JP2013539954A - 中間回路の電圧を可変的に設定可能なバッテリシステム - Google Patents

Abstract

バッテリと、直流電圧中間回路と、インバータと、電動機とを備えるバッテリシステムが導入される。直流電圧中間回路はコンデンサを含み、バッテリは、複数のバッテリモジュールを有するバッテリモジュール線と、制御ユニットとを含む。各バッテリモジュールは、結合ユニットと、バッテリセルとを備える。結合ユニットは、第１の制御信号に応じて、少なくとも１つのバッテリセルを、バッテリモジュールの第１の端子と第２の端子との間で切り替え、第２の制御信号に応じて、第１の端子を第２の端子と接続するよう構成される。制御ユニットは、第１の制御信号をバッテリモジュール線の可変的な数のバッテリモジュールへと出力し、第２の制御信号をバッテリモジュール線の残りのバッテリモジュールへと出力し、直流電圧中間回路の電圧を可変的に設定するよう構成される。本発明はさらに、バッテリシステムを駆動する方法に関する。
【選択図】図９

Description

本発明は、中間回路の電圧を可変的に設定可能なバッテリシステム、および、このようなバッテリシステムを駆動する方法に関する。

将来的に、定置型の利用において、および、ハイブリット車または電気自動車のような車両においても、バッテリシステムがますます使用されることが明らかである。電圧と、提供される電力とに対する各用途について与えられる要請を満たしうるために、数多くのバッテリセルが直列に接続される。このようなバッテリによって提供される電流は全てのバッテリセルを通って流れる必要があり、１つのバッテリセルは限られた電流のみ通しうるため、最大電流を上げるために、追加的にバッテリセルが並列に接続されることが多い。このことは、バッテリセルハウジング内の複数のセルコイル（Ｚｅｌｌｗｉｃｋｅｌ）の敷設によって、または、バッテリセルの外部接続によって行われうる。

例えば電気自動車およびハイブリッド車において、または、風力発電所の動翼調整の場合のような定置型の利用においても使用される一般的な電気駆動システムの原理的な回路図が、図１に示されている。バッテリ１１０は、コンデンサ１１１により蓄電される直流電圧中間回路に接続される。直流電圧中間回路は、パルスインバータ１１２に接続されており、このパルスインバータ１１２は、３つの出力口の、各２つの切り替え可能な半導体バルブ（Ｈａｌｂｌｅｉｔｅｒｖｅｎｔｉｌ）と２つのダイオードとを介して、互いに位相がずらされた正弦波電圧を、電動機１１３の駆動のために提供する。コンデンサ１１１の容量は、切り替え可能な半導体バルブのうちの１つに電流が流される間、直流中間回路内の電圧を安定させるために十分な大きさである必要がある。電気自動車のような実際の適用では、ｍＦ（ミリファラド）の範囲内の大きな静電容量が発生する。

図２は、図１のバッテリ１１０の詳細なブロック回路図を示す。各適用について望まれる高い出力電圧およびバッテリ容量を実現するために、複数のバッテリセルが直列に接続され、または任意に追加的に並列接続される。バッテリセルの陽極と、正のバッテリ端子１１４との間には、充電および分離素子１１６が接続される。任意に、バッテリセルの陰極と、負のバッテリ端子１１５との間に分離素子１１７が追加的に接続されてもよい。充電および分離素子１１６と、分離素子１１７とはそれぞれ、バッテリ端子を零電位（ｓｐａｎｎｕｎｇｓｆｒｅｉ）で接続するために、当該バッテリ端子からバッテリセルを分離するために設けられた接触器１１８または１１９を備える。さもなければ、直列接続されたバッテリセルの高い直流電圧のために、整備員等が重大な潜在的危険にさらされることになる。充電および分離素子１１６内には、充電接触器１２０と、当該充電接触器１２０に対して直列に接続された充電抵抗１２１とが追加的に設けられる。充電抵抗１２１は、バッファコンデンサ１１１の充電電流を、バッテリが直流電圧中間回路に接続される場合に制限する。このために、最初に接触器１１８は開放されて、充電接触器１２０のみが閉鎖される。正のバッテリ端子１１４の電圧がバッテリセルの電圧に達する場合には、接触器１１９を閉鎖し、場合によっては充電接触器１２０が開放されうる。接触器１１８、１１９および充電接触器１２０は、それらの信頼性およびそれらが導く電流に対する要求が高いため、バッテリ１１０のコストを著しく押し上げる。

