電荷再分配回路
直列接続される複数の蓄電素子（４）を持つ蓄電装置（１）用電荷再分配回路（２）は、監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置（５）を持ち、これらの電荷再分配制御装置（５）に、蓄電素子（４）のそれぞれ１つの蓄電装置下位グループ（３）が付属している。電荷再分配制御装置（５）が、その自身の供給に役立つエネルギを、それに付属する下位グループ（３）から取り、個々の蓄電素子（４）の電圧より大きくかつ蓄電装置（１）の電圧より小さい電圧を供給される。電荷再分配回路（２）は、電圧監視及び必要な場合各蓄電素子（４）における電荷再分配が行われるように構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電気エネルギの蓄積、例えば直列接続される複数の蓄電素子を持つ蓄電装置用電荷再分配回路に関し、電荷再分配回路が、電圧監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置を含み、これらの電荷再分配制御装置に、蓄電素子のそれぞれ１つの蓄電装置下位グループが付属している。本発明は、この回路を備えた蓄電装置、及びこのような蓄電装置戸を備えた車両駆動系にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギ用蓄電装置は、通常個々の蓄電素子から構成されている。この蓄電素子の公称動作電圧は、大抵は比較的低い電圧値例えばウルトラキャプコンデンサでは、２〜２．５Ｖの範囲にある。しかし大抵の使用のために、蓄電装置のずっと高い動作電圧が必要である。例えばハイブリット車両の電気駆動装置は、形式に応じて４８Ｖ〜３００Ｖで作動せしめられるので、このような駆動装置の給電のために使用される蓄電装置は、それに応じて高い動作電圧を持つようにする。この高い電圧を得るために蓄電装置では、典型的に適当な数の蓄電素子が直列に接続されている。例えば４８Ｖの蓄電装置は、約２．５Ｖの公称動作電圧を持つ２０個のウルトラキャプコンデンサの直列回路により形成することができる。
【０００３】
その間に、比較的多数の個々の蓄電素子の直列回路から構成されるこのような蓄電装置の寿命は、個々の蓄電素子の充電状態の不均一性により著しく短くされることは公知である（例えばＨ．Ｓｃｈｍｉｄｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｔｈｅ ｃｈａｒｐｅ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ−ａ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｅｘｔｅｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｉｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｕ．Ｐ．Ｓ．ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｉｎｔｅｌｅｃ，Ｐａｒｉｓ，２７．ｂｉｓ ３０．Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９３，ＩＥＥＥ，Ｂｄ．３，Ｃｏｒｄ １１５，Ｓ．１４６−１５１）。個々の蓄電素子の直列接続では、これらの素子がすべて同じ特性を持ち、常に同じ充電状態にあるものと、まず仮定された。しかし実際に各蓄電素子は、他の素子の特性量とは一般に僅か異なる（容量、自己放電率のような）個々の特性量を持っている。簡単な接続回路では、このような相違は、一方では放電過程において、過放電又は小さい容量の蓄電素子の逆放電を生じ、他方では充電過程において、早期に完全充電される蓄電素子の過充電を生じる。この挙動は一般に発散的であり、即ち充分多数の充−放電サイクルのみが行われると、個々の蓄電素子の間の小さい相違でも、時間の経過と共に前記の現象を生じる。前記の現象は、まず関係する蓄電素子の損傷又は故障を生じ、最後には連鎖反応のように蓄電装置全体の早期の故障を生じる。
【０００４】
個々の蓄電素子の間の（実際上不可避な）相違のこのような影響を回避するため、既に複数の創作者が種々の方法を提案しており、これらの方法により個々の蓄電素子の充電状態の強制対称化が行われている（前記の会議におけるＳｃｈｍｉｄｔ等の寄稿及び欧州特許出願公開第０４３２６３９号明細書、Ｎ．Ｋｕｔｋｕｔ ｅｔ ａｌ．ｉｎ“Ｄｙｎａｍｉｃ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｓｅｒｉｅｓｂａｔｔｅｒｙ ｓｔａｃｋｓ”，Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９９６（Ｉｎｔｅｌｅｃ），Ｂｏｓｔｏｎ，６ ｂｉｓ １０．Ｏｋｔｏｂｅｒ １９９６，ＩＥＥＥ ０−７８０３−３５０７−４１９６，Ｓ．５１４−４２１，及びＲｉｄｄｅｒ 欧州特許出願公開第１２８３５８０号明細書参照）。これらの提案の基礎になっている考えは、蓄電素子を監視し、大きく充電された蓄電素子から電荷を取出し、かつ／又は少なく充電された電荷に供給することであり（その際多くの提案では、すべての蓄電素子から電荷が取出されるか又は供給されるが、多く充電された蓄電素子から、少し充電された蓄電素子より多くの電荷が取出されるか又は少なく供給される。Ｓｃｈｍｉｄｔによれば、直列接続される蓄電素子の下位グループを形成し、これらを単位として（すべての個々の蓄電素子の代わりに）前述したように監視し、対称化することも公知である。（例えばＳｃｈｍｉｄｔが前記の会議記録において報告した）以前の提案では、多く充電される蓄電素子から取出されるエネルギが加熱抵抗において放散されたが、以前の提案によれば、取出されるエネルギが再び蓄電装置へ（即ち結果として他の蓄電素子）に供給されるか、又はその代わりに少し充電される蓄電素子へ供給されるエネルギが、蓄電装置即ち結果として他の蓄電素子から取出される。このような再充電は効率的に有利である。なぜならば、その際再充電される全エネルギが失われるのではなく、再充電過程に伴って現れる損失が失われるだけだからである。この以前の方法により、比較的よい効率で、前記の種類の蓄電装置の寿命が延長される。
【０００５】
しかし前記の刊行物は、対称化に役立つ電荷再分配自体がどのように電流を供給されるかを示していない。恐らく前記刊行物の著者は、電荷再分配回路が、外部電源又は対称化すべき蓄電装置自体から、その作動に必要な電流を供給されることを、考慮していた。更に他の関連で、個々の蓄電池に監視すべき蓄電池から動作電流を得る制御装置を設けることも、既に提案されている（米国特許第６，１６３，１３１号明細書）。個々の蓄電池又はその代わりに蓄電池のグループに対して測定モジュールを持つ蓄電池診断装置においても、これらの測定モジュールがその動作電流を監視される電池又は監視される電池の群から取ることも提案されている（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２１６７５号明細書）。
【０００６】
全体として、個々の蓄電素子又は蓄電素子のグループから選択的に電荷を取出すか又は供給する（例えばＳｃｈｍｉｄｔの前記会議記録による）電荷再分配装置により、機能する電圧対称化が行われる。しかし例えばＳｃｈｍｉｄｔにより示されるこの回路は、実現に費用がかかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って例えばこの従来技術から出発して、本発明の基礎になっている課題は、蓄電装置の蓄電素子の電圧対称化を可能にする比較的簡単な電荷再分配回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、直列接続される複数の蓄電素子を持つ蓄電装置用の電荷再分配装置を提供する。電荷再分配回路は、電圧監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置を含んでいる。電荷再分配制御装置には、蓄電素子のそれぞれ１つの蓄電装置下位グループが付属している。これらの蓄電素子は、その固有の供給に用いられるエネルギを、それらに付属する下位グループから取出す。それらは、個々の蓄電素子の電圧より大きくかつ蓄電装置の電圧より小さい電圧を供給される。電荷再分配装置は、電圧監視及び必要な場合各蓄電素子における電荷再分配が行われるように、電荷再分配回路が構成されている。
【０００９】
本発明は、別の局面によれば、上記の種類の電荷再分配回路を持つ蓄電装置に向けられている。
【００１０】
本発明は、別の局面に寄れば、駆動のため内燃機関及び電動機を持ち、電気機械への給電のため電荷再分配回路又は上記の種類の蓄電装置を備えている車両用駆動系に向けられている。
【００１１】
それ以外の特徴は開示された装置に含まれているか、又は実施例の以下の詳細な説明及び添付図面からわかる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図について説明する前に、好ましい実施例に対する若干の注がまず続く。即ち実施例は、直列に接続される複数の蓄電素子を持つ蓄電装置に関する。これは例えば電池、コンデンサ、ウルトラキャプコンデンサ等である。蓄電素子の直列接続の理由は、通常のように、蓄電装置が全体として見て、個々の蓄電素子の動作電圧より高い公称動作電圧を供給するためである。例えば直列接続される２０個の２．５Ｖ蓄電素子は約４８〜５０Ｖの電圧を供給する。もちろん複数の下位素子の並列接続により、単一の蓄電素子を形成することができる。このような蓄電素子は、その内部構造にもかかわらず、この説明では“蓄電素子”と称される。
【００１３】
最初に説明したように（個々の蓄電素子の間の電荷平衡なしの）純直列回路では、個々の蓄電素子の間に不可避に存在する相違が、等しくない電荷状態を生じることになる。従って実施例では、直列接続される蓄電素子の強制電圧対称化に適した電荷再分配回路が設けられている。この電荷再分配回路は、電圧監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置から構成されている。実施例では、この電荷再分配制御装置は、その自己供給に役立つエネルギを蓄電装置自体から取る。
【００１４】
若干の実施例では、電荷再分配制御装置の中心はそれぞれ１つのマイクロコントローラであり、電荷再分配制御装置の種々の機能、特に電圧の監視及び対称化を制御する。市販の種々のマイクロコントローラは、蓄電素子の種々の形式の公称動作電圧より上にある供給電圧で動作する。種々のマイクロコントローラは、多くの実施例では蓄電素子の公称動作電圧を含む大きい範囲の供給電圧を受入れるか、公称動作電圧はしばしばマイクロコントローラ供給電圧範囲の下縁にある。例えばＭｉｃｏｒｃｈｉｐ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ．社のシリーズＰＩＣ１０Ｆのマイクロコントローラは、２．０〜５．５Ｖの範囲にある供給電圧で動作するが、現在の普通のウルトラキャプコンデンサは、例えば２．５Ｖの公称動作電圧従って範囲下縁にある動作電圧を持っている。このようなウルトラキャプ蓄電素子の放電の際、これから発生される電圧は、従ってすぐにマイクロコントローラの動作電圧範囲の下限を下回るであろう。従って多くの実施例では、電荷再分配制御装置は、それぞれ個々の蓄電素子に付属するのではなく、複数の蓄電素子の下位グループに付属している。これらの実施例では、各電荷再分配制御装置は、それに固有の供給に役立つエネルギを、付属下位グループから取る。これにより電荷再分配制御装置は、個々の蓄電素子の電圧より大きく、（蓄電装置の下位グループのみが問題であり、蓄電装置全体が問題ではないので）蓄電装置の全電圧より小さい電圧を供給される。実施例では、この電圧は、電荷再分配制御装置に付属する個々の蓄電素子の電圧の和であり、従ってこれらの蓄電素子は直列接続されている。多くの実施例では、電荷再分配制御装置は、直列接続される精確に２つの蓄電素子に付属している。例えば２．５Ｖの動作電圧を持つ２つのウルトラキャプコンデンサが問題である場合、電荷再分配制御装置は、蓄電素子が完全に充電されている場合５．０Ｖの電圧を供給される。これにより、供給電圧範囲の下限（上記の例では２．０Ｖ）を下回るまで、（例えば全充電の約４０％まで）比較的大幅な放電が行われる。
