単位蓄電池が組み合わされたバッテリのための充電均等化システム
【課題】 直列接続された複数の蓄電池ブロックを有するバッテリのための、高効率な充電均等化システムを提供する。
【解決手段】 この充電均等化システムは、インダクタンスと、カソードを介してインダクタンスの一端に連結されており、アノードを介して蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）の負極に連結される第１ダイオードと、アノードを介してインダクタンスの他端に連結されており、カソードを介して蓄電池ブロックの正極に連結される第２ダイオードと、第２ダイオードのアノードに連結されており、バッテリの負極に連結される第１制御スイッチと、第１ダイオードのカソードに連結されており、バッテリの正極に連結される第２制御スイッチとを有し、蓄電池ブロックに組み合わされる充電装置（５）と、充電される蓄電池ブロックに組み合わされた充電装置の第１および第２制御スイッチを開閉するように構成されている、充電装置の制御装置（３）とを備えている。
【解決手段】 この充電均等化システムは、インダクタンスと、カソードを介してインダクタンスの一端に連結されており、アノードを介して蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）の負極に連結される第１ダイオードと、アノードを介してインダクタンスの他端に連結されており、カソードを介して蓄電池ブロックの正極に連結される第２ダイオードと、第２ダイオードのアノードに連結されており、バッテリの負極に連結される第１制御スイッチと、第１ダイオードのカソードに連結されており、バッテリの正極に連結される第２制御スイッチとを有し、蓄電池ブロックに組み合わされる充電装置（５）と、充電される蓄電池ブロックに組み合わされた充電装置の第１および第２制御スイッチを開閉するように構成されている、充電装置の制御装置（３）とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電気式およびハイブリッド式の走行体、および組み込みシステムの分野において用いることができる、電気化学蓄電池が組み合わされたバッテリのための充電均等化システムに関する。本発明は、特に、軽量であり、かつ多量の電気エネルギーを蓄積することができるために、この種の利用に極めて適するリチウムイオン（Ｌｉイオン）タイプのバッテリに関する。本発明は、スーパーキャパシタにも適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
電気化学蓄電池は、数ボルト程度、より詳細には、リン酸鉄を主成分とするＬｉイオン蓄電池において、３．３Ｖ、コバルト酸化物を主成分とするＬｉイオン蓄電池において、４．２Ｖの公称電圧を有している。この電圧が、電力を供給されるシステムの要求に比して低すぎる場合には、いくつかの単位蓄電池が直列に配置される。さらに、利用可能な容量を増やして、より高い電流および電力を供給するために、直列に組み合わされた各単位蓄電池に、並列に接続された１つ以上の単位蓄電池を並列に配置することも可能である。したがって、並列に組み合わされた複数の単位蓄電池は、蓄電池ブロックを形成する。１つの蓄電池ブロックは、少なくとも１つの単位蓄電池から成っている。所望の電圧レベルを得るために、複数の蓄電池ブロックが直列に接続される。単位蓄電池の組み合わせは、組み合わされたバッテリと呼ばれる。
【０００３】
蓄電池の充電および放電は、それぞれ、その蓄電池の端子間電圧の上昇および下降に反映される。蓄電池は、電気化学的プロセスによって定められる電圧レベルに達している場合に、充電状態または放電状態にあると考えられる。いくつかの蓄電池ブロックを用いている回路においては、各蓄電池ブロックを流れる電流は、すべて同じである。したがって、各蓄電池ブロックの充電レベルおよび放電レベルは、その蓄電池ブロックの単位蓄電池の固有の特性、すなわち電解質や、電極と電解質との間のコンタクトの固有容量、および直列および並列の内部抵抗に依存する。したがって、製造上や経年変化上の差異によって、蓄電池ブロック間に電圧差が発生する可能性がある。
【０００４】
Ｌｉイオン蓄電池においては、閾値電圧と呼ばれる電圧より過度に高い電圧、または過度に低い電圧になると、Ｌｉイオン蓄電池が損傷したり、破損したりする場合がある。例えばコバルト酸化物を主成分とするＬｉイオン蓄電池の過充電によって、熱暴走が生じ、出火する場合がある。リン酸鉄を主成分とするＬｉイオン蓄電池については、過充電によって、電解質の分解がもたらされる。それによって、Ｌｉイオン蓄電池の寿命が短縮され、またＬｉイオン蓄電池が損傷する場合がある。電圧が例えば２Ｖ未満に達するような過放電が生じると、負極が銅から成る場合には、主として、負極の電流コレクタが酸化し、したがって、Ｌｉイオン蓄電池が劣化する。したがって、充電および放電の際には、安全性と信頼性の確保のために、各蓄電池ブロックの端子間電圧の監視が必要である。いわゆる監視装置を、各蓄電池ブロックに並列に配置することによって、この機能の遂行は可能になる。
【０００５】
監視装置の機能は、１つの蓄電池ブロックの電圧が閾値電圧に達したときに、バッテリの充電や放電を停止するために、各蓄電池ブロックの充電状態および放電状態を追跡して、制御回路にその情報を伝達することである。しかしながら、いくつかの蓄電池ブロックが直列に配置されているバッテリでは、最も強く充電された蓄電池ブロックが、その閾値電圧に達したときに充電が停止されると、他の蓄電池ブロックは十分に充電されていない場合がある。逆に、最も強く放電した蓄電池ブロックが、その閾値電圧に達したときに放電が停止されると、他の蓄電池ブロックは十分に放電していない場合がある。したがって、全ての蓄電池ブロックの充電状態が最良になるわけではない。これは、走行距離や駆動時間に関して高い制約を有する電気式およびハイブリッド式の走行体、および組み込みシステムへの応用において大きな問題となる。この問題を克服するために、監視装置は、一般に、充電均等化装置と組み合わされる。
【０００６】
充電均等化装置の機能は、直列に接続されている複数の蓄電池ブロックを、同一の充電状態および／または放電状態にすることによって、バッテリの充電状態、したがって、走行・航続距離を最適にすることである。２つのカテゴリーの充電均等化装置、すなわち、いわゆるエネルギー散逸に基づく充電均等化装置と、いわゆるエネルギー移動に基づく充電均等化装置とが存在する。
【０００７】
エネルギー散逸に基づく充電均等化装置においては、閾値電圧に達した蓄電池ブロック（１つ以上の）の充電電流をそらすことによって、蓄電池ブロックの端子間電圧が一定にされる。一変形例として、閾値電圧に達した蓄電池ブロック（１つ以上の）を放電させることによって、蓄電池ブロックの端子間電圧が一定にされる。しかしながら、そのようなエネルギー散逸に基づく充電均等化装置には、バッテリの充電に必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを消費するという大きな欠点が存在する。実際、まだ充電が完了していない最後の蓄電池（１つ以上の）の充電を完了させるために、多数の蓄電池を放電させるか、または多数の蓄電池の充電電流をそらす必要がある。したがって、散逸エネルギーは、充電の完了に必要なエネルギーよりはるかに大きくなる場合がある。さらに、過剰エネルギーは、熱として散逸する。それは、電気式およびハイブリッド式の走行体、および組み込みシステムへの応用における、できるだけコンパクトに集積化しなければならないという制約、および蓄電池の寿命を短くしないために、温度上昇を極力避けなければならないという制約と両立しない。
【０００８】
エネルギー移動に基づく充電均等化装置においては、単位蓄電池が組み合わされたバッテリ全体または補助エネルギー網と、蓄電池ブロックとの間でエネルギー交換が行なわれる。
【０００９】
例えば特許文献１は、多数の出力を有し、蓄電素子として結合インダクタンスを用いる「フライバック」構造を介して、補助エネルギー網から蓄電池ブロックにエネルギーを移動させることができる充電均等化装置を開示している。このフライバック構造は、この発明に専用の特殊な部品である。したがって、このような部品のコストは、それによって満たされる機能に比して法外に高い。
【００１０】
さらに、特許文献２は、蓄電池ブロックから、バッテリ全体にエネルギーを移動させることができ、蓄電素子として単位蓄電池毎のインダクタンスを用いる充電均等化装置を開示している。しかしながら、この充電均等化装置では、バッテリ全体の充電を均等化するためのエネルギー移動が、電気式およびハイブリッド式の走行体、および組み込みシステムへの応用において最適に遂行されるようにはなされていない。実際、バッテリの充電終了は、最後の蓄電池ブロックの閾値電圧への到達によって決定される。バッテリの充電を完了させるために、エネルギーが１つ以上の蓄電池ブロックから取り出されて、蓄電池ブロックの全体に戻される。このとき、完全には充電されていない蓄電池ブロック（１つ以上の）が存在する場合に、取り出されたエネルギーが、エネルギーを必要としているそれらの蓄電池ブロック（１つ以上の）に優先的に移されることはなく、また、エネルギーを取り出された蓄電池ブロック（１つ以上の）に移されることもない。したがって、この充電均等化においては、エネルギーを移された蓄電池ブロックが、過度に高電圧まで充電されないように、充電の終了時に、蓄電池ブロック全体からエネルギーを取り出す必要がある。したがって、この充電均等化の遂行には、多数のコンバータの作動が必要であるため、大きな損失が伴う。さらに、既に充電を終えた単位蓄電池には、利用されない交流電流成分や直流電流成分が流れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５６５９２３７号公報
【特許文献２】中国特許公開第１９０５２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明は、従来技術のこれらの欠点を伴わない、改良された充電均等化システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的を達成するために、本発明は、１つの蓄電池、または並列に接続された少なくとも２つの蓄電池をそれぞれに有している、直列に接続された少なくとも２つの蓄電池ブロックを備えているバッテリのための、次のものを具備している充電均等化システムを提供する。
− 各蓄電池ブロックに１つずつ組み合わされる充電装置であって、各充電装置は、
・ エネルギーを蓄えるための少なくとも１つのインダクタンスと、
・ カソードを介して、インダクタンスの２つの端のうちの一方の端に連結されており、アノードを介して、蓄電池ブロックの負極に連結される、少なくとも１つの第１のダイオードと、アノードを介して、インダクタンスの２つの端のうちの他方の端に連結されており、カソードを介して、蓄電池ブロックの正極に連結される、少なくとも１つの第２のダイオードと、
・ 第２のダイオードのアノードに連結されており、バッテリの負極に連結される、少なくとも１つの第１の制御スイッチと、第１のダイオードのカソードに連結されており、バッテリの正極に連結される、少なくとも１つの第２の制御スイッチとを
備えている充電装置と、
− 上述の少なくとも１つのインダクタンスにエネルギーを蓄えさせるために、充電される蓄電池ブロックに組み合わされた充電装置の第１および第２の制御スイッチを閉じるように、また充電される蓄電池ブロックにエネルギーを送るために、第１および第２の制御スイッチを開くように構成されている、充電装置を制御するための制御装置。
【００１４】
この充電均等化システムは、さらに、次の特性の１つ以上を個別に、または組み合わせて備えている場合がある。
− 制御装置は、充電を行うために、同じ充電装置の第１の制御スイッチと第２の制御スイッチとを同時に閉じるように構成されている。
− 制御装置は、あらかじめ定められた通電期間の後に、第１および第２の制御スイッチを開くように構成されている。
− 充電装置は、充電中、その充電装置に組み合わされる蓄電池ブロックおよびバッテリの電圧レベルに無関係に、不連続通電モードで動作するように構成されている。