したがって、本発明によれば、バッテリと、バッテリに接続された直流電圧中間回路と、直流電圧中間回路に接続されたインバータと、インバータに接続された電動機とを備えるバッテリシステムが提案される。直流電圧中間回路はコンデンサを含み、バッテリは、直列に接続された複数のバッテリモジュールを有するバッテリモジュール線と、制御ユニットとを含む。各バッテリモジュールは、結合ユニットと、結合ユニットの第１の入力口と第２の入力口との間に接続された少なくとも１つのバッテリセルとを備える。結合ユニットは、第１の制御信号に応じて、少なくとも１つのバッテリセルを、バッテリモジュールの第１の端子と、バッテリモジュールの第２の端子との間で切り替え、第２の制御信号に応じて、第１の端子を第２の端子と接続するよう構成される。制御ユニットは、第１の制御信号を、バッテリモジュール線の可変的な数のバッテリモジュールへと出力し、第２の制御信号を、バッテリモジュール線の残りのバッテリモジュールへと出力し、このようにして直流電圧中間回路の電圧を可変的に設定するよう構成される。

本発明は、直流電圧中間回路の電圧を可変的に設定し、このようにして様々な駆動状態に対して調整しうるという利点を有する。このような形態で、電動機の回しモーメントまたは回転数を、より大きな規模で、上記モータの各出力に依存せずに設定することが可能である。直流電圧中間回路の電圧は、例えば車両の駆動システム内の、電動機の各現在の駆動状態について、これほどにも最適に調整されうる。さらに、故障したバッテリモジュール、すなわち、その少なくとも１つのバッテリセルが故障しているバッテリモジュールを停止させることができるため、バッテリシステムの信頼性が向上する。信頼性とは、所定の時間の間正しく機能するというシステムの性能と理解される。バッテリモジュールが停止される場合には、もはやバッテリシステムには、直流電圧中間回路の最大可能電圧が供給されない。しかしながら、このことは、駆動システム内でシステム全体の故障には繋がらず、出力が下がった駆動となるだけである。

特に好適に、バッテリは、直流電圧中間回路と直接的に接続され、すなわち、図２に示すような充電および分離素子１１６や分離素子１１７は設けられない。この充電および分離素子１１６、および、分離素子１１７は、高い要求に応え、負荷が掛かった状態でもバッテリの安全な分離を可能としなければならない。しかしながら、結合ユニットが既にこのような分離機能を提供するため、当該結合ユニットを適切に駆動することにより、バッテリ端子を零電位で接続することが可能となる。本理由から、このような分離素子に対する要求は成立しないという前提で出発する。というのは、構成全体の所望の安全性は、直流的絶縁が無くても達成されるからである。例えば、ｐｎ接合の故障による、結合ユニット内の複数の半導体スイッチの直列回路のエラーによって、バッテリの端子に許容されない高い電圧が印加されることが引き起こされない。

動作信頼性を向上させるために、バッテリシステムの一変形例において、バッテリモジュール線の結合ユニットの少なくとも１つは、第３の制御信号に応じて、各バッテリモジュールの第１の端子を、第２の端子および少なくとも１つのバッテリセルから互いに分離するよう構成されうる。その際に、バッテリモジュールは、結合ユニットと高インピーダンス状態で接続され、すなわち、バッテリモジュールの両極は電気的に伝導的に接続されず、したがって分離される。上記の実施形態と組み合わせにより、安全性をさらに向上させることが可能である。なぜならば、スイッチを２倍の数まで、阻止して（ｓｐｅｒｒｅｎｄ）接続できるからである。しかしながら、本発明の本実施形態のこの特徴は、安全性の観点にかかわりなく実現されうる。

