JP6236391B2 - 電力用電池に対する充電量を平衡させるための装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気化学アキュムレータを使用した電力用電池に対する充電量平衡装置に関する。

大電力ＤＣ電圧の電気システムにおいては、顕著な技術開発が行われつつある。実際、多くの輸送システムでは、ＤＣ電圧電源を備えている。

燃焼／電気ハイブリッド車両または電気車両は、高電力の電池を有している。このような電池は、インバータによって、ＡＣ電気モータを駆動するために使用される。このようなモータのために必要な電圧レベルは、一般的に、数１００ボルト（典型的には、４００ボルト程度）にもなる。このような電池はまた、一般に、電気モードにおける車両の自律性を良好にするために、高い容量を有している。

高いレベルの電力と容量を得るために、アキュムレータの複数のグループが直列に配置される。段数（アキュムレータのグループの数）、および各段に並列に接続されるアキュムレータの数は、電池に対して要求される電圧、電流、および容量に応じて変化する。複数のアキュムレータを連結したものは、アキュムレータ電池と呼ばれている。このような車両に対して使用される電気化学アキュムレータは、限られた重量および体積をもって、実質的に大きなエネルギーを蓄積できる能力を有する、一般的なものは、リチウムイオン型アキュムレータである。リチウムイオンリン酸鉄（ＬｉＦｅＰＯ４）電池は、本質的に高い安全性を有しているため、高いエネルギー蓄積密度が多少犠牲にはなるが、主要な技術開発の対象になっている。電気化学アキュムレータは、通常、次に示す程度の大きさの公称電圧を有している。
リチウムイオンリン酸鉄ＬｉＦｅＰＯ４技術に対して３．３Ｖ。
酸化コバルトに基づくリチウムイオン型技術に対して４．２Ｖ。
本発明はまた、スーパーキャパシタに適用することもできる。

アキュムレータでは、充電または放電することにより、それぞれ、端子における電圧は、増加するか、または減少する。アキュムレータは、その電気化学的過程によって定義される電圧レベルに到達したときに、充電、または放電されたと考えられる。複数段のアキュムレータを使用している回路においては、段を通して流れる電流は同じである。従って、各段の充電または放電のレベルは、アキュムレータの本質的な特性に依存する。異なるアキュムレータの、製造工程、エージング、組み立て、および作動温度の違いによって、充電時または放電時には、各段の間に、電圧差が現れる。

Ｌｉイオン技術に基づくアキュムレータの場合には、過剰に高いか、または過剰に低い電圧（閾値電圧として知られている）は、このアキュムレータを損傷または破壊する可能性がある。例えば、酸化コバルトに基づくリチウムイオンアキュムレータの過充電は、熱ストールや発火につながる可能性がある。リン酸鉄に基づくリチウムイオンアキュムレータにおいては、過充電は、その寿命の減少、または特性劣化を伴う電解質の分解に至る可能性がある。過剰に大きな放電によって、例えば、２Ｖより低い出力電圧となり、負電極が銅で作られている場合には、主として、負電極の電流コレクタの酸化に至り、これによりアキュムレータの特性劣化が引き起こされる。従って、安全性および信頼性の理由から、充電、および放電時における、アキュムレータの各段の端子電圧を監視することが、義務付けられている。そのため、一般的には、各段で並列に監視装置を配置することにより、この機能を満足させている。

監視装置の機能は、各段のアキュムレータの充電量（または残留充電量）、および放電の状態を追尾することと、その情報を制御回路に送信して、その状態が閾値に達したときに、充電または放電を停止させることである。しかしながら、複数段のアキュムレータを接続した電池においては、最も充電された段が閾値電圧に達したときに、充電が停止されたとすれば、他の段は、十分に充電されていないという場合がある可能性がある。逆に、最も放電した段が閾値電圧に達したときに、放電が停止されたとすれば、他の段は、十分に放電していない可能性がある。従って、この場合には、各段のアキュムレータの容量は、十分に利用されきれていない。これは、自律性に対する高い制約条件を有する、組み込み型電池を備える輸送型の応用における主要な問題点を提起している。この問題に対処するために、監視装置は、一般的に、充電量平衡装置と関連付けられている。

この平衡装置は、電池の充電量を最適化し、直列接続されたアキュムレータの各段の充電状態と放電状態とを、同一にして、自律性を最適化する機能を有する。現在、２種類の平衡装置が存在する。すなわち、エネルギー散逸装置として知られる平衡装置、およびエネルギー転送装置として知られる平衡装置である。

エネルギー散逸システムにおいては、閾値に到達した、１つまたは複数の段の充電電流を分流させて、そのエネルギーを抗体の中で消費させることにより、各段の端子における電圧を均一化させるようになっている。１つの変形例では、高閾値電圧に達した段の中の１つを放電させることにより、各段の端子電圧を均一にしている。

しかしながら、このエネルギー散逸平衡システムは、電池を充電するために必要なエネルギー以上の多くのエネルギーを消費するという大きな欠点を有している。確かに、やや少なく充電されている最後のアキュムレータの充電を完了させるためには、いくつかのアキュムレータを放電させたり、またはいくつかのアキュムレータの充電電流を分流させる必要がある。従って、散逸エネルギーは、まだ実行するべき充電のエネルギーレベルよりもはるかに高くなる可能性がある。更に、散逸された過剰なエネルギーは、熱の形で放散される。これは、輸送型の組み込み用途に関する制約条件に対する適合性がなく、温度が上昇すれば、アキュムレータの寿命を大きく低下させる。

一方、エネルギー転送平衡システムにおいては、補助電池または補助エネルギーネットワークと、アキュムレータの段との間で、エネルギーの交換が行われる。

エネルギー転送は、電池からアキュムレータ段に対して、またはアキュムレータ段から電池に対してエネルギーを転送する１方向性であってもよいし、または、電池からアキュムレータ段に対して、およびアキュムレータ段から電池に対して、または隣接する段から隣接する段に対してエネルギーを転送する双方向性であってもよい。

