JP6702865B2 - 差異数の蓄電素子のブリッジングによる、２つの枝部を有する電池の平衡化 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つの並列枝部を備える電気エネルギー蓄電池の素子の電圧平衡化の分野に関する。

より正確には、本発明は、直列に電気接続されたＮ個の蓄電素子をそれぞれ有する並列に電気接続された第１の枝部および第２の枝部を少なくとも備える電気エネルギー蓄電池を管理する方法および装置に関する。

電気車両に使用されるリチウムイオン型等の電池は、用途により求められる電圧レベルに到達するために直列に組み合わされた、電気化学セル等の一群の蓄電素子により形成される。他方、用途により求められる容量レベルに到達するために、電池は、蓄電素子を並列にした組を備えることができる。そのため、電気エネルギー蓄電池は、組内で相互に並列に電気接続された複数の枝部を備え、各枝部が組内で相互に直列に電気接続された複数の蓄電素子を備えることが多い。枝部の数は、求められる容量に依存する。同様に、各枝部に沿って直列に接続される素子の数は、求められる電圧に依存する。

現在の製造工程では、特に容量や内部抵抗などの特徴の点で、完全に同一の蓄電素子を得ることはできない。加えて、これらの素子は、電池の耐用年数を通じて、電池内での配置に起因する多様な温度変化に晒され、それによって前記素子が不均一に経年する。異なる特徴を有するこれらの素子に同じ電流を通した場合、前記素子は平衡を失い、すなわち充電状態に差異が生じる。

電池に含まれるエネルギーの最適な使用（使用範囲は、充電の程度が大きい素子と、充電の程度が小さい素子とにより判断される）を可能にするため、そのような不平衡を是正する電池管理装置が知られている。平衡化は、素子の充電状態（「ＳＯＣ」）に関する情報に基づいて、または前記素子の電圧もしくは無負荷電圧に基づいて、実行することができる。

現在使用されている平衡化方法は、能動的または受動的である。
− 受動的（または放散的）平衡化では、充電の程度が大きい蓄電素子を放散素子（抵抗器）で放電して、前記蓄電素子のすべてを同じ充電状態にする。
− 能動的（または非放散）平衡化では、充電の程度が大きい素子のエネルギーを、充電の程度が小さい素子に移動して、同じ充電状態に近づける。

今日、「受動的」平衡化システムは、充電の程度が大きいセルのエネルギーを抵抗器で放散することを目指しており、したがって電池の素子群の充電を制限しない。よってエネルギーは失われる。電池の放電時にこの手法を使用すると、電池の電圧が低下する。このことは、電池で特定の電力を提供するために必要な電流の増加につながり、自律性の向上に寄与しない。

これに対し、「能動的」平衡化は、充電の程度が大きいセルのエネルギーを、充電の程度が小さいセルに分散させることを目指しており、自律性の向上を可能にする。能動的平衡化回路は、比較的複雑であり、通常は変圧器等のエネルギー移動手段を使用する。これらのエネルギー移動チェーンは、変換収率が統一されていない。

本発明は、非放散平衡化の分野に関する。

平衡化ソリューションは、文献ＥＰ１８６９７４８Ｂ１より知られている。この文献では、電池の各モジュールに含まれる複数のセルをブリッジし、その後すべてのモジュールをブリッジする原理について記載している。しかし、このソリューションは、すべてのモジュールおよびセルが各セルの実際のニーズと無関係に平衡化されるため、あまり柔軟ではない。このソリューションのもう１つの大きな欠点は、電池が使用されていないとき、すなわち、電池が接続解除され、充電も放電もされていないときにしか実装できないことである。これは、接続および接続解除によって、電池の端子で電圧の急激な変化が生じることに起因する。

文献ＥＰ２３６３９３５Ａ１では、各ステージに３つのスイッチが設けられたスイッチング構造について記載している。平衡化システムは、第１の期間中に、ある枝部のｎ次の蓄電素子を、別の枝部のｎ次の蓄電素子に並列に接続する。次に平衡化システムは、第２の期間中に、主枝部のｎ次の蓄電素子を、副枝部のｎ−１次の蓄電素子に並列に接続する。次に平衡化システムは、第３の期間中に、主枝部のｎ次の蓄電素子を、副枝部のｎ＋１次の蓄電素子に並列に接続する。どの期間でも、ブリッジングは、主枝部の１つのステージのみと、副枝部の他の１つのステージのみとの間で行われる。平衡化電流は限られており、完全に満足できるものではない。他方、各期間で、平衡化ソリューションが、実装、および枝部のさまざまな蓄電素子に固有の実際のニーズへの適応という点で柔軟性を欠いた態様で、主枝部の各ステージが副枝部のステージに並列に接続される。

