JP5645950B2 - 電気的な蓄積ユニットの電圧を等化するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、直列に接続されている少なくとも二つの電気的な蓄積ユニットの電圧を等化するための方法に関する。さらに本発明は相応の電気的な蓄積器に関する。

将来的には、風力発電設備のような固定的な用途においても、車両、例えばハイブリッド車両及び電気自動車のような固定的でない用途においても、信頼性に関して非常に高い要求が課される新規のバッテリがますます使用されるようになることが明らかになってきている。この高い要求に関する背景は、バッテリシステムの故障が、その用途に関係するシステム全体の故障又は安全性にとって重大な問題を生じさせる可能性あるということである。故障に関する例として電気自動車が考えられる。電気自動車は、電気自動車用電池の故障時には、もはや更に移動することができないので、いわゆる「立ち往生」になる。安全性に関連する問題の例として、風が強い際にロータブレードの調整によって許容できない運転状態から設備を保護するために、電気的な蓄積器が使用される風力発電設備が考えられる。その際にこの電気的な蓄積器が故障すると、安全性にとって重大な問題が生じる虞がある。

直列に接続されている多数の個々の蓄積ユニット、例えばバッテリセルが使用される場合、個々の蓄積ユニットの同一性は自動的には存在していない。このことから、相応の対抗措置が講じられない場合には、特に蓄積ユニットの寿命にわたって個々の蓄積ユニットの電圧が相互に異なる結果となる。特にリチウムイオンバッテリでは、個々の蓄積ユニットの過充電又は過放電によって不可逆性の損傷が生じる。この種の過充電又は過放電は、バッテリ管理システムが、全ての蓄積ユニットを代表するものではない、複数ある蓄積ユニットの内の一つの蓄積ユニットに基づき充電過程又は放電過程を制御することにより生じことが考えられる。この理由から規則的な時間間隔を置いて、電気的な蓄積ユニットの電圧を相互に等化させなければならない。この等化は「セルバランシング」と称される。このために、個々の蓄積ユニットは外部回路措置によって、それらの個々の蓄積ユニットが等化後に全て同一の電圧を有するように放電される。

このために、いわゆる抵抗バランシングを実施することが公知である。このために各蓄積ユニットにはスイッチを介してオーム抵抗、又は、抵抗の組み合わせが対応付けられる。蓄積ユニットは、それら蓄積ユニットが電圧を有する限り複数の抵抗を用いて放電される。所望の電荷平衡を達成するために、電気的な蓄積器に蓄えられたエネルギが抵抗によって熱に変換され、また使用されずに排出されることは欠点である。従って、複数の蓄積ユニット相互の電圧を僅かなエネルギ損失で等化することができ、また電気的な蓄積システム全体の効率を本質的に改善する手段が必要になる。

発明の概要
本発明によれば、一方の蓄積ユニットを用いてコイルが充電され、充電されたコイルのエネルギを用いて他方の蓄積ユニットが充電され、選択的には他方の蓄積ユニットのみが充電される。このことは、コイルユニットが二つより多く設けられている場合には、コイルによって複数有る他方の蓄積ユニットの内の一つ、複数の他方の蓄積ユニット又は全ての他方の蓄積ユニットを充電できることを意味している。このようにして、蓄積ユニットに蓄えられたエネルギが熱に変換されるだけでなく、一方の蓄積ユニットから他方の蓄積ユニットへと移動されるので、複数の蓄積ユニットの電圧が相互に等化される。ここでコイルの充電とはコイルが励磁されることと解される。他方の蓄積ユニットの充電とは、コイルが消磁され、それにより提供される電気的なエネルギによって他方の蓄積ユニットが更に充電されることと解される。即ち、充電とは全ての電気的な蓄積器の完全な充電と解するべきではなく、電圧の等化を目的として電荷が蓄積ユニットとコイルとの間で移動することと解される。

本方法の一つの実施の形態によれば、二つの蓄積ユニットが相互に隣接して設けられている。相互に隣接して設けられているとは、蓄積ユニットが直接的に相互に直列に接続されており、一方の蓄積ユニットの正極が他方の蓄積ユニットの負極に線路を介して直接的に接続されていることを意味する。

本発明の一つの実施の形態によれば、比較的高い電圧を有している蓄積ユニットを用いてコイルが充電される。この過程によって、一方の蓄積ユニットの電圧と他方の蓄積ユニットの電圧を相互に近似させることができる。

