JP5004033B2 - エネルギ蓄積装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に電気エネルギ蓄積装置、例えば直列接続される複数の蓄積素子及び電荷再分配回路を持つエネルギ蓄積装置に関する。エネルギ蓄積装置は、蓄積素子電圧を測定して電圧閾値と比較するように構成され、蓄積素子の電圧が電圧閾値を超過すると、電荷再分配回路がこの蓄積素子から電荷を放出し、これによりその電圧を低下する。

電気エネルギ用蓄積装置は、通常個々の蓄積素子から構成されている。この蓄積素子の公称作動電圧は、大抵は比較的低い電圧値例えば二重層コンデンサの場合２〜２．５Ｖの範囲にある。しかし大抵の使用のためには、エネルギ蓄積装置のもっと高い作動電圧が必要である。例えばハイブリッド車両の電気駆動装置は、形式に応じて４５Ｖ〜３００Ｖで作動せしめられるので、このような駆動装置の給電のために使用されるエネルギ蓄積装置は、それに応じて高い作動電圧を持っていなければならない。この高い電圧を得るために、エネルギ蓄積装置では、典型的に適当な数の蓄積素子が直列接続されている。例えば４８Ｖのエネルギ蓄積装置は、約２．４Ｖの作動電圧を持つ２０個の二重層コンデンサの直列回路により形成することができる。

その間に、個々の蓄積素子の充電状態の均一化によりこのようなエネルギ蓄積装置の寿命を著しく短くすることが公知である（例えばＨ．Ｓｃｈｍｉｄｔ ｅｔ．ａｌ．，“Ｔｈｅ ｃｈａｒｇｅ ｅｑｕａｌｉｚｅｒ−ａ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｅｘｔｅｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｉｎ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ， Ｕ．Ｐ．Ｓ． ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ”， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉａｃｔｉｏｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， Ｉｎｔｅｌｅｃ， Ｐａｒｉｓ，２７．〜３０．Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９３， ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．２，Ｃｏｎｆ．１５，Ｐ．１４６−１５１）。個々の蓄積素子の直列回路において、これらの素子すべてが同じ特性を持ち、常に同じ充電状態にあることが、まず仮定された。実際には、公称的には同じ蓄積素子は、その特性量（例えば容量、自己放電率）に関して一般に僅か互いに相違している。簡単な直列回路では、このような相違は、一方では放電過程において全放電又は小さい容量の蓄積素子の逆充電を生じ、他方では充電過程において早期に充電される蓄積素子の過充電を生じることがある。この挙動は発散的であり、即ち個々の蓄積素子の間の小さい相違でも、充分多数の充−放電サイクルしか行われない時、時間の経過と共に前記の現象が生じる。前記の現象はまず関係する蓄積素子の損傷又は故障を生じ、最後には連鎖反応のようにエネルギ蓄積装置全体の早期の故障を生じる可能性がある。

個々の蓄積素子の間の（実際には不可避な）相違のこのような影響を回避するため、複数の発明者が種々の方法を提案しており、この方法により個々の蓄積素子の充電状態の対称化が行われる（既に述べたＳｃｈｍｉｄｔ等の会議寄稿、欧州特許出願公開第０４３２６３９号明細書、Ｎ．Ｋｕｔｋｕｔ ｅｔ．ａｌ．の「Ｄｙｎａｍｉｃ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｓｅｒｉｅｓ ｂａｔｔｅｒｙ ｓｔａｃｋｓ」、Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ１９９６ （Ｉｎｔｅｌｅｃ），Ｂｏｓｔｏｎ， １９９６年１０月６日から１０日、ＩＥＥＥ０−７８０３−３５０７−４／９６，Ｐ．５１４−５２１及び欧州特許出願公開第１２８３５８０号明細書）。これらの提案の基礎になっている共通な思想は、蓄積素子の電圧を監視し、高度に充電された蓄積素子から電荷を取出すことである（多くの提案ではすべての蓄積素子から電荷が取出されるが、高度に充電されている蓄積素子からは低度に充電されているものより多くの電荷が取出される）。以前の提案（例えばＳｃｈｍｉｄｔが前記の会議文書が報告している）では、高度に充電される蓄積素子から取出されるエネルギが加熱抵抗において放散されるが、別の提案によれば、取出されるエネルギが再びエネルギ蓄積装置（即ち別の蓄積素子）へ供給される。このような再蓄積は効率的には有利である。なぜならば、この場合再蓄積される全エネルギが失われるのではなく、再蓄積過程に伴う損失しか生じないからである。これらの提案により、比較的良い効率で、前記の種類のエネルギ蓄積装置の寿命が著しく延長される。

欧州特許出願公開第１２８３５８０号明細書に記載されている対称化回路は、個々の蓄積素子に付属しかつ充分自発的に動作する電荷放出回路から構成されている。上位の制御装置は、電荷放出回路に電圧閾値を規定する（欧州特許出願公開第１２８３５８０号明細書の段落００２７）。

本発明は、第１の局面によれば、直列接続される複数の蓄積素子及び１つの電荷再分配回路を持つエネルギ蓄積装置に関する。エネルギ蓄積装置は、蓄積素子電圧が測定されて、電圧閾値と比較されるように構成されている。蓄積素子の電圧が電圧閾値を超過すると、電荷再分配回路がこの蓄積素子から電荷を放出し、これによりその電圧を減少する。更に蓄積装置に関する温度が求められ、電圧閾値が、求められる温度に関係して可変にされて、温度の上昇と共に電圧閾値が減少される。更に電圧閾値が車両の現在の作動状態にも関連して可変にされて、比較的高い蓄積又は取出し需要を持つ比較的短い持続時間に対する閾値が一層大きく設定される。

別の局面は、直列接続される複数の蓄積素子及び再分配回路を持つ、電気駆動装置又は電気ハイブリッド駆動装置を備えた車両用のエネルギ蓄積装置に関する。エネルギ蓄積装置は、蓄積素子電圧が測定されて、電圧閾値と比較されるように構成されている。蓄積素子の電圧が電圧閾値を超過すると、電荷再分配回路がこの蓄積素子から電荷を放出し、これによりその電圧を減少する。電圧閾値が車両の現在の作動状態に関係して可変にされて、比較的高い蓄積又は取出し需要を持つ比較的短い持続時間に対する閾値が一層大きく設定される。

別の局面は、直列接続される複数の蓄積素子及び再分配回路を持つエネルギ蓄積装置に関する。蓄積素子電圧が測定されて、電圧閾値と比較されるように構成されている。蓄積素子の電圧が電圧閾値を超過すると、電荷再分配回路がこの蓄積素子から電荷を放出し、これによりその電圧を減少する。比較的大きく進行する老化を持つ蓄積素子に対する電圧閾値が、比較的小さく進行する老化を持つ蓄積素子に対する電圧閾値より低く設定される。

それ以外の特徴は、開示される装置に含まれているか、又は実施例の以下の詳細な説明及び添付図面からわかる。

例えば二重層コンデンサの寿命−電圧線図を図１により説明する前に、好ましい実施例に対する若干の注がまず続く。

これらの注は直列接続される複数の蓄積素子を持つエネルギ蓄積装置に関し、これらの蓄積素子は電池、コンデンサ、二重コンデンサ等である。蓄積素子を直列接続する理由は、最初に説明したように、エネルギ蓄積装置が、全体として見て、個々の蓄積素子の公称作動電圧より高い作動電圧を供給せねばならないことである。例えば直列接続される２．４Ｖの２０個の蓄積素子を持つエネルギ蓄積装置は、約４８Ｖの電圧を供給する。特定の実施例では単独の蓄積素子は、複数の下位素子の並列回路であってよい。このような蓄積素子は、ここではその内部構造に関係なく「蓄積素子」と称される。

最初に説明したように、（個々の蓄積素子の間の電荷平衡なしの）純粋の直列回路では、個々の蓄積素子の間に存在する不可避な相違が、不同の充電状態を生じることがある。従って実施例では、直列接続される個々の蓄積素子から電荷を取出すのに適した電荷再分配回路が設けられている。蓄積素子の電圧が電圧閾値を超過している時、この蓄積素子から電荷の取出しが行われる。このため電荷再分配回路が連続的に蓄積素子電圧を測定し、これを電圧閾値と比較し、測定される蓄積素子電圧が電圧閾値を超過する時、電荷放出を行わせる。