エネルギー転送中の損失を小さくするために、特許文献１（本出願の出願日には公開されていない）は、改良された平衡装置を記載している。特許文献１は、フライバック変換器の原理に基づく構成を使用して、アキュムレータの各段の平衡を確保する方法を提案している。この方法においては、充電レベル、および／または容量が高い段からの放電、および、アキュムレータの電池（電力用電池）から、車両の補助ネットワークへのエネルギーの転送を通して、平衡化を行っている。このようにすれば、高電圧電池から低電圧補助ネットワークに対する電力供給に必要なバック変換器を使用する必要がなくなる。更に、補助ネットワークは、補助電池を使用することなく、平衡装置だけによって、電力の供給をすることができる。

並列接続された平衡装置の調節を簡単にするために、平衡装置は、個別に制御される。従って、最大容量、および／または最大充電レベルを有するアキュムレータの段は、補助ネットワークにエネルギーを供給する。補助ネットワークの上の必要なすべてのエネルギーを提供するために、平衡装置の個々の動作には、能動的な平衡装置が必要である。従って、それに応じて平衡装置の定格決定を行う必要がある。

各平衡装置によって供給される電力を削減し、かつ分散させるために、いくつかの文献（特許文献２等）は、異なる平衡装置を同時に使用することを提案している。特許文献２は、コマンドを使用して調整する方法を提案している。この調整方法では、変換器の間に存在する特性のばらつきによって特定の変換器が他の変換器以上に作動しなければならないことを防ぐために、コマンドによって、平衡装置の間で電流を分担している。特許文献２は、並列接続された変換器に対する相互依存した制御方法を提案している。この制御方法では、各変換器が自分の電流および電圧の測定を行い、変換器間の相互接続バスを利用する。相互接続バスによって、変換器間の電流の分担に関する情報を交換することができる。

このために、調整ループは、相互に依存しており、従って、同期していなければならない。変換器の間のこのための物理リンクは、寄生雑音に対して鈍感でなければならず、変換器が、開放、または短絡された場合に、いかなるときにも、変換器の動作を停止させてはならない。更に、この物理的リンクは、アキュムレータ段、または要素の間に、異なる電圧レベルが存在するため、それに応じた特性を有していることが必要であり、従って、このようなコマンドは、その開発および製作が、複雑で高価になる。

フランス国特許ＦＲ１１／５１７２４号明細書 米国特許ＵＳ４７１７８３３号明細書

本発明は、上記した欠点の１つ以上を解決することを目的としている。

従って、本発明は、複数の直列接続された電力蓄積要素を含む電力蓄積装置の充電量を平衡させるための装置に関する。この平衡装置は、
− 電流制限を有する少なくとも２つのＤＣ／ＤＣ変換器であって、各変換器は、
・変換器の出力電圧の設定値を受信するための入力と、
・各蓄積要素の端子に接続される入力と、
・蓄積装置の端子における電圧を下回るレベルに調整された電圧を有する電気ネットワークに接続される出力とを有するＤＣ／ＤＣ変換器と、
− 制御モジュールであって、
・入力に接続された要素のそれぞれの残留充電量を判定し、
・最高の残留充電量を有する要素に接続された変換器に対して、より高い電圧設定値を適用する制御モジュールとを備えている。

１つの変形例においては、各変換器は、その出力における電流のセンサ、およびその出力における電圧のセンサを含んでいる。

更に別の変形例においては、各変換器は、その出力に印加された電圧を調整するための調整ループを備え、調整ループは、変換器によってその出力から供給される電流に比例して、この電圧設定値を低下させるようになっている。

別の変形例においては、制御モジュールは、少なくとも２つの変換器に対して、同一の電圧設定値を適用するようになっている。

更に別の変形例においては、制御モジュールは、各変換器に対して、判定された残留充電量に比例した電圧設定値を生成するようになっている。

ある変形例においては、制御モジュールは、明白に異なり、同一の電圧増分で階段状に変化する電圧設定値を生成するようになっている。

更に別の変形例においては、制御モジュールによる電圧設定値の割り当てに対する階層は、判定された残留充電量の階層に対応している。

別の変形例においては、変換器は、変成器を含み、この変成器の１次巻線は、制御モジュールによってパルス幅変調で制御される４つのスイッチ間のブリッジとして接続されている。

別の変形例においては、変成器は、中性点変成器（ｍｉｄ−ｐｏｉｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）であり、変成器の２次巻線は、制御モジュールによって制御される２つのスイッチの間に接続され、変換器の出力に接続された中性点を備えている。

本発明は更に、電力システムにも関し、この電力システムは、
− 本明細書で上記して定義した充電量平衡装置と、
− 電力蓄積装置であって、複数の電力蓄積要素を含み、これらの蓄電要素は、充電量平衡装置の各変換器に接続されている電力蓄積装置と、
− 充電量平衡装置の出力に接続され、蓄積装置の端子における電圧を下回るレベルに調整された電圧を有する電気ネットワークとを備えている。

１つの変形においては、電圧の設定値は、前記ネットワークの制御電圧の範囲に含まれている。

別の変形においては、制御モジュールは、
− 平衡装置によってネットワークに対して供給される電流の測定値を取得し、
− 取得した電流の測定値に従って、各蓄積要素の残留充電量を推定する
ようになっている。

更に別の変形においては、蓄積装置は、電気化学アキュムレータを有する電力用電池である。

更に別の変形においては、電力用電池の公称電圧は、ネットワークの公称調節電圧よりも、少なくとも６倍大きい。

本発明は、更に、本明細書の上記して定義したシステムを含むモータ車両にも関する。このシステムにおいては、ネットワークは、周辺機器に電力を供給するための補助電力ネットワークであり、このネットワークの調整電圧は、１０.５Ｖ〜１４Ｖの範囲にある。

