とを交互に切り替える信号であれ、信号がバッテリの相対的に高いコンダクタンスおよび相対的に高いリアクタンスを最適化するように調節される1つまたは複数の高調波で構成されている。充電信号を一例として使用することにより、高いコンダクタンスと高いリアクタンスとの間の最適化された組み合わせ(または、均衡)がバッテリにおける発熱となる。本例において、信号は、当該信号の1つまたは複数の周波数領域表現(または、変換)にて識別され得るような高調波で構成されている。また、調節された信号は、さまざまな高調波属性を反映するように成形され得る。また、ごく単純な一例において、信号は、高調波で構成されるとともに高調波の形態で成形されるように、特定の周波数における離散的な正弦波で構成されていてもよい。一般的に、コンダクタンスが非常に高くても、リアクタンスが低過ぎる場合は、十分な熱を生成するため、多くの充電環境でサポートし得るよりも信号が大きくなり得る。同様に、コンダクタンスが低過ぎる場合は、リアクタンスが高くても、熱への変換に要するエネルギーの量が多くなり過ぎる。そこで、如何なる開始温度およびバッテリの化学的性質に対しても、このシステムは、高いコンダクタンスと高いリアクタンスとを均衡させる高調波を含む充電信号を選択する。 In another aspect, heating of the battery may be achieved by controllably charging or discharging the battery, or a combination thereof, as described above. In this example, the signal, whether a charging signal, a discharging signal, or a signal that alternates between charging (supplying current to the battery) and discharging (absorbing current from the battery), is composed of one or more harmonics that are adjusted to optimize the relatively high conductance and relatively high reactance of the battery. Using a charging signal as an example, the optimized combination (or balance) between high conductance and high reactance results in heating in the battery. In this example, the signal is composed of harmonics that can be identified in one or more frequency domain representations (or transforms) of the signal. The adjusted signal may also be shaped to reflect various harmonic attributes. In a very simple example, the signal may be composed of discrete sine waves at a particular frequency so that it is composed of harmonics and shaped in a harmonic form. In general, if the conductance is very high but the reactance is too low, it may generate enough heat to produce a larger signal than many charging environments can support. Similarly, if the conductance is too low, even if the reactance is high, too much energy will be converted to heat. So, for any given starting temperature and battery chemistry, the system selects a charging signal containing harmonics that balances high conductance and high reactance.

一具体例においては、高調波のさまざまな組み合わせで構成された信号を評価して、十分な加熱を実現するために相対的に高いコンダクタンスと相対的に高いリアクタンスとを均衡させる1つまたは複数の信号を識別することにより、所与の形態のバッテリがさまざまな温度で特性化され得る。また、特性化では、加熱の開始に十分な状態に達するように加熱信号が印加されるタイミングを決定するようにしてもよい。上記均衡では、実際の充電に用いられるエネルギーを最小限に抑える属性をさらに考慮するようにしてもよく、その代替としてエネルギーが加熱に当てられる。この技術が放電信号の高調波の生成に適用されるようになっていてもよく、これは、さまざまな温度における充電信号と同じであってもよいし、異なっていてもよい。 In one embodiment, a battery of a given configuration may be characterized at various temperatures by evaluating signals composed of various combinations of harmonics to identify one or more signals that balance relatively high conductance and relatively high reactance to achieve sufficient heating. Characterization may also determine when the heating signal is applied to reach a sufficient state to initiate heating. The balance may further consider attributes that minimize the energy used for actual charging, which is instead applied to heating. This technique may be applied to generate harmonics of the discharge signal, which may be the same or different as the charge signal at various temperatures.

高調波の周波数は通常、加熱のために信号が最適化される任意所与のバッテリにおける運動および拡散プロセスより相対的に高い周波数であってもよい。一般的には、加熱の発生時に電圧および電流の大きさがバッテリの電極または界面に悪影響を及ぼすことのないように、電気化学過程の動的応答よりも高速の周波数が選択される。したがって、加熱においては、通常めっきを引き起こす比較的高い電圧信号(たとえば、通常は最大約4Vが指定されている場合の6V)を使用可能であるが、運動速度よりも高速の高調波または一連の高調波で信号が構成されていることから、この比較的高い電圧でめっきが起こることはない。そうは言っても、多くの例においては、比較的低い特定の充電(または、放電)電圧レベル内に収まる信号が選択される。また、本明細書に記載のさまざまな加熱技術によれば、場合により、正味の充電なく加熱されるようにシステムが最適化される。このような場合、システムは、任意所与の温度における充電部分と放電部分との間のエネルギー変換効率差の差分を考慮することにより、相対的に一様な総エネルギーによって信号が互いに相殺し合うように充電および放電の信号を制御する。 The frequency of the harmonics may typically be relatively higher than the kinetic and diffusion processes in any given battery for which the signal is optimized. In general, a frequency faster than the dynamic response of the electrochemical processes is selected so that the magnitude of the voltage and current does not adversely affect the electrodes or interfaces of the battery when heating occurs. Thus, a relatively high voltage signal that would normally cause plating (e.g., 6V, where a maximum of about 4V is typically specified) may be used for heating, but plating will not occur at this relatively high voltage because the signal is composed of a harmonic or series of harmonics faster than the kinetic rate. That said, in many instances, a signal is selected that falls within a specific charging (or discharging) voltage level that is relatively low. Also, in accordance with the various heating techniques described herein, the system is optimized in some cases to heat without net charging. In such cases, the system controls the charging and discharging signals so that the signals cancel each other out with a relatively uniform total energy by taking into account the difference in the energy conversion efficiency difference between the charging and discharging portions at any given temperature.

図7は、充電が可能となるバッテリ温度までバッテリを加熱するプロファイルの一例を示す図である。本例において、初期バッテリ温度は、10%SOCで-20℃である。バッテリは、約-15℃に達するまで加熱され、このタイミングで充電を開始するようにしてもよい。充電開始前にバッテリが約5℃温まった場合にも、SOCは約10%に留まっていることが分かる。また、バッテリの温度は、100%SOCに達するまで上昇し続けることも分かる。 Figure 7 shows an example of a profile for heating a battery to a battery temperature at which charging is possible. In this example, the initial battery temperature is -20°C at 10% SOC. The battery may be heated until it reaches approximately -15°C, at which point charging can begin. It can be seen that even if the battery warms up by approximately 5°C before charging begins, the SOC remains at approximately 10%. It can also be seen that the battery temperature continues to rise until it reaches 100% SOC.

従来の多くのバッテリ給電システムにおいて、当該システムは、何らかの負荷への電力供給をバッテリからのDC放電電流に依拠する。バッテリは、電動工具、電気掃除機、携帯用スピーカシステム等における単一セルまたは少数のセルであってもよいし、ある種の電動車両に見られるような相互接続されたセルの大きなパックであってもよい。セルの構成および種類は通常、バッテリが動作しているシステムに対して指定された容量、システムの負荷に必要な放電電流、および他の要因に少なくとも部分的に依存することになる。それにも関わらず、従来のバッテリは、負荷への給電に際してDC放電電流を供給する。ACモータ等の負荷の駆動にAC信号が必要な場合は、バッテリのDC出力を負荷に必要なAC信号へと変換するのに変換器146等の変換器が用いられる。 In many conventional battery powered systems, the system relies on a DC discharge current from a battery to power some load. The battery may be a single cell or a small number of cells, such as in a power tool, vacuum cleaner, portable speaker system, or a large pack of interconnected cells, such as those found in some electric vehicles. The cell configuration and type will typically depend, at least in part, on the capacity specified for the system in which the battery is operating, the discharge current required by the system's load, and other factors. Nevertheless, conventional batteries provide a DC discharge current to power a load. When an AC signal is required to drive a load, such as an AC motor, a converter, such as converter 146, is used to convert the DC output of the battery to the AC signal required by the load.

バッテリの加熱および加熱に基づく充電の制御、ならびに加熱中もしくは加熱後の高調波調節済み充電信号の形状の規定等のため、本開示の態様は、開始温度および充電中のバッテリの予測される温度変化に基づく一意のバッテリ充電および加熱シーケンスを含む。本開示の態様は、加熱であれ、充電であれ、加熱および充電の何らかの組み合わせであれ、最適な充填のために充電信号を成形する技術をさらに含む。充電信号は、高調波成形済みの前縁を有していてもよい。別の言い方をすれば、充電信号の前縁は、正弦波の周波数により規定されていてもよく、また、対応する形状を有していてもよい。本開示の態様は、単独でまたは加熱シーケンスおよび成形充電信号の一方もしくは両方と併せて、バッテリの現在の状態に基づいて印加可能であるとともに、バッテリ加熱および/またはバッテリ温度を考慮に入れた最大充電電流を決定する方法をさらに含む。 For controlling the heating of the battery and the charging based on the heating, and defining the shape of the harmonically adjusted charging signal during or after heating, etc., aspects of the present disclosure include a unique battery charging and heating sequence based on the starting temperature and the expected temperature change of the battery during charging. Aspects of the present disclosure further include techniques for shaping the charging signal for optimal charging, whether heating, charging, or some combination of heating and charging. The charging signal may have a harmonically shaped leading edge. In other words, the leading edge of the charging signal may be defined by a sinusoidal frequency and may have a corresponding shape. Aspects of the present disclosure further include a method for determining a maximum charging current that can be applied based on the current state of the battery, alone or in conjunction with one or both of the heating sequence and the shaped charging signal, and that takes into account the battery heating and/or battery temperature.

一態様においては、バッテリ温度を評価し、これに基づいて充電シーケンスを決定するように充電システムが構成されている。上述の通り、いくつかの状況において、バッテリの温度は、充電がバッテリを損傷させるか、または、充電が単に無効となり得る何らかの閾値以下であってもよい。このような状況において、このシステムは、バッテリを温める信号を生成するようにしてもよい。上述の通り、考え得るさまざまな加温信号が可能である。バッテリの温度が閾値を上回ると、このシステムは、バッテリを温め続けながらバッテリの充電を開始するようにしてもよい。最後に、第2の閾値を上回ると、このシステムは、加温を停止して、バッテリの充電のみを意図した信号へと移行するようにしてもよい。ただし、バッテリは、充電すると温かくなる傾向にあることが認識されるものとする。高調波調節済み充電信号の利点として、充電のためのエネルギー使用が最適化されるため、従来のさまざまな充電技術と比較して加熱の発生を抑えることができる。このため、充電中は、従来のシステムよりも多くの電流を供給可能と考えられる。これらの充電技術では、数ある利点の中でもとりわけ、発熱が抑えられるためである。 In one aspect, the charging system is configured to evaluate the battery temperature and determine the charging sequence based thereon. As mentioned above, in some situations, the temperature of the battery may be below some threshold where charging may damage the battery or may simply be ineffective. In such a situation, the system may generate a signal to warm the battery. As mentioned above, various possible warming signals are possible. Once the battery temperature exceeds a threshold, the system may begin charging the battery while continuing to warm the battery. Finally, once a second threshold is exceeded, the system may stop warming and transition to a signal intended only for charging the battery, although it is recognized that batteries tend to warm up when they are charged. An advantage of the harmonic regulated charging signal is that it optimizes the energy usage for charging, thereby causing less heating compared to various conventional charging techniques. This may allow for more current to be delivered during charging than conventional systems, due to less heat generation, among other advantages.

ここで、バッテリを加熱する特定の方法に移って、図8は、バッテリを加熱する方法の考え得る一例を示すフロー図であり、図9Aおよび図9Bは、組み合わせ充電・加熱信号の考え得る例を示している。図9Aおよび図9Bの信号の電流の大きさは、セル容量および外部温度によって決まることになる。たとえば、いくつかのセル種について、電流は、3または4Ahセルの場合、ピーク間で約6A~12Aとなる。場合により、加熱にはより大きな電流が可能であって、(小さな信号と比較して)バッテリを高速に加熱することができる。充電に対して指定されたものより大きな電流も可能であって、潜在的には、電気化学過程に影響を及ぼさない加熱周波数が選択され得ることから、比較的大きくなる可能性もある(たとえば、60App以上の電流の信号)。 Turning now to specific methods of heating the battery, FIG. 8 is a flow diagram showing one possible example of a method of heating a battery, and FIGS. 9A and 9B show possible examples of combined charging and heating signals. The magnitude of the current of the signals in FIGS. 9A and 9B will depend on the cell capacity and the external temperature. For example, for some cell types, the current will be about 6A-12A peak-to-peak for a 3 or 4 Ah cell. In some cases, a larger current is possible for heating, allowing the battery to heat up faster (compared to a smaller signal). Currents larger than those specified for charging are also possible, and potentially could be relatively large (e.g., signals of currents of 60 App or more), since a heating frequency can be selected that does not affect the electrochemical process.

図8を参照すると、まず、充電システムは、バッテリ温度を取得する(動作800)。バッテリ温度は、さまざまな方法で取得され得る。上述の通り、バッテリ温度は、バッテリ中のまたはバッテリに配置されている1つまたは複数の温度センサから取得されるようになっていてもよい(あるいは、バッテリパックの場合は、2つ以上の温度センサが用いられるようになっていてもよい)。また、このシステムは、バッテリ温度のほか、周囲(環境)温度を取得するようにしてもよい。バッテリ温度は、検知のほか、他の情報からも演算され得ることが認識されるものとする。 Referring to FIG. 8, the charging system first obtains the battery temperature (operation 800). The battery temperature may be obtained in a variety of ways. As discussed above, the battery temperature may be obtained from one or more temperature sensors in or located on the battery (or, in the case of a battery pack, more than one temperature sensor may be used). The system may also obtain the ambient (environmental) temperature in addition to the battery temperature. It is to be appreciated that the battery temperature may be sensed as well as calculated from other information.

バッテリの種類に応じて、このシステムは、充電に先立ってバッテリをそれ以下に加熱すべき第1の温度T1、および、当該システムが充電を開始するとともに加熱を継続し得る相対的に低い第1の温度T1と相対的に高い上側の第2の温度T2(これを上回る場合は、加熱がもはや不要であり、システムは、意図した加熱を継続することなく充電を行い得る)との間と考えられる温度範囲を認識するようにしてもよい。例として、この方法およびシステムは、T1以下、T1~T2、およびT2以上という3つの温度ゾーンを効果的に参照して論じるが、ゾーンの数はこれより多くても少なくてもよく、それぞれに応じて加熱および充電のさまざまな動作が修正され得ることが認識されるものとする。たとえば、中間ゾーンは、システムが加熱しているだけの第1の状態から充電しているだけの第3の状態にシステム全体が移行するにつれて、加熱が実質的により多い状態からより少ない状態に移行するとともに充電が実質的により少ない状態からより多い状態に移行する副ゾーンへと分割されるようになっていてもよい。中間ゾーンまたは状態の副ゾーンへの分割に関わらず、中間段階において、このシステムは、バッテリが、別途加熱することなく充電が進行し得る温度まで上昇する最終段階よりも低速で充電を行うようにしてもよい。それにも関わらず、一具体例において、このシステムは、バッテリの取得温度Tから、開始するモード(加熱、加熱および充電の混成、または充電)を決定する(動作802)。 Depending on the type of battery, the system may recognize a first temperature T1 below which the battery should be heated prior to charging, and a range of possible temperatures between a relatively low first temperature T1 and a relatively high upper second temperature T2 above which the system may begin charging and continue heating, above which heating is no longer necessary and the system may charge without continuing the intended heating. By way of example, the method and system are discussed with useful reference to three temperature zones: below T1, between T1 and T2, and above T2, but it will be recognized that there may be more or fewer zones and that the various heating and charging operations may be modified accordingly. For example, the intermediate zone may be divided into sub-zones that transition from substantially more to less heating and substantially less to more charging as the entire system transitions from a first state in which the system is only heating to a third state in which the system is only charging. Regardless of the division into intermediate zones or sub-zones of states, in the intermediate stages, the system may charge at a slower rate than in the final stages, where the battery is brought up to a temperature where charging can proceed without additional heating. Nevertheless, in one embodiment, the system determines the mode to start (heating, hybrid heating and charging, or charging) from the obtained temperature T of the battery (operation 802).

