JP2000511398A - バッテリー自動等化用のスイツチトキヤパシタ式システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 バツテリーの自動的等化用のスイツチトキヤパシタ式システム（１０）は負荷に交互に接続可能な主要の及びバックアップ用のバツテリーのみならず直列接続されたバツテリー（Ｂ）でも使用可能である。該システムは複数のキヤパシタ（１４）と複数のスイツチ要素（１６）を備えている。それらの間での電荷の移送と該対の該バツテリーの各々の出力電圧の等化のために該キヤパシタの各々は予め決められた対のバツテリーの間で前後に切り換えられる。該キヤパシタとスイツチ要素はモジュール型に構成することも出来る。多数のモジュールを、例えば、相互に直列接続された多数のバツテリーと組み合わせて使用することも出来る。該システムは電気自動車にそして全ての種類のバツテリーバックアップシステムに使用出来る。

Description

【発明の詳細な説明】 バツテリー自動等化用のスイツチトキヤパシタ式システム 発明の属する技術分野 本発明はバツテリー等化用のシステムと方法に関する。特に、本発明はスイツ チされるエネルギー蓄積要素と組み合わされる斯かるシステムに関する。 発明の背景技術 蓄電池の直列接続品は電話産業、公益産業、そして軍事応用で広く使用されて いる。直列接続品は将来の電気自動車及び新しい電力バックアップ応用品で使用 されると期待される。この様な接続品での該バツテリーを均一に充電する能力は これらの状況では非常に重要である。 もし直列接続品が１つのユニットとして充電されると、バツテリー間の僅かの 不釣り合い又は温度差で充電不平衡が生じる。一旦不平衡が起こると、それは時 間と共に成長する傾向がある。不平衡を修正する企てでは”充電等化（charge e qualization）”サイクルが使用されねばならない。この様な過程は該バツテリ ーに歪みを与え、その寿命を（幾つかの応用品では３倍以上の倍率で）短縮し、 そして必ずしも有効でないことが認められて来た。 不平衡が主要な制限要素であると考えるようになったのは極く最近であるが、 直列バツテリーのユーザーは直列充電に関連する不平衡充電の問題を早くから気 付いていた。問題の程度は特定の応用品に依る。 電話産業は共通して少なくとも２４個のセル（cell）の直列接続品を使用する 。１つ以上のセルが早期に故障することがよくあるが、不平衡 を長期間続けた結果のためである可能性がある。 １９９６年の終わりに商業的導入を計画される１つの電気自動車は直列の１５ ０個より多いセルを使用する。もしこの様な車両が商業的に成功しようとしてい る場合は、この不平衡の問題が最小化するか又は取り除かれねばならない。 充電過程中に、不平衡で或るセルは不足充電され一方他のセルは過剰充電され る。直列接続品の動作は最も弱いセルで制限されるので、局部的不足充電は問題 である。 電気自動車産業では急速充電の能力への期待が不平衡により起こる問題を悪化 させる。速い充電がゆっくりした”細流（trickle）”充電よりも不平衡を生ず るらしいことは良く知られている。例え数十ミリボルトの不平衡でも充電過程を 変える傾向があるので時が経つにつれ不平衡が増大する。 実際は、長期の厳しい不平衡を避けるために周期的な充電平衡化、即ち”等化 （equalization）”が実行されねばならない。等化は最も頻繁には充電過程を伸 ばすことにより行われる。この方法を使用すると、最高の電圧のセルは強制的に 過充電される一方より低い電圧のセルは充分な充電にまでもたらさられる。 鉛蓄電池（lead acid）、ニッケル−カドミウム、ニッケル−金属水素化物（n ickel-metal hydride）及び他の通常の再充電可能な技術品（technologies）で は、過充電過程は水素ガスを発生し、最も高いセルから水を取り去る傾向がある 。サイクルを繰り返すと、過充電過程の副作用のみならず水の消失も性能を劣化 させセルの使用寿命を短くする。 多くのバツテリーメーカーはガスと湿気の交換機構を通して１容器 （single package）内の不平衡不具合を最小にするよう試みている。この方法に 限界はあるが、それは個別のセルではなく個別のバツテリー容器で直列接続品を 作れるようにしてくれる。 鉛蓄電池では１０ボルト又は１２ボルトの容器品が等化過程の目的で内部平衡 化されるように扱われることが多い。現在の技術では狭い誤差と高コストのため にセル毎の等化を有効に支えることは出来ない。 意図的に充電を長くする方法は「受動的等化」と呼ばれる。文献では、最近の 数年内に積極的（active）等化が提案されて来た。１９９３年２月発行の米国電 気電子学会論文集（IEEE Trans）、産業電子部門（Indus.Electronics）、４０ 巻第１冊、９６ー１０４頁のエス．ハング（Ｓ.Hung）、デー．シー．ホプキン ス（D.C.Hopkins）、シー．アール．モスリング（C.R.Mosling）の”充電等化制 御によるバツテリー寿命の伸長（Extension of Battery Life via Charge Equal ization Control）”では３つの選択枝が説明された。 