本発明の目的は、上述した欠点を克服する電池の管理戦略を提案することである。

第１の目的は、特に電池を非放散で、すなわち電荷移動を利用して、平衡化できるようにすることである。

第２の目的は、現在の「非放散平衡化」型ソリューションに比べて、より簡素なソリューションを、より低コストで提供することである。

第３の目的は、電池が使用されているか否かに関係なく、電池の任意の素子の間でエネルギーを移動できるようにする柔軟なソリューションを提供することである。

第４の目的は、平衡化時間が短く、個別に考慮される蓄電素子の実際のニーズへの適用を向上させるソリューションを提供することである。
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その他の利点および特徴は、非限定的な例を用いて与えられ、添付の図面に示される、本発明の具体的な実施形態についての以下の説明より明らかとなる。

本発明に係る管理方法を、本発明に係る例示的な管理装置を通じて適用することができる、第１の蓄電池の電気構造を示す図である。 ６つの蓄電素子を備える、図１の変形を示す図である。 事前に選択されたスイッチング素子の第１の制御例の後の、図２の装置を示す図である。 事前に選択されたスイッチング素子の第２の制御例の後の、図２の装置を示す図である。 ４つの蓄電素子を備える、図１の変形を示す図である。 スイッチング素子の制御が異なる３つの異なる期間中の図５の装置を示す図である。 スイッチング素子の制御が異なる３つの異なる期間中の図５の装置を示す図である。 スイッチング素子の制御が異なる３つの異なる期間中の図５の装置を示す図である。

図１は、一方で、以下に詳述する管理方法を適用することができる蓄電池の電気構造を示し、他方で、この方法を実行する管理装置の一部を示す。

よって電気エネルギー蓄電池は、並列に電気接続された第１の枝部および第２の枝部を少なくとも備え、各枝部が、同じ枝部内で相互に直列に電気接続されたＮ個の蓄電素子を有する。

より正確には、各枝部は、組内で各枝部に沿って相互に直列に電気接続された複数の蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊ（ここで、ｉは、各枝部が直列に接続されたＮ個の蓄電素子を有するため、１とＮの間で可変し、ｊは、電池が２つの枝部を備えるため、１と２の間で可変する）を備える。言うまでもなく、並列に組み合わされる枝部の数ｍは、２と異なることがあり得る。

よって電池の端子Ａから端子Ｂまで、蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊが、それぞれの枝部に沿って、特定の行ｉを有する位置に順序付きの態様で配置される。よって素子Ｅ_ｉ，ｊは、枝部ｊに沿った行位置ｉに配置される。２つの枝部内の同じ行の２つの蓄電素子は、いわゆる「ステージ」を形成する。電池は、蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊに加えて、この種の素子の相互の組および枝部の相互の組を実現する電気構造を備える。この構造は、具体的には、同じ枝部の２つの隣接する蓄電素子を対で接続し、さらに枝部の接続を相互に接続する、直接電気接続を備える。

蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊの無負荷電圧は非常に低く、数ボルト程度である。よって、電池により駆動される電気回路の公称動作電力に到達するため、数値Ｎを定義する特定数の電気化学蓄電素子を直列に接続する必要がある。電池のもう１つの設計基準は、その設計基準によって得られる自律性に対応する。これは、蓄電素子の容量によって定義される。同じ種類の２つの蓄電素子をブリッジすることにより、たとえば、蓄電容量を倍増させることができる。よって、枝部の数ｍにより、電池の全体的な容量を定義することができる。

電池の各蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊは、以下の説明で、スーパーキャパシタ、または電気化学ユニットセル、または並列に電気接続されたこの種のセルを少なくとも１対有するユニット、または相互に直列に電気接続されたこの種のユニットを少なくとも２つ備えるモジュール、または相互に直列もしくは並列に電気接続されたこの種のモジュールを少なくとも２つ備える組により、形成される。

各蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊは、その設計の点で一意である。蓄電素子を製造する工程では、完全に同一の素子を得ることはできない。特に容量および内部抵抗は異なる可能性がある。加えて、これらの蓄電素子の経年現象により、容量が失われ、内部抵抗が上昇し、それによってこれらの特徴の差異が強調される傾向がある。よって、同じ電流が流れる２つの直列の蓄電素子は、充電状態の進行が異なる可能性があり、電池の最適な使用が可能となるように平衡化されなければならない。図１の電気構造の場合に引き起こされるこれらの問題に対処するため、管理装置は、以下でさらに説明する管理方法を実行し、電圧の平衡化がなされる蓄電素子が前記少なくとも２つの枝部から事前に選択された後で電池に含まれる蓄電素子のすべてまたは一部の充電状態を非放散の態様で平衡化することを目的とする、ソフトウェアおよび／またはハードウェア手段を備える。

