(57)【要約】      （修正有）【課題】能動電荷平衡回路を提供する。【解決手段】第１の端子および第２の端子、制御信号を受信する制御入力、ならびに直列接続された複数の電荷貯蔵電池を含む電荷貯蔵装置のタップに接続されるようにそれぞれ構成された複数の電池端子を備えるスイッチ装置と、前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子に結合され、前記第１の端子を前記複数の電池端子のうちの１つに選択的に接続するように構成され、前記少なくとも１つの制御信号に応じて、前記第２の端子を前記複数の電池端子のうちの１つに選択的に接続するように動作可能であり、前記第１の端子と前記第２の端子との間の電圧に応じて第１の方向または逆方向のいずれかで、片方の前記第１の端子および前記第２の端子と、他方の前記電池端子との間に電流を流すことができるように構成される、制御回路とを備える。【選択図】図１
2011244680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端子および第２の端子、少なくとも１つの制御信号を受信する少なくとも１つの制御入力、ならびに直列接続された複数の電荷貯蔵電池を含む電荷貯蔵装置のタップに接続されるようにそれぞれ構成された複数の電池端子を備えるスイッチ装置と、
前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子に結合され、前記第１の端子を前記複数の電池端子のうちの１つに選択的に接続するように構成され、前記少なくとも１つの制御信号に応じて、前記第２の端子を前記複数の電池端子のうちの１つに選択的に接続するように動作可能であり、前記第１の端子と前記第２の端子との間の電圧に応じて第１の方向または逆方向のいずれかで、片方の前記第１の端子および前記第２の端子と、他方の前記電池端子との間に電流を流すことができるように構成される、第１の誘導性貯蔵要素と、
前記電荷貯蔵電池のうちの少なくとも１つの電荷の状態に応じて、前記少なくとも１つの制御信号を提供するように構成される制御回路と
を備える、電荷平衡回路。
【請求項２】
第２の誘導性貯蔵要素であって、前記第１および第２の誘導性貯蔵要素は互いに誘導結合する、第２の誘導性貯蔵要素と、
前記第１または第２の誘導性貯蔵要素を前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子に選択的に接続するように構成された切り替えスイッチと、
をさらに備える、請求項１に記載の電荷平衡回路。
【請求項３】
前記第１および第２の誘導性貯蔵要素は、逆の巻き線方向を有するコイルを備える、請求項２に記載の電荷平衡回路。
【請求項４】
前記スイッチ装置は、
ｎ＋１個の第１の群のスイッチであって、ｎ＞１であり、各スイッチは第１および第２の負荷端子を有し、前記第１の負荷端子は１つのタップに結合される、第１の群のスイッチと、
それぞれが前記第１の群のうちの２つのスイッチの前記第２の負荷端子間に接続される、ｎ個の第２の群のスイッチと、
前記第１の群のスイッチのうちの１つの前記第２の負荷端子により形成される、第１の内部ノードと、
前記第１の群のスイッチのうちの別の１つの前記第２の負荷端子により形成される、第２の内部ノードと
を備え、
前記第１および第２の内部ノードは、前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子のうちの少なくとも一方に結合されるように動作可能である、請求項１に記載の電荷平衡回路。
【請求項５】
前記第１の内部ノードは前記スイッチ装置の前記第１の端子に接続され、
前記第２の内部ノードは前記スイッチ装置の前記第２の端子に接続される、請求項４に記載の電荷平衡回路。
【請求項６】
前記第１の群のスイッチおよび前記第２の群のスイッチのスイッチは、双方向スイッチを含む、請求項４に記載の電荷平衡回路。
【請求項７】
前記スイッチ装置は、
前記第１の内部ノードを前記スイッチ装置の前記第１の端子に接続するように動作可能な少なくとも１つの第１のスイッチを有する第３の群のスイッチをさらに備える、請求項４に記載の電荷平衡回路。
【請求項８】
前記第３の群のスイッチは、
前記第２の内部ノードを前記スイッチ装置の前記第２の端子に接続するように動作可能な第２のスイッチと、
前記第２の内部ノードを前記スイッチ装置の前記第１の端子に接続するように動作可能な第３のスイッチと、
前記第１の内部ノードを前記スイッチ装置の前記第２の端子に接続するように動作可能な第４のスイッチと
をさらに含む、請求項７に記載の電荷平衡回路。
【請求項９】
前記第３の群のスイッチは、
前記スイッチ装置の前記第１の端子を前記電池端子のうちの１つに接続するように動作可能なさらなるスイッチをさらに含む、請求項７に記載の電荷平衡回路。
【請求項１０】
前記スイッチ装置は、
ｎ個の第１の群のスイッチであって、ｎ＞１であり、各スイッチは、第１および第２の負荷端子を有し、１つのタップに結合された前記第１の負荷端子および第１の内部ノードに結合された前記第２の負荷端子を有する、第１の群のスイッチと、
ｎ個の第２の群のスイッチであって、ｎ＞１であり、各スイッチは、第１および第２の負荷端子を有し、１つのタップに結合された前記第１の負荷端子および第２の内部ノードに結合された前記第２の負荷端子を有する、第２の群のスイッチと
を備え、
前記第１および第２の内部ノードは、前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子のうちの少なくとも一方に結合するように動作可能である、請求項１に記載の電荷平衡回路。
【請求項１１】
前記第１の内部ノードは前記スイッチ装置の前記第１の端子に結合され、
前記第２の内部ノードは前記スイッチ装置の前記第２の端子に結合される、請求項１０に記載の電荷平衡回路。
【請求項１２】
前記第１の群のスイッチおよび前記第２の群のスイッチの前記スイッチは、双方向スイッチを含む、請求項１０に記載の電荷平衡回路。
【請求項１３】
前記スイッチ装置は、前記第１の内部ノードを前記スイッチ装置の前記第１の端子に接続するように動作可能な少なくとも１つの第１のスイッチを有する第３の群のスイッチをさらに備える、請求項１０に記載の電荷平衡回路。
【請求項１４】
前記第３の群のスイッチは、
前記第２の内部ノードを前記スイッチ装置の前記第２の端子に接続するように動作可能な第２のスイッチと、
前記第２の内部ノードを前記スイッチ装置の前記第１の端子に接続するように動作可能な第３のスイッチと、
前記第１の内部ノードを前記スイッチ装置の前記第２の端子に接続するように動作可能な第４のスイッチと
をさらに含む、請求項１３に記載の電荷平衡回路。
【請求項１５】
前記第３の群のスイッチは、前記スイッチ装置の前記第１の端子を前記電池端子のうちの１つにするように動作可能なさらなるスイッチをさらに含む、請求項１３に記載の電荷平衡回路。
【請求項１６】
直列接続された複数の電荷貯蔵電池および複数のタップを備える電荷貯蔵装置と、
第１の端子および第２の端子、少なくとも１つの制御信号を受信する少なくとも１つの制御入力、ならびに前記電荷貯蔵装置の前記タップのそれぞれ１つにそれぞれ接続される複数の電池端子を備えるスイッチ装置と、
前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子に結合された第１の誘導性貯蔵要素であって、前記スイッチ装置は、前記第１の端子を前記複数の電池端子のうちの１つに選択的に接続するように構成され、前記少なくとも１つの制御信号に応じて、前記第２の端子を前記複数の電池端子のうちの１つに選択的に接続するように動作可能であり、一方では、前記第１の端子と前記第２の端子との間で、他方では前記電池端子間で、両方向に電流を流すことができるように構成される第１の誘導性貯蔵要素と、
前記電荷貯蔵電池のうちの少なくとも１つの電荷の状態に応じて、前記少なくとも１つの制御信号を提供するように構成された制御回路と
を備える、エネルギー貯蔵装置。
【請求項１７】
