JP2008504797A - 直列接続されたエネルギー蓄積器のチャージバランスのための装置および方法 - Google Patents

Abstract

エネルギー蓄積器または別のエネルギー源からエネルギーが供給されて、これにより中間回路コンデンサを充電するＤＣ／ＤＣコンバータを備え、該ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧はＤＣ／ＡＣコンバータにおいて逆変換されかつ該交流電圧はＡＣバス線路およびカプリングトランスを介して整流器を用いて脈動する直流電圧に変換されかつこれにより最も僅かな電池電圧を有する電池を充電するという、直列に配置された個別電池のチャージバランスのための装置および方法。

Description

本発明は、直列接続されたエネルギー蓄積器、殊に例えば自動車の車載電源網に使用されるような ２重層コンデンサの直列接続されたコンデンサ（電池）のチャージバランスのための装置および方法に関する。

２重層コンデンサは自動車の車載電源網における短期間の高い電力を蓄積しかつ用意するための最も有意味な技術的な解決法と認められている。それは例えば電気モータとして動作する集積されたスタータ−ジェネレータによる内燃機関の加速度支援（ブースト）時または回生制動過程におけるジェネレータとして動作する集積されたスタータ−ジェネレータによる運動エネルギーから電気エネルギーへの変換時（レキュペレーション）に生じる。

２重層コンデンサの個別電池の最大電圧は２．５Ｖ〜３．０Ｖに制限されているので、例えば６０Ｖ（４２Ｖ車載電源網に使用される２重層コンデンサに対する典型的な電圧値）に対して、約２０〜２５個の個別コンデンサが１つのコンデンサスタックに直列接続されなければならない。

個別電池の種々異なっている自己放電が原因で、時間が経つとコンデンサスタック内に不平光の電荷の蓄積、すなわちチャージアンバランスが形成される。電荷補償、すなわちチャージバランスを行わなければ、このために２重層コンデンサはついには使用不能になる。

自動車において関連する放電曲線を週間もしくは月間の時間空間において予測すると、存在している問題が明らかになる。図１には１８個の電池を有する２重層コンデンサ（コンデンサスタック）に対するコンデンサ電圧のばらつき領域が時間に関して略示されている。図１に図示のばらつき幅（最大値と最小値との間）は、コンデンサスタック内の個別電池の自己放電がどの程度の範囲で変動する可能性があるかを示している。

しかし２重層コンデンサの場合には、例えば鉛蓄電池の場合のようにコンデンサスタックの僅かな過充電による簡単なチャージバランスは可能ではない。

それぞれの個別電池の電圧を別個の電子装置（演算増幅器および分圧器Ｒ１／Ｒ２）を用いて監視しかつ予め定めた最大値Ｕ_ｒｅｆに達するまたはそれを上回ると接続形成可能な並列抵抗Ｒ_ｂｙｐを用いて部分放電を実施するという会社内部で分かっている形態がある（図２）。その場合電池は並列抵抗Ｒ_ｂｙｐを介して放電されかつその電圧Ｕ_Ｃは再び最大値以下に低下する。

最大値が予め定めた電圧値だけ下回ると、並列抵抗Ｒ_ｂｙｐは再び遮断される。

この種の回路は受動状態においては僅かなエネルギーしか消費しないが、チャージバランスは電荷を減らすことによって（並列抵抗Ｒ_ｂｙｐでのエネルギー損失）実現される。この形態は、例えば非常電流装置の給電の場合のように、コンデンサスタックが主に最大電圧近傍で作動されるところでは有意味に使用することができる。

しかしこの構想は、コンデンサスタックに流れる充電電流はチャージバランス回路の放電電流より小さくなければならないことで制限されている。その理由はそうしなければモジュールの充電の際に個別コンデンサのオーバチャージを妨げることができないからである。更にバランスシステムは外部からスイッチオンすることはできず、予め定めた電圧しきい値を上回ることでしかイネーブル化されない。しかし自動車における作動ではまさしくこの状態は比較的長い時間を介して実現されるのではない。このような構成になっているチャージバランスでは長い間にコンデンサスタックに非対称性が生じることになる。このことは試験車両における測定により既に実証されている。

要約するとこの種の回路装置は次の欠点を有している：
１つの電池が最大電圧を上回ったとき（例えばＵ_Ｃ＞２，５Ｖ）、上位のオペレーションガイド部にフィードバックされない、
電池電圧が同じ大きさでありかつそれ故にコンデンサスタックが平衡状態にあるかどうかフィードバックされない、
チャージバランスは、最大電圧を上回るときにしかイネーブル化されない、
エネルギーはバランス過程の期間に抵抗により熱に変換され、
冒頭に説明した車両機能レキュペレーション（回生制動）において発生するような約１ｋＡまでの高電流の場合、このように構成されたチャージバランスは排除されている。