更に以下に詳述するように、若干の実施例では、エネルギ蓄積装置のすべての蓄積素子に対して単一の電圧閾値が用いられるが、他の実施例では、各蓄積素子に個々の電圧閾値が割当てられ、この電圧閾値は他の蓄積素子の電圧閾値と相違していてもよい（しかし個々の場合相違していなくてもよい）。更に別の実施例では、これら両極端の間の中間も実現され、それぞれの群の蓄積素子（例えば蓄積素子対）に固有の電圧閾値が割当てられる。

種々の実施例に共通なことは、単一の閾値又は個々の閾値が不変に規定されているのではなく、１つ又は複数のパラメータに関係して可変に設定されることである。関係パラメータは、例えば（ｉ）蓄積素子の温度、（ｉｉ）車両の作動状態及び（ｉｉｉ）蓄積素子の老化状態である。多くの実施例ではこれらの関係のうち１つのみ（即ち例えば（ｉ）又は（ｉｉ）又は（ｉｉｉ））が実現され、他の実施例ではこれらの関係のうち２つが組合わされ（即ち例えば（ｉ）と（ｉｉ）又は（ｉ）と（ｉｉｉ）又は（ｉｉ）と（ｉｉｉ））、最後に別の実施例では３つの関係すべてが一緒に実現される（即ち（ｉ）と（ｉｉ）と（ｉｉｉ））。

可変な閾値設定のためのこれら種々の手段の基礎となっていて共通な認識は、種々の形式の蓄積素子において、蓄積素子の寿命が、蓄積素子を作動させる電圧に強く関係していることである。作動電圧が高いほど、蓄積素子はそれだけ早く老化する。例えば二重層コンデンサの作動電圧が高いほど、電解質がそれだけ速く分解する。寿命を高めるために、電圧閾値を比較的低い値に不変に規定することはもちろん可能であろう。しかしその代償はエネルギ蓄積装置の全体として少ない蓄積容量であろう。これに反し、可変に設定される電圧閾値のためここで講じられる手段によって、一方では、蓄積装置容量の一般的な（即ちすべてのこの作動状態において又はすべての蓄積素子に対して同じ）減少なしに、エネルギ蓄積装置の比較的長い寿命が得られる。

一般にエネルギ蓄積装置は、電圧閾値が上昇されると、一層蓄積可能になる。充電される蓄積装置において電圧閾値を低くすると、（他の蓄積素子がまだ蓄積可能である限り）電圧に関して特に高い蓄積素子からエネルギの再蓄積のみがおこなわれるか、又はエネルギ蓄積装置全体から蓄積されているエネルギの取出しが、（他の蓄積素子がもはや蓄積可能でない時）例えば電荷再分配回路の損失熱の形で行われる。

手段（ｉ）：温度に関係する閾値の変化
第１群の実施例では、電圧閾値が蓄積素子の温度に関係して設定される。それの基礎になっている認識は、蓄積素子の寿命が電圧以外に蓄積素子の温度にも関係している、ということである。なぜならば、コンデンサのような蓄積素子では、高い電圧だけではなくて、高い温度における高い電圧が、電解質の速い分解をひき起こすからである。電圧及び温度は、寿命に関して相補的な影響量である。従って低い蓄積素子温度では、このような蓄積素子は比較的高い電圧で作動せしめられ、また逆もその通りである。従ってこの群の実施例では、この相補性を利用するために、蓄積装置に関する温度検出が行われ、電圧閾値が、求められる温度に関係して可変に設定されて、温度の上昇と共に電圧閾値が減少される。

蓄積素子の温度は、外部及び内部の熱源又はヒートシンクにより決定される。外部の熱源又はヒートシンクは周囲である（周囲温度が蓄積素子温度以下であるか以上であるかに応じるが、周囲温度は例えば季節により変動することがある）。大抵の場合周囲はヒートシンクであり、例えばエネルギ蓄積装置は周囲空気によって冷却される（多くの実施例では、周囲空気によりエネルギ蓄積装置を冷却するため、冷却送風機が設けられている）。更に場合によっては別の外部熱源をエネルギ蓄積装置の近くに設けることができる。エネルギ蓄積装置がハイブリッド車両の機関室に設けられている場合、内燃機関の廃熱を（例えば熱伝導、対流、放射により）得て、内燃機関温度に関係してエネルギ蓄積装置を加熱することができる。主要な内部熱源は、蓄積素子の通電の際その内部抵抗のため生じる損失熱を形成する。全体としてエネルギ蓄積装置の温度は、周囲温度、車両の作動状態及び出力に応じて（取出されるか又は蓄積される出力の大きさに関係して）、（１００℃までの）比較的大きい温度範囲で変動可能である。

若干の実施例では、蓄積装置に関する温度が温度測定により求められる。このため例えば温度センサが設けられて、各蓄積素子の現在の作動温度を測定する。他の実施例では、蓄積素子の群例えば蓄積素子対が、その群の蓄積素子のほぼ平均温度を測定する温度センサをそれぞれ備えている。別の実施例では、温度センサが全部の蓄積素子のほぼ平均温度を測定するように、エネルギ蓄積装置に設けられている。

これに反し別の実施例では、温度測定によるのではなく、（測定されるか又は他の方法で求められる）他の量から温度を推論することができる。例えば（測定される）周囲温度、内燃機関の（測定される）冷却水温度、及び（例えば同様に測定によってわかる）エネルギ蓄積装置の通電から、現在のエネルギ蓄積装置温度を推論することができる。

若干の実施例では、既に上述したように、エネルギ蓄積装置の蓄積素子に対して単一の電圧閾値が使用される。この単一の電圧閾値は、求められる温度に関係して可変に設定され、この温度が種々の蓄積素子のほぼ平均温度を表している。若干の実施例では、個々の蓄積素子の温度が測定され、平均温度がこれらの温度の平均により計算される。これに反し他の実施例では、例えば蓄積素子と熱伝導接触しかつ平均蓄積素子温度にほぼ一致する温度を持つエネルギ蓄積装置のハウジングの温度測定により、平均温度が測定される。

他の実施例では、同様に既に上述したように、個々の蓄積素子又は蓄積素子の群に個々の電圧閾値が割当てられる。これらの個々の電圧閾値は、個々の蓄積素子又は蓄積素子群に対して、蓄積素子又は蓄積素子群のために個々に求められる温度に関係して可変に設定される。これにより、（例えば内燃機関の特に近くにあるため）特別な外部熱供給及び／又は（例えば平均値以上にある内部抵抗のため）特別な内部抵抗のため他の蓄積素子より高い温度を持つ蓄積素子において、電圧低下が行われる。このように個々の蓄積素子温度に関係する個々の蓄積素子電圧閾値の設定は、個々の蓄積素子の老化に対して均一に、従って蓄積装置全体の寿命に対して特に有利に作用を及ぼす。

手段（ｉｉ）：車両作動状態に関係する閾値の変化
第２群の実施例は、電気駆動装置又は内燃機関−電気ハイブリッド駆動装置を備えた車両がエネルギ蓄積装置を備えている場合に関する。この第２群では、電圧閾値が車両の作動状態に関係して設定され、しかも閾値が、比較的大きいエネルギ蓄積又は取出し需要を持つ比較的短い接続時間に対して、他の時間に対するより大きく設定される。この手段の基礎になっている考えは、比較的短い時間に対しては比較的速い老化が受容可能なことである。なぜならば、このような短い時間は、全寿命に対する割合が小さいため、寿命を短くすることに対してあまり問題にならないからである。他方このような手段によりエネルギ蓄積装置の有効蓄積能力が著しく高まる。