− あらかじめ定められた通電期間は、各蓄電池ブロックに対する充電装置が不連続通電モードで動作するように計算されている。
− 制御装置は、充電中、充電装置の第１の制御スイッチおよび第２の制御スイッチを、通電期間と、一定であるスイッチ開期間とに応じて、それぞれ閉状態と開状態とに保つように構成されている。
− 制御装置は、充電されることになる蓄電池ブロックの端子に接続された充電装置を、時間をずらしながら順次に制御するように構成されている。
− バッテリは、少なくとも１つの基本モジュールを有しており、これらの少なくとも１つの基本モジュールは、直列接続された複数の蓄電池ブロックを有しており、充電均等化システムは、さらに、これらの少なくとも１つの基本モジュールの端子に接続される、さらなる充電装置を備えている。
− バッテリは、直列に配置された複数の基本モジュールを有しており、充電均等化システムは、あらかじめ定められた数の基本モジュールから成る１つ以上のモジュールの各々の端子に接続される、さらなる充電装置を備えている。
− 上述の少なくとも１つのインダクタンスは、補助電源を充電するための補助巻線を有している。
− 充電均等化システムは、制御装置に電圧情報を伝達するように構成された、各蓄電池の電圧を測定するための装置を備えている。
− 蓄電池は、リチウムイオンタイプである。
− バッテリは、スーパーキャパシタを有している。
【００１５】
本発明は、さらに、上述の充電均等化システムの充電装置を提供するものである。
【００１６】
添付図面を参照して、非限定的な例として示す以下の記述を読むことによって、本発明の他の特徴および利点が、より明瞭になると思う。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】直列接続された複数の蓄電池ブロックを備えるバッテリ、およびバッテリのための充電均等化システムの回路図である。
【図２】図１の充電均等化システムの充電装置の例示的な一実施例の回路図である。
【図３ａ】図２の充電装置を備える、図１のバッテリおよび充電均等化システムの回路図である。
【図３ｂ】連続通電モードを呈する、図１の充電均等化システムの充電装置の例示的な一実施例の回路図である。
【図４ａ】図１の充電均等化システムの充電装置の制御の例示的な一実施例を概略的に示す論理回路図である。
【図４ｂ】図４ａの論理回路の制御信号を概略的に示すグラフである。
【図５】直列に接続された、あらかじめ定められた数の蓄電池ブロックをそれぞれに有する、直列に接続された複数の基本モジュールを備えるバッテリ、およびバッテリのための充電均等化システムの回路図である。
【図６】補助電源網に連結された充電装置の概略的な回路図である。
【図７】充電装置のスイッチが導通状態にあるときと、充電装置のダイオードが導通状態にあるときとのそれぞれの電流の循環が示されている、図３ａのバッテリおよび充電均等化システムの回路図である。
【図８】図２の充電装置、および充電装置に組み合わされた蓄電池ブロックを流れる電流を、時間の関数として示すグラフである。
【図９】第１および第２のシミュレーションに基づく充電装置の動作を説明するための概略的な回路図である。
【図１０】第１のシミュレーションの場合に、図９の回路を流れる電流を、時間の関数として示すグラフである。
【図１１】第２のシミュレーションの場合に、図９の回路を流れる電流を、時間の関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付図面において、実質的に同一の要素には、同じ符号を付してある。
【００１９】
図１は、単位蓄電池が組み合わされたバッテリ１を示している。このバッテリ１は、直列に接続されたＮ個の蓄電池ブロック（符号Ｅｔｉを付されている）から構成されている。各蓄電池ブロックＥｔｉは、１個の単位蓄電池、または並列に接続された、いくつかの単位蓄電池Ａijから構成されている。ここで、添え字ｉは、蓄電池ブロックの番号を表わしており、図１に示す例においては、１〜Ｎの範囲で変化する。また添え字ｊは、与えられた蓄電池ブロック中の各単位蓄電池の番号を表わしており、図１に示す例においては、１〜Ｍの範囲で変化する。同一の蓄電池ブロックＥｔｉ中の単位蓄電池Ａijの端子は、電気接点を介して互いに接続されており、それと同様に、各蓄電池ブロックＥｔｉも、電気接点を介して、隣接する蓄電池ブロックＥｔｉに接続されている。
【００２０】
充電均等化システム
本発明は、直列に接続された、少なくとも２つの蓄電池ブロックＥｔｉを有する、単位蓄電池が組み合わされたバッテリ１のための充電均等化システム２を提供することを目的としている。
【００２１】
この充電均等化システム２は、制御装置３、および各蓄電池ブロックＥｔｉに対して１つずつ分配されている、同一の種類の複数の充電装置５を有している。
【００２２】
各充電装置５は、各蓄電池ブロックＥｔｉの負極端子（符号Ｎiが付されている）および正極端子（符号Ｐiが付されている）に接続されており、さらに、単位蓄電池が組み合わされたバッテリ１の正極端子（符号Ｐが付されている）、および負極端子（符号Ｎが付されている）に接続されている。充電装置５は、制御装置３によって制御される。
【００２３】
図２および図３ａに示す例において、蓄電池ブロックＥｔｉ（例えば図３ａにおける蓄電池ブロックＥｔ１）と組み合わされている充電装置５は、次のものを有している。
− インダクタンスＬ１i（Ｌ１1）と、
− アノードおよびカソードが、それぞれ対応する蓄電池ブロックの負極端子Ｎi（Ｎ1）、およびインダクタンスＬ１i（Ｌ１1）の第１の端に接続されている第１のダイオードＤ１i（Ｄ１1）と、
− アノードおよびカソードが、それぞれインダクタンスＬ１i（Ｌ１1）の第２の端、および同じ対応する蓄電池ブロックの正極端子Ｐ１i（Ｐ１1）に接続されている第２のダイオードＤ２i（Ｄ２1）と、
− ダイオードＤ２i（Ｄ２1）のアノード、およびバッテリ１の負極端子Ｎに接続されている第１のスイッチＳＷ１i（ＳＷ１1）と、
− ダイオードＤ１i（Ｄ１1）のカソード、およびバッテリ１の正極端子Ｐに接続されている第２のスイッチＳＷ２i（ＳＷ２1）。
【００２４】
一変形実施例においては、ダイオードＤ１i（Ｄ１1）およびＤ２i（Ｄ２1）に替えて、２つの制御スイッチが用いられる。この場合には、いわゆる同期型の整流が可能になる。導通状態における部品の電圧降下の低減によって、回路の効率を上げることができる。
【００２５】
この充電装置５においては、「バックブースト」タイプの場合のように、入力と出力との間に共通の基準点を設けるということがなく、また「フライバック」タイプの構成の場合のように、変圧器を用いるということがなく、充電装置５は従来技術のものと異なる。
【００２６】
一変形実施例において、各蓄電池ブロックの正極端子Ｐiと負極端子Ｎiとの間にキャパシタが接続される。このキャパシタは、充電装置５からの電流リップルを取り除くように構成されている。したがって、平滑化された直流が、各蓄電池ブロックに供給される。
【００２７】
さらに、バッテリの負極端子Ｎと正極端子Ｐとの間にキャパシタ（図示せず）を加えることも可能である。このキャパシタは、充電装置５によって生じる電流リップルを取り除くように構成されている。したがって、バッテリから供給される電流は平滑化される。
【００２８】
充電装置５（図２）は、連続通電モードでも不連続通電モードでも、同様に良好に作動する。
【００２９】
不連続通電モードでの動作の方が、より容易に実行され、またより低コストで実現されるという利点を有しているために、好適である。実際、不連続通電モードにおいては、その定義によって、インダクタンスＬ１iからの電流が、スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iのための制御信号の各周期の最初に０になっている。２つのスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iが閉じられているときに、インダクタンスＬ１iに流れる電流の値は、インダクタンスＬ１iの端子間に印加されている電圧、インダクタンスＬ１iにエネルギーを蓄えている時間、およびインダクタンスＬ１iの値から演繹することができる。
【００３０】
したがって、連続通電モード（図３ｂ）における動作と対照的に、調整ループ１３、電流の参照変数１５、および電流制御装置１４（例えばトランジスタで構成されたスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iによって、直列接続された蓄電池ブロックＥｔｉの各々に対してパルス幅変調を行うためのチョッピング回路）と組み合わされた電流センサ１２を用いる必要はない。
【００３１】
さらに、不連続通電モードにおいては、パルス幅変調におけるスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの制御を、通電期間を一定にする制御に替えることができる。
【００３２】
制御装置３による、充電装置５の制御の例示的な一実施形態によれば、単一のクロック回路６、シフトレジスタ７、および制御スイッチまたは「ＡＮＤ」論理ゲート８が用いられる（図４ａ、図４ｂ）。
【００３３】
シフトレジスタ７は、各蓄電池ブロックＥｔｉの各充電装置５のスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iが全て同時に閉じる（それは過度の放電電流をもたらす）ことを防止するためのものである。シフトレジスタ７の入力信号Ｅは、制御装置３から供給される。制御装置３は、さらに、各「ＡＮＤ」論理ゲート８の２つの入力のうちの１つに信号を与える。各「ＡＮＤ」論理ゲートの第２の入力は、シフトレジスタ７の出力に接続されている。「ＡＮＤ」論理ゲート８の２つの入力がハイ状態にあるときだけ、充電装置５は有効になる。
【００３４】
この制御によって、全ての充電装置５が同時に制御される制御方法と異なって、制御回路によって消費される瞬間電流を最小にすることができる。さらに、この制御によって、充電装置５の同期制御に比して、バッテリ１から供給される実効電流を少なくし、したがって、バッテリ１の発熱を最小にすることができる。
【００３５】
さらに、図５に示すように、例えばほぼ１００個の単位蓄電池が直列に接続されている電気自動車の場合のように、直列に接続された多数の蓄電池ブロックＥｔｉが用いられている場合には、バッテリ１は、直列接続された複数の基本モジュール９で構成されていることがある。基本モジュール９の各々は、直列接続された、あらかじめ定められた数の蓄電池ブロックＥｔｉを有している。一例として、基本モジュール９の各々に、直列接続された１０〜１２個の蓄電池ブロックが存在する。
【００３６】
したがって、充電装置５のスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの接続は、１０〜１２個の蓄電池ブロックＥｔｉの端子に対してなされる。ダイオードおよび制御スイッチの耐圧強度は、Ｌｉイオンバッテリの技術に応じて、およそ４５〜６０Ｖの範囲に制限されている。この値は、半導体の分野における標準的な耐圧強度値である。電気自動車の場合に当てはまるように、多数の基本モジュール９の保守が、容易になる。
【００３７】
一変形実施形態によれば、蓄電池ブロックＥｔｉごとに、充電装置５が用いられることに加えて、各基本モジュール９を形成している、直列接続されたＮ個の蓄電池ブロックＥｔｉごとに、同一の種類の充電装置５が用いられる。図５は、一例として、各基本モジュール９のＮ個の蓄電池ブロックに対して充電装置５を接続し、３つの基本モジュール９、すなわち（３×Ｎ）個の蓄電池ブロックＥｔｉを直列に組み合わせる場合の、この変形実施形態を示している。この変形実施形態によれば、基本モジュール９の端子への、充電装置５のスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの接続は、バッテリ１の端子でなされる。この変形実施形態によれば、隣接し合うＮ個の蓄電池ブロック間、したがって直列に組み合わされた基本モジュール９間の、エネルギーの移動が可能になる。
【００３８】