本発明の一つの実施の形態によれば、蓄積ユニットとしてそれぞれ一つの蓄積セル、特にバッテリセルが使用される。

本発明の一つの実施の形態によれば、コイルは少なくとも一つのスイッチを閉じることによって充電される。スイッチの使用によって少なくとも一つのコイルを所期のように充電することができる。このようにして、本方法を所期のように個々の蓄積ユニットに適用することができるが、常に全ての蓄積ユニットが本方法に取り込まれる必要はない。

本発明の一つの実施の形態によれば、スイッチを開くことによってコイルが他方の蓄積ユニットを充電する。相応の結線によって、スイッチを開くことによってコイルの充電が終了され、コイルは逆誘導、即ち消磁によって、そのコイルに蓄積されているエネルギを提供することができる。この場合、コイルは蓄積されている電気的なエネルギを放出し、この電気的なエネルギは充電される別の蓄積ユニットによって回収される。特に有利には、コイルを充電するためにスイッチを閉じることと、他方の蓄積ユニットを充電するためにスイッチを開くこととが組み合わされる。何故ならば、スイッチのただ二つの切り替え状態によって、コイルの充電も蓄積ユニットの充電も簡単なやり方で連続的に行なうことができるからである。

本発明の一つの実施の形態によれば、他方の蓄積ユニットがコイルによって少なくとも一つのダイオードを介して充電される。このことは、これによって充電時にコイルに流れ込む電流の流れを反転させ、蓄積ユニットを充電するためには逆にコイルから再び電流を流す効果が十分に使用される場合には特に有利である。従って、コイルを充電すべき蓄積ユニットに自動的に接続することができ、他方の蓄積ユニットの充電は、コイルが充電されるか否か、また、所属のスイッチが操作されているか否かに依存している。

本発明の一つの実施の形態によれば、充電された複数の蓄積ユニット及び複数のスイッチが使用され、また、充電されたコイルが少なくとも一つの相応のスイッチを開くことによって、そのスイッチに対応付けられている少なくとも一つの蓄積ユニットを充電する。スイッチの個々の蓄積ユニットへの対応付けは、一方の蓄積ユニットに基づいてこの一方の蓄積ユニットを一つ又は複数の他方の蓄積ユニットによって等化することを回路技術的に簡単なやり方で実現する。このことは特にチェーンの形態で実施することができるので、チェーンの最初と最後にある二つの蓄積ユニットはそれぞれ、隣接する一つの蓄積ユニットのみをコイルを介して充電することができ、他の全ての蓄積ユニットはそれぞれ選択的に隣接する一つ又は二つの蓄積ユニットを充電することができる。

更に本発明は、特に前述の方法を実施するための、直列に接続されている少なくとも二つの電気的な蓄積ユニットと、電気的な等化回路とを備えた電気的な蓄積器に関し、等化回路は蓄積ユニットによって充電するため、また他方の蓄積ユニットを充電するための少なくとも一つのコイルを有しており、選択的に他方の蓄積ユニットのみを充電することができる。

本発明による蓄積器の一つの実施の形態によれば、等化回路が少なくとも一つのダイオード及び／又は少なくとも一つのスイッチを有している。

本発明の一つの実施の形態によれば、スイッチは半導体スイッチ、特にトランジスタ、サイリスタ等として構成されている。半導体素子が使用されることによって、電子的なコンポーネント、例えば集積回路を用いて非常に簡単な自動化が実現される。更にはこのようにして、本発明による装置を省スペースで実施することができ、また経済的なやり方で製造することができる。

本発明の一つの実施の形態によれば、各蓄積ユニットは蓄積セル、特にバッテリセルである。

図面には本発明が一つの実施例に基づき具体的に示されている。

等化回路を備えた電気的な蓄積器を示す。 第１の方法ステップにおける図１の等化回路を備えた蓄積器を示す。 第２の方法ステップにおける図１の等化回路を備えた蓄積器を示す。 別の第２の方法ステップにおける図１の等化回路を備えた蓄積器を示す。

