JP2010104223A - スーパーキャパシタを備えた自律システムにおける電池のパルス充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実装が容易で、かつ、電池の寿命が長い間欠電源による電池の充電方法を提供する。
【解決手段】自律システムは、直流Ｉ_１を供給する間欠電源2を備える。方法は、充電制御回路によって管理されるパルス電流で充電する少なくとも1つの段階を含み、スーパーキャパシタ6が、第1の電子スイッチ4および第2の電子スイッチ5を介して電池1および電源2とそれぞれ並列に接続される。前記電池の充電は、制御回路3によって管理されるパルス電流充電を含む。電流パルスの間、前記電流パルスの振幅と、前記電池の端子1における電圧上昇の振幅とが測定される。前記電池の動的内部抵抗がこれらの振幅から決定される。最大受容可能電流閾値が、所定の最大電圧閾値と、前記動的内部抵抗と、前記電池の端子における無負荷電圧とに応じて決定される。次の電流段階で、前記第2の電子スイッチ5の閉時間を制御することによって、充電電流の値が制限される。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流を供給する間欠電源によって自律システムの電池を充電する方法に関し、その方法は充電制御回路によって管理されるパルス電流で充電する少なくとも1つの段階を含む。

間欠電源、たとえば光起動性パネルあるいは風力タイプの発電機、によって供給される自律システムの開発が求められている。これらの自律システムは、アクセスが困難な孤立した場所に導入されることが多く、そのような場所は、従来のようなケーブルによる電源供給の費用が高額になる。このタイプの構成に対しては、メンテナンスと自律を最適化することが、操業コストを大きく減少させることを可能にするために最重要である。

パルス電流によって電池を充電する最終ステップを実行することが、電気化学の見地から価値があると分かった。実際、電流値、充電時間、充電周波数を適合させることによって、充電プロセスがその結果、改善されることができ、これによって電池の寿命を増大させることができる。パルス電流充電方法および充電終了方法が特に文献WO-A-2005/122319、および2007年11月5日付けで出願された国際特許出願PCT/FR2007/001821に記述されている。

しかしながら、光起動性パネルあるいは風力タイプ発電機のような間欠電源によって生成できる電力およびエネルギーは限られる。このため、従来は、電池が、電源に直接接続され、スイッチが、過充電の場合に電池の切断を実行する。

本発明の目的は、実装が容易であり、かつ、エネルギーの観点でパルス電流充電終了に適合し、かつ、電池の長い寿命を確実にする、方法を提供することにある。

本発明の方法は、添付された特許請求の範囲、より詳しくは、以下の事実によって特徴づけられる。すなわち、スーパーキャパシタが、第1の電子スイッチを介して電池と並列に接続され、少なくとも第2の電子スイッチを介して前記電源と並列に接続され、制御回路が、
電流パルスの間、前記電流パルスの振幅と、前記電流パルスの間における前記電池の端子の電圧上昇の振幅とを測定するステップと、
各前記振幅から前記電池の動的内部抵抗を決定するステップと、
所定の最大電圧閾値と、前記動的内部抵抗とに応じて、前記電池によって受容可能な最大電流閾値を決定するステップと、
次の電流段階で、前記第2の電子スイッチの閉時間を制御することによって、電池充電電流の値を、前記最大電流閾値より小さな値に制限するステップと、
を連続的に実行する。

その他の利点および特徴は、以降における本発明の特定の実施例の記載から明らかにされ、本発明の特定の実施例は、制限されない例の目的として与えられ、添付図面に示される。

本発明に従った自律システムを模式的に示す。 本発明に従った方法の特定の実施例をフローチャート形式で示す。 本発明に従った方法において電池充電電流Iの変動を時間に対して示す。 本発明に従った方法においてスーパーキャパシタの端子における電圧Vcの変動を時間に対して示す。 本発明に従った方法において電池端子における電圧U_battの変動を時間に対して示す。

