JP2014087253A - 供給能力可変の電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 多様な蓄電モジュールを使用できる、供給能力可変の電力供給システムを提供する。
【解決手段】 この電力供給システム（１）は、２つの接続端子と、２つの接続端子間に接続されている蓄電素子とをそれぞれに有している２つの蓄電モジュール（２）と、相互接続インターフェイス（３）とを備えている。相互接続インターフェイスは、各対が１つの蓄電モジュールの２つの接続端子に取り外し可能に接続されている２対の入力端子と、２つの出力端子（３０１、３０２）であって、これらの出力端子間には、直列接続された蓄電素子と加減抵抗器とがそれぞれに配置されて、互いに並列接続された２つの分岐が形成されている２つの出力端子と、分岐の各々を通る電流を測定するための測定装置と、各分岐を通る電流の強度を保護閾値未満に保つために、測定された電流に応じて、各分岐の加減抵抗器の抵抗を制御する制御回路とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電体による電気回路への電力供給、より詳細には、複数の電気化学セルから成るバッテリによる、電動自動車などの電気移動体への電力供給に関する。

現在流通している多くの電気移動体は、蓄電に関して、それぞれに特有の要件を有しており、電気移動体のほとんどにおいて、独自の供給電圧および蓄電能力が必要となる。バッテリの電気化学セルの製造コストが相対的に高くなるにも拘わらず、バッテリのメーカーは、通常、電力を供給される電気移動体の各々に対して、特定の諸元を有するバッテリを設計するというアプローチを選択する。したがって、ほとんどの場合において、スケール効果は相当に低下し、それは、バッテリの製造コストの低減および汎用性への障害となる。スケール効果の低下は、パワーバッテリにおいて特に顕著である。

さらに、バッテリの諸元は、極端な動作状態を考慮に入れて定められ、したがって、通常、ユーザによる日常の使用にとっては、必要以上に高いレベルに設定されている。電動自動車の航続距離は、例えばその電動自動車に搭載されているバッテリの蓄電能力によって決められる。この蓄電能力の高さは、互いに直列および並列に電気的に接続されている、割り当てられた電気化学セルの数によって定められる。バッテリの蓄電能力は、例えば電動アシストバイクにおいては、一充電走行距離が８０ｋｍと定められている場合がある。しかしながら、実際には、ユーザは、日常の使用のためには、通常、１５ｋｍごとに充電を行う。したがって、ユーザは、実際の使用状態に照らして高価すぎ、必要以上に高いレベルのバッテリを購入していることになる。

特開２００１−０８６６６２号公報 特開２００８−１１８７９０号公報

したがって、一方では、種々の応用においてスケーリング則を活用することができるように、他方では、電気化学セルの数をユーザが実際に必要とする数に適合させることができるように、種々のバッテリの電気化学セルを標準化することができるようにすることが必要とされている。同時に、そのような解決方法によって得られる電力供給システムは、電力が供給される電気負荷に対して使用する際に、わずかの注意しか必要とせず、また即時に使用することができるようなものとしなければならない。

本発明は、上述の欠点の１つ以上を解決することを目的としている。この目的を達成するために、本発明は、請求項に記載されている電力供給システムを提供するものである。

特許文献１には、いくつかの蓄電モジュールを、選択的に並列に接続するための相互接続インターフェイスを有する電力供給システムが開示されていることを指摘しておく。この電力供給システムにおいては、制御回路が、相互接続インターフェイスに接続される蓄電モジュールの数を決定する。電気負荷への電力供給は、決定された、蓄電モジュールの数の関数として管理される。

さらに、特許文献２にも、並列に接続された、いくつかの分岐を有する電力供給システムが開示されていることを指摘しておく。この電力供給システムにおいては、駆動回路が、各分岐の充電状態を均等にするように、各分岐から電気負荷に流れる電流を制御する。

添付図面を参照して、完全に非限定的な例として以下に示す説明を読むことによって、本発明の他の特徴および利点が明瞭になると思う。

本発明による電力供給装置を適用しているシステムの概念図である。 図１の蓄電モジュールの、より詳細な概念図である。 図１の相互接続インターフェイスの制御回路を説明する概念図である。 本発明の範囲内で使用することができる加減抵抗器の例の概念図である。 本発明の範囲内で使用することができる加減抵抗器の別の例の概念図である。 図３の相互接続インターフェイスの電気回路の一例の部分回路図である。 ＬｉＦｅＰＯ_４タイプの蓄電池と組み合わせたバッテリの充電状態と、端子間電圧との関係を示すグラフである。 電動二輪車のモータに電力を供給する電力供給システムの使用サイクルの一例を示すグラフである。 ４使用サイクルにわたって、図３の２つの加減抵抗器のそれぞれのＭＯＳトランジスタを通る電流の強度を示すグラフである。 従来技術の駆動回路に互いに並列に接続された２つの蓄電モジュールのそれぞれに流れる電流の強度を示すグラフである。 図９の場合と同じ状態の２つのＭＯＳトランジスタを通る電流の強度を、最初の２使用サイクルにわたって拡大して示すグラフである。 図８の使用サイクルを繰り返したときの、図１の２つの蓄電モジュールの充電状態の漸進的変化を示すグラフである。 相互接続インターフェイスのＭＯＳトランジスタのための冷却システムの一例の概要的な断面図である。 図１１の動作サイクルにおいて、最大の電流で動作するＭＯＳトランジスタの接合温度および出力を示すグラフである。 図８の使用サイクルを繰り返したときの、最大の電流で動作するＭＯＳトランジスタの接合温度および図１３の冷却システムの各部分の温度を示すグラフである。 本発明による電力供給装置の一例の概念図である。

