DE69735453T2 - Apparat zur Regelung der Spannung einer Batterie - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Speicherbatterie-Spannungsregelvorrichtung zum Ausgleichen der Spannung einer jeden von mehreren in Reihe verbundenen Zellen einer Speicherbatterie.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Hybridfahrzeug, das mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem Elektromotor als Antriebsquellen ausgestattet ist, ist bekannt und umfasst eine Speicherbatterie, die mehrere in Reihe verbundene Speicherbatteriezellen enthält, als Stromquelle zum Antreiben des Motors, wie in JP-A-7-163014 offenbart ist.
  • In dieser Speicherbatterie verursachen Leistungsfähigkeitsschwankungen (einschließlich solcher bezüglich der Kapazität, des Selbstentladestroms und des Innenwiderstands) eine ungleichmäßige Spannung der jeweiligen Speicherbatteriezellen, was manchmal dazu führt, dass eine Speicherbatteriezelle mit hoher Spannung eine Maximalspannung (d. h. sie kann nicht höher geladen werden) während des Ladens früher erreicht als andere, was den Arbeitsspannungsbereich der Speicherbatterie insgesamt einengt oder deren Haltbarkeit reduziert. Diesbezüglich werden bei der obenerwähnten herkömmlichen Speicherbatterie solche Maßnahmen ergriffen, wie z. B. das Verbinden einer Zener-Diode mit einer Speicherbatteriezelle, die die Maximalspannung früh erreicht, oder das Verbinden eines Widerstands oder eines Kondensators mit einer Speicherbatterie, die dazu neigt, eine Maximalspannung zu erreichen, um somit deren Spannungsanstieg zu unterdrücken.
  • Die in JP-A-7-163014 beschriebene Vorrichtung soll jedoch die Spannung jeder Speicherbatteriezelle ausgleichen, wenn die Speicherbatterie vollständig geladen ist, wobei diese Vorrichtung nicht die gewünschte Wirkung erzielen kann, wenn sie kontinuierlich bei einer mittleren Spannung verwendet wird. Da ferner der Leistungsfähigkeitsunterschied zwischen den einzelnen Speicherbatteriezellen nicht kompensiert wird, kann der Arbeitsspannungsbereich durch eine Spannungsdifferenz eingeengt werden, die sich zwischen den Speicherbatteriezellen während einer langen Betriebszeit entwickeln kann.
  • US 4563621 und US 4502000 offenbaren die Verwendung einer Schaltung zum Ausgleichen der Spannung von Batteriesätzen.
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich dieser Situation entwickelt, wobei ihre Aufgabe darin besteht, die Spannungsdifferenzen auf Grund der Leistungsfähigkeitsschwankungen zwischen den einzelnen Speicherbatteriezellen zu verhindern und somit den Arbeitsspannungsbereich zu erhöhen, während die Haltbarkeit der Speicherbatterie insgesamt verbessert wird.
  • Um die obenerwähnte Aufgabe zu lösen, wird gemäß einem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Speicherbatterie-Spannungsregelvorrichtung zum Ausgleichen der Spannung einer jeden von mehreren in Reihe verbundenen Speicherbatteriezellen einer Speicherbatteriezellengruppe vorgeschlagen, die eine parallel mit jeder Speicherbatteriezelle verbundene spannungskorrigierende Speicherbatterie, Speicherbatteriezellenauswahlmittel zum Auswählen einer gegebenen Speicherbatteriezelle, Umschaltmittel, die eine Schaltung zum Bewegen der Ladung zwischen einer ausgewählten Speicherbatteriezelle und einer spannungskorrigierenden Speicherbatterie bilden, und Steuermittel zum Steuern der Schaltoperation der Umschaltmittel umfasst.
  • Mit der obenerwähnten Konfiguration kann Ladung zwischen den Speicherbatteriezellen bewegt werden, um somit deren Spannungen auszugleichen und zu verhindern, dass eine spezifische Speicherbatteriezelle während des Ladens die Maximalspannung früher erreicht als andere. Als Ergebnis kann der Arbeitsspannungsbereich der Speicherbatteriezellengruppe erweitert werden, während gleichzeitig die Lebensdauer der Speicherbatteriezellengruppe insgesamt verlängert wird.
  • Gemäß einem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie vorgeschlagen, bei der zusätzlich zum obenerwähnten ersten Merkmal die Speicherbatteriezellengruppe aus einer elektrischen Doppelschichtspeicherbatterie aufgebaut ist.
