JP2000509955A - 誘導電力バッテリ充電器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バッテリを充電するための緩結合誘導電力は第１電力ピックアップ巻線から整流されて、その結果作成される電流源はバッテリユニット（３０９）に接続される。各電流源は２次共振巻線（３０４）を短絡することで制御される。バッテリバンクは、接続されたバッテリユニットの状態に応じて独立して制御された複数の分離された位置に余裕のあるピックアップを用いて、絶縁リンクを介して送られた総合コマンドにより充電可能である。バッテリユニットは単位電池である。自己安定化バンクまたはモノブロックでは、１次誘導導体が励起され、単位電池すべてを用いて、個々の単位電池は制御手段により個別に監視され、任意の平均以下の単位電池は誘導導体から個別に充電されるので、単位電池間のバラツキが補正される。バンク内のすべての単位電池の充電は、（たとえば）完全充電の３０％ないし７０％内に維持され、充放電が繰り返されている間に完全充電または空にならないように保護される。

Description

【発明の詳細な説明】 誘導電力バッテリ充電器 発明の技術分野 本発明は、個々の単位電池（セル：cell）の充電を制御可能なバッテリ充電装 置および方法の分野、および、誘導電力転送装置により充電されたバッテリを使 用する電気車両に関わる運送に関する。 背景 環境汚染のない輸送装置として電気車両に関心が集まっているが、一般の人々 はガソリンの燃料としての利便性によく慣れてしまっていて、電気は供給および 貯蔵についての欠点があるため電気車両はやはり受け入れられ難い。 電気車両への給電には電源の選択がかかわる。車両がエネルギ源を積む場合、 すなわち補給所で充電される充電式バッテリを備えた純バッテリ方式から、蓄電 池を使用しないで、電化レールまたは架空線にピックアップブッシュを擦り付け たり、誘導電力転送方式を用いたりした直接給電方式まである。（太陽光生成電 力またはエンジンにより駆動された積載発電器を随時使用して上記の方式を補足 している電気車両もある。）一般に、妥当な距離を移動できるだけ所与の車両に 充電するのが望ましい。ユーザが必要な時に車に乗り目的地にいけるように便利 のよい「実行しているのがわからない」充電処理を実行するのが望ましい。環境 に応じて、給電の選択範囲から最適な資源を選択する。道路の電化は高価に過ぎ る。大半の電気車両には少なくともバッテリ貯蔵が好ましく、これにより車は少 なくとも一時的に電化路から離れることができ、またピークの電力レベルが、電 力を固定供給所から給電できる程度を越えるレベルで供給することができる。再 生ブレーキ動作中に電力をバッテリに戻す車もある。これは山岳部で有益である 。固定電力源から給電される電気車両は、通常、ある期間充電場所にとどまり、 １つ以上の積載バッテリを充電し、移動中に貯蔵エネルギを消費することになる 。この処理の欠点は、充電位置での待機時間が長くなることと、移動を継続する ためには慎重な充電をしばしば実行する必要があることである。充電の頻度が比 較的高いという欠点を除いても、電気車両には蓄電池自体に関る技術上の問題も ある。ナトリウム電池などの新規の種類の電池が最近開発され−そして放棄され −リチウムハイブリッド電池が現在開発中であるが、鉛蓄電池が依然として最 もよく使用されている類の電池である。鉛蓄電池は電気車両にはぎりぎり適用可 能である、というのは、従来の管理方式では鉛蓄電池は、重くて、かさばり、エ ネルギ貯蔵量が少なく、エネルギ密度が低く、寿命が短く、価格が高いという欠 点を有しているからである。 あまり理解されていないが重要な問題は、直列に接続された多数のバッテリユ ニットまたはモノブロックを利用する大形車両に関するものである。主に、スイ ッチングコストと抵抗損失を最小にするために、通常、こうした車両のモータは １００または２００Ｖまたはそれ以上で動作する。鉛蓄電池の完全な放電や完全 な（過重）充電が有害であることは周知である。速続する単位電池バンクの充放 電が繰り返される場合、完全に充電された状態になりやすい単位電池もあれば、 完全に放電された状態になりやすい単位電池もある。１組のバッテリユニットす べての充電を同じにするために使用された従来の処理手順は、すべてのバッテリ が「ガスを出し」始める−−バッテリのすべての単位電池が完全１００％充電さ れたとき−−まで１組全体を完全に充電することである。しかし、大半のバッテ リは過充電であり、ガスを出している間に電解質が失われる。通常の電気車両で は、１日または１晩に一度完全充電処理が行われ、日中を通して充電される場合 もある。最高容量の約３０％ないし約７０％間の放電深度（ＤＯＤ）で鉛蓄電池 が維持されている場合には、鉛蓄電池が容量いっぱいに充電されたり放電される 場合よりも極めて多数のサイクルで動作することが知られている。 多数のバッテリユニットにおいてデューティを３０％ないし７０％の範囲に制 限するのが難しいのは、個々のユニットの性能のバラツキが極めて大きいので多 数のサイクルにわたって同質のバッテリバンクとして取り扱う場合には、完全充 電の状態に到達しやすいユニットもあるし、完全放電の状態に到達しやすいユニ ットもあるためである。その結果、電気車両のデューティ範囲は限られたものと なり、バッテリの寿命が大幅に短縮される。この問題は、電気車両のすべてのバ ッテリが取り外されて満タンの検査済みバッテリと置換される総バッテリ補修所 で克服可能であるし、さらに、充電の状態を感知する手段と共に、各バッテリユ ニットまたはモノブロックに１つずつ浮動充電器を各電気車両に備えることによ っても克服可能である。ただし、この種の充電手段はこれまでは商業的に実現不 可能と考えられていた。 