第２群の実施例では、閾値の設定に関係する作動状態は、例えば１つ又は複数の次の状態である。
走行作動／作動休止。多くの実施例では、車両が作動休止状態にある時にも、エネルギ蓄積装置は充電された状態にある。電圧閾値は、車両の作動休止中には、走行作動の場合より小さい値に設定される。例えば私的に利用される普通の乗用車が、典型的には走行作動状態の２０倍の長さの作動休止状態にあるという事実により、作動休止における電圧低下は寿命を著しく長くするように作用する。
動的作動／非動的作動。「動的」作動、即ち頻繁な加速とそれに続く制動のように走行状態が著しく変化する作動では、電気制動及び制動エネルギ回収を行う電気車両又は電気ハイブリッド車両では、電気制動の際得られるエネルギをエネルギ蓄積装置へ供給する必要が比較的頻繁にある。その場合そのつど蓄積されるエネルギは、大抵の場合比較的短時間だけエネルギ蓄積装置に留まる。なぜならば、このエネルギは、しばしばすぐ続く加速過程において直ちに再び電動加速又は加速補助のために、蓄積装置から取出されるからである。それに応じて多くの実施例では、動的作動の場合即ち（例えば市内交通において）走行状態が甚だしく変化する作動の場合、電圧閾値が、非動的作動の場合即ち（例えば高速自動車道路において）均一な走行状態での作動の場合より大きく設定される。
常用制動／非常用制動。現在の作動状態が動的（市内交通）であるか非動的（高速自動車道路交通）であるかに関係なく、原理的に比較的大きい電気常用制動の場合、比較的大きいエネルギ量の供給需要がある。従って多くの実施例では、電気常用制動の場合電圧閾値が高く設定される。この高設定は、常用制動後特定の時間にわたって維持される。それから初めて閾値が再び低下される。しばしばこの時間中に、蓄積されている制動エネルギが、直ちに再び利用目的例えば車両加速のために、蓄積装置から取出される。それによりこの短時間の閾値上昇により、多量の制動エネルギが回収可能である。

従って全体として手段（ｉｉ）は、電気車両又は電気ハイブリッド車両における制動エネルギ及び駆動エネルギ蓄積装置として使用する際、エネルギ蓄積装置の著しい寿命短縮を伴うことなく、エネルギ蓄積装置の一層効率的な利用を可能にする。

手段（ｉｉｉ）：蓄積素子老化状態に関係する閾値の変化
手段（ｉ）及び（ｉｉ）による実施例には，（強制的でないとしても）蓄積素子を同じに扱い、単一の電圧閾値を可変なやり方ですべての蓄積素子に対して共通に設定することが可能であるが、手段（ｉｉｉ）は，異なる蓄積素子老化状態を均一にするため蓄積素子の不同な取扱いに関する。直列接続される多数の蓄積素子から構成されているエネルギ蓄積装置の寿命は、大体において最短寿命の蓄積素子の寿命に等しい。従って長い寿命の蓄積素子を犠牲にして、既に平均以上に老化する蓄積素子の老化を遅くすることは、エネルギ蓄積装置の全体寿命を長くする。個々の蓄積素子の選択的な老化減速は、第３群の実施例では、関係する蓄積素子の電圧閾値を他の蓄積素子より小さく設定することによって、行われる。

蓄積素子の老化状態に対して種々の指標がある。これらの指標の１つは例えば蓄積素子の容量である。なぜならば、この容量は老化の増大と共に減少するからである。容量は周知のように、単位電圧当たり蓄積素子に蓄積される電荷として定義されている。従って多くの実施例では、老化状態を測定するために、蓄積素子を通って流れる電流が測定される（又はその代わりに既知の大きさの電流が印加される）。この電流から積分により、蓄積される電荷の変化が求められる。それに伴って蓄積素子において降下する電圧の変化が測定される。最後に電荷変化と電圧変化との関係を形成することによって、蓄積素子の容量が求められる。これから蓄積素子の老化状態が推論される。エネルギ蓄積装置のすべての蓄積素子のほぼ同じ「死時点」を得るため、求められる老化状態に基いて、老化が進行する蓄積素子に対する電圧閾値が、老化が僅かしか進行しない蓄積素子に対する電圧閾値より小さく設定される。個々の場合この手段は、エネルギ蓄積装置の可能出力を著しく低下することなしに、このエネルギ蓄積装置の全寿命を著しく増大することができる。

前記の手段の重畳
既に上述したように、多くの実施例では、前記３つの手段が一緒に使用される。これに反し若干の実施例は、それぞれ２つの手段の下位組合わせである。例えば電圧閾値の（単一又は蓄積素子個々の）温度調節に、車両の作動状態に関係する（すべての蓄積素子に対して単一の）調節が重畳可能である。これらの両方の関係に、老化状態に関係する個々の閾値が重畳可能である。このような重畳は、例えば平均の閾値から偏差として示すことができ、これらの偏差は各蓄積素子に対して加算される。例えば平均の公称電圧閾値が２．４Ｖであると仮定する。エネルギ蓄積装置の現在測定される比較的高い温度のため、この閾値が０．３Ｖだけ低下されるものとする。しかし車両の現在の作動状態（通常とみなされる非動的作動とは異なり動的作動）は、現在０．１Ｖだけ高い電圧閾値を可能にするであろう。この考察される２つの蓄積素子のうち、１つが比較的「若く」、従って老化減速のため閾値減少を必要としないものとする。この例において、この蓄積素子に対して２．２Ｖの閾値が設定される。これに反し考察されている他の蓄積素子では、老化が他の蓄積素子に対して、これに対し老化減速のため閾値が０．１Ｖだけ低下されるように、大きく進行せしめられる。この例においてこの蓄積素子に対して、２．１Ｖの閾値が設定される。

車両の作動状態及びエネルギ蓄積装置の温度は秒ないし分内で変化することがあるが、蓄積素子の老化状態は比較的緩慢（例えば日ないし月の時間目盛）に変化する量である。それに応じて多くの実施例では、温度又は車両作動状態の検出及びそれに応じて温度又は車両走行状態に関係する閾値の調節は、比較的頻繁に（例えば秒ないし分の範囲にある周期で）行われるが、個々の蓄積素子の老化状態の検出及びそれに応じて老化状態に関係する閾値の調節は、まれに（例えば日ないし月の範囲にある周期で）行われる。

閾値を超過する蓄積素子及びエネルギ蓄積装置全体からのエネルギ放出
若干の実施例では、閾値超過のため蓄積素子から取出されるエネルギが放散され、例えば損失抵抗を介して消耗される。これに反し全体として効率的には有利である他の実施例では、蓄積素子から放出される電荷は、エネルギ蓄積装置の１つ又は複数の他の蓄積素子へ供給される。即ち最初に述べたように不均一な充電の傾向のため、しばしばこれらの他の蓄積素子は、充電の際直ちにその電圧閾値を超過することなく、まだ充電可能である。

多くの（又は多分すべての）蓄積素子が閾値を超過し、残りの蓄積素子（存在する場合）放出すべき電荷のために充分な受入れ能力をもはや持っていない、ということがもちろん起こり得る。この場合多くの実施例では、充−放電制御装置がエネルギ蓄積装置全体からのエネルギ取出しをひき起こす（充−放電制御装置も、例えばエネルギ蓄積装置を全体としても温度及び／又は作動状態に関係して充電しかつ放電するために、温度及び／又は作動状態の情報を受け、このため一般に電圧閾値より少し低い電圧が個々の蓄積素子のために与えられて、閾値制御される電荷平衡過程との干渉を回避する）。取出されるエネルギは例えば有効負荷へ供給されるか、又は抵抗を介して消耗（放散）される。多くの実施例では、電荷再分配回路自体もエネルギ放散作用することができる。このため若干の実施例では、加熱抵抗が電荷再分配回路に設けられている。他の実施例では、エネルギ放散が電荷再分配の際電荷再分配回路に生じる損失に基いている。これらの損失は、全エネルギ蓄積装置からエネルギを熱の形で取出す。エネルギ蓄積装置内の全エネルギが大きすぎると、最後にあげた実施例では、電荷の連続する再分配が蓄積されるエネルギを次第に減少させ、最後には全蓄積素子の電圧が電圧閾値を下回るようになる。

例としての蓄積素子
蓄積素子は、若干の実施例では電池であり、他の実施例ではコンデンサであり、しかもこれら実施例の多くでは（既に上述した）二重層コンデンサである。

電池はエネルギを化学的な形で蓄積する。従って比較的大きいエネルギ密度が得られる。化学的エネルギから電気的エネルギへの変換は、特定の損失を伴い、例えば（二重層）コンデンサにおけるより少し緩慢に行われるので、これらと比較して、全体として蓄積可能なエネルギ量に関して若干小さい出力しか取出し可能でない。更に変換速度は温度の低下と共に低下し、更にこのような電池の寿命は限られている。それにもかかわらず種々の使用において大きいエネルギ密度への要求が優勢なので、多くの実施例では電池例えばニッケル−金属−水素化物電池又はリチウム−イオン電池が使用される。

