JP2001525651A - 再充電可能電流源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は幾つかの直列接続された蓄電池を具えている再充電可能電源に関するものである。充電回路（２０）が各蓄電池（１０，１２，１４，１６）へ割り当てられている。前記充電回路は蓄電池（１０，１２，１４，１６）の電極（＋，−）へ接続された出力端子（２６，２８）を有する整流器（２２）及び該整流器（２２）の入力端子（３２，３４，３６）へ接続された出力端子により交流電流を伝達する電気的絶縁装置（２４）を具え、それのために前記電気的絶縁装置の入力端子（３８，４０）が交流電流源（４２）へ接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、再充電可能電流源に関するものである。特に、本発明は直列に接続
された複数の蓄電池から形成された再充電可能電流源に関するものである。本発
明に関連して、蓄電池は慣習的な蓄電池（鉛蓄電池、NiCd蓄電池、リチウムイオ
ン蓄電池など）及びまたいわゆるUltraCaps、すなわち極端に小さい全体体積を 伴う極端に高容量を有するコンデンサの双方である。

【０００２】 従来技術においては、直列接続された蓄電池（例えば、モータ車両における慣
習的な鉛蓄電池）は、個別のセルが直列に接続されているので、全部の蓄電池セ
ルに対して同じである充電電流により充電される。この標準技術の別の発展によ
ると、各蓄電池セルと並列に、最大充電電圧が各自の蓄電池セルに対して到達さ
れた場合に、（電子）スイッチがそれで閉じられ可制御抵抗を、電子的にも随意
に、各自の蓄電池セルと並列に接続する信号を発生する電圧センサーを配置する
ことは既知である（図１参照）。この解決法の欠点は、全充電電流の大部分が各
自の並列抵抗（バイパス）において熱に変換されるので、効率が非常に悪いこと
である。それに加えて、センサーが相当複雑である。

【０００３】 類似の装置がドイツ国特許出願公開明細書第DE 43 00 097 A1号に開示されて いる。この場合には、直列に接続された全部のセルが同じ充電電流により同様に
供給される。単に過充電を防止するために、あるいは個別のセルの制御された放
電のために、適切なコレクタ抵抗を有し且つそのトランジスタのベースにおける
信号によりターンオンされ得るトランジスタが、各セルと並列に接続され得る。
その充電電流はそれによりそのコレクタ抵抗を通り各自のセルを通って供給され
て、そのコレクタ抵抗がその電流を同等の熱に変換する。流れない充電電流によ
り、そのセルはまた制御された方法で放電され得る。しかしながら、この装置の
効率は、例えば、そのとき充電電流が、電流が熱損失に変換される各自のコレク
タ抵抗を通り充電されるべきでないセルを通って運ばれるので、幾つかのセルだ
けが充電されねばならない場合に、非常に不都合である。

【０００４】 ドイツ国実用新案出願公開明細書第DE 296 12 870 U1号は蓄電池パックを充電
し且つ試験するための装置を開示している。ここで、再び、同じ充電電流が直列
に接続された蓄電池パックの全部のセルを通って流れる。

【０００５】 類似の装置がドイツ国特許出願公開明細書第DE 195 04 629 A1号に開示されて
いる。ここで、セル又はセル群が、スイッチング部材を通る個別のセル又はセル
群の放電が無視できるほど高い抵抗へ切り換えられ得るか、又は個別のセル又は
セル群を充電するのに適した電流を通し得るほど低い抵抗へ切り換えられ得るス
イッチング部材へもまた各々接続される。

【０００６】 ドイツ国特許出願公開明細書第DE 195 33 543 A1号が直列に接続されたセル又
は電池の充電均等化のための装置を開示している。この場合には、最も高く充電
されたセルからより低い充電を有する１個又は複数個のセルへ電流が流れ、その
充電電流は最も高く充電されたセルとより低い充電を有するセルの各々との間の
電圧の差と比例している。

【０００７】 これは本発明の概念と完全に異なる概念であり、且つそれ故に全く本発明と比
較できない。

【０００８】 この従来技術から進んで、本発明の目的は、直列に接続された複数の蓄電池か
ら形成された電流源の、迅速且つ耐過電圧充電を可能にする再充電可能伝流源を
提供することである。

【０００９】 この目的を達成するために、本発明によると、その電流源の蓄電池の各々に対
して、出力端子が蓄電池の電極へ接続された整流器、及び交流電圧を送り且つ出
力端子が前記整流器の入力端子へ接続され且つ入力端子が交流電圧源へ接続され
た電位絶縁装置を有する別々の充電回路を割り当てられている。