具体的には、管理装置は、管理方法を実行できるようにするために、電池の蓄電素子の端子で電圧を平衡化する非放散平衡化装置を備える。この平衡化装置は、以下を備える。
− 同じステージの第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子を並列に電気接続することができる、Ｎ＋１個の第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐｋ（ｋは１からＮ＋１まで変化）。
− 隣接するステージの第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子を並列に電気接続することができる、２Ｎ個の第２の種類のスイッチング素子。

より正確には、平衡化装置は、それぞれがＣ_ｄｋ，１（ｋは２からＮまで変化）で参照される、第２の種類のスイッチング素子の第１の半分Ｎ個を含む。各スイッチング素子Ｃ_ｄｋ，１は、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、直接隣接する下位のステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。平衡化装置は、それぞれがＣ_ｄｋ，２（ｋは２からＮまで変化）で参照される、第２の種類のスイッチング素子の第２の半分Ｎ個を含む。各スイッチング素子Ｃ_ｄｋ，２は、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、直接隣接する上位のステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。

各スイッチング素子Ｃ_ｐｋは、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、同じステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。

上記のことから、図１の以下の符号は、以下の意味を有する。
− Ｅ_ｉ，１、ｉ＝１、２、・・・、Ｎは、主枝部と呼ばれる、電池の第１の枝部の蓄電素子を意味する。
− Ｅ_ｉ，２、ｉ＝１、２、・・・、Ｎは、副枝部と呼ばれる、電池の第２の枝部の蓄電素子を意味する。
− Ｎ_ｉ，１、ｉ＝１、２、・・・、Ｎ＋１は、第１の枝部の構造の電気ノードを意味する。
− Ｎ_ｉ，２、ｉ＝１、２、・・・、Ｎ＋１は、第２の枝部の構造の電気ノードを意味する。
− Ｃ_ｐｋ、ｋ＝１、２、・・・、Ｎ＋１は、電気ノードＮ_ｋ，１とＮ_ｋ，２を接続する（または接続しない）ことを可能にする、第１の種類のスイッチング素子を意味する。
− Ｃ_ｄｋ，１、ｋ＝１、２、・・・、Ｎは、電気ノードＮ_{ｋ＋１，１}とＮ_ｋ，２を接続する（または接続しない）ことを可能にするスイッチング素子を意味する。
− Ｃ_ｄｋ，２、ｋ＝１、２、・・・、Ｎは、電気ノードＮ_ｋ，１とＮ_{ｋ＋１，２}を接続する（または接続しない）ことを可能にするスイッチング素子を意味する。
− Ａは、電池の最高電位点を意味する。
− Ｂは、電池の最低電位点を意味する。

電池の「ステージＸ」という用語は、ノードＮ_Ｘ，１、Ｎ_Ｘ，２、Ｎ_{Ｘ＋１，１}、Ｎ_{Ｘ＋１，２}の間に含まれる素子に使用される。たとえば、ステージ１は、ノードＮ_１，１、Ｎ_１，２、Ｎ_２，１、Ｎ_２，２の間に含まれる素子、すなわち、蓄電素子Ｅ_１，１およびＥ_１，２と、スイッチング素子Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２、Ｃ_ｄ１，１、Ｃ_ｄ１，２とを意味する。

この構造により提示される可能性は、以下のとおりである。
− スイッチング素子Ｃ_ｐｋは、同じステージの蓄電素子を相互に並列に電気接続することを可能にする。
− コネクタＣ_ｄｋ，１およびＣ_ｄｋ，２は、隣接するステージの蓄電素子を相互に並列に電気接続することを可能にする。

スイッチング素子Ｃ_ｐｋ、Ｃ_ｄｋ，１、およびＣ_ｄｋ，２は、「金属酸化物半導体電界効果トランジスタ」の略である「ＭＯＳＦＥＴ」として一般的に知られる、有利絶縁ゲート電界効果トランジスタである。この変形には、回路の電流を制御するために電圧制御されるという利点がある。ただし、スイッチング素子は、制御が可能であり、閉じた後に電流の経路に対して低抵抗を示すものであれば、リレー等の他の任意の種類であってよい。

方法は、好ましくは、以下を含む。
− 上述した非放散平衡化装置を提供するステップ。
− 電池のステージの総数Ｎよりも少ない数のステージに対応する、第１の枝部の一部の蓄電素子のみを選出することと、電池のステージの総数Ｎよりも少ない数のステージに対応する、第２の枝部の一部の蓄電素子のみを選出することとからなる選択ステップ。
− 第１の枝部の選択された蓄電素子と、第２の枝部の選択された蓄電素子とを、特に直接的に並列な組で、相互に並列に電気接続するように、スイッチング素子Ｃ_ｐｋ、Ｃ_ｄｋ，１、およびＣ_ｄｋ，２を制御するステップ。