第２の誘導性貯蔵要素であって、前記第１および第２の誘導性貯蔵要素は互いに誘導結合する、第２の誘導性貯蔵要素と、
前記第１または第２の誘導性貯蔵要素を前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子に選択的に接続するように構成された切り替えスイッチと、
をさらに備える、請求項１６に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１８】
前記スイッチ装置は、
ｎ＋１個の第１の群のスイッチであって、ｎ＞１であり、各スイッチは第１および第２の負荷端子を有し、前記第１の負荷端子は１つのタップに結合される、第１の群のスイッチと、
それぞれが前記第１の群のうちの２つのスイッチの前記第２の負荷端子間に接続される、ｎ個の第２の群のスイッチと、
前記第１の群のスイッチのうちの１つの前記第２の負荷端子により形成される第１の内部ノードと、
前記第１の群のスイッチのうちの別の１つの前記第２の負荷端子により形成される第２の内部ノードと
を備え、
前記第１および第２の内部ノードは、前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子のうちの少なくとも一方に結合されるように動作可能である、請求項１６に記載のエネルギー貯蔵装置。
【請求項１９】
前記スイッチ装置は、
ｎ個の第１の群のスイッチであって、ｎ＞１であり、各スイッチは第１および第２の負荷端子を有し、１つのタップに結合された前記第１の負荷端子および第１の内部ノードに結合された前記第２の負荷端子を有する、第１の群のスイッチと、
ｎ個の第２の群のスイッチであって、ｎ＞１であり、各スイッチは第１および第２の負荷端子を有し、１つのタップに結合された前記第１の負荷端子および第２の内部ノードに結合された前記第２の負荷端子を有する、第２の群のスイッチと
を備え、
前記第１および第２の内部ノードは、前記スイッチ装置の前記第１および第２の端子のうちの少なくとも一方に結合するように動作可能である、請求項１６に記載のエネルギー貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ直列接続された複数の電荷貯蔵電池または蓄電池を含む電荷貯蔵装置内の電荷を平衡させる回路装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池は、充電された状態では、電力を負荷に提供可能である再充電可能な電荷貯蔵装置である。蓄電池の出力電圧は、蓄電池のタイプに依存する。リチウムイオン蓄電池の場合、この電圧は約３．３Ｖである。より高い供給電圧を必要とする負荷に供給する必要がある場合、いくつかの蓄電池を直列接続することができる。直列接続されたいくつかの蓄電池を含む蓄電池装置により提供される供給電圧は、直列に接続された蓄電池の個々の供給電圧の和に対応する。
【０００３】
リチウムイオン電池等の大半のタイプの蓄電池は、劣化または破損を回避するために、所与の電圧上限を超える供給電圧を有するように充電されるべきではなく、所与の電圧下限を下回る供給電圧を有するように放電されるべきではない。蓄電池の製造プロセスでの不可避のばらつきにより、個々の蓄電池の静電容量は互いにわずかに異なり得る。すなわち、静電容量が平衡されていない場合がある。そのような非平衡は、充電上限および下限と併せて、蓄電池装置の充電および蓄電池装置の放電の両方に関して問題を生じさせる恐れがある。
【０００４】
蓄電池装置を充電する場合、充電電流を蓄電池装置に提供し、充電プロセス中に個々の蓄電池の両端の電圧を監視し、対応する蓄電池が完全に充電され、それ以上充電すべきではないことを示す、蓄電池のうちの１つの両端の電圧が上限閾値に達した場合、充電を終えることが知られている。しかし、最も低い静電容量を有するコンデンサが充電限度に達した場合、すなわち、完全に充電された場合、より高い静電容量を有する蓄電池はまだ完全には充電されていない。したがって、蓄電池装置の全体静電容量は完全には利用されない。
【０００５】
蓄電池装置を放電する場合、蓄電池のうちの１つが電圧下限に達した場合、すなわち、完全に放電された場合、他の蓄電池がまだ放電可能であったとしても、放電プロセスを停止することが知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蓄電池装置の有効な静電容量を最適化するために、充電プロセスまたは放電プロセス中に、個々の蓄電池に蓄えられた電荷を平衡させることができる。したがって、電荷平衡回路を効率的かつ容易に実施する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の実施形態は、第１の誘導性貯蔵要素と、第１の端子および第２の端子、少なくとも１つの制御信号を受信する少なくとも１つの制御入力、ならびに複数の電池端子を有するスイッチ装置とを含む、電荷平衡回路に関する。電池端子は、直列接続された複数の電荷貯蔵電池を含む電荷貯蔵装置のタップに接続されるように構成される。第１の誘導性貯蔵要素は、スイッチ装置の第１および第２の端子に接続されるように動作可能であり、スイッチ装置は、第１の端子を複数の電池端子のうちの１つに選択的に接続するように構成され、少なくとも１つの制御信号に応じて、第２の端子を複数の電池端子のうちの１つに選択的に接続するように動作可能であり、片方の第１の端子および第２の端子と、他方の電池端子との間に、第１の端子と第２の端子との間の電圧に応じて第１の方向または逆方向に、電流を流すことができるように構成される。電荷平衡回路は、電荷貯蔵電池のうちの少なくとも１つの電荷の状態に応じて少なくとも１つの制御信号を提供するように構成された制御回路をさらに含む。
【０００８】
さらなる実施形態は、電荷貯蔵装置を使用するエネルギー貯蔵装置およびそのような電荷平衡回路に関する。
【０００９】
これより、図面を参照して例を説明する。図面は基本概念を示すように機能するため、基本概念を理解するために必要な側面のみが示される。図面は一定の縮尺ではない。図面中、同じ参照文字が同様の特徴を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】いくつかの貯蔵電池を有する電荷貯蔵装置および貯蔵電池内の電荷を平衡させる電荷平衡回路を含む回路装置を示す。
【図２】図２Ａないし図２Ｂは、いくつかの電荷貯蔵ユニットを有する電荷貯蔵電池の実施形態を示す。
【図３】図３Ａないし図３Ｂは、ボトム平衡モードでの電荷平衡回路の動作原理を概略的に示す。
【図４】図４Ａないし図４Ｂは、トップ平衡モードでの電荷平衡回路の動作原理を概略的に示す。
【図５】図５Ａないし図５Ｂは、電池間平衡モードでの電荷平衡回路の動作原理を示す。
【図６】電荷平衡回路のスイッチ装置の第１の実施形態を示す。
【図７】電荷平衡回路のスイッチ装置の第２の実施形態を示す。
【図８】２つの誘導結合された誘導性貯蔵要素を有する電荷平衡回路を示す。
【図９】電荷平衡回路のスイッチ装置の第３の実施形態を示す。
【図１０】電荷貯蔵装置と、変圧器を含む電荷平衡回路とを含む回路装置を示す。
【図１１】図１０の電荷平衡回路のスイッチ装置の第１の実施形態を示す。
【図１２】図１２Ａないし図１２Ｂは、スイッチ装置の第１のスイッチの実施態様例を示す。
【図１３】スイッチ装置の第２のスイッチの実施態様例を示す。
【図１４】図１０の電荷平衡回路のスイッチ装置の第２の実施形態を示す。
【図１５】さらなる実施形態による電荷平衡回路を有する回路装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、電荷貯蔵装置１を有する回路装置を表す図を示す。電荷貯蔵装置１は、負荷端子１３、１４との間に直列接続されたｎ個の複数の電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎを含む。負荷端子１３、１４は、接続された負荷または充電装置Ｚ（一点短鎖線内に示される）を有するように構成される。回路装置の動作に当たり、電荷貯蔵装置１は、負荷端子１３、１４を介して、接続された負荷Ｚに電気エネルギーを提供するか、または負荷端子１３、１４に接続された充電装置Ｚから電気エネルギーを受け取る。さらなる実施形態によれば、図９に示される電荷貯蔵装置１は、その種の他のモジュールと一緒に使用して、より高い供給電圧を提供する電荷貯蔵モジュールを形成する。この場合、負荷端子１３、１４は、モジュールを他のモジュールと接続するように機能する。実施形態によれば、モジュールは、８〜１２個の貯蔵電池を含み、すなわち、ｎ＝８〜１２であり、８〜１２個のそのようなモジュールが互いに直列に接続される。
