(57)【要約】  電気的に並列接続され、その自己放電を供する単一の回路または多数の回路を有する蓄電池、電池セットまたは電池パックは、電動およびハイブリッド車両やそれに類するものにおける使用のための蓄電池アセンブリおよび電力供給装置を形成するために用いられる。
2010528576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正端子と負端子とを有する蓄電池と、
両端子を通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに蓄電池を自己放電する手段とを備え、
自己放電する手段は電池の両端子に並列接続されるものである蓄電池アセンブリ。
【請求項２】
並列電池セットを形成するために、その各々が電気的に並列接続される、正端子と負端子とを有する多数の蓄電池と、
並列電池セットを自己放電する手段とを備え、
前記手段は、並列電池セットに電気的に並列接続されるものであり、並列電池セットを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに並列電池セットを自己放電する並列セットの蓄電池アセンブリ。
【請求項３】
直列電池セットを形成するために、その各々が電気的に直列接続される、正端子と負端子とを有する多数の蓄電池と、
直列電池セットを自己放電する手段とを備え、
前記手段は、直列電池セットに電気的に並列接続されるものであり、直列電池セットを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに直列電池セットを自己放電する直列セットの蓄電池アセンブリ。
【請求項４】
並列電池セットを形成するために、その各々が電気的に並列接続される、正端子と負端子とを有する多数の蓄電池と、
電池並直列セットを形成するために、電気的に直列接続される多数の並列電池セットと、
電池並直列セットを自己放電する手段とを備え、
前記手段は、並直列電池セットに電気的に並列接続されるものであり、並直列電池セットを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに並直列電池セットを自己放電する並直列セットの蓄電池アセンブリ。
【請求項５】
直列電池セットを形成するために、その各々が電気的に直列接続される、正端子と負端子とを有する多数の蓄電池と、
電池直並列セットを形成するために、電気的に並列接続される多数の直列電池セットと、
電池直並列セットを自己放電する手段とを備え、
前記手段は、直並列電池セットに電気的に並列接続されるものであり、直並列電池セットを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに電池直並列セットを自己放電する直並列セットの蓄電池アセンブリ。
【請求項６】
自己放電する手段が、
直列接続される抵抗要素およびスイッチ要素と、
アセンブリ電圧を検出する電圧検出要素と、
アセンブリ電圧が設定値より大きいか、それと等しいときにスイッチ要素を閉じ、アセンブリ電圧が選択された総量により設定値より低いときにスイッチ要素を開くスイッチ要素制御器とを備える請求項１、２、３、４または５記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項７】
抵抗要素とスイッチ要素とスイッチ要素制御器とが、プリント回路基板上に配列される請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項８】
スイッチ要素とスイッチ要素制御器とが、プリント回路基板上に配列される請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項９】
スイッチ要素は、手動スイッチ、ソレノイド制御接触器およびトランジスタよりなる群から選ばれるものである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１０】
抵抗要素は、レジスタ、電球およびＬＥＤよりなる群から選ばれるものである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１１】
抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、単一のトランジスタまたは多数のトランジスタである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１２】
抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、トランジスタおよびレジスタの組み合わせである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１３】
抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、単一のＬＥＤまたは多数のＬＥＤである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１４】
抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、ＬＥＤおよびレジスタの組み合わせである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１５】
抵抗要素、スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、半導体チップ上で併合されるものである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１６】
スイッチ要素およびスイッチ要素制御器は、半導体チップ上で併合されるものである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１７】
抵抗要素は、その抵抗値を変化するように制御可能であり、抵抗値は、電圧検出要素によって検出される電圧に対する抵抗制御要素により制御されるものである請求項６記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１８】
自己放電する手段は半導体チップ上で併合されるものであり、半導体チップは蓄電池上に配列されるものである請求項１、２、３、４および５記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項１９】
自己放電する手段は半導体チップ上で併合されるものであり、蓄電池の各々はケースに入れられるものであり、半導体チップはケース内に配列されるものである請求項１、２、３、４および５記載の蓄電池アセンブリ。
【請求項２０】
請求項１、２、３、４および５記載の多数のアセンブリであって、直列、並列または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続されるアセンブリを備える蓄電池パック。
【請求項２１】
請求項２０記載の蓄電池パックと、
電池パックを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに蓄電池パックを自己放電する手段とを備え、
自己放電する手段は、電池パックに電気的に並列接続されるものである蓄電池パックアセンブリ。
【請求項２２】
直列、並列または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続される多数の蓄電池と、
電池パックを通した電圧が設定値より大きいか、それと等しいときに蓄電池パックを自己放電する手段とを備え、
自己放電する手段は、電池パックに電気的に並列接続されるものである蓄電池パックアセンブリ。
【請求項２３】
請求項１、２、３、４および５記載の多数のアセンブリであって、多数の蓄電池を充電するための、直列、並列、または直列と並列とを組み合わせたシステム回路に電気的に接続されるアセンブリと、
多数の蓄電池を充電するシステム回路内の電池充電器と、
システム回路内のシステム回路遮断要素と、
検出された電圧が、選択される高電圧より大きいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、および、検出された電圧が、選択される低電圧より小さいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、直列型のシステム回路内のアセンブリの各々を通した電圧を検出するシステム制御器とを備える電力供給システム。
【請求項２４】
請求項２０記載の多数の電池パックであって、充電のためのシステム回路内で直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続される電池パックと、
回路内の電池充電器と、
回路内のシステム回路遮断要素と、
検出された電圧が、選択される高電圧より大きいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、および、検出された電圧が、選択される低電圧より小さいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、直列型のシステム回路内のアセンブリの各々を通した電圧を検出するシステム制御器とを備える電力供給システム。
