(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列接続された偶数ｎ個のバッテリセル（１）を有するバッテリの、前記バッテリセル（１）のセルバランシングのための装置であって、ｎは少なくとも４であり、前記ｎ個のバッテリセル（１）は、各隣り合うバッテリセル（１）のｎ／２個の対で構成され、
前記装置は、
前記隣り合うバッテリセル（１）の対のうちの各割り当てられた対と接続されまたは接続可能な複数の電荷平衡ユニットであって、割り当てられた前記隣り合うバッテリセル（１）の対の、前記バッテリセル（１）のセル電圧を互いに平衡化するように構成される前記電荷平衡ユニットと、
前記電荷平衡ユニットと接続された測定装置（１２）であって、前記バッテリセル（１）の対の全セルペア電圧の最小セルペア電圧に比例する電流を増幅により発生させて、前記電流を直列接続されたｎ／２個の抵抗器（１３）へと出力するよう構成される前記測定装置（１２）と、
を備える、前記装置において、
割り当てられたバッテリセル（１）の対の、第１のバッテリセル（１）の第１の極または第２の極と接続された第１の入力口と、各隣り合う前記抵抗器（１３）のうちの第２の抵抗器（１３）と接続された第２の入力口と、各放電ユニット（２５）の制御電極と接続された出力口とをそれぞれが有し、および、前記第１の入力口に印加された第１の電圧と、前記第２の入力口に印加された第２の電圧とを比較して、前記比較の結果に依存する制御信号を出力するよう構成されたｎ／２個の第１の比較器（２４）を特徴とし、
前記放電ユニット（２５）は、各バッテリセル対（１）に対して並列に接続され、および、前記制御信号にしたがって、前記各バッテリセル対（１）から放電電流を流れさせるよう構成される、装置。
【請求項２】
各電荷平衡ユニットは、前記各電荷平衡ユニットに割り当てられたバッテリセル（１）の対の第１のバッテリセル（１）の第１の極、および、前記割り当てられたバッテリセル（１）の対の第２のバッテリセル（１）の第２の極と接続されまたは接続可能な分圧器（２−１、２−２）と、第２の比較器（３）とを備え、
前記第２の比較器（３）は、前記分圧器（２−１、２−２）の中央タップと接続された第１の入力口と、前記第１のバッテリセル（１）の第２の極および前記第２のバッテリセル（１）の第１の極と接続されまたは接続可能な第２の入力口と、前記第２の比較器（３）の前記第２の入力口と接続された出力口とを有し、および、前記第２の比較器（３）の前記第１の入力口の第２の電圧と、前記第２の比較器（３）の前記第２の入力口の第３の電圧との間の電圧差に依存する出力電流を出力するよう構成され、
前記分圧器（２−１、２−２）は、前記バッテリセル（１）の対の前記第１のバッテリセル（１）の前記第１の極と、前記第２のバッテリセル（１）の前記第２の極との間のセルペア電圧の半分に相当する部分電圧を、自身の中央タップで出力するよう構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、複数（ｎ／２−１個）の電位再現装置（２２、２３）を備え、前記電位再現装置（２２、２３）は、前記複数の抵抗器（１３）のうちの２つの隣り合う抵抗器（１３）の間にそれぞれが接続され、および、各前記電位再現装置（２２、２３）に割り当てられたバッテリセル（１）の対の、第１のバッテリセル（１）または第２のバッテリセル（１）の第１の極の電位を再現して、各前記２つの隣り合う抵抗器（１３）のうちの第１の抵抗器（１３）へと出力するよう構成される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記電位再現装置（２２、２３）はそれぞれ、差動増幅器と、ｎｐｎトランジスタとを備え、前記ｎｐｎトランジスタのベースは、前記差動増幅器の出力口と接続され、前記ｎｐｎトランジスタのエミッタは、前記差動増幅器の変換入力口と接続される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記放電ユニット（２５）は、電流制限抵抗器（２６）と、スイッチ（２７）とを含み、
前記スイッチ（２７）は、前記制御信号の第１の論理的レベルに応じて放電電流を流れさせ、前記制御信号の第２の論理的レベルに応じて電流の流れを中断するよう構成され、
