JP2007515149A - バッテリ・エネルギー貯蔵モジュール - Google Patents

Abstract

バッテリの出力電圧を変化させる可能性の高いセルの充電状態、およびセルの分極といった他の因子に左右されることなく調節されて一定の電圧を負荷に供給することが可能なエネルギー貯蔵セルおよびそれらで作製されたバッテリ・システムが開示される。具体例となる実施形態では、本バッテリ・システムはｄｃ−ｄｃコンバータおよび基準電圧回路を有する。コンバータは１つまたは複数のエネルギー貯蔵セルから電力を引き出し、上方変換または下方変換して基準電圧に合致する出力電圧を供給する。

Description

本出願は、その全文が本願明細書に参照で組み入れられる２００３年１２月１７日出願の仮特許出願番号６０／５２９，７５７号の優先権の恩典を主張するものである。

本発明は、バッテリを構成する電気化学セルの実際の電圧に関係なくバッテリの放電全体を通して出力電圧が基本的に一定に維持されることを可能にするエネルギー・モジュールを使用するエネルギー貯蔵モジュールおよびバッテリ・システムに関する。他の実施形態では、本発明によるエネルギー貯蔵モジュールはバッテリ・システムの出力電圧の調節がバッテリ・システムから電力を引き出す装置の電気負荷に適合させられることを許容することを可能にする。

バッテリの電圧は通常ではバッテリを構築するために使用される電気化学セル・システムによって決定される。例えば、鉛酸セルは普通では約２．０ボルトの電気化学的電位を有し、直列に接続された６セルから成る鉛酸バッテリは約１２ボルトの電圧を有する。バッテリの電圧は通常、バッテリを形成するように直列に接続された各々のセルの電気化学的電位の合計である。他の電気化学セルは、ニッケル−カドミウム電気化学セルに関する１セル当たり１．２ボルト、および炭素−亜鉛（乾式）セルに関する１．５ボルトのように他のセル電位を有する。

多数のセルを有するバッテリを製造するための方法は各々のセルの中で生じる分極に起因する欠点を呈する。所望のバッテリ電圧を達成するために、バッテリ・システムのための望ましい電気化学的電位に到達するように、適切な数の電気化学セルを直列に接続することが可能であろう。例えば、鉛酸セルを使用して公称１２ボルトのバッテリを供給するために、６個の鉛酸電気化学セルが直列に接続される（６セル×２．０ボルト／セル＝１２ボルト）ことを必要とする。直列に接続された１０個のニッケル−カドミウムのセル（１０セル×１．２ボルト／セル＝１２ボルト）を使用して同じ１２ボルトのバッテリが構築されることが可能であろう。電気化学セルは分極（すなわちセルを貫通して電流が通過させられてセルが放電または充電されるときのそれらの電気化学的電位の変移）を示すので、バッテリの電圧は放電時にその公称値よりも低く、充電されているときにその公称値よりも高いであろう。これは結果として、バッテリが実際に動作する電圧の範囲に結び付く。

分極によって引き起こされる電圧の不一致はバッテリによって電力供給される電気的負荷および回路に問題を生じさせる可能性が高い。ランプのような抵抗性の負荷はバッテリが放電すると薄暗くなり、バッテリが充電されているときに明るくなるであろう。電気モータはバッテリの電圧が変化するとスピードを変えるであろう。繊細な電圧要求性を備えた或る電子機器はそれに電力供給する電圧が過大に変化すると故障するかまたは不適切に動作する可能性が高い。多くの電気装置は一定の電力負荷として動作するのでバッテリの電圧が低下する（バッテリの電圧は放電させられると低下する）と装置によって要求される放電電流が増大する。この効果は、バッテリが放電するときに予期される最大電流のために配線および他の電気部品がサイズ決定されること、および最大電流に起因した電気装置の中に含まれ得る部品の加熱の責任をとることを必要とする。

電気的負荷は通常、規定されて限定された範囲の入力電圧の中で動作し、バッテリはそれらが電力供給している電気的負荷の入力要求条件に合致する或る一定の範囲の電圧を供給するように設計されて構築される。バッテリは普通では複数のセルで作り上げられるので、バッテリ内の電気化学セルのうちの１つが何らかの理由で故障すればバッテリの出力電圧は普通ではそのセルの電気化学的電位で低下させられる。例えば、複数の２ボルトのセルで作り上げられた１２ボルトの鉛酸バッテリ内の１つのセルが故障した場合、バッテリの出力電圧は名目上１０ボルトへと下げられるであろう。これは通常の１２ボルトの電気システムのための動作範囲よりも低くなり得る。セル故障の結果は、電気システムもやはりバッテリ内の単一の鉛酸電気化学セルの損失で動作しなくなることである。事実上、この範例での電気的負荷の信頼性および有効性はそれに電力供給するバッテリ内の単一の電気化学セルの信頼性と同然でしかない。

