JP2010528576A - 蓄電池アセンブリおよびそれを用いた電力システム - Google Patents
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Abstract
Description
a)低容量の電池が1個でもあると、電池セット全体としての容量は、その低容量の電池に影響される;
b)低容量の電池を充電中に完全に充電できない場合、電池セット全体の能力は、その低容量電池のために低下する。これは技術分野においてセル・インバランス(cell imbalance)として知られている;
c)ある特定の電池の低容量は、高自己放電または電池製造中の不具合により引き起こされ得る。
a)直列接続された電池の不整合を避けるために、電池を並べ替える;
b)上述した問題を克服するために、電池を別々に充電する(たとえば、米国特許第6,586,909号明細書)。しかし、それぞれの電池を完全に充電するためには低電圧が必要とされ(たとえば、リチウム鉄電池は3.65Vに充電される)、この低電圧充電は、通常の高電圧のAC電源から低電圧のDC電源への変換のために効率的なエネルギーではない。
仮定条件:
1)4個の電池アセンブリは図2の(a)に示されるように直列接続される。
2)電池(1)、(3)、(4)は5ミリオームの内部抵抗を有し、電池(2)は10ミリオームの内部抵抗を有する。
3)電池(1)、(3)、(4)は3.3Vの開放電圧を有し、電池(2)は3.6Vの開放電圧を有する。
4)それぞれの電池アセンブリに対して、1.0オームのレジスタが電池に並列接続される。
5)15Vの給電が、直列接続された4個の電池アセンブリに加えられる。
4個の電池アセンブリの充電中、それぞれの電池の電圧は、以下に表される。
電池(1): V1=Vo1+I1R1
V1は充電中の電池(1)の電圧であり、Vo1は電池(1)の開放電圧であり、I1は電池(1)を通過する電流であり、R1は電池(1)の内部抵抗である。
電池(2): V2=Vo2+I2R2
電池(3): V3=Vo3+I3R3
電池(4): V4=Vo4+I4R4
15=(V1+V2+V3+V4)=(Vo1+Vo2+Vo3+Vo4)+I(R1+R2+R3+R4)
15−3.3−3.6−3.3−3.3=I(0.005+0.01+0.005+0.005)
I=60アンペア・・・それぞれの電池を通過する電流
I’はレジスタを通過する電流であり、R’はレジスタの抵抗であると仮定する。
そのとき、
V2=I’R’,I’=V2/R’
V2=Vo2+I2R2
電流バランスを考慮して: (I’+I2)=I1=I3=I4=I
なので、
V2=Vo2+(I−I’)R2=Vo2+(I−V2/R’)R2
再配列すると、
V2=(Vo2+IR2)/(1+R2/R’)
が得られ、したがって、
15=(V1+V2+V3+V4)=(Vo1+Vo3+Vo4)+I(R1+R3+R4)+(Vo2+IR2)/(1+R2/R’)
なので、
I=61.672(A)、
V2=(Vo2+IR2)/(1+R2/R’)=4.175(V)、
I’=V2/R’=4.175(A)、
I2=I−I’=57.497(A)
I=60.168(A)、
V2=Vo2+(I−V2/R’)R2=4.1975(V)、
I’=V2/R’=0.4198(A)、
I2=I−I’=59.748(A)
1)図2の(a)の電池アセンブリに関して、並列回路におけるレジスタのスイッチが閉じているとき、電流はレジスタに流れ、電池に対する充電電流は減少する。
2)並列レジスタ回路のスイッチが、図2の(a)の電池アセンブリに対して閉じているあいだ、他の電池(1)、(3)、(4)の充電電流は増加する。
3)レジスタの抵抗は、電池(2)に対する電流減少の規模を決定づける。抵抗が小さくなるほど、電流減少の規模は大きくなる。
4)したがって、直列接続されたそれぞれの電池にレジスタを合併する思想は、より高い容量を有する電池の充電電流を減少することによって、また、より低い容量を有する他の電池の充電電流を増加することによって、すべての電池の容量のバランスをとる点で効果的である。
5)電池に並列接続されたレジスタは、充分なセル・バランス機能を有すべきであることは明らかである。電圧検知機能と抵抗源供給機能を満たす電気的装置または構成要素は、本発明の焦点の範囲内である。
仮定条件:
1)4個の電池アセンブリは図2の(a)に示されるように直列接続される。
2)電池(1)、(3)、(4)は5ミリオームの内部抵抗を有し、電池(2)は10ミリオームの内部抵抗を有する。
3)電池(1)、(3)、(4)は3.3Vの開放電圧を有し、電池(2)は3.6Vの開放電圧を有する。
4)電池(1)、(2)、(3)および(4)は、定電流の充電を受ける。電流は2Aである。
5)実証の目的のために、電池は調査され、電池(2)、1.0オームのレジスタは電池に並列接続され、回路スイッチは閉じている。
電流バランスを考慮して: (I’+I2)=I1=I3=I4=I=2(A)
V2=Vo2+(I−I’)R2=Vo2+(I−V2/R’)R2
再配列すると、
V2=(Vo2+IR2)/(1+R2/R’)
が得られ、
Vo2=3.6(V)、I=2(A)、R2=0.01オーム、R’=1オームを代入すると、
V2=3.5842(V)
I’=V2/R’=3.5842(A)、
I2=I−I’=2−3.5842=−1.5842(A)<0
が得られる。
1)過充電される電池は、回路電流(I)がレジスタ(I’)を通る電流より低いとき、放電される。すなわち、(I−I’<0)である。
2)過充電された電池が放電すると、セル・バランスは達成される。
3)実施例1と実施例2に示される演算結果を組み合わせると、セル・バランス充電方法は、定電圧モード(しかし、必要とされる充電時間はI<I’の条件に対して必要とされる時間より長くすべきである)、または、レジスタ(I’)を通る電流より低い電流(I)を通ることによる定電流モードとして実行され得ると結論することもできる。
