特表 2023-544997 バッテリーモジュールの充電電圧をバランスさせるための動的システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-26

(54)【発明の名称】バッテリーモジュールの充電電圧をバランスさせるための動的システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/02 20160101AFI20231019BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20231019BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20231019BHJP

【ＦＩ】

H02J7/02 H

H01M10/44 P

H01M10/48 P

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023520036

(86)(22)【出願日】2021-09-20

(85)【翻訳文提出日】2023-05-29

(86)【国際出願番号】 EP2021075784

(87)【国際公開番号】W WO2022069277

(87)【国際公開日】2022-04-07

(31)【優先権主張番号】2010085

(32)【優先日】2020-10-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】507308902

【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＡＵＬＴ Ｓ．Ａ．Ｓ．

【住所又は居所原語表記】１２２－１２２ ｂｉｓ， ａｖｅｎｕｅ ｄｕ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｌｅｃｌｅｒｃ， ９２１００ Ｂｏｕｌｏｇｎｅ－Ｂｉｌｌａｎｃｏｕｒｔ， Ｆｒａｎｃｅ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】エ エル バシャ， アブデスラム

(72)【発明者】

【氏名】モーデュイ， ジャン－ロック

【テーマコード（参考）】

5G503

5H030

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA03

5G503BB02

5G503CA01

5G503CA11

5G503FA06

5G503GA15

5G503GC04

5G503GD03

5G503HA02

5H030AA10

5H030AS08

5H030BB01

5H030BB23

5H030FF42

5H030FF43

5H030FF44

5H030FF52

(57)【要約】

本発明は、電気エネルギーを蓄積するためのバッテリー（１）に関し、バッテリー（１）は、－ 電気回路（１０）によって電気的に接続される複数のバッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）と、－ 複数のスイッチ（３１、３２、３３、３４、３５、３６）を備えるスイッチユニット（３）であって、複数のスイッチ（３１、３２、３３、３４、３５、３６）が、電気回路上に配置され、充電器（２）によるバッテリーの充電段階を通じて電気回路（１０）においてバッテリーモジュールを直列接続するように設計されている、スイッチユニット（３）とを備える。本発明によれば、スイッチユニット（３）は、バッテリーモジュールの充電をバランスさせるためのシステム（４０）をさらに備え、システム（４０）は、電気回路上に配置され、バッテリーが、充電器によって充電され、同時に、バッテリーが給電している需要回路（４）へ放電する混合段階では、バッテリーモジュールのうちの過充電の方へ送出される電流の一部をバッテリーモジュールのうちの別の充電不足の方へ分流するように、電気回路を変化させるように設計されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気エネルギーを蓄積するためのバッテリー（１）であって、
それぞれが電気エネルギーを蓄積するように適合され、電気回路（１０）によって電気的に接続された複数のバッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）と、
複数のスイッチ（３１、３２、３３、３４、３５、３６）を備えるスイッチユニット（３）であって、前記複数のスイッチ（３１、３２、３３、３４、３５、３６）が、前記電気回路（１０）上に配置され、充電器（２）による前記バッテリー（１）の充電段階を通じて前記電気回路（１０）において前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）を直列接続するように適合されている、スイッチユニット（３）と、を備え、前記バッテリー（１）は、
前記スイッチユニット（３）が、前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）の充電をバランスさせるためのシステム（４０）をさらに備え、前記システム（４０）が、前記電気回路（１０）上に配置され、混合段階を通じて、前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）のうちの過充電の方へ送出された電流のうちのいくらかをバッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）のうちの別の充電不足の方へ分流するように前記電気回路（１０）を変化させるように適合されており、前記混合段階を通じて、前記バッテリー（１）が、前記充電器（２）によって充電され、同時に、前記バッテリー（１）が給電する需要回路（４）へ放電すること
を特徴とする、バッテリー（１）。

【請求項2】

前記スイッチユニット（３）の前記スイッチ（３１、３２、３３、３４、３５、３６）が、前記混合段階を通じて、前記電気回路（１０）において前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）を直列接続し、同時に、前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）のうちの少なくとも１つの端子に、好ましくは前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）のうちの１つだけの端子に、前記需要回路（４）を接続するように適合されている、請求項１に記載バッテリー（１）。

【請求項3】

前記スイッチユニット（３）の前記スイッチ（３１、３２、３３、３４、３５、３６）が、前記バッテリー（１）の前記需要回路（４）への放電段階を通じて、前記電気回路（１０）において前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）を並列接続するようにさらに適合され、前記バランスシステム（４０）が、前記バッテリー（１）の前記充電段階と前記放電段階との間の過渡段階中に、前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）のうちの過充電の方へ給電する電流のうちのいくらかをバッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）のうちの別の充電不足の方へ転送するように前記電気回路（１０）を変化させるように適合される、請求項１または２に記載バッテリー（１）。

【請求項4】

前記バランスシステム（４０）が、前記２つの別個のバッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）の２つのプラス端子を接続する前記電気回路（１０）の分岐の一部からの分岐として配置された少なくとも１つの主バランスユニット（４１）を備え、前記主バランスユニット（４１）は、コイル（Ｌ１）と直列接続されダイオード（Ｄ１）と並列接続されたスイッチ（４１０）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載バッテリー（１）。

【請求項5】

前記主バランスユニット（４１）の前記スイッチ（４１０）の閉期間が、バランスされることになる前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）の前記端子にわたる供給電圧（Ｖａ）と、前記充電器（２）からの充電電流（Ｉｃ）とに依拠するパルス幅変調によって制御される、請求項４に記載バッテリー（１）。

