特許 7641802 セルを管理するための管理回路を含む電気エネルギー貯蔵又は生成セルの組立体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-27

(45)【発行日】2025-03-07

(54)【発明の名称】セルを管理するための管理回路を含む電気エネルギー貯蔵又は生成セルの組立体

(51)【国際特許分類】

   H01M 10/44 20060101AFI20250228BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20250228BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20250228BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20250228BHJP

   H02J 7/34 20060101ALI20250228BHJP

【ＦＩ】

H01M10/44 P

H01M10/48 P

H01M8/249

H01M8/04 Z

H02J7/34 B

【請求項の数】 13

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021065112

(22)【出願日】2021-04-07

(65)【公開番号】P2021170528

(43)【公開日】2021-10-28

【審査請求日】2024-01-10

(31)【優先権主張番号】2003824

(32)【優先日】2020-04-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】311015001

【氏名又は名称】コミサリヤ・ア・レネルジ・アトミク・エ・オ・エネルジ・アルテルナテイブ

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】クリストフ・セクアール

(72)【発明者】

【氏名】ジスラン・デペス

(72)【発明者】

【氏名】サミ・ウカシ

【審査官】新田 亮

(56)【参考文献】

【文献】欧州特許出願公開第０３２０３５９９（ＥＰ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１６５７３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ １０／４４

Ｈ０１Ｍ １０／４８

Ｈ０１Ｍ ８／２４９

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０２Ｊ ７／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

－ ランクｉのＮ個の電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ_ｉ）であって、Ｎ≧２であり、各セルは、基本セル又は直列及び／若しくは並列に配置された基本セル（ＣＥ_ｉｊ）の基本組立体を含み、各電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、全ての時間ｔにおいて最大電流Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}を供給することが可能である、Ｎ個の電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ_ｉ）、
－ 前記電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ_ｉ）を管理するための管理回路
を含む、出力電流Ｉ_ｓを送達することが可能な組立体において、
前記電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、低下する使用優先度においてそのランクｉに従って分類され、前記管理回路は、放電モードにおいて、少なくともランク１の前記電気エネルギー貯蔵又は生成セル、又はそのランクｉ及び以下の基準：
－ ランク１の前記電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ１）は、それが前記出力電流Ｉ_ｓを供給することが可能である限り、それ自体でアドレス指定され、ここで、Ｉ_ｓ＜Ｉ_ｍａｘ１であること、
－ ランク１の前記電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ_１）は、更にそのランクｉに従って連続してアドレス指定される数ｋ個の電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ_ｉ）と共にアドレス指定されて、放電モードの全ての時間で前記電流Ｉ_ｓを供給し、前記数ｋは、厳密に２より高く、Ｎ以下であり、且つ以下の条件：

【数1】

を満たすこと
に従い、前記電気エネルギー貯蔵又は生成セルをアドレス指定するための手段を含み、
前記電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ_ｉ）を管理するための前記管理回路は、
－ ランクｉのブロック（Ｍ_ｉ）
を含み、各電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ_ｉ）は、ブロック（Ｍ_ｉ）に結合され、ブロック（Ｍ_ｉ）に結合された各セル（Ｂ_ｉ）は、出力電流（Ｉ_ｉ）を送達することが可能であり、
前記ブロック（Ｍ_ｉ ）は、前記出力電流（Ｉ_ｉ）の和に等しい出力電流（Ｉ_ｓ）を生成し、前記ブロック（Ｍ_ｉ）は、電流値Ｉ_{ｍａｘ，１}を超えることなく、第１の電気エネルギー貯蔵又は生成セルを、それが完全に枯渇されるまで選択し、且つその後、電流値Ｉ_{ｍａｘ，i} を超えることなく、各次の電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ _ｉ ）を、それが完全に枯渇されるまで選択する、組立体。

【請求項2】

各ブロック（Ｍ_ｉ）は、スイッチを含み、前記電気エネルギー貯蔵又は生成セルを管理するための前記管理回路は、オールオアナッシングモードでヒステリシスを通して前記電気エネルギー貯蔵又は生成セル（Ｂ_ｉ）のそれぞれを制御する、請求項１に記載の組立体。

【請求項3】

各ブロック（Ｍ_ｉ）は、電圧閾値Ｕｔｈ_ｉを有する調整器（Ｒｇ_ｉ）を含む、請求項１に記載の組立体。

【請求項4】

組立体は、出力電圧Ｖ_ｓで動作し、各ブロック（Ｍ_ｉ）は、電圧閾値Ｕｔｈ _ｉ を有して動作する調整器（Ｒｇ _ｉ ）を含み、
Ｕｔｈ_２＞Ｕｔｈ_３＞．．．＞Ｕｔｈ_Ｎ
及び
－ ランク１の前記セル（Ｂ_１）は、Ｖ_ｓ≧Ｕｔｈ_２である場合、それ自体で活性化されて、Ｉ_{ｍａｘ，１}を供給し、
－ Ｖ_ｓ＜Ｕｔｈ_２である場合、前記第２のセル（Ｂ_２）は、前記第１のセル（Ｂ_１）に加えて活性化されて、追加の電流を供給し、
－ Ｖ_ｓ＜Ｕｔｈ_Ｎである場合、第Ｎのセル（Ｂ_Ｎ）は、下位ランクの前記セルＢ_１＋Ｂ_２＋．．．Ｂ_Ｎ－１に加えて活性化されて、追加の電流を供給する、請求項３に記載の組立体。

【請求項5】

出力電圧Ｖｓで動作し、各ブロック（Ｍ_ｉ）は、設定点電圧を有し、且つ
－ 前記出力電圧Ｖ_ｓが前記設定点電圧よりも低い場合、前記出力電圧Ｖ_ｓを前記設定点電圧に保つために出力において電流を供給すること、及び
－ 前記出力電圧Ｖｓが設定点よりも大きい場合、ゼロ電流を供給すること
が可能であるスイッチモードコンバータを含む、請求項１に記載の組立体。

