专利名称：具有单元能量调节装置的电能存储装置和单元能量调节方法
技术领域：
本发明涉及串联连接多个电容器单元或二次电池单元等的多个电能存储单元而构成的电能存储装置，具体而言，涉及电能存储装置和该单元能量调节方法具有对于存储的电能、将以各个单个的单元或多个单元作为一个存储单位的能量存储量设定为目标值的能量分配用单元能量调节装置。
背景技术：
由现有技术中串联连接电能存储单元而构成的能量存储装置，端电压比单个单元高，能量存储量比单个单元大。但是，几乎无法管理构成该装置的各个单元所存储的能量。
在由电容器构成单元的情况下，例如特开平10-174283号公报中所示，将电阻并联连接到各个单元上，或者，例如并联连接齐纳二极管等稳压元件，对各个单元进行并联充电或部分并联充电，以在充电中使各个单元的电压相等。
在不单独管理串联连接的单元的充放电的情况下，从已有技术可知，在实用的蓄电池中，部分单元达到过充电或过放电状态时会劣化并损坏该单元的性能。另外，在使用电容器等物理存储电荷的单元的情况下，部分单元的端电压超过该单元的耐压时，则可能导致劣化或损坏。为了避免上述情况，提出降低运用能量存储装置的额定值等方案。为此，必须将能量存储装置的功率密度或能量密度降得比单元固有的低。
另外，在这些已有技术中，为了降低能量效率，提出通过开关电路将具有多个线圈的变压器的各线圈连接到电容器上、以均匀电压进行充电的方法(参照特开平8-214454号公报)。
但是，在该已有方法中，虽然充电时电压保持均匀，但其后在放电前的放置状态或者放电状态下，电压不可能均匀，更不要说始终有效利用能量。
因此，非常期望新型能量存储装置具有管理各单元的能量并进行能量再分配之用的能量调节装置。在进行该单元能量调节的能量存储装置中，实用中如此运用将多个串联连接多个单元的单位单元列再串联连接来构成能量存储装置，提高整体能量后调节单元能量。
在这种能量存储装置中，实际传送能量时所用的二极管等整流元件的正向电压构为0.7V，因为与1V至3V的电容器单元或二次电池的电压相比不能忽略不计，因而提出了提高电压后向串联连接多个单元的单元列整体传送能量的方法。
但是，在串联连接多个由多个电容器或二次电池单元串联连接而构成的单位单元列的构成中，为了如上所述向单元列整体传送能量，则有必要大幅度提高电压，带来很多问题。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有单元能量调整装置的能量存储装置，在原理上没有损失的情况下，可将与充电、放电、待机中无关的、构成单位能量存储装置的各个单元的能量存储量保持为最佳目标值。
另外，本发明的再一目的是提供一种单元能量调节方法，在原理上没有损失的情况下，可将与充电、放电、待机中无关的、构成单位能量存储装置的各个单元的能量存储量保持为最佳目标值。
发明概述根据本发明，提供一种能量存储装置，在以包含串联连接的多个电容器或二次电池单元的能量存储装置的单位能量存储装置中，从所述多个单元中选择的一个单元向所述单位能量存储装置的输入输出端传送向该一个单元充电的能量，其特征在于包括具有相互磁耦合、电绝缘的多个第1线圈和第2线圈的变压器，开关所述变压器的所述多个第1线圈中的一个和所述选择的一个单元的连接电路的开关电路，通过整流电路将所述变压器的第2线圈连接到所述单位能量存储装置的输入输出端上的电路，和通过操作所述开关电路、将所述选择的一个单元存储的能量调节为对于所述单位能量存储装置存储的能量的特定比率的控制电路，进行单元能量的调节。
另外，根据本发明，提供一种大容量的能量存储装置，串联连接多个所述单位能量存储装置而得到比单位能量存储装置高的端电压，同时存储比单位能量存储装置容量大的能量，其特征在于具有能量存储装置，从所述单位能量存储装置中的所述单元中选择的一个单元向所述单位能量存储装置的输入输出端传送向该一个单元充电的能量，该单元能量调整装置包括具有相互磁耦合、电绝缘的多个第1线圈和第2线圈的变压器，开关所述变压器的所述多个第1线圈中的一个和所述选择的一个单元的连接电路的开关电路，通过整流电路将所述变压器的第2线圈连接到所述单位能量存储装置的输入输出端上的电路，和通过操作所述开关电路、将所述选择的一个单元存储的能量调节为对于所述单位能量存储装置存储的能量的特定比率的控制电路，将所述单位能量存储装置和该大容量能量存储装置的对应关系构成为与所述单元能量调整装置中的所述单元能量单元和所述单位能量存储装置的对应关系相同的关系，并进一步将能量存储装置的连接扩大为任意级数。
另外，根据本发明，提供一种能量存储装置，具有单元能量调节装置，其特征在于串联连接多个由单个或多个电能存储单元构成的能量存储单元列，分别对各个能量存储单元列测定其能量，配置存储处理所述能量的测定量的装置，通过操作由该装置控制的开关电路，从选择的一个能量存储单元列通过变压器传送对该能量存储单元列充电的能量，对应于所述各能量存储单元列来设置多个线圈，设置对应于各个能量存储单元列的变压器，构成连接该变压器线圈和开关电路及整流电路的电路，从选择的一个能量存储单元列向其它能量存储单元列直接传送能量。