第１の選択枝は高充電バツテリーの充電電流を逸らすのである（divert charg ing current around high batteries）。この過程はエネルギー損失を生じ、効 率が重要でない時だけ使用出来る。過剰な充電量は熱として消耗されるのでこの 方法は産業及び商業利用では非実用的である。 第２の選択枝は１セットの電力変換器を使用してより弱いセルに選択的に電荷 を送るのである。第３の選択枝は１セットの電力変換器を使用してより強いバツ テリーから電荷を逸らせる（divert charge away）が、該エネルギーを直列接続 品全体へ戻し損失を最小にする。第２及び第３の方法はコストが高く、そして長 い接続品のバツテリー電圧を平衡させるためには精密な制御を必要とする。 １つの報告されている方法は上記に規定されている第２の積極的方法に基づい ている。この技術は等化の目的で精密な平衡をもたらすために特種な変圧器を使 用する。この方法に関連する誤差内容とコストは特に自動車や通信システムのよ うな多量生産でコストに敏感な応用では著しい欠点である。複雑さから該技術が セル毎の等化へ伸展出来ることは無さそうである。 開発中のもう１つの方法は第３の積極的な方法に向けられている。結果的に、 各バツテリー用に個別のスイツチ式電力変換器が備えられる。これは、コスト及 び変換器間不釣り合いの可能性のために、長い接続品では限定した実用価値しか ない。 第４の積極的方法がジー．エル．ブレイナード（G.L.Brainard）に付与された 米国特許第５、４７９、０８３号に見られる。この方法によると、バックブース ト型（buck-boost type）の直流−直流スイツチ式電力変換器が直列接続品の２ つの隣接するバツテリー内でのエネルギー移送用に接続される。 ブレイナードの（Brainard's）変換器は、隣接バツテリー間の電圧差が検出さ れ、該変換器のインダクタ電流が検出され、そして該電圧差により該インダクタ 電流を変えるのにフイードバック制御システムが使用される場合は、等化機能を もたらすことが可能である。この型の多数型変換器はもしスイツチ動作がきつく 協調された場合は全体の直列接続品を等化出来る。 この第４の方法の重要な制限事項は非常に精密な制御の必要性である。半周期 位相シフトに際して、２つの別々のクロック信号の持続時間が近接して釣り合う ようにスイツチ信号が配備されねばならない。スイツチ 部品又はタイミングでの小さな不釣り合いも大きなインダクタ電流を生じ或いは 磁気的飽和を起こしさえする可能性があるので、フイードバック制御が必要であ る。第５、４７９、０８３号でブレイナード（Brainard）は実質的に均等な持続 時間のスイツチ信号の必要性について表明している。 第４の方法のもう１つの制限は制御動作が自然にはゼロの条件へは至らせず、 該バツテリーが精密に釣り合う時該変換器はなお何らかのエネルギーを交換して いることである。この小さな連続的交換はエネルギーを消費する。なおもう１つ の制限は部品の値に関する。与えられたクロック周波数と等化電流には特定のイ ンダクタ値が要求される。該制御は成功する等化動作を保証するために狭い範囲 内での運転を維持せねばならない。 第４の積極的方法以外の全ての従来技術の方法は充電過程が終了した時にしか 等化作用を行へない。少なくとも１つのバツテリーが完全充電状態に達するまで 等化動作を開始出来ず、そして全てのバツテリーが完全充電に達するまで終了で きない。電気自動車での応用はバツテリーが完全充電に達することなしに多数回 のサイクルを繰り返す重要な場合である。通常、急速充電は完全充電を行うのに は実用的ないが、それは高充電レベルでは効率が悪いからである。車両が駐車し ている間にはゆっくりした充電方法は等化過程を完了させるには充分な時間を持 ていないかも知れない。 かくして、費用効率が高く、信頼性のあるバツテリー等化システムとその方法 に対する必要性が依然存在している。複雑な回路に至る必要がなくそして幾つか のセルの寿命を短縮する必要なしにバツテリー等化の 改善を達成することが好ましい。 実用的な装置と方法は充電サイクル中、バツテリー放電中、又はアイドル時間 中にバツテリーを等化することが可能であるべきである。簡単で、信頼性があり 、低廉な等化用回路を作るためにはセンサーや債密な制御は避けることが非常に 望ましい。好ましくは該等化過程が完了した時バツテリーのエネルギーは交換さ れるべきでない。好ましい装置と方法は広範な範囲の条件に亘り僅かの変更か又 は変更無しで動作するのが良い。 発明の概要 バツテリー等化用のスイツチトキヤパシタ式システム（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｃ ａｐａｃｉｔｏｒ）とその方法はバツテリー寿命の改善をもたらしてくれる。キ ヤパシタのグループが隣接して直列接続されたバツテリー間で電荷をシフトする ため使用される。代わりに、個々のキヤパシタは１つのバツテリーが他をバック アップするように配置された２つのバツテリー間で電荷をシフトするように使用 出来る。 