【請求項6】

異なる電気容量値を有する電気エネルギー貯蔵又は生成セルを含む、請求項１又は２に記載の組立体。

【請求項7】

前記電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、前記ランクｉに従って低減する電気容量値を有する、請求項３に記載の組立体。

【請求項8】

前記管理回路は、再充電モードにおいて、負の出力電流－Ｉｓに対応して、前記セルの全てを並列に配置するための手段を含む、請求項１～７の何れか一項に記載の組立体。

【請求項9】

前記管理回路は、再充電モードにおいて、負の出力電流－Ｉ_ｓに対応して、ランクＮ～ランク１の優先度として高ランクの前記セルをアドレス指定するための手段を含む、請求項１～７の何れか一項に記載の組立体。

【請求項10】

前記基本電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、電池である、請求項１～９の何れか一項に記載の組立体。

【請求項11】

前記基本電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、マイクロ電池である、請求項１～９の何れか一項に記載の組立体。

【請求項12】

前記基本電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、水素燃料電池である、請求項１～９の何れか一項に記載の組立体。

【請求項13】

前記マイクロ電池及び前記管理回路は、３Ｄスタックに含まれる、請求項１１に記載の組立体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の分野は、電池、水素燃料電池等の電気エネルギー貯蔵又は生成セルの組立体の分野であり、より詳細にはセルを管理するための管理回路を含み、前記組立体の使用可能なエネルギー又は他に前記組立体によって供給されるシステムの自律期間を増加させることを可能にする組立体に関する。

【背景技術】

【0002】

本発明により対処される問題は、特定の充電状態から開始して電流を供給する容量の低下及び電気エネルギー貯蔵又は生成セルにより供給されるシステムの自律期間の短縮に関する。

【0003】

一般的に、電池の充電及び放電レジームは、一般に「Ｃレート」と呼ばれるパラメータによって特徴付けられ得る。１Ｃで評価される１ｍＡｈの電池とは、電池が１Ｃレジームで放電する場合、１ｍＡを１時間供給することが可能であることを意味する。

【0004】

電池の貯蔵容量は、一般に、電池の仕様書を用いて製造業者により供給され、電池の所定の放電終了電圧に達するまで電池が２０℃で供給することが可能な時間と公称電流との積に対応する。このため、電池の公称容量は、予期される放電期間にリンクする。

【0005】

本出願人は、マイクロ電池の場合、特定の放電状態から開始して公称電流を供給する容量の急降下を実証した。この低下は、高容量リチウムイオン電池であまり目立たずより漸次的であるが、高容量リチウムイオン電池でも存在する。

【0006】

したがって、この問題は、輸送（自転車、車、大型トラック、列車等）、自律システム（ソーラー無線中継機、ローラシャッタ、被接続物体等）、蓄電体等の高電力用途の状況を含め、一般的な関心事である。

【0007】

一般的に、マイクロ電池とは、電気絶縁体及びイオン伝導体（電解質）により隔てられた２つの電極（正及び負）からなり、マイクロ電池が充電されるか又は放電されるかに応じてイオン（例えば、リチウムイオン）が一方の電極から他方の電極に遷移する電子化学デバイスである。

【0008】

適用の標的分野（モノのインターネット、医療用インプラント、自律センサ等）は、デバイスに供給するエネルギー源のサイズに大きい制約を課す。正電極は、リチウムイオンリザーバを形成し、貯蔵されるエネルギーの量は、その容積（一定密度における）に直結している。

【0009】

マイクロ電池の容量を上げる直接的な一方法は、例えば、カソードの厚さを、通常１０μｍを超えて増大させることを含み得る。並列接続された複数の電池ユニットのスタックを形成することも可能であり、それにより同一の表面フットプリントを保てるようにする。

【0010】

しかしながら、これらの解決策には、複数の欠点がある。
－ １０μｍを超える厚さで制限されるカソードのスパッタリング堆積技法により、正電極の厚さを増大させると、表面及び容積の不備が増大し、場合によりマイクロ電池の故障に繋がり、
－ マイクロ電池は、最初の充電と最初の放電との間で容量の不可逆的損失を示し、これは、カソードの厚さが大きい場合、一層顕著であり、したがって１０μｍを超える厚さを有する正電極で特に有害である。

【0011】

図１は、リチウムベースのマイクロ電池（ＬｉＣｏＯ_２で作られた正電極、チタンで作られた負電極、ＬｉＰＯＮで作られた固体電解質）での充電容量及び放電容量の関数としてのマイクロ電池の充電電流Ｉ及び電位差Ｅ（Ｖ対Ｌｉ^＋／Ｌｉ）をより精密に示す。

【0012】

図１は、一定電位４．２Ｖで充電中の電流プロファイル（電流尺度が右にあり、充電尺度Ａｈが上にある破線曲線）を示す。放電中、一定電流－６μＡが印加され、電位差（電圧尺度が左にあり、放電尺度Ａｈが下にある非破線の曲線）は、４．２Ｖ～３Ｖで変化する。

【0013】

合計容量の３０％～４０％を表す損失（水平矢印で強調表示された充電容量と放電容量との差）は、放電末期での動力学的限界に起因する。しかしながら、この限界を解消することが可能であるが、放電電流は、大幅に低下し、それにより定常モード外の任意の構成要素への供給が不可能になる。

【0014】

図２は、この事例、より精密にはμＡｈ単位で表される放電容量の関数としての放電電流（μＡ単位で表される）の発生を示す。図２も電位差Ｅ（Ｖ対Ｌｉ^＋／Ｌｉ）を強調表示している。

【0015】

最初のレジームでは、マイクロ電池は、一般に、印加電流－６μＡｈで動作し得、前記マイクロ電池の端子間に電圧低下をもたらす。２番目のレジームでは、通常、３Ｖの電圧を維持することが可能であり、自由なままの放電電流低下は、－６μＡｈから０に近いはるかに低い電流に変化する。