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明を読み、添付の図面を参照することにより、明確になると思う。以下の説明は、決して網羅的ではない実施例に関するものである。

本発明を実施する電力システムの１つの例を示す図である。 平衡装置の変換器における測定回路の１つの例を示す図である。 補助ネットワークの端子に電池が接続されていない平衡装置の第１の変形例の動作を示すグラフである。 平衡装置の第３の変形例と一体化されるようになっている、調節機能を有する変換器を示す図である。 補助ネットワークの端子に電池が接続されていない平衡装置の第３の変形例の動作を示すグラフであり、この例においては、電流の変化中に、異なる変換器の電圧設定値には、重なりがない。 異なる変換器の電圧設定値に重なりがある場合の、第３の変形例の作動を示すグラフである。 補助ネットワークに接続されている電池の等価電気回路図である。 補助ネットワークの端子に電池を接続して、この電池を再充電する場合の、平衡装置の第３の変形例の動作を示すグラフである。 補助ネットワークの端子に電池を接続して、この電池の放電を行う場合の、平衡装置の第３の変形例の動作を示すグラフである。 変換器と一体化することができる変換回路の、特に有利な実施例を示す図である。

図１は、電力用電池２を備える電力システム１を示す。電池２は、ｋ個（ｋは、少なくとも、２に等しく、それより大きい数であると有利である）の段（Ｅｔ_１〜Ｅｔ_ｋ）を備え、これらは、電気的に直列に接続されているｋ個の電力蓄積要素を形成している。各段ｉは、電気的に並列に接続されているｎ個のアキュムレータ（Ａ_ｉ，１〜Ａ_ｉ，ｎ）（ｎは、２以上の数）を含んでいると有利である。電力供給システム１はまた、電池２の充電量平衡装置３を備えている。電池２の正端子と負端子との間の電圧は、典型的には、１００〜７５０Ｖの範囲であり、例えば４００Ｖ程度である。電池２は、例えば、インバータの端子に接続されて、ハイブリッド、または電気車両のモータに電力を供給するようになっている。電池２は、これらの車両の金属フレームから絶縁されていると有利である。

平衡装置３は、各段または要素Ｅｔ_ｉの端子に接続されるようになっている接続インタフェースを備えている。平衡装置３はまた、補助ネットワーク６に接続されるようになっている接続インタフェースを備えている。補助ネットワーク６は、例えば、車載の電気ネットワークであり、この電圧は、１２Ｖに近い値に調整されている。この調整電圧は、例えば、１０．５〜１４Ｖの範囲で変化させることができる。この調整電圧は、典型的には、電池２の端子電圧の１／６より小さい値である。

平衡装置３は、変換器３０_１〜３０_ｋを備え、これらの変換器は、例えば、電池２の各段ごとに、１つが存在している。電池２の複数の直列接続された段に対して、１つの変換器を設けることも可能である。変換器３０_１〜３０_ｋは、絶縁されていると有利である。変換器３０_１〜３０_ｋは、一方向変換器であってもよいし、双方向変換器であってもよい。変換器３０_１〜３０_ｋは、以下で説明するように、電池２の各段Ｅｔ_ｉの平衡をとるためと、補助ネットワーク６に対する電力供給のためとに設けられており、それぞれ、出力電圧ｖｓ１〜ｖｓｋ、および出力電流ｉ１〜ｉｋを印加するようになっている。各変換器の出力は、補助ネットワーク６に接続され、補助ネットワーク６の各端子には、同じ電圧Ｖａｕｘが印加される。

平衡装置３はまた、変換器３０_ｉに接続されている制御モジュール４を備えている。補助電池５（キャパシタまたはスーパーキャパシタ）は、ネットワーク６の端子に接続されていると有利である。

図２は、本発明を実施するために、変換器３０_ｉ〜３０_ｋによって使用される情報を、より詳細に示している。各変換器３０_ｉは、出力における電圧値ｖａｕｘ（出力電圧ｖｓｉと同一である）と、電流値ｉｉ（変換器は、これらの量を、変換器の出力として、補助ネットワーク６に供給する）を取得する（内部測定によるか、または例えば、制御モジュール４による測定によって制御モジュール４から与えられる）。エアコンユニット、およびカーラジオ等の補助負荷（６１,６２,６３）は、補助ネットワーク６に接続されている。各変換器はまた、制御モジュール４によって供給される電圧設定値ｖ_ｉを取得する。

変換器３０_１〜３０_ｋは、電流値が制限された電圧源になっている。変換器３０_ｉは、Ｉｉ_ｍａｘで示される電流制限値を有する。

制御モジュール４は、電池２の異なる段Ｅｔ_ｉの残留充電量を判定する（これは、測定によって、または次で説明する計算によって実行される）。制御モジュール４は、特に、段の充電状態、および容量を判定することにより、その段の残留充電量を判定することができる。制御モジュール４は、最も充電されていると判定された段の変換器に対しては、他の変換器に対するよりも高い電圧設定値を生成する。

本発明によって提案されている制御方法によると、ネットワーク６、およびおそらく補助電池５の電圧レベルの許容範囲を把握して、ネットワーク６および補助電池５の公称電圧値を、約１０.５〜１４Ｖ（図５に示すＶａｕｘ_ｍａｘおよびＶａｕｘ_ｍｉｎに、それぞれ対応している）の範囲で変化させることができる。

本発明の１つの実施形態においては、変換器３０_１〜３０_ｋに適用される電圧設定値ｖｉは、優先順位に応じて、制御モジュール４によってこの範囲で規定される。実際、アキュムレータの各段Ｅｔ_１〜Ｅｔ_ｋは、例えば、残留充電量によって決められる順序に応じて、制御モジュール４によって分類される。各変換器３０_ｉには、電圧設定値ｖｉが割り当てられる。段Ｅｔ_ｉの残留充電量が高いほど、この段の変換器３０_ｉには、制御モジュール４によって、高い値の電圧設定値ｖｉが割り当てられる。

