JP2003513605A - モジュール式バッテリ充電等化器及び制御方法 - Google Patents
モジュール式バッテリ充電等化器及び制御方法Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
直列に接続されたバッテリ列のバッテリ対（３１）の間に互い違いの関係に接続可能なモジュール（７０）を利用して、バッテリ充電の等化が実行される。各モジュール（７０）は標準化され、他のモジュールと構造が同じである。モジュール（７０）は、より多く充電されたバッテリからより少なく充電されたバッテリへ、また、バッテリ列のより多く充電された最終バッテリからバッテリ列のより少なく充電された第１バッテリに戻る、バッテリ列を下方に向かう一方向充電分配をもたらすように構成されてもよく、あるいは、バッテリ列（Ｎ）の上方又は下方に向かう双方向充電再分配をもたらすように構成されてもよい。充電等化器モジュール（３６）は、順方向式であり、モジュールが接続された２つのバッテリの電圧が等化すると充電電流を減少させる。制御可能なスイッチング装置（７１）は、モジュールの高電圧側端子と第１の中間電圧端子との間で一次巻線（７９）に直列に接続される。ダイオード（７２）は、モジュールの低電圧側端子と第２の中間電圧端子との間で二次巻線（８０）に直列に接続される。
Description
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般にバッテリ充電分野に関し、より詳細には、直列に接続された
多重セル又はバッテリへの充電の等化に関する。
多重セル又はバッテリへの充電の等化に関する。
【０００２】
（背景技術）
直列に接続されたバッテリのスタックは、電気通信用電源、電気自動車（ＥＶ
）、無停電電源装置（ＵＰＳ）、及び、光起電性（ＰＶ）システムなどの多くの
用途で利用されている。経済的なシステムの実現を現在制約している主要な要素
の１つは、バッテリの寿命である。直列に接続された１列のバッテリは、ガス発
生後に強電流充電が続けられると、寿命が非常に短くなり潜在的な損傷を受ける
傾向がある。セルの化学的性質の違いと、セルの充電及び放電の反復されるサイ
クルの間の通常の差異により、セルの充電レベルに大きな非均一性が発生し、そ
れに応じて異なるセルの端子電圧を生じる。直列に接続されたセルで構成される
バッテリを充電する間に、いくつかのセルは、他のセルより先に、また、全体の
バッテリ端子電圧がその定格値に達する前に、結果的に完全充電に達することに
なる。そのような処理は、セルの部分集合の過充電をもたらす。これらのセルが
ガス発生段階にまで充電される場合、バッテリの寿命が著しく劣化する可能性が
ある。セルを等化充電レベルに維持することは、バッテリ寿命を向上させる上で
決定的なことである。互いに接続されたバッテリ列にも同じことがいえる。便宜
上、以後使用される「バッテリ」という用語は、単一のセル、又は、内部的又は
外部的に接続されたセルで構成されたユニットのいずれかを意味する。
）、無停電電源装置（ＵＰＳ）、及び、光起電性（ＰＶ）システムなどの多くの
用途で利用されている。経済的なシステムの実現を現在制約している主要な要素
の１つは、バッテリの寿命である。直列に接続された１列のバッテリは、ガス発
生後に強電流充電が続けられると、寿命が非常に短くなり潜在的な損傷を受ける
傾向がある。セルの化学的性質の違いと、セルの充電及び放電の反復されるサイ
クルの間の通常の差異により、セルの充電レベルに大きな非均一性が発生し、そ
れに応じて異なるセルの端子電圧を生じる。直列に接続されたセルで構成される
バッテリを充電する間に、いくつかのセルは、他のセルより先に、また、全体の
バッテリ端子電圧がその定格値に達する前に、結果的に完全充電に達することに
なる。そのような処理は、セルの部分集合の過充電をもたらす。これらのセルが
ガス発生段階にまで充電される場合、バッテリの寿命が著しく劣化する可能性が
ある。セルを等化充電レベルに維持することは、バッテリ寿命を向上させる上で
決定的なことである。互いに接続されたバッテリ列にも同じことがいえる。便宜
上、以後使用される「バッテリ」という用語は、単一のセル、又は、内部的又は
外部的に接続されたセルで構成されたユニットのいずれかを意味する。
【０００３】
バッテリ充電の等化を実現するために、様々な手法やアルゴリズムが開発され
てきた。大きな直列に接続されたバッテリ列に関していかなる従来のバッテリ等
化手法を実施することもやや面倒であるが、それは、多重巻線を有する変圧器が
必要であり、それらの巻線を別々のバッテリに相互に接続するというのはかなり
複雑になり得るからである。更に、二次巻線の数をバッテリ又はバッテリ群の数
に合わせる必要があるので、これらの手法はモジュール方式にすることができな
い。
てきた。大きな直列に接続されたバッテリ列に関していかなる従来のバッテリ等
化手法を実施することもやや面倒であるが、それは、多重巻線を有する変圧器が
必要であり、それらの巻線を別々のバッテリに相互に接続するというのはかなり
複雑になり得るからである。更に、二次巻線の数をバッテリ又はバッテリ群の数
に合わせる必要があるので、これらの手法はモジュール方式にすることができな
い。
【０００４】
（発明の開示）
本発明により、バッテリ列に対する充電を効率的かつ経済的に等化するための
、直列に接続されたバッテリ列のためのバッテリ等化器モジュールが提供される
。全てのモジュールは、同じ構成を有してもよく、モジュールの標準化により製
造コスト及び在庫量の低減を可能にし、標準的な充電又は等化電流に対してのみ
定格化する必要がある標準化された構成要素を用いて全てのモジュールを製作す
ることを可能にする。モジュールは、電荷がバッテリ列の下方に向かい、その後
、列の第１のバッテリに戻る電荷の一方向輸送か、又は、列の中の高充電バッテ
リから低充電バッテリにバッテリ列の上方又は下方に向かう電荷の双方向分配を
もたらすように構成されてもよい。
、直列に接続されたバッテリ列のためのバッテリ等化器モジュールが提供される
。全てのモジュールは、同じ構成を有してもよく、モジュールの標準化により製
造コスト及び在庫量の低減を可能にし、標準的な充電又は等化電流に対してのみ
定格化する必要がある標準化された構成要素を用いて全てのモジュールを製作す
ることを可能にする。モジュールは、電荷がバッテリ列の下方に向かい、その後
、列の第１のバッテリに戻る電荷の一方向輸送か、又は、列の中の高充電バッテ
リから低充電バッテリにバッテリ列の上方又は下方に向かう電荷の双方向分配を
もたらすように構成されてもよい。
【０００５】
本発明による一方向バッテリ等化器モジュールは、同じ巻回数の一次側と二次
側とを有する変圧器、高電圧側端子と第１の中間電圧端子との間で一次側と直列
に接続された制御可能スイッチング装置、及び、低電圧側端子とモジュールの第
２の中間電圧端子との間で二次側と直列に接続されたダイオードを含む。モジュ
ールは、次に、上部バッテリの高電圧側に接続された高電圧側端子を有する直列
に接続された１対の上部及び下部バッテリ、２つのバッテリ間の接合点に接続さ
れた第１及び第２の中間電圧端子、及び、下部バッテリの低電圧側に接続された
低電圧側端子に接続されるであろう。制御装置は、制御可能スイッチング装置に
接続され、対の中の高充電の上部バッテリから低充電の下部バッテリに電荷を輸
送させるために、選択された周波数でスイッチをオン・オフするように制御可能
スイッチング装置を制御する。好ましくは、対の上部バッテリが下部バッテリの
電圧よりも選択された値だけ高い電圧レベルまで充電されると、制御可能スイッ
チング装置を切り替えるために制御装置に電源が投入され、すなわち、２つのバ
ッテリ間の電圧差が比較的低い時は、モジュールの不要な作動を避けるために等
化器を無効にする。制御可能スイッチング装置の電源がオン・オフされている場
合、スイッチング装置をオンすることは、対の第１バッテリからスイッチング装
置と変圧器の一次側とを通って流れる充電電流を引き起こす。変圧器の極性は、
二次側のダイオードが伝導状態を強いられるように設定され、それによって直列
に接続された対の上部バッテリから下部バッテリへ電荷が輸送される。漏れイン
ダクタンスは、充電電流に対してドライビングインピーダンスとして作用し、従
って、回路内の充電電流を制限する。スイッチング装置をオフにすると、充電電
流が遮断される。最終のモジュールは、バッテリ列の最下部のバッテリに接続さ
れ、モジュールの高電圧側端子が最下部バッテリの高電圧側と接続され、モジュ
ールの第１の中間電圧端子が最下部バッテリの低電圧側と接続されている。モジ
ュールの第２の中間電圧端子は、バッテリ列の第１バッテリの高電圧側に接続さ
れ、最終モジュールの低電圧側端子は、第１バッテリの低電圧側に接続される。
バッテリ列の最終のバッテリの電圧レベルが選択された値だけ第１バッテリの電
圧レベルを超えると、最終モジュールのスイッチング装置は、それがオンした時
に充電電流が最終バッテリからスイッチング装置及び変圧器の一次側を通って流
れ、二次側に結合されて二次巻線を通って第１バッテリに流れる電流を生じるよ
うに、選択された周波数で周期的に電源をオン・オフされる。変圧器の極性は、
二次側のダイオードが伝導状態を強いられるように設定され、それによってバッ
テリ列の最終バッテリから第１バッテリに電荷が輸送される。漏れインダクタン
スは、充電電流に対してドライビングインピーダンスとして作用し、従って、回
路内の充電電流を制限する。スイッチング装置をオフにすると、充電電流が遮断
される。このような方法で、バッテリ列の最終バッテリからバッテリ列の第１バ
ッテリに電荷が輸送される。
側とを有する変圧器、高電圧側端子と第１の中間電圧端子との間で一次側と直列
に接続された制御可能スイッチング装置、及び、低電圧側端子とモジュールの第
２の中間電圧端子との間で二次側と直列に接続されたダイオードを含む。モジュ
ールは、次に、上部バッテリの高電圧側に接続された高電圧側端子を有する直列
に接続された１対の上部及び下部バッテリ、２つのバッテリ間の接合点に接続さ
れた第１及び第２の中間電圧端子、及び、下部バッテリの低電圧側に接続された
低電圧側端子に接続されるであろう。制御装置は、制御可能スイッチング装置に
接続され、対の中の高充電の上部バッテリから低充電の下部バッテリに電荷を輸
送させるために、選択された周波数でスイッチをオン・オフするように制御可能
スイッチング装置を制御する。好ましくは、対の上部バッテリが下部バッテリの
電圧よりも選択された値だけ高い電圧レベルまで充電されると、制御可能スイッ
チング装置を切り替えるために制御装置に電源が投入され、すなわち、２つのバ
ッテリ間の電圧差が比較的低い時は、モジュールの不要な作動を避けるために等
化器を無効にする。制御可能スイッチング装置の電源がオン・オフされている場
合、スイッチング装置をオンすることは、対の第１バッテリからスイッチング装
置と変圧器の一次側とを通って流れる充電電流を引き起こす。変圧器の極性は、
二次側のダイオードが伝導状態を強いられるように設定され、それによって直列
に接続された対の上部バッテリから下部バッテリへ電荷が輸送される。漏れイン
ダクタンスは、充電電流に対してドライビングインピーダンスとして作用し、従
って、回路内の充電電流を制限する。スイッチング装置をオフにすると、充電電
流が遮断される。最終のモジュールは、バッテリ列の最下部のバッテリに接続さ
れ、モジュールの高電圧側端子が最下部バッテリの高電圧側と接続され、モジュ
ールの第１の中間電圧端子が最下部バッテリの低電圧側と接続されている。モジ
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れ、最終モジュールの低電圧側端子は、第１バッテリの低電圧側に接続される。
バッテリ列の最終のバッテリの電圧レベルが選択された値だけ第１バッテリの電
圧レベルを超えると、最終モジュールのスイッチング装置は、それがオンした時
に充電電流が最終バッテリからスイッチング装置及び変圧器の一次側を通って流
れ、二次側に結合されて二次巻線を通って第１バッテリに流れる電流を生じるよ
うに、選択された周波数で周期的に電源をオン・オフされる。変圧器の極性は、
二次側のダイオードが伝導状態を強いられるように設定され、それによってバッ
テリ列の最終バッテリから第１バッテリに電荷が輸送される。漏れインダクタン
スは、充電電流に対してドライビングインピーダンスとして作用し、従って、回
路内の充電電流を制限する。スイッチング装置をオフにすると、充電電流が遮断
される。このような方法で、バッテリ列の最終バッテリからバッテリ列の第１バ
ッテリに電荷が輸送される。
【０００６】
本発明による双方向性バッテリ等化器回路モジュールは、同じ巻回数の一次側
と二次側とを有する変圧器、中間電圧端子と高電圧側端子との間で一次側と直列
に接続された第１の制御可能スイッチング装置、低電圧側端子と中間電圧端子と
の間で二次側と直列に接続された第２の制御可能スイッチング装置、二次側と第
２の制御可能スイッチング装置との間の接合点に接続され、また、フリーホイー
リング電流を変圧器の周りに分流させるために高電圧側端子に接続された第１の
フリーホイーリングダイオード、及び、低電圧側端子に接続され、また、フリー
ホイーリング電流を変圧器の周りに分流させるために一次側と第１の制御可能ス
イッチング装置との間の接合点に接続された第２のフリーホイーリングダイオー
ドを含む。制御装置は、第１及び第２の制御可能スイッチング装置にスイッチン
グ信号を供給して、それらのうちの選択された一方をある周波数で電源をオン・
オフし、それにより、高電圧側端子がバッテリ対の高電圧側に接続され、低電圧
側端子がバッテリ対の低電圧側に接続され、中間電圧端子がバッテリ対の間の接
合点に接続されるようにバッテリ対に接続された時、バッテリ対のより多く充電
された方からバッテリ対のより少なく充電された方に電荷を輸送することによっ
てバッテリ対の充電を等化する。好ましくは、この制御装置は、バッテリ対の一
方の電圧が他方のバッテリの電圧を選択された値だけ超えた時に電源がオンされ
、電流がスイッチング装置とそのスイッチング装置が接続された変圧器の一次巻
線を通って高充電のバッテリから流れるようにより高い電圧レベルを有するバッ
テリの周りに接続され、また、二次側に結合されて二次巻線を通って流れる電流
を引き起こす、第１及び第２スイッチング装置の１つをオン・オフさせる。変圧