【００１２】
電荷貯蔵装置１は、直列接続されたいくつかの電池セルを有する再充電可能な電池等の任意の種類の再充電可能な電荷貯蔵装置であり得る。充電された状態では、各電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎは供給電圧を提供することが可能であり、負荷端子１３、１４の間の電荷貯蔵装置１により提供される全体電圧は、電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎにより提供される個々の供給電圧の和に対応する。
【００１３】
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、各電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎは、複数の電荷貯蔵ユニットまたは単電池を含み得る。図２Ａおよび図２Ｂに示される貯蔵電池１ｉは、図１に示される貯蔵電池１１、１２、１ｎのうちの任意のものを表す。図２Ａによれば、電荷貯蔵電池１ｉは、並列接続された複数の単電池１ｉ１、１ｉ２、・・・、１ｉｋを含み得る。図２Ｂを参照すると、１つの電荷貯蔵電池１ｉは、直列接続されたいくつかの単電池１ｉ１、１ｉ２、・・・、１ｉｋを含み得る。さらなる実施形態（図示せず）によれば、１つの電荷貯蔵電池ｌｉは、並列接続されたいくつかの直列回路を有する並列回路および／または直列接続されたいくつかの並列回路を有する直列回路を含む。
【００１４】
図２Ａおよび図２Ｂに示される単電池１ｉ１、１ｉ２、・・・、１ｉｋは、リチウムイオン電池、コンデンサ等の任意の種類の再充電可能な電荷貯蔵ユニットであり得る。図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、複数の単電池を含むように電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎを実施することは単なる一例であることを言及すべきである。１個のみの単電池を含むように電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎを実施することも可能である。
【００１５】
図１に示される電荷貯蔵装置１では、ｎ＝３の複数の電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎが直列接続される。しかし、ｎ＝３個の貯蔵電池を有することは単なる一例である。個々の貯蔵電池１１、１２、１ｎが、充電された状態で提供することができる供給電圧および負荷端子１３、１４の間での提供が望まれる供給電圧に応じて、直列接続される電荷貯蔵電池の数を任意に選択することができる。
【００１６】
疲労もしくは摩耗等の異なる影響または製造プロセスでのばらつきにより、個々の貯蔵電池１１、１２、１ｎの静電容量は、個々の貯蔵電池１１、１２、１ｎが同一の様式で実施される場合であっても互いにわずかに異なり得る。静電容量のそのような相違またはそのようなアンバランスのそれぞれは、電荷貯蔵装置１が充電される場合に、いくつかの貯蔵電池、すなわちより低い静電容量を有する貯蔵電池がより速く充電され、電荷貯蔵装置１が放電される場合、他の貯蔵電池、すなわちより高い静電容量を有する貯蔵電池よりも速く放電されるという影響を有する。
【００１７】
リチウムイオン電池を含む貯蔵電池等の大半の電荷貯蔵電池は、電荷上限を超える電荷状態まで充電されるべきではなく、電荷下限を下回る電荷状態まで放電されるべきではないため、貯蔵電池のうちの１つが電荷上限または電荷下限に達した場合、充電プロセスまたは放電プロセスを停止させる必要があり、それにより、追加の対策がとられない場合、全体装置の使用可能な静電容量が制限される。
【００１８】
個々の貯蔵電池１１、１２、１ｎの静電容量のそのようなアンバランスを補償するために、回路装置は、電荷貯蔵装置１のタップに接続されるように構成された電荷平衡回路９を含む。電荷貯蔵装置１の「タップ」は、負荷端子１３、１４であり、以下、主タップと呼ばれることもあり、２つの隣接する貯蔵電池間に配置される中間タップである。図１の電荷貯蔵装置１は、２つの主タップの他に、隣接する各対の貯蔵電池間にタップを有するため、貯蔵電池がｎ個の場合、ｎ＋１個のタップがある。しかし、これは単なる一例である。タップの数はｎ＋１未満であってもよい。実施形態によれば、貯蔵装置のタップは、２つの主タップを含むと共に、ｎ−１個未満の中間タップを含み、そのため、隣接する各対の貯蔵電池間にタップが配置されない。
【００１９】
図１による電荷平衡回路は、チョーク等の誘導性電荷貯蔵要素２を含む。誘導性電荷貯蔵要素２は、コアありで実施してもよく、またはコアなしで実施してもよい。
【００２０】
誘導性貯蔵要素２は、スイッチ装置３の第１および第２の端子３３、３４に接続するように動作可能な第１および第２の端子２１、２２を有し、図１に示される実施形態では、誘導性貯蔵要素２の第１および第２の端子２１、２２は、スイッチ装置３の第１および第２の端子３３、３４に永久的に接続される。スイッチ装置３の第１および第２の端子３３、３４は、以下、スイッチ装置３の第１および第２のインダクタ端子とも呼ばれる。
【００２１】
スイッチ装置３は、電荷貯蔵装置１のタップに接続するように構成された電池端子３０、３１、３２、３ｎをさらに含む。スイッチ装置３は、インダクタ端子３３、３４を介して誘導性貯蔵要素２に接続すると共に、電荷貯蔵装置１の２つのタップ間の電池端子のうちの２つに選択的に接続するように構成される。誘導性貯蔵要素２の第１および第２の端子２１、２２を接続すべきタップは、スイッチ装置３の制御入力において受信される少なくとも１つの制御信号Ｓ３により与えられる。
【００２２】
制御回路４が、電荷平衡回路９により行われる電荷平衡を制御し、個々の電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎの電荷の状態に応じて少なくとも１つの制御信号Ｓ３を生成する。制御回路４は、個々の電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎの電荷の状態を表す少なくとも１つの電荷状態信号ＳＣを受信する。実施形態によれば、センサ装置Ｓ（一点短鎖線内に示される）が電荷状態信号ＳＣを生成する。センサ装置Ｓは、個々の電荷充電電池１１、１２、１ｎの電荷状態を検出するのに適した任意のセンサ装置であり得る。第１の実施形態によれば、センサ装置Ｓは、電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎの両端の電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１ｎを検出し、これらの電圧に応じて電荷状態信号ＳＣを提供する。通常、電荷状態が低いほど、電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎの両端の電圧は低い。貯蔵電池１１、１２、１ｎ等の電荷貯蔵電池の電荷の状態を評価するセンサ装置Ｓ等のセンサ装置は、一般に既知であるため、これに関してさらに説明する必要はない。制御回路４は、例えば、マイクロコントローラとして実施される。制御回路４は、個々の電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎの電荷の状態を評価するように構成されると共に、電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎの電荷アンバランスを平衡させるようにスイッチ装置３を制御するように構成される。