さらに、例えば自動車用の１２Ｖのエネルギー網などの補助エネルギー網１０にエネルギーを供給するように、直列接続されたＮ個の蓄電池ブロックの端子に、１つ以上の充電装置５を実装させることが可能である（図６）。このとき、補助装置１１が、充電装置５に結合される。またこの場合には、充電装置５のインダクタンスが、上述のエネルギー蓄積インダクタンスから結合インダクタンスＬ２iに替えられる。補助装置１１は、結合インダクタンスＬ２iの二次側に配置されて、「フライバック」タイプの構造を形成している整流ダイオードＤ３、およびエネルギー蓄積キャパシタＣ１を備えている。補助エネルギー網１０へのエネルギーの供給は、整流ダイオードＤ３とエネルギー蓄積キャパシタＣ１との間に実装されているスイッチＳＷ３によって制御される。このスイッチＳＷ３は、制御装置３によって制御される。
【００３９】
さらに、充電均等化システム２は、各蓄電池ブロックＥｔｉの電圧を測定して、制御装置３に電圧情報を伝達するための電圧測定装置（図示せず）を備えている場合がある。制御装置３は、この電圧情報を用いて、蓄電池ブロックＥｔｉを充電しなければならないか否かを特定し、充電しなければならない場合には、対応する充電装置５をそのように制御することができる。
【００４０】
不連続通電モードにおける、充電均等化システムの動作
次に、図７および図８を参照して、充電均等化システム２の動作について説明する。
【００４１】
制御装置３が、蓄電池ブロックＥｔｉ（以下の説明においては、図示されている例に合わせて、蓄電池ブロックＥｔ１とする）へのエネルギー移動を制御するとき、対応する蓄電池ブロックＥｔ１に並列である充電装置５のスイッチＳＷ１1およびＳＷ２1は、通電期間ｔ１の間、ともに閉じられている。この通電期間ｔ１の間の電流の循環が、図７に破線で概略的に示されている。
【００４２】
したがって、このとき、インダクタンスＬ１1は、エネルギーを蓄える。インダクタンスＬ１1を流れる電流ｉＬ１1の増加率は、その端子間に印加される電圧（Ｎ個の蓄電池ブロックの電圧に等しい）に比例する（図８）。この通電期間中、ダイオードＤ１1およびＤ２1は遮断状態にある。ダイオードＤ１1の端子間電圧（アノード電圧−カソード電圧）は、ダイオードＤ１1が接続されている蓄電池ブロックの下方に位置している蓄電池ブロック全体の電圧から、バッテリ電圧を引いた電圧に等しい。ダイオードＤ２1の端子間電圧は、ダイオードＤ２1が接続されている蓄電池ブロックの上方に位置している蓄電池ブロック全体の電圧から、バッテリ電圧を引いた電圧に等しい。ダイオードＤ１1やＤ２1の端子間電圧の逆符号は、最大でも、バッテリ電圧までである。
【００４３】
通電期間ｔ１の最後に、スイッチＳＷ１1およびＳＷ２1が同時に開かれる。インダクタンスＬ１1を流れる電流ｉＬ１1は、この瞬間に、ピーク値Ｉｐｅａｋ（スイッチＳＷ１1およびＳＷ２1が閉じられているときに、インダクタンスの端子間に印加されている電圧に、通電期間ｔ１を掛けて、さらにインダクタンス値で割った値に等しい）に達する。
【００４４】
通電期間ｔ１の最後から、充電装置５の動作周期Ｔの最後まで、スイッチＳＷ１1およびＳＷ２1は開いた状態にある。インダクタンスＬ１1を流れる電流が０になるまで、ダイオードＤ１1およびＤ２1は導通状態にある。この段階における電流の循環が、図７に、二点鎖線で概略的に示されている。インダクタンスＬ１1を流れる電流ｉＬ１1は、インダクタンスＬ１1の端子間に印加される電圧（インダクタンスＬ１1に直列である蓄電池ブロックＥｔ1の電圧と、２つのダイオードＤ１1およびＤ２1の電圧降下とを足した電圧に−１を掛けた電圧に等しい）に比例して減少する（図７および図８）。スイッチＳＷ１1の端子間電圧は、スイッチＳＷ１1が接続されている蓄電池ブロックの下方に位置している蓄電池ブロック全体の電圧に、スイッチＳＷ１1が接続されている蓄電池ブロックの電圧と、ダイオードＤ２1の導通状態における電圧降下とを加えた電圧に等しい。スイッチＳＷ２1の端子間電圧は、スイッチＳＷ２1が接続されている蓄電池ブロックの上方に位置している蓄電池ブロック全体の電圧に、スイッチＳＷ２1が接続されている蓄電池ブロックＥｔ１の電圧と、ダイオードＤ１1の導通状態における電圧降下とを加えた電圧に等しい。スイッチＳＷ１1やＳＷ２1の端子間の直流電圧は、最大でも、バッテリ１の電圧までである。
【００４５】
充電装置５の動作は、その充電装置５が接続されている蓄電池ブロックＥｔｉに無関係に同じであり、したがって、充電装置５を、いくつかの蓄電池ブロックの充電に交互に用いることができる。
【００４６】
諸元決定
数式化
図２の充電装置５の動作に関する上述の説明を数式化することによって、充電装置５の諸元が決定される。以下において、この数式化について概括する。この数式化のために、入力電圧、出力電圧（インダクタンスＬ１iにとっての）を、それぞれＶｅ、Ｖｓで表わす。すなわち、入力電圧Ｖｅは、バッテリ１の負極端子Ｎと正極端子Ｐとの間の電圧を表わす。出力電圧Ｖｓは、蓄電池ブロックＥｔｉの負極端子Ｎiと正極端子Ｐiとの間の電圧を表わす。
【００４７】
同一の充電装置５のスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iが、通電期間ｔ１の間、閉じられていると、インダクタンスＬ１iを流れる電流ｉＬ１iは増加していく。スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの導通状態における電圧降下を無視すると、インダクタンスＬ１iを流れる電流ｉＬ１i(ｔ)は、数１で表わされる。
【数１】
【００４８】
通電期間ｔ１の終了時に、スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iが開かれ、インダクタンスを流れる電流ｉＬ１iは、数２で示されるピーク値Ｉｐｅａｋに達する。
【数２】
【００４９】
通電期間ｔ１の終了時から、電流ｉＬ１iが０になるまで、同一の充電装置５のダイオードＤ１iおよびＤ２iは導通状態にある。インダクタンスＬ１iを流れる電流ｉＬ１iは、数３にしたがって減少する。
【数３】
ここで、Ｖｄは、ダイオードＤ１iおよびＤ２iの導通状態における電圧降下である。なお、この場合のｔは、通電期間ｔ１の終了時からの時間である。
【００５０】
動作周期Ｔの最後までの、電流ｉＬ１iが０である（ダイオードＤ１iおよびＤ２iは遮断状態にある）期間に対応する動作段階が、不連続通電モードを特徴付けている。
【００５１】
式（２）および式（３）から、充電装置５が不連続通電モードで動作するために、通電期間ｔ１が超過してはならない期間、すなわち最大通電期間ｔ１(max)を定めることができる。この最大通電期間ｔ１(max)は、インダクタンスを流れる電流が、動作周期Ｔの最後に０になると置くことによって決定され、数４で与えられる。
【数４】
最悪の場合を考えたときには、最大通電期間ｔ１(max)は、最大の入力電圧Ｖｅおよび最小の出力電圧Ｖｓに対して演繹されるべきである。さらに、ダイオードＤ１iおよびＤ２iの電圧降下は、最悪の場合を考える際には無視することができる。
【００５２】
充電装置５の出力電流は、ダイオードＤ１iおよびＤ２iによって導かれる電流に等しい。充電装置５の平均出力電流は、数５から計算される。
【数５】
平均出力電流Ｉｓ(avg)は、入力電圧の二乗Ｖｅ2に比例し、出力電圧ＶｓとダイオードＤ１iおよびＤ２iの電圧降下との和に反比例する。蓄電池ブロックＥｔｉの電圧に関係なく、所望の平均出力電流を供給するためには、最大の出力電圧および最小の入力電圧を考えなければならない。
【００５３】
充電されている蓄電池ブロック（１つ以上の）を流れる電流は、充電装置５の出力電流と等しくない。実際、充電装置５のインダクタンスＬ１iによって蓄えられるエネルギーは、バッテリ１から供給される。したがって、インダクタンスＬ１iに流れる電流は、充電されている蓄電池ブロック（１つ以上の）から供給される。したがって、充電されている蓄電池ブロック（１つ以上の）に供給される電流は、ダイオードＤ１iおよびＤ２iによって導かれる電流から、スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iを流れる電流を引いた代数差に等しい。動作している充電装置５の数がＮであることを考慮すると、充電されている蓄電池ブロック（１つ以上の）の電流の平均値ＩＥｔ(avg)は、数６を用いて得られる。
【数６】
この式において、同一の動作周期Ｔの全体にわたって、電流は、バッテリ１から充電装置５に、さらに、充電装置５から蓄電池ブロックＥｔｉに供給されるとみなされている。動作している充電装置５の数が、それらの充電装置５の入力に接続されている蓄電池ブロックＥｔｉの数に等しければ、それらの蓄電池ブロックＥｔｉの平均電流は０に等しい。
【００５４】
前出の式を例証するために、２種類の充電装置５の諸元決定を考える。
【００５５】
第１の充電装置は、単一の蓄電池ブロックＥｔｉの充電を行うために用いることができ、かつ１０個の蓄電池ブロックＥｔｉの端子に接続されている充電装置５である。
【００５６】
第２の充電装置は、直列の１０個の蓄電池ブロックＥｔｉの充電を行うために用いることができ、かつ１００個の蓄電池ブロックＥｔｉの端子、すなわち、各々が直列の１０個の蓄電池ブロックから成る、１０個の直列の組み合わせの端子に接続されている充電装置５である。
【００５７】
充電装置５の緒元決定は、２つのステップ、すなわち、最初に、充電装置５が不連続通電モードで動作するように、スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの通電期間ｔ１を計算するステップ（式（４））と、次に、充電装置の出力において、所望の平均出力電流を供給するように、インダクタンスＬ１iの値を計算するステップ（式（５））とに分かれる。
【００５８】
２種類の充電装置５の緒元決定に用いられる仮定は、次のとおりである。
− 平均出力電流（最小、Ｉｓ(avg)）：１Ａ
− 動作周波数（Ｆ）：５０ｋＨｚ、すなわち、Ｔ＝１／Ｆ＝２０μｓ
− 単位蓄電池（リン酸鉄を主成分とするＬｉイオン蓄電池）の電圧：
・ 最小電圧：２．５Ｖ
・ 最大電圧：３．６Ｖ
− 導通状態におけるダイオードの電圧降下（Ｖｄ）：
・ 高速ダイオード（ショットキータイプ）：０．３〜０．７Ｖ
・ バイポーラダイオード：０．６〜１．０Ｖ
【００５９】
２種類の充電装置５に対して、ダイオードＤ１iおよびＤ２iの最小の電圧降下、充電装置の最大入力電圧および最小出力電圧を用いて、最大通電期間ｔ１(max)が計算される。次いで、ダイオードの最大の電圧降下、および充電装置５の最小入力電圧および最大出力電圧を用いて、インダクタンスＬ１iの最大値が計算される。
【００６０】
単一の蓄電池ブロックＥｔｉを充電するために用いることができる充電装置５に対して、最大通電期間ｔ１(max)およびインダクタンスＬ１iの値が、数７のように与えられる。高速のショットキータイプのダイオードが用いられている。
【数７】
【００６１】
直列の１０個の蓄電池ブロックの充電を行うために用いることができる充電装置５に対して、最大通電期間ｔ１(max)およびインダクタンスＬ１iの値が、数８のように与えられる。バイポーラダイオードが用いられている。
【数８】
【００６２】
これらの例におけるインダクタンスＬ１iの値は最大値である。しかしながら、システムを強健にするために、より低い値のインダクタンスが用いられることもある。
【００６３】
シミュレーション
一例として、蓄電池ブロックを充電することができる、動作中の充電装置に対する２つのシミュレーション結果を示す（図９）。
【００６４】
この例において、バッテリ１は、各々が１個の単位蓄電池を有する、直列に組み合わされた１０個の蓄電池ブロックで構成されている。単位蓄電池は、電圧源Ｖiと、それに直列な内部抵抗Ｒi（各単位蓄電池当り０．０１０オームの）とによって示されている。図を読みやすくするために、充電中の単位蓄電池の上方および下方の単位蓄電池は、それぞれ単一の電圧源およびそれに直列な単一の抵抗から成るようにまとめられている。
【００６５】
充電装置５の動作周波数は任意であるが、この例においては５０ｋＨｚに設定されている。