図１は、本発明による電力供給装置が実装されている電力供給システム１の概念図である。この例においては、電力供給システム１は、電力を供給される電気負荷５、例えば自動車のモータを接続されている。電力供給システム１は、直流電圧源を有する電力供給装置およびインバータ４を備えている。直流電圧源を有する電力供給装置は、その出力電圧を、インバータ４の２つの第１端子に印加する。インバータ４の２つの第２端子（単相交流電力を供給するための）は、電気負荷５に接続されている。

この電力供給装置は、通常、少なくとも２０Ｖの電圧を印加して、１５Ａを超過する強度の電流を送出することができる電力供給装置である。直流電圧源を有する電力供給装置は、この例においては、ケーシング６内に組み込まれている相互接続インターフェイス３を有している。直流電圧源を有する電力供給装置は、さらに、直流電圧源を形成しているいくつかの蓄電モジュールを有している。電力供給装置は、この例においては、ケーシング６の内部に搭載されており、相互接続インターフェイス３に接続されるように作られている２つの蓄電モジュール２ａおよび２ｂを有している。蓄電モジュール２ａと２ｂとは、同一の公称電圧を有している。後に詳述するように、相互接続インターフェイス３は、何にも増して、蓄電モジュール２ａと２ｂとが異なる充電状態にあるときでさえ、過度に高い充電電流または放電電流によってもたらされる経年劣化や爆発的破裂から、蓄電モジュール２ａおよび２ｂを保護して、特別の注意を払うことなしに、それらの蓄電モジュール２ａと２ｂとを互いに並列に接続することを可能にする。したがって、エンドユーザは、蓄電システムの蓄電能力を、可変に、かつ自動車への電力供給を途切れさせることなく、状況に合わせることができる。

図２は、本発明による電力供給装置に用いることができる蓄電モジュール２の構造の一例を示している。公知のように、蓄電モジュール２は、複数の電気化学セル２２を収容しているケーシング２１を有している。これらの電気化学セル２２は、この例においては、蓄電モジュール２の端子２３と２４との間で、互いに直列に接続されている。サージ電流に対する保護装置２８が、端子２３と２４との間で、電気化学セル２２に直列に接続されている。端子２３と２４との間の電位差は、通常、少なくとも２０Ｖあり、車両牽引への応用においては、一般に、３０Ｖを超過する。保護装置２８は、公知のように、サージ電流から電気化学セル２２を保護することができる定格を有するヒューズである場合がある。蓄電モジュール２は、さらに、電気化学セルを管理するための管理装置２６を有している。この管理装置２６は、例えば蓄電モジュール２のいくつかの動作パラメータ、例えば蓄電モジュール２の内部温度、電気化学セルの充電状態、または電気化学セルの端子間電圧を測定するように構成されている。管理装置２６は、さらに、連絡用の端子２５を通じて外部の回路に、保護装置２８のカットアウト電流強度や種々の動作パラメータなどのいくつかの情報を伝えるように構成されている場合がある。蓄電モジュール２は、さらに、電気化学セル２２の再充電を行うために、公的な配電網に接続することができる再充電回路２７を有していることが好ましい。しかしながら、再充電回路２７は、電力線を介する接続によって蓄電モジュール２に接続可能な、蓄電モジュール２から分離した要素である場合もある。

図３は、本発明による電力供給装置に用いることができる相互接続インターフェイス３の一例を示している。相互接続インターフェイス３は、互いに並列に接続させたい多様な蓄電モジュール２を接続するための複数の入力端子対を有している。各入力端子対は、それぞれ、蓄電モジュール２の端子２３および２４に接続されるようになっている入力端子３０３および３０４を有している。図３の例においては、入力端子３０３ａおよび３０４ａは、蓄電モジュール２ａに接続され、入力端子３０３ｂおよび３０４ｂは、蓄電モジュール２ｂに接続されている。

相互接続インターフェイス３は、１対の出力端子３０１および３０２を有している。これらの１対の出力端子間に、電力供給装置の出力電圧が印加される、したがって、出力端子３０１および３０２は、インバータ４の２つの第１端子の一方および他方に接続されている。

相互接続インターフェイス３は、入力端子３０３（３０３ａ、３０３ｂ、…）の１つ以上を出力端子３０１に選択的に電気的に接続するように構成されている。入力端子３０４（３０４ａ、３０４ｂ、…）は、出力端子３０２に電気的に接続されている。したがって、ユーザの選択によって、蓄電モジュール２（２ａ、２ｂ）の１つ以上が、出力端子３０１と３０２との間に互いに並列に電気的に接続される。出力端子３０１と各入力端子３０３との間の電気的接続線に、加減抵抗器３１２が配置されている。加減抵抗器３１２を通る電流の強度は、電流プローブ３１１によって測定される。図３の例においては、加減抵抗器３１２ａが、出力端子３０１と入力端子３０３ａとの間に接続されており、電流プローブ３１１ａが、加減抵抗器３１２ａを通る電流を測定し、加減抵抗器３１２ｂが、出力端子３０１と入力端子３０３ｂとの間に接続されており、電流プローブ３１１ｂが、加減抵抗器３１２ｂを通る電流を測定する。したがって、各蓄電モジュール２が接続されると、電力供給装置には、出力端子３０１と３０２との間に、蓄電モジュール２と加減抵抗器３１２とが直列に接続された、互いに並列な複数の分岐が形成される。