4)さらに、充電器は充電のための2個のモードを有するよう設計され得ると結論することができる。一方のモードは、電池システムの通常の使用(充電の終了はある程度の充電時間を設定することによって実行される)のための通常の定電流/定電圧充電モードである。他方のモードは、電池システムが通常の使用よりも低容量しか有しないときに用いられるセル・バランスモード(定電流充電)である。
上述したように、電池パックは、図1の(a)〜(e)に示されるように、電池セットまたは電池セットアセンブリから構成される。本発明では、電池パックは、「電池パックアセンブリ」を形成するために、スイッチ要素、電圧検出要素、制御器および抵抗要素を含む並列回路に接続されても良い。電池セットアセンブリを用いて構築される電池パックの構造は、図5の(a)〜(e)、図6の(a)〜(e)、図7の(a)〜(e)および図8の(a)〜(e)に示されるものであり得る。これらの図は、図1の(a)〜(e)に示される5個の単位構造を表すものであり、多様な回路配列に接続される。その接続は、直列(図5の(a)〜(e))、並列(図6の(a)〜(e))、並直列(図7の(a)〜(e))および直並列(図8の(a)〜(e))である。図5、6、7および8に示される場合のそれぞれにおいて、「電池パックアセンブリ」を形成するために、スイッチ要素、制御器、電圧検出要素および抵抗要素を含む並列回路に再度接続され得る。「電池パックアセンブリ」の例は図9に示される。
電力供給システムは、図4に示されるように、充電器4、電池システム(パックまたはセット)、制御盤10および電路遮断器9を含む構成要素の集積化である。さらに、本発明の4個の電池アセンブリは実証のための最も単純な例として直列接続されている。図4を参照すると、それぞれの電池は、図2の(a)または(b)に示されるように、構成要素からなる回路に並列接続されていることがわかる。制御盤は、それぞれの電池の一方の端子に通じる電気導線に接続されている。これらの電気導線は電圧検出供給手段として機能する。制御盤の他方の端部は、電路遮断器が接続されている。充電器は、電気的に直列接続された電池の2個の端部に直接接続されている。通常の充電中(定電流/定電圧)、電池のいずれかが設定過充電電圧を超えると、制御盤は、充電を終了するための信号を電路遮断器に送る。同様に、放電中、電池のいずれかが設定終了電圧を下回ると、制御盤は、放電を終了するための信号を電路遮断器に送る。これら2種類の動作は、過充電および過放電を避けるための電池保護機能を果たす。通常の充電中、設定時間中は充電動作を認める(たとえば、定電圧充電の1.5時間後に終了)。そのとき、電池はよりバランスのとれたものになるかも知れないし、そうでないかも知れない。しかしながら、所定の充電の後、電池はバランスをとることができる。すなわち、平衡充電(小電流定数、電流充電、電流振幅I<I’)モードをまさに開始することによるものである。これによって、すべての電池を平衡するまで定電流充電させる。
図11を参照すると、本実施例では全部で8個ある10オームのリチウム鉄電池は、充電方法および充電中の電池のセル・バランス特性の実証に用いられる。まず、2個のセルは並列電池セットを形成するために並列接続される。次に、電池のセットのそれぞれは、電池アセンブリを形成するために電池セットに電気的に並列接続された回路(たとえば、プリント回路基板)に接続される。それから、4個の電池アセンブリは直列接続される。この場合、第1のセット、第2のセット、第3のセットおよび第4のセットは、明確性のために、直列接続される4個の電池セットアセンブリに対して命名される。まず、4個のすべてのセットアセンブリは、完全な100%充電がなされる。次に、第1の電池セットアセンブリは10%容量(2Ah)の放電がなされる。この後、4個すべての電池セットアセンブリは直列接続され、このセットアップは電池パックとされる。設定自己放電活性化電圧は、この場合3.75Vに設定される。それぞれの電池セットに並列する自己放電回路は、2オームの抵抗を有する。上述した手順の後、電池パックは1.7Aの定電流充電を受ける。電池の各セットに対する電圧変化対時間は表1に示される。表1から、第2、第3および第4の電池セットアセンブリは、初期状態において3.75Vを超える電圧増加を有したことがわかる。5分後、第2、第3および第4の電池セットアセンブリは、3.75Vで安定するよう回復した。このとき、レジスタを通過する電流は1.8Aであることが測定される。
Claims (42)
- 正端子と負端子とを有する蓄電池と、
両端子を通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに蓄電池を自己放電する手段とを備え、
自己放電する手段は電池の両端子に並列接続されるものである蓄電池アセンブリ。 - 並列電池セットを形成するために、その各々が電気的に並列接続される、正端子と負端子とを有する多数の蓄電池と、
並列電池セットを自己放電する手段とを備え、
前記手段は、並列電池セットに電気的に並列接続されるものであり、並列電池セットを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに並列電池セットを自己放電する並列セットの蓄電池アセンブリ。 - 直列電池セットを形成するために、その各々が電気的に直列接続される、正端子と負端子とを有する多数の蓄電池と、
直列電池セットを自己放電する手段とを備え、
前記手段は、直列電池セットに電気的に並列接続されるものであり、直列電池セットを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに直列電池セットを自己放電する直列セットの蓄電池アセンブリ。 - 並列電池セットを形成するために、その各々が電気的に並列接続される、正端子と負端子とを有する多数の蓄電池と、
電池並直列セットを形成するために、電気的に直列接続される多数の並列電池セットと、
電池並直列セットを自己放電する手段とを備え、
前記手段は、並直列電池セットに電気的に並列接続されるものであり、並直列電池セットを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに並直列電池セットを自己放電する並直列セットの蓄電池アセンブリ。 - 直列電池セットを形成するために、その各々が電気的に直列接続される、正端子と負端子とを有する多数の蓄電池と、