【００２３】
図１に示される電荷平衡回路９は、少なくとも２つの異なる電荷平衡モード、すなわち、電荷が全体の電荷貯蔵装置１から取り出されて、再び１つの電荷貯蔵電池または隣接する電荷貯蔵電池群に供給されるボトム平衡モードおよび電荷が１つの電荷貯蔵電池または隣接する電荷貯蔵電池群から取り出されて、再び全体の電荷貯蔵装置１に供給されるトップ平衡モードで動作するように構成される。これら各平衡モードは２つのステップを含む。第１のステップでは、誘導性貯蔵要素２は、全体の装置１から（ボトム平衡モードで）、１つの電荷貯蔵要素から、または電荷貯蔵要素群から取り出された電荷から生じるエネルギーを蓄える。第２のステップでは、このエネルギーは再び１つの貯蔵要素、貯蔵要素群、または全体の装置に供給される。これら２つのステップを含むサイクルを数回繰り返して、所望の電荷平衡を得ることができる。
【００２４】
図１の電荷平衡回路９は、誘導性貯蔵要素２および制御回路４の他に必要なのが、複数のスイッチを有するスイッチ装置３のみであるため、実施が容易である。スイッチ装置は、片方の第１および第２の誘導性端子３３、３４と、他方の電池端子のうちの２つとの間で、交互に両方向に、すなわち、第１の方向または逆の第２の方向に電流を流すことができるように構成される。電流が、片方の端子３３、３４と電池端子３０〜３ｎの間を流れる方向は、インダクタ端子３３、３４の間の電圧に依存する。説明のために、平衡モードの１つで、スイッチ装置３がインダクタ端子３３、３４と電池端子のうちの２つとを接続するものと想定し得る。インダクタ端子３３、３４の間の電圧が、これら２つの電池端子間の電圧よりも高い場合、電流は第１の方向に流れる。この文脈では、「第１の方向に流れる電流」は、第１の端子３３からスイッチ装置３に、そしてスイッチ装置３から第２の端子３４に流れる電流である。インダクタ端子３３、３４の間の電圧が、これら２つの電池端子間の電圧よりも低い場合、電流は逆の第２の方向に流れる。この文脈では、「第２の方向に流れる電流」は、スイッチ装置３から第１の端子３３に、そして第２の端子３４から流れ出る電流である。
【００２５】
図３Ａおよび図３Ｂは、ボトム平衡モードでの電荷平衡回路９の動作原理を概略的に示す。第１のステップにおいて、スイッチ装置３は、インダクタ端子３３、３４および電池端子３０、３ｎを介して誘導性貯蔵要素２の第１および第２の端子２１、２２を、電荷貯蔵装置１の負荷端子１３、１４に対応する主タップに接続する。図３Ａおよび図３Ｂでは、スイッチ装置３は回路ブロックとして概略的に示される。個々の電荷平衡ステップでのインダクタ端子３３、３４と電池端子３０、３１、３２、３ｎとの接続は、太線で示される。
【００２６】
誘導性貯蔵要素２が負荷端子１３、１４、すなわち主タップのそれぞれに接続される場合、放電電流Ｉｄは電荷貯蔵装置１から誘導性貯蔵要素２を通って流れる。電荷貯蔵装置１から取り出された電気エネルギーは、誘導性貯蔵要素２内に磁場を生じさせ、内部にエネルギーが磁気の形態で蓄えられる。誘導性貯蔵要素２内に蓄えられるエネルギーは、誘導性貯蔵要素２が電荷貯蔵装置１に接続される持続時間に伴って増大する。
【００２７】
ボトム平衡プロセスの次のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２は、インダクタ端子３３、３４および２つの電池端子を介して、電荷貯蔵電池のうちの１つに接続される。図３Ｂに示される例では、誘導性貯蔵要素２は、第１および第２の端子３３、３４を、間に第２の貯蔵電池１２が配置された電池タップ３１、３２に接続することにより、装置１の第２の電荷貯蔵要素１２に接続される。しかし、これは単なる例である。誘導性貯蔵要素２は、任意の電荷貯蔵要素１１、１２、１ｎに接続することができ、または隣接する電荷貯蔵要素群に接続することさえも可能である。誘導性貯蔵要素２を貯蔵電池群に接続する場合、第１および第２の端子３３、３４は、間に隣接する電池群を有する直列回路が配置された電池タップに接続される。
【００２８】
実施形態によれば、ボトム平衡プロセスの第２のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２が接続される第２の電荷貯蔵要素１２等の電荷貯蔵要素は、電荷貯蔵要素１１、１２、１ｎのうちで最も低い電荷状態を有すると識別された電荷貯蔵要素である。誘導性貯蔵要素２が、１つの電荷貯蔵要素または電荷貯蔵要素群に接続される場合、誘導性貯蔵要素２内に蓄えられていた磁気エネルギーから生じる電荷電流Ｉｃが電荷貯蔵要素または電荷貯蔵要素群に流入し、それにより、電荷貯蔵要素または電荷貯蔵要素群を充電する。誘導性貯蔵要素２は、電荷貯蔵要素２が充電電流Ｉｃにより充電されるように、第２の電荷貯蔵要素１２等の電荷貯蔵要素に接続される。
【００２９】
電荷貯蔵装置１および各電荷貯蔵要素１１、１２、１ｎは、正端子および負端子を有する。説明のために、第１の負荷端子１３が電荷貯蔵装置１の正端子であり、第２の負荷端子１４が負端子であると想定し得る。個々の電荷貯蔵要素１１、１２、１ｎの正端子は、第１の負荷端子１３の方向に配置された端子であり、電荷貯蔵要素１１、１２、１ｎの負端子は第２の負荷端子１４の方向に配置された端子である。平衡プロセスの第１のステップと第２のステップとの間で、誘導性貯蔵要素２の極性を反転させる必要がある。すなわち、第１のステップにおいて貯蔵装置１または貯蔵電池の正端子に接続された誘導性貯蔵要素２の端子を、第２のステップにおいて、貯蔵装置または貯蔵電池の負端子に接続する必要がある。図３Ａおよび図３Ｂに示される例を参照すると、これは、第１のステップにおいて、第１の端子２１が貯蔵装置１の正端子１３に接続され、第２のステップにおいて、第２の貯蔵要素１２の負端子に接続されることを意味する。同等に、誘導性貯蔵要素２の第２の端子２２は、第１のステップにおいて、負の負荷端子１４に接続され、第２のステップにおいて、第２の貯蔵要素１２の正端子に接続される。
【００３０】
第２の貯蔵電池１２等の１つの貯蔵電池の電荷を平衡させることは、エネルギーが全体の貯蔵装置１から取り出される第１のステップおよびエネルギーが再び１つの貯蔵要素または隣接する貯蔵要素群に供給される第２のステップを有する複数の平衡サイクルを含み得る。
【００３１】
実施形態によれば、個々の電荷貯蔵要素１１、１２、１ｎの電荷状態が、各平衡サイクル後に評価される。さらなる実施形態によれば、いくつかの平衡サイクルが実行されてから、電荷貯蔵電池要素１１、１２、１ｎの電荷状態が再び評価される。
【００３２】
図３Ａおよび図３Ｂに示されるボトム平衡は、例えば、その他の電荷貯蔵要素の電荷状態よりもかなり低い電荷状態を有する１つの電荷貯蔵要素がある場合に適する。この場合、ボトム平衡プロセスは、電荷量が低い貯蔵要素の電荷状態を増大させるのに役立つ。
【００３３】
これより、トップ平衡モードでの電荷平衡回路の動作原理について、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明する。図４Ａを参照すると、第１のステップにおいて、エネルギーが、第１の電荷貯蔵要素１１等の１つの電荷貯蔵要素から取り出される。このために、誘導性貯蔵要素２は、インダクタ端子３３、３４を介して、放電すべき電荷貯蔵要素が間に接続された電池端子３０、３１に接続される。図４Ｂを参照すると、第２のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２は、インダクタ端子３３、３４および電池端子３０、３ｎを介して、電荷貯蔵装置１の負荷端子１３、１４に接続される。これを通して、誘導性貯蔵要素２内に予め充電されていたエネルギーは、再び全体装置に供給される。装置に再び供給されるこのエネルギーは、１つの貯蔵電池から取り出されたエネルギーがいくつかの電池に分配されるように、貯蔵電池１１、１２、１ｎの間で共用される。