図1に示されるように、自律システムは、電力蓄積要素を構成する少なくとも1つの電池（バッテリー）1と、間欠電源2と、充電および充電終了を管理する手段を含む充電制御回路3とを備える。第1よび第2の電子スイッチ4，5は、間欠電源2および電池1の間に直列に接続されている。電子スイッチ4，5の開閉は、統合制御手段を介して充電制御回路3によって制御される。

電池1は、例えば鉛蓄またはニッケル電池であり、より一般的には、水性電解液を用いた電池である。

動作期間の間、間欠電源2は、外部環境に応じた直流I₁を供給する。

自律システムは、さらにスーパーキャパシタ6によって形成された中間電力蓄積要素を備える。スーパーキャパシタ6は、第1の電子スイッチ4を介して電力蓄積要素1と並列に接続され、少なくとも第2の電子スイッチ5を介して間欠電源と並列に接続されている。図1に示すように、スーパーキャパシタ6はこのように第1および第2のスイッチ間に接続される。中間電力蓄積要素6は、特に効率および寿命の観点で、自律セットアップでの使用に適合する蓄積特性を提示しなければならない。

パルス充電の満足のいく管理のため、スーパーキャパシタ6の端子の電圧は、電池1の電圧よりも、著しく大きくなってはならならず、これは各電流パルスで電池を損傷することを防止するためである。有利には、電流パルスが印加されるとき、電圧は電池1の端子における電圧に近く選択される。このようにして、制御回路3の要素の指令異常が起こった場合、あるいは電子スイッチ4，5の指令異常が起こった場合、大きな電流は避けられる。たとえば、ゼロ電圧未満では閉じられるタイプの電子スイッチ4が選択されることができ、これは、異常の場合にそれら2つの電圧が等しく保たれることを可能にする。

スーパーキャパシタとマイクロ電池を組み合わせて備えるエネルギー蓄積ハイブリッド装置が、特に文献WO-A-2003/03667から知られており、これは高速充電を可能にする。これら2つの部品を関連づけることによって、大容量のエネルギーが蓄積されることが可能になると同時に、瞬間的な高電力が利用可能に得られる。この文献では、スーパーキャパシタは非常に高速に（1秒未満で）、外部電源から充電され、次いでマイクロ電池がスーパーキャパシタから所要時間、例えば2，3分、再充電される。

図2のフローチャートに示される特定の実施例において、制御回路3は、適当な測定回路によって与えられる電池1の端子における電圧および電流の測定値（I/V）から、電池1の様々な特性を決定する（ステップF1）。有利には、制御回路3は電池の温度、すなわち特性温度を考慮する。制御回路3は、電池の特性を、第1の所定閾値、すなわち第1のタイプの充電の充電終了閾値、たとえば電池端子における電圧と比較して、第1のタイプの充電の充電終了閾値に達したかどうかを決定する（ステップF2）。

電池端子における電圧U_battが第1の所定閾値U_threshold1より小さいならば（F2の出力がNO）、充電終了基準は満たされず、制御回路3は第1の充電モードに従って電池の充電を継続する。充電終了基準U_threshold1はたとえば（充電の状態の80％に相当する）電池の最大電圧の90％、あるいはさらに95％に相当する。

電池端子における電圧U_battが第1の所定閾値U_threshold1より大きいならば（F2の出力がYES）、充電終了基準が満たされ、制御回路3は、パルス電流充電である第2の充電モードへの切り替えを始動する（ステップF3）。パルス電流充電は制御回路3によって管理され、制御回路3は次に、電池1および間欠電源2の端子における電圧および電流の測定値（I/V）から、電池1および間欠電源2の様々な特性を決定する（ステップF4）。

制御回路3は、電池1の特性を、第2の所定閾値、すなわちパルス電流充電終了閾値、たとえば電池端子における電圧U_battと比較して、パルス電流充電終了閾値、たとえば閾値電圧U_threshold2に達したかどうかを決定する（ステップF5）。