バッテリ構造の他の代表的なタイプは「モノブロック」構造として知られている。このタイプの構造では所定のタイプのいくつかの電気化学セルが共通の容器と蓋の組立体の中に収納され、直列、並列、または直列／並列構造のいずれかで内部もしくは外部のどちらかで接続される。モノブロック・タイプのバッテリは普通では６または１２ボルトの公称電圧を有するが、しかしそれらはバッテリを構成する電気化学セルの電位のいずれの倍数であることも可能である。

モノブロックのバッテリは通常、或る一定の全体的端子電圧を供給するように直列に接続された電気化学セルのグループから成る。これらのセルは通常、共通の蓋を備えた共通の容器の中に収納され、モノブロックの中の個々のセルへのアクセスは実行不可能である。さらに、セルを直列に置くセル間接続は通常では容器の内部にあり、何であろうといずれかの理由で故障するはずのモノブロック内の個々のセルを修理または交換することを事実上不可能にする。モノブロックの端子電圧は使用される電気化学セルの電位、および直列に接続されるセルの数によって決定される。例えば、１２ボルトの鉛酸モノブロック・バッテリは６個の鉛酸セルから成り、それらの各々が２ボルトの公称セル電圧を備えて直列に接続される。こうしてモノブロックの端子電圧はその構造内に使用される電気化学セルの公称電位の倍数で変わることだけが可能である。
仮特許出願番号６０／５２９，７５７号

本発明の目的は、たとえバッテリを構成する電気化学セルのうちの１つまたは複数が故障しても出力電圧が基本的に一定に維持される「エネルギー貯蔵モジュール」およびそれに続くバッテリ・システムを提供することである。

本発明の目的は、その端子電圧が使用されるべき電気的負荷と適合するように調節可能である「エネルギー貯蔵モジュール」から成るモノブロック・タイプのバッテリを提供することである。

一実施形態では、本発明は一定出力電圧のバッテリ・エネルギー貯蔵モジュールに関する。提案されるエネルギー貯蔵モジュールは昇降圧能力（すなわちアップ／ダウン調節）を備えたｄｃ−ｄｃコンバータへと接続されたいくつかの電気化学セルから成る。電気化学セルはリチウムイオン・ポリマー型であることが好ましいが、しかし鉛酸またはニッケル−カドミウムといった他のタイプの電気化学セルも同様に利用されることが可能であろう。

或るｄｃ−ｄｃコンバータはその出力電圧を公称印加電圧の数倍で降圧および昇圧する能力を有する。ｄｃ−ｄｃコンバータが例えば２倍の昇降圧因数を有した場合、その出力は、ｄｃ−ｄｃコンバータへの入力電圧が１２ボルトであった場合にその降圧電圧出力が６ボルトの低さに、その昇圧電圧が２４ボルトの高さになり得るようになる、すなわち電圧は２４ボルトに上方調節または６ボルトに下方調節されることが可能であろう。提案される発明では、ｄｃ−ｄｃコンバータの出力はｄｃ−ｄｃコンバータへの入力電圧に左右されない一定の電圧へと設定される。こうして、ｄｃ−ｄｃコンバータは電気化学セルから電力を引き出し、それを一定の電圧で電気的負荷へと出力するであろう。

バッテリが放電し、内部の電気化学的電位が低下すると、ｄｃ−ｄｃコンバータはその一定の電圧出力を維持するために追加の電力を引き出すであろう。ｄｃ−ｄｃコンバータの出力電圧は基準電圧、選択可能なディップ・スイッチ、他の電気機械装置、またはソフトウェアのデジタル命令によって確立されることが可能であろう。

上述されたように、１つまたは複数の電気化学セルは適切な電子回路を通じてｄｃ−ｄｃコンバータへと接続されるであろう。ｄｃ−ｄｃコンバータは昇降圧能力を有し、取り付けられた電気化学セルの個々もしくは全体的な電圧は必ずしも所望の出力電圧に一致する必要がない。その後、ｄｃ−ｄｃコンバータの出力が基準電圧、選択可能なディップ・スイッチ、または他の電気機械装置で刻み付けることによって、あるいはデジタルのソフトウェア命令によって設定されるであろう。動作時では、ｄｃ−ｄｃコンバータが電気化学セルから電力を引き出し、昇降圧能力を使用して出力電圧を選択された出力電圧に調節するであろう。電力供給される負荷の変動またはｄｃ−ｄｃコンバータの入力部に電力を供給する電気化学セルの電位の変動のどちらにも適応するためにｄｃ−ｄｃコンバータは電気化学セルからさらに多いもしくはさらに少ない電力を引き出すことによってその出力電圧を一定の値に維持するであろう。

