(57)【要約】  本発明は、電池充電均等化システムに関する。この均等化システムは、直列に接続された少なくとも２つのアキュムレータステージ（Ｅｔｉ）を備え、各アキュムレータステージ（Ｅｔｉ）は、少なくとも１つのアキュムレータ（Ａｉｊ）を備えている。本発明においては、前記システムは、少なくとも１つの電圧発生器（７）と、各アキュムレータステージ（Ｅｔｉ）に接続された充電デバイス（５）と、制御デバイス（３）とを備えている。充電デバイス（５）は、前記少なくとも１つの電圧発生器（７）から給電され、また、少なくとも１つのインダクタと、少なくとも１つの第１および１つの第２のキャパシタと、少なくとも２つのダイオードと、少なくとも１つのスイッチとを備えている。また、制御デバイス（３）は、前記少なくとも１つの電圧発生器（７）を制御し、充電されるべきアキュムレータステージ（Ｅｔｉ）に接続されている充電デバイス（５）の前記少なくとも１つのスイッチを閉塞することにより、前記少なくとも１つのインダクタにエネルギーを蓄えて、前記エネルギーを前記接続されたアキュムレータステージ（Ｅｔｉ）に転送するようになっている。【選択図】図１
2013519351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された、少なくとも２つのアキュムレータステージ（Ｅｔｉ）を含む充電均等化システムであって、各アキュムレータステージ（Ｅｔｉ）は、少なくとも１つのアキュムレータ（Ａｉｊ）を含み、
−少なくとも１つの正極（ｖ２）と、少なくとも１つの負極（ｖ１）とを含む、少なくとも１つの電圧発生器（７）と、
−各アキュムレータステージ（Ｅｔｉ）に接続され、前記少なくとも１つの電圧発生器（７）から給電される充電デバイス（５）であって、
・少なくとも１つのインダクタ（Ｌ１ｉ、Ｌ２ｉ、Ｌ１０ｉ）と、
・第１の端子が前記少なくとも１つの電圧発生器（７）の前記正極（ｖ２）に接続されている、少なくとも１つの第１のキャパシタ（Ｃ１ｉ）と、
・第１の端子が前記電圧発生器（７）の前記負極（ｖ１）に接続されている、少なくとも１つの第２のキャパシタ（Ｃ２ｉ）と、
・アノードが、前記アキュムレータステージの負極（Ｎｉ）に接続され、カソードが、前記少なくとも１つの第１のキャパシタ（Ｃ１ｉ）の第２の端子に接続されている、少なくとも１つの第１のダイオード（Ｄ１ｉ）と、
・アノードが、前記接続されたアキュムレータステージの前記負極（Ｎｉ）に接続され、カソードが、前記少なくとも１つの第２のキャパシタ（Ｃ２ｉ）の第２の端子に接続されている、少なくとも１つの第２のダイオード（Ｄ２ｉ）と、
・第１の端子が、少なくとも１つのインダクタ（Ｌ１ｉ、Ｌ２ｉ、Ｌ１０ｉ）に、また第２の端子が前記接続されたアキュムレータステージの正極（Ｐｉ）に、直接にまたは間接的に接続されている、少なくとも１つのスイッチ（ＳＷ１ｉ）とを含む充電デバイス（５）と、
−前記少なくとも１つの電圧発生器（７）を制御し、充電されるべきアキュムレータステージ（Ｅｔｉ）に接続された充電デバイス（５）の、前記少なくとも１つのスイッチ（ＳＷ１ｉ）を閉塞して、前記少なくとも１つのインダクタ（Ｌ１ｉ、Ｌ２ｉ、Ｌ１０ｉ）にエネルギーを蓄え、このエネルギーを前記接続されたアキュムレータステージ（Ｅｔｉ）に転送するように構成された制御デバイス（３）とを含むことを特徴とする充電均等化システム。
【請求項２】
−カソードが前記インダクタ（Ｌ１ｉ、Ｌ１０ｉ）の第１の端子に接続され、アノードが前記少なくとも１つの第１のダイオード（Ｄ１ｉ）の前記カソードに接続されている、少なくとも１つの第３のダイオード（Ｄ１０ｉ）と、
−カソードが前記インダクタ（Ｌ２ｉ、Ｌ１０ｉ）の第１の端子に接続され、アノードが前記少なくとも１つの第２のダイオード（Ｄ２ｉ）の前記カソードに接続されている、少なくとも１つの第４のダイオード（Ｄ２０ｉ）とをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の充電均等化システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの第３のダイオード（Ｄ１０ｉ）は、第１のインダクタ（Ｌ１ｉ）に接続され、前記少なくとも１つの第４のダイオード（Ｄ２０ｉ）は、第２のインダクタ（Ｌ２ｉ）に接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の充電均等化システム。
【請求項４】
前記充電デバイス（５）は、
−カソードが前記第１のインダクタ（Ｌ１ｉ）の前記第１の端子に接続され、アノードが前記接続されたアキュムレータステージの前記負極（Ｎｉ）に接続されている、少なくとも１つの第５のダイオード（Ｄ１１ｉ）と、
−カソードが前記第２のインダクタ（Ｌ２ｉ）の前記第１の端子に接続され、アノードが前記接続されたアキュムレータステージの前記負極（Ｎｉ）に接続されている、少なくとも１つの第６のダイオード（Ｄ２１ｉ）とをさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の充電均等化システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第３のダイオード（Ｄ１０ｉ）、および前記少なくとも１つの第４のダイオード（Ｄ２０ｉ）は、同一のインダクタ（Ｌ１０ｉ）に接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の充電均等化システム。
【請求項６】
