(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
遮断容量ＰｄＣ及びトリップ電流Ｉｓを持つブレーカー（５）と、
並列接続された少なくとも２つの電気化学の蓄電装置式のバッテリ（３）を有し、前記ブレーカーに直列接続された、直流電圧源と、を備え、
並列接続された前記バッテリの短絡電流の合計が、前記ブレーカー（５）の前記遮断容量ＰｄＣより高く、
各前記バッテリは、
直列接続された前記バッテリの前記電気化学の蓄電装置（３００）及びスイッチ（３１０）を有する第１アームと、
前記第１アームに並列接続され、フライバックダイオード（３４０）を有する第２アームと、
前記バッテリによって供給される電流を測定する電流計（３２０）と、
前記バッテリにより供給される電流が閾値より高い場合に短絡を検出するように構成された制御回路（３３０）と、を有し、
前記制御回路は、短絡が検出された場合、前記ブレーカー（５）を通過する電流が前記トリップ電流Ｉｓよりも高くかつ前記遮断容量ＰｄＣよりも低くなるように、少なくとも一つ以上かつ半分以下の前記スイッチをクローズに制御し、残りの前記スイッチをオープンに維持する、
電気装置（１）。
【請求項２】
各前記バッテリ（３）は、当該バッテリの第１及び第２の出力端子間に直列接続され、かつ、前記第１及び前記第２アームに直列接続された、誘導素子（３５０）を備えた、請求項１に記載の電気装置（１）。
【請求項３】
前記電流計（３２０）は、前記誘導素子（３５０）を通過する前記電流を測定する、請求項２に記載の電気装置（１）。
【請求項４】
各前記制御回路（３３０）は、短絡の検出に対して時間的にシフトして前記スイッチ（３１０）のクローズを制御するものであって、この時間的なシフトは各前記制御回路によって異なる、請求項１〜３の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【請求項５】
前記ブレーカー（５）の前記トリップ電流Ｉｓは、１００ｍｓ未満の期間の短絡におけるトリップ電流である、請求項１〜４の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【請求項６】
並列接続された少なくとも１０個の前記バッテリ（３）を備えた、
請求項１〜５の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【請求項７】
並列接続されたｎ個の前記バッテリ（３）を備え、
各前記バッテリは短絡電流Ｉｃｃｉを持ち、前記ブレーカー（５）の前記遮断容量ＰｄＣは少なくともこれらのバッテリの短絡電流の合計
0006463771.tif 000005
の３分の１である、請求項１〜６の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【請求項８】
前記ブレーカーは、少なくとも５ｋＡに相当する前記遮断容量ＰｄＣを持つ、
請求項１〜７の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【請求項９】
前記直流電圧源に直列接続され、かつ、前記ブレーカーを有する電気回路網を備え、
前記電気回路網は、通過する電流が前記ブレーカーの前記遮断容量ＰｄＣと等しくなったとき、少なくとも２０００Ｊに相当する誘導エネルギーを格納している、請求項１〜８の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【請求項１０】
各前記バッテリ（３）は、直列接続された第１の電気化学の蓄電装置のセット（３０１）と、直列接続された第２の電気化学の蓄電装置のセット（３０２）と、を備え、
前記電気装置は、さらに、出力が前記第１の電気化学の蓄電装置のセット（３０１）に直列に接続され、前記第２の電気化学の蓄電装置のセット（３０２）の電位差が入力インターフェースに印加される、ＤＣＤＣコンバータ（３８０）を備える、
請求項１〜９の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【請求項１１】
各前記バッテリの前記コンバータ（３８０）は、前記第２の電気化学の蓄電装置のセット（３０２）の放電中に降圧レギュレータ構造を持つ、請求項１０に記載の電気装置（１）。
【請求項１２】
各前記バッテリにおいて、
前記降圧レギュレータ構造は、直列接続され、かつ、前記第２の電気化学の蓄電装置のセット（３０２）の前記電位差が印加される端子に接続された、２つの制御スイッチ（３８１，３８２）を有するスイッチモード降圧レギュレータを備え、
前記第１及び前記第２アームに直列接続された誘導素子（３５０）と前記フライバックダイオード（３４０）とは、前記スイッチモード降圧レギュレータの構造に属し、
前記スイッチ（３１０）は、前記スイッチモード降圧レギュレータにおける前記２つの制御スイッチ（３８１，３８２）間の接続ノードと、前記誘導素子（３５０）と、の間に接続される、請求項１１に記載の電気装置（１）。
【請求項１３】
各前記バッテリの前記第２アームは、直列接続された２つのフライバックダイオード（３４１，３４２）を備える、
請求項１〜１２の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【請求項１４】
前記制御回路（３３０）は、短絡の検出と同時に一つの前記スイッチのみクローズしたままとなるように構成されている、