提案される発明はエネルギー貯蔵モジュールおよび／またはバッテリが最適の動作性能のために用途によって必要とされる正確な電圧のｄｃ電力を供給することを可能にする。バッテリだけを使用すると、負荷に供給される電圧は放電速度およびバッテリの充電状態に応じて変わるであろう。結果として、負荷装置はバッテリから追加の電流を引き出すか、またはバッテリの電圧変化と一致するようにその動作性能を変えるかのどちらかであろう。これは装置が不適切に動作し、過熱し、かつ場合によっては故障する原因になりかねない。提案される発明でもって、電気的負荷装置へと供給される電圧が一定に維持されることが可能となり、上記に引用した不都合のすべてを解消する。

ｄｃ−ｄｃコンバータに入力電圧を供給する電気化学セルの数は変わることが可能である。入力電圧と比較してさらに大きいまたはさらに小さい出力範囲を有する様々なタイプのｄｃ−ｄｃコンバータが使用されることが可能であろう。他のタイプの電気化学セル（リチウムイオン・ポリマー、鉛酸、ニッケル・カドミウムなど）が使用されることが可能であろう。出力電圧はディップ・スイッチ、他のアナログ電圧信号、またはデジタルのソフトウェア命令によって規定されることが可能であろう。

本発明の別の実施形態は、構造に高い有用性特徴を供給する性能を備えたバッテリ・エネルギー貯蔵モジュールに関する。例えば、提案される発明を利用するエネルギー貯蔵モジュールは、各々が４ボルトの公称セル電位を備え、１３．５ボルトに設定された出力部を備えたｄｃ−ｄｃコンバータに適切な回路を通して接続された４個のリチウムイオン・ポリマー・セルから成ることが可能であろう。セルの全部が稼動しているとき、ｄｃ−ｄｃコンバータは電気化学セルの電圧を１６ボルトの公称値から所望の１３．５ボルト出力へと下げるために「降圧」能力を利用するであろう。電気化学セルのうちの１つが故障した場合、そのときｄｃ−ｄｃコンバータは電気化学セルの電圧を１２ボルトの公称値から所望の１３．５ボルト出力へと上げるために「昇圧」能力を利用するであろう。これを達成するためにｄｃ−ｄｃコンバータは残りの電気化学セルから追加の電力を引き出してその出力電圧を維持するであろう。合計のエネルギー（ボルト掛けるアンペア）はバッテリ内のセルの合計数に相対した故障セルのパーセンテージ損失に比例して低下させられるであろうが、しかしバッテリの出力電圧は維持され、動作を続行するように電気的負荷が電力供給されることを可能にする。これは電力供給される電気機器の有効性がゼロに落ちることを阻止するであろう。

提案される発明は、バッテリを構成する電気化学セルのうちの１つまたは複数が故障した損失の後でさえも最適動作性能のために用途によって要求される正確な電圧のｄｃ電力をエネルギー貯蔵モジュールおよび／またはバッテリが供給し続けることを可能にするであろう。これは、電力供給される電気機器の有効性を高めるであろう。

ｄｃ−ｄｃコンバータへと入力電圧を供給する電気化学セルの数は変わることが可能である。入力電圧と比較してさらに大きいまたはさらに小さい出力範囲を有する様々なタイプのｄｃ−ｄｃコンバータが使用されることが可能であろう。他のタイプの電気化学セル（リチウムイオン・ポリマー、鉛酸、ニッケル・カドミウムなど）が使用されることが可能であろう。出力電圧はディップ・スイッチ、他のアナログ電圧信号、またはデジタルのソフトウェア命令によって規定されることが可能であり、たとえ装置を構成する電気化学セルのうちの１つまたは複数が故障しても一定の出力電圧を供給することが可能な電気化学セルを使用してｄｃエネルギー貯蔵装置を提供する。

本発明の別の実施形態は複数のエネルギー貯蔵モジュールから成るモノブロック・バッテリ構造に関する。本発明によるモノブロック・バッテリの実施形態は１つまたは複数のエネルギー貯蔵モジュールで構成されることが可能であり、それらの各々が「昇降圧」能力を備えたｄｃ−ｄｃコンバータへと接続されたいくつかの電気化学セルで構成される。これらのセルは容器と蓋から成る共通の筐体内に収納されて共通の外部端子へと接続されることが可能である。本願明細書に述べられる他のタイプのセルと同様に、電気化学セルはリチウムイオン・ポリマー型であることが好ましいが鉛酸またはニッケル・カドミウムのような他のタイプの電気化学セルも同様に利用されることが可能であろう。或るｄｃ−ｄｃコンバータはその出力電圧を公称印加電圧の数倍で降圧および昇圧する能力を有する。ｄｃ−ｄｃコンバータが例えば２倍の昇圧降圧因数を有した場合、その出力は、ｄｃ−ｄｃコンバータへの入力電圧が１２ボルトであった場合にその降圧電圧出力が６ボルトの低さに、その昇圧電圧が２４ボルトの高さになり得るようになるであろう。提案される発明では、各々のエネルギー貯蔵モジュールのｄｃ−ｄｃコンバータの出力は一定の電圧に設定され、それはそのモノブロック・バッテリ内のすべてのエネルギー貯蔵モジュールに関して同じであるが、ｄｃ−ｄｃコンバータへの入力電圧に左右されない。その後、モノブロック・バッテリ・ユニットに望ましい全体的端子電圧を供給するためにすべてのエネルギー貯蔵モジュールの出力が一体に接続される。各々のｄｃ−ｄｃコンバータの出力は基準電圧、選択可能なディップ・スイッチ、または他の電気機械装置によって、あるいはソフトウェアのデジタル命令によって確立されることが可能であろう。

