JP2018521625A - 個々のモジュール、電気的変換器システム、および電池システム - Google Patents

個々のモジュール、電気的変換器システム、および電池システム Download PDF

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Abstract

本発明は、電気的変換器システム（４０）または電池システム（５０）を提供するための個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）に関し、当該個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）は、同じタイプの少なくとも１つの第２の個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）と相互接続し、個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）は、少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）と、少なくとも５つの内部スイッチング素子（１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８）と、個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）の第１および第２の側のそれぞれに少なくとも２つの接続（１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂ）とを含み、少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）は第１の側の少なくとも２つの接続（１４ａ、１４ｂ）のうちの少なくとも１つへ直接接続され、内部スイッチング素子（１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８）は、内部スイッチング素子が、同じタイプの少なくとも１つの第２の個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）の当該内部スイッチング素子（１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８）のスイッチング状態とは独立に、少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）と少なくとも１つの第２の個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）の少なくとも１つのエネルギー貯蔵器（１２）との間の電気的接続を動的に切り替えるためにすべてのスイッチング状態を実現できるようなやり方で配置され、接続される。本発明はさらに電気的変換器システム（４０）と電池システム（５０）とに関する。

Description

本発明は、電気的変換器システムまたは電池システムを提供するための個々のモジュールに関し、また当該電気的変換器システムと当該電池システムとに関する。
従来の電池は例えば個々のセルまたは部分的電池などの個別部分を含むハードワイヤードユニットであり得る。このような電池は本質的に、出力においてＤＣ電圧を提供する。しかし、多くの負荷は例えば特定の周波数、振幅、および／または位相を有するＡＣ電圧を必要とする。さらに、ＤＣ電圧は充電状態の間一定ではない。電池へ接続された負荷をピーク電圧と充電終了電圧との両方において動作させるために、そして要求電力を引き出すことができるために、負荷は複雑な供給回路を有する必要がある。
負荷により必要とされる電圧が電池電圧から著しく逸脱すれば、回路は、所謂低変調指数の結果、負荷に供給される出力電圧の高損失と高歪みを引き起こす。電気的駆動機構を有するモータ車両では、特に低速度において通常、低振幅を有するＡＣ電圧を必要とする電気的駆動機構に懸念がある。パルス幅変調により通常引き起こされる歪みは、モータの設けられた絶縁をさらに妨げ、したがってモータの寿命に悪影響を及ぼす。
追加要因は、電池セルの物理的および化学的振る舞いの変動の理由で、電池セルの一様な充電状態を可能にするためには電池セルの複雑な監視が提供される必要があるということである。
例えば、電池の個々のセルに欠陥があれば、通常、全電池が使用不可能になる。車両の場合、このとき車両の完全故障を考慮に入れる必要がある。欠陥のある電池部が過熱しないために、そして場合によりさらなる負荷で着火すらしないために、遮断が能動的に強いられる必要さえあるかもしれない。
負荷により必要とされる出力電圧を提供するために、電力変換器が供給回路として使用される。様々な種類の電力変換器が、直流を交流へ変換する働きをする（インバータ）、交流を直流へ変換する働きをする（整流器）、またはＡＣ電圧の周波数および振幅を適合化する働きをする（変換器）。したがって、電力変換器は異なるトポロジーを有し得る。
代替的に、電力変換器を使用する代わりに、負荷により必要とされるＡＣ電圧はまた、当該電池の相互接続を動的に切り替えることにより生成される可能性がある。この場合、電池のエネルギー蓄積器が並列相互接続および／または直列相互接続のいずれかで存在するようにスイッチング素子が動的に切り替えられる。このような電池は切り替え型電池（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ）と呼ばれる。以前の変換器とは対照的に、ここでは、提供されるべき変調指数すなわち当該周波数変調の固有値がすべての振幅に対して最大に維持され得る。さらに、損失は、実効内部抵抗が切り替え型電池の電池部の並列相互接続の結果として低下するので、低電圧においてさらに低下する。さらに、エネルギー蓄積器が並列相互接続と直列相互接続間を、行きつ戻りつ切り替えられ得る切り替え型電池は、２つの構成の電圧間の段差が非常に小さく維持され得るので、ほぼ歪無し出力電圧を生成する。さらに、変調は、さらなる平滑化を行うためにこのような電圧間で変調を切り替えることにより行われ得る。
