JP2012533980A - バッテリシステム内のエネルギー伝達のためのスイッチングレギュレータの直列回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、２つの入力口及び２つの出力口をそれぞれが有する第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４、３４、４４、５４）を備える、バッテリシステムのためのエネルギー変換器に関する。上記入力口は、バッテリモジュール（２０、３０、４０、５０）の接続のために構成され、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４、３４、４４、５４）は、出力側で直列に接続される。エネルギー変換器は、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−２、３４−１、４４−２、５４−２）の出力口と接続された２つの入力口と、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、３４−２、４４−１、５４−１）の出力口の１つと接続された第１の出力口と、を備えた少なくとも１つの第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２６−１、３６−１、４６−１、５６−１）を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリシステム内のエネルギー伝達のためのスイッチングレギュレータの直列回路に関する。

風力発電所及び緊急電力システムのような定置型の適用において及び車両において使用すべきバッテリシステムに対する需要が大きくなっている。これら全ての適用は、確実性及び信頼性に対する要求度が高い。その理由は、バッテリシステムによる電圧供給の完全な故障がシステム全体の故障に繋がりうるからである。従って、風力発電所の場合には、強風の際に動翼の位置を変更し、風力発電所に損害を与え又は破壊する可能性のある機械的な過負荷から当該発電所を護るために、バッテリが使用される。電気自動車のバッテリの故障の場合、電気自動車は走行に適さないであろう。他方また、緊急電力システムは、例えば病院の中断することのない稼動を保障すべきであり、従ってシステム自体は可能な限り故障しえないべきである。

各適用のために必要とされる電力及びエネルギーを提供しうるために、個々のバッテリセルが直列に接続され、部分的に追加的に並列に接続される。図１は、バッテリの直列接続についての簡略化された回路図を示す。例えば乗用車内で電動機のために必要とされる高い駆動電圧を、個別セル１０−１、・・・、１０−ｎの電圧を合計することによって得るために、複数のバッテリセル１０−１〜１０−ｎは直列に接続されている。高い駆動電圧は、出力側のスイッチ１１−１及び１１−２によって、インバータのような図示されない後続のパワーエレクトロニック（ｌｅｉｓｔｕｎｇｓｅｌｅｋｔｒｏｎｉｓｃｈ）素子から分離されうる。バッテリの総出力電力は、バッテリセル１０−１、・・・、１０−ｎの直列接続に基づいて、各バッテリセル１０−１、・・・、１０−ｎ内を流れるが、その際、バッテリセル１０−１、・・・、１０−ｎ内での電気化学過程による電荷転送が起こるため、極端な場合には、個々のバッテリセルの故障は、構成全体がもはや電力及び電気的なエネルギーを提供しえないということを意味する。バッテリセル１０−１、・・・、１０−ｎの差し迫った故障を適時に検出しうるために、通常では所謂バッテリ管理システム１２が利用され、このバッテリ管理システム１２は、各バッテリセル１０−１、・・・、１０−ｎの２つの極と接続され又は接続可能であり、定期的又は選択可能な間隔で、各バッテリセル１０−１、・・・、１０−ｎの電圧及び温度のような駆動パラメータを決定し、これに基づいて、当該バッテリセルの充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、ＳｏＣ）を決定する。このことは、バッテリシステムの電気的な駆動データのフレキシビリティ（Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔａｅｔ）が低い際に、高いコストが掛かることを意味する。

複数のバッテリセルの直列接続の更なる別の欠点は、以下のとおりである。
１．個々の要請を満たすために本来必要であろうよりも大きな数のバッテリセルが接続される場合には、バッテリにより駆動される素子の様々な駆動状態のために、提供される駆動電圧、最大電力、及び、蓄えられたエネルギーについての条件が出され、当該条件が１つにまとめられる。このことにより、値段、及び、特に、電気自動車の場合に障害となるバッテリシステムの重量及び体積が増加する。