【請求項２５】
請求項２１記載の多数の電池パックアセンブリであって、充電のためのシステム回路内で直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続される電池パックアセンブリと、
回路内の電池充電器と、
回路内のシステム回路遮断要素と、
検出された電圧が、選択される高電圧より大きいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、および、検出された電圧が、選択される低電圧より小さいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、直列型のシステム回路内のアセンブリの各々を通した電圧を検出するシステム制御器とを備える電力供給システム。
【請求項２６】
請求項２２記載の多数の電池パックアセンブリであって、充電のためのシステム回路内で直列、並列、または直列と並列とを組み合わせて電気的に接続される電池パックアセンブリと、
回路内の電池充電器と、
回路内のシステム回路遮断要素と、
検出された電圧が、選択される高電圧より大きいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、および、検出された電圧が、選択される低電圧より小さいか、それと等しいときにシステム回路遮断要素を開くために、直列型のシステム回路内のアセンブリの各々を通した電圧を検出するシステム制御器とを備える電力供給システム。
【請求項２７】
システム回路遮断要素は、閉条件のときエネルギー消費を必要としない電磁開閉器であり、電磁開閉器はシステム制御器からの信号によって開かれるものである請求項２３記載の電力供給システム。
【請求項２８】
システム回路遮断要素は、閉条件のときエネルギー消費を必要としない電磁開閉器であり、電磁開閉器はシステム制御器からの信号によって開かれるものである請求項２４記載の電力供給システム。
【請求項２９】
システム回路遮断要素は、閉条件のときエネルギー消費を必要としない電磁開閉器であり、電磁開閉器はシステム制御器からの信号によって開かれるものである請求項２５記載の電力供給システム。
【請求項３０】
システム回路遮断要素は、閉条件のときエネルギー消費を必要としない電磁開閉器であり、電磁開閉器はシステム制御器からの信号によって開かれるものである請求項２６記載の電力供給システム。
【請求項３１】
請求項１、２、３、４および５記載の多数のアセンブリであって、直列、並列、または直列および並列回路の組み合わせにより電気的に接続されるアセンブリの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電圧にて蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項３２】
請求項１、２、３、４および５記載の多数のアセンブリであって、直列、並列、または直列および並列回路の組み合わせにより電気的に接続されるアセンブリの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項３３】
請求項１、２、３、４および５記載の多数のアセンブリであって、直列、並列、または直列および並列回路の組み合わせにより電気的に接続されるアセンブリの蓄電池を充電する方法であって、
定電圧が後に続く、選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項３４】
請求項２４記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電圧にて蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項３５】
請求項２４記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項３６】
請求項２４記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
定電圧が後に続く、選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項３７】
請求項２５記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電圧にて蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項３８】
請求項２５記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項３９】
