JP5771210B2 - 複数の電気セルをバランスするための方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、直列接続された再充電可能な複数の電気エネルギー貯蔵デバイス（複数のセルとも呼ばれる。）におけるエネルギー貯蔵に関し、特に制限された数のそのような複数の電気セルの電圧を増加させ、もしくは減少させるための複数のバランシングシステムに関する。当該複数のバランシングシステムは、再充電可能なエネルギー貯蔵システムにおける複数のセル間の複数の電荷（電圧）の差をバランスするための手段を提供する。特に、本発明は、直列接続の複数の電気化学セルのためのバランシングシステム及び方法に関し、さらに特に、複数のウルトラキャパシタもしくは複数のリチウムセルに関する。

複数のエネルギー貯蔵セルの複数の直列ストリングは、複数の実施例としてただ、例えば複数のラップトップ（ノート型パソコン）、複数の予備の電源、複数の電気自動車などの多くの複数の応用における複数のバッテリーとして広く使用される。これらの複数のセルの複数の電荷における複数のアンバランスは、ストリングが充放電されているときに、もしくは当該ストリングが充電された状態のままとされるが、使用されないときでさえ、発生して時間経過とともに増大する傾向にある。これが、充放電処理の効率性を低減させ、またバッテリーの寿命及び容量を制限する。従って、バッテリーもしくはキャパシタストリングにおけるすべての複数のセルのための電荷の均一性を保証することが重要である。

直列に接続された複数の電気キャパシタセルが充電されるとき、各セルは、同一の電荷量を受信する。セルの容量もしくは健全状態の状態によれば、各複数のセル間電圧は、期待されもしくは平均電圧から逸脱するかもしれない。従って、セルに貯蔵されたエネルギーＥは次式により与えられるので、電圧Ｕは、セルの容量もしくは健全状態の状態によって、各セルに対して異なるかもしれない。

ここで、Ｃはセルのキャパシタンスであり、Ｕはセル間電圧である。

セルに貯蔵されたエネルギーは、任意のセルに対して出来るだけ高いべきである。しかしながら、セル間電圧は、そのセルに対して許容される最大電圧よりも高くなるべきでない。従って、あるセルに対して最大電圧に達せられるとすぐに、他の複数のセルは必ずしもまだそれらの最大電圧までロードされていない（電荷が取り込まれていない）のだけれど、ストリングへのさらなる充電を抑制しなければならない。これが、結果として直列接続された複数のセルの完全なストリングの減少されたパフォーマンスを生じさせる。

複数のセルをバランスすることの従来技術の複数の試みは、すべての個々の複数のセルにわたる一定のシャント抵抗（パッシブバランシング）、もしくは各セルの電圧を測定するための手段を提供し、次に最小電荷を有するセルのレベルまでそれらを放電するために（アクティブバランシング）、より高い電荷を有するそれらの間の抵抗をスイッチングすることが含まれていた。それらの実施例が特許文献１において説明されている。

米国特許出願公開第２００２／１９５，９９４号明細書 欧州特許第１，２８３，５８０号明細書 独国特許出願公開第１０２，００７，０４５，８３６号明細書 国際公開第２００６／０５８，３９４号パンフレット 国際公開第２００６／１００，２６４号パンフレット

しかしながら、ほとんどの複数のセルは、予め決定された複数の境界間を実質的に同一となるように機能し、逸脱する複数のセルはほとんどしばしば期待されたもしくは所望の電荷よりも低い電荷を有するので、これが、多数のセルが放電されることを必要とするので、エネルギーの無駄な損失を生じさせる。さらに、このシステムは、バッテリー容器において望ましくない熱を生じる。

代わりの複数の変形例は、複数のセル間の電荷転送（動的バランシング）を用いているそれらの例が特許文献２に説明され、ここで、各エネルギー貯蔵デバイスは、複数の回路バランシングユニットが、もし電圧バランシングが実行されるならば、それらの割り当てられたエネルギー貯蔵デバイスから電力が引き出されてそれを直列接続の複数のエネルギー貯蔵デバイスへと転送できるように、当該複数の回路バランシングユニットが接続された回路バランシングユニットが割り当てられる。バランシングは、コモンモード阻止のための各セルに対するインバータ及び変圧器により実行される。従って、この変形例は、分離した複数の巻線、及び高価で大きい複数の構成要素を必要とする。

特許文献３には、複数の直列接続された電気アキュムレータ（蓄電池）セルにより形成された電気アキュムレータを有する充電デバイスが開示されている。当該充電デバイスは、複数の電気アキュムレータセルの個々のセルを充電することができる。しかしながら、この充電デバイスの欠点は、充電すること、もしくは充電しないことだけが可能である、ということである。個々の複数の電気アキュムレータセルが充電される一方で、他の複数の電気アキュムレータセルは充電されないために、特許文献３には、ＡＣ発生器が各セルに対して必要とされることが開示されている。これがさらなる欠点である。
特許文献５は、エネルギーアキュムレータの直列接続された個々の複数のセルの電荷を均等化するためのデバイス及び方法を開示し、ここで、複数のアキュムレータセルのうちのいずれの個々のセルが充電され、もしくは充電されないことの機能だけが提供される。ここには、複数のスイッチがＡＣ信号を運ぶＡＣバス間に配置され、それによりセルはＡＣバスと接続され、もしくは当該ＡＣバスと非接続とされる。ブリッジ整流ダイオードＤｘａ、Ｄｘｂ、Ｄｘｃ、Ｄｘｄの存在を考慮すると、複数のセルを放電することは不可能である。

低電圧を有する個々の複数のセルの電圧を増加させ、及び／または高電圧を有する複数のセルの電圧を減少させることが望ましい。充電が最大電圧セルにより制限され、放電が最小電圧セルにより制限されるので、従って、バッテリー容量は２つの極値により決定される。