上述のようにモノブロック・バッテリは、モノブロックの全体的電圧の接続点を供給する端子と嵌合した容器と蓋から成る共通の筐体の中に収納された１つまたは複数のエネルギー貯蔵ユニットで構成されることが可能であろう。各々のエネルギー貯蔵ユニットは適切な回路を通じてｄｃ−ｄｃコンバータへと接続されたいくつかの電気化学セルで構成されるであろう。電気化学セルはリチウムイオン・ポリマー型であることが好ましいが、しかし鉛酸またはニッケル−カドミウムといった他のタイプの電気化学セルも同様に利用されることが可能であろう。ｄｃ−ｄｃコンバータはその出力電圧を公称印加電圧の数倍で降圧および昇圧する能力を有する。各々のエネルギー貯蔵ユニットのｄｃ−ｄｃコンバータの出力は同じ値に設定され、モノブロックの望ましい全体的端子電圧と一致するであろう。各々のエネルギー貯蔵ユニットからの出力は並列でモノブロックの端子接続部に接続されるであろう。こうして、モノブロックの全体的容量は追加のエネルギー貯蔵ユニットを並列に設置し、かつモノブロックの端子接続部へと接続されることによって増やされることが可能であろう。各々のエネルギー貯蔵ユニットはｄｃ−ｄｃコンバータを通じて一定の出力電圧で電力を出力するであろう。各々のエネルギー貯蔵ユニットの内部の論理がその個々のエネルギー貯蔵ユニットの充電および放電を終了させるであろう。各々のエネルギー貯蔵ユニットは基本的にモノブロック・バッテリ内の他のいずれのエネルギー貯蔵ユニットからも独立して動作するであろう。

モノブロック・バッテリは追加的な論理で個々のエネルギー貯蔵ユニットならびに他の外部装置の両方と連絡するように構成されることが可能であろう。エネルギー貯蔵ユニットの出力電圧は基準電圧、スイッチ、または他の電気信号によって、あるいはデジタルのソフトウェア命令を印加することによって確立されることが可能であろう。例えば、６個のリチウムイオン・ポリマー・セルと２の昇降圧因数を備えたｄｃ−ｄｃコンバータで構成されるエネルギー貯蔵ユニットから成るモノブロック・バッテリは１２ボルトから４８ボルトの範囲にわたる全体的端子電圧を供給することが可能であろう。その後、各々が４８ボルトの出力にプログラムされた４つのモノブロック・バッテリが並列に接続されて通常の電話交換機に電力供給することが可能であろう。同じモノブロックが１２ボルトの出力電圧にプログラムされることが可能であり、その後、４つのモノブロックが直列に接続されて同じ電話交換機に４８ボルトを供給することが可能であろう。機器が４２ボルトでさらに効率的に動作した場合、各々のモノブロック・バッテリの出力電圧が４２ボルトに調節されることが可能であり、モノブロックは単独、または他のモノブロック・バッテリと並列のどちらかで動作させられる。

提案される発明はある程度の規定された範囲にわたって調節されることが可能な出力電圧を備えたモノブロック・バッテリ構造を提供するであろう。例えば、６個のリチウムイオン・ポリマー電気化学セルと２の昇降圧因数を備えたｄｃ−ｄｃコンバータとを有するエネルギー貯蔵ユニットを使用して構築されたモノブロックは１２から４８ボルトの端子電圧を備えたバッテリ・モノブロックを供給するために利用されることが可能であろう。基本的にその範囲内のどのような出力電圧も可能であろう。その後、電気的負荷に電力供給するためにそれらのモノブロックが単独あるいは並列もしくは直列で使用されることが可能であろう。各々のエネルギー貯蔵ユニットの出力電圧は個々に制御されるであろうから、モノブロック容器内のエネルギー貯蔵ユニットの並列配置は真の冗長性を提供するであろう。全体的システム内の単一の電気化学セルの故障はモノブロックの出力電圧に影響を有さず、モノブロックの全体的エネルギー供給容量にわずかな影響を有するだけであろう。モノブロックの容量はモノブロック容器の中に収納されるエネルギー貯蔵ユニットの数を増すことによって増大させられることが可能であろう。極めて少ないモノブロック容器でもって、広範囲のバッテリ電圧および容量の要求条件に適応することが可能であろう。個々の根拠に基づく容量および電圧に関する注文に対してバッテリ・モノブロックが迅速に構築されることが可能であり、製造および品揃えにさらに優れた容易性を備えて顧客の用途ニーズを満たすことにさらに優れた自由度を可能にするであろう。

