JP2006014589A

JP2006014589A - エネルギー貯蔵モジュール中での過電圧を制限する回路構成

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Publication number: JP2006014589A
Application number: JP2005178849A
Authority: JP
Inventors: Steffen Grundmann; シユテフアン・グランドマン
Original assignee: Inventio AG
Current assignee: Inventio AG
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2025-06-20
Also published as: JP4463731B2; CA2510207A1; US20050280968A1; US7414334B2

Abstract

【課題】簡単で経済的な仕方で実現することが可能であり、また、過電圧の場合でもエネルギー貯蔵要素の損傷に対して信頼性の高い保護を保証するエネルギー貯蔵要素のモジュールを提供する。
【解決手段】エネルギー貯蔵要素（ＳＣ）から成るエネルギー貯蔵モジュール（１０）において過電圧を制限する回路構成は、ｎ個の貯蔵要素から成る直列回路（１２）を備えている。電圧制限要素（ＶＬＥ）を、直接相互接続されたエネルギー貯蔵要素（ＳＣ）の各々の所定の組み合わせと並列に接続し、第１の電位（Ｖ_１）に接続された１番目のエネルギー貯蔵要素（ＳＣ_１）と第２の電位（Ｖ_２）に接続されたｎ番目のエネルギー貯蔵要素（ＳＣ_ｎ）とに並列に接続し、第１の電位または第２の電位に接続されたエネルギー貯蔵要素を有する組み合わせの少なくとも２つの直接相互接続されたエネルギー貯蔵要素から成る各々のサブ組み合わせと並列に接続する。
【選択図】図４

Description

本発明は、エネルギー貯蔵要素から成るエネルギー貯蔵モジュールの場合における過電圧を制限する回路構成において、ｎ個のエネルギー貯蔵要素を含む直列回路を備え、直列回路が第１の電位と第２の電位との間に接続されており、また、電圧制限要素がｎ個のエネルギー貯蔵要素と結合している、回路構成に関する。

エネルギー貯蔵モジュールは電気エネルギーを貯蔵する働きをする。従来のエネルギー貯蔵要素の貯蔵キャパシティは、通常は、貯蔵されるエネルギーの総必要量より小さい。エネルギー貯蔵要素の両端に印加される最大許容電圧は、通常は、応用分野で必要とされる電圧未満である。したがって、エネルギー貯蔵モジュールを形成するために、エネルギー貯蔵キャパシティの小さいいくつかのエネルギー貯蔵要素を組み合わせる。エネルギー貯蔵モジュールは、通常キャパシタとしてまたは蓄電池として設計される。スーパーキャパシタ（ＳＣＡＰ）は特殊なキャパシタを形成する。このようなスーパーキャパシタはまた、薄膜キャパシタ、ウルトラキャップ、ブーストキャップまたはスーパーキャップとも呼ばれる。それらの種のスーパーキャパシタは、多くの応用分野、特に非常に高い負荷量を急速に貯蔵または開放する、自動車や携帯型電気機器における電気エネルギー貯蔵器として、重要性がしだいに増大している。

しかしながら、個々のスーパーキャパシタを動作させることが可能な許容電圧Ｕ_ｍａｘは２．３から２．５Ｖにすぎず、そのため、ほとんどの使用形態において、いくつかのスーパーキャパシタを一緒に接続して直列回路としなければならず、Ｎ^＊Ｕ_ｍａｘという最大電圧を持つエネルギー貯蔵モジュールが形成される。スーパーキャパシタには製造公差が与えられるが、この結果、キャパシタンスは−１０％から＋３０％まで変動し得る。そのうえ、エージングのため約２０％のキャパシタンス損失が発生し得る。スーパーキャパシタのエージングの過程は温度に依存しており、したがって、エネルギー貯蔵モジュールに含まれる全てのスーパーキャパシタで等しいわけではない。そのため、スーパーキャパシタを含むエネルギー貯蔵モジュールを充電する場合には、個々のエネルギー貯蔵要素間の電圧分布が等しくならないという結果となる。究極的には、エージングという過程のためキャパシタンスが最小となったスーパーキャパシタは、直列回路中にあって、最大の電圧を印加される。しかしながら、一様な電圧分布を達成し、スーパーキャパシタの損傷を回避するさまざまな手順が存在する。