器の極性は、二次側のダイオードが伝導状態を強いられるように設定され、それ
により、より低電圧のバッテリに電荷を輸送する。一次側に捕集された漏れエネ
ルギもまた、より低電圧のバッテリに、変圧器の周りでそのバッテリに接続され
たフリーホイーリングダイオードを通じて輸送される。漏れインダクタンスは、
充電電流に対してドライビングインピーダンスの作用をし、従って、回路の充電
電流を制限する。スイッチング装置の電源をオフすることにより、充電電流が中
断される。このような方法で、電荷が低電圧バッテリに輸送される。
と二次側とを有する変圧器、中間電圧端子と高電圧側端子との間で一次側と直列
に接続された第１の制御可能スイッチング装置、低電圧側端子と中間電圧端子と
の間で二次側と直列に接続された第２の制御可能スイッチング装置、二次側と第
２の制御可能スイッチング装置との間の接合点に接続され、また、フリーホイー
リング電流を変圧器の周りに分流させるために高電圧側端子に接続された第１の
フリーホイーリングダイオード、及び、低電圧側端子に接続され、また、フリー
ホイーリング電流を変圧器の周りに分流させるために一次側と第１の制御可能ス
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ドを含む。制御装置は、第１及び第２の制御可能スイッチング装置にスイッチン
グ信号を供給して、それらのうちの選択された一方をある周波数で電源をオン・
オフし、それにより、高電圧側端子がバッテリ対の高電圧側に接続され、低電圧
側端子がバッテリ対の低電圧側に接続され、中間電圧端子がバッテリ対の間の接
合点に接続されるようにバッテリ対に接続された時、バッテリ対のより多く充電
された方からバッテリ対のより少なく充電された方に電荷を輸送することによっ
てバッテリ対の充電を等化する。好ましくは、この制御装置は、バッテリ対の一
方の電圧が他方のバッテリの電圧を選択された値だけ超えた時に電源がオンされ
、電流がスイッチング装置とそのスイッチング装置が接続された変圧器の一次巻
線を通って高充電のバッテリから流れるようにより高い電圧レベルを有するバッ
テリの周りに接続され、また、二次側に結合されて二次巻線を通って流れる電流
を引き起こす、第１及び第２スイッチング装置の１つをオン・オフさせる。変圧
器の極性は、二次側のダイオードが伝導状態を強いられるように設定され、それ
により、より低電圧のバッテリに電荷を輸送する。一次側に捕集された漏れエネ
ルギもまた、より低電圧のバッテリに、変圧器の周りでそのバッテリに接続され
たフリーホイーリングダイオードを通じて輸送される。漏れインダクタンスは、
充電電流に対してドライビングインピーダンスの作用をし、従って、回路の充電
電流を制限する。スイッチング装置の電源をオフすることにより、充電電流が中
断される。このような方法で、電荷が低電圧バッテリに輸送される。
【０００７】
本発明のモジュールは、直列に接続されたバッテリの列に互い違いの対で接続
される。下部モジュールの高電圧側端子は、その上のモジュールの中間電圧端子
が接続されたバッテリ間の接合点に接続され、下部モジュールの中間電圧端子は
、その上のモジュールの低電圧側端子が接続された接合点に接続される。すなわ
ち、一方向モジュールの場合は、上部モジュールがそのモジュールが接続された
バッテリ対の下部バッテリに電流を分流させ、そのバッテリがそのすぐ下のバッ
テリよりも高充電である時は、その次の下部モジュールがバッテリ対の高充電の
バッテリから低充電のバッテリに電荷を分流させることになり、全部のバッテリ
が等化されるまでバッテリ列の下方に同じように進めていく。各双方向モジュー
ルは、それが接続されたより少なく充電されたバッテリに対してバッテリ列の上
方又は下方に充電を輸送することになり、それにより、列のバッテリ間で効率良
く電荷を分配してそれらを等化する。モジュールの各々は、他のモジュールから
独立して、それらと干渉することなく、また、様々なモジュールを集中制御する
必要もなく、その等化機能を遂行する。すなわち、本発明による標準化された充
電等化器モジュールは、列の中の特定のバッテリの数に関係なく、バッテリ列と
共に使用されるであろう。
される。下部モジュールの高電圧側端子は、その上のモジュールの中間電圧端子
が接続されたバッテリ間の接合点に接続され、下部モジュールの中間電圧端子は
、その上のモジュールの低電圧側端子が接続された接合点に接続される。すなわ
ち、一方向モジュールの場合は、上部モジュールがそのモジュールが接続された
バッテリ対の下部バッテリに電流を分流させ、そのバッテリがそのすぐ下のバッ
テリよりも高充電である時は、その次の下部モジュールがバッテリ対の高充電の
バッテリから低充電のバッテリに電荷を分流させることになり、全部のバッテリ
が等化されるまでバッテリ列の下方に同じように進めていく。各双方向モジュー
ルは、それが接続されたより少なく充電されたバッテリに対してバッテリ列の上
方又は下方に充電を輸送することになり、それにより、列のバッテリ間で効率良
く電荷を分配してそれらを等化する。モジュールの各々は、他のモジュールから
独立して、それらと干渉することなく、また、様々なモジュールを集中制御する
必要もなく、その等化機能を遂行する。すなわち、本発明による標準化された充
電等化器モジュールは、列の中の特定のバッテリの数に関係なく、バッテリ列と
共に使用されるであろう。
【０００８】
本発明による好ましい等化器モジュールは、モジュールが接続された２つのバ
ッテリ間に亘る電圧が等化されるので、充電電流を自然に低減する。本発明はま
た、電圧が等化状態になった時に自然に充電電流を低減しないフライバック型等
化器を含み得るバッテリ充電等化器モジュールにおけるスイッチング装置の切り
替えを制御する制御装置を準備する。この種の制御装置は、２つのバッテリの高
電圧側及び低電圧側に亘る電圧とバッテリ間の接合点とに接続された端子を有し
て、バッテリ間の電圧差に比例する出力信号を準備する電圧比較回路、及び、線
上の電流を監視するために、モジュールが等化しているバッテリに通じる線に接
続可能で、その電流に比例する出力信号を準備する電流差動増幅器を含む。ヒス
テリシスを有するヒステリシス比較器は、電圧差と電流とに比例する信号を受信
し、その信号を比較し、信号間の差が選択された値を超えた時に充電等化器モジ
ュールのスイッチング装置をオン・オフ切り替えするパルス発生装置及びゲート
ドライブ回路に出力信号を供給し、充電電流のレベルは、２つのバッテリ間の電
圧差が小さくなると低下する。 本発明の更なる目的、形態、及び、利点は、添付図面と関連させて以下の詳細
説明を検討すれば明白になるであろう。
ッテリ間に亘る電圧が等化されるので、充電電流を自然に低減する。本発明はま
た、電圧が等化状態になった時に自然に充電電流を低減しないフライバック型等
化器を含み得るバッテリ充電等化器モジュールにおけるスイッチング装置の切り
替えを制御する制御装置を準備する。この種の制御装置は、２つのバッテリの高
電圧側及び低電圧側に亘る電圧とバッテリ間の接合点とに接続された端子を有し
て、バッテリ間の電圧差に比例する出力信号を準備する電圧比較回路、及び、線
上の電流を監視するために、モジュールが等化しているバッテリに通じる線に接
続可能で、その電流に比例する出力信号を準備する電流差動増幅器を含む。ヒス
テリシスを有するヒステリシス比較器は、電圧差と電流とに比例する信号を受信
し、その信号を比較し、信号間の差が選択された値を超えた時に充電等化器モジ
ュールのスイッチング装置をオン・オフ切り替えするパルス発生装置及びゲート
ドライブ回路に出力信号を供給し、充電電流のレベルは、２つのバッテリ間の電
圧差が小さくなると低下する。 本発明の更なる目的、形態、及び、利点は、添付図面と関連させて以下の詳細
説明を検討すれば明白になるであろう。
【０００９】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、バッテリ対の中の個々のバッテリ間の平衡化を確実にするために充
電等化器モジュールが各バッテリ対に亘って接続された、モジュール式非散逸的
充電等化器と電流分流加減器とを利用する。充電等化器モジュールは、バッテリ
のスタック全体に対して等化が達成されるように、いくつかのバッテリの充電等
化システムにおいて互い違いにされる。モジュールは、エネルギを図１に示すよ
うにバッテリスタックに沿って１つの方向に（一方向性）、又は、図２に示すよ
うに両方向に（双方向性）輸送するように構成することができる。図１及び図２
は、モジュール式充電等化器の２つの可能な配置を示す一般化された図である。
電等化器モジュールが各バッテリ対に亘って接続された、モジュール式非散逸的
充電等化器と電流分流加減器とを利用する。充電等化器モジュールは、バッテリ
のスタック全体に対して等化が達成されるように、いくつかのバッテリの充電等
化システムにおいて互い違いにされる。モジュールは、エネルギを図１に示すよ
うにバッテリスタックに沿って１つの方向に（一方向性）、又は、図２に示すよ
うに両方向に（双方向性）輸送するように構成することができる。図１及び図２
は、モジュール式充電等化器の２つの可能な配置を示す一般化された図である。
【００１０】
図１を参照すると、「Ｎ個」のバッテリの列３１は、互いに直列に接続されて
おり、充電電流Ｉchが線３３上でバッテリ列に供給されて、そこから共用線３４
を通って充電器３２に戻るような充電器３２から電流が供給されているように例
示的に示されている。等化器モジュール３６は、バッテリ列の各隣接するバッテ
リ対３１に亘って接続され、各モジュール３６は、高電圧側端子線３７、中間電
圧端子線３８、及び、低電圧側端子線３９を有する。図に示すように、高電圧側
端子線３７は、バッテリ対の第１バッテリの高圧側又は陽極側に接続され、中間
電圧端子線３８は、バッテリ間のノード４０に接続され、低電圧側端子線３９は
、バッテリ対の第２バッテリ３１の低電圧又は陰極端子に接続される。等化器／
分流加減器モジュール３６は、図に示すような互い違いの方式でバッテリ対に接
続されており、第２モジュール３６が、その高電圧側端子線３７を第１モジュー
ルの中間電圧端子線３８が接続されたノードに接続させ、その中間電圧端子線３
８を第１モジュールの低電圧側端子線３９が接続されたノード４０に接続させる
という具合で、中間電圧端子線３８を最終バッテリの低電圧側でノード４１に接
続させる最終モジュール３６まで以下同様である。最終モジュール３６の低電圧
側端子線３９は、次に、バッテリスタックの第１バッテリの高電圧側に至る入力
線に再び接続される。以下で更に説明する通り、等化器分流加減器モジュール３
６の各々は、バッテリスタックの底部に向かって下方にエネルギを輸送する。例
えば、スタックの第１バッテリがスタック下方の次のバッテリよりも多く充電さ
れた場合、第１の等化器モジュールは、電荷を第１バッテリから第２バッテリに
輸送する。スタックの第２バッテリが第１バッテリよりも多く充電された場合、
電荷は輸送されない。同様に、第２の等化器モジュールに関しては、第２バッテ
リが第３バッテリよりも多く充電された場合、このモジュールは、第２バッテリ
から第３バッテリに電荷を輸送する。第３バッテリが第２バッテリよりも多く充
電された場合は、モジュールは電荷を輸送しない。各モジュール３６は、バッテ
リ列の最終モジュール３６以外は、モジュールと接続されたバッテリ対の間でこ
の方式に従ってエネルギを輸送する。この最終モジュールが高電圧側端子線３７
と中間電圧端子線３８との間に接続されたバッテリが、バッテリ列の第１バッテ
リよりも多く充電された場合、最終モジュール３６は、線３９上でバッテリ列の
第１バッテリ３１にエネルギを輸送する。
おり、充電電流Ｉchが線３３上でバッテリ列に供給されて、そこから共用線３４
を通って充電器３２に戻るような充電器３２から電流が供給されているように例
示的に示されている。等化器モジュール３６は、バッテリ列の各隣接するバッテ
リ対３１に亘って接続され、各モジュール３６は、高電圧側端子線３７、中間電
圧端子線３８、及び、低電圧側端子線３９を有する。図に示すように、高電圧側
端子線３７は、バッテリ対の第１バッテリの高圧側又は陽極側に接続され、中間
電圧端子線３８は、バッテリ間のノード４０に接続され、低電圧側端子線３９は
、バッテリ対の第２バッテリ３１の低電圧又は陰極端子に接続される。等化器／
分流加減器モジュール３６は、図に示すような互い違いの方式でバッテリ対に接
続されており、第２モジュール３６が、その高電圧側端子線３７を第１モジュー
ルの中間電圧端子線３８が接続されたノードに接続させ、その中間電圧端子線３
８を第１モジュールの低電圧側端子線３９が接続されたノード４０に接続させる
という具合で、中間電圧端子線３８を最終バッテリの低電圧側でノード４１に接
続させる最終モジュール３６まで以下同様である。最終モジュール３６の低電圧
側端子線３９は、次に、バッテリスタックの第１バッテリの高電圧側に至る入力
線に再び接続される。以下で更に説明する通り、等化器分流加減器モジュール３
６の各々は、バッテリスタックの底部に向かって下方にエネルギを輸送する。例
えば、スタックの第１バッテリがスタック下方の次のバッテリよりも多く充電さ
れた場合、第１の等化器モジュールは、電荷を第１バッテリから第２バッテリに
輸送する。スタックの第２バッテリが第１バッテリよりも多く充電された場合、
電荷は輸送されない。同様に、第２の等化器モジュールに関しては、第２バッテ
リが第３バッテリよりも多く充電された場合、このモジュールは、第２バッテリ
から第３バッテリに電荷を輸送する。第３バッテリが第２バッテリよりも多く充
電された場合は、モジュールは電荷を輸送しない。各モジュール３６は、バッテ
リ列の最終モジュール３６以外は、モジュールと接続されたバッテリ対の間でこ
の方式に従ってエネルギを輸送する。この最終モジュールが高電圧側端子線３７
と中間電圧端子線３８との間に接続されたバッテリが、バッテリ列の第１バッテ
リよりも多く充電された場合、最終モジュール３６は、線３９上でバッテリ列の
第１バッテリ３１にエネルギを輸送する。
【００１１】
図２を参照すると、双方向等化器モジュール５０は、モジュール３６と同様の
方法でバッテリ列３１に亘って接続されており、モジュール５０の各々は、高電
圧側端子線５１をバッテリ対の第１バッテリの高電圧側に接続させ、中間電圧端