結合ユニットは、第１の出力口を有し、第１の制御信号に応じて、第１の入力口または第２の入力口を上記出力口と接続するよう構成されうる。その際に、出力口は、バッテリモジュールの端子のうちの一方と接続され、第１の入力口または第２の入力口の一方が、バッテリモジュールの端子のうちの他方と接続される。このような結合ユニットは、２つのスイッチを使用して、好適にＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチを使用して実現されうる。

代替的に、結合ユニットは、第１の出力口と第２の出力口とを有し、かつ、第１の制御信号に応じて、第１の入力口を第１の出力口と接続し、第２の入力口を第２の出力口と接続するよう構成される。その際に、結合ユニットはさらに、第２の制御信号に応じて、第１の入力口を第１の出力口から分離し、第２の入力口を第２の出力口から分離し、第１の出力口を第２の出力口と接続するよう構成される。本実施形態は、少しだけ高い回路用コスト（通常は３つのスイッチ）を必要とするが、バッテリモジュールのバッテリセルを、バッテリモジュールの両極において分離し、したがって、深放電の危険が迫る場合またはバッテリモジュールが損傷した場合には、バッテリモジュールのバッテリセルは、零電位で接続されるため、構成全体が継続的に駆動する間に安全に交換されうる。

制御ユニットは、バッテリセル診断ユニットを含み、バッテリセル診断ユニットは、バッテリモジュールのバッテリセルと接続され、または接続可能である。その際に、バッテリセル診断ユニットは、バッテリセルの老朽化状態を決定するよう構成される。制御ユニットは、所定の最大老朽化状態よりも大きい老朽化状態をバッテリセル診断ユニットがそのバッテリセルについて決定したバッテリモジュールへと、第２の制御信号を出力するよう構成される。バッテリセル診断ユニットは、バッテリセルまたはバッテリセル群の老朽化状態を決定するために、任意の公知の診断方法を利用することが可能である。したがって、セル電圧、セル温度、バッテリ電流のようなバッテリの特徴的なパラメータ、負荷が変化した際のセル電圧の変化などが収集し評価することが可能である。バッテリモジュールの、１つまたは複数のバッテリセルについて確認された老朽化状態が、所定の最大老朽化状態を超える場合には、バッテリモジュールは非アクティブ（ｉｎａｋｔｉｖ）に接続され、その出力口にバイパスが付けられる（ｕｅｂｅｒｂｒｕｅｃｋｅｎ）。このことは、好適にセルバランシング（Ｃｅｌｌ−Ｂａｌａｎｃｉｎｇ）の枠組みにおいて、または、バッテリセルを深放電から護るために利用されうる。

特に好適に、バッテリセルはリチウムイオンバッテリセルである。リチウムイオンバッテリセルは、セル電圧が高く、所与の容積当たりのエネルギー含量が大きいという利点を有する。

本発明の第２の観点は、本発明の第１の観点に係るバッテリシステムを備えた車両に関し、その際に、電動機は車両を駆動するように構成される。

本発明の第３の観点は、バッテリと、バッテリに接続された直流電圧中間回路と、直流電圧中間回路に接続されたインバータと、インバータに接続された電動機とを備えたバッテリシステムを駆動する方法を導入する。その際に、バッテリは、複数のバッテリセルを含む。本発明は、少なくとも以下の工程、すなわち、
複数のバッテリセルを分離する工程と、
複数のバッテリセルにバイパスを付ける工程と、
残りの前残りバッテリセルを直列接続する工程と、
を有し、
上記の工程の結果、直流電圧中間回路の電圧が可変的に設定される。

