JP2000511398A - バッテリー自動等化用のスイツチトキヤパシタ式システム - Google Patents
バッテリー自動等化用のスイツチトキヤパシタ式システムInfo
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Abstract
(57)【要約】
バツテリーの自動的等化用のスイツチトキヤパシタ式システム(10)は負荷に交互に接続可能な主要の及びバックアップ用のバツテリーのみならず直列接続されたバツテリー(B)でも使用可能である。該システムは複数のキヤパシタ(14)と複数のスイツチ要素(16)を備えている。それらの間での電荷の移送と該対の該バツテリーの各々の出力電圧の等化のために該キヤパシタの各々は予め決められた対のバツテリーの間で前後に切り換えられる。該キヤパシタとスイツチ要素はモジュール型に構成することも出来る。多数のモジュールを、例えば、相互に直列接続された多数のバツテリーと組み合わせて使用することも出来る。該システムは電気自動車にそして全ての種類のバツテリーバックアップシステムに使用出来る。
Description
【発明の詳細な説明】
バツテリー自動等化用のスイツチトキヤパシタ式システム
発明の属する技術分野
本発明はバツテリー等化用のシステムと方法に関する。特に、本発明はスイツ
チされるエネルギー蓄積要素と組み合わされる斯かるシステムに関する。
発明の背景技術
蓄電池の直列接続品は電話産業、公益産業、そして軍事応用で広く使用されて
いる。直列接続品は将来の電気自動車及び新しい電力バックアップ応用品で使用
されると期待される。この様な接続品での該バツテリーを均一に充電する能力は
これらの状況では非常に重要である。
もし直列接続品が1つのユニットとして充電されると、バツテリー間の僅かの
不釣り合い又は温度差で充電不平衡が生じる。一旦不平衡が起こると、それは時
間と共に成長する傾向がある。不平衡を修正する企てでは”充電等化(charge e
qualization)”サイクルが使用されねばならない。この様な過程は該バツテリ
ーに歪みを与え、その寿命を(幾つかの応用品では3倍以上の倍率で)短縮し、
そして必ずしも有効でないことが認められて来た。
不平衡が主要な制限要素であると考えるようになったのは極く最近であるが、
直列バツテリーのユーザーは直列充電に関連する不平衡充電の問題を早くから気
付いていた。問題の程度は特定の応用品に依る。
電話産業は共通して少なくとも24個のセル(cell)の直列接続品を使用する
。1つ以上のセルが早期に故障することがよくあるが、不平衡
を長期間続けた結果のためである可能性がある。
1996年の終わりに商業的導入を計画される1つの電気自動車は直列の15
0個より多いセルを使用する。もしこの様な車両が商業的に成功しようとしてい
る場合は、この不平衡の問題が最小化するか又は取り除かれねばならない。
充電過程中に、不平衡で或るセルは不足充電され一方他のセルは過剰充電され
る。直列接続品の動作は最も弱いセルで制限されるので、局部的不足充電は問題
である。
電気自動車産業では急速充電の能力への期待が不平衡により起こる問題を悪化
させる。速い充電がゆっくりした”細流(trickle)”充電よりも不平衡を生ず
るらしいことは良く知られている。例え数十ミリボルトの不平衡でも充電過程を
変える傾向があるので時が経つにつれ不平衡が増大する。
実際は、長期の厳しい不平衡を避けるために周期的な充電平衡化、即ち”等化
(equalization)”が実行されねばならない。等化は最も頻繁には充電過程を伸
ばすことにより行われる。この方法を使用すると、最高の電圧のセルは強制的に
過充電される一方より低い電圧のセルは充分な充電にまでもたらさられる。
鉛蓄電池(lead acid)、ニッケル−カドミウム、ニッケル−金属水素化物(n
ickel-metal hydride)及び他の通常の再充電可能な技術品(technologies)で
は、過充電過程は水素ガスを発生し、最も高いセルから水を取り去る傾向がある
。サイクルを繰り返すと、過充電過程の副作用のみならず水の消失も性能を劣化
させセルの使用寿命を短くする。
多くのバツテリーメーカーはガスと湿気の交換機構を通して1容器
(single package)内の不平衡不具合を最小にするよう試みている。この方法に
限界はあるが、それは個別のセルではなく個別のバツテリー容器で直列接続品を
作れるようにしてくれる。
鉛蓄電池では10ボルト又は12ボルトの容器品が等化過程の目的で内部平衡
化されるように扱われることが多い。現在の技術では狭い誤差と高コストのため
にセル毎の等化を有効に支えることは出来ない。
意図的に充電を長くする方法は「受動的等化」と呼ばれる。文献では、最近の
数年内に積極的(active)等化が提案されて来た。1993年2月発行の米国電
気電子学会論文集(IEEE Trans)、産業電子部門(Indus.Electronics)、40
巻第1冊、96ー104頁のエス.ハング(S.Hung)、デー.シー.ホプキン
ス(D.C.Hopkins)、シー.アール.モスリング(C.R.Mosling)の”充電等化制