前記電流制限抵抗器（２６）は、前記放電電流を制限するよう構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の比較器（２４）は、前記割り当てられたバッテリセル（１）の対のセルペア電圧が、オフセット電圧を加算した前記バッテリセル（１）の対の全セルペア電圧の最小セルペア電圧よりも大きい場合には、前記第１の論理的レベルの前記制御信号を出力するよう構成される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記直列接続された複数の抵抗器（１３）はそれぞれ、前記バッテリセル（１）の対の全セルペア電圧の前記最小セルペア電圧を、前記バッテリセル（１）の対の全セルペア電圧の前記最小セルペア電圧に比例する電流で割った商に相当する抵抗値を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記測定装置（１２）は、ｎ／２個の差動増幅器を有し、各前記差動増幅器は、１対のトランジスタ（１２−１、１２−２）を備え、前記１対のトランジスタのエミッタまたはソースは互いに接続されて、電流源（２０）のための入力口と接続され、前記１対のトランジスタの制御電極は、前記差動増幅器の２つの信号入力口の各１つと接続される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記差動増幅器のうちの第１の差動増幅器の前記電流源（２０）のための前記入力口は、電流源（２０）と接続され、前記１対のトランジスタ（１２−１、１２−２）の前記トランジスタ（１２−１）の一方のトランジスタのコレクタまたはドレインは、前記差動増幅器のうちのさらなる別の差動増幅器の前記電流源（２０）のための前記入力口と接続され、したがって、前記差動増幅器のカスケード化が生じる、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
４より大きくまたは４と等しい偶数個の直列接続されたバッテリセル（１）と、
前記バッテリセル（１）と接続された請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置と、
を備えるバッテリ。
【請求項１１】
車両を駆動するための電動機と、
前記電動機と接続された請求項１０に記載のバッテリと、
を備えた車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直列接続された複数のバッテリセルを備えたバッテリのバッテリセルのバランシング（電荷平衡）のための装置に関し、その際に、本発明に基づいて、マイクロコントローラによる制御は必要ではなく、すなわち、装置は自立的に（ａｕｔｏｎｏｍ）動作する。
【背景技術】
【０００２】
将来的に、定置型の利用において、および、ハイブリット車または電気自動車のような車両においても、バッテリシステムがますます使用されることが明らかである。電圧と、提供される電力とに対する各用途について与えられる要請を満たしうるために、数多くのバッテリセルが直列に接続される。バッテリセルの故障は、直列接続のためにバッテリの故障に繋がり、さらにシステム全体の故障へと繋がるため、特に安全性に関わる適用については、バッテリの信頼性に対する要求が高い。バッテリと個々のバッテリセルとの状態を可能な限り正確に把握し、差し迫ったバッテリセルの故障を適時に検出しうるために、バッテリまたはバッテリセルの他のパラメータと並んで、特にバッテリセルの電圧も定期的に測定される。従来技術では、いわゆるセルバランシング（Ｃｅｌｌ−Ｂａｌａｎｃｉｎｇ）を実施する数多くの方法、すなわち、バッテリの様々なバッテリセルの充電状態を互いに平衡化しようと試みてバッテリの寿命に対してポジティブに影響を与える方法が公知である。このために、バッテリには、個々のバッテリセルのセル電圧、ならびに、バッテリ温度、およびバッテリ電流のような任意の他の測定値を測定して中央制御ユニット（例えば、マイクロコントローラ）へと伝達するユニットが備えられる。