図１は、直列に接続されている複数の蓄積ユニット２０２を備えている電気的な蓄積器２０１の部分図を示す。個々の蓄積ユニット２０２は蓄積セル２０３として実施されている。電気的な蓄積器２０１はバッテリ２０４として構成されており、これによって蓄積セル２０３はバッテリセル２０５として構成されている。第１の蓄積ユニット２０６は負極２０６"を介して線路２０７と接続されており、この線路２０７はノード点２０８に案内されており、このノード点２０８は線路２０９を用いて別のノード点２１０に接続されている。ノード点２１０は線路２１１を用いて蓄積ユニット２１２と接続されている。第２の蓄積ユニット２１２は正極２１２’及び負極２１２"を有している。正極２１２’は線路２１１と接続されている。負極２１２"は線路２１３を介してノード点２１４と接続されており、またこのノード点２１４は別のノード点２１６に案内されている線路２１５に接続されている。ノード点２１６から出発して別の線路２１７が第３の蓄積ユニット２１８へと延びている。蓄積ユニット２１８自体は正極２１８’及び負極２１８"を有しており、この正極２１８’は線路２１７と接続されている。負極２１８"から出発して線路２１９はノード点２２０へと延びている。第１の蓄積ユニット２０６は更に正極２０６’を有しており、この正極２０６’は線路２２１を介してノード点２２２と接続されている。従って、ノード点２２０とノード点２２２との間に、隣接している複数の蓄積セル２０３から成る直列回路が形成されている。ノード点２２０及び２２２は終端ノード点２２０及び２２２ではなく、図示されているように論理的には更に続けることも可能であり、このことは破線で表されている線路２２３によって示唆されている。電気的な蓄積器２０１には等化回路２２４が対応付けられており、この等化回路２２４は、線路２２５を用いてノード点２２２と電気的に接続されており、線路２２６を用いてノード点２０８と電気的に接続されており、線路２２７を用いてノード点２１０と電気的に接続されており、線路２２８を用いてノード点２１４と電気的に接続されており、線路２２９を用いてノード点２１６と電気的に接続されており、また、線路２３０を用いてノード点２２０と電気的に接続されている。等化回路２２４は図１において部分的に示されており、コイル２３１、ダイオード２３２及びスイッチ２３３を有している。等化回路２２４は各蓄積ユニット２０２に一つのコイル２３１が対応付けられているように形成されている。更には、各蓄積ユニットには二つのスイッチ２３３及び二つのダイオード２３２が対応付けられている。線路２２５はノード点２３４において終端しており、このノード点２３４は線路２３５を介して第１のスイッチ２３６へと延びている。スイッチ２３６から出発して線路２３７がノード点２３８へと延びており、このノード点２３８は第１のコイル２３９と接続されている。コイル２３９は別のノード点２４０に接続されており、このノード点２４０は線路２４１を介して第２のスイッチ２４２と接続されており、この第２のスイッチ２４２自体は線路２２６と接続されている。ノード点２４０から出発して別の線路２４３が第１のダイオード２４４へと延びており、この第１のダイオード２４４の他方の側は破線で表されている線路２４５と接続されており、このことは等化回路２２４がこの箇所において論理的に更に続くことができることを示唆している。ダイオード２４４の導通方向は線路２４３から線路２４５へと方向付けられている。ノード点２３８から出発して線路２４６は第２のダイオード２４７へと延びており、この第２のダイオード２４７は線路２４８を介してノード点２４９と接続されており、このノード点２４９は線路２２８へと案内されている。ダイオード２４７は、その導通方向が線路２４８から線路２４６へと延びるように設計されている。線路２２７はノード点２５４において終端しており、このノード点２５４は線路２５５を介して第３のスイッチ２５６へと延びている。スイッチ２５６から出発して線路２５７がノード点２５８へと延びており、このノード点２５８は第２のコイル２５９と接続されている。コイル２５９は別のノード点２６０に接続されており、このノード点２６０は線路２６１を介して第４のスイッチ２６２と接続されており、この第４のスイッチ２６２自体は線路２５３を用いてノード点２４９と接続されている。ノード点２６０から出発して別の線路２６３が第３のダイオード２６４へと延びており、この第３のダイオード２６４は別の側において線路２６５と接続されており、この線路２６５はノード点２３４へと延びている。ダイオード２６４の導通方向は線路２６３から線路２６５へと方向付けられている。ノード点２５８から出発して線路２６６は第４のダイオード２６７へと延びており、この第４のダイオード２６７は線路２６８を介してノード点２６９と接続されており、このノード点２６９は線路２３０へと案内されている。ダイオード２６７は、その導通方向が線路２６８から線路２６６へと延びるように設計されている。線路２２９はノード点２７４において終端しており、このノード点２７４は線路２７５を介して第５のスイッチ２７６へと延びている。スイッチ２７６から出発して線路２７７がノード点２７８へと延びており、このノード点２７８は第３のコイル２７９と接続されている。コイル２７９は別のノード点２８０に接続されており、このノード点２８０は線路２８１を介して第６のスイッチ２８２と接続されており、この第６のスイッチ２８２自体は線路２７３と接続されており、この線路２７３はノード点２６９へと案内されている。ノード点２８０から出発して別の線路２８３が第５のダイオード２８４へと延びており、この第５のダイオード２８４は別の側において線路２８５と接続されており、この線路２８５はノード点２５４へと延びている。ダイオード２８４の導通方向は線路２８３から線路２８５へと方向付けられている。ノード点２７８から出発して線路２８６は第６のダイオード２８７へと延びており、この第６のダイオード２８７は破線で表されている線路２８８を介して更に続くことができる。ダイオード２８７は、その導通方向が線路２８８から線路２８６へと延びるように設計されている。等化回路２２４の更なる説明に関しては、線路２２６と接続されている線路及びノード点２７４と接続されている線路を考慮することができる。それら二つの付加的な線路は分かり易くするために図１において図示していない。更には、等化回路２２４は図示されていない制御ユニットに対応付けられており、またスイッチ２３３はトランジスタ２９２の形の半導体スイッチ２９１として構成されている。