電池直並列セットを形成するために、電気的に並列接続される多数の直列電池セットと、
電池直並列セットを自己放電する手段とを備え、
前記手段は、直並列電池セットに電気的に並列接続されるものであり、直並列電池セットを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに電池直並列セットを自己放電する直並列セットの蓄電池アセンブリ。 - 自己放電する手段が、
直列接続される抵抗要素およびスイッチ要素と、
アセンブリ電圧を検出する電圧検出要素と、
アセンブリ電圧が設定値より大きいか、それと等しいときにスイッチ要素を閉じ、アセンブリ電圧が選択された総量により設定値より低いときにスイッチ要素を開くスイッチ要素制御器とを備える請求項1、2、3、4または5記載の蓄電池アセンブリ。 - 抵抗要素とスイッチ要素とスイッチ要素制御器とが、プリント回路基板上に配列される請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- スイッチ要素とスイッチ要素制御器とが、プリント回路基板上に配列される請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- スイッチ要素は、手動スイッチ、ソレノイド制御接触器およびトランジスタよりなる群から選ばれるものである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- 抵抗要素は、レジスタ、電球およびLEDよりなる群から選ばれるものである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- 抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、単一のトランジスタまたは多数のトランジスタである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- 抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、トランジスタおよびレジスタの組み合わせである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- 抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、単一のLEDまたは多数のLEDである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- 抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、LEDおよびレジスタの組み合わせである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- 抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、半導体チップ上で併合されるものである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、半導体チップ上で併合されるものである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- 抵抗要素は、その抵抗値を変化するように制御可能であり、抵抗値は、電圧検出要素によって検出される電圧に対する抵抗制御要素により制御されるものである請求項6記載の蓄電池アセンブリ。
- 自己放電する手段は半導体チップ上で併合されるものであり、半導体チップは蓄電池上に配列されるものである請求項1、2、3、4および5記載の蓄電池アセンブリ。
- 自己放電する手段は半導体チップ上で併合されるものであり、蓄電池の各々はケースに入れられるものであり、半導体チップはケース内に配列されるものである請求項1、2、3、4および5記載の蓄電池アセンブリ。
- 請求項1、2、3、4および5記載の多数のアセンブリであって、直列、並列または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続されるアセンブリを備える蓄電池パック。
- 請求項20記載の蓄電池パックと、
電池パックを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに蓄電池パックを自己放電する手段とを備え、
自己放電する手段は、電池パックに電気的に並列接続されるものである蓄電池パックアセンブリ。 - 直列、並列または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続される多数の蓄電池と、
電池パックを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに蓄電池パックを自己放電する手段とを備え、
自己放電する手段は、電池パックに電気的に並列接続されるものである蓄電池パックアセンブリ。 - 請求項1、2、3、4および5記載の多数のアセンブリであって、多数の蓄電池を充電するための、直列、並列、または直列と並列とを組み合わせたシステム回路に電気的に接続されるアセンブリと、
多数の蓄電池を充電するシステム回路内の電池充電器と、
システム回路内のシステム回路遮断要素と、
検出された電圧が、選択される高電圧より大きいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、および、検出された電圧が、選択される低電圧より小さいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、直列型のシステム回路内のアセンブリの各々を通した電圧を検出するシステム制御器とを備える電力供給システム。 - 請求項20記載の多数の電池パックであって、充電のためのシステム回路内で直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続される電池パックと、
回路内の電池充電器と、
回路内のシステム回路遮断要素と、