【請求項6】

前記バランスシステム（４０）が少なくとも１つの副バランスユニット（４２）を備え、前記少なくとも１つの副バランスユニット（４２）が、コイル（Ｌ２）と直列接続されダイオード（Ｄ２）と並列接続されたスイッチ（４２０）を備え、前記２つの別個のバッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）の２つのマイナス端子を接続する前記電気回路（１０）の分岐の一部からの分岐として配置されている、請求項４または５に記載バッテリー（１）。

【請求項7】

各バランスユニット（４１、４２）の前記スイッチ（４１０、４２０）がパワートランジスタである、請求項４から６のいずれか一項に記載バッテリー（１）。

【請求項8】

前記バッテリー（１）に第１のバッテリーモジュール（１Ａ）が設けられ、前記第１のバッテリーモジュール（１Ａ）のマイナス端子が、互いに直列接続された第１のダイオード（ＤＡ）と第２のダイオード（ＤＢ）とによって第２のバッテリーモジュール（１Ｂ）のプラス端子に接続されており、前記第１のダイオード（ＤＡ）の電流入力端子が前記第１のバッテリーモジュール（１Ａ）の前記マイナス端子に接続されており、前記第２のダイオード（ＤＢ）の電流出力端子が前記第２のバッテリーモジュール（１Ｂ）の前記プラス端子に接続されており、
前記スイッチユニット（３）が、
前記充電器（２）のプラス端子に接続するように構成された第１の接触点および前記第１のバッテリーモジュール（１Ａ）のプラス端子に接続された第２の接触点を有する第１のスイッチ（３１）と、
前記充電器（２）のマイナス端子に接続するように構成された第１の接触点および前記第２のバッテリーモジュール（１Ｂ）のマイナス端子に接続された第２の接触点を有する第２のスイッチ（３２）と、
前記第２のバッテリーモジュール（１Ｂ）の前記プラス端子に接続された第１の接触点および前記需要回路（４）の一方の端子に接続された第２の接触点を有する第３のスイッチ（３３）と、
前記第２のバッテリーモジュール（１Ｂ）の前記マイナス端子に接続された第１の接触点および前記需要回路（４）の他方の端子に接続された第２の接触点を有する第４のスイッチ（３４）と、
前記第１のバッテリーモジュール（１Ａ）の前記プラス端子に接続された第１の接触点および前記第２のダイオード（ＤＢ）の前記電流出力端子に接続された第２の接触点を有する第５のスイッチ（３５）と、
前記第２のバッテリーモジュール（１Ｂ）の前記マイナス端子に接続された第１の接触点および前記第１のダイオード（ＤＡ）の前記電流入力端子に接続された第２の接触点を有する第６のスイッチ（３６）と、を備え、
前記バランスシステム（４０）の前記主バランスユニット（４１）が、前記第１のバッテリーモジュール（１Ａ）の前記プラス端子と前記第２のダイオード（ＤＢ）の電流入力端子とを接続する電気的分岐上に配置されており、前記主バランスユニット（４１）の前記ダイオード（Ｄ１）の前記電流入力端子が前記第１のダイオード（ＤＡ）の電流出力端子に接続されている、請求項４から７のいずれか一項に記載バッテリー（１）。

【請求項9】

前記バランスシステム（４０）の前記副バランスユニット（４２）が、前記第２のバッテリーモジュール（１Ｂ）の前記マイナス端子と前記第２のダイオード（ＤＢ）の前記電流入力端子とを接続する電気的分岐上に配置されており、前記副バランスユニット（４２）の前記ダイオード（Ｄ２）の前記電流出力端子が前記第１のダイオード（ＤＡ）の前記電流出力端子に接続されている、請求項６と組み合わせた請求項８に記載のバッテリー。

【請求項10】

電気回路（１０）において複数のスイッチ（３１、３２、３３、３４、３５、３６）を備えるスイッチユニット（３）によって電気的に接続される複数のバッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）を備えるバッテリー（１）、ならびに前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）の充電をバランスさせるためのシステム（４０）を制御するための方法であって、前記方法にしたがって、
充電器（２）による前記バッテリー（１）の充電段階を通じて、前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）を互いに直列接続するように前記スイッチユニット（３）の前記スイッチ（３１、３２、３３、３４、３５、３６）を制御するため、また、
前記バッテリー（１）が前記充電器（２）によって充電されながら同時に需要回路（４）へ放電する混合段階を通じて、前記バッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）のうちの過充電の方へ送出された電流のうちのいくらかをバッテリーモジュール（１Ａ、１Ｂ）のうちの別の充電不足の方へ分流するように、前記スイッチユニット（３）の前記バランスシステム（４０）を制御するための
制御ユニット（５）が用意される、
方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、電気エネルギーを蓄積するためのバッテリーに関する。

【0002】

本発明は、より詳細には、電気エネルギーを蓄積するためのバッテリーに関し、このバッテリーは、
－ それぞれが電気エネルギーを蓄積するように適合されて電気回路によって電気的に接続された複数のバッテリーモジュールと、
－ 充電器によるバッテリー充電中は電気回路においてバッテリーモジュールを直列に接続するように適合されて電気回路上に配置された複数のスイッチを備える、スイッチユニットと
を備える。

【0003】

本発明は、陸地、川または航空の輸送機関用のバッテリー、特に電気自動車用のバッテリーに有利な用途を見いだすものである。このバッテリーは、車両の構成要素に電気エネルギーを供給するためにバッテリーから送出する公称電圧よりも高い電圧における急速再充電に特に適合する。