エネルギー貯蔵ユニットのレベルでｄｃ−ｄｃコンバータに入力電圧を供給する電気化学セルの数は変わることが可能である。入力電圧と比較してさらに大きいまたはさらに小さい出力範囲を有する様々なタイプのｄｃ−ｄｃコンバータが使用されることが可能であろう。全体的なモノブロック端子電圧はこの記録に述べられるそれよりも大きい、または小さいことが可能であろう。他のタイプの電気化学セル（リチウムイオン・ポリマー、鉛酸、ニッケル−カドミウムなど）が使用されることが可能であろう。出力電圧はディップ・スイッチ、他のアナログ電圧信号、またはデジタルのソフトウェア命令によって規定されることが可能であろう。モノブロックのハウジングはエネルギー貯蔵ユニットを装着して収納するための他の構造、例えばリレーラック・パネル、カード・ケージなどであることもやはり可能であろう。

したがって本発明のこの実施形態によると、使用される電気化学セルの電位および直列に接続されるセルの数によって規定されるそれよりも広い範囲にわたって電圧を供給するモノブロック・バッテリ構造を提供することが可能である。本発明は出力がバッテリの放電の始めから終わりまで基本的に一定に留まる固定の値に調節されるモノブロック・バッテリ構造を可能にする。付け加えると、このモノブロック・バッテリ構造はエネルギー貯蔵モジュールの追加によって変えられることが可能な容量を有することが可能である。

本発明の別の実施形態は自己設定型のバッテリ・エネルギー貯蔵モジュールに関する。この発明の目的は、外部供給源によって出力電圧がバッテリに刻み込まれ、規定されることで、その出力電圧がどのようなものであるべきかをエネルギー貯蔵モジュールまたはバッテリに「学習」させるエネルギー貯蔵モジュールおよびそれに続くバッテリ・システムを提供することである。

提案されるエネルギー貯蔵モジュールは「昇降圧」能力を備えたｄｃ−ｄｃコンバータへと接続されたいくつかの電気化学セルから成る。電気化学セルはリチウムイオン・ポリマー型であることが好ましいが、しかし鉛酸またはニッケル−カドミウムといった他のタイプの電気化学セルも同様に利用されることが可能であろう。或るｄｃ−ｄｃコンバータはその出力電圧を公称印加電圧の数倍で降圧および昇圧する能力を有する。ｄｃ−ｄｃコンバータが例えば２倍の昇降圧因数を有した場合、その出力は、ｄｃ−ｄｃコンバータへの入力電圧が１２ボルトであった場合にその降圧電圧出力が６ボルトの低さに、その昇圧電圧が２４ボルトの高さになり得るようになる。この発明に述べられるｄｃ−ｄｃコンバータの昇降圧因数は２であるが、しかし昇降圧因数はいずれの値であることも可能であろう。本発明のこの実施形態は例えば３個のリチウムイオン・ポリマー・セルを使用し、それらの各々が４ボルトの公称の電気化学セル電位を備え、適切な制御回路を通じて直列に接続されることでｄｃ−ｄｃコンバータに公称１２ボルトの入力を供給する。したがって、２の昇降圧因数を備えたｄｃ−ｄｃコンバータの出力は６ボルトの低さから２４ボルトの高さの範囲にわたることが可能であろう。本発明の述べられた実施形態は、エネルギー貯蔵モジュールの望ましい出力電圧に等しい基準電圧をｄｃ−ｄｃコンバータに印加することによってｄｃ−ｄｃコンバータの出力電圧が「規定」されることを可能にする。これはバッテリがそれ以降の出力を印加された基準電圧に合わせるように「学習する」ことを可能にし、それにより、負荷に負荷の最適値、そうでなければ望ましい電圧を供給する。したがって例えば、印加される電圧（負荷電圧）が１３．５ボルトであれば、エネルギー貯蔵モジュールのｄｃ−ｄｃコンバータは３個のリチウムイオン・ポリマー電気化学セルによって供給される公称１２ボルト入力を１３．５ボルトの一定出力電圧へと上方調節することが可能であろう。印加される基準電圧に加えて、その出力電圧がどのようなものであるべきかをｄｃ−ｄｃコンバータに「教える」ためにスイッチもしくは他の電気信号、あるいはソフトウェア命令が使用されることが可能であろう。