請求項２５記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
定電圧が後に続く、選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項４０】
請求項２６記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電圧にて蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項４１】
請求項２６記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【請求項４２】
請求項２６記載の電力供給システムの蓄電池を充電する方法であって、
定電圧が後に続く、選択される定電流にて多数の蓄電池を充電する回路内の電池充電器を供する工程と、
回路内の電流が、多数のアセンブリのいずれか１個の抵抗要素を通過する電流より低いか、それと等しいものとなるために必要な時間より長い時間、蓄電池を充電する工程とからなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蓄電池に関し、特に、蓄電池の再充電に関する。
【背景技術】
【０００２】
１）車両のスタータや電動式自転車、電動式自動二輪車、電動式またはハイブリッド車両などの用途に用いられる電池には、効率改善とコスト軽減のために高電圧が必須である。電圧を増加するためには電池の直列接続が必要である。
【０００３】
２）直列接続の電池に関連する問題は、
ａ）低容量の電池が１個でもあると、電池セット全体としての容量は、その低容量の電池に影響される；
ｂ）低容量の電池を充電中に完全に充電できない場合、電池セット全体の能力は、その低容量電池のために低下する。これは技術分野においてセル・インバランス（cell imbalance）として知られている；
ｃ）ある特定の電池の低容量は、高自己放電または電池製造中の不具合により引き起こされ得る。
【０００４】
３）そのセル・インバランス問題を解決するための従来の方法は、
ａ）直列接続された電池の不整合を避けるために、電池を並べ替える；
ｂ）上述した問題を克服するために、電池を別々に充電する（たとえば、米国特許第６，５８６，９０９号明細書）。しかし、それぞれの電池を完全に充電するためには低電圧が必要とされ（たとえば、リチウム鉄電池は３．６５Ｖに充電される）、この低電圧充電は、通常の高電圧のＡＣ電源から低電圧のＤＣ電源への変換のために効率的なエネルギーではない。
【０００５】
充電中に電池を平衡化するために用いられる、多くの先行技術のシステムや方法が、充電されていない電池を検出し、平衡化するために、複雑な回路部品を用いている（米国特許第７，０６８，０１１号明細書、米国特許第７，０６１，２０７号明細書、米国特許第６，８８２，１２９号明細書、米国特許第６，８４１，９７１号明細書、米国特許第６，８２５，６３８号明細書、米国特許第６，８０１，０１４号明細書、米国特許第６，７８４，６３８号明細書、米国特許第６，７７７，９０８号明細書、米国特許第６，７００，３５０号明細書、米国特許第６，６４２，６９３号明細書、米国特許第６，５８６，９０９号明細書、米国特許第６，５１１，７６４号明細書、米国特許第６，２７１，６４５号明細書）。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、直列回路内で電気的に接続された多数の電池を充電するための単純な装置と方法を提供することを目的とする。
【０００７】
本発明は、正端子と負端子とを有する蓄電池と、両端子に通した電圧が設定値より大きいか等しいときに蓄電池を自己放電する手段とを有する蓄電池アセンブリである。自己放電手段は、電池の両端子と電気的に並列接続されるものである。本発明は、実施例や図面を伴った以下に示される説明により直ちに明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は、本発明に係る電池アセンブリの多種の実施形態の概略図である。
【図２】（ａ）は、本発明に係る自己放電回路の拡大図をともなった本発明に係る電池アセンブリの概略図であり、（ｂ）は、本発明に係る自己放電回路の他の実施形態の拡大図をともなった本発明に係る電池アセンブリの概略図である。
【図３】電池ケース上に配列された自己放電回路を有する本発明に係る電池アセンブリの概略図である。