２．バッテリの組立、即ち、個々のセルの相互接続は、直列接続により合計される個別のバッテリセルの電圧のために、１０００Ｖまでの高い電圧において行われ、従って、バッテリ、個々セル、又はモジュールの交換は地方の工場では行われず、又は、定置型の適用の場合には、特殊工具を用いて、特別に要請された専門家によって行われうる。これにより、故障時のバッテリシステムのメンテナンスのためにロジスティック的な高いコストが発生する。

３．バッテリシステムをゼロ電位で（ｓｐａｎｎｕｎｇｓｆｒｅｉ）接続するために、即ち、本来のバッテリを負荷から遮断するために、典型的に接触器として実現され、予期される高い電圧及び電流のため非常に高価な電力スイッチ１１−１及び１１−２を設ける必要がある。

本発明は、上記の従来技術の欠点を克服しうる装置を提示することを課題とする。

本発明の第１の観点は、バッテリシステムのためのエネルギー変換器であって、上記エネルギー変換器は、２つの入力口及び２つの出力口をそれぞれが有する第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、上記入力口は、バッテリモジュールの接続のために構成され、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータは出力側で直列に接続される、上記エネルギー変換器に関する。本発明によれば、エネルギー変換器は、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口と接続された２つの入力口と、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口の１つと接続された第１の出力口と、を備えた少なくとも１つの第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータを有する。

本発明は、出力側で直列に接続された一次的ＤＣ／ＤＣコンバータが、バッテリモジュールの電圧及び充電状態に依存しない選択可能な出力電圧を形成し、その際に、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたバッテリモジュールに様々な強度の負荷が掛かりうる、という利点を有する。このことは、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータであって、当該第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータの入力口が、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口に接続され、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータの作動時に、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータからエネルギーを取り出し第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口と接続された第１の出力口を介して伝達する上記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータによって可能となる。これにより、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータと、当該第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータと入力側で接続されたバッテリモジュールと、への負荷が軽減される（ｅｎｔｌａｓｔｅｎ）。このようにして、本発明は、例えば、各バッテリモジュールの充電状態が可能な限り同じである所謂負荷バランシング（Ｌｏａｄ−Ｂａｌａｎｃｉｎｇ）を可能とするため、他のバッテリセルが未だにエネルギーを提供し得ないにもかかわらず、どのバッテリもクリティカルな（ｋｒｉｔｉｓｃｈ）値以下で放電しない。

個々のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が公知技術により調整可能であるため、ＤＣ／ＤＣコンバータの利用によりさらに、駆動状態ごとに適切な全電圧の選択が可能となる。さらに、出力電圧は、一次側に（ｐｒｉｍａｅｒｓｅｉｔｉｇ）接続されたバッテリセルの数に依存しなくなる。これにより、バッテリシステムの構成が、純粋にエネルギー及び電力基準に従って、各適用のために必要とされる全電圧に依存することなく行われうる。更なる別の利点は、バッテリ出力口の高電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータの停止によって簡単なやり方で停止しうるため、高価な接触器１１−１及び１１−２を省略できることである。

エネルギー変換器は、好適に、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口と接続された２つの入力口を供えた第２の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータを有する。その際に、第２の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口と接続された第１の出力口を有する。その際に、第２の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータからエネルギーを取り出し、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータに伝達するよう構成される。これにより、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータから第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータへのエネルギー伝達によってバランスを取ること（Ａｕｓｇｌｅｉｃｈ）が達成されるだけではなく、反対に、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータから第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータへとエネルギーを伝達することが可能となる。当然のことながら、大きな数の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータを直列に接続することが可能であり、その際に、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口には、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータが接続される。