図２は、全ての特徴を備えている、図１の電気的な蓄積器２０１及び図１の等化回路２２４を示す。図１とは異なり、蓄積ユニット２１２は、別の蓄積ユニット２０６及び／又は２１８よりも高い電圧を有しており、更に、スイッチ２５６及びスイッチ２６２は第１の方法ステップに関して閉じられており、それにより電流回路２９５が形成される。電流回路２９５は図２において太線で示されており、また電流が流れる方向に矢印２９６が付されている。電流回路２９５は第２の蓄積ユニット２１２から始まり、正極２１２’から線路２１１，２２７，２５５及び２５７を介して第２のコイル２５９へと延びている。第２のコイル２５９が励磁され、また電流回路２９５は第２のコイル２５９から出発して更に線路２６１，２５３，２２８及び２１３を介して負極２１２"へと延びている。このようにして、第２の蓄積ユニット２１２が別の蓄積ユニット２０６及び２１８よりも多くの電荷を有している場合、従ってより高い電圧を有している場合には、第２のコイル２５９が第２の蓄積ユニット２１２によって励磁される。所定の時間の経過後、又は所定の時間にわたり所定の電流レベルを超えた後に、スイッチ２５６又は２６２が開かれる。二つのスイッチの内の一方のスイッチ２５６又は２６２を開くことによって、その都度異なる新たな電流回路が生じる。それらの電流回路を後続の図面に基づき説明する。

図３は、全ての特徴を備えている、図１の電気的な蓄積器２０１並びに等化回路２２４を示す。図１とは異なり、第２の方法ステップに関して、スイッチ２５６が閉じられており、また第２のコイル２５９が励磁されている。コイル２５９は更に励磁されないので、電気的な蓄積ユニット２０６を充電することによって第２のコイル２５９を消磁することができる電流回路２９７が生じる。電流回路２９７は図３において太線で示されており、また電流が流れる方向に矢印２９６が付されている。従って、電流回路２９７は第２のコイル２５９から出発して線路２６３を介して第３のダイオード２６４へと延びており、この第３のダイオード２６４から線路２６５，２２５及び２２１を介して第１の蓄積ユニット２０６の正極２０６’へと延びている。第１の蓄積ユニット２０６の負極２０６’’から出発して、電流回路２９７は線路２０７，２０９，２２７，２５５及び２５７を介して再び第２のコイル２５９へと戻り終端する。

図４は、全ての特徴を備えている、図１の電気的な蓄積器２０１並びに等化回路２２４を示す。図１とは異なり、別の第２の方法ステップに関して、第４のスイッチ２６２が閉じられており、また第２のコイル２５９が励磁されている。第２のコイル２５９の消磁に基づき電流回路２９８が生じ、この電流回路２９８は、コイル２５９が第３の蓄積ユニット２１８を充電することによるコイル２５９の消磁を実現する。電流回路２９８は図４において太線で示されており、また電流が流れる方向に矢印２９６が付されている。従って電流回路２９８は第２のコイル２５９から出発して線路２６１，２５３，２２８，２１５及び２１７を介して第３の蓄積ユニット２１８へと延びている。第３の蓄積ユニット２１８から出発して電流回路２９８は更に線路２１９，２３０及び２６８を介して第４のダイオード２６７へと延びている。ダイオード２６７から出発して電流回路２９８は線路２６６を用いてコイル２５９において終端される。