当然のことながら、車両以外の適用分野はこの種のバッテリ管理に向いている 。たとえば、一連の単位電池に基づく電動具にはこの種のバッテリ管理を備える ことが可能なので、充電容量を高めて、バッテリの寿命を延長させている。たと えば、電話交換機は、電力のバックアップのために大規模な鉛蓄電池のバンクを 使用している。再生可能なエネルギの使用量が増大すると、蓄電池のバンクを家 庭用に使用できるようになり、太陽や風から集められた余分なエネルギを保持し てそれを後に消費することができる。 目的 本発明の目的は、充電式バッテリのバッテリ充電を管理する改良型装置および 方法または少なくとも一般の人々に有益な選択肢を提供する装置と方法を提供す ることにある。 発明の記述 第１の広範な態様において、本発明は、１つまたは複数の単位電池を含む充電 式バッテリユニット用の、バッテリ充電手段であって、高周波数で励起可能な少 なくとも１つの１次誘導導体と、充電電流を対応するバッテリユニットに供給可 能な緩く結合された共振２次誘導ピックアップユニットとの間の誘導電力転送を 利用し、前記ピックアップユニットは、少なくとも１つのインダクタ、共振手段 、および整流手段を含むものにおいて、前記ピックアップは１次誘導導体と誘導 ピックアップユニット間の結合を変える手段を含み、前記手段は、時々少なくと も１つの前記インダクタを短絡可能な短絡スイッチを含み、これにより共振ピッ クアップユニットで循環する電気エネルギの量が制御可能で、これにより充電式 バッテリユニットに送られるエネルギ量を制御可能なことを特徴とする。 関連する態様において、本発明は上記バッテリ充電手段であって、ピックアッ プユニットは第１制御インダクタと第２電力処理インダクタを含み、第１インダ クタが短絡状態にあるときに、第２インダクタが１次誘導導体と実質的に非結合 とされるように、第１インダクタと第２インダクタは互いに誘導結合される。 好ましくは、第１インダクタはリッツ線の多数巻きを備え、第２インダクタは 平坦な導電性シート、好ましくは、平坦なリッツ線ケーブルまたは代りに固体金 属片を備える。 他の関連態様において、本発明は上記バッテリ充電手段であって、ピックアッ プユニットは、１次誘導導体と任意のピックアップ巻線との間の結合量を制御す る制御手段を含み、この制御手段は、充電式バッテリの充電の状態を判定可能で あり、第１インダクタを短絡可能な短絡スイッチを動作させることで、一層の充 電電流を供給したり供給しなかったりすることが可能で、これにより充電式バッ テリの充電を制御できる。 さらに他の関連態様において、本発明は上記バッテリ充電手段であって、少な くとも１つの１次誘導導体と、複数のバッテリユニットで構成される充電式バッ テリのバンクと共に使用され、各バッテリユニットには関連するバッテリ充電手 段が存在し、制御手段はバンク内の各バッテリユニットの充電の状態を判定する ことができ、各バッテリユニットに一層の充電電流を供給したり遮断したりする ことができ、これにより対応するバッテリユニットの充電の状態が制御され、こ れにより充電の状態がバンクのバッテリユニットを通して同等にされる。 好ましくは、充電の状態は充電、貯蔵および放電中に制御される、ただし、選 択的にその活動を制限することができる。 さらに他の関連態様において、本発明は上記バッテリ充電手段を伴うバッテリ モノブロックであって、充電および制御手段は内部からその動作電力を引き出す ことができ、充電および制御手段は自動安定化機能を有しており、これにより制 御手段は任意の単位電池が他の任意の単位電池よりも少ない充電を保持している かどうかを判定可能であり、そして制御手段は、任意のより少ない充電の単位電 池に充電を追加可能であり、これによりすべての単位電池が同じ充電の状態また は放電深度（ＤＯＤ）にされる。 補助の態様において、本発明は上記バッテリ充電手段を結合したモノブロック であって、充電および制御手段は物理的にモノブロック内に含まれている。 さらに他の関連態様において、本発明は、少なくとも１つの電気モータにより 少なくとも部分的に駆動される車両であって、電気モータは上記バッテリ充電手 段から充電可能な充電式バッテリバンクから電力を引き出すものである。 さらに他の関連態様において、本発明は、再生可能な源からエネルギを収集可 能な電力収集手段と、収集されたエネルギを貯蔵して電力変換装置に解放可能な 充電式バッテリバンクとを含む電力貯蔵モジュールを有する上記バッテリ充電手 段であって、充電式バッテリバンクは前述のバッテリ充電および制御手段により 充電および／または安定化されることを特徴とする。 さらに関連態様において、本発明は上記のバッテリ充電手段であって、コント ローラは、使用中の充電式バッテリの種類に適切な所定の制限間に充電を実質的 に維持する。 さらに特定の態様において、本発明は、上記バッテリ充電手段であって、充電 式バッテリは鉛蓄電池であり、コントローラは、完全充電の約７０％の上限と約 ３０％の下限の所定の制限間で充電を実質的に維持し、これにより鉛蓄電池の寿 命は長くなる。 さらに他の態様において、本発明は上記バッテリ充電手段であって、制御手段 は充電式バッテリバンク内の障害を検出または予想可能である。 補足態様において、本発明は上記バッテリ充電手段であって、制御手段は各バ ッテリユニットの動作を記録することができる。 第２の広範な態様において、本発明は、充電式バッテリのバンク用のバッテリ 充電手段であって、該バッテリ充電手段は、高周波数で励起可能な少なくとも１ つの１次誘導導体と複数の共振２次ピックアップ巻線の間の誘導電力転送を利用 し、各巻線は充電式バッテリのバンクの対応ユニットに充電電流を供給可能で、 １次誘導導体と任意のピックアップ巻線の間の結合を制御する手段があり、該制 御手段は対応バッテリユニットの充電の状態を判定可能であり、一層の充電電流 を供給したり遮断したりできて、これにより対応バッテリユニットの充電の状態 が制御され、これにより充電の状態がバンクのユニットを通じて同じにされる。 