JP5953299B2 - 直列モジュールにおけるキャパシタ寿命の最大化 - Google Patents

Description

キャパシタ、特にウルトラキャパシタ及びスーパーキャパシタは、近年さまざまなハイパワー用途に使われるようになってきており、電気化学電池とともに用いられると特に相乗効果を発揮する。そのような用途に用いられるキャパシタは、一般に直列モジュールに採用され、各直列モジュールはいくつかの決まった数の直列に接続されたキャパシタを収容している。

キャパシタの直列モジュールにおいては、あるキャパシタがその近隣のものより遙かに早く故障すると、おそらくそのモジュールは運用から外されなければならない。もし、各キャパシタの寿命をその近隣の最も長寿命のキャパシタの寿命に一致させることができれば、非常に望ましい。

同様に、キャパシタのいくつかの直列モジュールを有するシステムにおいては、あるモジュールがその近隣のものより遙かに早く故障すると、おそらくその故障したモジュールは運用から外されなければならない。もし、各モジュールの寿命をその近隣の最も長寿命のモジュールの寿命に一致させることができれば、非常に望ましい。

そのような目標に向けて莫大な時間と努力が費やされてきたが、成功したのは限られている。一例として、そのようなキャパシタの特性（正確な容量のような）を測定し、「箱に入れる（bin）」、すなわち、キャパシタを測定された特性に従って分類する（これらを箱の中に置く）ために努力がなされ得る。キャパシタが箱に入れられた後、各モジュールは１つの箱からのキャパシタを用いて組み立てられる。箱に入れることは有益であるが、後の事象によってあるキャパシタが他のキャパシタより早く劣化するということを含む多数の理由があるので、問題の解決には全く近づいていない。

電気化学的電池に同じような結果をもたらそうとして多くの時間と努力が同様に費やされてきたが、成功の程度はさまざまである。電気化学的電池に有効なアプローチは、同じようにキャパシタにも有効であり、その逆も成り立つと推測してしまいそうである。しかし、キャパシタと電気化学的電池との間には、そのようなことを推測することができないようにする多くの差異がある。一例を挙げると、セル寿命モデルは電気化学的電池と静電セルとでは同一ではない。他の例を挙げると、蓄電された電荷と電圧との間の関係は、キャパシタでは一般にほぼ直線的であるが、電気化学的電池では明らかに極度に非直線的である。

歴史的な興味を引き得る参考文献には、以下の特許及び公開特許出願、すなわち、BrainardのUS5479083、RouillardのUS5952815、JacobsのUS5764037、OkamuraのUS5713426、TurnerのUS6087799、GunnのUS3602795、OkamuraのUS5726552A、KalenowskyのUS5063340A、RuferのEP1081824、RidderのUS2008/197806、RoesslerのUS2008/0272735A1、OhのWO2007/145460A1、OhのWO2007/145463A1、OhのWO2007/145464A1、YanoのUS2004/251934、DaboussiのUS2006/221516、HarveyのUS2007/001651、HerkeのDE10 2008 056962 Al、及びOhtaのEP1035627 Alがある。

容量の減少及び内部抵抗の増加によって定義又は特徴付けられる、ウルトラキャパシタの老朽化は、端子に与えられた電圧、充電中の温度上昇、モジュール内の周囲温度によって加速されることが、経験によって判明している。違う言い方をすれば、与えられた電圧の履歴及びセル温度の履歴に少なくとも部分的に依存するセル寿命モデルが創り出されてきた。

よって鋭い読者は、可能な限り温度及び電圧を監視し、ウルトラキャパシタのそれぞれにかけられる電圧の負担を可能な限り制御することが非常に役に立ち得ると考えるであろう。直列又は並列に接続された、モジュールの組立品においては、これらの要因は、一方では組立品を構成する異なるモジュール間で、他方では個々のモジュールを構成する異なるウルトラキャパシタ間で、異なっている。モジュールの早すぎる老朽化、ひいては組立品の早すぎる老朽化を引き起こす、ウルトラキャパシタの早すぎる老朽化を防ぐために、モジュール内及びモジュール間で前記要因を均一にするように試みることが望ましい。

これらの目標に向けた既知のアプローチ、特に充電中のウルトラキャパシタの端子電圧を制御するアプローチには、
・受動的バランシング（passive balancing）
・ウルトラキャパシタに規定された最大電圧に近い所定の電圧値でのクリッピング
・ウルトラキャパシタの電圧又は充電の、近隣のウルトラキャパシタに関してのバランシング
が含まれる。

これらの最後の２つの技術は、典型的にはアナログの電子ボードを使用する。ウルトラキャパシタに関連するアナログ電子技術の弱点の１つは、典型的には自己診断ができないことである。システムが複雑化すればするほど構成要素の数が多くなり、これはアナログ電子技術では故障間の平均時間が短縮されることを意味する。

キャパシタでは、充電電荷Ｑと電圧Ｖとの間の関係は（ある程度のダイナミックレンジ内では）極めて直線的であり、等式Ｑ＝ＣＶにおいて係数はＣである、ということが思い出されるであろう。多数のウルトラキャパシタがモジュール内で直列になっている特定の場合をモデル化するために、この等式を用いることができる。キルヒホッフの法則から、単純な充電体制においては、直列回路（series string）におけるキャパシタのそれぞれを通る電流は等しく、よって直列回路におけるキャパシタのそれぞれに与えられる電荷（電流の時間積分）は等しいことがわかっている。各キャパシタがその近隣のキャパシタの容量と同じ容量Ｃを有しているとすると、どの瞬間においても、各キャパシタには極めて同一に近い電圧が蓄積されていると期待するであろう。