前記充電デバイス（５）は、カソードが前記インダクタ（Ｌ１０ｉ）の前記第１の端子に接続され、アノードが前記接続されたアキュムレータステージの前記負極（Ｎｉ）に接続されている、少なくとも１つの第５のダイオード（Ｄ１００ｉ）をさらに含むことを特徴とする、請求項５に記載の充電均等化システム。
【請求項７】
前記充電デバイス（５）は、充電段階の間は、前記接続されたアキュムレータステージ（Ｅｔｉ）の電圧レベルおよび前記電池（１）の電圧レベルとは無関係に、不連続導電のもとで動作するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の充電均等化システム。
【請求項８】
前記アキュムレータ（Ａｉｊ）は、リチウムイオンタイプであることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の充電均等化システム。
【請求項９】
前記電池は、スーパーキャパシタを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の充電均等化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学アキュムレータ電池のための充電均等化システムに関する。特に、電気転送システム、ハイブリッド転送システム、および搭載システムの分野で使用することができる電気化学アキュムレータ電池のための均等化システムに関する。本発明は、特に、ここで述べる応用に適するリチウムイオン（Ｌｉイオン）タイプの電池に関する。これは、リチウムイオンタイプの電池は、小さな質量で高いエネルギーを蓄積できる可能性があるからである。本発明はまた、スーパーキャパシタに対しても適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
電気化学アキュムレータは、数ボルト程度の値の公称電圧値を有する。より正確に言うと、燐酸鉄に基づいたＬｉイオン電池では、３．３Ｖであり、また、酸化コバルトに基づいたＬｉイオン技術を使用すれば、４．２Ｖが得られる。この電圧が、給電されるべきシステムの要求条件と比較して低過ぎる場合には、いくつかのアキュムレータを直列に接続して配置する。また、直列に接続した各アキュムレータを、並列に接続して配置することも可能である。複数のアキュムレータを並列に接続することにより、利用可能な容量が増大し、より大きな電流および電力を供給することができる。従って、並列に接続したアキュムレータは、ステージを形成する。１つのステージは、最も小さい場合で１つのアキュムレータから構成される。これらのステージを直列に接続して、所望の電圧レベルを得ることができる。接続されたアキュムレータは、アキュムレータ電池と呼ばれる。
【０００３】
アキュムレータの充電または放電が行われると、その端子間電圧は、それぞれ、増大または減衰して行く。アキュムレータは、電気化学的過程によって規定される電圧レベルに到達した時に、充電された、または放電したと考えることができる。いくつかのアキュムレータステージを使用している回路では、それらのステージを通して流れる電流は、同じである。従って、ステージの充電または放電のレベルは、アキュムレータの本来固有の特性に依存する。すなわち、電解質の、または電極と電解質との間の、本来固有の容量と、直列および並列の内部寄生抵抗とに依存する。従って、ステージの間の電圧の差は、製造時およびエージングのばらつきによって生ずる可能性がある。
【０００４】
Ｌｉイオン技術のアキュムレータに対しては、閾値電圧と呼ばれる値よりも、高いまたは低い電圧は、アキュムレータを損傷または破壊する可能性がある。例えば、酸化コバルトに基づいたＬｉイオンアキュムレータの過充電は、それらの熱的暴走を引き起こし、発火させる可能性がある。燐酸鉄に基づいたＬｉイオンアキュムレータに対しては、過充電は、電解質の分解を引き起こし、それにより、その寿命が低下する、またはアキュムレータに障害を与える可能性がある。大きすぎる放電は、電圧を、例えば２Ｖよりも低くしてしまい、負電極電流コレクタが銅でできている場合には、主として、その電極の酸化を引き起こし、これによりアキュムレータの障害が発生する。従って、充電および放電している時には、安全性と信頼性の上から、各アキュムレータステージの端子間電圧を監視することが是非とも必要になる。各ステージに並列に接続されたデバイス（監視デバイスと呼ばれる）によって、この機能を確保することができる。
【０００５】
監視デバイスの機能は、各アキュムレータステージの充電および放電の状態を追尾し、その情報を駆動回路に送信することにより、ステージがその閾値電圧に到達したときには、電池の充電または放電を停止させることである。しかしながら、直列に接続されて配置されているいくつかのアキュムレータステージを有する電池では、最も高く充電されたステージが、その閾値電圧に到達した時に充電が停止されたとしても、他のステージはまだ十分に充電されていない可能性がある。また反対に、最も多く放電したステージが、その閾値電圧に到達した時に放電を停止したとしても、他のステージはまだ十分に放電していない可能性がある。従って、各アキュムレータステージに充電された電気は、最適には利用されてはおらず、これは、高い自律性が要求される転送タイプおよび搭載タイプの応用においては、重要な問題である。この問題を緩和するために、一般的に均等化デバイスには監視デバイスが接続されている。
【０００６】