【0004】

本発明は、バッテリーの充電段階または放電段階に特に依拠してスイッチユニットのスイッチを開閉するように制御するために、そのようなバッテリーを制御するための方法にも関する。

【背景技術】

【0005】

バッテリーに電気エネルギーを蓄積するための充電に必要な時間を短縮するために、バッテリーの充電電力を増大するべきである。この目的のために、バッテリーの充電電流を増加するのではなく、バッテリーの端子にわたる充電電圧を増加するのが好ましい。

【0006】

しかしながら、バッテリー充電電圧を増加させると、バッテリーからの電気エネルギー供給を必要とする、空調および暖房のシステム、ラジオ、ファンすなわち実際はインバータなどの車両の構成要素の動作電圧に適合しなくなる。

【0007】

知られている第１の解決策は、車両の構成要素を、動作電圧が充電電圧と等しくなるように変換するものであり、非常に高くつく。

【0008】

米国特許出願公開第２０１８００６２４０２号が開示している第２の解決策は、バッテリー充電電圧を車両の構成要素の動作電圧よりも高くしてバッテリーを充電するものである。この目的のために、バッテリーをバッテリーモジュールに分割して、高電圧でのバッテリー充電段階を通じて互いに電気的に直列接続する。バッテリーの放電段階を通じて、１つのバッテリーモジュールだけが車両の構成要素に電気エネルギーを供給し、このバッテリーモジュールによって送出される電圧は車両の前記構成要素の動作電圧と互換性がある。一旦、このバッテリーモジュールが、選択された充電低下に達すると、構成要素に電力を供給するために別のバッテリーモジュールに引き継がれる。

【0009】

しかしながら、この第２の解決策では、バッテリーの充電中は車両の構成要素に給電することができない。

【発明の概要】

【0010】

発明の提示
従来技術の前述の短所を緩和するために、本発明が提案する電気エネルギー蓄積用バッテリーは、電気エネルギーを消費する車両の回路に第１の電圧で給電し得、同時に前記第１の電圧よりも高い第２の電圧で再充電され得るものである。

【0011】

より詳細には、本発明によれば、冒頭部で定義されたバッテリーが提案され、スイッチユニットは、バッテリーモジュールの充電をバランスさせるためのシステムを電気回路上にさらに備え、このシステムは、バッテリーが充電器によって充電されながら同時に前記バッテリーが電気エネルギーを供給する需要回路へ放電する混合段階を通じて、バッテリーモジュールのうちの過充電の方へ送出された電流のうちのいくらかを、バッテリーモジュールのうちの別の充電不足のバッテリーモジュールへ分流するように電気回路を変化させるように適合されている。

【0012】

したがって、本発明により、バッテリーまたはバッテリーから需要回路を介して給電される車両の構成要素に損害を与えることなく、バッテリーの利用と急速充電とが同時に可能になる。

【0013】

より詳細には、バッテリーをバランスさせるためのシステムにより、各バッテリーモジュールの充電レベルを動的にバランスさせることが可能になる。このバランスシステムにより、バッテリーモジュールの電圧が特定のマージンの範囲内に制御され、バッテリーが満充電になるまで常に同一の充電レベルであることが保証される。バッテリーの充電中にバッテリーモジュールのうちの１つが需要回路への電気エネルギーの送出を要求されたとしても、各バッテリーモジュールはバランスされる。２つのバッテリーモジュールが（前記マージンの範囲内に制御された）同一の供給電圧を送出するとき、それぞれの端子間は「同一の充電レベル」である。

【0014】

本発明によるバッテリーには、以下のような有利で非限定的な他の機能があり、これらの機能は、個々に、または任意の技術的に可能な組合せで採用される。
－ スイッチユニットのスイッチは、混合段階を通じて電気回路においてバッテリーモジュールを直列に接続し、同時に、需要回路を、少なくとも１つのバッテリーモジュールの端子に、好ましくは１つだけのバッテリーモジュールの端子に接続するように適合されている。
－ スイッチユニットのスイッチは、バッテリーの需要回路への放電段階を通じて電気回路において前記バッテリーモジュールを並列接続するようにさらに適合されており、バランスシステムは、バッテリーの前記充電段階と前記放電段階との間の過渡段階中に、バッテリーモジュールのうちの過充電の方へ送出された電流のうちのいくらかをバッテリーモジュールのうちの別の充電不足のバッテリーモジュールへ分流するように電気回路を変化させるように適合されている。
－ バランスシステムは、２つの別個のバッテリーモジュールの２つのプラス端子を接続する電気回路の分岐の一部からの分岐として配置された少なくとも１つの主バランスユニットを備え、前記主バランスユニットは、コイルと直列接続されダイオードと並列接続されたスイッチを備え、前記スイッチに過電圧がかかるのを防止する。
－ 前記主バランスユニットのスイッチの閉期間は、バランスされることになるバッテリーモジュールの端子にわたる電圧と、充電器からの充電電流とに依拠して、パルス幅変調によって制御される。
－ バランスシステムは、前記２つの別個のバッテリーモジュールの２つのマイナス端子を接続する電気回路の分岐の一部からの分岐として配置され、コイルと直列接続されダイオードと並列接続されたスイッチを備え、前記スイッチに過電圧がかかるのを防止する、少なくとも１つの副バランスユニットを備える。
－ それぞれの主バランスユニットおよび副バランスユニットのスイッチはパワートランジスタである。
－ 第１のバッテリーモジュールが用意され、これのマイナス端子は、互いに直列接続された第１のダイオードと第２のダイオードとによって第２のバッテリーモジュールのプラス端子に接続されており、第１のダイオードの電流入力端子は第１のバッテリーモジュールのマイナス端子に接続されており、第２のダイオードの電流出力端子は第２のバッテリーモジュールのプラス端子に接続されている。
－ スイッチユニットが用意され、充電器のプラス端子に接続するように構成された第１の接触点および第１のバッテリーモジュールのプラス端子に接続された第２の接触点を有する第１のスイッチと、充電器のマイナス端子に接続するように構成された第１の接触点および第２のバッテリーモジュールのマイナス端子に接続された第２の接触点を有する第２のスイッチと、第２のバッテリーモジュールのプラス端子に接続された第１の接触点および需要回路の一方の端子に接続された第２の接触点を有する第３のスイッチと、第２のバッテリーモジュールのマイナス端子に接続された第１の接触点および需要回路の他方の端子に接続された第２の接触点を有する第４のスイッチと、第１のバッテリーモジュールのプラス端子に接続された第１の接触点および第２のダイオードの電流出力端子に接続された第２の接触点を有する第５のスイッチと、第２のバッテリーモジュールのマイナス端子に接続された第１の接触点および第１のダイオードの電流入力端子に接続された第２の接触点を有する第６のスイッチとを備える。
－ 第１のバッテリーモジュールのプラス端子と第２のダイオードの電流入力端子とを接続する電気的分岐上に配置されるバランスシステムの主バランスユニットが用意され、前記主バランスユニットのダイオードの電流入力端子は第１のダイオードの電流出力端子に接続されている。
－ バランスシステムの副バランスユニットが第２のバッテリーモジュールのマイナス端子と第２のダイオードの電流入力端子とを接続する電気的分岐上に配置され、前記副バランスユニットのダイオードの電流出力端子は第１のダイオードの電流出力端子に接続されている。