  • Mit dieser Konfiguration kann eine große Kapazität selbst dann sichergestellt werden, wenn die Speicherbatteriezellengruppe in der Größe reduziert ist, so dass ein Stromversorgungssystem mit hoher Energiedichte konstruiert werden kann.
  • Gemäß einem dritten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ferner eine Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie vorgeschlagen, bei der zusätzlich zum obenerwähnten ersten Merkmal der Wert der elektrostatischen Kapazität der spannungskorrigierenden Speicherbatterie klein ist im Vergleich zu elektrostatischen Kapazität der Speicherbatteriezellen.
  • Mit der obenerwähnten Konfiguration kann die Spannung über der spannungskorrigierenden Speicherbatterie innerhalb einer kurzen Zeitspanne durch die Ladung von den Speicherbatteriezellen erhöht werden, wobei die Spannung jeder Speicherbatteriezelle schnell ausgeglichen werden kann.
  • Ferner wird gemäß einem vierten Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie vorgeschlagen, bei der zusätzlich zum obenerwähnten ersten Merkmal das Speicherbatteriezellenauswahlmittel die Speicherbatteriezellen in einer bezüglich der Spannung absteigenden Reihenfolge auswählt.
  • Mit dieser Konfiguration kann die maximale Spannungsdifferenz zwischen mehreren Speicherbatteriezellen in einer Speicherbatteriezellengruppe schnell reduziert werden, um somit die Spannung jeder Speicherbatteriezelle auszugleichen.
  • Ferner wird gemäß einem fünften Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie vorgeschlagen, bei der zusätzlich zum obenerwähnten ersten Merkmal das Steuermittel die Umschaltmittel betätigt, um somit den Zeitpunkt und die Dauer der Verbindung einer Speicherbatteriezelle und der spannungskorrigierenden Speicherbatterie zu steuern.
  • Mit dieser Konfiguration kann die Spannung jeder Speicherbatteriezelle beliebig geregelt werden.
  • Ferner wird gemäß einem sechsten Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie vorgeschlagen, bei der zusätzlich zum obenerwähnten ersten Merkmal mehrere Speicherbatteriezellengruppen in Reihe verbunden sind, wobei eine erste spannungskorrigierende Speicherbatterie, die mit der jeweiligen Speicherbatteriezellengruppe verbunden ist, selektiv mit einer zweiten spannungskorrigierenden Speicherbatterie verbunden wird.
  • Mit dieser Konfiguration kann die für den Ausgleich erforderliche Zeitspanne im Vergleich zu dem Fall verkürzt werden, in dem die Spannung über alle Speicherbatteriezellen mittels nur der ersten spannungskorrigierenden Speicherbatterie ausgeglichen wird. Außerdem wird die Spannung über jeder der ersten spannungskorrigierenden Speicherbatterien mittels der zweiten spannungskorrigierenden Speicherbatterie ausgeglichen, wodurch die für den Ausgleich aller Speicherbatteriezellen benötigte Zeitspanne weiter verkürzt wird.
  • Ferner wird gemäß einem siebten Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie vorgeschlagen, bei der zusätzlich zum obenerwähnten ersten Merkmal mehrere Speicherbatteriezellengruppen in Reihe verbunden sind, wobei die mit der jeweiligen Speicherbatteriezellengruppe verbundene spannungskorrigierende Speicherbatterie wahlweise mit den Speicherbatteriezellen der zugeordneten Speicherbatteriezellengruppen oder mit irgendeiner der Speicherbatteriezellen einer weiteren Speicherbatteriezellengruppe verbunden wird.
  • Mit dieser Konfiguration kann die für den Ausgleich benötigte Zeitspanne im Vergleich zu einer Konfiguration, in der die Spannung über alle Zellen mittels nur einer spannungskorrigierenden Speicherbatterie ausgeglichen wird, verkürzt werden, wobei zusätzlich im Vergleich zum obenbeschriebenen sechsten Merkmal eine spannungskorrigierende Speicherbatterie weniger benötigt wird.
  • Ferner wird gemäß einem achten Merkmal der vorliegenden Erfindung eine Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie eines Hybridfahrzeugs, das einen Motor und eine Maschine als Antriebsquellen umfasst, vorgeschlagen, bei der zusätzlich zum obenerwähnten ersten Merkmal die Speicherbatteriezellengruppe die von einem Generator erzeugte elektrische Leistung speichert und den Motor antreibt.