電池端子における電圧U_battが第2の所定閾値U_threshold2より大きいならば（F5の出力がYES）、制御回路3は、たとえば電池1を切断することによって電池の充電を停止する（ステップF6）。

電池端子における電圧U_battが第2の所定閾値U_threshold2よりも小さいならば（F5の出力がNO）、制御回路3は、第2の充電モードに従って電池1の充電を継続し、制御回路3は次にパルス電流充電のための最適な充電パラメータを決定する（ステップF7）。これらのパラメータは、たとえば電流パルスの周波数、典型的には1Hz、およびパルスのデューティ比、すなわちある期間内において低状態で消費される時間に対する高状態で消費される時間の比、典型的には25％である。電流値は、パルスが印加されるとき、結果として、先の2つのパラメータの値から直接推定される。

図3および図5に示すように、電源2によって発生させられる電力からの電池1の充電は、2つの連続する段階を備える。第1の充電段階（時間t₀，t₁間）において、電池1は第1の充電閾値に達するまで充電される。この第1の充電段階は第1のタイプの充電によって、有利には直流充電、典型的には電流I₁で行われる。しかしながら、他のタイプの充電が、たとえば一定電圧での充電が用いられることもできる。

第2の充電段階において、充電制御回路3がパルス電流充電段階（時間t₁，t₅間）によって充電を行う。この充電段階において、電源2によって供給される直流は所定特性を有するパルス電流へ変換される。パルス電流充電段階の間、第1および第2のスイッチ4，5は独立して作動させられる。第1および第2のスイッチ4，5の動作は、第1および第2の充電段階の両方において互いに常に独立している。

パルス電流充電が行われるとき、第1のスイッチ4は電流パルスの時間特性、特に周波数およびデューティ比、が定められることを可能にする。第2のスイッチ5はスーパーキャパシタの充電が、充電時間を制限することによって制限されることを可能にする。

パルス電流充電の第1の期間（図2において時間t₁，t₂間）、第2の電子スイッチ5が閉じられ、第1の電子スイッチ4が開かれる。電池充電電流Iはゼロである（図3）。電源2が次に直接、電池1から切断されたスーパーキャパシタ6に接続される。スーパーキャパシタ6は充電される。電源2は直流源と化し、スーパーキャパシタ6の端子における電圧は、その充電時間、すなわち時間t₁，t₂で区切られた時間期間に比例する。時間t₂で、スーパーキャパシタの端子における電圧はV₀に等しい（図4）。

第2の時間期間（図3-図5における時間t₂，t₃間）、第2のスイッチ5は開かれる。第1および第2のスイッチ4，5の状態は従って同じになる。この第2の時間期間において、事前に電圧V₀で充電されたスーパーキャパシタ6は電源2による電流はもはや供給されない。時間t₂，t₃間の時間期間は短いため、そのキャパシタの端子における電圧は一定であると考えられる。さらに、電池端子における電圧は一定であるため、第1の充電モードが停止された以降、すなわち時間t₁以降、それは変化していない（図5）。

第3の時間期間（図3-図5における時間t₃，t₄間）、第1のスイッチ4が閉じられ、スーパーキャパシタ6は電源2にもはや接続されておらず、スーパーキャパシタ6は次に電池1を、電流パルスに相当する電流I₂で充電する。スーパーキャパシタ6によって供給される電流は、スーパーキャパシタ6が放電するにつれて、減少する。スーパーキャパシタ6に蓄積された電力は、時間期間t₄−t₃の間、電池1に送られる。電池は内部抵抗Ribをもち、過電圧ΔUが各電流パルスにおいて、すなわち図5における時間t₃，t₄間、電池端子に発生する。図5に表される2つのパルスで、パルスの外側での電池端子の電圧が少し上昇し、このことは充電の状態の著しい増加を示す。