電力変換器のサブタイプである電気的変換器はＤＣ電圧をＡＣ電圧へ変換する。電気的変換器のトポロジーは例えば独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０５２ ９３４ Ａ１号明細書と独国特許出願公開第１０ ２０１１ １０８ ９２０ Ｂ４号明細書から知られている。
独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０５２ ９３４ Ａ１号明細書は同じタイプの少なくとも２つの直列相互接続型の個々のモジュールを有する電気的変換器システムについて記載している。個々のモジュールは、少なくとも４つの内部スイッチング素子、少なくとも１つのエネルギー蓄積素子、および少なくとも４つの端子を含み、そのうちの２つの端子がそれぞれ第１および第２の端子対を形成する。各個々のモジュールの内部スイッチング素子は、各端子対の一方または両方の端子をエネルギー蓄積素子へ任意選択的に接続し得るように具現化される。少なくとも２つの個々のモジュールの直列相互接続のそれぞれの個々のモジュールのスイッチング素子は、エネルギー蓄積素子が直列または並列に任意選択的に接続されるように、それぞれのエネルギー蓄積素子を直列相互接続の端子へ接続する。
独国特許出願公開第１０ ２０１１ １０８ ９２０ Ｂ４号明細書はこの手法を継続し、同じタイプの少なくとも２つの直列接続モジュールを含む電気的変換器システムについて同様に記載しており、ここでは直列接続モジュールはブリッジ分岐を形成する。モジュールは少なくとも１つのモジュールキャパシタとスイッチング素子とを含む。エネルギー蓄積装置毎に少なくとも１つのインダクタンスを有する中間モジュールが、モジュールと直列接続モジュールの少なくとも下流側モジュールとの間に接続される。
上述の変換器の場合、２つのモジュールの内部スイッチング素子のスイッチング状態の組み合わせがモジュールの様々な相互接続を可能にする。その目的のために、内部スイッチング素子が短絡を回避するために正確に併せて（すなわち同時に）切り替えられる必要がある。
他の回路は、同一電位でおよび／または同時に駆動される必要があるすべてのスイッチング素子を単一モジュールに取り込むことができない。既に知られているこれらの他の回路の場合、対照的に、複数のモジュールが正確に同時に（すなわち、多くの電子回路内で温度差の理由で発生するそれぞれの動作時間分散より著しく短い１００ナノ秒（ｓｉｃ．）の時間範囲内で）駆動される必要がある。これは必要とされる同期の高い費用を引き起こす。
独国特許出願公開第１０ ２０１０ ０５２ ９３４ Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０ ２０１１ １０８ ９２０ Ｂ４号明細書
本発明は、相互接続される個々のモジュール内のスイッチング素子の正確に同時切り替えの必要性を回避することを目的とする。
この目的は独立請求項に請求される個々のモジュール、変換器システムおよび電池システムにより本発明に従って達成される。本発明の構成はそれぞれの従属請求項と明細書とから収集され得る。
以後そして本説明の過程で、「電池部」は個々のセルを意味するものと理解されるが、また、複数のセルの相互接続（例えば、複数のセルを有する別の電池と相互接続される複数のセルを有する電池）を意味するものと理解される。
以後そして本説明の過程で、ＤＣ電圧だけを使用する一次電池、二次電池、任意のタイプのキャパシタ、およびエネルギー源とエネルギー蓄積器は「電池」であると見なされる。
本発明による個々のモジュールは同じタイプの少なくとも１つの第２の個々のモジュールとの相互接続に役立つ。同じタイプの少なくとも２つの個々のモジュールの相互接続は、本発明による電気的変換器システムまたは本発明による電池システムをそれぞれ提供するように意図されている。
本発明による個々のモジュールは、少なくとも１つのエネルギー蓄積器と、少なくとも５つの内部スイッチング素子と、個々のモジュールの第１および第２の側のそれぞれに少なくとも２つの端子と、を含む。エネルギー蓄積器は第１の側の少なくとも２つの端子のうちの少なくとも１つへ直接接続される。内部スイッチング素子は、同じタイプの少なくとも１つの第２の個々のモジュールの当該内部スイッチング素子のスイッチング状態とは独立に、少なくとも１つのエネルギー蓄積器と少なくとも１つの第２の個々のモジュールの当該の少なくとも１つのエネルギー蓄積器との間の電気的接続を動的に切り替えるためのすべてのスイッチング状態を実現し得るように、配置され、相互接続可能である。
同じタイプの少なくとも１つの第２の個々のモジュールを有する本発明による個々のモジュールの相互接続の場合、それぞれの個々のモジュールの制御は従来技術から知られたモジュールの相互接続と比較して大いに簡略化される。ここでは、それぞれの個々のモジュールが完全に非同期にまたは無秩序に切り替えられることさえ可能である。
ほとんどの電気的スイッチング素子（特にトランジスタ）はそれ自身の電位（例えば、所謂ソース電位）に対して電気的に駆動される必要がある。これは、複数の駆動配置（例えば多様なトランジスタのゲートドライバ）が別個の電圧供給器（例えば、絶縁電圧供給器またはブートストラップ供給器）を介し提供される必要があるという影響がある。同じ個々のモジュール上に位置するスイッチング素子については、本発明による個々のモジュールの場合のように、駆動は最小限の異なる電位により行われ得る。