  • Mit dieser Konfiguration kann die vom Generator erzeugte elektrische Leistung in der Speicherbatteriezellengruppe gespeichert werden und zum Antreiben des Motors effektiv genutzt werden. Insbesondere in dem Fall, in dem diese Stromquelle gleichzeitig mit einer Batterie verwendet wird, kann eine präzise Energieabsorption und -speicherung für die Rückgewinnung in zufriedenstellender Weise ausgeführt werden. Auch wenn die Batterie vollständig geladen ist, kann Energie verteilt unter den Speicherbatteriezellengruppen gespeichert werden. Da außerdem die Speicherbatteriezellengruppe eine hohe Ausgangsleistungsdichte im Vergleich zu der Batterie aufweist, kann das Gewicht des Fahrzeugs reduziert werden.
  • Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung auf ein Hybridfahrzeug angewendet wird;
  • 2 ist ein Schaltbild einer Spannungsregelschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3A und 3B sind Diagramme zur Erläuterung der Ladungsübertragung;
  • 4 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Operation;
  • 5A und 5B sind Diagramme zur Erläuterung der maximalen Verbindungszeitspanne;
  • 6 ist ein Graph zur Erläuterung der Wirkungen;
  • 7 ist ein Schaltbild, das eine Spannungsregelschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 8 ist ein Schaltbild einer Spannungsregelschaltung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 6 erläutert.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Paralleltyp-Hybridfahrzeug V eine Verbrennungskraftmaschine E, einen Elektromotor M, der sowohl antreiben als auch rückgewinnen kann, und ein Getriebe T. Der Motor M ist über eine Motoransteuerschaltung 1 mit einer Speicherbatteriezellengruppe 2 verbunden. Die Speicherbatteriezellengruppe 2 ist aus Zellengruppen einer kompakten Speicherbatterie des elektrischen Doppelschichttyps aufgebaut, die eine große Kapazität bereitstellen kann. Wenn das Fahrzeug V fährt, wird die Antriebskraft der Maschine E und/oder des Motors M über das Getriebe T auf die Antriebsräder W übertragen. Auch in dem Fall, in dem eine übermäßige Antriebskraft in der Maschine E erzeugt wird oder eine Bremskraft auf das Fahrzeug ausgeübt wird, wird der Motor M mittels Rückgewinnung gebremst, wobei die vom Motor M erzeugte elektrische Leistung in der Speicherbatteriezellengruppe 2 gespeichert wird.
  • Eine Managementsteuereinheit 3 ist mit einer Motorsteuereinheit 4, einer Maschinensteuereinheit 5 und einer Getriebesteuereinheit 6 verbunden. Die Motoransteuerschaltung 1 wird von der Motorsteuereinheit 4 gesteuert, während die Maschine E von der Maschinensteuereinheit 5 gesteuert wird und das Getriebe T von der Getriebesteuereinheit 6 gesteuert wird. Die Speicherbatteriezellengruppe 2 wird von einer Speicherbatteriezellen-Spannungsregeleinheit 7 gesteuert, die später genauer beschrieben wird.
  • Die Motoransteuerschaltung 1 und die Speicherbatteriezellengruppe 2 sind über einen 12V-(Volt)-Abwärtsflusstyp-Wandler 8 mit einer 12V-Batterie 9 für Zubehöreinrichtungen verbunden. Die Speicherbatteriezellengruppe 2 und die Batterie 9 für Zubehöreinrichtungen werden von einer Ladesteuereinheit 10 verbunden.
  • Auf diese Weise treibt die Speicherbatteriezellengruppe 2 den Motor M an, indem die vom Motor M erzeugte elektrische Leistung gespeichert wird, weshalb die überschüssige Antriebskraft der Maschine E und die Antriebskraft, die ansonsten durch Bremsen verschwendet würde, in der Speicherbatteriezellengruppe 2 gespeichert werden können und zum Antreiben des Motors M effektiv genutzt werden können. Ferner kann die Verwendung der Speicherbatteriezellengruppe 2, die eine höhere Ausgangsleistungsdichte aufweist als eine herkömmliche Batterie, das Gewicht des Fahrzeugs V reduzieren.