関連する態様において、本発明は上記バッテリ充電手段であって、制御手段を 伴う共振２次巻線は、整流手段そしてバッテリユニットに結合されている比較的 低電圧高電流の巻線を備える他の実質的非共振２次巻線に効果的に結合されてい る。 さらに関連する態様において、本発明は上記バッテリ充電手段であって、制御 手段は、また他のバッテリユニットの充電の状態に応答し、その応答を制御可能 である。 好ましくは、各監視手段は電圧および電流測定手段とバッテリ監視のアルゴリ ズムを含み、このアルゴリズムは使用されるバッテリの種類の特徴に対応してい る。 選択的に、指定されたバッテリユニットの現障害や今にも起こりそうな障害を 感知する手段を利用して、信頼性を向上させることができる。 好ましくは、各バッテリユニットに対応する監視手段は通信手段により他の監 視手段とリンクしている。 また代りに、バッテリバンクは本発明の１つのバッテリおよび１つのユニット だけでもよい。 他の広範な態様において、本発明はバッテリのバンクの保守のための方法であ って、該方法は、他のモノブロックを設定充電レベルまで上げるのに必要な充電 量とは無関係に、バンクの各モノブロックまたはユニットを、設定充電レベルま で個別に充電する工程と、設定充電レベルまで個別に放電する工程とを備え、こ のため、任意の特定のモノブロックまたはユニットの動作がバンクの残りのバッ テリに影響を及ぼさない。 図面 以下に、添付図面を参照して例示のみのための本発明の好ましい形式を説明す る。 図１は、上から見た、電気車両に適切な１次（固定）および２次（移動）巻線 配置を示す図である。 図２は、電気車両に適切な１次導体および２次巻線配置の立断面図である。 図３は、電気車両に適切な本発明による充電器部分の回路図である。 図４は、充電式バッテリなどの負荷に適切な個々の制御巻線を有する好ましい ピックアップユニットの回路図である。 図５は、図４の好ましいピックアップユニットを上から見た図である。 図６は、図５の線Ａ−Ａ’に沿った横断面図である。 図７は、本発明による自動安定式モノブロックバッテリのブロック回路図であ る。 図８は、本発明による自己安定式モノブロックバッテリのより詳細な回路図で ある。 好ましい実施例 大まかに捉えると、電気車両のモノブロックのバンクの充電に関し、各モノブ ロックを充電する緩結合誘導電源が変動磁場にさらされている１次ピックアップ 巻線から整流され、その結果作成された電流源はモノブロックに結合される。循 環２次電流が高電流であるときまたはバッテリ充電が一杯のときに同じピックア ップユニット内の第２の２次巻線を短絡する処理を用いて、多くのモノブロック が、個別に制御されながら１つの１次電導経路から充電される。短絡の効果は、 １次電流が短絡ピックアップにより影響をうけず他のピックアップも影響を受け ないように磁気的に短絡ピックアップを分離することにある。 細かく見ていくと、本発明はモノブロックの単一電池に適用可能である。バッ テリの寿命を延ばすためには（少なくとも鉛蓄電池バッテリの場合）、完全充電 の３０％ないし７０％の間にすべての単位電池の充電を維持するのが望ましい。 充電および使用サイクルが繰り返されている間に、製造許容差や様々な電量効率 の結果として十分に充電された状態になる単位電池もあれば、放電状態になる単 位電池もある。記載された自動安定化モノブロックでは、内部の１次誘導導体が すべての単位電池により活動状態になり、個々の単位電池は個別に監視され、局 所１次経路からさらに充電されるので、単位電池間のバラツキが補正される。こ のモノブロックは、外部への通常の支柱型接続部を２つ備えている。ただし、こ のモノブロックは制御や報告の目的に使用される光ファイバーなどの他の制御ま たは通信リンクを備えることもできる。この種のシールドイン電子回路を備える 費用は、バッテリの寿命を延ばすことで補償される。直流電源用の電話交換機で 使用されている単位電池など極めて大きい単位電池もあることに注意すべきであ る。 好ましい実施例（１）−電気車両 本発明は、誘導電力電気車両のバッテリバンクの多くのモノブロックそれぞれ に対して個別にバッテリ充電器を備え、コストを最小にするために誘導転送電力 の特殊な特性を利用する。こうした特殊な特性とは、 高周波数動作（１０−２５ｋＨｚ）および１次コアなし １次導体および２次導体間の緩結合（精密に配置されない） 小型で、安価な２次ピックアップユニット 共振２次巻線（したがって、充電バッテリに適切な定電流型出力を供給する） ２次巻線の短絡による出力制御；直列スイッチでの多大な電力損失がない。 電動車両に適切なＩＰＴバッテリ充電器は、車両内の多数のＩＰＴピックアッ プコイル（図１と図２の１０４、図３の３０４）を備え、各コイルは、磁束をよ り多く集めるためにフェライト磁束増強コアを備えて、共振コンデンサ３０５に より共通動作周波数に同調させるのが好ましい。ピックアップコイルには、道路 （またはガレージまたは駐車場の床）に埋設されたリッツ線１０３の電線、ルー プまたはコイルの周囲の誘導磁界から電力が供給される。１次側も共振型である ことが好ましく、典型的な１次Ｑ値は１．５ないし３である。任意の大きさの１ 次誘導経路に電力を供給する一般回線は図８の符号１０１の下に示されている。 任意の時点に励起される１次導体の量を制御し増やす多数の技術がある。こうし た技術は以前に発行された特許明細書にそれらの執筆者により詳細に記載されて いる。