【0016】

２番目のレジームでは、図３に示されるように非常に低い電流を課すことも可能である。

【0017】

したがって、両方の状況で放電電流が非常に低くなり、２番目のレジームにおいて十分な電流供給を達成することがもはやできなくなることが示された。

【0018】

したがって、上記欠点を解消するために、マイクロ電池に関連してエネルギー管理回路を使用することが必要になる。

【0019】

スタックマイクロ電池でエネルギーを管理するために提案されるデバイスがマイクロ電池の分野で既知であり、特にミシガン大学の特許である米国再審査登録特許第００９６３５１４７Ｂ２号明細書に記載されている。マイクロ電池は、容量性電荷リザーバを供給し、その機能は、用途により要求される電流ピークを供給することにより外部回路に給電することである。

【0020】

この電荷リザーバは、デバイスの動作中、マイクロ電池により定期的に再充電される。定期的な再充填は、情報伝送率の固有の限界に繋がる。更に、リザーバが大きいほど、表面積及び製造に関して高価である。

【0021】

文献米国再審査登録特許第００９２５２４１５Ｂ２号明細書、Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃｓも、ウェーハを積層することによりマイクロ電池を並列に配置することを開示しており、チップは、積層プロセス中、再分配及びビア層により接続される。

【0022】

しかしながら、上述した２つの解決策は、特にカソードの厚さが大きい（１０μｍ超の厚さ）場合、所望の目的に合った容量及び構成要素の容積フットプリントを損ねる最初のサイクル後の不可逆的損失の問題に対処していない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0023】

【文献】米国再審査登録特許第００９６３５１４７Ｂ２号明細書

【文献】米国再審査登録特許第００９２５２４１５Ｂ２号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0024】

本出願人は、この不可逆的な損失に焦点を当て、貯蔵エネルギーの最高で３４％までを表し得るマイクロ電池の２番目の放電レジームにおいて、電流が低すぎて用途の公称動作を保証できないことを特に示した。

【0025】

この問題を解決するために、本出願人は、エネルギー管理回路を含み、組立体の自律期間を最適化し、特にその最初のレジームにおいて１つのセルを利用可能に保つ一方、他の１つ又は複数のセルに２番目のレジーム（２番目の放電部分）で引き続き電流を供給させ続けられるようにする電気エネルギー貯蔵又は生成セルの組立体を提案している。この解決策は、マイクロ電池の場合に特に適し得るが、任意の他の場合の電気エネルギー貯蔵又は生成セルでも関連し、より長期にわたり用途電流の供給を続けられるようにする。

【0026】

セルの放電は、可能な限り早期に２番目のレジームを使用することが優先され、続くセルは、随時、用途のニーズを満たすのに必要な追加電流を供給するように連続して切り替えられる。これは、動作中、電池が最初の６６％にわたってのみ放電する標準的な場合と比較して約３０％～３５％の容量増加に繋がり得る。

【0027】

本発明では、電池又は電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、１つの基本セル又は直列及び／若しくは並列に配置された複数の基本セルの組立体であるものとして定義されることに留意されたい。

【0028】

本発明の組立体は、セルの組及び関連する管理回路を含み、
－ 組は、２つ以上のセルからなり、
－ エネルギーは、２番目のレジームにおける動力学的限界の影響を平滑化することにより、全ての容量を使用するように各セルにより段階的に供給され、
－ セルの充電段階に応じて異なるレジームのセルを同時にアドレス指定することができ、
－ セル及び管理回路は、有利には、３Ｄスタックに含まれ得、
－ プリアンブルに記載される従来のマイクロ電池等のセルの場合、合計容量が大きいほど損失が顕著であるため、正電極の厚さは、通常、限定ではなく、１０μｍ超であり得る。

【0029】

本発明は、より詳細には、
－ ランクｉのＮ個の電気エネルギー貯蔵又は生成セルであって、Ｎ≧２であり、各セルは、基本セル又は直列及び／若しくは並列に配置された基本セルの基本組立体を含み、各電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、全ての時間ｔにおいて最大電流Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}を供給することが可能である、Ｎ個の電気エネルギー貯蔵又は生成セル、
－ 前記電気エネルギー貯蔵又は生成セルを管理するための管理回路
を含む、出力電流Ｉ_ｓを送達することが可能な組立体において、
前記電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、低下する使用優先度においてそのランクｉに従って分類され、前記管理回路は、放電モードにおいて、そのランクｉ及び以下の基準：
－ ランク１の電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、それが出力電流Ｉ_ｓを供給することが可能である限り、それ自体でアドレス指定され、ここで、Ｉ_ｓ＜Ｉ_ｍａｘ１であること、
－ ランク１の電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、更にそのランクｉに従って連続してアドレス指定される数ｋ個の電気エネルギー貯蔵又は生成セルと共にアドレス指定されて、放電モードの全ての時間で電流Ｉ_ｓを供給し、数ｋは、２＜ｋ≦Ｎであるようなものであり、且つ以下の条件：

【数1】

を満たすこと
に従い、少なくともランク１の電気エネルギー貯蔵若しくは生成セル又は電気エネルギー貯蔵若しくは生成セルをアドレス指定するための手段を含むことを特徴とする組立体に関する。

【0030】

本発明の幾つかの変形形態によれば、電気エネルギー貯蔵又は生成セルを管理するための管理回路は、
－ ランクｉのブロック（Ｍ_ｉ）
を含み、各電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、ブロックに結合され、ブロックに結合された各セルは、出力電流を送達することが可能であり、
－ 前記ブロックの組は、出力電流Ｉ_ｉの和に等しい出力電流Ｉ_ｓを生成し、前記ブロックは、電流値Ｉ_{ｍａｘ，１}を超えることなく、第１の電気エネルギー貯蔵又は生成セルを、それが完全に枯渇されるまで選択し、且つその後、電流値Ｉ_{ｍａｘ，２}を超えることなく、第２の電気エネルギー貯蔵又は生成セルを、それが完全に枯渇されるまで選択する等であり、且つその後、第Ｎの電気エネルギー貯蔵又は生成セルを選択する。