電流パルスの間、電池1の状態は大きく変化せず、その起電力Eはしたがって一定である。時間を用いた電池の充電電圧Vc（t）および電流I（t）の変化は以下の式によって記述されることができる。

ここでEは電池1の起電力であり、
V₀は電流パルスの開始時におけるスーパーキャパシタ6の端子の電圧であり、
R_iはスーパーキャパシタ6と電池1との内部抵抗の合計であり、
Cはスーパーキャパシタ6の静電容量である。

これらのパルスの周期的な繰り返しが、電池の充電を終了するように設計されたパルス電流充電段階において用いられるパルス電流を構成する。パルス電流の周波数およびデューティ比は、スイッチ4，5のスイッチイング周波数によって定義される。

電池充電電圧および電流は、スーパーキャパシタVcの端子における電圧の関数であり、スーパーキャパシタVcの端子における電圧はそれ自体、電源2からの充電時間の関数である。時間t₃，t₄間の期間は、電流パルスの継続時間に相当する。時間t₁，t₃間の期間は、電流が電池1に供給されない休みの期間に相当する。電流パルスの期間は、時間t₁，t₄間の期間に対応する。有利な態様では、パルス電流充電の周波数およびデューティ比の調整は、時間t₂，t₃間の期間によって達成される。

時間t₁，t₂の期間の継続時間が、パルス電流充電を実行するために制御回路3によって決定される期間よりも大きいならば、第2のスイッチ5は常に閉じた状態にある。

スーパーキャパシタ6と、第1および第2のスイッチ4，5の独立した開閉とによって、広範囲の自由なパルス周波数およびデューティ比で、制御回路3は電池の充電を、電源2によって供給されることができる電流の振幅I₁より大きい振幅I₂の電流パルスの形態で行うことができる。

パルス電流充電が実行されるとき、各期間の間、電力移送は、電源2からスーパーキャパシタ6へ向かって行われ、次いでスーパーキャパシタ6から電池1へ向かって行われるが、これは同時であることも可能である。

電源2と電池1との間に中間蓄積要素として動作するスーパーキャパシタ6を含めることにより、パルス電流充電段階の間に、より大きな振幅の電流パルスを得られることが可能になると同時に、電源2によって供給される電力を電池1に高速に回復する。

電池1の早期損傷を阻止するため、電池の端子における電圧U_battは所定の電圧閾値U_MAXを超えてはならない。電池1は内部抵抗をもち、各電流パルスにおいて、電池端子の電圧は増大し、そのことは損傷の原因になるかもしれない。電流パルスの間に最大電圧閾値U_MAXを電池端子の電圧が超えないようにするため、制御回路3はしたがって充電電流I₂を最大受容可能電流閾値I_MAXに制限する。電池1の状態は電流パルスで変化するため、最大受容可能電流I_MAXは各パルスで変化することが可能である。電池への損傷の原因となる電圧の増大を阻止するため、電流パルスの形態で電池1へ供給されるスーパーキャパシタ6における蓄積電力は、制限される。

各電流パルスに対して、電流回路3はしたがって電池1の端子における電圧振幅ΔU、すなわち電流パルスで達した最大および最小電圧間の電位差ΔUを測定する。最小電圧は典型的には電池端子における無負荷電圧U_threshold1に相当する。制御回路3はさらに各パスに対して電池端子における電流パルスΔIの振幅を測定する。最小電流はゼロであることが可能であり、これは、典型的には第1のスイッチ4が開かれた場合であり、電池は充電されない。電流はさらに、典型的には第1のスイッチを連続的に閉じたままにし第2のスイッチ5の開閉を制御することのみによって、電源2によって連続的に供給される電流に近いことも可能である。

制御回路3は次に式DIR＝ΔU／ΔIによって電池端子における電圧振幅ΔUおよび電流振幅ΔIの測定値から、電池の動的内部抵抗DIRの値を決定する。電池の動的内部抵抗DIRは、充電が行われるにつれて変動する特性である。