【００３４】
図３Ａ、図３Ｂに示されるボトム平衡プロセスのように、誘導性貯蔵要素２の極性は、第１のステップと第２のステップとの間で反転する。図４Ａおよび図４Ｂに示される例を参照すると、これは、第１のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２の第１の端子２１が第１の電荷貯蔵要素１１の正端子に接続され、第２のステップにおいて、電荷貯蔵装置１の負端子に接続されることを意味する。したがって、第１のステップにおいて、放電電流Ｉｄが第１の電荷貯蔵電池１１から流れ、第２のステップにおいて、充電電流Ｉｃが全体装置１に流入する。ボトム平衡モードのように、エネルギーが１つの貯蔵電池から取り出される第１のステップおよびエネルギーが再び全体装置に供給される第２のステップを有するいくつかの平衡サイクルを実行して、１つの電荷貯蔵要素の電荷を平衡させることができる。１つのみの電荷貯蔵要素からエネルギーを取り出すことに代えて、エネルギーを隣接する電荷貯蔵要素群から取り出してもよい。この場合、誘導性貯蔵要素２は、第１のステップにおいて、放電すべき電荷貯蔵要素群を有する直列回路が間に配置されたスイッチ装置３の電池端子に接続される。
【００３５】
トップ平衡モードは、例えば、その他の電荷貯蔵要素の電荷状態よりもはるかに高い電荷状態を有する１つの電荷貯蔵要素がある場合に適する。この場合、全体の電荷貯蔵装置１に有利なように、電荷量が多い貯蔵要素を放電することができる。
【００３６】
一実施形態によれば、電荷平衡回路９は、電池間平衡モードを実行することも可能である。この平衡モードでは、第１のステップにおいて、電荷が１つの貯蔵電池または隣接する貯蔵電池の一群から取り出され、第２のステップにおいて、別の貯蔵電池または隣接する貯蔵電池の別の群に再び供給される。図５Ａおよび図５Ｂは、電池間平衡モードでの電荷平衡回路９の動作原理を示す。
【００３７】
図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、第１のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２は、スイッチ装置３のインダクタ端子３３、３４およびスイッチ装置３の電池端子を介して、放電すべき電荷貯蔵要素に接続される。図５Ａに示される例では、第１の電荷貯蔵要素１１が放電すべき要素である。第１のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２は、放電すべき電荷貯蔵要素１１が間に配置されたスイッチ装置３の電池端子３０、３１に接続される。
【００３８】
図５Ｂを参照すると、次のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２は、スイッチ装置３を介して、充電すべき電荷貯蔵要素に接続される。図５Ｂに示される実施形態では、充電すべき電荷貯蔵要素は第２の電荷貯蔵要素１２である。したがって、誘導性貯蔵要素２は、第２の電荷貯蔵要素１２が間に配置されたスイッチ装置２の電池端子３１、３２に接続される。ボトム平衡モードおよびトップ平衡モードでのように、誘導性貯蔵要素２の極性は、第１のステップと第２のステップとの間で反転すべきである。図５Ａおよび図５Ｂに示される例を参照すると、これは、第１のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２の第１の端子２１が第１の電荷貯蔵要素１１の正端子に接続され、第２のステップにおいて、第２の電荷貯蔵要素１２の負端子に接続されることを意味する。第１のステップにおいて、放電電流Ｉｄは第１の電荷貯蔵要素１１から流れ、誘導性貯蔵要素２内に磁気エネルギーが蓄えられることになる。第２のステップにおいて、誘導性貯蔵要素２内に蓄えられている磁気エネルギーから生じる充電電流Ｉｃは、第２の電荷貯蔵要素１２を充電する。
【００３９】
ボトム平衡モードおよびトップ平衡モードでのように、１つの電池または電池群が放電する第１のステップおよび別の電池または別の電池群が充電される第２のステップを有するいくつかの平衡サイクルを実行し得る。電池間平衡モードは、例えば、その他の貯蔵電池よりもはるかに高い電荷状態を有する１つの電荷貯蔵要素があり、その他の貯蔵電池よりもはるかに低い電荷状態を有する別の貯蔵電池がある場合に適する。この場合、電気エネルギーが電荷量の多い貯蔵電池から取り出され、電荷量が少ない貯蔵電池に提供される。
【００４０】
図３Ａ〜図５Ｂを参照して示される電荷平衡モードは、貯蔵装置１が、アイドルモード、すなわち、貯蔵装置が充電回路により充電されておらず、かつ負荷のために放電もしていないモードであるか、貯蔵装置が充電回路により充電される充電状態であるか、それとも貯蔵装置が負荷のために放電する放電状態であるか、に関わりなく実行し得る。
【００４１】
実施形態によれば、電荷平衡回路９は、誘導性貯蔵要素２を通って流れる電流を感知する電流センサ（図示せず）を含む。この電流センサは、電流情報を制御回路４に提供し、制御回路４は、この実施形態では、誘導性貯蔵要素２を通る電流がゼロまで低減するか、または電流下限まで低減した場合、誘導性貯蔵要素２と電荷貯蔵装置１との接続を切断するように構成される。このようにして、第２のステップの終わりに、エネルギーが、図３Ｂでの第２の電荷貯蔵要素、図４Ｂでの全体電荷貯蔵装置１、または図５Ｂでの第２の電荷貯蔵要素１２等の充電されるべき電荷貯蔵要素または電荷貯蔵要素群から取り出されることが回避される。
【００４２】
図６は、スイッチ装置３の第１の実施形態を示す。図６に示されるスイッチ装置３は、上述した３つの平衡モードのそれぞれをサポートすることが可能である。図６に示されるスイッチ装置３は、スイッチ装置３の電池端子３０、３１、３２、３ｎのうちの１つに接続された第１の端子をそれぞれ有する第１の群のスイッチ４０、４１、４２、４ｎを含む。図６に示される実施形態では、電荷貯蔵装置１はｎ個の電荷貯蔵要素１１、１２、１ｎおよびｎ＋１個のタップを有し、スイッチ装置３は、それら各タップに接続された電池端子３０、３１、３２、３ｎを有する。しかし、図１を参照して付与された説明を参照すると、これは単なる一例である。スイッチ装置３の電池端子の数は、ｎ＋１個のタップの数よりも少なくてもよい。この場合、貯蔵装置のすべての電池を個々に平衡できるわけではなく、隣接する貯蔵電池群のうちの他の電池と一緒に平衡する必要がある。
【００４３】
第１の群のスイッチ４０、４１、４２、４ｎの数は、スイッチ装置３の電池端子の数に対応する。図６を参照すると、スイッチ装置３は第２の群のスイッチ５１、５２、５ｎをさらに含み、第２の群の各スイッチ５１、５２、５ｎは、第１の群のうちの２つのスイッチの第２の端子の間に接続される。第１の群のスイッチの「第２の端子」は、電池端子３０、３１、３２、３ｎから離れるほうに面するスイッチ４０、４１、４２、４ｎの端子である。図６の実施形態では、第２の群の各スイッチは、第１の群のうちの隣接する２つのスイッチの間に接続される。第１の群のスイッチのうちの「隣接するスイッチ」は、隣接する電池端子３０、３１、３２、３ｎに接続されたスイッチであり、隣接する電池端子は、貯蔵装置１の隣接するタップに接続された電池端子である。図６の実施形態では、貯蔵装置の「隣接するタップ」は、１つの貯蔵要素が間に配置されたタップである。
【００４４】
スイッチ装置３は内部ノード３５、３６をさらに含み、それら内部ノード３５、３６のそれぞれは、第１の群のうちの１つのスイッチおよび第２の群のうちの１つのスイッチに共通の回路ノードまたは第１の群のうちの２つのスイッチの第２の端子である。図６に示される実施形態では、第１の内部ノード３５は、貯蔵装置の第１の負荷端子１３に接続するように構成された電池端子３０に接続された第１の群のスイッチ４０の第２の端子であり、第２の内部ノード３６は、第２の負荷端子１４に接続するように構成された電池端子３ｎに接続された第１の群のスイッチ４ｎの第２の端子である。しかし、これは単なる一例であり、第１および第２の内部端子３５、３６は、第１の群のうちの異なる２つのスイッチの任意の第２の端子であり得る。第１および第２の群のスイッチを介して、第１および第２の内部ノード３５、３６のそれぞれを、任意の電池端子３０、３１、３２、３ｎに、ひいては貯蔵装置１の任意のタップに接続することができる。