コンデンサはエネルギを直接電気的な形で蓄積するので、実際上損失及び遅れなしにかつ任意の頻度で取出すことができる。しかし従来のコンデンサにおけるエネルギ密度は比較的小さい（典型的に電界コンデンサでは０．０１Ｗｈ／ｋｇ）。二重層コンデンサは従来のコンデンサの利点（実際上損失なしで速く頻繁な放電可能性）を持っているが、ずっと大きいエネルギ密度をとる。エネルギ密度は例えばアルミニウム電解コンデンサより１〜２けた大きい。その蓄積機構は、（従来の誘電体を持つコンデンサにおけるようにイオンの分極だけでなく）電界中におけるイオンの移動に基いている。しかも電気化学的二重層の充−放電が起こる（従って「二重層コンデンサ」という名称が生じる）。この層は２つの相を含み、例えば一方の側にある導電可能な炭素と他方の側にあって溶媒に溶解しているイオンを含んでいる。充電及び放電の際、イオンが分極化した炭素電極から取出されるか又は突き出される。電荷担体の間隔は数ｎｍにすぎず、このような炭素材料の面積は非常に大きいので、小さい体積で比較的大きい容量が得られる（例えばＴ．Ｄｉｅｔｒｉｃｈ：ＵｌｔｒａＣａｐｓ−Ｐｏｗｅｒ ｆｕｅｒ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌａｐｐｌｉｋａｔｉｏｎｅｎ。なお「ＵｌｔｒａＣａｐ」はＥｐｃｏｓ社から販売される二重層コンデンサの商標名であり、専門文献ではしばしば二重層コンデンサ用の一般名称として使用される）。

図１：電圧及び温度の関数としての寿命
さて図１に戻って、そこにはエネルギ蓄積素子の実施例において使用される蓄積素子、ここでは典型的な二重層コンデンサの寿命が、４つの異なる温度に対する蓄積素子電圧の関数として示されている。４つの寿命−電圧曲線に共通なことは、電圧の低下と共に寿命が著しく（しかも指数関数的に）増大し、更に温度の低下と共に増大することである。例えば約２５℃だけ温度の低下に寿命の１０倍が相当する。

若干の実施例では、図１に示す関係に基いて、蓄積素子の作動電圧が、電圧閾値の適当な設定により、そのつど存在する温度に関係して、充分小さい値に保持されて、蓄積素子の特定の寿命を得る。図１において１０年線が破線で示されて、−１５℃において１０年の寿命を得るために、２．６５Ｖの電圧を維持せねばならず、例えば５℃，２５℃，４５℃では電圧を２．４５Ｖ，２．２５Ｖ，２．０５Ｖに低下せねばならないことを示している。

図２：個々の蓄積素子を持つ電荷再分配回路
図２による電荷再分配回路は、直列接続される複数の蓄積素子２を持っている。この実施例では、これらの蓄積素子は、後述するように約２．４Ｖの範囲で作動せしめられる二重層コンデンサである。従ってエネルギ蓄積装置１の約４８Ｖの全電圧Ｕ_ＥＳを得るために、例えば２０個の蓄積素子２が直列接続されている。エネルギ蓄積装置１は、外部へ出力電流を導く２つの接続線即ち正接続線３及びアースへの接続線４を持っている。接続線３，４を介して電流が流れ、この電流によりエネルギ蓄積装置１が外部から充電されるか又は外部へ放電される。

図２の実施例では、各蓄積素子２に電荷再分配装置５が付属している。電荷再分配装置５は、共同で１つの電荷再分配回路６を形成している。電荷再分配装置５はそれぞれ２つの入力接続部７，８及び２つの出力接続部９．１０を持っている。入力接続部７，８のうち一方７が対応する蓄積素子２の正端子に接続され、他方８が負端子に接続されている。出力接続部９，１０のうち、高い電位にある接続部９がエネルギ蓄積装置１の正接続部３に接続され、低い電位にある接続部１０がアース４に接続されている。従って電荷再分配装置５は、出力側で蓄積素子２の直列回路と並列接続されている。

電荷再分配装置５はそれぞれ１つの変圧器１１を持ち、この変圧器１１が電荷再分配装置５を、入力接続部７，８を持つ一次部分１２と出力接続部９，１０を持つ二次部分１３とに分割する。変圧器１１は変圧作用する必要がなく、従って１の変圧比を持つことができる。図２による例では、一次巻線１４及び二次巻線１５は異なる極性を持っているので、一次側及び二次側でそれぞれ高い電圧レベルと低い電圧レベルが対向している。

電荷再分配装置５の一次部分１２は一次巻線１４とパワスイッチ１６との直列回路によって形成され、パワスイッチは例えばバイポーラトランジスタ又は電界効果形パワトランジスタ（ここではパワＭＯＳＦＥＴ）である。二次部分１３は二次巻線１５とダイオード１７との直列回路により形成され、ダイオード１７は蓄積素子２の直列回路の正接続部３へ電流を通す。

更に電荷再分配装置５は、パワスイッチ１６用のスイッチ信号を供給する局部制御装置１８を持っている。図２に示す実施例では、この局部制御装置１８は入力接続部７及び８に接続されて、それぞれ対応する蓄積素子２の電圧Ｕ_ＥＬを測定する。

図２による実施例では、蓄積素子２にそれぞれ１つの温度センサ１９が付属している。この温度センサ１９は蓄積素子２の現在の温度を連続的に測定し、局部制御装置１８が測定される温度を表す信号を連続的に供給する（「ｎ」は蓄積素子２の数である）。温度センサ１９は例えばそれぞれの蓄積素子２のハウジングに熱伝導するように設けられている。

局部制御装置１８は、（例えば直列バスの形の）制御導線を介して上位の制御装置２１に接続されている。局部制御装置１８は、上位の制御装置２１へ、制御導線２０を介して、局部情報例えば現在蓄積素子２において降下する測定電圧Ｕ_ＥＬｎ及び蓄積素子２の現在の測定温度Ｔｎを通報する（「ｎ」は蓄積素子２の数である）。上位の制御装置２１は、別の方向に局部制御装置１８へ、制御導線２０を介して電圧閾値を通報する。この場合若干の実施例では、電圧閾値は個々の電荷再分配装置５（図には実線で示されている）用の個々の閾値Ｕ_ＴＨＲｎであり、これに反し他の実施例では、上位の制御装置２１は、すべての電荷再分配装置５（図２に破線で示す）に対して単一の閾値Ｕ_ＴＨＲを送信する。

電荷再分配は次のように行われる。１つ又は複数の蓄積素子２の測定される現在の電圧Ｕ_ＥＬｎが、上位の制御装置２１により規定される電圧閾値Ｕ_ＴＨＲｎ又はＵ_ＴＨＲより上にあると、関係する局部制御装置１８により、この電圧が電圧閾値Ｕ_ＴＨＲｎ又はＵ_ＴＨＲより低下するまで、電荷が関係する蓄積素子２から放出される（若干の実施例ではヒステリシスが設けられ、即ち例えば固定値だけ電圧閾値Ｕ_ＴＨＲｎ又はＵ_ＴＨＲより下にある第２の閾値より下へ電圧Ｕ_ＥＬｎが低下するまで、電荷放出が行われる）。このため局部制御装置１８がパワスイッチ１６をクロック制御する。スイッチ１６が閉じられると、一次部分１２に電流が流れるので、エネルギが変圧器１１へ供給される。スイッチ１６が開かれると、出力接続部９．１０に、一次側電圧Ｕ_ＥＬｎよりずっと大きく従って蓄積素子２の直列回路の電圧Ｕ_ＳＰより大きい電圧が誘起される。換言すれば、スイッチ１６が開くと、変圧器１１に供給されるエネルギが、二次側で電圧を上昇させながら放出される。個々の蓄積素子２から取出されるエネルギは、電荷再分配回路６において損失熱に変換されるエネルギを別として、電圧上昇後再び蓄積素子２の直列回路へ供給される。全体として電荷再分配装置５は、いわゆる一次クロック制御されるブロッキングオシレータ形変換器を形成する。

多くの実施例では、個々の温度センサ１９の代わりに共通な温度センサ１９″が設けられて（図２に破線で示す）、例えばエネルギ蓄積装置１の全体ハウジングと伝熱結合され、かつ蓄積素子２の共通な温度Ｔを連続的に測定して、上位の制御装置２１へ通報する。