子線５２をバッテリ対の２つのバッテリ間のノードに接続させ、低電圧側端子線
５３をバッテリ対の第２バッテリの低電圧側に接続させる。モジュール５０は、
電荷をどちらの方向にも輸送できる。等化器モジュール５０は、それが接続され
た２つのバッテリ３１の間で、より多く充電されたバッテリからそれよりも少な
く充電されたバッテリへ電荷を輸送する。
方法でバッテリ列３１に亘って接続されており、モジュール５０の各々は、高電
圧側端子線５１をバッテリ対の第１バッテリの高電圧側に接続させ、中間電圧端
子線５２をバッテリ対の２つのバッテリ間のノードに接続させ、低電圧側端子線
５３をバッテリ対の第２バッテリの低電圧側に接続させる。モジュール５０は、
電荷をどちらの方向にも輸送できる。等化器モジュール５０は、それが接続され
た２つのバッテリ３１の間で、より多く充電されたバッテリからそれよりも少な
く充電されたバッテリへ電荷を輸送する。
【００１２】
一方向モジュール３６及び双方向モジュール５０は、電流分流機能及び充電等
化機能の両方を実行するであろう。電流分流機能は、強電流充電の間に実行され
る。この場合、モジュールは、過充電バッテリ周辺の充電電流をスタック内の次
のバッテリに分流する。これにより、スタックの残りを完全に充電することがで
きる一方で、健全なバッテリを過充電することを避ける。充電等化機能において
は、強電流充電が終了すると、モジュールが充電等化器として作用し、スタック
内のバッテリ全部が等化するまで、過充電されたバッテリから弱いバッテリにエ
ネルギが輸送される。これは、好ましくは、バッテリが充電又は放電されていな
い非使用時間に実行される。
化機能の両方を実行するであろう。電流分流機能は、強電流充電の間に実行され
る。この場合、モジュールは、過充電バッテリ周辺の充電電流をスタック内の次
のバッテリに分流する。これにより、スタックの残りを完全に充電することがで
きる一方で、健全なバッテリを過充電することを避ける。充電等化機能において
は、強電流充電が終了すると、モジュールが充電等化器として作用し、スタック
内のバッテリ全部が等化するまで、過充電されたバッテリから弱いバッテリにエ
ネルギが輸送される。これは、好ましくは、バッテリが充電又は放電されていな
い非使用時間に実行される。
【００１３】
直列のバッテリ列を等化するモジュール３６及び５０を使用することにより、
バッテリの数又はバッテリの物理的な位置に関係なく、あらゆる用途に使用され
るモジュールの標準化が可能になる。これは、好ましいことに、モジュールを特
定の用途に対してカスタム化する必要がなく、モジュールの標準生産によってモ
ジュールのコストを低減することができるので重要な利点である。更に、各モジ
ュールは、１対のセル間に亘って接続されるため、バッテリ列のあらゆる物理的
配置にも容易に適合し、従って、現存するバッテリシステムに対して換装するこ
とができる。
バッテリの数又はバッテリの物理的な位置に関係なく、あらゆる用途に使用され
るモジュールの標準化が可能になる。これは、好ましいことに、モジュールを特
定の用途に対してカスタム化する必要がなく、モジュールの標準生産によってモ
ジュールのコストを低減することができるので重要な利点である。更に、各モジ
ュールは、１対のセル間に亘って接続されるため、バッテリ列のあらゆる物理的
配置にも容易に適合し、従って、現存するバッテリシステムに対して換装するこ
とができる。
【００１４】
電源半導体スイッチ６０（例えば、ＭＯＳＦＥＴ（モス電界効果トランジスタ
））、フリーホイーリングダイオード６１、及び、エネルギ蓄積インダクタ６２
を有する、一方向モジュール３６を実施する従来構成が図３に示されている。そ
のような構成は、米国カリフォルニア州アナハイムで開催のＩＥＥＥ（米国電気
電子工学会）ＡＰＥＣ１９９８年会議、１９９８年２月、６８６〜６９０ページ
に掲載のＮ・Ｈ・クトクト（Ｋｕｔｋｕｔ）による「ＥＶバッテリ充電等化のた
めのモジュール式非散逸電流分流加減器」という論文に記載されている。「Ｎ個
」のバッテリを有するスタックでは、活性スイッチ、インダクタ、及び、フリー
ホイーリングダイオードの総数はＮである。スタックの最終モジュール３６に対
しては、そのセルの周りにエネルギの流路をもたらすために、変圧器６４を組み
込んだフライバックコンバータ装置が使用される。通常の充電作動の間は、モジ
ュール３６は無効とされ、充電電流は、全てのバッテリを通って直列に流れる。
バッテリ電圧がある特定の閾値を超えて完全な充電状態を意味すると、対応する
モジュール３６は有効にされ、電流をそのモジュールから離してスタックの次の
下部モジュールの中へ電流を分流する。例えば、第１バッテリ３１が最初にその
完全な充電状態に達すると、第１モジュール３６のスイッチ６０がオンにされ、
エネルギがインダクタ６２内に貯蔵される。スイッチ６０がオフにされると、イ
ンダクタに貯蔵されたエネルギがスタックの第２のバッテリ３１に出される。モ
ジュールによって引き出された平均電流が充電電流と等しい場合、第１バッテリ
内への正味電流はゼロであり、一方でバッテリスタックの残りの部分を流れる平
均電流は、充電電流の値に保たれる。スタックの次のバッテリが充電不足の場合
、それに対応するモジュールは作動せず、すなわち、その周りに接続されたスイ
ッチ６０はオンにされず、そのために全充電電流がそのバッテリを通って流れる
。図３に示すように、スタックの最終モジュール３６のためにフライバックコン
バータ構成が使用され、最終バッテリから回収されたエネルギの流路を準備する
。最終モジュール３６から第１モジュールへのエネルギの流路を準備するために
、フライバック変圧器６４が使用される。この場合、スタックの最終バッテリが
過充電になると、最終モジュールのスイッチ６０がオンにされ、すなわち、変圧
器６４の磁化インダクタンスにエネルギを貯蔵する。スイッチ６０がオフにされ
ると、貯蔵されたエネルギが回収され、線３９上の全体バッテリバスにフィード
バックされる。これにより、最終バッテリに対しても同様に非散逸エネルギ回収
が可能になる。フライバックコンバータ変圧器６４の巻回比がバッテリモジュー
ルの数すなわちＮに等しいことは注目される。最終モジュール３６のフリーホイ
ーリングダイオード６１の定格はＮ*Ｖbであり、Ｖbは平均バッテリ電圧である
。図３の実施例では、フライバック変圧器６４のために、スタックの最終モジュ
ール３６は、他のモジュールとは異なる。
））、フリーホイーリングダイオード６１、及び、エネルギ蓄積インダクタ６２
を有する、一方向モジュール３６を実施する従来構成が図３に示されている。そ
のような構成は、米国カリフォルニア州アナハイムで開催のＩＥＥＥ（米国電気
電子工学会）ＡＰＥＣ１９９８年会議、１９９８年２月、６８６〜６９０ページ
に掲載のＮ・Ｈ・クトクト（Ｋｕｔｋｕｔ）による「ＥＶバッテリ充電等化のた
めのモジュール式非散逸電流分流加減器」という論文に記載されている。「Ｎ個
」のバッテリを有するスタックでは、活性スイッチ、インダクタ、及び、フリー
ホイーリングダイオードの総数はＮである。スタックの最終モジュール３６に対
しては、そのセルの周りにエネルギの流路をもたらすために、変圧器６４を組み
込んだフライバックコンバータ装置が使用される。通常の充電作動の間は、モジ
ュール３６は無効とされ、充電電流は、全てのバッテリを通って直列に流れる。
バッテリ電圧がある特定の閾値を超えて完全な充電状態を意味すると、対応する
モジュール３６は有効にされ、電流をそのモジュールから離してスタックの次の
下部モジュールの中へ電流を分流する。例えば、第１バッテリ３１が最初にその
完全な充電状態に達すると、第１モジュール３６のスイッチ６０がオンにされ、
エネルギがインダクタ６２内に貯蔵される。スイッチ６０がオフにされると、イ
ンダクタに貯蔵されたエネルギがスタックの第２のバッテリ３１に出される。モ
ジュールによって引き出された平均電流が充電電流と等しい場合、第１バッテリ
内への正味電流はゼロであり、一方でバッテリスタックの残りの部分を流れる平
均電流は、充電電流の値に保たれる。スタックの次のバッテリが充電不足の場合
、それに対応するモジュールは作動せず、すなわち、その周りに接続されたスイ
ッチ６０はオンにされず、そのために全充電電流がそのバッテリを通って流れる
。図３に示すように、スタックの最終モジュール３６のためにフライバックコン
バータ構成が使用され、最終バッテリから回収されたエネルギの流路を準備する
。最終モジュール３６から第１モジュールへのエネルギの流路を準備するために
、フライバック変圧器６４が使用される。この場合、スタックの最終バッテリが
過充電になると、最終モジュールのスイッチ６０がオンにされ、すなわち、変圧
器６４の磁化インダクタンスにエネルギを貯蔵する。スイッチ６０がオフにされ
ると、貯蔵されたエネルギが回収され、線３９上の全体バッテリバスにフィード
バックされる。これにより、最終バッテリに対しても同様に非散逸エネルギ回収
が可能になる。フライバックコンバータ変圧器６４の巻回比がバッテリモジュー
ルの数すなわちＮに等しいことは注目される。最終モジュール３６のフリーホイ
ーリングダイオード６１の定格はＮ*Ｖbであり、Ｖbは平均バッテリ電圧である
。図３の実施例では、フライバック変圧器６４のために、スタックの最終モジュ
ール３６は、他のモジュールとは異なる。
【００１５】
双方向モジュール５０用の従来技術の実施例が図４に示されている。前出のＮ
・Ｈ・クトクトを参照されたい。それぞれのモジュール５０は、１対のスイッチ
６６及び６７、及び、スイッチ６６及び６７と中間電圧線５２との間に接続され
たインダクタ６８を含む。これらのモジュールは、誘導負荷を供給する半ブリッ
ジコンバータとして機能する。バッテリが過充電になった場合、その周りに接続
された対応するスイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）６６又は６７がオンにされ、
エネルギが分流インダクタ６８の磁気コアに貯蔵される。スイッチがオフにされ
ると、分流インダクタ６８の電流の流れの方向に応じて、貯蔵されたエネルギは
、その下方又は上方のモジュールに分流される。その結果、スタック内のバッテ
リ対３１のそれぞれは連続的に等化される。バッテリの数がＮに等しいと、活性
スイッチの数は２Ｎ−２であり、一方、誘導分流器の数はＮ−１である。分流さ
れた電流の量は、充電電流の一部分か、又は、高電流充電用途の場合の全充電電
流かのいずれかが可能である。作動中、それぞれのモジュール５０は、エネルギ
をスタック内の健全なセルからより弱いセルに向けることによって等化をもたら
す。
・Ｈ・クトクトを参照されたい。それぞれのモジュール５０は、１対のスイッチ
６６及び６７、及び、スイッチ６６及び６７と中間電圧線５２との間に接続され
たインダクタ６８を含む。これらのモジュールは、誘導負荷を供給する半ブリッ
ジコンバータとして機能する。バッテリが過充電になった場合、その周りに接続
された対応するスイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）６６又は６７がオンにされ、
エネルギが分流インダクタ６８の磁気コアに貯蔵される。スイッチがオフにされ
ると、分流インダクタ６８の電流の流れの方向に応じて、貯蔵されたエネルギは
、その下方又は上方のモジュールに分流される。その結果、スタック内のバッテ
リ対３１のそれぞれは連続的に等化される。バッテリの数がＮに等しいと、活性
スイッチの数は２Ｎ−２であり、一方、誘導分流器の数はＮ−１である。分流さ
れた電流の量は、充電電流の一部分か、又は、高電流充電用途の場合の全充電電
流かのいずれかが可能である。作動中、それぞれのモジュール５０は、エネルギ
をスタック内の健全なセルからより弱いセルに向けることによって等化をもたら
す。
【００１６】
図５及び図６は、３セルのバッテリスタックを等化するために２つの一方向モ
ジュール３６が使用されたシミュレーションに対する充電電流とバッテリ電圧と
が各々示されており、簡単にするために、貯蔵素子はコンデンサと仮定された（
バッテリではなく）。初期バッテリ（コンデンサ）電圧は、頂部から底部までそ
れぞれ１４ボルト、１３ボルト、及び、１２ボルトであり、インダクタ６２の値
は、１１０マイクロヘンリーに選択され、スイッチング周波数は、２０キロヘル
ツに選択された。図５及び図６は、１ミリ秒の時間に亘る得られた平均充電電流
とバッテリ電圧とを示す。図６に示されるように、第１バッテリ（コンデンサ）
電圧は減少するが、第１バッテリ（コンデンサ）から第３バッテリへのエネルギ
輸送があるために、第３バッテリの電圧は増加する。第２バッテリは、いかなる
充電電流をも消費せず、第１バッテリ（コンデンサ）からのエネルギは、全てス
タック内の最も弱いバッテリ（コンデンサ）に向けられる。時間が経過するにつ
れて、全ての電圧が等化され、１３ボルトのレベルに近づくのがわかる。次のサ
イクルが始まる前に貯蔵エネルギの完全なリセットを確実にするために、デュー
ティサイクルは、制限されなければならない。全てのバッテリが等化されると、
スイッチは無効にされる。
ジュール３６が使用されたシミュレーションに対する充電電流とバッテリ電圧と
が各々示されており、簡単にするために、貯蔵素子はコンデンサと仮定された（
バッテリではなく）。初期バッテリ（コンデンサ）電圧は、頂部から底部までそ
れぞれ１４ボルト、１３ボルト、及び、１２ボルトであり、インダクタ６２の値
は、１１０マイクロヘンリーに選択され、スイッチング周波数は、２０キロヘル
ツに選択された。図５及び図６は、１ミリ秒の時間に亘る得られた平均充電電流
とバッテリ電圧とを示す。図６に示されるように、第１バッテリ（コンデンサ）
電圧は減少するが、第１バッテリ（コンデンサ）から第３バッテリへのエネルギ
輸送があるために、第３バッテリの電圧は増加する。第２バッテリは、いかなる
充電電流をも消費せず、第１バッテリ（コンデンサ）からのエネルギは、全てス
タック内の最も弱いバッテリ（コンデンサ）に向けられる。時間が経過するにつ
れて、全ての電圧が等化され、１３ボルトのレベルに近づくのがわかる。次のサ
イクルが始まる前に貯蔵エネルギの完全なリセットを確実にするために、デュー
ティサイクルは、制限されなければならない。全てのバッテリが等化されると、
スイッチは無効にされる。
【００１７】
図３の手法は、スイッチのオン時間中にインダクタンスを磁化する主フィルタ
インダクタ６２又は変圧器６４にエネルギが貯蔵され、次に、スイッチのオフ時