第1のモード(動作904)において、温度が充電には低過ぎる場合(たとえば、TがT1以下の場合)、システムは、加熱のみに使用される信号にアクセスする。このような信号の例については、図4~図6を例として参照しつつ論じているが、図1~図3に示すような回路により与えられるようになっていてもよい。具体的な一実施態様において、加熱信号は、図4において大略示したように、正弦波状の電流波形である。この電流波形は、ゼロ電流を中心として、正弦波の正の電流410および負の電流420が交互に切り替わる。正弦波の周波数は、バッテリの種類に基づいて、バッテリの特性化および試験を通じて選択されるようになっていてもよい。ゼロ電流を中心とする正弦波の形態、または、(他の形状の場合)セルを潜在的に損傷させることなく充電するには温度が低過ぎると考えられる場合の交互加熱波形の目的として、上述したものの中でもとりわけ、有意な正味の充電なくバッテリを最初に加熱することが挙げられる。 In the first mode (operation 904), when the temperature is too low for charging (e.g., T is equal to or lower than T1), the system accesses a signal used for heating only. Examples of such signals are discussed with reference to FIGS. 4-6 by way of example, but may be provided by circuits such as those shown in FIGS. 1-3. In one specific embodiment, the heating signal is a sinusoidal current waveform as shown generally in FIG. 4. The current waveform alternates between positive and negative currents 410 and 420 of the sinusoid centered around zero current. The frequency of the sinusoid may be selected through battery characterization and testing based on the type of battery. The purpose of the sinusoidal shape centered around zero current, or (in the case of other shapes) the alternating heating waveform when the temperature is deemed too low to charge without potentially damaging the cells, is to initially heat the battery without significant net charging, among other things mentioned above.

この方法は、第1のモード(動作804)を起点として、温度を確認した後、バッテリ温度に基づいて第2のモード、そして第3のモードへと進む観点で論じられる。この方法は、開始温度に応じて、第2または第3のモードを起点とし得ることが認識されるものとする。また、いくつかの構成においては、バッテリが何らかの温度(たとえば、T1またはT2)に達するのとは対照的に、ある期間にわたって加熱シーケンスが開始されるようになっていてもよい。したがって、たとえば、初期温度がT1を下回る場合、このシステムは、ある期間にわたって加熱シーケンスを開始した後、後述の混成モード2へと移行するようにしてもよいし、中間モードのない一実施態様の場合または中間モードを伴わないタイミングが設定されている場合は、完全充電モード3へと移行するようにしてもよい。バッテリ温度以外の他の閾値(たとえば、適用される時間もしくは電流、周囲温度における時間、モデリング、ならびにこれらの組み合わせ)も可能であることに留意されたい。同様に、この方法は主として、異なる閾値温度T1およびT2への到達に対して論じられるが、このシステムは、上記温度に達した場合、上記温度がその周りのある範囲に達した場合等に動作するようになっていてもよい。 The method is discussed in terms of starting in a first mode (operation 804), checking the temperature, and then proceeding to a second mode and then a third mode based on the battery temperature. It is to be appreciated that the method may start in either the second or third mode depending on the starting temperature. Also, in some configurations, the heating sequence may be initiated for a period of time as opposed to the battery reaching a certain temperature (e.g., T1 or T2). Thus, for example, if the initial temperature is below T1, the system may initiate the heating sequence for a period of time and then transition to Hybrid Mode 2, described below, or to Full Charge Mode 3 in an embodiment without an intermediate mode or when timing is configured without an intermediate mode. It should be noted that other thresholds besides battery temperature (e.g., time or current applied, time at ambient temperature, modeling, and combinations thereof) are possible. Similarly, while the method is primarily discussed with respect to reaching different threshold temperatures T1 and T2, the system may operate when the temperatures are reached, when the temperatures reach a range therearound, etc.

第1のモードにおいては、他の加熱信号も使用され得ることが認識されるものとする。温度がT1を下回る場合に充電シーケンスが最初に開始される状況ひいては温度に応じて加熱モードが最初に開始される状況においては、何らかの充電が開始されるように、ゼロを中心とする正弦波から、ある正のDCオフセットを伴う正弦波へと移行することも可能であるし、ある正のDCオフセットを伴う正弦波あるいは図5の信号のように正の充電エネルギーがより大きな正弦波で開始することも可能である。信号はその後、バッテリが温度T1に達して、T1あるいはシステムが完全充電シーケンスへと移行する第2の温度すらも超えて温まった場合に、後述の第2のモードへと移行するようになっていてもよい。 It is to be appreciated that other heating signals may be used in the first mode. In situations where the charging sequence is first initiated when the temperature is below T1, and thus the heating mode is first initiated as a function of temperature, it may be possible to transition from a sine wave centered around zero to a sine wave with a positive DC offset to initiate some charging, or to start with a sine wave with a positive DC offset or a sine wave with more positive charging energy as in the signal of FIG. 5. The signal may then transition to the second mode, described below, when the battery reaches temperature T1 and warms up beyond T1 or even a second temperature at which the system transitions to a full charging sequence.

図8の例を続けて、温度T1に達した場合、このシステムは、第2のモードへと移行するようになっていてもよい。第2のモードにおいて、バッテリ温度がある範囲に含まれる場合(たとえば、Tが温度T1と温度T2との間にある場合)、このシステムは、混成充電信号を使用するようにしてもよく、その例を図9Aおよび図9Bに示す。混成充電信号は、充電部分902、904および加熱部分906、908を含んでいてもよい。これらの例は、充電部分に加熱部分が後続する繰り返しパターンを示している。ただし、混成信号は、充電部分および加熱部分の任意のシーケンスを含んでいてもよい。たとえば、混成充電信号では、いくつかの充電部分(たとえば、902または904)のシーケンスに、加熱部分(たとえば、906または908)と、それに続く加熱部分の後続シーケンスと、が続いていてもよい。このような例において、各充電部分は、進行する充電部分の終わりに開始となる。同様に、充電部分および加熱部分の長さは、変化し得る。たとえば、温度T1の近くでは、加熱部分が充電部分よりも相対的に長く、これに対して、温度T2の近くでは、充電部分が加熱部分より相対的に長くてもよいし(または、加熱部分の前に、一連の充電部分(休止期間が介在し得る)が発生するようになっていてもよいし)、いくつかの加熱部分が休止期間で置き換えられていてもよいが、これらについては以下および本明細書の他の部分において論じる。図9Aおよび図9Bの例において、休止期間には、充電部分914(916)から、充電または放電電流のない(または、実質的に充電または放電電流のない)休止期間(加熱部分906または908を示す箇所に発生)への移行918(920)と、その後の別の充電部分902または904への移行と、を含む。同様に、混成信号は、温度T1の近くでは充電エネルギーが相対的に低く、温度T2の近くでは充電エネルギーが相対的に高くてもよい。同様に、混成信号は、温度が温度T1からT2の間で上昇する場合に、動的またはプログラム的に変化し得る。同様に、信号の定義は、開始温度がT1~T2の範囲のどこかに含まれる場合等、開始温度によって決まり得る。 Continuing with the example of FIG. 8, when temperature T1 is reached, the system may transition to a second mode. In the second mode, when the battery temperature falls within a range (e.g., T is between temperature T1 and temperature T2), the system may use a mixed charging signal, examples of which are shown in FIGS. 9A and 9B. The mixed charging signal may include charging portions 902, 904 and heating portions 906, 908. These examples show a repeating pattern of a charging portion followed by a heating portion. However, the mixed signal may include any sequence of charging and heating portions. For example, the mixed charging signal may include a sequence of several charging portions (e.g., 902 or 904) followed by a heating portion (e.g., 906 or 908) followed by a subsequent sequence of heating portions. In such an example, each charging portion begins at the end of the proceeding charging portion. Similarly, the length of the charging and heating portions may vary. For example, near temperature T1, the heating portion may be relatively longer than the charging portion, whereas near temperature T2, the charging portion may be relatively longer than the heating portion (or a series of charging portions (with intervening rest periods) may occur before the heating portion), or some heating portions may be replaced by rest periods, as discussed below and elsewhere herein. In the example of FIG. 9A and FIG. 9B, the rest period includes a transition 918 (920) from a charging portion 914 (916) to a rest period (occurring at the heating portion 906 or 908) with no (or substantially no) charging or discharging current, followed by a transition to another charging portion 902 or 904. Similarly, the composite signal may have a relatively low charging energy near temperature T1 and a relatively high charging energy near temperature T2. Similarly, the composite signal may dynamically or programmatically change as the temperature increases between temperatures T1 and T2. Similarly, the definition of the signal may depend on the onset temperature, such as where the onset temperature is somewhere in the range T1 to T2.

図示の例において、混成充電・加熱信号の充電部分902、904では、正弦波状、あるいはより一般的に、成形された急峻ではない前縁910、912に本体部分914、916が続き、これらが後縁918、920で終端する。多くの例において、前縁(たとえば、前縁910または912)は、方形波のような非常に高い周波数の切り立った縁部でなくてもよく、信号の充電部分が開始となった場合に、高い周波数の高調波のバッテリへの注入を回避する。図9Aを参照すると、加熱部分906は、充電部分間に存在し、約ゼロアンペアを中心とする正弦波加熱信号により規定される。このため、正弦波は、正の(充電)電流と負の(放電)電流との間で振動する。いくつかの例において、加熱信号は、容量差が正味約ゼロであり、混成信号の加熱部分におけるエネルギーが主として加熱に向かい、セルを充電または放電する正味のエネルギーはほぼゼロまたはゼロである。図9Bに記載の充電信号の加熱部分は、あるDCオフセットを有するが、これについては以下により詳しく論じる。 In the illustrated example, the charging portion 902, 904 of the hybrid charging and heating signal has a sinusoidal, or more generally, shaped, non-abrupt leading edge 910, 912 followed by a body portion 914, 916 that terminates at a trailing edge 918, 920. In many examples, the leading edge (e.g., leading edge 910 or 912) does not need to be a very high frequency abrupt edge, such as a square wave, to avoid injecting high frequency harmonics into the battery when the charging portion of the signal begins. With reference to FIG. 9A, the heating portion 906 exists between the charging portions and is defined by a sinusoidal heating signal centered at about zero amperes. Thus, the sine wave oscillates between positive (charging) and negative (discharging) currents. In some examples, the heating signal has a net capacitance difference of about zero, such that the energy in the heating portion of the hybrid signal is primarily toward heating, and the net energy to charge or discharge the cell is near zero or zero. The heating portion of the charging signal shown in FIG. 9B has a DC offset, which is discussed in more detail below.

考え得る種々例において、混成信号の正弦波状加熱部分または加熱限定信号(前述)の周波数の範囲は、1KHz~100KHzであってもよい。また、周波数の範囲は、セルおよび特定の条件に応じて、1KHz未満(100Hz~1KHzの範囲等)であってもよい。同様に、いくつかの状況においては、100KHzを上回る周波数が可能である。従来のCCCV充電に対して最大放電電流が35Aに指定され、4.2Vでの電流が4Aに指定された3000mAhリチウムイオン充電式セルの一具体例において、加熱正弦波は、10KHzかつ-10A~10Aのサイクルであってもよい(このようなセルでは、温度T1が約-10℃であり、セルの温度はT2で5℃に達し得る)。本例および本明細書の他の例に記載のような加熱によって、抵抗およびサセプタンスのメカニズムによる寄与により、考え得る最大の内部発熱がもたらされる。コイル状電極によるサセプタンスによって磁界が生じるが、これはカソードの磁性要素により吸収され、集電体を通じたI2R加熱と並行して発熱に関与し得る。このように比較的大きな電流は通常、比較的低い温度では指定されないことが認識されるものとする。たとえば、同じ種類のセルの場合、従来の充電(可能な場合)は、約2Aのオーダとなる。ただし、上述の通り、信号の加熱部分のエネルギーは主として、加熱に向かうため、充電のみの場合よりも大きな電流が可能となる。加熱信号の周波数および正負の電流値は、バッテリの種類、充電回路の能力、電源の能力、および他の因子によって決まることになる。正弦波加熱信号は、正負対称(たとえば、+10A~-10Aのサイクル)であってもよいが、非対称の信号を有することも可能である。また、加熱部分において正味の充電が存在するように正弦波の中心を(たとえば、図9Bに示す)正のDCオフセットにすることも可能であるし、温度ゾーンT1~T2においてバッテリが温まるように、ゼロを中心とする正弦波から何らかの非ゼロの正オフセット正弦波に移行することも可能である。また、設定期間にわたってモード2を動作させることも可能であるし、ある設定期間にわたってモード1および2を順次組み合わせて動作させ、時間に基づいて第1のモードから第2のモードへと移行させることも可能である。信号間の移行には、時間および温度のほか、環境温度、バッテリへの正味の電流、温度の代替としての電圧等の他の測定結果の使用等、他の閾値が用いられるようになっていてもよい。 In various possible examples, the frequency of the sinusoidal heating portion of the composite signal or the heating limited signal (discussed above) may range from 1 KHz to 100 KHz. The frequency may also range below 1 KHz (such as in the range of 100 Hz to 1 KHz) depending on the cell and the particular conditions. Similarly, frequencies above 100 KHz are possible in some circumstances. In one specific example of a 3000 mAh lithium-ion rechargeable cell with a maximum discharge current specified at 35 A for conventional CCCV charging and a current specified at 4 A at 4.2 V, the heating sine wave may be 10 KHz and cycle from -10 A to 10 A (for such a cell, temperature T1 is approximately -10° C. and the cell temperature may reach 5° C. at T2). Heating as described in this and other examples herein results in the maximum possible internal heating due to contributions from resistance and susceptance mechanisms. The susceptance from the coiled electrode creates a magnetic field that is absorbed by the magnetic element of the cathode and may contribute to heating in parallel with I 2 R heating through the current collector. It is to be appreciated that such relatively large currents are not typically specified at relatively low temperatures. For example, for the same type of cell, conventional charging (if possible) would be on the order of about 2 A. However, as noted above, the energy of the heating portion of the signal is primarily directed toward heating, allowing for larger currents than charging alone. The frequency and positive and negative current values of the heating signal will depend on the type of battery, the capabilities of the charging circuit, the capabilities of the power supply, and other factors. The sinusoidal heating signal may be positive and negative symmetric (e.g., cycling from +10 A to -10 A), but it is also possible to have an asymmetric signal. It is also possible to have a sine wave centered with a positive DC offset (e.g., as shown in FIG. 9B) so that there is a net charge in the heating portion, or to transition from a zero-centered sine wave to some non-zero positive offset sine wave so that the battery warms up in temperature zones T1-T2. It is also possible to operate mode 2 for a set period of time, or to operate a sequential combination of modes 1 and 2 for a set period of time, transitioning from the first mode to the second mode based on time. Other thresholds may be used to transition between signals, such as time and temperature, or using other measurements such as ambient temperature, net current into the battery, or voltage as a surrogate for temperature.