御によるバツテリー寿命の伸長(Extension of Battery Life via Charge Equal
ization Control)”では3つの選択枝が説明された。
第1の選択枝は高充電バツテリーの充電電流を逸らすのである(divert charg
ing current around high batteries)。この過程はエネルギー損失を生じ、効
率が重要でない時だけ使用出来る。過剰な充電量は熱として消耗されるのでこの
方法は産業及び商業利用では非実用的である。
第2の選択枝は1セットの電力変換器を使用してより弱いセルに選択的に電荷
を送るのである。第3の選択枝は1セットの電力変換器を使用してより強いバツ
テリーから電荷を逸らせる(divert charge away)が、該エネルギーを直列接続
品全体へ戻し損失を最小にする。第2及び第3の方法はコストが高く、そして長
い接続品のバツテリー電圧を平衡させるためには精密な制御を必要とする。
1つの報告されている方法は上記に規定されている第2の積極的方法に基づい
ている。この技術は等化の目的で精密な平衡をもたらすために特種な変圧器を使
用する。この方法に関連する誤差内容とコストは特に自動車や通信システムのよ
うな多量生産でコストに敏感な応用では著しい欠点である。複雑さから該技術が
セル毎の等化へ伸展出来ることは無さそうである。
開発中のもう1つの方法は第3の積極的な方法に向けられている。結果的に、
各バツテリー用に個別のスイツチ式電力変換器が備えられる。これは、コスト及
び変換器間不釣り合いの可能性のために、長い接続品では限定した実用価値しか
ない。
第4の積極的方法がジー.エル.ブレイナード(G.L.Brainard)に付与された
米国特許第5、479、083号に見られる。この方法によると、バックブース
ト型(buck-boost type)の直流−直流スイツチ式電力変換器が直列接続品の2
つの隣接するバツテリー内でのエネルギー移送用に接続される。
ブレイナードの(Brainard's)変換器は、隣接バツテリー間の電圧差が検出さ
れ、該変換器のインダクタ電流が検出され、そして該電圧差により該インダクタ
電流を変えるのにフイードバック制御システムが使用される場合は、等化機能を
もたらすことが可能である。この型の多数型変換器はもしスイツチ動作がきつく
協調された場合は全体の直列接続品を等化出来る。
この第4の方法の重要な制限事項は非常に精密な制御の必要性である。半周期
位相シフトに際して、2つの別々のクロック信号の持続時間が近接して釣り合う
ようにスイツチ信号が配備されねばならない。スイツチ
部品又はタイミングでの小さな不釣り合いも大きなインダクタ電流を生じ或いは
磁気的飽和を起こしさえする可能性があるので、フイードバック制御が必要であ
る。第5、479、083号でブレイナード(Brainard)は実質的に均等な持続
時間のスイツチ信号の必要性について表明している。
第4の方法のもう1つの制限は制御動作が自然にはゼロの条件へは至らせず、
該バツテリーが精密に釣り合う時該変換器はなお何らかのエネルギーを交換して
いることである。この小さな連続的交換はエネルギーを消費する。なおもう1つ
の制限は部品の値に関する。与えられたクロック周波数と等化電流には特定のイ
ンダクタ値が要求される。該制御は成功する等化動作を保証するために狭い範囲
内での運転を維持せねばならない。
第4の積極的方法以外の全ての従来技術の方法は充電過程が終了した時にしか
等化作用を行へない。少なくとも1つのバツテリーが完全充電状態に達するまで
等化動作を開始出来ず、そして全てのバツテリーが完全充電に達するまで終了で
きない。電気自動車での応用はバツテリーが完全充電に達することなしに多数回
のサイクルを繰り返す重要な場合である。通常、急速充電は完全充電を行うのに
は実用的ないが、それは高充電レベルでは効率が悪いからである。車両が駐車し
ている間にはゆっくりした充電方法は等化過程を完了させるには充分な時間を持
ていないかも知れない。
かくして、費用効率が高く、信頼性のあるバツテリー等化システムとその方法
に対する必要性が依然存在している。複雑な回路に至る必要がなくそして幾つか
のセルの寿命を短縮する必要なしにバツテリー等化の
改善を達成することが好ましい。
実用的な装置と方法は充電サイクル中、バツテリー放電中、又はアイドル時間
中にバツテリーを等化することが可能であるべきである。簡単で、信頼性があり
、低廉な等化用回路を作るためにはセンサーや債密な制御は避けることが非常に
望ましい。好ましくは該等化過程が完了した時バツテリーのエネルギーは交換さ
れるべきでない。好ましい装置と方法は広範な範囲の条件に亘り僅かの変更か又
は変更無しで動作するのが良い。
発明の概要
バツテリー等化用のスイツチトキヤパシタ式システム(switched c
apacitor)とその方法はバツテリー寿命の改善をもたらしてくれる。キ
ヤパシタのグループが隣接して直列接続されたバツテリー間で電荷をシフトする
ため使用される。代わりに、個々のキヤパシタは1つのバツテリーが他をバック
アップするように配置された2つのバツテリー間で電荷をシフトするように使用
出来る。
該キヤパシタが繰り返し前後にスイツチされると、該キヤパシタは任意の長い