制御ユニットは、各バッテリセルについての伝達された測定データから各充電状態を計算し、および、セルバランシングを実行するために必要な、例えば充電状態がより高いバッテリセルを部分的に放電させることによりバッテリ内でバッテリセル間の電荷平衡をもたらす制御信号を生成する。その際に、制御ユニットは、さらなる別のタスクを果たすためにバッテリの外部に配置される。しかしながらこのことには、高いバッテリ電圧（バッテリ駆動型システムの場合数百ボルトであることが多い）と、外部から接触することが可能な低電圧ネットワーク内の、制御ユニットのような構成要素との間の短絡を故障の場合に防止するために、データパス内に絶縁体を配置するというような比較的コストがかかる安全対策を取らねばならないという欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の発明者は、直列接続された２つのバッテリセルの充電状態を互いに平衡化することが可能な、図１に示される電荷平衡ユニットを提案する。このために、上記２つのバッテリセルに対して並列に分圧器が接続され、この分圧器は、上記直列接続された２つのバッテリセルの総電圧を半分にし、このようにして基準電圧を提供する。この基準電圧は、上記直列接続された２つのバッテリセルの間の接続点の電圧と比較され、このために、簡素な差動増幅器、コンパレータまたは比較器が利用されうる。差動増幅器の出力口は上記接続点に接続される。差動増幅器の供給電圧接続部は、２つのバッテリセルの最大電位および最小電位と接続される。
【０００４】
上記２つの隣り合うバッテリセルのセル電圧が互いに異なり、したがって、接続点の電圧が正確には基準電圧と等しくないために差動増幅器の入力口で差動電圧が発生した場合には、差動増幅器は、対応する符号の出力電流を出力し、この出力電流は、この差動信号の原因に対して反作用し、すなわち、より高いセル電圧を有するバッテリセルが放電する。
【０００５】
さらに、このような電荷平衡ユニットの対を接続し、これにより、反復的な相互接続（ｒｅｋｕｒｓｉｖｅ  Ｖｅｒｓｃｈａｌｔｕｎｇ）によって、任意の数２∧ｎ個のバッテリセルを接続することができるという可能性が提案される（図２）。ただし、２乗に限定することはあまり望ましくない。さらに、数が増えるにつれてますます並列に設けられる電荷平衡ユニット内で接続される分圧器は、バッテリへの望まぬ大きな負荷となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本発明に基づいて、直列接続された偶数ｎ個のバッテリセルを有するバッテリの、バッテリセルのセルバランシングのための装置が導入される。その際に、偶数ｎは、少なくとも４であり、ｎ個のバッテリセルは、各隣り合うバッテリセルのｎ／２個の対で構成される。装置は、隣り合うバッテリセルの対のうちの各割り当てられた対と接続されまたは接続可能な複数の電荷平衡ユニットと、電荷平衡ユニットと接続された測定装置とを備える。電荷平衡ユニットは、割り当てられた上記隣り合うバッテリセルの対の、バッテリセルのセル電圧を互いに平衡化するよう構成される。測定ユニットは、バッテリセルの対の全セルペア電圧の最小セルペア電圧に比例する電流を発生させて、直列接続されたｎ／２個の抵抗器へと出力するよう構成される。さらに、割り当てられたバッテリセルの対の、第１のバッテリセルの第１の極または第２の極と接続された第１の入力口と、各隣り合う抵抗器のうちの第２の抵抗器と接続された第２の入力口と、各放電ユニットの制御電極と接続された出力口とをそれぞれが有し、および、第１の入力口に印加された第１の電圧と、第２の入力口に印加された第２の電圧とを比較して、比較の結果に依存する制御信号を出力するよう構成されたｎ／２個の第１の比較器が設けられる。放電ユニットは、各バッテリセル対に対して並列に接続され、および、制御信号にしたがって、各バッテリセル対から放電電流を流れさせるよう構成される。
【０００７】
本発明は、バッテリの任意の偶数個のバッテリセルのセルバランシングを完全に自動的に行うことが可能であり、すなわち、バッテリの外部に配置された制御ユニットによる制御を無くすことが可能であるという利点を有する。このために、全てのバッテリセル対の最小セルペア電圧を決定し、個々のバッテリセル対のセル電圧と、上記最小セル電圧とを比較する簡素な電子回路のみが必要である。任意のバッテリセル対のセルペア電圧が最小セルペア電圧よりも大きい場合には、上記バッテリセル対は、割り当てられた放電ユニットによって放電させられる。その際に、各バッテリセル対の充電状態は、図１との関連で解説したように互いに平衡化される。