該キヤパシタが繰り返し前後にスイツチされると、該キヤパシタは任意の長い 直列接続品のバツテリー電圧を同じ値に持ってくる。該等化性はキヤパシタの値 、スイツチ速度、部品の値、充電レベル、そしてバツテリーの化学反応にさえも 無関係である。 該方法は低廉な部品で実施可能である。多くの応用品で、バツテリー寿命を２ 倍以上の倍率で伸ばすと期待される。電気自動車の様な、高いストレスのかかる 応用品では、バツテリー寿命の伸びは更に顕著にさえなっている。この伸びは全 体システムのコストを実質的に減少させる。 本発明によれば、もし２つのバツテリーが不平衡の電圧を有するなら ば、これらの間でスイツチされるキヤパシタがより高い電圧のバツテリーから電 荷を抜き取り、より低い電圧のバツテリーへ電荷を送る。該スイツチ過程が高い 周波数で実施されると、可成りの電荷の再配分が起こり、分又は時の時間間隔で 等化が起こる。 該キヤパシタの値は最終結果には関係せず、交換される電荷の割合のみに関係 する。スイツチの過程は速くなければならず、そして電流がゼロに減少するにつ れ該スイツチは実質的にゼロの電圧降下を示さねばならぬことを除けば、該スイ ツチ過程は重要ではない。これらの要求が充たされると、該過程は期待される寿 命の伸びを伴うようなバツテリー間電圧等化をもたらしてくれる。 本システムと方法はバツテリー技術に無関係に使用可能である。化学反応、製 造メーカー又は容量に無関係に隣接バツテリー間で電圧が釣り合わされる。 本スイツチトキヤパシタ（又はキヤパシターインダクタ）式の方法は長い直列 接続のバツテリーで或いは個々のセルでも制限なく使用出来る。直列のエヌ（ｎ ）個のバツテリーの場合、一連のエヌ（ｎ）ー１個のキヤパシタが隣接するセル 間を前後にスイツチすることが出来る。 該キヤパシタは隣接するバツテリー間でそれらが同じ電圧を示すまで電荷を交 換するので、該一連のキヤパシタ全体で全てのバツテリーに対する他の電圧が釣 り合うまで電荷を再配分する。同様な見解は容量性と誘導性の蓄積要素を組み合 わせたシステムでも成立する。 本発明の１つの側面は同一の等化モジュールを複数備えることが出来ることで ある。該モジュールは等化されるべき複数のバツテリーに接続可能である。 本発明のなおもう１つの側面では再充電可能な車両駆動システムが提供される 。なおもう１つでは遠距離通信のバックアップシステムが提供される。 該システムと方法は低廉な実施法をもたらしてくれる。従来の電力用モスエフ イーティー（ＭＯＳＦＥＴｓ）はスイツチ用ハードウエアとしての要求を充たし てくれる。その定格や容量は重要ではなく、低コストの素子が適合出来る。基本 的なモスエフイーティー（ＭＯＳＦＥＴｓ）の小売り価格は今や１ユニット当た り約６０円（０．５ドル）に近くなっている。 各スイツチは、それが１２ボルトより高いのは稀だが、単一のバツテリー電圧 を阻止すれば良い。該キヤパシタも１２ボルトの定格を要するのみであるが、高 い信頼性と長寿命用として選択されるべきである。適当なキヤパシタの値は２０ マイクロファラド乃至１０００マイクロファラドの範囲にある。これらの値は現 在の多量生産されたキヤパシタでは良く見られる値である。 スイツチの制御は種々の仕方で実施可能である。光学的と磁気的の両方の結合 方法が利用可能である。大抵の場合別個の制御ユニットを要しないが、制御要素 は低廉なプログラムされたマイクロプロセッサーで実現出来る。 本システムと方法の利点には下記のものがあるが、 １．素子の釣り合いの必要性や狭い誤差無しに精密な等化が達成される。これは 幾つかの異なる回路が精密に釣り合う場合のみ等化が出来る積極的方法とは際だ った対照である。 ２．センサーを使用する必要がない。 ３．閉ループ制御を要しない。 ４．殆ど何れの状態でも同一実施法が使用出来る。例えば、スイツチトキヤパシ タ式等化用回路は鉛蓄電池、ニッケル−カドミウムバツテリー、ニッケルー金属 水素化物バツテリー、又は他の従来の再充電式化学品で動作する。何れの種類の 変更も、調整又は再校正も要しない。 ５．回路及び制御が簡単で低廉である。或る種の応用品では診断回路が提案され て来ており、該新しい等化方法と概ね同じコストになりそうである。 ６．本構想はモジュール方式であり、任意の数のバツテリーまで伸ばせる。モジ ュールはバツテリーの付属品として提供出来る他、直接個々のバツテリーや個々 のセル（cell）と一緒に梱包することも出来る。異なるバツテリーが異なる値の キヤパシタを有したり、異なるモスエフイーティー（MOSFETs）を使用したり或 いは電気特性で他の不釣り合いを有しても問題でない。各追加のバツテリーにモ ジュールを備える事により何等システム再設計をせずにバツテリーが追加出来る 。 ７．等化過程は主充電過程中にも或いは別個にも実施出来る。もし望ましいなら ば、最小の電力放出でバツテリー動作中に連続的に実施することも出来る。等化 は充電レベルを考慮せずに行われる。 ８．電荷は送られるよりも交換され、等化用回路内で如何なる与えられた時間内 でも極僅かなエネルギーしか取り扱わないので、本過程は安全又は防護システム とは干渉しない。 ９．広い範囲の公称バツテリー電圧に対し単１のシステムを設計出来る。