【００６６】
スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの通電期間は、１．６３１μｓに設定されている。インダクタンスＬ１iの値は９．１μＨに設定されている（結果１を参照）。
【００６７】
第１のシミュレーション
第１のシミュレーションにおいて、ほとんどの単位蓄電池は、閾値電圧２．５Ｖまで充電されており、１つの単位蓄電池Ｖ7が、３．６Ｖの電圧まで充電されている。充電装置５は、最も高い充電電圧すなわち３．６Ｖを有する単位蓄電池（この例においては７番目の）に並列に接続されている。７番目の単位蓄電池より下方の蓄電池ブロックは、１５Ｖの電圧源Ｖ1-6および０．０６０オームの内部抵抗Ｒ1-6にまとめられており、同様に、７番目の単位蓄電池より上方の蓄電池ブロックは、７．５Ｖの電圧源Ｖ8-10および０．０３０オームの内部抵抗Ｒ8-10にまとめられている。
【００６８】
この例は、平均出力電流が１Ａ（最小平均出力電流）でなければならない場合の極端な動作例を示している。
【００６９】
図１０は、シミュレーション結果を示している。このシミュレーション結果において、曲線Ｃ１はインダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7、曲線Ｃ２はダイオードＤ２7を流れる出力電流ｉＤ２7、曲線Ｃ３は単位蓄電池Ｖ7を流れる電流ｉＶ7を表わしている。
【００７０】
前述のように、スイッチＳＷ１7およびＳＷ２7が閉じられている通電期間ｔ１の間、インダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7は増加していく。この段階中、電流ｉＬ１7は、この段階において単位蓄電池Ｖ7から供給される電流ｉＶ7を介して、バッテリ１から供給されることに注目されたい。通電期間ｔ１の終了時に、この電流の値は、ピーク値Ｉｐｅａｋ（この例においては、およそ４．６Ａの）に達する。通電期間ｔ１の終了時から、インダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7は減少して、単位蓄電池Ｖ7に供給される。電流ｉＬ１7が、充電装置５の各動作周期の終了前に０になるから、この回路は不連続通電モードで動作する。
【００７１】
所望のように、平均出力電流Ｉｓ7(avg)は１．０Ａである。充電されている単位蓄電池の電圧値、およびバッテリの電圧値がいかなるものであれ、１Ａという最小平均出力電流が得られるということは、極めて評価されるところである。
【００７２】
第２のシミュレーション
第２のシミュレーションにおいて、ほとんどの単位蓄電池は、３．６Ｖの閾値電圧まで充電されており、１つの単位蓄電池が、２．５Ｖの電圧まで充電されている。充電装置５は、最も低い充電電圧すなわち２．５Ｖを有する単位蓄電池に並列に接続されている。この例は、充電装置５が不連続通電モードで動作しなければならない場合の極端な動作例を示している。
【００７３】
図１１は、シミュレーション結果を示している。このシミュレーション結果において、曲線Ｃ５はインダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7、曲線Ｃ６はダイオードＤ２7を流れる出力電流ｉＤ２7、曲線Ｃ７は単位蓄電池Ｖ7を流れる電流ｉＶ7を表わしている。
【００７４】
前述のように、スイッチＳＷ１7およびＳＷ２7が閉じられている通電期間ｔ１の間、インダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7は増加していく。通電期間ｔ１の終了時に、電流ｉＬ１7の値は、ピーク値Ｉｐｅａｋ（この例においては、およそ６．１Ａの）に達する。通電期間ｔ１の終了時から、インダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7は減少して、単位蓄電池Ｖ7に供給される。電流ｉＬ１7が、充電装置５の各動作周期の終了前に０になるから、この回路は不連続通電モードで動作する。不連続通電モードの動作は、充電されている単位蓄電池の電圧値、およびバッテリの電圧値の如何にかかわりなく、十分に観察される。
【００７５】
平均出力電流Ｉｓ7(avg)は２．３Ａである。この値は、最小値１Ａを十分に上回っている。
【００７６】
他のシミュレーションも行った。単位蓄電池の全電圧変動範囲（２．５〜３．６Ｖ）、およびバッテリ１の全電圧変動範囲（２５〜３６Ｖ）において、充電装置５は有効であった。さらに、充電装置５の位置、すなわち、充電装置５が１番目、６番目、Ｎ番目のいずれの蓄電池ブロックの端子に接続されているかにかかわりなく、充電装置５は有効であった。さらに、多数の充電装置５が並列に動作している場合にも、それらの充電装置５の動作は有効であった。直列の１０個の蓄電池ブロックＥｔｉを充電するために用いることができ、１００個の蓄電池ブロックＥｔｉの端子に接続されている充電装置５も、このアプローチによれば有効であった。
【符号の説明】
【００７７】
１ バッテリ
２ 充電均等化システム
３ 制御装置
５ 充電装置
６ クロック回路
７ シフトレジスタ
８ 「ＡＮＤ」論理ゲート
９ 基本モジュール
１０ 補助エネルギー網
１１ 補助装置
１２ 電流センサ
１３ 調整ループ
１４ 電流制御装置
１５ 電流の参照変数
Ａij 単位蓄電池
Ｃ１ エネルギー蓄積キャパシタ
Ｄ１i、Ｄ２i ダイオード
Ｄ３ 整流ダイオード
Ｅｔｉ 蓄電池ブロック
Ｌ１i インダクタンス
Ｌ２i 結合インダクタンス
Ｎ、Ｎi 負極端子
Ｐ、Ｐi 正極端子
ＳＷ１i、ＳＷ２i、ＳＷ３ スイッチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電気式およびハイブリッド式の走行体、および組み込みシステムの分野において用いることができる、電気化学蓄電池が組み合わされたバッテリのための充電均等化システムに関する。本発明は、特に、軽量であり、かつ多量の電気エネルギーを蓄積することができるために、この種の利用に極めて適するリチウムイオン（Ｌｉイオン）タイプのバッテリに関する。本発明は、スーパーキャパシタにも適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
電気化学蓄電池は、数ボルト程度、より詳細には、リン酸鉄を主成分とするＬｉイオン蓄電池において、３．３Ｖ、コバルト酸化物を主成分とするＬｉイオン蓄電池において、４．２Ｖの公称電圧を有している。この電圧が、電力を供給されるシステムの要求に比して低すぎる場合には、いくつかの単位蓄電池が直列に配置される。さらに、利用可能な容量を増やして、より高い電流および電力を供給するために、直列に組み合わされた各単位蓄電池に、並列に接続された１つ以上の単位蓄電池を並列に配置することも可能である。したがって、並列に組み合わされた複数の単位蓄電池は、蓄電池ブロックを形成する。１つの蓄電池ブロックは、少なくとも１つの単位蓄電池から成っている。所望の電圧レベルを得るために、複数の蓄電池ブロックが直列に接続される。単位蓄電池の組み合わせは、組み合わされたバッテリと呼ばれる。
【０００３】
蓄電池の充電および放電は、それぞれ、その蓄電池の端子間電圧の上昇および下降に反映される。蓄電池は、電気化学的プロセスによって定められる電圧レベルに達している場合に、充電状態または放電状態にあると考えられる。いくつかの蓄電池ブロックを用いている回路においては、各蓄電池ブロックを流れる電流は、すべて同じである。したがって、各蓄電池ブロックの充電レベルおよび放電レベルは、その蓄電池ブロックの単位蓄電池の固有の特性、すなわち電解質や、電極と電解質との間のコンタクトの固有容量、および直列および並列の内部抵抗に依存する。したがって、製造上や経年変化上の差異によって、蓄電池ブロック間に電圧差が発生する可能性がある。
【０００４】
Ｌｉイオン蓄電池においては、閾値電圧と呼ばれる電圧より過度に高い電圧、または過度に低い電圧になると、Ｌｉイオン蓄電池が損傷したり、破損したりする場合がある。例えばコバルト酸化物を主成分とするＬｉイオン蓄電池の過充電によって、熱暴走が生じ、出火する場合がある。リン酸鉄を主成分とするＬｉイオン蓄電池については、過充電によって、電解質の分解がもたらされる。それによって、Ｌｉイオン蓄電池の寿命が短縮され、またＬｉイオン蓄電池が損傷する場合がある。電圧が例えば２Ｖ未満に達するような過放電が生じると、負極が銅から成る場合には、主として、負極の電流コレクタが酸化し、したがって、Ｌｉイオン蓄電池が劣化する。したがって、充電および放電の際には、安全性と信頼性の確保のために、各蓄電池ブロックの端子間電圧の監視が必要である。いわゆる監視装置を、各蓄電池ブロックに並列に配置することによって、この機能の遂行は可能になる。
【０００５】
監視装置の機能は、１つの蓄電池ブロックの電圧が閾値電圧に達したときに、バッテリの充電や放電を停止するために、各蓄電池ブロックの充電状態および放電状態を追跡して、制御回路にその情報を伝達することである。しかしながら、いくつかの蓄電池ブロックが直列に配置されているバッテリでは、最も強く充電された蓄電池ブロックが、その閾値電圧に達したときに充電が停止されると、他の蓄電池ブロックは十分に充電されていない場合がある。逆に、最も強く放電した蓄電池ブロックが、その閾値電圧に達したときに放電が停止されると、他の蓄電池ブロックは十分に放電していない場合がある。したがって、全ての蓄電池ブロックの充電状態が最良になるわけではない。これは、走行距離や駆動時間に関して高い制約を有する電気式およびハイブリッド式の走行体、および組み込みシステムへの応用において大きな問題となる。この問題を克服するために、監視装置は、一般に、充電均等化装置と組み合わされる。
【０００６】
充電均等化装置の機能は、直列に接続されている複数の蓄電池ブロックを、同一の充電状態および／または放電状態にすることによって、バッテリの充電状態、したがって、走行・航続距離を最適にすることである。２つのカテゴリーの充電均等化装置、すなわち、いわゆるエネルギー散逸に基づく充電均等化装置と、いわゆるエネルギー移動に基づく充電均等化装置とが存在する。
【０００７】
エネルギー散逸に基づく充電均等化装置においては、閾値電圧に達した蓄電池ブロック（１つ以上の）の充電電流をそらすことによって、蓄電池ブロックの端子間電圧が一定にされる。一変形例として、閾値電圧に達した蓄電池ブロック（１つ以上の）を放電させることによって、蓄電池ブロックの端子間電圧が一定にされる。しかしながら、そのようなエネルギー散逸に基づく充電均等化装置には、バッテリの充電に必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを消費するという大きな欠点が存在する。実際、まだ充電が完了していない最後の蓄電池（１つ以上の）の充電を完了させるために、多数の蓄電池を放電させるか、または多数の蓄電池の充電電流をそらす必要がある。したがって、散逸エネルギーは、充電の完了に必要なエネルギーよりはるかに大きくなる場合がある。さらに、過剰エネルギーは、熱として散逸する。それは、電気式およびハイブリッド式の走行体、および組み込みシステムへの応用における、できるだけコンパクトに集積化しなければならないという制約、および蓄電池の寿命を短くしないために、温度上昇を極力避けなければならないという制約と両立しない。
【０００８】
エネルギー移動に基づく充電均等化装置においては、単位蓄電池が組み合わされたバッテリ全体または補助エネルギー網と、蓄電池ブロックとの間でエネルギー交換が行なわれる。
【０００９】
例えば特許文献１は、多数の出力を有し、蓄電素子として結合インダクタンスを用いる「フライバック」構造を介して、補助エネルギー網から蓄電池ブロックにエネルギーを移動させることができる充電均等化装置を開示している。このフライバック構造は、この発明に専用の特殊な部品である。したがって、このような部品のコストは、それによって満たされる機能に比して法外に高い。
【００１０】