間中にフリーホイーリングダイオード６１を通じてバッテリ対の中の次のバッテ
リにエネルギが輸送される、フライバックを基本にした実施例に基づいている。
その結果、充電処理は、スイッチが無効になるまで終了しない。これは、等化モ
ードの間は等化充電電流が一定のままであることが分かる図５のシミュレーショ
ンの電流波形から観察されるであろう。この連続充電は、等化処理を通してバッ
テリをより強電流の充電又は放電に曝し、更に、それは、強電流充電が充電サイ
クルの終わり近くでバッテリ性能を劣化し得るために、等化機能の効果を減少さ
せる。更に、図３の一方向等化器は、最終モジュールのために非標準モジュール
を組み込み、連続したエネルギ流路を準備する。フライバックの実施例はまた、
等化の終わり近くで充電電流のレベルが高くなるために引き起こされる、「しゃ
っくり」作動をする傾向がある。作動中、端子電圧は、高い充電電流において著
しくなる可能性があるバッテリ内部抵抗の低下によって影響される。等化が終了
した時、端子電圧は、等化器を再びオンにさせるほど大きく変化する場合がある
。この作動のしゃっくりモードは、バッテリ性能に悪い影響を与える可能性があ
り、等化器の全体的な効率を低下させる。
インダクタ６２又は変圧器６４にエネルギが貯蔵され、次に、スイッチのオフ時
間中にフリーホイーリングダイオード６１を通じてバッテリ対の中の次のバッテ
リにエネルギが輸送される、フライバックを基本にした実施例に基づいている。
その結果、充電処理は、スイッチが無効になるまで終了しない。これは、等化モ
ードの間は等化充電電流が一定のままであることが分かる図５のシミュレーショ
ンの電流波形から観察されるであろう。この連続充電は、等化処理を通してバッ
テリをより強電流の充電又は放電に曝し、更に、それは、強電流充電が充電サイ
クルの終わり近くでバッテリ性能を劣化し得るために、等化機能の効果を減少さ
せる。更に、図３の一方向等化器は、最終モジュールのために非標準モジュール
を組み込み、連続したエネルギ流路を準備する。フライバックの実施例はまた、
等化の終わり近くで充電電流のレベルが高くなるために引き起こされる、「しゃ
っくり」作動をする傾向がある。作動中、端子電圧は、高い充電電流において著
しくなる可能性があるバッテリ内部抵抗の低下によって影響される。等化が終了
した時、端子電圧は、等化器を再びオンにさせるほど大きく変化する場合がある
。この作動のしゃっくりモードは、バッテリ性能に悪い影響を与える可能性があ
り、等化器の全体的な効率を低下させる。
【００１８】
本発明によって、標準化モジュール７０を含む本発明の完全モジュール化順方
向コンバータの一方向実施例が図７に示されている。それぞれのモジュール７０
は、制御可能スイッチ７１（例えば、本体ダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥ
Ｔ）、フリーホイーリングダイオード７２、及び、２巻線変圧器７３を含む。各
モジュール７０は、高電圧側端子線７５、２つの（第１及び第２）中間電圧端子
線７６及び７７、及び、低電圧側端子線７８を有する。中間電圧端子線７６及び
７７は、変圧器７３の２つの巻線７９及び８０に別々に接続される。一次巻線７
９と二次巻線８０との巻回数は同じ、すなわちＮｐである。最終の等化モジュー
ル７０が他の全てのモジュールと同一であることは注目される。その二次巻線８
０の出力は、第２の中間電圧端子線７７と低電圧線７８とを通じて、スタックの
第１バッテリ３１の高電圧側と低電圧側とにそれぞれ接続される。この実施例に
おいて、高電圧側端子線７５と第１の中間電圧端子線７６とは、各対の第１バッ
テリの高電圧側と低電圧側とにそれぞれ接続され、一方、第２の中間電圧端子線
７７と低電圧側端子線７８とは、二次巻線８０から各バッテリ対の第２バッテリ
の高電圧側と低電圧側とにそれぞれ接続される。バッテリ列の第１バッテリは、
バッテリ列の最終バッテリがバッテリ対の第１バッテリである対における第２バ
ッテリとして有効に機能する。
向コンバータの一方向実施例が図７に示されている。それぞれのモジュール７０
は、制御可能スイッチ７１（例えば、本体ダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥ
Ｔ）、フリーホイーリングダイオード７２、及び、２巻線変圧器７３を含む。各
モジュール７０は、高電圧側端子線７５、２つの（第１及び第２）中間電圧端子
線７６及び７７、及び、低電圧側端子線７８を有する。中間電圧端子線７６及び
７７は、変圧器７３の２つの巻線７９及び８０に別々に接続される。一次巻線７
９と二次巻線８０との巻回数は同じ、すなわちＮｐである。最終の等化モジュー
ル７０が他の全てのモジュールと同一であることは注目される。その二次巻線８
０の出力は、第２の中間電圧端子線７７と低電圧線７８とを通じて、スタックの
第１バッテリ３１の高電圧側と低電圧側とにそれぞれ接続される。この実施例に
おいて、高電圧側端子線７５と第１の中間電圧端子線７６とは、各対の第１バッ
テリの高電圧側と低電圧側とにそれぞれ接続され、一方、第２の中間電圧端子線
７７と低電圧側端子線７８とは、二次巻線８０から各バッテリ対の第２バッテリ
の高電圧側と低電圧側とにそれぞれ接続される。バッテリ列の第１バッテリは、
バッテリ列の最終バッテリがバッテリ対の第１バッテリである対における第２バ
ッテリとして有効に機能する。
【００１９】
バッテリ対の中の１つのバッテリ３１が、例えば電圧Ｖb1まで過充電になると
、その対応するスイッチ７１はオンにされる。図７の破線で示される変圧器の極
性が与えられると、ダイオード７２も同様に伝導状態を強いられることになる。
変圧器の巻回比が単一なので、同等回路は、図８に示すもののように簡略化する
ことができる。２つの巻線間の漏れインダクタンスは、主ドライビングインピー
ダンスにおいて充電電流の代わりに作用することになる。図８から、バッテリの
充電電流は、過充電バッテリ電圧Ｖb1、第２バッテリ電圧Ｖb2、及び、漏れイン
ダクタンスＬ12によって支配されることがわかり、次の式で与えられる。 ＩCH2（ｔ）＝（（ＶＢ１−ＢＶ２）／Ｌ１２）ｔ 両方のバッテリが等化されると、充電電流はゼロになるであろう。その結果、
図７の順方向コンバータに基づく実施例は、メインスイッチ７１上のストレスを
減少させ、必要な制御は比較的簡単であって、充電電流の自然なフィードバック
が何の能動的な制御もなしに得られる。必要なことは、各バッテリ対を比較し、
その差が選択値を超えた場合にスイッチを作動させることだけである。
、その対応するスイッチ７１はオンにされる。図７の破線で示される変圧器の極
性が与えられると、ダイオード７２も同様に伝導状態を強いられることになる。
変圧器の巻回比が単一なので、同等回路は、図８に示すもののように簡略化する
ことができる。２つの巻線間の漏れインダクタンスは、主ドライビングインピー
ダンスにおいて充電電流の代わりに作用することになる。図８から、バッテリの
充電電流は、過充電バッテリ電圧Ｖb1、第２バッテリ電圧Ｖb2、及び、漏れイン
ダクタンスＬ12によって支配されることがわかり、次の式で与えられる。 ＩCH2（ｔ）＝（（ＶＢ１−ＢＶ２）／Ｌ１２）ｔ 両方のバッテリが等化されると、充電電流はゼロになるであろう。その結果、
図７の順方向コンバータに基づく実施例は、メインスイッチ７１上のストレスを
減少させ、必要な制御は比較的簡単であって、充電電流の自然なフィードバック
が何の能動的な制御もなしに得られる。必要なことは、各バッテリ対を比較し、
その差が選択値を超えた場合にスイッチを作動させることだけである。
【００２０】
変圧器７３が飽和するのを防ぐために、エネルギを磁化するための経路を準備
するのが好ましい。これは貯蔵された磁化エネルギのリセットをもたらすいくつ
かの方法で達成することができる。１つの実施例では、図９に示すように変圧器
７３上で追加の補助巻線８２を使用する。補助巻線８２は、中間電圧端子線７６
と高電圧側端子線７５との間でダイオード８３と接続される。次のサイクルが始
まる前の完全なリセットを確実にするために、補助巻線８２の巻回数は、一次巻
線の巻回数未満でなければならない。 充電中、上部バッテリがより多く充電されている場合は、上部バッテリ周辺の
電流を下部バッテリに向けるためにスイッチ７１をオンにし、それ以外の場合は
オフしたままにすることができる。
するのが好ましい。これは貯蔵された磁化エネルギのリセットをもたらすいくつ
かの方法で達成することができる。１つの実施例では、図９に示すように変圧器
７３上で追加の補助巻線８２を使用する。補助巻線８２は、中間電圧端子線７６
と高電圧側端子線７５との間でダイオード８３と接続される。次のサイクルが始
まる前の完全なリセットを確実にするために、補助巻線８２の巻回数は、一次巻
線の巻回数未満でなければならない。 充電中、上部バッテリがより多く充電されている場合は、上部バッテリ周辺の
電流を下部バッテリに向けるためにスイッチ７１をオンにし、それ以外の場合は
オフしたままにすることができる。
【００２１】
本発明による双方向充電等化モジュールは、図１０の９０で示される。それぞ
れのモジュール９０は、第１のフリーホイーリングダイオード９３及び第２のフ
リーホイーリングダイオード９４を含む順方向実施例に接続された、第１の制御
可能スイッチ９１及び第２の制御可能スイッチ９２（例えば、本体ダイオードを
有するパワーＭＯＳＦＥＴ）を含む。スイッチ９１及び９２は、それらの逆向性
本体ダイオードと共に各バッテリ対において過度のエネルギを１つのバッテリか
ら別のバッテリに輸送するために使用され、それに対して、フリーホイーリング
ダイオード９３及び９４は、２つのスイッチ９１及び９２間に接続された変圧器
９６の磁化エネルギのためのリセット経路を準備する。変圧器９６は、スイッチ
９１に接続された一次巻線９７とスイッチ９２に接続された二次巻線９８とを有
する。高電圧側端子線９９は、第１のスイッチ９１に接続され、中間電圧端子線
１００は、一次巻線９７と二次巻線９８とを接合するノードに接続され、低電圧
側端子線１０１は、第２のスイッチ９２に接続される。フリーホイーリングダイ
オード９３は、高電圧側端子線９９と、二次巻線９８及び第２スイッチ９２の接
合点との間に接続されて、変圧器の周りに電流を分流し、フリーホイーリングダ
イオード９４は、第１のスイッチ９２及び一次巻線９７間の接合点と低電圧側端
子線１０１との間に接続されて、電流を変圧器の周りに向ける。電流の流路が双
方向であるため、第１スイッチ９１又は第２スイッチ９２がオンにされると、個
々のバッテリの充電の状態に応じて、充電をそれぞれ上方又は下方に向けること
ができる。 充電中、より多く充電されたバッテリに接続されたスイッチ９１又は９２がオ
ンにされてもよく、電流をより少なく充電されたバッテリに分流する。
れのモジュール９０は、第１のフリーホイーリングダイオード９３及び第２のフ
リーホイーリングダイオード９４を含む順方向実施例に接続された、第１の制御
可能スイッチ９１及び第２の制御可能スイッチ９２（例えば、本体ダイオードを
有するパワーＭＯＳＦＥＴ）を含む。スイッチ９１及び９２は、それらの逆向性
本体ダイオードと共に各バッテリ対において過度のエネルギを１つのバッテリか
ら別のバッテリに輸送するために使用され、それに対して、フリーホイーリング
ダイオード９３及び９４は、２つのスイッチ９１及び９２間に接続された変圧器
９６の磁化エネルギのためのリセット経路を準備する。変圧器９６は、スイッチ
９１に接続された一次巻線９７とスイッチ９２に接続された二次巻線９８とを有
する。高電圧側端子線９９は、第１のスイッチ９１に接続され、中間電圧端子線
１００は、一次巻線９７と二次巻線９８とを接合するノードに接続され、低電圧
側端子線１０１は、第２のスイッチ９２に接続される。フリーホイーリングダイ
オード９３は、高電圧側端子線９９と、二次巻線９８及び第２スイッチ９２の接
合点との間に接続されて、変圧器の周りに電流を分流し、フリーホイーリングダ
イオード９４は、第１のスイッチ９２及び一次巻線９７間の接合点と低電圧側端
子線１０１との間に接続されて、電流を変圧器の周りに向ける。電流の流路が双
方向であるため、第１スイッチ９１又は第２スイッチ９２がオンにされると、個
々のバッテリの充電の状態に応じて、充電をそれぞれ上方又は下方に向けること
ができる。 充電中、より多く充電されたバッテリに接続されたスイッチ９１又は９２がオ
ンにされてもよく、電流をより少なく充電されたバッテリに分流する。
【００２２】
一方向モジュール７０の性能を従来技術の一方向モジュール３６の性能と比較
するために、シミュレーションが行なわれた（図５及び図６に示した電流及び電
圧波形が得られた上述と同様のもの）。直列に接続された３つのバッテリ（コン
デンサで模擬された）を等化するために、２つの順方向型一方向モジュール７０
が使用された。磁化エネルギの経路を準備するために図９に示した種類の補助巻
線８２が使用された。簡略化のために、貯蔵素子は、頂部から底部にそれぞれ１
４ボルト、１３ボルト、及び、１２ボルトの初期電圧を有するコンデンサと仮定
された。変圧器の漏れインダクタンスは、２マイクロヘンリーと仮定され、スイ
ッチ７１のスイッチング周波数は、２０キロヘルツが選択された。図１１及び図
１２は、それぞれ１ミリ秒の時間に亘る得られた平均充電電流とバッテリ電圧と
を示す。図１２に示されるように、第１バッテリの電圧は減少し、一方で第１バ
ッテリから第３バッテリへのエネルギ輸送により、第３バッテリの電圧は増加す
る。図１１から、第１バッテリの充電電流の全部が第３バッテリの充電に使用さ
れることも明らかである。第２バッテリは、何の充電電流をも消費せず、第１バ
ッテリの全エネルギがスタック内の最も弱いバッテリに向けられる。短時間の間
に、全ての電圧は、１３ボルトのレベルに到達して等化する。個々のバッテリの
電圧が等化するので、図１１に示すように充電電流は減少する。全電圧が等化す
ると、充電電流は自然にゼロとなる。これにより、等化処理が自然に終結するメ
カニズムが得られ、ストレスが減少し、モジュールの効率が改善される。この自
然終結はまた、バッテリが完全に等化される時の充電電流レベルがかなり小さい
ので、等化器モジュールがしゃっくりモードに入るのを防止する。
するために、シミュレーションが行なわれた（図５及び図６に示した電流及び電
圧波形が得られた上述と同様のもの）。直列に接続された３つのバッテリ（コン