直列接続品のバツテリー電圧を同じ値に持ってくる。該等化性はキヤパシタの値
、スイツチ速度、部品の値、充電レベル、そしてバツテリーの化学反応にさえも
無関係である。
該方法は低廉な部品で実施可能である。多くの応用品で、バツテリー寿命を2
倍以上の倍率で伸ばすと期待される。電気自動車の様な、高いストレスのかかる
応用品では、バツテリー寿命の伸びは更に顕著にさえなっている。この伸びは全
体システムのコストを実質的に減少させる。
本発明によれば、もし2つのバツテリーが不平衡の電圧を有するなら
ば、これらの間でスイツチされるキヤパシタがより高い電圧のバツテリーから電
荷を抜き取り、より低い電圧のバツテリーへ電荷を送る。該スイツチ過程が高い
周波数で実施されると、可成りの電荷の再配分が起こり、分又は時の時間間隔で
等化が起こる。
該キヤパシタの値は最終結果には関係せず、交換される電荷の割合のみに関係
する。スイツチの過程は速くなければならず、そして電流がゼロに減少するにつ
れ該スイツチは実質的にゼロの電圧降下を示さねばならぬことを除けば、該スイ
ツチ過程は重要ではない。これらの要求が充たされると、該過程は期待される寿
命の伸びを伴うようなバツテリー間電圧等化をもたらしてくれる。
本システムと方法はバツテリー技術に無関係に使用可能である。化学反応、製
造メーカー又は容量に無関係に隣接バツテリー間で電圧が釣り合わされる。
本スイツチトキヤパシタ(又はキヤパシターインダクタ)式の方法は長い直列
接続のバツテリーで或いは個々のセルでも制限なく使用出来る。直列のエヌ(n
)個のバツテリーの場合、一連のエヌ(n)ー1個のキヤパシタが隣接するセル
間を前後にスイツチすることが出来る。
該キヤパシタは隣接するバツテリー間でそれらが同じ電圧を示すまで電荷を交
換するので、該一連のキヤパシタ全体で全てのバツテリーに対する他の電圧が釣
り合うまで電荷を再配分する。同様な見解は容量性と誘導性の蓄積要素を組み合
わせたシステムでも成立する。
本発明の1つの側面は同一の等化モジュールを複数備えることが出来ることで
ある。該モジュールは等化されるべき複数のバツテリーに接続可能である。
本発明のなおもう1つの側面では再充電可能な車両駆動システムが提供される
。なおもう1つでは遠距離通信のバックアップシステムが提供される。
該システムと方法は低廉な実施法をもたらしてくれる。従来の電力用モスエフ
イーティー(MOSFETs)はスイツチ用ハードウエアとしての要求を充たし
てくれる。その定格や容量は重要ではなく、低コストの素子が適合出来る。基本
的なモスエフイーティー(MOSFETs)の小売り価格は今や1ユニット当た
り約60円(0.5ドル)に近くなっている。
各スイツチは、それが12ボルトより高いのは稀だが、単一のバツテリー電圧
を阻止すれば良い。該キヤパシタも12ボルトの定格を要するのみであるが、高
い信頼性と長寿命用として選択されるべきである。適当なキヤパシタの値は20
マイクロファラド乃至1000マイクロファラドの範囲にある。これらの値は現
在の多量生産されたキヤパシタでは良く見られる値である。
スイツチの制御は種々の仕方で実施可能である。光学的と磁気的の両方の結合
方法が利用可能である。大抵の場合別個の制御ユニットを要しないが、制御要素
は低廉なプログラムされたマイクロプロセッサーで実現出来る。
本システムと方法の利点には下記のものがあるが、
1.素子の釣り合いの必要性や狭い誤差無しに精密な等化が達成される。これは
幾つかの異なる回路が精密に釣り合う場合のみ等化が出来る積極的方法とは際だ
った対照である。
2.センサーを使用する必要がない。
3.閉ループ制御を要しない。
4.殆ど何れの状態でも同一実施法が使用出来る。例えば、スイツチトキヤパシ
タ式等化用回路は鉛蓄電池、ニッケル−カドミウムバツテリー、ニッケルー金属
水素化物バツテリー、又は他の従来の再充電式化学品で動作する。何れの種類の
変更も、調整又は再校正も要しない。
5.回路及び制御が簡単で低廉である。或る種の応用品では診断回路が提案され
て来ており、該新しい等化方法と概ね同じコストになりそうである。
6.本構想はモジュール方式であり、任意の数のバツテリーまで伸ばせる。モジ
ュールはバツテリーの付属品として提供出来る他、直接個々のバツテリーや個々
のセル(cell)と一緒に梱包することも出来る。異なるバツテリーが異なる値の
キヤパシタを有したり、異なるモスエフイーティー(MOSFETs)を使用したり或
いは電気特性で他の不釣り合いを有しても問題でない。各追加のバツテリーにモ
ジュールを備える事により何等システム再設計をせずにバツテリーが追加出来る
。
7.等化過程は主充電過程中にも或いは別個にも実施出来る。もし望ましいなら
ば、最小の電力放出でバツテリー動作中に連続的に実施することも出来る。等化
は充電レベルを考慮せずに行われる。
8.電荷は送られるよりも交換され、等化用回路内で如何なる与えられた時間内
でも極僅かなエネルギーしか取り扱わないので、本過程は安全又は防護システム
とは干渉しない。
9.広い範囲の公称バツテリー電圧に対し単1のシステムを設計出来る。単一の
回路が12ボルトから例えば36ボルトより高い電圧迄の定格のバツテリーを等