図３は、第１の変形における制御特性を示す。図３においては、変換器３０_ｉの電圧設定値は、所定のレベルに固定されている。この所定のレベルは、同じ電圧増分でステップ状に変化させることができる。

図示の例においては、制御モジュール４は、段Ｅｔ_ｉに対して、次に示す残留充電量を決定する。
Ｅｔ_１＞Ｅｔ_４＞Ｅｔ_３＞Ｅｔ_６＞．．．＞Ｅｔ_２＞Ｅｔ_ｋ

その結果、制御モジュール４は、次に示す階層に従って、所定のレベルの電圧設定値Ｖ_ｉを割り当てる。
Ｖ_１＞Ｖ_４＞Ｖ_３＞Ｖ_６＞．．．＞Ｖ_２＞Ｖ_ｋ
ここで、Ｖａｕｘ_ｍａｘ＞Ｖ_ｉ＞Ｖａｕｘ_ｍｉｎである。

図３、図５、図６のグラフにおいては、電池５は、ネットワーク６に接続されていない。

図３のグラフから分かるように、電圧設定値が最高値Ｖｉである変換器３０_ｉは、ネットワーク６の上の電流ｉａｕｘに対して、自動的に、かつ優先的に寄与する。

第１の例（点線の矢印）においては、ネットワーク６によって呼び出される電流Ｉ_ａｕｘは、制限値Ｉ１_ｍａｘよりも低い。従って、変換器３０_１は、全電流Ｉ_ａｕｘを供給し、その出力電圧Ｖｓ１（その電圧設定値Ｖ１に対応していることが望ましい）を、ネットワーク６の上の電圧Ｖａｕｘと等しくする。他の変換器の電圧設定値は、電圧Ｖａｕｘを下回っているので、これら他の変換器は、電流Ｉ_ａｕｘに寄与しない。

第２の例（破線の矢印）においては、ネットワーク６から呼び出される電流Ｉ_ａｕｘは、制限値Ｉ１_ｍａｘより高いが、制限値Ｉ１_ｍａｘ＋Ｉ４_ｍａｘよりは低い値である。Ｉ_ａｕｘは、Ｉ１_ｍａｘより高いので、出力電圧Ｖｓ１は、電圧設定値Ｖ１よりも低くなり、出力電圧Ｖｓ４（電圧設定値Ｖ４に対応していることが望ましい）のレベルに至る。
変換器３０_１は、その電流Ｉ１をＩ１_ｍａｘとする。電圧設定値Ｖ４は、Ｖ１よりも低い値であるので、変換器３０_４は、相補値の電流Ｉ４を供給し、Ｉ_ａｕｘ＝Ｉ１_ｍａｘ＋Ｉ４となる。他の変換器の電圧設定値は、電圧Ｖａｕｘより低い値であるので、これら他の変換器は、電流Ｉ_ａｕｘに寄与しない。

従って、Ｉ_ａｕｘが、電流閾値（変換器の電流制限値の合計に対応し、これらの変換器の段は、最も充電されているとき、および／またはその容量が最も高い）を超えたときには、いつでも、電圧Ｖａｕｘは低下し、新しい変換器が、自動的に、電流Ｉ_ａｕｘに寄与する。

本発明によって、最も充電された段を優先的に放電させることにより、異なる段の間に電流を分散させることができ、従って、段間の充電量の平衡をとることに寄与することができる。更に、この平衡は、ネットワーク６に電力供給をすることによって行うことができ、この電流平衡方法により、散逸による不必要な損失を小として、最適化を図ることができる。更に、この種の平衡装置は、変換器における、相互依存している複雑な調整ループを必要としない。しかも、この平衡装置によって、異なるアキュムレータ段の電圧レベルに適合された、複雑な通信インタフェースの使用を回避することができる。

制御モジュール４は、判定された残留充電量の変化に応じて、電圧設定値ｖ_ｉを変化させることができる。残留充電量を追尾する例については、後で詳細に説明する。

図示の例においては、全ての変換器３０_ｉは、同じ電流制限値Ｉｉ_ｍａｘを有している。異なる電流制限値Ｉｉ_ｍａｘを有する変換器３０_ｉを使用することも、本発明に含まれることは、言うまでもない。

各変換器３０_ｉは、電流センサ３０１を有し、電流制限作用を実行することができると有利である。電流センサ３０１を、各変換器３０_ｉの中に一体化することは、制御モジュール４から各変換器３０_ｉに対して、この情報を伝達する必要がないことを意味している。

各変換器３０_ｉは、電圧センサ３０２を有し、電圧調整ループを実現できると有利である。電圧センサ３０２を各変換器３０_ｉの中に一体化することは、制御モジュール４から各変換器３０_ｉに対して、この情報を伝達する必要がないことを意味している。変換器３０_ｉの中のこの調整ループは、相互依存していないループである。

図示していない第２の変形例においては、変換器３０_ｉの電圧設定値ｖｉは、その段の残留充電量に比例して固定されている。端子電圧が、その残留充電量と著しく異なっているアキュムレータに対しては、変換器３０_ｉの電圧設定値ｖｉは、変換器の入力において測定された電圧に比例して固定されていると有利である。

第１、および第２の変形においては、全ての電圧設定値ｖ_ｉは、異なるレベルを有し、ネットワーク６の電流への寄与に対する、同一の電圧設定値を有すると考えられる２つの変換器の間で、決定が速やかに行われるようにすることができる。