本発明にかかる複数の実施態様の目的は、直列に接続された複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス間の電荷（電圧）をバランスすることができ、従来技術の複数のデバイス及び複数の方法の障害を取り除く充電バランシングシステム及び充電バランシング方法を提供することにある。バランシング充電を用いることは、再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスの瞬時の電気パラメータが、他の複数のセルの対応する参照パラメータもしくは対応する瞬時の電気パラメータとどのように異なるかによって、複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスが充電もしくは放電されるということを意味する。

上述した目的は、本発明に係る方法及び装置により実現される。

第１の態様において、本発明は、添付された特許請求の範囲において開示された充電バランシングのためのシステムに関する。特に、本発明の複数の実施態様は、直列に接続された複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスにわたるバランシング充電のためのシステムに関し、上記システムは複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスのうちの１つに対してそれぞれ割り当てられた複数のバランシングユニットと、それらの割り当てられた複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスへの電荷をそれぞれバランスするための複数のバランシングユニットに対してＡＣ信号を提供するためのＡＣ信号発生器と、ＡＣ信号発生器とコモンモード阻止のための各複数のバランシングユニット間の容量性結合とから構成されている。本発明の複数の実施態様に係るシステムの利点は、１つの単独のＡＣ発生器だけが、複数のバランシングユニットのために必要とされるということである。

本発明の複数の実施態様に係るシステムにおいて、後述において第１のバランシングユニットと呼ばれた特定のバランシングユニットは、一方では、ＡＣ信号発生器から、もしくは第１のバランシングユニットに対して割り当てられたエネルギー貯蔵デバイスを充電するためのもう１つのバランシングユニットに対して割り当てられたエネルギー貯蔵デバイスから電荷を転送させるための、他方では、ＡＣ信号発生器へと、もしくは第１のバランシングユニットに対して割り当てられたエネルギー貯蔵デバイスを放電するためのもう１つのバランシングユニットに対して割り当てられたエネルギー貯蔵デバイスへと電荷を転送させるための複数のスイッチを備えて構成されている。

本発明の特定の複数の実施態様において、各バランシングユニットは、上述において第１のバランシングユニットと呼ばれた複数のスイッチが備えられている。

ＡＣ信号発生器から、もしくは当該ＡＣ信号発生器へ、またはバランシングユニットに割り当てられたエネルギー貯蔵デバイスから、もしくは当該エネルギー貯蔵デバイスへ電荷を転送させるための複数のスイッチは、複数のアクティブスイッチから構成されてもよいし、もしくはされなくてもよい。

さらに、本発明の複数の実施態様に係るシステムは、例えば電圧、電荷、充電の状態、再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスの健全状態の状態などの瞬時の電気パラメータを、対応する参照パラメータと比較するための比較器を備えて構成されてもよい。電圧は、マイクロコントローラにより測定されてもよく、及び参照パラメータとの比較のためのメインコントローラへ送信されても、もしくは予め決定された閾値と局所的に比較されてものいずれでもよい。

特定の複数の実施態様において、バランシングユニットは正確には２つのスイッチから構成される。複数のバランシングユニットは、上記複数のスイッチを制御するためのコントローラを備えてもよい。当該コントローラは、比較器により発生された信号に基づいて、上記複数のスイッチを制御するために印加されてもよい。

さらに、本発明の複数の実施態様に係るシステムは、複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスのいずれのものがバランスされることを必要とするのかを制御するためのメインコントローラ、すなわち複数のバランシングユニットに対して局所的でないコントローラから構成されてもよい。次に、メインコントローラは、各個々のバランシングユニットのための参照パラメータを決定するために印加されてもよい。

そのような複数の実施態様において、バランシングシステムはさらに、バランシングユニットの局所コントローラとメインコントローラとの間、好ましくは各バランシングユニットの複数の局所コントローラとメインコントローラとの間の通信のためのデータバスを備えて構成されてもよい。

本発明の複数の実施態様によれば、メインコントローラは、過電圧及び／または不足電圧に対する複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスを保護するために印加される。これが、例えば電気制動に置き換えることにより得られてもよく、ここで、制動からのエネルギーは、機械的な制動により、複数のエネルギー貯蔵デバイスを充電するために使用される。

本発明の複数の実施態様に係るシステムは、複数のバランシング回路に対して共通の単独のＡＣ信号発生器を備えて構成されてもよい。

本発明の第１の態様の複数の実施形態に係るシステムは、再充電可能なエネルギー貯蔵システムに組み込まれてよい。

第２の態様において、本発明は、直列に接続された複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスのストリングと、本発明の第１の態様の複数の実施形態に係る複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスにわたるバランシング充電のためのシステムとを備えて構成される再充電可能なエネルギー貯蔵システムを提供する。

第３の態様において、本発明は、添付された特許請求の範囲において開示された充電バランシングのための方法に関する。特に、本発明の複数の実施態様は、直列に接続された複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスにわたる再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスの電荷をバランスするための方法に関し、当該複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスは、２つの端子を有し、上記方法は、エネルギー貯蔵デバイスの複数の端子間の瞬時の電気パラメータを測定するステップと、測定された電気パラメータを予め決定されたパラメータ値と比較するステップと、当該比較結果に基づいて複数のスイッチを動作させることにより、エネルギー貯蔵デバイスへ、もしくは当該エネルギー貯蔵デバイスから電荷を転送させるステップとを含む。当該電荷を転送させるステップは、ＡＣ信号を再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスに対して接続されたバランシングユニットに提供するステップを含み、当該バランシングユニットはＡＣ信号を再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスに印加させ、もしくはＡＣ信号の信号及び比較結果に依存しない。当該電荷を転送させるステップは、容量性結合によるコモンモード阻止を含む。