議論のために、モジュール内の１つのウルトラキャパシタが、そのモジュール内の他のウルトラキャパシタの平均容量より小さな容量を有するようになったと仮定しよう。１サイクル以上の充電電流及び放電電流を仮定すると、低容量セルの電圧は、充電時にはより高く上昇し、放電時にはより低く下降する傾向があるであろう。

上述のように、このような直列容量アレイにバランシング装置を提供する試みがされてきた。バランシング装置は、例えばある時点でモジュールの平均より高い電圧にあるいかなるキャパシタをも（ある程度）放電する、という簡単なアルゴリズムに従い得る。実際の結果は、平均より小さい容量の特定のキャパシタが、高電圧であるときには放電させられ、同様に、平均より大きい容量の特定のキャパシタが、低電圧であるときには放電させられる。これは、無駄なエネルギー損失につながる。

試みられてきた他のアプローチは、充電する回路によってモジュールに与えられる電圧を単に制御（及び制限）することである。関連するが別個の同様に試みられてきたアプローチは、充電する回路によってモジュールに与えられる電荷量を単に制御（及び制限）することである。これらの２つのアプローチは、モジュールの全てのウルトラキャパシタに影響し、また、モジュール内のセルの同一ではないいかなる特性をも考慮していない。

本発明によるシステムの例示的実施形態は、モジュール内のウルトラキャパシタの、又はシステム内のモジュールの、又は両方の、監視及び／又はバランシングを行うプログラムを実行するマイクロコントローラのようなデジタル制御及び／又は命令手段を有する電子ボードを提供する。電子回路は、以下で述べられるように動作し、コンバータによってウルトラキャパシタの電圧負荷を上昇又は下降させる方式ではなく、特定のウルトラキャパシタの状況に基づいて、各ウルトラキャパシタの端子における電圧制御により適合する充電終了プロトコルを実現することを可能にする。更に、マイクロコントローラは、アナログによるデータ取得、ウルトラキャパシタの能動的バランシングの制御、直列又は並列に配置された他のモジュールとの通信、欠陥の記憶、又は統計情報の生成を可能にする動作データの記憶をも可能にする。

実施形態によると、電子ボードは、モジュールに含まれる複数のウルトラキャパシタの中の少なくとも１つのグループから生じた信号のアナログ整形を行ういくつかの手段を有する。これにより、ウルトラキャパシタから生じた信号を電子ボードの異なる要素に適用することが可能になり、これらの信号が使用できるようになる。好都合なことに、ウルトラキャパシタは、ウルトラキャパシタのグループを形成し、各ウルトラキャパシタは他のグループのウルトラキャパシタに関して一つおきに配置されている。

バランシングを達成する１つの方法は、受動的バランシング手段を用いることである。モジュールのそのような受動的バランシング手段は、モジュールの各ウルトラキャパシタに並列に接続された抵抗を有し得る。これにより、バランシング手段に、最高電圧のウルトラキャパシタの端子における最大の電圧格差を絶えず減少させ、電子ボードがもはや機能し得ない非常に低い電圧にバランシング手段を維持することが可能になる。

バランシングを達成するもう１つの方法は、能動的バランシング手段を用いることである。そのような能動的バランシング手段は、各キャパシタの端子における充電電圧が高すぎる場合には、それを減少させるように自らを仕向ける。例示的実施形態においては、抵抗のようなエネルギーを消散するデバイスが、トランジスタのようなアクティブスイッチと直列に配置され、双方がモジュールの各ウルトラキャパシタと並列に配置される。マイクロコントローラは、各トランジスタの開閉を制御し得る。トランジスタは、パワートランジスタ、例えばＮＰＮ形のバイポーラトランジスタであり得る。バランシング電子回路は、電子回路に電力を供給し、モジュールのウルトラキャパシタから電力を引き出す内部電源を有し得る。

各モジュールがそれ自身のバランシング電子回路を有する場合には、いくつかのモジュールが関係するときには、各バランシング電子回路は、他のモジュールの監視及びバランシングを行う他のバランシング電子回路との通信を可能にする通信インタフェースを、好ましくは光カプラのような直流的な絶縁をさせて、有するであろう。説明されるように、各バランシング電子回路は、ウルトラキャパシタ及びモジュールの耐用年数にわたって監視を可能にする、不揮発性のデータ格納手段を好ましくは有する。

あるモジュール内で、モジュールの充電中に、バランシング電子回路のマイクロコントローラは、電圧が、高電圧であると計算されたモジュールの平均電圧より高い、容量がより小さなウルトラキャパシタの放電を制御する。

どのキャパシタがより小さな容量を有するかを知るために、いくつかのアルゴリズムのいずれかが使用され得る。あるアルゴリズムでは、特定のキャパシタの測定が、その端子における電圧振幅が０．５Ｖと１Ｖとの間の閾値より大きい場合に行われる。これにより、もはや十分に充電されないウルトラキャパシタを含むという不運な不良モジュールを検出することが可能になる。

ある実施形態では、各キャパシタは、その近傍にあり、制御電子回路に接続されたサーミスタを有する。２つめの実施形態では、各キャパシタは、その近傍にあり、それぞれの制御電子回路に接続されたサーミスタを有する。