【0031】

本発明の幾つかの変形形態によれば、各ブロックは、スイッチを含み、前記電気エネルギー貯蔵又は生成セルを管理するための管理回路は、オールオアナッシングモードでヒステリシスを通して前記電気エネルギー貯蔵又は生成セルのそれぞれを制御する。

【0032】

本発明の幾つかの変形形態によれば、各ブロックは、基準出力電圧Ｕｔｈ_ｉを有する調整器を含む。組立体は、出力電圧Ｖ_ｓで動作し得、各ブロックは、電圧閾値を有して動作する調整器を含み、及び調整器の電圧閾値は、
Ｕｔｈ_２＞Ｕｔｈ_３＞．．．＞Ｕｔｈ_Ｎ
であるようなものであり、及び
－ ランク１のセルは、Ｖ_ｓ≧Ｕｔｈ_２である場合、それ自体で活性化されて、Ｉ_{ｍａｘ，１}を供給し、
－ Ｖ_ｓ＜Ｕｔｈ_２である場合、第２のセルは、第１のセルに加えて活性化されて、追加の電流を供給し、
－ Ｖ_ｓ＜Ｕｔｈ_Ｎである場合、第Ｎのセルは、下位ランクのセルに加えて活性化されて、追加の電流を供給する。

【0033】

本発明の幾つかの変形形態によれば、組立体は、出力電圧Ｖ_ｓで動作し、各ブロックは、設定点電圧を有し、且つ
－ 出力電圧Ｖ_ｓが前記設定点電圧よりも低い場合、出力電圧Ｖ_ｓを設定点電圧に保つために出力において電流を供給すること、及び
－ 出力電圧Ｖｓがこの設定点よりも大きい場合、ゼロ電流を供給すること
ことが可能であるスイッチモードコンバータを含むことを特徴とする。

【0034】

本発明の幾つかの変形形態によれば、組立体は、異なる電気容量値を有する電気エネルギー貯蔵又は生成セルを含む。

【0035】

本発明の幾つかの変形形態によれば、電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、ランクｉに従って低減する電気容量値を有する。

【0036】

本発明の幾つかの変形形態によれば、管理回路は、再充電モードにおいて、負の出力電流－Ｉｓに対応して、セルの全てを並列に配置するための手段を含む。

【0037】

本発明の幾つかの変形形態によれば、管理回路は、再充電モードにおいて、負の出力電流－Ｉ_ｓに対応して、ランクＮ～ランク１の優先度として高ランクのセルをアドレス指定するための手段を含む。

【0038】

本発明の幾つかの変形形態によれば、基本電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、電池である。

【0039】

本発明の幾つかの変形形態によれば、基本電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、マイクロ電池である。

【0040】

本発明の幾つかの変形形態によれば、基本電気エネルギー貯蔵又は生成セルは、水素燃料電池である。

【0041】

本発明の幾つかの変形形態によれば、マイクロ電池及び管理回路は、３Ｄスタックに含まれる。

【0042】

限定ではなく与えられる以下の説明を読むこと及び図により、本発明は、よりよく理解され、他の利点も明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0043】

【図1】既知の従来技術によるマイクロ電池での最初の充電と最初の放電との間の容量損失を示す。

【図2】特に３Ｖの電圧に維持されるマイクロ電池の２番目のレジームにおける時間の関数としての、放電動作中の電圧及び電流の挙動を示す。

【図3】特に非常に低い放電電流に維持されるマイクロ電池の２番目のレジームにおける時間の関数としての、放電動作中の電圧及び電流の挙動を示す。

【図4】従来技術によるマイクロ電池のエネルギー管理回路の第１の例を示す。

【図5】従来技術によるマイクロ電池のエネルギー管理回路の第２の例を示す。

【図6】本発明によるエネルギー管理回路を含む組立体を概略的に示す。

【図7a】本発明によるエネルギー管理回路を含む組立体で使用可能なセルと相関付けられたブロックの一例を示す。

【図7b】本発明によるエネルギー管理回路を含む組立体で使用可能なセルと相関付けられたブロックの一例を示す。

【図7c】本発明によるエネルギー管理回路を含む組立体で使用可能なセルと相関付けられたブロックの一例を示す。

【図8】本発明による、１組４個のセルで動作するエネルギー管理回路を含む組立体の一例での１つ、２つ、３つ又は４つのセルと相関付けられた時間の関数としての出力電流の発生の一例を示す。

【図9】２つの同一セルを含む、本発明によるエネルギー管理回路を含む組立体の一例での時間の関数としての出力電流挙動を示す。

【図10】２つの異なるセルを含む、本発明によるエネルギー管理回路を含む組立体の一例での時間の関数としての出力電流挙動を示す。

【図11】３つの異なるセルを含む、本発明によるエネルギー管理回路を含む組立体の一例での時間の関数としての出力電流挙動を示す。

【図12】スイッチに基づくブロックを含む本発明によるエネルギー管理回路を含む組立体の一例を示す。

【図13】オールオアナッシングモードでヒステリシスを通して実行され、放電動作中、図１２に示されるもの等の組立体の管理回路で使用可能である、セルを制御するアルゴリズムの一例を示す。

【図14】本発明による組立体の管理回路で使用可能であり、線形モードで動作し、閾値電圧（放電での動作）により定義される、セルを制御するアルゴリズムの一例を示す。

【図15】本発明による組立体の管理回路で使用可能であり、線形モードで動作し、各セルで利用可能な電流と要求される電流（放電での動作）とのバランスにより定義される、セルを制御するアルゴリズムの一例を示す。

【図16】本発明による組立体の管理回路で使用可能であり、線形モードで動作し、各セルでの許容可能な再充電電流と再充電動作中の全体再充電電流とのバランスにより定義される、セルを制御するアルゴリズムの一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0044】