化出来る。
10.該システムは自己制御方式である。等化が完了すると、該キヤパシタの引
き続いたスイツチ動作はエネルギーを消耗せず、電荷を交換せず、そして更に何
等影響を及ぼさない。
本発明の他の多くの利点と特徴は次の本発明の詳細説明及びその実施例と、そ
して本発明の詳細がこの説明の一部として充分そして完全に開示されている請求
項と付随する図面とから容易に明らかになるであらう。
図面の簡単な説明
図1は本発明のシステムと方法を図解する全体のブロック図である。
図2は図1のシステムの1部のより詳細な略図である。
図3は本発明のモジュール式等化用回路の略図である。
図4は図3の制御回路の変圧器の一次側で測定した典型的クロック信号を図解
するグラフ図である。
図5は図3の回路の蓄積用キヤパシタ内の電圧変動を図解するグラフ図である
。
図6は低容量のバツテリーが等化される図3に図解する型の回路を使用したバ
ツテリー間電荷移送の加速シミュレーションに基づくグラフ図である。
図7aは図1の回路を使用する一般的応用を図解するブロック図である。
図7bは図1及び7aの回路で使用可能な単極スイツチの略図である。
図8は非同期制御付き等化システムのブロック図である。
図9は遠距離通信用バックアップでの応用品に利用するために構成された等化
用回路のブロック図である。
図10は図1の等化システムと組み合わされる電気自動車のブロック
図である。
図11は効率改善のためインダクタと組み合わされた等化システムのブロック
図である。
図12a−12cは図11のシステムを使用して、2個のバツテリーを有する
等化方法の加速されたシミュレーションを図解するグラフ図である。
図13は5個の直列接続されたバツテリー用の等化システムの略図である。そ
して
図14は5個の直列接続されたバツテリー用の非同期制御付き等化システムの
略図である。
好ましい実施例の詳細な説明
本発明は多くの異なった形での実施例が考えられるので、それらの中から特定
の実施例の詳細を図面で示しここに説明するが、これはこの開示が本発明の原理
の典型例として考えられるべきあり図解された特定の実施例に本発明を限定する
よう意図でないとの理解に基づいている。
図1は本発明のシステム10の略図を図解している。該システム10は一般的
にBで示す複数の直列接続されたバツテリーと共に使用されるよう意図されてい
る。
該バツテリーBは負荷Lに電気エネルギーを供給するよう意図されている。又
バツテリーBは再充電回路Rから充電されるよう意図されている。
該負荷は、例えば、電気的に動力を与えられた車両用の電気モーター及び組み
合わせ駆動電子機器であっても良い。
該システム10は制御ユニット12を含んでいる。その全てが共に直
列に接続された構成要素14a、14b,,,14gを有する複数のキヤパシタ
14は今度は複数のスイツチ16と接続されている。該制御ユニット12は制御
線18を経由して複数のスイツチ16の構成要素に信号を供給している。
表示実施例では、該制御ユニットは簡単には該スイツチにその上方位置と下方
位置とを順々に取らせるクロック信号である。図1でq及びqで示す、該”上方
”及び”下方”のクロック位相は制御線18を通り該スイツチに接続される。該
クロック位相は時間では別々でなければならない。しかしながら、その持続時間
は釣り合う必要はなく、そして特別の持続時間は必要でない。何らかのあり得る
重畳又は瞬間的回路短絡を防止するために該位相の間に短い休止時間を備えるの
が望ましい。
スイツチ16aの様な、複数のスイツチ16の構成要素は図1で図解する第1
の状態から図1で仮想図(phantom)で図解する第2の状態へスイツチすること
が出来る。第1の状態では、極の接続16a−1はバツテリーBaの陽極に電気
的に接続される。第2の状態では、該スイツチ16aの極要素16aー1はバツ
テリーの陰極Vaに、そして同時にバツテリーBbの陽極に電気的に接続される
。複数の16の他のスイツチも制御ユニット12からの信号に応答して同じ仕方
で動作する。
該複数の16の構成要素は同時に状態を変えそして図解されたようにそれぞれ
のバツテリーの陽極及び陰極に交互に接続する。複数のBの構成要素の直列接続
と該複数の16の構成要素の相互に関係のある接続の結果として、電荷は高い電
圧レベルを有するものからより低い電圧レベルを有するものへバツテリー間を移
送される。不平衡のレベル、キヤパシタの大きさそして上記の関連要素による時
間の間の後、該複数のバツ
テリーBの各構成要素は実質的に同じ電圧を示す。
図1の回路は非常に少ない部品を要するのみであることで有利である。加えて
、実施に当たり標準的な商業的に入手可能なキヤパシタやソリッドステートスイ
ツチを使用出来ることが更に有利である。
図2は図1のシステム10の1部分の詳細な方法を図解している。要素16a
及び16bの様な複数のスイツチ要素16の各構成要素は第1及び第2のモスエ
フイーティー(MOSFET)型トランジスターにより実施出来る。
要素16b−2及び16b−3の様なスイツチ用トランジスターはキヤパシタ
充電動作の終了時に電圧降下を呈しないように選択されねばならない。該トラン
ジスターは比較的大容量のキヤパシタをほんの100万分の数秒で充電出来なけ