本方法は、
バッテリセルの老朽化状態を決定する工程と、
バッテリセルの老朽化状態を、所定の最大老朽化状態と比較する工程と、
をさらに含み、
上記比較工程では、その際、複数のバッテリセルはまさに、その老朽化状態が最大老朽化状態よりも大きいバッテリセルを含みうる。

本発明の実施例は、図面および以下の明細書の記載によってより詳細に解説され、同一または機能的に同種の構成要素には、同じ符号が付される。
従来技術による電気駆動システムを示す。 従来技術によるバッテリのブロック回路図を示す。 本発明に係るバッテリに使用される結合ユニットの第１の実施例を示す。 結合ユニットの第１の実施形態の可能な回路技術的な実現を示す。 第１の実施形態による結合ユニットを備えたバッテリモジュールの一実施形態を示す。 第１の実施形態による結合ユニットを備えたバッテリモジュールの一実施形態を示す。 本発明に係るバッテリに使用される結合ユニットの第２の実施形態を示す。 結合ユニットの第２の実施形態の可能な回路技術的な実現を示す。 第２の実施形態による結合ユニットを備えたバッテリモジュールの一実施形態を示す。 本発明に係るバッテリシステムに使用されるバッテリを示す。

図３は、本発明に係るバッテリシステムに使用される結合ユニット３０の第１の実施例を示す。結合ユニット３０は、２つの入力口３１および３２と、１つの出力口３３とを有し、入力口３１または３２の一方を出力口３３と接続し、他方を分離するように構成される。

図４は、結合ユニット３０の第１の実施形態の可能な回路技術的な実現を示し、ここでは、第１のスイッチ３５と、第２のスイッチ３６とが設けられる。各スイッチ３５、３６は、入力口３１または３２のうちの１つと、出力口３３との間に接続される。本実施形態は、２つの入力口３１、３２も、出力口３３から分離可能であるために、出力口３３が高インピーダンス状態（ｈｏｃｈｏｈｍｉｇ）になるという利点をもたらし、このことは、例えば修理または整備の場合に有利になりうる。さらに、スイッチ３５、３６は簡単に、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチとして実現されうる。半導体スイッチには、価格が安価で切り替え速度が速いという利点があり、したがって、結合ユニット３０は、短時間で、制御信号に対してまたは制御信号の変化に対して応答することが可能である。

図５Ａおよび図５Ｂは、第１の実施形態による結合ユニット３０を備えたバッテリモジュール４０の２つの実施形態を示す。複数のバッテリセル１１が、結合ユニット３０の入力口間に直列に接続されている。しかしながら、本発明は、バッテリセル１１のこのような直列回路には限定されず、バッテリセル１１を１つだけ設けることも可能であり、または、バッテリセル１１の並列回路、もしくは、バッテリセル１１の直列−並列の混合回路（ｇｅｍｉｓｃｈｔ−ｓｅｒｉｅｌｌ−ｐａｒａｌｌｅｌｅ Ｓｃｈａｌｔｕｎｇ）も可能である。図５Ａの例では、結合ユニット３０の出力口は、第１の端子４１と接続され、バッテリセル１１の陰極は、第２の端子４２と接続される。しかしながら、図５Ｂのようなほぼ対称的な構成も可能であり、ここでは、バッテリセル１１の陽極が第１の端子４１と接続され、結合ユニット３０の出力口は、第２の端子４２と接続される。

図６は、本発明に係るバッテリシステムに使用される結合ユニット５０の第２の実現形態を示す。結合ユニット５０は、２つの入力口５１および５２と、２つの出力口５３および５４とを有する。結合ユニット５０は、第１の入力口５１を第１の出力口５３と接続し、および、第２の入力口５２を第２の出力口５４と接続し（および、第１の出力口５３を第２の出力口５４から分離し）、または、第１の出力口５３を第２の出力口５４と接続する（および、その際に、入力口５１および５２を分離する）よう構成される。結合ユニット５０の特定の実施形態において、結合ユニット５０はさらに、２つの入力口５１、５２を出力口５３、５４から分離し、さらに、第１の出力口５３を第２の出力口５４から分離するよう構成されてもよい。しかしながら、第１の入力口５１を第２の入力５２と接続することは構想されない。