ＥＰ０４３２６３９Ｂ２から、直列接続された多数の蓄電池において弱く充電された蓄電池とその他の蓄電池群との間でチャージバランスを実現することが公知である。ここではこのために、蓄電池スタックのそれぞれの個別蓄電池に対して比較回路および充電回路（矩形関数発生器を有している）並びにダイオード、トランスおよび遮断器が設けられている。

阻止型変換器原理に従ったフライバックコンバータとして動作するような装置（図３）を用いてスタック全体からエネルギーが取り出されかつこのエネルギーが引き続いて最も放電されている蓄電池に戻されて蓄積される。

この手間は２つ、３つの蓄電池には許容されるが、２０とかそれ以上の蓄電池／コンデンサ電池から成るスタックには大きすぎるというものである。

択一的にここで別のエネルギー源（例えば付加的なバッテリー）を利用することができ、これにより回路は付加的にコンデンサスタックの緩慢な充電のために用いることができる（ＤＥ１０２５６７０４Ｂ３）。

この形式のチャージバランスは更に個別コンデンサの最大電圧の到達に無関係にいつでも実施することができ、コンデンサスタックに危険なチャージアンバランスが形成される可能性はまずない。

その際電荷が移動するだけである。スタックから長期にわたりエネルギーが取り出されないかまたは熱に変換される。このことで、この構想は自動車用途に対する特別魅力的なものになる。その理由は、比較的長い車両停止状態後も、車載電源網に十分なエネルギーがあって成功する機関スタートが確実に保証されなければならないからである。

しかし実現に際し不都合なこととして、フライバックトランスの２次側が非常の多くの接続端子を必要とすることがある。このことから、４２Ｖ車載電源網に対して必要であるような、例えば２５の個別電池を有するコンデンサスタックの場合、５０の接続端子が生じる。技術的な実現という観点ではこのために、市販されていない特有の巻型が必要になってくる。更にスタックの電池の数が変わる度にトランスの整合が必要である。しかしこのことは予測されることである。というのは、２重層コンデンサが技術的に発展するにつれて許容最大電圧は世代毎に上昇しかつ規定のモジュール電圧において相応に僅かな数の個別コンデンサで間に合うということになるからである。

トランスからコンデンサ電池への線路ガイドも煩雑である。スタック内のコンタクトはそれぞれ別個に接続されなければならないからである。上の例においてこのために、トランスに整流器ダイオードが配置されている場合には２６の線路が生じ、その他の場合には５０の線路である。更にこれらの線路にはフライバックコンバータのスイッチング過程からの高周波電圧パルスが負荷され、別個のＥＭＣ障害防止手段が必要である。

別の局面はフライバックコンバータの作動方法である。市販のドライブ制御回路（スイッチングレギュレータＩＣ）は大抵の場合には固定のスイッチング周波数で動作する。磁気メモリ（メモリインダクタンスまたはメモリトランス）の充電はスイッチングタイミングの一方のフェーズにおいて行われ、放電、もしくは出力回路へのエネルギー伝送は他方のフェーズにおいて行われる。このことは、スイッチングされた電流の他に直流成分も一緒に伝送される（非間隙型作動）ときはとりわけ有意味である。普通は、スイッチング間隙（すなわち磁気的なメモリエレメントが完全な放電状態にある時間空間）を回避しようとする。というのは、この時間空間では発振傾向が増幅されて発生しかつ磁気コアのメモリ特性が最適に利用されないからである。発振の原因は、メモリインダクタンスおよび巻線容量から成る共振回路であること、それからこの共振回路がスイッチング間隙の始めに励振されていて、オーミック負荷によって減衰されないという事実に基づいている。

しかしこの用途において非間隙作動は可能ではない。というのは、磁気メモリの連続的な再充電において磁気メモリの完全な放電の前にその都度コア材料の飽和を回避することはできないからである。

本発明の課題は、エネルギー蓄積器の直列接続された個別電池間のチャージバランスのための自己制御される作動を僅かな技術コストで実現することができる、簡単化された構成を有する装置を提供することである。