第3のモード(動作808)において、バッテリ温度Tが追加の加熱なく充電に十分な温度T2である場合、システムは、充電シーケンスへと移行する。種々態様において、最初に図10Aを参照するに、充電信号1000は、成形された前縁1010、本体部分1020、および休止部分1030を含む。混成信号または充電信号において、前縁の形状は、相対的に低いインピーダンスの高調波周波数に基づいて選択された周波数における正弦波の形状であってもよい。正弦波状の前縁には、比較的安定した充電電流(たとえば、本体部分1020)が続き、これは後縁で終端する。混成信号とは異なり、後縁には、正弦波状の加熱部分が続かないものの、代わりに休止期間1030が続く。休止期間は、ゼロ電流であってもよいし、本体部分の電流よりも小さい何らかの非ゼロDC電流(たとえば、図10B参照)であってもよい。本体部分のピーク電流は、セルの種類に応じて10A~60Aの範囲であってもよく、休止電流は0A~10Aの範囲である。ピーク電流、休止電流の値、および他の値は、本明細書の他の部分に記載の通り、温度、セルの種類、回路の能力、充電状態、および他の因子に応じて変化し得る。本例において、休止電流は、非ゼロである場合、従来のCCCV充電を使用する場合は、指定された充電電流未満であってもよい。たとえば、CCCV充電を使用する充電電流が4.2Vで4A前後の場合、休止電流は、2A以下であってもよい。 In a third mode (operation 808), if the battery temperature T is at a temperature T2 sufficient for charging without additional heating, the system transitions to a charging sequence. In various aspects, referring initially to FIG. 10A, a charging signal 1000 includes a shaped leading edge 1010, a body portion 1020, and a resting portion 1030. In a mixed or charging signal, the shape of the leading edge may be in the shape of a sine wave at a frequency selected based on a harmonic frequency of relatively low impedance. The sinusoidal leading edge is followed by a relatively steady charging current (e.g., body portion 1020), which terminates at a trailing edge. Unlike a mixed signal, the trailing edge is not followed by a sinusoidal heating portion, but instead is followed by a resting period 1030. The resting period may be zero current or some non-zero DC current (e.g., see FIG. 10B) that is less than the current in the body portion. The peak current in the body portion may range from 10 A to 60 A depending on the cell type, and the rest current ranges from 0 A to 10 A. The peak current, rest current values, and other values may vary depending on temperature, cell type, circuit capabilities, state of charge, and other factors, as described elsewhere herein. In this example, the rest current, if non-zero, may be less than the specified charging current when using conventional CCCV charging. For example, if the charging current using CCCV charging is around 4A at 4.2V, the rest current may be 2A or less.

いくつかの例においては、加熱信号の適用によって、バッテリを何らかの動作可能範囲に維持するようにしてもよい。この信号は、バッテリが完全に充電されている場合であっても、バッテリ温度がある温度閾値を下回った場合に適用されるようになっていてもよい。正味の充電がバッテリに印加されない周波数が選択され得ることから、加熱は、上側充電閾値を超えることなく維持され得る。この代替または追加として、このシステムは、加熱信号を生成してバッテリ温度を維持しつつ、ある小さなウィンドウ(たとえば、99%~100%の割合)でバッテリを充放電するようにしてもよい。種々例において、充電器と接続されている場合、このシステムは、バッテリが低温の周囲環境中に存在し、これを外れると最適な動作温度範囲以下に冷却されてしまう可能性がある場合に、何らかの負荷への給電に最適な範囲にバッテリ温度を維持して、バッテリが動作可能なある閾値を下回らないようにしてもよい。 In some examples, the heating signal may be applied to maintain the battery in some operable range. The signal may be applied when the battery temperature falls below a temperature threshold, even if the battery is fully charged. A frequency may be selected where no net charge is applied to the battery, so that heating may be maintained without exceeding an upper charge threshold. Alternatively or additionally, the system may charge and discharge the battery in a small window (e.g., 99%-100% percent) while generating the heating signal to maintain the battery temperature. In various examples, when connected to a charger, the system may maintain the battery temperature in an optimal range for powering some loads and not fall below a threshold where the battery is operable when the battery is in a cold ambient environment where it may otherwise cool below an optimal operating temperature range.

さまざまなモードおよびその他に関して、さまざまな加熱信号、混成充電・加熱信号、および充電信号は、図1~図3に示す回路およびその他を使用することにより生成され得る。 For various modes and more, various heating signals, hybrid charging/heating signals, and charging signals can be generated using the circuits shown in Figures 1-3 and others.

本明細書に記載の通り、充電信号または混成充電・加熱信号は、成形された前縁、本体部分、および休止期間を含んでいてもよい。なお、休止期間は、加熱正弦波オーバーレイを含んでいてもよい。記載の充電技術および充電信号は、バッテリ電圧が上昇し始めて充電電流が減らされるまで指定された一定の充電電流が本質的に印加される従来の定電流・定電圧型の充電ではない。また、この充電技術は、充電信号が具体的に成形された前縁を規定することから、パルス充電でもない。実際、高周波の高調波成分方形パルスは通常、特にパルスの最初の開始時に、少なくとも制御されていない高周波の高調波成分方形パルスに対してインピーダンスが高いことから、充電には回避される。 As described herein, the charging signal or hybrid charging and heating signal may include a shaped leading edge, a body portion, and a dwell period, which may include a heating sine wave overlay. The charging technique and charging signal described is not a conventional constant current, constant voltage type charging where a specified constant charging current is essentially applied until the battery voltage begins to rise and the charging current is reduced. Nor is the charging technique pulsed charging, since the charging signal defines a specifically shaped leading edge. Indeed, high frequency harmonic content square pulses are typically avoided for charging due to the high impedance, at least at the initial initiation of the pulse, to uncontrolled high frequency harmonic content square pulses.

図11を参照すると、信号(たとえば、混成充電/加熱信号または充電信号)の充電部分の形状を生成する方法は、バッテリのインピーダンススペクトルを取得することと、インピーダンススペクトルから、インピーダンスが相対的に低い周波数を選択することと、当該周波数を使用して、信号の充電部分の成形された前縁を規定することと、を含む。一例において、このシステムは、虚数インピーダンス(リアクタンス)値を使用あるいは参照する。成形された前縁および信号全体は、図1~図3に示す回路およびその他を使用することにより生成され得る。 Referring to FIG. 11, a method for generating a shape of the charging portion of a signal (e.g., a hybrid charging/heating signal or a charging signal) includes obtaining an impedance spectrum of a battery, selecting a frequency from the impedance spectrum where the impedance is relatively low, and using that frequency to define a shaped leading edge of the charging portion of the signal. In one example, the system uses or references an imaginary impedance (reactance) value. The shaped leading edge and the entire signal can be generated using the circuits shown in FIGS. 1-3 and others.

インピーダンススペクトルを取得するため、考え得る一例において、この方法は、プローブ信号をバッテリに印加することを含む(動作1102)。プローブ信号は、さまざまな高調波に対するバッテリのインピーダンスを評価するためにシステムが使用し得る一連の高調波を含んでいてもよい。プローブ信号は、充電信号であってもよいし、専用の信号であってもよい。プローブ信号は、充電中のインターリーブ、または、充電開始時の離散的な動作、充電中の断続的もしくは周期的な動作等が可能である。一例において、プローブ信号は、方形波であってもよいし、方形パルスであってもよい。一具体例において、プローブ信号は、ゼロアンペアを中心とする方形波である。考え得る一例において、プローブ信号は、ゼロアンペアを中心とする方形波であり、+4V(正)の部分および-4V(負)の部分を有する。ここで、平均電流は、0Aである。デューティサイクルは、50%である。プローブ信号の周波数、デューティサイクル、電流もしくは電圧の大きさ、または他の属性は、セルの種類、機器の種類、温度、充電状態、および他の考え得るパラメータに応じて変化し得る。これらのパラメータは、任意所与のセルの種類の特性化に基づいて決定されるようになっていてもよい。一具体例においては、約30ミリ秒の単一時間にわたって、方形波プローブがバッテリに印加される。別の言い方をすれば、プローブ信号は、ある電流の正の方形パルスおよびある電流の負の方形パルスを含んでいてもよい。これらのパルスは、同じパルス持続時間(たとえば、それぞれ15ミリ秒)を有していてもよいし、異なる持続時間を有していてもよい。プローブ信号は、正のパルス(バッテリへの充電)のみであってもよいし、負のパルス(バッテリからの放電電流)のみであってもよい。各パルスは、同じ大きさの電流を含んでいてもよいし、非対称であってもよい。他のプローブ信号も可能であるが、方形パルスまたは方形波であれば、広範な周波数の高調波成分を有し、多様な従来の充電ハードウェアトポロジーによって効率的に生成される。一般的に、プローブ信号の目的は、さまざまな高調波に対するバッテリのインピーダンスを評価するため、広範囲の高調波成分を非常に簡単かつ離散的にバッテリへと導入することである。このため、方形波または方形パルスであれ他の信号であれ、プローブ信号は、一連の高調波を一瞬でバッテリに導入することが意図される。ゼロアンペアを中心とする方形波の場合は、バッテリへの電流およびバッテリからの電流の大きさが等しく、正味の充電効果がほとんどまたは全くないことがあり得る。この考え方では、充電状態を変化させずにセルを調べる。SOCを変化させることが許容される状況(たとえば、100%未満のSOCかつ適正な温度状況での充電)では、ある正味の充電が可能であるとともに許容される。また、プローブが高頻度ではなく、正味の充電を無視できる場合は、プローブ信号からの無視できる正味の充電も同様に許容される。いくつかの構成においては、異なる高調波成分を含む広範な異なるプローブを注入することができる。非制御および/または高周波の高調波がバッテリに有害な影響を及ぼす可能性があるとしても、このシステムでは、インピーダンススペクトルを取得するため、非常に短い持続時間でしか方形パルスを印加せず、このような影響を実質的に回避する。 To obtain the impedance spectrum, in one possible example, the method includes applying a probe signal to the battery (operation 1102). The probe signal may include a series of harmonics that the system may use to evaluate the impedance of the battery for various harmonics. The probe signal may be a charging signal or a dedicated signal. The probe signal may be interleaved during charging, or may be discrete at the beginning of charging, intermittent or periodic during charging, etc. In one example, the probe signal may be a square wave or a square pulse. In one specific example, the probe signal is a square wave centered at zero amperes. In one possible example, the probe signal is a square wave centered at zero amperes and has a +4V (positive) portion and a -4V (negative) portion, where the average current is 0A. The duty cycle is 50%. The frequency, duty cycle, current or voltage magnitude, or other attributes of the probe signal may vary depending on the cell type, device type, temperature, state of charge, and other possible parameters. These parameters may be determined based on the characterization of any given cell type. In one embodiment, a square wave probe is applied to the battery for a single time period of about 30 milliseconds. In other words, the probe signal may include positive and negative square pulses of a current. The pulses may have the same pulse duration (e.g., 15 milliseconds each) or may have different durations. The probe signal may include only positive pulses (charging the battery) or only negative pulses (discharging current from the battery). Each pulse may include the same magnitude of current or may be asymmetric. Although other probe signals are possible, a square pulse or square wave has harmonic content of a wide range of frequencies and can be efficiently generated by a variety of conventional charging hardware topologies. In general, the purpose of the probe signal is to very simply and discretely introduce a wide range of harmonic content into the battery in order to evaluate the impedance of the battery to various harmonics. Thus, the probe signal, whether a square wave or square pulse or other signal, is intended to introduce a series of harmonics into the battery in an instant. For a square wave centered at zero amps, the current to and from the battery can be equal in magnitude with little or no net charging effect. The idea is to probe the cell without changing the state of charge. In situations where changing the SOC is acceptable (e.g., charging at less than 100% SOC and in moderate temperature conditions), some net charging is possible and acceptable. Also, negligible net charging from the probe signal is acceptable as well, provided the probe is not frequent and the net charging is negligible. In some configurations, a wide range of different probes with different harmonic content can be injected. Even though uncontrolled and/or high frequency harmonics can have a detrimental effect on the battery, the system applies square pulses for only very short durations to obtain the impedance spectrum, substantially avoiding such effects.

プローブ信号の存在下で、このシステムは、バッテリ端子における電流および電圧を測定する(動作1104)。電流および電圧信号は、時間領域で取り込まれる。プローブ信号の存在下で測定された電流および電圧それぞれについて、このシステムは、インピーダンススペクトルをさらに生成し得る周波数スペクトルを取得する(動作1106)。一例において、このシステムは、電流および電圧信号の領域変換を生成して、電圧周波数スペクトルおよび電流周波数スペクトルを生成する。領域変換は、Morletウェーブレットを使用する離散ウェーブレット変換であってもよい。場合により、ウェーブレットは、Gaborウェーブレットまたは複素Morletウェーブレットとも考えられる。考え得る一実施態様において、このシステムは、固定小数点演算を使用してインピーダンススペクトルを生成するようにしてもよく、これにより、比較的低コストで、より単純なマイクロコントローラまたは他のコンピュータプラットフォームが使用可能となるが、これは、大きな演算能力を別途必要としない充電環境または従来利用可能ではない充電環境において、より一般的である。 In the presence of the probe signal, the system measures the current and voltage at the battery terminals (operation 1104). The current and voltage signals are acquired in the time domain. For each current and voltage measured in the presence of the probe signal, the system obtains a frequency spectrum (operation 1106) that may further generate an impedance spectrum. In one example, the system generates a domain transform of the current and voltage signals to generate a voltage frequency spectrum and a current frequency spectrum. The domain transform may be a discrete wavelet transform using a Morlet wavelet. In some cases, the wavelet may be considered a Gabor wavelet or a complex Morlet wavelet. In one possible implementation, the system may generate the impedance spectrum using fixed-point arithmetic, which allows the use of a relatively low-cost and simpler microcontroller or other computer platform, which is more common in charging environments that do not require or are not traditionally available with significant additional computing power.

このシステムは、電流および電圧信号の周波数スペクトルから、インピーダンススペクトルを生成する(動作1106)。一例において、インピーダンススペクトルは、電圧スペクトルを電流スペクトルで除することにより生成される。より詳細には、さまざまな周波数における複素電圧値を同じ周波数における複素電流値で除することにより、さまざまな周波数でのインピーダンスを生成する。これにより、複素数値のインピーダンススペクトルが生成される。いくつかの例においては、インピーダンススペクトルの生成を離散的な周波数範囲(たとえば、200Hz~3KHz)に制限すれば十分である。 The system generates an impedance spectrum from the frequency spectrum of the current and voltage signals (operation 1106). In one example, the impedance spectrum is generated by dividing the voltage spectrum by the current spectrum. More specifically, the impedance at various frequencies is generated by dividing complex voltage values at various frequencies by complex current values at the same frequencies. This generates a complex-valued impedance spectrum. In some examples, it is sufficient to limit the generation of the impedance spectrum to a discrete frequency range (e.g., 200 Hz to 3 KHz).

上記技術にも関わらず、このシステムは、バッテリに印加される信号の高調波の特定の周波数に対するバッテリのインピーダンスを識別するインピーダンススペクトルを生成する。このため、単純な一例において、バッテリに印加される方形パルスのプローブ信号には、多くの高調波が存在することになる。ここに論じる技術によって、このシステムは、プローブ信号中の離散高調波の一部または全部に対するバッテリの離散インピーダンスを生成する。このスペクトルは、一般化レベルにおいて、充電信号の特定の周波数に対するバッテリの抵抗を示す。バッテリは、プローブ信号のさまざまな周波数の高調波に対して、より大きなまたはより小さなインピーダンス(より一般的には、抵抗)を有していてもよい。 Notwithstanding the above techniques, the system generates an impedance spectrum that identifies the battery's impedance for specific frequencies of harmonics of the signal applied to the battery. Thus, in a simple example, a square pulse probe signal applied to a battery will have many harmonics present. With the techniques discussed herein, the system generates a discrete impedance of the battery for some or all of the discrete harmonics in the probe signal. This spectrum, at a generalized level, indicates the battery's resistance for a specific frequency of the charging signal. The battery may have a greater or lesser impedance (or, more generally, resistance) for various frequency harmonics of the probe signal.