【００１５】
他方実施例では、下位グループが電荷再分配回路により監視されかつ（例えば電圧対称化のため）再充電可能な蓄電装置であることはなく、これは、例えば電荷再分配制御装置がそれに付属する下位グループを（従来技術におけるように）“ブラックボックス”とみなす場合である。むしろ電荷再分配回路は、監視及び（必要な場合）電荷再分配が、下位グループの直列接続される各蓄電素子において、それぞれの電荷再分配制御装置により行われるように、構成されている。
【００１６】
従って実施例では、一方では電荷再分配制御装置が蓄電装置から適当な高さの供給電圧を供給されるが、他方では起こり得る電圧非対称がこの供給に役立つ蓄電装置下位グループ内でも回避されるようにすることができる。下位グループから適当な電圧を供給するため、電荷再分配制御装置は、その供給電圧の高設定又は低設定を行う必要がない。即ち前者は個々の蓄電素子から供給する場合であり、後者は全蓄電装置から供給する場合である。従って少なくとも若干の実施例では、電荷再分配制御装置は、供給電圧変成器を備えていない。
【００１７】
若干の実施例では、例えば電圧対称化のため電荷が、一方では下位グループに属する蓄電素子の間で再分配され、他方では蓄電装置下位グループの間で再分配されえる。これらの若干の実施例では、このため電荷再分配制御装置が、一方では蓄電素子の電荷交換のため個々の蓄電素子に付属する下位グループ内部の電圧変成器を備え、他方では下位グループの電荷交換のため関係する全下位グループに付属する電圧変成器を備えている。
【００１８】
最初に既に述べたように電圧対称化は、原理的に、比較的高い所にある電圧を持つ蓄電素子又は下位グループからのエネルギ取出しによるか又は比較的低い所にある電圧を持つ蓄電素子又は下位グループへのエネルギ供給によって、行うことができる。両方を選択可能な代案として考慮することも当然可能である。若干の実施例では、電圧変成器が双方向電圧変成器として構成されて、付属する蓄電素子又は付属する下位グループから選択的にエネルギを取出すか又はエネルギを供給することができる。これに反し他の実施例では、これらの可能性の１つだけが実現される。即ち電圧対称化のため若干の実施例では、電圧が高い所にある蓄電素子又は下位グループからエネルギ取出しが行われる。後者の手段は、一般に所望の寿命増大のために充分である。なぜならばそれは、（寿命に特に不利な）過度に高い電圧を、蓄電素子の完全充電の際回避するのに役立つからである。“比較的高い”は、例えば“所定の限界値より上”を意味し、他の実施例では“蓄電素子又は下位グループの測定される電圧の平均より上の（相対又は絶対）値だけ”を意味する。
【００１９】
若干の実施例では、電圧対称化のため１つの下位グループから取出されるエネルギは、１つ又は複数の他の下位グループへ供給される。これは、例えばこのエネルギを全蓄電装置（従って蓄電素子の全直列回路）へ供給することによって行うことができる。もちろんこのような供給は、電圧を実際に低くされる下位グループにおける僅かな電荷増大も生じる。しかしこの値は下位グループの逆数に応じて１つの係数だけ“薄められる”ので、考察されている下位グループにおける電荷減少が残っており、従ってこれらの種々のエネルギ流を、取出される正味エネルギ値が他の下位グループのみへ供給されるものとみなすことができる。同様に多くの実施例において、下位グループ内における１つまたは複数の蓄電素子の電圧対称化は、１つの下位グループの蓄電素子から取出されるエネルギが下位グループの１つ又は複数の他の蓄電素子へ供給されるように、行われる。
【００２０】
既に述べたように、蓄電素子は例えば電池、コンデンサ又はウルトラキャプコンデンサである。電池はエネルギを化学的な形で蓄える。それにより比較的高いエネルギ密度が得られ、他方では化学エネルギから電気エネルギへの変換は損失を伴い、一般に比較的ゆっくり経過するので、全体として蓄積可能なエネルギ量に対して比較的小さいエネルギしか取出し可能でない。更に変換速度は一般に低下する温度と共に低下し、更にこのような蓄電池の寿命は限られている。これに反しコンデンサはエネルギを電気の形で蓄えるので、実際上損失なくかつ遅れなく任意の頻度で取出すことができる。しかし従来のコンデンサのエネルギ密度は比較的小さい（典型的には電解コンデンサで０．０１ｗｈ／ｋｇ）。いわゆるウルトラキャプコンデンサは、従来のコンデンサの利点を持ち（実際上損失なく速くかつ頻繁な放電可能性）、ずっと大きいエネルキ密度に達する。このエネルギ密度は、例えば１けた又は２けただけアルミニウム電解コンデンサのエネルギ密度より上にある。その蓄積機構は、電解中におけるイオンの移動に基いており、誘電体を持つ従来のコンデンサにおけるようにイオンの分極に基くものではない。しかも電気化学二重層の充−放電が行われる（従ってウルトラキャプコンデンサは二重層コンデンサとも称される）。この層は２つの相を含んでいる。例えば一方の側に導電性炭素、他方の側に溶媒に溶解しているイオン。充−放電の際イオンが分極した炭素電極によりイオンが引寄せられるか又は突き離される。電荷担体の間隔は一般に数ｎｍにすぎず、このような炭素材料の表面は非常に大きいので、小さい体積において比較的大きい容量が得られる（例えばＴ．Ｄｉｅｔｒｉｃｈ：ＵｌｔｒａＣａｐｓ−Ｐｏｗｅｒ ｆｕｅｒ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌａｐｐｌｉｋａｔｉｏｎｅｎ，ｉｎ Ａ．Ｋｒａｐｐｅｌ（Ｈｒｓｇ．）：“Ｋｕｒｂｅｌｗｅｌｌｅｎｓｔａｒｔｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＫＳＧ）−Ｂａｓｉｓ ｆｕｅｒ ｚｕｋｕｅｎｆｔｉｇｅ Ｆａｈｒｚｅｕｇｋｏｎｚｅｐｔｅ，２．Ａｕｆｌａｇｅ，Ｅｘｐｅｒｔ−Ｖｅｒｌａｇ ２０００，Ｓ．２０２−２０７参照）。
【００２１】
若干の実施例では、前述したように蓄電装置下位グループは、それぞれ２つの蓄電素子を持っている。使用される蓄電素子形式及び電荷再分配制御装置用の所望の供給電圧に応じて、下位グループは（例えば３つの蓄電素子を持つように）異なるように構成可能であるとしても、それぞれ２つの蓄電素子が特に簡単な双子構造を可能にする。多くの実施例におけるように、蓄電素子が対向する側に電流端子を持っていると、両方の蓄電素子が、電流端子の極性に関して逆向きで双子装置にまとめられる。一方の側にある双子装置の両方の電流端子（例えば一方の蓄電素子の負極及び他方の蓄電素子の正極）は、この若干の実施例では、電気的に相互接続されている。他方の側にある双子配置の電流端子（従って上記の例において第１の蓄電素子の正極及び第２の蓄電素子の負極）は、外部への下位グループの“接続端子”を形成し、他方の下位グループの対応する電流端子と直列接続されている。若干の実施例では、電荷再分配制御装置は、前記の接続端子及び相互接続される電流端子とそれぞれ電気接続されている。
【００２２】
前記の電荷再分配回路の例示した好ましい使用は、駆動のため内燃機関及び電気機械を持ちかつ電気機械への給電のため蓄電装置及び上述した実施例による電荷再分配回路を備えている自動車において行われる。
【００２３】
さて図１に戻って、そこには電荷再分配回路２を持つ蓄電装置１の一部が示されている。蓄電装置１は複数の蓄電装置下位グループ３の直列回路により形成されている（そのうち図１には３つが示されている）。これらの下位グループ３の各々は、２つの蓄電素子４の直列回路から構成され、図１において高い方にある蓄電素子は“４ａ”で示され、低い方にある蓄電素子は“４ｂ”で示されている。蓄電素４の電圧はＶａ又はＶｂで示されている。電圧Ｖａ及びＶｂの和である下位グループの電圧はＶａｂで示されている。電圧Ｖａｂの和である全蓄電装置の電圧は、Ｖで示されている。蓄電素子４は、例えば２．５Ｖの公称動作電圧Ｖａ又はＶｂを持つウルトラキャプコンデンサである。従って下位グループ３は、この例ではそれぞれ５．０Ｖの公称動作電圧Ｖａｂを持っている。例えば蓄電装置１が直列接続される１０個の下位グループ３を持っているものとすれば、蓄電装置１の公称全動作電圧Ｖは５０Ｖである。
【００２４】
各蓄電装置下位グループ３には、電荷再分配制御装置５が付属している。電荷再分配制御装置５は、入力量としてそれぞれ付属する蓄電装置下位グループ３の瞬間の電圧Ｖａｂを測定する（別の入力量として、それぞれの下位グループに属する蓄電素子４の瞬間の電圧Ｖａ及びＶｂも測定するが、これは図２に関して詳細に説明される）。すべての電荷再分配制御装置５は、更に制御バス６を介して上位の制御器７に接続されている。電荷再分配制御装置５は、制御器７に、例えば連続的に、それぞれ付属する下位グループ３の測定される瞬間の電圧Ｖａｂを通報する。
【００２５】
多くの実施例では、各電荷再分配制御装置５に、内部電圧閾値が固定的に記憶されている。個々の蓄電素子４の電圧Ｖａがこの電圧閾値を超過する電荷再分配制御装置５は、下位グループ３内で電荷再分配により、下位グループ内部の電圧対称化を行う。更に付属する下位グループ電圧Ｖａｂが電圧閾値のｎ倍を超過する電荷再分配制御装置５は、自己の下位グループ３から電荷の放出により、下位グループ３の間の電圧対称化を行う（ここでｎは下位グループ３の直列接続される蓄電素子４の数であり、下位グループ毎に２つの蓄電素子４を持つこの例では、電圧閾値の２倍が問題である）。電荷再分配制御装置５は、内部電圧閾値に基いて、この対称化動作を自発的に即ち制御器７に関係なく行うことができる。これに反し別の実施例では、電圧閾値は電荷再分配制御装置５に固定的に記憶されておらず、上位の制御器７により制御バス６を介して規定される。その場合この所定の電荷再分配制御装置５に揮発的にのみ記憶される（例えば固定的に限定される期間のみ及び／又は制御器７の側から新たに通報される電圧閾値により超過されるまで）。このような実施例では、制御器７は、どんな範囲から万一の電圧非対称化を除去すべきかを決定する。更に別の実施例では、電荷再分配制御装置５が内部の固定的に記憶された閾値を利用しかつ制御器７から閾値を得ることによって、両方の閾値実行法が組合わされている。即ちこれらの方法は、閾値の超過があるか否かを決定するため、これらの閾値の１つを使用する（例えば両方の閾値の小さい方を使用する）。このような組合わせは、一方では、上位の制御器７により対称化動作に影響を及ぼすのを可能にし、他方では、制御器７が動作しないか又は制御バス６を介する通信接続が中断され、従って制御器７により規定される閾値が利用不可能である時、完全に自発的に作用する電荷再分配制御装置５に基いて、電荷再分配回路２の機能も可能にする。
【００２６】
若干の実施例では、すべての電荷再分配制御装置５に同じ閾値が固定的に記憶されている。個の実施例では、上位の制御器７が、すべての電荷再分配制御装置５に対して共通な閾値を規定する。
【００２７】