【０００８】
本発明に基づいて、このようにして、セルバランシングを制御するための制御ユニットが通常その内部に配置される低電圧ネットワークに対して、バッテリを絶縁するためのコストのかかる措置を無くすことが可能である。
【０００９】
各電荷平衡ユニットは、好適に、各電荷平衡ユニットに割り当てられたバッテリセルの対の、第１のバッテリセルの第１の極、および、上記割り当てられたバッテリセルの対の第２のバッテリセルの第２の極と接続されまたは接続可能な分圧器と、第２の比較器とを備える。その際に、第２の比較器は、分圧器の中央タップと接続された第１の入力口と、第１のバッテリセルの第２の極および第２のバッテリセルの第１の極と接続されまたは接続可能な第２の入力口と、第２の入力口と接続された出力口とを有し、および、第１の入力口の第２の電圧と、第２の入力口の第３の電圧との間の電圧差に依存する出力電流を出力するよう構成される。分圧器は、上記バッテリセルの対の第１のバッテリセルの第１の極と、第２のバッテリセルの第２の極との間のセルペア電圧の半分に相当する部分電圧を、自身の中央タップへと出力するよう構成される。
【００１０】
このような電荷平衡ユニットは簡素に構成され、および、電荷平衡ユニットと接続された２つのバッテリセルの充電状態を継続的に互いに平衡化することを可能とするため、上記２つのバッテリセルは同程度に劣化する。
【００１１】
装置は、複数の抵抗器のうちの２つの隣り合う抵抗器の間にそれぞれが接続され、および、各電位再現装置に割り当てられたバッテリセルの対の、第１のバッテリセルまたは第２のバッテリセルの第１の極の電位を再現して、各２つの隣り合う抵抗器のうちの第１の抵抗器へと出力するよう構成された複数（ｎ／２−１個）の電位再現装置を有しうる。
【００１２】
電位再現装置によって、測定装置により出力された出力電流を、電位再現装置により再現される電位により予め設定される定められた電位により、電位再現装置と接続された抵抗器を通じて案内することが可能となる。これにより、最小セルペア電圧に相当する各抵抗器で落ちる電圧を、各バッテリセル対のセルペア電圧と簡単に比較することが可能である。
【００１３】
電位再現装置はそれぞれ、例えば、差動増幅器と、ｎｐｎトランジスタとを備えることが可能であり、その際、ｎｐｎトランジスタのベースは、差動増幅器の出力口と接続され、ｎｐｎトランジスタのエミッタは、差動増幅器の変換入力口と接続される。最小セル電圧に比例する電流が、ｎｐｎトランジスタのコレクタからｎｐｎトランジスタのエミッタへと流れ、その一方で、差動増幅器の変換入力口へのエミッタ電圧のフィードバックによって、ｎｐｎトランジスタのエミッタの電位が、引き続き、差動増幅器の非変換入力口の電位と等しいことが保証される。
【００１４】
代替的に、電位再現装置はそれぞれ、ｐｎｐトランジスタとｎｐｎトランジスタとを備えることが可能であり、その際に、ｐｎｐトランジスタのベースは、割り当てられたバッテリセルの第１の極と接続され、ｐｎｐトランジスタのエミッタは、ｎｐｎトランジスタのベースと接続され、ｎｐｎトランジスタのエミッタは、各隣り合う２つの抵抗器のうちの第１の抵抗器と接続される。本実施形態の電位再現装置は、２つのトランジスタのベース・エミッタ間電圧が互いに引き上げるため、ｐｎｐトランジスタのベースの電位が、非常に厳密にｎｐｎトランジスタのエミッタで再現されるという利点を有する。その際にさらに、有利に、２つのトランジスタのベース・エミッタ間電圧の温度挙動が、広い温度範囲に渡って等しくまたは少なくとも非常に類似しているため、ベース・エミッタ間電圧の互いの補正は温度に依存して行われる。
【００１５】