  • Wie in 2 gezeigt ist, enthält die Speicherbatteriezellengruppe 2 z. B. acht Speicherbatteriezellen 111 bis 118 mit gleicher Spezifikation, die in Reihe verbunden sind. Der elektrostatische Kapazitätswert jeder der Speicherbatteriezellen 111 bis 118 ist beispielsweise auf 1.600 Farad festgelegt. Die Speicherbatterie-Spannungsregeleinheit 7 enthält eine spannungskorrigierende Speicherbatterie 12, neun Zellenwechselschalter 131 bis 139 , vier Polaritätumkehrschalter 141 bis 144 und einen Strombegrenzungswiderstand 15. Wenn zwei Vorgegebene der neun Zellenwechselschalter 131 bis 139 und zwei Vorgegebene der vier Polaritätumkehrschalter 141 bis 144 geschlossen sind, sind eine Vorgegebene der Speicherbatteriezellen 111 bis 118 und die spannungskorrigierende Speicherbatterie 12 miteinander über einen geschlossenen Schaltkreis 16 verbunden (siehe 3A und 3B für zwei Beispiele). Der elektrostatische Kapazitätswert der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 ist auf einen Wert (beispielsweise 100 Farad) von nicht mehr als 10 % von 1.600 Farad festgelegt, was der elektrostatische Kapazitätswert jeder der Speicherbatteriezellen 111 bis 118 ist.
  • Wie in 3A gezeigt ist, sind dann, wenn z. B. die zwei Zellenwechselschalter 131 , 132 und die zwei Polaritätumkehrschalter 142 , 143 geschlossen sind, die positive Elektrode der Speicherbatteriezelle 111 und die positive Elektrode der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 miteinander verbunden, während gleichzeitig die negative Elektrode der Speicherbatteriezelle 1 und die negative Elektrode der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 miteinander über den Strombegrenzungswiderstand 15 verbunden sind. Wenn die zwei Zellenwechselschalter 132 , 133 und die zwei Polaritätumkehrschalter 141 , 144 geschlossen sind, wie in 3B gezeigt ist, sind andererseits die positive Elektrode der Speicherbatteriezelle 112 und die positive Elektrode der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 miteinander über den Strombegrenzungswiderstand 15 verbunden, während gleichzeitig die negative Elektrode der Speicherbatteriezelle 112 und die negative Elektrode der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 miteinander verbunden sind. In ähnlicher Weise können alle anderen Speicherbatteriezellen 113 bis 118 jeweils wahlweise mit der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 verbunden werden.
  • Die Speicherbatteriezellen-Spannungsregeleinheit 7 enthält ferner eine Spannungsabtastschaltung 17, ein Speicherbatteriezellenauswahlmittel 18, ein Verbindungszeitpunkt- und -dauerbestimmungsmittel 19 sowie eine Schalteransteuerschaltung 20. Die Spannungsabtastschaltung 17 erfasst die Spannung über den acht Speicherbatteriezellen 111 bis 118 und die Spannung über der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12. Das Speicherbatteriezellenauswahlmittel 18 wählt auf der Grundlage der oben erfassten Spannung die acht Speicherbatteriezellen 111 bis 118 in einer bezüglich der Spannung absteigenden Reihenfolge aus. Das Verbindungszeitpunkt- und -dauerbestimmungsmittel 19 bestimmt den Zeitpunkt und den Zyklus, zu denen die ausgewählten Speicherbatteriezellen 111 bis 118 mit der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 verbunden werden. Die Schalteransteuerschaltung 20 steuert die Schaltoperation der Zellenwechselschalter 131 bis 139 und der Polaritätumkehrschalter 141 bis 144 auf der Grundlage der in der obenbeschriebenen Weise ausgewählten Speicherbatteriezellen 111 bis 118 und der wie oben beschrieben bestimmten Verbindungszeitpunkte und der Verbindungsdauer.
  • Im Folgenden wird die Operation einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der obenerwähnten Konfiguration erläutert.