従って、均等化デバイスの機能は、直列に接続されて構成されているアキュムレータステージの充電および／または放電の状態を、各ステージで同一の状態にすることにより、電池の充電と、動作の自律性とを最適にすることである。均等化デバイスには、２つのカテゴリーが存在する。これらは、エネルギー消費均等化デバイス、およびエネルギー転送均等化デバイスと呼ばれるタイプである。
【０００７】
エネルギー消費均等化デバイスでは、閾値電圧に到達した１つ以上のステージの充電電流をバイパスさせて、抵抗体にエネルギーを消費させることにより、ステージの端子間電圧を、を均一にするものである。これの変形として、閾値電圧に到達した１つ以上のステージを放電させることにより、ステージの端子間電圧を均一にするというデバイスもある。しかしながら、これらのエネルギー消費均等化デバイスは、電池を充電するために必要なエネルギーよりも多くのエネルギーが消費されるということが主要な欠点である。実際、この回路では、いくつかのアキュムレータを放電させ、またはいくつかのアキュムレータでは充電電流を変化させることにより、まだ十分には充電されていない、最後の１つまたは複数のアキュムレータの充電を完了させるということが必要になる。従って、充電を完了するまでに必要なエネルギーよりも、ずっと多くのエネルギーが消費される可能性がある。さらに、過剰なエネルギーは熱として消費され、これは、転送タイプおよび搭載タイプの応用の中で一体化しようとする場合の制約条件には適合しないものである。また、温度上昇によって、アキュムレータの寿命は、大幅に短縮される。
【０００８】
エネルギー転送均等化デバイスでは、アキュムレータ電池または補助エネルギーネットワークと、アキュムレータステージとの間でエネルギーの交換を行う。
【０００９】
例えば、特許文献１には、１つのデバイスが開示されている。このデバイスは、いくつかの出力を有する「フライバック」構造を通して、補助ネットワークからステージへ、エネルギーを転送するができ、また、蓄積要素として結合インダクタを使用している。結合インダクタは、特定の構成要素である。その理由は、この結合インダクタは、この応用に対して専用の構成要素であるからである。このような構成要素にかかる経費は、実行するべき機能に対して、余りにも高いものになる。
【００１０】
特許文献２には、別のデバイスが開示されている。このデバイスは、ステージから電池へ、エネルギーを転送することができ、この場合には、蓄積要素としてアキュムレータ毎に１つのインダクタを使用している。しかしながら、このデバイスは、転送タイプおよび搭載タイプの利用における電池の均等化に対して、最適なエネルギー転送を選択しているものではない。実際、電池の充電の完了は、最後に閾値電圧に到達したステージによって決定される。電池の充電を完了するために、１つ以上のステージからエネルギーがタップオフされて、エネルギーは全てのステージに戻ってくる。従って、１つ以上のアキュムレータステージが十分な充電の僅かに手前にある場合に、エネルギーは、エネルギーを必要とするステージに優先的に転送されるのではなく、エネルギーがタップオフされたステージにも等しく転送される。従って、充電の終了時に、全てのステージからエネルギーをタップオフすることにより、各ステージの充電電圧が高過ぎないようにする均等化が必要になる。従って、この場合の均等化では、動作する変換器の数が多いので、高い損失が伴う。さらに、電流の無効な交流または直流成分が、既に充電を完了したアキュムレータを通過することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５６５９２３７号明細書
【特許文献２】中国特許第１９０５２５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、従来技術のこれらの欠点を示さない、改善された充電均等化デバイスを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の主題は、充電均等化システムであり、この充電均等化システムは、直列に接続された少なくとも２つのアキュムレータステージを備え、各アキュムレータステージは、少なくとも１つのアキュムレータを備えている。前記システムは、
−少なくとも１つの正極と少なくとも１つの負極とを有する、少なくとも１つの電圧発生器と、
−各アキュムレータステージに接続され、前記少なくとも１つの電圧発生器によって給電される充電デバイスであって、
少なくとも１つのインダクタと、
第１の端子が前記少なくとも１つの電圧発生器の前記正極に接続されている、少なくとも１つの第１のキャパシタと、
第１の端子が前記電圧発生器の前記負極に接続されている、少なくとも１つの第２のキャパシタと、
アノードが前記アキュムレータステージの負極に接続され、カソードが前記少なくとも１つの第１のキャパシタの第２の端子に接続されている、少なくとも１つの第１のダイオードと、
アノードが前記アキュムレータステージの負極に接続され、カソードが前記少なくとも１つの第２のキャパシタの第２の端子に接続されている、少なくとも１つの第２のダイオードと、
第１の端子が直接にまたは間接的に少なくとも１つのインダクタに接続され、第２の端子が前記アキュムレータステージの正極に接続されている、少なくとも１つのスイッチとを備えている充電デバイスと、
−前記少なくとも１つの電圧発生器を制御し、充電されるべきアキュムレータステージに接続された充電デバイスの前記少なくとも１つのスイッチを閉塞して、前記少なくとも１つのインダクタはエネルギーを蓄え、前記接続されたアキュムレータステージに、このエネルギーを転送するように構成されている制御デバイスとを含むことを特徴としている。