制御回路３１０は、電流プローブ３１１からもたらされる電流測定値を取得し、加減抵抗器３１２の抵抗値を調整する。制御回路３１０は、蓄電モジュール２の管理装置２６と連絡することができるように、連絡用の入力端子３０５（３０５ａ、３０５ｂ、…）に接続されている。入力端子３０４は、この例においては、出力端子３０２に直接接続されている。相互接続インターフェイス３は、連絡用の出力端子３０６を有している。この連絡用の出力端子３０６を介して、制御回路３１０は、電気負荷５のコントローラ、例えば電気負荷５に取り込まれる電力を管理するための、インバータ４に備えられているコントローラと連絡することができる。

相互接続インターフェイス３および蓄電モジュールを、外部からの攻撃から保護するために、ケーシング６を用いることができる。さらに、蓄電モジュール２の端子２３、２４、２５が、それぞれ相互接続インターフェイス３の入力端子３０３、３０４、３０５に相互接続されるまで、蓄電モジュール２の案内手段として、ケーシング６を用いることができる。

電流プローブ３１１によってなされる電流測定の結果を監視しながら、制御回路３１０は、各分岐を通る電流の強度を保護閾値未満に保つ。そのために、制御回路３１０は、動作している分岐の加減抵抗器３１２の抵抗値を調整する。制御回路３１０は、例えば調整ループを使用して、動作している分岐を通る電流が、保護閾値未満である設定電流からできるだけ外れないようにすることができる。制御回路３１０は、蓄電モジュール２の放電に対して保護閾値を用いることができる。図４に示す加減抵抗器を用いる場合には、ある加減抵抗器を通る充電電流の制限は、１つ以上の他の加減抵抗器を通る放電電流の制限によって確実に行われる。図５に示されている加減抵抗器３１２を用いた場合には、制御回路３１０が、ある蓄電モジュール２の放電に対する保護閾値と、それと異なる値を有するその蓄電モジュール２の充電に対する保護閾値とを用いることによって、その蓄電モジュール２の接続されている加減抵抗器を、他の加減抵抗器と無関係に制御することができる。実際、電気化学蓄電池においては、通常、許容可能な最大放電電流は、許容可能な最大充電電流よりはるかに大きい。

制御回路３１０は、次に述べる動作を実行することができる。この動作において、高充電状態の蓄電モジュール２を用いて、低充電状態の、別の蓄電モジュール２の充電を行うことができる。この充電均等化は、電力供給装置が動作相にあるときも、非動作相にあるときも行うことができる。電力供給装置が非動作相にあるときには、充電均等化を行うために、非動作期間という利点を利用して、加減抵抗器３１２の温度上昇を抑えることができる（電力供給装置の動作時には、温度上昇はより大きくなる）から、電力供給装置が非動作相にあるときに、蓄電モジュール２の充電均等化を行う方が、より好ましい。

加減抵抗器３１２の抵抗値は、次の条件が満足されている限り、その最小値に維持される。
− 加減抵抗器３１２に接続されている蓄電モジュール２に対して測定された放電電流が、その蓄電モジュール２の放電に対する保護閾値未満であり、かつ
− 他の蓄電モジュール２に対して測定された一連の充電電流が、それらの蓄電モジュール２の充電に対する保護閾値未満である。

次の条件が満足されると、加減抵抗器３１２は、例えば電流レギュレータによって、その抵抗値が増加するように調整される。
− 加減抵抗器３１２に接続されている蓄電モジュール２に対して測定された放電電流が、その蓄電モジュール２の放電に対する保護閾値に達したか、または
− 他の蓄電モジュール２のうちの１つに対して測定された充電電流が、その蓄電モジュールの充電に対する保護閾値に達した。

制御回路３１０は、加減抵抗器３１２のうちの任意の１つの温度を制限するために、電気負荷５への電力供給を制限する要求を、電気負荷５のコントローラに出すことができる。並行して、制御回路３１０は、分岐の１つにおける電流の制限が温度制限に有効でないこと、または分岐の１つにおける加減抵抗器３１２の温度が、臨界閾値を越えたことを認識したときに、その分岐を開くことができること、または電気負荷５のコントローラに出された電力供給制限の要求の効果がなかったことを認識したときに、１つの分岐を開くことができることが好ましい。

このような電流制限機能を備えているために、本発明の電力供給装置は、充電状態が非常に異なる複数の蓄電モジュール２同士、および構造や様式が非常に異なる複数の蓄電モジュール２同士を、特別の注意を要することなく、かつ短時間で接続することを可能にする。特に、蓄電モジュールの使用前に、事前の充電均等化は必要ない。充電状態の非常に異なる蓄電モジュール２同士を接続しているときに、過度に大きな充電電流または放電電流が流れないために、それらの蓄電モジュール２の経時劣化が制限される。電気負荷５を流れる突入電流が大きい場合にも、制御回路３１０は、各蓄電モジュール２に、保護閾値未満の電流しか流れないようにすることができる。これは、内部インピーダンスが鉛バッテリより低いリチウムイオンタイプのバッテリにおいて、特に有利な特徴である。このような電力供給装置は、さらに、ユーザが、要望する数の蓄電モジュール２を用いることを可能にし、したがって、蓄電モジュールの数を加減することによって、電力供給装置の供給能力を状況に適合させることを可能にする。したがって、互いに異なる供給能力を有する多種多様な電力供給装置に対して、蓄電モジュールを標準化することができ、そのために、規模の経済（スケールメリット）によって、蓄電モジュールの原価を著しく低下させることができる。望ましい使い方として、ユーザは、さらに、例えば電力供給装置を軽量にするために、蓄電モジュール２の数を減らして接続することを選択することができる。