  • 4 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Operation in dem Fall, in dem die Speicherbatteriezellengruppe 2 nur eine minimale Anzahl von Speicherbatteriezellen enthält, nämlich zwei Speicherbatteriezellen 111 , 112 , obwohl klar ist, dass die Prozedur gleichermaßen auf eine Speicherbatteriezellengruppe 2 mit mehr als zwei Zellen anwendbar ist. Zuerst tastet die Spannungsabtastschaltung 17 die Spannung über den zwei Speicherbatteriezellen 111 , 112 ab (Schritt S1), wobei das Speicherbatteriezellenauswahlmittel 18 auf der Grundlage des Ergebnisses dieser Abtastung eine Speicherbatteriezelle mit einer Maximalspannung (beispielsweise die Speicherbatteriezelle 111 ) auswählt (Schritt S2). Sobald die Speicherbatteriezelle 111 ausgewählt ist, wie in 3A gezeigt ist, schließt die Schalteransteuerschaltung 20 die zwei Zellenwechselschalter 131 , 132 und die zwei Polaritätumkehrungsschalter 142 , 143 (Schritt S3). Folglich wird Ladung von der Speicherbatteriezelle 111 über den Strombegrenzungswiderstand 15 zur spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 übertragen, so dass die Spannung über der entladenen Speicherbatteriezelle 111 sinkt, während die Spannung über der ladenden spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 ansteigt. Nach Verstreichen einer Verbindungszeitspanne t1, die vom Verbindungszeitpunkt- und -dauerbestimmungsmittel 19 bestimmt wird (Schritt S4), öffnet die Schalteransteuerschaltung 20 die zwei Zellenwechselschalter 131 , 132 und die Polaritätumkehrschalter 142 , 143 um somit die Speicherbatteriezelle 111 von der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 zu trennen (Schritt S5).
  • Wenn die Ladung von der Speicherbatteriezelle 111 zur spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 übergeht, steigt die Spannung über der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 schnell an, da der elektrostatische Kapazitätswert (100 Farad) der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 deutlich kleiner ist als der elektrostatische Kapazitätswert (1.600 Farad) der Speicherbatteriezelle 111 . Folglich kann der Ausgleich der Spannung über den jeweiligen Speicherbatteriezellen 111 , 112 innerhalb einer kurzen Zeitspanne bewerkstelligt werden.
  • Sobald anschließend das Speicherbatteriezellenauswahlmittel 18 die Speicherbatteriezelle mit der nächst höchsten Spannung (d. h. die Speicherbatteriezelle 112 ) auswählt (Schritt S6), wie in 3B gezeigt ist, schließt die Schalteransteuerschaltung 20 die zwei Zellenwechselschalter 132 , 133 und die zwei Polaritätumkehrschalter 141 , 144 (Schritt S7). Folglich wird Ladung von der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 über den Strombegrenzungswiderstand 15 zur Speicherbatteriezelle 112 übertragen, so dass die Spannung über der entladenen spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 sinkt, während gleichzeitig die Spannung über der geladenen Speicherbatteriezelle 112 ansteigt. Nach Verstreichen einer Verbindungszeitspanne t2, die vom Verbindungszeitpunkt- und -dauerbestimmungsmittel 19 bestimmt wird (Schritt S8), öffnet die Schalteransteuerschaltung 20 die zwei Zellenwechselschalter 132 , 133 und die zwei Polaritätumkehrschalter 141 , 144 , um somit die Speicherbatteriezelle 112 von der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 zu trennen (Schritt S8).
  • Hierdurch wird Ladung von der Speicherbatteriezelle 111 mit höherer Spannung zur Speicherbatteriezelle 112 mit niedrigerer Spannung übertragen, so dass die Spannung über der Speicherbatteriezelle 111 sinkt, während die Spannung über der Speicherbatteriezelle 112 ansteigt, wodurch es möglich wird, die Spannungen über den zwei Speicherbatteriezellen 111 , 112 auszugleichen.
  • Wenn nun Ladung über einen Strombegrenzungswiderstand mit einem Widerstandswert R von der ersten Speicherbatterie mit einer elektrostati schen Kapazität Cn und einer Anschlussspannung Vcn zu einer zweiten Speicherbatterie mit einer elektrostatischen Kapazität Cf (unter der Bedingung Cn » Cf) und einer Anschlussspannung Vcf (unter der Bedingung Vcn > Vcf) übertragen wird, wie in 5A gezeigt ist, wird angenommen, dass die Anschlussspannung der zweiten Speicherbatterie von Vcf auf eine gewünschte Ladespannung Vcft nach Verstreichen von t Sekunden seit Beginn der Ladungsübertragung wechselt. Unter der Annahme, dass die Spannungsdifferenz zwischen der ersten Speicherbatterie und der zweiten Speicherbatterie vor Beginn der Ladungsübertragung gleich ΔV0 (= Vcn – Vcf) ist und die Spannungsdifferenz nach Verstreichen von t Sekunden nach Beginn der Ladungsübertragung gleich Δt (= Vcft – Vcf) ist, gilt im Prozess die Beziehung: t = Cf × R × Ln (1 – ΔVt/ΔV0)
  • In dieser Gleichung repräsentiert t die Zeitspanne, die die Spannung über der zweiten Speicherbatterie benötigt, um von Vcf auf die gewünschte Ladespannung Vcft nach Beginn der Ladungsübertragung anzusteigen, wobei diese Zeitspanne als die maximale Verbindungszeit definiert ist.