【００１４】
本発明の充電均等化システムは、次に示す特徴の中の１つ以上を、個別に、または組み合わせて具備することができる。
−前記システムは、カソードが前記インダクタの第１の端子に接続され、アノードが前記少なくとも１つの第１のダイオードのカソードに接続されている、少なくとも１つの第３のダイオードと、カソードが前記インダクタの第１の端子に接続され、アノードが前記少なくとも１つの第２のダイオードのカソードに接続されている、少なくとも１つの第４のダイオードとをさらに含んでいる。
−前記少なくとも１つの第３のダイオードは、第１のインダクタに接続され、前記少なくとも１つの第４のダイオードは第２のインダクタに接続されている。
−前記充電デバイスは、カソードが前記第１のインダクタの第１の端子に接続され、アノードが、対応したアキュムレータステージの負極に接続されている、少なくとも１つの第５のダイオードと、カソードが前記第２のインダクタの第１の端子に接続され、アノードが、対応したアキュムレータステージの負極に接続されている、少なくとも１つの第６のダイオードとを更に含んでいる。
−前記少なくとも１つの第３のダイオード、および前記少なくとも１つの第４のダイオードは、１つかつ同一のインダクタに接続されている。
−前記充電デバイスは、カソードが前記インダクタの第１の端子に接続され、アノードが、対応したアキュムレータステージの負極に接続されている、少なくとも１つの第５のダイオードとをさらに含んでいる。
−前記充電デバイスは、充電段階では、対応したアキュムレータステージの電圧レベルと電池の電圧レベルとには無関係に、不連続導電のもとで動作するように構成されている。
−アキュムレータは、リチウムイオンタイプである。
−電池は、スーパーキャパシタを含んでいる。
【００１５】
本発明のその他の特徴および利点は、例示的かつ非限定的な例として示す、以下の記述を読み、また添付の図面を参照することによって、より明らかになると思う。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】アキュムレータステージの直列接続を含む電池と、この電池のための充電均等化システムとを示す図であり、充電均等化システムは、アキュムレータステージごと１つの充電デバイスと電圧発生器とを含んでいる。
【図２】各充電デバイスに対する電圧発生器を含む、図１に示す均等化システムの１つの変形を示す図である。
【図３】要素モジュールごと１つの電圧発生器を含む、図１に示す均等化システムの別の変形を示す図であり、要素モジュールは、直列に接続された所定の数のアキュムレータステージを含んでいる。
【図４】要素モジュールごと更なる充電デバイスを含む、図３に示す均等化システムの別の変形を示す図である。
【図５ａ】等化システムのための充電デバイスの第１の実施形態を示す図である。
【図５ｂ】図５ａに示す充電デバイスの実施形態に対する第１の変形を示す図である。
【図５ｃ】図５ａに示す充電デバイスの実施形態に対する第２の変形を示す図である。
【図６】図５ａ〜図５ｃ、図１１、図１２、および図１３に示す充電デバイスに接続される電圧発生器の典型的な実施形態を示す図である。
【図７】図６に示す電圧発生器の実施形態の変形を示す図である。
【図８】図６に示す電圧発生器の実施形態の第２の変形を示す図である。
【図９】図６に示す電圧発生器の実施形態の第３の変形を示す図である。
【図１０】図５ａ、図５ｂ、および図５ｃに示す充電デバイスにおける種々の電流の変化を時間の関数として示す図である。
【図１１】均等化システムのための充電デバイスの第２の実施形態を示す図である。
【図１２】均等化システムのための充電デバイスの第３の実施形態を示す図である。
【図１３】均等化システムのための充電デバイスの第４の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
これらの図においては、実質的に同一の要素には、同じ符号を付してある。
【００１８】
図１は、アキュムレータ電池１を示す。この電池１は、直列に接続されたＮステージ（Ｅｔｉで示す）から構成されている。各ステージＥｔｉは、１つのアキュムレータまたは並列に接続された複数のアキュムレータ（Ａｉｊ）から構成されている。ここで、下添え字ｉは、ステージの数を表し、この下添え字ｉは、図１に示された例では、１からＮまで変化する。また、下添え字ｊは、所与のステージの中の各アキュムレータの数を表し、この下添え字ｊは、ここに示された例では、１からＭまで変化する。１つかつ同一のステージＥｔｉの各アキュムレータＡｉｊの端子は、電気接続により互いに結合されており、各ステージＥｔｉもまた、電気接続によって隣接したステージＥｔｉに結合している。
【００１９】
本発明の主題は、上記で述べたアキュムレータ電池１のための充電均等化システム２に関し、アキュムレータ電池１は、直列に接続された少なくとも２つのステージＥｔｉを含んでいる。
【００２０】
更に、充電均等化システム２は、制御デバイス３、および複数の同一の充電デバイス５を含んでいる。充電デバイス５は、それぞれ、アキュムレータステージＥｔｉ、および１つの電圧発生器７（図１）または複数の電圧発生器７（図２、図３、および図４）に接続されている。
【００２１】
充電デバイス５および電圧発生器７は、制御デバイス３によって制御される。
【００２２】