過剰な電荷を放出できるようにするため、各下位グループ３は高設定器（即ち電圧を高める直流電圧変成器）を備えており、この高設定器は、それぞれ付属する下位グループ３の電圧Ｖａｂを全体として減少させ（しかし下位グループ３の個々の蓄電素子４の電圧Ｖａ又はＶｂを選択に減少させるのではない）、従って以下下位グループ変成器８と称される。
【００２８】
下位グループ変成器８は、付属する下位グループ３に入力側をそれぞれ並列接続されている。即ちその入力端には、それぞれ下位グループ電圧Ｖａｂがかかる。出力側で下位グループ変成器８は、互いに並列に蓄電装置１全体の端子に接続されている。即ちその出力端には、著しく高い全電圧Ｖがかかる。下位グループ３の電圧を低下させようとすれば、関係する電荷再分配制御装置５がその下位グループ変成器８を制御して、この変成器が電圧を高設定しながら電荷を下位グループ３から出力側へ出し、蓄電装置１全体へ供給する。これにより取出される電荷が蓄電装置１のすべての下位グループ３へ均一に分配されるので、関係する下位グループ３の電圧Ｖａｂが他の下位グループ３の電圧Ｖａｂに対して減少される。これは、一層低い第２の閾値を下回るまで、例えばヒステリシスのように行われる。電圧によれば高すぎる所にある下位グループから電荷を放出して、電荷を蓄電装置１全体へ戻すことにより、下位グループ３の電圧対称化が行われる。
【００２９】
下位グループ変成器８のために、適当な形式の高設定器を使用することができる。図１の実施例では、このため変成器９により形成されるスイッチングレギュレータが設けられ、この変成器９の一次巻線はスイッチ１０（ここではパワトランジスタ）と直列接続され、その二次巻線は蓄電装置１の正の端子へ導通方向を持つ逆流防止器１１（ここではダイオード）と直列接続されている。スイッチ１０の開閉は、自己誘導のため、変成器９の二次側に誘導電圧を生じ、この電圧が逆流防止器１１を通る電流を生じ、蓄電装置１を一層高い電圧レベルにする。スイッチ１０の開閉は、電荷再分配制御装置５の側からの制御によって行われる。
【００３０】
自己給電のため、電荷再分配制御装置５の給電端子１２は、付属の蓄電装置下位グループ３の正極又は負極に接続されている。従って電荷再分配制御装置５は、その自己の作動電流をそれぞれ付属する下位グループ３から下位グループ電圧Ｖａｂで取出す。図１の回路に示されている下位グループ３の蓄電素子の間のタップは、電圧測定及び（図２に関して後述するように）下位グループ３の関係する蓄電素子４の相互の電圧対称化に役立つが、電荷再分配制御装置５の給電には役立たない。
【００３１】
図２ａは図１の蓄電装置下位グループ３を示し、電荷再分配制御装置５が図１におけるより詳細に示されている。これは２つの電圧変成器１３ａ，１３ｂ、２つの電圧測定増幅器１４、１つの通信インタフェース１５及び１つのマイクロコントローラ１６を含んでいる。電圧変成器１３ａ，１３ｂは、下位グループ３の蓄電素子４相互の下位グループ内部の電荷再分配に役立ち、従って以下“蓄電素子変成器”とも称される。蓄電素子４ａ，４ｂの蓄電素子変成器１３ａ，１３ｂは、その出力端をそれぞれ他方の蓄電素子４ｂ又は４ａの正の端子に接続されている。蓄電素子変成器１３ａ，１３ｂは例えばチョークコイル変成きであり、上の蓄電素子変成器１３ａは例えば電圧低下変成器であり、下の蓄電素子変成器１３ｂは例えば電圧上昇変成器である。電圧上昇変成器１３ｂの回路の例が、図２ｂに概略的に示されている。図１に関連して説明した下位グループ変成器８と同様に、蓄電素子変成器１３ａ，１３ｂにおいて、それぞれ１つのパワースイッチ１７が周期的に操作されることによって、それぞれ付属する蓄電素子４ａ，４ｂからの電荷の放出が行われる。これは、チョークコイル１８における自己誘導により、電圧を上昇又は低下しながら通電を引き起こす。スイッチ１７の制御は、スイッチ１０の制御のように、マイクロコントローラ１６によって行われる。電圧低下チョークコイル変成器１３ｂ用の対応する回路は、例えば図２ｂから、大体においてスイッチ１７とチョークコイル１８の交換によって得られる。
【００３２】
マイクロコントローラ１６は、電圧測定増幅器１４を介して、両方の蓄電素子４ａ，４ｂの電圧Ｖａ及びＶｂを連続的に測定する（もっと詳細には、それは、図２ａによる実施例では、一方では下位グループの電圧Ｖａｂ及び下の蓄電素子４ｂの電圧Ｖｂを測定し、これから差の形成（Ｖａｂ−Ｖｂ）により上の蓄電素子４ａの電圧Ｖａを計算する。この場合マイクロコントローラが、前記の第１の閾値より上にあるＶａとＶｂとの電圧差を確認する場合、下位グループ３の蓄電素子４ａ，４ｂの内部対称化を行う。このためマイクロコントローラは、両方の電圧Ｖａ及びＶｂのうち高い方の電圧を持つ蓄電素子４ａ又は４ｂに付属する蓄電素子変成器１３ａ又は１３ｂのパワースイッチ１７にクロックパルスを供給する。これにより関係する蓄電素子４ａ又は４から電荷が取出され、同じ下位グループ３の他方の蓄電素子４ｂ又は４ａへ供給され、（下の蓄電素子４ｂからの電圧を高設定する電荷放出の場合、この電荷が下位グループ３全体へ供給されるので、この電荷の一部即ち約半分が再び下の蓄電素子４ｂへ流れ戻る。しかし逆効果として、この“薄め”にもかかわらず、下の蓄電素子４ｂから上の蓄電素子４ａへの電荷放出が生じる）。この対称化は、第２の低い方の閾値を下回るまで、例えばヒステリシスのように行われる。制御バス６従って上位の制御器７へのマイクロコントローラ１６のインタフェースとして、通信インタフェース１５が役立つ。
【００３３】
図１に関連して既に説明したように、電荷再分配制御装置５の給電は、給電端子１２を介して、付属する蓄電装置下位グループ３からその電圧Ｖａｂにより行われる。図２ａには、例えばマイクロコントローラ１６へのこの給電電圧の供給が示されている。対応する供給は、電荷再分配制御装置５の他の部分が給電を必要とする場合、これらの部分に対して、例えば電圧測定増幅器１４及び通信インタフェース１５に対して、当然考慮されている。
【００３４】
既に図１に関連して説明した第１の閾値を上回ると、蓄電素子４のグループ内部の対称化が行われるが、この閾値は、蓄電素子４の公称動作電圧より例えば０．１Ｖだけ上従って例えば２．６Ｖの所にある（例として２．５Ｖの公称動作電圧を持つ上記のウルトラキャプコンデンサにおいて）。それに応じて２倍の閾値は５．２Ｖの所にあり、この閾値を上回ると、下位グループ３の対称化が行われる。これに反し他の実施例では、公称電圧自体が閾値として設定される。即ち閾値は、前記の例では２．５Ｖ（又は２倍にして５．０Ｖ）である。これによりあらゆる過充電、即ち公称動作電圧以上の充電が回避される。例えば電圧も同様に閾値を超過するので、下位グループ３のそれぞれ他の蓄電素子４又は他の下位グループ３が放出すべき電荷を吸収できないほど、蓄電装置１が充電されると、再充電の試みに伴って現れる電流のため損失が結局全体として所望の電圧低下を生じる。
【００３５】
同様に既に図１に関連して述べた第２の閾値は、ヒステリシス効果を生じるため、例えば０．１Ｖであってもよい固定的な所定の差値だけ、第１の閾値の下にある。例えば２．５Ｖの第１の閾値において、蓄電素子電圧Ｖａ又はｖｂが２．４Ｖの値を下回るか、又は下位グループ電圧Ｖａｂが４．８Ｖの値を下回ると、対称化動作が再び終了せしめられる。
【００３６】
図３は、下位グループ３のマイクロコントローラ１６により実施される動作の概略流れ図である。過程は循環して行われ、従って終わっていない。図３においてＳ１で、付属する下位グループ３の瞬間の電圧Ｖａｂ、及び下位グループ３に属する個々の蓄電素子４ａ，４ｂの瞬間の電圧Ｖａ，Ｖｂの測定が始まる。既に上述したように、（狭い意味で）これらの電圧のすべてを測定する必要はない。むしろＳ１には、前記電圧の１つ（例えばＶａ）を測定された他の値から計算する（例えばＶａ＝Ｖａｂ−Ｖｂ荷より）可能性も含まれている。Ｓ２において、現在のサイクルのために選ぶべき電圧閾値が選択される。これは、例えば固定的に記憶されている内部閾値及び不揮発的に記憶されかつ制御器７により規定される閾値の最小値である。Ｓ３でマイクロコントローラ１６は、それに付属する下位グループ３の測定された電圧値Ｖａｂが選択された２倍の閾値より上にあるか否かを確かめる。ｙｅｓの場合、Ｓ４において、前記の下位グループ３から電荷の放出を行い、しかも下位グループ電圧Ｖａｂが適当な第２の閾値（例えばＳ２で選択された第１の閾値とヒステリシスとの差の２倍）を下回るまで（このためＳ４でＶａｂが連続的に測定される）、放出を行う。しかしＳ３で２倍の閾値の超過が確認されない場合、Ｓ４における電荷放出は行われない。Ｓ５でマイクロコントローラ１６は、下位グループ３の個々の蓄電素子４の電圧Ｖａ又はＶｂがＳ２で選択された閾値より上にあるか否かを検査する。ｙｅｓの場合Ｓ６において、当該蓄電素子（例えば４ａ）から同じ下位グループ３の他の蓄電素子（例えば４ｂ）へ電荷を放出させ、しかも当該電圧（例えば１０Ｖａ）が適当な第２の閾値（第１の閾値とヒステリシスとの差）を下回るまで（この目的のためＳ６において当該電圧（例えばＶａ）が連続的に測定される）、放出を行わせる。しかしＳ５において閾値の超過が確認されないと、Ｓ６における電荷再分配は行われない。過程はそれからＳ１において続行される。
【００３７】
この対称化動作に並行する別のプロセスにおいて、マイクロコントローラ１６は、Ｓ７において、それに付属する下位グループ３の測定された電圧Ｖａｂ，Ｖａ，Ｖｂを上位の制御器７へ送る。更にマイクロコントローラ１６は、上位の制御器７から新しい閾値を受ける用意がある。これは例えば次のように行われる。即ちマイクロコントローラ１６が、並行するプロセスのＳ８で、新しい閾値が入っているか否かを検査する。その場合このような閾値は、今まで使用されかつ制御器７により規定されてＳ２〜Ｓ６で使用される閾値に代わる。別の実施例では、別の受信方法が実施される。例えばマイクロコントローラ１６は、Ｓ２の前のまず前記のプロセスにおいて、適当な入力検査及び場合によっては閾値交代を行うことができる。Ｓ８後に並行するプロセスも同様にＳ１へ戻る。
【００３８】
図４は、３つの異なるグラフで、２っの蓄電装置下位グループ３（下位グループＩ及びＩＩと称する）及び両方の下位グループ３の１つ（即ち下位グループＩ）の２つの蓄電素子４（蓄電素子ａ及びｂと称する）の電圧推移を、時間の関数として示している。例えば図４ａは、時点ｔ１とｔ２との間の充電過程の推移において、下位グループの一方（即ち下位グループＩ）の電圧Ｖａｂが、他方の下位グループ（即ち下位グループＩＩ）の電圧より速く増大することを示している。それに応じて同じ下位グループ３に属する蓄電素子４ａ，４ｂの電圧Ｖａ及びＶｂも離れて動くことができる。例えば図４ｂは、ｔ１とｔ２との間の充電過程において、ここでは既に最初から高い所にある第１の（ここでは例えば選ばれた下位グループＩの）蓄電素子４ａの電圧Ｖａが、この下位グループの第２の蓄電素子４ｂの電圧より少し強く増大していることを示している。
【００３９】
時点ｔ２に、図４ａに示す例において、下位グループＩの電圧Ｖａｂは（第１の）閾値を超過する。これは上述した電圧対称化過程を開始し、この過程において電荷が下位グループＩから取出されて、蓄電装置１全体へ戻される。その結果電圧Ｖａｂは、時点ｔ３に第２の閾値（これは例えば第１の閾値とヒステリシスとの差である）を下回るまで低下するので、対称化過程はｔ３で終了する。厳密に言えば、他方の下位グループ（下位グループＩＩ）の電圧Ｖａｂは、電荷戻しにより高まる。即ち蓄電装置のすべての下位グループ３への電荷の分配のため、この効果は強く薄められ、従って図４ａの概略図からはわからない。図４ａにおいてわかり易くするため、充電過程が対称化過程の初め（従ってｔ２において）終わるものと仮定されている（実際には充電過程はなお引続いて進行し、これに対称化過程を重ねることができる）。