上述のように、個々のエネルギー貯蔵モジュールおよび多数のエネルギー貯蔵モジュールで構成されたバッテリは電力供給されている機器のための電圧要求条件に一致する正確な出力電圧を供給するように「学習する」ことが可能であろう。エネルギー貯蔵モジュールおよび／またはバッテリは顧客へと出荷される前にそれらの望ましい出力電圧を「教えられる」ことが可能であるか、またはエネルギー貯蔵モジュールおよび／またはバッテリはバッテリを正しい負荷電圧の電力源に接続してエネルギー貯蔵モジュールがその望ましい出力電圧を学習することを可能にすることによって現場で、その望ましい出力電圧を教えられることが可能であろう。或る装置は、バッテリの中のメモリまたは他の記憶手段に最適の負荷を刻み込むことを容易にするためにバッテリに接続されることが可能な基準電圧出力部を装備されることが可能である。同様に、エネルギー貯蔵モジュールまたはバッテリの出力電圧はスイッチ切り換え可能であるか、またはソフトウェア命令によって確立されることが可能である。

提案される発明は、最適動作性能のために用途によって要求される正確な電圧のｄｃ電力をエネルギー貯蔵モジュールおよび／またはバッテリが供給することを可能にする。それは、装置内の電気化学セルの数およびそれらの電位によって狭く制限されることのない広範囲の出力電圧を単一のエネルギー貯蔵モジュールが供給することを可能にするであろう。それは、広範囲の電圧用途に関して単一の製造見本が使用されることを可能にし、顧客への出荷の直前にその出力電圧がどのようなものであるべきかをエネルギー貯蔵モジュールに教えることが可能であろうから広範囲の用途を満たすために必要とされる品揃えの量を最小限にするであろう。本開示の中の範例に述べられたｄｃ−ｄｃコンバータに１２ボルト入力を供給する３個のリチウムイオン・ポリマー・セルを備えたそのようなエネルギー貯蔵モジュールは低電圧のコンピュータ・エレクトロニクス用途（５〜９ボルト）、自動車用エレクトロニクス用途（１２〜１４ボルト）、および通信用エレクトロニクス用途（２０〜２４ボルト）に使用されることが可能であろう。

ｄｃ−ｄｃコンバータに入力電圧を供給する電気化学セルの数は変わることが可能である。例えば、適切な電子制御回路を通じて接続された６個のリチウムイオン・ポリマー・セルはｄｃ−ｄｃコンバータに公称２４ボルトの入力を供給することが可能であり、結果として１２ボルトから４８ボルトの範囲にわたる出力性能につながるであろう。他のタイプのｄｃ−ｄｃコンバータはその入力電圧と比較してさらに大きいまたはさらに小さい出力範囲を有することが可能であろう。他のタイプの電気化学セル（リチウムイオン・ポリマー以外）が使用されることが可能であろう。出力電圧はディップ・スイッチ、他のアナログ電圧信号、またはデジタルのソフトウェア命令によって規定されることが可能であろう。

本発明の別の実施形態は自己試験および診断性能を備えたバッテリ・エネルギー貯蔵モジュールに関する。バッテリはしばしば様々な電気的負荷にｄｃ電力を供給するための電気化学エネルギー貯蔵装置として使用される。バッテリが電力供給している電気的負荷に相対してバッテリの重要な特性はバッテリの電圧である。バッテリの状態の別の重要なパラメータは負荷に供給される合計エネルギーのアンペア時またはワット時のどちらかとして測定されるその容量である。バッテリは、バッテリの活性物質の劣化および／またはバッテリの抵抗もしくは貯蔵エネルギーを供給する能力に影響を与える他の内的変化に起因してバッテリが古くなるにつれて容量および電圧を維持する能力を失う傾向を有する。これまで、バッテリが電力供給している電気的負荷をサポートするバッテリの能力を判定するための最も信頼性のある方法はバッテリに負荷試験を実施することであった。

用途設置物内のバッテリに負荷試験を実施するとき、バッテリが電力供給している電気的負荷からバッテリを外し、バッテリを放電させるためにバッテリを外部の負荷バンクに接続し、場合によっては試験放電の間に電気的負荷に代替バックアップ・システムを供給することさえ必要とされる可能性が高い。これはいくつかのロジスティック問題を呈し、完了するために付加的な労働力および機材資源を必要とする。付け加えると、試験されているバッテリによって電力供給されている電気的負荷の有用性は弱められる可能性が高い。

本発明は、それが電力供給している電気的負荷に対する有用性を維持しながら内的自己診断試験放電を実施することが可能であるエネルギー貯蔵モジュールおよび／またはそのようなエネルギー貯蔵モジュールを使用するバッテリ・システムを提供することによってこれらの問題を克服する。