一般的には、本特許出願では、セルは、複数の基本サブセルＣＥ_ｉｊの組立体からなるセルＢ_ｉを示す以下の図６で説明されるように、１つの基本電気エネルギー貯蔵若しくは生成セル又は直列及び／若しくは並列に配置された複数の基本電気エネルギー貯蔵若しくは生成セルの基本組立体として定義される。

【0045】

基本セルＣＥ_ｉｊは、通常、電池、マイクロ電池、水素燃料電池等の電子化学対である。この基本セルは、他の基本セルと直列に組み合わされて、６つの要素を直列に組み合わせた鉛酸電池での１２Ｖ等の特定の電圧を達成し得、且つ／又は並列に組み合わされて、より高い電流を供給し得る。

【0046】

以下の詳細な説明では、基本セルは、マイクロ電池であり、適用される管理回路は、それでもなお、マイクロ電池以外のより広い範囲の基本セルにおいて同じであることが可能である。

【0047】

図６に示されるように、管理回路は、セルＢ_ｉに結合されたブロックＭ_ｉを含む。

【0048】

全てのブロックＭ_ｉを用いた所望の目的は、完全に枯渇するまで１つのセルを優先し、次に完全に枯渇するまで第２のセルを優先する等であるが、前記セルの充電状態に依存する各セルの最大電流値Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}を超えない。

【0049】

電流Ｉ_ｓは、出力負荷により課され、ニーズに従って経時変動し得る。これは、各セルが、全ての時間において、超えることができない最大電流Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}を供給することが可能であることを知り、ブロックＭ_ｉのそれぞれの出力における電流Ｉ_１、Ｉ_２、．．．、Ｉ_Ｎの和から生じる。

【0050】

ブロックＭ_ｉは、異なる種類であり得、例えば接続レート、ステップダウン組立体又は電圧調整器を通して電流を制御し得る。

【0051】

図７ａ、図７ｂ及び図７ｃは、入力においてセルＢ_ｉ及び任意選択的な抵抗器Ｒ_ｉに結合され、出力において負荷Ｃ_ｏｕｔに結合されたブロックＭ_ｉの３つの例を示す。より詳細には、図７ａは、スイッチＫ_ｉ及びキャパシタＣ_Ｍｉを含む直列フィルタリング及びスイッチングを有するデバイスの一例を示す。図７ｂは、２つのスイッチＫ_ｉ１及びＫ_ｉ２、キャパシタＣ_Ｍｉ並びにインダクタＬ_Ｍｉを含むスイッチモードコンバータデバイスの一例を示す。図７ｃは、電圧調整器Ｒｇ_ｉを有するデバイスの一例を示す。これらの３つの例示的なブロックＭ_ｉは、電流を調整して、前記ブロックに結合されたセルを選択的にアドレス指定するか又はアドレス指定しないようにすることができる。

【0052】

一例である図８に経時的に示され、４つのセルを用いて動作する出力電流Ｉ_ｓの発生では、例えばセルＢ_１が優先され、次にセルＢ_２、次にセルＢ_３、及び最後にセルＢ_４が優先されて、全ての時間ｔにおいて出力により要求される電流を満足させる。

【0053】

特に、本発明によれば、セルは、使用優先度が下がるにつれて増大するランクｉに従って分類される。

【0054】

セルＢ_１は、優先としてアドレス指定され、十分な電流Ｉ_{ｍａｘ，１}≧Ｉ_ｓを供給することが可能である場合、アドレス指定される唯一のセルである。

【0055】

Ｉ_{ｍａｘ，１}＜Ｉ_ｓである場合、優先順序に準拠しながら、要求される出力電流を満足させられるようにするためにアドレス指定するセルの数ｋを決定する必要がある。

【0056】

ランク１の電気エネルギー貯蔵又は生成セルＢ_１は、更にランクｉに従って連続してアドレス指定される数ｋ個の電気エネルギー貯蔵又は生成セルＢ_ｉと共にアドレス指定されて、放電モードの全ての時間で電流Ｉｓを供給し、数ｋは、２＜ｋ≦Ｎであるようなものであり、Ｎは、組立体に存在するセルの数であり、数ｋは、以下の条件：

【数2】

を満たす。

【0057】

本出願人は、複数のマイクロ電池を連続してアドレス指定するために、本発明による管理回路あり及びなしで先に示したもの等の可変数のリチウムイオンマイクロ電池を含む組立体を用いてシミュレーションを実行した。

【0058】

シミュレーションの仮定は、以下のとおりである：
－ ４μＡに等しい印加を常時行うことが必要であり、
－ Ｎ個のマイクロ電池（例えば、３６μＡｈの並列になった３つのセルを採用する）にわたり分散した合計容量１０８μＡｈを考慮し、容量の最初の７２．２％（７８μＡｈ）は、Ｃ／６の最初のレジームにおける電流、すなわち１８μＡ（容量を６時間で除したものに等しい電流：１０８μＡｈ／６ｈ）を用いて到達可能である。

【0059】

容量の残りの２７．８％（３０μＡｈ）は、容量を３６（Ｃ／３６の電流を用いる）で除した容量に等しい２番目のレジームにおける電流、すなわち３μＡの電流を用いて到達可能である。

【0060】

単一セルの使用
１０８μＡｈの１つのみのマイクロ電池（場合により並列になった複数のマイクロ電池からなる）を使用する場合、最初のレジームにおける電流（１８μＡ）のみで用途（４μＡ）を満たすことが可能であり、３μＡに等しい２番目のレジームにおける電流は、４μＡの印加電流未満である。マイクロ電池の容量の７２．２％のみ、すなわち７８μＡｈのみ又はすなわち７８μＡｈ／４μＡ＝１９．５ｈのみの自律性が使用可能である。