【0015】

本発明は、電気回路においてスイッチユニットによって電気的に接続される複数のバッテリーモジュールを備えるバッテリーを制御する方法をも提案するものであり、スイッチユニットは、複数のスイッチならびに前記バッテリーモジュールの充電をバランスさせるためのシステムを備え、それに応じて、
－ 充電器による前記バッテリーの充電段階を通じて、前記バッテリーモジュールを互いに直列接続するようにスイッチユニットのスイッチを制御するため、また
－ バッテリーが充電器によって充電されながら同時に需要回路へ放電する混合段階を通じて、バッテリーモジュールのうちの過充電の方へ送出された電流のうちのいくらかをバッテリーモジュールのうちの別の充電不足のバッテリーモジュールへ分流するようにスイッチユニットのバランスシステムを制御するための
制御ユニットが用意される。

【0016】

本発明による方法には、以下のような有利で非限定的な他の機能があり、これらの機能は、個々に、または任意の技術的に可能な組合せで採用される。
－ 制御ユニットは、前記混合段階を通じて、前記バッテリーモジュールを直列接続したまま、同時にバッテリーモジュールのうちの少なくとも１つの端子に需要回路を接続するように、スイッチユニットの前記スイッチを制御する。
－ 制御ユニットは、バッテリーの、需要回路に電気エネルギーを供給している放電段階を通じて、前記バッテリーモジュールを互いに並列接続するように、スイッチユニットの前記スイッチを制御する。

【0017】

もちろん、本発明の様々な特徴、変形形態および実施形態は、互いに不適合または相互排除でなければ、互いに様々に組み合わされ得る。

【0018】

非限定的な例として示される添付図の参照を伴う以下の説明により、本発明の構成および本発明を具現する方法が容易に理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明によるバッテリーの電気回路図である。

【図2】本発明による制御方法の主要なステップを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１は、本発明によるバッテリー１の一例の回路図を示す。

【0021】

バッテリー１は、たとえば電気自動車またはハイブリッド車といった車両（図示せず）に設置される。

【0022】

バッテリー１は、電気エネルギーを蓄積して、求められたときには、この蓄積された電気エネルギーのすべてまたは一部を需要回路４に送出することによって戻すように適合されており、需要回路４は、車両の内部にあって、空調および暖房のシステム、ラジオ、ファンすなわち実際はインバータなどの車両の様々な構成要素に接続されている。バッテリー１は、ここでは約４００ボルトである公称の供給電圧Ｖａを需要回路４に送出することができる。

【0023】

バッテリー１は、電気エネルギーを蓄積するために、充電電流Ｉｃおよび充電電圧Ｖｃを送出する外部充電器２で充電（日常語では再充電）されるように適合されている。充電器２自体は知られているものである。充電器２は、たとえば街路、ガソリンスタンド、駐車場などに設けられた公的または私的な充電スタンドである。

【0024】

バッテリーを迅速に充電するために、充電器２によってバッテリーに送出される充電電圧Ｖｃは、バッテリー１が需要回路４に供給する供給電圧Ｖａよりもはるかに高い。たとえば、充電電圧Ｖｃは供給電圧Ｖａの２倍である。ここで、充電電圧Ｖｃは約８００ボルトである。

【0025】

バッテリー１は、需要回路４への供給電圧Ｖａよりも高い充電電圧Ｖｃで充電され得るように、様々な構成を取り入れることができる電気回路１０によって互いに電気的に接続された複数のバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂを備える。

【0026】

それぞれのバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂは、前記電気エネルギーが蓄積される複数の電気化学セル（図示せず）を備える限りにおいて、電気エネルギーを蓄積するように適合されている。バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂは、たとえばリチウムイオンバッテリーである。