さらに、特許文献２は、蓄電池ブロックから、バッテリ全体にエネルギーを移動させることができ、蓄電素子として単位蓄電池毎のインダクタンスを用いる充電均等化装置を開示している。しかしながら、この充電均等化装置では、バッテリ全体の充電を均等化するためのエネルギー移動が、電気式およびハイブリッド式の走行体、および組み込みシステムへの応用において最適に遂行されるようにはなされていない。実際、バッテリの充電終了は、最後の蓄電池ブロックの閾値電圧への到達によって決定される。バッテリの充電を完了させるために、エネルギーが１つ以上の蓄電池ブロックから取り出されて、蓄電池ブロックの全体に戻される。このとき、完全には充電されていない蓄電池ブロック（１つ以上の）が存在する場合に、取り出されたエネルギーが、エネルギーを必要としているそれらの蓄電池ブロック（１つ以上の）に優先的に移されることはなく、また、エネルギーを取り出された蓄電池ブロック（１つ以上の）に移されることもない。したがって、この充電均等化においては、エネルギーを移された蓄電池ブロックが、過度に高電圧まで充電されないように、充電の終了時に、蓄電池ブロック全体からエネルギーを取り出す必要がある。したがって、この充電均等化の遂行には、多数のコンバータの作動が必要であるため、大きな損失が伴う。さらに、既に充電を終えた単位蓄電池には、利用されない交流電流成分や直流電流成分が流れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５６５９２３７号公報
【特許文献２】中国特許公開第１９０５２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明は、従来技術のこれらの欠点を伴わない、改良された充電均等化システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的を達成するために、本発明は、１つの蓄電池、または並列に接続された少なくとも２つの蓄電池をそれぞれに有している、直列に接続された少なくとも２つの蓄電池ブロックを備えているバッテリのための、次のものを具備している充電均等化システムを提供する。
− 各蓄電池ブロックに１つずつ組み合わされる充電装置であって、各充電装置は、
・ エネルギーを蓄えるための少なくとも１つのインダクタンスと、
・ カソードを介して、インダクタンスの２つの端のうちの一方の端に連結されており、アノードを介して、蓄電池ブロックの負極に連結される、少なくとも１つの第１のダイオードと、アノードを介して、インダクタンスの２つの端のうちの他方の端に連結されており、カソードを介して、蓄電池ブロックの正極に連結される、少なくとも１つの第２のダイオードと、
・ 第２のダイオードのアノードに連結されており、バッテリの負極に連結される、少なくとも１つの第１の制御スイッチと、第１のダイオードのカソードに連結されており、バッテリの正極に連結される、少なくとも１つの第２の制御スイッチとを
備えている充電装置と、
− 上述の少なくとも１つのインダクタンスにエネルギーを蓄えさせるために、充電される蓄電池ブロックに組み合わされた充電装置の第１および第２の制御スイッチを閉じるように、また充電される蓄電池ブロックにエネルギーを送るために、第１および第２の制御スイッチを開くように構成されている、充電装置を制御するための制御装置。
【００１４】
この充電均等化システムは、さらに、次の特性の１つ以上を個別に、または組み合わせて備えている場合がある。
− 制御装置は、充電を行うために、同じ充電装置の第１の制御スイッチと第２の制御スイッチとを同時に閉じるように構成されている。
− 制御装置は、あらかじめ定められた通電期間の後に、第１および第２の制御スイッチを開くように構成されている。
− 充電装置は、充電中、その充電装置に組み合わされる蓄電池ブロックおよびバッテリの電圧レベルに無関係に、不連続通電モードで動作するように構成されている。
− あらかじめ定められた通電期間は、各蓄電池ブロックに対する充電装置が不連続通電モードで動作するように計算されている。
− 制御装置は、充電中、充電装置の第１の制御スイッチおよび第２の制御スイッチを、通電期間と、一定であるスイッチ開期間とに応じて、それぞれ閉状態と開状態とに保つように構成されている。
− 制御装置は、充電されることになる蓄電池ブロックの端子に接続された充電装置を、時間をずらしながら順次に制御するように構成されている。
− バッテリは、少なくとも１つの基本モジュールを有しており、これらの少なくとも１つの基本モジュールは、直列接続された複数の蓄電池ブロックを有しており、充電均等化システムは、さらに、これらの少なくとも１つの基本モジュールの端子に接続される、さらなる充電装置を備えている。
− バッテリは、直列に配置された複数の基本モジュールを有しており、充電均等化システムは、あらかじめ定められた数の基本モジュールから成る１つ以上のモジュールの各々の端子に接続される、さらなる充電装置を備えている。
− 上述の少なくとも１つのインダクタンスは、補助電源を充電するための補助巻線を有している。
− 充電均等化システムは、制御装置に電圧情報を伝達するように構成された、各蓄電池の電圧を測定するための装置を備えている。
− 蓄電池は、リチウムイオンタイプである。
− バッテリは、スーパーキャパシタを有している。
【００１５】
本発明は、さらに、上述の充電均等化システムの充電装置を提供するものである。
【００１６】
添付図面を参照して、非限定的な例として示す以下の記述を読むことによって、本発明の他の特徴および利点が、より明瞭になると思う。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】直列接続された複数の蓄電池ブロックを備えるバッテリ、およびバッテリのための充電均等化システムの回路図である。
【図２】図１の充電均等化システムの充電装置の例示的な一実施例の回路図である。
【図３ａ】図２の充電装置を備える、図１のバッテリおよび充電均等化システムの回路図である。
【図３ｂ】連続通電モードを呈する、図１の充電均等化システムの充電装置の例示的な一実施例の回路図である。
【図４ａ】図１の充電均等化システムの充電装置の制御の例示的な一実施例を概略的に示す論理回路図である。
【図４ｂ】図４ａの論理回路の制御信号を概略的に示すグラフである。
【図５】直列に接続された、あらかじめ定められた数の蓄電池ブロックをそれぞれに有する、直列に接続された複数の基本モジュールを備えるバッテリ、およびバッテリのための充電均等化システムの回路図である。
【図６】補助電源網に連結された充電装置の概略的な回路図である。
【図７】充電装置のスイッチが導通状態にあるときと、充電装置のダイオードが導通状態にあるときとのそれぞれの電流の循環が示されている、図３ａのバッテリおよび充電均等化システムの回路図である。
【図８】図２の充電装置、および充電装置に組み合わされた蓄電池ブロックを流れる電流を、時間の関数として示すグラフである。
【図９】第１および第２のシミュレーションに基づく充電装置の動作を説明するための概略的な回路図である。
【図１０】第１のシミュレーションの場合に、図９の回路を流れる電流を、時間の関数として示すグラフである。
【図１１】第２のシミュレーションの場合に、図９の回路を流れる電流を、時間の関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付図面において、実質的に同一の要素には、同じ符号を付してある。
【００１９】
図１は、単位蓄電池が組み合わされたバッテリ１を示している。このバッテリ１は、直列に接続されたＮ個の蓄電池ブロック（符号Ｅｔｉを付されている）から構成されている。各蓄電池ブロックＥｔｉは、１個の単位蓄電池、または並列に接続された、いくつかの単位蓄電池Ａijから構成されている。ここで、添え字ｉは、蓄電池ブロックの番号を表わしており、図１に示す例においては、１〜Ｎの範囲で変化する。また添え字ｊは、与えられた蓄電池ブロック中の各単位蓄電池の番号を表わしており、図１に示す例においては、１〜Ｍの範囲で変化する。同一の蓄電池ブロックＥｔｉ中の単位蓄電池Ａijの端子は、電気接点を介して互いに接続されており、それと同様に、各蓄電池ブロックＥｔｉも、電気接点を介して、隣接する蓄電池ブロックＥｔｉに接続されている。
【００２０】
充電均等化システム
本発明は、直列に接続された、少なくとも２つの蓄電池ブロックＥｔｉを有する、単位蓄電池が組み合わされたバッテリ１のための充電均等化システム２を提供することを目的としている。
【００２１】
この充電均等化システム２は、制御装置３、および各蓄電池ブロックＥｔｉに対して１つずつ分配されている、同一の種類の複数の充電装置５を有している。
【００２２】
各充電装置５は、各蓄電池ブロックＥｔｉの負極端子（符号Ｎiが付されている）および正極端子（符号Ｐiが付されている）に接続されており、さらに、単位蓄電池が組み合わされたバッテリ１の正極端子（符号Ｐが付されている）、および負極端子（符号Ｎが付されている）に接続されている。充電装置５は、制御装置３によって制御される。
【００２３】
図２および図３ａに示す例において、蓄電池ブロックＥｔｉ（例えば図３ａにおける蓄電池ブロックＥｔ１）と組み合わされている充電装置５は、次のものを有している。
− インダクタンスＬ１i（Ｌ１1）と、
− アノードおよびカソードが、それぞれ対応する蓄電池ブロックの負極端子Ｎi（Ｎ1）、およびインダクタンスＬ１i（Ｌ１1）の第１の端に接続されている第１のダイオードＤ１i（Ｄ１1）と、
− アノードおよびカソードが、それぞれインダクタンスＬ１i（Ｌ１1）の第２の端、および同じ対応する蓄電池ブロックの正極端子Ｐ１i（Ｐ１1）に接続されている第２のダイオードＤ２i（Ｄ２1）と、
− ダイオードＤ２i（Ｄ２1）のアノード、およびバッテリ１の負極端子Ｎに接続されている第１のスイッチＳＷ１i（ＳＷ１1）と、
− ダイオードＤ１i（Ｄ１1）のカソード、およびバッテリ１の正極端子Ｐに接続されている第２のスイッチＳＷ２i（ＳＷ２1）。
【００２４】
一変形実施例においては、ダイオードＤ１i（Ｄ１1）およびＤ２i（Ｄ２1）に替えて、２つの制御スイッチが用いられる。この場合には、いわゆる同期型の整流が可能になる。導通状態における部品の電圧降下の低減によって、回路の効率を上げることができる。
【００２５】
この充電装置５においては、「バックブースト」タイプの場合のように、入力と出力との間に共通の基準点を設けるということがなく、また「フライバック」タイプの構成の場合のように、変圧器を用いるということがなく、充電装置５は従来技術のものと異なる。
【００２６】
一変形実施例において、各蓄電池ブロックの正極端子Ｐiと負極端子Ｎiとの間にキャパシタが接続される。このキャパシタは、充電装置５からの電流リップルを取り除くように構成されている。したがって、平滑化された直流が、各蓄電池ブロックに供給される。
【００２７】
さらに、バッテリの負極端子Ｎと正極端子Ｐとの間にキャパシタ（図示せず）を加えることも可能である。このキャパシタは、充電装置５によって生じる電流リップルを取り除くように構成されている。したがって、バッテリから供給される電流は平滑化される。
【００２８】
充電装置５（図２）は、連続通電モードでも不連続通電モードでも、同様に良好に作動する。
【００２９】
不連続通電モードでの動作の方が、より容易に実行され、またより低コストで実現されるという利点を有しているために、好適である。実際、不連続通電モードにおいては、その定義によって、インダクタンスＬ１iからの電流が、スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iのための制御信号の各周期の最初に０になっている。２つのスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iが閉じられているときに、インダクタンスＬ１iに流れる電流の値は、インダクタンスＬ１iの端子間に印加されている電圧、インダクタンスＬ１iにエネルギーを蓄えている時間、およびインダクタンスＬ１iの値から演繹することができる。
【００３０】
したがって、連続通電モード（図３ｂ）における動作と対照的に、調整ループ１３、電流の参照変数１５、および電流制御装置１４（例えばトランジスタで構成されたスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iによって、直列接続された蓄電池ブロックＥｔｉの各々に対してパルス幅変調を行うためのチョッピング回路）と組み合わされた電流センサ１２を用いる必要はない。