【００１０】 各蓄電池が他に無関係に各自の最大可能充電電流を供給され得るので、この装
置が電流源の特に簡単、迅速且つ効率的充電を可能にする。この場合には、すで
に完全に充電された蓄電池を通って充電電流を運ぶことは不必要である。それに
加えて、それらの蓄電池の各々に対して要求される電圧監視回路が不要である。

【００１１】 特に、蓄電池がUltraCapsにより形成された場合には、本発明は非常に好都合 に用いられ得る。これはUltraCapsが特に過電圧感応性であるからである。本発 明によると、各セルが個別に充電されるので、過電圧の発生が効果的に防止され
得る。

【００１２】 この充電回路における評価可能な電圧降下を回避するために、本発明の一実施
例によると、整流器がショットキーダイオードを含んだ中心点（整流器）接続と
して設計される。

【００１３】 本発明の別の実施例によると、整流器がＭＯＳＦＥＴを含んでいる制御同期整
流器としても設計され得る。

【００１４】 特に簡単にそのような整流器の駆動を設計するために、その整流器は好適に交
流電圧を伝達する電位絶縁装置からの信号により制御される。

【００１５】 本発明のこの実施例の特に好適な設計は、交流電圧を伝達する電位絶縁装置が
中間周波数交流電圧（５００Ｈｚ〜５００ｋＨｚ）を伝達するように設計される
変圧器であることが期待される。この装置が充電動作中に個別の蓄電池の特に低
損失供給を可能にする。

【００１６】 好適に、制御信号が変圧器の（２次側の）補助巻線によって発生される。

【００１７】 特に効率的に個別の蓄電池の充電電流を供給できるために、その交流電流源は
好適には直流電圧から中間周波数交流電圧を発生するインバータである。

【００１８】 そのような交流電圧源は、要求される充電電流信号形状の積分と比例している
電圧信号形状を有する交流電圧を供給するように、特に簡単な方法で設計もされ
得る。従って、電流測定又は電圧測定又は電圧監視が個別の蓄電池に与えられな
いけれども、そのインバータの出力電圧の特性を設定することにより、起こり得
る個別の蓄電池の（過電圧による）過充電、又は（超過電流による）過負荷無し
に、その充電電流の特性が個別の蓄電池に対して決定され得る。

【００１９】 本発明の好適な実施例においては、整流器と交流電圧を伝達する電位絶縁装置
とを含んでいる各蓄電池へ割り当てられた充電回路が、少なくとも一つのプリン
ト回路基板上に配置されて、全部の充電回路が共通の交流電圧源へ接続されてい
る。充電回路用のそのプリント回路基板が個別の蓄電池用の支持物または機械的
取付装置として同時に働くので、これが共通電流源を形成するための蓄電池の組
み立てを相当促進する。

【００２０】 別の利点、特徴、変形の可能性又は代案が、本発明の現在好適な実施例の以下
の詳細な説明に基いて明らかになる。

【００２１】 図２に示した再充電可能電流源は直列に接続された複数の蓄電池１０、１２、
１４、１６を有している。これに関連して、本発明はこの数の蓄電池に限られな
いのは勿論のことである。整流器２２と変圧器の形で交流電圧を伝達する電位絶
縁装置２４とを有する充電回路２０が、蓄電池１０、１２、１４、１６の各々へ
割り当てられている。その整流器２２は蓄電池１０の電極＋、−へ接続されてい
る出力端子２６、２８を有している。更にその上、その整流器２２は変圧器２４
の出力端子へ接続されている入力端子３２、３４、３６を有している。入力端子
３８、４０がインバータの形での交流電流源４２へ接続されている。

【００２２】 それらの蓄電池はUltraCaps により形成されている。それに加えて、その整流
器２２はショットキーダイオードを含んでいる中心点接続として設計される。こ
れが、出力電圧の脈動が半波整流の場合におけるより小さいけれども、その出力
電圧がダイオード接合を横切る電圧降下により各場合に低減されるのみであると
言う利点を有している。しかしながら、これが２次側で、変圧器２４がその整流
器２２に入力端子３６へ接続されている、センタータップを有することを呈する
。これの代案として、電圧降下がそのような大きい部分を演じない場合にはその
整流器２２に対してブリッジ回路もまた用いられ得る。