単一の 回路が１２ボルトから例えば３６ボルトより高い電圧迄の定格のバツテリーを等 化出来る。 １０．該システムは自己制御方式である。等化が完了すると、該キヤパシタの引 き続いたスイツチ動作はエネルギーを消耗せず、電荷を交換せず、そして更に何 等影響を及ぼさない。 本発明の他の多くの利点と特徴は次の本発明の詳細説明及びその実施例と、そ して本発明の詳細がこの説明の一部として充分そして完全に開示されている請求 項と付随する図面とから容易に明らかになるであらう。 図面の簡単な説明 図１は本発明のシステムと方法を図解する全体のブロック図である。 図２は図１のシステムの１部のより詳細な略図である。 図３は本発明のモジュール式等化用回路の略図である。 図４は図３の制御回路の変圧器の一次側で測定した典型的クロック信号を図解 するグラフ図である。 図５は図３の回路の蓄積用キヤパシタ内の電圧変動を図解するグラフ図である 。 図６は低容量のバツテリーが等化される図３に図解する型の回路を使用したバ ツテリー間電荷移送の加速シミュレーションに基づくグラフ図である。 図７ａは図１の回路を使用する一般的応用を図解するブロック図である。 図７ｂは図１及び７ａの回路で使用可能な単極スイツチの略図である。 図８は非同期制御付き等化システムのブロック図である。 図９は遠距離通信用バックアップでの応用品に利用するために構成された等化 用回路のブロック図である。 図１０は図１の等化システムと組み合わされる電気自動車のブロック 図である。 図１１は効率改善のためインダクタと組み合わされた等化システムのブロック 図である。 図１２ａ−１２ｃは図１１のシステムを使用して、２個のバツテリーを有する 等化方法の加速されたシミュレーションを図解するグラフ図である。 図１３は５個の直列接続されたバツテリー用の等化システムの略図である。そ して 図１４は５個の直列接続されたバツテリー用の非同期制御付き等化システムの 略図である。 好ましい実施例の詳細な説明 本発明は多くの異なった形での実施例が考えられるので、それらの中から特定 の実施例の詳細を図面で示しここに説明するが、これはこの開示が本発明の原理 の典型例として考えられるべきあり図解された特定の実施例に本発明を限定する よう意図でないとの理解に基づいている。 図１は本発明のシステム１０の略図を図解している。該システム１０は一般的 にＢで示す複数の直列接続されたバツテリーと共に使用されるよう意図されてい る。 該バツテリーＢは負荷Ｌに電気エネルギーを供給するよう意図されている。又 バツテリーＢは再充電回路Ｒから充電されるよう意図されている。 該負荷は、例えば、電気的に動力を与えられた車両用の電気モーター及び組み 合わせ駆動電子機器であっても良い。 該システム１０は制御ユニット１２を含んでいる。その全てが共に直 列に接続された構成要素１４ａ、１４ｂ，，，１４ｇを有する複数のキヤパシタ １４は今度は複数のスイツチ１６と接続されている。該制御ユニット１２は制御 線１８を経由して複数のスイツチ１６の構成要素に信号を供給している。 表示実施例では、該制御ユニットは簡単には該スイツチにその上方位置と下方 位置とを順々に取らせるクロック信号である。図１でｑ及びｑで示す、該”上方 ”及び”下方”のクロック位相は制御線１８を通り該スイツチに接続される。該 クロック位相は時間では別々でなければならない。しかしながら、その持続時間 は釣り合う必要はなく、そして特別の持続時間は必要でない。何らかのあり得る 重畳又は瞬間的回路短絡を防止するために該位相の間に短い休止時間を備えるの が望ましい。 スイツチ１６ａの様な、複数のスイツチ１６の構成要素は図１で図解する第１ の状態から図１で仮想図（phantom）で図解する第２の状態へスイツチすること が出来る。第１の状態では、極の接続１６ａ−１はバツテリーＢａの陽極に電気 的に接続される。第２の状態では、該スイツチ１６ａの極要素１６ａー１はバツ テリーの陰極Ｖａに、そして同時にバツテリーＢｂの陽極に電気的に接続される 。複数の１６の他のスイツチも制御ユニット１２からの信号に応答して同じ仕方 で動作する。 該複数の１６の構成要素は同時に状態を変えそして図解されたようにそれぞれ のバツテリーの陽極及び陰極に交互に接続する。複数のＢの構成要素の直列接続 と該複数の１６の構成要素の相互に関係のある接続の結果として、電荷は高い電 圧レベルを有するものからより低い電圧レベルを有するものへバツテリー間を移 送される。不平衡のレベル、キヤパシタの大きさそして上記の関連要素による時 間の間の後、該複数のバツ テリーＢの各構成要素は実質的に同じ電圧を示す。 図１の回路は非常に少ない部品を要するのみであることで有利である。加えて 、実施に当たり標準的な商業的に入手可能なキヤパシタやソリッドステートスイ ツチを使用出来ることが更に有利である。 図２は図１のシステム１０の１部分の詳細な方法を図解している。要素１６ａ 及び１６ｂの様な複数のスイツチ要素１６の各構成要素は第１及び第２のモスエ フイーティー（ＭＯＳＦＥＴ）型トランジスターにより実施出来る。 要素１６ｂ−２及び１６ｂ−３の様なスイツチ用トランジスターはキヤパシタ 充電動作の終了時に電圧降下を呈しないように選択されねばならない。