本発明を、いくつかの図における図面に関して説明する。
図１は、本発明による監視バランシング装置のさまざまな部品の配線図を、一般的な方法で示す。 図２は、ウルトラキャパシタから生じた信号のアナログ調整専用の図１の装置の詳細を示す。 図３は、能動的バランシング専用の図１の装置の部分の詳細を示す。 図４は、マイクロコントローラがウルトラキャパシタの充放電を制御するために基づき得る１つのアルゴリズムのグラフを示す。 図５は、マイクロコントローラがウルトラキャパシタの充放電を制御するために基づき得る第２のアルゴリズムのグラフを示す。

可能な場合には、図において同様の参照番号は同様の要素を示すために使用されている。

図１に示されているように、直列に接続された複数のウルトラキャパシタ３を備えるモジュール４を監視及びバランシングする装置１は、電子ボード２（図面における破線内）を備えている。

モジュール４のウルトラキャパシタ３から供給電力を直接得ることによって電子ボード２のさまざまな構成要素の動作に必要な電力を供給する内部電源６によって電力を供給されるマイクロコントローラ５を、電子ボード２は備えている。

この内部電源６の消費電力は、ウルトラキャパシタ３の放電をできるだけ小さくするために、非常に小さい。電子ボード２は、外部電源（図１では明瞭にするために省略されている）から電力を引いてもよいが、そのような外部電源がない場合には、電子ボード２は、主に、ウルトラキャパシタ３が少なくともある閾値レベルを超えるまで充電されている場合にのみ機能するように使用される。

電子ボードは、マイクロコントローラ５に接続されたデータ記憶手段９を更に備える。

電子ボード２に接続されたサーミスタ７が、モジュール４の温度を監視するためにモジュール４の近傍に配置されている。このサーミスタ７から生じた信号は、整形されてマイクロコントローラ５のＡＮ２入力（アナログ入力）に接続される。

電子ボード２は、特有の機能を有するいくつかの部分、すなわち、
・モジュール４のウルトラキャパシタ３のそれぞれから生じた信号の多重化及びアナログ整形を行う第１部分１０
・ウルトラキャパシタ３の受動的バランシングを行う第２部分２０
・ウルトラキャパシタの能動的バランシング（active balancing）を行う第３部分３０
を備えている。

第１部分１０。第１部分１０は、図２に詳細に示されている。その目的は、今から説明されるように、各ウルトラキャパシタ３で生じた信号を、その端子における電圧を測定するために整形することである。

説明の簡単のために、偶数個のキャパシタ３を仮定し、それらをキャパシタの直列回路に沿って「奇（odd）」及び「偶（even）」と表記する。

モジュール４の全ての偶ウルトラキャパシタ３によって構成された、ウルトラキャパシタ３の第１グループ１１から始めると、第１グループ１１の第１ウルトラキャパシタ３の抵抗ＲＰ１に直列のトランジスタＱＰ１は、トランジスタＱＰ_２Ｋ及び第１グループ１１のウルトラキャパシタ３の抵抗ＲＰ_２Ｋの集合の全体のように、「偶」と称される測定ライン１０１に導かれる。

同様に、モジュール４の全ての奇ウルトラキャパシタ３によって構成された、ウルトラキャパシタ３の第２グループ１２から始めると、第２グループ１２の第１ウルトラキャパシタ３の抵抗ＲＩ１に直列のトランジスタＱＩ１は、トランジスタＱＩ_２Ｋ＋１及び第２グループ１２のウルトラキャパシタ３の抵抗ＲＩ_２Ｋ＋１の全てのように、「奇」と称される測定ライン１０２に導かれる。

それぞれ偶及び奇であるウルトラキャパシタ３の端子電圧を代表すべき「偶」及び「奇」測定ライン１０１及び１０２には、一方では全体として電圧の差分測定を可能にするため、他方ではトランジスタＱＰ１及びＱＩ１とそれぞれ交信するために、トランジスタＱＰ２及びＱＩ２が配置される。

トランジスタＱＰ２及びＱＩ２のベースは、各ウルトラキャパシタ３の端子電圧の測定を制御するマイクロコントローラ５に接続されている。

「偶」及び「奇」測定ラインから生じた電圧のそれぞれは、それぞれ比Ｒ１／ＲＰ１及びＲ２／ＲＩ１に比例する増幅比を有し反転増幅器として実装されるオペアンプＡ１及びＡ２によって、それぞれバッファリングされる。

オペアンプＡ１の出力は、第１アナログマルチプレクサＭ１の入力Ｓ１及び第２アナログマルチプレクサＭ２の入力Ｓ２に接続されている。同様に、オペアンプＡ２の出力は、第１アナログマルチプレクサＭ１の入力Ｓ２及び第２アナログマルチプレクサＭ２の入力Ｓ１に接続されている。各マルチプレクサＭ１，Ｍ２は、他方のマルチプレクサＭ１，Ｍ２の入力Ｃに接続された入力Ｃを有する。これらの２つの入力Ｃは、アンプＡ１及びＡ２の出力電圧の極性の反転を論理出力信号Ｉ／Ｏによって選択されるようにするマイクロコントローラ５の出力に接続されている。

したがって、２つのアナログマルチプレクサＭ１，Ｍ２の入力Ｃにおいて０に等しい論理信号に対しては、アナログマルチプレクサＭ１の出力信号Ｄは出力信号Ａ１に等しく、アナログマルチプレクサＭ２の出力信号Ｄは出力信号Ａ２に等しい。反対に、２つのアナログマルチプレクサＭ１，Ｍ２の入力Ｃにおいて１に等しい論理信号に対しては、アナログマルチプレクサＭ１の出力信号Ｄは出力信号Ａ２に等しく、アナログマルチプレクサＭ２の出力信号Ｄは出力信号Ａ１に等しい。