放電ユニットは、好適に、電流制限抵抗器と、スイッチとを含み、スイッチは、制御信号の第１の論理的レベルに応じて放電電流を流させ、制御信号の第２の論理的レベルに応じて電流の流れを中断するよう構成される。さらに、電流制限抵抗器は、放電電流を制限するよう構成される。本実施形態による放電ユニットは、特に簡単に実現される。さらに、放電ユニットは、一定の電流制限抵抗により放電電流がセルペア電圧に依存しており、したがって、既に比較的深く放電したバッテリセル対のセルバランシングの際の放電電流は、未だ比較的十分に充電されたバッテリセル対のセルバランシングの際よりも小さい。しかしながら基本的には、制御信号の第１の論理レベルに応じて放電電流を流れさせ、制御信号の第２の論理的レベルに応じて電流の流れを中断するよう構成された各切り替え可能な電流源が、放電ユニットとして利用可能である。
【００１６】
直列接続された複数の抵抗器はそれぞれ、好適に、バッテリセル対の全セルペア電圧の最小セルペア電圧を、バッテリセル対の全セルペア電圧の最小セルペア電圧に比例する電流で割った商に相当する抵抗値を有する。
【００１７】
測定装置は、ｎ／２個の差動増幅器を有し、各差動増幅器は１対のトランジスタを備え、１対のトランジスタのエミッタまたはソースは互いに接続されて、電流源のための入力口と接続され、１対のトランジスタの制御電極は、差動増幅器の２つの信号入力口の各１つと接続される。
【００１８】
その際に好適に、差動増幅器のうちの第１の差動増幅器の電流源のための入力口は、電流源と接続され、上記１対のトランジスタの一方のトランジスタのコレクタまたはドレインは、上記差動増幅器のうちのさらなる別の差動増幅器の電流源のための入力口と接続され、したがって、差動増幅器のカスケード化が生じる。この差動増幅器のカスケード化には、各差動増幅器が、自身より上位に配置される差動増幅器のための電流源として機能するという利点がある。しかしながら、２つのブランチを有する差動増幅器の機能形態に基づいて、電流は、差動増幅器の入力口に印加された電圧にしたがって、差動増幅器の１つのブランチ内のみを流れる。したがって、２つの入力口の電圧が等しく、または、各バッテリセル対の電圧もしくは当該バッテリセル対のうちの選択されたバッテリセルの電圧が、各差動増幅器の他方の入力口に接続された抵抗器の電圧よりも大きい場合にのみ、電流は、全ての差動増幅器を通って、したがって測定装置を通って流れることが可能である。これにより、測定装置の出力口の電流を、全セルペア電圧の最小セルペア電圧に対して比例するように調整する制御システムが獲得される。
【００１９】
本発明の第２の観点は、４より大きくまたは４と等しい偶数個の直列接続されたバッテリセルと、バッテリセルと接続された本発明の第１の観点に係る装置とを備えるバッテリを導入する。
【００２０】
その際に、バッテリセルは、好適にリチウムイオンバッテリである。
【００２１】
本発明の第３の観点は、車両を駆動するための電動機と、電動機と接続された本発明の第２の観点に係るバッテリと、を備えた車両に関する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】１対のバッテリセルを電荷平衡ユニットと共に示す。
【図２】図１に係る２対のバッテリセルと、追加的な電荷平衡ユニットとの接続を示す。
【図３】本発明の枠組みにおいて使用される測定装置の第１の実施例を示す。
【図４】本発明の枠組みにおいて使用される測定装置の第２の実施例を示す。
【図５】本発明の枠組みにおいて使用される測定装置の第３の実施例を示す。
【図６】本発明の枠組みにおいて使用される、本発明に係る第２の比較器と放電ユニットの一実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図３は、本発明の枠組みにおいて使用される測定装置の第１の実施例を示す。図３および図４は、本発明の枠組みにおいて使用される測定装置の機能形態の解説のために役立つ。図５は、複数対のバッテリセルを用いて利用するための測定装置の可能な実現を示す。図３〜図５では、図６で示すさらなる別の回路要素が本発明に基づきそこで接続する接続点Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤに印が付けられている。図６では、接続点Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤにそれぞれ割り当てられる接続が、同じ印を利用して示される。
【００２４】
