JP5650235B2 - 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がその励磁のためにコイルの巻線と接続され、続いて励磁されたコイルを用いて、巻線を他方の蓄積ユニットに接続することによって、この他方の蓄積ユニットが充電される。コイルの励磁に使用される巻線は他方の蓄積ユニットの充電にも使用される。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。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。

本発明の一つの実施の形態によれば、コイルを励磁するためにコイルの巻線と接続される一方の蓄積ユニットが、巻線の接続によって続いて充電される他方の蓄積ユニットよりも高い電圧を有している。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、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、隣接する蓄積ユニットの各々には一つのコイルが対応付けられている。特に、複数の蓄積ユニットが隣接している場合には、隣接する各蓄積ユニットには巻線を備えた固有のコイルが対応付けられている。

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、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、コイルを同時に二つの蓄積ユニット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又は放電されるかに依存している。

更に本発明は、特に上記において説明した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ている電気的な蓄積器に関し、等化回路は巻線を備えた少なくとも一つのコイルを有しており、その巻線をコイルの励磁のために一方の蓄積ユニットと接続可能であり、また巻線は他方の蓄積ユニットの充電のためにこの他方の蓄積ユニットに接続可能である。

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、各蓄積ユニットは少なくとも一つの蓄積セル、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。

図１は、相互に隣接して直列に接続されている複数の蓄積セル１０３の形態の三つの蓄積ユニット１０２から成る、電気的な蓄積器１０１の一部を示す。電気的な蓄積器１０１はバッテリ１０４として実施されており、また、蓄積セル１０３はバッテリセル１０５として実施されている。蓄積ユニット１０２は、第１の蓄積ユニット１０６がその負極１０６"及び線路１０７を介してノード点１０８と接続されており、このノード点１０８が線路１０９を介して第２の蓄積ユニット１１０の正極１１０’に案内されることによって、電気的な蓄積器１０１を形成する。第２の蓄積ユニット１１０自体はその負極１１０"及び線路１１１を介してノード点１１２と接続されており、このノード点１１２は線路１１３を介して第３の蓄積ユニット１１４の正極１１４’に案内されている。蓄積器１１０には等化回路１１５が対応付けられており、この等化回路１１５は図１において部分的に示されている。等化回路１１５は線路１１６を介して第１の蓄積ユニット１０６の正極１０６’と接続されている。更に、等化回路１１５は線路１１７を介してノード点１０８と接続されており、線路１１８を介してノード点１１２と接続されており、また、線路１１９を介して第３の蓄積ユニット１１４の負極１１４"と接続されている。等化回路１１５は、それぞれが巻線１２０を備えている複数の電気的なコイル１２１を有している。更に、等化回路１１５はダイオード１２２及びスイッチ１２３を有している。線路１１６はノード点１２４を介して別の線路１２５と接続されており、この別の線路１２５は第１の巻線１２６に案内されている。第１の巻線１２６は線路１２７を介してノード点１２８と接続されており、このノード点１２８は第１のスイッチ１３０に案内されている別の線路１２９を有している。線路１３１は第１のスイッチ１３０から出発してノード点１３２へと延びている。ノード点１３２からは線路１３３が別のノード点１３４へと延びており、この別のノード点１３４自体は線路１３５を介して第２の巻線１３６と接続されている。第２の巻線１３６は線路１３７を介してノード点１３８と接続されており、このノード点１３８は線路１３９を介して別のノード点１４０と接続されている。ノード点１４０は更に線路１１７に接続されている。線路１４１を介して第１のダイオード１４２がノード点１４０に接続されている。ダイオード１４２は更に線路１４３を介してノード点１２８と接続されている。この場合ダイオード１４２は線路１４１と線路１４３との間に配置されており、線路１４１から線路１４３へと方向付けられている導通方向を有している。ノード点１３４は線路１４４を介して第２のダイオード１４５と接続されており、この第２のダイオード自体は線路１４６を介してノード点１２４と接続されている。第２のダイオード１４５は線路１４４から線路１４６への導通方向を有している。ノード点１３２からは別の線路１４９が延びており、この別の線路１４９は第２のスイッチ１５０に案内されている。線路１５１はスイッチ１５０から出発してノード点１５２へと延びている。ノード点１５２からは線路１５３が別のノード点１５４へと延びており、この別のノード点１５４自体は線路１５５を介して第３の巻線１５６と接続されている。巻線１５６は線路１５７を介してノード点１５８と接続されており、このノード点１５８は線路１５９を介して別のノード点１６０と接続されている。ノード点１６０は更に線路１１８に接続されている。線路１６１を介して第３のダイオード１６２がノード点１６０に接続されている。ダイオード１６２は更に線路１６３を介してノード点１３４と接続されている。この場合ダイオード１６２は線路１６１と線路１６３との間に配置されており、線路１６１から線路１６３への導通方向を有している。ノード点１５４は線路１６４を介して第４のダイオード１６５と接続されており、この第４のダイオード自体は線路１６６を介してノード点１３８と接続されている。第４のダイオード１６５は線路１６４から線路１６６への導通方向を有している。ノード点１５２から出発して別の線路１６９が延びており、この別の線路１６９は第３のスイッチ１７０に案内されている。線路１７１はスイッチ１７０から出発してノード点１７４へと延びている。ノード点１７４自体は線路１７５を介して第４の巻線１７６と接続されている。巻線１７６は線路１７７を介してノード点１８０と接続されている。ノード点１８０は更に線路１１９に接続されている。線路１８１を介して第５のダイオード１８２がノード点１８０に接続されている。ダイオード１８２は更に線路１８３を介してノード点１５４と接続されている。この場合ダイオード１８２は線路１８１と線路１８３との間に配置されており、線路１８１から線路１８３への導通方向を有している。ノード点１７４は線路１８４を介して第６のダイオード１８５と接続されており、この第６のダイオード自体は線路１８６を介してノード点１５８と接続されている。第６のダイオード１８５は線路１８４から線路１８６への導通方向を有している。スイッチ１２３は電子的な制御ユニット１９０に対応付けられている。スイッチ１２３はこのためにトランジスタ１９２の形態の半導体スイッチ１９１として実施されているので、制御ユニット１９０は集積回路１９３を形成する。破線１７９は、電気的な蓄積器１０１も等化回路１１５も線１７９の方向において論理的に更に続いていることを示している。