２つのアナログマルチプレクサＭ１，Ｍ２の２つの出力信号Ｄは、次に、減算器として構成されたオペアンプＡ３によって比較される。この減算器の出力電圧は、アナログマルチプレクサＭ１から生じた信号とアナログマルチプレクサＭ２から生じた信号との差に比例する。

この出力電圧は、偶ウルトラキャパシタ３と奇ウルトラキャパシタ３との間に時刻ｔにおいて存在する、ウルトラキャパシタ３の端子電圧差を代表するものである。この電圧は、マイクロコントローラ５の入力ＡＮ１にデジタル化された信号を送り返すＡ／Ｄコンバータに向けて送られる。

これらのデジタル信号の値は、記憶手段９に格納され、後に、特にウルトラキャパシタ３の２つのグループの充電電圧の揺れについての統計情報の作成に用いられる。

構成要素Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ｍ１，及びＭ２には従来通り±５Ｖと±１５Ｖの間の電圧が供給されるのに対して、ウルトラキャパシタの電圧測定値は数百分の１Ｖの近辺のレベルに達し得る。したがって、減衰比Ｒ１／ＲＰ１及びＲ２／ＲＩ１は、この動作範囲内に収まるように選択される。増幅比Ｒ５／Ｒ３及びＲ６／Ｒ４は、オペアンプＡ３の出力におけるウルトラキャパシタ３の測定スケールを元の状態に戻す。

第２部分２０。第２部分２０は、各ウルトラキャパシタ３と並列の抵抗ＲＰＫの配列から成っている。この抵抗には非常に高い抵抗が選ばれるので、ウルトラキャパシタ３はこの抵抗ＲＰＫを通して非常にゆっくりとしか放電しない。このように、たとえキャパシタ３が、電子回路１０，３０に電力を与えるのに十分な高い電圧を保持しないという意味で「消耗」しても、ある程度のバランシングが実行され得る。

第３部分３０。第３部分３０は、図３に詳細に示されている。この部分は、抵抗Ｒ_Ｋ１によるウルトラキャパシタ３の放電原理に基づくウルトラキャパシタＳＣ_Ｋ３の間の能動的バランシングに関係する。

例示的実施形態において、この抵抗Ｒ_Ｋ１は、５Ωの値を有し、スイッチとして構成されたＮＰＮ形のパワートランジスタＱ_Ｋ１によってウルトラキャパシタ３と並列に切り替えられる。

トランジスタＱ_Ｋ１の制御のためのベース電流は、ウルトラキャパシタ３から直接取り込まれ、もう１つのトランジスタＱ_Ｋ２によって決定される。後者は、マイクロコントローラ５から生じるデジタル出力信号Ｖ_ＣＫによって制御される第３のトランジスタＱ_Ｋ３によって制御される。

マイクロコントローラ５から生じる命令は、Ｑ_Ｋ３及びＲ_Ｋ５によって制御される電流Ｉ_ＣＫに変換される。能動的バランシングから生じる放電によって影響されることが意図されていないウルトラキャパシタ３に干渉しないように、この電流Ｉ_ＣＫの値は小さい。

よって、マイクロコントローラ５から来る論理信号Ｖ_ＣＫの送信の結果として、各ウルトラキャパシタ３は、抵抗Ｒ_Ｋ１で分流されることによって個々に放電される。

このようにして、同じモジュールの他のウルトラキャパシタ３の電圧より高い電圧を有するウルトラキャパシタ３の充電電圧は、モジュール内のバランシングを行うために放電され得る。

さまざまな直列、並列、又は直並列接続においては、一般に、１つではなく、いくつかのモジュールが存在する。モジュール４のマイクロコントローラ５は、モジュール間通信の直流的な絶縁を可能にする光カプラによって、モジュール４に直列又は並列に接続された他のモジュールと通信する。

よってマイクロコントローラ５は、近傍のモジュールの電圧と比較してモジュール４の端子電圧をバランシングするため、自身と通信を行った近傍のモジュールの端子電圧を考慮に入れ得る。

よって、他のモジュールの端子で測定された充電電圧が低いと、モジュール４の端子における充電電圧が、モジュール４の電子ボード２のマイクロコントローラ５の命令によって低くなる。このようにして、モジュール４のウルトラキャパシタ３の直列回路の電圧は、モジュール内バランシングを行うために低下させられ得る。

これにより、モジュール４の内部においてウルトラキャパシタ３のそれぞれの間でウルトラキャパシタ３のバランシングが可能になり、モジュールのそれぞれの間でモジュールのバランシングが可能になる。

典型的なモジュールは、直列に接続された６〜３２個のいずれかの数のウルトラキャパシタ３の回路を有し得る。

相対容量の測定。上述した装置１は、どのキャパシタがより小さい容量を有し、どのキャパシタがより大きな容量を有するかを常時監視しており、より小さい容量を有するキャパシタのみを放電するが、そのようなキャパシタが高電圧である（又は高電圧に近づいている）ときにのみ、そのようにする。装置１は、モジュールが電圧充電／放電サイクルのどこにあるかには依存せずに、そのようなことを行う。よって、損失となるエネルギーは、バランシングを行うのに厳密に必要なエネルギーに過ぎない。

しかし、鋭い読者は、この種のバランシングを行うためには、セルの直列回路における近傍のものと比較した、モジュール４の各ウルトラキャパシタ３の相対容量を知る必要があるということが分かるであろう。