本発明の複数の実施態様の利点は、それらが多数の直列接続のエネルギー貯蔵デバイスでさえの改良されたバランシングのために使用される充電バランシングデバイスもしくは方法を提供することである。本発明の複数の実施態様の利点は、少数のセルだけが提供される必要があるということであり、そこで、複数のエネルギー貯蔵デバイスは、平均のセル電圧から逸脱された複数の電圧を有する。本発明の実施態様の利点は、低電圧を有する複数のセルの電圧が増加されることと、高電圧を有する複数のセルの電圧が減少されることの両方である。本発明の複数の実施態様の利点は、すべてのセルが複数のセルのストリングに対する任意の平均のセル電圧の方向に充電され、もしくは放電されるということである。本発明の複数の実施態様の利点は、それらが充電バランシングデバイスもしくは方法に、複数のセルのうちの１つが最大電圧に達するとすぐに充電を停止する必要がないということを提供することである。本発明の複数の実施態様の利点は、複数のセルが同時に充電バランシングを提供されるということである。本発明の複数の実施態様の利点は、個々の複数のセル電圧が測定されるということである。本発明の複数の実施形態の利点は、複数のセルが充電器もしくは負荷と通信することにより、過電圧及び不足電圧に対して保護されるということである。

本発明の特定のかつ好ましい複数の態様が、添付の独立項及び従属項において設定される。

従来技術を超えて実現された本発明と複数の利点を要約するために、本発明のある複数の目的と複数の利点が、上述説明された。もちろん、すべてのそのような複数の目的もしくは複数の利点が、必ずしも本発明の任意の特定の実施態様に従って実現されなくてもよいことが理解される。従って、例えば、当業者は、本発明が必ずしもここで教示されたかもしれない、もしくは提示された他の複数の目的、もしくは複数の利点を実現することなしに、ここで教示された１つの利点、もしくは一群（グループ）の利点を実現し、もしくは最適化するという方法において具現化され、もしくは実行されてもよいということを認識するであろう。

本発明の複数の実施形態に係るバランシングシステムが備えられた再充電可能なエネルギー貯蔵システムを図示する。 本発明の複数の実施形態に係るバランシングユニットの拡大図である。 本発明の複数の実施形態に係るバランシングシステムの機能を概略的に図示する。 本発明の複数の実施形態に係るバランシング回路の測定データを示す。 本発明のもう１つの実施形態に係るバランシングシステムを備えて構成される再充電可能なエネルギー貯蔵システムを概略的に図示し、ここで、複数のバランシングユニットにおける複数のスイッチは、複数のダイオードから構成される。 本発明の複数の実施形態における典型的な充電波形を図示する。

複数の図面は概略図だけであって限定されない。当該複数の図面において、いくつかの構成要素の大きさは誇張されてもよく、説明のための目的のためのスケールで図示される。特許請求の範囲における任意の複数の参照記号は、当該特許請求の範囲を限定するように解釈されるべきではない。異なる複数の図面において、同一の複数の参照記号は、同一の、もしくは相似の構成要素に言及する。

本発明の第１の態様によれば、システムは、直列に接続された複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスにわたって電荷をバランスすることを提供する。

図１は、本発明の複数の実施形態に係る再充電可能なエネルギー貯蔵システム１０を図示し、当該再充電可能なエネルギー貯蔵システム１０は、複数のセルとまた呼ばれる複数のエネルギー貯蔵デバイス１２の直列ストリング１１から構成される。複数のエネルギー貯蔵デバイス１２は再充電可能である。各１つのエネルギー貯蔵デバイス１２は、単独のエネルギー貯蔵セル、もしくは並列接続の複数のエネルギー貯蔵セル（図示せず。）から構成される。直列接続された複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２は一緒にバッテリー、パック、もしくはスタックを形成する。本発明の複数の実施形態によれば、複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２は、任意のタイプの再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスであってもよい。しかしながら、本発明の複数のデバイス及び複数の方法は、複数のウルトラキャパシタもしくは複数のリチウムバッテリーと一緒に有利に用いられる。本発明の特定の複数の実施形態によれば、複数のエネルギー貯蔵デバイス１２は、複数のスーパーキャパシタ、または複数の電気二重層キャパシタもしくは複数の電気化学二重層キャパシタ（複数のＥＤＬＣ）としてもまた知られた複数のウルトラキャパシタであってもよい。これらは、一般的な複数のキャパシタと比較すると異常に高エネルギー密度を有する複数の電気化学キャパシタである。すなわち、典型的には、高容量電解キャパシタよりも約数千倍大きい。典型的な複数のキャパシタンス値は、数ファラッドから数千ファラッドまでの範囲に及んでもよい。代わりの複数の実施形態において、複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２は、例えば複数のリチウムバッテリーもしくは複数のリチウムイオン（Ｌｉｌｏｎ）バッテリーなどの、例えば複数の高エネルギー密度バッテリーなどの複数のバッテリーであってもよい。他の複数の種類の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスは、同等に使用される。より好ましい複数の応用は、複数のエネルギー平滑化デバイス及び複数の瞬時負荷デバイスの複数の分野においてであり、それらは複数の平均の複数の電力定格と比較すると非常に高い複数の瞬間電力を必要とする。

本発明の複数の実施形態によれば、各再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２は、例えば２ボルトと４ボルトとの間の制限された動作電圧を有する。例えば数十から数百ボルトもしくはそれ以上の動作電圧を得るために、もしくは、例えば複数の車両アプリケーションにおけるエネルギー源として実用的な動作電圧を得るために、複数及び時々多数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２が、直列に接続されることが必要となる。ストリングもしくは直列接続における複数のエネルギー貯蔵デバイス間の複数のわずかな差は、複数のセル電圧における複数のアンバランスを生じさせ、それがストリングの電荷容量を非常に減少させるかもしれない。