多くの実施例では、エネルギ蓄積装置１の充−放電回路に電流測定器２２が設けられて、その電流値を上位の制御装置２１へ通報する。充電過程又は放電過程における充−放電電流を知り、それに伴う個々の蓄積素子２の電圧Ｕ_ＥＬｎの変化を知ると、上位の制御装置２１は個々の蓄積素子２の容量を求めることができる。

エネルギ蓄積装置１が電気車両又は電気ハイブリッド車両の駆動エネルギ及び制動エネルギ蓄積装置として用いられる多くの実施例では、上位の制御装置２１が、現在の車両作動状態（又は車両作動状態の変化）を表す信号を受信する。これらの作動状態信号は、例えば車両がちょうど作動休止又は作動状態にあるか、又は強く又は弱く変化する走行状態で作動しているか、かつ／又は電気常用制動が行われるかを示す。

後述するように、上位の制御装置２１は、前記の入力量（個々の温度Ｔ_ｎ又は共通の温度Ｔ、充−放電電流及びそれに伴う電圧Ｕ_ＥＬｎの変化、及び／又は車両作動状態についての情報）から、個々の電圧閾値Ｕ_ＴＨＲｎ又は多くの実施例では単一の電圧閾値Ｕ_ＴＨＲを計算し、これを局部制御装置１８へ伝送し、この局部制御装置がこの閾値又はこれらの閾値をその（上述した）電荷放出動作の基礎とする。

図３：蓄積素子群を持つ電荷再分配回路
図３ａ〜３ｃは他の実施例を示し、（ここでは２ａ′及び２ｂ′で示される）それぞれ２つの直列接続される蓄積素子が、以前の（未公開の）ドイツ連邦共和国特許出願第１０２００４０６２１８６号に従って１つの蓄積素子群２′にまとめられている。蓄積素子２ａ′及び２ｂ′の個別電圧はＵ_{ＥＬｎａ′}及びＵ_{ＥＬｎｂ′}で示され、Ｕ_{ＥＬｎａ′}とＵ_{ＥＬｎｂ′}との和である蓄積素子群２′の電圧はＵ_ＥＬｎ′で示されている。図３ａの蓄積素子群２′を図２の蓄積素子２と類似であるものとみなすと、図２に対して述べたことが図３の実施例にも当てはまる。例えば図３において局部制御装置１８′が個々の蓄積素子群２′の電圧Ｕ_ＥＬｎ′を測定する。個々の温度センサＴ_ｎ′が、図３ではそれぞれの蓄積素子群２′の蓄積素子２ａ′，２ｂ′の共通な温度を測定する。局部制御装置１８′は、これらの値を、図２に関して上述したように上位の制御装置２１′に通報する。この制御装置２１′は、これらの（及び場合によっては上述した他の）入力量に基いて、図３では蓄積素子群２′の電圧Ｕ_ＥＬｎ′に関する個々又は単一の閾値Ｕ_{ＴＨＲｎ′}又はＵ_ＴＨＲ′を求める。図２の実施例の特定の電圧閾値Ｕ_ＴＨＲｎ又はＵ_ＴＨＲ例えば２．２５Ｖは、従って図３の実施例では上位の制御装置２１′により規定される２倍の高さの電圧閾値Ｕ_{ＴＨＲｎ′}又はＵ_ＴＨＲ′即ち４．５Ｖに相当する。

電荷再分配は図２と同じように行われる。即ち１つ又は複数の蓄積素子群２′の測定される現在の電圧Ｕ_ＥＬｎ′が、上位の制御装置２１′により規定される電圧閾値Ｕ_{ＴＨＲｎ′}又はＵ_ＴＨＲ′の上にあると、局部制御装置１８′により、電荷が関係する蓄積素子群２′から放出される。このため局部制御装置１８′が（図３ｂのマイクロコントローラ２６により）パワスイッチ１６をクロック制御するので、関係する蓄積素子群２′から電荷が取出されて、他の蓄積素子群２′へ供給される。

原則的には、１つの蓄積素子群２′内における両方の蓄積素子２ａ′，２ｂ′の間の充電状態における非対称が生じることもあろう。このような非対称を回避するため、図３の実施例の局部制御装置１８′は、それぞれの蓄積素子群２′内の個別電圧Ｕ_{ＥＬｎａ′}及びＵ_{ＥＬｎｂ′}を対称にするように構成されている。この目的のため付加的な電圧タップが個々の蓄積素子２ａ′，２ｂ′の間に設けられて、それぞれの局部制御装置１８′が、それぞれの蓄積素子群２′の電圧Ｕ_ＥＬｎ′のみならず個々の蓄積素子２ａ′，２ｂ′の電圧Ｕ_{ＥＬｎａ′}及びＵ_{ＥＬｎｂ′}も測定できるようにする。個々の電圧Ｕ_{ＥＬｎａ′}又はＵ_{ＥＬｎｂ′}が、上位の制御装置２１′により規定される閾値Ｕ_{ＴＨＲｎ′}又はＵ_ＴＨＲ′の半分を超過すると、局部制御装置１８′がこの蓄積素子（例えば２ａ′）から電荷を取出して、閾値Ｕ_{ＴＨＲｎ′}２又はＵ_ＴＨＲ′／２（及び場合によっては付加的なヒステリシス値）を再び下回るまで、関係する蓄積素子群２′の他の蓄積素子（例えば２ｂ′）へこの電荷を供給する。

群内部のこの電荷再分配を行うため、局部制御装置１８′は例えば図３ｂに示す下部構造を持っている。これは、２つの電圧変換器２３ａ，２３ｂ、２つの電圧測定増幅器２４，１つの通信インタフェース２５及びマイクロコントローラ２６を含んでいる。電圧変換器２３ａ，２３ｂは蓄積素子２ａ′，２ｂ′の群内部の電圧再分配に役立つので、これらは以下「蓄積素子変換器」とも称される。蓄積素子２ａ′，２ｂ′の蓄積素子変換器２３ａ，２３ｂは、その出力端をそれぞれ他方の蓄積素子２ｂ′又は２ａ′の正端子に接続されている。蓄積素子変換器２３ａ，２３ｂは例えばチョーク変換器であり、上部蓄積素子変換器２３ａは例えば電圧低下変換器であり、下部蓄積素子変換器は例えば電圧上昇変換器である。電圧上昇チョーク変換器３ｂ用の回路が図３ｃに概略的に示されている。図２に関連して説明した電荷再分配装置５におけるのと同様に、蓄積素子変換器２３ａ，２３ｂにおいて、パワスイッチ２７をクロック操作することにより、それぞれ付属の蓄積素子２ａ′，２ｂ′から電荷の放出が行われる。これは、チョーク２８における自己誘導により、電圧を上昇又は低下しながら通電をひき起こす。スイッチ２７の駆動は、スイッチ１６の駆動と同じようにマイクロコントローラ２６により行われる。電圧を低下チョーク変換器２３ｂ用の回路は、例えば図３ｃから、大体においてスイッチ２７とショーク２８の交換により得られる。

図４：双子装置
図４は２つの蓄積素子２ａ′，２ｂ′の双子装置２９を示す。蓄積素子は例えば二重層コンデンサであり、そのハウジングは例えば円形の２つの端面を有する長く延びた円筒形状を持っている。両方の蓄積素子２ａ′，２ｂ′は、共通な面内にあるハウジング円筒の縦軸線を平行に設けられている。蓄積素子２ａ′，２ｂ′はそれぞれ反対側端面に正の電流接続部３０及び負の電流接続部３１を持っている。蓄積素子２ａ′，２ｂ′は、その極性に関して逆に向けて設けられ、即ち隣接する端面に、一方の蓄積素子の正の電流接続部３０及び他方の蓄積素子の負の電流接続部３１がある。一方の側で両方の隣接する電流接続部３０，３１が接続導体３２に結合されている。従って両方の蓄積素子２ａ′，２ｂ′は一緒に図３の蓄積素子群２′を形成する。他方の側にある電流接続部３０及び３１は、この群２′の正又は負の接続端子３３及び３４を形成している。これらの接続端子は、それぞれ接続帯片３５を介して図示した種類の別の双子装置に接続されている。両方の接続端子３３，３４の間で、群２′に付属する電荷再分配装置５′（図３）がハウジング３６内に設けられている。ハウジング３６は温度センサ１９′も収容し、しかもこの温度センサが両方の蓄積素子２ａ′，２ｂ′と熱伝導接触するように収容している。ハウジング３６内の電荷再分配装置は、図３により上述したように、蓄積素子対２′の両方の接続端子３３，３４に接続され、更に例えば接続帯片３２の接触により両方の蓄積素子２ａ′，２ｂ′の間の電位にあるタップ３７を持っている。ハウジング３６内の電荷再分配装置は、更に蓄積素子群２′を含む全蓄積装置の正及び負の接続端子にも接続されている。更にそれは、通信接続のため上位の制御装置２１に制御導線２０を介して接続されている。