均等化システム２は、各ステージＥｔｉの電圧を測定し、電圧情報を制御デバイス３に転送するための電圧測定デバイス（図示せず）をさらに含むことができる。制御デバイス３は、この電圧情報に基づいて、アキュムレータステージＥｔｉは充電されるべきか否かを判定することができ、従って、アキュムレータステージに並列に接続された充電デバイス５とそれに対応する電圧発生器７を制御することができる。
【００２３】
充電デバイス５は、一方は、各アキュムレータステージＥｔｉの負極（Ｎｉで示されている）と正極（Ｐｉで示されている）とに接続され、他方は、１つ以上の電圧発生器７の正極（ｖ２で示されている）と負極（ｖ１で示されている）とに接続されている。
【００２４】
単一の電圧発生器７が使用される場合（図１）には、電圧発生器７は、全ての充電デバイス５に接続される。
【００２５】
複数の電圧発生器７が使用される場合には、電圧発生器７の数がステージＥｔｉの数に等しければ、各電圧発生器７は、１つの充電デバイス５に接続される。その例が、図２に示されている。
【００２６】
図３に示されている別の代替的実施形態のように、電圧発生器７の数がステージＥｔｉの数よりも少ない場合には、電圧発生器７は、複数の充電デバイス５に接続することができる。
【００２７】
例として、電気車両の場合のように、直列に接続された非常に多くの数のアキュムレータステージＥｔｉが使用される場合（例えば、１００個のアキュムレータが直列に接続される場合）には、電池１は、要素モジュール９（図３）の直列接続で構成することができる。この場合、各要素モジュール９は、例えば、直列に接続された１０ないし１２のアキュムレータステージＥｔｉを含んでいる。従って、電圧発生器７は、１０ないし１２の要素の端子の両端に接続される。ダイオードおよび制御スイッチの絶縁耐圧は、Ｌｉイオン電池の技術によって決まり、約４５Ｖから６０Ｖである。この値は、半導体分野では、規格化された絶縁耐圧値である。電気車両に対する場合のように、非常に多くの数の要素モジュール９を維持することが容易になる。
【００２８】
さらに、アキュムレータステージＥｔｉごとの充電デバイス５に加えて、直列に接続されたＮステージに対して１つの充電デバイス５を使用する構成とすることも可能である。これは、図４に示されている。この変形によって、これらＮ個の隣接したステージの間で、従って直列に接続された要素モジュール９の間で、エネルギーを転送することが可能になる。この場合には、１つ以上の追加的な電圧発生器７を使用して、Ｎ個のステージの端子に接続された充電デバイス５に対してエネルギーを供給する。
【００２９】
電圧発生器７は、充電デバイス５に対して電圧パルスを供給する。この電圧パルスは、正または負の電圧パルスであるか、または正極性および負極性を有する電圧パルス、更には、異なる波形（例えば、矩形波または正弦波）である。
【００３０】
次に、充電均等化システム２の種々の実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
【００３１】
［充電デバイス］
図５ａに示すように、第１の実施形態においては、充電デバイス５は、
−第１のインダクタＬ１ｉと、
−第２のインダクタＬ２ｉと、
−第１の端子が電圧発生器７の極ｖ２に接続され、第２の端子が第１のインダクタＬ１ｉの第１の端子に接続されている、第１のキャパシタＣ１ｉと、
−第１の端子が電圧発生器７の極ｖ１に接続され、第２の端子が第２のインダクタＬ２ｉの第１の端子に接続されている、第２のキャパシタＣ２ｉと、
−アノードおよびカソードが、それぞれ、ステージの極ＮｉおよびキャパシタＣ１ｉの第２の端子に接続されている、第１のダイオードＤ１ｉと、
−アノードおよびカソードが、それぞれ、ステージの極Ｎｉおよび第２のインダクタＬ２ｉの第１の端子に接続されている、第２のダイオードＤ２ｉと、
−第１の端子が２つのインダクタＬ１ｉおよびＬ２ｉの第２の端子に接続され、第２の端子がアキュムレータステージの極Ｐｉに接続されているスイッチＳＷ１ｉ（例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ）とを含んでいる。
【００３２】
この充電デバイス５は、正電圧および負電圧の矩形波を供給する電圧発生器７とともに使用されるようになっている。
【００３３】
充電デバイス５のこの実施形態に対するスイッチＳＷ１ｉを異なる位置に置いた例を、図５ｂおよび図５ｃに示す。
【００３４】
図５ｂでは、スイッチＳＷ１ｉは、その第１の端子は、電圧発生器７の正極ｖ２に接続され、その第２の端子は、第１のキャパシタＣ１ｉの第１の端子に接続されている。２つのインダクタＬ１ｉおよびＬ２ｉは、アキュムレータステージの極Ｐｉに接続されている。
【００３５】
図５ｃでは、スイッチＳＷ１ｉの第１の端子は、第１のキャパシタＣ１ｉの第２の端子に接続され、スイッチＳＷ１ｉの第２の端子は、第１のダイオードＤ１ｉのカソードに接続されている。
【００３６】
さらに、図５ｂおよび図５ｃに示すように、追加的なスイッチＳＷ１１ｉは、電圧発生器７の出力ｖ１および第２のキャパシタＣ２ｉの第１の端子（図５ｂ）に、または、第２のキャパシタＣ２ｉの第２の端子および第２のダイオードＤ２ｉのカソード（図５ｃ）に接続される。
【００３７】
スイッチＳＷ１ｉを、これらの２つの他の可能な位置（例として、図５ｂおよび５ｃに示されている）に置くことによって、充電デバイス５のスイッチＳＷ１ｉが開放状態になって電圧発生器７が制御されているときに、電圧発生器７の構成要素と充電デバイス５の構成要素との間でエネルギーの交換が行われることを回避することが可能になる。
【００３８】