【００４０】
図４ｂは、下位グループ相互の電圧対称化が下位グループ個々の蓄電素子への対称化効果を大体において持たないことを示している。このため図４ｂにおいて、理想化して、図４ａにおいて上述した下位グループＩの対称化と同時には、下位グループ内部の対称化も行われないことが仮定される（しかし実際に後者の対称化は一般に事実その通りであるだろう。なぜならば、下位グループにおける（２倍の）閾値の超過は、一般に蓄電素子の少なくとも１つによる（１倍の）閾値の超過も伴うからである）。この仮定の下に図４ｂによれば、ｔ２とｔ３との間で下位グループＩからの電荷取出しの際、個々の蓄電素子の電圧Ｖａ及びＶｂの絶対値はそれに応じて減少するが、その電圧差はほぼ不変のままである。
【００４１】
既に上述したように、下位グループ３の個々の蓄電素子の対称化は、むしろこれとは無関係な下位グループ内部の図４ｃに示す対称化プロセスにおいて行われる。わかり易くするため図４ｃでは、ここに示す時間ｔ’１〜ｔ’３に、図４ｂにおけるように図において両方の対称化プロセスの重なりを避けるため、図４ａのように下位グループ外部の同時対称化が行われないことを仮定する。しかもここでは例えば、ｔ’１とｔ’２との間とここで考察されている下位グループの充電が行われ、その際この下位グループＩの蓄電素子ａがｔ２で（第１の）閾値を超過する（これは例えば図４ａの閾値の半分である）ことを仮定する。さて閾値超過の結果、蓄電素子ａから電荷が取出され、考察されている下位グループＩの他の蓄電素子ｂへ供給される。それに応じて蓄電素子ａの電圧Ｖａが低下し、蓄電素子ｂの電圧Ｖｂが上昇し、それから時点ｔ’３において、電圧Ｖａが第２の閾値（例えば第１の閾値からヒステリシスを差引く）を下回り、その後下位グループ内部の電圧対称化が終了する。
【００４２】
図５は２つの蓄電素子４の双子装置２０を示し、ここでは例えばウルトラキャプコンデンサのハウジングが、例えば２つの円形端面を持つ長い円筒の形状を持っている。両方の蓄電素子４は、共通な面内にあるハウジング円筒の縦軸線を平行にして設けられている。蓄電素子４はその縦軸線において、それぞれ対向する端面に正の電流端子２１及び負の電流端子２２を持っている。両方の蓄電素子４は、その極性を互いに逆にされ、即ち互いに隣接する端面には、一方の蓄電素子４の正の電流端子２１と他方の蓄電素子４の負の電流端子２２がある。隣接する両方の電流端子２１，２２は、一方の側で接続導体２３に接続されている。従って両方の蓄電素子は、図１及び２に示す下位グループに従って２つの蓄電素子４の下位グループ３を形成している（従って“４ａ”及び“４ｂ”で示されている）。他方の側にある電流端子２１及び２２は、この下位グループ３の正及び負の接続端子２４及び２５を形成している。これらの端子は、図示した種類の別の双子装置と接続条片２６により接続されている。両方の接続端子２４，２５の間に、上述した種類の電荷再分配回路の下位グループ３に付属する部分が設けられている。それは、図１及び２による電荷再分配制御装置５及び下位グループ変成器８である。この部分回路は“２７”で示され、一方では下位グループ３の両方の接続端子２４，２５に接続され、他方では両方の蓄電素子４ａ，４ｂの間の電位の取出しタップ２８を持ち、このタップ２８がこの電位にある接続導体２３と接触している（蓄電素子４ａ，４ｂのハウジングがこの中間電位にある他の実施例では、その代わりに中間電位の取出しのためこれらのハウジングの一方又は両方への接続部を設けることができる。）部分回路２７は更に蓄電装置全体の正及び負の接続端子にも接続され、この蓄電装置の部分は双子装置２０である。
【００４３】
図６は、図１〜５による蓄電装置１及び電荷再分配回路２を持つ自動車駆動系を示している。駆動系は内燃機関１２１を持ち、駆動軸１２２（例えば内燃機関１２１のクランク軸）、クラッチ１２３及び駆動系の別の（図示しない）部分を介して、内燃機関１２１がトルクを車両の駆動車輪へ与える。駆動軸１２２上には、始動電動機及び／又はブースタ及び場合によっては発電機として動作する電気機械１２４、ここでは三相非同期機又は例えば永久磁石を備えた三相同期機がある。これは、駆動軸１２２上に直接はまりかつこれと相対回転しないように結合される回転子１２５、及び例えば内燃機関１２１のハウジングに支持される固定子１２６を持っている。電気機械１２４及び内燃機関１２１は、常に一緒に回転する。即ち内燃機関１２１の始動及び／又はブースタ機能は、変速なしに直接行われる。固定子１２６の（ここには図示してない）巻線は、逆変換装置１２７により、自由に調節可能な振幅、位相及び周波数の電流及び電圧を供給される。逆変換装置１２７は、これらの電流及び電圧を、従来の長時間蓄電池１２８（例えば４８Ｖの動作電圧を持つ鉛−硫酸蓄電池）が設けられている直流電圧入力回路から発生する。入力回路には、電荷再分配回路２を持つ蓄電装置１も接続され、しかも図１の上位制御器７の機能も引受ける。充−放電制御器１２９を介して接続されている。蓄電装置１は、図１に詳細に示したように、直列接続されかつ付属する対称化部分回路２７（図５）をもつ蓄電装置下位グループ３から構成されている。下位グループ３は直列接続される蓄電素子から構成され、図６にはこのような下位グループがコンデンサ記号で表されている。例えば内燃機関１２１の直接始動のため又は車両加速の際トルク付加（ブースタ機能）のため、電気機械１２４が短時間に高い電力需要を持つ時、蓄電装置１から短時間大きい電力が取出され、逆変換装置１２７を介して電気機械１２４へ供給される。蓄電装置１の再充電は、連続作動中に、例えば電気機械１２４が発電機として動作する時に行われる。例えば車両の長い停止時間後、蓄電装置１が放電してしまっていると、始動過程前に蓄電装置１を長時間蓄電池１２８から充電することができる。蓄電装置１が完全に放電していると、電荷再分配制御装置５のマイクロコントローラ１６は、もはや供給せず、従ってその動作を中止する。マイクロコントローラは、給電の回復後リセットのように、その内部プログラムサイクルの特定の点において動作開始できるように、構成されている。これにより、蓄電装置１の放電及び後の再充電によりコントローラが不定の作動状態に達するのを回避される。蓄電装置１の対称化は、図１〜４に関連して説明した仕方に従って行われる。
【００４４】
好ましい実施例は、高い全体効率及び比較的少ない構造費で蓄電装置の電荷対称化を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】 電荷再分配回路の実施例をもつ蓄電装置の図であり、電荷再分配制御装置が概略的に示されている。
【図２】 図１の電荷再分配制御装置の概略図である。
【図３】 電荷再分配制御装置の動作を示す流れ図である。
【図４】 時間の関数として、蓄電装置下位グループ及び個々の蓄電素子の電圧対称化過程前及び過程中における電圧の概略推移図である。
【図５】 下位グループを形成する蓄電素子の双子装置である。
【図６】 上述した蓄電装置の実施例を持つ自動車駆動系の簡単化した概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電気エネルギの蓄積、例えば直列接続される複数の蓄電素子を持つ蓄電装置用電荷再分配回路に関し、電荷再分配回路が、電圧監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置を含み、これらの電荷再分配制御装置に、蓄電素子のそれぞれ１つの蓄電装置下位グループが付属している。本発明は、この回路を備えた蓄電装置、及びこのような蓄電装置戸を備えた車両駆動系にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギ用蓄電装置は、通常個々の蓄電素子から構成されている。この蓄電素子の公称動作電圧は、大抵は比較的低い電圧値例えばウルトラキャプコンデンサでは、２〜２．５Ｖの範囲にある。しかし大抵の使用のために、蓄電装置のずっと高い動作電圧が必要である。例えばハイブリット車両の電気駆動装置は、形式に応じて４８Ｖ〜３００Ｖで作動せしめられるので、このような駆動装置の給電のために使用される蓄電装置は、それに応じて高い動作電圧を持つようにする。この高い電圧を得るために蓄電装置では、典型的に適当な数の蓄電素子が直列に接続されている。例えば４８Ｖの蓄電装置は、約２．５Ｖの公称動作電圧を持つ２０個のウルトラキャプコンデンサの直列回路により形成することができる。
【０００３】
その間に、比較的多数の個々の蓄電素子の直列回路から構成されるこのような蓄電装置の寿命は、個々の蓄電素子の充電状態の不均一性により著しく短くされることは公知である（例えばＨ．Ｓｃｈｍｉｄｔ ｅｔ ａｌ．，“Ｔｈｅ ｃｈａｒｐｅ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ−ａ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｅｘｔｅｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｉｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｕ．Ｐ．Ｓ．ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ”，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｉｎｔｅｌｅｃ，Ｐａｒｉｓ，２７．ｂｉｓ ３０．Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９３，ＩＥＥＥ，Ｂｄ．３，Ｃｏｒｄ １１５，Ｓ．１４６−１５１）。個々の蓄電素子の直列接続では、これらの素子がすべて同じ特性を持ち、常に同じ充電状態にあるものと、まず仮定された。しかし実際に各蓄電素子は、他の素子の特性量とは一般に僅か異なる（容量、自己放電率のような）個々の特性量を持っている。簡単な接続回路では、このような相違は、一方では放電過程において、過放電又は小さい容量の蓄電素子の逆放電を生じ、他方では充電過程において、早期に完全充電される蓄電素子の過充電を生じる。この挙動は一般に発散的であり、即ち充分多数の充−放電サイクルのみが行われると、個々の蓄電素子の間の小さい相違でも、時間の経過と共に前記の現象を生じる。前記の現象は、まず関係する蓄電素子の損傷又は故障を生じ、最後には連鎖反応のように蓄電装置全体の早期の故障を生じる。
【０００４】
個々の蓄電素子の間の（実際上不可避な）相違のこのような影響を回避するため、既に複数の創作者が種々の方法を提案しており、これらの方法により個々の蓄電素子の充電状態の強制対称化が行われている（前記の会議におけるＳｃｈｍｉｄｔ等の寄稿及び欧州特許出願公開第０４３２６３９号明細書、Ｎ．Ｋｕｔｋｕｔ ｅｔ ａｌ．ｉｎ“Ｄｙｎａｍｉｃ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｓｅｒｉｅｓｂａｔｔｅｒｙ ｓｔａｃｋｓ”，Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ １９９６（Ｉｎｔｅｌｅｃ），Ｂｏｓｔｏｎ，６ ｂｉｓ １０．Ｏｋｔｏｂｅｒ １９９６，ＩＥＥＥ ０−７８０３−３５０７−４１９６，Ｓ．５１４−４２１，及びＲｉｄｄｅｒ 欧州特許出願公開第１２８３５８０号明細書参照）。これらの提案の基礎になっている考えは、蓄電素子を監視し、大きく充電された蓄電素子から電荷を取出し、かつ／又は少なく充電された電荷に供給することであり（その際多くの提案では、すべての蓄電素子から電荷が取出されるか又は供給されるが、多く充電された蓄電素子から、少し充電された蓄電素子より多くの電荷が取出されるか又は少なく供給される。Ｓｃｈｍｉｄｔによれば、直列接続される蓄電素子の下位グループを形成し、これらを単位として（すべての個々の蓄電素子の代わりに）前述したように監視し、対称化することも公知である。（例えばＳｃｈｍｉｄｔが前記の会議記録において報告した）以前の提案では、多く充電される蓄電素子から取出されるエネルギが加熱抵抗において放散されたが、以前の提案によれば、取出されるエネルギが再び蓄電装置へ（即ち結果として他の蓄電素子）に供給されるか、又はその代わりに少し充電される蓄電素子へ供給されるエネルギが、蓄電装置即ち結果として他の蓄電素子から取出される。このような再充電は効率的に有利である。なぜならば、その際再充電される全エネルギが失われるのではなく、再充電過程に伴って現れる損失が失われるだけだからである。この以前の方法により、比較的よい効率で、前記の種類の蓄電装置の寿命が延長される。