另外，根据本发明，提供一种能量调节方法，串联连接多个由单个或多个电能存储单元构成的能量存储单元列，具有测定各个能量存储单元列中的能量的装置，和存储处理其测定量的装置，通过操作由该装置控制的开关电路，从选择的一个能量存储单元列通过变压器传送对该一个能量存储单元列充电的能量，其特征在于对应于各个能量存储单元列来设置变压器，形成连接该变压器线圈和开关电路及整流电路的构成，从选择的一个能量存储单元列向其它能量存储单元列直接传送能量。
另外，根据本发明，提供一种能量存储装置，具有单元能量调节装置的电能存储装置，串联连接多个由单个或多个电能存储单元构成的能量存储单元列，其特征在于所述单元能量调节装置分别对各个能量存储单元列测定其能量，配置存储处理所述能量的测定量的装置，通过操作由该装置控制的开关电路，从选择的一个能量存储单元列通过变压器传送对该一个能量存储单元列充电的能量，对应于所述各能量存储单元列来设置多个线圈，设置对应于各个能量存储单元列的变压器，构成连接该变压器线圈和开关电路及整流电路的电路，从选择的一个能量存储单元列向其它能量存储单元列直接传送能量。
另外，根据本发明，提供一种能量存储装置，具有串联连接的多个能量存储单元列和调节各单元能量的单元能量调节装置，其特征在于该能量调节装置包括串联连接于所述第1能量存储单元列的第1开关电路和具有将所述第1开关电路连接于所述第1能量存储单元列上的多个线圈的第1变压器，所述第1开关电路包括第1FET和第2FET，该第2FET具有在相对于所述第1FET的第1寄生二极管方向上串联连接的二极管和相对于所述第1FET的所述第1寄生二极管的方向的第2寄生二极管。
另外，根据本发明，提供一种能量存储装置，调节多个第1能量存储装置中的各单元能量的单元能量调节装置具有串联连接于所述第1能量存储单元列的第1开关电路和具有将所述各个第1开关电路连接于各个所述多个第1能量存储单元列上的多个线圈的第1变压器，串联连接多个连接于所述第1变压器线圈上的所述第1能量存储单元列，所述第1开关电路包括第1FET和第2FET，该第2FET具有在相对于所述第1FET的第1寄生二极管方向上串联连接的二极管和相对于所述第1FET的所述第1寄生二极管的方向的第2寄生二极管。
另外，根据本发明，提供一种能量存储装置，其特征在于在调节多个第1能量存储装置的各单元能量的单元能量调节装置中，并联连接FET和肖特基势垒二极管以构成第1开关电路，将所述第1开关电路串联连接于具有所述第1能量存储装置和多个线圈的第1变压器的一个线圈上，串联连接多个连接于第1变压器线圈上的第1能量存储装置。
附图的简要说明
图1是表示使用根据本发明的实施例1的反向变换器的、具有单元能量调节装置的单位能量存储装置的电路图；图2是表示根据本发明实施例2的单位能量存储装置的电路图，表示以图1的输入输出端作为归线来进行驱动器驱动的、使用正向变换器的、具有单元能量调节装置的单位能量存储装置；图3是表示在根据本发明的实施例3的定电位端回收能量的、使用正向变换器的单元能量调节装置的电路图；图4是表示将根据本发明的实施例4中的双层电容器作为每三个模块、连接其中两个来作为一个单位能量存储装置的单元能量调节装置的电路图；图5是表示串联连接4个根据本发明实施例5中的单位能量存储装置的大容量能量存储装置的电路图；图6是表示本发明的实施例1至5中的控制电路的工作流程图；图7是表示具有根据本发明实施例6的单元能量调节装置、由4个能量存储装置构成的电能存储装置的图；图8是表示具有根据本发明实施例7的单元能量调节装置、串联连接3个单位能量存储装置、串联连接3个能量存储装置而构成的电能存储装置；图9是表示根据本发明的、由4个电容器单元构成的单位能量存储装置的图；图10是在具有根据本发明的单元能量调节装置、由4个能量存储装置构成的电能存储装置中，从第1能量存储装置向第3能量存储装置传送能量时的结构的说明图；图11是表示具有根据本发明的单元能量调节装置、串联连接3个单位能量存储装置、串联连接3个能量存储装置而构成的电能存储装置的能量传送例1的图；图12是表示具有根据本发明的单元能量调节装置、串联连接3个单位能量存储装置、串联连接3个能量存储装置而构成的电能存储装置的能量传送例2的图；
图13是表示具有根据本发明的单元能量调节装置的能量存储装置的框图代表例的图；图14是表示根据本发明的单元能量调节装置的工作时的流程图；图15是表示根据本发明实施例8的能量存储装置的图；图16是表示根据本发明实施例9的能量存储装置的图；图17是表示根据本发明实施例10的能量存储装置的图；图18是表示根据本发明实施例11的单元能量调节装置的图；图19是表示根据本发明实施例12的单元能量调节装置的电路图；图20是根据本发明的单元能量调节装置的工作算法实例的流程图；图21是表示根据本发明实施例13的能量存储装置的电路图；和图22是表示根据本发明实施例14的能量存储装置的电路图。
发明的最佳实施例下面参照附图来说明本发明的实施例。
首先，参照图1至图5来说明在使用作为能量存储单元的双层电容器的能量存储装置中适用本发明的实例。
因为通过电荷积累来构成双层电容器的能量存储，所以端电压根据能量存储量的增减来进行增减。这里，虽然说明串联连接6个双层电容器的情况，但根据使用时的情况，当然连接的双层电容器几个都可以。
