JP2015511478A - 車両、バッテリ、及び、バッテリを制御する方法 - Google Patents

車両、バッテリ、及び、バッテリを制御する方法 Download PDF

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Abstract

バッテリ（３００；４００）を制御する方法が記載される。バッテリ（３００；４００）は、ｎ個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）を含み、ｎは自然数であり２と等しく又は２より大きい。バッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）は、複数のバッテリモジュール（３０４；４０２）を有し、バッテリモジュール（３０４；４０８）は、結合ユニットを有する。結合ユニットは、電圧変換器として機能し、バッテリモジュール（３０４；４０２）を互いに結合する。本方法は、以下の工程、即ち、バッテリ（３００；４００）に接続された負荷（Ｍ）に、予め決められた基本的に一定の総電力を供給する工程であって、総電力は、ｎ個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）のｎ個の個別電力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の和に相当する、上記供給する工程と、総電力及び負荷（Ｍ）によって、並びに、ｎ番目のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）の、振幅及び位相位置を有する相電圧（Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｕｐ３）の決定によって、ｎ−１個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）それぞれのｎ−１個の相電圧（Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｕｐ３）を設定する工程であって、ｎ個の個別電力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の少なくとも２つは互いに非対称的である、上記設定する工程と、を含む。さらに、本方法を実施するバッテリ（３００；４００）、及び、バッテリ（３００；４００）を備えた車両が記載される。【選択図】図３

Description

本発明は、バッテリを制御する方法に関する。さらに、本発明は、ｎ個のバッテリモジュール線を含むバッテリに関する（ｎは自然数であり、２と等しく又は２より大きい）。バッテリモジュール線は複数のバッテリモジュールを有し、バッテリモジュールは結合ユニットを有する。結合ユニットは、電圧変換器として機能し、バッテリモジュールを互いに結合する。バッテリは負荷に接続され、予め決められた基本的に一定の総電力を負荷に供給し、総電力は、ｎ個のバッテリモジュールのｎ個の個別電力の和に相当する。さらに、本発明は、バッテリに接続された車両を駆動するための電動機を備えた車両に関する。
将来的に、定置型の利用において、例えば風力発電所において、及び、ハイブリッド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、公知のように、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、追加的にバッテリセルが並列に接続されることが多い。
図１は、電気自動車及びハイブリッド車内で使用されるような公知の駆動システム１００を示している。駆動システム１００は、電動機Ｍを備え、電動機Ｍは、導体又は外部導体とも呼ばれる３つの位相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を介して、パルスインバータ１０２に接続されている。パルスインバータ１０２は複数の半導体スイッチ要素を含み、入力直流電圧Ｕｅを、３つの位相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の間で印加される三相の出力電圧に変換できるという点で優れている。パルスインバータ１０２の前段には、直流電圧中間回路１０４が接続され、この直流電圧中間回路１０４は、例えば電動機Ｍの始動過程の際に、特に短時間の間必要なエネルギーピーク量を蓄える。直列に接続された複数のバッテリセル１０６を含むバッテリ１０８は、充電及び分離装置１１０を介して直流電圧中間回路１０４と接続されている。充電及び分離装置１１０は、バッテリ１０８のプラス極及びマイナス極にスイッチ要素を備え、例えばエラーの場合に、バッテリを残りの回路から分離する。