「直接的に並列な組」という用語は、２つの選択された蓄電素子の端子が、直列の配置を除外して、対になって直接接続される事実を意味することを意図されている。

３つのステージを有する電池と、図２に示す関連する管理装置とに適用される場合、直接電気ブリッジングによる平衡化の原理は、図３および図４を参照することによって提示される。２つの枝部は、相互に並列に接続され、それぞれが直列に組み合わされた３つの蓄電素子を備える。第１の枝部は、蓄電素子Ｅ_１，１、Ｅ_２，１、およびＥ_３，１と、ノードＮ_１，１、Ｎ_２，１、Ｎ_３，１、およびＮ_４，１とを少なくとも備える。第２の枝部は、３つの蓄電素子Ｅ_１，２、Ｅ_２，２、およびＥ_３，２と、ノードＮ_１，２、Ｎ_２，２、Ｎ_３，２、およびＮ_４，２とを少なくとも備える。Ｎの値は、３と等価である。平衡化装置は、以下を備える。
− Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２、Ｃ_ｐ３、およびＣ_ｐ４で参照され、同じステージの第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子を並列に電気接続することができる、Ｎ＋１個、すなわち４個の第１の種類のスイッチング素子。各スイッチング素子Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２、Ｃ_ｐ３、およびＣ_ｐ４は、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、同じステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。
− Ｃ_ｄ１，１、Ｃ_ｄ２，１、Ｃ_ｄ３，１で参照される、第１の半分Ｎ個、すなわち３個の第２の種類のスイッチング素子。各スイッチング素子Ｃ_ｄ１，１、Ｃ_ｄ２，１、Ｃ_ｄ３，１は、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、直接隣接する下位のステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。
− Ｃ_ｄ１，２、Ｃ_ｄ２，２、Ｃ_ｄ３，２で参照される、第２の半分Ｎ個、すなわち３個の第２の種類のスイッチング素子。各スイッチング素子Ｃ_ｄ１，２、Ｃ_ｄ２，２、Ｃ_ｄ３，２は、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、直接隣接する上位のステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。

図３では、第１の枝部の３つの蓄電素子から蓄電素子Ｅ_１，１が事前に選択され、第２の枝部の３つの蓄電素子から蓄電素子Ｅ_１，２およびＥ_２，２が事前に選択されている。次に、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２、Ｃ_ｐ３およびＣ_ｐ４と、第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄ１，１、Ｃ_ｄ２，１、Ｃ_ｄ３，１およびＣｄ_１，２、Ｃ_ｄ２，２、Ｃ_ｄ３，２とを制御するステップ中に、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐ１および第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄ２，２のみが閉状態に制御され、他のすべてのスイッチング素子は開状態のままとなる。それにより、第１の枝部の選択された蓄電素子Ｅ_１，１と、第２の枝部の選択された蓄電素子Ｅ_１，２およびＥ_２，２とが、特に並列な直接組で、相互に並列に電気接続される。

図４では、第１の枝部の３つの蓄電素子から蓄電素子Ｅ_１，１およびＥ_２，１が事前に選択され、第２の枝部の３つの蓄電素子から３つの蓄電素子Ｅ_１，２、Ｅ_２，２、およびＥ_３，２が事前に選択されている。次に、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２、Ｃ_ｐ３およびＣ_ｐ４と、第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄ１，１、Ｃ_ｄ２，１、Ｃ_ｄ３，１およびＣｄ_１，２、Ｃ_ｄ２，２、Ｃ_ｄ３，２とを制御するステップ中に、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐ１および第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄ３，２のみが閉状態に制御され、他のすべてのスイッチング素子は開状態のままとなる。それにより、第１の枝部の選択された蓄電素子Ｅ_１，１およびＥ_２，１と、第２の枝部の選択された蓄電素子Ｅ_１，２、Ｅ_２，２、およびＥ_３，２とが、特に並列な直接組で、相互に並列に電気接続される。

制御ステップに続き、それぞれが設計の点で一意である電気化学セルにより形成された少なくとも２つの蓄電素子を並列で含む組に、電圧の均一性が伴い、それによって平衡化電流の巡回が生成される。よって、平衡化電流は、最も充電されていないセルを漸進的に充電し、前記セルの充電状態が上がるにつれて、平衡化電流は漸進的に減少する。

管理方法を実行するため、管理装置は、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐｋと第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄｋ，１およびＣ_ｄｋ，２とを個別に制御する作動命令を生成する制御ユニット（図示せず）を含む。これらの命令は、異なる枝部に属する蓄電素子（特定の基準に基づいて、制御ユニットにより事前に選択される）を接続し、それによって本文書で説明される管理方法を、特に選択された蓄電素子の充電状態を平衡化するステップを提供することを可能にする並列な組で、実行するように選択される。したがって平衡化動作により実装される蓄電素子は、電池に含まれるすべての蓄電素子より選択することができる。これは、枝部の間に複数の接続が配置され、複数のスイッチング素子Ｃ_ｐｋ、Ｃ_ｄｋ，１、およびＣ_ｄｋ，２が配置されているからである。