一つの可能性として、エネルギー貯蔵モジュール中で用いられるスーパーキャパシタをそのキャパシタンスを測定することによって選択して、それに応じて、製造公差の小さいスーパーキャパシタを選択するという方法がある。これには、その種の選択された公差の小さいスーパーキャパシタにはより高い製造コストが伴うという欠点がある。そのうえ、この方法はエージングという影響に対する防護がまったくないが、それは製造公差の小さいスーパーキャパシタでさえもエージングを受け、キャパシタンスの損失が避けられないからである。このようにして、エネルギー貯蔵モジュールで用いられるスーパーキャパシタも損傷を受ける可能性があるが、それは個々のキャパシタに印加される電圧が互いに異なるからである。

キャパシタンスの損失に起因する過電圧に対する保護の別の可能性としては、低い全体的電圧でエネルギー貯蔵モジュール全体を動作させるという方法がある。しかしながら、これは、エネルギー貯蔵モジュール全体が効率的に利用されないという点で欠点がある。スーパーキャパシタに過電圧が印加されるのを回避するにはまた、スーパーキャパシタと並列に抵抗を接続すればよいが、しかしながら、このような抵抗は高い放電電流が流れ、意識して考慮されるエネルギーの損失が動作中に発生する。抵抗値を大きくし過ぎると、対称な利得が損なわれる。エネルギー貯蔵モジュール中でその種のスーパーキャパシタが損傷を受けるのを防ぐ別の可能性として、ツェナーダイオードを持ったアクティブ過電圧分流器を用いる方法がある。この目的のため、これらのツェナーダイオードの各々をそれぞれのスーパーキャパシタと並列に接続する。しかしながら、このことは、２．５Ｖというブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードは、ダイオード特性曲線が比較的緩やかであるため、等しくブレークダウン電圧未満で大幅に自発放電し、効率的ではないという欠点がある。ツェナーダイオードを用いるアクティブ過電圧分流路の使用に対する代替例として、アクティブな過電圧制限を保証する集積された閾値回路を用いることも可能である。しかしながら、この種の閾値回路は、通常集積回路として構成され、比較的高価である。

スーパーキャパシタをその内部で用いているキャパシタやバッテリーを備えた電流貯蔵装置が、国際公開第０２／１５３６３号パンフレットから知られている。説明したように、スーパーキャパシタは過電圧を許容できず、したがって監視する必要がある。国際公開第０２／１５３６３号パンフレットでは、過電圧を回避するための互いに異なったいくつかの配線例が記載されている。いくつかのスーパーキャパシタに対してツェナーダイオードを接続することが記載されているが、しかしながら、この場合ツェナーダイオードと並列に存在する全てのスーパーキャパシタに印加される電圧だけが制限されるのであって、スーパーキャパシタ単独に印加される電圧は制限されない。したがって、個々のスーパーキャパシタは過電圧から保護されない。いくつかのスーパーキャパシタ上で並列に接続されているツェナーダイオードは別にして、それ以外には保護用配線がない場合、小さいキャパシタンスを持つスーパーキャパシタは充電されると電圧が上がる。ツェナーダイオードがその電圧をスーパーキャパシタのそれぞれの許容電圧の二倍に制限すると、小さいキャパシタンスを持つスーパーキャパシタは過負荷となる。