図４は、この調整機能を有する変換器３０_ｉの１つの例を示す。この調整機能は、第３の変形例において、平衡装置３の中に一体化されるようになっている。この変形例においては、正の内部抵抗回路が、各変換器の中に一体化されており、変換器の出力電流に比例する電圧降下を、測定される出力電圧に対して誘起する。従って、同じ電圧設定値によって制御される変換器の、電流ｉ_ａｕｘに対する寄与は、均等化して分散される。

変換器３０_ｉは、ＤＣ／ＤＣ変換回路３０３を有し、このＤＣ／ＤＣ変換回路３０３は、ガルバニック絶縁を有していると有利である。変換器３０_ｉは、さらに調整回路３１０を備えている。調整回路３１０は、デューティ比αｉを生成する。デューティ比αｉの値は、それぞれセンサ３０１および３０２によって測定されたｉｉ、およびＶａｕｘの値に応じて、０〜１の範囲にある。調整回路３１０は、変換回路３０３に対して、デューティ比設定値αｉを適用する。

調整回路３１０は、電圧Ｖａｕｘを調整する低速ループを備え、乗算器３１１と、合算器または合算ユニット３１２とを含んでいる。乗算器３１１は、電流ｉｉに乗算係数Ｇを適用する。合算器３１２は、乗算器３１１の出力における電圧値Ｖａｕｘを合計する。合算器３１２の出力によって、供給される電流ｉｉに応じて、出力電圧ｖｓｉの低下を調整することができる。合算器３１２の出力は、減算器３１３の反転入力に印加される。設定値ｖｉは、減算器３１３の非反転入力に印加される。従って、減算器３１３は、出力電圧誤差信号δｖを生成する。

調整回路３１０は、電流ｉｉを調節する高速ループを備え、補正器３１４、減算器３１５、および補正器３１６を含んでいる。補正器３１４は、出力電圧誤差信号δｖから得られる電流設定値Ｉｒｅｆを生成する。補正器３１４は、リミッタを有し、このリミッタは、Ｉｒｅｆの変動を、所定の範囲内に制限する。補正器３１４は、任意の公知のタイプのものであってよく、例えば、比例積分タイプのものでよい。減算器３１５は、電流設定値Ｉｒｅｆから測定電流値ｉｉを減算し、電流誤差信号δｉを生成する。補正器３１６は、電流誤差信号δｉに応じて、デューティ比αｉを決める。補正器３１６は、リミッタを有し、このリミッタは、αｉの変動を所定の範囲内に制限する。補正器３１６は、任意の公知のタイプであってよく、例えば、比例積分タイプのものでよい。

図５のグラフは、第３の変形の第１の実施形態を示す。この実施形態においては、調整ループにおける正の抵抗回路によって誘起される電圧降下は、電圧設定値の連続した２つのレベルの差よりも小さい。本明細書においては、電圧設定値Ｖ１は、電圧設定値Ｖ４と同じである。

第１の例（点線の矢印で示されている）においては、Ｉ１_ｍａｘ+Ｉ４_ｍａｘより低い値の電流Ｉａｕｘが、ネットワーク６によって呼び出される。変換器３０_１および３０_４は、それぞれ、同一の電流Ｉ１とＩ４とを出力する。正の抵抗回路によって誘起される電圧降下によって、補助ネットワークの電圧Ｖａｕｘは、Ｖ１よりもわずかに低い。

第２の例（破線矢印で示されている）においては、Ｉ１_ｍａｘ+Ｉ４_ｍａｘより大きいが、Ｉ１_ｍａｘ+Ｉ４_ｍａｘ+Ｉ３_ｍａｘよりも小さい電流Ｉａｕｘが、ネットワーク６によって呼び出される。変換器は３０_１と３０_４は、それぞれ、同一の電流Ｉ１ｍａｘとＩ４ｍａｘを出力する。変換器３０_３は、相補値の電流Ｉ３を出力し、従って、本明細書においては、Ｉａｕｘは、Ｉ１_ｍａｘ+Ｉ４_ｍａｘ+Ｉ３に等しい。

電流Ｉ１_ｍａｘ+Ｉ４_ｍａｘに到達すると、他の変換器には、電流の各閾値における電圧ジャンプが次々に印加される。電圧レベルＶａｕｘは、図示の特性曲線Ｖａｕｘ=ｆ（Ｉａｕｘ）によって決定される。

図６のグラフは、第３の変形の第２の実施形態を示す。この実施形態においては、調整ループの中の正の抵抗回路によって誘起される電圧降下は、電圧設定値の連続した２つのレベルの差よりも大きい。本明細書においては、電圧設定値Ｖ１は、電圧設定値Ｖ４と同じである。

オーバラップ領域においては、変換器は、電圧設定値、電圧Ｖａｕｘ、および内部抵抗の値に従って作動するようになっている。例えば、ゼロ電流値から点Ａに対応する電流値の範囲の電流Ｉａｕｘに対して、変換器３０_１および３０_４は、それぞれ、同一の電流Ｉ１およびＩ４を出力する。

点Ａから点Ｂまでの範囲の電流Ｉａｕｘに対しては、変換器３０_１および３０_４は、電圧設定値、電圧Ｖａｕｘ、および内部抵抗に従って分配された電流を出力する。点Ａは、電圧Ｖａｕｘが電圧Ｖ３と等しい点である。点Ｂは、電圧ＶａｕｘがＶ１−Ｒｉ＊Ｉ１_ｍａｘと等しい点である。変換器３０_１および３０_４は、それぞれ、（Ｖ１−Ｖａｕｘ）／Ｒｉ=（Ｖ４−Ｖａｕｘ）／Ｒｉ（Ｒｉは内部抵抗）と等しい電流を出力する。これらの電流は、図６においては、Ｉ１_２およびＩ４_２で示されている。変換器３０_３は、相補値の電流値、すなわち、電流Ｉ３_２=Ｉａｕｘ−Ｉ１_２−Ｉ４_２を出力する。
電流の値は、寄与している各変換器（読みやすさのために図示せず）だけに関する特性曲線Ｖ=ｆ（Ｉ）と、所与の動作点に対する電圧レベルＶａｕｘとの間の交点から推定することができる。