【０００５】
しかし前記の刊行物は、対称化に役立つ電荷再分配自体がどのように電流を供給されるかを示していない。恐らく前記刊行物の著者は、電荷再分配回路が、外部電源又は対称化すべき蓄電装置自体から、その作動に必要な電流を供給されることを、考慮していた。更に他の関連で、個々の蓄電池に監視すべき蓄電池から動作電流を得る制御装置を設けることも、既に提案されている（米国特許第６，１６３，１３１号明細書）。個々の蓄電池又はその代わりに蓄電池のグループに対して測定モジュールを持つ蓄電池診断装置においても、これらの測定モジュールがその動作電流を監視される電池又は監視される電池の群から取ることも提案されている（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９２１６７５号明細書）。
【０００６】
全体として、個々の蓄電素子又は蓄電素子のグループから選択的に電荷を取出すか又は供給する（例えばＳｃｈｍｉｄｔの前記会議記録による）電荷再分配装置により、機能する電圧対称化が行われる。しかし例えばＳｃｈｍｉｄｔにより示されるこの回路は、実現に費用がかかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って例えばこの従来技術から出発して、本発明の基礎になっている課題は、蓄電装置の蓄電素子の電圧対称化を可能にする比較的簡単な電荷再分配回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、直列接続される複数の蓄電素子を持つ蓄電装置用の電荷再分配装置を提供する。電荷再分配回路は、電圧監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置を含んでいる。電荷再分配制御装置には、蓄電素子のそれぞれ１つの蓄電装置下位グループが付属している。これらの蓄電素子は、その固有の供給に用いられるエネルギを、それらに付属する下位グループから取出す。それらは、個々の蓄電素子の電圧より大きくかつ蓄電装置の電圧より小さい電圧を供給される。電荷再分配装置は、電圧監視及び必要な場合各蓄電素子における電荷再分配が行われるように、電荷再分配回路が構成されている。
【０００９】
本発明は、別の局面によれば、上記の種類の電荷再分配回路を持つ蓄電装置に向けられている。
【００１０】
本発明は、別の局面に寄れば、駆動のため内燃機関及び電動機を持ち、電気機械への給電のため電荷再分配回路又は上記の種類の蓄電装置を備えている車両用駆動系に向けられている。
【００１１】
それ以外の特徴は開示された装置に含まれているか、又は実施例の以下の詳細な説明及び添付図面からわかる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図について説明する前に、好ましい実施例に対する若干の注がまず続く。即ち実施例は、直列に接続される複数の蓄電素子を持つ蓄電装置に関する。これは例えば電池、コンデンサ、ウルトラキャプコンデンサ等である。蓄電素子の直列接続の理由は、通常のように、蓄電装置が全体として見て、個々の蓄電素子の動作電圧より高い公称動作電圧を供給するためである。例えば直列接続される２０個の２．５Ｖ蓄電素子は約４８〜５０Ｖの電圧を供給する。もちろん複数の下位素子の並列接続により、単一の蓄電素子を形成することができる。このような蓄電素子は、その内部構造にもかかわらず、この説明では“蓄電素子”と称される。
【００１３】
最初に説明したように（個々の蓄電素子の間の電荷平衡なしの）純直列回路では、個々の蓄電素子の間に不可避に存在する相違が、等しくない電荷状態を生じることになる。従って実施例では、直列接続される蓄電素子の強制電圧対称化に適した電荷再分配回路が設けられている。この電荷再分配回路は、電圧監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置から構成されている。実施例では、この電荷再分配制御装置は、その自己供給に役立つエネルギを蓄電装置自体から取る。
【００１４】
若干の実施例では、電荷再分配制御装置の中心はそれぞれ１つのマイクロコントローラであり、電荷再分配制御装置の種々の機能、特に電圧の監視及び対称化を制御する。市販の種々のマイクロコントローラは、蓄電素子の種々の形式の公称動作電圧より上にある供給電圧で動作する。種々のマイクロコントローラは、多くの実施例では蓄電素子の公称動作電圧を含む大きい範囲の供給電圧を受入れるか、公称動作電圧はしばしばマイクロコントローラ供給電圧範囲の下縁にある。例えばＭｉｃｏｒｃｈｉｐ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｃ．社のシリーズＰＩＣ１０Ｆのマイクロコントローラは、２．０〜５．５Ｖの範囲にある供給電圧で動作するが、現在の普通のウルトラキャプコンデンサは、例えば２．５Ｖの公称動作電圧従って範囲下縁にある動作電圧を持っている。このようなウルトラキャプ蓄電素子の放電の際、これから発生される電圧は、従ってすぐにマイクロコントローラの動作電圧範囲の下限を下回るであろう。従って多くの実施例では、電荷再分配制御装置は、それぞれ個々の蓄電素子に付属するのではなく、複数の蓄電素子の下位グループに付属している。これらの実施例では、各電荷再分配制御装置は、それに固有の供給に役立つエネルギを、付属下位グループから取る。これにより電荷再分配制御装置は、個々の蓄電素子の電圧より大きく、（蓄電装置の下位グループのみが問題であり、蓄電装置全体が問題ではないので）蓄電装置の全電圧より小さい電圧を供給される。実施例では、この電圧は、電荷再分配制御装置に付属する個々の蓄電素子の電圧の和であり、従ってこれらの蓄電素子は直列接続されている。多くの実施例では、電荷再分配制御装置は、直列接続される精確に２つの蓄電素子に付属している。例えば２．５Ｖの動作電圧を持つ２つのウルトラキャプコンデンサが問題である場合、電荷再分配制御装置は、蓄電素子が完全に充電されている場合５．０Ｖの電圧を供給される。これにより、供給電圧範囲の下限（上記の例では２．０Ｖ）を下回るまで、（例えば全充電の約４０％まで）比較的大幅な放電が行われる。
【００１５】
他方実施例では、下位グループが電荷再分配回路により監視されかつ（例えば電圧対称化のため）再充電可能な蓄電装置であることはなく、これは、例えば電荷再分配制御装置がそれに付属する下位グループを（従来技術におけるように）“ブラックボックス”とみなす場合である。むしろ電荷再分配回路は、監視及び（必要な場合）電荷再分配が、下位グループの直列接続される各蓄電素子において、それぞれの電荷再分配制御装置により行われるように、構成されている。
【００１６】
従って実施例では、一方では電荷再分配制御装置が蓄電装置から適当な高さの供給電圧を供給されるが、他方では起こり得る電圧非対称がこの供給に役立つ蓄電装置下位グループ内でも回避されるようにすることができる。下位グループから適当な電圧を供給するため、電荷再分配制御装置は、その供給電圧の高設定又は低設定を行う必要がない。即ち前者は個々の蓄電素子から供給する場合であり、後者は全蓄電装置から供給する場合である。従って少なくとも若干の実施例では、電荷再分配制御装置は、供給電圧変成器を備えていない。
【００１７】
若干の実施例では、例えば電圧対称化のため電荷が、一方では下位グループに属する蓄電素子の間で再分配され、他方では蓄電装置下位グループの間で再分配されえる。これらの若干の実施例では、このため電荷再分配制御装置が、一方では蓄電素子の電荷交換のため個々の蓄電素子に付属する下位グループ内部の電圧変成器を備え、他方では下位グループの電荷交換のため関係する全下位グループに付属する電圧変成器を備えている。
【００１８】
最初に既に述べたように電圧対称化は、原理的に、比較的高い所にある電圧を持つ蓄電素子又は下位グループからのエネルギ取出しによるか又は比較的低い所にある電圧を持つ蓄電素子又は下位グループへのエネルギ供給によって、行うことができる。両方を選択可能な代案として考慮することも当然可能である。若干の実施例では、電圧変成器が双方向電圧変成器として構成されて、付属する蓄電素子又は付属する下位グループから選択的にエネルギを取出すか又はエネルギを供給することができる。これに反し他の実施例では、これらの可能性の１つだけが実現される。即ち電圧対称化のため若干の実施例では、電圧が高い所にある蓄電素子又は下位グループからエネルギ取出しが行われる。後者の手段は、一般に所望の寿命増大のために充分である。なぜならばそれは、（寿命に特に不利な）過度に高い電圧を、蓄電素子の完全充電の際回避するのに役立つからである。“比較的高い”は、例えば“所定の限界値より上”を意味し、他の実施例では“蓄電素子又は下位グループの測定される電圧の平均より上の（相対又は絶対）値だけ”を意味する。
【００１９】
若干の実施例では、電圧対称化のため１つの下位グループから取出されるエネルギは、１つ又は複数の他の下位グループへ供給される。これは、例えばこのエネルギを全蓄電装置（従って蓄電素子の全直列回路）へ供給することによって行うことができる。もちろんこのような供給は、電圧を実際に低くされる下位グループにおける僅かな電荷増大も生じる。しかしこの値は下位グループの逆数に応じて１つの係数だけ“薄められる”ので、考察されている下位グループにおける電荷減少が残っており、従ってこれらの種々のエネルギ流を、取出される正味エネルギ値が他の下位グループのみへ供給されるものとみなすことができる。同様に多くの実施例において、下位グループ内における１つまたは複数の蓄電素子の電圧対称化は、１つの下位グループの蓄電素子から取出されるエネルギが下位グループの１つ又は複数の他の蓄電素子へ供給されるように、行われる。
【００２０】