  • Wenn die Speicherbatterie weder geladen noch entladen wird, wird andererseits angenommen, dass die maximale Verbindungszeit t pro Speicherbatteriezelle gleich 10 Sekunden ist. Es sei angenommen, dass die Speicherbatterie z. B. N (= 100) Speicherzellen aufweist. Es erfordert 1000 (= 10 × 100) Sekunden, um für jede der 100 Speicherbatteriezellen eine Ladungsübertragung abzuschließen, wodurch es schwierig wird, die Spannungen der jeweiligen Speicherbatteriezellen innerhalb einer kurzen Zeitspanne auszugleichen. Wenn die Verbindungszeit pro Speicherbatteriezelle auf t/N festgelegt wird und die N Speicherbatteriezellen innerhalb der maximalen Verbindungszeit t als ein Zyklus sequenziell verbunden werden, kann die Ladung im wesentlichen gleichmäßig von den N Speicherbatteriezellen innerhalb einer kurzen Zeitspanne übertragen werden.
  • Während ferner die Speicherbatterie geladen oder entladen wird, muss jede Speicherbatteriezelle mit ausreichend kurzen Zeitintervallen verbunden werden, um zu verhindern, dass die Anschlussspannung Vcn der Speicherbatteriezellen sich ändert. In dem Fall, in dem sich Vcn mit einer Rate von 0,1 V/s im verbundenen Zustand ändert, kann z. B. die Änderungsrate von Vcn pro Speicherbatteriezelle auf 0,001 V geregelt werden, solange die Verbindungszeit pro Speicherbatteriezelle auf ein 1/N (= 1/100) Sekunden festgelegt wird.
  • Durch Ändern der Verbindungsperiode jeder Speicherbatteriezelle 111 bis 118 mit der spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 durch das Verbindungszeitpunkt- und -dauerbestimmungsmittel 19 auf diese Weise kann die Spannung über jeder der Speicherbatteriezellen 111 bis 118 beliebig geregelt werden.
  • 6 zeigt das Ergebnis eines Experiments, das für die Speicherbatteriezellengruppe 2 mit den zwei Speicherbatteriezellen 111 , 112 , die in den 3A und 3B gezeigt ist, durchgeführt wurde, wobei die Ladung in Zyklen von 25 Sekunden von der Anfangsspannung Vc1 von 2,6 Volt über der Speicherbatteriezelle 111 und der Anfangsspannung Vc2 von 2,3 Volt über der Speicherbatteriezelle 112 übertragen wurde. Wie aus diesem Diagramm deutlich wird, viel die Spannungsdifferenz, die anfänglich 0,3 Volt betrug, etwa 10 Minuten später auf 0,1 Volt und etwa nach 22 Minuten ungefähr auf 0. Somit wird deutlich, dass die Spannungen über den zwei Speicherbatteriezellen 111 , 112 ausgeglichen wurden.
  • Wie oben beschrieben worden ist, wird die Spannung über jeder der Speicherbatteriezellen 111 bis 118 durch eine Ladungsübertragung zwischen den acht Speicherbatteriezellen 111 bis 118 der Speicherbatteriezellengruppe 2 ausgeglichen, so dass jede der Speicherbatteriezellen 111 bis 118 davor bewahrt werden kann, die Maximalspannung während des Ladens früher als die anderen zu erreichen. Der Arbeitsspannungsbereich der Speicherbatteriezellengruppe 2 insgesamt kann somit vergrößert werden, während gleichzeitig deren Lebensdauer verlängert wird.
  • Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 7 erläutert.
