JP2008504798A - 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

エネルギー蓄積器の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。エネルギー蓄積器の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。は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を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータを備え、これにより中間回路コンデンサを充電し、コンデンサの電圧はＤＣ／ＡＣコンバータにおいて逆変換されかつこの交番電圧がＡＣバスおよび結合コンデンサを介して整流器を用いて脈動する直流電流に変換されかつこれにより最も低い電池電圧を有する電池を充電する。

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、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、この装置のための方法も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１１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（ＡＣバス）を介してその都度、最も僅かな電圧が降下する電池に供給される。

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。

電池の結合および電位分離は本発明によればコンデンサを介して行われる。

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。個々の電池は１つまたは２つのＡＣ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電池の直列回路を別のエネルギー源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かつこれにより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エネルギー蓄積器の、直列接続された電池のスタックおよび／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、かつ
図６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電池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つの結合コンデンサおよび整流器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。結合コンデンサＣ_Ｋは電位分離のために使用されかつ交番電圧により部分的に逆充電される。

図５には、２重層コンデンサＤＬＣの電池Ｚ_１ないしＺ_ｎ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。中間回路コンデンサＣ_Ｚは２重層コンデンサＤＬＣからスイッチＳ１を介して充電することができるか、または蓄積器ＢからスイッチＳ２を介して充電することができる。ＤＣ／ＡＣコンバータ２の２つのトランジスタＴ１およびＴ２の間に存在する出力側はＡＣバス４に接続されている。ＡＣバスはそれぞれ、おのおのに配属されている電池Ｚ_１ないしＺ_ｎに対する結合コンデンサＣ_Ｋを有している。

それぞれの結合コンデンサＣ_Ｋｘ（ｘ＝１…ｎ）とそれに配属されている電池Ｚ_ｘの間には整流器、ここではそれぞれ２つのダイオードＤ_ｘａ，Ｄ_ｘｂから成る整流器が配置されている。ダイオード（Ｄ_ｘａ）はそれぞれ、結合コンデンサＣ_Ｋｘの、ＡＣバス４とは反対の方の側の接続端子を配属されている電池Ｚ_ｘの高い方の電位を有している接続端子（後に「正の接続端子」と表す）に接続しかつダイオードＤ_ｘｂはこの接続端子をこの配属されている電池Ｚ_ｘの低い方の電位を有している接続端子（後に「負の接続端子」と表す）に接続する。

ここでダイオードＤ_ｘａは結合コンデンサＣ_Ｋｘから電池Ｚ_ｘの正の接続端子に向かって順方向に極性付けられており、一方ダイオードＤ_ｘｂは電池Ｚ_ｘの負の接続端子から結合コンデンサＣ_Ｋｘに向かって順方向に極性付けられている。

この実施例においてハーフブリッジＴ１，Ｔ２から成るＤＣ／ＡＣコンバータ２は、２つのトランジスタＴ１およびＴ２の間に存在している出力側に矩形の交番電圧を供給する。この電圧は結合コンデンサＣ_Ｋ１ないしＣ_Ｋｎにより個別電池Ｚ_１ないしＺ_ｎに伝送することができる。

結合コンデンサに対して種々のタイプのコンデンサを使用することができる。しかしコンデンサの容量、周波数および内部損失抵抗は相互に整合されなければならない。誤整合は結合コンデンサの大きすぎる再充電を招き、ひいてはバランス回路の選択性およびシャープな分離特性をいつまでも劣化することになる。

接続する整流器３（ダイオードＤ_１ａ，Ｄ_１ｂないしＤ_ｎａ，Ｄ_ｎｂ）を介して電流は再び整流されかつ電池Ｚ_１ないしＺ_ｎに充電電流として供給される。

２重層コンデンサからＤＬＣの直列接続されたコンデンサ電池Ｚ_１ないしＺ_ｎにおけるチャージアンバランスを実現できるようにするために、最高の電圧を有している電池Ｚ_１ないしＺ_ｎからエネルギーを取り出さなければならずかつ最低の電圧が生じている電池に再び供給して、この電池が充電されるようにしなければならない。