【００３１】
さらに、不連続通電モードにおいては、パルス幅変調におけるスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの制御を、通電期間を一定にする制御に替えることができる。
【００３２】
制御装置３による、充電装置５の制御の例示的な一実施形態によれば、単一のクロック回路６、シフトレジスタ７、および制御スイッチまたは「ＡＮＤ」論理ゲート８が用いられる（図４ａ、図４ｂ）。
【００３３】
シフトレジスタ７は、各蓄電池ブロックＥｔｉの各充電装置５のスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iが全て同時に閉じる（それは過度の放電電流をもたらす）ことを防止するためのものである。シフトレジスタ７の入力信号Ｅは、制御装置３から供給される。制御装置３は、さらに、各「ＡＮＤ」論理ゲート８の２つの入力のうちの１つに信号を与える。各「ＡＮＤ」論理ゲートの第２の入力は、シフトレジスタ７の出力に接続されている。「ＡＮＤ」論理ゲート８の２つの入力がハイ状態にあるときだけ、充電装置５は有効になる。
【００３４】
この制御によって、全ての充電装置５が同時に制御される制御方法と異なって、制御回路によって消費される瞬間電流を最小にすることができる。さらに、この制御によって、充電装置５の同期制御に比して、バッテリ１から供給される実効電流を少なくし、したがって、バッテリ１の発熱を最小にすることができる。
【００３５】
さらに、図５に示すように、例えばほぼ１００個の単位蓄電池が直列に接続されている電気自動車の場合のように、直列に接続された多数の蓄電池ブロックＥｔｉが用いられている場合には、バッテリ１は、直列接続された複数の基本モジュール９で構成されていることがある。基本モジュール９の各々は、直列接続された、あらかじめ定められた数の蓄電池ブロックＥｔｉを有している。一例として、基本モジュール９の各々に、直列接続された１０〜１２個の蓄電池ブロックが存在する。
【００３６】
したがって、充電装置５のスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの接続は、１０〜１２個の蓄電池ブロックＥｔｉの端子に対してなされる。ダイオードおよび制御スイッチの耐圧強度は、Ｌｉイオンバッテリの技術に応じて、およそ４５〜６０Ｖの範囲に制限されている。この値は、半導体の分野における標準的な耐圧強度値である。電気自動車の場合に当てはまるように、多数の基本モジュール９の保守が、容易になる。
【００３７】
一変形実施形態によれば、蓄電池ブロックＥｔｉごとに、充電装置５が用いられることに加えて、各基本モジュール９を形成している、直列接続されたＮ個の蓄電池ブロックＥｔｉごとに、同一の種類の充電装置５が用いられる。図５は、一例として、各基本モジュール９のＮ個の蓄電池ブロックに対して充電装置５を接続し、３つの基本モジュール９、すなわち（３×Ｎ）個の蓄電池ブロックＥｔｉを直列に組み合わせる場合の、この変形実施形態を示している。この変形実施形態によれば、基本モジュール９の端子への、充電装置５のスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの接続は、バッテリ１の端子でなされる。この変形実施形態によれば、隣接し合うＮ個の蓄電池ブロック間、したがって直列に組み合わされた基本モジュール９間の、エネルギーの移動が可能になる。
【００３８】
さらに、例えば自動車用の１２Ｖのエネルギー網などの補助エネルギー網１０にエネルギーを供給するように、直列接続されたＮ個の蓄電池ブロックの端子に、１つ以上の充電装置５を実装させることが可能である（図６）。このとき、補助装置１１が、充電装置５に結合される。またこの場合には、充電装置５のインダクタンスが、上述のエネルギー蓄積インダクタンスから結合インダクタンスＬ２iに替えられる。補助装置１１は、結合インダクタンスＬ２iの二次側に配置されて、「フライバック」タイプの構造を形成している整流ダイオードＤ３、およびエネルギー蓄積キャパシタＣ１を備えている。補助エネルギー網１０へのエネルギーの供給は、整流ダイオードＤ３とエネルギー蓄積キャパシタＣ１との間に実装されているスイッチＳＷ３によって制御される。このスイッチＳＷ３は、制御装置３によって制御される。
【００３９】
さらに、充電均等化システム２は、各蓄電池ブロックＥｔｉの電圧を測定して、制御装置３に電圧情報を伝達するための電圧測定装置（図示せず）を備えている場合がある。制御装置３は、この電圧情報を用いて、蓄電池ブロックＥｔｉを充電しなければならないか否かを特定し、充電しなければならない場合には、対応する充電装置５をそのように制御することができる。
【００４０】
不連続通電モードにおける、充電均等化システムの動作
次に、図７および図８を参照して、充電均等化システム２の動作について説明する。
【００４１】
制御装置３が、蓄電池ブロックＥｔｉ（以下の説明においては、図示されている例に合わせて、蓄電池ブロックＥｔ１とする）へのエネルギー移動を制御するとき、対応する蓄電池ブロックＥｔ１に並列である充電装置５のスイッチＳＷ１1およびＳＷ２1は、通電期間ｔ１の間、ともに閉じられている。この通電期間ｔ１の間の電流の循環が、図７に破線で概略的に示されている。
【００４２】
したがって、このとき、インダクタンスＬ１1は、エネルギーを蓄える。インダクタンスＬ１1を流れる電流ｉＬ１1の増加率は、その端子間に印加される電圧（Ｎ個の蓄電池ブロックの電圧に等しい）に比例する（図８）。この通電期間中、ダイオードＤ１1およびＤ２1は遮断状態にある。ダイオードＤ１1の端子間電圧（アノード電圧−カソード電圧）は、ダイオードＤ１1が接続されている蓄電池ブロックの下方に位置している蓄電池ブロック全体の電圧から、バッテリ電圧を引いた電圧に等しい。ダイオードＤ２1の端子間電圧は、ダイオードＤ２1が接続されている蓄電池ブロックの上方に位置している蓄電池ブロック全体の電圧から、バッテリ電圧を引いた電圧に等しい。ダイオードＤ１1やＤ２1の端子間電圧の逆符号は、最大でも、バッテリ電圧までである。
【００４３】
通電期間ｔ１の最後に、スイッチＳＷ１1およびＳＷ２1が同時に開かれる。インダクタンスＬ１1を流れる電流ｉＬ１1は、この瞬間に、ピーク値Ｉｐｅａｋ（スイッチＳＷ１1およびＳＷ２1が閉じられているときに、インダクタンスの端子間に印加されている電圧に、通電期間ｔ１を掛けて、さらにインダクタンス値で割った値に等しい）に達する。
【００４４】
通電期間ｔ１の最後から、充電装置５の動作周期Ｔの最後まで、スイッチＳＷ１1およびＳＷ２1は開いた状態にある。インダクタンスＬ１1を流れる電流が０になるまで、ダイオードＤ１1およびＤ２1は導通状態にある。この段階における電流の循環が、図７に、二点鎖線で概略的に示されている。インダクタンスＬ１1を流れる電流ｉＬ１1は、インダクタンスＬ１1の端子間に印加される電圧（インダクタンスＬ１1に直列である蓄電池ブロックＥｔ1の電圧と、２つのダイオードＤ１1およびＤ２1の電圧降下とを足した電圧に−１を掛けた電圧に等しい）に比例して減少する（図７および図８）。スイッチＳＷ１1の端子間電圧は、スイッチＳＷ１1が接続されている蓄電池ブロックの下方に位置している蓄電池ブロック全体の電圧に、スイッチＳＷ１1が接続されている蓄電池ブロックの電圧と、ダイオードＤ２1の導通状態における電圧降下とを加えた電圧に等しい。スイッチＳＷ２1の端子間電圧は、スイッチＳＷ２1が接続されている蓄電池ブロックの上方に位置している蓄電池ブロック全体の電圧に、スイッチＳＷ２1が接続されている蓄電池ブロックＥｔ１の電圧と、ダイオードＤ１1の導通状態における電圧降下とを加えた電圧に等しい。スイッチＳＷ１1やＳＷ２1の端子間の直流電圧は、最大でも、バッテリ１の電圧までである。
【００４５】
充電装置５の動作は、その充電装置５が接続されている蓄電池ブロックＥｔｉに無関係に同じであり、したがって、充電装置５を、いくつかの蓄電池ブロックの充電に交互に用いることができる。
【００４６】
諸元決定
数式化
図２の充電装置５の動作に関する上述の説明を数式化することによって、充電装置５の諸元が決定される。以下において、この数式化について概括する。この数式化のために、入力電圧、出力電圧（インダクタンスＬ１iにとっての）を、それぞれＶｅ、Ｖｓで表わす。すなわち、入力電圧Ｖｅは、バッテリ１の負極端子Ｎと正極端子Ｐとの間の電圧を表わす。出力電圧Ｖｓは、蓄電池ブロックＥｔｉの負極端子Ｎiと正極端子Ｐiとの間の電圧を表わす。
【００４７】
同一の充電装置５のスイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iが、通電期間ｔ１の間、閉じられていると、インダクタンスＬ１iを流れる電流ｉＬ１iは増加していく。スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの導通状態における電圧降下を無視すると、インダクタンスＬ１iを流れる電流ｉＬ１i(ｔ)は、数１で表わされる。
【数１】
【００４８】
通電期間ｔ１の終了時に、スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iが開かれ、インダクタンスを流れる電流ｉＬ１iは、数２で示されるピーク値Ｉｐｅａｋに達する。
【数２】
【００４９】
通電期間ｔ１の終了時から、電流ｉＬ１iが０になるまで、同一の充電装置５のダイオードＤ１iおよびＤ２iは導通状態にある。インダクタンスＬ１iを流れる電流ｉＬ１iは、数３にしたがって減少する。
【数３】
ここで、Ｖｄは、ダイオードＤ１iおよびＤ２iの導通状態における電圧降下である。なお、この場合のｔは、通電期間ｔ１の終了時からの時間である。
【００５０】
動作周期Ｔの最後までの、電流ｉＬ１iが０である（ダイオードＤ１iおよびＤ２iは遮断状態にある）期間に対応する動作段階が、不連続通電モードを特徴付けている。
【００５１】
式（２）および式（３）から、充電装置５が不連続通電モードで動作するために、通電期間ｔ１が超過してはならない期間、すなわち最大通電期間ｔ１(max)を定めることができる。この最大通電期間ｔ１(max)は、インダクタンスを流れる電流が、動作周期Ｔの最後に０になると置くことによって決定され、数４で与えられる。
【数４】
最悪の場合を考えたときには、最大通電期間ｔ１(max)は、最大の入力電圧Ｖｅおよび最小の出力電圧Ｖｓに対して演繹されるべきである。さらに、ダイオードＤ１iおよびＤ２iの電圧降下は、最悪の場合を考える際には無視することができる。
【００５２】
充電装置５の出力電流は、ダイオードＤ１iおよびＤ２iによって導かれる電流に等しい。充電装置５の平均出力電流は、数５から計算される。
【数５】
平均出力電流Ｉｓ(avg)は、入力電圧の二乗Ｖｅ2に比例し、出力電圧ＶｓとダイオードＤ１iおよびＤ２iの電圧降下との和に反比例する。蓄電池ブロックＥｔｉの電圧に関係なく、所望の平均出力電流を供給するためには、最大の出力電圧および最小の入力電圧を考えなければならない。
【００５３】
充電されている蓄電池ブロック（１つ以上の）を流れる電流は、充電装置５の出力電流と等しくない。実際、充電装置５のインダクタンスＬ１iによって蓄えられるエネルギーは、バッテリ１から供給される。したがって、インダクタンスＬ１iに流れる電流は、充電されている蓄電池ブロック（１つ以上の）から供給される。したがって、充電されている蓄電池ブロック（１つ以上の）に供給される電流は、ダイオードＤ１iおよびＤ２iによって導かれる電流から、スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iを流れる電流を引いた代数差に等しい。動作している充電装置５の数がＮであることを考慮すると、充電されている蓄電池ブロック（１つ以上の）の電流の平均値ＩＥｔ(avg)は、数６を用いて得られる。
【数６】