蓄電モジュール２の接続に際して、制御回路３１０は、デフォルト設定によって、その蓄電モジュールを通る電流の強度を、低い保護閾値に制限することができる。その後、制御回路３１０は、連絡用の入力端子３０５を介して、その蓄電モジュール２と連絡することができる。具体的には、制御回路３１０は、蓄電モジュール２の管理装置２６から供給される最大放電電流強度または最大充電電流強度の値を得ることができる。制御回路３１０は、この充電電流強度または放電電流強度の値を知ると、その蓄電モジュール２に接続されている加減抵抗器３１２の、充電に対する保護閾値および放電に対する保護閾値を適切な値にすることができる。したがって、蓄電モジュール２を、その出力範囲の全体にわたって用いることができる。ともあれ、制御回路３１０は、保護閾値として、ヒューズである保護装置２８のカットアウト閾値より低い値を用いる。したがって、加減抵抗器３１２は、組み合わされている保護装置２８が開かれるより前に、その蓄電モジュール２を確実に保護する。

さらに、制御回路３１０は、充電均等化中、どの蓄電モジュール２を優先的に充電しなければならないかを特定するためにも、蓄電モジュール２の管理装置２６と連絡することができる。同様に、制御回路３１０は、例えば低温での放電中に、いくつかの蓄電モジュール２が低温で特に効率的であることを、それらの蓄電モジュール２の管理装置２６が示した場合には、それらの蓄電モジュール２の放電を優先的に行うことができる。

制御回路３１０は、各加減抵抗器３１２のＭＯＳトランジスタ３１３の温度値を得るか、または計算することができることが好ましい。あるＭＯＳトランジスタ３１３において、高すぎる温度が測定されたときに、制御回路３１０は、そのＭＯＳトランジスタ３１３の温度を下げるために、電気負荷５が引き込む電力を下げるように、電気負荷５のコントローラに要求することができる。いずれかのＭＯＳトランジスタ３１３の温度が上がりすぎた場合には、制御回路３１０は、そのＭＯＳトランジスタを開状態にして、そのＭＯＳトランジスタにおける電力損失を少しの間断つことができる。

制御回路３１０は、さらに、相互接続インターフェイス３および蓄電モジュール２を含む電力供給システムの放電能力、エネルギー残量、充電および放電において容認可能な最大電力、考え得る不具合の同定などの情報を提供するために、電気負荷５のコントローラと連絡することができる。

図４は、放電電流に対する保護を確実に行うための、本発明において実施可能な加減抵抗器３１２の第１の変形例を概要的に示している。この場合には、加減抵抗器３１２は、１つのＭＯＳトランジスタ３１３を有している。ドレイン／ソース接合は、入力端子３０３と出力端子３０１との間に直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタ３１３のドレイン／ソース間抵抗の値は、電位差Ｖｇｓ（制御回路３１０から印加される電圧に応じて定まるゲート／ソース間電圧）の大きさに依存して定まる。ＭＯＳトランジスタ３１３を通る電流の調整のために、制御回路３１０は、ＭＯＳトランジスタ３１３を、電流が保護閾値に近づくとドレイン／ソース間抵抗が増加する線形領域で動作させる。制御回路３１０は、放電電流に対して保護閾値を適用することができる。この加減抵抗器３１２に組み合わされている蓄電モジュールの、充電電流に対する保護のためには、制御回路３１０が、他の蓄電モジュールの放電電流を制限する。

図５は、充電電流と放電電流との両方に対する保護を確実に行うことができる、本発明により実施可能な加減抵抗器３１２の第２の変形例の概要を示している。この例においては、加減抵抗器３１２は、入力端子３０３と出力端子３０１との間に、互いに直列に取り付けられている２つのＭＯＳトランジスタ３１３および３１４を有している。ＭＯＳトランジスタ３１３、３１４の各々のドレイン／ソース間抵抗の値は、電位差Ｖｇｓ（制御回路３１０から印加される電圧に応じて定まるゲート／ソース間電圧）の大きさに依存して定まる。このような加減抵抗器３１２は、ＭＯＳトランジスタ３１３による、放電に対する保護閾値の制御と、ＭＯＳトランジスタ３１４による、充電に対する保護閾値の制御とを互いに独立に行うことを可能にする点で有利である。この変形例によれば、制御回路３１０は、蓄電モジュール２同士の充電と放電とを連係させる必要がない。実際、任意の１つの蓄電モジュール２の充電電流は、より高い充電状態を有する別の蓄電モジュール２の放電電流との間の調整を要することなく、自動的に制限される。したがって、それぞれ独立した制御回路を、蓄電モジュール２の各々に組み合わせることができる。その場合には、各加減抵抗器３１２に対して、低コストで、かつ非常に堅牢なアナログドライバを用いることができる。さらに、このような加減抵抗器を用いると、任意選択に、蓄電モジュール２の内部での個々の電流制御を省略することができる。

後で詳述するように、図４および図５の構成によると、制御回路３１０の適切な駆動によって、加減抵抗器としての機能と安全遮断器としての機能とを兼ね備えることができる。

図６に示す例においては、制御回路３１０は、マイクロコントローラ３１５を有している。図６は、このマイクロコントローラ３１５によって加減抵抗器を駆動する電気回路の一例の電気回路図である。この例においては、加減抵抗器３１２は、順並列接続されている２つのＭＯＳトランジスタ３１３ａおよび３１３ｂを有している。相互接続インターフェイスは、保護ダイオード３２３、バイポーラトランジスタ３２４、第１の駆動トランジスタ３２１、および第２の駆動トランジスタ３２２を有している。マイクロコントローラ３１５は、蓄電モジュール２を通る電流が保護閾値に達していない限り、第１の駆動トランジスタ３２１を閉状態に維持する。したがって、ＭＯＳトランジスタ３１３ａおよび３１３ｂは、最小のドレイン／ソース間抵抗を有して閉状態にある。マイクロコントローラ３１５は、ＭＯＳトランジスタ３１３ａおよび３１３ｂの安全遮断器機能を用いようとする場合に、第２の駆動トランジスタ３２２を閉状態にする。その結果、ＭＯＳトランジスタ３１３ａおよび３１３ｂは開状態になる。ノード３２５を介して、ＭＯＳトランジスタ３１３ａおよび３１３ｂのゲートに適切なレベルの電圧を印加することによって、マイクロコントローラ３１５は、ＭＯＳトランジスタ３１３ａおよび３１３ｂを線形領域で用いることができる。