２つの別個のアルゴリズムについて述べる。これらのそれぞれは、相対容量を算出するという目標に向けて役立つと考えられる。

第１アルゴリズム。セルのそれぞれのこのような相対容量を推定する第１アルゴリズムは、さまざまな時刻における、各ウルトラキャパシタ３の端子電圧の分析に基づいている。

図４は、充電及び放電のサイクル（ライフサイクルと呼ばれることがある）の期間にわたって、モジュール４の測定された端子電圧（ここでは垂直軸においてＶ_{ＭＯＤＵＬＥ}と表記されている）を示しており、時間の流れが水平軸上に示されている。

モジュール４の電圧の取得は、１０Ｈｚと１００Ｈｚとの間の頻度で行われる。これは、サンプリングが毎秒１０回と毎秒１００回の間の頻度で行われるということを意味する。

このようなサンプリングが行われると、ΔＶｉ及び傾きΔＶｉ／Δｔｉが計算される。これは、この比が正であるときには、モジュール４が充電されていることを意味し、この比が負であるときには、モジュール４が放電させられていることを意味する。

充電又は放電のサイクルは、次の場合、そして次の場合にのみ、容量測定に有効であると認められる。すなわち、
・ΔＶｉ／Δｔｉ＜ＲＩであること。ＲＩはモジュール４の総容量から計算される定数であり、信頼できる測定値を得るために、これは十分に低い電流レベルに対応している。かつ、
・サイクルの電圧振幅が、ウルトラキャパシタ３当たり、０．５と１Ｖとの間の閾値より大きい。

これらの条件下で、特定のモジュール４のウルトラキャパシタ３のそれぞれの相対容量は、式

によって計算される。

測定された相対容量を利用する第２アルゴリズム。本発明のもう１つの実施形態においては、各キャパシタでの電圧の測定によって、各キャパシタのそれぞれの相対容量の推定値が得られる。直列モジュールの第１キャパシタが、その直列モジュールの第２キャパシタの推定相対容量より小さな推定相対容量を有するとして特定される。第１キャパシタは、第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電される。これによって容量が小さい方のキャパシタの耐用年数が伸び得ることが期待される。他の例と同様に、ここではキャパシタはウルトラキャパシタであってもよい。

第１キャパシタが、第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにするという結果を得るための１つの方法は、抵抗を第１キャパシタにある期間接続し、これによって第１キャパシタの電荷を減少させることであり得る。

どのようにして各キャパシタのそれぞれの相対容量が得られるかを説明することが役に立つかも知れない。例示的な一連のステップにおいて、これは、各キャパシタの電圧の測定によって行われ、特に、多数の相対容量測定を行って相対容量測定の値を平均化することによって行われる。

相対容量測定は、
前記モジュールを流れる電流が第１の所定の閾値より小さい値である第１の時点において、前記キャパシタのそれぞれにおける電圧を測定して、前記直列モジュールの両端の電圧を表す電圧和を規定するステップと、
第２の時点において、前記モジュールを流れる電流が前記第１の所定の閾値を超過し、後に前記第１の所定の閾値より小さい値に低下した後、前記キャパシタのそれぞれにおける電圧を再び測定して、前記直列モジュールの両端の電圧を表す電圧和を再び規定するステップと、
各キャパシタについて、前記第１の時点における電圧と前記第２の時点における電圧との差が、それぞれの電圧変化を規定するステップと、
前記直列アレイについて、前記第１の時点における前記直列モジュールの両端の電圧と前記第２の時点における前記直列モジュールの両端の電圧との差が、前記直列モジュールの個別の電圧変化を規定するステップと、
各キャパシタについて、そのそれぞれの電圧変化の、前記直列モジュールの電圧変化に対する比が、各相対容量測定値を規定するステップと
を行うことによってなされ得る。

電圧の測定が行われる時には、第１キャパシタが、第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにする、という動作を避けることが好ましいと考えられる。言い方を変えると、第１キャパシタが、第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにする、というステップが行われるときには、電圧測定の実行を避けることが好ましいと考えられる。平易な言葉でいうと、バランシングが行われているときにはサンプリングを避けること、又はサンプリングが行われているときにはバランシングを避けることが好ましいと考えられる。

なぜ直列アレイを流れる電流が比較的小さい期間に電圧測定が行われるのかを説明することは、役に立つかも知れない。キャパシタはそれぞれ内部抵抗を有するということが洞察されている。電圧測定の際に電流が大きい場合には、内部抵抗の両端のＩＲドロップが電圧の測定値を乱すであろう。このため、電流が比較的小さい時に電圧測定を行うことが好ましいと考えられる。

このアルゴリズムに関する限り、電圧測定を成し遂げる１つの方法は、図１のアナログ−デジタル入力ＡＮ１に順に渡すマルチプレクサ（図１の箱１０内の回路の部分の役割）を用いることによって、キャパシタのそれぞれを、１つずつ、図２に示されているようなアナログ回路に選択的に接続することである、ということが分かるであろう。

図５に注目して、このアルゴリズムを図によって説明する。

上の垂直軸は、モジュール全体の両端の電圧（キャパシタの直列回路の両端の電圧を意味する）を示す。

下の垂直軸は、充電又は放電中にモジュールを流れる電流を示す。

水平軸は、充電期間中及び後の放電期間中の時間の経過を示す。

キャパシタ内に蓄電され、キャパシタの電圧はかなりの範囲にわたって蓄積された電荷に関して直線的であるので、下の曲線（電流）は、おおよそ上の曲線（電圧）の１階微分であるということが分かるであろう。同じことを違う言い方で言うと、上の曲線（電圧）は、下の曲線（電流）に関して、おおよそ積分又は「曲線の下の面積」である。