本発明の課題は、装置、個別電池およびエネルギー蓄積器の機能監視を行うことができる、個別電池のチャージバランスのための方法を提供することである。

この課題は本発明によれば請求項１の特徴部分に記載の装置および請求項１２の特徴部分に記載の、この装置を作動させるための方法によって解決される。

少なくとも２つの直列接続されたエネルギー蓄積器の場合、蓄積された電荷の平衡（チャージバランス）のために必要なエネルギーは交流電圧バスを介してその都度、最も僅かな電圧が降下するエネルギー蓄積器に供給される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

２重層コンデンサの結合および電位分離はトランス介して行われる。

インストールはバスシステムによって簡単に実現できるようになっている。個々のエネルギー蓄積器は１つまたは２つのバス線路を介して給電される。回路に対してほんの僅かでかつ安価な構成要素しか必要とされない。これらは実質的に標準構成要素である。

平衡過程はいつでもイネーブル化することができる。このイネーブル化は例えば、自動車、殊に内燃機関および／またはスタータ−ジェネレータの作動パラメータに基づいてイネーブル化時点を決定する制御装置によって行うことができる。

バランス回路を介してコンデンサスタックの再充電を行うことができる。このような仕方で空のエネルギー蓄積器の直列回路を別のエネルギー蓄積器から再充電することができかつこうして例えば比較的長い間停車していた自動車を再びスタート可能な状態にすることができる。

全体のシステムは簡単に拡張でき、こうした仕方で容易にスケーリング可能である。

回路装置は特別な仕方で直列接続されたエネルギー蓄積器スタックおよび／または個別電池または全体のエネルギー蓄積器のケーシングに収容するのに適している。

エネルギー蓄積器としてここでは殊に、スーパーキャップまたはウルトラキャップとも称される２重層コンデンサが適している。

本発明の実施例を以下に図面に基づいて詳細に説明する。

図中：
図１は２重層コンデンサの種々の電池のコンデンサ電圧の経過を時間に関して示し、
図２はエネルギー蓄積器におけるチャージバランスを実現するための公知の回路装置を示し、
図３はエネルギー蓄積器におけるチャージバランスを実現するための別の公知の回路装置を示し、
図４は本発明のチャージバランスのための回路をブロック線図にて示し、
図５はチャージバランス回路の第１の実施例を略示し、
図６はチャージバランス回路の第２の実施例を略示し、かつ
図７はチャージバランス回路の第２の実施例を略示している。

図１ないし図３は既に上に説明した通りである。

本発明のエネルギー蓄積器のチャージバランスのための基本回路が図４にブロックにて示されている。第１のコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ１）により直流電圧が生成される。この直流電圧は第２のコンバータ（ＤＣ／ＡＣコンバータ２）を介して例えば５０Ｈｚのパルス周波数によって逆変換されかつこの交流電圧がＡＣバス４に供給される。バスとしてここで表されるのは導体（ケーブル、銅線条など）系である。

このバス４にそれぞれ１つのカプリングトランスＴｒおよび整流器３を介して、２重層コンデンサＤＬＣの直列接続されている電池Ｚ_１ないしＺ_ｎが接続されている。カプリングトランスは電位分離およびエネルギー伝送のために使用される。

図５には、エネルギー蓄積器（電池）のチャージバランスのための本発明の回路装置の第１実施例が示されている。２重層コンデンサＤＬＣの個別電池Ｚ_１ないしＺ_ｎの直列接続を介して降下する電圧Ｕ_ＤＬＣはＤＣ／ＤＣコンバータ、例えば電流制御型ステップダウンコンバータに第１のスイッチＳ１を介して供給される。第２のスイッチＳ２を介して付加的にまたは択一的にエネルギー源、例えば蓄電池ＢがＤＣ／ＤＣコンバータ１に接続されるようにしてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１はＤＣ／ＡＣコンバータ２の入力側に電気的に接続されている。これは中間回路コンデンサＣ_Ｚと２つのハーフブリッジを備えたフルブリッジ回路とを有している。フルブリッジ回路は第１および第２のトランジスタＴ１−Ｔ２、もしくは第３および第４のトランジスタＴ３−Ｔ４から成っており、これらの出力側、トランジスタＴ１−Ｔ２、もしくはＴ３−Ｔ４の接続点はそれぞれバス線路４．１，４．２に接続されている。それぞれのバス線路はそれぞれに配属されているハーフブリッジを介してエネルギーが供給される。

それぞれの電池Ｚ_１ないしＺ_ｎには
ａ）カプリングトランスＴｒ_１ないしＴｒ_ｎが配属されており、これらトランスの１次巻線は２つのバス線路４．１および４．２間にありかつ
ｂ）整流器回路３が配属されており、それは配属されているカプリングトランスの２次巻線と電池自体との間にある。