【0061】

本発明の範囲内の２つのセルの使用
本発明の範囲内の２つの同一セルの使用
それぞれ５４μＡｈの２つの同一セル（全体容量１０８μＡｈ）を例として採用し、各セルは、５４μＡｈ／６＝９μＡの最初のレジームにおける電流Ｉ_ｍａｘ及び５４μＡｈ／３６＝１．５μＡである２番目のレジームにおける電流Ｉ_ｍａｘを有する。

【0062】

時間の関数としての電流プロファイルは、図９に示され、Ｉ_１が第１のセルから引かれた電流（４μＡ）であり、Ｉ_２が第２のセルから引かれた電流である（２番目のレジームは、最初のレジームと比較して斜線形態で示されている）電流プロファイルを示す。

【0063】

容量５４μＡｈの７２．２％は、５８４．８分間、４μＡの電流を供給することが可能である。

【0064】

第１のセルの２番目のレジームに変わる場合、１．５μＡにおいて確立される２番目のレジームの電流Ｉ_{ｍａｘ，１}以下の電流のみを供給することができる。

【0065】

次に、第２のセルがアドレス指定され、これは、追加電流２．５μＡ（４μＡ－１．５μＡからの追加）の供給を受け持ち、この電流は、最初のレジームでの第２のセルのＩ_{ｍａｘ，２}（９μＡ）をはるかに下回ったままである。

【0066】

マイクロ電池の容量を２つ（図９では斜線なし領域及び斜線付き領域）に分割し、２つの一方の放電を優先することにより、デバイスは、要求される４μＡを２３．２５時間にわたり供給することが可能であり、すなわち、自律性は、同等の公称容量を有する単一マイクロ電池と比較して３．７５時間又は＋１９％増大する。

【0067】

１３９５分（２３．２５ｈ）を超えると、デバイスは、１．５μＡのみを供給することができ、これは、もはや用途への供給に十分ではなく、したがって、この残留エネルギーは、使用されない。

【0068】

本発明により最適化された２つの異なるセルの使用
２つの異なるセルを考慮して、更なる自律性を獲得し、２つのセルの相対容量を最適化するために、同じ論法が続けられる。本出願人は、異なる容量を有するセルを用いてシミュレーションを実行し、一方のセルが８６μＡｈ及び他方のセルが２２μＡｈという最適条件を示した。

【0069】

時間の関数としての２つの異なるセルのこの最適化を用いて達成された電流プロファイルは、図１０に示され、Ｉ_１が第１のセルから引かれた電流であり、Ｉ_２が第２のセルから引かれた電流である電流プロファイルを示す。

【0070】

その場合、４μＡを供給する自律性は、２５．５ｈに変わり、すなわち従来よりも２．２５ｈ及び単一セルの場合よりも６ｈ長くなる。

【0071】

本発明の範囲内の３つのセルの使用
本発明の範囲内の３つの同一セルの使用
３６μＡｈの３つの同一セル（なお合計で１０８μＡｈ）を使用する場合、自律性は、２４．３７５ｈであり、これは、１つのみのセル又は２つの同一セルを用いる場合よりも良好であるが、互いに上手く最適化された２つのセルを用いる場合ほど良好ではない。

【0072】

本発明の範囲内の最適化された３つの異なるセルの使用
本出願人は、それぞれが８９μＡｈ、１１μＡｈ及び８μＡｈの３つのセルを用いた最適な自律性を示し、自律性２６．１２ｈを達成できるようにし、すなわち２つの最適セルを用いる場合よりも０．６２５ｈ長い。

【0073】

時間の関数としてのこの最適条件を用いて達成された電流プロファイルは、図１１に示され、Ｉ_１が第１のセルから引かれた電流であり、Ｉ_２が第２のセルから引かれた電流であり、Ｉ_３が第３のセルから引かれた電流である電流プロファイルを示す。

【0074】

結論として、これらのシミュレーションは、本発明に提示される解決策が、自律性に関して（並列にアドレス指定される３つのセルと、本発明で提案される管理回路に従ってアドレス指定される３つの最適化されたセルとの比較）場合により約３３％に達し得る利得を達成できるようにすることを示す。

【0075】

本発明による制御回路を含むエネルギー貯蔵デバイスにおけるセルを制御するアルゴリズムの第１の例
本発明の組立体は、図１２に概略的に示されるものであり得、スイッチＫ_ｉに結合されたセルＢ_ｉを含む。

【0076】

この第１の例によれば、セルは、以下に説明するように、オールオアナッシングモードでヒステリシスを通して制御される。

【0077】

放電モードにおける動作中、使用優先度の低下において分類されたセルＢ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、．．．、Ｂ_Ｎの例を採用する（Ｂ_１は、最初に接続されるものであり、Ｂ_Ｎは、最後に接続されるものである）。

【0078】

Ｕ_ｈｉｇｈを上限電圧閾値とし、Ｕ_ｌｏｗを下限電圧閾値とし、これらの電圧閾値は、セルの公称動作に関する。これらは、セルが耐えることができる最小及び最大電圧閾値と異なり得るヒステリシス閾値である。通常、Ｕ_ｌｏｗは、製造業者により指定されるセルの最小電圧に近い値であり得る（例えば、この限度値の＋５％～＋２０％）一方、Ｕ_ｈｉｇｈは、製造業者により指定される最小電圧と最大電圧との略中間にあり得る。

【0079】

放電モードでの動作は、以下のとおりである。

【0080】

セルＢ_１は、実際には常に放電モードで接続される。図１３に示される状態「０」が存在する。

【0081】

放電電圧は、通常、Ｌｉ^＋／Ｌｉ電池で３Ｖであり得る下限電圧閾値Ｕ_ｌｏｗを超えて降下すべきではない。

【0082】

まず、セルＢ_１が放電モードである場合、Ｖ_ｓ≧Ｕ_ｌｏｗである限り、Ｂ_１のみが活性化され、Ｂ_１は、電流Ｉ_{ｍａｘ，１}を供給することができる。

【0083】

Ｖ_ｓ＜Ｕ_ｌｏｗである場合、システムは、図１３の状態「１」に変わり、セルＢ_１に加えてセルＢ_２が活性化される。システムが図１３の状態「１」を経る都度、ｉが既にＮに達した場合を除き、インデックスｉは、１だけインクリメントされ（ｉ＝ｉ＋１）、これは、要求される電流を供給するために、上位ランクＢ_ｉ＋１のセルの接続を概略的に示す。