制御ステップ時に、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐｋと第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄｋ，１およびＣ_ｄｋ，２、または第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐｋの一部のみと第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄｋ，１およびＣ_ｄｋ，２の一部のみが、状態を変更することが好ましい。実際、図３では、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐ１と第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄ２，２のみが開状態から閉状態に状態を変更し、他のすべてのスイッチング素子は開状態のままである。同様に、図４では、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐ１と第２の種類のスイッチング素子Ｃ_ｄ３，２のみが開状態から閉状態に状態を変更し、他のすべてのスイッチング素子は開状態のままである。

電池が接続されているときの、電池の放電段階での管理戦略の実装に関し、選択ステップは、端子での電圧が他の蓄電素子の電圧よりも所定のしきい値分低い電池の少なくとも１つの蓄電素子を端子で判断するステップを含み、選択ステップで選択される蓄電素子が、判断ステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子を含むことが好ましい。蓄電素子の化学的性質および電流の強さに応じて、この所定のしきい値は変化する可能性がある。ただし、この所定のしきい値は、たとえば約１０ｍＶである。

これに対し、電池が接続されているときの、電池の充電段階での管理戦略の実装に関し、選択ステップは、端子での電圧が他の蓄電素子の電圧よりも所定のしきい値分高い電池の少なくとも１つの蓄電素子を特定するステップを含み、選択ステップで選択される蓄電素子が、特定ステップで特定された前記少なくとも１つの蓄電素子を含むことが好ましい。蓄電素子の化学的性質および電流の強さに応じて、この所定のしきい値は変化する可能性がある。ただし、この所定のしきい値は、たとえば約１０ｍＶである。

したがって、電池の放電時には最も電圧が低い蓄電素子の再充電を優先し、電池の充電時には最も電圧が高い蓄電素子の放電を優先することが好ましい。選択ステップ時の蓄電素子の選択では、これらの優先事項を考慮する。

第１の枝部より選択ステップ時に選択されるステージの数および選択ステップ時に選択されるステージの選出、ならびに第２の枝部より選択ステップ時に選択されるステージの数および選択ステップ時に選択されるステージの選出は、以下を考慮した選択基準に基づいて、すなわち応じて、選出されることが好ましい。
− 制御ステップ後に並列に電気接続された蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊの端子における電圧の目標平衡動態。
− および／または、特に前記平衡化電流に対応する、前記蓄電素子で巡回する電流強度の最大値。

具体的には、これは、選択ステップ時に、第１の枝部より選択される蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊの数と、第２の枝部より選択される蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊの数とが異なり、それによって制御ステップで第１の枝部と第の２枝部の異なる数のステージを電気的にブリッジするように実装され得る。たとえば、図３では、選択ステップで第１の枝部のステージ１の蓄電素子のみが選択される一方、選択ステップで第２の枝部のステージ１および２の２つの蓄電素子が選択され、それによって制御ステップで第１の枝部のステージ１を第２の枝部の２つのステージ１および２と電気的にブリッジする。たとえば図４では、選択ステップで第１の枝部のステップ１および２の２つの蓄電素子のみが選択される一方、選択ステップで第２の枝部のステージ１、２、および３の３つの蓄電素子が選択され、それによって制御ステップで第１の枝部の２つのステージ１および２を第２の枝部の３つのステージ１、２、および３と電気的にブリッジする。ただし、これらの規定は排他的でも限定的でもなく、一部の条件では、制御ステップで第１の枝部と第２の枝部の等価の数のステージを電気的にブリッジすることができる。

選択ステップは、以下を含むことが好ましい。
− 判断ステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子を含まない枝部より、判断ステップで判断された蓄電素子の数より多く、判断ステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子より高い充電状態を有する蓄電素子Ｅ_ｉ，ｊを特定するステップ。
− スイッチング素子を制御するステップの実行後に、判断ステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子を巡回する平衡化電流を推定するステップ。

選択ステップは、スイッチング素子を制御するステップの実行後に、判断ステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子の再充電に必要な時間を推定するステップを含むことが好ましい。

具体的には、選択ステップは、判断ステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子の再充電に必要な電位差を、特に平衡化装置の構成要素の抵抗についての知識に基づいて、推定するステップを含むことができる。判断ステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子を含まない枝部より選択ステップで選択される蓄電素子の数およびステージは、前記電位差に基づいて、スイッチング素子を制御するステップの実行後に平衡化電流を生成することを可能にする態様で、選択されることが好ましい。