電池Ｚ_ｘ（ｘ＝１ないしｎ）に対して例えばこのことは次のようになる：
カプリングトランスＴｒ_ｘの２次巻線の第１の接続端子は電池Ｚ_ｘに向かって流れるダイオードＤｘ_ａを介して電池Ｚ_ｘの正の接続端子に接続されておりかつ
電池から出て行く方向に流れるダイオードＤ_ｘｂを介して電池Ｚ_ｘの負の接続端子に接続されておりかつカプリングトランスＴｒ_ｘの２次巻線の第２の接続端子は電池Ｚ_ｘに向かって流れるダイオードＤ_ｘｃを介して電池Ｚ_ｘの正の接続端子に接続されておりかつ電池から出て行く方向に流れるダイオードＤ_ｘｂを介して電池Ｚ_ｘの負の接続端子に接続されている。

すなわち４つの整流器ダイオードＤ_ｘａないしＤ_ｘｄはそれぞれ、グレッツ整流器を形成している。

ＤＣ／ＡＣコンバータ２は例えば５０ｋＨｚのパルス周波数によって動作する。引き続いて出力制御能力が制限されているカプリングトランスが使用されているので、ＡＣバス上の直流電圧のない信号を考慮しなければならない。

ＡＣバス線路４．１および４．２のドライブ制御の際に、カプリングトランスの２次側に交流電圧が現れる。この交流電圧が最も僅かな電池電圧を有する電池Ｚ_ｘの電池電圧Ｕ_ｚｘと２つのダイオードにかかる順電圧とから成る和に達すると、これは後続の整流器回路３を用いて脈動する直流電圧に整流されかつこの電池において電流を招来する。他のすべての電池は、電池電圧次第で、影響されないかまたは電池電圧Ｕ_Ｚｘ次第でごく僅かにだけ影響される。

最も僅かな電池電圧Ｕｚｘを有している電池Ｚｘに充電されるエネルギーは中間回路コンデンサＣｚから到来する。中間回路コンデンサは一方においてこの負荷によりかつ他方において一定の再充電により必要な電圧に自立的に調整設定される。

僅かなばらつきを有するトランスおよび僅かな順方向電圧を有するダイオードが特別適していると認められている。

矩形信号によってドライブ制御される、ＤＣ／ＡＣコンバータ２の２つのハーフブリッジは逆相に動作する、すなわちトランジスタＴ１およびＴ４が第１のフェーズにおいて導電状態にあるとき、トランジスタＴ２およびＴ３は非道通であり、第２のフェーズにおいてそれは逆になり、ここでトランジスタＴ２およびＴ３が導通しており、一方トランジスタＴ１およびＴ４は非道通状態である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１によりエネルギーは直列接続されている個別電池Ｚ_ｘから成る全体のコンデンサスタック、すなわち２重層コンデンサＤＬＣから取り出される。選択的にまたは付加的にシステムに付加的なスイッチＳ２を介してエネルギーを供給することができる。

第１のフェーズにおいて電流は中間回路コンデンサＣ_ＺからトランジスタＴ１およびバス線路４．１を介してカプリングトランスＴｒ_ｘの１次巻線に流れかつバス線路４．２およびトランジスタＴ４を介して中間回路コンデンサＣ_Ｚに戻る。

第２のフェーズにおいて電流は中間回路コンデンサＣ_ＺからトランジスタＴ３およびバス線路４．２を介してカプリングトランスＴｒ_ｘの１次巻線に流れ（今や反対方向に）かつバス線路４．１およびトランジスタＴ２を介して中間回路コンデンサＣ_Ｚに戻る。

１次巻線のドライブ制御により、すべてのカプリングトランスＴｒ１ないしＴｒｎの２次巻線における電圧はどんどん上昇し、ついにはそれは最も少ししか充電されていない電池Ｚ_ｘの電池電圧＋２つのダイオード電圧に相応するまでになる。

この電圧の作用により、第１のフェーズにおいて電流は２次巻線の第１の接続端子からダイオードＤ_ｘａ、最も僅かにしか充電されている電池Ｚ_ｘおよびダイオードＤ_ｘｄを通って２次巻線の第２の接続端子に戻り、これにより電池Ｚ_ｘは充電される。