検出された電圧が、選択される高電圧より大きいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、および、検出された電圧が、選択される低電圧より小さいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、直列型のシステム回路内のアセンブリの各々を通した電圧を検出するシステム制御器とを備える電力供給システム。 - 請求項21記載の多数の電池パックアセンブリであって、充電のためのシステム回路内で直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続される電池パックアセンブリと、
回路内の電池充電器と、
回路内のシステム回路遮断要素と、
検出された電圧が、選択される高電圧より大きいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、および、検出された電圧が、選択される低電圧より小さいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、直列型のシステム回路内のアセンブリの各々を通した電圧を検出するシステム制御器とを備える電力供給システム。 - 請求項22記載の多数の電池パックアセンブリであって、充電のためのシステム回路内で直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続される電池パックアセンブリと、
回路内の電池充電器と、
回路内のシステム回路遮断要素と、
検出された電圧が、選択される高電圧より大きいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、および、検出された電圧が、選択される低電圧より小さいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、直列型のシステム回路内のアセンブリの各々を通した電圧を検出するシステム制御器とを備える電力供給システム。 - システム回路遮断要素は、閉条件のときエネルギー消費を必要としない電磁開閉器であり、電磁開閉器はシステム制御器からの信号によって開かれるものである請求項23記載の電力供給システム。
- システム回路遮断要素は、閉条件のときエネルギー消費を必要としない電磁開閉器であり、電磁開閉器はシステム制御器からの信号によって開かれるものである請求項24記載の電力供給システム。
- システム回路遮断要素は、閉条件のときエネルギー消費を必要としない電磁開閉器であり、電磁開閉器はシステム制御器からの信号によって開かれるものである請求項25記載の電力供給システム。
- システム回路遮断要素は、閉条件のときエネルギー消費を必要としない電磁開閉器であり、電磁開閉器はシステム制御器からの信号によって開かれるものである請求項26記載の電力供給システム。
- 請求項1、2、3、4および5記載の多数のアセンブリであって、直列、並列、または直列および並列回路の組み合わせにより電気的に接続されるアセンブリの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電圧にて蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項1、2、3、4および5記載の多数のアセンブリであって、直列、並列、または直列および並列回路の組み合わせにより電気的に接続されるアセンブリの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項1、2、3、4および5記載の多数のアセンブリであって、直列、並列、または直列および並列回路の組み合わせにより電気的に接続されるアセンブリの蓄電池を充電する方法であって、
定電圧が後に続く、選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項24記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電圧にて蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項24記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項24記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
定電圧が後に続く、選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項25記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電圧にて蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項25記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項25記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
定電圧が後に続く、選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項26記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電圧にて蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項26記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。 - 請求項26記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
定電圧が後に続く、選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか1個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
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