制御デバイス３によって、スイッチＳＷ１ｉおよび／またはスイッチＳＷ１１ｉ（スイッチＳＷ１１ｉが存在する場合には）を開閉することが可能になる。
【００３９】
上記で述べた充電デバイス５は、連続導電状態、また不連続導電状態のどちらにおいても、同様に良好に動作する。
【００４０】
不連続導電状態において動作することが望ましい。その理由は、その方が充電デバイス５の実施が容易であり、また費用も低くて済むからである。
【００４１】
実際、不連続導電モードでは、インダクタＬ１ｉを通して流れる電流は、充電デバイス５の各動作期間Ｔの前にはゼロになるようになっている。電圧発生器７がエネルギーを供給しているときには、インダクタＬ１ｉを通して流れる電流の値は、インダクタＬ１ｉの両端に印加された電圧と、インダクタＬ１ｉの中にエネルギーが蓄積される時間と、インダクタＬ１ｉの値とから導き出すことができる。これに引き続いて、電圧発生器７を、固定した導電時間で制御することができる。
【００４２】
別の実施形態は、各充電デバイス５に対して、それぞれのダイオードの代わりに、１つの制御スイッチを使用することである。これにより、同期型と呼ばれる整流が可能になる。構成要素が導通状態の時の電圧降下が減少することにより、充電デバイス５の効率を上昇させることができる。
［電圧発生器］
【００４３】
出力として正電圧と負電圧とを有する矩形波を生成する、電圧発生器７の種々の実施形態を、図６〜図９に示す。
【００４４】
電圧発生器７は、要素モジュール９の端子、また電池１の端子、さらには、補助電源（例えば、１２Ｖ車両電源）に接続することもできる。
【００４５】
電圧発生器の第１の典型的な実施形態では、完全ブリッジを使用する。この完全ブリッジは、４つのスイッチＳＷ２ｉ〜ＳＷ５ｉと、変成器Ｔ１ｉ（図６に示す）、または変成器Ｔ１ｉの変形（図７に示す）とを有する。この変形例においては、変成器Ｔ１ｉは、１つの１次巻線と複数の２次巻線とから構成されている。
【００４６】
複数の２次巻線を使用することによって、充電デバイス５のキャパシタの絶縁耐圧を減少させることが可能になる。
【００４７】
電圧発生器７の第２の典型的な実施形態を図８に示す。この実施形態では、２つのスイッチＳＷ２ｉおよびＳＷ３ｉを有するハーフブリッジと変成器Ｔ１ｉとを使用している。変成器Ｔ１ｉの１次巻線は、２つのスイッチＳＷ２ｉおよびＳＷ３ｉの中点と、２つのキャパシタＣ４ｉおよびＣ５ｉの中点との間に接続されている。
【００４８】
この第２の典型的な実施形態は、第１の例と比較して、スイッチの数を減少させることができ、また、変成器Ｔ１ｉの１次巻線に直列に接続されたキャパシタＣ４ｉおよびＣ５ｉによって、スイッチに対する制御シーケンスの不平衡による、変成器の飽和が生ずる危険を防ぐことができるという利点を有する。
【００４９】
電圧発生器の第３の典型的な実施形態では、１次巻線のところに中点を有する変成器Ｔ１ｉと２つのスイッチＳＷ２ｉおよびＳＷ３ｉとを使用している（図９）。この第３の典型的な実施形態の利点は、２つのスイッチＳＷ２ｉおよびＳＷ３ｉの制御に対して、共通の基準があるということである。
【００５０】
いずれの電圧発生器７を使用する場合でも、スイッチＳＷ２ｉおよびＳＷ３ｉの導電時間は、各充電デバイス５が不連続導電状態の中で動作するように定めることができる。
［動作］
【００５１】
次に、充電デバイス５と電圧発生器７とを含む充電等化システム２の動作について説明する。この充電デバイス５は、例として、図５ａに第１の実施形態として示されており、また電圧発生器７は図８に示されている。
【００５２】
充電デバイス５によって、充電されている特定のステージにおける充電動作を追尾することが可能になる。以前に説明した理由から、不連続導電状態の中で動作するように設定することが望ましい。
【００５３】
例えば、制御デバイス３がステージＥｔｉに対するエネルギーの転送を制御するときには、これを例えば、ステージＥｔ１に転送するとすれば、対応するステージＥｔ１と並列に接続されている充電デバイス５のスイッチＳＷ１１は、制御デバイス３によって閉塞される。
【００５４】
充電デバイス５に給電している電圧発生器７もまた、制御デバイス３によって活性化される。
【００５５】
各ステージと並列に接続されている充電デバイス５のスイッチＳＷ１ｉが開放状態である限り、ステージＥｔ１に直列に接続されているステージは、充電されない。
【００５６】
充電デバイス５が動作状態に設定され、電圧発生器７が事前に動作している場合には、スイッチＳＷ１ｉの閉塞速度を、ステージに過大な電流を供給しないように制御されなければならない
【００５７】
スイッチがブロック状態にあり、かつこの状態の時にいずれの電流も通過させないという場合には、スイッチは完全であると考えられる。
【００５８】
図５ａ、図８、および図１０に示すように、導電時間ｔ１の間は、電圧発生器７の端子ｖ２と端子ｖ１との間には、正電圧が印加される。
【００５９】
スイッチＳＷ２１は閉塞され、スイッチＳＷ３１は開放されている。従って、電圧発生器７は、スイッチＳＷ２１が閉塞され、スイッチＳＷ３１が開放されている間は、正電圧の矩形波を供給する。
【００６０】
時間ｔ１の間は、エネルギーは、インダクタＬ１１の中に蓄えられる。インダクタＬ１１を通して流れる電流は、その端子に印加された電圧に比例して増加する。この電圧は、変成器Ｔ１１の２次巻線の電圧から、充電されているステージＥｔ１の電圧を差し引いた値と近似的に等しい。
【００６１】
電流は、ステージＥｔ１だけを通して流れる。