ればならない。更に、該トランジスターは10kHz以上の桁の速度を有するユ
ニット12からの制御信号に応答してスイツチ出来なければならない。
図2の回路はモジュール方式で実施することが出来る。例えば、図2の仮想図
(phantom)で図解されているモジュールMbはキヤパシタ14bとスイツチ1
6c−2、16c−3で実施出来る。この様な方法では最後のモジュールの1つ
は第2セットのソリッドステートスイツチを必要とする。他のモジュール式配備
も可能である。
図3は本発明のよる代わりの、モジュールの、型のシステム30を図解してい
る。該システム30はバツテリーB1及びB2の電圧を等化する目的で複数のソ
リッドステートスイツチ34を有するブリッジ型の構造体32と組み合わされて
いる。30のシステムは唯1つのキヤパシタ36を必要とするのみである。
制御要素40はクロック信号を発生する。この信号は変圧器42を経由してス
イツチ用トランジスター34を開閉する(gate)が、それは電荷がバツテリーB
1及びB2の間で前後して移送され、それによりそれらの電圧を等化するためで
ある。該制御要素はパルス幅変調電力変換器制御素子SG3526Aの様に動作
する。該システム30は各対のバツテリー用に繰り返される。全てのこの様なモ
ジュールは相互に独立して動作する。
図4は図3の制御回路40により発生されるクロック信号を図解するグラフ図
である。図4のグラフは変圧器42の1次側両端の波形を図解している。
図4で図解されているように、該クロック信号は時間間隔Aを有するが、その
間該キヤパシタ36は2つのバツテリー、B1又はB2の1つと叉交式に接続さ
れる。時間間隔Aには次いで時間間隔Bが続くが、このBの間回路短絡や同様な
ことを避けるために全ての該固体化スイツチ34はオフにされる。該”休止時間
(dead time)”、時間間隔Bは時間間隔Aからの全ての電流の流れを停止させ
たことを保証する。該時間間隔Bは次いで時間間隔Cにより引き継がれるが、こ
のCの間該キヤパシタ36は該2つのバツテリーB2又はB1の他の1つと叉交
式に接続される。該時間間隔Cは次いで時間間隔Bのもう1つにより引き継がれ
そして該過程が継続する。
図5は上記説明した図4からのクロック信号によりバツテリーB1及びB2の
異なる電圧が等化されるような該キヤパシタ36の両端の変化する電圧を図解し
ている。
図6は図3で図解された型の回路でのバツテリーB1及びB2の様な
2つのバツテリー間の電荷移送及び等化の加速したシミュレーションのグラフで
ある。図6はシミュレーションであるが、本発明のバツテリー等化の過程を図解
している。
図6のシミュレーションは、例えば、バツテリーB1が初めに42ボルトでス
タートしそしてバツテリーB2が初めに11ボルトでスタートするようなそれら
の間で1ボルトの違いを有してスタートする2つのバツテリー間で電荷を等化す
ることに基づいている。図6のグラフはバツテリーB1及びB2が比較的低い容
量であるとの仮定に基づいている。もしシミュレーションが大容量のバツテリー
で行った場合に唯違う所は該バツテリーを等化するに要する時間間隔が増加する
ということである。それが無ければ該過程は同じである。
図3のキヤパシタ36の様なキヤパシタ両端の変化する電圧のシミュレーショ
ンのグラフはバツテリーB1及びB2の近づく電圧の間に挟まれる。図6でのシ
ミュレーションのためには、1、000マイクロファラドのキヤパシタの値が選
ばれた。スイツチする周波数は5、000Hzに設定された。
図7aは4つのバツテリーに限定されているが、図1で図解したシステム10
のより詳細なブロック図である。バツテリー4個での限定は唯例示用のためだけ
であり本発明の限定ではない。
図7aで図解した主クロックユニット12aは図1の制御ユニット12の機能
を表す。図1及び7aのシステムは線MC1,MC2上に共通の主クロックを供
給する単一同期制御ユニット12と組み合わされてい
対応する。
図7bは図7aで図解された単極、双投スイツチの1つの略図である。キヤパ
シタ及び組み合わせスイツチのモジュール式配備を図解するように図1も図7a
も明示しては構成されていないが、図3に関連して前に説明したようにこれらの
システムの何れの1つもモジュール式に構成出来ることは理解されよう。モジュ
ール式構成では保守と試験の目的で該システムに解除可能に契合されるようキヤ
パシタ/スイツチモジュールの各々がプラグ付きで配備される。
図8は代わりの形の等化システム60を図解するが、それは非同期制御方式と
組み合わされる。該システム60は制御ユニット62a、62b及び62cを含
んでいる。制御ユニット62a−62cの各々は独立したクロック64aー64
cを発生する。該システム60は4つの直列接続されたバツテリーの等化を図解
するが、等化されるバツテリーの数はその限定事項ではないことは理解されよう
。
図9は、例えば、公益供給の交流電力が故障した場合バツテリーがバックアッ
プを供給するようなシステム70で使用されるシステム16のような等化システ
ムを図解している。典型的な例には遠距離通信及びデータ処理システムで見られ
るバックアップシステムが含まれるが、それは公益供給の交流電力の故障があっ