下の垂直軸において、比較的小さい所定の電流閾値が、電流ゼロのわずかに上又は下に示されている。この間隔は述べたばかりの状況、すなわち、キャパシタ内のＩＲドロップが比較的小さいときに電圧の読み取りを行うことが望ましいということに関係している。

上の曲線において円で囲まれた領域（明瞭のために拡大）は、モジュールを流れる電流が比較的小さいとき（下の曲線に示されているように）に行われるデルタ−Ｖ（ΔＶ）測定を示す。このΔＶの値（時間間隔デルタ−ｔ（Δｔ）にわたる）が、セルの直列アレイにおける特定のセルについて測定される。重要なことに、直前又は直後（又は両方）に、セルの直列アレイにおける他のセルについて類似したΔＶの値が測定される。これらのΔＶの値は、合計されて、直列アレイ全体の両端の総電圧が求められる。

例示的装置においては、各セル電圧測定には１５０マイクロ秒かかる。例えば１８セルの典型的な直列回路では、これは１８回の測定が３ミリ秒程度で完了するということを意味する。

相対容量測定は、より詳細に論じられ得る。本質にまとめると、計算は、セル電圧と比較した、モジュールの端子電圧の変化に基づいていることが分かるであろう。

モジュール内のセルｎについて、モジュールに例えば１７セルが含まれていると仮定すると、相対容量Ｃ_ｎ（全セルの平均容量のパーセンテージで表現される）は、
Ｃ_ｎ［％］＝Δ（Ｖ_{ｍｏｄｕｌｅ}／１７）／Ｖ_ｎ
であり、ここで、Ｖ_{ｍｏｄｕｌｅ}はモジュールの端子電圧であり、Ｖ_ｎはセルｎのセル電圧である。有効な電圧測定値を得るために、次の条件、すなわち、
Ｖ_{ｍｏｄｕｌｅ}＞０．５Ｖ＊１７＝８．５Ｖ
｜Ｉ_{ｍｏｄｕｌｅ}｜＜７Ａ
を適用する。

最初の条件は、各セルはその電圧を少なくとも２分の１ボルト変化させられるという目標によって動機付けられている。モジュール当たり１７セルを再び仮定しており、これは、モジュールのΔＶが８．５Ｖを超えているであろうことを意味している。

２番目の条件は、電圧サンプリングの時に、モジュールを流れる電流（の絶対値）は７Ａを超えていないであろうという目標によって動機付けられている。

各キャパシタの容量を１７６ファラッドと仮定し、１秒の時間間隔Δｔを仮定すると、電流測定値＜７ＡはＶ_{ｍｏｄｕｌｅ}＜４０ｍＶを意味する。

相対容量計算の入力の１つは回路（string）の両端の総電圧であり得ることが分かるであろう。これは、装置が回路全体の両端の総電圧を測定する手段を含む必要があるのかという疑問を生じさせる。装置が回路全体の両端の電圧を別途測定するように設定することは可能であろうが、単純に個々のセルの両端の電圧を加算して回路全体の両端の電圧を求めれば十二分である。

回路における各キャパシタの相対容量に関して、アルゴリズムを説明する。これ（単なる相対容量）は、高すぎる電圧に充電される危険を減少させるためにどのキャパシタに「放出」させるかを選ぶことを可能にするのに十分である、ということが理解されるであろう。そうは言っても、装置によっては、正確な電流測定も可能であるかも知れず、回路を流れる電流が測定される。そうであれば、電量分析が可能かも知れない。これは、正確な電圧測定とともに、回路におけるさまざまなキャパシタの実際の（又は「絶対的な」）容量の測定又は少なくとも推定を可能にするであろう。その場合には、高すぎる電圧に充電される危険を減少させるためにどのキャパシタに「放出」させるかを選ぶことを可能にするために、絶対的な容量が同様に採用され得る。これが行われると、２つの絶対的な容量の相対値が相対容量となることが理解され、上述の方法が必要に応じて変更を加えて実行され得、それによって特定のキャパシタに同一の寿命を延ばす利益がもたらされる、ということが理解されるであろう。

信頼できる電流センサがモジュールに使用できる場合には、モジュールの寿命を延ばす更に他のアプローチが可能になる。このアプローチは、モジュールを流れる大電流はモジュールの耐用年数を縮めると仮定する耐用年数モデルを利用する。このモデルを仮定すると、大電流（閾値を超える電流）が検出されたときには可能であればいつでも、モジュールの両端の（キャパシタの直列回路の両端の）電圧を低下させ又は制限することが、保護のためのステップとなる。

このアプローチのより洗練された変形は、電流及び電圧の空間を規定し、電流と電圧の特定の組み合わせが生じたときにモジュールの両端の電圧を低下させ又は制限することである。

温度測定及びセル寿命の延伸。本発明の他の実施形態においては、直列モジュールの各キャパシタの温度が測定される。直列モジュールの第２キャパシタの温度より高い温度を有する、直列モジュールの第１キャパシタが特定される。第１キャパシタは、第２キャパシタの個別の電圧より低い個別の電圧に充電させられる。上述のように、これを行う１つの方法は、ある期間第１キャパシタに抵抗を接続することによるものであり、これによって第１キャパシタの電圧を低下させる。ここでは、他の例と同様に、キャパシタはウルトラキャパシタであり得る。これにより、より暖かいキャパシタの耐用年数が延びることが期待される。