  • Die zweite Ausführungsform ist so beschaffen, dass mehrere Speicherbatteriezellengruppen 2 in Reihe verbunden sind. Ähnlich der ersten Ausführungs form enthalten die Speicherbatteriezellengruppen 2 jeweils eine spannungskorrigierende Speicherbatterie 12 (eine erste spannungskorrigierende Speicherbatterie 12). Mehrere der spannungskorrigierenden Speicherbatterien 12 werden alternierend mit einer gemeinsamen zweiten spannungskorrigierenden Batterie 21 verbunden. Auf diese Weise kann durch Verbinden mehrerer der Speicherbatteriezellengruppen 2, die jeweils die spannungskorrigierende Speicherbatterie 12 aufweisen, in Reihe die Anzahl der Speicherbatteriezellen, die eine einzelne spannungskorrigierende Speicherbatterie 12 gemeinsam nutzen, auf eine vorgegebene Zahl (z. B. 8) reduziert werden, selbst wenn eine Vielzahl von Speicherbatteriezellen verwendet wird, um eine hohe Spannung zu erzeugen, wodurch es möglich wird, die für das Ausgleichen der Spannung über den jeweiligen Speicherbatteriezellen benötigte Zeitspanne zu verkürzen. Hinsichtlich der Tatsache, dass jede der spannungskorrigierenden Speicherbatterien 12 selektiv mit der zweiten spannungskorrigierenden Speicherbatterie 21 verbunden wird, kann ferner die Spannung über jeder spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 durch die zweite spannungskorrigierende Speicherbatterie 21 ausgeglichen werden, um die für den Spannungsausgleich aller Speicherbatteriezellen benötigte Zeitspanne weiter zu verkürzen.
  • Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 8 erläutert.
  • In der dritten Ausführungsform sind ähnlich der zweiten Ausführungsform mehrere Speicherbatteriezellengruppen 2 in Reihe verbunden. Eine spannungskorrigierende Speicherbatterie 12 für jede Speicherbatteriezellengruppe 2 wird selektiv mit acht Speicherbatteriezellen 111 bis 118 der Speicherbatteriezellengruppe 2 verbunden, die dieser zugeordnet ist, oder mit einer Speicherbatteriezelle (beispielsweise der Speicherbatteriezelle 111 ) einer benachbarten Speicherbatteriezellengruppe 2. Folglich kann die Anzahl der Speicherbatteriezellen, die eine einzelne spannungskorrigierende Speicherbatterie 12 gemeinsam nutzen, auf 9 reduziert werden. Auf diese Weise kann nicht nur die für einen Spannungsausgleich benötigte Zeitspanne verkürzt werden, sondern es kann auch die Spannung über den jeweiligen spannungskorrigierenden Speicherbatterien 12 durch einen Austausch von Ladung mit der Speicherbatteriezelle 111 der benachbarten Speicherbatte riezellengruppe 2 ausgeglichen werden, um somit die für den Ausgleich der Spannung über den jeweiligen Zellen aller Speicherbatteriezellen benötigte Zeitspanne weiter zu verkürzen.
  • Im vorangehenden wurden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben.
  • Obwohl die Speicherbatteriezellengruppe 2 in den obenbeschriebenen Ausführungsformen beispielsweise acht Speicherbatteriezellen 111 bis 118 umfasst, ist die Zahl nicht auf 8 beschränkt. Ferner ist die Erfindung nicht auf ein Hybridfahrzeug beschränkt, sondern ist auf Speicherbatterien in anderen beliebigen Anwendungsgebieten ebenfalls anwendbar. Ferner kann die Erfindung auf ein Hybridfahrzeug angewendet werden, das einen Generator und einen Motor unabhängig voneinander umfasst. Ferner können die Speicherbatteriezellengruppe 2 und die Batterie kombiniert sein, wobei in diesem Fall die starke Energieabsorption und die Energiespeicherung zum Zeitpunkt der Rückgewinnung gleichmäßig durchgeführt werden kann und die Energie verteilt werden kann und die Speicherung in angemessener Weise unter den Speicherbatteriezellengruppen 2 durchgeführt werden kann, wenn die Batterie vollständig geladen ist.