【００４５】
図６を参照すると、スイッチ装置３は第３の群のスイッチをさらに含み、この実施形態では、第３の群は４つのスイッチ６１、６２、６３、６４を含む。第３の群のスイッチ６１〜６４は、第１および第２のインダクタ端子３３、３４を第１および第２の内部ノード３５、３６に選択的に接続するように機能する。第３の群のうちの第１のスイッチ６１は、第１のインダクタ端子３３と第１の内部ノード３５との間に接続され、第２のスイッチ６２は、第２のインダクタ端子３４と第２の内部ノード３６との間に接続され、第３のスイッチ６３は、第１のインダクタ端子３３と第２の内部ノード３６との間に接続され、第４のスイッチ６４は、第２のインダクタ端子３４と第１の内部ノード３５との間に接続される。この実施形態では、第１および第２のインダクタ端子３３、３４のそれぞれは、第３の群のスイッチを介して第１および第２の内部ノード３５、３６のそれぞれに接続可能である。
【００４６】
スイッチ装置３のスイッチは、図６において概略的にのみ示される。これらスイッチは、制御回路４により提供される制御信号に応じてオンオフを切り替えることができる制御可能なスイッチである。さらに、これらスイッチは、電流を、片方の第１のインダクタ端子３３および第２のインダクタ端子３４と、他方の電子端子のうちの２つとの間で、交互に両方向に、すなわち、第１の方向または逆方向に流すことができるように選択される。電流が片方の端子３３および３４と電池端子との間を流れる方向は、インダクタ端子３３、３４の間の電圧に依存する。説明のために、スイッチ装置がインダクタ端子を電池端子のうちの２つに接続すると想定し得る。インダクタ端子３３、３４の間の電圧が、それら２つの電子端子間の電圧よりも高い場合、電流は第１の方向に流れる。この文脈では、「第１の方向に流れる電流」は、第１の端子３３からスイッチ装置３に、そしてスイッチ装置３から第２の端子３４に流れる電流である。インダクタ端子３３、３４の間の電圧が、それら２つの電子端子間の電圧よりも低い場合、電流は逆の第２の方向に流れる。この文脈では、「第２の方向に流れる電流」は、スイッチ装置３から第１の端子３３に、そして第２の端子３４から流れ出る電流である。
【００４７】
制御回路４は、それら各スイッチに制御信号を提供する。これら制御信号は、図６ではＳ４０〜Ｓ６４と呼ばれる。この実施形態では、大文字「Ｓ」に続く番号は、個々の制御信号で制御すべきスイッチを示す。制御回路４により提供される複数の制御信号は、制御回路４によりスイッチ装置３に提供される少なくとも１つの制御信号Ｓ３を形成する。個々のスイッチの制御信号は、制御回路４からスイッチ装置３に並列に転送することができる。この場合、スイッチ装置３は、これら各制御信号の入力ポートを含む。さらなる実施形態によれば、個々のスイッチの切り替え情報が直列にスイッチ装置３に提供される。この場合、１つのみの制御入力が必要とされる。後者の場合、直列−並列インタフェース（ＳＰＩ）が制御回路４およびスイッチ装置３内に配置され、制御回路４内のインタフェースが、個々の制御信号で表される並列データストリームを直列データストリームに変換し、スイッチ装置３内のインタフェースが、制御回路４から受信した直列データストリームを再び並列データストリームに変換する。各制御信号は２つの異なる信号レベルをとり、第１の信号レベルは対応するスイッチのオン状態を表し、オフレベルは対応するスイッチのオフ状態を表す。これら信号レベルは、制御回路４からスイッチ装置３に送信される。
【００４８】
スイッチ装置３のスイッチを実施するために、任意のタイプのスイッチを使用することができる。これらタイプのスイッチは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、またはサイリスタ等の半導体スイッチまたはこれらスイッチ要素の組み合わせを含み得る。
【００４９】
制御回路４は、電荷信号ＳＣの状態に応じて、図２Ａ〜図５Ｂを参照して本明細書において上述した電荷平衡モードのうちの１つが実施されるように、スイッチ装置のスイッチを制御するように構成される。図６のスイッチ装置３の動作原理を容易に理解するために、図２Ａ〜図５Ｂに示される個々の平衡シナリオを得るために閉じる必要があるスイッチ装置３のスイッチについて、これより手短に説明する。
【００５０】
図３Ａに示されるボトム平衡モードの第１のステップにおいて、スイッチ装置３の以下のスイッチを閉じる必要がある：４０−６１−６２−４ｎ。スイッチ装置３のその他のスイッチは開く必要がある。図３Ｂに示されるボトム平衡モードの第２のステップにおいて閉じられるスイッチは、４２−５ｎ−６３−６４−５１−４１である。
【００５１】
図４Ａに示されるトップ平衡モードの第１のステップにおいて閉じられるスイッチは、４０−６１−６２−５ｎ−５２−４１である。図４Ｂに示されるトップ平衡モードの第２のステップにおいて閉じられるスイッチは、４ｎ−６３−６４−４０である。
【００５２】
図５Ａに示される電池間平衡モードで閉じられるスイッチは、４０−６１−６２−５ｎ−５２−４１である。図５Ｂに示される電池間平衡モードで閉じられるスイッチは、４２−５ｎ−６３−６４−５１−４１である。
【００５３】
図２Ａ〜図５Ｂを参照して説明された３つの電荷平衡モードのそれぞれをサポート可能なスイッチ装置３の第２の実施形態を図７に示す。
【００５４】
このスイッチ装置３は、第１の群のスイッチ４０、４１、４ｎを含む。この第１の群のうちの第１のスイッチ４０は、第１の内部ノード３５を、第１の負荷端子１３に接続するように構成された電池端子３０に接続し、第１の群のうちのさらなるスイッチ４１、４ｎは、第１の内部ノード３５を、貯蔵装置１の中間タップに接続するように構成された電池端子３１、３２に接続する。スイッチ装置３は、第２の群のスイッチ８１、８２、８ｎをさらに含む。第２の群は、第２の内部ノード３６と第２の負荷端子１４に接続するように構成された電池端子３ｎとの間に接続される第１のスイッチ８ｎを含む。第２の群は、追加のスイッチ８１、８２をさらに含み、これら追加の各スイッチは、第２の内部ノード３６と中間タップに接続するように構成された電池端子３１、３２のうちの一方との間に接続される。第３の群のスイッチ６１〜６４は、図６に示される第３の群のスイッチに対応する。これらスイッチは、端子３３、３４を第１および第２の内部ノード３５、３６のうちの一方に選択的に接続するように機能する。図７の装置の第１の内部ノード３５は、電荷貯蔵要素の正端子に接続される各電池端子３０、３１、３２に接続することができ、第２の内部ノード３６は、第２の群のスイッチ８１、８２、８ｎを介して、１つの電荷貯蔵電池の負端子に接続するように構成された各電池端子に接続することができ、中間タップに接続された電池端子３１、３２は、ある貯蔵電池の正端子および別の貯蔵電池の負端子の両方に接続される。
【００５５】
図６に示されるスイッチ装置３と同様、図７のスイッチ装置３は、本明細書において上述した３つの平衡モードのそれぞれをサポートすることが可能である。
【００５６】
図８は、本明細書において上述した３つの電荷平衡モードのそれぞれをサポートすることが可能な電荷平衡回路９のさらなる実施形態を示す。この電荷平衡回路９は、１つの誘導性貯蔵要素に代えて、２つの誘導性貯蔵要素２１、２２があるという点で上述した電荷平衡回路と異なる。これら誘導性貯蔵要素２１、２２は、互いに誘導結合し、異なる巻き線スタンスを有する。これら誘導性貯蔵要素は、スイッチ装置の第１および第２の端子３３、３４に交互に接続するように動作可能である。このために、誘導性貯蔵要素２１、２２は、スイッチ装置３のインダクタ端子３３、３４の間で切り替えスイッチ６６と直列に接続される。切り替えスイッチ６６は２つの切り替え位置：切り替えスイッチ６６が第１の誘導性貯蔵要素２１をインダクタ端子３３、３４の間で接続する第１の切り替え位置Ｉ、および切り替えスイッチ６６が第２の誘導性貯蔵装置２２をインダクタ端子３３、３４の間で接続する第２の切り替え位置ＩＩを有する。