さらに、マイクロコントローラ３１５がこの調整に失敗したときに、迅速な調整を可能にするために、マイクロコントローラ３１５を作動させずに、補助的なアナログ調整ループを用いるということを想定することもできる。

上述の実施形態においては、加減抵抗器３１２は、相互接続インターフェイス３に備えられている。しかしながら、蓄電モジュール２が、その蓄電素子に直列に接続された加減抵抗器を備えており、加減抵抗器３１２は、端子２５および入力端子３０５を介して制御回路３１０によって駆動されるということを想定することもできる。

図７は、直列に接続されているＬｉＦｅＰＯ_４（リン酸鉄リチウム）タイプの複数（この例においては１２個）の電気化学セルを有する蓄電モジュール２に対して行われた充電の様子を表わすグラフである。蓄電モジュール２のこの充電には、低充電状態、例えば完全充電状態の０〜１０％の範囲の充電状態において、端子間電圧が２４〜３７．８Ｖの範囲にある第１の領域Ｐ１が含まれる。蓄電モジュール２のこの充電には、また、実質的に平坦な形状を有しており、蓄電モジュール２の中間充電状態、例えば完全充電状態の１０〜９５％の範囲の充電状態に対応している、端子間電圧が３７．８〜３９．６Ｖの範囲にある第２の領域Ｐ２が含まれる。蓄電モジュール２のこの充電には、さらに、高充電状態、例えば完全充電状態の９５〜１００％の範囲の充電状態において、端子間電圧が３９．６〜４４．４Ｖの範囲にある第３の領域Ｐ３が含まれる。本発明は、このような電気化学セルを有する蓄電モジュールに特に適合することが判明している。実際、中間充電状態（全充電状態のうちの非常に長い領域を占める）においては、充電状態の非常に異なる２つの蓄電モジュールの端子間電圧が、ほとんど異ならない。したがって、このような電気化学セルを用いると、電力突入時に、最も充電されている蓄電モジュール２の加減抵抗器で損失される電力は、相対的に制限され続ける。

図８は、電動二輪車のモータのための電力供給システムにおける、標準的な一使用サイクルの一例を示している。この使用サイクルには、放電スパイク期間、一定通常放電期間、再生充電期間、および電力無供給期間が含まれている。

以下のいくつかの例において、相互接続インターフェイス３によって互いに並列に接続されている２つの蓄電モジュール２（ＬｉＦｅＰＯ_４タイプの電気化学蓄電池を有する）を用いて、この使用サイクルに基づくシミュレーション結果が示される。２つの蓄電モジュールのうちの第１の蓄電モジュールは２０％の充電状態にあり、第２の蓄電モジュールは完全充電状態にある。それらの例において用いられる加減抵抗器３１２は、図４に示されているタイプの加減抵抗器である。

図９は、最初の４サイクルにわたって、２つの加減抵抗器３１２のそれぞれのＭＯＳトランジスタを通る電流の強度を示している。破線は、高充電状態の蓄電モジュールの加減抵抗器を通る電流の強度を示しており、点線は、低充電状態の蓄電モジュールの加減抵抗器を通る電流の強度を示している。これらの電流の強度が、最初の２サイクルにわたって、図１１に、より詳細に示されている。負の強度は、該当する蓄電モジュールの充電に対応している。実線は、出力端子３０１と３０２との間の電位差を示している。放電スパイク期間中、高充電状態の蓄電モジュールの寄与が、低充電状態の蓄電モジュールの寄与より大きいことに注意されたい。それにもかかわらず、高充電状態の蓄電モジュールの放電電流の強度は、この放電スパイク期間中、放電に対する保護閾値６０Ａ未満の値にずっと制限されている。さらに、一定通常放電期間においては、低充電状態の蓄電モジュールも、高充電状態の蓄電モジュールほどではないにせよ、放電電流に寄与している。さらに、電力無供給期間においては、高充電状態の蓄電モジュールが、低充電状態の蓄電モジュールを充電する。同様に、再生充電期間中には、低充電状態の蓄電モジュールが優先的に充電される。図１２は、使用サイクルを繰り返したときの、２つの蓄電モジュールの充電状態の漸進的変化を示している。２つの蓄電モジュールの充電状態は、図示されている期間内で、互いに一致するようになる。さらに、低充電状態の蓄電モジュールは、その蓄電モジュールが損傷しないために十分な充電状態を維持している。

充電均等化が達成されるまで使用サイクルを繰り返すことによって、供給された総エネルギーが４６６Ｗｈである場合に、低充電状態の蓄電モジュールの加減抵抗器における、ジュール効果によるエネルギー損失は３．８Ｗｈであり、高充電状態の蓄電モジュールの加減抵抗器における、ジュール効果によるエネルギー損失は１Ｗｈであることが認められている。したがって、２つの蓄電モジュールの充電状態に非常に大きな相違がある場合でさえ、２つの加減抵抗器による電力量（エネルギー）の損失は、供給されるエネルギーのほぼ１％までに制限される。損失の大部分は、相対的に限られたデューティ比しか有しない放電スパイク期間において生じる。