これを緩和するために、本発明の複数の実施形態に係る再充電可能なエネルギー貯蔵システム１０はまた、複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２にわたって電荷をバランスするためのシステム１３を備えて構成される。

電荷をバランスするためのシステム１３は、１つもしくはそれ以上の複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２を充電もしくは放電するためのＡＣ信号発生器１４を備えて構成される。当該システム１３はさらに、複数のバランシングユニット１５を備えて構成される。各バランシングユニット１５は、複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２のうちの１つに対して割り当てられる。最適なパフォーマンスのために、各再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス１２は、バランシングユニット１５が割り当てられる。

ストリング１１における各エネルギー貯蔵デバイス１２は、その正の端子である第１の端子１６、及びその負の端子である第２の端子１７が備えられている。複数のエネルギー貯蔵デバイス１２は、第１のエネルギー貯蔵デバイス１２の正の端子１６が第２のエネルギー貯蔵デバイスの負の端子１７に接続されるなどのように、ストリング１１において接続される。ストリングにおけるまさに最初のエネルギー貯蔵デバイス１２の負の端子１７、及びストリングにおけるまさに最後のエネルギー貯蔵デバイス１２の正の端子１６は、外側からアクセス可能である。

本発明の複数の実施形態に係るバランシングユニット１５は、図２において拡大された形式において概略的に図示される。それは、第１のデータ入力ポートＳ＋と、第２のデータ入力ポートＳ−とを有する。エネルギー貯蔵デバイス１２の第１の端子１６及び第２の端子１７は、そのエネルギー貯蔵デバイス１２に対して割り当てられたバランシングユニット１５の第１のデータ入力ポートＳ＋及び第２のデータ入力ポートＳ−に接続されており、その結果、エネルギー貯蔵デバイス１２の正の端子１６は、第１のデータ入力ポートＳ＋に接続され、エネルギー貯蔵デバイス１２の負の端子１７は第２のデータ入力ポートＳ−に接続される。バランシングユニット１５は、例えば２つのデータ入力ポートＳ＋とＳ−との間の電圧などの、関連するエネルギー貯蔵デバイス１２の瞬時の電気パラメータを測定するために印加される。これを得るために、バランシングユニット１５は、適切な測定回路が備えられる。本発明の実施形態において、この測定回路は、バランシングユニット１５内に提示された局所マイクロコントローラ１８のアナログからデジタルへの変換器２１のアナログ入力である。測定された電圧から、電荷値は以下の式で計算される。

代わりに、測定された瞬時の電気パラメータは電流とすることができる。測定された電流から、電荷値は電流の時間積分として計算される。

本発明の複数の実施形態に係るバランシングユニット１５はさらに、入力信号を受信するための入力端子Ｐを備えている。この入力端子は電気的に接続され、第１のスイッチＳＷ１と第２のスイッチＳＷ２とにより、第１のデータ入力ポートＳ＋と第２のデータ入力ポートＳ−とにそれぞれ接続される。入力信号は、ＡＣ信号発生器１４から受信される。バランシングユニット１５は、入力端子Ｐにおける電圧レベルの機能において第１のスイッチＳＷ１と第２のスイッチＳＷ２とを動作させるために印加される。スイッチＳＷ１、ＳＷ２のこの動作は、局所コントローラ１８により制御される。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、入力任意の適切な実施により実行される。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、アクティブスイッチとすることができる。当該アクティブスイッチの実施例は、例えば複数のバイポーラトランジスタや複数のＭＯＳＦＥＴなどの複数のＴＲＩＡＣもしくは複数のトランジスタとすることができる。スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、エネルギー貯蔵デバイスを充電すること、放電すること、もしくは補正されない状態のままとすることの要件に基づいて、当該エネルギー貯蔵デバイスを通る電流の方向を決定する。スイッチＳＷ１及びＳＷ２がアクティブスイッチである場合、それらはＡＣ信号発生器１４の１周期ごとに制御される必要がある。実施例として、それらは５０μｓの間オープンし、５０μｓの間クローズするなどが必要とされる。このことが、複数のアクティブスイッチの制御を複雑とさせるが、同時にまた柔軟とさせる。

本発明の代わりの複数の実施形態において、スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、図５に図示されるように、例えばダイオードＤ１、Ｄ２により実行されるパッシブスイッチとすることができる。図５におけるトランジスタＴにより図示された、任意の適切なデバイスにより実行されたさらなるスイッチは、エネルギー貯蔵デバイスを充電し、放電し、もしくは補正しない状態のままとするための指示の機能において、当該複数のダイオードを通る電流の方向を変化させるために備えられてもよい。このさらなるスイッチの制御は、ＡＣ信号発生器１４の半周期ごとにさらなるスイッチを制御されることが必要とされないので、より複雑ではない。トランジスタＴが図示されたケースにおいては、さらなるスイッチは、充電が開始されるとすぐにスイッチがオンされ、充電が停止されると（バランスする）、ブロックされる（スイッチがオフされる。）。これは、例えばおよそ１時間後であってもよい。

本発明の複数の実施形態に係るバランシングユニット１５は、少なくとも以下の複数の機能を実行する。すなわち、例えば関連するエネルギー貯蔵デバイス１２のデータ入力ポートＳ＋、Ｓ−間の電圧などの瞬時の電気パラメータを測定することと、入力端子ＰにおいてＡＣ信号発生器１４から受信された電圧レベルの機能においてスイッチＳＷ１、ＳＷ２を動作させること。