このシステムは、インピーダンススペクトルから、信号の充電部分の前縁の規定に使用される特定の高調波を識別するようにしてもよい(動作1108)。充電信号の前縁の形状を決定するため、このシステムは、プローブ信号により生成されたインピーダンススペクトルから最適な周波数を決定する。特定の一例において、最適な周波数は、インピーダンススペクトルにおける最低のインピーダンス(具体的には、いくつかの実施形態におけるリアクタンス)と関連付けられている周波数である。したがって、このシステムは、最低のインピーダンスと関連付けられている周波数を選定する。当然のことながら、システムが代替としてアドミッタンス(たとえば、最も高いアドミッタンスまたはアドミッタンスの虚数部(サセプタンス))を評価し得る瞬間が存在していてもよい。一般的に、より低いインピーダンスと関連付けられている周波数の形状でバッテリに印加される充電信号は、より高いインピーダンスと関連付けられている周波数と比較して、充電用のエネルギーをより効率的に移動させる。そして、最適な周波数は、充電信号または混成信号の充電部分の前縁として設定される。これにより、前縁1010は、図10Aおよび図10Bの例に示すように、識別された周波数で正弦波の一部を規定する。 The system may identify from the impedance spectrum a particular harmonic to be used to define the leading edge of the charging portion of the signal (operation 1108). To determine the shape of the leading edge of the charging signal, the system determines an optimal frequency from the impedance spectrum generated by the probe signal. In one particular example, the optimal frequency is the frequency associated with the lowest impedance (specifically, reactance in some embodiments) in the impedance spectrum. Thus, the system selects the frequency associated with the lowest impedance. Of course, there may be moments when the system may alternatively evaluate the admittance (e.g., the highest admittance or the imaginary part of the admittance (susceptance)). In general, a charging signal applied to a battery in the shape of a frequency associated with a lower impedance will transfer energy for charging more efficiently compared to a frequency associated with a higher impedance. The optimal frequency is then set as the leading edge of the charging portion of the charging signal or composite signal. Thus, the leading edge 1010 defines a portion of a sine wave at the identified frequency, as shown in the examples of FIGS. 10A and 10B.

また、充電部分の前縁の形状のほか、このシステムは、(成形部分および本体部分を含む)充電時間に対する休止期間の時間の長さ、信号の全期間、および他の属性を含む信号の全体的な属性を決定する。考え得る一例において、充電信号の期間および休止期間は、バッテリ特性化に基づいて予め設定される。充電信号の期間には、成形された前縁と、成形された前縁に続く本体部分と、を含む。考え得る種々例において、充電部分は、100マイクロ秒~10ミリ秒の範囲内であってもよい。全期間には、充電部分および休止期間(または、加熱部分)を含む。休止期間(または、加熱部分)は、100マイクロ秒~10マイクロ秒の範囲内であってもよい。考え得る他の例において、この期間は、100マイクロ秒~10ミリ秒の範囲内であってもよい。セルの充電部分の成形された前縁および本体部分のピークにおけるピーク電流は、20A前後であってもよいが、ピーク電流値は、セルの種類、温度、特性化、および他の因子によって決まるため、例示的なピーク電流とは著しく異なり得る。ピーク電流を含む充電電流の決定の一例については以下に論じる。 In addition to the shape of the leading edge of the charging portion, the system also determines overall attributes of the signal, including the length of time of the dwell period relative to the charging time (including the shaped portion and the body portion), the total duration of the signal, and other attributes. In one possible example, the duration of the charging signal and the dwell period are preset based on the battery characterization. The duration of the charging signal includes the shaped leading edge and the body portion following the shaped leading edge. In various possible examples, the charging portion may be in the range of 100 microseconds to 10 milliseconds. The total duration includes the charging portion and the dwell period (or heating portion). The dwell period (or heating portion) may be in the range of 100 microseconds to 10 microseconds. In other possible examples, the duration may be in the range of 100 microseconds to 10 milliseconds. The peak current at the peak of the shaped leading edge and the body portion of the charging portion of the cell may be around 20A, but the peak current value may vary significantly from the exemplary peak current depending on the cell type, temperature, characterization, and other factors. An example of determining the charging current, including the peak current, is discussed below.

前縁の形状を決定する方法は、さまざまな目標(SOC等)またはその他への到達に対して、加熱または充電サイクルの全体で周期的、断続的に繰り返されるようになっていてもよい。一具体例においては、SOCが約1/2%~1%変化するごとに、プローブ信号および後続の動作(1104~1110)が繰り返される。別の例においては、時間の経過とともに(たとえば、5秒ごと、30秒ごと、または60秒ごとに)プローブ信号および後続の動作が実行される。プローブ信号および後続の動作の頻度は、経時的に変化し得る。たとえば、加熱時にセルはより高速に変化するため、プローブの速度等も変化し得る。セルが完全充電に近づくと、プローブの速度も変化し得る。 The method of determining the leading edge shape may be repeated periodically, intermittently, throughout the heating or charging cycle to reach various targets (such as SOC) or otherwise. In one embodiment, the probe signal and subsequent operations (1104-1110) are repeated approximately every 1/2% to 1% change in SOC. In another example, the probe signal and subsequent operations are performed over time (e.g., every 5 seconds, 30 seconds, or 60 seconds). The frequency of the probe signal and subsequent operations may change over time. For example, the cell changes faster when heating, so the speed of the probe, etc. may change. As the cell approaches full charge, the speed of the probe may also change.

また、本開示の態様は、充電信号の電流レベルを生成する方法であって、電流レベルが、バッテリが充電サイクルの過程で過熱しないように設定される、方法を含む。この方法は、成形された混成充電・加熱信号または成形された充電信号の電流レベルの設定等により、本明細書に記載の技術と併せて用いられるようになっていてもよい。また、この方法は、数ある利点の中でもとりわけ、単独または組み合わせにて、さまざまな充電状況において充電中に発生するバッテリ加熱を考慮するとともに、充電中にバッテリが過熱しないようにするため、任意の形態の充電信号の電流レベルの設定にも使用され得る。 Aspects of the present disclosure also include a method of generating a current level for a charging signal, where the current level is set such that the battery does not overheat during the course of a charging cycle. This method may be adapted for use in conjunction with the techniques described herein, such as by setting the current level of a shaped hybrid charging/heating signal or a shaped charging signal. This method may also be used to set the current level of any form of charging signal, alone or in combination, to account for battery heating that occurs during charging in various charging situations and to prevent the battery from overheating during charging, among other advantages.

まず、図12を参照すると、方法1200は、バッテリ温度および周囲温度にアクセスすることから始まる(動作1202)。この技術では、バッテリ温度および周囲温度を考慮するようにしてもよいし、バッテリ温度のみを考慮するようにしてもよいし、他のパラメータを考慮するようにしてもよい。本明細書に記載の通り、バッテリ温度は、多くの考え得る方法により取得可能、より一般的には、アクセス可能である。周囲温度は、充電対象のバッテリを含む機器の環境において周囲温度を検出するように配置されている温度センサから取得され得る。また、周囲温度は、何らかの信号(たとえば、BluetoothまたはWi-Fi)等により利用可能な温度信号によって、サードパーティ機器(たとえば、充電対象の機器に近接する何らかの形態の温度センサ)からアクセスすることも可能である。いくつかの構成において、周囲温度は、ネットワーク接続を介してアクセス可能なサードパーティサービス等から、ネットワーク接続により取得され得る。いずれにしても、このシステムは、バッテリ温度および周囲温度の一方または両方にアクセスすることができる。また、このシステムは、経時的な周囲温度の予測にアクセスすることも可能である。 12, the method 1200 begins with accessing the battery temperature and the ambient temperature (operation 1202). The technique may take into account the battery temperature and the ambient temperature, or may take into account only the battery temperature, or may take into account other parameters. As described herein, the battery temperature may be obtained, or more generally, may be accessed, in many possible ways. The ambient temperature may be obtained from a temperature sensor positioned to detect the ambient temperature in the environment of the device containing the battery being charged. The ambient temperature may also be accessed from a third party device (e.g., some form of temperature sensor in proximity to the device being charged) with a temperature signal available via some signal (e.g., Bluetooth or Wi-Fi). In some configurations, the ambient temperature may be obtained over a network connection, such as from a third party service accessible over a network connection. In any event, the system may have access to one or both of the battery temperature and the ambient temperature. The system may also have access to a forecast of the ambient temperature over time.

その後、このシステムは、バッテリ温度および周囲温度を使用して、バッテリを充電するための最大電流を取得する(動作1204)。最大電流は、バッテリが当該最大電流以下で充電される場合に、充電中に最高閾値温度未満に留まる電流である。最高閾値温度は、たとえば、それを上回ると充電が停止となるように指定された最高温度であってもよい。また、最高閾値温度は、システムが超えないようにする何らかの他の指定された最高温度であってもよい。 The system then uses the battery temperature and the ambient temperature to obtain a maximum current for charging the battery (operation 1204). The maximum current is the current that will remain below a maximum threshold temperature during charging if the battery is charged at or below that maximum current. The maximum threshold temperature may be, for example, a specified maximum temperature above which charging will be stopped. The maximum threshold temperature may also be some other specified maximum temperature that the system will not exceed.

最大電流には、充電状態を考慮するようにしてもよく、バッテリに印加された場合でも、充電サイクルの最後にバッテリを最高閾値温度を超えて加熱しない充電電流を識別し得る。このため、たとえば、同じ温度では、開始充電状態がより低い場合の相対的により低い最大電流と比較して、開始充電状態が比較的より高い場合には最大電流がより大きくなり得る。 The maximum current may take into account the state of charge and identify a charging current that, when applied to the battery, does not heat the battery above a maximum threshold temperature at the end of the charging cycle. Thus, for example, at the same temperature, the maximum current may be higher for a relatively higher starting state of charge compared to a relatively lower maximum current for a lower starting state of charge.

一例において、このシステムはモデルにアクセスするが、このモデルは、方程式(たとえば、バッテリ温度の変数および周囲温度の変数を含む二次方程式)の形態であってもよい。また、このモデルは、バッテリ温度および周囲温度の値をキーとして受け取り、これらのキーに基づいて充電電流値を識別するルックアップテーブルであってもよい。このモデルは、バッテリ特性化に基づいていてもよく、一例において、一連の充電状況にわたるバッテリの温度プロファイルおよびこれらの充電状況がバッテリ温度に及ぼす影響の様子を識別する。 In one example, the system accesses a model, which may be in the form of an equation (e.g., a quadratic equation that includes battery temperature variables and ambient temperature variables). The model may also be a look-up table that receives battery temperature and ambient temperature values as keys and identifies a charging current value based on these keys. The model may be based on battery characterization, which in one example identifies the temperature profile of the battery over a range of charging conditions and how these charging conditions affect the battery temperature.

バッテリ温度および周囲温度に応答して、このモデルは、充電電流の最大値を生成する。一例において、このモデルは、完全放電状態を推定するようにしてもよく、識別された充電電流値は、バッテリが完全充電状態まで充電され、最高閾値温度を超えない電流を表す。また、このシステムは、この充電状態を受け入れ、閾値温度を超えることなく完全充電に達する電流値を生成する。このような例において、電流値は、完全放電状態の場合よりもわずかに大きくなり得る。充電状態を考慮しない技術の利点として、システムは、温度閾値を超えない電流を初期値とし、進行中の正確な充電状態評価へのアクセスを必要としないように動作し得る。これは、バッテリがまず充電され、電流または正確なSOCが利用可能ではない場合等のさまざまな状況において有益と考えられる。 In response to the battery temperature and the ambient temperature, the model generates a maximum value for the charging current. In one example, the model may estimate a fully discharged state, where the identified charging current value represents the current at which the battery will be charged to a fully charged state and will not exceed the maximum threshold temperature. The system then accepts this state of charge and generates a current value at which the battery will be fully charged without exceeding the threshold temperature. In such an example, the current value may be slightly larger than for a fully discharged state. As an advantage of the technique not considering the state of charge, the system may operate with a default current that does not exceed the temperature threshold and does not require access to an ongoing accurate state of charge evaluation. This may be beneficial in various situations, such as when the battery is first being charged and the current or accurate SOC is not available.

このシステムは、周囲温度を使用して、バッテリの環境およびそれがバッテリの加熱に及ぼす影響を考慮する。一例において、最大電流は、充電サイクルの最初に設定され、充電サイクル中は更新されない。別の例において、このシステムは、時間、充電状態の進行、周囲もしくはバッテリ温度の変化、ならびに他の測定結果に基づいて、最大電流値を更新するようにしてもよい。別の例において、最大電流値は、数ある値の中でも、充電シーケンス中の任意所与の点における充電電流の決定に用いられる値であってもよい。 The system uses the ambient temperature to account for the battery's environment and its effect on heating the battery. In one example, the maximum current is set at the beginning of a charge cycle and is not updated during the charge cycle. In another example, the system may update the maximum current value based on time, progress of the charge state, changes in ambient or battery temperature, and other measurements. In another example, the maximum current value may be, among other values, the value used to determine the charge current at any given point during the charge sequence.

最大電流またはその他任意の電流値は、充電環境の能力により制限されることに留意されたい。このため、システムは、充電環境に基づく充電制限値にアクセスするようにしてもよい(動作1206)。場合によっては、充電ハードウェア自体が供給可能な充電電流量に関して制限されていてもよい。たとえば、システムは、より高い電流源から充電可能である一方、より低い電流源に接続され、システムが供給し得る最大充電電流を制限する。他の例においては、バッテリの充電に利用可能な電流制限を決定する他の制限がシステムに課されていてもよい。たとえば、電源の制限に基づいて充電ハードウェアが制限されていてもよい。それにも関わらず、このシステムは、システムベースの電流制限を考慮するようにしてもよい。これが関連するのは、動作1204による最大電流がシステムの電流制限を超え、システムの電流制限が実質的に最大電流となる場合である。 It should be noted that the maximum current, or any other current value, may be limited by the capabilities of the charging environment. Thus, the system may access a charging limit based on the charging environment (operation 1206). In some cases, the charging hardware itself may be limited as to the amount of charging current it can provide. For example, the system may be able to charge from a higher current source, while connected to a lower current source, limiting the maximum charging current the system may provide. In other examples, other limitations may be imposed on the system that determine the current limit available for charging the battery. For example, the charging hardware may be limited based on the limitations of the power source. Nevertheless, the system may take into account the system-based current limit. This is relevant when the maximum current from operation 1204 exceeds the system current limit, which is effectively the maximum current.

最後に、このシステムは、バッテリの現在の温度に基づいて、バッテリへの充電電流量(たとえば、最大量)と関連付けられている第3の電流パラメータにアクセスするようにしてもよい。本明細書に記載の通り、特定の温度閾値以下のバッテリは、この閾値または閾値範囲を上回る場合と同じ速度では充電され得ない。バッテリが温まるにつれて、より大きな充電電流が利用可能になる。任意所与のバッテリ種の特性化によって、バッテリの損傷なくその温度に基づいて印加され得る最大電流を識別するようにしてもよい。本明細書に記載の通り、温度は、バッテリが充電を受ける能力を左右する。本例において、このシステムは、現在のバッテリ温度に基づいて現時点の最大電流を決定するモデルにアクセスする。上述の電流制限によって、(たとえば、バッテリが完全充電状態に達する場合の)将来のある閾値以下へのバッテリの維持に適用し得る最大電流を識別する場合、本例のモデルは、バッテリの現在の温度に基づいて、現時点で受け入れ可能な最大充電電流を識別する。この値は、バッテリが温まるにつれて変化し得る。また、値が閾値を下回る場合(たとえば、T<上述のT1)、このモデルは、バッテリが閾値に達するか閾値を超えるまで、充電電流が印加されないことを示す。 Finally, the system may access a third current parameter that is associated with the amount (e.g., maximum amount) of charging current to the battery based on the current temperature of the battery. As described herein, a battery below a certain temperature threshold may not be charged at the same rate as above this threshold or threshold range. As the battery warms up, more charging current becomes available. Characterization of any given battery type may identify the maximum current that may be applied based on its temperature without damaging the battery. As described herein, temperature affects the battery's ability to receive a charge. In this example, the system accesses a model that determines the current maximum current based on the current battery temperature. Where the current limit described above identifies the maximum current that may be applied to keep the battery below a certain threshold in the future (e.g., when the battery reaches a fully charged state), the model in this example identifies the maximum charging current that is currently acceptable based on the current temperature of the battery. This value may change as the battery warms up. Also, if the value is below a threshold (e.g., T<T1 described above), the model indicates that no charging current will be applied until the battery reaches or exceeds the threshold.