回路は３つの部分回路に分割される。第１の部分は、有利にはＤＣ／ＤＣスイッチングレギュレータ１として実現されている電流源である。エネルギー（チャージアンバランスの際）は２重層コンデンサＤＬＣ自体から到来するかまたは（充電過程の際）例えば蓄積器Ｂである第２のエネルギー源から到来する。このエネルギーは第２の部分回路の中間回路コンデンサＣ_Ｚに供給される。ＤＣ／ＤＣスイッチングレギュレータ１に対しては公知のすべての種々の形態が使用可能である。有利には、トランジスタ、チョークおよびフリーホイールダイオード（図示なし）から成るステップダウン型スイッチングレギュレータとして実現されている。

第２の部分回路２は中間回路コンデンサＣ_Ｚの他にブリッジ回路、ここではハーフブリッジを有している。これは２つのトランジスタＴ１およびＴ２から成っており、中間回路コンデンサＣ_Ｚから給電されかつその出力側はＡＣバス４を介してすべての結合コンデンサＣ_Ｋ１ないしＣ_Ｋｎに導かれている。この回路は、基準電位ＧＮＤ（アース）に関連して、交番電圧を発生する。

第３の部分回路、整流器３は電池Ｚ_１ないしＺ_ｎ毎に１個存在している。整流器は交番電圧を電池を流れる脈動する直流電流に変換する。

チャージバランスの過程を電池Ｚ_ｘ（ただしｘ＝１ないしｎ）を例として説明する。この電池はこの実施例において最低の電池電圧Ｕ_Ｚｘを有している電池とする。

結合コンデンサＣ_Ｋｘは交番電圧信号の負の位相において（トランジスタＴ２が導通している）下側のダイオードＤ_１ｂを通って低い方の電位（電池の負の接続端子）に（ダイオードＤ_１ｂの順電圧を差し引いて）充電される。

交番電圧信号が電位を引き続き十分に大きく持ち上げるとき（トランジスタＴ１は導通している）、電流は中間回路コンデンサＣ_ＺからトランジスタＴ１，ＡＣバス４、結合コンデンサＣ_ＫｘおよびダイオードＤ_ｘａを介して電池Ｚｘを通りかつ正の接続端子が充電すべき電池Ｚ_ｘの正の接続端子より、基準電位ＧＮＤに対して低い電位を有しているすべての電池を通り、すなわちここでは電池Ｚ_ｘ＋１ないしＺ_ｎを通り、かつそこから中間回路コンデンサＣ_Ｚに戻る。

交番電圧信号の後続の負の位相において（トランジスタＴ２が再び導通状態になる）電流は反対方向に、正の接続端子が充電すべき電池Ｚ_ｘの正の接続端子より、基準電位ＧＮＤに対して低い電位を有しているすべての電池を通り、すなわちここでは電池Ｚ_ｎないしＺ_ｘ＋１を通り、かつ今度はダイオードＤ_ｘｂおよび結合コンデンサＣ_Ｋｘを通る。電流回路はＡＣバス４および導通しているトランジスタＴ２を介して閉じられる。

従って電池Ｚ_ｎにおいて脈動する直流電流が生じ、一方正の接続端子が基準電位ＧＮＤに対して低い電位を有しているすべての電池Ｚ_ｘ＋１ないしＺ_ｎには交番電流が供給される。

脈動する直流電流は最も低い電池電圧Ｕ_ｚｘを有する電池Ｚ_ｘにだけしか流れることができ、その際にこの電池を第１番に充電して、これが別の電池の次に高い電池電圧に達するようにする。脈動する直流電流はそれからこれら２つの電池に分かれ、ついにはこれはその際に次に高い電池電圧を有する電池に達することになる。この過程は次々に生じ、このような仕方で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のすべての電池のチャージバランスが実現される。