次に、１次コイルは適切な高周波数電源１０１から給電され、この時点で 好ましい周波数である１０ｋＨｚでバス程度の大きさの車を充電するには、おそ らく４０ｋＷを生成するのが好ましい。現在利用可能なスイッチング装置は１０ ｋＨｚより高い周波数でははなはだしく高価になるが、周波数を高くすると、誘 導電力転送装置が一層コンパクトになる。おおよそ４５０Ａ／巻数を準備して、 共振型１次コイルに１次電流を循環させる。当然のことながら、１次導体は共振 型である必要はないが、共振型であれば（高調波の放射を低下させ高周波電流の 生成を容易にするのに）有益である。 １次巻線は、車両のためにコイルが巻き面上からやや離れるようにコンクリー トまたは他のスラブ２０２に含まれるのが好ましい。また代りに、コイルは床ま たは道路の溝に埋込まれ、車の下から（機構上保護された遮蔽内に）突き出る。 蓄電池の各ユニットに対して、電気車両の下に少なくとも１つのコイルを備える のが好ましい。「ユニット」とは、単位電池または約３ないし６の単位電池のグ ループを示す。ユニット当り２以上の２次コイルが備えてある場合、誘導磁界を 遮断するように車の周りにピックアップコイルを分散させることができ、多数の オプションの中の最も良い位置に配置されたコイルが自動的に選択される。また 代りに、車の運転手が１次巻線のほぼ上に車を位置づけるように車輪ガイドや自 動ガイダンスなどを備えるのも有益である。 個別の不具合を許容して、正確に電気車両を位置づける必要を減らすために、 多数のピックアップを備えて、浮動型でバッテリバンクの各ユニットに対し個別 に制御可能な２次側とすることが好ましい。実際のエアギャップは結合を改善す るためには小さく、しかしコンクリートスラブとピックアップコイルの間で物理 的な干渉が発生する危険をなくすためには大きいべきである。実際には、車のタ イヤの１つが平たい場合でも隙間は約７５ｍｍで十分であり、干渉のない充電が 可能になるであろう。前述の出願におけるように、図３に３０１、３０２または ３０３として例示されている、各２次ピックアップユニットは通常のピックアッ プコイル３０４（図１と図２の１０４）および図２に２０１として示され図６に ２０１として断面が示されたフェライト磁束集中コアを備えている。 共振コンデンサ３０５はピックアップコイルと共に共振回路を形成する。短絡 装置（本明細書では、例として、１対の対抗シリコン制御整流器３０６）が利用 されて、ピックアップ装置を可動または非可動（短絡時）とするので、各ピック アップユニット３０１、３０２または３０３の独立制御が可能になる。短絡した ピックアップ装置は出力電力を供給しないし、その時点で電流も循環しておらず 、短絡ピックアップの場所を通過しても１次導体に１次電力を流すのを止める障 害とはならない。選択的に装備するステップダウン変圧器３０７を通過した後で （というのは、２次巻線に循環する電圧が高いのが一層効果的であると考えられ ているからである）、各ピックアップの出力はショットキー整流器ブリッジ３０ ８などにより整流され、車両のバッテリの複数のモノブロックの１つに充電する ことができる。 代替２重コイル構成を以下に記載する。この構成では、１方の共振コイルが制 御されて、共振コイルが短絡されてない場合には他方のコイルは単に整流器を介 してＤＣ電流を供給する。図４を参照する。図４は、制御巻線３０４と電力収集 巻線４０２を比較的小型に結合した状態を示している。ここでは両巻線ともフェ ライトコア４０１を共有している。制御巻線の巻数は比較的多数なので、電圧が 高くなり、所与の共振周波数とするのに、低電圧（約２００Ａで３−１５Ｖ）を 供給する電力コイルよりも小さな容量の共振コンデンサしか必要としない。制御 巻線は、反対方向に平行に並べられた１対のシリコン制御整流器ユニット３０６ または単一電力ＦＥＴなどに接続された整流ブリッジなどの比較的定電流容量の 短絡スイッチを備えている。 非共振高電流巻線４０２の巻数は１回または２、３回でも構わない。高電流巻 線からの電流は直接整流され（ショットキーブリッジ３０８、個別ユニット５０ ３と５０３Ｒ（逆方向））、バッテリユニットに渡される。共振巻線が短絡状態 にあると、共振巻線は、誘導磁場から高電流巻線を遮蔽することができるので、 電力転送が停止される。短絡とは、１次電流転送に相互作用するピーク２次共振 電流を制限し、適切な充電レベルに到達するとバッテリ充電処理を中断する効果 的な方法である。 バッテリ充電誘導ピックアップの物理的な配置は図５（上面図）と図６（線Ａ −Ａ’に沿った横断面図）に示してある。図５には、明瞭にするために制御巻線 が示されてない。第１型の電力巻線は、ピックアップ組立体からわき道に突出し 支柱整流器５０３と５０３Ｒに接続する各端部につまみを備えた銅のシートから 構成された単一巻線を含む。整流器は、回復が迅速で順方向電圧低下が小さいシ ョットキー型または同様の型なのが好ましい。これらの支柱整流器は、ブリッジ 整流器構成が形成されるように方向付けられる。アルミニウム製シート５０１と ５０２は、（ａ）（穴５０４と５０５の）ＤＣ出力の接続点を備え、（ｂ）接続 点にボルト付けされた整流器ダイオード５０３、５０３Ｒから熱を放出させ、（ ｃ）磁束を下方に反射させフェライトコア上に向けて（上記の領域を遮蔽し）、 （４）制御ユニット（図示せず）の支持部を備えるという機能をもつ。図６では 、電力巻線４０２の両側に断面３０４で示された制御巻線が備えられており、フ ェライトモジュールの磁束収集組立体のフェライト要素４０１上に巻かれている 。これらのフェライト要素４０１は、本明細書に示してあるように一連のフィン ガー部またはより大きな塊である。１０３は１次導体である３つの導体を示し、 誘導ピックアップによる収集のための磁束が形成される。 