点Ｂから点Ｃに至る範囲の電流Ｉａｕｘに対しては、変換器３０_１および３０_４は、それぞれ、同一の電流Ｉ１_ｍａｘおよびＩ４_ｍａｘを出力する。点Ｃは、電圧Ｖａｕｘが電圧Ｖ６と等しい点として定義される。変換器３０_３は、相補値の電流値Ｉ３を出力する。従って、本明細書のおいては、Ｉａｕｘは、Ｉ１_ｍａｘ+Ｉ４_ｍａｘ+Ｉ３に等しい。

制御モジュール４は、ネットワーク６を通過する電流Ｉａｕｘのセンサを含んでいると有利である。これにより、制御モジュール４は、各変換器３０_ｉに適用されている電圧設定値と測定された電流Ｉａｕｘとから、各変換器３０_ｉの出力電流を推定することができる。電流Ｉａｕｘは、制御モジュール４によってネットワーク６の上で実行される、電圧Ｖａｕｘの測定だけから推定することもできる。実際、制御モジュール４は、Ｖａｕｘ＝ｆ（Ｉａｕｘ）から電流Ｉａｕｘを推定することができる。

各変換器３０_ｉに関して、その出力電流の関数として表される各変換器の効率に対する十分な知識があれば、推定された出力電流から、変換器３０_ｉの段Ｅｔ_ｉによって与えられる電流、従って、この段Ｅｔ_ｉの残留充電量を算出することができる。

計算により段Ｅｔ_ｉの放電を判定することは、電池２の段が、充電量の関数として、非常に平坦な電圧プロファイルを有する電気化学アキュムレータを含んでいる場合には有利である。例えば、リチウムイオンＬｉＦｅＰＯ４の型アキュムレータでは、その充電量の関数として表される電圧プロファイルは、平坦であり、その端子電圧を測定することによりその充電量を精度よって判定することはできない。

補助電池５または補助蓄電装置が、ネットワーク６の端子に接続されている場合には、調節装置３の動作は、それに応じて適合させることができる。従って、制御モジュール４は、電圧設定値ｖｉを、補助電池５の電圧に応じて、異なるレベルに適合させ、この補助電池を再充電、または放電させることができると考えることもできる。この構成においては、電圧設定値ｖｉもまた、補助電池５の動作電圧の範囲に含まれる。電圧設定値ｖｉのレベルの階層もまた、段Ｅｔ_ｉの残留充電量の階層に応じて、変換器３０_ｉに割り当てられる。

電池５は、図７に示す電気回路図によってモデル化されている。電池５は、無負荷電圧ｖｂａｔと直列抵抗ｒｓとを備えていると考えられる。この抵抗ｒｓは、充電中および放電中において、同じ値を有していると考えられる。電池５との組み合わせた平衡装置３の動作を簡単に解析するために、特性電圧Ｖ=ｆ（Ｉ）が、線形特性を有する変換器３０_ｉに基づいて説明を行う。

電池５と組み合わせて平衡装置３を作動させるために、本発明においては、正の内部抵抗を有する変換器３０_ｉを使用していると有利である。変換器３０_ｉの特性曲線Ｖｓｉ＝ｆ（Ｉｉ）の傾斜は、電池５の特性、および／または電池５に対して要求される充電／放電の速度に応じて、ダイナミックに、すなわち絶え間なく調整することができる。

電圧設定値のレベルｖｉに関しては、電池５の充電を行うためには、電圧設定値の少なくとも１つは、電池５の電圧ｖｂａｔよりも高くなければならないと考えられる。変換器３０_ｉの組によって電池５を充電するためには、各電圧設定値は、電圧ｖｂａｔより高くなければならない。

段Ｅｔ_ｉの中で放電が実行されるためには、電圧設定値のレベルｖｉは、全ての電圧設定値が電池５の電圧ｖｂａｔよりも低くなるように低下させられる。

図８は、変換器３０_ｉの一部のみによる電池５の再充電中における平衡装置３の動作モードを示す。実線の曲線は、電池５が存在しない場合における変換器３０_ｉの特性に対応している。破線の曲線は、電池５が存在する場合における変換器３０_ｉの特性に対応している。点線の曲線は、変換器３０_ｉが存在しない場合における、電池５の特性に対応している。

補助電流Ｉａｕｘに対しては、変換器３０_ｉによって供給される電流は、電流Ｉｃｏｎｖと等しく、電池によって吸収される電流は、Ｉｂａｔ（慣例により、発電機にも適用可能である）と等しい。従って、電池５は、充電されている。補助電流Ｉａｕｘが増加すると、電池５を通して流れる充電電流Ｉｂａｔは減少する。全ての変換器３０_ｉが電流制限値に到達したときには、補助電池５が電流を供給する。

変換器間の電流の分布は、それらの電圧設定値Ｖｉに依存する。図８に示す場合においては、段Ｅｔ_１に関連する変換器３０_１は、その最大電流Ｉ１_ｍａｘを供給する。段Ｅｔ_３に関連する変換器３０_３は、相補値の電流値、すなわち、Ｉ３=Ｉｃｏｎｖ−Ｉ１_ｍａｘを供給する。ネットワーク６の上の電圧Ｖａｕｘは、変換器３０_３の電圧設定値Ｖ３よりも確かに低い。

補助電池５が、ネットワーク６によって吸収される電流Ｉａｕｘがどのような値であっても（例えば、電池５の充電レベルが最大になったときでも）、再充電されることなしに、Ｉａｕｘの一部を供給することが望ましいという場合には、最大残留充電量を有する段の変換器の電圧設定値は、補助電池５の開放電圧、または無負荷電圧以下でなければならない。