第２のフェーズにおいてカプリングトランスＴｒ_ｘの２次巻線における同じ大きさの今や反対向きの電圧により電流は２次巻線の第２の接続端子からダイオードＤ_ｘｃ、電池Ｚ_ｘおよびダイオードＤ_ｘｂを通って２次巻線の第１の接続端子に流れ、これにより電池Ｚ_ｘは同様に充電される。

これにより最も強く放電している電池Ｚ_ｘの非常に効果的な再充電が実現される。

この電池は、電池電圧が別の電池の次に高い電池電圧に達するまで充電される。それから脈動する直流電流がこれら２つの電池を通って流れて、ついにはすべての電池が同じ電池電圧を有するまでになる。

図６はエネルギー蓄積器（電池）のチャージバランスのための本発明の回路装置の第２の実施例を示している。

この実施例は図５の第１の実施例とは、２次巻線を有するカプリングトランスにそれぞれ２つの隣接する（相互に直列接続された）電池が配属されていることだけが相異している。

２つの隣接する電池Ｚ_ｘおよびＺ_ｘ＋１に対して配属されているカプリングトランスＴｒ_ｘの２次巻線の第１の接続端子は電池Ｚ_ｘに向かって流れるダイオードＤ_ｘを介して電池Ｚ_ｘの正の接続端子に接続されかつ電池から流れ出る電流を通すダイオードＤ_ｘ＋１を介して別の電池Ｚ_ｘ＋１の負の接続端子に接続されている。２次巻線の第２の接続端子は２つの電池Ｚ_ｘおよび電池Ｚ_ｘ＋１の接続点に直接接続されている。

カプリングトランスの１次巻線のドライブ制御は、図５の実施例において既に説明した通りに行われる。

第１のフェーズにおいて、図５の実施例において既に説明したように、カプリングトランスＴｒ_ｘの２次巻線における電圧が上昇して、ついにそれは、最小の電池電圧Ｕ_Ｚｘを有する電池Ｚ_ｘの電池電圧Ｕ_Ｚｘ＋ダイオード電圧に相応するようになる。

この電圧により電流は２次巻線の第１の接続端子からダイオードＤ_ｘ、電池Ｚ_ｘを通って２次巻線の第２の接続端子に戻り、これにより電池Ｚ_ｘが充電される。

他方のフェーズにおいてカプリングトランスＴｒ_ｘの２次巻線における今や反対向きの電圧により電流は２次巻線の第２の接続端子から電池Ｚ_ｘ＋１、ダイオードＤ_ｘ＋１を通って流れ、２次巻線の第１の接続端子に戻り、これにより電池Ｚ_ｘ＋１は、電池電圧が電池電圧Ｕ_Ｚｘに相応するとき、同様に充電される。電池電圧Ｕ_Ｚｘ＋１が比較的高ければ、電池Ｚ_ｘ＋１を通って電流は流れない。

電池Ｚ_ｘは、電池電圧が別の電池の次に高い電池電圧に達するまで充電される。それから脈動する直流電流が次々にこれら２つの電池を通って流れて、ついにはすべての電池が同じ電池電圧を有するまでになる。

図７はエネルギー蓄積器（電池）のチャージバランスのための本発明の回路装置の第３の実施例を示している。

この実施例は図６の第２の実施例とは、２つの２次巻線および中間タップを有するカプリングトランスが使用され、ここでそれぞれの２次巻線に１つの電池が配属されている点で相異している。

２つの隣接する電池Ｚ_ｘおよびＺ_ｘ＋１に対して、配属されているカプリングトランスＴ_ｒｘの第１の２次巻線の第１の接続端子は
ａ） 第１の電池に向かって流れる第１のダイオードＤ_ｘａを介して第１の電池Ｚ_ｘの正の接続端子に接続されており、かつ
ｂ） 電池から出て行く方向に電流を流す第２のダイオードＤ_ｘｂを介して第２の電池Ｚ_ｘ＋１の負の接続端子に接続されており、かつ
配属されているカプリングトランスＴｒ_ｘの第２の２次巻線の第２の接続端子は
ｃ） 電池に向かって流れる第３のダイオードＤ_ｘｃを介して第１の電池Ｚ_ｘの正の接続端子に接続されており、かつ
ｄ） 電池から出て行く方向に電流を流す第４のダイオードＤ_ｘｂを介して第２の電池Ｚ_ｘ＋１の負の接続端子に接続されている。

２つの２次巻線の中間タップ、すなわち第１の２次巻線の第２の接続端子および第２の２次巻線の第１の接続端子は２つの電池Ｚ_ｘおよびＺ_ｘ＋１の接続点に接続されている。