エージングによって、通常はキャパシタンスが減少する。そのうえ、電圧が増すに連れてエージングは加速して進行する、すなわち、電圧が０．１Ｖ増すと寿命は半分になるものと計算する必要がある。これは悪循環となる。キャパシタンスが小さいと電圧が増す。電圧が増すとより急速にエージングが進行し、キャパシタンスの減退が加速される。新たに充電すると、この要素はさらに高い電圧を印加され、したがってより急速にエージングが進行する。これは、非対称性が、スーパーキャパシタの完全な故障（ｔｏｔａｌｆａｉｌｕｒｅ）の点まで増幅されることを意味する。これは、直列回路中の最小のキャパシタンス値によって全体のキャパシタンスが決まるからである。
国際公開第０２／１５３６３号パンフレット

したがって、本発明の目的は、簡単で経済的な仕方で実現することが可能であり、また、過電圧の場合でもエネルギー貯蔵要素の損傷に対して信頼性の高い保護を保証する、エネルギー貯蔵要素のモジュールに対する過電圧保護を提供することである。

特に、本発明の目的は、エネルギー貯蔵モジュール中でスーパーキャパシタを用いる場合に、キャパシタンスの公差による過電圧が発生した際にエネルギー貯蔵要素の損傷を防止する回路構成を提供することである。

この目的は、当該の種類の回路構成の場合には、独立請求項の特徴によって達成される。

本発明は、ツェナーダイオードを接続すると経済的に、また容易に電圧を制限することが可能となるという概念に基づいている。エネルギー貯蔵要素は通常許容電圧が低く、したがって、高いレベルの電荷を貯蔵することが可能であるためには直列回路で用いる必要があるため、最新技術からすでに周知であるように、対応するエネルギー貯蔵要素の最大許容電圧に対応する小さいブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードを各々のエネルギー貯蔵要素と並列に接続することが自明な方法である。しかしながら、ツェナーダイオードは、電圧が低い場合、穏やかで比較的緩やかな特性曲線を持っており、このため、ブレークダウン電圧未満の電圧で放電電流が流れるため、エネルギー貯蔵モジュールの全体的な効率にとっては不利である。モジュール全体の有効貯蔵期間が、ブレークダウン電圧以前にすでに流れる放電電流のため減少する。一方、ツェナーダイオードはそのブレークダウン電圧が高いほどその特性曲線が急勾配となり、ブレークダウン電圧に達したときにしか電流は流れない。

したがって、本発明の場合、直接に相互接続されたＭ個（ここで、Ｍ≧２）のエネルギー貯蔵要素の考えられる各々の組み合わせが直列回路から選択され、電圧制限要素が直接に相互接続されたＭ個のエネルギー貯蔵要素の考えられる各々の組み合わせと並列に接続される回路構成が用いられる。この場合においてＭは所定の組み合わせを成す直接に相互接続されるエネルギー貯蔵要素の最大数を示している。したがって、個々のエネルギー貯蔵要素の最大許容電圧より高いブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードを用いることが可能である。しかしながら、各々の個々のエネルギー貯蔵要素に印加される電圧も監視されることを保証するために、電圧制限要素もまた、第１の電位に接続されている第１のエネルギー貯蔵要素と、第２の電位に接続されているｎ番目のエネルギー貯蔵要素とに並列に接続することが提案される。Ｍを２より大きい値に選ぶと、それぞれの電圧制限要素もまた、エネルギー貯蔵要素が第１の電位または第２の電位に接続されている組み合わせの少なくとも２つの直接相互接続エネルギー貯蔵要素から成る各サブ組み合わせと並列に接続される。

上記の直列回路は所望の任意の数のエネルギー貯蔵要素を備えることが可能である。直接相互接続されるエネルギー貯蔵要素から成る組み合わせに属するエネルギー貯蔵要素の数Ｍは、回路によって異なる。したがって、５個のエネルギー貯蔵要素から成る回路の場合、Ｍは２、３、４または５に等しく成るように選ぶことが可能である。それぞれの電圧制限要素は、Ｍ個のエネルギー貯蔵要素から成る各々の組み合わせと並列に接続される。加えて、それぞれの電圧制限要素は一番目とｎ番目のエネルギー貯蔵要素と並列に接続されている。さらに、それぞれの電圧制限要素は、第１と第２の電位に接続されている組み合わせの少なくとも２つの直接相互接続エネルギー貯蔵要素から成る全てのサブ組み合わせと並列に接続されている。その結果、エネルギー貯蔵要素に対して電圧制限要素が挿入された構成となり、その特徴は各々のエネルギー貯蔵要素が少なくとも２つの電圧制限要素によってブリッジされ、したがって、個々のエネルギー貯蔵要素に印加される過電圧もまた認識されて防止されることである。