デンサで模擬された）を等化するために、２つの順方向型一方向モジュール７０
が使用された。磁化エネルギの経路を準備するために図９に示した種類の補助巻
線８２が使用された。簡略化のために、貯蔵素子は、頂部から底部にそれぞれ１
４ボルト、１３ボルト、及び、１２ボルトの初期電圧を有するコンデンサと仮定
された。変圧器の漏れインダクタンスは、２マイクロヘンリーと仮定され、スイ
ッチ７１のスイッチング周波数は、２０キロヘルツが選択された。図１１及び図
１２は、それぞれ１ミリ秒の時間に亘る得られた平均充電電流とバッテリ電圧と
を示す。図１２に示されるように、第１バッテリの電圧は減少し、一方で第１バ
ッテリから第３バッテリへのエネルギ輸送により、第３バッテリの電圧は増加す
る。図１１から、第１バッテリの充電電流の全部が第３バッテリの充電に使用さ
れることも明らかである。第２バッテリは、何の充電電流をも消費せず、第１バ
ッテリの全エネルギがスタック内の最も弱いバッテリに向けられる。短時間の間
に、全ての電圧は、１３ボルトのレベルに到達して等化する。個々のバッテリの
電圧が等化するので、図１１に示すように充電電流は減少する。全電圧が等化す
ると、充電電流は自然にゼロとなる。これにより、等化処理が自然に終結するメ
カニズムが得られ、ストレスが減少し、モジュールの効率が改善される。この自
然終結はまた、バッテリが完全に等化される時の充電電流レベルがかなり小さい
ので、等化器モジュールがしゃっくりモードに入るのを防止する。
【００２３】
本発明において、一方向モジュール７０又は双方向モジュール９０によって実
行される電圧均等化の制御は、好ましくは、バッテリ対の２つのバッテリ間の電
圧差が閾値を超えた時に開始され、電圧差が閾値未満まで低下した時に終了する
。一方向モジュール７０の例示的な制御装置が図１３に示されている。図１３の
制御装置は、線１１１上で第１バッテリの高電圧側における電圧Ｖb1を受け取り
、線１１２上で第２バッテリの低電圧側電圧−Ｖb2を受け取る、ヒステリシスを
有する比較器１１０を含む比較回路を使用する。２つのバッテリ間のノード４０
は、線１１３を通じて比較器１１０の負入力に接続される。抵抗値がＲの１対の
抵抗器１１５及び１１６は、線１１１及び１１２間に直列に接続され、線１１７
は、抵抗器１１５及び１１６間の接合点１１８から比較器１１０の正入力に接続
される。抵抗器１１５及び１１６は抵抗値が等しく、電圧Ｖcをもたらすために
、線１１１及び１１２に亘って存在する電圧Ｖb1＋Ｖb2を半分に割り算する電圧
分割器として作用する。割り算された電圧Ｖcが２つのバッテリ間のノードにお
ける中間点電圧よりも高い場合、頂部バッテリの電圧レベルが下部バッテリの電
圧よりも高く、従って、比較器の入力が高くなり、パルス発生器と、スイッチ７
１に対して選択された周波数で線１２２上に出力ゲートドライブ信号を供給する
ゲートドライブ回路１２１とに対して、線１２０上で有効化信号が供給される。
これにより、バッテリ対の中で頂部バッテリから底部バッテリへのエネルギ輸送
がもたらされる。あるレベルのヒステリシスが比較器１１０に与えられ、その内
部でモジュールが無効にされ、２つのバッテリが実質的に等化されたとみなされ
るエラーバンドを準備する。制御回路用の電源はバッテリから取られ、従って、
それぞれのモジュール７０は、その制御も含めて完全な自立型モジュールであり
、別の電源供給を必要としない。
行される電圧均等化の制御は、好ましくは、バッテリ対の２つのバッテリ間の電
圧差が閾値を超えた時に開始され、電圧差が閾値未満まで低下した時に終了する
。一方向モジュール７０の例示的な制御装置が図１３に示されている。図１３の
制御装置は、線１１１上で第１バッテリの高電圧側における電圧Ｖb1を受け取り
、線１１２上で第２バッテリの低電圧側電圧−Ｖb2を受け取る、ヒステリシスを
有する比較器１１０を含む比較回路を使用する。２つのバッテリ間のノード４０
は、線１１３を通じて比較器１１０の負入力に接続される。抵抗値がＲの１対の
抵抗器１１５及び１１６は、線１１１及び１１２間に直列に接続され、線１１７
は、抵抗器１１５及び１１６間の接合点１１８から比較器１１０の正入力に接続
される。抵抗器１１５及び１１６は抵抗値が等しく、電圧Ｖcをもたらすために
、線１１１及び１１２に亘って存在する電圧Ｖb1＋Ｖb2を半分に割り算する電圧
分割器として作用する。割り算された電圧Ｖcが２つのバッテリ間のノードにお
ける中間点電圧よりも高い場合、頂部バッテリの電圧レベルが下部バッテリの電
圧よりも高く、従って、比較器の入力が高くなり、パルス発生器と、スイッチ７
１に対して選択された周波数で線１２２上に出力ゲートドライブ信号を供給する
ゲートドライブ回路１２１とに対して、線１２０上で有効化信号が供給される。
これにより、バッテリ対の中で頂部バッテリから底部バッテリへのエネルギ輸送
がもたらされる。あるレベルのヒステリシスが比較器１１０に与えられ、その内
部でモジュールが無効にされ、２つのバッテリが実質的に等化されたとみなされ
るエラーバンドを準備する。制御回路用の電源はバッテリから取られ、従って、
それぞれのモジュール７０は、その制御も含めて完全な自立型モジュールであり
、別の電源供給を必要としない。
【００２４】
図１４に示されるように、双方向モジュール９０のために同様の制御装置を使
用してもよい。比較回路は、２つの比較器１２０及び１２１を有する。線１２３
はバッテリ対の第１バッテリの高電圧側に接続され、線１２４は、バッテリ対の
第２のバッテリの低電圧側に接続される。線１２３及び１２４上の電圧が比較器
１２０及び１２１にもたらされ、比較器用の電源を供給する。抵抗値がＲで等し
い１対の整合抵抗器１２５及び１２６は、線１２３及び１２４に亘って直列に接
続される。抵抗器１２５及び１２６間の接合点１２７は、線１２８により比較器
１２０の正入力に接続され、一方で２つのバッテリ３１間のノード４０は、線１
２９により比較器１２０の負入力に接続される。抵抗器１２５及び１２６間の接
合点１２７における電圧Ｖcは、線１３０により比較器１２１の負入力に接続さ
れ、２つのバッテリ３１間の接合点４０における電圧は、線１３１により比較器
１２１の正入力に接続される。線１３５上の比較器１２０の出力は、パルス発生
器と、第１のスイッチ９１に対して線１３７上で出力信号を供給するゲートドラ
イブ回路１３６とに接続され、比較器１２１は、パルス発生器と、第２のスイッ
チ９２に線１４１上で出力を供給するゲートドライブ回路１４０とに対して線１
３９上で出力を供給する。比較器１２０及び１２１の両方は、好ましくは、比較
器１１０の場合と同じ目的でヒステリシスを含む。電圧Ｖcが２つのバッテリの
中間点よりも高い場合、頂部比較器１２０が高くなることになり、スイッチ９１
は、選択された周波数でのパルスでオンにされるので、すなわち、バッテリ対の
中で頂部バッテリから底部バッテリへエネルギが輸送される。一方、電圧Ｖcが
２つのバッテリ間の中間ノード４０における電圧よりも低い場合、第２の比較器
が高くなることになり、すなわち、第２のスイッチ９２の切り換えが作動される
。これが、対の中で底部バッテリから頂部バッテリにエネルギを輸送することに
なる。 パルス発生器及びゲートドライブ回路が、スイッチ７１又は９１及び９２を選
択された時間と周波数とでオンにして等化サイクルをもたらすために、選択され
たパルス周波数とデューティサイクルとでゲート出力信号をもたらすことが理解
できる。スイッチング周波数は、好ましくは、少なくとも２０キロヘルツである
（可聴範囲を超える）。
用してもよい。比較回路は、２つの比較器１２０及び１２１を有する。線１２３
はバッテリ対の第１バッテリの高電圧側に接続され、線１２４は、バッテリ対の
第２のバッテリの低電圧側に接続される。線１２３及び１２４上の電圧が比較器
１２０及び１２１にもたらされ、比較器用の電源を供給する。抵抗値がＲで等し
い１対の整合抵抗器１２５及び１２６は、線１２３及び１２４に亘って直列に接
続される。抵抗器１２５及び１２６間の接合点１２７は、線１２８により比較器
１２０の正入力に接続され、一方で２つのバッテリ３１間のノード４０は、線１
２９により比較器１２０の負入力に接続される。抵抗器１２５及び１２６間の接
合点１２７における電圧Ｖcは、線１３０により比較器１２１の負入力に接続さ
れ、２つのバッテリ３１間の接合点４０における電圧は、線１３１により比較器
１２１の正入力に接続される。線１３５上の比較器１２０の出力は、パルス発生
器と、第１のスイッチ９１に対して線１３７上で出力信号を供給するゲートドラ
イブ回路１３６とに接続され、比較器１２１は、パルス発生器と、第２のスイッ
チ９２に線１４１上で出力を供給するゲートドライブ回路１４０とに対して線１
３９上で出力を供給する。比較器１２０及び１２１の両方は、好ましくは、比較
器１１０の場合と同じ目的でヒステリシスを含む。電圧Ｖcが２つのバッテリの
中間点よりも高い場合、頂部比較器１２０が高くなることになり、スイッチ９１
は、選択された周波数でのパルスでオンにされるので、すなわち、バッテリ対の
中で頂部バッテリから底部バッテリへエネルギが輸送される。一方、電圧Ｖcが
２つのバッテリ間の中間ノード４０における電圧よりも低い場合、第２の比較器
が高くなることになり、すなわち、第２のスイッチ９２の切り換えが作動される
。これが、対の中で底部バッテリから頂部バッテリにエネルギを輸送することに
なる。 パルス発生器及びゲートドライブ回路が、スイッチ７１又は９１及び９２を選
択された時間と周波数とでオンにして等化サイクルをもたらすために、選択され
たパルス周波数とデューティサイクルとでゲート出力信号をもたらすことが理解
できる。スイッチング周波数は、好ましくは、少なくとも２０キロヘルツである
（可聴範囲を超える）。
【００２５】
図１３の回路１２１と図１４の回路１３６及び１４０とに使用するための適切
なパルス発生器及びゲートドライブ回路は、Ｓ・Ｇ・トムソン製のＳＧ３５２４
、又は、ユニトロード製のＵＣ３５２４などの市販のＰＷＭ ＩＣを使用して実
現することができ、図１５に示されている。このＰＷＭ ＩＣ １４４は、１６
ピンのチップで、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング電源装置を駆動することがで
きるパルス発生及びゲートドライブ回路を組み込んでいる。スイッチング周波数
は、構成要素ＲＴ及びＣＴによって設定される。最大パルス幅は、ＲＡ及びＲＢ
によって設定される。出力ドライブ回路ＣＡ、ＥＡ、ＣＢ、及び、ＥＢは、プッ
シュ・プル方式で接続され、直列ゲート抵抗器ＲＧを通じてスイッチング装置の
ゲートに直接接続することができる。等化器を有効／無効にするために、ＮＰＮ
信号トランジスタ１４５を追加し、遮断用ピン（ＳＤ）を使用することができる
。有効信号が低い場合、ＮＰＮトランジスタ１４５はオフとなり、ＳＤピンを高
くさせることになる。これがＩＣをオフにするので、等化器が無効となる。有効
信号が高い時、ＮＰＮトランジスタ１４５はオンとなり、ＳＤピンを低く引き下
げることになる。これが等化器を有効にすることになる。
なパルス発生器及びゲートドライブ回路は、Ｓ・Ｇ・トムソン製のＳＧ３５２４
、又は、ユニトロード製のＵＣ３５２４などの市販のＰＷＭ ＩＣを使用して実
現することができ、図１５に示されている。このＰＷＭ ＩＣ １４４は、１６
ピンのチップで、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング電源装置を駆動することがで
きるパルス発生及びゲートドライブ回路を組み込んでいる。スイッチング周波数
は、構成要素ＲＴ及びＣＴによって設定される。最大パルス幅は、ＲＡ及びＲＢ
によって設定される。出力ドライブ回路ＣＡ、ＥＡ、ＣＢ、及び、ＥＢは、プッ
シュ・プル方式で接続され、直列ゲート抵抗器ＲＧを通じてスイッチング装置の
ゲートに直接接続することができる。等化器を有効／無効にするために、ＮＰＮ
信号トランジスタ１４５を追加し、遮断用ピン（ＳＤ）を使用することができる
。有効信号が低い場合、ＮＰＮトランジスタ１４５はオフとなり、ＳＤピンを高
くさせることになる。これがＩＣをオフにするので、等化器が無効となる。有効
信号が高い時、ＮＰＮトランジスタ１４５はオンとなり、ＳＤピンを低く引き下
げることになる。これが等化器を有効にすることになる。
【００２６】
本発明によれば、等化器が上述の順方向式等化器の同じ有利な特性、すなわち
、バッテリ対のバッテリ電圧間の差の関数である等化電流レベルを示すように、
フライバック式充電等化器を制御することも可能である。上述の通り、図３に示
したようなフライバック式等化器の主な欠陥の１つは、等化電流がバッテリ電圧
間の差に無関係なことである。これはまた、等化モードの終わり近くの高い充電
電流によるバッテリの内部抵抗に亘るかなりの電圧降下によって引き起こされる
、しゃっくり作動をもたらす可能性がある。
、バッテリ対のバッテリ電圧間の差の関数である等化電流レベルを示すように、
フライバック式充電等化器を制御することも可能である。上述の通り、図３に示
したようなフライバック式等化器の主な欠陥の１つは、等化電流がバッテリ電圧
間の差に無関係なことである。これはまた、等化モードの終わり近くの高い充電
電流によるバッテリの内部抵抗に亘るかなりの電圧降下によって引き起こされる
、しゃっくり作動をもたらす可能性がある。
【００２７】
フライバック手法は、等化充電が作動のしゃっくりモードのために電流パルス
で供給されるパルス充電方式に向いている。パルスモードの充電等化は、大きな
二重層静電容量（例えば、鉛−酸、ニッケル−金属水素化物、ニッケル−カドミ
ウム）を示す電気化学セルの内部に大きな寄生損を引き起こす傾向がある。この
静電容量効果は、多くの場合、２０アンペア・時間の容量を有する一般的なバル
ブ調整型鉛酸バッテリで、数百ファラッド程度になる可能性がある。電解液抵抗
を介する二重層静電容量のパルス充電は、パルス等化中の電圧及び電流波形を示
す図１６、及び、パルス等化の下にあるバッテリの同等回路を示す図１７に示さ
れるように、損失の大きい処理である。電流パルスの間の停止期間中に、二重層
静電容量は、その過剰な電荷を理想的な電気化学的貯蔵素子Ｖocに輸送する。こ
の電荷の輸送は、電荷輸送抵抗Ｒctを介して行われるが、その処理も損失が大き
い。より高い充電等化効率を達成するために、以下に示す１つ又は全部を実行す