高電力分野で使用するときには、電流（７５０Ａ）が銅シートの外表面の周り を循環し、端部を越えて、銅の内面に沿って他端に戻るが、約２００Ａしか引き 出せないことが判明している。その結果、かなりの熱が発生する。この問題は、 適切な横断面面積をもつ平坦なリッツ線などを用いることで克服される。２つの 平坦リッツ線片それぞれが単一回巻かれて並んで配置されて、４つの端部それぞ れが横方向に引き出されて、集中磁場から離れ、リッツ線の導体は、図５に示す ようにダイオードの１つに接続可能な適切なつまみまたは他の端末内で一緒にハ ンダ付けされる。 充電電流 この産業では、充電速度は、８ないし１５時間にわたる深夜型の「細流」充電 は「レベル１」と、３ないし８時間充電は「レベル２」と、１０ないし２０分し かかからない迅速充電は「レベル３」とされる。レベル１は、電気事業電源が被 る負荷は小さいが、長時間かかり不便である。その地で利用可能な電力の種類に 応じて充電レベルまたは速度が選択される。家庭では、単一相の１１７または２ ３０Ｖの出力電圧で１．５ないし２．５ｋＶＡに一般に制限される。３相出力電 圧を代りに備えることができ、このときレベル２充電速度を満たす。家庭での３ 相２２０ないし４８０Ｖ電力はめずらしいが、導入可能である。多くの家庭がよ り高い電力設備を導入すれば、電力会社はその配電の計画を見直さなければなら ない。電力会社は深夜充電運営を好む。３相電力は、ドライバが宿泊するような 産業建造物で通常利用できる。レベル３充電は、電気車両の即時緊急な再使用が 常に発生しやすい救急車などの適用分野に制限されることになる。 道路の下の設備では、車両が道路に沿って進んだり交通渋滞のときに充電の「 補給」はレベル２とレベル３の間のどこかで行われ、時には充電誘導磁場内にあ って、また時にはそこから離れている電気車両の市街地にふさわしい使用に対し てバランスをとる。３相電力はすでに大半の都市の道路で利用可能である。１次 側にコアがないと、循環電流が飽和する危険なしに上昇可能であり、１次側に流 れる循環電流量を制御するだけで任意の場所で供給可能な最高充電率がレベル１ 状態とレベル３状態の間のどこかで設定可能である。次に、他のスイッチや効率 の悪い調整器を使用しなくても２次側が供給可能な定電流の電流が判定される。 こうした誘導電力転送回路で使用される短絡スイッチ方式は低損失スイッチであ る。 充電処理手順をできるだけ自動化するためには、各車両がその電気消費量を記 録してそれに応じて充電する手段を備えるのが望ましい。車体内のメータを使用 して、すべての源−−家庭充電室またはフリーウェイの下の補給電流−−からの 電流が記録されしばしば代金が支払われるが、これには干渉が発生することがあ る。好ましくは、１次側の固定メータを車両内の応答器への問合せを含むプロト コルと共に使用して、確実に車両を識別して信用格付けを確認して、電力を移動 させて、電力事業会社に処置を通知する。ユーザは、基準速度を越える電力消費 の増加分に応じて課金され、この構成では、転送の不効率はユーザの責任となる 。技術の特定の適用分野は自動ガイド車両による「パークアンドライド（Park-a nd-Ride）」方式であり、経路が形成され、１０ないし１２分の充電の後で１０ ないし１２分ドライブをする規則的な３０分の計画が維持される。比較的大きい エアーギャップと良好な性能を示すようにピックアップが好適に整合されるよう にバスまたは車両が１次ループを介してガイドされる。システムもプログラムさ れて、一週間毎に完全に充電されてモノブロックの個々の単位電池が最高の性能 に維持されている。個人用の車（自家用車）では、この最後の特色により、通常 より長い走行が次の放電サイクルで計画されていることが知られている場合には 「請求次第で」完全充電が可能になる。この種の誘導電力転送に好適な１０ない し２５ｋＨｚ共振電力供給は典型的な入力力率約１．０を有し、この値は電力事 業社にとって望ましい特性である。 代表的な充電電流は、６ないし１２ボルトの単位電池集合から成るモノブロッ クに対して約１８０Ａである。 動作方法 本発明によると、各鉛蓄電池モノブロックが独立して充電されるので、各モノ ブロックは、常に（条件が許せば）３０％ＤＯＤまで充電可能であり、それ以上 には充電されない。充電平等化処理手順は不必要である。緩結合式ＩＰＴ技術で は、この選択肢が妥当な価格で達成可能である。ただし、そうでない場合には、 かなり高くなる。この種のＩＰＴ回路を用いると、バッテリへの給電は実質的に 一定電流である。この電流は、直列または分路調整器による能動制御よりも物理 的な設計または１次電流制御によりモノブロックの要件に合うように制御できる 。各モノブロックは、その共振回路を短絡すること（おどろくほど小さな電流低 下しか引き起こさない処理手順）で確実にオンオフ可能であり、「バンバン（ba ng-bang）式」コントローラとして制御可能である。４０ｋＷのバスへの充電電 流は６ボルトモノブロック当り約１７０Ａとなる。通常は、マイクロプロセッサ は、各モノブロックを介して流れる電流を繰り返して評価して、光学的で絶縁さ れたＲＳ４８５リンク（３１３）を介して渡された命令と電流を比較して、すべ てのマイクロプロセッサの方式が必要に応じて変更されて、障害報告、バッテリ ユニット状態のトレンド報告及び同様のことが行える。また代りに、各コントロ ーラは個別に動作可能である。鉛蓄電池は現在では電気車両ではぎりぎり受け入 れられるが、多くの欠点を備えているので、性能を最適化するバッテリ管理シス テムは基本的には、電気車両を経済的に採算がとれるものにする。鉛蓄電池に対 する電流の考察は、無限のサイクルにわたって３０％と７０％の放電深度（ＤＯ Ｄ）の間でバッテリが循環可能であることを示している。