図５：電荷再分配
図５は、図２〜４による実施例によって行われる電荷再分配機能を種々の電圧−時間線図により示している。縦軸にはそれぞれ電圧Ｕ_ＥＬｎが記入され、横軸には時間ｔが記入されている。線図において、蓄積素子２に対する電圧推移がｎ＝２，ｎ＝３で、また１つ又は複数の電圧閾値Ｕ_ＴＨＲ又はＵ_ＴＨＲｎが示されている。電圧閾値にはそれぞれヒステリシスが属する。

図５ａは第１の場合を示し、充電過程中に電圧閾値Ｕ_ＴＨＲが超過される。図５ａによる例は、すべての蓄積素子に対して単一の電圧閾値が用いられる。

既に初期状態において、異なる蓄積素子が異なる電圧を持ち、しかも初めに電圧Ｕ_ＥＬ１が３つの電圧のうち最高の電圧を持ち、電圧Ｕ_ＥＬ２が中間の電圧を持ち、電圧Ｕ_ＥＬ３が最低の電圧を持っている。既に最初に与えられるこれらの電圧差異は、例えば先行する充電過程及び放電過程に因る。即ちこのような充電対称を形成する一般的な傾向は既に上述した。さて時点ｔ_１に充電過程が始まって、３つの蓄積素子すべての電圧Ｕ_ＥＬｎがほぼ同じ傾斜で増大する。時点ｔ_２に最高の所にある蓄積素子の電圧Ｕ_ＥＬ１が、上位の制御装置により規定される電圧閾値Ｕ_ＴＨＲを超過する、この閾値超過と共に既に説明した再充電過程が始まって、蓄積素子ｎ＝１から電荷が取出され、この電荷が他の蓄積素子へ供給される。簡単にするため図５ａにおいて、閾値Ｕ_ＴＨＲの超過と共に充電過程も終了するものと仮定されているので、図５ａにｔ_２から電荷取出しの効果のみを示すことができる（これに反し一般的な場合充電過程はｔ_２後もなお継続することがあるので、蓄積素子ｎ＝１に、充電過程のため電荷が供給され、再充電過程のため放出される）。その結果再充電過程に関係する蓄積素子ｎ＝１の電圧Ｕ_ＥＬ１が低下し、それに反し他の蓄積素子の電圧Ｕ_ＥＬ２及びＵ_ＥＬ３はほぼ一定のままである（精確に言えばこの電圧は少し上昇する。なぜならば蓄積素子ｎ＝１から取出される電荷が他の蓄積素子へ供給されるからである。しかし他の蓄積素子の数が比較的大きい場合、比較的強い希薄効果が生じるので、他の蓄積素子の電圧上昇は、図５に示す図面の精度では認められない）。時点ｔ_３に、減少する電圧Ｕ_ＥＬ１はヒステリシスだけ減少した電圧閾値に達し、それから再充電過程が終了せしめられ、今や電圧Ｕ_ＥＬ１も一定に留まる。

図５ｂは類似な場合を示すが、閾値超過は充電過程によってひき起こされるのではなく、閾値Ｕ_ＴＨＲの低下によってひき起こされる。初期状態は図５ａの初期状態に一致している。時点ｔ_１に、閾値Ｕ_ＴＨＲが上位の制御装置２１により減少される。既に述べ更に後述するように、これは例えば蓄積素子の温度の適当な上昇又は車両作動状態の変化に因ることができる。閾値変化のため高い方の電圧Ｕ_ＥＬ１が閾値Ｕ_ＴＨＲより上にあり、他の電圧値Ｕ_ＥＬ２及びＵ_ＥＬ３は減少した閾値Ｕ_ＴＨＲの下に留まる。図５ａにおけるように、超過する蓄積素子ｎ＝１に対する閾値超過（ここではｔ_１における）と共に再充電過程が始まるので、その電圧Ｕ_ＥＬ１が低下する。これに反し他の蓄積素子の電圧Ｕ_ＥＬ２及びＵ_ＥＬ３は、図面の精度内で同じままである。ｔ_２で電圧Ｕ_ＥＬ１がヒステリシスを含めて閾値Ｕ_ＴＨＲを下回るので、再充電過程が終了し、電圧Ｕ_ＥＬ１は今や一定に留まる。

図５ｃは図５ａに類似の場合を示すが、蓄積素子に固有の電圧閾値を持つ実施例を示している。図５ｃの例において、蓄積素子ｎ＝２に対する閾値（即ち閾値Ｕ_ＴＨＲ２）は他の蓄積素子に対する閾値Ｕ_ＴＨＲ１及びＵ_ＴＨＲ３より低い所にある。図５ｃにおいて仮定される電圧Ｕ_ＥＬｎの初期状態は、図５ａの初期状態に一致している。時点ｔ_１に充電過程が始まり、ｔ_２で閾値を生じる。図５ｃの例では閾値Ｕ_ＴＨＲ２は他の閾値より著しく小さいので、蓄積素子ｎ＝２ではその電圧Ｕ_ＥＬ２が閾値を超過し、電圧Ｕ_ＥＬ１及びＵ_ＥＬ３はその閾値Ｕ_ＴＨＲ１及びＵ_ＴＨ３を超過しない。その結果ｔ_２において、蓄積素子ｎ＝２に対して再充電過程が始まって（図５ａにおけるように充電過程の同時終了を仮定して）、電圧Ｕ_ＥＬ１２の低下をひき起こす。これに反し電圧Ｕ_ＥＬ１及びＵ_ＥＬ３はほぼ一定のままである。ｔ_３で電圧Ｕ_ＥＬ２はヒステリシスを含む閾値Ｕ_ＴＨＲ２を下回るので、この時点に再充電過程が終了する。一層低い閾値Ｕ_ＴＨＲは、例えば蓄積素子ｎ＝２が他の蓄積素子より高い温度又は高い実効老化を持つことによって、根拠づけられる。

図５ｄは蓄積素子が固有の閾値を持つ場合を示すが、閾値超過は充電によるのではなく、図５ｂのように閾値低下によってひき起こされる。初期状態で３つの閾値すべてＵ_ＴＨＲ１，Ｕ_ＴＨＲ２及びＵ_ＴＨＲ３がほぼ同じ値に設定されている。時点ｔ_１にこれらの閾値のうち１つ即ちＵ_ＴＨＲ２が低下される。このような選択的低下は、例えば蓄積素子ｎ＝２の特別な温度上昇によるか、又はこの蓄積素子が特に大きく老化していることの検証によってひき起こすことができる。閾値低下に伴ってＵ_ＥＬ２による閾値超過のため、蓄積素子ｎ＝２に対して電荷再分配過程が始まって、図５ｂ及び５ｃに従って閾値／ヒステリシス下回りの際再び終了する。

図６：温度の関数としての閾値
図６は、例えば上位の制御装置により規定される電圧閾値が温度に関係してどのように変化されるかを示している。図示した関係は、単一の閾値Ｕ_ＴＨＲ及び実施例に応じて使用される蓄積素子に固有の閾値Ｕ_ＴＨＲｎの温度依存性に対しても同じように当てはまる。前者の場合電圧閾値の図示した推移は、蓄積装置の共通な温度Ｔに関し、後者の場合個々の蓄積素子２又は個々の蓄積素子群２′（図３）の個々の温度Ｔ_ｎに関する。その関係は、温度Ｔ又はＴ_ｎの低下と共に電圧閾値Ｕ_ＴＨＲ又はＵ_ＴＨＲｎが増大し、しかも蓄積素子の特定の寿命が得られるように増大する。図示した図６の例は、１０年の寿命である。更に電圧閾値Ｕ_ＴＨＲ又はＵ_ＴＨＲｎの上昇は、特定の最高値例えば２．５Ｖに限定することができる。図６に示す関係は、多くの実施例において、例えば表の形で上位の制御装置２１に記憶されている。この制御装置は、測定されるか求められる温度Ｔ又はＴ_ｎに関係して表から閾値Ｕ_ＴＨＲ又はＵ_ＴＨＲｎを求めて、これを局部制御装置１８に規定する。