根据图1中所示的本发明的实施例1的图表示在能量回收电路中使用反向变换器的情况的电路实例。
控制电路23包括中央控制单元25，开关驱动电路27、单元电压存储器29和电压输入电路31。当能量存储单元C1、C2、C3、C4、C5、C6的电压分别表示双层电容器的额定最大电压以下的任意值时，通过来自开关驱动电路27的门驱动变压器(第2变压器)ST1、ST2、ST3、ST4、ST5和ST6的开关信号，特定时间打开根据中央控制单元25的指示选择的开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5和SW6的任一个。对应于相应开关的能量传送变压器(第1变压器)T1的第1线圈L1、L2、L3、L4、L5和L6的任一个中流过电流，根据第2线圈L7中的线圈的匝数比，产生对应于相应的双层电容器电压的电压。该电压经过电压输入电路31存储在单元电压存储器29中，并依次存储其余的双层电容器的单元电压。
在关闭SW1-SW6之后，第1变压器T1被磁化的能量经过功率整流器D1发送到输入输出端33、35之间立即被回收。
其次，根据事先设定的标准，重复开、关对应于端电压过大单元的开关，将相应单元存储的部分能量分配给其它单元。此时，虽然相应的单元也接受分配，但随着单元串联数量的增加，分配给相应单元的比率减少。该分配操作在单元的串联数量为两个以上时在理论上是成立的。
另外，虽然未图示，但例如也可向第1变压器T1中加入第3线圈L8，代替由第2线圈L7进行的电压检测，将第3线圈L8的两端连接于电压输入电路31上来检测电压。
在图2所示的使用根据本发明的实施例2的反向变换器情况下的电路实例中，虽然上述操作同样成立，但有必要设置串联于第1变压器T1的第2线圈L7、能量整流器D1的开关电路SW7，同步于单元电压测定期间来进行关闭第2线圈L7的电路的操作。在功率整流器D1为同步整流器的情况下，可通过同步控制操作来省略开关电路SW7。
图1和图2的SW1-SW6由MOS晶体管构成，向栅极施加信号来控制开关的打开关闭。
图1中，使用门驱动变压器(第2变压器)ST1-ST6来相对于双层电容器的串联连接的电位绝缘控制电路7。图2中使用用于传送门信号的门驱动电容器SC1-SC6来代替图1中的门驱动变压器(第2变压器)ST1-ST6。将双层电容器的任意端子的任一个作为归线无所谓，这里将端子33选为归线。
通常，对于单元端电压变化缓慢的情况，因为开关晶体管SW1-SW6的开关频率非常高，所以通过适当选择门驱动电容器SC1-SC6和电阻SR1-SR6的值，可相对于双层电容器的串联连接的电位来绝缘控制电路23。
例如，门驱动电容器SC1-SC6的静电容量为1毫微法、电阻SR1-SR6的电阻值为100kΩ时，因为其时间常数为0.1毫秒，所以可能进行周期为10微秒、100kHz的开关工作。另一方面，如果单元电压变化的上限为0.1Hz，则直流电位变动的影响不会涉及控制电路23。
另外，在图2的使用正向变换器的情况下的电路中，最好在回收变压器磁芯的磁化能量时，将复位线圈连接于比单元电压高的电压端上，以减少由二极管的VF引起的损失。
在变压器初级上设置复位线圈会伴随所谓的线圈数量和二极管数量增加的缺点。
由此，回收时，根据图3所示的本发明的实施例3，可将作为能量回收前的能量传送变压器T1(第1变压器)的第2线圈L7的连接位置选择为向其它辅助电路供电的电源37的输出端39和41。
另外，当构成单位能量存储装置的双层电容器的数量变多时，能量传送变压器T1的初级线圈L1、L2…的数量也变多，导致变压器效率降低，最佳设计变难。
因此，在图4的实施例中，例如，在分别具有3个1初级圈L1、L2、L3或L4、L5、L6的第1变压器T1、T2上与其对应地连接3个双层电容器，也可使用如此构成的2个变压器T1、T2作为整体，将由6个双层电容器所构成的作为一个单位能量存储装置。考虑到电子部件的情况和成本，例如，也可以准备3个具有2个初级线圈的第1变压器，将由6个双层电容器所构成的作为一个单位能量存储装置。
在实施例5中，如图5所示，串联连接如此构成的单位能量存储装置43来构成能量存储装置。由该结构可得到容量较大的能量存储装置。另外，由此连接多段增大能量存储量的能量存储装置，为了得到期望的能量存储量，也可扩大为任意阶层。另外，符号45表示与控制电路32相同结构的控制电路。
下面说明本发明实施例1-5的单位能量存储装置的单元能量调整装置的工作。
关键在于，单元能量调整装置具有作为能量适当化装置的控制电路23、45，由定时器的时限信号或对应于充放电状况来测定各个单元的电压，使连接于判定为端电压过大的单元上的开关电路工作，继续工作直到该单元存储的能量变为适当值。
具体而言，有关该控制电路23、45的处理，例如以图6所示流程的工作进行控制。图6是表示图1至图5的控制电路的工作流程图。
参照图6，开始后，首先判断是否是应启动电路的定时(步骤SA1)。此时，当不是应启动电路的定时时[否]，返回到最初。另一方面，当是应启动电路的定时时[是]，测定全部单元的电压(步骤SA2)。