図２は、全ての特徴を備えている、図１の電気的な蓄積器１０１及び等化回路１１５を示す。図１とは異なり、図２においては第１の方法ステップを実施するために第２のスイッチ１５０が閉じられている。更には、蓄積ユニット１１０は、別の蓄積ユニット１０６及び１１４よりも高い電圧を有している。これにより、第２の蓄積ユニット１１０、第２の巻線１３６及び第３の巻線１５６に関して閉じられた電流回路１９５が形成される。電流回路１９５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１９６が付されている。電流回路１９５は第２の蓄積ユニット１１０の正極１１０’から線路１０９を介して、また更には線路１１７を介してノード点１４０へと延びているので、線路１３７及び１３９を介して第２の巻線１３６のコイル１２１が充電される。更には、電流回路１９５は線路１３５，１３３及び１４９を介して閉じられた第２のスイッチ１５０へと延びている。また電流回路１９５は線路１５１，１５３及び１５４を介して第３の巻線１５６へと延びている。第３の巻線１５６から出発して、電流回路１９５は線路１５７，１５９，１１８及び１１１を介して第２の蓄積ユニット１１０の負極１１０"へと延びている。上記の閉じられた電流回路１９５によって電荷が第２の巻線１３６及び第３の巻線１５６へと輸送され、また電荷はそれらの巻線１３６，１５６に蓄積される。第２のスイッチ１５０は制御ユニット１９０によって閉じられる。各蓄積ユニット１０２には二つの巻線１２０が設けられている。電流回路１９５はスイッチ１５０を閉じることによって閉じられ、また、所定の時間が経過した後に、又は、スイッチ１５０を流れている電流が所定のレベルに到達した後に再び開かれる。

図３は、全ての特徴を備えている、図１の蓄積器１０１及び等化回路１１５を示す。全てのスイッチ１２３が第２の方法ステップに関して開かれており、第１の巻線１３６及び第２の巻線１５６に対応付けられているコイル１２１は励磁されている。これに基づき二つの電流回路１９７及び１９８が形成され、電流回路１９７は第１の蓄積ユニット１０６に対応付けられており、また第２の電流回路１９８は第３の蓄積ユニット１１４に対応付けられている。電流回路１９７は第２の巻線１３６から出発して線路１３５及び１４４を介して第２のダイオード１４５へと延びている。電流回路１９７は更にこの第２のダイオード１４５から出発して線路１４６及び１１６を介して第１の蓄積ユニット１０６の正極１０６’へと延びている。蓄積ユニット１０６の負極１０６’’から出発して電流回路１９７は線路１０７，１１７，１３９及び１３７を介して再び第２の巻線１３６へと戻ってくる。電流回路１９８は第３の巻線１５６から出発しており、この第３の巻線１５６は線路１５７，１５９，１１８及び１１３を介して第３の蓄積ユニット１１４の正極１１４’と接続されている。第３の蓄積ユニット１１４の負極１１４’’から出発して、第５のダイオード１８２は線路１１９及び１８１を介して接続されているので、ダイオード１８２から出発して線路１８３及び１５５を介して電流回路１９８は閉じられる。電流回路１９７及び１９８内ではそれぞれの電流方向が電流方向を示す矢印１９６でもって表されている。電流方向は、第２のダイオード１４５及び第５のダイオード１８２の導通方向に対応する方向に延びている。電流回路１９７及び１９８を介して巻線１３６及び１５６のコイル１２１を消磁することができる。即ち、対応する蓄積ユニット１０６及び１１４を流れ、それらの蓄積ユニット１０６及び１１４をそれによって再び充電させる電荷が放出される。このために、第２の方法ステップに関して別の制御手段を使用する必要はない。何故ならば、この過程は図示されている等化回路に基づき自動的に行なわれるからである。