【0084】

遅延１と呼ばれる選択された標準化時間後、状態「０」に戻り、セルの組が放電モードで接続される。

【0085】

したがって、原理は、出力電圧Ｖｓが下限電圧閾値Ｕ_ｌｏｗ未満に降下する場合、続くセルＢ_ｉ＋１を接続することを含む。

【0086】

上限セルヒステリシス電圧Ｕ_Ｈｉｇｈもある。

【0087】

加えて、電圧Ｖ_ｓがＶ_ｓ＞Ｕ_Ｈｉｇｈであるようなものである場合、好ましくは、最も高いインデックスを有する接続セルの切断が決定される。この切断動作は、図１３の状態「２」に示され、ｉ＝ｉ－１の変更により概略的に示される。

【0088】

接続セルの数のインクリメント又はデクリメント（ストップ１～Ｎの限度内）に続き、短い待機期間遅延１又は遅延２を適用してから状態「０」に戻り得、それにより、出力電圧は、構成変更に続いて新しい値に安定化し、２つの値のｉ間の不安定状況にリンクする角に高周波の切り替え（例えば、１００ＫＨｚ超）を回避する時間を有する。

【0089】

再充電モードにおいて、全てのセルが並列に配置され、通常、充電システムがセルを再充電することができる電流に関して電流の点で実際には制限されない場合、全てのセルが同時に再充電されると言える。

【0090】

他方では、再充電に利用可能な電流が比較的中程度である（全てのセルを高速で充電することができない）場合、セルＮの再充電、次にセルＮ－１の再充電等を優先することにより逆順優先度を適用して、高電流を供給する可能性を再びシステムに迅速に与え得る。

【0091】

本発明による制御回路を含むエネルギー貯蔵デバイスの第２の例
この第２の例によれば、電池セルは、線形モードで制御される。

【0092】

図６を参照すると、各セルＢ_ｉは、ブロック又は管理回路Ｍ_ｉに関連付けられる。この管理回路は、例えば、図７ｂのタイプ又は図７ｃのタイプであり得る。

【0093】

このタイプの管理回路は、出力電流への各セルの電流寄与をより性格に管理できるようにする。

【0094】

例えば、セルの２つが寄与する場合、セルＢ_２よりもセルＢ_１に高い電流を選択できるようにする。

【0095】

線形モードは、閾値電圧により定義され得る：
放電モードでの動作は、以下のとおりである。

【0096】

Ｕｔｈ_２、．．．、Ｕｔｈ_ｉ、．．．、Ｕｔｈ_ＮをブロックＭ_２、．．．、Ｍ_ｉ、．．．、Ｍ_Ｎの入力電圧閾値にそれぞれ対応する、値が下がっていく電圧閾値とする。出力電圧Ｖ_ｓがＵｔｈ_２以上である場合、第１のセルＢ_１のみが出力電圧を供給する。

【0097】

出力電圧Ｖ_ｓがＵｔｈ_２未満に降下する傾向がある場合、第２のセルは、Ｖ_ｓ＝Ｕｔｈ_２を維持するのに必要な程度にのみ介入する一方、第１のセルは、１００％接続される（あたかもスイッチが非常に低い電圧降下で第１のセルを出力に直接接続するかのように）。

【0098】

最初の２つのセルがもはや電圧Ｕｔｈ_２を維持することができない場合、最初の２つのセルが１００％接続されているにも関わらず、電圧Ｖ_ｓは、Ｕｔｈ_２未満に降下する。

【0099】

出力電圧がＵｔｈ３未満に降下する傾向がある場合、第３のセルは、Ｖ_ｓをＵｔｈ_３に維持するために必要な程度にのみ介入する一方、最初の２つのセルは、１００％接続される。

【0100】

最後のセルがＶ_ｓを電圧Ｕｔｈ_Ｎに維持するために介入するまで以下同様である。

【0101】

動作原理は、グラフ形態で図１４にも示されている。

【0102】

状態「０」において、セルＢ_１～Ｂ_ｉ－１は、１００％接続され、セルＢ_ｉは、出力電圧Ｖ_ｓを電圧Ｕｔｈ_ｉに維持するのに寄与し、他のセルＢ_ｉ＋１～Ｂ_Ｎは、切断される。

【0103】

Ｖ_ｓが降下し続け、Ｖ_ｓ＜Ｕｔｈ_ｉ－εであるようになる場合、セルＢｉは、アドレス指定されて、Ｖ_ｓをＵｔｈ_ｉに等しく維持するのに寄与し、このとき、状態「１」に変わる。

【0104】

特に、電圧Ｖ_ｓが増大するか又は低減するかに応じた電圧Ｖ_ｓの比較のために、小さいεを閾値電圧に加算又は減算して、小さいヒステリシスを形成し、閾値電圧前後での不要な切り替え動作を回避し得る。

【0105】

上記と同じように、電圧Ｖ_ｓ＞Ｕｔｈ_ｉ－１である場合、最高ランクのセルが切断され、Ｂ_１、．．．、Ｂ_ｉ－１のみが接続される。

【0106】

実際には、各調整器の基準出力電圧Ｕｔｈ_ｉ、インデックスｉに伴って低下する電圧Ｕｔｈ_ｉを用いて、図７ｃに記載されるように調整器を使用してそのような原理を実施することは、容易である。

【0107】

同様に、図７ｂに記載されるようにコンバータでの出力電圧設定点、直列スイッチモードシステム（図７ａに記載される）又は任意の他のタイプのコンバータを使用することも可能である。