直列に接続されたエネルギー貯蔵要素の最大電圧は最大許容電圧Ｕ_ｍａｘの和によって定まるため、Ｍ^＊Ｕ_ｍａｘに対応するブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードを用いて、直接相互接続されたＭ個のエネルギー貯蔵要素の組み合わせに対する電圧を制限することが可能である。スーパーキャパシタの最大許容電圧Ｕ_ｍａｘは、たとえば約２．３から２．５Ｖであり、したがって、２つのスーパーキャパシタの組み合わせに対する最大許容電圧は最大で２^＊Ｕ_ｍａｘ＝５Ｖとなる。これにより、５Ｖというブレークダウン電圧を持つ経済的なツェナーダイオードを電圧制限目的で用いることが可能であり、このようなダイオードが経済的な過電圧保護を提供する。

エネルギー貯蔵要素から成る直列回路の一番目と最後すなわちｎ番目のエネルギー貯蔵要素とに対する電圧制限要素の有するブレークダウン電圧はブリッジされた一番目またはｎ番目のエネルギー貯蔵要素の最大許容電圧に対応したものでなければならない。１つの単純な実現例では、２．５Ｖというブレークダウン電圧を持つそれぞれのツェナーダイオードが一番目と最後すなわちｎ番目のエネルギー貯蔵要素と並列に接続される。これは、２．５Ｖという小さいブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードが比較的緩やかな特性曲線とブレークダウン電圧未満での放電電流を持つという点で不利である。したがって、ある有利な実施形態では、一番目とｎ番目のエネルギー貯蔵要素に対する電圧制限要素を、過電圧保護機能を持った集積回路という手段で実現することが提案される。電圧貯蔵要素が挿入されるという構成と一番目とｎ番目のエネルギー貯蔵要素に対してさらなる保護が提供されるということによって、単純なツェナーダイオードしか過電圧保護用に用いていないにもかかわらず、どのエネルギー貯蔵要素からも過電圧が安全に逸らされる。したがって、エネルギー貯蔵モジュールの全てのエネルギー貯蔵要素に対して経済的な過電圧保護を提供することが可能となり、キャパシタンスの損失がある場合に、エネルギー貯蔵要素の起こり得る完全な故障からエネルギー貯蔵モジュールを保護することが可能となる。

本発明のある特殊な実施形態では、エネルギー貯蔵モジュールが、エネルギー貯蔵要素として、スーパーキャパシタだけではなく、応用分野しだいで直列回路に組み合わされた蓄電池も備えることが提案されているが、過電圧を制限するため、適合するブレークダウン電圧または閾値電圧を持つ適当な電圧制限要素を選択しなければならない。

本発明のある有利な実施形態では、３つのエネルギー貯蔵要素から成るそれぞれの組み合わせが用いられるが、この場合、次にそれぞれの電圧制限要素が３つのエネルギー貯蔵要素に対して並列に接続される。３つのエネルギー貯蔵要素を一緒にして直列に直接接続しているエネルギー貯蔵モジュールの直列回路から成るあらゆる組み合わせは、電圧制限要素によってブリッジされる。このように電圧制限要素が接続されている場合、さらなる電圧制限要素を一番目と二番目のエネルギー貯蔵要素から成るサブ組み合わせに対してだけではなく、ｎ番目と（ｎ−１）番目のエネルギー貯蔵要素から成るサブ組み合わせに対しても接続することが必要である。電圧制限要素はまた、一番目のエネルギー貯蔵要素の両端とｎ番目のエネルギー貯蔵要素の両端に対して並列に接続される。一番目とｎ番目のエネルギー貯蔵要素それぞれに対して電圧制限する場合、過電圧保護のための対応するブレークダウン電圧を低く選ばなければならないが、ここで、各々のエネルギー貯蔵要素の２^＊Ｕ_ｍａｘというブレークダウン電圧だけが、一番目と二番目およびｎ番目と（ｎ−１）番目のエネルギー貯蔵要素から成るサブ組み合わせに対して選択されることに注意すべきである。