２重層コンデンサＤＬＣのそれぞれの電池Ｚ_ｘを充電するエネルギーは中間回路コンデンサＣ_Ｚから来る。このコンデンサは一方においてこの負荷によりおよび他方において一定の再充電により適当な電圧Ｕ_Ｃｚに自立的に調整設定される。その際に最も僅かな電圧が降下する電池が最も大きなエネルギーを得、一方で瞬時的に比較的高い電池電圧が降下する電池（ここではＺ_１ないしＺ_ｘ−１およびＺ_ｘ＋１ないしＺ_ｎ）にはエネルギーは全く供給されない。

その際高いＱの高容量の結合コンデンサＣ_Ｋｘ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ことが示されている。

本発明の回路は次の機能群を有している：
Ｈブリッジ２に給電する電流制御型ステップダウンコンバータ１、
セルフタイミング型Ｈブリッジ２、
個別電池がエネルギーの出力結合のために接続されているＡＣバス４、
電位分離しかつエネルギー伝送のための結合コンデンサＣ_Ｋ１ないしＣ_Ｋｎ、および
その都度最も僅かな電圧を有している電池を充電する、交番電流を整流するためのダイオードＤ１ａ，Ｄ１ｂないしＤｎａ，Ｄｎｂを有する整流器３。

図６には、フルブリッジおよび（グレッツ）整流器を有する本発明の回路装置の別の実施例が２相の変形形態において示されている。ここでも電池Ｚ_ｘは最低の電池電圧Ｕ_ｚｘを有する電池とする。

ここで機能の同じ部分には図５と同じ参照符号が付されている。

２つの相を有する実施例の回路は上に説明しかつ図５に図示されている１つのハーフブリッジおよび１つの相を有する実施例と類似して動作する。しかしここでは付加コストに、見合った利点も得られる。

図６の実施例はＤＣ／ＡＣコンバータ２として２つのハーフブリッジを有するフルブリッジ回路を有している。この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、これらトランジスタ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。

バス線路４．１はそれぞれ１つの結合コンデンサＣ_Ｋ１ａないしＣ_Ｋｎａ、およびそれぞれ２つのダイオードＤ_１ａ，Ｄ_１ｂないしＤ_ｎａ，Ｄ_ｎｂから成る整流器回路を介して直列接続されている電池Ｚ_１ないしＺ_ｎに接続されている。

バス線路４．２はそれぞれ１つの結合コンデンサＣ_Ｋ１ｂないしＣ_Ｋｎｂ、およびそれぞれ２つのダイオードＤ_１ｃ，Ｄ_１ｄないしＤ_ｎｃ，Ｄ_ｎｄから成る整流器回路を介して直列接続されている電池Ｚ_１ないしＺ_ｎに接続されている。

電池Ｚ_ｘを例とするとこのことは次の通りとなる：
ハーフブリッジＴ１−Ｔ２に接続されているバス線路４．１は結合コンデンサＣ_Ｋｘａを介して一方において電池の方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他方において結合コンデンサに向かって電流を流すダイオード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。

付加的にハーフブリッジＴ３−Ｔ４に接続されているバス線路４．２は結合コンデンサＣ_Ｋｘｂを介して一方において電池の方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他方において結合コンデンサに向かって電流を流すダイオード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。

従ってＤ_ｘａ，Ｄ_ｘｂおよびＤ_ｘｃ，Ｄ_ｘｄは電池Ｚ_ｘに対して並列に動作する。同様に回路はすべての別の電池Ｚ_１ないしＺ_ｘ＋１に対しても同じことである。

ここで２相の場合の重要な利点は、瞬時的に充電されない本来は関与していない電池、すなわち正の接続端子が基準電位ＧＮＤに対して低い電位だが、電池Ｚ_ｘより高い電池電圧Ｕ_Ｚを有しているすべての電池を通る（すなわちここでは電池Ｚ_ｘ＋１ないしＺ_ｎを通る）交番電流が省略されることである。