制御回路3は次に式I_MAX＝（U_MAX−U_threshold1）／DIRで、電池によって受容可能な最大閾値電圧_UMAXと、動的内部抵抗DIRとによって、電池1によって受容可能な最大電流閾値I_MAXを決定する。ここでU_threshold1は電池1の端子における無負荷電圧に相当する。パルス電流充電が行われるとき、電池充電電流I₂は最大受容可能電流閾値I_MAXより大きくあることはできない。

したがって、次の電流パルスに対して、最適な充電条件によって定義される充電電流I₂の値が受容可能電流閾値I_MAXより大きいならば、制御回路3はそのとき電池充電電流の値を、最大電流閾値I_MAXより小さい値に制限する。電流パルスにおける電流の値は、スーパーキャパシタにおける蓄積エネルギー、それ故スーパーキャパシタの端子における電圧に関連づけられ、制御回路は、第2の電子スイッチ5の閉時間を制御することによってスーパーキャパシタ充電時間を制限する。このスーパーキャパシタ充電時間は、時間t₁，t₂間の期間によって図3−図5に示される。

たとえば、自律システムは、65Ahタイプの12V鉛蓄電池1によって形成される。第1の段階において、電池1は2Aに等しい一定電流で充電される。次に、電池1の端子における電圧が13．85V（80％充電された電池に実質的に対応する）に達すると、電池1はパルス電流で充電される。このパルス電流は矩形信号であり、約1Hzの周波数、約1／4のデューティ比で、0から8A間で変化する（すなわち、8Aの充電電流である25％の時間と、ゼロ電流である75％の時間）。スーパーキャパシタ6は好ましくは350Fの7個の2．5Vのスーパーキャパシタのアセンブリによって形成され、17．5Vの定格電圧と約50Fの容量とをもつスーパーキャパシタを形成する。そのスーパーキャパシタは2Aに等しい電流によって充電される。

パルス電流充電段階において、制御回路3は電子スイッチ4，5の制御手段を開閉することによって電池1の充電状態に応じて、パルス電流の特性（充電強度、充電時間、充電周波数など）を変えることができる。

充電および充電終了制御手段、または制御ユニット、またはこれらの両方に、検査および充電アルゴリズムを統合することができる。電池1の端子における電圧Vと電池の充電電流Iとの測定を可能にする測定回路は充電制御回路3の入力に接続される。

慣習的な態様では温度測定回路も制御回路3に接続され、また負荷（示されず）が電池1によって慣習的に供給される。

電源2は、たとえばマイクロ・ハイドリックタイプ、風力タイプであり、あるいは有利には、光起動性パネルであり、電力蓄積セル1はたとえば鉛蓄あるいはニッケル電池である。

Claims (4)

1. 直流を供給する間欠電源によって自律システムにおける電池を充電する方法であって、
   前記方法は、充電制御回路によって管理されるパルス電流で充電する少なくとも1つの段階を含み、
   スーパーキャパシタが、第1の電子スイッチを介して前記電池と並列に接続され、少なくとも第2の電子スイッチを介して前記電源と並列に接続され、
   前記充電制御回路が、
   電流パルスの間、前記電流パルスの振幅と、前記電流パルスの間における前記電池の端子の電圧上昇の振幅とを測定するステップと、
   各前記振幅から前記電池の動的内部抵抗を決定するステップと、
   所定の最大電圧閾値と、前記動的内部抵抗と、前記電池の端子における無負荷電圧とに応じて、前記電池によって受容可能な最大電流閾値を決定するステップと、
   次の電流段階で、前記第2の電子スイッチの閉時間を制御することによって、電池充電電流の値を、前記最大電流閾値より小さな値に制限するステップと、
   を連続的に実行する
   ことを特徴とする方法。
2. 前記間欠電源は光起動性パネルであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記電池は、水性電解液を用いた電池であることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
4. パルス電流での充電段階の前に定電流での充電段階を含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の方法。

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