比較のために、図１０は、２つの蓄電モジュールが、従来技術による駆動回路に、互いに並列に接続されたときに、最初の使用サイクルにおいて２つの蓄電モジュールを通る電流の強度を示している。高充電状態の蓄電モジュールは、放電スパイク期間に、その許容可能な放電電流強度を超過して放電することに注意されたい。さらに、低充電状態の蓄電モジュールは、電気負荷への電力無供給期間に、その許容可能な充電電流強度を超過して充電されることに注意されたい。

図１３は、相互接続インターフェイス３の加減抵抗器のための冷却システム３３０の一例の概要を示す断面図である。図示の冷却システム３３０は、読みやすくするために単純化されており、また２つの加減抵抗器だけを冷却するように描かれている。加減抵抗器は、この例においては、図４に示されているタイプの加減抵抗器であり、各加減抵抗器において、２つのＭＯＳトランジスタが、互いに並列に接続されている。冷却システム３３０は、熱エネルギーを吸収するためのパッド３３２を有している。第１のパッド３３２は、ＭＯＳトランジスタ３１３ｃおよび３１３ｄの下に配置されている。第２のパッド３３２は、ＭＯＳトランジスタ３１３ｅおよび３１３ｆの下に配置されている。通常、熱グリース３３１が、第１のパッド３３２とＭＯＳトランジスタ３１３ｃおよび３１３ｄとの間、および第２のパッド３３２とＭＯＳトランジスタ３１３ｅおよび３１３ｆとの間に塗り込められている。第１および第２のパッド３３２は、放熱器３３４に固定されている。熱伝導性電気絶縁層３３３が、第１および第２のパッド３３２と放熱器３３４との間に、それらに接して配置されている。熱伝導性電気絶縁層３３３として、ＳｉｌＰａｄという商品名で流通している製品を用いることができる。

パッド３３２は、放電スパイク期間中に加減抵抗器で生じた熱エネルギーを迅速に吸収することができる諸元に定められている。したがって、パッド３３２は、加減抵抗器の急激な温度上昇を防止すること、および加減抵抗器で生じた熱エネルギーを放熱器３３４に導くことを目的としている。パッド３３２は、例えば金属ブロックで形成することができる。

放熱器３３４は、ＭＯＳトランジスタ３１３ｃ〜３１３ｆで生じて、パッド３３２によって伝達された熱エネルギーを放散させるように構成されている。放熱器３３４の諸元は、ＭＯＳトランジスタ３１３ｃ〜３１３ｆで生じる平均的な熱エネルギーを放散させることができるように定められている。したがって、放熱器３３４は、ＭＯＳトランジスタの平均温度を一定のレベル未満に維持することを目的としている。

ＭＯＳトランジスタ３１３ｃ〜３１３ｆにおいて、熱放散がドレイン領域で行われる場合には、熱伝導性電気絶縁層３３３は、一方の加減抵抗器のＭＯＳトランジスタ３１３ｃ、３１３ｄのドレインを、他方の加減抵抗器のＭＯＳトランジスタ３１３ｅ、３１３ｆのドレインから絶縁することを可能にする。作動中のＭＯＳトランジスタ３１３ｃ、３１３ｄのドレインとＭＯＳトランジスタ３１３ｅ、３１３ｆのドレインとは、一般的には相異なる電位を有する。各ＭＯＳトランジスタと各パッド３３２との間の熱伝導を良好にするために、熱グリース３３１を導電タイプにすることができる。その場合には、各パッド３３２の電位は、組み合わされているＭＯＳトランジスタのドレインの電位と等しくなる。

図１４は、最初の２つの使用サイクルにおける、最大の電流で動作するＭＯＳトランジスタの接合温度および出力を示している。このシミュレーションは、周囲温度が４５℃であるとして行われている。

図１５は、このＭＯＳトランジスタの接合温度（破線）、このＭＯＳトランジスタに組み合わされているパッド３３２の温度（点線）、および放熱器３３４の温度（実線）を示している。使用サイクルを繰り返しても、接合温度は、１２５℃の閾値未満にとどまることに注意されたい。このシミュレーションに用いたＭＯＳトランジスタの最大許容接合温度は１７５℃である。

安全性に配慮して、ＭＯＳトランジスタ３１３ｃ〜３１３ｆを通る電流、ＭＯＳトランジスタ３１３ｃ〜３１３ｆの端子間電圧、および周囲温度の測定値から、制御回路３１０によって、ＭＯＳトランジスタ３１３ｃ〜３１３ｆの接合温度を推定することが可能である。

さらに、本発明は、いくつかの構成要素の間に機能が分散されている電力供給装置を提供するものである。図１６は、そのような電力供給装置の概念図である。図示の電力供給装置は、相互接続インターフェイス３、相互接続インターフェイス３を固定しているケーシング６、および蓄電モジュール２ａおよび２ｂを有している。

蓄電モジュール２ａおよび２ｂは、一方ではケーシングを、他方では蓄電素子を有している。具体的には、蓄電モジュール２ｂは、ケーシング２１０ｂおよび蓄電素子２２０ｂを有している。ケーシング２１０ｂには、接続具（端子２３、２４、２５）、および蓄電モジュール２ｂのための監視装置２００ｂが備えられている。蓄電素子２２０ｂは、着脱可能にケーシング２１０ｂ内に収容されており、複数の電気化学セルおよびそれらの電気化学セルのための管理装置２６ｂを有している。ケーシング２１０ｂは、種々のタイプの蓄電素子を受け入れることができるように、標準的な形状係数を有している場合がある。とりわけ、ケーシング２１０ｂは、蓄電素子と相互接続インターフェイス３との間のアダプタとして働くことができる。