該トラン ジスターは比較的大容量のキヤパシタをほんの１００万分の数秒で充電出来なけ ればならない。更に、該トランジスターは１０ｋＨｚ以上の桁の速度を有するユ ニット１２からの制御信号に応答してスイツチ出来なければならない。 図２の回路はモジュール方式で実施することが出来る。例えば、図２の仮想図 （phantom）で図解されているモジュールＭｂはキヤパシタ１４ｂとスイツチ１ ６ｃ−２、１６ｃ−３で実施出来る。この様な方法では最後のモジュールの１つ は第２セットのソリッドステートスイツチを必要とする。他のモジュール式配備 も可能である。 図３は本発明のよる代わりの、モジュールの、型のシステム３０を図解してい る。該システム３０はバツテリーＢ１及びＢ２の電圧を等化する目的で複数のソ リッドステートスイツチ３４を有するブリッジ型の構造体３２と組み合わされて いる。３０のシステムは唯１つのキヤパシタ３６を必要とするのみである。 制御要素４０はクロック信号を発生する。この信号は変圧器４２を経由してス イツチ用トランジスター３４を開閉する（gate）が、それは電荷がバツテリーＢ １及びＢ２の間で前後して移送され、それによりそれらの電圧を等化するためで ある。該制御要素はパルス幅変調電力変換器制御素子ＳＧ３５２６Ａの様に動作 する。該システム３０は各対のバツテリー用に繰り返される。全てのこの様なモ ジュールは相互に独立して動作する。 図４は図３の制御回路４０により発生されるクロック信号を図解するグラフ図 である。図４のグラフは変圧器４２の１次側両端の波形を図解している。 図４で図解されているように、該クロック信号は時間間隔Ａを有するが、その 間該キヤパシタ３６は２つのバツテリー、Ｂ１又はＢ２の１つと叉交式に接続さ れる。時間間隔Ａには次いで時間間隔Ｂが続くが、このＢの間回路短絡や同様な ことを避けるために全ての該固体化スイツチ３４はオフにされる。該”休止時間 （dead time）”、時間間隔Ｂは時間間隔Ａからの全ての電流の流れを停止させ たことを保証する。該時間間隔Ｂは次いで時間間隔Ｃにより引き継がれるが、こ のＣの間該キヤパシタ３６は該２つのバツテリーＢ２又はＢ１の他の１つと叉交 式に接続される。該時間間隔Ｃは次いで時間間隔Ｂのもう１つにより引き継がれ そして該過程が継続する。 図５は上記説明した図４からのクロック信号によりバツテリーＢ１及びＢ２の 異なる電圧が等化されるような該キヤパシタ３６の両端の変化する電圧を図解し ている。 図６は図３で図解された型の回路でのバツテリーＢ１及びＢ２の様な ２つのバツテリー間の電荷移送及び等化の加速したシミュレーションのグラフで ある。図６はシミュレーションであるが、本発明のバツテリー等化の過程を図解 している。 図６のシミュレーションは、例えば、バツテリーＢ１が初めに４２ボルトでス タートしそしてバツテリーＢ２が初めに１１ボルトでスタートするようなそれら の間で１ボルトの違いを有してスタートする２つのバツテリー間で電荷を等化す ることに基づいている。図６のグラフはバツテリーＢ１及びＢ２が比較的低い容 量であるとの仮定に基づいている。もしシミュレーションが大容量のバツテリー で行った場合に唯違う所は該バツテリーを等化するに要する時間間隔が増加する ということである。それが無ければ該過程は同じである。 図３のキヤパシタ３６の様なキヤパシタ両端の変化する電圧のシミュレーショ ンのグラフはバツテリーＢ１及びＢ２の近づく電圧の間に挟まれる。図６でのシ ミュレーションのためには、１、０００マイクロファラドのキヤパシタの値が選 ばれた。スイツチする周波数は５、０００Ｈｚに設定された。 図７ａは４つのバツテリーに限定されているが、図１で図解したシステム１０ のより詳細なブロック図である。バツテリー４個での限定は唯例示用のためだけ であり本発明の限定ではない。 図７ａで図解した主クロックユニット１２ａは図１の制御ユニット１２の機能 を表す。図１及び７ａのシステムは線ＭＣ１，ＭＣ２上に共通の主クロックを供 給する単一同期制御ユニット１２と組み合わされてい 対応する。 図７ｂは図７ａで図解された単極、双投スイツチの１つの略図である。キヤパ シタ及び組み合わせスイツチのモジュール式配備を図解するように図１も図７ａ も明示しては構成されていないが、図３に関連して前に説明したようにこれらの システムの何れの１つもモジュール式に構成出来ることは理解されよう。モジュ ール式構成では保守と試験の目的で該システムに解除可能に契合されるようキヤ パシタ／スイツチモジュールの各々がプラグ付きで配備される。 図８は代わりの形の等化システム６０を図解するが、それは非同期制御方式と 組み合わされる。該システム６０は制御ユニット６２ａ、６２ｂ及び６２ｃを含 んでいる。制御ユニット６２ａ−６２ｃの各々は独立したクロック６４ａー６４ ｃを発生する。該システム６０は４つの直列接続されたバツテリーの等化を図解 するが、等化されるバツテリーの数はその限定事項ではないことは理解されよう 。 図９は、例えば、公益供給の交流電力が故障した場合バツテリーがバックアッ プを供給するようなシステム７０で使用されるシステム１６のような等化システ ムを図解している。