JP5674817B2 - バッテリの充電均等化システム - Google Patents
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Description
− 正端子及び負端子を備える少なくとも1つの電源と、
− 上記各バッテリのステージに対して関連づけられ、上記電源により供給され、かつ
・インダクタと、
・第1端子が、上記電源の正端子に接続されているキャパシタと、
・関連する上記バッテリのステージの負極にアノードが接続され、かつ関連する上記インダクタの端子に接続されたダイオードであって、オン状態のときに、関連する上記蓄電池のステージ、関連する上記ダイオード、及び関連する上記インダクタを通して充電電流を流すようになっているダイオードと、
・1つの端子が上記インダクタの1つの端子に結合されているスイッチであって、上記スイッチ、上記インダクタ及び上記第1のキャパシタが、上記電源の端子と、関連する上記蓄電池のステージの電極との間で直列に接続されるように配置されたスイッチとを備える充電装置と、
− 誘導期間に、上記電源の端子間に電圧変動を与え、かつ充電される蓄電池のステージに関連する充電装置の上記スイッチを閉じて、上記充電装置の上記インダクタ及び上記スイッチに、上記電源から発生する増加する供給電流を通過させ、上記インダクタにエネルギを蓄積させるようになっており、さらに
誘導期間後、上記インダクタを通る供給電流を遮断し、関連する上記インダクタ及び関連する上記ダイオードを通して減少する充電電流を流すことにより、上記インダクタに蓄積したエネルギを関連するバッテリのステージに移動させるようになっている制御装置
とを含むことを特徴とするバッテリ均等化システムを提供するものである。
次に、充電均等化システム2の充電装置5および電源7の第1実施形態について説明する。
図5を参照して、第1実施形態の充電装置5は、
− インダクタL1iと、
− 第1端子が電源7の極v2に接続され、第2端子がインダクタL1iの第1端子に接続されるキャパシタC1iと、
− アノード及びカソードがステージの極NiおよびキャパシタC1iの第2端子にそれぞれ接続されるダイオードD1iと、
− 第1端子がインダクタL1iの第2端子に接続され、第2端子がステージの極Piに接続される、例えば、MOSFETからなるスイッチSW1iとを含んでいる。
電源7は、種々の構成とすることが可能である。例えば、一実施形態では、正電圧パルスのみを供給する電源7が適用可能である。
次に、図8A〜図8Cおよび図9を参照して、第1実施形態の動作について説明する。
スイッチSW2iおよびSW3iの端子に、デカップリングキャパシタC3iがない図6の電源7を考える。
スイッチSW2iおよびSW3i(図6)の端子に、デカップリングキャパシタC3iを使用する場合、スイッチSW2iが閉じられると、電流の循環が変更される。また、キャパシタC3iは、インダクタL1iに流れる電流の一部を供給する。この電流は、充電中のステージEtiと、このステージEtiの下に配置されているステージとにより閉回路を形成する。供給される電流の値は、N個のステージに対する充電中のステージEtiの位置に依存する。ステージEtiがバッテリの端子Nに近いほど、充電中のステージEtiの上に位置するステージを流れる電流に対して、キャパシタC3iにより供給される電流の値は大きくなる。
式
充電装置5(図5)の設計は、上述した動作を表す式を使用して決定される。式は、関連する電圧源7(図6)に対して有効である。
例えば、各充電装置5は、蓄電池のステージEtiの充電状態を追跡することができ、10個のステージの端子に接続されている。単一の電圧源7が、すべての充電装置5に供給するために考慮される。電圧源7は、直列に接続された10個のステージの端子に接続されている。
− 平均出力電流(最小値Isi(moy)):1A
− 特定動作周波数(F):50kHz、すなわち、T=1/F=20μs
− 1つの蓄電池の電圧(リン酸鉄に基づくLiイオン):
・最小電圧:2.5V
・最大電圧:3.6V
− ダイオードのオン状態における電圧降下(Vd):0.3V〜0.7V
例として、2つのシミュレーション結果を、図10および図11に示す。
第1シミュレーションでは、蓄電池Aijのほとんどの部分が、2.5Vの閾値電圧に充電され、ステージ7の1つの蓄電池が、例えば、3.6Vに充電される。充電装置5は、最大の充電電圧、すなわち、3.6Vの蓄電池に並列に接続される。