るのが好ましい。（１）パルス充電方法の時間は、二重層時間定数τd1よりもは
るかに長くなければならない、（２）パルス電流の大きさは小さく保たれなけれ
ばならない、そして、（３）セル電圧の変化ΔＶセルは、開路電圧に対して小さ
く保たれなければならない。
で供給されるパルス充電方式に向いている。パルスモードの充電等化は、大きな
二重層静電容量（例えば、鉛−酸、ニッケル−金属水素化物、ニッケル−カドミ
ウム）を示す電気化学セルの内部に大きな寄生損を引き起こす傾向がある。この
静電容量効果は、多くの場合、２０アンペア・時間の容量を有する一般的なバル
ブ調整型鉛酸バッテリで、数百ファラッド程度になる可能性がある。電解液抵抗
を介する二重層静電容量のパルス充電は、パルス等化中の電圧及び電流波形を示
す図１６、及び、パルス等化の下にあるバッテリの同等回路を示す図１７に示さ
れるように、損失の大きい処理である。電流パルスの間の停止期間中に、二重層
静電容量は、その過剰な電荷を理想的な電気化学的貯蔵素子Ｖocに輸送する。こ
の電荷の輸送は、電荷輸送抵抗Ｒctを介して行われるが、その処理も損失が大き
い。より高い充電等化効率を達成するために、以下に示す１つ又は全部を実行す
るのが好ましい。（１）パルス充電方法の時間は、二重層時間定数τd1よりもは
るかに長くなければならない、（２）パルス電流の大きさは小さく保たれなけれ
ばならない、そして、（３）セル電圧の変化ΔＶセルは、開路電圧に対して小さ
く保たれなければならない。
【００２８】
本発明によれば、パルスモード充電の非効率性を最低限にするために、好まし
くは、漸進的電流テーパ等化方法が使用される。図１８に示す最大値からより低
い値までの等化電流の漸進的テーパは、二重層静電容量効果の非効率性を防いで
いる。図１８は、漸進的電流テーパ方法の一例を、本方法がバッテリ対の間の大
きな電圧差の存在を用いて可能になるという仮定の下で示している。セル電圧の
差が低下すると、等化電流も同様に減少する。
くは、漸進的電流テーパ等化方法が使用される。図１８に示す最大値からより低
い値までの等化電流の漸進的テーパは、二重層静電容量効果の非効率性を防いで
いる。図１８は、漸進的電流テーパ方法の一例を、本方法がバッテリ対の間の大
きな電圧差の存在を用いて可能になるという仮定の下で示している。セル電圧の
差が低下すると、等化電流も同様に減少する。
【００２９】
図３及び図４に示す種類のフライバックコンバータモジュールを制御するため
に使用されてもよく、それらのモジュールが順方向式等化器と同じような方法で
機能することを可能にし、同時に順方向式等化器の性能を改善する、ヒステリシ
ス型制御装置が図１９に示されている。この制御装置では、第１バッテリの高電
圧側の電圧は線１５０上で供給され、第２バッテリの低電圧側の電圧は線１５１
上で供給される。等しい抵抗Ｒの整合抵抗器１５２及び１５３で構成された電圧
分割器は、線１５０及び１５１に亘って直列に接続される。抵抗器１５１及び１
５２間の接合点１５４における電圧は、線１５５上で電圧差動増幅器１５６の負
入力に接続され、２つのバッテリ３１間の中間点でのノードにおける電圧は、線
１５７によって差動増幅器１５６の正入力に接続される。線１６０上の増幅器１
５６の出力は、抵抗器１６２を介して、線１６１上で差動増幅器１５６の負入力
にフィードバックされる。線１５０及び１５１上の電圧はまた、電源入力として
増幅器１５６に供給される。図１９の制御装置では、順方向実施例のコンバータ
電流、又は、フライバック実施例のインダクタ電流Ｉｓは、抵抗ＲSの感知用抵
抗器１６５を通過し、抵抗器１６５に亘る電圧は、線１６６及び１６７上で電流
増幅器１６８の正及び負入力に供給され、電流増幅器１６８はまた、線１５０及
び１５１から電源入力を受け取る。線１６９上の電流増幅器１６８の出力は、フ
ィードバック抵抗器１７１を通じて、線１７０上で増幅器１６８の負入力にフィ
ードバックされる。
に使用されてもよく、それらのモジュールが順方向式等化器と同じような方法で
機能することを可能にし、同時に順方向式等化器の性能を改善する、ヒステリシ
ス型制御装置が図１９に示されている。この制御装置では、第１バッテリの高電
圧側の電圧は線１５０上で供給され、第２バッテリの低電圧側の電圧は線１５１
上で供給される。等しい抵抗Ｒの整合抵抗器１５２及び１５３で構成された電圧
分割器は、線１５０及び１５１に亘って直列に接続される。抵抗器１５１及び１
５２間の接合点１５４における電圧は、線１５５上で電圧差動増幅器１５６の負
入力に接続され、２つのバッテリ３１間の中間点でのノードにおける電圧は、線
１５７によって差動増幅器１５６の正入力に接続される。線１６０上の増幅器１
５６の出力は、抵抗器１６２を介して、線１６１上で差動増幅器１５６の負入力
にフィードバックされる。線１５０及び１５１上の電圧はまた、電源入力として
増幅器１５６に供給される。図１９の制御装置では、順方向実施例のコンバータ
電流、又は、フライバック実施例のインダクタ電流Ｉｓは、抵抗ＲSの感知用抵
抗器１６５を通過し、抵抗器１６５に亘る電圧は、線１６６及び１６７上で電流
増幅器１６８の正及び負入力に供給され、電流増幅器１６８はまた、線１５０及
び１５１から電源入力を受け取る。線１６９上の電流増幅器１６８の出力は、フ
ィードバック抵抗器１７１を通じて、線１７０上で増幅器１６８の負入力にフィ
ードバックされる。
【００３０】
電流感知抵抗器Ｒｓは、フライバック式等化器と順方向式等化器との両方に容
易に組み込むことができる。一方向フライバック式等化器の一般的な実施例が図
２０に示され、一方、図２１は、一方向順方向式等化器の一般的な実施例を示す
。 増幅器１５６の出力における線１６０上の電圧は、２つのバッテリの電圧間の
差Ｖdiffであり、増幅器１６８の出力における線１６９での電圧Ｉfbは、コンバ
ータ電流又はインダクタ電流に対応する。線１６０及び１６９は、ヒステリシス
電流調整器、パルス発生器、及び、ゲートドライブ回路１７３の中で、ヒステリ
シス比較器１７２の正入力及び負入力にそれぞれ接続される。回路１７２はまた
、線１５０及び１５１上で電源用の電圧を受け取ってもよい。比較器からの出力
信号は、プッシュ・プル・ドライバ１７３に供給され、そこからの出力は、線１
７４上で、フライバックコンバータ等化器モジュール、又は、順方向コンバータ
等化器モジュールのいずれかのための適切なスイッチに供給される。ヒステリシ
ス型調整器１７２は、コンバータ（又は、インダクタ）電流を調整するために使
用され、その場合、スイッチのオンオフ時間を変調してＩｓを制御するために電
圧エラー信号Ｖdiffが使用される。また、システムの電流リップルを制限するた
めに、比較器１７２においてヒステリシス幅が使用される。
易に組み込むことができる。一方向フライバック式等化器の一般的な実施例が図
２０に示され、一方、図２１は、一方向順方向式等化器の一般的な実施例を示す
。 増幅器１５６の出力における線１６０上の電圧は、２つのバッテリの電圧間の
差Ｖdiffであり、増幅器１６８の出力における線１６９での電圧Ｉfbは、コンバ
ータ電流又はインダクタ電流に対応する。線１６０及び１６９は、ヒステリシス
電流調整器、パルス発生器、及び、ゲートドライブ回路１７３の中で、ヒステリ
シス比較器１７２の正入力及び負入力にそれぞれ接続される。回路１７２はまた
、線１５０及び１５１上で電源用の電圧を受け取ってもよい。比較器からの出力
信号は、プッシュ・プル・ドライバ１７３に供給され、そこからの出力は、線１
７４上で、フライバックコンバータ等化器モジュール、又は、順方向コンバータ
等化器モジュールのいずれかのための適切なスイッチに供給される。ヒステリシ
ス型調整器１７２は、コンバータ（又は、インダクタ）電流を調整するために使
用され、その場合、スイッチのオンオフ時間を変調してＩｓを制御するために電
圧エラー信号Ｖdiffが使用される。また、システムの電流リップルを制限するた
めに、比較器１７２においてヒステリシス幅が使用される。
【００３１】
図１９の制御装置を使用するＶ−Ｉ軌道が図２２に示されている。電圧差が選
択された閾値Ｖd未満である場合、等化器が無効にされたところで不感帯が確立
される。バッテリの電圧差がＶdを超えると、等化器モジュールは有効にされる
ことになる。電圧差が最大レベルＶmを超えない限り、電流は、電圧差に直線的
に比例することになる。Ｖmを超えると、等化器モジュールは、その差が線形範
囲に下げられるまで（すなわち、Ｖd及びＶmの間）全能力で稼働する。
択された閾値Ｖd未満である場合、等化器が無効にされたところで不感帯が確立
される。バッテリの電圧差がＶdを超えると、等化器モジュールは有効にされる
ことになる。電圧差が最大レベルＶmを超えない限り、電流は、電圧差に直線的
に比例することになる。Ｖmを超えると、等化器モジュールは、その差が線形範
囲に下げられるまで（すなわち、Ｖd及びＶmの間）全能力で稼働する。
【００３２】
Ｖ−Ｉ軌道上にマークされた矢印は、電圧差がＶmによって設定された最大レ
ベルを超える、一般的な等化サイクルを示す。この一般的なサイクルでは、等化
器モジュールは、電圧差を軌道の線形モードまで下げるために全出力で稼働する
ことになる。線形モードの間は、電圧差が減少すると、充電電流も同様に減少す
ることになる。電圧差が閾値Ｖd未満まで下がると、充電電流は、その後ゼロま
で低下することになる。
ベルを超える、一般的な等化サイクルを示す。この一般的なサイクルでは、等化
器モジュールは、電圧差を軌道の線形モードまで下げるために全出力で稼働する
ことになる。線形モードの間は、電圧差が減少すると、充電電流も同様に減少す
ることになる。電圧差が閾値Ｖd未満まで下がると、充電電流は、その後ゼロま
で低下することになる。
【００３３】
図２３は、図２２に示す軌道に対応する、図１９の制御装置を有する等化器モ
ジュールの一般的な波形を示す。図２３に示されるように、ＡからＤによってマ
ークされた４つの明白な等化モードを識別することができる。モードＡの間、そ
れに亘って等化モジュールが接続されている２つの直列モジュール間の電圧差に
比例する電圧差制御レベルＶdiffは相当高く、充電等化器を全出力で稼働させる
。これは、充電電流Ｉchがその上限、すなわち、Ｉlimitであるという事実によ
って示される。時間と共に等化作用によって２つのバッテリ間の電圧差は減少し
、従ってＶdiff制御レベルを低下させる。電圧差制御レベルＶdiffがＩlimitよ
りも低くなると、充電電流Ｉchは、モードＢの間で示されるように、Ｖdiffによ
って直接制御され、変調されることになる。実際、充電電流の平均値は、Ｖdiff と同じになるであろう。ＶdiffがＶdによって設定された閾値レベルよりも低い
レベルまで低下すると、モードＣの間で示されるように、充電等化は終了される
。２つのバッテリの電圧差が小さくなると、充電電流のレベルが低下することが
図２３から分かる。この特性により充電等化サイクルの効率が改善され、制御不
能なフライバック式等化器に存在する、パルス充電に付随する非効率性を解消す
る。漸進的電流テーパ等化方法は、充電電流が最大値からより低い値まで徐々に
減少することを確実にし、従って、鉛−酸、ニッケル−金属水素化物、及び、ニ
ッケル−カドミウムのバッテリに存在する二重層静電容量効果の非効率性を防ぐ
。
ジュールの一般的な波形を示す。図２３に示されるように、ＡからＤによってマ
ークされた４つの明白な等化モードを識別することができる。モードＡの間、そ
れに亘って等化モジュールが接続されている２つの直列モジュール間の電圧差に
比例する電圧差制御レベルＶdiffは相当高く、充電等化器を全出力で稼働させる
。これは、充電電流Ｉchがその上限、すなわち、Ｉlimitであるという事実によ
って示される。時間と共に等化作用によって２つのバッテリ間の電圧差は減少し
、従ってＶdiff制御レベルを低下させる。電圧差制御レベルＶdiffがＩlimitよ
りも低くなると、充電電流Ｉchは、モードＢの間で示されるように、Ｖdiffによ
って直接制御され、変調されることになる。実際、充電電流の平均値は、Ｖdiff と同じになるであろう。ＶdiffがＶdによって設定された閾値レベルよりも低い
レベルまで低下すると、モードＣの間で示されるように、充電等化は終了される
。２つのバッテリの電圧差が小さくなると、充電電流のレベルが低下することが
図２３から分かる。この特性により充電等化サイクルの効率が改善され、制御不
能なフライバック式等化器に存在する、パルス充電に付随する非効率性を解消す
る。漸進的電流テーパ等化方法は、充電電流が最大値からより低い値まで徐々に
減少することを確実にし、従って、鉛−酸、ニッケル−金属水素化物、及び、ニ
ッケル−カドミウムのバッテリに存在する二重層静電容量効果の非効率性を防ぐ
。
【００３４】
図２４は、図１９の制御装置を使用するモジュールのフライバック実施例に対
する電流波形Ｉchとスイッチゲート信号波形とを示す。図２４から分かるように
、電流はヒステリシス制御特性を示し、２つのバッテリ間の電圧差が減少すると
、平均電流値は減少する。更に、電圧差Ｖdiffが不感帯の閾値Ｖd未満の時、等
化器モジュールは無効にされ、従って、バッテリの適切な等化を確実にする。 本発明は、本明細書に例証として示された実施形態に限定されるものではなく
、特許請求の範囲内に該当するその全ての実施形態を包含することが理解される
。
する電流波形Ｉchとスイッチゲート信号波形とを示す。図２４から分かるように
、電流はヒステリシス制御特性を示し、２つのバッテリ間の電圧差が減少すると
、平均電流値は減少する。更に、電圧差Ｖdiffが不感帯の閾値Ｖd未満の時、等
化器モジュールは無効にされ、従って、バッテリの適切な等化を確実にする。 本発明は、本明細書に例証として示された実施形態に限定されるものではなく
、特許請求の範囲内に該当するその全ての実施形態を包含することが理解される
。
【図１】
一方向モジュラー式バッテリ充電等化器システムの全般的概略図である。
【図２】
双方向モジュラー式バッテリ充電等化器システムの全般的概略図である。
【図３】
フライバックコンバータモジュールを使用する一方向充電等化器システムの従
来技術の実施を示す概略回路図である。
来技術の実施を示す概略回路図である。
【図４】
双方向バッテリ充電等化器システムの従来技術の実施を示す概略回路図である
。
。
【図５】
図３に示す種類の３バッテリ・フライバック型等化器システムに対するシミュ