１対のバッテリセル１の一方のバッテリセル１の第１の極は、ラインに対して直列に、さらなる別の対のバッテリセルと接続され、さらに、トランスインピーダンス増幅器１２の２つの入力口の一方と接続される。トランスインピーダンス増幅器１２の第２の入力口は、抵抗器１３の１の端子と接続され、抵抗器１３の他方の端子は、上記１対のバッテリセルの一方のバッテリセル１の１の極と接続される。示される例では、抵抗器１３は、上記１対のバッテリセルの残っている方のバッテリセルの第２の極と接続され、したがって定常状態では、抵抗器１３の電圧は、上記１対のバッテリセル１のセルペア電圧に相当する。ただし、抵抗器１３を、上記１対のバッテリセルの２つのバッテリセル１の接続点と接続することも同様に可能である。この場合には、定常状態での抵抗器１３の電圧は、図１との関連で解説したような電荷平衡ユニット３により上記１対のバッテリセルの上の方のバッテリセルのセル電圧と等しく保たれる下の方のバッテリセルのセル電圧に相当するであろう。本発明の他の全ての実施形態についても、抵抗器１３はそれぞれ（場合によっては電位再現装置を介して）１対のバッテリセル１の接続点と接続可能であると言える。
【００２５】
トランスインピーダンス増幅器１２の出力口は、示される例ではｎｐｎトランジスタとして実現された流量調整弁１４の制御電極と接続される。しかしながら、他の種類のトランジスタまたは複雑な回路も、流量調整弁１４として使用されうる。この流量調整弁は、抵抗器１３の、トランスインピーダンス増幅器１２と接続された端子と、全ての実施例で例示的に示される本来の電圧測定装置との間に接続される。この電圧測定装置は、公知の抵抗値を有する基準抵抗器１５と、基準抵抗器１５で落ちる電圧を測定する電圧器１６とを備えうる。
【００２６】
トランスインピーダンス増幅器１２は、上記１対のバッテリセル１のセルペア電圧と、抵抗器１３で落ちる電圧とを比較し、この２つの電圧の差分にその値が比例する出力電流を形成する。この出力電流は、流量調整弁１４の制御電極に到達するが、この制御電極には、任意の目標電流源１９を接続することが可能である。この目標電流源１９は一定の電流を導き、流量調整弁１４の動作点の調整のために役立つ。トランスインピーダンス増幅器１２の出力電流は、場合によっては目標電流源１９の一定の電流を除いて、流量調整弁１４を通らせる電流を制御する。より多くの電流に流量調整弁１４を通らせるほど、抵抗器１３で落ちる電圧が大きくなる。このことによって、トランスインピーダンス増幅器１２の１の入力口の電圧は、トランスインピーダンス増幅器１２の他の入力口の電圧に比例して上昇し、これにより入力電圧の差分が減少し、トランスインピーダンス増幅器１２も、対応して自身の出力電流を低減する。しかしながら、抵抗器１３を介して流れる電流が少な過ぎる場合には、トランスインピーダンス増幅器１２は、対応して再びより多くの電流を、流量調整弁１４の制御電極へと流れさせる。
【００２７】
これにより、トランスインピーダンス増幅器１２と抵抗器１３と流量調整弁１４とを備える調整セルの調整効果に基づき、抵抗器１３の電圧がセルペア電圧と等しく保たれるように導くフィードバックが獲得される。トランスインピーダンス増幅器１２の入力口は理想的には高インピーダンスで実現されるため、抵抗器１３を通って流れる全電流が流量調整弁１４も通って流れ、電圧と抵抗と電流との間のリニアな（ｌｉｎｅａｒ）相関に基づき、セルペア電圧のための正確な基準となる。電流は、その実際の値に注目する場合には、他の場所でも測定が可能であろう。例えば、電流が、それ自体は測定装置に属さない基準抵抗器１５を介して案内され、これにより、セルペア電圧から直接的にその高さが得られる電圧に変換され、その場所で、バッテリセル１のバッテリ極の通常の高い可変的な電位に依存せずに、したがって安全に測定されることによって測定が可能であろう。その際には、場合によってはさらに、基準抵抗器１５の値に対する抵抗器１３の値の比を示す補正係数が考慮される。示される例ではバイポーラトランジスタとして実現された流量調整弁１４のベース電流によって、流量調整弁１４により出力される電流の誤りを防止するために、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、モス電界効果トランジスタ）またはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を利用することが可能である。