請求項１〜１３の何れか一項に記載の電気装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力の直流電圧源に関し、特に電気化学の蓄電装置式のバッテリを備えた電圧源に関する。
【背景技術】
【０００２】
これらは、例えば、公共交通機関（バス又はトローリーバス）の分野、再生可能エネルギー貯蓄の分野、海運運航の分野、又は、火力発電所やデータセンターに供給される待機電源としても用いられる。
【０００３】
そのようなアプリケーションに必要な電圧レベルは、しばしば数百ボルトを超える。ほとんどの場合、そのような電圧源は、十分なエネルギー貯蓄能力、かつ、制限された重量及び大きさが好まれるリチウムイオン型の電気化学の蓄電装置に基づいている。リチウムイオンリン酸鉄（ＬｉＦｅＰＯ４）の蓄電装置の技術は、エネルギー容量密度のわずかな減少を犠牲にして、本来備わっている高い安全性レベルのおかげで大きな関心の的となっている。
【０００４】
電気化学の蓄電装置は、通例では、次の規模の公称電圧を持っている。
リチウムイオンリン酸鉄（ＬｉＦｅＰＯ４）技術の３．３Ｖ
酸化コバルトをベースにしたリチウムイオン技術の４．２Ｖ
【０００５】
それ故、所望の電圧レベルを達成するために、多数の電気化学の蓄電装置が直列に接続されている。高い容量を得るために、多数の電気化学の蓄電装置が並列に配置されている。複数の蓄電装置の組み合わせは、蓄電装置式のバッテリと呼ばれる。
【０００６】
あるアプリケーションでは、１００ｋＷｈを超える電力が展開される。例えば、蓄電池では次のような電力が展開される。バスの駆動力のための２００ｋＷｈ、再生可能エネルギー生成装置に関連する貯蔵設備のための１００ｋＷｈから数ＭＷｈ、火力発電所又はサーバーファームにおける予備貯蔵設備のための１００ｋＷｈ超。それから、単位ユニット当たり非常に高い容量の電圧源を製造しかつ移送することは、（特にバルク単位では）困難かつ冒険的である。したがって、電圧源は、通常、５０ｋＷｈ未満の単位容量を持つ多数のバッテリに分割される。多数のバッテリは、電圧源の所望の公称電圧及び／又は所望の容量に応じて、並列及び／又は直列に接続される。それにより、それらの製造及び移送を促進させる。
【０００７】
バッテリ、特にリチウムイオンの蓄電装置を用いたバッテリは、非常に低い内部抵抗を持つ。そのため、電圧源の端子間の短絡（通常、電気装置の短絡）の場合、バッテリが供給する電流は、非常に高い値に達する可能性がある。高出力のアプリケーションにおいて、電気機械式ブレーカーは、電気装置及び電気負荷を短絡から保護するために用いられる。そのようなブレーカーは、制限された遮断容量を持つ。遮断容量は、ブレーカーがオープンになることができる保証最大電流である。このレベルを超えると、ブレーカーは、遮断フェーズにおいて電気アークを遮断することができない可能性がある。そのときの結果は破壊的であり、ブレーカー及び他のハードウェアが破裂し、設備が燃え出し、又は、実際はバッテリが破裂する可能性がある。３０ｋＡより高い遮断容量を持つ電気機械式ブレーカーは、非常に高額である。さらに、商業的に利用可能な電気機械式ブレーカーの遮断容量は、現在、１００ｋＡに制限されている。外部短絡の場合、非常に高額な電気機械式ブレーカーが使用されない限り、バッテリは電気機械式ブレーカーの遮断容量を超える電流を供給する恐れがある。そのため、電気的保護基準に準拠すると同時に、そのような直流電圧源を持つ設備を実現することには問題がある。
【０００８】
さらに、バッテリによって電気装置に供給される短絡電流は、電気機械式ブレーカーをトリップしてオープンさせるのに十分でなければならない。
【０００９】
特許文献１は、並列に設けられた複数のバッテリを備えた電源システムについて記載している。電源システムは、ブレーカーを経由して電気負荷に供給する。並列に設けられたバッテリは、直列接続された第１の電気化学のセルと、出力が第１の電気化学のセルに直列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、からなる。第２の直流電圧源は、その電位差を、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力に印加する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧モード制御である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０７２３６２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そのようなシステムは、外部短絡の発生を処理するのに全くふさわしくない。特に、直列に設けられたコンバータは、そのコンバータの供給を遮断するためのスイッチを備えるが、このスイッチがオープンのときフライバックダイオードがコンバータを短絡させる。外部短絡の間、バッテリは、フライバックダイオードを介して短絡電流を供給する。高出力の電源システムにおいて、短絡電流は、電気回路網のブレーカーの遮断容量よりも高い可能性がある。
【００１２】
本発明の目的は、これらの問題点の少なくとも一つを解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