【００６２】
動作状態にある充電デバイス５のキャパシタＣ１１およびＣ２１を通して流れる電流は、インダクタＬ１１を通して流れる電流と等しい。キャパシタＣ１１およびＣ２１は、十分に大きな値を有するので、インダクタＬ１１およびＬ２１の端子間の電圧を殆ど一定値に保つために必要な電流を送ることができる。
【００６３】
この時間ｔ１の間は、充電デバイス５の第２のダイオードＤ２１は、導通状態となり、第１のダイオードＤ１１はブロック状態になる。
【００６４】
時間ｔ１の後に、電圧発生器７のスイッチＳＷ２１は開放される。
【００６５】
この時刻に、インダクタＬ１１を流れる電流は、ピーク値Ｉｐｉｃに到達する。このピーク値Ｉｐｉｃは、電圧発生器がエネルギーを供給しているときにインダクタＬ１１の両端に印加された電圧に、ｔ１を乗じてインダクタＬ１１の値で割った値と近似的に等しい。この公式は、充電デバイス５の各動作期間の前には、インダクタを流れる電流がゼロであると考えられる限り、近似的に成り立つ。
【００６６】
時間ｔ１の後で、動作期間の半分の時間（Ｔ/２）の間は、電圧発生器７は、ステージＥｔ１の充電デバイス５の端子ｖ２およびｖ１に対して、電圧値ゼロを与える（図６および図９）か、または電圧を与えない（図８）。スイッチＳＷ３１およびＳＷ２１は開放状態である。インダクタＬ１１を通して流れる電流は、その両端子に印加された電圧に比例して減少する。
【００６７】
この段階にある間は、第２のダイオードＤ２１はブロック状態にある。
【００６８】
インダクタＬ１１およびＬ２１を通して流れる電流が、互いに打ち消されてその和がゼロになるまで、第１のダイオードＤ１１は、導通状態にある。従って、第１のダイオードＤ１１は、インダクタＬ１１を通して電流を流し、またインダクタＬ２１を通しても電流を流す。インダクタＬ２１を通して流れる電流は、変成器の２次巻線のインピーダンスが、インダクタＬ１１およびＬ２１のインピーダンスと比較して、十分に大きな値である限り、この段階の間は、一定であると考えられる。インダクタＬ２１を通して流れる電流は、変成器磁化電流と等しい。これは、図１０ではＩｍで示されている。
【００６９】
第１のダイオードＤ１１がブロック状態であるときには、インダクタＬ２１を通して流れる電流は、もはやステージを通しては流れず、その値は、インダクタＬ１１を通して反対方向に流れる電流値に等しくなる。
【００７０】
半分の期間Ｔ/２の後で、時間Ｔ/２に時間ｔ１を加えた時刻までは、電圧発生器の端子ｖ２およびｖ１の間には、負電圧が印加される。スイッチＳＷ３１は閉塞され、スイッチＳＷ２１は開放される。エネルギーはインダクタＬ２１の中に蓄えられる。インダクタＬ２１を通して流れる電流は、その両端に印加された電圧に比例して増加する。電流は、充電状態にあるステージＥｔ１を通してのみ流れる。動作状態にある充電デバイスのキャパシタＣ１１およびＣ２１を通して流れる電流は、インダクタＬ２１を通して流れる電流と等しい。
【００７１】
この段階の間は、第１のダイオードＤ１１は、導通状態にある。第２のダイオードＤ２１は、ブロック状態にある。
【００７２】
時間Ｔ/２プラスｔ１の後には、スイッチＳＷ３１は開放される。この時刻に、インダクタＬ２１を流れる電流は、ピーク値Ｉｐｉｃに到達する。このピーク値Ｉｐｉｃは、電圧発生器７がエネルギーを供給しているときにインダクタＬ２１の両端に印加された電圧に、ｔ１を乗じてインダクタの値で割った値に近似的に等しい。以前と同様に、この公式は、充電デバイス５の各動作時間の前には、インダクタを流れる電流がゼロであると考えられる限り、近似的に成り立つ。
【００７３】
時間（Ｔ/２＋ｔ１）の後は、期間Ｔの最後まで、電圧発生器７は、ステージＥｔ１の充電デバイス５の端子ｖ２およびｖ１の間に、電圧値を与えない。スイッチＳＷ３１およびＳＷ２１は、開放状態にある。インダクタＬ２１を通して流れる電流は、その両端に印加された電圧に比例して減少する。
【００７４】
この段階の間は、第１のダイオードＤ１１はブロック状態にある。
【００７５】
充電状態にあるインダクタＬ１１およびＬ２１を通して流れる電流が、打ち消し合って合計がゼロになるまで、第２のダイオードＤ２１は、導通状態にある。第２のダイオードＤ２１は、インダクタＬ２１を通して電流を流し、またインダクタＬ１１を通しても電流を流す。インダクタＬ１１を通して流れる電流は、変成器磁化電流（Ｉｍ）と等しい。
【００７６】
第２のダイオードＤ２１がブロック状態であるときには、インダクタＬ１１を通して流れる電流は、もはやステージを通しては流れず、その値は、インダクタＬ２１を通して反対方向に流れる電流値と等しくなる。
【００７７】
期間Ｔの終わりに、スイッチＳＷ１１がまだ閉塞状態にある場合には、新しい動作シーケンスが開始される。電圧発生器７は、電池が短絡されることがないように、２つのスイッチＳＷ２１およびＳＷ３１が、同時にオン状態にはならないように制御される。
［第２の実施形態］
【００７８】
図１１に示す第２の実施形態においては、充電デバイス５は、
−第１のインダクタＬ１ｉに直列にマウントされ、カソードが第１のインダクタＬ１ｉの第１の端子に接続され、アノードが第１のダイオードＤ１ｉのカソードに接続されている、第３のダイオードＤ１０ｉと、
−第２のインダクタＬ２ｉに直列にマウントされ、カソードが第２のインダクタＬ２ｉの第１の端子に接続され、アノードが第２のダイオードＤ２ｉのカソードに接続されている、第４のダイオードＤ２０ｉとを更に含んでいる。
【００７９】