この実施例において２つのハーフブリッジは逆相に、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通しているとき、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であり、ここではトランジスタＴ２およびＴ３は導通であり、一方トランジスタＴ１およびＴ４は非道通である。

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を介してバス４．１に流れ、結合コンデンサＣ_ＫｘａおよびダイオードＤ_ｘａを介して電池Ｚ_ｘを通りかつ戻り方向でダイオードＤ_ｘｄ、結合コンデンサＣ_Ｋｘｂ、バス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を介してバス４．２に流れ、結合コンデンサＣ_ＫｘｂおよびダイオードＤ_ｘｃを介して電池Ｚ_ｘを通りかつ戻り方向でダイオードＤ_ｘｂ、結合コンデンサＣ_Ｋｘ、バス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。

一方の結合コンデンサＣ_Ｋｘａの再充電電流および他方の結合コンデンサＣ_Ｋｘｂの再放電電流が補償される。

ステップダウンコンバータ１によりエネルギーは直列接続されている個別電池から成る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。選択システムに付加的なスイッチＳ２を介してエネルギーが供給されるようにすることもできる。

それぞれのＡＣバスにかかる電圧は、それが最低の電池電圧＋１つ（図５の実施例）もしくは２つ（図６の実施例）のダイオード電圧に相応するまえ上昇し続ける。これにより最も強く放電された電池の非常に効率のよい再充電が実現される。

全体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もしくは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Ｚ_ｎ＋１はバスに容易に接続されるようにすることができるかまたは余分な蓄積器を省略することができる。

チャージバランス回路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もできる。

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単数／複数のバス線路）は個別電池を囲繞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

Claims (13)