そのほかにも、４つ以上のエネルギー貯蔵要素が電圧制限要素でブリッジされている回路を構成することも考えられるが、その場合、Ｍ^＊Ｕ_ｍａｘというブレークダウン電圧を電圧制限要素に対して用いなければならない。

本発明を、図面に概略を示す実施形態を例として以下に詳述する。

図１に、従来技術による、互いに組み合わされて直列回路１２を形成している６個のスーパーキャパシタＳＣ_１からＳＣ_６を持ったエネルギー貯蔵モジュール１０を示す。電圧を制限する働きをするツェナーダイオードＶＬＥ_１からＶＬＥ_６は、各々のスーパーキャパシタＳＣ_１からＳＣ_６と並列に接続されている。各々のツェナーダイオードＶＬＥ_１からＶＬＥ_６は、スーパーキャパシタの最大許容電圧Ｕ_ｍａｘに対応するブレークダウン電圧Ｕ_ｚを有している。前に説明したように、スーパーキャパシタの最大許容電圧Ｕ_ｍａｘは、２．３から２．５Ｖに達する。これは、ＶＬＥ（電圧制限要素）とも呼ばれる各々のツェナーダイオードが２．５Ｖというブレークダウン電圧Ｕ_ｚを有していることを意味する。ツェナーダイオードのさまざまな特性曲線を隣接させて図５に示す。ブレークダウン電圧が２から３Ｖの領域におけるツェナーダイオードの特性曲線は、穏やかな特性曲線をたどっている。これは、ブレークダウン電圧Ｕ_ｚに達する以前でも電流が流れており、これが対応するスーパーキャパシタの貯蔵期間を減少させ、したがってエネルギー貯蔵モジュール全体の貯蔵期間を減少させることを意味している。

エネルギー貯蔵モジュールの過電圧に対する保護のための回路構成の概略を図２に示す。本発明による回路構成は、４つのエネルギー貯蔵要素ＳＣ_１からＳＣ_４から成るエネルギー貯蔵モジュール１０を備えている。直接に相互接続されたＭ個の（Ｍ＝２）エネルギー貯蔵要素ＳＣ_１からＳＣ_４の組み合わせは、電圧制限要素ＶＬＥ_１２、ＶＬＥ_２３およびＶＬＥ_３４によってブリッジされている。４つのエネルギー貯蔵要素ＳＣ_１からＳＣ_４から成る直列回路の場合、２つのエネルギー貯蔵要素から成る３つの組み合わせの各々が、それぞれの電圧制限要素ＶＬＥによってブリッジされる。すると、２つのエネルギー貯蔵要素の最大許容電圧Ｕ_ｍａｘの二倍の電圧値を電圧制限のために選ぶことが可能である。この実施形態の例では、エネルギー貯蔵モジュール１０の一番目と最後のエネルギー貯蔵要素ＳＣ_１とＳＣ_４もまたキャパシタンスの損失による過電圧から保護することを保証するためには、このようなエネルギー貯蔵要素ＳＣ_１とＳＣ_４もまたその各々が個々にそれぞれの電圧制限要素ＶＬＥ_１とＶＬＥ_４によってブリッジされる。その場合、一番目と最後のエネルギー貯蔵要素ＳＣ_１とＳＣ_４のところにおける過電圧保護のための閾値電圧は、それぞれのエネルギー貯蔵要素ＳＣ_１またはＳＣ_４の単純な最大許容電圧Ｕ_ｍａｘに対応していることに注意すべきである。