第2シミュレーションでは、ほとんどの蓄電池が、3.6Vの閾値電圧に充電され、1つの蓄電池、例えば、7番目の蓄電池は、2.5Vに充電される。充電装置5は、最も低い充電電圧、すなわち、2.5Vのこの蓄電池に並列に接続される。従って、充電装置は、7番目のステージEt7の端子に接続される。
次に、充電均等化システム2の第2実施形態について説明する。
図12に示すように、第2実施形態の充電装置5は、図5に示す第1実施形態とは、第1端子が、第1キャパシタC1iが接続されている電圧源7の極v1に接続され、第2端子が、ステージEtiの極Niに接続されている第2キャパシタC2iを含む点で異なる。
この第2実施形態は、例えば、正の電圧パルスのみを供給する電圧源7に等しく適用できる。
この電源7は、2つのインダクタL3iおよびL4iが蓄電池1の端子NおよびPに直列に実装されている点で、図6に示す第1実施形態の電圧源7とは異なる。
図14に示す電源7は、その一部に、デカップリングキャパシタC3i、スイッチSW2iおよびトランスT1iを含んでいる。この電源7は、第1変形例(図13)の電圧源7と比較して、素子の数を最小にするという利点を有する。
図13に示す電源7に関連する第2実施形態の動作につき、次に説明する。図15A、図15Bは、ステージEt1の充電の対応を示し、図16は、より一般的なステージEtiの充電の対応を示す。
充電装置5(図12)の設計は、上述した動作を規定する式に基づいて行われる。式は、関連する電圧源7(図13)に有効である。簡単な設計では、キャパシタC1iおよびC2iの端子電圧は、電圧がある場合には、充電装置5の動作期間Tの間、一定と見なされる。
キャパシタC2iは、キャパシタC1iと同じ固定された2μFの値を有する。シミュレートされる電圧源は、図13に示されている。
次に、充電均等化システム2の第3実施形態について説明する。
図18は、充電装置5の第3実施形態を示す。この第3実施形態は、次の点で第2実施形態と異なる。
− 第2キャパシタC2iの第2端子は、インダクタL1iの第2端子、およびステージの極Piに接続されている。
− ダイオードD1iのカソードは、インダクタL1iの第1端子に接続されている。
− スイッチSW1iは、キャパシタC1iの第2端子、およびインダクタL1iの第1端子に接続されている。
第1実施形態および第2実施形態のように、第3実施形態は、正電圧パルスだけを供給する電圧源に適用することができる。
次に、図13に示す電圧源に関連する第3実施形態の動作について説明する。ステージEt1の充電に対応する図19A、図19Bと、より一般的なステージEtiの充電に対応する図16とを示す。
上述したように、充電装置5(図18)のパラメータ化は、その動作を規定する式に基づくものであり、また、関連する電圧源7にとって有効である。
シミュレーションの条件は、第2実施形態のものと同じである。
次に、充電均等化システム2の第4実施形態について説明する。
図21は、充電装置5の第4実施形態を示す。この第4実施形態は、充電装置5がさらに、第2インダクタL2iおよび第2ダイオードD2iを含み、また、次の点で第2実施形態とは異なる。
− 第2キャパシタC2iの第2端子は、第2インダクタL2iの第1端子に接続されている。
− 第2ダイオードD2iのアノードおよびカソードは、ステージの極Niおよび第2インダクタL2iの第1端子にそれぞれ接続されている。
− スイッチSW1iは、2つのインダクタL1i、L2iの第2端子に接続されている。
この種の充電装置5に対して、電源の第1実施例では、4つのスイッチSW2i〜SW5iを有する完全なブリッジと、図23′に示されている変形例を含むトランスT1i(図23)とを使用する。この変形例によれば、電源7が蓄電池バッテリ1の端子に接続される場合、電源7は、1つの一次巻線および複数の二次巻線から構成されるトランスT1iを使用することが可能である。この例では、トランスT1iの一次巻線の端子に、4つのスイッチSW2i〜SW5iを有する完全なブリッジが示されている。複数の二次巻線を使用することにより、充電装置5のキャパシタの耐電圧を減少させることができる。直列に接続された10〜12のステージに対して、1つの二次巻線を対応させることは、一案である。
図24Aに示す電源7に関連する第4実施形態の動作につき、次に説明する。