特に本発明に係る電気装置は、遮断容量ＰｄＣ及びトリップ電流Ｉｓを持つブレーカーと、並列接続された少なくとも２つの電気化学の蓄電装置式のバッテリを有し、前記ブレーカーに直列接続され、かつ、並列接続されたバッテリの短絡電流の合計が前記ブレーカーの前記遮断容量ＰｄＣよりも高い、直流電圧源と、を備え、各前記バッテリは、直列接続された前記バッテリの前記電気化学の蓄電装置及びスイッチを有する第１アームと、前記第１アームに並列接続され、フライバックダイオードを有する第２アームと、前記バッテリにより供給される電流を測定する電流計と、バッテリにより供給される前記電流が閾値よりも高い場合に、短絡を検出するように構成された制御回路と、を有し、前記制御回路は、短絡が検出された場合、前記ブレーカーを通過する電流が前記トリップ電流Ｉｓよりも高くかつ前記遮断容量ＰｄＣよりも低くなるように、少なくともほとんどの前記スイッチを同時にオープンに維持し、少なくとも一つの前記スイッチをクローズにする。
【００１４】
一変形例によれば、各前記バッテリは、当該バッテリの第１及び第２出力端子間に直列接続され、かつ、前記第１及び前記第２アームに直列接続された、誘導素子を有する。
【００１５】
他の変形例によれば、前記電流計は、前記誘導素子を通過する前記電流を測定する。
【００１６】
他の変形例によれば、各前記制御回路は、短絡の検出に対して時間的にシフトして前記スイッチのクローズを制御するものであって、この時間的なシフトは各前記制御回路によって異なる。
【００１７】
さらに他の変形例によれば、前記ブレーカーのトリップ電流Ｉｓは、１００ｍｓ未満の期間の短絡におけるトリップ電流である。
【００１８】
一変形例によれば、前記電気装置は、並列接続された少なくとも１０個のバッテリを備える。
【００１９】
他の変形例によれば、前記電気装置は、並列接続されたｎ個のバッテリを備え、各前記バッテリは、短絡電流Ｉｃｃｉを持ち、ここで、前記ブレーカーの前記遮断容量ＰｄＣは少なくともこれらのバッテリの短絡電流Ｉｃｃｉの合計
0006463771.tif 000002
の３分の１である。
【００２０】
さらに他の変形例によれば、前記ブレーカーは少なくとも５ｋＡに相当する遮断容量ＰｄＣを持つ。
【００２１】
一変形例によれば、前記電気装置は、前記直流電圧源に直列接続され、かつ、前記ブレーカーを有する電気回路網を備え、前記電気回路網は、通過する電流が前記ブレーカーの前記遮断容量ＰｄＣと等しくなったとき、少なくとも２０００Ｊに相当する誘導エネルギーを格納している。
【００２２】
さらに他の変形例によれば、各前記バッテリは、直列接続された第１の電気化学の蓄電装置のセットと、直列接続された第２の電気化学の蓄電装置のセットと、を備え、前記電気装置は、前記出力電圧が前記第１の電気化学の蓄電装置のセットに直列に接続され、前記第２の電気化学の蓄電装置のセットの電位差が入力インターフェースに印加される、ＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備える。
【００２３】
一変形例によれば、各前記バッテリの前記コンバータは、前記第２の電気化学の蓄電装置のセットの放電中に降圧レギュレータ構造を持つ。
【００２４】
他の変形例によれば、各前記バッテリにおいて、前記降圧レギュレータ構造は、直列接続され、かつ、前記第２の電気化学の蓄電装置のセットの前記電位差が印加される端子に接続された、２つの制御スイッチを有するスイッチモード降圧レギュレータを備え、前記誘導素子及び前記フライバックダイオードは、前記スイッチモード降圧レギュレータの構造に属し、前記スイッチは、前記降圧レギュレータにおける前記制御スイッチ間の接続ノードと、前記誘導素子と、の間に接続される。
【００２５】
他の変形例によれば、各前記バッテリの前記第２アームは、直列接続された２つのフライバックダイオードを備える。
【００２６】
さらに他の変形例によれば、前記制御装置は、短絡の検出と同時に一つの前記スイッチのみクローズしたままとなるように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の他の特徴及び効果は、下記に非限定的に示される本明細書の記述及び添付図面から明らかにされる。
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電気装置を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る電気装置において使用されるバッテリの例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施のためにバッテリにおいて使用されるスイッチの第１の例を示す図である。
【図４】本発明の実施のためにバッテリにおいて使用されるスイッチの第２の例を示す図である。
【図５】短絡動作のステップにおける電気装置の等価回路を示す図である。
【図６】短絡電流の調整の他の例を示す図である。
【図７】本発明に係る電気装置において使用されるバッテリの他の例を模式的に示す図である。
【図８】本発明に係る電気装置において使用されるバッテリの他の例を模式的に示す図である。
【図９】降圧コンバータを備えた図８のバッテリを模式的に示す図である。
【図１０】電子式ブレーカーのトリップ曲線の一例を示す。
【図１１】直列に設けられた複数のステージを備えた直流電圧源の一例を示すものであって、各ステージは並列接続された複数のバッテリを備えている。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明は、並列接続された電気化学の蓄電装置式のバッテリを備えた直流電圧源を備えた電気装置を提供する。形成される直流電圧源は、これらバッテリの短絡電流の合計よりも低い遮断能力のブレーカーに直列接続される。各バッテリは並列に設けられた２つのアーム（直列に設けられた電気化学の蓄電装置及びスイッチを持つ第１アーム、及び、フライバックダイオードを持つ第２アーム）を備える。