【図４】本発明に係る電池アセンブリを有する電力供給システムの概略図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は、図５の（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は、図５の（ａ）〜（ｅ）および図６の（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は、図５の（ａ）〜（ｅ）、図６の（ａ）〜（ｅ）および図７の（ａ）〜（ｅ）の電池パックとは異なる本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックの概略図である。
【図９】本発明に係る電池アセンブリを有する電池パックアセンブリの概略図である。
【図１０】本発明の実施例３による電池アセンブリを有する電池システムの概略図である。
【図１１】本発明の実施例５による電池アセンブリを有する電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、直列接続された電池によって引き起こされる問題を解決するために特に重要である。充電中のセル・バランス問題は、過充電された電池からの電流（エネルギー）を漏出させる装置や方法を作りだすことによって軽減され得る。過充電を妨げる非常に高価な装置や方法を用いる代わりに、先行技術の装置や方法に見られるような、電池の平衡化を達成するために、本発明は、過充電された直列回路内の電池に供給される電流を減少する方法および装置を用いる。そのような方法や装置は、直列接続された電池、電池セットまたは電池パックに対して実行され得る。本明細書全体にわたって用いられる用語「電池セット」は、並列、直列、並直列または直並列に接続された多数の電池を意味する。本明細書全体にわたって用いられる用語「電池パック」は、並列、直列、並直列または直並列に接続された多数の電池セットを意味する。本明細書全体にわたって用いられる用語「アセンブリ」は、電池が過充電されるときにおける、電池、電池セットまたは電池パックの自己放電手段を伴った電池、電池セットまたは電池パックを意味する。
【００１０】
本発明では、過充電されると電池は自己放電する。電池、電池セットまたは電池パックのそれぞれは「自己放電」手段が供されるので、充電中にまたは充電後でさえも、電圧が設定値の媒介変数に達すると、セル・バランス（cell balance）問題は除去され得る。これは本発明の中核をなす思想である。
【００１１】
図１の（ａ）は「電池アセンブリ」の構造を示す。図１の（ｂ）は「並列電池セットアセンブリ」の構造を示す。図１の（ｃ）は「直列電池セットアセンブリ」の構造を示す。図１の（ｄ）は「並直列電池セットアセンブリ」の構造を示す。図１の（ｅ）は「直並列電池セットアセンブリ」の構造を示す。これらのアセンブリは、電池パックの提供における使用のための基本単位である。これらの図において、後に続く図も同様に、個々の蓄電池は符号１で示され、蓄電池を自己放電する回路は符号３で示される。
【００１２】
セル・インバランス問題を解決する本発明の方法は、図２の（ａ）に示される。図２の（ａ）に示されるように、それぞれの電池は、電池と並列する装置２に接続されている。その装置は、スイッチ要素６と、抵抗要素７と、電圧検出要素５ａと、スイッチ要素６を開閉するスイッチ要素制御器５ｂとから構成されている。電圧検出要素は、電池の電圧と検出し、スイッチ要素の「開」状態または「閉」状態を制御するスイッチ要素制御器とともにある。スイッチ要素、抵抗要素、電圧検出要素およびスイッチ要素制御器はプリント回路基板上に配列され得る。しかしながら、トランジスタは、電圧検出要素、制御器、スイッチ要素および抵抗要素の組み合わせとして機能することができるので、図２の（ａ）に示される装置は、トランジスタまたは並列接続された多数のトランジスタに（抵抗調節のために）置き換えられ得る。ほかには、図２の（ｂ）に示されるように、レジスタ７に直列接続された１個のトランジスタ８があり得る。図２の（ｂ）に示されるようにトランジスタとレジスタとが直列接続されている場合、レジスタに起因し、そのためにトランジスタの電圧検出に影響する電圧降下を最小限にするため、レジスタの抵抗は小さくするべきである。図２の（ｂ）の配置は、ＬＥＤのようなダイオード、あるいはスイッチ要素と制御器のみからなるプリント回路基板に適用可能でもある。
【００１３】
電池が充電されると、複数の電池のなかの１個の電池の電圧が設定値の上限より高い場合、電池に電気的に並列接続された装置のスイッチ要素は閉じ、したがって、電流をレジスタに流れさせる。これによって、設定値の上限電圧を過ぎた電池への充電電流は、電池に並列接続された装置の存在により減少する。その減少は後述の実施例１に示される。そのような条件下では、他の電池は通常の電流の流れにおいて充電されるが、電圧の上限を過ぎたものは充電減少動作を有する。これは、電池の過充電を妨げるための本発明の基本的なメカニズムである。抵抗要素は充分な抵抗を有する電気的な構成要素であり得る。たとえば、白熱電球は抵抗源として用いられ得る。