図２から図４に図示されている方法ステップは、第１の蓄積ユニット２３９又は第３の蓄積ユニット２７９を第２の蓄積ユニット２５９からの電荷でもって充電する可能性を表している。この過程は、電気的な負荷を使用する必要がなく、複数の蓄積ユニット２０２内で電荷が移動されるのでエネルギ効率が非常に良いものである。

更には、二つのスイッチ２５６及び２６２を閉じたままにし、コイル２５９が飽和した後に、蓄積ユニット２１２に隣接する二つの蓄積ユニット２０６及び２１８を同時に充電することも考えられる。この過程をサポートするために、線路２２７及び２２８に付加的なスイッチを設けることも考えられる。

Claims (12)

1. 直列に接続されている少なくとも二つの電気的な蓄積ユニット（２０２，２０６，２１２，２１８）の電圧を等化するための方法において、
   隣接している蓄積ユニットの各々に一つのコイルが対応付けられており、
   一方の蓄積ユニット（２０２，２１２）を用いてコイル（２３１，２５９）を充電し、充電された前記コイル（２３１，２５９）のエネルギを用いて、選択的に他方の蓄積ユニット（２０２，２０６，２１８）の内の一つのみを充電し、
   前記少なくとも一つのコイル（２３１，２５９）が、二つのスイッチ（２３３）の内の一つをそれぞれ介して、前記一方の蓄積ユニット（２０２，２１２）の正極にも負極にも電気的に接続されるように、前記少なくとも一つのコイル（２３１，２５９）を前記二つのスイッチ（２３３）の間に直列に接続することを特徴とする、電圧を等化するための方法。
2. 両蓄積ユニット（２０２，２０６，２１２，２１８）は相互に隣接して設けられている、請求項１に記載の方法。
3. より高い電圧を有している蓄積ユニット（２０２，２１２）を用いて前記コイル（２３１，２５９）を充電する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 蓄積ユニット（２０２，２０６，２１２，２１８）としてそれぞれ一つの蓄積セル（２０３）を使用する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも一つのスイッチ（２３３，２５６，２６２）を閉じることによって前記コイル（２３１，２５９）を充電する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. スイッチ（２３３，２５６，２６２）を開くことによって、前記コイル（２３１，２５９）は前記他方の蓄積ユニット（２０２，２０６，２１８）を充電する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記他方の蓄積ユニット（２０２，２０６，２１８）を、少なくとも一つのダイオード（２３２，２４７，２６７）を介して前記コイル（２３１，２５９）によって充電する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 充電された複数の蓄積ユニット（２０２，２０６，２１２，２１８）及び複数のスイッチ（２３３，２３６，２４２，２５６，２６２，２７６，２８２）を使用し、充電された前記コイル（２３１，２５９）を少なくとも一つの相応のスイッチ（２３３，２５６，２６２）を開くことによって、該スイッチ（２３３，２５６，２６２）に対応付けられている少なくとも一つの蓄積ユニット（２０２，２０６，２１８）を充電する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 直列に接続されている少なくとも二つの電気的な蓄積ユニット（２０２，２０６，２１２，２１８）と電気的な等化回路（２２４）とを備えている電気的な蓄積器（２０１）において、
   隣接している蓄積ユニットの各々に一つのコイルが対応付けられており、
   前記等化回路（２２４）は、一方の蓄積ユニット（２０２，２１２）によって充電するため、及び他方の蓄積ユニット（２０２，２０６，２１８）を充電するための少なくとも一つのコイル（２３１，２５９）を有しており、選択的に前記他方の蓄積ユニット（２０２，２０６，２１８）の内の一つのみが充電可能であり、
   前記少なくとも一つのコイル（２３１，２５９）が、二つのスイッチ（２３３）の内の一つをそれぞれ介して、前記一方の蓄積ユニット（２０２，２１２）の正極にも負極にも電気的に接続されているように、前記少なくとも一つのコイル（２３１，２５９）は前記二つのスイッチ（２３３）の間に直列に接続されていることを特徴とする、電気的な蓄積器（２０１）。
10. 前記等化回路（２２４）は少なくとも一つのダイオード（２３２）を有している、請求項９に記載の蓄積器（２０１）。
11. 前記スイッチ（２３３）は半導体スイッチ（２９１）として構成されている、請求項９又は１０に記載の蓄積器（２０１）。
12. 各蓄積ユニット（２０２）は蓄積セル（２０３）である、請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の蓄積器（２０１）。

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