【００２８】
図４は、本発明の枠組みにおいて使用される測定装置の第２の実施例を示し、ここでは、トランスインピーダンス増幅器１２が差動増幅器として実現される。トランスインピーダンス増幅器１２は、差動増幅器内へと電流を印加する電流源２０のための端子を有する。差動増幅器の２つのブランチの２つのトランジスタ１２−１および１２−２のどちらが、より大きな入力電圧を獲得するかにしたがって、電流源２０の電流が、多数決的に、１のトランジスタまたは他のトランジスタを通って流れる。トランジスタ１２−１を通って流れる電流は、トランジスタ１２−３および１２−４を備える電流ミラーを介して複写されて出力される。従来技術における差動増幅器の機能形態は良く知られているため、ここでさらに詳細には述べない。
【００２９】
図３の実施例とは異なって、流量調整弁１４はここではｐｎｐトランジスタとして実現され、これにより、トランジスタ１２−４により出力された、トランスインピーダンス増幅器１２のより少量の出力電流が、流量調整弁１４の制御電極の電圧の低下、および、ｐｎｐトランジスタとして実現された流量調整弁のベース・エミッタ間電圧の上昇をもたらす。上昇したベース・エミッタ間電圧はさらに、流量調整弁１４を通る電流の上昇をもたらし、結果的に再び所望のフィードバックが獲得される。しかしながら、流量調整弁１４は、ｎｐｎトランジスタとして実現することも可能であろう。この場合には、トランジスタ１２−３は簡単に、差動増幅器の他方のブランチに（バッテリセル１の正極とトランジスタ１２−２との間に）接続されうるであろう。当然のことながら、この場合も、バイポーラトランジスタの代わりに、例えば、対応する極性を有するＭＯＳトランジスタを利用することが可能である。
【００３０】
電流源１９は、好適に、電流源２０の電流の半分に相当する電流を案内する。調整セルの定常状態（ｅｉｎｇｅｓｃｈｗｕｎｇｅｎｅｒ  Ｚｕｓｔａｎｄ）において、電流源２０の電流は、理想的には、差動増幅器の２つのブランチの同じ構成要素に分配される。この場合には、トランジスタ１２−４も、電流源２０の電流の半分に相当する電流を出力し、したがって、流量調整弁１４の制御電極の電圧は一定に保たれる。しかしながら、電流源１９の代わりに、例えば、簡素な抵抗器または他の適切な切り替え手段を使用することも可能であろう。
【００３１】
図５は、本発明の枠組みで使用される測定装置の第３の実施例を示す。本実施例では、複数の調整セルが構成されてカスケード化される。各調整セルは、１対のバッテリセル１と接続され、その際に、バッテリセル１の各対は、割り当てられた電荷平衡ユニットを有する。トランスインピーダンス増幅器１２は、図５の例でも差動増幅器として構成されるが、各差動増幅器のブランチを通って流れる電流は、上位の差動増幅器のための電流源として機能する。最下位の差動増幅器は、例えば電流源１９と共に電流ミラーとして構成可能な電流源２０と直接的に接続される。ただし、当然のことながら、他の実現形態による電流源１９および２０も可能である。
【００３２】
トランスインピーダンス増幅器１２の他に、抵抗器１３もカスケード化される。トランスインピーダンス増幅器のカスケードは、１つの出力電流のみ出力するため、トランジスタとして実現可能な流量調整弁１４が１つだけ設けられる。
【００３３】
抵抗器１３が電流の流れに対して影響を与えることなく、各抵抗器１３の上流の電位を、各割り当てられた１対のバッテリセル１の接続点の電位に対して調節するために、さらに、より下位の調整セルでは、例えば１対の相補的なトランジスタ２２および２３を備えることが可能な電位再現装置が設けられる。その際に、カスケード化されたトランジスタ２３によって電流を制限するために、さらに好適に抵抗器２１が設けられる。しかしながら、トランジスタ２２および２３、ならびに抵抗器２１の代わりに、抵抗器１３の電位を上記１対のバッテリセル１への接続点の電位に対して調整する他の回路を設けることも可能である。
【００３４】