以上を要約すると、一例として、このシステムは、(1)バッテリ温度および周囲温度を所与として、バッテリが充電され得るものの、将来的にある温度を超えない最大電流である第1の電流制限、(2)システムがサポートし得る最大電流、ならびに(3)現在の温度に基づいてバッテリに適用し得る最大充電電流、という3つの最大電流制限を識別することができる。 To summarize the above, as an example, the system can identify three maximum current limits: (1) a first current limit that is the maximum current to which the battery can be charged given the battery temperature and the ambient temperature, but not exceeding a certain temperature in the future; (2) the maximum current that the system can support; and (3) the maximum charging current that can be applied to the battery based on the current temperature.

そして、このシステムは、3つの生成された電流制限のうち、最も小さいものを選択する。ここで、たとえば比較的低いバッテリ温度および低温環境では、第1の電流制限が第3の電流制限よりも相対的に高くなり得る。これは、バッテリが最初は低温で最大充電を受け入れることができず、周囲環境が比較的低温であるため、比較的暖かい周囲環境の場合ほどバッテリ温度が高くならないためである。したがって、このシステムは、第3の充電制限を選択する。相対的に高い第1の電流制限での充電では、第3の電流制限を超えてしまうためである。ただし、バッテリが温まるにつれて、第3の電流制限が第1の値を超えるレベルまで上昇し得ることから、この場合、システムは、第3の電流制限の代わりに第1の電流制限を選択することになる。このように、このシステムは、瞬間的に高速充電可能ではあるが、充電サイクルにおいてその後バッテリが過熱するような電流を選択することはない。いずれかまたは任意の状況において、システムからの最大電流が第1および第3の制限の一方または両方よりも小さい場合、このシステムは、それより高い第1または第3の制限を与えることができないため、第2の電流制限を使用することになる。 The system then selects the smallest of the three generated current limits. Here, for example, at a relatively low battery temperature and in a cold environment, the first current limit may be relatively higher than the third current limit. This is because the battery cannot initially accept a maximum charge at a low temperature and the battery temperature does not rise as high as in a relatively warm ambient environment due to the relatively low ambient temperature. Thus, the system selects the third charge limit because charging at the relatively high first current limit would exceed the third current limit. However, as the battery warms up, the third current limit may rise to a level above the first value, in which case the system will select the first current limit instead of the third current limit. In this way, the system will select a current that allows for instantaneous fast charging but will not cause the battery to overheat later in the charging cycle. In either or any situation, if the maximum current from the system is less than one or both of the first and third limits, the system will use the second current limit since it cannot provide a higher first or third limit.

上述の通り、混成加熱・充電モードまたは充電限定モードのいずれかの場合、このシステムは、充電部分ならびに加熱部分もしくは休止部分を有する複雑に成形された充電信号を印加しており、その一方または両方は、ある充電電流が加熱部分または充電部分のいずれかで移動するように正のオフセットを含んでいてもよい。最大充電電流値は、複雑な充電信号のさまざまな部分に変換され得る。 As described above, when in either the hybrid heating and charging mode or the charging only mode, the system applies a complex shaped charging signal having a charging portion and a heating portion or a resting portion, either or both of which may include a positive offset such that some charging current is shifted in either the heating portion or the charging portion. Maximum charging current values may be translated into various portions of the complex charging signal.

特定の一例において、最大充電電流は、複雑な充電信号全体の平均値である(動作1212)。このシステムは、平均値(最大充電電流)のほか、全期間および休止期間(信号の充電部分の時間および信号の休止部分の時間として理解され得る)、デューティサイクル、またはこれらの何らかの組み合わせ等、充電信号の他のパラメータに基づいて、信号の充電部分のピーク電流を設定する。上述の通り、充電部分の形状の決定に際して、このシステムは、信号の全期間および休止期間等、信号全体の時間パラメータにアクセスするようにしてもよい。この情報により、システムは、信号の充電部分(成形部および本体)の時間を決定することができる。 In one particular example, the maximum charging current is the average value of the entire complex charging signal (operation 1212). The system sets the peak current of the charging portion of the signal based on the average value (maximum charging current) as well as other parameters of the charging signal, such as the total period and the rest period (which may be understood as the time of the charging portion of the signal and the time of the rest portion of the signal), the duty cycle, or some combination thereof. As discussed above, in determining the shape of the charging portion, the system may have access to time parameters of the entire signal, such as the total period and the rest period of the signal. With this information, the system can determine the time of the charging portion (shape and body) of the signal.

考え得る一例において、このシステムは、成形された前縁において発生する電荷移動を考慮に入れつつ、電流制限(平均電流)を使用して、信号の本体部分のピーク電流を設定する。比較のため、成形された前縁に対して、従来の方形波として表れ得る非常に高い周波数の高調波をシステムが選択し、電流制限を5Aに設定して、50%のデューティサイクル(充電部分および本体部分が合わせて50%、休止部分が50%)を決定する場合、充電部分のピーク電流は、10Aとなる。ただし、このシステムは、混成充電・加熱信号または充電信号の場合、このような充電エネルギーが成形された前縁のみならず充電の本体部分においても移動することから、(方形波の高周波の鋭い前縁ではなく)成形された前縁として比較的低い周波数の高調波を生成することになる。50%デューティサイクルの同じ例において、充電部分の成形された前縁においていくらかの電荷が移動し、残りが充電の本体部分において移動することから、平均電流が5Aに設定されている場合、成形された前縁および本体部分の上側部分におけるピーク電流は、10Aよりも大きくなる。このような例において、このシステムは、成形された前縁および本体の両者を50%以内と考えるため、成形された前縁部では従来の方形パルスと比較して移動するエネルギーが少なく、本体のピーク電流は10Aよりも高くなる。このため、このシステムでは、ピーク電流の決定に際して、信号の充電部分の成形部分および本体部分において移動する電荷を考慮する。 In one possible example, the system uses a current limit (average current) to set the peak current of the main body of the signal, taking into account the charge transfer that occurs at the shaped leading edge. For comparison, if the system selects a very high frequency harmonic for the shaped leading edge that may appear as a conventional square wave, sets the current limit to 5A, and determines a 50% duty cycle (50% for the charging and main body combined, 50% for the resting portion), the peak current of the charging portion will be 10A. However, the system will generate a relatively low frequency harmonic as the shaped leading edge (rather than the high frequency sharp leading edge of a square wave) in the case of a hybrid charging and heating signal or a charging signal, since such charging energy is transferred not only at the shaped leading edge but also in the main body of the charge. In the same example of a 50% duty cycle, if the average current is set to 5A, the peak current at the shaped leading edge and the upper part of the main body will be greater than 10A, since some charge is transferred at the shaped leading edge of the charging portion and the rest is transferred in the main body of the charge. In such an example, the system considers both the shaped leading edge and the body to be within 50% so that the shaped leading edge transfers less energy compared to a conventional square pulse, and the body peak current is higher than 10 A. Therefore, the system considers the charge transferred in the shaping and body portions of the charge portion of the signal in determining the peak current.

ほぼすべての例において、ピーク電流は、動作1204~1209により選択される最大電流よりも大きくなる。場合により、このシステムは、当該システムのハードウェアにより供給される可能性がある電流よりも大きなピーク電流を決定するようにしてもよい。このような例において、このシステムは、信号の全期間(充電部分および休止部分)にわたって平均電流に達し得るように、休止期間の正の充電電流オフセットを生成するようにしてもよい。他の例において、このシステムは、休止期間が同じままである一方、充電信号部分が充電電流を送達している時間を長くすることによって、充電部分が大きくなり、ある信号の期間にわたって平均電流に達し得るように、全期間を調整するようにしてもよい。別の例において、このシステムは、休止期間を短縮しつつ、この全期間を維持するようにしてもよい。 In nearly all instances, the peak current will be greater than the maximum current selected by operations 1204-1209. In some cases, the system may determine a peak current greater than the current that may be provided by the system's hardware. In such instances, the system may generate a positive charging current offset for the rest period such that the average current may be reached over the entire period of the signal (charging portion and rest portion). In other instances, the system may adjust the total period such that the charging portion becomes larger and the average current may be reached over a period of the signal by lengthening the time that the charging signal portion delivers charging current while the rest period remains the same. In another instance, the system may maintain the total period while shortening the rest period.

本開示の種々態様によれば、システムは、加熱シーケンスの一部であるか負荷に給電するためであるかに関わらず、考え得るさまざまな高調波(たとえば、指定された周波数あるいは成形された放電信号における高調波成分)を含むバッテリからの制御された放電信号を含んでいてもよい。図1~図3を再び参照するほか、図13を参照すると、このシステムは、バッテリ104(1304)と、バッテリにより給電されるシステムの一般的な動作においては放電制御によってバッテリの最適放電を実現し得るものの、加熱の背景の場合は単独または充電信号との組み合わせにてバッテリの放電信号を管理するコントローラ100(1300)と、を具備していてもよい。コントローラは、何らかの形態の処理ユニットであってもよく、また、バッテリとは別個の制御システムの一部であってもよいし、バッテリ管理システムとしてバッテリと一体化されていてもよい。このような制御構成にも関わらず、システム全体として放電信号を提供するが、これは、考え得る種々例において、システムの動作時における放電信号の存在下でのバッテリのインピーダンス属性の抑制および/または最小化に起因する特定の周波数に合わせて、信号の前縁、信号の縁部の他の態様、信号の本体を構成する高調波、および/または信号の後縁のうちの1つまたは複数が調節されていてもよいし、あるいは、初期加熱によって充電あるいは負荷への給電へとバッテリが移行し得るように調整されていてもよい。それにも関わらず、放電信号の高調波成分が制御され、より一般的には、放電信号が非従来的な非DC属性を有する。1つまたは複数の高調波成分は、複素インピーダンスあるいは放電高調波の存在下でのバッテリの属性の評価に基づいて、負荷への給電時に放電信号の存在下でインピーダンス属性(たとえば、複素インピーダンス)を抑制あるいは最小化する放電信号の高調波成分を選択して制御するようにしてもよいし、加熱動作モードにおいてエネルギーが主に熱として消費されるように比較的高いインピーダンスを有する高調波を生成するようにしてもよいし、または、他の高調波属性が考え得るさまざまな理由で制御される。このように放電を制御することには、従来の技術を使用して放電される同種のバッテリに対して、放電中の加熱の最適化、バッテリ寿命の延長および容量の増大、放電電流の増大、ならびに他の利点等を含む、バッテリにとって考え得る複数の利点がある。 According to various aspects of the present disclosure, a system may include a controlled discharge signal from a battery, whether as part of a heating sequence or to power a load, including various possible harmonics (e.g., harmonic content at a specified frequency or a shaped discharge signal). Referring again to FIGS. 1-3, and also to FIG. 13, the system may include a battery 104 (1304) and a controller 100 (1300) that manages the battery discharge signal alone or in combination with a charging signal in the context of heating, while the discharge control may provide optimal discharge of the battery in the general operation of a battery-powered system. The controller may be some form of processing unit and may be part of a control system separate from the battery, or may be integrated with the battery as a battery management system. Notwithstanding this control arrangement, the system as a whole provides a discharge signal that may, in various possible examples, be tuned to one or more of the leading edge of the signal, other aspects of the edge of the signal, the harmonics that make up the body of the signal, and/or the trailing edge of the signal for a particular frequency that results in suppression and/or minimization of the impedance attributes of the battery in the presence of the discharge signal during operation of the system, or may be tuned to allow the battery to transition to charging or powering a load with initial heating. Nevertheless, the harmonic content of the discharge signal is controlled, and more generally, the discharge signal has non-conventional, non-DC attributes. The one or more harmonic components may be selected and controlled based on an evaluation of the attributes of the battery in the presence of the complex impedance or discharge harmonics to select and minimize impedance attributes (e.g., complex impedance) in the presence of the discharge signal when powering a load, to generate harmonics with relatively high impedance so that energy is primarily consumed as heat in a heating mode of operation, or other harmonic attributes may be controlled for various possible reasons. Controlling the discharge in this manner has several possible advantages for the battery over similar batteries discharged using conventional techniques, including optimized heating during discharge, extended battery life and increased capacity, increased discharge current, and other advantages.

ただし、このような高調波制御の放電信号の環境においては、従来の下流システムでは、バッテリからこのような放電制御信号を受信することが適さなくなる可能性が高い。したがって、一例においては、放電信号調節要素1302がバッテリ1304と負荷1306(144)との間に配置されるか、または、負荷に組み込まれる。放電信号調節要素は、負荷またはバッテリからのエネルギーによって負荷に給電する要素に適する非従来的な放電信号の調節に役立つ。一例において、図1を参照するに、放電信号調節要素は、バッテリから放電信号を受信するとともに負荷に要する十分なエネルギーを蓄積するように配置されている好適なキャパシタ122もしくはキャパシタバンク、または他のエネルギー蓄積要素である。また、一例において、負荷システム1306は、負荷に給電するためのDC-AC変換器または他の形態の電力変換146(図1)を含んでいてもよく、キャパシタまたはキャパシタバンクは、バッテリと、負荷システムのDC-AC変換コンポーネントとの間に配置されている。そして、高調波制御の放電信号によりキャパシタバンクを充電するが、このキャパシタバンクは、DC-AC変換器が必要とするDC電源または負荷が直接必要とするDC電源を提供する。キャパシタバンクは、負荷の電力需要に応じてサイズ規定および配置されている。 However, in such a harmonic controlled discharge signal environment, conventional downstream systems are likely not suitable for receiving such a discharge control signal from the battery. Thus, in one example, a discharge signal conditioning element 1302 is disposed between the battery 1304 and the load 1306 (144) or incorporated into the load. The discharge signal conditioning element serves to condition the non-conventional discharge signal suitable for the load or an element that powers the load with energy from the battery. In one example, referring to FIG. 1, the discharge signal conditioning element is a suitable capacitor 122 or capacitor bank, or other energy storage element, that receives the discharge signal from the battery and is arranged to store sufficient energy for the load. Also, in one example, the load system 1306 may include a DC-AC converter or other form of power conversion 146 (FIG. 1) for powering the load, with the capacitor or capacitor bank being disposed between the battery and the DC-AC conversion component of the load system. The harmonic controlled discharge signal then charges a capacitor bank, which provides the DC power required by the DC-AC converter or directly by the load. The capacitor bank is sized and positioned according to the power demand of the load.