【0108】

これらのコンバータが、出力電圧が設定点電圧未満に降下する傾向がある場合のみ、出力電圧を所望の設定点電圧に維持するために電流を出力に供給し、出力電圧がこの設定点よりも大きい場合、出力電流は、ゼロである（すなわちセルがあたかも出力から完全に切断されたかのように）ことに留意されたい。

【0109】

再充電モードでは、全てのセルを並列に配置又は別の専用組立体を介して任意の他の構成を適用することが可能である。

【0110】

線形モードは、利用可能な電流により定義され得る：
管理回路は、セルＢ_ｉが全ての時間で供給可能な最大電流Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}を推定する推定器を含み得るか、又は推定器に接続され得る。

【0111】

この推定器は、例えば、変更段階、温度等の関数としてセルＢ_ｉで超えるべきではない最大電流の先の記録に基づき得る。この場合、システムは、例えば、電圧、温度、経過したアンペア時間数等の関数としてセルの変更状態を推定し、次にセルＢ_ｉから引き出すことができる最大電流を決定する。

【0112】

この最大電流Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}の値は、特定のサービス寿命を保証するように更に決定され得、絶対最大電流ではなく、電池の耐久性、特定の効率及び／又は特定の加熱等を保証するのに推奨される最大電流である。

【0113】

実際には、超えるべきではないこの最大電流Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}を全ての時間で決定する多くの可能な方法がある。これは、全ての時間における最大であり、Ｉ_{ｍａｘ，ｉ（ｔ）}として定義することができる。

【0114】

図１５の図は、利用可能な電流により定義される線形モードでのそのような動作を用いて放電を管理するアルゴリズムのステップを示す。

【0115】

状態「０」において、電気エネルギー貯蔵又は生成セルＢ_１～Ｂ_ｉ－１は、最大電流Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}を供給し、セルＢ_ｉは、電圧Ｖ_ｓを所望の電圧Ｖ_ｓｅｔに維持するのに寄与し、他のセルは、切断される。

【0116】

図中、ｉ＝１である場合、セルＢ_１のみが、Ｖ_ｓをＶ_ｓｅｔに維持するのに必要な電流を供給することに留意されたい。

【0117】

最も高いインデックスを有する接続セルがゼロ電流を供給する場合、その接続セルは、切断され得る（ｉ＝ｉ－１）。これとは対照的に、寄与しているセルが出力電圧を維持することができない場合、続くセル（ｉ＝ｉ＋１）が寄与する必要がある。

【0118】

全般的な目的は、出力における電圧レベルを保証することであり、したがって、それにより、目的は、「Ｂ_ｉはＶ_ｓを所望の電圧Ｖ_ｓｅｔを維持するのに寄与する」ことであるが、他の目的を考えることもできる：
－ 「Ｂ_ｉは、出力電流Ｉｓを所望の電流値Ｉ_ｓｅｔに維持するのに寄与する（電流源システム）」、
－ 「Ｂ_ｉは、電流Ｉ_ｓｅｔの限度内でＶ_ｓを所望の電圧Ｖ_ｓｅｔに維持するのに寄与する（電流制限付き電圧源システム）」。

【0119】

電流Ｉ_{ｍａｘ，ｉ}又は出力目的のモニタリングは、図７ｂに記載されるようにスイッチモードコンバータを使用して実施し得るが、他の構造、例えばステップアップ構造を考えることもできる。

【0120】

再充電（Ｉ_ｓ＜０）、例えば全てのセルを並列に配置するのに任意の手法を採用し得る。可能性の１つは、高インデックスセルを優先して、放電モードで電流容量を高速で回復させること（再充電が終わる前に電流Ｉｓがいつか逆になる場合）により再充電を実行することである。

【0121】

図１６は、本発明による組立体の管理回路で使用可能であり、各セルが再充電動作中に受け入れることができる最大再充電電流に準拠しながら逆優先順で動作する、セルを制御するアルゴリズムの一例を示す。

【0122】

このために、各セルＢ_ｉの全ての時間での推奨最大再充電電流Ｉｒｅｃｈａｒｇｅｍａｘ，ｉを定義することが可能である。

【0123】

図１６では、ｉ＝Ｎである場合、表現「Ｂ_ｉ＋１～Ｂ_Ｎは、Ｉｒｅｃｈａｒｇｅｍａｘ，ｉを受け取る」がもはや適切ではなく、セルは、最大電流を受け取らないことに留意されたい。セルＢ_Ｎのみが再充電電流Ｉ_ｓを受け取る。

【0124】

本事例では、出力電流Ｉ_ｓは、再充電電流であり、放電電流ではないため、負である。

【0125】

本発明の組立体は、有利には、文献、特に２つのマイクロ電池のスタックを開示する引用文献“ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ ａｎａｌｏｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ， ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ”，Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ａｎａｌｏｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ２０１８，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ発行に記載されるマイクロ電池のスタック等の３Ｄスタックで形成され得る。ブロックＭｉに関して、Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐからの参照ＭＩＣ５２２５ＹＭ５－ＴＲ等の電圧調整器を使用することが可能である。

【符号の説明】

【0126】

Ｂ_ｉ セル
ＣＥ_ｉｊ 基本セル
ＣＭｉ キャパシタ
Ｃ_ｏｕｔ 負荷
ｉ ランク
Ｉ_{ｍａｘ，ｉ} 最大電流値
Ｉ_ｓ 電流
ｋ セル数
Ｋ_ｉ、Ｋ_１ｉ、Ｋ_２ｉ スイッチ
Ｌ_Ｍｉ インダクタ
Ｍ_ｉ ブロック
Ｒｇ_ｉ 電圧調整器
Ｒ_ｉ 抵抗器
Ｕ_ｈｉｇｈ 上限電圧閾値
Ｕ_ｌｏｗ 下限電圧閾値
Ｕｔｈ_ｉ 電圧閾値
Ｖ_ｓｅｔ 所望の電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図7c】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】