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_１ないしＺ_ｎ）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）の一方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少なくとも１つのＡＣバス（４，４．１，４．２）が設けられており、かつ
   それぞれの電池（Ｚ_１ないしＺ_ｎ）とＡＣバス（４，４．１，４．２）との間に少なくとも１つの結合コンデンサ（Ｃ_Ｋ１ないしＣ_Ｋｎ，Ｃ_Ｋ１ａおよびＣ_Ｋ１ｂないしＣ_ＫｎａおよびＣ_Ｋｎｂ）と整流器（３）との直列接続が配置されている
   ことを特徴とする装置。
2. 整流器（３）は、
   １つのダイオード（Ｄ_ｘａ，Ｄ_ｘｃ）が結合コンデンサ（Ｃ_Ｋｘ，Ｃ_Ｋｘａ，Ｃ_Ｋｘｂ、ただしｘ＝１ないしｎ）の、ＡＣバス（４，４．１，４．２）とは反対の側の接続端子から配属されている電池（Ｚ_ｘ）の正の接続端子に向かって流れ、かつ
   別のダイオード（Ｄ_ｘｂ，Ｄ_ｘｄ）が電池（Ｚ_ｘ）の負の接続端子から配属されている結合コンデンサ（Ｃ_Ｋｘ，Ｃ_Ｋｘａ，Ｃ_Ｋｘｂ）の、ＡＣバス（４，４．１，４．２）とは反対の側の接続端子に向かって流れる
   ように構成されている
   請求項１記載の装置。
3. 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。
4. 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。
5. ＤＣ／ＡＣコンバータ（２）のブリッジ回路は、中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）に並列に直列に配置されている２つのトランジスタ（Ｔ１，Ｔ２）を有する単相のハーフブリッジとして形成されている
   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形成されており、ここでそれぞれの相はハーフブリッジとして、中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）に並列に配置されている、直列接続されている２つのトランジスタ（Ｔ１−Ｔ２，Ｔ３−Ｔ４）から成っている
   請求項１記載の装置。
7. 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。
8. 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。
9. 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５または６記載の装置。
10. エネルギー蓄積器（ＤＬＣ）、整流器（３）、結合コンデンサ（Ｃ_Ｋ１ないしＣ_Ｋｎ，Ｃ_Ｋ１ａおよびＣ_Ｋ１ｂないしＣ_ＫｎａおよびＣ_Ｋｎｂ）およびＡＣバス（４，４．１，４．２）は１つの共通のケーシングに集積されている
    請求項１記載の装置。
11. 請求項１記載の装置を作動するための方法において、
    エネルギー蓄積器（ＤＬＣ）または別のエネルギー源（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、これにより該中間回路コンデンサに電池（Ｚ_１ないしＺ_ｎ）の充電のための電圧（Ｕ_Ｃｚ）が生じ、かつ
    ＤＣ／ＡＣコンバータ（２）が該電圧（Ｕ_Ｃｚ）を逆変換しかつ１つまたは複数のＡＣバス（４，４．１，４．２）、配属されている結合コンデンサ（Ｃ_Ｋ１ないしＣ_Ｋｎ，Ｃ_Ｋ１ａおよびＣ_Ｋ１ｂないしＣ_ＫｎａおよびＣ_Ｋｎｂ）および整流器（３）のダイオード（Ｄ_１ａないしＤ_ｎｄ）を介して最も低い電池電圧（Ｕ_Ｚｘ）を有する電池（Ｚ_ｘ）に整流され、脈動する充電電流を供給する
    ことを特徴とする方法。
12. 単相のＤＣ／ＡＣコンバータ（２）の場合、最も低い電池電圧（Ｕ_Ｚｘ）を有する電池（Ｚ_ｘ，ｘ＝１ないしｎ）に対する充電電流は
    正のフェーズにおいて中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）から導通している第１のトランジスタ（Ｔ１）、ＡＣバス（４）、結合コンデンサ（Ｃ_Ｋｘ）、ダイオード（Ｄ_ｘａ）を介して電池（Ｚ_ｘ）に流れかつそこから、正の接続端子が充電すべき電池（Ｚ_ｘ）の正の接続端子より基準電位（ＧＮＤ）に対して僅かである電位を有しているすべての電池（Ｚ_ｘ＋１ないしＺ_ｎ）を介して流れ、かつ基準電位（ＧＮＤ）を介して中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）に戻り、かつ
    負のフェーズにおいて反対の方向において今や導通している第２のトランジスタ（Ｔ２）から、正の接続端子が充電すべき電池（Ｚ_ｘ）の正の接続端子より基準電位（ＧＮＤ）に対して僅かである電位を有している電池（Ｚ_ｎないしＺ_ｘ＋１）、ダイオード（Ｄ_ｘｂ）、結合コンデンサ（Ｃ_Ｋｘ）およびＡＣバス（４）を通って第２のトランジスタ（Ｔ２）に流れて戻る
    請求項１１記載の装置。
13. 多相のＤＣ／ＡＣコンバータ（２）の場合、最も低い電池電圧（Ｕ_Ｚｘ）を有する電池（Ｚ_ｘ，ｘ＝１ないしｎ）に対する充電電流は
    第１のフェーズにおいて中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）から第１のトランジスタ（Ｔ１）、第１のＡＣバス（４．１）、結合コンデンサ（Ｃ_Ｋｘａ）およびダイオード（Ｄ_ｘａ）を介して電池（Ｚ_ｘ）に流れかつダイオード（Ｄ_ｘｄ）、結合コンデンサ（Ｃ_Ｋｘｂ）、第２のバス（４．２）および第４のトランジスタ（Ｔ４）を介して中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）に戻り、かつ
    第２のフェーズにおいて中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）から第３のトランジスタ（Ｔ３）、ＡＣバス（４．２）、結合コンデンサ（Ｃ_Ｋｘｂ）およびダイオード（Ｄ_ｘｃ）を介して電池（Ｚ_ｘ）に流れかつダイオード（Ｄ_ｘｂ）、結合コンデンサ（Ｃ_Ｋｘａ）、ＡＣバス（４．１）および第２のトランジスタ（Ｔ２）を介して中間回路コンデンサ（Ｃ_Ｚ）に流れて戻る
    請求項１１記載の装置。

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