別の例において、負荷は、バッテリから、高調波調節済み放電信号を受信するように構成されている。たとえば、DC駆動負荷の場合、上述の実施形態と同様に、この負荷は、当該負荷への入力において、放電信号から高調波成分を除去するキャパシタ122を具備していてもよい。他の例において、放電信号は、負荷を駆動するバックまたはブースト回路により制御されるようになっていてもよい。このような例において、バックまたはブースト回路は、放電信号の高調波成分を調整すると同時に、負荷に対して放電信号を調節するように制御され得る。信号調節要素および負荷システムは、別個のブロックとして示しているものの、信号調節が負荷システムと一体化されていてもよい。 In another example, the load is configured to receive a harmonically adjusted discharge signal from the battery. For example, in the case of a DC powered load, the load may include a capacitor 122 at the input to the load that removes harmonic content from the discharge signal, as in the embodiment described above. In another example, the discharge signal may be controlled by a buck or boost circuit that drives the load. In such an example, the buck or boost circuit may be controlled to adjust the harmonic content of the discharge signal while simultaneously adjusting the discharge signal to the load. Although the signal conditioning elements and the load system are shown as separate blocks, the signal conditioning may be integrated with the load system.

場合によっては、加熱波形、特に、正弦波加熱波形がある周波数で設定されていてもよいし、インピーダンスの実数および虚数成分の組み合わせに基づく周波数属性を含んでいてもよい。特に、アドミッタンスに関しては、加熱波形の周波数が実数アドミッタンス(コンダクタンス)応答および虚数アドミッタンス(サセプタンス)応答に基づいていてもよい。この議論は、アドミッタンス、具体的にはコンダクタンスおよびサセプタンスの背景において示しているが、抵抗(コンダクタンスの逆数)およびリアクタンス(サセプタンスの逆数)にも当てはまり得ることが了解されるものとする。 In some cases, a heating waveform, particularly a sinusoidal heating waveform, may be set at a frequency and may include frequency attributes based on a combination of real and imaginary components of impedance. In particular, with respect to admittance, the frequency of the heating waveform may be based on real admittance (conductance) and imaginary admittance (susceptance) responses. It will be understood that while this discussion is presented in the context of admittance, specifically conductance and susceptance, it may also apply to resistance (the inverse of conductance) and reactance (the inverse of susceptance).

図14Aは、50%充電状態の例示的なリチウムイオンセルに印加された正弦波信号の一連の周波数にわたる実数アドミッタンス(コンダクタンス)応答1400を示す図である。図14Aに示すように、周波数Aから周波数Bに向かって、周波数Aにおける相対的に高い第1のコンダクタンス値から周波数Bにおける相対的に低い第2のコンダクタンス値へとコンダクタンスが変化し、周波数Bよりも高い周波数でもコンダクタンスが小さくなり続けていることが分かる。図示において、周波数Aは、コンダクタンス応答曲線の変曲点1402にあり、周波数Aまでは周波数が高くなるとコンダクタンスが大きくなり、その後、周波数Aを上回る周波数では小さくなり始める。また、図示の例において、コンダクタンスは、周波数Aで極大となる。 14A illustrates a real admittance (conductance) response 1400 over a range of frequencies for a sinusoidal signal applied to an exemplary lithium-ion cell at 50% state of charge. As shown in FIG. 14A, it can be seen that from frequency A to frequency B, the conductance changes from a relatively high first conductance value at frequency A to a relatively low second conductance value at frequency B, and continues to decrease for frequencies above frequency B. In the illustration, frequency A is at an inflection point 1402 in the conductance response curve, where conductance increases with increasing frequency up to frequency A, and then begins to decrease for frequencies above frequency A. Also, in the illustrated example, the conductance is maximum at frequency A.

図14Bを参照するに、周波数A付近から周波数が高くなる周波数Bまで、50%SOCの同じ代表的なリチウムイオンセルについて、サセプタンスは、比較的小さな第1のサセプタンス値から、周波数Bでの極大ピークサセプタンス値まで変化する。図示において、周波数Bは、サセプタンス応答曲線の変曲点1402にあり、周波数Bまでは周波数が高くなるとサセプタンスが大きくなり、その後、周波数Bを上回る周波数では小さくなり始める。 Referring to FIG. 14B, from near frequency A up to higher frequency B, for the same representative lithium ion cell at 50% SOC, the susceptance varies from a relatively small first susceptance value to a maximum peak susceptance value at frequency B. In the illustration, frequency B is at an inflection point 1402 in the susceptance response curve, where the susceptance increases with increasing frequency up to frequency B, after which it begins to decrease for frequencies above frequency B.

考え得る種々例において、種々実施形態にて上述した加熱信号の正弦波周波数は、コンダクタンス応答、サセプタンス応答、または両応答の組み合わせに基づいて確立され得る。上述の通り、アドミッタンスは、抵抗およびリアクタンスの逆数値にも当てはまることを認識しつつ論じている。 In various possible examples, the sinusoidal frequency of the heating signal described above in various embodiments may be established based on the conductance response, the susceptance response, or a combination of both responses. As noted above, admittance is discussed with the understanding that it also applies to the inverse values of resistance and reactance.

考え得る一例においては、コンダクタンスがピークとなる周波数(たとえば、Aの周波数)とサセプタンスがピークとなる周波数(たとえば、Bの周波数)との間のある値として、加熱周波数が設定されていてもよい。別の態様においては、バッテリのコンダクタンス応答の変曲点周波数とバッテリのサセプタンス応答の変曲点周波数との間のある周波数値にて、加熱周波数が設定されていてもよい。AとBとの間の周波数ゾーンにおいて、コンダクタンスは比較的急激に小さくなり、サセプタンスは比較的急激に大きくなっている。加熱周波数は、AとBとの間の周波数ゾーンにおける値から選択されるようになっていてもよい。 In one possible example, the heating frequency may be set as a value between the frequency at which the conductance peaks (e.g., frequency A) and the frequency at which the susceptance peaks (e.g., frequency B). In another aspect, the heating frequency may be set at a frequency value between the inflection point frequency of the battery's conductance response and the inflection point frequency of the battery's susceptance response. In the frequency zone between A and B, the conductance decreases relatively rapidly and the susceptance increases relatively rapidly. The heating frequency may be selected from a value in the frequency zone between A and B.

より具体的な一例において、加熱信号の周波数は、周波数Aと周波数Bとの間の中点(たとえば、周波数X)前後の範囲に存在する。図14Aおよび図14Bを参照すると、コンダクタンスは約103Hzでピークとなり、サセプタンスは約104Hzでピークとなる。これを詳細に参照すると、コンダクタンスのピークが103Hz未満の周波数にあり、サセプタンスのピークが104Hz未満の周波数にあることが分かり、ここで「約」という用語は、グラフの正確なスケールが厳密な周波数を指定するための粒度ではなく、かわりに、図はコンダクタンスおよびサセプタンス曲線の大略的な特性を示すために使用されているという事実を表す。それにも関わらず、本例において、加熱周波数は、周波数Aと周波数Bとの間のほぼ中間である周波数Xで選定される。 In a more specific example, the frequency of the heating signal lies in a range about the midpoint between frequency A and frequency B (e.g., frequency X). With reference to Figures 14A and 14B, the conductance peaks at about 10 Hz and the susceptance peaks at about 10 Hz. With particular reference to this, it can be seen that the conductance peaks at frequencies less than 10 Hz and the susceptance peaks at frequencies less than 10 Hz, where the term "about" represents the fact that the precise scale of the graph is not of a granularity to specify exact frequencies, but instead the figures are used to show approximate characteristics of the conductance and susceptance curves. Nevertheless, in this example, the heating frequency is selected at frequency X, which is approximately halfway between frequency A and frequency B.

電気化学的および電気力学的観点から、周波数Aにおいては、充電中のセルにおける電子の総移動距離を大きくすることができ、印加されている電界の電荷の相殺を容易にする。その結果、分極率を示す他の材料がセル中に存在しないこともあり、セルは、より均一かつ多成分の電荷伝搬および電子移動に必要な高いサセプタンスに対応できない。周波数Bにおいては、サセプタンスおよび分極率が最大である一方、電子移動が大幅に減少するため、集電体のI2Rによる加熱も減少する。XのようなAとBとの間の周波数においては、導電率およびI2R加熱が高いままである一方、サセプタンスは周波数「A」よりもはるかに高く、これは、付加的な構成要素および電極面積が発熱に関与していることを示す。サセプタンスは、円筒状セル中の電極のコイル巻きによることが知られており、セル全体では比較的均一であるものと仮定できる。また、選択範囲における周波数は、化学的、電気化学的、および可能性として動電学的メカニズムと関連付けられる時定数から十分に除去され得るため、加熱中の核形成およびSEI成長が回避される。 From an electrochemical and electrodynamic point of view, at frequency A, the total distance traveled by electrons in the cell during charging can be large, facilitating the cancellation of charges in the applied electric field. As a result, there may be no other materials in the cell that exhibit polarizability, and the cell cannot support the high susceptance required for more uniform and multicomponent charge propagation and electron transfer. At frequency B, susceptance and polarizability are at their highest, while electron transfer is greatly reduced, and therefore I 2 R heating of the current collector is also reduced. At frequencies between A and B, such as X, the conductivity and I 2 R heating remain high, while the susceptance is much higher than at frequency "A," indicating that additional components and electrode area are involved in the heating. The susceptance is known to be due to the coiling of the electrodes in a cylindrical cell, and can be assumed to be relatively uniform throughout the cell. Also, frequencies in the selected range can be sufficiently removed from the time constants associated with chemical, electrochemical, and possibly electrokinetic mechanisms, thus avoiding nucleation and SEI growth during heating.

コンダクタンスの極大(変曲点)とサセプタンスの極大(変曲点)との間の周波数ゾーンは、これらの問題および利点を均衡させる周波数が選択され得るエリアを規定する。また、この周波数ゾーンは、コンダクタンスまたはサセプタンスのいずれかのみに基づいていてもよい。たとえば、コンダクタンスの変曲点における極大の識別に際しては、変曲点における周波数の何らかの範囲内の周波数が選択され得る。より詳細な一例において、この周波数は、変曲点における周波数より高くてもよい。周波数がより高くなる程度は、何らかの固定オフセットで設定されていてもよいし、変曲点におけるコンダクタンス値を下回るいくらかの差分(たとえば、割合)に基づいてもよいし、それ以外であってもよい。サセプタンスに関して、サセプタンスの変曲点における極大の識別に際しては、変曲点における周波数のある範囲内の周波数が選択され得る。より詳細な一例において、この周波数は、変曲点における周波数より低くてもよい。周波数がより低くなる程度は、何らかの固定オフセットで設定されていてもよいし、変曲点におけるサセプタンス値を下回るいくらかの差分(たとえば、割合)に基づいてもよいし、それ以外であってもよい。また、コンダクタンスまたはサセプタンスに関して、加熱周波数は、コンダクタンスまたはサセプタンスの極小に基づいて選択されるようになっていてもよく、コンダクタンスの極小よりも低い周波数またはサセプタンスの極小よりも高い周波数が選定される。図14Aおよび図14Bにおいて、サセプタンスの極小は、コンダクタンスの極大1402の周波数と同等である(わずかに低い)。 The frequency zone between the conductance maximum (inflection point) and the susceptance maximum (inflection point) defines an area within which a frequency that balances these problems and benefits may be selected. This frequency zone may also be based solely on either conductance or susceptance. For example, in identifying a maximum at a conductance inflection point, a frequency within some range of the frequency at the inflection point may be selected. In a more detailed example, this frequency may be higher than the frequency at the inflection point. The degree to which the frequency is higher may be set by some fixed offset, based on some difference (e.g., a percentage) below the conductance value at the inflection point, or otherwise. For susceptance, in identifying a maximum at a susceptance inflection point, a frequency within some range of the frequency at the inflection point may be selected. In a more detailed example, this frequency may be lower than the frequency at the inflection point. The degree to which the frequency is lower may be set by some fixed offset, may be based on some difference (e.g., a percentage) below the susceptance value at the inflection point, or may be otherwise. Also, for conductance or susceptance, the heating frequency may be selected based on the conductance or susceptance minimum, choosing a frequency lower than the conductance minimum or higher than the susceptance minimum. In Figures 14A and 14B, the susceptance minimum is the same frequency (slightly lower) as the conductance maximum 1402.

「約(about)」という用語は、当業者であれば理解できるが、その使用の背景に応じてある程度変化する。周波数、温度、電流等の値を参照する際の本明細書における使用の場合、「約」という用語は、指定された値からの±10%(±5%、±1%、および±0.1%を含む)の変動が開示の方法の実行に適当であることから、このような変動を包含するものである。 The term "about" will be understood by those of skill in the art and will vary to some extent depending on the context of its use. When used herein to refer to values of frequency, temperature, current, and the like, the term "about" is intended to encompass ±10% (including ±5%, ±1%, and ±0.1%) variations from the specified value as such variations are appropriate in the practice of the disclosed methods.

図14Aおよび図14Bの議論を含む上記の種々例において、加熱周波数は、多様な基準に基づいて選択され得る。いくつかの例において、この周波数は、変曲点、中点、または他の何らかの基準に基づき、選択される正確な数に関しては、ある程度の柔軟性があることが認識されるものとする。したがって、たとえば、変曲点を基準とする周波数は、変曲点にあってもよいし、変曲点付近にあってもよく、これは、当該値の10%以内であってもよいし、前述のその他の割合値であってもよいことを意味する。同様に、2つの周波数間の中点の場合、当該値は、中点から両側に10%以内であってもよい。 In the various examples above, including the discussion of Figures 14A and 14B, the heating frequency may be selected based on a variety of criteria. In some examples, the frequency may be based on an inflection point, a midpoint, or some other criteria, with it being recognized that there is some flexibility as to the exact number selected. Thus, for example, a frequency referenced to an inflection point may be at or near the inflection point, meaning that it may be within 10% of the value, or any other percentage value as previously mentioned. Similarly, in the case of a midpoint between two frequencies, the value may be within 10% on either side of the midpoint.

図15を参照すると、本明細書に論じるさまざまなシステムおよび方法を実現可能な1つまたは複数の演算ユニットを有する例示的なコンピュータシステム1300を詳しく説明する。コンピュータシステム1500は、コントローラの一部であってもよいし、本明細書に論じる種々実施態様と動作可能に連通していてもよいし、本明細書に論じる方法と関連するさまざまな動作を実行するようにしてもよいし、バッテリを特性化するためのさまざまなデータをオフラインで処理するようにしてもよいし、また、本明細書に論じる全体システムの一部であってもよい。コンピュータシステム1500は、本明細書に論じるさまざまな信号の処理および/または本明細書に論じるさまざまな信号の提供を行うようにしてもよい。たとえば、このようなコンピュータシステム1500には、バッテリ測定情報が提供されるようになっていてもよい。また、コンピュータシステム1500は、たとえば、さまざまな図に関して論じたコントローラ、モデル、調節/成形回路に適用可能であってもよく、また、本明細書に記載のさまざまな方法の実現に用いられるようになっていてもよい。当然のことながら、これらのデバイスの特定の実施態様は、考え得るさまざまな具体的コンピュータアーキテクチャのものであってもよく、そのすべてを本明細書において具体的に論じているわけではないが、当業者には理解されるであろう。さらに、当然のことながら、コンピュータシステムは、ASIC、FPGA、マイクロコントローラ、もしくは他のコンピュータ構成と考えること、ならびに/または、これらを含むことが可能である。このような考え得る種々実施態様においては、当業者により理解される通り、後述のより少数またはより多数の構成要素が含まれていてもよいし、相互接続および他の変更がなされていてもよい。 15, an exemplary computer system 1300 having one or more computing units capable of implementing the various systems and methods discussed herein is detailed. The computer system 1500 may be part of a controller, may be in operative communication with the various embodiments discussed herein, may perform various operations associated with the methods discussed herein, may process various data offline to characterize a battery, or may be part of an overall system discussed herein. The computer system 1500 may process and/or provide various signals discussed herein. For example, such a computer system 1500 may be provided with battery measurement information. The computer system 1500 may also be applicable to, for example, the controllers, models, and regulation/shaping circuits discussed with respect to the various figures, and may be used to implement the various methods described herein. Of course, the specific implementation of these devices may be of various possible specific computer architectures, not all of which are specifically discussed herein, but which will be understood by those skilled in the art. It will further be appreciated that the computer system may be considered and/or include an ASIC, FPGA, microcontroller, or other computer configuration. Various such possible implementations may include fewer or more of the components described below, and may have interconnections and other modifications, as will be appreciated by those skilled in the art.