【0027】

ここで、すべてのバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂは、それぞれのプラス端子とマイナス端子との間に同一の公称供給電圧Ｖａを送出するようにサイズ設定されている。この目的のために、すべてのバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂに、同一蓄積容量の電気化学セルが同じ数だけ、同じバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂ内で互いに直列接続されたものが備わっている。

【0028】

図１の例では、バッテリー１は、約４００ボルトの公称供給電圧Ｖａを送出するようにそれぞれがサイズ設定された第１のバッテリーモジュール１Ａおよび第２のバッテリーモジュール１Ｂを備える。

【0029】

この例では、電気回路１０において、第１のバッテリーモジュール１Ａのマイナス端子が、第１のダイオードＤＡおよび第２のダイオードＤＢを通じて第２のバッテリーモジュール１Ｂのプラス端子に接続されている。第１のダイオードＤＡと第２のダイオードＤＢとが互いに直列接続されており、その結果、第１のダイオードＤＡの電流入力端子が第１のバッテリーモジュール１Ａのマイナス端子に接続され、第２のダイオードＤＢの電流出力端子が第２のバッテリーモジュール１Ｂのプラス端子に接続されている。

【0030】

通常、ダイオードは、接続されている電気的分岐を通して電流を一方向にのみ流す。したがって、慣例により、「ダイオードの電流入力端子」は、前記ダイオードに電流が流入する端子を指し、「ダイオードの電流出力端子」は、このダイオード流れた後、電流が流出する端子を指す。

【0031】

電気回路１０においてバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂを様々な構成に応じて電気的に接続することができるように、バッテリー１には、電気回路１０上に配置された複数のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６を備えるスイッチユニット３が備わっている。

【0032】

図１の例では、スイッチユニット３は、
－ 充電器２のプラス端子に接続するように構成された第１の接触点および第１のバッテリーモジュール１Ａのプラス端子に接続された第２の接触点を有する第１のスイッチ３１と、
－ 充電器２のマイナス端子に接続するように構成された第１の接触点および第２のバッテリーモジュール１Ｂのマイナス端子に接続された第２の接触点を有する第２のスイッチ３２と、
－ 第２のバッテリーモジュール１Ｂのプラス端子に接続された第１の接触点および需要回路４の一方の端子（ここではマイナス端子）に接続された第２の接触点を有する第３のスイッチ３３と、
－ 第２のバッテリーモジュール１Ｂのマイナス端子に接続された第１の接触点および需要回路４の他方の端子（ここではプラス端子）に接続された第２の接触点を有する第４のスイッチ３４と、
－ 第１のバッテリーモジュール１Ａのプラス端子に接続された第１の接触点および第２のダイオードＤＢの電流出力端子に接続された第２の接触点を有する第５のスイッチ３５と、
－ 第２のバッテリーモジュール１Ｂのマイナス端子に接続された第１の接触点および第１のダイオードＤＡの電流入力端子に接続された第２の接触点を有する第６のスイッチ３６と
を備える。

【0033】

電気回路１０は、スイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６の各々の開および／または閉によって、バッテリー１のそれぞれの動作段階に対応する別個の構成を採用するように調節され得る。充電器２によるバッテリー１の充電段階用の電気回路１０の構成と、バッテリー１の需要回路４への放電段階用の電気回路１０の別の構成とが特に用意される。

【0034】

実際には、スイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６は、バッテリー１の動作段階に依拠して開閉するように、制御ユニット５によって制御される。言い換えれば、制御ユニット５は、電気回路１０を、採用可能な様々な構成に従って変化させるようにスイッチユニット３を制御するように適合されている。

【0035】

制御ユニット５は、バッテリー１に組み込まれ得、または前記バッテリー１から遠隔のものでもあり得る。制御ユニット５は、たとえば、中央処理装置（ＣＰＵ）を含むマイクロプロセッサを有する電子回路と、情報を記憶するランダムアクセスメモリおよび／または読出し専用メモリと、バッテリー１と通信するためのインターフェースとを備える。ランダムアクセスメモリおよび／または読出し専用メモリは、特に、電気回路１０に関する情報と、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの各々の端子にわたって検知された供給電圧Ｖａに関する情報と、充電器２によって送出された充電電流Ｉｃおよび充電電圧Ｖｃに関する情報とを記憶する。

【0036】

充電器２によるバッテリー１の充電段階を通じて、スイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６は、充電器２のプラス端子にバッテリー１のプラス端子を接続し、充電器２のマイナス端子にバッテリー１のマイナス端子を接続するように制御される。バッテリー１の充電段階を通じて、スイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６は、電気回路１０においてバッテリーモジュール１Ａと１Ｂとを直列接続するようにさらに制御される。

【0037】

したがって、図１の例では、バッテリー１の充電段階を通じて、第１のスイッチ３１および第２のスイッチ３２を閉じて、第３のスイッチ３４、第４のスイッチ３５、第５のスイッチ３６および第６のスイッチ３７を開く。

【0038】

対照的に、車両の需要回路４へのバッテリー１の放電段階を通じて、スイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６は、バッテリー１のプラス端子を需要回路４のマイナス端子に接続し、バッテリー１のマイナス端子を需要回路４のプラス端子に接続するように制御される。バッテリー１の放電段階を通じて、スイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６は、電気回路１０においてバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂを並列接続するようにも制御される。

【0039】

したがって、図１の例では、バッテリー１の放電段階を通じて、第３のスイッチ３３、第４のスイッチ３４、第５のスイッチ３５、および第６のスイッチ３６を閉じ、第１のスイッチ３１および第２のスイッチ３２を開く。

【0040】

本発明によるバッテリー１は、充電器２によって充電電圧Ｖｃで充電され、同時に需要回路４に供給電圧Ｖａで電力を供給することによって放電する、混合段階で動作するようにさらに適合されている。