放電が深くなると、問 題が発生し（しばしば発生は避けがたいが）、充電が高くなっても、サイクルの 寿命や、低下させないとバッテリが加熱することになる充電速度に関して問題と なる。 個々の単位電池（鉛蓄電池の場合は２ボルトユニット）に端末が利用可能な場 合、等化コントローラは多チャンネルＡ−Ｄ入力を介して一連の単位電池の電圧 を適切に読み取ることができる。各単位電池が充電電圧源を備えている場合には 、バッテリバンク全体が一貫した充電レベルで維持されるようにこれらの単位電 池を制御できる。等化コントローラはモノブロック内で個々の単位電池を互いに 相対的に制御できる。補足充電電流（動作電流の約１０％）を遅れている単位電 池に供給することでコントローラは等化を実行する。（等化コントローラは以下 により詳細に説明される。）しかし、最小ユニットを６または１２ボルトの単位 電池集合のモノブロックと考えるのが最適である。 内部抵抗測定により推測したり、電解液を検査したり、または好ましい型の蓄 電池に、より適切な他の手段により充電が評価される。２次コイルで共振する電 流が上昇しすぎて、１次電流に干渉する誘導磁場が再放出される場合、短絡スイ ッチは、２次電流が停止するように閉鎖される。通常は、マイクロプロセッサは モノブロックを最高充電の７０％に戻そうとして、短絡回路を閉鎖して、電流を 遮断する。 マイクロプロセッサ（以下を参照）は最初は、ほとんど常にＯＮデューティサ イクルを課して、ほとんど常にＯＦＦサイクルにして終了する。充電中の電圧お よび電流測定およびサイクルのＯＦＦ部分中の電圧測定は、コントローラに充電 の状態を示すことになる。各モノブロックはさらにマイクロプロセッサを備えて 、充電を監視して、電量効率を記録して、正確な記録は不正常な単位電池を見つ けるために利用できる。鉛蓄電池は、一定の電流よりもパルス充電を用いれば一 層充電量が高まる。バッテリは、オン充電およびオフ充電電圧を測定してバッテ リの動的抵抗を記録するだけで、常に３０％ＤＯＤになるサイクルによって繰り 返すことができる。また代りに、３０％水準を越え、完全充電を必要とすること があるかも知れない。この場合には全充電処理から完全に「介入がなく」なるで あろう。適切な消費者に消費電流の請求書を送るシステムも含まれている。障害 のある単位電池を、障害の発生する前でさえも内部抵抗の増加として特定可能で ある。障害のある単位電池は、手動分離／ブリッジ化または自動分離によりバン クから取り除かれる。 好ましい実施例（２）−自己安定化モノブロックユニット 本項では、本発明をモノブロックの各単位電池に適用することで、充電が繰り 返され使用が繰り返されるにもかかわらず、モノブロックのすべての単位電池の 充電は、完全充電の３０％ないし７０％内に維持されることが記載される。本発 明を結合したモノブロックは自己安定化または充電均衡モノブロックと呼ばれる 。当然のことながら、本発明は、モノブロックにパッケージ化されてない蓄電池 の形に適用可能である。たとえば、電話交換機で使用されるような大型単位電池 のバンクも同様に安定化可能である。 外部充電器（誘導電力によっても駆動可能）は充電の大半を供給し、自己安定 化機能が十分充電されていない単位電池に少量−約５％−よけいの充電電流を供 給し、通常は、エネルギはバンクから一括に取り出す。放電中でさえ、平均速度 より迅速に放電している単位電池は他の単位電池から電流を引き出すことで補足 される。自己安定化モノブロックは、使用中または未使用中（ただし安定化機能 が不能化されていない場合）でもモノブロック自体を常に安定化できる。１つの 簡単な不能化制御は、光受信器モジュールで受信される光ファイバ７０８に接続 されたランプをオフすることであり、これは図８の電力変換器１０１を不能化す る。したがって、光ファイバを通じて光がくる機能バッテリバンクに本発明のバ ッテリを搭載すれば、自己安定化機能が能動化する。当然のことながら、光ファ イバは、個々の単位電池の状況の報告、電流ドレインの報告などのより複雑な通 信に使用可能である。図７と図８の両図には、単純化のため、いくつかの単位電 池および関連モジュールだけが示されていることに注意すべきである。図８では １つのモジュール８０８だけが示されているが（単位電池７０５はモノブロック ３０９の一部である）、実際には、通常８０８の６ユニットとなり、各８０８は 物理的にも誘導面からもに個別のピックアップコア上の制御および電力巻線を備 えている。 本発明による自己安定化モノブロックは、共振変換器（図７と図８で１０１） を備えている。共振変換器は、通常はモノブロック３０９の単位電池すべてから 獲得される直流電流を約１０ないし５０ｋＨｚの交流電流に変換する。図８に示 す変換器は直列インダクタ８０２を介して直流電力を引き出して、電流源と、中 央にタップの付いた直流分離インダクタ８０６に送る。１次導体１０３に直列接 続した共振インダクタ８０７と、共振コンデンサ８０５と、１対のスイッチ８０ ３と８０４がある。これらのスイッチは、通常、周波数が共振要素８０５と８０ ７により内部で決められるように線８０９の感知電圧を参照して相補的にコント ローラ７０１により駆動される。おそらく、直流分離インダクタ８０６と共振イ ンダクタを組み合わせることができる。導体１０３を共振要素８０６と８０７と 置換するように１次導体１０３を中央タップであって多数の巻数にすることもで きる。車両バッテリサイズのモノブロックにおいて１次誘導導体というのは概念 的かもしれない−−１組のインダクタが単一回路基板上に配置され、各インダク タは近辺モジュールに影響を及ぼすことなく内部短絡により個別に制御される。 感知導体（７０２）と充電導体（７０７）は基板から引き出されて単位電池間の すべてのコネクタに到る。これらの導体により個別の充電や個々の単位電池の監 視が可能になる。