この式において、同一の動作周期Ｔの全体にわたって、電流は、バッテリ１から充電装置５に、さらに、充電装置５から蓄電池ブロックＥｔｉに供給されるとみなされている。動作している充電装置５の数が、それらの充電装置５の入力に接続されている蓄電池ブロックＥｔｉの数に等しければ、それらの蓄電池ブロックＥｔｉの平均電流は０に等しい。
【００５４】
前出の式を例証するために、２種類の充電装置５の諸元決定を考える。
【００５５】
第１の充電装置は、単一の蓄電池ブロックＥｔｉの充電を行うために用いることができ、かつ１０個の蓄電池ブロックＥｔｉの端子に接続されている充電装置５である。
【００５６】
第２の充電装置は、直列の１０個の蓄電池ブロックＥｔｉの充電を行うために用いることができ、かつ１００個の蓄電池ブロックＥｔｉの端子、すなわち、各々が直列の１０個の蓄電池ブロックから成る、１０個の直列の組み合わせの端子に接続されている充電装置５である。
【００５７】
充電装置５の緒元決定は、２つのステップ、すなわち、最初に、充電装置５が不連続通電モードで動作するように、スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの通電期間ｔ１を計算するステップ（式（４））と、次に、充電装置の出力において、所望の平均出力電流を供給するように、インダクタンスＬ１iの値を計算するステップ（式（５））とに分かれる。
【００５８】
２種類の充電装置５の緒元決定に用いられる仮定は、次のとおりである。
− 平均出力電流（最小、Ｉｓ(avg)）：１Ａ
− 動作周波数（Ｆ）：５０ｋＨｚ、すなわち、Ｔ＝１／Ｆ＝２０μｓ
− 単位蓄電池（リン酸鉄を主成分とするＬｉイオン蓄電池）の電圧：
・ 最小電圧：２．５Ｖ
・ 最大電圧：３．６Ｖ
− 導通状態におけるダイオードの電圧降下（Ｖｄ）：
・ 高速ダイオード（ショットキータイプ）：０．３〜０．７Ｖ
・ バイポーラダイオード：０．６〜１．０Ｖ
【００５９】
２種類の充電装置５に対して、ダイオードＤ１iおよびＤ２iの最小の電圧降下、充電装置の最大入力電圧および最小出力電圧を用いて、最大通電期間ｔ１(max)が計算される。次いで、ダイオードの最大の電圧降下、および充電装置５の最小入力電圧および最大出力電圧を用いて、インダクタンスＬ１iの最大値が計算される。
【００６０】
単一の蓄電池ブロックＥｔｉを充電するために用いることができる充電装置５に対して、最大通電期間ｔ１(max)およびインダクタンスＬ１iの値が、数７のように与えられる。高速のショットキータイプのダイオードが用いられている。
【数７】
【００６１】
直列の１０個の蓄電池ブロックの充電を行うために用いることができる充電装置５に対して、最大通電期間ｔ１(max)およびインダクタンスＬ１iの値が、数８のように与えられる。バイポーラダイオードが用いられている。
【数８】
【００６２】
これらの例におけるインダクタンスＬ１iの値は最大値である。しかしながら、システムを強健にするために、より低い値のインダクタンスが用いられることもある。
【００６３】
シミュレーション
一例として、蓄電池ブロックを充電することができる、動作中の充電装置に対する２つのシミュレーション結果を示す（図９）。
【００６４】
この例において、バッテリ１は、各々が１個の単位蓄電池を有する、直列に組み合わされた１０個の蓄電池ブロックで構成されている。単位蓄電池は、電圧源Ｖiと、それに直列な内部抵抗Ｒi（各単位蓄電池当り０．０１０オームの）とによって示されている。図を読みやすくするために、充電中の単位蓄電池の上方および下方の単位蓄電池は、それぞれ単一の電圧源およびそれに直列な単一の抵抗から成るようにまとめられている。
【００６５】
充電装置５の動作周波数は任意であるが、この例においては５０ｋＨｚに設定されている。
【００６６】
スイッチＳＷ１iおよびＳＷ２iの通電期間は、１．６３１μｓに設定されている。インダクタンスＬ１iの値は９．１μＨに設定されている（結果１を参照）。
【００６７】
第１のシミュレーション
第１のシミュレーションにおいて、ほとんどの単位蓄電池は、閾値電圧２．５Ｖまで充電されており、１つの単位蓄電池Ｖ7が、３．６Ｖの電圧まで充電されている。充電装置５は、最も高い充電電圧すなわち３．６Ｖを有する単位蓄電池（この例においては７番目の）に並列に接続されている。７番目の単位蓄電池より下方の蓄電池ブロックは、１５Ｖの電圧源Ｖ1-6および０．０６０オームの内部抵抗Ｒ1-6にまとめられており、同様に、７番目の単位蓄電池より上方の蓄電池ブロックは、７．５Ｖの電圧源Ｖ8-10および０．０３０オームの内部抵抗Ｒ8-10にまとめられている。
【００６８】
この例は、平均出力電流が１Ａ（最小平均出力電流）でなければならない場合の極端な動作例を示している。
【００６９】
図１０は、シミュレーション結果を示している。このシミュレーション結果において、曲線Ｃ１はインダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7、曲線Ｃ２はダイオードＤ２7を流れる出力電流ｉＤ２7、曲線Ｃ３は単位蓄電池Ｖ7を流れる電流ｉＶ7を表わしている。
【００７０】
前述のように、スイッチＳＷ１7およびＳＷ２7が閉じられている通電期間ｔ１の間、インダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7は増加していく。この段階中、電流ｉＬ１7は、この段階において単位蓄電池Ｖ7から供給される電流ｉＶ7を介して、バッテリ１から供給されることに注目されたい。通電期間ｔ１の終了時に、この電流の値は、ピーク値Ｉｐｅａｋ（この例においては、およそ４．６Ａの）に達する。通電期間ｔ１の終了時から、インダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7は減少して、単位蓄電池Ｖ7に供給される。電流ｉＬ１7が、充電装置５の各動作周期の終了前に０になるから、この回路は不連続通電モードで動作する。
【００７１】
所望のように、平均出力電流Ｉｓ7(avg)は１．０Ａである。充電されている単位蓄電池の電圧値、およびバッテリの電圧値がいかなるものであれ、１Ａという最小平均出力電流が得られるということは、極めて評価されるところである。
【００７２】
第２のシミュレーション
第２のシミュレーションにおいて、ほとんどの単位蓄電池は、３．６Ｖの閾値電圧まで充電されており、１つの単位蓄電池が、２．５Ｖの電圧まで充電されている。充電装置５は、最も低い充電電圧すなわち２．５Ｖを有する単位蓄電池に並列に接続されている。この例は、充電装置５が不連続通電モードで動作しなければならない場合の極端な動作例を示している。
【００７３】
図１１は、シミュレーション結果を示している。このシミュレーション結果において、曲線Ｃ５はインダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7、曲線Ｃ６はダイオードＤ２7を流れる出力電流ｉＤ２7、曲線Ｃ７は単位蓄電池Ｖ7を流れる電流ｉＶ7を表わしている。
【００７４】
前述のように、スイッチＳＷ１7およびＳＷ２7が閉じられている通電期間ｔ１の間、インダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7は増加していく。通電期間ｔ１の終了時に、電流ｉＬ１7の値は、ピーク値Ｉｐｅａｋ（この例においては、およそ６．１Ａの）に達する。通電期間ｔ１の終了時から、インダクタンスＬ１7を流れる電流ｉＬ１7は減少して、単位蓄電池Ｖ7に供給される。電流ｉＬ１7が、充電装置５の各動作周期の終了前に０になるから、この回路は不連続通電モードで動作する。不連続通電モードの動作は、充電されている単位蓄電池の電圧値、およびバッテリの電圧値の如何にかかわりなく、十分に観察される。
【００７５】
平均出力電流Ｉｓ7(avg)は２．３Ａである。この値は、最小値１Ａを十分に上回っている。
【００７６】
他のシミュレーションも行った。単位蓄電池の全電圧変動範囲（２．５〜３．６Ｖ）、およびバッテリ１の全電圧変動範囲（２５〜３６Ｖ）において、充電装置５は有効であった。さらに、充電装置５の位置、すなわち、充電装置５が１番目、６番目、Ｎ番目のいずれの蓄電池ブロックの端子に接続されているかにかかわりなく、充電装置５は有効であった。さらに、多数の充電装置５が並列に動作している場合にも、それらの充電装置５の動作は有効であった。直列の１０個の蓄電池ブロックＥｔｉを充電するために用いることができ、１００個の蓄電池ブロックＥｔｉの端子に接続されている充電装置５も、このアプローチによれば有効であった。
【符号の説明】
【００７７】
１ バッテリ
２ 充電均等化システム
３ 制御装置
５ 充電装置
６ クロック回路
７ シフトレジスタ
８ 「ＡＮＤ」論理ゲート
９ 基本モジュール
１０ 補助エネルギー網
１１ 補助装置
１２ 電流センサ
１３ 調整ループ
１４ 電流制御装置
１５ 電流の参照変数
Ａij 単位蓄電池
Ｃ１ エネルギー蓄積キャパシタ
Ｄ１i、Ｄ２i ダイオード
Ｄ３ 整流ダイオード
Ｅｔｉ 蓄電池ブロック
Ｌ１i インダクタンス
Ｌ２i 結合インダクタンス
Ｎ、Ｎi 負極端子
Ｐ、Ｐi 正極端子
ＳＷ１i、ＳＷ２i、ＳＷ３ スイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの蓄電池（Ａij）、または並列に接続された少なくとも２つの蓄電池（Ａij）をそれぞれに有している、直列に接続された少なくとも２つの蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）を備えているバッテリのための充電均等化システムであって、
− 各蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）に１つずつ関連付けられている充電装置（５）であって、各充電装置（５）は、
・ エネルギーを蓄えるための少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ１i、Ｌ２i）と、
・ カソードを介して、前記インダクタンス（Ｌ１i）の２つの端のうちの一方の端に連結されており、アノードを介して、前記蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）の負極（Ｎi）に連結される、少なくとも１つの第１のダイオード（Ｄ１i）と、アノードを介して、前記インダクタンス（Ｌ１i、Ｌ２i）の２つの端のうちの他方の端に連結されており、カソードを介して、前記蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）の正極（Ｐi）に連結される、少なくとも１つの第２のダイオード（Ｄ２i）と、
・ 前記第２のダイオード（Ｄ２i）のアノードに連結されており、前記バッテリ（１）の負極（Ｎ）に連結される、少なくとも１つの第１の制御スイッチ（ＳＷ１i）と、前記第１のダイオード（Ｄ１i）のカソードに連結されており、前記バッテリ（１）の正極（Ｐ）に連結される、少なくとも１つの第２の制御スイッチ（ＳＷ２i）とを有している充電装置（５）と、
− 前記少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ１i、Ｌ２i）にエネルギーを蓄えさせるために、充電される蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）に組み合わされた充電装置（５）の第１および第２の制御スイッチ（ＳＷ１i、ＳＷ２i）を閉じるように、また充電される蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）にエネルギーを送るために、該第１および第２の制御スイッチ（ＳＷ１i、ＳＷ２i）を開くように構成されている、前記充電装置（５）を制御するための制御装置（３）とを備えていることを特徴とする、バッテリのための充電均等化システム。
【請求項２】
前記制御装置（３）は、充電を行うために、同じ充電装置（５）の第１の制御スイッチ（ＳＷ１i）と第２の制御スイッチ（ＳＷ２i）とを同時に閉じるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項３】