【００２３】 変圧器２４は中間周波数交流電圧（５００Ｈｚ〜５００ｋＨｚ、なるべくなら
１００ｋＨｚ以上）を伝達するために設計される。これが高効率を確実にする。

【００２４】 インバータが普通は矩形である電圧信号形状を有する交流電圧を供給する。こ
れに関連して、二次直流電圧平均値のレベルを決定する時間にわたる電圧の積分
（いわゆる「電圧‐時間領域」）が、要求される充電電流信号形状の積分と比例
する。個別の蓄電池が一定の充電電流により（例えば、コンデンサ、すなわちUl
traCaps に対して）充電されねばならない場合には、インバータは、例えば、鋸
歯状電圧に従ってパルス幅によって制御されねばならない。しかしながら、他の
充電電流特性もまた可能である。

【００２５】 明瞭化のために、図２は蓄電池１０へ供給する充電回路２０のみを示す。完全
に配線された電流源の場合においては、蓄電池の各々が充電回路２０により供給
される。しかしながら、インバータ４２は全蓄電池の充電回路２０へ一緒に供給
してもよい。

【００２６】 これらの充電回路（及びインバータ）は単一のプリント回路基板上に配置され
てもよく、全充電回路が交流電圧源しとての共通インバータへ接続されている。

【００２７】 図３に示された再充電可能電流源は、その整流器がＭＯＳＦＥＴ５０、５２を
含んでいる制御同期整流器として設計される限りにおいて、図２に示された再充
電可能電流源と異なっている。この整流器回路を駆動するために、変圧器からの
制御信号が使用され得て、その変圧器は各ＭＯＳＦＥＴ５０、５２を駆動するた
めに、補助巻線５８、６０を設けられている。これに対する代案として、制御信
号は電子駆動回路から供給されてもよい。

【００２８】 同期整流器から供給される脈動する直流電圧特性を平滑化するために、チョー
ク６２がその同期整流器の出力端子に設けられる。

【００２９】 図２及び図３による実施例はその他の点では異ならない。

【００３０】 図４は、直列に接続された全蓄電池の有用性及び充電動作が簡単な方法でそれ
によりチェックされ得る回路を示している。明確性の理由のために、（図３によ
る）充電回路は省略された。これに関連して、この回路は、丁度過負荷された、
あるいは過電圧がそれに印加された蓄電池が熱を発生すると言う思想を基礎とし
ている。

【００３１】 それ故に、電気的特性が変動を監視されている温度感応電気要素が、それらの
蓄電池の各々と熱接触して置かれている。好適には、この装置は負の温度係数抵
抗が各蓄電池に配置され、且つ全部の負の温度係数抵抗が、可能な限り低い監視
する複雑性を維持するために直列に接続されている。

【００３２】 負の温度係数抵抗のうちの一つが応答した場合に、全直列接続の抵抗が変化す
るので、これが評価され且つスイッチオフ信号、警報信号又はその他の制御信号
として用いられ得る。

【００３３】 これに対する代案として、正の温度係数抵抗が各蓄電池に配置され、且つ全正
の温度係数抵抗が可能な限り低い監視する複雑性を維持するために並列に接続さ
れることも可能である。正の温度係数抵抗のうちの一つが応答した場合に、全並
列回路の抵抗が変化するので、これもまた評価され得る。

【００３４】 熱的接触の代りに、電気的接触もまたその成分と各自の蓄電池との間に存在し
得る。例えば、電気的成分は各自の蓄電池と並列に接続され、且つツェナーダイ
オードの破壊電圧より大きい電圧がその蓄電池へ印加された場合に導通になるツ
ェナーダイオードであってもよい。その場合には、そのツェナーダイオードは加
熱し、且つ（上記のように配線された）負の温度係数抵抗又は正の温度係数抵抗
が、信号発生の目的のためにこれを検出できる。この設計の利点は過電圧検出の
大きい精度である。

【００３５】 負の温度係数抵抗又は正の温度係数抵抗が全部同じ抵抗値を有しないが、しか
し、例えば、相互に対して倍増比率（１：２：４：８：１６‥‥）にあるか、又
は対数的に（１００：１０００：１００００‥‥）増大する場合に、負の温度係
数抵抗又は正の温度係数抵抗が応答した各自の蓄電池が、応答の場合に各自の抵
抗変化からも決定され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来技術による蓄電池の各々に対する電圧センサーを有する電流源を
示している。