既に述べたように、蓄電素子は例えば電池、コンデンサ又はウルトラキャプコンデンサである。電池はエネルギを化学的な形で蓄える。それにより比較的高いエネルギ密度が得られ、他方では化学エネルギから電気エネルギへの変換は損失を伴い、一般に比較的ゆっくり経過するので、全体として蓄積可能なエネルギ量に対して比較的小さいエネルギしか取出し可能でない。更に変換速度は一般に低下する温度と共に低下し、更にこのような蓄電池の寿命は限られている。これに反しコンデンサはエネルギを電気の形で蓄えるので、実際上損失なくかつ遅れなく任意の頻度で取出すことができる。しかし従来のコンデンサのエネルギ密度は比較的小さい（典型的には電解コンデンサで０．０１ｗｈ／ｋｇ）。いわゆるウルトラキャプコンデンサは、従来のコンデンサの利点を持ち（実際上損失なく速くかつ頻繁な放電可能性）、ずっと大きいエネルキ密度に達する。このエネルギ密度は、例えば１けた又は２けただけアルミニウム電解コンデンサのエネルギ密度より上にある。その蓄積機構は、電解中におけるイオンの移動に基いており、誘電体を持つ従来のコンデンサにおけるようにイオンの分極に基くものではない。しかも電気化学二重層の充−放電が行われる（従ってウルトラキャプコンデンサは二重層コンデンサとも称される）。この層は２つの相を含んでいる。例えば一方の側に導電性炭素、他方の側に溶媒に溶解しているイオン。充−放電の際イオンが分極した炭素電極によりイオンが引寄せられるか又は突き離される。電荷担体の間隔は一般に数ｎｍにすぎず、このような炭素材料の表面は非常に大きいので、小さい体積において比較的大きい容量が得られる（例えばＴ．Ｄｉｅｔｒｉｃｈ：ＵｌｔｒａＣａｐｓ−Ｐｏｗｅｒ ｆｕｅｒ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌａｐｐｌｉｋａｔｉｏｎｅｎ，ｉｎ Ａ．Ｋｒａｐｐｅｌ（Ｈｒｓｇ．）：“Ｋｕｒｂｅｌｗｅｌｌｅｎｓｔａｒｔｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＫＳＧ）−Ｂａｓｉｓ ｆｕｅｒ ｚｕｋｕｅｎｆｔｉｇｅ Ｆａｈｒｚｅｕｇｋｏｎｚｅｐｔｅ，２．Ａｕｆｌａｇｅ，Ｅｘｐｅｒｔ−Ｖｅｒｌａｇ ２０００，Ｓ．２０２−２０７参照）。
【００２１】
若干の実施例では、前述したように蓄電装置下位グループは、それぞれ２つの蓄電素子を持っている。使用される蓄電素子形式及び電荷再分配制御装置用の所望の供給電圧に応じて、下位グループは（例えば３つの蓄電素子を持つように）異なるように構成可能であるとしても、それぞれ２つの蓄電素子が特に簡単な双子構造を可能にする。多くの実施例におけるように、蓄電素子が対向する側に電流端子を持っていると、両方の蓄電素子が、電流端子の極性に関して逆向きで双子装置にまとめられる。一方の側にある双子装置の両方の電流端子（例えば一方の蓄電素子の負極及び他方の蓄電素子の正極）は、この若干の実施例では、電気的に相互接続されている。他方の側にある双子配置の電流端子（従って上記の例において第１の蓄電素子の正極及び第２の蓄電素子の負極）は、外部への下位グループの“接続端子”を形成し、他方の下位グループの対応する電流端子と直列接続されている。若干の実施例では、電荷再分配制御装置は、前記の接続端子及び相互接続される電流端子とそれぞれ電気接続されている。
【００２２】
前記の電荷再分配回路の例示した好ましい使用は、駆動のため内燃機関及び電気機械を持ちかつ電気機械への給電のため蓄電装置及び上述した実施例による電荷再分配回路を備えている自動車において行われる。
【００２３】
さて図１に戻って、そこには電荷再分配回路２を持つ蓄電装置１の一部が示されている。蓄電装置１は複数の蓄電装置下位グループ３の直列回路により形成されている（そのうち図１には３つが示されている）。これらの下位グループ３の各々は、２つの蓄電素子４の直列回路から構成され、図１において高い方にある蓄電素子は“４ａ”で示され、低い方にある蓄電素子は“４ｂ”で示されている。蓄電素４の電圧はＶａ又はＶｂで示されている。電圧Ｖａ及びＶｂの和である下位グループの電圧はＶａｂで示されている。電圧Ｖａｂの和である全蓄電装置の電圧は、Ｖで示されている。蓄電素子４は、例えば２．５Ｖの公称動作電圧Ｖａ又はＶｂを持つウルトラキャプコンデンサである。従って下位グループ３は、この例ではそれぞれ５．０Ｖの公称動作電圧Ｖａｂを持っている。例えば蓄電装置１が直列接続される１０個の下位グループ３を持っているものとすれば、蓄電装置１の公称全動作電圧Ｖは５０Ｖである。
【００２４】
各蓄電装置下位グループ３には、電荷再分配制御装置５が付属している。電荷再分配制御装置５は、入力量としてそれぞれ付属する蓄電装置下位グループ３の瞬間の電圧Ｖａｂを測定する（別の入力量として、それぞれの下位グループに属する蓄電素子４の瞬間の電圧Ｖａ及びＶｂも測定するが、これは図２に関して詳細に説明される）。すべての電荷再分配制御装置５は、更に制御バス６を介して上位の制御器７に接続されている。電荷再分配制御装置５は、制御器７に、例えば連続的に、それぞれ付属する下位グループ３の測定される瞬間の電圧Ｖａｂを通報する。
【００２５】
多くの実施例では、各電荷再分配制御装置５に、内部電圧閾値が固定的に記憶されている。個々の蓄電素子４の電圧Ｖａがこの電圧閾値を超過する電荷再分配制御装置５は、下位グループ３内で電荷再分配により、下位グループ内部の電圧対称化を行う。更に付属する下位グループ電圧Ｖａｂが電圧閾値のｎ倍を超過する電荷再分配制御装置５は、自己の下位グループ３から電荷の放出により、下位グループ３の間の電圧対称化を行う（ここでｎは下位グループ３の直列接続される蓄電素子４の数であり、下位グループ毎に２つの蓄電素子４を持つこの例では、電圧閾値の２倍が問題である）。電荷再分配制御装置５は、内部電圧閾値に基いて、この対称化動作を自発的に即ち制御器７に関係なく行うことができる。これに反し別の実施例では、電圧閾値は電荷再分配制御装置５に固定的に記憶されておらず、上位の制御器７により制御バス６を介して規定される。その場合この所定の電荷再分配制御装置５に揮発的にのみ記憶される（例えば固定的に限定される期間のみ及び／又は制御器７の側から新たに通報される電圧閾値により超過されるまで）。このような実施例では、制御器７は、どんな範囲から万一の電圧非対称化を除去すべきかを決定する。更に別の実施例では、電荷再分配制御装置５が内部の固定的に記憶された閾値を利用しかつ制御器７から閾値を得ることによって、両方の閾値実行法が組合わされている。即ちこれらの方法は、閾値の超過があるか否かを決定するため、これらの閾値の１つを使用する（例えば両方の閾値の小さい方を使用する）。このような組合わせは、一方では、上位の制御器７により対称化動作に影響を及ぼすのを可能にし、他方では、制御器７が動作しないか又は制御バス６を介する通信接続が中断され、従って制御器７により規定される閾値が利用不可能である時、完全に自発的に作用する電荷再分配制御装置５に基いて、電荷再分配回路２の機能も可能にする。
【００２６】
若干の実施例では、すべての電荷再分配制御装置５に同じ閾値が固定的に記憶されている。個の実施例では、上位の制御器７が、すべての電荷再分配制御装置５に対して共通な閾値を規定する。
【００２７】
過剰な電荷を放出できるようにするため、各下位グループ３は高設定器（即ち電圧を高める直流電圧変成器）を備えており、この高設定器は、それぞれ付属する下位グループ３の電圧Ｖａｂを全体として減少させ（しかし下位グループ３の個々の蓄電素子４の電圧Ｖａ又はＶｂを選択に減少させるのではない）、従って以下下位グループ変成器８と称される。
【００２８】
下位グループ変成器８は、付属する下位グループ３に入力側をそれぞれ並列接続されている。即ちその入力端には、それぞれ下位グループ電圧Ｖａｂがかかる。出力側で下位グループ変成器８は、互いに並列に蓄電装置１全体の端子に接続されている。即ちその出力端には、著しく高い全電圧Ｖがかかる。下位グループ３の電圧を低下させようとすれば、関係する電荷再分配制御装置５がその下位グループ変成器８を制御して、この変成器が電圧を高設定しながら電荷を下位グループ３から出力側へ出し、蓄電装置１全体へ供給する。これにより取出される電荷が蓄電装置１のすべての下位グループ３へ均一に分配されるので、関係する下位グループ３の電圧Ｖａｂが他の下位グループ３の電圧Ｖａｂに対して減少される。これは、一層低い第２の閾値を下回るまで、例えばヒステリシスのように行われる。電圧によれば高すぎる所にある下位グループから電荷を放出して、電荷を蓄電装置１全体へ戻すことにより、下位グループ３の電圧対称化が行われる。
【００２９】
下位グループ変成器８のために、適当な形式の高設定器を使用することができる。図１の実施例では、このため変成器９により形成されるスイッチングレギュレータが設けられ、この変成器９の一次巻線はスイッチ１０（ここではパワトランジスタ）と直列接続され、その二次巻線は蓄電装置１の正の端子へ導通方向を持つ逆流防止器１１（ここではダイオード）と直列接続されている。スイッチ１０の開閉は、自己誘導のため、変成器９の二次側に誘導電圧を生じ、この電圧が逆流防止器１１を通る電流を生じ、蓄電装置１を一層高い電圧レベルにする。スイッチ１０の開閉は、電荷再分配制御装置５の側からの制御によって行われる。
【００３０】
自己給電のため、電荷再分配制御装置５の給電端子１２は、付属の蓄電装置下位グループ３の正極又は負極に接続されている。従って電荷再分配制御装置５は、その自己の作動電流をそれぞれ付属する下位グループ３から下位グループ電圧Ｖａｂで取出す。図１の回路に示されている下位グループ３の蓄電素子の間のタップは、電圧測定及び（図２に関して後述するように）下位グループ３の関係する蓄電素子４の相互の電圧対称化に役立つが、電荷再分配制御装置５の給電には役立たない。
【００３１】
図２ａは図１の蓄電装置下位グループ３を示し、電荷再分配制御装置５が図１におけるより詳細に示されている。これは２つの電圧変成器１３ａ，１３ｂ、２つの電圧測定増幅器１４、１つの通信インタフェース１５及び１つのマイクロコントローラ１６を含んでいる。電圧変成器１３ａ，１３ｂは、下位グループ３の蓄電素子４相互の下位グループ内部の電荷再分配に役立ち、従って以下“蓄電素子変成器”とも称される。蓄電素子４ａ，４ｂの蓄電素子変成器１３ａ，１３ｂは、その出力端をそれぞれ他方の蓄電素子４ｂ又は４ａの正の端子に接続されている。蓄電素子変成器１３ａ，１３ｂは例えばチョークコイル変成きであり、上の蓄電素子変成器１３ａは例えば電圧低下変成器であり、下の蓄電素子変成器１３ｂは例えば電圧上昇変成器である。電圧上昇変成器１３ｂの回路の例が、図２ｂに概略的に示されている。図１に関連して説明した下位グループ変成器８と同様に、蓄電素子変成器１３ａ，１３ｂにおいて、それぞれ１つのパワースイッチ１７が周期的に操作されることによって、それぞれ付属する蓄電素子４ａ，４ｂからの電荷の放出が行われる。これは、チョークコイル１８における自己誘導により、電圧を上昇又は低下しながら通電を引き起こす。スイッチ１７の制御は、スイッチ１０の制御のように、マイクロコントローラ１６によって行われる。電圧低下チョークコイル変成器１３ｂ用の対応する回路は、例えば図２ｂから、大体においてスイッチ１７とチョークコイル１８の交換によって得られる。
【００３２】
マイクロコントローラ１６は、電圧測定増幅器１４を介して、両方の蓄電素子４ａ，４ｂの電圧Ｖａ及びＶｂを連続的に測定する（もっと詳細には、それは、図２ａによる実施例では、一方では下位グループの電圧Ｖａｂ及び下の蓄電素子４ｂの電圧Ｖｂを測定し、これから差の形成（Ｖａｂ−Ｖｂ）により上の蓄電素子４ａの電圧Ｖａを計算する。この場合マイクロコントローラが、前記の第１の閾値より上にあるＶａとＶｂとの電圧差を確認する場合、下位グループ３の蓄電素子４ａ，４ｂの内部対称化を行う。このためマイクロコントローラは、両方の電圧Ｖａ及びＶｂのうち高い方の電圧を持つ蓄電素子４ａ又は４ｂに付属する蓄電素子変成器１３ａ又は１３ｂのパワースイッチ１７にクロックパルスを供給する。これにより関係する蓄電素子４ａ又は４から電荷が取出され、同じ下位グループ３の他方の蓄電素子４ｂ又は４ａへ供給され、（下の蓄電素子４ｂからの電圧を高設定する電荷放出の場合、この電荷が下位グループ３全体へ供給されるので、この電荷の一部即ち約半分が再び下の蓄電素子４ｂへ流れ戻る。しかし逆効果として、この“薄め”にもかかわらず、下の蓄電素子４ｂから上の蓄電素子４ａへの電荷放出が生じる）。この対称化は、第２の低い方の閾値を下回るまで、例えばヒステリシスのように行われる。制御バス６従って上位の制御器７へのマイクロコントローラ１６のインタフェースとして、通信インタフェース１５が役立つ。