  • Acht Speicherbatteriezellen 111 bis 118 , die eine Speicherbatteriezellengruppe 2 bilden, können selektiv mit einer spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 über neun Zellenwechselschalter 131 bis 139 , vier Polaritätumkehrschalter 141 bis 144 und einen Strombegrenzungswiderstand 15 verbunden werden. Wenn die Spannungen von zwei oder mehr der Speicherbatteriezellen 111 bis 118 unterschiedlich sind, können die Spannungen der jeweiligen Speicherbatteriezellen 111 bis 118 ausgeglichen werden, indem anschließend Ladung von einer Speicherbatteriezelle mit hoher Spannung zur spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 übertragen wird und Ladung von dieser spannungskorrigierenden Speicherbatterie 12 zu einer Speicherbatteriezelle mit niedriger Spannung übertragen wird. Folglich kann die Spannungsdifferenz aufgrund von Leistungsfähigkeitsschwankungen zwischen den einzelnen Speicherbatteriezellen 111 bis 118 vermieden werden, um somit den Arbeitsspannungsbereich der Speicherbatteriezellengruppe 2 insgesamt zu erhöhen.

Claims (11)

  1. Speicherbatterie-Spannungsregelvorrichtung zum Ausgleichen der Spannung einer jeden von mehreren in Reihe verbundenen Speicherbatteriezellen einer Speicherbatteriezellengruppe, umfassend: eine parallel zu allen Speicherbatteriezellen verbundene spannungskorrigierende Speicherbatterie, ein Speicherbatteriezellenauswahlmittel zum Auswählen einer beliebigen Speicherbatteriezelle, Umschaltmittel, die einen Schaltkreis für eine Ladungsübertragung zwischen einer ausgewählten Speicherbatteriezelle und der spannungskorrigierenden Speicherbatterie bilden, sowie ein Steuerungsmittel zum Steuern der Umschaltoperation der Umschaltmittel.
  2. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 1, wobei die Speicherbatteriezellengruppe eine Speicherbatterie des elektrischen Doppelschichttyps bildet.
  3. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 1, wobei der elektrostatische Kapazitätswert der spannungskorrigierenden Speicherbatterie klein ist im Vergleich zum elektrostatischen Kapazitätswert der Speicherbatteriezellen.
  4. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 1, wobei das Speicherbatteriezellenauswahlmittel die Speicherbatteriezellen in einer bezüglich der Spannung absteigenden Reihenfolge auswählt.
  5. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 1, wobei das Steuerungsmittel eine Verbindungszeitspanne und einen Zyklus, mit denen die Speicherbatteriezellen und die spannungskorrigierende Speicherbatterie miteinander verbunden werden, durch Betätigen der Umschaltrmittel steuert.
  6. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 1, wobei mehrere Speicherbatteriezellengruppen in Reihe verbunden sind und eine erste spannungskorrigierende Speicherbatterie, die mit der jeweiligen Speicherbatteriezellengruppe verbunden ist, selektiv mit einer zweiten spannungskorrigierenden Speicherbatterie verbunden wird.
  7. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 1, wobei mehrere Speicherbatteriezellengruppen in Reihe verbunden sind und die spannungskorrigierende Speicherbatterie, die mit der jeweiligen Speicherbatteriezellengruppe verbunden ist, selektiv mit den Speicherbatteriezellen, die der Speicherbatteriezellengruppe zugeordnet sind, oder mit irgendeiner der Speicherbatteriezellen einer weiteren Speicherbatteriezellengruppe verbunden wird.
  8. Spannungsregelvorrichtung nach Anspruch 1 für eine Speicherbatterie eines Hybridfahrzeugs, das eine Maschine und einen Motor als Antriebsquelle umfasst, wobei die Speicherbatteriezellengruppe den Motor antreibt, indem sie die von einem Generator erzeugte elektrische Leistung speichert.
  9. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 1, wobei der elektrostatische Kapazitätswert der spannungskorrigierenden Speicherbatterie ausreichend klein ist im Vergleich zum elektrostatischen Kapazitätswert der Speicherbatteriezellen, um eine schnelle Ladungsübertragung von der ausgewählten Speicherbatteriezelle zur spannungskorrigierenden Speicherbatterie zu veranlassen.
  10. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 1, die ferner eine Spannungsabtastschaltung zum Bestimmen der Spannung jeder Speicherbatteriezelle umfasst, wobei das Speicherbatteriezellenauswahlmittel die Speicherbatteriezellen in einer bezüglich der Spannung absteigenden Reihenfolge auswählt.
  11. Spannungsregelvorrichtung für eine Speicherbatterie nach Anspruch 10, wobei das Steuerungsmittel eine Verbindungszeitspanne und einen Zyklus, mit denen die Speicherbatteriezellen und die spannungskorrigierende Speicherbatterie miteinander verbunden werden, durch Betätigen der Umschaltmittel steuert.
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