第２の実施形態における充電デバイス５を有する充電均等化システム２の動作は、第１の実施形態の動作と実質的に同一である。
【００８０】
しかしながら、第１のインダクタＬ１ｉが時間ｔ１の間にエネルギーを蓄積しているときには、第２のダイオードＤ２ｉは導通状態になり、第１のダイオードＤ１ｉはブロック状態になる。また、第２のインダクタＬ２ｉに直列にマウントされている第４のダイオードＤ２０ｉもまたブロック状態になって、電流が第２のインダクタＬ２ｉを通して流れるのを防いでいる。
【００８１】
同様に、第２のインダクタＬ２ｉがエネルギーを蓄積するときには、第１のダイオードＤ１ｉが導通状態になり、第２のダイオードＤ２ｉはブロック状態になる。そして、第１のインダクタＬ１ｉと直列にマウントされている第３のダイオードＤ１０ｉもまたブロック状態になって、電流が第１のインダクタＬ１ｉを通して流れるのを防いでいる。
【００８２】
上記のように、スイッチＳＷ３１またはＳＷ２１が開放になった時に、それぞれ、インダクタＬ１ｉまたはＬ２ｉの両端に発生する過電圧を防いでいる。
［第３の実施形態］
【００８３】
図１２に示す第３の実施形態では、充電デバイス５は、第２の実施形態と比較して、
−カソードが第１のインダクタＬ１ｉの第１の端子と第３のダイオードＤ１０ｉのカソードとに接続され、アノードが、対応するアキュムレータステージの負極Ｎｉに接続されている、第５のダイオードＤ１１ｉと、
−カソードが第２のインダクタＬ２ｉの第１の端子と第４のダイオードＤ２０ｉのカソードとに接続され、アノードが、対応するアキュムレータステージの負極Ｎｉに接続されている、第６のダイオードＤ２１ｉとを更に含んでいる。
【００８４】
第３の実施形態における充電デバイス５を有する充電均等化システム２の動作は、第２の実施形態の動作と同一である。しかしながら、第５のダイオードＤ１１ｉと第６のダイオードＤ２１ｉとによって、第２の実施形態と比較して、より高いエネルギー転送効率を得ることができる。この理由は、第３の実施形態では、インダクタＬ１ｉおよびＬ２ｉを通して流れる電流が減少する時に、エネルギー転送効率は、ダイオードＤ１１ｉまたはダイオードＤ２１ｉの単一の閾値に依存するからであり、第２の実施形態におけるように、ダイオードＤ１ｉおよびＤ１０ｉ、またはＤ２ｉおよびＤ２０ｉの２つの閾値に依存している場合とは異なるからである。これによって、時刻ｔ１からインダクタを通して流れる電流がゼロになる時刻までのフリーホイール段階でのダイオードによる損失が最小になる。このフリーホイール段階は、最も長い時間を占めている。
［第４の実施形態］
【００８５】
最後に、第４の実施形態を図１３に示す。この場合には、充電デバイス５は、第３の実施形態の場合とは異なっている。第４の実施形態では、以前説明したように、第１のインダクタＬ１ｉおよび第２のインダクタＬ２ｉがあるのではなく、１つのインダクタＬ１０ｉだけを使用している。
【００８６】
更に正確に言うと、このインダクタＬ１０ｉは、前の実施形態における２つのインダクタＬ１ｉおよびＬ２ｉに対応しており、２つのインダクタＬ１ｉおよびＬ２ｉは、２つの第１の端子が互いに接続されている。並列に接続されていたインダクタＬ１ｉおよびＬ２ｉは、単一のインダクタＬ１０ｉと置換されている。
【００８７】
第４の実施形態における充電デバイス５を有する均等化システム２の動作は、第３の実施形態における動作と同様であるが、次の点が第３の実施形態とは異なっている。すなわち、第４の実施形態では、電圧発生器７の出力電圧の極性に拘わらず、時間ｔ１の間は、単一のインダクタＬ１０ｉがエネルギーを蓄える。電圧発生器７が、変成器Ｔ１ｉの入力をゼロ電圧にするか、または電圧を与えないときにも、単一のダイオードＤ１００ｉによって、インダクタＬ１０ｉを通して流れる電流の連続性が確保される。このダイオードＤ１００ｉは、第３の実施形態と対応させて考えると、並列に接続されている第５のダイオードＤ１１１および第６のダイオードＤ２１１と対応している。
【００８８】
これにより、第３の実施形態と比較して、構成要素の数は減少し、しかも、第３の実施形態と同程度のエネルギー転送効率を発揮させることができる。
【符号の説明】
【００８９】
１  アキュムレータ電池
２  充電均等化システム
３  制御デバイス
５  充電デバイス
７  電圧発生器
９  要素モジュール
【図１】
2013519351.tif 000003
【図２】
2013519351.tif 000004
【図３】
2013519351.tif 000005
【図４】
2013519351.tif 000006
【図５ａ】
2013519351.tif 000007
【図５ｂ】
2013519351.tif 000008
【図５ｃ】
2013519351.tif 000009
【図６】
2013519351.tif 000010
【図７】
2013519351.tif 000011
【図８】
2013519351.tif 000012
【図９】
2013519351.tif 000013
【図１０】
2013519351.tif 000014
【図１１】
2013519351.tif 000015
【図１２】
2013519351.tif 000016
【図１３】
2013519351.tif 000017
【国際調査報告】
2013519351.tif 000018
2013519351.tif 000019
2013519351.tif 000020
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