図７：車両の作動状態の関数としての閾値
同じように図７は、電圧閾値と車両作動状態との関係を示している。多くの実施例では、この関係は単独で、即ち図６に示す温度関係なしに与えられている。これらの実施例に関して、図７の左の縦軸は電圧閾値の絶対値Ｕ_ＴＨＲを示している。他の実施例では、図７に示す電圧閾値と車両作動状態との関係が、図６に示す温度の関係に重畳されている。これらの実施例に対して図７の右の縦軸が変化値ΔＵ_ＴＨＲ′を示している。これらの変化値は、符号に応じて図６の閾値Ｕ_ＴＨＲ又はＵ_ＴＨＲｎに加算されるか又はこれから減算される。種々の作動状態がエネルギ蓄積装置１のすべての蓄積素子２又は蓄積素子群２′に同じように該当するので、図７には共通な電圧閾値Ｕ_ＴＨＲ又は共通な閾値変化ΔＵ_ＴＨＲの関係のみが示されているが、個々の電圧閾値又は電圧閾値の個々の変化は示されてない。

図７の例では４つの作動状態、即ち作動休止、非動的作動（例えば高速自動車道路走行）、動的作動（例えば市内交通）及び電気制動が区別されている。「非動的作動」の作動状態は、この場合他のやり方で（例えば温度に関係して）決定される電圧閾値の変化を伴わない通常状態とみなされる。これに反し作動休止では、電圧閾値が寿命延長のため著しく低下され、図７の例では０．２Ｖだけ低下される。これに反し動的作動及び電気制動では、蓄積装置の容量増大のため、電圧閾値が高められ、しかも動的作動では０．１Ｖ、電気制動では更に０．２Ｖだけ高められる。

図８：老化を均一化するための閾値設定
図８は、既に平均以上に老化した蓄積素子の一層緩慢な老化を行うため多くの実施例において行われる非対称な閾値設定を示している。まず図８ａは、例えば蓄積素子例えば二重層コンデンサの容量が老化の増大と共にどのように減少するかを示し、従って容量の算定から蓄積素子の実効老化をどのように推論するかも示している。図８ａに示す関係では、例えば基礎となっている蓄積素子がこのような電圧で作動せしめられ、約１０年後にその寿命の終わりに達することが仮定された。上述したように、上位の制御装置２１は、充−放電電流及びそれに伴う電圧変化の測定により容量を求める。図８ａに示す関係から、個々の蓄積素子の実効老化が推論される。

既に上述したように、個々の蓄積素子の早期の老化は、通常この早期の老化に対するエネルギ蓄積装置の早期の故障をひき起こすことになる。このような早期の老化は、図８ｂの横軸に、エネルギ蓄積装置の１つの蓄積素子の実効老化とすべての蓄積素子の平均老化との差として記入されている。さて図８ｂには、考察されている蓄積素子ｎの電圧閾値が、その早期の老化に関係してどんな差値ΔＵ_ＴＨＲｎだけ低下されて、この蓄積素子の引続く老化を遅らせ、それにより蓄積素子の老化を均一化し、従ってエネルギ蓄積装置の寿命を全体として高めるかが、例として示されている。図８ｂが示すように、平均老化の場合、電圧閾値のこのような低下は行われない。例えば図１からわかるように、ここで考察されている蓄積素子例えば二重層コンデンサでは、０．２Ｖの電圧低下は、寿命を１年から約１０年に延長する。それに応じて図８ｂによれば、考察されている蓄積素子が実効的に既に１０年だけ蓄積素子の平均より老化していると、電圧閾値が約０．２Ｖだけ低下される。上位の制御装置２１はすべての蓄積素子の実効老化を求め、平均老化を求め、それから実効老化と各蓄積素子に対する平均老化との差を計算し、それから上位の制御装置２１に記憶されている図８ｂの関係により、各蓄積素子に対する閾値低下ΔＵ_ＴＨＲｎを求め、蓄積素子に個々に低下される電圧閾値ΔＵ_ＴＨＲｎに応じて、局部制御装置１８に伝送する。

図９：これらの閾値関係の組合わせ
図９は、図６に対応して電圧閾値の温度依存性を示しているが、更に図７に示す車両作動状態との関係及び図８に示す個々の蓄積素子の老化状態の関係と共に示している。ｎ＝１と称される第１の蓄積素子は、図９の例においてまだ老化しておらず、即ち老化「０年」を持っている。「非動的作動」の作動状態に対して、その閾値−温度曲線は図６に示すものと一致する。これに反しｎ＝２と称される第２の蓄積素子は、図９の例では既に著しく老化しており、既に５年の実効老化を持っている。従って図８ｂに従って、蓄積素子ｎ＝２の閾値−温度曲線は、例えば０．１Ｖだけ低い方の電圧へ移動されている。

破線で図９は、他の車両作動状態に対する同じ電圧閾値−温度曲線即ち「作動休止」の作動状態を示している。この場合図７に従って、電圧閾値−温度曲線は、「非動的作動」の作動状態に対して０．２Ｖだけ低い方の値に移動している。

図１０：エネルギ蓄積装置を持つ駆動システム
図１０は、図２〜９によるエネルギ蓄積装置１及び電荷再分配回路６を持つ自動車の駆動システムを示している。駆動システムは内燃機関１０１を持ち、この内燃機関１０１が駆動軸１０２（例えば内燃機関１０１のクランク軸）、クラッチ１０３及び動力伝達系の別の（図示しない）部分を介して車両の駆動車輪へトルクを送出する。駆動軸１０２上に、駆動補助手段（ブースタ）及び回生ブレーキとして動作する電気機械１０４ここでは三相非同期機又は例えば永久磁石を備えた三相同期機がある。この電気機械１０４は電動機作動と発電機作動との間で切換え可能である。電気機械１０４は、内燃機関のブースタ及び場合によってはスタータとして電動機作動で動作し、これに反し回生ブレーキ及び場合によっては負荷への給電及びエネルギ蓄積装置の充電のための発電機として発電機作動で動作する。電気機械１０４は、駆動軸１０２上に直接はまってこれと相対回転しないように結合される回転子１０５、及び例えば内燃機関１０１のハウジングに支持される固定子１０６を持っている。電気機械１０４及び内燃機関１０１は常に一緒に回転する。即ち内燃機関１０１の始動、ブースタ機能、回生制動機能及び／又は発電機機能は、直接に変速なしに行われる。固定子１０６の（ここには図示してない）巻線は、逆変換装置１０７により、自由に設定可能な振幅、位相及び周波数を持つ電流及び電圧を供給される。逆変換装置１０７は、これらの電流及び電圧を、従来の長時間電池（例えば鉛−硫酸蓄電池）が設けられている直流電圧入力回路から発生する。入力回路には、充−放電制御装置３８を介して、電荷再分配回路６を持つエネルギ蓄積装置１も接続されている。エネルギ蓄積装置１は、図２及び３に詳細に示したように、直列接続される蓄積素子群２′から構成されている。例えば車両加速の際トルク付加（ブースタ機能）のため、電気機械１０４が短時間大きい電力を必要とする場合、エネルギ蓄積装置１から短時間大きい電力が取出され、逆変換装置１０７を介して電気機械１０４へ供給される。車両の制動過程において、電気機械１０４が短時間大きい機械的出力を電力に変換し、逆変換装置１０７を介してエネルギ蓄積装置１へ供給する場合、大きい電力の電気エネルギの蓄積が逆の方向に行われる。更に連続する作動中、例えば電気機械１０４が負荷等へ給電するため発電機として動作する場合、エネルギ蓄積装置の再充電が行われる。例えば比較的長い車両停止後エネルギ蓄積装置１が放電してしまっている場合、始動過程前に長時間電池１０８からエネルギ蓄積装置を充電することができる。作動中に電圧閾値が求められ、この電圧閾値を用いて行われる再充電が、図２〜９に関して説明したように行われる。電圧閾値の設定は、図２又は３による上位の制動装置２１，２１′が行う。このための入力情報は、例えば温度センサ１９，１９′により測定される温度、求められる蓄積素子の老化状態及び／又は内燃機関制御装置１０９から通報される車両作動状態である。充−放電制御装置３８も温度情報及び／又は作動状態情報を受けて、エネルギ蓄積装置１を全体として温度及び／又は作動状態に関係して充電しかつ放電する。