図３に、直列回路１２を形成するために６個のスーパーキャパシタＳＣ_１からＳＣ_６がエネルギー貯蔵要素として接続されている、図２に対応する実現例を示す。電圧制限要素ＶＬＥ_１２、ＶＬＥ_２３、ＶＬＥ_３４、ＶＬＥ_４５およびＶＬＥ_５６はツェナーダイオードとして構成されており、ここで１番目と６番目のエネルギー貯蔵要素ＳＣ_１とＳＣ_６のところにある電圧制限要素は各々が、それぞれの集積回路ＶＬＥｉｎｔ_１またはＶＬＥｉｎｔ_６として構成されている。

６個のスーパーキャパシタから成りＭ＝２である直列回路の場合、この直列回路１２中には、直接に相互接続されたエネルギー貯蔵要素またはスーパーキャパシタから成る互いに異なった５つの可能な組み合わせが存在する。２つのスーパーキャパシタから成るこれらの組み合わせはその各々が、ブレークダウン電圧Ｕ_ｚとして最大許容電圧Ｕ_ｍａｘの二倍の値を有するツェナーダイオードＶＬＥ_１２、ＶＬＥ_２３、ＶＬＥ_３４、ＶＬＥ_４５またはＶＬＥ_５６によってブリッジされている。したがって、２つのスーパーキャパシタの約５Ｖという最大許容電圧Ｕ_ｍａｘの二倍の値に対応する電圧がそれぞれのツェナーダイオードによって逸らされ、スーパーキャパシタの破壊が防止される。１番目のスーパーキャパシタＳＣ_１と６番目のスーパーキャパシタＳＣ_６は、２．５Ｖという閾値電圧を有する過電圧保護機能を持つそれぞれの集積回路ＶＬＥｉｎｔ_１とＶＬＥｉｎｔ_６によってブリッジされている。集積回路ＶＬＥｉｎｔ_１およびＶＬＥｉｎｔ_６は、２．５Ｖというブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードより急峻な特性曲線を有している。

図４に、直列回路１２を形成するために相互接続された６個のスーパーキャパシタＳＣ_１からＳＣ_６を持つさらなるエネルギー貯蔵モジュール１０を示す。この場合、Ｍは３に等しくなるように選ばれる。６個のスーパーキャパシタＳＣ_１からＳＣ_６から成る直列回路１２において、このエネルギー貯蔵モジュール１０は、直接相互接続されたスーパーキャパシタから成る組み合わせを４つ有している。そのスーパーキャパシタはＳＣ_１からＳＣ_３であり、約７．５Ｖというブレークダウン電圧を有するツェナーダイオードＶＬＥ_１２３によってブリッジされている。スーパーキャパシタＳＣ_２からＳＣ_４から成る組み合わせは、７．５Ｖというブレークダウン電圧を同様に有するツェナーダイオードＶＬＥ_２３４によってブリッジされている。次の組み合わせＳＣ_３からＳＣ_５はツェナーダイオードＶＬＥ_３４５によってブリッジされ、ＳＣ_４からＳＣ_６から成る最後のそして三番目の組み合わせもツェナーダイオードＶＬＥ_４５６によって同様にブリッジされている。一番目と最後のスーパーキャパシタＳＣ_１とＳＣ_６に対しても過電圧保護を提供するために、これらは、各々が２．５Ｖという閾値電圧を有する過電圧保護機能を有する集積回路ＶＬＥｉｎｔ_１とＶＬＥｉｎｔ_６によってそれぞれブリッジされている。加えて、第１の電位Ｖ_１に接続されているＳＣ_１とＳＣ_２から成るサブ組み合わせが５Ｖというブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードＶＬＥ_１２によってブリッジされ、スーパーキャパシタＳＣ_５とＳＣ_６が５Ｖというブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードＶＬＥ_５６によってブリッジされている。この種の回路モジュール１０においては、スーパーキャパシタＳＣ_１からＳＣ_６はエージングとキャパシタンスの損失とによる過電圧から保護されることが保証される。