レーションの充電電流を示すグラフである。
レーションの充電電流を示すグラフである。
【図６】
図３に示す種類の３バッテリ・フライバック型等化器システムに対するバッテ
リ電圧を示すグラフである。
リ電圧を示すグラフである。
【図７】
本発明による一方向充電等化器モジュールを利用する、多重バッテリのための
バッテリ充電等化器システムの概略回路図である。
バッテリ充電等化器システムの概略回路図である。
【図８】
２つのバッテリに接続された図７に示す種類の充電等化器モジュールに関する
簡略化した同等回路である。
簡略化した同等回路である。
【図９】
補助リセット巻線を追加した、図７に示す種類の充電等化器モジュールの概略
回路図である。
回路図である。
【図１０】
本発明による双方向充電等化器モジュールを有する、直列接続多重バッテリの
ためのバッテリ充電等化器システムの概略回路図である。
ためのバッテリ充電等化器システムの概略回路図である。
【図１１】
図７の一方向充電等化器モジュールを利用する、３バッテリ等化器システムに
対するシミュレーションの充電電流を示すグラフである。
対するシミュレーションの充電電流を示すグラフである。
【図１２】
図７の一方向充電等化器モジュールを利用する、３バッテリ等化器システムに
対するバッテリ電圧を示すグラフである。
対するバッテリ電圧を示すグラフである。
【図１３】
本発明による一方向充電等化器モジュールのための制御装置の概略図である。
【図１４】
本発明による双方向充電等化器モジュールのための制御装置の概略図である。
【図１５】
図１３及び図１４の回路で使用し得るパルス発生装置及びゲートドライブ回路
の概略回路図である。
の概略回路図である。
【図１６】
パルス等化中の例証的なバッテリ電圧及び電流波形を示す図である。
【図１７】
パルス等化の下にあるバッテリの同等回路を示す図である。
【図１８】
本発明による充電等化器モジュールを用いる好ましい漸次的テーパモードの等
化を利用した充電電流の時間に関する波形を示す図である。
化を利用した充電電流の時間に関する波形を示す図である。
【図１９】
本発明による充電等化器モジュールのためのヒステリシス電流調整器を有する
制御装置の概略図である。
制御装置の概略図である。
【図２０】
図３に示すような充電等化器のフライバック実施例と共に使用された時の、図
１９の制御装置のための電流検出回路の概略図である。
１９の制御装置のための電流検出回路の概略図である。
【図２１】
図７及び図９に示すような充電等化器の順方向実施例に使用された時の、図１
９の制御装置のための電流検出回路の概略図である。
９の制御装置のための電流検出回路の概略図である。
【図２２】
図１９の制御装置に関するＶ−Ｉ軌道を示す図である。
【図２３】
図１９の充電等化器制御装置のバッテリ電圧差に起因する電流応答を表す例示
的な波形を示す図である。
的な波形を示す図である。
【図２４】
図１９に示す種類の充電等化器制御装置に対する充電電流及びゲート信号の波
形を示す図である。
形を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ
，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，
ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ
Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ
，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，
ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，
ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ
Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＺ，ＥＥ
，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，
ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，Ｌ
Ｋ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ
，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，
ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，Ｔ
Ｊ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ
，ＺＷ
(72)発明者 ウィーグマン ハーマン
アメリカ合衆国 ウィスコンシン州
53705 マディソン イーグル ハイツ
202−シー
(72)発明者 マリオン レイモンド
アメリカ合衆国 ウィスコンシン州
53562 ミドルトン ハイランド ウェイ
5760
Ｆターム(参考） 5G003 AA01 BA03 CA01 CA11 CC02
GB03
5H030 AA03 AA06 AS01 AS03 AS08
BB01 BB06 FF41
Claims (33)
- 【請求項１】 （ａ）同じ巻回数の一次側と二次側とを有する変圧器と、 （ｂ）モジュールの高電圧側端子と第１の中間電圧端子との間で前記一次側と
直列に接続された制御可能なスイッチング装置と、 （ｃ）前記モジュールの低電圧側端子と第２の中間電圧端子との間で前記二次
側と直列に接続されたダイオードと、 を含み、 それにより、前記モジュールは、直列に接続された１対の上部及び下部バッテ
リに接続することができ、その場合、前記高電圧側端子は、前記上部バッテリの
高電圧側に接続され、前記第１及び第２中間電圧端子は、前記２つのバッテリ間
の接合点に接続され、前記低電圧側端子は、前記下部バッテリの低電圧側に接続
され、 制御装置は、前記制御可能なスイッチング装置に接続することができ、前記バ
ッテリ対のより多く充電された上部バッテリから前記バッテリ対のより少なく充
電された下部バッテリに電荷を輸送するために、ある周波数でスイッチをオン・
オフするようにそのスイッチング装置を制御する、 ことを特徴とする、バッテリ等化器モジュール。 - 【請求項２】 （ａ）同じ巻回数の一次側と二次側とを有する変圧器と、 （ｂ）モジュールの中間電圧端子と高電圧側端子との間で前記一次側と直列に
接続された第１の制御可能なスイッチング装置と、 （ｃ）前記モジュールの低電圧側端子と中間電圧端子との間で前記二次側と直
列に接続された第２の制御可能なスイッチング装置と、 （ｄ）前記二次側と前記第２の制御可能スイッチング装置との間の接合点、及
び、前記高電圧側端子に接続され、フリーホイーリング電流を前記変圧器の周り
に分流することを可能にする、第１のフリーホイーリングダイオードと、 （ｅ）前記低電圧側端子、及び、前記一次側と前記第１の制御可能スイッチン
グ装置との間の接合点に接続され、フリーホイーリング電流を前記変圧器の周り
に分流することを可能にする、第２のフリーホイーリングダイオードと、 を含み、 それにより、制御装置が接続されてもよく、前記第１及び第２の制御可能スイ
ッチング装置にスイッチング制御信号を供給して、それらのうちの選択された１
つをある周波数で電源をオン・オフし、それによって、前記高電圧側端子がバッ
テリ対の高電圧側に接続され、前記低電圧側端子が前記バッテリ対の低電圧側に
接続され、前記中間電圧端子が前記バッテリ対間の接合点に接続されるようにバ
ッテリ対に接続された時に、前記バッテリ対のより多く充電されたバッテリから
前記バッテリ対のより少なく充電されたバッテリに電荷を輸送することによって
バッテリ対の充電を等化する、 ことを特徴とする、バッテリ等化器モジュール。 - 【請求項３】 前記制御スイッチング装置は、パワーＭＯＳＦＥＴであるこ
とを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の等化器モジュール。 - 【請求項４】 前記２つのバッテリの前記高電圧側及び低電圧側に亘る電圧
と前記バッテリ間の接合点とに接続可能な端子を有する比較回路手段を含む、前
記制御可能スイッチング装置に接続された制御装置を含み、 バッテリ電圧差が選択された値を超える時に、パルスゲートドライブ信号を選
択された周波数で前記制御可能スイッチング装置に供給するためにパルス発生装
置とゲートドライブ回路への出力線上に供給される、出力信号を準備する、 ことを特徴とする請求項１に記載の等化器モジュール。 - 【請求項５】 前記比較器回路手段は、前記モジュールの前記高電圧側端子
及び低電圧側端子間に互いに直列に接続された同じ抵抗値の１対の抵抗器と、正
負の入力を有する比較器とを含み、 前記入力の電圧は、前記比較器によって比較され、前記比較器の前記正入力は
、前記２つの抵抗器間の接合点に接続され、前記比較器の前記負入力は、前記バ
ッテリ対の間の接合点に接続可能な中間電圧端子に接続される、 ことを特徴とする請求項４に記載の等化器モジュール。 - 【請求項６】 前記比較器は、それが前記正入力の電圧が前記負入力の電圧
を選択された値だけ超えた時に出力信号を供給し、そうでない場合は、出力信号
を供給しないように不感帯を有することを特徴とする請求項５に記載の等化器モ
ジュール。 - 【請求項７】 前記パルス発生器及びゲートドライブ回路は、前記比較回路
の前記出力によって有効にされた場合、前記制御可能スイッチング装置に対して
少なくとも２０キロヘルツのスイッチング周波数でパルス出力を供給することを
特徴とする請求項４に記載の等化器モジュール。 - 【請求項８】 前記第１の中間電圧端子及び高電圧側端子間でダイオードと
直列に接続され、前記一次側の極性と反対の極性を有する前記変圧器と結合され
た、前記変圧器上の補助リセット巻線を更に含むことを特徴とする請求項１に記
載の等化器モジュール。 - 【請求項９】 前記２つのバッテリの前記高電圧側及び低電圧側に亘る電圧
と前記バッテリ間の接合点とに接続可能な端子を有する比較回路手段を含む、前
記スイッチング装置に接続された制御装置を含み、 前記バッテリ対の前記上部バッテリの電圧が選択された値を超えて前記下部バ
ッテリの電圧を上回ると、前記第１の制御可能スイッチング装置に対してある周
波数でパルスゲートドライブ信号を供給するために接続された第１のパルス発生
装置及びゲートドライブ回路に供給される、第１の出力信号を供給し、 前記下部バッテリの電圧が選択された値だけ前記上部バッテリの電圧を超える
と、第２の出力線上で、前記第２の制御可能スイッチング装置に対してある周波
数でパルスゲートドライブ信号を供給するために接続された第２のパルス発生装
置及びゲートドライブ回路に供給される、第２の出力信号を供給する、 ことを特徴とする請求項２に記載の等化器モジュール。 - 【請求項１０】 前記比較手段回路は、前記モジュールの前記高電圧側端子
及び低電圧側端子の間に互いに直列に接続された同じ抵抗値の１対の抵抗器と、
正負の入力を有する２つの比較器とを含み、 前記入力の電圧は、前記比較器によって比較され、前記比較器のうちの第１の
比較器の前記正入力は、前記２つの抵抗器間の接合点に接続され、前記第１の比
較器の前記負入力は、前記バッテリ対間の接合点に接続可能な中間電圧端子に接
続され、前記第２の比較器の前記正入力は、前記中間電圧端子に接続され、前記
第２の比較器の前記負入力は、前記２つの抵抗器間の前記接合点に接続される、 ことを特徴とする請求項９に記載の等化器モジュール。 - 【請求項１１】 前記比較器は、前記正入力の電圧が前記負入力の電圧を選
択された値だけ超えた時に各々が出力信号を供給し、そうでない場合に出力信号
を供給しないように不感帯を有することを特徴とする請求項１０に記載の等化器
モジュール。 - 【請求項１２】 前記パルス発生器及びゲートドライブ回路は、前記比較回
路の前記出力によって有効にされた場合、前記制御可能スイッチング装置に対し
て少なくとも２０キロヘルツのスイッチング周波数でパルス出力を供給すること
を特徴とする請求項９に記載の等化器モジュール。 - 【請求項１３】 （ａ）隣接するバッテリの低電圧側と高電圧側との間の接
合点で直列に一列で接続された少なくとも３つのバッテリと、 （ｂ）接合点で互いに接続された各隣接するバッテリ対のための等化器モジュ
ールと、 を含み、 各等化器モジュールは、 （ｉ）同じ巻回数の一次側と二次側とを有する変圧器と、 （ｉｉ）前記モジュールの高電圧側端子と第１の中間電圧端子との間で前記一
次側と直列に接続された制御可能なスイッチング装置と、 （ｉｉｉ）前記モジュールの低電圧側端子と第２の中間電圧端子との間で前記
二次側と直列に接続されたダイオードと、 を含み、 最下部を除く各モジュールは、１対の上部及び下部バッテリに接続され、その
場合、前記モジュールの前記高電圧側端子は、前記上部バッテリの前記高電圧側
に接続され、前記第１及び第２の中間電圧端子は、前記２つのバッテリ間の接合
点に接続され、前記低電圧側端子は、前記下部バッテリの前記低電圧側に接続さ
れ、 前記直列に接続されたバッテリ列の最終バッテリに接続された最終モジュール
は、その高電圧側端子が前記最終バッテリの前記高電圧側に接続され、その第１
の中間電圧端子が前記最終バッテリの前記低電圧側に接続され、その第２の中間
電圧端子が前記バッテリ列の第１バッテリの高電圧側に接続され、その低電圧側
端子が前記バッテリ列の前記第１バッテリの低電圧側に接続され、 前記モジュールは、上部モジュールの前記中間電圧端子がその次の下部モジュ
ールがその高電圧側端子によって接続されるバッテリ対の間の接合点に接続され
るように、前記バッテリに対して互い違いの関係に接続され、 それにより、制御装置が各モジュールにおいて前記制御可能スイッチング装置
に接続されてもよく、前記バッテリ対のより多く充電された上部バッテリから前
記バッテリ対のより少なく充電された下部バッテリに電荷を輸送するために、あ
る周波数でスイッチをオン・オフしてそのスイッチング装置を制御する、 ことを特徴とする、バッテリ等化システム。 - 【請求項１４】 各モジュールは、前記２つのバッテリの前記高電圧側及び
低電圧側に亘る電圧と前記バッテリ間の接合点とに接続可能な端子を有する比較
回路手段を含む制御装置を有し、 バッテリ電圧の差が選択された値を超える時、前記モジュールの前記制御可能