た時この様なシステムの運転と、データ及びサービスの完全性を維持するためで
ある。
図解されているように、該システム70は唯4つの直列接続されたバツテリー
と組み合わされている。これらは例示用のみでありそして該システムが直列接続
されるバツテリーの数により制限されないことは理解されよう。
通常の運転では、公益供給の交流電力は回路72で整流されそしてフ
イルターを通される。該整流されそしてフイルターを通された直流エネルギーは
次いで負荷L’に電力を与えるために切り換えスイツチ74を経由して供給され
る。同時に、整流器及び回路78が備えられ、バツテリー列(bank)、Ba−B
nに細流型浮遊式充電(provide a trickle-type float charge)をするために
、通常の公益供給の交流電力エネルギーにより電力を与えられている。
該バツテリー等化器は直列接続された複数のバツテリー間に現れる電圧を連続
的に等化するために上記説明のように動作する。
電力の故障した場合は、負荷L’駆動のために該切り換えスイツチ74はバッ
クアップバツテリー列へ切り換える。この時間の間、該バツテリー等化システム
16は該直列接続されたバツテリーに出現する電圧を等化するために動作し続け
る。
該システム70に図解された各バツテリーがそれ自体が、増加したエネルギー
の蓄積容量を提供するために共に並列に接続された複数のバツテリーの構成要素
であっても良いことは理解されるであらう。又2つのバツテリーの1つが主要バ
ツテリーであり、他の1つがバックアップバツテリーであるような2つの別々の
バツテリーの電圧を等化するように該システム16を構成しても良いことも理解
されるであらう。
図10は電気的に動力を与えられた車両80のブロック図であるが、該車両は
図7aに図解された型のバツテリー等化システム16と組み合わされている。該
車両80は更に複数の直列接続された再充電可能な駆動用バツテリー82,再充
電システムR、及び電カシステム回路84を備えている。該回路84は今度は該
車両の1つ以上の車輪88を同じに動くように回転させるためエネルギーを与え
られた1つ以上の駆動モー
ター86と接続されている。
該等化器16は90で一般的に示すバツテリー容器ハウジング内に据え付けら
れるか、又はその上で運ばれる。該ハウジング90はそれ自体保守及び試験のた
めに取り外し可能なモジュールとして構成されている。
図11は該システム16の変形品であるシステム16aを図解している。該シ
ステム16aは複数のインダクタ92と組み合わされる。該複数のインダクタ9
2の各構成要素はそれぞれのキヤパシタと接続されている。該インダクタ92は
組み合わせキヤパシタと組んで共振のような特性を示す回路を提供する。このよ
うなので、それぞれのキヤパシタへ及び該キヤパシタから流れるピーク電流はイ
ンダクタ無しの等化システムに於けるより大きい。該共振特性のために、該電流
の流れは今度はゼロとの交叉をする。今度はスイツチ過程で遭遇する損失を避け
るためにスイツチ動作を該電流ゼロの所で行うことが出来る。
図12aから図12cまでは該システム16aのような、図11での等化シス
テムを使用する2つの直列接続されたバツテリーの等化の過程を図解するグラフ
図であるが、そこでは各蓄積用キヤパシタはそれと接続されたインダクタを有し
ている。図12aから図12cまでで図解される過程では該インダクタは100
マイクロヘンリーの値を、該キヤパシタは100マイクロファラドの値を有する
。該主クロック信号の周波数は1.67kHzである。
図12aで図解されるように、該2つのバツテリーの電圧、VBa及びVBb
は1つのバツテリーから次ぎのバツテリーへと交互にスイツチされる該キヤパシ
タC1に応答して、相互に変化し追跡し合うよう図解されている。該キヤパシタ
の電圧VC1も図12aに図解されている。
図12bは該スイツチし等化する過程に応答するキヤパシタC1とインダクタ
L1の通過電流を図解している。前に説明したように、該インダクタL1は該過
程中にピーク電流を生じそして電流ゼロをもたらしている。
図12cは該主クロックの波形を図解しているが図11を参照されたい。図1
2bに図解するようにスイツチ動作は該キヤパシタ電流のゼロ点通過時のみに起
こる。図4のスイツチ波形と関連して前に図解したように該スイツチ波形12c
は第3の”休止時間(dead time)”を備えることが出来る。しかしながら、該
インダクタは瞬間的回路短絡の場合の高い電流を防止するので該休止時間は重要
ではない。
図13は図7aのシステム16のような等化システム、16bの略図である。
例示の目的のみのため、該システム16bは5個のバツテリーBa−Beを等化
するように図解されている。
該システム16bは図3のシステムと関連して図解されている型の制御要素4
0と組み合わされている。該システム16bも又図3の変圧器42と同様な多数
コイルの変圧器42aと組み合わされている。
図7bの等化用キヤパシタ及びソリッドステートスイツチは該システム16b
内に組み合わされている。見られるように、N個のバツテリーの接続品は同期化
されたクロック信号を有する単一の制御器を使用して等化出来る。この方法では