この動作については、図９に示してある。実線は、電池５が存在する場合の、変換器３０_ｉの特性曲線に対応している。破線曲線は、電池５が存在しない場合の変換器の３０_ｉの特性に対応している。点線曲線は、変換器３０_ｉが存在しない場合の電池５の特性に対応している。

段Ｅｔ_１（最高残留充電量を有する）に関連付けられた変換器３０_１の電圧設定値Ｖ１は、電圧ｖｂａｔに等しくなるように選択されている。従って、補助電流Ｉａｕｘは、補助電流Ｉａｕｘがゼロでないときには、補助電池５と変換器とで供給される。電圧設定値Ｖ１が電圧ｖｂａｔよりも高くなるように選択されている場合には、電流Ｉａｕｘは、ネットワーク６の電圧Ｖａｕｘが電圧設定値Ｖ１に到達するまで、補助電池５のみによって供給されることになる。

電流Ｉａｕｘに対しては、変換器３０_ｉによって供給される電流は、電流Ｉｃｏｎｖに等しく、電池５によって供給される電流（慣例により発電機にも適用される）は、Ｉｂａｔに等しい。従って、電池５は、ネットワーク６の上の電流Ｉａｕｘの一部を供給することに寄与する。電流Ｉａｕｘが増加すると、電流Ｉｂａｔは増加する。変換器３０_ｉの間の電流の分布は、それらの電圧設定値ｖｉに依存する。図９に示す場合には、段Ｅｔ_１に関連する変換器３０_１は、その制限値Ｉ１_ｍａｘより低い値の電流Ｉ１を供給する。電圧Ｖａｕｘは、変換器３０_３の電圧設定値Ｖ３よりも高い。

制御モジュール４は、測定、および本明細書において上記で詳細に説明している計算によって、段Ｅｔ_ｉの残留充電量を推定することができる。制御モジュール４は、電池５の残留充電量だけを使用して、段Ｅｔ_ｉの残留充電量の推定を実行する必要がある。電池５から抽出される充電量もまた、電流Ｉａｕｘを測定することによって推定することができる。電圧センサを使用して、電池５の残留充電量と温度とが既知であることを考慮すると、電流Ｉａｕｘおよび電流Ｉｂａｔを推定することができる。

図１０は、変換回路３０３の１つの例を示す。この変換回路３０３は、本発明における平衡装置に対して特に有利な変換回路である。変換回路３０３は、入力接続のインタフェースに接続された入力フィルタＦＥを備えている。フィルタＦＥの出力は、フルブリッジインバータＯＰに接続されている。フルブリッジインバータは、制御スイッチＭ１、Ｍ２、Ｍ３、およびＭ４を含んでいる。変換回路３０３はまた、中性点が接地された２次巻線を有する変成器ＴＰＭを有している。変成器ＴＰＭは、スイッチＭ１〜Ｍ４の間にあるブリッジに接続された１次巻線ＥＰを有している。スイッチＭ１〜Ｍ４は、制御モジュール４によってパルス幅変調で制御され、出力電圧のレベルを規定している。変換回路３０３は、制御スイッチＭ５とＭ６とを含む同期整流器を更に有している。２次巻線ＥＳは、スイッチＭ５とＭ６との間に接続されている。

中性点接地変成器ＴＰＭは、２次巻線におけるスイッチの数を最小にして信号の整流を行うために使用される。制御スイッチＭ１〜Ｍ６は、制御モジュール４によって制御される。これらの制御スイッチＭ１〜Ｍ６は、図示されている構成（並列接続されたフライバックダイオード、またはフリーホイールダイオードＤを有するｎＭＯＳトランジスタ型ＴＭ）を有することができる。変換回路３０３の効率を最大にするためには、ダイオードによる整流の代わりに、上記のようなスイッチＭ５およびＭ６を採択することが望ましい。

出力フィルタＦＳの入力は、２次巻線の中性点と、スイッチＭ５およびＭ６の共通ノードとの間に接続されている。フィルタＦＳの出力は、変換回路３０３の出力インタフェースを形成している。

図示してはいないが、電力システム１は、アキュムレータ段Ｅｔ_ｉの端子における電圧を測定し、監視するための装置を有していると有利である。

１ 電力システム
２ 電池
３ 充電量平衡装置
４ 制御モジュール
５ 補助電池
６ 補助ネットワーク
３０_１〜３０_ｋ 変換器
Ｅｔ_１〜Ｅｔ_ｋ 電力蓄積要素
Ａ_ｉ，１〜Ａ_ｉ，ｎ アキュムレータ
６１、６２、６３ 補助負荷
３０１ 電流センサ
３０２ 電圧センサ
３０３ ＤＣ／ＤＣ変換器
３１０ 調整回路
３１１ 乗算器
３１２ 合算器
３１３ 減算器
３１４ 補正器
３１５ 減算器
３１６ 補正器
ＦＥ 入力フィルタ
ＦＳ 出力フィルタ
ＯＰ フルブリッジインバータ
Ｍ１〜Ｍ６ 制御スイッチ
ＴＰＭ 変成器
ＥＰ １次巻線
ＥＳ ２次巻線

Claims (15)