カプリングトランスの１次巻線のドライブ制御は、図５の実施例において既に説明したのと同じように行われる。

第１のフェーズにおいて、既に前に説明したように、カプリングトランスＴｒ_ｘの２次巻線における電圧が上昇して、ついにそれは、最小の電池電圧Ｕ_Ｚｘを有する電池Ｚ_ｘの電池電圧Ｕ_Ｚｘ＋ダイオード順電圧に相応するようになる。

この電圧のために、第１の電池に配属されている第１の２次巻線の第１の接続端子から電流が第１のダイオードＤ_ｘａ、第１の電池Ｚ_ｘを通って流れ、中間タップに戻り、これにより電池Ｚ_ｘは充電される。

第２の電池Ｚｘ＋１が第１の電池Ｚｘより高い電池電圧ＵＺｘ＋１を有していると仮定したので、第１のフェーズにおいて電池Ｚｘ＋１を介して電流は流れない。

しかし第２の電池Ｚ_ｘ＋１の電池電圧Ｕ_Ｚｘ＋１が第１の電池Ｚ_ｘの電池電圧と同じであれば、第１のフェーズにおいて中間タップから第２の電池Ｚ_ｘ＋１を介しても電流が流れ、かつこれは第２のダイオードＤ_ｘｂを介して第２の２次巻線の第２の接続端子に戻る。

第２のフェーズにおいてカプリングトランスＴｒ_ｘの２次巻線における今や反対向きの電圧により電流は２次巻線の第２の接続端子から第３のダイオードＤ_ｘｃ、第１の電池Ｚ_ｘを通って流れかつ第２の２次巻線の第１の接続端子に戻り、これにより電池Ｚ_ｘは同様に充電される。

電池Ｚ_ｘ＋１は電池Ｚ_ｘより高い電池電圧Ｕ_Ｚｘ＋１を有しているので、別のフェーズにおいても電池Ｚ_ｘ＋１を通って電流は流れない。

しかし第２の電池Ｚ_ｘ＋１の電池電圧Ｕ_Ｚｘ＋１が第１の電池Ｚ_ｘの電池電圧と同じに低ければ、第２のフェーズにおいて中間タップから第２の電池Ｚ_ｘ＋１を介しても電流が流れ、かつこれは第４のダイオードＤ_ｘｄを介して第１の２次巻線の第１の接続端子に戻る。

それから電池Ｚ_ｘは、その電池電圧が別の電池の次に高い電池電圧に達するまで充電される。それから脈動する直流電流が次々に、これら２つの電池を通って流れて、ついにはすべての電池が同じ電池電圧を有するまでになる。

３つすべての実施例の回路は複雑な高価な個別部品を必要としない。

ＡＣバス線路４．１および４．２の構造によりシステムは容易に拡張可能である。付加的なエネルギー蓄積器はバスに容易に接続されるようにすることができる。

本発明のチャージバランスのための回路装置は別のエネルギー蓄積器、例えば直列接続されている蓄電池のチャージバランスのためにも使用することができる。

これらの回路装置（ＤＬＣ、整流器ダイオード、結合コンデンサおよびバス線路）は個別電池に対するケーシングに集積してもよいし、すべての電池に共通なケーシングに集積してもよい。このような仕方で、３つまたは４つだけの接続端子を有してるコンパクトなユニットを形成することができる。

２重層コンデンサの種々の電池のコンデンサ電圧の経過を時間に関して示す図 エネルギー蓄積器におけるチャージバランスを実現するための公知の回路装置を示す図 エネルギー蓄積器におけるチャージバランスを実現するための別の公知の回路装置を示す図 本発明のチャージバランスのための回路をブロック線図 チャージバランス回路の第１の実施例の略図 チャージバランス回路の第２の実施例の略図 チャージバランス回路の第２の実施例の略図

Claims (17)