特に有利に、エネルギー変換器は、バッテリモジュールの接続のために構成された２つの入力口と、２つの出力口と、を備えた第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータを有する。第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータが第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータと直接的に接続されるように、即ち、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータが、直列回路内の中央に配置されるように、出力側で第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータと直列に接続される。第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口と接続された第２の出力口を有する。従って、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータからエネルギーを取り出し、このエネルギーを、選択的に、第１の出力口を介して第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータへと伝達し、又は、第２の出力口を介して第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータへと伝達することが出来る。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの数が更に大きい直列回路の場合、両側に隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの各１つにエネルギーを伝達しうる対応する数の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることが出来る。これにより、エネルギー分配の際、及び、様々なバッテリモジュールに負荷が掛かる際の特に高いフレキシビリティ（Ｆｌｅｘｉｂｉｔｉｔａｅｔ）が達成される。例えば、一次的ＤＣ／ＤＣコンバータから、割り当てられた副次的ＤＣ／ＤＣコンバータによりエネルギーが取り出され、隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータに伝達される場合に、隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータに接続された副次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、このエネルギーを、次の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータへと直接的に伝達することが出来る。好適に、一番上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び一番下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータも、直列回路内において（本例では、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ、及び、第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータを備える直列回路において、即ち、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ、及び、第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータは）、第１の出力口又は第２の出力口のみを有する副次的ＤＣ／ＤＣコンバータと接続される。なぜならば、一番上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び一番下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータを１つだけ有するからである。

回路技術的には、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータからエネルギーを取り出し、バッテリモジュールに放電させるためのエネルギー変換器の放電モードにおいては第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータへ、及び、バッテリモジュールに充電させるためのエネルギー変換器の充電モードにおいては第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータへ、と伝達するように構成されうる。これにより、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータのどの出力口を介して、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータから取り出されたエネルギーが伝達されるのかという選択が、エネルギー変換器の駆動モードにより行われる。例えば、対応するエネルギー変換器を具備する車両が加速する場合にバッテリモジュールからエネルギーが取り出される際には、エネルギーは、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータに渡され、車両にブレーキが掛かり発電機を介して制動エネルギーがバッテリモジュールに送り戻される場合には、エネルギーは、第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータに渡される。

好適に、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、コイルと、第１のスイッチと、第１のダイオードと、を有する。コイルと、第１のスイッチとは、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータの入力口間に直列に接続され、ダイオードは、コイルと第１のスイッチとの間の接続点と、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータの第１の出力口と、の間に接続される。

第１の出力口と第２の出力口とを備える第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータの好適な変形例において、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータはさらに、第２のスイッチ及び第２のダイオードを有し、第２のスイッチは第１のスイッチと接続され、コイルは、当該コイルが第１のスイッチと第２のスイッチとの間に接続されるように、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータの入力口間に直列に接続される。第２のダイオードは、コイルと第２のスイッチとの間の接続点と、第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータの第２の出力口と、の間に接続される。

各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、制御信号のための制御入力口を有し、制御信号が受信されると、一次的なＤＣ／ＤＣコンバータの出力口を互いに電気的に接続し一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの入力口の少なくとも１つを電気的に分離するよう構成されうる。本実施形態によって、例えば、入力側に接続されたバッテリモジュールのバッテリセルが故障しているために、駆動中に一次的ＤＣ／ＤＣコンバータを選択的に停止することが可能となる。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口を接続することによって、構成全体において引き続き出力電流が流れうる。バッテリモジュールにさらに負荷を掛けないために、さらに、当該バッテリが分離される。従って、本実施形態によって、１つ以上のバッテリセルの故障にも関わらず、装置の更なる稼動が可能となる。さらに、場合によっては、駆動中に、全電圧の形成を中断することが必要になることなく、バッテリモジュールの交換が可能となる。

本発明の第２の観点は、本発明の第１の観点に基づくエネルギー変換器と、複数のバッテリセルを備えたバッテリシステムを提示する。バッテリモジュールはそれぞれ少なくとも１つのバッテリセルを有する。バッテリモジュールのバッテリ端子は、エネルギー変換器のＤＣ／ＤＣコンバータの第１の入力口及び第２の入力口の対応する入力口と着脱可能に接続される。