【００３０】
電流計は、外部短絡の発生を検出するために、各バッテリにより供給される電流を測定する。スイッチのオンオフの状態は、それぞれの制御回路によって制御される。短絡の検出時、ブレーカーに印加される電流がその遮断電流よりも低くなるようにほとんどのスイッチがオープンに維持され、かつ、ブレーカーに印加される電流がそのトリップ電流よりも高くなるように少なくとも一つのスイッチがクローズに制御される。それぞれの制御回路の存在により、電気回路網において非常に大きな電磁妨害を引き起こす恐れなしに、装置の継続が保証される。
【００３１】
図１は、本発明の実施形態に係る電気装置１の一例を模式的に示す図である。電気装置１は、ブレーカー５と、ブレーカー５に直列接続された負荷６（実際には、多数の負荷を含む完全な電気回路網である可能性がある）と、を備える。負荷６の電気回路網の（例えば、配線又は相互接続による）寄生インダクタンスは、ここでは、ブレーカー５及び負荷６に直列接続された誘導素子７の形で表されている。電気装置１は、直流電圧源をさらに備える。直流電圧源は、電気的に並列接続されたバッテリ３のセットを（独立したモジュールの形で）備える。直流電圧源は、例えば周知の電気的な電力接続の手法によって、ブレーカー５及び負荷６に直列接続されている。
【００３２】
ブレーカー５は、遮断容量ＰｄＣを持ち、かつ、トリップ電流Ｉｓを持つ。例えば、ブレーカー５のトリップ電流Ｉｓは、電気装置１が短絡に速やかに反応することを保証するため、１００ｍｓ未満の期間で短絡を引き外すように設定され得る。図１０に詳細に示されるように、他のトリップ電流もまた想定され得る。
【００３３】
電気装置１において、バッテリ３の短絡電流の合計はブレーカー５の遮断容量ＰｄＣよりも高い。インデックスｉにより指定される並列接続されたｎ個のバッテリ３が与えられた場合、バッテリｉの短絡電流は、Ｉｃｃｉによって表される。それから、遮断容量ＰｄＣは、次の不等式を満たす。
【００３４】
0006463771.tif 000003
【００３５】
本発明は、少なくとも１０個のバッテリ３が並列接続された場合に特に有利であることを示す。さらに、本発明は、バッテリ３がリチウムイオン型であって、これらのバッテリが比較的低い内部抵抗を持ち、それ故、高い短絡電流、例えばこれらのバッテリの公称電流の３０〜１００倍を持つ場合に、特に有利であることを示す。
【００３６】
単純化のため、ｎ個のバッテリ３が同じ短絡電流Ｉｃｃを持つものとする。そのため、電気装置は、ＰｄＣ＜ｎ×Ｉｃｃの関係を満たす。
【００３７】
そのため、全てのバッテリ３がブレーカー５に短絡電流を供給した場合、ブレーカー５は、回路をオープンにすることを保証することができない。バッテリ３の短絡電流は、端子間のゼロ抵抗に供給可能な最大電流に対応し、この電流はバッテリ３の内部インピーダンスによってのみ制限される。
【００３８】
本発明は、バッテリ３のセットにより供給可能な電流がブレーカー５の遮断容量を実質的に超える場合に、特に有利であることを示す。そのため、本発明は、次の関係を満足した場合に特に有利であることを示す。
【００３９】
0006463771.tif 000004
【００４０】
各バッテリ３は、直列及び／又は並列接続された電気化学の蓄電装置３００のセットを備える。図１の変形例では、並列接続された各バッテリ３は制御スイッチ３１０を備える。各バッテリ３は、制御スイッチ３１０に直列接続された電気化学の蓄電装置３００のセットを有する第１アームを備える。それ故、制御スイッチ３１０は、電気化学の蓄電装置３００とブレーカー５との間の接続をオープンにすることができる。また、各バッテリ３は、第１アームに並列接続され、フライバックダイオード３４０を有する第２アームを備える。
【００４１】
そのため、第１及び第２アームは、バッテリ３の低電圧端子及び高電圧端子の間に接続される。各バッテリ３の誘導素子３５０は、バッテリ３の寄生接続インダクタンス、及び、バッテリ３の高電圧端子と第１及び第２アームとの間に接続された誘導素子、の合計のモデルとなっている。このように、バッテリ３は、インダクタンスのキャリブレーションを容易にするために、好適にはそのような誘導素子を備える。用語“誘導素子”は、その構造により、あるインダクタンスを持つことを意図した電子素子のことを指す。この電子素子は、例えば、コイルである。好適には、そのような誘導素子のインダクタンスは、バッテリ３の寄生接続インダクタンスよりも高い。それ故、ダイオード３４０のアノードは、バッテリ３の低電圧端子と、誘導素子３５０の一方の端子と、の間に接続される。誘導素子３５０は、短絡の場合の電流の増加を遅れさせることができる。飽和を防ぐため、誘導素子３５０に含まれるある素子は、好適には、空心誘導素子である。
【００４２】
各バッテリ３は、バッテリ３により供給される電流を測定するために電流計３２０をさらに備える。本実施の形態では、電流計３２０は、誘導素子３５０を通過する電流を測定する。各バッテリ３は、スイッチ３１０のオープン状態を選択的に制御するように構成された制御回路３３０を備える。制御回路３３０は、電流計３２０により測定された電流値を受け取る。
【００４３】
制御回路３３０は、２つの動作モードを持つ。電流計３２０により測定された電流が短絡閾値のトリップより低い場合、制御回路３３０は通常動作モードになる。このとき、制御回路３３０は、バッテリ３が負荷６に電力を供給することができるようにスイッチ３１０をクローズ状態に保つ。ダイオード３４０は、通常動作モードではオンしない。