図２及び図３に図示されている方法ステップは、第１の蓄積ユニット１０６及び第３の蓄積ユニット１１４を第２の蓄積ユニット１１０からの電荷で充電する可能性を示している。この過程は、複数の蓄積ユニット１０２間で電荷が移動されるので、非常にエネルギ効率の良いものである。

Claims (10)

1. 直列に接続されている少なくとも三つの電気的な蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）の電圧を等化するための方法において、
   前記少なくとも三つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）は相互に隣接して設けられており、
   隣接している蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）の各々に一つのコイル（１２１）が対応付けられており、
   各コイル（１２１）に二つのダイオード（１２２）が対応付けられており、
   前記二つのダイオード（１２２）はそれぞれ、前記隣接している蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）の内の一方の蓄積ユニットからの電荷による充電時の導通方向に配置されており、
   連続する三つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）のうち中央の蓄積ユニット（１０２，１１０）を前記コイル（１２１）の巻線（１２０，１３６，１５６）と接続し、前記コイル（１２１）を励磁し、
   その後に前記巻線（１２０，１３６，１５６）を前記連続する三つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）のうち残余の二つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１４）に接続することによって、励磁された前記コイル（１２１）を用いて前記残余の二つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１４）を充電することを特徴とする、電圧を等化するための方法。
2. 前記コイル（１２１）を励磁するために該コイル（１２１）の前記巻線（１２０，１３６，１５６）と接続される前記連続する三つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）のうち中央の蓄積ユニット（１０２，１１０）は、その後に前記巻線（１２０，１３６，１５６）の接続によって充電される前記残余の二つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１４）よりも高い電圧を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）としてそれぞれ一つの蓄積セル（１０３）を使用する、請求項１又は２に記載の方法。
4. スイッチ（１２３，１５０）を閉じることによって前記コイル（１２１）を充電する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. スイッチ（１２３，１５０）を開くことによって、前記コイル（１２１）は前記残余の二つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１４）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. 前記残余の二つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１４）を、それぞれ少なくとも一つのダイオード（１２２）を介して前記コイル（１２１）によって充電する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 直列に接続されている少なくとも三つの電気的な蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）と電気的な等化回路（１１５）とを備えている電気的な蓄積器（１０１）において、
   前記等化回路（１１５）は巻線（１２０，１２６，１３６，１５６，１７６）を備えた少なくとも二つのコイル（１２１）を有しており、
   前記少なくとも三つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）は相互に隣接して設けられており、
   隣接している蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）の各々に一つのコイル（１２１）が対応付けられており、
   各コイル（１２１）に二つのダイオード（１２２）が対応付けられており、
   前記二つのダイオード（１２２）はそれぞれ、前記隣接している蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）の内の一方の蓄積ユニットからの電荷による充電時の導通方向に配置されており、
   前記等化回路（１１５）は、該コイル（１２１）の巻線（１２０，１２６，１３６，１５６，１７６）を、前記コイル（１２１）の励磁のために、連続する三つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）のうち中央の蓄積ユニット（１０２，１１０）と接続可能であり、且つ、前記巻線（１２０，１２６，１３６，１５６，１７６）を前記連続する三つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１０，１１４）のうち残余の二つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１４）の充電のために該残余の二つの蓄積ユニット（１０２，１０６，１１４）に接続可能である、
   ことを特徴とする、電気的な蓄積器（１０１）。
8. 前記等化回路（１１５）は少なくとも一つのスイッチ（１２３）を有している、請求項７に記載の蓄積器（１０１）。
9. 前記スイッチ（１２３）は半導体スイッチ（１９１）として構成されている、請求項８に記載の蓄積器（１０１）。
10. 各蓄積ユニット（１０２）は蓄積セル（１０３）である、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の蓄積器（１０１）。

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