想定される機能の中で、特記すべき機能は、次の通りである。
− 電気化学セルの電圧および温度の測定。
− 蓄電モジュールを通る電流の測定。
− 次の場合の、蓄電モジュールの安全の確保。
・ 充電電流／放電電流が高すぎる。
・ いずれかの電気化学セルの電圧が高すぎる／低すぎる。
・ 温度が高すぎる／低すぎる。
− 蓄電モジュールの充電終了の管理。
− 蓄電モジュール中の残留エネルギーの計算。
− 蓄電モジュールによって供給／吸収することができる電力の計算。
− 品質保証のための、蓄電モジュールの使用データ（輸送から貯蔵を経て使用までの）の記録付け。
− 電力を供給される電気負荷との連絡（残留エネルギー、利用可能な電力、警告／異常など）。
− 各蓄電モジュールの放電電流の調整。
− 電気負荷へのサービスの連続性を保証し、損失を低減するための、蓄電モジュールの管理。

蓄電モジュール２においては、次の機能を遂行することができる。
− 電気化学セルの電圧および温度の測定。
− 蓄電モジュールを通る電流の測定。
− 次の場合の、電気化学セルの安全の確保。
・ 充電電流／放電電流が高すぎる。
・ いずれかの電気化学セルの電圧が高すぎる／低すぎる。
・ 温度が高すぎる／低すぎる。
− 蓄電モジュールの充電終了の管理。
− 蓄電モジュール中の残留エネルギーの計算。
− 蓄電モジュールによって供給／吸収することができる電力の計算。
− 品質保証のための、蓄電モジュールの使用データの記録付け。

相互接続インターフェイス３においては、次の機能を遂行することができる。
− 電力を供給される電気負荷との連絡（残留エネルギー、利用可能な電力、警告／異常など）。
− 各蓄電モジュールの放電電流の調整。
− 電気負荷へのサービスの連続性を保証し、損失を低減するための、蓄電モジュールの管理。

蓄電モジュール２と相互接続インターフェイス３とを、通信バス（電流プローブ３１１の位置に応じて、ＲＳ２３２、ＬＩＮ、ＣＡＮ、ＳＰＩ、Ｉ^２Ｃなどのタイプの）で接続することができる。このような機能の分散によって、蓄電モジュール２における熱管理を全く、またはほとんど不要にすることができる。実際、電気化学セルの充電均等化中、または管理装置２６のパワー部品中を電流が通る際に損失される電力は、１ワット程度であるが、各蓄電モジュール２の出力電流の調整において損失される電力は、数１０ワットに達する場合がある。

管理装置２６ｂにおいては、電気化学セルの監視および安全確保のためのサブセットを形成する次の機能の実行を想定することができる。
− 電気化学セルの電圧および温度の測定。
− 次の場合の、電気化学セルの安全の確保。
・ 充電電流／放電電流が高すぎる。
・ いずれかの電気化学セルの電圧が高すぎる／低すぎる。
・ 温度が高すぎる／低すぎる。
− 電気化学セルの電圧の均等化。

監視装置２００ｂにおいては、使用状況の追跡、性能計算、および連絡のためのサブセットを形成する次の機能の実行を想定することができる。
− 蓄電モジュールを通る電流の測定。
− 蓄電モジュール中の残留エネルギーの計算。
− 蓄電モジュールによって供給／吸収することができる電力の計算。
− 品質保証のための、蓄電モジュールの使用データの記録付け。

このような機能の分散により、電気化学セルと組み合わされて、電力供給装置の残りの部分から独立して作動し、電気化学セルの安全を確保し続ける回路を用いることができる。したがって、調整可能なケーシング２１０ｂ内に組み込まれた監視装置２００ｂを用いて、現存する蓄電素子を、相互接続インターフェイス３と適合するようにすることが、より容易となる。

１ 電力供給システム
２、２ａ、２ｂ 蓄電モジュール
３ 相互接続インターフェイス
４ インバータ
５ 電気負荷
６、２１、２１０ｂ ケーシング
２２ 電気化学セル
２３、２４、２５ 端子
２６、２６ｂ 管理装置
２７ 再充電回路
２８ 保護装置
２００ｂ 監視装置
２２０ｂ 蓄電素子
３０１、３０２、３０６ 出力端子
３０３、３０３ａ〜３０５ａ、３０３ｂ〜３０５ｂ 入力端子
３１０ 制御回路
３１１ａ、３１１ｂ 電流プローブ
３１２、３１２ａ、３１２ｂ 加減抵抗器
３１３、３１３ａ〜３１３ｆ、３１４ ＭＯＳトランジスタ
３１５ マイクロコントローラ
３２１ 第１の駆動トランジスタ
３２２ 第２の駆動トランジスタ
３２３ 保護ダイオード
３２４ バイポーラトランジスタ
３２５ ノード
３３０ 冷却システム
３３１ 熱グリース
３３２ パッド
３３３ 熱伝導性電気絶縁層
３３４ 放熱器

Claims (13)