【００４４】
電流計３２０により測定された電流がＩｂで指定される短絡閾値のトリップよりも高い場合、制御回路３３０は短絡動作モードになる。外部短絡が発生すると、各バッテリ３により供給される電流が急速に増加する。ここで、この電流の上昇は主に短絡のインダクタンスに依存している。電流計３２０により測定された電流が閾値Ｉｂを超えた場合、関連付けられた制御回路３３０は、短絡動作モードに移行する。この動作モードでは、トリップ電流よりも高くかつ遮断容量よりも低くなるような電流をブレーカー５に供給するために、少なくともスイッチ３１０のほとんどが同時にオープン状態を保ち、かつ、一つ以上のスイッチ３１０が選択的にクローズ状態となる。
【００４５】
それにより、非常に短い時間で直流電圧源の外部の短絡を検出することができるとともに、ブレーカーを流れる電流を、当該ブレーカーをトリップするのに十分に高く、かつ、当該ブレーカーが回路をオープン状態にすることを保証するのに十分に低く、保つことができる。それ故、ブレーカーは、短絡が発生した場合に、回路をオープンにするような（及び、オープンによる誘導エネルギーの吸収を行うような）安全機能を今まで通り実行して回路の物理的な遮断を確実にするとともに、任意にユーザーが遮断状態を確かめることができる。並列に設けられたバッテリの短絡電流の合計よりも低い遮断容量を持つブレーカーは、電気装置の操作の安全性が保証される間ずっと使用され得る。それ故、高出力の電気装置は、従来のブレーカーで実現されることができ、又は、低価格のブレーカーを使用することができる。単純な電気装置の構造は、維持される。さらに、メインブレーカーの下流の低い定格のブレーカーのトリガの選択性は、維持される。
【００４６】
スイッチ３１０がオープンになると、関連するダイオード３４０をフライバック電流が通過する。その後、関連する誘導素子３５０を通過する電流は減少する。制御回路３３０は、閾値Ｉｂを超えたことが検出されるとスイッチ３１０をオープンにするようにプログラミングされる。そのため、短絡が検出されると、ブレーカー５を通過する電流が減少し始めるように、全てのスイッチ３１０がオープン状態になる。
【００４７】
ブレーカー５を通過する電流をそのトリップ電流よりも高くするため、制御回路３３０は、この電流を増加させるために少なくともスイッチ３１０の一つが一時的にクローズするように構成される。ブレーカー５を通過する電流は、例えば、ブレーカー５を通過する電流が低い閾値に達した場合に、一つ以上のスイッチ３１０をクローズすることによって規制される。少なくともスイッチ３１０の半分がオープン状態を維持することを保証することにより、直流電圧源の端子を渡る電圧である電気回路網の電圧の振幅の変動は制限される。特に、直流電圧源の端子を渡る大きな過渡電圧の変動の結果になってしまうため、同じ論理を持つ独立した制御回路３３０のセットにおいてスイッチ３１０の全てが同時にクローズしないように測定が行われる。
【００４８】
図5は、一つのスイッチ３１０ａがクローズ状態に維持され、他の全てのスイッチがオープン状態に維持された場合における電気装置１の動作を模式的に示す図である。スイッチをオープンにしたバッテリでは、フライバックダイオード３４０ｂが電流を誘導素子３５０ｂに通過させる。バッテリ３ａの電気化学の蓄電装置３００ａは関連する誘導素子３５０ａを介して放電する。そのため、誘導素子３５０ａと他のバッテリ３の誘導素子３５０ｂとの接続ノードでは、電圧変動は小さくなる。
【００４９】
具体的には、誘導素子３５０ａと誘導素子３５０ｂとの間に誘導分圧器が形成される。（同時にオープンになるスイッチ３１０の数に対応する）並列接続される誘導素子３５０ｂの数が多くなるほど、接続ノードにおける電圧は低くなる。そのため、スイッチ３１０ａが実質的にオープン状態の場合、接続ノードでは短絡の期間中ずっと小さな電圧変動のみとなる。
【００５０】
少なくともスイッチの半分が同時にオープン状態を維持する場合、たとえ過渡的な共鳴ピークがある場合でも、接続ノードの電圧が電気化学の蓄電装置の端子を渡る電圧を超えないことを保証することができる。本発明は、短絡動作モードにおいて、少なくともスイッチ３１０の８０％がオープン状態に維持された場合に、特に有利であることを示す。
【００５１】
そのため、負荷６の動作を妨げる可能性がある高周波の電磁妨害の生成は制限される。それにより、これら電磁妨害をフィルタリングするための追加回路（通常はフィルタリングキャパシタ又はＲＣ回路のシリーズ）のサイズは、かなり小さくなる。
【００５２】
実際の適用では、電気回路網の配線は、例えば船等のような装置において約１０μＨの寄生インダクタンスを持つ。例えば、直流電圧源は、インピーダンス３５０が約１０μＨの並列接続された５０個のバッテリ３を備える。各バッテリ３が１ｋＡの短絡電流に制限されると仮定した場合、電気回路網の寄生インピーダンスには３５０ｋＡの電流が通過する。各インピーダンス３５０は５Ｊのエネルギーを蓄えるように導かれる一方で、電気回路網の寄生インダクタンスは１２５００Ｊを蓄えるように導かれる。そのような貯蔵エネルギーは、もし全てのスイッチ３１０が同時にオープン及びクローズする場合、かなり大きなサイズの電磁妨害をフィルタリングするための回路を必要にさせる。さらに、そのようなサイズのフィルタリング回路は、電気装置１の短絡動作（短絡電流の大きさ及び変動リスク）において重大な悪影響を持つ。
【００５３】