本発明の第３の観点は、本発明の第１の観点に基づくエネルギー変換器を備える車両に関する。

本発明は、以下、実施形態を用いてより詳細に解説される。
従来技術によるバッテリ管理システムを備えたバッテリを示す。 本発明の第１の実施例の第１の変形例を示す。 本発明の第１の実施例の第２の変形例を示す。 本発明の第２の実施例を示す。 本発明の第３の実施例の詳細な回路図を示す。

図２は、本発明の第１の実施例の第１の変形例を示す。複数のバッテリセル２１−１〜２１−ｎ又は２２−１〜２２−ｎをそれぞれ有する２つのバッテリモジュール２０−１及び２０−２は、それぞれ一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１、２４−２の入力口と接続されている。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１、２４−２は、公知技術により構成することが可能であり、バッテリモジュール２０−１、２１−２の電圧に依存せず当該電圧よりも高いこともある出力電圧を形成することができる。好適に、一次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電圧を正確に制御しうるために、内部フィードバックを有する。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１、２４−２の出力口はそれぞれ、バッファコンデンサ（Ｐｕｆｆｅｒｋｏｎｄｅｎｓａｔｏｒ）２５−１又は２５−２と接続され、このバッファコンデンサ２５−１又は２５−２は、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１、２４−２の出力電圧を平滑化し、短期エネルギー蓄積装置として機能する。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１、２４−２は、出力側で直列に接続され、その際に、一番上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１は、構成の正の出力口に接続され、一番下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−２は、構成の負の出力口に接続される。示される第１の実施例の第１の変形例は、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２６−１を有し、この副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２６−１の入力口は、一次的ＤＣ／ＤＣコンバータの出力口と接続され、従って、バッファコンデンサ２５−２の２つの接続口と接続される。副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２６−１は、一次的コンバータ２４−２の作動時にエネルギーを取り出し、第１の出力口を介して、一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１の出力口へと伝達するよう構成され、従って、この一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１への負荷が軽減される。これにより、一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１は、自身の出力電圧を安定的に保つために、入力側に接続されたバッテリモジュール２０−１からより少ないエネルギーを取り出せばよい。これにより、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２６−１の作動時に、バッテリモジュール２０−１への負荷を軽減し、バッテリモジュール２０−２により強く負荷を掛けることが可能であり、このことは、バッテリモジュールの様々な充電状態のバランスを取る（ａｕｓｇｌｅｉｃｈｅｎ）ために利用される。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１を短時間停止し、その機能を副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２６−１に引き継がせることも原則的には可能である。

図３は、本発明の第１の実施例の第２の変形例を示す。第１の実施例の第２の変形例は、第１の変形例に大幅に対応しており、従って、第１の変形例において述べたことは、第２の変形例にも対応して該当する。第１の変形例との唯一の相違は、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ３６−１が、入力側で、一番下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−２と接続されているのではなく、一番上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ３４−１と接続されていることである。さらに、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１の出力口を有さず、一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ３４−２の出力口と接続された第２の出力口のみを有する。第２の変形例によって、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ３４−１から第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ３４−２へのエネルギー伝達が可能となり、従って、第１の実施例の第２の変形例においては、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ３４−２への負荷が軽減され、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ２４−１により強い負荷が掛かる。当然のことながら、第１の実施例の第１の変形例と第２の変形例とを組み合わせることも可能であり、従って、２つの副次的ＤＣ／ＤＣコンバータが使用され、選択的に、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータから、及び、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータへと、エネルギーが伝達されうる。