【図２】 本発明による電流源の第１実施例を示している。

【図３】 本発明による電流源の第２実施例を示している。

【図４】 本発明による電流源の好都合な発展を示している。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１１年９月２９日（１９９９．９．２９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直列に接続された複数の蓄電池（１０，１２，１４，１６）を有
   する再充電可能電流源において、 ‐蓄電池（１０，１２，１４，１６）の各々へ別々の充電回路（２０）が割り当
   てられており、その充電回路は ‐出力端子（２６，２８）が、蓄電池（１０，１２，１４，１６）の電極（＋，
   −）へ接続されている ‐整流器（２２）、及び ‐出力端子が前記整流器（２２）の入力端子（３２，３４，３６）へ接続され、 ‐入力端子（３８，４０）が交流電圧源（４２）へ接続されている ‐交流電圧を伝達する電位絶縁装置（２４） を具えていることを特徴とする再充電可能電流源。
2. 【請求項２】 請求項１記載の再充電可能電流源において、 ‐蓄電池（１０，１２，１４，１６）が鉛蓄電池セル、NiCd蓄電池セル、リチウ
   ムイオン蓄電池セルにより、又は極端に小さい全体体積を伴う極端に高容量を有
   するコンデンサ（UltraCaps）により形成される ことを特徴とする再充電可能電流源。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の再充電可能電流源において、 ‐前記整流器（２２）がショットキーダイオードを含む中心点接続として設計さ
   れている、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の再充電可能電流源において、 ‐前記整流器（２２）がＭＯＳＦＥＴを含む制御同期整流器として設計されてい
   る、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
5. 【請求項５】 請求項４記載の再充電可能電流源において、 ‐前記整流器（２２）が交流電圧を伝達する電位絶縁装置（２４）からの信号に
   より制御される、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
6. 【請求項６】 請求項４記載の再充電可能電流源において、 ‐交流電圧を伝達する前記電位絶縁装置が、中間周波数交流電圧（５００Ｈｚ〜
   ５００ｋＨｚ）を伝達するために設計されている変圧器（２４）である、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
7. 【請求項７】 請求項５及び６記載の再充電可能電流源において、 ‐前記制御信号が前記変圧器（２４）のそれぞれの補助巻線（５８，６０）によ
   って発生される、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
8. 【請求項８】 請求項１記載の再充電可能電流源において、 ‐前記交流電流源が、直流電圧（＝）から５００Ｈｚ〜５００ｋＨｚにおける中
   間周波数交流電圧（〜）を発生するインバータ（４２）である、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
9. 【請求項９】 請求項１記載の再充電可能電流源において、 ‐整流器（２２）と交流電圧を伝達する電位絶縁装置（２４）とを含んでいる各
   蓄電池（１０，１２，１４，１６）へ割り当てられた前記充電回路（２０）が少
   なくとも１個のプリント回路基板上に配置され、全充電回路（２０）が共通の交
   流電圧源へ接続されている、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の再充電可能電流源において、 ‐前記交流電圧源が要求される充電電流信号形状の積分に比例する電圧平均値特
    性を有する交流電圧を供給するように設計されている、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
11. 【請求項１１】 請求項１〜１０のいずれか１項記載の再充電可能電流源におい
    て、 ‐変動に対して電気的特性が監視される温度感応電気要素が前記蓄電池の各々と
    熱的接触して配置されている、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の再充電可能電流源において、 ‐負の温度係数抵抗が前記蓄電池の各々に配置され、且つ全部のそれら負の温度
    係数抵抗が並列に接続され、それらの負の温度係数抵抗の直列接続を通って流れ
    る電流が、スイッチオフ信号、警報信号又はその他の制御信号を発生するために
    監視されている、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
13. 【請求項１３】 請求項１１記載の再充電可能電流源において、 ‐正の温度係数抵抗が前記蓄電池の各々に配置され、且つ全部のそれら正の温度
    係数抵抗が並列に接続され、正の温度係数抵抗の前記並列回路を通って流れる電
    流が、スイッチオフ信号、警報信号又はその他の制御信号を発生するために監視
    されている、 ことを特徴とする再充電可能電流源。
14. 【請求項１４】 請求項１１記載の再充電可能電流源において、 ‐前記温度感応電気要素すなわち各温度感応電気要素が、その蓄電池へそのツェ
    ナーダイオードの破壊電圧より大きい電圧を印加された場合に導通になるツェナ
    ーダイオードであり、且つ ‐各自のツェナーダイオードのこれらの条件のもとで生じる加熱が、スイッチオ
    フ信号、警報信号又はその他の制御信号を発生するために、ツェナーダイオード
    と熱的接触している負の温度係数抵抗又は正の温度係数抵抗により監視される、
    ことを特徴とする再充電可能電流源。
15. 【請求項１５】 請求項１１〜１４のいずれか１項記載の再充電可能電流源にお
    いて、 ‐前記負の温度係数抵抗又は正の温度係数抵抗が、比率が相互に対して固定され
    ている異なる抵抗値を有するので、負の温度係数抵抗又は正の温度係数抵抗が配
    置された各自の蓄電池が、応答の場合に各自の抵抗変化からも決定され得る、 ことを特徴とする再充電可能電流源。