事実、平衡化電流のディメンショニングを可能にする重要なポイントは、スイッチング素子の閉鎖時に形成され制御ステップ後の蓄電素子のブリッジングを実現するメッシュの等価抵抗である。構成要素、特にスイッチング素子を慎重に選出することで、所望の等価抵抗を得ることが可能となり、結果として所望の最大平衡化電流を得ることができる。したがって構成要素および電源コードのディメンショニングは、この最大平衡化電流に応じて実装される。

この動作変形は、単一の蓄電素子が欠陥を有する場合に特に有利であり得る。この欠陥を有する蓄電素子は、再充電して電池の放電時に制限物となるのを防ぐために、大量の平衡化電流を必要とする。

これらの原理を、図３の例に適用して詳細に説明する。

第１のステップで、第１の枝部の欠陥を有する蓄電素子（この例では、蓄電素子Ｅ_１，１）が、他の蓄電素子の電圧測定値よりもはるかに低い電圧測定値に基づいて、または前記蓄電素子の充電状態もしくは低減した容量の推定に基づいて、特定される。

次に、第２のステップで、制御ユニットが、第２の枝部の２つの蓄電素子（この例では、蓄電素子Ｅ_１，２およびＥ_２，２）を第１の枝部の単一の素子Ｅ_１，１にブリッジするために適切な状況であるか否かを特定する。

蓄電素子Ｅ_２，２およびＥ_１，２の充電状態が蓄電素子Ｅ_１，１の充電状態よりも高ければ、第２の枝部の２つの素子を第１の枝部の蓄電素子Ｅ_１，１にブリッジすることができる。電池の蓄電素子の充電状態と、蓄電素子の使用のための制限電圧とに基づいて、電流と、再充電に必要な時間とが推定される。

次に、構成要素の抵抗についての知識に基づいて、制御ユニットが、欠陥を有する蓄電素子Ｅ_１，１の再充電に必要な電位差を推定する。よってこの電位差は、平衡化電流を生成するために使用されるステージの数および最も適切なステージに関する情報を提供する。

好ましくは、および２つのステージを有する電池と図５に示された関連する管理装置とに適用される図６から図８を参照すると、方法は、以下をさらに含むことができる。
− 第１の期間中に、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐｋのすべてを専ら制御して、電池の各ステージについて、同じステージの第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子が相互に並列に電気接続されるようにするステップ。
− および／または、第２の期間中に、第２の種類のスイッチング素子の第１の半分Ｃ_ｄｋ，１を専ら制御して、第１の枝部の蓄電素子が、隣接する下位のステージの第２の枝部の蓄電素子にそれぞれ並列に電気接続されるようにするステップ。
− および／または、第３の期間中に、第２の種類のスイッチング素子の第２の半分Ｃ_ｄｋ，２を専ら制御して、第１の枝部の蓄電素子が、隣接する上位のステージの第２の枝部の蓄電素子にそれぞれ並列に電気接続されるようにするステップ。

２つの枝部は、相互に並列に接続され、それぞれが直列に組み合わされた少なくとも２つの蓄電素子を備える。第１の枝部は、蓄電素子Ｅ_１，１、Ｅ_２，１と、ノードＮ_１，１、Ｎ_２，１、Ｎ_３，１とを少なくとも備える。第２の枝部は、２つの蓄電素子Ｅ_１，２、Ｅ_２，２と、ノードＮ_１，２、Ｎ_２，２、Ｎ_３，２とを少なくとも備える。Ｎの値は、２と等価である。平衡化装置は、以下を備える。
− Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２、およびＣ_ｐ３で参照され、同じステージの第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子を並列に電気接続することができる、Ｎ＋１個、すなわち３個の第１の種類のスイッチング素子。各スイッチング素子Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２、Ｃ_ｐ３は、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、同じステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。
− Ｃ_ｄ１，１、Ｃ_ｄ２，１で参照される、第１の半分Ｎ個、すなわち２個の第２の種類のスイッチング素子。各スイッチング素子Ｃ_ｄ１，１、Ｃ_ｄ２，１は、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、直接隣接する下位のステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。
− Ｃ_ｄ１，２、Ｃ_ｄ２，２で参照される、第２の半分Ｎ個、すなわち２個の第２の種類のスイッチング素子。各スイッチング素子Ｃ_ｄ１，２、Ｃ_ｄ２，２は、特定のステージの第１の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子を、直接隣接する上位のステージの第２の枝部の蓄電素子のプラス（またはマイナス）端子に接続する電気接続に配置される。

図６では、第１の期間中に、第１の種類のスイッチング素子Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２、およびＣ_ｐ３のすべてが専ら制御され（第２の種類のスイッチング素子のすべては、開状態で維持される）、電池の各ステージについて、同じステージの第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子が相互に並列に電気接続される。Ｃ_ｐ１、Ｃ_ｐ２を共に閉じることで、第１の期間中に、同じステージ１の第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子Ｅ_１，１およびＥ_１，２を、相互に並列に電気接続することができる。Ｃ_ｐ２、Ｃ_ｐ３を共に閉じることで、第１の期間中に、同じステージ２の第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子Ｅ_２，１およびＥ_２，２を、相互に並列に電気接続することができる。わかりやすくするため、開状態のスイッチング素子は示されていない。この動作モードでは、電池の電流が第１の枝部と第２の枝部の両方を通過する。エネルギーの移動は、第１の枝部と第２の枝部の間のステージ内で発生する。