これまでのように、充電装置5(図21)の設計は、その動作を規定する式に基づき、また、関連する電源7に対して有効である。
図21から、電源7に関連する充電装置5の第4実施形態において、トランスT1iの変換率mは、トランスT1iの二次側電圧をバッテリの電圧と等しい電圧に維持するため、2に固定されている。
インダクタL1i、L2iの値は、8.5μHに固定されている。阻止キャパシタC1i、C2iの値は、2μFに固定されている。
第1の結果は、平均出力電流が少なくとも1Aでなければならない極端な動作の場合を示す。
第2の結果は、装置が不連続誘導モードで動作しなければならない場合、すなわち、インダクタL1i、L2iを流れる電流が、装置の動作の半期間T/2の前に相殺されなければならない極端な動作の場合を示す。
2 充電均等化システム
3 制御装置
5 充電装置
7 電源
9 基本モジュール
10 電流センサ
11 調整ループ
Claims (15)
- 直列に配置された少なくとも2つの蓄電池のステージ(Eti)を備え、前記各蓄電池のステージ(Eti)は、各ステージの負極(Ni)及び正極(Pi)の間に配置された少なくとも1つの蓄電池(Aij)を含むバッテリ均等化システムであって、
− 正端子(v2)及び負端子(v1)を含む少なくとも1つの電源(7)と、
− 前記各蓄電池のステージ(Eti)に対して関連付けられ、前記電源(7)により供給され、
・インダクタ(L1i,L2i)と、
・第1端子が前記電源(7)の前記正端子(v2,v1)に接続されている第1のキャパシタ(C1i,C2i)と、
・関連する前記蓄電池のステージの前記負極にアノードを介して接続され、かつ関連する前記インダクタ(L1i,L2i)の端子に接続されたダイオード(D1i,D2i)であって、オン状態のときに、関連する前記蓄電池のステージ、関連する前記ダイオード(D1i,D2i)、及び関連する前記インダクタ(L1i,L2i)を通して充電電流を流すようになっているダイオード(D1i,D2i)と、
・1つの端子が、前記インダクタ(L1i,L2i)の1つの端子に結合されているスイッチ(SW1i)であって、前記スイッチ(SW1i)、前記インダクタ(L1i,L2i)及び前記第1のキャパシタ(C1i,C2i)が、前記電源(7)の端子(v2,v1)と、関連する前記蓄電池のステージの電極との間で直列に接続されるように配置されたスイッチ(SW1i)とを備える充電装置(5)と、
− 誘導期間に、前記電源(7)の端子(v2,v1)間に電圧変動を与えるように前記電源(7)を制御し、前記充電される蓄電池のステージに関連する充電装置(5)の前記スイッチ(SW1i)を閉じて、前記充電装置(5)の前記インダクタ(L1i,L2i)及び前記スイッチ(SW1i)に、前記電源(7)から発生する増加する供給電流を通過させ、前記インダクタ(L1i,L2i)にエネルギを蓄積させるようになっており、さらに、
誘導期間後、前記インダクタ(L1i,L2i)を通る供給電流を遮断するように前記電源(7)を制御し、関連する前記インダクタ(L1i,L2i)及び関連する前記ダイオード(D1i,D2i)を通して減少する充電電流を流すことにより、前記インダクタ(L1i,L2i)に蓄積したエネルギを、関連する前記蓄電池のステージに移動させるようになっている制御装置(3)とを含むことを特徴とするバッテリ充電均等化システム。 - 予め決められた数の前記充電装置(5)に接続された電源(7)を有することを特徴とする請求項1記載のバッテリ充電均等化システム。
- 前記第1キャパシタ(C1i)が、前記電源(7)の正端子(v2)に接続された第1端子を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のバッテリ充電均等化システム。
- 前記ダイオード(D1i)が、そのアノードによって、関連する前記蓄電池のステージの負端子に接続されており、かつそのカソードによって、前記インダクタ(L1i)の第1の端子に接続されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のバッテリ充電均等化システム。
- 前記制御装置(3)は、前記電源(7)の両端子に電圧を印加しないようにすることにより、前記電源(7)を制御するために、前記インダクタ(L1i,L2i)を通る供給電流を遮断するように構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のバッテリ充電均等化システム。