図５に、すでに上述したようなツェナーダイオードのさまざまな特性曲線を示す。５Ｖを上回るブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードは５Ｖ未満というブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードよりかなり急峻な特性曲線を有することを明瞭に認識することが可能である。

図６に、７個のスーパーキャパシタを相互接続して直列回路１２としたさらなる実施形態を示す。この実施形態例ではＭ＝４である、すなわち、各々のインスタンスで、４つのスーパーキャパシタが電圧制限要素によってブリッジされている。これは、この過電圧保護の場合、ブレークダウン電圧としてエネルギー貯蔵要素の最大許容電圧の４倍の電圧を持つツェナーダイオードＶＬＥ_１２３４、ＶＬＥ_２３４５、ＶＬＥ_３４５６、ＶＬＥ_４５６７を用いることが可能であるという長所を有する。そのうえ、第１の電位Ｖ_１と第２の電位Ｖ_２に接続された直接相互接続されたエネルギー貯蔵要素サブ組み合わせ（これはＭ＝４の場合に必要である）が電圧制限要素によってブリッジされる。これらは、特にＭ−１の場合、第１の電位Ｖ_１にあるサブ組み合わせＳＣ_１、ＳＣ_２およびＳＣ_３と第２の電位Ｖ_２にあるサブ組み合わせＳＣ_５、ＳＣ_６およびＳＣ_７とである。Ｍ＝４の場合、サブ組み合わせＳＣ_１およびＳＣ_２とサブ組み合わせＳＣ_６およびＳＣ_７もまたそれぞれ電圧制限要素ＶＬＥ_１２またはＶＬＥ_６７によってブリッジされなければならない。そのほか、１番目と７番目のエネルギー貯蔵要素ＳＣ_１とＳＣ_７が、それぞれ電圧制限要素ＶＬＥｉｎｔ_１またはＶＬＥｉｎｔ_７によってブリッジされなければならない。

本発明による回路構成によって、スーパーキャパシタから成る組み立てエネルギー貯蔵モジュールに対して経済的な過電圧保護が存在することが保証される。高いブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードを用いることによって、ブレークダウン電圧未満では非常に少ない放電電流しか流れず、これによって、本システムによるエネルギー貯蔵モジュールの時期尚早な放電が回避される。そのうえ、高いブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードを電圧制限要素として用いることによって、キャパシタンスの大きな変動を許容することが可能である。特に、エネルギー貯蔵モジュールが長い寿命を有するが、これはエージングによって発生するキャパシタンスの損失による損傷が抑制されるからである。

本発明によるバランス回路は、４２Ｖという最大入力電圧、２５Ｖという最小出力電圧および１５年という寿命を持つバッテリの場合に用いられるのに適している。

このようなバッテリは、第１のＰＣＢ上に配置され、第２のＰＣＢによってカバーされたいくつかのスーパーキャパシタで作成されるのが望ましい。これら双方のＰＣＢは、スーパーキャパシタとバランス回路のそれに対応するコンポーネントに対して接触領域を提供する。

上側のＰＣＢの上方では、接触圧力を維持するために気泡ゴムプレートがバネ要素として設定されている。他の２つの金属製またはプラスチック製のプレートが上側の気泡ゴムプレートの上と下側のＰＣＢの下に据えられている。５つのプレートの全てが縦方向固定ボルト用の穴を備えており、これらのボルトを締めて、スーパーキャパシタと下側および上側のＰＣＢとの間で十分な接触圧力を発生させる。

４つのスーパーキャパシタは、たとえば、１つのツェナーダイオードでブリッジされる（Ｍ＝４）。

従来技術による、スーパーキャパシタとそれと並列接続されたツェナーダイオードとを持った回路構成を示す図である。本発明によるエネルギー貯蔵モジュールの回路構成の概略を示す図である。電圧制限要素としてのツェナーダイオードとスーパーキャパシタとを持ちさらにＭ＝２とした回路例を示す図である。スーパーキャパシタとツェナーダイオードとを持ちさらにＭ＝３とした場合の回路例を示す図である。ツェナーダイオードのさまざまな特性曲線を示す図である。Ｍ＝４とした場合の本発明による回路構成の概略を示す図である。