典型的な例には遠距離通信及びデータ処理システムで見られ るバックアップシステムが含まれるが、それは公益供給の交流電力の故障があっ た時この様なシステムの運転と、データ及びサービスの完全性を維持するためで ある。 図解されているように、該システム７０は唯４つの直列接続されたバツテリー と組み合わされている。これらは例示用のみでありそして該システムが直列接続 されるバツテリーの数により制限されないことは理解されよう。 通常の運転では、公益供給の交流電力は回路７２で整流されそしてフ イルターを通される。該整流されそしてフイルターを通された直流エネルギーは 次いで負荷Ｌ’に電力を与えるために切り換えスイツチ７４を経由して供給され る。同時に、整流器及び回路７８が備えられ、バツテリー列（bank）、Ｂａ−Ｂ ｎに細流型浮遊式充電（provide a trickle-type float charge）をするために 、通常の公益供給の交流電力エネルギーにより電力を与えられている。 該バツテリー等化器は直列接続された複数のバツテリー間に現れる電圧を連続 的に等化するために上記説明のように動作する。 電力の故障した場合は、負荷Ｌ’駆動のために該切り換えスイツチ７４はバッ クアップバツテリー列へ切り換える。この時間の間、該バツテリー等化システム １６は該直列接続されたバツテリーに出現する電圧を等化するために動作し続け る。 該システム７０に図解された各バツテリーがそれ自体が、増加したエネルギー の蓄積容量を提供するために共に並列に接続された複数のバツテリーの構成要素 であっても良いことは理解されるであらう。又２つのバツテリーの１つが主要バ ツテリーであり、他の１つがバックアップバツテリーであるような２つの別々の バツテリーの電圧を等化するように該システム１６を構成しても良いことも理解 されるであらう。 図１０は電気的に動力を与えられた車両８０のブロック図であるが、該車両は 図７ａに図解された型のバツテリー等化システム１６と組み合わされている。該 車両８０は更に複数の直列接続された再充電可能な駆動用バツテリー８２，再充 電システムＲ、及び電カシステム回路８４を備えている。該回路８４は今度は該 車両の１つ以上の車輪８８を同じに動くように回転させるためエネルギーを与え られた１つ以上の駆動モー ター８６と接続されている。 該等化器１６は９０で一般的に示すバツテリー容器ハウジング内に据え付けら れるか、又はその上で運ばれる。該ハウジング９０はそれ自体保守及び試験のた めに取り外し可能なモジュールとして構成されている。 図１１は該システム１６の変形品であるシステム１６ａを図解している。該シ ステム１６ａは複数のインダクタ９２と組み合わされる。該複数のインダクタ９ ２の各構成要素はそれぞれのキヤパシタと接続されている。該インダクタ９２は 組み合わせキヤパシタと組んで共振のような特性を示す回路を提供する。このよ うなので、それぞれのキヤパシタへ及び該キヤパシタから流れるピーク電流はイ ンダクタ無しの等化システムに於けるより大きい。該共振特性のために、該電流 の流れは今度はゼロとの交叉をする。今度はスイツチ過程で遭遇する損失を避け るためにスイツチ動作を該電流ゼロの所で行うことが出来る。 図１２ａから図１２ｃまでは該システム１６ａのような、図１１での等化シス テムを使用する２つの直列接続されたバツテリーの等化の過程を図解するグラフ 図であるが、そこでは各蓄積用キヤパシタはそれと接続されたインダクタを有し ている。図１２ａから図１２ｃまでで図解される過程では該インダクタは１００ マイクロヘンリーの値を、該キヤパシタは１００マイクロファラドの値を有する 。該主クロック信号の周波数は１．６７ｋＨｚである。 図１２ａで図解されるように、該２つのバツテリーの電圧、ＶＢａ及びＶＢｂ は１つのバツテリーから次ぎのバツテリーへと交互にスイツチされる該キヤパシ タＣ１に応答して、相互に変化し追跡し合うよう図解されている。該キヤパシタ の電圧ＶＣ１も図１２ａに図解されている。 図１２ｂは該スイツチし等化する過程に応答するキヤパシタＣ１とインダクタ Ｌ１の通過電流を図解している。前に説明したように、該インダクタＬ１は該過 程中にピーク電流を生じそして電流ゼロをもたらしている。 図１２ｃは該主クロックの波形を図解しているが図１１を参照されたい。図１ ２ｂに図解するようにスイツチ動作は該キヤパシタ電流のゼロ点通過時のみに起 こる。図４のスイツチ波形と関連して前に図解したように該スイツチ波形１２ｃ は第３の”休止時間（dead time）”を備えることが出来る。しかしながら、該 インダクタは瞬間的回路短絡の場合の高い電流を防止するので該休止時間は重要 ではない。 図１３は図７ａのシステム１６のような等化システム、１６ｂの略図である。 例示の目的のみのため、該システム１６ｂは５個のバツテリーＢａ−Ｂｅを等化 するように図解されている。 該システム１６ｂは図３のシステムと関連して図解されている型の制御要素４ ０と組み合わされている。該システム１６ｂも又図３の変圧器４２と同様な多数 コイルの変圧器４２ａと組み合わされている。 図７ｂの等化用キヤパシタ及びソリッドステートスイツチは該システム１６ｂ 内に組み合わされている。