コンピュータシステム1500は、コンピュータプログラム製品を実行してコンピュータプロセスを実行することができるコンピュータシステムであってもよい。コンピュータシステム1500は、データおよびプログラムファイルが入力されると、ファイルを読み出して、その中のプログラムを実行する。コンピュータシステム1500の要素の一部を図15に示すが、これには、1つもしくは複数のハードウェアプロセッサ1502、1つもしくは複数のデータ記憶装置1504、1つもしくは複数のメモリデバイス1506、ならびに/または1つもしくは複数のポート1508~1512を含む。また、コンピュータシステム1500には、当業者が認識することになる他の要素が含まれていてもよいが、図15に明示することもなければ、本明細書において別途論じることもない。コンピュータシステム1500のさまざまな要素は、図15に明示していない1つもしくは複数の通信バス、ポイントツーポイント通信経路、または他の通信手段によって、相互に通信可能である。同様に、種々実施態様において、このシステムに開示のさまざまな要素は、任意所与の実施態様に含まれていてもよいし、含まれていなくてもよい。 The computer system 1500 may be a computer system capable of executing a computer program product to execute a computer process. The computer system 1500 receives data and program files, reads the files, and executes the programs therein. Some of the elements of the computer system 1500 are shown in FIG. 15, including one or more hardware processors 1502, one or more data storage devices 1504, one or more memory devices 1506, and/or one or more ports 1508-1512. The computer system 1500 may also include other elements that one skilled in the art will recognize, but which are not explicitly shown in FIG. 15 or otherwise discussed herein. The various elements of the computer system 1500 may communicate with each other by one or more communication buses, point-to-point communication paths, or other communication means not explicitly shown in FIG. 15. Similarly, in various embodiments, the various elements disclosed in this system may or may not be included in any given embodiment.

プロセッサ1502には、たとえば中央演算処理装置(CPU)、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、ならびに/または1つもしくは複数の内部キャッシュレベルを含み得る。1つまたは複数のプロセッサ1502が存在することにより、命令の実行および動作の実行を互いに並列に行い得る単一の中央処理装置または複数の処理装置をプロセッサ1502が備えるようにしてもよい(一般的に、並列処理環境と称する)。 Processor 1502 may include, for example, a central processing unit (CPU), a microprocessor, a microcontroller, a digital signal processor (DSP), and/or one or more internal cache levels. The presence of one or more processors 1502 may result in processor 1502 having a single central processing unit or multiple processing units capable of executing instructions and performing operations in parallel with one another (commonly referred to as a parallel processing environment).

考え得るさまざまな組み合わせにて本明細書に記載の技術は、データ記憶装置1504に格納されたソフトウェア、メモリデバイス1506に格納されたソフトウェア、および/またはポート1508~1512のうちの1つまたは複数を介して伝達されたソフトウェアにおいて少なくとも一部が実現されていてもよく、したがって、図15のコンピュータシステム1500は、本明細書に記載の動作を実施するための専用マシンとなる。 In various possible combinations, the techniques described herein may be implemented at least in part in software stored in data storage device 1504, in software stored in memory device 1506, and/or in software communicated via one or more of ports 1508-1512, such that computer system 1500 of FIG. 15 is a dedicated machine for performing the operations described herein.

1つまたは複数のデータ記憶装置1504には、コンピュータプロセスを実行するためのコンピュータ実行可能命令(アプリケーションプログラムおよびコンピュータシステム1500のさまざまな構成要素を管理するオペレーティングシステム(OS)の両者の命令を含み得る)等、コンピュータシステム1500内で生成または採用されたデータを格納可能な不揮発性データ記憶装置を含み得る。データ記憶装置1504としては、磁気ディスクドライブ、光ディスクドライブ、半導体ドライブ(SSD)、フラッシュドライブ等が挙げられるが、これらに限定されない。データ記憶装置1504は、リムーバブルデータ記憶媒体、非リムーバブルデータ記憶媒体、ならびに/または1つもしくは複数のデータベース管理製品、ウェブサーバ製品、アプリケーションサーバ製品、ならびに/または他の付加的なソフトウェアコンポーネント等のコンピュータプログラム製品との有線またはワイヤレスネットワークアーキテクチャを介して利用可能となる外部記憶装置を含み得る。リムーバブルデータ記憶媒体の例としては、コンパクトディスクリードオンリーメモリ(CD-ROM)、デジタル多用途ディスクリードオンリーメモリ(DVD-ROM)、フラッシュドライブ等が挙げられる。非リムーバブルデータ記憶媒体の例としては、内部磁気ハードディスク、SSD等が挙げられる。1つまたは複数のメモリデバイス1506には、揮発性メモリ(たとえば、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)等)および/または不揮発性メモリ(たとえば、リードオンリーメモリ(ROM)、フラッシュメモリ等)を含み得る。 The one or more data storage devices 1504 may include non-volatile data storage devices capable of storing data generated or employed within the computer system 1500, such as computer executable instructions for executing computer processes, which may include instructions for both application programs and an operating system (OS) that manages the various components of the computer system 1500. Data storage devices 1504 include, but are not limited to, magnetic disk drives, optical disk drives, solid state drives (SSDs), flash drives, and the like. Data storage devices 1504 may include removable data storage media, non-removable data storage media, and/or external storage devices available via a wired or wireless network architecture with one or more computer program products, such as database management products, web server products, application server products, and/or other additional software components. Examples of removable data storage media include compact disc read-only memories (CD-ROMs), digital versatile disc read-only memories (DVD-ROMs), flash drives, and the like. Examples of non-removable data storage media include internal magnetic hard disks, SSDs, and the like. The one or more memory devices 1506 may include volatile memory (e.g., dynamic random access memory (DRAM), static random access memory (SRAM), etc.) and/or non-volatile memory (e.g., read-only memory (ROM), flash memory, etc.).

本明細書に記載の技術に係るシステムおよび方法を実現するメカニズムを含むコンピュータプログラム製品は、マシン可読媒体と称し得るデータ記憶装置1504および/またはメモリデバイス1506に存在していてもよい。当然のことながら、マシン可読媒体には、マシンにより実行する本開示の動作のうちの任意の1つもしくは複数を実行する命令の格納もしくは符号化、または、このような命令による利用もしくはこのような命令との関連付けがなされるデータ構造および/もしくはモジュールの格納もしくは符号化が可能な任意の非一過性有形媒体を含み得る。マシン可読媒体には、1つまたは複数の実行可能命令またはデータ構造を格納する1つまたは複数の媒体(たとえば、集中型もしくは分散型データベース、ならびに/または関連するキャッシュおよびサーバ)を含み得る。 A computer program product including mechanisms for implementing the systems and methods of the techniques described herein may reside in data storage device 1504 and/or memory device 1506, which may be referred to as a machine-readable medium. Of course, a machine-readable medium may include any non-transitory tangible medium capable of storing or encoding instructions for performing any one or more of the operations of the present disclosure performed by a machine, or storing or encoding data structures and/or modules utilized by or associated with such instructions. A machine-readable medium may include one or more media (e.g., a centralized or distributed database, and/or associated caches and servers) that store one or more executable instructions or data structures.

いくつかの実施態様において、コンピュータシステム1500は、他のコンピュータ機器、ネットワーク機器、または車両機器と通信するための入出力(I/O)ポート1508、通信ポート1510、およびサブシステムポート1512等、1つまたは複数のポートを具備する。当然のことながら、ポート1508~1512は、結合されていてもよいし分離されていてもよく、また、コンピュータシステム1500に含まれるポートは、これより多くてもよいし、少なくてもよい。I/Oポート1508は、コンピュータシステム1500に対する情報の入力または出力を行うI/O装置等の装置に接続されていてもよい。このようなI/O装置としては、1つもしくは複数の入力装置、出力装置、ならびに/または環境トランスデューサ装置が挙げられるが、これらに限定されない。 In some embodiments, computer system 1500 includes one or more ports, such as input/output (I/O) port 1508, communication port 1510, and subsystem port 1512, for communicating with other computer, network, or vehicle equipment. Of course, ports 1508-1512 may be combined or separated, and computer system 1500 may include more or fewer ports. I/O port 1508 may be connected to devices, such as I/O devices, that input or output information to computer system 1500. Such I/O devices may include, but are not limited to, one or more input devices, output devices, and/or environmental transducer devices.

一実施態様において、入力装置は、I/Oポート1508を介して、人間の声、動作、身体による接触もしくは圧力、ならびに/またはこれらに類似するような人間が生成した信号をコンピュータシステム1500への入力データとして電気信号に変換する。いくつかの例において、このような入力は、先行図に関して論じたさまざまなシステムおよび方法とは異なる場合がある。同様に、出力装置は、I/Oポート1508を介してコンピュータシステム1500から受信した電気信号を、本明細書に論じるさまざまな方法およびシステムにより検知または使用可能な信号へと変換するようにしてもよい。入力装置は、I/Oポート1508を介してプロセッサ1502に情報および/またはコマンド選択を伝達するための英数字等のキーを含む英数字入力装置であってもよい。 In one embodiment, the input device converts human-generated signals, such as human voice, motion, physical touch or pressure, and/or the like, into electrical signals as input data to the computer system 1500 via the I/O port 1508. In some examples, such inputs may be different than the various systems and methods discussed with respect to the preceding figures. Similarly, the output device may convert electrical signals received from the computer system 1500 via the I/O port 1508 into signals that can be detected or used by the various methods and systems discussed herein. The input device may be an alphanumeric input device including keys, such as alphanumeric characters, for communicating information and/or command selections to the processor 1502 via the I/O port 1508.

環境トランスデューサ装置は、I/Oポート1508を介したコンピュータシステム1500への入力またはコンピュータシステム1500からの出力のため、ある形態のエネルギーまたは信号を別のものに変換する。たとえば、コンピュータシステム1500内で生成された電気信号が別の種類の信号に変換されること、および/または、その逆が考えられる。一実施態様において、環境トランスデューサ装置は、バッテリ電圧、開回路バッテリ電圧、充電電流、バッテリ温度、光、音、温度、圧力、磁界、電界、化学的特性、および/またはこれらの類似特性等、コンピュータ機器1500の近傍またはコンピュータ機器1500の遠隔の環境の特性または態様を検知する。 The environmental transducer device converts one form of energy or signal into another for input to or output from the computer system 1500 via the I/O port 1508. For example, an electrical signal generated within the computer system 1500 may be converted into another type of signal, and/or vice versa. In one embodiment, the environmental transducer device senses characteristics or aspects of the environment proximate to or remote from the computer equipment 1500, such as battery voltage, open circuit battery voltage, charging current, battery temperature, light, sound, temperature, pressure, magnetic field, electric field, chemical properties, and/or similar properties.

一実施態様においては、本明細書に記載の方法およびシステムの実行のほか、情報およびそれが決定するネットワーク構成の変化の送信において有用なネットワークデータをコンピュータシステム1500が受信し得るネットワークに対して、通信ポート1510が接続されていてもよい。たとえば、充電プロトコルの更新、バッテリ測定または計算データの外部システムとの共有等がなされるようになっていてもよい。通信ポート1510は、1つまたは複数の有線またはワイヤレス通信ネットワークまたは接続によりコンピュータシステム1500と他の機器との間で情報の送信および/または受信を行うように構成された1つまたは複数の通信インターフェース機器に対してコンピュータシステム1500を接続する。このようなネットワークまたは接続の例としては、ユニバーサルシリアルバス(USB)、イーサネット、Wi-Fi、Bluetooth(登録商標)、近距離無線通信(NFC)、ロングタームエボリューション(LTE)等が挙げられるが、これらに限定されない。1つまたは複数のこのような通信インターフェース機器は、ポイントツーポイント通信経路を介して直接、ワイドエリアネットワーク(WAN)(たとえば、インターネット)を介して、ローカルエリアネットワーク(LAN)を介して、セルラー(たとえば、第3世代(3G)、第4世代(4G)、第5世代(5G))ネットワークを介して、または別の通信手段を介して、通信ポート1510を介した1つまたは複数の他のマシンとの通信に利用され得る。 In one embodiment, the communication port 1510 may be connected to a network from which the computer system 1500 may receive network data useful in performing the methods and systems described herein, as well as transmitting information and network configuration changes it determines. For example, charging protocol updates, sharing battery measurement or computational data with external systems, etc. The communication port 1510 connects the computer system 1500 to one or more communication interface devices configured to transmit and/or receive information between the computer system 1500 and other devices over one or more wired or wireless communication networks or connections. Examples of such networks or connections include, but are not limited to, Universal Serial Bus (USB), Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, Near Field Communication (NFC), Long Term Evolution (LTE), etc. One or more such communication interface devices may be utilized to communicate with one or more other machines via communication port 1510 directly over a point-to-point communication path, via a wide area network (WAN) (e.g., the Internet), via a local area network (LAN), via a cellular (e.g., third generation (3G), fourth generation (4G), fifth generation (5G)) network, or via another communication means.

コンピュータシステム1500は、本明細書に記載の方法およびシステムに従って充電されるデバイスと関連する1つまたは複数のシステムとの通信により、当該デバイスの動作の制御ならびに/またはコンピュータシステム1500と当該デバイスの1つもしくは複数のサブシステムとの間の情報の交換を行うためのサブシステムポート1512を具備していてもよい。車両に関するこのようなサブシステムの例としては、モータコントローラおよびシステム、バッテリ制御システム等が挙げられるが、これらに限定されない。 Computer system 1500 may include a subsystem port 1512 for communicating with one or more systems associated with a device to be charged in accordance with the methods and systems described herein to control the operation of the device and/or exchange information between computer system 1500 and one or more subsystems of the device. Examples of such subsystems for a vehicle include, but are not limited to, motor controllers and systems, battery control systems, etc.

図15に記載のシステムは、本開示の態様を採用可能または本開示の態様に従って構成可能なコンピュータシステムの考え得る一例にすぎない。当然のことながら、本明細書に開示の技術をコンピュータシステム上で実現するためのコンピュータ実行可能命令を格納した他の非一過性有形コンピュータ可読記憶媒体が利用されるようになっていてもよい。 The system depicted in FIG. 15 is merely one possible example of a computer system that may employ or be configured in accordance with aspects of the present disclosure. Of course, other non-transitory, tangible, computer-readable storage media may be utilized that store computer-executable instructions for implementing the techniques disclosed herein on a computer system.

本開示の実施形態には、本明細書に記載のさまざまな動作を含む。これらの動作は、ハードウェアコンポーネントによる実行またはマシン実行可能命令での具現化がなされていてもよく、これらの命令でプログラムされた汎用または専用プロセッサによる当該動作の実行に用いられるようになっていてもよい。あるいは、これらの動作は、ハードウェア、ソフトウェア、および/またはファームウェアの組み合わせにより実行されるようになっていてもよい。 Embodiments of the present disclosure include various operations described herein. These operations may be performed by hardware components or embodied in machine-executable instructions that may be used to perform the operations by a general-purpose or special-purpose processor programmed with these instructions. Alternatively, these operations may be performed by a combination of hardware, software, and/or firmware.