本発明の複数の実施形態によれば、バランシングのためのシステム１３のすべての複数のバランシングユニット１５は、ＡＣ信号発生器１４に接続される。このＡＣ信号発生器１４は、ブロック波発生器、正弦波信号源、のこぎり歯波発生器、もしくは任意の他のタイプのＡＣ信号発生器とすることができる。それは、もしＡＣ信号発生器１４が高周波信号発生器であれば、これが構成サイズを減少させるので有利となる。正弦波信号発生器はより効率的であって、低い複数のピーク電流を有し、それ故に低い熱発生を有し、実質的にはまったくスイッチング損失を与えない。しかしながら、ブロック波発生器は、正弦波信号発生器よりも容易に実施される。ＡＣ信号発生器１４は、例えば充電器、もしくは複数のエネルギー貯蔵デバイス１２の直列ストリング１１からなどの外部ソース（図示せず。）から電力が供給される。ＡＣ信号発生器１４は、メインコントローラ２０により制御される。バランシングシステム１３のための単独のＡＣ信号発生器１４を持つことは有利である。これは、ＡＣ信号発生器が各バランシングユニットにおいて必要とされる複数の従来技術の解決手法とは異なる。

本発明の複数の実施形態によれば、複数のＡＣ信号発生器が備えられ（図示せず。）、複数のバランシングユニットが複数のグループにグルーピングされ、１つのグループの複数のバランシングユニットが複数のＡＣ信号発生器の１つと接続される。また、このケースにおいて、バランシングのためのシステムは、単独のＡＣ信号発生器を備え、当該単独の発生器とそれに接続された複数のバランシングユニットのグループとでバランシングのためのシステムを形成する、と言うことができる。信号発生器は、複数のバランシングユニットにおいてまったく必要とされない。有利に、同期して位相シフトされた信号は、信号発生器及び／またはコントローラの局所電源におけるリプルを減少させるために使用されてもよい。

本発明の複数の実施形態によれば、複数のバランシングユニット１５は、キャパシタ１９によりＡＣ信号発生器に接続される。複数のキャパシタ１９により提供された容量性結合は、複数のブロックコモンモード電圧に対して使用される。複数のエネルギー貯蔵デバイス１２は異なって変化する複数のポテンシャルレベルであるので、これが必要とされる。

複数のバランシングユニット１５は、すなわち上述したようなバランシングのためのシステム１３は、以下のように機能する。最初の場合において各バランシング回路１５は、例えばその第１の端子１６と第２の端子１７との間の局所電圧、すなわち関連するエネルギー貯蔵デバイス１２間電圧などの関連するエネルギー貯蔵デバイス１２の局所的な瞬時の電気パラメータを測定する。本発明の複数の実施形態によれば、この測定は、特許文献４に開示された方法及びデバイスを介して実行される。本発明の複数の実施形態によれば、当該測定は、例えばバランシングユニット１５に対して局所的な局所コントローラ１８の部分を形成するＡ／Ｄ変換器２１などのＡ／Ｄ変換器により実行される。

本発明の複数の実施形態によれば、測定回路は、例えば複数の電圧などの複数の測定値をデジタル化し、それらを局所コントローラ１８に送信してもよい。例えば電圧などの測定されたパラメータ値は、セル１２が充電もしくは放電を必要とする領域において動作しているかどうかを決定する。例えば電圧などの測定されたパラメータ値は、局所コントローラ１８において、もしくはメインコントローラ２０において、もしくは関連するメモリ（図示せず。）において格納されてもよい、電圧などの対応する局所参照値と比較される。この比較は、セル１２が充電すること、もしくは放電することを必要とされるかどうかを識別する。すなわち、もし例えば電圧などの測定されたパラメータ値が、少なくとも第１の予め決定された閾値を有する、例えば電圧などの局所参照値を超過する場合は、セル１２は放電を必要とし、もし例えば電圧などの測定されたパラメータ値が、少なくとも例えば電圧などの参照値以下の第２の予め決定された閾値である場合は、セル１２は充電を必要とする。第１の閾値と第２の閾値とは同一であってもよい。代わりの複数の実施形態において、それらは異なっていてもよい。実施例として、複数の閾値は、約１００ｍＶの電圧であってもよい。

上記比較はセル１２が充電されることを必要とすることを識別する場合、コントローラ１８は、そのセル１２の第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２を以下のように動作させる。すなわち、入力端子Ｐにおいて印加された信号がハイレベルである場合、第１のスイッチＳＷ１はクローズされ、第２のスイッチＳＷ２はオープンされ、入力端子Ｐにおいて印加された信号がローレベルである場合、第１のスイッチＳＷ１はオープンされ、第２のスイッチＳＷ２はクローズされる。

これを実行することにより起こることが、４つのエネルギー貯蔵デバイス１２．１、１２．２、１２．３及び１２．４だけから構成され、それらのうちのエネルギー貯蔵デバイス１２．４だけが充電を必要とするストリング１１に対するものが図３において概略的に図示されている。他のエネルギー貯蔵デバイス１２．１、１２．２、１２．３は、充電も放電も必要でないので、それらの関連する複数のバランシングユニット１５における第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２はオープンされ、それ故にこれらの複数のバランシングユニットを通して電流がまったく流れないので図示しない。ＡＣ信号発生器１４により発生された印加されたＡＣ信号の正位相の間、電流は、Ｉ^＋とラベル化された矢印により図示されるように、容量性結合１９を介して、充電を必要とするエネルギー貯蔵デバイス１２．４と関連するバランシングユニット１５のクローズされたスイッチＳＷ１を通って、ストリング１１におけるすべてのエネルギー貯蔵デバイス１２．４、１２．３、１２．２及び１２．１を通って流れる。ＡＣ信号発生器１４により発生された印加されたＡＣ信号の負位相の間、電流は、Ｉ⁻とラベル化された矢印により示されるように、エネルギー貯蔵デバイス１２．１、１２．２、１２．３を通って、充電を必要とするエネルギー貯蔵デバイス１２．４と関連するバランシングユニット１５のクローズされたスイッチＳＷ２を通って、容量性結合１９を通って流れ、ＡＣ信号発生器１４へと戻る。正味の充電効果は、充電することを必要としたエネルギー貯蔵デバイス１２．４のレベルで得られたと理解される。