図６は、外部短絡の期間中、本発明の一実施形態に係る電気装置１に設けられたブレーカー５を通過する電流を示すグラフである。第１フェーズＰ１の期間、個々のバッテリ３のスイッチ３１０がクローズ状態を維持して、ブレーカー５を通過する電流は増加する。フェーズＰ１の終わりに、制御回路３３０は、それぞれのバッテリ３により供給される電流が閾値Ｉｂを超えたことを検出する。フェーズＰ１の後、見やすくするため電流変動のスケールが意図的に拡大されている。第２フェーズＰ２の期間、全ての制御回路３３０は、それぞれのスイッチ３１０をオープンにする。ブレーカー５を通過する電流は、全てのフライバックダイオード３５０のターンオンに起因する。ブレーカー５を通過する電流は、ブレーカー５の検出閾値Ｉｓよりも高い値Ｉｔにまで徐々に減少する。第３フェーズＰ３は、ブレーカー５を通過する電流が値Ｉｔに達したときに開始する。第３フェーズの期間、個々のバッテリ３は、ブレーカー５を通過する電流の調整を連続して行う。例えば、時刻Ｃ１で第１バッテリがこの電流の調整を行い、それから、時刻Ｃ２で第３バッテリが電流の調整を行う。
【００５４】
バッテリ３がブレーカー５を通過する電流を調整する場合、スイッチ３１０は、誘導素子３５０を通過する電流が高い閾値に達するまでの時間ｔｆの間クローズする。それから、スイッチ３１０は、電流が値Ｉｔに達するまでの時間ｔ０の間、オープンする。それから、他のバッテリ３はそのスイッチ３１０のクローズの調整を行い、その後、連続的な調整が個々のバッテリ３で続けられる。
【００５５】
制御回路３３０は、それら回路同士で通信を行わないにもかかわらず、連続的な電流の調整を行うことができる。そのため、各制御回路３３０は（例えば直流電圧源の組み立て工程においてプログラムされる）トリップ閾値Ｉｂの検出に対して異なるシフトでスイッチ３１０をクローズする一方で、制御回路３３０は、それらのスイッチ３１０を同じ周波数でクローズ状態に制御することができる。そのため、フェーズＰ３の期間のある瞬間で一つのスイッチ３１０のみがクローズ状態となる。
【００５６】
本例では、単一のスイッチ３１０の同時クローズのみについて記載されている。単一のスイッチの同時クローズは、このクローズが、基本的にフライバックダイオードを介した導通によって維持されるＩｔよりも高いレベルにまでブレーカー５を通過する電流を増加させる働きをすること、において十分であることを示している。一方で、第３フェーズＰ３の電流増大中の重複性を確保するために、複数のスイッチ３１０の同時クローズを確保することも可能である。
【００５７】
スイッチ３１０のクローズは直流電圧源の集中化されたクロック信号によって同期がとれており、各制御回路３３０は異なるシフトでクローズするためにカウンタを備える。
【００５８】
外部短絡の原因が消えた場合、バッテリ３は低い電流を供給するとともに、制御回路３３０は通常動作モードに変化させる。その後、スイッチ３１０はクローズする。
【００５９】
個々の制御回路３３０において様々な制御モードが想定されている。例えば、各制御回路３３０が異なるスイッチ３１０のクロージング周波数の固有クロックを有するように、各制御回路３３０が同じクロック周波数だが異なるシフトを有するように、さらにはスイッチ３１０がランダムな期間でオープン状態になるように、各制御回路３３０が工場において組み立てられるように準備しておくこともできる。
【００６０】
各制御回路３３０は、また、スイッチ３１０がクローズする必要があるかどうかを所定間隔で決定するために自律的に無作為抽選することもできる。多数のバッテリ３において、スイッチ３１０のクローズのデューティサイクルが低い場合、短絡モードにおいて半分以上のスイッチ３１０の同時クローズの可能性は非常に低い。たとえ可能性が低くても、無作為抽選で半分以上のスイッチ３１０は一時的に同時にクローズする可能性がある。半分以上のスイッチ３１０をオープンに保つ条件は、この状況が各抽選で１０−４より低い可能性を持つことで満たされると考えられている。
【００６１】
スイッチ３１０のクローズ間の自然なシフトは、個々のバッテリ３の誘導素子３５０を別々に調整することによって得られる。個々のインダクタンスでは、各バッテリは、短絡フェーズにおける電流増加中に異なる傾斜を持つ。それ故、各バッテリ３により供給される電流は、異なる時点でトリップ閾値Ｉｂに達する。しかしながら、個々のバッテリ３のスイッチ３１０は、同じ周期でクローズし得る。
【００６２】
トランジスタ３１０のクローズをシフトするため、各バッテリ３において異なる高い閾値及び低い閾値を設定することにより、各バッテリ３のヒステリシスによる調整を行うことも可能である。
【００６３】
トリップ閾値Ｉｂの設定例は、次のようなものがある。
【００６４】
Ｉｂ＝Ｉｓ／ｎ、ここで、Ｉｓはブレーカー５のトリップ閾値、ｎは並列接続されたバッテリ３の数である。
【００６５】
Ｉｂ＝１．５×Ｉｓ／ｎ、及び、
【００６６】
Ｉｂ＝ＰｄＣ／２ｎ、ここで、ＰｄＣはブレーカー５の遮断容量、ｎは並列接続されたバッテリ３の数である。
【００６７】
図２は、電気装置１において使用されるバッテリ３の一つの変形例を模式的に示す図である。この変形例に係るバッテリ３は、好適にはデカップリングキャパシタ３６０を備える。キャパシタ３６０は、第１及び第２アームに並列接続されている。そのようなキャパシタ３６０は、好適には制御回路３３０の動作における個々の寄生インダクタンスの影響を制限している。記述された個々のバッテリ３の全てがデカップリングキャパシタを備えていないが、本発明に係る装置１のバッテリ３は、当然そのようなデカップリングキャパシタを備える。