1. エネルギー蓄積器（ＤＬＣ）の直列配置されている個別電池（Ｚ_ｘ）のチャージバランスのための装置において、
   ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が設けられており、該コンバータは第１のスイッチ（Ｓ１）を介してエネルギー蓄積器（ＤＬＣ）の正の接続端子に接続されており、
   ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）に後置接続されているＤＣ／ＡＣコンバータ（２）が設けられており、該ＤＣ／ＡＣコンバータは中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）およびブリッジ回路（Ｔ１ないしＴ４）を含んでおり、
   ＤＣ／ＡＣコンバータ（２）に後置接続されている２つのバス線路（４．１，４．２）が設けられており、かつ
   それぞれ１つまたは２つの隣接する電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１、ただしｘ＝１ないしｎ）とＡＣバス線路（４．１，４．２）との間に１つまたは２つの２次巻線を有するカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）および整流器（３）が配置されている
   ことを特徴とする装置。
2. エネルギー蓄積器（ＤＣＬ）は２重層コンデンサである
   請求項１記載の装置。
3. エネルギー蓄積器（ＤＣＬ）は蓄電池の直列回路から成っている
   請求項１記載の装置。
4. ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）は第２のスイッチ（Ｓ２）を介して別のエネルギー源（Ｂ）に接続可能である
   請求項１記載の装置。
5. ＤＣ／ＤＣコンバータ（１）は電流制御型ステップダウンコンバータである
   請求項１記載の装置。
6. ＤＣ／ＡＣコンバータ（２）のブリッジ回路は多相に構成されており、ここでそれぞれの相は直列接続された２つのトランジスタから成るハーフブリッジ（Ｔ１−Ｔ２，Ｔ３−Ｔ４）として形成されており、該ハーフブリッジは中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）に並列に配置されている
   請求項１記載の装置。
7. ＤＣ／ＡＣコンバータ（２）のブリッジ回路はセルフタイミング型である
   請求項６記載の装置。
8. それぞれのカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の１次巻線は２つのＡＣバス線路（４．１，４．２）の間に配置されている
   請求項１記載の装置。
9. エネルギー蓄積器（ＤＬＣ）のそれぞれの電池（Ｚ_ｘ）に１つの２次巻線を有するカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）が配属されており、ここでカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次巻線と電池（Ｚ_ｘ）との間に配置されている整流器（３）が、
   カプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次巻線の第１の接続端子が電池（Ｚ_ｘ）に向かって電流を流すダイオード（Ｄ_ｘａ）を介して電池（Ｚ_ｘ）の正の接続端子に接続されておりかつ電池から離れる方向に電流を導くダイオード（Ｄ_ｘｂ）を介して電池（Ｚ_ｘ）の負の接続端子に接続されており、かつ
   カプリングトランス（Ｔ_ｒｘ）の２次巻線の第２の接続端子が電池（Ｚｘ）に向かって電流を流すダイオード（Ｄ_ｘｃ）を介して電池（Ｚ_ｘ）の正の接続端子に接続されておりかつ電池から離れる方向に電流を導くダイオード（Ｄ_ｘｄ）を介して電池（Ｚ_ｘ）の負の接続端子に接続されている
   ように構成されている
   請求項１記載の装置。
10. エネルギー蓄積器（ＤＬＣ）の２つの隣接する電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１）にそれぞれ、２次巻線を有するカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）が配属されており、ここでカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次巻線と電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１）との間に配置されている整流器（３）は、
    配属されているカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次巻線の第１の接続端子が電池（Ｚ_ｘ）に向かって電流を流すダイオード（Ｄ_ｘ）を介して電池（Ｚ_ｘ）の正の接続端子に接続されておりかつ電池から離れる方向に電流を導くダイオード（Ｄ_ｘ＋１）を介して２つの電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１）の接続点に直接接続されており、かつ
    ２次巻線の第２の接続端子が２つの電池（Ｚ_ｘ．Ｚ_ｘ＋１）の接続点に直接接続されている
    ように構成されている
    請求項１記載の装置。
11. エネルギー蓄積器（ＤＬＣ）の２つの隣接する電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１）にそれぞれ、２つの２次巻線および中間タップを有するカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）が配属されており、ここでカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次巻線と電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１）との間に配置されている整流器（３）は、