同様に、上記比較はセル１２が放電される必要があることを識別する場合、コントローラ１８は、以下のように、そのセル１２の第１のスイッチＳＷ１及び第２のスイッチＳＷ２を動作させる。すなわち、入力端子Ｐにおいて印加された信号がローレベルである場合、第１のスイッチＳＷ１はクローズされ、第２のスイッチＳＷ２はオープンされ、入力端子Ｐにおいて印加された信号がハイレベルである場合、第１のスイッチＳＷ１がオープンされ、第２のスイッチＳＷ２がクローズされる。

これを実行することにより、セル１２の正味の放電効果が得られる。

セル１２がまったく充電も放電も必要としない場合、関連するバランシングユニット１５の第１のスイッチと第２のスイッチとの両方がオープンされる。

１つのバランシングユニット１５においてこの方法で第１のスイッチ及び第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を動作させることにより、ＡＣ信号発生器からの電荷を関連するエネルギー貯蔵デバイス１２へと転送すること、もしくはその逆を可能とする。一方を充電モードにおいて他方を放電モードにおいてである２つの異なるバランシングユニット１５におけるスイッチＳＷ１、ＳＷ２を動作させることにより、一方のエネルギー貯蔵デバイス１２からの電荷を他方へ転送することを可能とする。従って、低電圧を有する個々の複数のセルの電圧は増加され、高電圧を有する個々の複数のセルの電圧は減少される。

個々の複数のバランシングユニット１５の容量性結合１９のために、相互に対してそれらのポテンシャルにも関わらず、任意のエネルギー貯蔵デバイス１２とＡＣ信号発生器１４との間、もしくは任意の２つのエネルギー貯蔵デバイス１２間で電荷転送が行われる。言い換えると、複数のスイッチが正しい方法で動作されるならば、電荷は必要に応じて低いポテンシャルから高いポテンシャルへと送り込まれる。これは、複数のバランシングユニット１５及びそれらの関連する複数のエネルギー貯蔵デバイス１２のために使用される単独のＡＣ発生器が原因である。エネルギー貯蔵デバイス１２を充電するために必要とされるエネルギーは、もしそれが共通のＡＣ発生器を介して通過するならばその場合に限り、もう１つのエネルギー貯蔵デバイス１２から発せられる。もし当該もう１つのエネルギー貯蔵デバイス１２を放電することなしにエネルギー貯蔵デバイス１２を充電することが望まれるならば、次にＡＣ発生器は、上述された外部ソースから電力が供給される。

バランシングユニット１５の第１のスイッチ及び第２のスイッチＳＷ１、ＳＷ２は、例えばマイクロコントローラなどの局所コントローラ１８により動作される。それは、例えばブロック波などのＡＣ信号を整流することにより、入力端子Ｐから電力を引き出される。

信号発生器１４からの、例えばブロック波などのＡＣ信号は、コモンモードがキャパシタ１９によりブロックされたので、正確なコモンモードポテンシャルでのバランシングユニット１５の入力端子Ｐにおいて現れる。これは、たとえそれがキャパシタ１９により歪まされたとしても通常のＡＣ信号である。従って、それは、例えばフィルタキャパシタ及びレギュレータが後に続く従来のダイオードブリッジにより整流されて局所コントローラ１８のための非常に古典的な電源２２を形成することができる。

本発明の複数の実施形態によれば、複数のエネルギー貯蔵デバイスの充電すること、もしくは放電すること、もしくは複数のエネルギー貯蔵デバイスが影響されない状態のままとすることの複数の決定は、例えば複数の局所コントローラ１８によるなど、複数のバランシングユニット１５において局所的に行われてもよい。

本発明の代わりの複数の実施形態によれば、バランシングユニット１５はさらに、バランシングユニットの局所コントローラ１８とバランシングのためのシステム１３のメインコントローラ２０との間の通信のために使用されるために印加されたコントロール端子Ｃを有する。メインコントローラ２０は、特定のソフトウェアプログラムが実行されるコンピューティングユニットであってもよい。このコンピューティングユニットは、複数の局所コントローラ１８から集められたデータを評価し、複数の評価結果に基づいて、複数の命令を複数の局所コントローラに再送信する。複数の局所コントローラ１８とメインコントローラとの間で交換されるデータは、局所コントローラ１８からメインコントローラ２０へと送信された、測定するステップの間に測定された、バランシングユニット１５と関連するエネルギー貯蔵デバイス１２の実際の瞬時の電圧と、メインコントローラ２０から複数の局所コントローラ１８へと送信された、充電するための、もしくは放電するための、もしくはセルが影響されない状態のままとするための命令とに限定されてもよい。局所コントローラ１８はまた、その関連するエネルギー貯蔵デバイス１２がその通常の動作窓において動作するかどうかをメインコントローラ２０に対して通信してもよい。このことが、複数のエネルギー貯蔵デバイス１２がそれらの最大動作電圧以上充電されず、またそれらがそれらの最小動作電圧以下に放電もされないので、重要であるかもしれない。複数の局所コントローラ１８とメインコントローラ２０との間のデータ通信は、データバスにより、好ましくはすべての複数のバランシングユニット１５とメインコントローラ２０とを接続する、例えばＣＡＮバスなどの単独の共通のデータバスにより行われてもよい。このデータバスに関し、メインコントローラ２０はマスターであってもよいし、複数の局所コントローラ１８は複数のスレーブであってもよい。メインコントローラ２０はすべての複数の局所コントローラ１８に対して同時に、もしくは１つの個々の局所コントローラ１８に対してすべての通信を開始してもよい。