図４は、本発明の第２の実施例を示す。示される実施例は、入力側にバッテリモジュール４０−１〜４０−３がそれぞれ接続された３つの一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１〜４４−３を有する。各バッテリモジュール４０−１〜４０−３は、１つ以上のバッテリセル４１−１〜４１−ｎ、４２−１〜４２−ｎ、又は、４３−１〜４３−ｎを有する。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４１−１〜４１−３の出力口はそれぞれ、バッファコンデンサ４５−１〜４５−３と繋がれて直列に接続される。第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンデンサ４６−１は、入力側で、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−２の出力口と接続され、作動時の第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−２から、エネルギーを取り出す。第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４６−１は２つの出力口を有し、この２つの出力口の一方が、上の隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１と接続され、他方が、下の隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−３の出力口と接続される。第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４６−１の対応する制御によって、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−２から取り出されたエネルギーは、上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１、又は、下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−３へと供給されうる。上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１又は下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−３に交互にエネルギーを供給することも可能であり、従って、隣接する２つの一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１及び４４−３の中間で、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−２からエネルギーが供給される。

構成のフレキシビリティを向上させるために、（点線で示す）更なる別の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４６−２及び４６−３を設けることも可能であり、これら更なる別の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４６−２及び４６−３の入力口は、上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１又は下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−３と接続されている。これら２つの一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１及び４４−３はそれぞれ、隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータを１つだけ有するため、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４６−２には第２の出力口を備え、及び、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４６−３には第１の出力口を備えることで十分であり、従って、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１から第２の一次的コンバータ４４−２へのエネルギー伝達、又は、第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−３から第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−２へのエネルギー伝達が可能である。この構成により、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１〜４４−３から各任意の他の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１〜４４−３へとエネルギーを伝達することが可能であり、場合によっては、中間局を介して、例えば、第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−１から第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−２へとエネルギーを伝達し、同時に、第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−２から第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ４４−３へとエネルギーを伝達することによって、エネルギーを伝達することが可能である。当然のことながら、示される構造を、より大きな数の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び副次的ＤＣ／ＤＣコンバータへと拡張することも可能である。

図５は、本発明の第３の実施例の詳細な回路図を示し、ここでは、全部で５つの一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５が出力側で直列に接続されている。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５は、スイッチＳ２、Ｓ３と、コイルＬ１と、ダイオードＤ３を備えた、一段式昇圧型／降圧型コンバータ（ｅｉｎｆａｃｈｅ Ｈｏｃｈｓｅｔｚ／Ｔｉｅｆｓｅｔｚｓｔｅｌｌｅｒ）として実現される。しかしながら、数多くの公知の他のＤＣ／ＤＣコンバータ構造も想定可能である。一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５はそれぞれ追加的なスイッチＳ１を有し、このスイッチＳ１は、入力側に接続された各バッテリモジュール５０−１〜５０−５を、一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５から電気的に分離し従って停止させるよう構成される。同時に、スイッチＳ２及びＳ３を閉鎖することが可能であり、これにより、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５の出力口が互いに電気的に伝導的に接続され、従って、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５は、残りＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５の機能を妨げることなく、無効にされ（ｎｅｕｔｒａｌｉｓｉｅｒｅｎ）停止される。更なる発展形態において、一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５のうちの１つの故障にもかかわらず構成全体の出力電圧を一定に保つために、１つ以上の残りのＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５の出力電圧を高めることが可能である。

各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５の出力電圧を安定させるために、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５は、既に示したように、出力側でバッファコンデンサＣ１〜Ｃ５と接続される。さらに、各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５に、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５６−１〜５６−５が割り当てられる。さらに、一番上の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５６−１は、隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−２にのみエネルギーを伝達すべきであるため第２の出力口のみを有し、又は、一番下の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５６−５は、隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−４にのみエネルギーを伝達すべきであるため第１の出力口のみを有する。これに対して、中間の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５６−２〜５６−４はそれぞれ第１の出力口及び第２の出力口を有し、従って、エネルギーが、上又は下の隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５へと伝達されうる。副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５６−１〜５６−５はそれぞれ、コイルＬ２と、副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５６−１〜５６−５の入力口間に、当該コイルと直列に接続されたスイッチＳ４又はＳ５と、を有する。中間のＤＣ／ＤＣコンバータ５６−２〜５６−４は追加的に更なる別のスイッチを有し、この更なる別のスイッチは第１のスイッチ及びコイルＬ２と直列に接続され、従って、コイルＬ２の各反対の末端がスイッチＳ４及びＳ５のうちの１つと接続される。副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５６−１〜５６−５の第１及び第２の出力口は、コイルＬ２と第１のスイッチＳ４又は第２のスイッチＳ５との間の各割り当てられた接続点から、ダイオードＤ１又はＤ２を介して、上又は下の隣接する一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−５の出力口へと繋がっている。