接着，根据学习曲线，判断单元的容量误差是否大(步骤SA3)。此时，在判断单元的容量误差大的情况下[是]，预测以后的充放电状况，对每个单元设定目标电压值(能量分配电路，步骤SA4b)。另一方面，在不能判断为大的情况下[否]，从所有电压值和单元个数来计算各单元的设定电压值(步骤SA4a)。在任一情况下，都可判断是否有超过设定电压值的单元(步骤SA5)。
此时，在没有超过设定电压值的单元的情况下[否]，返回到最初。另一方面，在有超过设定电压值的单元的情况下[是]，算出回收·分配能量用的开关控制的脉冲宽度、间歇宽度和脉冲数(步骤SA6)。
接着，将能量回收记录的状况作为数据进行记录(步骤SA7)。
接着，推测各单元的容量、漏电流等，预测今后的充放电状况，作为学习数据库(步骤SA8)。
最后，判断是否应结束该处理(步骤SA9)，当判断为不应该时[否]，返回到最初，重复以上的处理。判断为应该的情况下[是]，结束。
另外，在如上所述的本发明的实施例中，单纯地讲，其目的仅在于使双层电容器的单元电压一致，也可仅同时输出开关驱动电路6的全部开关信号。由此，可自动回收全部电压高的双层电容器的能量中仅比其它双层电容器高的部分。
另外，在上述说明中，虽然使用双层电容器来构成单元能量调节装置，当然也可将二次电池作为单元来构成单元能量调节装置。
如上所述，根据本发明的第1-第5实施例，可提供一种单元能量调整装置，在串联连接多个单元来形成一个单位的能量存储装置中，通过从单位内的任意单元将该单元存储的能量传送到能量存储装置的输入输出端，在原理上没有损失的情况下，可将与充电、放电、待机中无关的、构成单位能量存储装置的各个单元的能量存储量保持为最佳目标值。
下面说明本发明实施例6和实施例7的电能存储装置、单元能量调节装置和单元能量调节方法。
参照图7，根据本发明实施例6的电能存储装置具有单元能量调节装置，由4个能量存储装置53构成。如下所述，本文中，电能存储装置由多个能量存储装置构成，能量存储装置由多个单位能量存储装置构成。存在有由单个或多个电容器构成单位能量存储装置的关系。
为了可存储的能量大，并且提高电能存储系统整体的电压，串联连接能量存储装置53，在各个能量存储装置53上通过开关电路55向其它能量存储装置53传送能量、并连接从其它存储装置53传送用的线圈61a。虽然这里的线圈61a整个为一个变压器61的构成要素，但在能量存储装置数量多的情况下，也可使用几个变压器61来分割构成要素来获得。
通过关闭所有开关电路55，打开连接于需测定电压的能量存储装置53上的开关电路55，在变压器61的次级线圈61b中感应电压。可由该感应的电压来测定存储的能量。依次使开关电路55工作，由电压输入电路57来测定所有能量存储装置53的能量，记录在控制装置的存储器中，从这些数据来进行最佳能量的再分配。这里，从电压高、即能量多的能量存储装置53中取出能量，向电压低、即能量少的能量存储装置53分配能量。
实际上，打开取出能量的能量存储装置53的开关电路55，将分配能量的能量存储装置53的开关电路55连接到整流器59上，关闭其它开关电路55。例如，当第1能量存储装置53的电压高、第3能量存储装置53的电压低时，如图11所示，连接开关电路55。通常，因为可由一次开关传送的能量比必要的能量少，所以在图11的情况下，多次反复第1能量存储装置53的开关电路55的开、并工作，传送期望的能量。
通过如此工作，可使多个能量存储装置53的电压一样，因此，可加大电能存储系统整体的能量。但是，这里假定能量存储装置53由具有1V至3V耐电压的一个电容器构成。此时，在图7的结构中，由普通二极管构成的整流器59的正电压Vf为0.7V，不能忽视整流器59中的电压降。
但是，在该情况下，由变压器61提高取出的能量的电压，通过将能量分配端作为电能存储系统整体，忽视整流器的Vf是有效的。但是，当整体分配能量时，会向能量多的能量存储装置53返回其中一部分，不能均匀地利用所有取出的能量。
在本发明的实施例6中，扩大传送能量的单位时，通过将能量分配端设定为不是电能存储系统的整体，而是各个能量存储装置53，可快速并高效地传送能量。
另外，这里，能量传送使用正向方式。但是，通过将开关电路55和整流器59构成为电桥型，也可以反向方式来传送能量。
图7所示的电能调节装置可用于图13的框图中。
参照图8，根据本发明实施例7的电能调节装置具有单元能量调节装置，串联连接3个串联连接的3个单位能量存储装置67的能量存储装置53来构成。
根据本发明的实施例7可从单位能量存储装置67向其它单位能量存储装置67传送能量。另外，也可从单位能量存储装置67向不包含其它单位能量存储装置67的其它能量存储装置53传送能量。
例如，图11中，表示从第1能量存储装置内的第1单位能量存储装置向第3能量存储装置整体传送能量时的开关电路55的连接。
例如，图12中，表示从第1能量存储装置内的第1单位能量存储装置向第1能量存储装置整体传送能量时的开关电路55的连接。此时的电流流向在图11和图12中分别以粗线表示。汇总处理由内置于各个能量存储装置53中的电压输入电路57取得的单位能量存储装置57的能量数据，也可控制整个开关电路55，在各个能量存储装置内具有一个控制装置，也可由专门的控制装置来控制3个能量存储装置之间的能量传送。