図７は、結合ユニット５０の第２の実現形態の可能な回路技術的な実現を示し、ここでは、第１のスイッチ５５、第２のスイッチ５６、第３のスイッチ５７が設けられる。第１のスイッチ５５は、第１の入力口５１と第１の出力口５３との間に接続され、第２のスイッチ５６は、第２の入力口５２と第２の出力口５４との間に接続され、第３のスイッチ５７は、第１の出力口５３と第２の出力口５４との間に接続される。本実施形態も同様に、スイッチ５５、５６、および５７が簡単に、例えばＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴのような半導体スイッチとして実現されうるという利点をもたらす。半導体スイッチには、価格が安価で切り替え速度が速いという利点があり、したがって、結合ユニット５０は、短時間で、制御信号に対してまたは制御信号の変化に対して応答することが可能である。

図８は、第２の実施形態による結合ユニット５０を備えたバッテリモジュール６０の一実施形態を示す。複数のバッテリセル１１が、結合ユニット５０の入力口間に直列に接続されている。本実施形態のバッテリモジュール６０も、バッテリセル１１のこのような直列回路には限定されず、バッテリセル１１を１つだけ設けることも可能であり、または、バッテリセル１１の並列回路、もしくは、バッテリセル１１の直列−並列の混合回路も可能である。結合ユニット５０の第１の出力口は、第１の端子６１と接続され、結合ユニット５０の第２の出力口は、第２の端子６２と接続される。図５Ａおよび図５Ｂのバッテリモジュール４０に対して、バッテリモジュール６０は、結合ユニット５０によって、バッテリセル１１を残りのバッテリから両側で分離できるという利点を有し、このことによって、駆動中の安全な交換が可能となる。なぜならば、バッテリセル１１のどの極にも、バッテリの残りのバッテリモジュールの危険な高い全電圧が印加されないからである。

図９は、本発明に係るバッテリシステムのバッテリの一実施形態を示す。バッテリは、複数のバッテリモジュール４０または６０を有するバッテリモジュール線７０を有し、好適に、各バッテリモジュール４０または６０は、同じ形態で接続された同数のバッテリセル１１を含む。一般に、バッテリモジュール線７０は、１より大きい各数のバッテリモジュール４０または６０を含み得る。さらに、バッテリモジュール線７０の極には、安全規定により要請される場合には、図２のような充電および分離素子と、分離素子とを追加的に設けることも可能である。ただし、本発明によれば、このような分離素子は必要ではない。なぜならば、バッテリモジュール４０または６０内に含まれる結合ユニット３０または５０によって、バッテリ端子からのバッテリセル１１の分離が行えるからである。

本発明には、先に挙げた利点の他に、バッテリが非常に簡単に、結合ユニットが組み込まれた個々のバッテリモジュールから、モジュール方式で組み立てられるというさらなる別の利点がある。これにより、同じ部品の利用（組立キットの原則）が可能となる。

Claims (10)