さらに、独国特許出願公開第１０２０１１０７５３７６号明細書には、バッテリ２００を制御する方法が記載されている。図２に示されるように、バッテリ２００は、互いに結合された複数のバッテリモジュール２０８をそれぞれが含むバッテリモジュール線２０２、２０４、２０６で構成される。各バッテリモジュール２０８は、直列に接続された複数のバッテリセルを含み、このバッテリセルは結合ユニットにより接続されている。公知の方法によれば、結合ユニットは、選択可能な極性においてバッテリモジュール２０８を互いに結合し、さらに、パルスインバータとして機能する。図２に示されるバッテリモジュール線２０２、２０４、２０６は３つの位相に対応し、従来のやり方で電動機Ｍに対称的な電力を供給し、即ち、各位相は総電力の３分の１を伝達する。このために、このような従来型のバッテリシステムでは、個々のバッテリセル間又はバッテリモジュール間の均一な充電状態が必要となる。なぜならば、総電力が最も弱いバッテリモジュールに依存するからである。
本発明によれば、バッテリを制御する方法が示される。バッテリは、複数のバッテリモジュールを有するｎ個のバッテリモジュール線を含み、バッテリモジュールは結合ユニットを有し、その際、ｎは自然数であり、２と等しく又は２より大きい。結合ユニットは、電圧変換器として機能し、バッテリモジュールを互いに結合する。
バッテリを制御するための本発明に係る方法は、基本的に以下の工程を含み、即ち、
−バッテリに接続された負荷に、予め決められた基本的に一定の総電力を供給する工程であって、総電力は、ｎ個のバッテリモジュール線のｎ個の個別電力の和に相当する、上記供給する工程と、
−総電力及び負荷によって、並びに、ｎ番目のバッテリモジュール線の、振幅及び位相位置を有する相電圧の決定によって、ｎ−１個のバッテリモジュール線にそれぞれが対応するｎ−１個の相電圧を設定する工程であって、ｎ個の個別電力の少なくとも２つは互いに非対称的である、上記設定する工程と、
を含む。
本発明によれば、バッテリは、本発明に係る方法を実施するよう構成される。さらに、バッテリと接続された車両を駆動するための電動機を備えた車両が構想される。
本発明に係る方法は、個別バッテリモジュールの故障の際に、負荷に出力される総電力、特に有効電力が一定に保たれうるという利点を有する。さらに、本発明に係る方法によって、個別バッテリモジュール線を充電する一方で、他のバッテリセル線を放電させることが可能となる。従って、本方法、バッテリ、及び車両は、より高い動作信頼性及び安全性のために寄与する。バッテリモジュール線はその電力を非対称的に出力することも可能であり、従って、バッテリの出力された総電力は出力が最も弱いバッテリモジュール線に依存しないため、バッテリの効率も改善される。
更なる別の実施形態によれば、バッテリモジュールは、結合ユニットにより接続可能な少なくとも１つのバッテリセル、特に、リチウムイオンバッテリセルを含みうる。好適に、バッテリモジュールは、直列接続されもしくは並列接続され又は直列接続と並列接続が混ざった複数のリチウムイオンバッテリセルを含む。同じ種類の複数のバッテリセルの利点は、基本的にその冗長性にあり、即ち、或るバッテリセルが故障した場合には、関連するバッテリモジュールのみが被害を受け、バッテリ全体が被害を受けるわけではない。この場合に結合ユニットは、例えば、バッテリ管理ユニットによる制御を介して又は自律的に停止し、これにより、故障したバッテリセル又は対応するバッテリモジュールにブリッジを付けることが可能である。
更なる別の実施形態によれば、ｎ個のバッテリモジュール線のバッテリモジュールは、それぞれ直列に接続されてもよい。これにより、直列接続のバッテリモジュールの出力電圧が、より大きな相電圧へと加算されうる。
更なる別の実施形態によれば、本方法によって、ｎ個のバッテリモジュール線のうちの１つに、負荷を介して、他のバッテリモジュール線によって充電することが可能とする。特に、複数のバッテリモジュール線は、１つ以上の他のバッテリモジュール線によって、負荷を介して充電されうる。