1. 直列接続された複数の電力蓄積要素（Ｅｔ_１，．．．，Ｅｔ_ｋ）を含む電力蓄積装置（２）の充電量平衡装置（３）であって、
   − 電流制限値を有する少なくとも２つのＤＣ／ＤＣ変換器（３０_ｉ）と制御モジュール（４）とを備えており、
   前記各変換器は、
   ・該変換器から出力電圧の設定値（ｖｉ）を受信するための入力と、
   ・対応する前記蓄積要素（Ｅｔ_ｉ）の端子に接続される入力と、
   ・当該変換器の出力を制御する調整回路（３１０ _ｉ ）と、
   ・前記電力蓄積装置（２）の端子における電圧を下回るレベルに調整された電圧（Ｖａｕｘ）を有する電気ネットワークに接続される出力とを有し、
   前記制御モジュール（４）は、
   ・前記入力に接続されている前記蓄積要素（Ｅｔ_ｉ）のそれぞれの残留充電量を判定し、
   ・該残留充電量に応じて、高さの異なる電圧設定値（ｖｉ）を前記各変換器に割り当て、
   ・最高の前記残留充電量を有する前記蓄積要素に接続されている前記変換器に対して、より高い前記電圧設定値（ｖｉ）を適用する機能を有し、
   前記各調整回路は、
   当該変換器に割り当てられた前記電圧設定値（ｖｉ）と前記電気ネットワークの電圧（Ｖａｕｘ）とを比較し、前記電圧設定値（ｖｉ）が前記電気ネットワークの電圧（Ｖａｕｘ）以上である場合には、前記電流制限値の範囲内で当該変換器から前記電気ネットワークへ電流を供給し、前記電圧設定値（ｖｉ）が前記電気ネットワークの電圧（Ｖａｕｘ）未満である場合には、当該変換器から前記電気ネットワークへ電流を供給しないように構成されており、
   前記充電量平衡装置は、
   前記電気ネットワークによって要求される電流Ｉ_ａｕｘが、前記高い電圧設定値の適用された１つ若しくは複数の前記変換器の前記電流制限値の合計よりも低い場合、該１つ若しくは複数の前記変換器が前記電流Ｉ_ａｕｘの全てを供給して前記電気ネットワークの前記調整された電圧（Ｖａｕｘ）とし、
   前記要求される電流Ｉ_ａｕｘの増大に伴い前記電圧設定値（ｖｉ）のより低い他の前記変換器も前記電流Ｉ_ａｕｘに寄与し、より低い前記調整された電圧（Ｖａｕｘ）とするように構成されていることを特徴とする充電量平衡装置（３）。
2. 前記各変換器は、その出力における電流のセンサ（３０１）、およびその出力における電圧のセンサ（３０２）と、ＤＣ／ＤＣ変換回路（３０３）とを含んでおり、
   前記電流のセンサ（３０１）及び電圧のセンサ（３０２）の出力が、前記調整回路（３１０ _ｉ ）に入力されることを特徴とする、請求項１に記載の充電量平衡装置（３）。
3. 前記各変換器（３０_ｉ）の前記調整回路（３１０ _ｉ ）は、該各変換器（３０_ｉ）の出力に印加される前記電圧（Ｖｓ _ｉ ）を調整するための調整ループを備え、該調整ループは、前記変換器によってその出力から供給される電流に比例して前記電圧設定値を低下させることを特徴とする、請求項１または２に記載の充電量平衡装置（３）。
4. 前記制御モジュール（４）は、少なくとも２つの前記変換器（３０_１、３０_４）に対して、同一の前記電圧設定値を適用するようになっていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の充電量平衡装置（３）。
5. 前記制御モジュール（４）は、前記各変換器に対して、その判定された前記残留充電量に比例した前記電圧設定値を生成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の充電量平衡装置（３）。
6. 前記制御モジュール（４）は、同一の電圧増分で階段状に変化する前記電圧設定値を生成することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の充電量平衡装置（３）。
7. 前記制御モジュール（４）による前記電圧設定値の割り当てに対する階層は、判定された前記残留充電量の階層に対応していることを特徴とする、請求項６に記載の充電量平衡装置（３）。
8. 前記変換器の前記ＤＣ／ＤＣ変換回路は、変成器（ＴＰＭ）を含み、該変成器（ＴＰＭ）の１次巻線（ＥＰ）は、前記制御モジュール（４）によってパルス幅変調で制御される４つのスイッチ間のブリッジとして接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の充電量平衡装置（３）。
9. 前記変成器（ＴＰＭ）は、中性点変成器（ｍｉｄ−ｐｏｉｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）であり、前記変成器（ＴＰＭ）の２次巻線（ＥＳ）は、前記制御モジュール（４）によって制御される２つのスイッチの間に接続されており、前記２次巻線（ＥＳ）は、前記変換器の出力に接続された中性点を備えていることを特徴とする、請求項８に記載の充電量平衡装置（３）。
10. − 請求項１〜９のいずれか１項に記載の前記充電量平衡装置（３）と、
    − 前記電力蓄積装置（２）であって、複数の電力蓄電要素を含み、これらの蓄電要素は、前記充電量平衡装置（３）のそれぞれの前記変換器に接続されている前記電力蓄積装置（２）と、
    − 前記充電量平衡装置の出力に接続され、前記電力蓄積装置（２）の端子における電圧を下回るレベルに調整された電圧を有する、電気ネットワーク（６）とを備えていることを特徴とする電力システム（１）。
11. 前記電圧設定値（ｖｉ）は、前記ネットワーク（６）の制御電圧の範囲の中に含まれていることを特徴とする、請求項１０に記載の電力システム（１）。
12. 前記制御モジュール（４）は、
    − 前記充電量平衡装置（３）によって前記ネットワーク（６）に対して供給される電流の測定値を取得し、
    − 取得した前記測定値に従って、前記各蓄積要素（Ｅｔ_ｉ）の前記残留充電量を推定するようになっていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の電力システム（１）。
13. 前記電力蓄積装置（２）は、電気化学アキュムレータを有する電力用電池であることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の電力システム（１）。
14. 前記電力用電池の公称電圧は、前記ネットワーク（６）の公称調節電圧よりも少なくとも６倍高いことを特徴とする、請求項１３に記載の電力システム（１）。
15. 請求項１３〜１４のいずれか１項に記載の前記電力システムを含み、前記ネットワーク（６）は、周辺機器に電力を供給するための補助ネットワークであり、前記補助ネットワークの調整電圧は、１０．５〜１４Ｖの範囲にあることを特徴とする電動車両。

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