さらに、電圧が充電状況の判別手段として使用されれば、温度 は読み取りに影響を及ぼすので、１つまたは複数の温度センサも配置しうる。他 方でモノブロックが大型の場合、１次導体１０３は数十または数百メーターに渡 って延在する。 モノブロックは通常、外側に続く正負接続部（７０３、７０４）を備えており 、安定化機能の全体は内部にある。光ファイバ７０８などの通信結合は、制御目 的（たとえば、長期貯蔵中の不能化）および記録手段への欠陥単位電池の存在の 通知など報告目的のために備えられている。一般に、バッテリの製造元はモノブ ロックにつながる予備のコネクタを備えないことを好んでいるので、シールドイ ンされた電子部品集合が好まれる傾向にある。効果的なポッティングにより腐食 性の電解質から電子部品が保護される。この種のシールドイン電子部品を備える 代価はバッテリの寿命が延びることで相殺される。さらに、回路を複製すれば倹 約につながる。直流電源用の電話交換機に使用されているような単位電池は極め て大型であるが、同じ回路が使用可能であることに注意すべきである。 コントローラ 好ましくは、コントローラ７０１はモノブロックの内部部分を管理するために 備えられている。ある実施例では、コントローラ７０１は、各単位電池上の電圧 とモノブロックの温度、さらに。好ましくは、充電電流が各モノブロックに送ら れてなくても少なくとも総電流測定などの入力７０２が送られる。電流測定によ り内部抵抗が測定されるか、または単位電池の電圧が負荷の元でさえも測定され る。通常は、たとえば、共振変換器が禁止されるように外部からの制御信号７０ ８も送られる。コントローラからの出力は（３０６で充電器を短絡することで） 各個別充電器を禁止する線を備えている。本発明の１つの利点は、短絡スイッチ のゲートに至る禁止線が充電する特定の単位電池に関して浮動状態にあることで ある。通常は、このコントローラは、オペレーティングプログラムを保持するア ナログ入力およびプログラムメモリを備えた従来のマイクロプロセッサである。 他の実施例では、個別のコントローラ７０１を各単位電池に備える場合がある。 これは、個々の単位電池が大型であったり、または、各モジュールが個別のオフ セット電圧で動作する、バンクからの入力を供給しバンクへ制御信号を送る複雑 な構成よりも個別のコントローラが低価格の場合には一層そのようにするべきで ある。 動作方法 外部充電（誘導結合電力による場合）中には、内部安定化充電が不能化される が、好ましくは、感知手段はモノブロックの平均が充電動作中に３０％ＤＯＤに 到達したかどうかを報告することが依然として可能なのが好ましく、これにより そのモノブロックの充電を止めることができる。 外部充電の後で、モノブロックにおける内部コントローラは、温度に関してす べての単位電池の電圧を吟味して、電圧の低いものを十分に充電されてない単位 電池としてみなすことになる。次いで、この内部コントローラは、予備充電電流 をこれらの単位電池に適用して、しばしば充電の状態を検査して、モノブロック 自体内の単位電池のバンクから電力を引きだす。この種の処理は前述の項により 詳細に記載されている。この均衡処理手順は、モノブロックからの電力を消費し ている間にも使用できるので、どの単位電池も過放電されることはない。ただし 、個別充電処理の後でのみ自己安定化機能を適用すれば十分である。適用分野の 中には、充電の後直ぐに通常の使用がなされるので、動作状態がどのようなもの であっても使用中に安定化方法が機能可能であることが好ましい。 障害報告 明らかに障害の発生した単位電池を検出する際に、コントローラは、ある単位 電池に障害があり置換可能であることを外部監視プログラムに警告する報告手段 を備えている。一般には、異なる単位電池の早期の障害のためにモノブロック全 体が通常置換される。障害の発生した単位電池が確実に置換されると、全体の寿 命が長くなる。コントローラは、共振電力変換器を停止してモノブロックが使用 されてない時期にマイクロプロセッサをスリープモードに入れる禁止機能を少な くとも備えている。 この自己安定化機能の主な利点は、どの単位電池も３０％ないし７０％の放電 深度間から外れることはないことである。どの単位電池も最上の充電範囲で常に 使用されるので、バッテリ寿命が延びる。今日の適用分野では、問題は一般に過 充電により回避され、これにより、いずれはすべての単位電池がこれ以上充電さ れなくなるが、過充電は放ガスや電解質の劣化による悪影響があり、過熱が発生 し、３０ないし７０％ＤＯＤ寿命延在化を乱し、不要な時間やエネルギがかなり 消費されることになる。 変形 本明細書は鉛蓄電池に集中していたが、水素化リチウム技術に基づくバッテリ のような他の種類の充電式バッテリの特定の特徴は、この種のバッテリ管理シス テムにおいて準備されている。充電速度、浮動電流、深放電などを処理可能であ る。太陽光線または風のエネルギを後で使用するるために貯蔵されている複合再 生可能エネルギ施設の静止バッテリバンクなど車両以外の適用分野も考慮できる 。回路の細部を変形させることができる。 利点 本明細書に記載の緩結合システムにおける誘導転送電力源は、バッテリ充電の ために電圧源より好ましい電流源を備える。電圧源を電流源に変換する追加要素 は不必要であり、コストと効率を節約して、単一の単位電池のための構成と制御 の複製を利用できる。 各モジュール（図４に図示）は、多数の（例えば２０）同一モジュールが、公 称２４０Ｖ直流（変換前）で動作するバスのバッテリバンク全体に充電するため に同時に使用できるように電気的に分離可能である。 ピックアップは制御用の短絡システムを使用する。このシステムは効率的で、 １時に２つ以上のモジュールが同じ１次導体から電力を引き出すことができるの で、１つの電力源が複数の充電ユニットを用いてバッテリバンク全体を充電する のに使用できる。 