同じ個々のモジュール上に位置するスイッチング素子は正確なタイミングでもって（すなわち十分な同時性でもって）駆動され得る。対照的に、スイッチング素子が時間遅延をもって活性化または非活性化されれば、必然的にこの場合がそうであるように、例えば従来技術から知られた他の解決策では、高損失が分流の理由でまたはそうでなければ切り替えの意図的減速の理由で発生し得る。
本発明による個々のモジュールの一実施形態では、内部スイッチング素子は低電圧半導体スイッチング素子である。換言すると、設計されたスイッチング素子の最高電圧は、複数の個々のモジュールから構築されたシステムの全電圧より著しく低く、例えば、スイッチング素子が関連付けられ個々のモジュールのエネルギー蓄積器により定義される個々のモジュールの最高電圧である。
これは、本発明によると、少なくとも１つのエネルギー蓄積器と少なくとも１つの第２の個々のモジュールの当該の少なくとも１つのエネルギー蓄積器との間の電気的接続を動的に切り替えるすべてのスイッチング素子が同じ個々のモジュール上に位置するので可能である。したがって、スイッチング素子は低電圧用としてだけ設計される必要があり、民生電子機器から知られた安価な低電圧部品が使用され得る。低電圧部品とは対照的に、現在慣習的に使用される高電圧半導体スイッチング素子は極少数だけ製造され、その結果、比例的高価であるどころではなく高い。最近のＭＯＳＦＥＴ部品（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの略称）は、その動作曲線が電流−電圧図の零点を通って線型に進み、したがってＭＯＳＦＥＴ部品は電圧オフセットを有しなく、その結果、ＭＯＳＦＥＴは非常にうまく並列に接続され得るので、本発明による個々のモジュールの実施形態の使用に特に理想的である。
さらに、本発明による少なくとも１つの個々のモジュールを使用する本発明による電気的変換器システムと、本発明による少なくとも１つの個々のモジュールを使用する本発明による電池システムとが提供される。
本発明の別の利点および構成は明細書と添付図面から明白である。
上述の特徴と以下にさらに説明されるものは本発明の範囲から逸脱することなくそれぞれ示された組み合わせでだけでなく他の組み合わせでまたはそれ自身で使用され得るということは言うまでもない。
本発明は添付図面内の実施形態に基づき概略的に示され、添付図面を参照して概略的および詳細に説明される。
２象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの１つの例示的実施形態を示す。 ４象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 冗長負荷経路を有する本発明による個々のモジュールの一実施形態を示す。 本発明による複数の個別モジュールの１つの例示的相互接続を示す。 ２象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 ２象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 ２象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 冗長負荷経路を有する２象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 冗長負荷経路を有する２象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 冗長負荷経路を有する２象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 冗長負荷経路を有する２象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 ４象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 ４象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。 ４象限モジュールを表す本発明による個々のモジュールの別の例示的実施形態を示す。
添付図面は相互に関連付けられかつ包括的なやり方で説明されることになる。同一参照符号は同一部品を表す。
図１を参照し、本発明による個々のモジュール１０の一実施形態について説明する。示された個々のモジュール１０は第１の側（図１の左側）に２つの端子１４ａ、１４ｂを含む。個々のモジュール１０は第２の側（図１の右側）に２つの別の端子１８ａ、１８ｂを含み、その結果、個々のモジュール１０は合計４つの端子１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂを含む。一方の側の端子１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂはそれぞれ端子対を形成するように構成される。端子対すなわち端子１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂは、個々のモジュール１０を隣接する個々のモジュール１０へ、または個々のモジュールを並列に接続するとともに側列（ｓｉｄｅ ｓｔｒｉｎｇ）を形成するためのノードへ、電気的に接続するために役立つ（図４）。
エネルギー蓄積器１２は第１の側の端子１４ａ、１４ｂ間に接続される。エネルギー蓄積器１２は２つの端子１４ａ、１４ｂのうちの少なくとも１つへ直接接続される。電気的ヒューズおよび／またはスイッチング素子などがエネルギー蓄積器１２の上流側および／または下流側で直接接続され得るということが考えられる。