【００６８】
図２の変形例では、バッテリ３は、コンタクタ３７１，３７２を備える。これらコンタクタ３７１，３７２は、高電圧端子３７３及び低電圧端子３７４間において、第１及び第２アームに直列接続されている。これらコンタクタ３７１，３７２は、バッテリ３を電気装置１から選択的に接続又は切断させる。
【００６９】
バッテリ３の放電及び充電を共に行うため、スイッチ３１０は、好適には双方向に電流を導通させることができる。それから、バッテリ３は、外部電源供給に接続された充電器により充電されるか、又は、負荷６（例えば、電気モータの回生ブレーキ）によって戻された電流から充電される。
【００７０】
図３は、双方向電流スイッチ３１０の第１例を示す。スイッチ３１０は、ここでは、ソースがダイオード３４０のカソードに接続され、ゲートが制御回路３３０により制御された、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを備える。
【００７１】
図４は、双方向電流スイッチ３１０の第２例を示す。スイッチ３１０は、ここでは、逆並列に設けられたＩＧＢＴトランジスタ３１２及びダイオード３１１を備える。
【００７２】
様々なタイプのトランジスタがスイッチ３１０機能を持つ導通／遮断素子として使用されることができる。
特にトランジスタの使用は、ブレーカー５を通過する電流が遮断容量に達する前にスイッチ３１０をオープン状態にできるほどオープンスピードを十分に速くすることができる。
【００７３】
図７は、電気装置１において使用されるバッテリ３の一つの変形例を模式的に示す図である。この変形例に係るバッテリ３は、好適には直列接続された２つのフライバックダイオード３４０，３４１を備える。そのため、ダイオード３４０，３４１は、バッテリ３の低電圧端子と、誘導素子３５０の一端と、の間に接続されている。ダイオードの故障様式は一般的に短絡であって、直列接続された２つのダイオード３４０，３４１の存在は、バッテリ３の動作の連続性を確保するだけでなく、これらダイオードの一つが故障した場合にこのバッテリ３の端子間の短絡を防ぐことができる。
【００７４】
この変形例は、制御回路、ダイオード及びスイッチをテストすることができる。
【００７５】
ダイオードをテストするため、次の手順に従うことができる。
−スイッチ３１０をクローズする。
−コンタクタ３７１，３７２をオープンにする。
−フライバックダイオード３４０，３４１間の中間電圧を測定する。
ここで、この電圧は０及びＶｂａｔ（Ｖｂａｔは蓄電装置３００の端子間の電圧）間の中間電圧のはずである。
【００７６】
この値は、２つのダイオードのリーク電流の差分に依存する。もしこの電圧が０の場合、バッテリの負極に接続されたダイオードは短絡している。もしこの電圧がＶｂａｔと同じである場合、２つめのダイオードは短絡している。ダイオード３４０，３４１のリーク電流が異なるため、ダイオード３４０，３４１の端子間の電圧の分配を確実にするために、ダイオードに並列に設けられた高抵抗の抵抗を追加することができる。好ましくは、ダイオードのリーク電流の数倍の電流を通過させる、２つのダイオードに並列に設けられた同じ抵抗値の２つの抵抗も付加することができる。この場合、電圧は約Ｖｂａｔ／２となるはずである。
【００７７】
フライバックダイオード３４０，３４１の端子間の電圧を測定する。この電圧は、ここでは、Ｖｂａｔと同じであるはずである。
【００７８】
スイッチ３１０及び制御回路をテストするために、次の手順に従うことができる。
−コンタクタ３７１，３７２をクローズする。
−スイッチ３１０をオープンにする。
−フライバックダイオード３４０，３４１の端子間の電圧を測定する。
ここで、フライバック電流の発生時には、この電圧は、Ｖｂａｔよりも低く、かつ、２×Ｖｄと同じであるはずである。
【００７９】
−フライバック電流の発生時、フライバックダイオード３４０，３４１の間の中間電圧を測定する。この電圧は、ダイオード３４０，３４１（ダイオード３４０，３４１は同じであると仮定する）の閾値電圧Ｖｄと同じであるはずである。
−スイッチ３１０をクローズする。
−フライバックダイオード３４０，３４１の端子間の電圧を測定する。
ここで、この電圧は、Ｖｂａｔと同じであるはずである。
【００８０】
図８は、電気装置１において使用されるバッテリ３の他の変形例を模式的に示す図である。このバッテリ３は、直列接続された第１の電気化学の蓄電装置３０１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８０と、を備える。別の交流電圧源は、コンバータ３８０の入力に接続されている。ここで、この別の直流電圧源は、第２の電気化学の蓄電装置３０２を備える。コンバータ３８０の出力は、電気化学の蓄電装置３０１に電気的に直列接続されている。
【００８１】
そのようなバッテリ３は、その電圧を、並列接続された他のバッテリ３の電圧に順応させることができる。それらのバッテリは、それらが（充電状態、製造バラツキ、又は、寿命又は消耗の違いのため）異なる特性を持っている場合に、特に有効である。そのようなバッテリ３は、さらに、最適化されたバルク及びコストのため、その電圧を低損失に順応させることができる。具体的には、ここでは、公称電圧が電気化学の蓄電装置３０１の公称電圧の少なくとも５分の１の電気化学の蓄電装置３０２、の電圧においてのみコンバージョンが実行される。
【００８２】