【００５７】
スイッチ装置３は、スイッチ装置３の第１および第２の内部ノード３５、３６と電池端子３０、３１、３２、３ｎとの間に接続された第１の群のスイッチ４０、４１、４２、４ｎおよび第２の群のスイッチ５１、５２、５ｎを含む。図８のスイッチ装置３の第１および第２の群のスイッチは、図６のスイッチ装置３の第１および第２の群のスイッチに対応する。したがって、これら第１および第２の群のスイッチに関して図６を参照して付与された説明は、図８の実施形態にも当てはまる。これに関連して、図８に示される第１および第２の群のスイッチを、全般的な動作原理を変更せずに図７に示される第１および第２の群のスイッチで置換できることを言及すべきである。
【００５８】
図８のスイッチ装置３では、第３の群のスイッチは、第１のインダクタ端子３３と第１の内部ノード３５との間に接続された１つのみのスイッチ６１を含む。図３Ａ〜図５Ｂを参照して上述した異なる電荷平衡シナリオの場合での図８に示される電荷平衡回路９の動作原理について、これより説明する。
【００５９】
図３Ａに示されるボトム平衡モード等のボトム平衡モードの第１のステップでは、エネルギーは電荷貯蔵装置１から取り出され、誘導性貯蔵要素のうちの一方、例えば、第１の誘導性貯蔵要素２１に蓄えられる。エネルギーを第１の誘導性貯蔵要素２１に蓄えるために、第３の群のうちの第１のスイッチ６１が閉じられ、第１および第２のスイッチ群のスイッチは、第１のインダクタ端子３３が第１の負荷端子１３に接続するように構成された電池端子３０に接続されるように閉じられ、これらスイッチは、第２のインダクタ端子３４が、第２の負荷端子１４に接続するように構成された電池端子３ｎに接続するように閉じられる。したがって、ボトム平衡モードの第１のステップにおいて、切り替えスイッチ６６は第１の位置Ｉにあり、以下のスイッチ：４０−６１−４ｎは閉じられる。ボトム平衡モードの第２のステップでは、切り替えスイッチ６６は第２の位置ＩＩに切り替えられ、第３の群のうちの第１のスイッチ６１が閉じられ、スイッチ装置３のその他のスイッチは、インダクタ端子３３、３４が、充電すべき電荷貯蔵要素が間に配置されるか、または充電すべき電荷貯蔵要素群が間に配置された電池端子に接続されるように閉じられる。説明のために、ボトム平衡モードの第２のステップにおいて、第２の電荷貯蔵要素１２を充電すべきであると想定し得る。この場合、以下のスイッチ：４２−５ｎ−６１−５１−４１を閉じる必要がある。
【００６０】
ボトム平衡モードの第１のステップでは、放電電流が全体貯蔵装置１から流れるのに対して、第２のステップでは、充電電流が、第２の電荷貯蔵電池１２等の電荷貯蔵電池のうちの１つに流入する。第１のステップでの放電電流および第２のステップでの充電電流は、逆方向に流れる。これは、２つの誘導性貯蔵要素２１、２２が異なる（逆の）巻き線方向を有することによる。
【００６１】
トップ平衡モードの平衡サイクルの第１のステップでは、切り替えスイッチ６６は再び第１の位置Ｉにある。説明のために、この第１のステップにおいて、第１の電荷貯蔵電池１１を放電すべきであると想定し得る。この場合、以下のスイッチ：４０−６１−５ｎ−５２−４１が閉じられる。トップ平衡モードのサイクルの第２のステップにおいて、切り替えスイッチ６６は第２の位置ＩＩにある。この第２のステップにおいて、全体装置１を充電するために、以下のスイッチ：４ｎ−６１−４０が閉じられる。
【００６２】
説明のために、電池間平衡モードにおいて、第１の電荷貯蔵電池１１を第１のステップにおいて放電し、第２の電荷貯蔵電池１２を第２のステップにおいて充電すると想定し得る。第１のステップにおいて、切り替えスイッチ６６は第１の位置Ｉにあり、第２のステップにおいて、切り替えスイッチ６６は第２の位置ＩＩにある。第１のステップにおいて、以下のスイッチ：４０−６１−５ｎ−５２−４１が閉じられる。第２のステップにおいて、第２の電荷貯蔵要素１２を充電するために、以下のスイッチ：４２−５ｎ−６１−５１−４１が閉じられる。
【００６３】
上述した例では、閉じられると明示されなかったその他のすべてのスイッチは開かれる。
【００６４】
図６および図７を参照して説明した回路装置でのように、スイッチ装置３のスイッチは、個々の電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎの電荷状態に応じて制御回路４により制御される。さらに、切り替えスイッチ６６の切り替え状態も制御回路４により制御される。図８での制御信号Ｓ６６は、切り替えスイッチ６６の制御信号を表す。制御信号Ｓ６６は２つの異なる信号値を有することができる。第１の信号値は、第１の切り替え位置Ｉを表し、第２の信号値は第２の切り替え位置ＩＩを表す。
【００６５】
図９は、図６に示される電荷平衡回路９の簡易化された実施形態を示す。図９による電荷平衡回路９は、第３のスイッチ群が２つのみのスイッチを含むという点で、図６による電荷平衡回路９と異なる。第１のスイッチ６１は、第１のインダクタ端子３３と第１の内部ノード３５との間に接続され、第２のスイッチ６５は、第１のインダクタ端子３３と、貯蔵装置１の第２の負荷端子１４に接続するように構成された電池端子３ｎとの間に接続される。図９に示されるスイッチ装置３のこの簡易化された実施形態は、ボトム平衡モードおよびトップ平衡モードをサポートすることが可能であるが、電池間平衡モードをサポートすることができない。
【００６６】
図３Ａ〜図４Ｂに概略的に示される平衡シナリオを参照して、図９による平衡回路９の動作原理について説明する。図９の平衡回路９は、図６の平衡回路と比較して少数のスイッチを有し、いかなる追加の誘導性貯蔵要素も必要としない。しかし、電池間平衡は、この電荷平衡回路９を使用して行うことができない。同等に、図７に示される電荷平衡回路９は、第３の群のスイッチ６１〜６４を図９に示されるスイッチ６１、６５で置換することにより、簡易化された電荷平衡回路９に縮小することができる。これを通して得られる電荷平衡回路９は、図９に示される電荷平衡回路と同じ機能を有する。すなわち、ボトム平衡およびトップ平衡をサポートは可能であるが、電池間平衡はサポートできない。
【００６７】
ボトム平衡およびトップ平衡をサポート可能な電荷平衡回路９のさらなる実施形態を図１０に示す。この電荷平衡回路９は、第１のスイッチ７１と直列接続された第１の巻き線１０１を有する変圧器１０を含む。第１のスイッチ７１および第１の巻き線１０１の直列回路は、誘導性電荷貯蔵装置１の第１および第２の負荷端子１３、１４に接続するように構成されたスイッチ装置の電池端子３０、３ｎの間に接続される。変圧器１０は、第１の誘導性貯蔵要素１０１と誘導結合する第２の誘導性貯蔵要素１０２をさらに含む。第１および第２の誘導性貯蔵要素１０１、１０２は、逆の巻き線方向を有し得る（図示のように）。第２の誘導性貯蔵要素１０２は、スイッチ装置３のインダクタ端子３３、３４の間に接続される。スイッチ装置３は、電荷貯蔵装置１のタップに接続するように構成された電池端子３０、３１、３２、３ｎをさらに含む。したがって、電荷貯蔵装置のタップを参照して上述した説明は、図１０に示される実施形態にも当てはまる。スイッチ装置３は、少なくとも１つの制御入力において受信する少なくとも１つの制御信号Ｓ３に応じて、インダクタ端子３３、３４を電池端子３０、３１、３２、３ｎのうちの２つに選択的に接続するように構成される。制御回路４は、個々の電荷貯蔵電池１１、１２、１ｎの電荷状態に応じて、少なくとも１つの制御信号Ｓ３を生成する。
【００６８】