    配属されているカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の第１の２次巻線の第１の接続端子が電池に向かって電流を流すダイオード（Ｄ_ｘａ）を介して第１の電池（Ｚ_ｘ）の正の接続端子に接続されており、かつ電池から離れる方向に電流を導くダイオード（Ｄ_ｘｂ）を介して第２の電池（Ｚ_ｘ＋１）の負の接続端子に接続されており、かつ
    配属されているカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の第２の２次巻線の第２の接続端子が電池に向かって電流を流すダイオード（Ｄ_ｘｃ）を介して第１の電池（Ｚ_ｘ）の正の接続端子に接続されており、かつ電池から離れる方向に電流を導くダイオード（Ｄ_ｘｄ）を介して第２の電池（Ｚ_ｘ＋１）の負の接続端子に接続されており、かつ
    ２つの２次巻線の中間タップが２つの電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１）の接続点に接続されている
    ように構成されている
    請求項１記載の装置。
12. エネルギー蓄積器（ＤＬＣ）またはその他のエネルギー源（Ｂ）から給電されるＤＣ／ＤＣコンバータ（１）が中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）に電流を供給し、これにより該コンデンサに電池（Ｚ_ｘ）を充電するための電圧（Ｕ_ＣＺ）が形成され、かつ
    ＤＣ／ＡＣコンバータ（２）が該電圧を逆変換しかつＡＣバス線路（４．１，４．２）を介してカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次側に伝送し、かつ
    該２次側の交流電圧を整流器（３）のダイオード（Ｄ_ｘａないしＤ_ｘｄ，Ｄ_ｘ，Ｄ_ｘ＋１、ただしｘ＝１ないしｎ）を用いて、最も僅かな電池電圧を有する電池（Ｄ_ｘ）の電圧が該電池電圧（Ｕ_Ｚｘ）と１つまたは２つのダイオード中電圧に相応する値とから成る和に相応する値に達するや否や該電池（Ｚ_ｘ）に対する整流された、脈動する充電電流に変換する
    ことを特徴とする請求項１記載の装置を作動するための方法。
13. それぞれの電池（Ｚ_ｘ）に２次巻線を有するカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）が配属されているという、請求項１または９記載の装置を作動させるための請求項１２記載の方法において、
    カプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次電圧によって
    第１のフェーズにおいて充電電流が２次巻線の第１の接続端子から第１のダイオード（Ｄｘａ）、最も僅かな電池電圧（Ｕ_Ｚｘ）を有する電池、第４のダイオード（Ｄ_ｘｄ）を介して２次巻線の第２の接続端子に戻るように流れ、かつ
    第２のフェーズにおいて充電電流が２次巻線の第２の接続端子から第３のダイオード（Ｄ_ｘｃ）、前記電池（Ｚ_ｘ）、第２のダイオード（Ｄ_ｘｂ）を介して２次巻線の第１の接続端子に戻るように流れる
    方法。
14. ２つの隣接する電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１）それぞれに２次巻線を有するカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）が配属されているという、請求項１または１０記載の装置を作動させるための請求項１２記載の方法において、
    カプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次電圧によって
    第１のフェーズにおいて電流が第１の２次巻線の第１の接続端子から第１のダイオード（Ｄ_ｘ）、最も僅かな電池電圧（Ｕ_Ｚｘ）を有する第１の電池（Ｚ_ｘ）を介して２次巻線の第２の接続端子に戻るように流れ、かつ
    第２のフェーズにおいて電流は流れない
    方法。
15. ２つの電池電圧（Ｕ_Ｚｘ，Ｕ_Ｚｘ＋１）が同じ場合、カプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次電圧により第２のフェーズにおいて電流が２次巻線の第２の接続端子から第２の電池（Ｚ_ｘ＋１）および第２のダイオード（Ｄ_ｘ＋１）を介して２次巻線の第１の接続端子に戻るように流れる
    請求項１４記載の方法。
16. ２つの隣接する電池（Ｚ_ｘ，Ｚ_ｘ＋１）それぞれに２つの２次巻線および中間タップを有するカプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）が配属されているという、請求項１または１１記載の装置を作動させるための請求項１２記載の方法において、
    カプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次電圧によって
    第１のフェーズにおいて電流が第１の２次巻線の第１の接続端子から第１のダイオード（Ｄ_ｘａ）、最も僅かな電池電圧（Ｕ_Ｚｘ）を有する第１の電池（Ｚ_ｘ）を介して中間タップに戻るように流れ、かつ
    第２のフェーズにおいて電流は第２の２次巻線の第２の接続端子から第３のダイオード（Ｄ_ｘｃ）、前記第１の電池（Ｚ_ｘ）を介して中間タップに戻るように流れる
    方法。
17. ２つの電池電圧（Ｕ_Ｚｘ，Ｕ_Ｚｘ＋１）が同じ場合、カプリングトランス（Ｔｒ_ｘ）の２次電圧により
    第１のフェーズにおいて電流が中間タップから第２の電池（Ｚ_ｘ＋１）および第２のダイオード（Ｄ_ｘｂ）を介して第２の２次巻線の第２の接続端子に戻るようにも流れ、かつ
    第２のフェーズにおいて電流が中間タップから第２の電池（Ｚ_ｘ＋１）および第４のダイオード（Ｄ_ｘｄ）を介して第１の２次巻線の第１の接続端子に戻るようにも流れる
    請求項１６記載の方法。

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