【００１４】
装置の要素は半導体チップ２上にあってもよく、それは電池の近くのどこにでも配列され得る。図３は、電池ケースの蓋上に組み込まれた半導体チップ２の可能性を示す。また、たとえば、チップはカソード（ケース）１１とアノード（負端子）１２のあいだに配列され得る。また、チップは電池ケースの内側にあってもよい。
【００１５】
レジスタは、より正確な抵抗の制御が必要とされる場合、変えることができる。充電中のそれぞれの電池に対する電流変化の詳細は、以下でさらに述べられる。
【００１６】
実施例１  いかにセルの平衡化は達成されるかについての理論的実証
仮定条件：
１）４個の電池アセンブリは図２の（ａ）に示されるように直列接続される。
２）電池（１）、（３）、（４）は５ミリオームの内部抵抗を有し、電池（２）は１０ミリオームの内部抵抗を有する。
３）電池（１）、（３）、（４）は３．３Ｖの開放電圧を有し、電池（２）は３．６Ｖの開放電圧を有する。
４）それぞれの電池アセンブリに対して、１．０オームのレジスタが電池に並列接続される。
５）１５Ｖの給電が、直列接続された４個の電池アセンブリに加えられる。
【００１７】
演算例１  （並列レジスタがすべて開いているとき）
４個の電池アセンブリの充電中、それぞれの電池の電圧は、以下に表される。
電池（１）：  Ｖ1＝Ｖｏ1＋Ｉ1Ｒ1
Ｖ1は充電中の電池（１）の電圧であり、Ｖｏ1は電池（１）の開放電圧であり、Ｉ1は電池（１）を通過する電流であり、Ｒ1は電池（１）の内部抵抗である。
電池（２）：  Ｖ2＝Ｖｏ2＋Ｉ2Ｒ2
電池（３）：  Ｖ3＝Ｖｏ3＋Ｉ3Ｒ3
電池（４）：  Ｖ4＝Ｖｏ4＋Ｉ4Ｒ4
【００１８】
ほかのレジスタは接続されないので、Ｉ1＝Ｉ2＝Ｉ3＝Ｉ4＝Ｉ
１５＝（Ｖ1＋Ｖ2＋Ｖ3＋Ｖ4）＝（Ｖｏ1＋Ｖｏ2＋Ｖｏ3＋Ｖｏ4）＋Ｉ（Ｒ1＋Ｒ2＋Ｒ3＋Ｒ4）
１５−３．３−３．６−３．３−３．３＝Ｉ（０．００５＋０．０１＋０．００５＋０．００５）
Ｉ＝６０アンペア・・・それぞれの電池を通過する電流
【００１９】
演算例２  （並列レジスタ回路が電池（２）に対して閉じているとき）
Ｉ’はレジスタを通過する電流であり、Ｒ’はレジスタの抵抗であると仮定する。
そのとき、
Ｖ2＝Ｉ’Ｒ’，Ｉ’＝Ｖ2／Ｒ’
Ｖ2＝Ｖｏ2＋Ｉ2Ｒ2
電流バランスを考慮して：  （Ｉ’＋Ｉ2）＝Ｉ1＝Ｉ3＝Ｉ4＝Ｉ
なので、
Ｖ2＝Ｖｏ2＋（Ｉ−Ｉ’）Ｒ2＝Ｖｏ2＋（Ｉ−Ｖ2／Ｒ’）Ｒ2
再配列すると、
Ｖ2＝（Ｖｏ2＋ＩＲ2）／（１＋Ｒ2／Ｒ’）
が得られ、したがって、
１５＝（Ｖ1＋Ｖ2＋Ｖ3＋Ｖ4）＝（Ｖｏ1＋Ｖｏ3＋Ｖｏ4）＋Ｉ（Ｒ1＋Ｒ3＋Ｒ4）＋（Ｖｏ2＋ＩＲ2）／（１＋Ｒ2／Ｒ’）
なので、
Ｉ＝６１．６７２（Ａ）、
Ｖ2＝（Ｖｏ2＋ＩＲ2）／（１＋Ｒ2／Ｒ’）＝４．１７５（Ｖ）、
Ｉ’＝Ｖ2／Ｒ’＝４．１７５（Ａ）、
Ｉ2＝Ｉ−Ｉ’＝５７．４９７（Ａ）
【００２０】
１０オームのレジスタが代入されると、
Ｉ＝６０．１６８（Ａ）、
Ｖ2＝Ｖｏ2＋（Ｉ−Ｖ2／Ｒ’）Ｒ2＝４．１９７５（Ｖ）、
Ｉ’＝Ｖ2／Ｒ’＝０．４１９８（Ａ）、
Ｉ2＝Ｉ−Ｉ’＝５９．７４８（Ａ）
【００２１】
演算からの結論
１）図２の（ａ）の電池アセンブリに関して、並列回路におけるレジスタのスイッチが閉じているとき、電流はレジスタに流れ、電池に対する充電電流は減少する。
２）並列レジスタ回路のスイッチが、図２の（ａ）の電池アセンブリに対して閉じているあいだ、他の電池（１）、（３）、（４）の充電電流は増加する。
３）レジスタの抵抗は、電池（２）に対する電流減少の規模を決定づける。抵抗が小さくなるほど、電流減少の規模は大きくなる。
４）したがって、直列接続されたそれぞれの電池にレジスタを合併する思想は、より高い容量を有する電池の充電電流を減少することによって、また、より低い容量を有する他の電池の充電電流を増加することによって、すべての電池の容量のバランスをとる点で効果的である。
５）電池に並列接続されたレジスタは、充分なセル・バランス機能を有すべきであることは明らかである。電圧検知機能と抵抗源供給機能を満たす電気的装置または構成要素は、本発明の焦点の範囲内である。
【００２２】
実施例２  電池アセンブリを充電する方法を実証する理論的演算
仮定条件：
１）４個の電池アセンブリは図２の（ａ）に示されるように直列接続される。
２）電池（１）、（３）、（４）は５ミリオームの内部抵抗を有し、電池（２）は１０ミリオームの内部抵抗を有する。
３）電池（１）、（３）、（４）は３．３Ｖの開放電圧を有し、電池（２）は３．６Ｖの開放電圧を有する。