参照图14，首先根据该流程图来进行所说明的能量调节装置的工作。
具体而言，开始后，首先判断是否是应启动电路的定时(步骤SB1)。在[否]的情况下，再次返回到该步骤。另一方面，在[是]的情况下，测定全部能量存储装置的电压(步骤SB2)。接着，判断各能量存储装置的能量中是否有误差(步骤SB3)。在[否]的情况下，返回步骤SB1。在[是]的情况下，对应于能量来确定能量存储装置的顺序(步骤SB4)。接着，从能量最多的存储装置向最少的存储装置传送能量(步骤SB5)。接着，算出传送能量用的开关控制脉冲宽度、间歇宽度、脉冲数量(步骤SB6)。接着，传送能量(步骤SB7)。最后，判断是否应结束工作(步骤SB8)。最后，在[是]情况下，结束，在[否]的情况下，再次返回到步骤SB1。
由于由具有单元能量调节装置的多个能量存储装置来构成电能存储装置，由具有单元能量调节装置的多个能量存储装置来构成能量存储装置的原因，通过扩大级数，可构成更大的存储系统。此时，如果同样扩展本发明，可以相同效率来传送能量。
参照图9，单位能量存储装置67由4个电容器单元69构成。该单位能量存储装置67可进行与图7的电能存储系统相同的工作。
电容器单元69一般具有1V至3V的端电压，因为与整流器59的正电压Vf相比不够大，不能忽视其损失，实际上，不能有效传送电容器单元69之间的能量，可向单位能量存储装置67的端子传送能量。图9所示的电路可任意选择构成。另外，在先说明的图8的单元能量调节装置中使用能量传送时的正向方式，在图9的单位能量存储装置中，由反向方式构成电路。此时当然使用任何方式均可。
如上所述，根据本发明的实施例6和实施例7，可提供一种电能存储装置、单元能量调节装置和单元能量调节方法，具有高效、不伴随原理损失地将系统的能量保持为最佳目标值的装置，在串联连接多个能量存储装置而构成的单元能量调节装置中，可在能量存储装置间传送能量，另外，可从构成能量存储装置的单位能量存储装置向单位能量存储装置或能量存储装置传送能量。
下面说明本发明的实施例8至10。
如上所述，因为运用了连接多个电能存储单元而构成的能量存储装置，所以作为新型单元电压平均化装置、具有管理各单元的能量、进行能量再分配的机构的单元能量调节装置是非常有希望的。
根据所述实施例1至5的单元能量调节装置的基本结构，为了测定各电容器单元的电压，依次打开作为连接于各个电容器单元上的开关元件FET，由控制装置记录在次级线圈中激励的电压。结果，例如在第2电容器单元的电压比其它电容器单元的电压高的情况下，即第2电容器单元的能量大于其它电容器单元的能量的情况下，通过控制连接于第2电容器单元上的FET的打开关闭，通过次级线圈功率二极管，向串联连接的所有电容器传送能量。通过重复这些工作，使各电容器单元的电压均匀，增大整体的能量存储量。在该装置中，实用时串联连接来构成多个将多个单元串联连接的能量存储装置，高效运用所有的能量。
由所述单元能量调节装置对所有电容器单元进行能量传送要尽可能减少整流器的损失。此时，因为连接打开的开关电路对于连接的电容器单元来说，也在连接于其它电容器单元上的线圈中激发电压，所以在开关电路中使用FET的情况下，各电容器单元之间如果有寄生二极管正电压以上的电压差，各电容器单元之间进行能量的传递。此时，因为存在FET寄生二极管引起的损失，所以必须在各个电容器单元之间的电压差不比二极管正电压高的定时下进行各电容器单元的能量调节。另外，当考虑打开时的损失时，作为开关电路最好是MOS-FET，反之也有其问题因此，本发明人提出一种防止装置，在具有串联连接多个电容器单元或二次电池单元、从任意单元向该单元传送充电能量的机构的单元能量调节装置的开关电路中使用FET来构成的情况下，因FET的寄生二极管的影响，在各单元之间进行能量传递。
图15是根据本发明的单元能量调节装置的实施例8，表示串联连接4个电容器单元1而构成的单位能量调节装置。各电容器单元1在变压器的初级线圈6上串联连接FET2和二极管3。在各电容器单元之间的电压差比FET2的寄生二极管的正方向电压小的情况下，以与图2相同的工作来进行能量的调节。
但是，在各电容器单元之间的电压差比FET 2的寄生二极管的正方向电压大的情况下，在图2的单元能量调节装置中，连接于电压低的电容器单元上的FET 2(SW1-SW6)中，电流损失变大。因此，如图15所示，通过在FET 2上串联连接二极管3，可防止各电容器单元之间的能量传送。
图16是根据本发明的单元能量调节装置的实施例9，表示串联连接4个电容器单元1而构成的能量调节装置。各电容器单元1在变压器的初级线圈6上串联连接在寄生二极管朝向方向上串联连接的两个FET 2。在图15的电路中，下次打开能量过多的电容器单元的开关电路时，仅在二极管3中产生损失。因此，通过同步操作2个FET 2，虽然电路构成变复杂，但可抑制损失。另外，在本电路中，使多个二极管3构成箝位，可以相同信号来驱动2个FET。
图17是根据本发明的能量调节装置的实施例10，表示串联连接3个将3个电容器单元1串联连接构成的单位能量调节装置而构成的能量调节装置。没必要在最后的次级线圈上连接电压输入电路，可简化控制电路。工作与图16相同，可平均化各个电容器单元1，并平均化各个单位能量存储装置。