N個の単極、双投スイツチとN−1個のキヤパシタの全部が必要である。
図14には図8のシステム60に対応するシステム60aの略図が図解されて
いる。例示の目的だけのためであるが、該システム60aは非同期制御配備を使
用する5個の直列接続されたバツテリー接続品を等化
するように図解されている。この回路構成では図14に図解するように、N個の
バツテリーはN−1個の独立した制御器と2N−2個の単極双投スイツチを必要
とする。
図13及び図14の該システムは前に説明したようにモジュール方式で配備す
ることが出来る。
概要をまとめると、ここまでに良好なバツテリー等化の重要性が承認された。
本システムと方法は商業的に入手可能な部品を使用する解決法を提供している。
結果としては大抵の多数個バツテリー蓄積の応用品で可成りの利点を提供する非
常に柔軟な等化器フアミリ(family)になっている。
前記から、本発明の精神と範囲を離れることなく多数の変更品や変形品が得ら
れることは観察されよう。ここに図解された特定の装置に関して如何なる限定も
意図され、推理されるべきでないことは理解されるべきである。更に、”バツテ
リー”は従来のバツテリーのみでなく個々のバツテリーセルも引用出来ることを
理解されるべきである。請求項の範囲に入るような全てのかかる変型品は付属す
る請求項によりカバーするよう意図されていることは当然である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.少なくとも2つのバツテリーの出力電圧を等化するための装置に於いて、 容量性蓄積要素と、 前記蓄積要素と接続された第1及び第2スイツチ回路と、 制御回路とを具備しており、前記制御回路は前記スイツチ回路と接続されてお りそして前記スイツチ回路は、前記制御回路に応答して、前記蓄積要素を最初の 1つのバツテリーにそして次いで他のものに接続しそれによりそれらの出力電圧 を等化することを特徴とする装置。 2.請求項1の装置に於いて、前記蓄積要素は複数のキヤパシタを含むことを 特徴とする装置。 3.請求項1の装置に於いて、前記要素に蓄積された電荷は前記要素が接続さ れている該バツテリー間で移送可能であることを特徴とする装置。 4.請求項1の装置に於いて、該バツテリーは直列接続されていることを特徴 とする装置。 5.第1及び第2のバツテリーの電圧を等化するためのモジュール式回路に於 いて、 受動的電気エネルギー蓄積要素と、 少なくとも第1及び第2のソリッドステートスイツチとを具備しており、前記 スイツチは各々極用端子(pole terminal)と少なくとも1つの出力用端子とを 有しておりそして前記出力用端子はそれぞれのバツテリーと接続されており、そ して 前記スイツチの各々の前記極用端子は前記蓄積要素と接続されており、 1つのバツテリーからの電気エネルギーは前記蓄積要素に移送されそして次いで 他のバツテリーに移送されることが可能でありそれによりそれらの電圧を等化す ることを特徴とするモジュール式回路。 6.請求項5の回路が前記極用端子と接続された制御要素を備えることを特徴 とする回路。 7.請求項5の回路が前記蓄積要素と接続されたインダクタを備えることを特 徴とする回路。 8.請求項5の回路がパルスを発生する制御ユニットを備えることを特徴とす る回路。 9.請求項5の回路に於いて、前記蓄積要素がキヤパシタを含むことを特徴と する回路。 10.請求項5の回路に於いて、前記スイツチの各々は第2出力端子を有して おりそして各々は単極、双投機能を提供することを特徴とする回路。 11.電気的車両に於いて、 移動可能な車両と、 複数の直列接続された、再充電可能な蓄電池(storage cell)と、 前記車両上で運ばれる複数のバツテリー等化用キヤパシタとを具備しており、 前記キヤパシタの各々は前記蓄電池の少なくとも1つと組み合わされており、 前記電気的車両は又前記蓄電池と前記キヤパシタとの間に接続された複数のソ リッドステートスイツチを具備しており、その出力電圧を等化するために前記ス イツチの第1及び第2の選択された1つは組み合わされたキヤパシタを前記蓄電 池の最初の1つに接続し、次いでもう1つに 接続することを特徴とする電気的車両。 12.請求項11の車両が前記蓄電池を再充電するための回路を備えることを 特徴とする車両。 13.請求項11の車両が電気的駆動モーターにエネルギーを与えるための回 路を備えることを特徴とする車両。 14.請求項13の車両が前記車両を移動させるために前記エネルギーを与え るための回路に接続された電気的駆動モーターを備えることを特徴とする車両。 15.請求項14の車両が前記スイツチに接続された制御回路を備えることを 特徴とする車両。 16.請求項11の車両が補助ユニットを運ぶことを特徴とする車両。 17.