コントローラは各単位電池の充電を確実に制御するので、通常の動作では単位 電池すべてが３０ないし７０％の放電深度に制限され、バッテリの寿命が延びた り、または使用のパターンに応じてバッテリ設計を最適化できる。 従来のモノブロックと置換される「自己安定化モノブロック」は上記のＩＰＴ 回路を内部で複製するものである。内蔵環境で（選択的に）動作しているときに は、このモノブロックは他の単位電池に関わらずに１つの単位電池の充電を調整 することもできる。 各地方の電源とは無関係に、誘導転送電力を用いた車両の国際的な互換性を保 持する。 最後に、上記のような本発明の範囲から逸脱しないかぎりは上記の実施例に様 々な変更や修正を加えることができることを理解すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 グリーン，アンドリュー，ウィリアム ニュージーランド国 1701 オークラン ド，ペタトウトウ，マトゥク プレイス 17

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． １つまたは複数の単位電池を含むバッテリユニット用で、高周波数で励起 可能な少なくとも１つの１次誘導導体と、充電電流を対応するバッテリユニット に供給可能な共振２次誘導ピックアップユニットとの間で誘導電力転送を利用し 、前記ピックアップユニットは、少なくとも１つのインダクタ、共振コンデンサ および整流手段を含むバッテリ充電手段において、 前記ピックアップは１次誘導導体と誘導ピックアップユニットの間の結合を変 化させる手段を含み、前記手段は、時々少なくとも１つの前記インダクタを短絡 可能な短絡スイッチを含み、これにより前記共振ピックアップユニットで循環す るエネルギの量が制御可能で、これにより充電式バッテリユニットに送られるエ ネルギの量が制御可能なことを特徴とする前記バッテリ充電手段。 ２． 前記ピックアップユニットは第１制御インダクタと第２電力処理インダク タを含み、第１インダクタが短絡状態にあるときに、第２インダクタが前記１次 誘導導体と実質的に非結合とされるように、前記第１インダクタと第２インダク タは互いに誘導結合されていることを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電 手段。 ３． 前記ピックアップユニットが、前記１次誘導導体と任意のピックアップ巻 線との間の結合量を制御する制御手段を含み、前記制御手段は前記充電式バッテ リの充電の状態を判定可能であり、一層の充電電流を供給したり供給しなかった りすることが可能で、これにより前記充電式バッテリの充電の状態が制御可能な ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電手段。 ４． 少なくとも１つの１次誘導導体と、複数のバッテリユニットで構成される 充電式バッテリのバンクと共に使用され、各バッテリユニットには関連するバッ テリ充電手段が存在する請求項３に記載のバッテリ充電手段において、前記制御 手段は前記バンク内の各バッテリユニットの充電の状態を判定可能であり、各バ ッテリユニットに一層の充電電流を供給したり遮断したりすることができ、これ により対応するバッテリユニットの充電の状態が制御され、これにより充電の状 態が前記バンクのバッテリユニットを通して同等にされることを特徴とする請求 項３に記載のバッテリ充電手段。 ５． 複数の単位電池と請求項４に記載の複数の関連バッテリ充電手段とを備え るバッテリモノブロックであって、前記充電および制御手段は内部からその動作 電力を引き出すことができ、前記充電および制御手段を含むモノブロックは自己 安定化機能を有しており、これにより前記制御手段は任意の単位電池が任意の他 の単位電池より少ない充電を保持しているかどうかを判定可能であり、そして前 記制御手段は、任意のより少ない充電の単位電池に充電を追加可能であり、これ によりすべての単位電池が同じ充電の状態にされることを特徴とする前記バッテ リモノブロック。 ６． 前記充電および制御手段は前記モノブロック内に物理的に含まれているこ とを特徴とする請求項５に記載のバッテリモノブロック。 ７． 少なくとも１つの電気モータにより少なくとも部分的に駆動される車両で あって、前記電気モータは請求項４に記載のバッテリ充電手段から充電可能な充 電式バッテリバンクから電力を引き出すものであることを特徴とする車両。 ８． 再生可能な源からエネルギを収集できる電力収集手段と、収集されたエネ ルギを貯蔵して電力変換装置に解放することが可能な充電式バッテリバンクとを 含む電力貯蔵モジュールであって、前記充電式バッテリバンクは請求項４に記載 のバッテリ充電および制御手段から充電可能なことを特徴とする前記電力貯蔵モ ジュール。 ９． 前記電気モータは、請求項５に記載のバッテリ充電手段から充電可能な充 電式バッテリバンクから電力を引き出すことを特徴とする請求項７に記載の車両 。 １０． 前記充電式バッテリバンクは、請求項５に記載のバッテリ充電および制 御手段から充電可能なことを特徴とする請求項８に記載の電力貯蔵モジュール。 １１． 前記充電式バッテリは鉛蓄電池であり、コントローラは、完全充電の約 ７０％の上限と約３０％の所定の下限の間に充電をほぼ維持し、これにより鉛蓄 電池の寿命が長くなることを特徴とする請求項３に記載のバッテリ充電手段。 １２． 前記制御手段は前記充電式バッテリバンク内の障害を検出したり予想し たりできることを特徴とする請求項３に記載のバッテリ充電手段。 １３． 前記制御手段は各バッテリユニットの動作を記録可能なことを特徴とす る請求項３に記載のバッテリ充電手段。