見られるように、Ｎ個のバツテリーの接続品は同期化 されたクロック信号を有する単一の制御器を使用して等化出来る。この方法では Ｎ個の単極、双投スイツチとＮ−１個のキヤパシタの全部が必要である。 図１４には図８のシステム６０に対応するシステム６０ａの略図が図解されて いる。例示の目的だけのためであるが、該システム６０ａは非同期制御配備を使 用する５個の直列接続されたバツテリー接続品を等化 するように図解されている。この回路構成では図１４に図解するように、Ｎ個の バツテリーはＮ−１個の独立した制御器と２Ｎ−２個の単極双投スイツチを必要 とする。 図１３及び図１４の該システムは前に説明したようにモジュール方式で配備す ることが出来る。 概要をまとめると、ここまでに良好なバツテリー等化の重要性が承認された。 本システムと方法は商業的に入手可能な部品を使用する解決法を提供している。 結果としては大抵の多数個バツテリー蓄積の応用品で可成りの利点を提供する非 常に柔軟な等化器フアミリ（family）になっている。 前記から、本発明の精神と範囲を離れることなく多数の変更品や変形品が得ら れることは観察されよう。ここに図解された特定の装置に関して如何なる限定も 意図され、推理されるべきでないことは理解されるべきである。更に、”バツテ リー”は従来のバツテリーのみでなく個々のバツテリーセルも引用出来ることを 理解されるべきである。請求項の範囲に入るような全てのかかる変型品は付属す る請求項によりカバーするよう意図されていることは当然である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも２つのバツテリーの出力電圧を等化するための装置に於いて、 容量性蓄積要素と、 前記蓄積要素と接続された第１及び第２スイツチ回路と、 制御回路とを具備しており、前記制御回路は前記スイツチ回路と接続されてお りそして前記スイツチ回路は、前記制御回路に応答して、前記蓄積要素を最初の １つのバツテリーにそして次いで他のものに接続しそれによりそれらの出力電圧 を等化することを特徴とする装置。 ２．請求項１の装置に於いて、前記蓄積要素は複数のキヤパシタを含むことを 特徴とする装置。 ３．請求項１の装置に於いて、前記要素に蓄積された電荷は前記要素が接続さ れている該バツテリー間で移送可能であることを特徴とする装置。 ４．請求項１の装置に於いて、該バツテリーは直列接続されていることを特徴 とする装置。 ５．第１及び第２のバツテリーの電圧を等化するためのモジュール式回路に於 いて、 受動的電気エネルギー蓄積要素と、 少なくとも第１及び第２のソリッドステートスイツチとを具備しており、前記 スイツチは各々極用端子（pole terminal）と少なくとも１つの出力用端子とを 有しておりそして前記出力用端子はそれぞれのバツテリーと接続されており、そ して 前記スイツチの各々の前記極用端子は前記蓄積要素と接続されており、 １つのバツテリーからの電気エネルギーは前記蓄積要素に移送されそして次いで 他のバツテリーに移送されることが可能でありそれによりそれらの電圧を等化す ることを特徴とするモジュール式回路。 ６．請求項５の回路が前記極用端子と接続された制御要素を備えることを特徴 とする回路。 ７．請求項５の回路が前記蓄積要素と接続されたインダクタを備えることを特 徴とする回路。 ８．請求項５の回路がパルスを発生する制御ユニットを備えることを特徴とす る回路。 ９．請求項５の回路に於いて、前記蓄積要素がキヤパシタを含むことを特徴と する回路。 １０．請求項５の回路に於いて、前記スイツチの各々は第２出力端子を有して おりそして各々は単極、双投機能を提供することを特徴とする回路。 １１．電気的車両に於いて、 移動可能な車両と、 複数の直列接続された、再充電可能な蓄電池（storage cell）と、 前記車両上で運ばれる複数のバツテリー等化用キヤパシタとを具備しており、 前記キヤパシタの各々は前記蓄電池の少なくとも１つと組み合わされており、 前記電気的車両は又前記蓄電池と前記キヤパシタとの間に接続された複数のソ リッドステートスイツチを具備しており、その出力電圧を等化するために前記ス イツチの第１及び第２の選択された１つは組み合わされたキヤパシタを前記蓄電 池の最初の１つに接続し、次いでもう１つに 接続することを特徴とする電気的車両。 １２．請求項１１の車両が前記蓄電池を再充電するための回路を備えることを 特徴とする車両。 １３．請求項１１の車両が電気的駆動モーターにエネルギーを与えるための回 路を備えることを特徴とする車両。 １４．請求項１３の車両が前記車両を移動させるために前記エネルギーを与え るための回路に接続された電気的駆動モーターを備えることを特徴とする車両。 １５．請求項１４の車両が前記スイツチに接続された制御回路を備えることを 特徴とする車両。 １６．請求項１１の車両が補助ユニットを運ぶことを特徴とする車両。 １７．