図１０に示される電荷平衡回路９は、ボトム平衡モードまたはトップ平衡モードで動作するように構成される。ボトム平衡モードでは、第１の巻き線１０１に直列接続された第１のスイッチ７１は、第１のステップにおいて閉じられる。このステップ中、エネルギーは第１の巻き線１０１内に蓄えられる。第２のステップにおいて、第１のスイッチ７１は開かれ、第２の巻き線１０２がインダクタ端子３３、３４を介し、スイッチ装置３を介して、電池端子３０、３１、３２、３ｎのうちの２つに接続される。この第２のステップでは、エネルギーは第１の巻き線１０１から第２の巻き線１０２に移り、インダクタ端子３３、３４および電池端子を介しての電気充電が、電荷貯蔵電池のうちの１つまたは隣接する電荷貯蔵電池群に戻される。
【００６９】
トップ平衡モードでは、第１のスイッチ７１は、第１のステップにおいて開かれる。第１のステップでは、第２の巻き線１０２が、インダクタ端子３３、３４およびスイッチ装置３を介して、電池端子３０、３１、３２、３ｎのうちの２つ、すなわち、放電すべき貯蔵電荷要素が間に配置されるか、または放電すべき隣接する電荷貯蔵要素群が間に配置された、２つの電池端子に接続される。第１のステップにおいて、エネルギーが第２の貯蔵要素１０２内に蓄えられる。第２のステップにおいて、インダクタ端子３３、３４と電池端子との接続が中断され、第１のスイッチ７１が閉じられ、それにより、第２の貯蔵要素１０２内に蓄えられていたエネルギーは、第１の貯蔵要素１０１に移され、電池端子３０、３ｎを介して充電電流が全体電荷貯蔵装置１に流入する。
【００７０】
図１１は、スイッチ装置３の第１の実施形態を示す。スイッチ装置３は、図６を参照して本明細書において上述した第１の群のスイッチ４０、４１、４２、４ｎおよび第２の群のスイッチ５１、５２、５ｎを含む。第１および第２の内部ノード３５、３６は、第１および第２のインダクタ端子３３、３４に直接接続される。
【００７１】
図１２Ａは、第１の群のうちの第１のスイッチ４０〜４ｎを実施する第１の例を示す。図１２Ａに示される切り替え要素４ｉは、これらスイッチ４０〜４ｎのうちの１つを表し、端子３ｉは、スイッチ装置３の対応する電池端子３０〜３ｎを表す。示される例では、切り替え要素４ｉは、２つのＭＯＳＦＥＴ、すなわちソース端子が一緒に接続され、ゲート端子が一緒に接続された２つのｎ−ＭＯＳＦＥＴを含む。ｎ−ＭＯＳＦＥＴのうちの一方のドレイン端子は電池端子３ｉに接続される。２つのＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソースパスに並列接続されたダイオードは、ＭＯＳＦＥＴの一体型ダイオードを表す。しかし、これらダイオードは、特に、使用されるＭＯＳＦＥＴが一体型ダイオードを有さない場合、追加の構成要素として実施してもよい。ＭＯＳＦＥＴは、シリコンまたは炭化シリコン（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）等の他の任意の半導体材料で作ることができる。
【００７２】
図１２Ｂを参照して、２つのＭＯＳＦＥＴを使用することに代えて、ＴＲＩＡＣを切り替え要素として使用してもよい。
【００７３】
図１３を参照すると、第２の群の切り替え要素５１〜５ｎは、ＭＯＳＦＥＴとして実現し得る。図１３に示される切り替え要素５ｉは、第２の群のこれら切り替え要素のうちの１つを表す。
【００７４】
図１４は、図１０による電荷平衡回路９のさらなる実施形態を示す。この電荷平衡回路では、図７を参照して本明細書において上述したように接続されたスイッチ装置３は、第１の群のスイッチ４０〜４ｎおよび第２の群のスイッチ８１〜８ｎを含む。第１および第２の内部ノード３５、３６は、第１および第２のインダクタ端子３３、３４に直接接続される。第１の群のスイッチ４０〜４ｎおよび第２の群のスイッチ８１〜８ｎは、図１２Ａおよび図１２Ｂに示される切り替え要素のように実施することができ、すでに上述した。
【００７５】
図１０、図１１、および図１４に示される実施形態では、変圧器１０の第１の巻き線１０１および第２の巻き線１０２は、逆の巻き線方向を有し、それにより、各巻き線に直列接続されたスイッチが閉じられているときに巻き線のうちの一方に蓄えられているエネルギーは、そのスイッチが開かれた後、他方の巻き線に移される。
【００７６】
図１５は、電荷平衡回路９のさらなる実施形態を示す。この実施形態は、図１０の実施形態に基づくが、変圧器１０の第１および第２の巻き線１０１、１０２が同じ巻き線方向を有し、そのため、貯蔵装置１または１つもしくは群の貯蔵電池により駆動されて、巻き線のうちの一方を通って電流が流れる場合は常に、電流が他方の巻き線を通っても流れるという違いがある。さらに、第２の巻き線１０２は、第２のスイッチ７３およびさらなる誘導性貯蔵要素４３の直列回路を介してスイッチ装置３に接続される。第３のスイッチ７４が、さらなる誘導性貯蔵要素４３およびスイッチ装置３を含む直列回路に並列接続される。スイッチ装置３は、図１１または図１４に示されるように実施し得る。
【００７７】
図１５に示される電荷平衡回路９は、ボトム平衡モードまたはトップ平衡モードで動作するように適応される。ボトム平衡モードでは、第１のステップにおいて、第１の巻き線１０１に直列接続された第１のスイッチ７１および第２の巻き線１０２に直列接続された第２のスイッチ７３は閉じられ、第３のスイッチ７４は開かれ、スイッチ装置３は、さらなる誘導性貯蔵要素４３が第２の巻き線１０２に直列接続され、スイッチ装置３が貯蔵電池１１、１２、１ｎを迂回するように駆動される。このようにして、電気エネルギーはさらなる誘導性貯蔵要素４３に蓄えられる。
【００７８】
第２のステップにおいて、第１および第２のスイッチ７１、７３は開かれ、第３のスイッチ７４は閉じられ、さらなる誘導性貯蔵要素４３は、スイッチ装置３を介して電池端子３０、３１、３２、３ｎのうちの２つに接続される。この第２のステップにおいて、エネルギーはさらなる誘導性貯蔵要素４３から電荷貯蔵電池のうちの１つまたは隣接する電荷貯蔵電池群に移される。この第２のステップでは、第３のスイッチ７４は、スイッチ装置３とさらなる誘導性貯蔵要素４３との間の電流ループを閉じる。
【００７９】
トップ平衡モードでは、第３のスイッチ７４が第１のステップにおいて閉じられ、さらなる誘導性貯蔵要素４３は、スイッチ装置３を介して、貯蔵要素のうちの１つまたは直列接続された貯蔵要素群に接続され、それにより、この（これら）貯蔵電池からのエネルギーはさらなる誘導性貯蔵要素４３内に蓄えられる。第２のステップにおいて、第３のスイッチ７４は開かれ、第１および第２のスイッチ７１、７３は閉じられ、スイッチ装置３は、さらなる誘導性貯蔵要素４３が第２の巻き線１０２に直列接続され、貯蔵装置１を迂回するように駆動される。次に、誘導性貯蔵要素４３内に蓄えられていたエネルギーは、変圧器１０を介して貯蔵装置１に移される。
【００８０】
最後に、明示されていない場合であっても、上記において一実施形態に関連して説明された特徴を他の実施形態の特徴と組み合わせることが可能なことに言及すべきである。
【符号の説明】
【００８１】
１  電荷貯蔵装置
２、２１、２２  誘導性電荷貯蔵要素
３  スイッチ装置
４  制御回路
９  電荷平衡回路
１０  変圧器
１０１  第１の巻き線
１０２  第２の巻き線
１１、１２、１ｎ  電荷貯蔵電池
１３  第１の負荷端子
１４  第２の負荷端子
２１  誘導性貯蔵要素の第１の端子
２２  誘導性貯蔵要素の第２の端子
３０、３１、３２、３ｎ  電池端子
３３、３４  インダクタ端子
３５  第１の内部ノード
３６  第２の内部ノード
４０、４１、４２、４ｎ  第１の群のスイッチ
４３  さらなる誘導性貯蔵要素
５１、５２、５ｎ、８１、８２、８ｎ  第２の群のスイッチ
６１、６２、６３、６４  第３の群のスイッチ
６６  切り替えスイッチ
７１  第１のスイッチ
７３  第２のスイッチ
７４  第３のスイッチ
Ｓ  センサ装置
Ｓ３、Ｓ４０−Ｓ７１  制御信号
ＳＣ  電荷状態信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【外国語明細書】
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2011244680000002.pdf
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