【００３３】
図１に関連して既に説明したように、電荷再分配制御装置５の給電は、給電端子１２を介して、付属する蓄電装置下位グループ３からその電圧Ｖａｂにより行われる。図２ａには、例えばマイクロコントローラ１６へのこの給電電圧の供給が示されている。対応する供給は、電荷再分配制御装置５の他の部分が給電を必要とする場合、これらの部分に対して、例えば電圧測定増幅器１４及び通信インタフェース１５に対して、当然考慮されている。
【００３４】
既に図１に関連して説明した第１の閾値を上回ると、蓄電素子４のグループ内部の対称化が行われるが、この閾値は、蓄電素子４の公称動作電圧より例えば０．１Ｖだけ上従って例えば２．６Ｖの所にある（例として２．５Ｖの公称動作電圧を持つ上記のウルトラキャプコンデンサにおいて）。それに応じて２倍の閾値は５．２Ｖの所にあり、この閾値を上回ると、下位グループ３の対称化が行われる。これに反し他の実施例では、公称電圧自体が閾値として設定される。即ち閾値は、前記の例では２．５Ｖ（又は２倍にして５．０Ｖ）である。これによりあらゆる過充電、即ち公称動作電圧以上の充電が回避される。例えば電圧も同様に閾値を超過するので、下位グループ３のそれぞれ他の蓄電素子４又は他の下位グループ３が放出すべき電荷を吸収できないほど、蓄電装置１が充電されると、再充電の試みに伴って現れる電流のため損失が結局全体として所望の電圧低下を生じる。
【００３５】
同様に既に図１に関連して述べた第２の閾値は、ヒステリシス効果を生じるため、例えば０．１Ｖであってもよい固定的な所定の差値だけ、第１の閾値の下にある。例えば２．５Ｖの第１の閾値において、蓄電素子電圧Ｖａ又はｖｂが２．４Ｖの値を下回るか、又は下位グループ電圧Ｖａｂが４．８Ｖの値を下回ると、対称化動作が再び終了せしめられる。
【００３６】
図３は、下位グループ３のマイクロコントローラ１６により実施される動作の概略流れ図である。過程は循環して行われ、従って終わっていない。図３においてＳ１で、付属する下位グループ３の瞬間の電圧Ｖａｂ、及び下位グループ３に属する個々の蓄電素子４ａ，４ｂの瞬間の電圧Ｖａ，Ｖｂの測定が始まる。既に上述したように、（狭い意味で）これらの電圧のすべてを測定する必要はない。むしろＳ１には、前記電圧の１つ（例えばＶａ）を測定された他の値から計算する（例えばＶａ＝Ｖａｂ−Ｖｂ荷より）可能性も含まれている。Ｓ２において、現在のサイクルのために選ぶべき電圧閾値が選択される。これは、例えば固定的に記憶されている内部閾値及び不揮発的に記憶されかつ制御器７により規定される閾値の最小値である。Ｓ３でマイクロコントローラ１６は、それに付属する下位グループ３の測定された電圧値Ｖａｂが選択された２倍の閾値より上にあるか否かを確かめる。ｙｅｓの場合、Ｓ４において、前記の下位グループ３から電荷の放出を行い、しかも下位グループ電圧Ｖａｂが適当な第２の閾値（例えばＳ２で選択された第１の閾値とヒステリシスとの差の２倍）を下回るまで（このためＳ４でＶａｂが連続的に測定される）、放出を行う。しかしＳ３で２倍の閾値の超過が確認されない場合、Ｓ４における電荷放出は行われない。Ｓ５でマイクロコントローラ１６は、下位グループ３の個々の蓄電素子４の電圧Ｖａ又はＶｂがＳ２で選択された閾値より上にあるか否かを検査する。ｙｅｓの場合Ｓ６において、当該蓄電素子（例えば４ａ）から同じ下位グループ３の他の蓄電素子（例えば４ｂ）へ電荷を放出させ、しかも当該電圧（例えば１０Ｖａ）が適当な第２の閾値（第１の閾値とヒステリシスとの差）を下回るまで（この目的のためＳ６において当該電圧（例えばＶａ）が連続的に測定される）、放出を行わせる。しかしＳ５において閾値の超過が確認されないと、Ｓ６における電荷再分配は行われない。過程はそれからＳ１において続行される。
【００３７】
この対称化動作に並行する別のプロセスにおいて、マイクロコントローラ１６は、Ｓ７において、それに付属する下位グループ３の測定された電圧Ｖａｂ，Ｖａ，Ｖｂを上位の制御器７へ送る。更にマイクロコントローラ１６は、上位の制御器７から新しい閾値を受ける用意がある。これは例えば次のように行われる。即ちマイクロコントローラ１６が、並行するプロセスのＳ８で、新しい閾値が入っているか否かを検査する。その場合このような閾値は、今まで使用されかつ制御器７により規定されてＳ２〜Ｓ６で使用される閾値に代わる。別の実施例では、別の受信方法が実施される。例えばマイクロコントローラ１６は、Ｓ２の前のまず前記のプロセスにおいて、適当な入力検査及び場合によっては閾値交代を行うことができる。Ｓ８後に並行するプロセスも同様にＳ１へ戻る。
【００３８】
図４は、３つの異なるグラフで、２っの蓄電装置下位グループ３（下位グループＩ及びＩＩと称する）及び両方の下位グループ３の１つ（即ち下位グループＩ）の２つの蓄電素子４（蓄電素子ａ及びｂと称する）の電圧推移を、時間の関数として示している。例えば図４ａは、時点ｔ１とｔ２との間の充電過程の推移において、下位グループの一方（即ち下位グループＩ）の電圧Ｖａｂが、他方の下位グループ（即ち下位グループＩＩ）の電圧より速く増大することを示している。それに応じて同じ下位グループ３に属する蓄電素子４ａ，４ｂの電圧Ｖａ及びＶｂも離れて動くことができる。例えば図４ｂは、ｔ１とｔ２との間の充電過程において、ここでは既に最初から高い所にある第１の（ここでは例えば選ばれた下位グループＩの）蓄電素子４ａの電圧Ｖａが、この下位グループの第２の蓄電素子４ｂの電圧より少し強く増大していることを示している。
【００３９】
時点ｔ２に、図４ａに示す例において、下位グループＩの電圧Ｖａｂは（第１の）閾値を超過する。これは上述した電圧対称化過程を開始し、この過程において電荷が下位グループＩから取出されて、蓄電装置１全体へ戻される。その結果電圧Ｖａｂは、時点ｔ３に第２の閾値（これは例えば第１の閾値とヒステリシスとの差である）を下回るまで低下するので、対称化過程はｔ３で終了する。厳密に言えば、他方の下位グループ（下位グループＩＩ）の電圧Ｖａｂは、電荷戻しにより高まる。即ち蓄電装置のすべての下位グループ３への電荷の分配のため、この効果は強く薄められ、従って図４ａの概略図からはわからない。図４ａにおいてわかり易くするため、充電過程が対称化過程の初め（従ってｔ２において）終わるものと仮定されている（実際には充電過程はなお引続いて進行し、これに対称化過程を重ねることができる）。
【００４０】
図４ｂは、下位グループ相互の電圧対称化が下位グループ個々の蓄電素子への対称化効果を大体において持たないことを示している。このため図４ｂにおいて、理想化して、図４ａにおいて上述した下位グループＩの対称化と同時には、下位グループ内部の対称化も行われないことが仮定される（しかし実際に後者の対称化は一般に事実その通りであるだろう。なぜならば、下位グループにおける（２倍の）閾値の超過は、一般に蓄電素子の少なくとも１つによる（１倍の）閾値の超過も伴うからである）。この仮定の下に図４ｂによれば、ｔ２とｔ３との間で下位グループＩからの電荷取出しの際、個々の蓄電素子の電圧Ｖａ及びＶｂの絶対値はそれに応じて減少するが、その電圧差はほぼ不変のままである。
【００４１】
既に上述したように、下位グループ３の個々の蓄電素子の対称化は、むしろこれとは無関係な下位グループ内部の図４ｃに示す対称化プロセスにおいて行われる。わかり易くするため図４ｃでは、ここに示す時間ｔ’１〜ｔ’３に、図４ｂにおけるように図において両方の対称化プロセスの重なりを避けるため、図４ａのように下位グループ外部の同時対称化が行われないことを仮定する。しかもここでは例えば、ｔ’１とｔ’２との間とここで考察されている下位グループの充電が行われ、その際この下位グループＩの蓄電素子ａがｔ２で（第１の）閾値を超過する（これは例えば図４ａの閾値の半分である）ことを仮定する。さて閾値超過の結果、蓄電素子ａから電荷が取出され、考察されている下位グループＩの他の蓄電素子ｂへ供給される。それに応じて蓄電素子ａの電圧Ｖａが低下し、蓄電素子ｂの電圧Ｖｂが上昇し、それから時点ｔ’３において、電圧Ｖａが第２の閾値（例えば第１の閾値からヒステリシスを差引く）を下回り、その後下位グループ内部の電圧対称化が終了する。
【００４２】
図５は２つの蓄電素子４の双子装置２０を示し、ここでは例えばウルトラキャプコンデンサのハウジングが、例えば２つの円形端面を持つ長い円筒の形状を持っている。両方の蓄電素子４は、共通な面内にあるハウジング円筒の縦軸線を平行にして設けられている。蓄電素子４はその縦軸線において、それぞれ対向する端面に正の電流端子２１及び負の電流端子２２を持っている。両方の蓄電素子４は、その極性を互いに逆にされ、即ち互いに隣接する端面には、一方の蓄電素子４の正の電流端子２１と他方の蓄電素子４の負の電流端子２２がある。隣接する両方の電流端子２１，２２は、一方の側で接続導体２３に接続されている。従って両方の蓄電素子は、図１及び２に示す下位グループに従って２つの蓄電素子４の下位グループ３を形成している（従って“４ａ”及び“４ｂ”で示されている）。他方の側にある電流端子２１及び２２は、この下位グループ３の正及び負の接続端子２４及び２５を形成している。これらの端子は、図示した種類の別の双子装置と接続条片２６により接続されている。両方の接続端子２４，２５の間に、上述した種類の電荷再分配回路の下位グループ３に付属する部分が設けられている。それは、図１及び２による電荷再分配制御装置５及び下位グループ変成器８である。この部分回路は“２７”で示され、一方では下位グループ３の両方の接続端子２４，２５に接続され、他方では両方の蓄電素子４ａ，４ｂの間の電位の取出しタップ２８を持ち、このタップ２８がこの電位にある接続導体２３と接触している（蓄電素子４ａ，４ｂのハウジングがこの中間電位にある他の実施例では、その代わりに中間電位の取出しのためこれらのハウジングの一方又は両方への接続部を設けることができる。）部分回路２７は更に蓄電装置全体の正及び負の接続端子にも接続され、この蓄電装置の部分は双子装置２０である。
【００４３】
図６は、図１〜５による蓄電装置１及び電荷再分配回路２を持つ自動車駆動系を示している。駆動系は内燃機関１２１を持ち、駆動軸１２２（例えば内燃機関１２１のクランク軸）、クラッチ１２３及び駆動系の別の（図示しない）部分を介して、内燃機関１２１がトルクを車両の駆動車輪へ与える。駆動軸１２２上には、始動電動機及び／又はブースタ及び場合によっては発電機として動作する電気機械１２４、ここでは三相非同期機又は例えば永久磁石を備えた三相同期機がある。これは、駆動軸１２２上に直接はまりかつこれと相対回転しないように結合される回転子１２５、及び例えば内燃機関１２１のハウジングに支持される固定子１２６を持っている。電気機械１２４及び内燃機関１２１は、常に一緒に回転する。即ち内燃機関１２１の始動及び／又はブースタ機能は、変速なしに直接行われる。固定子１２６の（ここには図示してない）巻線は、逆変換装置１２７により、自由に調節可能な振幅、位相及び周波数の電流及び電圧を供給される。逆変換装置１２７は、これらの電流及び電圧を、従来の長時間蓄電池１２８（例えば４８Ｖの動作電圧を持つ鉛−硫酸蓄電池）が設けられている直流電圧入力回路から発生する。入力回路には、電荷再分配回路２を持つ蓄電装置１も接続され、しかも図１の上位制御器７の機能も引受ける。充−放電制御器１２９を介して接続されている。蓄電装置１は、図１に詳細に示したように、直列接続されかつ付属する対称化部分回路２７（図５）をもつ蓄電装置下位グループ３から構成されている。下位グループ３は直列接続される蓄電素子から構成され、図６にはこのような下位グループがコンデンサ記号で表されている。例えば内燃機関１２１の直接始動のため又は車両加速の際トルク付加（ブースタ機能）のため、電気機械１２４が短時間に高い電力需要を持つ時、蓄電装置１から短時間大きい電力が取出され、逆変換装置１２７を介して電気機械１２４へ供給される。蓄電装置１の再充電は、連続作動中に、例えば電気機械１２４が発電機として動作する時に行われる。例えば車両の長い停止時間後、蓄電装置１が放電してしまっていると、始動過程前に蓄電装置１を長時間蓄電池１２８から充電することができる。蓄電装置１が完全に放電していると、電荷再分配制御装置５のマイクロコントローラ１６は、もはや供給せず、従ってその動作を中止する。マイクロコントローラは、給電の回復後リセットのように、その内部プログラムサイクルの特定の点において動作開始できるように、構成されている。これにより、蓄電装置１の放電及び後の再充電によりコントローラが不定の作動状態に達するのを回避される。蓄電装置１の対称化は、図１〜４に関連して説明した仕方に従って行われる。