その際に、ダイオードＤ１及びＤ２は、例えば、全体構成を備えた車両の加速時に全体構成からエネルギーを取り出す際に、エネルギーが、第１の出力口及び第１のダイオードＤ１を介して、隣接する上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−４へと伝達され、及び、例えば、全体構成を備えた車両にブレーキが掛かった際、若しくは、当該車両の電力ステーションでの充電の際にエネルギーがバッテリ５０−１〜５０−４へと送り戻され又は供給される場合に、第２の出力口及び第２のダイオードＤ２を介して、隣接する下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−２〜５４−５へと伝達されうるように、接続される。

その際に、ダイオードＤ１及びＤ２は、例えば、全体構成を備えた車両の加速時に全体構成からエネルギーを取り出す際に、エネルギーが、第１の出力口及び第１のダイオードＤ２を介して、隣接する上の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−１〜５４−４へと伝達され、及び、例えば、全体構成を備えた車両にブレーキが掛かった際、若しくは、当該車両の電力ステーションでの充電の際にエネルギーがバッテリ５０−１〜５０−４へと送り戻され又は供給される場合に、第２の出力口及び第２のダイオードＤ１を介して、隣接する下の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ５４−２〜５４−５へと伝達されうるように、接続される。

Claims (10)

1. バッテリシステムのためのエネルギー変換器であって、前記エネルギー変換器は、２つの入力口及び２つの出力口をそれぞれが有する第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４、３４、４４、５４）を備え、前記入力口は、バッテリモジュール（２０、３０、４０、５０）の接続のために構成され、前記第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４、３４、４４、５４）は、出力側で直列に接続される、前記エネルギー変換器において、前記第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−２、３４−１、４４−２、５４−２）の前記出力口と接続された２つの入力口と、前記第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、３４−２、４４−１、５４−１）の前記出力口の１つと接続された第１の出力口と、を備えた少なくとも１つの第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２６−１、３６−１、４６−１、５６−１）を特徴とする、バッテリシステムのためのエネルギー変換器。
2. 前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２６−１、３６−１、４６−１、５６−１）は、前記第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−２、３４−１、４４−２、５４−２）からエネルギーを取り出し、前記第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、３４−２、４４−２、５４−２）に伝達するよう構成される、請求項１に記載のエネルギー変換器。
3. 前記エネルギー変換器は、前記第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、３４−２、４４−１、４４−３、５４−１、・・・、５４−５）の前記出力口と接続された２つの入力口と、前記第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−２、３４−１、４４−２、５４−２、・・・、５４−４）の前記出力口の１つに接続された第１の出力口と、を有する第２の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２６−１、３６−１、４６−２、４６−３、５６−１、・・・、５６−５）と、備え、前記第２の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２６−１、３６−１、４６−２、４６−３、５６−１、・・・、５６−５）は、前記第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、３４−２、４４−１、４４−３、５４−２、・・・、５４−４）からエネルギーを取り出し、前記第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−２、３４−１、４４−２、５４−１、・・・、５４−５）に伝達するよう構成される、請求項１又は２のいずれか１項に記載のエネルギー変換器。
4. 前記エネルギー変換器は、バッテリモジュール（４０−３、５０−３）の接続のために構成にされた２つの入力口と、２つの出力口と、を有する第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−３、５４−３）を備え、前記第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−３、５４−３）は、前記第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−２、５４−２）が前記第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−１、４４−３；５４−１、５４−３）と直接的に接続されるように、出力側で前記第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−１、４４−２；５４−１、５４−２）と直列に接続され、前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４６−１、５６−２）は、前記第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−３、５４−３）の出力口と接続された第２の出力口を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエネルギー変換器。