さらに、本発明による個々のモジュール１０は少なくとも５つのスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−７、１６−８を含む。スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−７、１６−８は、本発明による個々のモジュール１０のエネルギー蓄積器１２を、図示しない同じタイプの隣接する個々のモジュールの当該エネルギー蓄積器と並列にまたは直列に相互接続し得るように、またはエネルギー蓄積器１２をブリッジし得るように、第１の側の端子１４ａ、１４ｂを第２の側の端子１８ａ、１８ｂへ接続するとともに相互接続可能であるように配置される。換言すると、隣接する個々のモジュールの２つのエネルギー蓄積器間の様々なスイッチング状態（並列接続、直列接続、ブリッジング、非活性状態）に必要とされるすべてのスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−７、１６−８は個々のモジュール１０上に存在する。その結果、スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−７、１６−８は、スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−７、１６−８間の最小電位差でもって駆動され得る。これにより、スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−７、１６−８が低電圧スイッチング素子として設計されることを可能にし、その結果、例えば、民生電子機器から知られた安価なＭＯＳＦＥＴ半導体スイッチング素子がスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−７、１６−８に使用され得る。さらに、スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−７、１６−８は正確なやり方で同時に活性化され得る。
図１において、第１の側の端子１４ａはスイッチング素子１６−１、１６−２を介し第２の側の端子１８ａへ接続され得る。端子１４ａはスイッチング素子１６−３を介し第２の側の端子１８ｂへ接続され得る。第１の側の端子１４ｂはスイッチング素子１６−７、１６−８を介し第２の側の端子１８ｂへ接続され得る。したがって、エネルギー蓄積器１２と隣接する個々のモジュールの当該エネルギー蓄積器間の電気的接続を動的に切り替えるためのすべての論述されたスイッチング状態を実現することが可能である。
個々のモジュール１０のエネルギー蓄積器１２を同じタイプの隣接する個々のモジュールの当該エネルギー蓄積器と並列に接続するために、例えばスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−７、１６−８が閉じられる必要がある。したがって、端子１４ａは端子１８ａへ電気的に接続され、端子１４ｂは端子１８ｂへ電気的に接続される。この例では、スイッチング素子１６−３は開放スイッチング状態である。
個々のモジュール１０のエネルギー蓄積器１２を同じタイプの隣接する個々のモジュールの当該エネルギー蓄積器と直列に接続するために、例えばスイッチング素子１６−３だけが閉じられる必要がある。スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−７、１６−８は開放スイッチング状態である必要がある。
個々のモジュール１０のエネルギー蓄積器１２のブリッジングを切り替えるために、すなわちバイパス相互接続を生じるために、例えばスイッチング素子１６−１、１６−２だけが閉じられる必要がある。この場合、スイッチング素子１６−３、１６−７、１６−８は開放スイッチング状態である必要がある。バイパス相互接続を生じる第２の可能性は、スイッチング素子１６−１〜１６−３が開いている間にスイッチング素子１６−７、１６−８だけが閉じられることである。
図２は、本発明による個々のモジュール２０の別の実施形態を示す。１つのエネルギー蓄積器１２と４つの端子１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂとを含む図２の個々のモジュール２０の基本構造は図１の個々のモジュール１０のものと同一である。しかし、個々のモジュール２０は６つのスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−５、１６−６、１６−７を含む。さらに、端子１４ａ、１４ｂは端子１８ａ、１８ｂへ接続され得、すべての必要とされるスイッチング状態（並列、直列、バイパス相互接続、非活性状態）が設定され得る。スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−５、１６−６、１６−７の様々な配置により、特定のスイッチング状態が他のスイッチング状態に比べてその損失に関し最適化され得、したがって当該アプリケーションの個々のモジュール２０の個々の適応化を可能にし得る。
個々のモジュール２０のエネルギー蓄積器１２を隣接する個々のモジュールと並列に接続するために、例えば、スイッチング素子１６−１、１６−２および１６−５、１６−６が閉じられる。スイッチング素子１６−３、１６−７はこのとき開放スイッチング状態である。
エネルギー蓄積器１２と隣接する個々のモジュールの当該エネルギー蓄積器との直列相互接続を実現するために、例えば、スイッチング素子１６−３、１６−６が閉じられ、スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−５、１６−７は開放となる。エネルギー蓄積器１２と隣接する個々のモジュールの当該エネルギー蓄積器との直列相互接続の別の可能性はスイッチング素子１６−２、１６−７を閉鎖スイッチング状態にすることと、スイッチング素子１６−１、１６−３、１６−５、１６−６を開放スイッチング状態にすることであろう。これは、以下にさらに詳細に説明されるように、それぞれが異なる極性を有するが４象限モジュールの特性を構成するエネルギー蓄積器１２の直列相互接続の２つの可能性を提供する。