前記制御装置（３）は、あらかじめ定められた通電期間（ｔ１）の後に、前記第１および第２の制御スイッチ（ＳＷ１i、ＳＷ２i）を開くように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項４】
前記充電装置（５）は、充電中、その充電装置（５）に組み合わされる蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）および前記バッテリ（１）の電圧レベルとは無関係に、不連続通電モードで動作するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項５】
前記あらかじめ定められた通電期間（ｔ１）は、各蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）に対する充電装置（５）が前記不連続通電モードで動作するように計算されていることを特徴とする、請求項４に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項６】
前記制御装置（３）は、充電中、前記充電装置（５）の第１の制御スイッチ（ＳＷ１i）および第２の制御スイッチ（ＳＷ２i）を、前記通電期間（ｔ１）と、一定であるスイッチ開期間（Ｔ−ｔ１）とに応じて、それぞれ閉状態と開状態とに保つように構成されていることを特徴とする、請求項４または５に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項７】
前記制御装置（３）は、充電されることになる蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）の端子に接続された充電装置（５）を、時間をずらしながら順次に制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項８】
前記バッテリ（１）は、少なくとも１つの基本モジュール（９）を有しており、該少なくとも１つの基本モジュール（９）は、直列接続された複数の蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）を有しており、前記充電均等化システムは、さらに、該少なくとも１つの基本モジュール（９）の端子に接続される、さらなる充電装置（５）を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項９】
前記バッテリ（１）は、直列に配置された複数の基本モジュール（９）を有していること、および前記充電均等化システムは、あらかじめ定められた数の基本モジュール（９）から成る１つ以上のモジュールの各々の端子に接続される、さらなる充電装置（５）を備えていることを特徴とする、請求項８に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ２i）は、補助電源を充電するための補助巻線を有していることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１１】
前記制御装置（３）に電圧情報を伝達するように構成された、各蓄電池の電圧を測定するための装置を備えていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１２】
前記蓄電池は、リチウムイオンタイプであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１３】
前記バッテリは、スーパーキャパシタを有していることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の充電均等化システムにおけるバッテリの蓄電池ブロックを充電するための充電装置。
【請求項１】
１つの蓄電池（Ａij）、または並列に接続された少なくとも２つの蓄電池（Ａij）をそれぞれに有している、直列に接続された少なくとも２つの蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）を備えているバッテリのための充電均等化システムであって、
− 各蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）に１つずつ関連付けられている充電装置（５）であって、各充電装置（５）は、
・ エネルギーを蓄えるための少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ１i、Ｌ２i）と、
・ カソードを介して、前記インダクタンス（Ｌ１i）の２つの端のうちの一方の端に連結されており、アノードを介して、前記蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）の負極（Ｎi）に連結される、少なくとも１つの第１のダイオード（Ｄ１i）と、アノードを介して、前記インダクタンス（Ｌ１i、Ｌ２i）の２つの端のうちの他方の端に連結されており、カソードを介して、前記蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）の正極（Ｐi）に連結される、少なくとも１つの第２のダイオード（Ｄ２i）と、
・ 前記第２のダイオード（Ｄ２i）のアノードに連結されており、前記バッテリ（１）の負極（Ｎ）に連結される、少なくとも１つの第１の制御スイッチ（ＳＷ１i）と、前記第１のダイオード（Ｄ１i）のカソードに連結されており、前記バッテリ（１）の正極（Ｐ）に連結される、少なくとも１つの第２の制御スイッチ（ＳＷ２i）とを有している充電装置（５）と、
− 前記少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ１i、Ｌ２i）にエネルギーを蓄えさせるために、充電される蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）に組み合わされた充電装置（５）の第１および第２の制御スイッチ（ＳＷ１i、ＳＷ２i）を閉じるように、また充電される蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）にエネルギーを送るために、該第１および第２の制御スイッチ（ＳＷ１i、ＳＷ２i）を開くように構成されている、前記充電装置（５）を制御するための制御装置（３）とを備えていることを特徴とする、バッテリのための充電均等化システム。
【請求項２】
前記制御装置（３）は、充電を行うために、同じ充電装置（５）の第１の制御スイッチ（ＳＷ１i）と第２の制御スイッチ（ＳＷ２i）とを同時に閉じるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項３】
前記制御装置（３）は、あらかじめ定められた通電期間（ｔ１）の後に、前記第１および第２の制御スイッチ（ＳＷ１i、ＳＷ２i）を開くように構成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項４】
前記充電装置（５）は、充電中、その充電装置（５）に組み合わされる蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）および前記バッテリ（１）の電圧レベルとは無関係に、不連続通電モードで動作するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項５】
前記あらかじめ定められた通電期間（ｔ１）は、各蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）に対する充電装置（５）が前記不連続通電モードで動作するように計算されていることを特徴とする、請求項４に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項６】
前記制御装置（３）は、充電中、前記充電装置（５）の第１の制御スイッチ（ＳＷ１i）および第２の制御スイッチ（ＳＷ２i）を、前記通電期間（ｔ１）と、一定であるスイッチ開期間（Ｔ−ｔ１）とに応じて、それぞれ閉状態と開状態とに保つように構成されていることを特徴とする、請求項４または５に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項７】
前記制御装置（３）は、充電されることになる蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）の端子に接続された充電装置（５）を、時間をずらしながら順次に制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項８】
前記バッテリ（１）は、少なくとも１つの基本モジュール（９）を有しており、該少なくとも１つの基本モジュール（９）は、直列接続された複数の蓄電池ブロック（Ｅｔｉ）を有しており、前記充電均等化システムは、さらに、該少なくとも１つの基本モジュール（９）の端子に接続される、さらなる充電装置（５）を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項９】
前記バッテリ（１）は、直列に配置された複数の基本モジュール（９）を有していること、および前記充電均等化システムは、あらかじめ定められた数の基本モジュール（９）から成る１つ以上のモジュールの各々の端子に接続される、さらなる充電装置（５）を備えていることを特徴とする、請求項８に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ２i）は、補助電源を充電するための補助巻線を有していることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１１】
前記制御装置（３）に電圧情報を伝達するように構成された、各蓄電池の電圧を測定するための装置を備えていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１２】
前記蓄電池は、リチウムイオンタイプであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１３】
前記バッテリは、スーパーキャパシタを有していることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のバッテリのための充電均等化システム。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の充電均等化システムにおけるバッテリの蓄電池ブロックを充電するための充電装置。
【図１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１３−５１９３４９（Ｐ２０１３−５１９３４９Ａ）
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５１６３８（Ｐ２０１２−５５１６３８）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５１６８４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９５６０６
【国際公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（５１０１３２３４７）コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ (51)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５１６８４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９５６０６
【国際公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（５１０１３２３４７）コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ (51)
【Ｆターム（参考）】
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