メインコントローラ２０は、ＡＣ信号を発生するためのＡＣ信号発生器１４を制御するために印加されてもよい。

バランシング（充電すること、もしくは放電すること）周期の間、メインコントローラ２０は、複数の局所コントローラ１８それぞれからの新しいセットの複数の測定結果を要求し、複数のセル１２が例えば１０秒ごとなどの予め決定された周波数において均等化されるように指定する。

２つの決定瞬間の間、エネルギー貯蔵デバイス間電圧は、例えば自動車のエネルギー貯蔵デバイスなどにおいて、自動車の制動（ブレーキング）もしくは加速のために大きく変化するかもしれない。これは、本発明の複数の実施形態において問題ではない。すなわち、バランシングはエネルギー貯蔵デバイス間の瞬時の電圧とは独立した、同一の電流レベルを用いて実行され続ける。これは、一旦バランシングが（予め決定された電流レベルを用いて）開始されると、充電もしくは放電の終わりの時間が知られ、次の決定瞬間が計画される、ということを意味する。これは、複数のエネルギー貯蔵デバイスの使用から独立している。

留意すべきことは、本発明の複数の実施形態に係るバランシングは、複数のエネルギー貯蔵デバイス１２間のすべての複数の電圧が均等化されるということを必ずしも意味しない、ということである。特定の複数の実施形態において、複数のウルトラキャパシタ１２のストリング１１をバランスすることが必要とされる場合、エネルギーの最大量は、充電中にすべての複数のキャパシタ１２がそれらの最大電圧に同時に達する場合にストリング１１において格納される。より低電圧におけるバランシングの場合は、個々のセル１２のためのターゲット電圧は、その個々のセル１２の容量の関数である。本発明の複数の実施形態に係るバランシングシステム１３は、任意の電圧においてバランスすることを可能とし、複数のエネルギー貯蔵デバイス１２間の複数の電圧があるポイントにおいて等しくなるべきであることを示さない。それが個々のセルごとに、ひいては全体のストリングが最大可能なエネルギーの量を格納することを可能とするので、これは利点である。

本発明の複数の実施形態に係るバランシング方法およびデバイスは、過電圧及び不足電圧の保護を得ることを可能とする。本発明の複数の実施形態に係るバランシングシステム１５は、必要とされる複数の予備的なハードウェアの特徴なしに、そのような過電圧及び不足電圧の保護を備えているということが利点である。さらに、本発明の複数の実施形態に係るバランシングシステム１３は、特定の従来技術の複数の解決手法よりも、過電圧及び不足電圧の保護に関し、より十分に機能することができる。

実施例として、それぞれが３ボルトの最大電圧レベルを有する１００個のエネルギー貯蔵デバイス１２が直列に接続されたストリング１１が考えられる。すべての複数のエネルギー貯蔵デバイス１２は、２．５ボルトの電圧レベルであるエネルギー貯蔵デバイス（さらに、「より高エネルギー貯蔵デバイス」と呼ばれる。）を除く、２ボルトの電圧レベルである。ストリング１１にわたる全電圧は、２００．５ボルトである。もしすべての複数のエネルギー貯蔵デバイス１２が均等に振る舞い、すべての時間において同一の電圧レベルであろうならば、ストリングの最大電圧は３００ボルトであろう。従って、全体ストリングは、９９．５ボルトの電圧を不足し、もし均一の量が各複数のエネルギー貯蔵デバイス１２に対して印加されるのであろうならば、次にこれは各エネルギー貯蔵デバイス１２は、０．９９５ボルトで充電されるであろうことを意味する。しかしながら、もし（２．５ボルトでの）より高エネルギー貯蔵デバイス１２がさらに０．９９５ボルトで充電されるならば、その電圧レベルは、そのエネルギー貯蔵デバイス１２に対する最大許容電圧レベルを超過するであろう。いま、もしより高エネルギー貯蔵デバイスの電圧レベル（２．５ボルト）が知られるならば、このより高エネルギー貯蔵デバイスは、最大電圧レベルまで０．５ボルトだけ不足することが決定される。もし０．５ボルトが各１００個のエネルギー貯蔵デバイス１２に付加されるならば、全体のストリングは２５０．５ボルトであり、より高エネルギー貯蔵デバイスの電圧レベルは３ボルトであり、従って過電圧は起こらない。従って、ストリングにおけるより高エネルギー貯蔵デバイスの電圧レベルを充電システム（それは、例えば制動システムであってもよい。）に対して通信することにより、たとえバランシングがいまだに行われなかったとしても、複数の過電圧が予想される。

図４は、本発明の複数の実施形態に係るバランシング回路を用いて３５０ファラッドウルトラキャップの充電をシミュレーションした複数のシミュレーション結果を図示する。当該複数のシミュレーション結果は、印加されたＡＣ信号に対する２つの異なる振幅を用いた充電曲線を示し、特に、１２ボルト振幅を有するブロック波と２４ボルト振幅を有するブロック波である。

典型的な充電波形が図６に図示される。ピークパルスの間、複数のエネルギー貯蔵デバイスは充電される。実施例だけとして、本発明の複数の実施形態に係るバランシング回路を用いて、１００ｍＡの平均充電電流が達せられる。

表１は図５のバランシング回路の複数の充電結果の実施例を表す。２ボルトの複数のエネルギー貯蔵デバイス１２間電圧、及び１２ボルトのＰＷＭの電圧を用いて、平均充電電流は約６０ｍＡであり、２４ボルトのＰＷＭパルスを用いて、平均充電電流は約１２０ｍＡである。