各モジュールがそれぞれの温度を有する、キャパシタの複数の直列モジュールに、このアプローチの変形が適用される。各モジュールの温度が測定される。第２モジュールの温度より高い温度を有する、第１モジュールが特定される。第１モジュールは、第２モジュールの個別の電圧より低い個別の電圧に充電させられる。これは、ある期間第１モジュールに抵抗を接続することによって成され、これによって第１モジュールの電圧を低下させる。よりあざやかに、第１モジュールには第２モジュールより小さな充電電流を与えることによって、又は、第１モジュールには第２モジュールより短い時間、充電電流を与えることによって、これは成される。ここでは、他の例と同様に、キャパシタはウルトラキャパシタであり得る。これにより、より暖かいモジュールの耐用年数が延びることが期待される。

本文書を読み終えた鋭い読者は、本発明の無数の明らかな改良及び変形を考え出すのに何の困難もないであろうし、それらの全ては以下の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。

Claims (23)

1. 直列の複数のキャパシタを有するモジュールであって、前記キャパシタの１つがｋ番目のキャパシタとして規定されている、モジュールと、
   前記キャパシタにおける電圧を１０Ｈｚと１００Ｈｚとの間でサンプリングする手段であって、キャパシタ当たりの電圧変化の振幅が所定の閾値を超えているときに前記キャパシタにおける電圧をサンプリングする手段と、
   前記サンプリングが行われる時間間隔Δｔｉの間、前記モジュールのｋ番目のキャパシタのΔｖｉ及び前記モジュール全体のΔｖｉを測定する手段と、
   前記各キャパシタのそれぞれの測定相対容量に基づいて、前記モジュールの前記キャパシタの特定の１つを選択的に放電させる手段とを備え、
   前記モジュールの前記ｋ番目のキャパシタのΔｖｉと前記モジュール全体のΔｖｉとの比が、前記ｋ番目のキャパシタの測定相対容量を規定する
   装置。
2. 前記所定の閾値は、０．５Ｖから１Ｖの範囲内の値である
   請求項１に記載の装置。
3. 前記キャパシタはウルトラキャパシタである
   請求項１に記載の装置。
4. 直列の複数のキャパシタを有するモジュールであって、前記キャパシタの１つがｋ番目のキャパシタとして規定されているモジュールを有する装置を使用する方法であって、
   キャパシタ当たりの電圧変化の振幅が所定の閾値を超えているときに、前記キャパシタにおける電圧のサンプリングを１０Ｈｚと１００Ｈｚとの間で行うステップと、
   前記サンプリングが行われる時間間隔Δｔｉの間、前記モジュールのｋ番目のキャパシタのΔｖｉ及び前記モジュール全体のΔｖｉを測定するステップと、
   前記モジュールの前記ｋ番目のキャパシタのΔｖｉと前記モジュール全体のΔｖｉとの比を計算して、前記ｋ番目のキャパシタの測定相対容量を規定するステップと、
   前記各キャパシタのそれぞれの測定相対容量に基づいて、前記モジュールの前記キャパシタの特定の１つを選択的に放電させるステップとを備える
   方法。
5. 前記所定の閾値は、０．５Ｖから１Ｖの範囲内の値である
   請求項４に記載の方法。
6. 前記キャパシタはウルトラキャパシタである
   請求項４に記載の方法。
7. 各キャパシタが１以上の近隣のキャパシタを有し、各キャパシタが前記１以上の近隣のキャパシタと比較したそれぞれの相対容量を有し、各キャパシタが特定の瞬間にそれぞれの電荷を有し、各キャパシタが特定の瞬間にそれぞれの電圧を有する、キャパシタの直列モジュールにおける使用方法であって、
   前記キャパシタのそれぞれにおいて電圧を測定することによって各キャパシタのそれぞれの相対容量の推定値を得、
   前記直列モジュールの第２キャパシタの推定相対容量より小さい推定相対容量を有する、前記直列モジュールの第１キャパシタを特定し、
   前記第１キャパシタが前記第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにする
   方法。
8. 前記第１キャパシタが前記第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにするステップは、ある期間前記第１キャパシタに抵抗を接続して、前記第１キャパシタの電荷を減少させることを含む
   請求項７に記載の方法。
9. 前記キャパシタはウルトラキャパシタである
   請求項７に記載の方法。
10. 前記直列モジュールが特定の瞬間にその内部を流れるそれぞれの電流を有し、それぞれの電流がさまざまな時間において正、負、又は０の値を規定し、前記キャパシタのそれぞれにおいて電圧を測定することによって各キャパシタのそれぞれの相対容量の推定値を得るステップは、多数の相対容量測定を行って前記相対容量測定の値を平均化することを含み、各相対容量測定は、
    前記直列モジュールを流れる電流が第１の所定の閾値より小さい値である第１の時点において、前記キャパシタのそれぞれにおける電圧を測定して、前記直列モジュールの両端の電圧を表す電圧和を規定するステップと、
    第２の時点において、前記直列モジュールを流れる電流が前記第１の所定の閾値を超過し、後に前記第１の所定の閾値より小さい値に低下した後、前記キャパシタのそれぞれにおける電圧を再び測定して、前記直列モジュールの両端の電圧を表す電圧和を再び規定するステップと、
    各キャパシタについて、前記第１の時点における電圧と前記第２の時点における電圧との差が、それぞれの電圧変化を規定するステップと、
    前記直列モジュールについて、前記第１の時点における前記直列モジュールの両端の電圧と前記第２の時点における前記直列モジュールの両端の電圧との差が、前記直列モジュールの個別の電圧変化を規定するステップと、
    各キャパシタについて、そのそれぞれの電圧変化の、前記直列モジュールの電圧変化に対する比が、各相対容量測定値を規定するステップと