車両推進システムに於いて、 複数の車輪により支持される車台と、 前記車台を移動させるために前記車輪の少なくとも１つを駆動するための電気 的モーターと、 複数の直列接続された、再充電可能なバツテリーと、 前記複数のバツテリーを前記モーターに接続するための駆動回路と、 バツテリー等化器とを具備しており、該バツテリー等化器は 複数のバツテリーバランス動作をする（battery balancing）キヤパシタと複 数のソリッドステートスイツチとを備えており、各前記スイツチ及び組み合わさ れたキヤパシタは共通の節に接続されており、そして 前記キヤパシタは前記複数のものの第１及び第２バツテリーの間で予め決めら れた割合でスイツチすることが可能でありそれによりそれらの間の電圧差を最小 にすることを特徴とする車両推進システム。 １８．請求項１７のシステムが少なくとも前記駆動回路に接続された制御要素 を備えることを特徴とするシステム。 １９．請求項１８のシステムに於いて、前記制御要素がプログラム可能なプロ セッサー（processor）を有することを特徴とするシステム。 ２０．請求項１７のシステムに於いて、前記キヤパシタと前記スイツチとは複 数の実質的に同一のモジュール内に構成されることを特徴とするシステム。 ２１．請求項２０のシステムに於いて、前記制御要素は前記モジュールに接続 されることを特徴とするシステム。 ２２．請求項２１のシステムに於いて、前記モジュールの各々は前記バツテリ ー等化器に取り外し可能に接続されることを特徴とするシステム。 ２３．請求項１７のシステムが複数のインダクタを備えており、前記インダク タの各々は前記キヤパシタの１つに接続されていることを特徴とするシステム。 ２４．請求項１７のシステムが前記バツテリー用のハウジング備えておりそし て前記バツテリー等化器は前記ハウジングにより運ばれることを特徴とするシス テム。 ２５．第１及び第２のバツテリーの出力電圧を等化する方法に於いて、 （ａ）電気的エネルギーの蓄積素子を備える過程と、 （ｂ）他のものよりも高い出力電圧を有する該バツテリーの１つを該蓄積素子 に接続しそして第１の時間間隔の間に電気的エネルギーを該接続されたバツテリ ーから該蓄積素子へ移送する過程と、 （ｃ）該バツテリーの該他のものを該蓄積素子に接続しそして第２の、 異なる時間間隔の間にそれに蓄積された該電気的エネルギーの少なくとも１部を 該他のバツテリーへ移送する過程と、 （ｄ）上記（ｂ）−（ｃ）の過程を繰り返す過程とを具備することを特徴とす る第１及び第２のバツテリーの出力電圧を等化する方法。 ２６．請求項２５の方法に於いて、該蓄積素子はキヤパシタでありそして過程 （ｃ）に於いて電荷が該１つのバツテリーから該キヤパシタへ移送されそれによ りその電圧を増加させることを特徴とする方法。 ２７．請求項２６の方法に於いて、過程（ｃ）で電荷が該キヤパシタから該他 のバツテリーへ移送され、それによりその電圧が減少させることを特徴とする方 法。 ２８．複数のバツテリーの出力電圧を等化するための装置に於いて、 容量性の蓄積要素と、 該バツテリー及び前記要素と接続されたスイツチ回路と、そして 前記スイツチ回路に接続された制御回路とを具備しており、そして前記制御回 路に応答して前記スイツチ回路が前記要素を順に前記バツテリーへ接続しそれに より該バツテリーの出力電圧を等化することを特徴とする装置。 ２９．請求項２８の装置に於いて、該バツテリーが直列接続されていることを 特徴とする装置。 ３０．第１には交流電源からそして第２には複数のバツテリーから負荷に直流 型の電気エネルギーを供給するシステムに於いて、該システムは 少なくとも第１及び第２バツテリーと、 少なくとも１つのバツテリー電圧等化用キヤパシタと、少なくとも第 １及び第２のソリッドステートスイツチとを有するバツテリー等化器とを具備し ており、前記スイツチは、予め決められた割合で、前記キヤパシタを該バツテリ ーの最初は１つと次いで他の１つと接続し、それによりそれらの出力電圧を等化 しており、 該システムは又第１入力と、第２入力と、そして出力ポートとを有する切り換 えスイツチを具備しており、前記第２入力は前記バツテリーの少なくとも１つに 接続されておりそして前記出力ポートは該負荷に接続されており、 該システムは更に交流入力とそして直流出力とを有する交流から直流への変換 器システムを具備しており、前記交流入力は交流電源に接続可能でありそして前 記直流出力は前記スイツチの前記第１入力に接続されていることを特徴とするシ ステム。 ３１．請求項３０のシステムに於いて、前記等化器はクロック源を有する制御 ユニットを備えており、前記クロック源は前記スイツチに接続されていることを 特徴とするシステム。 ３２．請求項３０のシステムに於いて、前記バツテリーは直列に接続されてい ることを特徴とするシステム。 ３３．請求項３０のシステムが前記キヤパシタに接続されたインダクタを備え ていることを特徴とするシステム。 ３４．請求項３０のシステムに於いて、該負荷は遠距離通信システムの１部分 でありそして前記切り換えスイツチが交流型エネルギーの消失に応答して前記変 換器から該負荷へエネルギーを供給する第１の状態から前記バツテリーの少なく とも１つからエネルギーを供給する第２の状態へ自動的に切り換えることを特徴 とするシステム。 ３５．請求項３０のシステムに於いて、前記等化器は複数の直列接続されたバ ツテリーと複数のスイツチに接続された複数の等化用キヤパシタとを備えている ことを特徴とするシステム。