４）電池（１）、（２）、（３）および（４）は、定電流の充電を受ける。電流は２Ａである。
５）実証の目的のために、電池は調査され、電池（２）、１．０オームのレジスタは電池に並列接続され、回路スイッチは閉じている。
【００２３】
演算：
電流バランスを考慮して：  （Ｉ’＋Ｉ2）＝Ｉ1＝Ｉ3＝Ｉ4＝Ｉ＝２（Ａ）
Ｖ2＝Ｖｏ2＋（Ｉ−Ｉ’）Ｒ2＝Ｖｏ2＋（Ｉ−Ｖ2／Ｒ’）Ｒ2
再配列すると、
Ｖ2＝（Ｖｏ2＋ＩＲ2）／（１＋Ｒ2／Ｒ’）
が得られ、
Ｖｏ2＝３．６（Ｖ）、Ｉ＝２（Ａ）、Ｒ2＝０．０１オーム、Ｒ’＝１オームを代入すると、
Ｖ2＝３．５８４２（Ｖ）
Ｉ’＝Ｖ2／Ｒ’＝３．５８４２（Ａ）、
Ｉ2＝Ｉ−Ｉ’＝２−３．５８４２＝−１．５８４２（Ａ）＜０
が得られる。
【００２４】
演算からの結論
１）過充電される電池は、回路電流（Ｉ）がレジスタ（Ｉ’）を通る電流より低いとき、放電される。すなわち、（Ｉ−Ｉ’＜０）である。
２）過充電された電池が放電すると、セル・バランスは達成される。
３）実施例１と実施例２に示される演算結果を組み合わせると、セル・バランス充電方法は、定電圧モード（しかし、必要とされる充電時間はＩ＜Ｉ’の条件に対して必要とされる時間より長くすべきである）、または、レジスタ（Ｉ’）を通る電流より低い電流（Ｉ）を通ることによる定電流モードとして実行され得ると結論することもできる。
４）さらに、充電器は充電のための２個のモードを有するよう設計され得ると結論することができる。一方のモードは、電池システムの通常の使用（充電の終了はある程度の充電時間を設定することによって実行される）のための通常の定電流／定電圧充電モードである。他方のモードは、電池システムが通常の使用よりも低容量しか有しないときに用いられるセル・バランスモード（定電流充電）である。
【００２５】
実施例３  電池パックおよび電池システム
上述したように、電池パックは、図１の（ａ）〜（ｅ）に示されるように、電池セットまたは電池セットアセンブリから構成される。本発明では、電池パックは、「電池パックアセンブリ」を形成するために、スイッチ要素、電圧検出要素、制御器および抵抗要素を含む並列回路に接続されても良い。電池セットアセンブリを用いて構築される電池パックの構造は、図５の（ａ）〜（ｅ）、図６の（ａ）〜（ｅ）、図７の（ａ）〜（ｅ）および図８の（ａ）〜（ｅ）に示されるものであり得る。これらの図は、図１の（ａ）〜（ｅ）に示される５個の単位構造を表すものであり、多様な回路配列に接続される。その接続は、直列（図５の（ａ）〜（ｅ））、並列（図６の（ａ）〜（ｅ））、並直列（図７の（ａ）〜（ｅ））および直並列（図８の（ａ）〜（ｅ））である。図５、６、７および８に示される場合のそれぞれにおいて、「電池パックアセンブリ」を形成するために、スイッチ要素、制御器、電圧検出要素および抵抗要素を含む並列回路に再度接続され得る。「電池パックアセンブリ」の例は図９に示される。
【００２６】
電池セットまたは電池セットアセンブリから構成される電池パックとしての場合と同様に、電池システムは電池パックまたは電池パックアセンブリから構成される。さらに、電池パックアセンブリを用いて構築される電池システムの構造は、直列、並列、並直列および直並列であり得る。「電池システム」の例は図１０に示される。
【００２７】
ある実用的な事例がここで述べられる。すなわち、電動自動二輪車の電池システムの例である。図１０を参照すると、典型的な電動自動二輪車は、５３Ｖおよび４０Ａｈを有する電池システムを用いる。電池システムは、直列接続された４個の電池パック（１３．３Ｖ）から構成される。電池パックのそれぞれは、直列接続された４個のリチウム鉄電池セット（３．３３Ｖ）からなる。そして、電池セットのそれぞれは、並列接続された４個の１０Ａｈ電池からなる。この場合、電池システムの最良の構造は、電池システムのための構成ブロックとしての、電池パックアセンブリおよび電池セットアセンブリの利用である。その配列では、電池パックの過充電および電池セットの過充電は妨げられ得る。電池システムが電池パックアセンブリを用いて構築されているが、パックアセンブリは電池セットのみによって構築されている場合、電池セットにおける過充電は、長時間のサイクリングの後に起こるかも知れない。電池システムが電池パックのみを用いて構築され、電池パックが電池セットアセンブリではなく電池セットを用いて構築されている場合、充電中の過充電を伴ったセル・インバランスが起こり得る。
【００２８】
実施例４  好ましい電力供給システム