各バッテリモジュールの結合ユニットは、特に、複数の半導体スイッチ要素を備える。結合ユニットは例えば、正のバッテリモジュール電圧と、０ボルトの電圧と、を選択的に出力するように構成されてもよい。代替的に、結合ユニットは、正のバッテリモジュール電圧と、負のバッテリモジュール電圧と、０ボルトの電圧と、を出力するよう構成されてもよい。その際に特に、結合ユニットは、パルス幅変調とも呼ばれるが、パルス幅が可変的な、離散的な電位を生成しうるために、バッテリ管理ユニットによって制御される。結合ユニットは、パルス幅変調によって、バッテリセルにより伝達された直流電圧を、平均して、出力交流電圧へと変換することが可能である。その際に結合ユニットは、例えばチョッパ駆動において動作し、高周波により直流電圧を切り刻み又は転極させる。
更なる別の実施形態によれば、ｎ個のバッテリモジュール線は、多相方式を形成してもよく、その際に、バッテリモジュール線はそれぞれ１つの位相に対応してもよい。外部導体又は導体とも呼ばれる位相は、駆動中に高圧下にあり中性線ではない各導電性の構成要素であってもよい。公知の多相方式は、一般に位相ごとに、同一の対称的な電力を提供する。これに対して、本発明に係る方法、バッテリ、及び車両によって、位相における様々な電力、即ち非対称な電力が可能となる。
更なる別の実施形態によれば、ｎ＝３個のバッテリモジュール線は三相方式を形成し、この三相方式は、誘導機として構成された負荷に接続可能である。誘導機、例えば従来の電動機は、三相交流電流のために３個の接続部を有することが多い。バッテリは、特に三相方式を形成し、その３つのバッテリモジュール線はそれぞれ、このような誘導機の３つの接続部に接続可能である。これにより、本発明に係る方法、及びバッテリは、従来の三相交流電動機との有利な互換性を可能にする。
本発明に係るバッテリを備えた車両の構成は、車両駆動システムの信頼性を改善することが可能であり、バッテリモジュール線が非対称的に放電可能であるため、バッテリモジュールの何らかの故障等にも関わらずより対応範囲が大きくなる。
本発明の実施形態が、図面及び以下の明細書の記載によって詳細に解説される。
従来技術で公知の駆動システムを示す。 従来技術で公知のバッテリを示す。 本発明に係るバッテリを制御する方法を示す。 本発明に係るバッテリを示す。 公知の対称的な電圧のグラフを示す。 公知の対称的な電流のグラフを示す。 公知の対称的な出力電位のグラフを示す。 公知の対称的な電力のグラフを示す。 本発明に係る非対称的な出力電位のグラフを示す。 本発明に係る非対称的な電力のグラフを示す。
図３には、バッテリ３００を制御する方法が示されている。バッテリ３００は、３つのバッテリモジュール線３０２を有する。バッテリモジュール線３０２はそれぞれ、複数のバッテリモジュール３０４を有する。
各バッテリモジュール線３０２は、外部導体又は相導体とも呼ばれる１つの位相として定義されうる。従って、この３つのバッテリモジュール線３０２は三相方式を形成する。各バッテリモジュール線３０２は、振幅と位相位置を有する相電圧、即ち交流電圧、及び、個別電力を伝達する。
バッテリモジュール線３０２は、３つの接続線を介して、負荷を形成する電動機Ｍと接続される。その際に、バッテリ３００を制御する方法は、以下の工程を含む。
バッテリ３００に接続された電動機Ｍには、予め決められた基本的に一定の総電力が供給される。総電力は、バッテリモジュール線３０２の３つの個別電力の和に相当する。
本発明の更なる別の工程は、３つの相電圧のうちの、２つのバッテリモジュール線３０２にそれぞれが存在する２つの相電圧を、予め設定された総電力、電動機Ｍの電気的挙動、及び第３のバッテリモジュール線の、振幅と位相を有する第３の相電圧の決定によって設定することと、を含む。その際に、出力される３つの個別電力は互いに非対称的である。
個別電力の非対称性によって、例えばバッテリモジュール３０４のバッテリセル内の低い充電状態によって低いレベルにその相電圧が設定された、第３の位相又は第３のバッテリモジュール線３０２の低さが補正される。第１の位相及び第２の位相は、第３の位相の低い充電状態を補正し、その際に、第１の位相及び第２の位相が放電され、図３で２つの矢印３０６で示されるように、エネルギーが電動機Ｍを介してより弱い第３の位相へと流れ、即ち第３の位相が充電される。これにより、バッテリ３００の安全性及び信頼性が向上する。さらに、出力が最も低い位相にその総電力が依存しないため、バッテリ３００のエネルギーが良好に利用されうる。
図４には、複数のバッテリモジュール４０２を含むバッテリ４００が示されており、直列に接続された各４個のバッテリモジュール４０２が、３つのバッテリモジュール線４０４、４０６、４０８のうちの１つを形成している。各バッテリモジュール４０２は、インバータとして機能しバッテリモジュール４０２を互いに結合する結合ユニット（図示せず）を備える。各結合ユニットは、リチウムイオンバッテリセル（図示せず）の直流電圧を、平均して交流電圧に変更する。交流電圧は、パルス幅変調の形態により直流電圧を刻むことによって生成される。正のリチウムイオンバッテリセル電圧に相当する出力電圧レベル＋Ｕｍｏｄ、０ボルト、及び、負のリチウムイオンバッテリセル電圧に相当する−Ｕｍｏｄが生成される。