【0041】

したがって、バッテリー１のそのような混合動作段階では、車両のユーザは、バッテリー１を再充電しながら、同時に、たとえば空調システムまたはラジオといった車両の構成要素のうちの１つを使用することができる。

【0042】

混合動作段階を通じて、スイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６は、充電器２のプラス端子にバッテリー１のプラス端子を接続し、充電器２のマイナス端子にバッテリーのマイナス端子を接続するように制御される。混合動作段階を通じて、スイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６は、電気回路１０においてバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂを直列接続したまま、同時に、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの少なくとも１つの端子に需要回路４を接続する（バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの１つのプラス端子を需要回路４プラス端子に接続し、前記少なくとも１つのバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのマイナス端子を需要回路４のマイナス端子に接続する）ようにさらに制御される。

【0043】

したがって、図１の例では、バッテリー１の混合動作段階を通じて、第１のスイッチ３１、第２のスイッチ３２、第３のスイッチ３３、および第４のスイッチ３４を閉じ、第５のスイッチ３５および第６のスイッチ３６を開く。次いで、需要回路４は、第２のバッテリーモジュール１Ｂの端子にのみ電気的に接続される。

【0044】

際立って、スイッチユニット３は、特に前記バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの充電と放電とが同時に行われるとき、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの充電を動的にバランスさせるバランスシステム４０をさらに備える。バランスシステム４０により、バッテリー１の混合動作段階を通じて、電気回路１０の構成要素と、需要回路４に接続された車両の構成要素とを維持することが特に可能になる。

【0045】

バランスシステム４０は、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの過充電の方へ送出された電流のうちのいくらかをバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの別の充電不足の方へ分流するように電気回路１０を変化させるように適合されて電気回路１０上に配置されている。したがって、バランスどりが実施されていないとき、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの１つに給電するように意図された電流のうちのいくらかは、混合段階を通じて、必要に応じて、バランスシステム４０によって分流される。より詳細には、バランスシステム４０は、作動されたとき、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの充電不足の方は、特に需要回路４へ同時に放電されるので、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの過充電の方へ給電するように意図された電流のうちのいくらかを、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの充電不足の方へより多く給電するために、分流する。バランスどりは、一方ではバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの充電および放電が行われ、他方では前記バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの充電および放電の妨げにならない限り、「動的」であると考えられる。

【0046】

バランスシステム４０は、２つの別個のバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの２つのプラス端子を接続する電気回路１０の分岐の一部からの分岐として配置された少なくとも１つの主バランスユニット４１を備える。

【0047】

図１に示されるように、ここの主バランスユニット４１は、コイルＬ１と直列接続されダイオードＤ１と並列接続されたスイッチ４１０を備える。ダイオードＤ１は、起こり得る過電圧から前記スイッチ４１０を保護する。ここで、主バランスユニット４１のスイッチ４１０はパワートランジスタである。

【0048】

図１の例では、バランスシステム４０の主バランスユニット４１は、第１のバッテリーモジュール１Ａのプラス端子と第２のダイオードＤＢの電流入力端子とを接続する電気的分岐上に配置されている。前記主バランスユニット４１のダイオードＤ１の電流入力端子は第１のダイオードＤＡの電流出力端子に接続されている。

【0049】

図１の例では、主バランスユニット４１は、スイッチ４１０が閉じているとき、通常は第１のバッテリーモジュール１Ａを再充電するように意図された、充電器２からの充電電流Ｉｃのうちのいくらかを、需要回路４へ放電しているために前記第１のバッテリーモジュール１Ａに対して充電不足である第２のバッテリーモジュール１Ｂの方へ、転送することを可能にする。

【0050】

スイッチ４１０が閉じたとき、電気回路１０の、コイルＬ１を担持する分岐に、電流ランプが出現する。スイッチ４１０の閉期間がより長ければ、主バランスユニット４１を通って第２のバッテリーモジュール１Ｂに伝わる電流がより大きくなる。正確かつ精細なバランスを達成するために、スイッチ４１０の開閉は、ほぼ５０ｋＨｚ程度の周波数で制御されるべきである。

【0051】

主バランスユニット４１のダイオードＤ１によって、スイッチ４１０は、開かれるとき保護され得る。スイッチ４１０が開かれるとき、主バランスユニット４１を通って流れている電流は、コイルＬ１のために流れ続ける。いわゆる「フリーホイール」ダイオードＤ１により、スイッチ４１０が開いたとき、この電流のうちのいくらかを第１のバッテリーモジュール１Ａのプラス端子の方へ流すことができ、したがって前記スイッチ４１０のトリップを防止する。

【0052】

主バランスユニット４１のスイッチ４１０の閉期間は、パルス幅変調方式によって制御される。制御パルスの幅は、一方では、バランスされることになるバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの端子にわたって検知された供給電圧Ｖａに依拠して、他方では充電器２からの充電電流Ｉｃに依拠して、調整される。

【0053】

ここで、バランスシステム４０の主バランスユニット４１のスイッチ４１０の開閉用パルスを制御するのは制御ユニット５である。

【0054】

バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの両方向のバランスどり、すなわち、一方では、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの過充電の第１のバッテリーモジュールからバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの充電不足の第２のバッテリーモジュールへ、他方では、バッテリーモジュールうち動作中に過充電になった前記第２のバッテリーモジュールから、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの充電不足になった前記第１のバッテリーモジュールへ、バランスどりを可能にするために、バランスシステム４０は、前記２つの別個のバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの２つのマイナス端子を接続する電気回路１０の分岐の一部からの分岐として配置された副バランスユニット４２も備える。