图18是根据本发明的单元能量调节装置的实施例11，表示串联连接4个能量存储装置15来提高整体能量的能量调节装置。该各个能量存储装置也可构成为将多个电容器单元或多个单位能量调节装置或多个二次电池单元串联连接而构成单元能量调节装置，由此，也可多个串联连接多个连接能量存储装置来作为一个单元。
如上所述，虽然使用电容器单元来作为能量存储单元，但也可替代电容器单元，而使用将以二次电池单元或多个电容器单元或二次电池构成的能量存储装置作为一个单元。
如上所述，根据本发明实施例8至11，可提供一种调节装置，对于由多个电能存储单元构成的能量存储装置的单元能量调节装置，可高效并没有损失地调节能量。
下面说明本发明的实施例12-15。
为了以所述实施例1-5所示的单元能量调节装置来调整各电容器单元的能量，必须在变压器的次级线圈上设置控制装置。该次级线圈一般有必要是初级线圈的匝数的单元数量数倍的匝数，占变压器本身匝数的一半。另外，该控制装置有必要有测定各电容器单元电压的机构、记录该信息的存储器、判断该测定结果的CPU和控制开关电路的控制器。虽然由该方法可使效率发挥到最大限度，但电路变大，控制系统变复杂。
因此，在本发明的实施例12至14中，对于具有串联连接电容器单元或二次电池而从任意单元向该单元传送充电能量的机构的单元能量调节装置，提供一种防止控制机构变复杂的装置。
参照图19，根据本发明的实施例12的能量调节装置串联连接4个电容器单元71来构成。
与所述实施例1至5相比，省略了一般匝数多的次级线圈，与之相伴的控制电路也省略了电压测定机构存储器机构，仅具有顺序开、关各开关电路功能。图20将运用该装置时的算法表示为流程图。
参照图20，首先，开始后，判断是否是应启动电路的定时(步骤SC1)。因此，在[否]的情况下，再次反复相同步骤。另一方面，在[是]的情况下，依次打开所有单元的开关(步骤SC2)。接着，判断是否仅以确定次数重复开、关(步骤SC4)。因此，在[否]的情况下，返回步骤SC2。另一方面，在[是]的情况下，测定时间或充电周期(步骤SC4)。接着，判断时间或充放电周期是否超过规定值(步骤SC5)。因此，在[否]的情况下，反复相同工作。另一方面，在[是]的情况下，判断是否应结束(步骤SC6)。因此，在[否]的情况下，返回到步骤SC1。另一方面，在[是]情况下，结束。
这里，具体而言，例如第2电容器单元的电压比其它电容器单元的电压高。即使打开连接于第1电容器单元上的FET，也不向比第1电容器单元的电压高的电压的第2电容器单元、电压相等的第3和第4电容器单元传送能量。接着，通过打开连接于第2电容器单元上的FET，向比第2电容器单元的电压低的电压的第1、第3和第4电容器单元传送能量。依次进行该平均化工作，在仅进行适当的周期后，空闲一定时间，再次反复相同的平均化工作。可由控制电路仅测定充电次数和放电次数，在达到一定次数时，再次进行平均化工作。
参照图21，根据本发明实施例13的能量调节装置由串联连接3个电容器单元71、并串联连接3个能量调节装置87来构成。因为省略了匝数最多的次级线圈，所以在单元数多的情况下，电路结构非常小。工作与图19所示相同，从首先平均化串联连接3个的电容器单元71之后，通过平均化串联连接3个电容器单元71而构成的能量存储装置，可高效地进行平均化。
参照图22，根据本发明实施例14的能量调节装置，串联连接4个能量存储装置91来进一步提高整个能量。各个能量存储装置91也可构成为串联连接多个电容器单元或多个二次电池单元来构成单元能量调节装置并进一步与其连接的结构，也可是串联连接多个能量存储装置的结构。
如上所述，虽然表示将电容器单元作为能量存储单元，但也可替代电容器单元，而使用将以二次电池单元或多个电容器单元或二次电池单元构成的能量存储装置作为一个单元。
如上所述，根据本发明的实施例12至14，可提供一种由多个电能存储单元构成能量存储装置的、简化控制装置而使整个构成小型化的单元能量调节装置。
根据本发明的单元能量调整装置、单元能量调整方法和电能存储装置，可适用于电气或电子设备的电源或后备电源。
权利要求
1.一种能量存储装置，其特征在于具有单元能量调整装置，在除了以具有串联连接的多个电容器或二次电池单元的能量存储装置作为单位能量存储装置外，作为从所述多个单元中选择的一个单元向所述单位能量存储装置的输入输出端传送对该一个单元充电的能量的单元能量调整装置，具有相互磁耦合、电绝缘的多个第1线圈和第2线圈的变压器，开关所述多个第1线圈中的一个和所述选择的一个单元的连接电路的开关电路，通过整流电路将所述变压器的第2线圈连接到所述单位能量存储装置的输入输出端上的电路，和通过操作所述开关电路、将所述选择的一个单元存储的能量调节为对于所述单位能量存储装置存储的能量的特定比率的控制电路，进行单元能量的调节。
2.根据权利要求1的能量存储装置，其特征在于所述多个单元至少由一个单元组构成，所述变压器仅具有对应于构成所述单位能量存储装置的各个单元组的数量，所述各个变压器包括通过所述开关电路分别连接到构成所述各个单元组的各单元上的所述多个第1线圈、和通过所述整流电路连接于所述单位能量存储装置的输入输出端上的所述第2线圈。