個々のモジュール２０のエネルギー蓄積器１２のバイパス相互接続は、スイッチング素子１６−３、１６−５〜１６−７が開いているときにスイッチング素子１６−１、１６−２を閉じることにより実現され得る。別のバイパス相互接続は、スイッチング素子１６−５、１６−６が閉じられスイッチング素子１６−１〜１６−３、１６−７が開いていれば実現される。
図３は、本発明による個々のモジュール３０のさらに別の実施形態を示す。４つの端子１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂと１つのエネルギー蓄積器１２とを含む構造は図１と図２において既に説明されたトポロジーにほぼ対応する。示された実施形態では、本発明による個々のモジュール３０は今や８つのスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８を含む。したがって、端子１４ａ、１４ｂの端子１８ａ、１８ｂへの電気的接続については、各場合に、接続毎に２つの負荷経路が利用可能である（すなわち１４ａ−１８ａ、１４ａ−１８ｂ、１４ｂ−１８ａ、１４ｂ−１８ｂ）。これにより、スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８がより低い電流容量に対して設計されることができるようにする。
図３に示すスイッチング素子は、エネルギー蓄積器１２と同じタイプの隣接する個々のモジュールの当該エネルギー蓄積器との間のほぼすべての接続のための２つの並列経路を許容する（例えば図４に示すように）。スイッチング素子はそれに応じて並列に使用される。しかし、上述の図１と図２に示すスイッチング素子は複雑性を低減するために削除され得る。次に、残りのスイッチング素子は、それに応じたより大きな半導体により実現されるべきであるが、これは同じ電流容量を可能にするためである。半導体の適切な選択により、それらの損失に関する特定スイッチング状態を他のスイッチング状態に比べて最適化することが可能である。
この点に関し、スイッチング素子１６−１、１６−２は、スイッチング素子１６−３、１６−４により形成される経路と並列でありかつ同じ標的に（すなわち、方向に依存して端子１４ａまたは端子１８ａに）至る経路を形成する。スイッチング素子１６−５、１６−４は、スイッチング素子１６−７、１６−２により形成される経路と同じ標的へ（すなわち、方向に依存して端子１４ｂまたは端子１８ａへ）至る経路を形成する。スイッチング素子１６−１、１６−８は、スイッチング素子１６−３、１６−６により形成される経路と同じ標的へ至る経路を形成する。さらに、スイッチング素子１６−７、１６−８は、スイッチング素子１６−５、１６−６により形成される経路と並列でありかつ同じ標的へ（すなわち、方向に依存して端子１４ｂまたは１８ｂへ）至る経路を形成する。
削除の際には、任意のスイッチング素子が今や削除され得る。しかし、接続が依然として、残りのスイッチング素子を介し各端子から各他の端子へ生成され得るように、削除されるべき第２のスイッチング素子が選択されるべきである。これは一連の低減された回路を生じ、例えばそのうちの２つが上述の図１と図２と以下に述べられる図５〜図１４に示される。低減された回路は２象限モジュールと４象限モジュールとの２つのタイプのモジュールを実質的に可能にする。
２象限モジュールは、２つの隣接する個々のモジュールの蓄積器同士の任意のタイプの相互接続（すなわち、蓄積器の並列相互接続、蓄積器のバイパス相互接続および蓄積器の直列相互接続）を許容する。しかし、蓄積器の直列相互接続の場合、２象限モジュールはただ１つの極性方向を可能にする。結局、正電圧と０Ｖだけがモジュール列内に生成され得る。２象限モジュールでは、逆並列スイッチの無いそれらのスイッチのフリーホイールダイオードが少なくとも一方向の制御不能電流流れを許容する。利点として、必要な半導体の数とオーム損失（伝導損）は４象限モジュールの場合より著しく低い。これはさらに、負荷を通る逆電流が生じれば、制御不能短絡を生じ得る（例えば、誘導負荷の場合）、または、システム（例えば、Ｍａｒｑｕａｒｄｔマクロトポロジィを有する）が複数の端子（例えば、直流、交流または三相電流を有する様々なエネルギーグリッド）間の変換器として働き、前記端子のうちの１つは短絡され、その結果、当該ダイオードを介した短絡が別の端子における短絡を伴い得る。
４象限モジュールは同様に、２象限モジュールのように蓄積器の任意のタイプの相互接続を許容する。しかし、４象限モジュールは、蓄積器の直列相互接続の場合には両方の極性を許容する。結局、個別モジュールの極性を隣接する個々のモジュールに対して反転することが可能である。さらに、４象限モジュールは、短絡が無いという有利性を有する。特に列またはそうでなければ相モジュールの負荷が短絡すれば、各電流経路は、逆並列スイッチのおかげで原理的に両方向の電流流れの制御を許容する。
図５は、図１からのモジュール１０の構造を実質的に有するモジュール６０を示す。スイッチング素子１６−３は、スイッチング素子１６−６により単に置換されたが、後者は同じ電流経路上にある。したがって、モジュール６０もまた２象限トポロジーを有し、図１からのモジュール１０と同じ機能を可能にする。
図６と図７は、本発明によるさらに個々のモジュールを示す。モジュール７０は５つのスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−５、１６−７、１６−８を含む。モジュール８０は５つのスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−４、１６−７、１６−８を含む。モジュール１０（図１）、６０（図５）と比較し、反対極性はエネルギー蓄積器の直列相互接続の場合に可能にされる。残りについては、モジュール７０、８０の構造は既に説明された実施形態と同一である。