5. 前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４６−１、５６−２）は、前記第２の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−２、５４−２）からエネルギーを取り出し、前記バッテリモジュール（４０−１、・・・、４０−３、５０−１、・・・、５０−５）に放電させるための前記エネルギー変換器の放電モードにおいては前記第１の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−１、５４−１）へ、及び、前記バッテリモジュール（４０−１、・・・、４０−３、５０−１、・・・、５０−５）に充電させるための前記エネルギー変換器の充電モードにおいては前記第３の一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４４−３、５４−３）へ、と伝達する、請求項４に記載のエネルギー変換器。
6. 前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２６−１、３６−１、４６−１、・・・、４６−３、５６−１、・・・、５６−５）は、コイル（Ｌ２）と、第１のスイッチ（Ｓ４、Ｓ５）と、第１のダイオード（Ｄ１、Ｄ２）と、を有し、前記コイル（Ｌ２）と、前記第１のスイッチ（Ｓ４、Ｓ５）とは、前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２６−１、３６−１、４６−１、・・・、４６−３、５６−１、・・・、５６−５）の前記入力口間に直列に接続され、前記ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）は、コイル（Ｌ２）と第１のスイッチ（Ｓ４、Ｓ５）との間の接続点と、前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２６−１、３６−１、４６−１、・・・、４６−３、５６−１、・・・、５６−５）の前記第１の出力口と、の間に接続される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のエネルギー変換器。
7. 前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４６−１、５６−２、・・・、５６−４）はさらに、第２のスイッチ（Ｓ４）と、第２のダイオード（Ｄ２）と、を備え、前記第２のスイッチ（Ｓ４）は、前記第１のスイッチ（Ｓ５）と接続され、前記コイル（Ｌ２）は、前記コイル（Ｌ２）が前記第１のスイッチと前記第２のスイッチ（Ｓ５５，Ｓ４）との間に接続されるように、前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４６−１、５６−２、・・・、５６−４）の前記入力口間に直列に接続され、前記第２のダイオード（Ｄ２）は、コイル（Ｌ２）と第２のスイッチ（Ｓ４）との間の接続点と、前記第１の副次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（４６−１、５６−２、・・・、５６−４）の前記第２の出力口と、の間に接続される、請求項６、及び、請求項４又は５のいずれか１項に記載のエネルギー変換器。
8. 各一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、２４−２、３４−１、３４−２、４４−１、・・・、４４−３、５４−１、・・・、５４−５）は、制御信号のための制御入力口を有し、前記制御信号が受信されると、前記一次的なＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、２４−２、３４−１、３４−２、４４−１、・・・、４４−３、５４−１、・・・、５４−５）の前記出力口を互いに電気的に接続し前記一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、２４−２、３４−１、３４−２、４４−１、・・・、４４−３、５４−１、・・・、５４−５）の前記入力口の少なくとも１つを電気的に分離するよう構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエネルギー変換器。
9. 請求項１〜８にいずれか１項に記載のエネルギー変換器と、
   少なくとも１つのバッテリセル（２１−１、・・・、２１−ｎ、２２−１、・・・、２２−ｎ、３１−１、・・・、３１−ｎ、３２−１、・・・、３２−ｎ、４１−１、・・・、４１−ｎ、４２−１、・・・、４２−ｎ、４３−１、・・・、４３−ｎ）をそれぞれが有する複数のバッテリモジュール（２０−１、２０−２、３０−１、３０−２、４０−１、・・・、４０−３、５０−１、・・・、５０−５）であって、前記バッテリモジュールのバッテリ端子が、前記エネルギー変換器の前記一次的ＤＣ／ＤＣコンバータ（２４−１、２４−２、３４−１、３４−２、４４−１、・・・、４４−３、５４−１、・・・、５４−５）の１つの前記入力口と着脱可能に接続される、前記バッテリモジュールと、
   を備えるバッテリシステム。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のエネルギー変換器を備える車両。

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