差動増幅器の、バッテリセル１と接続された入力口は、抵抗器１２−７および１２−８から形成される分圧器を有することが可能である。なぜならば、それ以外の場合は、十分に高い電位が、最上位の差動増幅器についてはもはやコレクタに提供されず、または、最下位の差動増幅器についてはもはやトランジスタ１２−１および１２−２のエミッタに提供されないだろうからである。しかしながら、好適に、分圧器が１つだけ利用される場合には、すなわち、抵抗器１２−７および１２−８からなる分圧器を無くすことが可能であり、トランジスタ１２−１のベースは、割り当てられた１対のバッテリセル１の電荷平衡ユニットの抵抗器２−１および２−２の接続点と接続される。
【００３５】
図５の測定装置は、複数対のバッテリセル１のセルペア電圧を同時に測定することが可能であるが、その際に、バッテリセル１の全ての対の最小セルペア電圧のみが測定されるという特別な特徴を有する。すなわち、差動増幅器のカスケードにより出力される電流は、図５の実施例では、全セルペア電圧の最小セルペア電圧に比例する。図５の測定装置は、当然のことながら、２対のバッテリセル１のためにも、または、より大きな数の対のバッテリセル１のためにも実現されうる。
【００３６】
本発明によれば、さらなる別の対のバッテリセル１のセルペア電圧と最小セルペア電圧とを比較し、差分が十分に大きい場合には、さらなる別の対のバッテリセル１のセルペア電圧を適切に下げることができるために、バッテリセル１の全ての対の最小セルペア電圧が決定される。ここでは１対のバッテリセルごとに同時に実行されるこのセルバランシングによって、バッテリセル１の全ての対の充電状態が互いに調整され、このことが、バッテリの寿命に対してポジティブな影響を与える。その際に、各バッテリセル対にそれぞれ割り当てられた電荷平衡ユニットが、直列接続された１対のバッテリセルの２つのバッテリセルのセル電圧を互いに平衡化する。本発明が、最小セル電圧を決定するための簡素な手段、および、電圧を比較するための手段、および、バッテリセルを放電させるための手段を提供することにより、バッテリ内で完全に自立的に、マイクロコントローラ等のようなコストがかかる構成要素を取り入れることなく機能しうる、セルバランシングのための装置を実現することが可能である。
【００３７】
図６は、本発明の枠組みにおいて使用される、本発明に係る第１の比較器２４および放電ユニット２５の一実施例を示している。第１の比較器２４は、好適に、その２つの入力口間で生じる電圧差に比例する出力電圧を発生させる通常の差動増幅器、例えば演算増幅器として実現される。差動増幅器の高い増幅度に基づいて、既に小さい電圧差が、差動増幅器の出力電圧としての条件を満たすことになり、したがって、この出力電圧が２進値の制御信号として見なされうる。この制御信号は、放電ユニット２５の制御入力口へと出力され、放電ユニット２５は、制御信号の論理的レベルにしたがって、放電ユニット２５と接続された１対のバッテリセルを放電させ、または、接続点ＣとＤとの間の電流の流れが、放電ユニット２５によって抑制される。放電ユニット２５は好適に、例えばバイポーラトランジスタとしてまたは電界効果トランジスタとして実現可能なスイッチングトランジスタ２７を備える。スイッチングトランジスタ２７は、この場合には、第１の比較器２４により生成された制御信号によって直接的に切り替えられる。上記１対のバッテリセルの放電の場合に放電ユニット２５によって電流の流れを制限するために、好適に、制限抵抗器２６が設けられる。
【００３８】
図６の回路の改善された実施例において、第１の比較器２４の入力口の一方が、電圧源を介して、割り当てられた接続点と接続されてもよい。電圧源は、第１の比較器２４の入力口の電圧を対応して変更するオフセット電圧を形成する。これにより、第１の比較器２４は、オフセット電圧を考慮して、制御信号の論理的レベルを生成する。これにより、第１の比較器２４および放電ユニット２５と接続されたバッテリセルが、当該バッテリセルのセル電圧が、少なくとも１つのオフセット電圧の分だけ最小セル電圧よりも大きい場合に初めて放電されるようになり、これにより、雑音、負荷変動、またはその他の動的な作用等の悪影響による誤った放電を防止することが可能である。
【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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