【0055】

図１に示されるように、ここでは、副バランスユニット４２は主バランスユニット４１に類似である。副バランスユニット４２には、コイルＬ２と直列接続されダイオードＤ２と並列接続されたスイッチ４２０が備わっている。ダイオードＤ２は、起こり得る過電圧から前記スイッチ４２０を保護する。ここで、副バランスユニット４２のスイッチ４２０はパワートランジスタである。

【0056】

図１の例では、バランスシステム４０の副バランスユニット４２は、第２のバッテリーモジュール１Ｂのマイナス端子と第２のダイオードＤＢの電流入力端子とを接続する、電気回路１０の電気的分岐上に配置されている。前記副バランスユニット４２のダイオードＤ２の電流出力端子は第１のダイオードＤＡの電流出力端子に接続されている。

【0057】

図１の例では、副バランスユニット４２は、主バランスユニット４１に関して説明されたものと同様に動作することにより、スイッチ４２０が閉じているときには、過充電になっている第２のバッテリーモジュール１Ｂを再充電するように意図された電流のうちのいくらかを、第２のバッテリーモジュール１Ｂに対して充電不足である第１のバッテリーモジュール１Ａの方へ転送することを可能にする。

【0058】

制御ユニット５は、バランスシステム４０の副バランスユニット４２のスイッチ４２０の開閉用パルスをも制御する。パルスの幅は、一方では、バランスされることになるバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのそれぞれの端子間の電圧に依拠して、他方では充電器２からの充電電流Ｉｃに依拠して、調整される。

【0059】

コイルＬ１のインダクタンスおよびダイオードＤ１の特性は、コイルＬ２のインダクタンスおよびダイオードＤ２の特性と同様に、バッテリー１の電力と、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのそれぞれの端子間供給電圧Ｖａの許容される最大の不均衡とに依拠して、これを最後に固定される。ダイオードＤ１の特性とＤ２の特性とが必ずしも同一ではないように、コイルＬ２のインダクタンスはコイルＬ１のインダクタンスと必ずしも同一ではない。

【0060】

バランスシステム４０が作動しているとき、制御ユニット５が、主バランスユニット４１のスイッチ４１０と副バランスユニット４２のスイッチ４２０とを、同時に閉じるように制御することはない。対称的に、制御ユニット５は、前記スイッチ４１０、４２０を交互に閉じるように制御する。バランスシステム４０が動作を停止したとき、主バランスユニット４１のスイッチ４１０と副バランスユニット４２のスイッチ４２０とが同時に開かれる。

【0061】

有利には、前述のバランスシステム４０は、バッテリー１の充電段階と放電段階との間の過渡段階を通じて、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの過充電の方へ送出された電流のうちのいくらかを、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの別の充電不足の方へ分流するように、電気回路１０を変化させるようにも適合される。

【0062】

過渡動作段階は、バッテリー１の充電が終了して、電気回路１０がバッテリー１の放電段階用に構成されるまでの間に生じる段階である。

【0063】

バッテリー１の過渡動作段階を通じて、スイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６は、一方ではバッテリー１のプラス端子と充電器２のプラス端子とを切り離し、他方ではバッテリー１のマイナス端子と充電器２のマイナス端子とを切り離すように制御される。過渡段階を通じて、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂは、電気回路１０においてまだ並列接続されていない。

【0064】

したがって、図１の例では、バッテリー１の過渡段階を通じて、第１のスイッチ３１および第２のスイッチ３２は開いており、第５のスイッチ３５および第６のスイッチ３６も同様である。第３のスイッチ３３および第４のスイッチ３４も開いている。

【0065】

２つのバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの場合には、バッテリー１の充電段階の最後、またはバッテリー１の混合段階の最後において第１のスイッチ３１および第２のスイッチ３２は開いており、バランスシステム４０によって動的にバランスされるが、全く同一の充電レベルにあるわけではなく、したがって各モジュールの端子間に同一の公称供給電圧Ｖａを送出することはできない。バランスシステム４０によってこの不均衡が改善され得、制御ユニット５は、バランスが回復するまで、閉パルスおよび開パルスと、主バランスユニット４１のスイッチ４１０および副バランスユニット４２のスイッチ４２０の間の交番とを制御する。

【0066】

図２は、以前に説明された、バッテリー１を制御するための方法の一例の主ステップを示す。

【0067】

本発明の制御方法によって、
－ 充電器２による前記バッテリー１の充電段階を通じて、前記バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂを互いに直列接続するようにスイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６を制御するため、また、
－ バッテリー１が充電器２によって充電されながら同時に需要回路４へ放電する混合段階を通じて、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの過充電の方へ送出された電流のうちのいくらかをバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの別の充電不足の方へ分流するようにスイッチユニット３のバランスシステム４０を制御するための
制御ユニット５が用意される。

【0068】

制御ユニット５は、混合段階を通じて、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂを直列接続し、同時に前記バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの少なくとも１つの端子に需要回路を接続するように、スイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６をさらに制御する。より具体的には、図２に示されるように、制御ユニット５は、ステップＥ１中に、電気回路１０に充電器２が接続されているかどうかを判定する。回路に充電器が接続されていなければ、制御ユニット５は、電気回路１０に充電器２が接続されるまでステップＥ１を繰り返す。

【0069】

電気回路２０に充電器２が接続されると、制御ユニット５は、ステップＥ２を通じて、前記バッテリーモジュール１Ａと１Ｂとを互いに直列接続するようにスイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６を制御する。次いで、電気回路１０は、バッテリー１の前述の充電段階に関連した構成を採用する。