【００４４】
好ましい実施例は、高い全体効率及び比較的少ない構造費で蓄電装置の電荷対称化を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】 電荷再分配回路の実施例をもつ蓄電装置の図であり、電荷再分配制御装置が概略的に示されている。
【図２】 図１の電荷再分配制御装置の概略図である。
【図３】 電荷再分配制御装置の動作を示す流れ図である。
【図４】 時間の関数として、蓄電装置下位グループ及び個々の蓄電素子の電圧対称化過程前及び過程中における電圧の概略推移図である。
【図５】 下位グループを形成する蓄電素子の双子装置である。
【図６】 上述した蓄電装置の実施例を持つ自動車駆動系の簡単化した概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続される複数の蓄電素子（４）を持つ蓄電装置（１）用電荷再分配回路であって、
電荷再分配回路（２）が、電圧監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置（５）を含み、これらの電荷再分配制御装置（５）に、蓄電素子（４）のそれぞれ１つの蓄電装置下位グループ（３）が付属している
ものにおいて、
電荷再分配制御装置（５）が、その自身の供給に役立つエネルギを、それに付属する下位グループ（３）から取出し、個々の蓄電素子（４）の電圧より大きくかつ蓄電装置（１）の電圧より小さい電圧を供給され、
電圧監視及び必要な場合各蓄電素子（４）における電荷再分配が行われるように、電荷再分配回路（２）が構成されていることを特徴とする、
電荷再分配回路。
【請求項２】
電荷再分配制御装置（５）に供給する電圧が、それに付属する蓄電素子（４）の電圧の和である、請求項１に記載の電荷再分配回路。
【請求項３】
電荷再分配制御装置（５）への供給電圧の供給が、それを高く又は低くすることなしに行われる、請求項１又は２に記載の電荷再分配回路。
【請求項４】
一方では下位グループ（３）に属する蓄電素子（４）の間で電荷が分配され、他方では蓄電装置下位グループ（３）の間で電荷が分配されるように、電荷再分配が行われる、請求項１〜３の１つに記載の電荷再分配回路。
【請求項５】
電荷再分配制御装置（５）が、一方では蓄電素子（４）の間で電荷再分配のために、個々の蓄電素子（４）に付属する下位グループ内部の電圧変成器を備えており、他方では下位グループ（３）相互の電荷再分配のために、下位グループ（３）に付属するそれぞれ１つの電圧変成器（８）を備えている、請求項４に記載の電荷再分配回路。
【請求項６】
蓄電装置下位グループ（３）及び蓄電素子（４）の電圧が対称化されるように、電荷再分配が行われる、請求項１〜５の１つに記載の電荷再分配回路。
【請求項７】
電荷再分配のため、蓄電装置下位グループ（３）及び比較的高い所にある電圧を持つ蓄電素子（４）からエネルギ取出しが行われるように、構成されている、請求項６に記載の電荷再分配回路。
【請求項８】
蓄電装置（１）の電圧対称化のため蓄電装置下位グループ（３）から取出されるエネルギが、１つ又は複数の他の下位グループ（３）に供給される、請求項７に記載の電荷再分配回路。
【請求項９】
下位グループ（３）の電圧対称化のため下位グループ（３）の蓄電素子（４）から取出されるエネルギが、下位グループ（３）の１つ又は複数の他の蓄電素子（４）に供給される、請求項７又は８に記載の電荷再分配回路。
【請求項１０】
蓄電素子（４）がウルトラキャプコンデンサである、請求項１〜９の１つに記載の電荷再分配回路。
【請求項１１】
蓄電装置下位グループ（３）がそれぞれ２つの蓄電素子（４）を持っている、請求項１〜１０の１つに記載の電荷再分配回路。
【請求項１２】
直列に接続される複数の蓄電素子（４）及び請求項１〜１１の１つに記載の電荷再分配回路を持つ蓄電装置。
【請求項１３】
蓄電装置下位グループ（３）がそれぞれ２つの蓄電素子（４）を持ち、
蓄電素子（４）が対向する側に電流端子（２１，２２）を持ち、
下位グループ（３）を形成するそれぞれ２つの蓄電素子（４）が、電流端子（２１，２２）の極性に関し逆の向きを持つ双子装置（２０）にまとめられ、
双子装置（２０）の両方の電流端子（２１，２２）が、一方の側で電気的に相互接続され、
双子装置（２０）の電流端子（２１，２２）が、他方の側で下位グループ（３）の接続端子（２４，２５）を形成し、かつ下位グループ（３）の対応する電流端子と直列に接続され、
電荷再分配制御装置（５）が、双子装置（２０）の接続端子（２４，２５）及び相互接続されている電流端子（２１，２２）に電気接続されている、
請求項１２に記載の蓄電装置。
【請求項１４】
駆動系駆動のため内燃機関（１２１）及び電気機械（１２４）を持ち、電気機械（１２４）への給電のため、請求項１〜１１に記載の電荷再分配回路（２）又は請求項１１に記載の蓄電装置（１）を備えている、自動車両用駆動系。
【請求項１】
直列接続される複数の蓄電素子（４）を持つ蓄電装置（１）用電荷再分配回路であって、
電荷再分配回路（２）が、電圧監視及び電荷再分配用の複数の電荷再分配制御装置（５）を含み、これらの電荷再分配制御装置（５）に、蓄電素子（４）のそれぞれ１つの蓄電装置下位グループ（３）が付属している
ものにおいて、
電荷再分配制御装置（５）が、その自身の供給に役立つエネルギを、それに付属する下位グループ（３）から取出し、個々の蓄電素子（４）の電圧より大きくかつ蓄電装置（１）の電圧より小さい電圧を供給され、
電圧監視及び必要な場合各蓄電素子（４）における電荷再分配が行われるように、電荷再分配回路（２）が構成されていることを特徴とする、
電荷再分配回路。
【請求項２】
電荷再分配制御装置（５）に供給する電圧が、それに付属する蓄電素子（４）の電圧の和である、請求項１に記載の電荷再分配回路。
【請求項３】
電荷再分配制御装置（５）への供給電圧の供給が、それを高く又は低くすることなしに行われる、請求項１又は２に記載の電荷再分配回路。
【請求項４】
一方では下位グループ（３）に属する蓄電素子（４）の間で電荷が分配され、他方では蓄電装置下位グループ（３）の間で電荷が分配されるように、電荷再分配が行われる、請求項１〜３の１つに記載の電荷再分配回路。
【請求項５】
電荷再分配制御装置（５）が、一方では蓄電素子（４）の間で電荷再分配のために、個々の蓄電素子（４）に付属する下位グループ内部の電圧変成器を備えており、他方では下位グループ（３）相互の電荷再分配のために、下位グループ（３）に付属するそれぞれ１つの電圧変成器（８）を備えている、請求項４に記載の電荷再分配回路。
【請求項６】
蓄電装置下位グループ（３）及び蓄電素子（４）の電圧が対称化されるように、電荷再分配が行われる、請求項１〜５の１つに記載の電荷再分配回路。
【請求項７】
電荷再分配のため、蓄電装置下位グループ（３）及び比較的高い所にある電圧を持つ蓄電素子（４）からエネルギ取出しが行われるように、構成されている、請求項６に記載の電荷再分配回路。
【請求項８】
蓄電装置（１）の電圧対称化のため蓄電装置下位グループ（３）から取出されるエネルギが、１つ又は複数の他の下位グループ（３）に供給される、請求項７に記載の電荷再分配回路。
【請求項９】
下位グループ（３）の電圧対称化のため下位グループ（３）の蓄電素子（４）から取出されるエネルギが、下位グループ（３）の１つ又は複数の他の蓄電素子（４）に供給される、請求項７又は８に記載の電荷再分配回路。
【請求項１０】
蓄電素子（４）がウルトラキャプコンデンサである、請求項１〜９の１つに記載の電荷再分配回路。
【請求項１１】
蓄電装置下位グループ（３）がそれぞれ２つの蓄電素子（４）を持っている、請求項１〜１０の１つに記載の電荷再分配回路。
【請求項１２】
直列に接続される複数の蓄電素子（４）及び請求項１〜１１の１つに記載の電荷再分配回路を持つ蓄電装置。
【請求項１３】
蓄電装置下位グループ（３）がそれぞれ２つの蓄電素子（４）を持ち、
蓄電素子（４）が対向する側に電流端子（２１，２２）を持ち、
下位グループ（３）を形成するそれぞれ２つの蓄電素子（４）が、電流端子（２１，２２）の極性に関し逆の向きを持つ双子装置（２０）にまとめられ、
双子装置（２０）の両方の電流端子（２１，２２）が、一方の側で電気的に相互接続され、
双子装置（２０）の電流端子（２１，２２）が、他方の側で下位グループ（３）の接続端子（２４，２５）を形成し、かつ下位グループ（３）の対応する電流端子と直列に接続され、
電荷再分配制御装置（５）が、双子装置（２０）の接続端子（２４，２５）及び相互接続されている電流端子（２１，２２）に電気接続されている、
請求項１２に記載の蓄電装置。
【請求項１４】
駆動系駆動のため内燃機関（１２１）及び電気機械（１２４）を持ち、電気機械（１２４）への給電のため、請求項１〜１１に記載の電荷再分配回路（２）又は請求項１１に記載の蓄電装置（１）を備えている、自動車両用駆動系。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図６】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００８−５２６１８２（Ｐ２００８−５２６１８２Ａ）
【公表日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５５１５３７（Ｐ２００７−５５１５３７）
【出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＥ２００５／００２１５５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６６５２７
【国際公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【出願人】（５０７２４３１７５）テミツク・オートモテイーベ・エレクトリツク・モータース・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング (11)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＥ２００５／００２１５５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６６５２７
【国際公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【出願人】（５０７２４３１７５）テミツク・オートモテイーベ・エレクトリツク・モータース・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング (11)
【Ｆターム（参考）】
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