車両推進システムに於いて、 複数の車輪により支持される車台と、 前記車台を移動させるために前記車輪の少なくとも1つを駆動するための電気 的モーターと、 複数の直列接続された、再充電可能なバツテリーと、 前記複数のバツテリーを前記モーターに接続するための駆動回路と、 バツテリー等化器とを具備しており、該バツテリー等化器は 複数のバツテリーバランス動作をする(battery balancing)キヤパシタと複 数のソリッドステートスイツチとを備えており、各前記スイツチ及び組み合わさ れたキヤパシタは共通の節に接続されており、そして 前記キヤパシタは前記複数のものの第1及び第2バツテリーの間で予め決めら れた割合でスイツチすることが可能でありそれによりそれらの間の電圧差を最小 にすることを特徴とする車両推進システム。 18.請求項17のシステムが少なくとも前記駆動回路に接続された制御要素 を備えることを特徴とするシステム。 19.請求項18のシステムに於いて、前記制御要素がプログラム可能なプロ セッサー(processor)を有することを特徴とするシステム。 20.請求項17のシステムに於いて、前記キヤパシタと前記スイツチとは複 数の実質的に同一のモジュール内に構成されることを特徴とするシステム。 21.請求項20のシステムに於いて、前記制御要素は前記モジュールに接続 されることを特徴とするシステム。 22.請求項21のシステムに於いて、前記モジュールの各々は前記バツテリ ー等化器に取り外し可能に接続されることを特徴とするシステム。 23.請求項17のシステムが複数のインダクタを備えており、前記インダク タの各々は前記キヤパシタの1つに接続されていることを特徴とするシステム。 24.請求項17のシステムが前記バツテリー用のハウジング備えておりそし て前記バツテリー等化器は前記ハウジングにより運ばれることを特徴とするシス テム。 25.第1及び第2のバツテリーの出力電圧を等化する方法に於いて、 (a)電気的エネルギーの蓄積素子を備える過程と、 (b)他のものよりも高い出力電圧を有する該バツテリーの1つを該蓄積素子 に接続しそして第1の時間間隔の間に電気的エネルギーを該接続されたバツテリ ーから該蓄積素子へ移送する過程と、 (c)該バツテリーの該他のものを該蓄積素子に接続しそして第2の、 異なる時間間隔の間にそれに蓄積された該電気的エネルギーの少なくとも1部を 該他のバツテリーへ移送する過程と、 (d)上記(b)−(c)の過程を繰り返す過程とを具備することを特徴とす る第1及び第2のバツテリーの出力電圧を等化する方法。 26.請求項25の方法に於いて、該蓄積素子はキヤパシタでありそして過程 (c)に於いて電荷が該1つのバツテリーから該キヤパシタへ移送されそれによ りその電圧を増加させることを特徴とする方法。 27.請求項26の方法に於いて、過程(c)で電荷が該キヤパシタから該他 のバツテリーへ移送され、それによりその電圧が減少させることを特徴とする方 法。 28.複数のバツテリーの出力電圧を等化するための装置に於いて、 容量性の蓄積要素と、 該バツテリー及び前記要素と接続されたスイツチ回路と、そして 前記スイツチ回路に接続された制御回路とを具備しており、そして前記制御回 路に応答して前記スイツチ回路が前記要素を順に前記バツテリーへ接続しそれに より該バツテリーの出力電圧を等化することを特徴とする装置。 29.請求項28の装置に於いて、該バツテリーが直列接続されていることを 特徴とする装置。 30.第1には交流電源からそして第2には複数のバツテリーから負荷に直流 型の電気エネルギーを供給するシステムに於いて、該システムは 少なくとも第1及び第2バツテリーと、 少なくとも1つのバツテリー電圧等化用キヤパシタと、少なくとも第 1及び第2のソリッドステートスイツチとを有するバツテリー等化器とを具備し ており、前記スイツチは、予め決められた割合で、前記キヤパシタを該バツテリ ーの最初は1つと次いで他の1つと接続し、それによりそれらの出力電圧を等化 しており、 該システムは又第1入力と、第2入力と、そして出力ポートとを有する切り換 えスイツチを具備しており、前記第2入力は前記バツテリーの少なくとも1つに 接続されておりそして前記出力ポートは該負荷に接続されており、 該システムは更に交流入力とそして直流出力とを有する交流から直流への変換 器システムを具備しており、前記交流入力は交流電源に接続可能でありそして前 記直流出力は前記スイツチの前記第1入力に接続されていることを特徴とするシ ステム。 31.請求項30のシステムに於いて、前記等化器はクロック源を有する制御 ユニットを備えており、前記クロック源は前記スイツチに接続されていることを 特徴とするシステム。 32.請求項30のシステムに於いて、前記バツテリーは直列に接続されてい ることを特徴とするシステム。 33.請求項30のシステムが前記キヤパシタに接続されたインダクタを備え ていることを特徴とするシステム。 34.請求項30のシステムに於いて、該負荷は遠距離通信システムの1部分 でありそして前記切り換えスイツチが交流型エネルギーの消失に応答して前記変 換器から該負荷へエネルギーを供給する第1の状態から前記バツテリーの少なく とも1つからエネルギーを供給する第2の状態へ自動的に切り換えることを特徴 とするシステム。 35.請求項30のシステムに於いて、前記等化器は複数の直列接続されたバ ツテリーと複数のスイツチに接続された複数の等化用キヤパシタとを備えている ことを特徴とするシステム。
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