【0070】

次いで、ステップＥ３中に、制御ユニット５は、需要回路４に接続された車両の構成要素が稼動中であるか、または車両のユーザによって作動されているかどうかを判定する。

【0071】

稼動中の車両構成要素がなければ、バッテリー１は、図２のステップＥ４ａで指示される従来の知られている方法によって充電される。この知られている方法によれば、各電気化学セルがセル電圧センサ（ＣＶＳ）によって監視されていて、電気化学セルのうちの１つが、同一のバッテリーモジュール他の電気化学セルよりも高い電圧に達すると、直ちに抵抗器に放電する。

【0072】

他方では、車両の少なくとも１つの構成要素が稼動中の場合には、または車両の構成要素の作動が制御ユニット５によって検知されると直ちに、需要回路４がバッテリー１に接続される（図２のステップＥ４）。このステップＥ４を通じて、制御ユニット５は、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの少なくとも１つの端子に需要回路４を接続するようにスイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６を制御する。次いで、電気回路１０は、バッテリー１の前述の混合動作段階に関連した構成を採用する。

【0073】

次いで、ステップＥ５を通じて、制御ユニット５は、バッテリーモジュール１Ａと１Ｂとの間に充電不均衡があるかどうかを判定する。この目的のために、制御ユニット５は、電圧検知ユニット（図示せず）を使用して、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのそれぞれの端子間供給電圧Ｖａを判定する。

【0074】

制御ユニット５は、不均衡が検知されなければ、検知されるまでステップＥ５を繰り返す。

【0075】

制御ユニット５は、不均衡を検知すると、通常はバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの過充電の方へ給電するように意図された電流のうちのいくらかを、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのうちの別の充電不足の方へ分流するように、ステップＥ６中にスイッチユニット３のバランスシステム４０を制御する。このステップＥ６において、制御ユニット５は、バランスシステム４０を作動させるように、より詳細には、バランスシステム４０のスイッチ４１０、４２０の開期間および閉期間をパルス幅変調によって制御して、前記スイッチ４１０と４２０とを交互に閉じるように制御する。

【0076】

ステップＥ７を通じて、制御ユニット５は、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの充電のリバランスが完了しているかどうかを判定する。完了していなければ、すなわち制御ユニット５は、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのそれぞれの端子間供給電圧Ｖａが異なると判定した場合、前述のステップＥ６を繰り返す。

【0077】

対照的に、制御ユニット５は、リバランスが完了している、すなわちバッテリーモジュール１Ａと１Ｂとのそれぞれの端子間供給電圧Ｖａがほぼ等しいと判定すると、ステップＥ８中に充電器２を切り離すように、スイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６を制御する。実際には、制御ユニット５は、ステップＥ８中に第１のスイッチ３１および第２のスイッチ３２を開くように制御する。次いで、電気回路１０は、バッテリー１の前述の過渡段階に関連した構成を採用する。

【0078】

次いで、ステップＥ９を通じて、制御ユニット５は、バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂに、前記第１のスイッチ３１および第２のスイッチ３２を開くことによる不均衡があるかどうかを再び判定する。

【0079】

制御ユニット５は、不均衡を検知すると、ステップＥ１０を通じて、バランスシステム４０を、ステップＥ６に関して説明されたのと類似のやり方で作動させるように再び制御する。

【0080】

バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂのそれぞれの端子間供給電圧Ｖａが一旦等しくなると、制御ユニット５は、ステップＥ１１中に前記バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂを互いに並列接続するように、スイッチユニット３のスイッチ３１、３２、３３、３４、３５、３６を制御する。

【0081】

次いで、電気回路１０は、バッテリー１の前述の放電段階に関連した構成を採用する。次いで、バランスシステム４０は動作を停止し、すなわちスイッチ４１０、４２０は開いたままとなる。

【0082】

制御ユニット５は、ステップＥ９において不均衡が検知されなければ、前述のステップＥ１１を直接実施する。

【0083】

このように、本発明によるバッテリー１と、これの制御方法とにより、使用中のバッテリー１を再充電することが可能になる。たとえば、それぞれが満充電のとき４００ボルトの公称電圧を送出することができるそれぞれ４０キロワット時（ｋＷｈ）の２つの同一のバッテリーモジュール１Ａ、１Ｂと、２００マイクロヘンリー（μＨ）の２つのコイルＬ１、Ｌ２との状況で、前記バッテリーモジュール１Ａと１Ｂとの間に３０ボルトの不均衡が出現した場合、本発明によるバランスシステム４０は、この不均衡を補償するために、充電不足のモジュールに１０アンペア（Ａ）までの電流を分流することができる。実際には、前記バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂが動的にリバランスされる、すなわちドリフトするので、２つのバッテリーモジュール１Ａと１Ｂとの間のそのような不均衡は３０Ｖに達しない。したがって、一般に、バランスシステム４０が前記バッテリーモジュール１Ａ、１Ｂの一方から他方へ分流する電流は、はるかに小さい。

【0084】

本発明は、説明されて示された実施形態に制限されることはなく、当業者には、これらの実施形態に本発明によるあらゆる変形形態を追加するやり方が分かるはずである。

【0085】

特に、バッテリーは２つよりも多くのバッテリーモジュールを含有することができる。それぞれのバッテリーモジュールが別々の蓄積容量を有することも可能であり、その場合、電気回路と、電気回路が採用可能な様々な構成とが、それに応じて適合される。

【図1】

【図2】

【国際調査報告】