- − 前記第1キャパシタ(C1i)の第2の端子が、前記インダクタ(L1i)の第1の端子に接続されており、
− 前記ダイオード(D1i)のカソードが、前記第1キャパシタ(C1i)の第2の端子に接続されており、
− 前記充電装置(5)の前記スイッチ(SW1i)が、その第1の端子によって、前記インダクタ(L1i)の第2の端子に接続されており、かつその第2の端子によって、関連する前記蓄電池のステージの正極(Pi)に接続されていることを特徴とする請求項3に記載のバッテリ充電均等化システム。 - − 前記充電装置(5)が、
・第1のサイドが、前記電源(7)の正端子(v2)に接続され、第2のサイドが、前記インダクタ(L1i)の第1の端子に接続された第1キャパシタ(C1i)と、
・第1のサイドが、前記電源(7)の負端子(v1)に接続され、第2のサイドが、関連する前記蓄電池のステージの負極(Ni)か、前記インダクタ(L1i)の第2の端子及び関連する前記蓄電池のステージの正極(Pi)に接続された第2キャパシタ(C1i)とを有し、
− 前記ダイオード(D1i)が、そのアノードによって、関連する前記蓄電池のステージの負極(Ni)に接続されており、かつそのカソードによって、前記インダクタ(L1i)の第1の端子に接続されており、
− 前記充電装置(5)の前記スイッチ(SW1i)が、その一方の端子によって、前記インダクタ(L1i)に接続されており、かつその他方の端子によって、関連する前記蓄電池のステージの正極(Pi)又は前記第1キャパシタ(C1i)に接続されていることを特徴とする請求項3に記載のバッテリ充電均等化システム。 - 前記制御装置(3)は、前記充電装置(5)に供給する前記電源(7)の両端子(v1,v2)に予め電圧を印加しているとき、充電される蓄電池のステージ(Eti)に関連する前記充電装置(5)の前記スイッチ(SW1i)を閉じる速度を制御するように構成されていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のバッテリ充電均等化システム。
- 前記電源(7)は、前記制御装置(3)により制御される少なくとも1つのスイッチ(SW2i、SW3i、SW4i、SW5i)を含み、かつそのうち少なくとも1つの前記電源(7)は、デカップリングキャパシタ(C3i)を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のバッテリ充電均等化システム。
- 前記電源(7)は、2つの制御されるスイッチ(SW2i、SW3i)および2つのインダクタ(L3i、L4i)、又は一つのスイッチ(SW2i)及び一つのトランス(T1i)を含むことを特徴とする請求項7または9に記載のバッテリ充電均等化システム。
- 前記制御装置(3)は、それぞれが充電状態の間に一定である誘導期間、および開いている期間を有し、前記電源(7)が有する制御される前記スイッチ(SW2i、SW3i、SW4i、SW5i)を開閉するように構成されることを特徴とする請求項10に記載のバッテリ充電均等化システム。
- 充電状態の間に関連する前記蓄電池のステージ(Et i )及びバッテリー(1)のそれぞれの電圧レベルから独立に、前記誘導期間は、前記充電装置(5)が不連続誘導モードで動作するために計算されることを特徴とする請求項11記載のバッテリ充電均等化システム。
- 蓄電池(1)は、少なくとも1つの基本モジュール(9)を含み、前記各基本モジュール(9)は、直列に配置される複数の蓄電池のステージ(Eti)を備え、前記バッテリ均等化システム(2)は、さらに、前記各基本モジュール(9)の端子に追加された充電装置(5)を含むことを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載のバッテリ充電均等化システム。
- 蓄電池(1)は、直列に配置される複数の前記基本モジュール(9)を含み、前記バッテリ均等化システム(2)は、所定数の前記基本モジュール(9)の端子に追加の充電装置(5)を含むことを特徴とする請求項13に記載のバッテリ充電均等化システム。
- 請求項1〜14のいずれか1項に記載のバッテリ充電均等化システムを含むことを特徴とする蓄電池のステージの充電装置。
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