符号の説明

１０エネルギー貯蔵モジュール
１２直列回路
ＳＣ_ｎエネルギー貯蔵要素、スーパーキャパシタ
ＶＬＥ電圧制限要素、ツェナーダイオード
ＶＬＥｉｎｔ電圧制限要素、過電圧保護機能付きの集積回路
Ｖ_１第１の電位
Ｖ_２第２の電位
Ｍ所定の組み合わせの直接相互接続されたエネルギー貯蔵要素の最大数
Ｋサブ組み合わせのエネルギー貯蔵要素の数
Ｕ_ｍａｘエネルギー貯蔵要素の最大許容電圧
Ｕ_ｚブレークダウン電圧

Claims

ｎ個の貯蔵要素（ＳＣ_ｎ）から成る直列回路（１２）を備えており、直列回路（１２）は第１の電位（Ｖ_１）と第２の電位（Ｖ_２）間に接続され、電圧制限要素（ＶＬＥ）がｎ個のエネルギー貯蔵要素（ＳＣ_ｎ）と結合している、エネルギー貯蔵要素（ＳＣ）から成るエネルギー貯蔵モジュール（１０）において過電圧を制限する回路構成であって、Ｍを所定の組み合わせを成す直接相互接続されたエネルギー貯蔵要素（ＳＣ）の最大数として、Ｍ≧２の場合に、電圧制限要素（ＶＬＥ）が各々の組み合わせと並列に接続され、電圧制限要素（ＶＬＥ）が、第１の電位（Ｖ_１）に接続された１番目のエネルギー貯蔵要素（ＳＣ_１）および第２の電位（Ｖ_２）に接続されたｎ番目のエネルギー貯蔵要素（ＳＣ_ｎ）とそれぞれ並列に接続され、Ｍ＞２の場合に、電圧制限要素（ＶＬＥ）が、第１の電位（Ｖ_１）または第２の電位（Ｖ_２）に接続されたエネルギー貯蔵要素（ＳＣ）を有する組み合わせの少なくとも２つの直接相互接続されたエネルギー貯蔵要素（ＳＣ）から成る各々のサブ組み合わせとそれぞれ並列に接続されることを特徴とする、回路構成。
エネルギー貯蔵要素（ＳＣ）がスーパーキャパシタおよび／または蓄電池であることを特徴とする、請求項１に記載の回路構成。
電圧制限要素（ＶＬＥ）がツェナーダイオードであることを特徴とする、請求項１または２に記載の回路構成。
電圧制限要素（ＶＬＥ）が各々、該電圧制限要素自身と並列に接続されているエネルギー貯蔵要素（ＳＣ）の電圧を、それぞれの組み合わせまたはサブ組み合わせの個々のエネルギー貯蔵要素（ＳＣ）の許容電圧Ｕ_ｍａｘの和の結果生じる電圧にまで制限することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の回路構成。
組み合わせの電圧制限要素（ＶＬＥ）がＭ^＊Ｕ_ｍａｘというブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードであり、１番目のエネルギー貯蔵要素（ＳＣ_１）とｎ番目のエネルギー貯蔵要素（ＳＣ_ｎ）の電圧制限要素（ＶＬＥ）がＵ_ｍａｘというブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードまたは過電圧保護機能を持つ集積回路（ＶＬＥｉｎｔ）であり、各々のサブ組み合わせの電圧制限要素（ＶＬＥ）がＫ^＊Ｕ_ｍａｘというブレークダウン電圧を持つツェナーダイオードまたは過電圧保護機能を持つ集積回路（ＶＬＥｉｎｔ）であり、ここで、Ｋはサブ組み合わせのエネルギー貯蔵ユニット（ＳＣ）の数であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の回路構成。