図７では、第２の期間中に、第２の種類のスイッチング素子の第１の半分Ｃ_ｄ１，１、Ｃ_ｄ２，１のみが制御されて、第１の枝部のステージ２の蓄電素子Ｅ_２，１が、第２の枝部のステージ１、すなわち隣接する下位のステージの蓄電素子Ｅ_１，２と並列に電気接続される。これは、電池の他のすべてのステージでも同じである。

図８では、第３の期間中に、第２の種類のスイッチング素子の第２の半分Ｃ_ｄ１，２、Ｃ_ｄ２，２のみが制御されて、第１の枝部のステージ１の蓄電素子Ｅ_１，１が、第２の枝部のステージ２、すなわち隣接する上位のステージの蓄電素子Ｅ_２，２と並列に電気接続される。これは、電池の他のすべてのステージでも同じである。わかりやすくするため、開状態のスイッチング素子は示されていない。この動作モードでは、電池の電流が第１の枝部と第２の枝部の両方を通過する。エネルギーの移動は、ステージ１とステージ２の間で発生する。

図５では、第１の種類および第２の種類のすべてのスイッチング素子が開状態である。この構成では、電池の電流は第１の枝部を通過するが、第２の枝部を通過しない。ステージ間でのエネルギーの移動は行われない。この動作モードでは、電池の電流は、第１の枝部と第２の枝部の両方を通過する。エネルギーの移動は、ステージ１とステージ２の間で発生する。

よって本文書では、電池の特定の蓄電素子を暫定的なエネルギーストアとして使用し、蓄電素子間でエネルギーを移動するように平衡化装置を制御することが提案される。よって、エネルギー変換チェーンは最も単純な表現に低減され、これによってエネルギー移動用の中間的な電気エネルギーストア構成要素を追加することが回避される。管理方法は、「接続」モード、すなわち電池が充電中および／または放電中のときに実行することができる。スイッチング素子Ｃ_ｐｋ、Ｃ_ｄｋ，１、およびＣ_ｄｋ，２を制御する手段は、前記スイッチング素子を制御して、あるステージから他のステージのいずれかに、特に図６から図８の制御の連続的な反復により、エネルギーを移動するように構成される。

図６から図８のうちの１つに応じた新たな動作モードに入る前にスイッチング素子が適切に開くことを確認するため、図６から図８に応じた２つの連続する動作モードの間に、第１の種類および第２の種類のスイッチング素子のすべてが開状態である図５の動作モードを経由すると有利であり得る。

シミュレーションでは、上記管理戦略により、初期充電状態が不平衡である場合に、蓄電素子の容量が分散されている場合であっても、電池の電流を放電することなく、充電状態の点で平衡な状態に戻ることが可能であることが示された。

シミュレーションでは、上記管理戦略により、蓄電素子の容量の分散にも関わらず、電池の放電電流が巡回している場合であっても、充電状態の点で平衡な状態に戻ることも可能であることが示された。図５から図８に応じた動作モードの切り替えにより、充電状態の点で平衡化された状態に戻ることができる。

具体的ではあるが排他的ではない用途は、自動車の電力チェーンを提供する電気エネルギー蓄電池および／または自動車に搭載された補助電気ユニットを制御するために、この種の管理装置を自動車に搭載することである。ただし、本発明は、たとえばノートパソコン用電池など、少なくとも２つの直列の電気化学セルにより形成される任意の電池システムに適用したり、またはスーパーキャパシタの平衡化に適用したりすることもできる。

Claims (10)