図６と図７において、並列相互接続とバイパス相互接続はモジュール１０、６０のスイッチング状態に対応する。図６において、エネルギー蓄積器１２の直列相互接続は、スイッチング素子１６−１、１６−２と１６−７、１６−８とが開いているときにスイッチング素子１６−５を閉じることにより実現され得る。図７において、前記直列相互接続は適切にスイッチング素子１６−４を閉じることにより実現される。
図８は、本発明による別の２象限モジュール９０を示す。モジュール９０は６つのスイッチング素子１６−２〜１６−５と１６−７、１６−８を含む。この個々のモジュール９０はまた、隣接するエネルギー蓄積器のすべてのタイプの相互接続を可能にし得る。隣接するエネルギー蓄積器の並列相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−３、１６−４と１６−７、１６−８が閉じられる。スイッチング素子１６−２、１６−５は並列相互接続のために開いている。隣接するエネルギー蓄積器１２の直列相互接続では、例えば、スイッチング素子１６−４、１６−５が閉じられ、スイッチング素子１６−２、１６−３、１６−７、１６−８は開いている。別の直列相互接続は、スイッチング素子１６−３〜１６−５、１６−８が開いているときにスイッチング素子１６−２、１６−７を閉じることにより実現される可能性がある。直列相互接続の第３の可能性は、上述の２つの代替案の組み合わせにより（すなわち、スイッチング素子１６−３、１６−８が開いているときにスイッチング素子１６−２、１６−７、１６−４、１６−５を閉じることにより）提供される。バイパス相互接続については、モジュール９０の一方の側からモジュール９０の反対側への経路を可能にすることだけが必要であり、その結果、複数のスイッチング状態がこの相互接続のために可能である。一例として、スイッチング素子１６−３、１６−４は、残りのスイッチング素子１６−２、１６−５、１６−７、１６−８が開いている間閉じられる可能性がある。しかし、スイッチング素子１６−７、１６−８もまた、残りのスイッチング素子１６−２〜１６−５が開いている間閉じられる可能性がある。
図９〜図１１は、エネルギー蓄積器１２の想定された相互接続をそれぞれのスイッチング素子の適切なスイッチング状態により可能にする可変配置の６つのスイッチング素子を含む別の２象限モジュール１００、１１０、１２０を示す。
図９において、直列相互接続は、残りの当該スイッチング素子が開いているときにスイッチング素子１６−１、１６−８および／またはスイッチング素子１６−３、１６−６を閉じることにより実現される可能性がある。並列相互接続は、例えばスイッチング素子１６−１、１６−６が開いている間にスイッチング素子１６−３、１６−４、１６−７、１６−８を閉じることにより実現される可能性がある。バイパス相互接続は、例えば残りの当該スイッチング素子が開いている間にスイッチング素子１６−３、１６−４または１６−７、１６−８を閉じることにより実現される可能性がある。
図１０では、直列相互接続は、残りの当該スイッチング素子が開いているときにスイッチング素子１６−１、１６−８および／またはスイッチング素子１６−３、１６−６を閉じることにより実現される可能性がある。並列相互接続は、例えばスイッチング素子１６−３、１６−８が開いている間にスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−５、１６−６を閉じることにより実現される可能性がある。バイパス相互接続は、例えば残りの当該スイッチング素子が開いている間にスイッチング素子１６−１、１６−２または１６−５、１６−６を閉じることにより実現される可能性がある。
図１１では、直列相互接続は、残りの当該スイッチング素子が開いているときにスイッチング素子１６−４、１６−５および／またはスイッチング素子１６−２、１６−７を閉じることにより実現される可能性がある。並列相互接続は、例えばスイッチング素子１６−４、１６−７が開いている間にスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−５、１６−６を閉じることにより実現される可能性がある。バイパス相互接続は、例えば残りの当該スイッチング素子が開いている間にスイッチング素子１６−１、１６−２または１６−５、１６−６を閉じることにより実現される可能性がある。
図２の４象限モジュール２０に加えて、図１２〜図１４は、６つのスイッチング素子を含む別の４象限モジュール１３０、１４０、１５０を示す。隣接する記憶素子の並列相互接続に関し、図１２では、例えばスイッチング素子１６−１、１６−２、１６−５、１６−６が閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−４、１６−８は開かれる可能性がある。第１の直列相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−４、１６−５が閉じられ、スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−６、１６−８は開いている。別の第２の直列相互接続は、スイッチング素子１６−１、１６−８が閉じられスイッチング素子１６−２、１６−４〜１６−６が開いていれば実現される。前記第２の直列相互接続は上述の第１の直列相互接続に対して反対極性を有する。バイパス相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−１、１６−２が閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−４〜１６−６、１６−８は開いたままに維持される可能性がある、または、スイッチング素子１６−５、１６−６だけが閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−１、１６−２、１６−４、１６−８は開かれる可能性がある。