３つのバッテリモジュール線４０４、４０６、４０８は、三相方式を形成する。２つのバッテリモジュール線４０４、４０６、４０８の間の電圧は、図４に示されるように、線間電圧又はライン間電圧Ｕｌ１、Ｕｌ２、Ｕｌ３として定義される。各バッテリモジュール線は、線電流ｉｓ１、ｉｓ２、又はｉｓ３を伝達する。各バッテリモジュール線４０４、４０６、又は４０８の直列接続された４個のバッテリモジュール４０２を介して存在する電圧は、相電圧又は出力電位Ｕｐ１、Ｕｐ２、又はＵｐ３として定義される。
図５〜図８には、三相方式のための従来の制御方法の出力値のグラフが示されており、この従来の例について、有効電力が負荷へと出力される。図９及び図１０には、本発明の一実施例に係る制御方法の出力値のグラフが示されている。
図５〜図１０に示されるグラフの水平方向のＸ軸はそれぞれ、０〜３６０度の位相角を表している。
図５には、３つの線間電圧Ｕｌ１、Ｕｌ２、Ｕｌ３の従来の推移が示されている。この３つの線間電圧は正弦波形状をしており、及び、同じ振幅を有し、及び、互いに１２０度ずつ位相がずれており、即ち対称的である。図６には、３つの線電流ｉｓ１、ｉｓ２、及びｉｓ３の従来の推移が示されている。この線電流も正弦波形状をしており、及び、同じ振幅を有し、及び、互いに１２０度ずつ位相がずれており、即ち対称的である。同じ公知の形態において、図７の相電圧又は出力電位Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｕｐ３が推移しており、即ち、それぞれが同じ振幅で、１２０度の位相のずれがある。従来の制御方法では、これにより、１２０度の位相のずれ及び同じ振幅を有する正弦波形状の個別電力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３が伝達され、即ち、個別電力も対称的である。個別電力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３の和が、負荷への一定の総電力となる。
図９及び図１０には、一定の総電力Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３を実現する方法が示されている。その際に、個別電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は非対称的である。図１０では、Ｐ１は、総電力の１０％であり、Ｐ２は総電力の３０％であり、Ｐ３は総電力の６０％である。本方法によって、相電圧又は出力電位Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｕｐ３が設定される。相電圧又は出力電位Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｕｐ３はもはや、図７のような同じ振幅ではなく、１２０度の対称的な位相のずれもない。
ｎ個の位相のために、記載された方法を同じように実施することが可能であり、以下のように一般的に記載することが可能である。所望の線間電圧を設定するためには、自由に設定可能なｎ−１個の相電圧が必要であり、即ち、相電圧は、値及び位相又は振幅及び位相位置について任意に予め設定可能である。この両方の自由度によって、線間電圧及び導体に接続された負荷により決定される所与の電力出力において２つの電力値が自由に設定される。従って、例えば、有効電力を２つの位相で任意に設定することが可能であり、例えば任意の電力出力又は電力消費も２つの位相で設定される。１個の相電圧が、電力の事前設定によって、振幅及び位相位置について決定される場合には、ｎ−１個の残りの位相の相電圧が、予め設定された線間電圧を介して設定される。従って、設定される残りの電力値は、所与の総電力を介して設定される。

Claims (9)

  1. 複数のバッテリモジュール（３０４；４０２）を有するｎ個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）を含むバッテリ（３００；４００）を制御する方法であって、バッテリモジュール（３０４；４０２）は、電圧変換器として機能し前記バッテリモジュール（３０４；４０２）を互いに結合する結合ユニットを有し、ｎは自然数であり２と等しく又は２より大きく、前記方法は、以下の工程、即ち、