3.根据权利要求2的能量存储装置，其特征在于所述各个变压器中都设置有第3线圈。
4.根据权利要求1的能量存储装置，其特征在于所述变压器具有对应于多个单元、通过把开关电路连接到各单元上的多个所述第1线圈、和连接于单位能量存储装置的输入输出端上的所述第2线圈。
5.根据权利要求4的能量存储装置，其特征在于所述变压器中进一步设置至少一个第3线圈。
6.根据权利要求1的能量存储装置，其特征在于通过设置经整流电路连接于所述单位能量存储装置的输入输出端上的与所述变压器的第2线圈串联的开关电路、或兼有转换为串联连接于所述变压器的第2线圈的功能，暂时截断单位能量存储装置的输入输出端与所述变压器的第2线圈的连接。
7.根据权利要求6的能量存储装置，其特征在于以连接于所述单位能量存储装置的输入输出端上的电位或选择的一个单元的端子电位为基准，通过电容器传送控制连接于各个单元上的开关电路的信号的电路。
8.根据权利要求1的能量存储装置，其特征在于包括判定电路，同步操作控制连接于选择的1个单元上的开关电路，检测连接于单位能量存储装置上的所述变压器的第2线圈的开放端电压，判定所述1个单元存储的能量。
9.根据权利要求1的能量存储装置，其特征在于包括能量适当化控制装置，由控制电路和软件内的至少一方构成，在判定所述选择的一个单元存储的能量相对于所述单位能量存储装置的能量存储量而言过大的情况下，通过控制连接于所述一个单元上的开关电路，向所述单位能量存储装置的输入输出端传送所述1个单元存储的部分能量，进行存储在所述1个单元中的能量的适当化控制。
10.根据权利要求1的能量存储装置，其特征在于具有能量分配装置，由设定各个单元应存储的能量与单位能量存储装置存储的能量的比率的电路和软件的至少一方构成。
11.根据权利要求1的能量存储装置，其特征在于具有能量分配装置，由在对单位能量存储装置反复进行充放电、或在存储状态下放置任意量的能量、或充放电和放置混合进行的情况下设定单位能量存储装置存储的能量和构成所述单位能量存储装置的各个单元应存储的能量的各个比率的电路和/或软件中的至少一方构成，具有学习包含各个单元的初期状态的特性或单位能量存储装置的充放电预测或由两者引起的各个单元应存储的适当量的功能。
12.一种大容量能量存储装置，串联连接包含多个串联连接的电容器或二次电池单元的多个单位能量存储装置而得到比单位能量存储装置高的端电压，同时存储比单位能量存储装置容量大的能量，其特征在于从选择的一个单元向所述单位能量存储装置的输入输出端传送对该一个单元充电的能量，并具有单元能量调整装置，该单元能量调整装置包括具有相互磁耦合、电绝缘的多个第1线圈和第2线圈的变压器，开关连接于选择的一个单元上的所述变压器的所述第1线圈的电路的开关电路，通过整流电路将所述变压器的第2线圈连接到所述单位能量存储装置的输入输出端上的电路，和通过操作所述开关电路、将所述单元存储的能量调节为对于所述单位能量存储装置存储的能量的特定比率的控制电路，将所述单位能量存储装置和该大容量能量存储装置的对应关系构成为与所述能量单元和所述单位能量存储装置的对应关系相同的关系，并进一步将能量存储装置的连接扩大为规定的级数。
13.一种能量存储装置，串联连接多个具有单个或多个电能存储单元的单位能量存储装置，其特征在于分别对各个单位能量存储装置测定其能量，配置存储处理所述能量的测定量的装置，通过操作由该装置控制的开关电路，从选择的一个单位能量存储装置通过变压器传送对该一个能量存储装置充电的能量，对应于所述各单位能量存储装置来设置多个线圈，设置对应于各个单位能量存储装置的变压器，构成连接该变压器线圈和开关电路及整流电路的电路，从选择的一个单位能量存储装置向其它单位能量存储装置直接传送能量。
14.根据权利要求13的能量存储装置，其特征在于所述电能存储单元为电容器单元或二次电池单元。
15.根据权利要求13的能量存储装置，其特征在于所述能量存储装置以串联连接多个单位能量存储装置来构成，在各个单位能量存储装置中具有与能量存储装置相同的功能，从选择的一个单位能量存储装置向相同的能量存储装置内的其它单位能量存储装置或能量存储装置直接传送能量。
16.根据权利要求13的能量存储装置，其特征在于进一步将该能量存储装置的连接扩大到规定的级数，从能量存储量小的存储装置向相同级的能量存储量的存储装置或在其之上的能量存储量大的存储装置直接传送能量。
17.根据权利要求13的能量存储装置，其特征在于假定所述能量存储装置和单位能量存储装置的关系与单位能量存储装置和电容器单元或二次电池的关系相似，向其它单元或能量存储装置传送选择的一个电容器单元和二次电池单元的能量。
18.一种单元能量调节方法，串联连接多个由单个或多个电能存储单元构成的能量存储装置，具有测定各个能量存储装置中的能量的装置，和存储处理其测定量的装置，通过操作由该装置控制的开关电路，从选择的一个能量存储装置通过变压器传送对该能量存储装置充电的能量，其特征在于对应于各个能量存储装置来设置变压器，形成连接该变压器线圈和开关电路及整流电路的构成，从任意一个能量存储装置向其它任意能量存储装置直接传送能量。
19.根据权利要求18的单元能量调节方法，其特征在于所述电能存储单元为多个电容器单元或二次电池单元。