電力供給システムは、図４に示されるように、充電器４、電池システム（パックまたはセット）、制御盤１０および電路遮断器９を含む構成要素の集積化である。さらに、本発明の４個の電池アセンブリは実証のための最も単純な例として直列接続されている。図４を参照すると、それぞれの電池は、図２の（ａ）または（ｂ）に示されるように、構成要素からなる回路に並列接続されていることがわかる。制御盤は、それぞれの電池の一方の端子に通じる電気導線に接続されている。これらの電気導線は電圧検出供給手段として機能する。制御盤の他方の端部は、電路遮断器が接続されている。充電器は、電気的に直列接続された電池の２個の端部に直接接続されている。通常の充電中（定電流／定電圧）、電池のいずれかが設定過充電電圧を超えると、制御盤は、充電を終了するための信号を電路遮断器に送る。同様に、放電中、電池のいずれかが設定終了電圧を下回ると、制御盤は、放電を終了するための信号を電路遮断器に送る。これら２種類の動作は、過充電および過放電を避けるための電池保護機能を果たす。通常の充電中、設定時間中は充電動作を認める（たとえば、定電圧充電の１．５時間後に終了）。そのとき、電池はよりバランスのとれたものになるかも知れないし、そうでないかも知れない。しかしながら、所定の充電の後、電池はバランスをとることができる。すなわち、平衡充電（小電流定数、電流充電、電流振幅Ｉ＜Ｉ’）モードをまさに開始することによるものである。これによって、すべての電池を平衡するまで定電流充電させる。
【００２９】
この場合、制御盤は、直列接続されたそれぞれの電池の電圧を検出し、充電または放電動作の終了のための信号を電路遮断器に送る非常に単純な装置であり得る。このように、制御盤の単純さは、電池は充電中に電流漏洩するので、本発明の電池の特性によって役立てられる。本発明において、充電の遮断は、入力と出力を切る電磁継電器によってなされるのが好ましい。この電磁継電器はアイドル状態のあいだ、電力消費を必要としないため好ましく、制御盤によって発生するパルス信号は継電器の閉回路および開回路状態を決定し、したがって、電池の充電のオンとオフを決定する。
【００３０】
実施例５  実施例１で述べたセル平衡を達成するための方法
図１１を参照すると、本実施例では全部で８個ある１０オームのリチウム鉄電池は、充電方法および充電中の電池のセル・バランス特性の実証に用いられる。まず、２個のセルは並列電池セットを形成するために並列接続される。次に、電池のセットのそれぞれは、電池アセンブリを形成するために電池セットに電気的に並列接続された回路（たとえば、プリント回路基板）に接続される。それから、４個の電池アセンブリは直列接続される。この場合、第１のセット、第２のセット、第３のセットおよび第４のセットは、明確性のために、直列接続される４個の電池セットアセンブリに対して命名される。まず、４個のすべてのセットアセンブリは、完全な１００％充電がなされる。次に、第１の電池セットアセンブリは１０％容量（２Ａｈ）の放電がなされる。この後、４個すべての電池セットアセンブリは直列接続され、このセットアップは電池パックとされる。設定自己放電活性化電圧は、この場合３．７５Ｖに設定される。それぞれの電池セットに並列する自己放電回路は、２オームの抵抗を有する。上述した手順の後、電池パックは１．７Ａの定電流充電を受ける。電池の各セットに対する電圧変化対時間は表１に示される。表１から、第２、第３および第４の電池セットアセンブリは、初期状態において３．７５Ｖを超える電圧増加を有したことがわかる。５分後、第２、第３および第４の電池セットアセンブリは、３．７５Ｖで安定するよう回復した。このとき、レジスタを通過する電流は１．８Ａであることが測定される。
【００３１】
電池セットアセンブリの第１のセットは、その電圧を徐々に増加させ、８０分後には３．７５Ｖであり、これは充電平衡動作の終了である。本実験では、Ｉ（電力供給電流）はＩ’（レジスタを通る電流）より低く設定される。結果として、電池セットアセンブリの第２、第３および第４のセットに対する電圧は、充電中３．７５Ｖで安定した。電池セットアセンブリの４個のセットの完全な平衡は、所定時間経過後に達成された。電流Ｉが電流Ｉ’（この場合、１．８Ａ）よりわずかに大きく設定されるとき、第２、第３および第４の電池セットの電圧は、定電流充電のあいだ、３．７５Ｖより高くなり得ることが観察された。しかしながら、定電圧充電が第２段階の充電として１５Ｖに設定されるとき、第２、第３および第４の電池セットの電圧減少が観察され（電流Ｉが電流Ｉ’未満に減少し始めるとき）、電池セットアセンブリの４個のセットは最終的に平衡化されるが、長時間を必要とする。
【００３２】
【表１】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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