1. 直列に電気接続されたＮ個の蓄電素子（Ｅ_ｉ，ｊ）をそれぞれ有する並列に電気接続された第１の枝部および第２の枝部を少なくとも備える電気エネルギー蓄電池を管理する方法であって、
   前記電気エネルギー蓄電池の前記蓄電素子の端子で電圧を平衡化する非放散平衡化装置を提供するステップであって、前記非放散平衡化装置が、同じステージの第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子を並列に電気接続することができるＮ＋１個の第１の種類のスイッチング素子（Ｃ_ｐｋ）と、隣接するステージの第１の枝部および第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子を並列に電気接続することができる２Ｎ個の第２の種類のスイッチング素子（Ｃ_ｄｋ，１、Ｃ_ｄｋ，２）とを備えるステップと、
   前記電気エネルギー蓄電池のステージの総数よりも少ない数のステージに対応する、前記第１の枝部の前記蓄電素子の一部のみを選出することと、前記電気エネルギー蓄電池のステージの総数よりも少ない数のステージに対応する、前記第２の枝部の前記蓄電素子の一部のみを選出することとからなる選択ステップと、
   前記第１の枝部の選択された蓄電素子と、前記第２の枝部の選択された蓄電素子とを、相互に並列に電気接続するように、前記スイッチング素子を制御するステップと
   を含み、
   前記第１の枝部より選択されるステージの数およびステージの選出と、前記第２の枝部より選択されるステージの数およびステージの選出とが、前記制御するステップ後に並列で電気接続される蓄電素子の前記端子での電圧の目標平衡動態および／または前記蓄電素子で巡回する電流の強度の最大値を考慮した選択基準に依存する方法。
2. 前記制御するステップ中に、前記第１の種類のスイッチング素子の一部のみと、前記第２の種類のスイッチング素子の一部のみとが、状態を変更することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記電気エネルギー蓄電池の放電段階中に、前記選択ステップが、前記端子での電圧が他の蓄電素子の電圧よりも所定のしきい値分低い前記電気エネルギー蓄電池の少なくとも１つの蓄電素子を判断するステップを含み、前記選択ステップで選択される前記蓄電素子が、前記判断するステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記電気エネルギー蓄電池の充電段階中に、前記選択ステップが、前記端子での電圧が他の蓄電素子の電圧よりも所定のしきい値分大きい前記電気エネルギー蓄電池の少なくとも１つの蓄電素子を特定するステップを含み、前記選択ステップで選択される前記蓄電素子が、前記特定するステップで特定された前記少なくとも１つの蓄電素子を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記選択ステップ中に、前記第１の枝部より選択される蓄電素子の数と、前記第２の枝部より選択される蓄電素子の数とが異なり、それによって前記制御するステップで前記第１の枝部と前記第２の枝部の異なる数のステージを並列で電気接続することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記選択ステップが、前記判断するステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子を含まない枝部より、前記判断するステップで判断された蓄電素子の数より多く、前記判断するステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子の充電状態より高い充電状態を有する蓄電素子を特定するステップと、前記制御するステップの実行後に、前記判断するステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子を巡回する平衡化電流を推定するステップとを含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
7. 前記選択ステップが、前記制御するステップの実行後に、前記判断するステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子の再充電に必要な時間を推定するステップを含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記選択ステップが、前記判断するステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子の再充電に必要な電位差を、特に前記非放散平衡化装置の構成要素の抵抗についての知識に基づいて、推定するステップを含み、前記判断するステップで判断された前記少なくとも１つの蓄電素子を含まない枝部より前記選択ステップで選択される蓄電素子の数およびステージが、前記電位差に基づいて、前記制御するステップの実行後に前記平衡化電流を生成することを可能にする態様で選択されることを特徴とする、請求項６または７に記載の方法。
9. 第１の期間中に、前記第１の種類のスイッチング素子（Ｃ_ｐｋ）のすべてを専ら制御して、前記電気エネルギー蓄電池の各ステージについて、同じステージの前記第１の枝部および前記第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子が相互に並列に電気接続されるようにするステップ、
   および／または、第２の期間中に、前記第２の種類のスイッチング素子の第１の半分（Ｃ_ｄｋ，１）を専ら制御して、前記第１の枝部の蓄電素子が、隣接する下位のステージの前記第２の枝部の蓄電素子にそれぞれ並列に電気接続されるようにするステップ、
   および／または、第３の期間中に、前記第２の種類のスイッチング素子の第２の半分（Ｃ_ｄｋ，２）を専ら制御して、前記第１の枝部の蓄電素子が、隣接する上位のステージの前記第２の枝部の蓄電素子にそれぞれ並列に電気接続されるようにするステップ
   を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 直列に電気接続されたＮ個の蓄電素子（Ｅ_ｉ，ｊ）をそれぞれ有する並列に電気接続された第１の枝部および第２の枝部を備える電気エネルギー蓄電池を管理する装置であって、前記電気エネルギー蓄電池の前記蓄電素子の端子で電圧を平衡化する非放散平衡化装置を含み、前記装置が、同じステージの前記第１の枝部および前記第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子を並列に電気接続することができるＮ＋１個の第１の種類のスイッチング素子（Ｃ_ｐｋ）と、隣接するステージの前記第１の枝部および前記第２の枝部にそれぞれ属する２つの蓄電素子を並列に電気接続することができる２Ｎ個の第２の種類のスイッチング素子（Ｃ_ｄｋ，１、Ｃ_ｄｋ，２）と、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法を実行するために前記第１の種類のスイッチング素子および前記第２の種類のスイッチング素子を個別に制御する制御ユニットとを備える装置。
    

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