1. − 互いに逆極性の２つの接続端子と、これら２つの接続端子間に接続されている蓄電素子とをそれぞれに有している少なくとも２つの蓄電モジュール（２）と、
   − 相互接続インターフェイス（３）とを備えている、供給能力可変の電力供給システム（１）であって、前記相互接続インターフェイス（３）は、
   − 各対が、１つの蓄電モジュールの２つの接続端子に取り外し可能に接続されている少なくとも２対の入力端子と、
   − 電気負荷（４、５）に電力を供給するための２つの出力端子（３０１、３０２）であって、該２つの出力端子間には、並列に接続されている少なくとも２つの分岐が形成されており、各分岐には、前記蓄電素子のうちの１つが含まれている２つの出力端子（３０１、３０２）とを有している電力供給システム（１）において、
   − 前記各分岐は、各分岐の蓄電素子に直列に接続されている加減抵抗器を有しており、
   − 前記相互接続インターフェイスは、前記分岐の各々を通る電流を測定するための測定装置を有しており、
   − 前記相互接続インターフェイスは、前記分岐の各々を通る電流の強度を保護閾値未満に保つために、前記測定装置によって測定された電流に応じて、各分岐の加減抵抗器の抵抗を制御する制御回路を有していることを特徴とする電力供給システム。
2. 前記蓄電素子（２２）は、複数の電気化学蓄電池である、請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記電気化学蓄電池は、ＬｉＦｅＰＯ_４（リン酸鉄リチウム）タイプの蓄電池である、請求項２に記載の電力供給システム。
4. 前記加減抵抗器（３１２）の各々は、前記相互接続インターフェイス（３）内に収容されており、それぞれに、前記相互接続インターフェイス（３）の、対応する１つの入力端子（３０３）と１つの出力端子（３０１）との間に接続されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力供給システム。
5. 前記加減抵抗器の各々は、１つのＭＯＳトランジスタ（３１３）を有しており、このＭＯＳトランジスタ（３１３）の抵抗は、前記制御回路（３１０）によって定められる、ＭＯＳトランジスタ（３１３）のゲート／ソース間電圧に応じて決められている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力供給システム。
6. 前記加減抵抗器の各々は、互いに逆直列に接続されている少なくとも２つのＭＯＳトランジスタ（３１３、３１４）を有しており、該少なくとも２つのＭＯＳトランジスタの各々の抵抗は、前記制御回路（３１０）によって定められる、各ＭＯＳトランジスタのゲート／ソース間電圧に応じて決まる、請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力供給システム。
7. 前記電力供給システム（１）は、放熱器（３３４）を備えており、２つの熱吸収素子（３３２）が、該放熱器（３３４）に熱的に結合されており、各熱吸収素子（３３２）は、前記加減抵抗器の１つに熱的に結合されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の電力供給システム。
8. 前記熱吸収素子（３３２）は、熱伝導性電気絶縁層を介して、前記放熱器（３３４）に熱的に結合されている、請求項７に記載の電力供給システム。
9. 前記制御回路（３１０）は、前記加減抵抗器（３１２）の任意の１つに、対応する蓄電モジュールの放電電流が流れるときに、該加減抵抗器（３１２）を通る電流の強度を、第１の保護閾値未満に保ち、該加減抵抗器（３１２）に、対応する蓄電モジュールの充電電流が流れるときに、該加減抵抗器を通る電流の強度を、前記第１の保護閾値と異なる第２の保護閾値未満に保つように構成されている、請求項１〜８のいずれか１つに記載の電力供給システム。
10. 前記制御回路（３１０）は、前記相互接続インターフェイス（３）の出力端子（３０１、３０２）に電気負荷（５）が接続されていない状態において、充電状態が相対的に高い蓄電モジュール（２）から、充電状態が相対的に低い蓄電モジュール（２）への放電を可能にするように構成されている、請求項１〜９のいずれか１つに記載の電力供給システム。
11. 前記分岐の各各は、その分岐に属する蓄電素子（２２）と加減抵抗器（３１２）とに接続されているヒューズ（２８）を有し、このヒューズのカットアウト閾値は、その分岐に属する蓄電素子に対応する第１および第２の保護閾値より大きい、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電力供給システム。
12. 前記電力供給システム（１）は、前記相互接続インターフェイス（３）の入力端子（３０３ａ、３０４ａ、３０３ｂ、３０４ｂ）が収容されている保護ケーシング（６）を備えており、この保護ケーシング（６）は、前記蓄電モジュール（２）の各々がスライドし、その結果、各蓄電モジュール（２）の２つの接続端子（２３、２４）が、前記相互接続インターフェイス（３）の対応する１対の入力端子に接続されるように、各蓄電モジュール（２）を案内している、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の電力供給システム。
13. 前記蓄電モジュールの各各は、１つの蓄電素子（２２０ｂ）が取り外し可能に収容されているケーシング（２１０ｂ）を有しており、この蓄電素子は、複数の電気化学セルと、該複数の電気化学セルのための管理装置（２６ｂ）とを有しており、このケーシング（２１０ｂ）は、監視装置（２００ｂ）と、蓄電素子を、蓄電モジュールの互いに逆極性の２つの接続端子に電気的に接続している接続具とを備えており、
    − 前記管理装置は、前記複数の電気化学セルの電圧および温度を測定する機能、過度の充電電流または放電電流が流れた場合、または過度に高いまたは低い電圧の電気化学セルが存在する場合には、前記複数の電気化学セルを保護する機能、前記複数の電気化学セル間で電圧均等化を行う機能の中から１つの機能を実行するようにプログラムされており、
    − 前記監視装置は、前記蓄電素子を通る電流を測定する機能、前記蓄電素子内の残留エネルギーを計算する機能、前記蓄電素子の充電電力／放電電力を計算する機能、前記蓄電モジュールの使用データを記録する機能の中から１つの機能を実行するようにプログラムされている、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の電力供給システム。

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