スイッチング装置に対して選択された周波数でパルスゲートドライブ信号を供給
するために、パルス発生装置及びゲートドライブ回路への出力線上で出力信号を
供給する、 ことを特徴とする請求項１３に記載のバッテリ等化システム。 - 【請求項１５】 前記比較回路手段は、前記モジュールの前記高電圧側端子
及び低電圧側端子の間に互いに直列に接続された同じ抵抗値の１対の抵抗器と、
正負の入力を有する比較器とを含み、 前記入力の電圧は、前記比較器によって比較され、前記比較器の前記正入力は
、前記２つの抵抗器間の接合点に接続され、前記比較器の前記負入力は、前記バ
ッテリ対の間の接合点に接続可能な中間電圧端子に接続される、 ことを特徴とする請求項１４に記載のバッテリ等化システム。 - 【請求項１６】 前記比較器は、それが前記正入力の電圧が前記負入力の電
圧を選択された値だけ超えた時に出力信号を供給し、そうでない場合は、出力信
号を供給しないように不感帯を有することを特徴とする請求項１５に記載のバッ
テリ等化システム。 - 【請求項１７】 前記パルス発生器及びゲートドライブ回路は、前記比較回
路手段の前記出力によって有効にされた場合、前記制御可能スイッチング装置に
対して少なくとも２０キロヘルツのスイッチング周波数でパルス出力を供給する
ことを特徴とする請求項１４に記載のバッテリ等化システム。 - 【請求項１８】 前記第１の中間電圧端子及び高電圧側端子間でダイオード
と直列に接続され、前記一次側の極性と反対の極性を有する前記変圧器と結合さ
れた、前記変圧器上の補助リセット巻線を更に含むことを特徴とする請求項１３
に記載のバッテリ等化システム。 - 【請求項１９】 （ａ）隣接するバッテリの低電圧側と高電圧側との間の接
合点で直列で一列に接続された複数のバッテリと、 （ｂ）高電圧側端子、中間電圧端子、及び、低電圧側端子を各々が有する複数
のバッテリ等化器モジュールと、 を含み、 前記モジュールは、各モジュールがその高電圧側端子をバッテリ対の第１バッ
テリの前記高電圧側に接続され、その中間電圧端子を前記バッテリ間の前記接合
点に接続され、その低電圧側端子を前記バッテリ対の第２バッテリの前記低電圧
側に接続されて前記バッテリ対に接続されるように、前記直列に接続されたバッ
テリに互い違いの関係に接続され、 前記モジュールは、前記モジュールの前記高電圧側端子がより高位のモジュー
ルの中間電圧端子が接続されたバッテリ対の間の接合点に接続され、その中間電
圧端子が前記隣接する上部バッテリの前記低電圧側端子が接続されたバッテリ対
の間の接合点に接続されるように第２モジュール及びより下位のモジュールが接
続されるように、前記バッテリ対に互い違いの関係に接続され、 前記等化器モジュールの各々は、 （ｉ）同じ巻回数の一次側と二次側とを有する変圧器と、 （ｉｉ）前記モジュールの中間電圧端子と高電圧側端子との間で前記一次側と
直列に接続された第１の制御可能なスイッチング装置と、 （ｉｉｉ）前記モジュールの低電圧側端子と前記中間電圧端子との間で前記二
次側と直列に接続された第２の制御可能なスイッチング装置と、 （ｉｖ）前記二次側と前記第２の制御可能スイッチング装置との間の接合点、
及び、前記高電圧側端子に接続され、フリーホイーリング電流を前記変圧器の周
りに分流することを可能にする、第１のフリーホイーリングダイオードと、 （ｖ）前記低電圧側端子、及び、前記一次側と前記第１の制御可能スイッチン
グ装置との間の接合点に接続され、フリーホイーリング電流を前記変圧器の周り
に分流することを可能にする、第２のフリーホイーリングダイオードと、 を含み、 それにより、制御装置が各モジュールに接続されてもよく、各モジュールの前
記第１及び第２の制御可能スイッチング装置にスイッチング制御信号を供給して
、それらのうちの選択された１つをある周波数で電源をオン・オフし、それによ
って、バッテリ対の前記高電圧側において前記高電圧側端子に接続され、前記バ
ッテリ対の前記低電圧側において前記低電圧側端子に接続され、前記バッテリ対
の間の前記中間電圧端子に接続された時に、前記バッテリ対のより多く充電され
たバッテリから前記バッテリ対のより少なく充電されたバッテリに電荷を輸送す
ることによってバッテリ対の充電を等化する、 ことを特徴とする、バッテリ等化システム。 - 【請求項２０】 前記制御可能スイッチング装置は、パワーＭＯＳＦＥＴで
あることを特徴とする請求項１３又は請求項１９に記載のバッテリ等化器システ
ム。 - 【請求項２１】 各モジュールは、前記２つのバッテリの前記高電圧側及び
低電圧側に亘る電圧と前記バッテリ間の接合点とに接続可能な端子を有する比較
回路手段を含む制御装置を有し、 前記バッテリ対の前記上部バッテリの電圧が選択された値を超えて前記下部バ
ッテリの電圧を上回る時に、前記第１の制御可能スイッチング装置に対してある
選択された周波数でパルスゲートドライブ信号を供給するために接続された第１
のパルス発生装置及びゲートドライブ回路に供給される、第１の出力信号を準備
し、 前記下部バッテリの電圧が選択された値だけ前記上部バッテリの電圧を超える
時に、第２の出力線上で、前記第２の制御可能スイッチング装置に対してある選
択された周波数でパルスゲートドライブ信号を供給するために接続された第２の
パルス発生装置及びゲートドライブ回路に供給される、第２の出力信号を準備す
る、 ことを特徴とする請求項１９に記載のバッテリ等化器システム。 - 【請求項２２】 前記比較回路手段は、前記モジュールの前記高電圧側端子
及び低電圧側端子の間に互いに直列に接続された同じ抵抗値の１対の抵抗器と、
正負の入力を有する２つの比較器とを含み、 前記入力の電圧は、前記比較器によって比較され、前記比較器の第１の比較器
の前記正入力は、前記２つの抵抗器間の接合点に接続され、前記第１の比較器の
前記負入力は、前記バッテリ対の間の接合点に接続可能な中間電圧端子に接続さ
れ、前記第２の比較器の前記正入力は、前記中間電圧端子に接続され、前記第２
の比較器の前記負入力は、前記２つの抵抗器間の前記接合点に接続される、 ことを特徴とする請求項２１に記載のバッテリ等化器システム。 - 【請求項２３】 前記比較器は、前記正入力の電圧が前記負入力の電圧を選
択された値だけ超えた時に各々が出力信号を供給し、そうでない場合に出力信号
を供給しないように不感帯を有することを特徴とする請求項２２に記載のバッテ
リ等化器システム。 - 【請求項２４】 前記パルス発生器及びゲートドライブ回路は、前記比較回
路手段の前記出力によって有効にされた場合、前記制御可能スイッチング装置に
対して少なくとも２０キロヘルツのスイッチング周波数でパルス出力を供給する
ことを特徴とする請求項１９に記載のバッテリ等化器システム。 - 【請求項２５】 前記バッテリ列に接続され、それに充電電流を供給する充
電器を更に含むことを特徴とする請求項１３又は請求項１９に記載のバッテリ等
化器システム。 - 【請求項２６】 （ａ）同じ巻回数の一次側と二次側とを有する変圧器、前
記バッテリ対の第１バッテリの高電圧側に接続された前記モジュールの高電圧側
端子、前記バッテリ対の前記第１バッテリの低電圧側に接続された第１の中間電
圧端子との間で前記一次側と直列に接続された制御可能スイッチング装置、及び
、前記モジュールの前記バッテリ対の第２バッテリの低電圧側に接続された低電
圧側端子と前記バッテリ対の前記第２バッテリの高電圧側に接続された第２の中
間電圧端子との間で前記二次側と直列に接続されたダイオードを含む等化器モジ
ュールを、等化される直列に接続されたバッテリ対に亘って接続する段階と、 （ｂ）前記バッテリ対の上部バッテリが前記バッテリ対の下部バッテリの電圧
よりも選択された値だけ高い電圧レベルまで充電された時、前記スイッチング装
置の電源がオンにされると前記バッテリ対の前記第１バッテリから前記変圧器の
前記一次側を通って電流が流れ、前記二次側に結合されて電流が前記二次側を流
れて前記第２バッテリに至るようにさせ、それによって電荷を前記上部バッテリ
から前記下部バッテリに輸送するように、前記制御可能スイッチング装置をある
周波数で周期的に電源をオン・オフする段階と、 を含むことを特徴とする、直列に接続されたバッテリ列の充電を等化する方法
。 - 【請求項２７】 モジュールの前記高電圧側端子が最下部バッテリの高電圧
側に接続され、前記モジュールの前記第１の中間電圧端子が前記最下部バッテリ
の低電圧側に接続され、前記モジュールの前記第２の中間電圧端子が前記バッテ
リ列の前記第１バッテリの高電圧側に接続され、最終モジュールの低電圧側端子
が前記バッテリ列の前記第１バッテリの低電圧側に接続されるように、前記バッ
テリ列の最下部バッテリにモジュールを接続する段階と、 前記バッテリ列の前記最終バッテリが前記バッテリ列の前記第１バッテリの電
圧レベルを選択された値だけ超える電圧レベルを有する時、前記スイッチング装
置がオンにされると最終バッテリから前記スイッチング装置と前記変圧器の前記
一次側とを通って電圧が流れ、前記二次側に結合して前記二次側を通る電流の流
れを引き起こし、それによって前記バッテリ列の前記最終バッテリから前記バッ
テリ列の前記第１バッテリに電荷を輸送するように、前記最終モジュールの前記
スイッチング装置をある周波数で周期的に電源をオン・オフする段階と、 を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。 - 【請求項２８】 充電電流を直列に接続された前記バッテリ列に供給する段
階と、 モジュールが接続された前記バッテリ対の前記第１バッテリの電圧が前記バッ
テリ対の前記第２バッテリの電圧レベルよりも選択された値だけ高い電圧レベル
を有する時、前記充電電流に前記第１バッテリを迂回させ、前記バッテリ対の前
記第２バッテリに分流させるために、前記モジュールの前記スイッチング装置の
電源をオンにしてそれをオンの状態に残す段階と、 を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。 - 【請求項２９】 （ａ）同じ巻回数の一次側と二次側とを有する変圧器、前
記モジュールの中間電圧端子と高電圧側端子との間で前記一次側と直列に接続さ
れた第１の制御可能スイッチング装置、前記モジュールの低電圧側端子と前記中
間電圧端子との間で前記二次側と直列に接続された第２の制御可能スイッチング
装置、前記変圧器の周りへのフリーホイーリング電流の分流を可能にするために
、前記二次側及び前記第２の制御可能スイッチング装置の間の接合点と前記高電
圧側端子とに接続された第１のフリーホイーリングダイオード、及び、前記変圧
器の周りへのフリーホイーリング電流の分流を可能にするために、前記一次側と
前記第１の制御可能スイッチング装置との間の接合点において前記低電圧側端子
に接続された第２のフリーホイーリングダイオードを含み、前記高電圧側端子が
前記バッテリ対の前記第１バッテリの高電圧側に接続され、前記中間電圧端子が
前記バッテリ対の２つのバッテリ間の接合点に接続され、前記低電圧側端子が前
記バッテリ対の前記第２バッテリの低電圧側に接続された等化器モジュールを、
等化される直列に接続されたバッテリ対に亘って接続する段階と、 （ｂ）前記バッテリ対の一方のバッテリの電圧が他方のバッテリの電圧を選択
された値だけ超えた時、前記スイッチング装置がオンにされると前記スイッチン
グ装置と前記スイッチング装置が接続された前記変圧器の巻線とを通ってより多
く充電されたバッテリから電流が流れ、更に他方の巻線に結合されて、そこを通
ってより少なく充電されたバッテリに至る電流の流れを引き起こし、それによっ
て電圧のより低いバッテリに電荷を輸送するように、より高い電圧レベルを有す
るバッテリの周りに接続された前記第１及び第２スイッチング装置の一方をある
周波数で周期的に電源をオン・オフする段階と、 を含むことを特徴とする、直列に接続されたバッテリ列におけるバッテリの充
電を等化する方法。 - 【請求項３０】 充電器から前記直列に接続されたバッテリ列へ充電電流を
供給する段階と、 モジュールが接続された前記バッテリ対の一方のバッテリが前記バッテリ対の
他方のバッテリの電圧レベルを選択された値だけ超える電圧レベルを有する時、
より高い電圧レベルを有するバッテリに亘って接続された前記モジュールの前記
スイッチング装置の電源をオンにして、そのバッテリからより低い電圧を有する
前記バッテリ対のバッテリに前記充電電流を迂回させる段階と、 を更に含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。 - 【請求項３１】 直列に接続された１対のバッテリに接続されたバッテリ充
電等化器モジュールのスイッチング装置の切り替えを制御する制御装置であって
、 （ａ）バッテリ間の電圧の差に比例する出力信号を準備するために、２つのバ
ッテリの高電圧側及び低電圧側に亘る電圧と前記バッテリ間の接合点とに接続さ
れた端子を有する電圧比較回路手段と、 （ｂ）モジュールによって等化されているバッテリに通じる線に接続可能であ
り、その線の電流を監視して前記電流に比例する出力信号を準備する電流差動増
幅器と、 （ｃ）前記電圧差及び前記電流に比例する前記信号を受信し、前記信号を比較
し、前記差が選択された値を超えた時に充電等化器モジュールのスイッチング装
置をある周波数で切り替えるために、パルス発生装置及びゲートドライブ回路に
出力信号を供給する、ヒステリシスを有するヒステリシス比較器と、 を含み、 前記２つのバッテリ間の前記電圧差が小さくなると、前記充電電流のレベルが
低くなる、 ことを特徴とする制御装置。 - 【請求項３２】 前記電圧比較回路手段は、前記２つのバッテリに亘る前記
高電圧側端子及び低電圧側端子の間に互いに直列に接続された同じ抵抗値の１対
の抵抗器と、前記直列に接続された抵抗器の間の接合点での電圧を一方の入力と
して、また、前記２つの抵抗器の間の接合点での電圧を他方の入力として受信し
、前記入力電圧間の差に比例する出力信号を準備する電圧差動増幅器とを含むこ
とを特徴とする請求項３１に記載の制御装置。 - 【請求項３３】 前記電流差動増幅器は、前記充電電流が通過する線に接続
された抵抗器を含み、前記抵抗器の２つの側における電圧をその入力として受信
して、前記抵抗器に亘る電圧の値に比例する出力信号を準備することを特徴とす
る請求項３２に記載の制御装置。
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