1. バッテリと、前記バッテリに接続された直流電圧中間回路と、前記直流電圧中間回路に接続されたインバータと、前記インバータに接続された電動機とを備えるバッテリシステムであって、
   前記直流電圧中間回路は、コンデンサを含み、
   前記バッテリは、直列に接続された複数のバッテリモジュール（４０、６０）を有するバッテリモジュール線（７０）と、制御ユニットとを含み、
   各バッテリモジュール（４０、６０）は、結合ユニット（３０、５０）と、前記結合ユニット（３０、５０）の第１の入力口（３１、５１）と第２の入力口（３２、５２）との間に接続された少なくとも１つのバッテリセル（１１）とを備え、
   前記結合ユニット（３０、５０）は、
   第１の制御信号に応じて、前記少なくとも１つのバッテリセル（１１）を、前記バッテリモジュール（４０、６０）の第１の端子（４１、６１）と、前記バッテリモジュール（４０、６０）の第２の端子（４２、６２）との間で切り替え、
   第２の制御信号に応じて、前記第１の端子（４１、６１）を前記第２の端子（４２、６２）と接続するよう構成される、前記バッテリシステムにおいて、
   前記制御ユニットは、前記第１の制御信号を、前記バッテリモジュール線（７０）の可変的な数のバッテリモジュール（４０、６０）へと出力し、前記第２の制御信号を、前記バッテリモジュール線（７０）の残りの前記バッテリモジュール（４０、６０）へと出力し、このようにして前記直流電圧中間回路の電圧を可変的に設定するよう構成されることを特徴とする、バッテリシステム。
2. 前記バッテリは、前記直流電圧中間回路と直接的に接続される、請求項１に記載のバッテリシステム。
3. 前記バッテリモジュール線（７０）の前記結合ユニット（３０、５０）の少なくとも１つは、第３の制御信号に応じて、各前記バッテリモジュール（４０、６０）の前記第１の端子（４１、６１）を、前記第２の端子（４２、６２）および前記少なくとも１つのバッテリセル（１１）から互いに分離するよう構成される、請求項１または２に記載のバッテリシステム。
4. 前記結合ユニット（３０）は、
   第１の出力口（３３）を有し、
   前記第１の制御信号に応じて、前記第１の入力口（３１）または前記第２の入力口（３２）を前記第１の出力口（３３）と接続するよう構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
5. 前記結合ユニット（５０）は、
   第１の出力口（５３）と第２の出力口（５４）とを有し、
   前記第１の制御信号に応じて、前記第１の入力口（５１）を前記第１の出力口（５３）と接続し、前記第２の入力口（５２）を前記第２の出力口（５４）と接続し、
   前記第２の制御信号に応じて、前記第１の入力口（５１）を前記第１の出力口（５３）から分離し、前記第２の入力口（５２）を前記第２の出力口（５４）から分離し、前記第１の出力口（５３）を前記第２の出力口（５４）と接続するよう構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
6. 前記制御ユニットは、バッテリセル診断ユニットを含み、
   前記バッテリセル診断ユニットは、前記バッテリモジュール（４０、６０）の前記バッテリセル（１１）と接続されまたは接続可能であり、前記バッテリセル（１１）の老朽化状態を決定するよう構成され、
   前記制御ユニットは、所定の最大老朽化状態よりも大きい老朽化状態を前記バッテリセル診断ユニットがそのバッテリセル（１１）について決定したバッテリモジュール（４０、６０）へと、前記第２の制御信号を出力するよう構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
7. 前記バッテリセル（１１）は、リチウムイオンバッテリセルである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のバッテリシステム。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のバッテリシステムを備える車両であって、前記電動機は前記車両を駆動するよう構成される、車両。
9. バッテリと、前記バッテリに接続された直流電圧中間回路と、前記直流電圧中間回路に接続されたインバータと、前記インバータに接続された電動機とを備えたバッテリシステムを駆動する方法であって、
   前記バッテリは、複数のバッテリセル（１１）を含み、前記方法は以下の工程、すなわち、
   複数のバッテリセル（１１）を分離する工程と、
   前記複数のバッテリセル（１１）にバイパスを付ける工程と、
   残りの前記バッテリセル（１１）を直列接続する工程と、
   を含み、
   前記の工程の結果、前記直流電圧中間回路の電圧は可変的に設定される、方法。
10. 前記方法は、
    前記バッテリセル（１１）の老朽化状態を決定する工程と、
    前記バッテリセル（１１）の前記老朽化状態を、所定の最大老朽化状態と比較する工程と、
    をさらに含み、
    前記比較する工程では、前記複数のバッテリセル（１１）はまさに、前記最大老朽化状態よりもその老朽化状態が大きいバッテリセル（１１）を含む、請求項９に記載の方法。
    

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