図１３では、並列相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−３、１６−４、１６−７、１６−８が閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−２、１６−６は開かれる可能性がある。第１の直列相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−２、１６−７が閉じられ、スイッチング素子１６−３、１６−４、１６−６、１６−８は開いている。別の第２の直列相互接続は、スイッチング素子１６−３、１６−６が閉じられスイッチング素子１６−２、１６−４、１６−７、１６−８が開いていれば実現される。前記第２の直列相互接続は上述の第１の直列相互接続に対して反対極性を有する。バイパス相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−３、１６−４が閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−２、１６−６〜１６−８は開いたままに維持される可能性がある、または、スイッチング素子１６−７、１６−８だけが閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−２、１６−３、１６−４、１６−６は開かれる可能性がある。
図１４では、並列相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−３、１６−４、１６−７、１６−８が閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−１、１６−５は開かれる可能性がある。第１の直列相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−４、１６−５が閉じられ、スイッチング素子１６−１、１６−３、１６−７、１６−８は開いている。別の第２の直列相互接続は、スイッチング素子１６−１、１６−８が閉じられスイッチング素子１６−３、１６−４、１６−５、１６−７が開いていれば実現される。前記第２の直列相互接続は上述の第１の直列相互接続に対して反対極性を有する。バイパス相互接続については、例えば、スイッチング素子１６−３、１６−４が閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−１、１６−５、１６−７、１６−８は開いたままに維持される可能性がある、または、スイッチング素子１６−７、１６−８だけが閉じられる可能性があり、スイッチング素子１６−１、１６−３、１６−４、１６−５は開かれる可能性がある。
示された個々のモジュール１０、２０、３０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０は、それぞれのスイッチング素子１６−１〜１６−８のいずれも活性化されなければ（換言すると、それぞれのスイッチング素子１６−１〜１６−８がすべて開いており、それぞれのスイッチング素子１６−１〜１６−８が逆並列ダイオードを有すれば）複数の個々のモジュール１０、２０、３０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０を含むシステムでは不活性化され得る。すべてのスイッチング素子が開いていれば、電流が個々のモジュール１０、２０、３０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０に流れ込み得、個々のモジュール１０、２０、３０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０自体は互いに釣り合う。したがって、その絶対値がエネルギー蓄積器１２により提供され得る電圧の合計より大きい電圧が個々のモジュールのシステムに存在すれば、エネルギー蓄積器１２は充電される。システムに存在する電圧の極性はエネルギー蓄積器１２の電荷にとっては重要でない。
図１、図２、図５〜１４に示されたものより多くのスイッチング素子が削除されれば、いくつかのスイッチング状態（例えば、特定のアプリケーションに対し有利性を有し得る直列接続など）は省略される。
図４は、複数の個々のモジュール３０の１つの例示的相互接続を示す。複数の個々のモジュール３０の直列接続は列を形成し、その結果、複数の側列が形成され得る。この場合、様々な側列もまた互いに並列に相互配線され得る。エネルギー蓄積器１２の適切な選択により、例えばエネルギー蓄積器１２として少なくとも１つのキャパシタを使用することにより本発明による電気的変換器システム４０、またはエネルギー蓄積器１２として部分的電池群または電池セルを使用することにより本発明による相互接続可能電池システム５０、などの電力変換器システムを実現することが可能である。
換言すれば、相互接続可能電池システム５０については、本発明による複数の個々のモジュール３０が相互接続される。この場合、個々のモジュール３０は部分的電池の機能を有する。互いに相互接続されかつ相互接続において動的である複数の部分的電池３０を提供することで、これまでハードワイヤードされてきた電池をその相互接続において動的に再構成することができるようにする。部分的電池３０の少なくとも１つのエネルギー蓄積器１２は隣接する部分的電池の少なくとも１つのエネルギー蓄積器１２と並列および／または直列のいずれかで接続され得、その結果、電池５０は動作中に動的に再構成され得る。その結果、電池５０はＤＣ電圧、ＡＣ電圧または他の形式の電圧を直接提供し得る。さらに、電池５０および／または個々のモジュールまたは部分的電池３０もまた、例えば欠陥がある場合にはブリッジされ得る。特に、本発明による少なくとも２つの相互接続された部分的電池３０のエネルギー蓄積器１２は、少なくとも２つの部分的電池３０のエネルギー蓄積器１２の並列接続と、少なくとも２つの部分的電池３０の直列接続と、少なくとも２つの部分的電池３０の個々のエネルギー蓄積器のブリッジングおよびスイッチオフとの間で切り替えられ得る。