図９は、コンバータ３８０の一つの変形例を備えたバッテリ３を示している。ここでは、コンバータ３８０は、スイッチ３８１，３８２及び誘導素子３５０の使用に基づいている。スイッチ３８１，３８２は、直列に接続され、かつ、制御回路３３０によって制御されている。誘導素子３５０は、バッテリ３の高電圧端子と、スイッチ３１０を介してスイッチ３８１，３８２の間の接続ノードと、の間に接続されている。電気化学の蓄電装置３０２のセットは、スイッチ３８１，３８２のそれぞれを介して接続ノードに接続されている。
【００８３】
記号αは、制御回路３３０により定義されるスイッチ３８１のクローズのデューティサイクルを示している。制御回路３３０は、スイッチ３８２においてクローズのデューティサイクル（１−α）を定義している。本来知られているように、制御回路は、同時に、スイッチ３８１をオープン状態に維持してスイッチ３８２をクローズ状態に維持するか、その逆を行う。制御回路３３０は、バッテリ３の所望の出力電圧に応じたデューティサイクルαの値を定義する。
【００８４】
それ故、コンバータ３８０は、蓄電装置３０２の放電モードにおいて降圧レギュレータとして動作し、蓄電装置３０２の充電モードにおいて昇圧レギュレータとして動作する。
【００８５】
コンバータ３８０のスイッチ３８１，３８２は、好ましくはノーマルオープン型である。
【００８６】
ブレーカー５は、例えば、熱磁気式ブレーカー又は電子式ブレーカーである。電子式ブレーカーは、以下を備える。
−流れる電流を測定する電流計、
−ブレーカーの端子間の回路をオープンにさせる電気機械の部材、
−電流計の電流測定を実行し、かつ、電流測定に基づいて電気機械の部材をオープンにするためのコマンドを生成する、電子回路。
【００８７】
図１０は、電子式ブレーカーのトリップ曲線の一例を示す。ここでは、電子式ブレーカーが３つのトリップ閾値を有している。
−第１のトリップ閾値Ｉｎは、（通常、数十秒から数分の間の）長い期間において制限される電流過負荷のためのものである。このトリップ閾値は、熱磁気式ブレーカーの熱のトリップ閾値に似ている。
−第２のトリップ閾値Ｉｃｒは、（通常、１００ｍｓから数十秒の間の）平均期間において比較的高い電流過負荷のためのものである。このトリップ閾値は、熱磁気式ブレーカーの磁気のトリップ閾値に似ている。
−第３のトリップ閾値Ｉｓｉは、ほぼ瞬時検出及び検出後１００ｍｓ未満でのオープン時における完全短絡のためのものである。
【００８８】
ブレーカー５の第３のトリップ閾値は、低い定格のブレーカーに下流のアームをオープンさせるため、及び、電気回路の選択性を保証するため、遅延させてもよい。
【００８９】
先に詳しく説明した例では、電流計３２０は、誘導素子３５０を通過する直巻電流を測定する。しかしながら、第１アームを通過する電流を測定することを想定することもできる。ただし、この測定方法では、スイッチ３１０のオープン中には誘導素子３５０を通過する電流値を供給することができない。
【００９０】
図１１は、直列に設けられた複数のステージを備えた直流電圧源の一例を示すものであって、各ステージは、並列接続された複数のバッテリを有する。直流電圧源は、ここでは、直列接続された第１ステージＥｔ１及び第２ステージＥｔ２を備える。簡単のため、各ステージにおいて、並列接続されたバッテリのうちの一つのみが示されている。これらのバッテリは、図１を参照すると詳細に示されているように、同一の構造を有する。そのため、ステージＥｔ１に示されるバッテリは、電気化学の蓄電装置のセット３０３と、スイッチ３１１と、電流計３２１と、制御回路３３１と、ダイオード３４１と、誘導素子３５１と、を備える。ステージＥｔ２に示されるバッテリは、電気化学の蓄電装置のセット３０４と、スイッチ３１２と、電流計３２２と、制御回路３３２と、ダイオード３４２と、誘導素子３５２と、を備える。
【００９１】
好適には、ステージＥｔ１，Ｅｔ２は、異なるように調整された短絡電流を持つように、又は、異なる短絡検出閾値を持つように構成されている。
【００９２】
Ｉｔ１及びＩｔ２は、ステージＥｔ１及びＥｔ２においてそれぞれ調整された短絡電流であって、Ｉｂ１及びＩｂ２は、短絡検出のための電流閾値である。ここでＩｔ１＞Ｉｔ２及びＩｂ１＞Ｉｂ２である。短絡の発生時、電流Ｉｔ２は、ステージＥｔ２の各バッテリにおいて閾値Ｉｂ２に達した場合、ステージＥｔ２においてより早期に検出される。スイッチ３１２は、スイッチ３１１の前にオープンになる。それから、ステージＥｔ１によって供給される短絡電流は、ステージＥｔ２のフライバックダイオード３４２を通過する。フライバックダイオードを通過する短絡電流が調整閾値Ｉｔ２を超えるため、スイッチ３１２はオープン状態を維持する。ステージＥｔ１の各バッテリにおいて短絡電流がＩｂ１に達した場合、スイッチ３１１もまたオープンになる。実際には、ステージＥｔ１において調整が行われる。
【００９３】
制御回路３３２がスイッチ３１２を制御するためにヒステリシス制御を採用した具体例では、スイッチ３１２は周期的にクローズしてもよいが、それらを通過する電流が閾値Ｉｂ２よりも高いため、それらはすぐに再オープンする。
【００９４】
異なる短絡電流を持つように、又は、異なる短絡検出閾値を持つように構成されたステージＥｔ１，Ｅｔ２を持つデザインは、特に、ステージ間で起こり得る変動を防ぐことができる。
【００９５】
フライバックダイオード３４２は、ステージＥｔ１の短絡電流に耐えるように指定されなければならない。
【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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