本開示の範囲から逸脱することなく、記載の例示的な実施形態に対して、種々改良および追加が可能である。たとえば、上述の実施形態(実施態様または例とも称する)は、特定の特徴を表すものの、本発明の範囲には、特徴の異なる組み合わせを含む実施形態および上記特徴のすべてを含むわけではない実施形態も含む。したがって、本発明の範囲は、このようなすべての代替、改良、および変形をそれぞれの同等物とともに含むことが意図される。 Various modifications and additions can be made to the exemplary embodiments described without departing from the scope of the present disclosure. For example, while the above-described embodiments (also referred to as implementations or examples) depict certain features, the scope of the present invention also includes embodiments including different combinations of features and embodiments that do not include all of the above features. Accordingly, the scope of the present invention is intended to include all such alternatives, modifications, and variations, together with their respective equivalents.

特定の実施態様、例、および実施形態(本明細書において同義で使用する用語)について論じたが、例示を目的としているにすぎないことが了解されるものとする。当業者であれば、本開示の思想および範囲から逸脱することなく、他の構成要素および構成を使用可能であることが認識されよう。このため、上記説明および図面は、例示であり、何ら限定的なものとは解釈されないものとする。本開示の完全な理解が得られるように、多くの具体的詳細を記載する。ただし、特定の例においては、説明が不明瞭とならないように、周知または従来の詳細については記載していない。 Although specific implementations, examples, and embodiments (terms used interchangeably herein) have been discussed, it is to be understood that they are for illustrative purposes only. Those skilled in the art will recognize that other components and configurations can be used without departing from the spirit and scope of the present disclosure. For this reason, the above description and drawings are to be taken as illustrative and not limiting in any way. Numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present disclosure. However, in certain instances, well-known or conventional details are not set forth in order to avoid obscuring the description.

「一実施形態」への言及は、当該実施形態に関連して記載の特定の特徴、構造、または特性が本開示の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書のさまざまな箇所に現れる「一実施形態において(in one embodiment)」という表現、同様に「一例において(in one exampleまたはin one instance)」という表現、または類似の表現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を表すわけでもなければ、他の実施形態と相互に排他的な別個または代替の実施形態を表すわけでもない。さらに、さまざまな特徴を記載するが、これらは、いくつかの実施形態では示される一方、他の実施形態では示されない場合もある。 Reference to "one embodiment" means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with that embodiment is included in at least one embodiment of the disclosure. The appearances of the phrase "in one embodiment," as well as the phrase "in one example" or "in one instance," or similar phrases in various places throughout this specification, do not necessarily all refer to the same embodiment or to separate or alternative embodiments that are mutually exclusive of other embodiments. Furthermore, various features are described that may be exhibited in some embodiments but not in other embodiments.

本明細書において使用する用語は一般的に、本開示の背景および各用語が使用される特定の背景において、当該技術分野における通常の意味を有する。また、本明細書に論じる用語のいずれか1つまたは複数に対して代替表現および同義語を使用可能であり、本明細書における用語の詳述または説明の有無を特別に重視すべきではない。場合によっては、特定の用語の同義語が与えられる。1つまたは複数の同義語の記載は、他の同義語の使用を排除するものではない。本明細書に論じる任意の用語の例を含め、本明細書のあらゆる箇所における例の使用は、例示にすぎず、本開示または任意の例示的な用語の範囲および意味をさらに限定する意図はない。同様に、本開示は、本明細書に記載の種々実施形態に限定されない。 The terms used herein generally have their ordinary meaning in the art, in the context of this disclosure and in the particular context in which each term is used. In addition, alternative expressions and synonyms may be used for any one or more of the terms discussed herein, and no special emphasis should be placed on the recitation or explanation of a term in this specification. In some cases, synonyms of a particular term are provided. The recitation of one or more synonyms does not exclude the use of other synonyms. The use of examples anywhere in this specification, including examples of any term discussed herein, is for illustrative purposes only and is not intended to further limit the scope and meaning of the disclosure or any exemplary term. Similarly, the disclosure is not limited to the various embodiments described herein.

本開示の範囲を制限する意図なく、本開示の実施形態に係る器具、装置、方法、およびそれぞれに関連する結果の例を以上に示した。なお、読者の便宜のため、例にはタイトルまたはサブタイトルを使用する場合があるものの、これは、本開示の範囲を制限するものではない。別段の定義のない限り、本明細書に使用の技術的および科学的用語は、本開示が関連する技術分野の当業者が通常理解するような意味を有する。矛盾が生じた場合は、定義を含めて本明細書が優先される。 Without intending to limit the scope of the disclosure, examples of instruments, devices, methods, and their associated results according to embodiments of the disclosure are provided above. For the convenience of the reader, the examples may be given titles or subtitles, but this is not intended to limit the scope of the disclosure. Unless otherwise defined, technical and scientific terms used herein have the meanings that are commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the disclosure pertains. In the event of any conflict, the present specification, including definitions, will control.

本開示のさまざまな特徴および利点を上記説明に記載したが、その一部は、説明から明らかとなるか、または、本明細書に開示の原理の実践により把握することができる。本開示の特徴および利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される器具および組み合わせによって実現・取得され得る。 Various features and advantages of the present disclosure have been set forth in the foregoing description, and some will be apparent from the description or may be learned by practice of the principles disclosed herein. The features and advantages of the present disclosure may be realized and obtained by means of the instruments and combinations particularly pointed out in the appended claims.

Claims (33)

バッテリを加熱する方法であって、
ある期間にわたって、後縁で終端する本体部分へと上昇する正弦波状の前縁を規定するとともに、前記期間の第1の割合を規定する第1の部分と、前記第1の部分の前記後縁に続く交流電流を含み、前記期間の第2の割合を規定する第2の部分と、を含む繰り返し信号を生成してバッテリに印加することであって、前記第1の割合および前記第2の割合が、前記期間を構成する、ことを含む、方法。
1. A method for heating a battery, comprising:
1. A method comprising: generating and applying to a battery a repetitive signal defining a sinusoidal leading edge over a period of time that rises into a body portion terminating in a trailing edge, the repetitive signal including a first portion defining a first percentage of the period, and a second portion including an alternating current following the trailing edge of the first portion and defining a second percentage of the period, the first percentage and the second percentage constituting the period.
前記繰り返し信号が、電流信号である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the repetitive signal is a current signal. 前記正弦波状の前縁が、前記バッテリに印加された場合に、他の高調波と比較して相対的に低いインピーダンスを有する第1の高調波と関連付けられている第1の周波数である、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the sinusoidal leading edge is a first frequency associated with a first harmonic that has a relatively low impedance when applied to the battery compared to other harmonics. 前記交流電流が、約ゼロアンペアを中心とする、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the alternating current is centered around zero amperes. 前記交流電流が、正の電流部分および負の電流部分を有する正弦波を規定する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the alternating current defines a sine wave having a positive current portion and a negative current portion. 前記交流電流が、正の直流オフセットを伴って印可される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the AC current is applied with a positive DC offset. 前記正弦波状の前縁が、第2の高調波のインピーダンスが前記第1の高調波のインピーダンスよりも低い場合、前記第2の高調波の第2の周波数に変更される、請求項3に記載の方法。 The method of claim 3, wherein the sinusoidal leading edge is changed to a second frequency of the second harmonic if the impedance of the second harmonic is lower than the impedance of the first harmonic. 前記第2の部分が、前記バッテリの温度が閾値付近まで上昇した場合、交流電流からゼロ充電電流になる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the second portion goes from alternating current to zero charging current when the temperature of the battery rises to about a threshold. 前記バッテリの前記温度が、検知温度に基づく、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the temperature of the battery is based on a sensed temperature. 前記バッテリの前記温度が、前記繰り返し信号の印加時間に基づき、前記第2の部分が、前記交流電流を含む、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the temperature of the battery is based on a time of application of the repetitive signal, and the second portion includes the alternating current. 前記繰り返しパターンが、前記バッテリ温度が閾値を下回る場合に前記バッテリに印加される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the repeating pattern is applied to the battery when the battery temperature is below a threshold. 交流電流信号を生成してある温度を下回る前記バッテリに印加した後、前記バッテリが前記温度に達した場合、前記第1の部分および前記第2の部分を含む前記繰り返し信号を生成することをさらに含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, further comprising generating and applying an alternating current signal to the battery below a certain temperature, and then generating the repeating signal including the first portion and the second portion when the battery reaches the temperature. バッテリの充電方法であって、
第1の高調波および第2の高調波を少なくとも含む複数の高調波を含むプローブ信号をバッテリに印加することと、
前記プローブ信号に基づく前記バッテリでの電圧応答および電流応答を取得することと、
前記電圧応答および前記電流応答に基づいて、前記第1の高調波の第1のインピーダンスおよび前記第2の高調波の第2のインピーダンスを少なくとも含むインピーダンススペクトルを生成することであって、前記第1のインピーダンスが、前記第2のインピーダンスよりも低い、ことと、
前記第1の高調波の周波数の正弦波状の前縁を含む充電信号を生成して前記バッテリに印加することと、
を含む、充電方法。
1. A method for charging a battery, comprising:
applying a probe signal including a plurality of harmonics including at least a first harmonic and a second harmonic to the battery;
obtaining a voltage response and a current response at the battery based on the probe signal;
generating an impedance spectrum based on the voltage response and the current response, the impedance spectrum including at least a first impedance of the first harmonic and a second impedance of the second harmonic, the first impedance being lower than the second impedance;
generating and applying to the battery a charging signal including a sinusoidal leading edge at a frequency of the first harmonic;
Including, charging method.
前記充電信号が、前記正弦波状の前縁に本体部分が続く繰り返し信号であって、前記本体部分に、交流電流波形を含む加熱部分が続く、請求項13に記載の充電方法。 The charging method of claim 13, wherein the charging signal is a repeating signal in which the sinusoidal leading edge is followed by a body portion, and the body portion is followed by a heating portion that includes an alternating current waveform. 前記交流電流波形が、ゼロアンペアを中心とする、請求項14に記載の充電方法。 The charging method of claim 14, wherein the alternating current waveform is centered around zero amperes. 前記プローブ信号が、ゼロアンペアを中心とする方形波である、請求項13に記載の充電方法。 The charging method of claim 13, wherein the probe signal is a square wave centered at zero amperes. 前記方形波が、約30ミリ秒の期間にわたって、50%のデューティサイクルである、請求項16に記載の充電方法。 The charging method of claim 16, wherein the square wave has a 50% duty cycle over a period of approximately 30 milliseconds. 温度を考慮するバッテリの充電方法であって、
現在のバッテリ温度に基づいて、最大電流での持続充電後の時点で前記バッテリを過熱させない電流である第1の充電電流を識別するとともに、前記バッテリの前記現在温度で使用され得る電流である第2の充電電流を識別することと、
前記第1の充電電流または前記第2の充電電流の低い方で前記バッテリの充電信号を開始することと、
を含む、充電方法。
A method of charging a battery that takes temperature into account, comprising:
Identifying a first charging current based on a current battery temperature, the first charging current being a current that will not overheat the battery at a time after maximum current sustained charging, and identifying a second charging current being a current that may be used at the current temperature of the battery;
initiating a charging signal for the battery at the lower of the first charging current or the second charging current;
Including, charging method.
前記第1の充電電流を識別することが、周囲温度にさらに基づく、請求項18に記載の充電方法。 The charging method of claim 18, wherein identifying the first charging current is further based on an ambient temperature. 前記第1の充電電流および前記第2の充電電流が、いずれかの電流の供給能力により制限される、請求項18に記載の充電方法。 The charging method according to claim 18, wherein the first charging current and the second charging current are limited by the supply capacity of either of the currents. 前記第1の充電電流または前記第2の充電電流が、前記充電信号の繰り返し部分の平均電流であって、前記繰り返し部分は、第2の部分が続く第1の部分を含み、前記第1の部分は、本体部分が続く正弦波状の前縁を含む、請求項18に記載の充電方法。 The charging method of claim 18, wherein the first charging current or the second charging current is an average current of a repetitive portion of the charging signal, the repetitive portion including a first portion followed by a second portion, and the first portion including a sinusoidal leading edge followed by a main portion. 前記第2の部分が、ゼロアンペアにおける休止部分である、請求項21に記載の充電方法。 The charging method of claim 21, wherein the second portion is a rest portion at zero amperes. 前記平均電流が、前記正弦波状の前縁および前記本体部分のピーク電流を規定するために使用される、請求項22に記載の充電方法。 The charging method of claim 22, wherein the average current is used to define the leading edge of the sinusoid and the peak current of the main body portion. 前記第2の部分が、非ゼロDC充電電流であり、前記平均電流が、前記正弦波状の前縁および前記本体部分のピーク電流、ならびに前記非ゼロDC充電電流を規定する、請求項21に記載の充電方法。 22. The charging method of claim 21, wherein the second portion is a non-zero DC charging current, and the average current defines the sinusoidal leading edge and peak current of the body portion and the non-zero DC charging current. バッテリを加熱する方法であって、
コンダクタンス応答における変曲点での周波数よりも高いか、または、サセプタンス応答における変曲点での周波数よりも低い周波数の交流電流をバッテリに印加して前記バッテリを加熱することを含む、方法。
1. A method for heating a battery, comprising:
A method comprising applying an alternating current to a battery at a frequency higher than an inflection point in a conductance response or lower than an inflection point in a susceptance response to heat the battery.
前記周波数が、コンダクタンス応答における変曲点での周波数よりも高く、かつ、サセプタンス応答における変曲点での周波数よりも低い、請求項25に記載の方法。 The method of claim 25, wherein the frequency is higher than the frequency at an inflection point in the conductance response and lower than the frequency at an inflection point in the susceptance response. バッテリを加熱する方法であって、前記バッテリのコンダクタンス応答が低下し、前記バッテリのサセプタンス応答が上昇する周波数の交流電流を前記バッテリに印加して前記バッテリを加熱することを含む、方法。 A method for heating a battery, comprising applying an alternating current to the battery at a frequency that decreases the conductance response of the battery and increases the susceptance response of the battery to heat the battery. 前記周波数が、前記コンダクタンス応答が低下し始める周波数よりも高く、かつ、前記サセプタンス応答が低下し始める周波数よりも低い、請求項27に記載のバッテリを加熱する方法。 The method for heating a battery of claim 27, wherein the frequency is higher than the frequency at which the conductance response begins to degrade and lower than the frequency at which the susceptance response begins to degrade. 前記コンダクタンス応答が低下し始める前記周波数が、前記コンダクタンス応答が極大となる変曲点にある、請求項28に記載のバッテリを加熱する方法。 The method for heating a battery according to claim 28, wherein the frequency at which the conductance response begins to decrease is at an inflection point where the conductance response is at a maximum. 前記サセプタンス応答が低下し始める前記周波数が、前記サセプタンス応答が極大となる変曲点にある、請求項28に記載のバッテリを加熱する方法。 The method for heating a battery according to claim 28, wherein the frequency at which the susceptance response begins to decrease is at an inflection point at which the susceptance response is at a maximum. 前記周波数が、前記バッテリの前記コンダクタンス応答が上昇した後に低下し始める付近の第1の周波数と、前記バッテリの前記サセプタンス応答が上昇した後に低下し始める付近の第2の周波数と、の間の範囲にある、請求項27に記載のバッテリを加熱する方法。 28. The method of heating a battery of claim 27, wherein the frequency is in a range between a first frequency near where the conductance response of the battery begins to increase and then decrease, and a second frequency near where the susceptance response of the battery begins to increase and then decrease. 前記第1の周波数が、前記コンダクタンス応答が上昇から低下に移行する前記コンダクタンス応答の変曲点にある、請求項31に記載のバッテリを加熱する方法。 The method of heating a battery of claim 31, wherein the first frequency is at an inflection point of the conductance response where the conductance response transitions from increasing to decreasing. 前記第2の周波数が、前記サセプタンス応答が上昇から低下に移行する前記サセプタンス応答の変曲点にある、請求項31に記載のバッテリを加熱する方法。 The method of heating a battery of claim 31, wherein the second frequency is at an inflection point of the susceptance response where the susceptance response transitions from increasing to decreasing.
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