部分的電池３０の相互接続の動的再構成は、とりわけ以下の機能：すなわち、従来の電池管理を行うことができるために部分的電池３０間での電荷交換（例えば、電池の全機能を失うこと無しに欠陥部分的電池のブリッジング）と；追加の電力電子的変換器の必要無しに電池により任意の出力電圧、一時的電流および／または電圧プロファイルを直接生成することと、を組み合わせることを可能にする。

Claims (6)

  1. 電気的変換器システム（４０）または電池システム（５０）を提供するための個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）であって、当該個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）は、同じタイプの少なくとも１つの第２の個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）と相互接続し、
    前記個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）は、少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）と、少なくとも５つの内部スイッチング素子（１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８）と、前記個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）の第１および第２の側のそれぞれに少なくとも２つの端子（１４ａ、１４ｂ、１８ａ、１８ｂ）とを含み、
    前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）は前記第１の側の前記少なくとも２つの端子（１４ａ、１４ｂ）のうちの少なくとも１つへ直接接続され、
    前記内部スイッチング素子（１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８）は、前記同じタイプの少なくとも１つの第２の個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）の当該内部スイッチング素子（１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８）のスイッチング状態とは独立に、前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）と前記同じタイプの少なくとも１つの第２の個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）の前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵器（１２）との間の電気的接続を動的に切り替えるためのすべてのスイッチング状態を実現し得るように、配置され、相互接続可能である、個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）。
  2. 前記内部スイッチング素子（１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８）は低電圧半導体スイッチング素子である、請求項１に記載の個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）。
  3. 電気的ヒューズおよび／またはスイッチング素子が前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）の上流側および／または下流側に直接接続される、請求項１または２に記載の個々のモジュール（１０、２０、３０、６０、７０、．．．、１５０）。
  4. いずれの場合も、少なくとも１つの第２の電流経路が前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）と前記少なくとも１つの第２の個々のモジュール（１０）の前記少なくとも１つのエネルギー貯蔵器（１２）との間の電気的接続を動的に切り替えるためのすべての最小限必要とされる電流経路に対して存在するように、少なくとも８つの内部スイッチング素子（１６−１、１６−２、１６−３、１６−４、１６−５、１６−６、１６−７、１６−８）を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の個々のモジュール（３０）。
  5. 請求項１乃至４に記載のものと同じタイプの少なくとも２つの相互接続された個々のモジュール（１０、２０、３０）を含む電源の電気的変換器システム（４０）であって、個々のモジュール（１０、２０、３０）の前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）はキャパシタである、電気的変換器システム（４０）。
  6. 請求項１乃至４に記載のものと同じタイプの少なくとも２つの相互接続された個々のモジュール（１０、２０、３０）を含む電源の電池システム（５０）であって、個々のモジュール（１０、２０、３０）の前記少なくとも１つのエネルギー蓄積器（１２）は電池である、電池システム（５０）。
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