    −前記バッテリ（３００；４００）に接続された負荷（Ｍ）に、予め決められた基本的に一定の総電力を供給する工程であって、前記総電力は、ｎ個の前記バッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）のｎ個の個別電力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の和に相当する、前記供給する工程と、
    −前記総電力及び前記負荷（Ｍ）によって、並びに、ｎ番目のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）の、振幅及び位相位置を有する相電圧（Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｕｐ３）の決定によって、ｎ−１個の前記バッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）それぞれのｎ−１個の相電圧（Ｕｐ１、Ｕｐ２、Ｕｐ３）を設定する工程であって、ｎ個の前記個別電力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の少なくとも２つは互いに非対称的である、前記設定する工程と、
    を含む、方法。
  2. 前記ｎ個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）のうちの１つが、前記負荷（Ｍ）を介して、前記他のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）によって充電される、請求項１に記載の方法。
  3. 複数のバッテリモジュール（３０４；４０２）を有するｎ個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）を備えるバッテリ（３００；４００）であって、バッテリモジュール（３０４；４０２）は、電圧変換器として機能し前記バッテリモジュール（３０４；４０２）を互いに結合する結合ユニットを有し、ｎは自然数であり２と等しく又は２より大きく、前記バッテリ（３００；４００）は、接続された負荷に、予め決められた基本的に一定の総電力を供給し、前記総電力は、ｎ個の前記バッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）のｎ個の個別電力（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の和に相当し、前記バッテリ（３００；４００）は、先行する請求項のいずれか１項に記載の方法を実施するよう構成される、バッテリ（３００；４００）。
  4. 前記結合ユニットは、正のバッテリモジュール電圧（＋Ｕｍｏｄ）及び０ボルトの電圧が選択的に出力可能であるように、又は、正のバッテリモジュール電圧（＋Ｕｍｏｄ）、負のバッテリモジュール電圧（−Ｕｍｏｄ）、及び、０ボルトの電圧が出力可能であるように構成される、請求項３に記載のバッテリ（３００；４００）。
  5. 前記ｎ個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）は、多相方式を形成し、バッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）はそれぞれ１つの位相に対応する、請求項３又は４のいずれか１項に記載のバッテリ（３００；４００）。
  6. ｎ＝３個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）は三相方式を形成し、前記三相方式は、誘導機として構成された負荷（Ｍ）に接続される、請求項３〜５のいずれか１項に記載のバッテリ（３００；４００）。
  7. 前記バッテリモジュール（３０４；４０２）は、前記結合ユニットにより接続された少なくとも１つのバッテリセル、特にリチウムイオンバッテリセルを含む、請求項３〜６のいずれか１項に記載のバッテリ（３００；４００）。
  8. 前記ｎ個のバッテリモジュール線（３０２；４０４、４０６、４０８）の前記バッテリモジュール（３０４；４０２）はそれぞれ直列に接続される、請求項３〜７のいずれか１項に記載のバッテリ（３００；４００）。
  9. 車両を駆動するための電動機（Ｍ）と、前記電動機（Ｍ）と接続された請求項３〜８のいずれか１項に記載のバッテリ（３００；４００）と、を備えた車両。
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