    を行うことによってなされる、請求項７に記載の方法。
11. 前記第１キャパシタが前記第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにするステップは、電圧の測定が行われるいかなる時においても行われない
    請求項７に記載の方法。
12. 前記第１キャパシタが前記第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにするステップが行われないときにのみ、電圧の測定が行われる
    請求項７に記載の方法。
13. 各キャパシタが１以上の近隣のキャパシタを有し、各キャパシタが前記１以上の近隣のキャパシタと比較したそれぞれの相対容量を有し、各キャパシタが特定の瞬間にそれぞれの電荷を有し、各キャパシタが特定の瞬間にそれぞれの電圧を有する、キャパシタの直列モジュールとともに用いられる装置であって、
    前記キャパシタのそれぞれにおける電圧の測定によって各キャパシタのそれぞれの相対容量の推定値を得る手段と、
    前記直列モジュールの第２キャパシタの推定相対容量より小さい推定相対容量を有する、前記直列モジュールの第１キャパシタを特定する手段と、
    前記第１キャパシタが前記第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにする手段と
    を備える装置。
14. 前記第１キャパシタが前記第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにする手段は、前記第１キャパシタに選択的に接続可能な抵抗を有し、これによって前記第１キャパシタの電荷を減少させる
    請求項１３に記載の装置。
15. 前記キャパシタはウルトラキャパシタである
    請求項１３に記載の装置。
16. 前記直列モジュールが特定の瞬間にその内部を流れるそれぞれの電流を有し、それぞれの電流がさまざまな時間において正、負、又は０の値を規定し、前記キャパシタのそれぞれにおける電圧の測定によって各キャパシタのそれぞれの相対容量の推定値を得る手段は、多数の相対容量測定を行って前記相対容量測定の値を平均化する手段を含み、各相対容量測定は、
    前記直列モジュールを流れる電流が第１の所定の閾値より小さい値である第１の時点において、前記キャパシタのそれぞれにおける電圧を測定して、前記直列モジュールの両端の電圧を表す電圧和を規定するステップと、
    第２の時点において、前記直列モジュールを流れる電流が前記第１の所定の閾値を超過し、後に前記第１の所定の閾値より小さい値に低下した後、前記キャパシタのそれぞれにおける電圧を再び測定して、前記直列モジュールの両端の電圧を表す電圧和を再び規定するステップと、
    各キャパシタについて、前記第１の時点における電圧と前記第２の時点における電圧との差が、それぞれの電圧変化を規定するステップと、
    前記直列モジュールについて、前記第１の時点における前記直列モジュールの両端の電圧と前記第２の時点における前記直列モジュールの両端の電圧との差が、前記直列モジュールの個別の電圧変化を規定するステップと、
    各キャパシタについて、そのそれぞれの電圧変化の、前記直列モジュールの電圧変化に対する比が、各相対容量測定値を規定するステップと
    を行うことによってなされる、請求項１３に記載の装置。
17. 前記第１キャパシタが前記第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにするステップは、電圧の測定が行われるいかなる時においても行われない
    請求項１３に記載の装置。
18. 前記第１キャパシタが前記第２キャパシタの個別の充電レベルより低い個別の充電レベルに充電されるようにするステップが行われないときにのみ、電圧の測定が行われる
    請求項１３に記載の装置。
19. キャパシタの直列回路を有するモジュールの使用方法であって、
    前記キャパシタの直列回路を流れる電流と前記キャパシタの直列回路の両端の電圧との、前記キャパシタの直列回路の耐用年数を縮める、複数の組み合わせを予め定めるステップと、
    前記キャパシタの直列回路の両端の電圧を監視するステップと、
    前記キャパシタの直列回路を流れる電流を監視するステップと、
    前記キャパシタの直列回路を流れる監視された電流と前記キャパシタの直列回路の両端の監視された電圧とが予め定められた前記複数の組み合わせのいずれかに一致するときには、前記キャパシタの直列回路の両端の電圧を低下させ又は制限するステップと
    を備える方法。
20. 前記キャパシタの直列回路を流れる電流と前記キャパシタの直列回路の両端の電圧との予め定められた前記組み合わせには、所定の閾値を超える電流を含む
    請求項１９に記載の方法。
21. キャパシタの直列回路を有するモジュールとともに用いられる装置であって、
    前記キャパシタの直列回路を流れる電流と前記キャパシタの直列回路の両端の電圧との、前記キャパシタの直列回路の耐用年数を縮める、複数の組み合わせを予め定める手段と、
    前記キャパシタの直列回路の両端の電圧を監視する手段と、
    前記キャパシタの直列回路を流れる電流を監視する手段と、
    前記キャパシタの直列回路を流れる監視された電流と前記キャパシタの直列回路の両端の監視された電圧とが、予め定められた前記複数の組み合わせのいずれかに一致するときには、前記キャパシタの直列回路の両端の電圧を低下させ又は制限する手段と
    を備える装置。
22. 前記キャパシタの直列回路を流れる電流と前記キャパシタの直列回路の両端の電圧との予め定められた前記組み合わせには、所定の閾値を超える電流を含む
    請求項２１に記載の装置。
23. キャパシタの直列回路を有するモジュールを更に備える
    請求項２１又は２２に記載の装置。

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