本発明が、複数の図面及び上述した説明において詳細に図示され説明された一方で、そのような図と説明は説明に役立つものもしくは例示的なものとして考えられるべきで、限定的なものとして考えるべきでない。本発明は、開示された複数の実施形態に制限されない。

開示された複数の実施形態に対する他の複数の変形例が、複数の図面、開示、及び添付された特許請求の範囲の検討から、特許請求の範囲に係る発明を実施するときにおいて、当業者により理解され達成される。特許請求の範囲において、用語‘‘備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）’’は、他の構成要素またはステップを除かず、不定冠詞“ａ”もしくは“ａｎ”は複数を除かない。単独のプロセッサもしくは他のユニットは、特許請求の範囲において列挙されたいくつかの項目の機能を実行してもよい。コンピュータプログラムは、例えば他のハードウェアと一緒にもしくは他のハードウェアの部分として供給された光貯蔵媒体もしくは固体媒体などの適切な媒体に格納／分配されてもよいが、例えばインターネットまたは他の有線のもしくは無線の複数の電気通信システムなどを介して他の複数の形態（フォーム）においてまた分配されてもよい。特許請求の範囲における任意の複数の参照記号は、範囲を限定するように解釈されるべきでない。

上述の説明は、本発明のある複数の実施形態を詳述する。しかしながら、上述したものがいかに文章において詳述されようとも、本発明は多くの複数の方法において実施されてもよい、ということが認識されるであろう。

Claims (9)

1. 直列に接続された複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）にわたる電荷をバランスするためのシステム（１３）であって、当該システム（１３）は、
   それぞれが上記複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）のうちの１つに割り当てられた複数のバランシングユニット（１５）と、
   それらの割り当てられた複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）の電荷をバランスするために、ＡＣ信号を上記複数のバランシングユニット（１５）に提供するためのＡＣ信号発生器（１４）と、
   コモンモード阻止のために、上記ＡＣ信号発生器（１４）と上記各複数のバランシングユニット（１５）との間の容量性結合（１９）とを備え、
   第１のバランシングユニット（１５）は、
   上記第１のバランシングユニット（１５）に対して割り当てられた上記再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）のそれぞれの正の端子もしくは負の端子の上記ＡＣ信号発生器（１４）に対する結合を可能とさせるための第１のスイッチ（ＳＷ１）及び第２のスイッチ（ＳＷ２）と、
   上記第１のバランシングユニット（１５）に割り当てられた上記エネルギー貯蔵デバイス（１２）が充電されることを必要とする場合、上記ＡＣ信号発生器（１４）から、もしくはもう１つのバランシングユニットに割り当てられた上記エネルギー貯蔵デバイス（１２）から選択的に電荷を転送するための、及び
   上記第１のバランシングユニット（１５）に割り当てられた上記エネルギー貯蔵デバイス（１２）が放電されることを必要とする場合、上記ＡＣ信号発生器（１４）へ、もしくは上記第１のバランシングユニット（１５）に割り当てられた上記エネルギー貯蔵デバイス（１２）を放電するためのもう１つのバランシングユニットに対して割り当てられた上記エネルギー貯蔵デバイス（１２）へ選択的に電荷を転送するための上記第１のスイッチ（ＳＷ１）及び上記第２のスイッチ（ＳＷ２）を制御するためのコントローラ（１８）とを備えたことを特徴とするシステム（１３）。
2. 上記再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）の瞬時の電気パラメータを、対応する参照パラメータと比較するための比較器をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム（１３）。
3. 上記コントローラ（１８）は、上記比較器により発生された信号に基づいて、上記スイッチ（ＳＷ１、ＳＷ２）を制御するように構成されることを特徴とする請求項２記載のシステム（１３）。
4. 上記複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）のうちのいずれのものがバランスされることを必要とするのかを制御するためのメインコントローラ（２０）をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１つに記載のシステム（１３）。
5. コントローラ（１８）と上記メインコントローラ（２０）との間の通信のためのデータバスをさらに備えたことを特徴とする請求項４記載のシステム（１３）。
6. 上記メインコントローラ（２０）は、上記複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）を過電圧及び／もしくは不足電圧から保護するように構成されることを特徴とする請求項４または５記載のシステム（１３）。
7. 再充電可能なエネルギー貯蔵システム（１０）に組み込まれたことを特徴する請求項１から６のうちいずれか１つに記載のシステム（１３）。
8. 上記システムは、複数のバランシング回路に対して共通の単独のＡＣ信号発生器（１４）を備えたことを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１つに記載のシステム（１３）。
9. それぞれが２つの端子（１６、１７）を有し、直列に接続された複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）の電荷をバランスするための方法であって、当該方法は、
   上記複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）のうちの１つの再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスの上記端子（１６、１７）間の瞬時の電気パラメータを測定するステップと、
   上記測定された電気パラメータを、予め決定されたパラメータ値と比較するステップと、
   上記比較結果に基づき、スイッチ（ＳＷ１、ＳＷ２）を動作させることにより、上記１つの再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）へ、もしくは上記１つの再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）から離れて電荷を転送するステップとを含み、
   上記電荷を転送するステップは、
   ＡＣ信号を、上記１つの再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスに接続されたバランシングユニットに供給することと、
   上記比較結果に基づき、上記バランシングユニットにより上記ＡＣ信号を上記１つの再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスに印加させるのか、もしくは上記複数の再充電可能なエネルギー貯蔵デバイス（１２）のもう１つの再充電可能なエネルギー貯蔵デバイスから電荷が転送されるのかのいずれかを選択することと、
   容量性結合によるコモンモードを阻止することとを含むことを特徴とする方法。

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