本発明のこの実施形態に具体例として述べられるエネルギー貯蔵モジュールは「昇降圧」能力を備えたｄｃ−ｄｃコンバータに接続された１つまたは複数の電気化学セルを有することが可能である。電気化学セルはリチウムイオン・ポリマー型であることが好ましいが鉛酸またはニッケル・カドミウムのような他のタイプの電気化学セルも同様に利用されることが可能であろう。或るｄｃ−ｄｃコンバータはその出力電圧を公称印加電圧の数倍で降圧および昇圧する能力を有する。ｄｃ−ｄｃコンバータが例えば２倍の昇降圧因数を有した場合、その出力は、ｄｃ−ｄｃコンバータへの入力電圧が１２ボルトであった場合にその降圧電圧出力が６ボルトの低さに、その昇圧電圧が２４ボルトの高さになり得るようになるであろう。提案される発明では、ｄｃ−ｄｃコンバータの出力は一定の電圧に設定され、それはｄｃ−ｄｃコンバータへの入力電圧に左右されない。付け加えると、この装置はエネルギー貯蔵モジュールまたはバッテリを構成する電気化学セルのうちの１つを放電させることが可能な或る電子論理回路を有することが可能であり、放電セルから引き出されるエネルギーを残りの電気化学セルを充電するため、またはｄｃ−ｄｃコンバータの出力部に接続された電気的負荷にエネルギーを供給するために使用する。この構成の中の電気化学セルのうちの１つが放電させられている間でさえｄｃ−ｄｃコンバータはその出力を一定の電圧に維持するであろう。ｄｃ−ｄｃコンバータの出力電圧は基準電圧、選択可能なディップ・スイッチ、または他の電気機械装置によって、あるいはソフトウェアのデジタル命令によって確立されることが可能であろう。

上述のように、数個の電気化学セルは適切な電子回路を通じてｄｃ−ｄｃコンバータへと接続されるであろう。ｄｃ−ｄｃコンバータは昇降圧能力を有し、取り付けられる電気化学セルの個々または全体的な電圧は必ずしも望ましい出力電圧に一致する必要はない。そのときｄｃ−ｄｃコンバータの出力は基準電圧、選択可能なディップ・スイッチ、または他の電気機械装置、あるいはデジタルのソフトウェア命令のいずれかで刻み込むことによって設定されるであろう。付け加えると、電子装置はバッテリ・エネルギー貯蔵モジュールを構成する電気化学セルのうちの１つが放電させられることを可能にする適切な論理を有することが可能であって、その電気化学セルから取り出されるエネルギーをモジュール内の残りの電気化学セルを充電するため、および／またはｄｃ−ｄｃコンバータの出力部に接続された電気的負荷に電力供給するために使用する。例えば、提案される発明を利用する「エネルギー貯蔵モジュール」は４個のリチウムイオン・ポリマー・セルで構成されることが可能であって、それらの各々が４ボルトの公称セル電位を備え、１３．５ボルトに設定された出力部を備えたｄｃ−ｄｃコンバータへと適切な回路を通じて接続される。セルの全部が稼動しているとき、ｄｃ−ｄｃコンバータは電気化学セルの電圧を１６ボルトの公称値から所望の１３．５ボルト出力へと下げるために「降圧」能力を利用するであろう。内部論理からの命令、または外部供給源からの信号があると、セルのうちの１つが放電させられ、そのエネルギーは残りのセルを充電するため、または外部の電気的負荷に電力供給するために使用される。放電させられるセルの電圧が低下するとｄｃ−ｄｃコンバータはバッテリ・モジュール内の他のセルから引き出されるエネルギーの量を増加させ、一定の出力電圧を維持するために昇圧能力を使用する。そのときモジュールの論理が放電させられるセルの利用可能な容量を判定し、それが受容可能な範囲内にあるかどうかを判定する。セルの容量が受容可能未満であれば、内部論理は利用可能容量の減少を示す信号を送るであろう。本発明は、モジュール内のセルのうちの１つが容量放電試験されている間でさえ最適動作性能のために用途によって要求される正確な電圧のｄｃ電力をエネルギー貯蔵モジュールおよび／またはバッテリが供給し続けることを可能にするであろう。試験されるセルの放電能力が比較され、セルおよびモジュールの容量の表示が供給されるであろう。これはモジュールが電力供給している電気的負荷からモジュールが取り外されることを必要とせずに遂行されるであろう。