好ましい実施例は、直列接続される複数の蓄積素子を持つエネルギ蓄積装置が高い全体効率で寿命を保つやり方で作動するのを可能にする。

エネルギ蓄積装置において使用される蓄積素子の寿命と電圧及び温度との関係を示す。 個々の蓄積素子を持つ電荷再分配回路を示す。 蓄積素子群を持つ電荷再分配回路の実施例を示す。 電荷再分配回路の局部制御装置を示す。 電圧上昇チョーク変換機用回路を示す。 ２つの蓄積素子の双子装置を示す。 電荷再分配のための電圧−時間線図を示す。 電荷再分配のための別の電圧−時間線図を示す。 電荷再分配のための別の電圧−時間線図を示す。 電荷再分配のための別の電圧−時間線図を示す。 電圧閾値と温度との関係を示す。 車両作動状態の関数としての電圧閾値を示す。 蓄積素子の容量と寿命との関係を示す。 老化と電圧閾値との関係を示す。 車両の作動状態を含めて温度と電圧閾値との関係を示す。 エネルギ蓄積装置を持つ車両用駆動システムを示す。

Claims (12)

1. 直列接続される複数の蓄積素子（２，２’）及び１つの電荷再分配回路（６，６’）を持つ、電気駆動装置又は電気ハイブリッド駆動装置を備えた車両用のエネルギ蓄積装置であって、
   蓄積素子電圧（Ｕ_ＥＬｎ，Ｕ_ＥＬｎ’）が測定されて、電圧閾値（Ｕ_ＴＨＲｎ，Ｕ_ＴＨＲ，Ｕ_{ＴＨＲｎ’}，Ｕ_ＴＨＲ’）と比較され、蓄積素子（２，２’）の電圧が電圧閾値（Ｕ_ＴＨＲｎ，Ｕ_ＴＨＲ，Ｕ_{ＴＨＲｎ’}，Ｕ_ＴＨＲ’）を超過すると、電荷再分配回路（６，６’）がこの蓄積素子（２，２’）から電荷を放出し、これによりその電圧（Ｕ_ＥＬｎ，Ｕ_ＥＬｎ’）を減少し、
   更に蓄積装置に関する温度が求められ、電圧閾値（Ｕ_ＴＨＲｎ，Ｕ_ＴＨＲ，Ｕ_{ＴＨＲｎ’}，Ｕ_ＴＨＲ’）が、求められる温度（Ｔ_ｎ，Ｔ）に関係して可変にされて、温度（Ｔ_ｎ，Ｔ）の上昇と共に電圧閾値（Ｕ_ＴＨＲｎ，Ｕ_ＴＨＲ，Ｕ_{ＴＨＲｎ’}，Ｕ_ＴＨＲ’）が減少され、
   電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）が車両の現在の作動状態にも関係して可変にされて、比較的高い蓄積又は取出し需要を持つ比較的短い持続時間に対する閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）が一層大きく設定される、
   エネルギ蓄積装置。
2. 蓄積素子（２，２’）から放出される電荷が、エネルギ蓄積装置（１）の１つ又は複数の他の蓄積素子（２，２’）へ供給される、請求項１に記載のエネルギ蓄積装置。
3. エネルギ蓄積装置（１）の蓄積素子（２，２’）に対して共通な電圧閾値（Ｕ_ＴＨＲ，Ｕ_ＴＨＲ’）が使用され、この共通な電圧閾値（Ｕ_ＴＨＲ，Ｕ_ＴＨＲ’）が、求められる温度（Ｔ）に関係して可変にされる、請求項１又は２に記載のエネルギ蓄積装置。
4. 求められる温度（Ｔ）が蓄積素子の共通な温度である、請求項３に記載のエネルギ蓄積装置。
5. 個々の蓄積素子（２）又は蓄積素子の群（２’）に個々の電圧閾値（Ｕ_ＴＨＲｎ，Ｕ_{ＴＨＲｎ’}）が割当てられ、これらの電圧閾値（Ｕ_ＴＨＲｎ，Ｕ_{ＴＨＲｎ’}）が、個々の蓄積素子（２）又は蓄積素子の群（２’）に対してこれら蓄積素子（２）又は蓄積素子の群（２’）のために求められる温度（Ｔ_ｎ）に関係して異なるように、これらの電圧閾値が可変にされる、請求項１又は２に記載のエネルギ蓄積装置。
6. 求められる温度（Ｔ_ｎ，Ｔ）が個々の蓄積素子（２）又は蓄積素子の群（２’）の測定される温度である、請求項５に記載のエネルギ蓄積装置。
7. 蓄積素子（２，２’）がその老化に関して異なる大きさで進行可能であり、
   蓄積素子電圧（Ｕ _ＥＬｎ ，Ｕ _ＥＬｎ’ ）が測定されて、電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ）と比較され、蓄積素子（２，２’）の電圧が電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ）を超過すると、電荷再分配回路（６）がこの蓄積素子（２，２’）から電荷を放出し、これによりその電圧（Ｕ _ＥＬｎ ，Ｕ _ＥＬｎ’ ）を減少し、
   比較的大きく進行する老化を持つ蓄積素子（２，２’）に対する電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ）が、比較的小さく進行する老化を持つ蓄積素子（２，２’）に対する電圧閾値より低く設定される、
   請求項１〜６の１つに記載のエネルギ蓄積装置。
8. 電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ）が、求められる温度（Ｔ _ｎ ，Ｔ）又は車両作動状態に関して、蓄積素子老化に関するより一層頻繁に変換可能である、請求項７に記載のエネルギ蓄積装置。
9. 直列接続される複数の蓄積素子（２，２’）及び１つの電荷再分配回路（６，６’）を持つ、電気駆動装置又は電気ハイブリッド駆動装置を備えた車両用のエネルギ蓄積装置であって、
   蓄積素子電圧（Ｕ _ＥＬｎ ，Ｕ _ＥＬｎ’ ）が測定されて、電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）と比較され、蓄積素子（２，２’）の電圧が電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）を超過すると、電荷再分配回路（６，６’）がこの蓄積素子（２，２’）から電荷を放出し、これによりその電圧（Ｕ _ＥＬｎ ，Ｕ _ＥＬｎ’ ）を減少し、
   電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）が車両の現在の作動状態に関係して可変にされて、比較的高い蓄積又は取出し需要を持つ比較的短い持続時間に対する閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）が一層大きく設定される、
   エネルギ蓄積装置。
10. 車両の現在の作動状態の関係が、次の１つ又は複数の関係である、
    車両の作動中に、閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）が作動休止におけるより大きい、
    強く変化する走行状態を持つ作動の際、閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）が、比較的一定の作動状態を持つ作動の際より大きい、
    電気常用制動の際及びその後、閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）が電気常用制動のない場合より大きい、
    請求項１又は９に記載のエネルギ蓄積装置。
11. 直列接続される複数の蓄積素子（２，２’）及び１つの電荷再分配回路（６，６’）を持つエネルギ蓄積装置であって、
    蓄積素子電圧（Ｕ _ＥＬｎ ，Ｕ _ＥＬｎ’ ）が測定されて、電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）と比較され、蓄積素子（２，２’）の電圧が電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _ＴＨＲ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ，Ｕ _ＴＨＲ’ ）を超過すると、電荷再分配回路（６，６’）がこの蓄積素子（２，２’）から電荷を放出し、これによりその電圧（Ｕ _ＥＬｎ ，Ｕ _ＥＬｎ’ ）を減少し、
    比較的大きく進行する老化を持つ蓄積素子（２，２’）に対する電圧閾値（Ｕ _ＴＨＲｎ ，Ｕ _{ＴＨＲｎ’} ）が、比較的小さく進行する老化を持つ蓄積素子（２，２’）に対する電圧閾値より低く設定される、
    エネルギ蓄積装置。
12. 個々の蓄積素子（２，２’）の老化状態が蓄積素子容量の測定によって求められることを特徴とする、請求項７又は１１に記載のエネルギ蓄積装置。

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