20.根据权利要求18的单元能量调节方法，其特征在于所述能量存储装置以串联连接多个单位能量存储装置来构成，在各个单位能量存储装置中具有与能量存储装置相同的功能，从选择的一个单位能量存储装置向相同的能量存储装置内的其它单位能量存储装置或能量存储装置直接传送能量。
21.根据权利要求18的单元能量调节方法，其特征在于进一步将该能量存储装置的连接扩大到规定的级数，从能量存储量小的存储装置向相同级的能量存储量的存储装置或在其之上的能量存储量大的存储装置直接传送能量。
22.根据权利要求18的单元能量调节方法，其特征在于假定所述能量存储装置和单位能量存储装置的关系与单位能量存储装置和电容器单元或二次电池的关系相似，向其它单元或能量存储装置传送选择的一个电容器单元和二次电池单元的能量。
23.一种电能存储装置，串联连接多个由单个或多个电能存储单元构成的单位能量存储装置，具有单元能量调节装置，其特征在于所述单元能量调节装置分别对各个单位能量存储装置测定其能量，配置存储处理所述能量的测定量的装置，通过操作由该装置控制的开关电路，从任意能量存储装置通过变压器传送对该能量存储装置充电的能量，对应于所述各单位能量存储装置来设置多个线圈，设置对应于各个能量存储装置的变压器，构成连接该变压器线圈和开关电路及整流电路的电路，从选择的一个能量存储装置向其它能量存储装置直接传送能量。
24.一种能量存储装置，具有串联连接的多个能量存储单元列和调节各单元能量的单元能量调节装置，其特征在于该能量调节装置包括串联连接于所述能量存储单元列的第1开关电路和具有将所述第1开关电路连接于所述能量存储单元列上的多个线圈的第1变压器，所述第1开关电路包括第1FET和第2FET，该第2FET具有在相对于所述第1FET的第1寄生二极管方向上串联连接的二极管和相对于所述第1FET的所述第1寄生二极管的方向的第2寄生二极管。
25.一种能量存储装置，具有串联连接的多个第1能量存储装置和调节所述第1能量存储装置的能量的能量调节装置，其特征在于该能量调节装置具有串联连接于所述第1能量存储装置的第1开关电路和具有将所述第1开关电路连接于所述第1能量存储装置上的多个线圈的第1变压器，所述第1开关电路包括第1FET和第2FET，该第2FET具有在相对于所述第1FET的第1寄生二极管方向上串联连接的二极管和相对于所述第1FET的所述第1寄生二极管的方向的第2寄生二极管。
26.根据权利要求25的能量存储装置，其特征在于所述第1能量存储装置具有多个第2能量存储装置，将串联连接于各个所述第2能量存储装置上的第2开关电路和所述第2开关电路串联连接到具有所述第2能量存储装置和多个线圈的第2变压器的一个线圈上，串联连接多个连接于所述第2变压器线圈上的所述第2能量存储装置，所述第2开关电路具有第3FET和第4FET，该第4FET具有在相对于所述第3FET的第3寄生二极管的方向上串联连接的二极管和朝向所述第3FET的所述第3寄生二极管方向的第4寄生二极管。
27.根据权利要求26的能量存储装置，其特征在于所述第2能量存储装置由一个电容器或一个二次电池构成。
28.根据权利要求26的能量存储装置，其特征在于所述第2能量存储装置具有串联连接的多个电容器或多个二次电池。
29.一种单元能量调节装置，其特征在于调节多个第1能量存储装置的各单元能量，并联连接FET和肖特基势垒二极管以构成第1开关电路，将所述第1开关电路串联连接于具有所述第1能量存储装置和多个线圈的第1变压器的一个线圈上，串联连接多个连接于第1变压器线圈上的第1能量存储装置。
30.根据权利要求29的单元能量调节装置，其特征在于所述第1能量存储装置由一个电容器单元或一个二次电池构成。
31.根据权利要求29的单元能量调节装置，其特征在于所述第1能量存储装置具有多个第2能量存储装置，所述第2能量存储装置将串联连接FET和肖特基势垒二极管的第2开关电路串联连接于具有所述第2能量存储装置和多个线圈的第2变压器的一个线圈上，串联连接多个连接于所述第2变压器线圈上的所述第2能量存储装置。
32.根据权利要求31的单元能量调节装置，其特征在于所述第2能量存储装置具有串联连接的多个电容器单元或多个二次电池单元。
33.根据权利要求31的单元能量调节装置，其特征在于所述第2能量存储装置由一个电容器单元或一个二次电池单元构成。
全文摘要
一种从任意单元C1－C6向单位能量存储装置的输入输出端33、35传送对该单元充电的能量的装置，包括由相互磁性耦合而电绝缘的第1和第2线圈L1－L6、L7构成的具有多个线圈的变压器T1；开关连接于任意单元上的所述第1变压器T1的所述第1线圈L1－L6的电路的开关电路SW1－6；通过整流电路D1将所述变压器T1的第2线圈L7连接于所述单位能量存储装置的输入输出端上的电路；和通过操作所述开关电路SW1－6、将所述单元存储的能量调节为对于所述单位能量存储装置存储的能量的特定比率的控制电路23。
文档编号H02J7/00GK1409884SQ00802521
公开日2003年4月9日 申请日期2000年11月6日 优先权日1999年11月5日
发明者敦贺纪久夫, 长谷部章雄, 森和也, 关纯子, 伊东孝彦 申请人:Nec东金株式会社