ｄｃ−ｄｃコンバータに入力電圧を供給する電気化学セルの数は変わることが可能である。入力電圧と比較してさらに大きいまたはさらに小さい出力範囲を有する様々なタイプのｄｃ−ｄｃコンバータが使用されることが可能であろう。他のタイプの電気化学セル（リチウムイオン・ポリマー、鉛酸、ニッケル・カドミウムなど）が使用されることが可能であろう。出力電圧はディップ・スイッチ、他のアナログ電圧信号、またはデジタルのソフトウェア命令によって規定されることが可能であろう。モジュール内のセルの放電を開始するための論理はモジュールの内部にあるか、または外部供給源から供給されることが可能であろう。

図１に具体例として示されるように、本発明のバッテリ・システム１００は多数のエネルギー貯蔵セル１１０を有することが可能である。図１は６個のエネルギー貯蔵セルを示しており、それらは正のコレクタ回路１５０と負のコレクタ回路１４０を介して電力がセルからｄｃ−ｄｃコンバータ１６０へと引き出されるセルを例外として各々のセルの負電流コレクタ・タブ１２０が他のセルの正のコレクタ・タブ１１５と接触するようにセルを配置することによって直列に接続される。セルは「直線」構成」で配置されないので、列を為すセルが使用され、コネクタ１３０として示されるそれのようなコレクタ回路を介して接続されることが可能である。

ｄｃ−ｄｃコンバータ１６０は昇降圧能力を有することが可能であり、エネルギー貯蔵セル１１０から電流を引き出し、端子２００を経由して望ましい電圧を出力することを可能にする。基準電圧は、外部供給源１９０、スイッチ１８０、または他の手段から供給される基準電圧を保存するためのメモリを有することが可能な制御回路１７０によって供給されることが可能である。

多数のエネルギー貯蔵セル、ｄｃ−ｄｃコンバータ、および基準電圧回路を有するバッテリ・システムの実施形態を例示する図である。

Claims (16)

1. バッテリ・システムであって、
   少なくとも１つのエネルギー貯蔵ユニットと、
   上方調節および／または下方調節の可能なｄｃ−ｄｃコンバータユニットと、
   基準電圧回路と、
   複数の出力端子とを含み、
   前記ｄｃ−ｄｃコンバータが前記出力端子の間の電圧であって前記基準電圧回路から前記ｄｃ−ｄｃコンバータへと送られる信号に相当する電圧を供給するバッテリ・システム。
2. 前記基準電圧回路がスイッチ、基準電圧信号、ソフトウェア命令、または外部負荷を有する、請求項１に記載のバッテリ・システム。
3. 前記エネルギー貯蔵ユニットがリチウムイオン貯蔵セル、カドミウム・セル、アルカリ・セル、鉛酸セル、およびニッケル金属水素化物セルから選択される、請求項１に記載のバッテリ・システム。
4. 複数のエネルギー貯蔵セルを有する、請求項１に記載のバッテリ・システム。
5. 多数のエネルギー貯蔵セルが直列構造で配置される、請求項４に記載のバッテリ・システム。
6. 多数のエネルギー貯蔵セルが並列構造で配置される、請求項４に記載のバッテリ・システム。
7. 多数のエネルギー貯蔵セルが直列／並列構造で配置される、請求項４に記載のバッテリ・システム。
8. 前記基準電圧回路が基準電圧を記憶するための記憶ユニットを有する、請求項１に記載のバッテリ・システム。
9. 前記基準電圧が外部供給源によって供給される、請求項８に記載のバッテリ・システム。
10. 負荷に電圧を供給するための方法であって、
    基準電圧を設定する工程と、
    １つまたは複数のエネルギー貯蔵セルから電力を引き出す工程と、
    前記エネルギー貯蔵セルから引き出された前記電力の電圧を上方調節または下方調節して前記基準電圧に対応させる工程と、
    出力端子を経由して電圧を負荷に供給する工程とを含む方法。
11. 前記エネルギー貯蔵セルがリチウムイオン・セル、ニッケル−カドミウム・セル、鉛酸セル、ニッケル金属水素化物セル、アルカリ・セル、およびそれらの組合せを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 外部供給源から外部基準電圧を受け取る工程、および前記外部基準電圧に合致するように前記基準電圧を設定する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
13. ソフトウェア命令を介して前記基準電圧を設定する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
14. スイッチを使用して前記基準電圧を設定する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記外部基準電圧を記憶ユニットに刻み込む工程、および前記記憶ユニットに刻み込まれた前記外部基準電圧に対応するように前記基準電圧を設定する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
16. 負荷に電圧を供給するための方法であって、
    基準電圧を設定する工程と、
    複数のエネルギー貯蔵セルから電力を引き出す工程と、
    前記エネルギー貯蔵セルから引き出された前記電力の電圧を上方調節または下方調節して前記基準電圧に対応させる工程と、
    出力端子を経由して電圧を負荷に供給する工程と、
    電圧を供給しながらその一方で前記エネルギー貯蔵セルのうちの少なくとも１つを放電試験する工程とを含む方法。
    

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